JPH07107596A - 超音波プローブ、これに使用される電気歪トランスデューサ及び超音波プローブの動作温度範囲拡大方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】（修正有） 【目的】 室温付近の拡大された動作温度範囲をもたら
す強誘電性固溶体で作られた超音波トランスデューサ、
これを使用する超音波プローブ、該超音波プローブの動
作温度範囲拡大方法の提供。 【構成】 トランスデューサが、式Ｉに表されるＬａド
ープのニオブ酸マグネシウム鉛とチタン酸鉛との固溶体
を主成分とする材料から製造され；トランスデューサ
が、拡大された動作温度範囲を与える。 前記トランスデューサは支持体層９上に付着された少な
くとも１つの電気歪トランスデューサ素子７からなり、
該素子は該素子内に電界を選択的に生じさせるための電
源に接続される電気接点を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波トランスデュー
サに関し、特に、好ましくは室温付近の拡大された動作
温度範囲をもたらす、リラクサー（ｒｅｌａｘｏｒ）強
誘電性固溶体で作られた超音波トランスデューサと、こ
れを使用する超音波プローブと、該超音波プローブの動
作温度範囲拡大方法とに関する。

【０００２】

【技術背景】超音波を送信及び受信する超音波トランス
デューサは、物体の内部を人間が非侵略的（ｎｏｎｉｎ
ｖａｓｉｖｅ）に見ることを可能にする。これらの超音
波トランスデューサには様々な用途があるが、主とし
て、医療診断道具として、人体の超音波撮像に使用され
る。

【０００３】超音波トランスデューサは、電気的エネル
ギーを機械的エネルギーに変換する（即ち、トランスデ
ューサに印加される電気信号が、人体内に送り込まれる
機械的音波を発生させる）ために、及び、これとは反対
に、機械的エネルギーを電気的エネルギーに逆に変換す
る（即ち、内部器官から反射した音波が、電気信号に逆
に変換され、撮像装置に送られる）ために、圧電特性を
利用する。このエネルギー変換をトランスデューサがよ
り効率的に行えば行うほど、上記電気信号が強くなる。
トランスデューサ材料の強度と感度の２つの重要な尺度
は、電気機械結合ファクター（ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ
ａｎｉｃａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）ｋ_ｔ
と誘電率Ｋである。

【０００４】医療用超音波撮像における別の重要なファ
クターは、動作温度範囲全体に亙っての応答の安定性と
再現性である。医療用トランスデューサは、室温（即
ち、約２５℃）において動作するよう意図されている。
しかし、実際には室内の温度はこれよりも遥かに低い場
合（例えば１５℃以下）もあり、また、通常の使用の間
にプローブが更に遥かに高い温度（例えば４０℃以上）
に温度上昇する可能性もある。温度の影響を受ける電気
機械的特性を有する材料でトランスデューサが作られて
いるので、こうした温度変動はトランスデューサ出力に
対して大きな影響を与える可能性がある。

【０００５】医療用途のための超音波トランスデューサ
は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスのよ
うな圧電材料から製造されてきた。更には、直流バイア
ス電圧の印加によって高度に分極させられ、且つ圧電特
性を示すことが可能な材料から、トランスデューサを製
造することも知られている。この材料は、直流バイアス
電圧の除去時には、その分極状態を失い、圧電特性を示
さなくなる。直流バイアス電圧の有無によって圧電効果
がオンオフされるという特性は、好ましくはその材料の
「強誘電性から常誘電性（ｐａｒａｅｌｅｃｔｒｉｃｉ
ｔｙ）への」相転移温度に近い温度に維持された材料に
おいて観察されることが可能である。その強誘電性相は
圧電特性を示すが、一方、常誘電性相は圧電特性を示さ
ない。上記の直流バイアス電圧依存特性を有する材料
は、本明細書では「電気歪（ｅｌｅｃｔｏｒｏｓｔｒｉ
ｃｔｉｖｅ）」材料と呼ばれる。

【０００６】従来の超音波トランスデューサは、印加直
流バイアスが除去された後に残留分極を示す圧電材料を
使用する。従って、このトランスデューサの圧電作用と
従って感度とが一定であり、温度変化に応じて容易に変
化することはない。しかし、電気歪材料を使用すること
によって、例えば、超音波ビーム走査がＸ方向に電子的
に行われ且つバイアス電圧によってＹ方向に制御される
可変アパーチャ形プローブのような用途に対してトラン
スデューサを適したものにする、制御可能な感度を有す
るトランスデューサを提供することが可能である。別の
用途は、例えば、交差アレイ電極タイプ２Ｄプローブ
（ｃｒｏｓｓｅｄ−ａｒｒａｙ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ｔｙｐｅ ２Ｄ ｐｒｏｂｅ）のような２次元アレイで
あり、この２次元アレイでは、圧電活性領域（ｐｉｅｚ
ｏ−ａｃｔｉｖｅ ｒｅｇｉｏｎ）が、直流バイアス電
界のスイッチングによって空間的及び時間的に選択され
ることが可能であり、この選択された領域が受動ポリマ
ー（ｐａｓｓｉｖｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）によって機械的
に隔離される。

【０００７】幾つかの材料グループが、電気歪トランス
デューサ用途に使用可能な候補材料として評価されてき
た。こうした材料の２つの例は、チタン酸鉛で変性され
たニオブ酸マグネシウム鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）と、チタン
酸ストロンチウムバリウム（ＢＳＴ）とを含む。これら
の個々の電気歪材料における分極と誘電率との温度依存
性が、図１と図２とに示されている。

【０００８】ＢＳＴの温度依存特性が図１に示されてい
る。ＢＳＴは「通常の」強誘電性を有する材料であり、
即ち、その誘電極大温度Ｔ_ｍａｘは分極消失温度Ｔ_ｄと
実質的に一致する。従って、Ｔ_ｍａｘを下回る温度にお
いて、ＢＳＴは、印加直流バイアスが取り除かれた後も
安定した残留分極を示す。こうした分極残留は、調節可
能な感度を有するトランスデューサを提供するという目
的の妨げとなる。Ｔ_ｍａｘを上回る温度で動作するため
には、ＢＳＴは、必要な分極を実現するために比較的強
い電界を必要とし、従って、患者の安全を考慮してトラ
ンスデューサに印加される電界を最小化することが求め
られる実際の装置に使用されることは困難である。

【０００９】別のタイプの電気歪材料は、例えば、ＰＭ
Ｎ−ＰＴのような「リラクサー」強誘電性材料である。
このリラクサー強誘電性材料では、誘電極大温度Ｔ
_ｍａｘは、分極消失温度Ｔ_ｄよりも著しく高い。従っ
て、ＰＭＮ−ＰＴタイプの材料の動作温度範囲は、図２
に示されるように、Ｔ_ｄからＴ_ｍａｘまでの間である。
ＰＭＮは、拡散相転移を有するリラクサー材料であり、
拡大された誘電極大を生じさせる。通常の強誘電性材料
であるＰＴは、リラクサーＰＭＮと共に固溶体を形成す
る。Ｔ_ｍａｘを増大させるために、ＰＴの量を増大する
ことが可能である。しかし、ＰＴ量の増大は、動作温度
範囲を拡大させずに、この動作温度範囲を単に上方にシ
フトさせるだけである。約９０モル％のＰＭＮと約１０
モル％のＰＴとを含むＰＭＮ−ＰＴ固溶体を、室温を中
心として約２５℃に亙る動作温度範囲（即ち、１５℃の
Ｔ_ｄと４０℃のＴ_ｍａｘ）を有する超音波トランスデュ
ーサにおいて使用することが提案されている。しかし、
この動作温度範囲は、遥かに低い温度の室内での使用に
は十分でなく、あるいは、デバイスが温度上昇する時に
は十分でない。

【００１０】

【発明の目的】本発明の目的は、拡大された動作温度範
囲を有し、且つ温度変化に伴った感度変動が比較的小さ
い、電気歪トランスデューサ材料を開発し、該材料によ
り製造されるトランデューサ、これを使用する超音波プ
ローブ、及び該超音波プローブの動作温度拡大方法を提
供することである。

【００１１】

【発明の概要】超音波トランスデューサ用途に非常に適
した、室温付近の幅広い動作温度範囲を有する電気歪材
料が発見されている。この材料は、選択された一連のラ
ンタンドープ（ｄｏｐｅ）ＰＭＮ−ＰＴ固溶体組成物を
含み、その結果として動作温度範囲が約４８℃に有効に
２倍にされることが可能である。このランタンドープ
は、例えば室温（２５℃）のような必要とされる動作温
度の各サイド（即ち、２５℃より高温側と低温側）に十
分なマージンを与える。上記の選択された一連の組成物
は、電気歪トランスデューサの製造に使用される従来の
材料に比較して、温度に依存した感度変動の度合いが小
さいことを可能にする。

【００１２】本発明の実施に使用するのに適した組成物
は、次の式Ｉによって示される、ランタンＬａがドープ
された、ニオブ酸マグネシウム鉛（ＰＭＮ）とチタン酸
鉛（ＰＴ）との固溶体を含む。

【００１３】

【化４】

【００１４】式Ｉ内のＰＭＮ：ＰＴの比率を表すｘを変
化させることによって、温度Ｔ_ｍａｘの変化と、最適ラ
ンタンドープ量の変化とその結果としての動作温度範囲
の変化とが得られる。室温（即ち、約２５℃）を中心と
する拡大された動作温度範囲を有するトランスデューサ
の場合には、好ましい組成物のグループが次の中から選
択される。

【００１５】（ａ）ｙが約１モル％で、ｘが約１２．５
〜１７．５モル％である。 （ｂ）ｙが約２モル％で、ｘが約１７〜２２モル％であ
る。 （ｃ）ｙが約３モル％で、ｘが約２３〜２８モル％であ
る。

【００１６】本明細書で説明される特定の好ましい組成
物の１つは、ｘ＝約１５モル％のＰＴと、ｙ＝約１モル
％のＬａとを含み、−７℃から４１℃までの４８℃に亙
る動作温度範囲を示す。

【００１７】より低い温度限界を有する別の特定の好ま
しい組成物は、ｘ＝約１３．５モル％のＰＴと、ｙ＝約
１モル％のＬａとを含み、−１５℃から３１℃までの４
６℃に亙る動作温度範囲を示す。

【００１８】より高い温度限界を有する更に別の特定の
好ましい組成物は、ｘ＝約１７．５モル％のＰＴと、ｙ
＝約１モル％のＬａとを含み、１８℃から５５℃までの
３３℃に亙る動作温度範囲を示す。

【００１９】本発明の別の側面において、電気歪トラン
スデューサの動作温度範囲を広げるための方法が提供さ
れ、この方法では、特定のトランスデューサ用途におい
て、拡大された動作温度範囲の下限と上限との組合せを
生じさせるために、ＰＴのモル％とＬａのモル％とが選
択される。

【００２０】

【実施例】本発明によって、動作温度範囲が広く且つ温
度依存性が低減した超音波プローブの製造を可能にす
る、選択された一連のランタンドープＰＭＮ−ＰＴ固溶
体組成物を主成分とする電気歪材料が提供される。温度
依存性の問題を図示するために、図３〜図５は、ＰＭＮ
−ＰＴ系の様々な特性の温度依存性を示す。

【００２１】図３は、温度Ｔの変化に伴う誘電率Ｋの変
化を示す。Ｔ_ｍａｘを中心とする比較的広い（拡散）ピ
ークをＫが有することに留意されたい。

【００２２】図４は、温度Ｔの変化に伴う、所与の直流
バイアス印加下における厚さ結合係数ｋ_ｔの変化を示
す。この結合係数は、より低い温度では比較的一定であ
り、Ｔ_ｍａｘ付近で急激に低下する。最適の結合効率と
最大の感度とを得るためには、Ｔ_ｍａｘを下回る温度で
動作することが好ましいだろう。

【００２３】図５は、温度に応じた残留分極Ｐ_Ｒを示
す。この残留分極は、Ｔ_ｄにおいて急激に低下する。ヒ
ステリシスなしにオンオフ切り換えが行われることが可
能なトランスデューサを得るためには、残留分極がゼロ
であることが必要である。従って、電気歪トランスデュ
ーサにおいて調整可能な感度を使用するためには、Ｔ_ｄ
を上回る温度で動作させることが必要だろう。

【００２４】上記の考察から、電気歪材料における動作
温度範囲がＴ_ｍａｘとＴ_ｄの間であるということが明ら
かである。

【００２５】図６は、「分極Ｐ」対「電界Ｅ」のグラフ
であり、上記動作温度において不要ヒステリシス（残留
分極）を有する材料を示す。電界が増大するにつれて、
ドメインが収束させられ、分極は、Ｐ_ｓａｔにおいて飽
和するまで増大し続ける。電界が取り除かれる時には、
分極はゼロに戻らず、残留分極Ｐ_Ｒが残り、即ち、トラ
ンスデューサが完全にオフにされることは不可能であ
る。図６とは異なり、図７には、必要とされる非ヒステ
リシス特性が示されている。この図では、電界が取り除
かれる時に、分極がゼロに戻る。印加電界を変化させる
ことによって、分極に対する完全な制御（及び再現性）
が得られる。

【００２６】上記材料が、（オンとオフとの間で、及
び、これらの間の可変的な振幅において）完全に制御可
能で且つ再現可能な分極を示す、動作温度範囲（Ｔ
_ｍａｘ−Ｔ_ｄ）を拡大することが望ましいだろう。Ｐ_Ｔ
のモル％を増大させることによって、Ｔ_ｍａｘを上昇さ
せることが示唆されている。しかし、これは、動作温度
範囲を拡大せずに、動作温度範囲を単に上方にシフトさ
せるにすぎない。

【００２７】本発明によって、電気歪超音波トランスデ
ューサの動作温度範囲が、ランタンドープＰＭＮ−ＰＴ
固溶体から上記トランスデューサを製造することによっ
て拡大可能であるということが発見されている。１つの
特定の実施例では、指定された動作温度範囲（即ち、Ｔ
_ｍａｘ−Ｔ_ｄ）の増大をもたらすために、表１〜表４に
示す通りの様々なＰＭＮ：ＰＴ組成物に１モル％のＬａ
が添加される。表１〜表４に示す通りの厚さ結合係数ｋ
_ｔを、２つの印加電界強さ（５ｋＶ／ｃｍ及び１０ｋＶ
／ｃｍ）と、３つの動作温度（０℃、２５℃及び５０
℃）とにおいて測定した。（印加電界がゼロである場合
の）残留結合ファクターｋ_ｔｒｅｍも、飽和電界Ｅ
_ｓａｔと共に測定した。表１〜表４からのデータを図８
〜図１０にグラフとして示した。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】

【表４】

【００３２】本発明の組成物ｅ及びｆが、上記の３つの
温度（０℃、２５℃及び５０℃）全てにおいてゼロの残
留分極を示した。組成物ｆ（８５％ＰＭＮ、１５％Ｐ
Ｔ、１％Ｌａ）は、室温の各サイドに十分なマージン
（即ち、−７℃から４１℃まで）を有する最も幅広い動
作温度範囲（４８℃）を有した。組成物ｅは、最低のＴ
_ｄ（−２０℃）を有し、これと同時に、２５℃を上回る
十分なマージンを有し、全体で４４℃に亙る動作温度範
囲を有した。組成物ｇは、最高のＴ_ｍａｘ（５５℃）を
有し、これと同時に、２５℃を下回る温度において十分
なマージンを有し、全体で３３℃に亙る動作温度範囲を
有した。

【００３３】図８は、Ｌａを含まない従来技術の組成物
の場合（曲線ａ、ＰＭＮ：ＰＴ＝９０：１０）と、本発
明の組成物の場合（曲線ｂ、ＰＭＮ：ＰＴ：Ｌａ＝８
５：１５：１）とにおいて、（１ＫＨｚでの）Ｔ_ｍａｘ
に対するＰＴモル％の影響を比較するものである。図に
示されるように、所与のＴ_ｍａｘの場合、最適ＰＴモル
％は曲線ａと曲線ｂとの間で相違している。

【００３４】図９は、Ｌａを含まない従来技術の組成物
の場合（曲線ａ、ＰＭＮ：ＰＴ＝９０：１０）と、本発
明の組成物の場合（曲線ｂ、ＰＭＮ：ＰＴ：Ｌａ＝８
５：１５：１）とにおいて、動作温度範囲（Ｔ_ｍａｘ−
Ｔ_ｄ）に対するＰＴモル％の影響を比較するものであ
る。

【００３５】図１０は、上記と同一の従来技術の組成物
と本発明の組成物との場合（曲線ａ、曲線ｂ）の、動作
温度範囲（Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_ｄ）対Ｔ_ｍａｘの関係を比較す
るものである。図に示される通り、５０℃の所与のＴ
_ｍａｘの場合には、本発明の組成物の動作温度範囲（曲
線ｂ）は、従来技術の組成物の動作温度範囲（曲線ａ）
の場合よりも著しく広い。

【００３６】図１１は、直流バイアスの印加がある場合
と無い場合とにおける、上記と同一の従来技術のＰＭＮ
−ＰＴ組成物（ＰＭＮ：ＰＴ＝９０：１０）の、温度に
応じた感度の変化を示すグラフである。不要な残留感度
が約２０℃まで存続する。更には、（直流バイアス印加
時に）温度に応じた大きな不要な感度変動が認められ
る。

【００３７】図１２は、室温付近において、本発明の好
ましい組成物（ＰＭＮ：ＰＴ：Ｌａ＝８５：１５：１）
が、図１１に示された組成物に比較して、著しい性能の
改善をもたらすことを示す。（直流バイアスの印加が無
い時の）残留感度は、より低い温度（約１５℃）までし
か認められない。直流バイアスの印加がある場合の残留
感度のレベルは、０℃においてさえ非常に小さい。従来
技術の組成物の場合（図１１）には、直流バイアス無し
の感度（残留感度）は、約１３℃まで、直流バイアスの
印加がある場合の感度よりも高い。これとは対照的に、
本発明の組成物（図１２）の場合には、（直流バイアス
印加下の）感度曲線は実質的に平坦であり、このこと
は、室温付近において、拡大された動作温度範囲全体に
亙って、より一層一定の相対パルス−エコー感度（ｒｅ
ｌａｔｉｖｅ ｐｕｌｓｅ−ｅｃｈｏ ｓｅｎｓｉｔｉ
ｖｉｔｙ）が得られることを意味する。

【００３８】これらの組成物は、Ｎ．Ｋｉｍ他の「ラン
タン変性ニオブ酸マグネシウム鉛−チタン酸鉛セラミッ
クスの誘電特性と圧電特性（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ａ
ｎｄＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅ
ｓ ｏｆ Ｌａｎｔｈａｎｕｍ−Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｌ
ｅａｄ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｎｉｏｂｉｕｍ−Ｌｅａ
ｄ Ｔｉｔａｎａｔｅ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）」（Ｆｅｒ
ｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，１９８９，Ｖｏｌ．９３，ｐ
ｐ．３４１〜３４９）に概ね説明されている。

【００３９】本発明の他の好ましい組成物が、約１０〜
３０モル％のｘと約０．５〜３モル％のｙという望まし
い範囲内において、図１３に示されている。これらの３
つの室温動作範囲組成物は、次の通りである。

【００４０】（ａ）約１モル％のｙと、約１２．５〜１
７．５モル％のｙ； （ｂ）約２モル％のｙと、約１７〜２２モル％のｙ； （ｃ）約３モル％のｙと、約２３〜２８モル％のｙ；

【００４１】図１４は、本発明のトランスデューサ材料
を取り入れた、超音波エネルギーを送受信するための医
療用超音波撮像プローブ４の１つの実施例を示す。この
プローブは、比較的厚い、インピーダンス整合支持体層
（ｉｍｐｅｄａｎｃｅ−ｍａｔｃｈｉｎｇ ｂａｃｋｉ
ｎｇ ｌａｙｅｒ）９、即ち、トランスデューサの感度
か、帯域幅か、あるいはパルス長を最適化するのに適し
た音響インピーダンスを有する減衰層（ｄａｍｐｉｎｇ
ｌａｙｅｒ）を有する。トランスデューサ７は、その
両側に導電接触層６，８を有し、この複合物が支持体層
９の上部表面上に装着される。バイアス電圧と励起電圧
とが、図示されるように、トランスデューサ層７を挟ん
で印加される。少なくとも１つのインピーダンス整合層
５がトランスデューサの上方に備えられてもよく、最後
に、音響ビームを集束させるためのレンズ１０が層５の
上に装着されることが可能である。トランスデューサア
レイ内で発生させられる音響エネルギーは、インピーダ
ンス整合層５を通して伝送され、レンズ１０によって集
束され、検査対象（即ち、人体）に送り込まれる。

【００４２】あるいは、上記プローブは、個々の素子が
別々に電圧印加されることが可能であるように物理的に
分離された、支持体層上に配置された数１０個から数１
００個のトランスデューサ素子のアレイを含むことも可
能である（図１５）。この実施例では、互いに間隔を置
いた個々の並列のトランスデューサ素子２０ａ等が、支
持体材料２１と個々の音響整合層２２ａ等との間に配置
される。指示された厚さ方向に極性を与えるために、共
通の電極２３と複数の導線２４ａ等とによって電界が印
加される。音響レンズ２５が、音響整合層２２の上に備
えられる。

【００４３】このタイプのトランスデューサは、上記の
ような制御可能な感度を有する、プローブ以外の用途に
使用されることが可能である。他の用途は可変アパーチ
ャプローブ（ｖａｒｉａｂｌｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｐ
ｒｏｂｅ）としての使用を含み、例えば、バイアス電圧
によって超音波ビーム走査がＸ方向において電子的に行
われ、Ｙ方向において制御される。別の用途は、例えば
十字形アレイ電極タイプの２Ｄプローブのような２次元
アレイであり、こうした２次元アレイでは、圧電活性領
域が直流バイアス電界スイッチングによって空間的且つ
時間的に選択されることが可能であり、選択された領域
が受動ポリマーによって機械的に隔絶される。例えば、
人体に対するトランスデューサからの音響エネルギーの
結合を改善するために、又は、アレイ形超音波トランス
デューサで使用される時に不要な横方向振動を減少させ
るために、本発明のランタンドープＰＭＮ−ＰＴ組成物
を（例えば、エポキシ又はポリウレタンのようなポリマ
ーと混合して）複合材料として使用することも望ましい
だろう。こうした複合物の構成の１つが図１６（ａ）と
（ｂ）とに示されており、この構成では、本発明のＰＭ
Ｎ−ＰＴ組成物が、「ＰＭＮ−ＰＴ棒：ポリマー」の比
率が１：３である複合物内の棒として備えられるか（図
１６（ａ））、又は、「ＰＭＮ−ＰＴ：ポリマー」の比
率が２：２である複合物内の層として備えられる（図１
６（ｂ））。

【００４４】現時点で本発明の好ましい実施例と考えら
れるものが示され説明されてきたが、特許請求の範囲で
定義される通りの本発明の範囲から逸脱することなし
に、様々な変更が上記実施例に加えられることが可能で
あるということが、当業者には明らかだろう。例えば、
上記の好ましい実施例は、室温（２５℃）付近で動作さ
せられる電気歪超音波トランスデューサにおける安定性
の増大と温度変化に伴う感度変動の低減とに関するもの
であったが、ＰＭＮとＰＴとランタンとの比率を変化さ
せることによって、室温を上回る又は下回る動作温度に
関して、同様の利点が得られることが可能である。

【００４５】以上のように、〔１〕本発明の超音波プロ
ーブは、超音波エネルギーを送受信するための電気歪ト
ランスデューサを有し、及び、該トランスデューサを電
源に接続するために該トランスデューサに取り付けられ
た、該トランスデューサに電界を選択的に印加するため
の電気接点を有しており、：該トランスデューサが、前
式Ｉによって表されるＬａドープのＰＭＮとＰＴとの固
溶体を主成分とする材料から製造され；該トランスデュ
ーサが、拡大された動作温度範囲を与える；ことを特徴
とし、次のように好ましい実施態様を有する。

【００４６】〔２〕上記〔１〕において、トランスデュ
ーサが、室温を中心とする拡大された動作温度範囲を与
え、次のものを含むグループから選択される固溶体を含
む。 （ａ）約１モル％のｙ、約１２．５〜１７．５モル％の
ｘ； （ｂ）約２モル％のｙ、約１７〜２２モル％のｘ； （ｃ）約３モル％のｙ、約２３〜２８モル％のｘ；

【００４７】〔３〕上記〔２〕において、ｘが約１５モ
ル％であり、ｙが約１モル％である。

【００４８】〔４〕上記〔２〕において、ｘが約１７．
５モル％であり、ｙが約１モル％である。

【００４９】〔５〕上記〔２〕において、ｘが約１３．
５モル％であり、ｙが約１モル％である。

【００５０】〔６〕上記〔１〕において、トランスデュ
ーサが、ポリマーとＰＭＮ：ＰＴ：Ｌａ固溶体との複合
物である。

【００５１】また、〔７〕本発明の電気歪トランスデュ
ーサは、超音波エネルギーを送受信するためのものであ
って：支持体層と；該支持体層上に付着させられた少な
くとも１つの電気歪トランスデューサ素子と；該トラン
スデューサ素子内に電界を選択的に生じさせるために電
源に接続されることが可能な、該トランスデューサ素子
に取り付けられた電気接点とを備え；該トランスデュー
サが、前式Ｉによって表されるＬａドープのＰＭＮとＰ
Ｔとの固溶体を主成分とする材料から製造され；該トラ
ンスデューサが、拡大された動作温度範囲を与えること
を特徴とし、次のような好ましい実施態様を有する。

【００５２】〔８〕上記〔７〕において、トランスデュ
ーサが、室温を中心とする拡大された動作温度範囲を与
え、次のものを含むグループから選択される固溶体を含
む。 （ａ）約１モル％のｙ、約１２．５〜１７．５モル％の
ｘ； （ｂ）約２モル％のｙ、約１７〜２２モル％のｘ； （ｃ）約３モル％のｙ、約２３〜２８モル％のｘ；

【００５３】

〔９〕上記〔８〕において、ｘが約１３．
５〜１７．５モル％であり、ｙが約１モル％である。

【００５４】更に、〔１０〕本発明の超音波プローブの
動作温度範囲拡大方法は、ＰＭＮとＰＴとの固溶体を主
成分とする、超音波エネルギーを送受信するための電気
歪トランスデューサと、該トランスデューサを電源に接
続するために該トランスデューサに取り付けられた、該
トランスデューサに電界を選択的に印加するための電気
接点とを与えるステップと；該動作温度範囲を拡大する
ために、前式Ｉに従って、該固溶体におけるＰＭＮとＰ
Ｔとの相対モル％を選択し、１モル％のＬａをドープす
るステップと；を含むことを特徴とし、次のような好ま
しい実施態様を有する。

【００５５】〔１１〕上記〔１０〕において、トランス
デューサが、室温を中心とする拡大された動作温度範囲
を与え、次のものを含むグループから選択される固溶体
を含む。 （ａ）約１モル％のｙ、約１２．５〜１７．５モル％の
ｘ； （ｂ）約２モル％のｙ、約１７〜２２モル％のｘ； （ｃ）約３モル％のｙ、約２３〜２８モル％のｘ；

【００５６】〔１２〕上記〔１１〕において、ｘが約１
３．５〜１７．５モル％であり、ｙが約１モル％であ
る。

【００５７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明では、動作
温度範囲が室温付近において低い温度（例えば１５℃以
下）から高い温度（例えば４０℃以上）まで拡大し、し
かも温度変化に伴った感度変動が比較的小さく、かつ印
加される電界を極めて小さくすることができる電気歪ト
ランスデューサ材料を提供し、この材料を使用すること
によって、拡大された動作温度範囲の全体に亙って出力
への影響がなく、従って応答の安定性と優れた再現性と
を得ることができると共に、印加電界を小さくすること
ができる電気歪トランスデューサと、該トランスデュー
サを使用した超音波プローブとを得ることができる。こ
のように、本発明によれば、人体の超音波撮像用等の医
療診断道具として、安定した診断結果をもたらすと共
に、患者に対して安全で、優れたプローブを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】「通常の」強誘電性材料（ＢＳＴ）における残
留分極Ｐ_Ｒと誘電率Ｋとの温度依存態様を示すグラフで
ある。

【図２】「リラクサー」強誘電性材料（ＰＭＮ−ＰＴ）
における残留分極Ｐ_Ｒと誘電率Ｋとの温度依存態様を示
すグラフである。

【図３】ＰＭＮ−ＰＴにおける「誘電率Ｋ」対「温度」
の関係を示すグラフである。

【図４】所与の直流バイアスの印加がある場合のＰＭＮ
−ＰＴにおける「厚さ結合係数Ｋ_ｔ」対「温度」の関係
を示すグラフである。

【図５】ＰＭＮ−ＰＴにおける「残留分極Ｐ_Ｒ」対「温
度」の関係を示すグラフである。

【図６】電界が取り除かれた時のＰＭＮ−ＰＴ中のヒス
テリシス（残留分極）を示すグラフである。

【図７】電界が取り除かれた時のＰＭＮ−ＰＴ中のヒス
テリシス（残留分極）が実質的に存在しない状態を示す
グラフである。

【図８】所与のＴ_ｍａｘ（例えば約４０℃）を得る場合
の、１モル％のＬａを含むＰＭＮ−ＰＴ系と、Ｌａを含
まないＰＭＮ−ＰＴ系とにおける、１ｋＨｚで測定され
たＴ_ｍａｘの変化を示すグラフである（このグラフに示
される組成物（ａ）は９０：１０のＰＭＮ：ＰＴを含む
組成物であり、組成物（ｂ）は８５：１５のＰＭＮ：Ｐ
Ｔと１モル％のＬａとを含む組成物である）。

【図９】１モル％のＬａを含むＰＭＮ−ＰＴ系と、Ｌａ
を含まないＰＭＮ−ＰＴ系とにおける、動作温度範囲
（Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_ｄ）を示すグラフである。

【図１０】所与のＴ_ｍａｘ（例えば約５０℃）を得る際
に「Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_ｄ」に大きな差があるということを示
す、１モル％のＬａを含むＰＭＮ−ＰＴ系と、Ｌａを含
まないＰＭＮ−ＰＴ系とにおける、「Ｔ_ｍａｘ」対「Ｔ
_ｍａｘ−Ｔ_ｄ」の関係を示すグラフである。

【図１１】直流バイアスが印加されている場合と印加さ
れていない場合とにおける、従来技術のＰＭＮ−ＰＴ組
成物に関する、温度に応じた感度の変化を示すグラフで
ある（残留感度が２０℃まで存続することに留意された
い）。

【図１２】直流バイアスが印加されている場合と印加さ
れていない場合とにおいて、本発明のＰＭＮ−ＰＴ組成
物では、温度に応じた感度の変化が著しく少ないという
ことを示すグラフである（直流バイアス印加なしの残留
感度がより低い温度に移行させられるということに留意
されたい）。

【図１３】本発明による一連の好ましいＰＭＮ−ＰＴ組
成物の組成を示すグラフである。

【図１４】本発明のＰＭＮ−ＰＴ組成物を組み込んだ超
音波プローブの断面図である。

【図１５】本発明のＰＭＮ−ＰＴ組成物から作られたト
ランスデューサ素子のアレイを有する超音波プローブの
斜視図である。

【図１６】本発明のＰＭＮ−ＰＴ組成物から作られた複
合物の略図であり、（ａ）が「ＰＭＮ−ＰＴ棒：ポリマ
ー」の比率が１：３である複合物を示し、（ｂ）が「Ｐ
ＭＮ−ＰＴ：ポリマー」の比率が２：２である複合物を
示している。

【符号の説明】

４ 医療用超音波撮像プローブ ５ インピーダンス整合層 ６，８ 導電接触層 ７ トランスデューサ層 ９ インピーダンス整合支持体層 １０ レンズ ２０ａ，２０ｂ，・・・ トランスデューサ素子 ２１ 支持体材料 ２２ａ，２２ｂ，・・・ 音響整合層 ２３ 共通電極 ２４ａ，２４ｂ，・・・ 導線 ２５ レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス アール シュラウト アメリカ合衆国ペンシルバニア州ステイ ト・カレッジ エルムウッド・ストリート 834 (72)発明者 セイ−ジョー ジャング アメリカ合衆国ペンシルバニア州ステイ ト・カレッジ キャメロット・レーン 220

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波エネルギーを送受信するための電
   気歪トランスデューサを有し、及び、前記トランスデュ
   ーサを電源に接続するために前記トランスデューサに取
   り付けられた、前記トランスデューサに電界を選択的に
   印加するための電気接点を有する、超音波プローブにお
   いて：前記トランスデューサが、次式Ｉによって表され
   る、ランタンＬａをドープされた、ニオブ酸マグネシウ
   ム鉛（ＰＭＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）との固溶体を主成
   分とする材料から製造され； 【化１】 前記トランスデューサが、拡大された動作温度範囲を与
   える；ことを特徴とする超音波プローブ。
2. 【請求項２】 超音波エネルギーを送受信するための電
   気歪トランスデューサであって：支持体層と；前記支持
   体層上に付着させられた少なくとも１つの電気歪トラン
   スデューサ素子と；前記トランスデューサ素子内に電界
   を選択的に生じさせるために電源に接続されることが可
   能な、前記トランスデューサ素子に取り付けられた電気
   接点とを備え；前記トランスデューサが、次式Ｉによっ
   て表される、ランタンＬａをドープされた、ニオブ酸マ
   グネシウム鉛（ＰＭＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）との固溶
   体を主成分とする材料から製造され； 【化２】 前記トランスデューサが、拡大された動作温度範囲を与
   える；ことを特徴とする電気歪トランスデューサ。
3. 【請求項３】 超音波プローブの動作温度範囲を拡大す
   るための方法であって：ニオブ酸マグネシウム鉛（ＰＭ
   Ｎ）とチタン酸鉛（ＰＴ）との固溶体を主成分とする、
   超音波エネルギーを送受信するための電気歪トランスデ
   ューサと、前記トランスデューサを電源に接続するため
   に前記トランスデューサに取り付けられた、前記トラン
   スデューサに電界を選択的に印加するための電気接点と
   を与えるステップと；前記動作温度範囲を拡大するため
   に、次式Ｉに従って、前記固溶体におけるＰＭＮとＰＴ
   との相対モル％を選択し、１モル％のランタンをドープ
   するステップと； 【化３】 を含むことを特徴とする動作温度範囲拡大方法。