JP2017228562A - 圧電素子、超音波探触子および超音波撮像装置 - Google Patents

圧電素子、超音波探触子および超音波撮像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】圧電組成物の厚みが小さい場合でも、超音波に対する感度に優れる超音波探触子を提供する。【解決手段】上記超音波探触子は、圧電組成物と、圧電組成物に電圧を印加するための電極とを備えている圧電素子を有する。圧電組成物は、ｋｅｆｆ、ε３３ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３Ｓ，Ｅｃ）において所定の複数の点を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電素子、超音波探触子、およびその超音波探触子を有する超音波撮像装置に関する。
医療分野において利用されている超音波撮像装置における超音波探触子は、圧電組成物と、圧電組成物に電圧を印加するための電極とを備えている圧電素子を有する。超音波撮像装置では、圧電組成物を電気信号により振動させることで、超音波が発生して送信される。そして、被検体で反射した超音波は、超音波探触子により受信される。これにより、超音波撮像装置は、被検体の超音波画像を得ることができる。
超音波に対して高い感度を有する超音波探触子を実現する観点から、超音波探触子は、高い比誘電率、抗電界および電気機械結合係数を有する圧電組成物を備えていることが好ましい。このような超音波探触子の例として、所定の組成のジルコニウムを含むペロブスカイト型構造を有する圧電組成物を備えている超音波探触子が知られている（例えば、特許文献１参照）。当該超音波探触子の圧電組成物は、４０００以上の比誘電率と、５．３〜１０ｋＶ／ｃｍ程度の抗電界とを有する。ここで、上記特許文献１に記載の圧電組成物の比誘電率は、分極処理後であって十分に低い周波数（通常、１ｋＨｚ）で測定された値であり、すなわち自由状態における比誘電率（εＴ）である。
また、上記超音波探触子の他の例として、ＢｉＳｃＯ３系の固溶体である圧電組成物を備えている圧電素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。当該圧電素子の圧電組成物の比誘電率も低い周波数で測定されている。
特許第５０６３６０６号公報 特開２００６−１８８４１４号公報
圧電素子と音響的に結合している音響背面層を有する場合、中心周波数が高い超音波（例えば、中心周波数７ＭＨｚ以上）を用いる場合、または圧電素子が積層されている場合のように、厚みが小さい圧電組成物が用いられる場合がある。このような場合、超音波撮像装置のさらなる高性能化の観点から、高い駆動電圧で駆動でき、超音波に対して従来よりも高い感度を有する超音波探触子が望まれている。
また、上記の場合、圧電組成物はほぼ束縛された状態にある。すなわち、実際の超音波探触子における圧電組成物は、他の部材（例えば、音響背面層）に接着剤などで固定されており、ある程度束縛された状態にある。さらに、超音波の周波数が反共振周波数近傍か、または反共振周波数より高いとき、圧電組成物は、ほぼ束縛された状態となる。このため、超音波探触子のプローブ設計をする場合には、分極処理後における自由状態の比誘電率εＴ（以下、「自由比誘電率」ともいう）ではなく、分極処理後における束縛状態の比誘電率εＳ（以下、「束縛比誘電率」ともいう）が重要となる。
このため、自由比誘電率を考慮したプローブ設計では、厚みが小さい圧電素子を有する超音波探触子において、所望の圧電特性を実現できず、超音波に対する十分な感度を得られないことがある。従来、上記特許文献からも明らかなように、自由比誘電率に着目されている圧電組成物を有する圧電素子を備えた超音波探触子は知られている。
超音波探触子としては、分極方向（電界方向）に平行な方向（縦方向）の振動モードに対する電気機械結合係数が高いことが好ましいが、分極方向（電界方向）に垂直な方向（横方向）の振動モードに対する電気機械結合係数は小さいことが好ましい。従来、特許文献２からも明らかなように、ＰＭＮ−ＰＺＴ系の圧電組成物の一部をＢｉＳｃＯ３で置換した圧電組成物を有する圧電素子として、上記横方向の電気機械結合係数（ｋｐ、ｋ３１）に着目した圧電スピーカや圧電ポンプなどの低周波数用の圧電部品は知られている。しかし、上記圧電組成物を有する圧電素子であって、超音波領域の束縛比誘電率ε３３ Ｓおよび電気機械結合係数ｋ３３を考慮した圧電素子は、全く知られていない（なお、ＰＭＮは、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３を表し、ＰＺＴは、Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ３をそれぞれ表す）。
さらに、束縛比誘電率、および上記縦方向の電気機械結合係数または実効的電気機械結合係数に着目されている超音波探触子であって、束縛比誘電率、抗電界および実効的電気機械結合係数がいずれも十分に高い圧電組成物を有する超音波探触子は知られていない。したがって、圧電組成物の厚みが小さい場合、超音波に対する十分な感度が得られないことがある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、圧電組成物の厚みが小さい場合でも、超音波に対する感度に優れた圧電素子および超音波探触子を提供することを第１の課題とする。また、本発明は、この超音波探触子を有する超音波撮像装置を提供することを第２の課題とする。
上記第１の課題を解決するための第１の手段として、圧電組成物と、前記圧電組成物に電圧を印加するための電極とを備えている圧電素子と、前記圧電素子の背面で前記圧電素子と音響的に結合している音響背面層と、を有する超音波探触子であって、前記圧電組成物は、その実効的電気機械結合係数をｋｅｆｆ、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ａ１から点Ａ１８を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する超音波探触子を提供する。
点Ａ１（０．５，２２００，１８）
点Ａ２（０．５，１４００，１８）
点Ａ３（０．７，６００，１８）
点Ａ４（０．９，６００，１８）
点Ａ５（０．９，２２００，１８）
点Ａ６（０．５，２２００，１５）
点Ａ７（０．５，１４００，１５）
点Ａ８（０．７，６００，１５）
点Ａ９（０．９，６００，１５）
点Ａ１０（０．６５，２２００，１０）
点Ａ１１（０．６５，１４００，１０）
点Ａ１２（０．８，６００，１０）
点Ａ１３（０．９，６００，１０）
点Ａ１４（０．７５，２２００，７）
点Ａ１５（０．７５，１４００，７）
点Ａ１６（０．８，１０００，７）
点Ａ１７（０．９，１０００，７）
点Ａ１８（０．９，２２００，７）
上記第１の課題を解決するための第２の手段として、複数の圧電組成物と、前記複数の圧電組成物に電圧をそれぞれ印加するための電極とを備えており、前記圧電組成物の層と、前記電極とが交互に重ねられて構成されている圧電素子を有する超音波探触子であって、前記圧電組成物は、その実効的電気機械結合係数をｋｅｆｆ、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ｂ１から点Ｂ１４を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する超音波探触子を提供する。
点Ｂ１（０．５，２２００，１８）
点Ｂ２（０．５，６００，１８）
点Ｂ３（０．９，６００，１８）
点Ｂ４（０．９，２２００，１８）
点Ｂ５（０．５，２２００，１５）
点Ｂ６（０．５，６００，１５）
点Ｂ７（０．６５，２２００，９）
点Ｂ８（０．６５，１０００，９）
点Ｂ９（０．７５，６００，９）
点Ｂ１０（０．９，６００，９）
点Ｂ１１（０．８，２２００，７）
点Ｂ１２（０．８，１０００，７）
点Ｂ１３（０．９，１０００，７）
点Ｂ１４（０．９，２２００，７）
上記第１の課題を解決するための第３の手段として、単層の圧電組成物と、前記圧電組成物に電圧を印加するための電極とを備えている圧電素子を有しており、かつ前記圧電素子の背面で前記圧電素子と音響的に結合する音響背面層を有さない超音波探触子であって、前記圧電組成物は、その実効的電気機械結合係数をｋｅｆｆ、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ｃ１から点Ｃ１８を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する超音波探触子を提供する。
点Ｃ１（０．５５，２２００，１８）
点Ｃ２（０．５５，１４００，１８）
点Ｃ３（０．７５，６００，１８）
点Ｃ４（０．９，６００，１８）
点Ｃ５（０．９，２２００，１８）
点Ｃ６（０．５５，２２００，１３）
点Ｃ７（０．５５，１４００，１３）
点Ｃ８（０．７５，６００，１３）
点Ｃ９（０．９，６００，１３）
点Ｃ１０（０．６，２２００，１０）
点Ｃ１１（０．６，１４００，１０）
点Ｃ１２（０．８，６００，１０）
点Ｃ１３（０．９，６００，１０）
点Ｃ１４（０．７５，２２００，７）
点Ｃ１５（０．７５，１４００，７）
点Ｃ１６（０．８，１２００，７）
点Ｃ１７（０．９，１２００，７）
点Ｃ１８（０．９，２２００，７）
上記第１の課題を解決するための第４の手段として、下記一般式で表される組成を主成分とする圧電組成物と、前記圧電組成物に電圧を印加するための電極と、を備えており、前記圧電組成物は、その電気機械結合係数をｋ３３、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、下記式（１）〜（３）を満足する、圧電素子を提供する。
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝
（ただし、上記一般式において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式（４）〜（８）が満足される。）
ｋ３３≧０．６５ （１）
ε３３ Ｓ≧１０００ （２）
Ｅｃ≧１２ （３）
０≦ａ２≦０．１ （４）
ａ１＋ａ２＝１ （５）
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１ （６）
０．１≦ｘ≦０．３７５ （７）
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４ （８）
上記第２の課題を解決するための一手段として、上記の超音波探触子を有する超音波撮像装置を提供する。
本発明によれば、圧電組成物の厚みが小さい場合でも、超音波に対する感度に優れた圧電素子および超音波探触子を提供することができ、この超音波探触子を有する超音波撮像装置を提供することができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波探触子の構成の一例を示す断面模式図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る圧電組成物の圧電特性を概略的に示す図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態に係る超音波撮像装置の構成の一例を模式的に示す図であり、図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る超音波撮像装置の電気的な構成の一例を示すブロック図である。 図４は、本発明の実施の形態２に係る超音波探触子の構成の一例を示す断面模式図である。 図５は、本発明の実施の形態２に係る圧電組成物の圧電特性を概略的に示す図である。 図６は、本発明の実施の形態２に係る圧電組成物の圧電特性を概略的に示す図である。 図７は、本発明の実施の形態２に係る超音波探触子の構成の一例を示す断面模式図である。 図８は、本発明の実施の形態３に係る圧電組成物の圧電特性を概略的に示す図である。 図９は、本発明の実施の形態４に係る超音波探触子の構成の一例を示す断面模式図である。
中心周波数が高い超音波を発生させる観点からは、圧電素子を構成する圧電組成物の厚みを小さくする必要がある。圧電組成物の抗電界の大きさが同じ場合、圧電組成物の厚みが小さくなるにつれて、圧電素子に印加できる電圧の大きさは小さくなる。圧電組成物の抗電界が小さすぎると、圧電素子に高い電圧を印加することができず、超音波の出力を大きくすることができなくなる。この結果として、超音波探触子としての感度を高めることが困難となる。したがって、圧電組成物の厚みが小さい場合でも、超音波に対する感度を高める観点からは、超音波探触子の圧電組成物は、大きい抗電界を有することが好ましい。
一方で、抗電界が大きくなるにつれて、圧電組成物の比誘電率は小さくなる傾向にある。圧電組成物の比誘電率が小さくなるほど、その圧電組成物を用いた圧電素子の電気的インピーダンスは大きくなる。超音波に対する感度を高める観点からは、上記電気的インピーダンスは、超音波撮像装置の送信回路および受信回路の電気的インピーダンスと整合させる必要がある。既存の超音波探触子において、圧電組成物の電気的インピーダンスは、上記送信回路および受信回路の電気的インピーダンスより大きい場合が多く、圧電素子の電気的インピーダンスの低減が望まれている。すなわち、超音波探触子における電気的インピーダンスを整合させ、超音波に対する感度を高める観点から、超音波探触子の圧電組成物は、高い比誘電率を有することが好ましい。
前述のとおり、本発明者らは、自由比誘電率εＴに代えて、束縛比誘電率εＳに着目するとともに、実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆにさらに着目した。
本発明では、束縛比誘電率、抗電界、および実効的電気機械結合係数がいずれも十分である圧電組成物を備え、圧電組成物の厚みが小さい場合でも、超音波に対して高い感度を有する圧電素子および超音波探触子を実現することを目的としている。また、本発明では、当該超音波探触子を有する超音波撮像装置を実現することも目的としている。以下、本発明の実施の形態を説明する。
［実施の形態１］
実施の形態１に係る超音波探触子は、音響背面層を有することを構造上の特徴とする。
図１は、実施の形態１に係る超音波探触子の構成の一例を示す断面模式図である。本実施の形態に係る超音波探触子１００ａは、背面負荷材１１０、音響背面層１２０、圧電素子１３０ａ、音響整合層１４０、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ、不図示）を有する。
超音波探触子１００ａは、圧電素子１３０ａ以外は、公知の超音波探触子と同様に構成することが可能である。たとえば、圧電素子１３０ａには、不図示のＦＰＣにて電極が取り付けられ、超音波探触子１００ａが接続された超音波撮像装置で制御される超音波の送受信駆動により、任意のビームフォーミングが可能となる。
本実施の形態に係る超音波探触子１００ａにおける超音波の送受信帯域の中心周波数は、特に限定されない。超音波探触子１００ａの分解能を高める観点からは、７ＭＨｚ以上であることが好ましく、１０ＭＨｚ以上であることがより好ましく、１２ＭＨｚ以上であることがさらに好ましい。また、上記中心周波数は、超音波の減衰を抑制する観点からは、３０ＭＨｚ以下であることが好ましい。送受信帯域とは、圧電素子１３０ａが送信し、受信する超音波の周波数帯域をいう。中心周波数は、超音波の最大ピーク値が−６ｄＢ低下するまでの周波数帯域における上限周波数と下限周波数との平均値をいう。
上記中心周波数は、超音波探触子１００ａの用途に応じて適宜設定されうる。上記中心周波数は、圧電素子１３０ａの厚みが小さいほど、大きくすることができる。
（背面負荷材）
背面負荷材１１０は、圧電素子１３０ａの音響インピーダンスより大きい音響インピーダンスを有し、不要な超音波を吸収するための超音波吸収体である。本実施の形態では、背面負荷材１１０は、音響背面層１２０を支持している。背面負荷材１１０は、圧電素子１３０ａにおける被検体（例えば生体）に超音波を送信し、被検体からの超音波を受信する方向と反対側の面（裏面、背面）に装着され、被検体の方向の反対側に発生する超音波を吸収する。
背面負荷材１１０の材料の例には、天然ゴム、フェライトゴム、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、熱可塑性樹脂、および、これらの材料の少なくともいずれかと酸化タングステンや酸化チタン、フェライトなどの粉末との混合物をプレス成形した樹脂系複合材が含まれる。また、背面負荷材１１０の材料の他の例には、当該樹脂系複合材を粉砕し、上記熱可塑性樹脂やエポキシ樹脂などの他の材料と混合し、硬化させた材料が含まれる。
上記熱可塑性樹脂の例には、塩化ビニル、ポリビニルブチラール、ＡＢＳ樹脂、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、フッ素樹脂、ポリエチレングリコール、および、ポリエチレンテレフタレート−ポリエチレングリコール共重合体が含まれる。背面負荷材１１０の材料としては、中でも樹脂系複合材、その中でも特にゴム系複合材料またはエポキシ樹脂系複合材が好ましい。
また、背面負荷材１１０には、必要に応じて他の配合剤が添加されていてもよい。たとえば、背面負荷材１１０の音響インピーダンスを調整する観点から、マコールガラスやガラスなどの無機材料、空隙を有する多孔質材料が背面負荷材１１０に添加されていてもよい。
背面負荷材１１０の形状は、圧電素子１３０ａや、圧電素子１３０ａを有する超音波探触子１００ａなどの形状に応じて、適宜に決めることができる。
背面負荷材１１０の厚みは、１〜３０ｍｍの範囲内であることが好ましく、１〜１０ｍｍの範囲内であることがより好ましい。
なお、背面負荷材１１０および後述のＦＰＣは、例えば、当該技術分野で通常使用される接着剤（例えば、エポキシ系接着剤）で互いに接着され得る。
（音響背面層）
音響背面層１２０は、圧電素子１３０ａの背面側に配置されており、圧電素子１３０ａの振動モードを変化させる。音響背面層１２０は、圧電素子１３０ａと音響的に結合されている。ここで、圧電素子の正面とは、被検体に向けて超音波を送信し、被検体からの超音波を受信する側に配置された面をいい、圧電素子の背面とは、正面に対して圧電素子の反対側に配置された面をいう。音響背面層１２０は、圧電組成物１３０ａの音響インピーダンスと異なる音響インピーダンスを有していてもよいし、同程度の音響インピーダンスを有していてもよい。
また、音響背面層１２０を音響反射層として機能させる場合には、音響背面層１２０の音響インピーダンスは、圧電組成物１３１ａの音響インピーダンスより大きい。この場合、音響背面層１２０は、圧電素子１３０ａの背面に装着され、被検体に対して反対（圧電素子１３０ａの背面）側に送信された超音波を反射する。超音波に対する感度を高める観点から、超音波探触子１００ａは、音響背面層１２０を有していることが好ましい。
音響背面層１２０の材料は、特に限定されない。音響背面層１２０の材料の例には、タングステンおよびタンタルが含まれる。また、音響背面層１２０は、分極処理されていない圧電組成物であってもよい。中でも、音響背面層１２０が音響反射層の場合に反射効率の観点からは、音響背面層１２０の材料としては、タングステンカーバイドであることが好ましい。
音響背面層１２０の厚みは、中心周波数の大きさや音響設計などに応じて適宜決定される。音響背面層１２０の厚みは、０．０１〜１ｍｍの範囲内であることが好ましく、０．０２〜０．４ｍｍの範囲内であることがより好ましい。
（圧電素子）
圧電素子１３０ａは、電気信号を機械的な振動に変換することができ、機械的な振動を電気信号に変換することもできる。これにより、圧電素子１３０ａは、超音波を送信し、受信することができる。
なお、圧電素子１３０ａおよび音響背面層１２０の接着性を高める観点から、圧電素子１３０ａおよび音響背面層１２０の少なくとも一部は、接着層で互いに接着されていることが好ましい。接着層の材料としては、例えば、シリコーン系接着剤やエポキシ系接着剤などを使用することができる。
圧電素子１３０ａの形状は、用途に応じて適宜設定されうる。たとえば、圧電素子１３０ｄの形状は、直方体形状であってもよいし、円柱形状であってもよい。また、圧電素子１３０ａの形状は、厚みが中央部から周辺部に亘って一定である形状であってもよいし、厚みが中央部から周辺部に近づくほど薄くなるハナフィーレンズ形状であってもよい。圧電素子１３０ａの形状がハナフィーレンズ形状であることは、超音波に対する感度を高める観点から好ましい。
本実施の形態に係る圧電素子１３０ａは、圧電組成物１３１ａと、圧電組成物１３１ａに電圧を印加するための電極１３２とを備えている。本実施の形態では、単層の圧電組成物１３１ａの両面において、２つの電極１３２が、圧電組成物１３１ａを挟んで互いに対向するように配置されている。
圧電組成物１３１ａは、圧電性を有していればよく、セラミックスであってもよいし、配向セラミックスであってもよいし、無機・有機コンポジットであってもよいし、単結晶であってもよい。
図２は、実施の形態１に係る圧電組成物１３１ａの圧電特性を概略的に示す図である。圧電組成物１３１ａは、図２に示されるように、その実効的電気機械結合係数をｋｅｆｆ、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ａ１から点Ａ１８を頂点とする第１多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する。
点Ａ１（０．５，２２００，１８）
点Ａ２（０．５，１４００，１８）
点Ａ３（０．７，６００，１８）
点Ａ４（０．９，６００，１８）
点Ａ５（０．９，２２００，１８）
点Ａ６（０．５，２２００，１５）
点Ａ７（０．５，１４００，１５）
点Ａ８（０．７，６００，１５）
点Ａ９（０．９，６００，１５）
点Ａ１０（０．６５，２２００，１０）
点Ａ１１（０．６５，１４００，１０）
点Ａ１２（０．８，６００，１０）
点Ａ１３（０．９，６００，１０）
点Ａ１４（０．７５，２２００，７）
点Ａ１５（０．７５，１４００，７）
点Ａ１６（０．８，１０００，７）
点Ａ１７（０．９，１０００，７）
点Ａ１８（０．９，２２００，７）
ｋｅｆｆ、ε３３ Ｓ、およびＥｃの少なくとも１つが小さすぎて、圧電組成物１３１ａが上記第１多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有さない場合には、超音波に対する感度が十分に得られない。また、ｋｅｆｆ、ε３３ Ｓ、およびＥｃの少なくとも１つが大きすぎて、上記第１多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有さない圧電組成物１３１ａは、現実的に作製することが困難となるため、好ましくない。
ここで、「実効的電気機械結合係数ｋｅｆｆ」とは、超音波探触子１００ａに組み込まれている圧電組成物１３１ａが有する実効的な電気機械結合係数（圧電組成物１３１ａに与えられた電気的エネルギーと、機械的エネルギーとの変換能力を示す係数）を表す。ｋｅｆｆは、超音波探触子１００ａにおける圧電組成物１３１ａの振動モードと、超音波探触子１００ａの構造とに依存する値である。
上記ｋｅｆｆは、超音波探触子として実際に用いられるときの形状に加工された圧電組成物１３１ａについて、市販のインピーダンスアナライザを用いて、共振・反共振法によって測定され得る。
上記ｋｅｆｆは、圧電組成物１３１ａの組成や、圧電組成物１３１ａの理論密度に対する相対密度（圧電組成物１３１ａがセラミックスの場合）、圧電組成物１３１ａの結晶方位などによって調整することが可能である。圧電組成物１３１ａの組成が組成相境界（ＭＰＢ）に近づくほど、上記ｋｅｆｆは大きくなる傾向にある。また、圧電組成物１３１ａの相対密度が大きくなるほど、上記ｋｅｆｆは、大きくなる傾向にある。
また、「束縛比誘電率ε３３ Ｓ」とは、圧電組成物１３１ａの歪みが一定の場合の３３方向に沿う比誘電率を表し、反共振周波数と比較して十分に高い周波数（例えば、中心周波数７ＭＨｚ以上）での比誘電率を意味する。超音波探触子１００ａでは、共振周波数から反共振周波数までの間の周波数と同じか、それ以上の周波数を用いられ、かつ他の部材に接着剤などにより固定されているため、圧電組成物１３１ａは、ほぼ束縛されている。このため、超音波探触子としては、自由比誘電率ε３３ Ｔではなく、束縛比誘電率ε３３ Ｓが重要なパラメータとなる。
上記ε３３ Ｓは、分極方向に垂直な方向の長さと比較して、分極方向に平行な方向の長さが大きい棒状（３３形状）の圧電組成物１３１ａ（例えば、１ｍｍ×１ｍｍ×３ｍｍの大きさの長手方向に分極した圧電組成物）について、市販のインピーダンスアナライザによって測定され得る。このとき、周波数としては、３３モードの反共振周波数より十分に大きい周波数（例えば、１０ＭＨｚ）が使用される。なお、上記ε３３ Ｓの調整法については後述する。
さらに、「抗電界Ｅｃ」とは、圧電組成物１３１ａにおける残留分極の分極方向に対して、逆方向の電圧を印加して、圧電組成物１３１ａの残留分極を消失させるために必要な印加電圧を表す。
上記Ｅｃは、例えば、以下の方法で測定され得る。まず、強誘電体特性評価システム（株式会社リードテック製）を用いて、室温において０ｋＶ／ｃｍから４０ｋＶ／ｃｍまで圧電組成物１３１ａに電界を印加し、連続して４０ｋＶ／ｃｍから−４０ｋＶ／ｃｍまで電界を印加し、連続して−４０ｋＶ／ｃｍから４０ｋＶ／ｃｍまで電圧を印加したときの、電界強度（ｋＶ／ｃｍ）に対する分極量（μＣ／ｃｍ２）のヒステリシスを測定する。得られたヒステリシス曲線において、分極量が０のときの電界強度の値から、抗電界を測定できる。
圧電組成物１３１ａの厚みは、超音波の中心周波数の大きさや圧電組成物１３１ａの周波数定数、音響設計などに応じて適宜設定されうる。高い中心周波数を実現する観点からは、圧電組成物１３１ａの厚みは小さいことが好ましい。たとえば、圧電組成物１３１ａの厚みは、０．０２〜１ｍｍの範囲内であることが好ましく、０．０３〜０．４ｍｍの範囲内であることがより好ましい。中心周波数が１０ＭＨｚのとき、圧電組成物１３１ａの厚みは、例えば、０．０４〜０．２ｍｍの範囲内である。
超音波に対するより高い感度を実現する観点から、圧電組成物１３１ａは、その電気機械結合係数をｋ３３、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、下記式を満足することが好ましい。
ｋ３３≧０．６５
ε３３ Ｓ≧１０００
Ｅｃ≧１２
ここで、「電気機械結合係数ｋ３３」とは、圧電組成物に与えられた電気的エネルギーと、機械的エネルギーとの変換能力を示す係数であり、圧電組成物に固有の値を示す。なお、本実施の形態では、上記ｋｅｆｆの値は、０．９×ｋ３３から１×ｋ３３程度の大きさである。また、束縛比誘電率ε３３ Ｓおよび抗電界Ｅｃは、前述したε３３ ＳおよびＥｃと同じである。
上記ｋ３３は、分極方向に垂直な方向の長さと比較して、分極方向に沿う方向の長さが大きい棒状（３３形状）の圧電組成物１３１ａ（例えば、１ｍｍ×１ｍｍ×３ｍｍの大きさの長手方向に分極した圧電組成物）について、市販のインピーダンスアナライザを用いて、共振・反共振法によって測定され得る。なお、上記ｋ３３の調整法については後述する。
上記ｋ３３の上限値は、特に限定されない。上記ｋ３３の上限値は、圧電組成物１３１ａを作製可能な範囲内において適宜決定され得る。
圧電組成物１３１ａの組成は、本実施形態の効果が得られる範囲において、適宜に変更されうる。圧電組成物１３１ａは、後述の製造方法により製造されたものであってもよいし、既製品であってもよい。超音波に対するより高い感度を実現する観点から、圧電組成物１３１ａは、下記一般式（１）で表される組成を主成分とすることが好ましく、下記一般式（２）で表される組成を主成分とすることがより好ましい。ここで、上記主成分の含有量は、例えば、圧電組成物１３１ａに対して０〜２０質量部（０質量部超２０質量部以下）である。ただし、圧電組成物１３１ａが無機・有機コンポジットである場合は、上記主成分の含有量は、有機物を除いた無機物のみの部分を１００質量部としたときの割合と定義する。
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝ （１）
ただし、上記一般式（１）において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。なお、Ｍ１がＭｇおよびＺｎの場合、ＭｇおよびＺｎの割合は、特に限定されないが、例えば、１０：０〜５：５である。
０≦ａ２≦０．１
ａ１＋ａ２＝１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．１≦ｘ≦０．３７５
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ［Ｒ１｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝−Ｒ２（ＢｉＳｃＯ３）］ （２）
ただし、上記一般式（２）において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。なお、Ｍ１がＭｇおよびＺｎの場合、ＭｇおよびＺｎの割合は、特に限定されないが、例えば、１０：０〜５：５である。
０≦ａ２≦０．１
ａ１＋ａ２＝１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．１≦ｘ≦０．２５
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
０＜Ｒ２≦０．２５
上記一般式（１）および（２）において、ａ１、ａ２、ｘ、ｙ、ｚおよびＲ２の値は、本実施形態の効果が得られる範囲において、適宜に設定されうる。圧電組成物１３１ａにバリウム（Ｂａ）またはストロンチウム（Ｓｒ）を添加しすぎると上記ｋ３３が小さくなりすぎることがあるため、ａ２は、０．１以下であることが好ましい。また、本発明者らは、圧電組成物１３１ａがＢｉＳｃＯ３を含有することが、上記ε３３ Ｓの大きさを保ちつつ、上記分極方向の圧電特性である上記ｋ３３（上記ｋｅｆｆ）および圧電定数ｄ３３を高める観点から有効であることを初めて見出した。
圧電組成物１３１ａは、その各微結晶が特定の面方位に配向しているセラミックス（いわゆる配向セラミックス）であってもよいし、特定の面方位を有する単結晶であってもよい。上記特定の面方位はいかなる方向でもよいが、圧電性をより高める観点から、擬立方晶表示で（００１）、（１１０）または（１１１）であることが好ましい。
セラミックスの配向方法としては、公知の方法を用いることが可能であり、例えば、シード粒子（またはテンプレート粒子という）とマトリクス粒子を用いるＴＧＧ法、途中に反応を伴うＲＴＧＧ法、磁場配向法など用いることができる。
圧電組成物１３１ａ中の各種元素の含有量は、例えばセラミックスの場合は、原料の仕込み量より算出可能であり、より精密には誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分析などを用いることできる。単結晶の場合は、仕込み組成と作製された結晶の組成との間に差が生じる場合があるので、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）やＩＣＰ発光分析などの方法によって求めることが可能である。また、圧電組成物１３１ａ中の化合物の結晶系は、例えばＸ線回折法によって確認することが可能である。また、圧電組成物１３１ａ中の上記面方位は、例えば、Ｘ線回折法によって確認され得る。また、配向度は、例えば、ロットゲーリング法やロッキングカーブ法によって確認され得る。
圧電組成物１３１ａは、必要に応じて他の副成分を含有していてもよい。当該副成分の例には、不純物（ドナーおよびアクセプター）と、圧電組成物１３１ａが配向セラミックスの場合におけるシード粒子（例えば、ＢａＴｉＯ３やＳｒＴｉＯ３）と、圧電組成物１３１ａの製造時（焼結時）にＰｂおよびＢｉの蒸発を抑制するための添加剤（例えば、酸化鉛、酸化ビスマス）とが含まれる。ここで、副成分の含有量は、例えば、圧電組成物１３１ａに対して０〜２０質量部（０質量部超２０質量部以下）である。なお、上記副成分は、一部または全部が固溶していてもよいし、固溶していなくてもよい。上記副成分が固溶していない場合は、上記副成分は、上記圧電組成物において副相（副相を含むシード粒子）として存在する。
次に、圧電組成物１３１ａの製造方法を説明する。圧電組成物１３１ａを製造する方法は、少なくとも鉛、バリウム、ストロンチウム、マグネシウム、ニオブ、チタン、ジルコニウム、ビスマスおよびスカンジウムからなる群から選択される所望の元素を含む粉体を上記の生成すべき圧電組成物１３１ａの組成に応じた割合で含有する原料組成物を得る原料準備工程と、当該組成物を８００〜１３００℃に加熱して圧電組成物１３１ａを得る熱処理工程と、圧電組成物１３１ａを所望の温度好ましくは−２０〜４０℃に冷却する冷却工程と、を含む。
上記製造方法は、以下に説明する材料の種類や温度に関する条件などの特定の条件を満たす範囲で、通常の圧電組成物の製造と同様に行うことが可能である。以下、各工程について説明する。
［原料準備工程］
原料準備工程は、上記原料組成物、例えば原料粉体またはその成形物、を準備する工程である。以下に具体例を示しつつ原料準備工程を説明する。まず、所望の酸化物や炭酸塩、各種酸塩などの、圧電組成物１３１ａ中の各無機元素の供給源となる粉体を準備する。上記酸化物の例には、ＰｂＯ、Ｐｂ２Ｏ３、Ｐｂ３Ｏ４、Ｂｉ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｓｃ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＭｇＮｂ２Ｏ６およびＺｎＮｂ２Ｏ６が含まれる。また、炭酸塩の例には、ＢａＣＯ３およびＳｒＣＯ３が含まれる。
次に、必要量を秤量した、各無機元素を含有する粉体を混合して、原料粉体を作製する。原料粉体を作製する方法としては、乾式および湿式のうちのいかなる方法でもよい。当該方法の例には、ボールミルやジェットミルなどの湿式粉砕が含まれる。湿式粉砕をボールミルによって行う場合には、上記原料粉体を分散剤と混合し、粉砕装置に投入する。分散剤の例には、メタノールやエタノールなど各種アルコールおよび純水が含まれる。粉砕装置には、ジルコニアボールなどの粉砕メディアがさらに加えられ、例えば、原料粉体の粒度が微細で実質的に均一となるまで、混合、粉砕が行われる。
次に、得られた混合物から上記粉砕メディアを取り除き、吸引ろ過や乾燥器などの通常の装置を利用して上記混合物から分散剤を除去して原料粉体を得る。
次に、得られた原料粉体を坩堝などの容器に入れて仮焼成を行う。仮焼成は、例えば、６００℃〜１０００℃で行うことができる。これによって、上記原料粉体の組成の均一化や、焼結密度の向上を図ることができる。ただし、上記の仮焼成は、必ずしも必須ではなく、分散剤を乾燥除去した上記原料粉体を、仮焼成を行わずに以下の成形工程を行ってもよいし、逆に、組成の均一性や焼結密度の向上などのために仮焼成を２回以上行ってもよい。
仮焼成後には、仮焼成後の上記原料粉体を再度粉砕してもよい。また、この再粉砕工程において、上記原料粉体にバインダーをさらに添加してもよい。当該バインダーは、再粉砕工程の最初、途中または最終段階のいずれで添加することができる。上記バインダーを添加した場合には、得られた混合物は、例えば再度乾燥される。上記バインダーの例には、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）およびポリビニルブチラール（ＰＶＢ）が含まれる。
次に、上記混合物を成形して成形物を得る。当該成形は、例えば通常使用される機械を用いて行われ、上記混合物は、例えば円柱状のペレットに成形される。当該ペレットの大きさは、例えば、直径は１０〜５０ｍｍ程度であり、厚みは１〜５ｍｍ程度である。また、アレイ型の超音波探触子の場合には、上記混合物は、縦幅が１０〜２０ｍｍ程度であり、横幅が３０〜７０ｍｍ程度であり、厚みが１〜５ｍｍ程度である板状のペレットに成形されうる。
最後に、得られた成形物を電気炉に入れて、５００〜７５０℃に数時間から２０時間程度加熱する。この加熱により、上記成形物からバインダーが除去される。こうして、上記原料組成物の一例である、上記原料粉体を所定の形状に成形してなる成形物が得られる。以上により、原料準備工程が完了する。
なお、当該成形物は、前述したように、仮焼されていなくてもよい。上記の説明では、通常の固相法の場合の原料準備工程を示したが、例えば、水熱合成法を利用する方法や、アルコキシドを出発原料として用いる方法などにより行うことも可能であり、この場合、仮焼されていない上記成形物が得られうる。
［熱処理工程］
熱処理工程は、上記原料組成物を坩堝などの加熱炉に入れ、処理温度である８００〜１３００℃、より好ましくは９５０〜１２５０℃まで加熱する。加熱速度は、上記原料組成物のサイズにもよるが、通常５０〜３００℃／時間である。熱処理工程により、圧電組成物の焼結体が得られる。当該加熱速度は、熱処理工程中において一定であってもよいし、変動してもよい。上記加熱速度は、それを代表する値（例えば平均値）で表示することができる。
熱処理工程における処理時間は、従来では、通常、５分間から４時間程度であるが、圧電組成物１３１ａが単結晶の場合には６〜３０００時間であることが好ましい。これは、圧電組成物１３１が特に単結晶の場合には、熱処理工程が結晶成長工程となるためである。圧電組成物１３１ａが配向セラミックスまたはセラミックス（多結晶）の場合では、上記処理時間は、５分〜３００時間であることが好ましく、１時間〜２００時間であることがより好ましい。
なお、上記処理温度は、一定でもよいし、一定でなくてもよい。たとえば、熱処理工程では、上記処理温度を徐々に降下させてもよい。このような処理温度の降下は、得られる圧電組成物１３１ａが単結晶の場合に特に有効である。また、例えば２段階焼結の場合には、初期のごく短時間のみを高温で、その後を初期温度よりも５０〜２５０℃程度下げた温度で、焼結を行う。この場合も、上記処理温度は一定とはならない。
［冷却工程］
冷却工程は、熱処理工程で得られた圧電組成物１３１ａを所望の温度、例えば−２０〜４０℃、さらに具体的には室温、まで冷却する。冷却工程における冷却速度は、０．１〜２００℃／分であることが、生産性とドメインのピン止め防止の観点から好ましい。冷却工程における冷却速度は、一定であってもよいし、当該工程中において変動してもよい。当該冷却速度は、それを代表する値（例えば平均値）で表示することができる。
圧電組成物１３１ａは、圧電素子１３０ａに好適に用いられる。圧電素子１３０ａは、圧電組成物１３１ａと、圧電組成物１３１ａに電圧を印加するための電極１３２とを有し、圧電組成物１３１ａを用いる以外は、公知の圧電組成物と同様の方法によって所期の形態に形成される。
圧電組成物１３１ａの成形は、上記熱処理工程の後に行う。圧電組成物１３１ａの成形は、切削や研磨などの公知の加工法により行うことが可能であり、たとえば、このような加工により、圧電組成物１３１ａの厚みが調整される。上記研磨は、通常、ダイアモンドやＳｉＣ、アルミナなどの砥粒を用いた機械研磨で行われる。
さらに、圧電素子１３０ａは、圧電組成物１３１ａに電極を配置する工程と、圧電組成物１３１ａに電界を印加する工程と、を含む方法によって製造することができる。
電極１３２は、通常、圧電組成物１３１ａに対して少なくとも二つ、配置される。電極１３２の配置は、圧電組成物１３１ａに電極１３２の配置する通常の方法と同様に行うことができる。電極１３２の材料の例には、金、銀、白金、パラジウム、ニッケルおよび銅が含まれる。たとえば、電極１３２を配置する工程は、銀や銀−パラジウムペーストを焼き付ける方法でもよいし、上記電極材料のスパッタや蒸着でもよい。銀ペーストの場合は、例えば４００〜７００℃程度で、短時間で焼き付け処理を行うことが好ましい。また、電極１３２の配置に先立って、圧電組成物１３１ａと電極１３２との密着性を高めるために、電極１３２と圧電組成物１３１ａとの間に、チタンなどのバッファ電極を配置してもよい。
上記の電界を印加する工程は、圧電組成物１３１ａの分極処理のための工程（以下、この工程を「分極工程」とも言う）である。当該分極工程は、高温のオイルバス中で行うことが可能であるが、他の方法としては、高真空中や絶縁性の高い紛体中でも行うことも可能である。当該分極工程は、圧電組成物１３１ａに電極１３２を配置する前に行ってもよいし、圧電組成物１３１ａに電極１３２を配置した後に行ってもよい。印加電界は必ずしも直流である必要はなく、矩形波、のこぎり波、バースト波などの高周波でもよいし、直流成分に上記の電界を重畳させてもよい。
上記分極工程は、通常、圧電組成物１３１ａに電極１３２を配置した後に、絶縁性のオイルの中で行われる。処理温度は、通常、数十〜２００℃程度である。また、印加する電界の強度は、１０〜１００ｋＶ／ｃｍ程度である。通常、高温、強電界の条件で行うことが好ましい。処理時間は、通常、５〜６０分程度である。
分極工程時は、電界の印加を停止し、絶縁オイル中から圧電組成物１３１ａまたは圧電素子１３０ａを取り出して冷却してもよい。より完全な分極処理を行う場合には、絶縁オイル中で電界を印加しながらのフォールドクーリングを行ってもよい。上記のような分極処理を行い、圧電定数ｄ３３などの所望の圧電特性を測定して、圧電素子１３０ａの製造を完了させることができる。
圧電素子１３０ａの製造方法は、圧電素子１３０ａの所期の態様に応じて、さらなる他の工程を含んでいてもよい。たとえば、上記製造方法は、圧電組成物１３１ａを所望の形状に加工する工程をさらに含んでいてもよい。圧電組成物１３１ａの加工は、研磨や切削などの公知の加工法により行うことができる。圧電組成物１３１ａの上記加工は、通常、電極１３２が作製される前に行われるが、電極１３２が作製された後に行われてもよい。たとえば、電極１３２の形成後に、所望の大きさおよび形状に切断、切削加工することで、圧電素子１３０ａを作製することができる。
圧電組成物１３１ａの圧電定数ｄ３３が２００ｐＣ／Ｎ以上であることが、圧電素子１３０ａの性能向上の観点から好ましく、４００ｐＣ／Ｎ以上であることがより好ましい。当該圧電定数ｄ３３は、例えば、等方的なセラミックスから所望の面方位に配向した配向セラミックスや単結晶とすることによってより高められる。
前述のとおり、分極処理を再現性よく行うことが可能であるため、所期の圧電定数を呈する圧電素子１３０ａを生産性よく得ることが可能である。圧電素子１３０ａは、各種アクチュエータ、インクジェットヘッド、センサーに用いることが可能であるが、特に、超音波探触子に好適に利用することができる。
（音響整合層）
音響整合層１４０は、圧電素子１３０ａおよび被検体（超音波探触子１００ａが後述の音響レンズを有する場合は、音響レンズ）の間の音響インピーダンスを整合させて、境界面での超音波の反射を抑制するための層である。このために、音響整合層１４０は、圧電素子１３０ａと被検体との概ね中間の音響インピーダンスを有する。音響整合層１４０は、圧電素子１３０ａの上記被検体側（表面側）に、例えば、前述の他方の電極を介して配置されている。
音響整合層１４０は、単層でも積層でもよいが、音響特性の調整の観点から、音響インピーダンスが異なる複数の層の積層体であることが好ましく、例えば２層以上、より好ましくは４層以上である。音響整合層１４０の厚みは、λ／４であることが好ましい。λは、超音波の波長である。
音響整合層１４０は、例えば、種々の材料で構成することが可能である。音響整合層１４０の音響インピーダンスは、音響レンズに向けて被検体の音響インピーダンスに、段階的または連続的により近づくように設定されていることが好ましく、例えば、当該材料に添加する添加剤の種類および含有量によって調整することが可能である。
音響整合層１４０の材料の例には、アルミニウム、アルミニウム合金（例えばＡｌ−Ｍｇ合金）、マグネシウム合金、マコールガラス、ガラス、溶融石英、コッパーグラファイトおよび樹脂が含まれる。当該樹脂の例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ナイロン６やナイロン６６などのナイロン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリエチレンテレフタレート、エポキシ樹脂およびウレタン樹脂が含まれる。
上記添加剤の例には、亜鉛華、酸化チタン、シリカやアルミナ、ベンガラ、フェライト、酸化タングステン、酸化イットリビウム、硫酸バリウム、タングステン、モリブデン、ガラス繊維およびシリコーン粒子が含まれる。
音響整合層１４０の音響インピーダンスを調整する観点から、例えば、音響整合層１４０の表面部は、エポキシ樹脂で構成されているとともにシリコーン粒子を含有していることが好ましい。後述するように、音響レンズの材料であるシリコーンを音響整合層１４０の基材中に分散して存在させると、音響整合層１４０の音響インピーダンスを音響レンズのそれに近づけることが可能である。
なお、音響整合層１４０の各層は、例えば、当該技術分野で通常使用される接着剤（例えば、エポキシ系接着剤）で接着されている。
（フレキシブルプリント基板）
ＦＰＣは、例えば、圧電組成物１３１ａのための一対の電極と接続される、圧電素子１３０ａに対応したパターンの配線を有する。たとえば、特に図示しないが、ＦＰＣは、一方の電極となる信号引き出し配線と、他方の電極に接続されるグランド引き出し配線とを有する。ＦＰＣは、上記の適当なパターンを有していれば、市販品であってもよい。
上記電極の材料の例には、金、白金、銀、パラジウム、銅、アルミニウム、ニッケル、スズ、および、これらの金属元素を含む合金、が含まれる。たとえば、上記電極は、まず、チタンやクロムなどの下地金属をスパッタ法により０．００２〜１．０μｍの厚みに形成し、次いで、上記材料を、さらには必要に応じて絶縁材料を部分的に、スパッタ法、蒸着法その他の適当な方法で０．０２〜１０μｍの厚みに形成することによって作製される。上記電極は、微粉末の金属粉末と低融点ガラスを混合した導電ペーストをスクリーン印刷やディッピング法、溶射法によって当該導電ペーストの層を形成することによって作製することも可能である。
また、超音波探触子１００ａは、超音波ビームを焦点に集めるための音響レンズなどの他の構成をさらに有していてもよい。
音響レンズは、例えば、被検体と音響整合層１４０との中間の音響インピーダンスを有する軟質の高分子材料により構成される。当該高分子材料の例には、シリコーン系ゴム、ブタジエン系ゴム、ポリウレタンゴム、エピクロルヒドリンゴム、および、エチレンとプロピレンとを共重合させてなるエチレン−プロピレン共重合体ゴム、が含まれる。中でも、上記高分子材料は、シリコーン系ゴムおよびブタジエン系ゴムからなることが好ましい。
上記シリコーン系ゴムの例には、シリコーンゴムおよびフッ素シリコーンゴムが含まれる。特に、音響レンズは、シリコーンゴムであることが好ましい。当該シリコーンゴムとは、Ｓｉ−Ｏ結合からなる分子骨格を有し、そのＳｉ原子に複数の有機基が主結合したオルガノポリシロキサンをいい、通常は、その主成分はメチルポリシロキサンで、その全体の有機基のうち９０％以上がメチル基である。上記シリコーンゴムは、上記メチルポリシロキサンのメチル基の少なくとも一部が、水素原子、フェニル基、ビニル基またはアリル基も置き換わっていてもよい。
上記シリコーンゴムは、例えば、高重合度のオルガノポリシロキサンに過酸化ベンゾイルなどの硬化剤（加硫剤）を混練し、加熱加硫し硬化させることにより得ることができる。音響レンズ１７０における音速の調整や密度の調整などの目的に応じ、シリカやナイロン粉末などの有機または無機の充填剤や、硫黄や酸化亜鉛などの加硫助剤などがさらに添加されてもよい。
上記ブタジエン系ゴムの例には、ブタジエンのホモポリマーであるブタジエンゴム、および、ブタジエンを主体としこれに少量のスチロールまたはアクリロニトリルが共重合した共重合ゴム、が含まれる。特に、音響レンズは、ブタジエンゴムであることが好ましい。ブタジエンゴムとは、共役二重結合を有するブタジエンの重合により得られる合成ゴムをいう。ブタジエンゴムは、共役二重結合を有するブタジエンが１，４位で、または１，２位で、単独で重合することにより得ることができる。ブタジエンゴムは、さらに、硫黄などにより加硫されていてもよい。
シリコーン系ゴムおよびブタジエン系ゴムからなる音響レンズは、例えば、シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとを混合し、加硫硬化させることにより生成することが可能である。たとえば、音響レンズは、シリコーンゴムとブタジエンゴムとを適宜割合で混練ロールにより混合し、過酸化ベンゾイルなどの加硫剤を添加して加熱加硫して架橋（硬化）させることにより、得ることができる。
上記の場合、加硫助剤として、酸化亜鉛をさらに添加することが好ましい。酸化亜鉛は、音響レンズのレンズ特性を実質的に損なわずに加硫を促進し、加硫時間を短縮することできる。他に、着色剤や音響レンズの特性を損なわない範囲内で他の添加剤を添加してもよい。シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとの混合割合は、適宜設定することができる。たとえば、音響レンズの音響インピーダンスは、被検体のそれに近似するとともに、音響レンズ内における音速が被検体のそれよりも小さく、音響レンズの音響インピーダンスの減衰がより少なくなるように設定されていることが好ましい。このような観点から、シリコーン系ゴムとブタジエン系ゴムとの混合割合は、１：１が好ましい。
また、超音波探触子１００ａは、例えば、複数の圧電素子１３０ａ（チャンネル）が所定の間隔で並列して配置されている、いわゆるアレイ型の超音波探触子であってよい。
さらに、超音波探触子１００ａは、水中もしくは含水環境にて用いることができるように、パリレンコーティングなどの防水加工を、例えば音響レンズを接着する前の超音波探触子１００ａの前面に、施してもよい。なお、「パリレン」は、日本パリレン合同会社の登録商標である。
超音波探触子１００ａは、超音波撮像装置に好適に用いられる。当該超音波撮像装置は、超音波探触子１００ａ以外の部分は、公知の超音波撮像装置と同様に構成し得る。当該超音波撮像装置は、例えば、医療用超音波診断装置や非破壊超音波検査装置などに好適である。
図３Ａは、本実施の形態に係る超音波撮像装置２００ａの構成の一例を模式的に示す図であり、図３Ｂは、超音波撮像装置２００ａの電気的な構成の一例を示すブロック図である。
超音波撮像装置２００ａは、図３Ａに示されるように、装置本体２０１と、装置本体２０１にケーブル２０２を介して接続されている超音波探触子１００ａと、装置本体２０１上に配置されている入力部２０３および表示部２０８と、を有する。
装置本体２０１は、図３Ｂに示されるように、入力部２０３に接続されている制御部２０４と、制御部２０４およびケーブル２０２に接続されている送信部２０５および受信部２０６と、受信部２０６および制御部２０４のそれぞれと接続されている画像処理部２０７と、を有する。なお、制御部２０４および画像処理部２０７は、それぞれ表示部２０８と接続されている。
ケーブル２０２は、超音波探触子１００ａおよび送信部２０５と、超音波探触子１００ａおよび受信部２０６とをそれぞれ接続し、信号を伝達する。
入力部２０３は、例えば、診断開始などを指示するコマンドや被検体の個人情報などのデータを入力するための装置であり、例えば、複数の入力スイッチを備えた操作パネルやキーボードなどである。
制御部２０４は、例えば、マイクロプロセッサや記憶素子、その周辺回路などを備えて構成されている。制御部２０４は、超音波探触子１００ａ、入力部２０３、送信部２０５、受信部２０６、画像処理部２０７および表示部２０８を、それぞれの機能に応じて制御することによって超音波診断装置２００の全体の制御を行う回路である。
送信部２０５は、例えば、制御部２０４からの信号を、ケーブル２０２を介して超音波探触子１００ａに送信する。
受信部２０６は、例えば、超音波探触子１００ａからの信号を、ケーブル２０２を介して受信して制御部２０４または画像処理部２０７へ出力する。
画像処理部２０７は、例えば、制御部２０４の制御に従い、受信部２０６で受信した信号に基づいて被検体内の内部状態を表す画像（超音波画像）を形成する回路である。たとえば、画像処理部２０７は、被検体の超音波画像を生成するＤｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）、および、当該ＤＳＰで処理された信号をディジタル信号からアナログ信号へ変換するディジタル−アナログ変換回路（ＤＡＣ回路）などを有している。
表示部２０８は、例えば、制御部２０４の制御に従って、画像処理部２０７で生成された、被検体の超音波画像を表示するための装置である。表示部２０８は、例えば、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイなどの表示装置や、プリンタなどの印刷装置などである。
超音波撮像装置２００ａでは、制御部２０４が入力部２０３からの信号を受信し、生体などの被検体に対して超音波（第１超音波信号）を送信させる信号を送信部２０５に出力するとともに、当該第１超音波信号に基づく被検体内から来た超音波（第２超音波信号）に応じた電気信号を受信部２０６に受信させる。
受信部２０６で受信した電気信号は、画像処理部２０７に送られて当該電気信号に応じた画像信号に処理される。当該画像信号は、表示部２０８に送られて、当該画像信号に応じた画像が表示部２０８に表示される。表示部２０８は、また、入力部２０３から入力された、制御部２０４を介して送られる情報に基づき、当該情報に応じた画像および操作（文字の表示、表示された画像の移動や拡大など）も表示する。
超音波撮像装置２００ａでは、超音波成分の電気信号が検出される。圧電組成物１３１ａは、上記第１多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する。すなわち、圧電組成物１３１ａでは、束縛比誘電率、抗電界、および実効的電気機械結合係数がいずれも十分となる。よって、音響背面層１２０を有する超音波探触子１００ａにおいて、圧電組成物１３１ａの厚みが小さい場合でも、超音波に対して高い感度を得ることができる。この結果として、超音波撮像装置２００ａは、高い空間分解能による精密かつ信頼性がより高い測定結果を得ることができる。これは、圧電組成物１３１ａが上記第１多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有することで、超音波撮像装置２００ａにおける送受信回路と圧電素子１３０ａとの電気的なインピーダンスマッチングがよくなり、かつ十分に大きい抗電界が確保されるため、圧電組成物１３１ａの厚みが小さい場合でも、電圧印加時に圧電組成物１３１ａの脱分極および分極劣化が生じることを抑制できるためである。
超音波撮像装置２００ａは、医療用の超音波診断装置に適用される。超音波撮像装置２００ａは、この他にも、魚群探知機（ソナー）や非破壊検査用の探傷機などの、超音波による探査結果を画像や数値などで表示する装置に適用され得る。
以上の説明から明らかなように、上記超音波探触子は、圧電組成物と、上記圧電組成物に電圧を印加するための電極とを備えている圧電素子と、上記圧電素子の背面で音響的に結合している音響背面層と、を有する超音波探触子であって、上記圧電組成物は、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ａ１から点Ａ１８を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する。よって、上記実施の形態によれば、圧電組成物の厚みが小さい場合でも、超音波に対する感度に優れた超音波探触子および超音波撮像装置を提供することができる。
点Ａ１（０．５，２２００，１８）
点Ａ２（０．５，１４００，１８）
点Ａ３（０．７，６００，１８）
点Ａ４（０．９，６００，１８）
点Ａ５（０．９，２２００，１８）
点Ａ６（０．５，２２００，１５）
点Ａ７（０．５，１４００，１５）
点Ａ８（０．７，６００，１５）
点Ａ９（０．９，６００，１５）
点Ａ１０（０．６５，２２００，１０）
点Ａ１１（０．６５，１４００，１０）
点Ａ１２（０．８，６００，１０）
点Ａ１３（０．９，６００，１０）
点Ａ１４（０．７５，２２００，７）
点Ａ１５（０．７５，１４００，７）
点Ａ１６（０．８，１０００，７）
点Ａ１７（０．９，１０００，７）
点Ａ１８（０．９，２２００，７）
上記送受信帯域の中心周波数が７ＭＨｚ以上であることは、高周波駆動を実現する観点からより効果的である。
また、上記圧電組成物が下記式を満足することは、超音波に対する感度を高める観点からより一層効果的である。
ｋ３３≧０．６５
ε３３ Ｓ≧１０００
Ｅｃ≧１２
また、圧電組成物が下記一般式（１）で表される組成を主成分とすることは、超音波に対する感度を高める観点から、より一層効果的である。
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝ （１）
ただし、上記一般式（１）において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。
０≦ａ２≦０．１
ａ１＋ａ２＝１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．１≦ｘ≦０．３７５
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
また、圧電組成物が下記一般式（２）で表される組成を主成分とすることは、超音波に対する感度を高める観点から、より一層効果的である。
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ［Ｒ１｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝−Ｒ２（ＢｉＳｃＯ３）］ （２）
ただし、上記一般式（２）において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。
０≦ａ２≦０．１
ａ１＋ａ２＝１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．１≦ｘ≦０．２５
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
０＜Ｒ２≦０．２５
また、上記圧電組成物が特定の面方位に配向しているセラミックスであることは、等方的なセラミックスの圧電組成物に比べて高い圧電特性を発現させる観点から、より効果的であり、上記圧電組成物が特定の面方位を有する単結晶であることも、上記の観点からより効果的である。
［実施の形態２］
実施の形態２に係る超音波探触子１００ｂは、圧電素子１３０ｂが複数の圧電組成物１３１と複数の電極１３２とが交互に重ねられて構成されていることを構造上の特徴とする。
実施の形態２に係る超音波探触子１００ｂは、圧電素子１３０ｂの構成のみが、実施の形態１に係る超音波探触子１００ａと異なる。そこで、実施の形態１に係る超音波探触子１００ａと同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、超音波探触子１００ａと異なる構成について主に説明する。
図４は、実施の形態２に係る超音波探触子１００ｂの構成の一例を示す断面模式図である。本実施の形態に係る超音波探触子１００ｂは、背面負荷材１１０、圧電素子１３０ｂ、音響整合層１４０、フレキシブルプリント基板（不図示）を有する。
（圧電素子）
圧電素子１３０ｂは、電気信号を機械的な振動に変換することができ、機械的な振動を電気信号に変換することもできる。これにより、圧電素子１３０ｂは、超音波を送信し、受信することができる。
圧電素子１３０ｂは、ＦＰＣに、例えば導電性接着剤によって接着されている。当該導電性接着剤は、例えば、銀粉や銅粉、カーボンファイバーなどの導電性材料を含有する接着剤である。
本実施の形態に係る圧電素子１３０ｂは、複数の圧電組成物１３１ｂと、複数の圧電組成物１３１ｂに電圧をそれぞれ印加するための電極１３２とを備えており、圧電組成物１３１ｂの層と、電極１３２とが交互に重ねられて構成されている。圧電組成物１３１ｂの数は、必要に応じて適宜選択されうる。本実施の形態では、３つの圧電組成物１３１ｂの層と、４つの電極１３２（２つの電極１３２１および２つの電極１３２２）とが交互に重ねられて構成されている。
圧電素子１３０ｂは、図４に示されるように、複数の圧電組成物１３１ｂと、複数の圧電組成物１３１ｂ間に配置される複数の電極１３２１、１３２２と、電極１３２１同士または電極１３２２同士を接続する取り出し電極１３３１、１３３２と、電極１３２１および電極１３２２の間を絶縁するための絶縁体１３４とを有する。
圧電組成物１３１ｂは、圧電性を有していればよく、セラミックスであってもよいし、配向セラミックスであってもよいし、無機・有機コンポジットであってもよいし、単結晶であってもよい。
圧電組成物１３１ｂは、積層方向に隣り合う圧電組成物１３１ｂの間で、それぞれの分極方向が逆方向となるように、それぞれ配置されている。なお、図４中の矢印は、それぞれの圧電組成物１３１ｂの分極方向を示している。電極１３２１は、圧電組成物１３１ｂの平面方向における一端側に突出しており、電極１３２２は、当該平面方向における他端側に突出している。そして、電極１３２１、１３２２は、それぞれの突端で取り出し電極１３３１、１３３２と接続されている。電極１３２１の他端と取り出し電極１３３２との間、および電極１３２２と取り出し電極１３３１との間には絶縁体１３４が充填されており、それにより、取り出し電極に接続されていない電極と当該取り出し電極との接続が防止されている。
超音波プローブ（超音波探触子１００ｂ）では、通常、５０オーム程度のインピーダンスで圧電素子１３０ｂを動作させる。多層構造の圧電素子１３０ｂは、例えば、圧電組成物１３１ｂと電極１３２とのグリーンシートを積層して圧着し、脱バイ、焼結、切断、電極付け、リード線による取り出し、などの各工程を含む公知の製造方法によって製造することが可能である。
超音波探触子１００ｂは、例えば、複数の圧電素子１３０ｂ（チャンネル）が所定の間隔で並列して配置されている、いわゆるアレイ型の超音波探触子であってよい。当該超音波探触子は、一般に、超音波を照射する部分が小さくなりやすく、そのため圧電素子が配列する部分の面積が小さくなりやすい。このため、超音波を送受信する際のインピーダンスをより容易に整合させる観点から、圧電素子１３０ｂは、複数の圧電組成物１３１ｂの層と複数の電極１３２とが交互に重ねられて構成されている、多層構造の圧電素子１３０ｂであることが好ましい。多層構造の圧電素子１３０ｂは、圧電素子１３０ｂにおけるインピーダンスを低減させ、効率よく超音波の送受信を行う観点から好ましい。
図５および図６は、実施の形態２に係る圧電組成物１３１ｂの圧電特性を概略的に示す図である。圧電組成物１３１ｂは、図５に示されるように、その実効的電気機械結合係数をｋｅｆｆ、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ｂ１から点Ｂ１４を頂点とする第２多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する。
点Ｂ１（０．５，２２００，１８）
点Ｂ２（０．５，６００，１８）
点Ｂ３（０．９，６００，１８）
点Ｂ４（０．９，２２００，１８）
点Ｂ５（０．５，２２００，１５）
点Ｂ６（０．５，６００，１５）
点Ｂ７（０．６５，２２００，９）
点Ｂ８（０．６５，１０００，９）
点Ｂ９（０．７５，６００，９）
点Ｂ１０（０．９，６００，９）
点Ｂ１１（０．８，２２００，７）
点Ｂ１２（０．８，１０００，７）
点Ｂ１３（０．９，１０００，７）
点Ｂ１４（０．９，２２００，７）
ｋｅｆｆ、ε３３ Ｓ、およびＥｃの少なくとも１つが小さすぎて、圧電組成物１３１ｂが上記第２多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有さない場合には、超音波に対する感度が十分に得られない。また、ｋｅｆｆ、ε３３ Ｓ、およびＥｃの少なくとも１つが大きすぎて、上記第２多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有さない圧電組成物１３１ｂは、現実的に作製することが困難となるため、好ましくない。
超音波に対するより高い感度を実現する観点から、圧電組成物１３１ｂは、図６に示されるように、下記点Ｂ５１から点Ｂ６４を頂点とする第２’多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有することが好ましい。
点Ｂ５１（０．５，２２００，１８）
点Ｂ５２（０．５，１４００，１８）
点Ｂ５３（０．６，６００，１８）
点Ｂ５４（０．９，６００，１８）
点Ｂ５５（０．９，２２００，１８）
点Ｂ５６（０．５，２２００，１７）
点Ｂ５７（０．５，１４００，１７）
点Ｂ５８（０．６，６００，１７）
点Ｂ５９（０．７５，６００，１１）
点Ｂ６０（０．９，６００，１１）
点Ｂ６１（０．７５，２２００，９）
点Ｂ６２（０．７５，１０００，９）
点Ｂ６３（０．９，１０００，９）
点Ｂ６４（０．９，２２００，９）
圧電組成物１３１ｂの厚みは、超音波の中心周波数の大きさや圧電組成物１３１ｂの周波数定数、音響設計などに応じて適宜設定されうる。高い中心周波数を実現する観点からは、圧電組成物１３１ｂの厚みは小さいことが好ましい。たとえば、圧電組成物１３１ｂの厚みは、０．０２〜１ｍｍの範囲内であることが好ましく、０．０３〜０．５ｍｍの範囲内であることがより好ましい。中心周波数が７ＭＨｚのとき、圧電組成物１３１ｂの厚みは、例えば、０．０５〜０．２ｍｍの範囲内である。
超音波に対するより高い感度を実現する観点から、圧電組成物１３１ｂも下記式を満足することが好ましい。
ｋ３３≧０．６５
ε３３ Ｓ≧１０００
Ｅｃ≧１２
圧電組成物１３１ｂの組成は、本実施形態の効果が得られる範囲において、適宜に変更されうる。圧電組成物１３１ｂの組成の例は、実施の形態１に係る圧電組成物１３１ａと同一である。
図３Ａは、本実施の形態に係る超音波撮像装置２００ｂの構成の一例を模式的に示す図であり、図３Ｂは、超音波撮像装置２００ｂの電気的な構成の一例を示すブロック図である。
超音波探触子１００ｂも、超音波撮像装置に好適に用いられる。超音波撮像装置２００ｂは、超音波探触子１００ｂ以外の部分は、公知の超音波撮像装置と同様に構成し得る。当該超音波撮像装置は、例えば、医療用超音波診断装置や非破壊超音波検査装置などに好適である。
超音波撮像装置２００ｂでも、実施の形態１に係る超音波撮像装置２００ａと同様に、超音波成分の電気信号が検出される。圧電組成物１３１ｂは、上記第２多面体または上記第２’多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する。すなわち、圧電組成物１３１ｂでは、束縛比誘電率、抗電界、および実効的電気機械結合係数がいずれも十分となる。よって、複数の圧電組成物１３１ｂと複数の電極１３２とが交互に重ねられて構成されている圧電素子１３０ｂを備えている超音波探触子１００ｂにおいて、中心周波数が高い超音波に対して高い感度を得ることができる。この結果として、超音波撮像装置２００ｂは、高い空間分解能による精密かつ信頼性がより高い測定結果を得ることができる。これは、圧電組成物１３１ｂが上記第２多面体または第２’多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有することで、超音波撮像装置２００ｂが受信した信号を効率よく圧電素子１３０ｂに伝達することが可能となり、かつ十分に大きい抗電界が確保されるため、圧電組成物１３１ｂの厚みが小さい場合でも、電圧印加時に圧電組成物１３１ｂの脱分極および分極劣化が生じることを抑制できるためである。
以上の説明から明らかなように、上記超音波探触子は、複数の圧電組成物と、上記複数の圧電組成物に電圧をそれぞれ印加するための電極とを備えており、上記圧電組成物の層と、上記電極とが交互に重ねられて構成されている圧電素子を有する超音波探触子であって、上記圧電組成物は、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ｂ１から点Ｂ１４を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する。よって、上記実施の形態によれば、圧電組成物の厚みが小さい場合でも、超音波に対する感度に優れた超音波探触子および超音波撮像装置を提供することができる。
点Ｂ１（０．５，２２００，１８）
点Ｂ２（０．５，６００，１８）
点Ｂ３（０．９，６００，１８）
点Ｂ４（０．９，２２００，１８）
点Ｂ５（０．５，２２００，１５）
点Ｂ６（０．５，６００，１５）
点Ｂ７（０．６５，２２００，９）
点Ｂ８（０．６５，１０００，９）
点Ｂ９（０．７５，６００，９）
点Ｂ１０（０．９，６００，９）
点Ｂ１１（０．８，２２００，７）
点Ｂ１２（０．８，１０００，７）
点Ｂ１３（０．９，１０００，７）
点Ｂ１４（０．９，２２００，７）
このように、上記超音波探触子において、上記圧電素子が複数の上記圧電組成物と複数の上記電極とが交互に重ねられて構成されていることは、圧電素子の超音波の送受信におけるインピーダンスを低減させる観点からより一層効果的である。
また、圧電素子が下記点Ｂ５１から点Ｂ６４を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有することは、中心周波数が高い超音波に対する高い感度を得る観点から、より一層効果的である。
点Ｂ５１（０．５，２２００，１８）
点Ｂ５２（０．５，１４００，１８）
点Ｂ５３（０．６，６００，１８）
点Ｂ５４（０．９，６００，１８）
点Ｂ５５（０．９，２２００，１８）
点Ｂ５６（０．５，２２００，１７）
点Ｂ５７（０．５，１４００，１７）
点Ｂ５８（０．６，６００，１７）
点Ｂ５９（０．７５，６００，１１）
点Ｂ６０（０．９，６００，１１）
点Ｂ６１（０．７５，２２００，９）
点Ｂ６２（０．７５，１０００，９）
点Ｂ６３（０．９，１０００，９）
点Ｂ６４（０．９，２２００，９）
［実施の形態３］
実施の形態３に係る超音波探触子１００ｃは、圧電素子１３０ｃが、単層の圧電組成物を有し、かつ音響背面層を有さないことを構造上の特徴とする。
実施の形態３に係る超音波探触子１００ｃは、圧電素子１３０ｃが音響背面層を有さないことが、実施の形態１に係る超音波探触子１００ａと異なる。そこで、実施の形態１に係る超音波探触子１００ａと同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図７は、実施の形態３に係る超音波探触子１００ｃの構成を示す断面模式図である。本実施の形態に係る超音波探触子１００ｃは、背面負荷材１１０、圧電素子１３０ｃ、音響整合層１４０、フレキシブルプリント基板（不図示）を有する。前述のとおり、本実施の形態に係る超音波探触子１００ｃは、前記圧電素子の背面で音響的に結合する音響背面層を有さない。
（圧電素子）
圧電素子１３０ｃは、電気信号を機械的な振動に変換することができ、機械的な振動を電気信号に変換することもできる。これにより、圧電素子１３０ｃは、超音波を送信し、受信することができる。
圧電素子１３０ｃは、ＦＰＣに、例えば導電性接着剤によって接着されている。当該導電性接着剤は、例えば、銀粉や銅粉、カーボンファイバーなどの導電性材料を含有する接着剤である。
本実施の形態に係る圧電素子１３０ｃは、単層の圧電組成物１３１ｃと、圧電組成物１３１ｃに電圧を印加するための電極１３２とを備えている。
圧電組成物１３１ｃは、圧電性を有していればよく、セラミックスであってもよいし、配向セラミックスであってもよいし、無機・有機コンポジットであってもよいし、単結晶であってもよい。
図８は、実施の形態３に係る圧電組成物の圧電特性を概略的に示す図である。圧電組成物１３１ｃは、図８に示されるように、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ｃ１から点Ｃ１８を頂点とする第３多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する。
点Ｃ１（０．５５，２２００，１８）
点Ｃ２（０．５５，１４００，１８）
点Ｃ３（０．７５，６００，１８）
点Ｃ４（０．９，６００，１８）
点Ｃ５（０．９，２２００，１８）
点Ｃ６（０．５５，２２００，１３）
点Ｃ７（０．５５，１４００，１３）
点Ｃ８（０．７５，６００，１３）
点Ｃ９（０．９，６００，１３）
点Ｃ１０（０．６，２２００，１０）
点Ｃ１１（０．６，１４００，１０）
点Ｃ１２（０．８，６００，１０）
点Ｃ１３（０．９，６００，１０）
点Ｃ１４（０．７５，２２００，７）
点Ｃ１５（０．７５，１４００，７）
点Ｃ１６（０．８，１２００，７）
点Ｃ１７（０．９，１２００，７）
点Ｃ１８（０．９，２２００，７）
ｋｅｆｆ、ε３３ Ｓ、およびＥｃの少なくとも１つが小さすぎて、圧電組成物１３１ｃが上記第３多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有さない場合には、超音波に対する感度が十分に得られない。また、ｋｅｆｆ、ε３３ Ｓ、およびＥｃの少なくとも１つが大きすぎて、上記第３多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有さない圧電組成物１３１ｃは、現実的に作製することが困難となるため、好ましくない。
圧電組成物１３１ｃの厚みは、超音波の中心周波数の大きさや圧電組成物１３１ｃの周波数定数、音響設計などに応じて適宜設定されうる。高い中心周波数を実現する観点からは、圧電組成物１３１ｃの厚みは小さいことが好ましい。たとえば、圧電組成物１３１ｃの厚みは、０．０２〜１ｍｍの範囲内であることが好ましく、０．０３〜０．５ｍｍの範囲内であることがより好ましい。中心周波数が１５ＭＨｚのとき、圧電組成物１３１ｃの厚みは、例えば、０．０４〜０．２ｍｍの範囲内である。
超音波に対するより高い感度を実現する観点から、圧電組成物１３１ｃも下記式を満足することが好ましい。
ｋ３３≧０．６５
ε３３ Ｓ≧１０００
Ｅｃ≧１２
圧電組成物１３１ｃの組成は、本実施形態の効果が得られる範囲において、適宜に変更されうる。圧電組成物１３１ｃの組成の例は、実施の形態１に係る圧電組成物１３１ａと同一である。
図３Ａは、本実施の形態に係る超音波撮像装置２００ｃの構成の一例を模式的に示す図であり、図３Ｂは、超音波撮像装置２００ｃの電気的な構成の一例を示すブロック図である。
超音波探触子１００ｃも、超音波撮像装置に好適に用いられる。超音波撮像装置２００ｃは、超音波探触子１００ｃ以外の部分は、公知の超音波撮像装置と同様に構成し得る。当該超音波撮像装置は、例えば、医療用超音波診断装置や非破壊超音波検査装置などに好適である。
また、超音波探触子１００ｃも、例えば、複数の圧電素子１３０ｃ（チャンネル）が所定の間隔で並列して配置されている、いわゆるアレイ型の超音波探触子であってよい。
超音波撮像装置２００ｃでも、実施の形態１に係る超音波撮像装置２００ａと同様に、超音波成分の電気信号が検出される。圧電組成物１３１ｃは、上記第３多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する。すなわち、圧電組成物１３１ｃでは、束縛比誘電率、抗電界、および実効的電気機械結合係数がいずれも十分となる。よって、単層の圧電組成物１３１ｃを有し、かつ音響背面層を有さない超音波探触子１００ｃにおいて、中心周波数が高い超音波に対して高い感度を得ることができる。この結果として、超音波撮像装置２００ｃは、高い空間分解能による精密かつ信頼性がより高い測定結果を得ることができる。これは、圧電組成物１３１ｃが上記第３多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有することで、超音波撮像装置２００ｃが受信した信号を効率よく圧電素子１３０ｃに伝達することが可能となり、かつ十分に大きい抗電界が確保されるため、圧電組成物１３１ｃの厚みが小さい場合でも、電圧印加時に圧電組成物１３１ｃの脱分極および分極劣化が生じることを抑制できるためである。
以上の説明から明らかなように、上記超音波探触子は、単層の圧電組成物と、上記圧電組成物に電圧を印加するための電極とを備えている圧電素子を有しており、かつ上記圧電素子の背面で前記圧電素子と音響的に結合する音響背面層を有さない超音波探触子であって、上記圧電組成物は、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ｃ１から点Ｃ１８を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する。よって、上記実施の形態によれば、圧電組成物の厚みが小さい場合でも、超音波に対する感度に優れた超音波探触子および超音波撮像装置を提供することができる。
点Ｃ１（０．５５，２２００，１８）
点Ｃ２（０．５５，１４００，１８）
点Ｃ３（０．７５，６００，１８）
点Ｃ４（０．９，６００，１８）
点Ｃ５（０．９，２２００，１８）
点Ｃ６（０．５５，２２００，１３）
点Ｃ７（０．５５，１４００，１３）
点Ｃ８（０．７５，６００，１３）
点Ｃ９（０．９，６００，１３）
点Ｃ１０（０．６，２２００，１０）
点Ｃ１１（０．６，１４００，１０）
点Ｃ１２（０．８，６００，１０）
点Ｃ１３（０．９，６００，１０）
点Ｃ１４（０．７５，２２００，７）
点Ｃ１５（０．７５，１４００，７）
点Ｃ１６（０．８，１２００，７）
点Ｃ１７（０．９，１２００，７）
点Ｃ１８（０．９，２２００，７）
このように、上記超音波探触子において、上記圧電素子が複数の上記圧電組成物と複数の上記電極とが交互に重ねられて構成されていることは、圧電素子の超音波の送受信におけるインピーダンスを低減させる観点からより一層効果的である。
また、上記超音波探触子において、単層の圧電組成物と、上記圧電組成物に電圧を印加するための上記電極とを備えている上記圧電素子を有しており、かつ上記圧電素子の背面で音響的に結合する音響背面層を有さないように構成されていることは、超音波探触子の構成を単純にする観点からより一層効果的である。
［実施の形態４］
実施の形態４に係る超音波探触子は、圧電素子の圧電組成物に特徴を有する。実施の形態４に係る超音波探触子は、実施の形態１に係る超音波探触子１００ａ、実施の形態２に係る超音波探触子１００ｂおよび実施の形態３に係る超音波探触子１００ｃのいずれの構造の超音波探触子であってもよい。以下実施の形態４では、実施の形態１に係る超音波探触子１００ａと同様の構造を有する超音波探触子１００ｄについて説明し、同一の構成要素については、その説明を省略する。
上記圧電組成物は、圧電性を有していればよく、セラミックスであってもよいし、配向セラミックスであってもよいし、無機・有機コンポジットであってもよいし、単結晶であってもよい。
本実施の形態に係る超音波探触子の圧電組成物は、その電気機械結合係数をｋ３３、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、下記式を満足し得る。
ｋ３３≧０．６５
ε３３ Ｓ≧１０００
Ｅｃ≧１２
ｋ３３およびその測定方法と、ε３３ Ｓおよびその測定方法と、Ｅｃおよびその測定方法とについては、実施の形態１と同様であるため、その説明を省略する。ここで、ｋ３３、ε３３ ＳおよびＥｃの調整方法について説明する。
上記ｋ３３は、上記圧電組成物の組成や、理論密度に対する相対密度（上記圧電組成物がセラミックスの場合）、上記圧電組成物の結晶方位などによって調整することが可能である。上記圧電組成物の組成が組成相境界（ＭＰＢ）に近づくほど、上記ｋ３３は大きくなる傾向にある。また、上記圧電組成物の相対密度が大きくなるほど、上記ｋ３３は、大きくなる傾向にある。
上記ε３３ Ｓは、上記圧電組成物の組成によって調整することが可能である。たとえば、上記圧電組成物中のＭｇ１／３Ｎｂ２／３の含有量が大きくなるほど、上記ε３３ Ｓは、大きくなる傾向にある。また、上記圧電組成物の組成が組成相境界（ＭＰＢ）に近づくほど、上記ε３３ Ｓは、大きくなる傾向にある。
上記Ｅｃは、上記圧電組成物の組成や、不純物の組成などによって調整することが可能である。不純物によってＥｃを調整する場合、Ｅｃが大きくなるにつれて、ε３３ Ｓは小さくなる傾向にあり、ε３３ Ｓが小さすぎると超音波探触子として使用できる圧電組成物を作製することが困難となる。かかる点を考慮しつつ、Ｅｃの大きさを調整することが好ましい。たとえば、本発明者らは、ＰＭＮ−ＰＺＴ系材料、特にＢｉＳｃＯ３を含有させることにより、ε３３ Ｓの大きさを保持したままＥｃを高めることと、かつ分極方向と平行な方向における圧電特性（ｋ３３およびｄ３３）を高めることとを両立できることを初めて見出した。
上記圧電組成物の厚みは、超音波の中心周波数の大きさや上記圧電組成物の周波数定数、音響設計などに応じて適宜設定されうる。高い中心周波数を実現する観点からは、上記圧電組成物の厚みは小さいことが好ましい。たとえば、上記圧電組成物の厚みは、０．０２〜１ｍｍの範囲内であることが好ましく、０．０３〜０．５ｍｍの範囲内であることがより好ましく、０．０４〜０．２ｍｍであることがさらに好ましい。中心周波数が１０ＭＨｚのとき、上記圧電組成物の厚みは、例えば、０．０４〜０．２ｍｍの範囲内である。
上記圧電組成物の組成は、本実施形態の効果が得られる範囲において、適宜に変更されうる。上記圧電組成物は、前述の製造方法により製造されたものであってもよいし、既製品であってもよい。超音波に対するより高い感度を実現する観点から、上記圧電組成物は、下記一般式（１）で表される組成を有することが好ましく、下記一般式（２）で表される組成を主成分とすることがより好ましい。
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝ （１）
ただし、上記一般式（１）において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。なお、Ｍ１がＭｇおよびＺｎの場合、ＭｇおよびＺｎの割合は、特に限定されないが、例えば、１０：０〜５：５である。
０≦ａ２≦０．１
ａ１＋ａ２＝１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．１≦ｘ≦０．３７５
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ［Ｒ１｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝−Ｒ２（ＢｉＳｃＯ３）］ （２）
ただし、上記一般式（２）において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。なお、Ｍ１がＭｇおよびＺｎの場合、ＭｇおよびＺｎの割合は、特に限定されないが、例えば、１０：０〜５：５である。
０≦ａ２≦０．１
ａ１＋ａ２＝１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．１≦ｘ≦０．２５
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
０＜Ｒ２≦０．２５
上記一般式（１）および（２）において、ａ１、ａ２、ｘ、ｙ、ｚおよびＲ２の値は、本実施形態の効果が得られる範囲において、適宜に設定されうる。上記圧電組成物にバリウム（Ｂａ）またはストロンチウム（Ｓｒ）を添加しすぎると上記ｋ３３が小さくなりすぎることがあるため、ａ２は、０．１以下であることが好ましい。また、本発明者らは、上記圧電組成物がＢｉＳｃＯ３を含有することが、上記ε３３ Ｓの大きさを保ちつつ、上記Ｅｃ、上記ｋ３３および圧電定数ｄ３３を高める観点から有効であることを見出した。
また、上記圧電組成物は、上記一般式（１）および（２）で表される組成を主成分とするが、ペロブスカイト構造が安定に保たれる範囲であれば、ＰｂやＢｉの蒸発分だけ組成が異なっていてもよい。また、実施の形態１に係る圧電組成物と同様に、上記圧電組成物も、他の副成分を含有していてもよい。
上記圧電組成物は、その各微結晶が特定の面方位に配向しているセラミックス（いわゆる配向セラミックス）であってもよいし、特定の面方位を有する単結晶であってもよい。上記特定の面方位はいかなる方向でもよいが、圧電性をより高める観点から、擬立方晶表示で（１１１）、（１１０）または（００１）であることが好ましい。セラミックスの配向方法および上記圧電組成物中の各種元素の含有量については、実施の形態１と同様であるため、その説明を省略する。
また、上記圧電組成物の製造方法の例も、実施の形態１に係る圧電組成物１３１ａの製造方法と同様であるため、その説明を省略する。
図９は、実施の形態４に係る超音波探触子１００ｄの構成を示す断面模式図である。本実施の形態に係る超音波探触子１００ｄは、背面負荷材１１０、音響背面層１２０、圧電素子１３０ｄ、音響整合層１４０、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ、不図示）を有する。本実施の形態に係る圧電素子１３０ｄは、単層の圧電組成物１３１ｄと、圧電組成物１３１ｄに電圧を印加するための電極１３２とを備えている。本実施の形態では、圧電組成物１３１ｄの両面において、２つの電極１３２が、圧電組成物１３１ｄを挟んで互いに対向するように配置されている。
図３Ａは、本実施の形態に係る超音波撮像装置２００ｄの構成の一例を模式的に示す図であり、図３Ｂは、超音波撮像装置２００ｄの電気的な構成の一例を示すブロック図である。
超音波撮像装置２００ｄは、図３Ａに示されるように、装置本体２０１と、装置本体２０１にケーブル２０２を介して接続されている超音波探触子１００ｄと、装置本体２０１上に配置されている入力部２０３および表示部２０８と、を有する。
超音波撮像装置２００ｄでも、実施の形態１に係る超音波撮像装置２００ａと同様に、超音波成分の電気信号が検出される。超音波撮像装置２００ｄの超音波探触子１００ｄは、圧電組成物１３１ｄを有する。圧電組成物１３１ｂでは、束縛比誘電率、抗電界、および実効的電気機械結合係数がいずれも十分となる。よって、音響背面層１２０を有する超音波探触子１００ｄにおいて、圧電組成物１３１ｄの厚みが小さい場合にも、超音波に対して高い感度を得ることができる。この結果として、超音波撮像装置２００ｄは、高い空間分解能による精密かつ信頼性がより高い測定結果を得ることができる。これは、超音波探触子１００ｄが圧電組成物１３１ｄを有することで、圧電素子１３０ｄの電気的なインピーダンスマッチングがよくなり、かつ十分に大きい抗電界が確保されるため、圧電組成物１３１ｄの厚みが小さい場合でも、電圧印加時に圧電組成物１３１ｄの脱分極および分極劣化が生じることを抑制できるためである。
以上の説明から明らかなように、上記圧電素子は、下記一般式で表される組成を主成分とする圧電組成物と、前記圧電組成物に電圧を印加するための電極と、を備えており、前記圧電組成物は、その電気機械結合係数をｋ３３、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、下記式（１）〜（３）を満足する。よって、上記実施の形態によれば、圧電組成物の厚みが小さい場合でも、超音波に対する感度に優れた圧電素子、超音波探触子および超音波撮像装置を提供することができる。
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝
（ただし、上記一般式において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式（４）〜（８）が満足される。）
ｋ３３≧０．６５ （１）
ε３３ Ｓ≧１０００ （２）
Ｅｃ≧１２ （３）
０≦ａ２≦０．１ （４）
ａ１＋ａ２＝１ （５）
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１ （６）
０．１≦ｘ≦０．３７５ （７）
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４ （８）
また、圧電組成物が下記一般式で表される組成を主成分とすることは、超音波に対する感度を高める観点から、より一層効果的である。
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ［Ｒ１｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝−Ｒ２（ＢｉＳｃＯ３）］
（ただし、上記一般式において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。
０≦ａ２≦０．１
ａ１＋ａ２＝１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．１≦ｘ≦０．２５
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
０＜Ｒ２≦０．２５）
また、上記圧電組成物が特定の面方位に配向しているセラミックスであることは、等方的なセラミックスの圧電組成物に比べて高い圧電特性を発現させる観点から、より効果的であり、上記圧電組成物が特定の面方位を有する単結晶であることも、上記の観点からより効果的である。
なお、本実施の形態に係る超音波探触子では、実施の形態１に係る超音波探触子１００ａと同じ構成をとる場合について説明したが、実施の形態４に係る超音波探触子はこれに限定されない。実施の形態４に係る超音波探触子は、上記実施の形態２または３に係る超音波探触子のいずれの構成をとる超音波探触子にも採用されうる。
従来、上記の特許文献１に開示されているように、超音波探触子用の圧電組成物として、自由比誘電率ε３３ Ｔ、電気機械結合係数ｋ３３および抗電界ＥＣを高めることの必要性については知られていた。しかしながら、上記特許文献に開示されているのは、自由比誘電率ε３３ Ｔであり束縛比誘電率ε３３ Ｓではない。また、上記特許文献の実施例で開示されているＥＣの最大値は、１０ｋＶ／ｃｍ程度である。一方、圧電体の厚みが小さい場合、より大きなＥｃが望まれる。これに対し、本発明者らは、上記組成を有する圧電組成物を採用することで、ε３３ Ｓ、ＥＣおよびｋ３３のいずれも十分に高められることを見出した。また、ＰＭＮ−ＰＺＴ系において、ＢｉＳｃＯ３系の材料で置換することにより、ε３３ Ｓを高い値に保持したまま、さらに高い分極方向のｋ３３を実現できることも見出した。
また、上記の特許文献２では、ＢｉＳｃＯ３で置換された圧電組成物の用途としては、圧電スピーカや圧電ポンプなどの低周波用の圧電部品について開示されている。このため、特許文献２では、圧電組成物の分極方向（電界方向）に直交する方向（横方向、３１方向）の圧電定数および電気機械結合係数にのみ着目されている。超音波探触子がアレイ型の超音波探触子の場合には、隣り合う圧電素子の超音波信号が互いに影響しないように、横方向（３１方向）の結合係数は、むしろ小さいことが望ましい。しかし、上記の特許文献２では、超音波探触子として必要な圧電組成物の分極方向（電界方向）に平行な方向（縦方向、３３方向）の束縛比誘電率および電気機械結合係数には着目されていない。これに対し、本発明者らは、ε３３ Ｓおよびｋ３３に着目し、上記圧電組成物を採用することで、ε３３ Ｓ、ＥＣおよびｋ３３のいずれも十分に高められることを見出した。
以下、本発明に関してさらに詳細に実施例を用いて説明する。
［シミュレーション］
上記ｋｅｆｆ、上記ε３３ Ｓ、および上記Ｅｃを変化させたときの、超音波に対する感度について、シミュレーションを行った。ここでは、音響インピーダンスが２．８ＭＲａｙｌの背面負荷材と、圧電組成物と、４層の音響整合層と、音響レンズとがこの順で積層された超音波探触子についてシミュレーションを行った。また、超音波探触子と超音波撮像装置の装置本体とを接続するケーブル（長さ２．２ｍ）のインピーダンスは７５Ωであり、かつ送受信の入出力インピーダンスは５０Ωとした。本シミュレーションは、このような構成条件において、ＫＬＭ（Krimholtz, Leedom and Mattaei model）法を用いて行った。
上記ｋｅｆｆ、上記ε３３ Ｓ、および上記Ｅｃを表１に示されるように条件を設定し、出力電圧Ｖｏｕｔを１００Ｖとして、上記実施の形態１〜３に係る超音波探触子と同一の構成をとるアレイ型の超音波探触子について、超音波に対する感度のシミュレーションをそれぞれ行った。
区分、超音波探触子Ｎｏ．、超音波探触子の構成、本シミュレーションの条件およびシミュレーション結果（感度）を表１〜３に示す。表１〜３において、「Ｎｏ．」は、超音波探触子Ｎｏ．を示している。
実施の形態１に係る超音波探触子については表１に示す。表１の表題において、「ＤＭＬ型の超音波探触子」は、実施の形態１に係る超音波探触子の構成をとるアレイ型の超音波探触子についてのシミュレーション結果であることを示している。このとき、中心周波数は、１０ＭＨｚに設定されている。なお、本実施例において、ＤＭＬ型超音波探触子とは、上記構成条件において、背面負荷材と圧電組成物との間に音響インピーダンス９４ＭＲａｙｌの音響背面層がさらに設けられた構成の超音波探触子である。また、さらなる条件として、アレイ状に配列されたチャンネルのピッチを０．２ｍｍとし、チャンネルの短軸方向における開口幅を３ｍｍとした。また、表１中の「相対感度」は、圧電組成物の材料として、市販のソフト系材料のうち圧電特性が良好でＥｃの大きなＣ−６（株式会社富士セラミックス製）を使用したときの条件に設定し、シミュレーションを行った場合の超音波に対する感度を基準（０）としたときの、各超音波探触子の感度を示している。
実施の形態２に係る超音波探触子については表２に示す。表２の表題において、「多層型超音波探触子」は、実施の形態２に係る超音波探触子の構成をとるアレイ型の超音波探触子についてのシミュレーション結果であることを示している。このとき、中心周波数は、７ＭＨｚに設定されている。本シミュレーションは、上記構成条件と同様の条件で行い、圧電組成物の層の数は、３つである。さらなる条件として、アレイ状に配列されたチャンネルのピッチを０．１ｍｍとし、チャンネルの短軸方向における開口幅を５ｍｍとした。表２中の「相対感度」は、圧電組成物の材料として、市販のソフト系材料のうち圧電特性が良好でε３３ Ｓの大きなＣ−８３Ｈ（株式会社富士セラミックス製）を使用したときの条件に設定し、シミュレーションを行った場合の超音波に対する感度を基準（０）としたときの、各超音波探触子の感度を示している。
実施の形態３に係る超音波探触子については表３に示す。表３の表題において、「単層型超音波探触子」は、実施の形態３に係る超音波探触子の構成をとるアレイ型の超音波探触子についてのシミュレーション結果であることを示している。このとき、中心周波数は、１５ＭＨｚに設定されている。本シミュレーションは、上記構成条件と同様の条件で行った。さらなる条件として、アレイ状に配列されたチャンネルのピッチを０．２ｍｍとし、チャンネルの短軸方向における開口幅を２．５ｍｍとした。表３中の「相対感度」は、圧電組成物の材料としてＣ−６（株式会社富士セラミックス製）を使用し、単層圧電板を用いたときの条件に設定し、シミュレーションを行った場合の超音波に対する感度を基準（０）としたときの、各超音波探触子の感度を示している。
Figure 2017228562
Figure 2017228562
Figure 2017228562
表１に示されるように、実施例に係る超音波探触子１〜２１については、基準となる超音波探触子Ｒ１と比較して、超音波に対する感度が優れていた。これは、超音波探触子１〜２１の圧電組成物が直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において上記点Ａ１から点Ａ１８を頂点とする上記第１多面体で囲まれる領域（図２参照）に含まれる圧電特性を有するためと考えられる。
一方、比較例に係る超音波探触子Ｃ１〜Ｃ９については、基準となる超音波探触子Ｒ１と比較して、超音波に対する感度が不十分であった。これは、超音波探触子Ｃ１〜Ｃ９の圧電組成物が直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において上記点Ａ１から点Ａ１８を頂点とする上記第１多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有さないためと考えられる。
また、表２に示されるように、実施例に係る超音波探触子２２〜６０については、基準となる超音波探触子Ｒ２と比較して、超音波に対する感度が優れていた。これは、超音波探触子２２〜６０の圧電組成物が直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において上記点Ｂ１から点Ｂ１４を頂点とする上記第２多面体で囲まれる領域（図５参照）に含まれる圧電特性を有するためと考えられる。
特に、実施例に係る超音波探触子４０〜６０については、基準となる超音波探触子Ｒ２と比較して、相対感度が２．２ｄＢ以上であった。これは、超音波探触子４０〜６０の圧電組成物が（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において上記点Ｂ５１から点Ｂ６４を頂点とする上記第２’多面体で囲まれる領域（図６参照）に含まれる圧電特性を有するためと考えられる。
一方、比較例に係る超音波探触子Ｃ１０〜Ｃ１８については、基準となる超音波探触子Ｒ２と比較して、超音波に対する感度が不十分であった。これは、超音波探触子Ｃ１０〜Ｃ１８の圧電組成物が直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において上記点Ｂ１から点Ｂ１８を頂点とする上記第２多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有さないためと考えられる。
また、表３に示されるように、実施例に係る超音波探触子６１〜８０については、基準となる超音波探触子Ｒ３と比較して、超音波に対する感度が優れていた。これは、超音波探触子６１〜８０の圧電組成物が直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において上記点Ｃ１から点Ｃ１８を頂点とする上記第３多面体で囲まれる領域（図８参照）に含まれる圧電特性を有するためと考えられる。
一方、比較例に係る超音波探触子Ｃ１９〜Ｃ２２については、基準となる超音波探触子Ｒ３と比較して、超音波に対する感度が不十分であった。これは、超音波探触子Ｃ１９〜Ｃ２２の圧電組成物が直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において上記点Ｃ１から点Ｃ１８を頂点とする上記第３多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有さないためと考えられる。
［圧電素子の製造］
次いで、本発明に係る超音波探触子に使用されうる、下記一般式（１）または（２）で表される組成を有する圧電組成物および当該圧電組成物を主成分とする圧電素子の製造方法を説明する。また、製造した圧電素子の圧電特性（ｄ３３、ｋ３３，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）についても評価した。
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝ （１）
ただし、上記一般式（１）において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。
０≦ａ２≦０．１
ａ１＋ａ２＝１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．１≦ｘ≦０．３７５
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ［Ｒ１｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝−Ｒ２（ＢｉＳｃＯ３）］ （２）
ただし、上記一般式（２）において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。
０≦ａ２≦０．１
ａ１＋ａ２＝１
ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
０．１≦ｘ≦０．２５
０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
０＜Ｒ２≦０．２５
なお、以下では、バルクセラミックスに関して説明するが、本発明における圧電組成物は、特にセラミックス（多結晶）に限るわけではなく、配向セラミックス、厚膜、単結晶の場合にも適用され得る。また、当該圧電組成物がセラミックスや単結晶の場合には、セラミックスや単結晶の熱処理は、所望の大きさに切断してから行ってもよい。
［圧電素子１の作製］
（原料準備工程）
上記一般式（１）において、ｘ：ｙ：ｚが０．３７５：０．４０：０．２２５、ａ２が０．０５となる割合で、ＰｂＯ、ＢａＣＯ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２およびＭｇＮｂ２Ｏ６の各粉体を、全体で３０ｇとなるように秤量した。
上記粉体と、８０ｍＬのエタノールと、適量のＺｒＯ２ボールとをポットに入れ、上記粉体をボールミルで１６時間粉砕した。次いで、得られた混合粉体を、炉内温度８００℃で６時間加熱することで仮焼した。得られた粉体をさらに上記と同様の条件でボールミルによってさらに粉砕して仮焼粉体１を得た。
１００質量部の仮焼粉体１に対して３質量部のＰＶＢを仮焼粉体１に添加し、混合し、プレス成形によって円板状に成形して成形体１を得た。成形体１の直径は１２ｍｍであり、高さ（厚み）は１．５ｍｍである。
（熱処理工程）
成形体１からの原料成分の揮発を抑えるために成形体１を坩堝に入れて、坩堝炉内温度を室温から１２５０℃まで、昇温速度２００℃／時間で昇温した。次いで、成形体１を炉内温度１２５０℃で２時間加熱した。
（冷却工程）
当該熱処理後の成形体１を冷却速度０．０５〜０．３℃／秒で室温まで冷却し、第１熱処理を施した成形体１を得た。
（電極形成工程）
そして、圧電組成物１を研磨し、スパッタによって金電極を配置し、ダイアモンドカッターにて所望の大きさ（４ｍｍ×１．５ｍｍ×０．４ｍｍ）に切断した。
（分極工程）
次に、分極処理を、オイルバス中の６０℃のオイル中で３５ｋＶ／ｃｍの電界を３０分間印加することで行い、こうして圧電定数ｄ３３および抗電界Ｅｃの測定用の圧電素子１を得た。
なお、後述の電気機械結合係数ｋ３３および束縛比誘電率ε３３ Ｓの測定用のサンプルとして、圧電組成物１を１ｍｍ×１ｍｍ×３ｍｍの大きさに切断し、長手方向において互いに対向する面にスパッタにより金電極を成膜した圧電素子を作製した。そして、上記分極工程と同様にして、ｋ３３およびε３３ Ｓの測定用の圧電素子１についても分極処理を行った。
［評価］
（１）圧電定数ｄ３３の測定
ｄ３３測定用の圧電素子１を用いて、圧電組成物１の圧電定数ｄ３３を、ベルリンコート式のｄ３３メータを用いて測定した。その結果、圧電素子１のｄ３３は４３２ｐＣ／Ｎであった。
（２）電気機械結合係数ｋ３３の測定
ｋ３３測定用の圧電素子１を用いて、圧電組成物１の電気機械結合係数ｋ３３を、インピーダンスアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ ４２９４Ａ；アジレント・テクノロジー株式会社製）を用いて共振・反共振法により測定した。その結果、圧電素子１のｋ３３は０．６６であった。
（３）束縛比誘電率ε３３ Ｓの測定
ε３３ Ｓ測定用の圧電素子１を用いて、圧電組成物１の束縛比誘電率ε３３ Ｓを、前述のインピーダンスアナライザを用いて反共振周波数以上の周波数で測定した。その結果、圧電素子１のε３３ Ｓは１５１０であった。
（４）抗電界Ｅｃの測定
Ｅｃ測定用の圧電素子１を用いて、圧電組成物１の抗電界Ｅｃを、チャージアンプ方式の強誘電体特性評価システム（株式会社リードテック製）を用いて測定した。その結果、圧電素子１のＥｃは１２ｋＶ／ｃｍであった。
［圧電素子２〜７の作製］
ｘ、ｙ、ｚおよびａ２が下記表４に示す値となるようにＰｂＯ、ＢａＣＯ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２およびＭｇＮｂ２Ｏ６の各粉体を使用した以外は圧電素子１と同様にして、圧電素子２〜７を作製し、圧電素子１と同様にして圧電特性を評価した。
［圧電素子８、９の作製］
上記一般式（１）におけるＡとして、Ｂａの代わりにＳｒに置換されるようにＢａＣＯ３の代わりにＳｒＣＯ３の粉体を使用した以外は圧電素子２と同様にして、圧電素子８を作製し、圧電素子１と同様にして圧電特性を評価した。また、Ａとして、Ｂａの代わりにＳｒに置換されるようにＢａＣＯ３の代わりにＳｒＣＯ３の粉体を使用した以外は圧電素子３と同様にして、圧電素子９を作製し、圧電素子１と同様にして圧電特性を評価した。
［圧電素子１０〜１３の作製］
ｘ、ｙ、ｚおよびａ２が下記表４に示す値となるように、かつ上記一般式（２）におけるＲ２が下記表４に示す値となるようにＰｂＯ、Ｂｉ２Ｏ３、ＢａＣＯ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＭｇＮｂ２Ｏ６およびＳｃ２ＣＯ３の各粉体を使用した以外は圧電素子１と同様にして、圧電素子１０〜１３を作製し、圧電素子１と同様にして圧電特性を評価した。
なお、圧電素子２〜１３の作製において、分極処理での温度はいずれも４０〜１５０℃の範囲内であり、印加電圧は１０〜４０ｋＶ／ｃｍの範囲内であり、電圧印加時間は１０〜６０分間の範囲内であった。
圧電素子１〜１３について、区分、ｘ、ｙ、ｚ、ｙ／（ｙ＋ｚ）、ａ２、Ｒ２、元素Ａ、ｄ３３、ｋ３３、ε３３ ＳおよびＥｃを表４に示す。表４において、「Ｎｏ．」は、圧電素子Ｎｏ．を示している。
Figure 2017228562
表４から明らかなように、圧電素子１〜１３は、いずれも、下記式を満たしていた。ｋｅｆｆの値は、０．９×ｋ３３から１×ｋ３３程度の大きさであることを考慮すると、圧電素子１〜１３は、いずれも、上記第１多面体、上記第２多面体、上記第２’多面体および上記第３多面体のいずれにも含まれる。すなわち、上記一般式（１）または一般式（２）で表される組成を主成分とする圧電素子１〜１３は、上記実施の形態１〜３に係る超音波探触子と同一の構成を有する超音波探触子のいずれにも有効な材料であることがわかる。
ｋ３３≧０．６５
ε３３ Ｓ≧１０００
Ｅｃ≧１２
また、圧電素子２および圧電素子８の圧電特性と、圧電素子３および圧電素子９の圧電特性とをそれぞれ互いに比較すると、Ａ元素がＢａまたはＳｒのいずれであっても、圧電特性に顕著な違いがないことがわかる。すなわち、Ａ元素がＢａまたはＳｒのいずれであっても、上記一般式（１）または一般式（２）で表される組成を有する圧電素子１〜１３は、上記実施の形態１〜３に係る超音波探触子と同一の構成を有する超音波探触子のいずれにも有効な材料であることがわかる。
さらに、圧電素子１〜９および圧電素子１０〜１３の圧電特性を互いに比較すると、Ｒ２が０より大きい場合には、ε３３ Ｓを同程度の大きさに保ちながら、ｄ３３およびｋ３３の値が大きくなっていることがわかる。すなわち、圧電組成物にＢｉＳｃＯ３を導入することは、超音波探触子として重要な圧電組成物の分極方向の圧電特性を高める観点から好ましいことがわかる。なお、本実施例では、ＡのＢａおよびＳｒの置換量を０とすることも可能である。また、Ｍ１の一部をＺｎに置換することも可能である。
本発明によれば、圧電組成物の厚みが小さい場合においても高感度な超音波探触子を構成することが可能となる。したがって、本発明によれば、超音波撮像装置のさらなる普及が期待される。
１００ａ〜ｄ 超音波探触子
１１０ 背面負荷材
１２０ 音響背面層
１３０ａ〜ｄ 圧電素子
１３１ａ〜ｄ 圧電組成物
１３２（１３２１、１３２２） 電極
１３３１、１３３２ 取り出し電極
１３４ 絶縁体
１４０ 音響整合層
２００ａ〜ｄ 超音波撮像装置
２０１ 装置本体
２０２ ケーブル
２０３ 入力部
２０４ 制御部
２０５ 送信部
２０６ 受信部
２０７ 画像処理部
２０８ 表示部

Claims (19)

  1. 圧電組成物と、前記圧電組成物に電圧を印加するための電極とを備えている圧電素子と、前記圧電素子の背面で前記圧電素子と音響的に結合している音響背面層と、を有する超音波探触子であって、
    前記圧電組成物は、その実効的電気機械結合係数をｋｅｆｆ、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ａ１から点Ａ１８を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する、
    超音波探触子。
    点Ａ１（０．５，２２００，１８）
    点Ａ２（０．５，１４００，１８）
    点Ａ３（０．７，６００，１８）
    点Ａ４（０．９，６００，１８）
    点Ａ５（０．９，２２００，１８）
    点Ａ６（０．５，２２００，１５）
    点Ａ７（０．５，１４００，１５）
    点Ａ８（０．７，６００，１５）
    点Ａ９（０．９，６００，１５）
    点Ａ１０（０．６５，２２００，１０）
    点Ａ１１（０．６５，１４００，１０）
    点Ａ１２（０．８，６００，１０）
    点Ａ１３（０．９，６００，１０）
    点Ａ１４（０．７５，２２００，７）
    点Ａ１５（０．７５，１４００，７）
    点Ａ１６（０．８，１０００，７）
    点Ａ１７（０．９，１０００，７）
    点Ａ１８（０．９，２２００，７）
  2. 複数の圧電組成物と、前記複数の圧電組成物に電圧をそれぞれ印加するための電極とを備えており、前記圧電組成物の層と、前記電極とが交互に重ねられて構成されている圧電素子を有する超音波探触子であって、
    前記圧電組成物は、その実効的電気機械結合係数をｋｅｆｆ、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ｂ１から点Ｂ１４を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する、
    超音波探触子。
    点Ｂ１（０．５，２２００，１８）
    点Ｂ２（０．５，６００，１８）
    点Ｂ３（０．９，６００，１８）
    点Ｂ４（０．９，２２００，１８）
    点Ｂ５（０．５，２２００，１５）
    点Ｂ６（０．５，６００，１５）
    点Ｂ７（０．６５，２２００，９）
    点Ｂ８（０．６５，１０００，９）
    点Ｂ９（０．７５，６００，９）
    点Ｂ１０（０．９，６００，９）
    点Ｂ１１（０．８，２２００，７）
    点Ｂ１２（０．８，１０００，７）
    点Ｂ１３（０．９，１０００，７）
    点Ｂ１４（０．９，２２００，７）
  3. 前記圧電組成物は、下記点Ｂ５１から点Ｂ６４を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する、請求項２に記載の超音波探触子。
    点Ｂ５１（０．５，２２００，１８）
    点Ｂ５２（０．５，１４００，１８）
    点Ｂ５３（０．６，６００，１８）
    点Ｂ５４（０．９，６００，１８）
    点Ｂ５５（０．９，２２００，１８）
    点Ｂ５６（０．５，２２００，１７）
    点Ｂ５７（０．５，１４００，１７）
    点Ｂ５８（０．６，６００，１７）
    点Ｂ５９（０．７５，６００，１１）
    点Ｂ６０（０．９，６００，１１）
    点Ｂ６１（０．７５，２２００，９）
    点Ｂ６２（０．７５，１０００，９）
    点Ｂ６３（０．９，１０００，９）
    点Ｂ６４（０．９，２２００，９）
  4. 単層の圧電組成物と、前記圧電組成物に電圧を印加するための電極とを備えている圧電素子を有しており、かつ前記圧電素子の背面で前記圧電素子と音響的に結合する音響背面層を有さない超音波探触子であって、
    前記圧電組成物は、その実効的電気機械結合係数をｋｅｆｆ、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、ｋｅｆｆ、ε３３ ＳおよびＥｃを変数とする直交座標（ｋｅｆｆ，ε３３ Ｓ，Ｅｃ）において下記点Ｃ１から点Ｃ１８を頂点とする多面体で囲まれる領域に含まれる圧電特性を有する、
    超音波探触子。
    点Ｃ１（０．５５，２２００，１８）
    点Ｃ２（０．５５，１４００，１８）
    点Ｃ３（０．７５，６００，１８）
    点Ｃ４（０．９，６００，１８）
    点Ｃ５（０．９，２２００，１８）
    点Ｃ６（０．５５，２２００，１３）
    点Ｃ７（０．５５，１４００，１３）
    点Ｃ８（０．７５，６００，１３）
    点Ｃ９（０．９，６００，１３）
    点Ｃ１０（０．６，２２００，１０）
    点Ｃ１１（０．６，１４００，１０）
    点Ｃ１２（０．８，６００，１０）
    点Ｃ１３（０．９，６００，１０）
    点Ｃ１４（０．７５，２２００，７）
    点Ｃ１５（０．７５，１４００，７）
    点Ｃ１６（０．８，１２００，７）
    点Ｃ１７（０．９，１２００，７）
    点Ｃ１８（０．９，２２００，７）
  5. 前記圧電組成物の厚みは、０．０２〜１ｍｍである、請求項４に記載の超音波探触子。
  6. 送受信帯域の中心周波数は、７ＭＨｚ以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  7. 前記圧電組成物は、その電気機械結合係数をｋ３３、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、下記式を満足する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波探触子。
    ｋ３３≧０．６５
    ε３３ Ｓ≧１０００
    Ｅｃ≧１２
  8. 前記圧電組成物の主成分の組成は、下記一般式で表される、請求項７に記載の超音波探触子。
    ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝
    （ただし、上記一般式において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。
    ０≦ａ２≦０．１
    ａ１＋ａ２＝１
    ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
    ０．１≦ｘ≦０．３７５
    ０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４）
  9. 前記圧電組成物の主成分の組成は、下記一般式で表される請求項８に記載の超音波探触子。
    ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ［Ｒ１｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝−Ｒ２（ＢｉＳｃＯ３）］
    （ただし、上記一般式において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。
    ０≦ａ２≦０．１
    ａ１＋ａ２＝１
    ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
    ０．１≦ｘ≦０．２５
    ０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
    ０＜Ｒ２≦０．２５）
  10. 前記圧電組成物は、副成分として、特定の面方位に配向しているセラミックスのシード粒子、酸化鉛、酸化ビスマス、ドナーおよびアクセプターからなる群から選ばれる一以上を含んでいる、請求項８または９に記載の超音波探触子。
  11. 前記圧電組成物は、特定の面方位に配向しているセラミックスである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  12. 前記圧電組成物は、特定の面方位を有する単結晶である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の超音波探触子。
  13. 下記一般式で表される組成を主成分とする圧電組成物と、前記圧電組成物に電圧を印加するための電極と、を備えており、
    前記圧電組成物は、その電気機械結合係数をｋ３３、その束縛比誘電率をε３３ Ｓ、その抗電界をＥｃ（ｋＶ／ｃｍ）としたときに、下記式（１）〜（３）を満足する、
    圧電素子。
    ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝
    （ただし、上記一般式において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式（４）〜（８）が満足される。）
    ｋ３３≧０．６５ （１）
    ε３３ Ｓ≧１０００ （２）
    Ｅｃ≧１２ （３）
    ０≦ａ２≦０．１ （４）
    ａ１＋ａ２＝１ （５）
    ｘ＋ｙ＋ｚ＝１ （６）
    ０．１≦ｘ≦０．３７５ （７）
    ０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４ （８）
  14. 前記圧電組成物は、下記一般式で表される組成を主成分とする、請求項１３に記載の圧電素子。
    ｘ［（Ｐｂａ１Ａａ２）｛（Ｍ１１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３｝］−ｙ｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＴｉＯ３｝−ｚ［Ｒ１｛（Ｐｂａ１Ａａ２）ＺｒＯ３｝−Ｒ２（ＢｉＳｃＯ３）］
    （ただし、上記一般式において、ＡはＢａまたはＳｒであり、Ｍ１はＭｇ、またはＭｇおよびＺｎであり、かつ下記式が満足される。
    ０≦ａ２≦０．１
    ａ１＋ａ２＝１
    ｘ＋ｙ＋ｚ＝１
    ０．１≦ｘ≦０．２５
    ０．５≦ｙ／（ｙ＋ｚ）≦０．６４
    ０＜Ｒ２≦０．２５）
  15. 前記圧電組成物は、副成分として、特定の面方位に配向しているセラミックスのシード粒子、酸化鉛、酸化ビスマス、ドナーおよびアクセプターからなる群から選ばれる一以上を含んでいる、請求項１３または１４に記載の圧電素子。
  16. 前記圧電組成物は、特定の面方位に配向しているセラミックスである、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の圧電素子。
  17. 前記圧電組成物は、特定の面方位を有する単結晶である、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の圧電素子。
  18. 請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の圧電素子を有する、超音波探触子。
  19. 請求項１〜１２および請求項１８のいずれか一項に記載の超音波探触子を有する、超音波撮像装置。
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