JP2004519146A - 超音波変換器及びこの超音波変換器を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は超音波変換器（６０）を製造する方法を提案している。この方法は、複合圧電物質のディスクの形態のプレートを中空な球形キャップに成型するステップを有する方法において、この成型ステップは、放射状の配向を持ち、前記ディスクの周縁からそれの中心（Ｃ）へ延在する少なくとも１つのスリット（７０）を形成するカッティングステップが先に行われ、前記スリットは、当該成型ステップの後、前記スリット（７０）を境界付ける２つの対向して位置される対面する自由縁（７４、７６）が、ディスクの変形により特に引き起こされる前記キャップにおける内部応力を最小にするように互いに殆ど接触していることを特徴とする。本発明は上記方法を用いて得られる変換器も提案する。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波変換器を製造する方法に関する。この方法は複合圧電物質のディスクとして形成されるプレートを中空の球形キャップに成型するステップを含んでいる。
【０００２】
超音波変換器は特に医療分野において用いられている。このような変換器に対し多くのアプリケーションが存在している。
【０００３】
【従来の技術】
低電力、すなわち約数百ミリワットで動作する撮像用の変換器と、例えば体温を上昇させることにより人間の体内にある腫瘍を破壊することが可能な、約１ワット乃至数百ワットの電流により給電されるいわゆる超音波電力変換器とが存在する。
【０００４】
一般的に言うと、超音波変換器は既定量のエネルギーが楕円形状を持つ焦点と呼ばれる小さな区域内に焦点合わせすることを可能にする。この焦点は変換器により発生する超音波放射線が集束する区域に対応する。一般的には、この放射線は、この放射線が与えられる面に垂直な方向に伝搬していく。この放射線はいわゆる超音波ビームを一緒に成型する。このように、超音波ビームは一般的に前記球形キャップの対称軸に対応する方向に配向される。各変換器は前記焦点とこの変換器の球形キャップの頂点との間の距離に対応する焦点距離を有する。変換器の焦点距離は原理的にそれの幾何学的配置、すなわち球形キャップの曲率半径によって特に決められる。従って、変換器の特定の幾何学的配置の各々には、変換器の幾何学的焦点距離と呼ばれる所与の焦点距離とが関連付けられる。焦点距離が大きくなるにつれて、焦点の形状は楕円の長軸の方向にさらに伸張する。
【０００５】
超音波変換器は圧電物質、すなわち電流パルスに曝されるとき変形する物質から作られる。この物質の変形が超音波振動の範囲内において放射を発生させ、この放射は水中又は液体中を伝搬し、特に温度の上昇を引き起こす焦点へ集束する。超音波電力変換器の場合、温度に関するこの上昇は人間の身体の組織、特に悪性又は悪性ではない腫瘍を焼損するのに十分である。
【０００６】
この治療を最も効果的に行うために、用いられる変換器の焦点距離が短いことが重要である。実際にこれは焦点の寸法を減少することを可能にして、これによって治療の精度を高める。他方では、腫瘍が患者の皮膚の外表面から僅かな距離に位置するとき、変換器は患者の外表面の付近に配置されることが可能である。この装置の容積はこれによって減少し、変換器と皮膚との間の結合は容易となる、従って患者の体内にエネルギーを浸透することを最も効果的にする。焦点距離は、それの幾何学的な焦点距離に関して変換器の焦点距離を増大又は減少するように、変換器の所与の区域に対する振動の位相をずらすことを可能にする電子装置を用いて僅かに変えることができる。焦点距離の変化は、すなわち変換器を移動させずに治療する区域を大きくするために、焦点の移動を可能にする。球形キャップの厚さは、超音波放射線の周波数を決める。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
球形キャップの形式で変換器を実現する方法は、Ｋｕｌｌｅｒｖｏ ＨＹＮＹＮＥＮ他著の刊行物”Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｕｓｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ ＭＲＩ Ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ Ｎｏｎ−Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｓｕｒｇｅｒｙ” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ， Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ， ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ， ｖｏｌ．４３， Ｎｏ．６， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９６から既に公知である。この方法は、所望の大きさの球形キャップ、特に所与の幾何学的な焦点距離及び放射線周波数を得るように所望の半径及び厚さを持つキャップが形成される固形の圧電物質を利用する。その後、このキャップの各球形表面は電極で覆われている。電流が供給されるとき、前記電極は圧電物質を振動させることを可能にする。このような方法は、大量の圧電物質と正確な機械の動作とを必要とするので、非常に高価である。その上、電子装置は所与の区域に対し振動の位相のずれを引き起こすようにはできないので、変換器の焦点距離を変化させる可能性は失われる。
【０００８】
例えばポリマー物質のような絶縁物質の母材（ｍａｔｒｉｘ）に埋設される圧電物質の小さな素子により形成される物質からなる複合圧電物質を利用することも知られている。その後、複合圧電物質のディスクが形成され、このディスクの各表面は、真空で金属被覆することにより実現される電極で覆われている。電流が供給されるとき、前記電極は圧電物質が振動することを可能にする。前記ディスクの背面上の電極は写真製版（ｐｈｏｔｏｅｎｇｒａｖｉｎｇ）及び化学的エッチングにより実現される導電物質のリングの並置からなる。このディスクは、ポリマー物質から構成されるので熱による変形が可能である。これにより、中空の球形キャップは熱の影響下においてディスクを変形することにより形成され、これが所望の曲率半径を持つ形態となる。
【０００９】
しかしながら、ディスクを中空の球形キャップに成型することは、複合圧電物質に大きな機械的応力を引き起こし、この応力は超音波変換器の曲率半径が小さくなるにつれて大きくなる。
【００１０】
変換器の動作中は、圧電素子の非常に高い（約１乃至数ＭＨｚの）周波数での振動が前記物質の内側に機械的応力も引き起こす。
【００１１】
これら機械的応力の合計は、超音波変換器を使用している間、複合圧電物質の破断強度限界よりも下になければならない。
【００１２】
従って、この種類の方法は小さな曲率半径を持つ超音波変換器が実現されるとき限界がある。実際には、直径１００ｍｍ及び厚さ約１ｍｍの超音波変換器を１．５ＭＨｚで動作するために実現可能な最小の曲率半径は約１３０ｍｍである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
これらの問題を解決するために、本発明は、複合圧電物質のディスクとして形成されるプレートを請求項１に記載の中空の球形キャップに成型するステップを含む超音波変換器を製造する方法を提案している。
【００１４】
本発明は、上記方法を用いて製造される中空の球形キャップとして形成される超音波変換器も提案する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴及び利点は添付される概略的な図を参照して以下に詳細に説明される。
【００１６】
同じ又は類似である構成要素は同じ参照番号によって以下に示される。
【００１７】
図１は複合圧電物質のディスク２０を示す。この種類の物質は図２に詳細に示され、例えばエポキシ樹脂のような電気を絶縁する物質２４に埋設される圧電素子２２により形成される。本実施例において、このディスク２０の直径及び厚さは、それぞれ約１２０ｍｍ及び２ｍｍである。圧電素子２２はディスク２０を貫通し軸方向に延在し、その辺が約１００マイクロメートルとなるほぼ矩形の横断面を持つ。これら圧電素子は前記物質２４において規則的に分布している。ディスク２０の２つの面の各々は上述された既知の方法を用いて実現される電極４２、４４を備えている。
【００１８】
中空の球形キャップ２６はディスク２０の変形により実現される。この目的のために、ディスク２０及びその電極４２、４４は、図３に示されるように、成型装置２８の２つの金型の間、すなわち下部金型３０と上方金型３２との間に置かれる。下方金型３０及び上方金型３２の対面する面３４及び３６は、前記球形キャップ２６の凹面３８及び凸面４０の球形形態を規定する。従って、ディスク２０が前記２つの金型３０及び３２の間に置かれるとき、ディスク２０はこれら２つの金型を軸方向に合わせることによって球形キャップ２６に成型される。
【００１９】
凹面３８全体に置かれる電極４２は導電素子４６を介して電流発生装置４８の正の端子に接続される。凸面４０上に設けられる電極４４は、本実施例において導電物質のリングの並置から構成され、これらリングのうちの２つが参照番号５０及び５２により示される。実際には、電極４４は例えば１４個のリングにより形成される。前記リング５０、５２は、図５において詳細に示される中空リング５４により互いに離隔されている。代わりのバージョンにおけるリング５４は、リング５０と５２との間に電気的な絶縁を設けるために、例えばポリウレタンワニス（ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｖａｒｎｉｓｈ）のような電気を絶縁する物質で満たされてもよい。各リング５０、５２は図４に示されるように導電素子５６及び５８を介して前記電流発生装置に接続されている。これにより実現される装置は超音波変換器６０を形成する。
【００２０】
前記超音波変換器６０の動作中、電流発生装置４８はこれらリング５０及び５２に電流を供給し、前記リング５０及び５２が接触している圧電素子２２の振動を引き起こす。電極４４の全てのリングが同じ位相及び振幅の電流を供給されるとき、焦点は超音波変換器６０の幾何学的な焦点距離に置かれる。
【００２１】
電流発生装置４８は前記導電素子５６及び５８に異なる位相及び振幅の電流を供給してもよい。このことが特に焦点の焦点距離の変化を可能にする。
【００２２】
この種類の装置は大きな曲率半径を持つ超音波変換器６０の実現を可能にする。これによって、大きな焦点距離を持つ変換器の実現を可能にする。
【００２３】
しかしながら、このような方法は、患者の皮膚の表面から僅かな距離にある腫瘍を治療し、この治療の精度を高めるために、小さな幾何学的な焦点距離が望まれるときには不適切である。
【００２４】
実際には、前記焦点距離を減少させるために、超音波変換器６０の曲率半径を減少させることが必要である。しかしながら、ディスク２０を球形キャップ２６に成型するステップは、複合圧電物質の内部に大きな応力を引き起こす。変換器６０の所与の直径に対し、前記応力は曲率半径が小さくなるにつれて大きくなる。この現象は複合圧電物質のディスク２０の大きな変形が原因である。
【００２５】
実際には、既定の直径の第１のディスクは、第１の直径及び第１の曲率半径からなる第１の球形キャップを得るために必要である。同様に、第１の直径に等しい第２の直径及び第１の曲率半径よりも大きい第２の曲率半径からなる第２の球形キャップを得るために、前記既定の直径よりも大きい直径を持つ複合圧電物質の第２のディスクを形成することが必要である。
【００２６】
球形キャップの成型中、前記ディスクの周長（ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｌｅｎｇｔｈ）は減少する。第２のディスクの周長の減少は、第１のディスクの周長の減少よりも大きい。その結果、第２の球形キャップの成型は、第１の球形キャップの成型によって生じた応力よりも大きい応力、特に圧縮応力を引き起こす。球形キャップ２６の直径及びその厚さに依存する前記キャップ２６の曲率半径が既定値よりも下に減少するとき、前記キャップ２６の複合圧電物質に起こる応力が大きくなりすぎ、変換器６０の破壊又は故障を生じさせやすい。
【００２７】
実際には、成型操作により引き起こされる応力と圧電素子２２の振動により生じる応力との合計が複合圧電物質に亀裂を生じさせ、この亀裂が変換器６０の故障及び／又は破壊を引き起こす。成型操作により引き起こされる応力と圧電物質２２の振動により生じる応力との合計は、変換器６０の故障につながる球形キャップ２６の変形も引き起こす。
【００２８】
この問題を解決するために、本発明によれば、超音波変換器６０の製造中に複合圧電物質のディスク２０を球形キャップ２６に成型するステップは、放射状の配向を持ち、ディスク２０の周縁（ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｅｄｇｅ）７２からディスク２０の中心Ｃへ延在する少なくとも１つのスリット７０を形成するカッティングステップが先に行われ、前記スリット７０は、成型ステップの後、スリット７０を境界付ける２つの対向して位置される対面する自由縁７４、７６がディスク２０の変形により特に引き起こされるこのキャップ２６における内部応力を最小にするように互いに殆ど接触している。
【００２９】
図６から図８は１よりも大きな多数のスリット７０が形成された複合圧電物質のディスク２０を示す。図６から図８に示される実施例において、４つのスリット７０が本発明の３つのバージョンに従って形成されている。
【００３０】
前記スリット７０がほぼ同じ角度の扇形７８を定めるように角度的に規則的な態様で分布される。これらスリット７０は、ディスク２０の半径に沿って放射状に部分的に延在する。これはキャップ２６に引き起こされる応力の大幅な減少を可能にして、しかしながら、同時にディスク２０を１つの部品に保ち、これによって成型装置２８においてディスク２０の位置決め及び保持を容易にする。
【００３１】
図６によれば、前記対向して位置される自由縁７４、７６は互いに平行に延在している。これら自由縁は数ミリメートル離れて置かれている。これにより、ディスク２０のスリット７０は厚さが前記自由縁７４、７６を隔てる距離に対応する刻み込みカット（ｓａｗ ｃｕｔ）の形式で実現されることができる。
【００３２】
図７に示されるバージョンによれば、前記対向して位置される対面する自由縁７４、７６は、例えば対応するスリット７０がその頂点がディスク２０の中心Ｃに向かい配向されるＶ字型を形成するような放射状の配向を持つ。これらスリット７０はウォータージェット（ｗａｔｅｒ ｊｅｔ）又はダイアモンド型式のワイヤーソー（ｗｉｒｅ ｓａｗ）を用いてカットすることにより実現されることができる。
【００３３】
図８によれば、前記対向して位置される自由縁７４、７６は湾曲し、凸状であり、これら自由縁の凸面は対置している。対向して位置される自由縁７４、７６の正確な形状は、ディスク２０の特定の直径各々に対しスリット７０の幅を特に決めることである概算方法によりディスク２０を中空の球形キャップに変形することを表す数式に基づいて計算することにより正確に決められることができる。
【００３４】
図９に示されるような他のバージョンによれば、スリット７０は、扇形７８が分離されるように、ディスク２０の中心Ｃまで放射状に延在する。これはディスク２０の変形により生じるキャップ２６における内部応力を更に減少することを可能にする。図９の実施例において、扇形７８は４つの別個の部分に分離される。
【００３５】
自由縁７４、７６は成型ステップ中に互いに接近する。前記キャップ２６が如何なる開口を持たないように、変形はスリット７０の凹んだ放射状の縁部の周辺区域にも起こる。この段階において、様々な解決法が実現可能である。
【００３６】
第１の解決法は前記自由縁７４、７６を互いに接触した状態にすることである。冷却時、複合圧電物質は硬化し、これによって中空の球形キャップ２６を成型し、このキャップの寸法を決定する。
【００３７】
他の解決法は自由縁７４、７６の間の空間に接着剤を注入することである。これによって、接着剤は自由縁７４、７６を一緒にすることができ、成型された中空の球形キャップ２６を固めることを可能にする。複合圧電物質を硬化させること及び接着剤を硬化させることは、隣接する扇形７８に関係する扇形７８の移動を防ぐ。
【００３８】
図１０は、本発明による方法を介して実現される中空の球形キャップ２６の透視図である。用いられた方法によれば、電極４４は閉じられたリング５０、５２又は扇形７８に対応する数個の（本実施例では４個の）扇形に切断されたリング５０、５２によって形成されてもよい。実際には、キャップ２６を成型する前に電極４４はプレート２０上に実現されるので、シフト７０の切断は、前記リング５０、５２の切断、従ってリングセクタ５０ａ、５２ａ、５０ｂ、５２ｂ、５０ｃ…を成型することを意味する。キャップ２６を成型した後、前記リングセクタ５０ａ、５２ａの自由縁は隣接するリングセクタの自由縁ともはや接触していない。
【００３９】
これは、２つの型式の超音波変換器の実現を可能にする。
【００４０】
第１の型式の超音波変換器６０の実現は、電気的導通が各リング５０、５２に対し保証されるように、リングセクタの自由縁を対面するリングセクタ５０ａ、５２ａの自由縁に電気的に接続することである。従って、導電物質の各リング５０、５２は、導電素子５６、４８をそれぞれ介して電流発生装置４８に接続されることができ、これら導電素子の各々は異なる位相及び／又は振幅の電流を与えられる。前記電流発生装置４８により様々なリング５０、５２に供給される電流の位相及び／又は振幅が異なるとき、超音波変換器６０の焦点距離が変更される。
【００４１】
第２の型式の超音波変換器６０の実現は、図１１に示されるように、前記リングセクタ５０ａ、５２ａ…の自由縁が対面するリングセクタ５０ｂ、５２ｂ…の自由縁と接触していないことを保証することである。この目的のために、前記球形キャップ２６の剛性を高めるためにスリット７０に注入される接着剤が電気を絶縁する接着剤であるときに有利となる。各リング５０、５２は従って、図１２に詳細に示される接着剤８０の帯（バンド）によって互いに電気を絶縁する４つのリングセクタ５０ａ、５２ａ…により成型される。この場合、各リングセクタ５０ａ、５２ａ…は、関連する導電素子５６ａ、５８ａ、５６ｂ…を介して前記電流発生装置に接続されている。この電流発生装置４８は各リングセクタ５０ａ、５２ａ…に異なる位相及び／又は振幅の電流を供給することができる。
【００４２】
前記リング５０、５２間の電流差を利用することは従って前記変換器６０の焦点距離の変化を可能にする。この電流差が各リングセクタ５０ａ、５２ａ…間に与えられる、すなわち扇形７８に置かれる全てのリングセクタ５０ａ、５２ａが同じ電流を与えられるとき、且つ個々の扇形７８に置かれるリングセクタが異なるとき、超音波ビームの配向が変えられる。これによって、変換器６０の位置及び配向を変えることなく、焦点が移動されることが可能である。
【００４３】
図１１によれば、前記キャップ２６の頂点に置かれる電極４４の一部は導電素子８４を介して与えられる電気を導通する物質のディスク８２でもよい。変換器６０の電極４４の実現はこれによって簡略化することができる。
【００４４】
例えば直径８０ｍｍ、曲率半径６０ｍｍ及び厚さ１ｍｍである超音波変換器に対する好ましい実施例に従って、前記球形キャップ２６は約８５ｍｍの直径を持ち、角度的に規則的な様態で分布される８つの放射状スリット７０を備えるディスクに基づいて実現される。上記超音波変換器の凸面に置かれる電極は、このとき１４個の導電物質のリングを有する。８個のリングは８個の扇形に分割される。この場合、周縁７２のエリアにある各スリット７０の幅は約２．４ｍｍである。この種類の変換器は、例えば胸部の腫瘍のような患者の皮膚の近くにある腫瘍を治療するための約２００ワットの電力の超音波変換器として使用されることができる。８個の放射状スリット７０を有するディスクを使用するとき、球形キャップ２６の成型中の変形の分布が良好である、すなわち、４つの放射状スリット７０のみを有するディスクに従って良好となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合圧電物質のディスクの透視図。
【図２】拡大された大きさでの部分的な半径方向の断面図及び上述の図面に示されるディスクの透視図。
【図３】ディスクを従来の技術に従って実現される中空の球形キャップに形成するための装置の断面図。
【図４】従来技術による方法を用いて実現される超音波変換器の透視図。
【図５】上述される図において５−５線を通る増大する大きさの断面図。
【図６】本発明に従い放射状に配向したスリットを切断するステップの後の複合圧電物質のディスクの概略的な正面図。
【図７】本発明の他のバージョンに従って前記スリットが実現される上述の図のスリットに類似した正面図。
【図８】本発明の他のバージョンに従って前記スリットが実現される上述の図のスリットに類似した正面図。
【図９】ディスクを数個の別個の部品に分離するようにこのディスクの中心まで延在する放射状に配向されるスリットを切断するステップの後の複合圧電物質のディスクの概略図。
【図１０】本発明による方法を用いて実現可能な中空の球形キャップの概略図。
【図１１】本発明による方法を用いて実現される超音波変換器を示す概略図。
【図１２】上述される図において線１２−１２を通る拡大された部分的な断面図である。

Claims (11)

1. 超音波変換器を製造する方法であり、前記方法は複合圧電物質のディスクとして形成されるプレートを中空の球形キャップに成型するステップを含む方法において、前記成型するステップは放射状の配向を持ち、前記ディスクの周縁から当該ディスクの中心へ延在する少なくとも１つのスリットを形成するカッティングステップが先に行われ、前記スリットは、前記成型するステップの後、前記スリットを境界付ける２つの対向して位置される対面する自由縁が前記ディスクの変形により特に引き起こされる前記キャップにおける内部応力を最小にするように互いに殆ど接触していることを特徴とする超音波変換器を製造する方法。
2. 少なくとも１つのスリットが前記ディスクの半径に沿って放射状に部分的に延在することを特徴とする請求項１に記載の超音波変換器を製造する方法。
3. 少なくとも２つのスリットが前記ディスクの中心まで放射状に延在することを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波変換器を製造する方法。
4. 少なくとも１つのスリットは、前記ディスクが少なくとも２つの別個の部分に分離されるように前記ディスクの中心まで放射状に延在することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の超音波変換器を製造する方法。
5. 前記対向して位置される対面する自由縁は、前記対応するスリットが、頂点が前記ディスクの前記中心に向けられるＶ字型を形成するように放射状の配向を持つことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超音波変換器を製造する方法。
6. 前記対向して位置される自由縁は湾曲し、凸型であり、前記凸型は対向していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の超音波変換器を製造する方法。
7. 前記ディスクは略同一の扇形を定めるように角度的に規則的な態様で分布される一連のスリットを有することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の超音波変換器を製造する方法。
8. 前記成型するステップの後、前記対向して位置される自由縁は互いに接着されるように接着剤が前記スリットに注入されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法。
9. 前記接着剤は電気を絶縁する接着剤であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の方法。
10. 前記成型するステップの間、前記複合圧電物質を柔らかくするために当該複合圧電物質を加熱し、その後、当該物質の寸法を固定するために冷却されることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の方法。
11. 請求項１乃至９の何れかに従って製造される、中空の球形キャップの形態の超音波変換器において、前記変換器は放射状の配向を持つ少なくとも１つのスリットを有することを特徴とする超音波変換器。