JP2007151561A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、電気機械変換効率が高く、不要な振動モードの発生を抑えた最適な形状を有しており、かつ、工程難易度を低下させ、信頼性を向上させた超音波探触子を提供する。
【解決手段】 超音波を送受する複数の圧電振動子を備える超音波探触子において、前記圧電振動子は比誘電率が２５００以上であり、該圧電振動子の横巾ｗと厚みｔの比率ｗ／ｔ比が０．６以下で、かつ、隣接する該圧電振動子間の間隔を前記超音波の波長以下とすることにより、上記課題の解決を図る。
【選択図】 図６

Description

本発明は、生体の体腔内から超音波の送受信を行い超音波断層像を得る超音波探触子に関する。

電子走査式の超音波振動子は内視鏡の体腔内への挿入部先端に設けられ、これを用いることにより、体腔内のガスや骨の影響なしに良好な画質で消化管壁や膵胆等の深部臓器を明瞭に描出することができる。これら電子走査式の超音波振動子は数十個以上の圧電振動子が配列された構成となっている。

図７は、圧電振動子の概念図である。圧電振動子１０１は、一般的に幅ｗ、厚さｔで表される直方体をしており、図中の上面及び下面（厚み方向）に形成された電極（不図示）に電圧を印加すると、厚み方向に振動して、超音波を発生させる。

このような超音波振動子において、圧電振動子のｗ／ｔ比は、０．８以下で電気機械変換効率がよく、隣接する圧電振動子間の間隔ａは、狭いほど画質がよいことが開示されている（例えば、特許文献１。）。そのため、従来は、圧電振動子間の間隔ａを極力小さくしながら、ｗ／ｔ比を０．８以下になるように超音波探触子の設計が行われてきた。

図８は、従来における超音波探触子の一例（その１）を示す。図８（ａ）は超音波探触子の斜視図であり、図８（ｂ）は断面図である。超音波探触子は、同図において、対向する上下面に電極層が形成された圧電振動子１２３、圧電振動子１２３の下面に設けられた音響整合層１２４（第１音響整合層１２４ａ，第２音響整合層１２４ｂ）、圧電振動子１２３の下面に形成された電極をＧＮＤに接続するためのＧＮＤ導電部１２５、ダイシングソー（精密裁断機）等によって切り込みが入れられ複数の圧電振動子に分割するためのダイシング溝１２６、圧電振動子１２３の下面の電極に接続される配線１３１、及び背面負荷材１３０から構成される。このとき、溝１２６で切り分けられた音響整合層及び圧電振動子等の一対を超音波振動子エレメントという。

図９は、従来における超音波探触子の一例（その２）を示す。図９（ａ）は超音波探触子の斜視図であり、図９（ｂ）は断面図である。図９は、図８と異なり、１つの配線１３１に２つの圧電振動子１２３（１２３ａ，１２３ｂ）及び音響整合層１２４（１２４ａ，１２４ｂ）が設けられ、１振動子エレメントは、複数（同図では２つ）の振動子サブエレメントから構成されている。このようにサブエレメント化することにより超音波探触子の超音波の送受信特性（例えば感度）を向上することができる。

ここで、従来の超音波探触子の設計手法を以下に挙げる。
１）観察対象物のサイズＬoから、超音波探触子の有効開口幅Ｌを定める（Ｌo＜Ｌ）。

２）超音波観測装置の最大駆動チャンネル数Ｎと有効開口幅Ｌから、圧電振動子の配列ピッチｐを求める（Ｌ／Ｎ）。
３）ｗ／ｔ比０．８以下の圧電振動子が、配列ピッチｐに収まる個数ｎを求める。図８で言えば、振動子エレメントの個数がｎ個となり、図９で言えばサブエレメントの個数が２倍の２ｎ個になる。

このように、圧電振動子の数を複数にすることで、有効なｗ／ｔ比が得られるように設計していた。また、場合によっては、Ｌを微小修正し、有効なｗ／ｔ比を得ていた。
しかし、体腔内用の超音波探触子のように、寸法上の制約が厳しい場合、以下の問題が生じる。

問題１）２つ以上のサブエレメントで構成される素子への配線が困難であること。
図９に示すように、１つの配線に複数のサブエレメントを接続すると、接続面積が小さくなり、配線パターンも微小になるため、加工組立後に洗滌などによる熱的、機械的負荷が加わった時、配線パターンの残留応力によって生じるサブエレメントが受ける負荷の影響が大きくなり、破損の危険性が増大する等の理由から信頼性が低下する。もちろん、加工時の難易度も上がる。

逆に、複数エレメントへの配線を避けてサブエレメントに分割しない場合（図８参照）、圧電振動子のアスペクト比が０．８以上と大きくなり、変換効率の悪化による感度の低下や、不要振動モードの発生による周波数特性の悪化が生じる。ここで、通常ならば、Ｌの変更となるが、体腔内超音波探触子の場合、以下の問題がある。

問題２）Ｌを変更できないこと。
円環状超音波探触子の場合では、体腔内用探触子には、光学観察機能など生体に安全に挿入する上で不可欠な機能を装備しており、直径を小さくすることは、機能の削減に直結し、採用できない。一方、直径を太くすることは、生体への挿入性、患者への苦痛の増大といった観点から採用できない。
特公昭５６−１７０２６号公報

上記の課題に鑑み、本発明は、電気機械変換効率が高く、不要な振動モードの発生を抑えた最適な形状を有しており、かつ、工程難易度を低下させ、信頼性を向上させた超音波探触子を提供する。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、超音波を送受する複数の圧電振動子を備える超音波探触子において、前記圧電振動子は比誘電率が２５００以上であり、該圧電振動子の横巾ｗと厚みｔの比ｗ／ｔが０．６以下で、かつ、隣接する該圧電振動子間の間隔を前記超音波の波長以下とすることを特徴とする超音波探触子を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の超音波探触子を備える超音波内視鏡を提供することによって達成できる。
上記課題は、特許請求の範囲の請求項３に記載の発明によれば、超音波を送受する圧電振動子が複数円筒状に等間隔で配列され、該円筒形の外周の半径は１０ｍｍ以下の電子ラジアル型超音波探触子であって、前記圧電振動子は比誘電率が２５００以上であり、該圧電振動子の横巾ｗと厚みｔの比率ｗ／ｔ比が０．６以下で、かつ、隣接する該圧電振動子間の間隔を前記超音波の波長以下とすることを特徴とする電子ラジアル型超音波探触子を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項４に記載の発明によれば、前記隣接する圧電振動子間の間隔と前記圧電振動子の横巾ｗとの比率が略１：２であることを特徴とする請求項３に記載の電子ラジアル型超音波探触子を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項５に記載の発明によれば、請求項３に記載の電子ラジアル型超音波探触子を備える超音波内視鏡を提供することによって達成できる。

本発明を用いることにより、必要な音響特性を維持したまま、配線作業の容易化と、配線本数の削減による信頼性向上（故障可能性の削減）が達成できる。

図１は、本実施形態における超音波内視鏡の外観構成を示す。超音波内視鏡１は、細長の挿入部２の基端に操作部６を備えている。この操作部６の側部からは、図示しない光源装置に接続される一端にスコープコネクタ８を有するユニバーサルコード７が延出している。さらに、スコープコネクタ８は図示しない超音波観測装置にケーブルを介して接続される。

挿入部２は、先端側から順に先端部３、湾曲自在な湾曲部４、可撓性を有する可撓管部５を連設して構成されている。操作部６には湾曲操作ノブ６ａが設けられており、この湾曲操作ノブ６ａを操作することによって湾曲部４を湾曲させられるようになっている。

図２は、図１の超音波内視鏡１の先端部３の拡大図である。先端部３には、超音波探触子１０が設けられ、湾曲部４と超音波探触子１０の間には斜面部１２が設けられている。超音波探触子１０は、音響レンズ１１を形成した材質で被覆されている。斜面部１２には、観察部位に照明光を照射する照明光学部を構成する照明レンズカバー１３、観察部位の光学像を捉える観察光学部を構成する観察用レンズカバー１４、処置具が突出する開口である鉗子出口１５が設けてある。内視鏡の直径が最大でも２０ｍｍであるので、内視鏡に搭載する超音波探触子１０の外周の半径の大きさは１０ｍｍ以下にする必要がある。

図３は、超音波振動子の製造過程における超音波振動子を構成する構造体の斜視図を示す。同図において、超音波振動子を形成するに際し、まず配線用基板２０、導電体２１、電極２２（２２ａ，２２ｂ）、圧電振動子２３、音響整合層２４（第１音響整合層２４ａ，第２音響整合層２４ｂ）、ＧＮＤ導電部２５、溝２６から構成される構造体Ａを作製する。それでは、構造体Ａの作製について説明する。

まず、第２音響整合層２４ｂを形成した後に、第１音響整合層２４ａを形成する。次に、例えばダイシングソー（精密裁断機）を用いて、第１音響整合層２４ａに溝を形成し、その溝に導電性樹脂を注型し、ＧＮＤ導電部２５を形成する。次に、対向する両面に電極層２２ａ，２２ｂを形成した圧電振動子２３を接合する。次に、圧電振動子２３に隣接させて配線用基板２０を取り付ける。配線用基板２０の表面には、電極層２０ａが形成されている。そして、電極２０ａと電極２２ａを電気的に導通させるための導電体２１を取り付ける。

ダイシングソーを用いて、上記で形成した構造体Ａに切り込みを入れ、数十μｍ幅の溝（ダイシング溝）２６を複数形成する。この溝幅は、２０〜５０μｍであるのが好ましい。このとき、第２音響整合層２４ｂのみが完全に切断されずに数十μｍ切れ残るように構造体Ａに切り込みを入れるようにする。

その後は、コンベックスタイプまたはラジアルタイプ等の超音波振動子の種類に応じた加工がなされる。例えば、図２の場合では、この超音波探触子は電子ラジアル型超音波探触子であるので、構造体Ａの両側面Ｘ１及びＸ２を向かい合わせるようにして円筒形状にする。

図４は、本実施形態における構造体Ａを示す。図４（ａ）はその斜視図であり、図４（ｂ）はその断面図である。図４（ａ）は、上述した図３を簡略化した図であり、対向する上下面に電極層２２が形成された圧電振動子２３、圧電振動子の下面に設けられた音響整合層２４（第１音響整合層２４ａ，第２音響整合層２４ｂ）、圧電振動子１の下面に形成された電極２２ｂをＧＮＤに接続するため導電性樹脂で形成されたＧＮＤ導電部２５、ダイシングソー（精密裁断機）等によって切り込みが入れられ複数の圧電振動子に分割するためのダイシング溝２６から構成される。

図４（ｂ）は、構造体Ａの圧電振動子２３の上面の電極２２aに配線３１を接続し、背面負荷材３０を設けた構造体Ｂの断面図である。図４（ｂ）において、分割された各超音波振動子（超音波振動子エレメント）の幅をＷ、隣接する振動子エレメント間の間隔をａとする。上述の通り、ａは狭いほど画質がよいので、この振動子エレメントの配列ピッチａを超音波の波長λ以下とするのが好ましい。本実施形態では、ｗ：ａ＝２：１に設定し、ｗ：１００μｍ、ａ：５０μｍ、そして長さｌ：５ｍｍとした。そして、このような間隔で円筒形状に２００個の振動子エレメントが配列している。

さて、上述の通り、ｗ／ｔ比は小さいほど電気機械変換効率がよいので望ましい。さらに、接続される観測装置とのマッチングを考慮すると、理想的には、超音波探触子に使用される圧電振動子は、使用する周波数領域でインピーダンスが５０Ω前後になることが望ましい。そこで、特許文献１に記載されているε₃₃ ^s：圧電体のストレイン固定時の誘電率を用いた場合のインピーダンス及び５０Ωになるインピーダンスを算出すると、図５に示す結果が得られた。本実施形態で使用する周波数領域としては、ｆ＝７．５ＭＨｚとし、インピーダンスＺをＺ＝１／２πｆＣより算出した。

ε₃₃ ^s＝８３０は、特許文献１に記載されているＰＺＴ−５を用いた場合を示しており、高さｔ＝０．２［ｍｍ］、幅ｗ＝０．１［ｍｍ］、長さｌ＝１０［ｍｍ］より静電容量Ｃ＝３６．７４４１［ｐＦ］が求まり、この場合、インピーダンスＺ＝５７７．５となる。

次に、ε₃₃ ^s＝２５００の材料を用いると、高さｔ＝０．２［ｍｍ］、幅ｗ＝０．１［ｍｍ］、長さｌ＝１０［ｍｍ］より静電容量Ｃ＝１１０．６７５［ｐＦ］が求まり、この場合、インピーダンスＺ＝１９１．７となる。

また、仮にε₃₃ ^s＝８０００の材料を用いたとすると、高さｔ＝０．２［ｍｍ］、幅ｗ＝０．１［ｍｍ］、長さｌ＝１０［ｍｍ］より静電容量Ｃ＝３５４．１６［ｐＦ］が求まり、この場合、インピーダンスＺ＝５９．９となる。ただし、これは理想的な材料をシュミュレーションした場合であり、参考までに示したものである。

ここで、体腔内用超音波探触子に使用される圧電振動子は、上述の通り非常に小型にする必要があるため、特許文献１に記載されたε₃₃ ^s＝１０００以下の材料では、インピーダンスが非常に大きくなってしまう。一方、圧電材料の誘電率については、離散的な選定しかできない。また、数十μｍオーダでダイシングする必要があるための機械加工性も要求される。

このような観点から、本実施形態で採用した材料は、入手可能なもので、かつインピーダンス及び機械加工性を考慮し、その材料の比誘電率ε₃₃ ^sは２５００前後のものを採用するのが好ましいことが分かった。

図６は、本実施形態におけるｗ／ｔ比と電気機械結合係数の関係を示す。図６（ａ）はε₃₃ ^s＝１５００前後の材料を用いた場合であり、図６（ａ）はε₃₃ ^s＝２５００前後の材料を用いた場合である。図６（ａ）では、ｗ／ｔ＝０．７付近のとき、電気機械結合係数がピークになっている。図６（ｂ）では、ｗ／ｔ＝０．６付近のとき、電気機械結合係数がピークになっている。これらより、ε₃₃ ^sが大きくなるほど、ｗ／ｔ比が小さくて電気機械結合係数がピークになることが分かる。

ｗ／ｔ比が０．８以下ならば、不要な振動が本来必要な厚み方向への振動に混入しないことが知られているが（特許文献１参照）、本実施形態では、ｗ／ｔ比が０．６であるので、不要な振動が生じない。

また、図６（ｂ）は、ｗ／ｔ＝約０．６を頂点として左右に山が下っているグラフとなっているが、０．６より大きいところでは０．６以下に比べ傾きが急になっている。大まかに線対称のグラフとなっているので、０．６以上でも超音波特性が得られるように見えるが、実際は、製造工程において幅ｗを高精度に調整して切り出すことは難しく、幅ｗにバラツキが生じる。このバラツキによってｗ／ｔ比が設計値と多少異なってくる。このように、ｗ／ｔ比の変化が生じると、図６（ｂ）のように、傾きが急なところでは電気機械総合定数が大きく変化してしまう。つまり、音響特性への影響は、ｗ／ｔ比が０．６より大きい場合が、０．６より小さい場合に比べて、超音波特性の変化が大きい。したがって、ｗ／ｔ比を０．６以下に調整するのが望ましい。

以上より、ｗ／ｔ比０．６以下ならば、電気機械結合定数も大きく、かつ、不要な振動モードも生じないため、必要な音響特性を維持することができる。また、振動子エレメントのサブエレメント化を図る必要がないため、配線作業が容易になり、かつ配線本数の削減による信頼性向上（故障可能性の削減）が達成できる。

超音波内視鏡の外観構成を示す図である。 図１の超音波内視鏡１の先端部３の拡大図である。 超音波振動子の製造過程における超音波振動子を構成する構造体の斜視図である。 本実施形態における構造体Ａを示す図である。 本実施形態におけるε₃₃ ^sとインピーダンスとの関係を示す図である。 本実施形態におけるｗ／ｔ比と電気機械結合係数の関係を示す図である。 圧電振動子の概念図である。 従来における超音波探触子の一例（その１）を示す図である。 従来における超音波探触子の一例（その２）を示す図である。

符号の説明

１ 超音波内視鏡
２ 挿入部
３ 先端部
４ 湾曲部
５ 可撓管部
６ 操作部
６ａ 湾曲操作ノブ
１０ 超音波振動子
１１ 音響レンズ
１２ 斜面部
１３ 照明レンズカバー
１４ 観察用レンズカバー
１５ 鉗子出口
２０ 基板
２０ａ 電極
２１ 導電体
２２（２２ａ，２２ｂ） 電極
２３ 圧電振動子
２４ 音響整合層
２４ａ 第１音響整合層
２４ｂ 第２音響整合層
２５ ＧＮＤ導電部
２６ ダイシング溝

Claims (5)

1. 超音波を送受する複数の圧電振動子を備える超音波探触子において、
   前記圧電振動子は比誘電率が２５００以上であり、該圧電振動子の横巾ｗと厚みｔの比ｗ／ｔが０．６以下で、かつ、隣接する該圧電振動子間の間隔を前記超音波の波長以下とすることを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１に記載の超音波探触子を備える超音波内視鏡。
3. 超音波を送受する圧電振動子が複数円筒状に等間隔で配列され、該円筒形の外周の半径は１０ｍｍ以下の電子ラジアル型超音波探触子であって、
   前記圧電振動子は比誘電率が２５００以上であり、該圧電振動子の横巾ｗと厚みｔの比率ｗ／ｔ比が０．６以下で、かつ、隣接する該圧電振動子間の間隔を前記超音波の波長以下とすることを特徴とする電子ラジアル型超音波探触子。
4. 前記隣接する圧電振動子間の間隔と前記圧電振動子の横巾ｗとの比率が略１：２であることを特徴とする請求項３に記載の電子ラジアル型超音波探触子。
5. 請求項３に記載の電子ラジアル型超音波探触子を備える超音波内視鏡。