JP2013154068A - 超音波振動デバイスおよび超音波医療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置内の省スペース化を向上させる小型な超音波振動デバイスおよび超音波医療装置を提供する。
【解決手段】表裏面に形成された電極よび少なくとも２つの貫通孔を有し、表面の電極と一方の貫通孔内面とは電気的に接続し、裏面の電極と他方の貫通孔内面とは電気的に接続した複数の圧電材料板を、２つの貫通孔がそれぞれ連通し且つ表面と裏面とを交互に反転させながら積層した積層振動子４１と、２つの貫通孔に挿通し、積層された各圧電材料板の表面の電極同士または裏面の電極同士が接触するように固定すると共に、電源と電気的に接続されて電極への通電経路となる２つの挿通ネジ５０と、を具備する超音波振動デバイスおよび超音波医療装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、超音波振動を励振する超音波振動デバイスおよびこの超音波振動デバイスを備えた超音波医療装置に関する。

近年、超音波振動子を備えた超音波医療装置が知られている。このように超音波振動子を用いた超音波医療装置は、例えば、特許文献１に記載されているような超音波外科装置がある。ここでは、電気的エネルギーを機械的動作（超音波振動）に変換する超音波振動子（トランスデューサ）と、その超音波振動を用いて患部の治療を行なうハンドル組立体とが設けられている。ハンドル組立体は、導波管（超音波伝達プローブ）を有する。超音波伝達プローブの基端部は、超音波振動子に連結されている。超音波伝達プローブの先端には、処置部であるエンド−イフェクタが設けられている。そして、超音波振動子から出力される超音波振動は、超音波伝達プローブを介してエンド−イフェクタに伝達され、患部が超音波振動によって処置される構成となっている。

特表２００３‐５０２１０２号公報

しかしながら、従来の超音波振動子は、例えば、複数の圧電材料板を積層するように構成されており、夫々の圧電材料板への通電は、圧電材料板の径方向の外側に配線を設ける必要がある。そのため、超音波振動子が大型となり、この超音波振動子を用いた従来の超音波医療装置（超音波外科装置）も挿入シース部の径方向に配線用のスペースを設ける必要があった。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、装置内の省スペース化を向上させる小型な超音波振動デバイスおよびこの超音波振動デバイスを用いた超音波医療装置を提供することを目的とする。

本発明における一態様の超音波振動デバイスは、表裏面に形成された電極および少なくとも２つの貫通孔を有し、前記２つの貫通孔が連通するように積層される複数の圧電材料板と、前記２つの貫通孔に挿通し、積層された前記複数の圧電材料板を前記電極が接触するように固定すると共に、電源と電気的に接続されて前記電極への通電経路となる２つの挿通ネジと、を具備する。

また、本発明における一態様の超音波振動装置は、表裏面に形成された電極および少なくとも２つの貫通孔を有し、前記表面の電極と前記一方の貫通孔内面とは電気的に接続し、前記裏面の電極と前記他方の貫通孔内面とは電気的に接続している複数の圧電材料板を、前記２つの貫通孔がそれぞれ連通し且つ表面と裏面とを交互に反転させながら積層した積層振動子と、前記２つの貫通孔に挿通し、積層された前記各圧電材料板の表面の電極同士または裏面の電極同士が接触するように固定すると共に、電源と電気的に接続されて前記電極への通電経路となる２つの挿通ネジと、を具備する。

本発明によれば、装置内の省スペース化を向上させる小型な超音波振動デバイスおよびこの超音波振動デバイスを用いた超音波医療装置を提供することができる。

本発明の一態様の超音波医療装置の全体構成示す断面図 同、振動子ユニットの全体の概略構成を示す図 同、超音波振動子の構成を示す斜視図 同、超音波振動子の構成を示す部分断面図 同、他の態様の超音波医療装置の全体構成示す断面図 同、第１の電極が表面に形成された圧電材料板の表側の平面図 同、第２の電極が表面に形成された圧電材料板の裏側の平面図 同、挿通ネジの構成を示す斜視図 同、振動子ユニットの超音波振動子の構成を示す分解斜視図 同、積層振動子の構成を示す断面図 同、積層振動子の構成を示す分解斜視図 同、超音波振動子の積層振動子の電気的接続構成を示すブロック図

以下、図を用いて本発明について説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態に基づく図面は、模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（超音波医療装置）
図１は、本発明の一態様の超音波医療装置の全体構成示す断面図、図２は振動子ユニットの全体の概略構成を示す図、図３は超音波振動子の構成を示す斜視図、図４は超音波振動子の構成を示す部分断面図、図５は他の態様の超音波医療装置の全体構成示す断面図、図６は第１の電極が表面に形成された圧電材料板の表側の平面図、図７は第２の電極が表面に形成された圧電材料板の裏側の平面図、図８は挿通ネジの構成を示す斜視図、図９は振動子ユニットの超音波振動子の構成を示す分解斜視図、図１０は積層振動子の構成を示す断面図、図１１は積層振動子の構成を示す分解斜視図、図１２は超音波振動子の積層振動子の電気的接続構成を示すブロック図である。

図１に示す、超音波医療装置１は、主に超音波振動を発生させる超音波デバイスとしての超音波振動子２を有する振動子ユニット３と、その超音波振動を用いて患部の治療を行うハンドルユニット４とが設けられている。

ハンドルユニット４は、操作部５と、長尺な外套管７からなる挿入シース部８と、先端処置部３０とを備える。挿入シース部８の基端部は、操作部５に軸回り方向に回転可能に取り付けられている。先端処置部３０は、挿入シース部８の先端に設けられている。ハンドルユニット４の操作部５は、操作部本体９と、固定ハンドル１０と、可動ハンドル１１と、回転ノブ１２とを有する。操作部本体９は、固定ハンドル１０と一体に形成されている。

操作部本体９と固定ハンドル１０との連結部には、背面側に可動ハンドル１１を挿通するスリット１３が形成されている。可動ハンドル１１の上部は、スリット１３を通して操作部本体９の内部に延出されている。スリット１３の下側の端部には、ハンドルストッパ１４が固定されている。可動ハンドル１１は、ハンドル支軸１５を介して操作部本体９に回動可能に取り付けられている。そして、ハンドル支軸１５を中心として可動ハンドル１１が回動する動作に伴い、可動ハンドル１１が固定ハンドル１０に対して開閉操作されるようになっている。

可動ハンドル１１の上端部には、略Ｕ字状の連結アーム１６が設けられている。また、挿入シース部８は、外套管７と、この外套管７内に軸方向に移動可能に挿通された操作パイプ１７とを有する。外套管７の基端部には、先端側部分よりも大径な大径部１８が形成されている。この大径部１８の周囲に回転ノブ１２が装着されるようになっている。

操作パイプ１９の外周面には、リング状のスライダ２０が軸方向に沿って移動可能に設けられている。スライダ２０の後方には、コイルばね（弾性部材）２１を介して固定リング２２が配設されている。

さらに、操作パイプ１９の先端部には、把持部２３の基端部が作用ピンを介して回動可能に連結されている。この把持部２３は、プローブ６の先端部３１と共に超音波医療装置１の処置部を構成している。そして、操作パイプ１９が軸方向に移動する動作時に、把持部２３は、作用ピンを介して前後方向に押し引き操作される。このとき、操作パイプ１９が手元側に移動操作される動作時には作用ピンを介して把持部２３が支点ピンを中心に時計回り方向に回動される。これにより、把持部２３がプローブ６の先端部３１に接近する方向（閉方向）に回動する。このとき、片開き型の把持部２３と、プローブ６の先端部３１との間で生体組織を把持することができる。

このように生体組織を把持した状態で、超音波電源から電力を超音波振動子２に供給し、超音波振動子２を振動させる。この超音波振動は、プローブ６の先端部３１まで伝達される。そして、この超音波振動を用いて把持部２３とプローブ６の先端部３１との間で把持されている生体組織の治療を行う。

（振動子ユニット）
ここで、振動子ユニット３について説明する。なお、図２は、振動子ユニット３の全体の概略構成を示す図、図３は超音波振動子の全体の概略構成を示す斜視図である。

振動子ユニット３は、図２および図３に示すように、超音波振動子２と、この超音波振動子２で発生した超音波振動を伝達する棒状の振動伝達部材であるプローブ６とを一体的に組み付けたものである。

超音波振動子２は、振幅を増幅するホーン３２が連設されている。ホーン３２は、ジュラルミン、あるいは例えば６Ａｌ−４Ｖ（６４Ｔｉ）などのチタン合金によって形成されている。ホーン３２は、先端側に向かうに従って外径が細くなる円錐形状に形成されており、基端外周部に外向フランジ３３が形成されている。

プローブ６は、例えば６４Ｔｉなどのチタン合金によって形成されたプローブ本体３４を有する。このプローブ本体３４の基端部側には、上述のホーン３２に連設された超音波振動子２が配設されている。このようにして、プローブ６と超音波振動子２とを一体化した振動子ユニット３が形成されている。なお、プローブ６のプローブ本体３４は、基端外周部に雄ネジ３４ａが形成され、ホーン３２の内周部に形成された雌ネジ３２ａと螺合して、ホーン３２が接合される（図４および図９参照）。

そして、超音波振動子２で発生した超音波振動は、ホーン３２で増幅されたのち、プローブ６の先端部３１側に伝達するようになっている。プローブ６の先端部３１には、生体組織を処置する後述する処置部が形成されている。

また、プローブ本体３４の外周面には、軸方向の途中にある振動の節位置の数箇所に弾性部材でリング状に形成された間隔をあけて２つのゴムライニング３５が取り付けられている。そして、これらのゴムライニング３５によって、プローブ本体３４の外周面と後述する操作パイプ１９との接触を防止するようになっている。つまり、挿入シース部８の組み立て時に、振動子一体型プローブとしてのプローブ６は、操作パイプ１９の内部に挿入される。このとき、ゴムライニング３５によってプローブ本体３４の外周面と操作パイプ１９との接触を防止している。
なお、超音波振動子２と振動子ユニット３は、必ずしも図１に示したように操作部本体９内に収納されている必要はなく、例えば、図５に示すように操作パイプ１９内に収納されていても良い。この図５の超音波振動装置１において、超音波振動子２の折れ止４６から操作部本体９の基部に配設されたコネクタ３８までの間にあるケーブル３６は金属パイプ３７の中に挿通されて収納されている。ここで、コネクタ３８は、必須ではなく、ケーブル３６を操作部本体９内部まで延長し、直接超音波振動子２の折れ止４６に接続する構成であっても良い。超音波振動装置１は、図５のようにすることによって、操作部本体９内を、より省スペース化を向上することができる。なお、図５の超音波医療装置１としての機能は、図１と同様であるので詳細な説明は省略する。

なお、超音波振動子２は、超音波振動を発生させるための電流を供給する図示しない電源装置本体に電気ケーブル３６を介して電気的に接続される。この電気ケーブル３６内の配線を通じて電源装置本体から電力を超音波振動子２に供給することによって、超音波振動子２が駆動される。なお、振動子ユニット３は、トランスデューサとしての超音波振動子２で発生する超音波振動を伝達する伝達部材のプローブ６とから構成される超音波医療装置１における振動系を備えている。

（超音波振動子）
ここで、振動子ユニット３の超音波振動子２について以下に説明する。
振動子ユニット３の超音波デバイスとしての超音波振動子２は、図３および図４に示すように、先端から順に振動伝達部材の１つであるプローブ本体３４に螺着されたホーン３２と、このホーン３２の後方に連設された積層振動子４１と、積層振動子４１に貫挿し電気ケーブル３６と電気的に接続される２つの挿通ネジ５０と、電気ケーブル３６の配線３６ａ，３６ｂを覆う折れ止４６と、を有している。

この積層振動子４１は、ホーン３２の基端面に固着され、先端に設けられる円板状の第１の絶縁板４２と、基端側に設けられた円柱状のバックマス４４との間に、円板状の第２の絶縁板４３を介して複数、ここでは８つの圧電材料板４１ａ〜４１ｈが積層されている。これらの圧電材料板４１ａ〜４１ｈは、主に超音波振動を発生させる。なお、バックマス４４は、ジェラルミン、あるいは、例えば、６Ａｌ−４Ｖ（６４Ｔｉ）などのチタン合金によって形成されている。

積層振動子４１の圧電材料板４１ａ〜４１ｈは、図６および図７に示すように、円板状をしており、中心に点対象となる位置の２箇所に２つの貫通孔４７ａ，４７ｂが形成されている。なお、２つの貫通孔４７ａ，４７ｂは、２つに限定されることなく、少なくとも２つ以上であれば良い。

また、圧電材料板４１ａ〜４１ｈの表面と裏面には、例えば、金などの金属膜が蒸着などにより形成された第１の電極４８および第２の電極４９が形成されている。なお、第１の電極４８および第２の電極４９は、金属膜の蒸着に限定されることなく、金属箔、金属板などとしても良い。

これら第１および第２の電極４８，４９は、２つの貫通孔４７ａ，４７ｂよりも大きい（孔径が大きい）非通電孔部４８ａ，４９ａと、２つの貫通孔４７ａ，４７ｂと同一の大きさ（同一孔径の）通電孔部４８ｂ，４９ｂと、を有している。つまり、２つの貫通孔４７ａ，４７ｂよりも大きい非通電孔部４８ａ，４９ａ側が圧電材料板４１ａ〜４１ｈの貫通孔４７の縁から所定の距離を有し、圧電材料板４１ａ〜４１ｈの表裏面において、２つの貫通孔４７ａ，４７ｂの周辺に第１および第２の電極４８，４９が存在しないクリアランスが形成されている。なお、２つの貫通孔４７ａ，４７ｂの内周面には、電極４８，４９の通電孔部４８ｂ，４９ｂと連続するように金属膜を蒸着形成しても良い。なお、第１および第２の電極４８，４９の表裏面には、１つの２つの貫通孔４７ａ，４７ｂにおいて、非通電孔部４８ａ，４９ａおよび通電孔部４８ｂ，４９ｂが対となって形成されている。

表裏面に第１および第２の電極４８，４９が形成された圧電材料板４１ａ〜４１ｈは、第１の電極４８または第２の電極４９同士が面接触するように積層される。このとき、圧電材料板４１ａ〜４１ｈは、表面および裏面が対向すると共に、それぞれの２つの貫通孔４７ａ，４７ｂが一致されて連通し、非通電孔部４８ａ，４９ａおよび通電孔部４８ｂ，４９ｂが対向するように積層される。

このように圧電材料板４１ａ〜４１ｈが積層された積層振動子４１は、先端面に第１の絶縁板４２が、基端面に第２の絶縁板４３が面接触して積層するように連設される。そして、第２の絶縁板４３の基端面にバックマス４４が、このバックマス４４の基端面に円板状の第３の絶縁板４５が面接触して積層するように連設される。なお、各絶縁板４２，４３，４５およびバックマス４４には、圧電材料板４１ａ〜４１ｈの２つの貫通孔４７ａ，４７ｂと同一またはより大きな孔径を有して連通する２つの孔部が形成されている。

これら圧電材料板４１ａ〜４１ｈ、各絶縁板４２，４３，４５およびバックマス４４が積層されて、圧電材料板４１ａ〜４１ｈの２つの貫通孔４７ａ，４７ｂと連通形成された２つの挿通孔のそれぞれには、挿通ネジ５０が挿通配置される。こうして、超音波振動子２が構成される。

挿通ネジ５０は、導電部分と絶縁部分とを有している。具体的には、挿通ネジ５０は、図８に示すように、例えば、銅、ステンレスなどの導電性材料を材質とする所謂金属ボルトであって、先端から順に雄ネジが切られて絶縁材料が被膜形成されて絶縁処理された絶縁ネジ部５１と、導電胴部５２と、絶縁材料が被膜形成されて絶縁処理された絶縁胴部５３と、導電基端部５４と、ネジ頭５５とを有している。

２つの挿通ネジ５０は、図９に示すように、圧電材料板４１ａ〜４１ｈ、各絶縁板４２，４３，４５およびバックマス４４が積層されて、圧電材料板４１ａ〜４１ｈの２つの貫通孔４７ａ，４７ｂと連通形成された２つの挿通孔に挿通され、先端の絶縁ネジ部５１がプローブ本体３４の基端面から長手軸に沿った内部方向へ形成されたタップ３４ｂのそれぞれに螺合される。また、２つの挿通ネジ５０の導電基端部５４には、電気ケーブル３６の配線３６ａ，３６ｂの導線が巻き着けられ、これら導線が第３の絶縁板４５とネジ頭５５との間で挟持される。これにより、２つの挿通ネジ５０と電気ケーブル３６の配線３６ａ，３６ｂが電気的に接続される。

このようにして、圧電材料板４１ａ〜４１ｈを積層した積層振動子４１、各絶縁板４２，４３，４５およびバックマス４４がプローブ本体３４と２つの挿通ネジ５０によりねじ締め固定される。なお、この状態において、２つの挿通ネジ５０は、少なくとも絶縁ネジ部５１がプローブ本体３４内に螺着されて第１の絶縁板４２の板厚内に位置し、導電胴部５２が積層振動子４１の範囲に位置し、絶縁胴部５３が第２の絶縁板４３から第３の絶縁板４５の範囲に位置し、導電基端部５４が第３の絶縁板４５よりも基端側に位置する。

つまり、２つの挿通ネジ５０は、絶縁ネジ部５１、導電胴部５２、絶縁胴部５３および導電基端部５４が長手軸に沿った寸法範囲が圧電材料板４１ａ〜４１ｈ、各絶縁板４２，４３，４５およびバックマス４４の厚さ（板厚）寸法に合わせて設定されている。こうして、２つの挿通ネジ５０は、超音波振動子２において、圧電材料板４１ａ〜４１ｈを積層した積層振動子４１の範囲および第３の絶縁板４５よりも基端側に位置する導電基端部５４およびネジ頭５５のみが通電できる状態とし、ここでは金属製のプローブ本体３４およびバックマス４４とは電気的絶縁が取られている。

なお、２つの挿通ネジ５０の螺合量、つまり固定するための締め付け力を調整することにより、超音波医療装置１における振動系の振動調整を行なうことが可能である。また、必要に応じて、圧電材料板４１ａ〜４１ｈからバックマス４４、圧電材料板４１ａ〜４１ｈ間、圧電材料板４１ａ〜４１ｈからホーン３２間の固定には、電気的な接続を考慮してエポキシなどを材質とする接着剤または金属接合などを用いても良い。

このように構成された超音波振動子２は、図１０および図１１に示すように、圧電材料板４１ａ〜４１ｈが表面と裏面とを交互に反転させながら積層され、積層した圧電材料板４１ａ〜４１ｈの２つの貫通孔４７ａ，４７ｂと連通形成された２つの挿通孔のそれぞれに挿通ネジ５０を通して、導電胴部５２が第１および第２の電極４８，４９と通電することにより、電源６０と電気ケーブル３６を介して電気的に接続される挿通ネジ５０を通電経路として、それぞれの圧電材料板４１ａ〜４１ｈに通電することが可能となる（図１２参照）。

つまり、積層振動子４１の圧電材料板４１ａ〜４１ｈに挿通する挿通ネジ５０は、導電胴部５２が第１および第２の電極４８，４９の通電孔部４８ｂ，４９ｂの縁と接触して通電する。その一方、挿通ネジ５０は、導電胴部５２が非通電孔部４８ａ，４９ａとはクリアランスを有しているため非接触となり非通電となる。このように、２つの挿通ネジ５０は、第１の電極４８および第２の電極４９のいずれか一方としか通電しない構成となっている。

以上の説明から、超音波振動デバイスとしての超音波振動子２は、挿通ネジ５０によって通電経路を積層振動子４１の内部に設けているため小型化することができる。その結果、超音波振動子２は、省スペース化を向上させることができるため、この超音波振動子２を用いた超音波医療装置１の配線用スペースを減少させると共に超音波振動子２の実装効率が向上する。

なお、上述した技術に関し、積層振動子４１に用いられる圧電材料板４１ａ〜４１ｈは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、分極成分が交互に反転するよう積層した圧電単結晶板などを使用でき、ランジュバン型振動子などの超音波振動子にも適用できるものである。

上述の実施の形態に記載した発明は、その実施の形態および変形例に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得るものである。

例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、述べられている課題が解決でき、述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得るものである。

１…超音波医療装置
２…超音波振動子
３…振動子ユニット
４…ハンドルユニット
５…操作部
６…プローブ
７…外套管
８…挿入シース部
９…操作部本体
１０…固定ハンドル
１１…可動ハンドル
１２…回転ノブ
１３…スリット
１４…ハンドルストッパ
１５…ハンドル支軸
１６…連結アーム
１７…操作パイプ
１８…大径部
１９…操作パイプ
２０…スライダ
２２…固定リング
２３…把持部
３０…先端処置部
３１…先端部
３２…ホーン
３２ａ…雌ネジ
３３…外向フランジ
３４…プローブ本体
３４ａ…雄ネジ
３４ｂ…タップ
３５…ゴムライニング
３６…電気ケーブル
３６ａ，３６ｂ…配線
４１…積層振動子
４１ａ〜４１ｈ…圧電材料板
４２…第１の絶縁板
４３…第２の絶縁板
４４…バックマス
４５…第３の絶縁板
４６…折れ止
４７ａ，４７ｂ…貫通孔
４８，４９…電極
４８ａ，４９ａ…非通電孔部
４８ｂ，４９ｂ…通電孔部
５０…挿通ネジ
５１…絶縁ネジ部
５２…導電胴部
５３…絶縁胴部
５４…導電基端部
５５…ネジ頭
６０…電源

Claims (8)

1. 表裏面に形成された電極および少なくとも２つの貫通孔を有し、前記表面の電極と前記一方の貫通孔内面とは電気的に接続し、前記裏面の電極と前記他方の貫通孔内面とは電気的に接続している複数の圧電材料板を、前記２つの貫通孔がそれぞれ連通し且つ表面と裏面とを交互に反転させながら積層した積層振動子と、
   前記２つの貫通孔に挿通し、積層された前記各圧電材料板の表面の電極同士または裏面の電極同士が接触するように固定すると共に、電源と電気的に接続されて前記電極への通電経路となる２つの挿通ネジと、
   を具備する超音波振動デバイス。
2. 前記２つの挿通ネジは、導電性材料から形成され、積層された前記積層振動子の挿通範囲外が絶縁処理されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動デバイス。
3. 前記電極は、前記圧電材料板の表裏面の一面において、前記２つの貫通孔の一方が縁から所定の距離を有してクリアランスが設けられ、前記挿通ネジに非接触となる第１の電孔部と、前記２つの貫通孔の他方の縁まで形成されて、前記挿通ネジに接触する第２の孔部を備え、
   前記積層振動子は、前記第１の孔部または前記第２の孔部が対向するように表面および裏面が対向するように積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波振動デバイス。
4. 積層された前記積層振動子の両端に他の金属部材との電気的短絡を防止する絶縁板を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波振動デバイス。
5. 前記積層振動子の機械的振幅を増幅するホーンを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波振動デバイス。
6. 前記金属ホーンは、超音波振動を伝達する伝達部材に螺着されること特徴とする請求項５に記載の超音波振動デバイス。
7. 前記２つの挿通ネジは、先端部分に前記絶縁処理されたネジ部を有し、
   前記ネジ部が前記伝達部材に形成されたタップに螺着して、積層された前記積層振動子を締め付け固定することを特徴とする請求項６に記載の超音波振動デバイス。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の前記超音波デバイスと、
   前記超音波デバイスで発生した超音波振動が伝達され生体組織を処置するプローブ先端部と、
   を備えたことを特徴とする超音波医療装置。

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