JP4147161B2 - 超音波振動伝達部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動子に連結され、その超音波振動子で発生する超音波振動を伝達する超音波振動伝達部材、この超音波振動伝達部材を用いた超音波処置具、及び、その超音波振動伝達部材の製造方法に関する。

一般に、超音波振動で治療する医療装置に用いられる超音波振動子のプローブは、プローブ先端に向かうにつれ、順次、外径を細くしている（特許文献１参照）。このように、プローブ先端側を、順次、細くする理由は、超音波振動子の共振器で発生した超音波振動そのままでは、治療に必要な振幅が得られないため、プローブを細径化（断面積を小さく）して、振幅を拡大しようとすることにある。

また、このような超音波医療装置の超音波振動子の部分は、比較的太いのが一般的である。しかし、患者の体腔内に挿入されるのは、比較的細いプローブの部分であり、比較的太い超音波振動子の部分は術者の手元側にあり、この超音波振動子の部分が太くても、特に、差し障りはなかった。

ところが、近年、超音波医療装置を、内視鏡のチャンネルを通して使用したいという要望が生まれた。内視鏡と併用する場合、超音波振動子の部分も小型化する要請が強く、また、プローブで超音波振動の振幅を大きく拡大する必要上、プローブ自体を一段と細径化するべきである。また、内視鏡のチャンネルにプローブを通して使用することからも、そのプローブを、一層、細径化する必要性がある。
しかし、これらの要望に応じて、プローブを細径化すると、プローブ剛性が低下する虞がある。

一方、振幅拡大させるために、プローブを中空にして断面積を小さくする方法も考えられる。
しかし、この方式では、中空のプローブの管壁が薄肉となるため、特に、プローブ先端での剛性及び強度が弱くなるという問題が生じる。
ＵＳＰ第５，５２７，２７３号明細書

本発明の目的は、中空部を有した超音波伝達部材を細径化しても、その超音波振動伝達部材の強度を保ち、超音波振動の振幅拡大が可能である超音波振動伝達部材を提供し、また、その超音波振動伝達部材を用いた超音波処置具、及び、その超音波振動伝達部材に適した製造方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、超音波振動子から発生した振動を伝達する超音波伝達部材であって、超音波伝達部材の先端に設けられた開口部と、上記超音波伝達部材に上記開口部から上記超音波伝達部材の軸方向に所定の長さで設けられた中空部と、上記中空部内に充填して設けた補強部材と、を備えることを特徴とする超音波伝達部材である。

請求項２に係る発明は、超音波振動を発生する振動子と、上記振動子からの超音波振動が伝達可能な超音波伝達部材とを備えた超音波処置具であって、上記超音波伝達部材の先端に設けられた開口部と、上記超音波伝達部材に、上記開口部から上記超音波伝達部材の軸方向に所定の長さで設けられた中空部と、上記中空部内に充填して設けた補強部材と、を具備したことを特徴とする超音波処置具である。

請求項３に係る発明は、上記中空部は、該中空部の内方端に位置して上記開口部の径よりも小さい径の絞り部を有したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波処置具である。
請求項４に係る発明は、上記超音波伝達部材及び上記補強部材に上記超音波伝達部材の長手軸方向に沿って該超音波伝達部材の全長にわたり貫通する貫通孔を形成したことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の超音波処置具である。
請求項５に係る発明は、超音波振動子から発生した振動を伝達する超音波伝達部材の製造方法であって、上記超音波伝達部材の先端部に開口部を設ける開口部形成工程と、上記開口部形成工程により設けられた開口部から上記超音波伝達部材の軸方向に所定の長さで中空部を設ける中空部形成工程と、上記中空部形成工程により設けられた中空部に充填材を設ける充填材設置工程と、を有することを特徴とする超音波伝達部材の製造方法である。

本発明によれば、超音波伝達部材に開口を有する中空部を設け、この中空部に補強部材を設けることで、超音波伝達部材の強度を高め、超音波伝達部材の剛性を保つことができる。また、超音波伝達部材を細径化しても、超音波伝達部材の剛性を保つことができるため、超音波振動子全体を小型化することも可能である。また、本発明の製造方法によれば、その超音波伝達部材を容易に製造することができる。

図１〜図１０を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本実施形態における超音波振動子１の全体を示す。この超音波振動子１は超音波振動を発生させる発振器３と、この発振器３から発生した超音波振動を処置部に伝達する超音波伝達部材２とから構成されている。発振器３と超音波伝達部材２は図示されていないネジ等により互いに密着した状態で固定的に連結されている。図１に示すように、発振器３と超音波伝達部材２の外径は略等しく、両者は同軸的に連結されている。

図１に示すように、発振器３は、電気信号を機械的振動に変換する一つ以上の圧電素子４と、この圧電素子４を前後から挟み込み、所望の周波数で振動するように、その形状を調節した共振部材５とから構成される。
また、超音波伝達部材２は、先端部に中空部８を有するプローブ６と、上記中空部８内に充填された補強部材としての充填材７とから構成されている。プローブ６に形成された中空部８は、プローブ先端に形成された開口部９と、内方端に形成された絞り１０を有する。また、絞り１０の部分は、以下に述べるように、先端に向かうに従い、その穴径が順次大きくなる形状であることが好ましい。

図２に示す絞り１０の例は、先端側（開口部９側）に向かうに従い、穴の径がテーパ（円錐）状に大きくなり、それに伴い穴の断面積が縮小するコニカル形状の内面を形成するものである。充填材７は中空部８に充填されているため、先端に向かうに従い、径が大きくなり、それに伴い断面積が拡大する。
図３に示す絞り１０の例は、エクスポネンシャル形状のものである（図７参照）。

図４に示す絞り１０の例は、底部１０ａから続く丸み１０ｄをステップとする形状のものである。つまり、絞り１０は、一般に、先端に向かうに従い穴径が大きくなる形状のものであればよい。

また、図５〜図６に示す絞り１０の例は、いずれも底部１０ａとステップ形状部を有するものである。具体的には、以下のように形成されている。
まず、図５に示す絞り１０は、内径が先端側のものほど大きくなるようにした複数の等径孔部１０ｂを段階的に連続して設けたものである。
また、図６に示す絞り１０は、複数のテーパ状の孔部１０ｃを連続して設け、全体として先端側が大きく広がるように形成したものである。この図６に示す絞り１０は少なくとも一つの孔部１０ｃが、奥に広がるテーパ状のものとなっている。ここでは、奥から一段目と二段目の各孔部１０ｃの部分が、中空部８の奥に向かって小さく広がるテーパ状に形成されている。そして、少なくとも一つの孔部１０ｃの内壁面を、奥に広がるテーパ状に形成することにより、この部分に充填材７の抜けに抗する係止作用が強く生じるようになる。しかし、内壁面を奥に広がるテーパ状に形成しても、その絞り１０の全体としては先端側が広がるように見なせる形状である。中空部８の奥に向かって広がるテーパの勾配θは、０°を越え、４５°未満の範囲が好ましく、特に１°〜５°の範囲がより好ましい。

この実施形態では、絞り１０に中空部８の奥に向かって広がるテーパ状の部分を形成したが、中空部８全体の領域の少なくとも一部に中空部８の奥に向かって広がるテーパ状の部分を形成するようにしても良い。また、テーパ状の部分ではなく、中空部８の奥に向かって広がる勾配の部分や、溝や突起を形成して充填材７の外周に形成される対応形状部分に係止させるようにしても良い。このように、中空部８内に、充填材７の保持強度を高める係止手段を形成することにより、充填材７の抜けに抗する係止作用を強く生じることができる。また、このような係止手段は、他の絞り１０や中空部８の例にも採用することが可能である。

ところで、超音波伝達部材２を用いて振幅拡大させるには、そのプローブ６と充填材７の材質を調節して、プローブ６と充填材７との境界面で超音波振動の反射を起こさせる必要がある。さもないと、発振器３で発生した超音波振動のほとんどが充填材７に伝達してしまい、振幅拡大が全くなされない可能性がある。

超音波振動子１のプローブ６に伝達した超音波振動が充填材７で反射される割合Ｒ（反射率）は、以下の式で表される。

Ｒ＝（Ｚ₁−Ｚ₀）²／（Ｚ₁＋Ｚ₀）²
ここで、Ｚ₀＝（ρ₁・Ｅ₀）^1/2：プローブ６の音響インピーダンス
Ｚ₁＝（ρ₁・Ｅ₁）^1/2：充填材７の音響インピーダンス
ρ₀：プローブ６の密度
ρ₁：充填材７の密度
Ｅ₀：プローブ６のヤング率
Ｅ₁：充填材７のヤング率
充分な振幅拡大を得るためには、Ｚ₁≧１００×Ｚ₀であることが望ましい。この条件を満たすと、反射率Ｒは、９５％以上になり、発振器３で発生した超音波振動のほとんど（すなわち９５％以上）がプローブ６にのみ伝達する。

上記条件が満たせない場合、例えばプローブ６にチタン合金、充填材７にＷＣ（タングステンカーバイド）を用いることも可能である。このとき、Ｚ₁≒５×Ｚ₀であり、反射率は４５％程度であるが、これでも、ある程度の振幅拡大が期待でき、その上、充分な剛性が確保できるため、使用が可能である。

ただし、Ｚ₁≦Ｚ₀になることは極力避けるようにする。この条件の場合でも、Ｚ₀≧１００×Ｚ₁であれば、反射率Ｒは９５％以上になるが、充填材７がプローブ６よりも軟らかい可能性があるので、超音波伝達部材２の剛性が確保するためである。

次に、図８、図９及び図１０は、それぞれプローブ６に充填材７を充填する方法の手順を示すものである。

図８に示す方法は、熱嵌合を利用して、プローブ６の中空部８に充填材７を挿入して、充填材７を中空部８内に固定的に設置しようとするものである。
まず、プローブ６の先端部に、開口部９を有する中空部８を機械加工により形成する。機械加工以外にも、金属射出成形（ＭＩＭ）等の成形手段により、中空部８を含むプローブ６を成形することが可能である。中空部８は充填材７の外形より若干小さく設計して作る（ステップＳ_１）。
次に、プローブ６全体を加熱する（ステップＳ_２）。これによって、プローブ６が膨張して中空部８が充填材７の外径よりも若干大きくなる。例えば、中空部８と充填材７のクリアランスが数μｍ〜数１０μｍになる程度に加熱する。
次に、加熱により拡大した中空部８の開口部９から充填材７を挿入する（ステップＳ_３）。
最後に、充填材７が挿入されたプローブ６を冷却する（ステップＳ_４）。充填材７の外径よりも大きく膨張していた中空部８の内径が充填材７の外径よりも小さくなろうとして充填材７を締め付け、充填材７を中空部８に焼き嵌め固定する。なお、この後に、プローブ６と充填材７の両者を溶接または接着等により固定するようにすれば、両者の固定強度が一層増す。

また、この図８に示す方法は、図６に示した中空部８の形態にあっては、そのテーパの勾配θが小さい場合に限り適する。テーパの勾配θが小さい場合には中空部８が奥に向かって広がるテーパ状のものであっても、プローブ６の加熱膨張、及び充填材７の押し込み力によるプローブ６の中空部８の変形により、中空部８への充填材７の挿入は可能であるため、この図８の方法は十分に利用可能である。

また、図９に示す方法は、充填材７をプローブ６の中空部８に設置し、ろう付けによって固定しようとするものである。まず、上記方法と同様に、プローブ６の先端部に開口部９を有する中空部８を形成する（ステップ_１）。
次に、中空部８の内面に、ろう材を塗布する（ステップ_２）。
次に、中空部８の開口部９から充填材７を差し込み挿入する（ステップ_３）。
最後に、中空部８に充填材７を挿入したプローブ６を、ろう付け温度に加熱して、ろう材を溶融し、ろう材により中空部８に充填材７を固定する（ステップ_４）。このろう材は、プローブ６及び充填材７より融点が低い材質を選択することが好ましい。

この図９に示す方法でも、図６に示した中空部８の形態にあっては、そのテーパの勾配θが小さい場合に限り適する。つまり、テーパの勾配θが小さい場合には、中空部８が奥に向かって広がるテーパ状のものであっても、ろう材の塗布厚分、充填材７の外径を小さくできし、また、充填材７の押し込み力によるプローブ６の中空部８の変形により、中空部８への充填材７の挿入は可能であるため、この図９の方法を十分に利用可能である。

また、図１０に示す方法は、粉末冶金を利用して充填材７を焼結により形成する充填材７の固定方法である。
まず、上記方法と同様に、プローブ６の先端部に開口部９を有する中空部８を形成する（ステップ_１）。
次に、中空部８内に充填材７の材料である粉末を詰める。充填材７の粉末はガスアトマイズ法等で造られたものである（ステップ_２）。
次に、中空部８に充填材７の材料である粉末を詰めたプローブ６を真空チャンバーに入れて、真空引きする（ステップ_３）。
次に、開口部９から成形用押型を押し込み、充填材７の粉末に、圧縮応力を加え、圧縮すると同時に加熱することで、上記粉末を一体化させる（ステップ_４）。
最後に、中空部８に充填材７の材料である粉末を詰めたプローブ６を粉末の焼結温度に加熱保持することで、上記粉末が完全なバルクとなって充填材７が中空部８内に形成される（ステップ_５）。

上記方法等により、プローブ６の中空部８に充填材７を充填して超音波伝達部材２を製造した後、発振器３と超音波伝達部材２とをネジ止めすることで、超音波振動子１が完成する。

本実施形態では、プローブ６に開口部９を有する中空部８を設け、この中空部８に充填材７を充填することで、超音波伝達部材２の剛性を向上させることができる。また、Ｚ₁≧１００×Ｚ₀になるように、プローブ６と充填材７の材質を調節することで、充分な振幅拡大を得ることができる。

次に、図１１〜図１６を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図１１は本実施形態における超音波振動子１の全体を示す。超音波振動子１は、上記第１実施形態の場合と同様、超音波振動を発生させる発振器３と、この発振器３から発生した超音波振動を処置部に伝達する超音波伝達部材２とから構成される。

しかし、本実施形態では、超音波伝達部材２と発振器３には両者にわたって、超音波振動により破砕した組織を吸引するための吸引管路１２が設けられている。吸引管路１２は発振器３内に配置した管と、超音波伝達部材２（充填材７を含む）に形成した貫通孔によって連通した吸引通路として形成されている。また、吸引管路１２は発振器３の後端から図示されていない吸引手段（吸引源）に接続されている。上記以外の構成は前述した第１実施形態のものと同じである。

本実施形態での超音波伝達部材２は次のようにして製造される。第１の方法は、前述した第１実施形態の製造方法において、プローブ６の中空部８に充填材７を充填した後、ドリル加工により充填材７及びプローブ６にわたり孔を開け、吸引管路１２を形成するものである。また、予め、プローブ６及び充填材７にドリル加工等により吸引管路１２を形成した後、プローブ６及び充填材７を用いて、前述した図８及び図９に示す工程で製造することもできる。

また、図１０で示す充填剤粉末を用いる方法の場合には、次のようにして製造することができる。予め、プローブ６には、ドリル加工等により吸引管路１２の部分を形成した後、図１７に示すように、プローブ６に形成された吸引管部１２に中子１３を挿入する。このように、中空部８に中子１３を挿入した後、中空部８の周囲に残る空間に充填材用粉末を詰めて焼結させる。この後、図１７に示すように、上記中子１３を引き抜き、吸引管路１２を全長にわたり有する超音波伝達部材２を製造する。この充填材用粉末を利用する方法は、特に図６及び図１６の形態の中空部８と充填材７の場合に充填材７を容易に形成できる点で有利である。上記以外の製造方法は、第１実施形態と同じである。

本実施形態における超音波振動子１では、吸引管路１２を設けたことにより、プローブ６により、破砕した組織の吸引が吸引管路１２を通じて可能となる。また、上記以外の効果は、第１実施形態と同じである。

なお、上述したプローブ６は、全長にわたり直線的に形成されているが、全体または一部において湾曲または屈曲するものであっても良い。

＜付記＞ 上記説明によれば、以下の事項のものが得られる。
１．超音波振動を発生する、圧電素子を共振部材で挟み込んだ発振器と、
先端に開口が形成された中空部を有するプローブと、上記中空部に挿入される充填材と、から構成される超音波振動子。

２．プローブに開口を有する中空部を設ける工程と、中空部に充填材を充填する工程とを有することを特徴とする超音波振動子用超音波伝達部材の製造方法。

本発明の第１実施形態である超音波振動子全体を示す説明図。 上記超音波振動子のプローブの中空部と充填材の関係を示す説明図。 上記超音波振動子のプローブの中空部と充填材の関係を示す縦断面図。 上記超音波振動子のプローブの中空部と充填材の関係を示す縦断面図。 上記超音波振動子のプローブの中空部と充填材の関係を示す縦断面図。 上記超音波振動子のプローブの中空部と充填材の関係を示す縦断面図。 上記超音波振動子のプローブの中空部を示す斜視図。 上記超音波振動子のプローブの中空部に充填材を取り付ける工程の説明図。 上記超音波振動子のプローブの中空部に充填材を取り付ける工程の説明図。 上記超音波振動子のプローブの中空部に充填材を取り付ける工程の説明図。 本発明の第２実施形態である超音波振動子全体を示す説明図。 上記超音波振動子のプローブの中空部と充填材の関係を示す縦断面図。 上記超音波振動子のプローブの中空部と充填材の関係を示す縦断面図。 上記超音波振動子のプローブの中空部と充填材の関係を示す縦断面図。 上記超音波振動子のプローブの中空部と充填材の関係を示す縦断面図。 上記超音波振動子のプローブの中空部と充填材の関係を示す縦断面図。 上記超音波振動子のプローブの中空部に充填材を取り付ける工程の説明図。

符号の説明

１…超音波振動子、２…超音波伝達部材、３…発振器、４…圧電素子
５…共振部材、６…プローブ、７…充填材、８…中空部、９…開口部
１２…吸引管路。

Claims (5)

1. 超音波振動子から発生した振動を伝達する超音波伝達部材であって、
   超音波伝達部材の先端に設けられた開口部と、
   上記超音波伝達部材に上記開口部から上記超音波伝達部材の軸方向に所定の長さで設けられた中空部と、
   上記中空部内に充填して設けた補強部材と、
   を備えることを特徴とする超音波伝達部材。
2. 超音波振動を発生する振動子と、
   上記振動子からの超音波振動が伝達可能な超音波伝達部材とを備えた超音波処置具であって、
   上記超音波伝達部材の先端に設けられた開口部と、
   上記超音波伝達部材に、上記開口部から上記超音波伝達部材の軸方向に所定の長さで設けられた中空部と、
   上記中空部内に充填して設けた補強部材と、
   を具備したことを特徴とする超音波処置具。
3. 上記中空部は、該中空部の内方端に位置して上記開口部の径よりも小さい径の絞り部を有したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波処置具。
4. 上記超音波伝達部材及び上記補強部材に上記超音波伝達部材の長手軸方向に沿って該超音波伝達部材の全長にわたり貫通する貫通孔を形成したことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の超音波処置具。
5. 超音波振動子から発生した振動を伝達する超音波伝達部材の製造方法であって、
   上記超音波伝達部材の先端部に開口部を設ける開口部形成工程と、
   上記開口部形成工程により設けられた開口部から上記超音波伝達部材の軸方向に所定の長さで中空部を設ける中空部形成工程と、
   上記中空部形成工程により設けられた中空部内に充填材を設ける充填材設置工程と、
   を有することを特徴とする超音波伝達部材の製造方法。

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