JP4455250B2 - 超音波振動子 - Google Patents

Description

本発明は、電子ラジアル走査型の超音波振動子に関する。

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素子から成り、各素子に対して素子数に見合う送受信様の同軸ケーブルを接続する必要がある。電子走査式超音波振動子の各素子の電極と信号送受信用同軸ケーブルとを接続する際には、各素子のシグナル電極に対して同軸ケーブルの芯線を半田付けし、各素子のグランド電極に対して同軸ケーブルのシールド線を半田付けする方法が一般的である。

このような電子走査型振動子で内視鏡に利用されてきたものとして、コンベックスタイプ、リニアタイプ、及びラジアルタイプ等がある。このうち、ラジアルタイプとは、超音波ビームを円周方向に送受信するものであり、これには振動子を回転させ超音波ビームを放射状に送受信する機械ラジアル走査方式と、複数の圧電素子を円筒外周上に配列して電子的な制御により超音波ビームを放射状に送受信する電子ラジアル走査方式（例えば、特許文献１）がある。

電子ラジアルタイプの超音波振動子を作製する場合、特許文献１に示すように、複数個の超音波振動子に分割（超音波振動子エレメント）した超音波振動子板の両端の側面を合わせるようにして、円筒形状にする必要がある。
特公昭６３−１４６２３号公報

本来、電子ラジアルタイプの超音波振動子３６０度方向に走査するので、その全ての方向について走査間隔が均一であることが望ましい。
しかしながら、上記のように、電子ラジアルタイプの超音波振動子では、超音波振動子エレメントを平面上に配列させた超音波振動子を円筒形状にする場合、その平面形状の超音波振動子を丸めて円筒形にするので、一端の側面と他端の側面との合わせる必要があり、合わせ目が生じてしまう。

図１４に示すように、従来の電子ラジアルタイプの超音波振動子では、円筒形状にした超音波振動子板２００の合わせ目２０１の箇所において、隣接する超音波振動子エレメント間の間隔が他と異なってしまい、この合わせ目を挟んだ振動子エレメントから得られる画質に影響を与えていた。

このような合わせ目は、コンベックスタイプ、リニアタイプにはなく、電子ラジアルタイプに特有のものであり、そのため、電子ラジアルタイプの超音波振動子を用いた超音波内視鏡で体腔内を撮影した場合、その合わせ目部分に相当する領域について取り扱いに注意を要した。

また、電子ラジアルタイプの超音波振動子のうち、ソナーなど大型のものでは、繋ぎ目の数十μmのずれは問題とならなかったが、超音波内視鏡に用いられるものでは、振動子の外形がφ１０程度となり、数十μmのばらつきは、隣接する振動子の角度も間隔も変わるため、画質に影響するという問題があった。

また、バッキング材はダンピング効果をもたせるために柔らかい樹脂が通常使用されるが、このバッキング材を用いて合わせ目を接着すると、薬品または加熱による殺菌処理をする場合において、その耐久性が弱い。このように、合わせ目をバッキング材の材料で接合すると、特性のばらつきの原因となることの他、柔軟性のある材料を用いるため耐久性の低下に繋がるという問題もあった。

上記の課題に鑑み、本発明では、超音波振動子エレメント間の材質及び間隔についての環境を全て均一にする電子ラジアル型超音波振動子を提供する。

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、超音波を送受する超音波振動子エレメントが複数円筒状に等間隔で配列され、複数の音響整合層が積層している電子ラジアル型超音波振動子であって、前記積層した音響整合層からなる構造体の第１の側面と第２の側面とを向かい合わせて前記円筒状にするときに形成される該第１の側面と該第２の側面との間の空隙に、最外層の前記音響整合層と同一の材料に着色した材料と、該最外層の該音響整合層と同一の材料とを配置し、前記空隙のうち、前記円筒状にした構造体の両開口部側にそれぞれ前記着色した材料が配置されることを特徴とする電子ラジアル型超音波振動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、前記空隙は、前記超音波振動子エレメント間の間隔と同じ間隔であることを特徴とする請求項１に記載の電子ラジアル型超音波振動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３に記載の発明によれば、前記最外層の前記音響整合層と同一の材料に着色した材料、および該最外層の該音響整合層と同一の材料は、前記空隙のうち、前記超音波振動子エレメントのうち前記超音波を送受する部分以外の部分同士によって挟まれた空隙部分に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子ラジアル型超音波振動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、超音波を送受する超音波振動子エレメントが複数配列され、複数の音響整合層が積層されたものである構造体を製造する構造体製造工程と、前記構造体の第１の側面と第２の側面とを向かい合わせて、該構造体を円筒状にする円筒形成工程と、前記円筒状にした構造体の前記第１の側面と前記第２の側面との間の空隙に、前記最外層の前記音響整合層と同一の材料で構成した部材を挿入する部材挿入工程と、前記円筒状にした構造体の開口部の内側に環状部材を設ける環状部材設置工程と、略円筒形体の一端に鍔が設けてある絶縁性部材に複数のケーブルを挿通させ、該各ケーブルの一端を該絶縁性部材の前記鍔表面に設けた複数の電極パッドのそれぞれに接合させるケーブル挿通工程と、前記ケーブル挿通工程により得られた前記絶縁性部材の前記鍔が、前記環状部材設置工程により得られた前記構造体の前記環状部材に接するまで、該絶縁性部材を該構造体に挿入する絶縁性部材挿入工程と、前記絶縁性部材挿入工程により挿入した前記絶縁性部材の前記鍔表面に設けた前記電極パッドと前記超音波振動子エレメントの電極とを導線で接続する接続工程とからなることを特徴とする電子ラジアル型超音波振動子の製造方法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１〜３のいずれか１項に記載の電子ラジアル型超音波振動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、超音波振動子エレメント間の材質及び間隔についての環境を全て均一にすることができるので、３６０度方向について均一な画像を得ることができる。

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ユニバーサルコード７が延出している。

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、電子ラジアル型走査を可能にする超音波振動子１０が設けられ、湾曲部４と超音波振動子１０の間には斜面部１２が形成されている。超音波振動子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不図示の証明レンズカバー、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１３、処置具が突出する開口である鉗子出口１４が設けてある。

それでは、図３〜図１３を用いて、本実施形態における超音波振動子１０の製造工程を示す。
図３は、超音波振動子の製造工程（その１）を示す。同図において、超音波振動子を形成するに際し、まず基板２０、導電体２１、電極２２（２２ａ，２２ｂ）、圧電素子２３、音響整合層２４（第１音響整合層２４ａ，第２音響整合層２４ｂ）、導電樹脂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２５を流し込む。次に、対向する両主面に電極層２２ａ，２２ｂを形成した圧電素子２３を接合する。そして圧電素子２３の横に基板２０を取り付ける。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。このような溝２６を例えば約２００個程度設ける。ここで、分割した個々の振動子を振動子エレメント２７という。

なお、上記では、本実施形態は２層整合であるので、第1音響整合層２４ａの材料には、アルミナやチタニア（ＴｉＯ₂）などフィラーを含有するエポキシ樹脂を用い、第２音響整合層２４ｂの材料には、フィラーが入っていないエポキシ樹脂を用いるのが好ましい。また、３層整合の場合には、第1音響整合層の材料に、マシナブルセラミックスやフィラーやファイバーを含有するカーボンまたはエポキシ樹脂などを用い、第２音響整合層には、アルミナやチタニアなどフィラーを若干含有（２層整合の場合と比較して含有率が少ない）するエポキシ樹脂を用い、第３音響整合層には、フィラーが入っていないエポキシ樹脂を用いるのが好ましい。

次に、図４に示すように、この積層体の側面Ｘ１と側面Ｘ２の面とが向かい合うように、この構造体Ａを湾曲させて円筒状にしていく。具体的には、半円柱形状（シリンドリカル形状）に窪んでいる２つの金型で構造体Ａを挟んで締め付けて成型していくことにより、構造体Ａを円筒状にしていく。そうすると、次第に合わせ目の面が近づいていくので、所定の間隔（例えば、ダンシング溝幅近くまで）になるまで合わせ目が近づいたら一旦締め付けを停止する。

ここで、予め注型方法によりスペーサを用意する。スペーサの幅はダンシング溝幅より少し狭くする（例えば、ダンシング溝幅が約２５μｍであれば、スペーサ幅は約１５μｍとし、ダンシング溝幅が約５０μｍであれば、スペーサ幅は約４０μｍとする。）。また、スペーサは最外層の音響整合層と同じ樹脂（例えば、２層整合の場合では第２音響整合層、３層整合の場合では第３音響整合層と同じ樹脂）を用いる。

このスペーサの短手方向の両側面に最外層の音響整合層と同じ樹脂（例えば、２層整合の場合では第２音響整合層、３層整合の場合では第３音響整合層と同じ樹脂）を接着剤として塗布する。

その後、このスペーサ２９を、図５に示すように、合わせ目２８（側面Ｘ１と側面Ｘ２の面の間）に差し込む。そして、再び金型を締め付ける。
なお、上記では合わせ目の全面にスペーサを挟んだが、例えば、図６に示すように部分的に、スペーサを挟むようにしてもよい。図６では、実質的には駆動部（圧電素子２３）とはならない側面Ｘ１及びＸ２両端にスペーサ２９ａ，２９ｂを挟み、その間を最外層の音響整合層と同じ樹脂（例えば、２層整合の場合では第２音響整合層、３層整合の場合では第３音響整合層と同じ樹脂）を接着剤３１として充填するようにしてもよい。このようにすることで、スペーサを全面に用いる場合と比べて、界面での超音波の反射、減衰等の影響を受けにくくなる。

このように、スペーサを用いることで、成型時に余分な隙間ができにくくなり、容易に合わせ目の位置合わせが可能となる（スペーサがない場合には、成型時に合わせ目部分が接触せずに、いずれか一方の面が円筒形の内側に入り込むおそれが発生する）。この位置併せは、実質的には、１０μｍオーダの制御に対応することができる。なお、成型のための締め付けは、大きさの異なる複数の金型を用意し、大きい金型から小さい金型へ入れ替えて成型することで、締め付けを強めていってもよいし、その他の方法でもよく、特に限定されない。

さて、合わせ目２８にスペーサを取り付けた後、図７に示すように、円筒表面に音響レンズ１１を形成する（以下、構造体Ｂという）。音響レンズ１１は、予め音響レンズ単体で製造していたものを円筒状にした構造体Ａと組み合わせてもよいし、または、円筒状にした構造体Ａを型に入れて音響レンズ材料をその型に流し込んで音響レンズ１１を形成してもよい。なお、音響レンズ１１のうち、実際に音響レンズとして機能するのはレンズ部１１ａである。

次に、図８に示すように、環状の構造部材３０ａを構造体Ｂの開口部より内側に取り付ける。このとき、構造部材３０ａは、基板２０上に位置するように取り付ける（図９（ａ）参照）。反対側の開口部についても同様に構造部材３０ｂを取り付ける。このとき、構造部材３０ｂは導電樹脂２５上に位置するように取り付ける（図９（ａ）参照）。

図７は、構造部材３０を取り付けた構造体Ｂの断面を示す。図５で構造部材３０（３０ａ，３０ｂ）を取り付けた（図９（ａ）参照）後、構造部材３０ａ−３０ｂ間をバッキング材４０で充填する（図９（ｂ）参照）。バッキング材には、ゲル状のエポキシ樹脂にアルミナのフィラーを混ぜたものを用いる。その後、導電樹脂２５上に導体（銅線）４１を取り付ける（図９（ｃ）参照）（以下、図９で作成した構造体を構造体Ｃという）。

次に、図１０に示すように、構造体Ｃの一方の開口部側（基板２０が設けられている側）から、円筒状の部材５０を挿入する。この円筒部材５０は、円筒部分５３とその一端に設けられている環状の鍔（つば）５２とから構成されている。鍔５２表面にはＦＰＣ基板が設けてあり、その表面に数十から数百の電極パッド５１が設けてある。さらに、円筒部材５０内部にはケーブル６２の束が通してあり、そのケーブル６２の先端は、各パッド５１と半田付けされている（電極パッド５１の内側（環の中心方向）にケーブル６２を半田付けして結線する。）。なお、ケーブル６２は、通常はノイズ低減のために同軸ケーブルを用いる。

円筒部材５０は絶縁体材料（例えば、エンジニアリング・プラスチック）で作られている。絶縁体材料としては、例えば、ポリサルフォン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンオキサイド、エポキシ樹脂などがある。

こうしてケーブル６２を結線した円筒部材５０を構造体Ｃに挿入すると（図１１（ａ）参照）、構造体Ｃの構造部材３０に円筒部材５０の鍔５２部分が当たって、円筒部材５０の位置が構造体Ｃ内部で固定され、振動子内部で位置決めがされる（図１１（ｂ）参照）。

図１２は、円筒部材５０が挿入されて位置決めがされた（図１１参照）後、電極パッド５１の外側部分（環の外周方向の電極パッド部分）と、振動子エレメント２７の電極２０ａとをワイヤー９０を用いて結線した状態を示す。

図１３は、図１２の断面図を示す。上述の通り、電極パッド５１のうち鍔の中心方向側にケーブル６２が半田５１で結線されている。電極パッド５１のうち鍔の外周方向側にワイヤー９０の一端が半田１０１で結線され、他端が振動子エレメントの基板２０上にあるシグナル側電極２０ａと半田１０２で結線されている。なお、隣接するシグナル側電極２０にワイヤーが接触して短絡しないように短いワイヤー９０を用いて結線する。また、ケーブル６２に負荷がかかることにより引っ張られて、ケーブル６２が電極パッド５１から外れてしまうことを防ぐために、ポッティング樹脂１００でケーブル６２と電極パッド５１との結線部分全体を被覆する。

なお、スペーサの材料に例えば酸化チタンを加えることで、スペーサを白色で着色し、それによりスペーサの箇所を認識できるようにしてもよい。このようにすることで、一番素子（合わせ目部分の素子）の判別が容易になる。

以上より、超音波振動子を円筒状にしたときの合わせ目（つなぎ目）に、最外層の音響整合層と同じ樹脂材料をスペーサとして用い、さらに、このスペーサの幅を調整して、合わせ目間の幅をダイシング溝の溝幅と同じにすることにより、超音波振動子エレメント間の幅及び材質環境が均一になるため、合わせ目部分においても、他の箇所と同様に超音波を送受することができるため、音響特性のばらつきが解消し、音響特性が向上する。

また、処置に用いた内視鏡をオートクレーブ等で高熱殺菌処理する場合、合わせ目での材質に差があると、各材料の熱膨張係数の違いにより、応力に差が生じ、クラックがはいってしまうおそれがあるが、本発明を用いることにより、合わせ目での材質にはすべて同一の材料を用いるので応力が偏ることなく、クラックが発生することがない。したがって、超音波振動子の耐久性が向上する。

また、合わせ目に起因する影響が極力抑えられるので、３６０度均一な画質を得ることができる。また、スペーサにより合わせ目の幅を調整するので、容易に位置合わせをすることができる。実質的には、１０μｍオーダの制御に対応することができる。また、エレメント間の間隔及び材質がすべて均一なので、一番素子（合わせ目部分の素子）の識別の必要がなくなる。

（付記１） 前記部材の幅が、前記超音波振動子エレメント間の間隔より小さいことを特徴とする特許請求の範囲の請求項４に記載の電子ラジアル型超音波振動子。
（付記２） 前記部材挿入工程では、前記最外層の前記音響整合層と同一の材料で構成した接着剤を前記部材表面に塗布して、該部材を前記空隙に挿入することを行う特許請求の範囲の請求項７に記載の電子ラジアル型超音波振動子の製造方法。

本実施形態におけ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工程（その１）を示す図である。 超音波振動子の製造工程（その２）を示す図である。 図４の合わせ目２８の拡大図である。 合わせ目へのスペーサの適用の他の例を示す図である。 超音波振動子の製造工程（その３）を示す図である。 超音波振動子の製造工程（その４）を示す図である。 超音波振動子の製造工程（その５）を示す図である。 超音波振動子の製造工程（その６）を示す図である。 超音波振動子の製造工程（その７）を示す図である。 超音波振動子の製造工程（その８）を示す図である。 図１２の断面図を示す図である。 一般的な電子ラジアル型超音波振動子の合わせ目を示す図である。

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 観察用レンズカバー
１４ 鉗子出口
２０ 基板
２１ 導電体
２２（２２ａ，２２ｂ） 電極
２３ 圧電素子
２４ 音響整合層
２４ａ 第１音響整合層
２４ｂ 第２音響整合層
２５ 導電樹脂
２６ 溝
２７ 振動子エレメント
２８ 合わせ目
２９ スペーサ
３０（３０ａ，３０ｂ） 構造部材
３１ 接着剤
４０ バッキング材
４１ 導体（銅線）
５０ 円筒部材
５１ 電極パッド
５２ 鍔（つば）
５３ 円筒部分
６０ ＦＰＣ基板
６１ 半田
６２ ケーブル
９０ ワイヤー
１００ ポッティング樹脂
１０１，１０２ 半田

Claims (5)

1. 超音波を送受する超音波振動子エレメントが複数円筒状に等間隔で配列され、複数の音響整合層が積層している電子ラジアル型超音波振動子であって、
   前記積層した音響整合層からなる構造体の第１の側面と第２の側面とを向かい合わせて前記円筒状にするときに形成される該第１の側面と該第２の側面との間の空隙に、最外層の前記音響整合層と同一の材料に着色した材料と、該最外層の該音響整合層と同一の材料とを配置し、
   前記空隙のうち、前記円筒状にした構造体の両開口部側にそれぞれ前記着色した材料が配置される
   ことを特徴とする電子ラジアル型超音波振動子。
2. 前記空隙は、前記超音波振動子エレメント間の間隔と同じ間隔である
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子ラジアル型超音波振動子。
3. 前記最外層の前記音響整合層と同一の材料に着色した材料、および該最外層の該音響整合層と同一の材料は、前記空隙のうち、前記超音波振動子エレメントのうち前記超音波を送受する部分以外の部分同士によって挟まれた空隙部分に設置されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電子ラジアル型超音波振動子。
4. 超音波を送受する超音波振動子エレメントが複数配列され、複数の音響整合層が積層されたものである構造体を製造する構造体製造工程と、
   前記構造体の第１の側面と第２の側面とを向かい合わせて、該構造体を円筒状にする円筒形成工程と、
   前記円筒状にした構造体の前記第１の側面と前記第２の側面との間の空隙に、前記最外層の前記音響整合層と同一の材料で構成した部材を挿入する部材挿入工程と、
   前記円筒状にした構造体の開口部の内側に環状部材を設ける環状部材設置工程と、
   略円筒形体の一端に鍔が設けてある絶縁性部材に複数のケーブルを挿通させ、該各ケーブルの一端を該絶縁性部材の前記鍔表面に設けた複数の電極パッドのそれぞれに接合させるケーブル挿通工程と、
   前記ケーブル挿通工程により得られた前記絶縁性部材の前記鍔が、前記環状部材設置工程により得られた前記構造体の前記環状部材に接するまで、該絶縁性部材を該構造体に挿入する絶縁性部材挿入工程と、
   前記絶縁性部材挿入工程により挿入した前記絶縁性部材の前記鍔表面に設けた前記電極パッドと前記超音波振動子エレメントの電極とを導線で接続する接続工程と
   からなることを特徴とする電子ラジアル型超音波振動子の製造方法。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子ラジアル型超音波振動子を備える超音波内視鏡。