JP4472480B2 - 超音波振動子アレイ - Google Patents

Description

本発明は、超音波内視鏡装置に関し、特に、超音波内視鏡装置が備える超音波振動子アレイの構造に関する。

図５は、既存の超音波内視鏡装置を示す図である。
図５に示す超音波内視鏡装置５０は、接続部５１と、操作部５２と、挿入部５３とを備えて構成され、挿入部５３は、先端部５４を備えて構成されている。

上記接続部５１は、例えば、ディスプレイなどを備える表示装置や測定装置に接続され、先端部５４に設けられる超小型カメラなどにより得られた画像がそのディスプレイに表示される。

上記操作部５２は、ユーザの操作により、例えば、挿入部５３の上下左右の湾曲動作や先端部５４の動作などを行う。
上記先端部５４には、上記超小型カメラの他に、例えば、複数の超音波振動子が連続して並べられて構成される超音波振動子アレイが備えられ、この超音波振動子アレイの複数の超音波振動子のうち選択された超音波振動子が超音波の送信または受信を行う。そして、超音波振動子アレイが受信した超音波は、電気信号に変換され上記ディスプレイなどに画像として表示される。

図６は、図５に示す先端部５４の拡大図である。
図６に示すように、先端部５４は、上記超小型カメラや照明などが設けられるカメラ部６０と、超音波振動子アレイ６１とを備えて構成されている。

図７は、超音波振動子アレイの一例を示す図である。なお、図７に示す超音波振動子アレイは図６に示す超音波振動子アレイ６１の一部を示している。
図７に示す超音波振動子アレイ７０は、圧電素子７１と、電極７２と、第１音響整合層７３と、第２音響整合層７４と、導電樹脂７５と、導電体７６と、基板７７とを備えて構成されている。

また、圧電素子７１、電極７２、第１音響整合層７３、第２音響整合層７４、導電樹脂７５、導電体７６、及び基板７７は、共通に設けられる溝７８により複数に分けられ、上記複数の超音波振動子を構成している。

また、超音波振動子アレイ７０は、超音波振動子アレイ７０の長手方向に対して垂直方向の端面同士が接続されて筒状に形成され、その筒状の超音波振動子アレイ７０の外周に音響レンズが設けられることにより、超音波を環状に送信するラジアル方式の超音波振動子アレイが構成される（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。

図８は、図７に示す超音波振動子アレイ７０をラジアル方式の超音波振動子アレイに構成したときのそのラジアル方式の超音波振動子アレイの断面を示す図である。
図８に示す超音波振動子アレイ８０は、第２音響整合層７４が外側になるように筒状に形成されており、第２音響整合層７４の外周に音響レンズ８１が設けられている。

この音響レンズ８１により、第１音響整合層７３及び第２音響整合層７４を介して圧電素子７１から送信される超音波を所定の焦点において収束させる。
また、超音波内視鏡装置の先端部はできるだけ細径化されていることが望ましく、ラジアル方式の超音波振動子アレイに限らず、超音波内視鏡装置に搭載される超音波振動子アレイは、できるだけ小さく構成されていることが望ましい。
特公昭６３−１４６２３号公報（第１〜２頁、第１〜７図） 特開平５−４２１４６号公報 （第２〜４頁、第１〜１０図）

そして、超音波振動子アレイの小型化を実現させるために、例えば、超音波振動子アレイを構成するアレイ構成部材のうち、圧電素子、音響整合層、または基板などは非常に薄くつくられる（例えば、０．１ｍｍ程度の厚さでつくられる）。そのため、圧電素子、音響整合層、または基板などのアレイ構成部材は破損し易いものになっている。また、近年の超音波内視鏡装置における超音波の高周波化に伴って圧電素子や音響整合層などのアレイ構成部材はますます薄くなっている。このように、超音波内視鏡装置に搭載される超音波振動子アレイのアレイ構成部材のうち、圧電素子、音響整合層、または基板などはとても破損し易い構成となっているため、例えば、超音波振動子アレイが衝撃を受けると、圧電素子や音響整合層などのアレイ構成部材が破損するおそれがある。そして、圧電素子や音響整合層などのアレイ構成部材が破損した場合、そのアレイ構成部材の破片が超音波内視鏡装置から脱落するおそれがある。

そこで、本発明では、衝撃を受けて圧電素子や音響整合層などのアレイ構成部材が破損しても、そのアレイ構成部材の破片が超音波内視鏡装置から脱落することを防止する超音波振動子アレイを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明の超音波振動子アレイは、対向した一対の電極を含み、挿入軸を中心として環状に連続して並べられる複数の超音波振動子と、前記環状の内面側に配置され、前記複数の超音波振動子を選択するために前記複数の超音波振動子に電気的に接続される導電体部材と、前記環状の内面側に配置され、前記一対の電極のうち前記環状の外側の電極と接続されたＧＮＤと、該複数の超音波振動子において前記環状の外面側に設けられる音響レンズと、を備え、前記複数の超音波振動子のうち電気的に選択された超音波振動子が超音波を送信または受信する超音波振動子アレイであって、前記音響レンズは、絶縁性物質で構成された超音波を収束するレンズ部と、前記導電体部材のうち少なくとも前記外側の電極が併設されていない部分を覆う、絶縁性物質で構成された被覆部と、を備え、前記導電体部材は、前記超音波振動子に信号を伝えるための信号線、または、前記複数の超音波振動子と前記信号線とを接続させるための基板若しくはワイヤーである。

また、上記超音波振動子アレイは、前記複数の超音波振動子が挿入軸を中心として環状に連続して並べて構成してもよい。
また、上記超音波振動子アレイは、前記複数の超音波振動子が２次元において連続して並べて構成してもよい。

また、上記超音波振動子アレイの音響レンズは、シロキサン結合を含んで構成してもよい。
また、上記超音波振動子アレイの音響レンズは、酸化鉄を含んで構成してもよい。

また、本発明の範囲は、上記超音波振動子アレイを含む超音波内視鏡装置まで及ぶ。

本発明によれば、破損し易いアレイ構成部材を弾性物質で構成した音響レンズで覆っているので、超音波振動子アレイが衝撃を受けてアレイ構造部材が破損しても、その破片を超音波振動子アレイ内に閉じ込めておくことができる。これにより、超音波振動子アレイが衝撃を受けてアレイ構造部材が破損しても、アレイ構造部材の破片を超音波内視鏡装置から脱落させることを防止することができる。

また、本発明では、導電体部材を絶縁性物質で構成した音響レンズで覆っているので、何らかの原因により導電体部材に過電圧がかかったとしても、その過電圧は超音波振動子アレイの外部に印加されない。これにより、何らかの原因により導電体部材に過電圧がかかったとしても、その過電圧が超音波内視鏡装置の外部に印加されることを防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態の超音波振動子アレイの断面を示す図である。なお、図８に示すラジアル方式の超音波振動子アレイ８０と同じ構成には同じ符号を付している。

図１に示す超音波振動子アレイ１０は、例えば、図５に示す超音波内視鏡装置５０の先端部５４に設けられるラジアル方式の超音波振動子アレイであって、圧電素子７１と、電極７２と、第１音響整合層７３と、第２音響整合層７４と、導電樹脂７５と、導電体７６と、基板７７と、音響レンズ１１とを備えて構成されている。なお、圧電素子７１、電極７２、第１音響整合層７３、第２音響整合層７４、導電樹脂７５、導電体７６、及び基板７７において共通に複数の溝を設けることにより、複数の超音波振動子を構成しているものとする。

また、超音波振動子アレイ１０は、バッキング材１２と、複数の超音波振動子にそれぞれ電気的に接続される各信号線１３が束ねられて構成されたケーブル１４を超音波振動子アレイ１０の内部に通すための筒状構造部材１５と、超音波振動子アレイ１０の先端部に設けられる先端構造部材１６と、超音波振動子アレイ１０と超音波内視鏡装置（例えば、図６に示すカメラ部６０）とを接続するために超音波振動子アレイ１０の後端部に設けられる蛇管接続部材１７とを備えている。

また、超音波振動子アレイ１０は、基板７７と信号線１３とを電気的に接続するために筒状構造部材１５の先端部に設けられる基板１８と、導電樹脂７５と筒状構造部材１５のメッキ部１９とを電気的に接続するために筒状構造部材１５の後部に設けられる基板２０とを備えている。なお、メッキ部１９は、ケーブル１４内を通って筒状構造部材１５までのばされたＧＮＤ線２１と半田２２により接続されているものとする。

また、筒状構造部材１５内を通る各信号線１３のそれぞれの端部は、基板１８上に設けられる所定の各パッド２３と接続されポッティング樹脂２４により固定されている。また、各パッド２３は、基板１８上の配線を介して基板１８上に設けられる所定の各パッド２５にそれぞれ接続されている。また、各パッド２５は、半田２２により所定の各ワイヤー２６の一方端とそれぞれ接続され、各ワイヤー２６の他方端は、半田２２により基板７７上に設けられる所定の各導電体部２７にそれぞれ接続されている。

これにより、信号線１３、基板１８、ワイヤー２６、基板７７、及び一方の電極７２を介して信号が圧電素子７１に伝わり、圧電素子７１から超音波が送信される。
また、メッキ部１９は、導電性樹脂２８により基板２０上に設けられる銅箔２９と接続され、銅箔２９は、導電性樹脂２８により導電樹脂７５と接続されている。

これにより、他方の電極７２は電気的にＧＮＤに接続される。
上記超音波振動子アレイ１０の特徴とする点は、音響レンズ１１が、圧電素子７１から送信される超音波を所定の焦点において収束するために凸状に形成されたレンズ部３０と、圧電素子７１、第１音響整合層７３、第２音響整合層７４、及び基板７７などの破損し易いアレイ構成部材、または、信号線１３、基板１８、ワイヤー２６、及び基板７７などの複数の超音波振動子を電気的に選択させるために複数の超音波振動子に電気的に接続される導電体部材を覆う被覆部３１（３１−１、３１−２）とを備えている点である。なお、超音波振動子アレイ１０の先端部側の被覆部３１−１の端部は、先端構造部材１６と接着材などにより接合されているものとする。また、超音波振動子アレイ１０の後端部側の被覆部３１−２の端部は、蛇管接続部材１７と接着剤などにより接合されているものとする。

すなわち、被覆部３１−１は、主に、破損し易いアレイ構成部材（圧電素子７１、第１音響整合層７３、第２音響整合層７４、及び基板７７など）を覆っていると共に、超音波振動子アレイ１０の中心軸から外周までの間にあるＧＮＤ線で被覆されていない導電体部材（信号線１３、基板１８、ワイヤー２６、及び基板７７など）を覆っている。また、被覆部３１−２は、主に、破損し易いアレイ構成部材（圧電素子７１、第１音響整合層７３、及び第２音響整合層７４など）を覆っている。

なお、超音波振動子アレイ１０において、例えば、圧電素子７１はセラミックスにより構成され、第１音響整合層７３はアルミナ（酸化アルミニウム）やチタニア（二酸化チタン）などのフィラーが含有されるエポキシ樹脂により構成され、第２音響整合層７４はフィラーが含有されていないエポキシ樹脂により構成され、基板７７はガラスエポキシ樹脂などにより構成され、バッキング材１２はゲル状のエポキシ樹脂にアルミナなどのフィラーが含有されたものにより構成されているものとする。

また、超音波振動子アレイ１０において、音響整合層を３層にする場合は、例えば、第１音響整合層をマシナブルセラミックス、フィラー、またはファイバーが含有されるカーボンにより構成し、第２音響整合層をアルミナやチタニアなどのフィラーが若干含有されるエポキシ樹脂により構成し、第３音響整合層をフィラーが含有されていないエポキシ樹脂により構成してもよい。

また、超音波振動子アレイ１０において、音響レンズ１１は、弾性物質で、且つ、絶縁性物質である物質（例えば、シロキサン結合を含むシリコーン樹脂など）で構成されているものとする。なお、音響レンズ１１を構成するための物質は、衝撃に強く、且つ、絶縁性がある物質であれば、例えば、フッ素ゴムなど特に限定されない。

このように、圧電素子７１、第１音響整合層７３、第２音響整合層７４、及び基板７７などの破損し易いアレイ構成部材を、少なくとも弾性物質で構成された音響レンズ１１の被覆部３１で覆っているので、超音波振動子アレイ１０が衝撃を受けて、それらのアレイ構造部材が破損しても、その破片を音響レンズ１１により超音波振動子アレイ１０内に閉じ込めておくことができる。これにより、超音波振動子アレイ１０が衝撃を受けて、アレイ構造部材が破損しても、そのアレイ構造部材の破片を超音波内視鏡装置から脱落させることを防止することができる。

また、信号線１３、基板１８、ワイヤー２６、及び基板７７などの導電体部材を、少なくとも絶縁性物質で構成された音響レンズ１１の被覆部３１で覆っているので、何らかの原因により導電体部材に過電圧がかかったとしても、その過電圧は音響レンズ１１により超音波振動子アレイ１０の外部に印加されない。これにより、何らかの原因により導電体部材に過電圧がかかったとしても、その過電圧が超音波内視鏡装置の外部に印加されることを防止することができる。

次に、上記超音波振動子アレイ１０の組付工程を説明する。
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ超音波振動子アレイ１０の組付工程を説明するための図である。なお、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。

まず、図７に示す超音波振動子アレイ７０のように、板状の超音波振動子アレイを構成し、その板状の超音波振動子アレイの長手方向に対して垂直方向の各端面を互いに接続して筒状に形成する。

次に、筒状に形成された超音波振動子アレイの内周にバッキング材１２を設けると共に、筒状に形成された超音波振動子アレイの外周に音響レンズ１１を設ける。
次に、図２Ａに示すように、筒状に形成された超音波振動子アレイの内部にケーブル１４を付与した筒状構造部材１５を挿入する。

次に、図２Ｂに示すように、信号線１３と圧電素子７１の一方の電極７２とをワイヤー２６などにより電気的に接続すると共に、ＧＮＤと圧電素子７１の他方の電極７２とを導電性樹脂２８などにより電気的に接続する。

そして、筒状に形成された超音波振動子アレイの先端部に先端構造部材１６を接着材などにより接合すると共に、筒状に形成された超音波振動子アレイの後端部に蛇管接続部材１７を接着剤などにより接合することにより、超音波振動子アレイ１０を構成する。

図３は、音響レンズ１１が組み付けられた状態の超音波振動子アレイ１０の斜視図を示している。なお、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。
図３に示すように、音響レンズ１１の被覆部３１−１は、基板１８上に設けられる各パッド２５や基板７７上に設けられる各導電体部２７などを覆っている。

＜他の実施形態＞
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の構成が考えられる。例えば、以下のような構成が考えられる。

図４は、本発明の他の実施形態の超音波振動子アレイの断面を示す図である。なお、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。
図４に示す超音波振動子アレイ４０は、いわゆる、直視型の超音波振動子アレイであって、超小型カメラや照明などの光学系４１（例えば、図６に示すカメラ部６０に設けられる超小型カメラや照明など）や送気・送水口４２が超音波振動子アレイ４０の内部に設けられる保護管４３（例えば、金属パイプで構成され、バッキング材１２を充填する際の堰の機能も兼ねる）を通っている。なお、図４に示す構造部材４４は、バッキング材１２を充填する際の堰の機能をもっている。また、先端構造部材１６と基板２０との間は、導電性樹脂４５が充填されているものとする。また、蛇管接続部材１７と構造部材４４との間は、封止部材４６が充填されているものとする。

また、図４に示す超音波振動子アレイ４０は、信号線１３と圧電素子７１の一方の電極７２とが超音波振動子アレイ４０の後端部、すなわち、蛇管接続部材１７付近で電気的に接続される構成になっている。

そして、図４に示す超音波振動子アレイ４０の特徴とする点は、図１に示す超音波振動子アレイ１０と同様に、圧電素子７１、第１音響整合層７３、第２音響整合層７４、及び基板７７などの破損し易いアレイ構成部材、または、信号線１３、基板１８、ワイヤー２６、及び基板７７などの複数の超音波振動子を電気的に選択させるために複数の超音波振動子に電気的に接続される導電体部材を音響レンズ１１の被覆部３１により覆っている点である。なお、被覆部３１−１の端部は、先端構造部材１６と接着材などにより接合されているものとする。また、被覆部３１−２の端部は、蛇管接続部材１７と接着剤などにより接合されているものとする。

すなわち、被覆部３１−１は、主に、破損し易いアレイ構成部材（圧電素子７１、第１音響整合層７３、及び第２音響整合層７４など）を覆っている。また、被覆部３１−２は、主に、破損し易いアレイ構成部材（圧電素子７１、第１音響整合層７３、第２音響整合層７４、及び基板７７など）を覆っていると共に、超音波振動子アレイ１０の中心軸から外周までの間にあるＧＮＤ線で被覆されていない導電体部材（信号線１３、基板１８、ワイヤー２６、及び基板７７など）を覆っている。

これにより、図１に示す超音波振動子アレイ１０と同様、超音波振動子アレイ４０が衝撃を受けて、アレイ構造部材が破損しても、その破片を超音波振動子アレイ４０内に閉じ込めておくことができるので、超音波振動子アレイ４０が衝撃を受けて、アレイ構造部材が破損しても、そのアレイ構造部材の破片を超音波内視鏡装置から脱落させることを防止することができる。

また、何らかの原因により導電体部材に過電圧がかかったとしても、その過電圧を超音波振動子アレイ４０の外部に印加させないので、何らかの原因により導電体部材に過電圧がかかったとしても、その過電圧が超音波内視鏡装置の外部に印加されることを防止することができる。

なお、上記実施形態の複数の超音波振動子は、板状の圧電素子７１においてその圧電素子７１の長手方向に対して垂直方向に複数の溝が設けられることにより１次元において連続して並べられる構成であるが、板状の圧電素子７１においてその圧電素子７１の長手方向及びその長手方向に対して垂直方向にそれぞれ複数の溝を設けることにより２次元において連続して並べられるように複数の超音波振動子を構成してもよい。また、２次元において連続して並べられるように構成された複数の超音波振動子を、さらに挿入軸を中心として環状に並べることによりラジアル方式の超音波振動子アレイを構成してもよい。

また、上記実施形態の音響レンズ１１は、酸化鉄（例えば、弁柄（ベンガラ）など）を含有させて構成してもよい。このように、酸化鉄を含有させて音響レンズ１１を構成すると、音響レンズ１１の耐電圧が上がることが実験的にわかっている。

また、上記実施形態において、音響レンズ１１のレンズ部３０は凸状に形成されているが、レンズ部３０の形状は凹状など特に限定されない。
また、上記実施形態において、超音波振動子アレイ１０（または超音波振動子アレイ４０）の被覆部３１−１及び被覆部３１−２は、超音波振動子アレイ１０（または超音波振動子アレイ４０）の構造上、挿入軸方向の長さが互いに異なる構成であるが、被覆部３１−１及び被覆部３１−２がそれぞれ被覆すべき個所の大きさが互いに等しいとき、被覆部３１−１及び被覆部３１−２のそれぞれの挿入軸方向の長さを互いに等しく構成してもよい。

また、上記実施形態において、レンズ部３０と被覆部３１とを別々の部材として構成してもよい。すなわち、レンズ部３０のみを備える音響レンズ１１の他に、破損し易いアレイ構成部材やＧＮＤ線で被覆されていない導電体部材を覆う被覆部材を超音波振動子アレイ１０の外周に設けてもよい。なお、被覆部材は、シリコーン樹脂など弾性があり、且つ、絶縁性の物質により構成されているものとする。

本発明の実施形態の超音波振動子アレイの断面を示す図である。 超音波振動子アレイの組付工程を説明する図である。 超音波振動子アレイの組付工程を説明する図である。 音響レンズが組み付けられた状態の超音波振動子アレイを示す図である。 本発明の他の実施形態の超音波振動子アレイの断面を示す図である。 既存の超音波内視鏡装置を示す図である。 先端部の拡大図である。 超音波振動子アレイの一例を示す図である。 図７に示す超音波振動子アレイをラジアル方式の超音波振動子アレイに構成した場合の断面を示す図である。

符号の説明

１０ 超音波振動子アレイ
１１ 音響レンズ
１２ バッキング材
１３ 信号線
１４ ケーブル
１５ 筒状構造部材
１６ 先端構造部材
１７ 蛇管接続部材
１８ 基板
１９ メッキ部
２０ 基板
２１ ＧＮＤ線
２２ 半田
２３ パッド
２４ ポッティング樹脂
２５ パッド
２６ ワイヤー
２７ 導電体部
２８ 導電性樹脂
２９ 銅箔
３０ レンズ部
３１ 被覆部
７１ 圧電素子
７２ 電極
７３ 第１音響整合層
７４ 第２音響整合層
７５ 導電樹脂
７６ 導電体
７７ 基板

Claims (5)

1. 対向した一対の電極を含み、挿入軸を中心として環状に連続して並べられる複数の超音波振動子と、
   前記環状の内面側に配置され、前記複数の超音波振動子を選択するために前記複数の超音波振動子に電気的に接続される導電体部材と、
   前記環状の内面側に配置され、前記一対の電極のうち前記環状の外側の電極と接続されたＧＮＤと、
   該複数の超音波振動子において前記環状の外面側に設けられる音響レンズと、
   を備え、前記複数の超音波振動子のうち電気的に選択された超音波振動子が超音波を送信または受信する超音波振動子アレイであって、
   前記音響レンズは、
   絶縁性物質で構成された超音波を収束するレンズ部と、
   前記導電体部材のうち少なくとも前記外側の電極が併設されていない部分を覆う、絶縁性物質で構成された被覆部と、を備え、
   前記導電体部材は、前記超音波振動子に信号を伝えるための信号線、または、前記複数の超音波振動子と前記信号線とを接続させるための基板若しくはワイヤーであることを特徴とする超音波振動子アレイ。
2. 請求項１に記載の超音波振動子アレイであって、
   前記複数の超音波振動子が２次元において連続して並べられて構成されていることを特徴とする超音波振動子アレイ。
3. 請求項１または２に記載の超音波振動子アレイであって、
   前記音響レンズは、シロキサン結合を含んで構成されていることを特徴とする超音波振動子アレイ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の超音波振動子アレイであって、
   前記音響レンズは、酸化鉄を含んで構成されていることを特徴とする超音波振動子アレイ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の超音波振動子アレイを含むことを特徴とする超音波内視鏡装置。