JP6141537B2 - 超音波振動子アレイ - Google Patents

Description

本発明は、積層構造の音響整合層を有する超音波振動子アレイに関する。

超音波内視鏡に使用される超音波振動子アレイは、例えば日本国特開２００６−９４９８１号公報に開示されているように、短冊状に細分化された複数の振動子と第１音響整合層とを、シート状の第２音響整合層に積層しており、その積層体を湾曲させた後、第２音響整合層の表面に音響レンズを形成している。

超音波振動子アレイは、振動子から観察部位までの超音波伝播効率を確保するため、音響インピーダンスが徐々に小さくなるように、音響整合層や音響レンズに使用する材料を選定する必要がある。

しかしながら、音響整合層や音響レンズに使用する材料を選定する際には、積層体の湾曲加工時の不具合発生を回避可能な材料を選定する必要がある。このため、生産上の歩留まりを考慮すると材料選定に制約が生じ、超音波性能を向上する上での支障となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、超音波性能の向上と生産上の歩留まり向上とを同時に実現可能な超音波振動子アレイを提供することを目的としている。

本発明の一態様による超音波振動子アレイは、超音波振動し、超音波を出射する複数の振動子と、前記複数の振動子の上にそれぞれ配置され、前記超音波を出射する方向である第１の方向に配置される第１音響整合層と、前記第１音響整合層に対して、前記第１の方向に積層された第２音響整合層と、前記第２音響整合層に対して、前記第１の方向に積層される音響レンズと、を含み、前記第２音響整合層は、前記振動子および前記第１音響整合層同士を所定の間隔である第１の間隔で位置決めする本体部と、前記第１音響整合層との間で前記本体部を挟むように設けられるとともに、前記第１音響整合層同士の間に形成される第１の溝部の間隔である前記第１の間隔以下の幅である第２の間隔を有する第２の溝部を形成し、前記第２の溝部が前記第１の溝部に対向して前記第１の溝部の溝幅内に位置するように配置される、前記本体部と同一材料で構成される複数の歯部と、を含む。

本発明の実施の第１形態に係り、超音波内視鏡の全体構成図 同上、内視鏡先端部を示す説明図 同上、ノーズピース内の超音波振動子アレイを示す断面図 同上、湾曲前の振動子と音響整合層を示す説明図 同上、湾曲後の振動子と音響整合層を示す説明図 同上、振動子と音響整合層が対向しない場合の例１を示す説明図 同上、振動子と音響整合層が対向しない場合の例２を示す説明図 本発明の実施の第２形態に係り、振動子と音響整合層を示す説明図 同上、湾曲後の振動子と音響整合層を示す説明図

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。尚、図面は模式的なものであり、各部材の厚みと幅との関係、それぞれの部材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ことは勿論である。

先ず、本発明の実施の第１形態について説明する。図１は、本発明の超音波振動子アレイを備えた超音波内視鏡１を示し、細長管状に形成されて体腔内等に挿入される挿入部２の先端側に、超音波振動子ユニット５０を備えた電子走査型超音波内視鏡である。この超音波内視鏡１の挿入部２の基端側には、把持部を兼用する操作部３が連設され、この操作部３の側部から延出されるユニバーサルコード４の先端側に、コネクタ部５が配設されている。

挿入部２は、先端側の超音波振動子ユニット５０に連設される硬質部６と、この硬質部６の後端側に連設され、例えば上下方向に湾曲自在に構成される湾曲部７と、この湾曲部７の後端側に連設される可撓管部８とを有して構成されている。可撓管部８は、湾曲部７から操作部３に至るまでの間に設けられ、受動的に可撓可能となるように柔軟性を持たせて形成される細径且つ長尺形状の管状部材である。

操作部３は、可撓管部８の基端を覆って可撓管部８と接続される折れ止め部３ａと、この折れ止め部３ａに連設され、使用者が内視鏡１を使用するときに手によって把持する把持部３ｂとを有している。把持部３ｂの上端側には、各種の操作部材が配設され、把持部３ｂの下端側に位置して折れ止め部３ａの上部となる部位には、処置具を体腔内に導くための処置具挿通口９等が設けられている。操作部３に設けられる操作部材としては、例えば湾曲部７の湾曲操作を行う湾曲レバー１０、送気送水操作又は吸引操作、撮像、照明等の各対応する操作を行うための複数の操作ボタン１１等がある。

ユニバーサルコード４は、挿入部２の先端から湾曲部７及び可撓管部８の内部を挿通して操作部３に至り、さらに操作部３から延出する各種信号線等を内部に挿通すると共に、光源装置（図示せず）のライトガイドを挿通し、さらに送気送水装置（図示せず）から延出される送気送水用チューブを挿通する複合ケーブルである。このユニバーサルコード４の先端側に配設されるコネクタ部５は、超音波観測装置（図示せず）との間を接続する超音波コネクタ５ａ、各種信号ケーブルが接続される電気コネクタ部５ｂ、光源装置や送気送水装置（図示せず）との間を接続する光源側コネクタ５ｃを備えて構成されている。

次に、挿入部２の先端側の構成について図２を用いて説明する。図２に示すように、挿入部２先端側の硬質部６には、観察光学系を構成する対物レンズ窓１２、照明光学系を構成する照明レンズ窓１３、穿刺針等の処置具が導出される処置具導出口１４等が設けられている。

一方、硬質部６に連設される超音波振動子ユニット５０は、超音波振動子アレイ１５と、この超音波振動子アレイ１５を収容するノーズピース１６とを備えて構成されている。超音波振動子アレイ１５は、ノーズピース１６の略中央部に形成された凹部をなす収容部に一体的に配設されて保持され、挿入部２の長手軸方向に超音波送受信面を形成する音響レンズ３０を含んでいる。

また、ノーズピース１６の先端には略円筒状の突出部１６ａが設けられ、この突出部１６ａの基部側外周に第１のバルーン保持溝１７ａが形成されると共に、硬質部６とノーズピース１６との連結部外周に、第２のバルーン保持溝１７ｂが形成されている。第１のバルーン保持溝１７ａと第２のバルーン保持溝１７ｂとの間には、例えばシリコンゴムやラテックスゴム等で形成された肉薄で収縮性に富むバルーンがノーズピース１６を覆って着脱自在に介装されるようになっている。

図３に示すように、超音波振動子アレイ１５は、コンベックス面に沿った湾曲形状に配列された複数の振動子２０を備え、これらの複数の振動子２０が、ノーズピース１６内に収容された配線基板４５に電気的に接続されている。配線基板４５からは、信号ライン、接地ラインを形成する複数の信号ケーブル４６が延出され、これらの信号ケーブル４６が挿入部２内を挿通されて超音波コネクタ５ａに接続されている。

尚、振動子２０は、例えば、公知の圧電素子を上部電極および下部電極で挟み込んだ圧電型のエレメント、又は柱により上部電極および下部電極の間に所定距離空隙ができるよう離間した静電容量型のエレメントを適用することができる。また、振動子２０の下部電極の背面側には、不要な超音波を減衰させるためのバッキング材４０が配設されている。バッキング材４０は、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン、ウレタン、若しくは各種エラストマ等の絶縁性を有する材料を母材として、この母材に、アルミナやジルコニア、酸化チタン等をフィラー材として配合したものを用いることができる。

超音波振動子アレイ１５は、図３，図４に示すように、ノーズピース１６の略中央部に保持される音響レンズ３０の背面側に、第２音響整合層２２、第１音響整合層２１、複数の振動子２０を配置し、振動子２０から生体までの音響インピーダンスを徐々に小さくして良好な超音波伝播効率を確保することのできる形状及び材質とされている。

詳細には、振動子２０と第１音響整合層２１とは、第２音響整合層２２を含めて一体的に接合された薄板状の構造体をダイシングによって短冊状に細分化し、複数の第１の溝部２３を有する振動子部２４として形成されている。また、第２音響整合層２２は、音響レンズ３０側に突出する複数の歯部２２ａと、この複数の歯部２２ａを保持して第１音響整合層２１に接触する本体部２２ｂとからなる櫛形状に形成されている。

第２音響整合層２２の複数の歯部２２ａの間には、第１音響整合層２１の第１の溝部２３に対向して配置される第２の溝部２５が形成されている。これらの複数の歯部２２ａと第２の溝部２５とを組み合わせた形状効果により、第１音響整合層２１から第２音響整合層２２にかけての音響インピーダンスを滑らかに変化させることができ、振動子２０から伝播される超音波の音速を所望の音速に近づけることが可能となる。その結果、良好な音響インピーダンス整合を得ることができ、超音波の伝達効率を向上して感度を向上することができる。

更に、本実施の形態における超音波振動子アレイ１５は、所望の音響インピーダンスを得ることのできる音響整合層を備えて超音波伝播効率の向上を図ることができるばかりでなく、振動子アレイとして湾曲加工を含む製造上の歩留まりを確保することのできる構成とされている。

このため、第２音響整合層２２の第２の溝部２５は、振動子部２４の第１の溝部２３の溝幅以下の溝幅に設定されており、第２音響整合層２２は、第１音響整合層２１に対して、第２の溝部２５が第１の溝部２３に対向して第１の溝部２５の溝幅内に収まるように配置されている。本実施の形態においては、図４に示すように、第１の溝部２３の溝幅Ｗ１と第２の溝部２５の溝幅Ｗ２とが同じ幅（Ｗ１＝Ｗ２）に設定され、第１の溝部２３の溝幅中心と第２の溝部２５の溝幅中心とが同一線上に並ぶように配置されている。

このような第１の溝部２３を有する振動子部２４と第２の溝部２５を有する第２音響整合層２２との積層体ＬＡは、図５に示すように、コンベックス面に沿った形状に湾曲され、更に、第２音響整合層２２の歯部２２ａを覆うように音響レンズ３０が設けられて積層され、超音波振動子アレイ１５が形成される。音響レンズ３０は、第２音響整合層２２の第２の溝部２５内に充填された上で歯部２２ａを覆うように積層されている。尚、第２の溝部２５内に音響レンズ３０とは異なる材料の部材を充填し、その上に音響レンズ３０を積層することも可能である。

この場合、振動子部２４及び第２音響整合層２２の積層体ＬＡは、湾曲によって生じる機械的な応力に対する耐性が高い積層構造を有している。すなわち、積層体ＬＡは、第１の溝部２３及び第２の溝部２５の溝幅と位置関係により、湾曲加工の際に振動子部２４と第２音響整合層２２とが剥離する等の不具合を生じることのない積層構造とされており、製品製造上の歩留まりが悪化することなく、超音波伝播効率に優れた製品とすることができる。

ここで、本実施の形態の積層体ＬＡと対比する例として、例えば、図６に示すように、振動子部２４の第１の溝部２３と第２の音響整合層２２の第２の溝部２５とが対向配置されておらず、振動子部２４の第１の溝部２３の位置に第２の音響整合層２２の歯部２２ａが対向するように配置されている積層構造の積層体ＬＢについて説明する。

このような配置の積層体ＬＢでは、湾曲加工の際に第２音響整合層２２の本体部２２ｂが中立面Ｌｃで湾曲するとき、図６中に矢印で示すように、第２の溝部２５の底面側が伸長して、湾曲の曲率半径方向で対応する第１音響整合層２１側が圧縮される。このため、本体部２２ｂと第１音響整合層２１との接合界面Ｓに作用する応力により、本体部２２ｂと第１音響整合層２１との間に界面剥離が発生する可能性が高くなる。更には、洗浄・消毒の薬品、滅菌用ガス等への曝露により、界面剥離が進行する虞がある。

また、図７に示すように、第１音響整合層２１の第１の溝部２３と第２音響整合層２２の第２の溝部２５とが略対向していても、同図中に破線で示すように両者がずれているような積層体ＬＢ２では、界面剥離が発生する可能性が高くなるばかりでなく、所望の湾曲形状を実現することが困難となる。

すなわち、積層体ＬＢ２では、本体部２２ｂと第１音響整合層２１との間に、図７中に矢印で示すように、第２の溝部２５の底面側に対応する接合界面Ｓに発生する応力によって界面剥離が発生する可能性が高くなるばかりでなく、第１の溝部２３と第２の溝部２５とがずれているため、第２の溝部２５の底面側の変形のし易さのばらつきが大きくなる。このため、所望の湾曲形状を実現することが困難となり、振動子部２４の振動子２０の間隔が不均一となって分解能の低下に繋がる。

尚、第１音響整合層２１の第１の溝部２３と第２音響整合層２２の第２の溝部２５とが対向して両者の溝幅中心が一致している場合であっても、第１の溝部２３の溝幅が第２の溝部２５の溝幅よりも小さい場合には、同様に、本体部２２ｂと第１音響整合層２１との間に発生する応力によって界面剥離が発生する可能性が高くなる。

これに対して、本実施の形態における積層体ＬＡでは、第２音響整合層２２の本体部２２ｂが中立面Ｌｃで湾曲するとき、湾曲の曲率半径方向で本体部２２ｂと第１音響整合層２１との接合界面Ｓに第２の溝部２５が重ならないため、第２音響整合層２２の本体部２２ｂと第１音響整合層２１との間に接合界面Ｓに作用する応力が小さく、第２音響整合層２２の本体部２２ｂと第１音響整合層２１との間に界面剥離を引き起こすことがない。これにおり、製品製造上の歩留まりが悪化することなく、超音波伝播効率に優れた製品とすることができる。

このような積層体ＬＡを有する超音波振動子アレイ１５では、第１音響整合層２１、第２音響整合層２２、音響レンズ３０を形成する最適な材料を、比較的自由度高く選定することが可能となる。例えば、第１音響整合層２１をエポキシ樹脂で形成し、第２音響整合層２２を、耐熱性や機械的強度、耐薬品性に優れるものの、通常はインピーダンス整合が困難なエンジニアリングプラスチックで形成することが可能となる。エンジニアリングプラスチックとしては、例えば、ポリイミド(polyimide;PI)、ポリエーテルイミド(Poly Ether Imide;PEI)、ポリサルフォン(polysulfone;PSF)、ポリエーテルエーテルケトン(Poly Ether Ether Ketone;PEEK)等を採用することができる。

また、音響レンズ３０は、第２音響整合層２２の第２の溝部２５内に充填して積層することにより、耐薬品性に優れたシリコーンゴムで形成しながら、アンカー効果による十分な接着強度を確保することができる。

このように本実施の形態においては、振動子部２４の第１音響整合層２１に積層される第２音響整合層２２を、第２の溝部２５を介した配置される複数の歯部２２ａと、複数の歯部２２ａを保持する本体部２２ｂとからなる櫛形状とすることにより、複数の歯部２２ａと第２の溝部２５との形状効果により、音響インピーダンスを所望に整合させることが可能となる。これにより、超音波の伝達効率を向上して感度を向上することができる。

また、第２音響整合層２２の第２の溝部２５を、振動子部２４の第１の溝部２３の溝幅以下として、第２の溝部２５を第１の溝部２３に対向して第１の溝部２３の溝幅内に位置するように配置することにより、湾曲加工の際に第１音響整合層２１と第２音響整合層２２との接合界面に剥離を生じるような大きな応力がかかることを回避することができる。これにより、音響整合層の形状効果と相まって、超音波性能の向上と生産上の歩留まり向上とを同時に実現することが可能となる。

しかも、第１の溝部２３と第２の溝部２５とを対向配置することにより、湾曲形状を均一化して振動子２０を均一に配置することができる。これにより、超音波の走査線が均等になるように超音波を照射することができ、走査線のばらつきによる分解能低下を防止することができる。

更に、第２の溝部２５内に音響レンズ３０と同一の材料を充填することにより、第２音響整合層２２から音響レンズ３０にかけて徐々に音響インピーダンスが変化するような積層構造とすることができる。これにより、より良好な音響インピーダンス整合を得ることができ、超音波の伝達効率を向上して感度を向上することができる。

次に、本発明の実施の第２形態について説明する。第２形態は、第１形態の積層体ＬＡにおける第１の溝部２３と第２の溝部２５との配置を若干変更して、積層体ＬＡ２とするものである。

図８に示すように、第２形態の積層体ＬＡ２は、第１の溝部２３の溝幅Ｗ１が第２の溝部２５の溝幅Ｗ２よりも大きく（Ｗ１＞Ｗ２）形成されており、第１の溝部２３と第２の溝部２５とが対向して第２の溝部２５が第１の溝部２３の溝幅内に位置するように配置されている。尚、第１の溝部２３と第２の溝部２５とは、それぞれの溝幅中心が同一線上に並ぶように配置されることが望ましいが、第１の溝部２３の溝幅中心と第２の溝部２５の溝幅中心とは必ずしも一致していなくとも良い。

このような積層体ＬＡ２を湾曲させると、図９に示すように、第２音響整合層２２の本体部２２ｂが中立面Ｌｃを境として第２の溝部２５の底面側で伸長され、第１の溝部２３の底面側で圧縮される。こののとき、第２の溝部２５に対向する第１の溝部２３の溝幅が第２の溝部２５よりも広いため、第２の溝部２５の底面側に比較的大きな伸長方向の力が作用しても、振動子部２４の第１音響整合層２１と第２音響整合層２２の本体部２２ｂとの接合界面Ｓには、界面の剥離を生じさせるような大きな力は作用しない。

第２形態においても、第１形態と同様、製品製造上の歩留まりが悪化することなく、超音波伝播効率に優れた製品とすることができる。

本出願は、２０１４年９月９日に日本国に出願された特願２０１４−１８３５１２号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものである。

Claims (4)

1. 超音波振動し、超音波を出射する複数の振動子と、
   前記複数の振動子の上にそれぞれ配置され、前記超音波を出射する方向である第１の方向に配置される第１音響整合層と、
   前記第１音響整合層に対して、前記第１の方向に積層された第２音響整合層と、
   前記第２音響整合層に対して、前記第１の方向に積層される音響レンズと、
   を含み、
   前記第２音響整合層は、
   前記振動子および前記第１音響整合層同士を所定の間隔である第１の間隔で位置決めする本体部と、
   前記第１音響整合層との間で前記本体部を挟むように設けられるとともに、前記第１音響整合層同士の間に形成される第１の溝部の間隔である前記第１の間隔以下の幅である第２の間隔を有する第２の溝部を形成し、前記第２の溝部が前記第１の溝部に対向して前記第１の溝部の溝幅内に位置するように配置される、前記本体部と同一材料で構成される複数の歯部と、
   を含むことを特徴とする超音波振動子アレイ。
2. 前記第１の間隔の幅中心と前記第２の間隔の幅中心とが同一線上に並ぶように配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子アレイ。
3. 前記音響レンズは、前記第２の溝部に充填されて前記歯部を覆うように前記第２音響整合層に積層されることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子アレイ。
4. 前記第２音響整合層はエンジニアリングプラスチックからなることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子アレイ。

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