JP6292963B2 - 超音波振動子及び超音波医療装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を励振する超音波振動子及び超音波医療装置に関する。

超音波振動子として、圧電セラミックなどの圧電振動子をその両側から金属ブロックで挟んで固定したランジュバン振動子と呼ばれる超音波振動子がある。ランジュバン振動子は、金属ブロックの共振現象を利用して全体の固有周波数にて素子全体を振動させることにより、効率の良い超音波振動を発生することのできる素子である。一般に超音波振動子は、圧電振動子と金属ブロックとの間の接合を、接着剤による固定、もしくはボルトによる締め付け固定を行う構造としている（特許文献１参照）。

図１３は、従来の超音波振動子１を示す図である。図１４は、従来の超音波振動子１をケース６内に配設した際の圧電素子ユニット３と配線７の断面を示す。

図１３に示す従来例では、２つの金属ブロック２と、金属ブロック２の間に積層される複数の圧電素子４と、金属ブロック２と圧電素子４及び圧電素子４同士を接合する接合材５と、を備える。金属ブロック２と圧電素子４及び圧電素子４同士は、接合材５によって、図１３に示すように、密着して接合される。金属ブロック２と圧電素子４の接合面に平行な断面は、円形である。

また、図１４に示すように、従来の超音波振動子１は、ケース６内に圧電素子ユニット３と圧電素子４に接続する配線７とを配設している。配線７は、圧電素子４を一つおきに接続するため、ケース６内で圧電素子４に隣接して配置される。

特開２０１０−８９００７号公報

しかしながら、図１３及び図１４に示すような超音波振動子１では、ケース６内に配線７を配置するため圧電素子４の断面が小さくなってしまい、振動伝達効率が小さくなってしまう。

本発明にかかる実施形態は、コンパクトで振動伝達効率が良好な超音波振動子及び超音波医療装置を提供することにある。

本発明のある態様に係る超音波振動子は、２つの金属ブロックと、前記金属ブロックの間に積層される複数の圧電素子と、前記金属ブロックと前記圧電素子及び前記圧電素子同士を接合する接合材と、を備え、前記金属ブロックと前記圧電素子との接合面に平行な断面において、前記金属ブロックと前記圧電素子は長方形であることを特徴とする。

本発明のある態様に係る超音波医療装置は、前記超音波振動子と、前記超音波振動子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、を具備することを特徴とする。

本発明にかかる実施形態によれば、コンパクトで振動伝達効率が良好な超音波振動子及び超音波医療装置を提供することが可能となる。

第１実施形態の接合前の超音波振動子を示す。 第１実施形態の接合後の超音波振動子を示す。 第１実施形態の超音波振動子をケース内に配設した際の圧電素子ユニットと配線の断面を示す。 第１実施形態の超音波振動子の寸法の定義を示す。 第１実施形態の圧電素子の反り量を示すグラフである。 第１実施形態の圧電素子のｘ方向とｙ方向の反り量を同等にする際の寸法の関係を示すグラフである。 図６の関係を各寸法の比率で示すグラフである。 第２実施形態の接合後の超音波振動子を示す。 第２実施形態の超音波振動子をケース内に配設した際の圧電素子ユニットと配線の断面を示す。 本実施形態に係る超音波医療装置の全体構成を示す。 本実施形態に係る超音波医療装置の振動子ユニットの全体の概略構成を示す。 本実施形態に係る超音波医療装置の他の態様の超音波医療装置の全体構成を示す。 従来の超音波振動子を示す図である。 従来の超音波振動子をケース内に配設した際の圧電素子ユニットと配線の断面を示す。

以下、本実施形態の超音波振動子１について説明する。

図１は、第１実施形態の接合前の超音波振動子１を示す。図２は、第１実施形態の接合後の超音波振動子１を示す。

第１実施形態の超音波振動子１は、図１に示すように、２つの金属ブロック２と、金属ブロック２の間に積層される複数の圧電素子ユニット３と、金属ブロック２と圧電素子４及び圧電素子４同士を接合する接合材５と、を備える。金属ブロック２と圧電素子４及び圧電素子４同士は、接合材５によって、図２に示すように、密着して接合される。

図３は、第１実施形態の超音波振動子１をケース６内に配設した際の圧電素子ユニット３と配線７の断面を示す。

第１実施形態の超音波振動子１は、金属ブロック２及び圧電素子４の断面を長方形とする。そして、断面が長方形の金属ブロック２及び圧電素子４の長辺が配線７と隣接するようにケース６内に配設することが好ましい。

このように配設することによって、ケース６内のスペースを有効に活用することができ、コンパクトで振動伝達効率が良好な超音波振動子及び超音波医療装置を提供することが可能となる。

ここで、本実施形態の超音波振動子１の各材料について説明する。

圧電素子４には、キュリー点の高い単結晶のニオブ酸リチウムを用いることが好ましい。例えば、圧電素子４の厚み方向の電気機械結合係数が大きくなるように、３６度回転Ｙカットと呼ばれる結晶方位のニオブ酸リチウムウエハを用いることが好ましく、ニオブ酸リチウムと非鉛ハンダとの濡れ性、密着性がよくなるように、ニオブ酸リチウムウエハの表裏面にＴｉ／Ｐｔ、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ等の下地金属が成膜された後、ダイシング等により矩形に切り出して作成される。

接合材５には、キュリー点より低い融点、好ましくはキュリー点の半分以下の融点を有する非鉛ハンダを用いる。しかしながら、ハンダを接合材料として用いて、ハンダの供給方法をハンダペレットとする場合、凹凸形状のある部分を気泡なく接合することは困難である。そのため、圧電素子４と金属ブロック２の接合部は、共に平面で構成することが好ましい。

金属ブロック２は、ジュラルミン等のアルミニウム合金、チタン合金、純チタン、ステンレス鋼、軟鋼、ニッケルクローム鋼、工具鋼、黄銅、モネルメタル等で構成される。

本実施形態の超音波振動子１では、一例として、金属ブロック２に６４チタン合金（６４Ｔｉ）、圧電素子４として３６度回転Ｙカットと呼ばれる結晶方位の３６Ｙニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０３）を用いる。表１に示すように、６４チタン合金は等方性の熱膨張係数を有するが、３６Ｙニオブ酸リチウムは、熱膨張係数が面内で異なる異方性の材料である。なお、ｘ，ｙは、面内の直交する方向を示す。

したがって、例えば、断面形状の縦横比が等しい四角形の金属ブロック２と圧電素子４を接合した際の残留応力に異方性が生じ、縦横方向で異なる状態となってしまう。そのため、高振幅での駆動時などに圧電素子４に割れが生じやすくなる可能性がある。

そこで、本実施形態では、圧電素子４の熱膨張係数にあわせて、金属ブロック２と圧電素子４の接合面の縦横比を設定することにより、金属ブロック２と圧電素子４を接合した際の残留応力を緩和する。例えば、金属ブロック２と圧電素子４の接合面内で直交するｘ方向とｙ方向において、熱膨張係数の差が大きい方の辺を短く、小さい方の辺を長くする。

このような構成とすることによって、金属ブロック２と圧電素子４の接合面内で直交するｘ方向とｙ方向において、熱膨張係数の差が大きい方向に変形し易くなり、熱反り量を同等にすることができ、金属ブロック２と圧電素子４を接合した際の残留応力を、均等にすることが可能となる。そして、圧電素子４の破損が抑えられると共に、振動伝達効率が良好な超音波振動子及び超音波医療装置を提供することが可能となる。

図４は、第１実施形態の超音波振動子１の寸法の定義を示す。図５は、本実施形態の圧電素子４の反り量を示すグラフである。図６は、第１実施形態の圧電素子４のｘ方向とｙ方向の反り量を同等にする際の寸法の関係を示すグラフである。図７は、図６の関係を各寸法の比率で示すグラフである。

第１実施形態では、金属ブロック２及び圧電素子４に対して、それぞれ表１に示した熱膨張係数を有する６４チタン合金及び３６Ｙニオブ酸リチウムを用いる。ここで、図４に示した金属ブロック２のｚ方向の寸法ｈ１＝２０ｍｍ、金属ブロック２と圧電素子４の接合面のｘ方向の寸法Ａ＝ｙ方向の寸法Ｌ＝１０ｍｍ（正方形）、温度変化３００℃の場合の圧電素子ユニット３のｚ方向の寸法の半分ｈ２と反り量δの関係を図５に示す。ただし、反り量δは、端部に対する中心部のｚ方向の位置の差である。

このような圧電素子４のｘ方向の寸法Ａを一定として、金属ブロック２と圧電素子４の接合面での圧電素子４のｘ方向とｙ方向の反り量δを同等にするための圧電素子ユニット３のｚ方向の寸法の半分ｈ２と圧電素子４のｙ方向の寸法Ｌの関係は、図６のように表せる。この図６の関係を各寸法の比率で示すと、図７のように表せる。

図７に示すように、例えば、ｈ１＜ｈ２の場合、Ｌ／Ａ比率を０．６≦Ｌ／Ａ≦０．８、好ましくはＬ／Ａ＝０．７とすると、ｘ方向とｙ方向の反り量δを同等にすることが可能となる。また、ｈ１＝ｈ２の場合、Ｌ／Ａ比率を０．４≦Ｌ／Ａ≦０．６、好ましくはＬ／Ａ＝０．５とすると、ｘ方向とｙ方向の反り量δを同等にすることが可能となる。さらに、ｈ１＞ｈ２の場合、Ｌ／Ａ比率を０．８≦Ｌ／Ａ≦２．５、好ましくは、０．９≦Ｌ／Ａ≦１．５（ただし、Ｌ／Ａ≠１）とすると、ｘ方向とｙ方向の反り量δを同等にすることが可能となる。なお、これらの数値は、図７から読み取れる数値を小数点第一位に近似して示したものである。

このような構造とすることにより、圧電素子４にかかる応力に対して場所による偏りを減らして同等にすることができ、圧電素子４の破損が抑えられると共に、振動伝達効率が良好な超音波振動子及び超音波医療装置を提供することが可能となる。

図８は、第２実施形態の超音波振動子１を示す。図９は、第２実施形態の超音波振動子１をケース６内に配設した際の圧電素子ユニット３と配線７の断面を示す。

第２実施形態の超音波振動子１は、金属ブロック２及び圧電素子４の断面を楕円形とする。そして、金属ブロック２及び圧電素子４の断面の楕円形の長辺を挟むように、配線７をケース６内に配設することが好ましい。

このように配設することによって、ケース６内のスペースを有効に活用することができ、コンパクトで振動伝達効率が良好な超音波振動子及び超音波医療装置を提供することが可能となる。

図１０は、本実施形態に係る超音波医療装置の全体構成を示す。図１１は、本実施形態に係る超音波医療装置の振動子ユニットの全体の概略構成を示す。

図１０に示す、超音波医療装置１０１は、主に超音波振動を発生させる超音波振動子１を有する振動子ユニット１０３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１０４とが設けられている。

ハンドルユニット１０４は、操作部１０５と、長尺な外套管１０７からなる挿入シース部１０８と、先端処置部３０とを備える。挿入シース部１０８の基端部は、操作部１０５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１０８の先端に設けられている。ハンドルユニット１０４の操作部１０５は、操作部本体１０９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１０９は、固定ハンドル１０と一体に形成されている。

操作部本体１０９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１０９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１０９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１０８は、外套管１０７と、この外套管１０７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１０７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１０６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１０６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１０６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１に供給し、超音波振動子１を振動させる。この超音波振動は、プローブ１０６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１０６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。

ここで、振動子ユニット１０３について説明する。 振動子ユニット１０３は、図１１に示すように、超音波振動子１と、この超音波振動子１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１０６とを一体的に組み付けたものである。

超音波振動子１０２は、超音波振動子の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、ステンレス鋼、または例えば６４Ｔｉ（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）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。なお、ここでホーン３２の形状は円錐形状に限るものではなく、先端側に向かうに従って外径が指数関数的に細くなる指数形状や、先端側に向かうに従って段階的に細くなるステップ形状などであってもよい。なお、外向フランジ３３の後方には、フロントマス３９が一体的に形成されている。

プローブ１０６は、例えば６４Ｔｉ（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）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１が配設されている。このようにして、プローブ１０６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１０６は、プローブ本体３４とホーン３２とが螺着されており、プローブ本体３４とホーン３２が接合される。

そして、超音波振動子１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１０６の先端部３１側に伝達するようになっている。プローブ１０６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１０８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１０６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。

また、超音波振動子１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１に供給することによって、超音波振動子１が駆動される。なお、振動子ユニット１０３は、超音波振動を発生させる超音波振動子１、発生した超音波振動を増幅させるホーン３２および増幅された超音波振動を伝達するプローブ１０６を備えている。

図１２は、本実施形態に係る超音波医療装置の他の態様の超音波医療装置の全体構成を示す。

超音波振動子１と振動子ユニット１０３は、必ずしも図１０に示したように操作部本体１０９内に収納されている必要はなく、例えば、図１２に示すように操作パイプ１９内に収納されていてもよい。この図１０の超音波医療装置１０１において、超音波振動子１の折れ止５２から操作部本体１０９の基部に配設されたコネクタ３８までの間にある電気ケーブル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、電気ケーブル３６を操作部本体１０９内部まで延長し、直接超音波振動子１の折れ止５２に接続する構成であってもよい。超音波医療装置１０１は、図１２のような構成により、操作部本体１０９内を、より省スペース化を向上することができる。なお、図１２の超音波医療装置１０１としての機能は、図１０と同様であるので詳細な説明は省略する。

このように、本実施態様に係る超音波振動子１は、２つの金属ブロック２と、金属ブロック２の間に積層される複数の圧電素子４と、金属ブロック２と圧電素子４及び圧電素子４同士を接合する接合材５と、を備え、金属ブロック２と圧電素子４との接合面に平行な断面において、金属ブロック２と圧電素子４は長方形であるので、コンパクトで振動伝達効率が良好なものとすることが可能となる。

また、本実施態様に係る超音波振動子１は、圧電素子４は、長方形の長辺の方向と短辺の方向で熱膨張係数が異なるように形成され、当該長方形の長辺と短辺との長さは、金属ブロック２と圧電素子４との熱膨張係数の差による熱反り量に応じて定められる。これにより、熱膨張係数の差に応じた変形の差がなくなることで、熱反り量を同等にすることができ、金属ブロック２と圧電素子４を接合した際の残留応力を、均等にすることが可能となる。

また、本実施態様に係る超音波振動子１は、金属ブロック２は、６４チタン合金（６４Ｔｉ）、圧電素子４は、３６度回転Ｙカット結晶方位のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０３）からなり、接合面における金属ブロック２と圧電素子４の短辺の長さをＡ、長辺の長さをＬとし、接合面に直交する方向における金属ブロック２の長さをｈ１、接合面に直交する方向における複数の圧電素子４と圧電素子４同士を接合する接合材とからなる圧電素子ユニット３の長さの半分をｈ２とすると、
ｈ１＜ｈ２の場合、Ｌ／Ａ比率を０．６≦Ｌ／Ａ≦０．８、
ｈ１＝ｈ２の場合、Ｌ／Ａ比率を０．４≦Ｌ／Ａ≦０．６、
ｈ１＞ｈ２の場合、Ｌ／Ａ比率を０．８＜Ｌ／Ａ≦２．５（ただし、Ｌ／Ａ≠１）
とするので、圧電素子４にかかる応力に対して場所による偏りを減らして同等にすることができ、圧電素子４の破損が抑えられると共に、振動伝達効率が良好な超音波振動子及び超音波医療装置を提供することが可能となる。

さらに、本実施形態の超音波医療装置１０によれば、前記超音波振動子１と、超音波振動子１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３１と、を具備するので、コンパクトで振動伝達効率が良好な超音波医療装置１０とすることが可能となる。

なお、この実施形態によって本発明は限定されるものではない。すなわち、実施形態の説明に当たって、例示のために特定の詳細な内容が多く含まれるが、当業者であれば、これらの詳細な内容に色々なバリエーションや変更を加えても、本発明の範囲を超えないことは理解できよう。従って、本発明の例示的な実施形態は、権利請求された発明に対して、一般性を失わせることなく、また、何ら限定をすることもなく、述べられたものである。

１…超音波振動子
２…金属ブロック
３…圧電素子ユニット
４…圧電素子
５…接合部

Claims (3)

1. ６４チタン合金（６４Ｔｉ）からなる２つの金属ブロックと、
   前記金属ブロックの間に積層され、３６度回転Ｙカット結晶方位のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０３）からなる複数の圧電素子と、
   前記金属ブロックと前記圧電素子及び前記圧電素子同士を接合する接合材と、
   を備え、
   前記金属ブロックと前記圧電素子との接合面に平行な断面において、前記金属ブロックと前記圧電素子は長方形であり、
   前記接合面における前記金属ブロックと前記圧電素子の熱膨張係数の差が大きいｘ方向の長さをＡ、熱膨張係数の差が小さいｙ方向の長さをＬとし、
   前記接合面に直交する方向における前記金属ブロックの長さをｈ１、
   前記接合面に直交する方向における複数の前記圧電素子と前記圧電素子同士を接合する前記接合材とからなる圧電素子ユニットの長さの半分をｈ２とすると、
   ｈ１＜ｈ２の場合、Ｌ／Ａ比率を０．６≦Ｌ／Ａ≦０．８、
   ｈ１＝ｈ２の場合、Ｌ／Ａ比率を０．４≦Ｌ／Ａ≦０．６、
   ｈ１＞ｈ２の場合、Ｌ／Ａ比率を０．８＜Ｌ／Ａ≦２．５（ただし、Ｌ／Ａ≠１）
   とする
   ことを特徴とする超音波振動子。
2. 前記圧電素子は、前記金属ブロックとの熱膨張係数の差が大きいｘ方向の長さＡを短辺、前記金属ブロックとの熱膨張係数の差が小さいｙ方向の長さＬを長辺とし、
   ｈ１＞ｈ２の場合、Ｌ／Ａ比率を１．０＜Ｌ／Ａ≦２．５
   とする
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
3. 請求項１に記載の超音波振動子と、
   前記超音波振動子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、
   を具備する
   ことを特徴とする超音波医療装置。

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