JPH08140972A

JPH08140972A - 超音波発生装置

Info

Publication number: JPH08140972A
Application number: JP31597894A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Yokoyama; 勝徳横山; Yasuhiro Sakamoto; 安弘坂本; Satoshi Aida; 聡相田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK; Toshiba Corp
Priority date: 1994-11-25
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 1996-06-04

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電セラミック振動子と整合層との剥離現象
が生ずることのない信頼性の高い超音波発生装置を提供
すること。【構成】両面に一対の給電電極膜１０ａ，１０ｂを備
えた圧電セラミックス振動子１０と、圧電セラミックス
振動子の超音波放射面側にエポキシ系接着剤による接着
層を介して接合された整合層としての熱膨張係数が８×
１０^-7／℃以下で音響インピ−ダンスが２０メガレイリ
−以下の電気的絶縁板（石英板）１２より構成してい
る。そして前記絶縁板の厚さは、圧電セラミックス振動
子１０により発生する超音波の波長をλとしたとき、ｎ
・λ／２（ｎは自然数）に成されている。従って、セラ
ミックス振動子の発熱或いは温度サイクルによる整合層
の耐久性を向上させると共に、人体との電気絶縁特性が
向上でき、さらに熱膨張による整合層の剥離現象が生ず
ることのない装置を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば人体内の患部に
超音波を照射して治療または診断を行う超音波発生装置
に関し、特に超音波発生手段として圧電セラミックス振
動子を用いた超音波発生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】患者の体内の治療部位に対して超音波を
照射し、患者の体内に存在する例えば結石を振動によっ
て破砕する結石破砕装置や、腫瘍部分に超音波による熱
を加えて該腫瘍部分を熱によって死滅させる温熱治療器
等が提唱され、現在の医療分野で広く利用されている。
現状のこの種の医療機器に用いられる超音波発生手段と
しては、圧電セラミックス振動子を用いる圧電方式、２
電極間の放電現象を利用する放電方式、電磁誘導による
斥力を利用する電磁誘導方式等が存在する。近年におい
ては、その中で安定した出力が得られ、しかも消耗部品
が少なく、小型化が可能な圧電セラミックス振動子を用
いる超音波発生装置が実用化され普及している。

【０００３】図５は超音波発生装置により、人体内の腫
瘍部分に対して超音波を照射して治療を施す場合の基本
構成を示した断面図である。まず符号１は共振周波数が
１〜２ＭＨ_Z の厚み振動を有する凹面形状の圧電セラミ
ックス振動子であり、このセラミックス振動子１の両面
には一対の給電電極膜１ａおよび１ｂが蒸着等の手段に
より形成されている。

【０００４】そして一対の給電電極膜１ａおよび１ｂに
は、それぞれリード線２ａ、２ｂが接続され、これらリ
ード線２ａ、２ｂを介して高周波電流源３からの駆動用
電流が供給されるよう成されている。また、セラミック
ス振動子１の凹面側である超音波放射面側には、超音波
を減衰させることのない程度の肉薄のゴム袋４が配置さ
れ、このゴム袋４内には、人体５の音響インピーダンス
とほぼ同一の音響インピーダンスを有する水６が封入さ
れている。

【０００５】このゴム袋４を人体５の表面に圧接し、セ
ラミックス振動子１の超音波放射面（凹面側）から発せ
られる超音波の焦点が人体５の腫瘍部分５ａに一致する
ようにセットした状態で、圧電セラミックス振動子１の
共振周波数（または反共振周波数）に一致した駆動電流
を高周波電流源３から数秒乃至数十秒供給する。これに
より、腫瘍部分５ａは超音波エネルギーにより瞬時に６
０〜８０℃に加熱され治癒される。

【０００６】尚、図５には示されていないが、以上の構
成による超音波発生装置においては、体内音響インピー
ダンスとの整合を考慮し、一般に樹脂または樹脂にアル
ミナシリカ等のフィラー材を混合した整合層（マッチン
グ層）を圧電セラミックス振動子１の超音波放射面側に
接合し、電気入力に対する音響出力の向上を図ると同時
に、この整合層によりセラミックス振動子１と人体５と
の電気的絶縁を確保して安全性が確保できるように構成
されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した従
来の超音波発生装置においては、腫瘍部分５ａの温度を
瞬時に６０〜８０℃程度に加熱させるために必要な高周
波電力は３０〜５０Ｗ／ｃｍ² であり、この時の圧電セ
ラミックス振動子１自体の表面温度も１００℃程度に上
昇する。このために、前述した音響インピーダンスの整
合および人体との電気絶縁のための整合層が樹脂のよう
な有機系材料のものでは、熱に対する耐久性が悪く、ま
た、圧電セラミックス振動子１と整合層との熱膨張系数
の相違から互いの接合面で剥離を起こすといった現象が
生じ、装置の信頼性が極端に悪くなるという課題があ
る。

【０００８】さらに音響出力を増大させるためにセラミ
ックス振動子１の面積を大きくしようとすると、前述し
た共振周波数の関係からセラミックス振動子１の厚さは
１〜２ｍｍ程度に限定され、従って機械的強度が不足す
るために実用に耐えないという課題がある。

【０００９】本発明は、このような従来の課題に着目し
て成されたものであり、セラミックス振動子の発熱或い
は温度サイクルによる整合層の耐久性を向上させると共
に、人体との電気絶縁特性が向上でき、さらに熱膨張に
よる整合層の剥離現象が生ずることのない信頼性の高い
超音波発生装置を提供することを目的とするものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波発生装置
は前記課題を解決するために成されたものであり、両面
に一対の給電電極膜を備えた圧電セラミックス振動子
と、圧電セラミックス振動子の超音波放射面側に接着層
を介して接合された熱膨張係数が８×１０^-7／℃以下で
音響インピ−ダンスが２０メガレイリ−以下の電気的絶
縁板より成り、前記一対の給電電極膜間に高周波駆動電
流を加えることで圧電セラミックス振動子により超音波
を発生させるようにしたものであって、前記絶縁板の厚
さは、圧電セラミックス振動子により発生する超音波の
波長をλとしたとき、ｎ・λ／２（ｎは自然数）に成さ
れるよう構成されることを特徴としている。

【００１１】

【作用】本発明に係る超音波発生装置は、前記のように
圧電セラミックス振動子の超音波放射面側に特に熱膨張
係数が８×１０^-7／℃以下で音響インピ−ダンスが２０
メガレイリ−以下の電気的絶縁板を接合して整合層とし
ており、絶縁板を整合層としたことにより、セラミック
ス振動子の発熱に対する耐久性を向上させることがで
き、またセラミックス振動子からの整合層の剥離現象が
防止できる。また前記絶縁板の厚さは、圧電セラミック
ス振動子により発生する超音波の波長をλとしたとき、
ｎ・λ／２（ｎは自然数）に成されるようにしたので、
音響インピーダンスの整合性が改良され、超音波の伝播
効率が向上できる。ここで、絶縁板の熱膨張係数を８×
１０^-7／℃以下としたのは、次の理由による。圧電セラ
ミックスの熱膨張係数はほぼ２〜３×１０^-7／℃程度で
あり、このような圧電セラミックスと接着される絶縁板
の熱膨張係数が上記以上の値であると充分な接着強度が
得られない。そのため超音波放射を繰り返すうちに剥離
などが生じる虞がある。また音響インピ−ダンスを２０
メガレイリ−以下としたのは次の理由による。ゴム袋体
内に封入される水は約１．５メガレイリ−程度の音響イ
ンピ−ダンスを有している。この水の値と、絶縁板のイ
ンピーダンスの値との格差が大き過ぎると超音波が有効
に伝播しない。絶縁板のインピ−ダンスが２０メガレイ
リ−を越えるとそのような不具合が生じるためである。
上記のような材料としては、石英ガラスが好ましい。石
英ガラスの熱膨張係数は約５×１０^-7／℃程度で、音響
インピ−ダンスは約１４メガレイリ−である。石英ガラ
ス以外でも充分な電気的絶縁性を有し、上述の範囲の特
性を有する材料であれば本発明の絶縁板材料として利用
できる。例えば、上記範囲の特性を有するように組成を
調整したパイレックスガラスやバイコ−ルガラスも使用
できる。なお、音響インピ−ダンスは、物体内の音速×
密度で表され、単位としてレイリ−（（ｍ／sec ）・
（ｋｇ／ｍ³ ）＝ｋｇ／ｍ² ・sec ）で表される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明に係る超音波発生装置の実施例
について、図面を参照して説明する。なお、本実施例で
は絶縁板として石英板を用いた場合について説明する。
まず図１は本発明の超音波発生装置の一実施例の基本構
成を示したものであり、図１（ａ）は正面図として示し
ており、また図１（ｂ）はその中央部分の側断面図とし
て示している。

【００１３】圧電セラミックス振動子１０は、共振周波
数が１〜２ＭＨ_Z の厚み振動を有する凹面形状に形成さ
れている。そして振動子１０の両面には、一対の給電電
極膜１０ａ，１０ｂが蒸着等の手段により形成されてい
る。一方、圧電セラミックス振動子１０の超音波放射面
側（図中凹面側）には、接着層１１を介して整合層（マ
ッチング層）としての石英板１２が接合されている。整
合層を構成する石英ガラスは、その熱膨張係数が圧電セ
ラミックスのそれとほぼ同等であり、接着層１１を構成
する接着剤は耐高温度特性を有するエポキシ樹脂系接着
剤が使用される。すなわち、エポキシ樹脂系接着剤は１
５０℃程度の高温度の雰囲気で振動子１０および石英板
１２を接着しても、両者との熱膨張係数が近いため、接
着後に圧電セラミックス振動子１０に対して接着による
歪みが残留せず、正規の圧電振動特性を発揮させること
ができる。（歪みが残留した場合には圧電振動特性は低
下する。）

【００１４】また整合層としての石英板１２の厚さは、
圧電セラミックス振動子１０により発生する超音波の波
長をλとしたとき、ｎ・λ／２（ｎは自然数）に成され
ている。これにより超音波の減衰が押さえられ、効率的
な音響放出が達成される。さらに圧電セラミックス単体
による水中への音響放出を考えたとき、石英ガラスの音
響インピーダンスは圧電セラミックスのそれと比較する
と、約１／３であり水との整合性も良いことになる。

【００１５】図２（ａ）および図２（ｂ）は圧電セラミ
ックス振動子１０に設けた一対の給電電極膜１０ａ，１
０ｂより給電用リード線を引き出す場合の例を示してい
る。図２（ａ）はリード線引き出し部分の正面図であ
り、また図２（ｂ）はその側断面図である。即ち、前記
した整合層としての石英板１２の周縁部の一部には、セ
ラミックス振動子１０に対向する部分に切り欠き部１２
ａが設けられており、この切り欠き部１２ａによって露
出された圧電セラミックス振動子１０の超音波放射面側
の給電電極膜１０ｂに、給電用のリード線１３ｂが半田
付けによって接続されている。

【００１６】前記給電用のリード線１３ｂは、例えば銅
箔等の箔板により構成されており、切り欠き部１２ａに
よって形成された空間において半田付けによる接続並び
にリード線１３ｂの引き出し路を確保するようにしてお
り、これにより前記接続層１１の厚さは均一に構成され
る。一方、圧電セラミックス振動子１０の他面に設けら
れた給電電極膜１０ａには、他の給電用のリード線１３
ａが半田付けによって接続されており、これら一対の給
電用リード線１３ａ、１３ｂを介して高周波電流源より
圧電セラミックス振動子１０に対して駆動電流が供給さ
れるように成されている。

【００１７】次に図３は図２とは異なった手段で給電用
リード線を引き出す例を示している。図３（ａ）はリー
ド線引き出し部分の正面図であり、また図３（ｂ）はそ
の側断面図である。即ち、図３に示す例においては、石
英板１２の圧電セラミックス振動子１０に対向する面に
はスパッタリング等の手段により薄膜導電層１４が形成
されている（図では石英板１２と薄膜導電層１４とが模
試的に分離して示されている。）。

【００１８】そして薄膜導電層１４と圧電セラミックス
振動子１０の超音波放射面側の給電電極膜１０ｂとの間
に介在する接着層１１の一部に接触部を形成し、この接
触部を介して給電電極膜１０ｂと薄膜導電層１４とが導
通されるよう成されている（図では圧電セラミックス振
動子１０と薄膜導電層１４とが模試的に分離して示され
ている。）。なお、あえて接触部を形成しなくとも、給
電電極膜１０ｂの表面には凹凸があるため、接着層を２
０μｍ以下程度の厚さにすることにより、部分的に給電
電極膜１０ｂの凸部を薄膜導電層１４と直接接触させ
て、電気的導通をとるようにしてもよい。

【００１９】さらに石英板１２の周縁部に露出した前記
薄膜導電層１４の一部に給電用のリード線１３ｂが半田
付けにより引き出され、一方、圧電セラミックス振動子
１０の他面に設けられた給電電極膜１０ａには、他の給
電用のリード線１３ａが半田付けによって引き出されて
おり、これら一対の給電用リード線１３ａ、１３ｂを介
して高周波電流源より圧電セラミックス振動子１０に対
して駆動電流が供給されるように成されている。

【００２０】さらに図４は本発明に係る超音波発生装置
の他の実施態様を示している。図４に示した例は、圧電
セラミックス振動子を複数に分割して超音波発生装置を
構成した例を示している。即ち、振動子はそれぞれ扇型
に形成された４枚の圧電セラミック振動子１０１〜１０
４より構成しており、これらのセラミック振動子１０１
〜１０４のそれぞれには、前記と同様に両面に一対の給
電電極膜が形成されている。そして、図３に示した例と
同様に、石英板１２の圧電セラミックス振動子に対向す
る面にはスパッタリング等の手段により薄膜導電層１４
が形成されており、各セラミック振動子１０１〜１０４
はエポキシ系接着剤により全体として円環状となるよう
に接着されている。

【００２１】この場合、石英板１２に形成された薄膜導
電層１４と各圧電セラミックス振動子１０１〜１０４の
給電電極膜１０ｂとの間に介在する接着層１１の一部に
接触部を形成し、この接触部を介して各セラミック振動
子１０１〜１０４の給電電極膜１０ｂと薄膜導電層１４
とが導通されるよう成されている。そして、石英板１２
の周縁部における前記薄膜導電層１４の一部に給電用の
リード線１３ｂが半田付けにより引き出されている。ま
た各電圧セラミックス振動子１０１〜１０４の他面側に
形成された給電電極膜１０ａ間には、導体１５が互いに
半田付けにより接続されており、そのうちの１つの振動
子１０１の給電電極膜に給電用のリード線１３ａが半田
付けによって引き出されている。

【００２２】この図４に示した例は、振動子の面積を大
きくしたい場合、すなわちより超音波出力を増大しよう
とする場合に適している。圧電セラミックス振動子は大
形に形成することが困難であり、また歩留まりも悪くな
る。この場合、石英ガラスで構成する整合層は加工性も
良く、大形化も容易である。従って、圧電セラミックス
振動子を複数に分割して製造し、石英ガラスで構成する
整合層に対してそれぞれ一面となるように粘着すること
で容易に大出力の超音波発生装置を得ることができる。

【００２３】次に直径６０ｍｍで凹面形状の曲率（Ｒ）
７０ｍｍの圧電セラミックス振動子を制作し、この圧電
セラミックス振動子を、直径７０ｍｍで圧電セラミック
ス振動子の曲率に一致させた石英板に対して１５０〜１
８０℃で硬化するエポキシ樹脂系接着剤を用いて接着し
た。尚、石英板の厚さは石英ガラスの音速を５９６０ｍ
／ｓｅｃとして１／２λの波長で振動するように厚さを
２ｍｍとした。また給電用リード線の引き出しは、図２
に示した手段を採用した。

【００２４】このように構成した超音波発生装置と、整
合層としての石英板を用いない図５に示したような超音
波発生装置との比較を行った。尚、いずれも給電用リー
ド線に対して１．５ＭＨ_Z の高周波電力を６０Ｗ／ｃｍ
² の割合で印加し、高周波電力の入力は連続波で３０〜
５０秒間印加した。測定は人体を想定して振動子の音響
放射面、すなわち超音波放射面側を直接水と接触させて
水中にて測定を行った。

【００２５】この結果、音響出力（超音波出力）につい
ては、本発明の超音発生装置は、整合層としての石英板
を用いない圧電セラミックス振動子単体のものと比較し
て３〜４ｄＢ高い値を示した。また、発熱量について前
記両者を比較したところ、本発明の超音発生装置につい
ては本発明の超音発生装置は、超音波放射面に対する裏
面、すなわち装置の凸面側の表面で１１５℃であったの
に対して、整合層としての石英板を用いない圧電セラミ
ックス振動子単体のものにおいては、１００℃であり、
本発明の装置においては若干高い数値を示した。

【００２６】これは、本発明の超音発生装置において
は、石英板が断熱作用として働き、試験で用いられた水
に対する放熱作用が低下したものと推測される。また本
発明による超音発生装置について３０万回の繰り返し試
験を行った結果、特に圧電セラミックス振動子と整合層
としての石英板との間の接合状態に異常は見当たらず、
従って耐久性については問題ないことが確認された。

【００２７】また絶縁特性について両者を耐電圧試験機
にて、人体への漏洩電流を考慮した測定を行った。すな
わち、圧電セラミックス振動子の超音波放射面側の水中
に配置した電極と、圧電セラミックス振動子の超音波放
射面側とは反対側の凸面側の給電電極膜との間に耐電圧
試験機の試験電圧を印加した。この結果漏洩電流値は、
本発明の超音発生装置は、整合層としての石英板を用い
ない圧電セラミックス振動子単体のものと比較して約１
／２０の値を示した。

【００２８】以上のように本発明の超音発生装置は、超
音波放射面側に直接水を満たした試験状態において、整
合層としての石英板を用いない圧電セラミックス振動子
単体のものと比較して若干発熱が上回る程度で、他の特
性は遥かに優れていることが検証された。尚、以上説明
した実施例は、圧電セラミックス振動子として超音波放
射面側を凹面形状に成されたものについて示したが圧電
セラミックス振動子として平面状のものを使用するもの
においても同様の作用効果が期待できる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなとおり、本発明に
係る超音波発生装置は、圧電セラミックス振動子の超音
波放射面側に、特に熱膨張係数が８×１０^-7／℃以下で
音響インピ−ダンスが２０メガレイリ−以下の電気的絶
縁板を接合して整合層としており、絶縁板を整合層とし
たことにより、セラミックス振動子の発熱に対する耐久
性を向上させることができ、また圧電セラミックス振動
子と絶縁板による整合層との剥離現象が防止でき、信頼
性の高い商品を提供することが可能となる。さらに整合
層として絶縁板を用いたことにより、絶縁耐圧特性を向
上させることが可能となり、本発明の超音波発生装置を
例えば医療機器に採用した場合、治療に際し安全性を確
保することができる。また前記絶縁板の厚さは、圧電セ
ラミックス振動子により発生する超音波の波長をλとし
たとき、ｎ・λ／２に成されるようにしたので、音響イ
ンピーダンスの整合性が改良され、超音波の伝播効率が
向上できる。このため、効率の高い超音波発生装置を提
供することが可能である。またその特性から石英板を絶
縁板として用いることができるため、容易に超音波発生
装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波発生装置の基本構成を示した正
面図および中央断面図である。

【図２】図１に示す装置の給電用リード線を取り付ける
場合の例を示した正面図および断面図である。

【図３】図１に示す装置に給電用リード線を取り付ける
場合の他の例を示した正面図および断面図である。

【図４】本発明の超音波発生装置の他の実施例を示した
正面図である。

【図５】超音波発生装置を用いて診断または治療を行う
状態を示した断面図である。

【符号の説明】

１０圧電セラミックス振動子１０１〜１０４圧電セラミックス振動子１０ａ，１０ｂ給電電極１１接着層１２石英板１２ａ切り欠き部１３ａ，１３ｂ給電用リード線１４薄膜導電層１５導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相田聡神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝研究開発センタ−内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両面に一対の給電電極膜を備えた圧電セ
ラミックス振動子と、圧電セラミックス振動子の超音波
放射面側に接着層を介して接合された熱膨張係数が８×
１０^-7／℃以下で音響インピ−ダンスが２０メガレイリ
−以下の電気的絶縁板より成り、前記一対の給電電極膜
間に高周波電流を加えることで圧電セラミックス振動子
により超音波を発生させるようにした超音波発生装置で
あって、前記絶縁板の厚さは、前記圧電セラミックス振
動子により発生する超音波の波長をλとしたとき、ｎ・
λ／２（ｎは自然数）に成されていることを特徴とする
超音波発生装置。
【請求項２】前記圧電セラミックス振動子は複数に分
割され、各圧電セラミックス振動子は絶縁板に対してそ
れぞれ接着層を介して接合されたことを特徴とする請求
項１に記載の超音波発生装置。
【請求項３】前記絶縁板には切り欠き部が設けられ、
切り欠き部によって露出された圧電セラミックス振動子
の超音波放射面側の給電電極膜に給電用のリード線が接
続されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記
載の超音波発生装置。
【請求項４】前記絶縁板の圧電セラミックス振動子に
対向する面には薄膜導電層が形成され、圧電セラミック
ス振動子の超音波放射面側の給電電極膜と薄膜導電層と
の間に接触部を形成し、且つ絶縁板に形成された薄膜導
電層に対して給電用のリード線が接続されたことを特徴
とする請求項１または請求項２に記載の超音波発生装
置。
【請求項５】前記接着層はエポキシ樹脂系接着剤より
成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか
に記載の超音波発生装置。
【請求項６】前記絶縁板は石英ガラスからなることを
特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の超
音波発生装置。