JPH0871079A - 超音波発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電セラミックス振動子の超音波放射面側に
配置されるマッチング層の絶縁耐圧が向上できるように
すること。 【構成】 両面に一対の給電電極膜２１ａ，２１ｂを備
えた複数の圧電セラミックス振動子２０ａ，２０ｂより
なる振動板２０の超音波放射面（図中下側面）側には、
各圧電セラミックス振動子２０ａ，２０ｂの給電電極膜
２１ｂを互いに同電位に保持（ショート）する薄膜導体
６０が配置される。そして薄膜導体６０のさらに下側面
に絶縁性物質により形成されたマッチング層７０が配置
される。各圧電セラミックス振動子２０ａ，２０ｂの超
音波放射面側の給電電極膜２１ｂを互いにショートする
手段として薄膜導体６０を用いているので、ショート部
材がマッチング層７０に食い込んで絶縁耐圧特性を劣化
させる虞がなく、例えば医療機器に採用した場合、治療
に際し安全性が損なわれるという問題点を解消すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は人体内の患部に超音波を
照射して治療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
投射し、患者の体内に存在する例えば結石を衝撃波によ
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有る。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方式が実用化され普及
している。

【０００３】図５および図６は、圧電セラミックス振動
子を用いた従来の圧電方式の超音波発生装置の一例を断
面図によって示したものである。図５において、１は超
音波発生装置の外形を構成する円柱状の支持体であり、
この支持体１はその下底部が凹面状に成形されている。
支持体１の底面上には複数の振動子２ａ，２ｂが円環状
に配列されており、この該振動子は外側に円環状に配列
された複数個の圧電セラミックス振動子２ａと内側に円
環状に配列された複数個の圧電セラミックス振動子２ｂ
とに分割されており、全体で１つの振動子２を形成して
いる。またこれら複数個の圧電セラミックス振動子２
ａ，２ｂはそれぞれが支持体１の下底部に沿う形で上面
が若干凸面状にまた下面が若干凹面状に形成されてい
る。

【０００４】そしてそれぞれの振動子２ａ，２ｂには、
図６に拡大して示したように両面に一対の給電電極膜２
ｃ，２ｄが備えられ、そのうち上側の凸面側給電電極膜
２ｃには半田付け等の手段で信号用リード線３ａの一端
が接続され、このリード線３ａの他端は駆動電源装置
（図示せず）にそれぞれ接続される。この上側の凸面側
給電電極膜２ｃとリード線３ａとの接続部分の後方に
は、振動子２ａ、２ｂの凸面側のほとんど全面にあたる
空間部であるエアバッキング４が形成されている。この
エアバッキング４は発生する超音波を効率よく凹面側に
投射する役割を有している。また下側の凹面側給電電極
膜２ｄには、それぞれの電極膜２ｄ間を短絡するリード
線３ｂが半田付け等の手段で接続されており、さらに一
部の電極膜２ｄ部分に半田付け等の手段で接続された信
号用リード線３ｃの他端は前記駆動電源装置（図示せ
ず）の基準電位点（アース）に接続される。

【０００５】前記振動子２ａ、２ｂは固定材（図示せ
ず）によって支持体１に固定され、また振動子２ａと振
動子２ｂの間も同じ固定材９により絶縁及び固定されて
いる。また振動子２ａ、２ｂの凹面側給電電極膜２ｄ側
とリード線３ｂとをモールドするように、絶縁性の例え
ばエポキシ樹脂によってマッチング層５が形成されてい
る。そして複数の振動子２ａ、２ｂから成る振動子２は
支持体１の下底部に収納支持されている。この様に構成
された超音波発生装置は、図５に示すように伝播媒質と
しての液体を収納したゴム製の収納体６を介して患者７
に接触させる。この状態で信号用リード線３ａ，３ｃ間
に駆動電源装置より駆動電圧を印加し、振動子２を振動
させることで振動子２の凹面側からは超音波が発生す
る。図５に示すように予め患者７の体内に存在する結石
８の位置に、振動子２からの超音波が収束されるように
収納体６によって位置決めが成されており、従って収束
された超音波の振動によって患者７の体内に存在する結
石８を破砕することができる。

【０００６】

【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、各圧電セラミックス振
動子２ａ，２ｂの凹面電極２ｄ間を互いに半田付け等の
手段により短絡用リード線３ｂで接続しており、従って
短絡用リード線３ｂおよびその半田付け部分が局部的に
高く盛り上がる。よってこれらリード線３ｂの盛り上が
り部分が絶縁層であるマッチング層５に食い込み、絶縁
距離が短くなるため、マッチング層５の電気的な絶縁性
が低下するという問題点が生ずる。特にいずれか１つの
圧電セラミックス振動子２ａ，２ｂが絶縁破壊を起こし
た場合には、圧電セラミックス振動子２ａ，２ｂに供給
される駆動電圧がマッチング層５から僅かではあるがリ
ークし易くなり、治療に際し安全性が損なわれるという
技術的課題が発生し得る。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、圧電セラミックス
振動子２ａ，２ｂに供給される駆動電圧がマッチング層
５からリークするのを効果的に抑制し、治療に際し安全
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために成されたものであり、複数の圧電セラミック
スス振動子の両面に一対の給電電極膜を備え、複数の圧
電セラミックス振動子の超音波放射面側には薄膜導体を
配置し、圧電セラミックス振動子の超音波放射面側の電
極膜間を、この薄膜導体によって互いに同電位に保持す
るよう構成されることを特徴としている。

【０００８】

【作用】本発明に係る超音波発生装置は、前記のように
複数の圧電セラミックス振動子の超音波放射面側に薄膜
導体を配置し、薄膜導体によって圧電セラミックス振動
子の給電電極膜を互いに同電位に保持し、給電路を構成
するようにしたので、マッチング層側にリード線および
半田付け部分が突出することがなく、マッチング層に十
分な絶縁耐圧を確保させることが可能となる。従って、
超音波発生装置を構成する支持体の下側面側に圧電セラ
ミックス振動子に供給される駆動電圧がリークするのを
効果的に抑制し得る。

【０００９】

【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。まず図１は本発明
の超音波発生装置の一実施例を断面図によって示したも
のである。図において、１０は超音波発生装置の外形を
構成する支持体であり、この支持体１０は、図５に示し
た従来のものと同様に、その下底部が凹面状に成形され
ている。そして支持体１０内の中央部には超音波プロー
ブユニット（図示せず）を取り付けるための孔１１が穿
設されており、このために支持体１０の全体は円柱形状
に成されている。

【００１０】この支持体１０内の下底部には円環状の振
動子２０が配置されており、この振動子２０は図２に平
面状態にて示したとおり、内周側に等間隔に配列された
１２個の扇型の圧電セラミックス振動子２０ｂ１，２０
ｄ２，……２０ｂ１２と、この１２個の扇型の圧電セラ
ミックス振動子２０ｂ１，２０ｄ２，……２０ｂ１２の
外側を取り巻くように等間隔に配列された１２個の扇型
の圧電セラミックス振動子２０ａ１，２０ａ２，……２
０ａ１２より構成している。またこれら内側の圧電セラ
ミックス振動子２０ｂ１，２０ｂ２，……２０ｂ１２お
よび外側の圧電セラミックス振動子２０ｂ１，２０ｂ
２，……２０ｂ１２は互いに同等面積と成るように成さ
れ、それぞれの誘電率は約２０００であり、反共振周波
数は約５６０ＫＨ_z 、厚み方向の電気機械結合係数が約
５０％のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系圧電材料を
使用している。

【００１１】振動子２０として図２に示したように２４
個の圧電セラミックス振動子を用いたのは、ある程度以
上の超音波パワーを得るには大口径の振動子が必要とな
るが、この振動子はセラミックスにより構成されるた
め、単一体で大型化（大口径化）することは加工上困難
となるためである。そして２４個の圧電セラミックス振
動子で構成される振動子２０は支持体１０の下底部の曲
率に沿って、曲率が約２５０ｍｍに成されている。これ
は前記図５で説明したように、伝播媒質を介して人体内
の患部に超音波が収束して焦点が合うように構成する必
要から決められるものである。なお、１つの振動子２０
を構成する圧電セラミックス振動子の数は、得ようとす
る超音波パワーの強度、および各圧電セラミックス振動
子の加工寸法上の制約等によって決定され、図示例に示
すように必ずしも２４個の圧電セラミックス振動子を配
列する必要性はない。

【００１２】図３には図１に示す超音波発生装置の一部
を拡大して示している。図３に示すように内側の圧電セ
ラミックス振動子２０ｂおよび外側の圧電セラミックス
ス振動子２０ａのそれぞれの凸面（図中上面）および凹
面（図中下面）には一対の給電電極膜２１ａ，２１ｂが
備えられている。各一対の電極膜２１ａ，２１ｂは銀ペ
ーストを塗布して焼き付け処理したもので、その厚さは
５〜３０μｍに設定してある。そして各々の圧電セラミ
ックス振動子２０ａ，２０ｂの凸面側電極膜２１ａには
それぞれ半田付け等の手段で支持体１０を貫通して、信
号用リード線３０ａの一端が接続されている。そして前
記接続部分の後方には、圧電セラミックス振動子凸面の
ほとんどが空気に触れるエアバッキング４０が形成され
ている。多分割された各圧電セラミックス振動子２０
ａ，２０ｂの凸面側電極膜２１ａには、動作中において
駆動電源装置（図示せず）から信号用リード線３０ａを
介して約４ＫＶの駆動電圧が印加される。この時の印加
タイミングのズレによる電位差で凸面側電極膜２１ａ間
で放電が発生しないように各圧電セラミックス振動子間
に絶縁性の高いエポキシ樹脂を充填し、電気的な絶縁膜
５０を形成している。

【００１３】一方、各々の圧電セラミックス振動子２０
ａ，２０ｂの凹面側電極膜２１ｂには、全面基準電位点
（アースポイント）とするためにＡｕ（金）による薄膜
導体６０を６００〜８００オングストロームの厚さでス
パッタ手段または蒸着手段により施し、凹面側電極膜２
１ｂ間をショート状態としている。そして薄膜導体６０
の外周部の適当な位置よりリード線３０ｂを導出し、そ
の他端は前記駆動電源装置（図示せず）の基準電位点
（アース）に接続される。ここで前記Ａｕによる薄膜導
体６０は、必要以上に厚く構成しても凹面側電極膜２１
ｂ間をショート状態とする機能に変化はなく、むしろＡ
ｕの使用量が増加するためにコストが上昇してしまう。
この実施例における薄膜導体６０の前記厚さは機能を損
なうことなく、また経済性の面から選択した領域であ
る。なおこの実施例においては、薄膜導体６０としてＡ
ｕを用いているが、Ｎｉ（ニッケル）を用いることもで
きる。

【００１４】凹面側電極膜２１ｂ上に薄膜導体６０を施
して成る前記振動子２０と、更にその表面に、絶縁物質
から成るマッチング層７０が配置されている。このマッ
チング層７０は上下２層により構成されている。図３に
おける上面側のマッチング層７０ａには、固有音響イン
ピーダンスが約７ｘ１０⁶ Ｋｇ／ｍ² ・ｓｅｅのエポキ
シ樹脂を、また下面側のマッチング層７０ｂには、固有
音響インピーダンスが約３ｘ１０⁶ Ｋｇ／ｍ² ・ｓｅｃ
のエポキシ樹脂を各々１／４波長の厚さで形成してい
る。

【００１５】図４は以上のように構成された本発明の超
音波発生装置および従来の超音波発生装置の使用時にお
けるリーク電流を測定するための絶縁性試験のシュミレ
ーションの例を示したものである。図４において、交流
電圧源８０の一方の端子には、圧電セラミックス振動子
２０ａ，２０ｂの凸面側電極膜２１ａから導出された信
号用リード線３０ａの他端が接続されると共に、同じく
凹面側電極膜２１ｂ間をショート状態としている薄膜導
体６０から導出されたリード線３０ｂの他端が接続され
る。一方、前記交流電圧源８０の他方の端子には、電流
計８１を介して集電用銅板８２が接続されている。そし
て支持体１０の下底部（図４においては上面側）の周縁
には円筒状の封止材８３ａを取り付け、また支持体１０
の中央に設けられた孔１１にも封止材８３ｂを取り付け
ておく。この状態で支持体１０の下底部に導電性液体、
例えば水８４を注ぎ、その中に前記集電用銅板８２を漬
ける。以上の構成において、前記交流電圧源８０より１
０ＫＶ（５０Ｈ_z ）を印加した場合に流れる電流値を電
流計８１によって測定した。

【００１６】この絶縁性試験装置においては、マッチン
グ層７０に１０ＫＶ（５０Ｈ_z ）を印加した場合におけ
るリーク電流が測定されることになる。本発明による超
音波発生装置におけるマッチング層７０におけるリーク
電流は、５つの装置をサンプ円柱して測定した結果、
３．７〜３．９ｍＡの範囲であった。同様にして、図５
および図６に示すような従来の装置のマッチング層にお
けるリーク電流をサンプ円柱した５つの装置について測
定した結果、５．６〜６．４ｍＡの範囲を示した。これ
らの結果から理解できるように、本発明による超音波発
生装置におけるマッチング層におけるリーク電流は、従
来のものに比較して３０％以上低減しており、しかもバ
ラツキが少ないという結果が得られた。

【００１７】従来の超音波発生装置における前記５つの
サンプルについて物理的に測定したところ、圧電セラミ
ックスス振動子２ａ，２ｂの凹面側電極膜２ｄ間をショ
ートするリード線３ｂが、電極膜２ｄの表面から０．７
〜１．３ｍｍ盛り上がっていた。従って、この盛り上が
り部分がマッチング層５に食い込んでマッチング層にお
ける絶縁耐圧を低下させていることが前記電気的な測定
からも裏付けられる。換言すれば、本発明による超音波
発生装置は圧電セラミックスス振動子２０ａ，２０ｂの
凹面側電極膜２１ｂ間をＡｕによる薄膜導体６０でショ
ートしており、しかもその薄膜導体６０の厚さはオング
ストロームオーダーであり、この様に薄膜導体６０によ
り圧電セラミックスス振動子の凹面側電極間をショート
させる構造とすることで、マッチング層７０におけるリ
ーク電流の値を低減できるということが証明される。

【００１８】また本発明の装置における薄膜導体６０は
前述のとおりきわめて薄いものであり、圧電セラミック
スス振動子２０ａ，２０ｂの凹面側電極膜２１ｂおよび
圧電セラミックス振動子間に絶縁膜５０を形成する充填
材（エポキシ樹脂）の表面荒さと同等に成形できる。従
って開口全面にほぼ均一な凹面側電極が形成された大型
振動子が作成できる。更に、本発明の実施例において
は、支持体１０の下底部が凹面状に成形され、圧電セラ
ミックス振動子２０ａ，２０ｂからなる振動子２０の形
状も支持体１０の下底部の形状に沿って凹面状に成形し
た衝撃波発生器（結石破砕装置）を示したが、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。

【００１９】

【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、複数の圧電セラミックス振動子
の超音波放射面側に薄膜導体を配置し、薄膜導体によっ
て圧電セラミックス振動子の超音波放射面側の給電電極
膜を互いに同電位、すなわちショート状態に保持するよ
うに構成したので、マッチング層側にリード線および半
田付け部分が突出することがなく、マッチング層に十分
な絶縁耐圧を確保させることが可能である。従って、超
音波発生装置を構成する支持体の下側面側に圧電セラミ
ックス振動子に供給される駆動電圧がリークするのを効
果的に抑制でき、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、治療に際し安全性が損なわれ得る
という従来の課題を解消することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の超音波発生装置の一実施例を示した
断面図である。

【図２】 図１に示す装置の圧電セラミックスス振動子
の配列状態を示した平面図である。

【図３】 図１に示す装置の一部を拡大して示した断面
図である。

【図４】 図１に示す装置の駆動電圧のリーク状態を測
定する様子を示した結線図である。

【図５】 従来の超音波発生装置と、その使用状態を説
明するための断面図である。

【図６】 図５に示す従来の装置の一部を拡大して示し
た断面図である。

【符号の説明】

１ 支持体 ２ 振動子 ３ａ 信号用リード線 ３ｂ リード線 ４ エアバッキング ５ マッチング層 ６ 収納体 ９ 固定材 １０ 支持体 １１ 孔 ２０ 振動子 ２０ａ 圧電セラミックス振動子 ２０ｂ 圧電セラミックス振動子 ２１ａ 給電電極膜 ２１ｂ 給電電極膜 ３０ａ リード線 ３０ｂ リード線 ４０ エアバッキング ５０ 絶縁膜 ６０ 薄膜導体 ７０ マッチング層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 両面に一対の給電電極膜を備えた複数の
   圧電セラミックス振動子と、これら圧電セラミックス振
   動子の超音波放射面側に配置され、電気的な絶縁性物質
   により形成されたマッチング層と、前記複数の圧電セラ
   ミックス振動子とマッチング層とを収納支持する支持体
   より成り、前記各圧電セラミックス振動子の一対の給電
   電極膜間に駆動電圧を印加させて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、前記複数の圧電セラ
   ミックス振動子と前記マッチング層との間には、各圧電
   セラミックス振動子の一方の給電電極膜を互いに同電位
   に保持する薄膜導体を介在させたことを特徴とする超音
   波発生装置。
2. 【請求項２】 前記薄膜導体は金（Ａｕ）またはニッケ
   ル（Ｎｉ）を主成分とする物質により構成されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の超音波発生装置。
3. 【請求項３】 前記薄膜導体の厚さは、前記各圧電セラ
   ミックス振動子の給電電極膜に対して薄く成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の超音波発生
   装置。