(57)【要約】【課題】簡単な構成で、超音波の音響パワーを低下させることなく、超音波トランスデューサの電極の腐食を防止する。【解決手段】超音波トランスデューサ３０は、圧電体４３の上下を上下部電極４４、４５で挟み込んだ圧電素子４０を備えている。上下部電極４４、４５は、挿入方向に関する長さが圧電体４３よりも長く、それぞれの一端は音響レンズ４２の直下よりも外側に突出している。突出した上下部電極４４、４５の間には、圧電体４３と同じ厚みで圧電機能を持たないダミー基板４９が挟み込まれている。上部電極４４の突出部分の上面端部には、配線保護層４７が形成されている。この配線保護層４７に隣接して、音響整合層４１が上部電極４４の上面を覆っている。音響整合層４１と配線保護層４７の境界は、音響レンズ４２の直下よりも外側に位置している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を収束させる音響レンズの下側に配置され、前記超音波を発生する圧電体と、
前記圧電体上を覆い、少なくともその一端が前記音響レンズの直下よりも外側に突出した電極と、
前記電極の突出した部分の上面に設けられ、前記電極に接続された配線を覆う配線保護層と、
前記電極の突出した部分において前記配線保護層と隣接し、前記電極の上面を覆う音響整合層とを備えたことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記圧電体は、前記音響レンズの直下の内側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記圧電体の中心が前記音響レンズの中心と一致するように前記圧電体を配置したことを特徴とする請求項２記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記電極の突出した部分下に設けられた、前記圧電体と同一の厚みを有する圧電機能を持たないダミー基板を備えたことを特徴とする請求項２又は３記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
下側から前記圧電体を支持し、前記圧電体の側面、及び前記電極の突出した部分の底面に接するバッキング材を備えたことを特徴とする請求項２又は３記載の超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記圧電体は、前記電極の突出した部分の側縁まで延設されていることを特徴とする請求項１記載の超音波トランスデューサ。
【請求項７】
超音波を収束させる音響レンズの下側に配置され、前記超音波を発生する圧電体と、
前記圧電体上を覆い、少なくともその一端が前記音響レンズの直下よりも外側に突出した電極と、
前記電極の突出した部分の上面に設けられ、前記電極に接続された配線を覆う配線保護層と、
前記電極の突出した部分において前記配線保護層と隣接し、前記電極の上面を覆う音響整合層とを有する超音波トランスデューサを備えたことを特徴とする超音波探触子。
【請求項８】
撮像素子が一体化された超音波内視鏡であることを特徴とする請求項７記載の超音波探触子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波画像を得るための超音波トランスデューサ、及びこれを用いた超音波探触子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療分野において、超音波断層検査が行なわれている。超音波断層検査では、被検者の体内に超音波探触子、例えば超音波プローブを挿入して、被観察部位を超音波で走査する。この超音波プローブは、体内に挿入される長尺の挿入部の先端に、複数の超音波トランスデューサを配列したものである。各超音波トランスデューサは、電子スイッチによって駆動を切り換えられながら、体内の被観察部位に超音波を放射し、そのエコー信号を受信する。受信されたエコー信号は、各超音波トランスデューサから引き出されたリード線を介して外部の超音波観測装置に送信され、各種の信号処理がなされた後、モニタ等に超音波断層画像として表示される。
【０００３】
超音波トランスデューサは、圧電体の上下を一対の電極で挟み込んだ圧電素子を備えており、各電極の表面端部に接合したリード線を介して超音波観測装置に接続されている。この超音波観測装置からパルス電圧を印加することで、圧電素子から超音波が発生する。圧電素子の上面、すなわち圧電体の上側にある電極（以下、上部電極と称する）の表面は、超音波の伝播効率を向上させる音響整合層で覆われている。更に、この音響整合層の上には、超音波を収束させる音響レンズが配されている。圧電素子で発生した超音波は、音響整合層と音響レンズを経て、体内の被観察部位に向けて放射される。また、被観察部位で反射された超音波は、エコー信号として、上記と逆の経路で超音波トランスデューサに受信される。
【０００４】
周知のように、超音波やエコー信号は、空気中で著しく減衰する。そこで、超音波断層検査の際には、超音波プローブの先端に伸縮性のある袋状のバルーンを装着する。被検者の体内に超音波プローブを挿入した後、このバルーン内に超音波伝達媒体としての脱気水を注入する。これにより、バルーンが膨張して被観察部位に当接するので、超音波の走査領域が脱気水で満たされて、超音波やエコー信号の減衰が防止される。
【０００５】
このような利点がある一方で、バルーンは、圧電素子を腐食させてしまう要因にもなっている。バルーンは、一般的に、所望の弾性を持たせるために加硫されたゴムによって形成されており、電気的部材の腐食因子である硫黄成分を含んでいる。この硫黄成分は、バルーン内に注入された脱気水に少しずつ溶け出してしまう。こうして硫黄成分を含んだ脱気水は、音響レンズを透過して超音波トランスデューサまで到達し、圧電素子の上部電極を腐食させることがあった。特に、上部電極として硫黄成分の腐食に弱い銀を用いている場合には、腐食が著しく進行し、上部電極が不導通になることもあった。
【０００６】
そこで、硫黄成分による電極の腐食を防ぐために、特許文献１記載の超音波プローブでは、振動子（超音波トランスデューサ）を硫黄成分が透過しないフイルムで包み込んで、音響レンズの後方に配している。この構成によれば、超音波プローブの先端部や音響レンズから硫黄成分が侵入したとしても、超音波トランスデューサと硫黄成分とはフイルムによって隔離されるため、圧電素子の電極が硫黄成分によって腐食することはない。
【特許文献１】特開平１０−５２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の構成では、超音波の走査面である超音波トランスデューサの上面がフイルムで覆われてしまう。その結果、超音波の音響パワーが低下したり、受信したエコー信号にノイズが発生したりして、超音波断層画像の画質が劣化するという問題があった。
【０００８】
また、超音波トランスデューサの上面を露呈させた従来の構成では、上述したように、音響レンズを透過した脱気水が上部電極まで到達し、上部電極が腐食してしまう。上部電極の上面は、ほぼ全体が音響整合層で覆われているが、リード線の接合部分だけは、配線保護層で覆われている。硫黄成分を含んだ脱気水は、この音響整合層と配線保護層の境界から上部電極に到達すると考えられている。
【０００９】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、超音波の音響パワーを低下させることなく、圧電素子の電極の腐食を防ぐことができる超音波トランスデューサ、及びこれを用いた超音波探触子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の超音波トランスデューサは、超音波を収束させる音響レンズの下側に配置され、超音波を発生する圧電体と、圧電体上を覆い、少なくともその一端が音響レンズの直下よりも外側に突出した電極と、電極の突出した部分の上面に設けられ、電極に接続された配線を覆う配線保護層と、電極の突出した部分において配線保護層と隣接し、電極の上面を覆う音響整合層とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、圧電体を音響レンズの直下の内側に配置することが好ましい。更に、圧電体の中心が音響レンズの中心と一致するように、圧電体を配置することが好ましい。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態では、電極の突出した部分下に、圧電体と同一の厚みを有する圧電機能を持たないダミー基板が設けられている。
【００１３】
また、本発明の別の好ましい実施形態では、下側から圧電体を支持し、圧電体の側面、及び電極の突出した部分の底面に接するバッキング材が設けられている。
【００１４】
また、本発明の更に別の実施形態では、電極の突出した部分の側縁まで圧電体が延設されている。
【００１５】
本発明の超音波探触子は、上記いずれかの超音波トランスデューサを備えている。この超音波探触子は、好ましくは、撮像素子が一体化された超音波内視鏡である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、腐食成分の侵入経路である音響整合層と配線保護層の境界が、音響レンズの直下よりも外側に配置される。従って、音響レンズを透過した腐食因子が圧電体上を覆う電極に到達しにくくなり、電極の腐食が防止される。また、腐食因子の侵入を防止するための膜や部材を用いないので、超音波の音響パワーが低下したり、エコー信号にノイズが発生したりすることがなく、超音波画像の画質が劣化することがない。また、ダミー基板やバッキング材を用いることで、圧電体の中心を音響レンズの中心に一致させることができるので、超音波の分解能を向上させて、画質の優れた超音波画像を得ることができる。更に、電極の一端を突出させる単純構造であるから、簡単かつ低コストに導入することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１において、超音波内視鏡１０は、体内に挿入される挿入部１１と、この挿入部１１の基端部に連結された操作部１２と、操作部１２の下部に連結されたコード１３とから構成されている。コード１３は、超音波断層画像を生成する超音波観測装置１４に接続されており、ここで生成された超音波断層画像は、モニタ２１に表示される。また、コード１３は途中で枝分かれして、内視鏡画像を生成する内視鏡用プロセッサ装置２２と、体内の被観察部位を照明するための照明光を超音波内視鏡１０に供給する光源装置２３とに接続されている。
【００１８】
挿入部１１は、螺管が外装ジャケットで覆われた細径かつ長尺の軟性部１５と、この軟性部１５の先端に位置する先端硬質部１６とから構成されている。挿入部１１の内部には、後述する対物レンズに空気や水を送るための送気送水チャンネルや、処置具を通すための鉗子チャンネル等が挿設されている。軟性部１５は、先端硬質部１６の基端側に複数の湾曲駒を連結した湾曲部を有している。この湾曲部は、施術者の操作に応じて湾曲し、先端硬質部１６を体内の所望の部位に対面させる。
【００１９】
操作部１２には、送気送水ボタン１７、吸引ボタン１８、アングルノブ１９、鉗子口２０等が設けられている。送気送水ボタン１７は、送気送水チャンネルに空気や水を送り込む際に操作される。吸引ボタン１８は、鉗子チャンネルを介して、臓器に溜まった空気や水分等を吸引する際に操作される。アングルノブ１９は、湾曲部を所望の方向に湾曲させる際に操作される。
【００２０】
図２に示すように、先端硬質部１６は、例えば中空の円柱状をしており、体内の被観察部位を撮影して内視鏡画像を得るためのＣＣＤ等からなる撮像ユニット（図示なし）が内蔵されている。先端硬質部１６の端面には、被観察部位に向けて照明光を照射する２つの照明窓２６と、被観察部位の画像をＣＣＤに結像する対物レンズが奥に配置された観察窓２７と、送気送水チャンネルの出口である送気送水口２８と、鉗子チャンネルの出口である鉗子出口２９とが設けられている。この先端硬質部１６の外周面には、超音波断層画像を得るための複数の超音波トランスデューサ３０が周方向に沿って並設されている。各超音波トランスデューサ３０は、被観察部位に向けて超音波を放射し、そのエコー信号を受信する。また、超音波断層検査を行なう際には、先端硬質部１６の外周面に、超音波トランスデューサ３０を覆うようにしてバルーン３１が装着される。
【００２１】
バルーン３１は、伸縮自在なゴムからなり、中央付近が膨らんだ円柱状をしている。バルーン３１は、両端が開口しており、これら開口に弾性リング３２ａ、３２ｂが一体に形成されている。先端硬質部１６の外周面には、弾性リング３２ａ、３２ｂの位置に合わせて、超音波トランスデューサ３０を間に挟むようにして、円環状の溝３３ａ、３３ｂが形成されており、弾性リング３２ａ、３２ｂは溝３３ａ、３３ｂにそれぞれ嵌合する。弾性リング３２ａ、３２ｂの直径は、先端硬質部１６の直径よりも僅かに狭められており、バルーン３１を先端硬質部１６に装着した時に、先端硬質部１６の外周面に圧着する。こうして装着したバルーン３１内に、超音波伝達媒体としての脱気水を注入する。脱気水は、溝３３ｂの先端側に形成されたバルーン送水口３４から注入され、バルーン３１を膨張させて、体内の被観察部位に当接させる。これにより、被観察部位と超音波トランスデューサ３０の間、すなわち超音波の走査領域から空気が排除されて、超音波やエコー信号の減衰が防止される。なお、被検者の体内から挿入部１１を引き出す際には、バルーン３１内の脱気水をバルーン送水口３４から排出して、バルーン３１を収縮させる。
【００２２】
図３には、図２のＡ−Ａ線に沿って先端硬質部１６を切断した断面図を示す。この図３に示すように、超音波トランスデューサ３０は、バッキング材３９と、圧電素子４０と、音響整合層４１とを一体に積層して構成されており、圧電素子４０で発生させた超音波を音響整合層４１から外部に放射させる。バッキング材３９は、例えばフェライトゴムからなり、超音波を放射する際の圧電素子４０の自由振動を規制して、超音波の進行方向の分解能を向上させる。また、音響整合層４１の上面には、超音波を被観察部位に収束させるための音響レンズ４２が取り付けられている。この音響レンズ４２は、例えばシリコンゴムからなり、挿入部１１の挿入方向に関する長さＷが５ｍｍ程度で、厚みは１ｍｍ程度である。
【００２３】
圧電素子４０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなり、厚みが０．１ｍｍ程度の圧電体４３と、この圧電体４３を上下から挟み込む上部電極（電極）４４及び下部電極４５とから構成されている。上部電極４４及び下部電極４５は、例えば銀の薄膜層であり、その上面の挿入方向基端側の端部にリード線４６ａ、４６ｂがそれぞれ接続されている。これらリード線４６ａ、４６ｂの接続部は、エポキシ樹脂等からなる薄膜の配線保護層４７、４８でそれぞれ覆われている。リード線４６ａ、４６ｂは、一方が接地されており、他方が超音波観測装置１４に接続されている。超音波観測装置１４にはパルス発生回路（図示なし）が内蔵されており、このパルス発生回路から圧電素子４０にパルス電圧を印加すると、圧電体４３は急速に変形し、所定の周波数の超音波が励起される。
【００２４】
音響整合層４１は、上部電極４４の上面を覆うようにして、上部電極４４の先端縁（挿入方向の先端側の縁）から配線保護層４７までの間に形成されている。すなわち、上部電極４４の上面は、基端縁（先端縁と対向する縁）から所定の範囲までが配線保護層４７で覆われており、残りの全ての部分が音響整合層４１で覆われている。この音響整合層４１は、例えばエポキシ樹脂からなり、厚みは配線保護層４７と同一で極めて薄い。また、音響整合層４１は、圧電体４３よりも音響インピーダンスが低くされている。これにより、音響インピーダンスが高い圧電素子４０と音響インピーダンスが低い生体との間で音響インピーダンスの差異が緩和され、超音波の伝送効率が向上する。圧電素子４０から発せられた超音波は、この音響整合層４１を通過し、音響レンズ４２で収束されて、体内の被観察部位に放射される。
【００２５】
圧電素子４０の上部電極４４及び下部電極４５は、挿入方向に関する長さが圧電体４３よりも長く、それぞれの一端が挿入方向基端側に向かって、音響レンズ４２の直下よりも外側に突出している。この突出した部分に、リード線４６ａ、４６ｂが接続されている。ここで、超音波の分解能を向上させるために、圧電体４３を音響レンズ４２に対して最適な位置に配置させる。すなわち、挿入方向に関する圧電体４３の中心と音響レンズ４２の中心（共に一点鎖線で示す）とが一致するように、圧電体４３を配置する。すると、突出した上下部電極４４、４５の間に空隙が形成される。そこで、この空隙の間に、圧電体４３と同一の厚みを有するダミー基板４９が設けられている。ダミー基板４９は、突出した上下部電極４４、４５の間を埋めて圧電素子４０の形状を保つもので、圧電機能は持たない。
【００２６】
このように、上下部電極４４、４５の一端を突出させることで、音響整合層４１と配線保護層４７の境界を音響レンズ４２の直下よりも外側に配置する。音響レンズ４２を透過した腐食因子が上部電極４４に到達する経路は、主として音響整合層４１と配線保護層４７の境界であるから、この境界を音響レンズ４２の直下から外すことにより、腐食因子が上部電極４４まで到達しにくくなる。結果として、上部電極４４が腐食するのを防止することができる。また、ダミー基板４９によって、圧電体４３が音響レンズ４２に対して最適な位置となるので、画質の優れた超音波画像を得ることができる。更に、上下部電極４４、４５の一端を音響レンズ４２の直下より外側に突出させるという単純構造なので、従来の製法を大幅に変えることなく、簡単かつ低コストに実施することができる。
【００２７】
次に、上記構成による作用を説明する。超音波内視鏡１０で超音波断層検査を行なう際には、まず、先端硬質部１６にバルーン３１を装着して、挿入部１１を被検者の体内に挿入する。そして、先端硬質部１６を被観察部位の近傍まで到達させたのち、バルーン送水口３４から脱気水を注入する。これにより、バルーン３１が膨張して被観察部位に当接し、超音波の伝播経路が脱気水で満たされる。この状態で、超音波観測装置１４から圧電素子４０にパルス電圧を印加する。これにより、圧電素子４０が急速に変形し、超音波が発生する。この超音波は、被観察部位で反射した後、エコー信号として超音波トランスデューサ３０に受信され、超音波観測装置１４で各種の画像処理がなされた後、モニタ２１に超音波断層画像として表示される。
【００２８】
こうして超音波断層検査を実行している間に、バルーン３１の硫黄成分が脱気水に少しずつ溶け出していく。この硫黄成分を含んだ脱気水は、音響レンズ４２の内部を徐々に透過して、音響レンズ４２の直下に位置する音響整合層４１に到達する。しかしながら、音響整合層４１と配線保護層４７の境界は音響レンズ４２の直下よりも外側に位置しているため、この境界に硫黄成分を含んだ脱気水が直ちに浸入することはない。また、音響整合層４１は樹脂製であるから、硫黄成分を含んだ脱気水を簡単に透過させることはない。従って、硫黄成分が上部電極４４まで到達することがなく、上部電極４４が腐食することもない。また、硫黄成分等の腐食因子の侵入を防止するための専用の層や部材を用いないので、超音波の音響パワーが低下したり、エコー信号にノイズが生じたりすることはない。また、ダミー基板４９の大きさを調整することで、圧電体４３の中心を音響レンズ４２の中心に一致させることができるので、超音波の分解能が向上して、画質の優れた超音波断層画像を得ることができる。
【００２９】
なお、上記実施形態では、突出した上下部電極４４、４５の間にダミー基板４９を配しているが、上下部電極４４、４５の端部まで圧電体を延設してもよい。例えば、図４に示す超音波トランスデューサ５５では、圧電体５６の挿入方向に関する長さを上下部電極４４、４５と同じ長さにしている。この圧電素子５７によれば、上下部電極４４、４５の間にダミー基板４９を配する必要がなくなり、ダミー基板４９の作成工程を省くことができる。従って、より簡単に低コストで導入することができ、かつ、上記実施形態と同様に、硫黄成分等による上部電極４４の腐食を効果的に防止することができる。
【００３０】
また、上記各実施形態では、上下部電極４４、４５のそれぞれの一端を突出させているが、上部電極のみを突出させて、上部電極の底面をバッキング材で支持してもよい。例えば、図５に示すように、超音波トランスデューサ６０の圧電素子６１は、挿入方向に関する長さを圧電体４３と同じにした下部電極６２を備えている。下部電極６２の挿入方向基端側の表面端部にはリード線４６ｂが接続され、これを配線保護層４８が覆っている。そして、下部電極６２の下側から圧電体４３を支持し、下部電極６２と圧電体４３の側面、及び上部電極４４の底面に接するように、バッキング材６３が形成されている。この構成によれば、従来と同じ製法で下部電極６２を形成しながら、上記各実施形態と同様に、硫黄成分等による上部電極４４の腐食を効果的に防止することができる。また、バッキング材６３の大きさを調整することで、挿入方向に関する圧電体４３の中心を音響レンズ４２の中心に一致させることができる。
【００３１】
以上、図面に従って各実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。すなわち、音響整合層４１と配線保護層４７の境界が音響レンズ４２の直下よりも外側に外れていればよく、本発明の主旨を逸脱しなければ、如何なる態様であってもよい。
【００３２】
なお、上記実施形態では、ラジアル走査方式の超音波内視鏡を例示して説明したが、本発明は、リニア走査型やセクタ走査型の超音波内視鏡にも適用することができる。
【００３３】
また、上記実施形態では、超音波トランスデューサと撮像ユニットが一体化された超音波内視鏡を例示して説明したが、撮像ユニットを備えていない超音波プローブに適用しても本発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の超音波内視鏡装置の構成を示す概略図である。
【図２】超音波内視鏡の先端硬質部を示す説明図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線で切断した、先端硬質部の断面図である。
【図４】圧電体を大きくした超音波トランスデューサを示す先端硬質部の断面図である。
【図５】上部電極のみを大きくした超音波トランスデューサを示す先端硬質部の断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  超音波内視鏡
３０、５５、６０  超音波トランスデューサ
３９、６３  バッキング材
４０、５７、６１  圧電素子
４１  音響整合層
４２  音響レンズ
４３、５６  圧電体
４４  上部電極（電極）
４５、６２  下部電極
４７、４８  配線保護層
【図１】
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【図２】
2009297118.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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