JP2009285257A - 超音波トランスデューサ及び超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【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の上下を上部電極４４及び下部電極４５で挟んだ圧電素子４０を備えている。上部電極４４の上面は、端部が配線保護層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と配線保護層４７の境界の直下には、電気的部材の腐食因子を透過させない腐食防止層４９が設けられている。
【選択図】図３

Description

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。

近年、医療分野において、超音波検査が行なわれている。超音波検査では、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、モニタ等に超音波画像として表示される。

超音波トランスデューサは、バッキング材の上面に、圧電素子と、音響整合層とを積層して構成されている。圧電素子は、圧電体の上下を一対の電極で挟み込んだもので、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と、逆圧電効果により圧電体が急速に変形し、超音波が発生する。音響整合層は、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）の表面を覆うように形成されており、超音波の伝播効率を向上させる。圧電素子で発生した超音波は、音響整合層を経て外部に放射され、体内の被観察部位に到達する。そして、被観察部位で反射された超音波が再び超音波トランスデューサに入射し、エコー信号として受信される。

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している。そして、被検者の体内に挿入部を挿入した後、被観察部位の周辺で、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。

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。従って、脱気水をバルーン内に長時間注入しておくと、バルーンの硫黄成分が脱気水に少しずつ溶け出してしまう。この硫黄成分を含んだ脱気水は、超音波トランスデューサの内部に侵入して、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。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。

この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、硫黄成分が透過しないフイルムで振動子（超音波トランスデューサ）の上面を包み込んでいる。この構成によれば、超音波プローブの先端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、圧電素子の電極が腐食することはない。
特開平１０−５２２７号公報

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、超音波画像の画質が劣化するという問題があった。

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。

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、圧電体上に電極を配置した圧電素子と、電極と電気的に接続する配線を覆うように、電極の上面端部に設けられた配線保護層と、配線保護層に隣接し、電極の上面を覆う音響整合層と、電極の上面のうち、音響整合層と配線保護層の境界下に位置する部分を覆う腐食防止層とを備えたことを特徴とする。

硫黄成分を透過させない素材で腐食防止層を形成することが好ましい。更に、腐食防止層は、導電性を有していることが好ましい。この場合、腐食防止層を配線の下方まで延設するのが好ましい。

また、腐食防止層は、電極よりも半田の定着度が高い素材で形成されていることが好ましい。なお、半田の定着度とは、いわゆる半田の濡れ性や半田の乗りと同義である。

更に、腐食防止層は、薄膜層であることが好ましい。本発明の好ましい実施形態では、腐食防止層は、金蒸着によって形成されている。なお、薄膜とは、蒸着やスパッタリング等で形成される膜であり、厚みが数マイクロメートル程度のものを言う。

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。

本発明によれば、硫黄成分や水成分等の腐食因子を透過させない腐食防止層によって、圧電体上に配された電極の上面が局所的に覆われる。これにより、音響整合層と配線保護層の境界に侵入した腐食因子が電極に到達することがなく、電極の腐食が防止される。また、腐食防止層は、超音波の走査面を覆わないので、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。更に、電極の上面の一部に薄膜層を形成するだけの単純構造であるため、簡単かつ低コストに導入することができる。また、腐食防止層として金を使用するので、配線を接続するための半田の定着度がよい。従って、配線が剥離しにくくなり、配線の接触不良による超音波画像の画質劣化が防止される。

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。

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、複数の湾曲駒を連結した湾曲部を有しており、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。

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。

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。

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。

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いる。また、超音波の送受面である音響整合層４１の上面には、例えばシリコンゴムからなり、超音波を被観察部位に収束させる音響レンズ４２が取り付けられている。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。なお、音響レンズ４２は、幅方向（矢印方向）の長さＷ１が５ｍｍ程度で、厚みは１ｍｍ程度である。

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、その上面の端部にリード線４６ａ、４６ｂがそれぞれ電気的に接続されている。また、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。

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、幅方向の長さＷ２が３．５ｍｍ程度、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。

音響整合層４１と配線保護層４７の境界の直下には、上部電極４４の上面を局所的に覆う腐食防止層４９が設けられている。腐食防止層４９は、硫黄成分や水成分等、電気的部材の腐食因子を透過させない素材、例えば金を蒸着した導電性を有する薄膜層で、その厚みは数マイクロメートル程度である。この腐食防止層４９は、幅方向の長さＷ３が１ｍｍ程度であり、上部電極４４の基端縁から、音響整合層４１と配線保護層４７の境界を超えた位置まで延設されている。また、この腐食防止層４９の基端縁付近の表面には、例えば半田によりリード線４６ａが接合されている。なお、腐食防止層４９は、蒸着の他、スパッタリング等によっても形成することができる。

腐食防止層４９は、電気的部材の腐食因子、特に、バルーン３１の硫黄成分が溶け出した脱気水が、音響整合層４１と配線保護層４７の境界から侵入して、上部電極４４に到達するのを防止する。従って、上部電極４４が硫黄成分で腐食することがなく、超音波断層画像の画質の劣化や電極の断線等が防止される。また、腐食防止層４９は極めて薄く、かつ、超音波の走査面である上部電極４４の上面を局所的にしか覆っていないので、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はない。この腐食防止層４９は、上部電極４４の表面に金を蒸着するだけの単純構造であり、簡単かつ低コストに導入可能でありながら、上部電極４４の腐食を効果的に防止する。更に、腐食防止層４９の材料である金は、銀からなる上部電極４４に比べて、リード線４６ａを接合するために用いる半田の定着度が良くなる。従って、リード線４６ａが剥離しにくくなって、接合部の接触不良による超音波断層画像の画質劣化が防止される。

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、超音波の走査領域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。パルス電圧は、リード線４６ａ、腐食防止層４９及び上部電極４４と、リード線４６ｂ及び下部電極４５とを介して、圧電体４３に与えられる。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に入射し、圧電体４３に受信される。受信されたエコー信号は、パルス電圧とは逆の経路で、上部電極４４、腐食防止層４９、及びリード線４６ａと、下部電極４５及びリード線４６ｂとを介して超音波観測装置１４に入力される。そして、各種の画像処理の後、モニタ２１に超音波断層画像として表示される。

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から超音波トランスデューサ３０の内部に侵入し、音響整合層４１あるいは配線保護層４７に到達する。そして、音響整合層４１と配線保護層４７の境界に入り込んで、上部電極４４に向かう。しかし、音響整合層４１と配線保護層４７の境界の直下には、上部電極４４を覆うようにして腐食防止層４９が設けられている。上述したように、この腐食防止層４９は、金蒸着により形成されており、硫黄成分に対して不透過性を有しているため、硫黄成分を含んだ脱気水が上部電極４４に到達することはない。従って、上部電極４４が硫黄成分で腐食することはない。また、腐食防止層４９は、上部電極４４の上面を局所的にしか覆っていないため、超音波の音響パワーを低下させたり、ノイズを発生させたりすることはない。更に、腐食防止層４９は、上部電極４４に比べて半田の定着度が良いので、リード線４６ａが剥離しにくくなって、リード線４６ａの接触不良による超音波断層画像の画質劣化が防止される。

なお、上記の実施形態では、腐食防止層４９を金蒸着により形成しているが、絶縁性の薄膜で腐食防止層を形成してもよい。例えば、図４に示すように、超音波トランスデューサ５５は、例えばポリイミドの絶縁膜からなる腐食防止層５６を備えている。腐食防止層５６は、音響整合層４１と配線保護層４７の境界の直下にのみ形成されており、リード線４６ａは、上部電極４４に接合されている。この構成によれば、高価な金を使用しないので、コストを抑えながら、上部電極４４の腐食を防止することができる。

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。

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。

本発明の超音波内視鏡装置の構成を示す概略図である。 超音波内視鏡の先端硬質部を示す説明図である。 図２のＡ−Ａ線で切断した、先端硬質部の断面図である。 絶縁性の腐食防止層を設け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

１０ 超音波内視鏡
３０、５５ 超音波トランスデューサ
４０ 圧電素子
４１ 音響整合層
４３ 圧電体
４４ 上部電極
４５ 下部電極
４７、４８ 配線保護層
４９、５６ 腐食防止層

Claims (8)

1. 圧電体上に電極を配置した圧電素子と、
   前記電極と電気的に接続する配線を覆うように、前記電極の上面端部に設けられた配線保護層と、
   前記配線保護層に隣接し、前記電極の上面を覆う音響整合層と、
   前記電極の上面のうち、前記音響整合層と前記配線保護層の境界下に位置する部分を覆う腐食防止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。
2. 前記腐食防止層は、硫黄成分を透過させない素材で形成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。
3. 前記腐食防止層は、導電性を有し、前記配線の下方まで延設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記腐食防止層は、前記電極よりも半田の定着度が高い素材で形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記腐食防止層は、薄膜層であることを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記腐食防止層は、金蒸着によって形成されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか記載の超音波トランスデューサ。
7. 圧電体上に電極を配置した圧電素子と、
   前記電極と電気的に接続する配線を覆うように、前記電極の上面端部に設けられた配線保護層と、
   前記配線保護層に隣接し、前記電極の上面を覆う音響整合層と、
   前記電極の上面のうち、前記音響整合層と前記配線保護層の境界下に位置する部分を覆う腐食防止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。
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。

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