JP3787725B2 - Ultrasonic vibrator and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロマシン分野に利用し、複雑な機械や配管に入り込んで検査やメンテナンスなどを行い、さらにカテーテルとして人体の血管や器官などに入り込んで診断又は治療などに利用し得る能動導管に利用することができる超音波振動子とその製造方法に係り、例えば、カテーテルの先端に取り付けられ、血管内の超音波画像を得るための超音波プローブとして使用される超音波振動子及びその製造方法に関するものである。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is used in the field of micromachines, enters complicated machines and pipes to perform inspections and maintenance, and further uses as an active conduit that can enter a human blood vessel or organ as a catheter and can be used for diagnosis or treatment. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic transducer that can be used and a manufacturing method thereof, for example, an ultrasonic transducer that is attached to the tip of a catheter and used as an ultrasonic probe for obtaining an ultrasonic image in a blood vessel, and a manufacturing method thereof It is.
従来、例えば動脈硬化病変の診断や、血管内狭窄部拡張後のステント留置の経過観察のために、外径２ｍｍ程度の血管内超音波内視鏡が広く利用されている。このような血管内超音波内視鏡はその殆どが海外製品であり、非常に高価であった。 Conventionally, for example, an intravascular ultrasonic endoscope having an outer diameter of about 2 mm has been widely used for diagnosing arteriosclerotic lesions and observing the progress of stent placement after expansion of an intravascular stenosis. Most of such intravascular ultrasonic endoscopes are overseas products and are very expensive.
ここで、このような血管内超音波内視鏡は、例えばメカニカルスキャン方式や電子スキャン方式のものが知られている。メカニカルスキャン方式のものは、発振子と受信子を兼用する一個の超音波素子を回転させるように構成されている。しかしながら、このようなメカニカルスキャン方式のものは、音響レンズを使用して超音波を集束させる必要があって構造が複雑となることから、部品コスト及び組立コストが高くなってしまう。 Here, as such an intravascular ultrasonic endoscope, for example, a mechanical scan type or an electronic scan type is known. The mechanical scan type is configured to rotate one ultrasonic element that serves both as an oscillator and a receiver. However, such a mechanical scan system requires an acoustic lens to focus the ultrasonic waves, which complicates the structure, resulting in high component costs and assembly costs.
また、電子スキャン方式のものは、例えば３２個または６４個の振動子アレイを使用して個々の振動子を電気的に切り換えて、見かけ上走査範囲を回転させるように構成されている。しかしながら、このような電子スキャン方式のものは、適宜の指向性を備えた最適なビームを生成するための制御系に負担が大きく、高価になってしまう。 The electronic scanning type is configured to rotate the scanning range apparently by electrically switching the individual vibrators using, for example, 32 or 64 vibrator arrays. However, such an electronic scanning system is expensive and expensive in a control system for generating an optimal beam having appropriate directivity.
これに対して、例えば特許文献１や非特許文献１及び２に示すような構成の超音波内視鏡も知られている。
特許文献１による超音波振動子は、可撓性のポリマーシート上に複数個の直線状の超音波トランスデューサを平行に並べることにより変形可能に構成されており、このポリマーシートを円筒状に丸めることにより超音波内視鏡が構成され得るようになっている。このような構成によれば、この円筒状の超音波内視鏡を血管内に挿入することによって血管内腔から周囲を観察することが可能になる。
On the other hand, for example, ultrasonic endoscopes having configurations as shown in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2 are also known.
The ultrasonic transducer according to Patent Document 1 is configured to be deformable by arranging a plurality of linear ultrasonic transducers in parallel on a flexible polymer sheet. The polymer sheet is rolled into a cylindrical shape. Thus, an ultrasonic endoscope can be configured. According to such a configuration, it is possible to observe the surroundings from the lumen of the blood vessel by inserting the cylindrical ultrasonic endoscope into the blood vessel.
また、非特許文献１による超音波内視鏡は、超音波振動子を凸面形状に形成することによって超音波振動子の指向性を低減するように構成されている。この構成によれば、超音波振動子の凸面から超音波が拡散して放射されることにより、超音波振動子の指向性が拡ることになる。 In addition, the ultrasonic endoscope according to Non-Patent Document 1 is configured to reduce the directivity of the ultrasonic transducer by forming the ultrasonic transducer in a convex shape. According to this configuration, the directivity of the ultrasonic transducer is expanded by diffusing and radiating the ultrasonic wave from the convex surface of the ultrasonic transducer.
さらに、非特許文献２による超音波振動子は、可撓性のあるポリマー製の圧電超音波センサーを凹状に形成することにより、指向性を備えるように構成されている。
しかしながら、上述した各特許文献及び非特許文献による超音波振動子または超音波内視鏡においては、下記のような問題があった。即ち、特許文献１においては、超音波内視鏡がポリマーシートを丸めることにより構成されていることから、各超音波振動子による超音波の指向性を制御することは困難である。また、振動子が小さくなるほど指向性が低くなってしまうという問題がある。 However, the ultrasonic transducers or ultrasonic endoscopes according to the above-mentioned patent documents and non-patent documents have the following problems. That is, in Patent Document 1, since the ultrasonic endoscope is configured by rolling a polymer sheet, it is difficult to control the directivity of ultrasonic waves by each ultrasonic transducer. In addition, there is a problem that the directivity becomes lower as the vibrator becomes smaller.
また、非特許文献１においては、凸面形状は、ＰＺＴ振動子の表面を凸形に形成することにより得られるが、このようなＰＺＴ振動子の加工は困難であり、微小化するほど必要とされる曲率半径は小さくなり、微小化には限界がある。 Further, in Non-Patent Document 1, the convex shape is obtained by forming the surface of the PZT vibrator in a convex shape. However, the processing of such a PZT vibrator is difficult and is required as it is miniaturized. The radius of curvature becomes smaller and there is a limit to miniaturization.
最後に、非特許文献２においては、凹型形状は、高分子圧電膜材料であるＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）の表面を凹型に形成することにより得られ、比較的高い指向性を得ることが可能であるが、円状の超音波素子をアレイ状に並べている。しかし、この振動子はフレキシブルなＰＶＤＦシートを吸引することによって得られるが、ＰＶＤＦよりも発振強度の大きいＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）またはＰＺＴの複合圧電振動子にＰＶＤＦシートと同様に吸引による取付け適用することは、ＰＺＴが硬いことから難しい。 Finally, in Non-Patent Document 2, the concave shape is obtained by forming the surface of PVDF (polyvinylidene fluoride), which is a polymer piezoelectric film material, into a concave shape, and it is possible to obtain a relatively high directivity. There are circular ultrasonic elements arranged in an array. However, this vibrator can be obtained by sucking a flexible PVDF sheet, but it can be attached to a PZT (lead zirconate titanate) or PZT composite piezoelectric vibrator, which has a higher oscillation strength than PVDF, by suction, just like a PVDF sheet. It is difficult to apply because PZT is hard.
このようにして、従来の超音波振動子を利用した超音波内視鏡は、指向性を制御し、直径２ｍｍ以下に微小化して構成することは困難であった。 As described above, it is difficult to configure a conventional ultrasonic endoscope using an ultrasonic transducer by controlling directivity and reducing the diameter to 2 mm or less.
本発明は、以上の点に鑑み、簡単な構成により、容易に指向性を制御して高画質の超音波画像を得ることができると共に、微小化して構成し得るようにした超音波振動子及びその製造方法を提供することを目的としている。 In view of the above, the present invention provides an ultrasonic transducer that can easily control directivity and obtain a high-quality ultrasonic image with a simple configuration, and can be configured to be miniaturized. It aims at providing the manufacturing method.
上記目的を達成するために、本発明の超音波振動子は、ベース部と、ベース部の表面に配置されていて半球状に突出した表面を有する複数個の取付部と、上記各取付部毎にその表面に取り付けた第一電極と、上記各取付部の表面形状の曲率を備えるように上記各第一の電極の上に配置された超音波素子と、これらの超音波素子の上に取り付けた共通電極としての第二電極と、を備えている。
なお、前記ベース部が円筒状に形成されている場合には、前記各取付部がベース部の環状の先端面上に並んで配置され、前記ベース部が円柱状或いは角柱状に形成されている場合には、前記各取付部がベース部の円状或いは矩形状の先端面上に並んで配置される。また、前記ベース部が円筒状，円柱状，角柱状の何れかの形に形成されている場合には、前記各取付部がベース部の側面上に並んで配置されてもよい。
To achieve the above object, the ultrasonic transducer of the present invention, the base portion and a plurality of Mounting portion having a surface which projects are located on the surface of the base portion in a hemispherical shape, each mounting portion A first electrode attached to the surface every time, an ultrasonic element arranged on each first electrode so as to have a curvature of the surface shape of each attachment part, and on these ultrasonic elements And a second electrode as a common electrode attached.
In addition, when the said base part is formed in the cylindrical shape, each said attachment part is arrange | positioned along with the cyclic | annular front end surface of a base part, and the said base part is formed in the column shape or the prism shape. In this case, the mounting portions are arranged side by side on the circular or rectangular tip surface of the base portion. Further, when the base portion is formed in any one of a cylindrical shape, a columnar shape, and a prismatic shape, the mounting portions may be arranged side by side on the side surface of the base portion.
さらに、本発明の超音波振動子は、前記第一電極と前記第二電極との間で前記超音波素子以外の領域に、絶縁層を配置していることを特徴としている。 Furthermore, the ultrasonic transducer according to the present invention is characterized in that an insulating layer is disposed in a region other than the ultrasonic element between the first electrode and the second electrode.
さらに、本発明の超音波振動子は、例えば、前記ベース部をポリマー又は液晶ポリマーで形成していることを特徴としている。 Furthermore, the ultrasonic transducer of the present invention is characterized in that, for example, the base portion is formed of a polymer or a liquid crystal polymer.
さらに、本発明の超音波振動子においては、前記超音波素子が、圧電セラミックスアレイをポリマーに埋め込むことにより構成されている。さらに、好ましくは、前記超音波素子は、１−３コンポジット構造の圧電セラミックスアレイから構成される。 Furthermore, in the ultrasonic transducer of the present invention, the ultrasonic element is configured by embedding a piezoelectric ceramic array in a polymer. Further preferably, the ultrasonic element is composed of a piezoelectric ceramic array having a 1-3 composite structure.
さらに、本発明の超音波振動子においては、前記超音波素子が、直径数十μｍの圧電セラミックスを含んでいる。 Furthermore, in the ultrasonic transducer according to the present invention, the ultrasonic element includes a piezoelectric ceramic having a diameter of several tens of μm .
このように構成された超音波振動子をカテーテルの先端に取り付けて、超音波式内視鏡として使用することができる。 The ultrasonic transducer thus configured can be attached to the distal end of the catheter and used as an ultrasonic endoscope.
さらに、本発明の超音波振動子の製造方法は、環状の先端面に沿って複数個の曲率を有する取付部を備えた円筒状のベース部の先端面に対して、第一電極を形成する第一の段階と、上記ベース部の先端面に備えられた各取付部の表面に対して、平坦に形成された１−３コンポジット構造の圧電セラミックスアレイから成る超音波素子を押し型により押し付けて密着させる第二の段階と、上記各取付部の表面に密着された各超音波素子の表面に第二電極を形成する第三の段階と、を含んでいることを特徴としている。 Furthermore, in the method for manufacturing an ultrasonic transducer according to the present invention, the first electrode is formed on the distal end surface of the cylindrical base portion provided with the attachment portion having a plurality of curvatures along the annular distal end surface. A first stage and an ultrasonic element made of a piezoelectric ceramic array having a 1-3 composite structure formed flat is pressed against the surface of each mounting portion provided on the tip surface of the base portion by a pressing die. The method includes a second step of closely attaching and a third step of forming a second electrode on the surface of each ultrasonic element closely attached to the surface of each mounting portion.
さらに、本発明の超音波振動子の製造方法は、前記第二の段階の後、ベース部の先端面の各取付部を除いた領域の表面に対して、超音波素子とほぼ同じ高さの絶縁層を形成する段階を含んでいる。 Furthermore, in the method for manufacturing an ultrasonic transducer according to the present invention, after the second stage, the surface of the region excluding each mounting portion on the tip surface of the base portion has a height substantially the same as that of the ultrasonic element. Forming an insulating layer.
さらに、本発明の超音波振動子の製造方法は、前記絶縁層がエポキシ樹脂から構成されていることを特徴としている。 Furthermore, the method for manufacturing an ultrasonic vibrator of the present invention is characterized in that the insulating layer is made of an epoxy resin.
上記構成によれば、取付部を備えたベース部は、例えば微細加工による精密型を使用することにより、微細に形成され得ると共に、超音波素子が曲率を有する取付部の表面に対して第一電極の上から押し付けられることにより、その可撓性に基づいて取付部の表面形状に従って変形し、その表面に密着して配置され得る。このようにして、個々の取付部の表面に配置される超音波素子は、それぞれ取付部の表面形状に従って、所定の曲率を備えることになる。 According to the above configuration, the base portion provided with the attachment portion can be formed finely, for example, by using a precision mold by micromachining, and the ultrasonic element is first with respect to the surface of the attachment portion having a curvature. By being pressed from above the electrode, it can be deformed according to the surface shape of the mounting portion based on its flexibility, and can be placed in close contact with the surface. In this way, the ultrasonic elements arranged on the surfaces of the individual attachment portions each have a predetermined curvature according to the surface shape of the attachment portion.
従って、ベース部の各取付部が例えば液晶ポリマー等のポリマーによって微細成形にて高精度に形成されることにより各超音波素子も同様に高精度で形成されるので、超音波素子から出射される超音波の指向性が各取付部の表面形状に基づいて高精度に制御される。そして、ベース部が微細加工により成形されることによって、超音波振動子全体が容易に微小化され、外径数ｍｍ以下に構成される。 Accordingly, since each mounting portion of the base portion is formed with high precision by fine molding of a polymer such as a liquid crystal polymer, each ultrasonic element is similarly formed with high accuracy, and thus emitted from the ultrasonic element. The directivity of ultrasonic waves is controlled with high accuracy based on the surface shape of each mounting portion. And the whole ultrasonic transducer | vibrator is easily miniaturized by shape | molding a base part by microfabrication, and it is comprised by the outer diameter several mm or less.
ここで、ベース部の先端面が凸状に形成されているので、各取付部に密着した超音波素子がそれぞれ凸状に配置されることになり、各超音波素子の表面から出射する超音波の指向性が低くなるので、広い角度範囲に亘って超音波を照射することができる。
Here, since the distal end surface of the base portion is formed in a convex shape, the ultrasonic wave ultrasonic element in close contact with the respective attachment portion is to be arranged in a convex shape, respectively, emitted from the surface of the ultrasonic element Therefore, the ultrasonic wave can be irradiated over a wide angle range .
このようにして、本発明によれば、カテーテル用超音波振動子をカテーテルの先端に装着して、超音波内視鏡を構成した場合に、外径数ｍｍ以下の超音波内視鏡を構成することが可能になると共に、上述したようにベース部の各取付部の表面形状に基づいて、超音波振動子から出射する超音波の指向性を制御することができるので、戻って来る超音波を受信することにより、高画質の超音波画像を取得することができる。 Thus, according to the present invention, when an ultrasonic endoscope is configured by attaching an ultrasonic transducer for a catheter to the distal end of the catheter, an ultrasonic endoscope having an outer diameter of several mm or less is configured. As described above, the directivity of the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic transducer can be controlled based on the surface shape of each mounting portion of the base portion, as described above, so that the returning ultrasonic wave Can receive a high-quality ultrasonic image.
従って、種々の曲率半径を有する取付部を備えたベース部を使用して超音波振動子を構成することにより、取付部の曲率半径に依存した指向性を有する複数種類の超音波振動子を構成することができる。これにより、最適な指向性を有する超音波振動子を使用して超音波内視鏡を構成することによって、簡単な構成により低コストで、例えば血管内狭窄部に関して高画質の超音波画像を取得することができる。 Therefore, by constructing an ultrasonic transducer using a base portion having mounting portions having various curvature radii, a plurality of types of ultrasonic transducers having directivity depending on the curvature radius of the mounting portion are configured. can do. By configuring an ultrasonic endoscope using an ultrasonic transducer with optimal directivity, it is possible to obtain high-quality ultrasonic images of, for example, intravascular stenosis at a low cost with a simple configuration. can do.
以下、図面に示した実施形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１〜図４は、本発明によるカテーテル用の超音波振動子の一実施形態を示している。図１において、超音波振動子１０は、鎖線で示されたカテーテル２０の先端に装着されるものであって、円筒状のベース部１１と、ベース部１１の環状の先端面にて円周方向に沿って備えられた複数の取付部１１ａに対して取り付けられた超音波素子１２と、から構成されている。
The present invention will be described in detail below based on the embodiments shown in the drawings.
1 to 4 show an embodiment of an ultrasonic transducer for a catheter according to the present invention. In FIG. 1, an ultrasonic transducer 10 is attached to the distal end of a catheter 20 indicated by a chain line, and has a cylindrical base portion 11 and an annular distal end surface of the base portion 11 in the circumferential direction. And an ultrasonic element 12 attached to a plurality of attachment portions 11a provided along the line.
上記ベース部１１は、図２に示すように、例えば液晶ポリマー等のポリマーから構成され、例えば精密立形加工装置を使用することにより微細加工により形成されている。そして、上記ベース部１１は、カテーテル２０の外径とほぼ同じ外径、例えば３．０ｍｍを有し、またカテーテル２０の内径とほぼ同じ内径、例えば１．５ｍｍを有している。 As shown in FIG. 2, the base portion 11 is made of a polymer such as a liquid crystal polymer, and is formed by fine processing by using, for example, a precision vertical processing apparatus. The base portion 11 has an outer diameter that is substantially the same as the outer diameter of the catheter 20, for example, 3.0 mm, and an inner diameter that is substantially the same as the inner diameter of the catheter 20, for example, 1.5 mm.
さらに、上記ベース部１１は、その環状の先端面にそって、複数個、図示の場合８個の取付部１１ａを一体に備えている。各取付部１１ａは、図３に示すように、それぞれベース部１１の先端面から高さＨ（例えば０．２ｍｍ）だけ立ち上がった後、曲率半径Ｒ（例えば０．６６ｍｍ）を備えるように半球状に形成されている。また、図３に示す構成例では、ベース部１１の先端面から膨出している取付部１１ａは、ベース部１１の先端面に環状に８個形成されているが、取付部１１ａの数は８個に限定されるものではない。 Further, the base portion 11 is integrally provided with a plurality of, in the illustrated case, eight mounting portions 11a along the annular tip surface. As shown in FIG. 3, each mounting portion 11a is hemispherical so as to have a curvature radius R (eg, 0.66 mm) after rising from the tip surface of the base portion 11 by a height H (eg, 0.2 mm). Is formed. In the configuration example shown in FIG. 3, eight mounting portions 11 a bulging from the tip surface of the base portion 11 are formed in an annular shape on the tip surface of the base portion 11, but the number of mounting portions 11 a is eight. It is not limited to individual.
上記超音波素子１２は、各取付部１１ａにそれぞれ一つずつ設けられるものであり、平面状に構成されていて、図３に示すように、上記各取付部１１ａの凸状の表面に対して押し型を使用して密着され、例えば導電性接着剤等により固定される。これにより、超音波素子１２は、当該取付部１１ａの表面形状と実質的に同じ曲率半径を備えるようになっている。 Each of the ultrasonic elements 12 is provided on each of the attachment portions 11a, and is formed in a planar shape. As shown in FIG. 3, the ultrasonic elements 12 are formed on the convex surfaces of the attachment portions 11a. The contact is made using a pressing die, and is fixed by, for example, a conductive adhesive. Thereby, the ultrasonic element 12 is provided with the curvature radius substantially the same as the surface shape of the said attaching part 11a.
そして、上記超音波素子１２は、図４に示すように、所謂１−３コンポジット構造であって、例えば縦２５μｍ×横２５μｍの面を有する角柱に形成されたＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）から成る圧電セラミックスアレイ１２ａを可撓性を有するポリマー１２ｂに埋め込むことにより構成されている。なお、１−３コンポジット構造とは、本発明において言えば、ＰＺＴとポリマーとの配置関係であり、具体的に言えば、角柱に形成されたＰＺＴの上面と底面とを除く全側面をポリマーが覆うように、ＰＺＴまわりにポリマーが配置されている構造を言う。因みに、直方体のＰＺＴの全周、全ての面（六面）をポリマーが覆うような配置構造を０−３コンポジット構造と言う。 As shown in FIG. 4, the ultrasonic element 12 has a so-called 1-3 composite structure, and is made of, for example, PZT (lead zirconate titanate) formed in a prism having a surface of 25 μm long × 25 μm wide. The piezoelectric ceramic array 12a is embedded in a flexible polymer 12b. In addition, in the present invention, the 1-3 composite structure is an arrangement relationship between PZT and a polymer. Specifically, the polymer is formed on all sides except for the top and bottom surfaces of PZT formed on a prism. A structure in which a polymer is arranged around PZT so as to cover it. Incidentally, an arrangement structure in which a polymer covers the entire circumference and all faces (six faces) of a rectangular parallelepiped PZT is called a 0-3 composite structure.
さらに、上記超音波素子１２に対して配線を行なうために、図３にて各超音波素子１２の下面及び上面に第一電極１３及び第二電極１４が設けられている。
第一電極１３は、例えばＮｉ／Ｃｕ等から構成されており、ベース部１１の先端面にて、各取付部１１ａを含む表面全体に例えば無電解めっき等により形成されると共に、各取付部１１ａ毎に分割されるように、例えばレーザ加工により切断線１３ａに沿って切断されている。また、第二電極１４は、例えばＣｒ／Ａｕ等から構成され、各超音波素子１２の上から、ベース部１１の表面全体に例えば無電解めっき等により形成されている。なお、第二電極１４は、接地（アース）の共通電極であるので、第一電極と異なり、各取付部１１ａ毎に分割されてはいない。
Furthermore, in order to perform wiring with respect to the ultrasonic element 12, the first electrode 13 and the second electrode 14 are provided on the lower surface and the upper surface of each ultrasonic element 12 in FIG.
The first electrode 13 is made of, for example, Ni / Cu or the like, and is formed on the entire surface including the mounting portions 11a by, for example, electroless plating at the tip surface of the base portion 11, and each mounting portion 11a. For example, laser cutting is performed along the cutting line 13a so as to be divided every time. The second electrode 14 is made of, for example, Cr / Au, and is formed on the entire surface of the base portion 11 from above each ultrasonic element 12 by, for example, electroless plating. Since the second electrode 14 is a common electrode for grounding (earth), unlike the first electrode, it is not divided for each mounting portion 11a.
ベース部１１の先端面は、超音波素子１２がそれぞれ取り付けられる取付部１１ａ以外の領域にて、第一電極１３上に絶縁層１５が形成されている。この絶縁層１５は、例えばエポキシ樹脂により構成されており、第一電極１３と第二電極１４を互いに電気的に絶縁するようになっている。 An insulating layer 15 is formed on the first electrode 13 on the tip surface of the base portion 11 in a region other than the attachment portion 11a to which the ultrasonic elements 12 are attached. The insulating layer 15 is made of, for example, an epoxy resin, and electrically insulates the first electrode 13 and the second electrode 14 from each other.
ここで、上記超音波素子１２は、例えば図５に示すようにして、所謂Ｄｉｃｅ ａｎｄ Ｆｉｌｌ法により作製される。即ち、図５において、まず工程Ａにて、例えば厚さ１５０μｍのＰＺＴ板３０を熱剥離シート３１上に載置し、続いて工程Ｂにて、ダイサー（図示せず）を使用して、幅７０μｍの位置で幅３５μｍの縦方向に延びる平行な溝３２を加工した後、工程Ｃにて上記溝３２内にエポキシ樹脂３３を充填する。
その後、工程Ｄにて、同様にして横方向に延びる溝３４を加工し、ポリマーとしてのエポキシ樹脂３３を充填する。
Here, the ultrasonic element 12 is manufactured by a so-called Dice and Fill method, for example, as shown in FIG. That is, in FIG. 5, first, in step A, for example, a PZT plate 30 having a thickness of 150 μm is placed on the heat release sheet 31, and then in step B, a dicer (not shown) is used to obtain After processing parallel grooves 32 extending in the vertical direction with a width of 35 μm at a position of 70 μm, epoxy resin 33 is filled into the grooves 32 in Step C.
Thereafter, in step D, the laterally extending groove 34 is processed in the same manner and filled with an epoxy resin 33 as a polymer.
次に、工程Ｅにて、ＰＺＴ板３０上にはみだしているエポキシ樹脂３３を研磨等により除去して、工程Ｆに示すようにＰＺＴ板３０の上面を露出させる。
続いて、工程Ｇにて、例えばＯ2 反応性イオンエッチング法により、エポキシ樹脂３３を例えば２０μｍ程度エッチングにより除去する。なお、図５中に示す工程Ｅ〜Ｇの図は、ＰＺＴ板３０を側面視した概略拡大図である。
最後に、工程Ｈにて、例えばレーザ加工により、直径８００μｍ〜９５０μｍ程度の円形に切断加工する。
このようにして、各取付部１１ａの表面形状に対応した寸法の平坦な円板状の超音波素子３５が完成することになる。そして、この平坦な円板状の超音波素子３５は、ＰＺＴ板３０によるＰＺＴ圧電セラミックスの微小な柱の配列が可撓性を備えたポリマーであるエポキシ樹脂３３中に埋め込まれた、所謂１−３コンポジット構造となる。
Next, in step E, the epoxy resin 33 protruding on the PZT plate 30 is removed by polishing or the like, and the upper surface of the PZT plate 30 is exposed as shown in step F.
Subsequently, in step G, the epoxy resin 33 is removed by etching, for example, about 20 μm by, for example, an O 2 reactive ion etching method. In addition, the figure of process EG shown in FIG. 5 is the schematic enlarged view which looked at the PZT board 30 side.
Finally, in Step H, for example, by laser processing, cutting is performed into a circle having a diameter of about 800 μm to 950 μm.
In this way, a flat disk-shaped ultrasonic element 35 having a dimension corresponding to the surface shape of each mounting portion 11a is completed. This flat disk-shaped ultrasonic element 35 is a so-called 1- 1 in which an array of micro pillars of PZT piezoelectric ceramics by a PZT plate 30 is embedded in an epoxy resin 33 which is a flexible polymer. 3 composite structure.
本発明実施形態によるカテーテル用の超音波振動子１０は以上のように構成されており、図６に示すようにして組立てが行なわれる。
即ち、図６において、まず工程Ａにて、凸状の取付部１１ａを備えたベース部１１を液晶ポリマーにより微細加工し、続いて工程Ｂにて、ベース部１１の各取付部１１ａを含む表面全体に、第一電極１３となるべき電極層４０を、例えば無電解メッキ等により形成すると共に、各取付部１１ａ毎に電極層４０をレーザ加工により切断加工する。その後、工程Ｃにて、電極層４０の上から、各取付部１１ａの表面領域に対して導電性接着剤４１を塗布する。
The catheter ultrasonic transducer 10 according to the embodiment of the present invention is configured as described above, and is assembled as shown in FIG.
That is, in FIG. 6, first, in step A, the base portion 11 provided with the convex attachment portion 11a is finely processed with a liquid crystal polymer, and then in step B, the surface including each attachment portion 11a of the base portion 11 is processed. The electrode layer 40 to be the first electrode 13 is formed on the whole by, for example, electroless plating, and the electrode layer 40 is cut by laser processing for each attachment portion 11a. Thereafter, in Step C, a conductive adhesive 41 is applied from above the electrode layer 40 to the surface region of each attachment portion 11a.
他方、工程Ｄにて、ベース部１１の取付部１１ａを含む先端面に対応して形成された押し型４２に関して、その取付部１１ａに対応する凹部４２ａ上に前述した平坦な円板状の超音波素子３５を載置する。ここで、凹部４２ａは、取付部１１ａの表面形状に対応して半球面状に形成されており、その開口端部に段４２ｂを有している。この段４２ｂに超音波素子３５を載置する。
そして、工程Ｅにて、工程Ｃで導電性接着剤４１を塗布したベース部１１を上下逆転して、取付部１１ａを下向きにした状態で押し型４２に対向させて、各取付部１１ａを超音波素子３５を介して対応する凹部４２ａ内に押し込む。これにより、平坦な円板状の超音波素子３５は、それぞれ凹部４２ａ内にてベース部１１の対応する取付部１１ａにより押圧され、そのポリマーの可撓性に基づいて、取付部１１ａの表面形状に従って変形すると共に、前記導電性接着剤４１の接着力により取付部１１ａの表面に沿って密着する。
On the other hand, with respect to the pressing die 42 formed corresponding to the distal end surface including the mounting portion 11a of the base portion 11 in the process D, the above-described flat disk-shaped super The sonic element 35 is placed. Here, the concave portion 42a is formed in a hemispherical shape corresponding to the surface shape of the mounting portion 11a, and has a step 42b at the opening end thereof. The ultrasonic element 35 is placed on this stage 42b.
Then, in step E, the base portion 11 to which the conductive adhesive 41 is applied in step C is turned upside down so that the attachment portion 11a faces downward and faces the pressing die 42 so that each attachment portion 11a is superposed. It pushes into the corresponding recessed part 42a through the acoustic wave element 35. FIG. Thereby, the flat disk-shaped ultrasonic element 35 is pressed by the corresponding mounting portion 11a of the base portion 11 in the concave portion 42a, and the surface shape of the mounting portion 11a is based on the flexibility of the polymer. And adheres along the surface of the mounting portion 11a by the adhesive force of the conductive adhesive 41.
その後、工程Ｆにて、押し型４２からベース部１１を外すと、ベース部１１の各取付部１１ａの表面には、それぞれ超音波素子３５が押し型４２によって変形して密着され、導電性接着剤４１の接着力により固定保持され、超音波素子１２が取り付けられることになる。続いて、工程Ｇにて、ベース部１１の取付部１１ａを除いた領域にエポキシ樹脂４３が塗布され、硬化することにより絶縁層１５が形成される。
最後に工程Ｈにて、ベース部１１の取付部１１ａそして超音波素子１２を含む表面全体に亘って第二電極１４が形成される。このようにして超音波振動子１０が完成する。
Thereafter, in step F, when the base part 11 is removed from the pressing die 42, the ultrasonic elements 35 are deformed and brought into close contact with the surfaces of the mounting portions 11a of the base part 11 by the pressing die 42, and conductive bonding is performed. The ultrasonic element 12 is attached by being fixedly held by the adhesive force of the agent 41. Subsequently, in step G, the epoxy resin 43 is applied to the region excluding the mounting portion 11a of the base portion 11, and the insulating layer 15 is formed by curing.
Finally, in step H, the second electrode 14 is formed over the entire surface including the attachment portion 11 a of the base portion 11 and the ultrasonic element 12. In this way, the ultrasonic transducer 10 is completed.
このようにして組み立てられた超音波振動子１０によれば、ベース部１１の後端面が、例えばカテーテルの先端面に取り付けられることにより、超音波内視鏡が構成される。そして、超音波内視鏡が、例えば血管内に挿入されることによって、その先端に取り付けられた超音波振動子１０では、第一電極１３と第二電極１４の間に選択的に電圧の印加が行なわれることにより、選択された超音波素子１２のみが駆動されて、当該超音波素子１２から超音波が出射される。そして、血管内の狭窄部等による反射エコーが再び超音波素子１２に当たることにより超音波素子１２により受信され、外部に接続された検出装置等により受信信号が処理されて超音波画像が取得されることになる。 According to the ultrasonic transducer 10 assembled in this manner, an ultrasonic endoscope is configured by attaching the rear end surface of the base portion 11 to, for example, the distal end surface of the catheter. Then, when the ultrasonic endoscope is inserted into the blood vessel, for example, in the ultrasonic vibrator 10 attached to the tip of the ultrasonic endoscope, voltage is selectively applied between the first electrode 13 and the second electrode 14. As a result, only the selected ultrasonic element 12 is driven, and ultrasonic waves are emitted from the ultrasonic element 12. Then, the reflected echo from the stenosis in the blood vessel hits the ultrasonic element 12 again and is received by the ultrasonic element 12, and the received signal is processed by an externally connected detection device or the like to acquire an ultrasonic image. It will be.
この場合、各超音波素子１２は、ベース部１１の対応する取付部１１ａの凸状の形状に基づいて凸状に配置されていることから、より広い角度範囲で超音波を出射することになり、低指向性を備えることになる。例えば、図７（Ａ）に示す従来の平坦な超音波素子による音場シミュレーションと比較して、上述した本発明の実施形態に係る凸状の超音波素子１２による音場シミュレーションは、図７（Ｂ）に示すように、広い角度範囲で拡って超音波が出射することが確認された。 In this case, each ultrasonic element 12 is arranged in a convex shape based on the convex shape of the corresponding mounting portion 11a of the base portion 11, and thus emits ultrasonic waves in a wider angular range. , Will have low directivity. For example, compared with the sound field simulation by the conventional flat ultrasonic element shown in FIG. 7A, the sound field simulation by the convex ultrasonic element 12 according to the embodiment of the present invention described above is shown in FIG. As shown in B), it was confirmed that ultrasonic waves were emitted in a wide angle range.
そして、指向性については、超音波源として、ニードル形ＰＶＤＦ超音波センサー（駆動周波数１５ＭＨｚ）を使用して評価実験を行なった結果、図８（Ａ）に示す従来の平坦な超音波素子による相対強度０．５以上となる角度範囲が１３度であるのに対して、上述した本発明の実施形態に係る凸状の超音波素子１２による指向性は、図８（Ｂ）に示すように、同様に相対強度０．５以上となる角度範囲が２３度と、低指向性を有することが確認された。 And as for directivity, as a result of conducting an evaluation experiment using a needle-type PVDF ultrasonic sensor (driving frequency 15 MHz) as an ultrasonic source, the relativeity by the conventional flat ultrasonic element shown in FIG. While the angle range where the intensity is 0.5 or more is 13 degrees, the directivity by the convex ultrasonic element 12 according to the embodiment of the present invention described above is as shown in FIG. Similarly, it was confirmed that the angle range where the relative intensity is 0.5 or more has a low directivity of 23 degrees.
このようにして、本発明の実施形態によれば、ベース部１１の取付部１１ａを、例えばμｍレベルの微細加工技術を応用して微細加工することによって、サブｍｍサイズの微細な曲面の取付部１１ａを備えたベース部１１を高精度で微小に成形することができる。そして、このような高精度の取付部１１ａの表面に対して平坦に形成されると共に、ポリマーにより可撓性を備える１−３コンポジット構造の超音波素子１２を、押し型４２を使用して密着させることにより、高精度の曲率半径を有する超音波素子１２を配置することが可能である。 As described above, according to the embodiment of the present invention, the attachment portion 11a of the base portion 11 is finely processed by applying, for example, a micromachining technique of a μm level, so that the attachment portion having a fine curved surface of sub-mm size. The base part 11 provided with 11a can be minutely formed with high accuracy. The ultrasonic element 12 having a 1-3 composite structure that is formed flat with respect to the surface of the high-accuracy mounting portion 11a and is flexible by a polymer is adhered using the pressing die 42. By doing so, it is possible to arrange the ultrasonic element 12 having a highly accurate radius of curvature.
従って、ベース部１１の取付部１１ａを高精度に加工することにより超音波素子１２を高精度の曲率半径で整形することが可能となり、これにより超音波素子１２の超音波の指向性を制御することが可能になると共に、ベース部１１自体の微小化によって超音波振動子１０自体を微小に構成することが可能になる。従って、例えば血管内狭窄部の観察等のために、カテーテルの先端に装着して超音波内視鏡を構成するために適した超音波素子を構成することができる。 Therefore, it is possible to shape the ultrasonic element 12 with a highly accurate curvature radius by processing the mounting portion 11a of the base portion 11 with high accuracy, thereby controlling the directivity of ultrasonic waves of the ultrasonic element 12. In addition, the ultrasonic transducer 10 itself can be minutely configured by miniaturizing the base portion 11 itself. Therefore, for example, for observing an intravascular stenosis, an ultrasonic element suitable for constituting an ultrasonic endoscope by being attached to the distal end of a catheter can be configured.
上述した実施形態においては、ベース部１１の各取付部１１ａが凸状に形成されていることで、各超音波素子１２が対応する取付部１１ａの表面形状に従って凸状に形成され、広い角度範囲の指向性を備えるようになっているが、これに限らず、ベース部１１の成形型を製造する際に適宜の曲率半径を付与することによって、ベース部１１の各取付部１１ａは平坦にもまた凹状にも形成することができる。特に、図９に示すように、取付部１１ａが凹状に形成される場合には、各超音波素子１２も、取付部１１ａの表面形状に従って凹状に形成されることになり、比較的狭い指向性を備えることになる。従って、凹状の超音波素子１２を使用することによって、血管内狭窄部等のより正確な超音波画像を取得することが可能になる。
このように、取付部１１ａは、ベース部１１の先端面に対して突出したり、凹んだりした任意の形状に形作ることができが、その取付部１１の表面形状は、非球面形状に形成されてもよいことは勿論である。
In the embodiment described above, each mounting portion 11a of the base portion 11 is formed in a convex shape, so that each ultrasonic element 12 is formed in a convex shape according to the surface shape of the corresponding mounting portion 11a, and a wide angular range. However, the present invention is not limited to this, and by attaching an appropriate curvature radius when manufacturing the mold for the base portion 11, each mounting portion 11a of the base portion 11 can be flat. It can also be formed in a concave shape. In particular, as shown in FIG. 9, when the attachment portion 11a is formed in a concave shape, each ultrasonic element 12 is also formed in a concave shape in accordance with the surface shape of the attachment portion 11a, and has a relatively narrow directivity. Will be provided. Therefore, by using the concave ultrasonic element 12, it becomes possible to acquire a more accurate ultrasonic image of an intravascular stenosis or the like.
As described above, the attachment portion 11a can be formed into an arbitrary shape protruding or recessed with respect to the tip surface of the base portion 11, but the surface shape of the attachment portion 11 is formed to be an aspherical shape. Of course, it is also good.
また、上記の説明では、ベース部１１が円筒状に形成される場合を例示したが、図１０（Ａ）に示すようにベース部１１を円柱状に形成したり、図１０（Ｂ）に示すようにベース部１１を直方体，立方体などの角柱状に形成してもよい。また、取付部１１ａの配置は、上記説明ではベース部１１の先端面であったが、その位置に限らず、例えば、図１０（Ｃ）に示すように、ベース部１１の側面に取付部１１ａを配置してもよい。なお、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示すベース部１１においても、取付部１１が突出して或いは凹んで形成されてもよいこことは勿論である。 In the above description, the case where the base portion 11 is formed in a cylindrical shape is illustrated, but the base portion 11 may be formed in a columnar shape as shown in FIG. 10A, or as shown in FIG. Thus, the base portion 11 may be formed in a prismatic shape such as a rectangular parallelepiped or a cube. Moreover, although the arrangement | positioning of the attaching part 11a was the front end surface of the base part 11 in the said description, it is not restricted to the position, For example, as shown in FIG.10 (C), the attaching part 11a is shown in the side surface of the base part 11. May be arranged. Of course, in the base portion 11 shown in FIGS. 10A to 10C, the attachment portion 11 may be formed to protrude or be recessed.
１０ カテーテル用の超音波振動子
１１ ベース部
１１ａ 取付部
１２，３５ 超音波素子
１２ａ 圧電セラミックスアレイ
１２ｂ ポリマー
１３ 第一電極
１３ａ 切断線
１４ 第二電極
１５ 絶縁層
２０ カテーテル
３０ ＰＺＴ板
３１ 熱剥離シート
３２，３４ 溝
３３ エポキシ樹脂（ポリマー）
３４ 平坦な円板状の超音波素子
４０ 電極層
４１ 導電性接着剤
４２ 押し型
４２ａ 凹部
４３ エポキシ樹脂
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ultrasonic vibrator for catheter 11 Base part 11a Attachment part 12,35 Ultrasonic element 12a Piezoelectric ceramic array 12b Polymer 13 1st electrode 13a Cutting line 14 Second electrode 15 Insulating layer 20 Catheter 30 PZT board 31 Thermal release sheet 32 34 Groove 33 Epoxy resin (polymer)
34 Flat disk-shaped ultrasonic element 40 Electrode layer 41 Conductive adhesive 42 Push mold 42a Recess 43 Epoxy resin
Claims (13)
上記ベース部の先端面に備えられた各取付部の表面に対して、平坦に形成された１−３コンポジット構造の圧電セラミックスアレイから成る超音波素子を押し型により押し付けて密着させる第二の段階と、
上記各取付部の表面に密着された各超音波素子の表面に第二電極を形成する第三の段階と、
を含んでいることを特徴とする、超音波振動子の製造方法。 A first step of forming a first electrode on a tip surface of a cylindrical base portion provided with a mounting portion having a plurality of curvatures along an annular tip surface;
A second stage in which an ultrasonic element made of a piezoelectric ceramic array having a 1-3 composite structure formed flat is pressed against the surface of each mounting portion provided on the tip surface of the base portion by a pressing die. When,
A third step of forming a second electrode on the surface of each ultrasonic element in close contact with the surface of each mounting portion;
The manufacturing method of the ultrasonic transducer | vibrator characterized by the above-mentioned.
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