JPH08140984A

JPH08140984A - 超音波治療装置

Info

Publication number: JPH08140984A
Application number: JP7234350A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Izumi; 守泉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-19
Filing date: 1995-09-12
Publication date: 1996-06-04

Abstract

(57)【要約】【課題】破壊強度が高く且つ信頼性の高い超音波治療装
置を提供するである。【解決手段】アプリケータ１００は凹形圧電振動体１０
２を有する。この凹形圧電振動体１０２は、複数の等し
い面積の圧電振動板３からなる。この圧電振動板３は複
数の圧電振動子からなる。圧電振動子の横方向共振周波
数は厚さ方向共振周波数よりも高く設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強力超音波に基づ
く衝撃波により結石を破砕する結石破砕装置の如き超音
波治療装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】結石破砕装置の如き超音波治療装置は、
強力超音波をアプリケータから発生する。このアプリケ
ータのフレームに装着される圧電振動体（凹面振動体）
は、結石を破砕するために必要とするエネルギーを確保
するため、直径３００ｍｍ程度の口径を必要とし、また
放射超音波を集束するために、略球殻形状（凹面状）に
作製される。

【０００３】これだけ大きな形状の圧電振動体を、圧電
セラミックや単結晶を一体で製作することは困難なた
め、複数の圧電振動板を個々に作製し、その後、これら
圧電振動板を組合わせて、大きな形状の圧電振動体を構
成するようにしている。つまり、圧電振動板は、多数の
微小圧電振動子からなる。また略球殻形状（凹面状）振
動体は、複数の圧電振動板からなる。

【０００４】このような超音波治療装置において、焦点
における衝撃波エネルギーを大きくするためには、圧電
振動体への入力エネルギーを大きく投入することが必要
になる。ここで、圧電振動子のような容量負荷の投入エ
ネルギーは、負荷容量Ｃ、印加電圧ＶとしたときＣＶ²
／２で表され、印加電圧の２乗に比例する。したがっ
て、効率よく出力エネルギーを上げるためには、印加電
圧を高くする必要があることがわかる。

【０００５】しかしながら従来の超音波治療装置におい
ては、例えば５００Ｖ／ｍｍを越える高電圧パルスを印
加すると、圧電振動板ひいては圧電振動体に疲労破壊が
生じるため、繰り返し高電圧パルスを印加すると衝撃波
エネルギーが低下し、最悪の場合には衝撃波の発生が不
可能になるという問題があった。

【０００６】一方、従来の超音波治療装置においては、
駆動電圧であるパルス波形に関して次のような課題があ
る。すなわち、アプリケータの圧電振動体を構成する各
圧電振動板は、各圧電振動板の駆動回路夫々の電気的負
荷を同等にするためにほぼ等面積であることが望まし
い。複数の圧電振動板が装着されるアプリケータの中央
部には、位置合わせや観察のための超音波断層像を得る
ため、超音波診断装置の超音波プローブを挿入する穴を
設けている。圧電振動体の超音波放射面には、伝搬媒体
である水との音響的な整合と、耐水と、電気絶縁とを兼
ねた樹脂層が設けられている。

【０００７】電圧を、圧電振動体の圧電振動板の両面に
設けられた電極に印加することで、振動板は厚さ方向に
伸縮し、伝搬媒体に超音波を放射する。放射された大振
幅超音波は、水や人体を伝搬する過程で生ずる非線形現
象により図１７の（ａ）、（ｂ）に示すように、衝撃波
に変換される。図１７の（ａ）、（ｂ）に示すように、
振動体からはＡ点で観測したように正弦波形状の数波の
超音波パルスが放射される。超音波が焦点に向かって水
中を進行する過程で、振幅が増大し、波面が立ち上がり
Ｂ点の観測波形のように鋸状に変化してくる。焦点のＣ
点では先頭の波面だけが残り衝撃波が形成される。

【０００８】衝撃波は単発波形が望ましく、圧電振動板
から放射される超音波も単発波形が望ましい。また放射
超音波の音圧振幅を大きくするために圧電振動板の共振
周波数に合わせた駆動パルスで駆動される。

【０００９】上述したように、従来の超音波治療装置
は、破壊強度を上げるために高電圧パルスを印加すると
圧電振動板が疲労破壊し、ひいては衝撃波の発生ができ
なくなるという問題が生じた。また、結石粉砕装置など
への応用の観点からは、衝撃波エネルギーの大きいこと
が要求される。しかしながら駆動パルス電圧を上げるこ
とには限界があり効率的な衝撃波発生源の実現が望まれ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、破壊
強度が高く且つ信頼性の高い超音波治療装置を提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的は、次のような
超音波治療装置により達成される。すなわち、本発明
は、横方向共振周波数が厚さ方向共振周波数よりも高く
設定された複数の圧電振動子と、前記圧電振動子夫々に
駆動電圧を供給する駆動部とを具備する超音波治療装
置、である。この構成において、高調波成分の共振は基
本共振周波数より低周波側には存在しないことから、厚
さ方向の共振周波数よりも横方向の共振周波数の方が高
い圧電振動子を用い、厚さ方向の共振周波数周辺で横方
向の不要な振動の励起を防止することで、圧電振動子の
破壊強度を向上させることが可能となる。

【００１２】上記において、前記駆動部は、５００Ｖ／
ｍｍ以上の高電圧パルスを前記圧電振動子に印加する駆
動電源を具備することができる。この駆動電源により、
５００Ｖ／ｍｍを越える高電圧パルスを印加した場合で
あっても、複数の圧電振動子、圧電振動板ひいては圧電
振動体には疲労破壊が生じない。従って、繰り返し高電
圧パルスを印加しても、衝撃波エネルギーの低下は少な
いものとすることができる。

【００１３】また、前記複数の圧電振動子夫々は横方向
共振周波数が厚さ方向共振周波数の１．５倍以上とする
ことができ、これは圧電振動子、圧電振動板ひいては圧
電振動体の構成上好ましい。さらに前記複数の圧電振動
子は樹脂により結合された構成とすることができる。こ
の場合、複数の圧電振動子に共通電極を設け前記圧電振
動板とすれば、駆動回路との接続を圧電振動板の数だけ
行えば良くなるため、駆動回路からそれぞれの振動子に
電気的接続を行うという製造上極めて複雑な工程を簡略
化することが可能となる。また、前記圧電振動板複数に
より略球殻形状圧電振動体を構成することにより、略球
殻形状圧電振動体の焦点付近に超音波エネルギーを集中
させることが可能になり、超音波治療装置を構成する上
で実用的である。各圧電振動板の面積を等面積に分割す
ることにより、各圧電振動板を駆動する回路の電気的負
荷を同等とすることができ好ましい。複数の圧電振動板
の超音波放射面に音響整合層を配置することにより、超
音波の伝搬媒体である水への伝搬効率を良くすることが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１を参照して本発明の一実施形
態に係る超音波治療装置の概略を説明する。図１に示す
ように、本実施形態の超音波治療装置は、アプリケータ
１００と、治療装置本体１１０と、診断装置本体１２０
とから概略構成される。アプリケータ１００は、中央に
穴が開けられた凹状フレーム１０１の凹面側に、複数の
圧電振動板３が配置され、これら複数の圧電振動板３に
より凹状圧電振動体１０２を構成している。凹状圧電振
動体１０２の超音波放射面には、音響整合、耐水及び電
気絶縁のために樹脂層１０３が設けられている。凹状圧
電振動体１０２の口径は３００ｍｍ程度である。複数の
圧電振動板３夫々は、治療装置本体１１０に備わった駆
動電源により夫々駆動電圧が供給される。凹状フレーム
１０１の穴には、超音波プローブ１０４を先端に取付け
た超音波ブロープロッド１０５が上下可能に設けられて
いる。超音波ブロープロッド１０５の超音波プローブ１
０４は、診断装置本体１２０に接続されている。凹状圧
電振動体１０２には、袋１０６が取付けられている。袋
１０６内には水１０７が収容されている。

【００１５】このような構成で、治療装置本体１１０に
備わった駆動電源により駆動電圧が複数の圧電振動板３
夫々に供給されると、焦点１０８に衝撃波が発生する。
また、超音波プローブ１０４を診断装置本体１２０によ
り電子走査することにより、焦点１０８の周囲の断層像
を得ることができる。

【００１６】図２及び図３を参照して本発明の超音波治
療装置の凹状圧電振動体１０２の一例を具体的に説明す
る。すなわち、凹状圧電振動体１０２を上方から見た図
２の（ａ）及びその正面から見た図２の（ｂ）、並びに
図３に示すように、圧電振動板３は、対向する電極２
（図では共通電極）と圧電体１からなる圧電振動子を間
隙４を設けて複数個配置してなる。この圧電振動板３を
複数枚組合せ、略球殻状になるように配置し凹状圧電振
動体１０２を構成している。圧電振動板３の各圧電振動
子に電気パルスを印加することにより発せられる超音波
は集束され、その焦点付近で変換される衝撃波は結石を
破砕することができる。

【００１７】ここで、圧電振動体１０２を構成する複数
の圧電振動板３及び圧電振動板３を構成する複数の圧電
振動子の横方向すなわち前記略球殻の接線方向の共振周
波数は、圧電振動子の厚さ方向すなわち前記略球殻の法
線方向の共振周波数よりも高く設定されている。

【００１８】また、圧電振動子の（横方向の共振周波数
／厚さ方向の共振周波数）の値を大きくするためには、
圧電振動子の（厚さ方向の寸法／横方向の寸法）の値を
大きくすることで可能になる。

【００１９】本発明における圧電振動子としては、圧電
体１と、その厚さ方向に形成された一対の電極２からな
る。

【００２０】前記圧電体に用いる圧電材料としては、電
気機械結合係数が大きく誘電率の大きな材料が望まれ
る。たとえばＰＺＴ系圧電セラミックや亜鉛ニオブ酸鉛
−チタン酸鉛の固溶系単結晶などの単結晶を用いること
ができる。

【００２１】また、圧電体の形状は、前述したように
（横方向の共振周波数／厚さ方向の共振周波数）に影響
する。すなわち、一般に共振周波数は圧電体の厚さに反
比例するため、（横方向の共振周波数／厚さ方向の共振
周波数）の値が１を越えるためには、（厚さ方向の寸法
／横方向の寸法）の値が１を越えるようにする必要があ
る。具体的には、例えば圧電体１の形状が円柱状である
場合には、（円柱の高さ／底面の直径）が１．５を越え
るものを、また圧電体１の形状が四角柱の場合（四角柱
の高さ／底面の長い辺）の値が１．５を越えるものを用
いることが望ましい。

【００２２】前記圧電振動子の製造法は、例えば適当な
サイズの圧電体１の対向する面に焼き付け銀、ニッケル
鍍金、あるいは所望の金属を蒸着法やスパッタ法などを
用い、電極面としての導電性薄膜を形成した後、電極面
に垂直な方向に分離し円柱、多角柱状に形成すれば良
い。

【００２３】このようにして得られる複数の振動子を略
球殻形状に敷き詰めることで本発明の超音波治療装置の
圧電振動体１０２、圧電振動板３及び圧電振動子が形成
され、前記振動子に同時に電圧を印加することで超音波
エネルギーを焦点付近に集中させることが可能になる。

【００２４】ここで、前記複数の振動子をグルーピング
し、複数の振動子群からなる圧電振動板３によって略球
殻形状にすることが実用的である。すなわち、複数の圧
電振動子に共通電極を設け前記圧電振動板とすれば、駆
動回路との接続を圧電振動板の数だけ行えば良くなるた
め、駆動回路からそれぞれの振動子に電気的接続を行う
という製造上極めて複雑な工程を簡略化することが可能
となる。

【００２５】前記圧電振動板３の形成方法としては、例
えば、共通電極２となる厚さ５０μｍ程度で所望の形状
の金属板に複数の前記圧電振動子を敷き詰め、両者間を
圧電振動子の電極２と共通電極２を導電性接着剤やはん
だなどで導通接合したり、また、敷き詰めた圧電振動子
間を樹脂で充填した後、隣合う電極同士の導通をとるた
めに導電性樹脂を全面に塗布することで形成できる。

【００２６】当然のことながら圧電体を敷き詰め、圧電
体間に樹脂を充填した後、圧電体に共通電極を形成して
も良い。

【００２７】また、図２の（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、略球殻形状の圧電振動体１０２の口径ｘは、一般に
３００ｍｍ程度必要なため、これを一枚の圧電振動板に
するとその静電容量（数百ｎＦ）は極めて大きくなる。
このような大容量の圧電振動板に高電圧（数ｋＶ）で高
周波（５００ｋＨｚ）のパルス電圧を印加する駆動回路
を実現することは非常に困難なため、静電容量を十数ｎ
Ｆ以下に抑えることが望まれる。圧電材料の誘電率と振
動板の厚さが決まれば、振動板の面積制限が決まり、こ
のような圧電振動板を組み合わせて略球殻形状を形成
し、各圧電振動板にそれぞれ駆動回路を接続することが
望ましい。また、駆動回路の電気的負荷を同等とするた
めに、各圧電振動板３の面積を等面積に分割することが
望ましい。

【００２８】さらに、前記略球殻形状の圧電振動体１０
２の中央部には、超音波イメージングのための超音波プ
ローブを取り付ける穴を設けることもできる。この場
合、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、前記穴の径ｙ
は、超音波治療装置から得られる衝撃波パワーに影響す
るため、極力小さくすることが望ましいが、現状のプロ
ーブの大きさから前記穴の直径ｙは１００ｍｍ程度とな
る。

【００２９】また、前記略球殻形状の圧電振動体１０２
の口径ｘは、１５０ｍｍ以上、６００ｍｍ以下であるこ
とが望ましい。その口径ｘが１５０ｍｍ以下であると、
前述したように圧電振動体１０２から得られる衝撃波パ
ワーを結石などを破壊できる程度まで十分に上げること
ができず、６００ｍｍ以上の場合、圧電振動体１０２及
びアプリケータ１００の重量が増し、操作性が悪くな
り、また圧電振動子数が増加するため駆動電源の数が多
くなりシステム規模が大きくなるという問題が生じる。

【００３０】また、前記略球殻形状の超音波治療装置の
超音波放射面には超音波の伝搬媒体である水への伝搬効
率を良くするために音響整合層が設けられる。この音響
整合層は球殻形状に振動子を配列した後、一体に形成し
ても良いが、分割配置する振動板３毎に個々に形成して
も良い。

【００３１】本発明の超音波治療装置の圧電振動体１０
２は、パルス電圧を従来よりも高く印加でき、放射超音
波のパワーを大きく向上できる。共通電極として振動板
全面に塗布した導電性樹脂の面上に音響整合層を接着し
た超音波治療装置に従来よりも高いパルス電圧の印加を
繰り返すと疲労破壊的に振動板から音響整合層が剥離
し、衝撃波エネルギーが低下し、最悪の場合には衝撃波
の発生が不可能になる。剥離原因は、導電性樹脂の強度
不足で、振動板中央部において接着強度を補強するため
に、音響整合層を接着する接着剤を振動子の間隙に充填
した樹脂の一部に直接接合させることが効果的で、各振
動子の間の導通を妨げない範囲で間隙に充填した樹脂部
には共通電極を形成しないことが望ましい。

【００３２】以上のように圧電振動子は、電気パルスを
印加して厚さ方向に振動させて超音波パルスを発生させ
るが、横方向にも振動する。厚さ方向の振動も横方向の
振動もその形状に応じた共振周波数が存在する。また、
従来の超音波治療装置に用いる圧電振動子は、厚さ方向
の共振周波数よりも横方向の共振周波数の方が低いもの
を用いている。

【００３３】本発明者らは次のことを確認した。すなわ
ち、超音波治療装置では駆動パルスは連続波でないため
に比較的広い周波数帯域を有する。このため、圧電振動
子に厚さ方向の振動を励起させるためのパルスを用いて
も、横方向の共振モードの高調波成分の振動も励起して
しまう。従って、高電圧を印加したときは、厚さ方向の
振動と、横方向の振動との複合効果により、圧電素子が
疲労破壊により割れることを確認した。

【００３４】本発明では、高調波成分の共振は基本共振
周波数より低周波側には存在しないことから、厚さ方向
の共振周波数よりも横方向の共振周波数の方が高い圧電
振動子を用い、厚さ方向の共振周波数周辺で横方向の不
要な振動の励起を防止することで圧電振動子の破壊強度
を向上させることが可能となる。

【００３５】以下、具体例を説明する。すなわち、ま
ず、模擬的な圧電振動板を作製し、その特性評価を行っ
た。図４は、この圧電振動板の作製方法を説明する概略
斜視図である。先ず、高電圧パルス印加時の破壊評価を
行うために直径３０ｍｍ、厚さ３．２ｍｍのセラミック
圧電材料（東芝セラミックス社製Ｔ−９６）を用意し
た。なお、このセラミック材料の３．２ｍｍ厚、底面２
×２ｍｍ²での厚さ方向の基本共振周波数は約５００ｋ
Ｈｚである。このセラミック圧電材料の対向する面のそ
れぞれに膜厚５μｍの焼き付け銀からなる電極２を形成
した後、電極２に垂直な方向に厚さ０．４ｍｍのダイヤ
モンドブレードで２．４ｍｍピッチで縦横に切断し、底
面２×２ｍｍ²の圧電体１からなる圧電振動子を２．４
ｍｍピッチで配列した状態とした。次にこの配列状態の
まま振動子間隙４にエポキシ樹脂を充填し、図４に示す
ような圧電振動子群を得た。さらに切断された電極２の
導通をとるために電極が形成された面全面に導電性樹脂
層を塗布し、圧電振動板を形成した。

【００３６】得られた圧電振動板の共振特性を、計測器
（ヒューレットパッカード社製４１９５Ａ）を用いて測
定した結果を図５に示す。図５は振動板のインピーダン
スの周波数特性を示し、樹脂で連結された直径３０ｍｍ
の横方向の共振が４０ｋＨｚ付近に現れたがレベルは小
さく、底面２×２ｍｍ²の圧電振動子の横方向の共振は
８００ｋＨｚであり、厚さ方向の基本共振周波数である
５００ｋＨｚ近傍では横方向の共振が観測されていない
ことが判る。

【００３７】この圧電振動板に、５００ｋＨｚのパルス
電圧を７ｋＶｐｐまで印加したところ（３．２ｋＶｐｐ
で５００Ｖ／ｍｍ）、放射される超音波パルスの振幅は
電圧に比例して大きくなり、６ｋＶｐｐのパルス電圧を
５百万回印加しても放射超音波の振幅に変動は見られ
ず、放射超音波のパワーアップが達成できた。

【００３８】次に圧電振動板の第２の作製例を述べる。
前述の作製例では圧電振動子は厚さ方向に完全に切断分
離したが、厚さに対して７０％以上の深さの溝を形成
し、一面は分離しない状態に加工した。この溝にエポキ
シ樹脂を充填し、共通電極を形成した振動子も図５に示
すように横方向の共振は大きく軽減でき、前述と同様の
パワーアップ効果が得られた。この作製方法だと共通電
極の形成は一面で済むなど製造工程が簡略できた。

【００３９】超音波治療装置は超音波の伝搬媒体である
水中に超音波を放射するため、圧電振動板の超音波放射
面に音響整合層を設け、放射効率を高めている。作製し
た直径３０ｍｍの圧電振動板の共通電極上に音響整合と
して２層のエポキシ樹脂（第１層スタイキャスト２８５
０ＦＴを１．５ｍｍ厚、第２層エポテック３０１−２を
１．２ｍｍ厚）をエポキシ接着剤で接着した。この素子
にパルス電圧を印加して出力特性を評価したところ、同
電圧のパルスを印加したとき、放射超音波の音圧は音響
整合層形成前よりも１．５倍程度増加した。しかし、６
ｋＶｐｐのパルスを１万回印加すると、振動板の中央部
において音響整合層が剥離し、放射超音波の音圧が大き
く減少した。素子の中央部において共通電極として設け
た導電性樹脂層の厚さを２分して剥がれており、導電性
樹脂の強度不足が原因であった。そこで、図８の
（ａ），（ｂ）に示すように、音響整合層６を接合する
面側の共通電極２は圧電振動板３の全面に塗布せずに、
振動子１の間隙に充填した樹脂４の一部を露出させ、音
響整合層６を接着する接着剤７と直接接合させた。図８
の（ａ）は振動板３に音響整合層６を接着した縦断面図
で、図８の（ｂ）及び図９は図８の（ａ）の振動板３に
塗布した共通電極パターンの一例を示す。共通電極は分
割された圧電振動子の電極同士が接続されれば良いた
め、図９のように充填樹脂４の露出領域を大きくした方
が接合強度はより強くなり、望ましい。どちらの共通電
極パターンとも音響整合層を接着した振動板に、６ｋＶ
ｐｐのパルスを５百万回印加しても放射超音波の振幅に
変動は見られなくなった。

【００４０】次に前述の圧電セラミックと同質のセラミ
ックを用い、図１又は図２に示すような超音波治療装置
を作製した。また、このときの圧電振動板は、口径３３
０ｍｍ、穴の径１１０ｍｍで曲率２６０ｍｍの球殻形状
のものを１６分割したものを用いた。

【００４１】圧電振動子は、前述の圧電振動子と同様に
して作製した。まず球殻を１６分割した振動板に相当す
る平板の圧電セラミックを縦横に切断分離し、切断溝に
樹脂を充填し、共通電極を設けて本発明の振動板を得
る。超音波放射面側の共通電極は図８に示したように中
央部において充填樹脂部の一部が露出するようにした
（露出部８）。次にこの振動板を充填した樹脂のガラス
転移点を越える温度に加熱し、所定の曲率（２６０ｍ
ｍ）の型に押し付け室温まで冷却して曲面形状とし、球
殻を１６分割した振動板を得た。次にあらかじめ接合面
と一致する形状に曲率を持って形成した音響整合層（第
１層スタイキャスト２８５０ＦＴを１．５ｍｍ厚、第２
層エポテック３０１−２を１．２ｍｍ厚）を振動板に接
着した。同様の方法で得た１６枚の振動板を敷き詰め球
殻形状とした。各振動子間の隙間はエポキシ系樹脂を充
填し、球殻形状となった音響整合層全面に耐湿膜として
テフロン系コーティング剤を５０μｍ厚で形成した。

【００４２】このとき各振動板の電極からはパルス電圧
印加のためのリード線を引き出し、各々駆動電源に接続
した。

【００４３】このようにして製造された超音波治療装置
を、水中に設置し、それぞれの圧電振動板に７ｋＶｐｐ
までパルス電圧を印加したところ、焦点における衝撃波
音圧は電圧に比例して大きくなり、衝撃波のパワーアッ
プが達成でき、また、６ｋＶｐｐのパルス電圧を５百万
回印加しても衝撃波音圧に変動は見られなかった。

【００４４】次に超音波治療装置の第２の作製例を述べ
る。前述の作製例では集束効率を良くするために振動板
を曲面加工したが、平板形状の振動板を組み合わせて略
球殻形状とすることも可能であった。前述した圧電振動
子を完全に分離しないように作製した振動板に音響整合
層を接着し、略球殻形状に配列した。焦点での集束効率
が悪くなり、焦点における衝撃波の最大音圧は低下した
が、振動板作製の工程が簡略化できた。平板状振動板の
面積を小さくし、多数配設することで、集束効率は改善
でき、共振周波数２５０ｋＨｚの平板状振動板を６０個
配設して、図１等の示す球殻形状の圧電振動体を作製し
た。この圧電振動体によっても先の圧電振動体と同等の
衝撃波を発生できた。

【００４５】以下に比較例を示す。

【００４６】圧電振動子の高電圧パルス印加時の破壊評
価を行うために、直径３０ｍｍ、厚さ４ｍｍで実施形態
と同一材料であるセラミック圧電材料を用意した（前記
セラミック材料の厚さ４ｍｍ、底面の直径３０ｍｍでの
基本共振周波数は５００ｋＨｚである）。このセラミッ
ク圧電材料の対向する面のそれぞれに膜厚５μｍの焼き
付け銀を電極として形成し圧電振動子を得た。

【００４７】このときの共振特性を図６に示す。図６か
ら、この振動子の横方向の基本共振周波数が７０ｋＨｚ
付近にあることが判り、さらにその高調波共振が多数現
れ、厚さ方向の基本共振周波数である５００ｋＨｚ付近
においても横方向の共振の影響で多くのスプリアスを生
じていることが判る。

【００４８】さらに圧電振動子に５ｋＶｐｐ（６２５Ｖ
／ｍｍ）のパルスを５万発印加した後の圧電振動子を図
７に示す。図７に示されるように、圧電振動子３にクラ
ック２００が生じた。振動子が厚さ方向にしか振動して
いないとすると、内部応力は振動子を厚さ方向に２分す
るように働くが、図７から内部応力が径方向にも生じて
いることが判る。

【００４９】以上のことから、比較例の圧電振動子は厚
み方向以外に径方向にも振動しており、厚み方向と横方
向の相乗効果によって割れが生じたと類推される。

【００５０】上述したように、本実施形態によれば、破
壊強度が高く、信頼性の高い超音波治療装置を提供する
ことが可能となる。

【００５１】一方、本発明の別の特徴は、圧電振動板及
び圧電振動子に、最初のマイナス振幅のパルス幅
（Ｔ₁）が、圧電振動板及び圧電振動子の共振周波数に
対応するパルス幅（Ｔ₀）よりも長く設定している点で
ある。

【００５２】本発明者らは、パルス電圧の印加方法、す
なわちパルス幅を抑制することで、同じ印加電圧でも衝
撃波エネルギーを高くすることができることを見出し
た。

【００５３】以下、詳細に説明する。すなわち、図１０
の（ａ），（ｂ）に駆動パルス波形と放射される超音波
波形の一例を示す。衝撃波の測定は計測用のハイドロホ
ンを破壊する恐れがあるために、振動板は直径３０ｍｍ
の平板小型試験素子を用い、放射超音波をＩＭＯＴＥＣ
社のニードルタイプのハイドロホンで測定した。振幅が
小さいため衝撃波にはなっていないが、大面積振動板か
ら放射された表面近傍の超音波波形と等価である。振動
パルスは正弦波１周期が望ましいが、図１０の（ａ），
（ｂ）にも示したように現実的には困難であり、後半の
正振幅以降に波形のみだれが生じる。また図１０の
（ａ），（ｂ）に示したように放射された超音波パルス
波形の振幅の中で衝撃波に変換される振幅は最初の正振
幅波形だけである。また、超音波パルスの最初の正振幅
波形に関与する駆動波形成分は最初の負振幅から正振幅
の１波長だけである。

【００５４】結石の破砕力は衝撃波のエネルギーに比例
する。衝撃波エネルギーは時間軸及び空間軸で振幅を積
分した値となる。衝撃波の空間分布は集束手段に依存す
るため、駆動波形に依存する衝撃波は図１０の（ｂ）に
示す時間軸波形である。図１０の（ｂ）の衝撃波波形の
最大振幅が大きいほど、ゼロクロスのパルス幅が長いほ
ど衝撃波エネルギーが大きいことになる。従って、振動
板から放射される超音波パルスの最初の正振幅の振幅ｐ
とパルス幅Ｔ₂を大きくすることが望ましい。一般的に
圧電振動板はその共振周波数で駆動される。すなわちパ
ルス印加電圧のパルス幅は共振周波数に対応したもので
あった。しかしながら本発明者の研究によれば、負振幅
のパルス電圧から正振幅のパルス電圧へと移行する単発
波形で駆動する場合には、共振周波数よりも低目の周波
数で駆動した方が衝撃波エネルギーへの変換効率が高く
なることが見出された。数ｋＶオーダーの単発パルス電
圧の実現は困難であり、現実には最初の負振幅の電圧以
降は波形に乱れを生じる。しかしながらこの最初の負振
幅の幅（Ｔ₁）とパルス電圧の周波数とはほぼ等価と考
えられる。ここで共振周波数より低い周波数の電圧を印
加して駆動、すなわち、Ｔ₁＞Ｔ₀とすることで、圧電
振動数から生じる超音波音圧の上昇が確認されたもので
ある。

【００５５】Ｔ₁をＴ₀より大きくすることで、上述し
た効果はあらわれるが、１．１×Ｔ₀以上とすることで
顕著となる。またあまりＴ₁を大きくしすぎると共振周
波数からのスレが大きく発振効率は落ちるため、１．４
×Ｔ₀以下程度とすることが好ましい。より好ましくは
１．２×Ｔ₀〜１．３×Ｔ₀の範囲である。

【００５６】なお、駆動パルスは通常コンデンサに蓄え
た電荷を放出するＬＣ共振回路により印加されるが、こ
のＬなどの値を適宜設定することでＴ₁は容易に変える
ことができる。

【００５７】以下に本発明の具体例を説明する。すなわ
ち、衝撃波発生の最適駆動条件を調査するためにφ３０
ｍｍ、５００ｋＨｚの圧電セラミックの超音波放射面に
音響マッチング層を形成した振動子を用意した。駆動回
路（駆動電源）の等価回路は図１１のように表される。
この駆動回路は、図１においては治療装置本体１１０に
装備されている。駆動回路は、直流電源ＶＨ，抵抗Ｒ，
インダクタンスＬｐ，Ｌｓ、高耐圧スイッチング素子Ｓ
Ｗからなる。

【００５８】この駆動回路において、振動子に直並列に
接続されたインダクタンスＬｐ，Ｌｓの値を調整するこ
とによって振動パルスのパルス幅を制御した。圧電セラ
ミックスとして東芝セラミックス（株）製のＴ−９６材
を用いた結果を図１２に示す。白丸がＴ₁とｐの関係
で、黒丸はＴ₂とｐの関係である。振動子単体の共振周
波数は５１５ｋＨｚであり、この値から換算されるパル
ス幅Ｔ0 は０．９７μsec になる。駆動パルスの最初の
負振幅のパルス幅Ｔ₁を０．８〜１．７μsec まで変化
させたところ、放射超音波波形の最初の正圧振幅ｐが最
大となったＴ₁値は１．２５sec となった。一方放射超
音波のパルス幅Ｔ₂はＴ₁に比例する傾向を示したが、
変動幅は小さく、駆動パルス幅Ｔ₁を相当変化させても
放射超音波のパルス幅Ｔ₂は振動し、この共振周波数近
傍の値にとどまった。図１２より最適な駆動パルス幅Ｔ
₁は１．３μsec となり、音圧が最大となった。これは
振動子の共振周波数から換算されるパルス幅Ｔ₀の１．
３４倍である。このときの放射超音波のパルス幅Ｔ₂は
１μsec とほぼＴ₀と同等であった。

【００５９】実際にこの駆動条件で衝撃波発生装置を作
成し、衝撃波を発生させてみた。

【００６０】曲率半径２６０ｍｍの球殻形状で内径１１
０ｍｍの穴を有し、外形３３０ｍｍの底の抜けたおわん
状に複数の圧電振動子を配置した。各圧電振動子は、ほ
ぼ等面積になるように２４等分した形状に作製し、上述
の形状に並べた。各圧電振動子の共振周波数は５００ｋ
Ｈｚになるように厚さを調整した。圧電振動子の超音波
放射面には音響マッチング層を形成し、中央の穴には結
石観察のための超音波プローブを取付け、蛇腹を有する
水袋におさめた。この衝撃波発生装置にＴ₁＝１．３μ
sec の駆動パルスを与えた。

【００６１】比較のため同一装置を用い、Ｔ₁＝１．０
μsec で駆動した。

【００６２】Ｔ₁＝１．３μsec の均合の衝撃波エネル
ギーは、Ｔ₁＝１．０μsec の均合に比べ約２０％大き
い値が得られた。

【００６３】衝撃波の発生に用いられる圧電セラミック
材料としては電気機械エネルギーの変換効率を表す電気
機械結合係数ｋｔが大きく、大きな電気エネルギーを投
入できる比誘導率の高い材料が望まれる。

【００６４】上述したＴ−９６材のカタログ値はｋｔ−
５１％で比誘電率＝２０００であるが、φ３０ｍｍの振
動子で実測したところｋｔ＝４５％、比誘電率＝１８０
０であった。ｋｔが同程度で比誘電率の異なる材料はい
くつか存在するため、別な圧電セラミック材料について
も駆動パルス幅依存性を調べた。選択した圧電材料は東
芝セラミックス（株）のＴ−４３材、Ｔ９９材、（株）
富士セラミックスのＣ−７材で、それぞれのｋｔ、比誘
電率のカタログ値と実測値を表１にまとめる。（）内
の数値が実測値である。

【００６５】それぞれの振動子のパルス幅依存性の結果
を図１３〜図１５に示す。各振動子単体の共振周波数は
５１５〜５２０ｋＨｚであり、この値から換算されるパ
ルス幅Ｔ₀は０．９６〜０．９７μsec になる。衝撃波
エネルギーを最大とする最適駆動パルス幅Ｔ₁を図から
読み取ると表２のようになる。

【００６６】

【表１】

【００６７】

【表２】

【００６８】図１６には各振動子に最適駆動条件で同電
圧を印加したときに放射された超音波パルスの最初の正
圧ピークｐ値の比誘電率依存特性を示す。Ｔ−９６材の
ｐ値を規準に各圧電材料の実測した比誘電率でプロット
した。衝撃波のピーク音圧は比誘電率の大きな圧電材料
ほど大きくなる傾向にあった。しかしながら、放射超音
波の振幅は駆動電圧に比例するため、比誘電率が大きい
ほど最適な材料とは言えない。圧電材料の機械強度や絶
縁強度によっても印加電圧は制限され、駆動回路側にも
出力電圧の制限があり、総合的に最適な圧電材料を選択
することが好ましい。

【００６９】また、図４に示すような横方向の共振周波
数が厚み方向の共振周波数よりも高い柱形状の圧電振動
子を多数配列して一体とした圧電振動板についても、駆
動パルスのパルス幅依存性も調べた。圧電振動板をこの
ような構造にすると、圧電振動板に高電圧の駆動パルス
を繰り返し印加することで生ずる圧電振動板の疲労破壊
の耐久性を、向上させることができる。

【００７０】厚さ２．８ｍｍ、φ３０ｍｍのＴ−９６材
からなる圧電セラミックを、ダイヤモンドカッターで２
ｍｍピッチで縦横に切断し、１．７ｍｍ角程度の圧電素
子群に分割する。次に切断した溝にエポキシ樹脂を充填
して一体化した振動板の上下面に導電性接着剤を塗布
し、圧電素子上下面の電極を共通に接続した。この振動
子の共振周波数は５３５ｋＨｚであった。これに超音波
放射面に音響マッチング層を設けた振動子の駆動パルス
幅依存性を調べた。その結果、最適な駆動パルス幅Ｔ₁
は１．１μsec となり、圧電セラミックス振動子と同様
に素子単体の共振周波数から換算されるパルス幅Ｔ
₀（０．９３μsec ）に対して１．１８倍となった。放
射超音波のパルス幅Ｔ₂は０．９μsec で、Ｔ₁／Ｔ₂
は１．２２と圧電セラミックと同様の効果となった。

【００７１】また、圧電振動子の共振周波数についても
調べ、２００ｋＨｚ程度まで変化させたが、５００ｋＨ
ｚと同様に素子単体の共振周波数から換算されるパルス
幅に対して駆動パルス幅（負パルスＴ₁）は１．２倍程
度が最適であった。

【００７２】衝撃波発生装置としては例えば図１に示し
たような構成を採る。上述の実施形態では超音波パルス
での評価を行っているが、超音波パルスの特性が衝撃波
特性に対応することはいうまでもない。

【００７３】以上のように本実施例によれば圧電振動板
の駆動パルスの最初のマイナス振幅のパルス幅を、圧電
振動板の共振周波数担当のパルス幅よりも長く設定する
ことにより、放射される超音波の最初の正パルス振幅を
大きくすることができる。従って、この超音波より変換
される衝撃波エネルギーを大きくすることができる。な
お、この効果は図３に示すような複数の振動子が樹脂に
より結合された場合でも同様に得られる。

【００７４】

【発明の効果】以上のように本発明では、高調波成分の
共振は基本共振周波数より低周波側には存在しないこと
から、厚さ方向の共振周波数よりも横方向の共振周波数
の方が高い圧電振動子を用い、厚さ方向の共振周波数周
辺で横方向の不要な振動の励起を防止することで圧電振
動子の破壊強度を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波治療装置の概略図。

【図２】本発明に係る超音波治療装置の圧電振動体の一
例を示す上面図及び断面図。

【図３】図２の部分拡大図。

【図４】本発明の圧電振動板の第１例の概略斜視図。

【図５】本発明に係わる圧電振動板の共振特性を示す
図。

【図６】従来の圧電振動子の共振特性を示す図。

【図７】従来の圧電振動子に生じるクラックを示した
図。

【図８】本発明の圧電振動板の第２例の断面図及び平面
図。

【図９】本発明の圧電振動板の第３例の平面図。

【図１０】本発明における駆動パルスと超音波波形とを
示す図。

【図１１】圧電振動板（圧電振動子）及び駆動電源の等
価回路図。

【図１２】相対音圧とパルス幅との関係を示す図。

【図１３】相対音圧とパルス幅との関係を示す図。

【図１４】相対音圧とパルス幅との関係を示す図。

【図１５】相対音圧とパルス幅との関係を示す図。

【図１６】相対音圧と比誘電率との関係を示す図。

【図１７】超音波が衝撃波へ変換されることを説明する
概念図。

【符号の説明】

１…圧電体、２…電極、３…圧電振動板、４…間隙又は
樹脂、１００…アプリケータ、１０１…凹状フレーム、
１０２…凹状圧電振動体、１０３…樹脂層、１０４…超
音波プローブ、１０５…超音波ブロープロッド、１０６
…袋、１１０…治療装置本体、１２０…診断装置本体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】横方向共振周波数が厚さ方向共振周波数よ
りも高く設定された複数の圧電振動子と、前記圧電振動子夫々に駆動電圧を供給する駆動部とを具
備する超音波治療装置。
【請求項２】前記駆動部は、５００Ｖ／ｍｍ以上の高電
圧パルスを前記圧電振動子に印加する駆動電源を具備す
る請求項１に記載の超音波治療装置。
【請求項３】前記複数の圧電振動子夫々は、横方向共振
周波数が厚さ方向共振周波数の１．５倍以上である請求
項１に記載の超音波治療装置。
【請求項４】前記複数の圧電振動子は樹脂により結合さ
れてなる圧電振動板を構成する請求項１に記載の超音波
治療装置。
【請求項５】前記圧電振動体は、複数の圧電振動板から
なり、これら複数の圧電振動板の超音波放射面には音響
整合層が配置される請求項４に記載の超音波治療装置。
【請求項６】前記圧電振動板は、複数の微小振動子から
なり、これら微小振動子の間隙には樹脂が充填され、前
記圧電振動板の中央部では、前記超音波放射面に前記音
響整合層を接着する接着剤と前記樹脂の一部とは直接に
結合した請求項４に記載の超音波治療装置。