CN106687226A - 超声波振子和超声波处置器具 - Google Patents

超声波振子和超声波处置器具 Download PDF

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Abstract

本发明提供能够一边保持驱动力一边调整共振频率的超声波振子和超声波处置器具。超声波振子(1)的特征在于，具有：两个金属块(2)；驱动单元(3)，其配置于金属块(2)之间，由于交变电压的施加而产生压电效应从而进行振动；以及至少一个调整单元(4)，其以绝缘状态配置于金属块(2)和驱动单元(3)之间，杨氏模量发生变化。

Description

超声波振子和超声波处置器具
技术领域
本发明涉及激励超声波的超声波振子和超声波处置器具。
背景技术
以往利用压电效应进行驱动的压电元件用于超声波振子等的各种用途。这样的压电元件会因尺寸的细微的偏差等而使共振频率发生变化，因而为了能够获得期望的值需要进行调整。
例如，公开了如下技术：具有在存在于压电元件的驱动方向上的整个平面上施加电压的驱动电极，通过电切断驱动电极中的一部分的调整用电极来调整共振频率(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-254683号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献1的技术中，虽然能够调整共振频率，但由于压电元件所驱动的区域也随着该调整而发生变化，因此驱动用压电元件的输出发生变化。即，有可能无法获得期望的输出。
在本发明的实施方式中，提供能够一边保持驱动力一边调整共振频率的超声波振子和超声波处置器具。
用于解决课题的手段
本发明的某个方式的超声波振子的特征在于，具有：两个金属块；驱动单元，其配置于所述金属块之间，由于交变电压的施加而产生压电效应从而进行振动；以及至少一个调整单元，其以绝缘状态配置于所述金属块和所述驱动单元之间，杨氏模量发生变化。
本发明的某个方式的超声波处置器具的特征在于，具有：所述超声波振子；以及前端部，由所述超声波振子产生的超声波振动传递至该前端部而对活体组织进行处置。
发明效果
根据本发明的实施方式，能够提供能够一边保持驱动力一边调整共振频率的超声波振子和超声波处置器具。
附图说明
图1示出本实施方式的超声波振子的立体图。
图2示出本实施方式的设计值下的超声波振子的概略图。
图3示出本实施方式的设计值下的超声波振子的一个周期。
图4示出本实施方式的比设计值长的超声波振子的概略图。
图5示出本实施方式的比设计值长的超声波振子的一个周期。
图6示出本实施方式的比设计值长的超声波振子的控制后的概略图。
图7示出本实施方式的比设计值长的超声波振子的控制后的一个周期。
图8示出本实施方式的比设计值短的超声波振子的概略图。
图9示出本实施方式的比设计值短的超声波振子的一个周期。
图10示出本实施方式的比设计值短的超声波振子的控制后的概略图。
图11示出本实施方式的比设计值短的超声波振子的控制后的一个周期。
图12示出将锆钛酸铅用于调整用压电元件的情况下的短路层数与共振频率的关系。
图13示出将铌酸锂用于调整用压电元件的情况下的短路层数与共振频率的关系。
图14示出将锆钛酸铅用于调整用压电元件的情况和将铌酸锂用于调整用压电元件的情况下的短路层数与频率变动比例的关系。
图15示出第一调整用压电元件单元和第二调整用压电元件单元分别使用不同厚度的第一调整用压电元件和第二调整用压电元件形成的情况。
图16示出另一实施方式的超声波振子。
图17示出应用本实施方式的超声波振子的处置器具的一部分。
图18示出本实施方式的超声波医疗装置的整体结构。
图19示出本实施方式的超声波医疗装置的振子单元的整体的概略结构。
图20示出本实施方式的超声波医疗装置的另一方式的超声波医疗装置的整体结构。
具体实施方式
下面，对本实施方式的超声波振子1进行说明。
图1示出本实施方式的超声波振子1的立体图。
如图1所示，本实施方式的超声波振子1具有：金属块2，其具有第一金属块21和第二金属块22；驱动用压电元件单元3，其在第一金属块21和第二金属块22之间层叠有多个驱动用压电元件31；第一调整用压电元件单元4，其在第一金属块2和驱动用压电元件单元3之间层叠有多个第一调整用压电元件41；以及第二调整用压电元件单元5，其在第二金属块22和驱动用压电元件单元3之间层叠有多个第二调整用压电元件51。
这里，驱动用压电元件单元3构成驱动单元，第一调整用压电元件单元4和第二调整用压电元件单元5构成调整单元。
第一金属块21与第一调整用压电元件单元4、第一调整用压电元件单元4与驱动用压电元件单元3、驱动用压电元件单元3与第二调整用压电元件单元5、以及第二调整用压电元件单元5与第二金属块22通过接合材料6而紧密地接合。并且，驱动用压电元件31、第一调整用压电元件41、以及第二调整用压电元件51的各压电元件彼此也通过未图示的接合材料而紧密地接合。
在本实施方式的超声波振子1中，金属块2、驱动用压电元件31、第一调整用压电元件41、以及第二调整用压电元件51的接合截面为矩形。在各压电元件上安装有电极32、33、42、52。但是，驱动用压电元件单元3的驱动用电极32、33分别间隔一个地连接层叠为极化方向交替反转的驱动用压电元件31。例如，第一驱动用电极32安装于从第一调整用压电元件单元4侧起第奇数个的驱动用压电元件31，第二驱动用电极33安装于从第一调整用压电元件单元4侧起第偶数个的驱动用压电元件31。而且，第一驱动用电极32和第二驱动用电极33分别独立地与后述的交流电源的两个电极连接。
这里，对本实施方式的超声波振子1的各材料进行说明。
金属块2由硬铝等铝合金、钛合金、纯钛、不锈钢、软钢、镍铬钢、工具钢、黄铜、蒙乃尔合金等构成。
驱动用压电元件31、第一调整用压电元件41、以及第二调整用压电元件51优选使用居里点高的单晶铌酸锂。例如，优选使用被称作36度旋转Y切的结晶方位的铌酸锂晶片，使得各压电元件31、41、51的厚度方向的机电耦合系数大，在铌酸锂晶片的正面和背面上成膜有Ti/Pt、Cr/Ni/Au等基底金属之后，通过切割等切成矩形而制成，使得铌酸锂与非铅焊料的润湿性、粘附性良好。
接合材料6使用具有比居里点低的融点优选居里点的一半以下的融点的非铅焊料。然而，在使用焊料作为接合材料，将焊料的供给方法采用焊料颗粒(pellet)的情况下，很难对有凹凸形状的部分进行接合而没有气泡。因此，优选金属块2和各压电元件31、41、51的涂覆了接合材料的面分别由平面构成。
图2示出本实施方式的设计值下的超声波振子1的概略图。图3示出本实施方式的设计值下的超声波振子1的一个周期。
如图2所示，关于本实施方式的设计值下的超声波振子1，驱动用压电元件单元3的第一驱动用电极32与交流电源6的一方的电极连接，第二驱动用电极33与交流电源6的另一方的电极连接。并且，将第一调整用电极42中的预先确定的规定数量的电极短路作为第一初始短路电极42a，其他电极作为第一初始开放电极42b。同样地，将第二调整用电极52中的预先确定的规定数量的电极短路作为第二初始短路电极52a，其他电极作为第二初始开放电极52b。如图3所示，本实施方式的设计值下的超声波振子1以设计值的周期T0进行振动。另外，图3的横轴表示时间，纵轴表示点A的X方向的位移。
首先，对本实施方式的比设计值长的超声波振子1进行说明。
图4示出本实施方式的比设计值长的超声波振子1的概略图。图5示出本实施方式的比设计值长的超声波振子1的一个周期。
如图4所示，本实施方式的因各部件的厚度尺寸的偏差等而导致全长比设计值长的例子的超声波振子1例如在X方向上长出2B的量。该例子的超声波振子1共振频率降低，像图5所示那样以比设计周期T0长的第一周期T1进行振动。
图6示出本实施方式的比设计值长的超声波振子1的控制后的概略图。图7示出本实施方式的比设计值长的超声波振子1的控制后的一个周期。
如图6所示，在本实施方式的比设计值长的例子的超声波振子1中，开放第一调整用电极42的第一初始短路电极42a，并开放第二调整用电极52的第二初始短路电极52a。即，开放所有的第一调整用电极42和第二调整用电极52。
于是，通过开放被短路的第一初始短路电极42a和第二初始短路电极52a，从而第一调整用压电元件单元4和第二调整用压电元件单元5的杨氏模量发生变化，调整了整体的共振频率。该例子的超声波振子1的共振频率升高，像图7所示那样接近比第一周期T1短的设计周期T0或为设计周期T0。
这样，本实施方式的因各部件的厚度尺寸的偏差等而导致全长比设计值长的例子的超声波振子1通过开放被短路的第一初始短路电极42a和第二初始短路电极52a，能够使共振频率升高，从而接近设计周期T0或为设计周期T0。
接下来，对本实施方式的比设计值短的超声波振子1进行说明。
图8示出本实施方式的比设计值短的超声波振子1的概略图。图9示出本实施方式的比设计值短的超声波振子1的一个周期。
如图8所示，本实施方式的因各部件的厚度尺寸的偏差等而导致全长比设计值短的例子的超声波振子1例如在X方向上短了2c的量。该例子的超声波振子1的共振频率降低，像图9所示那样以比设计周期T0短的第二周期T2进行振动。
图10示出本实施方式的比设计值短的超声波振子1的控制后的概略图。图11示出本实施方式的比设计值短的超声波振子1的控制后的一个周期。
如图10所示，在本实施方式的比设计值短的例子的超声波振子1中，将第一调整用电极42的第一初始短路电极42a短路，并将第二调整用电极52的第二极52a短路。即，将所有的第一调整用电极42短路，并将所有的第二调整用电极52短路。
于是，通过被开放的第一初始短路电极42a和第二初始短路电极52a的短路，从而第一调整用压电元件单元4和第二调整用压电元件单元5的杨氏模量发生变化，调整了整体的共振频率。该例子的超声波振子1的共振频率降低，像图11所示那样接近比第二周期T2长的设计周期T0或为设计周期T0。
这样，本实施方式的因各部件的厚度尺寸的偏差等而导致全长比设计值短的例子的超声波振子1通过将被开放的第一初始短路电极42a和第二初始短路电极52a短路，能够使共振频率降低，从而接近设计周期T0或为设计周期T0。
接下来，对基于压电元件的材料的性能上的差异进行说明。
图12示出将锆钛酸铅用于调整用压电元件41、51的情况下的短路层数与共振频率的关系。图13示出将铌酸锂用于调整用压电元件的情况下的短路层数与共振频率的关系。图14示出将锆钛酸铅用于调整用压电元件的情况和将铌酸锂用于调整用压电元件的情况下的短路层数与频率变动比例的关系。
如图12和图13所示，无论在使用哪种材料的情况下若增加短路层的数量则共振频率降低。但是，如图14所示，使用铌酸锂的情况比使用锆钛酸铅的情况降低比例更大。因此，在设计阶段要考虑调整用压电元件41、51的调整幅度，在调整幅度大的情况下优选使用铌酸锂，在调整幅度小的情况下优选使用锆钛酸铅。并且，也可以分别层叠铌酸锂的调整用压电元件41、51和锆钛酸铅的调整用压电元件41、51，从而根据情况区分使用。
接下来，对另一实施方式的超声波振子1进行说明。
超声波振子1也可以像图6所示那样采用如下方式：将设计值的状态设为第一调整用电极42和第二调整用电极52全部开放的状态，在进行调整时短路。并且，超声波振子1也可以像图10所示那样采用如下方式：将设计值的状态设为第一调整用电极42和第二调整用电极52全部短路的状态，在进行调整时开放。即，调整用压电元件41、51的设计值的短路和开放状态只要根据设计者或使用者所要求的性能来确定即可。
并且，第一调整用压电元件单元4和第二调整用压电元件单元5无论哪个只要至少使用一个即可。并且，第一调整用压电元件41和第二调整用压电元件51的层叠张数只要根据设计者或使用者所要求的性能来确定即可。
图15示出第一调整用压电元件单元4和第二调整用压电元件单元5分别使用不同厚度的第一调整用压电元件41和第二调整用压电元件51形成的情况。
如图15所示，第一调整用压电元件单元4和第二调整用压电元件单元5也可以由不同厚度的第一调整用压电元件41和第二调整用压电元件51形成。这样，通过由不同的厚度形成，能够变更短路或开放时的频率的变动幅度，从而能够进行细微的调整以接近共振频率。
图16示出另一实施方式的超声波振子1。
本实施方式的第一调整用压电元件单元4和第二调整用压电元件单元5也能够应用于另一方式的超声波振子1。例如，如图16所示，能够应用于用螺栓7紧固的朗之万振子1等。超声波振子1的轴向的截面形状可以是圆形或正方形、长方形等矩形。
图17示出应用了本实施方式的超声波振子1的处置器具10的一部分。图17(a)是示出处置器具的图，图17(b)是示出处置器具的振动的样子的图。
如图17所示，本实施方式的处置器具10具有：喇叭部11，其安装于超声波振子1的一方的金属块2上；凸缘部12，其形成于喇叭部11；以及前端部13，其安装于喇叭部11的前端。
处置器具10传递超声波振子1的振动而振动，且形成有波节和波腹。例如，在进行设计时，优选像图17所示那样将超声波振子1的中心设定为波节，将金属块2的前端2a设定为波腹，将凸缘部12设定为波节，将前端部13的最前端设定为波腹。然而，实际完成的产品可能会因各部件的厚度尺寸的偏差等而导致振动的波节和波腹偏移。因此，若使用本实施方式的超声波振子1，则能够调整振动的波节和波腹的偏移。另外，关于喇叭部11、凸缘部12、以及前端部13，若振动的波节和波腹的位置即周期重叠也可以变更长度。
图18示出本实施方式的超声波医疗装置的整体结构。图19示出本实施方式的超声波医疗装置的振子单元的整体的概略構成。
图18所示的超声波医疗装置100主要设置有：振子单元113，其具有产生超声波振动的超声波振子1；以及把手单元114，其利用该超声波振动进行患部的治疗。
把手单元114具有操作部115、由长条的外套管117构成的插入护套部118、以及前端处置部140。插入护套部118的基端部以能够在绕轴方向上旋转的方式安装在操作部115上。前端处置部140设置于插入护套部118的前端。把手单元114的操作部115具有操作部主体119、固定把手120、可动把手121、以及旋转旋钮122。操作部主体119与固定把手120形成为一体。
在操作部主体119与固定把手120的连结部处，在背面侧形成有供可动把手121贯穿插入的缝123。可动把手121的上部通过缝123延伸到操作部主体119的内部。在缝123的下侧的端部固定有把手挡块124。可动把手121经由把手支轴125可转动地安装在操作部主体119上。而且，随着可动把手121以把手支轴125为中心进行转动的动作，可动把手121相对于固定把手120进行开闭操作。
在可动把手121的上端部设置有大致U字状的连结臂126。并且，插入护套部118具有外套管117和操作管127，其中，该操作管127以能够沿轴向移动的方式贯穿插入于该外套管117内。在外套管117的基端部形成有比前端侧部分直径大的大直径部128。在该大直径部128的周围安装有旋转旋钮22。
环状的滑块130以能够沿轴向移动的方式设置于操作管127的外周面上。在滑块130的后方隔着螺旋弹簧(弹性部件)131配设有固定环132。
并且，把持部133的基端部以经由作用销而能够转动的方式与操作管127的前端部连结。该把持部133与探针16的前端部141一起构成超声波医疗装置110的处置部。而且，在操作管127进行沿轴向移动的动作时，把持部133经由作用销向前后方向进行推拉操作。这时，在操作管127进行向近前侧移动操作的动作时，把持部133经由作用销而以支点销为中心沿逆时针方向转动。由此，把持部133向靠近探针116的前端部141的方向(闭方向)转动。这时，能够在单开型的把持部133和探针116的前端部141之间把持活体组织。
在像这样把持活体组织的状态下，从超声波电源将电力供给到超声波振子1，使超声波振子1振动。该超声波振动一直传递到探针116的前端部141。而且，利用该超声波振动进行在把持部133和探针116的前端部141之间所把持的活体组织的治疗。
如图19所示，振子单元113是将超声波振子1和探针116组装成一体而得的，其中，该探针116是传递由该超声波振子1产生的超声波振动的棒状的振动传递部件。
超声波振子1连接设置有对超声波振子的振幅进行放大的喇叭142。喇叭142由硬铝、不锈钢、或例如64Ti(Ti-6Al-4V)等钛合金形成。喇叭142形成为外径随着朝向前端侧而变细的圆锥形状，在基端外周部形成有外向凸缘143。另外，在这里喇叭142的形状并不限于圆锥形状，也可以是外径随着朝向前端侧而呈指数函数变细的指数形状或随着朝向前端侧而分阶段变细的阶梯形状等。
探针116具有例如由64Ti(Ti-6Al-4V)等钛合金形成的探针主体144。在该探针主体144的基端部侧配设有与上述的喇叭142连接设置的超声波振子1。这样，形成了使探针116和超声波振子1一体化的振子单元113。另外，在探针116中，探针主体144和喇叭142通过螺纹连接而接合。
而且，由超声波振子1产生的超声波振动通过喇叭142进行放大之后，传递到探针116的前端部141侧。在探针116的前端部141形成有对活体组织进行处置的后述的处置部。
并且，在探针主体144的外周面，在存在于轴向的中途的振动波节位置的几个部位分开间隔地安装有两个橡胶衬套145，该橡胶衬套145由弹性部件形成为环状。而且，利用这些橡胶衬套145来防止探针主体144的外周面和后述的操作管127的接触。即，在进行插入护套部18的组装时，作为振子一体型探针的探针116插入到操作管127的内部。这时，利用橡胶衬套145来防止探针主体144的外周面和操作管127的接触。
并且，超声波振子1经由电缆146与供给用于产生超声波振动的电流的未图示的电源装置主体电连接。通过该电缆146内的布线从电源装置主体将电力供给到超声波振子1，由此，驱动超声波振子1。另外，振子单元113具有产生超声波振动的超声波振子1、使所产生的超声波振动放大的喇叭42以及传递该放大的超声波振动的探针116。
图20示出本实施方式的超声波医疗装置的另一方式的超声波医疗装置的整体结构。
超声波振子1和振子单元113并不一定要像图18所示那样收纳在操作部主体119内，例如也可以像图20所示那样收纳在操作管127内。在该图20的超声波医疗装置110中，电缆146贯穿插入到金属管147中而被收纳，该电缆146存在于从超声波振子1的防折部162到配设于操作部主体119的基部的连接器148之间。这里，连接器148不是必须的，也可以是将电缆146一直延长到操作部主体119内部而直接与超声波振子1的防折部162连接的结构。超声波医疗装置110通过图20那样的结构，能够进一步节省操作部主体119内的空间。另外，作为图20的超声波医疗装置110的功能由于与图18相同，因此省略其详细的说明。
这样，由于本实施方式的超声波振子1具有两个金属块2、配置于金属块2之间由于交变电压的施加而产生压电效应从而进行振动的驱动用压电元件单元3、以及以绝缘状态配置于金属块2和驱动用压电元件单元3之间且杨氏模量发生变化的至少一个调整用压电元件单元4、5，因此能够一边保持驱动力一边调整共振频率。
并且，在本实施方式的超声波振子1中，由于调整用压电元件单元4、5具有配置于一方的金属块2和驱动用压电元件单元3之间的第一调整用压电元件单元4、以及配置于另一方的金属块2和驱动用压电元件单元3之间的第二调整用压电元件单元5，因此能够准确地调整共振频率。
并且，在本实施方式的超声波振子1中，由于调整用压电元件单元4、5关于驱动用压电元件单元3对称配置，因此能够更准确地调整共振频率。
并且，在本实施方式的超声波振子1中，由于驱动用压电元件单元3具有多个层叠的驱动用压电元件31、以及与各个驱动用压电元件31接合且与施加交变电压的交流电源连接的驱动用电极32、33，调整用压电元件单元4具有多个层叠的调整用压电元件41、51、以及与各个调整用压电元件41、51接合的调整用电极42、52，因此能够更高精度地调整共振频率。
并且，在本实施方式的超声波振子1中，由于调整用电极42、52中的至少一部分预先被短路，通过开放被短路的一部分调整用电极42、52或将除了被短路的一部分调整用电极42、52以外的电极短路来变更调整用压电元件单元4、5的杨氏模量，因此能够均衡地调整共振频率。
并且，在本实施方式的超声波振子1中，由于调整用电极42、52全部被短路，通过开放被短路的调整用电极42、52的一部分来变更调整用压电元件单元4、5的杨氏模量，因此能够高精度地使共振频率高频化。
并且，在本实施方式的超声波振子1中，由于调整用电极42、52全部被开放，通过将被开放的调整用电极42、52的一部分短路来变更调整用压电元件单元4、5的杨氏模量，因此能够高精度地使共振频率低频化。
并且，在本实施方式的超声波振子1中，由于多个层叠的调整用压电元件41、51中的至少一部分厚度不同，因此能够更高精度地调整共振频率。
并且，在本实施方式的超声波振子1中，由于金属块2由64钛合金(64Ti)构成，驱动用压电元件31和调整用压电元件41、51由铌酸锂(LiNb03)构成，因此能够增大共振频率的调整幅度。
并且，根据本实施方式的超声波处置器具10，由于具有所述超声波振子1、以及传递由超声波振子1产生的超声波振动而对活体组织进行处置的前端部13，因此能够成为能够一边保持驱动力一边调整共振频率的超声波处置器具10。
另外，本发明并不受该实施方式限定。即，在实施方式的说明中，为了例示而包含有多个特定的详细的内容，但如果是本领域技术人员，就能理解即使对这些详细的内容施加各种变化或变更也不会超出本发明的范围。因此，所说明的本发明的例示的实施方式相对于权利要求的发明不失去一般性，并且，不进行任何限定。
标号说明
1：超声波振子；2：金属块；3：驱动用压电元件单元(驱动单元)；31：驱动用压电元件；32：第一驱动用电极；33：第二驱动用电极；4：第一调整用压电元件单元(调整单元、第一调整单元)；41：第一调整用压电元件(调整用压电元件)；42：第一调整用电极(调整用电极)；5：第二调整用压电元件单元(调整单元、第二调整单元)；51：第二调整用压电元件(调整用压电元件)；52：第二调整用电极(调整用电极)；6：接合部。

Claims (10)

1.一种超声波振子，其特征在于，该超声波振子具有：
两个金属块；
驱动单元，其配置于所述金属块之间，由于交变电压的施加而产生压电效应从而进行振动；以及
至少一个调整单元，其以绝缘状态配置于所述金属块和所述驱动单元之间，杨氏模量发生变化。
2.根据权利要求1所述的超声波振子，其中，
所述调整单元具有：
第一调整单元，其配置于一方的所述金属块和所述驱动单元之间；以及
第二调整单元，其配置于另一方的所述金属块和所述驱动单元之间。
3.根据权利要求1或2所述的超声波振子，其中，
所述调整单元关于所述驱动单元对称配置。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的超声波振子，其中，
所述驱动单元具有多个层叠的驱动用压电元件、以及与各个所述驱动用压电元件接合且与施加交变电压的交流电源连接的驱动用电极，
所述调整单元具有多个层叠的调整用压电元件、以及与各个所述调整用压电元件接合的调整用电极。
5.根据权利要求4所述的超声波振子，其中，
所述调整用电极的至少一部分预先被短路，
通过开放被短路的一部分所述调整用电极或将除了被短路的一部分所述调整用电极以外的电极短路来变更所述调整单元的杨氏模量。
6.根据权利要求4所述的超声波振子，其中，
所述调整用电极全部被短路，
通过开放被短路的所述调整用电极的一部分来变更所述调整单元的杨氏模量。
7.根据权利要求4所述的超声波振子，其中，
所述调整用电极全部被开放，
通过将被开放的所述调整用电极的一部分短路来变更所述调整单元的杨氏模量。
8.根据权利要求4至7中的任意一项所述的超声波振子，其中，
所述多个层叠的调整用压电元件中的至少一部分厚度不同。
9.根据权利要求4至8中的任意一项所述的超声波振子，其中，
所述金属块由64钛合金(64Ti)构成，
所述驱动用压电元件和所述调整用压电元件由铌酸锂(LiNbO3)构成。
10.一种超声波处置器具，其特征在于，该超声波处置器具具有：
权利要求1至9中的任意一项所述的超声波振子；以及
前端部，由所述超声波振子产生的超声波振动传递至该前端部而对活体组织进行处置。
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