CN108430653B - 超声波振子 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波振子(1)，其包括在厚度方向上层叠的、产生厚度方向的纵向振动的多个压电元件(51、52、53、54)，该多个压电元件(51、52、53、54)以从纵向振动的波腹侧向纵向振动的波节(N)侧去厚度依次变大的方式排列。

Description

超声波振子

技术领域

本发明涉及超声波振子。

背景技术

以往，在外科治疗中，人们使用利用超声波振子产生的振动进行 处理的外科用器具(例如参考专利文献1)。外科用器具中安装的超声 波振子包括由在厚度方向上层叠的多个压电元件构成的层叠体，所述 超声波振子产生的纵向振动的波节位于该层叠体内。

专利文献1：日本特表2010-535089号公报

发明内容

超声波振子因为随振动而发热，所以其整体的温度在使用中逐渐 上升。因为超声波振子的谐振频率随温度而不同，所以当超声波振子 的谐振频率因温度上升而变化时，超声波振子的谐振频率相对于对该 超声波振子供给的驱动电压的频率的偏离变大，超声波振子的输出(振 动振幅)降低。为了持续维持高输出而需要增大驱动电压，这会导致 进一步的发热，或者超声波振子的驱动变得不稳定。由于专利文献1 中记载的超声波振子难以抑制发热，所以存在难以以高输出稳定地持 续驱动超声波振子的问题。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够抑制 发热、且以高输出稳定地持续驱动的超声波振子。

为了实现上述目的，本发明提出了以下技术方案。

本发明提供一种超声波振子，其包括：在厚度方向上层叠的、产 生所述厚度方向的纵向振动的多个压电元件，该多个压电元件以从所 述纵向振动的波腹(也称为“振动腹”)侧向所述纵向振动的波节(也 称为“振动节”)侧去厚度依次变大的方式排列。

根据本发明，通过在厚度方向上对层叠的多个压电元件施加电压 而使压电元件在厚度方向上振动，能够使多个压电元件整体产生厚度 方向的纵向振动。

在此情况下，多个压电元件以越靠近波节则越厚、越靠近波腹则 越薄的方式排列。当对多个压电元件施加相等大小的电压时，压电元 件越厚，则流过的电流量越少，压电元件越薄，则流过的电流量越多。 超声波振子中，波节侧的压电元件的位移量较小，因此需要的电流量 较小，波腹侧的压电元件的位移量较大，因此需要的电流量较大。

因此，通过在波节侧配置较厚的压电元件，能够防止输入过多的 电流，抑制波节处的发热。特别是，超声波振子中，波节处的发热量 较大。因此，通过抑制波节处的发热，能够有效地抑制超声波振子整 体的发热，以高输出稳定地持续驱动。并且，通过在波腹侧配置较薄 的压电元件，能够提高输出。而且，厚度不同的压电元件之间振动速 度不同。于是，通过使压电元件的厚度依次变薄或变厚，能够防止相 邻的压电元件之间的振动速度的差异引起振动的传递效率降低，从而 能够进一步提高输出。

在上述发明中，上述多个压电元件也可以按从最靠上述波腹侧的 压电元件向最靠上述波节侧的压电元件去厚度依次变大的方式排列。

在上述发明中，上述多个压电元件也可以按从上述波腹侧向上述 波节侧去压电常数依次变大的方式排列，并且也可以按从最靠上述波 腹侧的压电元件向最靠上述波节侧的压电元件去压电常数依次变大的 方式排列。

此外，在上述发明中，上述多个压电元件也可以按从上述波腹侧 向上述波节侧去杨氏模量依次变小的方式排列，并且也可以按最靠上 述波节侧的压电元件的杨氏模量比最靠上述波腹侧的压电元件的杨氏 模量小的方式排列。

通过采用上述结构，能够获得较好的抑制发热的效果，并且能够 进一步提高振动的产生效率和传递效率。

在上述发明中，上述多个压电元件产生的上述纵向振动，也可以 在该多个压电元件的上述厚度方向上的中途位置具有波腹，并且在上 述多个压电元件的上述厚度方向上的两侧具有波腹。

在上述发明中也可以是，配置在上述波节的上述厚度方向上的一 侧的上述压电元件具有彼此不同的厚度，并且配置在上述波节的上述 厚度方向上的另一侧的上述压电元件也具有彼此不同的厚度。

通过采用上述结构，能够使相邻的2个压电元件之间的厚度差较 小，进一步提高输出。

在上述发明中，上述多个压电元件也可以按上述厚度的分布关于 上述波节对称的方式排列。

通过采用上述结构，在波节的两侧对称地产生抑制发热的效果， 因此能够更有效地抑制超声波振子整体的发热。

在上述发明中也可以是，配置在上述波节的上述厚度方向上的一 侧的上述压电元件的数量和配置在另一侧的上述压电元件的数量均在 3个以上。

通过采用上述结构，能够使相邻的2个压电元件之间的厚度差较 小，进一步提高输出。

发明的效果

根据本发明，能够获得抑制发热且以高输出稳定地持续驱动超声 波振子的效果。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的超声波治疗装置的整体结构 的外观图。

图2是表示图1的超声波治疗装置中的超声波振子的整体结构的 图，其中，(a)是侧视图，(b)是在长度方向轴方向上从根端侧观看 时的后视图。

图3是图2的超声波振子主体的整体结构图。

图4是表示图3的超声波振子中的压电元件的杨氏模量(Young's modulus)的一例的图表。

具体实施方式

下面参考附图对本发明的一个实施方式的超声波振子1进行说明。

图1是表示本发明的一个实施方式的超声波治疗装置101的整体 结构的外观图。如图1所示，本实施方式的超声波振子1应用于超声 波治疗装置101。

如图1所示，超声波治疗装置101包括：内部设置有超声波振子1 的超声波处置器具102；和经线缆109与该处置器具102连接，对超声 波振子1供给高频驱动电压并且控制该驱动电压的控制单元103。附图 标记105表示根端固定于超声波振子1的探头。

在处置器具102设置有手动开关102a，该手动开关102a用于指示 开始和停止从控制单元103对超声波振子1供给驱动电压。当用户进 行操作而接通手动开关102a时，通过从控制单元103经线缆109对超 声波振子1供给驱动电压而使该超声波振子1产生超声波振动，该超 声波振动在探头105中传递，使得该探头105的前端部振动。通过采 用这样的结构，在与探头105的前端部接触的组织处产生摩擦热，从 而能够使组织凝固或将该组织切开。此外，处置器具102也可以是使 设置在超声波振子1的前端的变幅杆直接与组织接触的类型。

如图2(a)、(b)所示，本实施方式的超声波振子1包括：由螺栓 紧固朗之万型(BLT，Bolt-clamped Langevin)振子构成的振子主体(以 下简称为“主体”)2；和收纳该主体2的散热管10。附图标记14表示 覆盖在超声波振子1的外侧的电绝缘性的外筒。

主体2从前端侧起沿长度方向轴A依次包括变幅杆3、第一金属 体4、包括多片压电元件的层叠体5、和第二金属体6。此外，主体2 包括用于将第一金属体4、层叠体5和第二金属体6固接为一体的螺栓 7和螺母8。

变幅杆3和螺栓7是由具有较高的超声波传递效率和较高的强度 的金属构成的单一部件，优选由64钛合金(ASTM标准的B348Grade5) 构成。变幅杆3是向前端去逐渐变细的大致圆锥形。螺栓7从变幅杆3 的根端面向超声波振子1的根端侧去沿长度方向轴A笔直地延伸。

在第一金属体4、层叠体5和第二金属体6中，形成了沿长度方向 轴A贯通的供螺栓7插入其中的螺栓孔9。螺母8固接在螺栓7的从 第二金属体6的根端面伸出的根端部分，通过采用这样的结构，层叠 体5被第一金属体4和第二金属体6从两侧牢固地固定。这里，也可以省略螺母8，第二金属体6通过具有与螺栓7固接的阴螺纹而兼用作 螺母8。

当从装载在控制单元103内的未图示的高频电源对层叠体5施加 高频驱动电压时，层叠体5产生长度方向轴A方向(以下，简称为“长 度方向”)的纵向振动，产生的纵向振动经螺栓7向变幅杆3传递，变 幅杆3的前端在长度方向上振动。此时，纵向振动在从变幅杆3的根 端向前端传递过程中被放大，从而在变幅杆3的前端得到大振幅的振 动。这里，从20kHz以上100kHz以下的范围内选择驱动电压的频率， 以使主体2的前端、中间位置和根端成为纵向振动的波腹。

第一金属体4是柱形部件，由钛合金或铝合金这样具有高强度和 弹性的金属材料形成。

第二金属体6是柱形部件，由钛合金或铝合金这样的金属材料形 成。

金属体4、6也可以由以铝为主成分的陶瓷(例如杜拉铝 (Duralumin))形成。

如图3所示，层叠体5包括在长度方向上排列的多个板状的压电 元件51、52、53、54。压电元件51、52、53、54由钛锆酸铅、钛酸钡 或铌酸钾钠等压电材料形成，在厚度方向上极化。多个压电元件51、 52、53、54可以由同一种类的压电材料形成，也可以由不同种类的压 电材料形成。或者，多个压电元件51、52、53、54也可以由同一种类 但是具有不同物性值的压电材料形成。

层叠体5具有一种层叠结构，在该层叠结构中，按照各压电元件 51、52、53、54在厚度方向上被2片电极夹着的方式，压电元件51、 52、53、54与薄板状的电极(省略图示)在厚度方向上交替地层叠。 并且，在层叠体5中，压电元件51、52、53、54的极化方向交替地成 为相反方向。在层叠体5与第一金属体4之间、以及层叠体5与第二 金属体6之间夹着未图示的绝缘体，层叠体5与第一金属体4以及第 二金属体6电绝缘。

电极在长度方向上交替地构成正电极和负电极。所有电极经电缆 109与控制单元103内的共用的高频电源(省略图示)并联连接，从该 高频电源对上述电极施加共用的作为驱动电压的交流电压。通过对电 极施加交流电压，各压电元件51、52、53、54在长度方向上伸缩振动 而使得在整个层叠体5中产生沿长度方向的纵向振动。以使得在此情 况下在层叠体5的长度方向的中心出现纵向振动的波节、在层叠体5 的前端侧和根端侧出现波腹的方式构成超声波振子1。

在层叠体5中，多个压电元件51、52、53、54以从前端侧向波节 N去厚度依次变大、并且从根端侧向波节N去厚度依次变大的方式排 列。配置在波节N的前端侧的压电元件51、52、53、54具有彼此不同 的厚度，并且配置在波节N的根端侧的压电元件51、52、53、54具有彼此不同的厚度。进而，压电元件51、52、53、54的厚度的分布关于 波节N对称，波节N位于配置在中央的最厚的2片压电元件51之间。

在图3所示的例子中，在层叠体5中设置了总共8片压电元件51、 52、53、54。下面，将最厚的压电元件称为第一压电元件51，将第二 厚的压电元件称为第二压电元件52，将第三厚的压电元件称为第三压 电元件53，将最薄的压电元件称为第四压电元件54。此处，如图所示， 多个压电元件51、52、53、54优选以从最靠波腹侧的压电元件向最靠 波节侧的压电元件去厚度依次变大的方式排列。

接着，对这样构成的超声波振子1的作用进行说明。

为了用本实施方式的超声波振子1产生超声波振动，从高频电源 经电缆109对层叠体5的电极供给具有超声波振子1的谐振频率或该 谐振频率附近的频率的交流电压。通过采用这样的结构，各压电元件 51、52、53、54在长度方向上伸缩振动而在层叠体5中产生纵向振动。 层叠体5中产生的纵向振动经第一金属体4和变幅杆3向探头105传 递，使探头105的前端在长度方向上振动。因此，通过使振动的探头 105的前端与活体组织接触，能够对活体组织进行处理。

此处，在纵向振动的层叠体5中，位移量的分布是，在靠近波节N 的位置位移量较小，在靠近波腹的位置位移量较大，在波节N的位置 位移量为零。在图3中，虚线表示层叠体5在各位置的位移量。这样， 各压电元件51、52、53、54产生的振动的大小根据层叠体5中的位置 而不同。

假定压电元件51、52、53、54的厚度均匀，在此情况下，虽然位 移量不同，但是对所有压电元件51、52、53、54输入的电功率都相同。 电功率是交流电压与各压电元件中流过的电流之积，各压电元件中流 过的电流，如后所述依赖于压电元件的厚度。因此可能存在这样的情 况，在波节N侧的压电元件51中，电功率过大而使得电功率的一部分 不被转换为振动而被转换为热，在波腹侧的压电元件54中，电功率不 足而不能获得要求的振动速度。当为了提高波腹侧的压电元件54的振 动速度而增大交流电压时，对波节N侧的压电元件51供给的交流电压 也增大，因此发热量增大。这样，各压电元件的功(产生的振动的大 小)相对于输入的电功率的比例根据压电元件的位置而不同，因此在 对所有压电元件输入的电功率的量相同的情况下，会产生电功率过量 或不足。

在本实施方式中，在位移量较小、需要较小的电功率的波节N侧 配置较厚的第一压电元件51，在位移量较大、需要较大的电功率的波 腹侧配置较薄的第四压电元件54。因此，能够无过量或不足地对各压 电元件51、52、53、54输入各自所需的电功率。通过采用这样的结构， 具有能够在抑制发热的同时提高输出(变幅杆3的前端的振动速度)、 并以高输出稳定地持续驱动的优点。

具体而言，当对压电元件51、52、53、54施加的交流电压的大小 相等时，压电元件越厚，则输入的电功率越小。这是因为电极夹着压 电元件的结构等同于电容器，各压电元件具有静电电容。即，压电元 件越厚，则其静电电容越小，压电元件中流过的电流越小。

因此，通过在波节N侧配置较厚的压电元件51，能够提高输入的 电功率向机械振动转换的效率，抑制波节N处的发热。尤其是，发热 量在超声波振子1内在波节N处最大。这是因为位置越靠近波节N， 则该位置的电功率越易于被转换为热，并且压电元件中产生的应力越 大。通过抑制波节N处的发热，能够有效地抑制超声波振子1整体的 发热。

关于医疗用的超声波振子1，为了将驱动时的温度上升量维持在规 定的阈值(例如20℃)以下而限制该超声波振子1的动作。为了在这 样的限制下以良好的效率驱动超声波振子1，在超声波振子1的温度上 升量不超过阈值的范围内增加交流电压的大小是重要的。依照本实施 方式，因为能够有效地抑制超声波振子1的温度上升，所以能够将超 声波振子1的温度上升量维持在规定的阈值以下，同时增大对层叠体5 施加的交流电压，以良好的效率驱动超声波振子1。

此外，通过在位于波腹侧的层叠体5的前端配置较薄的压电元件 54，能够在层叠体5的前端获得较大的振动速度。层叠体5的前端是 对第一金属体4输出振动的输出端，为了提高第一金属体4的前端的 振动速度，提高层叠体5的前端的振动速度是重要的。因此，依照本 实施方式，能够有效地提高超声波振子1的输出。

进而，在厚度不同的压电元件之间，可能因振动速度的不同而导 致振动的传递效率降低。但是，通过使压电元件51、52、53、54随着 从波节N向前端侧和根端侧去逐渐变薄，能够将相邻的2片压电元件 之间的厚度差和振动速度差抑制得较小，防止振动的传递效率的降低。 通过采用这样的结构，能够进一步提高超声波振子1的输出。尤其是， 通过在波节N的前端侧设置3片以上压电元件，并且在波节N的根端 侧设置3片以上压电元件，能够将相邻的2片压电元件之间的振动速 度差抑制得充分小，能够获得更高的输出。

在本实施方式中，也可以如图4所示的那样，压电元件51、52、 53、54按照从前端侧向波节N去、并且从根端侧向波节N去杨氏模量 依次减小的方式排列。这里，多个压电元件51、52、53、54优选按照 最靠波节侧的压电元件的杨氏模量比最靠波腹侧的压电元件的杨氏模 量小的方式排列。在图4中，杨氏模量表示各压电元件51、52、53、 54的杨氏模量与第一金属体4的杨氏模量之比。

由于杨氏模量不同的2片压电元件之间伸缩速度不同，所以2片 压电元件之间的振动的传递效率可能降低。因此，优选相邻的2片压 电元件之间的杨氏模量之差较小。基于相同的理由，优选相邻的金属 体4或6与压电元件54之间的杨氏模量之差也较小。因为金属材料的 杨氏模量一般高于压电材料的杨氏模量，所以与金属体4、6相邻的第 四压电元件54使用杨氏模量高的材料。另一方面，为了使输入的电功 率较小的第一压电元件51能够产生更大的振动，优选由杨氏模量小的 材料形成第一压电元件51。

由于以上理由，通过以向前端侧和波节N侧去、并且从根端侧向 波节N去杨氏模量依次变小的方式排列多个压电元件51、52、53、54， 能够提高振动的产生效率和振动的传递效率，获得更高的输出。

在本实施方式中，压电元件51、52、53、54也可以按照从前端侧 向波节N去、并且从根端侧向波节N去压电常数依次变大的方式排列。 此处，多个压电元件51、52、53、54优选以从最靠波腹侧的压电元件 向最靠波节侧的压电元件去厚度依次变大的方式排列。

通过采用这样的结构，尤其具有能够提高第一压电元件51的振动 产生效率、获得更高的输出的优点。

此外，也可以根据压电常数和厚度等适当地调节关于超声波振子1 的振动特性的其他参数(例如相对介电常数)。

在本实施方式中，压电元件51、52、53、54的厚度在波节N的前 端侧均不相同，在根端侧也均不相同，但也可以改为在波节N的前端 侧设置具有相等厚度的2片以上压电元件，并在根端侧设置具有相等 厚度的2片以上压电元件。

在此情况下，也可以将具有相等厚度的2片以上的压电元件接合 为一体而使其作为一组压电元件发挥作用，并使各组接合的压电元件 的片数从波腹侧向波节侧去依次增加，这样将多组压电元件相邻地配 置。在这样配置多组压电元件的情况下，厚度最小的组也可以由一个 压电元件构成。

在本实施方式中，压电元件51、52、53、54的厚度的分布关于波 节N对称，但也可以改为非对称。例如，配置在波节N的前端侧的压 电元件与配置在波节N的根端侧的压电元件也可以具有彼此不同的厚 度。

即使采用这样的结构，也能够通过在波节N侧配置较厚的压电元 件并在波腹侧配置较薄的压电元件而获得抑制发热的效果。

在本实施方式中，超声波振子1产生在层叠体5的长度方向的中 央具有波节N、在层叠体5的长度方向的两侧具有波腹的纵向振动， 但纵向振动的波节N和波腹的位置不限定于此，也可以适当改变。

例如，超声波振子1也可以构成为产生在层叠体5的前端侧具有 波节N、在层叠体5的根端侧具有波腹的纵向振动。在此情况下，以 从根端侧向前端侧去压电元件的厚度依次变大的方式排列多个压电元 件即可。

附图标记的说明

1 超声波振子

4 第一金属体

5 层叠体

6 第二金属体

51、52、53、54 压电元件

N 波节

Claims (11)

1.一种超声波振子，其特征在于，包括：

沿所述超声波振子的长度方向轴层叠的、产生所述长度方向的纵向振动的多个压电元件，

该多个压电元件以从所述纵向振动的波腹侧向所述纵向振动的波节侧去所述长度方向上的厚度依次变大、并且所述纵向振动的波节侧的压电元件的杨氏模量比所述纵向振动的波腹侧的压电元件的杨氏模量小的方式排列。

2.如权利要求1所述的超声波振子，其特征在于：

所述多个压电元件以从最靠所述波腹侧的压电元件向最靠所述波节侧的压电元件去所述长度方向上的厚度依次变大的方式排列。

3.如权利要求1所述的超声波振子，其特征在于：

所述多个压电元件以从所述波腹侧向所述波节侧去压电常数依次变大的方式排列。

4.如权利要求1所述的超声波振子，其特征在于：

所述多个压电元件以从最靠所述波腹侧的压电元件向最靠所述波节侧的压电元件去压电常数依次变大的方式排列。

5.如权利要求1所述的超声波振子，其特征在于：

所述多个压电元件以最靠所述波节侧的压电元件的杨氏模量比最靠所述波腹侧的压电元件的杨氏模量小的方式排列。

6.如权利要求1所述的超声波振子，其特征在于：

所述多个压电元件产生的所述纵向振动，在该多个压电元件的所述长度方向上的中途位置具有波节，并且在所述多个压电元件的所述长度方向上的两侧具有波腹。

7.如权利要求6所述的超声波振子，其特征在于：

配置在所述波节的所述长度方向上的一侧的所述压电元件在所述长度方向上的厚度彼此不同，并且配置在所述波节的所述长度方向上的另一侧的所述压电元件在所述长度方向上的厚度也彼此不同。

8.如权利要求6所述的超声波振子，其特征在于：

所述多个压电元件以其在所述长度方向上的厚度的分布关于所述波节对称的方式排列。

9.如权利要求1所述的超声波振子，其特征在于：

配置在所述波节的所述长度方向上的一侧的所述压电元件的数量和配置在另一侧的所述压电元件的数量均在3以上。

10.一种超声波处置器具，其特征在于，包括：

超声波振子，其包括沿该超声波振子的长度方向轴层叠的、产生所述长度方向的纵向振动的多个压电元件；和

传递由所述超声波振子产生的所述纵向振动的探头，

所述多个压电元件以从所述纵向振动的波腹侧向所述纵向振动的波节侧去所述长度方向上的厚度依次变大、并且所述纵向振动的波节侧的压电元件的杨氏模量比所述纵向振动的波腹侧的压电元件的杨氏模量小的方式排列。

11.一种超声波治疗装置，其特征在于，包括：

超声波处置器具，其包括超声波振子和探头，所述超声波振子包括沿该超声波振子的长度方向轴层叠的、产生所述长度方向的纵向振动的多个压电元件，所述探头传递由所述超声波振子产生的所述纵向振动；和

对供给至所述超声波振子的驱动电压进行控制的控制单元，

所述多个压电元件以从所述纵向振动的波腹侧向所述纵向振动的波节侧去所述长度方向上的厚度依次变大、并且所述纵向振动的波节侧的压电元件的杨氏模量比所述纵向振动的波腹侧的压电元件的杨氏模量小的方式排列。

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