CN109845292B - 超声波转换器和超声波处置系统 - Google Patents

超声波转换器和超声波处置系统 Download PDF

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Abstract

超声波转换器包括：驱动单元，其沿着长度轴线产生超声波振动；基端侧块，其设在所述驱动单元的所述长度轴线上的第1端侧；以及顶端侧块，其设在所述驱动单元的与所述第1端侧相反的第2端侧，该顶端侧块具有与压电元件邻接的第1部分、与所述第1部分连续的第2部分、以及与所述第2部分连续且构成为与所述长度轴线正交的截面积与所述第2部分的与所述长度轴线正交的截面积不同的第3部分，该顶端侧块构成为在使所述驱动单元产生所述超声波振动的状态下所述第2部分与所述第3部分之间的交界的位置与所述超声波振动的波腹一致或者大致一致。

Description

超声波转换器和超声波处置系统
技术领域
本发明涉及一种具备压电元件的超声波转换器，该压电元件通过供给电能而产生超声波振动。
背景技术
在US2009/275864A1中公开了利用超声波振动来处置处置对象的超声波处置器具。在该超声波处置器具中设有具备压电元件的超声波转换器，该压电元件通过供给电能而产生超声波振动。在该超声波转换器中，螺栓的顶端部连接于顶端侧块，螺栓和顶端侧块一体地形成。此外，在螺栓的外周安装有包含压电元件的驱动单元。螺栓的基端部连接于基端侧块，在螺栓的外周连结有基端侧块。驱动单元被夹在顶端侧块和基端侧块之间，从基端侧块对驱动单元作用向顶端侧施加的按压力。在超声波处置器具中，在超声波转换器的顶端侧连接有具备处置部的杆构件。在压电元件产生的超声波振动经由杆构件被传递到处置部。
在US2009/275864A1这样的超声波处置器具中，从处置性能等的方面考虑，寻求根据超声波振动而使包含超声波转换器和杆构件的振动体以预定的共振频率或者尽可能接近预定的共振频率地进行振动。此外，在使包含超声波转换器和杆构件的振动体以预定的共振频率进行振动的情况下，为了减少能量的损失，寻求即便是超声波转换器单体也利用在压电元件产生的超声波振动而以预定的共振频率或者尽可能接近预定的共振频率地进行振动。因而，需要与压电元件、顶端侧块及基端侧块等形成超声波转换器的部件各自的物理性质等相对应地形成即便是单体(超声波转换器的最小构成单位且是振动的半波长的自然数倍的组装体)也以预定的共振频率进行振动的超声波转换器。由此，在超声波转换器的单体中的振动的共振频率与来自驱动电源的输入电流或者输入电压的频率和在杆构件的单体中的振动的共振频率一致或者大致一致。
在超声波转换器的单体中的振动的共振频率受到构成超声波转换器的材料的刚性模量(杨氏模量)等物理性质(材质)的影响。材料的物理性质因提供材料的制造厂商而产生偏差、或者即便是相同的制造厂商也因批次而产生偏差。为了调整在超声波转换器的单体中的振动的共振频率，考虑改变超声波转换器的顶端侧块沿着长度轴线的长度。能够容易地进行该调整。
但是，改变顶端侧块沿着长度轴线的长度的做法也不得不变更构成超声波处置器具的其他部件的尺寸。特别是，与顶端侧块沿着长度轴线的长度相应地设计由手柄、杆构件等构成的把持部等的尺寸。这样，变更构成超声波处置器具的一个部件的尺寸的做法对产品整体的结构产生很大的影响。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种不改变超声波转换器的沿着长度轴线的尺寸就以预定的共振频率进行振动的超声波转换器。
本发明的一个技术方案的超声波转换器包括：驱动单元，其具备通过被供给电能而沿着长度轴线产生超声波振动的压电元件；基端侧块，其沿着所述长度轴线设在所述驱动单元的第1端侧；以及顶端侧块，其设在所述驱动单元的与所述第1端侧相反的第2端侧。所述顶端侧块从所述驱动单元的所述第2端侧沿着所述长度轴线按顺序具有：第1部分，其与压电元件邻接；第2部分，其与所述第1部分连续；以及第3部分，其与所述第2部分连续，构成为该第3部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积与所述第2部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积不同，该顶端侧块构成为在使所述压电元件产生所述超声波振动并将所述超声波振动传递到所述基端侧块、所述第1部分、所述第2部分及所述第3部分的状态下所述第2部分与所述第3部分之间的交界的位置与所述超声波振动的波腹一致或者大致一致。
附图说明
图1是使用第1实施方式的超声波转换器的处置系统的概略图。
图2是构成第1实施方式的超声波转换器的顶端侧块的剖视图。
图3是构成第1实施方式的超声波转换器的顶端侧块的立体图。
图4是构成第1实施方式的超声波转换器的顶端侧块的剖视图。
图5是构成第1实施方式的超声波转换器的顶端侧块的剖视图。
图6是表示第1实施方式的超声波转换器的振动的共振频率的特性的图表。
图7是构成作为第1实施方式的变形例的超声波转换器的顶端侧块的立体图。
图8是构成作为第1实施方式的变形例的超声波转换器的顶端侧块的立体图。
图9是构成作为第1实施方式的变形例的超声波转换器的顶端侧块的立体图。
图10是构成作为第1实施方式的变形例的超声波转换器的顶端侧块的剖视图。
图11是构成第2实施方式的超声波转换器的顶端侧块的剖视图。
图12是构成第2实施方式的超声波转换器的顶端侧块的立体图。
图13是构成第2实施方式的超声波转换器的顶端侧块的剖视图。
图14是构成第2实施方式的超声波转换器的顶端侧块的剖视图。
图15是构成作为第2实施方式的变形例的超声波转换器的顶端侧块的剖视图。
图16是构成作为第2实施方式的变形例的超声波转换器的顶端侧块的剖视图。
图17是构成作为第2实施方式的变形例的超声波转换器的顶端侧块的立体图。
具体实施方式
(第1实施方式)
说明第1实施方式的超声波转换器20。
图1是表示使用作为一个例子的超声波转换器20的处置系统1的概略图。
如图1所示，处置系统1包括超声波处置器具2和能量控制装置3。超声波处置器具2包括能够被保持的外壳5和安装于外壳5的轴6。轴6大致笔直地延伸设置。在此，在超声波处置器具2中，将相对于轴6而言外壳5所处的一侧设为基端侧(箭头L1侧)，将与基端侧相反的那一侧设为顶端侧(箭头L2侧)。因此，轴6从顶端侧安装于外壳5。此外，在超声波处置器具2中，在比轴6靠顶端侧的部位设有末端执行器7。
在外壳5安装有能够转动的手柄8。通过手柄8相对于外壳5转动，从而手柄8相对于外壳5张开或者闭合。此外，在轴6贯穿有杆构件(探头)10。杆构件10由钛合金等振动传递性较高的材料形成。杆构件10从外壳5的内部穿过轴6的内部朝向顶端侧延伸设置。而且，杆构件10具备从轴6的顶端向顶端侧突出的杆突出部11。此外，在轴6的顶端部安装有能够转动的钳口12。钳口12和手柄8之间借助穿过轴6的内部地延伸设置的可动构件(未图示)相连结。通过使手柄8相对于外壳5张开或者闭合，从而可动构件向基端侧或者顶端侧移动。由此，钳口12相对于轴6转动，钳口12和杆突出部11之间张开或者闭合。末端执行器7由杆突出部11和钳口12形成。而且，通过在钳口12和杆突出部11之间把持生物体组织等处置对象来处置处置对象。
另外，在一个实施例中，在外壳5安装有作为旋转操作构件的旋转旋钮(未图示)，旋转旋钮能够绕轴6的中心轴线相对于外壳5旋转。在该情况下，通过使旋转旋钮旋转，从而轴6、末端执行器7及杆构件10绕轴6的中心轴线相对于外壳5一起旋转。此外，在一个实施例中，未设置钳口12，而仅由杆突出部11形成末端执行器7。在该情况下，未设置上述的手柄8和可动构件。此外，在该情况下，杆突出部11具有钩形状、刮刀形状或者刮板形状等。
超声波转换器20在外壳5的内部从基端侧连接于杆构件10。超声波转换器20收纳在转换器壳18的内部，并支承于转换器壳18。而且，通过将转换器壳18从基端侧安装于外壳5，从而超声波转换器20连接于杆构件10。超声波转换器20的顶端直接连接于杆构件10的基端。此外，线缆13的一端连接于转换器壳18。线缆13的另一端以能够装拆的方式连接于能量控制装置3。
另外，在一个实施例中，未设置转换器壳18。在该情况下，超声波转换器20利用外壳5进行支承，线缆13的一端连接于外壳5。此外，在设有上述的旋转旋钮的实施例中，通过使旋转旋钮旋转，从而超声波转换器20与轴6、末端执行器7及杆构件10一起绕轴6的中心轴线相对于外壳5旋转。
接着，说明超声波转换器20的结构。
超声波转换器20具备沿着长度轴线L延伸的螺栓(轴)21。在此，沿着长度轴线L的方向上的一侧与基端侧(箭头L1侧)一致，沿着长度轴线L的方向上的另一侧与顶端侧(箭头L2侧)一致。螺栓21从基端沿着长度轴线L笔直地延伸设置到顶端。
在超声波转换器20中，螺栓21的顶端部连接于作为振动构件的顶端侧块22。顶端侧块22也有时称作前组。顶端侧块22与螺栓21为一体。顶端侧块22沿着长度轴线L设在后述的驱动单元30的与基端侧相反的顶端侧。顶端侧块22和螺栓21例如由钛合金、铝合金或者SUS等形成。另外，顶端侧块22既可以由与螺栓21相同的材料形成，也可以由与螺栓21不同的材料形成。此外，顶端侧块22形成超声波转换器20的顶端，并连接于杆构件10。在顶端侧块22形成有由转换器壳18或者外壳5支承的凸缘等被支承部25，并形成有随着朝向顶端侧而与长度轴线L大致垂直的截面积减少的变幅杆26。顶端侧块22中的形成有被支承部25和变幅杆26的位置见后述。
在超声波转换器20中，螺栓21的基端部连接于作为振动构件的基端侧块23。基端侧块23也有时称作后组。基端侧块23沿着长度轴线L设在后述的驱动单元30的基端侧。基端侧块23形成为覆盖螺栓21的外周的环状。在螺栓21的基端部的外周，作为第1结合部而形成有未图示的外螺纹部。此外，在基端侧块23的内周，作为结合于第1结合部的第2结合部而形成有未图示的内螺纹部。外螺纹部从螺栓21的基端朝向顶端侧延伸设置，内螺纹部从基端侧块23的基端朝向顶端侧延伸设置。通过内螺纹部结合、即螺纹结合于外螺纹部，从而基端侧块23连结于螺栓21的外周。因而，基端侧块23是连结于螺栓21的外周的连结构件。
基端侧块23例如由钛合金、铝合金或者SUS等形成。在此，基端侧块23既可以由与顶端侧块22相同的材料形成，也可以由与顶端侧块22不同的材料形成。此外，基端侧块23的基端与螺栓21的基端在沿着长度轴线L的方向上的位置大致一致，由基端侧块23的基端和螺栓21的基端形成超声波转换器20的基端。
在螺栓21的外周安装作为激励构件的驱动单元30。驱动单元30在沿着长度轴线L的方向上被夹在顶端侧块22和基端侧块23之间。而且，驱动单元30被基端侧块23向顶端侧块22按压。驱动单元30具备通过供给电能而沿着长度轴线L产生超声波振动的1个以上压电元件31。驱动单元30作为一个例子而具有10个压电元件31。压电元件31例如由压电陶瓷等形成。压电元件31将电能转换为振动能量。压电元件31分别形成为环状，螺栓21贯穿于各个压电元件31。另外，压电元件31至少设有1个即可。
此外，驱动单元30具备由金属等导电材料形成的多个环状的电极构件32和电极构件33。多个电极构件32连结。多个电极构件33连结。在电极构件32连接电布线37的一端。此外，在电极构件33连接电布线38的一端。另外，与压电元件31的数量相对应地决定电极构件32和电极构件33的数量，在任一种情况下，都成为压电元件31分别被夹在电极构件32中的对应的1个电极构件和电极构件33中的对应的1个电极构件之间的结构。由于如上所述形成超声波转换器20，因此在本实施方式中，超声波转换器20成为螺栓紧固朗之万型振子(Bolt-clamped Langevin-type Transducer)。
接着，说明能量控制装置3的结构。
能量控制装置3包括能量输出源15、处理器16及存储介质17。电布线37和电布线38穿过线缆13的内部地延伸设置，电布线37和电布线38各自的另一端连接于能量输出源15。能量输出源15具备用于将自电池电源或者固定于墙壁的插座口获得的电力转换为向超声波转换器20的驱动单元30供给的电能的转换电路等，并将转换成的电能输出。从能量输出源15输出来的电能借助电布线37和电布线38被供给到驱动单元30。能量输出源15向驱动单元30输出交流电力作为电能。
作为控制部的处理器16由包含CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)或者FPGA(FieldProgrammable Gate Array：现场可编程门阵列)等的集成电路形成。按照存储于处理器16或者存储介质17的程序来进行处理器16的处理。此外，在存储介质17存储有在处理器16中使用的处理程序和在处理器16的运算中使用的参数和表格等。处理器16用于控制从能量输出源15向驱动单元30输出电能。处理器16将来自能量输出源15的电能的输出的频率调整为预定的频率。
通过从能量输出源15向驱动单元30供给电能，从而对电极构件32和电极构件33之间施加电压，对各个压电元件31施加电压。由此，各个压电元件31将电能转换为振动能量，并在压电元件31产生超声波振动。产生的超声波振动被传递到杆构件10，并在杆构件10中从基端侧向顶端侧传递到杆突出部11。末端执行器7利用传递到杆突出部11的超声波振动来处置生物体组织等处置对象。在超声波转换器20和杆构件10中传递超声波振动的状态下，包含超声波转换器20和杆构件10的振动体以预定的共振频率Frref进行振动。因而，在超声波转换器20中，螺栓21、顶端侧块22、基端侧块23及驱动单元30根据在压电元件31产生的超声波振动而一起进行振动。此时，振动体进行振动方向与长度轴线L大致平行的纵向振动。利用能量控制装置3检测由驱动过程中的变动产生的影响，从而调整电能。
在振动体以预定的共振频率Frref进行振动的状态下，在振动体的顶端、即杆构件10的顶端产生超声波振动的波腹。而且，在振动体的基端、即超声波转换器20的基端产生超声波振动的波腹。
超声波转换器20的单体也根据在压电元件31产生的超声波振动而以预定的共振频率Frref进行振动。在顶端侧块22的顶端和基端侧块23的基端分别产生超声波振动的波腹。在顶端侧块22的被支承部25产生超声波振动的波节。在顶端侧块22的比被支承部25靠顶端侧的部位产生至少1个超声波振动的波节。
另外，上述的超声波转换器20的单体是超声波转换器20的最小构成单位，是螺栓21、顶端侧块22、基端侧块23及驱动单元30的组装体。超声波转换器20的单体的长度是以预定的共振频率Frref进行的纵向振动的半波长的自然数倍。在超声波转换器20的单体的顶端侧连接有作为独立体的杆构件10。
另外，在一个实施例中，在驱动单元30和顶端侧块22之间及驱动单元30和基端侧块23之间分别设有由电绝缘材料形成的绝缘环(未图示)。而且，在驱动单元30的内周和螺栓21的外周之间设有由电绝缘材料形成的绝缘管(未图示)。由此，防止了供给到驱动单元30的电能向顶端侧块22、基端侧块23及螺栓21的供给。此外，在一个实施例中，从能量输出源15输出与供给到驱动单元30的电能不同的电能。例如，分别向杆突出部11和钳口12供给与供给到驱动单元30的电能不同的电能。由此，向在钳口12和杆突出部11之间把持的处置对象通入高频电流。
接着，说明构成超声波转换器20的顶端侧块22的形状。
图2是构成作为一个例子的超声波转换器20的顶端侧块22的剖视图。图2表示与长度轴线L大致平行的顶端侧块22的截面。顶端侧块22由具有作为基准的物理性质的材料构成。
顶端侧块22从驱动单元30的顶端侧沿着长度轴线L按顺序具有第1部分221、第2部分222及第3部分223。第1部分221、第2部分222及第3部分223既可以加工为一个元件，也可以分别加工为独立元件。
第1部分221与压电元件31邻接。在该第1部分221例如设有上述的被支承部25和变幅杆26。
第1部分221构成为在使压电元件31产生超声波振动并将超声波振动传递到基端侧块23和顶端侧块22(第1部分221、第2部分222及第3部分223)的状态下被支承部25的位置与超声波振动的波节一致或者大致一致。采用这样的结构，被支承部25适当地支承于转换器壳18或者外壳5。
第2部分222与第1部分221的顶端侧连续。第2部分222为圆柱形状。第2部分222的与长度轴线L正交的截面形状沿着长度轴线L相同或者大致相同。
第3部分223与第2部分222的顶端侧连续。第3部分223为圆柱形状。第3部分223的与长度轴线L正交的截面形状沿着长度轴线L相同或者大致相同。第3部分223构成为其与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面积与所述第2部分222不同。
如上所述，在使压电元件31产生超声波振动并将超声波振动传递到基端侧块23和顶端侧块22的状态下，第3部分223的顶端与超声波振动的波腹一致或者大致一致。
接着，说明设于顶端侧块22的第2部分222与第3部分223之间的交界(以下称作交界A1)的位置。交界A1处于与长度轴线L正交的虚拟平面上。
顶端侧块22构成为，在使压电元件31产生超声波振动并将超声波振动传递到基端侧块23和顶端侧块22的状态下交界A1的位置与超声波振动的波腹一致或者大致一致。其原因在于，由于在顶端侧块22中的与超声波振动的波腹一致的位置(交界A1)不产生应力，因此顶端侧块22在第2部分222与第3部分223之间的交界A1附近不易带有超声波振动的变换比。由此，在将从被支承部25到第3部分223的顶端的沿着长度轴线L的距离作为预定的距离、将超声波转换器20的振动的共振频率作为预定的共振频率的条件下，无论交界A1的位置如何，超声波转换器20的顶端的超声波振动的振幅实质上都不变。
将从被支承部25到第3部分223的顶端的沿着长度轴线L的距离设为L1。
交界A1设在从被支承部25到交界A1的沿着长度轴线L的距离成为L2的位置(以下是基准位置B1)。基准位置B1是超声波转换器20的振动的共振频率成为预定的共振频率Frref的位置。
将从交界A1到第3部分223的顶端的沿着长度轴线L的距离设为L3。L3相当于从与超声波振动的波腹一致或者大致一致的基准位置B1到与超声波振动的波腹一致或者大致一致的第3部分223的顶端的距离。因此，L3是超声波振动的半波长的自然数倍。
L1＝L2+L3的关系成立。
图3是构成作为一个例子的超声波转换器20的顶端侧块22的立体图。
第2部分222和第3部分223为圆柱形状。第2部分222的与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面积小于第3部分223的与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面积。
接着，说明在将距离L1设为恒定的条件下交界A1的位置设在与基准位置B1不同的位置的超声波转换器20的结构。
图4是构成作为一个例子的超声波转换器20的顶端侧块22的剖视图。图4表示与长度轴线L大致平行的顶端侧块22的截面。图4表示在将距离L1设为恒定的条件下交界A1的位置处于比基准位置B1靠第3部分223的顶端侧的位置的超声波转换器20。图4所示的顶端侧块22与图2所示的顶端侧块22相同地由具有作为基准的物理性质的材料构成。
将处于比基准位置B1靠第3部分223的顶端侧的位置的任意的交界A1的位置设为位置B2。
将从被支承部25到位置B2的沿着长度轴线L的距离设为L4。
将从位置B2到第3部分223的顶端的沿着长度轴线L的距离设为L5。
L1＝L4+L5的关系成立。
L4长于图2所示的L2。L5短于图2所示的L3。
就超声波转换器20的振动的共振频率而言，与交界A1处于基准位置B1的情况相比，在交界A1处于比基准位置B1靠第3部分223的顶端侧的位置B2的情况下该共振频率较高。与交界A1的位置相应的超声波转换器20的振动的共振频率的特性见后述。
图5是构成作为一个例子的超声波转换器20的顶端侧块22的剖视图。图5表示与长度轴线L大致平行的顶端侧块22的截面。图5表示在将距离L1设为恒定的条件下交界A1的位置处于比基准位置B1靠被支承部25侧的位置的超声波转换器20。图5所示的顶端侧块22与图2所示的顶端侧块22相同地由具有作为基准的物理性质的材料构成。
将处于比基准位置B1靠被支承部25侧的位置的任意的交界A1的位置设为位置B3。
将从被支承部25到位置B3的沿着长度轴线L的距离设为L6。
将从位置B3到第3部分223的顶端的沿着长度轴线L的距离设为L7。
L1＝L6+L7的关系成立。
L6短于图2所示的L2。L7长于图2所示的L3。
就超声波转换器20的振动的共振频率而言，与交界A1处于基准位置B1的情况相比，在交界A1处于比基准位置B1靠被支承部25侧的位置B3的情况下该共振频率较低。以下，说明与交界A1的位置相应的超声波转换器20的振动的共振频率的特性。
图6是表示与交界A1的位置相应的超声波转换器20的振动的共振频率的特性的图表。
横轴表示从基准位置B1到交界A1的长度轴线L上的距离。横轴的负方向是从基准位置B1向第3部分223的顶端侧的方向。横轴的正方向是从基准位置B1向被支承部25侧的方向。
在横轴的值是0的情况下，交界A1处于基准位置B1。也就是说，顶端侧块22如图2所示地构成。在横轴的值是负的值的情况下，交界A1处于位置B2。也就是说，顶端侧块22如图4所示地构成。在横轴的值是正的值的情况下，交界A1处于位置B3。也就是说，顶端侧块22如图5所示地构成。
纵轴表示超声波转换器20的振动的共振频率的变化量。变化量相当于超声波转换器20的振动的共振频率与预定的共振频率Frref之差。
在交界A1处于基准位置B1的情况下，超声波转换器20的振动的共振频率是预定的共振频率Frref。在交界A1处于位置B2的情况下，超声波转换器20的振动的共振频率与预定的共振频率Frref之差是正值。也就是说，在交界A1处于位置B2的情况下，超声波转换器20的振动的共振频率高于预定的共振频率Frref。在交界A1处于位置B3的情况下，超声波转换器20的振动的共振频率与预定的共振频率Frref之差是负值。也就是说，在交界A1处于位置B3的情况下，超声波转换器20的振动的共振频率低于预定的共振频率Frref。
这样，在将距离L1设为恒定的条件下，超声波转换器20的振动的共振频率与交界A1的位置相应地有所不同。具体地讲，随着交界A1的位置从第3部分223的顶端侧向被支承部25侧接近，超声波转换器20的振动的共振频率线性地或者大致线性地减少。
接着，参照图7～图10说明构成超声波转换器20的顶端侧块22的若干变形例。以下说明的顶端侧块22的形状只是例示。顶端侧块22只要构成为在与长度轴线L正交的虚拟平面中第2部分222的截面积小于第3部分223的截面积，就并不限定于在本说明书中说明的形状。
图7是表示构成作为变形例的超声波转换器20的顶端侧块22的立体图。第2部分222和第3部分223由椭圆柱构成。
图8是表示构成作为变形例的超声波转换器20的顶端侧块22的立体图。第2部分222由圆柱构成。第3部分223由四棱柱构成。这样，第2部分222的与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面的形状也可以不是与第3部分223的与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面相似的形状。第3部分223也可以由除四棱柱之外的多棱柱构成。
图9是表示构成作为变形例的超声波转换器20的顶端侧块22的立体图。第2部分222由在交界A1附近随着从交界A1向被支承部25侧接近而第2部分222的外形(截面积)逐渐减少这样的平稳的形状构成。取而代之，也可以是，第3部分223由在交界A1附近随着从第3部分223的顶端侧向交界A1侧接近而第3部分223的外形(截面积)逐渐减少这样的平稳的形状(锥形形状)构成。与交界A1由阶梯形状构成的情况相比，交界A1附近的平稳的形状能够减少在超声波转换器20传递超声波振动时应力集中在交界A1部分的状况。因而，顶端侧块22变得不易损伤。
图10是表示构成作为变形例的超声波转换器20的顶端侧块22的剖视图。图10表示与长度轴线L大致平行的顶端侧块22的截面。第2部分222和第3部分223为筒形。在与长度轴线L正交的虚拟平面中，第2部分222的外周的形状与第3部分223的外周的形状相同。因此，顶端侧块22的外形在交界A1附近没有变化。在与长度轴线L正交的虚拟平面中，第2部分222的内周的长度长于第3部分223的内周的长度。因而，在与长度轴线L正交的虚拟平面中，第2部分222的截面积小于第3部分223的截面积。
第2部分222的与长度轴线L正交的虚拟平面中的外周的形状和内周的形状既可以是圆形，也可以是多边形。第2部分222的外周的形状既可以是与第2部分222的内周的形状相似的形状，也可以不是相似的形状。第3部分223的与长度轴线L正交的虚拟平面中的外周的形状和内周的形状既可以是圆形，也可以是多边形。第3部分223的外周的形状既可以是与第3部分的内周的形状相似的形状，也可以不是相似的形状。
还优选的是，顶端侧块22构成为与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面的形状具有更多的对称轴。优选的一个例子是图3所示的圆形。其原因在于，对称轴较多的方式能够减少引起以下的不理想的行为的可能性，即顶端侧块22在除了沿着长度轴线L的方向之外的方向上进行振动等。
另外，在上述的若干例子中，第2部分222与长度轴线L正交的截面形状沿着长度轴线L相同或者大致相同，但并不限于此。第2部分222整体沿着长度轴线L既可以是锥形形状，也可以带有阶梯性的截面积变化。同样，第3部分223整体沿着长度轴线L既可以是锥形形状，也可以带有阶梯性的截面积变化。
接着，说明交界A1的位置的调整。
在一个例子中，在超声波转换器20的设计阶段、加工尺寸的设定时实施交界A1的位置的调整。也可以根据构成顶端侧块22的材料的物理性质与作为基准的物理性质之差来计算交界A1的位置。超声波转换器20被加工为交界A1设在从基准位置B1调整好的位置。
设想顶端侧块22由具有作为基准的物理性质的材料构成的情况。在该情况下，超声波转换器20被加工为交界A1设在基准位置B1。由此，超声波转换器20以某个共振频率进行振动。此时的共振频率是期望的预定的共振频率Frref。
接着，设想顶端侧块22由具有与作为基准的物理性质不同的物理性质的材料构成的情况。在一个案例中，在交界A1设在基准位置B1时，超声波转换器20的振动的共振频率变得低于预定的共振频率Frref。通过加工为交界A1设在适当地调整了距基准位置B1的距离而成的位置B2，从而超声波转换器20以预定的共振频率Frref进行振动。在另一个案例中，在交界A1设在基准位置B1时，超声波转换器20的振动的共振频率变得高于预定的共振频率Frref。通过加工为交界A1设在适当地调整了距基准位置B1的距离而成的位置B3，从而超声波转换器20以预定的共振频率Frref进行振动。
在另一个例子中，也可以是，对处于部件状态的顶端侧块22或者处于组装状态的成品(超声波转换器20)实施交界A1的位置的调整。在该情况下，为了调整交界A1的位置而切削顶端侧块22，使得超声波转换器20的振动的共振频率成为预定的共振频率Frref。另外，该例子的交界A1的位置的调整是将交界A1的位置向接近第3部分223的顶端侧的方向进行的调整。也就是说，在超声波转换器20的振动的共振频率低于预定的共振频率Frref的情况下，调整交界A1的位置，使得超声波转换器20的振动的共振频率上升到预定的共振频率Frref。
接着，说明第1实施方式的效果。
超声波转换器20构成为在将从被支承部25到第3部分223的顶端的距离设为预定的距离的条件下以预定的共振频率Frref进行振动。即使构成超声波转换器20的顶端侧块22的材料的物理性质产生偏差，超声波转换器20也构成为被支承部25和顶端侧块22的第3部分223的顶端之间的沿着长度轴线L的长度L1始终恒定。因而，不会发生在构成超声波处置器具2的其他部件上组装超声波转换器20时需要变更其他部件的尺寸这样的事态。
(第2实施方式)
说明第2实施方式的超声波转换器20。
第2实施方式构成超声波转换器20的顶端侧块22的形状与第1实施方式有所不同。在第2实施方式中，对与第1实施方式不同的结构进行说明。对于第2实施方式中的也可以与第1实施方式相同的结构省略其说明。
图11是构成作为一个例子的超声波转换器20的顶端侧块22的剖视图。图11表示顶端侧块22的与长度轴线L大致平行的截面。顶端侧块22由具有作为基准的物理性质的材料构成。
顶端侧块22从驱动单元30的顶端侧沿着长度轴线L按顺序具有第1部分221、第2部分222及第3部分223。第1部分221、第2部分222及第3部分223既可以加工为一个元件，也可以分别加工为独立元件。
在第1部分221设有上述的被支承部25和变幅杆26。
第1部分221构成为在使压电元件31产生超声波振动并将超声波振动传递到基端侧块23和顶端侧块22的状态下被支承部25的位置与超声波振动的波节一致或者大致一致。其原因与在第1实施方式中说明的原因相同。
第2部分222与第1部分221的顶端侧连续。第2部分222为圆柱形状。第2部分222的与长度轴线L正交的截面形状沿着长度轴线L相同或者大致相同。
第3部分223与第2部分222的顶端侧连续。第3部分223为圆柱形状。第3部分223的与长度轴线L正交的截面形状沿着长度轴线L相同或者大致相同。第3部分223构成为其与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面积与所述第2部分222有所不同。
如上所述，在使压电元件31产生超声波振动并将超声波振动传递到基端侧块23和顶端侧块22的状态下，第3部分223的顶端与超声波振动的波腹一致或者大致一致。
接着，说明设于顶端侧块22的第2部分222与第3部分223之间的交界(以下称作交界A2)的位置。交界A2处于与长度轴线L正交的虚拟平面上。
顶端侧块22构成为在使压电元件31产生超声波振动并将超声波振动传递到基端侧块23和顶端侧块22的状态下交界A2的位置与超声波振动的波腹一致或者大致一致。其原因与在第1实施方式中说明的原因相同。
将从被支承部25到第3部分223的顶端的沿着长度轴线L的距离设为L1’。
交界A2设在从被支承部25到交界A的沿着长度轴线L的距离成为L2’的位置(以下是基准位置C1)。基准位置C1是超声波转换器20的振动的共振频率成为预定的共振频率Frref的位置。
将从交界A2到第3部分223的顶端的沿着长度轴线L的距离设为L3’。L3’相当于从与超声波振动的波腹一致或者大致一致的基准位置C1到与超声波振动的波腹一致或者大致一致的第3部分223的顶端的距离。因此，L3’是超声波振动的半波长的自然数倍。
L1’＝L2’+L3’的关系成立。
图12是构成作为一个例子的超声波转换器20的顶端侧块22的立体图。
第2部分222和第3部分223为圆柱形状。第2部分222的与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面积大于第3部分223的与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面积。
另外，也可以是，顶端侧块22在交界A2附近构成为外形平稳地变化。其原因与在第1实施方式中说明的原因相同。
接着，说明在将距离L1’设为恒定的条件下交界A2的位置设在与基准位置C1不同的位置的超声波转换器20的结构。
图13是构成作为一个例子的超声波转换器20的顶端侧块22的剖视图。图13表示顶端侧块22的与长度轴线L大致平行的截面。图13是在将距离L1’设为恒定的条件下交界A2的位置处于比基准位置C1靠第3部分223的顶端侧的位置的超声波转换器20。图13所示的顶端侧块22与图11所示的顶端侧块22相同地由具有作为基准的物理性质的材料构成。
将处于比基准位置C1靠第3部分223的顶端侧的位置的任意的交界A2的位置设为位置C2。
将从被支承部25到位置C2的沿着长度轴线L的距离设为L4’。
将从位置C2到第3部分223的顶端的沿着长度轴线L的距离设为L5’。
L1’＝L4’+L5’的关系成立。
L4’长于图11所示的L2’。L5’短于图11所示的L3’。
就超声波转换器20的振动的共振频率而言，与交界A2处于基准位置C1的情况相比，在交界A2处于比基准位置C1靠第3部分223的顶端侧的位置C2的情况下该共振频率较低。与交界A2的位置相应的超声波转换器20的振动的共振频率的特性见后述。
图14是构成作为一个例子的超声波转换器20的顶端侧块22的剖视图。图14表示顶端侧块22的与长度轴线L大致平行的截面。图14表示在将距离L1’设为恒定的条件下交界A2的位置处于比基准位置C1靠被支承部25侧的位置的超声波转换器20。图14所示的顶端侧块22与图11所示的顶端侧块22相同地由具有作为基准的物理性质的材料构成。
将处于比基准位置C1靠被支承部25侧的位置的任意的交界A2的位置设为位置C3。
将从被支承部25到位置C3的沿着长度轴线L的距离设为L6’。
将从位置C3到第3部分223的顶端的沿着长度轴线L的距离设为L7’。
L1’＝L6’+L7’的关系成立。
L6’短于图11所示的L2’。L7’长于图11所示的L3’。
就超声波转换器20的振动的共振频率而言，与交界A2处于基准位置C1的情况相比，在交界A2处于比基准位置C1靠被支承部25侧的位置C3的情况下该共振频率较高。
说明与交界A2的位置相应的超声波转换器20的振动的共振频率的特性。
在交界A2处于基准位置C1的情况下，超声波转换器20的振动的共振频率是预定的共振频率Frref。在交界A2处于位置C2的情况下，超声波转换器20的振动的共振频率低于预定的共振频率Frref。在交界A2处于位置C3的情况下，超声波转换器20的振动的共振频率高于预定的共振频率Frref。
也就是说，在将距离L1’设为恒定的条件下，超声波转换器20的振动的共振频率根据交界A2的位置而不同。具体地讲，随着交界A’的位置从第3部分223的顶端侧向被支承部25侧接近，超声波转换器20的振动的共振频率线性地或者大致线性地增加。
这样，第2实施方式的共振频率的特性成为与第1实施方式的共振频率的特性相反的特性。其原因在于，第2部分222的与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面积和第3部分223的与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面积的大小关系在第1实施方式和第2实施方式中相反。
接着，参照图15～图17说明构成超声波转换器20的顶端侧块22的若干变形例。以下说明的顶端侧块22的形状只是例示。顶端侧块22只要构成为在与长度轴线L正交的虚拟平面中第2部分222的截面积大于第3部分223的截面积，就并不限定于在本说明书中说明的形状。
图15是表示构成作为变形例的超声波转换器20的顶端侧块22的剖视图。图15表示顶端侧块22的与长度轴线L大致平行的截面。在与长度轴线L正交的虚拟平面中，第2部分222的外周的形状与第3部分223的外周的形状相同。第2部分222为柱形状。第3部分223为筒形。因而，在与长度轴线L正交的虚拟平面中，第2部分222的截面积大于第3部分223的截面积。第2部分222的与长度轴线L正交的虚拟平面中的外周的形状既可以是圆形，也可以是多边形。第3部分223的与长度轴线L正交的虚拟平面中的外周的形状和内周的形状既可以是圆形，也可以是多边形。第3部分223的外周的形状既可以是与第3部分223的内周的形状相似的形状，也可以不是相似的形状。
图16是表示构成作为变形例的超声波转换器20的顶端侧块22的剖视图。图16表示与长度轴线L大致平行的顶端侧块22的截面。在与长度轴线L正交的虚拟平面中，第2部分222的外周的形状与第3部分223的外周的形状相同。第2部分222和第3部分223为筒形。但是，在与长度轴线L正交的虚拟平面中，第2部分222的内周的形状小于第3部分223的内周的形状。因而，在与长度轴线L正交的虚拟平面中，第2部分222的截面积大于第3部分223的截面积。
另外，第2部分222的与长度轴线L正交的虚拟平面中的外周的形状和内周的形状既可以是圆形，也可以是多边形。第2部分222的外周的形状既可以是与第2部分222的内周的形状相似的形状，也可以不是相似的形状。第3部分223的与长度轴线L正交的虚拟平面中的外周的形状和内周的形状既可以是圆形，也可以是多边形。第3部分223的外周的形状既可以是与第3部分223的内周的形状相似的形状，也可以不是相似的形状。
图17是表示构成作为变形例的超声波转换器20的顶端侧块22的立体图。
第2部分222为柱形状。第3部分223构成为第3部分223的与长度轴线L正交的虚拟平面中的外周的形状成为去除第2部分222的外周形状的一部分而成的形状。因而，在与长度轴线L正交的虚拟平面中，第2部分222的截面积大于第3部分223的截面积。
还优选的是，顶端侧块22构成为与长度轴线L正交的虚拟平面中的截面的形状具有更多的对称轴。优选的一个例子是图12所示的圆形。其原因与在第1实施方式中说明的原因相同。
另外，在上述的若干例子中，第2部分222的与长度轴线L正交的截面形状沿着长度轴线L相同或者大致相同，但并不限于此。也可以是，第2部分222整体沿着长度轴线L是锥形形状。同样，也可以是，第3部分223整体沿着长度轴线L是锥形形状。
接着，说明交界A2的位置的调整。
在一个例子中，在超声波转换器20的设计阶段、加工尺寸的设定时实施交界A2的位置的调整。也可以根据构成顶端侧块22的材料的物理性质与作为基准的物理性质之差来计算交界A2的位置。超声波转换器20被加工为交界A2设在从基准位置C1调整好的位置。
设想顶端侧块22由具有作为基准的物理性质的材料构成的情况。在该情况下，超声波转换器20被加工为交界A2设在基准位置C1。由此，超声波转换器20以某个共振频率进行振动。此时的共振频率是期望的预定的共振频率Frref。
接着，设想顶端侧块22由具有与作为基准的物理性质不同的物理性质的材料构成的情况。在一个案例中，在交界A2设在基准位置C1时，超声波转换器20的振动的共振频率有时低于预定的共振频率Frref。通过加工为交界A2设在适当地调整了距基准位置C1的距离而成的位置C3，从而超声波转换器20以预定的共振频率Frref进行振动。在另一个案例中，交界A2设在基准位置C1时，超声波转换器20的振动的共振频率有时高于预定的共振频率Frref。通过加工为交界A2设在适当地调整了距基准位置C1的距离而成的位置C2，从而超声波转换器20以预定的共振频率Frref进行振动。
在另一个例子中，也可以是，对处于部件状态的顶端侧块22或者处于组装状态的成品(超声波转换器20)实施交界A2的位置的调整。在该情况下，为了调整交界A2的位置而切削顶端侧块22，使得超声波转换器20的振动的共振频率成为预定的共振频率Frref。另外，该例子的交界A2的位置的调整是将交界A2的位置向接近被支承部25侧的方向进行的调整。也就是说，在超声波转换器20的振动的共振频率低于预定的共振频率Frref的情况下，调整交界A2的位置，使得超声波转换器20的振动的共振频率上升到预定的共振频率Frref。
第2实施方式的超声波转换器20能够获得与在第1实施方式中说明的效果相同的效果。
至此，参照附图具体地说明了若干实施方式，但本发明并不限定于上述的实施方式，包含能在不脱离其主旨的范围内进行的所有实施。

Claims (12)

1.一种超声波转换器，其中，
该超声波转换器包括：
驱动单元，其具备通过被供给电能而沿着长度轴线产生超声波振动的压电元件；
基端侧块，其沿着所述长度轴线设在所述驱动单元的第1端侧；以及
顶端侧块，其设在所述驱动单元的与所述第1端侧相反的第2端侧，
所述顶端侧块从所述驱动单元的所述第2端侧沿着所述长度轴线按顺序具有：
第1部分，其与所述压电元件邻接，在该第1部分设有被支承部；
第2部分，其与所述第1部分连续；以及
第3部分，其与所述第2部分连续，构成为该第3部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积与所述第2部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积不同，
所述顶端侧块构成为在使所述压电元件产生所述超声波振动并将所述超声波振动传递到所述基端侧块、所述第1部分、所述第2部分及所述第3部分的状态下，所述第2部分与所述第3部分之间的交界的位置与所述超声波振动的波腹一致或者大致一致，所述被支承部的位置与所述超声波振动的波节一致或者大致一致，所述第3部分的顶端与所述超声波振动的波腹一致或者大致一致，
所述第2部分与所述第3部分之间的交界的位置设置为，在从所述被支承部到所述第3部分的顶端的沿着所述长度轴线的距离为恒定的条件下，所述超声波振动的共振频率成为预定的共振频率。
2.根据权利要求1所述的超声波转换器，其中，
所述第2部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积小于所述第3部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积。
3.根据权利要求2所述的超声波转换器，其中，
随着所述第2部分与所述第3部分之间的交界的位置从所述第3部分的顶端侧向所述被支承部侧接近，所述超声波转换器的振动的共振频率线性地或者大致线性地减少。
4.根据权利要求1所述的超声波转换器，其中，
所述第2部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积大于所述第3部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积。
5.根据权利要求4所述的超声波转换器，其中，
随着所述第2部分与所述第3部分之间的交界的位置从所述第3部分的顶端侧向所述被支承部侧接近，所述超声波转换器的振动的共振频率线性地或者大致线性地增加。
6.根据权利要求1所述的超声波转换器，其中，
所述第2部分的与所述长度轴线正交的截面形状沿着所述长度轴线相同或者大致相同，
所述第3部分的与所述长度轴线正交的截面形状沿着所述长度轴线相同或者大致相同。
7.一种超声波处置系统，其中，
该超声波处置系统包括：
能量控制装置，其输出电能，并且对所述电能的输出进行控制；
超声波转换器，其连接于所述能量控制装置，并传递超声波振动；以及
超声波处置器具，其连接于所述超声波转换器，并利用由所述超声波转换器传递的所述超声波振动对处置对象进行处置，
所述超声波转换器包括：
压电元件，其通过被供给所述电能而沿着长度轴线产生超声波振动；
基端侧块，其沿着所述长度轴线设在所述压电元件的第1端侧；以及
顶端侧块，其设在所述压电元件的与所述第1端侧相反的第2端侧，
所述顶端侧块从所述压电元件的所述第2端侧沿着所述长度轴线按顺序具有：
第1部分，其与所述压电元件邻接，在该第1部分设有被支承部；
第2部分，其与所述第1部分连续；以及
第3部分，其与所述第2部分连续，构成为该第3部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积与所述第2部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积不同，
所述顶端侧块构成为在使所述压电元件产生所述超声波振动并将所述超声波振动传递到所述基端侧块、所述第1部分、所述第2部分及所述第3部分的状态下，所述第2部分与所述第3部分之间的交界的位置与所述超声波振动的波腹一致或者大致一致，所述被支承部的位置与所述超声波振动的波节一致或者大致一致，所述第3部分的顶端与所述超声波振动的波腹一致或者大致一致，
所述第2部分与所述第3部分之间的交界的位置设置为，在从所述被支承部到所述第3部分的顶端的沿着所述长度轴线的距离为恒定的条件下，所述超声波振动的共振频率成为预定的共振频率。
8.根据权利要求7所述的超声波处置系统，其中，
所述第2部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积小于所述第3部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积。
9.根据权利要求8所述的超声波处置系统，其中，
随着所述第2部分与所述第3部分之间的交界的位置从所述第3部分的顶端侧向所述被支承部侧接近，所述超声波转换器的振动的共振频率线性地或者大致线性地减少。
10.根据权利要求7所述的超声波处置系统，其中，
所述第2部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积大于所述第3部分的与所述长度轴线正交的虚拟平面中的截面积。
11.根据权利要求10所述的超声波处置系统，其中，
随着所述第2部分与所述第3部分之间的交界的位置从所述第3部分的顶端侧向所述被支承部侧接近，所述超声波转换器的振动的共振频率线性地或者大致线性地增加。
12.根据权利要求7所述的超声波处置系统，其中，
所述第2部分的与所述长度轴线正交的截面形状沿着所述长度轴线相同或者大致相同，
所述第3部分的与所述长度轴线正交的截面形状沿着所述长度轴线相同或者大致相同。
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