JP5350418B2 - 共振振動子、共振振動子の製造方法およびこの共振振動子を有する超音波処置具 - Google Patents

Description

本発明は、共振振動子、共振振動子の製造方法およびこの共振振動子を有する超音波処置具に係り、特に、高い振動速度を得ることができる共振振動子、共振振動子の製造方法およびこの共振振動子を有する超音波処置具に関する。

近年、医療現場においては、術後の早期回復や患者への負担軽減から、切開部をできるだけ少なくすることが求められており、その解決方法として内視鏡手術が盛んに取り入れられてきている。内視鏡手術のため、様々な手術用具が開発され適用範囲が広げられている。そのような状況の下、超音波ナイフが内視鏡手術の道具として期待されている。

このような超音波処置具として、下記の特許文献１には、超音波振動を発生させる圧電素子と、発生した超音波振動の振幅を拡大するホーン部と、振動を伝達するプローブと、を介して処置部に超音波振動を励起する超音波処置具が記載されている。

また、非特許文献１には、内視鏡手術に用いることを意図した、縦振動（切除する生体面に対してほぼ垂直方向に振動）を用いたマイクロ超音波メスが提案されている。縦振動は、圧電体膜のｄ_３１モードで励起されるようになっており、振動速度を検出できるようにセンサデバイスも組み込むことが可能になっている。

特開２００２−６５６８９号公報

黒澤実、笹沼健史「ＰＺＴ膜を用いたマイクロ超音波メス用振動子の振動速度向上」 社団法人 電子情報通信学会、信学技法、ＵＳ２００９−１０９（２１３）３１．

特許文献１に記載の超音波処置具は、圧電素子に、大きな振動速度が得られるようにボルト締めランジュバン振動子を使用しているが、超音波処置具として、切開、凝固などを行なうには振動速度が足りないために振動速度を拡大するホーン部が必要となっていた。しかしながら、ホーン部で振動速度を拡大するためには、処置部に対して振動部のサイズを大きくする必要がある。そのため、内視鏡内で超音波処置具を利用しようとすると、振動部のサイズは直径約２ｍｍ〜３ｍｍ程度に限られてしまうため、処置部はさらに小さくなってしまい、処置に時間がかかるなどの問題があった。また、非特許文献１には、ホーン部を持たない矩形形状と、変成比が３．５のホーン部を有した構造が記載されており、振動部の振動速度が矩形形状で２ｍ／ｓ、ホーン部を有した形状で７ｍ／ｓであることが記載されている。超音波処置具として切開、凝固を行なうためには、７ｍ／ｓの振動速度が必要であるため、変成比を３．５以上にする必要がある。そのため、処置部の幅が１ｍｍよりも小さくなってしまう。また振動のトルクは変成比の分小さくなるためトルクが小さい、という問題もあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高い振動速度を得ることができる共振振動子、共振振動子の製造方法およびこの共振振動子を有する超音波処置具を提供することを目的とする。

本発明は前記目的を達成するために、振動板と、前記振動板上に積層された圧電体膜および上部電極からなる圧電素子と、を有し、前記圧電体膜は、前記圧電体膜の振動方向に圧縮応力が付与されており、前記振動板は、振動方向に対して垂直方向で、前記振動板と前記圧電素子の積層方向に平行な側面のみで支持されていることを特徴とする共振振動子を提供する。

圧電体膜は、一般的に圧縮強度より引張強度の方が小さく、そのため、共振振動子の振動速度は、引張強度に依存して決定される。本発明によれば、圧電体膜自体に圧縮応力を内部応力として付与しているため、圧電体膜に通常の場合と比較して高い引張応力をかけることができる。したがって、従来よりも高い振動速度を得ることができる。
また、振動板を振動方向に対して垂直方向の側面のみで支持しているので、振動板の振動を容易に行なうことができる。

本発明は、前記振動板は、前記圧電素子が形成されている面に対して水平方向に伸縮振動することが好ましい。

本発明によれば、振動板を圧電素子が形成されている面に対して水平方向に伸縮振動させているので、超音波処置具として使用した場合に、生体の切開作用、コアギュレーションによる止血作用を得ることができる。

本発明は、前記圧電体膜の膜厚が１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、圧電体膜の膜厚を上記範囲とすることにより、装置を小型化することができる。

本発明は、前記圧電体膜の内部応力が１００ＭＰａ以上の圧縮応力であることが好ましい。

本発明によれば、圧電体膜の内部応力を１００ＭＰａ以上の圧縮応力としているので、矩形形状の共振振動子の振動速度を３．５ｍ／ｓまで上げることができる。したがって、振動増幅部の変成比を２．０以下で設計を行なっても、振動部の振動速度を７．０ｍ／ｓ以上とすることができる。

本発明は、前記圧電体膜の内部応力が３００ＭＰａ以上の圧縮応力であることが好ましい。

本発明によれば、圧電体膜の内部応力を３００ＭＰａ以上の圧縮応力としているので、矩形形状の共振振動子で７．０ｍ／ｓ以上の振動速度を得ることができ、設計の幅を広げることができる。また、処置具の体内に挿入する部分に駆動部を設ける場合は、駆動電圧を高くすることができないが、本発明によれば、体内で安全に駆動できる電圧の範囲では、駆動電圧を上げることにより、振動速度を向上させることができる。

本発明は、前記振動板の熱膨張係数が、前記圧電体膜の熱膨張係数より大きいことが好ましい。

本発明によれば、振動板の熱膨張係数が、圧電体膜の熱膨張係数より大きいので、高温で成膜した後、常温に戻す際に熱膨張係数の違いにより歪が発生する。したがって、圧電体膜に内部応力を付与することができる。

本発明は前記目的を達成するために、上記記載の共振振動子を備えることを特徴とする超音波処置具を提供する。

本発明の共振振動子によれば、高い振動速度を得ることができるので、振動増幅部が不要、あるいは、振動増幅部の変成比を小さくすることができ、処置部のサイズを大きくすることができる。したがって、超音波処置具として好適に使用することができる。

本発明の共振振動子、共振振動子の製造方法およびこの共振振動子を有する超音波処置具によれば、成膜時に圧電体膜に圧縮応力を付加しておくことにより、高い振動速度を得ることができる。

共振振動子の構造を示す平面図である。 共振振動子の駆動部の構造を示す断面図である。 （ａ）はＲＦスパッタリング装置の概略断面図、（ｂ）は成膜中の様子を模式的に示す図である。 超音波処置具の全体構成図である。 実施例における駆動電圧と振動速度の関係を示すグラフ図である。 実施例における圧縮応力と最大振動速度の関係を示すグラフ図である。

以下、添付図面に従って本発明に係る共振振動子およびこの共振振動子を有する超音波処置具の好ましい実施の形態について詳説する。

〔共振振動子〕
図１（ａ）は、本発明に用いられる第１実施形態の共振振動子の構造を模式的に示す平面図であり、図１（ｂ）は、第２実施形態の共振振動子の構造を模式的に示す平面図である。第２実施形態に示す共振振動子は、駆動部での振動速度を拡大する振動増幅部を備えている点で第１実施形態と異なっている。以下は、主に、第１実施形態の共振振動子を用いて説明するが、第２実施形態にかかる共振振動子は、振動増幅部を備えている点で第１実施形態と異なっているが、それ以外の構成は第１実施形態と同じである。

共振振動子５０は、図１に示すように、基板５２上に圧電素子５４を備え基板５２を振動させる駆動部５６、基板５２の先端であり圧電素子５４の駆動により振動する振動部５８、駆動を支持する支持部６０、および駆動部５６を支持部６０に固定する固定部６２から構成されている。共振振動子５０は、図１（ａ）において、左右方向に振動する。そのため、駆動部５６および振動部５８は、振動方向に対して垂直方向、すなわち、図１（ａ）において、上下方向側面に固定部６２により支持部６０に支持されていることが好ましい。また、第２実施形態においては、駆動部１５６で得られた振動速度を拡大して振動部１５８に伝えるための振動増幅部１５７を備えている。なお、図１においては、圧電素子５４は、駆動部５６と固定部６２から支持部６０の一部に設けられているが、これは支持部６０上の圧電素子５４に電極を接続するためであり、圧電素子５４を形成する位置は、駆動部５６に形成されていれば特に限定されない。第２実施形態における振動増幅部の変成比は、駆動部の幅方向の長さと振動部の幅方向の長さ、ホーンの形状により決定することができる。

〔圧電素子〕
次に、本発明の共振振動子５０に用いられる圧電素子５４について説明する。圧電素子５４は、図２に示すように、基板５２上に、下部電極６４、圧電体膜６６、上部電極６８が順次積層された素子であり、圧電体膜６６に対して、下部電極６４と上部電極６８とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。電界が印加されると、圧電素子５４の電界方向と垂直方向（ｄ_３１方向）に伸縮するため、基板５２の長手方向、すなわち、圧電素子５４が形成されている面に対して水平方向に伸縮振動する。

基板５２の材料としては、Ｔｉ、Ａｌ、ＳＵＳ、およびその合金などを挙げることができ、基板と圧電体膜との関係で圧電体膜に圧縮応力がかかるように、圧電体膜の熱膨張係数より大きい熱膨張係数を有する基板を用いることが好ましい。その中でも、Ｔｉおよびその合金を用いることが好ましい。Ｔｉおよびその合金を用いることにより、熱膨張係数の関係から圧電体膜に圧縮応力をかけやすくすることができる。また、後述する超音波処置具などに使用する場合に安全に使用することができる。

下部電極６４は必要に応じて設けることができる。例えば、基板５２が金属などの導電性を有する材料で形成されている場合は、下部電極を設けず、基板５２上に直接圧電体膜６６を成膜することができる。下部電極６４の主成分としては、特に制限はなく、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＬａＮｉＯ_３、及びＳｒＲｕＯ_３等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。上部電極６８の主成分としては特に制限なく、下部電極６４で例示した材料、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｒ、及びＣｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。

圧電体膜６６としては、下記一般式（Ｐ）で表される１種または複数種のペロブスカイト型酸化物を用いることができる。

一般式ＡａＢｂＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイト元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素原子。
ａ＝１．０かつｂ＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。）
下記に示す気相成長法により圧電体膜を成膜することで、１．０≦ａであるＰｂ抜けのない組成の圧電体膜を成膜することができ、１．０＜ａであるＰｂリッチな組成の圧電体膜を提供することもできる。ａの上限は特に制限がなく、１．０≦ａ≦１．３であれば、圧電性能が良好な圧電体膜を得ることができる。

下部電極６４と上部電極６８の厚みは特に制限なく、例えば２００ｎｍ程度である。圧電体膜６６の膜厚は特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば、１〜５μｍである。

〔圧電体膜の製膜方法〕
次に圧電体膜の製膜方法について説明する。本発明の圧電体膜は、プラズマを用いる気相成長法により膜を製膜することができ、成膜温度Ｔｓ（℃）と、成膜時のプラズマ中のプラズマ電位Ｖｓ（Ｖ）とフローティング電位Ｖｆ（Ｖ）との差であるＶｓ−Ｖｆ（Ｖ）と、成膜される膜の特性との関係に基づいて製膜条件を決定することができる。

適用可能な気相成長法としては、スパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、イオンプレーティング法、及びプラズマＣＶＤ法等が挙げられる。上記関係が求められる膜の特性としては、膜の結晶構造および／または膜組成が挙げられ、膜の組成を調整することで、圧電体膜のヤング率を変更することができる。

図３に基づいて、スパッタリング装置を例として、プラズマを用いる成膜装置の構成例について説明する。図３（ａ）はＲＦスパッタリング装置の概略断面図であり、図３（ｂ）は成膜中の様子を模式的に示す図である。

ＲＦスパッタリング装置２００は、内部に、基板Ｂが装着されると共に、装着された基板Ｂを所定温度に加熱することが可能なヒータ２１１と、プラズマを発生させるプラズマ電極（カソード電極）２１２とが備えられた真空容器２１０から概略構成されている。ヒータ２１１とプラズマ電極２１２とは互いに対向するように離間配置され、プラズマ電極２１２上に成膜する膜の組成に応じた組成のターゲットＴが装着されるようになっている。プラズマ電極２１２は高周波電源２１３に接続されている。

真空容器２１０には、真空容器２１０内に成膜に必要なガスＧを導入するガス導入管２１４と、真空容器２１０内のガスの排気Ｖを行うガス排出管２１５とが取り付けられている。ガスＧとしては、Ａｒ、又はＡｒ／Ｏ２混合ガス等が使用される。図３（ｂ）に模式的に示すように、プラズマ電極２１２の放電により真空容器２１０内に導入されたガスＧがプラズマ化され、Ａｒイオン等のプラスイオンＩｐが生成される。生成されたプラスイオンＩｐはターゲットＴをスパッタする。プラスイオンＩｐにスパッタされたターゲットＴの構成元素Ｔｐは、ターゲットから放出され中性あるいはイオン化された状態で基板Ｂに蒸着される。図中、符号Ｐがプラズマ空間を示している。

プラズマ空間Ｐの電位はプラズマ電位Ｖｓ（Ｖ）となる。通常、基板Ｂは絶縁体であり、かつ、電気的にアースから絶縁されている。したがって、基板Ｂはフローティング状態にあり、その電位はフローティング電位Ｖｆ（Ｖ）となる。ターゲットＴと基板Ｂとの間にあるターゲットの構成元素Ｔｐは、プラズマ空間Ｐの電位と基板Ｂの電位との電位差Ｖｓ−Ｖｆの加速電圧分の運動エネルギーを持って、成膜中の基板Ｂに衝突すると考えられる。

プラズマ電位Ｖｓ及びフローティング電位Ｖｆは、ラングミュアプローブを用いて測定することができる。プローブの電圧をフローティング電位Ｖｆより高くしていくと、イオン電流は次第に減少し、プローブに到達するのは電子電流だけとなる。この境界の電圧がプラズマ電位Ｖｓである。Ｖｓ−Ｖｆは、基板とターゲットとの間にアースを設置するなどして、変えることができる。

プラズマを用いる気相成長法において、成膜される膜の特性を左右するファクターとしては、成膜温度、基板の種類、基板に先に成膜された膜があれば下地の組成、基板の表面エネルギー、成膜圧力、雰囲気ガス中の酸素量、投入電極、基板／ターゲット間距離、プラズマ中の電子温度及び電子密度、プラズマ中の活性種密度及び活性種の寿命等が考えられる。

また、本発明においては、上述したプラズマを用いる気相成長法のほかに、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）およびＰＬＤ（パルスレーザーデポジション）法などの気相法、ゾルゲル法および有機金属分解法などの液相法、およびエアロゾルデポジション法などにより成膜することもできる。また、バルクセラミックスを直接接合で貼り合わせた後、所望の膜厚まで研磨で薄化させることで形成することもできる。基板と圧電体膜の熱膨張係数の違いを利用して、成膜温度を高温にすることで、圧縮応力を付与することができるが、本発明はこれに限定されず、圧電体膜に内部応力として圧縮応力を付与することができれば、製造方法は特に限定されない。

〔圧電体膜の性能〕
セラミックスでは、一般に圧縮強度より引張強度の方が小さく、例えばＰＺＴの場合、引張強度の方が一桁ほど小さい（富士セラミックス、圧電セラミックステクニカルハンドブック表７.９．２参照）。そのため、共振振動子の速度の最大値Ｖｍは引張強度Ｔｍに依存し、以下の式で求めることができる。

引張強度は破断する強度であることから、実際には、これよりも小さい速度でセラミックスは発熱し、発熱によるエネルギー損失により速度が低下する現象がおきる。したがって、共振振動子の速度の限界は、Ｖｍよりも小さい値となる。したがって、初期状態で圧縮応力のバイアスを付加しておくことにより、圧電体膜の引張強度を見かけ上大きくすることができる。

圧電体膜の内部応力には、圧電体膜の成膜時に基板と圧電体膜の熱膨張係数の違いに起因する熱応力と、圧電体膜の成長プロセスに起因するものがある。本発明においては、この熱応力に起因する内部応力に注目して、圧電体膜に圧縮応力を付加する。

例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの熱膨張係数は８．８ｐｐｍ／℃であり、ＰＺＴ薄膜の熱膨張係数は、６．７ｐｐｍ／℃である。したがって、成膜温度から常温に戻すことにより成膜温度分の歪みが生じるため、圧電体膜に圧縮応力をかけることができる。これにより、共振振動子を振動させた際に、従来より高い引張強度を付与することができるので、高い振動速度を得ることができる。

圧電体膜の内部応力は、圧縮応力が１００ＭＰａ以上であることが好ましく、より好ましくは３００ＭＰａ以上である。

なお、内部応力は、レーザー干渉計で共振振動子の反り量Ｒから、Ｓｔｏｎｅｙの式により求めた。

〔超音波処置具〕
次に、本発明の共振振動子を用いた超音波処置具の一例について説明する。図４は、超音波処置具の一例として、超音波ナイフを備える超音波処置具の全体構成図である。超音波処置具１０は、ＥＳＤ処置において、針状ナイフや周辺切開および粘膜剥離用ナイフ（以下、「切開剥離ナイフ」ともいう）などの超音波ナイフ（メス）として機能するナイフ部１２と、ナイフ部１２を超音波ナイフとして機能させるように術者によって操作される操作部本体１４とを有し、超音波処置具１０は、ナイフ部１２に高周波電圧を供給する高周波発生装置１６から構成される。

ここで、ナイフ部１２は、刃部（処置部）１８、圧電素子５４、刃固定部２２、可撓性を有するシース（接続部）２４、第１の電極（接地電位）２６、第２の電極２８、樹脂封止材３０、可撓性コード４６を有する。

また、操作部本体１４は、刃部１８の操作用のリング３２ａ、リング３２ｂ、リング３２ｃおよび高周波発生装置１６への接続用端子であるコネクタ３４を有する。

なお、操作部本体１４のコネクタ３４と高周波発生装置１６とは、高周波電圧コード３８によって電気的に接続されている。

ナイフ部１２の刃部１８は、ＥＳＤ処置において、周辺切開、全周切開（カット）や粘膜下層の剥離などに用いられる切開剥離ナイフとして機能するもので、圧電素子５４の振動により刃部１８が振動可能に構成されている。

刃部１８は、圧電素子５４に印加する電界強度を増減させて圧電素子５４を伸縮させることにより、図中矢印に示す方向に超音波振動させることにより切開を行なうことができる。

刃固定部２２は、シース２４の内部先端に固定され、刃部１８を往復移動（進退）可能に支持する機能を有する。すなわち、刃部１８のシース２４の先端からの突出および退避に際し、シース２４に対し、刃部１８を進退可能に支持する。

シース２４は、可撓性を有する絶縁性材料で構成され、刃部１８、圧電素子５４、第１の電極２６、第２の電極２８を物理的かつ電気的に保護するものである。

第１の電極２６、第２の電極２８は、圧電素子５４に高周波電圧を供給するためのもので、導電性材料で構成され、リング３２ｂおよび３２ｃに連結されている。

樹脂封止材３０は、シース２４の生体側を封止するために設けられる。本発明においては、圧電素子５４を体内に挿入する部分に設けることができるので、感電を防止するために樹脂で覆うことが好ましい。また、圧電体膜６６の材料として鉛を用いることができるので、樹脂で覆うことが好ましい。シース２４の封止材として樹脂を用いることで、刃部１８の駆動時の共振周波数の影響を少なくすることができる。

次に、操作部本体１４の構成および作用について説明する。

術者が操作部本体１４のリング３２ａに親指を、操作用スライダのリング３２ｂおよび３２ｃに人差指と中指を挿入し、操作部本体１４に対して操作用スライダをスライドさせると、このスライドにより、操作用スライダに連結している可撓性コード４６を介して刃部１８は、シース２４から進退（往復移動）できるようになっている。

コネクタ３４には、高周波発生装置１６から高周波電圧コード３８が接続されており、第１の電極２６と第２の電極２８が電気的に接続されているため、この高周波電圧は、第１の電極２６および第２の電極２８の両方に加えられ、圧電素子５４が振動することで、刃部１８を超音波振動させ、切開剥離ナイフとして機能させることができる。

上記超音波ナイフが使用される処置具（内視鏡）の鉗子口径は約３ｍｍ程度である。処置部は、振動増幅部（ホーン形状）を設けることにより、駆動部からの振動速度を拡大することができる。しかしながら、ホーンの拡大率が大きくなると、口径のサイズが限られているため、処置部（振動部）のサイズが小さくなってしまう。処置部が小さくなると、処置に要する作業が多くなり、手術時間が長くなることが懸念される。現状使用されている超音波ナイフの場合は、先端径が約１ｍｍであり、約３倍の変成比である。エクスポネンシャルホーンを想定した場合には、変成比は振動部と、処置部の径の比で求めることができるので、変成比は２倍以下とすることが好ましい。超音波メスとして求められる振動速度は、７ｍ／ｓ以上であるため、変成比を２倍以下とするためには、変成比を有さない矩形形状での振動速度で３．５ｍ／ｓ以上とすることが好ましい。

なお、本発明の共振振動子は、上述した超音波ナイフに限定されず、各種アクチュエータや、レゾネータ、センサ、発振子等に用いることもできる。

［実施例］
引張強度が８００ＭＰａであるＴｉ合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ基板を用いて図１（ａ）に示すような矩形形状の共振振動子を作製した。振動部は固定部を介して支持部に固定されている。基板の厚みは０．３ｍｍであった。

基板上に下部電極として第１層ＴｉＷを５０ｎｍ、第２層Ｉｒを１５０ｎｍで、スパッタリング法により成膜した。下部電極の上に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を成膜温度５５０℃（実施例１）、成膜温度６００℃（実施例２）、成膜温度６５０℃（実施例３）の条件でスパッタリング法により成膜した。圧電体の厚みは４μｍであった。次に上部電極として、第１層ＴｉＷを５０ｎｍ、第２層をＰｔ１５０ｎｍでスパッタ法にて成膜した。成膜条件は以下の通りとした。

成膜装置：Ｒｆスパッタ装置、
ターゲット：Ｐｂ_１．３（（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）_０．８８Ｎｂ_０．１２）Ｏ_３焼結体（Ｂサイト中のＮｂ量：１２モル％）、
基板温度：４５０℃、
基板―ターゲット間距離：６０ｍｍ、
成膜圧力：０．２９Ｐａ、
成膜ガス：Ａｒ／Ｏ_２＝９７．５／２．５（モル比）。

製造された共振振動子の圧縮応力を求めた。また、下部電極と電気的に接続されているＴｉ基板と、上部電極と電気的に接続されている電極パットに０．７Ｖの電圧を印加することで、振動部を駆動させ、共振振動子の側面の振動速度をレーザードップラー振動計で測定を行い、共振周波数を求めた。求めた共振周波数において、駆動電圧を変更することで振動速度を求めた。結果を表１、図５、６に示す。なお、実施例１から３のいずれの圧電体膜も（１００）方向の配向度が８０％以上であり、圧電定数を測定したところ、ｄ_３１＝２００〜２５０ｐｍ／Ｖであった。

図５より、実施例１〜３のサンプル共、１０Ｖ以下の領域では、ほぼ同程度の振動速度を得ることができた。

実施例１においては、２２Ｖでピークの３．７ｍ／ｓの振動速度を得ることができた。しかしながら、電圧を上げていくと、２８Ｖでは、速度が低下した。これは、圧縮応力が小さいため、振動速度が３ｍ／ｓ以上になると、振動時の引張応力により発熱しエネルギーの損失が大きくなるためであると考えられる。高電圧になるほど投入エネルギーが大きくなるため発生熱量は大きくなり、ある電圧をピークに振動速度が低下すると考えられる。

実施例２においては、２２Ｖで最大振動速度５．２ｍ／ｓが得られた。これは、実施例１よりも圧縮応力が大きいため、実施例１よりも大きな速度を得ることができた。しかしながら、実施例２においても、２２Ｖ以上の電圧をかけると、振動時の引張応力により発熱が発生し、速度は低下していた。

実施例３では、２８Ｖで最大振動速度７．８ｍ／ｓが得られた。電圧を上げていっても速度の低下は見られず、駆動電圧と振動速度は比例関係にあった。

図６は、圧縮応力と最大振動速度の関係を示した図である。圧縮応力と最大振動速度は直線関係にあり、近似曲線よりｙ＝０．０２ｘ＋１．４６となることが確認された。

超音波ナイフとして求められる振動速度は、７ｍ／ｓ以上であることを考慮すると、矩形形状（ホーンを有さない形状）で３．５ｍ／ｓ以上必要である。したがって、圧縮応力は、１００ＭＰａ以上とする必要があり、実施例１から３のサンプルを用いることにより、変成比が２．０以下の共振振動子を得ることができる。

また、実施例３のように、圧電体膜の圧縮応力を３００ＭＰａ以上とすることにより、振動速度を７ｍ／ｓ以上とすることができるので、ホーン部（振動増幅部）を設けなくとも超音波ナイフとして使用することができ、処置部のサイズを大きくすることができる。また、駆動部を体内に挿入する部分に形成する場合は、駆動電圧を低く抑えることが好ましく、３０Ｖ以下とすることが好ましい、実施例３においては、図５に示すように、駆動電圧３０Ｖ以下では、駆動電圧を上げることで振動速度が向上することが確認できた。

比較例として、従来技術として挙げた非特許文献１、黒澤実、笹沼健史「ＰＺＴ膜を用いたマイクロ超音波メス用振動子の振動速度向上」 社団法人 電子情報通信学会、信学技法、ＵＳ２００９−１０９（２１３）３１．には、図１１に基板の片面に圧電素子を形成した場合、駆動電圧２０Ｖで振動速度が約２ｍ／ｓであることが記載されている。この圧電体膜は水熱合成により成膜されたものであるため、圧電体膜に内部応力はかけられていないと考えられる。したがって、圧縮応力の低い共振振動子は充分な振動速度を得ることができていないことがわかる。

１０…超音波処置具、１２…ナイフ部、１４…操作部本体、１６…高周波発生装置、１８…刃部（処置部）、２０…圧電素子、２２…刃固定部、２４…シース（接続部）、２６…第１の電極（接地電極）、２８…第２の電極、３０…樹脂封止材、３２…リング、３４…コネクタ、３８…高周波電圧コード、４６…可撓性コード、５０、１５０…共振振動子、５２、１５２…基板、５４、１５４…圧電素子、５６、１５６…駆動部、５８、１５８…振動部、６０、１６０…支持部、６２，１６２…固定部、６４…下部電極、６６…圧電体膜、６８…上部電極、１５７…振動増幅部

Claims (7)

1. 振動板と、前記振動板上に積層された圧電体膜および上部電極からなる圧電素子と、を有し、
   前記圧電体膜は、前記圧電体膜の振動方向に圧縮応力が付与されており、
   前記振動板は、振動方向に対して垂直方向で、前記振動板と前記圧電素子の積層方向に平行な側面のみで支持されていることを特徴とする共振振動子。
2. 前記振動板は、前記圧電素子が形成されている面に対して水平方向に伸縮振動することを特徴とする請求項１に記載の共振振動子。
3. 前記圧電体膜の膜厚が１μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の共振振動子。
4. 前記圧電体膜の内部応力が１００ＭＰａ以上の圧縮応力であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の共振振動子。
5. 前記圧電体膜の内部応力が３００ＭＰａ以上の圧縮応力であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の共振振動子。
6. 前記振動板の熱膨張係数が、前記圧電体膜の熱膨張係数より大きいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の共振振動子。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の共振振動子を備えることを特徴とする超音波処置具。

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