JP5993330B2 - 積層型超音波振動デバイス、積層型超音波振動デバイスの製造方法および超音波医療装置 - Google Patents

積層型超音波振動デバイス、積層型超音波振動デバイスの製造方法および超音波医療装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波振動を励振する積層型超音波振動デバイス、この積層型超音波振動デバイスの製造方法、積層型超音波振動デバイスを備えた超音波医療装置に関する。
超音波振動を利用して、生体組織の凝固／切開処置を行なう超音波処置具では、ハンドピース内に超音波振動源として、ボルト締めランジュバン振動子を内蔵したものがある。
このような、ボルト締めランジュバン振動子は、例えば、特許文献１（特開２００９−２２００１４号公報）には、が開示されており、電気信号を機械振動に変換する圧電素子が、金属部材からなるフロントマス、バックマスに挟まれて、ボルトにより強固に締結されて、一体化していて、全体が一体となって振動する。
ところで、圧電素子が金属部材に挟まれて、接着などを含めて何らかの方法で一体化して振動する振動子は、ランジュバン振動子と呼ばれ、これら圧電素子と金属部材の一体化の方法としてボルトによる締結を使用しているものはボルト締めランジュバン振動子と呼ばれている。従来のボルト締めランジュバン振動子の一般的な構成としては、圧電素子としてチタン酸ジリコン酸鉛（ＰＺＴ，Ｐｂ(Ｚｒｘ，Ｔｉ１-ｘ)Ｏ３）が使用され、圧電素子の形状はリング状に加工されて、リング内部にボルトが押通されている。
ＰＺＴは、高い生産性や高い電気機械変換効率を有し、圧電材料として優れた特性を持っているため、長年、超音波振動子やアクチュエーターなどの様々分野で用いられてきている。しかしながら、ＰＺＴは鉛を使用しているため、環境への悪影響の観点から、近年は鉛を使用しない非鉛圧電材料の使用が望まれている。
超音波処置具で使用する高出力用途超音波振動子に適した高い電気機械変換効率を有する非鉛圧電材料の１つに、圧電単結晶のＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム単結晶）がある。このＬｉＮｂＯ３は、機械加工性があまりよくないので、ランジュバン振動子またはボルト締めランジュバン振動子で使用するためには、安価に加工、組み立てを行う方法が必要とされている。
ＬｉＮｂＯ３をはじめとする圧電単結晶を用いたランジュバン振動子を安価に作成する方法として、金属材料を接合材として、その溶融状態を経て、各部材（圧電単結晶素子、絶縁板および金属部材）を接合して一体化する構成のものがある。
特開２００９−２２００１４号公報
ところで、圧電単結晶を用いたランジュバン振動子を駆動するには、積層された各々の圧電単結晶素子に駆動信号を印加する必要がある。そして、積層された各々の圧電単結晶素子の間に金属材料を接合材として用いた接合タイプのランジュバン振動子では、接合材に配線を接続することで、各々の圧電単結晶素子に駆動信号を印加することが可能となる。
しかしながら、金属材料の接合材の厚さが薄いため、この接合材と配線との電気的接続部の面積が小さくなり、電気的接続の信頼性が低下し易いという問題がある。これに対して、振動性能の点からは接合材の厚さが薄いほうが良いので、電気的接続の信頼性と超音波振動性能はトレードオフの関係となる。
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ランジュバン振動子の駆動信号を印加する配線と金属接合材料との電気的接続を形成する部分における電気的接続の信頼性を向上させると共に、振動性能の低下を防止した積層型超音波振動デバイス、この積層型超音波振動デバイスの製造方法、積層型超音波振動デバイスを備えた超音波医療装置を提供することを目的としている。
本発明における一態様の積層型超音波振動デバイスは、複数の圧電体および複数の電極層が積層された積層型超音波振動デバイスにおいて、前記複数の電極層は、前記複数の圧電体を接合する接合金属であり、積層する前記複数の圧電体の積層方向の離間距離よりも前記複数の電極層の外表面の前記積層方向の幅が大きく形成されている。
また、本発明における一態様の積層型超音波振動デバイスの製造方法は、複数の圧電体および複数の電極層が積層される前記積層型超音波振動デバイスにおいて、前記複数の電極層は、前記複数の圧電体を接合する接合金属であり、積層する前記複数の圧電体の積層方向の離間距離よりも前記複数の電極層の外表面の前記積層方向の幅が大きく形成された積層型超音波振動デバイスの製造方法であって、圧電単結晶ウエハの表裏面にダイシング加工によってＶ状の溝部を形成し、前記溝部の中央に沿ってダイシング加工によって前記複数の圧電体に個片化すると同時に切断された前記溝部から前記面取り部を形成し、前記複数の圧電体上に前記接合金属を設けて加熱冷却処理して前記複数の圧電体を接合して一体化すると共に前記接合金属から前記複数の電極層が形成される。
さらに、本発明における一態様の超音波医療装置は、複数の圧電体および複数の電極層が積層された積層型超音波振動デバイスにおいて、前記複数の電極層は、前記複数の圧電体を接合する接合金属であり、積層する前記複数の圧電体の積層方向の離間距離よりも前記複数の電極層の外表面の前記積層方向の幅が大きく形成された積層型超音波振動デバイスと、前記積層型超音波振動デバイスで発生した超音波振動が伝達され生体組織を処置するプローブ先端部と、を具備する。
本発明によれば、ランジュバン振動子の駆動信号を印加する配線と金属接合材料との電気的接続を形成する部分における電気的接続の信頼性を向上させると共に、振動性能の低下を防止した積層型超音波振動デバイス、この積層型超音波振動デバイスの製造方法、積層型超音波振動デバイスを備えた超音波医療装置を提供することができる。
本発明の第１の実施の形態の超音波医療装置の全体構成を示す断面図 同、振動子ユニットの全体の概略構成を示す図 同、他の態様の超音波医療装置の全体構成を示す断面図 同、超音波振動子の構成を示す斜視図 同、超音波振動子の構成を示す側面図 同、ＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す平面図 同、ＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す側面図 同、溝が形成されたＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す側面図 同、下地金属が成膜されたＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す断面図 同、ＬｉＮｂＯ３ウエハから個片化される複数の圧電単結晶チップの構成を示す断面図 同、圧電単結晶チップの構成を示す斜視図 同、超音波振動子の構成を示す分解斜視図 同、超音波振動子の構成を示す斜視図 同、正電側接合金属および負電側接合金属の厚さを説明するための超音波振動子の断面図 同、超音波振動子の構成を示す断面図 同、超音波振動子の構成を示す斜視図 同、変形例の超音波振動子の構成を示す分解斜視図 本発明の第２の実施の形態のＬｉＮｂＯ３ウエハの表面を示す平面図 同、ＬｉＮｂＯ３ウエハの裏面を示す平面図 同、ＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す側面図 同、溝が形成されたＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す側面図 同、下地金属が成膜されたＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す断面図 同、ＬｉＮｂＯ３ウエハから個片化される複数の圧電単結晶チップの構成を示す断面図 同、圧電単結晶チップの構成を示す斜視図 同、４つの圧電単結晶チップの構成を示す分解斜視図 同、超音波振動子の構成を示す断面図 同、超音波振動子の構成を示す斜視図 同、第１の変形例の超音波振動子の構成を示す斜視図 同、第２の変形例の超音波振動子の構成を示す斜視図
以下、図を用いて本発明について説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態に基づく図面は、模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（第１の実施の形態）
先ず、本発明の第１の実施の形態について、図面に基いて以下に説明する。
図１は、超音波医療装置の全体構成を示す断面図、図２は振動子ユニットの全体の概略構成を示す図、図３は他の態様の超音波医療装置の全体構成を示す断面図、図４は超音波振動子の構成を示す斜視図、図５は超音波振動子の構成を示す側面図、図６はＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す平面図、図７はＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す側面図、図８は溝が形成されたＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す側面図、図９は下地金属が成膜されたＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す断面図、図１０はＬｉＮｂＯ３ウエハから個片化される複数の圧電単結晶チップの構成を示す断面図、図１１は圧電単結晶チップの構成を示す斜視図、図１２は超音波振動子の構成を示す分解斜視図、図１３は超音波振動子の構成を示す斜視図、図１４は正電側接合金属および負電側接合金属の厚さを説明するための超音波振動子の断面図、図１５は超音波振動子の構成を示す断面図、図１６は超音波振動子の構成を示す斜視図、図１７は変形例の超音波振動子の構成を示す分解斜視図である。
（超音波医療装置）
図１に示す、超音波医療装置１は、主に超音波振動を発生させる超音波振動子２を有する振動子ユニット３と、その超音波振動を用いて患部の治療を行うハンドルユニット４とが設けられている。
ハンドルユニット４は、操作部５と、長尺な外套管７からなる挿入シース部８と、先端処置部３０とを備える。挿入シース部８の基端部は、操作部５に軸回り方向に回転可能に取り付けられている。先端処置部３０は、挿入シース部８の先端に設けられている。ハンドルユニット４の操作部５は、操作部本体９と、固定ハンドル１０と、可動ハンドル１１と、回転ノブ１２とを有する。操作部本体９は、固定ハンドル１０と一体に形成されている。
操作部本体９と固定ハンドル１０との連結部には、背面側に可動ハンドル１１を挿通するスリット１３が形成されている。可動ハンドル１１の上部は、スリット１３を通して操作部本体９の内部に延出されている。スリット１３の下側の端部には、ハンドルストッパ１４が固定されている。可動ハンドル１１は、ハンドル支軸１５を介して操作部本体９に回動可能に取り付けられている。そして、ハンドル支軸１５を中心として可動ハンドル１１が回動する動作に伴い、可動ハンドル１１が固定ハンドル１０に対して開閉操作されるようになっている。
可動ハンドル１１の上端部には、略Ｕ字状の連結アーム１６が設けられている。また、挿入シース部８は、外套管７と、この外套管７内に軸方向に移動可能に挿通された操作パイプ１７とを有する。外套管７の基端部には、先端側部分よりも大径な大径部１８が形成されている。この大径部１８の周囲に回転ノブ１２が装着されるようになっている。
操作パイプ１９の外周面には、リング状のスライダ２０が軸方向に沿って移動可能に設けられている。スライダ２０の後方には、コイルばね（弾性部材）２１を介して固定リング２２が配設されている。
さらに、操作パイプ１９の先端部には、把持部２３の基端部が作用ピンを介して回動可能に連結されている。この把持部２３は、プローブ６の先端部３１と共に超音波医療装置１の処置部を構成している。そして、操作パイプ１９が軸方向に移動する動作時に、把持部２３は、作用ピンを介して前後方向に押し引き操作される。このとき、操作パイプ１９が手元側に移動操作される動作時には作用ピンを介して把持部２３が支点ピンを中心に時計回り方向に回動される。これにより、把持部２３がプローブ６の先端部３１に接近する方向（閉方向）に回動する。このとき、片開き型の把持部２３と、プローブ６の先端部３１との間で生体組織を把持することができる。
このように生体組織を把持した状態で、超音波電源から電力を超音波振動子２に供給し、超音波振動子２を振動させる。この超音波振動は、プローブ６の先端部３１まで伝達される。そして、この超音波振動を用いて把持部２３とプローブ６の先端部３１との間で把持されている生体組織の治療を行う。
（振動子ユニット）
ここで、振動子ユニット３について説明する。
振動子ユニット３は、図２に示すように、超音波振動子２と、この超音波振動子２で発生した超音波振動を伝達する棒状の振動伝達部材であるプローブ６とを一体的に組み付けたものである。
超音波振動子２は、超音波振動子の振幅を増幅するホーン３２が連設されている。ホーン３２は、ジュラルミン、あるいは例えば６４Ｔｉ（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）などのチタン合金によって形成されている。ホーン３２は、先端側に向かうに従って外径が細くなる円錐形状に形成されており、基端外周部に外向フランジ３３が形成されている。なお、ここでホーン３２の形状は円錐形状に限るものではなく、先端側に向かうに従って外径が指数関数的に細くなる指数形状や、先端側に向かうに従って段階的に細くなるステップ形状などであってもよい。
プローブ６は、例えば６４Ｔｉ（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）などのチタン合金によって形成されたプローブ本体３４を有する。このプローブ本体３４の基端部側には、上述のホーン３２に連設された超音波振動子２が配設されている。このようにして、プローブ６と超音波振動子２とを一体化した振動子ユニット３が形成されている。なお、プローブ６は、プローブ本体３４とホーン３２とが螺着されており、プローブ本体３４とホーン３２が接合される。
そして、超音波振動子２で発生した超音波振動は、ホーン３２で増幅されたのち、プローブ６の先端部３１側に伝達するようになっている。プローブ６の先端部３１には、生体組織を処置する後述する処置部が形成されている。
また、プローブ本体３４の外周面には、軸方向の途中にある振動の節位置の数箇所に弾性部材でリング状に形成された間隔をあけて２つのゴムライニング３５が取り付けられている。そして、これらのゴムライニング３５によって、プローブ本体３４の外周面と後述する操作パイプ１９との接触を防止するようになっている。つまり、挿入シース部８の組み立て時に、振動子一体型プローブとしてのプローブ６は、操作パイプ１９の内部に挿入される。このとき、ゴムライニング３５によってプローブ本体３４の外周面と操作パイプ１９との接触を防止している。
また、超音波振動子２は、超音波振動を発生させるための電流を供給する図示しない電源装置本体に電気ケーブル３６を介して電気的に接続される。この電気ケーブル３６内の配線を通じて電源装置本体から電力を超音波振動子２に供給することによって、超音波振動子２が駆動される。なお、振動子ユニット３は、超音波振動を発生させる超音波振動子２、発生した超音波振動を増幅させるホーン３２および増幅された超音波振動を伝達するプローブ６を備えている。
なお、超音波振動子２と振動子ユニット３は、必ずしも図１に示したように操作部本体９内に収納されている必要はなく、例えば、図３に示すように操作パイプ１９内に収納されていてもよい。この図３の超音波医療装置１において、超音波振動子２の折れ止５２から操作部本体９の基部に配設されたコネクタ３８までの間にある電気ケーブル３６は金属パイプ３７の中に挿通されて収納されている。ここで、コネクタ３８は、必須ではなく、電気ケーブル３６を操作部本体９内部まで延長し、直接超音波振動子２の折れ止５２に接続する構成であってもよい。超音波医療装置１は、図３のような構成により、操作部本体９内を、より省スペース化を向上することができる。なお、図３の超音波医療装置１としての機能は、図１と同様であるので詳細な説明は省略する。
（超音波振動子）
ここで、本発明の積層型超音波振動デバイスとしての超音波振動子２について以下に説明する。
振動子ユニット３の超音波振動子２は、図４および図５に示すように、先端から順に振動伝達部材の１つであるプローブ本体３４に螺着などされて接続されたホーン３２と、このホーン３２の後方に連設された、ここでは矩形状（四角柱形状）の積層振動子４１と、ホーン３２の基端から電気ケーブル３６まで積層振動子４１を覆うカバー体５１と、を有して構成されている。なお、積層振動子４１を覆うカバー体５１は、基端部分に２つのＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）４７，４８と電気的に接続された電気ケーブル３６の配線３６ａ，３６ｂを覆う折れ止５２を有している。
積層振動子４１は、矩形状（四角柱状）のセラミックスなどの絶縁板４２，４３が前後に配設され、前方側が絶縁板４２を介してホーン３２と一体形成された、ここでは矩形状（四角柱状）の金属ブロック体としてのフロントマス３９に接合され、後方側が絶縁板４３を介して矩形状（四角柱状）の金属ブロック体としてのバックマス４４に接合されている。なお、フロントマス３９およびバックマス４４は、ジェラルミン、あるいは、例えば、６４Ｔｉ（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）などのチタン合金によって形成されている。
積層振動子４１は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの耐熱性を有した非鉛の単結晶材料から形成された、複数、ここでは４つの圧電単結晶体である圧電単結晶チップ６１が積層されている。これら絶縁板４２、各圧電単結晶チップ６１および絶縁板４３の間には、それぞれを接合する例えば、ＡｕＳｎ共晶ハンダ、一般的な非鉛ハンダなどから形成される正電極層および接合層となる正電側接合金属６２、負電極層および接合層となる負電側接合金属６３が交互に介装されている。なお、フロントマス３９と絶縁板４２の間、および絶縁板４３とバックマス４４の間にも、電極層とはならないが、これらフロントマス３９および絶縁板４２と絶縁板４３およびバックマス４４とを接合するために、例えば、ＡｕＳｎ共晶ハンダ、一般的な非鉛ハンダなどから形成された接合金属層が介装される。
（超音波振動子の製造方法）
ここで、積層型超音波振動デバイスとしての超音波振動子２の製造方法について以下に説明する。
超音波振動子２は、キュリー点が高く、接合金属の融点でも圧電特性が劣化しない圧電材料を使用し、ここではＬｉＮｂＯ３ウエハ４０（図６参照）から作成される。
先ず、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０は、図７および図８に示すように、図６の破線Ｂに沿って両面に、後述の面取り部６６となるＶ状の溝６４がウエハ表裏面の同じ位置にダイシングにより形成される。なお、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０は、フォトレジストのパターニング、エッチングにより溝６４が形成されてもよい。この時、溝６４の深さは、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０の厚さの半分以下とし、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０が個片化されないと共に、この後のプロセスでＬｉＮｂＯ３ウエハ４０が破損しないように十分な機械的強度を維持できる深さとする。
続いて、溝６４が形成されたＬｉＮｂｏ３ウエハ４０は、図９に示すように、両面に正電側接合金属６２および負電側接合金属６３となるＡｕＳｎ共晶ハンダまたは非鉛ハンダなどと良好な密着性および濡れ性を有する、例えば、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｎｉ／ＡｕまたはＣｒ／Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕからなる下地金属６５が蒸着、スパッタ、鍍金などによって成膜される。このように、溝６４をＬｉＮｂＯ３ウエハ４０に形成した後、下地金属６５を成膜することで、溝６４内部にも下地金属６５が成膜される。
最後に、溝６４の幅より厚さの薄いダイシングブレードを使用して、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０の予め溝６４を形成した部分を、これら溝６４に沿った中央部分を再度ダイシングすることにより、図１０に示すように、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０が複数の圧電単結晶チップ６１に個片化される。このように、図１１に示すように、側面角部が切り欠かれて全ての外周に面取り部６６が形成され、且つ表裏２面（紙面では上下面）および各面取り部６６にも下地金属６５が成膜された圧電単結晶素子としての圧電単結晶チップ６１が製作される。
次に、個片化された、ここでは４つの圧電単結晶チップ６１を用いた積層振動子４１を含む超音波振動子２が組み立てられる。先ず、ホーン３２と一体形成されるフロントマス３９の一面（後方端面）、各絶縁板４２，４３の両面、バックマス４４の一面（前方端面）のそれぞれにも、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０と同様に下地金属６５を成膜する。図１２示す、ホーン３２に一体形成されたフロントマス３９、各絶縁板４２，４３、バックマス４４および各圧電単結晶チップ６１の下地金属６５上に、ＡｕＳｎ共晶ハンダまたは非鉛ハンダなどをスクリーン印刷またはリボン形態により配設する。
そして、図１３に示すように、先端側からフロントマス３９を有するホーン３２、絶縁板４２、複数、ここでは４つの圧電単結晶チップ６１、絶縁板４３およびバックマス４４の順に積層する。この積層体を、ＡｕＳｎ共晶ハンダまたは非鉛ハンダなどが溶融する温度以上に加熱してゆっくり冷却することで、先端側の絶縁板４２、複数、ここでは４つの圧電単結晶チップ６１および基端側の絶縁板４３のそれぞれの間に正電側接合金属６２または負電側接合金属６３が形成され、フロントマス３９と絶縁板４２の間および絶縁板４３とバックマス４４の間に接合金属層が形成されて一体化される。なお、加熱の際に必要に応じて超音波振動子２の長手軸方向を圧縮するように加圧を行うとよい。
ここで、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３は、圧電単結晶チップ６１の表裏２面の全ての側面角部が切り欠かれて各面取り部６６が形成されているため、圧電単結晶チップ６１または絶縁板４２，４３がそれぞれ積層方向に沿って対向する表面の離間距離となる内方の厚さｄ１に対して、超音波振動子２の長手方向回りの周方向の各外表面における積層方向の厚さｄ２，ｄ３が大きく（ｄ１＜ｄ２，ｄ１＜ｄ３）形成される。即ち、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３は、圧電単結晶チップ６１または絶縁板４２，４３のそれぞれの対向距離となる内方側の厚さｄ１よりも外方側の外表面部分における積層方向に沿って幅広（厚さｄ２，ｄ３）となっている。なお、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の幅広の各外表面は、積層振動子４１の側面の一部を構成し、それらの平面のうち、幾つかが後述する電気接続平面部６２ａ，６３ａとなる。また、ここでは絶縁板４２，４３は、面取り部６６が形成されていないため、負電側接合金属６３は、積層方向に沿った圧電単結晶チップ６１間の外表面の厚さｄ２のほうが絶縁板４２，４３と圧電単結晶チップ６１の間の外表面の厚さｄ３よりも大きく（ｄ２＞ｄ３）となっている。勿論、絶縁板４２，４３の圧電単結晶チップ６１との対向面側に面取り部６６を形成してもよい。
このように形成された正電側接合金属６２および負電側接合金属６３は、図１４および図１５に示すように、ＦＰＣ４７，４８における導通部としての電気接点と、はんだ、導電性ペーストなどを用いて形成された電気接続部４９を介して電気的に接続される。即ち、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３と、各ＦＰＣ４７，４８との電気的接続を取るために、幅広に形成された正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の外表面となる電気接続平面部６２ａ，６３ａとＦＰＣ４７，４８の電気接点が電気接続部４９を介して接触して、ＦＰＣ４７，４８が固定される。
このようにして、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３と、各ＦＰＣ４７，４８との電気的接続が確立される。そして、ＦＰＣ４７，４８には、上述の電気ケーブル３６の配線３６ａ，３６ｂ（図４および図５参照）が接続される。こうして、ＦＰＣ４７，４８は、電気ケーブル３６の配線３６ａ，３６ｂからの駆動信号を正電側接合金属６２および負電側接合金属６３に電気的に接続された電気接続部４９によって、積層振動子４１の側面の一部を構成する電気接続平面部６２ａおよび正電側接合金属６２を介して各圧電単結晶チップ６１に印加して、負電側接合金属６３および電気接続平面部６３ａから帰還させる。
なお、正電側接合金属６２、負電側接合金属６３および電気接続部４９の露出する表面部分には、樹脂などの絶縁体で覆い、不良となる不要な電気的接続の発生を防いでもよく、ＦＰＣ４７，４８の機械的固定の補強を目的として、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３にＦＰＣ４７，４８を接着剤で固定しても良い。さらに、ＦＰＣ４７，４８は、各圧電単結晶チップ６１の表面に接着剤で固定してもよい。
以上に説明した製造プロセスにより、ホーン３２に一体形成されたフロントマス３９、各絶縁板４２、４つの圧電単結晶チップ６１およびバックマス４４を接合金属層となる正電側接合金属６２および負電側接合金属６３により積層して一体化し、この積層体の側面に設けられるＦＰＣ４７，４８から電気接続部４９を介して、正電側接合金属６２に駆動信号を印加して、負電側接合金属６３により帰還させることで、超音波振動子２の全体を超音波振動させるようにしている。
以上のように構成されたランジュバン振動子としての超音波振動子２は、絶縁板４２，４３または各圧電単結晶チップ６１を接合する金属接合層としての正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の厚さｄ１を薄くしても、ＦＰＣ４７，４８との電気的接続を行う正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の外表面部分における積層方向の厚さｄ２（ｄ３）を厚く（幅広に）形成することができる構成となる。これにより、各圧電単結晶チップ６１を接合する部分のうち内部（内方）の大部分の厚さｄ１を薄く保って、外周部分だけ厚さｄ２（ｄ３）が厚くなるようにすることで、電気的接続の信頼性の向上および振動性能の低下防止を同時に実現することができる。
したがって、積層型超音波振動デバイスとしての本実施の形態のランジュバン振動子である超音波振動子２は、駆動信号を印加する配線（ＦＰＣ４７，４８）と金属接合材料（正電側接合金属６２および負電側接合金属６３）との電気的接続（電気接続部４９）を形成する部分における電気的接続の信頼性を向上させると共に、振動性能の低下を防止することができる構成となる。
なお、上述では、ホーン３２に一体形成されたフロントマス３９、各絶縁板４２、４つの圧電単結晶チップ６１およびバックマス４４が矩形ブロック体の例を挙げたが、これに限定されることなく、これら部材の形状が、図１７に示すように、例えば、円柱形状としたものでもよい。なお、ここでの圧電単結晶チップ６１にも、両面外周の角部を切り欠いた面取り部６６が形成されるものである。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について、図面に基づいて以下に説明する。なお、第１の実施の形態にて記載した各構成要素に関し、同一構成のものについては同じ符号を用いて、それらの詳細な説明を省略する。
図１８は、ＬｉＮｂＯ３ウエハの表面を示す平面図、図１９はＬｉＮｂＯ３ウエハの裏面を示す平面図、図２０はＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す側面図、図２１は溝が形成されたＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す側面図、図２２は下地金属が成膜されたＬｉＮｂＯ３ウエハの構成を示す断面図、図２３はＬｉＮｂＯ３ウエハから個片化される複数の圧電単結晶チップの構成を示す断面図、図２４は圧電単結晶チップの構成を示す斜視図、図２５は４つの圧電単結晶チップの構成を示す分解斜視図、図２６は超音波振動子の構成を示す断面図、図２７は超音波振動子の構成を示す斜視図である。
ここでの積層型超音波振動デバイスとしての超音波振動子２は、製造時において、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０を、図１８および図１９に示す破線Ｂに沿って、Ｖ状の溝６４がウエハ表裏面の異なる位置にダイシングにより形成される。即ち、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０は、図２０および図２１に示すように、Ｖ状の溝６４がウエハ表裏面の厚さ方向に直交した方向に対して異なる位置となるように互い違いに形成される。
そして、溝６４が形成されたＬｉＮｂｏ３ウエハ４０は、図２２に示すように、ここでも両面に下地金属６５が成膜される。次に、これら溝６４に沿った中央部分および溝６４に直交した方向の所定箇所を再度ダイシングすることにより、図２３に示すように、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０が複数のチップに個片化される。こうして、図２４に示すように、表裏一方の対角方向の側面角部が切り欠かれて２つの面取り部６６が形成され、ここでも表裏２面（紙面では上下面）および２つの面取り部６６にも下地金属６５が成膜された圧電単結晶素子としての圧電単結晶チップ６１が製作される。
このように製作された４つの圧電単結晶チップ６１は、図２５に示すように、各面取り部６６が形成された離反する２つの面が合わせられると共に、面取り部６６が対向するように、ＡｕＳｎ共晶ハンダまたは非鉛ハンダなど（不図示）が設けられて積層される。即ち、両端に配置される２つの圧電単結晶チップ６１と、これら２つに対向して内側に配置される２つの圧電単結晶チップ６１のそれぞれの面取り部６６が近接して対向するように積層され、さらに内側に配置される２つの圧電単結晶チップ６１の対向する面に形成された面取り部６６が近接して対向するように積層される。
こうして、個片化されて積層された４つの圧電単結晶チップ６１は、第１の実施の形態と同様に、下地金属６５が成膜され、ＡｕＳｎ共晶ハンダまたは非鉛ハンダなどが設けられたフロントマス３９を有するホーン３２、絶縁板４２、絶縁板４３およびバックマス４４と共に積層され、加熱冷却処理されることで、接合金属層、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３が形成された超音波振動子２が製作される（図２６参照）。
このように、本実施の形態の超音波振動子２は、圧電単結晶チップ６１の表裏２面の一辺の側面角部が切り欠かれて各面取り部６６が形成されているため、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３が離反する積層振動子４１の２つの側面において、他の２つの側面よりも幅広に（厚さが大きく）形成される。そして、幅広に形成された２つの側面のうちの幾つかの平面が電気接続平面部６２ａ，６３ａを構成し、これら電気接続平面部６２ａ，６３ａには、図２６に示すように、ＦＰＣ４７，４８が電気接続部４９を介して電気的に接続される。そして、ここでも、ＦＰＣ４７，４８には、上述の電気ケーブル３６の配線３６ａ，３６ｂ（図４および図５参照）が接続される。
以上のように構成されたランジュバン振動子としての本実施の形態の超音波振動子２は、第１の実施の形態に記載したように、駆動信号を印加する配線（ＦＰＣ４７，４８）と金属接合材料（正電側接合金属６２および負電側接合金属６３）との電気的接続（電気接続部４９）を形成する部分における電気的接続の信頼性を向上させると共に、振動性能の低下を防止する効果に加え、ＬｉＮｂＯ３ウエハ４０に溝６４を形成して個片化する圧電単結晶チップ６１の面取り部６６を加工するダイシングの工程箇所が減るので、圧電単結晶チップ６１の作成コストを削減することができる。
さらに、組み立て後の超音波振動子２は、電気的接続が行われない各側面において、圧電単結晶チップ６１の部分に面取り部６６が形成されていないため、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の幅が小さく（薄く）なり、露出部分が小さいままなので、ＦＰＣ４７，４８の電気接点をはんだ、導電性ペーストなどを用いて形成された電気接続部４９を接続するときに、不要な電気的接続を起こり難くすることもできるという利点もある。
（第１の変形例）
図２８は、超音波振動子の構成を示す斜視図である。
ここでの超音波振動子２は、図２８に示すように、長手方向の中心軸Ｘと積層振動子４１の離反する角部を通る平面Ｐによって区分けされた２つの側面の正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の電気接続平面部６２ａ，６３ａにＦＰＣ４７，４８の電気接点をはんだ、導電性ペーストなどを用いて形成された電気接続部４９を接続する構成となっている。換言すると、ＦＰＣ４７，４８は、隣接する積層振動子４１の２つの側面において、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の電気接続平面部６２ａ，６３ａと電気接続部４９を介して電気的に接続されている。即ち、積層振動子４１の隣接する２つの側面に電気接続平面部６２ａ，６３ａが形成されるように面取り部６６の位置が合うように４つの圧電単結晶チップ６１が積層される。
このような構成では、ＦＰＣ４７，４８と正電側接合金属６２および負電側接合金属６３が電気接続部４９を介して電気的接続を取るために積層振動子４１の側面にＦＰＣ４７，４８を固定するプロセスを行う際、上述の各実施の形態と異なり、ＦＰＣ４７，４８を取り付ける積層振動子４１の２つの側面の反対側の２つの側面にＦＰＣ４７，４８が存在しないため、超音波振動子２の固定が容易に行え、ＦＰＣ４７，４８を電気接続平面部６２ａ，６３ａと電気的に接続して取り付ける工程が容易となる。
（第２の変形例）
図２９は、超音波振動子の構成を示す斜視図である。
ここでの超音波振動子２は、図２９に示すように、駆動に必要な正負の電圧が圧電単結晶チップ６１に印加されるように積層振動子４１の１つの側面において、１つのＦＰＣ５０が正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の電気接続平面部６２ａ，６３ａと電気接続部４９を介して電気的に接続されている。なお、２つのＦＰＣ４７，４８を積層振動子４１の１つの側面に固定する構成としてもよい。ここでも、積層振動子４１の１つの側面に電気接続平面部６２ａ，６３ａが形成されるように面取り部６６の位置が合うように４つの圧電単結晶チップ６１が積層される。
以上に記載の構成では、超音波振動子２の積層振動子４１が直方体形状として例に挙げたが、これに限定されることなく、角柱、柱体など所望の超音波振動が励起できる形状であれば如何なる形状としてもよい。
さらに、ホーン３２、外向フランジ３３およびフロントマス３９は、予めそれらの形状が形成されたものではなく、金属ブロック体として、絶縁板４２，４３、圧電単結晶チップ６１およびバックマス４４を一体化してから、切削加工するようにしてもよい。
以上の説明から本発明のランジュバン振動子である超音波振動子２は、駆動信号を印加する配線となるＦＰＣ４７，４８，５０と金属接合材料としての正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の電気的接続を形成する部分となる圧電単結晶チップ６１の端部に面取り部６６を設けて、積層振動子４１の１つまたは２つの側面により幅広の電気接続平面部６２ａ，６３ａを形成して、これら電気接続平面部６２ａ，６３ａにＦＰＣ４７，４８，５０との電気接続部４９を形成することで、電気接続平面部６２ａ，６３ａと電気接続部４９との接合の面積を広くして、これらの電気的接続の信頼性を向上させることができる。
このようにして本発明では、超音波振動子２の振動性能の観点からは、複数の圧電単結晶チップ６１との間に形成される接合金属となる正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の厚さが薄いほうがよく、電気的接続を行う部分のみ正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の電気接続平面部６２ａ，６３ａの厚さが厚い（面積が広い）ほうがよいので、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３のうち内部の大部分を薄く保って超音波振動子２の振動性能の低下を防止し、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の外周部だけ厚くなるようにすることで、電気接続平面部６２ａ，６３ａを幅広にしてＦＰＣ４７，４８，５０との電気的接続の信頼性の向上を同時に実現することができるようにしている。
上述の実施の形態に記載した発明は、その実施の形態および変形例に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得るものである。
例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、述べられている課題が解決でき、述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得るものである。
１…超音波医療装置
２…超音波振動子
３…振動子ユニット
４…ハンドルユニット
５…操作部
６…プローブ
７…外套管
８…挿入シース部
９…操作部本体
１０…固定ハンドル
１１…可動ハンドル
１２…回転ノブ
１３…スリット
１４…ハンドルストッパ
１５…ハンドル支軸
１６…連結アーム
１７…操作パイプ
１８…大径部
１９…操作パイプ
２０…スライダ
２２…固定リング
２３…把持部
３０…先端処置部
３１…先端部
３２…ホーン
３３…外向フランジ
３４…プローブ本体
３５…ゴムライニング
３６…電気ケーブル
３６ａ，３６ｂ…配線
３７…金属パイプ
３８…コネクタ
３９…フロントマス
４０…ＬｉＮｂＯ３ウエハ
４１…積層振動子
４２，４３…絶縁板
４４…バックマス
４７，４８，５０…ＦＰＣ
４９…電気接続部
５１…カバー体
５２…折れ止
６１…圧電単結晶チップ
６２…正電側接合金属
６３…負電側接合金属
６２ａ，６３ａ…電気接続平面部
６４…溝
６５…下地金属
６６…面取り部

Claims (10)

  1. 複数の圧電体および複数の電極層が積層された積層型超音波振動デバイスにおいて、
    前記複数の電極層は、前記複数の圧電体を接合する接合金属であり、積層する前記複数の圧電体の積層方向の離間距離よりも前記複数の電極層の外表面の前記積層方向の幅が大きく形成されている
    ことを特徴とする積層型超音波振動デバイス。
  2. 駆動信号を供給する配線が接続される前記複数の電極層の前記外表面だけ、前記複数の圧電体の前記積層方向の前記離間距離よりも前記積層方向の幅が大きく形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の積層型超音波振動デバイス。
  3. 前記複数の電極層の内方側の厚さよりも外方側の厚さが大きくなるように、前記複数の圧電体の側面角部に面取り部が形成され、前記複数の電極層の前記外表面側の前記積層方向の幅が大きく形成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の積層型超音波振動デバイス。
  4. 前記複数の圧電体および前記複数の電極層によって角柱形状の積層体が形成され、前記面取り部が前記複数の圧電体の少なくとも１つの前記側面角部に形成されている
    ことを特徴とする請求項３に記載の積層型超音波振動デバイス。
  5. 前記配線が接続される前記複数の電極層の前記外表面は、角柱形状の前記圧電体における隣接した２つの側面に形成されている
    ことを特徴とする請求項２に記載の積層型超音波振動デバイス。
  6. 前記圧電体は、圧電単結晶ウエハの表裏面にダイシング加工によってＶ状の溝部が形成され、前記溝部の中央に沿ってダイシング加工によって複数に個片化されると同時に切断された前記溝部から前記面取り部が形成される
    ことを特徴とする請求項３に記載の積層型超音波振動デバイス。
  7. 前記圧電体は、圧電単結晶ウエハの表裏面にダイシング加工によってＶ状の溝部が形成され、前記圧電単結晶ウエハの前記表裏面に溶融する前記接合金属との接合性を高める下地金属が成膜され、前記溝部の中央に沿ってダイシング加工によって複数に個片化されると同時に切断された前記溝部から前記面取り部が形成される
    ことを特徴とする請求項３に記載の積層型超音波振動デバイス。
  8. 請求項３に記載の積層型超音波振動デバイスの製造方法であって、
    圧電単結晶ウエハの表裏面にダイシング加工によってＶ状の溝部を形成し、
    前記溝部の中央に沿ってダイシング加工によって前記複数の圧電体に個片化すると同時に切断された前記溝部から前記面取り部を形成し、
    前記複数の圧電体上に前記接合金属を設けて加熱冷却処理して前記複数の圧電体を接合して一体化すると共に前記接合金属から前記複数の電極層が形成される、
    ことを特徴とする積層型超音波振動デバイスの製造方法。
  9. 前記圧電単結晶ウエハの表裏面にダイシング加工によってＶ状の溝部を形成した後、前記圧電単結晶ウエハの前記表裏面に溶融する前記接合金属との接合性を高める下地金属を成膜する
    ことを特徴とする請求項８に記載の積層型超音波振動デバイスの製造方法。
  10. 請求項３または請求項８に記載の前記積層型超音波振動デバイスと、
    前記積層型超音波振動デバイスで発生した超音波振動が伝達され生体組織を処置するプローブ先端部と、
    を具備することを特徴とする超音波医療装置。
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