JP6270506B2 - 積層型超音波振動デバイスおよび超音波医療装置 - Google Patents

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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、圧電振動子を用いた超音波振動体を内蔵したものがある。
このような超音波振動体には、電気信号を機械振動に変換する圧電素子がフロントマスまたはバックマスとなる２つのブロック状の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されて、それらが一体となって振動するものがある。このような超音波振動子は、ランジュバン振動子と呼ばれている。
ランジュバン振動子は、圧電素子と金属部材とを一体化する方法として、例えば、圧電素子を２つの金属部材間で挟み、ボルトにより強固に締結して全体が一体となって振動するボルト締めランジュバン振動子が知られている。
このようなボルト締めランジュバン振動子に用いられる圧電素子は、一般的にチタン酸ジリコン酸鉛（ＰＺＴ,Ｐｂ（ＺｒＸ,Ｔｉ１−Ｘ）Ｏ３）が使用され、圧電素子の形状がリング状に加工されて内部にボルトが押通されている。
ＰＺＴは、高い生産性および高い電気機械変換効率を有しており、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な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。このような非鉛圧電材料で高い電気機械変換効率を有する材料としては、圧電単結晶のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）が知られている。
ニオブ酸リチウムを使用したランジュバン振動子を安価に実現する構成として、金属ブロックによって圧電素子を挟んだ状態で一体的に接合させる方法が従来から知られている。特に、金属ブロックと圧電素子との接合方法として接着剤を用いず、はんだをはじめとするろう材で接合した場合、ランジュバン振動子は、接着剤よりも良好な振動特性が得られるようになる。
しかしながら、はんだなどのろう材によって金属ブロックと圧電素子を接合するとき、一般に高温プロセスが必要になり、金属ブロックと圧電素子を接合した部分としての異種材料接合部において、熱応力により圧電単結晶の圧電素子が割れるという課題がある。
このような課題を解決する技術として、例えば、特許文献１の超音波振動体に開示されている。この従来の超音波振動体では、圧電振動子の上下の両面に設けられた電極に接着剤により接合される各金属ブロックの接合面に、溝やくぼみなどの構造を設けて駆動中に生じる剪断歪みの発生の抑制、接合面での誘電損失の低下などを図り、圧電振動子でのクラックの発生を防ぐと共に、振動モードを安定化させる技術が知られている。
特開２００８−１２８８７５号公報
しかしながら、特許文献１に開示された従来の超音波振動体では、金属ブロック表面に加工工程が必要となり製造コストを引き上げるという課題がある。
即ち、従来の超音波振動体は、接着で金属ブロックと圧電素子を接合した際に異種材料間の接合部で生じる熱応力、接着剤の硬化収縮により生じる応力などを吸収するために金属ブロック表面に溝やくぼみなどの構造を設けているため、余分な加工プロセスが必要となりコスト高となる課題がある。
また、従来の超音波振動体は、圧電振動子と金属ブロックとの接着固定のために熱硬化型の接着剤を用いた場合に、この接着剤を硬化させるときに接合面近傍を加熱する。これにより、従来の超音波振動体は、接着剤の硬化後、圧電振動子と金属ブロックの熱膨張係数の差が原因で接着温度と常温との温度差に相当する剪断歪みが生じる可能性がある。
そして、圧電振動子と金属ブロックの接合面には、常に残留応力が存在することとなり、これが原因で圧電振動子の内部にクラックが発生するという問題もあった。
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、安価に製造できると共に、マス材としての金属ブロックと圧電体の熱膨張係数の差異に起因して生じる応力によって圧電振動子が破損などすることを防止した積層型超音波振動デバイスおよび超音波医療装置を提供することを目的とする。
本発明における一態様の積層型超音波振動デバイスは、２つのマス材の間に複数の圧電体が設けられた積層型超音波振動デバイスにおいて、前記２つのマス材および前記複数の圧電体よりも弾性定数が小さなろう材、すなわち、柔らかいろう材を用いて、同種材料の接合となる前記複数の圧電体間を第１の厚さを有した第１の金属接合層によって接合し、異種材料の接合となる前記複数の圧電体と前記マス材との間を前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さを有した第２の金属接合層によって接合した。
また、本発明における一態様の超音波医療装置は、２つのマス材の間に複数の圧電体が設けられ、前記２つのマス材および前記複数の圧電体よりも弾性定数が小さなろう材、すなわち、柔らかいろう材を用いて、同種材料の接合となる前記複数の圧電体間を第１の厚さを有した第１の金属接合層によって接合し、異種材料の接合となる前記複数の圧電体と前記マス材との間を前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さを有した第２の金属接合層によって接合し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、安価に製造できると共に、マス材としての金属ブロックと圧電体の熱膨張係数の差異に起因して生じる応力によって圧電体が破損などすることを防止した積層型超音波振動デバイスおよび超音波医療装置を提供することができる。
本発明の一態様に係る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、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、圧電単結晶ウエハを示す斜視図 同、下地金属が成膜された圧電単結晶ウエハを示す斜視図 同、ダイシングされる圧電単結晶ウエハを示す斜視図 同、圧電単結晶ウエハから切り出された圧電単結晶体を示す斜視図 同、超音波振動子を含む振動子ユニットの分解斜視図 同、振動子ユニットの超音波振動子へフレキシブルプリント基板を実装前の断面図 同、振動子ユニットの超音波振動子へフレキシブルプリント基板を実装後の断面図 同、超音波振動子にＦＰＣが実装された振動子ユニットを示す斜視図 同、接合金属の厚さに対するマス材との熱膨張係数の差から圧電単結晶体に生じる熱応力の関係を示すグラフ 同、マス材と圧電単結晶体の間に設けられる接合金属の一例を示す分解斜視図
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。
先ず、本発明の一態様の超音波振動を励振する積層型超音波振動デバイスを備えた超音波医療装置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は超音波振動子の構成を示す斜視図、図４は超音波振動子の構成を示す側面図、図５は圧電単結晶ウエハを示す斜視図、図６は下地金属が成膜された圧電単結晶ウエハを示す斜視図、図７はダイシングされる圧電単結晶ウエハを示す斜視図、図８は圧電単結晶ウエハから切り出された圧電単結晶体を示す斜視図、図９は超音波振動子を含む振動子ユニットの分解斜視図、図１０は振動子ユニットの超音波振動子へフレキシブルプリント基板を実装前の断面図、図１１は振動子ユニットの超音波振動子へフレキシブルプリント基板を実装後の断面図、図１２は超音波振動子にＦＰＣが実装された振動子ユニットを示す斜視図、図１３は接合金属の厚さに対するマス材との熱膨張係数の差から圧電単結晶体に生じる熱応力の関係を示すグラフ、図１４はマス材と圧電単結晶体の間に設けられる接合金属の一例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凝固／切開処置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反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凝固／切開処置を行う。
（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、ステンレス鋼、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。
即ち、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。
以上の説明から、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、この超音波振動子２で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。
（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３および図４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上述のホーン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、基端部分に通電部材としての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。なお、通電部材は、ＦＰＣ４７，４８に限られず、単なる金属線としてもよい。
積層振動子４１は、前方側がホーン３２と螺着などによって接続された、ここでは矩形状（四角柱状）の金属ブロック体からなるフロントマス４２に接合され、後方側が矩形状（四角柱状）の金属ブロック体からなるバックマス４３に接合されている。
なお、フロントマス４２およびバックマス４３は、超音波振動の吸収が小さく強度が強いことが必要であるため、ホーン３２と同様に、ジュラルミンによって形成されている。また、フロントマス４２およびバックマス４３は、ステンレス鋼、または例えば、６４Ｔｉ（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）などのチタン合金でもよい。
また、フロントマス４２およびバックマス４３の長さは、超音波振動子２が所望の共振周波数となるように設計されている。
さらに、積層振動子４１は、フロントマス４２およびバックマス４３との間に絶縁性があり振動が減衰し難い絶縁部材を挟んでも良い。この絶縁部材は、例えば，アルミナ，窒化珪素などのセラミクス系材料を矩形状（四角柱状）の板体に形成した絶縁板を用いるとよい。
このように、積層振動子４１は、絶縁部材を設けることで、図１に示した超音波医療装置１が高周波を用いて処置などを行う医療用の高周波メスなどの処置具と併用されても、処置具からの高周波による破損などが防止される。
積層振動子４１は、キュリー点の高い非鉛の単結晶材料から形成された圧電素子が用いられ、この圧電素子である圧電単結晶チップとしての圧電単結晶体６１が複数、ここでは４つが積層配置されている。
これら４つの圧電単結晶体６１、フロントマス４２およびバックマス４３の間には、それぞれを接合する、ろう材としての後述する非鉛はんだから形成された接合金属層として、正電極層となる正電側接合金属６２と負電極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、積層振動子４１は、圧電単結晶体６１間、圧電単結晶体６１とフロントマス４２またはバックマス４３との間に設けられた正電側接合金属６２または負電側接合金属６３に上述のＦＰＣ４７，４８の電気接点部がはんだ、導電性ペーストなどにより電気的に接続されている。
（超音波振動子の製造方法）
次に、以上に説明した超音波振動子２の製造方法について、以下に詳しく説明する。
先ず、超音波振動子２は、キュリー温度（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、ここでは単結晶材料としてのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなる圧電単結晶ウエハ７１（図５参照）から作成される。
なお、圧電単結晶ウエハ７１は、圧電素子の厚み方向の電気機械結合係数が大きくなるように、３６度回転Ｙカットと呼ばれる結晶方位のものが用いられる。
先ず、図５および図６に示すように、圧電単結晶ウエハ７１の表裏面に下地金属７２が形成される。
具体的には、圧電単結晶ウエハ７１は、表裏面上に非鉛はんだ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７２が蒸着、スパッタ、鍍金などによって成膜される。
次に、図７および図８に示すように、下地金属７２が成膜された圧電単結晶ウエハ７１から矩形状に圧電体チップとしての圧電単結晶体６１を切出加工する。
具体的には、圧電単結晶ウエハ７１が厚さの薄いダイシングブレードによって、図７に示す破線（仮想線）に沿って切り出され、図８に示すような矩形状の圧電体チップとしての圧電単結晶体６１が複数抽出される。このような構成により、複数の圧電単結晶体６１を安価に製造することができる。
次に、図９に示すように、所望の超音波振動子２の仕様に応じた枚数、ここでは４つの圧電単結晶体６１が積層され、これら４つの圧電単結晶体６１からなる積層体としての積層振動子４１の両端を挟むように、マス材であるフロントマス４２およびバックマス４３が接合される。
具体的には、４つの圧電単結晶体６１の下地金属７２の間に、第１の接合材料として非鉛はんだである第１のろう材７３が設けられる。
４つの圧電単結晶体６１間に介装される３つの第１のろう材７３は、同種材料である圧電単結晶体６１同士の接合に必要な最低限の厚さｄ１に設定されている。なお、第１のろう材７３は、圧電単結晶ウエハ７１の一方の下地金属７２上にスクリーン印刷またはリボン形態（はんだペレット）により配設される。
また、４つの圧電単結晶体６１および３つの第１のろう材７３が積層された積層振動子４１の両端が挟まれるように金属ブロックであるフロントマス４２およびバックマス４３が接合される。
ここでは、両端に位置する圧電単結晶体６１とフロントマス４２およびバックマス４３の間に、第２の接合材料としての非鉛はんだである第２のろう材７６が設けられる。
異種材料である圧電単結晶体６１とフロントマス４２またはバックマス４３の間に介装される第２のろう材７６は、図１０に示すように、第１のろう材７３の厚さｄ１よりも厚い厚さｄ２に設定されている。
なお、第２のろう材７６も、第１のろう材７３と同様に、圧電単結晶体６１の下地金属７２上またはフロントマス４２およびバックマス４３の一面にスクリーン印刷またはリボン形態（はんだペレット）により配設される。
そして、４つの圧電単結晶体６１、フロントマス４２およびバックマス４３は、互いを接合する第１のろう材７３および第２のろう材７６が溶融する温度まで加熱されて、ゆっくり冷却される。こうして、４つの圧電単結晶体６１、フロントマス４２およびバックマス４３は、積層した状態で第１のろう材７３および第２のろう材７６によって互いが接合される。
なお、４つの圧電単結晶体６１、フロントマス４２およびバックマス４３を接合する加熱工程の際に、必要に応じて積層方向に圧縮するように加圧を行うとよい。
こうして、４つの圧電単結晶体６１、フロントマス４２およびバックマス４３が積層して第１のろう材７３または第２のろう材７６によって接合された超音波振動子２が完成される。
このように製造された超音波振動子２では、４つの圧電単結晶体６１に成膜された下地金属７２を含んで、第１のろう材７３および第２のろう材７６によって正電側接合金属６２または負電側接合金属６３が構成されている。
なお、フロントマス４２の一端面中央には、タップ付のネジ穴４２ａが加工されている。このネジ穴４２ａにホーン３２に一体形成されたネジ部３２ａが螺合することで、ホーン３２とフロントマス４２が螺着される。
そして、図１１および図１２に示すように、超音波振動子２へ通電部材である２つのＦＰＣ４７，４８が実装される。
具体的には、超音波振動子２の正電側接合金属６２および負電側接合金属６３は、ＦＰＣ４７，４８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、ＦＰＣ４７，４８との電気的接続を取るために、正電側接合金属６２および負電側接合金属６３の外表面にＦＰＣ４７，４８の電気接点が電気接続部４９を介して接触して、ＦＰＣ４７，４８が積層振動子４１に固定される。
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、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３および図４参照）が接続される。
なお、図１０から図１２では、ホーン３２とフロントマス４２とが螺着された状態を示しているが、ホーン３２とフロントマス４２との螺着による接合に関しては、超音波振動子２へのＦＰＣ４７，４８の装着前後のいずれかで行えばよい。
このような構成により、正電極側として、電気ケーブル３６の配線３６ａと、ＦＰＣ４７，電気接続部４９、正電極側金属６２が電気的に接続される。また、負電極側として、電気ケーブル３６の配線３６ｂと、ＦＰＣ４８、電気接続部４９、負電極金属６３が電気的に接続される。これらの電気的接続により、駆動信号は正電側接合金属６２を介して４つの圧電単結晶体６１に印加され、負電側接合金属６３から帰還される。
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、４つの圧電単結晶体６１の側部の表面に接着剤で固定してもよい。
以上に説明した超音波振動子２の製造プロセスにより、先端から順に、フロントマス４２、４つの圧電単結晶体６１およびバックマス４３を、接合金属層かつ正電側接合金属６２および負電側接合金属６３となる第１のろう材７３および第２のろう材７６によって接合することで一体化し、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。
ところで、上述の超音波振動子２では、積層振動子４１の圧電単結晶体６１同士を接合する箇所が同種材料、ここではニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）同士の接合になるので、接合時および駆動時の温度変化により４つの圧電単結晶体６１に生じる熱応力は小さい。
一方、圧電単結晶体６１とフロントマス４２およびバックマス４３とを接合する箇所が異種材料の接合となるので、異なる２つの材料、ここではニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の熱膨張係数（８〜１５×１０―６［１／℃］）とジュラルミンの熱膨張係数（２４×１０―６［１／℃］）との差から接合時および駆動時の温度変化によりフロントマス４２またはバックマス４３と接合された両端にある２つの圧電単結晶体６１に同種材料接合部よりも大きな熱応力が発生する。
そのため、フロントマス４２またはバックマス４３と接合された両端にある２つの圧電単結晶体６１は、大きな熱応力が生じ、内力の増加に伴って内部にストレスが生じて割れが発生してしまう。
また、正電側接合金属６２または負電側接合金属６３を構成している第１のろう材７３および第２のろう材７６は、圧電単結晶体６１、フロントマス４２およびバックマス４３よりもヤング率（弾性定数）が小さくて柔らかい材料である。
そのため、第１のろう材７３または第２のろう材７６は、圧電単結晶体６１に発生する熱応力を吸収する作用があるが、超音波振動子２で発生する超音波の吸収も大きくなる。
したがって、第１のろう材７３および第２のろう材７６の厚さが厚すぎるとランジュバン振動子としての超音波振動子２の特性が低下する。
これを防止するために、本実施の形態の超音波振動子２は、同種材料である４つの圧電単結晶体６１間を接合する同種材料接合部としての第１のろう材７３の厚さを４つの圧電単結晶体６１の接合に必要な最低限の厚さｄ１とし、相対的に大きな熱応力が発生する異種材料接合部としての第２のろう材７６の厚さｄ２を第１のろう材７３の厚さｄ１よりも厚く（ｄ１＜ｄ２）して、加熱工程時および駆動時の熱応力が両端の２つの圧電単結晶体６１に伝わり難いようにしている。
換言すると、第２のろう材７６は、圧電単結晶体６１、フロントマス４２およびバックマス４３よりヤング率（弾性定数）が小さくて柔らかい。そのために、超音波振動子２では、第２のろう材７６を厚くして、異種材料接合部である圧電単結晶体６１とフロントマス４２またはバックマス４３とを接合する応力緩和層として作用させている。
また、応力緩和層の構成としては、その厚さが厚いほうが好ましいが、フロントマス４２およびバックマス４３に使用されるジュラルミンおよびニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）からなる圧電単結晶体６１と比べると、超音波振動子２で発生させる超音波の損失が大きくなる。
そのため、第１のろう材７３および第２のろう材７６の体積は、できるだけ少ないほうが望ましい。つまり、第１のろう材７３および第２のろう材７６の体積が少ないほうが超音波振動子２全体の特性として、発生する超音波の損失の少ないものとなる。
そこで、本実施の形態の超音波振動子２は、熱応力がほとんど発生しない４つの圧電単結晶体６１間の接合部に必要な最低限の厚さｄ１とした第１のろう材７３を用いて性能低下（Ｑ値の低下）を防止すると共に、熱膨張係数差による熱応力が顕著に発生する両端に設けられた２つの圧電単結晶体６１とフロントマス４２またはバックマス４３との接合部に第１のろう材７３よりも厚い厚さｄ２の第２のろう材７６を用いることで、かかる熱応力を小さくして、異種材料接合部に設けられた２つの圧電単結晶体６１の割れを抑えるようにしている。
これにより、超音波振動子２は、フロントマス４２またはバックマス４３と接合される両端に設けられた２つの圧電単結晶体６１の割れを防止しながら、超音波振動子２全体としての性能劣化を防止することができる。
なお、圧電単結晶体６１に生じる熱応力を小さくするために、第１のろう材７３および第２のろう材７６の熱膨張係数は、圧電単結晶体６１の熱膨張係数（８〜１５×１０―６［１／℃］）とフロントマス４２およびバックマス４３の熱膨張係数（２４×１０―６［１／℃］）の間にある接合金属を用いることが望ましい。
第１のろう材７３および第２のろう材７６は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の圧電単結晶体６１とジュラルミンのフロントマス４２およびバックマス４３の熱膨張係数の間の熱膨張係数を有するＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダが用いられている。
第１のろう材７３および第２のろう材７６に用いるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの熱膨張係数は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の熱膨張係数（８〜１５×１０―６［１／℃］）よりも大きく、ジュラルミンの熱膨張係数（２４×１０―６［１／℃］）よりも小さい２１×１０―６［１/℃］である。
これにより、特に、両端に設けられた２つの圧電単結晶体６１と、フロントマス４２およびバックマス４３と、の接合材料であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの第２のろう材７６が、両端に設けられた２つの圧電単結晶体６１とフロントマス４２およびバックマス４３の熱膨張係数差を吸収する役割となり、圧電単結晶体６１への応力が低減され、圧電単結晶体６１の内部に割れが発生することが防止される。
なお、第２のろう材７６は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）とジュラルミンの熱膨張係数の間の熱膨張係数を有していればよく、Ｓｕ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの他に、例えば、Ｓｎ系ハンダ、Ｓｎ−Ａｇ系ハンダまたはＳｎ−Ｃｕ系ハンダでもよい。
さらに、圧電単結晶体６１中に、フロントマス４２およびバックマス４３の熱膨張係数の差によって生じる熱応力が第２のろう材７６の厚さに応じて図１３に示すような曲線で示すように発生する。
なお、図１３の曲線上のＰ１は、圧電単結晶体６１がフロントマス４２およびバックマス４３との熱膨張係数差によって発生する熱応力σ１により割れてしまう点を示している。
ここで、接合金属である第２のろう材７６の厚さｄ２は、Ｐ１に基いて、Ｐ２に示す、所定の安全率（例えば、熱応力σ１の半分）が考慮された圧電単結晶体６１に熱応力σ２が生じても割れない厚さｄ２ｍｉｎ以上から、Ｐ３に示す、ろう材７６の厚さを変えても圧電単結晶体６１に生じる熱応力σ３がほとんど変化しないようになる厚さｄ２ｍａｘに設定される。
なお、図１３に示すように、第２のろう材７６の厚さｄ２は、厚さｄ２ｍａｘを超えても、フロントマス４２およびバックマス４３との熱膨張係数差により圧電単結晶体６１に生じる熱応力σ３が変化しないため、厚さｄ２ｍａｘよりも厚くすると、より超音波振動子２の性能低下を招く。
したがって、第２のろう材７６の厚さｄ２は、超音波振動子２が発生する超音波の損失が仕様の許容範囲であれば、厚さｄ２ｍａｘとすることが最も好ましい。即ち、第２のろう材７６の厚さｄ２の上限は、圧電単結晶体６１に生じる熱応力σ３が変化しなくなる最も薄い厚さｄ２ｍａｘとする。
さらに、第１のろう材７３の厚さｄ１に対して第２のろう材７６の厚さｄ２を厚くするには、スクリーン印刷による厚さ設定または予め用意するはんだペレットを厚くしておけばよいので、余分な工程、プロセスなどを変更すること無く、安価な超音波振動子２を実現することができる。
なお、第１のろう材７３および第２のろう材７６にリボン形態（はんだペレット）を用いた場合、例えば、図１４に示すように、第１のろう材７３を複数、ここでは２つ重ねて第２のろう材７６を形成すれば、厚さの異なるものを用意する必要が無くなる。即ち、第２のろう材７６は、第１のろう材７３の整数倍の厚さｄ２に設定することで、より安価となる。
また、上述では、超音波振動子２は、矩形ブロック状の最も安価に製造できる形状の例を挙げたが、これに限定されることなく、これら部材の形状が、例えば、円柱形状としたものでもよい。
以上に説明したように、本実施の形態の積層型超音波振動デバイスである超音波振動子２およびこの超音波振動子２を有する超音波医療装置１は、安価に製造できると共に、マス材としての金属ブロックと圧電体の熱膨張係数の差異によって起因して生じる応力によって圧電体が破損などすることを防止することができる構成となる。
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
３２ａ…ネジ部
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
４１…積層振動子
４２…フロントマス
４２ａ…ネジ穴
４３…バックマス
４９…電気接続部
５１…カバー体
５２…折れ止
６１…圧電単結晶体
６２…正電側接合金属
６３…負電側接合金属
７１…圧電単結晶ウエハ
７２…下地金属
７３…第１のろう材
７６…第２のろう材

Claims (7)

  1. ２つのマス材の間に複数の圧電体が設けられた積層型超音波振動デバイスにおいて、
    前記２つのマス材および前記複数の圧電体よりも弾性定数が小さなろう材を用いて、同種材料接合部となる前記複数の圧電体間を第１の厚さを有した第１の金属接合層によって接合し、異種材料接合部となる前記複数の圧電体と前記マス材との間を前記第１の厚さよりも厚い第２の厚さを有した第２の金属接合層によって接合したことを特徴とする積層型超音波振動デバイス。
  2. 前記複数の圧電体が圧電単結晶材料であ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. 前記第１の金属接合層および第２の金属接合層が電極層となることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型超音波振動デバイス。
  4. 前記ろう材の熱膨張係数は、前記複数の圧電体の熱膨張係数と、前記２つのマス材の熱膨張係数の中間の範囲内とすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積層型超音波振動デバイス。
  5. 前記ろう材に、前記第１の厚さを有するはんだペレットが用いられ、
    前記第２の厚さが前記第１の厚さの整数倍に設定されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の積層型超音波振動デバイス。
  6. 前記第２の厚さの上限は、前記２つのマス材との熱膨張係数の差によって前記複数の圧電体に生じる熱応力が変化しなくなる最も薄い厚さとしたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の積層型超音波振動デバイス。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか１項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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