JPWO2016174709A1 - 超音波振動子の製造方法および超音波振動子 - Google Patents

Abstract

本発明の超音波振動子の製造方法は、積層体における複数の圧電素子の配列を各圧電素子が有する機械的品質係数に基づいて決定する配列決定ステップ（Ｓ２）と、該配列決定ステップにおいて決定された配列に従って複数の圧電素子が配列された積層体、ホーン、およびバックマスを１つに組み立てる組立ステップ（Ｓ３）とを含み、配列決定ステップ（Ｓ２）において、長手方向に隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差が、複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値の５％以内となるように、複数の圧電素子の配列を決定する。

Description

本発明は、超音波振動子の製造方法および超音波振動子に関するものである。

従来、生体組織の切開等の処置において超音波治療装置が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。また、治療用超音波装置に搭載される超音波振動子の１つとして、高出力のボルト締めランジュバン型（ＢＬＴ）振動子が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

超音波振動子は振動に伴って発熱し、超音波振動子を内蔵するハンドピースの温度が上昇する。そこで、ハンドピースの表面温度を操作者が素手で把持可能な温度に保つために、ハンドピースのグリップ部分に放熱フィンのような空冷構造を設けた超音波治療装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特許第４６４２９３５号公報 特開昭６１−１８２９９号公報 特開２００１−３２１３８８号公報

しかしながら、特許文献３の空冷構造による放熱量は不十分であり、超音波振動子の温度上昇を十分に抑制することは難しい。例えば、骨や軟骨等の硬組織や石灰化した組織の処置においては、非常に高い出力が必要とされ、超音波振動子への電力投入量を増大する必要がある。このような場合、超音波振動子による発熱量も非常に大きくなって発熱量が空冷構造による放熱量を上回り、超音波振動子の温度が上昇する。

超音波振動子の共振周波数は温度に依存するため、温度上昇によって超音波振動子の共振周波数が変化すると、超音波振動子に供給されている駆動電力の周波数に対する超音波振動子の共振周波数のずれが大きくなり、超音波振動子の出力（振動振幅）が低下する。高出力を維持し続けるためには電力投入量をさらに増大しなければならず、さらなる発熱を招いたり超音波振動子の駆動が不安定になったりする。このように、特許文献３においては、超音波振動子を高い出力で安定的に駆動し続けることが難しいという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、振動に伴う温度上昇を抑制し、高い出力で安定的に駆動し続けることができる超音波振動子の製造方法および超音波振動子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、先端側から基端側へ向かって長手方向に沿って順に、ホーンと、複数の圧電素子が前記長手方向に積層された積層体と、バックマスとを備え、前記長手方向の縦振動を発生する超音波振動子の製造方法であって、前記積層体における前記複数の圧電素子の配列を各前記圧電素子が有する機械的品質係数に基づいて決定する配列決定ステップと、該配列決定ステップにおいて決定された配列に従って前記複数の圧電素子が配列された前記積層体、前記ホーン、および前記バックマスを１つに組み立てる組立ステップとを含み、前記配列決定ステップにおいて、前記長手方向に隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差が、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値の５％以内となるように、前記複数の圧電素子の配列を決定する超音波振動子の製造方法である。

本発明の第１の態様によれば、組立ステップにおいて、圧電素子の積層構造を有する積層体がホーンとバックマスとによって両側から挟まれるように、積層体、ホーンおよびバックマスを１つに組み立てることによって、超音波振動子を製造することができる。
この場合に、隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差は最大でも平均値の５％となるように、配列決定ステップにおいて圧電素子の配列が決定される。このように、同一または近似する機械的品質係数を有する圧電素子同士が隣接するように圧電素子を配列することによって、圧電素子間の振動の伝達効率が向上して振動の熱への変換が抑制され、超音波振動子の発熱が抑制される。これにより、振動に伴う超音波振動子の温度上昇を抑制し、高い出力で安定的に超音波振動子を駆動し続けることができる。

上記第１の態様においては、機械的品質係数に基づいて前記複数の圧電素子を選択する圧電素子選択ステップを含み、該圧電素子選択ステップにおいて、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値に対して前記複数の圧電素子の機械的品質係数のばらつきが±２．５％以内となるように、前記複数の圧電素子を選択し、前記配列決定ステップにおいて、前記圧電素子選択ステップにおいて選択された前記複数の圧電素子の配列を決定してもよい。
このようにすることで、隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差は必ず５％以内となるので、配列決定ステップにおいては、圧電素子の配列をランダムに決定することができる。

上記第１の態様においては、前記配列決定ステップにおいて、前記ホーン側から前記バックマス側に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、前記複数の圧電素子の内、前記ホーン側の少なくとも一部の配列を決定してもよい。
このようにすることで、ホーンに近い側に大きな機械的品質係数を有する圧電素子が配置されるので、積層体において発生した縦振動がホーンに効率的に伝達される。これにより、入出力効率（供給電力量に対する縦振動の振幅）を向上し、超音波振動子の駆動に必要な電力を低減することができる。また、ホーンと該ホーンに隣接する圧電素子との間の機械的品質係数の差が小さくなるので、ホーンと圧電素子との境界における発熱を抑制し、超音波振動子の発熱をさらに抑制することができる。

上記第１の態様においては、前記超音波振動子が、半波長共振型であり、前記配列決定ステップにおいて、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、前記複数の圧電素子の配列を決定してもよい。
このようにすることで、超音波振動子の発熱をさらに抑制することができるとともに、さらに高い入出力効率を得ることができる。

上記第１の態様においては、前記超音波振動子が、１波長共振型であり、前記配列決定ステップにおいて、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記縦振動の節に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなり、かつ、前記縦振動の節に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなるように、前記複数の圧電素子の配列を決定してもよい。
このようにすることで、超音波振動子の発熱をさらに抑制することができるとともに、さらに高い入出力効率を得ることができる。

上記第１の態様においては、前記超音波振動子が、１波長共振型であり、前記配列決定ステップにおいて、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記縦振動の腹に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなり、かつ、前記縦振動の腹に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、前記複数の圧電素子の配列を決定してもよい。
このようにすることで、超音波振動子の発熱をより抑制することができる。

本発明の第２の態様は、先端側から基端側へ向かって長手方向に沿って順に、ホーンと、複数の圧電素子が前記長手方向に積層された積層体と、バックマスとを備え、前記複数の圧電素子は、前記長手方向に隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差が、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値の５％以内となるように配列されている超音波振動子である。

上記第２の態様においては、前記複数の圧電素子の機械的品質係数のばらつきが、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値に対して±２．５％以内であってもよい。
上記第２の態様においては、前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記長手方向の縦振動の腹に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、配列されていてもよい。

上記第２の態様においては、半波長共振型であり、前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、配列されていてもよい。
上記第２の態様においては、１波長共振型であり、前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記縦振動の腹に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなり、かつ、前記縦振動の腹に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなるように、配列されていてもよい。

上記第２の態様においては、１波長共振型であり、前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記長手方向の縦振動の腹に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなり、かつ、前記縦振動の腹に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、配列されていてもよい。

本発明によれば、振動に伴う温度上昇を抑制し、超音波振動子を高い出力で安定的に駆動し続けることができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子の全体構成を示す長手軸方向の断面図である。 図１の超音波振動子の全体構成を示す簡略図である。 図１の超音波振動子の積層体における機械的損失係数の分布を示すグラフである。 図１の超音波振動子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る超音波振動子の全体構成を示す簡略図である。 図５の超音波振動子の積層体における機械的損失係数の分布を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る超音波振動子の全体構成を示す簡略図である。 図７の超音波振動子の積層体における機械的損失係数の分布を示すグラフである。 本発明の第４の実施形態に係る超音波振動子の全体構成を示す簡略図である。 図９の超音波振動子の積層体における機械的損失係数の分布を示すグラフである。 積層体における機械的損失係数の分布と、超音波振動子の温度上昇量との関係を示すグラフである。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子１０とその製造方法について図１から図４を参照して説明する。
本実施形態に係る超音波振動子１０は、図１に示されるように、ボルト締めランジュバン型（ＢＬＴ）振動子であり、先端側から基端側へ向かって長手軸Ａに沿って順に、ホーン１と、複数の圧電素子２が積層された積層体３と、バックマス４とを備えている。

ホーン１は、長手軸Ａに沿って延びる柱状であり、長手軸Ａに直交する横断面の面積が基端から先端に向かう程小さくなる形状を有している。ホーン１は、チタン合金のような高い強度を有する金属から形成されている。ホーン１の基端面の略中心位置には、長手軸Ａに沿って延びる柱状のボルト５が設けられている。

圧電素子２は、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）のような圧電材料からなるリング状の板状部材である。積層体３は、各圧電素子２が２つの電極６ａ，６ｂによって長手軸Ａ方向に挟まれるように、圧電素子２と電極６ａまたは６ｂとが長手軸Ａ方向に交互に積層された積層構造を有している。電極は、長手軸Ａ方向に交互に正電極６ａと負電極６ｂとを構成しており、電極６ａ，６ｂに交番電力が供給されたときに各圧電素子２が長手軸Ａ方向に伸縮振動するようになっている。積層体３とホーン１との間、および、積層体３とバックマス４との間には、図示しない絶縁体が挟まれており、積層体３は、ホーン１およびバックマス４と電気的に絶縁されている。また、積層体３には、先端から基端まで長手軸Ａに沿って貫通形成され、ボルト５が挿入されるボルト穴３ａが形成されている。

バックマス４は、アルミのような金属材料から形成された柱状の部材である。バックマス４の先端面には、ボルト５に締結されるねじ穴４ａが長手軸Ａに沿って形成されている。
積層体３のボルト穴３ａ内にボルト５を挿入し、積層体３の基端面から突出したボルト５の基端部にバックマス４を締結することによって、積層体３がホーン１とバックマス４とによって両側から強固に締め付けられている。

超音波振動子１０は、半波長共振型である。すなわち、超音波振動子１０の長手軸Ａ方向の寸法は、超音波振動子１０の共振周波数の波長の半分に設計されている。これにより、超音波振動子１０は、図２に示されるように、共振周波数の交番電力が電極６ａ，６ｂに供給されたときに、半波長共振する。半波長共振において、２つの腹がホーン１の先端およびバックマスの基端に現れ、１つの節Ｎがホーン１と積層体２との境界に現れる。
なお、超音波振動子１０は、半波長共振型ではなく、共振周波数の波長と同一の長手軸Ａ方向の寸法を有する１波長共振型であってもよい。

さらに、図３に示されるように、積層体３において、全ての圧電素子２が、互いに同一または近似する機械的品質係数Ｑｍ（以下、単に「Ｑｍ」という。）を有している。具体的には、各圧電素子２のＱｍは、全ての圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）±２．５％以内である。したがって、長手軸Ａ方向に隣接する２つの圧電素子２間のＱｍの差は、最大で平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％となる。図３において、各データ点は各圧電素子２に対応している。

次に、超音波振動子１０の製造方法について説明する。
本実施形態に係る超音波振動子１０の製造方法は、図４に示されるように、Ｑｍに基づいて圧電素子２を選択する圧電素子選択ステップＳ１と、圧電素子２の積層体３における配列を決定する配列決定ステップＳ２と、積層体３、ホーン１およびバックマス４を１つに組み立てる組立ステップＳ３とを含む。

製造会社から購入する圧電素子２のＱｍには、数１００程度のばらつきがある。圧電素子選択ステップＳ１においては、まず、圧電素子２のＱｍを測定する。Ｑｍの測定には、公知の任意の方法が用いられる。例えば、インピーダンスアナライザや周波数計測器等によって共振周波数ｆｓおよび該共振周波数を示すピーク波形の半値幅（ｆ２−ｆ１）を測定し、Ｑｍ＝ｆｓ／（ｆ２−ｆ１）の関係式からＱｍを算出する。次に、同一または近似のＱｍを有する圧電素子２を、積層体３に必要な数（本例においては６個）だけ選択する。具体的には、６個の圧電素子２のＱｍのばらつきが、該６個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）に対して±２．５％以内となるように、６個の圧電素子２を選択する。

次に、配列決定ステップＳ２において、圧電素子選択ステップＳ１において選択された６個の圧電素子２の配列をランダムに決定する。
次に、組立ステップＳ３において、６個の圧電素子２が、配列決定ステップＳ２において決定されたランダム配列に従って配列するように、６個の圧電素子２と電極６ａ，６ｂとを交互に積層して積層体３を形成する。次に、形成された積層体３のボルト穴３ａ内にホーン１のボルト５を挿入し、積層体３から突出したボルト５の先端部にバックマス４を締結して積層体３を長手軸Ａ方向に圧縮する。これにより、超音波振動子１０が製造される。

次に、このように構成された超音波振動子１０の作用について説明する。
本実施形態に係る超音波振動子１０によって超音波振動を発生させるためには、電源（図示略）から、超音波振動子１０の共振周波数または該共振周波数の近傍の周波数を有する交番電力を電気ケーブル（図示略）を介して電極６ａ，６ｂに供給する。これにより、個々の圧電素子２が長手軸Ａ方向に伸縮振動して積層体３が縦振動を発生する。積層体３において発生した縦振動は、ホーン１に伝達され、ホーン１の先端が長手軸Ａ方向に高周波振動する。

ここで、圧電素子２のＱｍと積層体３における振動伝達との関係について説明する。
機械的品質係数Ｑｍは、伸縮振動の際に圧電素子２に生じる弾性損失を表す係数であり、機械的損失係数の逆数である。機械的品質係数Ｑｍが高い程、弾性損失が小さく、振動を減衰させ難く、発熱が少ない。したがって、超音波振動子１０用の圧電素子２としては、例えば１０００以上の高いＱｍを有する圧電素子が使用される。

同一の圧電素子内は均質であるため、同一の圧電素子内における振動の伝達効率は高く、振動はほとんど減衰することなく伝達する。したがって、仮に、積層体３が、単一の均質な圧電素子から構成されていた場合、積層体３全体が同調して縦振動し、積層体３における発熱は少ない。

実際の積層体３は、複数の圧電素子２の積層構造を有し、圧電素子２と他の圧電素子２との間で圧電素子２の性質が不連続に変化する。このように、性質が不連続に変化する圧電素子２同士の境界においては、縦振動の一部が反射される等して損失するため、圧電素子２から隣接する他の圧電素子２への振動の伝達効率は低下する。また、振動の損失に伴って熱が発生する。すなわち、圧電素子２の境界で反射された振動が他の振動と作用することによって発熱の原因となる高調波を発生させる。また、隣接する２つの圧電素子２のＱｍに差がある場合は、一方の圧電素子２の伸縮挙動と他方の圧電素子２の伸縮挙動とにずれが生じることによって２つの圧電素子２の境界において滑り運動が生じ、摩擦熱が生じる。

本実施形態に係る超音波振動子１０によれば、略等しいＱｍを有する圧電素子２を積層体３に使用しているので、積層体３におけるＱｍが略均一になっている。したがって、複数の圧電素子２からなる積層体３は、単一の圧電素子からなる積層体と類似の挙動を示し、積層体３において縦振動は減衰することなく高い効率で伝達するとともに積層体３における発熱が抑制される。これにより、超音波振動子１０の出力（ホーン１の先端の振幅）を増大するために電極６ａ，６ｂに供給する交番電力を増大したとしても、超音波振動子１０は、温度上昇することなく高い出力を安定的に発揮し続けることができるという利点がある。

特に、超音波振動子１０を構成する部品の内、発熱量が最も大きいものは積層体３である。したがって、積層体３における発熱を抑制することによって、超音波振動子１０全体の温度上昇を効率的に抑制することができるという利点がある。また、従来のＢＬＴ振動子の製造方法から圧電素子２の選択のみを変更するだけで、発熱量の少ない超音波振動子１０を製造することができるという利点がある。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る超音波振動子２０およびその製造方法について図５および図６を参照して説明する。
本実施形態に係る超音波振動子２０は、積層体３１における圧電素子２の配列において、第１の実施形態の超音波振動子１０と異なっている。したがって、本実施形態においては、積層体３１について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る超音波振動子２０は、図５に示されるように、超音波振動子１０と同様に、半波長共振型である。
積層体３１において、圧電素子２は、図６に示されるように、Ｑｍが、ホーン１側からバックマス４側に向かって順番に小さくなるように配列されている。したがって、最もホーン１側に位置する圧電素子２のＱｍが最も大きくなっており、最もバックマス４側に位置する圧電素子２のＱｍが最も小さくなっている。さらに、長手軸Ａ方向に隣接する圧電素子２間のＱｍの差は、６個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％以内である。

次に、超音波振動子２０の製造方法について説明する。
本実施形態に係る超音波振動子２０の製造方法は、圧電素子選択ステップと、配列決定ステップと、組立ステップとを含む。
圧電素子選択ステップにおいて、第１の実施形態において説明した圧電素子選択ステップＳ１と同様にして、圧電素子２のＱｍを測定する。次に、６個の圧電素子２のＱｍのばらつきが、該６個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）に対して±１５％以内となるように、かつ、Ｑｍを大きさ順に並べたときに隣接するＱｍ間の差が平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％以内となるように、６個の圧電素子２を選択する。

次に、配列決定ステップにおいて、選択ステップにおいて選択された６個の圧電素子２の配列を、最もホーン１側に位置する圧電素子２から最もバックマス４側に位置する圧電素子２に向かって順番にＱｍが小さくなるように、決定する。
次に、組立ステップにおいて、６個の圧電素子２が、配列決定ステップにおいて決定された配列に従って配列するように、６個の圧電素子２と電極６ａ，６ｂとを交互に積層して積層体３を形成する。次に、最も大きなＱｍを有する圧電素子２がホーン１側に配置され、最も小さなＱｍを有する圧電素子２がバックマス４側に配置されるように、ホーン１と積層体３とバックマス４とを１つに組み立てる。

本実施形態に係る超音波振動子２０によれば、第１の実施形態の効果に加えて以下の効果を奏する。
上述したように、圧電素子２のＱｍには個体誤差が存在し、製造会社から購入した圧電素子２のＱｍにはばらつきが存在する。第１の実施形態のように、略等しいＱｍを有する圧電素子２のみを選別して使用する場合、購入した圧電素子２の内、一部を製造に利用することができない。本実施形態によれば、異なるＱｍを有する圧電素子２を組み合わせて使用することによって、購入した圧電素子２を有効的に製造に利用することができるという利点がある。

また、ホーン１に近い側に大きなＱｍを有する圧電素子２を配置することによって、積層体３において発生した縦振動がホーン１へ効率的に伝達される。これにより、超音波振動子２０の入出力効率（電極６ａ，６ｂに供給される交番電力に対するホーン１の振動振幅）を高め、電極６ａ，６ｂに供給する交番電力を低減しながら大きな出力を得ることができるという利点がある。

さらに、ホーン１は圧電素子２よりも大きなＱｍを有し、ホーン１と圧電素子２との境界においても、Ｑｍの差に起因する振動の損失および発熱が生じる。そこで、最も大きなＱｍを有する圧電素子２をホーン１の隣に配置し、ホーン１のＱｍと圧電素子２のＱｍとの差を最小とすることによって、積層体３からホーン１への振動の伝達効率的を高め、発熱をさらに抑制することができるという利点がある。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る超音波振動子３０およびその製造方法について図７および図８を参照して説明する。
本実施形態に係る超音波振動子３０は、積層体３２における圧電素子２の配列において、第１の実施形態の超音波振動子１０と異なっている。したがって、本実施形態においては、積層体３２について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る超音波振動子３０は、図７に示されるように、第１および第２の実施形態に係る超音波振動子１０，２０とは全長が異なり、１波長共振型である。すなわち、超音波振動子３０の長手軸Ａ方向の寸法は、超音波振動子３０の共振周波数の波長と同一に設計されている。これにより、超音波振動子３０は、図７に示されるように、共振周波数の交番電力が電極６ａ，６ｂに供給されたときに、１波長共振する。１波長共振において、３つの腹が現れ、２つの節Ｎ１，Ｎ２がホーン１の長手方向の途中位置と積層体３の長手方向の途中位置に現れる。

本実施形態例において、積層体３２は８個の圧電素子２を備えている。積層体３２において、圧電素子２は、図８に示されるように、最もホーン１側に位置する圧電素子２から節Ｎ２に位置する圧電素子２に向かって順番にＱｍが小さくなり、かつ、節Ｎ２に位置する圧電素子２から最もバックマス４側に位置する圧電素子２に向かって順番にＱｍが大きくなるように、配列されている。このときに、最も大きなＱｍを有する圧電素子２が最もホーン１側に位置することが好ましい。さらに、長手軸Ａ方向に隣接する圧電素子２間のＱｍの差は、８個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％以内である。

次に、超音波振動子３０の製造方法について説明する。
本実施形態に係る超音波振動子３０の製造方法は、圧電素子選択ステップと、配列決定ステップと、組立ステップとを含む。
圧電素子選択ステップにおいて、第１の実施形態において説明した圧電素子選択ステップＳ１と同様にして、圧電素子２のＱｍを測定する。次に、８個の圧電素子２のＱｍのばらつきが、該８個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）に対して±７．５％以内となるように、かつ、各圧電素子２のＱｍと他の少なくとも１つの圧電素子２のＱｍとの差が平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％以内となるように、８個の圧電素子２を選択する。

次に、配列決定ステップにおいて、選択ステップにおいて選択された８個の圧電素子２の配列を、節Ｎ２においてＱｍが最小となり、節Ｎ２からホーン１側およびバックマス４側に向かってＱｍが順番に大きくなるように、決定する。
次に、組立ステップにおいて、８個の圧電素子２が、配列決定ステップにおいて決定された配列に従って配列するように、８個の圧電素子２と電極６ａ，６ｂとを交互に積層して積層体３を形成する。次に、形成された積層体３とホーン１とバックマス４とを１つに組み立てる。

本実施形態に係る超音波振動子３０によれば、第１の実施形態の効果に加えて以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、異なるＱｍを有する圧電素子２を組み合わせて使用することによって、購入した圧電素子２を有効的に製造に利用することができるという利点がある。

また、ホーン１に近い側に大きなＱｍを有する圧電素子２を配置することによって、超音波振動子３０の入出力効率（電極６ａ，６ｂに供給される交番電力に対するホーン１の振動振幅）を高め、電極６ａ，６ｂに供給する交番電力を低減しながら大きな出力を得ることができるという利点がある。
さらに、積層体３の内、縦振動の振幅がゼロとなる節Ｎ２に、最も小さい位置Ｑｍを有する圧電素子２を配置し、振幅が大きくなる位置程、大きなＱｍを有する圧電素子２を配置することによって、縦振動の伝達効率を向上し、積層体３における発熱をさらに低減することができるという利点がある。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る超音波振動子４０およびその製造方法について図９および図１０を参照して説明する。
本実施形態に係る超音波振動子４０は、積層体３３における圧電素子２の配列において、第３の実施形態の超音波振動子３０と異なっている。したがって、本実施形態においては、積層体３３について主に説明し、第３の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る超音波振動子４０は、図９に示されるように、超音波振動子３０と同様に、１波長共振型であり、積層体３３は８個の圧電素子２を備えている。
積層体３３において、圧電素子２は、図１０に示されるように、最もホーン１側に位置する圧電素子２から節Ｎ２に位置する圧電素子２に向かって順番にＱｍが大きくなり、かつ、節２に位置する圧電素子２から最もバックマス４側に位置する圧電素子２に向かって順番にＱｍが小さくなるように、配列されている。さらに、長手軸Ａ方向に隣接する圧電素子２間のＱｍの差は、８個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％以内である。

次に、超音波振動子４０の製造方法について説明する。
本実施形態に係る超音波振動子４０の製造方法は、圧電素子選択ステップと、配列決定ステップと、組立ステップとを含む。
本実施形態の圧電素子選択ステップは、第３の実施形態において説明した圧電素子選択ステップと同一である。

次に、配列決定ステップにおいて、選択ステップにおいて選択された８個の圧電素子２の配列を、節Ｎ２においてＱｍが最大となり、節Ｎ２からホーン１側およびバックマス４側に向かってＱｍが順番に小さくなるように、決定する。
次に、組立ステップにおいて、８個の圧電素子２が、配列決定ステップにおいて決定された配列に従って配列するように、８個の圧電素子２と電極６ａ，６ｂとを交互に積層して積層体３を形成する。次に、形成された積層体３とホーン１とバックマス４とを１つに組み立てる。

本実施形態に係る超音波振動子４０によれば、第１の実施形態の効果に加えて以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、異なるＱｍを有する圧電素子２を組み合わせて使用することによって、購入した圧電素子２を有効的に製造に利用することができるという利点がある。

次に、上述した積層体３，３１，３２，３３におけるＱｍの分布と、超音波振動子１０，２０，３０，４０発熱量との関係について説明する。
図１１には、第１から第４の実施形態に係る超音波振動子１０，２０，３０，４０に、等しい電力量の交番電力を供給して半波長共振または１波長共振させたときの温度上昇を測定した結果を示すグラフである。比較例として、無作為に選択した圧電素子を使用して製造した超音波振動子の温度上昇も測定した。

図１１示されるように、本実施形態に係る超音波振動子１０，２０，３０，４０の温度上昇量は、比較例に比べて優位に小さいことが確認された。特に、超音波振動子２０，３０の温度上昇量が小さく、大きなＱｍを有する圧電素子２をホーン１側に配置することによって超音波振動子２０，３０の発熱を効果的に抑制できることが確認された。また、超音波振動子２０の温度上昇量は、比較例に比べて４℃低く、超音波振動子２０に供給する交番電力を１１Ｗ（１４％）増加したとしても、温度上昇を比較例と同等に抑制することができることが確認された。

１０，２０，３０，４０ 超音波振動子
１ ホーン
２ 圧電素子
３，３１，３２，３３ 積層体
４ バックマス
５ ボルト
６ａ，６ｂ 電極
Ｓ１ 圧電素子選択ステップ
Ｓ２ 配列決定ステップ
Ｓ３ 組立ステップ

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、先端側から基端側へ向かって長手方向に沿って順に、ホーンと、複数の圧電素子が前記長手方向に積層された積層体と、バックマスとを備え、前記長手方向の縦振動を発生する超音波振動子の製造方法であって、前記積層体における前記複数の圧電素子の配列を各前記圧電素子が有する機械的品質係数に基づいて決定する配列決定ステップと、該配列決定ステップにおいて決定された配列に従って前記複数の圧電素子が配列された前記積層体、前記ホーン、および前記バックマスを１つに組み立てる組立ステップとを含み、前記配列決定ステップにおいて、前記長手方向に隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差が、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値の５％以内となるように、前記複数の圧電素子の配列を決定し、さらに、最も前記ホーン側から前記バックマス側に向かって順番に機械的品質係数が小さくなる、または大きくなるように、前記複数の圧電素子の内、前記ホーン側の少なくとも一部の配列を決定する超音波振動子の製造方法である。

本発明の第２の態様は、先端側から基端側へ向かって長手方向に沿って順に、ホーンと、複数の圧電素子が前記長手方向に積層された積層体と、バックマスとを備え、前記長手方向の縦振動を発生する超音波振動子であって、前記複数の圧電素子は、前記長手方向に隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差が、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値の５％以内となるように配列され、さらに、前記複数の圧電素子の内、前記ホーン側の少なくとも一部は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記バックマス側に向かって順番に機械的品質係数が小さくなる、または大きくなるように、配列されている超音波振動子である。

Claims (12)

1. 先端側から基端側へ向かって長手方向に沿って順に、ホーンと、複数の圧電素子が前記長手方向に積層された積層体と、バックマスとを備え、前記長手方向の縦振動を発生する超音波振動子の製造方法であって、
   前記積層体における前記複数の圧電素子の配列を各前記圧電素子が有する機械的品質係数に基づいて決定する配列決定ステップと、
   該配列決定ステップにおいて決定された配列に従って前記複数の圧電素子が配列された前記積層体、前記ホーン、および前記バックマスを１つに組み立てる組立ステップとを含み、
   前記配列決定ステップにおいて、前記長手方向に隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差が、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値の５％以内となるように、前記複数の圧電素子の配列を決定する超音波振動子の製造方法。
2. 機械的品質係数に基づいて前記複数の圧電素子を選択する圧電素子選択ステップを含み、
   該圧電素子選択ステップにおいて、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値に対して前記複数の圧電素子の機械的品質係数のばらつきが±２．５％以内となるように、前記複数の圧電素子を選択し、
   前記配列決定ステップにおいて、前記圧電素子選択ステップにおいて選択された前記複数の圧電素子の配列を決定する請求項１に記載の超音波振動子の製造方法。
3. 前記配列決定ステップにおいて、前記ホーン側から前記バックマス側に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、前記複数の圧電素子の内、前記ホーン側の少なくとも一部の配列を決定する請求項１に記載の超音波振動子の製造方法。
4. 前記超音波振動子が、半波長共振型であり、
   前記配列決定ステップにおいて、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、前記複数の圧電素子の配列を決定する請求項３に記載の超音波振動子の製造方法。
5. 前記超音波振動子が、１波長共振型であり、
   前記配列決定ステップにおいて、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記縦振動の節に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなり、かつ、前記縦振動の節に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなるように、前記複数の圧電素子の配列を決定する請求項３に記載の超音波振動子の製造方法。
6. 前記超音波振動子が、１波長共振型であり、
   前記配列決定ステップにおいて、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記縦振動の節に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなり、かつ、前記縦振動の節に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、前記複数の圧電素子の配列を決定する請求項１に記載の超音波振動子の製造方法。
7. 先端側から基端側へ向かって長手方向に沿って順に、ホーンと、複数の圧電素子が前記長手方向に積層された積層体と、バックマスとを備え、
   前記複数の圧電素子は、前記長手方向に隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差が、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値の５％以内となるように配列されている超音波振動子。
8. 前記複数の圧電素子の機械的品質係数のばらつきが、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値に対して±２．５％以内である請求項７に記載の超音波振動子。
9. 前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記長手方向の縦振動の節に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、配列されている請求項７に記載の超音波振動子。
10. 半波長共振型であり、
    前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、配列されている請求項９に記載の超音波振動子。
11. １波長共振型であり、
    前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記縦振動の節に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなり、かつ、前記縦振動の節に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなるように、配列されている請求項９に記載の超音波振動子。
12. １波長共振型であり、
    前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記長手方向の縦振動の節に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなり、かつ、前記縦振動の節に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、配列されている請求項７に記載の超音波振動子。

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