WO2013084727A1 - 超音波振動デバイスおよび超音波医療装置 - Google Patents

超音波振動デバイスおよび超音波医療装置 Download PDF

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WO2013084727A1
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ultrasonic
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piezoelectric single
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光 神保
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オリンパス株式会社
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
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    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/208—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using shear or torsion displacement, e.g. d15 type devices
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B17/32—Surgical cutting instruments
    • A61B17/320068—Surgical cutting instruments using mechanical vibrations, e.g. ultrasonic
    • A61B17/320092—Surgical cutting instruments using mechanical vibrations, e.g. ultrasonic with additional movable means for clamping or cutting tissue, e.g. with a pivoting jaw
    • A61B2017/320094—Surgical cutting instruments using mechanical vibrations, e.g. ultrasonic with additional movable means for clamping or cutting tissue, e.g. with a pivoting jaw additional movable means performing clamping operation
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    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
    • H10N30/057—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes by stacking bulk piezoelectric or electrostrictive bodies and electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a structure of an ultrasonic vibration device and an ultrasonic medical apparatus provided with the ultrasonic vibration device.
  • ultrasonic medical device equipped with an ultrasonic transducer
  • examples of the ultrasonic vibrator include a Langevin vibrator, in addition to a piezoelectric vibrator using PZT (lead zirconate titanate).
  • JP-A-9-261830 discloses an ultrasonic vibrator capable of measuring the physical properties of a liquid at a high temperature by controlling the vibrator at a constant temperature.
  • This conventional ultrasonic transducer is a bolt-clamped Langevin type transducer, in which a casing around the ultrasonic transducer and transducer that circulates a constant temperature liquid or a constant temperature gas inside the backing plate, vibration element and front plate.
  • the vibration element characteristics are stabilized by keeping the temperature of the vibration element constant by a technique of providing and circulating a constant temperature gas inside the housing.
  • the ultrasonic vibrator disclosed in JP-A-9-261830 can excite ultrasonic vibration while stabilizing the characteristics of the vibrator even when the temperature of the vibrator rises.
  • piping for supplying a constant temperature liquid or a constant temperature gas into the vibrator is necessary.
  • incidental facilities such as a pump and a tank are required.
  • the ultrasonic medical device is required to be downsized because it is used in a living body, and there is a problem that if the piping is provided in the ultrasonic vibrator, the size of the ultrasonic medical device is increased.
  • an ultrasonic medical device requires ancillary equipment such as a pump and a tank in order to stabilize the vibration element characteristics of the ultrasonic transducer, not only a place for installing the ancillary equipment in the hospital is required, There is a problem that it becomes very expensive.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to provide a small ultrasonic wave that has stable vibration element characteristics and does not require large-scale incidental equipment, and is low in cost. It is to be able to provide a vibration device and an ultrasonic medical apparatus using the ultrasonic vibration device.
  • An ultrasonic vibration device is provided on a plurality of piezoelectric single crystal layers in which a plurality of plates cut by selecting a crystal orientation are stacked, and on the plate surfaces of the plurality of piezoelectric single crystal layers.
  • a laminated vibrator having a plurality of electrode layers interposed between the plurality of piezoelectric single crystal layers; and both end portions of the laminated vibrator in a direction perpendicular to a lamination direction of the plurality of piezoelectric single crystal layers;
  • a hard corrugated rectifying member that is joined, and the plurality of piezoelectric single crystal layers are alternately laminated with the crystal orientations in the same direction, and the front and back plate surfaces are laminated, and the plurality of electrode layers are supplied from a power source in the order of lamination.
  • Wirings are alternately connected, and the laminated vibrator is vibrated by alternating the direction of shear strain generated in the adjacent piezoelectric single crystal layers by applying a voltage to the plurality of electrode layers. For the stacking direction of the piezoelectric single crystal layer Immediately said to rectify to excite the vibration.
  • the ultrasonic medical device includes a plurality of piezoelectric single crystal layers in which a plurality of plates cut by selecting a crystal orientation are stacked, and a plate surface of the plurality of piezoelectric single crystal layers.
  • a laminated vibrator having a plurality of electrode layers interposed between the plurality of piezoelectric single crystal layers, and both ends of the laminated vibrator perpendicular to a lamination direction of the plurality of piezoelectric single crystal layers
  • the waveform rectifying unit is configured to vibrate the stacked vibrators with alternating directions of shear strain generated in the adjacent piezoelectric single crystal layers by applying a voltage to the plurality of electrode layers.
  • a ultrasonic vibration device to excite by rectifying the oscillating vertically.
  • a small ultrasonic vibration device that has stable vibration element characteristics and does not require a large incidental facility and that is low in cost, and an ultrasonic device using this ultrasonic vibration device.
  • a sonic medical device can be provided.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the shape change of the single layered vibrator at time t1 of voltage + V (plus peak) in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the shape change of the single layered vibrator at time t2 of voltage ⁇ V (minus peak) in FIG.
  • Sectional drawing which shows a shape change when the voltage applied to the ultrasonic transducer which joined the waveform rectification
  • oscillator unit of another form same as the above FIG. 13 is a partial sectional view showing the configuration of the vibrator unit of FIG.
  • Exploded perspective view showing the configuration of the vibrator unit of Modification 2 The perspective view showing the configuration of the vibrator unit Sectional view showing the configuration of the vibrator unit
  • the same fragmentary sectional view which shows the constitution of the vibrator unit of other form 18 is a cross-sectional view taken along line XIX-XIX in FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the ultrasonic medical apparatus according to the present embodiment.
  • An ultrasonic medical device 1 shown in FIG. 1 mainly treats an affected part using a vibrator unit 3 having an ultrasonic vibrator 2 as an ultrasonic device that generates ultrasonic vibration, and the ultrasonic vibration.
  • a handle unit 4 is provided.
  • the handle unit 4 includes an operation unit 5, an insertion sheath unit 8 including a long mantle tube 7, and a distal treatment unit 30.
  • the proximal end portion of the insertion sheath portion 8 is attached to the operation portion 5 so as to be rotatable about the axis.
  • the distal treatment section 30 is provided at the distal end of the insertion sheath section 8.
  • the operation unit 5 of the handle unit 4 includes an operation unit main body 9, a fixed handle 10, a movable handle 11, and a rotary knob 12.
  • the operation unit body 9 is formed integrally with the fixed handle 10.
  • a slit 13 through which the movable handle 11 is inserted is formed on the back side of the connecting portion between the operation unit main body 9 and the fixed handle 10.
  • the upper part of the movable handle 11 extends into the operation unit main body 9 through the slit 13.
  • a handle stopper 14 is fixed to the lower end of the slit 13.
  • the movable handle 11 is rotatably attached to the operation unit main body 9 via a handle support shaft 15.
  • the movable handle 11 is opened and closed with respect to the fixed handle 10 as the movable handle 11 rotates about the handle support shaft 15.
  • a substantially U-shaped connecting arm 16 is provided at the upper end of the movable handle 11.
  • the insertion sheath portion 8 includes a mantle tube 7 and an operation pipe 17 that is inserted into the mantle tube 7 so as to be movable in the axial direction.
  • a large diameter portion 18 having a diameter larger than that of the distal end portion is formed at the proximal end portion of the outer tube 7.
  • the rotary knob 12 is mounted around the large diameter portion 18.
  • a ring-shaped slider 20 is provided on the outer peripheral surface of the operation pipe 19 so as to be movable along the axial direction.
  • a fixing ring 22 is disposed behind the slider 20 via a coil spring (elastic member) 21.
  • the proximal end portion of the grip portion 23 is connected to the distal end portion of the operation pipe 19 via an action pin so as to be rotatable.
  • This gripping part 23 constitutes a treatment part of the ultrasonic medical device 1 together with the distal end part 31 of the probe 6.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of the entire vibrator unit.
  • the transducer unit 3 integrally assembles an ultrasonic transducer 2 and a probe 6 that is a rod-shaped vibration transmission member that transmits ultrasonic vibration generated by the ultrasonic transducer 2. It is a thing.
  • the ultrasonic vibrator 2 is provided with a horn 32 that amplifies the amplitude.
  • the horn 32 is made of duralumin or a titanium alloy such as 64Ti.
  • the horn 32 is formed in a conical shape whose outer diameter becomes narrower toward the distal end side, and an outward flange 33 is formed on the base end outer peripheral portion.
  • the probe 6 has a probe body 34 formed of a titanium alloy such as 64Ti. On the proximal end side of the probe main body 34, the ultrasonic transducer 2 connected to the horn 32 is disposed. In this way, the transducer unit 3 in which the probe 6 and the ultrasonic transducer 2 are integrated is formed.
  • the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator 2 is amplified by the horn 32 and then transmitted to the tip 31 side of the probe 6.
  • the distal end portion 31 of the probe 6 is formed with a later-described treatment portion for treating living tissue.
  • two rubber linings 35 are attached to the outer peripheral surface of the probe main body 34 at intervals of a vibration node located in the middle of the axial direction at intervals formed by an elastic member in a ring shape. These rubber linings 35 prevent contact between the outer peripheral surface of the probe main body 34 and an operation pipe 19 described later. That is, when assembling the insertion sheath portion 8, the probe 6 as a transducer-integrated probe is inserted into the operation pipe 19. At this time, the rubber lining 35 prevents contact between the outer peripheral surface of the probe main body 34 and the operation pipe 19.
  • the ultrasonic transducer 2 is electrically connected via an electric cable 36 to a power supply main body (not shown) that supplies a current for generating ultrasonic vibration.
  • the ultrasonic vibrator 2 is driven by supplying electric power from the power supply main body to the ultrasonic vibrator 2 through the wiring in the electric cable 36.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the vibrator unit
  • FIG. 4 is a wiring diagram of the ultrasonic vibrator
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a voltage waveform for driving the ultrasonic vibrator
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a change in the shape of a single layered vibrator at time t1 of voltage + V (plus peak), and FIG. 7 shows a change in the shape of the single layered vibrator at time t2 in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a change in shape when the voltage applied to the ultrasonic vibrator having a wave rectifying member bonded to both ends of the laminated vibrator is 0 (zero), and FIG. 9 is a laminated vibrator. It is sectional drawing which shows a shape change when the voltage applied to the ultrasonic transducer
  • the ultrasonic transducer 2 as an ultrasonic device of the transducer unit 3 includes a laminated vibrator 41, waveform rectifying members 42 bonded to both ends of the laminated vibrator 41, and the laminated vibrator And two insulating plates 43 interposed between the vibrator 41 and the waveform rectifying member 42.
  • the laminated vibrator 41 includes, for example, four piezoelectric single crystal plates 44a to 44d of a piezoelectric single crystal such as an X cut material of lithium niobate, a 163 ° Y cut material, an X cut material of lithium tantalate, and the like.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d are formed of high conductivity, such as copper, which serves as an electrode layer interposed between the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d which are the piezoelectric single crystal layers, are cut by selecting the crystal orientation so that sliding vibration is excited, and when a voltage is applied, the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d pass through the metal plates 45a to 45e. Adjacent front and back plate surfaces that are joined are arranged side by side with the same crystal orientation, and are laminated so that the strain in the shear direction is reversed. That is, the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d are stacked so that the polarization components in the stacking direction are alternately inverted between adjacent plates. Note that the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d are not limited to the above-described materials, and may be any materials preferably having a large piezoelectric constant of sliding vibration.
  • an adhesive is used for joining the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d and the metal plates 45a to 45e.
  • the metal plates 45a and 45e are fixed so as to cover the surfaces of the two piezoelectric single crystal plates 44a and 44d located at both ends in the side direction.
  • the laminated vibrator 41 is formed by the four piezoelectric single crystal plates 44a to 44d and the five metal plates 45a to 45e.
  • the metal plates 45a to 45e as the electrode layers are not limited to the configuration as long as high conductivity is obtained.
  • the metal plates 45a to 45e are deposited on the laminated surface of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44e to form a metal foil.
  • conductive ceramics may be used.
  • the ultrasonic vibrator 2 is configured as an ultrasonic vibration device that excites vibration (longitudinal vibration) perpendicular to the stacking direction of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d.
  • each of the metal plates 45a to 45e is connected to a high frequency power source by wiring.
  • the wirings to the respective metal plates 45a to 45e are connected so as to be alternated (alternately) in the order in which they are arranged in parallel.
  • three metal plates 45a, 45c and 45e and two metal plates 45b are connected.
  • 45d are connected in parallel to wiring from a high-frequency power source.
  • the voltage frequency from the high frequency power source needs to be the resonance frequency of the entire structure of the ultrasonic transducer 2.
  • the laminated vibrator 41 Since the laminated vibrator 41 is laminated so that the strain in the shear direction of the adjacent piezoelectric single crystal plates 44a to 44d is reversed via the metal plates 45a to 45e, the high frequency voltage is applied to the metal plates 45a to 45e. When applied, both surface portions of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d in the stacking direction, that is, two joint surface portions with the metal plates 45a to 45e are shifted in the opposite directions.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d of the laminated vibrator 41 are made of metal as shown in FIG.
  • the shape of the surface portion joined to any one of the plates 45a, 45c, 45e and the surface portion joined to any one of the two metal plates 45b, 45d change in opposite directions (ab direction in FIG. 6).
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d of the laminated vibrator 41 are metal plates as shown in FIG.
  • the surface portion joined to any one of 45a, 45c, and 45e and each surface portion joined to any one of the two metal plates 45b and 45d change in shape in opposite directions (ab direction in FIG. 7).
  • the laminated vibrator 41 alone vibrates in such a manner that both ends perpendicular to the lamination direction of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d swell, but in this state, the longitudinal vibration is excited. Absent. Therefore, vibration can be excited by providing the laminated vibrator 41 with the hard corrugated member 42 via the insulating plate 43.
  • the ultrasonic transducer 2 when the ultrasonic transducer 2 is driven by applying the voltage shown in FIG. 9 from the state before driving before voltage application shown in FIG. 8, the boundary surface between the laminated transducer 41 and the waveform rectifying member 42. The vibration changes due to the wavy shape change. At this time, the vibration generated at the boundary surface between the laminated vibrator 41 and the waveform rectifying member 42 is rectified while propagating through the waveform rectifying member 42, so that the ultrasonic transducer 2 as a whole becomes a piezoelectric single crystal plate. Longitudinal vibration perpendicular to the stacking direction of 44a to 44d is excited. Further, in the vicinity of the end face of the wave rectifying member 42, the wave is rectified into a vibration wave face in a flat parallel to the end face.
  • the ultrasonic transducer 2 of the present embodiment has a configuration using a piezoelectric single crystal that has a low dielectric loss and good temperature characteristics of the resonance frequency, that is, the resonance frequency hardly changes even if the temperature changes.
  • longitudinal vibration is excited using vibration in the shearing direction having a large piezoelectric constant.
  • vibrator 2 can be set as the structure which suppresses a temperature rise and there is little change of the resonant frequency by temperature, without additional equipment (cooling mechanism etc.).
  • a small ultrasonic vibrator 2 having stable vibration element characteristics and low cost can be obtained without requiring a large incidental facility.
  • the medical device 1 can also be reduced in size.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d are stacked so as to be an even number, but may be stacked so as to be an odd number. However, more stable vibration can be obtained by laminating the even number of piezoelectric single crystal plates 44a ⁇ than by laminating them by an odd number. In this embodiment, four piezoelectric single crystal plates are stacked. However, the number of piezoelectric single crystal plates is not limited to this number, and two or more sheets may be stacked.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view showing the structure of the vibrator unit
  • FIG. 11 is a perspective view showing the structure of the vibrator unit
  • FIG. 12 is a partial sectional view showing the structure of the vibrator unit
  • FIG. 13 is another form of vibration.
  • FIG. 14 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the vibrator unit of FIG. 13.
  • the corrugated rectifying member 50 here is a case body made of metal or hard resin, and here, the laminated vibrator 41 is placed in a pair of outer cylindrical cases 51 and 52. Is accommodated through an insulating plate 43. And the junction part of cases 51 and 52 is joined by welding.
  • the cases 51 and 52 are formed with recesses 51 a and 52 a as housing portions for housing the laminated vibrator 41.
  • the insulating plates 43 provided at both ends of the laminated vibrator 41 are in surface contact with the bottom surfaces of the recesses 51a and 52a of the cases 51 and 52 so that there is no gap. As a result, vibration can be excited perpendicular to the stacking direction of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44d.
  • the laminated vibrator 41 is accommodated between the inner peripheral surfaces of the recesses 51 a and 52 a of the cases 51 and 52 with a gap 53 for insulation from the cases 51 and 52.
  • an insulating adhesive or the like may be used in place of the insulating plate 43 as long as the insulation with the cases 51 and 52 is taken. Further, the structure of the pair of cases 51 and 52 may be asymmetric, and it is sufficient that the laminated vibrator 41 is accommodated when combined.
  • case joint may be configured to be joined by screwing as a male screw 54 and a female screw 55 as shown in FIGS. 13 and 14 as well as welding.
  • the gap 53 formed inside in the state where the laminated vibrator 41 is accommodated in the recesses 51 a and 52 a of the cases 51 and 52 may be filled with a hard insulating filler.
  • the laminated vibrator 41 can be housed in the cases 51 and 52, and the mechanical strength of the ultrasonic vibrator 2 is increased. Further, since the laminated vibrator 41 is accommodated in the cases 51 and 52, the handling becomes easy.
  • Modification 2 of the waveform rectifying member Next, Modification Example 2 of the configuration of the waveform rectifying member will be described below.
  • the structure of the laminated vibrator 41 and the principle that the ultrasonic vibrator 2 excites vibration are the same as described above.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view showing the configuration of the transducer unit
  • FIG. 16 is a perspective view showing the configuration of the transducer unit
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing the configuration of the transducer unit
  • FIG. 19 is a sectional view taken along line XIX-XIX in FIG. 18.
  • the corrugated rectifying member 60 here has a rod shape such as a column made of metal or hard resin, and serves as an accommodating portion having the same dimensions as the laminated vibrator 41. It is a case body formed so that the recessed part 61 of this may open in a side periphery part.
  • the laminated vibrator 41 is housed in the recess 61, and is fixed by a filler 62 such as a silicone resin having high insulation and insulating properties so that there is no gap.
  • the filler 62 may be filled so as to fill the recess 61.
  • the insulating plates 43 provided at both ends of the laminated vibrator 41 are surfaces so that there are no gaps between the two surfaces that are orthogonal to the longitudinal axis forming the concave portion 61 of the corrugated rectifying member 60. Touched.
  • the insulating plate 43 may be an insulating adhesive or the like as long as the insulating plate 43 is insulated from the corrugated rectifying member 60.
  • the laminated vibrator 41 may be fixed to the concave portion 61 of the corrugated rectifying member 60 with only an insulating filler 62 such as silicone resin.
  • the concave portion 61 having the same dimensions as the laminated vibrator 41 is formed and the laminated vibrator 41 is accommodated therein.
  • the concave portion 61 is also formed in the through hole 63 as shown in FIGS. 18 and 19. It is only necessary that the laminated vibrator is fixed and accommodated by an insulating hard filler 64 so that there is no gap in the longitudinal vibration excitation direction.
  • the laminated vibrator 41 can be easily accommodated in the recess 61 or the through hole 63, and the mechanical strength as the ultrasonic vibrator 2 is increased. It is possible to make the ultrasonic vibrator 2 that can be simply assembled by housing and fixing the laminated vibrator 41 in the corrugated rectifying member 60 later.
  • the corrugated rectifying members 42, 50, 60 described above are formed of a hard resin having an insulating property, so that it is not necessary to provide the insulating plate 43 on the laminated vibrator 41.
  • the described requirements can be deleted if the stated problem can be solved and the stated effect can be obtained.
  • the configuration can be extracted as an invention.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

　複数の圧電単結晶層４４ａ～４４ｄが結晶方位を同一方向として表裏の板面が交互に積層され、複数の電極層４５ａ～４５ｅが積層順に電源からの配線が交互に接続され、複数の電極層４５ａ～４５ｅへの電圧印加により隣接する圧電単結晶層４４ａ～４４ｄに生じるせん断歪の方向を互い違いとして積層振動子４１を振動させて、波形整流部４２が複数の圧電単結晶層４４ａ～４４ｄの積層方向に対して垂直に振動を整流して励振する超音波振動デバイス２と、この超音波振動デバイス２を備える超音波医療装置１。

Description

超音波振動デバイスおよび超音波医療装置
　本発明は、超音波振動デバイスの構造および、この超音波振動デバイスを備えた超音波医療装置に関する。
　近年、超音波振動子を備えた超音波医療装置が知られている。なお、超音波振動子には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いた圧電型振動子の他、ランジュバン型振動子などがある。
　例えば、ＪＰ特開平９－２６１８３０号公報には、振動子を一定の温度に制御することにより、高い温度における液体の物性の測定などを行うことができる超音波振動子が開示されている。この従来の超音波振動子は、ボルト締めランジュバン型振動子において、その裏打板、振動素子および前面板の内部に恒温液または恒温ガスを循環させる超音波振動子および振動子の周囲に筐体を設け、該筐体内部に恒温ガスを循環させる技術により、振動素子の温度を一定に保つことにより、振動素子特性の安定化を図っている。
　しかしながら、ＪＰ特開平９－２６１８３０号公報の超音波振動子は、振動子の温度が上昇しても、振動子の特性の安定を図りながら、超音波振動を励振することができるが、恒温液または恒温ガスを供給して振動子を冷却する必要があるため、恒温液または恒温ガスを振動子内へ供給するための配管が必要である。さらに、この構成を実現するためには、ポンプ、タンクなどの付帯設備が必要となる。
　ところで、超音波医療装置は、生体内で使用されることから小型化が求められており、超音波振動子内へ配管を設けると大型化してしまうという問題がある。また、超音波医療装置は、超音波振動子の振動素子特性の安定化のためにポンプ、タンクなどの付帯設備が必要となると、これら付帯設備を院内に設置する場所が必要となるばかりか、非常にコスト高になるという問題がある。
　そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、大掛かりな付帯設備を必要としなくとも安定した振動素子特性を備えて、且つコストを抑えた小型な超音波振動デバイスと、この超音波振動デバイスを用いた超音波医療装置を提供できるようにすることである。
　本発明における一態様の超音波振動デバイスは、結晶方位を選択してカットされた板体が複数積層された複数の圧電単結晶層と、前記複数の圧電単結晶層の板面に配設され、前記複数の圧電単結晶層間に介装された複数の電極層と、を有する積層振動子と、前記複数の圧電単結晶層の積層方向に対して垂直方向の前記積層振動子の両端部と接合された硬質な波形整流部材と、を具備し、前記複数の圧電単結晶層が前記結晶方位を同一方向として表裏の板面が交互に積層され、前記複数の電極層が積層順に電源からの配線が交互に接続され、前記複数の電極層への電圧印加により隣接する前記圧電単結晶層に生じるせん断歪の方向を互い違いとして前記積層振動子を振動させて、前記波形整流部が前記複数の圧電単結晶層の積層方向に対して垂直に前記振動を整流して励振する。
　また、本発明における一態様の超音波医療装置は、結晶方位を選択してカットされた板体が複数積層された複数の圧電単結晶層と、前記複数の圧電単結晶層の板面に配設され、前記複数の圧電単結晶層間に介装された複数の電極層と、を有する積層振動子と、前記複数の圧電単結晶層の積層方向に対して垂直方向の前記積層振動子の両端部と接合された硬質な波形整流部材と、を具備し、前記複数の圧電単結晶層が前記結晶方位を同一方向として表裏の板面が交互に積層され、前記複数の電極層が積層順に電源からの配線が交互に接続され、前記複数の電極層への電圧印加により隣接する前記圧電単結晶層に生じるせん断歪の方向を互い違いとして前記積層振動子を振動させて、前記波形整流部が前記複数の圧電単結晶層の積層方向に対して垂直に前記振動を整流して励振する超音波振動デバイスを備えている。
　以上に記載の本発明によれば、大掛かりな付帯設備を必要としなくとも安定した振動素子特性を備えて、且つコストを抑えた小型な超音波振動デバイスと、この超音波振動デバイスを用いた超音波医療装置を提供することができる。
本発明の一態様の超音波医療装置の全体構成示す断面図 同、振動子ユニットの全体の概略構成を示す図 同、振動子ユニットの構成を示す斜視図 同、超音波振動子の配線図 同、超音波振動子を駆動するための電圧波形例を示すグラフ 同、図５の電圧＋Ｖ（プラスピーク）の時間ｔ１のときの積層振動子単体の形状変化を示す断面図 同、図５の電圧－Ｖ（マイナスピーク）の時間ｔ２のときの積層振動子単体の形状変化を示す断面図 同、積層振動子の両端部に波形整流部材を接合した超音波振動子に印加する電圧が０（ゼロ）のときの形状変化を示す断面図 同、積層振動子の両端部に波形整流部材を接合した超音波振動子に印加する電圧が＋Ｖのときの形状変化を示す断面図 変形例１の振動子ユニットの構成を示す分解斜視図 同、振動子ユニットの構成を示す斜視図 同、振動子ユニットの構成を示す部分断面図 同、他の形態の振動子ユニットの構成を示す分解斜視図 同、図１３の振動子ユニットの構成を示す部分断面図 変形例２の振動子ユニットの構成を示す分解斜視図 同、振動子ユニットの構成を示す斜視図 同、振動子ユニットの構成を示す断面図 同、他の形態の振動子ユニットの構成を示す部分断面図 同、図１８のＸＩＸ－ＸＩＸ線断面図
　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。
（超音波医療装置）
　図１は、本実施の形態の超音波医療装置の全体構成示す断面図である。　
　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デバイスとしての超音波振動子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。
　ここで、振動子ユニット３について説明する。なお、図２は、振動子ユニットの全体の概略構成を示す図である。
　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、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。
　プローブ６は、例えば６４Ｔｉ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。
　そして、超音波振動子２で発生した超音波振動は、前記ホーン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。
　なお、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。
（超音波振動子）
　ここで、振動子ユニット３の超音波振動子２について以下に説明する。　
　図３は、振動子ユニットの構成を示す斜視図、図４は超音波振動子の配線図、図５は超音波振動子を駆動するための電圧波形例を示すグラフ、図６は図５の電圧＋Ｖ（プラスピーク）の時間ｔ１のときの積層振動子単体の形状変化を示す断面図、図７は図５の電圧－Ｖ（マイナスピーク）の時間ｔ２のときの積層振動子単体の形状変化を示す断面図、図８は積層振動子の両端部に波形整流部材を接合した超音波振動子に印加する電圧が０（ゼロ）のときの形状変化を示す断面図、図９は積層振動子の両端部に波形整流部材を接合した超音波振動子に印加する電圧が＋Ｖのときの形状変化を示す断面図である。
　振動子ユニット３の超音波デバイスとしての超音波振動子２は、図３に示すように、積層振動子４１と、この積層振動子４１の両端部に接合された波形整流部材４２と、これら積層振動子４１および波形整流部材４２の間に介装された２つの絶縁板４３と、を有して構成されている。
　積層振動子４１は、例えば、ニオブ酸リチウムのＸカット材、１６３°Ｙカット材、タンタル酸リチウムのＸカット材などの圧電単結晶の、ここでは４枚の圧電単結晶板４４ａ～４４ｄと、これら圧電単結晶板４４ａ～４４ｄが並設された間に介装する電極層となる銅などの高導電性から形成された、ここでは５枚の金属板４５ａ～４５ｅと、を有して構成されている。
　圧電単結晶層となる圧電単結晶板４４ａ～４４ｄは、すべり振動が励振されるように結晶方位を選択してカットされており、電圧が印加されたときに、金属板４５ａ～４５ｅを介して接合された隣接する表裏の板面が結晶方位を同一として互い違いに並設されて、せん断方向の歪みが逆となるように積層されている。つまり、圧電単結晶板４４ａ～４４ｄは、隣接板間で、積層方向の分極成分が交互に反転するように積層されている。なお、圧電単結晶板４４ａ～４４ｄは、上述の材質に限定されることはなく、好ましくはすべり振動の圧電定数が大きい材質であれば良い。
　また、各圧電単結晶板４４ａ～４４ｄと各金属板４５ａ～４５ｅの接合には、接着剤が用いられている。なお、金属板４５ａ，４５ｅは、いずれかにより側部方向における両端に位置する２枚の圧電単結晶板４４ａ，４４ｄの表面を覆うよう固着されている。
　このようにして、ここでは、４枚の圧電単結晶板４４ａ～４４ｄおよび５枚の金属板４５ａ～４５ｅにより、積層振動子４１が形成されている。なお、電極層としての金属板４５ａ～４５ｅは、高い導電性が得られれば、その構成に限定されることなく、例えば、圧電単結晶板４４ａ～４４ｅの積層面に蒸着して金属箔を形成しても良いし、導電性セラミックスを用いても良い。
　この積層振動子４１は、圧電単結晶板４４ａ～４４ｄの積層方向に対して垂直方向の両端面に、絶縁板４３が接着剤により固着されて、これら絶縁板４３を介して真鍮、ＳＵＳ、ジュラルミン、チタン合金などの金属製または硬質樹脂製のブロック体の波形整流部材４２が接合される。なお、ここでの波形整流部材４２は、積層振動子４１の両端部に接合される面と反対側の面が平面形成された中実のブロック体である。こうして、圧電単結晶板４４ａ～４４ｄの積層方向に対して垂直に振動（縦振動）を励振する超音波振動デバイスとしての超音波振動子２が構成される。
　ここで、超音波振動子２が振動を励振する方法／原理について、簡単に説明する。　
　先ず、図４に示すように、積層振動子４１は、各金属板４５ａ～４５ｅが配線により高周波電源と接続されている。具体的には、各金属板４５ａ～４５ｅへの配線が並設する順に交互（互い違い）となるよう接続されており、ここでは３枚の金属板４５ａ，４５ｃ，４５ｅと２枚の金属板４５ｂ，４５ｄとが異なる高周波電源からの配線に並列接続されている。なお、超音波振動子２を駆動するために、高周波電源による電圧周波数は、超音波振動子２の構造全体としての共振周波数とする必要がある。
　積層振動子４１は、これら金属板４５ａ～４５ｅを介して隣接する圧電単結晶板４４ａ～４４ｄのせん断方向の歪みが逆となるように積層されているため、高周波電圧が金属板４５ａ～４５ｅに印加されると、各圧電単結晶板４４ａ～４４ｄの積層方向の両面部分、つまり金属板４５ａ～４５ｅとの２つ接合面部分が逆方向にずれる。
　具体的には、図５に示す高周波電源から印加された電圧＋Ｖ（プラスピーク）の時間ｔ１のときにおいて、積層振動子４１の圧電単結晶板４４ａ～４４ｄは、図６に示すように、金属板４５ａ，４５ｃ，４５ｅのいずれかと接合された面部分と２枚の金属板４５ｂ，４５ｄのいずれかと接合された面部分が互いに逆方向に形状変化する（図６のａｂ方向）。
　そして、図５に示す高周波電源から印加された電圧－Ｖ（マイナスピーク）の時間ｔ２のときにおいても、積層振動子４１の圧電単結晶板４４ａ～４４ｄは、図７に示すように、金属板４５ａ，４５ｃ，４５ｅのいずれかと接合された面部分と２枚の金属板４５ｂ，４５ｄのいずれかと接合された各面部分が互いに逆方向に形状変化する（図７のａｂ方向）。
　しかし、積層振動子４１は、それ単体では、圧電単結晶板４４ａ～４４ｄの積層方向に対して垂直な両端部がうねるような形で振動が発生するが、この状態では縦振動は励振されていない。そのため、積層振動子４１に絶縁板４３を介して硬質な波形整流部材４２を設けることで振動を励振させることができる。
　具体的には、超音波振動子２は、図８に示す、電圧印加前の駆動前の状態から、図９に示す電圧印加されて駆動すると、積層振動子４１と波形整流部材４２の境界面がうねるような形状変化して振動が発生する。このとき、積層振動子４１と波形整流部材４２の境界面で発生した振動は、波形整流部材４２内を伝播する間に、波面が整流されて、超音波振動子２全体として、圧電単結晶板４４ａ～４４ｄの積層方向に垂直な縦振動を励振するようになる。また、波形整流部材４２の端面付近では、この端面に平行なフラットに振動波面に整流される。
　このように本実施の形態の超音波振動子２は、誘電損失が小さく、かつ共振周波数の温度特性が良好、つまり温度が変化しても、共振周波数が変化しにくい圧電単結晶を用いた構成として、圧電定数が大きいせん断方向の振動を利用して縦振動を励振するようにしている。これにより、超音波振動子２は、追加設備（冷却機構など）なしに、温度上昇を抑え、かつ温度による共振周波数の変化が少ない構成とすることができる。
　以上の説明から、大掛かりな付帯設備を必要としなくとも安定した振動素子特性を備えて、且つコストを抑えた小型な超音波振動子２となり、この超音波振動子２を用いることで、超音波医療装置１も小型化できる。
　なお、圧電単結晶板４４ａ～４４ｄは、偶数枚となるようにして積層されているが奇数枚となるようにして積層されていてもよい。ただし、圧電単結晶板４４ａ～を奇数枚で積層するより、偶数枚で積層したほうが、安定した振動が得られるようになる。また、本実施の形態では、圧電単結晶板が４枚積層されているが、この枚数に限定されることはなく、２枚以上積層されていればよい。
（波形整流部材の変形例１）
　次に、波形整流部材の構成の変形例１について、以下に説明する。　
　なお、積層振動子４１の構造および超音波振動子２が振動を励振する原理については、上述と同様とする。
　図１０は、振動子ユニットの構成を示す分解斜視図、図１１は振動子ユニットの構成を示す斜視図、図１２は振動子ユニットの構成を示す部分断面図、図１３は他の形態の振動子ユニットの構成を示す分解斜視図、図１４は図１３の振動子ユニットの構成を示す部分断面図である。
　図１０から図１２に示すように、ここでの波形整流部材５０は、金属製または硬質樹脂製のケース体であって、ここでは一対の外形円柱状のケース５１，５２内に積層振動子４１が絶縁板４３を介して収められる。そして、ケース５１，５２の接合部が溶接で接合される。なお、ケース５１，５２には、積層振動子４１を収容する収容部としての凹部５１ａ，５２ａが形成されている。
　このとき、積層振動子４１の両端に設けられている絶縁板４３は、ケース５１，５２の凹部５１ａ，５２ａの底面と隙間がないように面接触される。これにより、圧電単結晶板４４ａ～４４ｄの積層方向に対して垂直に振動を励振できるようになる。また、積層振動子４１は、ケース５１，５２の凹部５１ａ，５２ａの内周面との間に、ケース５１，５２との絶縁のため隙間５３を有して収容される。
　なお、絶縁板４３の代わりに絶縁性を有する接着剤などを用いても良く、ケース５１，５２との絶縁性が取れていれば良い。また、一対のケース５１，５２の構造は、非対称でも良く、組み合わせたときに積層振動子４１が収まれば良い。
　さらに、ケースの接合部については、溶接だけでなく、図１３および図１４に示すように、接合部を雄ねじ５４と雌ねじ５５として螺着により接合させる構成としても良い。また、積層振動子４１がケース５１，５２の凹部５１ａ，５２ａに収容された状態で内部に形成された隙間５３には、硬質な絶縁性の充填剤を充填しても良い。
　以上のように構成された波形整流部材５０とすることで、積層振動子４１をケース５１，５２内に収めることができ、超音波振動子２としての機械的強度が増加する。また、積層振動子４１をケース５１，５２内に収容されることで、取り扱いが容易となる。
（波形整流部材の変形例２）
　次に、波形整流部材の構成の変形例２について、以下に説明する。　
　なお、ここでも積層振動子４１の構造、および超音波振動子２が振動を励振する原理については、上述と同様とする。
　図１５は、振動子ユニットの構成を示す分解斜視図、図１６は振動子ユニットの構成を示す斜視図、図１７は振動子ユニットの構成を示す断面図、図１８は他の形態の振動子ユニットの構成を示す部分断面図、図１９は図１８のＸＩＸ－ＸＩＸ線断面図である。
　ここでの波形整流部材６０は、図１５から図１７に示すように、金属製または硬質樹脂製から形成された円柱などの棒状をしており、積層振動子４１と同様の寸法の収容部としての凹部６１が側周部で開口するように形成されているケース体である。積層振動子４１は、凹部６１内に収められ、隙間がないように絶縁性を有する高硬度の例えば、シリコーンレジンなどの充填剤６２により固着させている。この充填剤６２は、凹部６１を埋めるように充填されても良い。
　なお、ここでも、積層振動子４１の両端に設けられている絶縁板４３は、波形整流部材６０の凹部６１を形成する長手軸方向に直交して対向する２つの面と隙間がないように面接触される。また、絶縁板４３は、絶縁性を有する接着剤などでも良く、波形整流部材６０との絶縁性が取れていれば良い。
　これにより、圧電単結晶板４４ａ～４４ｄの積層方向に対して垂直に縦振動を励振できるようになる。また、絶縁板４３を設けなくとも、シリコーンレジンなどの絶縁性を有する充填剤６２のみで、積層振動子４１を波形整流部材６０の凹部６１に固着しても良い。
　上記では、積層振動子４１と同様の寸法の凹部６１を形成し、そこに積層振動子４１を収める構成を例示したが、その凹部６１は、図１８および図１９に示すように貫通孔６３でもよく、積層振動子が縦振動励振方向に対して、隙間がないように絶縁性で硬質な充填剤６４により固着して収められれば良い。
　以上のように構成された波形整流部材６０とすることで、積層振動子４１を凹部６１または貫通孔６３に簡単に収めることができ、超音波振動子２としての機械的強度が増加すると共に、積層振動子４１を後から波形整流部材６０に収容して固着する組付けが単純な超音波振動子２とすることができる。
　なお、以上に説明した各波形整流部材４２，５０，６０は、絶縁性を有する硬質樹脂で形成するとこで、積層振動子４１に絶縁板４３を設ける必要がない。
　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。
　本出願は、２０１１年１２月８日に日本国に出願された特願２０１１－２６９２０３号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の内容は、本願明細書、請求の範囲、および図面に引用されたものである。

Claims (10)

  1. 　結晶方位を選択してカットされた板体である複数の圧電単結晶層と、
    　前記複数の圧電単結晶層の板面に配設され、前記複数の圧電単結晶層間に介装された複数の電極層と、
    　を有する積層振動子と、
    　前記複数の圧電単結晶層の積層方向に対して垂直方向の前記積層振動子の両端部と接合された硬質な波形整流部材と、
    　を具備し、
    　前記複数の圧電単結晶層が前記結晶方位を同一方向として表裏の板面が交互に積層され、前記複数の電極層が積層順に電源からの配線が交互に接続され、前記複数の電極層への電圧印加により隣接する前記圧電単結晶層に生じるせん断歪の方向を互い違いとして前記積層振動子を振動させて、前記波形整流部が前記複数の圧電単結晶層の積層方向に対して垂直に前記振動を整流して励振することを特徴とする超音波振動デバイス。
  2. 　前記複数の圧電単結晶層の数が偶数であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動デバイス。
  3. 　前記波形整流部材を金属製とし、
    　前記積層振動子と前記波形整流部材との間に絶縁体を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波振動デバイス。
  4. 　前記波形整流部材は、前記積層振動子の両端部に接合された面と反対側の面が平面形成されてい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項に記載の超音波振動デバイス。
  5. 　前記波形整流部材は、中実のブロック体であることを特徴とする請求項４に記載の超音波振動デバイス。
  6. 　前記波形整流部材は、前記積層振動子を収容する収容部を備えたケース体であることを特徴とする請求項４に記載の超音波振動デバイス。
  7. 　前記ケース体は、前記積層振動子を収容する収容部を有して、互いに接合される一対のケースであることを特徴とする請求項６に記載の超音波振動デバイス。
  8. 　前記ケース体は、一部に前記積層振動子を収容する収容部を有する棒状部材であることを特徴とする請求項６に記載の超音波振動デバイス。
  9. 　前記収容部に収容された前記積層振動子を固着する硬質な充填剤を有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の超音波デバイス。
  10. 　請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の前記超音波デバイスを備えたことを特徴とする超音波医療装置。
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