WO2013099482A1 - 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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伊藤　寛
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    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4483—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic vibration device that excites ultrasonic vibration and an ultrasonic medical apparatus including the ultrasonic vibration device.
  • an ultrasonic medical device equipped with an ultrasonic transducer is known.
  • the ultrasonic medical apparatus include an ultrasonic diagnostic apparatus that images an in-vivo state and an ultrasonic scalpel that performs a coagulation incision in a surgical operation.
  • a piezoelectric material is used in an ultrasonic vibrator that generates ultrasonic vibration from an electric signal, and piezoelectric ceramics represented by PZT (lead zirconate titanate) and a piezoelectric single crystal are used.
  • PZT lead zirconate titanate
  • JP-A-2001-102650 As an ultrasonic vibrator in which piezoelectric single crystals are laminated, for example, a technique disclosed in JP-A-2001-102650 is known.
  • the stacking direction becomes a rotationally symmetric axis and the direction perpendicular to the stacking direction, that is, The in-plane deformation of the vibrator is the same regardless of the orientation.
  • each piezoelectric element is formed by laminating at least two or more piezoelectric single crystal materials whose lamination direction is not a rotationally symmetric axis and alternately reversing polarization components in the lamination direction. Therefore, the deformation in the in-plane direction perpendicular (orthogonal) to the stacking direction, that is, the deformation in the in-plane direction of the piezoelectric vibrator, is performed in all directions.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to inhibit the deformation in the in-plane direction of the piezoelectric vibrator and to minimize the extra stress between adjacent vibrators.
  • An ultrasonic vibration device capable of preventing damage during driving and obtaining deformation in the vibrator stacking direction more efficiently, and an ultrasonic medical apparatus using the ultrasonic vibration device can be provided. It is to be.
  • An ultrasonic vibration device includes a plurality of piezoelectric single crystal plates laminated so that polarization components are alternately inverted, and voltage application from electrodes interposed in the plurality of piezoelectric single crystal plates The plurality of piezoelectric single crystal plates were laminated such that the direction in which the strain deformation in the direction perpendicular to the direction was maximum was made coincident.
  • an ultrasonic medical device includes a plurality of piezoelectric single crystal plates stacked so that polarization components are alternately inverted, and includes electrodes from electrodes interposed in the plurality of piezoelectric single crystal plates.
  • An ultrasonic vibration device is provided in which a plurality of piezoelectric single crystal plates are stacked such that the strain deformation in the direction orthogonal to the voltage application direction is maximized.
  • Sectional drawing which shows the whole structure of the ultrasonic medical device of 1 aspect of this invention
  • the figure which shows the schematic structure of the whole vibrator unit same as the above
  • the figure showing the in-plane direction dependence of the piezoelectric strain constant on the substrate The same figure shows the in-plane direction dependence of the piezoelectric strain constant with vertical strain and shear strain applied to the substrate.
  • Schematic diagram showing the relative relationship of the wafer coordinate system of the laminated vibrator The top view which shows the 1st example of a piezoelectric single crystal board and shows the direction where the deformation
  • index part was formed similarly
  • index part was formed is provided similarly
  • 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 showing the overall schematic configuration of the transducer unit 3
  • FIG. 3 is a perspective view showing the overall schematic configuration of the ultrasonic transducer.
  • the vibrator unit 3 integrally includes an ultrasonic vibrator 2 and a probe 6 that is a rod-like vibration transmission member that transmits ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator 2. Assemble it.
  • 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. 4 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the ultrasonic transducer
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the laminated transducer.
  • the ultrasonic transducer 2 as an ultrasonic device of the transducer unit 3 includes a cylindrical case body 37 joined to a horn 32 in order from the tip, and a base of the case body 37.
  • the electric cable 36 is connected to the end, and has a folding stop 38 that extends rearward.
  • a laminated vibrator 41 is disposed in the case body 37.
  • the laminated vibrator 41 is provided with insulating plates 42 at the front end and the base end side. Between the insulating plate 42 on the distal end side fixed to the proximal end surface of the horn 32 and the insulating plate 42 on the proximal end side joined and connected to the front side of the back mass 43, a plurality of, in this case, six piezoelectric plates. Single crystal plates 44a to 44f are stacked. These piezoelectric single crystal plates 44a to 44f are stacked so that polarization components in the stacking direction are alternately inverted between adjacent plates.
  • a foldable positive electrode plate 45a and a negative electrode plate 45b made of copper foil are alternately sandwiched between the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f so that a voltage can be applied to the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f.
  • the laminated vibrator 41 is extended to the rear.
  • the electrode plates 45a and 45b are configured to be connected to the same polarization plane of each of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f.
  • Electrodes 45a and 45b are connected to wirings 46a and 46b arranged in the electric cable 36.
  • Each of the electrode plates 45a and 45b applies a voltage to the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f, and ultrasonically vibrates the multilayer vibrator 41 in the stacking direction of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f by the piezoelectric effect.
  • the insulating plate 42, the back mass 43, the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f, and the electrode plates 45a and 45b are bonded and integrated by a bonding material 47 as shown in FIG.
  • a bonding material 47 an organic material such as a conductive adhesive or a metal material such as solder is used.
  • the laminated vibrator 41 is a bolt-clamped Langevin vibrator, and the horn 32 and the back mass 43 are fastened with bolts, whereby the horn 32, the insulating plate 42, the back mass 43, the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f, and the electrodes.
  • the plates 45a and 45b may be integrated.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f used in the present embodiment will be described.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f are LiNbO3 (Lithium Niobate) which is a lead-free single crystal material not containing lead (Pb), and is suitable for obtaining vibration in the thickness direction of the wafer.
  • LiNbO3 Lithium Niobate
  • Pb lead-free single crystal material not containing lead
  • FIG. 6 is a perspective view showing the single crystal wafer
  • FIG. 7 is a plan view of the single crystal wafer as viewed from the polished surface side.
  • the LiNbO3 single crystal wafer 50 shown in FIG. 6 and FIG. 7 has a wafer shape that has a specific orientation with respect to the crystal axes (X, Y, Z) so that desired characteristics can be obtained according to the application.
  • a wafer called a 128 ° Y-cut is used for SAW (surface acoustic wave) device applications, but in the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f of the present embodiment, LiNbO3 piezoelectric single crystals are stacked and stacked in the stacking direction. Therefore, a 36 ° Y-cut substrate having a large piezoelectric constant in the stacking direction is suitable.
  • the direction with respect to the crystal axis is defined by the Euler angle.
  • the direction perpendicular (orthogonal) to the polished surface 51 of the wafer 50 is the x3 axis
  • the direction of the OF (orientation flat) from the center of the wafer 50 is the x1 axis
  • the x2 direction is , X1, x2, and x3 axes are selected to form a right-handed orthogonal coordinate system.
  • the relationship between the crystal axes (X, Y, Z) of the LiNbO3 single crystal used for the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f and the coordinate system (x1, x2, x3) on the wafer 50 is the Euler angles ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ). ).
  • the Euler angles ⁇ and ⁇ determine the polished surface 51 of the wafer 50, and ⁇ determines the direction of OF (orientation flat), that is, the direction of the x3 axis.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f are LiNbO3 36 ° Y-cut substrates having specific orientations that are Euler angles (180 °, 54 °, 180 °) with respect to crystal axes (X, Y, Z).
  • dicing or machining is performed into a rectangular or disk-shaped chip.
  • FIG. 8 shows deformation in a direction perpendicular (orthogonal) to the voltage application direction when a voltage is applied in the thickness direction of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f.
  • FIG. 8 shows how the piezoelectric single crystal plate is distorted.
  • FIG. 8A shows the voltage application direction
  • FIG. 8B shows the vertical (orthogonal) strain
  • FIG. 8C shows the shear strain. is there.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f are distorted in the vertical (orthogonal) strain shown in FIG. 8 (b) with respect to the voltage application direction shown in FIG.
  • the vertical strain in the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f expands and contracts as a whole in the direction orthogonal to the voltage application direction, whereas the shear in the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f.
  • the distortion is such that the voltage application surface is displaced in a direction perpendicular to the voltage application direction, and the cross sections of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f are distorted obliquely.
  • the magnitude of strain when a voltage is applied to the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f is expressed by a piezoelectric strain constant d.
  • a piezoelectric strain constant d When the voltage application direction is the three-axis direction of the coordinate system, the vertical strain is d31, and the d32 shear strain is d35. , D34.
  • this piezoelectric constant varies depending on the direction in the vibrator plane due to crystal anisotropy.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the in-plane direction dependency of the piezoelectric strain constant on the substrate
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the in-plane direction dependency of the piezoelectric strain constant obtained by adding vertical strain and shear strain on the substrate.
  • the x-axis of the graph shown in FIG. 9 is the Euler angle ⁇ and represents the direction in the wafer 50 plane.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the relative relationship of the wafer coordinate system of the laminated vibrator.
  • the ultrasonic transducer 2 minimizes the in-plane deformation difference between the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f adjacent to the laminated transducer 41, and reduces the inhibition of deformation in the in-plane direction. Is prevented, and vibration in the stacking direction can be obtained efficiently.
  • the ultrasonic transducer 2 is formed from the lead-free single crystal LiNbO3 36 ° Y cut substrate by the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f, the ultrasonic transducer 2 has a configuration suitable for non-lead environmental protection recently desired. can do.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f are not limited to lithium niobate single crystal materials, and may be configured such that the front and back are alternately laminated so that the axes of the wafer coordinate system where the shear strain is maximized coincide.
  • each of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f described above has a direction in which deformation in the direction orthogonal to the stacking direction (deformation in the plane of the vibrator single plate) is maximized.
  • the outer shape is processed into a circular or rectangular shape so that the (x ′ direction in the figure) is a line-symmetric axis of symmetry.
  • 11 to 14 are plan views showing directions in which the deformation in the piezoelectric single crystal plate is maximized.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f are formed by forming an electrode 52 having a first indicator portion 53 on one surface side and a second indicator portion 54 on the other surface side.
  • An electrode 52 is provided.
  • 15 is a plan view showing one surface of the piezoelectric single crystal plate provided with the electrode on which the first indicator portion is formed
  • FIG. 16 is a piezoelectric unit provided with the electrode on which the second indicator portion is formed. It is a top view which shows the other surface of a crystal plate.
  • the electrodes 52 are formed on both surfaces of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f by forming and patterning a metal film.
  • the metal film is formed by commonly used vapor deposition, sputtering, plating, or the like, and patterning is performed using photolithography, etching, or the like.
  • one notch first index portion 53 is formed as an electrode pattern on one main surface on the axis of symmetry, and two notches having different shapes from the first index portion 53 are formed on the opposite surface.
  • a notch second indicator portion 54 is formed.
  • the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f are laminated with the electrodes 52 in surface contact so that the first indicator portions 53 and the second indicator portions 54 are aligned with each other, so that polarization components in the stacking direction are alternately changed.
  • Lamination vibration of the ultrasonic transducer 2 which is inverted and laminated so that the direction (x ′ direction) in which the deformation in the direction orthogonal to the laminating direction (in-plane deformation of the transducer single plate) becomes maximum coincides.
  • the child 41 can be easily created.
  • the indicator portions 53 and 54 may have any shape as long as the front and back surfaces of the piezoelectric single crystal plates 44a to 44f are distinguished and the positions of the symmetry axes are known.
  • 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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Abstract

　分極成分が交互に反転するよう積層された複数の圧電単結晶板４４ａ～４４ｆを有し、複数の圧電単結晶板に介装される電極４５ａ，４５ｂからの電圧印加方向に直交する方向のひずみ変形が最大となる方向を一致させて、複数の圧電単結晶板４４ａ～４４ｆを積層した超音波振動デバイス２およびこの超音波振動デバイス２を備えた超音波医療装置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、超音波振動を励振する超音波振動デバイス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。超音波医療装置としては、生体内の状態を画像化する超音波診断装置、外科手術において凝固切開を行う超音波メスなどがある。これらの装置において、電気信号から超音波振動を生成する超音波振動子で圧電材料が使用され、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックスや、圧電単結晶が使用されている。また、低インピーダンス化、ハイパワー化を目的として、圧電材料が複数枚積層された構成となるものもある。
　圧電単結晶を積層した超音波振動子としては、例えば、ＪＰ特開２００１－１０２６５０号公報に開示された技術が知られている。この従来の振動子は、ＡＢＯ３型ペロブスカイト構造から構成される単結晶（１－ｘ）Ｐｂ（Ｂ１，Ｂ２）Ｏ３－ｘＰｂＴｉＯ３（ｘ＝０－０．５５でＢ１＝Ｍｇ，Ｚｎ，Ｎｉ，Ｓｃ，Ｉｎ，Ｙｂ，Ｌｕ、Ｂ２＝Ｎｂ，Ｔａ）を、接着用金属材料を用いて、２枚以上張り合わせ、加熱して接着した後で、分極した積層圧電単結晶素子となっている。
　この従来の振動子に用いられた単結晶材料は、一軸性の材料で振動子の積層方向に分極しているため、積層方向が回転対称軸となって、積層方向に垂直な方向、すなわち、振動子の面内の変形は向きによらず同じとなっている。
　しかしながら、いくつかの圧電単結晶材料によっては、積層方向が回転対称軸となっておらず、向きにより圧電定数が異なり、ひずみ方が異なる。積層方向が回転対称軸となっていない、少なくとも２枚以上の圧電単結晶材料を積層して、積層方向の分極成分が交互に反転している、例えばランジュバン型の振動子においては、各圧電素子の表面、裏面を交互に反転させて積層することになるので、積層方向に対して垂直な（直交する）面内方向の変形、つまり、圧電振動子の面内方向の変形を、全ての方向に対して、隣接する圧電振動子間で一致させることができないという問題がある。さらに、従来のランジュバン型の振動子は、隣接する圧電振動子間での面内方向のひずみが一致しないため、面内方向の変形が阻害されて、その結果、積層方向の変形に影響して、同じ入力電圧に対する変形が小さくなる層間に余分な応力が作用して割れ易くなり駆動時に損傷する可能性が生じる。
　そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、圧電振動子の面内方向の変形の阻害および隣接振動子間の余分な応力をできるだけ小さくすることが可能になり、駆動時の損傷を防止し、且つより効率的に振動子積層方向の変形を得ることができる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、分極成分が交互に反転するよう積層された複数の圧電単結晶板を有し、前記複数の圧電単結晶板に介装される電極からの電圧印加方向に直交する方向のひずみ変形が最大となる方向を一致させて、前記複数の圧電単結晶板を積層した。
　また、本発明における一態様の超音波医療装置は、分極成分が交互に反転するよう積層された複数の圧電単結晶板を有し、前記複数の圧電単結晶板に介装される電極からの電圧印加方向に直交する方向のひずみ変形が最大となる方向を一致させて、前記複数の圧電単結晶板を積層した超音波振動デバイスを具備する。
　以上に記載の本発明によれば、圧電振動子の面内方向の変形の阻害および隣接振動子間の余分な応力をできるだけ小さくすることが可能になり、駆動時の損傷を防止し、且つより効率的に振動子積層方向の変形を得ることができる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、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部分断面図 同、積層振動子の構成を示す断面図 同、単結晶ウエハを示す斜視図 同、単結晶ウエハのポリッシュ面側から見た平面図 同、圧電単結晶板のひずみ方を示し、（ａ）が電圧印加方向、（ｂ）が垂直（直交）ひずみおよび（ｃ）がせん断ひずみを示す図 同、圧電ひずみ定数の基板における面内方向依存性を示す図 同、垂直ひずみとせん断ひずみを加えた圧電ひずみ定数の基板における面内方向依存性を示す図 同、積層振動子のウエハ座標系の相対的な関係を示す模式図 同、圧電単結晶板の第１の例を示し、その変形が最大となる方向を示す平面図 同、圧電単結晶板の第２の例を示し、その変形が最大となる方向を示す平面図 同、圧電単結晶板の第３の例を示し、その変形が最大となる方向を示す平面図 同、第１の指標部が形成された電極が設けられた圧電単結晶板の一面を示す平面図 同、第２の指標部が形成された電極が設けられた圧電単結晶板の他面を示す平面図
　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凝固切開を行う。
（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。なお、図２は、振動子ユニット３の全体の概略構成を示す図、図３は超音波振動子の全体の概略構成を示す斜視図である。
　振動子ユニット３は、図２および図３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。なお、図４は超音波振動子の構成を示す部分断面図、図５は積層振動子の構成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および図４に示すように、先端から順にホーン３２に接合された円筒状のケース体３７と、このケース体３７の基端に連設され、電気ケーブル３６が後方に延設された折れ止３８と、を有している。
　ケース体３７内には、積層振動子４１が配設されている。この積層振動子４１には、先端および基端側に絶縁板４２が設けられている。ホーン３２の基端面に固着された先端側の絶縁板４２と、バックマス４３の前方側に接合されて連設された基端側の絶縁板４２との間に、複数、ここでは６つの圧電単結晶板４４ａ～４４ｆが積層されている。これらの圧電単結晶板４４ａ～４４ｆ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。
　また、各圧電単結晶板４４ａ～４４ｆ間には、各圧電単結晶板４４ａ～４４ｆに電圧を印加できるように、銅箔からなる折り曲げ可能な正電極板４５ａおよび負電極板４５ｂが交互に挟み込まれ、積層振動子４１の後方に延出されている。なお、電極板４５ａ，４５ｂは、それぞれが各圧電単結晶板４４ａ～４４ｆの同じ分極面に接続されるように構成されている。
　これらの電極板４５ａ，４５ｂは、電気ケーブル３６に配設された配線４６ａ，４６ｂに接続されている。そして、各電極板４５ａ，４５ｂは、圧電単結晶板４４ａ～４４ｆに電圧を印加し、圧電効果により、積層振動子４１を圧電単結晶板４４ａ～４４ｆの積層方向に超音波振動させる。
　また、絶縁板４２、バックマス４３、圧電単結晶板４４ａ～４４ｆおよび各電極板４５ａ，４５ｂの接合は、図５に示すように、接合材料４７により、接着されて一体化されている。この接合材料４７としては、導電性接着剤などの有機系材料や、半田などの金属系材料が使用される。また、積層振動子４１をボルト締めランジュバン振動子として、ホーン３２とバックマス４３をボルトで締結することにより、ホーン３２、絶縁板４２、バックマス４３、圧電単結晶板４４ａ～４４ｆ、および各電極板４５ａ，４５ｂを一体化させても良い。
（圧電単結晶板）
　以下、本実施の形態で用いられる圧電単結晶板４４ａ～４４ｆについて、以下に説明する。なお、ここでの圧電単結晶板４４ａ～４４ｆは、鉛（Ｐｂ）を含有しない無鉛単結晶材であるＬｉＮｂＯ３（Ｌｉｔｈｉｕｍ　Ｎｉｏｂａｔｅ：ニオブ酸リチウム）で、ウエハの厚さ方向の振動を得るのに適した３６°Ｙカット基板を用いた場合を説明する。
　なお、図６は、単結晶ウエハを示す斜視図、図７は単結晶ウエハのポリッシュ面側から見た平面図である。
　図６および図７に示すＬｉＮｂＯ３単結晶のウエハ５０は、用途に応じて所望の特性が得られるように、結晶軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対して特定の向きとなるようなウエハ形状に加工される。例えば、ＳＡＷ（表面弾性波）デバイス用途には、１２８°Ｙカットと呼ばれるウエハが使用されるが、本実施の形態の圧電単結晶板４４ａ～４４ｆでは、ＬｉＮｂＯ３圧電単結晶を積層して積層方向の振動を得るため、積層方向の圧電定数が大きくなる３６°Ｙカット基板が適している。
　ＬｉＮｂＯ３単結晶のウエハ５０は、結晶軸に対する方向がオイラー角により規定される。ウエハ５０における座標系(ｘ１，ｘ２，ｘ３)は、ウエハ５０のポリッシュ面５１に垂直（直交）な方向をｘ３軸、ウエハ５０中心からＯＦ（オリエンテーション　フラット）の方向をｘ１軸とし、ｘ２方向は、ｘ１軸,ｘ２軸,ｘ３軸が右手直交座標系を成すように選ばれている。
　圧電単結晶板４４ａ～４４ｆに用いられるＬｉＮｂＯ３単結晶の結晶軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、ウエハ５０上の座標系(ｘ１，ｘ２，ｘ３)の関係は、オイラー角(φ，ψ，θ)により関連付けられる。オイラー角φ，ψにより、ウエハ５０のポリッシュ面５１面が決まり、θによりＯＦ（オリエンテーション フラット）の方向、つまり、ｘ３軸の方向が決まる。ここでの圧電単結晶板４４ａ～４４ｆは、結晶軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してオイラー角（１８０°，５４°,１８０°）となる特定の向きをもったＬｉＮｂＯ３　３６°Ｙカット基板より、ダイシングもしくは機械加工されて、矩形あるいは円板形状のチップに加工される。
　図８に圧電単結晶板４４ａ～４４ｆの厚さ方向に電圧を印加した場合の、電圧印加方向に対して垂直な（直交する）方向の変形を示す。なお、図８は、圧電単結晶板のひずみ方を示し、図８（ａ）が電圧印加方向、図８（ｂ）が垂直（直交）ひずみおよび図８（ｃ）がせん断ひずみを示す図である。図８に示すように、圧電単結晶板４４ａ～４４ｆのひずみ方には、図８（ａ）に示す電圧印加方向に対して、図８（ｂ）に示す垂直（直交）ひずみと、図８（ｃ）に示すせん断ひずみの２通りがある。
　圧電単結晶板４４ａ～４４ｆにおける垂直ひずみは、電圧印加方向に対して直交する方向に全体的に圧電単結晶板４４ａ～４４ｆが伸び縮みするのに対して、圧電単結晶板４４ａ～４４ｆにおけるせん断ひずみは、電圧印加面が電圧印加方向に対して直交する方向に変位し、圧電単結晶板４４ａ～４４ｆの断面が斜めに歪む。
　圧電単結晶板４４ａ～４４ｆに電圧を印加した時のひずみの大きさは圧電ひずみ定数ｄにより表され、電圧印加方向を座標系の３軸方向とすると、垂直ひずみはｄ３１，ｄ３２せん断ひずみはｄ３５，ｄ３４により表される。本実施の形態のような圧電単結晶の場合、結晶異方性により、この圧電定数が振動子面内で方向により異なる。
　ここで、圧電ひずみ定数ｄ３１，ｄ３５の３６°Ｙカット基板における面内方向依存性について説明する。なお、図９は、圧電ひずみ定数の基板における面内方向依存性を示す図、図１０は垂直ひずみとせん断ひずみを加えた圧電ひずみ定数の基板における面内方向依存性を示す図である。
　図９に示す、グラフのｘ軸は、オイラー角θであり、ウエハ５０面内での方向を表す。また、図１０に圧電ひずみ定数ｄ３１+ｄ３５を示す。なお、値の絶対値がひずみの大きさを表す。これらのグラフからオイラー角θ=２７０度の方向、つまり、図６および図７のウエハ座標系でｘ２軸の方向で圧電ひずみ定数ｄ３１，ｄ３５共に最大となり、せん断ひずみが最大になることがわかる。
　従って、図１１に示すように、本実施の形態の超音波振動子２の積層振動子４１は、各圧電単結晶板４４ａ～４４ｆにおいて、ウエハ座標系の相対的な関係を示すと、ウエハ５０における座標系でｘ２軸が一致するように表裏を交互に積層して、ランジュバン振動子を構成している。なお、図１１は、積層振動子のウエハ座標系の相対的な関係を示す模式図である。
　これにより、超音波振動子２は、積層振動子４１の隣接する圧電単結晶板４４ａ～４４ｆ間での面内の変形の違いが最小となり、面内方向の変形の阻害が減少して駆動時の損傷が防止されると共に、積層方向の振動が効率よく得られるようになる。
　さらに、超音波振動子２は、無鉛単結晶材のＬｉＮｂＯ３　３６°Ｙカット基板から圧電単結晶板４４ａ～４４ｆにより形成しているため、近年望まれている非鉛の環境保護に適した構成とすることができる。また、圧電単結晶板４４ａ～４４ｆは、ニオブ酸リチウムの単結晶材に限定されることなく、せん断ひずみが最大になるウエハ座標系の軸が一致するように表裏を交互に積層する構成であれば、例えば、タンタル酸リチウム圧電単結晶を用いることも適用できる。
　なお、図１２から図１４に示すように、上述の各圧電単結晶板４４ａ～４４ｆは、積層方向に対して直交する方向の変形（振動子単板の面内の変形）が最大となる方向(図中ｘ´方向)が、線対称の対称軸となるように円形または矩形状に外形が加工される。このような形状にすることで、励振する超音波振動が安定すると共に、ｘ´軸方向を一致させて積層しているため積層振動子４１の外周形状が均一となる。特に、振動子の外形を矩形状とした場合に、ｘ´軸方向を一致させて、積層方向の分極成分を交互に反転させて積層させる際に、積層体の外形が連続的な平面となり製造し易くなる。なお、図１１から図１４は、圧電単結晶板における変形が最大となる方向を示す平面図である。
　ところで、ウエハ５０からチップとなる圧電単結晶板４４ａ～４４ｆに加工すると、ウエハ５０上の座標系とチップの向きの関係が外見からは判別不明になるという課題が生じる。そこで、ウエハ形状で電極を形成する工程を設け、電極のパターニングを行い、表裏面の対称軸上に、対称軸、および、表裏面を識別可能な印を形成し、振動子の向きの判別を容易にすることができる。通常、半田などで複数の振動子を一体化させる場合には、電極形成工程が必要となるので、それらの場合には、余分なプロセスを追加することなく、所望の印を作成することが可能である。
　例えば、図１５および図１６に示すように、圧電単結晶板４４ａ～４４ｆは、一面側に第１の指標部５３を形成した電極５２と他面側に第２の指標部５４を形成した形成した電極５２が設けられている。なお、図１５は、第１の指標部が形成された電極が設けられた圧電単結晶板の一面を示す平面図、図１６は第２の指標部が形成された電極が設けられた圧電単結晶板の他面を示す平面図である。
　これら圧電単結晶板４４ａ～４４ｆの両面への電極５２の形成は、金属膜の成膜とパターニングにより行われる。金属膜の成膜は、一般的に用いられている蒸着、スパッタ、めっきなどにより行われ、パターニングは、フォトリソグラフィー、エッチングなどを利用して行われる。
　指標として、対称軸上の一主面には１つの切欠きの第１の指標部５３が電極パターンとして形成され、その反対面には、第１の指標部５３とは形状が異なる２つの切欠きの第２の指標部５４が形成されている。
　そして、圧電単結晶板４４ａ～４４ｆは、第１の指標部５３同士、第２の指標部５４同士を合わせるように電極５２を面接触させて積層することで、積層方向の分極成分が交互に反転し、積層方向に対して直交する方向の変形（振動子単板の面内の変形）が最大となる方向（ｘ´方向）が一致するように積層された超音波振動子２の積層振動子４１を容易に作成することができる。なお、圧電単結晶板４４ａ～４４ｆの表裏面の区別、対称軸の位置が分かれば指標部５３，５４の形は、どのような形状でも良い。
　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２６日に日本国に出願された特願２０１１－２８３６７０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 (7)

  1. 　分極成分が交互に反転するよう積層された複数の圧電単結晶板を有し、
    　前記複数の圧電単結晶板に介装される電極からの電圧印加方向に直交する方向のひずみ変形が最大となる方向を一致させて、前記複数の圧電単結晶板を積層した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板は、無鉛材料から形成されてい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. 　前記複数の圧電単結晶板は、ニオブ酸リチウムまたはタンタル酸リチウム圧電単結晶により形成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動デバイス。
  4. 　前記複数の圧電単結晶板は、積層方向に対して直交する方向のひずみ変形が最大となる方向を対称軸として左右対称であ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. 　前記複数の圧電単結晶板は、表裏面の前記対称軸上に、ひずみ変形が最大となる方向および表裏面を識別可能な指標部を有す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. 　前記指標部は、前記複数の圧電単結晶板の表裏面に前記電極をパターン形成し、前記電極の一部がひずみ変形が最大となる方向および表裏面を識別できるように異なる形状として形成されていることを特徴とする請求項５に記載の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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