WO2016047241A1 - 振動発生ユニット、振動体ユニット及び超音波処置具 - Google Patents

振動発生ユニット、振動体ユニット及び超音波処置具 Download PDF

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vibration
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side fixing
element unit
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山田　将志
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オリンパス株式会社
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    • 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
    • B06B1/0644—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 a single piezoelectric element
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • 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
    • A61B2017/320069—Surgical cutting instruments using mechanical vibrations, e.g. ultrasonic for ablating tissue
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    • A61B17/320068—Surgical cutting instruments using mechanical vibrations, e.g. ultrasonic
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    • 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
    • A61B2017/320095—Surgical cutting instruments using mechanical vibrations, e.g. ultrasonic with additional movable means for clamping or cutting tissue, e.g. with a pivoting jaw with sealing or cauterizing means

Definitions

  • the present invention relates to a vibration generating unit including a piezoelectric element that generates ultrasonic vibration when electric power is supplied.
  • the present invention also relates to a vibrating body unit including the vibration generating unit and an ultrasonic treatment instrument including the vibrating body unit.
  • Patent Document 1 discloses an ultrasonic treatment instrument for treating a treatment target such as a living tissue using ultrasonic vibration.
  • a plurality of piezoelectric elements that generate ultrasonic vibration when supplied with electric power are provided.
  • the generated ultrasonic vibration is transmitted to the end effector through the waveguide.
  • a back mass which is a proximal-side fixing member, abuts on the element unit including the piezoelectric element, and a front mass, which is a distal-side fixing member, abuts from the distal direction side. That is, the element unit (piezoelectric element) is sandwiched between the back mass and the front mass in the longitudinal direction.
  • a vibration generating unit including a piezoelectric element (element unit), a proximal-side fixing member (back mass), and a distal-side fixing member (front mass).
  • a probe (vibration transmission member) having a portion is connected.
  • the physical properties (particularly Young's modulus) of the material are likely to vary. For this reason, the physical properties of the material vary for each manufactured probe.
  • the resonance frequency of the vibration generating unit and the vibrating body unit formed from the probe changes according to the physical properties of the probe material in the state of vibrating by ultrasonic vibration. To do. That is, the vibration resonance frequency varies for each vibrator unit (component).
  • the physical properties (acoustic characteristic impedance) of the material change at the boundary between the base end side fixing member and the element unit (piezoelectric element) and at the boundary between the element unit and the front end side fixing member. For this reason, in a state in which the vibrating body unit vibrates due to ultrasonic vibration, the amplitude of vibration changes between the proximal-side fixing member and the element unit, and the vibration amplitude between the element unit and the distal-side fixing member. Changes.
  • the amplitude transformation ratio in the element unit with respect to the amplitude in the base end side fixing member, and the amplitude transformation ratio in the distal end side fixing member with respect to the amplitude in the element unit change in accordance with the resonance frequency of the vibrating body unit. .
  • variation occurs in the resonance frequency of vibration for each vibrating body unit (component), so that for each vibrating body unit (component), the amplitude transformation ratio in the element unit with respect to the amplitude in the proximal-side fixing member, and The variation in the amplitude transformation ratio at the distal end side fixing member with respect to the amplitude at the element unit will vary.
  • the amplitude of vibration at the probe (that is, the portion closer to the distal end than the distal-end-side fixing member) varies for each vibrator unit (component), and the treatment performance corresponds to the physical properties of the material forming the probe. It will change.
  • the present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to reduce variations in amplitude at the probe (treatment section) even when the resonance frequency of vibration varies for each vibrator unit. It is to provide a vibration generating unit. It is another object of the present invention to provide a vibrating body unit and an ultrasonic treatment instrument including the vibration generating unit.
  • a vibration generating unit includes a piezoelectric element that generates ultrasonic vibration when supplied with electric power, and has a proximal end and a distal end.
  • An element unit extending along the longitudinal axis to the distal end, a proximal-side fixing member that abuts the element unit from the proximal direction side, abuts the element unit from the distal direction side, and is parallel to the longitudinal axis
  • the longitudinal direction is sandwiched between the element unit and the base end side fixing member, and the ultrasonic vibration generated in the element unit is transmitted toward the distal direction side, compared with the base end side fixing member.
  • a distal end side fixing member having a large acoustic impedance.
  • the present invention it is possible to provide a vibration generating unit in which variation in amplitude at the probe (treatment section) is reduced even when the resonance frequency of vibration varies for each vibrating body unit. Further, it is possible to provide a vibrating body unit and an ultrasonic treatment instrument that include the vibration generating unit.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically illustrating a configuration of a vibrator unit according to the first embodiment. It is the schematic which shows the structure of the vibration generation unit which concerns on 1st Embodiment. It is the schematic explaining the longitudinal vibration in a vibration generation unit in the state which the vibration body unit which concerns on 1st Embodiment is longitudinally vibrating in the predetermined frequency range. It is the schematic explaining the longitudinal vibration in the vibration generation unit in the state which the vibration body unit which concerns on a comparative example is longitudinally vibrating in the predetermined frequency range.
  • 1st Embodiment and a comparative example it is the schematic which shows the relationship of the 2nd distance ratio with respect to a resonant frequency in case the resonant frequency changes in a predetermined frequency range. It is the schematic which shows the relationship of the 2nd metamorphosis ratio with respect to the 2nd distance ratio in 1st Embodiment and a comparative example.
  • the relationship of the first distance ratio to the resonance frequency when the resonance frequency changes in the predetermined frequency range in the first embodiment, and the resonance frequency when the resonance frequency changes in the predetermined frequency range in the comparative example It is the schematic which shows the relationship of the comparison distance ratio with respect to.
  • FIG. 1 is a diagram showing an ultrasonic treatment system 1 of the present embodiment.
  • the ultrasonic treatment system 1 includes an ultrasonic treatment tool 2.
  • the ultrasonic treatment instrument 2 has a longitudinal axis C.
  • two directions parallel to the longitudinal axis C are defined as the longitudinal direction.
  • One of the longitudinal directions is the distal direction (the direction of the arrow C1 in FIG. 1), and the opposite direction to the distal direction is the proximal direction (the direction of the arrow C2 in FIG. 1).
  • the ultrasonic treatment instrument 2 includes a transducer unit 3, a holding unit 5 that can be held by an operator, a sheath 6, a jaw (gripping member) 7, and a probe (tip-side vibration transmission member) 8. .
  • the holding unit 5 includes a case main body 11 extending along the longitudinal axis C, a fixed handle 12 extending from the case main body 11 toward one direction intersecting the longitudinal axis C, And a movable handle 13 that is rotatably attached to the case body 11.
  • the movable handle 13 is opened or closed with respect to the fixed handle 12 by rotating the movable handle 13 with respect to the case body 11.
  • a rotation operation knob 15, which is a rotation operation input unit, is connected to the front end direction side of the case body 11.
  • the rotation operation knob 15 is rotatable about the longitudinal axis C with respect to the case body 11.
  • an energy operation button 16 that is an energy operation input unit is attached to the case body 11.
  • the sheath 6 is connected to the holding unit 5 in a state of being inserted into the inside of the rotary operation knob 15 and the inside of the case main body 11 from the distal direction side.
  • the jaw 7 is attached to the distal end portion of the sheath 6 so as to be rotatable.
  • the probe 8 extends from the inside of the case main body 11 through the inside of the sheath 6 toward the distal direction side.
  • the central axis of the probe 8 coincides with the longitudinal axis C, and the probe 8 extends along the longitudinal axis C from the proximal end to the distal end.
  • a treatment portion 17 is provided at the distal end portion of the probe 8.
  • the probe 8 is inserted through the sheath 6 with the treatment portion 17 protruding from the distal end of the sheath 6 toward the distal direction side.
  • the movable handle 13 that is an opening / closing operation input portion with respect to the fixed handle 12
  • the movable portion (not shown) of the sheath 6 moves along the longitudinal axis C, and the jaw 7 rotates.
  • the jaw 7 opens or closes the treatment portion 17 of the probe 8.
  • the sheath 6, the jaw 7 and the probe 8 can be rotated around the longitudinal axis C with respect to the case main body 11 together with the rotation operation knob 15.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the vibrator unit 3.
  • the vibrator unit 3 includes a vibrator case 21 that forms an exterior of the vibrator unit 3.
  • the vibrator case 21 is connected to the holding unit 5 in a state of being inserted into the case main body 11 from the proximal direction side. Further, inside the case main body 11, the vibrator case 21 is detachably connected to the sheath 6.
  • One end of a cable 18 is connected to the vibrator case 21. In the ultrasonic treatment system 1, the other end of the cable 18 is detachably connected to the energy source unit 10.
  • the energy source unit 10 is, for example, a medical energy control device, and includes a power source, an AC conversion circuit (none of which are shown), and the like. Further, the energy source unit 10 includes a control unit (not shown) that controls output of electric power.
  • the control unit includes a processor including a CPU (Central Processing Unit) or an ASIC (application specific integrated circuit), and a storage unit (not shown) such as a memory.
  • CPU Central Processing Unit
  • ASIC application specific integrated circuit
  • a vibration generating unit (ultrasonic transducer) 22 is provided inside the vibrator case 21.
  • the vibration generating unit 22 is supported by the vibrator case 21.
  • the vibration generating unit 22 includes a rod-shaped member (base end side vibration transmission member) 23.
  • the central axis of the rod-like member 23 coincides with the longitudinal axis C, and the rod-like member 23 extends along the longitudinal axis C from the proximal end to the distal end.
  • the distal end of the rod-like member 23 is detachably connected to the proximal end of the probe 8.
  • the probe 8 is coupled to the tip direction side of the vibration generating unit 22. In the state where the probe 8 is connected to the vibration generating unit 22, the vibration generating unit 22 can rotate about the longitudinal axis C with respect to the case main body 11 together with the probe 8.
  • the rod-like member 23 is formed with a tapered horn (cross-sectional area reducing portion) 25 that decreases in cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis C as it goes in the tip direction. Further, the rod-shaped member 23 is provided with an element mounting portion 26 on the proximal end side from the horn 25. In the vibration generating unit 22, an element unit 31, a back mass 32 that is a base end side fixing member, and a front mass 33 that is a front end side fixing member are mounted on the element mounting portion 26.
  • the element unit 31, the back mass 32, and the front mass 33 are formed in a ring shape, and the element mounting portion 26 is inserted through the front mass 33, the element unit 31, and the back mass 32 in this order, so that the element unit 31, the back mass 32, and The front mass 33 is attached to the element attachment portion 26.
  • the element unit 31 has a proximal end and a distal end, and extends along the longitudinal axis C from the proximal end to the distal end.
  • the element unit 31 is provided coaxially with the longitudinal axis C.
  • a back mass 32 is in contact with the base end of the element unit 31, and a front mass 33 is in contact with the tip of the element unit 31. That is, the back mass 32 is in contact with the element unit 31 from the proximal direction side, and the front mass 33 is in contact with the element unit 31 from the distal direction side.
  • the element unit 31 is sandwiched between the back mass (base end side fixing member) 32 and the front mass (front end side fixing member) 33 in the longitudinal direction parallel to the longitudinal axis C.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the vibration generating unit 22.
  • the element unit 31 includes a plurality (six in this embodiment) of piezoelectric elements 35A to 35F, a first electrode member 36, and a second electrode member 37. .
  • each of the piezoelectric elements 35 A to 35 F is sandwiched between the first electrode member 36 and the second electrode member 37.
  • One end of an electrical wiring portion 38A is connected to the first electrode member 36, and one end of an electrical wiring portion 38B is connected to the second electrode member 37.
  • the electric wiring portions 38A and 38B extend through the inside of the cable 18, and the other end of the electric wiring portion 38A and the other end of the electric wiring portion 38B are electrically connected to an AC conversion circuit (not shown) of the energy source unit 10. Connected.
  • a switch unit (not shown) is provided inside the holding unit 5.
  • the open / closed state of the switch unit is switched in response to the input of the energy operation with the energy operation button 16.
  • the switch unit is electrically connected to a control unit (not shown) of the energy source unit 10 via a signal path unit (not shown) extending through the transducer unit 3 and the cable 18. .
  • the control unit detects an input of energy operation with the energy operation button 16 by detecting the open / closed state of the switch unit. By detecting the input of the energy operation, electric power is output from the energy source unit 10.
  • power alternating current power
  • a voltage is applied between the first electrode member 36 and the second electrode member 37.
  • each of the piezoelectric elements 35A to 35F sandwiched between the first electrode member 36 and the second electrode member 37 is applied.
  • a current (alternating current) flows, and each of the piezoelectric elements 35A to 35F converts the current into ultrasonic vibration. That is, in each of the piezoelectric elements 35A to 35F, ultrasonic vibration is generated by supplying electric power (electric energy).
  • the generated ultrasonic vibration is transmitted from the element unit 31 through the front mass 33 toward the tip direction side. Then, the ultrasonic vibration is transmitted from the front mass 33 through the rod-shaped member 23 to the probe 8. At this time, the amplitude of vibration is expanded in the horn 25. Then, ultrasonic vibration is transmitted toward the treatment portion 17 in the probe 8.
  • the treatment unit 17 treats a treatment target such as a living tissue using the transmitted ultrasonic vibration. In a state where the ultrasonic vibration is transmitted toward the treatment portion 17, the vibration generating unit 22 and the probe 8 form the vibrating body unit 20 that vibrates due to the ultrasonic vibration.
  • the vibrating body unit 20 performs longitudinal vibration whose vibration direction is parallel to the longitudinal axis C (longitudinal direction).
  • the base end of the vibrating body unit 20 is formed by the base end of the back mass 32 (the base end of the rod-shaped member 23), and the tip of the vibrating body unit 20 is formed by the tip of the probe 8.
  • the center position between the distal end and the base end of the element unit 31 in the longitudinal direction is defined as an element center position M.
  • the piezoelectric elements 35A to 35F are arranged symmetrically about the element center position M in the longitudinal direction. For this reason, in the element unit 31, three piezoelectric elements 35A to 35C are arranged on the distal direction side from the element center position M, and three piezoelectric elements 35D to 35F are arranged on the proximal direction side from the element center position M. Further, since the piezoelectric elements 35A to 35F are arranged symmetrically with respect to the element center position M, the dimension (first unit dimension) d1 from the element center position M to the tip of the element unit 31 is from the element center position M. It is the same (substantially the same) as the dimension (second unit dimension) d2 to the base end of the element unit 31.
  • S0 is a cross-sectional area (element cross-sectional area) of the element unit 31 perpendicular to the longitudinal axis C (transmission direction of ultrasonic vibration).
  • a cross-sectional area (first member cross-sectional area) perpendicular to the longitudinal axis C (transmission direction of ultrasonic vibration) of the front mass 33 is S1
  • a longitudinal axis C (transmission direction of ultrasonic vibration) of the back mass 32 is taken as S1.
  • a vertical sectional area (second member sectional area) is defined as S2.
  • the cross-sectional area S0 of the element unit 31 is uniform (substantially the same) as the cross-sectional area S1 of the front mass 33, and is uniform (substantially the same) as the cross-sectional area S2 of the back mass 32. Therefore, in this embodiment, the cross-sectional area (first member cross-sectional area) S1 of the front mass 33 is uniform (substantially the same) as the cross-sectional area (second member cross-sectional area) S2 of the back mass 32.
  • the dimension (first mounting dimension) L1 from the element central position M of the element unit 31 to the tip of the front mass 33 is the dimension (first dimension) from the element central position M to the base end of the back mass 32. 2 is smaller than L2).
  • the dimension d1 from the element center position M to the tip of the element unit 31 is the same (substantially the same) as the dimension d2 from the element center position M to the base end of the element unit 31.
  • the dimension (first member dimension) 11 of the front mass (front end side fixing member) 33 in the longitudinal direction is the dimension (second member dimension) of the back mass (base end side fixing member) 32 in the longitudinal direction. ) Smaller than l2.
  • the material forming the piezoelectric elements 35A to 35F has an acoustic characteristic impedance (element acoustic characteristic impedance) ⁇ 0.
  • the material forming the front mass 33 has an acoustic characteristic impedance (first member acoustic characteristic impedance) ⁇ 1
  • the material forming the back mass 32 is an acoustic characteristic impedance (second member acoustic characteristic impedance) ⁇ 2.
  • the acoustic characteristic impedance ⁇ of the material (substance) forming the part is a value determined by the density ⁇ of the material and the sound propagation speed c in the material, and the density ⁇ and the Young's modulus E of the material are used. , Defined as equation (1).
  • the acoustic characteristic impedance (characteristic impedance) ⁇ is a physical property value determined by the material forming the part, and has a unique value for each material (substance).
  • the acoustic characteristic impedance ⁇ 0 of the piezoelectric elements 33A to 35F (element unit 31) is larger than the acoustic characteristic impedance ⁇ 1 of the front mass 33 and the acoustic characteristic impedance ⁇ 2 of the back mass 32.
  • the acoustic characteristic impedance ⁇ 1 of the material forming the front mass 33 is larger than the acoustic characteristic impedance ⁇ 2 of the material forming the back mass 32.
  • the material forming the front mass 33 has at least one of the density ⁇ and the sound propagation speed c higher than that of the material forming the back mass 32.
  • a material for forming the back mass 32 for example, super duralumin (A7075; density ⁇ is 2.8 ⁇ 103 kg / m 3, sound propagation velocity c is 5100 m / s, and acoustic characteristic impedance ⁇ is 1.4 ⁇ 10 7 Pa ⁇ s / m).
  • a material for forming the front mass 33 for example, 64 titanium alloy (Ti-6Al-4V; density ⁇ is 4.4 ⁇ 103 kg / m 3, sound propagation velocity c is 4900 m / s, and acoustic characteristic impedance ⁇ is 2. 2 ⁇ 107 Pa ⁇ s / m), SUS420F which is a kind of stainless steel (density ⁇ is 7.8 ⁇ 103 kg / m 3, sound propagation velocity c is 5300 m / s, and acoustic characteristic impedance ⁇ is 4.1 ⁇ 10 7 Pa ⁇ s.
  • the back mass 32 may be formed from 64 titanium alloy or lead zirconate titanate.
  • the acoustic impedance (element acoustic impedance) in a cross section perpendicular to the transmission direction (longitudinal axis C) of the ultrasonic vibration of the element unit 31 (piezoelectric elements 35A to 35F) is defined as Z0.
  • the acoustic impedance (first member acoustic impedance) in the cross section perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic vibration of the front mass 33 is Z1
  • the acoustic impedance in the cross section perpendicular to the ultrasonic transmission direction of the back mass 32 is Z2.
  • the acoustic impedance Z in the cross section perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic vibration is expressed by using the acoustic characteristic impedance ⁇ that is a physical property value and the cross sectional area S of the component perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic vibration. It is defined as (2).
  • the acoustic characteristic impedance ⁇ and the cross-sectional area S are set in the element unit 31, the back mass 32, and the front mass 33 as described above, the transmission direction of ultrasonic vibration of the element unit 31 (the respective piezoelectric elements 35A to 35F).
  • the acoustic impedance Z0 in a cross section perpendicular to is larger than the acoustic impedance Z1 of the front mass 33 and the acoustic impedance Z2 of the back mass 32.
  • the acoustic impedance Z1 in the cross section perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic vibration of the front mass 33 is larger than the acoustic impedance Z2 in the cross section of the back mass 32 perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic vibration.
  • the acoustic characteristic impedance ⁇ matches the value of the acoustic impedance Z per unit area (unit cross-sectional area).
  • the vibration generating unit 22, the vibrating body unit 20, and the ultrasonic treatment instrument 2 When performing a treatment using the ultrasonic treatment instrument 2, the sheath 6, the jaw 7 and the probe 8 are inserted into the body while the holding unit 5 is held. Then, a treatment target such as a biological tissue is disposed between the jaw 7 and the treatment portion 17 of the probe 8. In this state, the movable handle 13 is closed with respect to the fixed handle 12, and the jaw 7 is closed with respect to the treatment portion 17, thereby grasping the treatment target between the jaw 7 and the treatment portion 17.
  • a treatment target such as a biological tissue
  • the control unit of the energy source unit 10 adjusts the frequency, current value, voltage value, and the like of the electric power supplied to the piezoelectric elements 35A to 35F.
  • the vibrating body unit 20 is designed to vibrate at a predetermined resonance frequency Frref (for example, 47 kHz) by ultrasonic vibration generated by the piezoelectric elements 35A to 35F.
  • Frref for example, 47 kHz
  • the vibration generating unit 22 including the expensive piezoelectric elements 35A to 35F is sterilized after use and reused.
  • the probe 8 is discarded after use.
  • the physical properties (particularly Young's modulus) of the material are likely to vary.
  • the resonance frequency Fr in a vibrating state changes corresponding to the physical properties of the material of the probe 8 connected to the vibration generating unit 22. . That is, the vibrating body unit 20 varies in the resonance frequency Fr of vibration corresponding to the physical properties of the probe 8 and does not necessarily vibrate at the predetermined resonance frequency Frref.
  • the vibrating body unit 20 vibrates in a predetermined frequency range ⁇ f that is not less than the minimum resonance frequency Frmin (eg, 46 kHz) and not more than the maximum resonance frequency Frmax (eg, 48 kHz). .
  • the predetermined resonance frequency Frref is included in the predetermined frequency range ⁇ f.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining longitudinal vibration (vibration) in the vibration generating unit 22 in a state where the vibrating body unit 20 is longitudinally vibrating in a predetermined frequency range ⁇ f.
  • FIG. 4 shows a graph of a state of longitudinal vibration at a predetermined resonance frequency Frref, a state of longitudinal vibration at the minimum resonance frequency Frmin, and a state of longitudinal vibration at the maximum resonance frequency Frmax.
  • the horizontal axis indicates the position (X) in the longitudinal direction
  • the vertical axis indicates the vibration state (V) of the longitudinal vibration.
  • the distal end and the base end of the vibrating body unit 20 are free ends.
  • one of the antinodes of the longitudinal vibration is located at the base end of the vibrator unit 20 (the base end of the back mass 32), and one of the antinodes of the longitudinal vibration is the tip of the vibrator unit 20 (the probe 8). Located at the tip).
  • an antinode position A1 that is one of the antinode positions of the longitudinal vibration (indicated by A1ref, A1a, and A1b in FIG. 4). Is located at the base end of the back mass 32.
  • the antinode position A1 is the most proximal antinode position located closest to the proximal direction among the antinode positions of longitudinal vibration.
  • a node position positioned on the distal direction side by a quarter wavelength ( ⁇ / 4) of longitudinal vibration with respect to the antinode position A1 is defined as a node position N1, and half of the longitudinal vibration with respect to the antinode position A1.
  • the antinode position A2 is the antinode position positioned on the distal direction side by the wavelength ( ⁇ / 2).
  • the node position N1 (indicated by N1ref, N1a, and N1b in FIG. 4) is the most proximal node position that is located on the most proximal side among the longitudinal vibration node positions, and the antinode position A2 (in FIG.
  • A2ref, A2a, and A2b are located second in the proximal direction among the antinodes of longitudinal vibration.
  • the node position N1ref is located at the element center position M, which is the center position between the distal end and the proximal end of the element unit 31 in the longitudinal direction.
  • the antinode position A2ref is located at the tip of the front mass 33.
  • the wavelength ⁇ of longitudinal vibration in a state where the resonance frequency Fr becomes a predetermined reference frequency Frref is defined as a reference wavelength ⁇ ref.
  • the wavelength ⁇ of longitudinal vibration increases from the reference wavelength ⁇ ref. Therefore, in the vibration of the vibrating body unit 20 in the predetermined frequency range ⁇ f, the wavelength ⁇ becomes the maximum wavelength ⁇ max when the resonance frequency Fr becomes the minimum resonance frequency Frmin. Therefore, in the state where the resonance frequency Fr becomes the minimum resonance frequency Frmin, the antinode position A1a is located at the proximal end of the back mass 32, but the node position N1a is located on the distal direction side from the element center position M, and the antinode position A2a. Is located closer to the front end side than the front end of the front mass 33.
  • the node position N1a is located on the proximal direction side from the proximal end of the front mass 33 and is located in a range where the element unit 31 extends in the longitudinal direction. ing.
  • the wavelength ⁇ of the longitudinal vibration decreases from the reference wavelength ⁇ ref. Therefore, in the vibration of the vibrating body unit 20 in the predetermined frequency range ⁇ f, the wavelength ⁇ becomes the minimum wavelength ⁇ min when the resonance frequency Fr becomes the maximum resonance frequency Frmax.
  • the antinode position A1b is located at the proximal end of the back mass 32, but the node position N1b is located closer to the proximal direction than the element center position M, and the antinode position A2a is located on the proximal direction side of the front end of the front mass 33.
  • the node position N1b is located on the tip direction side from the tip of the back mass 32 and is located in a range in which the element unit 31 extends in the longitudinal direction. .
  • the vibrating body unit 20 vibrates in the predetermined frequency range ⁇ f
  • a quarter wavelength ( ⁇ / 4) of longitudinal vibration with respect to the antinode position A1 located at the base end of the back mass 32 is obtained.
  • a node position N1 (indicated by N1ref, N1a, and N1b in FIG. 4) is located on the distal direction side, and the node position N1 is located in a range in which the element unit 31 extends in the longitudinal direction.
  • the half wavelength ( ⁇ / 2) of the longitudinal vibration is on the distal direction side with respect to the antinode position A1 located at the base end of the back mass 32.
  • the antinode position A2 (indicated by A2ref, A2a, A2b in FIG. 4) is located, and the antinode position A2 is located on the distal direction side of the tip of the element unit 31 (the base end of the front mass 33). Therefore, in longitudinal vibration at any resonance frequency Fr in the predetermined frequency range ⁇ f, only the node position (reference node position) N1 among the antinodes and node positions of the longitudinal vibration is based on the element unit 31 in the longitudinal direction. It is located between the ends.
  • the transmission direction of the ultrasonic vibration (longitudinal axis)
  • the acoustic impedance Z in a cross section perpendicular to C) is larger at the front mass 33 than at the back mass 32.
  • the acoustic impedance Z1 of the front mass 33 is larger than the acoustic impedance Z2 of the back mass 32, the longitudinal vibration at any resonance frequency Fr in the predetermined frequency range ⁇ f is between the antinode position A2 and the node position N1.
  • the length ⁇ 1 / 4 (indicated by ⁇ 1ref / 4, ⁇ 1max / 4, and ⁇ 1min / 4 in FIG. 4) corresponding to a quarter wavelength of the longitudinal vibration is the longitudinal vibration between the antinode position A1 and the node position N1. It becomes smaller than the length ⁇ 2 / 4 corresponding to a quarter wavelength (indicated by ⁇ 2ref / 4, ⁇ 2max / 4, and ⁇ 2min / 4 in FIG. 4). That is, in a state where the vibrating body unit 20 vibrates in the predetermined frequency range ⁇ f, a length (first length) corresponding to a quarter wavelength of longitudinal vibration from the node position (reference node position) N1 to the distal direction side.
  • a length (first length) ⁇ 1ref / 4 corresponding to a quarter wavelength of longitudinal vibration from the node position N1 to the distal direction side is: This corresponds to the dimension (first mounting dimension) L1 from the element center position M of the element unit 31 to the tip of the front mass 33, and corresponds to a quarter wavelength of longitudinal vibration from the node position N1 to the proximal direction side.
  • the length (second length) ⁇ 2ref / 4 coincides with the dimension (second mounting dimension) L2 from the element center position M of the element unit 31 to the base end of the back mass 32.
  • the amplitude of the longitudinal vibration is increased in the front mass 33 with respect to the element unit 31, and
  • the amplitude transformation ratio (first transformation ratio) ⁇ 1 at the mass (tip-side fixing member) 33 is larger than 1.
  • the acoustic impedance Z (acoustic characteristic impedance ⁇ ) is larger in the element unit 31 than in the back mass 32, the amplitude of longitudinal vibration is reduced in the element unit 31 with respect to the back mass 32, and the back mass (base end side) is reduced.
  • the amplitude transformation ratio (second transformation ratio) ⁇ 2 in the element unit 31 with respect to the amplitude in the fixing member 32 is smaller than 1.
  • the amplitude is reduced at the boundary (second boundary) B2 between the element unit 31 and the back mass 32, and the amplitude is expanded at the boundary (first boundary) B1 between the element unit 31 and the front mass 33.
  • the amplitude of the longitudinal vibration in the front mass 33 is the same as the amplitude of the longitudinal vibration in the back mass 32.
  • FIG. 5 shows longitudinal vibration in the vibration generating unit 22A in a state where the vibrating body unit (20A) formed of the vibration generating unit 22A and the probe 8 according to the comparative example vibrates longitudinally within a predetermined frequency range ⁇ f. Yes.
  • FIG. 5 shows a graph of a state of longitudinal vibration at a predetermined resonance frequency Frref, a state of longitudinal vibration at the minimum resonance frequency Frmin, and a state of longitudinal vibration at the maximum resonance frequency Frmax.
  • the horizontal axis indicates the position (X) in the longitudinal direction
  • the vertical axis indicates the vibration state (V) of the longitudinal vibration.
  • the vibration generating unit 22 ⁇ / b> A according to the comparative example is provided with a rod-shaped member 23, an element unit 31, and a back mass 32 having the same configuration as the vibration generating unit 22 of the first embodiment.
  • a front mass 33A is provided instead of the front mass 33 of the first embodiment.
  • the dimension l′ 1 in the longitudinal direction of the front mass (tip-side fixing member) 33A is the same as the dimension l2 in the longitudinal direction of the back mass 32. Therefore, the dimension L′ 1 from the element center position M of the element unit 31 to the front end of the front mass 33A is the same as the dimension L2 from the element center position M to the base end of the back mass 32.
  • the acoustic characteristic impedance ⁇ of the material and the cross-sectional area S perpendicular to the longitudinal axis C are the same as those of the back mass 32. Therefore, the acoustic impedance Z′1 of the front mass 33A is the same as the acoustic impedance Z2 of the back mass 32.
  • the antinode position A2 (indicated by A2ref, A2a, and A2b in FIG. 5) and the node position N1 in the longitudinal vibration at any resonance frequency Fr in the predetermined frequency range ⁇ f in the comparative example because of the above-described configuration.
  • a length ⁇ ′1 / 4 ( ⁇ ′1ref / 4, ⁇ ′1max / 4 in FIG. 5) corresponding to a quarter wavelength of the longitudinal vibration between N1ref, N1a, and N1b in FIG.
  • a length ⁇ 2 / 4 (indicated by ⁇ ′1 min / 4) corresponding to a quarter wavelength of the longitudinal vibration between the antinode position A1 (indicated by A1ref, A1a, A1b in FIG. 5) and the node position N1.
  • ⁇ 2ref / 4, ⁇ 2max / 4, and ⁇ 2min / 4 it is the same as ⁇ 2ref / 4, ⁇ 2max / 4, and ⁇ 2min / 4).
  • the length ⁇ ′1 / 4 corresponding to a quarter wavelength of the longitudinal vibration from the node position N1 to the distal direction side is The length ⁇ 2 / 4 corresponding to a quarter wavelength of vibration from the node position N1 toward the proximal direction is the same.
  • the length ⁇ ′1ref / 4 corresponding to a quarter wavelength of the longitudinal vibration from the node position N1ref to the distal direction side is equal to the element unit 31.
  • the length ⁇ 2ref / 4 corresponding to a quarter wavelength of longitudinal vibration from the element center position M to the front end of the front mass 33A and corresponding to the longitudinal vibration from the node position N1ref to the base end direction is It coincides with the dimension L2 from the element center position M of the unit 31 to the base end of the back mass 32.
  • the element unit 31 and the front mass 33 correspond to a length ⁇ 1 / 4 corresponding to a quarter wavelength of longitudinal vibration from the node position (reference node position) N1 to the distal direction side.
  • a ratio of a distance Y1 (indicated by Y1ref, Y1a, and Y1b in FIG. 4) from the node position N1 to the boundary B1 is a distance ratio (first distance ratio) ⁇ 1.
  • the ratio of the distance Y′1 from the position N1 is the distance ratio (comparison distance ratio) ⁇ ′1.
  • the ratio of the amplitude at the front mass (tip-side fixing member) 33A to the amplitude at the element unit 31 is defined as a transformation ratio (comparative transformation ratio) ⁇ ′1.
  • the element unit 31 and the back mass for the length ⁇ 2 / 4 corresponding to a quarter wavelength of the longitudinal vibration from the node position (reference node position) N1 to the proximal direction side.
  • a distance ratio (second distance ratio) ⁇ 2 is a ratio of a distance Y2 (indicated by Y2ref, Y2a, and Y2b in FIGS. 4 and 5) from the node position N1 to the boundary B2 with 32.
  • FIG. 6 shows the relationship of the second distance ratio ⁇ 2 to the resonance frequency Fr when the resonance frequency Fr changes in the predetermined frequency range ⁇ f in the first embodiment and the comparative example.
  • the relationship of 2nd metamorphosis ratio (epsilon) 2 with respect to 2nd distance ratio (xi) 2 in 1 embodiment and a comparative example is shown.
  • the change in the second distance ratio ⁇ 2 in FIG. 6 and the change in the second metamorphosis ratio ⁇ 2 in FIG. 7 are the same in the first embodiment and the comparative example.
  • the horizontal axis represents the resonance frequency (Fr)
  • the vertical axis represents the second distance ratio ( ⁇ 2).
  • FIG. 7 shows the relationship of the first distance ratio ⁇ 1 to the resonance frequency Fr when the resonance frequency Fr changes in the predetermined frequency range ⁇ f in the first embodiment, and the predetermined frequency range ⁇ f in the comparative example.
  • FIG. 9 shows the relationship of the comparison distance ratio ⁇ ′1 with respect to the resonance frequency Fr when the resonance frequency Fr changes, and FIG. 9 shows the first transformation ratio ⁇ 1 with respect to the first distance ratio ⁇ 1 in the first embodiment.
  • the relationship and the relationship of the comparative transformation ratio ⁇ ′1 with respect to the comparison distance ratio ⁇ ′1 in the comparative example are shown. In FIG.
  • the horizontal axis represents the resonance frequency (Fr), and the vertical axis represents the first distance ratio ( ⁇ 1) and the comparative distance ratio ( ⁇ ′1).
  • a change in the first distance ratio ⁇ 1 is indicated by a solid line, and a change in the comparison distance ratio ⁇ ′1 is indicated by a one-dot chain line.
  • the horizontal axis indicates the first distance ratio ( ⁇ 1) and the comparative distance ratio ( ⁇ ′1), and the vertical axis indicates the first metamorphic ratio ( ⁇ 1) and the comparative metamorphic ratio ( ⁇ ′1). Show.
  • a change in the first transformation ratio ⁇ 1 is indicated by a solid line, and a change in the comparative transformation ratio ⁇ ′1 is indicated by a one-dot chain line.
  • the longitudinal vibration wavelength ⁇ increases as the resonance frequency Fr increases.
  • the second distance ratio ⁇ 2 becomes smaller as the distance becomes smaller.
  • the second distance ratio ⁇ 2 when oscillating at the maximum resonance frequency Frmax, the second distance ratio ⁇ 2 has a minimum value 4/9, and when oscillating at the minimum resonance frequency Frmin, the second distance ratio ⁇ 2 has a maximum value 4/7. It becomes.
  • the second distance ratio ⁇ 2 when vibrating at a predetermined resonance frequency Frref, the second distance ratio ⁇ 2 is 1 ⁇ 2.
  • the maximum value of the second distance ratio ⁇ 2 is indicated by ⁇ 2max
  • the minimum value is indicated by ⁇ 2min.
  • the node position (reference node position) N1 moves away from the boundary B2 between the back mass 32 and the element unit 31, and the second transformation ratio ⁇ 2 is Close to 1. Since the second transformation ratio ⁇ 2 is a value smaller than 1, the second transformation ratio ⁇ 2 increases as the second distance ratio ⁇ 2 increases.
  • the resonance frequency Fr changes, the antinode position (most proximal antinode position) A1 of the longitudinal vibration is located at the proximal end of the back mass 32. For this reason, even when the resonance frequency Fr changes corresponding to the probe 8 to be connected, the variation in the second distance ratio ⁇ 2 is reduced. By reducing the variation in the second distance ratio ⁇ 2, the variation in the second transformation ratio ⁇ 2 at the boundary B2 between the back mass 32 and the element unit 31 can also be reduced.
  • the longitudinal vibration is increased as the resonance frequency Fr increases.
  • the wavelength ⁇ decreases, and the first distance ratio ⁇ 1 and the comparison distance ratio ⁇ ′1 increase.
  • the antinode Z (the most proximal antinode position) A1 of the longitudinal vibration is located at the proximal end of the back mass 32, so that the acoustic impedance Z is different between the back mass 32 and the front mass 33A.
  • the variation of the comparison distance ratio ⁇ ′1 is larger than the variation of the second distance ratio ⁇ 2.
  • the comparison distance ratio ⁇ ′1 when oscillating at the maximum resonance frequency Frmax, the comparison distance ratio ⁇ ′1 has a maximum value of 4/5, and when oscillating at the minimum resonance frequency Frmin, the comparison distance ratio ⁇ ′1 has a minimum value of 3. It becomes. Further, for example, when vibrating at a predetermined resonance frequency Frref, the comparison distance ratio ⁇ ′1 is 1 ⁇ 2. In FIG. 8, the maximum value of the comparison distance ratio ⁇ ′1 is indicated by ⁇ ′1max, and the minimum value is indicated by ⁇ ′1min.
  • the comparative distance ratio ⁇ ′1 increases, the node position (reference node position) N1 moves away from the boundary B′1 between the front mass 33A and the element unit 31, and the comparative transformation ratio ⁇ ′. 1 is close to 1. Since the comparative transformation ratio ⁇ ′1 is a value greater than 1, the comparative transformation ratio ⁇ ′1 decreases as the comparative distance ratio ⁇ ′1 increases.
  • the variation of the comparison distance ratio ⁇ ′1 since the variation of the comparison distance ratio ⁇ ′1 is large, the variation of the comparative transformation ratio ⁇ ′1 at the boundary B′1 between the front mass 33A and the element unit 31 is also large. Due to the variation in the comparative transformation ratio ⁇ ′1, the variation in the amplitude of the longitudinal vibration at the probe 8 (that is, the portion on the tip side from the front mass 33A) also becomes large.
  • the acoustic impedance Z1 of the front mass 33 is made larger than the acoustic impedance Z2 of the back mass 32, and the configuration is changed from the comparative example.
  • the node position (reference node position) N1 moves away from the boundary B1 between the front mass 33 and the element unit 31, and the first transformation ratio ⁇ 1 becomes closer to 1. . Since the first transformation ratio ⁇ 1 is a value larger than 1, the first transformation ratio ⁇ 1 decreases as the first distance ratio ⁇ 1 increases.
  • the ratio of the acoustic impedance (Z1; Z′1) of the front mass (33; 33A) to the acoustic impedance Z0 of the element unit 31 is defined as an impedance ratio ⁇ .
  • the acoustic impedance Z (acoustic characteristic impedance ⁇ ) is made larger at the front mass 33 than the back mass 32.
  • the acoustic impedance Z′1 of the front mass 33A is the acoustic impedance Z2 of the back mass 32. Is the same.
  • the acoustic impedance Z1 of the front mass 33 is larger than the acoustic impedance Z′1 of the front mass 33A in the comparative example, and the impedance ratio ⁇ is larger in the first embodiment than in the comparative example.
  • the change amount ratio is defined as a change amount ratio ⁇ .
  • the change amount ratio ⁇ indicates the absolute value of the slope in each of the change in the first transformation ratio ⁇ 1 and the change in the comparison transformation ratio ⁇ ′1 in FIG.
  • the change rate ratio ⁇ decreases as the impedance ratio ⁇ increases, that is, as the difference between the acoustic impedance (Z1; Z′1) of the front mass (33; 33A) and the acoustic impedance Z0 of the element unit 31 decreases. Become.
  • the change ratio ⁇ 1 of the change amount of the first shift ratio ⁇ 1 with respect to the change amount of the first distance ratio ⁇ 1 in the present embodiment is the comparison shift ratio with respect to the change amount of the comparison distance ratio ⁇ ′1 in the comparative example. It becomes smaller than the change amount ratio ⁇ ′1 of the change amount of ⁇ ′1.
  • the slope ( ⁇ 1) of the change in the first transformation ratio ⁇ 1 is closer to 0 than the slope ( ⁇ ′1) of the change in the comparative transformation ratio ⁇ ′1.
  • the acoustic impedance Z (acoustic characteristic impedance ⁇ ) is made larger at the front mass 33 than at the back mass 32, whereby the first transformation ratio ⁇ 1 with respect to the change amount of the first distance ratio ⁇ 1.
  • the change amount ratio ⁇ 1 of the change amount becomes small. Therefore, even when the first distance ratio ⁇ 1 varies due to the change of the resonance frequency Fr corresponding to the connected probe 8, the first transformation at the boundary B1 between the front mass 33 and the element unit 31 is performed. Variations in the ratio ⁇ 1 can be reduced.
  • the acoustic impedance Z of the front mass 33 is larger than that of the back mass 32, so that in the longitudinal vibration at any resonance frequency Fr in the predetermined frequency range ⁇ f, the antinode position A2 and the node position N1 From the length ⁇ 1 / 4 corresponding to the quarter wavelength of the longitudinal vibration between the antinode position A1 and the node position N1, the length ⁇ 1 / 4 corresponding to the quarter wavelength of the longitudinal vibration between Get smaller. Therefore, as shown in FIG. 8, in the longitudinal vibration at any resonance frequency Fr in the predetermined frequency range ⁇ f, the first distance change rate ⁇ 1 of the present embodiment is the comparison distance change rate ⁇ ′ of the comparative example. It becomes larger than 1.
  • the region in which the first distance change rate ⁇ 1 changes corresponding to the change in the resonance frequency Fr in the predetermined frequency range ⁇ f is a value compared to the region in which the comparative distance change rate ⁇ ′1 in the comparative example changes. Becomes close to 1 (value increases). For example, when oscillating at the maximum resonance frequency Frmax, the first distance ratio ⁇ 1 has a maximum value of 9/10, and when oscillating at the minimum resonance frequency Frmin, the first distance ratio ⁇ 1 has a minimum value of 1 ⁇ 2. It becomes. Further, for example, when vibrating at a predetermined resonance frequency Frref, the first distance ratio ⁇ 1 is 2/3.
  • the region where the first distance change rate ⁇ 1 changes corresponding to the change of the resonance frequency Fr in the predetermined frequency range ⁇ f approaches 1, so that the comparison distance change rate ⁇ ′1 of the comparative example
  • the variation of the first distance ratio ⁇ 1 is smaller than the variation.
  • the comparative distance ratio ⁇ ′1 of the comparative example varies in the range of 1/3 to 4/5
  • the first distance ratio ⁇ 1 of the present embodiment is in the range of 1/2 to 9/10. It varies.
  • the resonance frequency Fr changes corresponding to the physical properties of the probe 8 to be connected
  • variation in 2nd metamorphosis ratio (epsilon) 2 in the boundary B2 of the back mass 32 and the element unit 31 becomes small.
  • the variation in the first transformation ratio ⁇ 1 and the second transformation ratio ⁇ 2 the variation in the amplitude of the longitudinal vibration in the probe 8 (that is, the portion on the distal direction side from the front mass 33) is reduced.
  • the resonance frequency Fr changes corresponding to the physical properties of the probe 8 to be connected
  • the variation in the amplitude of the longitudinal vibration can be suppressed in the treatment portion 17 of the probe 8, and stable treatment performance is ensured. be able to.
  • the acoustic mass impedance ⁇ (at least one of the sound propagation speed c and the density ⁇ ) of the front mass 33 is made larger than that of the back mass 32 so that the acoustic impedance of the front mass 33 is increased.
  • Z1 is made larger than the acoustic impedance Z of the back mass 32, it is not restricted to this.
  • the cross-sectional area S1 of the front mass 33 perpendicular to the transmission direction (longitudinal axis C) of the ultrasonic vibration is changed to the back mass 32 perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic vibration. It may be larger than the cross-sectional area S2.
  • the front mass 33 and the back mass 32 are formed of the same material and have the same acoustic characteristic impedance ⁇ (sound propagation speed c and density ⁇ ).
  • the acoustic impedance Z changes in accordance with the cross-sectional area S perpendicular to the ultrasonic vibration transmission direction in addition to the acoustic characteristic impedance ⁇ . Therefore, also in this modified example, the acoustic impedance Z is larger than that of the back mass 32 in the front mass 33.
  • the cross-sectional area S0 perpendicular to the longitudinal axis C of the element unit 31 is the same as the cross-sectional area S2 of the back mass 32. For this reason, in the front mass 33, the cross-sectional area S perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic vibration is enlarged with respect to the element unit 31.
  • the dimension l1 of the front mass 33 in the longitudinal direction is smaller than the dimension l2 of the back mass 32 in the longitudinal direction. Therefore, also in this modification, the dimension (first mounting dimension) L1 from the element central position M of the element unit 31 to the tip of the front mass 33 is the dimension (first dimension) from the element central position M to the base end of the back mass 32. 2 is smaller than L2). Also in the present modification, the acoustic impedance Z becomes larger than that of the back mass 32 in the front mass 33, so that the operations and effects described above in the first embodiment are achieved.
  • the first distance ratio ⁇ 1 and the amplitude first transformation ratio ⁇ 1 are defined as in the first embodiment.
  • an index value indicating the influence on the amplitude of the change in the physical property (acoustic characteristic impedance ⁇ ) of the material at the boundary B1 (tip of the element unit 31) between the front mass 33 and the element unit 31 is defined as a physical property modifying element ⁇ a1.
  • An index value indicating the influence on the amplitude of the change in the cross-sectional area S at the boundary B1 between the mass 33 and the element unit 31 is defined as a cross-sectional area modifying element ⁇ b1.
  • the first modification ratio ⁇ 1 is determined.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship of the first modification ratio ⁇ 1, the physical property modification element ⁇ a1, and the cross-sectional area modification element ⁇ b1 with respect to the first distance ratio ⁇ 1 in the first modification.
  • the horizontal axis represents the first distance ratio ⁇ 1
  • the vertical axis represents the first transformation ratio ⁇ 1, the physical property transformation element ⁇ a1, and the cross-sectional area transformation element ⁇ b1.
  • the change in the first modification ratio ⁇ 1 is indicated by a solid line
  • the change in the physical property modification element ⁇ a1 is indicated by a one-dot chain line
  • the change in the cross-sectional area modification element ⁇ b1 is indicated by a broken line.
  • the node position (reference node position) N1 moves away from the boundary B1 between the front mass 33 and the element unit 31, and the first transformation ratio ⁇ 1 and physical property transformation occur.
  • the element ⁇ a1 and the cross-sectional area modifying element ⁇ b1 are close to 1.
  • the acoustic characteristic impedance ⁇ is smaller in the front mass 33 than in the element unit 31
  • the acoustic characteristic impedance ⁇ material property
  • the physical property modifying element ⁇ a1 becomes a value larger than 1.
  • the physical property modifying element ⁇ a1 decreases.
  • the cross-sectional area S of the front mass 33 is larger than that of the element unit 31, the cross-sectional area S changes to a state where the amplitude of the longitudinal vibration is reduced at the boundary B1. Therefore, the cross-sectional area modifying element ⁇ b1 has a value smaller than 1. For this reason, as the first distance ratio ⁇ 1 increases, the cross-sectional area transformation element ⁇ b1 increases.
  • the influence on the amplitude of the physical property modifying element ⁇ a1 is larger than the influence on the amplitude of the cross-sectional area modifying element ⁇ b1 at the boundary B1. Therefore, at the boundary B1, the amplitude of the longitudinal vibration is expanded, and the first transformation ratio ⁇ 1 becomes larger than 1. For this reason, as the first distance ratio ⁇ 1 increases, the first metamorphic ratio ⁇ 1 decreases.
  • a change amount ratio ⁇ that is a ratio of the change amount of the first transformation ratio ⁇ 1 to the change amount of the first distance ratio ⁇ 1 is defined.
  • the change amount ratio ⁇ indicates the absolute value of the slope in the change of the first transformation ratio ⁇ 1 in FIG.
  • the acoustic mass impedance ⁇ is smaller than that of the element unit 31 at the front mass 33, whereas the cross-sectional area S is larger than that of the element unit 31 at the front mass 33.
  • the physical property modifying element ⁇ a1 that decreases as the first distance ratio ⁇ 1 increases and the cross-sectional area modifying element ⁇ b1 that increases as the first distance ratio ⁇ 1 increases affect the change in amplitude at the boundary B1.
  • the first modification ratio ⁇ 1 is affected by the physical property modifying element ⁇ a1 and the cross-sectional area modifying element ⁇ b1 whose change characteristics in FIG. 11 are opposite to each other. Therefore, the change rate ratio ⁇ of the change amount of the first shift ratio ⁇ 1 with respect to the change amount of the first distance ratio ⁇ 1 in the present modification is small.
  • the acoustic impedance Z (cross-sectional area S) is made larger at the front mass 33 than at the back mass 32, whereby the change in the first transformation ratio ⁇ 1 with respect to the variation in the first distance ratio ⁇ 1.
  • the change amount ratio ⁇ of the quantity becomes small. Therefore, even when the resonance frequency Fr changes corresponding to the probe 8 to be connected, the variation in the first transformation ratio ⁇ 1 at the boundary B1 between the front mass 33 and the element unit 31 can be reduced.
  • the element unit 31 is provided with six (even) piezoelectric elements 35A to 35F.
  • piezoelectric elements 35A to 35E may be provided as shown in FIG. (Odd number) piezoelectric elements 35A to 35E.
  • the element center position M which is the center position of the element unit 31 in the longitudinal direction, coincides with the center position in the thickness direction of the piezoelectric element 35C.
  • the piezoelectric elements 35A and 35B are located on the distal direction side from the element center position M, and the piezoelectric elements 35D and 35E are located on the proximal direction side from the element center position M.
  • the acoustic characteristic impedance ⁇ of the material is larger than the back mass 32 and the acoustic impedance Z is larger than the back mass 32 in the front mass 33.
  • the dimension l1 of the front mass 33 in the longitudinal direction is smaller than the dimension l2 of the back mass 32 in the longitudinal direction. Therefore, also in this modification, the dimension (first mounting dimension) L1 from the element central position M of the element unit 31 to the tip of the front mass 33 is the dimension (first dimension) from the element central position M to the base end of the back mass 32. 2 is smaller than L2).
  • the acoustic mass impedance ⁇ of the material is made larger than that of the back mass 32 in the front mass 33, and the cross-sectional area S perpendicular to the transmission direction of the ultrasonic vibration is set. It may be larger than the back mass 32. Also in this case, the acoustic impedance Z is larger in the front mass 33 than in the back mass 32 from the equation (2) described above in the first embodiment.
  • ultrasonic vibrations are transmitted to the treatment portion 17 of the probe 8, and high-frequency power (high-frequency electrical energy) is supplied from the energy source unit 10 to the treatment portion 17 and the jaw 7.
  • 17 and jaw 7 may function as electrodes for high-frequency power.
  • a high-frequency current flows through the treatment target grasped between the jaw 7 and the treatment portion 17, the treatment subject is denatured, and coagulation is promoted.
  • high-frequency power is supplied to the treatment portion 17 through the rod-shaped member 23 and the probe 8, but the rod-shaped member 23 and the piezoelectric elements (35 A to 35 F) are electrically insulated and supplied to the treatment portion 17.
  • the high frequency power to be applied is not supplied to the piezoelectric elements (35A to 35F).
  • the current (alternating current) that generates the ultrasonic vibration is supplied to the piezoelectric elements (35A to 35F).
  • the jaw 7 may not be provided in the ultrasonic treatment instrument 2.
  • the treatment portion 17 protruding from the distal end of the sheath 6 is formed in a hook shape. In a state where the treatment target is hooked on the hook, the treatment target 17 is excised by vibrating the treatment portion 17 by ultrasonic vibration.
  • the vibration generating unit (22) includes the element unit (31), and the element unit (31) is a piezoelectric that generates ultrasonic vibration when supplied with electric power. Elements (35A to 35F; 35A to 35E) are provided.
  • the element unit (31) is in contact with the proximal end side fixing member (32) from the proximal direction side, and is in contact with the distal end side fixing member (33) from the distal direction side. Is sandwiched between the proximal-side fixing member (32) and the distal-side fixing member (33).
  • the ultrasonic vibration generated in the element unit (31) is transmitted toward the distal direction side through the distal end side fixing member (33).
  • the acoustic impedance (Z) is larger than that in the proximal end side fixing member (32).

Abstract

　振動発生ユニットは、素子ユニットを備え、前記素子ユニットは、電力が供給されることにより超音波振動を発生する圧電素子を備える。前記素子ユニットには、基端方向側から基端側固定部材が当接するとともに、先端方向側から先端側固定部材が当接し、前記素子ユニットは、長手方向について前記基端側固定部材と前記先端側固定部材との間で挟まれている。前記先端側固定部材では、前記基端側固定部材に比べて音響インピーダンスが大きい。

Description

振動発生ユニット、振動体ユニット及び超音波処置具
　本発明は、電力が供給されることにより超音波振動を発生する圧電素子を備える振動発生ユニットに関する。また、その振動発生ユニットを備える振動体ユニット、及び、その振動体ユニットを備える超音波処置具に関する。
　特許文献１には、超音波振動を用いて生体組織等の処置対象を処置する超音波処置具が開示されている。この超音波処置具では、電力を供給されることにより超音波振動を発生する複数の圧電素子が設けられている。発生した超音波振動は、導波管を通してエンドエフェクタに伝達される。圧電素子を含む素子ユニットには、基端方向側から基端側固定部材であるバックマスが当接し、先端方向側から先端側固定部材であるフロントマスが当接している。すなわち、素子ユニット（圧電素子）は、長手方向についてバックマスとフロントマスとの間で挟まれている。
国際公開２０１１／００５４６７号公報
　前記特許文献１のような超音波処置具では、圧電素子（素子ユニット）、基端側固定部材（バックマス）及び先端側固定部材（フロントマス）を含む振動発生ユニットの先端方向側に、処置部を備えるプローブ（振動伝達部材）が接続される。ここで、チタン材等の材料からプローブ（導波管）を製造する過程では、材料の物性（特にヤング率）に変動が生じやすい。このため、製造されるプローブごとに材料の物性にばらつきが生じてしまう。プローブごとに材料の物性にばらつきが生じることにより、振動発生ユニット及びプローブから形成される振動体ユニットでは、プローブの材料の物性に対応して、超音波振動によって振動する状態での共振周波数が変化する。すなわち、振動体ユニット（部品）ごとに、振動の共振周波数にばらつきが生じてしまう。
　また、振動発生ユニットでは、基端側固定部材と素子ユニット（圧電素子）との境界、及び、素子ユニットと先端側固定部材との境界で、材料の物性（音響特性インピーダンス）が変化する。このため、超音波振動によって振動体ユニットが振動する状態では、基端側固定部材と素子ユニットとの間で振動の振幅が変化するとともに、素子ユニットと先端側固定部材との間で振動の振幅が変化する。基端側固定部材での振幅に対する素子ユニットでの振幅の変成比、及び、素子ユニットでの振幅に対する先端側固定部材での振幅の変成比は、振動体ユニットの共振周波数に対応して変化する。このため、振動体ユニット（部品）ごとに振動の共振周波数にばらつきが生じることにより、振動体ユニット（部品）ごとに、基端側固定部材での振幅に対する素子ユニットでの振幅の変成比、及び、素子ユニットでの振幅に対する先端側固定部材での振幅の変成比にばらつきが生じてしまう。このため、プローブ（すなわち、先端側固定部材より先端側の部位）での振動の振幅が、振動体ユニット（部品）ごとにばらついてしまい、プローブを形成する材料の物性に対応して処置性能が変化してしまう。
　本発明は前記課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、振動体ユニットごとに振動の共振周波数がばらつく場合でも、プローブ（処置部）での振幅のバラツキが低減される振動発生ユニットを提供することにある。また、その振動発生ユニットを備える振動体ユニット及び超音波処置具を提供することにある。
　前記目的を達成するために、本発明のある態様の振動発生ユニットは、電力が供給されることにより超音波振動を発生する圧電素子を備えるとともに、基端及び先端を有し、前記基端から前記先端まで長手軸に沿って延設される素子ユニットと、前記素子ユニットに基端方向側から当接する基端側固定部材と、前記素子ユニットに先端方向側から当接し、前記長手軸に平行な長手方向について前記基端側固定部材との間で前記素子ユニットを挟むとともに、前記素子ユニットで発生した前記超音波振動を前記先端方向側に向かって伝達し、前記基端側固定部材に比べて音響インピーダンスが大きい先端側固定部材と、を備える。
　本発明によれば、振動体ユニットごとに振動の共振周波数がばらつく場合でも、プローブ（処置部）での振幅のバラツキが低減される振動発生ユニットを提供することができる。また、その振動発生ユニットを備える振動体ユニット及び超音波処置具を提供することができる。
第１の実施形態に係る超音波処置システムを示す概略図である。 第１の実施形態に係る振動子ユニットの構成を概略的に示す断面図である。 第１の実施形態に係る振動発生ユニットの構成を示す概略図である。 第１の実施形態に係る振動体ユニットが所定の周波数範囲で縦振動している状態での、振動発生ユニットでの縦振動を説明する概略図である。 比較例に係る振動体ユニットが所定の周波数範囲で縦振動している状態での、振動発生ユニットでの縦振動を説明する概略図である。 第１の実施形態及び比較例において、所定の周波数範囲で共振周波数が変化する場合での、共振周波数に対する第２の距離比率の関係を示す概略図である。 第１の実施形態及び比較例での、第２の距離比率に対する第２の変成比の関係を示す概略図である。 第１の実施形態において所定の周波数範囲で共振周波数が変化する場合での共振周波数に対する第１の距離比率の関係、及び、比較例において所定の周波数範囲で共振周波数が変化する場合での共振周波数に対する比較距離比率の関係を示す概略図である。 第１の実施形態での第１の距離比率に対する第１の変成比の関係、及び、比較例での比較距離比率に対する比較変成比の関係を示す概略図である。 第１の変形例に係る振動発生ユニットの構成を示す概略図である。 第１の変形例での第１の距離比率に対する第１の変成比、物性変成要素及び断面積変成要素の関係を示す概略図である。 第２の変形例に係る振動発生ユニットの構成を示す概略図である。
　（第１の実施形態）　
　本発明の第１の実施形態について、図１乃至図９を参照して説明する。
　図１は、本実施形態の超音波処置システム１を示す図である。図１に示すように、超音波処置システム１は、超音波処置具２を備える。超音波処置具２は、長手軸Ｃを有する。ここで、長手軸Ｃに平行な２方向を長手方向とする。また、長手方向の一方が先端方向（図１の矢印Ｃ１の方向）であり、先端方向とは反対方向が基端方向（図１の矢印Ｃ２の方向）である。
　超音波処置具２は、振動子ユニット３と、術者等によって保持可能な保持ユニット５と、シース６と、ジョー（把持部材）７と、プローブ（先端側振動伝達部材）８と、を備える。保持ユニット５は、長手軸Ｃに沿って延設されるケース本体部１１と、長手軸Ｃに対して交差するある１つの方向へ向かってケース本体部１１から延設される固定ハンドル１２と、ケース本体部１１に回動可能に取付けられる可動ハンドル１３と、を備える。可動ハンドル１３がケース本体部１１に対して回動することにより、可動ハンドル１３は固定ハンドル１２に対して開く又は閉じる。ケース本体部１１の先端方向側には、回転操作入力部である回転操作ノブ１５が連結されている。回転操作ノブ１５は、ケース本体部１１に対して長手軸Ｃを中心として回転可能である。また、ケース本体部１１には、エネルギー操作入力部であるエネルギー操作ボタン１６が取付けられている。
　シース６は、回転操作ノブ１５の内部及びケース本体部１１の内部に先端方向側から挿入された状態で、保持ユニット５に連結されている。また、ジョー７は、シース６の先端部に回動可能に取付けられている。プローブ８は、ケース本体部１１の内部からシース６の内部を通って先端方向側に向かって延設されている。本実施形態では、プローブ８の中心軸が長手軸Ｃと一致し、プローブ８は基端から先端まで長手軸Ｃに沿って延設されている。プローブ８の先端部には、処置部１７が設けられている。プローブ８は、処置部１７がシース６の先端から先端方向側へ向かって突出する状態で、シース６に挿通されている。開閉操作入力部である可動ハンドル１３を固定ハンドル１２に対して開動作又は閉動作させることにより、シース６の可動部（図示しない）が長手軸Ｃに沿って移動し、ジョー７が回動する。ジョー７が回動することにより、ジョー７が、プローブ８の処置部１７に対して開動作又は閉動作する。また、シース６、ジョー７及びプローブ８は、回転操作ノブ１５と一緒に、ケース本体部１１に対して長手軸Ｃを中心として回転可能である。
　図２は、振動子ユニット３の構成を示す図である。図１及び図２に示すように、振動子ユニット３は、振動子ユニット３の外装を形成する振動子ケース２１を備える。振動子ケース２１は、基端方向側からケース本体部１１の内部に挿入された状態で、保持ユニット５に連結されている。また、ケース本体部１１の内部では、シース６に振動子ケース２１が分離可能に連結されている。振動子ケース２１には、ケーブル１８の一端が接続されている。超音波処置システム１では、ケーブル１８の他端は、エネルギー源ユニット１０に分離可能に接続される。ここで、エネルギー源ユニット１０は、例えば医療用のエネルギー制御装置であり、電源、交流変換回路（いずれも図示しない）等を備える。また、エネルギー源ユニット１０は、電力の出力を制御する制御部（図示しない）を備える。制御部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）を含むプロセッサと、メモリ等の記憶部（図示しない）と、を備える。
　また、振動子ユニット３では、振動子ケース２１の内部に、振動発生ユニット（超音波トランスデューサ）２２が設けられている。振動発生ユニット２２は、振動子ケース２１によって支持されている。振動発生ユニット２２は、棒状部材（基端側振動伝達部材）２３を備える。本実施形態では、棒状部材２３の中心軸が長手軸Ｃと一致し、棒状部材２３は基端から先端まで長手軸Ｃに沿って延設されている。ケース本体部１１の内部では、棒状部材２３の先端がプローブ８の基端に分離可能に接続される。棒状部材２３がプローブ８に接続されることにより、振動発生ユニット２２の先端方向側にプローブ８が連結される。なお、振動発生ユニット２２にプローブ８が連結された状態では、振動発生ユニット２２は、プローブ８と一緒に、ケース本体部１１に対して長手軸Ｃを中心として回転可能である。
　棒状部材２３には、長手軸Ｃに垂直な断面積が先端方向へ向かうにつれて減少するテーパ状のホーン（断面積減少部）２５が形成されている。また、棒状部材２３には、ホーン２５より基端方向側に、素子装着部２６が設けられている。振動発生ユニット２２では、素子装着部２６に、素子ユニット３１、基端側固定部材であるバックマス３２及び先端側固定部材であるフロントマス３３が装着される。素子ユニット３１、バックマス３２及びフロントマス３３はリング状に形成され、素子装着部２６がフロントマス３３、素子ユニット３１及びバックマス３２の順に挿通されることにより、素子ユニット３１、バックマス３２及びフロントマス３３が素子装着部２６に装着される。
　素子ユニット３１は、基端及び先端を有し、基端から先端まで長手軸Ｃに沿って延設されている。本実施形態では、素子ユニット３１は長手軸Ｃと同軸に設けられている。素子ユニット３１の基端には、バックマス３２が当接し、素子ユニット３１の先端には、フロントマス３３が当接している。すなわち、バックマス３２は、基端方向側から素子ユニット３１に当接し、フロントマス３３は、先端方向側から素子ユニット３１に当接している。このため、素子ユニット３１は、長手軸Ｃに平行な長手方向についてバックマス（基端側固定部材）３２とフロントマス（先端側固定部材）３３との間で、挟まれている。
　図３は、振動発生ユニット２２の構成を示す図である。図２及び図３に示すように、素子ユニット３１は、複数（本実施形態では６つ）の圧電素子３５Ａ～３５Ｆと、第１の電極部材３６と、第２の電極部材３７と、を備える。振動発生ユニット２２の長手方向について、それぞれの圧電素子３５Ａ～３５Ｆは、第１の電極部材３６と第２の電極部材３７との間で挟まれている。第１の電極部材３６には、電気配線部３８Ａの一端が接続され、第２の電極部材３７には、電気配線部３８Ｂの一端が接続されている。電気配線部３８Ａ，３８Ｂは、ケーブル１８の内部を通って延設され、電気配線部３８Ａの他端及び電気配線部３８Ｂの他端は、エネルギー源ユニット１０の交流変換回路（図示しない）に電気的に接続されている。
　また、保持ユニット５の内部には、スイッチ部（図示しない）が設けられている。スイッチ部の開閉状態は、エネルギー操作ボタン１６でのエネルギー操作の入力に対応して、切替わる。スイッチ部は、振動子ユニット３及びケーブル１８の内部を通って延設される信号経路部（図示しない）を介して、エネルギー源ユニット１０の制御部（図示しない）に電気的に接続されている。制御部は、スイッチ部の開閉状態を検出することにより、エネルギー操作ボタン１６でのエネルギー操作の入力を検知する。エネルギー操作の入力が検知されることにより、エネルギー源ユニット１０から電力が出力される。エネルギー源ユニット１０から電力（交流電力）が出力されることにより、第１の電極部材３６と第２の電極部材３７との間に電圧が印加される。第１の電極部材３６と第２の電極部材３７との間に印加される電圧によって、第１の電極部材３６と第２の電極部材３７との間で挟まれるそれぞれの圧電素子３５Ａ～３５Ｆに電流（交流電流）が流れ、それぞれの圧電素子３５Ａ～３５Ｆは、電流を超音波振動に変換する。すなわち、それぞれの圧電素子３５Ａ～３５Ｆでは、電力(電気エネルギー)が供給されることにより、超音波振動が発生する。
　発生した超音波振動は、素子ユニット３１からフロントマス３３を通して先端方向側に向かって伝達される。そして、フロントマス３３から棒状部材２３を通して、超音波振動はプローブ８に伝達される。この際、ホーン２５において、振動の振幅が拡大される。そして、プローブ８において処置部１７に向かって超音波振動が伝達される。処置部１７は、伝達された超音波振動を用いて生体組織等の処置対象を処置する。超音波振動が処置部１７に向かって伝達される状態では、振動発生ユニット２２及びプローブ８によって、超音波振動によって振動する振動体ユニット２０が形成される。超音波振動が処置部１７に向かって伝達される状態では、振動体ユニット２０は振動方向が長手軸Ｃ（長手方向）に平行な縦振動を行う。本実施形態では、バックマス３２の基端（棒状部材２３の基端）によって、振動体ユニット２０の基端が形成され、プローブ８の先端によって、振動体ユニット２０の先端が形成されている。
　また、長手方向について素子ユニット３１の先端と基端との間の中央位置を素子中央位置Ｍとする。本実施形態では、圧電素子３５Ａ～３５Ｆは、長手方向について素子中央位置Ｍを中心として対称に配置されている。このため、素子ユニット３１では、素子中央位置Ｍより先端方向側に３つの圧電素子３５Ａ～３５Ｃが配置され、素子中央位置Ｍより基端方向側に３つの圧電素子３５Ｄ～３５Ｆが配置される。また、圧電素子３５Ａ～３５Ｆが素子中央位置Ｍを中心として対称に配置されるため、素子中央位置Ｍから素子ユニット３１の先端までの寸法（第１のユニット寸法）ｄ１は、素子中央位置Ｍから素子ユニット３１の基端までの寸法（第２のユニット寸法）ｄ２と、同一（略同一）となる。
　長手軸Ｃ（超音波振動の伝達方向）に垂直な素子ユニット３１の断面積（素子断面積）をＳ０とする。また、フロントマス３３の長手軸Ｃ（超音波振動の伝達方向）に垂直な断面積（第１の部材断面積）をＳ１とし、バックマス３２の長手軸Ｃ（超音波振動の伝達方向）に垂直な断面積（第２の部材断面積）をＳ２とする。本実施形態では、素子ユニット３１の断面積Ｓ０は、フロントマス３３の断面積Ｓ１と均一（略同一）であるとともに、バックマス３２の断面積Ｓ２と均一（略同一）である。したがって、本実施形態では、フロントマス３３の断面積（第１の部材断面積）Ｓ１は、バックマス３２の断面積（第２の部材断面積）Ｓ２と均一（略同一）となる。
　また、本実施形態では、素子ユニット３１の素子中央位置Ｍからフロントマス３３の先端までの寸法（第１の装着寸法）Ｌ１は、素子中央位置Ｍからバックマス３２の基端までの寸法（第２の装着寸法）Ｌ２より、小さい。前述のように、素子中央位置Ｍから素子ユニット３１の先端までの寸法ｄ１は、素子中央位置Ｍから素子ユニット３１の基端までの寸法ｄ２と同一（略同一）である。このため、フロントマス（先端側固定部材）３３の長手方向についての寸法（第１の部材寸法）ｌ１は、バックマス（基端側固定部材）３２の長手方向についての寸法（第２の部材寸法）ｌ２に比べて、小さい。
　圧電素子３５Ａ～３５Ｆ（素子ユニット３１）を形成する材料は音響特性インピーダンス（素子音響特性インピーダンス）ζ０を有する。また、フロントマス３３を形成する材料は、音響特性インピーダンス（第１の部材音響特性インピーダンス）ζ１を有し、バックマス３２を形成する材料は、音響特性インピーダンス（第２の部材音響特性インピーダンス）ζ２を有する。ここで、部品を形成する材料（物質）の音響特性インピーダンスζは、材料の密度ρ及び材料での音の伝播速度ｃによって決定される値であり、材料の密度ρ及びヤング率Ｅを用いて、式（１）のように定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　したがって、音響特性インピーダンス（特性インピーダンス）ζは、部品を形成する材料によって決まる物性値であり、材料（物質）ごとに固有の値を有する。圧電素子３３Ａ～３５Ｆ（素子ユニット３１）の音響特性インピーダンスζ０は、フロントマス３３の音響特性インピーダンスζ１及びバックマス３２の音響特性インピーダンスζ２より、大きくなる。また、本実施形態では、フロントマス３３を形成する材料の音響特性インピーダンスζ１は、バックマス３２を形成する材料の音響特性インピーダンスζ２より、大きくなる。したがって、フロントマス３３を形成する材料は、バックマス３２を形成する材料に比べて、密度ρ及び音の伝播速度ｃの少なくとも一方が大きくなる。ここで、バックマス３２を形成する材料として、例えば超々ジュラルミン（Ａ７０７５；密度ρが２．８×１０３ｋｇ／ｍ３、音の伝播速度ｃが５１００ｍ／ｓ、音響特性インピーダンスζが１．４×１０７Ｐａ・ｓ／ｍ）がある。また、フロントマス３３を形成する材料として、例えば６４チタン合金（Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ；密度ρが４．４×１０３ｋｇ／ｍ３、音の伝播速度ｃが４９００ｍ／ｓ、音響特性インピーダンスζが２．２×１０７Ｐａ・ｓ／ｍ）、ステンレス鋼の一種であるＳＵＳ４２０Ｆ（密度ρが７．８×１０３ｋｇ／ｍ３、音の伝播速度ｃが５３００ｍ／ｓ、音響特性インピーダンスζが４．１×１０７Ｐａ・ｓ／ｍ）、チタン酸ジルコ酸鉛（ＰＺＴ；密度ρが７．８×１０３ｋｇ／ｍ３、音の伝播速度ｃが２９００ｍ／ｓ、音響特性インピーダンスζが２．３×１０７Ｐａ・ｓ／ｍ）がある。また、フロントマス３３がＳＵＳ４２０Ｆから形成される場合は、バックマス３２が６４チタン合金又はチタン酸ジルコ酸鉛から形成されてもよい。
　素子ユニット３１（圧電素子３５Ａ～３５Ｆ）の超音波振動の伝達方向（長手軸Ｃ）に垂直な断面での音響インピーダンス（素子音響インピーダンス）をＺ０とする。また、フロントマス３３の超音波振動の伝達方向に垂直な断面での音響インピーダンス（第１の部材音響インピーダンス）をＺ１とし、バックマス３２の超音波の伝達方向に垂直な断面での音響インピーダンス（第２の部材音響インピーダンス）をＺ２とする。ここで、超音波振動の伝達方向に垂直な断面での音響インピーダンスＺは、物性値である音響特性インピーダンスζ、及び、超音波振動の伝達方向に垂直な部品の断面積Ｓを用いて、式（２）のように定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　素子ユニット３１、バックマス３２及びフロントマス３３では、前述のように音響特性インピーダンスζ及び断面積Ｓが設定されるため、素子ユニット３１（それぞれの圧電素子３５Ａ～３５Ｆ）の超音波振動の伝達方向に垂直な断面での音響インピーダンスＺ０は、フロントマス３３の音響インピーダンスＺ１及びバックマス３２の音響インピーダンスＺ２より、大きくなる。また、本実施形態では、フロントマス３３の超音波振動の伝達方向に垂直な断面での音響インピーダンスＺ１は、バックマス３２の超音波振動の伝達方向に垂直な断面での音響インピーダンスＺ２より、大きくなる。なお、音響特性インピーダンスζは、単位面積（単位断面積）あたりでの音響インピーダンスＺの値と一致する。
　次に、本実施形態の振動発生ユニット２２、振動体ユニット２０及び超音波処置具２の作用及び効果について説明する。超音波処置具２を用いて処置を行う際には、保持ユニット５を保持した状態で、シース６、ジョー７及びプローブ８を体内に挿入する。そして、ジョー７とプローブ８の処置部１７との間に、生体組織等の処置対象を配置する。この状態で、可動ハンドル１３を固定ハンドル１２に対して閉動作させ、ジョー７を処置部１７に対して閉じることにより、ジョー７と処置部１７との間で処置対象を把持する。処置対象が把持された状態で、エネルギー操作ボタン１６でエネルギー操作が入力されることにより、エネルギー源ユニット１０から電力が出力され、出力された電力が振動発生ユニット２２の圧電素子３５Ａ～３５Ｆに供給される。これにより、圧電素子３５Ａ～３５Ｆ（素子ユニット３１）で、超音波振動が発生する。そして、発生した超音波振動が、フロントマス３３及び棒状部材２３を通してプローブ８に伝達され、プローブ８において処置部１７に向かって超音波振動が伝達される。これにより、振動発生ユニット２２及びプローブ８から形成される振動体ユニット２０が、振動方向が長手軸Ｃに対して平行な縦振動を行う。ジョー７と処置部１７との間で処置対象が把持された状態で処置部１７が縦振動することにより、処置部１７と処置対象との間で摩擦熱が発生する。摩擦熱によって、処置対象が凝固されると同時に切開される。
　処置においては、エネルギー源ユニット１０の制御部によって、圧電素子３５Ａ～３５Ｆに供給される電力について電流の周波数、電流値、電圧値等が調整される。また、振動体ユニット２０は、圧電素子３５Ａ～３５Ｆで発生する超音波振動によって所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆ（例えば４７ｋＨｚ）で振動する状態に、設計されている。振動体ユニット２０では、高価な圧電素子３５Ａ～３５Ｆを備える振動発生ユニット２２は、使用後に滅菌処理等が行われ再利用される。一方、プローブ８は、使用後に廃棄される。ここで、チタン材等の材料からプローブ８を製造する過程では、材料の物性（特にヤング率）に変動が生じやすい。このため、製造されるプローブ８ごとに材料の物性にばらつきが生じてしまう。プローブ８ごとに材料の物性にばらつきが生じることにより、振動体ユニット２０では、振動発生ユニット２２に接続されるプローブ８の材料の物性に対応して、振動する状態での共振周波数Ｆｒが変化する。すなわち、振動体ユニット２０は、プローブ８の物性に対応して振動の共振周波数Ｆｒにばらつきが生じ、必ずしも所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動するわけではない。したがって、圧電素子３５Ａ～３５Ｆで発生する超音波振動によって、振動体ユニット２０は、最小共振周波数Ｆｒｍｉｎ（例えば４６ｋＨｚ）以上で最大共振周波数Ｆｒｍａｘ（例えば４８ｋＨｚ）以下の所定の周波数範囲Δｆで、振動する。なお、所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆは、所定の周波数範囲Δｆに含まれる。
　図４は、振動体ユニット２０が所定の周波数範囲Δｆで縦振動している状態での、振動発生ユニット２２での縦振動（振動）を説明する図である。図４では、所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで縦振動する状態、最小共振周波数Ｆｒｍｉｎで縦振動する状態、及び、最大共振周波数Ｆｒｍａｘで縦振動する状態のグラフを示している。これらのグラフでは、横軸に長手方向についての位置（Ｘ）、縦軸に縦振動の振動状態（Ｖ）を示している。振動体ユニット２０が縦振動している状態では、振動体ユニット２０の先端及び基端は、自由端となる。このため、縦振動の腹位置の１つは振動体ユニット２０の基端（バックマス３２の基端）に位置し、縦振動の腹位置の１つは振動体ユニット２０の先端（プローブ８の先端）に位置する。図４に示すように、所定の周波数範囲Δｆで振動体ユニット２０が縦振動する状態では、縦振動の腹位置の１つである腹位置Ａ１（図４では、Ａ１ｒｅｆ、Ａ１ａ、Ａ１ｂで示す）が、バックマス３２の基端に位置している。本実施形態では、腹位置Ａ１が、縦振動の腹位置の中で最も基端方向側に位置する最基端腹位置となる。
　ここで、腹位置Ａ１に対して縦振動の４分の１波長（λ／４）だけ先端方向側に位置する節位置を節位置Ｎ１とし、腹位置Ａ１に対して縦振動の２分の１波長（λ／２）だけ先端方向側に位置する腹位置を腹位置Ａ２とする。節位置Ｎ１（図４では、Ｎ１ｒｅｆ、Ｎ１ａ、Ｎ１ｂで示す）は、縦振動の節位置の中で最も基端方向側に位置する最基端節位置であり、腹位置Ａ２（図４では、Ａ２ｒｅｆ、Ａ２ａ、Ａ２ｂで示す）は、縦振動の腹位置の中で２番目に基端方向側に位置している。所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動体ユニット２０が振動する状態では、長手方向について素子ユニット３１の先端と基端との間の中央位置である素子中央位置Ｍに、節位置Ｎ１ｒｅｆが位置する。また、所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動体ユニット２０が振動する状態では、フロントマス３３の先端に腹位置Ａ２ｒｅｆが位置する。なお、共振周波数Ｆｒが所定の基準周波数Ｆｒｒｅｆになる状態での縦振動の波長λを基準波長λｒｅｆとする。
　所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆから共振周波数が減少すると、縦振動の波長λは基準波長λｒｅｆから増加する。したがって、振動体ユニット２０の所定の周波数範囲Δｆでの振動においては、共振周波数Ｆｒが最小共振周波数Ｆｒｍｉｎになる際に、波長λが最大波長λｍａｘとなる。このため、共振周波数Ｆｒが最小共振周波数Ｆｒｍｉｎになる状態では、腹位置Ａ１ａはバックマス３２の基端に位置するが、節位置Ｎ１ａが素子中央位置Ｍより先端方向側に位置し、腹位置Ａ２ａがフロントマス３３の先端より先端方向側に位置している。ただし、共振周波数Ｆｒが最小共振周波数Ｆｒｍｉｎになる場合でも、節位置Ｎ１ａは、フロントマス３３の基端より基端方向側に位置し、長手方向について素子ユニット３１が延設される範囲に位置している。一方、所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆから共振周波数が増加すると、縦振動の波長λは基準波長λｒｅｆから減少する。したがって、振動体ユニット２０の所定の周波数範囲Δｆでの振動においては、共振周波数Ｆｒが最大共振周波数Ｆｒｍａｘになる際に、波長λが最小波長λｍｉｎとなる。このため、共振周波数Ｆｒが最大共振周波数Ｆｒｍａｘになる状態では、腹位置Ａ１ｂはバックマス３２の基端に位置するが、節位置Ｎ１ｂが素子中央位置Ｍより基端方向側に位置し、腹位置Ａ２ａがフロントマス３３の先端より基端方向側に位置している。ただし、共振周波数Ｆｒが最大共振周波数Ｆｒｍａｘになる場合でも、節位置Ｎ１ｂは、バックマス３２の先端より先端方向側に位置し、長手方向について素子ユニット３１が延設される範囲に位置している。
　前述のように、振動体ユニット２０が所定の周波数範囲Δｆで振動する状態では、バックマス３２の基端に位置する腹位置Ａ１に対して縦振動の４分の１波長（λ／４）だけ先端方向側に、節位置Ｎ１（図４ではＮ１ｒｅｆ，Ｎ１ａ，Ｎ１ｂで示す）が位置し、節位置Ｎ１は、長手方向について素子ユニット３１が延設される範囲に位置している。また、振動体ユニットが所定の周波数範囲Δｆで振動する状態では、バックマス３２の基端に位置する腹位置Ａ１に対して縦振動の２分の１波長（λ／２）だけ先端方向側に、腹位置Ａ２（図４ではＡ２ｒｅｆ，Ａ２ａ，Ａ２ｂで示す）が位置し、腹位置Ａ２は、素子ユニット３１の先端（フロントマス３３の基端）より先端方向側に位置している。したがって、所定の周波数範囲Δｆのいずれの共振周波数Ｆｒでの縦振動においても、縦振動の腹位置及び節位置の中で節位置（基準節位置）Ｎ１のみが、長手方向について素子ユニット３１の基端と先端との間に位置している。
　また、本実施形態では前述のように、フロントマス３３を形成する材料の音響特性インピーダンスζ１がバックマス３２を形成する材料の音響特性インピーダンスζ２より大きくなるため、超音波振動の伝達方向（長手軸Ｃ）に垂直な断面での音響インピーダンスＺが、フロントマス３３でバックマス３２より大きくなる。フロントマス３３の音響インピーダンスＺ１がバックマス３２の音響インピーダンスＺ２より大きくなることにより、所定の周波数範囲Δｆのいずれの共振周波数Ｆｒでの縦振動においても、腹位置Ａ２と節位置Ｎ１との間の縦振動の４分の１波長に相当する長さλ１／４（図４ではλ１ｒｅｆ／４，λ１ｍａｘ／４，λ１ｍｉｎ／４で示す）が、腹位置Ａ１と節位置Ｎ１との間の縦振動の４分の１波長に相当する長さλ２／４（図４ではλ２ｒｅｆ／４，λ２ｍａｘ／４，λ２ｍｉｎ／４で示す）より、小さくなる。すなわち、振動体ユニット２０が所定の周波数範囲Δｆで振動する状態では、節位置（基準節位置）Ｎ１から先端方向側への縦振動の４分の１波長に相当する長さ（第１の長さ）λ１／４は、節位置（基準節位置）Ｎ１から基端方向側への振動の４分の１波長に相当する長さ（第２の長さ）λ２／４より、小さくなる。振動体ユニット２０が所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する状態では、節位置Ｎ１から先端方向側への縦振動の４分の１波長に相当する長さ（第１の長さ）λ１ｒｅｆ／４は、素子ユニット３１の素子中央位置Ｍからフロントマス３３の先端までの寸法（第１の装着寸法）Ｌ１と一致し、節位置Ｎ１から基端方向側への縦振動の４分の１波長に相当する長さ（第２の長さ）λ２ｒｅｆ／４は、素子ユニット３１の素子中央位置Ｍからバックマス３２の基端までの寸法（第２の装着寸法）Ｌ２と一致する。
　また、本実施形態では前述したように、素子ユニット３１とフロントマス３３との境界（第１の境界）Ｂ１、及び、素子ユニット３１とバックマス３２との境界（第２の境界）Ｂ２では、部品を形成する材料の音響特性インピーダンスζが変化し、超音波振動の伝達方向に垂直な断面での音響インピーダンスＺが変化する。このため、超音波振動によって振動体ユニット２０が振動する状態では、バックマス３２と素子ユニット３１との間で縦振動の振幅が変化するとともに、素子ユニット３１とフロントマス３３との間で縦振動の振幅が変化する。フロントマス３３では素子ユニット３１に比べて音響インピーダンスＺ（音響特性インピーダンスζ）が小さくなるため、フロントマス３３では素子ユニット３１に対して縦振動の振幅が拡大され、素子ユニット３１での振幅に対するフロントマス（先端側固定部材）３３での振幅の変成比（第１の変成比）ε１は、１より大きくなる。一方、素子ユニット３１ではバックマス３２に比べて音響インピーダンスＺ（音響特性インピーダンスζ）が大きくなるため、素子ユニット３１ではバックマス３２に対して縦振動の振幅が縮小され、バックマス（基端側固定部材）３２での振幅に対する素子ユニット３１での振幅の変成比（第２の変成比）ε２は、１より小さくなる。なお、素子ユニット３１とバックマス３２との境界（第２の境界）Ｂ２で振幅が縮小され、かつ、素子ユニット３１とフロントマス３３との境界（第１の境界）Ｂ１で振幅が拡大されることにより、フロントマス３３での縦振動の振幅が、バックマス３２での縦振動の振幅と同一になることが好ましい。
　ここで、比較例として、図５に示す振動発生ユニット２２Ａについて説明する。図５は、比較例に係る振動発生ユニット２２Ａ及びプローブ８から形成される振動体ユニット（２０Ａ）が所定の周波数範囲Δｆで縦振動する状態での、振動発生ユニット２２Ａでの縦振動を示している。図５は、所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで縦振動する状態、最小共振周波数Ｆｒｍｉｎで縦振動する状態、及び、最大共振周波数Ｆｒｍａｘで縦振動する状態のグラフを示している。これらのグラフでは、横軸に長手方向についての位置（Ｘ）、縦軸に縦振動の振動状態（Ｖ）を示している。図５に示すように、比較例に係る振動発生ユニット２２Ａでは、第１の実施形態の振動発生ユニット２２と同様の構成の棒状部材２３、素子ユニット３１及びバックマス３２が設けられている。ただし、比較例では、第１の実施形態のフロントマス３３の代わりにフロントマス３３Ａが設けられている。比較例では、フロントマス（先端側固定部材）３３Ａの長手方向についての寸法ｌ´１は、バックマス３２の長手方向についての寸法ｌ２と同一になる。したがって、素子ユニット３１の素子中央位置Ｍからフロントマス３３Ａの先端までの寸法Ｌ´１は、素子中央位置Ｍからバックマス３２の基端までの寸法Ｌ２と同一になる。また、本比較例では、フロントマス３３Ａにおいて、材料の音響特性インピーダンスζ及び長手軸Ｃに垂直な断面積Ｓが、バックマス３２と同一となる。したがって、フロントマス３３Ａの音響インピーダンスＺ´１は、バックマス３２の音響インピーダンスＺ２と同一となる。
　前述のような構成であるため、比較例では、所定の周波数範囲Δｆのいずれの共振周波数Ｆｒでの縦振動においても、腹位置Ａ２（図５ではＡ２ｒｅｆ，Ａ２ａ，Ａ２ｂで示す）と節位置Ｎ１（図５ではＮ１ｒｅｆ，Ｎ１ａ，Ｎ１ｂで示す）との間の縦振動の４分の１波長に相当する長さλ´１／４（図５ではλ´１ｒｅｆ／４，λ´１ｍａｘ／４，λ´１ｍｉｎ／４で示す）が、腹位置Ａ１（図５ではＡ１ｒｅｆ，Ａ１ａ，Ａ１ｂで示す）と節位置Ｎ１との間の縦振動の４分の１波長に相当する長さλ２／４（図５ではλ２ｒｅｆ／４，λ２ｍａｘ／４，λ２ｍｉｎ／４で示す）と、同一になる。すなわち、比較例では、振動体ユニット２０が所定の周波数範囲Δｆで振動する状態において、節位置Ｎ１から先端方向側への縦振動の４分の１波長に相当する長さλ´１／４は、節位置Ｎ１から基端方向側への振動の４分の１波長に相当する長さλ２／４と、同一になる。そして、振動体ユニット２０が所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する状態では、節位置Ｎ１ｒｅｆから先端方向側への縦振動の４分の１波長に相当する長さλ´１ｒｅｆ／４は、素子ユニット３１の素子中央位置Ｍからフロントマス３３Ａの先端までの寸法Ｌ´１と一致し、節位置Ｎ１ｒｅｆから基端方向側への縦振動の４分の１波長に相当する長さλ２ｒｅｆ／４は、素子ユニット３１の素子中央位置Ｍからバックマス３２の基端までの寸法Ｌ２と一致する。
　ここで、第１の実施形態において、節位置（基準節位置）Ｎ１から先端方向側への縦振動の４分の１波長に相当する長さλ１／４に対する素子ユニット３１とフロントマス３３との境界Ｂ１までの節位置Ｎ１からの距離Ｙ１（図４ではＹ１ｒｅｆ，Ｙ１ａ，Ｙ１ｂで示す）の比率を距離比率（第１の距離比率）ξ１とする。また、比較例において、節位置Ｎ１から先端方向側への縦振動の４分の１波長に相当する長さλ´１／４に対する素子ユニット３１とフロントマス３３Ａとの境界Ｂ´１までの節位置Ｎ１からの距離Ｙ´１（図５ではＹ´１ｒｅｆ，Ｙ´１ａ，Ｙ´１ｂで示す）の比率を距離比率（比較距離比率）ξ´１とする。そして、比較例において素子ユニット３１での振幅に対するフロントマス（先端側固定部材）３３Ａでの振幅の比率を変成比（比較変成比）ε´１とする。そして、第１の実施形態及び比較例において、節位置（基準節位置）Ｎ１から基端方向側への縦振動の４分の１波長に相当する長さλ２／４に対する素子ユニット３１とバックマス３２との境界Ｂ２までの節位置Ｎ１からの距離Ｙ２（図４及び図５ではＹ２ｒｅｆ，Ｙ２ａ，Ｙ２ｂで示す）の比率を距離比率（第２の距離比率）ξ２とする。
　図６は、第１の実施形態及び比較例において、所定の周波数範囲Δｆで共振周波数Ｆｒが変化する場合での、共振周波数Ｆｒに対する第２の距離比率ξ２の関係を示し、図７は、第１の実施形態及び比較例での第２の距離比率ξ２に対する第２の変成比ε２の関係を示している。図６での第２の距離比率ξ２の変化、及び、図７での第２の変成比ε２の変化は、第１の実施形態及び比較例とで同様である。図６では、横軸に共振周波数（Ｆｒ）を示し、縦軸に第２の距離比率（ξ２）を示している。図７では、横軸に第２の距離比率（ξ２）を示し、縦軸に第２の変成比（ε２）を示している。また、図８は、第１の実施形態において所定の周波数範囲Δｆで共振周波数Ｆｒが変化する場合での共振周波数Ｆｒに対する第１の距離比率ξ１の関係、及び、比較例において所定の周波数範囲Δｆで共振周波数Ｆｒが変化する場合での共振周波数Ｆｒに対する比較距離比率ξ´１の関係を示し、図９は、第１の実施形態での第１の距離比率ξ１に対する第１の変成比ε１の関係、及び、比較例での比較距離比率ξ´１に対する比較変成比ε´１の関係を示している。図８では、横軸に共振周波数（Ｆｒ）を示し、縦軸に第１の距離比率（ξ１）及び比較距離比率（ξ´１）を示している。そして、第１の距離比率ξ１の変化を実線で、比較距離比率ξ´１の変化を一点鎖線で示している。また、図９では、横軸に第１の距離比率（ξ１）及び比較距離比率（ξ´１）を示し、縦軸に第１の変成比（ε１）及び比較変成比（ε´１）を示している。そして、第１の変成比ε１の変化を実線で、比較変成比ε´１の変化を一点鎖線で示している。
　図４乃至図６に示すように、第１の実施形態及び比較例において所定の周波数範囲Δｆで振動体ユニット２０が振動する際には、共振周波数Ｆｒが増加するにつれて、縦振動の波長λが小さくなり、第２の距離比率ξ２が小さくなる。例えば、最大共振周波数Ｆｒｍａｘで振動する際には、第２の距離比率ξ２は最小値４／９となり、最小共振周波数Ｆｒｍｉｎで振動する際には、第２の距離比率ξ２は最大値４／７となる。そして、例えば、所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する際には、第２の距離比率ξ２は１／２となる。図６では、第２の距離比率ξ２の最大値をξ２ｍａｘで、最小値をξ２ｍｉｎで示している。また、図７に示すように、第２の距離比率ξ２が大きくなるにつれて、節位置（基準節位置）Ｎ１がバックマス３２と素子ユニット３１との境界Ｂ２から離れ、第２の変成比ε２は１に近くなる。第２の変成比ε２は、１より小さい値であるため、第２の距離比率ξ２が大きくなるにつれて、第２の変成比ε２は増加する。
　ここで、共振周波数Ｆｒが変化しても、縦振動の腹位置（最基端腹位置）Ａ１は、バックマス３２の基端に位置する。このため、接続されるプローブ８に対応して共振周波数Ｆｒが変化した場合でも、第２の距離比率ξ２のばらつきは小さくなる。第２の距離比率ξ２のばらつきが小さくなることにより、バックマス３２と素子ユニット３１との境界Ｂ２での第２の変成比ε２のばらつきも小さくすることができる。
　図４、図５及び図８に示すように、第１の実施形態及び比較例において所定の周波数範囲Δｆで振動体ユニット２０が振動する際には、共振周波数Ｆｒが増加するにつれて、縦振動の波長λが小さくなり、第１の距離比率ξ１及び比較距離比率ξ´１が大きくなる。ここで、共振周波数Ｆｒが変化しても、縦振動の腹位置（最基端腹位置）Ａ１は、バックマス３２の基端に位置するため、バックマス３２及びフロントマス３３Ａで音響インピーダンスＺが同一となる比較例では、比較距離比率ξ´１のばらつきが、第２の距離比率ξ２のばらつきに比べて大きくなる。例えば、最大共振周波数Ｆｒｍａｘで振動する際には、比較距離比率ξ´１は最大値４／５となり、最小共振周波数Ｆｒｍｉｎで振動する際には、比較距離比率ξ´１は最小値１／３となる。また、例えば、所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する際には、比較距離比率ξ´１は１／２となる。図８では、比較距離比率ξ´１の最大値をξ´１ｍａｘで、最小値をξ´１ｍｉｎで示している。
　また、図９に示すように、比較距離比率ξ´１が大きくなるにつれて、節位置（基準節位置）Ｎ１がフロントマス３３Ａと素子ユニット３１との境界Ｂ´１から離れ、比較変成比ε´１は１に近くなる。比較変成比ε´１は、１より大きい値であるため、比較距離比率ξ´１が大きくなるにつれて、比較変成比ε´１は減少する。ここで、比較例では、比較距離比率ξ´１のばらつきが大きくなるため、フロントマス３３Ａと素子ユニット３１との境界Ｂ´１での比較変成比ε´１のばらつきも大きくなる。比較変成比ε´１のばらつきに起因して、プローブ８（すなわち、フロントマス３３Ａより先端側の部位）での縦振動の振幅のばらつきも、大きくなってしまう。
　そこで、本実施形態では、フロントマス３３の音響インピーダンスＺ１をバックマス３２の音響インピーダンスＺ２に比べて大きくし、比較例から構成を変化させている。本実施形態でも、第１の距離比率ξ１が大きくなるにつれて、節位置（基準節位置）Ｎ１がフロントマス３３と素子ユニット３１との境界Ｂ１から離れ、第１の変成比ε１は１に近くなる。第１の変成比ε１は、１より大きい値であるため、第１の距離比率ξ１が大きくなるにつれて、第１の変成比ε１は減少する。ここで、第１の実施形態及び比較例において、素子ユニット３１の音響インピーダンスＺ０に対するフロントマス（３３；３３Ａ）の音響インピーダンス（Ｚ１；Ｚ´１）の比率をインピーダンス比率ηとする。本実施形態では、バックマス３２に比べ、フロントマス３３で音響インピーダンスＺ（音響特性インピーダンスζ）を大きくし、比較例では、フロントマス３３Ａの音響インピーダンスＺ´１は、バックマス３２の音響インピーダンスＺ２と同一である。このため、フロントマス３３の音響インピーダンスＺ１は比較例でのフロントマス３３Ａの音響インピーダンスＺ´１より大きくなり、第１の実施形態では比較例に比べて、インピーダンス比率ηが大きくなる。
　また、本実施形態において第１の距離比率ξ１の変化量に対する第１の変成比ε１の変化量の比率、及び、比較例において比較距離比率ξ´１の変化量に対する比較変成比ε´１の変化量の比率を変化量比率αとする。変化量比率αは、図９の第１の変成比ε１の変化及び比較変成比ε´１の変化のそれぞれにおいて傾きの絶対値を示している。変化量比率αは、インピーダンス比率ηが大きくなるにつれて、すなわち、フロントマス（３３；３３Ａ）の音響インピーダンス（Ｚ１；Ｚ´１）と素子ユニット３１の音響インピーダンスＺ０との差が小さくなるにつれて、小さくなる。したがって、本実施形態での第１の距離比率ξ１の変化量に対する第１の変成比ε１の変化量の変化量比率α１は、比較例での比較距離比率ξ´１の変化量に対する比較変成比ε´１の変化量の変化量比率α´１より、小さくなる。実際に、図９では、第１の変成比ε１の変化の傾き（－α１）は、比較変
成比ε´１の変化の傾き（－α´１）より、０に近くなる。
　前述のように、本実施形態では、バックマス３２よりフロントマス３３で音響インピーダンスＺ（音響特性インピーダンスζ）を大きくすることにより、第１の距離比率ξ１の変化量に対する第１の変成比ε１の変化量の変化量比率α１が小さくなる。したがって、接続されるプローブ８に対応して共振周波数Ｆｒが変化することにより第１の距離比率ξ１にばらつきが生じた場合でも、フロントマス３３と素子ユニット３１との境界Ｂ１での第１の変成比ε１のばらつきを小さくすることができる。
　また、本実施形態では、フロントマス３３で音響インピーダンスＺがバックマス３２より大きくなることにより、所定の周波数範囲Δｆのいずれの共振周波数Ｆｒでの縦振動においても、腹位置Ａ２と節位置Ｎ１との間の縦振動の４分の１波長に相当する長さλ１／４が、腹位置Ａ１と節位置Ｎ１との間の縦振動の４分の１波長に相当する長さλ２／４より、小さくなる。このため、図８に示すように、所定の周波数範囲Δｆのいずれの共振周波数Ｆｒでの縦振動においても、本実施形態の第１の距離変化率ξ１は、比較例の比較距離変化率ξ´１より、大きくなる。すなわち、所定の周波数範囲Δｆでの共振周波数Ｆｒの変化に対応して第１の距離変化率ξ１が変化する領域は、比較例の比較距離変化率ξ´１が変化する領域に比べて、値が１に近くなる（値が大きくなる）。例えば、最大共振周波数Ｆｒｍａｘで振動する際には、第１の距離比率ξ１は最大値９／１０となり、最小共振周波数Ｆｒｍｉｎで振動する際には、第１の距離比率ξ１は最小値１／２となる。また、例えば、所定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する際には、第１の距離比率ξ１は２／３となる。本実施形態では、所定の周波数範囲Δｆでの共振周波数Ｆｒの変化に対応して第１の距離変化率ξ１が変化する領域が１に近づくことにより、比較例の比較距離変化率ξ´１のばらつきに比べて、第１の距離比率ξ１のばらつきが小さくなる。例えば、比較例の比較距離比率ξ´１が１／３以上４／５以下の範囲でばらつくのに対し、本実施形態の第１の距離比率ξ１は１／２以上９／１０以下の範囲でばらつく。第１の距離比率ξ１のばらつきが小さくなることにより、本実施形態では、フロントマス３３と素子ユニット３１との境界Ｂ１での第１の変成比ε１のばらつきをさらに小さくすることができる。
　前述のように本実施形態では、接続されるプローブ８の物性に対応して共振周波数Ｆｒが変化した場合でも、フロントマス３３と素子ユニット３１との境界Ｂ１での第１の変成比ε１のばらつき、及び、バックマス３２と素子ユニット３１との境界Ｂ２での第２の変成比ε２のばらつきが、小さくなる。第１の変成比ε１及び第２の変成比ε２のばらつきが小さくなることにより、プローブ８（すなわち、フロントマス３３より先端方向側の部位）での縦振動の振幅のばらつきが小さくなる。これにより、接続されるプローブ８の物性に対応して共振周波数Ｆｒが変化した場合でも、プローブ８の処置部１７において縦振動の振幅のばらつきを小さく抑えることができ、安定した処置性能を確保することができる。
　（変形例）　
　なお、第１の実施形態では、フロントマス３３において物性値である音響特性インピーダンスζ（音の伝播速度ｃ及び密度ρの少なくとも一方）をバックマス３２より大きくすることにより、フロントマス３３の音響インピーダンスＺ１をバックマス３２の音響インピーダンスＺより大きくしているが、これに限るものではない。例えば、第１の変形例として図１０に示すように、超音波振動の伝達方向（長手軸Ｃ）に垂直なフロントマス３３の断面積Ｓ１を、超音波振動の伝達方向に垂直なバックマス３２の断面積Ｓ２より大きくしてもよい。本変形例では、フロントマス３３及びバックマス３２で、形成する材料が同一であり、音響特性インピーダンスζ（音の伝播速度ｃ及び密度ρ）は同一である。第１の実施形態の式（２）で示すように、音響インピーダンスＺは、音響特性インピーダンスζに加えて、超音波振動の伝達方向に垂直な断面積Ｓに対応して変化する。したがって、本変形例も、フロントマス３３において、音響インピーダンスＺがバックマス３２より大きくなる。なお、素子ユニット３１の長手軸Ｃに垂直な断面積Ｓ０は、バックマス３２の断面積Ｓ２と同一である。このため、フロントマス３３では、超音波振動の伝達方向に垂直な断面積Ｓが、素子ユニット３１に対して拡大される。
　また、本変形例でも、長手方向についてのフロントマス３３の寸法ｌ１が、長手方向についてのバックマス３２の寸法ｌ２より小さくなる。したがって、本変形例でも、素子ユニット３１の素子中央位置Ｍからフロントマス３３の先端までの寸法（第１の装着寸法）Ｌ１は、素子中央位置Ｍからバックマス３２の基端までの寸法（第２の装着寸法）Ｌ２より、小さくなる。そして、本変形例でも、フロントマス３３において、音響インピーダンスＺがバックマス３２より大きくなることにより、第１の実施形態で前述した作用及び効果を奏する。すなわち、接続されるプローブ８の物性に対応して共振周波数Ｆｒが変化した場合でも、フロントマス３３と素子ユニット３１との境界Ｂ１での第１の変成比ε１のばらつき、及び、バックマス３２と素子ユニット３１との境界Ｂ２での第２の変成比ε２のばらつきが、小さくなる。
　ここで、第１の実施形態と同様に第１の距離比率ξ１、及び、振幅の第１の変成比ε１を定義する。また、フロントマス３３と素子ユニット３１との境界Ｂ１（素子ユニット３１の先端）での材料の物性（音響特性インピーダンスζ）の変化の振幅への影響を示す指標値を物性変成要素εａ１とし、フロントマス３３と素子ユニット３１との境界Ｂ１での断面積Ｓの変化の振幅への影響を示す指標値を断面積変成要素εｂ１とする。物性変成要素εａ１及び断面積変成要素εｂ１に基づいて、第１の変成比ε１が決定される。図１１は、第１の変形例での第１の距離比率ξ１に対する第１の変成比ε１、物性変成要素εａ１及び断面積変成要素εｂ１の関係を示す図である。図１１では、横軸に第１の距離比率ξ１を示し、縦軸に第１の変成比ε１、物性変成要素εａ１及び断面積変成要素εｂ１を示している。また、図１１では、第１の変成比ε１の変化を実線で、物性変成要素εａ１の変化を一点鎖線で、断面積変成要素εｂ１の変化を破線で示している。
　図１１に示すように、第１の距離比率ξ１が大きくなるにつれて、節位置（基準節位置）Ｎ１がフロントマス３３と素子ユニット３１との境界Ｂ１から離れ、第１の変成比ε１、物性変成要素εａ１及び断面積変成要素εｂ１は１に近くなる。ここで、フロントマス３３では素子ユニット３１に比べて音響特性インピーダンスζが小さくなるため、境界Ｂ１では、縦振動の振幅を拡大する状態に音響特性インピーダンスζ（材料の物性）が変化する。したがって、物性変成要素εａ１は、１より大きい値となる。このため、第１の距離比率ξ１が大きくなるにつれて、物性変成要素εａ１は減少する。一方、フロントマス３３では素子ユニット３１に比べて断面積Ｓが大きくなるため、境界Ｂ１では、縦振動の振幅を縮小する状態に断面積Ｓが変化する。したがって、断面積変成要素εｂ１は、１より小さい値となる。このため、第１の距離比率ξ１が大きくなるにつれて、断面積変成要素εｂ１は増加する。
　本変形例では、境界Ｂ１において、物性変成要素εａ１の振幅への影響が、断面積変成要素εｂ１の振幅への影響に比べて大きくなる。したがって、境界Ｂ１では、縦振動の振幅が拡大され、第１の変成比ε１は、１より大きくなる。このため、第１の距離比率ξ１が大きくなるにつれて、第１の変成比ε１は減少する。
　ここで、第１の実施形態と同様に、第１の距離比率ξ１の変化量に対する第１の変成比ε１の変化量の比率である変化量比率αを定義する。変化量比率αは、図１１の第１の変成比ε１の変化において傾きの絶対値を示している。本変形例では、フロントマス３３で素子ユニット３１より音響特性インピーダンスζが小さくなるのに対し、フロントマス３３で素子ユニット３１より断面積Ｓが大きくなる。このため、境界Ｂ１では、第１の距離比率ξ１が大きくなるにつれて減少する物性変成要素εａ１、及び、第１の距離比率ξ１が大きくなるにつれて増加する断面積変成要素εｂ１が、振幅の変化へ影響を与える。すなわち、図１１における変化特性が互いに対して反対の物性変成要素εａ１及び断面積変成要素εｂ１の影響を第１の変成比ε１が受ける。したがって、本変形例での第１の距離比率ξ１の変化量に対する第１の変成比ε１の変化量の変化量比率αは、小さくなる。
　前述のように、本変形例では、バックマス３２よりフロントマス３３で音響インピーダンスＺ（断面積Ｓ）を大きくすることにより、第１の距離比率ξ１の変化量に対する第１の変成比ε１の変化量の変化量比率αが小さくなる。したがって、接続されるプローブ８に対応して共振周波数Ｆｒが変化した場合でも、フロントマス３３と素子ユニット３１との境界Ｂ１での第１の変成比ε１のばらつきを小さくすることができる。
　また、第１の実施形態では、素子ユニット３１に６つ（偶数）の圧電素子３５Ａ～３５Ｆが設けられているが、第２の変形例として図１２に示すように、素子ユニット３１に５つ（奇数）の圧電素子３５Ａ～３５Ｅが設けられてもよい。本変形例では、長手方向について素子ユニット３１の中央位置である素子中央位置Ｍは、圧電素子３５Ｃの厚さ方向についての中央位置と一致する。本変形例では、圧電素子３５Ａ，３５Ｂが素子中央位置Ｍより先端方向側に位置し、圧電素子３５Ｄ，３５Ｅが素子中央位置Ｍより基端方向側に位置している。
　本変形例でも、フロントマス３３において、材料の音響特性インピーダンスζがバックマス３２より大きくなり、音響インピーダンスＺがバックマス３２より大きくなる。また、本変形例でも、長手方向についてのフロントマス３３の寸法ｌ１が、長手方向についてのバックマス３２の寸法ｌ２より小さくなる。したがって、本変形例でも、素子ユニット３１の素子中央位置Ｍからフロントマス３３の先端までの寸法（第１の装着寸法）Ｌ１は、素子中央位置Ｍからバックマス３２の基端までの寸法（第２の装着寸法）Ｌ２より、小さくなる。
　また、第１の実施形態及び第１の変形例を組み合わせて、フロントマス３３において、材料の音響特性インピーダンスζをバックマス３２より大きくするとともに、超音波振動の伝達方向に垂直な断面積Ｓをバックマス３２より大きくしてもよい。この場合も、第１の実施形態で前述した式（２）より、フロントマス３３では、音響インピーダンスＺがバックマス３２より大きくなる。
　また、超音波処置具２では、プローブ８の処置部１７に超音波振動が伝達されるとともに、処置部１７及びジョー７に高周波電力（高周波電気エネルギー）がエネルギー源ユニット１０から供給され、処置部１７及びジョー７を高周波電力の電極として機能させてもよい。処置部１７及びジョー７が電極として機能することにより、ジョー７と処置部１７との間で把持された処置対象に高周波電流が流れ、処置対象が変性され、凝固が促進される。この場合、棒状部材２３及びプローブ８を通して、処置部１７に高周波電力が供給されるが、棒状部材２３と圧電素子（３５Ａ～３５Ｆ）との間は、電気的に絶縁され、処置部１７に供給される高周波電力は、圧電素子（３５Ａ～３５Ｆ）に供給されない。ただし、この場合も、超音波振動を発生させる電流（交流電流）は、圧電素子（３５Ａ～３５Ｆ）に供給される。
　また、超音波処置具２には、ジョー７が設けられなくてもよい。この場合、例えば、シース６の先端から突出する処置部１７がフック状に形成される。フックに処置対象を引掛けた状態で、超音波振動によって処置部１７を振動させることにより、処置対象が切除される。
　前述の実施形態等（比較例を除く）では、振動発生ユニット（２２）は、素子ユニット（３１）を備え、素子ユニット（３１）は、電力が供給されることにより超音波振動を発生する圧電素子（３５Ａ～３５Ｆ；３５Ａ～３５Ｅ）を備える。素子ユニット（３１）には、基端方向側から基端側固定部材（３２）が当接するとともに、先端方向側から先端側固定部材（３３）が当接し、素子ユニット（３１）は、長手方向について基端側固定部材（３２）と先端側固定部材（３３）との間で挟まれている。素子ユニット（３１）で発生した超音波振動は、先端側固定部材（３３）を通して先端方向側に向かって伝達される。先端側固定部材（３３）では、基端側固定部材（３２）に比べて音響インピーダンス（Ｚ）が大きくなる。
　以上、本発明の実施形態等について説明したが、本発明は前述の実施形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形ができることは勿論である。

Claims (11)

  1. 　電力が供給されることにより超音波振動を発生する圧電素子を備えるとともに、基端及び先端を有し、前記基端から前記先端まで長手軸に沿って延設される素子ユニットと、
    　前記素子ユニットに基端方向側から当接する基端側固定部材と、
    　前記素子ユニットに先端方向側から当接し、前記長手軸に平行な長手方向について前記基端側固定部材との間で前記素子ユニットを挟むとともに、前記素子ユニットで発生した前記超音波振動を前記先端方向側に向かって伝達し、前記基端側固定部材に比べて音響インピーダンスが大きい先端側固定部材と、
    　を具備する、振動発生ユニット。
  2. 　前記圧電素子は、前記超音波振動を発生することにより、節位置の１つが前記素子ユニットに位置する所定の周波数範囲で前記素子ユニット、前記基端側固定部材及び前記先端側固定部材を振動させる、請求項１の振動発生ユニット。
  3. 　前記素子ユニット、前記基端側固定部材及び前記先端側固定部材が前記所定の周波数範囲で振動する状態において、前記素子ユニットに位置する節位置である基準節位置から前記先端方向側への振動の４分の１波長に相当する第１の長さは、前記基準節位置から前記基端方向側への前記振動の４分の１波長に相当する第２の長さより、小さい、請求項２の振動発生ユニット。
  4. 　前記所定の周波数範囲に含まれる所定の共振周波数で前記素子ユニット、前記基端側固定部材及び前記先端側固定部材が振動する状態において、前記長手方向について前記基準節位置と前記先端側固定部材の先端との間の寸法が前記第１の長さと一致するとともに、前記長手方向について前記基準節位置と前記基端側固定部材の基端との間の寸法が前記第２の長さと一致する、請求項３の振動発生ユニット。
  5. 　前記素子ユニット、前記基端側固定部材及び前記先端側固定部材が前記所定の周波数範囲で振動する状態において、振動の腹位置の中で最も基端方向側の最基端腹位置は、前記基端側固定部材の前記基端に位置する、請求項４の振動発生ユニット。
  6. 　前記長手方向について前記素子ユニットの前記先端と前記基端との間の中央位置を素子中央位置とした場合に、前記圧電素子は、前記長手方向について前記素子中央位置を中心として対称に配置されている、請求項２の振動発生ユニット。
  7. 　前記所定の周波数範囲に含まれる所定の共振周波数で前記素子ユニット、前記基端側固定部材及び前記先端側固定部材が振動する状態において、前記素子ユニットに位置する節位置である基準節位置は、前記素子中央位置と一致する、請求項６の振動発生ユニット。
  8. 　前記先端側固定部材は、前記基端側固定部材に比べて、密度及び音の伝播速度の少なくとも一方が大きい、請求項１の振動発生ユニット。
  9. 　前記先端側固定部材は、前記基端側固定部材に比べて、前記長手軸に垂直な断面積が大きい、請求項１の振動発生ユニット。
  10. 　請求項１の振動発生ユニットと、
    　先端部に処置部を備え、前記振動発生ユニットの前記先端方向側に連結されるとともに、前記素子ユニットで発生した前記超音波振動が前記先端側固定部材を通して伝達され、前記振動発生ユニットから伝達された前記超音波振動を前記処置部に向かって伝達するプローブと、
    　を具備する振動体ユニット。
  11. 　請求項１０の振動体ユニットと、
    　内部から前記プローブが前記先端方向側に向かって延設され、保持可能な保持ユニットと、
    　を具備する超音波処置具。
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