WO2016114290A1 - 振動体ユニットおよび超音波プローブ - Google Patents

振動体ユニットおよび超音波プローブ Download PDF

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WO2016114290A1
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ultrasonic
frequency
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山田　将志
英人 吉嶺
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オリンパス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a vibrating body unit and an ultrasonic probe that can be applied to an ultrasonic treatment instrument used in a surgical operation or the like.
  • An ultrasonic treatment tool for treating a subject by ultrasonic vibration is known (see, for example, Patent Document 1).
  • This type of treatment instrument includes a vibration generation unit (transducer) that generates ultrasonic vibrations, and an ultrasonic probe that is replaceably attached to the vibration generation unit.
  • the energy of the ultrasonic vibration is transmitted through the ultrasonic probe, and is converted into thermal energy at the portion (tip portion) where the ultrasonic probe contacts the subject.
  • Ultrasonic probes are in direct contact with the subject and are frequently replaced. That is, the vibration generating unit is a reuse product, whereas the ultrasonic probe is a disposable product.
  • the material of the ultrasonic probe is a metal material such as titanium, duralumin, or stainless steel. Since physical properties such as Young's modulus of metal materials are likely to vary during the manufacturing process, the physical properties of the ultrasonic probe are likely to vary from individual to individual. When the physical properties of the ultrasonic probe change, even if the current supplied to the vibration generating unit is the same (that is, the frequency of the current output to the vibration generating unit is the same), the vibration frequency of the entire vibrating body varies. . That is, when the ultrasonic probe is replaced, the vibration frequency of the vibration in the vibrating body of the ultrasonic treatment instrument changes.
  • the amplitude expansion rate (metamorphic ratio) from the vibration source to the treatment part (tip part) also changes. If the variation in the amplitude enlargement rate becomes significant, the vibration speed at the tip portion falls outside the allowable range, and design performance cannot be obtained. Therefore, it is desirable that the resonance frequency of the ultrasonic probe be uniform.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a vibrating body unit in which variation in vibration speed at the distal end portion (site to be treated) is within an allowable range even if the vibration frequency of the vibrating body varies. It is to provide an ultrasonic probe.
  • a vibrating body unit includes a vibration generating unit that generates ultrasonic vibrations that change in amplitude with a predetermined correlation with frequency, a proximal end, and a distal end.
  • the vibration generating unit is attached to the base end side, and at least one vibration transmitting unit that transmits the ultrasonic vibration to the distal end side in the longitudinal axis direction is provided in the vibration transmitting unit, and the amplitude of the ultrasonic vibration And a first amplitude magnifying unit having a correlation opposite to the predetermined correlation with respect to the frequency.
  • Another aspect of the present invention is an ultrasonic probe that is detachably connected to a vibration generating unit including a vibration generating unit that generates an ultrasonic vibration whose amplitude changes with a predetermined correlation with respect to a frequency.
  • a vibration transmitting member having a distal end and a proximal end, and transmitting the ultrasonic vibration transmitted from the vibration generating unit to the proximal end in the longitudinal axis direction to the distal end side; and the vibration transmitting member,
  • the amplitude expansion unit includes an amplitude expansion unit that expands the amplitude of the ultrasonic vibration in the transmission direction of the ultrasonic vibration with an amplitude expansion rate, and the amplitude expansion rate has a correlation opposite to the predetermined correlation with respect to the frequency.
  • the present invention it is possible to provide a vibrating body unit and an ultrasonic probe in which variation in vibration speed at the distal end portion (site to be treated) is within an allowable range even if the vibration frequency varies.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an ultrasonic treatment system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of the vibrator unit according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of a vibration generating unit according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of the ultrasonic probe unit according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of a positional relationship between the vibration node and the horn in the comparative example.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of the positional relationship between the vibration node and the horn in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a tendency of change in the amplitude expansion rate at the horn and a tendency of change in the amplitude (vibration speed) at the vibration generating unit with respect to the resonance frequency (Fr) under the conditions shown in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing a change tendency of the amplitude expansion rate at the horn and a change tendency of the amplitude (vibration speed) at the vibration generating unit with respect to the resonance frequency (Fr) under the conditions shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the relationship of the vibration speed at the back mass to the resonance frequency in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the resonance frequency and the amplitude enlargement ratio (transformation ratio) of the horn in the comparative example and the first example.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the vibration speed at the tip of the vibration transmitting member with respect to the resonance frequency in the comparative example and the first example.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating an example of an ultrasonic probe unit according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating an example of a positional relationship between a vibration node and a horn in a modification of the first embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic diagram illustrating an example of the positional relationship between the vibration node and the horn in the second embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of the relationship between the horn and the vibration node according to the third embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram showing a state in which the vibration frequency is lowered from the state shown in FIG.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a state in which the vibration frequency is increased from the state illustrated in FIG. 15.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing an example of an ultrasonic probe in the fourth embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an ultrasonic system according to the embodiment.
  • the ultrasonic treatment system 1 includes an ultrasonic treatment tool 2.
  • the ultrasonic treatment instrument 2 has a longitudinal axis C.
  • the direction parallel to the longitudinal axis C is defined as the longitudinal axis direction.
  • one side in the longitudinal axis direction is the distal end side (arrow C1 side in FIG. 1), and the side opposite to the distal end side is the proximal end side (arrow C2 side in FIG. 1).
  • the ultrasonic treatment instrument 2 includes a vibrator unit 3, a holding unit 5 that can be held by an operator, a sheath 6, a jaw (gripping member) 7, an ultrasonic probe (tip-side vibration transmission member) 8, Is provided.
  • the holding unit 5 includes a case main body 11, a fixed handle 12, and a movable handle 13.
  • the case main body 11 extends along the longitudinal axis C.
  • the fixed handle 12 extends from the case body 11 in a certain direction intersecting the longitudinal axis C.
  • the movable handle 13 that is an opening / closing operation input unit is rotatably attached to the case body 11.
  • the movable handle 13 rotates with respect to the case main body 11, the movable handle 13 opens or closes with respect to the fixed handle 12.
  • a rotation operation knob 15 that is a rotation operation input unit is connected to the front end 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 provided on the case body 11, preferably near the movable handle 13.
  • the sheath 6 is connected to the holding unit 5 in a state of being inserted into the inside of the rotation operation knob 15 and the inside of the case main body 11 from the front end side.
  • the jaw 7 is rotatably attached to the distal end portion of the sheath 6.
  • the ultrasonic probe 8 extends from the inside of the case main body 11 through the inside of the sheath 6 toward the distal end side.
  • the ultrasonic probe (vibration transmission member main body) 8 extends along the longitudinal axis C from the proximal end to the distal end.
  • the central axis of the ultrasonic probe 8 coincides with the longitudinal axis C.
  • a treatment portion 17 is provided at the distal end portion of the ultrasonic probe 8. The ultrasonic probe 8 is inserted into the sheath 6 with the treatment portion 17 protruding from the distal end of the sheath 6 toward the distal end side.
  • a movable portion (not shown) provided inside 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 ultrasonic probe 8.
  • the sheath 6, the jaw 7 and the ultrasonic 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.
  • the vibrator unit 3 includes a vibrator case 21 that forms the 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 base end side.
  • the transducer case 21 is detachably connected to the sheath 6 inside the case body 11.
  • One end of a cable 18 is connected to the vibrator case 21.
  • 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 (power supply device), and includes a power supply, an AC conversion circuit (none of which are shown), and the like.
  • the energy source unit 10 includes a control unit (not shown) that controls output of electric power (electric energy).
  • the control unit includes a storage unit (not shown) such as a memory, and a processor including a CPU (Central Processing Unit) or an ASIC (application specific integrated circuit).
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the vibrator unit 3. This will be described in more detail with reference to FIGS.
  • a vibration generating unit (ultrasonic transducer) 22 is provided inside the vibrator case 21 of the vibrator unit 3.
  • the vibration generating unit 22 is supported by the vibrator case 21.
  • the vibration generating unit 22 includes a front mass (base end side vibration transmission member) 23.
  • the central axis of the front mass (transmission member) 23 coincides with the longitudinal axis C, and the front mass 23 extends from the proximal end to the distal end along the longitudinal axis C.
  • the distal end of the front mass 23 is detachably connected to the proximal end of the ultrasonic probe 8 inside the case body 11.
  • the ultrasonic probe 8 is coupled to the distal end side of the vibration generating unit 22.
  • the vibration generating unit 22 connected to the ultrasonic probe 8 is integrated with the ultrasonic probe 8 and is rotatable about the longitudinal axis C with respect to the case main body 11.
  • the front mass 23 has a horn (cross-sectional area reducing portion) 25.
  • the cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis C of the front mass 23 decreases as it goes toward the tip side.
  • the element mounting portion 26 is provided on the base end side with respect to the horn 25 of the front mass 23.
  • the element unit 31 (vibration generating unit) and the back mass 32 are mounted on the element mounting unit 26.
  • the back mass 32 is a proximal end side fixing member.
  • the front mass 23 is a tip side fixing member.
  • the element unit 31 and the back mass 32 are formed in a ring shape having the longitudinal axis C as a central axis.
  • the element mounting portion 26 of the front mass 23 is inserted through the element unit 31 and the back mass 32 in this order, whereby the element unit 31 and the back mass 32 are mounted on the element mounting 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 axis of the element unit 31 coincides with the longitudinal axis C.
  • the back mass 32 abuts on the base end of the element unit 31, and the front mass 23 abuts on the tip of the element unit 31. That is, the back mass 32 abuts on the element unit 31 from the proximal end side, and the front mass 23 abuts on the element unit 31 from the distal end side. Therefore, 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) 23 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.
  • the piezoelectric elements 35 ⁇ / b> A, 35 ⁇ / b> B, 35 ⁇ / b> C, 35 ⁇ / b> D, 35 ⁇ / b> E, and 35 ⁇ / b> F are arranged in this order along the longitudinal axis direction of the vibration generating unit 22 from the distal end side to the proximal end side of the element unit 31.
  • Each of the piezoelectric elements 35A to 35F is sandwiched between the first electrode member 36 and the second electrode member 37.
  • the first electrode member 36 is connected to one end of the electrical wiring portion 38A.
  • the second electrode member 37 is connected to one end of the electrical wiring portion 38B.
  • the electrical wiring portions 38 ⁇ / b> A and 38 ⁇ / b> B are extended through the inside of the cable 18.
  • the other end of the electrical wiring portion 38A and the other end of the electrical wiring portion 38B are electrically connected to the power source of the energy source unit 10 and an AC conversion circuit (both not shown).
  • the holding unit 5 includes a switch unit (not shown) therein.
  • 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 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 control unit detects an input of energy operation with the energy operation button 16 by detecting the open / closed state of the switch unit.
  • the energy source unit 10 When an energy operation input is detected, the energy source unit 10 outputs electric power (AC power). Then, a voltage is applied between the first electrode member 36 and the second electrode member 37, and driving power (vibration generating electric energy) is supplied to each of the piezoelectric elements 35A to 35F. As a result, the piezoelectric elements 35A to 35F generate ultrasonic vibrations.
  • This ultrasonic vibration is transmitted from the element unit 31 to the distal end side through the front mass 23 and is transmitted to the ultrasonic probe 8. At this time, the horn 25 increases the amplitude of vibration.
  • the ratio of output amplitude to input amplitude is the amplitude expansion rate.
  • the input amplitude to the horn 25 is the amplitude on the proximal end side of the horn 25, and the output amplitude is the amplitude on the distal end side of the horn 25.
  • the amplitude enlargement factor is closely correlated with the vibration frequency (resonance frequency Fr).
  • the characteristic that the amplitude expansion rate increases with the increase of the vibration frequency is referred to as a positive correlation.
  • the characteristic that the amplitude expansion rate decreases as the vibration frequency increases is referred to as negative correlation.
  • the ultrasonic vibration that has reached the ultrasonic probe 8 is transmitted to the treatment section 17 through the ultrasonic probe 8.
  • the vibration energy is converted into thermal energy, and a surgical treatment such as a treatment of performing an incision simultaneously with coagulation can be performed.
  • the ultrasonic probe 8 (vibrating body unit) 20 is formed by connecting the ultrasonic probe 8 to the vibration generating unit 22. In a state where the ultrasonic vibration is transmitted toward the treatment portion 17, the ultrasonic probe unit 20 vibrates parallel to the longitudinal axis C (longitudinal axis direction).
  • the proximal end of the back mass 32 (the proximal end of the front mass 23) is the proximal end of the ultrasonic probe unit 20
  • the distal end of the ultrasonic probe 8 is the distal end of the ultrasonic probe unit 20.
  • the ultrasonic probe 8 and a part of the front mass 23 form a vibration transmission unit.
  • the vibration transmission unit transmits the ultrasonic vibration generated by the piezoelectric elements 35A to 35F in the longitudinal axis direction from the proximal end side to the distal end side.
  • the ultrasonic probe 8 in the ultrasonic probe unit (vibrating body unit) 20, the ultrasonic probe 8 can be separated from the vibration generating unit 22.
  • the present invention is not limited to this.
  • the vibration transmitting unit in the ultrasonic probe unit (vibrating body unit) 20, the vibration transmitting unit (the ultrasonic probe 8 and the front mass 23) are integrally formed without the ultrasonic probe 8 and the vibration generating unit 22 being separated from each other. May be.
  • a plurality of embodiments of the present invention will be described based on the above configuration.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of the ultrasonic probe unit according to the first embodiment.
  • Reference numeral (1) in FIG. 4 denotes a vibration generating portion formed from a part of the front mass 23, the element unit 31 and the back mass 32.
  • the vibration transmitting portion (2) is provided on the tip side of the vibration generating portion.
  • the vibration transmission unit (2) includes a horn (3).
  • the vibration transmission part (2) is formed from the part other than the part forming the vibration generation part (1) in the front mass 23 and the ultrasonic probe 8.
  • the position where the vibration generating unit 22 (front mass 23) is supported by the vibrator case 21 is a boundary between the vibration generating unit (1) and the vibration transmitting unit (2) in the longitudinal axis direction. It becomes the front-end
  • the horn (3) has an amplitude expansion ratio, and expands the amplitude of the ultrasonic vibration transmitted from the vibration input end and outputs it from the vibration output end. It is known that the correlation between the amplitude expansion rate and the vibration frequency changes depending on the mutual positional relationship between the node of the ultrasonic vibration (vibration node) and the horn. This will be described in detail below.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the positional relationship between the vibration node and the horn in the comparative example.
  • the vibration generating part (1), the vibration transmitting part (2), and the horn (3) are provided as in the present example.
  • one of the vibration nodes of the ultrasonic vibration is generated at the tip of the vibration generating unit (1), and the vibration node adjacent to this vibration node is generated at the vibration input end of the horn (3).
  • the tendency of the frequency and amplitude changes in the vibration generating part (1) of the BLT (Bolt-clamped Langevin type Transducer) and the change in the frequency and amplitude expansion rate in the horn (3) The trend is the same.
  • the correlation between the frequency (resonance frequency Fr) and the change in the amplitude (vibration speed) at the vibration generating unit (1) has the same tendency as the correlation between the frequency and the amplitude expansion rate at the horn (3).
  • the vibration node generated at the vibration input end of the horn (3) is positioned on the tip side by approximately half a wavelength of the ultrasonic vibration from the vibration node generated at the tip of the vibration generating unit (1).
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of the positional relationship between the vibration node and the horn in the first embodiment.
  • one of the vibration nodes of the ultrasonic vibration is generated at the tip of the vibration generating portion (1), but the vibration node adjacent to this vibration node is different from FIG. 5 (comparative example), It is shown that it occurs at the vibration output end of the horn (3).
  • the tendency of changes in the frequency and amplitude in the vibration generator (1) and the tendency of changes in the frequency and amplitude magnification in the horn (3) are reversed.
  • the correlation between the frequency (resonance frequency Fr) and the change in the amplitude (vibration speed) at the vibration generator (1) tends to be opposite to the correlation between the frequency and the amplitude enlargement ratio at the horn (3). Therefore, when viewed from the whole vibration system, the correlation between the two functions to cancel each other.
  • the vibration node generated at the vibration output end of the horn (3) exceeds the vibration node generated at the tip of the vibration generation unit (1) (in this embodiment, the position where the front mass 23 is supported by the vibrator case 21). It is located on the tip side by approximately half the wavelength of the sonic vibration.
  • FIG. 7 shows the tendency of change in the amplitude enlargement ratio at the horn (3) with respect to the resonance frequency (Fr) under the conditions shown in FIG. 5 (comparative example) and the amplitude (vibration speed) at the vibration generating section (1). It is a figure which shows the tendency of a change.
  • the amplitude expansion rate (solid line) of the horn (3) shows the same tendency as the amplitude (dotted line) of the vibration generating unit (1). That is, since both show a negative correlation with respect to the frequency, when these are combined, the slope of the correlation with respect to the frequency is further increased. Therefore, in the comparative example, the vibration speed at the tip of the ultrasonic probe 8 changes sensitively with respect to the change of the vibration frequency (resonance frequency Fr), which is not preferable.
  • the vibration speed at the tip of the ultrasonic probe 8 is within a stable range even if the vibration frequency changes.
  • the vibration speed at the vibration generation start point decreases as the frequency (resonance frequency Fr) increases.
  • the vibration is transmitted through a horn having an amplitude magnification (transformation ratio) having a negative correlation with the frequency as shown by a dotted line in FIG.
  • the vibration speed at the tip of the vibration transmitting member changes sharply with respect to the change in frequency (resonance frequency Fr).
  • the horn of the vibration transmitting member has a correlation opposite to that of the existing horn.
  • the change in the vibration speed at the tip of the vibration transmitting member with respect to the change in the frequency (resonance frequency Fr) can be kept in a narrower range.
  • the correlation between the amplitude of the vibration generating unit (1) and the vibration frequency of the horn (3) of the vibration transmitting unit (2) is opposite to the correlation between the vibration frequency and the vibration frequency. I tried to become.
  • This is realized by appropriately controlling the generation position of the vibration node. That is, in this embodiment, when one of the vibration nodes of the ultrasonic vibration is generated at the tip of the vibration generating unit (1) (a position where the front mass is supported), the vibration node adjacent to the vibration node is the vibration transmitting unit (2 The position at which each horn (3) is formed is set so as to occur at the vibration output end of the horn (3) provided in ().
  • This embodiment can be modified as follows.
  • the correlation between the change in the amplitude (vibration speed) in the vibration generation unit with respect to the frequency is a horn whose correlation with the change in the amplitude expansion ratio with respect to the frequency tends to be reversed.
  • One or a plurality of correlations may be provided so that the slope of the correlation approaches flat (zero) as a whole.
  • FIG. 12 is a schematic view showing an example of an ultrasonic probe unit according to a modification in the case where a plurality of horns are provided.
  • An ultrasonic probe unit is configured by attaching a vibration transmitting member to a BLT (Bolt-clamped Langevin type Transducer) as the vibration generating unit 22.
  • BLT Bolt-clamped Langevin type Transducer
  • a probe is connected to the distal end side of the BLT, and the frequency characteristic in the vibration system is changed corresponding to the connected probe.
  • Reference numeral (1) ′ in FIG. 12 denotes a vibration generating unit formed from a part of the front mass 23, the element unit 31 and the back mass 32.
  • Horns (2) ′, (4) ′ and (5) ′ can be formed in this order.
  • the tip of the vibration generating part (1) ′ is continuous with the base end (vibration input end) of the horn (2) ′, and the vibration generating unit 22 (front mass 23) is supported by the vibrator case 21. This position becomes the boundary between the vibration generating part (1) ′ and the horn (2) ′ in the longitudinal axis direction.
  • BLT is provided with one horn (2) '.
  • the horn (2) ′ corresponds to, for example, the horn 25 described above (see FIGS.
  • the vibration transmitting member includes a main body formed in a rod shape and a plurality of horns (4) ′ and (5) ′ as amplitude expanding portions formed in the main body.
  • Each of the horns (2) ′, (4) ′, (5) ′ has an amplitude expansion rate, and expands the amplitude of the ultrasonic vibration transmitted from the vibration input end and outputs it from the vibration output end. It is known that the correlation between the amplitude expansion rate and the vibration frequency changes depending on the mutual positional relationship between the node of the ultrasonic vibration (vibration node) and the horn. This will be described in detail below.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an example of the positional relationship between the vibration node and the horn in the present modification.
  • one of the vibration nodes of the ultrasonic vibration is generated at the vibration input end of the BLT horn (for example, (2) ′ in FIG. 12).
  • the vibration node adjacent to this vibration node is the vibration transmitting member. It is shown that it occurs at the vibration output end of the horn (for example, (4) ′ in FIG. 12).
  • the tendency of changes in frequency and amplitude in the vibration generator (1) ′ of the BLT, and the frequency and amplitude expansion rate in at least one of the horns of (2) ′, (4) ′, and (5) ′ The trend of change is reversed.
  • the correlation between the frequency and the change in amplitude and the correlation between the frequency and the amplitude enlargement ratio are reversed, the correlation between the two functions to cancel each other when viewed from the whole vibration system.
  • the amplitude expansion rate of the horn of (2) ′ is negatively correlated with the frequency
  • the amplitude expansion rate of the horn of (4) ′ is negatively correlated with the frequency
  • the horn of the horn of (5) ′ may be positively correlated with the frequency.
  • the amplitude expansion rate of the horn of (2) ′ is positively correlated with the frequency
  • the amplitude expansion rate of the horn of (4) ′ is negatively correlated with the frequency
  • the horn of the horn of (5) ′ may be positively correlated with the frequency.
  • the vibration node generated at the vibration output end of the horn of the vibration transmitting member is positioned on the tip side by approximately half a wavelength of the ultrasonic vibration from the vibration node generated at the vibration input end of the BLT horn.
  • the correlation with respect to the vibration speed frequency at the vibration generating portion (1) ′ of the BLT is a negative correlation, but with respect to the frequency of vibration speed at the vibration generating portion (1) ′ of the BLT.
  • the correlation is a positive correlation
  • the amplitude expansion rate at any of the horns of (2) ′, (4) ′, and (5) ′ is negative with respect to the frequency as in the above-described operation.
  • the inclination of the correlation of the vibration velocity at the tip of the vibration transmitting member with respect to the frequency can be made closer to flat (zero) as a whole.
  • the number of horns is not limited to three.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing an example of the positional relationship between the vibration node and the horn in the second embodiment.
  • FIG. 14 shows that one of the vibration nodes of the ultrasonic vibration is generated at the vibration output end of the BLT horn, and a vibration node adjacent to the vibration node is generated at the vibration input end of the horn of the vibration transmitting member. .
  • the BLT horn and the vibration transmitting member horn are in the opposite relation to the example of FIG.
  • the vibration node generated at the vibration input end of the horn of the vibration transmitting member is located on the tip side by a half wavelength of the ultrasonic vibration from the vibration node generated at the vibration output end of the BLT horn.
  • the amplitude expansion rate of the BLT horn shows a positive correlation with the frequency
  • the amplitude expansion rate of the horn of the vibration transmitting member shows a negative correlation with the frequency.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of the relationship between the horn and the vibration node according to the third embodiment.
  • the horn generally has a tapered structure in which the diameter becomes smaller from the vibration input end toward the vibration output end. And there exists a point where the amplitude expansion rate becomes maximum between the vibration input end and the vibration output end. This point is referred to as the maximum amplitude magnification factor.
  • the maximum amplitude magnification factor When determining the maximum point of the amplitude expansion rate, the position on the base end side by a quarter wavelength from each of all the positions of the horn in the direction parallel to the longitudinal axis C (longitudinal axis direction).
  • the amplitude expansion rate of the vibration amplitude at the position on the tip side by a quarter wavelength from the position of the vibration amplitude at is calculated. Then, the position where the amplitude expansion rate calculated in the horn is maximized is determined as the maximum amplitude expansion rate point.
  • the vibration node is located on the tip side of the maximum amplitude magnification factor in the horn of the vibration generating unit (for example, horn (2) ′ in FIG. 12).
  • the vibration node is positioned on the base end side (back mass side) from the maximum point of the amplitude magnification rate. Adjust the dimensions of each part.
  • the vibration frequency in the entire vibration system is lower than the design time due to the physical properties of the vibration transmitting member attached to the vibration generating unit. Then, since the wavelength of vibration becomes longer, the vibration node moves to the tip side (in the direction of the arrow in the figure) as a whole as shown in FIG. That is, in the horn of the vibration generating unit, the vibration node moves away from the maximum amplitude magnification rate point, whereas in the horn of the ultrasonic probe (vibration transmission member), the vibration node moves so as to approach the maximum amplitude magnification rate point.
  • the fluctuation of the amplitude magnification ratio acts so as to cancel each other with the two horns, so that the fluctuation of the amplitude magnification ratio is suppressed as a whole, and the change in the vibration speed at the tip is also suppressed.
  • the vibration frequency in the entire vibration system has increased from the design time due to the physical properties of the vibration transmitting member attached to the vibration generating unit.
  • the vibration wavelength is shortened, so that the vibration node moves to the base end side (in the direction of the arrow in the figure) as a whole as shown in FIG. That is, in the horn of the vibration generating unit, the vibration node approaches the maximum amplitude magnification rate point, whereas in the ultrasonic probe horn, the vibration node moves away from the maximum amplitude magnification rate point.
  • the fluctuation of the amplitude magnification ratio acts so as to cancel each other with the two horns, so that the fluctuation of the amplitude magnification ratio is suppressed as a whole, and the change in the vibration speed at the tip is also suppressed.
  • the amplitude is expanded by a tapered horn.
  • the amplitude magnification is generally proportional to the ratio between the maximum cross-sectional area and the minimum cross-sectional area of the horn. Therefore, the larger the amplitude enlargement ratio is, the smaller the diameter reaching the tip is, and the strength is reduced. Therefore, in the fourth embodiment, the amplitude expanding action is obtained by joining materials having different acoustic impedances (acoustic characteristic impedances) at the vibration nodes.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing an example of an ultrasonic probe in the fourth embodiment.
  • the first material and the second material are joined at the position of the vibration node.
  • the acoustic impedance of the second material is made lower than the acoustic impedance of the first material. If the density of the material is ⁇ , the speed of sound is c, and the cross-sectional area is S, the acoustic impedance is ⁇ cS. Therefore, for example, a material that is lighter than the first material may be used for the second material.
  • the amplitude of ultrasonic vibration transmitted from the base end side is amplified by the discontinuity of acoustic impedance at the junction between the first material and the second material, and the tip side (arrow C1 side) ). Therefore, it is possible to obtain an amplitude expansion effect at the junction between the first material and the second material without having to change the thickness of the vibration transmitting member. As a result, the same effects as those of the first to third embodiments can be obtained.
  • the technical idea of the fourth embodiment can be combined with the first to third embodiments.

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Abstract

　振動体ユニットは、振動発生部と、振動伝達部と、第１の振幅拡大部とを備える。振動発生部は、周波数に対して所定の相関を持って振幅が変化する超音波振動を発生する。振動伝達部は、基端及び先端を有し、基端側に振動発生部が取付けられるとともに、超音波振動を長手軸方向について先端側へと伝達する。第１の振幅拡大部は、振動伝達部に少なくとも１つ設けられ、超音波振動の振幅を超音波振動の伝達向きに第１の振幅拡大率で拡大するとともに、第１の振幅拡大率は前記周波数に対して前記相関とは逆の相関を有する。

Description

振動体ユニットおよび超音波プローブ
　この発明は、外科手術などに用いられる超音波処置具に適用可能な振動体ユニットおよび超音波プローブに関する。
　超音波振動により被検体を処置する超音波処置具が知られている（例えば特許文献１を参照）。この種の処置具は、超音波振動を発生させる振動発生ユニット（トランスデューサ）と、振動発生ユニットに交換可能に取り付けられる超音波プローブと、を備える。超音波振動のエネルギーは超音波プローブを伝わり、超音波プローブが被検体に接触する部分（先端部）で熱エネルギーに変換される。
　超音波プローブは被検体に直接接触するので、度々交換される。つまり振動発生ユニットがリユース品であるのに対し、超音波プローブはディスポーザブル品である。
特開２００８－２８９８７６号公報
　超音波プローブの材質は、例えばチタン、ジュラルミン、あるいはステンレス等の金属材料である。金属材料のヤング率等の物性は製造工程で変動しやすいので、超音波プローブの物性は個体ごとにばらつきやすい。超音波プローブの物性が変わると振動発生ユニットに供給される電流が同じでも（すなわち、振動発生ユニットへ出力される電流の周波数が同じであっても）、振動体全体での振動周波数が変動する。つまり超音波プローブを取り換えると超音波処置具の振動体における振動の振動周波数が変化する。
　振動周波数が変化すると振動源から処置部（先端部）に至るまでの振幅拡大率（変成比）も変化する。振幅拡大率のばらつきが甚だしくなると先端部における振動速度が許容範囲から外れ設計上の性能を得られなくなるので、超音波プローブの共振周波数は均一であることが望ましい。
　しかしながら超音波プローブの物性のばらつきを小さくし、振動体の共振周波数（振動周波数）を個体によらず一定の範囲に納めることは、大変難しい。条件を厳しくしすぎると製品の歩留まりにも影響する。超音波プローブを含む振動体での共振周波数が変動することを或る程度許容しつつ、先端部における振動速度のばらつきを許容範囲にする技術が要望されている。
　この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、振動体での振動周波数が変動しても先端部（処置する部位）における振動速度のばらつきが許容範囲になるようにした振動体ユニットおよび超音波プローブを提供することにある。
　前記目的を達成するため、本発明のある態様の振動体ユニットは、周波数に対して所定の相関を持って振幅が変化する超音波振動を発生する振動発生部と、基端及び先端を有し、基端側に前記振動発生部が取付けられるとともに、前記超音波振動を長手軸方向について先端側へ伝達する振動伝達部と、前記振動伝達部に少なくとも１つ設けられ、前記超音波振動の振幅を前記超音波振動の伝達向きに第１の振幅拡大率で拡大するとともに、前記第１の振幅拡大率は前記周波数に対して前記所定の相関と逆の相関を有する第１の振幅拡大部と、を備える。
　本発明の別のある態様は、周波数に対して所定の相関を持って振幅が変化する超音波振動を発生する振動発生部を備える振動発生ユニットに分離可能に接続される超音波プローブであって、先端及び基端を有し、前記振動発生ユニットから前記基端に伝達された前記超音波振動を長手軸方向について先端側へ伝達する振動伝達部材と、前記振動伝達部材に設けられ、前記超音波振動の振幅を前記超音波振動の伝達向きに振幅拡大率で拡大するとともに、前記振幅拡大率は前記周波数に対して前記所定の相関と逆の相関を有する振幅拡大部と、を備える。
　本発明によれば、振動周波数が変動しても先端部（処置する部位）における振動速度のばらつきが許容範囲になるようにした振動体ユニットおよび超音波プローブを提供することができる。
図１は、実施形態に係る超音波処置システムの一例を示す概略図である。 図２は、実施形態に係る振動子ユニットの一例を概略的に示す断面図である。 図３は、実施形態に係る振動発生ユニットの一例を示す概略図である。 図４は、第１の実施例に係る超音波プローブユニットの一例を示す概略図である。 図５は、比較例における、振動節とホーンとの位置関係の一例を示す模式図である。 図６は、第１の実施例における、振動節とホーンとの位置関係の一例を示す模式図である。 図７は、図５に示される条件下における共振周波数（Ｆｒ）に対するホーンでの振幅拡大率の変化の傾向及び振動発生部での振幅（振動速度）の変化の傾向を示す図である。 図８は、図６に示される条件下における共振周波数（Ｆｒ）に対するホーンでの振幅拡大率の変化の傾向及び振動発生部での振幅（振動速度）の変化の傾向を示す図である。 図９は、第１の実施例における共振周波数に対するバックマスでの振動速度の関係の一例を示す図である。 図１０は、共振周波数に対するホーンの振幅拡大率（変成比）の関係を、比較例と第１の実施例とで比較して示す図である。 図１１は、共振周波数に対する振動伝達部材先端での振動速度の関係を、比較例と第１の実施例とで比較して示す図である。 図１２は、第１の実施例の変形例に係る超音波プローブユニットの一例を示す概略図である。 図１３は、第１の実施例の変形例における振動節とホーンとの位置関係の一例を示す模式図である。 図１４は、第２の実施例における振動節とホーンとの位置関係の一例を示す模式図である。 図１５は、第３の実施例に係るホーンと振動節との関係の一例を示す図である。 図１６は、図１５に示される状態から振動周波数が低下した状態を示す図である。 図１７は、図１５に示される状態から振動周波数が増加した状態を示す図である。 図１８は、第４の実施例における超音波プローブの一例を模式的に示す断面図である。
　図１は、実施形態に係る超音波システムの一例を示す概略図である。図１に示されるように、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。以下の説明では長手軸Ｃに平行な方向を長手軸方向とする。また、長手軸方向の一方側が先端側（図１の矢印Ｃ１側）であり、先端側とは反対側が基端側（図１の矢印Ｃ２側）である。
　超音波処置具２は、振動子ユニット３と、術者等により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、超音波プローブ（先端側振動伝達部材）８と、を備える。保持ユニット５は、ケース本体部１１と、固定ハンドル１２と、可動ハンドル１３と、を備える。ケース本体部１１は、長手軸Ｃに沿って延設される。固定ハンドル１２は、長手軸Ｃに対して交差する或る１つの方向に向かってケース本体部１１から延設される。
　開閉操作入力部である可動ハンドル１３は、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、または閉じる。
　ケース本体部１１の先端側には、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、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、ケース本体部１１の、好ましくは可動ハンドル１３の近くに設けられる。
　シース６は、回転操作ノブ１５の内部及びケース本体部１１の内部に先端側から挿入された状態で、保持ユニット５に連結される。ジョー７は、シース６の先端部に回動可能に取付けられる。超音波プローブ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側に向かって延設される。
　実施形態において、超音波プローブ（振動伝達部材本体）８は基端から先端まで長手軸Ｃに沿って延設される。なお超音波プローブ８の中心軸は長手軸Ｃに一致する。超音波プローブ８の先端部に、処置部１７が設けられる。超音波プローブ８は、処置部１７がシース６の先端から先端側に向け突出する状態で、シース６に挿通される。
　可動ハンドル１３を固定ハンドル１２に対して開動作、または閉動作させることによりシース６の内部に設けられる可動部（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、超音波プローブ８の処置部１７に対して開動作、または閉動作する。シース６、ジョー７及び超音波プローブ８は、回転操作ノブ１５と一体に、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。
　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に連結される。振動子ケース２１は、ケース本体部１１の内部でシース６に分離可能に連結される。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に着脱可能に接続される。
　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（電源装置）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。エネルギー源ユニット１０は、電力（電気エネルギー）の出力を制御する制御部（図示しない）を備える。制御部は、メモリ等の記憶部（図示しない）や、ＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）等を含むプロセッサを備える。
　図２は、振動子ユニット３の構成を示す図である。図１および図２を参照してさらに詳しく説明する。振動子ユニット３の振動子ケース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が設けられる。振動発生ユニット２２は、振動子ケース２１により支持される。振動発生ユニット２２は、フロントマス（基端側振動伝達部材）２３を備える。実施形態では、フロントマス（伝達部材）２３の中心軸が長手軸Ｃと一致し、フロントマス２３は基端から先端まで長手軸Ｃに沿って延設される。
　フロントマス２３の先端は、ケース本体部１１の内部で超音波プローブ８の基端に分離可能に接続される。フロントマス２３が超音波プローブ８に接続されることで、振動発生ユニット２２の先端側に超音波プローブ８が連結される。超音波プローブ８に連結された振動発生ユニット２２は、超音波プローブ８と一体となって、ケース本体部１１に対して長手軸Ｃを中心に回転可能である。
　フロントマス２３は、ホーン（断面積減少部）２５を有する。ホーン２５において、フロントマス２３の長手軸Ｃに垂直な断面積は、先端側へ向かうにつれ減少する。さらに、素子装着部２６が、フロントマス２３のホーン２５よりも基端側に設けられる。
　振動発生ユニット２２において、素子ユニット３１（振動発生部）およびバックマス３２が素子装着部２６に装着される。バックマス３２は基端側固定部材である。フロントマス２３は先端側固定部材である。素子ユニット３１およびバックマス３２は、長手軸Ｃを中心軸とするリング状に形成される。フロントマス２３の素子装着部２６が素子ユニット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およびバックマス３２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に沿って延設される。本実施形態では、素子ユニット３１の軸は長手軸Ｃに一致する。素子ユニット３１の基端にバックマス３２が当接し、素子ユニット３１の先端にフロントマス２３が当接する。すなわち、バックマス３２は基端側から素子ユニット３１に当接し、フロントマス２３は先端側から素子ユニット３１に当接する。よって素子ユニット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）２３との間に挟まれる。
　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に示されるように、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。圧電素子３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ、３５Ｅおよび３５Ｆは、素子ユニット３１の先端側から基端側に向け、振動発生ユニット２２の長手軸方向に沿ってこの順に配列される。
　圧電素子３５Ａ～３５Ｆのそれぞれは、第１の電極部材３６と第２の電極部材３７との間に挟まれる。第１の電極部材３６は、電気配線部３８Ａの一端に接続される。第２の電極部材３７は、電気配線部３８Ｂの一端に接続される。電気配線部３８Ａ，３８Ｂは、ケーブル１８の内部を通って延設される。電気配線部３８Ａの他端、および、電気配線部３８Ｂの他端は、エネルギー源ユニット１０の電源、交流変換回路（いずれも図示しない）に電気的に接続される。
　保持ユニット５はその内部にスイッチ部（図示しない）を備える。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。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と、エネルギー源ユニット１０は電力（交流電力）を出力する。そうすると第１の電極部材３６と第２の電極部材３７との間に電圧がかかり、圧電素子３５Ａ～３５Ｆのそれぞれに駆動電力（振動発生電気エネルギー）が供給される。これにより圧電素子３５Ａ～３５Ｆは超音波振動を発生する。
　この超音波振動は、素子ユニット３１からフロントマス２３を通して先端側に向かって伝達され、超音波プローブ８に伝達される。この際、ホーン２５は振動の振幅を拡大する。
　入力振幅に対する出力振幅の比が、振幅拡大率である。ホーン２５への入力振幅はホーン２５の基端側の振幅であり、出力振幅はホーン２５の先端側の振幅である。振幅拡大率は振動周波数（共振周波数Ｆｒ）と密接に相関する。実施形態では、振動周波数の増加に伴い振幅拡大率が増加する特性を、正の相関と称することにする。逆に、振動周波数の増加に伴い振幅拡大率が減少する特性を、負の相関と称することにする。
　そして、超音波プローブ８に達した超音波振動は、超音波プローブ８を通して処置部１７に向かって伝達される。処置部１７が超音波で振動している状態で被検体に接触すると振動エネルギーが熱エネルギーに変換され、凝固と同時に切開を行う処置などの外科的処置を施すことが可能になる。
　超音波プローブ８を振動発生ユニット２２に接続して、超音波プローブユニット（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において、超音波プローブユニット２０は、長手軸Ｃ（長手軸方向）に平行に振動する。実施形態では、バックマス３２の基端（フロントマス２３の基端）は、超音波プローブユニット２０の基端であり、超音波プローブ８の先端が超音波プローブユニット２０の先端である。また、超音波プローブ８及びフロントマス２３の一部は、振動伝達部を形成する。振動伝達部は、圧電素子３５Ａ～３５Ｆで発生した超音波振動を基端側から先端側へと長手軸方向に伝達する。
　なお、前述の構成では超音波プローブユニット（振動体ユニット）２０において、超音波プローブ８は振動発生ユニット２２から分離可能であるが、これに限るものではない。例えば、超音波プローブユニット（振動体ユニット）２０において、超音波プローブ８及び振動発生ユニット２２が互いに対して分離されることなく、振動伝達部（超音波プローブ８及びフロントマス２３）が一体に形成されてもよい。次に、上記構成を基礎として本発明の複数の実施例を説明する。
　[第１の実施例]　
　図４は、第１の実施例に係る超音波プローブユニットの一例を示す概略図である。図４の符号（１）は、フロントマス２３の一部、素子ユニット３１及びバックマス３２から形成される振動発生部であり、この振動発生部よりも先端側に振動伝達部（２）が設けられ、振動伝達部（２）はホーン（３）を備える。振動伝達部（２）は、フロントマス２３において振動発生部（１）を形成する部分以外の部分及び超音波プローブ８から形成される。また、本実施例では、振動発生ユニット２２（フロントマス２３）が振動子ケース２１によって支持される位置が、長手軸方向について振動発生部（１）と振動伝達部（２）との境界となり、振動発生部（１）の先端（振動伝達部（２）の基端）となる。
　ホーン（３）は振幅拡大率を有し、振動入力端から伝達された超音波振動の振幅を拡大して振動出力端から出力する。振幅拡大率と振動周波数との相関関係は、超音波振動の節（振動節）とホーンとの互いの位置関係により変化することが知られている。以下に詳しく説明する。
　図５は、比較例における振動節とホーンとの位置関係の一例を示す模式図である。比較例においても、本実施例と同様に、振動発生部（１）、振動伝達部（２）及びホーン（３）が設けられる。図５の比較例では、超音波振動の振動節の一つが振動発生部（１）の先端で生じ、この振動節に隣り合う振動節が、ホーン（３）の振動入力端で生じていることが示される。この状態ではＢＬＴ（Bolt-clamped Langevin type Transducer：ボルト締めのランジュバン型振動子）の振動発生部（１）における周波数と振幅の変化の傾向と、ホーン（３）における周波数と振幅拡大率の変化の傾向とが、同じになる。つまり周波数（共振周波数Ｆｒ）と振動発生部（１）での振幅（振動速度）の変化との相関は、周波数とホーン（３）での振幅拡大率との相関と、同じ傾向である。なお、ホーン（３）の振動入力端に生じる振動節は、振動発生部（１）の先端に生じる振動節から超音波振動の略半波長だけ先端側に位置する。
　図６は、第１の実施例における振動節とホーンとの位置関係の一例を示す模式図である。図６の本実施例では、超音波振動の振動節の一つが振動発生部（１）の先端で生じているが、この振動節に隣り合う振動節は図５（比較例）とは異なり、ホーン（３）の振動出力端で生じていることが示される。この状態では振動発生部（１）における周波数と振幅の変化の傾向と、ホーン（３）における周波数と振幅拡大率の変化の傾向とが、逆になる。つまり周波数（共振周波数Ｆｒ）と振動発生部（１）での振幅（振動速度）の変化との相関は、周波数とホーン（３）での振幅拡大率との相関とは、逆の傾向になるので、振動系全体から見れば、両者の相関は互いに打ち消し合うように作用する。なお、ホーン（３）の振動出力端に生じる振動節は、振動発生部（１）の先端（本実施例では、フロントマス２３が振動子ケース２１によって支持される位置）に生じる振動節から超音波振動の略半波長だけ先端側に位置する。
　図７は、図５（比較例）に示される条件下における共振周波数（Ｆｒ）に対するホーン（３）での振幅拡大率の変化の傾向と振動発生部（１）での振幅（振動速度）の変化の傾向を示す図である。ホーン（３）の振幅拡大率（実線）は、振動発生部（１）の振幅（点線）と同じ傾向を示す。つまり双方とも周波数に対して負の相関を示すので、これらが合わされば周波数に対する相関の傾きはさらに大きくなる。従って比較例では、超音波プローブ８の先端における振動速度が振動周波数（共振周波数Ｆｒ）の変化に対して過敏に変化するようになり、好ましくない。
　図８は、図６（本実施例）に示される条件下における共振周波数（Ｆｒ）に対するホーン（３）での振幅拡大率（変成比）の変化の傾向と振動発生部（１）での振幅（振動速度）の変化の傾向を示す図である。図７とは異なり、振動発生部（１）の振幅（点線）に対し、ホーン（３）の振幅拡大率（実線）は逆の傾向を示す。つまり振動発生部（１）の振幅の変化は周波数に対して負の相関を示すのに対し、ホーン（３）の振幅拡大率は周波数に対して正の相関を示す。
　これらの特性が合わされば、周波数（共振周波数Ｆｒ）に対する相関の傾きは全体として平坦（ゼロ）に近づく。従って超音波プローブ８の先端における振動速度は、振動周波数が変化しても安定した範囲に収まるようになる。
　図９～図１１を参照してさらに詳しく説明する。図９に示されるように、振動発生起点（バックマス）における振動速度は、周波数（共振周波数Ｆｒ）が高くなればなるほど低下する。既存の超音波プローブユニット（例えば図５の比較例）においては図１０の点線に示されるような、周波数に対して負の相関を持つ振幅拡大率（変成比）のホーンを経て振動が伝達される。このため図１１の点線に示されるように、振動伝達部材先端での振動速度が、周波数（共振周波数Ｆｒ）の変化に対して急峻に変化する。
　これに対して本実施例では、図１０の実線に示されるように、既存のホーンとは逆の相関を振動伝達部材のホーンに持たせるようにする。これにより図１１の実線に示されるように、周波数（共振周波数Ｆｒ）の変化に対する振動伝達部材先端での振動速度の変化を、より狭い範囲に留めることが可能になる。
　以上説明したように本実施例では、振動発生部（１）における振幅の振動周波数に対する相関関係と、振動伝達部（２）のホーン（３）における振幅拡大率の振動周波数に対する相関関係が互いに逆になるようにした。これは振動節の発生位置を適切に制御することで実現される。すなわち本実施例では、超音波振動の振動節の一つが振動発生部（１）の先端（フロントマスが支持される位置）で生じるとき、この振動節に隣り合う振動節が振動伝達部（２）に設けられたホーン（３）の振動出力端で生じるように、各ホーン（３）の形成される位置を設定した。このようにすることで、周波数に対する振動発生部（１）での振動速度の変化する傾向、及び、周波数に対しる各ホーン（３）での振幅拡大率の変化の傾向が、互いに打ち消されるので、超音波プローブの個体差により振動周波数が変化したとしても、振動伝達部（２）の先端部での振動速度の変化を抑制することができる。従って、振動周波数（共振周波数Ｆｒ）の変動による振動伝達部（２）の先端部での振動速度のばらつきを許容範囲に抑えることが可能になる。
　（第１の実施例の変形例）　
　この実施例は、以下のように変形することも可能である。例えば、周波数に対する振動発生部における振幅（振動速度）の変化の相関とは、周波数に対する振幅拡大率の変化の相関が逆の傾向になるホーンを、周波数に対する振動伝達部の先端での振動速度の相関の傾きが全体として平坦（ゼロ）に近づくように、１つまたは複数にわたって設けても良い。
　図１２は、ホーンを複数設けた場合の変形例に係る超音波プローブユニットの一例を示す概略図である。振動発生ユニット２２としてのＢＬＴ（Bolt-clamped Langevin type Transducer：ボルト締めのランジュバン型振動子）に、振動伝達部材を取り付けて超音波プローブユニットが構成される。取付け部（３）´で、ＢＬＴの先端側にプローブが接続され、接続されるプローブに対応してこの振動系における周波数特性が変更される。
　図１２の符号（１）´は、フロントマス２３の一部、素子ユニット３１及びバックマス３２から形成される振動発生部であり、この振動発生部（１）´よりも先端側に、例えば複数のホーン（２）´、（４）´および（５）´をこの順に形成することができる。本変形例では、振動発生部（１）´の先端が、ホーン（２）´の基端（振動入力端）と連続し、振動発生ユニット２２（フロントマス２３）が振動子ケース２１によって支持される位置が、長手軸方向について振動発生部（１）´とホーン（２）´との境界となる。また、本変形例では、ＢＬＴは一つのホーン（２）´を備える。ホーン（２）´は、例えば、前述したホーン２５（図２、図３参照）に相当する。振動伝達部材は棒状に形成される本体と、この本体に形成される振幅拡大部としての複数のホーン（４）´、（５）´を備える。各ホーン（２）´、（４）´、（５）´はそれぞれ振幅拡大率を有し、振動入力端から伝達された超音波振動の振幅を拡大して振動出力端から出力する。振幅拡大率と振動周波数との相関関係は、超音波振動の節（振動節）とホーンとの互いの位置関係により変化することが知られている。以下に詳しく説明する。
　図１３は、本変形例における振動節とホーンとの位置関係の一例を示す模式図である。図１３においては、超音波振動の振動節の一つがＢＬＴのホーン（例えば図１２の（２）´）の振動入力端で生じているが、この振動節に隣り合う振動節は振動伝達部材のホーン（例えば図１２の（４）´）の振動出力端で生じていることが示される。この状態ではＢＬＴの振動発生部（１）´における周波数と振幅の変化の傾向と、（２）´、（４）´、（５）´のホーンのうち少なくとも１つのホーンにおける周波数と振幅拡大率の変化の傾向とが、逆になる。つまり周波数と振幅の変化との相関と周波数と振幅拡大率との相関が逆になるので、振動系全体から見れば、両者の相関は互いに打ち消し合うように作用する。例えば、図１２において（２）´のホーンの振幅拡大率が周波数に対して負の相関、（４）´のホーンの振幅拡大率が周波数に対して負の相関、（５）´のホーンの振幅拡大率が周波数に対して正の相関としても良い。また、図１２において（２）´のホーンの振幅拡大率が周波数に対して正の相関、（４）´のホーンの振幅拡大率が周波数に対して負の相関、（５）´のホーンの振幅拡大率が周波数に対して正の相関としても良い。なお、振動伝達部材のホーンの振動出力端に生じる振動節は、ＢＬＴのホーンの振動入力端に生じる振動節から超音波振動の略半波長だけ先端側に位置する。
　なお、上記実施例等においては、ＢＬＴの振動発生部（１）´での振動速度の周波数に対する相関は負の相関としているが、ＢＬＴの振動発生部（１）´での振動速度の周波数に対する相関が正の相関である場合であっても上述した作用と同様に（２）´、（４）´、（５）´のいずれかのホーンでの振幅拡大率が周波数に対して負の相関となるように設定することで、周波数に対する振動伝達部材の先端部での振動速度の相関の傾きが全体として平坦（ゼロ）に近づかせることができる。上記変形例ではホーンの数は３つとしているこれに限定されない。
　[第２の実施例]　
　前述した第１の実施例の変形例では（図１２、図１３参照）、振動発生ユニットのホーンの振動入力端の近傍に振動の節が生じる時、この振動節に隣り合う節が、超音波プローブのホーンの振動出力端の近傍に生じるようにした。これに代えて第２の実施例では、振動発生ユニットのホーン（例えば図１２のホーン（２）´）の振動出力端の近傍に振動節を生じさせ、この振動節に隣り合う節を、振動伝達部材（超音波プローブ）のホーン（例えば図１２のホーン（４）´）の振動入力端の近傍に生させるようにしてもよい。本実施例では、振動発生ユニットのホーンの先端（振動出力端）で、振動発生ユニット２２（フロントマス２３）が振動子ケース２１によって支持される。
　図１４は、第２の実施例における振動節とホーンとの位置関係の一例を示す模式図である。図１４において、超音波振動の振動節の一つがＢＬＴのホーンの振動出力端で生じ、この振動節に隣り合う振動節が、振動伝達部材のホーンの振動入力端で生じていることが示される。つまりＢＬＴのホーンと振動伝達部材のホーンとで、振動節の位置が図１３の一例とは逆の関係になる。
　図１４の構成によっても、ＢＬＴのホーンにおける周波数と振幅拡大率の変化の傾向と、振動伝達部材のホーンにおける周波数と振幅拡大率の変化の傾向とが、逆になる。つまり周波数と振幅拡大率との相関が２つのホーンで逆になるので、振動系全体から見れば、両者の相関は互いに打ち消し合うように作用する。なお、振動伝達部材のホーンの振動入力端に生じる振動節は、ＢＬＴのホーンの振動出力端に生じる振動節から超音波振動の半波長だけ先端側に位置する。
　上記構成により第２の実施例では、ＢＬＴのホーンの振幅拡大率は周波数に対して正の相関を示すのに対し、振動伝達部材のホーンの振幅拡大率は周波数に対して負の相関を示す。このようにすることでも各ホーンにおける周波数変化に対する振幅拡大率の相関を互いに逆にすることができ、周波数に対する振動伝達部材先端での振動速度のばらつき（変動）を許容範囲にまで抑圧することができる。
　[第３の実施例]　
　図１５は、第３の実施例に係るホーンと振動節との関係の一例を示す図である。ホーンは一般に、振動入力端から振動出力端に向けて径が細くなる、テーパ状の構造を有する。そして、振動入力端と振動出力端との間に、振幅拡大率が最大となる点が存在する。この点を振幅拡大率最大点と称する。なお、振幅拡大率最大点を決定する際には、長手軸Ｃに平行な方向（長手軸方向）についてホーンの全ての位置のそれぞれについて、その位置から４分の１波長だけ基端側の位置での振動の振幅に対するその位置から４分の１波長だけ先端側の位置での振動の振幅の振幅拡大率を算出する。そして、ホーンにおいて算出された振幅拡大率が最大となる位置を、振幅拡大率最大点として決定する。
　図１５に示されるように、第３の実施例では、振幅拡大率最大点と振動節との位置関係に配慮した。図１５において、振動発生ユニットのホーン（例えば図１２のホーン（２）´）では振動節が振幅拡大率最大点よりも先端側に位置するとする。これに対し、超音波プローブ（振動伝達部材）のホーン（例えば図１２のホーン（４）´）では振動節が振幅拡大率最大点よりも基端側（バックマス側）に位置するように、各部の寸法を調整する。
　上記構成において、振動発生ユニットに取り付けられる振動伝達部材の物性に起因して、振動系全体での振動周波数が設計時よりも低下したとする。そうすると振動の波長が長くなるので、振動節は図１６に示されるように全体として先端側（図中矢印方向）に移動する。つまり、振動発生ユニットのホーンでは振動節が振幅拡大率最大点から遠ざかるのに対し、超音波プローブ（振動伝達部材）のホーンでは振動節が振幅拡大率最大点に近づくように移動する。これにより、振幅拡大率の変動が２つのホーンで打ち消し合うように作用するので、振幅拡大率の変動が全体として抑制され、先端部での振動速度の変化も抑圧されることになる。
　逆に、振動発生ユニットに取り付けられる振動伝達部材の物性に起因して、振動系全体での振動周波数が設計時よりも増加したとする。そうすると振動の波長が短くなるので、振動節は図１７に示されるように全体として基端側（図中矢印方向）に移動する。つまり、振動発生ユニットのホーンでは振動節が振幅拡大率最大点に近づくのに対し、超音波プローブのホーンでは振動節が振幅拡大率最大点から遠ざかるように移動する。これにより、振幅拡大率の変動が２つのホーンで打ち消し合うように作用するので、振幅拡大率の変動が全体として抑制され、先端部での振動速度の変化も抑圧されることになる。
　以上から第３の実施例によっても、周波数の変動に対する振動伝達部の先端部の振動速度のバラツキ（変動）を許容範囲に抑圧することが可能になる。
　[第４の実施例]　
　第１乃至第３の実施例ではテーパ状のホーンにより振幅を拡大するようにした。振幅拡大率は一般に、ホーンの最大断面積と最小断面積との比に比例する。よって大きい振幅拡大率を得ようとすればするほど先端部に至る直径が細くなり、強度の低下がもたらされる。そこで第４の実施例では、音響インピーダンス（音響特性インピーダンス）の異なる素材を振動節において接合することで振幅拡大作用を得るようにした。
　図１８は、第４の実施例における超音波プローブの一例を模式的に示す断面図である。図１８において、第１素材と第２素材とが振動の節の位置で接合されている。第４の実施例では第２素材の音響インピーダンスを第１素材の音響インピーダンスよりも低くする。素材の密度をρとし音速をｃとし、断面積をSとすると音響インピーダンス＝ρｃSであるので、例えば第１素材よりも軽量の素材を第２素材に用いればよい。
　上記構成により、基端側（矢印Ｃ２側）から伝達される超音波振動の振幅は、第１素材と第２素材の接合点での音響インピーダンスの不連続により増幅され、先端側（矢印Ｃ１側）に向かって伝達される。従って振動伝達部材の太さを変える必要なしに、第１素材と第２素材の接合点で振幅拡大効果を得ることができる。これにより第１～第３の実施例と同様の効果を得ることができる。もちろん、第４の実施例における技術思想を第１～第３の実施例に組み合わせることも可能である。
　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 (9)

  1. 　周波数に対して所定の相関を持って振幅が変化する超音波振動を発生する振動発生部と、
    　基端及び先端を有し、基端側に前記振動発生部が取付けられるとともに、前記超音波振動を長手軸方向について先端側へ伝達する振動伝達部と、
    　前記振動伝達部に少なくとも１つ設けられ、前記超音波振動の振幅を前記超音波振動の伝達向きに第１の振幅拡大率で拡大するとともに、前記第１の振幅拡大率は前記周波数に対して前記所定の相関と逆の相関を有する第１の振幅拡大部と、
    　を具備する振動体ユニット。
  2. 　前記所定の相関は、負の相関を有し、
    　前記第１の振幅拡大率は、正の相関を有する、
    　請求項１の振動体ユニット。
  3. 　前記振動伝達部に前記長手軸方向について前記第１の振幅拡大部とは異なる位置に設けられ、前記超音波振動の振幅を前記超音波振動の伝達向きに第２の振幅拡大率で拡大するとともに、前記第２の振幅拡大率は前記周波数に対して負の相関を有する第２の振幅拡大部をさらに具備する、請求項２の振動体ユニット。
  4. 　前記第２の振幅拡大部は、前記第１の振幅拡大部より前記先端側に位置し、
    　前記超音波振動の第１の節が前記第１の振幅拡大部に位置し、前記超音波振動の前記第１の節から前記先端側の第２の節が前記第２の振幅拡大部に位置すべく、前記第１の振幅拡大部および前記第２の振幅拡大部が配置される、
    　請求項３の振動体ユニット。
  5. 　前記第１の節が前記第１の振幅拡大部の振動出力端に位置し、前記第２の節が前記第２の振幅拡大部の振動入力端に位置すべく、前記第１の振幅拡大部および前記第２の振幅拡大部が配置される、請求項４の振動体ユニット。
  6. 　振動入力端と振動出力端との間における振幅拡大率が最大となる点を振幅拡大率最大点とした場合に、前記第１の節が前記第１の振幅拡大部の振幅拡大率最大点よりも前記先端側に位置し、前記第２の節が前記第２の振幅拡大部の振幅拡大率最大点よりも前記基端側に位置すべく、前記第１の振幅拡大部および前記第２の振幅拡大部が配置される、請求項４の振動体ユニット。
  7. 　前記振動伝達部は、
    　　前記振動発生部が取付けられ、前記振動発生部から前記超音波振動が伝達される伝達部材と、
    　　基端が前記伝達部材の先端に取外し可能に接続され、前記振動伝達部の前記先端を形成するとともに、前記振動発生部から前記伝達部材を通して前記超音波振動が伝達される超音波プローブと、
    　を備える、請求項１の振動体ユニット。
  8. 　前記第１の振幅拡大部は、前記伝達部材に設けられ、
    　前記超音波プローブは、前記超音波振動の振幅を前記超音波振動の伝達向きに第２の振幅拡大率で拡大するとともに、前記第２の振幅拡大率は前記周波数に対して負の相関を有する第２の振幅拡大部を備える、
    　請求項７の振動体ユニット。
  9. 　周波数に対して所定の相関を持って振幅が変化する超音波振動を発生する振動発生部を備える振動発生ユニットに分離可能に接続される超音波プローブであって、
    　先端及び基端を有し、前記振動発生ユニットから前記基端に伝達された前記超音波振動を長手軸方向について先端側へ伝達する振動伝達部材と、
    　前記振動伝達部材に設けられ、前記超音波振動の振幅を前記超音波振動の伝達向きに振幅拡大率で拡大するとともに、前記振幅拡大率は前記周波数に対して前記所定の相関と逆の相関を有する振幅拡大部と、
    　を具備する超音波プローブ。
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