WO2016174709A1 - 超音波振動子の製造方法および超音波振動子 - Google Patents

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piezoelectric elements
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雅也 戸田
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    • 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
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    • H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency
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    • B06B2201/50—Application to a particular transducer type
    • B06B2201/55—Piezoelectric transducer

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer manufacturing method and an ultrasonic transducer.
  • an ultrasonic therapy apparatus is used in a treatment such as incision of a living tissue (for example, see Patent Document 1).
  • a high-power bolted Langevin type (BLT) vibrator is known as one of ultrasonic vibrators mounted on a therapeutic ultrasonic device (see, for example, Patent Document 2).
  • the ultrasonic vibrator generates heat with vibration, and the temperature of the handpiece containing the ultrasonic vibrator rises. Therefore, in order to maintain the surface temperature of the handpiece at a temperature at which the operator can hold it with bare hands, an ultrasonic therapy apparatus in which an air cooling structure such as a heat radiating fin is provided in the grip portion of the handpiece has been proposed (for example, (See Patent Document 3).
  • the amount of heat released by the air cooling structure of Patent Document 3 is insufficient, and it is difficult to sufficiently suppress the temperature rise of the ultrasonic vibrator.
  • a very high output is required, and it is necessary to increase the amount of power input to the ultrasonic transducer.
  • the amount of heat generated by the ultrasonic transducer becomes very large, the amount of generated heat exceeds the amount of heat released by the air cooling structure, and the temperature of the ultrasonic transducer rises.
  • Patent Document 3 has a problem that it is difficult to stably drive the ultrasonic transducer with high output.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an ultrasonic transducer manufacturing method and an ultrasonic transducer that can suppress a temperature increase caused by vibration and can be stably driven at a high output.
  • the purpose is to provide.
  • a first aspect of the present invention includes a horn, a laminate in which a plurality of piezoelectric elements are laminated in the longitudinal direction, and a back mass in order from the distal end side to the proximal end side in the longitudinal direction.
  • the arrangement of the plurality of piezoelectric elements is such that the difference in mechanical quality factor between the piezoelectric elements adjacent in the longitudinal direction is within 5% of the average value of the mechanical quality coefficients of the plurality of piezoelectric elements.
  • the laminated body, the horn and the back mass are assembled into one so that the laminated body having the laminated structure of piezoelectric elements is sandwiched from both sides by the horn and the back mass.
  • an ultrasonic transducer can be manufactured.
  • the arrangement of the piezoelectric elements is determined in the arrangement determining step so that the difference in the mechanical quality factor between the adjacent piezoelectric elements is at most 5% of the average value.
  • the heat generation of the ultrasonic transducer is suppressed.
  • vibrator accompanying a vibration can be suppressed, and an ultrasonic transducer
  • vibrator can be driven stably with a high output.
  • the first aspect includes a piezoelectric element selection step of selecting the plurality of piezoelectric elements based on a mechanical quality factor, and in the piezoelectric element selection step, an average value of mechanical quality factors of the plurality of piezoelectric elements.
  • the plurality of piezoelectric elements are selected so that the variation in mechanical quality factor of the plurality of piezoelectric elements is within ⁇ 2.5%, and the piezoelectric element selection step selects the plurality of piezoelectric elements.
  • the arrangement of the plurality of piezoelectric elements may be determined. By doing so, the difference in mechanical quality factor between adjacent piezoelectric elements is always within 5%, so that the arrangement of the piezoelectric elements can be determined at random in the arrangement determining step.
  • the arrangement determining step at least the horn side of the plurality of piezoelectric elements is reduced so that the mechanical quality factor decreases in order from the horn side toward the back mass side. Some sequences may be determined. By doing so, since the piezoelectric element having a large mechanical quality factor is arranged on the side close to the horn, the longitudinal vibration generated in the laminated body is efficiently transmitted to the horn. As a result, input / output efficiency (amplitude of longitudinal vibration with respect to the amount of supplied power) can be improved, and power necessary for driving the ultrasonic transducer can be reduced.
  • the ultrasonic transducer is a half-wave resonance type, and the piezoelectric element located closest to the back mass side from the piezoelectric element located closest to the horn in the arrangement determining step.
  • the arrangement of the plurality of piezoelectric elements may be determined so that the mechanical quality factor becomes smaller in order toward. By doing so, it is possible to further suppress the heat generation of the ultrasonic vibrator and to obtain higher input / output efficiency.
  • the ultrasonic transducer is a one-wavelength resonance type, and the piezoelectric element located at the node of the longitudinal vibration from the piezoelectric element located closest to the horn in the arrangement determining step
  • the mechanical quality factor decreases in order toward the piezoelectric element, and the mechanical quality factor increases in order from the piezoelectric element located at the node of the longitudinal vibration toward the piezoelectric element located closest to the back mass.
  • the arrangement of the plurality of piezoelectric elements may be determined. By doing so, it is possible to further suppress the heat generation of the ultrasonic vibrator and to obtain higher input / output efficiency.
  • the ultrasonic transducer is a one-wavelength resonance type, and the piezoelectric element located at the antinode of the longitudinal vibration from the piezoelectric element located closest to the horn in the arrangement determining step
  • the mechanical quality factor increases in order toward the piezoelectric element, and the mechanical quality factor decreases in order from the piezoelectric element located at the antinode of the longitudinal vibration toward the piezoelectric element located closest to the back mass.
  • the arrangement of the plurality of piezoelectric elements may be determined. By doing in this way, the heat_generation
  • a second aspect of the present invention includes a horn, a laminate in which a plurality of piezoelectric elements are laminated in the longitudinal direction, and a back mass in order from the distal end side to the proximal end side along the longitudinal direction.
  • the plurality of piezoelectric elements are arranged such that a difference in mechanical quality factor between the piezoelectric elements adjacent in the longitudinal direction is within 5% of an average value of the mechanical quality factor of the plurality of piezoelectric elements. It is an ultrasonic transducer.
  • the variation in the mechanical quality factor of the plurality of piezoelectric elements may be within ⁇ 2.5% with respect to the average value of the mechanical quality factor of the plurality of piezoelectric elements.
  • the plurality of piezoelectric elements have a mechanical quality factor in order from the piezoelectric element located closest to the horn toward the piezoelectric element located on the antinode of the longitudinal vibration in the longitudinal direction. You may arrange so that it may become small.
  • the second aspect it is a half-wavelength resonance type, and the plurality of piezoelectric elements are mechanically sequentially from the piezoelectric element located closest to the horn toward the piezoelectric element closest to the back mass. They may be arranged so that the target quality factor is small.
  • it is a one-wavelength resonance type, and the plurality of piezoelectric elements are mechanically sequentially from the piezoelectric element located closest to the horn toward the piezoelectric element located on the antinode of the longitudinal vibration.
  • the mechanical quality factor decreases and the mechanical quality factor increases in order from the piezoelectric element located at the antinode of the longitudinal vibration toward the piezoelectric element located closest to the back mass side. May be.
  • the second aspect it is a one-wavelength resonance type, and the plurality of piezoelectric elements are directed from the piezoelectric element located closest to the horn toward the piezoelectric element located on the antinode of longitudinal vibration in the longitudinal direction.
  • the mechanical quality factor increases in order, and the mechanical quality factor decreases in order from the piezoelectric element located at the antinode of the longitudinal vibration toward the piezoelectric element located closest to the back mass side, It may be arranged.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an overall configuration of an ultrasonic transducer according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a simplified diagram illustrating an overall configuration of the ultrasonic transducer of FIG. 1.
  • 2 is a graph showing a distribution of mechanical loss coefficients in the laminate of the ultrasonic transducer of FIG. 1.
  • 2 is a flowchart showing a method for manufacturing the ultrasonic transducer of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a simplified diagram illustrating an overall configuration of an ultrasonic transducer according to a second embodiment of the present invention. It is a graph which shows distribution of the mechanical loss coefficient in the laminated body of the ultrasonic transducer
  • FIG. 6 is a simplified diagram showing an overall configuration of an ultrasonic transducer according to a third embodiment of the present invention. It is a graph which shows distribution of the mechanical loss coefficient in the laminated body of the ultrasonic transducer
  • the ultrasonic transducer 10 which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and its manufacturing method are demonstrated with reference to FIGS.
  • the ultrasonic transducer 10 is a bolted Langevin type (BLT) transducer, and in order along the longitudinal axis A from the distal end side toward the proximal end side, 1, a laminated body 3 in which a plurality of piezoelectric elements 2 are laminated, and a back mass 4.
  • BLT Langevin type
  • the horn 1 has a columnar shape extending along the longitudinal axis A, and has a shape in which the area of the cross section perpendicular to the longitudinal axis A decreases from the proximal end toward the distal end.
  • the horn 1 is made of a metal having high strength such as a titanium alloy.
  • a columnar bolt 5 extending along the longitudinal axis A is provided at a substantially central position of the base end face of the horn 1.
  • the piezoelectric element 2 is a ring-shaped plate member made of a piezoelectric material such as PZT (lead titanium zirconate).
  • the laminate 3 has a laminated structure in which the piezoelectric elements 2 and the electrodes 6a or 6b are alternately laminated in the longitudinal axis A direction so that each piezoelectric element 2 is sandwiched between the two electrodes 6a and 6b in the longitudinal axis A direction.
  • the electrodes alternately constitute positive electrodes 6a and negative electrodes 6b in the longitudinal axis A direction, and each piezoelectric element 2 expands and contracts in the longitudinal axis A direction when alternating power is supplied to the electrodes 6a and 6b. It is like that.
  • the laminated body 3 is electrically connected to the horn 1 and the back mass 4. Insulated. Further, the laminated body 3 is formed with a bolt hole 3a that penetrates from the front end to the base end along the longitudinal axis A and into which the bolt 5 is inserted.
  • the back mass 4 is a columnar member formed from a metal material such as aluminum.
  • a screw hole 4 a that is fastened to the bolt 5 is formed along the longitudinal axis A on the front end surface of the back mass 4.
  • the bolt 3 is inserted into the bolt hole 3 a of the laminated body 3, and the back mass 4 is fastened to the base end portion of the bolt 5 protruding from the base end surface of the laminated body 3. And are tightened firmly from both sides.
  • the ultrasonic transducer 10 is a half wavelength resonance type. That is, the dimension in the longitudinal axis A direction of the ultrasonic transducer 10 is designed to be half the wavelength of the resonance frequency of the ultrasonic transducer 10. Thereby, as shown in FIG. 2, the ultrasonic transducer 10 resonates at half wavelength when alternating power having a resonance frequency is supplied to the electrodes 6 a and 6 b. In half-wave resonance, two antinodes appear at the tip of the horn 1 and the base end of the back mass, and one node N appears at the boundary between the horn 1 and the laminate 2.
  • vibrator 10 may not be a half wavelength resonance type but the 1 wavelength resonance type which has the dimension of the longitudinal axis A direction same as the wavelength of resonance frequency.
  • each piezoelectric element 2 has the same or similar mechanical quality factor Qm (hereinafter simply referred to as “Qm”). Specifically, the Qm of each piezoelectric element 2 is within an average value M (Qm) ⁇ 2.5% of the Qm of all the piezoelectric elements 2. Therefore, the difference in Qm between two piezoelectric elements 2 adjacent in the longitudinal axis A direction is 5% of the average value M (Qm) at the maximum.
  • each data point corresponds to each piezoelectric element 2.
  • the manufacturing method of the ultrasonic transducer 10 includes the piezoelectric element selection step S1 for selecting the piezoelectric element 2 based on Qm, and the arrangement of the piezoelectric elements 2 in the laminate 3.
  • An arrangement determining step S2 to be determined and an assembling step S3 for assembling the laminate 3, the horn 1 and the back mass 4 into one are included.
  • the Qm of the piezoelectric element 2 purchased from the manufacturer varies by several hundreds.
  • As many piezoelectric elements 2 having the same or approximate Qm as the number required for the stacked body 3 (six in this example) are selected. Specifically, the six piezoelectric elements 2 have a variation in Qm of 6 pieces so that the Qm average value M (Qm) of the six piezoelectric elements 2 is within ⁇ 2.5%. The piezoelectric element 2 is selected.
  • the array of the six piezoelectric elements 2 selected in the piezoelectric element selection step S1 is randomly determined.
  • the six piezoelectric elements 2 and the electrodes 6a and 6b are alternately stacked so that the six piezoelectric elements 2 are arranged according to the random arrangement determined in the arrangement determination step S2.
  • the laminated body 3 is formed.
  • the bolt 5 of the horn 1 is inserted into the bolt hole 3 a of the formed laminate 3, the back mass 4 is fastened to the tip of the bolt 5 protruding from the laminate 3, and the laminate 3 is attached to the longitudinal axis A. Compress in the direction. Thereby, the ultrasonic transducer
  • an alternating power having a resonance frequency of the ultrasonic vibrator 10 or a frequency near the resonance frequency is electrically supplied from a power source (not shown). It supplies to electrodes 6a and 6b via a cable (not shown). Thereby, each piezoelectric element 2 expands and contracts in the longitudinal axis A direction, and the laminate 3 generates longitudinal vibration. Longitudinal vibration generated in the laminate 3 is transmitted to the horn 1, and the tip of the horn 1 vibrates at high frequency in the direction of the longitudinal axis A.
  • the mechanical quality factor Qm is a coefficient representing the elastic loss that occurs in the piezoelectric element 2 during stretching vibration, and is the reciprocal of the mechanical loss coefficient.
  • the laminated body 3 Since the inside of the same piezoelectric element is homogeneous, the transmission efficiency of vibration in the same piezoelectric element is high, and the vibration is transmitted without being attenuated. Therefore, if the laminated body 3 is composed of a single homogeneous piezoelectric element, the entire laminated body 3 vibrates longitudinally in synchronism and heat generation in the laminated body 3 is small.
  • the actual laminated body 3 has a laminated structure of a plurality of piezoelectric elements 2, and the properties of the piezoelectric elements 2 change discontinuously between the piezoelectric elements 2 and the other piezoelectric elements 2. In this way, at the boundary between the piezoelectric elements 2 whose properties change discontinuously, a part of the longitudinal vibration is lost due to reflection or the like, so that vibration from the piezoelectric element 2 to another adjacent piezoelectric element 2 occurs. The transmission efficiency decreases. Also, heat is generated with the loss of vibration. That is, the vibration reflected at the boundary of the piezoelectric element 2 acts with other vibrations to generate harmonics that cause heat generation.
  • the ultrasonic transducer 10 since the piezoelectric element 2 having substantially the same Qm is used for the laminated body 3, the Qm in the laminated body 3 is substantially uniform. Therefore, the multilayer body 3 composed of a plurality of piezoelectric elements 2 behaves similarly to the multilayer body composed of a single piezoelectric element. In the multilayer body 3, longitudinal vibration is transmitted with high efficiency without being attenuated, and the multilayer body 3 Heat generation at is suppressed. Thereby, even if the alternating power supplied to the electrodes 6a and 6b is increased in order to increase the output of the ultrasonic transducer 10 (the amplitude of the tip of the horn 1), the ultrasonic transducer 10 does not rise in temperature. There is an advantage that a high output can be continuously exhibited.
  • the laminate 3 has the largest amount of heat generation. Therefore, by suppressing the heat generation in the laminated body 3, there is an advantage that the temperature rise of the entire ultrasonic transducer 10 can be efficiently suppressed. In addition, there is an advantage that the ultrasonic transducer 10 with a small amount of heat generation can be manufactured only by changing the selection of the piezoelectric element 2 from the conventional BLT transducer manufacturing method.
  • vibrator 20 which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, and its manufacturing method are demonstrated with reference to FIG. 5 and FIG.
  • the ultrasonic transducer 20 according to the present embodiment is different from the ultrasonic transducer 10 of the first embodiment in the arrangement of the piezoelectric elements 2 in the multilayer body 31. Therefore, in this embodiment, the laminated body 31 is mainly demonstrated, the same code
  • the ultrasonic transducer 20 is a half-wavelength resonance type like the ultrasonic transducer 10.
  • the piezoelectric elements 2 are arranged such that Qm decreases in order from the horn 1 side toward the back mass 4 side, as shown in FIG. Accordingly, the Qm of the piezoelectric element 2 located closest to the horn 1 is the largest, and the Qm of the piezoelectric element 2 located closest to the back mass 4 is the smallest. Furthermore, the difference in Qm between the piezoelectric elements 2 adjacent in the longitudinal axis A direction is within 5% of the average value M (Qm) of Qm of the six piezoelectric elements 2.
  • the method for manufacturing the ultrasonic transducer 20 includes a piezoelectric element selection step, an arrangement determination step, and an assembly step.
  • the piezoelectric element selection step the Qm of the piezoelectric element 2 is measured in the same manner as the piezoelectric element selection step S1 described in the first embodiment.
  • the variation in Qm of the six piezoelectric elements 2 is within ⁇ 15% with respect to the average value M (Qm) of the six piezoelectric elements 2, and the Qm values are in order of magnitude.
  • the six piezoelectric elements 2 are selected so that the difference between adjacent Qm when arranged is within 5% of the average value M (Qm).
  • the arrangement of the six piezoelectric elements 2 selected in the selection step is sequentially performed from the piezoelectric element 2 positioned closest to the horn 1 toward the piezoelectric element 2 positioned closest to the back mass 4. Is determined so that Qm becomes smaller.
  • the six piezoelectric elements 2 and the electrodes 6a and 6b are alternately stacked so that the six piezoelectric elements 2 are arranged according to the arrangement determined in the arrangement determination step.
  • the horn 1, the laminate 3 and the back mass 4 are arranged so that the piezoelectric element 2 having the largest Qm is arranged on the horn 1 side and the piezoelectric element 2 having the smallest Qm is arranged on the back mass 4 side. Are assembled into one.
  • the ultrasonic transducer 20 has the following effects in addition to the effects of the first embodiment. As described above, there is an individual error in the Qm of the piezoelectric element 2, and there is a variation in the Qm of the piezoelectric element 2 purchased from the manufacturer. When only the piezoelectric elements 2 having substantially the same Qm are selected and used as in the first embodiment, some of the purchased piezoelectric elements 2 cannot be used for manufacturing. According to this embodiment, there is an advantage that the purchased piezoelectric element 2 can be effectively used for manufacturing by using the piezoelectric elements 2 having different Qm in combination.
  • the piezoelectric element 2 having a large Qm on the side close to the horn 1, the longitudinal vibration generated in the laminate 3 is efficiently transmitted to the horn 1.
  • the input / output efficiency of the ultrasonic transducer 20 (vibration amplitude of the horn 1 with respect to the alternating power supplied to the electrodes 6a and 6b) is increased, and a large output is obtained while reducing the alternating power supplied to the electrodes 6a and 6b.
  • the horn 1 has a larger Qm than the piezoelectric element 2, and vibration loss and heat generation due to the difference in Qm occur at the boundary between the horn 1 and the piezoelectric element 2. Therefore, by disposing the piezoelectric element 2 having the largest Qm next to the horn 1 and minimizing the difference between the Qm of the horn 1 and the Qm of the piezoelectric element 2, vibration transmission from the laminate 3 to the horn 1 is achieved. There is an advantage that efficiency can be increased and heat generation can be further suppressed.
  • the ultrasonic transducer 30 according to the present embodiment is different from the ultrasonic transducer 10 of the first embodiment in the arrangement of the piezoelectric elements 2 in the multilayer body 32. Therefore, in this embodiment, the laminated body 32 is mainly demonstrated, the same code
  • the ultrasonic transducer 30 differs from the ultrasonic transducers 10 and 20 according to the first and second embodiments and is a one-wavelength resonance type. That is, the dimension in the longitudinal axis A direction of the ultrasonic transducer 30 is designed to be the same as the wavelength of the resonance frequency of the ultrasonic transducer 30. Thereby, as shown in FIG. 7, the ultrasonic transducer 30 resonates one wavelength when the alternating power having the resonance frequency is supplied to the electrodes 6a and 6b. In one-wavelength resonance, three antinodes appear, and two nodes N1 and N2 appear at a midway position in the longitudinal direction of the horn 1 and at a midway position in the longitudinal direction of the laminate 3.
  • the laminated body 32 includes eight piezoelectric elements 2.
  • the piezoelectric element 2 has a Qm that decreases in order from the piezoelectric element 2 located closest to the horn 1 toward the piezoelectric element 2 located at the node N2. They are arranged so that Qm increases in order from the piezoelectric element 2 positioned at N2 toward the piezoelectric element 2 positioned closest to the back mass 4. At this time, it is preferable that the piezoelectric element 2 having the largest Qm is located closest to the horn 1. Further, the difference in Qm between the piezoelectric elements 2 adjacent in the longitudinal axis A direction is within 5% of the average value M (Qm) of the Qm of the eight piezoelectric elements 2.
  • the method for manufacturing the ultrasonic transducer 30 includes a piezoelectric element selection step, an arrangement determination step, and an assembly step.
  • the piezoelectric element selection step the Qm of the piezoelectric element 2 is measured in the same manner as the piezoelectric element selection step S1 described in the first embodiment.
  • the variation of Qm of the eight piezoelectric elements 2 is within ⁇ 7.5% with respect to the average value M (Qm) of the Qm of the eight piezoelectric elements 2, and each piezoelectric element
  • the eight piezoelectric elements 2 are selected so that the difference between the Qm of 2 and the Qm of at least one other piezoelectric element 2 is within 5% of the average value M (Qm).
  • the arrangement of the eight piezoelectric elements 2 selected in the selection step is such that Qm is minimized at the node N2, and Qm is sequentially turned from the node N2 toward the horn 1 side and the back mass 4 side. Decide to be larger.
  • the eight piezoelectric elements 2 and the electrodes 6a and 6b are alternately stacked so that the eight piezoelectric elements 2 are arranged according to the arrangement determined in the arrangement determination step. Form.
  • the formed laminate 3, horn 1, and back mass 4 are assembled into one.
  • the ultrasonic transducer 30 has the following effects in addition to the effects of the first embodiment.
  • similarly to the second embodiment by using a combination of piezoelectric elements 2 having different Qm, there is an advantage that the purchased piezoelectric element 2 can be effectively used for manufacturing. is there.
  • the piezoelectric element 2 having a large Qm on the side close to the horn 1, the input / output efficiency of the ultrasonic transducer 30 (vibration amplitude of the horn 1 with respect to the alternating power supplied to the electrodes 6a and 6b) is increased. There is an advantage that a large output can be obtained while reducing the alternating power supplied to the electrodes 6a and 6b. Furthermore, the piezoelectric element 2 having the smallest position Qm is arranged at the node N2 where the amplitude of the longitudinal vibration is zero in the multilayer body 3, and the piezoelectric element 2 having a larger Qm is arranged at a position where the amplitude becomes larger. Thus, there is an advantage that the transmission efficiency of the longitudinal vibration can be improved and the heat generation in the stacked body 3 can be further reduced.
  • the ultrasonic transducer 40 is a one-wavelength resonance type like the ultrasonic transducer 30, and the stacked body 33 includes eight piezoelectric elements 2. .
  • the piezoelectric element 2 has a Qm that increases in order from the piezoelectric element 2 located closest to the horn 1 toward the piezoelectric element 2 located at the node N2, and The piezoelectric elements 2 are arranged so that the Qm decreases in order from the piezoelectric element 2 located at 2 toward the piezoelectric element 2 located closest to the back mass 4. Further, the difference in Qm between the piezoelectric elements 2 adjacent in the longitudinal axis A direction is within 5% of the average value M (Qm) of the Qm of the eight piezoelectric elements 2.
  • the method for manufacturing the ultrasonic transducer 40 includes a piezoelectric element selection step, an arrangement determination step, and an assembly step.
  • the piezoelectric element selection step of the present embodiment is the same as the piezoelectric element selection step described in the third embodiment.
  • the arrangement of the eight piezoelectric elements 2 selected in the selection step is such that Qm is maximized at the node N2, and Qm is sequentially turned from the node N2 toward the horn 1 side and the back mass 4 side. Decide to be smaller.
  • the eight piezoelectric elements 2 and the electrodes 6a and 6b are alternately stacked so that the eight piezoelectric elements 2 are arranged according to the arrangement determined in the arrangement determination step. Form.
  • the formed laminate 3, horn 1, and back mass 4 are assembled into one.
  • the ultrasonic transducer 40 according to this embodiment has the following effects in addition to the effects of the first embodiment. According to this embodiment, similarly to the second embodiment, by using a combination of piezoelectric elements 2 having different Qm, there is an advantage that the purchased piezoelectric element 2 can be effectively used for manufacturing. is there.
  • FIG. 11 shows the temperature when the ultrasonic vibrators 10, 20, 30, 40 according to the first to fourth embodiments are supplied with alternating power of equal power amount to cause half-wave resonance or single-wave resonance. It is a graph which shows the result of having measured the rise. As a comparative example, the temperature rise of an ultrasonic transducer manufactured using a randomly selected piezoelectric element was also measured.
  • the amount of temperature increase of the ultrasonic transducers 10, 20, 30, and 40 according to the present embodiment is significantly smaller than that of the comparative example.
  • heat generation of the ultrasonic transducers 20 and 30 can be effectively suppressed by disposing the piezoelectric element 2 having a small Qm and a large Qm on the horn 1 side with a small amount of temperature rise.
  • the temperature rise amount of the ultrasonic transducer 20 is 4 ° C. lower than that of the comparative example, and even if the alternating power supplied to the ultrasonic transducer 20 is increased by 11 W (14%), the temperature rise is equivalent to that of the comparative example. It was confirmed that it can be suppressed.

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Abstract

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

Description

超音波振動子の製造方法および超音波振動子
　本発明は、超音波振動子の製造方法および超音波振動子に関するものである。
　従来、生体組織の切開等の処置において超音波治療装置が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。また、治療用超音波装置に搭載される超音波振動子の１つとして、高出力のボルト締めランジュバン型（ＢＬＴ）振動子が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
　超音波振動子は振動に伴って発熱し、超音波振動子を内蔵するハンドピースの温度が上昇する。そこで、ハンドピースの表面温度を操作者が素手で把持可能な温度に保つために、ハンドピースのグリップ部分に放熱フィンのような空冷構造を設けた超音波治療装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特許第４６４２９３５号公報 特開昭６１－１８２９９号公報 特開２００１－３２１３８８号公報
　しかしながら、特許文献３の空冷構造による放熱量は不十分であり、超音波振動子の温度上昇を十分に抑制することは難しい。例えば、骨や軟骨等の硬組織や石灰化した組織の処置においては、非常に高い出力が必要とされ、超音波振動子への電力投入量を増大する必要がある。このような場合、超音波振動子による発熱量も非常に大きくなって発熱量が空冷構造による放熱量を上回り、超音波振動子の温度が上昇する。
　超音波振動子の共振周波数は温度に依存するため、温度上昇によって超音波振動子の共振周波数が変化すると、超音波振動子に供給されている駆動電力の周波数に対する超音波振動子の共振周波数のずれが大きくなり、超音波振動子の出力（振動振幅）が低下する。高出力を維持し続けるためには電力投入量をさらに増大しなければならず、さらなる発熱を招いたり超音波振動子の駆動が不安定になったりする。このように、特許文献３においては、超音波振動子を高い出力で安定的に駆動し続けることが難しいという問題がある。
　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、振動に伴う温度上昇を抑制し、高い出力で安定的に駆動し続けることができる超音波振動子の製造方法および超音波振動子を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
　本発明の第１の態様は、先端側から基端側へ向かって長手方向に沿って順に、ホーンと、複数の圧電素子が前記長手方向に積層された積層体と、バックマスとを備え、前記長手方向の縦振動を発生する超音波振動子の製造方法であって、前記積層体における前記複数の圧電素子の配列を各前記圧電素子が有する機械的品質係数に基づいて決定する配列決定ステップと、該配列決定ステップにおいて決定された配列に従って前記複数の圧電素子が配列された前記積層体、前記ホーン、および前記バックマスを１つに組み立てる組立ステップとを含み、前記配列決定ステップにおいて、前記長手方向に隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差が、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値の５％以内となるように、前記複数の圧電素子の配列を決定する超音波振動子の製造方法である。
　本発明の第１の態様によれば、組立ステップにおいて、圧電素子の積層構造を有する積層体がホーンとバックマスとによって両側から挟まれるように、積層体、ホーンおよびバックマスを１つに組み立てることによって、超音波振動子を製造することができる。
　この場合に、隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差は最大でも平均値の５％となるように、配列決定ステップにおいて圧電素子の配列が決定される。このように、同一または近似する機械的品質係数を有する圧電素子同士が隣接するように圧電素子を配列することによって、圧電素子間の振動の伝達効率が向上して振動の熱への変換が抑制され、超音波振動子の発熱が抑制される。これにより、振動に伴う超音波振動子の温度上昇を抑制し、高い出力で安定的に超音波振動子を駆動し続けることができる。
　上記第１の態様においては、機械的品質係数に基づいて前記複数の圧電素子を選択する圧電素子選択ステップを含み、該圧電素子選択ステップにおいて、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値に対して前記複数の圧電素子の機械的品質係数のばらつきが±２．５％以内となるように、前記複数の圧電素子を選択し、前記配列決定ステップにおいて、前記圧電素子選択ステップにおいて選択された前記複数の圧電素子の配列を決定してもよい。
　このようにすることで、隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差は必ず５％以内となるので、配列決定ステップにおいては、圧電素子の配列をランダムに決定することができる。
　上記第１の態様においては、前記配列決定ステップにおいて、前記ホーン側から前記バックマス側に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、前記複数の圧電素子の内、前記ホーン側の少なくとも一部の配列を決定してもよい。
　このようにすることで、ホーンに近い側に大きな機械的品質係数を有する圧電素子が配置されるので、積層体において発生した縦振動がホーンに効率的に伝達される。これにより、入出力効率（供給電力量に対する縦振動の振幅）を向上し、超音波振動子の駆動に必要な電力を低減することができる。また、ホーンと該ホーンに隣接する圧電素子との間の機械的品質係数の差が小さくなるので、ホーンと圧電素子との境界における発熱を抑制し、超音波振動子の発熱をさらに抑制することができる。
　上記第１の態様においては、前記超音波振動子が、半波長共振型であり、前記配列決定ステップにおいて、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、前記複数の圧電素子の配列を決定してもよい。
　このようにすることで、超音波振動子の発熱をさらに抑制することができるとともに、さらに高い入出力効率を得ることができる。
　上記第１の態様においては、前記超音波振動子が、１波長共振型であり、前記配列決定ステップにおいて、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記縦振動の節に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなり、かつ、前記縦振動の節に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなるように、前記複数の圧電素子の配列を決定してもよい。
　このようにすることで、超音波振動子の発熱をさらに抑制することができるとともに、さらに高い入出力効率を得ることができる。
　上記第１の態様においては、前記超音波振動子が、１波長共振型であり、前記配列決定ステップにおいて、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記縦振動の腹に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなり、かつ、前記縦振動の腹に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、前記複数の圧電素子の配列を決定してもよい。
　このようにすることで、超音波振動子の発熱をより抑制することができる。
　本発明の第２の態様は、先端側から基端側へ向かって長手方向に沿って順に、ホーンと、複数の圧電素子が前記長手方向に積層された積層体と、バックマスとを備え、前記複数の圧電素子は、前記長手方向に隣接する圧電素子間の機械的品質係数の差が、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値の５％以内となるように配列されている超音波振動子である。
　上記第２の態様においては、前記複数の圧電素子の機械的品質係数のばらつきが、前記複数の圧電素子の機械的品質係数の平均値に対して±２．５％以内であってもよい。
　上記第２の態様においては、前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記長手方向の縦振動の腹に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、配列されていてもよい。
　上記第２の態様においては、半波長共振型であり、前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、配列されていてもよい。
　上記第２の態様においては、１波長共振型であり、前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記縦振動の腹に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなり、かつ、前記縦振動の腹に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなるように、配列されていてもよい。
　上記第２の態様においては、１波長共振型であり、前記複数の圧電素子は、最も前記ホーン側に位置する前記圧電素子から前記長手方向の縦振動の腹に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が大きくなり、かつ、前記縦振動の腹に位置する前記圧電素子から最も前記バックマス側に位置する前記圧電素子に向かって順番に機械的品質係数が小さくなるように、配列されていてもよい。
　本発明によれば、振動に伴う温度上昇を抑制し、超音波振動子を高い出力で安定的に駆動し続けることができるという効果を奏する。
本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子の全体構成を示す長手軸方向の断面図である。 図１の超音波振動子の全体構成を示す簡略図である。 図１の超音波振動子の積層体における機械的損失係数の分布を示すグラフである。 図１の超音波振動子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る超音波振動子の全体構成を示す簡略図である。 図５の超音波振動子の積層体における機械的損失係数の分布を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る超音波振動子の全体構成を示す簡略図である。 図７の超音波振動子の積層体における機械的損失係数の分布を示すグラフである。 本発明の第４の実施形態に係る超音波振動子の全体構成を示す簡略図である。 図９の超音波振動子の積層体における機械的損失係数の分布を示すグラフである。 積層体における機械的損失係数の分布と、超音波振動子の温度上昇量との関係を示すグラフである。
（第１の実施形態）
　本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子１０とその製造方法について図１から図４を参照して説明する。
　本実施形態に係る超音波振動子１０は、図１に示されるように、ボルト締めランジュバン型（ＢＬＴ）振動子であり、先端側から基端側へ向かって長手軸Ａに沿って順に、ホーン１と、複数の圧電素子２が積層された積層体３と、バックマス４とを備えている。
　ホーン１は、長手軸Ａに沿って延びる柱状であり、長手軸Ａに直交する横断面の面積が基端から先端に向かう程小さくなる形状を有している。ホーン１は、チタン合金のような高い強度を有する金属から形成されている。ホーン１の基端面の略中心位置には、長手軸Ａに沿って延びる柱状のボルト５が設けられている。
　圧電素子２は、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）のような圧電材料からなるリング状の板状部材である。積層体３は、各圧電素子２が２つの電極６ａ，６ｂによって長手軸Ａ方向に挟まれるように、圧電素子２と電極６ａまたは６ｂとが長手軸Ａ方向に交互に積層された積層構造を有している。電極は、長手軸Ａ方向に交互に正電極６ａと負電極６ｂとを構成しており、電極６ａ，６ｂに交番電力が供給されたときに各圧電素子２が長手軸Ａ方向に伸縮振動するようになっている。積層体３とホーン１との間、および、積層体３とバックマス４との間には、図示しない絶縁体が挟まれており、積層体３は、ホーン１およびバックマス４と電気的に絶縁されている。また、積層体３には、先端から基端まで長手軸Ａに沿って貫通形成され、ボルト５が挿入されるボルト穴３ａが形成されている。
　バックマス４は、アルミのような金属材料から形成された柱状の部材である。バックマス４の先端面には、ボルト５に締結されるねじ穴４ａが長手軸Ａに沿って形成されている。
　積層体３のボルト穴３ａ内にボルト５を挿入し、積層体３の基端面から突出したボルト５の基端部にバックマス４を締結することによって、積層体３がホーン１とバックマス４とによって両側から強固に締め付けられている。
　超音波振動子１０は、半波長共振型である。すなわち、超音波振動子１０の長手軸Ａ方向の寸法は、超音波振動子１０の共振周波数の波長の半分に設計されている。これにより、超音波振動子１０は、図２に示されるように、共振周波数の交番電力が電極６ａ，６ｂに供給されたときに、半波長共振する。半波長共振において、２つの腹がホーン１の先端およびバックマスの基端に現れ、１つの節Ｎがホーン１と積層体２との境界に現れる。
　なお、超音波振動子１０は、半波長共振型ではなく、共振周波数の波長と同一の長手軸Ａ方向の寸法を有する１波長共振型であってもよい。
　さらに、図３に示されるように、積層体３において、全ての圧電素子２が、互いに同一または近似する機械的品質係数Ｑｍ（以下、単に「Ｑｍ」という。）を有している。具体的には、各圧電素子２のＱｍは、全ての圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）±２．５％以内である。したがって、長手軸Ａ方向に隣接する２つの圧電素子２間のＱｍの差は、最大で平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％となる。図３において、各データ点は各圧電素子２に対応している。
　次に、超音波振動子１０の製造方法について説明する。
　本実施形態に係る超音波振動子１０の製造方法は、図４に示されるように、Ｑｍに基づいて圧電素子２を選択する圧電素子選択ステップＳ１と、圧電素子２の積層体３における配列を決定する配列決定ステップＳ２と、積層体３、ホーン１およびバックマス４を１つに組み立てる組立ステップＳ３とを含む。
　製造会社から購入する圧電素子２のＱｍには、数１００程度のばらつきがある。圧電素子選択ステップＳ１においては、まず、圧電素子２のＱｍを測定する。Ｑｍの測定には、公知の任意の方法が用いられる。例えば、インピーダンスアナライザや周波数計測器等によって共振周波数ｆｓおよび該共振周波数を示すピーク波形の半値幅（ｆ２－ｆ１）を測定し、Ｑｍ＝ｆｓ／（ｆ２－ｆ１）の関係式からＱｍを算出する。次に、同一または近似のＱｍを有する圧電素子２を、積層体３に必要な数（本例においては６個）だけ選択する。具体的には、６個の圧電素子２のＱｍのばらつきが、該６個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）に対して±２．５％以内となるように、６個の圧電素子２を選択する。
　次に、配列決定ステップＳ２において、圧電素子選択ステップＳ１において選択された６個の圧電素子２の配列をランダムに決定する。
　次に、組立ステップＳ３において、６個の圧電素子２が、配列決定ステップＳ２において決定されたランダム配列に従って配列するように、６個の圧電素子２と電極６ａ，６ｂとを交互に積層して積層体３を形成する。次に、形成された積層体３のボルト穴３ａ内にホーン１のボルト５を挿入し、積層体３から突出したボルト５の先端部にバックマス４を締結して積層体３を長手軸Ａ方向に圧縮する。これにより、超音波振動子１０が製造される。
　次に、このように構成された超音波振動子１０の作用について説明する。
　本実施形態に係る超音波振動子１０によって超音波振動を発生させるためには、電源（図示略）から、超音波振動子１０の共振周波数または該共振周波数の近傍の周波数を有する交番電力を電気ケーブル（図示略）を介して電極６ａ，６ｂに供給する。これにより、個々の圧電素子２が長手軸Ａ方向に伸縮振動して積層体３が縦振動を発生する。積層体３において発生した縦振動は、ホーン１に伝達され、ホーン１の先端が長手軸Ａ方向に高周波振動する。
　ここで、圧電素子２のＱｍと積層体３における振動伝達との関係について説明する。
　機械的品質係数Ｑｍは、伸縮振動の際に圧電素子２に生じる弾性損失を表す係数であり、機械的損失係数の逆数である。機械的品質係数Ｑｍが高い程、弾性損失が小さく、振動を減衰させ難く、発熱が少ない。したがって、超音波振動子１０用の圧電素子２としては、例えば１０００以上の高いＱｍを有する圧電素子が使用される。
　同一の圧電素子内は均質であるため、同一の圧電素子内における振動の伝達効率は高く、振動はほとんど減衰することなく伝達する。したがって、仮に、積層体３が、単一の均質な圧電素子から構成されていた場合、積層体３全体が同調して縦振動し、積層体３における発熱は少ない。
　実際の積層体３は、複数の圧電素子２の積層構造を有し、圧電素子２と他の圧電素子２との間で圧電素子２の性質が不連続に変化する。このように、性質が不連続に変化する圧電素子２同士の境界においては、縦振動の一部が反射される等して損失するため、圧電素子２から隣接する他の圧電素子２への振動の伝達効率は低下する。また、振動の損失に伴って熱が発生する。すなわち、圧電素子２の境界で反射された振動が他の振動と作用することによって発熱の原因となる高調波を発生させる。また、隣接する２つの圧電素子２のＱｍに差がある場合は、一方の圧電素子２の伸縮挙動と他方の圧電素子２の伸縮挙動とにずれが生じることによって２つの圧電素子２の境界において滑り運動が生じ、摩擦熱が生じる。
　本実施形態に係る超音波振動子１０によれば、略等しいＱｍを有する圧電素子２を積層体３に使用しているので、積層体３におけるＱｍが略均一になっている。したがって、複数の圧電素子２からなる積層体３は、単一の圧電素子からなる積層体と類似の挙動を示し、積層体３において縦振動は減衰することなく高い効率で伝達するとともに積層体３における発熱が抑制される。これにより、超音波振動子１０の出力（ホーン１の先端の振幅）を増大するために電極６ａ，６ｂに供給する交番電力を増大したとしても、超音波振動子１０は、温度上昇することなく高い出力を安定的に発揮し続けることができるという利点がある。
　特に、超音波振動子１０を構成する部品の内、発熱量が最も大きいものは積層体３である。したがって、積層体３における発熱を抑制することによって、超音波振動子１０全体の温度上昇を効率的に抑制することができるという利点がある。また、従来のＢＬＴ振動子の製造方法から圧電素子２の選択のみを変更するだけで、発熱量の少ない超音波振動子１０を製造することができるという利点がある。
（第２の実施形態）
　本発明の第２の実施形態に係る超音波振動子２０およびその製造方法について図５および図６を参照して説明する。
　本実施形態に係る超音波振動子２０は、積層体３１における圧電素子２の配列において、第１の実施形態の超音波振動子１０と異なっている。したがって、本実施形態においては、積層体３１について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
　本実施形態に係る超音波振動子２０は、図５に示されるように、超音波振動子１０と同様に、半波長共振型である。
　積層体３１において、圧電素子２は、図６に示されるように、Ｑｍが、ホーン１側からバックマス４側に向かって順番に小さくなるように配列されている。したがって、最もホーン１側に位置する圧電素子２のＱｍが最も大きくなっており、最もバックマス４側に位置する圧電素子２のＱｍが最も小さくなっている。さらに、長手軸Ａ方向に隣接する圧電素子２間のＱｍの差は、６個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％以内である。
　次に、超音波振動子２０の製造方法について説明する。
　本実施形態に係る超音波振動子２０の製造方法は、圧電素子選択ステップと、配列決定ステップと、組立ステップとを含む。
　圧電素子選択ステップにおいて、第１の実施形態において説明した圧電素子選択ステップＳ１と同様にして、圧電素子２のＱｍを測定する。次に、６個の圧電素子２のＱｍのばらつきが、該６個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）に対して±１５％以内となるように、かつ、Ｑｍを大きさ順に並べたときに隣接するＱｍ間の差が平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％以内となるように、６個の圧電素子２を選択する。
　次に、配列決定ステップにおいて、選択ステップにおいて選択された６個の圧電素子２の配列を、最もホーン１側に位置する圧電素子２から最もバックマス４側に位置する圧電素子２に向かって順番にＱｍが小さくなるように、決定する。
　次に、組立ステップにおいて、６個の圧電素子２が、配列決定ステップにおいて決定された配列に従って配列するように、６個の圧電素子２と電極６ａ，６ｂとを交互に積層して積層体３を形成する。次に、最も大きなＱｍを有する圧電素子２がホーン１側に配置され、最も小さなＱｍを有する圧電素子２がバックマス４側に配置されるように、ホーン１と積層体３とバックマス４とを１つに組み立てる。
　本実施形態に係る超音波振動子２０によれば、第１の実施形態の効果に加えて以下の効果を奏する。
　上述したように、圧電素子２のＱｍには個体誤差が存在し、製造会社から購入した圧電素子２のＱｍにはばらつきが存在する。第１の実施形態のように、略等しいＱｍを有する圧電素子２のみを選別して使用する場合、購入した圧電素子２の内、一部を製造に利用することができない。本実施形態によれば、異なるＱｍを有する圧電素子２を組み合わせて使用することによって、購入した圧電素子２を有効的に製造に利用することができるという利点がある。
　また、ホーン１に近い側に大きなＱｍを有する圧電素子２を配置することによって、積層体３において発生した縦振動がホーン１へ効率的に伝達される。これにより、超音波振動子２０の入出力効率（電極６ａ，６ｂに供給される交番電力に対するホーン１の振動振幅）を高め、電極６ａ，６ｂに供給する交番電力を低減しながら大きな出力を得ることができるという利点がある。
　さらに、ホーン１は圧電素子２よりも大きなＱｍを有し、ホーン１と圧電素子２との境界においても、Ｑｍの差に起因する振動の損失および発熱が生じる。そこで、最も大きなＱｍを有する圧電素子２をホーン１の隣に配置し、ホーン１のＱｍと圧電素子２のＱｍとの差を最小とすることによって、積層体３からホーン１への振動の伝達効率的を高め、発熱をさらに抑制することができるという利点がある。
（第３の実施形態）
　本発明の第３の実施形態に係る超音波振動子３０およびその製造方法について図７および図８を参照して説明する。
　本実施形態に係る超音波振動子３０は、積層体３２における圧電素子２の配列において、第１の実施形態の超音波振動子１０と異なっている。したがって、本実施形態においては、積層体３２について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
　本実施形態に係る超音波振動子３０は、図７に示されるように、第１および第２の実施形態に係る超音波振動子１０，２０とは全長が異なり、１波長共振型である。すなわち、超音波振動子３０の長手軸Ａ方向の寸法は、超音波振動子３０の共振周波数の波長と同一に設計されている。これにより、超音波振動子３０は、図７に示されるように、共振周波数の交番電力が電極６ａ，６ｂに供給されたときに、１波長共振する。１波長共振において、３つの腹が現れ、２つの節Ｎ１，Ｎ２がホーン１の長手方向の途中位置と積層体３の長手方向の途中位置に現れる。
　本実施形態例において、積層体３２は８個の圧電素子２を備えている。積層体３２において、圧電素子２は、図８に示されるように、最もホーン１側に位置する圧電素子２から節Ｎ２に位置する圧電素子２に向かって順番にＱｍが小さくなり、かつ、節Ｎ２に位置する圧電素子２から最もバックマス４側に位置する圧電素子２に向かって順番にＱｍが大きくなるように、配列されている。このときに、最も大きなＱｍを有する圧電素子２が最もホーン１側に位置することが好ましい。さらに、長手軸Ａ方向に隣接する圧電素子２間のＱｍの差は、８個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％以内である。
　次に、超音波振動子３０の製造方法について説明する。
　本実施形態に係る超音波振動子３０の製造方法は、圧電素子選択ステップと、配列決定ステップと、組立ステップとを含む。
　圧電素子選択ステップにおいて、第１の実施形態において説明した圧電素子選択ステップＳ１と同様にして、圧電素子２のＱｍを測定する。次に、８個の圧電素子２のＱｍのばらつきが、該８個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）に対して±７．５％以内となるように、かつ、各圧電素子２のＱｍと他の少なくとも１つの圧電素子２のＱｍとの差が平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％以内となるように、８個の圧電素子２を選択する。
　次に、配列決定ステップにおいて、選択ステップにおいて選択された８個の圧電素子２の配列を、節Ｎ２においてＱｍが最小となり、節Ｎ２からホーン１側およびバックマス４側に向かってＱｍが順番に大きくなるように、決定する。
　次に、組立ステップにおいて、８個の圧電素子２が、配列決定ステップにおいて決定された配列に従って配列するように、８個の圧電素子２と電極６ａ，６ｂとを交互に積層して積層体３を形成する。次に、形成された積層体３とホーン１とバックマス４とを１つに組み立てる。
　本実施形態に係る超音波振動子３０によれば、第１の実施形態の効果に加えて以下の効果を奏する。
　本実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、異なるＱｍを有する圧電素子２を組み合わせて使用することによって、購入した圧電素子２を有効的に製造に利用することができるという利点がある。
　また、ホーン１に近い側に大きなＱｍを有する圧電素子２を配置することによって、超音波振動子３０の入出力効率（電極６ａ，６ｂに供給される交番電力に対するホーン１の振動振幅）を高め、電極６ａ，６ｂに供給する交番電力を低減しながら大きな出力を得ることができるという利点がある。
　さらに、積層体３の内、縦振動の振幅がゼロとなる節Ｎ２に、最も小さい位置Ｑｍを有する圧電素子２を配置し、振幅が大きくなる位置程、大きなＱｍを有する圧電素子２を配置することによって、縦振動の伝達効率を向上し、積層体３における発熱をさらに低減することができるという利点がある。
（第４の実施形態）
　本発明の第４の実施形態に係る超音波振動子４０およびその製造方法について図９および図１０を参照して説明する。
　本実施形態に係る超音波振動子４０は、積層体３３における圧電素子２の配列において、第３の実施形態の超音波振動子３０と異なっている。したがって、本実施形態においては、積層体３３について主に説明し、第３の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
　本実施形態に係る超音波振動子４０は、図９に示されるように、超音波振動子３０と同様に、１波長共振型であり、積層体３３は８個の圧電素子２を備えている。
　積層体３３において、圧電素子２は、図１０に示されるように、最もホーン１側に位置する圧電素子２から節Ｎ２に位置する圧電素子２に向かって順番にＱｍが大きくなり、かつ、節２に位置する圧電素子２から最もバックマス４側に位置する圧電素子２に向かって順番にＱｍが小さくなるように、配列されている。さらに、長手軸Ａ方向に隣接する圧電素子２間のＱｍの差は、８個の圧電素子２のＱｍの平均値Ｍ（Ｑｍ）の５％以内である。
　次に、超音波振動子４０の製造方法について説明する。
　本実施形態に係る超音波振動子４０の製造方法は、圧電素子選択ステップと、配列決定ステップと、組立ステップとを含む。
　本実施形態の圧電素子選択ステップは、第３の実施形態において説明した圧電素子選択ステップと同一である。
　次に、配列決定ステップにおいて、選択ステップにおいて選択された８個の圧電素子２の配列を、節Ｎ２においてＱｍが最大となり、節Ｎ２からホーン１側およびバックマス４側に向かってＱｍが順番に小さくなるように、決定する。
　次に、組立ステップにおいて、８個の圧電素子２が、配列決定ステップにおいて決定された配列に従って配列するように、８個の圧電素子２と電極６ａ，６ｂとを交互に積層して積層体３を形成する。次に、形成された積層体３とホーン１とバックマス４とを１つに組み立てる。
　本実施形態に係る超音波振動子４０によれば、第１の実施形態の効果に加えて以下の効果を奏する。
　本実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、異なるＱｍを有する圧電素子２を組み合わせて使用することによって、購入した圧電素子２を有効的に製造に利用することができるという利点がある。
　次に、上述した積層体３，３１，３２，３３におけるＱｍの分布と、超音波振動子１０，２０，３０，４０発熱量との関係について説明する。
　図１１には、第１から第４の実施形態に係る超音波振動子１０，２０，３０，４０に、等しい電力量の交番電力を供給して半波長共振または１波長共振させたときの温度上昇を測定した結果を示すグラフである。比較例として、無作為に選択した圧電素子を使用して製造した超音波振動子の温度上昇も測定した。
　図１１示されるように、本実施形態に係る超音波振動子１０，２０，３０，４０の温度上昇量は、比較例に比べて優位に小さいことが確認された。特に、超音波振動子２０，３０の温度上昇量が小さく、大きなＱｍを有する圧電素子２をホーン１側に配置することによって超音波振動子２０，３０の発熱を効果的に抑制できることが確認された。また、超音波振動子２０の温度上昇量は、比較例に比べて４℃低く、超音波振動子２０に供給する交番電力を１１Ｗ（１４％）増加したとしても、温度上昇を比較例と同等に抑制することができることが確認された。
１０，２０，３０，４０　超音波振動子
１　ホーン
２　圧電素子
３，３１，３２，３３　積層体
４　バックマス
５　ボルト
６ａ，６ｂ　電極
Ｓ１　圧電素子選択ステップ
Ｓ２　配列決定ステップ
Ｓ３　組立ステップ

Claims (12)

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