WO2018070043A1 - 超音波トランスデューサ - Google Patents

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WO2018070043A1
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ultrasonic transducer
longitudinal axis
end side
boundary
vibration
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之彦 島村
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オリンパス株式会社
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    • B06B2201/70—Specific application
    • B06B2201/76—Medical, dental

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer including a piezoelectric element that generates ultrasonic vibration when supplied with electrical energy.
  • US2009 / 275864A1 discloses an ultrasonic treatment tool for treating a treatment target using ultrasonic vibration.
  • This ultrasonic treatment instrument is provided with an ultrasonic transducer including a piezoelectric element that generates ultrasonic vibration when supplied with electrical energy.
  • the tip of the bolt is connected to the tip side block, and the bolt and the tip side block are integrally formed.
  • a drive unit including a piezoelectric element is attached to the outer periphery of the bolt.
  • the base end portion of the bolt is connected to the base end side block, and the base end side block is fastened to the outer periphery of the bolt.
  • the drive unit is sandwiched between the distal end side block and the proximal end side block, and a pressing force toward the distal end side acts on the drive unit from the proximal end side block.
  • a rod member including a treatment portion is connected to the distal end side of the ultrasonic transducer. The ultrasonic vibration generated by the piezoelectric element is transmitted to the treatment portion through the rod member.
  • a vibrating body including an ultrasonic transducer and a rod member is brought close to a predetermined resonance frequency as much as possible by ultrasonic vibration at a predetermined resonance frequency. And is required to vibrate.
  • the ultrasonic transducer itself can be vibrated at a predetermined resonance frequency by ultrasonic vibration generated by a piezoelectric element. Alternatively, it is required to vibrate as close to a predetermined resonance frequency as possible.
  • a single element minimum constituent unit of the ultrasonic transducer and a half wavelength of vibration corresponding to each physical property of the components forming the ultrasonic transducer such as the piezoelectric element, the distal end side block, and the proximal end side block. It is necessary to form an ultrasonic transducer that vibrates at a predetermined resonance frequency even in an assembly of a natural number multiple). Thereby, the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer alone matches or substantially matches the frequency of the input current or input voltage from the drive power supply and the resonance frequency in the vibration of the rod member alone.
  • the resonance frequency of vibration of a single ultrasonic transducer is affected by physical properties (materials) such as the rigidity (Young's modulus) of the material constituting the ultrasonic transducer.
  • the physical properties of the material vary depending on the manufacturer that provides the material, or vary depending on the lot even in the same manufacturer. In order to adjust the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer alone, it is conceivable to change the length along the longitudinal axis of the tip side block of the ultrasonic transducer. This adjustment can be easily performed.
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer that vibrates at a predetermined resonance frequency without changing the dimension along the longitudinal axis of the ultrasonic transducer.
  • An ultrasonic transducer includes a drive unit including a piezoelectric element that generates ultrasonic vibration along a longitudinal axis when supplied with electrical energy, and a first unit of the drive unit along the longitudinal axis.
  • a proximal end block provided on one end side; and a distal end block provided on a second end side opposite to the first end side of the drive unit.
  • the front end side block has a first portion adjacent to the piezoelectric element, a second portion continuous to the first portion, a cross-sectional area in a virtual plane continuous to the second portion and orthogonal to the longitudinal axis.
  • a third portion configured differently from the second portion along the longitudinal axis in order from the second end side of the drive unit, and generating the ultrasonic vibration in the piezoelectric element, With the ultrasonic vibration transmitted to the proximal block, the first part, the second part, and the third part, the position of the boundary between the second part and the third part is the ultrasonic vibration. It is configured to match or substantially match the belly.
  • FIG. 1 is a schematic view of a treatment system in which the ultrasonic transducer according to the first embodiment is used.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the distal-end side block constituting the ultrasonic transducer according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of a front end side block constituting the ultrasonic transducer according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the distal-end block constituting the ultrasonic transducer according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the distal-end block constituting the ultrasonic transducer according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a graph showing the characteristic of the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view of a distal-end block constituting an ultrasonic transducer that is a modification of the first embodiment.
  • FIG. 8 is a perspective view of a distal-end block constituting an ultrasonic transducer that is a modification of the first embodiment.
  • FIG. 9 is a perspective view of a distal-end block constituting an ultrasonic transducer that is a modification of the first embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a distal-end block that constitutes an ultrasonic transducer that is a modification of the first embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a distal end side block constituting the ultrasonic transducer according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a perspective view of a distal end side block constituting the ultrasonic transducer according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the distal end side block constituting the ultrasonic transducer according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the distal end side block constituting the ultrasonic transducer according to the second embodiment.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a distal end side block constituting an ultrasonic transducer as a modification of the second embodiment.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of a distal-end block constituting an ultrasonic transducer that is a modification of the second embodiment.
  • FIG. 17 is a perspective view of a distal-end block constituting an ultrasonic transducer that is a modification of the second embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a treatment system 1 in which an exemplary ultrasonic transducer 20 is used.
  • the treatment system 1 includes an ultrasonic treatment tool 2 and an energy control device 3.
  • the ultrasonic treatment instrument 2 includes a housing 5 that can be held, and a shaft 6 that is attached to the housing 5.
  • the shaft 6 extends substantially straight.
  • the side on which the housing 5 is positioned with respect to the shaft 6 is a base end side (arrow L1 side), and the side opposite to the base end side is a front end side (arrow L2 side).
  • the shaft 6 is attached to the housing 5 from the front end side.
  • an end effector 7 is provided at a position on the distal end side with respect to the shaft 6.
  • a handle 8 is rotatably attached to the housing 5. When the handle 8 rotates with respect to the housing 5, the handle 8 opens or closes with respect to the housing 5.
  • a rod member (probe) 10 is inserted through the shaft 6.
  • the rod member 10 is formed from a material having high vibration transmission properties such as a titanium alloy.
  • the rod member 10 extends from the inside of the housing 5 to the front end side through the inside of the shaft 6.
  • the rod member 10 includes a rod protrusion 11 that protrudes from the tip of the shaft 6 toward the tip.
  • a jaw 12 is rotatably attached to the tip of the shaft 6. The jaw 12 and the handle 8 are connected via a movable member (not shown) that extends through the inside of the shaft 6.
  • the movable member moves to the proximal end side or the distal end side.
  • the jaw 12 rotates with respect to the shaft 6, and the gap between the jaw 12 and the rod protrusion 11 opens or closes.
  • the end effector 7 is formed by the rod protrusion 11 and the jaw 12.
  • the treatment target is treated by gripping the treatment target such as a living tissue between the jaw 12 and the rod protrusion 11.
  • a rotation knob (not shown) that is a rotation operation member is attached to the housing 5, and the rotation knob can rotate with respect to the housing 5 around the axis of the shaft 6.
  • the shaft 6, the end effector 7, and the rod member 10 rotate together with respect to the housing 5 around the axis of the central axis of the shaft 6.
  • the jaw 12 is not provided, and the end effector 7 is formed only from the rod protrusion 11.
  • the handle 8 and the movable member described above are not provided.
  • the rod protrusion 11 has a hook shape, a spatula shape, a blade shape, or the like.
  • the ultrasonic transducer 20 is connected to the rod member 10 from the base end side inside the housing 5.
  • the ultrasonic transducer 20 is accommodated in the transducer case 18 and supported by the transducer case 18.
  • the ultrasonic transducer 20 is connected to the rod member 10 by attaching the transducer case 18 to the housing 5 from the proximal end side.
  • the distal end of the ultrasonic transducer 20 is directly connected to the proximal end of the rod member 10.
  • One end of the cable 13 is connected to the transducer case 18.
  • the other end of the cable 13 is detachably connected to the energy control device 3.
  • the transducer case 18 is not provided.
  • the ultrasonic transducer 20 is supported by the housing 5, and one end of the cable 13 is connected to the housing 5.
  • the rotation knob is provided, the ultrasonic transducer 20 is rotated around the central axis of the shaft 6 together with the shaft 6, the end effector 7 and the rod member 10 by rotating the rotation knob. Rotates relative to the housing 5.
  • the ultrasonic transducer 20 includes a bolt (shaft) 21 extending along the longitudinal axis L.
  • a bolt (shaft) 21 extending along the longitudinal axis L.
  • one side in the direction along the longitudinal axis L coincides with the base end side (arrow L1 side)
  • the other side in the direction along the longitudinal axis L coincides with the distal end side (arrow L2 side).
  • the bolt 21 extends straight along the longitudinal axis L from the proximal end to the distal end.
  • the tip of the bolt 21 is connected to the tip-side block 22 serving as a vibration member.
  • the front end side block 22 may be called a front mass.
  • the front end side block 22 is integral with the bolt 21.
  • the distal end side block 22 is provided along the longitudinal axis L on the distal end side opposite to the proximal end side of the drive unit 30 described later.
  • the front end side block 22 and the bolt 21 are made of, for example, a titanium alloy, an aluminum alloy, SUS, or the like.
  • the tip side block 22 may be formed of the same material as the bolt 21 or may be formed of a material different from the bolt 21. Further, the distal end side block 22 forms the distal end of the ultrasonic transducer 20 and is connected to the rod member 10.
  • the front end side block 22 is formed with a supported portion 25 such as a flange supported by the transducer case 18 or the housing 5, and a horn 26 whose cross-sectional area approximately perpendicular to the longitudinal axis L decreases toward the front end side.
  • a supported portion 25 such as a flange supported by the transducer case 18 or the housing 5
  • a horn 26 whose cross-sectional area approximately perpendicular to the longitudinal axis L decreases toward the front end side.
  • the base end portion of the bolt 21 is connected to the base end side block 23 serving as a vibration member.
  • the proximal end side block 23 may be called a back mass.
  • the proximal end block 23 is provided along the longitudinal axis L on the proximal end side of the drive unit 30 described later.
  • the proximal end side block 23 is formed in a ring shape that covers the outer periphery of the bolt 21.
  • a male screw portion (not shown) is formed as a first engagement portion.
  • a female screw portion (not shown) is formed as a second engagement portion that engages with the first engagement portion.
  • the male screw portion extends from the proximal end of the bolt 21 toward the distal end side
  • the female screw portion extends from the proximal end of the proximal end side block 23 toward the distal end side.
  • the base end side block 23 is made of, for example, a titanium alloy, an aluminum alloy, SUS, or the like.
  • the proximal side block 23 may be formed from the same material as the distal side block 22, or may be formed from a material different from the distal side block 22.
  • the base end of the base end side block 23 substantially coincides with the base end of the bolt 21 in the direction along the longitudinal axis L, and the ultrasonic transducer is formed by the base end of the base end side block 23 and the base end of the bolt 21. Twenty proximal ends are formed.
  • a drive unit 30 serving as an excitation member is attached to the outer periphery of the bolt 21.
  • the drive unit 30 is sandwiched between the distal end side block 22 and the proximal end side block 23 in the direction along the longitudinal axis L. Then, the drive unit 30 is pressed against the distal end side block 22 by the proximal end side block 23.
  • the drive unit 30 includes one or more piezoelectric elements 31 that generate ultrasonic vibration along the longitudinal axis L when supplied with electrical energy.
  • the drive unit 30 includes ten piezoelectric elements 31 as an example.
  • the piezoelectric element 31 is formed from, for example, piezoelectric ceramics.
  • the piezoelectric element 31 converts electrical energy into vibration energy.
  • Each of the piezoelectric elements 31 is formed in a ring shape, and the bolt 21 is inserted through each of the piezoelectric elements 31. Note that at least one piezoelectric element 31 may be provided.
  • the drive unit 30 includes a plurality of ring-shaped electrode members 32 and 33 formed of a conductive material such as metal.
  • the plurality of electrode members 32 are connected.
  • the plurality of electrode members 33 are connected.
  • One end of an electrical wiring 37 is connected to the electrode member 32.
  • one end of an electrical wiring 38 is connected to the electrode member 33.
  • the number of electrode members 32 and 33 is determined in accordance with the number of piezoelectric elements 31, and in each case, each of the piezoelectric elements 31 corresponds to one corresponding electrode member 32 and one corresponding electrode member 33. It becomes the structure pinched
  • the energy control device 3 includes an energy output source 15, a processor 16, and a storage medium 17.
  • the electric wires 37 and 38 are extended through the inside of the cable 13, and the other ends of the electric wires 37 and 38 are connected to the energy output source 15.
  • the energy output source 15 includes a conversion circuit that converts electric power obtained from a battery power source or a receptacle outlet fixed to a wall into electric energy supplied to the drive unit 30 of the ultrasonic transducer 20, and outputs the converted electric energy. To do.
  • the electrical energy output from the energy output source 15 is supplied to the drive unit 30 via the electrical wirings 37 and 38.
  • the energy output source 15 outputs AC power as electric energy to the drive unit 30.
  • the processor 16 serving as a control unit is formed of an integrated circuit including a CPU (Central Processing Unit), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the processing in the processor 16 is performed according to a program stored in the processor 16 or the storage medium 17.
  • the storage medium 17 stores a processing program used by the processor 16, parameters and tables used in calculation by the processor 16, and the like.
  • the processor 16 controls the output of electrical energy from the energy output source 15 to the drive unit 30.
  • the processor 16 adjusts the frequency at the output of electrical energy from the energy output source 15 to a predetermined frequency.
  • each of the piezoelectric elements 31 converts electrical energy into vibration energy, and ultrasonic vibration is generated in the piezoelectric elements 31.
  • the generated ultrasonic vibration is transmitted to the rod member 10, and is transmitted from the proximal end side to the distal end side of the rod member 10 to the rod protruding portion 11.
  • the end effector 7 treats a treatment target such as a biological tissue using the ultrasonic vibration transmitted to the rod protrusion 11.
  • the vibrator including the ultrasonic transducer 20 and the rod member 10 vibrates at a predetermined resonance frequency Frref. Therefore, in the ultrasonic transducer 20, the bolt 21, the distal end side block 22, the proximal end side block 23, and the drive unit 30 vibrate together by ultrasonic vibration generated by the piezoelectric element 31. At this time, the vibrating body performs longitudinal vibration whose vibration direction is substantially parallel to the longitudinal axis L. The influence due to the fluctuation during driving is detected by the energy control device 3, and the electric energy is adjusted.
  • an antinode of ultrasonic vibration occurs at the tip of the vibrating body, that is, the tip of the rod member 10.
  • An antinode of ultrasonic vibration is generated at the base end of the vibrator, that is, the base end of the ultrasonic transducer 20.
  • Antinodes of ultrasonic vibration are generated at the distal end of the distal end side block 22 and the proximal end of the proximal end side block 23, respectively.
  • a node of ultrasonic vibration is generated in the supported portion 25 of the distal block 22.
  • At least one ultrasonic vibration node is generated on the tip side of the tip side block 22 relative to the supported portion 25.
  • the single unit of the ultrasonic transducer 20 described above is a minimum unit of the ultrasonic transducer 20 and is an assembly of the bolt 21, the distal end side block 22, the proximal end side block 23, and the drive unit 30.
  • the single length of the ultrasonic transducer 20 is a natural number multiple of the half wavelength of the longitudinal vibration at the predetermined resonance frequency Frref.
  • the rod member 10 is connected to the distal end side of the ultrasonic transducer 20 as a separate body.
  • an insulating ring (not shown) formed of an electrically insulating material is provided between the drive unit 30 and the distal block 22 and between the drive unit 30 and the proximal block 23.
  • An insulating tube (not shown) formed of an electrically insulating material is provided between the inner periphery of the drive unit 30 and the outer periphery of the bolt 21. Thereby, the supply of the electric energy supplied to the drive unit 30 to the distal end side block 22, the proximal end side block 23 and the bolt 21 is prevented.
  • electric energy different from the electric energy supplied to the drive unit 30 is output from the energy output source 15.
  • electrical energy different from the electrical energy supplied to the drive unit 30 is supplied to each of the rod protrusion 11 and the jaw 12. As a result, a high-frequency current flows through the treatment target gripped between the jaw 12 and the rod protrusion 11.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the distal end side block 22 constituting the ultrasonic transducer 20 as an example.
  • FIG. 2 shows a cross section of the distal end side block 22 substantially parallel to the longitudinal axis L.
  • the front end side block 22 shall be comprised with the material provided with the physical property used as a reference
  • the distal end side block 22 has a first portion 221, a second portion 222, and a third portion 223 along the longitudinal axis L in order from the distal end side of the drive unit 30.
  • the first portion 221, the second portion 222, and the third portion 223 may be processed as one element or may be processed as separate elements.
  • the first portion 221 is adjacent to the piezoelectric element 31.
  • the supported portion 25 and the horn 26 described above are provided in the first portion 221.
  • the first portion 221 generates ultrasonic vibrations in the piezoelectric element 31 and transmits the ultrasonic vibrations to the proximal end block 23 and the distal end side block 22 (the first portion 221, the second portion 222, and the third portion 223).
  • the position of the supported portion 25 is configured to match or substantially match the node of the ultrasonic vibration.
  • the supported portion 25 is appropriately supported by the transducer case 18 or the housing 5. .
  • the second part 222 is continuous with the tip side of the first part 221.
  • the second portion 222 has a cylindrical shape.
  • the cross-sectional shape of the second portion 222 orthogonal to the longitudinal axis L is the same or substantially the same along the longitudinal axis L.
  • the third portion 223 is continuous with the distal end side of the second portion 222.
  • the third portion 223 has a cylindrical shape.
  • the cross-sectional shape of the third portion 223 orthogonal to the longitudinal axis L is the same or substantially the same along the longitudinal axis L.
  • the third portion 223 is configured such that a cross-sectional area in a virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L is different from that of the second portion 222.
  • the distal end of the third portion 223 generates ultrasonic vibrations in the piezoelectric element 31 and transmits the ultrasonic vibrations to the proximal end block 23 and the distal end block 22. Match or approximately match.
  • boundary A1 is on a virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L.
  • the distal end block 22 generates ultrasonic vibrations in the piezoelectric element 31 and transmits the ultrasonic vibrations to the proximal end block 23 and the distal end side block 22, and the position of the boundary A1 coincides with the antinodes of the ultrasonic vibrations. It is comprised so that it may correspond substantially.
  • the boundary between the supported portion 25 along the longitudinal axis L and the tip of the third portion 223 is a predetermined distance and the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is a predetermined resonance frequency. Regardless of the position of A1, the amplitude of the ultrasonic vibration at the tip of the ultrasonic transducer 20 does not change substantially.
  • the distance from the supported portion 25 along the longitudinal axis L to the tip of the third portion 223 is L1.
  • the boundary A1 is provided at a position where the distance from the supported portion 25 along the longitudinal axis L to the boundary A1 is L2 (hereinafter referred to as a reference position B1).
  • the reference position B1 is a position where the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 becomes the predetermined resonance frequency Frref.
  • the distance from the boundary A1 along the longitudinal axis L to the tip of the third portion 223 is L3.
  • FIG. 3 is a perspective view of the distal end side block 22 constituting the ultrasonic transducer 20 as an example.
  • the second portion 222 and the third portion 223 have a cylindrical shape.
  • the cross-sectional area of the second portion 222 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L is smaller than the cross-sectional area of the third portion 223 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the distal end side block 22 constituting the ultrasonic transducer 20 as an example.
  • FIG. 4 shows a cross section of the distal end side block 22 substantially parallel to the longitudinal axis L.
  • FIG. 4 shows the ultrasonic transducer 20 in which the position of the boundary A1 is closer to the distal end side of the third portion 223 than the reference position B1 under the condition that the distance L1 is constant.
  • the tip side block 22 shown in FIG. 4 is made of a material having physical properties as a reference, like the tip side block 22 shown in FIG.
  • a position of an arbitrary boundary A1 that is closer to the tip of the third portion 223 than the reference position B1 is defined as a position B2.
  • a distance from the supported portion 25 along the longitudinal axis L to the position B2 is L4.
  • the distance from the position B2 along the longitudinal axis L to the tip of the third portion 223 is L5.
  • L4 is longer than L2 shown in FIG.
  • L5 is shorter than L3 shown in FIG.
  • the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is higher when the boundary A1 is at the position B2 on the tip side of the third portion 223 than the reference position B1 than when the boundary A1 is at the reference position B1.
  • the characteristic of the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 corresponding to the position of the boundary A1 will be described later.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the distal end side block 22 constituting the ultrasonic transducer 20 as an example.
  • FIG. 5 shows a cross section of the distal end side block 22 substantially parallel to the longitudinal axis L.
  • FIG. 5 shows the ultrasonic transducer 20 in which the position of the boundary A1 is closer to the supported portion 25 than the reference position B1 under the condition that the distance L1 is constant.
  • the tip side block 22 shown in FIG. 5 is made of a material having physical properties as a reference, like the tip side block 22 shown in FIG.
  • the position of an arbitrary boundary A1 that is closer to the supported portion 25 than the reference position B1 is defined as a position B3.
  • the distance from the supported portion 25 along the longitudinal axis L to the position B3 is L6.
  • the distance from the position B3 along the longitudinal axis L to the tip of the third portion 223 is L7.
  • L6 is shorter than L2 shown in FIG.
  • L7 is longer than L3 shown in FIG.
  • the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is lower when the boundary A1 is at the position B3 closer to the supported portion 25 than the reference position B1 than when the boundary A1 is at the reference position B1.
  • the characteristic of the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 according to the position of the boundary A1 will be described below.
  • FIG. 6 is a graph showing the characteristic of the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 according to the position of the boundary A1.
  • the horizontal axis indicates the distance from the reference position B1 to the boundary A1 on the longitudinal axis L.
  • the minus direction of the horizontal axis is the direction from the reference position B1 to the tip side of the third portion 223.
  • the plus direction of the horizontal axis is the direction from the reference position B1 to the supported portion 25 side.
  • the front end side block 22 is configured as shown in FIG.
  • the vertical axis indicates the amount of change in the resonance frequency due to the vibration of the ultrasonic transducer 20.
  • the amount of change corresponds to the difference between the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 and the predetermined resonance frequency Frref.
  • the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is a predetermined resonance frequency Frref.
  • the difference between the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 and the predetermined resonance frequency Frref is a positive value. That is, when the boundary A1 is at the position B2, the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is higher than the predetermined resonance frequency Frref.
  • the difference between the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 and the predetermined resonance frequency Frref is a negative value. That is, when the boundary A1 is at the position B3, the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is lower than the predetermined resonance frequency Frref.
  • the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 varies depending on the position of the boundary A1. Specifically, as the position of the boundary A1 approaches the supported portion 25 side from the distal end side of the third portion 223, the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 decreases linearly or substantially linearly.
  • the shape of the distal end side block 22 described below is merely an example. If the front end side block 22 is configured so that the cross-sectional area of the second portion 222 is smaller than the cross-sectional area of the third portion 223 in a virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L, it will be described herein. The shape is not limited.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a distal end side block 22 constituting an ultrasonic transducer 20 as a modification.
  • the 2nd part 222 and the 3rd part 223 are comprised by the elliptic cylinder.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a distal end side block 22 constituting an ultrasonic transducer 20 as a modification.
  • the 2nd part 222 is comprised by the cylinder.
  • the 3rd part 223 is comprised by the square pole.
  • the shape of the cross section of the second portion 222 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L may not be similar to the cross section of the third portion 223 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L.
  • the third portion 223 may be formed of a polygonal column other than a quadrangular column.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a distal end side block 22 constituting an ultrasonic transducer 20 as a modification.
  • the second portion 222 has a gentle shape in the vicinity of the boundary A1 such that the outer shape (cross-sectional area) of the second portion 222 gradually decreases as the boundary A1 approaches the supported portion 25 side.
  • the third portion 223 has a gentle shape such that the outer shape (cross-sectional area) of the third portion 223 gradually decreases in the vicinity of the boundary A1 from the distal end side of the third portion 223 toward the boundary A1 side. (Taper shape) may be comprised.
  • the gentle shape in the vicinity of the boundary A1 reduces the concentration of stress on the boundary A1 portion when the ultrasonic transducer 20 transmits ultrasonic vibration, as compared with the case where the boundary A1 is formed in a stepped shape. Can do. Therefore, the front end side block 22 becomes difficult to be damaged.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a distal end side block 22 constituting an ultrasonic transducer 20 as a modification.
  • FIG. 10 shows a cross section of the distal end side block 22 substantially parallel to the longitudinal axis L.
  • the second part 222 and the third part 223 are cylindrical.
  • the shape of the outer periphery of the second portion 222 is the same as the shape of the outer periphery of the third portion 223. Therefore, there is no change in the outer shape of the tip side block 22 in the vicinity of the boundary A1.
  • the inner circumference of the second portion 222 is shorter than the inner circumference of the third portion 223. Therefore, in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L, the cross-sectional area of the second portion 222 is smaller than the cross-sectional area of the third portion 223.
  • the shape of the outer periphery and the inner periphery of the second portion 222 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L may be circular or polygonal.
  • the shape of the outer periphery of the second portion 222 may or may not be similar to the shape of the inner periphery of the second portion 222.
  • the shape of the outer periphery and the inner periphery of the third portion 223 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L may be circular or polygonal.
  • the shape of the outer periphery of the third portion 223 may or may not be similar to the shape of the inner periphery of the third portion.
  • the front end side block 22 is configured so that the shape of the cross section in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L has more symmetry axes.
  • a preferred example is the circular shape shown in FIG. The reason is that the more the target shafts, the less the possibility that the distal side block 22 will cause an undesirable behavior such as vibration in a direction other than the direction along the longitudinal axis L.
  • the second portion 222 has the same or substantially the same cross-sectional shape along the longitudinal axis L as the longitudinal axis L, but is not limited thereto.
  • the entire second portion 222 may be tapered along the longitudinal axis L or may have a step-like change in cross-sectional area.
  • the entire third portion 223 may have a tapered shape along the longitudinal axis L, or may have a step-like change in cross-sectional area.
  • the adjustment of the position of the boundary A1 is performed at the design stage of the ultrasonic transducer 20 or at the time of setting the processing dimension.
  • the position of the boundary A1 may be calculated based on the difference between the physical properties of the material constituting the distal end side block 22 and the reference physical properties.
  • the ultrasonic transducer 20 is processed so that the boundary A1 is provided at a position adjusted from the reference position B1.
  • the front end block 22 is made of a material having physical properties as a reference.
  • the ultrasonic transducer 20 is processed so that the boundary A1 is provided at the reference position B1. Thereby, the ultrasonic transducer 20 vibrates at a certain resonance frequency. It is assumed that the resonance frequency at this time is a desired predetermined resonance frequency Frref.
  • the tip side block 22 is made of a material having physical properties different from the standard physical properties.
  • the resonance frequency due to the vibration of the ultrasonic transducer 20 may be lower than the predetermined resonance frequency Frref.
  • the ultrasonic transducer 20 vibrates at a predetermined resonance frequency Frref by processing so that the boundary A1 is provided at a position B2 where the distance from the reference position B1 is appropriately adjusted.
  • the resonance frequency due to the vibration of the ultrasonic transducer 20 may be higher than the predetermined resonance frequency Frref.
  • the ultrasonic transducer 20 vibrates at a predetermined resonance frequency Frref by processing so that the boundary A1 is provided at a position B3 where the distance from the reference position B1 is appropriately adjusted.
  • the adjustment of the position of the boundary A1 may be performed on the front end side block 22 in the component state or the actual product (the ultrasonic transducer 20) in the assembled state.
  • the front end side block 22 is scraped to adjust the position of the boundary A1 so that the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 becomes the predetermined resonance frequency Frref.
  • the adjustment of the position of the boundary A1 in this example is an adjustment in a direction in which the position of the boundary A1 is brought closer to the distal end side of the third portion 223.
  • the position of the boundary A1 is adjusted so that the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 increases to the predetermined resonance frequency Frref.
  • the ultrasonic transducer 20 is configured to vibrate at a predetermined resonance frequency Frref under the condition that the distance from the supported portion 25 to the tip of the third portion 223 is a predetermined distance. Even if the physical properties of the material constituting the distal end side block 22 of the ultrasonic transducer 20 vary, the ultrasonic transducer 20 has the longitudinal axis L between the supported portion 25 and the distal end of the third portion 223 of the distal end side block 22. The length L1 along the line is always constant. Therefore, when the ultrasonic transducer 20 is assembled to other parts constituting the ultrasonic treatment instrument 2, there is no need to change the dimensions of the other parts.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in the shape of the distal end side block 22 constituting the ultrasonic transducer 20.
  • a configuration different from the first embodiment will be described.
  • descriptions of configurations that may be the same as those in the first embodiment are omitted.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the distal end side block 22 constituting the ultrasonic transducer 20 as an example.
  • FIG. 11 shows a cross section of the distal end side block 22 substantially parallel to the longitudinal axis L.
  • the front end side block 22 shall be comprised with the material provided with the physical property used as a reference
  • the distal end side block 22 has a first portion 221, a second portion 222, and a third portion 223 along the longitudinal axis L in order from the distal end side of the drive unit 30.
  • the first portion 221, the second portion 222, and the third portion 223 may be processed as one element or may be processed as separate elements.
  • the first portion 221 is provided with the supported portion 25 and the horn 26 described above.
  • the first portion 221 generates ultrasonic vibrations in the piezoelectric element 31 and transmits the ultrasonic vibrations to the proximal block 23 and the distal block 22, and the position of the supported portion 25 is the ultrasonic vibration node. It is configured to match or approximately match. The reason is the same as the reason described in the first embodiment.
  • the second part 222 is continuous with the tip side of the first part 221.
  • the second portion 222 has a cylindrical shape.
  • the cross-sectional shape of the second portion 222 orthogonal to the longitudinal axis L is the same or substantially the same along the longitudinal axis L.
  • the third portion 223 is continuous with the distal end side of the second portion 222.
  • the third portion 223 has a cylindrical shape.
  • the cross-sectional shape of the third portion 223 orthogonal to the longitudinal axis L is the same or substantially the same along the longitudinal axis L.
  • the third portion 223 is configured such that a cross-sectional area in a virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L is different from that of the second portion 222.
  • the distal end of the third portion 223 generates ultrasonic vibrations in the piezoelectric element 31 and transmits the ultrasonic vibrations to the proximal end block 23 and the distal end block 22. Match or approximately match.
  • boundary A2 is on a virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L.
  • the distal side block 22 generates ultrasonic vibrations in the piezoelectric element 31 and transmits the ultrasonic vibrations to the proximal side block 23 and the distal side block 22, and the position of the boundary A2 coincides with the antinodes of the ultrasonic vibrations. It is comprised so that it may correspond substantially. The reason is the same as the reason described in the first embodiment.
  • a distance from the supported portion 25 along the longitudinal axis L to the tip of the third portion 223 is L1 ′.
  • the boundary A2 is provided at a position where the distance from the supported portion 25 along the longitudinal axis L to the boundary A is L2 ′ (hereinafter referred to as a reference position C1).
  • the reference position C1 is a position where the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 becomes the predetermined resonance frequency Frref.
  • L3 ′ be the distance from the boundary A2 along the longitudinal axis L to the tip of the third portion 223.
  • FIG. 12 is a perspective view of the distal end side block 22 constituting the ultrasonic transducer 20 as an example.
  • the second portion 222 and the third portion 223 have a cylindrical shape.
  • the cross-sectional area of the second portion 222 in the imaginary plane orthogonal to the longitudinal axis L is larger than the cross-sectional area of the third portion 223 in the imaginary plane orthogonal to the longitudinal axis L.
  • the front end side block 22 may be configured such that the outer shape gradually changes in the vicinity of the boundary A2. The reason is the same as the reason described in the first embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the tip side block 22 constituting the ultrasonic transducer 20 as an example.
  • FIG. 13 shows a cross section of the distal end side block 22 substantially parallel to the longitudinal axis L.
  • FIG. 13 shows the ultrasonic transducer 20 in which the position of the boundary A2 is closer to the distal end side of the third portion 223 than the reference position C1 under the condition that the distance L1 ′ is constant.
  • the tip side block 22 shown in FIG. 13 is made of a material having physical properties as a reference, like the tip side block 22 shown in FIG.
  • a position of an arbitrary boundary A2 located on the tip side of the third portion 223 with respect to the reference position C1 is defined as a position C2.
  • the distance from the supported portion 25 along the longitudinal axis L to the position C2 is L4 ′.
  • the distance from the position C2 along the longitudinal axis L to the tip of the third portion 223 is L5 ′.
  • L4 ′ is longer than L2 ′ shown in FIG.
  • L5 ′ is shorter than L3 ′ shown in FIG.
  • the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is lower when the boundary A2 is at the position C2 on the distal end side of the third portion 223 than the reference position C1 than when the boundary A2 is at the reference position C1.
  • the characteristic of the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 corresponding to the position of the boundary A2 will be described later.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the front end side block 22 constituting the ultrasonic transducer 20 as an example.
  • FIG. 14 shows a cross section of the distal end side block 22 substantially parallel to the longitudinal axis L.
  • FIG. 14 shows the ultrasonic transducer 20 in which the position of the boundary A2 is closer to the supported portion 25 than the reference position C1 under the condition that the distance L1 ′ is constant.
  • the front end side block 22 shown in FIG. 14 is comprised with the material provided with the physical property used as a reference
  • the position of an arbitrary boundary A2 that is closer to the supported portion 25 than the reference position C1 is defined as a position C3.
  • a distance from the supported portion 25 along the longitudinal axis L to the position C3 is L6 ′.
  • the distance from the position C3 along the longitudinal axis L to the tip of the third portion 223 is L7 ′.
  • L6 ′ is shorter than L2 shown in FIG.
  • L7 ′ is longer than L3 ′ shown in FIG.
  • the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is higher when the boundary A2 is at the position C3 on the supported portion 25 side than the reference position C1 than when the boundary A2 is at the reference position C1.
  • the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is a predetermined resonance frequency Frref.
  • the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is lower than the predetermined resonance frequency Frref.
  • the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 is higher than the predetermined resonance frequency Frref. That is, under the condition that the distance L1 ′ is constant, the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 varies depending on the position of the boundary A2. Specifically, as the position of the boundary A ′ approaches the supported portion 25 side from the distal end side of the third portion 223, the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 increases linearly or substantially linearly.
  • the characteristic of the resonance frequency in the second embodiment is opposite to the characteristic of the resonance frequency in the first embodiment.
  • the reason is that the magnitude relationship between the cross-sectional area of the second portion 222 and the cross-sectional area of the third portion 223 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L is opposite between the first embodiment and the second embodiment.
  • the shape of the distal end side block 22 described below is merely an example. If the front end side block 22 is configured so that the cross-sectional area of the second portion 222 is larger than the cross-sectional area of the third portion 223 in a virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L, it will be described herein. The shape is not limited.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing a distal end side block 22 constituting an ultrasonic transducer 20 as a modification.
  • FIG. 15 shows a cross section of the distal end side block 22 substantially parallel to the longitudinal axis L.
  • the shape of the outer periphery of the second portion 222 is the same as the shape of the outer periphery of the third portion 223.
  • the second portion 222 has a column shape.
  • the third portion 223 has a cylindrical shape. Therefore, in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L, the cross-sectional area of the second portion 222 is larger than the cross-sectional area of the third portion 223.
  • the shape of the outer periphery of the second portion 222 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L may be a circle or a polygon.
  • the shape of the outer periphery and the inner periphery of the third portion 223 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L may be circular or polygonal.
  • the shape of the outer periphery of the third portion 223 may or may not be similar to the shape of the inner periphery of the third portion 223.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view showing a distal end side block 22 constituting an ultrasonic transducer 20 as a modification.
  • FIG. 16 shows a cross section of the distal end side block 22 substantially parallel to the longitudinal axis L.
  • the shape of the outer periphery of the second portion 222 is the same as the shape of the outer periphery of the third portion 223.
  • the second portion 222 and the third portion 223 are cylindrical.
  • the outer shape of the second portion 222 is smaller than the outer shape of the third portion 223.
  • the cross-sectional area of the second portion 222 is larger than the cross-sectional area of the third portion 223.
  • the shape of the outer periphery and the inner periphery of the second portion 222 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L may be circular or polygonal.
  • the shape of the outer periphery of the second portion 222 may or may not be similar to the shape of the inner periphery of the second portion 222.
  • the shape of the outer periphery and the inner periphery of the third portion 223 in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L may be circular or polygonal.
  • the shape of the outer periphery of the third portion 223 may or may not be similar to the shape of the inner periphery of the third portion 223.
  • FIG. 17 is a perspective view showing a distal end side block 22 constituting an ultrasonic transducer 20 as a modification.
  • the second portion 222 has a column shape.
  • the third portion 223 is configured such that the shape of the outer periphery of the third portion 223 in a virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L is a shape obtained by cutting out part of the shape of the outer periphery of the second portion 222. Therefore, in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L, the cross-sectional area of the second portion 222 is larger than the cross-sectional area of the third portion 223.
  • the front end side block 22 is configured so that the shape of the cross section in the virtual plane orthogonal to the longitudinal axis L has more symmetry axes.
  • a preferred example is the circular shape shown in FIG. The reason is the same as the reason described in the first embodiment.
  • the second portion 222 has the same or substantially the same cross-sectional shape along the longitudinal axis L as the longitudinal axis L, but is not limited thereto.
  • the entire second portion 222 may be tapered along the longitudinal axis L.
  • the entire third portion 223 may be tapered along the longitudinal axis L.
  • the adjustment of the position of the boundary A2 is performed at the design stage of the ultrasonic transducer 20 or at the time of setting the processing dimension.
  • the position of the boundary A2 may be calculated based on the difference between the physical properties of the material constituting the distal end side block 22 and the reference physical properties.
  • the ultrasonic transducer 20 is processed so that the boundary A2 is provided at a position adjusted from the reference position C1.
  • the front end block 22 is made of a material having physical properties as a reference.
  • the ultrasonic transducer 20 is processed so that the boundary A2 is provided at the reference position C1. Thereby, the ultrasonic transducer 20 vibrates at a certain resonance frequency. It is assumed that the resonance frequency at this time is a desired predetermined resonance frequency Frref.
  • the tip side block 22 is made of a material having physical properties different from the standard physical properties.
  • the resonance frequency due to the vibration of the ultrasonic transducer 20 may be lower than the predetermined resonance frequency Frref.
  • the ultrasonic transducer 20 vibrates at a predetermined resonance frequency Frref by processing so that the boundary A2 is provided at a position C3 where the distance from the reference position C1 is appropriately adjusted.
  • the resonance frequency due to the vibration of the ultrasonic transducer 20 may be higher than the predetermined resonance frequency Frref.
  • the ultrasonic transducer 20 vibrates at a predetermined resonance frequency Frref by processing so that the boundary A2 is provided at a position C2 in which the distance from the reference position C1 is appropriately adjusted.
  • the adjustment of the position of the boundary A2 may be performed on the tip side block 22 in the component state or the actual product (the ultrasonic transducer 20) in the assembled state.
  • the tip side block 22 is scraped to adjust the position of the boundary A2 so that the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 becomes the predetermined resonance frequency Frref.
  • the adjustment of the position of the boundary A2 in this example is an adjustment in a direction in which the position of the boundary A2 is brought closer to the supported portion 25 side.
  • the position of the boundary A is adjusted so that the resonance frequency in the vibration of the ultrasonic transducer 20 increases to the predetermined resonance frequency Frref.
  • the ultrasonic transducer 20 according to the second embodiment can obtain the same effects as those described in the first embodiment.

Abstract

超音波トランスデューサは、長手軸に沿って超音波振動を発生する駆動ユニットと、前記長手軸における前記駆動ユニットの第１端側に設けられている基端側ブロックと、前記駆動ユニットの前記第１端側とは反対側の第２端側に設けられ、圧電素子に隣接している第１部分と、前記第１部分に連続する第２部分と、前記第２部分に連続し、前記長手軸と直交する断面積が前記第２部分と異なるように構成されている第３部分とを有し、前記駆動ユニットに前記超音波振動を発生させた状態で、前記第２部分と前記第３部分との境界の位置が前記超音波振動の腹と一致または略一致するように構成されている先端側ブロックとを備える。

Description

超音波トランスデューサ
　本発明は、電気エネルギーが供給されることにより超音波振動を発生する圧電素子を備える超音波トランスデューサに関する。
　ＵＳ２００９／２７５８６４Ａ１には、超音波振動を用いて処置対象を処置する超音波処置具が開示されている。この超音波処置具には、電気エネルギーが供給されることにより超音波振動を発生する圧電素子を備える超音波トランスデューサが設けられる。この超音波トランスデューサでは、ボルトの先端部が先端側ブロックに接続され、ボルト及び先端側ブロックが一体に形成される。また、ボルトの外周には、圧電素子を含む駆動ユニットが取付けられる。ボルトの基端部は、基端側ブロックに接続され、ボルトの外周に基端側ブロックが締結される。駆動ユニットは、先端側ブロックと基端側ブロックとの間で挟まれ、基端側ブロックから駆動ユニットには、先端側への押圧力が作用する。超音波処置具では、超音波トランスデューサの先端側に、処置部を備えるロッド部材が接続される。圧電素子で発生した超音波振動は、ロッド部材を通して処置部に伝達される。
　ＵＳ２００９／２７５８６４Ａ１のような超音波処置具では、処置性能等の観点から、超音波トランスデューサ及びロッド部材を含む振動体を、超音波振動によって既定の共振周波数で又は可能な限り既定の共振周波数に近づけて振動させることが求められている。また、超音波トランスデューサ及びロッド部材を含む振動体を既定の共振周波数で振動させる場合、エネルギーのロスを低減させるために、超音波トランスデューサ単体でも圧電素子で発生した超音波振動によって既定の共振周波数で又は可能な限り既定の共振周波数に近づけて振動することが求められている。したがって、圧電素子、先端側ブロック及び基端側ブロック等の超音波トランスデューサを形成する部品のそれぞれの物性等に対応させて、単体（超音波トランスデューサの最小構成単位で、かつ、振動の半波長の自然数倍の組立体）でも既定の共振周波数で振動する超音波トランスデューサを形成する必要がある。これにより、超音波トランスデューサの単体での振動における共振周波数は、駆動電源からの入力電流または入力電圧の周波数及びロッド部材の単体での振動における共振周波数と一致または略一致する。
　超音波トランスデューサの単体での振動における共振周波数は、超音波トランスデューサを構成する材料の剛性率（ヤング率）等の物性（材質）の影響を受ける。材料の物性は、材料を提供するメーカーによってばらついたり、同じメーカーであってもロットによってばらついたりする。超音波トランスデューサの単体での振動における共振周波数を調整するためには、超音波トランスデューサの先端側ブロックの長手軸に沿った長さを変えることが考えられる。この調整は、容易に行うことができる。
　しかしながら、先端側ブロックの長手軸に沿った長さを変えることは、超音波処置具を構成する他の部品の寸法の変更も余儀なくされる。特に、ハンドルや、ロッド部材等で構成される把持部などの寸法は、先端側ブロックの長手軸に沿った長さに応じて設計されている。このように、超音波処置具を構成する一つの部品のサイズを変更することは、製品全体の構成に大きな影響を与える。
　この発明は、超音波トランスデューサの長手軸に沿った寸法を変えることなく既定の共振周波数で振動する超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
　この発明の一態様に係る超音波トランスデューサは、電気エネルギーが供給されることにより長手軸に沿って超音波振動を発生する圧電素子を備える駆動ユニットと、前記長手軸に沿って前記駆動ユニットの第１端側に設けられている基端側ブロックと、前記駆動ユニットの前記第１端側とは反対側の第２端側に設けられている先端側ブロックとを備える。前記先端側ブロックは、圧電素子に隣接している第１部分と、前記第１部分に連続する第２部分と、前記第２部分に連続し、前記長手軸と直交する仮想平面における断面積が前記第２部分と異なるように構成されている第３部分とを前記駆動ユニットの前記第２端側から順に前記長手軸に沿って有し、前記圧電素子に前記超音波振動を発生させ、前記基端側ブロック、前記第１部分、前記第２部分及び前記第３部分に前記超音波振動を伝達した状態で、前記第２部分と前記第３部分との境界の位置が前記超音波振動の腹と一致または略一致するように構成されている。
図１は、第１の実施形態に係る超音波トランスデューサが用いられる処置システムの概略図である。 図２は、第１の実施形態に係る超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの断面図である。 図３は、第１の実施形態に係る超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの斜視図である。 図４は、第１の実施形態に係る超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの断面図である。 図５は、第１の実施形態に係る超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの断面図である。 図６は、第１の実施形態に係る超音波トランスデューサの振動における共振周波数の特性を示すグラフである。 図７は、第１の実施形態の変形例となる超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの斜視図である。 図８は、第１の実施形態の変形例となる超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの斜視図である。 図９は、第１の実施形態の変形例となる超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの斜視図である。 図１０は、第１の実施形態の変形例となる超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの断面図である。 図１１は、第２の実施形態に係る超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの断面図である。 図１２は、第２の実施形態に係る超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの斜視図である。 図１３は、第２の実施形態に係る超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの断面図である。 図１４は、第２の実施形態に係る超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの断面図である。 図１５は、第２の実施形態の変形例となる超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの断面図である。 図１６は、第２の実施形態の変形例となる超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの断面図である。 図１７は、第２の実施形態の変形例となる超音波トランスデューサを構成する先端側ブロックの斜視図である。
　（第１の実施形態）　
　第１の実施形態に係る超音波トランスデューサ２０について説明する。　
　図１は、一例となる超音波トランスデューサ２０が用いられる処置システム１を示す概略図である。
　図１に示すように、処置システム１は、超音波処置具２と、エネルギー制御装置３と、を備える。超音波処置具２は、保持可能なハウジング５と、ハウジング５に取付けられるシャフト６と、を備える。シャフト６は、略真直ぐに延設される。ここで、超音波処置具２では、シャフト６に対してハウジング５が位置する側を基端側（矢印Ｌ１側）とし、基端側とは反対側を先端側（矢印Ｌ２側）とする。このため、シャフト６は、先端側からハウジング５に取付けられる。また、超音波処置具２では、シャフト６に対して先端側の部位に、エンドエフェクタ７が設けられる。
　ハウジング５には、ハンドル８が回動可能に取付けられる。ハンドル８がハウジング５に対して回動することにより、ハンドル８がハウジング５に対して開く又は閉じる。また、シャフト６には、ロッド部材（プローブ）１０が挿通される。ロッド部材１０は、チタン合金等の振動伝達性の高い材料から形成される。ロッド部材１０は、ハウジング５の内部からシャフト６の内部を通って、先端側へ向かって延設される。そして、ロッド部材１０は、シャフト６の先端から先端側に突出するロッド突出部１１を備える。また、シャフト６の先端部には、ジョー１２が回動可能に取付けられる。ジョー１２とハンドル８との間は、シャフト６の内部を通って延設される可動部材（図示しない）を介して連結される。ハンドル８をハウジング５に対して開く又は閉じることにより、可動部材が基端側又は先端側に移動する。これにより、ジョー１２がシャフト６に対して回動し、ジョー１２とロッド突出部１１との間が開く又は閉じる。エンドエフェクタ７は、ロッド突出部１１及びジョー１２によって形成される。そして、ジョー１２とロッド突出部１１との間で生体組織等の処置対象を把持することにより、処置対象を処置する。
　なお、ある実施例では、ハウジング５に、回転操作部材である回転ノブ（図示しない）が取付けられ、回転ノブは、シャフト６の中心軸の軸回りにハウジング５に対して回転可能である。この場合、回転ノブを回転させることにより、シャフト６、エンドエフェクタ７及びロッド部材１０は、シャフト６の中心軸の軸回りにハウジング５に対して一緒に回転する。また、ある実施例では、ジョー１２が設けられず、ロッド突出部１１のみからエンドエフェクタ７が形成される。この場合、上述のハンドル８及び可動部材は設けらない。また、この場合、ロッド突出部１１は、フック形状、ヘラ形状又はブレード形状等を有する。
　超音波トランスデューサ２０は、ハウジング５の内部において、ロッド部材１０に基端側から接続される。超音波トランスデューサ２０は、トランスデューサケース１８の内部に収容され、トランスデューサケース１８に支持される。そして、トランスデューサケース１８をハウジング５に基端側から取付けることにより、超音波トランスデューサ２０は、ロッド部材１０に接続される。超音波トランスデューサ２０の先端は、直接的にロッド部材１０の基端に接続される。また、ケーブル１３の一端は、トランスデューサケース１８に接続される。ケーブル１３の他端は、エネルギー制御装置３に取外し可能に接続される。
　なお、ある実施例では、トランスデューサケース１８が設けられない。この場合、超音波トランスデューサ２０は、ハウジング５によって支持され、ケーブル１３の一端は、ハウジング５に接続される。また、上述の回転ノブが設けられる実施例では、回転ノブを回転させることにより、超音波トランスデューサ２０は、シャフト６、エンドエフェクタ７及びロッド部材１０と一緒に、シャフト６の中心軸の軸回りにハウジング５に対して回転する。
　次に、超音波トランスデューサ２０の構成について説明する。　
　超音波トランスデューサ２０は、長手軸Ｌに沿って延びるボルト（シャフト）２１を備える。ここで、長手軸Ｌに沿う方向の一方側が基端側（矢印Ｌ１側）と一致し、長手軸Ｌに沿う方向の他方側が先端側（矢印Ｌ２側）と一致する。ボルト２１は、基端から先端まで長手軸Ｌに沿って真直ぐに延設される。
　超音波トランスデューサ２０では、ボルト２１の先端部が、振動部材となる先端側ブロック２２に接続される。先端側ブロック２２は、フロントマスということもある。先端側ブロック２２は、ボルト２１と一体である。先端側ブロック２２は、長手軸Ｌに沿って後述する駆動ユニット３０の基端側とは反対側の先端側に設けられている。先端側ブロック２２及びボルト２１は、例えばチタン合金、アルミニウム合金又はＳＵＳ等から形成される。なお、先端側ブロック２２は、ボルト２１と同一の材料から形成されてもよく、ボルト２１とは異なる材料から形成されてもよい。また、先端側ブロック２２は、超音波トランスデューサ２０の先端を形成し、ロッド部材１０に接続される。先端側ブロック２２には、トランスデューサケース１８又はハウジング５によって支持されるフランジ等の被支持部２５が形成され、先端側に向かって長手軸Ｌに略垂直な断面積が減少するホーン２６が形成される。先端側ブロック２２において被支持部２５及びホーン２６が形成される位置については後述する。
　超音波トランスデューサ２０では、ボルト２１の基端部が、振動部材となる基端側ブロック２３に接続される。基端側ブロック２３は、バックマスということもある。基端側ブロック２３は、長手軸Ｌに沿って後述する駆動ユニット３０の基端側に設けられている。基端側ブロック２３は、ボルト２１の外周を覆うリング状に形成される。ボルト２１の基端部の外周には、第１の係合部として図示しない雄ネジ部が形成される。また、基端側ブロック２３の内周には、第１の係合部に係合する第２の係合部として、図示しない雌ネジ部が形成される。雄ネジ部は、ボルト２１の基端から先端側に向かって延設され、雌ネジ部は、基端側ブロック２３の基端から先端側に向かって延設される。雄ネジ部に雌ネジ部が係合する、すなわち螺合することにより、ボルト２１の外周に基端側ブロック２３が締結される。したがって、基端側ブロック２３は、ボルト２１の外周に締結される締結部材である。
　基端側ブロック２３は、例えばチタン合金、アルミニウム合金又はＳＵＳ等から形成される。ここで、基端側ブロック２３は、先端側ブロック２２と同一の材料から形成されてもよく、先端側ブロック２２とは異なる材料から形成されてもよい。また、基端側ブロック２３の基端は、長手軸Ｌに沿う方向についてボルト２１の基端と位置が略一致し、基端側ブロック２３の基端及びボルト２１の基端によって、超音波トランスデューサ２０の基端が形成される。
　ボルト２１の外周には、励振部材となる駆動ユニット３０が取付けられる。駆動ユニット３０は、長手軸Ｌに沿う方向について先端側ブロック２２と基端側ブロック２３との間で挟まれる。そして、駆動ユニット３０は、基端側ブロック２３によって先端側ブロック２２に押圧される。駆動ユニット３０は、電気エネルギーが供給されることにより長手軸Ｌに沿って超音波振動を発生する１以上の圧電素子３１を備える。駆動ユニット３０は、一例として１０個の圧電素子３１を備える。圧電素子３１は、例えば圧電セラミックス等から形成される。圧電素子３１は、電気エネルギーを振動エネルギーに変換する。圧電素子３１のそれぞれは、リング状に形成され、ボルト２１は、圧電素子３１のそれぞれに挿通される。なお、圧電素子３１は、少なくとも１つ設けられていればよい。
　また、駆動ユニット３０は、金属等の導電材料から形成される複数のリング状の電極部材３２及び３３を備える。複数の電極部材３２は連結されている。複数の電極部材３３は連結されている。電極部材３２には、電気配線３７の一端が接続される。また、電極部材３３には、電気配線３８の一端が接続される。なお、電極部材３２及び３３の数は、圧電素子３１の数に対応して決定され、いずれの場合も、圧電素子３１のそれぞれが電極部材３２の対応する１つと電極部材３３の対応する１つとの間で挟まれる構成となる。上述のように超音波トランスデューサ２０が形成されるため、本実施形態では、超音波トランスデューサ２０は、ボルト締めランジュバン型振動子（Bolt-clamped Langevin-type Transducer）となる。
　次に、エネルギー制御装置３の構成について説明する。　
　エネルギー制御装置３は、エネルギー出力源１５、プロセッサ１６及び記憶媒体１７を備える。電気配線３７及び３８は、ケーブル１３の内部を通って延設され、電気配線３７及び３８のそれぞれの他端は、エネルギー出力源１５に接続される。エネルギー出力源１５は、バッテリー電源又は壁に固定されたレセプタクルアウトレットから得られる電力を超音波トランスデューサ２０の駆動ユニット３０に供給される電気エネルギーに変換する変換回路等を備え、変換した電気エネルギーを出力する。エネルギー出力源１５から出力され電気エネルギーは、電気配線３７及び３８を介して、駆動ユニット３０に供給される。エネルギー出力源１５は、電気エネルギーとして交流電力を駆動ユニット３０へ出力する。
　制御部であるプロセッサ１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を含む集積回路から形成される。プロセッサ１６での処理は、プロセッサ１６又は記憶媒体１７に記憶されたプログラムに従って行われる。また、記憶媒体１７には、プロセッサ１６で用いられる処理プログラム、及び、プロセッサ１６での演算で用いられるパラメータ及びテーブル等が記憶される。プロセッサ１６は、エネルギー出力源１５から駆動ユニット３０への電気エネルギーの出力を制御する。プロセッサ１６は、エネルギー出力源１５からの電気エネルギーの出力における周波数を、既定の周波数に調整する。　
　エネルギー出力源１５から駆動ユニット３０に電気エネルギーが供給されることにより、電極部材３２及び３３の間に電圧が印加され、圧電素子３１のそれぞれに電圧が印加される。これにより、圧電素子３１のそれぞれは、電気エネルギーを振動エネルギーに変換し、圧電素子３１で超音波振動が発生する。発生した超音波振動は、ロッド部材１０に伝達され、ロッド部材１０において基端側から先端側へロッド突出部１１まで伝達される。エンドエフェクタ７は、ロッド突出部１１に伝達された超音波振動を用いて生体組織等の処置対象を処置する。超音波トランスデューサ２０及びロッド部材１０において超音波振動が伝達される状態では、超音波トランスデューサ２０及びロッド部材１０を含む振動体が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する。したがって、超音波トランスデューサ２０では、ボルト２１、先端側ブロック２２、基端側ブロック２３及び駆動ユニット３０が、圧電素子３１で発生した超音波振動によって、一緒に振動する。この際、振動体は、振動方向が長手軸Ｌに略平行な縦振動を行う。駆動中の変動による影響は、エネルギー制御装置３により検知され、電気エネルギーが調整される。
　振動体が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する状態では、振動体の先端、すなわちロッド部材１０の先端に、超音波振動の腹が発生する。そして、振動体の基端、すなわち超音波トランスデューサ２０の基端に超音波振動の腹が発生する。
　超音波トランスデューサ２０の単体でも、圧電素子３１で発生した超音波振動によって、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する。先端側ブロック２２の先端及び基端側ブロック２３の基端それぞれには超音波振動の腹が発生する。先端側ブロック２２の被支持部２５には超音波振動の節が発生する。先端側ブロック２２における被支持部２５よりも先端側には少なくとも１つの超音波振動の節が発生する。
　なお、上述した超音波トランスデューサ２０の単体とは、超音波トランスデューサ２０の最小構成単位であり、ボルト２１、先端側ブロック２２、基端側ブロック２３及び駆動ユニット３０の組立体である。超音波トランスデューサ２０の単体の長さは、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆでの縦振動の半波長の自然数倍である。超音波トランスデューサ２０の単体の先端側には、別体としてロッド部材１０が接続される。
　なお、ある実施例では、駆動ユニット３０と先端側ブロック２２との間、及び、駆動ユニット３０と基端側ブロック２３との間のそれぞれに、電気的な絶縁材料から形成される絶縁リング（図示しない）が設けられる。そして、駆動ユニット３０の内周とボルト２１の外周との間に、電気的な絶縁材料から形成される絶縁チューブ（図示しない）が設けられる。これにより、駆動ユニット３０に供給された電気エネルギーの先端側ブロック２２、基端側ブロック２３及びボルト２１への供給が防止される。また、ある実施例では、駆動ユニット３０に供給される電気エネルギーとは異なる電気エネルギーが、エネルギー出力源１５から出力される。例えば、駆動ユニット３０に供給される電気エネルギーとは異なる電気エネルギーが、ロッド突出部１１及びジョー１２のそれぞれに供給される。これにより、ジョー１２とロッド突出部１１との間で把持される処置対象に高周波電流が流れる。
　次に、超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２の形状について説明する。　
　図２は、一例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２の断面図である。図２は、長手軸Ｌと略平行な先端側ブロック２２の断面を示す。先端側ブロック２２は、基準となる物性を備える材料で構成されているものとする。　
　先端側ブロック２２は、第１部分２２１と、第２部分２２２と、第３部分２２３とを駆動ユニット３０の先端側から順に長手軸Ｌに沿って有している。第１部分２２１、第２部分２２２及び第３部分２２３は一つの要素として加工されても、それぞれ別要素として加工されてもよい。
　第１部分２２１は、圧電素子３１に隣接している。この第１部分２２１には、例えば、上述の被支持部２５及びホーン２６が設けられている。　
　第１部分２２１は、圧電素子３１に超音波振動を発生させ、基端側ブロック２３及び先端側ブロック２２（第１部分２２１、第２部分２２２及び第３部分２２３）に超音波振動を伝達した状態で、被支持部２５の位置が超音波振動の節と一致または略一致するように構成されている。このような構成により、被支持部２５がトランスデューサケース１８またはハウジング５に適切に支持されている。。
　第２部分２２２は、第１部分２２１の先端側に連続する。第２部分２２２は、円柱形状である。長手軸Ｌと直交する第２部分２２２の断面形状は、長手軸Ｌに沿って同一または略同一である。
　第３部分２２３は、第２部分２２２の先端側に連続する。第３部分２２３は、円柱形状である。長手軸Ｌと直交する第３部分２２３の断面形状は、長手軸Ｌに沿って同一または略同一である。第３部分２２３は、長手軸Ｌと直交する仮想平面における断面積が前記第２部分２２２と異なるように構成されている。　
　第３部分２２３の先端は、上述のように、圧電素子３１に超音波振動を発生させ、基端側ブロック２３及び先端側ブロック２２に超音波振動を伝達した状態で、超音波振動の腹と一致または略一致する。
　次に、先端側ブロック２２に設けられる第２部分２２２と第３部分２２３との境界（以下、境界Ａ１という）の位置について説明する。境界Ａ１は、長手軸Ｌと直交する仮想平面上にある。　
　先端側ブロック２２は、圧電素子３１に超音波振動を発生させ、基端側ブロック２３及び先端側ブロック２２に超音波振動を伝達した状態で、境界Ａ１の位置が超音波振動の腹と一致または略一致するように構成されている。その理由は、先端側ブロック２２のうち超音波振動の腹と一致する位置（境界Ａ１）には応力が発生しないため、先端側ブロック２２が、第２部分２２２と第３部分２２３との間の境界Ａ１近傍で超音波振動の変成比を持ちにくくするためである。これにより、長手軸Ｌに沿った被支持部２５から第３部分２２３の先端までの距離を既定の距離とし、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数を既定の共振周波数とする条件下において、境界Ａ１の位置によらず、超音波トランスデューサ２０の先端における超音波振動の振幅は実質的に変わらない。
　長手軸Ｌに沿った被支持部２５から第３部分２２３の先端までの距離をＬ１とする。　
　境界Ａ１は、長手軸Ｌに沿った被支持部２５から境界Ａ１までの距離がＬ２となる位置（以下、基準位置Ｂ１）に設けられている。基準位置Ｂ１は、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆとなる位置である。　
　長手軸Ｌに沿った境界Ａ１から第３部分２２３の先端までの距離をＬ３とする。Ｌ３は、超音波振動の腹と一致または略一致する基準位置Ｂ１から超音波振動の腹と一致または略一致する第３部分２２３の先端までの距離に相当する。そのため、Ｌ３は、超音波振動の半波長の自然数倍である。　
　Ｌ１＝Ｌ２＋Ｌ３の関係が成り立つ。
　図３は、一例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２の斜視図である。　
　第２部分２２２及び第３部分２２３は、円柱形状である。長手軸Ｌと直交する仮想平面における第２部分２２２の断面積は、長手軸Ｌと直交する仮想平面における第３部分２２３の断面積よりも小さい。
　次に、距離Ｌ１を一定とする条件下において、境界Ａ１の位置が基準位置Ｂ１とは異なる位置に設けられている超音波トランスデューサ２０の構成について説明する。
　図４は、一例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２の断面図である。図４は、長手軸Ｌと略平行な先端側ブロック２２の断面を示す。図４は、距離Ｌ１を一定とする条件下において、境界Ａ１の位置が基準位置Ｂ１よりも第３部分２２３の先端側にある超音波トランスデューサ２０を示す。図４に示す先端側ブロック２２は、図２に示す先端側ブロック２２と同じく、基準となる物性を備える材料で構成されている。
　基準位置Ｂ１よりも第３部分２２３の先端側にある任意の境界Ａ１の位置を位置Ｂ２とする。　
　長手軸Ｌに沿った被支持部２５から位置Ｂ２までの距離をＬ４とする。　
　長手軸Ｌに沿った位置Ｂ２から第３部分２２３の先端までの距離をＬ５とする。　
　Ｌ１＝Ｌ４＋Ｌ５の関係が成り立つ。　
　Ｌ４は、図２に示すＬ２よりも長い。Ｌ５は、図２に示すＬ３よりも短い。
　超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、境界Ａ１が基準位置Ｂ１にある場合よりも、境界Ａ１が基準位置Ｂ１よりも第３部分２２３の先端側の位置Ｂ２にある場合の方が高い。境界Ａ１の位置に応じた超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数の特性については後述する。
　図５は、一例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２の断面図である。図５は、長手軸Ｌと略平行な先端側ブロック２２の断面を示す。図５は、距離Ｌ１を一定とする条件下において、境界Ａ１の位置が基準位置Ｂ１よりも被支持部２５側にある超音波トランスデューサ２０を示す。図５に示す先端側ブロック２２は、図２に示す先端側ブロック２２と同じく、基準となる物性を備える材料で構成されている。
　基準位置Ｂ１よりも被支持部２５側にある任意の境界Ａ１の位置を位置Ｂ３とする。　
　長手軸Ｌに沿った被支持部２５から位置Ｂ３までの距離をＬ６とする。　
　長手軸Ｌに沿った位置Ｂ３から第３部分２２３の先端までの距離をＬ７とする。　
　Ｌ１＝Ｌ６＋Ｌ７の関係が成り立つ。　
　Ｌ６は、図２に示すＬ２よりも短い。Ｌ７は、図２に示すＬ３よりも長い。
　超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、境界Ａ１が基準位置Ｂ１にある場合よりも、境界Ａ１が基準位置Ｂ１よりも被支持部２５側の位置Ｂ３にある場合の方が低い。境界Ａ１の位置に応じた超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数の特性については以下で説明する。
　図６は、境界Ａ１の位置に応じた超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数の特性を示すグラフである。
　横軸は、長手軸Ｌにおける基準位置Ｂ１から境界Ａ１までの距離を示す。横軸のマイナス方向は、基準位置Ｂ１から第３部分２２３の先端側への方向である。横軸のプラス方向は、基準位置Ｂ１から被支持部２５側への方向である。　
　横軸の値が０である場合、境界Ａ１は、基準位置Ｂ１にある。つまり、先端側ブロック２２は、図２に示すように構成されている。横軸の値がマイナスの値である場合、境界Ａ１は、位置Ｂ２にある。つまり、先端側ブロック２２は、図４に示すように構成されている。横軸の値がプラスの値である場合、境界Ａ１は、位置Ｂ３にある。つまり、先端側ブロック２２は、図５に示すように構成されている。　
　縦軸は、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数の変化量を示す。変化量は、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数と既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆとの差に相当する。
　境界Ａ１が基準位置Ｂ１にある場合、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆである。境界Ａ１が位置Ｂ２にある場合、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数と既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆとの差は、プラス値である。つまり、境界Ａ１が位置Ｂ２にある場合、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆよりも高い。境界Ａ１が位置Ｂ３にある場合、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数と既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆとの差は、マイナス値である。つまり、境界Ａ１が位置Ｂ３にある場合、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆよりも低い。
　このように、距離Ｌ１を一定とする条件下において、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、境界Ａ１の位置に応じて異なる。具体的には、境界Ａ１の位置が第３部分２２３の先端側から被支持部２５側へ近づくにつれ、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、線形的にまたは略線形的に減少する。
　次に、図７～図１０を参照して超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２のいくつかの変形例について説明する。以下で説明する先端側ブロック２２の形状は例示にすぎない。先端側ブロック２２は、長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の断面積が第３部分２２３の断面積よりも小さくなるように構成されていれば、本明細書で説明される形状に限定されるものではない。
　図７は、変形例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２を示す斜視図である。第２部分２２２及び第３部分２２３は、楕円柱で構成されている。
　図８は、変形例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２を示す斜視図である。第２部分２２２は、円柱で構成されている。第３部分２２３は、四角柱で構成されている。このように、長手軸Ｌと直交する仮想平面における第２部分２２２の断面の形状は、長手軸Ｌと直交する仮想平面における第３部分２２３の断面の相似形でなくてもよい。第３部分２２３は、四角柱以外の多角柱で構成されていてもよい。
　図９は、変形例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２を示す斜視図である。第２部分２２２は、境界Ａ１近傍において、境界Ａ１から被支持部２５側へ近づくにつれ第２部分２２２の外形（断面積）が徐々に減少するようななだらかな形状で構成されている。これに代えて、第３部分２２３は、境界Ａ１近傍において、第３部分２２３の先端側から境界Ａ１側へ近づくにつれ第３部分２２３の外形（断面積）が徐々に減少するようななだらかな形状（テーパー形状）で構成されていてもよい。境界Ａ１近傍のなだらかな形状は、境界Ａ１が段差形状で構成されている場合と比べて、超音波トランスデューサ２０が超音波振動を伝達する際に境界Ａ１部分に応力が集中することを低減することができる。よって、先端側ブロック２２は損傷しにくくなる。
　図１０は、変形例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２を示す断面図である。図１０は、長手軸Ｌと略平行な先端側ブロック２２の断面を示す。第２部分２２２及び第３部分２２３は、筒形である。長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の外周の形は、第３部分２２３の外周の形と同一である。そのため、境界Ａ１近傍における先端側ブロック２２の外形の変化はなくなる。長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の内周の長さは、第３部分２２３の内周の長さよりも短い。よって、長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の断面積は、第３部分２２３の断面積よりも小さい。
　長手軸Ｌと直交する仮想平面における第２部分２２２の外周の形及び内周の形は、円形であっても多角形であってもよい。第２部分２２２の外周の形は、第２部分２２２の内周の形の相似形であっても相似形でなくてもよい。長手軸Ｌと直交する仮想平面における第３部分２２３の外周の形及び内周の形は、円形であっても多角形であってもよい。第３部分２２３の外周の形は、第３部分の内周の形の相似形であっても相似形でなくてもよい。
　なお、先端側ブロック２２は、長手軸Ｌと直交する仮想平面における断面の形がより多くの対称軸を有するように構成されていることが好ましい。好ましい一例は、図３で示した円形である。その理由は、対象軸が多い方が、先端側ブロック２２が長手軸Ｌに沿った方向以外の方向へ振動するなどの好ましくない挙動を起こす可能性を減らすことができるからである。
　なお、上述のいくつかの例では、第２部分２２２は、長手軸Ｌと直交する断面形状が長手軸Ｌに沿って同一または略同一であるとしたが、これに限られない。第２部分２２２の全体は、長手軸Ｌに沿ってテーパー形状であってもよいし、段差的な断面積変化をもっても良い。同様に、第３部分２２３の全体は、長手軸Ｌに沿ってテーパー形状であってもよいし、段差的な断面積変化をもっても良い。
　次に、境界Ａ１の位置の調整について説明する。　
　一例では、境界Ａ１の位置の調整は、超音波トランスデューサ２０の設計段階や加工寸法の設定時に実施される。境界Ａ１の位置は、先端側ブロック２２を構成する材料の物性と基準となる物性との差に基づいて算出されてもよい。超音波トランスデューサ２０は、境界Ａ１が基準位置Ｂ１から調整された位置に設けられるように加工される。
　先端側ブロック２２が基準となる物性を備える材料で構成される場合を想定する。この場合、超音波トランスデューサ２０は、境界Ａ１が基準位置Ｂ１に設けられるように加工される。これにより、超音波トランスデューサ２０は、ある共振周波数で振動する。このときの共振周波数が、所望する既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆであるとする。
　次に、先端側ブロック２２が基準となる物性とは異なる物性を備える材料で構成される場合を想定する。あるケースでは、境界Ａ１が基準位置Ｂ１に設けられると、超音波トランスデューサ２０の振動による共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆよりも低くなることがある。境界Ａ１が基準位置Ｂ１からの距離を適切に調整した位置Ｂ２に設けられるように加工することで、超音波トランスデューサ２０は、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する。別のケースでは、境界Ａ１が基準位置Ｂ１に設けられると、超音波トランスデューサ２０の振動による共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆよりも高くなることがある。境界Ａ１が基準位置Ｂ１からの距離を適切に調整した位置Ｂ３に設けられるように加工することで、超音波トランスデューサ２０は、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する。
　別の例では、境界Ａ１の位置の調整は、部品状態にある先端側ブロック２２あるいは組み立て状態にある現品（超音波トランスデューサ２０）に実施されてもよい。この場合、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆとなるように、先端側ブロック２２は、境界Ａ１の位置を調整するために削られる。なお、この例における境界Ａ１の位置の調整は、境界Ａ１の位置を第３部分２２３の先端側へ近づける方向への調整である。つまり、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆよりも低い場合に、境界Ａ１の位置は、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆまで上がるように調整される。
　次に、第１の実施形態の効果について説明する。　
　超音波トランスデューサ２０は、被支持部２５から第３部分２２３の先端までの距離を既定の距離とする条件の下で、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動するように構成される。超音波トランスデューサ２０の先端側ブロック２２を構成する材料の物性がばらついたとしても、超音波トランスデューサ２０は、被支持部２５と先端側ブロック２２の第３部分２２３の先端との間の長手軸Ｌに沿った長さＬ１が常に一定となるように構成される。よって、超音波処置具２を構成する他の部品に超音波トランスデューサ２０を組み付ける際に、他の部品の寸法を変更する必要が生じるといった事態は生じない。
　（第２の実施形態）　
　第２の実施形態に係る超音波トランスデューサ２０について説明する。　
　第２の実施形態は、超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２の形状が第１の実施形態と異なる。第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる構成について説明する。第２の実施形態において第１の実施形態と同様であってもよい構成については、その説明を省略する。
　図１１は、一例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２の断面図である。図１１は、長手軸Ｌと略平行な先端側ブロック２２の断面を示す。先端側ブロック２２は、基準となる物性を備える材料で構成されているものとする。　
　先端側ブロック２２は、第１部分２２１と、第２部分２２２と、第３部分２２３とを駆動ユニット３０の先端側から順に長手軸Ｌに沿って有している。第１部分２２１、第２部分２２２及び第３部分２２３は一つの要素として加工されても、それぞれ別要素として加工されてもよい。
　第１部分２２１には、上述の被支持部２５及びホーン２６が設けられている。　
　第１部分２２１は、圧電素子３１に超音波振動を発生させ、基端側ブロック２３及び先端側ブロック２２に超音波振動を伝達した状態で、被支持部２５の位置が超音波振動の節と一致または略一致するように構成されている。その理由は、第１の実施形態で説明した理由と同様である。
　第２部分２２２は、第１部分２２１の先端側に連続する。第２部分２２２は、円柱形状である。長手軸Ｌと直交する第２部分２２２の断面形状は、長手軸Ｌに沿って同一または略同一である。
　第３部分２２３は、第２部分２２２の先端側に連続する。第３部分２２３は、円柱形状である。長手軸Ｌと直交する第３部分２２３の断面形状は、長手軸Ｌに沿って同一または略同一である。第３部分２２３は、長手軸Ｌと直交する仮想平面における断面積が前記第２部分２２２と異なるように構成されている。　
　第３部分２２３の先端は、上述のように、圧電素子３１に超音波振動を発生させ、基端側ブロック２３及び先端側ブロック２２に超音波振動を伝達した状態で、超音波振動の腹と一致または略一致する。
　次に、先端側ブロック２２に設けられる第２部分２２２と第３部分２２３との境界（以下、境界Ａ２という）の位置について説明する。境界Ａ２は、長手軸Ｌと直交する仮想平面上にある。　
　先端側ブロック２２は、圧電素子３１に超音波振動を発生させ、基端側ブロック２３及び先端側ブロック２２に超音波振動を伝達した状態で、境界Ａ２の位置が超音波振動の腹と一致または略一致するように構成されている。その理由は、第１の実施形態で説明した理由と同様である。
　長手軸Ｌに沿った被支持部２５から第３部分２２３の先端までの距離をＬ１´とする。　
　境界Ａ２は、長手軸Ｌに沿った被支持部２５から境界Ａまでの距離がＬ２´となる位置（以下、基準位置Ｃ１）に設けられている。基準位置Ｃ１は、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆとなる位置である。　
　長手軸Ｌに沿った境界Ａ２から第３部分２２３の先端までの距離をＬ３´とする。Ｌ３´は、超音波振動の腹と一致または略一致する基準位置Ｃ１から超音波振動の腹と一致または略一致する第３部分２２３の先端までの距離に相当する。そのため、Ｌ３´は、超音波振動の半波長の自然数倍である。　
　Ｌ１´＝Ｌ２´＋Ｌ３´の関係が成り立つ。
　図１２は、一例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２の斜視図である。　
　第２部分２２２及び第３部分２２３は、円柱形状である。長手軸Ｌと直交する仮想平面における第２部分２２２の断面積は、長手軸Ｌと直交する仮想平面における第３部分２２３の断面積よりも大きい。　
　なお、先端側ブロック２２は、境界Ａ２近傍において、なだらかなに外形が変化するように構成されていてもよい。その理由は、第１の実施形態で説明した理由と同様である。
　次に、距離Ｌ１´を一定とする条件下において、境界Ａ２の位置が基準位置Ｃ１とは異なる位置に設けられている超音波トランスデューサ２０の構成について説明する。
　図１３は、一例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２の断面図である。図１３は、長手軸Ｌと略平行な先端側ブロック２２の断面を示す。図１３は、距離Ｌ１´を一定とする条件下において、境界Ａ２の位置が基準位置Ｃ１よりも第３部分２２３の先端側にある超音波トランスデューサ２０を示す。図１３に示す先端側ブロック２２は、図１１に示す先端側ブロック２２と同じく、基準となる物性を備える材料で構成されている。
　基準位置Ｃ１よりも第３部分２２３の先端側にある任意の境界Ａ２の位置を位置Ｃ２とする。　
　長手軸Ｌに沿った被支持部２５から位置Ｃ２までの距離をＬ４´とする。　
　長手軸Ｌに沿った位置Ｃ２から第３部分２２３の先端までの距離をＬ５´とする。　
　Ｌ１´＝Ｌ４´＋Ｌ５´の関係が成り立つ。　
　Ｌ４´は、図２に示すＬ２´よりも長い。Ｌ５´は、図２に示すＬ３´よりも短い。
　超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、境界Ａ２が基準位置Ｃ１にある場合よりも、境界Ａ２が基準位置Ｃ１よりも第３部分２２３の先端側の位置Ｃ２にある場合の方が低い。境界Ａ２の位置に応じた超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数の特性については後述する。
　図１４は、一例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２の断面図である。図１４は、長手軸Ｌと略平行な先端側ブロック２２の断面を示す。図１４は、距離Ｌ１´を一定とする条件下において、境界Ａ２の位置が基準位置Ｃ１よりも被支持部２５側にある超音波トランスデューサ２０を示す。図１４に示す先端側ブロック２２は、図１１に示す先端側ブロック２２と同じく、基準となる物性を備える材料で構成されている。
　基準位置Ｃ１よりも被支持部２５側にある任意の境界Ａ２の位置を位置Ｃ３とする。　
　長手軸Ｌに沿った被支持部２５から位置Ｃ３までの距離をＬ６´とする。　
　長手軸Ｌに沿った位置Ｃ３から第３部分２２３の先端までの距離をＬ７´とする。　
　Ｌ１´＝Ｌ６´＋Ｌ７´の関係が成り立つ。　
　Ｌ６´は、図２に示すＬ２よりも短い。Ｌ７´は、図２に示すＬ３´よりも長い。
　超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、境界Ａ２が基準位置Ｃ１にある場合よりも、境界Ａ２が基準位置Ｃ１よりも被支持部２５側の位置Ｃ３にある場合の方が高い。
　境界Ａ２の位置に応じた超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数の特性について説明する。　
　境界Ａ２が基準位置Ｃ１にある場合、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆである。境界Ａ２が位置Ｃ２にある場合、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆよりも低い。境界Ａ２が位置Ｃ３にある場合、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆよりも高い。
　つまり、距離Ｌ１´を一定とする条件下において、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、境界Ａ２の位置に応じて異なる。具体的には、境界Ａ´の位置が第３部分２２３の先端側から被支持部２５側へ近づくにつれ、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数は、線形的にまたは略線形的に増加する。
　このように、第２の実施形態における共振周波数の特性は、第１の実施形態における共振周波数の特性とは逆の特性となる。その理由は、長手軸Ｌと直交する仮想平面における第２部分２２２の断面積と第３部分２２３の断面積の大小関係が第１の実施形態と第２の実施形態とで逆だからである。
　次に、図１５～図１７を参照して超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２のいくつかの変形例について説明する。以下で説明する先端側ブロック２２の形状は例示にすぎない。先端側ブロック２２は、長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の断面積が第３部分２２３の断面積よりも大きくなるように構成されていれば、本明細書で説明される形状に限定されるものではない。
　図１５は、変形例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２を示す断面図である。図１５は、長手軸Ｌと略平行な先端側ブロック２２の断面を示す。長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の外周の形は、第３部分２２３の外周の形と同一である。第２部分２２２は柱形状である。第３部分２２３は筒形である。よって、長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の断面積は、第３部分２２３の断面積よりも大きい。長手軸Ｌと直交する仮想平面における第２部分２２２の外周の形は、円形であっても多角形であってもよい。長手軸Ｌと直交する仮想平面における第３部分２２３の外周の形および内周の形は、円形であっても多角形であってもよい。第３部分２２３の外周の形は、第３部分２２３の内周の形の相似形であっても相似形でなくてもよい。
　図１６は、変形例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２を示す断面図である。図１６は、長手軸Ｌと略平行な先端側ブロック２２の断面を示す。長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の外周の形は、第３部分２２３の外周の形と同一である。第２部分２２２及び第３部分２２３は筒形である。ただし、長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の外周の形は、第３部分２２３の外周の形よりも小さい。よって、長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の断面積は、第３部分２２３の断面積よりも大きい。　
　なお、長手軸Ｌと直交する仮想平面における第２部分２２２の外周の形及び内周の形は、円形であっても多角形であってもよい。第２部分２２２の外周の形は、第２部分２２２の内周の形の相似形であっても相似形でなくてもよい。長手軸Ｌと直交する仮想平面における第３部分２２３の外周の形及び内周の形は、円形であっても多角形であってもよい。第３部分２２３の外周の形は、第３部分２２３の内周の形の相似形であっても相似形でなくてもよい。
　図１７は、変形例となる超音波トランスデューサ２０を構成する先端側ブロック２２を示す斜視図である。　
　第２部分２２２は柱形状である。第３部分２２３は、長手軸Ｌと直交する仮想平面における第３部分２２３の外周の形が第２部分２２２の外周の形の一部を切り欠いた形状となるように構成されている。よって、長手軸Ｌと直交する仮想平面において、第２部分２２２の断面積は、第３部分２２３の断面積よりも大きい。
　なお、先端側ブロック２２は、長手軸Ｌと直交する仮想平面における断面の形がより多くの対称軸を有するように構成されていることが好ましい。好ましい一例は、図１２で示した円形である。その理由は、第１の実施形態で説明した理由と同様である。
　なお、上述のいくつかの例では、第２部分２２２は、長手軸Ｌと直交する断面形状が長手軸Ｌに沿って同一または略同一であるとしたが、これに限られない。第２部分２２２の全体は、長手軸Ｌに沿ってテーパー形状であってもよい。同様に、第３部分２２３の全体は、長手軸Ｌに沿ってテーパー形状であってもよい。
　次に、境界Ａ２の位置の調整について説明する。　
　一例では、境界Ａ２の位置の調整は、超音波トランスデューサ２０の設計段階や加工寸法の設定時に実施される。境界Ａ２の位置は、先端側ブロック２２を構成する材料の物性と基準となる物性との差に基づいて算出されてもよい。超音波トランスデューサ２０は、境界Ａ２が基準位置Ｃ１から調整された位置に設けられるように加工される。
　先端側ブロック２２が基準となる物性を備える材料で構成される場合を想定する。この場合、超音波トランスデューサ２０は、境界Ａ２が基準位置Ｃ１に設けられるように加工される。これにより、超音波トランスデューサ２０は、ある共振周波数で振動する。このときの共振周波数が、所望する既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆであるとする。
　次に、先端側ブロック２２が基準となる物性とは異なる物性を備える材料で構成される場合を想定する。あるケースでは、境界Ａ２が基準位置Ｃ１に設けられると、超音波トランスデューサ２０の振動による共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆよりも低くなることがある。境界Ａ２が基準位置Ｃ１からの距離を適切に調整した位置Ｃ３に設けられるように加工することで、超音波トランスデューサ２０は、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する。別のケースでは、境界Ａ２が基準位置Ｃ１に設けられると、超音波トランスデューサ２０の振動による共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆよりも高くなることがある。境界Ａ２が基準位置Ｃ１からの距離を適切に調整した位置Ｃ２に設けられるように加工することで、超音波トランスデューサ２０は、既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆで振動する。
　別の例では、境界Ａ２の位置の調整は、部品状態にある先端側ブロック２２あるいは組み立て状態にある現品（超音波トランスデューサ２０）に実施されてもよい。この場合、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆとなるように、先端側ブロック２２は、境界Ａ２の位置を調整するために削られる。なお、この例における境界Ａ２の位置の調整は、境界Ａ２の位置を被支持部２５側へ近づける方向への調整である。つまり、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆよりも低い場合に、境界Ａの位置は、超音波トランスデューサ２０の振動における共振周波数が既定の共振周波数Ｆｒｒｅｆまで上がるように調整される。
　第２の実施形態に係る超音波トランスデューサ２０は、第１の実施形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。
　これまで、いくつかの実施形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

Claims (7)

  1. 　電気エネルギーが供給されることにより長手軸に沿って超音波振動を発生する圧電素子を備える駆動ユニットと、
    　前記長手軸に沿って前記駆動ユニットの第１端側に設けられている基端側ブロックと、
    　前記駆動ユニットの前記第１端側とは反対側の第２端側に設けられ、
    　　圧電素子に隣接している第１部分と、
    　　前記第１部分に連続する第２部分と、
    　　前記第２部分に連続し、前記長手軸と直交する仮想平面における断面積が前記第２部分と異なるように構成されている第３部分と、
    　を前記駆動ユニットの前記第２端側から順に前記長手軸に沿って有し、
    　前記圧電素子に前記超音波振動を発生させ、前記基端側ブロック、前記第１部分、前記第２部分及び前記第３部分に前記超音波振動を伝達した状態で、前記第２部分と前記第３部分との境界の位置が前記超音波振動の腹と一致または略一致するように構成されている先端側ブロックと、
    　を備える超音波トランスデューサ。
  2. 　前記第1部分には被支持部が設けられ、
    　前記長手軸に沿った前記被支持部から前記第３部分の先端までの距離を一定とする条件下において、前記超音波トランスデューサの振動における共振周波数は、前記第２部分と前記第３部分との境界の位置に応じて異なる、請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
  3. 　前記長手軸と直交する仮想平面における前記第２部分の断面積は、前記長手軸と直交する仮想平面における前記第３部分の断面積よりも小さい、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
  4. 　前記第２部分と前記第３部分との境界の位置が前記第３部分の先端側から前記被支持部側へ近づくにつれ、前記超音波トランスデューサの振動における共振周波数は線形的にまたは略線形的に減少する、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
  5. 　前記長手軸と直交する仮想平面における前記第２部分の断面積は、前記長手軸と直交する仮想平面における前記第３部分の断面積よりも大きい、請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
  6. 　前記第２部分と前記第３部分との境界の位置が前記第３部分の先端側から前記被支持部側へ近づくにつれ、前記超音波トランスデューサの振動における共振周波数は線形的にまたは略線形的に増加する、請求項５に記載の超音波トランスデューサ。
  7. 　前記長手軸と直交する前記第２部分の断面形状は、前記長手軸に沿って同一または略同一であり、
    　前記長手軸と直交する前記第３部分の断面形状は、前記長手軸に沿って同一または略同一である、
    　請求項２に記載の超音波トランスデューサ。
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