WO2020044513A1 - 超音波振動子、超音波処置具、及び超音波振動子の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an ultrasonic transducer, an ultrasonic treatment instrument, and a method of manufacturing an ultrasonic transducer.
- an ultrasonic treatment device that has an ultrasonic transducer that generates ultrasonic vibration in accordance with a supplied drive signal, and treats the living tissue by applying the ultrasonic vibration to the living tissue.
- the ultrasonic vibrator described in Patent Literature 1 is integrated by bolts penetrating along a laminating direction in a laminated state, and repeatedly repeats expansion and contraction along a laminating direction in response to a drive signal. It has a piezoelectric element. That is, the ultrasonic transducer is constituted by a BLT (bolt-clamped Langevin-type transducer).
- ultrasonic transducers have individual differences and lot-to-lot variations. For example, of two ultrasonic transducers similarly manufactured, the amplitude of the ultrasonic vibration generated in one of the ultrasonic transducers becomes a desired amplitude, but the generated ultrasonic vibration in the other ultrasonic transducer. The amplitude of the sound wave vibration may not be the desired amplitude.
- the amplitude of the ultrasonic vibration can be adjusted to a desired amplitude.
- the capacitance of the entire piezoelectric element differs greatly from the designed capacitance depending on the ultrasonic transducer. In some cases. As described above, when the capacitance is significantly different from the designed capacitance, the control structure is largely changed from the designed manufacturing structure in controlling the ultrasonic vibrator. There is a need. That is, it is necessary to make a significant design change. Therefore, there is a demand for a technique capable of easily obtaining a desired amplitude without making a significant design change.
- the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer, an ultrasonic treatment instrument, and a method of manufacturing an ultrasonic transducer that can easily obtain a desired amplitude. I do.
- an ultrasonic vibrator includes a vibrator main body that generates ultrasonic vibration for vibrating a treatment unit for treating a living tissue
- the main body has a plurality of piezoelectric elements that alternately expand and contract in response to a supplied drive signal, and are integrally fastened in a state where the plurality of piezoelectric elements are stacked along the directions of expansion and contraction.
- the first piezoelectric element expands at a first timing and contracts at a second timing, and the first and second piezoelectric elements have different expansion and contraction timings from the first piezoelectric element.
- two piezoelectric elements are two piezoelectric elements.
- An ultrasonic treatment instrument includes: a treatment section for treating a living tissue; and an ultrasonic transducer having a transducer main body that generates ultrasonic vibration for vibrating the treatment section.
- the main body has a plurality of piezoelectric elements that alternately repeat expansion and contraction in accordance with the supplied drive signal, and is integrally fastened in a state where the plurality of piezoelectric elements are stacked along the directions of expansion and contraction.
- the plurality of piezoelectric elements expand at a first timing and contract at a second timing, and a second piezoelectric element that expands and contracts at a different timing from the first piezoelectric element. And a piezoelectric element.
- the method of manufacturing an ultrasonic transducer according to the present invention includes a plurality of piezoelectric elements that alternately repeat expansion and contraction in accordance with a supplied drive signal, and the plurality of piezoelectric elements along a direction of expansion and contraction. Are integrally fastened in a stacked state, and a method of manufacturing an ultrasonic vibrator for generating ultrasonic vibration by expansion and contraction of the plurality of piezoelectric elements in constant current control, wherein the polarization directions of the plurality of piezoelectric elements are For a normal state arranged in a posture along a specific direction, for each of the plurality of piezoelectric elements, measure the amplitude of the ultrasonic transducer in a state arranged in a posture in which the polarization direction is inverted, the The piezoelectric element for reversing the polarization direction is determined based on the amplitude.
- the ultrasonic treatment tool According to the ultrasonic transducer, the ultrasonic treatment tool, and the method of manufacturing the ultrasonic transducer according to the present invention, a desired amplitude can be easily obtained.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a treatment system according to an embodiment.
- FIG. 2 is a diagram illustrating an ultrasonic transducer.
- FIG. 3 is a diagram showing the first electrode plate.
- FIG. 4 is a diagram illustrating the second electrode plate.
- FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an ultrasonic transducer.
- FIG. 6 is a diagram illustrating a method of manufacturing an ultrasonic transducer.
- FIG. 7 is a diagram illustrating a method of manufacturing an ultrasonic transducer.
- FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a treatment system 1 according to the present embodiment.
- the treatment system 1 treats a target part of a living tissue by applying ultrasonic energy to a part to be treated (hereinafter, referred to as a target part).
- the treatment means, for example, coagulation and incision of the target site.
- This treatment system 1 includes an ultrasonic treatment instrument 2 and a control device 3 as shown in FIG.
- the ultrasonic treatment tool 2 is, for example, a medical treatment tool for treating a target site while passing through the abdominal wall.
- the ultrasonic treatment tool 2 includes a handpiece 4 and an ultrasonic transducer 5 as shown in FIG.
- the handpiece 4 includes a holding case 41, an operation knob 42, a switch 43, a sheath 44, a jaw 45, and an ultrasonic probe 46.
- the holding case 41 supports the entire ultrasonic treatment instrument 2.
- the operation knob 42 is movably attached to the holding case 41 and receives an opening / closing operation by an operator.
- the switch 43 is provided so as to be exposed to the outside of the holding case 41, and accepts an output start operation by the operator. Then, the switch 43 outputs an operation signal corresponding to the output start operation to the control device 3.
- the sheath 44 has a cylindrical shape.
- the central axis of the sheath 44 is referred to as a central axis Ax (FIG. 1).
- one side along the central axis Ax is referred to as a distal side Ar1 (FIG. 1), and the other side is referred to as a proximal side Ar2 (FIG. 1).
- the sheath 44 is attached to the holding case 41 by inserting a part of the base end Ar2 into the holding case 41 from the distal end Ar1 of the holding case 41.
- the jaw 45 is rotatably attached to the end of the distal end side Ar1 of the sheath 44, and holds the target portion between the jaw 45 and the distal end side Ar1 of the ultrasonic probe 46.
- An opening / closing mechanism (open / close mechanism) for opening / closing the jaw 45 with respect to the distal end portion Ar1 of the ultrasonic probe 46 in accordance with the opening / closing operation of the operation knob 42 by the operator inside the holding case 41 and the sheath 44 described above. (Not shown) is provided.
- the ultrasonic probe 46 corresponds to the treatment section according to the present invention.
- the ultrasonic probe 46 has a long shape extending linearly along the central axis Ax, and as shown in FIG. 1, the distal end Ar1 projects inside the sheath 44 in a state of protruding outside. It is inserted.
- the end of the base end side Ar2 of the ultrasonic probe 46 is connected to the ultrasonic transducer 6 (see FIG. 2A) constituting the ultrasonic transducer 5.
- the ultrasonic probe 46 transmits the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic transducer 6 from the end of the base end Ar2 to the end of the distal end Ar1.
- the ultrasonic transducer 5 includes an ultrasonic transducer case 51 and an ultrasonic transducer 6 (see FIG. 2A).
- the ultrasonic transducer case 51 supports the ultrasonic transducer 6 and is detachably connected to the holding case 41.
- FIG. 2 is a diagram showing the ultrasonic transducer 6.
- the ultrasonic vibrator 6 generates an ultrasonic vibration under the control of the control device 3.
- the ultrasonic vibrator 6 is configured by a BLT (bolted Langevin vibrator).
- the ultrasonic vibrator 6 includes a vibrator main body 7, a front mass 8, and a back mass 9.
- the vibrator main body 7 includes first and second electrode plates 71 and 72, and a plurality of (six in the present embodiment) piezoelectric elements 73.
- FIG. 3 is a diagram illustrating the first electrode plate 71.
- the first electrode plate 71 is a portion to which a drive signal is supplied from the control device 3.
- the first electrode plate 71 includes a plurality of (four in the present embodiment) negative electrode plates 711 and a plurality (three in the present embodiment).
- a negative electrode wiring section 712 and a lead wire connection terminal 713 are provided.
- the plurality of negative electrode plates 711 each have a disk shape having an opening 711a at the center, and are arranged side by side along the central axis Ax.
- the plurality of negative electrode wiring portions 712 are portions for electrically connecting the outer edges of the negative electrode plates 711 adjacent to each other.
- the lead wire connection terminal 713 is a portion to which the lead wire C1 (FIG. 2A) constituting the electric cable C (FIGS. 1 and 2A) is connected.
- the lead wire connection terminal 713 extends from the outer edge of the negative electrode plate 711 located closest to the proximal end Ar2 of the plurality of negative electrode plates 711 toward the proximal end Ar2.
- FIG. 4 is a diagram illustrating the second electrode plate 72.
- the second electrode plate 72 is a portion to which a drive signal is supplied from the control device 3.
- the second electrode plate 72 includes a plurality (three in this embodiment) of positive electrode plates 721 and a plurality (two in this embodiment).
- a positive electrode wiring portion 722 and a lead wire connection terminal 723 are provided.
- the plurality of positive electrode plates 721 each have a disk shape having an opening 721a at the center, and are arranged side by side along the central axis Ax.
- the positive electrode plate 721 has substantially the same shape as the negative electrode plate 711.
- the plurality of positive electrode wiring portions 722 are portions for electrically connecting the outer edges of the positive electrode plates 721 adjacent to each other. Then, the negative electrode plates 711 and the positive electrode plates 721 are alternately arranged along the central axis Ax, as shown in FIG.
- the lead wire connection terminal 723 is a portion to which the lead wire C1 of the electric cable C is connected.
- the lead wire connection terminal 723 extends from the outer edge of the positive electrode plate 721 located closest to the proximal end Ar2 of the plurality of positive electrode plates 721 toward the proximal end Ar2.
- the plurality of piezoelectric elements 73 each have a disk shape having an opening (not shown) at the center, and are disposed between the negative electrode plate 711 and the positive electrode plate 721, respectively. That is, the plurality of piezoelectric elements 73 are stacked along the central axis Ax.
- the plurality of piezoelectric elements 73 generate a potential difference in the stacking direction along the central axis Ax in accordance with the drive signal supplied to the first and second electrode plates 71 and 72, so that the plurality of piezoelectric elements 73 move in the stacking direction.
- the expansion and contraction are alternately repeated.
- the ultrasonic vibrator 6 generates the ultrasonic vibration of the longitudinal vibration having the lamination direction as the vibration direction.
- the front mass 8 has a long shape extending linearly along the central axis Ax. As shown in FIG. 2A, the front mass 8 includes an element mounting portion 81, a cross-sectional area changing portion 82, and a probe mounting portion 83.
- the element mounting portion 81 is a bolt extending linearly along the central axis Ax, and includes openings 711a of the plurality of negative electrode plates 711, openings 721a of the plurality of positive electrode plates 721, and a plurality of piezoelectric elements 73. (Not shown). Then, as shown in FIG. 2A, a back mass 9 constituted by a nut is attached to an end of the element mounting portion 81 on the base end side Ar2.
- the cross-sectional area changing portion 82 corresponds to the horn according to the present invention.
- the cross-sectional area changing portion 82 is provided at an end of the element mounting portion 81 on the front end side Ar1 and is a portion that amplifies the amplitude of ultrasonic vibration. Further, as shown in FIG. 2A, the cross-sectional area change portion 82 is set such that the end of the base end Ar2 has a larger diameter than the element mounting portion 81, and the cross-sectional area increases toward the front end Ar1. It has a decreasing frustoconical shape.
- the plurality of negative electrode plates 711, the plurality of positive electrode plates 721, and the plurality of piezoelectric elements 73 pass through the element mounting portion 81 along the central axis Ax, and are located between the cross-sectional area changing portion 82 and the back mass 9. Are fastened together in a substantially cylindrical state.
- insulating plates 84 (FIG. 2A) are interposed between the cross-sectional area changing portion 82 and the piezoelectric element 73 and between the back mass 9 and the piezoelectric element 73, respectively. ing. As shown in FIG.
- the probe mounting portion 83 is provided at the end of the distal end side Ar1 in the cross-sectional area changing portion 82, and extends linearly along the central axis Ax. Then, an end of the proximal end Ar2 of the ultrasonic probe 46 is connected to an end of the distal end Ar1 of the probe mounting portion 83 in a state where the ultrasonic transducer 5 is connected to the handpiece 4.
- the ultrasonic treatment instrument 2 is detachably connected to the control device 3 by an electric cable C (FIG. 1). Then, the control device 3 controls the operation of the ultrasonic treatment instrument 2 overall through the electric cable C.
- the control device 3 includes an energy source 31, a detection circuit 32, and a processor 33, as shown in FIG.
- the energy source 31 outputs a drive signal, which is AC power, to the ultrasonic vibrator 6 via the electric cable C (a pair of lead wires C1) under the control of the processor 33.
- the detection circuit 32 detects a US signal based on a drive signal output from the energy source 31 to the ultrasonic transducer 6. Then, the detection circuit 32 outputs the detected US signal to the processor 33.
- the US signal includes a voltage phase signal (hereinafter, referred to as a US voltage phase signal) in the drive signal, a current phase signal (hereinafter, referred to as the US current phase signal) in the drive signal, Examples include a current value (hereinafter referred to as US current), a voltage value of the drive signal (hereinafter referred to as US voltage), an impedance value calculated from the US current and the US voltage (hereinafter referred to as US impedance), and the like. can do.
- the processor 33 is, for example, a CPU (Central Processing Unit) or an FPGA (Field-Programmable Gate Array), and controls the operation of the entire treatment system 1 according to a program stored in a memory (not shown). The function of the processor 33 will be described in “Operation of treatment system” below.
- the processor 33 controls the operation of the energy source 31, sweeps the frequency in the drive signal output from the energy source 31, and outputs the US signal (for example, US current, US current phase signal and US signal) output from the detection circuit 32.
- the resonance frequency of the ultrasonic transducer 6 is searched for based on the phase difference of the voltage phase signal.
- the processor 33 controls the operation of the energy source 31, and based on the US signal (for example, the US current, the phase difference between the US current phase signal and the US voltage phase signal, etc.), the drive output from the energy source 31.
- PLL control for locking the frequency in the signal to the searched resonance frequency is executed.
- the processor 33 executes the constant current control for keeping the US current constant.
- the ultrasonic vibrator 6 generates ultrasonic vibration (longitudinal vibration).
- the end of the base end side Ar2 in the cross-sectional area change portion 82 becomes a node P1 of the longitudinal vibration (FIG. 2B).
- the end of the distal end Ar1 in the probe mounting portion 83 and the end of the proximal end Ar2 in the back mass 9 are antinodes P2 and P3 (FIG. 2B) of the longitudinal vibration, respectively. That is, the total length of the ultrasonic vibrator 6 is about ⁇ of the wavelength of the longitudinal vibration.
- the longitudinal vibration generated by the ultrasonic transducer 6 is transmitted to the ultrasonic probe 46. Accordingly, the portion of the ultrasonic probe 46 on the distal end side Ar1 vibrates at a desired amplitude due to the longitudinal vibration. That is, an ultrasonic vibration is applied to the target portion gripped between the jaw 45 and the distal end Ar1 portion of the ultrasonic probe 46 from the distal end Ar1 portion. In other words, ultrasonic energy is applied to the target site from the front end side Ar1. As a result, frictional heat is generated between the portion on the front end side Ar1 and the target portion. Then, the target site is incised while coagulating.
- FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the ultrasonic transducer 6.
- 6 and 7 are views for explaining a method of manufacturing the ultrasonic transducer 6.
- FIG. 6A shows a configuration in which a plurality of piezoelectric elements 73 are arranged in a normal state.
- FIG. 6B shows a configuration in which the polarization direction of one piezoelectric element 73e of the plurality of piezoelectric elements 73 is reversed from the normal state.
- FIG. 6A shows a configuration in which a plurality of piezoelectric elements 73 are arranged in a normal state.
- FIG. 6B shows a configuration in which the polarization direction of one piezoelectric element 73e of the plurality of piezoelectric elements 73 is reversed from the normal state.
- the mounting positions of the plurality of piezoelectric elements 73 are set as mounting positions "1" to “6” in order from the side close to the cross-sectional area change portion 82 (node P1) toward the base end side Ar2. .
- the piezoelectric elements 73 at the mounting positions “1” to “6” are piezoelectric elements 73a to 73f, respectively.
- a positive charge inside the piezoelectric element 73 is represented by “+”
- a negative charge is represented by “ ⁇ ”
- a polarization direction is represented by an arrow.
- the positions of the negative electrode plate 711 and the positive electrode plate 721 are represented by alternate long and short dash lines.
- the normal state shown in FIG. 6A means that the plurality of piezoelectric elements 73 are positioned such that the negative charge “ ⁇ ” side faces the negative electrode plate 711 and the positive charge “+” side faces the positive electrode plate 721. Means a state where they are arranged.
- the operator performs the following step S1.
- the operator sets the plurality of piezoelectric elements 73 to the normal state shown in FIG. Further, the operator operates the control device 3 to cause the control device 3 to execute the constant current control of the ultrasonic vibrator 6. Thereby, the ultrasonic vibrator 6 generates ultrasonic vibration (longitudinal vibration).
- the plurality of piezoelectric elements 73 are set in the normal state, they expand at the same first timing and contract at the same second timing. Then, the worker measures the amplitude of the longitudinal vibration by using a vibrometer or the like.
- step S1 the operator determines whether the amplitude measured in step S1 is a desired amplitude (step S2). If it is determined that the amplitude is the desired amplitude (step S2: Yes), the operator determines to use the ultrasonic transducer 6 in a normal state (step S3). After step S3, the operator ends the method of manufacturing the ultrasonic vibrator 6.
- step S2 if it is determined that the amplitude is not the desired amplitude (step S2: No), the operator executes the following step S4.
- the worker normally changes the polarization direction of any one of the piezoelectric elements 73 (the piezoelectric element 73e in the example of FIG. 6B) at the mounting positions “1” to “6”. It is arranged in a posture inverted from the state.
- the operator operates the control device 3 and causes the control device 3 to execute the constant current control of the ultrasonic vibrator 6 in the same manner as in step S1. Thereby, the ultrasonic vibrator 6 generates ultrasonic vibration (longitudinal vibration). In this case, for example, in the state of FIG.
- the piezoelectric elements 73a to 73d and 73f expand at the same first timing and contract at the same second timing. It will be. That is, the piezoelectric elements 73a to 73d and 73f correspond to the first piezoelectric element according to the present invention. On the other hand, since the polarization direction of the piezoelectric element 73e is reversed from the normal state, the piezoelectric element 73e contracts at the first timing and expands at the second timing, contrary to the piezoelectric elements 73a to 73d and 73f. . That is, the piezoelectric element 73e corresponds to a second piezoelectric element according to the present invention. Then, the worker measures the amplitude of the longitudinal vibration by using a vibrometer or the like.
- step S4 the operator determines whether or not step S4 has been executed for all the piezoelectric elements 73 at the mounting positions "1" to "6" (step S5). If it is determined that the processing has not been performed for all the piezoelectric elements 73 (step S5: No), the operator returns to step S4.
- step S6 the operator executes the following step S6.
- the operator refers to the amplitude measured in step S4, and determines a mounting position having an amplitude close to a desired amplitude by inverting the polarization direction among the mounting positions “1” to “6”. Then, the operator decides to use the ultrasonic transducer 6 in a posture in which the polarization direction of the piezoelectric element 73 at the determined mounting position is reversed from the normal state.
- the mounting position “5” is determined as the mounting position where the polarization direction is reversed.
- amplitude increase rate The increase rate of each amplitude (hereinafter, referred to as amplitude increase rate) measured in step S4 with respect to the amplitude in the normal state measured in step S1, and the mounting positions "1" to "6" of piezoelectric element 73 whose polarization direction is reversed. Is as shown in FIG. Regardless of the case where the polarization directions of the piezoelectric elements 73a to 73f at the mounting positions "1" to “6" are reversed from the normal state, the amplitude increase rate is a positive value. In other words, the amplitude is higher than the amplitude in the normal state. This is considered for the following reasons.
- the amplitude increase rate is highest when the polarization direction of the piezoelectric element 73a at the mounting position “1” is reversed from the normal state, and the mounting position of the piezoelectric element 73 whose polarization direction is reversed is the mounting position “2”.
- the number decreases as one moves from “1” to “6” (as the distance from the node P1 increases). This is considered for the following reasons.
- the vibration contribution rate that contributes to the vibration of the ultrasonic vibrator 6 is highest for the piezoelectric element 73 a mounted near the node P 1, and mounted at the mounting positions “1” to “6”.
- the piezoelectric elements 73a to 73f become smaller in this order.
- the amplitude increase rate is increased, and if the polarization direction of the piezoelectric element 73 having a low vibration contribution rate is reversed from the normal state, the amplitude increase rate is increased. Becomes lower.
- the ultrasonic vibrator 6 the plurality of piezoelectric elements 73 expand at the first timing and contract at the second timing, and contract at the first timing.
- a piezoelectric element 73e that expands at the second timing. That is, a desired amplitude can be obtained only by reversing the polarization direction of the piezoelectric element 73e from the normal state among the plurality of piezoelectric elements 73.
- the plurality of piezoelectric elements 73 are stacked along the central axis Ax on the base end side Ar2 with respect to the node P1.
- the ultrasonic vibrator 6 has only one longitudinal vibration node P1, and its entire length is about ⁇ of the wavelength of the longitudinal vibration. For this reason, it is possible to reduce the size of the ultrasonic vibrator 6 and, consequently, the size of the ultrasonic treatment instrument 2.
- the present invention should not be limited only to the above-described embodiments.
- the plurality of piezoelectric elements 73 are constituted by six sheets, but may be constituted by other numbers.
- the fifth piezoelectric element 73e from the node P1 is the second piezoelectric element according to the present invention.
- the present invention is not limited to this.
- Such a second piezoelectric element may be used.
- the number of the second piezoelectric elements according to the present invention is not limited to one, and may be another number.
- the piezoelectric element 73e which is the second piezoelectric element according to the present invention, has the first timing opposite to the piezoelectric elements 73a to 73d, 73f, which are the first piezoelectric elements according to the present invention.
- And expanded at the second timing but is not limited to this.
- the expansion and contraction timings of the second piezoelectric element according to the present invention are different from those of the first piezoelectric element according to the present invention, the expansion and contraction timings may be other timings.
- the vibration efficiency of the ultrasonic vibrator 6 is higher than that in the normal state. It is considered that the amplitude becomes higher than the amplitude in the normal state because the amplitude becomes worse.
- the ultrasonic vibrator 6 has a total length of about ⁇ of the wavelength of the ultrasonic vibration.
- the present invention is not limited to this. May be provided.
- the ultrasonic treatment tool 2 employs a configuration in which ultrasonic energy is applied to a target site.
- a configuration for applying at least one of energy and thermal energy may be employed.
- giving high frequency energy to the target portion means flowing high frequency current to the target portion.
- to apply heat energy to the target portion means to transfer heat of a heater or the like to the target portion.
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Abstract
超音波振動子6は、生体組織を処置する処置部を振動させるための超音波振動を発生する振動子本体7を備える。振動子本体7は、供給された駆動信号に応じて膨張と収縮とを交互に繰り返す複数の圧電素子73を有し、膨張及び収縮の方向に沿って複数の圧電素子73が積層された状態で一体に締結して構成される。複数の圧電素子73は、第1のタイミングで膨張し、第2のタイミングで収縮する第1の圧電素子と、膨張及び収縮のタイミングが第1の圧電素子とは異なる第2の圧電素子と、を備える。
Description
本発明は、超音波振動子、超音波処置具、及び超音波振動子の製造方法に関する。
従来、供給された駆動信号に応じて超音波振動を発生させる超音波振動子を有し、当該超音波振動を生体組織に対して付与することによって当該生体組織を処置する超音波処置具が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の超音波振動子は、積層された状態で積層方向に沿って貫通したボルトによって一体化され、駆動信号に応じて積層方向に沿って膨張と収縮とを交互に繰り返す複数の圧電素子を有する。すなわち、当該超音波振動子は、BLT(ボルト締めランジュバン型振動子)によって構成されている。
特許文献1に記載の超音波振動子は、積層された状態で積層方向に沿って貫通したボルトによって一体化され、駆動信号に応じて積層方向に沿って膨張と収縮とを交互に繰り返す複数の圧電素子を有する。すなわち、当該超音波振動子は、BLT(ボルト締めランジュバン型振動子)によって構成されている。
ところで、超音波振動子には、個体差、及びロット間バラつきがある。例えば、同様に製造された2つの超音波振動子のうち、一方の超音波振動子では発生させた超音波振動の振幅が所望の振幅となるが、他方の超音波振動子では発生させた超音波振動の振幅が所望の振幅とならない場合がある。
特許文献1に記載の超音波振動子のように、複数の圧電素子の厚み寸法を調整すれば、当該超音波振動の振幅を所望の振幅に調整することができる。しかしながら、超音波振動子毎に複数の圧電素子の厚み寸法を調整した場合には、超音波振動子によっては、圧電素子全体の静電容量が設計上の静電容量とは大きく異なるものとなってしまう場合がある。このように静電容量が設計上の静電容量とは大きく異なるものとなってしまった場合には、当該超音波振動子を制御するにあたって、制御構造を設計上の製造構造から大幅に変更する必要がある。すなわち、大幅な設計変更を行う必要がある。
そこで、大幅な設計変更を行うことなく、所望の振幅を容易に得ることができる技術が要望されている。
特許文献1に記載の超音波振動子のように、複数の圧電素子の厚み寸法を調整すれば、当該超音波振動の振幅を所望の振幅に調整することができる。しかしながら、超音波振動子毎に複数の圧電素子の厚み寸法を調整した場合には、超音波振動子によっては、圧電素子全体の静電容量が設計上の静電容量とは大きく異なるものとなってしまう場合がある。このように静電容量が設計上の静電容量とは大きく異なるものとなってしまった場合には、当該超音波振動子を制御するにあたって、制御構造を設計上の製造構造から大幅に変更する必要がある。すなわち、大幅な設計変更を行う必要がある。
そこで、大幅な設計変更を行うことなく、所望の振幅を容易に得ることができる技術が要望されている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、所望の振幅を容易に得ることができる超音波振動子、超音波処置具、及び超音波振動子の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波振動子は、生体組織を処置する処置部を振動させるための超音波振動を発生する振動子本体を備え、前記振動子本体は、供給された駆動信号に応じて膨張と収縮とを交互に繰り返す複数の圧電素子を有し、膨張及び収縮の方向に沿って前記複数の圧電素子が積層された状態で一体に締結して構成され、前記複数の圧電素子は、第1のタイミングで膨張し、第2のタイミングで収縮する第1の圧電素子と、膨張及び収縮のタイミングが前記第1の圧電素子とは異なる第2の圧電素子と、を備える。
本発明に係る超音波処置具は、生体組織を処置する処置部と、前記処置部を振動させるための超音波振動を発生する振動子本体を有する超音波振動子と、を備え、前記振動子本体は、供給された駆動信号に応じて膨張と収縮とを交互に繰り返す複数の圧電素子を有し、膨張及び収縮の方向に沿って前記複数の圧電素子が積層された状態で一体に締結して構成され、前記複数の圧電素子は、第1のタイミングで膨張し、第2のタイミングで収縮する第1の圧電素子と、膨張及び収縮のタイミングが前記第1の圧電素子とは異なる第2の圧電素子と、を備える。
本発明に係る超音波振動子の製造方法は、供給された駆動信号に応じて膨張と収縮とを交互に繰り返す複数の圧電素子を有し、膨張及び収縮の方向に沿って前記複数の圧電素子が積層された状態で一体に締結され、定電流制御における前記複数の圧電素子の膨張及び収縮によって超音波振動を発生させる超音波振動子の製造方法であって、前記複数の圧電素子の分極方向が特定の方向に沿う姿勢で配置された通常状態に対して、前記複数の圧電素子毎に、分極方向を反転させた姿勢で配置した状態での前記超音波振動子の振幅を測定し、前記振幅に基づいて、分極方向を反転させる前記圧電素子を決定する。
本発明に係る超音波振動子、超音波処置具、及び超音波振動子の製造方法によれば、所望の振幅を容易に得ることができる。
〔処置システムの概略構成〕
図1は、本実施の形態に係る処置システム1の概略構成を示す図である。
処置システム1は、生体組織における処置の対象となる部位(以下、対象部位と記載)に対して超音波エネルギを付与することによって、当該対象部位を処置する。ここで、当該処置とは、例えば、対象部位の凝固及び切開を意味する。この処置システム1は、図1に示すように、超音波処置具2と、制御装置3とを備える。
図1は、本実施の形態に係る処置システム1の概略構成を示す図である。
処置システム1は、生体組織における処置の対象となる部位(以下、対象部位と記載)に対して超音波エネルギを付与することによって、当該対象部位を処置する。ここで、当該処置とは、例えば、対象部位の凝固及び切開を意味する。この処置システム1は、図1に示すように、超音波処置具2と、制御装置3とを備える。
〔超音波処置具の構成〕
超音波処置具2は、例えば、腹壁を通した状態で対象部位を処置する医療用処置具である。この超音波処置具2は、図1に示すように、ハンドピース4と、超音波トランスデューサ5とを備える。
ハンドピース4は、図1に示すように、保持ケース41と、操作ノブ42と、スイッチ43と、シース44と、ジョー45と、超音波プローブ46とを備える。
保持ケース41は、超音波処置具2全体を支持する。
操作ノブ42は、保持ケース41に対して移動可能に取り付けられ、術者による開閉操作を受け付ける。
超音波処置具2は、例えば、腹壁を通した状態で対象部位を処置する医療用処置具である。この超音波処置具2は、図1に示すように、ハンドピース4と、超音波トランスデューサ5とを備える。
ハンドピース4は、図1に示すように、保持ケース41と、操作ノブ42と、スイッチ43と、シース44と、ジョー45と、超音波プローブ46とを備える。
保持ケース41は、超音波処置具2全体を支持する。
操作ノブ42は、保持ケース41に対して移動可能に取り付けられ、術者による開閉操作を受け付ける。
スイッチ43は、保持ケース41の外部に露出した状態で設けられ、術者による出力開始操作を受け付ける。そして、スイッチ43は、制御装置3に対して当該出力開始操作に応じた操作信号を出力する。
シース44は、円筒形状を有する。なお、以下では、シース44の中心軸を中心軸Ax(図1)と記載する。また、以下では、中心軸Axに沿う一方側を先端側Ar1(図1)と記載し、他方側を基端側Ar2(図1)と記載する。そして、シース44は、基端側Ar2の一部が保持ケース41の先端側Ar1から当該保持ケース41の内部に挿入されることによって、当該保持ケース41に対して取り付けられる。
シース44は、円筒形状を有する。なお、以下では、シース44の中心軸を中心軸Ax(図1)と記載する。また、以下では、中心軸Axに沿う一方側を先端側Ar1(図1)と記載し、他方側を基端側Ar2(図1)と記載する。そして、シース44は、基端側Ar2の一部が保持ケース41の先端側Ar1から当該保持ケース41の内部に挿入されることによって、当該保持ケース41に対して取り付けられる。
ジョー45は、シース44における先端側Ar1の端部に回転可能に取り付けられ、超音波プローブ46における先端側Ar1の部分との間において対象部位を把持する。なお、上述した保持ケース41及びシース44の内部には、術者による操作ノブ42への開閉操作に応じて、超音波プローブ46における先端側Ar1の部分に対してジョー45を開閉させる開閉機構(図示略)が設けられている。
超音波プローブ46は、本発明に係る処置部に相当する。この超音波プローブ46は、中心軸Axに沿って直線状に延在する長尺形状を有し、図1に示すように、先端側Ar1の部分が外部に突出した状態でシース44の内部に挿通される。また、超音波プローブ46の基端側Ar2の端部は、超音波トランスデューサ5を構成する超音波振動子6(図2(a)参照)と接続する。そして、超音波プローブ46は、超音波振動子6が発生させた超音波振動を基端側Ar2の端部から先端側Ar1の端部まで伝達する。
超音波トランスデューサ5は、図1に示すように、超音波トランスデューサケース51と、超音波振動子6(図2(a)参照)とを備える。
超音波トランスデューサケース51は、超音波振動子6を支持するとともに、保持ケース41に対して着脱自在に接続する。
超音波トランスデューサケース51は、超音波振動子6を支持するとともに、保持ケース41に対して着脱自在に接続する。
図2は、超音波振動子6を示す図である。
超音波振動子6は、制御装置3による制御の下、超音波振動を発生させる。本実施の形態では、超音波振動子6は、BLT(ボルト締めランジュバン型振動子)によって構成されている。この超音波振動子6は、図2(a)に示すように、振動子本体7と、フロントマス8と、バックマス9とを備える。
振動子本体7は、図2(a)に示すように、第1,第2の電極板71,72と、複数(本実施の形態では6枚)の圧電素子73とを備える。
超音波振動子6は、制御装置3による制御の下、超音波振動を発生させる。本実施の形態では、超音波振動子6は、BLT(ボルト締めランジュバン型振動子)によって構成されている。この超音波振動子6は、図2(a)に示すように、振動子本体7と、フロントマス8と、バックマス9とを備える。
振動子本体7は、図2(a)に示すように、第1,第2の電極板71,72と、複数(本実施の形態では6枚)の圧電素子73とを備える。
図3は、第1の電極板71を示す図である。
第1の電極板71は、制御装置3から駆動信号が供給される部分である。この第1の電極板71は、図2(a)または図3に示すように、複数(本実施の形態では4枚)の負電極板711と、複数(本実施の形態では3つ)の負電極配線部712と、リード線接続端子713とを備える。
第1の電極板71は、制御装置3から駆動信号が供給される部分である。この第1の電極板71は、図2(a)または図3に示すように、複数(本実施の形態では4枚)の負電極板711と、複数(本実施の形態では3つ)の負電極配線部712と、リード線接続端子713とを備える。
複数の負電極板711は、図3に示すように、中央に開口711aを有する円板形状をそれぞれ有し、中心軸Axに沿って並設されている。
複数の負電極配線部712は、互いに隣り合う負電極板711の外縁部同士を電気的に接続する部分である。
リード線接続端子713は、電気ケーブルC(図1,図2(a))を構成するリード線C1(図2(a))が接続される部分である。このリード線接続端子713は、複数の負電極板711のうち、最も基端側Ar2に位置する負電極板711の外縁から基端側Ar2に向けて延在する。
複数の負電極配線部712は、互いに隣り合う負電極板711の外縁部同士を電気的に接続する部分である。
リード線接続端子713は、電気ケーブルC(図1,図2(a))を構成するリード線C1(図2(a))が接続される部分である。このリード線接続端子713は、複数の負電極板711のうち、最も基端側Ar2に位置する負電極板711の外縁から基端側Ar2に向けて延在する。
図4は、第2の電極板72を示す図である。
第2の電極板72は、制御装置3から駆動信号が供給される部分である。この第2の電極板72は、図2(a)または図4に示すように、複数(本実施の形態では3枚)の正電極板721と、複数(本実施の形態では2つ)の正電極配線部722と、リード線接続端子723とを備える。
第2の電極板72は、制御装置3から駆動信号が供給される部分である。この第2の電極板72は、図2(a)または図4に示すように、複数(本実施の形態では3枚)の正電極板721と、複数(本実施の形態では2つ)の正電極配線部722と、リード線接続端子723とを備える。
複数の正電極板721は、図4に示すように、中央に開口721aを有する円板形状をそれぞれ有し、中心軸Axに沿って並設されている。なお、正電極板721は、負電極板711と略同一の形状を有する。
複数の正電極配線部722は、互いに隣り合う正電極板721の外縁部同士を電気的に接続する部分である。
そして、負電極板711及び正電極板721は、図2(a)に示すように、中心軸Axに沿って交互に配設されている。
リード線接続端子723は、電気ケーブルCを構成するリード線C1が接続される部分である。このリード線接続端子723は、複数の正電極板721のうち、最も基端側Ar2に位置する正電極板721の外縁から基端側Ar2に向けて延在する。
複数の正電極配線部722は、互いに隣り合う正電極板721の外縁部同士を電気的に接続する部分である。
そして、負電極板711及び正電極板721は、図2(a)に示すように、中心軸Axに沿って交互に配設されている。
リード線接続端子723は、電気ケーブルCを構成するリード線C1が接続される部分である。このリード線接続端子723は、複数の正電極板721のうち、最も基端側Ar2に位置する正電極板721の外縁から基端側Ar2に向けて延在する。
複数の圧電素子73は、中央に開口(図示略)を有する円板形状をそれぞれ有し、負電極板711と正電極板721との間にそれぞれ配設されている。すなわち、複数の圧電素子73は、中心軸Axに沿って積層されている。そして、複数の圧電素子73は、第1,第2の電極板71,72に供給された駆動信号に応じて、中心軸Axに沿う積層方向に電位差が生じることによって、当該積層方向に沿って膨張及び収縮を交互に繰り返す。これによって、超音波振動子6は、当該積層方向を振動方向とする縦振動の超音波振動を発生させる。
フロントマス8は、中心軸Axに沿って直線状に延在する長尺形状を有する。このフロントマス8は、図2(a)に示すように、素子装着部81と、断面積変化部82と、プローブ装着部83とを備える。
素子装着部81は、中心軸Axに沿って直線状に延在するボルトであり、複数の負電極板711の各開口711a、複数の正電極板721の各開口721a、及び複数の圧電素子73の各開口(図示略)にそれぞれ挿通される。そして、素子装着部81における基端側Ar2の端部には、図2(a)に示すように、ナットによって構成されたバックマス9が取り付けられる。
素子装着部81は、中心軸Axに沿って直線状に延在するボルトであり、複数の負電極板711の各開口711a、複数の正電極板721の各開口721a、及び複数の圧電素子73の各開口(図示略)にそれぞれ挿通される。そして、素子装着部81における基端側Ar2の端部には、図2(a)に示すように、ナットによって構成されたバックマス9が取り付けられる。
断面積変化部82は、本発明に係るホーンに相当する。この断面積変化部82は、素子装着部81における先端側Ar1の端部に設けられ、超音波振動の振幅を増幅する部分である。また、断面積変化部82は、図2(a)に示すように、基端側Ar2の端部が素子装着部81よりも径寸法が大きく設定され、先端側Ar1に向かうにしたがって断面積が減少する円錐台形状を有する。すなわち、複数の負電極板711、複数の正電極板721、及び複数の圧電素子73は、素子装着部81が中心軸Axに沿って貫通し、断面積変化部82とバックマス9との間に挟持されることにより、略円柱形状を有した状態で一体に締結されている。なお、本実施の形態では、断面積変化部82と圧電素子73との間、及びバックマス9と圧電素子73との間には、それぞれ絶縁板84(図2(a))が介装されている。
プローブ装着部83は、図2(a)に示すように、断面積変化部82における先端側Ar1の端部に設けられ、中心軸Axに沿って直線状に延在している。そして、プローブ装着部83における先端側Ar1の端部には、ハンドピース4に対して超音波トランスデューサ5が接続された状態で、超音波プローブ46における基端側Ar2の端部が接続される。
プローブ装着部83は、図2(a)に示すように、断面積変化部82における先端側Ar1の端部に設けられ、中心軸Axに沿って直線状に延在している。そして、プローブ装着部83における先端側Ar1の端部には、ハンドピース4に対して超音波トランスデューサ5が接続された状態で、超音波プローブ46における基端側Ar2の端部が接続される。
〔制御装置の構成〕
制御装置3には、電気ケーブルC(図1)によって、超音波処置具2が着脱自在に接続される。そして、制御装置3は、電気ケーブルCを経由することによって、超音波処置具2の動作を統括的に制御する。この制御装置3は、図1に示すように、エネルギ源31と、検出回路32と、プロセッサ33とを備える。
エネルギ源31は、プロセッサ33による制御の下、電気ケーブルC(一対のリード線C1)を経由することによって、超音波振動子6に対して交流電力である駆動信号を出力する。
制御装置3には、電気ケーブルC(図1)によって、超音波処置具2が着脱自在に接続される。そして、制御装置3は、電気ケーブルCを経由することによって、超音波処置具2の動作を統括的に制御する。この制御装置3は、図1に示すように、エネルギ源31と、検出回路32と、プロセッサ33とを備える。
エネルギ源31は、プロセッサ33による制御の下、電気ケーブルC(一対のリード線C1)を経由することによって、超音波振動子6に対して交流電力である駆動信号を出力する。
検出回路32は、エネルギ源31から超音波振動子6に対して出力されている駆動信号に基づいてUS信号を検出する。そして、検出回路32は、検出したUS信号をプロセッサ33に対して出力する。
ここで、当該US信号としては、駆動信号における電圧の位相信号(以下、US電圧位相信号と記載)、当該駆動信号における電流の位相信号(以下、US電流位相信号と記載)、当該駆動信号における電流値(以下、US電流と記載)、当該駆動信号における電圧値(以下、US電圧と記載)、当該US電流及び当該US電圧から算出されるインピーダンス値(以下、USインピーダンスと記載)等を例示することができる。
プロセッサ33は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やFPGA(Field-Programmable Gate Array)等であり、メモリ(図示略)に記憶されたプログラムにしたがって、処置システム1全体の動作を制御する。
なお、プロセッサ33の機能については、以下の「処置システムの動作」において、説明する。
ここで、当該US信号としては、駆動信号における電圧の位相信号(以下、US電圧位相信号と記載)、当該駆動信号における電流の位相信号(以下、US電流位相信号と記載)、当該駆動信号における電流値(以下、US電流と記載)、当該駆動信号における電圧値(以下、US電圧と記載)、当該US電流及び当該US電圧から算出されるインピーダンス値(以下、USインピーダンスと記載)等を例示することができる。
プロセッサ33は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やFPGA(Field-Programmable Gate Array)等であり、メモリ(図示略)に記憶されたプログラムにしたがって、処置システム1全体の動作を制御する。
なお、プロセッサ33の機能については、以下の「処置システムの動作」において、説明する。
〔処置システムの動作〕
次に、上述した処置システム1の動作について説明する。
術者は、超音波処置具2を手で持ち、当該超音波処置具2における先端側Ar1の部分を、例えば、トロッカ等を用いて腹壁を通してから腹腔内に挿入する。そして、術者は、操作ノブ42を開閉操作し、ジョー45と超音波プローブ46における先端側Ar1の部分とによって対象部位を把持する。この後、術者は、スイッチ43を押下する。そして、プロセッサ33は、スイッチ43からの操作信号に応じて、以下に示す制御を実行する。
次に、上述した処置システム1の動作について説明する。
術者は、超音波処置具2を手で持ち、当該超音波処置具2における先端側Ar1の部分を、例えば、トロッカ等を用いて腹壁を通してから腹腔内に挿入する。そして、術者は、操作ノブ42を開閉操作し、ジョー45と超音波プローブ46における先端側Ar1の部分とによって対象部位を把持する。この後、術者は、スイッチ43を押下する。そして、プロセッサ33は、スイッチ43からの操作信号に応じて、以下に示す制御を実行する。
プロセッサ33は、エネルギ源31の動作を制御し、当該エネルギ源31から出力される駆動信号における周波数を掃引し、検出回路32から出力されるUS信号(例えば、US電流、US電流位相信号及びUS電圧位相信号の位相差等)に基づいて、超音波振動子6の共振周波数を探索する。そして、プロセッサ33は、エネルギ源31の動作を制御し、US信号(例えば、US電流、US電流位相信号及びUS電圧位相信号の位相差等)に基づいて、当該エネルギ源31から出力される駆動信号における周波数を当該探索した共振周波数にロックするPLL制御を実行する。本実施の形態では、プロセッサ33は、PLL制御を実行する際、US電流を一定に保つ定電流制御を実行する。これにより、超音波振動子6は、超音波振動(縦振動)を発生させる。ここで、断面積変化部82における基端側Ar2の端部は、縦振動の節P1(図2(b))となる。また、プローブ装着部83における先端側Ar1の端部、及びバックマス9における基端側Ar2の端部は、それぞれ縦振動の腹P2,P3(図2(b))となる。すなわち、超音波振動子6の全長は、縦振動の波長の約1/2である。
そして、超音波振動子6に発生させた縦振動は、超音波プローブ46に伝達される。これによって、超音波プローブ46における先端側Ar1の部分は、当該縦振動によって、所望の振幅で振動する。すなわち、ジョー45と超音波プローブ46における先端側Ar1の部分との間に把持された対象部位には、当該先端側Ar1の部分から超音波振動が付与される。言い換えれば、対象部位には、当該先端側Ar1の部分から超音波エネルギが付与される。これによって、当該先端側Ar1の部分と対象部位との間に摩擦熱が発生する。そして、当該対象部位は、凝固しつつ切開される。
〔超音波振動子の製造方法〕
次に、超音波振動子6の製造方法について説明する。
図5は、超音波振動子6の製造方法を示すフローチャートである。図6及び図7は、超音波振動子6の製造方法を説明する図である。具体的に、図6(a)は、複数の圧電素子73を通常状態で配置した構成を示している。図6(b)は、複数の圧電素子73のうち1枚の圧電素子73eの分極方向を通常状態から反転させた姿勢で配置した構成を示している。
なお、図6では、複数の圧電素子73の実装位置を、断面積変化部82(節P1)に近接する側から基端側Ar2に向けて順に、実装位置「1」~「6」としている。また、各実装位置「1」~「6」の圧電素子73をそれぞれ圧電素子73a~73fとしている。さらに、圧電素子73内部における正電荷を「+」によって表現し、負電荷を「-」によって表現し、分極方向を矢印によって表現している。また、負電極板711及び正電極板721の位置を一点鎖線によって表現している。
次に、超音波振動子6の製造方法について説明する。
図5は、超音波振動子6の製造方法を示すフローチャートである。図6及び図7は、超音波振動子6の製造方法を説明する図である。具体的に、図6(a)は、複数の圧電素子73を通常状態で配置した構成を示している。図6(b)は、複数の圧電素子73のうち1枚の圧電素子73eの分極方向を通常状態から反転させた姿勢で配置した構成を示している。
なお、図6では、複数の圧電素子73の実装位置を、断面積変化部82(節P1)に近接する側から基端側Ar2に向けて順に、実装位置「1」~「6」としている。また、各実装位置「1」~「6」の圧電素子73をそれぞれ圧電素子73a~73fとしている。さらに、圧電素子73内部における正電荷を「+」によって表現し、負電荷を「-」によって表現し、分極方向を矢印によって表現している。また、負電極板711及び正電極板721の位置を一点鎖線によって表現している。
ここで、図6(a)に示した通常状態とは、複数の圧電素子73を負電荷「-」側が負電極板711に対向し、正電荷「+」側が正電極板721に対向する姿勢でそれぞれ配置した状態を意味する。
先ず、作業者は、以下に示す工程S1を実行する。
作業者は、複数の圧電素子73を図6(a)に示した通常状態に設定する。また、作業者は、制御装置3を操作し、当該制御装置3によって超音波振動子6の定電流制御を実行させる。これによって、超音波振動子6は、超音波振動(縦振動)を発生する。この場合、複数の圧電素子73は、通常状態に設定されているため、同一の第1のタイミングで膨張するとともに、同一の第2のタイミングで収縮することとなる。そして、作業者は、振動計等を用いることによって、当該縦振動の振幅を測定する。
作業者は、複数の圧電素子73を図6(a)に示した通常状態に設定する。また、作業者は、制御装置3を操作し、当該制御装置3によって超音波振動子6の定電流制御を実行させる。これによって、超音波振動子6は、超音波振動(縦振動)を発生する。この場合、複数の圧電素子73は、通常状態に設定されているため、同一の第1のタイミングで膨張するとともに、同一の第2のタイミングで収縮することとなる。そして、作業者は、振動計等を用いることによって、当該縦振動の振幅を測定する。
工程S1の後、作業者は、工程S1において測定した振幅が所望の振幅であるか否かを判断する(工程S2)。
所望の振幅であると判断した場合(工程S2:Yes)には、作業者は、超音波振動子6を通常状態で用いることを決定する(工程S3)。工程S3の後、作業者は、超音波振動子6の製造方法を終了する。
所望の振幅であると判断した場合(工程S2:Yes)には、作業者は、超音波振動子6を通常状態で用いることを決定する(工程S3)。工程S3の後、作業者は、超音波振動子6の製造方法を終了する。
一方、所望の振幅ではないと判断した場合(工程S2:No)には、作業者は、以下に示す工程S4を実行する。
作業者は、例えば図6(b)に示すように、実装位置「1」~「6」のいずれか一つの圧電素子73(図6(b)の例では圧電素子73e)の分極方向を通常状態から反転させた姿勢で配置する。また、作業者は、工程S1と同様に、制御装置3を操作し、当該制御装置3によって超音波振動子6の定電流制御を実行させる。これによって、超音波振動子6は、超音波振動(縦振動)を発生する。この場合、例えば図6(b)の状態では、複数の圧電素子73のうち、圧電素子73a~73d,73fは、同一の第1のタイミングで膨張するとともに、同一の第2のタイミングで収縮することとなる。すなわち、圧電素子73a~73d,73fは、本発明に係る第1の圧電素子に相当する。一方、圧電素子73eは、分極方向が通常状態から反転しているため、圧電素子73a~73d,73fとは逆に、第1のタイミングで収縮するとともに、第2のタイミングで膨張することとなる。すなわち、圧電素子73eは、本発明に係る第2の圧電素子に相当する。そして、作業者は、振動計等を用いることによって、当該縦振動の振幅を測定する。
作業者は、例えば図6(b)に示すように、実装位置「1」~「6」のいずれか一つの圧電素子73(図6(b)の例では圧電素子73e)の分極方向を通常状態から反転させた姿勢で配置する。また、作業者は、工程S1と同様に、制御装置3を操作し、当該制御装置3によって超音波振動子6の定電流制御を実行させる。これによって、超音波振動子6は、超音波振動(縦振動)を発生する。この場合、例えば図6(b)の状態では、複数の圧電素子73のうち、圧電素子73a~73d,73fは、同一の第1のタイミングで膨張するとともに、同一の第2のタイミングで収縮することとなる。すなわち、圧電素子73a~73d,73fは、本発明に係る第1の圧電素子に相当する。一方、圧電素子73eは、分極方向が通常状態から反転しているため、圧電素子73a~73d,73fとは逆に、第1のタイミングで収縮するとともに、第2のタイミングで膨張することとなる。すなわち、圧電素子73eは、本発明に係る第2の圧電素子に相当する。そして、作業者は、振動計等を用いることによって、当該縦振動の振幅を測定する。
工程S4の後、作業者は、実装位置「1」~「6」の全ての圧電素子73について工程S4を実行したか否かを判断する(工程S5)。
全ての圧電素子73について実行していないと判断した場合(工程S5:No)には、作業者は、工程S4に戻る。
全ての圧電素子73について実行していないと判断した場合(工程S5:No)には、作業者は、工程S4に戻る。
一方、全ての圧電素子73について実行したと判断した場合(工程S5:Yes)には、作業者は、以下に示す工程S6を実行する。
作業者は、工程S4において測定した振幅を参照し、実装位置「1」~「6」のうち、分極方向を反転させることによって所望の振幅に近い振幅となる実装位置を決定する。そして、作業者は、当該決定した実装位置の圧電素子73の分極方向を通常状態から反転させた姿勢で超音波振動子6を用いることを決定する。なお、本実施の形態では、図6(b)に示すように、分極方向を反転させる実装位置として実装位置「5」を決定している。
作業者は、工程S4において測定した振幅を参照し、実装位置「1」~「6」のうち、分極方向を反転させることによって所望の振幅に近い振幅となる実装位置を決定する。そして、作業者は、当該決定した実装位置の圧電素子73の分極方向を通常状態から反転させた姿勢で超音波振動子6を用いることを決定する。なお、本実施の形態では、図6(b)に示すように、分極方向を反転させる実装位置として実装位置「5」を決定している。
工程S1において測定した通常状態での振幅に対する工程S4においてそれぞれ測定した各振幅の増加率(以下、振幅増加率と記載)と分極方向を反転させた圧電素子73の実装位置「1」~「6」との関係は、図7に示す通りである。
実装位置「1」~「6」の圧電素子73a~73fのいずれの分極方向を通常状態から反転させた場合であっても、振幅増加率は、正の値となっている。言い換えれば、通常状態の振幅よりも高い振幅となっている。これは、以下の理由が考えられる。
圧電素子73a~73fのいずれかの分極方向を通常状態から反転させた場合には、超音波振動子6は、通常状態に対して振動効率が悪くなる。そして、振動効率が悪くなると、定電流制御において、圧電素子73a~73f毎に印加される電圧値は、通常状態よりも高くなる。すなわち、圧電素子73a~73fのいずれかの分極方向を通常状態から反転させた場合には、印加される電圧値が通常状態よりも高くなるため、通常状態の振幅よりも高い振幅となる。
実装位置「1」~「6」の圧電素子73a~73fのいずれの分極方向を通常状態から反転させた場合であっても、振幅増加率は、正の値となっている。言い換えれば、通常状態の振幅よりも高い振幅となっている。これは、以下の理由が考えられる。
圧電素子73a~73fのいずれかの分極方向を通常状態から反転させた場合には、超音波振動子6は、通常状態に対して振動効率が悪くなる。そして、振動効率が悪くなると、定電流制御において、圧電素子73a~73f毎に印加される電圧値は、通常状態よりも高くなる。すなわち、圧電素子73a~73fのいずれかの分極方向を通常状態から反転させた場合には、印加される電圧値が通常状態よりも高くなるため、通常状態の振幅よりも高い振幅となる。
また、振幅増加率は、実装位置「1」の圧電素子73aの分極方向を通常状態から反転させた場合に最も高いものとなり、分極方向を反転させる圧電素子73の実装位置が実装位置「2」から「6」に向かうにしたがって(節P1から離間するにしたがって)、少なくなっている。これは、以下の理由が考えられる。
複数の圧電素子73のうち、超音波振動子6の振動に寄与する振動寄与率は、節P1に近い位置に実装される圧電素子73aが最も高く、実装位置「1」~「6」に実装される圧電素子73a~73fの順に小さくなる。すなわち、振動寄与率の高い圧電素子73の分極方向を通常状態から反転させれば振幅増加率が高くなり、振動寄与率の低い圧電素子73の分極方向を通常状態から反転させれば振幅増加率が低くなる。
複数の圧電素子73のうち、超音波振動子6の振動に寄与する振動寄与率は、節P1に近い位置に実装される圧電素子73aが最も高く、実装位置「1」~「6」に実装される圧電素子73a~73fの順に小さくなる。すなわち、振動寄与率の高い圧電素子73の分極方向を通常状態から反転させれば振幅増加率が高くなり、振動寄与率の低い圧電素子73の分極方向を通常状態から反転させれば振幅増加率が低くなる。
以上説明した本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
本実施の形態に係る超音波振動子6では、複数の圧電素子73は、第1のタイミングで膨張し、第2のタイミングで収縮する圧電素子73a~73d,73fと、第1のタイミングで収縮し、第2のタイミングで膨張する圧電素子73eとを備える。すなわち、複数の圧電素子73のうち、圧電素子73eの分極方向を通常状態から反転させるだけで、所望の振幅を得ることができる。この際、圧電素子73eの分極方向を通常状態から反転させた場合であっても、圧電素子73全体の静電容量は、通常状態での圧電素子73全体の静電容量から変化しない。このため、圧電素子73eの分極方向を通常状態から反転させた場合であっても、超音波振動子6を制御するにあたって、制御構造を設計上の製造構造から変更する必要がない。すなわち、大幅な設計変更を行う必要がない。
以上のことから、本実施の形態に係る超音波振動子6によれば、大幅な設計変更を行うことなく、所望の振幅を容易に得ることができる。
本実施の形態に係る超音波振動子6では、複数の圧電素子73は、第1のタイミングで膨張し、第2のタイミングで収縮する圧電素子73a~73d,73fと、第1のタイミングで収縮し、第2のタイミングで膨張する圧電素子73eとを備える。すなわち、複数の圧電素子73のうち、圧電素子73eの分極方向を通常状態から反転させるだけで、所望の振幅を得ることができる。この際、圧電素子73eの分極方向を通常状態から反転させた場合であっても、圧電素子73全体の静電容量は、通常状態での圧電素子73全体の静電容量から変化しない。このため、圧電素子73eの分極方向を通常状態から反転させた場合であっても、超音波振動子6を制御するにあたって、制御構造を設計上の製造構造から変更する必要がない。すなわち、大幅な設計変更を行う必要がない。
以上のことから、本実施の形態に係る超音波振動子6によれば、大幅な設計変更を行うことなく、所望の振幅を容易に得ることができる。
また、本実施の形態に係る超音波振動子6では、複数の圧電素子73は、節P1よりも基端側Ar2において、中心軸Axに沿って積層されている。言い換えれば、超音波振動子6は、縦振動の節P1が1つのみ存在し、その全長が縦振動の波長の約1/2となる。このため、超音波振動子6の小型化、ひいては、超音波処置具2の小型化を図ることができる。
(その他の実施形態)
ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。
上述した実施の形態では、複数の圧電素子73は、6枚によって構成されていたが、その他の数によって構成しても構わない。また、6枚の圧電素子73のうち、節P1から5番目の圧電素子73eを本発明に係る第2の圧電素子としていたが、これに限らず、その他の位置の圧電素子73を本発明に係る第2の圧電素子としても構わない。さらに、本発明に係る第2の圧電素子の数は、1枚に限らず、その他の数としても構わない。
ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。
上述した実施の形態では、複数の圧電素子73は、6枚によって構成されていたが、その他の数によって構成しても構わない。また、6枚の圧電素子73のうち、節P1から5番目の圧電素子73eを本発明に係る第2の圧電素子としていたが、これに限らず、その他の位置の圧電素子73を本発明に係る第2の圧電素子としても構わない。さらに、本発明に係る第2の圧電素子の数は、1枚に限らず、その他の数としても構わない。
上述した実施の形態では、本発明に係る第2の圧電素子である圧電素子73eは、本発明に係る第1の圧電素子である圧電素子73a~73d,73fとは逆に、第1のタイミングで収縮し、第2のタイミングで膨張していたが、これに限らない。本発明に係る第2の圧電素子としては、膨張及び収縮のタイミングが本発明に係る第1の圧電素子とは異なっていれば、膨張及び収縮のタイミングをその他のタイミングとしても構わない。すなわち、本発明に係る第2の圧電素子の膨張及び収縮のタイミングを本発明に係る第1の圧電素子とは異なるものとすれば、超音波振動子6は、通常状態に対して振動効率が悪くなるため、通常状態の振幅よりも高い振幅となると考えられる。
上述した実施の形態では、超音波振動子6は、超音波振動の波長の約1/2の全長を有していたが、これに限らず、その他の全長、例えば当該波長と略同一の全長を有する構成としても構わない。
上述した実施の形態では、超音波処置具2として、対象部位に対して超音波エネルギを付与する構成を採用していたが、これに限らず、対象部位に対して、超音波エネルギと、高周波エネルギ及び熱エネルギの少なくとも一方のエネルギとを付与する構成を採用しても構わない。ここで、「対象部位に対して高周波エネルギを付与する」とは、対象部位に対して高周波電流を流すことを意味する。また、「対象部位に対して熱エネルギを付与する」とは、ヒータ等の熱を対象部位に伝達することを意味する。
1 処置システム
2 超音波処置具
3 制御装置
4 ハンドピース
5 超音波トランスデューサ
6 超音波振動子
7 振動子本体
8 フロントマス
9 バックマス
31 エネルギ源
32 検出回路
33 プロセッサ
41 保持ケース
42 操作ノブ
43 スイッチ
44 シース
45 ジョー
46 超音波プローブ
51 超音波トランスデューサケース
71 第1の電極板
72 第2の電極板
73,73a~73f 圧電素子
81 素子装着部
82 断面積変化部
83 プローブ装着部
84 絶縁板
711 負電極板
711a 開口
712 負電極配線部
713 リード線接続端子
721 正電極板
721a 開口
722 正電極配線部
723 リード線接続端子
Ar1 先端側
Ar2 基端側
Ax 中心軸
C 電気ケーブル
C1 リード線
P1 節
P2,P3 腹
2 超音波処置具
3 制御装置
4 ハンドピース
5 超音波トランスデューサ
6 超音波振動子
7 振動子本体
8 フロントマス
9 バックマス
31 エネルギ源
32 検出回路
33 プロセッサ
41 保持ケース
42 操作ノブ
43 スイッチ
44 シース
45 ジョー
46 超音波プローブ
51 超音波トランスデューサケース
71 第1の電極板
72 第2の電極板
73,73a~73f 圧電素子
81 素子装着部
82 断面積変化部
83 プローブ装着部
84 絶縁板
711 負電極板
711a 開口
712 負電極配線部
713 リード線接続端子
721 正電極板
721a 開口
722 正電極配線部
723 リード線接続端子
Ar1 先端側
Ar2 基端側
Ax 中心軸
C 電気ケーブル
C1 リード線
P1 節
P2,P3 腹
Claims (14)
- 生体組織を処置する処置部を振動させるための超音波振動を発生する振動子本体を備え、
前記振動子本体は、
供給された駆動信号に応じて膨張と収縮とを交互に繰り返す複数の圧電素子を有し、膨張及び収縮の方向に沿って前記複数の圧電素子が積層された状態で一体に締結して構成され、
前記複数の圧電素子は、
第1のタイミングで膨張し、第2のタイミングで収縮する第1の圧電素子と、
膨張及び収縮のタイミングが前記第1の圧電素子とは異なる第2の圧電素子と、を備える超音波振動子。 - 前記第2の圧電素子は、
前記第1のタイミングで収縮し、前記第2のタイミングで膨張する請求項1に記載の超音波振動子。 - 前記振動子本体と接続され、前記振動子本体が発生させた前記超音波振動を増幅するとともに前記処置部に対して伝達するホーンをさらに備える請求項1に記載の超音波振動子。
- 前記超音波振動子には、
前記超音波振動の節が一つ設けられ、
前記複数の圧電素子は、
前記節と前記超音波振動子の長手方向における前記ホーンから離間した端部との間において、前記節から前記端部に向けて積層されている請求項3に記載の超音波振動子。 - 前記複数の圧電素子は、
6個で構成され、
前記第2の圧電素子は、
1個以上で構成され、
前記第2の圧電素子の少なくとも一つは、
前記節から5番目の位置に配置されている請求項4に記載の超音波振動子。 - 前記振動子本体は、
定電流制御によって前記超音波振動を発生させる請求項1に記載の超音波振動子。 - 生体組織を処置する処置部と、
前記処置部を振動させるための超音波振動を発生する振動子本体を有する超音波振動子と、を備え、
前記振動子本体は、
供給された駆動信号に応じて膨張と収縮とを交互に繰り返す複数の圧電素子を有し、膨張及び収縮の方向に沿って前記複数の圧電素子が積層された状態で一体に締結して構成され、
前記複数の圧電素子は、
第1のタイミングで膨張し、第2のタイミングで収縮する第1の圧電素子と、
膨張及び収縮のタイミングが前記第1の圧電素子とは異なる第2の圧電素子と、を備える超音波処置具。 - 前記第2の圧電素子は、
前記第1のタイミングで収縮し、前記第2のタイミングで膨張する請求項7に記載の超音波処置具。 - 前記超音波振動子は、
前記振動子本体と接続され、前記振動子本体が発生させた前記超音波振動を増幅するとともに前記処置部に対して伝達するホーンをさらに備える請求項7に記載の超音波処置具。 - 前記超音波振動子には、
前記超音波振動の節が一つ設けられ、
前記複数の圧電素子は、
前記節と前記超音波振動の長手方向における前記ホーンから離間した端部との間において、前記節から前記端部に向けて積層されている請求項9に記載の超音波処置具。 - 前記複数の圧電素子は、
6個で構成され、
前記第2の圧電素子は、
1個以上で構成され、
前記第2の圧電素子の少なくとも一つは、
前記節から5番目の位置に配置されている請求項10に記載の超音波処置具。 - 前記振動子本体は、
定電流制御によって前記超音波振動を発生させる請求項7に記載の超音波処置具。 - 供給された駆動信号に応じて膨張と収縮とを交互に繰り返す複数の圧電素子を有し、膨張及び収縮の方向に沿って前記複数の圧電素子が積層された状態で一体に締結され、定電流制御における前記複数の圧電素子の膨張及び収縮によって超音波振動を発生させる超音波振動子の製造方法であって、
前記複数の圧電素子の分極方向が特定の方向に沿う姿勢で配置された通常状態に対して、前記複数の圧電素子毎に、分極方向を反転させた姿勢で配置した状態での前記超音波振動子の振幅を測定し、
前記振幅に基づいて、分極方向を反転させる前記圧電素子を決定する超音波振動子の製造方法。 - 所望の振幅で駆動する前記超音波振動子を製造するために、前記振幅に基づいて、分極方向を反転させる前記圧電素子を決定する請求項13に記載の超音波振動子の製造方法。
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