(57)【要約】【課題】  非鉛である圧電単結晶の加工コストを低減させて安価とした超音波振動デバイス、この超音波振動デバイスの製造方法、超音波振動デバイスを備えた超音波医療装置の提供。【解決手段】  超音波振動デバイス２は、２つの金属ブロック３２，３３，３９，４４（７１，７２）間に複数の圧電単結晶素子層６１（７３）が積層された積層振動子４１を備え、複数の圧電単結晶素子層６１（７３）のキュリー点よりも半分以下の融点を有する接合金属７６によって２つの金属ブロック３２，３３，３９，４４（７１，７２）と複数の圧電単結晶素子層６１（７３）のそれぞれが積層方向に対して溶融接合されている。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの金属ブロック間に複数の圧電単結晶素子層が積層された積層振動子を備えた超音波振動デバイスにおいて、
前記複数の圧電単結晶素子層のキュリー点よりも半分以下の融点を有する接合金属によって前記２つの金属ブロックと前記複数の圧電単結晶素子層のそれぞれが積層方向に対して溶融接合されていることを特徴とする超音波振動デバイス。
【請求項２】
前記接合金属は、前記複数の圧電単結晶素子層間に積層された複数の電極層を構成することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動デバイス。
【請求項３】
前記複数の圧電単結晶素子層間に所定の厚さを有した複数の金属スペーサを積層し、前記接合金属によって前記複数の金属スペーサと前記複数の圧電単結晶素子層とを積層方向に対して溶融接合して、前記複数の金属スペーサが前記複数の圧電単結晶素子層間に積層された複数の電極層を構成することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動デバイス。
【請求項４】
前記複数の電極層の正電極同士または負電極同士を電気的に接続された通電部を備え、
前記通電部が前記正電極または前記負電極と電気的に接続される前記積層振動子の側面を平面形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波振動デバイス。
【請求項５】
前記複数の圧電単結晶素子層がニオブ酸リチウムから形成され、前記接合金属に前記ニオブ酸リチウムのキュリー点よりも半分以下の融点を有するＡｕＳｎ共晶ハンダまたは非鉛ハンダを用いたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波振動デバイス。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波振動デバイスの製造方法であって、
第１の前記金属ブロック、複数の圧電単結晶ウエハおよび第２の前記金属ブロックのそれぞれの間に前記接合金属を設けて積層し、
前記第１の金属ブロック、前記複数の圧電単結晶ウエハ、前記第２の金属ブロックおよび前記接合金属による積層体を前記接合金属の融点以上に加熱した後、ゆっくり冷却して、前記接合金属により前記第１の金属ブロック、前記複数の圧電単結晶ウエハおよび前記第２の金属ブロックを積層方向に溶融接合して一体化したブロック体を形成し、
前記接合ブロック体から機械加工して複数の柱状体を切り出し、
前記柱状体における前記第１の金属ブロックの部分に超音波振動を増幅するホーンを機械加工することを特徴とする超音波振動デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記接合金属は、前記第１の金属ブロック、前記複数の圧電単結晶ウエハまたは前記第２の金属ブロックの一面にスクリーン印刷によって設けられることを特徴とする請求項６に記載の超音波振動デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記接合金属は、金属リボンであって、第１の前記金属ブロック、複数の圧電単結晶ウエハおよび第２の前記金属ブロックのそれぞれの間に設けられることを特徴とする請求項６に記載の超音波振動デバイスの製造方法。
【請求項９】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波振動デバイスと、
前記超音波振動デバイスで発生した超音波振動が伝達され生体組織を処置するプローブ先端部と、
を具備することを特徴とする超音波医療装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動を励振する超音波振動デバイス、この超音波振動デバイスの製造方法、超音波振動デバイスを備えた超音波医療装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超音波医療装置には、例えば、生体組織の凝固・切開処置を行なう超音波処置具があり、この超音波処置具には超音波振動を発生させる超音波振動子が設けられている。
【０００３】
従来の超音波処置具は、ハンドピース内に超音波振動子（超音波振動源）として、例えば、特許文献１に示すような、ボルト締めランジュバン振動子が内蔵されているものがある。このような従来のボルト締めランジュバン振動子は、電気信号を機械振動に変換する圧電素子が、金属部材からなるフロントマス、バックマスに挟まれて、ボルトにより強固に締結され一体化されており、全体が一体となって振動する。
【０００４】
なお、圧電素子が金属部材に挟まれて、接着などを含めて何らかの方法で一体化して振動する振動子をランジュバン振動子と呼び、一体化の方法としてボルトによる締結を使用しているものをボルト締めランジュバン振動子と呼ぶものである。一般的な構成としては、圧電素子としてチタン酸ジリコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒｘ, Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３）が使用され、圧電素子の形状はリング状に加工されて、リング内部にボルトが押通されている。
【０００５】
このような圧電素子としてのＰＺＴは、高い生産性や高い電気機械変換効率を有し、圧電材料として優れた特性を持っているため、長年、超音波振動子、アクチュエーターなどの様々分野で用いられてきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２２００１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＰＺＴは、鉛を使用している。そのため、近年において環境への悪影響の観点から、鉛を使用しない非鉛圧電材料の使用が望まれている。そこで、非鉛圧電材料で高い電気機械変換効率を有する材料として、圧電単結晶が用いられる場合がある。この圧電単結晶は、加工性があまりよくないので、ランジュバン振動子またはボルト締めランジュバン振動子で使用するために、安価に加工でき、容易に組み立てを行う方法が望まれている。
【０００８】
このように圧電単結晶を用いて、従来と同じ形状のボルト締めランジュバン振動子を構成するためには、大きなサイズのウエハから、機械加工により所望のサイズのリング形状をした圧電振動子に１つ１つ加工する必要がある。ペーストから焼結により作成するＰＺＴなどのセラミックとは異なり、機械加工を行わずに最初からリング形状にしておくことができない。そして、圧電単結晶の機械加工は、材料の焦電性、結晶の劈開性、脆性によるチッピングなどの機械加工不良が発生し易いため、加工が難しく、加工コストが高くなってしまうという課題がある。
【０００９】
さらに、１つのボルト締めランジュバン振動子では、加工が難しく、加工コストが高い圧電振動子を複数使用する必要がある。これらの事から、圧電単結晶を用いたランジュバン振動子は、非常にコスト高になってしまうという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、非鉛である圧電単結晶の加工コストを低減して安価に制作できるようにした超音波振動デバイス、この超音波振動デバイスの製造方法、超音波振動デバイスを備えた超音波医療装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明における一態様の超音波振動デバイスは、２つの金属ブロック間に複数の圧電単結晶素子層が積層された積層振動子を備えた超音波振動デバイスにおいて、前記複数の圧電単結晶素子層のキュリー点よりも半分以下の融点を有する接合金属によって前記２つの金属ブロックと前記複数の圧電単結晶素子層のそれぞれが積層方向に対して溶融接合されている。
【００１２】
また、本発明における一態様の超音波振動デバイスの製造方法は、２つの金属ブロック間に複数の圧電単結晶素子層が積層された積層振動子を備えた超音波振動デバイスにおいて、前記複数の圧電単結晶素子層のキュリー点よりも半分以下の融点を有する接合金属によって前記２つの金属ブロックと前記複数の圧電単結晶素子層のそれぞれが積層方向に対して溶融接合されている超音波振動デバイスの製造方法であって、第１の前記金属ブロック、複数の圧電単結晶ウエハおよび第２の前記金属ブロックのそれぞれの間に前記接合金属を設けて積層した積層体を前記接合金属の融点まで加熱して、ゆっくり冷却して、溶融接合によって各積層材料が一体化されたブロック体を形成し、前記接合ブロック体から機械加工して複数の柱状体を切り出し、前記柱状体における前記第１の金属ブロックの部分に超音波振動を増幅するホーンを加工する。
【００１３】
さらに、本発明における一態様の超音波医療装置は、２つの金属ブロック間に複数の圧電単結晶素子層が積層された積層振動子を備えた超音波振動デバイスにおいて、前記複数の圧電単結晶素子層のキュリー点よりも半分以下の融点を有する接合金属によって前記２つの金属ブロックと前記複数の圧電単結晶素子層のそれぞれが積層方向に対して溶融接合されている超音波振動デバイスと、前記超音波振動デバイスで発生した超音波振動が伝達され生体組織を処置するプローブ先端部と、を具備する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、非鉛である圧電単結晶の加工コストを低減して安価に制作できるようにした超音波振動デバイス、この超音波振動デバイスの製造方法、超音波振動デバイスを備えた超音波医療装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る超音波医療装置の全体構成を示す断面図
【図２】同、振動子ユニットの全体の概略構成を示す図
【図３】同、他の態様の超音波医療装置の全体構成を示す断面図
【図４】同、超音波振動子の構成を示す斜視図
【図５】同、超音波振動子の構成を示す断面図
【図６】同、各種積層材料の構成を示す断面図
【図７】同、各種積層材料が接合された接合ブロック体を示す断面図
【図８】同、各種積層材料が接合された接合ブロック体を示す斜視図
【図９】同、接合ブロック体から切出された接合柱状体を示す斜視図
【図１０】同、接合柱状体を示す断面図
【図１１】同、接合柱状体からホーンが形成された超音波振動子を示す斜視図
【図１２】同、超音波振動子を示す断面図
【図１３】同、電極にＦＰＣが接続された超音波振動子を示す斜視図
【図１４】同、電極にＦＰＣが接続された超音波振動子を示す断面図
【図１５】同、変形例の各種積層材料の構成を示す断面図
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係る各種積層材料の構成を示す断面図
【図１７】同、電極にＦＰＣが接続された超音波振動子を示す斜視図
【図１８】同、電極にＦＰＣが接続された超音波振動子を示す断面図
【図１９】本発明の第３の実施の形態に係る超音波振動子の一例を示す背面図
【図２０】同、超音波振動子に２つの平面部が形成された一例を示す背面図
【図２１】同、図２０の電極にＦＰＣが接続された超音波振動子を示す斜視図
【図２２】同、超音波振動子に４つの平面部が形成された一例を示す背面図
【図２３】同、図２２のＦＰＣが接続された超音波振動子を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図を用いて本発明について説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態に基づく図面は、模式的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、夫々の部分の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００１７】
（第１の実施の形態）
先ず、本発明の第１の実施の形態について、図面に基づいて、以下に説明する。  
図１は、超音波医療装置の全体構成を示す断面図、図２は振動子ユニットの全体の概略構成を示す図、図３は他の態様の超音波医療装置の全体構成を示す断面図、図４は超音波振動子の構成を示す斜視図、図５は超音波振動子の構成を示す断面図、図６は各種積層材料の構成を示す断面図、図７は各種積層材料が接合された接合ブロック体を示す断面図、図８は各種積層材料が接合された接合ブロック体を示す斜視図、図９は接合ブロック体から切出された接合柱状体を示す斜視図、図１０は接合柱状体を示す断面図、図１１は接合柱状体からホーンが形成された超音波振動子を示す斜視図、図１２は超音波振動子を示す断面図、図１３は電極にＦＰＣが接続された超音波振動子を示す斜視図、図１４は電極にＦＰＣが接続された超音波振動子を示す断面図、図１５は変形例の各種積層材料の構成を示す断面図である。
【００１８】
（超音波医療装置）
図１に示す、超音波医療装置１は、主に超音波振動を発生させる超音波振動子２を有する振動子ユニット３と、その超音波振動を用いて患部の治療を行うハンドルユニット４とが設けられている。
【００１９】
ハンドルユニット４は、操作部５と、長尺な外套管７からなる挿入シース部８と、先端処置部３０とを備える。挿入シース部８の基端部は、操作部５に軸回り方向に回転可能に取り付けられている。先端処置部３０は、挿入シース部８の先端に設けられている。ハンドルユニット４の操作部５は、操作部本体９と、固定ハンドル１０と、可動ハンドル１１と、回転ノブ１２とを有する。操作部本体９は、固定ハンドル１０と一体に形成されている。
【００２０】
操作部本体９と固定ハンドル１０との連結部には、背面側に可動ハンドル１１を挿通するスリット１３が形成されている。可動ハンドル１１の上部は、スリット１３を通して操作部本体９の内部に延出されている。スリット１３の下側の端部には、ハンドルストッパ１４が固定されている。可動ハンドル１１は、ハンドル支軸１５を介して操作部本体９に回動可能に取り付けられている。そして、ハンドル支軸１５を中心として可動ハンドル１１が回動する動作に伴い、可動ハンドル１１が固定ハンドル１０に対して開閉操作されるようになっている。
【００２１】
可動ハンドル１１の上端部には、略Ｕ字状の連結アーム１６が設けられている。また、挿入シース部８は、外套管７と、この外套管７内に軸方向に移動可能に挿通された操作パイプ１７とを有する。外套管７の基端部には、先端側部分よりも大径な大径部１８が形成されている。この大径部１８の周囲に回転ノブ１２が装着されるようになっている。
【００２２】
操作パイプ１９の外周面には、リング状のスライダ２０が軸方向に沿って移動可能に設けられている。スライダ２０の後方には、コイルばね（弾性部材）２１を介して固定リング２２が配設されている。
【００２３】
さらに、操作パイプ１９の先端部には、把持部２３の基端部が作用ピンを介して回動可能に連結されている。この把持部２３は、プローブ６の先端部３１と共に超音波医療装置１の処置部を構成している。そして、操作パイプ１９が軸方向に移動する動作時に、把持部２３は、作用ピンを介して前後方向に押し引き操作される。このとき、操作パイプ１９が手元側に移動操作される動作時には作用ピンを介して把持部２３が支点ピンを中心に時計回り方向に回動される。これにより、把持部２３がプローブ６の先端部３１に接近する方向（閉方向）に回動する。このとき、片開き型の把持部２３と、プローブ６の先端部３１との間で生体組織を把持することができる。
【００２４】
このように生体組織を把持した状態で、超音波電源から電力を超音波振動子２に供給し、超音波振動子２を振動させる。この超音波振動は、プローブ６の先端部３１まで伝達される。そして、この超音波振動を用いて把持部２３とプローブ６の先端部３１との間で把持されている生体組織の治療を行う。
【００２５】
（振動子ユニット）
ここで、振動子ユニット３について説明する。  
振動子ユニット３は、図２に示すように、超音波振動子２と、この超音波振動子２で発生した超音波振動を伝達する棒状の振動伝達部材であるプローブ６とを一体的に組み付けたものである。
【００２６】
超音波振動子２は、超音波振動子の振幅を増幅するホーン３２が連設されている。ホーン３２は、ジュラルミン、ステンレス鋼、または例えば６４Ｔｉ（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）などのチタン合金によって形成されている。ホーン３２は、先端側に向かうに従って外径が細くなる円錐形状に形成されており、基端外周部に外向フランジ３３が形成されている。なお、ここでホーン３２の形状は円錐形状に限るものではなく、先端側に向かうに従って外径が指数関数的に細くなる指数形状や、先端側に向かうに従って段階的に細くなるステップ形状などであってもよい。なお、外向フランジ３３の後方には、フロントマス３９が一体的に形成されている。
【００２７】
プローブ６は、例えば６４Ｔｉ（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）などのチタン合金によって形成されたプローブ本体３４を有する。このプローブ本体３４の基端部側には、上述のホーン３２に連設された超音波振動子２が配設されている。このようにして、プローブ６と超音波振動子２とを一体化した振動子ユニット３が形成されている。なお、プローブ６は、プローブ本体３４とホーン３２とが螺着されており、プローブ本体３４とホーン３２が接合される。
【００２８】
そして、超音波振動子２で発生した超音波振動は、ホーン３２で増幅されたのち、プローブ６の先端部３１側に伝達するようになっている。プローブ６の先端部３１には、生体組織を処置する後述する処置部が形成されている。
【００２９】
また、プローブ本体３４の外周面には、軸方向の途中にある振動の節位置の数箇所に弾性部材でリング状に形成された間隔をあけて２つのゴムライニング３５が取り付けられている。そして、これらのゴムライニング３５によって、プローブ本体３４の外周面と後述する操作パイプ１９との接触を防止するようになっている。つまり、挿入シース部８の組み立て時に、振動子一体型プローブとしてのプローブ６は、操作パイプ１９の内部に挿入される。このとき、ゴムライニング３５によってプローブ本体３４の外周面と操作パイプ１９との接触を防止している。
【００３０】
また、超音波振動子２は、超音波振動を発生させるための電流を供給する図示しない電源装置本体に電気ケーブル３６を介して電気的に接続される。この電気ケーブル３６内の配線を通じて電源装置本体から電力を超音波振動子２に供給することによって、超音波振動子２が駆動される。なお、振動子ユニット３は、超音波振動を発生させる超音波振動子２、発生した超音波振動を増幅させるホーン３２および増幅された超音波振動を伝達するプローブ６を備えている。
【００３１】
なお、超音波振動子２と振動子ユニット３は、必ずしも図１に示したように操作部本体９内に収納されている必要はなく、例えば、図３に示すように操作パイプ１９内に収納されていてもよい。この図３の超音波医療装置１において、超音波振動子２の折れ止５２から操作部本体９の基部に配設されたコネクタ３８までの間にある電気ケーブル３６は金属パイプ３７の中に挿通されて収納されている。ここで、コネクタ３８は、必須ではなく、電気ケーブル３６を操作部本体９内部まで延長し、直接超音波振動子２の折れ止５２に接続する構成であってもよい。超音波医療装置１は、図３のような構成により、操作部本体９内を、より省スペース化を向上することができる。なお、図３の超音波医療装置１としての機能は、図１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００３２】
（超音波振動子）
ここで、本発明の超音波振動デバイスとしての超音波振動子２について以下に説明する。  
振動子ユニット３の超音波振動子２は、図４および図５に示すように、先端から順に振動伝達部材の１つであるプローブ本体３４に螺着などされて接続されたホーン３２と、このホーン３２の後方に連設された積層振動子４１と、ホーン３２の基端から電気ケーブル３６まで積層振動子４１を覆うカバー体５１と、を有して構成されている。なお、積層振動子４１を覆うカバー体５１は、基端部分に通電部としての２つのＦＰＣ（フレキシブル基板）４７，４８の接点ランドと半田などにより電気的に接続された電気ケーブル３６から延出する配線３６ａ，３６ｂまでを覆う折れ止５２を有している。
【００３３】
積層振動子４１は、絶縁層４２，４３が前後に配設され、前方側が絶縁層４２を介して金属ブロック体のホーン３２と一体形成された円柱状のフロントマス３９に接合され、後方側が絶縁層４３を介して円柱状の金属ブロック体のバックマス４４に接合されている。なお、フロントマス３９およびバックマス４４は、ジェラルミン、ステンレス鋼、または例えば、６４Ｔｉ（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）などのチタン合金によって形成されている。
【００３４】
積層振動子４１は、耐熱性を有した非鉛の圧電単結晶板から形成された圧電層として、複数、ここでは４つの圧電単結晶素子層６１が積層されている。これらの圧電単結晶素子層６１の両端およびそれぞれの間には、正電極層６２および負電極層６３およびが交互に介装されている。
【００３５】
（超音波振動子の製造方法）
ここで、超音波振動子２の製造方法について、図面に基づいて、以下に説明する。
【００３６】
超音波振動子２を製造する際、先ず、図６に示すように、ホーン用金属７１、バックマス用金属７２、複数、ここでは４つの圧電材料ウエハ７３、および２つの絶縁板７４が準備される。なお、ホーン用金属７１およびバックマス用金属７２には、上述したようにジュラルミン、チタン合金、ステンレス鋼などの略円柱状の金属ブロック体が用いられる。
【００３７】
ここでの圧電材料ウエハ７３は、キュリー点が高い略円板状のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）から形成されている。また、２つの絶縁板７４は、略円板状に形成されたセラミックなどの絶縁体が用いられる。
【００３８】
これら、ホーン用金属７１およびバックマス用金属７２のそれぞれの一面、圧電材料ウエハ７３の両面および各絶縁板７４の両面には、下地金属７５が成膜される。この下地金属７５には、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕなどが使用され、圧電材料ウエハ７３の両面および各絶縁板７４の両面に金属膜として蒸着、スパッタ、鍍金などの方法で成膜される。
【００３９】
そして、バックマス用金属７２の下地金属７５上、各圧電材料ウエハ７３の一面側の下地金属７５上および各絶縁板７４の一面側の下地金属７５上には、ＡｕＳｎ共晶ハンダまたは一般的な非鉛ハンダの接合金属７６がスクリーン印刷により設けられる。
【００４０】
次に、これらの材料が用いられ、超音波振動子２における基端側となる紙面の下方側から順に、バックマス用金属７２、接合金属７６を上方とした一方の絶縁板７４、接合金属７６を上方とした４つの圧電材料ウエハ７３、接合金属７６を上方とした他方の絶縁板７４、下地金属７５を下方としたホーン用金属７１の順に積層される。このとき、４つの圧電材料ウエハ７３の結晶の上下面が隣接する各ウエハ間で交互に反転するように積層される。即ち、接合金属７６は、４つの圧電材料ウエハ７３のうち、２つの圧電材料ウエハ７３の結晶の上面側と２つの圧電材料ウエハ７３の結晶の下面側にスクリーン印刷され、上述したように、４つの圧電材料ウエハ７３の結晶の上下面が隣接するウエハ間で交互に反転するように積層される。
【００４１】
このように各材料が積層された積層体は、各接合金属７６が溶融する温度、例えば、２００℃〜３００℃程度に加熱された後、ゆっくり冷却されて、紙面における上方からホーン用金属７１、一方の絶縁板７４、４つの圧電材料ウエハ７３、他方の絶縁板７４およびバックマス用金属７２のそれぞれが接合金属７６の溶融によって積層方向に対する接合がされる。なお、下地金属７５が各材料の良好な密着性および接合金属７６の溶融時に良好な濡れ性を示すため各材料が安定して接合される。
【００４２】
こうして、図７および図８に示すように、各圧電材料ウエハ７３および各絶縁板７４の間に接合金属７６が積層するように一体化した、ここでは略円柱状の接合ブロック体８０が形成される。また、上述の加熱の際には、必要に応じて、接合ブロック体８０の先端側（紙面における上部側）、つまりホーン用金属７１側からに均一に所定の加圧が行われものである。なお、下地金属７５の厚さは、全層でも数ｕｍ程度と薄いため、図７以降では図示を省略している。
【００４３】
次に、以上のように制作された１つの接合ブロック体８０から、図９および図１０に示すような接合柱状体８１が複数個、研磨、切削加工などの機械加工によって切出される。なお、このとき、ホーン用金属７１からは、振動子ユニット３を保持するための上述した外向フランジ３３および、この外向フランジ３３の後方に連設するようにフロントマス３９が一体的に機械加工される。
【００４４】
続いて、接合柱状体８１のホーン用金属７１は、図１１および図１２に示すように、振動子ユニット３における先端部側（紙面における上部側）に向かって、先細りのテーパ形状に研磨、切削加工などによる機械加工され、超音波振動振幅の増幅効果を持つ上述のホーン３２が加工される。なお、ホーン３２には、先端面から内部方向へプローブ本体３４が螺着するための図示しない雌ネジ穴がタップ加工される。
【００４５】
こうして、接合柱状体８１のホーン用金属７１からホーン３２、外向フランジ３３およびフロントマス３９が機械加工により成形される。そして、接合柱状体８１の２つの絶縁板７４が超音波振動子２における絶縁層４２，４３を構成し、複数、ここでは４つの圧電材料ウエハ７３が超音波振動子２における圧電単結晶素子層６１を構成する。さらに、接合柱状体８１の４つの圧電材料ウエハ７３を挟む接合金属７６が超音波振動子２における正電極層６２または負電極層６３を構成し、バックマス用金属７２が超音波振動子２におけるバックマス４４を構成する。このように、接合ブロック体８０から接合柱状体８１が複数切出され、１つの接合柱状体８１から超音波振動子２が一括加工により個片化されて製造される。なお、ホーン用金属７１またはバックマス用金属７２と、いずれかの絶縁板７４との間の接合金属７６は、正電極層６２または負電極層６３を構成せず、ホーン用金属７１またはバックマス用金属７２と絶縁板７４とを接合するためのものである。
【００４６】
そして、超音波振動子２には、各圧電単結晶素子層６１への電気的接続を取るために、図１３および図１４に示すように、２つのＦＰＣ４７，４８が各圧電単結晶素子層６１を挟む正電極層６２または負電極層６３と半田などの電気接続部４９によって電気的に接続され、各圧電単結晶素子層６１への電気的接続が確立される。なお、ＦＰＣ４７，４８は、１つおきに積層された負電極層６３同士または正電極層６２同士を電気的に接続する。
【００４７】
以上に説明した超音波振動子２の製造プロセスにより、外向フランジ３３およびフロントマス３９が一体的に形成されたホーン３２、絶縁層４２、各圧電単結晶素子層６１、負電極層６３、正電極層６２、絶縁層４３およびバックマス４４が一体化製造される。そして、正電極層６２または負電極層６３の側面と半田などの電気接続部４９によって電気的に接続されたＦＰＣ４７，４８を介して、各圧電単結晶素子層６１に駆動信号を印加して、全体を超音波振動させる超音波振動子２が完成する。
【００４８】
なお、この超音波振動子２は、正電極側のＦＰＣ４７から正電極層６２に印加される駆動信号が各圧電単結晶素子層６１を介して負電極層６３から負電極側（ＧＮＤ側）のＦＰＣ４８に流れる。そのため、超音波振動子２は、ここでは絶縁層４２、４３を設けた構成であるが、特に絶縁層４２、４３を設けなくても、フロントマス３９およびバックマス４４が負電極層６３に接する構成であれば駆動信号が流れない。つまり、本実施の形態のように、超音波振動子２は、圧電単結晶素子層６１を偶数層にして、圧電単結晶素子層６１の両端、即ち積層振動子４１の両端に負電極層６３を配置する構成であれば、必ずしも絶縁層４２、４３を設けなくてもよい。
【００４９】
また、ここでの各圧電単結晶素子層６１は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）が用いられ、そのキュリー点が約１１５０℃である。そして、正電極層６２または負電極層６３を構成するＡｕＳｎ共晶ハンダ、一般的な非鉛ハンダなどの接合金属７６は、融点がニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）のキュリー点（約１１５０℃）に対して半分以下（ここでは１/３以下）の約２００〜３００℃である。そのため、各積層材料の接合をするために、接合金属７６が溶融する温度までの温度（約２００〜３００℃）程度で熱処理を行うことにより、圧電単結晶素子層６１となる各圧電材料ウエハ７３の分極が劣化することなく、組み立て、加工プロセス後に再分極処理を行わずに、そのままランジュバン振動子の超音波振動子２として使用することが可能となる。
【００５０】
さらに、積層材料の接合のための加熱後の冷却時に、熱膨張係数の違いによる熱応力により、各圧電材料ウエハ７３の割れを防止するため、ホーン用金属７１およびバックマス用金属７２の熱膨張係数が圧電単結晶板の熱膨張係数にできるだけ近いことが望ましい。そのため、ここでの圧電材料ウエハ７３は、上述したように非鉛のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いており、熱膨張係数が結晶方向により約８〜１５ｐｐｍであるため、ホーン用金属７１およびバックマス用金属７２の材質がチタン合金または約８〜１５ｐｐｍの値に近い熱膨張係数を持つステンレス鋼が特に望ましい。
【００５１】
以上に記載したように、本実施の形態では、製造目的物の超音波振動子２の最終形状よりも大きな形状の圧電単結晶素子層６１となる圧電材料ウエハ７３と、正電極層６２または負電極層６３となる接合金属７６と、ホーン３２、外向フランジ３３およびフロントマス３９となる金属ブロックのホーン用金属７１と、バックマス４４となる金属ブロックのバックマス用金属７２と、絶縁層４２、４３となる絶縁板７４を積層する。そして、それぞれの間に接合部としての金属材料からなる接合金属７６を配置して、これらを加熱して、接合金属７６の融点以上に温度を上げてから冷却して、これらを接合して一体化させた接合ブロック体８０を先ず形成する。
【００５２】
なお、ここでの接合金属７６に使う金属材料は、圧電材料ウエハ７３のキュリー点の半分以下の融点を持つ材料を使用しており、金属を溶融させて接合を行っても圧電材料ウエハ７３の脱分極が起こらないようにして接合することができる。即ち、接合ブロック体８０から機械加工後に圧電単結晶素子層６１の再分極を行うことなく駆動できる超音波振動子２を容易に製造することができる。そして、各積層材料が一体化された接合体となる接合ブロック体８０から一括して機械加工し、１つの接合ブロック体８０から複数のランジュバン振動子である超音波振動子２を製造することができる。最後に、切り出した超音波振動子２の正電極層６２または負電極層６３の側面に圧電振動子駆動用電極となるＦＰＣ４７，４８を取り付け、個々の圧電振動子に駆動用電気信号を印加できるようにする。
【００５３】
このように、各積層材料を接合後に一括加工して個片化することで、超音波振動子２を1つずつ個別に機械加工するよりも、機械加工の回数を減らして、低コスト化を可能にすることができる。また、機械加工時に圧電単結晶素子層６１となる圧電材料ウエハ７３の端部が露出しないので、チッピングが起こりにくいという利点もある。その結果、本実施の形態の超音波振動子２は、非鉛のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）を用いた圧電材料ウエハ７３の加工コストを低減して安価に制作できるようになる。
【００５４】
なお、上述では、圧電材料ウエハ７３の一面側の下地金属７５上および一方の絶縁板７４の一面側の下地金属７５上にＡｕＳｎ共晶ハンダまたは一般的な非鉛ハンダの接合金属７６がスクリーン印刷により設けられる構成を示したが、これに限定されることなく、図１５に示すように、接合金属７６をリボン形態（金属リボン）として、ホーン用金属７１、バックマス用金属７２、各圧電材料ウエハ７３および各絶縁板７４のそれぞれの間に配置してもよい。
【００５５】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について、図面に基づいて、以下に説明する。  
図１６は、各種積層材料の構成を示す断面図、図１７は電極にＦＰＣが接続された超音波振動子を示す斜視図、図１８は電極にＦＰＣが接続された超音波振動子を示す断面図である。
【００５６】
なお、本実施の形態の説明において、上述の第１の実施の形態に記載した構成には、同じ符号を使って、それらの詳細な説明を省略する。
【００５７】
上述の第１の実施の形態では、接合金属７６から形成される正電極層６２または負電極層６３の側面に電気接続部４９によってＦＰＣ４７，４８の電気的接続および機械的固定を行う構成としている。この構成に加え、さらに必要な機械的固定の強度を確保するために電気接続部４９と正電極層６２または負電極層６３は、一定の大きさ（厚さ）が必要であり、そのため、正電極層６２または負電極層６３となる接合金属７６がある程度の厚さが必要とされる。その厚さは、接合に必要な最低限の厚さよりも厚くすることが望ましい。その反面、例えば金を含むＡｕＳｎを接合金属７６に使用する場合、高価なＡｕを含むため材料コストが高く、接合金属７６の厚さを接合に必要な最低限の厚さに抑えることが望ましい。
【００５８】
そこで、本実施の形態では、図１６に示すように、接合金属７６よりも安価な金属材料、例えば銅（Ｃｕ）から形成された所定の厚みを有した金属スペーサ７７を設けて、正電極層６２または負電極層６３の厚さを確保している。  
具体的には、金属スペーサ７７は、絶縁板７４および各圧電材料ウエハ７３の間において、両面側のそれぞれが接合金属７６を介して配置される。詳述すると、ここではリボン形態の２つの接合金属７６に挟まれるように、金属スペーサ７７が絶縁板７４および各圧電材料ウエハ７３の間に配置されて各材料が積層される。
【００５９】
なお、第１の実施の形態と同様に、ここでも各絶縁板７４および各圧電材料ウエハ７３のそれぞれの両面には、接合する接合金属７６、ホーン用金属７１またはバックマス用金属７２と、絶縁板７４または圧電材料ウエハ７３とが良好な密着性、および溶融時の良好な濡れ性を示す下地金属７５が成膜されている。
【００６０】
また、金属スペーサ７７は、ここでは上述したように銅（Ｃｕ）などが使用されており、この金属スペーサ７７と接合金属７６との材質の組み合わせが、銅（ＣＵ）と一般的な非鉛ハンダであるため接合性が良いため、ここでは金属スペーサ７７に下地金属７５を成膜する必要はない構成となっている。
【００６１】
なお、金属スペーサ７７の材質と接合金属７６の材質の組み合わせによっては、必要に応じて下地金属７５を金属スペーサ７７に成膜してもよい。また、接合金属７６は、ここではリボン形態としたが、金属スペーサ７７の厚さに応じて、ペーストとしてスクリーン印刷してもよい。特に、金属スペーサ７７の厚さが薄い場合は、接合金属７６をペーストとしてスクリーン印刷してから各材料を積層するのが難しいため、その場合には接合金属７６をリボン形態とすることが望ましい。
【００６２】
以上に説明した本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、各材料による積層体は、接合金属７６が溶融する温度に加熱された後、ゆっくり冷却されて、ホーン用金属７１、一方の絶縁板７４、各圧電材料ウエハ７３、各接合金属７６、各金属スペーサ７７、他方の絶縁板７４およびバックマス用金属７２のそれぞれが接合される。ここでも、下地金属７５が各材料の良好な密着性および接合金属７６の溶融時に良好な濡れ性を示して各材料が接合される。
【００６３】
こうして、各圧電材料ウエハ７３の上下に金属スペーサ７７が接合金属７６に挟まれるように一体化され、第１の実施の形態と同様に、ここでは図示しない接合ブロック体（８０）が形成される。そして、第１の実施の形態と同様に、接合ブロック体（８０）から、ここでは図示しない接合柱状体（８１）が複数個、切削加工などの機械加工によって切出される。そして、ホーン用金属７１には、外向フランジ３３および、この外向フランジ３３の後方に連設するようにフロントマス３９が一体的に機械加工される。
【００６４】
このようにして、本実施の形態では、２つの接合金属７６の間に設けられた金属スペーサ７７が各圧電材料ウエハ７３を挟むように配置され、各金属スペーサ７７が正電極層６２または負電極層６３を構成して、接合ブロック体８０から接合柱状体８１が複数切出し加工される。こうして、超音波振動子２が一括加工により個片化されて製造される。なお、その他の超音波振動子２の構成は、第１の実施の形態と同様である。
【００６５】
そして、超音波振動子２には、第１の実施の形態と同様に、各圧電単結晶素子層６１への電気的接続を取るために、図１７および図１８に示すように、２つのＦＰＣ４７，４８が２つの接合金属７６と金属スペーサ７７の３層により十分な厚みを有した正電極層６２または負電極層６３と半田などの電気接続部４９によって電気的に接続され、各圧電単結晶素子層６１への電気的接続が確立される。なお、ここでも下地金属７５の厚さは、全層でも数ｕｍ程度と薄いため、図１７および図１８では図示を省略している。
【００６６】
以上の説明により、本実施の形態の超音波振動子２は、第１の実施の形態の効果に加え、必要な機械的固定の強度を確保するために電気接続部４９が接続される正電極層６２または負電極層６３の厚さを十分確保できる構成となっている。さらに、金を含むＡｕＳｎなどを接合金属７６に使用する場合、接合金属７６の厚さを抑えて、安価な材料、ここでは銅（Ｃｕ）から形成された金属スペーサ７７によって正電極層６２または負電極層６３の厚さを確保できるため、超音波振動子２の製造コストを低減させることができる。また、金属スペーサ７７に銅（Ｃｕ）を用いた場合は、この金属スペーサ７７により構成される正電極層６２または負電極層６３の側面部に直接ハンダをつけて、電気接続部４９を形成することができる。
【００６７】
以上のように構成された本実施の形態の超音波振動子２は、接合金属７６の薄膜化による使用材料の削減、低コスト化および電気接続部４９の機械的強度のために必要な隣接圧電単結晶素子層６１間距離の確保を両立させることが可能となる。
【００６８】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について、図面に基づいて、以下に説明する。  
図１９は、超音波振動子の一例を示す背面図、図２０は超音波振動子に２つの平面部が形成された一例を示す背面図、図２１は図２０の電極にＦＰＣが接続された超音波振動子を示す斜視図、図２２は超音波振動子に４つの平面部が形成された一例を示す背面図、図２３は図２２のＦＰＣが接続された超音波振動子を示す斜視図である。
【００６９】
なお、本実施の形態の説明において、上述の第１の実施の形態および第２の実施の形態に記載した構成には、同じ符号を使って、それらの詳細な説明を省略する。
【００７０】
上述した各実施の形態のランジュバン振動子である超音波振動子２は、振動方向（前後方向）から見た断面外形形状は、この振動方向の中心軸Ｏに対して対称性の点から、図１９に示すように円形であることが望ましい。しかしながら、断面外形形状が円形である場合、電気接続部４９を介してＦＰＣ４７，４８を正電極層６２または負電極層６３に接続する際に、超音波振動子２の転がりを防止する冶具、ＦＰＣ４７，４８の固定位置を決める冶具を使用する必要がある。
【００７１】
また、電気接続部４９を正電極層６２または負電極層６３の側周部に固定するためには、電気接続部４９の形状を正電極層６２または負電極層６３に応じた円弧形状に沿わせるか、ＦＰＣ４７，４８を曲げて正電極層６２または負電極層６３の円弧形状に沿わせた状態で、電気接続部４９を超音波振動子２に固定する必要がある。そのため、電気接続部４９による正電極層６２または負電極層６３への電気的接続信頼性および電気接続部４９の形成工程の作業性が低下するという懸念があった。
【００７２】
そこで、本実施の形態では、接合ブロック体（８０）から、接合柱状体（８１）に個片化する工程において、図２０および図２１に示すように、超音波振動子２の一部である積層振動子４１、フロントマス３９およびバックマス４４に平面部８２を設けて、その部分に電気接続部４９を固定することで、ＦＰＣ４７，４８の接続時の作業性を向上させ、組み立てコストの低減、および電気接続部４９の接続信頼性向上を可能とすることができる。さらに、図２２および図２３に示すように、積層振動子４１、フロントマス３９およびバックマス４４の４つの側面が平面部８２からだけからなり、超音波振動子２の振動方向（前後方向）から見た外形断面形状が矩形状としてもよい。
【００７３】
なお、本実施の形態の構成は、第１の実施の形態の構成だけでなく、第２の実施の形態の金属スペーサ７７を用いて正電極層６２または負電極層６３を形成する超音波振動子２に勿論適用することができる。
【００７４】
上述の実施の形態に記載した発明は、その実施の形態および変形例に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得るものである。
【００７５】
例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、述べられている課題が解決でき、述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得るものである。
上述した実施の形態において、接合柱状体８１は、１つの接合ブロック体８０から、研磨、切削加工などの機械加工によって、複数個、切出して個片化することで作成する説明をしたが、この工程に限られるわけではなく、予め個片化した金属ブロック、絶縁板、圧電単結晶素子を用い、電圧を印加する圧電単結晶素子の両端には正電極板、負電極板を配置して、それらを接合金属により接合・一体化して接合柱状体を作成し超音波振動デバイスとしてもよい。このような工程で接合柱状体を作成する場合の正電極板、負電極板は、特許文献１の図５に示すように外部に端子部が出るような形状とすることもでき、正電極板同士または負電極板同士を電気的に接続することが、より容易となる。
【符号の説明】
【００７６】
１…超音波医療装置
２…超音波振動子
３…振動子ユニット
４…ハンドルユニット
５…操作部
６…プローブ
７…外套管
８…挿入シース部
９…操作部本体
１０…固定ハンドル
１１…可動ハンドル
１２…回転ノブ
１３…スリット
１４…ハンドルストッパ
１５…ハンドル支軸
１６…連結アーム
１７…操作パイプ
１８…大径部
１９…操作パイプ
２０…スライダ
２２…固定リング
２３…把持部
３０…先端処置部
３１…先端部
３２…ホーン
３３…外向フランジ
３４…プローブ本体
３５…ゴムライニング
３６…電気ケーブル
３６ａ，３６ｂ…配線
３７…金属パイプ
３８…コネクタ
３９…フロントマス
４１…積層振動子
４２，４３…絶縁層
４４…バックマス
４７，４８…ＦＰＣ
４９…電気接続部
５１…カバー体
５２…折れ止
６１…圧電単結晶素子層
６２…正電極層
６３…負電極層
７１…ホーン用金属
７２…バックマス用金属
７３…圧電材料ウエハ
７４…絶縁板
７５…下地金属
７６…接合金属
７７…金属スペーサ
８０…接合ブロック体
８１…接合柱状体
８２…平面部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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