(57)【要約】【課題】超音波振動を用いて被処置体に対する医療処置を行う超音波手術システムの振動源としての機能を損なうことなく、超音波振動子を小型化すること。【解決手段】超音波振動を増幅する共振体１に、所定温度未満の場合に積層圧電素子５の外形寸法以下の寸法の空間を形成し、所定温度以上の場合に積層圧電素子５の外形寸法よりも大きい寸法の空間を形成する固定部材２を備え、積層圧電素子５に共振体１を焼き嵌めて、積層圧電素子５を固定部材２内に固定する。【選択図】        図１
2005094552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電歪効果によって超音波振動を発振する振動発振手段と該振動発振手段が発振した超音波振動を増幅する共振体とを有し、該共振体によって増幅された超音波振動を用いて被処置体に対する医療処置を行う超音波振動子において、
前記振動発振手段と前記共振体との焼き嵌めを行って、前記振動発振手段と前記共振体とを一体的に固定することを特徴とする超音波振動子。
【請求項２】
前記共振体は、前記振動発振手段の挿入部位である空間を形成し、該空間に挿入した前記振動発振手段に対して前記超音波振動の少なくとも発振方向に圧縮応力を印加するとともに前記振動発振手段を固定する固定部材を備え、
前記空間の寸法は、前記圧縮応力の印加方向について、前記固定部材の温度が所定温度未満の場合に前記振動発振手段の寸法以下であり、前記固定部材の温度が所定温度以上の場合に前記振動発振手段の寸法より大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項３】
前記共振体は、前記振動発振手段の挿入部位である空間を形成し、該空間に挿入した前記振動発振手段に対して前記超音波振動の発振方向に垂直な方向に圧縮応力を印加するとともに前記振動発振手段を固定する固定部材を備え、
前記空間の寸法は、前記圧縮応力の印加方向について、前記固定部材の温度が所定温度未満の場合に前記振動発振手段の寸法以下であり、前記固定部材の温度が所定温度以上の場合に前記振動発振手段の寸法より大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項４】
前記振動発振手段は、該振動発振手段を貫通するロッドが配置され、前記振動発振手段を貫通した前記ロッドが前記共振体の開口部に挿入された場合に、前記共振体に前記振動発振手段を固定する固定部材を備え、
前記開口部の寸法は、前記共振体の温度が所定温度未満の場合に前記ロッドの横断面の寸法以下であり、前記共振体の温度が所定温度以上の場合に前記ロッドの横断面の寸法より大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
【請求項５】
前記所定温度は、１５０℃以上、５００℃以下の範囲内の温度であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一つに記載の超音波振動子。
【請求項６】
電歪効果によって超音波振動を発振する振動発振手段と該振動発振手段が発振した超音波振動を増幅する共振体とを有し、該共振体によって増幅された超音波振動を用いて被処置体に対する医療処置を行う超音波振動子の製造方法において、
前記共振体に挿入する前記振動発振手段の全挿入方向に垂直な方向について、前記振動発振手段の外形寸法以下の寸法を有する空間を前記共振体に形成する空間形成工程と、
前記共振体を所定温度以上に加熱し、前記空間の寸法を前記振動発振手段の外形寸法よりも大きくする熱膨張工程と、
前記熱膨張工程によって大きくした前記空間に前記振動発振手段を挿入する挿入工程と、
前記振動発振手段が挿入された前記共振体を前記所定温度未満に冷却し、前記振動発振手段を前記共振体内に固定する固定工程と、
を含んだことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項７】
電歪効果によって超音波振動を発振する振動発振手段と該振動発振手段が発振した超音波振動を増幅する共振体とを有し、該共振体によって増幅された超音波振動を用いて被処置体に対する医療処置を行う超音波振動子の製造方法において、
前記振動発振手段を貫通するロッドの横断面寸法以下の寸法を有する開口部を前記共振体に形成する開口部形成工程と、
前記共振体を所定温度以上に加熱し、前記開口部の寸法を前記ロッドの横断面寸法よりも大きくする熱膨張工程と、
前記熱膨張工程によって大きくした前記開口部に対して、前記振動発振手段を貫通した前記ロッドを挿入するとともに前記振動発振手段を前記共振体に接触させる挿入工程と、
前記挿入工程によって前記共振体に接触させた前記振動発振手段を前記共振体に押し付けるとともに前記共振体を所定温度未満に冷却し、前記振動発振手段を前記共振体に固定する固定工程と、
を含んだことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
【請求項８】
前記固定工程によって前記共振体に固定された前記振動発振手段を構成する圧電素子に対して分極処理を行う分極工程を含んだことを特徴とする請求項６または７に記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項９】
前記挿入工程に用いる前記振動発振手段を構成する圧電素子は、予め分極処理がなされていることを特徴とする請求項６または７に記載の超音波振動子の製造方法。
【請求項１０】
前記所定温度は、１５０℃以上、５００℃以下の範囲内の温度であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一つに記載の超音波振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波振動を応用して生体組織等の被処置体に外科的な医療処置を行う超音波手術システムの振動源として用いられる超音波振動子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、超音波振動を応用して被処置体に外科的な医療処置を行う超音波手術システムが開発され、この超音波手術システムの振動源として超音波振動子が用いられる。一般に、超音波振動子は、電歪効果による電気・機械エネルギー変換を行って超音波振動を発振する圧電素子が固定された共振体を有し、該共振体には、超音波振動を増幅するホーンと該ホーンによって増幅された超音波振動を伝達して被処置体に医療処置を行う処置部とが設けられている。この場合、超音波振動子は、圧電素子から発振された超音波振動をホーンによって増幅するとともに処置部に伝達し、該処置部を被処置体に接触させた場合に該被処置体に対する医療処置を達成する。このような技術に関し、たとえば、ボルト締結によって圧電素子に圧縮応力をかけるとともに該圧電素子をホーンに固定した超音波振動子がある。（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６０７７２８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された超音波振動子では、圧電素子がボルト締結によってホーンに固定されているので、このボルト締結を実現するボルトおよび螺子穴等の締結手段を備えなければならず、この締結手段に起因して、超音波振動子の小型化が制限されるという問題点があった。
【０００５】
なお、近年、内視鏡に挿入された超音波振動子を用いて、内視鏡観察の下、体腔内の患部に対する医療処置を行う超音波手術システムの実現が要望されている。このためには、超音波振動子の更なる小型化が必要である。
【０００６】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、超音波振動を用いて被処置体に対する医療処置を行う超音波手術システムの振動源としての機能を損なうことなく、装置規模が小型化された超音波振動子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる超音波振動子は、電歪効果によって超音波振動を発振する振動発振手段と該振動発振手段が発振した超音波振動を増幅する共振体とを有し、該共振体によって増幅された超音波振動を用いて被処置体に対する医療処置を行う超音波振動子において、前記振動発振手段と前記共振体との焼き嵌めを行って、前記振動発振手段と前記共振体とを一体的に固定することを特徴とする。
【０００８】
この請求項１の発明によれば、前記振動発振手段と前記共振体との焼き嵌めを行って、前記振動発振手段と前記共振体とを一体的に固定するようにし、ボルト等を用いて前記共振体と前記振動発振手段とを螺子締結することなく、前記振動発振手段に対して圧縮応力を印加するとともに該振動発振手段を前記共振体に確実に固定し、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を損なうことなく装置規模を小型化した超音波振動子を実現している。
【０００９】
また、請求項２にかかる超音波振動子は、上記発明において、前記共振体は、前記振動発振手段の挿入部位である空間を形成し、該空間に挿入した前記振動発振手段に対して前記超音波振動の少なくとも発振方向に圧縮応力を印加するとともに前記振動発振手段を固定する固定部材を備え、前記空間の寸法は、前記圧縮応力の印加方向について、前記固定部材の温度が所定温度未満の場合に前記振動発振手段の寸法以下であり、前記固定部材の温度が所定温度以上の場合に前記振動発振手段の寸法より大きいことを特徴とする。
【００１０】
この請求項２の発明によれば、前記共振体に設けられた固定部材が、前記振動発振手段の挿入部位である空間を形成し、該空間に挿入した前記振動発振手段に対して前記超音波振動の少なくとも発振方向に圧縮応力を印加するとともに前記振動発振手段を固定し、前記空間の寸法が、前記圧縮応力の印加方向について、前記固定部材の温度が所定温度未満の場合に前記振動発振手段の寸法以下であり、前記固定部材の温度が所定温度以上の場合に前記振動発振手段の寸法より大きくなるようにし、前記共振体を前記振動発振手段に焼き嵌めるとともに、前記振動発振手段に対して前記超音波振動の発振方向に圧縮応力を確実に印加し、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を高めるとともに装置規模の小型化を促進した超音波振動子を実現している。
【００１１】
また、請求項３にかかる超音波振動子は、上記発明において、前記共振体は、前記振動発振手段の挿入部位である空間を形成し、該空間に挿入した前記振動発振手段に対して前記超音波振動の発振方向に垂直な方向に圧縮応力を印加するとともに前記振動発振手段を固定する固定部材を備え、前記空間の寸法は、前記圧縮応力の印加方向について、前記固定部材の温度が所定温度未満の場合に前記振動発振手段の寸法以下であり、前記固定部材の温度が所定温度以上の場合に前記振動発振手段の寸法より大きいことを特徴とする。
【００１２】
この請求項３の発明によれば、前記共振体に設けられた固定部材が、前記振動発振手段の挿入部位である空間を形成し、該空間に挿入した前記振動発振手段に対して前記超音波振動の発振方向に垂直な方向に圧縮応力を印加するとともに前記振動発振手段を固定し、前記空間の寸法が、前記圧縮応力の印加方向について、前記固定部材の温度が所定温度未満の場合に前記振動発振手段の寸法以下であり、前記固定部材の温度が所定温度以上の場合に前記振動発振手段の寸法より大きくなるようにし、前記共振体を前記振動発振手段に焼き嵌める処理を容易にするとともに、前記振動発振手段の前記共振体との接触端の他端を開放し、該他端に前記振動発振手段の電極配置部位を確保している。これによって、装置規模を小型化し、特に、装置の幅方向について小型化した超音波振動子を容易に実現している。
【００１３】
また、請求項４にかかる超音波振動子は、上記発明において、前記振動発振手段は、該振動発振手段を貫通するロッドが配置され、前記振動発振手段を貫通した前記ロッドが前記共振体の開口部に挿入された場合に、前記共振体に前記振動発振手段を固定する固定部材を備え、前記開口部の寸法は、前記共振体の温度が所定温度未満の場合に前記ロッドの横断面の寸法以下であり、前記共振体の温度が所定温度以上の場合に前記ロッドの横断面の寸法より大きいことを特徴とする。
【００１４】
この請求項４の発明によれば、前記振動発振手段は、該振動発振手段を貫通するロッドが配置された固定部材を有し、前記固定部材が、前記振動発振手段を貫通した前記ロッドが前記共振体の開口部に挿入された場合に、前記共振体に前記振動発振手段を固定し、前記開口部の寸法が、前記共振体の温度が所定温度未満の場合に前記ロッドの横断面の寸法以下であり、前記共振体の温度が所定温度以上の場合に前記ロッドの横断面の寸法より大きくなるようにし、前記振動発振手段を構成する圧電素子および正電極または圧電素子および負電極が相互に固着されていない場合であっても、前記共振体に前記振動発振手段を確実に固定し、特に、前記共振体に円筒状の前記振動発振手段を固定する処理を容易にし、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を損なうことなく装置規模の小型化を促進した超音波振動子を容易に実現している。
【００１５】
また、請求項５にかかる超音波振動子は、上記発明において、前記所定温度は、１５０℃以上、５００℃以下の範囲内の温度であることを特徴とする。
【００１６】
この請求項５の発明によれば、前記所定温度は、１５０℃以上、５００℃以下の範囲内の温度に設定されるようにし、前記振動発振手段に前記共振体を焼き嵌める処理を最適化している。
【００１７】
また、請求項６にかかる超音波振動子の製造方法は、電歪効果によって超音波振動を発振する振動発振手段と該振動発振手段が発振した超音波振動を増幅する共振体とを有し、該共振体によって増幅された超音波振動を用いて被処置体に対する医療処置を行う超音波振動子の製造方法において、前記共振体に挿入する前記振動発振手段の全挿入方向に垂直な方向について、前記振動発振手段の外形寸法以下の寸法を有する空間を前記共振体に形成する空間形成工程と、前記共振体を所定温度以上に加熱し、前記空間の寸法を前記振動発振手段の外形寸法よりも大きくする熱膨張工程と、前記熱膨張工程によって大きくした前記空間に前記振動発振手段を挿入する挿入工程と、前記振動発振手段が挿入された前記共振体を前記所定温度未満に冷却し、前記振動発振手段を前記共振体内に固定する固定工程と、を含んだことを特徴とする。
【００１８】
この請求項６の発明によれば、前記共振体に挿入する前記振動発振手段の全挿入方向に垂直な方向について、前記振動発振手段の外形寸法以下の寸法を有する空間を前記共振体に形成し、つぎに、熱膨張工程によって前記共振体を所定温度以上に加熱して、前記空間の寸法を前記振動発振手段の外形寸法よりも大きくし、前記熱膨張工程によって大きくした前記空間に前記振動発振手段を挿入し、その後、前記振動発振手段が挿入された前記共振体を前記所定温度未満に冷却し、前記振動発振手段を前記共振体内に固定するようにし、ボルト等を用いて前記共振体と前記振動発振手段とを螺子締結することなく、前記振動発振手段に対して圧縮応力を印加するとともに前記共振体に前記振動発振手段を確実に固定し、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を損なうことなく装置規模を小型化した超音波振動子を実現している。
【００１９】
また、請求項７にかかる超音波振動子の製造方法は、電歪効果によって超音波振動を発振する振動発振手段と該振動発振手段が発振した超音波振動を増幅する共振体とを有し、該共振体によって増幅された超音波振動を用いて被処置体に対する医療処置を行う超音波振動子の製造方法において、前記振動発振手段を貫通するロッドの横断面寸法以下の寸法を有する開口部を前記共振体に形成する開口部形成工程と、前記共振体を所定温度以上に加熱し、前記開口部の寸法を前記ロッドの横断面寸法よりも大きくする熱膨張工程と、前記熱膨張工程によって大きくした前記開口部に対して、前記振動発振手段を貫通した前記ロッドを挿入するとともに前記振動発振手段を前記共振体に接触させる挿入工程と、前記挿入工程によって前記共振体に接触させた前記振動発振手段を前記共振体に押し付けるとともに前記共振体を所定温度未満に冷却し、前記振動発振手段を前記共振体に固定する固定工程と、を含んだことを特徴とする。
【００２０】
この請求項７の発明によれば、前記振動発振手段を貫通するロッドの横断面寸法以下の寸法を有する開口部を前記共振体に形成し、つぎに、熱膨張工程によって前記共振体を所定温度以上に加熱して、前記開口部の寸法を前記ロッドの横断面寸法よりも大きくし、前記熱膨張工程によって大きくした前記開口部に対して、前記振動発振手段を貫通した前記ロッドを挿入するとともに、前記振動発振手段を前記共振体に接触させ、その後、前記共振体に接触させた前記振動発振手段を前記共振体に押し付けるとともに前記共振体を所定温度未満に冷却し、前記振動発振手段を前記共振体に固定するようにし、前記振動発振手段を構成する圧電素子および正電極または圧電素子および負電極が相互に固着されていない場合であっても、前記共振体に前記振動発振手段を確実に固定し、特に、前記共振体に円筒状の前記振動発振手段を固定する処理を容易にし、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を損なうことなく装置規模の小型化を促進した超音波振動子を容易に実現している。
【００２１】
また、請求項８にかかる超音波振動子の製造方法は、上記発明において、前記固定工程によって前記共振体に固定された前記振動発振手段を構成する圧電素子に対して分極処理を行う分極工程を含んだことを特徴とする。
【００２２】
この請求項８の発明によれば、前記固定工程の後に、前記振動発振手段を構成する圧電素子に分極処理を行うようにし、前記熱膨張工程の加熱温度を高温に設定できるとともに、前記分極処理によって得られた前記振動発振手段の電歪効果が、前記熱膨張工程による加熱処理によって喪失されることを防止し、前記振動発振手段に前記共振体を焼き嵌める処理を容易にするとともに、前記共振体を焼き嵌めた前記振動発振手段の電歪効果を確実に得られるようにしている。
【００２３】
また、請求項９にかかる超音波振動子の製造方法は、上記発明において、前記挿入工程に用いる前記振動発振手段を構成する圧電素子は、予め分極処理がなされていることを特徴とする。
【００２４】
この請求項９の発明によれば、前記振動発振手段を構成する圧電素子に対する分極処理が、前記挿入工程以前に行われるようにし、前記分極処理による加熱温度によって、前記共振体と前記振動発振手段との嵌め合いが損なわれることを防止し、前記振動発振手段に前記共振体を確実に焼き嵌めるようにしている。
【００２５】
また、請求項１０にかかる超音波振動子の製造方法は、上記発明において、前記所定温度は、１５０℃以上、５００℃以下の範囲内の温度であることを特徴とする。
【００２６】
この請求項１０の発明によれば、前記所定温度が、１５０℃以上、５００℃以下の範囲内の温度に設定されるようにし、前記振動発振手段に前記共振体を焼き嵌める処理を最適化している。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１の発明によれば、前記振動発振手段と前記共振体との焼き嵌めを行って、前記振動発振手段と前記共振体とを一体的に固定しているので、ボルト等を用いて前記共振体と前記振動発振手段とを螺子締結することなく、前記振動発振手段に対して圧縮応力を印加するとともに該振動発振手段を前記共振体に確実に固定でき、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を損なうことなく装置規模を小型化した超音波振動子を実現できるという効果を奏する。
【００２８】
また、請求項２の発明によれば、前記共振体に設けられた固定部材が、前記振動発振手段の挿入部位である空間を形成し、該空間に挿入した前記振動発振手段に対して前記超音波振動の少なくとも発振方向に圧縮応力を印加するとともに前記振動発振手段を固定し、前記空間の寸法が、前記圧縮応力の印加方向について、前記固定部材の温度が所定温度未満の場合に前記振動発振手段の寸法以下であり、前記固定部材の温度が所定温度以上の場合に前記振動発振手段の寸法より大きくなるので、前記共振体を前記振動発振手段に焼き嵌めるとともに、前記振動発振手段に対して前記超音波振動の発振方向に圧縮応力を確実に印加でき、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を高めるとともに装置規模の小型化を促進した超音波振動子を実現できるという効果を奏する。
【００２９】
また、請求項３の発明によれば、前記共振体に設けられた固定部材が、前記振動発振手段の挿入部位である空間を形成し、該空間に挿入した前記振動発振手段に対して前記超音波振動の発振方向に垂直な方向に圧縮応力を印加するとともに前記振動発振手段を固定し、前記空間の寸法が、前記圧縮応力の印加方向について、前記固定部材の温度が所定温度未満の場合に前記振動発振手段の寸法以下であり、前記固定部材の温度が所定温度以上の場合に前記振動発振手段の寸法より大きくなるので、前記振動発振手段に前記共振体を容易に焼き嵌めることができるとともに、前記振動発振手段の前記共振体との接触端の他端を開放でき、該他端に前記振動発振手段の電極配置部位を確保できる。これによって、装置規模を小型化でき、特に、装置の幅方向について小型化した超音波振動子を容易に実現できるという効果を奏する。
【００３０】
また、請求項４の発明によれば、前記振動発振手段は、該振動発振手段を貫通するロッドが配置された固定部材を有し、前記固定部材が、前記振動発振手段を貫通した前記ロッドが前記共振体の開口部に挿入された場合に、前記共振体に前記振動発振手段を固定し、前記開口部の寸法が、前記共振体の温度が所定温度未満の場合に前記ロッドの横断面の寸法以下であり、前記共振体の温度が所定温度以上の場合に前記ロッドの横断面の寸法より大きくなるので、前記振動発振手段を構成する圧電素子および正電極または圧電素子および負電極が相互に固着されていない場合であっても、前記振動発振手段を前記共振体に確実に固定でき、特に、前記共振体に円筒状の前記振動発振手段を容易に固定することができ、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を損なうことなく装置規模の小型化を促進した超音波振動子を容易に実現できるという効果を奏する。
【００３１】
また、請求項５の発明によれば、前記所定温度は、１５０℃以上、５００℃以下の範囲内の温度に設定されるので、前記振動発振手段に前記共振体を焼き嵌める処理を最適化でき、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を損なうことなく装置規模の小型化を促進した超音波振動子を効率よく実現できるという効果を奏する。
【００３２】
また、請求項６の発明によれば、前記共振体に挿入する前記振動発振手段の全挿入方向に垂直な方向について、前記振動発振手段の外形寸法以下の寸法を有する空間を前記共振体に形成し、つぎに、熱膨張工程によって前記共振体を所定温度以上に加熱して、前記空間の寸法を前記振動発振手段の外形寸法よりも大きくし、前記熱膨張工程によって大きくした前記空間に前記振動発振手段を挿入し、その後、前記振動発振手段が挿入された前記共振体を前記所定温度未満に冷却し、前記振動発振手段を前記共振体内に固定しているので、ボルト等を用いて前記共振体と前記振動発振手段とを螺子締結することなく、前記振動発振手段に対して圧縮応力を印加するとともに前記共振体に前記振動発振手段を確実に固定でき、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を損なうことなく装置規模を小型化した超音波振動子を実現できるという効果を奏する。
【００３３】
また、請求項７の発明によれば、前記振動発振手段を貫通するロッドの横断面寸法以下の寸法を有する開口部を前記共振体に形成し、つぎに、熱膨張工程によって前記共振体を所定温度以上に加熱して、前記開口部の寸法を前記ロッドの横断面寸法よりも大きくし、前記熱膨張工程によって大きくした前記開口部に対して、前記振動発振手段を貫通した前記ロッドを挿入するとともに、前記振動発振手段を前記共振体に接触させ、その後、前記共振体に接触させた前記振動発振手段を前記共振体に押し付けるとともに前記共振体を所定温度未満に冷却し、前記振動発振手段を前記共振体に固定しているので、前記振動発振手段を構成する圧電素子および正電極または圧電素子および負電極が相互に固着されていない場合であっても、前記共振体に前記振動発振手段を確実に固定でき、特に、前記共振体に円筒状の前記振動発振手段を容易に固定でき、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を損なうことなく装置規模の小型化を促進した超音波振動子を容易に実現できるという効果を奏する。
【００３４】
また、請求項８の発明によれば、前記固定工程の後に、前記振動発振手段を構成する圧電素子に分極処理を行うので、前記熱膨張工程の加熱温度を高温に設定できるとともに、前記分極処理によって得られた前記振動発振手段の電歪効果が、前記熱膨張工程による加熱処理によって喪失されることを防止でき、これによって、前記振動発振手段に前記共振体を容易に焼き嵌めることができるとともに、前記共振体を焼き嵌めた前記振動発振手段の電歪効果を確実に得ることができるという効果を奏する。
【００３５】
また、請求項９の発明によれば、前記振動発振手段を構成する圧電素子に対する分極処理を前記挿入工程以前に行うので、前記分極処理による加熱温度によって、前記共振体と前記振動発振手段との嵌め合いが損なわれることを防止でき、前記振動発振手段に前記共振体を確実に焼き嵌めることができるという効果を奏する。
【００３６】
また、請求項１０の発明によれば、前記所定温度が、１５０℃以上、５００℃以下の範囲内の温度に設定されるので、前記振動発振手段に前記共振体を焼き嵌める処理を最適化でき、前記振動発振手段による超音波振動の出力効率を損なうことなく装置規模の小型化を促進した超音波振動子を効率よく実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、添付図面を参照して、この発明にかかる超音波振動子およびその製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００３８】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１である超音波振動子の概略構成を例示する斜視図である。図１において、超音波振動子１０は、積層圧電素子５に共振体１を焼き嵌めた構造を有する。共振体１は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金によって実現され、積層圧電素子５から出力された超音波振動を増幅するホーン３と、積層圧電素子５をホーン３に固定する固定部材２と、ホーン３によって増幅された超音波振動を被処置体に伝達して該被処置体に医療処置を行う処置部４とを有する。ホーン３は、積層圧電素子５との接触端から先端に向けて徐々にその断面積が小さくなる形状を有し、この接触端の周囲には、フランジ３ａが設けられる。また、ホーン３の接触端には固定部材２が設けられ、ホーン３の先端には処置部４が設けられる。
【００３９】
固定部材２は、縦断面がコの字形状である枠体によって構成され、積層圧電体５に共振体１を焼き嵌める焼き嵌め処理が行われた場合、固定部材２の空間内に積層圧電素子５を組み込む。この場合、積層圧電素子５は、共振体１が伝達する超音波振動の発振方向と積層圧電素子５の発振方向とが一致するように、固定部材２の空間内に挿入される。また、固定部材２は、挿入された積層圧電素子５に対して、この発振方向に圧縮応力を印加するとともに、この発振方向と積層圧電素子５の挿入方向とに垂直な方向に圧縮応力を印加し、これによって、固定部材２は、ホーン３に積層圧電素子５を押し付けるとともに固定する。なお、積層圧電素子５は、共振体１と積層圧電素子５に配置された外部電極とが常時絶縁状態になるように、固定部材２の空間内に組み込まれる。
【００４０】
ここで、上述した焼き嵌め処理は、一般に、開口部を有する円板等の部材を加熱膨張させ、膨張した部材の開口部に該開口部の設計寸法よりも若干大きい寸法の軸を嵌め入れ、その後、この軸が嵌め入れられた部材を冷却して該部材の開口部の寸法をその設計寸法に戻し、これによって、部材に軸を固定する処理として定義される。しかし、ここでは、固定部材を有する共振体を加熱膨張させ、膨張した共振体の固定部材が形成する空間内に、該空間の設計寸法、すなわち、この固定部材の内部寸法の設計値よりも若干大きい外形寸法の積層圧電素子を嵌め入れ、その後、この空間内に積層圧電素子が嵌め入れられた共振体を冷却してこの固定部材の内部寸法をその設計値に戻し、これによって、共振体内に積層圧電素子を組み込む処理も焼き嵌め処理として定義する。
【００４１】
図２は、超音波振動子１０を共振体１と積層圧電体５とに分解した状態を例示する模式図である。図２において、積層圧電素子５の外形寸法は、その発振方向について寸法ａであり、該発振方向に垂直な方向について寸法ｂである。固定部材２は、空間２ａを形成し、固定部材２の内部寸法は、共振体１が伝達する超音波振動の発振方向について寸法ｃであり、該発振方向および積層圧電素子５の挿入方向に垂直な方向について寸法ｄである。すなわち、空間２ａの寸法は、この発振方向について寸法ｃであり、該発振方向および積層圧電素子５の挿入方向に垂直な方向について寸法ｄである。ここで、共振体１の温度が所定温度未満（たとえば常温）である場合、寸法ｃ，ｄは、固定部材２の内部寸法の設計値であり、寸法ｃ，ｄは、それぞれ寸法ａ，ｂ以下である。一方、共振体１の温度が所定温度以上（たとえば１５０℃〜５００℃の範囲の温度）である場合、固定部材２は膨張し、寸法ｃ，ｄは、それぞれ寸法ａ，ｂよりも、たとえば、数μｍ〜数１０μｍ程度大きくなる。すなわち、固定部材２の寸法ｃ，ｄが、それぞれ寸法ａ，ｂ以下に設計され、共振体１を所定温度以上に加熱して固定部材２を熱膨張させた場合に、それぞれ寸法ａ，ｂよりも大きくなるように構成すれば、上述した焼き嵌め処理を行うことができる。また、積層圧電素子５に共振体１を焼き嵌めた場合に固定部材２が積層圧電素子５に印加する圧縮応力は、固定部材２の内部寸法の設計値を変更することによって調整することができ、たとえば、寸法ｃ，ｄの設計値をそれぞれ寸法ａ，ｂに近づけるように変更すれば、この圧縮応力を小さくでき、寸法ｃ，ｄの設計値をそれぞれ寸法ａ，ｂとの偏差が大きくなるように変更すれば、この圧縮応力を大きくすることができる。
【００４２】
なお、積層圧電素子５の挿入方向についての固定部材２の内部寸法の設計値は、この挿入方向についての積層圧電素子５の外形寸法以上であることが望ましく、さらには、この外形寸法と同値であることが望ましい。
【００４３】
つぎに、積層圧電素子５の構成について詳細に説明する。図３は、積層圧電素子５を構成する圧電素子を模式的に例示する斜視図である。図４は、図３に示す圧電素子の側面を模式的に例示するＡ矢視図である。図３および図４において、圧電素子６は、チタン酸バリウムまたはチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックによって構成される圧電体６ａと、内部正電極６ｂと、内部負電極６ｃとを有する。圧電体６ａには、その上面から所定の一側面にかけて内部正電極６ｂが配置され、圧電体６ａについて内部正電極６ｂと点対称の位置に内部負電極６ｃが配置される。この場合、内部正電極６ｂおよび内部負電極６ｃは、相互に接触しないように配置され、かつ、それぞれ圧電体６ａの三面以上に露出しないように配置される。
【００４４】
図５は、積層圧電素子５を分解した状態を模式的に例示する分解斜視図である。図５において、積層圧電素子５は、絶縁材によって構成される保護部材７ａ，７ｂの間に所望数量の圧電素子６が積層された構造を有する。この場合、所望数量の圧電素子６は、隣接する圧電素子６の内部正電極６ｂ同士を合わせるとともに内部負電極６ｃ同士を合わせるように、さらに、各圧電素子６の一側面に露出した内部正電極６ｂ同士が同一列に配置されるとともにその別の一側面に露出した内部負電極６ｃ同士が同一列に配置されるように積層される。また、保護部材７ａ，７ｂは、所望数量積層された圧電素子６の上面または下面に固着され、この上面または下面に露出した内部正電極６ｂまたは内部負電極６ｃを覆う。さらに、所望数量積層された圧電素子６の一側面に露出した内部正電極６ｂ列には外部正電極８ａが配置され、その別の一側面に露出した内部負電極６ｃ列には外部負電極８ｂが配置される。
【００４５】
図６は、所望数量の圧電素子６、保護部材７ａ，７ｂ、外部正電極８ａ、および外部負電極８ｂを用いて組み立てられた積層圧電素子５を模式的に例示する斜視図である。図６に示すように、積層圧電素子５は、保護部材７ａ，７ｂと１５個の圧電素子６とが上述したように積層され、この積層された圧電素子６の一側面に外部正電極８ａが配置され、その相対する側面に外部負電極８ｂが配置された構造を有する。ここで、積層圧電素子５の各圧電素子６を分極する分極処理が行われた場合、積層圧電素子５は、保護部材７ａ，７ｂに対して垂直な軸方向、すなわち、図６に示す分極方向に分極する。分極処理がなされた積層圧電素子５は、外部正電極８ａおよび外部負電極８ｂを介して電気エネルギーが供給された場合、保護部材７ａ，７ｂに対して垂直な軸方向、すなわち、図６に示す発振方向に超音波振動を出力する。また、保護部材７ａ，７ｂは、上述したように、積層された圧電素子６の上面または下面に露出した内部正電極６ｂまたは内部負電極６ｃを覆い、これによって、保護部材７ａ，７ｂは、共振体１に組み込まれた積層圧電素子５と該共振体１とを絶縁状態にできる。なお、後述する分極処理がなされた積層圧電素子５が、図１に示したように、共振体１の固定部材２内に組み込まれた場合、この積層圧電素子５は、外部正電極８ａおよび外部負電極８ｂを介して電気エネルギーが供給され、所望の超音波振動を共振体１に出力することができる。この場合、積層圧電素子５は、超音波振動子１０の振動発振手段として機能する。
【００４６】
つぎに、超音波振動子１０を製造するまでの各処理工程について詳細に説明する。図７は、加工された共振体１と積層圧電素子５とを用いて超音波振動子１０を製造するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。図７において、所望数量（たとえば１５個）の圧電素子６、保護部材７ａ，７ｂ、外部正電極８ａ、および外部負電極８ｂを用い、上述したように組み立てられた積層圧電素子５に対して、その外部正電極８ａおよび外部負電極８ｂに数ｋＶ／ｃｍ〜数１０ｋＶ／ｃｍの電圧を数時間印加し、積層圧電素子５の各圧電素子６を分極する分極処理を行う（ステップＳ１０１）。この分極処理を行う場合、圧電素子６は、必要に応じて、１００℃〜２００℃程度に加熱される。
【００４７】
一方、共振体１は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金を原材料とした機械加工によって製造される。この場合、共振体１は、固定部材２、ホーン３、および処置部４を有するように機械加工され、固定部材２は、上述したように、共振体１が伝達する超音波振動の発振方向について寸法ｃの内部寸法を有し、該発振方向および積層圧電素子５の挿入方向に垂直な方向について寸法ｄの内部寸法を有するように機械加工される。この場合、固定部材２の寸法ｃ，ｄは、上述したように、それぞれ積層圧電素子５の外形寸法である寸法ａ，ｂ以下である。すなわち、この共振体１の機械加工によって、この寸法ｃ，ｄを有する空間２ａが、固定部材２内に形成される（ステップＳ１０２）。なお、共振体１は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金を原材料とし、ＭＩＭ（Metal Injection Molding）等による金属成形によって製造することもでき、この場合、固定部材２内の空間２ａは、このＭＩＭ等による金属成形によって実現される。
【００４８】
つぎに、共振体１を所定温度以上になるように加熱し、該共振体１を膨張させる（ステップＳ１０３）。この共振体１に対する熱膨張処理によって、固定部材２は膨張し、固定部材２の寸法ｃ，ｄは、積層圧電素子５の寸法ａ，ｂに比して、それぞれ大きくなる。この場合、固定部材２の寸法ｃ，ｄは、積層圧電素子５の寸法ａ，ｂに比して、それぞれ数μｍ〜数１０μｍ程度大きくなればよい。また、共振体１は１５０℃〜２００℃の範囲内の温度になるように加熱されることが望ましい。このことは、上述した分極処理がなされた積層圧電素子５が２００℃以上に加熱保持された場合、この分極処理によって得られた積層電圧素子５の電歪効果が喪失されることに起因する。
【００４９】
共振体１がステップＳ１０３の熱膨張処理によって膨張した場合、上述した分極処理がなされた積層圧電素子５は、膨張した共振体１の固定部材２内に挿入される（ステップＳ１０４）。この場合、積層圧電素子５は、上述したように、共振体１が伝達する超音波振動の発振方向と積層圧電素子５の発振方向とが一致するように、かつ、外部正電極８ａおよび外部負電極８ｂが固定部材２内から露出するように、固定部材２の空間２ａ内に挿入される。これによって、積層圧電素子５は、共振体１に対する絶縁状態を維持できるとともに、外部正電極８ａおよび外部負電極８ｂを介して積層圧電素子５に電気エネルギーを供給できるように構成できる。なお、積層圧電素子５は、積層圧電素子５の発振方向の中心軸とホーン３および処置部４の中心軸とが一致するように挿入されることが望ましい。
【００５０】
その後、固定部材２内に積層圧電素子５が挿入された共振体１を所定温度未満になるように冷却し、ステップＳ１０３によって膨張した共振体１を元の大きさに収縮させる。この場合、固定部材２は、その寸法ｃ，ｄが設計値に戻るように収縮する。この固定部材２の収縮によって、固定部材２は、挿入された積層圧電素子５に対して、積層圧電素子５の発振方向に圧縮応力を印加するとともに、積層圧電素子５の発振方向と挿入方向とに垂直な方向に圧縮応力を印加し、これによって、固定部材２は、ホーン３に積層圧電素子５を押し付けるとともに固定する（ステップＳ１０５）。すなわち、積層圧電素子５は、保護部材７ａ，７ｂが共振体１のホーン３または固定部材２に接触するように、かつ、外部正電極８ａまたは外部負電極８ｂを配置しない側面が挟まれるように、固定部材２内に固定される。なお、この共振体１の冷却処理は、自然空冷によって達成してもよいし、放熱装置等を用いて行ってもよい。この場合、共振体１は、膨張した固定部材２が収縮され、その内部寸法が積層圧電素子５の外形寸法以下になる温度、たとえば常温になるまで冷却されればよい。
【００５１】
ここで、共振体１内に組み込まれた積層圧電素子５が所望の超音波振動を効率よく出力するためには、この積層圧電素子５に対して、その発振方向に圧縮応力を印加することが有効である。このことは、一般に、積層圧電素子の圧縮強度が該積層圧電素子の引張強度よりも１０倍程度大きく、予め積層圧電素子に圧縮応力を印加した場合、この積層圧電素子に印加される引張応力が抑制され、これによって、積層圧電素子の機械的振動耐性が高まることに起因する。
【００５２】
また、積層圧電素子５に共振体１を焼き嵌める焼き嵌め処理は、ステップＳ１０３の熱膨張処理からステップＳ１０５による積層圧電素子５の固定処理までの各処理を順次行った場合に達成され、この焼き嵌め処理によって、積層圧電素子５が共振体１内に組み込まれる。この場合、外部正電極８ａおよび外部負電極８ｂを介して積層圧電素子５に電気エネルギーを供給すれば、積層圧電素子５は所望の超音波振動をホーン３に出力し、ホーン３は、積層圧電素子５が出力した超音波振動を増幅するとともに処置部４に伝達する。処置部４は、増幅された超音波振動を被処置体に伝達し、これによって、この被処置体に対する医療処置を達成することができる。
【００５３】
なお、上述した分極処理がなされた積層圧電素子５を共振体１内に組み込む場合、ステップＳ１０１の分極処理は、ステップＳ１０４によって積層圧電素子５が固定部材２内に挿入される前に完了すればよく、望ましくは、この分極処理が完了するまでに要する時間を考慮し、ステップＳ１０３の熱膨張処理が達成される前に完了する。
【００５４】
図８は、上述したステップＳ１０３の熱膨張処理によって膨張させた共振体１内に積層圧電素子５を挿入した状態を説明する模式図である。図９は、図８に示す共振体１のＢ−Ｂ線断面図である。図８および図９において、積層圧電素子５が、上述したステップＳ１０４の挿入処理によって、膨張した固定部材２内に挿入された場合、積層圧電素子５と固定部材２との間には、積層圧電素子５の発振方向および挿入方向に垂直な方向に空隙ｅ，ｆが生じ、この発振方向に空隙ｇが生じる。この空隙ｅ，ｆおよび空隙ｇは、上述したステップ１０３によって膨張した固定部材２の内部寸法と積層圧電素子５の外形寸法との差である。空隙ｅ，ｆの総和は、膨張した固定部材２の寸法ｃと積層圧電素子５の寸法ａとの差に相当し、たとえば数μｍ〜数１０μｍ程度である。空隙ｇは、膨張した固定部材２の寸法ｄと積層圧電素子５の寸法ｂとの差に相当し、たとえば数μｍ〜数１０μｍ程度である。すなわち、上述したステップＳ１０３によって固定部材２を膨張させた場合、固定部材２の内部寸法と積層圧電素子５の外形寸法との間には、空隙ｅ，ｆの総和に相当する寸法差と空隙ｇに相当する寸法差とが生じ、これによって、積層圧電素子５を固定部材２内に挿入することができる。
【００５５】
図１０は、上述したステップＳ１０５の固定処理を行い、共振体１内に積層圧電素子５を固定した状態を説明する模式図である。図１１は、図１０に示す共振体１のＣ−Ｃ線断面図である。図１０および図１１において、固定部材２内に積層圧電素子５が挿入された共振体１を所定温度未満、たとえば常温になるまで冷却し、膨張した固定部材２を元の大きさに収縮させた場合、固定部材２は、上述した空隙ｅ，ｆおよび空隙ｇを埋めるとともに、積層圧電素子５に圧縮応力を印加する。この場合、固定部材２は、積層圧電素子５の発振方向と挿入方向とに垂直な方向に圧縮応力を印加し、積層圧電素子５の外部正電極８ａまたは外部負電極８ｂが配置されていない側面から積層圧電素子５を挟み込む。さらに、固定部材２は、積層圧電素子５の発振方向に圧縮応力を印加し、積層圧電素子５をホーン３に押し付ける。これによって、積層圧電素子５は、ホーン３に所望の超音波振動を出力できるように、ホーン３に確実に固定される。
【００５６】
一方、超音波振動子１０を製造する場合、予め共振体１を焼き嵌めた積層圧電素子５に対して、上述した分極処理を行うことができる。図１２は、加工された共振体１内に積層圧電素子５を組み込んだ後、この積層圧電素子５に分極処理を行って超音波振動子１０を実現するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。図１２において、共振体１は、上述したステップＳ１０２と同様に、固定部材２、ホーン３、および処置部４を有するように機械加工され、これによって、上述した寸法ｃ，ｄを有する空間２ａが、固定部材２内に形成される（ステップＳ２０１）。
【００５７】
つぎに、空間２ａが形成された共振体１は、上述したステップＳ１０３と同様に、所定温度以上になるように加熱される。これによって、共振体１は膨張し（ステップＳ２０２）、固定部材２の寸法ｃ，ｄは、上述したように、積層圧電素子５の寸法ａ，ｂに比して、それぞれ大きくなる。この場合、共振体１は、分極処理がなされた積層圧電素子５が挿入されていないので、１５０℃〜５００℃の範囲内の温度になるように加熱することができる。これによって、共振体１を加熱膨張させて、固定部材２の寸法ｃ，ｄを積層圧電素子５の寸法ａ，ｂよりも大きくする熱膨張処理を容易に達成することができる。
【００５８】
共振体１がステップＳ２０２の熱膨張処理によって膨張した場合、分極処理がなされていない積層圧電素子５は、上述したステップＳ１０４と同様に、膨張した固定部材２内に挿入され（ステップＳ２０３）、つぎに、上述したステップＳ１０５と同様に、固定部材２内に積層圧電素子５が挿入された共振体１を冷却して、固定部材２を元の大きさに戻るように収縮させ、これによって、積層圧電素子５を固定部材２内に固定する（ステップＳ２０４）。この場合、固定部材２は、上述したステップＳ１０５の場合と同様に、積層圧電素子５に圧縮応力を印加し、ホーン３に積層圧電素子５を押し付ける。その後、共振体１内に固定された積層圧電素子５に対して、上述したステップＳ１０１と同様に、外部正電極８ａおよび外部負電極８ｂに数ｋＶ／ｃｍ〜数１０ｋＶ／ｃｍの電圧を数時間印加し、積層圧電素子５の各圧電素子６を分極する（ステップＳ２０５）。ステップＳ２０４によって共振体１内に組み込まれた積層圧電素子５に対して分極処理を行った場合、分極処理がなされた積層圧電素子５は、２００℃以上に加熱保持される場合が少なくなり、この分極処理による電歪効果を確実に得ることができる。これによって、所望の超音波振動を確実に出力する超音波振動子を実現でき、出力された超音波振動を被処置体に伝達した場合に、この被処置体に対する医療処置を達成することができる。
【００５９】
なお、超音波振動子１０が可撓性シース等に内蔵される場合、共振体１のフランジ３ａが可撓性シースの外壁等に固定される。したがって、積層圧電素子５の電歪効果によって出力された超音波振動は、積層圧電素子５とホーン３との接触位置、すなわち、フランジ３ａの位置において節を呈し、かつ、処置部４の位置において腹を呈する縦波（定在波）として、超音波振動子１０に伝達される。このため、積層圧電素子から出力された超音波振動が、共振体のホーンと積層圧電素子との接触位置および処置部の位置において腹を呈し、かつ、フランジの位置において節を呈する定在波として超音波振動子に伝達された場合、超音波振動の出力効率を高めることができる。図１３は、この発明の実施の形態１の変形例である超音波振動子の概略構成を例示する模式図である。図１３において、超音波振動子１１は、積層圧電素子５に共振体１２を焼き嵌めた構造を有する。共振体１２は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金によって実現され、上述した共振体１の場合と同様の固定部材２とホーン３と処置部４とを有する。また、共振体１２には、固定部材２とホーン３との間に共振部材１３が設けられる。共振部材１３は、固定部材２内に固定された積層圧電素子５から出力された超音波振動をホーン３に伝達する。ホーン３は、図１３に示すように、共振部材１３から伝達された超音波振動を増幅するとともに、増幅した超音波振動を処置部４に伝達する。この場合、フランジ３ａは、積層圧電素子５が共振部材１３とホーン３とを介して処置部４に出力した超音波振動の節部近傍に設けられる。なお、上述したステップＳ１０１以降の各処理を行った場合、または、上述したステップＳ２０１以上の各処理を行った場合、積層圧電素子５に共振体１２を焼き嵌めた構造を有する超音波振動子１１を製造できる。
【００６０】
ここで、共振体１２を焼き嵌めた積層圧電素子５が、その電歪効果によって超音波振動を出力した場合、この超音波振動に対応する定在波は、図１３に示すように、積層圧電素子５が共振部材１３と接触する位置と処置部４の位置とにおいて腹を呈し、フランジ３ａの位置において節を呈する。この場合、積層圧電素子５は、フランジ３ａの影響を受けることなく、超音波振動を効率よく出力することができる。したがって、超音波振動子１１は、上述した超音波振動子１０よりも効率的に超音波振動を出力することができる。
【００６１】
なお、この実施の形態１では、縦断面がコの字形状の枠体によって構成された固定部材内に積層圧電素子を固定した場合を説明したが、この発明は、これに限定されるものではなく、縦断面がＬ字形状の枠体によって構成された固定部材内に積層圧電素子を固定した場合に適用してもよい。ただし、固定部材の横断面がコの字形状またはＬ字形状である場合、積層圧電素子の内部正電極および内部負電極の配置と外部正電極および外部負電極の配置と調整し、固定部材と積層圧電素子との絶縁状態を維持できるように構成すればよい。
【００６２】
また、この実施の形態１では、１５個の圧電素子を積層した積層圧電素子を共振体内に組み込んだ場合を例示したが、この発明は、これに限定されるものではなく、所望の電歪効果に応じて、１４個以下の圧電素子または１６個以上の圧電素子を積層した積層圧電素子を共振体内に組み込んだ場合に適用してもよい。
【００６３】
以上に説明したように、この実施の形態１では、超音波振動を用いて被処置体に所望の医療処置を行う超音波振動子が、積層圧電素子に共振体を焼き嵌めることによって構成されているので、ボルト等を用いて共振体と積層圧電素子とを螺子締結することなく、共振体内に積層圧電素子を組み込むことができ、これによって、超音波振動子の構造を単純化するとともに共振体のホーンに積層圧電体を確実に固定することができ、共振体の加工処理または成形処理あるいは超音波振動子の製造作業を容易にするとともに、超音波振動子を小型化することができる。
【００６４】
また、この実施の形態１では、共振体に組み込まれた積層圧電素子に対して超音波振動の発振方向に圧縮応力を印加し、該共振体のホーンに該積層圧電素子を押し付けるとともに固定しているので、積層圧電素子が超音波振動を出力する場合に該積層圧電素子に生じる引張応力を抑制して積層圧電素子の機械的振動耐性を高めることができ、これによって、積層圧電素子による超音波振動の出力効率を高めることができ、被処置体に対する医療処置を効率的に行える超音波振動子を実現できる。
【００６５】
さらに、共振体を焼き嵌めた積層圧電素子に対して、この積層圧電素子を構成する各圧電素子を分極する分極処理を行った場合、分極処理がなされた積層圧電素子が２００℃以上に加熱保持される場合を少なくすることができるので、共振体を焼き嵌めた積層圧電素子の電歪効果を確実に得ることができる。
【００６６】
また、この実施の形態１の変形例では、積層圧電素子から出力された超音波振動に対応する定在波が積層圧電素子のホーン側端部および処置部の位置において腹を呈するように共振体を構成したので、この共振体に組み込まれた積層圧電素子は、該共振体に効率的に超音波振動を出力することができ、これによって、積層圧電素子による超音波振動の出力効率をさらに高めることができる。
【００６７】
図１４は、この実施の形態１である超音波振動子を用いて構成した内視鏡の一例を模式的に示す一部破断図である。なお、図１４では、この内視鏡の体腔内への挿入側先端を模式的に図示する。図１４において、内視鏡１００は、直径ｈの筒状構造を有し、先端に観察系レンズ１０１が配置された貫通口とチャンネル１０２とが設けられる。チャンネル１０２は、超音波振動子が組み込まれた可撓性シースを挿入する直径ｋの貫通口である。術者は、チャンネル１０２に挿入された可撓性シースを操作し、該可撓性シースに組み込まれた超音波振動子の超音波振動を用いて、生体組織等の被処置体の破砕、乳化、止血等の医療処置を内視鏡観察下で行う。
【００６８】
ここで、内視鏡１００が消化器系内視鏡である場合、内視鏡１００の直径ｈは１１ｍｍ程度であり、チャンネル１０２の直径ｋは６ｍｍ程度である。超音波振動子１０は、上述したように、積層圧電素子５に共振体１を焼き嵌めた構造を有しているので、その全長ｎを２５ｍｍ程度にし、かつ、積層圧電素子５の組み込み部分の長さｐを１５ｍｍ程度にすることができ、さらに、フランジ３ａの直径を５ｍｍ以下にすることができる。この超音波振動子１０を可撓性シース１０３に組み込んだ場合、可撓性シース１０３の直径ｍは、５ｍｍ以下に抑えることができる。この場合、消化器系内視鏡である内視鏡１００のチャンネル１０２に超音波振動子１０が組み込まれた可撓性シース１０３を挿入することができ、術者は、消化管内にある被処置体に対して、内視鏡観察下で所望の医療処置を行うことができる。すなわち、この発明によれば、消化管内の被処置体に対して内視鏡観察下で医療処置を行う消化器系内視鏡に好適な小型の超音波振動子を実現することができる。
【００６９】
また、内視鏡１００が気管支系内視鏡である場合、内視鏡１００の直径ｈは５ｍｍ程度であり、チャンネル１０２の直径ｋは２ｍｍ程度である。この場合、フランジ３ａの直径を１ｍｍ程度にした超音波振動子１０を構成すれば、この超音波振動子１０が組み込まれた可撓性シース１０３の直径ｍを１ｍｍ程度にすることができ、上述した消化器系内視鏡の場合と同様に、気管支系内視鏡である内視鏡１００のチャンネル１０２に超音波振動子１０が組み込まれた可撓性シース１０３を挿入することができる。これによって、術者は、気管支内にある被処置体に対して、内視鏡観察下で所望の医療処置を行うことができる。すなわち、この発明によれば、気管支内の被処置体に対して内視鏡観察下で医療処置を行う気管支系内視鏡に好適な小型の超音波振動子を実現することもできる。
【００７０】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について詳細に説明する。上述した実施の形態１では、共振体を焼き嵌めた積層圧電素子に対して超音波振動の発振方向に圧縮応力を印加するようにしていたが、この実施の形態２では、積層圧電素子に対して超音波振動の発振方向に圧縮応力を印加せず、積層圧電素子とホーンとの接触端の他端、すなわち、共振体の後部から積層圧電素子の正電極および負電極を露出するように構成している。
【００７１】
図１５は、この発明の実施の形態２である超音波振動子の概略構成を例示する斜視図である。この超音波振動子２０は、実施の形態１である超音波振動子１０を構成する共振体１の固定部材２に代えて、ホーンとの接触と相反する側（後部）を開放した固定部材２２を設け、また、積層圧電素子５に代えて、固定部材２２内に挿入した場合に固定部材２２の後部から正電極および負電極を露出する積層圧電素子２３を用いている。その他の構成は実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。
【００７２】
固定部材２２は、積層圧電素子２３との接触面がほぼ平らであり、それぞれが対向して配置された固定板２２ａ，２２ｂによって構成され、上述した焼き嵌め処理によって、固定部材２２の空間内に積層圧電素子２３を組み込む。この場合、積層圧電素子２３は、共振体２１が伝達する超音波振動の発振方向と積層圧電素子２３の発振方向とが一致するように、固定板２２ａ，２２ｂに平行な方向から固定部材２２の空間内に挿入される。固定部材２２は、挿入された積層圧電素子２３に対して、積層圧電素子２３の挿入可能な全方向に垂直な方向、すなわち、超音波振動の発振方向に垂直な方向に圧縮応力を印加し、これによって、固定部材２２は、ホーン３に積層圧電素子５を固定する。また、固定部材２２の後部は開放されているので、固定部材２２内に挿入された積層圧電素子２３の正電極および負電極は、固定部材２２の後部から露出される。
【００７３】
図１６は、超音波振動子２０を共振体２１と積層圧電素子２３とに分解した状態を例示する模式図である。図１６において、積層圧電素子２３は、その外形寸法として、超音波振動の発振方向に垂直な方向について寸法ｓを有する。固定部材２２は、固定板２２ａ，２２ｂによって挟まれる空間２２ｃを形成し、固定部材２２の内部寸法として、固定板２２ａと固定板２２ｂとの距離である寸法ｒを有する。すなわち、空間２２ｃの寸法は、積層圧電素子２３の挿入可能な全方向に垂直な方向について寸法ｒである。ここで、共振体２１の温度が所定温度未満（たとえば常温）である場合、寸法ｒは、固定部材２２の内部寸法の設計値であり、寸法ｒは、積層圧電素子２３の寸法ｓ以下である。一方、共振体２１の温度が所定温度以上（たとえば１５０℃〜５００℃の範囲の温度）である場合、共振体２１が膨張するとともに、固定板２２ａと固定板２２ｂとが相互に離れる方向に変位する。この場合、空間２２ｃは膨張し、寸法ｒは、寸法ｓよりも、たとえば、数μｍ〜数１０μｍ程度大きくなる。すなわち、固定部材２２の寸法ｒが、寸法ｓ以下に設計され、共振体２１を所定温度以上に加熱して空間２２ｃを膨張させた場合に寸法ｓよりも大きくなるように構成すれば、上述した焼き嵌め処理を行うことができる。また、積層圧電素子２３に共振体２１を焼き嵌めた場合に固定部材２２が積層圧電素子２３に印加する圧縮応力は、固定部材２２の内部寸法の設計値を変更することによって調整することができ、たとえば、寸法ｒの設計値を寸法ｓに近づけるように変更すれば、この圧縮応力を小さくでき、寸法ｒの設計値を寸法ｓとの偏差が大きくなるように変更すれば、この圧縮応力を大きくすることができる。
【００７４】
なお、固定板２２ａ，２２ｂの積層圧電素子２３との接触面の縦寸法および横寸法の設計値は、それぞれ積層圧電素子２３の接触面の縦寸法以上および横寸法以上であることが望ましく、さらには、それぞれ積層圧電素子２３の接触面の縦寸法および横寸法と同値であることが望ましい。
【００７５】
つぎに、積層圧電素子２３の構成について詳細に説明する。図１７は、積層圧電素子２３の概略構成を模式的に例示する斜視図である。図１７において、積層圧電素子２３は、チタン酸バリウムまたはチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックによって構成される圧電体２３ａ，２３ｂ、正電極２３ｃ、および負電極２３ｄ，２３ｅを有する。圧電体２３ａ，２３ｂは、正電極２３ｃを介して積層され、負電極２３ｄは、圧電体２３ａの正電極２３ｃ配置面に相反する面に配置され、負電極２３ｅは、圧電体２３ｂの正電極２３ｃ配置面に相反する面に配置される。この場合、正電極２３ｃおよび負電極２３ｅは、積層圧電素子２３の同一側面から、フィン状の電極をそれぞれ突出させている。この正電極２３ｃのフィン状部分および負電極２３ｅのフィン状部分は、積層圧電素子２３が共振体２１内に組み込まれた場合に、固定部材２２の後部から露出する。また、このフィン状の電極が突出する側面と相反する側面において、正電極２３ｃは、圧電体２３ａと圧電体２３ｂとの間にクリアランス２４が存在するように、この側面の内側に配置される。このことは、積層圧電素子２３が共振体２１内に組み込まれた場合、共振体２１を介した正電極２３ｃと負電極２３ｄ，２３ｅとの短絡を防止する。
【００７６】
ここで、積層圧電素子２３の圧電体２３ａ，２３ｂを分極する分極処理が行われた場合、積層圧電素子２３は、圧電体２３ａ，２３ｂの積層方向、すなわち、図１７に示す分極方向に分極する。分極処理がなされた積層圧電素子２３は、正電極２３ｃおよび負電極２３ｄ，２３ｅを介して電気エネルギーが供給された場合、正電極２３ｃおよび負電極２３ｅが突出する側面とその相反する側面とを振動する方向、すなわち、図１７に示す発振方向に超音波振動を出力する。なお、分極処理がなされた積層圧電素子２３が、図１５に示したように、共振体２１の固定部材２２内に組み込まれた場合、この積層圧電素子２３は、正電極８ａと、負電極２３ｅ、共振体２１、および負電極２３ｄとを介して電気エネルギーが供給され、所望の超音波振動を共振体２１に出力することができる。この場合、積層圧電素子２３は、超音波振動子２０の振動発振手段として機能する。
【００７７】
つぎに、超音波振動子２０を製造するまでの各処理工程について詳細に説明する。図１８は、加工された共振体２１と積層圧電素子２３とを用いて超音波振動子２０を製造するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。図１８において、圧電体２３ａ，２３ｂ、正電極２３ｃ、および負電極２３ｄ，２３ｅを用い、上述したように組み立てられた積層圧電素子２３に対して、正電極２３ｃおよび負電極２３ｄ，２３ｅに数ｋＶ／ｃｍ〜数１０ｋＶ／ｃｍの電圧を数時間印加し、圧電体２３ａ，２３ｂを分極する分極処理を行う（ステップＳ３０１）。この分極処理を行う場合、圧電体２３ａ，２３ｂは、必要に応じて、１００℃〜２００℃程度に加熱される。
【００７８】
一方、共振体２１は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金を原材料とした機械加工によって製造される。共振体２１は、固定板２２ａ，２２ｂ、ホーン３、および処置部４を有するように機械加工される。この場合、固定板２２ａ，２２ｂは、上述したように、固定板２２ａと固定板２２ｂとの距離が寸法ｒになるように機械加工され、すなわち、固定板２２ａ，２２ｂを備えた固定部材２２は、内部寸法として、固定板２２ａと固定板２２ｂとの距離である寸法ｒを有するように機械加工される。ただし、固定部材２２の寸法ｒは、上述したように、積層圧電素子２３の寸法ｓ以下である。この共振体２１の機械加工によって、寸法ｒを有する空間２２ｃが、固定部材２２内に形成される（ステップＳ３０２）。なお、共振体２１は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金を原材料とし、ＭＩＭ等による金属成形によって製造することもでき、この場合、固定部材２２内の空間２２ｃは、このＭＩＭ等による金属成形によって実現される。
【００７９】
つぎに、共振体２１を所定温度以上になるように加熱し、該共振体２１を膨張させる（ステップＳ３０３）。この共振体２１に対する熱膨張処理によって、固定板２２ａと固定板２２ｂとが、相互に離れる方向に変位し、空間２２ｃの寸法ｒは、積層圧電素子２３の寸法ｓよりも大きくなる。この場合、空間２２ｃの寸法ｒは、積層圧電素子５の寸法ｓよりも、数μｍ〜数１０μｍ程度大きくなればよい。また、ステップＳ３０３において、共振体２１は１５０℃〜２００℃の範囲内の温度になるように加熱されることが望ましい。このことは、上述した分極処理がなされた積層圧電素子２３が２００℃以上に加熱保持された場合、この分極処理によって得られた積層電圧素子２３の電歪効果が喪失されることに起因する。
【００８０】
空間２２ｃがステップＳ３０３の熱膨張処理によって膨張した場合、ステップＳ３０１の分極処理がなされた積層圧電素子２３は、ホーン３に接触するように、空間２２ｃ内に挿入される（ステップＳ３０４）。この場合、積層圧電素子２３は、上述したように、共振体２１が伝達する超音波振動の発振方向と積層圧電素子２３の発振方向とが一致するように、かつ、正電極２３ｃおよび負電極２３ｅの各フィン状部分が固定部材２２の後部から露出するように、空間２２ｃ内に挿入される。ここで、ステップＳ３０４による挿入処理では、固定板２２ａ，２２ｂに平行な方向から空間２２ｃ内に積層圧電素子２３を挿入できるので、積層圧電素子２３の挿入方向について自由度が増加し、これによって、積層圧電素子２３の挿入処理の容易性を高めることができる。なお、積層圧電素子２３は、積層圧電素子２３の発振方向の中心軸とホーン３および処置部４の中心軸とが一致するように挿入されることが望ましい。
【００８１】
その後、空間２２ｃ内に積層圧電素子２３が挿入された共振体２１を所定温度未満になるように冷却し、ステップＳ３０３によって膨張した共振体２１を元の大きさに収縮させる。この場合、固定板２２ａ，２２ｂは、寸法ｒが設計値に戻るように変位する。この固定板２２ａ，２２ｂの変位によって、固定部材２２は、ホーン３に接触するように挿入された積層圧電素子２３に対して、積層圧電素子５の挿入可能な全方向に垂直な方向に圧縮応力を印加し、これによって、固定部材２２は、ホーン３と積層圧電素子２３との接触状態を維持するように、積層圧電素子２３を固定する（ステップＳ３０５）。この場合、正電極２３ｃは、共振体２１との非接触状態を維持し、負電極２３ｅは、共振体２１を介して負電極２３ｄと電気的に接続できるようになる。すなわち、積層圧電素子２３を固定部材２２内に固定した場合、超音波振動子２０は、正電極８ａと、負電極２３ｅ、共振体２１、および負電極２３ｄとを介して、積層圧電素子２３に電気エネルギーを供給できるように構成される。なお、この共振体２１の冷却処理は、自然空冷によって達成してもよいし、放熱装置等を用いて行ってもよい。この場合、共振体２１は、固定板２２ａ，２２ｂが元の状態に変位し、固定部材２２の内部寸法が積層圧電素子５の外形寸法以下になる温度、たとえば常温になるまで冷却されればよい。
【００８２】
ここで、積層圧電素子２３に共振体２１を焼き嵌める焼き嵌め処理は、ステップＳ３０３の熱膨張処理からステップＳ３０５による積層圧電素子２３の固定処理までの各処理を順次行った場合に達成され、この焼き嵌め処理によって、積層圧電素子２３が共振体２１内に組み込まれる。この場合、正電極２３ｃおよび負電極２３ｅを介して積層圧電素子２３に電気エネルギーを供給すれば、積層圧電素子２３は所望の超音波振動をホーン３に出力し、ホーン３は、積層圧電素子２３が出力した超音波振動を増幅するとともに処置部４に伝達する。処置部４は、増幅された超音波振動を被処置体に伝達し、これによって、この被処置体に対する医療処置を達成することができる。
【００８３】
なお、分極処理がなされた積層圧電素子２３を共振体２１内に組み込む場合、ステップＳ３０１の分極処理は、ステップＳ３０４によって積層圧電素子２３が固定部材２２内に挿入される前に完了すればよく、望ましくは、この分極処理が完了するまでに要する時間を考慮し、ステップＳ３０３の熱膨張処理が達成される前に完了する。
【００８４】
図１９は、上述したステップＳ３０３の熱膨張処理によって膨張させた共振体２１内に積層圧電素子２３を挿入した状態を説明する模式図である。図２０は、図１９に示す共振体２１のＤ−Ｄ線断面図である。図１９および図２０において、積層圧電素子２３が、上述したステップＳ３０４の挿入処理によって、膨張した共振体２１に挿入された場合、積層圧電素子２３と固定板２２ａとの間には空隙ｔが生じ、積層圧電素子２３と固定板２２ｂとの間には空隙ｕが生じる。この空隙ｔ，ｕの総和は、上述したステップ３０３によって変位した固定板２２ａと固定板２２ｂとの距離と積層圧電素子５の外形寸法との差に相当し、この差は、たとえば、数μｍ〜数１０μｍ程度である。すなわち、上述したステップＳ３０３によって共振体２１を膨張させた場合、固定部材２２の内部寸法と積層圧電素子２３の外形寸法との間には、空隙ｔ，ｕの総和に相当する寸法差が生じ、これによって、積層圧電素子２３を共振体２１内に挿入することができる。ただし、積層圧電素子２３は、ホーン３に接触するように共振体２１内に挿入される。
【００８５】
図２１は、上述したステップＳ３０５の固定処理を行い、共振体２１内に積層圧電素子２３を固定した状態を説明する模式図である。図２２は、図２１に示す共振体２１のＥ−Ｅ線断面図である。図２１および図２２において、固定部材２２内に積層圧電素子２３が挿入された共振体２１を所定温度未満、たとえば常温になるまで冷却して該共振体２１を収縮させ、変位した固定板２２ａ，２２ｂを元の状態に戻した場合、固定部材２２は、上述した空隙ｔ，ｕを埋めるとともに、積層圧電素子２３に圧縮応力を印加する。この場合、固定部材２２は、積層圧電素子５の挿入可能な全方向に垂直な方向に圧縮応力を印加し、ホーン３と積層圧電素子２３との接触状態を維持するように、負電極２３ｄ，２３ｅが配置された面から積層圧電素子５を挟み込む。これによって、積層圧電素子２３は、ホーン３に所望の超音波振動を出力できるように、ホーン３に確実に固定される。
【００８６】
一方、超音波振動子２０を製造する場合、予め共振体２１を焼き嵌めた積層圧電素子２３に対して、上述した分極処理を行うことができる。図２３は、加工された共振体２１内に積層圧電素子２３を組み込んだ後、この積層圧電素子２３に分極処理を行って超音波振動子２０を実現するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。図２３において、共振体２１は、上述したステップＳ３０２と同様に、固定板２２ａ，２２ｂ、ホーン３、および処置部４を有するように機械加工され、これによって、上述した寸法ｒを有する空間２２ｃが、固定部材２２内に形成される（ステップＳ４０１）。
【００８７】
つぎに、空間２２ｃが形成された共振体２１は、上述したステップＳ３０３と同様に、所定温度以上になるように加熱される。これによって、共振体２１は膨張し（ステップＳ４０２）、固定板２２ａと固定板２２ｂとの距離、すなわち、寸法ｒは、上述したように、積層圧電素子２３の寸法ｓよりも大きくなる。この場合、共振体２１は、分極処理がなされた積層圧電素子５が挿入されていないので、１５０℃〜５００℃の範囲内の温度になるように加熱することができる。これによって、共振体２１を加熱膨張させて、固定板２２ａと固定板２２ｂとの距離である寸法ｒを積層圧電素子２３の外形寸法である寸法ｓよりも大きくする熱膨張処理を容易に達成することができる。
【００８８】
共振体２１がステップＳ４０２の熱膨張処理によって膨張した場合、分極処理がなされていない積層圧電素子２３は、上述したステップＳ３０４と同様に、空間２２ｃ内に挿入され（ステップＳ４０３）、つぎに、上述したステップＳ３０５と同様に、空間２２ｃ内に積層圧電素子５が挿入された共振体２１を冷却して、固定板２２ａ，２２ｂを元の状態に戻るように変位させ、これによって、積層圧電素子２３を固定部材２２内に固定する（ステップＳ４０４）。この場合、固定部材２２は、上述したステップＳ３０５の場合と同様に、ホーン３と積層圧電素子２３との接触状態を維持するように、積層圧電素子２３に圧縮応力を印加する。その後、共振体２１内に組み込まれた積層圧電素子２３に対して、上述したステップＳ３０１と同様に、正電極２３ｃおよび負電極２３ｅに数ｋＶ／ｃｍ〜数１０ｋＶ／ｃｍの電圧を数時間印加し、積層圧電素子２３の圧電体２３ａ，２３ｂを分極する（ステップＳ４０５）。ステップＳ４０４によって共振体２１内に組み込まれた積層圧電素子２３に対して分極処理を行った場合、この積層圧電素子２３は、２００℃以上に加熱保持される場合が少なくなり、ステップＳ４０５の分極処理による電歪効果を確実に得ることができる。これによって、所望の超音波振動を確実に出力する超音波振動子を実現でき、出力された超音波振動を被処置体に伝達した場合に、この被処置体に対する医療処置を達成することができる。
【００８９】
なお、この実施の形態２では、平面を内側に向かい合わせる２つの固定板によって構成された固定部材内に積層圧電素子を固定した場合を説明したが、この発明は、これに限定されるものではなく、挿入される積層圧電素子の形状に応じ、横断面が弧形状である固定板を用いて構成された固定部材内に積層圧電体を固定してもよいし、横断面が円または楕円あるいはコの字形状の枠体によって構成された固定部材内に積層圧電体を固定してもよい。
【００９０】
また、この実施の形態２では、２つの圧電体を積層した積層圧電素子を共振体内に組み込んだ場合を例示したが、この発明は、これに限定されるものではなく、所望の電歪効果に応じて、３つ以上の圧電体を積層した積層圧電素子を共振体内に組み込んだ場合に適用してもよい。
【００９１】
以上に説明したように、この実施の形態２では、超音波振動の発振方向に垂直な方向から積層圧電素子を挟み込む固定板を有するように共振体を構成しているので、積層圧電素子の挿入方向の自由度が増加し、積層圧電素子に共振体を容易に焼き嵌めることができる。また、積層圧電素子に共振体を焼き嵌めた場合、共振体の後部から積層圧電素子の正電極および負電極を露出させているので、積層圧電素子に電気エネルギーを供給するための配線等が占める体積を小さくできる。したがって、共振体の加工処理または成形処理あるいは超音波振動子の製造作業を容易にするとともに、装置構造の小型化を促進し、消化器系内視鏡または気管支系内視鏡に好適な超音波振動子を容易に実現できる。また、共振体が、上述した実施の形態１の変形例と同様に、ホーンと固定部材との間に共振部材を有するように構成されれば、出力される超音波振動に対応する定在波は、積層圧電素子のホーン側端部および処置部の位置において腹を呈するので、上述した実施の形態１の変形例の場合と同様の作用効果を享受できる。
【００９２】
（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について詳細に説明する。上述した実施の形態１，２では、積層圧電素子に共振体を焼き嵌めて、共振体内に積層圧電素子が組み込まれた超音波振動子を実現していたが、この実施の形態３では、積層圧電素子を貫通したロッドに共振体を焼き嵌めて、共振体のホーンに積層圧電素子を固定するように構成している。
【００９３】
図２４は、この発明の実施の形態３である超音波振動子の概略構成を例示する斜視図である。この超音波振動子３０は、実施の形態１である超音波振動子１０を構成する共振体１の固定部材２を設けず、ホーン３に代えてホーン３３を設けている。また、積層圧電素子５に代えて円筒形状の積層圧電素子３４を用い、積層圧電素子３４に固定部材３２を配置している。その他の構成は実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。
【００９４】
図２５は、超音波振動子３０を共振体３１と固定部材３２と積層圧電素子３４とに分解した状態を模式的に例示する分解斜視図である。図２５において、共振体３１は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金によって実現され、積層圧電素子３４から出力された超音波振動を増幅するホーン３３と、ホーン３３によって増幅された超音波振動を被処置体に伝達して該被処置体に医療処置を行う処置部４とを有する。ホーン３３は、積層圧電素子３４との接触端から先端に向けて徐々にその断面積が小さくなる形状を有し、この接触端の周囲には、フランジ３ａが設けられる。また、ホーン３３の接触端には直径ｙの開口部３３ａが設けられ、ホーン３３の先端には処置部４が設けられる。
【００９５】
固定部材３２は、共振体３１と同様の金属材料を用いて実現され、積層圧電素子３４を貫通するロッド３２ｂと、ロッド３２ｂによって貫通した積層圧電素子３４をホーン３３に押し付ける押付部材３２ａとによって構成される。ロッド３２ｂは、ロッド３２ｂが押付部材３２ａの平面に対して直角になるように、押付部材３２ａの平面の中心付近に配置される。また、ロッド３２ｂは、直径ｘを有し、かつ、積層圧電素子３４を貫通した場合に開口部３３ａ内に挿入できる程度の長さに設定される。ここで、ロッド３２ｂの直径ｘは、上述した共振体３１の開口部３３ａの直径ｙ以上に設計され、共振体３１が所定温度以上（たとえば１５０℃〜５００℃の範囲内の温度）に加熱された場合、膨張した開口部３３ａの直径ｙよりも、たとえば、数μｍ〜数１０μｍ程度小さくなる。すなわち、開口部３３ａは、共振体３１が所定温度未満（たとえば常温）の場合、ロッド３２ｂの直径ｘ以下であり、共振体３１が所定温度以上の場合に膨張し、ロッド３２ｂの直径ｘよりも大きくなる。
【００９６】
積層圧電素子３４は、チタン酸バリウムまたはチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミックによって構成される圧電体３４ａと、正電極３４ｂと、負電極３４ｃとをそれぞれ所望数量有する。積層圧電素子３４は、正電極３４ｂが配置された圧電体３４ａと負電極３４ｃが配置された圧電体３４ａとを交互に積層して実現される。この場合、積層圧電素子３４は、正電極３４ｂのフィン状電極と負電極３４ｃのフィン状電極とをそれぞれ側面から露出させている。また、積層圧電素子３４には圧電体３４ａの積層方向に積層圧電素子３４を貫通する貫通口３４ｄが設けられ、貫通口３４ｄは、ロッド３２ｂの直径ｘよりも若干大きい直径を有する。積層圧電素子３４は、貫通口３４ｄにロッド３２ｂを貫通させた場合、その積層構造を維持する。さらに、積層圧電素子３４の各圧電体３４ａを分極する分極処理が行われた場合、積層圧電素子３４は、その積層方向、すなわち、図２５に示す分極方向に分極する。分極処理がなされた積層圧電素子３４は、正電極３４ｂおよび負電極３４ｃを介して電気エネルギーが供給された場合、その積層方向、すなわち、図２５に示す発振方向に超音波振動を出力する。なお、積層圧電素子３４は、圧電体３４ａ、正電極３４ｂ、および負電極３４ｃがそれぞれ固着されていなくてもよい。
【００９７】
ここで、超音波振動子３０は、積層圧電素子３４を貫通したロッド３２ｂに共振体３１を焼き嵌めた場合に実現される。この場合、積層圧電素子３４の電歪効果によって出力された超音波振動は、ホーン３３によって増幅された後、処置部４に伝達される。すなわち、共振体３１は、上述した積層圧電素子３４の発振方向と同一方向に超音波振動を伝達する。超音波振動子３０は、処置部４を介して被処置体に所望の超音波振動を伝達し、これによって、この被処置体に対する医療処置が達成される。この場合、積層圧電素子３４は、超音波振動子３０の振動発振手段として機能する。
【００９８】
つぎに、超音波振動子３０を製造するまでの各処理工程について詳細に説明する。図２６は、加工された共振体３１と積層圧電素子３４とを用いて超音波振動子３０を製造するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。図２７は、積層圧電素子３４を貫通したロッド３２ｂが、膨張したホーン３３の開口部３３ａ内に挿入される状態を説明する模式図である。図２８は、積層圧電素子３４を貫通したロッド３２ｂが、開口部３３ａ内に固定された状態を説明する模式図である。図２６〜２８において、の圧電体３４ａ、正電極３４ｂ、および負電極３４ｃをそれぞれ所望数量用い、上述したように組み立てられた積層圧電素子３４に対して、正電極３４ｂおよび負電極３４ｃに数ｋＶ／ｃｍ〜数１０ｋＶ／ｃｍの電圧を数時間印加し、積層圧電素子３４の各圧電体３４ａを分極する分極処理を行う（ステップＳ５０１）。この分極処理を行う場合、圧電体３４ａは、必要に応じて、１００℃〜２００℃程度に加熱される。
【００９９】
一方、共振体３１は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金を原材料とした機械加工によって製造される。この場合、共振体３１は、ホーン３３および処置部４を有するように機械加工され、ホーン３３には、上述したように、開口部３３ａおよびフランジ３ａが設けられる。この場合、開口部３３ａの直径ｙは、上述したように、固定部材３２のロッド３２ｂの直径ｘ以下に設定される。また、開口部３３ａの深さ寸法は、積層圧電素子３４を貫通した場合に該積層圧電素子３４から突出するロッド３２ｂの長さ寸法、すなわち、開口部３３ａ内に挿入されるロッド３２ｂの挿入部分の長さ寸法よりも大きく設定される。すなわち、この共振体３１の機械加工によって、直径ｙを有する開口部３３ａが、ホーン３３に形成される（ステップＳ５０２）。なお、共振体３１は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等のチタン合金を原材料とし、ＭＩＭ（Metal Injection Molding）等による金属成形によって製造することもでき、この場合、ホーン３３の開口部３３ａは、このＭＩＭ等による金属成形によって実現される。
【０１００】
つぎに、共振体３１を所定温度以上になるように加熱し、該共振体３１を膨張させる（ステップＳ５０３）。この共振体３１に対する熱膨張処理によって、ホーン３３は膨張し、開口部３３ａの直径ｙは、ロッド３２ｂの直径ｘよりも大きくなる。この場合、開口部３３ａの直径ｙは、ロッド３２ｂの直径ｘよりも数μｍ〜数１０μｍ程度大きくなればよい。また、共振体３１は、１５０℃〜２００℃の範囲内の温度になるように加熱されることが望ましい。このことは、分極処理がなされた積層圧電素子３４が２００℃以上に加熱保持された場合、この分極処理によって得られた積層電圧素子３４の電歪効果が喪失されることに起因する。
【０１０１】
ホーン３３がステップＳ５０３の熱膨張処理によって膨張した場合、分極処理がなされた積層圧電素子３４を貫通したロッド３２ｂは、図２７に示すように、膨張したホーン３３の開口部３３ａ内に挿入される（ステップＳ５０４）。この場合、ロッド３２ｂは、積層圧電素子３４が固定部材３２の押付部材３２ａとホーン３３とによって挟み込まれるように、開口部３３ａ内に挿入される。ここで、開口部３３ａの深さは、上述したように、ロッド３２ｂの挿入部分の長さ寸法よりも大きく設定されているので、ロッド３２ｂの挿入部分が全て開口部３３ａ内に挿入された場合であっても、開口部３３ａ内のロッド３２ｂ先端側に空隙が生じる。この空隙は、積層圧電素子３４を貫通したロッド３２ｂにホーン３３を焼き嵌めた場合に、ホーン３３と積層圧電素子３４との接触が阻害されることを防止する。なお、ロッド３２ｂは、積層圧電素子３４の積層方向の中心軸とホーン３３および処置部４の中心軸とが一致するように挿入されることが望ましい。
【０１０２】
その後、図２８に示すように、積層圧電素子３４が、押付部材３２ａを介して印加される圧力によって圧縮されるとともに、共振体３１が、所定温度未満になるように冷却され、これによって、ホーン３３が、開口部３３ａの直径ｙが設計値に戻るように収縮し、開口部３３ａ内に挿入されたロッド３２ｂに圧縮応力を印加する。この場合、ホーン３３および固定部材３２は、積層圧電素子３４に圧縮応力を印加した状態を維持し、ホーン３３は、開口部３３ａ内にロッド３２ｂを固定し、これによって、積層圧電素子３４は、超音波振動の発振方向に圧縮されるとともに、ホーン３３に接するように固定される（ステップＳ５０５）。積層圧電素子３４は、上述したようにホーン３３に固定された場合、その側面から露出した正電極３４ｂおよび負電極３４ｃと共振体３１および固定部材３２とを介して、電気的エネルギーを供給できるように構成される。なお、この共振体３１の冷却処理は、自然空冷によって達成してもよいし、放熱装置等を用いて行ってもよい。この場合、共振体３１は、膨張したホーン３３が収縮し、開口部３３ａの直径ｙがロッド３２ｂの直径ｘ以下になる温度、たとえば常温になるまで冷却されればよい。
【０１０３】
ここで、積層圧電素子３４を貫通したロッド３２ｂに共振体３１を焼き嵌める焼き嵌め処理は、ステップＳ５０３の熱膨張処理からステップＳ５０５による積層圧電素子３４の固定処理までの各処理を順次行った場合に達成され、この焼き嵌め処理によって、積層圧電素子３４が共振体３１と固定部材３２との間に組み込まれる。
【０１０４】
図２９は、上述したステップＳ５０５の固定処理を行い、積層圧電素子３４が共振体３１と固定部材３２との間に組み込まれた状態を説明する模式図である。図３０は、図２９に示す超音波振動子３０のＦ−Ｆ線断面図である。図２９および図３０において、積層圧電素子３４は、共振体３１のホーン３３と固定部材３２の押付部材３２ａとによって圧縮応力が印加されるとともに、ホーン３３と押付部材３２ａとの間に挟み込まれる。すなわち、積層圧電素子３４は、ロッド３２ｂに貫通され、かつ、ホーン３３と押付部材３２ａとに圧縮された場合、その積層構造を維持するとともに、ホーン３３に確実に固定される。また、積層圧電素子３４は、側面から正電極３４ｂおよび負電極３４ｃを露出しているので、正電極３４ｂおよび負電極３４ｃを介して積層圧電素子３４に電気エネルギーを供給すれば、積層圧電素子３４は所望の超音波振動をホーン３３に出力し、ホーン３３は、積層圧電素子３４が出力した超音波振動を増幅するとともに処置部４に伝達する。処置部４は、増幅された超音波振動を被処置体に伝達し、これによって、この被処置体に対する医療処置を達成することができる。
【０１０５】
なお、分極処理がなされた積層圧電素子３４を貫通したロッド３２ｂに共振体３１を焼き嵌める場合、ステップＳ５０１の分極処理は、ステップＳ５０４によって積層圧電素子３４を貫通したロッド３２ｂが開口部３３ａ内に挿入される前に完了すればよく、望ましくは、この分極処理が完了するまでに要する時間を考慮し、ステップＳ５０３の熱膨張処理が達成される前に完了する。
【０１０６】
一方、超音波振動子３０を製造する場合、共振体３１と固定部材３２との間に予め組み込まれた積層圧電素子３４に対して、上述した分極処理を行うことができる。図３１は、積層圧電素子３４を貫通したロッド３２ｂに共振体３１を焼き嵌め、その後、この積層圧電素子３４に分極処理を行って超音波振動子３０を実現するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。図３１において、共振体３１は、上述したステップＳ５０２と同様に、ホーン３３および処置部４を有するように機械加工され、これによって、上述した直径ｙの開口部３３ａが、ホーン３３に形成される（ステップＳ６０１）。
【０１０７】
つぎに、開口部３３ａが形成された共振体３１は、上述したステップＳ５０３と同様に、所定温度以上になるように加熱される。これによって、ホーン３３は膨張し（ステップＳ６０２）、開口部３３ａの直径ｙは、上述したように、ロッド３２ｂの直径ｘよりも大きくなる。この場合、共振体３１は、分極処理がなされた積層圧電素子３４と接触しないので、１５０℃〜５００℃の範囲内の温度になるように加熱することができる。これによって、共振体３１を加熱膨張させて、開口部３３ａの直径ｙをロッド３２ｂの直径ｘよりも大きくする熱膨張処理を容易に達成することができる。
【０１０８】
ホーン３３がステップＳ２０２の熱膨張処理によって膨張した場合、分極処理がなされていない積層圧電素子３４を貫通したロッド３２ｂは、上述したステップＳ５０４と同様に、膨張した開口部３３ａ内に挿入される（ステップＳ６０３）。つぎに、ロッド３２が挿入された共振体３１は、上述したステップＳ５０５と同様に、積層圧電素子３４を圧縮した状態で冷却され、これによって、ホーン３３が、収縮するとともに開口部３３ａ内にロッド３２ｂを固定し、積層圧電素子３４が、ホーン３３に接するように固定される（ステップＳ６０４）。この場合、ホーン３３および固定部材３２は、積層圧電素子３４に対して、超音波振動の発振方向に圧縮応力を印加する。
【０１０９】
その後、共振体３１と固定部材３２との間に組み込まれた積層圧電素子３４に対して、上述したステップＳ５０１と同様に、正電極３４ｂおよび負電極３４ｃに数ｋＶ／ｃｍ〜数１０ｋＶ／ｃｍの電圧を数時間印加し、積層圧電素子３４の各圧電体３４ａを分極する（ステップＳ６０５）。ここで、共振体３１と固定部材３２との間に組み込まれた積層圧電素子３４に対して分極処理を行った場合、分極処理がなされた積層圧電素子３４は、２００℃以上に加熱保持される場合が少なくなり、この分極処理による電歪効果を確実に得ることができる。これによって、所望の超音波振動を確実に出力する超音波振動子３０を実現でき、出力された超音波振動を被処置体に伝達した場合に、この被処置体に対する医療処置を達成することができる。
【０１１０】
なお、この実施の形態３では、円筒形状を有する積層圧電素子をホーンに固定させた場合を示したが、この発明は、これに限定されるものではなく、角柱形状を有する積層圧電素子をホーンに固定した場合に適用してもよい。
【０１１１】
また、この実施の形態３では、横断面が円形状の開口部およびロッドを用い、該開口部内に該ロッドを挿入した場合を示したが、この発明は、これに限定されるものではなく、開口部およびロッドの各横断面が相似形であればよく、この場合、開口部およびロッドの横断面を楕円または多角形等の各種形状にしてもよい。
【０１１２】
以上に説明したように、この実施の形態３では、積層圧電素子を共振体に押し付ける押付部材と積層圧電素子を貫通するロッドとを備えた固定部材が機械加工または金属成形によって製造され、積層圧電素子を貫通したロッドに共振体を焼き嵌めるとともに、該積層圧電素子に対して、超音波振動の発振方向に圧縮応力を印加するように構成しているので、ボルト等を用いて共振体と積層圧電素子とを螺子締結することなく、すなわち、螺子加工を必要としない固定部材と共振体とを用いて、共振体のホーンに積層圧電素子を確実に固定できる。したがって、共振体または固定部材の製造作業を容易にするとともに、超音波振動子の構造を単純化することができ、これによって、消化器系内視鏡または気管支系内視鏡に好適な小型の超音波振動子を実現することができる。
【０１１３】
また、角柱形状の積層圧電素子よりも超音波振動の出力効率が高い円柱形状の積層圧電素子を共振体のホーンに確実に固定できるので、装置構造の小型化を促進するとともに超音波振動の出力効率を高めた超音波振動子を実現することができる。さらに、共振体が、上述した実施の形態１の変形例と同様に、ホーンと固定部材との間に共振部材を有するように構成されれば、出力される超音波振動に対応する定在波は、積層圧電素子のホーン側端部および処置部の位置において腹を呈するので、超音波振動の出力効率をさらに高めた超音波振動子を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
以上のように、この発明では、電歪効果による超音波振動の出力効率を損なうことなく超音波振動子を小型化することができ、消化管内にある被処置体に破砕、乳化、または止血等の各種医療処置を内視鏡観察下で行う消化器系内視鏡、または気管支内にある被処置体に破砕、乳化、または止血等の各種医療処置を内視鏡観察下で行う気管支系内視鏡に適する。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】この発明の実施の形態１である超音波振動子の概略構成を例示する斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１である超音波振動子を分解した状態を例示する模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１に用いる積層圧電素子の圧電素子を模式的に例示する斜視図である。
【図４】図３に示す圧電素子の側面を模式的に例示するＡ矢視図である。
【図５】この発明の実施の形態１に用いる積層圧電素子を分解した状態を模式的に例示する分解斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態１に用いる積層圧電素子の概略構成を模式的に例示する斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態１である超音波振動子を製造するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。
【図８】この発明の実施の形態１の共振体内に積層圧電素子を挿入した状態を説明する模式図である。
【図９】図８に示す共振体のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態１の共振体内に積層圧電素子を固定した状態を説明する模式図である。
【図１１】図１０に示す共振体のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１２】共振体内に積層圧電素子を組み込んだ後に分極処理を行い、この発明の実施の形態１の超音波振動子を実現する場合の各処理工程を説明するフローチャートである。
【図１３】この発明の実施の形態１の変形例である超音波振動子の概略構成を例示する模式図である。
【図１４】この実施の形態１である超音波振動子を用いて構成した内視鏡の一例を模式的に示す一部破断図である。
【図１５】この発明の実施の形態２である超音波振動子の概略構成を例示する斜視図である。
【図１６】この発明の実施の形態２である超音波振動子を分解した状態を例示する模式図である。
【図１７】この発明の実施の形態２に用いる積層圧電素子の概略構成を模式的に例示する斜視図である。
【図１８】この発明の実施の形態２である超音波振動子を製造するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。
【図１９】この発明の実施の形態２の共振体内に積層圧電素子を挿入した状態を説明する模式図である。
【図２０】図１９に示す共振体のＤ−Ｄ線断面図である。
【図２１】この発明の実施の形態２の共振体内に積層圧電素子を固定した状態を説明する模式図である。
【図２２】図２１に示す共振体のＥ−Ｅ線断面図である。
【図２３】共振体内に積層圧電素子を組み込んだ後に分極処理を行い、この発明の実施の形態２の超音波振動子を実現するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。
【図２４】この発明の実施の形態３である超音波振動子の概略構成を例示する斜視図である。
【図２５】この発明の実施の形態３である超音波振動子を分解した状態を模式的に例示する分解斜視図である。
【図２６】この発明の実施の形態３である超音波振動子を製造するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。
【図２７】積層圧電素子を貫通したロッドが開口部内に挿入される状態を説明する模式図である。
【図２８】積層圧電素子を貫通したロッドが開口部内に固定された状態を説明する模式図である。
【図２９】この発明の実施の形態３共振体と固定部材との間に積層圧電素子が組み込まれた状態を説明する模式図である。
【図３０】図２９に示す超音波振動子のＦ−Ｆ線断面図である。
【図３１】ロッドに共振体を焼き嵌めた後に分極処理を行い、この発明の実施の形態３の超音波振動子を実現するまでの各処理工程を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１６】
１，１２，２１，３１  共振体
２，２２，３２  固定部材
２ａ，２２ｃ  空間
３，３３  ホーン
３ａ  フランジ
４  処置部
５，２３，３４  積層圧電素子
６  圧電素子
６ａ，２３ａ，２３ｂ，３４ａ  圧電体
６ｂ  内部正電極
６ｃ  内部負電極
７ａ，７ｂ  保護部材
８ａ  外部正電極
８ｂ  外部負電極
１０，１１，２０，３０  超音波振動子
１３  共振部材
２２ａ，２２ｂ  固定板
２３ｃ，３４ｂ  正電極
２３ｄ，２３ｅ，３４ｃ  負電極
２４  クリアランス
３２ａ  押付部材
３２ｂ  ロッド
３３ａ  開口部
３４ｄ  貫通口
１００  内視鏡
１０１  観察系レンズ
１０２  チャンネル
１０３  可撓性シース
【図１】
2005094552.tif 000003
【図２】
2005094552.tif 000004
【図３】
2005094552.tif 000005
【図４】
2005094552.tif 000006
【図５】
2005094552.tif 000007
【図６】
2005094552.tif 000008
【図７】
2005094552.tif 000009
【図８】
2005094552.tif 000010
【図９】
2005094552.tif 000011
【図１０】
2005094552.tif 000012
【図１１】
2005094552.tif 000013
【図１２】
2005094552.tif 000014
【図１３】
2005094552.tif 000015
【図１４】
2005094552.tif 000016
【図１５】
2005094552.tif 000017
【図１６】
2005094552.tif 000018
【図１７】
2005094552.tif 000019
【図１８】
2005094552.tif 000020
【図１９】
2005094552.tif 000021
【図２０】
2005094552.tif 000022
【図２１】
2005094552.tif 000023
【図２２】
2005094552.tif 000024
【図２３】
2005094552.tif 000025
【図２４】
2005094552.tif 000026
【図２５】
2005094552.tif 000027
【図２６】
2005094552.tif 000028
【図２７】
2005094552.tif 000029
【図２８】
2005094552.tif 000030
【図２９】
2005094552.tif 000031
【図３０】
2005094552.tif 000032
【図３１】
2005094552.tif 000033