專利名稱：共振換能器及其制造方法、具共振換能器的超聲處置工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及共振換能器、制造共振換能器的方法和包括共振換能器的超聲處置エ具，更具體地，涉及可以達(dá)到高振動(dòng)速度的共振換能器、制造共振換能器的方法和包括共振換能器的超聲處置工具。
背景技術(shù)：
近年來，在手術(shù)后的早期恢復(fù)和減輕患者負(fù)擔(dān)方面，在醫(yī)療實(shí)踐中要求切ロ部位盡可能地小，并且有效地采用內(nèi)窺鏡手術(shù)作為解決方案。對(duì)于內(nèi)窺鏡手木，已開發(fā)各種手術(shù)工具，并且其應(yīng)用范圍變得日益廣泛。在這樣的情況下，期望超聲刀作為用于內(nèi)窺鏡手術(shù)的ー種工具。
對(duì)于如上所述的超聲處置工具，日本專利申請(qǐng)公開第2002-65689號(hào)描述了一種借助于如下各項(xiàng)使處置部件進(jìn)行超聲振動(dòng)的超聲處置工具壓電元件，其產(chǎn)生超聲振動(dòng)；喇叭(horn)部，其增大所產(chǎn)生的超聲振動(dòng)的幅度；以及探針，其傳送振動(dòng)。另夕卜，“Enhancement of Vibration Amplitude of Micro Ultrasonic Scalpe丄using PZT Film”， Minoru KUROSAWA and Takeshi SASANUMA, Technical Report ofThe Institute of Electronics，Information and Communication Engineers (IEICE)，US2009-109(213)31提出了一種用在內(nèi)窺鏡手術(shù)中的微型超聲手術(shù)刀，該微型超聲手術(shù)刀利用縱向振動(dòng)(與要切割的生物體表面基本垂直的振動(dòng))。在壓電膜的d31模式下激勵(lì)縱向振動(dòng)，并且該微型超聲手木刀中可以結(jié)合用于檢測(cè)振動(dòng)速度的傳感器器件。在日本專利申請(qǐng)公開第2002-65689號(hào)中所述的超聲處置工具中，將螺栓型朗之萬振動(dòng)子(bolted Langevin vibrator)用于壓電元件以達(dá)到高振動(dòng)速度。不過，該振動(dòng)速度沒有高到足以使得超聲處置工具能夠執(zhí)行切開口和血凝固，因此，需要増大振動(dòng)速度的喇叭部。然而，為了利用喇叭部増大振動(dòng)速度，振動(dòng)部的尺寸必須比處置部的尺寸大。相應(yīng)地，考慮到超聲處置工具在內(nèi)窺鏡中的實(shí)際使用，振動(dòng)部的尺寸限于直徑為約2mm至3mm，因此，處置部必須小于該尺寸，從而導(dǎo)致處置時(shí)間增加。另外,“Enhancement of VibrationAmplitude of Micro Ultrasonic Scalpel using PZT Film” 描述了不具有喇機(jī)部的矩形構(gòu)造和具有變換比為3. 5的喇叭部的構(gòu)造，并且還描述了振動(dòng)部的振動(dòng)速度在矩形構(gòu)造的情況下為2m/s而在具有喇叭部的構(gòu)造的情況下為7m/s。為了使得超聲處置工具能夠執(zhí)行切口和血凝結(jié)，需要7m/s的振動(dòng)速度，因此，必須將變換比設(shè)置為等于或大于3. 5。在這種情況下，處置部的寬度小于1_。另外，振動(dòng)轉(zhuǎn)矩根據(jù)變換比而減小，因此，轉(zhuǎn)矩會(huì)不利地變小。鑒于上述情況做出了本發(fā)明，因此，本發(fā)明的目的在于提供可以達(dá)到高振動(dòng)速度的共振換能器、制造共振換能器的方法和包括共振換能器的超聲處置工具。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了ー種共振換能器，其包括振動(dòng)板；以及壓電元件，該壓電元件包括層壓在振動(dòng)板上的壓電膜和上電極，其中，壓縮應(yīng)力被施加至壓電膜。通常，壓電膜的抗張強(qiáng)度小于其抗壓強(qiáng)度，因此，根據(jù)抗張強(qiáng)度來確定共振換能器的振動(dòng)速度。根據(jù)本發(fā)明，壓縮應(yīng)力作為內(nèi)應(yīng)力施加至壓電膜本身，因此，可以將比在正常情況下更大的拉伸應(yīng)カ施加至壓電膜。因此，可以達(dá)到比通常情況下更高的振動(dòng)速度。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，振動(dòng)板在與形成有壓電元件的表面平行的方向上以擴(kuò)展/收縮方式振動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明，振動(dòng)板在與形成有壓電元件的表面平行的方向上以擴(kuò)展/收縮方式振動(dòng)。因此，在將共振換能器應(yīng)用于超聲處置工具的情況下，可以獲得生物體的切開作用和利用血凝結(jié)的止血作用。 在本發(fā)明中，優(yōu)選地，壓電膜具有等于或大于I U m且等于或小于5 u m的膜厚度。 根據(jù)本發(fā)明，壓電膜的膜厚度被設(shè)置為上述范圍，從而可以使該設(shè)備小型化。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，壓電膜的內(nèi)應(yīng)カ為等于或大于IOOMPa的壓縮應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明，壓電膜的內(nèi)應(yīng)カ是等于或大于IOOMpa的壓縮應(yīng)力，并且因此，具有矩形構(gòu)造的共振換能器的振動(dòng)速度可以提高到3. 5m/s。因此，即使振動(dòng)放大部的變換比被設(shè)計(jì)為等于或小于2. 0，振動(dòng)部的振動(dòng)速度也可以等于或大于7. Om/s。在本發(fā)明中，優(yōu)選地,壓電膜的內(nèi)應(yīng)カ是等于或大于300MPa的壓縮應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明，壓電膜的內(nèi)應(yīng)カ是等于或大于300MPa的壓縮應(yīng)力，因此，可以在共振換能器具有矩形構(gòu)造的情況下獲得等于或大于7. Om/s的振動(dòng)速度，從而帶來更寬的設(shè)計(jì)范圍。另外，在處置工具插入體內(nèi)的部分中設(shè)置驅(qū)動(dòng)部的情況下，驅(qū)動(dòng)電壓不能過高，但根據(jù)本發(fā)明，可以通過在處置工具能夠在體內(nèi)安全工作的電壓范圍內(nèi)増大驅(qū)動(dòng)電壓來提高振動(dòng)速度。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，振動(dòng)板具有僅在與其振動(dòng)方向垂直的方向上被支持的表面。根據(jù)本發(fā)明，振動(dòng)板具有僅在與其振動(dòng)方向垂直的方向上被支持的表面，因此，可以容易地使振動(dòng)板振動(dòng)。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，振動(dòng)板具有比壓電膜的熱膨脹系數(shù)大的熱膨脹系數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，振動(dòng)板具有比壓電膜的熱膨脹系數(shù)大的熱膨脹系數(shù)。因此，當(dāng)溫度在以高溫形成膜后返回至室溫吋，由于振動(dòng)板與壓電膜之間的熱膨脹系數(shù)差而引起變形。因此，可以向壓電膜施加內(nèi)應(yīng)力。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種制造共振換能器的方法，包括以下步驟在等于或高于400°C的溫度下在振動(dòng)板上形成壓電膜，該壓電膜具有比振動(dòng)板的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)；以及使振動(dòng)板和壓電膜的溫度返回至室溫，其中，由于振動(dòng)板與壓電膜之間的熱膨脹系數(shù)差而將壓縮應(yīng)カ施加至壓電膜。根據(jù)本發(fā)明，將熱膨脹系數(shù)比振動(dòng)板的熱膨脹系數(shù)小的材料用于壓電膜，并且在以等于或大于400°C的溫度進(jìn)行膜形成后使溫度返回至室溫，從而可以由于振動(dòng)板與壓電膜的熱膨脹系數(shù)差而在振動(dòng)板與壓電膜之間引起變形。因此，可以向壓電膜施加內(nèi)應(yīng)力。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了ー種包括上述共振換能器的超聲處置工具。根據(jù)本發(fā)明的共振換能器可以達(dá)到高振動(dòng)速度，因此，不需要振動(dòng)放大部，或者振動(dòng)放大部的變換比可以更小，從而處置部的尺寸可以更大。相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的共振換能器適合用于超聲處置工具。
在根據(jù)本發(fā)明的共振換能器、制造共振換能器的方法和包括共振換能器的超聲處置工具中，在壓電膜的形成期間將壓縮應(yīng)カ施加至其，從而可以達(dá)到高振動(dòng)速度。


圖IA和圖IB是各自示出共振換能器的結(jié)構(gòu)的平面圖；圖2是示出共振換能器的驅(qū)動(dòng)部的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖3A是示意性地示出RF濺射設(shè)備的截面圖，以及圖3B是示意性地示出膜形成期間的狀態(tài)的示圖；圖4是示出超聲處置工具的總體構(gòu)造圖；
圖5是示出根據(jù)示例的驅(qū)動(dòng)電壓與振動(dòng)速度之間的關(guān)系的曲線圖；以及圖6是示出根據(jù)示例的壓縮應(yīng)力與最大振動(dòng)速度之間的關(guān)系的曲線圖。
具體實(shí)施例方式下文中，將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的共振換能器和包括該共振換能器的超聲處置工具的實(shí)施例。[共振換能器]圖IA是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的共振換能器的結(jié)構(gòu)的平面圖，以及圖IB是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的共振換能器的結(jié)構(gòu)的平面圖。根據(jù)第二實(shí)施例的共振換能器與根據(jù)第一實(shí)施例的共振換能器的不同之處在于提供了増大驅(qū)動(dòng)部的振動(dòng)速度的振動(dòng)放大部。以下主要給出了對(duì)根據(jù)第一實(shí)施例的共振換能器的描述。盡管根據(jù)第二實(shí)施例的共振換能器與根據(jù)第一實(shí)施例的共振換能器的不同之處在于提供了振動(dòng)放大部，但是第二實(shí)施例的其他構(gòu)造與第一實(shí)施例的其他構(gòu)造相同。如圖IA和圖IB所示，共振換能器50包括驅(qū)動(dòng)部56，其包括基板52上的壓電元件54，并且使基板52振動(dòng)；振動(dòng)部58，其對(duì)應(yīng)于基板52的前端，并且通過壓電元件54的驅(qū)動(dòng)而振動(dòng)；支持部60，其支持驅(qū)動(dòng)；以及固定部62，其將驅(qū)動(dòng)部56固定于支持部60。共振換能器50在圖IA的左右方向上振動(dòng)。因此，優(yōu)選地，驅(qū)動(dòng)部56和振動(dòng)部58具有在與振動(dòng)方向垂直的方向上(即，在圖IA的上下方向上)被固定部62固定于支持部60的表面。另夕卜，在第二實(shí)施例中，提供振動(dòng)放大部157來提高在驅(qū)動(dòng)部156中所獲得的振動(dòng)速度并且將提高了的振動(dòng)速度傳送至振動(dòng)部158。應(yīng)注意，如圖1A、圖IB和圖2所示，壓電元件54設(shè)置在驅(qū)動(dòng)部56、固定部62、以及支持部60的一部分上，這是因?yàn)殡姌O要連接至支持部60上的壓電元件54。形成有壓電元件54的位置不受特別限制，只要壓電元件54形成在驅(qū)動(dòng)部56上即可。第二實(shí)施例中的振動(dòng)放大部的變換比可以利用驅(qū)動(dòng)部在寬度方向上的長(zhǎng)度、振動(dòng)部在寬度方向上的長(zhǎng)度和喇叭的形狀確定。[壓電元件]接下來，描述包括在根據(jù)本發(fā)明的共振換能器50中的壓電元件54。如圖2所示，壓電兀件54包括按以下順序?qū)訅涸诨?2上的下電極64、壓電膜66和上電極68。下電極64和上電極68在壓電兀件54的厚度方向上將電場(chǎng)施加至壓電膜66。當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí),壓電膜66在與壓電元件54的電場(chǎng)方向垂直的方向(d31方向)上擴(kuò)展/收縮，從而該結(jié)構(gòu)在基板52的縱向上(即，在與形成有壓電元件54的基板52的表面平行的方向上)以擴(kuò)展/收縮方式振動(dòng)?；?2的材料示例包括Ti、Al、SUS和其合金。優(yōu)選地，使用熱膨脹系數(shù)比壓電元件的熱膨脹系數(shù)大的基板，以使得由于基板與壓電膜之間的關(guān)系而向壓電膜施加壓縮應(yīng)力。尤其優(yōu)選的是使用Ti及其合金。在使用Ti及其合金的情況下，由于上述熱膨脹系數(shù)的關(guān)系而可以容易地向壓電膜施加壓縮應(yīng)力。另外，Ti及其合金可以安全地用于稍后將描述的超聲處置工具或其他這樣的工具。如果需要，可以提供下電極64。例如，在基板52由諸如金屬的導(dǎo)電材料制成的情況下，壓電膜66可以直接形成在基板52上，而無需提供下電極。下電極64的主要成分不受特別限制，并且其示例包括金屬或 金屬氧化物，諸如Au、Pt、Ir、IrO2, RuO2, LaNiO3和SrRuO3 ;以及它們的組合。上電極68的主要成分不受特別限制，并且其示例包括針對(duì)下電極64例示的材料；通常用在半導(dǎo)體エ藝中的電極材料，諸如Al、Ta、Cr和Cu ；以及它們的組
ム
ロ o壓電膜66的材料的示例包括由以下通式(P)表達(dá)的ー種或多種類型的鈣鈦礦氧化物。通式AaBbO3... (P)(其中，A表示A位元素，至少ー種包含Pb的元素；B表示B位元素，選自包括Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe、Ni 和鑭系元素的組的至少ー種元素；以及0表示氧原子。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，a= 1.0并且b = 1.0，但這些數(shù)值可以在能夠維持鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的范圍內(nèi)不為1.0。)如果根據(jù)以下氣相沉積方法來形成壓電膜，則所形成的壓電膜可以具有使得l.O^a并且可靠地包含Pb的組成，并且可以具有甚至使得I. 0 < a并且富含Pb的組成。對(duì)a不存在任何特定上限，并且只要1.0I. 3，即可以獲得具有良好壓電性能的壓電膜。下電極64和上電極68的厚度不受特別限制，并且例如是約200nm。壓電元件66的厚度不受特別限制，并且通常等于或大于I U m,例如，I y m至5 y m。[形成壓電膜的方法]接下來，描述了形成壓電膜的方法?？梢愿鶕?jù)使用等離子體的氣相沉積方法形成本發(fā)明的壓電膜，并且可以基于以下各項(xiàng)之間的關(guān)系確定膜形成條件膜形成溫度Ts(°C) ;Vs_Vf(V)，其為在膜形成期間等離子體的等離子體電位Vs(V)與浮接電位(floating potential) Vf (V)之間的差；以及要形成的膜的特性?？蓱?yīng)用的氣相沉積方法的示例包括濺射、離子束濺射、離子鍍和等離子體CVD。涉及上述關(guān)系的膜的特性包括膜的晶體結(jié)構(gòu)和/或膜成分，并且可以通過調(diào)整膜成分來改變壓電膜的楊氏模量。參照?qǐng)D3A和圖3B，使用濺射設(shè)備作為示例來描述使用等離子體的膜形成設(shè)備的構(gòu)造示例。圖3A是示意性地示出RF濺射設(shè)備的截面圖，以及圖3B是示意性地示出膜形成期間的狀態(tài)的圖?；錌設(shè)置在RF濺射設(shè)備200內(nèi)部，并且RF濺射設(shè)備200大致由真空容器210，真空容器210包括加熱器211，其可以將所設(shè)置的基板B加熱到預(yù)定溫度；以及等離子體電極(陰極電極)212，其產(chǎn)生等離子體。加熱器211和等離子體電極212被放置為彼此面對(duì)且彼此之間具有間隔，并且具有與要形成的膜的成分對(duì)應(yīng)成分的靶材(target) T被設(shè)置到等離子體電極212上。等離子體電極212連接至高頻電源213。進(jìn)氣管214和出氣管215附接至真空容器210。進(jìn)氣管214用于將膜形成所需的氣體G引入真空容器210中，而出氣管215用于將廢氣V從真空容器210排出。Ar、KrfO2混合氣體或其他類似氣體被用作氣體G。如圖3B中示意性地示出的，通過等離子體電極212的放電而將引入真空容器210中的氣體G變成等離子體，從而產(chǎn)生諸如Ar離子的正離子Ip。利用所產(chǎn)生的正離子Ip濺射靶材T。受到正離子Ip濺射的靶材T的構(gòu)成元素Tp從靶材射出，以中性或離子化狀態(tài)沉積到基板B上。在圖3B中，參考標(biāo)記P表示等離子體空間。等離子體空間P的電位等于等離子體電位Vs(V)。通常，基板B是絕緣體，并且與大地電絕緣。因此，基板B處于浮接狀態(tài)，并且其電位等于浮接電位Vf (V)。存在于靶材T 與基板B之間、并同時(shí)具有與等離子體空間P的電位和基板B的電位之間的電位差Vs-Vf的加速電壓對(duì)應(yīng)的動(dòng)能的靶材構(gòu)成元素Tp在膜形成期間撞擊基板B?？梢允褂美士姞柼结榿頊y(cè)量等離子體電位Vs和浮接電位Vf。隨著使得探針的電壓比浮接電位Vf更高，離子電流逐漸減小，并且最終僅電子電流到達(dá)探針。在該邊界處的電壓是等離子體電位Vs?？梢酝ㄟ^例如在基板與靶材之間提供接地來改變Vs-Vf。在使用等離子體的氣相沉積方法中，影響要形成的膜的特性的可能因素包括膜形成溫度；基板的類型；如果已在基板上形成了任意其他膜，則該下層膜的成分；基板的表面能；膜形成壓カ；大氣中包含的氧氣量；輸入電極；基板與靶材之間的距離；等離子中電子的溫度和密度；以及等離子中活性物質(zhì)的濃度和壽命。除了使用等離子體的上述氣相沉積方法外，可以根據(jù)以下方法類似地形成本發(fā)明的壓電膜氣相方法，諸如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法和脈沖激光沉積(PLD)方法；諸如溶膠-凝膠方法的液相方法和金屬有機(jī)分解方法；以及氣溶膠沉積方法。替選地，還可以通過直接結(jié)合塊陶瓷然后將塊陶瓷磨光達(dá)到期望膜厚度來形成壓電膜。由于基板與壓電膜之間的熱膨脹系數(shù)差，可以通過使膜形成溫度變高而向壓電膜施加壓縮應(yīng)力，但本發(fā)明并不限于此。形成壓電膜的方法并不受特別限制，只要可以將壓縮應(yīng)力作為內(nèi)應(yīng)力施加至壓電膜即可。[壓電膜的性能]通常，陶瓷的抗張強(qiáng)度小于其抗壓強(qiáng)度。例如，在PZT的情況下，抗張強(qiáng)度是小于抗壓強(qiáng)度的一個(gè)數(shù)字(參見Piezoelectric Ceramics Technical Handbook, Table 7.9.2;Fuji Ceramics Corporation)。相應(yīng)地,共振換能器的速度的最大值Vm取決于抗張強(qiáng)度Tm,并且可以通過以下表達(dá)式而獲得。[表達(dá)式I]
T,TmVm =-
p c其中，P表示振動(dòng)器的密度，并且c表示振動(dòng)器的聲速。由于抗張強(qiáng)度是指陶瓷破損的強(qiáng)度，實(shí)際上，陶瓷開始以比最大值Vm低的速度發(fā)熱，并且共振換能器的速度因發(fā)熱所引起的能量損耗而減小。因此，共振換能器的速度的極限值小于Vm。相應(yīng)地，可以通過在初始階段向壓電膜施加壓縮應(yīng)力的偏壓來增大壓電膜的表面抗張強(qiáng)度。
壓電膜的內(nèi)應(yīng)カ來自由于在壓電膜的形成期間基板與壓電膜之間的熱膨脹系數(shù)差而產(chǎn)生的熱應(yīng)カ；壓電膜的生長(zhǎng)エ藝。本發(fā)明關(guān)注于由熱應(yīng)カ產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而壓縮應(yīng)力被施加至壓電膜。例如，Ti-6A1-4V的熱膨脹系數(shù)為8. 8ppm/で，并且PZT薄膜的熱膨脹系數(shù)為6. 7ppm/°C。相應(yīng)地，當(dāng)溫度從膜形成溫度返回到室溫吋，出現(xiàn)了相應(yīng)于膜形成溫度的變形量，因此，可以向壓電膜施加壓縮應(yīng)力。結(jié)果，當(dāng)使共振換能器振動(dòng)時(shí)，可以施加比通常情況更高的抗張強(qiáng)度，因此，可以達(dá)到高振動(dòng)速度。壓電膜的內(nèi)應(yīng)カ優(yōu)選地為等于或高于IOOMPa的壓縮應(yīng)力，并且更優(yōu)選地為等于或高于300MPa的壓縮應(yīng)力。注意，根據(jù)以下的Stoney表達(dá)式，使用激光干涉儀、基于共振換能器的熱變形量R來獲得壓電膜的內(nèi)應(yīng)力。 [表達(dá)式2]Stoney 表達(dá)式
Et2び=^其中，E和Vs分別表示基板的楊式模量和泊松比，以及和t分別表示壓電膜和基板的厚度。[超聲處置工具]接下來，描述根據(jù)本發(fā)明的包括共振換能器的超聲處置工具的示例。圖4是示出包括超聲刀的超聲處置工具10作為超聲處置工具的示例的總體構(gòu)造圖。超聲處置工具10包括刀部12，其在ESD處置中用作諸如針形刀和用于外表面切口和黏膜剝離的刀的超聲刀(手木刀)(下文中也稱為“切ロ/解剖刀”)；操作部主體14，其由操作者操作以將刀部12用作超聲刀；以及高頻發(fā)生設(shè)備16，其將高頻電壓供給至刀部12。刀部12包括刀片部(處置部)18、壓電元件54、刀片固定部22、柔性外殼(連接部)24、第一電極(接地電位)26、第二電極28、樹脂密封材料30和軟線46。另外，操作部主體14包括用于操作刀片部18的環(huán)32a、環(huán)32b和環(huán)32c、以及作為用干與高頻發(fā)生設(shè)備16連接的端子的連接器34。應(yīng)注意，操作部主體14的連接器34通過高頻電壓軟線38電連接至高頻發(fā)生設(shè)備16。刀部12的刀片部18在ESD處置中用作用于外表面切ロ、環(huán)切(切割)、黏膜下剝離和其他這樣的操作的切ロ /解剖刀?？梢酝ㄟ^壓電元件54的振動(dòng)來使刀片部18振動(dòng)。通過增大/減小施加至壓電元件54的電場(chǎng)強(qiáng)度來使壓電元件54擴(kuò)展/收縮，從而使刀片部18在由圖4的箭頭所示的方向上超聲振動(dòng)，因而能夠進(jìn)行切ロ。刀片固定部22固定于外殼24的前端內(nèi)部，并且具有支持刀片部18以使得刀片部18能夠往復(fù)運(yùn)動(dòng)(進(jìn)退)的功能。即，當(dāng)?shù)镀?8從外殼24的前端伸出和縮回時(shí)，刀片固定部22支持刀片部18以使得刀片部18可以相對(duì)于外殼24進(jìn)退。外殼24由柔性絕緣材料制成，并且物理及電氣保護(hù)刀片部18、壓電元件54、第一電極26和第二電極28。第一電極26和第二電極28用于將高頻電壓供給至壓電兀件54,第一電極26和第ニ電極28由導(dǎo)電材料制成，并且耦接至環(huán)32b和32c。樹脂密封材料30用于密封外殼24的生物體側(cè)。在本發(fā)明中，壓電元件54可以提供在要插入體內(nèi)的部分中，因此，優(yōu)選地，以樹脂覆蓋壓電元件54，以防止電擊。另外，鉛可以用作壓電膜66的材料，因此，優(yōu)選地，以樹脂覆蓋壓電元件54。將樹脂用作外殼24的密封材料可以減輕在驅(qū)動(dòng)刀片部18期間共振頻率的影響。接下來，描述操作部主體14的構(gòu)造和作用。操作員將他的/她的拇指插入操作部主體14的環(huán)32a中并將他的/她的食指和中指插入作為操作滑塊的環(huán)32b和32c中。在這種狀態(tài)下，如果操作員相對(duì)于操作部主體14滑動(dòng)操作滑塊，則該滑動(dòng)使得刀片部18經(jīng)由耦接至操作滑塊的柔性軟線46相對(duì)于外殼24進(jìn)退(往復(fù)運(yùn)動(dòng))。 來自高頻發(fā)生設(shè)備16的高頻電壓軟線38連接至連接器34，并且第一電極26電連接至第二電極28。因此，來自高頻發(fā)生設(shè)備16的高頻電壓被施加至第一電極26和第二電極28。然后，刀片部18因壓電元件54的振動(dòng)而超聲振動(dòng)，并且因而可以用作切ロ /解剖刀。包括上述超聲刀的處置工具(內(nèi)窺鏡)的鉗ロ的直徑約為3mm。如果處置部具有振動(dòng)放大部(喇叭形狀)，則可以提高來自驅(qū)動(dòng)部的振動(dòng)速度。不過，隨著喇叭的増大率越大，就需要處置部(振動(dòng)部)的尺寸越小，這是因?yàn)榭蓱?yīng)用直徑是有限的。如果處置部如此的越小，則處置所需的工作量越大，從而導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間不利地延長(zhǎng)。目前所使用的超聲刀具有約1_的前端直徑和約為3的變換比。在指數(shù)曲線形喇叭的情況下，可以根據(jù)振動(dòng)部與處置部的直徑比來獲得變換比，因此，優(yōu)選地，設(shè)置等于或小于2的變換比。超聲手木刀所需的振動(dòng)速度等于或大于7m/s。因此，為了獲得等于或小于2的變換比，優(yōu)選地使用不具有變換比的矩形構(gòu)造并且將其振動(dòng)速度設(shè)置為等于或大于3. 5m/s。應(yīng)注意，根據(jù)本發(fā)明的共振換能器不限制性地應(yīng)用于上述超聲刀，而是還可以應(yīng)用于各種致動(dòng)器、共振器、感測(cè)器、振蕩器和任何其他適合的裝置。[示例]使用Ti合金的基板(即，抗張強(qiáng)度為800MPa的Ti_6Al_4V)來制造如圖IA所示的具有這種矩形構(gòu)造的共振換能器。振動(dòng)部被固定部固定于支持部。基板的厚度為0. 3mm。厚度為50nm的第一層TiW和厚度為150nm的第二層Ir通過濺射形成在基板上作為下電扱。通過在膜形成溫度為550°C (示例I)、膜形成溫度為600°C (示例2)以及膜形成溫度為650°C (示例3)的各種條件下進(jìn)行濺射而在下電極上形成鋯鈦酸鉛(PZT)膜。壓電膜的厚度為4 ii m。接下來，厚度為50nm的第一層TiW和厚度為150nm的第二層Pt通過濺射形成在壓電膜上作為上電扱。膜形成條件設(shè)置如下膜形成設(shè)備Rf濺射設(shè)備；靶材=Pb1.3((Zra52Tia48)a88Nbai2) O3 燒結(jié)體(包含在 B 位中的 Nb 量12mol % )；基板溫度450°C；基板與靶材之間的距離60mm ；膜形成壓カ0. 29Pa ；以及膜形成氣體Ar/02 = 97 . 5/2 . 5 (摩爾比率)。獲得了施加至這樣制造的共振換能器的壓縮應(yīng)力。另外，0. 7V的電壓被施加至電連接至下電極的Ti基板和電連接至上電極的電極墊，從而使振動(dòng)部振動(dòng)。然后，使用激光多普勒測(cè)振儀來測(cè)量共振換能器的側(cè)面的振動(dòng)速度，從而獲得共振頻率。對(duì)于所獲得的共振頻率，通過改變驅(qū)動(dòng)電壓獲得振動(dòng)速度。表格I以及圖5和圖6中示出了結(jié)果。應(yīng)注意，對(duì)于根據(jù)示例I至3的全部壓電膜，在(100)方向上的定向度等于或大于80%，并且壓電常數(shù) d31 為 200pm/V 至 250pm/V。[表格I]
膜形成溫度壓縮應(yīng)力共振頻率最大速度
不例 I55CTCIOOMPs291.03Hz3. 7m/s '
不例 2600°C220MPs293. 32Hz5.2m/s '
不例 3650°C300MPs292.68Hz7.8m/s '參照?qǐng)D5，對(duì)于根據(jù)示例I至3的全部樣本，在電壓等于或小于IOV的區(qū)域中可以獲得基本上相同的振動(dòng)速度。在示例I中，在22V處可以獲得3. 7m/s的峰值振動(dòng)速度。然而，隨著電壓進(jìn)ー步増大，速度在28V處減小。其原因被認(rèn)為如下。由于壓縮應(yīng)カ小，當(dāng)振動(dòng)速度變?yōu)榈扔诨虼笥?m/s時(shí)，在振動(dòng)期間由于拉伸應(yīng)カ而造成開始發(fā)熱，從而導(dǎo)致能量損耗増大。隨著電壓越高，輸入能量越大。因此，發(fā)熱量也更大，并且在給定的峰值電壓后，振動(dòng)速度開始減小。在示例2中，在22V處可以獲得5. 2m/s的最大振動(dòng)速度。由于示例2中的壓縮應(yīng)力大于示例I中的壓縮應(yīng)力，因此，可以獲得比示例I中更高的速度。然而，即使在示例2中，當(dāng)施加了等于或大于22V的電壓時(shí)，在振動(dòng)期間也由于拉伸應(yīng)カ而造成開始發(fā)熱，從而速度減小。在示例3中，在28V處可以獲得7. 8m/s的最大振動(dòng)速度。即使當(dāng)電壓增大時(shí)，速度也不會(huì)減小，并且驅(qū)動(dòng)電壓與振動(dòng)速度之間存在成比例關(guān)系。圖6是示出壓縮應(yīng)力與最大振動(dòng)速度之間的關(guān)系的曲線圖。已發(fā)現(xiàn)壓縮應(yīng)カ與最大振動(dòng)速度之間的線性關(guān)系，并且利用近似曲線獲得了 I = 0. 02x+l. 46。考慮到超聲刀所需的振動(dòng)速度等于或大于7m/s的事實(shí)，振動(dòng)速度在矩形構(gòu)造(不具有喇叭的構(gòu)造)的情況下必須等于或大于3. 5m/s。因此，需要將壓縮應(yīng)カ設(shè)置為等于或大于lOOMPa，從而可以使用根據(jù)示例I至3的樣本來獲得變換比等于或小于2. 0的共振換能器。另外，如果如示例3中一樣將施加至壓電膜的壓縮應(yīng)カ設(shè)置為等于或大于300MPa，則振動(dòng)速度可以等于或大于7m/s。因此，可以在不提供喇叭部(振動(dòng)放大部)的情況下實(shí)現(xiàn)作為超聲刀的功能，從而處置部的尺寸可以更大。另外，在驅(qū)動(dòng)部形成在要插入體內(nèi)的部分中的情況下，優(yōu)選地將驅(qū)動(dòng)電壓抑制得較低，即等于或小于30V。在示例3中，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)了通過在驅(qū)動(dòng)電壓等于或小于30V的范圍內(nèi)増大驅(qū)動(dòng)電壓來提高振動(dòng)速度。作為對(duì)比不例，被引用作為現(xiàn)有技術(shù)的"Enhancement of Vibration Amplitudeof Micro Ultrasonic Scalpel using PZT Film " , Minoru KUROSAWA and TakeshiSASANUMA， Technical Report of The Institute of Electronics， Information andCommunication Engineers (IEICE), US2009-109 (213) 31 描述了在壓電兀件形成在基板的ー個(gè)表面上的情況下，在20V的驅(qū)動(dòng)電壓處，振動(dòng)速度約為2m/s (參見該技術(shù)報(bào)告的圖11)。 壓電膜通過水熱合成法來形成，因此，認(rèn)為內(nèi)應(yīng)カ未施加至壓電膜。根據(jù)該技術(shù)報(bào)告顯而易見的是，具有低壓縮應(yīng)力的共振換能器不能達(dá)到足夠的振動(dòng)速度。
權(quán)利要求
1.ー種共振換能器，包括 振動(dòng)板；以及 壓電元件，其包括層壓在所述振動(dòng)板上的壓電膜和上電極，其中， 所述壓電膜被施加有壓縮應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的共振換能器，其中， 所述振動(dòng)板在與形成有所述壓電元件的表面平行的方向上以擴(kuò)展/收縮方式振動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的共振換能器，其中， 所述壓電膜具有等于或大于I U m且等于或小于5 y m的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的共振換能器，其中， 所述壓電膜的內(nèi)應(yīng)カ為等于或大于IOOMPa的壓縮應(yīng)力。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的共振換能器，其中， 所述壓電膜的內(nèi)應(yīng)カ是等于或大于300MPa的壓縮應(yīng)力。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的共振換能器，其中， 所述振動(dòng)板具有僅在與所述振動(dòng)板的振動(dòng)方向垂直的方向上被支持的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的共振換能器，其中， 所述振動(dòng)板具有比所述壓電膜的熱膨脹系數(shù)大的熱膨脹系數(shù)。
8.—種制造共振換能器的方法，包括以下步驟 在等于或高于400°C的溫度下在振動(dòng)板上形成壓電膜，所述壓電膜具有比所述振動(dòng)板的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)；以及 使所述振動(dòng)板和所述壓電膜的溫度返回至室溫，其中， 由于所述振動(dòng)板與所述壓電膜之間的熱膨脹系數(shù)差而將壓縮應(yīng)カ施加至所述壓電膜。
9.一種超聲手木工具，包括根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的共振換能器。
全文摘要
提供了一種可以達(dá)到高振動(dòng)速度的共振換能器、制造共振換能器的方法和包括所述共振換能器的超聲處置工具。具體地，提供了一種共振換能器，其包括振動(dòng)板；以及壓電元件，該壓電元件包括層壓在振動(dòng)板上的壓電膜和上電極，其中，壓電膜被施加有壓縮應(yīng)力，并且提供了一種制造共振換能器的方法和包括共振換能器的超聲處置工具。優(yōu)選地，施加至壓電膜的內(nèi)應(yīng)力為等于大于100MPa的壓縮應(yīng)力。
文檔編號(hào)A61B17/00GK102648862SQ20121004831
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者平林恭稔, 藤井隆滿 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社