層疊型超聲波振動器件和超聲波醫(yī)療裝置的制造方法
【專利摘要】層疊型超聲波振動器件在兩個質(zhì)量塊部件(42、43)之間設(shè)置有多個壓電體(61)，該層疊型超聲波振動器件是使用彈性常數(shù)比兩個質(zhì)量塊部件(42、43)和多個壓電體(61)小的釬焊材料(73、76)，通過具有第一厚度(d1)的第一金屬接合層對作為同種材料接合部的多個壓電體(61)之間進(jìn)行接合，并通過具有比第一厚度(d1)厚的第二厚度(d2)的第二金屬接合層對作為不同種材料接合部的多個壓電體(61)與質(zhì)量塊部件(42、43)之間進(jìn)行接合而成的。
【專利說明】
層疊型超聲波振動器件和超聲波醫(yī)療裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及激勵超聲波振動的層疊型超聲波振動器件和具備該層疊型超聲波振動器件的超聲波醫(yī)療裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在利用超聲波振動進(jìn)行活體組織的凝固/切開處置的超聲波處置器具中，有時在機(jī)頭內(nèi)內(nèi)置有使用了壓電振子的超聲波振動體作為超聲波振動源。
[0003]在這種超聲波振動體中，存在如下的超聲波振動體:將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動的壓電元件被夾持在作為前質(zhì)量塊或后質(zhì)量塊的兩個塊狀的金屬部件中，通過包含粘合等在內(nèi)的某種方法而一體化，使它們成為一體而進(jìn)行振動。這樣的超聲波振子被稱作朗之萬振子。
[0004]朗之萬振子公知有螺栓緊固朗之萬振子，其中，作為使壓電元件和金屬部件一體化的方法，例如在兩個金屬部件之間夾持壓電元件，并利用螺栓進(jìn)行牢固地緊固，從而使整體成為一體而進(jìn)行振動。
[0005]用于這樣的螺栓緊固朗之萬振子的壓電元件通常使用鋯鈦酸鉛(PZT、Pb(Zrx、Th-X)03)，壓電元件的形狀被加工成環(huán)狀而在內(nèi)部貫通有螺栓。
[0006]PZT具有較高的生產(chǎn)性和較高的電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換效率，由于作為壓電材料具有優(yōu)良的特性，因此能夠長年在超聲波振子和致動器等各種領(lǐng)域中使用。
[0007]然而，由于PZT使用了鉛，因此從對環(huán)境的不良影響的方面來看，近年來期望利用不使用鉛的非鉛壓電材料。作為在這樣的非鉛壓電材料中具有較高的電氣機(jī)械轉(zhuǎn)換效率的材料，公知有壓電單晶的鈮酸鋰(LiNb03)。
[0008]作為廉價地實(shí)現(xiàn)使用了鈮酸鋰的朗之萬振子的結(jié)構(gòu)，以往公知有在利用金屬塊夾持壓電元件的狀態(tài)下使它們一體地接合的方法。尤其是，作為金屬塊和壓電元件的接合方法，在不使用粘合劑而利用以焊料為首的釬焊材料進(jìn)行接合的情況下，朗之萬振子能夠獲得比使用粘合劑的情況更加良好的振動特性。
[0009]然而，當(dāng)利用焊料等釬焊材料來接合金屬塊和壓電元件時，通常需要高溫工藝，在作為將金屬塊和壓電元件接合的部分的不同種材料接合部中，具有因熱應(yīng)力而導(dǎo)致壓電單晶的壓電元件破裂的問題。
[0010]作為解決這樣的問題的技術(shù)，例如在日本特開2008-128875號公報的超聲波振動體中被公開。在該以往的超聲波振動體中，公知有如下的技術(shù):在利用粘合劑而與設(shè)置在壓電振子的上下兩面上的電極接合的各金屬塊的接合面上設(shè)置溝道或凹槽等構(gòu)造來抑制在驅(qū)動中產(chǎn)生的剪切應(yīng)變的產(chǎn)生，并降低在接合面的介電損耗等，從而防止壓電振子產(chǎn)生裂紋并且使振動模式穩(wěn)定。
[0011]然而，在日本特開2008-128875號公報所公開的以往的超聲波振動體中，具有在金屬塊表面需要加工工序而使制造成本增加的問題。
[0012]S卩，關(guān)于以往的超聲波振動體，由于為了吸收當(dāng)通過粘合來接合金屬塊和壓電元件時在不同種材料間的接合部產(chǎn)生的熱應(yīng)力、因粘合劑的硬化收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力等而在金屬塊表面設(shè)置溝道或凹槽等構(gòu)造，因此具有需要額外的加工工藝而使成本變高的問題。
[0013]并且，以往的超聲波振動體在要粘合固定壓電振子和金屬塊而使用了熱硬化型的粘合劑的情況下，在使該粘合劑硬化時對接合面附近進(jìn)行加熱。由此，以往的超聲波振動體在粘合劑硬化后，可能會因?yàn)閴弘娬褡雍徒饘賶K的熱膨脹系數(shù)的差而產(chǎn)生與粘合溫度和常溫的溫度差相當(dāng)?shù)募羟袘?yīng)變。
[0014]并且，在壓電振子和金屬塊的接合面上始終會存在殘余應(yīng)力，也具有因?yàn)檫@個原因而在壓電振子的內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的問題。
[0015]因此，本發(fā)明就是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供能夠廉價地制造并且防止由于因作為質(zhì)量塊部件的金屬塊和壓電體的熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致壓電振子破損等的層疊型超聲波振動器件和超聲波醫(yī)療裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]用于解決課題的手段
[0017]本發(fā)明的一個方式的層疊型超聲波振動器件在兩個質(zhì)量塊部件之間設(shè)置有多個壓電體，其中，該層疊型超聲波振動器件是使用彈性常數(shù)比所述兩個質(zhì)量塊部件和所述多個壓電體小的釬焊材料、即柔軟的釬焊材料，通過具有第一厚度的第一金屬接合層對作為同種材料的接合的所述多個壓電體之間進(jìn)行接合，通過具有比所述第一厚度厚的第二厚度的第二金屬接合層對作為不同種材料的接合的所述多個壓電體與所述質(zhì)量塊部件之間進(jìn)行接合而成的。
[0018]并且，本發(fā)明的一個方式的超聲波醫(yī)療裝置具有:層疊型超聲波振動器件，其在兩個質(zhì)量塊部件之間設(shè)置有多個壓電體，該層疊型超聲波振動器件是使用彈性常數(shù)比所述兩個質(zhì)量塊部件和所述多個壓電體小的釬焊材料、即柔軟的釬焊材料，通過具有第一厚度的第一金屬接合層對作為同種材料的接合的所述多個壓電體之間進(jìn)行接合，并通過具有比所述第一厚度厚的第二厚度的第二金屬接合層對作為不同種材料的接合的所述多個壓電體與所述質(zhì)量塊部件之間進(jìn)行接合而成的；以及探針前端部，其傳遞由所述層疊型超聲波振動器件產(chǎn)生的超聲波振動而對活體組織進(jìn)行處置。
[0019]發(fā)明效果
[0020]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供能夠廉價地制造并且防止由于因作為質(zhì)量塊部件的金屬塊和壓電體的熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致壓電體破損等的層疊型超聲波振動器件和超聲波醫(yī)療裝置。
【附圖說明】
[0021]圖1是示出本發(fā)明的一個方式的超聲波醫(yī)療裝置的整體結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0022]圖2是示出該方式的振子單元的整體的概略結(jié)構(gòu)的圖。
[0023]圖3是示出該方式的超聲波振子的結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0024]圖4是示出該方式的超聲波振子的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
[0025]圖5是示出該方式的壓電單晶晶片的立體圖。
[0026]圖6是示出該方式的成膜有基底金屬的壓電單晶晶片的立體圖。
[0027]圖7是示出該方式的被切割的壓電單晶晶片的立體圖。
[0028]圖8是示出該方式的從壓電單晶晶片切出的壓電單晶體的立體圖。
[0029]圖9是該方式的包含超聲波振子在內(nèi)的振子單兀的分解立體圖。
[0030]圖10是該方式的將柔性印刷基板安裝到振子單元的超聲波振子之前的剖視圖。
[0031]圖11是該方式的將柔性印刷基板安裝到振子單元的超聲波振子之后的剖視圖。
[0032]圖12是示出該方式的在超聲波振子上安裝有FPC的振子單元的立體圖。
[0033]圖13是示出該方式的因與質(zhì)量塊部件的熱膨脹系數(shù)的差而在壓電單晶體產(chǎn)生的熱應(yīng)力相對于接合金屬的厚度的關(guān)系的曲線圖。
[0034]圖14是示出該方式的設(shè)置于質(zhì)量塊部件和壓電單晶體之間的接合金屬的一例的分解立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面，利用附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。另外，在下面的說明中，基于各實(shí)施方式的附圖是示意性的，應(yīng)注意到各部分的厚度與寬度的關(guān)系、各個部分的厚度的比例等與現(xiàn)實(shí)不同，即使在附圖的相互之間有時也包含彼此尺寸關(guān)系或比例不同的部分的情況。
[0036]首先，下面根據(jù)附圖對本發(fā)明的一個方式的具備激勵超聲波振動的層疊型超聲波振動器件的超聲波醫(yī)療裝置的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
[0037]圖1是示出超聲波醫(yī)療裝置的整體結(jié)構(gòu)的剖視圖，圖2是示出振子單元的整體的概略結(jié)構(gòu)的圖，圖3是示出超聲波振子的結(jié)構(gòu)的立體圖，圖4是示出超聲波振子的結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，圖5是示出壓電單晶晶片的立體圖，圖6是示出成膜有基底金屬的壓電單晶晶片的立體圖，圖7是示出被切割的壓電單晶晶片的立體圖，圖8是示出從壓電單晶晶片切出的壓電單晶體的立體圖，圖9是包含超聲波振子在內(nèi)的振子單元的分解立體圖，圖10是將柔性印刷基板安裝到振子單元的超聲波振子之前的剖視圖，圖11是將柔性印刷基板安裝到振子單元的超聲波振子之后的剖視圖，圖12是示出在超聲波振子上安裝有FPC的振子單元的立體圖，圖13是示出因與質(zhì)量塊部件的熱膨脹系數(shù)的差而在壓電單晶體產(chǎn)生的熱應(yīng)力相對于接合金屬的厚度的關(guān)系的曲線圖，圖14是示出設(shè)置于質(zhì)量塊部件和壓電單晶體之間的接合金屬的一例的分解立體圖。
[0038](超聲波醫(yī)療裝置)
[0039]圖1所示的超聲波醫(yī)療裝置I主要設(shè)置有:振子單元3，其具有產(chǎn)生超聲波振動的超聲波振子2;以及把手單元4，其利用該超聲波振動進(jìn)行患部的凝固/切開處置。
[0040]把手單元4具有操作部5、前端處置部30以及由長條的外套管7構(gòu)成的插入護(hù)套部
8。插入護(hù)套部8的基端部以能夠在繞軸方向上旋轉(zhuǎn)的方式安裝在操作部5上。
[0041]前端處置部30設(shè)置于插入護(hù)套部8的前端。把手單元4的操作部5具有操作部主體
9、固定把手10、可動把手11以及旋轉(zhuǎn)旋鈕12。操作部主體9與固定把手10形成為一體。
[0042]在操作部主體9與固定把手10的連結(jié)部處，在背面?zhèn)刃纬捎泄┛蓜影咽?1貫穿插入的縫13。可動把手11的上部通過縫13延伸到操作部主體9的內(nèi)部。
[0043]在縫13的下側(cè)的端部固定有把手擋塊14?？蓜影咽?1經(jīng)由把手支軸15可轉(zhuǎn)動地安裝在操作部主體9上。并且，隨著可動把手11以把手支軸15為中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動的動作，可動把手11相對于固定把手10進(jìn)行開閉操作。
[0044]在可動把手11的上端部設(shè)置有大致U字狀的連結(jié)臂16。并且，插入護(hù)套部8具有外套管7和操作管17，其中，該操作管17以能夠沿軸向移動的方式貫穿插入于該外套管7內(nèi)。
[0045]在外套管7的基端部形成有比前端側(cè)部分直徑大的大直徑部18。在該大直徑部18的周圍安裝有旋轉(zhuǎn)旋鈕12。
[0046]在操作管19的外周面設(shè)置有能夠沿軸向移動的環(huán)狀的滑塊20。在滑塊20的后方隔著螺旋彈簧(彈性部件)21配設(shè)有固定環(huán)22。
[0047]并且，把持部23的基端部以經(jīng)由作用銷而能夠轉(zhuǎn)動的方式與操作管19的前端部連結(jié)。該把持部23與探針6的前端部31—起構(gòu)成超聲波醫(yī)療裝置I的處置部。并且，在操作管19進(jìn)行沿軸向移動的動作時，把持部23經(jīng)由作用銷向前后方向進(jìn)行推拉操作。
[0048]這時，在操作管19進(jìn)行向近前側(cè)移動操作的動作時，把持部23經(jīng)由作用銷而以支點(diǎn)銷為中心向逆時針方向轉(zhuǎn)動。
[0049]由此，把持部23向靠近探針6的前端部31的方向(閉方向)轉(zhuǎn)動。這時，能夠在單開型的把持部23和探針6的前端部31之間把持活體組織。
[0050]在像這樣把持活體組織的狀態(tài)下，從超聲波電源將電力供給到超聲波振子2，使超聲波振子2振動。該超聲波振動一直傳遞到探針6的前端部31。并且，利用該超聲波振動進(jìn)行在把持部23和探針6的前端部31之間所把持的活體組織的凝固/切開處置。
[0051](振子單元)
[0052]這里，對振子單元3進(jìn)行說明。
[0053]如圖2所示，振子單元3是將超聲波振子2和探針6組裝成一體而得的，其中，該探針6是傳遞由該超聲波振子2產(chǎn)生的超聲波振動的棒狀的振動傳遞部件。
[0054]超聲波振子2連接設(shè)置有對超聲波振子的振幅進(jìn)行放大的喇叭32。喇叭32由不銹鋼、硬鋁、或例如64Ti(T1-6Al-4V)等鈦合金形成。
[0055]喇叭32形成為外徑隨著朝向前端側(cè)而變細(xì)的圓錐形狀，在基端外周部形成有外向凸緣33。另外，在這里喇叭32的形狀并不限于圓錐形狀，也可以是外徑隨著朝向前端側(cè)而呈指數(shù)函數(shù)變細(xì)的指數(shù)形狀或隨著朝向前端側(cè)而分階段變細(xì)的階梯形狀等。
[0056]探針6具有例如由64Ti(T1-6Al-4V)等鈦合金形成的探針主體34。在該探針主體34的基端部側(cè)配設(shè)有與上述喇叭32連接設(shè)置的超聲波振子2。
[0057]這樣，形成了使探針6和超聲波振子2—體化的振子單元3。另外，在探針6中，探針主體34和喇叭32通過螺紋連接而接合。
[0058]并且，在超聲波振子2產(chǎn)生的超聲波振動通過喇叭32進(jìn)行放大之后，傳遞到探針6的前端部31側(cè)。在探針6的前端部31形成有對活體組織進(jìn)行處置的后述的處置部。
[0059]并且，在探針主體34的外周面，在存在于軸向的中途的振動的節(jié)位置的幾個部位分開間隔地安裝有兩個橡膠襯套35，該橡膠襯套35由彈性部件形成為環(huán)狀。并且，利用這些橡膠襯套35來防止探針主體34的外周面和后述的操作管19的接觸。
[0060]S卩，在進(jìn)行插入護(hù)套部8的組裝時，作為振子一體型探針的探針6插入到操作管19的內(nèi)部。這時，利用橡膠襯套35來防止探針主體34的外周面和操作管19的接觸。
[0061]并且，超聲波振子2經(jīng)由電纜36與供給用于產(chǎn)生超聲波振動的電流的未圖示的電源裝置主體電連接。通過該電纜36內(nèi)的布線從電源裝置主體將電力供給到超聲波振子2，由此，驅(qū)動超聲波振子2。
[0062]根據(jù)以上的說明，振子單元3具有產(chǎn)生超聲波振動的超聲波振子2、使該超聲波振子2所產(chǎn)生的超聲波振動放大的喇叭32以及傳遞該放大的超聲波振動的探針6。
[0063](超聲波振子)
[0064]這里，下面對作為本發(fā)明的層疊型超聲波振動器件的超聲波振子2進(jìn)行說明。
[0065]如圖3和圖4所示，振子單元3的超聲波振子2構(gòu)成為從前端依次具有:上述喇叭32，其通過與作為振動傳遞部件之一的探針主體34螺紋連接等而連接;層疊振子41，其在這里是矩形形狀(四棱柱形狀)，連接設(shè)置于該喇叭32的后方；以及蓋體51，其從喇叭32的基端至電纜36覆蓋層疊振子41。
[0066]另外，覆蓋層疊振子41的蓋體51具有防折部52，該防折部52覆蓋電纜36的布線36a、36b，該電纜36的布線36a、36b在基端部分與作為通電部件的兩個FPC(柔性印刷基板)47、48電連接。另外，通電部件并不限于FPC 47、48，也可以是單純的金屬線。
[0067]層疊振子41的前方側(cè)與這里由矩形形狀(四棱柱狀)的金屬塊體構(gòu)成的前質(zhì)量塊42接合，后方側(cè)與由矩形形狀(四棱柱狀)的金屬塊體構(gòu)成的后質(zhì)量塊43接合，其中，該前質(zhì)量塊42與喇叭32通過螺紋連接等進(jìn)行連接。
[0068]另外，由于前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43需要超聲波振動的吸收少且強(qiáng)度強(qiáng)，因此與喇叭32同樣地由硬鋁形成。并且，前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43也可以是不銹鋼、或例如64Ti(T1-6A1-4V)等鈦合金。
[0069]并且，前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43的長度被設(shè)計(jì)為使超聲波振子2成為所期望的諧振頻率。
[0070]并且，關(guān)于層疊振子41，也可以在前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43之間夾持具有絕緣性且振動不容易衰減的絕緣部件。該絕緣部件可以使用絕緣板，其中，該絕緣板是將例如氧化鋁、氮化硅等陶瓷類材料形成為矩形形狀(四棱柱狀)的板體而得的。
[0071]這樣，層疊振子41通過設(shè)置絕緣部件，即使圖1所示的超聲波醫(yī)療裝置I與使用高頻進(jìn)行處置等的醫(yī)療用的高頻手術(shù)刀等處置器具并用，也能夠防止因來自處置器具的高頻而導(dǎo)致的破損等。
[0072]層疊振子41使用由居里點(diǎn)較高的非鉛單晶材料形成的壓電元件，且該層疊振子41層疊配置有多個(這里是四個)作為壓電單晶芯片(即該壓電元件)的壓電單晶體61。
[0073]在這四個壓電單晶體61、前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43之間交替插裝有作為正電極層的正電側(cè)接合金屬62和作為負(fù)電極層的負(fù)電側(cè)接合金屬63作為將它們分別接合的接合金屬層，該接合金屬層由作為釬焊材料的后述的非鉛焊料形成。
[0074]另外，關(guān)于層疊振子41，上述FPC47、48的電接點(diǎn)部通過焊料、導(dǎo)電性漿料等與設(shè)置于壓電單晶體61之間、壓電單晶體61和前質(zhì)量塊42或后質(zhì)量塊43之間的正電側(cè)接合金屬62或負(fù)電側(cè)接合金屬63電連接。
[0075](超聲波振子的制造方法)
[0076]接下來，下面對以上說明的超聲波振子2的制造方法進(jìn)行詳細(xì)地說明。
[0077]首先，超聲波振子2使用居里溫度(居里點(diǎn))較高、即使在接合金屬的融點(diǎn)下壓電特性也不劣化的壓電材料，在這里由壓電單晶晶片71(參照圖5)制成，其中，該壓電單晶晶片71由作為單晶材料的鈮酸鋰(LiNb03)構(gòu)成。
[0078]另外，壓電單晶晶片71使用被稱作36度旋轉(zhuǎn)Y切的結(jié)晶方位的晶片，以使得壓電元件的厚度方向的電氣機(jī)械結(jié)合系數(shù)大。
[0079]首先，如圖5和圖6所示，在壓電單晶晶片71的正面和背面形成有基底金屬72。
[0080]具體來說，壓電單晶晶片71在正面和背面上具有與非鉛焊料良好的粘附性和潤濕性，例如，由Ti/Ni/Au、Ti/Pt/Au、Cr/Ni/Au或Cr/Ni/Pd/Au構(gòu)成的基底金屬72通過蒸鍍、濺射、電鍍等而成膜。
[0081]接下來，如圖7和圖8所示，將作為壓電體芯片的壓電單晶體61從成膜有基底金屬72的壓電單晶晶片71切出加工成矩形形狀。
[0082]具體來說，利用厚度薄的切割刀片，沿著圖7所示的虛線(假想線)對壓電單晶晶片71進(jìn)行切割，從而提取多個如圖8所示那樣的矩形形狀的作為壓電體芯片的壓電單晶體61。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠廉價地制造多個壓電單晶體61。
[0083]接下來，如圖9所示，層疊了與所期望的超聲波振子2的規(guī)格對應(yīng)的數(shù)量(在這里是四個)的壓電單晶體61，并以夾持由這四個壓電單晶體61構(gòu)成的作為層疊體的層疊振子41的兩端的方式，接合作為質(zhì)量塊部件的前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43。
[0084]具體來說，在四個壓電單晶體61的基底金屬72之間，設(shè)置有作為第一接合材料的第一釬焊材料73，該第一釬焊材料73是非鉛焊料。
[0085]在四個壓電單晶體61之間插裝的三個第一釬焊材料73被設(shè)定為作為同種材料的壓電單晶體61彼此的接合所需的最低限度的厚度dl。另外，第一釬焊材料73通過絲網(wǎng)印刷或帶狀方式(焊料顆粒)而配設(shè)在壓電單晶晶片71的一方的基底金屬72上。
[0086]并且，以夾持層疊有四個壓電單晶體61和三個第一釬焊材料73的層疊振子41的兩端的方式接合作為金屬塊的前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43。
[0087]在這里，在位于兩端的壓電單晶體61與前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43之間設(shè)置有作為第二接合材料的第二釬焊材料76，該第二釬焊材料76是非鉛焊料。
[0088]如圖10所示，在作為不同種材料的壓電單晶體61和前質(zhì)量塊42或后質(zhì)量塊43之間插裝的第二釬焊材料76被設(shè)定為比第一釬焊材料73的厚度dl厚的厚度d2。
[0089]另外，第二釬焊材料76也與第一釬焊材料73同樣地，通過絲網(wǎng)印刷或帶狀方式(焊料顆粒)而配設(shè)在壓電單晶體61的基底金屬72上或前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43的一個面上。
[0090]并且，四個壓電單晶體61、前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43被加熱至將它們彼此接合的第一釬焊材料73和第二釬焊材料76融化的溫度，而慢慢地冷卻。這樣，四個壓電單晶體61、前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43在層疊的狀態(tài)下通過第一釬焊材料73和第二釬焊材料76而彼此接合。
[0091]另外，當(dāng)進(jìn)行接合四個壓電單晶體61、前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43的加熱工序時，可以根據(jù)需要以在層疊方向上壓縮的方式進(jìn)行加壓。
[0092]這樣，完成了將四個壓電單晶體61、前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43層疊并通過第一釬焊材料73或第二釬焊材料76來進(jìn)行接合的超聲波振子2。
[0093]在這樣制造的超聲波振子2中，包含成膜在四個壓電單晶體61上的基底金屬72在內(nèi)，由第一釬焊材料73和第二釬焊材料76構(gòu)成正電側(cè)接合金屬62或負(fù)電側(cè)接合金屬63。
[0094]另外，在前質(zhì)量塊42的一個端面中央，加工有帶有接頭(tap)的螺紋孔42a。通過一體地形成于喇叭32的螺紋部32a與該螺紋孔42a螺合，將喇叭32和前質(zhì)量塊42螺紋連接。
[0095]并且，如圖11和圖12所示，將作為通電部件的兩個FPC 47、48安裝到超聲波振子2。
[0096]具體來說，超聲波振子2的正電側(cè)接合金屬62和負(fù)電側(cè)接合金屬63經(jīng)由使用焊料、導(dǎo)電性漿料等形成的電連接部49而與FPC 47、48的電接點(diǎn)電連接。
[0097]S卩，要取得正電側(cè)接合金屬62和負(fù)電側(cè)接合金屬63與FPC 47、48的電連接，F(xiàn)PC47、48的電接點(diǎn)經(jīng)由電連接部49與正電側(cè)接合金屬62和負(fù)電側(cè)接合金屬63的外表面接觸，并且將FPC 47、48固定于層疊振子41。
[0098]這樣，確立了正電側(cè)接合金屬62和負(fù)電側(cè)接合金屬63與FPC 47、48的電連接。并且，F(xiàn)PC 47、48連接有上述電纜36的布線36a、36b(參照圖3和圖4)。
[0099 ]另外，在圖1O至圖12中，示出了喇叭32和前質(zhì)量塊42被螺紋連接的狀態(tài)，但是，關(guān)于喇叭32和前質(zhì)量塊42通過螺紋連接的接合，只要在FPC 47、48安裝到超聲波振子2之前或之后進(jìn)行即可。
[0100]根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，作為正電極側(cè)，電纜36的布線36a與FPC47、電連接部49以及正電極側(cè)金屬62電連接。并且，作為負(fù)電極側(cè)，電纜36的布線36b與FPC 48、電連接部49以及負(fù)電極金屬63電連接。通過這些電連接，驅(qū)動信號經(jīng)由正電側(cè)接合金屬62被施加到四個壓電單晶體61，從負(fù)電側(cè)接合金屬63返回。
[0101]另外，可以在正電側(cè)接合金屬62、負(fù)電側(cè)接合金屬63和電連接部49的露出的表面部分，通過樹脂等絕緣體覆蓋，防止產(chǎn)生不良的不必要的電連接，也可以以加強(qiáng)FPC 47,48的機(jī)械的固定為目的，通過粘合劑將FPC 47、48固定于正電側(cè)接合金屬62和負(fù)電側(cè)接合金屬63。并且，F(xiàn)PC 47、48也可以通過粘合劑而固定于四個壓電單晶體61的側(cè)部的表面上。
[0102]根據(jù)以上說明的超聲波振子2的制造工藝，利用接合金屬層和作為正電側(cè)接合金屬62以及負(fù)電側(cè)接合金屬63的第一釬焊材料73以及第二釬焊材料76來從前端依次接合前質(zhì)量塊42、四個壓電單晶體61和后質(zhì)量塊43而使它們一體化，將驅(qū)動信號從設(shè)置于該層疊體的側(cè)面的FPC 47、48經(jīng)由電連接部49施加到正電側(cè)接合金屬62，并由負(fù)電側(cè)接合金屬63進(jìn)行返回，從而使超聲波振子2的整體進(jìn)行超聲波振動。
[0103]可是，在上述超聲波振子2中，由于將層疊振子41的壓電單晶體61彼此接合的部位是同種材料，這里是鈮酸鋰(LiNb03)彼此的接合，因此，因接合時和驅(qū)動時的溫度變化而在四個壓電單晶體61產(chǎn)生的熱應(yīng)力小。
[0104]另一方面，由于將壓電單晶體61與前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43接合的部位是不同種材料的接合，因此，因不同的兩種材料，這里是鈮酸鋰(LiNb03)的熱膨脹系數(shù)(8?15X10—6[1/°C])和硬鋁的熱膨脹系數(shù)(24X10—6[1/°C])的差而導(dǎo)致接合時和驅(qū)動時的溫度變化，從而在位于與前質(zhì)量塊42或后質(zhì)量塊43接合的兩端的兩個壓電單晶體61產(chǎn)生比同種材料接合部大的熱應(yīng)力。
[0105]因此，在位于與前質(zhì)量塊42或后質(zhì)量塊43接合的兩端的兩個壓電單晶體61中，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，隨著內(nèi)力的增加會在內(nèi)部產(chǎn)生壓力而產(chǎn)生裂紋。
[0106]并且，構(gòu)成正電側(cè)接合金屬62或負(fù)電側(cè)接合金屬63的第一釬焊材料73和第二釬焊材料76是比壓電單晶體61、前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43楊氏模量(彈性常數(shù))小且柔軟的材料。
[0107]因此，第一釬焊材料73或第二釬焊材料76具有吸收在壓電單晶體61中產(chǎn)生的熱應(yīng)力的作用，但也會增加由超聲波振子2產(chǎn)生的超聲波的吸收。
[0108]因此，若第一釬焊材料73和第二釬焊材料76的厚度過厚，則會降低作為朗之萬振子的超聲波振子2的特性。
[0109]為了防止這種情況，關(guān)于本實(shí)施方式的超聲波振子2，將作為對同種材料的四個壓電單晶體61之間進(jìn)行接合的同種材料接合部的第一釬焊材料73的厚度設(shè)為四個壓電單晶體61的接合所需的最低限度的厚度dl，將作為產(chǎn)生相對較大的熱應(yīng)力的不同種材料接合部的第二釬焊材料76的厚度d2設(shè)為比第一釬焊材料73的厚度dl厚(dl<d2)，從而使加熱工序時和驅(qū)動時的熱應(yīng)力不容易傳遞到兩端的兩個壓電單晶體61。
[0110]換言之，第二釬焊材料76比壓電單晶體61、前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43楊氏模量(彈性常數(shù))小且柔軟。因此，在超聲波振子2中，增加第二釬焊材料76的厚度，使其作為應(yīng)力緩和層而發(fā)揮作用，該應(yīng)力緩和層將作為不同種材料接合部的接合壓電單晶體61和前質(zhì)量塊42或后質(zhì)s；塊43接合。
[0111]并且，作為應(yīng)力緩和層的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選其厚度較厚，但如果與前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43中所使用的由硬鋁和鈮酸鋰(LiNb03)構(gòu)成的壓電單晶體61相比，會使超聲波振子2所產(chǎn)生的超聲波的損失變大。
[0112]因此，優(yōu)選第一釬焊材料73和第二釬焊材料76的體積盡可能小。即，作為超聲波振子2整體的特性，第一釬焊材料73和第二釬焊材料76的體積小會使產(chǎn)生的超聲波的損失也較少。
[0113]因此，本實(shí)施方式的超聲波振子2使用使熱應(yīng)力幾乎不產(chǎn)生的四個壓電單晶體61之間的接合部所需的最低限度的厚度dl的第一釬焊材料73來防止性能降低(Q值降低)，并且在設(shè)置于因熱膨脹系數(shù)差而導(dǎo)致熱應(yīng)力顯著地產(chǎn)生的兩端的兩個壓電單晶體61與前質(zhì)量塊42或后質(zhì)量塊43的接合部處使用比第一釬焊材料73厚的厚度d2的第二釬焊材料76，由此，減少該熱應(yīng)力，抑制設(shè)置于不同種材料接合部的兩個壓電單晶體61的裂紋。
[0114]由此，超聲波振子2能夠防止在與前質(zhì)量塊42或后質(zhì)量塊43接合的兩端設(shè)置的兩個壓電單晶體61的裂紋，并且防止作為超聲波振子2整體的性能劣化。
[0115]另外，為了減小在壓電單晶體61中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，優(yōu)選使用第一釬焊材料73和第二釬焊材料76的熱膨脹系數(shù)在壓電單晶體61的熱膨脹系數(shù)(8?15X 10—6[1/°C])與前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43的熱膨脹系數(shù)(24X10—6[1/°C])之間的接合金屬。
[0116]第一釬焊材料73和第二釬焊材料76例如使用具有鈮酸鋰(LiNb03)的壓電單晶體61與硬鋁的前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43的熱膨脹系數(shù)之間的熱膨脹系數(shù)的Sn-Ag-Cu類焊料。
[0117]用于第一釬焊材料73和第二釬焊材料76的Sn-Ag-Cu類焊料的熱膨脹系數(shù)是比鈮酸鋰(LiNb03)的熱膨脹系數(shù)(8?15父10—6[1/°(:])大且比硬鋁的熱膨脹系數(shù)(24\10—6[1/°(:])小的21父10—6[1/°(:]。
[0118]由此，尤其是，作為設(shè)置于兩端的兩個壓電單晶體61與前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43的接合材料的Sn-Ag-Cu類焊料的第二釬焊材料76發(fā)揮吸收設(shè)置于兩端的兩個壓電單晶體61與前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43的熱膨脹系數(shù)差的作用，從而減小對壓電單晶體61的應(yīng)力，防止在壓電單晶體61的內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。
[0119]另外，第二釬焊材料76只要具有鈮酸鋰(LiNb03)和硬鋁的熱膨脹系數(shù)之間的熱膨脹系數(shù)即可，除了 Su-Ag-Cu類焊料之外，例如也可以是Sn類焊料、Sn-Ag類焊料或Sn-Cu類焊料。
[0120]并且，在壓電單晶體61中因前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43的熱膨脹系數(shù)的差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力根據(jù)第二釬焊材料76的厚度而像圖13所示那樣的曲線所示出那樣產(chǎn)生。
[0121]另外，圖13的曲線上的Pl表示由于因前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43的熱膨脹系數(shù)差而產(chǎn)生的熱應(yīng)力σ I導(dǎo)致壓電單晶體61破裂的點(diǎn)。
[0122]這里，作為接合金屬的第二釬焊材料76的厚度d2根據(jù)Pl被設(shè)定為:從Ρ2所示的即使在考慮了規(guī)定的安全率(例如熱應(yīng)力σ?的一半)的壓電單晶體61中產(chǎn)生熱應(yīng)力σ2也不會破裂的厚度d2min以上至Ρ3所示的即使改變釬焊材料76的厚度在壓電單晶體61中產(chǎn)生的熱應(yīng)力σ3也幾乎不變化的厚度d2max。
[0123]另外，如圖13所示，即使第二釬焊材料76的厚度d2超過了厚度d2max，但由于因前質(zhì)量塊42和后質(zhì)量塊43的熱膨脹系數(shù)差而在壓電單晶體61中產(chǎn)生的熱應(yīng)力σ3也不變化，因此若比厚度d2max厚，則導(dǎo)致超聲波振子2的性能進(jìn)一步降低。
[0124]因此，第二釬焊材料76的厚度d2只要是使超聲波振子2產(chǎn)生的超聲波的損失在規(guī)格的容許范圍內(nèi)，則最優(yōu)選厚度d2max。即，第二釬焊材料76的厚度d2的上限是使在壓電單晶體61中產(chǎn)生的熱應(yīng)力o3不變化的最薄的厚度d2max。
[0125]并且，為了使第二釬焊材料76的厚度d2相對于第一釬焊材料73的厚度dl增加，由于只要事先使基于絲網(wǎng)印刷的厚度設(shè)定或預(yù)先準(zhǔn)備的焊料顆粒變厚即可，因此能夠?qū)崿F(xiàn)廉價的超聲波振子2，而不變更額外的工序、工藝等。
[0126]另外，在將帶狀方式(焊料顆粒)用于第一釬焊材料73和第二釬焊材料76的情況下，例如如圖14所示，如果將多個(這里是兩個)第一釬焊材料73重疊而形成第二釬焊材料76，則不需要準(zhǔn)備厚度不同的第二釬焊材料76。即，通過將第二釬焊材料76設(shè)定為第一釬焊材料73的整數(shù)倍的厚度d2，會變得更廉價。
[0127]并且，在上述內(nèi)容中，關(guān)于超聲波振子2，列舉了矩形塊狀的能夠最廉價地制造的形狀，但并不限于此，這些部件的形狀也可以例如是圓柱形狀。
[0128]如以上說明的那樣，作為本實(shí)施方式的層疊型超聲波振動器件的超聲波振子2和具有該超聲波振子2的超聲波醫(yī)療裝置I能夠廉價地制造，并且構(gòu)成為能夠防止由于因作為質(zhì)量塊部件的金屬塊和壓電體的熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致壓電體破損等。
[0129]上述實(shí)施方式中記載的發(fā)明并不限于其實(shí)施方式以及變形例，除此之外，在實(shí)施階段在不脫離其主旨的范圍內(nèi)可以實(shí)施各種變形。并且，在上述實(shí)施方式中，包含了各種階段的發(fā)明，通過將公開的多個結(jié)構(gòu)要素進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合可以提出各種發(fā)明。
[0130]例如，即使從實(shí)施方式所示的所有結(jié)構(gòu)要素中刪除幾個結(jié)構(gòu)要素，也能夠解決上述課題，在能夠獲得上述效果的情況下，刪除該結(jié)構(gòu)要素的結(jié)構(gòu)也可以作為發(fā)明而被提出。
[0131]本申請是以2014年I月27日在日本申請的日本特愿2014-012687號作為優(yōu)先權(quán)主張的基礎(chǔ)而申請的，上述內(nèi)容在本申請說明書、權(quán)利要求書、附圖中被引用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種層疊型超聲波振動器件，在兩個質(zhì)量塊部件間設(shè)置有多個壓電體，其特征在于， 所述層疊型超聲波振動器件是使用彈性常數(shù)比所述兩個質(zhì)量塊部件和所述多個壓電體小的釬焊材料，通過具有第一厚度的第一金屬接合層對作為同種材料接合部的所述多個壓電體之間進(jìn)行接合，并通過具有比所述第一厚度厚的第二厚度的第二金屬接合層對作為不同種材料接合部的所述多個壓電體與所述質(zhì)量塊部件之間進(jìn)行接合而成的。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的層疊型超聲波振動器件，其特征在于， 所述多個壓電體是壓電單晶材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的層疊型超聲波振動器件，其特征在于， 所述第一金屬接合層和第二金屬接合層為電極層。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任意一項(xiàng)所述的層疊型超聲波振動器件，其特征在于， 所述釬焊材料的熱膨脹系數(shù)在所述多個壓電體的熱膨脹系數(shù)與所述兩個質(zhì)量塊部件的熱膨脹系數(shù)的中間范圍內(nèi)。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任意一項(xiàng)所述的層疊型超聲波振動器件，其特征在于， 所述釬焊材料使用具有所述第一厚度的焊料顆粒， 所述第二厚度被設(shè)定為所述第一厚度的整數(shù)倍。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任意一項(xiàng)所述的層疊型超聲波振動器件，其特征在于， 所述第二厚度的上限是使因與所述兩個質(zhì)量塊部件的熱膨脹系數(shù)的差而在所述多個壓電體中產(chǎn)生的熱應(yīng)力不變化的最薄的厚度。7.一種超聲波醫(yī)療裝置，其特征在于， 該超聲波醫(yī)療裝置具有: 權(quán)利要求1至6中的任意一項(xiàng)所述的層疊型超聲波振動器件；以及探針前端部，其傳遞由所述層疊型超聲波振動器件產(chǎn)生的超聲波振動而對活體組織進(jìn)行處置。
【文檔編號】H01L21/607GK105934954SQ201580005735
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年1月21日
【發(fā)明人】伊藤寬, 鹽谷浩, 鹽谷浩一
【申請人】奧林巴斯株式會社