谐振换能器和包括谐振换能器的超声处置装置的制作方法

专利名称：谐振换能器和包括谐振换能器的超声处置装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及谐振换能器和包括该谐振换能器的超声处置装置，更具体地讲，本发明涉及能够获得高振动速度的谐振换能器和包括该谐振换能器的超声处置装置。
背景技术：
近年来，在医疗领域，为了实现手术后的早日康复并且减少患者的负担，要求切ロ部分的尺寸最小化。作为达到这个目的的方法，内窥镜外科手术已经得到了有效实施。已经开发了各种外科手木工具用于内窥镜外科手木。这样也扩展了内窥镜外科手术的应用范围。在这种情况下，期望超声刀成为用于内窥镜外科手术的工具。下述的专利文献I (日本专利申请公开No. 2002-65689)公开了这样ー种超声处置 装置，其包括一种通过产生超声振动的压电元件来在处置部分中激发超声振动的超声处置装置、増加所产生的超声振动幅度的喇叭部分、以及用于传递振动的探针。非专利文献I (Minoru Kurosawa 和 Takeshi Sasanuma 的“ Enhancement ofVibration Amplitude of Micro Ultrasonic Scalpel using PZT Film”， The Instituteof Electronics, Technical Report of IEICE，US2009-109 (213) 31)提出了ー种使用纵向振动(在几乎垂直于要切除的活体表面的方向上的振动)的微超声手木刀，g在将该微超声手木刀用于内窥镜手木。该装置以d31模式激发压电膜的纵向振动，并且能够结合传感器装置来检测振动速度。

发明内容
专利文献I中公开的超声处置装置使用了朗之万换能器，其被栓接至压电元件以获得高振动速度。该超声处置装置的振动速度不足以用于进行切ロ、血凝固等，因此该装置需要用来提高振动速度的喇叭部分。然而，为了利用喇叭部分提高振动速度，需要相对于处置部分增加振动部分的尺寸。为此，当在内窥镜中使用超声处置装置吋，由于振动部分的尺寸被限制为直径约为2mm至IJ 3_，因此进ー步减小了处置部分的尺寸。这带来了例如延长了处置时间的问题。非专利文献I公开了ー种具有矩形形状而不具有任何喇叭部分的结构，以及具有变换比为3. 5的喇叭部分的结构。根据该文献，具有矩形形状的振动部分的振动速度是2米/秒，而具有喇叭部分的结构中振动部分的振动速度是7米/秒。为了进行切口和血凝结，超声处置装置需要具有7米/秒的振动速度，因此变换比需为3. 5或更高。这样将会使处置部分的宽度减小到小于1mm。此外，振动カ拒按照变换比而不利的减小。本发明是在考虑了上述情况下做出的，并且本发明的ー个目的提供了ー种能够获得高振动速度的谐振换能器和包括该谐振换能器的超声处置装置为了达到上述目的，根据本发明，提供了ー种谐振换能器，其包括振动板和压电元件，其中压电兀件包括压电膜和上电极，其中，振动板的杨氏模量和压电膜的杨氏模量之间的差不超过振动板的杨氏模量的20%。
本发明中，振动板的杨氏模量和压电膜的杨氏模量之间的差优选地不超过振动板的杨氏模量的10%。根据本发明，由于使得振动板的杨氏模量和压电膜的杨氏模量之间的差落入振动板的杨氏模量的20%的范围内，优选地落入10%的范围内，因此能够通过振动板和压电膜的谐振来提高振动速度。本发明中，振动板优选地在相对于形成有压电元件的表面的水平方向上进行伸縮振动。根据本发明，由于振动板在相对于形成有压电元件的表面的水平方向上进行伸縮 振动，因此当谐振换能器被用做超声处置装置时，可以实施活体的切ロ动作以及利用血凝结的止血动作。本发明中，振动板优选地由钛(Ti)和钛(Ti)合金之一形成。根据本发明，由于钛或钛合金被用作振动板的材料，因此可以很容易地减小振动板的杨氏模量与形成在振动板上的压电膜的杨氏模量之间的差。另外，当谐振换能器例如被用于超声处置装置时，该装置能够被安全地用在体内。本发明中，所述压电膜的厚度优选地不小于I μ m并且不大于5 μ m。根据本发明，将压电膜的厚度设置在上述范围内能够减小设备的尺寸。本发明中，机械品质因数Qm优选地不小于2000。本发明中，机械品质因数Qm优选地不小于4000。根据本发明，将机械品质因数Qm设置在上述范围内能够抑制谐振换能器中的热量的产生，能够获得高振动速度。为了达到上述目的，本发明提供了 ー种包括上述谐振换能器的超声处置装置。由于本发明的谐振传感器能获得高振动速度，因此不需要喇叭部分或者可以减小变换比。这样允许了增加处置部分的尺寸。因此，谐振换能器可以更加适合地用作超声处
置装置。根据本发明的谐振换能器和包括该谐振换能器的超声处置装置，将振动板和压电膜的杨氏模量设置在期望的范围内使得能够获得高振动速度。


图I是示出谐振换能器的结构的平面图；图2是示出谐振换能器的驱动部分的结构的剖视图；图3A是RF溅射设备的示意剖视图；图3B是示出膜形成期间的状态的示意图；图4是示出超声处置装置的整体布置的示图；图5是示出了本实施例中频率和振动速度之间的关系的曲线图；图6是示出了本实施例中驱动电压和振动速度之间的关系的曲线图。
具体实施例方式下面将參照附图描述根据本发明的谐振换能器和包括该谐振换能器的超声处置装置的优选实施例。
[谐振换能器]图I是示意性示出本发明使用的谐振换能器50的结构示例的平面图。图2是示意性示出图I中示出的谐振换能器50的驱动部分56的衬底(振动板)52和压电元件54的结构的剖视图。如图I所示，谐振换能器50的构成包括包括压电元件54并使衬底52振动的驱动部分56、处于衬底52的远端并在压电兀件54被驱动的时候进行振动的振动部分58、支撑驱动的支撑部分60、以及将驱动部分56固定至支撑部分60的固定部分62。參考图1，用驱动部分56和固定部分62将压电元件54设置在支撑部分60的一部分上。这种结构的用途在于将电极连接到支撑部分60上的压电元件54。形成压电元件54的位置不做具体限定，只要压电元件54形成于驱动部分56之上即可。如图2所示，通过在衬底52上提供下电极64、压电膜66、和上电极68来形成压电元件54。[压电元件] 下面将对用于本发明谐振换能器50的压电元件54进行描述。如图2所示，压电元件54是通过在衬底52上顺序层叠下电极64、压电膜66、和上电极68而形成的元件，并且压电兀件54构造为通过下电极64和上电极68在厚度方向上向将压电膜66施加电场。当电场被施加到压电膜66时,压电膜66在与压电兀件54的电场方向垂直的方向上(d31方向)伸展和收缩，并因此在衬底52的纵向(即，相对于形成压电元件54的表面的水平方向)上发生了伸縮振动。对于衬底52的材料，可以使用如11、5旧31，或者11、5旧、41的合金。用作衬底52的衬底的杨氏模量与形成在衬底上的压电膜的杨氏模量之间的差不超过衬底的杨氏模量的20%。在这些材料中，优选地使用Ti和Ti合金。使用Ti和Ti合金可以很容易地使得衬底的杨氏模量与压电膜的杨氏模量的差落入期望的范围。另外，将这样的衬底用于超声处置装置(将会在后面进行描述)等可以使之安全使用。设定a为衬底的杨氏模量并且b为压电膜的杨氏模量,可以根据杨氏模量差=(|a-b|/a)xl00(% )获得与衬底的杨氏模量差。可以根据需要来提供下电极64。例如，如果由诸如金属之类的导电性材料来形成衬底52，则可以直接在衬底52上形成压电膜66而不需要提供任何下电极。对下电极64的主要成分不做具体的限定，可以是诸如Au、Pt、Ir、Ir02、Ru02、LaNi03、或者SrRuO3之类的金属或者金属氧化物’或者是ム!!、？^〗!·、〗!^、!^^、!^^、— SrRuO3的化合物。对上电极68的主要成分不做具体的限定，可以是针对下电极64举例说明的材料中的ー种、或者是用于普通半导体エ艺的电极材料，例如Al、Ta、Cr、或Cu，或它们的化合物。对于压电膜66，可以使用一种或者多种由如下通式(P)表示的钙钛矿型氧化物通式AaBbO3... (P)(其中，A:A位元素，其至少包括ー种包括Pb的元素；B :B位元素，其包括从由Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe、Ni 和镧系元素组成的组中选择的至少ー种元素；以及O :氧，虽然a = I. O以及b = I. O是标准值，但是在能够形成钙钛矿结构的范围内这些值可以不为1.0)通过使用如下描述的气相沉积法形成压电膜可以形成成分由I. O < a表示而未缺失Pb的压电膜，因此也形成具有由I. O < a表示的富Pb成分的压电膜。对a的上限不做具体的限定，并且只要I. O < a < I. 3就可以获得具有良好压电性能的压电膜。对下电极64和上电极68的厚度不做具体的限定，例如，可以是大约200nm。对压电膜66的厚度不做具体的限定，通常是I μ m或者更大，例如I至5 μ m。[制造压电膜的 方法]下面将描述制造压电膜的方法。可以通过使用等离子体的气相沉积法形成膜来制造根据本发明的压电膜。可以基于膜形成温度Ts(°C )、膜形成时等离子体中的等离子体电位Vs (V)与浮动电位(floating potential) Vf (V)之间的差Vs-Vf (V)、以及要形成的膜的特性来确定膜形成条件。可以使用的气相沉积法包括溅射法、离子束溅射法、离子镀法、等离子体CVD法。可以实现上述关系的膜特性包括膜和/或膜成分的晶体结构。调整膜的成分可以改变压电膜的杨氏模量。下面參考图3A和图3B以溅射设备为例来描述使用等离子体的膜形成设备的布置示例。图3A是RF溅射设备的示意剖视图。图3B是示意性示出膜形成期间的状态的示图。RF溅射设备100大致由真空腔室110形成，真空腔室110内部包括安装有衬底B并且能够将衬底B加热到预定温度的加热器111以及产生等离子体的等离子体电极(阴极电极)112。加热器111和等离子体电极112彼此分离且彼此面对，并且具有与所要形成的膜的成分相对应的成分的靶材T安装在等离子体电极112上。等离子体电极112连接到RF电源113。气体引入管114和气体排出管115附接至真空腔室110。气体引入管114用于将膜形成所必需的气体G引入到真空腔室110中。气体排出管115用于执行真空腔室110中的气体的排气V的排出。例如，可以使用Ar或者Ar/02的混合气体作为气体G。如图3B中示意性所示，等离子体电极112进行放电以使引入到真空腔室110中的气体G等离子化，从而产生诸如Ar离子之类的正离子Ip。产生的正离子Ip对靶材T进行溅射。被正离子Ip溅射的靶材T的构成元素Tp从靶材中被释放出来，并且以中性或离子化状态沉积到衬底B上。图3B中的參考符号P表示等离子体空间。等离子体空间P的电位对应于等离子体电位Vs (V)。一般来说，衬底B是绝缘体并且和大地电绝缘。因此衬底B处于浮接状态。衬底B的电位对应于浮动电位Vf(V)。一般认为在靶材T和衬底B之间的构成元素Tp与衬底B在膜形成期间以与对应于等离子体空间P的电位与衬底B的电位之间的电位差Vs-Vf的加速电压的相对应动能进行碰撞。可以通过使用朗缪尔探针来测量等离子体电位Vs和浮动电位Vf。探针的电压增加到超过浮动电位Vf将会逐渐减少离子电流。结果，只有电子电流到达探针。该边界电压对应于等离子体电位Vs。可以通过在衬底和靶材之间设置接地来改变电位差Vs-Vf。在使用等离子体的气相沉积法中，影响要形成的膜的特性的因素包括膜形成温度、衬底的类型、下层膜(如果其被事先形成在衬底上)的成分、衬底的表面能、膜形成压力、大气气体中的氧气量、注入功率、衬底与靶材之间的距离、等离子体中的电子温度和电子密度、等离子体中的活性物质的浓度和活性物质的生存期。本发明中，除了上述使用等离子体的气相沉积法以外，还可以通过诸如有机金属化学气相沉积(MOCVD)法和脉冲激光沉积(PLD)法之类的气相方法、诸如溶胶-凝胶法和有机金属分解法之类的液相方法、以及气溶胶沉积法来形成膜。另外，可以通过将块状陶瓷直接彼此接合并且通过抛光将所形成的结构减薄到所需的膜厚度来形成膜。所要用来形成膜的膜形成方法不做具体的限定，只要衬底和所形成的压电膜之间的杨氏模量的差可以落在衬底的杨氏模量的20%的范围之内即可。[压电膜的性能]可以通过改变上述膜形成条件来减小压电膜振动时作用在衬底和压电膜之间的界面上的应力，从而使得衬底和压电膜之间的杨氏模量的差落在衬底的杨氏模量的20%的范围内。这样可以改善机械品质因数Qm。从下面描述的实施例中的频率/振动速度曲线图中可以获得机械品质因数Qm。机械品质因数Qm是表示由于振动所引起的弾性损耗的系数，并且通过机械损耗 因子的倒数来表示。当压电元件弾性振动时，出现内部损耗并且转化为热能。換言之，如果机械品质因数Qm很低，则由于振动是产生热量的ー个因素，而不能获得高振动速度。在本发明中，当使衬底和压电膜之间的杨氏模量的差落在衬底的杨氏模量的20%的范围内时，机械品质因数Qm増加。这样可以抑制热量的产生，从而能获得高振动速度。更加优选地，使得衬底和压电膜之间的杨氏模量的差落在衬底的杨氏模量的10%的范围内。使得衬底和压电膜之间的杨氏模量的差落在衬底的杨氏模量的20%的范围内可以使机械品质因数Qm増加到2000或者更大。另外，优选地将机械品质因数Qm设置为4000或者更大。[超声处置装置]下面对本发明的使用谐振换能器的超声处置装置的示例进行描述。图4是示出作为超声处置装置的一个示例的包括超声刀的超声处置装置的整体布置的示图。超声处置装置10包括用作诸如针形刀或用于外部切ロ以及在ESD处置中用于膜分离的刀(以下也称为“解剖刀”)之类的超声刀(手木刀)的刀部分12、以及由手术员进行操作以使刀部分12用作超声刀的操作単元主体14。超声处置装置10还包括将电压施加到刀部分12的高频发生器16。在超声处置装置10中，刀片部分18相当于谐振换能器50的衬底52。刀部分12包括刀片部分(处置部分)18、压电元件54、刀片固定部分22、具有柔性的外壳(连接部分)、第一电极(地电位)26、第二电极28、树脂密封件30、以及软线46。操作单元主体14包括用于刀片部分18的操作的环32a、32b、和32c，以及作为高频发生器16的连接端子的连接器34。应该注意，操作単元主体14的连接器34通过高频电压线38将电连接到高频发生器16。刀部分12的刀片部分18用作用于外部切ロ、环切(切割)以及在ESD处置中的黏膜剥离的解剖刀，并且被构造为随压电膜54的振动而振动。増加和減少施加到压电元件54的电场强度将会使压电元件54扩张或收缩，从而使刀片部分18在图4中箭头指示的方向上进行超声振动。这样使得可以进行切ロ。刀片固定部分22固定到外壳24的远端的内部,且刀片固定部分22具有支撑刀片部分18从而使其能够往复运动(前进运动和后退运动)的功能。換言之，当刀片部分18从外壳24的远端突出或者后退到外壳24的远端内时，刀片固定部分22对刀片部分18进行支撑从而使其相对于外壳24作前进运动和后退运动。
外壳24由具有柔性的绝缘材料制成并且从物理和电气上保护刀片部分18、压电兀件54、第一电极26、以及第ニ电极28。第一电极26和第二电极28用于将高频电压施加到压电元件54。这些电极由导电材料制成并且被分别耦接到环32b和32c。树脂密封件30用于密封外壳24位于活体侧的端部。在本发明中，压电元件54可以设置在插入体内的部分中，因此优选地将其覆以树脂以防触电。此外，由于压电膜66可以由铅制成，因此优选地将压电膜66覆以树脂。使用树脂作为外壳24的密封材料可以驱动刀片部分18时减少共振频率的影响。下面将对操作单元主体14的布置和操作进行描述。手术员将他/她的拇指、食指、和中指分别插入到操作単元主体14的环32a、操作滑块的环23b和32c中，并且沿着操作単元主体14滑动操作滑块。利用该滑动操作，刀片部分18可以通过耦接到操作滑块的软线46从外壳24作前进运动和后退到外壳24中(往复运动)。来自高频发生器16的高频电压线连接到连接器34，并且第一电极26和第二电极28电连接到连接器34。因此，该高频电压被施加到第一电极26和第二电极28，以使压电元件54振动。这使得刀片部分18进行超声振动，从而使其用作解剖刀。使用上述超声刀的处置装置(内窥镜)具有大约为3mm的钳孔。可以通过对超声刀提供喇叭形状来提高振动部分的振动速度。但是，増加喇叭的放大比将会限制孔的尺寸，导致处置部分(振动部分)的尺寸的减小。处置部分的减少将会增加处置需要的操作量。这样会延长外科手术的时间。目前使用的超声刀的远端直径约为1mm，其对应的变换比大约是3。假设使用的是指数型喇叭(exponential horn)。在这种情况下，由于可以根据振动部分的直径和处置部分的直径之间的比率获得变换比，所以变换比优选地是2或更小。因为超声手木刀所需要的振动速度是7米/秒或以上，所以没有变换比的矩形形状的振动部分的振动速度优选地为3. 5米/秒或以上。应该注意，本发明的谐振换能器不限于上述超声刀，而是可以用于各种类型的致动器、谐振器、传感器、振荡器等等。通过使用由杨氏模量为113Gpa的Ti合金制成的Ti_6AI_4V衬底来制造如图I所示的矩形谐振换能器。振动部分通过固定部分固定到支撑部分。衬底的厚度为O. 3_。通过派射法将由TiW制成的50nm厚的第一层和由Ir制成的150nm厚的第二层形成在衬底上作为下电扱。通过将溅射设备的功率设置为500瓦(例I)和700瓦(例2)的溅射法，在下电极上形成锆钛酸铅(PZT)膜。压电膜的厚度为4μπι。可以通过改变功率来改变压电膜中铅的含量，从而改变与铅的含量对应的杨氏模量。如下为膜形成条件，其中膜形成温度设置为550°C 膜形成设备射频溅射设备靶材=Pb1.3((Zrtl 52Tia Jci 88Nbtl l2) O3 烧结体(B 位中的 Nb 含量12mol% )衬底温度450°C衬底与靶材之间的距离60mm膜形成压カ0. 29Pa膜形成气体Ar/02 = 97 . 5/2 . 5 (摩尔比)、
通过X射线荧光分析測量到的所形成的压电膜中的铅含量为I.05摩尔比(例I)和I. 10摩尔比(例2)。通过纳米压痕方法测量到的杨氏模量为IIOGPa(例I)和IOlGPa(例2)。通过使用金属掩模形成由TiW制成的50nm厚的第一层和由Pt制成的150nm厚的第二层作为上电极，以覆盖从振动部分的末端部分延伸到与末端部分分隔开O. Imm的部分的整个范围。另外，通过固定部分将电极焊盘的图案形成在支撑部分上。通过将O. 7V的电压施加到与下电极电连接的Ti衬底以及与上电极电连接的电极焊盘来驱动振动部分。通过激光多普勒测振仪来测量谐振换能器的侧表面的振动速度。图5不出了结果。在例I和例2中，在291. 50Hz处获得了最大振动速度。从峰值频率291. 50Hz处获得机械品质因数时，在例I中为Qm = 4908，在例2中为Qm = 2698。请注意机械品质因数Qm被使用作为表示谐振锐度的量，并且根据下列公式由谐振时的振幅放大倍率来定义 [公式I]-^l = — = Qm
xst 2C作为获得Qm值的方法，可以通过谐振频率ち和与谐振曲线的最大振幅相距_3dB的点处的频率带宽Af =ち-も的比率来获得Qm值。[公式2]
I fQm = — = r 0
J2 ~ λ然后在291. 50Hz处改变电压，然后对谐振频率和谐振振动速度进行测量。图6示出了结果。在例I中，振动速度随着施加电压几乎成正比地増加，并且在28V时可以获得大约8米/秒的振动速度。在例2中，振动速度随着施加电压成正比地增加到3米/秒。但是，当振动速度达到约3. 5米/秒时，振动速度不会随着电压的増加而增加。这可能是因为，由于机械品质因数Qm较低，所以通过机械振动产生的热量对振动速度产生了影响。根据作为现有技术呈现的非专利文献I (Minoru Kurosawa和TakeshiSasanuma 的‘‘Enhancement of Vibration Amplitude of Micro Ultrasonic Scalpe丄using PZT Film)，，，The Institute of Electronics, Technical Report of IEICE,US2009-109 (213) 31)，其中的图11示出了当在衬底的ー个表面形成压电元件吋，在20V的驱动电压处获得了大约2米/秒的振动速度。非专利文献I中描述的压电膜是通过水热法形成的，膜的杨氏模量大约是50GPa。由于钛衬底的杨氏模量大约是lOOGPa，所以衬底与压电膜之间的杨氏模量的差是50%。与此相反，在例2中，杨氏模量的差为12. 9%，驱动电压为20V时振动速度为3. 5米/秒，其大约是传统技术中振动速度的1.8倍。因此，可以获得允许以更低的变换比来执行切ロ和血凝结的振动速度。在例I中，杨氏模量的差是5.2%，并且通过提高驱动电压可以获得高达8米/秒的振动速度。这使得可以在没有任何喇叭的情况下执行切ロ。由于可以在没有任何喇叭的情况下获得允许执行切ロ的振动速度，因此可以减小设备的尺寸。例如，这允许在内窥镜插 入体内的部分中设置驱动部分，从而使得可以增加处置装置的设计宽度。
权利要求
1.一种谐振换能器，包括 振动板，以及 压电元件，其包括压电膜和上电极， 其中，所述振动板的杨氏模量和所述压电膜的杨氏模量之间的差不超过所述振动板的杨氏模量的20%。
2.如权利要求I所述的谐振换能器，其中所述振动板在相对于形成有所述压电元件的表面的水平方向上进行伸缩振动。
3.如权利要求I或2所述的谐振换能器，其中所述振动板的杨氏模量和所述压电膜的杨氏模量之间的差不超过所述振动板的杨氏模量的10%。
4.如权利要求I或2所述的谐振换能器，其中所述振动板由钛(Ti)和钛(Ti)合金之一形成。
5.如权利要求I或2所述的谐振换能器，其中所述压电膜的厚度不小于Iy m并且不大于 5 u m0
6.如权利要求I或2所述的谐振换能器，其中机械品质因数Qm不小于2000。
7.如权利要求I或2所述的谐振换能器，其中机械品质因数Qm不小于4000。
8.一种超声处置装置，其包括如权利要求I或2所述的谐振换能器。
全文摘要
本发明的目的在于提供能够获得高振动速度的谐振换能器以及包括谐振换能器的超声处置装置。该谐振换能器包括振动板以及压电元件，其中压电元件包括压电膜和上电极。振动板的杨氏模量和压电膜的杨氏模量之间的差不超过振动板的杨氏模量的20％。本发明还提供了包括该谐振换能器的超声处置装置。优选地，杨氏模量的差不超过10％。
文档编号A61B18/00GK102648869SQ20121004448
公开日2012年8月29日 申请日期2012年2月23日 优先权日2011年2月23日
发明者平林恭稔, 藤井隆满 申请人:富士胶片株式会社