本发明涉及传递超声波振动的振动传递部件。并且涉及包括该振动传递部件的超声波处置器具和振动体组件。
背景技术：
专利文献1公开了一种超声波处置器具，其包括传递由超声波换能器产生的超声波振动的振动传递部件。该超声波处置器具在振动传递部件的前端部形成有能量施加部。对抓持在能量施加部与抓持部件之间的处置对象，从能量施加部施加通过振动传递部件传递来的超声波振动。上述专利文献1还公开了这样的结构，其中，在由超声波换能器和振动传递部件形成的振动体组件以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，振动的任一波腹均不位于超声波换能器与振动传递部件的连接位置。通过采用该结构，能够防止没有连接振动传递部件的超声波换能器单独振动。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2013/0274637号公报
技术实现要素：
发明要解决的技术问题
在上述专利文献1那样的、振动的任一波腹均不位于超声波换能器与振动传递部件的连接位置的结构中，连接位置处会产生应力。在超声波换能器与振动传递部件的连接位置被设置在振动的波腹与波节之间的1/4波长部分的情况下，若连接位置与波腹之间的距离较大，则连接位置处的应力也增大。当连接位置处的应力增大时，超声波振动的振动能量在连接位置处的损耗增大，可能会导致超声波振动无法被适当地传递至能量施加部。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种振动传递部件，能够在防止超声波换能器单独振动的同时，降低振动能量在该振动传递部件与超声波换能器的连接位置处的损耗。并且，本发明还提供包括该振动传递部件的超声波处置器具和振动体组件。
解决问题的技术手段
为了实现上述目的，本发明一个实施方式提供一种振动传递部件，其可安装于超声波换能器，通过将所述超声波换能器产生的超声波振动从根端侧传递到前端侧，而以规定频率范围的谐振频率振动，所述振动传递部件包括：用于与所述超声波换能器连接的连接部；和锥形部，其中，定义基准波节如下：在以所述谐振频率振动的状态下，在比所述连接部靠所述前端侧产生的波节之中，所述基准波节是最靠所述根端侧的波节，该情况下，所述锥形部在长度方向上设置于所述连接部与所述基准波节之间，并且所述锥形部的与所述长度方向垂直的截面的截面积随着从所述前端侧去往所述根端侧而逐渐减小。
发明效果
采用本发明能够提供一种振动传递部件，能够在防止超声波换能器单独振动的同时，降低振动能量在该振动传递部件与超声波换能器的连接位置处的损耗。并且，本发明还能够提供包括该振动传递部件的超声波处置器具和振动体组件。
附图说明
图1是表示第一实施方式的处置系统的概略图。
图2是表示第一实施方式的换能器单元和振动传递部件的结构的概略图。
图3是概略地表示第一实施方式的振动传递部件的被支承部的截面图，其表示的是与被支承部的长度方向大致垂直的截面。
具体实施方式
(第一实施方式)
参考图1～图3对本发明的第一实施方式进行说明。图1是表示本实施方式的处置系统1的图。如图1所示，处置系统1包括超声波处置器具2、换能器单元3和能量控制装置5。超声波处置器具2具有长度方向轴c。这里，令沿着长度方向轴c的方向为长度方向(箭头c1和箭头c2所示的方向)。长度方向的一侧为前端侧(箭头c1一侧)，与前端侧相反的一侧为根端侧(箭头c2一侧)。
超声波处置器具2包括可握持的外壳6、从前端侧与外壳6连结的杆构件7和设置在杆构件7的前端部的末端执行器8。外壳6包括沿着与长度方向轴c交叉的方向延伸的握柄(固定把手)11。并且，在外壳6上以可转动的方式安装有把手(可动把手)12。通过使把手12相对于外壳6转动，把手12相对于握柄11张开或闭合。
杆构件7包括构成护套的筒状的鞘套13和在鞘套13的内部延伸的可动部15。鞘套13和可动部15各自沿着长度方向轴c(长度方向)延伸，例如，鞘套13的中心轴与长度方向轴c大致同轴。在外壳6的内部，把手12与可动部15的根端部连结。通过使把手12相对于握柄11张开或闭合，可动部15相对于外壳6和鞘套13在长度方向上(沿着长度方向轴c)移动。
振动传递部件(超声波探头)16从外壳6内部向前端侧延伸。振动传递部件16由64钛(astm标准的b348grade5)或杜拉铝(duralumin)等振动传递性高的材料形成。振动传递部件16被插通在杆构件7中，穿过杆构件7(鞘套13和可动部15)的内部沿长度方向轴c延伸。振动传递部件16的前端部形成有能量施加部(探头处置部)17。能量施加部(第一抓持部)17从杆构件7的前端伸出到前端侧。
在鞘套13的前端部，以可转动的方式安装有抓持部件(钳爪)18。可动部(可动管)15的前端部与抓持部件(第二抓持部)18连接。可动部15随着把手12的动作而沿着长度方向轴c移动，从而抓持部件18发生转动，能量施加部17与抓持部件18之间张开或闭合。在本实施方式中，由能量施加部17和抓持部件18形成末端执行器8。通过使能量施加部17与抓持部件18之间闭合，能够将活体组织等处置对象抓持在能量施加部17与抓持部件18之间。
外壳6上安装有旋钮21，旋钮21被固定于鞘套13。通过使鞘套13相对于外壳6绕长度方向轴c旋转，杆构件7、末端执行器8和振动传递部件16一起相对于外壳6绕长度方向轴c旋转。
换能器单元3从根端侧与外壳6连结。图2是表示换能器单元3和振动传递部件16的结构的图。如图1和图2所示，换能器单元3包括换能器罩22和配置在换能器罩22内部的超声波换能器23。在外壳6的内部，换能器罩22从根端侧安装在杆构件7上。超声波换能器23包括转接部件25、安装在转接部件25上的压电元件26(本实施方式中有3个)和安装在转接部件25上的电极部件27a与27b。各压电元件26位于电极部件27a、27b之间。
在外壳6的内部，转接部件25从根端侧与振动传递部件16连接，将超声波换能器23从根端侧安装在振动传递部件16上。由此，由振动传递部件16和超声波换能器23形成振动体组件10。在本实施方式中，在振动体组件10中，在超声波换能器23安装于振动传递部件16的状态下，振动传递部件16的抵接面31b与超声波换能器23(转接部件25)的前端面31a抵接。并且，在本实施方式中，超声波换能器23形成有从前端面31a向根端侧凹陷的卡合槽32a，振动传递部件16形成有从抵接面31b向根端侧凸出的卡合凸起32b。通过使卡合凸起32b卡合于卡合槽32a，将振动传递部件16与超声波换能器23连接。在上述的结构中，设置于振动传递部件根端部的抵接面31b成为该振动传递部件与超声波换能器23连接的连接部。并且，前端面31a与抵接面31b的抵接位置成为超声波换能器23与振动传递部件16的连接位置b0。
换能器单元3上连接有线缆33的一端，线缆33的另一端以可拆装的方式与能量控制装置5连接。能量控制装置5包括电池或插座等电源35、包括转换电路等的能量输出部36、由包括cpu(centralprocessingunit，中央处理器)或asic(applicationspecificintegratedcircuit，专用集成电路)等的处理器或集成电路等构成的控制部37、存储介质38。能量输出部36经延伸于线缆33内部的电配线(未图示)等与超声波换能器23电连接。外壳6上还安装有作为能量操作输入部的操作钮40。在处置系统1中，例如通过换能器单元3和线缆33内部形成有信号路径(未图示)，控制部37基于通过信号路径传递的操作信号等，判断是否利用操作钮40进行了操作输入。
基于检测出利用操作钮40进行的操作输入，控制部37对能量输出部36进行驱动。于是，能量输出部36将来自电源35的电功率转换为例如规定频率的交流电功率，并输出转换后的电能。通过从能量输出部36对超声波换能器23供给电能，在电极部件27、28之间施加电圧(例如规定频率的交流电圧)。由此，各压电元件26将电流(例如规定频率的交流电流)转换为超声波振动，在超声波换能器23产生超声波振动。
超声波换能器23产生的超声波振动，通过超声波换能器23的前端面31a和振动传递部件16的抵接面31b被传递至振动传递部件16。在振动传递部件16，超声波振动从根端侧向着前端侧传递至能量施加部17。能量施加部17通过对抓持在能量施加部17与抓持部件18之间的处置对象施加传递来的超声波振动，来使用超声波振动对处置对象进行处置。在本实施方式中，由于超声波振动在振动传递部件16中传递，包括振动传递部件16的振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动(谐振)。此时，振动体组件10进行振动方向与长度方向(长度方向轴c)大致平行的纵振动。一个实施例中，振动体组件10被设计成以47khz振动的状态，但实际上以46khz以上48k以下的任一谐振频率振动，优选以46.5khz以上47.5khz以下的任一谐振频率振动。
本实施方式中，由于振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动，振动传递部件16上产生多个波腹ai(i＝0，1，…，k，k+1)和多个波节nj(j＝0，1，…，k)。此时，波腹a0位于超声波换能器23的根端(振动体组件10的根端)，波腹ak+1位于振动传递部件16的前端(振动体组件10的前端)。波腹ai之中，波腹a0的位置最靠根端侧，波腹ak+1的位置最靠前端侧。波腹ai的自然数i随着向前端侧去而依次加1。同样地，波节nj之中，波节n0的位置最靠根端侧，波节nk的位置最靠前端侧。波节nj的自然数j随着向前端侧去而依次加1。各波节nj在波腹(对应于aj)与波腹(对应于aj+1)之间的半波长部分产生。例如，波节n0在波腹a0、a1之间产生，波节n1在波腹a1、a2之间产生。
如图2所示，在振动传递部件16的比抵接面(连接部)31b靠前端侧的位置设置有锥形部41和被支承部45。锥形部41在长度方向上设置于抵接面31b(连接位置b0)与被支承部45之间。锥形部41的与长度方向大致垂直的截面的截面积，随着从前端侧去往根端侧而逐渐減小。因此，在锥形部41的根端，与长度方向大致垂直的截面的截面积为截面积s1，而在锥形部41的前端，与长度方向大致垂直的截面的截面积为比截面积s1大的截面积(最大截面积)s2。本实施方式中，锥形部41的与长度方向大致垂直的截面之形状为圆形。
从锥形部41的前端起，向前端侧去延伸设置有最大径部42。本实施方式中，最大径部42处的与长度方向大致垂直的截面之形状为圆形，并且最大径部42处的外径在振动传递部件16中为最大外径。而且，在振动传递部件16中，最大径部42处的与长度方向大致垂直的截面的截面积为最大截面积s2。最大径部42在长度方向上设置于锥形部41与被支承部45之间，本实施方式中，最大径部42从锥形部41的前端连续地延伸至被支承部45的根端。最大径部42在从根端至前端的长度方向上的整个范围，其外径大致均匀地为最大外径，并且与长度方向大致垂直的截面的截面积大致均匀地为最大截面积s2。
被支承部45形成为在绕长度方向轴c的整个一周向内周侧凹陷的槽状。因此，被支承部45的与长度方向大致垂直的截面的截面积为比最大截面积s2小的截面积s3。所以，在最大径部42与被支承部45之间形成有台阶(台阶形变幅杆)43。图3是表示被支承部45的与长度方向大致垂直的截面的图。如图3所示，被支承部45的与长度方向大致垂直的截面之形状形成为与圆形(正圆形)不同的异形形状。本实施方式中，被支承部45的与长度方向大致垂直的截面之形状为六边形，但是只要是与圆形不同的异形形状即可，也可以是四边形或五边形等多边形，或者也可以是椭圆形等。
在被支承部45安装有环形的衬套部件47。衬套部件47由橡胶等弹性材料形成。在长度方向上的、形成于被支承部45的槽的从根端至前端的范围内，衬套部件47从外周侧与被支承部45抵接，且在绕长度方向轴c的整个一周与被支承部45抵接。而杆构件7从外周侧与衬套部件47抵接。杆构件7经由衬套部件47支承振动传递部件16，维持杆构件7与振动传递部件16不接触的状态。即，振动传递部件16相对于外壳6在被支承部45处被支承。
在被支承部45的前端侧，连续地形成有相比被支承部45向外周侧凸出的凸起部48。凸起部48的外径为最大外径，并且与长度方向大致垂直的截面的截面积为最大截面积s2。在比凸起部48靠前端侧的位置设置有变幅杆46。变幅杆46的与长度方向大致垂直的截面的截面积随着从根端侧去往前端侧而逐渐减小。其中，变幅杆46的根端处的与长度方向大致垂直的截面的截面积比最大截面积s2小。并且，在振动传递部件16的比变幅杆46靠前端侧的部位，在长度方向上的整个范围内，外径比最大外径小，并且与长度方向大致垂直的截面的截面积比最大截面积s2小。于是，在振动传递部件16的比被支承部45靠前端侧的部位，在长度方向上的整个范围内，外径为最大外径以下，并且与长度方向大致垂直的截面的截面积为最大截面积s2以下。
在振动体组件10(振动传递部件16)以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，任一波腹ai的位置均离开台阶43和变幅杆46。因此，在台阶43和变幅杆46处，超声波振动的振幅被放大。并且，在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，作为波节nj之一的波节n1位于被支承部45。因此，能够有效地防止超声波振动从振动传递部件16通过衬套部件47传递至杆构件7。
在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，在比抵接面(连接部)31b靠前端侧产生的波节(本实施方式中为n0以外的nj)之中，产生于被支承部45处的波节(基准波节)n1的位置是最靠根端侧的。在被支承部45处的波节(基准波节)n1的根端侧，相距1/4波长之处为波腹a1，该波腹a1位于超声波换能器23。即，波腹a1比抵接面31b(连接位置b0)靠根端侧。因此，在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，被支承部45处的波节(基准波节)n1与连接位置(连接部)b0之间的长度方向上的距离(尺寸)l2，小于从被支承部45处的波节(基准波节)n1起的根端侧1/4波长。
在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，波节n1与连接位置(连接部)b0之间的长度方向上的距离l2，为波腹a1与连接位置(连接部)b0之间的长度方向上的距离l1的4倍以上。因此，波腹a1与连接位置(连接部)b0之间的长度方向上的距离l1，为从波腹a1起的前端侧1/20波长以下。本实施方式中，波腹a1的位置在产生于超声波换能器23处的波腹(a0，a1)之中最靠前端侧，而在波腹ai之中，波腹a1的位置最靠近连接位置b0。
在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，被支承部45处的波节n1与振动传递部件16的前端之间的长度方向上的距离，为从被支承部45处的波节n1起的前端侧1/4波长以上。在本实施方式中，在被支承部45处的波节n1的前端侧，相距1/4波长之处为波腹a2，该波腹a2至振动传递部件16的前端的长度方向上的距离与半波长的任一整数倍大致相同。本实施方式中，波腹a2——其于波节n1的前端侧与波节n1相距1/4波长——相比变幅杆46的前端更靠前端侧。由于采用上述的结构，在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，长度方向上的被支承部45处的波节n1与抵接面31b(连接位置b0)之间的形状，与从波节n1起的前端侧1/4波长之部分的形状为非对称。
接着，对本实施方式的振动传递部件16的作用和效果进行说明。在本实施方式中，通过将超声波换能器23产生的超声波振动传递到能量施加部17，包括振动传递部件16的振动体组件10能够以规定频率范围内的任一谐振频率振动。此时，任一波腹ai的位置均远离超声波换能器23与振动传递部件16的连接位置b0(振动传递部件16的抵接面(连接部)31b)。本实施方式中，在产生于超声波换能器23处的波腹(a0，a1)之中，波腹a1最靠前端侧且比连接位置b0靠根端侧，并且，在波腹ai之中，波腹a1的位置最靠近连接位置b0。在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，任一波腹ai均不位于超声波换能器23的前端面31a及其附近，所以对于没有连接振动传递部件16的超声波换能器23而言，即使处于规定频率范围内的任一谐振频率，也不会单独振动。从而，即使从能量控制装置5对没有连接振动传递部件16的超声波换能器23供给电能，也能够有效地防止超声波换能器23单独振动。
在产生于超声波换能器23处的波腹(a0，a1)之中，波腹a1是最靠前端侧的，从该波腹a1起的前端侧1/4波长的长度，随连接位置b0与被支承部45之间的振动传递部件16的与长度方向大致垂直的截面的截面积而变化。例如，一个比较例中，在振动传递部件(16)中从连接位置(b0)至被支承部(45)的根端的部分，与长度方向大致垂直的截面的截面积大致均匀，为与本实施方式的锥形部41的根端处的截面积相应的截面积s1。该情况下，与本实施方式相比，从波腹a1——在产生于超声波换能器23处的波腹(a0，a1)之中，该波腹a1最靠前端侧——起的前端侧1/4波长的长度变短，于前端侧与波腹a1相距1/4波长的波节(n’1(在图2中用点划线表示))相比本实施方式的波节n1靠根端侧。
而在本实施方式中，锥形部41的与长度方向大致垂直的截面的截面积从截面积s1扩大至最大截面积s2。因此，连接位置b0与被支承部45之间的振动传递部件16的与长度方向大致垂直的截面的截面积的平均值大于上述的比较例等。从而，从波腹a1——在产生于超声波换能器23处的波腹(a0，a1)之中，该波腹a1最靠前端侧——起的前端侧1/4波长的长度变长，于前端侧与波腹a1相距1/4波长的波节n1，相比比较例的波节n’1更靠前端侧。即，波节nj之中最靠近连接位置b0的波节n1与连接位置b0之间的距离变大。
这里，在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，波腹ai处因超声波振动而产生的应力为0，波节nj处因超声波振动而产生的应力为极大。因此，在波腹a1与波节n1之间的1/4波长部分，因超声波振动而产生的应力随着远离波节n1而变小。在本实施方式中，如上所述，波节n1与连接位置b0之间的距离较大，因此连接位置b0处产生的应力较小。因此，能够抑制超声波振动的振动能量在连接位置b0处的损耗，能够将超声波振动适当地传递至能量施加部17。由此，振动体组件10的振动变得稳定，能够通过能量施加部17使用超声波振动来适当地对处置对象进行处置。
本实施方式中，最大径部42从锥形部41的前端连续形成至被支承部45的根端，在最大径部42，振动传递部件16的与长度方向大致垂直的截面的截面积为最大截面积s2。因此，连接位置b0与被支承部45之间的振动传递部件16的与长度方向大致垂直的截面的截面积的平均值变得更大，从波腹a1起的前端侧1/4波长的长度变得更长。从而，波节nj之中最靠近连接位置b0的波节n1与连接位置b0之间的距离变得更大，能够将连接位置b0处产生的应力抑制得更小。
本实施方式如上所述设置了锥形部41和最大径部42，这样的结构在末端执行器8已实现小型化、故需要使振动传递部件16在长度方向上的整个范围内减小外径(与长度方向大致垂直的截面的截面积)的情况下尤其有效。通过采用上述方式，本实施方式能够提供一种振动传递部件16，其能够在防止超声波换能器23单独振动的同时，降低振动能量在该振动传递部件16与超声波换能器23的连接位置b0处的损耗。
本实施方式中，从外径大致等于最大外径、并且与长度方向大致垂直的截面的截面积大致等于最大截面积s2的部件，形成振动传递部件16。该情况下，最大径部42等外径为最大外径的部位不用对母材进行切削就能够形成。而外径比最大外径小的部位能够通过对母材进行切削而形成。采用这样的方式，能够方便地形成振动传递部件16。
(变形例)
在上述的实施方式等中，把手12相比握柄11位于前端侧，在张开动作和闭合动作之各动作中，在与长度方向大致平行的方向上移动，但是并不限定于此。例如，在一个变形例中，把手12可以相比握柄11位于根端侧，在另一个变形例中，在张开动作和闭合动作之各动作中，把手12可以沿着与长度方向交叉的方向移动。此外，在一个变形例中，也可以不设置旋钮21。
此外，也可以对末端执行器8除了供给超声波振动之外还供给其他的处置能量。例如，在一个变形例中，对能量施加部17传递超声波振动，并且对能量施加部17和抓持部件18供给高频电能。该情况下，使高频电流在能量施加部17与抓持部件18之间通过所抓持的处置对象而流动。
此外，在上述的实施方式等中，在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，超声波换能器23的长度方向上的尺寸，比从超声波换能器23的根端起的半波长大，并且比从超声波换能器23的根端起的3/4波长小，但是并不限定于此。例如，一个变形例中也可以采用这样的结构，即，超声波换能器23的长度方向上的尺寸，比从超声波换能器23的根端起的一个波长大，并且比从超声波换能器23的根端起的5/4波长小。即，只要在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，波节nj中的任一个(例如n1)位于振动传递部件16的被支承部45，并且于根端侧与被支承部45处的波节(例如n1)相距1/4波长的波腹(例如a1)位于超声波换能器23即可。该情况下，于根端侧与被支承部45处的波节(例如n1)相距1/4波长的波腹(例如a1)，在波腹ai之中最靠近连接位置(振动传递部件16的连接部)b0。
此外，在上述的实施方式等中，在振动体组件10以规定频率范围内的任一谐振频率振动的状态下，被支承部45处的波节(例如n1)与振动传递部件16的前端之间的长度方向上的距离，大于从被支承部45处的波节(例如n1)起的前端侧1/4波长，但是并不限定于此。一个变形例中也可以采用这样的结构，即，被支承部45处的波节(例如n1)与振动传递部件16的前端之间的长度方向上的距离，与从被支承部45处的波节n1起的前端侧1/4波长大致相同。该情况下，于前端侧与被支承部45处的波节(例如n1)相距1/4波长的波腹(例如a2)，位于振动传递部件16的前端。
此外，在一个变形例中，也可以在末端执行器8不设置抓持部件18。该情况下，也不设置握柄11、把手12和可动部15等，能量施加部17为钩形、刮刀形或刮匙形等。在本变形例中，在使能量施加部17与处置对象接触的状态下，将超声波振动传递至能量施加部17(末端执行器8)。于是，通过施加传递来的超声波振动，使用超声波振动对处置对象进行处置。该情况下，也可以除了超声波振动之外，还对能量施加部17供给其他的处置能量。
在上述的实施方式等中，振动传递部件(16)安装于超声波换能器(23)，通过将超声波换能器(23)产生的超声波振动从根端侧传递至前端侧，以规定频率范围的谐振频率振动。振动传递部件(16)包括用于与超声波换能器(23)连接的连接部(31b)。定义基准波节如下，其中，在振动传递部件(16)以规定频率范围的谐振频率振动的状态下，在比连接部(31b)靠前端侧产生的波节(例如n0以外的nj)之中，上述基准波节是最靠根端侧的波节(例如n1)。在振动传递部件(16)中，在长度方向上的连接部(31b)与基准波节(n1)之间设置有锥形部(41)。锥形部(41)的与长度方向垂直的截面的截面积随着从前端侧去往根端侧而逐渐減小。
上面对本发明的实施方式等进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式等，在不脱离发明的主旨的情况下当然能够进行各种变形。