层叠型超声波振动器件和超声波医疗装置的制造方法
【专利摘要】层叠型超声波振动器件在两个质量块部件(42、43)之间设置有多个压电体(61)，该层叠型超声波振动器件是使用弹性常数比两个质量块部件(42、43)和多个压电体(61)小的钎焊材料(73、76)，通过具有第一厚度(d1)的第一金属接合层对作为同种材料接合部的多个压电体(61)之间进行接合，并通过具有比第一厚度(d1)厚的第二厚度(d2)的第二金属接合层对作为不同种材料接合部的多个压电体(61)与质量块部件(42、43)之间进行接合而成的。
【专利说明】
层叠型超声波振动器件和超声波医疗装置
技术领域
[0001]本发明涉及激励超声波振动的层叠型超声波振动器件和具备该层叠型超声波振动器件的超声波医疗装置。
【背景技术】
[0002]在利用超声波振动进行活体组织的凝固/切开处置的超声波处置器具中，有时在机头内内置有使用了压电振子的超声波振动体作为超声波振动源。
[0003]在这种超声波振动体中，存在如下的超声波振动体:将电信号转换为机械振动的压电元件被夹持在作为前质量块或后质量块的两个块状的金属部件中，通过包含粘合等在内的某种方法而一体化，使它们成为一体而进行振动。这样的超声波振子被称作朗之万振子。
[0004]朗之万振子公知有螺栓紧固朗之万振子，其中，作为使压电元件和金属部件一体化的方法，例如在两个金属部件之间夹持压电元件，并利用螺栓进行牢固地紧固，从而使整体成为一体而进行振动。
[0005]用于这样的螺栓紧固朗之万振子的压电元件通常使用锆钛酸铅(PZT、Pb(Zrx、Th-X)03)，压电元件的形状被加工成环状而在内部贯通有螺栓。
[0006]PZT具有较高的生产性和较高的电气机械转换效率，由于作为压电材料具有优良的特性，因此能够长年在超声波振子和致动器等各种领域中使用。
[0007]然而，由于PZT使用了铅，因此从对环境的不良影响的方面来看，近年来期望利用不使用铅的非铅压电材料。作为在这样的非铅压电材料中具有较高的电气机械转换效率的材料，公知有压电单晶的铌酸锂(LiNb03)。
[0008]作为廉价地实现使用了铌酸锂的朗之万振子的结构，以往公知有在利用金属块夹持压电元件的状态下使它们一体地接合的方法。尤其是，作为金属块和压电元件的接合方法，在不使用粘合剂而利用以焊料为首的钎焊材料进行接合的情况下，朗之万振子能够获得比使用粘合剂的情况更加良好的振动特性。
[0009]然而，当利用焊料等钎焊材料来接合金属块和压电元件时，通常需要高温工艺，在作为将金属块和压电元件接合的部分的不同种材料接合部中，具有因热应力而导致压电单晶的压电元件破裂的问题。
[0010]作为解决这样的问题的技术，例如在日本特开2008-128875号公报的超声波振动体中被公开。在该以往的超声波振动体中，公知有如下的技术:在利用粘合剂而与设置在压电振子的上下两面上的电极接合的各金属块的接合面上设置沟道或凹槽等构造来抑制在驱动中产生的剪切应变的产生，并降低在接合面的介电损耗等，从而防止压电振子产生裂纹并且使振动模式稳定。
[0011]然而，在日本特开2008-128875号公报所公开的以往的超声波振动体中，具有在金属块表面需要加工工序而使制造成本增加的问题。
[0012]S卩，关于以往的超声波振动体，由于为了吸收当通过粘合来接合金属块和压电元件时在不同种材料间的接合部产生的热应力、因粘合剂的硬化收缩而产生的应力等而在金属块表面设置沟道或凹槽等构造，因此具有需要额外的加工工艺而使成本变高的问题。
[0013]并且，以往的超声波振动体在要粘合固定压电振子和金属块而使用了热硬化型的粘合剂的情况下，在使该粘合剂硬化时对接合面附近进行加热。由此，以往的超声波振动体在粘合剂硬化后，可能会因为压电振子和金属块的热膨胀系数的差而产生与粘合温度和常温的温度差相当的剪切应变。
[0014]并且，在压电振子和金属块的接合面上始终会存在残余应力，也具有因为这个原因而在压电振子的内部产生裂纹的问题。
[0015]因此，本发明就是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够廉价地制造并且防止由于因作为质量块部件的金属块和压电体的热膨胀系数的差异而产生的应力导致压电振子破损等的层叠型超声波振动器件和超声波医疗装置。
【发明内容】
[0016]用于解决课题的手段
[0017]本发明的一个方式的层叠型超声波振动器件在两个质量块部件之间设置有多个压电体，其中，该层叠型超声波振动器件是使用弹性常数比所述两个质量块部件和所述多个压电体小的钎焊材料、即柔软的钎焊材料，通过具有第一厚度的第一金属接合层对作为同种材料的接合的所述多个压电体之间进行接合，通过具有比所述第一厚度厚的第二厚度的第二金属接合层对作为不同种材料的接合的所述多个压电体与所述质量块部件之间进行接合而成的。
[0018]并且，本发明的一个方式的超声波医疗装置具有:层叠型超声波振动器件，其在两个质量块部件之间设置有多个压电体，该层叠型超声波振动器件是使用弹性常数比所述两个质量块部件和所述多个压电体小的钎焊材料、即柔软的钎焊材料，通过具有第一厚度的第一金属接合层对作为同种材料的接合的所述多个压电体之间进行接合，并通过具有比所述第一厚度厚的第二厚度的第二金属接合层对作为不同种材料的接合的所述多个压电体与所述质量块部件之间进行接合而成的；以及探针前端部，其传递由所述层叠型超声波振动器件产生的超声波振动而对活体组织进行处置。
[0019]发明效果
[0020]根据本发明，能够提供能够廉价地制造并且防止由于因作为质量块部件的金属块和压电体的热膨胀系数的差异而产生的应力导致压电体破损等的层叠型超声波振动器件和超声波医疗装置。
【附图说明】
[0021]图1是示出本发明的一个方式的超声波医疗装置的整体结构的剖视图。
[0022]图2是示出该方式的振子单元的整体的概略结构的图。
[0023]图3是示出该方式的超声波振子的结构的立体图。
[0024]图4是示出该方式的超声波振子的结构的侧视图。
[0025]图5是示出该方式的压电单晶晶片的立体图。
[0026]图6是示出该方式的成膜有基底金属的压电单晶晶片的立体图。
[0027]图7是示出该方式的被切割的压电单晶晶片的立体图。
[0028]图8是示出该方式的从压电单晶晶片切出的压电单晶体的立体图。
[0029]图9是该方式的包含超声波振子在内的振子单兀的分解立体图。
[0030]图10是该方式的将柔性印刷基板安装到振子单元的超声波振子之前的剖视图。
[0031]图11是该方式的将柔性印刷基板安装到振子单元的超声波振子之后的剖视图。
[0032]图12是示出该方式的在超声波振子上安装有FPC的振子单元的立体图。
[0033]图13是示出该方式的因与质量块部件的热膨胀系数的差而在压电单晶体产生的热应力相对于接合金属的厚度的关系的曲线图。
[0034]图14是示出该方式的设置于质量块部件和压电单晶体之间的接合金属的一例的分解立体图。
【具体实施方式】
[0035]下面，利用附图对本发明进行说明。另外，在下面的说明中，基于各实施方式的附图是示意性的，应注意到各部分的厚度与宽度的关系、各个部分的厚度的比例等与现实不同，即使在附图的相互之间有时也包含彼此尺寸关系或比例不同的部分的情况。
[0036]首先，下面根据附图对本发明的一个方式的具备激励超声波振动的层叠型超声波振动器件的超声波医疗装置的实施方式进行说明。
[0037]图1是示出超声波医疗装置的整体结构的剖视图，图2是示出振子单元的整体的概略结构的图，图3是示出超声波振子的结构的立体图，图4是示出超声波振子的结构的侧视图，图5是示出压电单晶晶片的立体图，图6是示出成膜有基底金属的压电单晶晶片的立体图，图7是示出被切割的压电单晶晶片的立体图，图8是示出从压电单晶晶片切出的压电单晶体的立体图，图9是包含超声波振子在内的振子单元的分解立体图，图10是将柔性印刷基板安装到振子单元的超声波振子之前的剖视图，图11是将柔性印刷基板安装到振子单元的超声波振子之后的剖视图，图12是示出在超声波振子上安装有FPC的振子单元的立体图，图13是示出因与质量块部件的热膨胀系数的差而在压电单晶体产生的热应力相对于接合金属的厚度的关系的曲线图，图14是示出设置于质量块部件和压电单晶体之间的接合金属的一例的分解立体图。
[0038](超声波医疗装置)
[0039]图1所示的超声波医疗装置I主要设置有:振子单元3，其具有产生超声波振动的超声波振子2;以及把手单元4，其利用该超声波振动进行患部的凝固/切开处置。
[0040]把手单元4具有操作部5、前端处置部30以及由长条的外套管7构成的插入护套部
8。插入护套部8的基端部以能够在绕轴方向上旋转的方式安装在操作部5上。
[0041]前端处置部30设置于插入护套部8的前端。把手单元4的操作部5具有操作部主体
9、固定把手10、可动把手11以及旋转旋钮12。操作部主体9与固定把手10形成为一体。
[0042]在操作部主体9与固定把手10的连结部处，在背面侧形成有供可动把手11贯穿插入的缝13。可动把手11的上部通过缝13延伸到操作部主体9的内部。
[0043]在缝13的下侧的端部固定有把手挡块14。可动把手11经由把手支轴15可转动地安装在操作部主体9上。并且，随着可动把手11以把手支轴15为中心进行转动的动作，可动把手11相对于固定把手10进行开闭操作。
[0044]在可动把手11的上端部设置有大致U字状的连结臂16。并且，插入护套部8具有外套管7和操作管17，其中，该操作管17以能够沿轴向移动的方式贯穿插入于该外套管7内。
[0045]在外套管7的基端部形成有比前端侧部分直径大的大直径部18。在该大直径部18的周围安装有旋转旋钮12。
[0046]在操作管19的外周面设置有能够沿轴向移动的环状的滑块20。在滑块20的后方隔着螺旋弹簧(弹性部件)21配设有固定环22。
[0047]并且，把持部23的基端部以经由作用销而能够转动的方式与操作管19的前端部连结。该把持部23与探针6的前端部31—起构成超声波医疗装置I的处置部。并且，在操作管19进行沿轴向移动的动作时，把持部23经由作用销向前后方向进行推拉操作。
[0048]这时，在操作管19进行向近前侧移动操作的动作时，把持部23经由作用销而以支点销为中心向逆时针方向转动。
[0049]由此，把持部23向靠近探针6的前端部31的方向(闭方向)转动。这时，能够在单开型的把持部23和探针6的前端部31之间把持活体组织。
[0050]在像这样把持活体组织的状态下，从超声波电源将电力供给到超声波振子2，使超声波振子2振动。该超声波振动一直传递到探针6的前端部31。并且，利用该超声波振动进行在把持部23和探针6的前端部31之间所把持的活体组织的凝固/切开处置。
[0051](振子单元)
[0052]这里，对振子单元3进行说明。
[0053]如图2所示，振子单元3是将超声波振子2和探针6组装成一体而得的，其中，该探针6是传递由该超声波振子2产生的超声波振动的棒状的振动传递部件。
[0054]超声波振子2连接设置有对超声波振子的振幅进行放大的喇叭32。喇叭32由不锈钢、硬铝、或例如64Ti(T1-6Al-4V)等钛合金形成。
[0055]喇叭32形成为外径随着朝向前端侧而变细的圆锥形状，在基端外周部形成有外向凸缘33。另外，在这里喇叭32的形状并不限于圆锥形状，也可以是外径随着朝向前端侧而呈指数函数变细的指数形状或随着朝向前端侧而分阶段变细的阶梯形状等。
[0056]探针6具有例如由64Ti(T1-6Al-4V)等钛合金形成的探针主体34。在该探针主体34的基端部侧配设有与上述喇叭32连接设置的超声波振子2。
[0057]这样，形成了使探针6和超声波振子2—体化的振子单元3。另外，在探针6中，探针主体34和喇叭32通过螺纹连接而接合。
[0058]并且，在超声波振子2产生的超声波振动通过喇叭32进行放大之后，传递到探针6的前端部31侧。在探针6的前端部31形成有对活体组织进行处置的后述的处置部。
[0059]并且，在探针主体34的外周面，在存在于轴向的中途的振动的节位置的几个部位分开间隔地安装有两个橡胶衬套35，该橡胶衬套35由弹性部件形成为环状。并且，利用这些橡胶衬套35来防止探针主体34的外周面和后述的操作管19的接触。
[0060]S卩，在进行插入护套部8的组装时，作为振子一体型探针的探针6插入到操作管19的内部。这时，利用橡胶衬套35来防止探针主体34的外周面和操作管19的接触。
[0061]并且，超声波振子2经由电缆36与供给用于产生超声波振动的电流的未图示的电源装置主体电连接。通过该电缆36内的布线从电源装置主体将电力供给到超声波振子2，由此，驱动超声波振子2。
[0062]根据以上的说明，振子单元3具有产生超声波振动的超声波振子2、使该超声波振子2所产生的超声波振动放大的喇叭32以及传递该放大的超声波振动的探针6。
[0063](超声波振子)
[0064]这里，下面对作为本发明的层叠型超声波振动器件的超声波振子2进行说明。
[0065]如图3和图4所示，振子单元3的超声波振子2构成为从前端依次具有:上述喇叭32，其通过与作为振动传递部件之一的探针主体34螺纹连接等而连接;层叠振子41，其在这里是矩形形状(四棱柱形状)，连接设置于该喇叭32的后方；以及盖体51，其从喇叭32的基端至电缆36覆盖层叠振子41。
[0066]另外，覆盖层叠振子41的盖体51具有防折部52，该防折部52覆盖电缆36的布线36a、36b，该电缆36的布线36a、36b在基端部分与作为通电部件的两个FPC(柔性印刷基板)47、48电连接。另外，通电部件并不限于FPC 47、48，也可以是单纯的金属线。
[0067]层叠振子41的前方侧与这里由矩形形状(四棱柱状)的金属块体构成的前质量块42接合，后方侧与由矩形形状(四棱柱状)的金属块体构成的后质量块43接合，其中，该前质量块42与喇叭32通过螺纹连接等进行连接。
[0068]另外，由于前质量块42和后质量块43需要超声波振动的吸收少且强度强，因此与喇叭32同样地由硬铝形成。并且，前质量块42和后质量块43也可以是不锈钢、或例如64Ti(T1-6A1-4V)等钛合金。
[0069]并且，前质量块42和后质量块43的长度被设计为使超声波振子2成为所期望的谐振频率。
[0070]并且，关于层叠振子41，也可以在前质量块42和后质量块43之间夹持具有绝缘性且振动不容易衰减的绝缘部件。该绝缘部件可以使用绝缘板，其中，该绝缘板是将例如氧化铝、氮化硅等陶瓷类材料形成为矩形形状(四棱柱状)的板体而得的。
[0071]这样，层叠振子41通过设置绝缘部件，即使图1所示的超声波医疗装置I与使用高频进行处置等的医疗用的高频手术刀等处置器具并用，也能够防止因来自处置器具的高频而导致的破损等。
[0072]层叠振子41使用由居里点较高的非铅单晶材料形成的压电元件，且该层叠振子41层叠配置有多个(这里是四个)作为压电单晶芯片(即该压电元件)的压电单晶体61。
[0073]在这四个压电单晶体61、前质量块42和后质量块43之间交替插装有作为正电极层的正电侧接合金属62和作为负电极层的负电侧接合金属63作为将它们分别接合的接合金属层，该接合金属层由作为钎焊材料的后述的非铅焊料形成。
[0074]另外，关于层叠振子41，上述FPC47、48的电接点部通过焊料、导电性浆料等与设置于压电单晶体61之间、压电单晶体61和前质量块42或后质量块43之间的正电侧接合金属62或负电侧接合金属63电连接。
[0075](超声波振子的制造方法)
[0076]接下来，下面对以上说明的超声波振子2的制造方法进行详细地说明。
[0077]首先，超声波振子2使用居里温度(居里点)较高、即使在接合金属的融点下压电特性也不劣化的压电材料，在这里由压电单晶晶片71(参照图5)制成，其中，该压电单晶晶片71由作为单晶材料的铌酸锂(LiNb03)构成。
[0078]另外，压电单晶晶片71使用被称作36度旋转Y切的结晶方位的晶片，以使得压电元件的厚度方向的电气机械结合系数大。
[0079]首先，如图5和图6所示，在压电单晶晶片71的正面和背面形成有基底金属72。
[0080]具体来说，压电单晶晶片71在正面和背面上具有与非铅焊料良好的粘附性和润湿性，例如，由Ti/Ni/Au、Ti/Pt/Au、Cr/Ni/Au或Cr/Ni/Pd/Au构成的基底金属72通过蒸镀、溅射、电镀等而成膜。
[0081]接下来，如图7和图8所示，将作为压电体芯片的压电单晶体61从成膜有基底金属72的压电单晶晶片71切出加工成矩形形状。
[0082]具体来说，利用厚度薄的切割刀片，沿着图7所示的虚线(假想线)对压电单晶晶片71进行切割，从而提取多个如图8所示那样的矩形形状的作为压电体芯片的压电单晶体61。根据这样的结构，能够廉价地制造多个压电单晶体61。
[0083]接下来，如图9所示，层叠了与所期望的超声波振子2的规格对应的数量(在这里是四个)的压电单晶体61，并以夹持由这四个压电单晶体61构成的作为层叠体的层叠振子41的两端的方式，接合作为质量块部件的前质量块42和后质量块43。
[0084]具体来说，在四个压电单晶体61的基底金属72之间，设置有作为第一接合材料的第一钎焊材料73，该第一钎焊材料73是非铅焊料。
[0085]在四个压电单晶体61之间插装的三个第一钎焊材料73被设定为作为同种材料的压电单晶体61彼此的接合所需的最低限度的厚度dl。另外，第一钎焊材料73通过丝网印刷或带状方式(焊料颗粒)而配设在压电单晶晶片71的一方的基底金属72上。
[0086]并且，以夹持层叠有四个压电单晶体61和三个第一钎焊材料73的层叠振子41的两端的方式接合作为金属块的前质量块42和后质量块43。
[0087]在这里，在位于两端的压电单晶体61与前质量块42和后质量块43之间设置有作为第二接合材料的第二钎焊材料76，该第二钎焊材料76是非铅焊料。
[0088]如图10所示，在作为不同种材料的压电单晶体61和前质量块42或后质量块43之间插装的第二钎焊材料76被设定为比第一钎焊材料73的厚度dl厚的厚度d2。
[0089]另外，第二钎焊材料76也与第一钎焊材料73同样地，通过丝网印刷或带状方式(焊料颗粒)而配设在压电单晶体61的基底金属72上或前质量块42和后质量块43的一个面上。
[0090]并且，四个压电单晶体61、前质量块42和后质量块43被加热至将它们彼此接合的第一钎焊材料73和第二钎焊材料76融化的温度，而慢慢地冷却。这样，四个压电单晶体61、前质量块42和后质量块43在层叠的状态下通过第一钎焊材料73和第二钎焊材料76而彼此接合。
[0091]另外，当进行接合四个压电单晶体61、前质量块42和后质量块43的加热工序时，可以根据需要以在层叠方向上压缩的方式进行加压。
[0092]这样，完成了将四个压电单晶体61、前质量块42和后质量块43层叠并通过第一钎焊材料73或第二钎焊材料76来进行接合的超声波振子2。
[0093]在这样制造的超声波振子2中，包含成膜在四个压电单晶体61上的基底金属72在内，由第一钎焊材料73和第二钎焊材料76构成正电侧接合金属62或负电侧接合金属63。
[0094]另外，在前质量块42的一个端面中央，加工有带有接头(tap)的螺纹孔42a。通过一体地形成于喇叭32的螺纹部32a与该螺纹孔42a螺合，将喇叭32和前质量块42螺纹连接。
[0095]并且，如图11和图12所示，将作为通电部件的两个FPC 47、48安装到超声波振子2。
[0096]具体来说，超声波振子2的正电侧接合金属62和负电侧接合金属63经由使用焊料、导电性浆料等形成的电连接部49而与FPC 47、48的电接点电连接。
[0097]S卩，要取得正电侧接合金属62和负电侧接合金属63与FPC 47、48的电连接，FPC47、48的电接点经由电连接部49与正电侧接合金属62和负电侧接合金属63的外表面接触，并且将FPC 47、48固定于层叠振子41。
[0098]这样，确立了正电侧接合金属62和负电侧接合金属63与FPC 47、48的电连接。并且，FPC 47、48连接有上述电缆36的布线36a、36b(参照图3和图4)。
[0099 ]另外，在图1O至图12中，示出了喇叭32和前质量块42被螺纹连接的状态，但是，关于喇叭32和前质量块42通过螺纹连接的接合，只要在FPC 47、48安装到超声波振子2之前或之后进行即可。
[0100]根据这样的结构，作为正电极侧，电缆36的布线36a与FPC47、电连接部49以及正电极侧金属62电连接。并且，作为负电极侧，电缆36的布线36b与FPC 48、电连接部49以及负电极金属63电连接。通过这些电连接，驱动信号经由正电侧接合金属62被施加到四个压电单晶体61，从负电侧接合金属63返回。
[0101]另外，可以在正电侧接合金属62、负电侧接合金属63和电连接部49的露出的表面部分，通过树脂等绝缘体覆盖，防止产生不良的不必要的电连接，也可以以加强FPC 47,48的机械的固定为目的，通过粘合剂将FPC 47、48固定于正电侧接合金属62和负电侧接合金属63。并且，FPC 47、48也可以通过粘合剂而固定于四个压电单晶体61的侧部的表面上。
[0102]根据以上说明的超声波振子2的制造工艺，利用接合金属层和作为正电侧接合金属62以及负电侧接合金属63的第一钎焊材料73以及第二钎焊材料76来从前端依次接合前质量块42、四个压电单晶体61和后质量块43而使它们一体化，将驱动信号从设置于该层叠体的侧面的FPC 47、48经由电连接部49施加到正电侧接合金属62，并由负电侧接合金属63进行返回，从而使超声波振子2的整体进行超声波振动。
[0103]可是，在上述超声波振子2中，由于将层叠振子41的压电单晶体61彼此接合的部位是同种材料，这里是铌酸锂(LiNb03)彼此的接合，因此，因接合时和驱动时的温度变化而在四个压电单晶体61产生的热应力小。
[0104]另一方面，由于将压电单晶体61与前质量块42和后质量块43接合的部位是不同种材料的接合，因此，因不同的两种材料，这里是铌酸锂(LiNb03)的热膨胀系数(8?15X10—6[1/°C])和硬铝的热膨胀系数(24X10—6[1/°C])的差而导致接合时和驱动时的温度变化，从而在位于与前质量块42或后质量块43接合的两端的两个压电单晶体61产生比同种材料接合部大的热应力。
[0105]因此，在位于与前质量块42或后质量块43接合的两端的两个压电单晶体61中，产生较大的热应力，随着内力的增加会在内部产生压力而产生裂纹。
[0106]并且，构成正电侧接合金属62或负电侧接合金属63的第一钎焊材料73和第二钎焊材料76是比压电单晶体61、前质量块42和后质量块43杨氏模量(弹性常数)小且柔软的材料。
[0107]因此，第一钎焊材料73或第二钎焊材料76具有吸收在压电单晶体61中产生的热应力的作用，但也会增加由超声波振子2产生的超声波的吸收。
[0108]因此，若第一钎焊材料73和第二钎焊材料76的厚度过厚，则会降低作为朗之万振子的超声波振子2的特性。
[0109]为了防止这种情况，关于本实施方式的超声波振子2，将作为对同种材料的四个压电单晶体61之间进行接合的同种材料接合部的第一钎焊材料73的厚度设为四个压电单晶体61的接合所需的最低限度的厚度dl，将作为产生相对较大的热应力的不同种材料接合部的第二钎焊材料76的厚度d2设为比第一钎焊材料73的厚度dl厚(dl<d2)，从而使加热工序时和驱动时的热应力不容易传递到两端的两个压电单晶体61。
[0110]换言之，第二钎焊材料76比压电单晶体61、前质量块42和后质量块43杨氏模量(弹性常数)小且柔软。因此，在超声波振子2中，增加第二钎焊材料76的厚度，使其作为应力缓和层而发挥作用，该应力缓和层将作为不同种材料接合部的接合压电单晶体61和前质量块42或后质s；块43接合。
[0111]并且，作为应力缓和层的结构，优选其厚度较厚，但如果与前质量块42和后质量块43中所使用的由硬铝和铌酸锂(LiNb03)构成的压电单晶体61相比，会使超声波振子2所产生的超声波的损失变大。
[0112]因此，优选第一钎焊材料73和第二钎焊材料76的体积尽可能小。即，作为超声波振子2整体的特性，第一钎焊材料73和第二钎焊材料76的体积小会使产生的超声波的损失也较少。
[0113]因此，本实施方式的超声波振子2使用使热应力几乎不产生的四个压电单晶体61之间的接合部所需的最低限度的厚度dl的第一钎焊材料73来防止性能降低(Q值降低)，并且在设置于因热膨胀系数差而导致热应力显著地产生的两端的两个压电单晶体61与前质量块42或后质量块43的接合部处使用比第一钎焊材料73厚的厚度d2的第二钎焊材料76，由此，减少该热应力，抑制设置于不同种材料接合部的两个压电单晶体61的裂纹。
[0114]由此，超声波振子2能够防止在与前质量块42或后质量块43接合的两端设置的两个压电单晶体61的裂纹，并且防止作为超声波振子2整体的性能劣化。
[0115]另外，为了减小在压电单晶体61中产生的热应力，优选使用第一钎焊材料73和第二钎焊材料76的热膨胀系数在压电单晶体61的热膨胀系数(8?15X 10—6[1/°C])与前质量块42和后质量块43的热膨胀系数(24X10—6[1/°C])之间的接合金属。
[0116]第一钎焊材料73和第二钎焊材料76例如使用具有铌酸锂(LiNb03)的压电单晶体61与硬铝的前质量块42和后质量块43的热膨胀系数之间的热膨胀系数的Sn-Ag-Cu类焊料。
[0117]用于第一钎焊材料73和第二钎焊材料76的Sn-Ag-Cu类焊料的热膨胀系数是比铌酸锂(LiNb03)的热膨胀系数(8?15父10—6[1/°(:])大且比硬铝的热膨胀系数(24\10—6[1/°(:])小的21父10—6[1/°(:]。
[0118]由此，尤其是，作为设置于两端的两个压电单晶体61与前质量块42和后质量块43的接合材料的Sn-Ag-Cu类焊料的第二钎焊材料76发挥吸收设置于两端的两个压电单晶体61与前质量块42和后质量块43的热膨胀系数差的作用，从而减小对压电单晶体61的应力，防止在压电单晶体61的内部产生裂纹。
[0119]另外，第二钎焊材料76只要具有铌酸锂(LiNb03)和硬铝的热膨胀系数之间的热膨胀系数即可，除了 Su-Ag-Cu类焊料之外，例如也可以是Sn类焊料、Sn-Ag类焊料或Sn-Cu类焊料。
[0120]并且，在压电单晶体61中因前质量块42和后质量块43的热膨胀系数的差而产生的热应力根据第二钎焊材料76的厚度而像图13所示那样的曲线所示出那样产生。
[0121]另外，图13的曲线上的Pl表示由于因前质量块42和后质量块43的热膨胀系数差而产生的热应力σ I导致压电单晶体61破裂的点。
[0122]这里，作为接合金属的第二钎焊材料76的厚度d2根据Pl被设定为:从Ρ2所示的即使在考虑了规定的安全率(例如热应力σ?的一半)的压电单晶体61中产生热应力σ2也不会破裂的厚度d2min以上至Ρ3所示的即使改变钎焊材料76的厚度在压电单晶体61中产生的热应力σ3也几乎不变化的厚度d2max。
[0123]另外，如图13所示，即使第二钎焊材料76的厚度d2超过了厚度d2max，但由于因前质量块42和后质量块43的热膨胀系数差而在压电单晶体61中产生的热应力σ3也不变化，因此若比厚度d2max厚，则导致超声波振子2的性能进一步降低。
[0124]因此，第二钎焊材料76的厚度d2只要是使超声波振子2产生的超声波的损失在规格的容许范围内，则最优选厚度d2max。即，第二钎焊材料76的厚度d2的上限是使在压电单晶体61中产生的热应力o3不变化的最薄的厚度d2max。
[0125]并且，为了使第二钎焊材料76的厚度d2相对于第一钎焊材料73的厚度dl增加，由于只要事先使基于丝网印刷的厚度设定或预先准备的焊料颗粒变厚即可，因此能够实现廉价的超声波振子2，而不变更额外的工序、工艺等。
[0126]另外，在将带状方式(焊料颗粒)用于第一钎焊材料73和第二钎焊材料76的情况下，例如如图14所示，如果将多个(这里是两个)第一钎焊材料73重叠而形成第二钎焊材料76，则不需要准备厚度不同的第二钎焊材料76。即，通过将第二钎焊材料76设定为第一钎焊材料73的整数倍的厚度d2，会变得更廉价。
[0127]并且，在上述内容中，关于超声波振子2，列举了矩形块状的能够最廉价地制造的形状，但并不限于此，这些部件的形状也可以例如是圆柱形状。
[0128]如以上说明的那样，作为本实施方式的层叠型超声波振动器件的超声波振子2和具有该超声波振子2的超声波医疗装置I能够廉价地制造，并且构成为能够防止由于因作为质量块部件的金属块和压电体的热膨胀系数的差异而产生的应力导致压电体破损等。
[0129]上述实施方式中记载的发明并不限于其实施方式以及变形例，除此之外，在实施阶段在不脱离其主旨的范围内可以实施各种变形。并且，在上述实施方式中，包含了各种阶段的发明，通过将公开的多个结构要素进行适当的组合可以提出各种发明。
[0130]例如，即使从实施方式所示的所有结构要素中删除几个结构要素，也能够解决上述课题，在能够获得上述效果的情况下，删除该结构要素的结构也可以作为发明而被提出。
[0131]本申请是以2014年I月27日在日本申请的日本特愿2014-012687号作为优先权主张的基础而申请的，上述内容在本申请说明书、权利要求书、附图中被引用。
【主权项】
1.一种层叠型超声波振动器件，在两个质量块部件间设置有多个压电体，其特征在于， 所述层叠型超声波振动器件是使用弹性常数比所述两个质量块部件和所述多个压电体小的钎焊材料，通过具有第一厚度的第一金属接合层对作为同种材料接合部的所述多个压电体之间进行接合，并通过具有比所述第一厚度厚的第二厚度的第二金属接合层对作为不同种材料接合部的所述多个压电体与所述质量块部件之间进行接合而成的。2.根据权利要求1所述的层叠型超声波振动器件，其特征在于， 所述多个压电体是压电单晶材料。3.根据权利要求1或2所述的层叠型超声波振动器件，其特征在于， 所述第一金属接合层和第二金属接合层为电极层。4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的层叠型超声波振动器件，其特征在于， 所述钎焊材料的热膨胀系数在所述多个压电体的热膨胀系数与所述两个质量块部件的热膨胀系数的中间范围内。5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的层叠型超声波振动器件，其特征在于， 所述钎焊材料使用具有所述第一厚度的焊料颗粒， 所述第二厚度被设定为所述第一厚度的整数倍。6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的层叠型超声波振动器件，其特征在于， 所述第二厚度的上限是使因与所述两个质量块部件的热膨胀系数的差而在所述多个压电体中产生的热应力不变化的最薄的厚度。7.一种超声波医疗装置，其特征在于， 该超声波医疗装置具有: 权利要求1至6中的任意一项所述的层叠型超声波振动器件；以及探针前端部，其传递由所述层叠型超声波振动器件产生的超声波振动而对活体组织进行处置。
【文档编号】H01L21/607GK105934954SQ201580005735
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2015年1月21日
【发明人】伊藤宽, 盐谷浩, 盐谷浩一
【申请人】奥林巴斯株式会社