专利名称：用于超声手术器械的高功率密度压电换能器的制作方法
技术领域：
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及应用于超声手术刀系统的高功率密度压电换能器，是超声手术刀系统的配套部件。
背景技术：
20世纪70年代，微创技术迅猛发展，目前包括微创手术已经应用到普外科、妇产科、心胸外科、泌尿外科、小儿外科、骨科、脑外科及眼科等近10个手术中。微创手术的发展带动了手术器械的发展，如内镜超声、超声刀、微型手术器械、各类腔内切割吻合器等。随之涌现的手术器械反过来又推动了微创外科的发展，逐步发展成为了医疗器械行业中的一个分支行业。
超声手术刀是一种利用超声波能量引起的空化效应导致组织脱水，凝固，进而裂解的一种手术器械。此器械由强生公司最先提出，目前为强生公司等少数外国公司所把持。相对于传统的电刀都手术器械来说，超声手术刀最大的优势在于切割组织不是采用电灼烧引起的热效应，而是采用超声波引起的空化效应，来达到类似于水沸腾的效果，起到组织切割和凝结的效应。因此其伤口焦痂更少，术后愈合效果更好。但目前此种手术方式还存在超声功率小等问题，对于大的血管，尤其是脂肪丰富的组织切割下降厉害。在器械结构和材质无法突破的情况下，提高超声换能器的转换效率，是提高超声有效能量输出的途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于超声手术器械的高功率密度压电换能器。本发明包括多组压电换能单元，相邻两个压电换能单元之间设置有形变变换块，压电换能单元与形变变换块之间设置有厚度为a的绝缘层。所述的压电换能单元采用压电堆结构，整体为圆柱形，包括多个同轴设置的圆片形状的压电片，压电片的表面设置有金属电极；所述的金属电极为金属薄片或金属膜，覆盖在压电片的表面，金属电极上连接有引线；相邻的两个压电片之间设置有两个金属帽，所述的金属帽为空心的圆台形，圆台的顶面封闭成端面，圆台的底面开放，两个金属帽的顶面固定连接，侧壁位于底面的边沿与压电片表面的金属电极连接。所述压电片的材料为掺杂锆钛酸铅陶瓷、或ZnO、或A1N、或PVDF。所有构成压电换能器的圆柱形的压电换能单元的高度b相同，多个压电换能单元的压电片的直径依次减小。所有压电换能单元中的相同极引线相互连接。形变变换块为实心喇叭形块体，两个圆形的端面分别于连接的两个压电换能单元的压电片直径相等，其纵截面的腰线为函数y=x/e曲线，e为数学常数；形变变换块的高度c符合以下公式
a+b+2c=L= V /ω
其中，ω是电激励信号的频率、V是声波传播的速度、L是相邻两个压电换能单元的中心距离。从喇叭形的形变变换块的大头到小头，由于横截面积逐级减小，在遵循能量守恒定理的基础上，小头的伸缩幅度增加，起到了声波振幅放大的作用。每个压电换能单元的高度相同，每个形变变换块的高度相同，每个绝缘层的厚度相同，因此压电换能单元沿轴向周期分布，满足色散方程1/1=ω/ν，频率为ω的电信号激励的压电换能器发出的声波在空间正好波峰和波峰相叠，波谷和波谷相叠，也就是说，不同压电换能器在轴向某一个点上产生的形变都是伸长或者都是缩短，强化了叠加效果。本发明有效地提闻了电声转换效率，提闻超声波福射的指向性，在有限的空间中，提高局部区域超声能量。
图I为本发明的截面结构示意 图2为图I中压电换能单元的截面结构示意 图3为图2中金属帽的结构示意图。
具体实施例方式如图I所示，用于超声手术器械的高功率密度压电换能器包括三组压电换能单元I和两个形变变换块2，每个形变变换块2设置在相邻两个压电换能单元I之间，压电换能单I与形变变换块2之间设置有厚度为a的绝缘层3。第一组压电换能单元与第二组压电换能单元的中心距离LI等于第二组压电换能单元与第三组压电换能单元的中心距离L2。如图2所示，压电换能单元I采用压电堆结构，整体为圆柱形，包括三个同轴设置的圆片形状的压电片1-1，压电片1-1的表面设置有金属电极1-3。金属电极为金属薄片或金属膜，覆盖在压电片i-ι的表面，金属电极i-ι上连接有引线，相邻的两个压电片之间设置有两个金属帽1-2。压电片的材料为掺杂锆钛酸铅陶瓷、或ZnO、或A1N、或PVDF。如图2和3所示，金属帽为空心的圆台形，圆台的顶面封闭成端面，圆台的底面开放，两个金属帽的顶面固定连接，侧壁位于底面的边沿与压电片表面的金属电极1-3连接。所有构成压电换能器的圆柱形的压电换能单元的高度b相同，构成三个压电换能单元的压电片的直径依次减小。所有压电换能单元中的相同极引线相互连接。形变变换块2为实心喇叭形块体，两个圆形的端面分别于连接的两个压电换能单元的压电片直径相等，其纵截面的腰线k采用函数y=x/e曲线，e为数学常数；形变变换块的高度c符合以下公式
a+b+2c=L= V /ω
其中，ω是电激励信号的频率、V是声波传播的速度、L是相邻两个压电换能单元的中心距离。通电后压电堆振动，压电片产生轴向形变和径向形变，其中压电片的径向形变带动金属帽发生径向形变(图3中的实线箭头所示)，金属帽特有的结构会将该径向形变部分转化为轴向形变(图3中的虚线箭头所示)，加大了轴向形变的尺度，进一步提高器件在轴向伸缩能力。同时由于采用周期性结构设置，如果其空间周期性和激励电信号的频率满足色散方程，则可以改善超声换能器的品质因数和频率选择性，可以大大强化电激励信号，抑制对噪声的响应。压电换能单元和形变变换块周期设置，形成级联状态，进一步放大了刀头的 伸缩距离，提高工作效率。
权利要求
1.用于超声手术器械的高功率密度压电换能器，包括多组压电换能单元，其特征在于相邻两个压电换能单元之间设置有形变变换块，压电换能单元与形变变换块之间设置有厚度为a的绝缘层； 所述的压电换能单元采用压电堆结构，整体为圆柱形，包括多个同轴设置的圆片形状的压电片，压电片的表面设置有金属电极；所述的金属电极为金属薄片或金属膜，覆盖在压电片的表面，金属电极上连接有引线，相邻的两个压电片之间设置有两个金属帽；所述的金属帽为空心的圆台形，圆台的顶面封闭成端面，圆台的底面开放，两个金属帽的顶面固定连接，侧壁位于底面的边沿与压电片表面的金属电极连接； 所有构成压电换能器的圆柱形的压电换能单元的高度b相同，多个压电换能单元的压电片的直径依次减小；所有压电换能单元中的相同极引线相互连接； 形变变换块为实心喇叭形块体，两个圆形的端面分别于连接的两个压电换能单元的压电片直径相等，其纵截面的腰线为函数y=x/e曲线，e为数学常数；形变变换块的高度c符合以下公式a+b+2c=L= V /ω 其中，ω是电激励信号的频率、V是声波传播的速度、L是相邻两个压电换能单元的中心距离。
2.如权利要求I所述的用于超声手术器械的高功率密度压电换能器，其特征在于所述压电片的材料为掺杂锆钛酸铅陶瓷、或ZnO、或Α1Ν、或PVDF。
全文摘要
本发明涉及用于超声手术器械的高功率密度压电换能器。现有产品超声功率小。本发明包括多组压电换能单元，相邻两个压电换能单元之间设置有实心喇叭形的形变变换块，压电换能单元与形变变换块之间设置有绝缘层。压电换能单元包括多个同轴设置的圆片形状的压电片，压电片的表面设置有金属电极，相邻的两个压电片之间设置有两个圆台形的金属帽。所有压电换能单元的高度相同，多个压电换能单元的压电片的直径依次减小，所有形变变换块高度相同。相邻两个压电换能单元的中心距离满足色散方程。本发明有效地提高了电声转换效率，提高了超声波辐射的指向性，在有限的空间中，提高局部区域超声能量。
文档编号A61B18/00GK102813549SQ201210306518
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月27日 优先权日2012年8月27日
发明者余厉阳 申请人:杭州电子科技大学