超声换能器及超声刀的制作方法

1.本实用新型涉及医疗器械技术领域，更加具体来说，本实用新型涉及一种超声换能器及超声刀。


背景技术：

2.超声刀是外科的一种新型的能源型清洁器械。与传统电刀相比，超声刀具有非常明显的优势：精确的切割、止血以及最小的热损伤，减少手术时间并可用于重要器官；极少的烟雾及焦化，保证手术中的视野清晰；无电流通过人体；可切割除骨组织以外的任何实质性组织。
3.随着超声刀越来越多的应用于临床，对超声刀的技术要求也越来越高，超声刀器械制造商也在不断对超声刀的声学性能进行优化。同时随着超声刀应用范围越来越广，对超声刀的样式提出了更多要求，从枪式超声刀到剪刀式超声刀，临床应用不同，超声刀的样式与要求也不同。
4.相比于枪式超声刀，剪刀式超声刀更加精简、轻盈、方便。剪式超声刀的手柄更加微型，非常轻盈，临床应用非常方便。与枪式超声刀对比，剪刀式超声刀的最大直径由原来的25mm变为15.7mm，压电陶瓷片的直径由原来的16mm变为现在的8mm，这更加凸显了剪式超声刀的轻盈、微小。
5.如图1所示，现有剪刀式超声刀的手柄里的换能器是整波长结构组成，即由两个半波长谐振振子组成，第一半波长振子1和第二半波长振子2中有8片压电陶瓷片，压电陶瓷片组成的压电晶堆之间具有增益台阶3，变幅杆4紧贴于第二半波长振子2。这样的换能器，在振子端设置2个增益台阶，保证了振幅输出的需要，但由于两个振子间存在增益台阶3，每个振子的振动幅度是不一致的，导致了两个振子中的压电陶瓷片的振动位移不一致，这会导致换能器在动态工作过程中，两个半波长振子的输出不一致，不利于换能器的整体输出。


技术实现要素：

6.为解决现有超声换能器的两个半波长振子之间设有增益台阶、两个半波长振子的振动位移不一、不利于换能器的整体输出等问题，本实用新型创新地提供了一种超声换能器及超声刀，该超声换能器的两个压电晶堆之间等截面均匀过渡，压电晶堆的振动位移关于压电晶堆结构对称，两个压电晶堆的振动位移步调一致，在大功率工作下，两个压电晶堆同步输出、同步振动；前金属块与变幅杆之间设置增益台阶，增大振动位移，保证换能器输出足够的振幅。
7.为实现上述的技术目的，本实用新型第一方面公开了一种超声换能器，包括：后金属块、第一压电晶堆、过渡块、第二压电晶堆、前金属块和变幅杆，所述后金属块、第一压电晶堆、过渡块、第二压电晶堆、前金属块和变幅杆依次同轴连接，所述第一压电晶堆、所述过渡块和所述第二压电晶堆的纵截面积相同，所述前金属块与所述变幅杆之间设有增益台阶。
8.进一步地，所述第一压电晶堆和第二压电晶堆均包括多个压电陶瓷片和多个电极片，所述压电陶瓷片和所述带电极片交错混合堆栈。
9.进一步地，所述增益台阶的长度b为前金属块和增益台阶总长a的0.75～0.8。
10.进一步地，所述增益台阶的长度b为前金属块和增益台阶总长a的0.77。
11.进一步地，所述前金属块和所述后金属块的纵截面积与所述第一压电晶堆和所述第二压电晶堆的纵截面积相同。
12.进一步地，所述增益台阶的台阶面呈圆弧状，所述增益台阶的较小直径d与所述前金属块的直径c的比为0.5～0.6。
13.进一步地，所述增益台阶的台阶面呈圆弧状，所述增益台阶的较小直径d与所述前金属块的直径c的比为0.55。
14.进一步地，所述过渡块为金属块。
15.进一步地，所述后金属块、所述过渡块和所述前金属块均为钛金合块。
16.为实现上述的技术目的，本实用新型第二方面公开了一种超声刀，所述超声刀包括第一方面任一项所述的超声换能器。
17.本实用新型的有益效果为：
18.(1)本实用新型的超声换能器的两个压电晶堆之间等截面均匀过渡，压电晶堆的振动位移关于压电晶堆结构对称，两个压电晶堆的振动位移步调一致，在大功率工作下，两个压电晶堆同步输出、同步振动；前金属块与变幅杆之间设置增益台阶，增大振动位移，保证换能器输出足够的振幅。
19.(2)本实用新型的增益台阶具有大于1的放大系数，达到最佳的声电以及力学要求，使得换能器的输出振幅满足临床需求。
20.(3)本实用新型的后金属块、过渡金属块和前金属块采用钛合金材料，满足力学强度的同时，符合声学要求。
附图说明
21.图1为现有的超声换能器的结构示意图。
22.图2为本实用新型实施例的超声换能器的结构示意图。
23.图3为本实用新型实施例的超声换能器的侧视结构示意图。
24.图4为前金属块和增益台阶的连接示意图。
25.图中，
26.1、第一半波长振子；2、第二半波长振子；3、增益台阶；4、变幅杆；
27.10、后金属块；20、第一压电晶堆；30、过渡块；40、第二压电晶堆；50、前金属块；60、变幅杆；70、增益台阶；80、压电陶瓷片；90、电极片。
具体实施方式
28.下面结合说明书附图对本实用新型提供的超声换能器及超声刀进行详细的解释和说明。
29.如图2和3所示，本实施例具体公开了一种超声换能器，包括：后金属块10、第一压电晶堆20、过渡块30、第二压电晶堆40、前金属块50和变幅杆60，后金属块10、第一压电晶堆
20、过渡块30、第二压电晶堆40、前金属块50和变幅杆60依次同轴连接，后金属块10、第一压电晶堆20、过渡块30、第二压电晶堆40、前金属块50和变幅杆60之间可以螺纹连接，第一压电晶堆20、过渡块30和第二压电晶堆40的纵截面积相同，本实用新型的纵截面为垂直于第一压电晶堆20、过渡块30和第二压电晶堆40的轴线的截面，前金属块50与变幅杆60之间设有增益台阶70，增益台阶70可以和前金属块50一体成型。
30.第一压电晶堆20和第二压电晶堆40均包括多个压电陶瓷片80和多个电极片90，压电陶瓷片80和带电极片90交错混合堆栈。在本实施例中，第一压电晶堆20和第二压电晶堆40的压电陶瓷片80数量均为8个。
31.由于本实用新型的换能器尺寸较小，需用多片压电陶瓷片80并起来组合成足够的电容。单片压电陶瓷片80的静态电容可以由下式计算得出：
32.c＝ε*s/d，
33.其中，ε为压电陶瓷片80的介电常数，s为压电陶瓷片80的有效面积，d为压电陶瓷片80的厚度。
34.可以看见电容与压电陶瓷片80的面积成正比，本实用新型的压电陶瓷片80与枪式换能器对比，直径是倍数关系枪式换能器的直径是16mm，本实用新型的换能器压电陶瓷片80直径是8mm，为此该换能器所需的压电陶瓷片80的数量几乎是枪式换能器的4倍，根据换能器压电片是偶数的原则，本实用新型的换能器的压电片即为8+8＝16片。
35.每个压电晶堆分别处于一个半波长振子之中，半波长振子结构之间的是等截面过渡，从第一压电晶堆20到第二压电晶堆40振动位移是一致的，压电陶瓷片80的机电性能是相互耦合的，如果振动位移不一致，则第一压电晶堆20和第二压电晶堆40的机电相应是不一致的，压电陶瓷片80的机电耦合方程如下
36.{t}＝{c
e
}{s}
‑
[e]{e}
[0037]
{d}＝{e}
t
{s}+{ε}
s
{e}
[0038]
{t}代表应力场，{s}代表应变场，{d}代表电流密度场，{e}代表电场强度，{c
e
}代表刚度矩阵，{e}代表压电矩阵，{ε
s
}代表介电矩阵。
[0039]
在均匀过渡下，压电晶堆的机电耦合性能是一致的，确保了压电晶堆在工作过程中是相互对等的。
[0040]
对于一特定材料，结构具有恒定的杨氏模量e与密度ρ等力学物理量，若结构规则，比如纯粹的棒材，则结构的谐振频率f＝(sqrt(e/ρ))/2*l.但是通常的声学传导杆都是不规则结构，主要是为了满足声学与力学需求。对于一个自由振动系统，其振动特征方程为
[0041]
([k]
‑
ω2[m]){u0}＝{0}
[0042]
其中，[k]表示系统的刚度矩阵，[m]表示系统质量矩阵，u0表示系统的振动位移，ω表示系统的振动圆频率。对于本实用新型的振动系统，各部分的材料是已知的，同时目标结构频率ω也是已知的，本实用新型的目的在于调整系统质量矩阵，找出相应的振动位移分布，即振型。同时为了换能器满足振动输出要求，换能器在末端输出时要增加增益结构，主要是为放大振动位移，主要是由节点前后的质量之比决定，其控制方程为
[0043]
∫m1*vel1*dx＝∫m2*vel2*dx
[0044]
∫m1*(2*π*f)*amp1*dx＝∫m2*(2*π*f)*amp2*vel2*dx
[0045]
这里m1、m2分别为节点前后的质量，amp1、amp2分别为输入端与输出端振幅，根据
同一介质密度相等，从而增益比gain可以等效为
[0046]
gain＝m2/m1＝amp2/amp1。
[0047]
前金属块50和后金属块10的纵截面积与第一压电晶堆20和第二压电晶堆40的纵截面积相同，保持振动位移步调的一致性。
[0048]
如图4所示，增益台阶70的长度b为前金属块50和增益台阶70总长a的0.75～0.8。优选地，增益台阶70的长度b为前金属块50和增益台阶70总长a的0.77。增益台阶70的台阶面呈圆弧状，圆弧的圆形背离增益台阶70，即增益台阶70从第一压电晶堆20向变幅杆60的方向直径从大到小过渡，圆弧段为一过渡段，之后直径保持不变，增益台阶70的较小直径d与前金属块50的直径c的比为0.5～0.6。优选地，增益台阶70的较小直径d与前金属块50的直径c的比为0.55。
[0049]
本实施例的增益台阶70具有大于1的放大系数，其长度和直径设计达到最佳的声电以及力学要求。增益台阶70的实质在于通过台阶处长度和直径的变化实现质量的变化，本实施例的设计既可以达到声学要求，又可以满足强度需求，此时增益台阶70达到的效果可以让换能器的振动放大1.5倍，换能器的输出振幅满足临床需求，同时换能器在谐振点的安全系数几乎达到10，此时换能器的最大应力为121mpa。
[0050]
过渡块30为金属块。优选地，后金属块10、过渡块30和前金属块50均为钛金合块。钛合金材料满足力学强度以及声学要求。压电晶堆结构包含压电陶瓷片80以及电极片90，故而本实施例的振动系统的质量由金属部分、压电晶堆共同决定。钛合金的极限应力为1000mpa，则安全因子为1000/121＝8.26。
[0051]
为实现上述的技术目的，本实用新型第二方面公开了一种超声刀，超声刀包括第一方面任一项的超声换能器。
[0052]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0053]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0054]
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任至少一个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0055]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0056]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。