压电设备和电路的制作方法
【专利说明】压电设备和电路
[0001] 与相关申请的相互参照
[0002] 本申请涉及并通过引证包含了 2013年12月27日提交的、主题为"手持式超声波 仪器"的美国临时专利申请No. 61/921,294以及2014年4月30日提交的、主题为"手持式 超声波仪器"的美国临时专利申请No. 61/986, 563,并且要求享有上述两件美国临时专利申 请的优先权。
【背景技术】
[0003] 在包括根管治疗、牙周治疗和清洁过程的牙医学领域中，受电设备的使用能够提 高程序的效率和功效。例如，在这些领域以及口腔外科领域中，通过一治疗尖端提供超声波 能量的受电设备能够实现对于牙齿中因具有复杂几何形状而难以达到的区域或部分更好 的清洁和清创。
[0004] 在不同情形下，提供用于实施牙科的或外科的步骤的有线或无线设备是有益的。 在医学和牙科领域例如根管治疗、牙周治疗、清洁以及其他外科治疗过程中，不管是口腔的 还是其他的，传统上采用手动工具或外部供电设备来完成。这两类工具都是有效的，但也 都具有一些缺点。比如，手动工具的使用会导致冗长的过程，并会造成临床医师、病人或两 者的疼痛、不适或疲劳。受电设备能够缓解这些问题并且同样有效，但却会带来其他一些 困难。例如，由于流体的连接（fluidconnections)和线缆会向设备增加可观的重量，因而 接有线缆的受电设备对于操控而言可能太过笨重。并且，与受电设备相连的流体连接以及 线缆在治疗过程期间会是难以操控的。在使用中，必须小心避免线缆的缠结、流体通路的闭 塞，或对前述两者中任意一个的损坏。
[0005] 在医疗领域中，在发展新的工具和技术时，考虑病人的安全、治疗过程的耗时 以及外科环境下的功效是有益的。就像牙科领域，受电设备相比于手动开动（manually powered)或不受电工具具有缩短治疗过程耗时以及提供微创技术的优势。然而，电流受 电设备也具有一些缺点，包括运行寿命不够长、相比于手动工具重量更重以及可用电力不 足。商业上可用的、用于医疗和牙科治疗过程的压电设备可包括低效的驱动电路，其需要 更高的输入功率来获取合适的结果。多余的能量以热量或其他损失的形式被浪费，因而可 能需要更大或更高的额定电路元件、散热器、以及大的设备空间。以前的压电洁牙机电路 设计采用硬开关以及很耗电的方法来迫使机械谐振发生在接近该机械谐振点的一设定好 的电信号下。典型地，硬开关通过连接一变压器至同时还接地的压电陶瓷来实现。由于来 自每一脉冲的能量均对压电陶瓷电容负载充电然后该能量就被放电至地，因而这种电路是 有损的。为驱动超声波设备的采用硬开关的电路的例子，可以在美国专利Nos. 3, 596, 206、 3, 651，352、4, 445, 063 和 4, 168, 447 中找到。
[0006] 从另一方面来看，现有的一些无线设备可连接至流体源。为了将流体提供至治疗 位置，可以使用一泵，其可以是与设备相分离的，也可以是位于设备内部的。内部的电泵从 电源处抽出电能，这在采用电池电源的情形下会更快耗尽电池的电力。
[0007] 已有设备的控制中心可以位于设备外部，在这种情况下，设备的操控者需要连续 并同时地支持该设备以及调节控制系统，而这会增加耗时并且需要额外的协助才能够完成 治疗过程。并且，交流电（AC)受电设备需要具备对诸如电源线的电压和电流的屏蔽能力。
[0008] 在超声波设备的运行期间也有可能引发这些问题以及其他问题。因此，需要一种 能够克服上述缺点的手持式超声波设备。
【发明内容】
[0009] 本发明提供了一种具有一电路的设备。该电路包括从一能源接收电能的至少一升 压转换器，同该升压转换器串联的一方波驱动器，和该方波驱动器串联并用于将方波转换 为正弦波的一电感，以及与该电感串联的一压电传感器（transducer)，该压电传感器可连 接至一负载。该设备还包括一锁相环路，该锁相环路连接至该电路，以在该压电传感器连接 该负载时确定该压电传感器的谐振频率。
[0010] 一方面，该能源是作为该电路一部分的一可充电直流电池。另一方面，该电路还包 括和该电感串联的一电容，用于消除该压电传感器的直流电部分。再另一方面，该电路还包 括和该压电传感器并联的一电容，以抑制该压电传感器的至少一三次谐波模式的振动。再 另一方面，该电路还包括和该传感器串联的一对背靠背的二极管，以决定通过该传感器的 电流的相位，从而使得得到的相位可送入至该锁相环路的相位比较器。
[0011] 一方面，该电路还包括与该直流电池串联的一第二升压转换器。另一方面，该第二 升压转换器的输出为该锁相环路的一输入。另一方面，该负载为用于一个牙科治疗过程或 者医疗过程的一治疗尖端。
[0012] 在另一实施例中，本发明提供了一手持式超声波设备，包括一设备主体，该设备主 体具有用于连接至少一治疗尖端的一远端，以及位于该设备主体内部的一电路。该电路包 括至少一升压转换器、和该升压转换器串联的一方波驱动器、和该方波驱动器串联并用于 将方波转换为正弦波的一电感、以及与该电感串联的一压电传感器。该设备还包括位于一 反馈回路中的一锁相环路。该锁相环路连接该电路，以决定当该压电传感器连接至该至少 一治疗尖端时该压电传感器的谐振频率。
[0013] 一方面，该电路还包括一能源。该至少一升压转换器和该能源串联。另一方面，该 电路包括和该能源串联的一第二升压转换器。另一方面，该第二升压转换器的输出是该锁 相环路的一个输入。另一方面，该手持式超声波设备还包括一流体泵。另一方面，该流体泵 是一弹性灌输泵或者一压电泵。
[0014] 一方面，该电路还包括和该压电传感器串联的至少一二极管。另一方面，该手持式 超声波设备还包括和该电感串联的一电容，用于消除该压电传感器的直流电部分。此外，该 能源为一可充电电池。
[0015] 在此公开的设备和电路的这些及其他方面以及其优点，在对附图的详细描述的基 础上能够得到更好的理解。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明一实施例的具有一相连的流体源的手持式超声波设备的透视图。
[0017] 图2为图1的手持式超声波设备的爆炸视图。
[0018] 图3为图1的手持式超声波设备沿图1中3-3轴线的剖面侧视图。
[0019] 图4为本发明一实施例的压电传感器的侧视图。
[0020] 图5为图4的压电传感器沿图4中5-5轴线的剖面侧视图。
[0021] 图6为本发明如图1所示的一实施例的设备内部电路的示意图。
[0022] 图7A为图6的电路中的电流流向的第一示例示意图。
[0023] 图7B为图6的电路中的电流流向的第二示例示意图。
[0024] 图8为本发明另一实施例的设备内部电路的示意图。
[0025] 图9为图8的牙科设备电路中的电流流向的示意图。
[0026] 图10为本发明的与一远程流体源相连的牙科设备的透视图。
[0027] 图11为本发明的牙科设备一端与一流体源相连的透视图。
[0028] 图12为本发明与一流体源相连的牙科设备的透视图。
[0029] 图13为图10的流体源的立面侧视图。
[0030] 图14A为本发明的设备的透视图，其示出了沿一外部流体路径的流体流动。
[0031] 图14B为本发明的牙科设备的透视图，其示出了沿一内部流体路径的流体流动。
[0032] 图15为连接至一注射器的图11的流体源的侧视图。
[0033] 图16为图12的设备的透视图，其示出了与设备位置相分离并用于连接至设备的 如图13所示的流体源。
[0034] 图17为使用中的图12的设备的透视图。
[0035] 图18为示出了使用中的图17的设备的增强视图。
[0036] 图19为处于充电座中的图12的设备的透视图。
[0037] 图20为本发明电路的一配置示例的示意图。
[0038] 图21为本发明的另一实施例的设备的透视图。
[0039] 图22为图21的设备沿7-7轴线的剖面侧视图。
[0040] 图23为如图21所示的设备的爆炸视图。
[0041] 图24为图21所示的设备的侧视图，其以虚线表示出了包含于其中的一流体泵。
[0042] 图25所示为作为市售可得的压电传感器的相位角函数的阻抗曲线，其中该压电 传感器连接至一牙科清洁治疗尖端。
[0043] 图26为非机械谐振点下的压电传感器的等效电路的示意图。
[0044] 图27为处于机械谐振点的压电传感器的等效电路的示意图。
【具体实施方式】
[0045] 尽管本发明在此已经得到详细及准确的公开，以使得本领域技术人员能够实施本 发明，但在此公开的实际的实施例仅仅是对本发明的举例说明，本发明也可以其他特定结 构实施。尽管已经描述了较佳实施例，但在不背离由权利要求限定的本发明的前提下，各个 细节是可以改变的。
[0046] -方面，本发明涉及一种有效谐振的压电驱动电路，用于压电超声波设备中的电 容性负载。该电路能够提高这些设备的整体效率和功效，并且也能够提高采用这些设备的 医疗或牙科治疗过程的效率和功效，这里所说的治疗过程可以是例如根管治疗、牙周治疗、 清洁或外科的治疗过程，或者是可从谐振压电驱动电路具备的超声波频率的机械输出的能 力中获益的其他手术，其中的外科治疗过程包括但不限于骨外科和软组织外科。电容性负 载可经由一电感并以和一电容并联的方式串接至驱动电压。并且，该电路能够确定相互连 接的压电传感器及治疗尖端的谐振频率。在达到谐振时，反应阻抗得以降低或最小化，进而 增大或最大化传输至该治疗尖端的能量。然而，随着治疗尖端的