CH704284B1 - Piezoelektrische Stosswellenquelle. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Stosswellenquelle mit einer Vielzahl von Piezoelementen (2) und einem flächigen Träger (4), welcher eine Vielzahl von Durchgangslöchern aufweist, wobei jedes Piezoelement (2) in einem der Durchgangslöcher gefasst ist.

Description

Beschreibung

[0001 ] Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Stosswellenquelle.

[0002] Lithotriptoren bzw. Stosswellentherapiegeräte sind seit etwa 25 Jahren erfolgreich im klinischen Einsatz zur nicht invasiven Behandlung von Steinleiden oder Schmerzen im Weichteilbereich. Diese Geräte weisen u. a. piezoelektrische Stosswellenerzeuger bzw. Stosswellenquellen auf. Diese beinhalten eine Vielzahl von Piezoelementen, welche entsprechend befestigt und elektrisch kontaktiert werden müssen.

[0003] Beispielsweise DE 19 624 443 zeigt eine solche bekannte piezoelektrische Stosswellenquelle.

[0004] Bei der Befestigung ergibt sich das Problem, dass sich die Piezoelemente nach längerem Betrieb von dem Träger, an welchem sie befestigt sind, lösen können. Darüber hinaus besteht die Problematik, dass die Piezoelemente ausreichend elektrisch isoliert werden müssen, um einen Hochspannungsüberschlag zu verhindern.

[0005] Im Hinblick auf den Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, bei einer piezoelektrischen Stosswellenquelle die Befestigung der einzelnen Piezoelemente zu verbessern.

[0006] Diese Aufgabe wird durch eine piezoelektrische Stosswellenquelle mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.

[0007] Die erfindungsgemässe piezoelektrische Stosswellenquelle weist eine Vielzahl einzelner Piezoelemente auf, welche an einem Träger befestigt sind. Die einzelnen Piezoelemente werden in bekannter Weise elektrisch kontaktiert, sodass durch Anlegen einer Spannung aufgrund des piezoelektrischen Effektes eine Formänderung erfolgt, welche die gewünschte Stosswelle erzeugt. Dabei sind die Piezoelemente an dem Träger vorzugsweise so angeordnet, dass mehrere Piezoelemente auf einen gemeinsamen Therapiefokus gerichtet sind, sodass sich in dem Fokus die Druck- bzw. Stosswellen, welche von den einzelnen Piezoelementen erzeugt werden, addieren. Dies kann beispielsweise ein punkt- oder linienförmiger Fokus sein.

[0008] Die einzelnen Piezoelemente sind erfindungsgemäss an einem flächigen Träger befestigt, wobei der Träger plan oder auch gekrümmt ausgebildet sein kann.

[0009] Erfindungsgemäss erfolgt die Befestigung der Piezoelemente in der Weise, dass in dem Träger eine Vielzahl von Durchgangslöchern ausgebildet sind. Dabei erstrecken sich diese Durchgangslöcher im Wesentlichen normal zur Erstreckungsrichtung des flächigen Trägers durch diesen hindurch. Die einzelnen Durchgangslöcher dienen der Fassung einzelner Piezoelemente. Die Piezoelemente sind in die Durchgangslöcher eingesetzt und werden in den Durchgangslagern gehalten. Die Piezoelemente liegen dabei vorzugsweise mit ihrem Aussenumfang am Innenumfang der Durchgangslöcher an. Die Durchgangslöcher weisen dazu eine Querschnittsform auf, welche im Wesentlichen der Querschnittsform bzw. der Aussenumfangskontur der Piezoelemente entspricht, sodass die Piezoelemente in den Durchganglöchern gehalten werden können. Die Piezoelemente erstrecken sich dabei bevorzugt an beiden Enden des Durchgangsloches über die Oberfläche des Trägers hinaus, d.h., die Piezoelemente ragen an beiden entgegengesetzten Oberflächen des Trägers über die Oberflächen hinaus bzw. stehen gegenüber der Oberfläche vor. Dadurch, dass die Piezoelemente in den Durchgangslöchern gehalten werden, wird eine bessere Befestigung der Piezoelemente erreicht und die Piezoelemente können sich nicht so leicht von dem Träger lösen. Neben einer formschlüssigen Verbindung in den Durchgangslöchern können die einzelnen Piezoelemente zusätzlich mit dem Träger insbesondere am Innenumfang der Durchgangslöcher oder angrenzend an die Durchgangslöcher mit der Oberfläche des Trägers verklebt sein.

[0010] Durch die Fassung der Piezoelemente in den Durchgangslöchern kann darüber hinaus die Kriechstrecke von einem Axialende zum entgegengesetzten Axialende der Piezoelemente verlängert werden, sodass ein Hochspannungsüberschlag verhindert werden kann. Die axiale Erstreckungsrichtung der Piezoelemente ist dabei diejenige Richtung, in welcher die Stoss- bzw. Druckwelle erzeugt wird, d.h. die sich zum Fokus der Stosswellenquelle erstreckende Achse des jeweiligen Piezoelementes. Diese Längsachsen der Piezoelemente erstrecken sich vorzugsweise normal zur Oberfläche des flächigen Trägers.

[0011 ] Besonders bevorzugt sind die Piezoelemente in ihrer axialen Richtung gesehen in ihrem Mittelbereich in jeweils einem der Durchgangslöcher gefasst. D.h., die Piezoelemente stehen zu beiden Seiten des Trägers im Wesentlichen um dasselbe Mass gegenüber der Trägeroberfläche vor. Im Mittelbereich können die einzelnen Piezoelemente besonders sicher gehalten werden.

[0012] Weiter bevorzugt sind die Piezoelemente jeweils von zumindest einem Isolationsring am Aussenumfang ummantelt. Besonders bevorzugt sind die Piezoelemente jeweils von zwei Isolationsringen umfänglich ummantelt, wobei die beiden Isolationsringe axial, d.h. in axialer Richtung bzw. Längsrichtung des Piezoelementes, welche oben definiert wurde, derart voneinander beabstandet sind, dass der Träger zwischen den beiden Isolationsringen gelegen ist. So kann der Träger zwischen den beiden Isolationsringen geklemmt werden. Die Isolationsringe können so auch der Befestigung bzw. Fixierung der Piezoelemente an dem Träger dienen. Darüber hinaus dienen sie vor allem der elektrischen Isolation und verlängern die Kriechstrecke von einem Axialende zum entgegengesetzten Axialende des Piezoelementes, sodass Hochspannungsüberschläge verhindert werden können. Die Isolationsringe liegen vorzugsweise kraftschlüssig an der Aussenumfangsfläche des Piezoelementes an. Zusätzlich können sie mit der Oberfläche der Piezoelemente verklebt werden,

2 beispielsweise mittels Heisskleber. Die Isolationsringe selber sind aus einem elektrisch nicht leitenden Material wie z.B. Kunststoff oder Keramik gefertigt. Insbesondere können sie aus Kunststoff mit elastischen Eigenschaften gefertigt sein. Auch ist es möglich, die Isolationsringe aus einem Material zu fertigen, welches ein Aufschrumpfen auf die Piezoelemente ermöglicht, beispielsweise kann ein Schrumpfschlauchmaterial verwendet werden, welches gegebenenfalls zusätzlich mit einem Klebstoff versehen werden kann. Die elektrischen Anschlusspole, d.h., der positive und der negative Pol sind an den axial entgegengesetzten Enden des Piezoelementes angeordnet. Der Isolationsring, welcher fest an der Umfangsfläche des Piezoelementes anliegt, erhöht so die Kriechstrecke zwischen beiden Polen. Da zwei Isolationsringe vorgesehen sind, welche im Mittelbereich zur Aufnahme des Trägers beabstandet sind, verlängert sich gegenüber einem einteiligen Isolationsring die Kriechstrecke um die vierfache Wandstärke der Isolationsringe.

[0013] Weiter bevorzugt sind der Träger und die in diesem gefassten Piezoelemente in einer Vergussmasse eingebettet. Diese Vergussmasse umhüllt die einzelnen Piezoelemente, den Träger und die elektrischen Anschlüsse der Piezoelemente. Dabei kann die Vergussmasse zum einen ebenfalls der elektrischen Isolation dienen, zum anderen bewirkt sie jedoch besonders bevorzugt den mechanischen Zusammenhalt der einzelnen Bauteile, d.h. insbesondere der einzelnen Piezoelemente und des Trägers. D.h., die umhüllende Vergussmasse dient der Fixierung der Piezoelemente in dem Träger. Die Vergussmasse kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial sein und ist insbesondere flexibel, sodass die Formänderungen der Piezoelemente nicht zu einem Reissen der Vergussmasse oder einem Abreissen der Piezoelemente von der Vergussmasse führen. Um eine feste Verbindung zwischen Träger und Vergussmasse zu erreichen, kann der Träger mit zusätzlichen Durchbrechungen oder Löchern versehen sein, in welche die Vergussmasse eintritt.

[0014] Wie oben beschrieben, sind die Piezoelemente vorzugsweise jeweils an ihren axialen Enden, d.h. den beiden axial entgegengesetzten Enden, elektrisch kontaktiert. Dazu sind die Piezoelemente weiter bevorzugt jeweils am zumindest einen Axialende über einen elektrischen Anschlussdraht kontaktiert. Diese elektrischen Anschlussdrähte sind zum einen vorzugsweise flexibel ausgebildet, müssen jedoch zum anderen eine solche Dicke aufweisen, dass ein guter Stromfluss möglich ist. Um den Skin-Effekt zu vermeiden, ohne die Flexibilität einzuschränken, kann auch eine aus feinen Metalldrähten gewebte Litze als Anschlussdraht verwendet werden.

[0015] Gemäss einer besonderen Ausführungsform ist an den Piezoelementen jeweils an einem Axialende ein Stützkörper angebracht. Dies ist dabei vorzugsweise dasjenige Axialende, welches dem Therapiefokus abgewandt ist. Durch die vorangehend beschriebene Halterung der Piezoelemente in den Durchgangslöchern des Trägers und die Einbettung in eine elastische Vergussmasse sind die Piezoelemente relativ kräftefrei eingebettet, und es ist kein rückseitig an den Piezoelementen angebrachtes Trägermaterial, welches eine Stützfunktion übernehmen könnte, vorhanden. Dadurch tritt bei einer generierten Stosswelle ein erhöhter Zuganteil auf. Für einige Anwendungen, wie zum Beispiel die Gewebestimulation, ist dies sogar vorteilhaft, für andere Anwendungen, wie zum Beispiel bei der Steinzertrümmerung, sollte der Zuganteil jedoch vorzugsweise geringer sein. Zur Reduzierung dieses Zuganteils dient ein jeweils an einem Axialende, insbesondere dem dem Therapiefokus abgewandten Axialende angeordnete Stützkörper bzw. ein Backing. Dieser Stützkörper besteht vorzugsweise aus einem vergleichsweise steifen Material, welches sich bei Erzeugen der Stosswelle weniger verformt als die umgebende Vergussmasse. Durch die Auswahl des Materials und die Geometrie des Stützkörpers lässt sich die Grösse des Zuganteils der Stosswellenquelle beeinflussen, sodass durch Auswahl und Gestaltung dieser Stützkörper eine Stosswellenquelle mit gewünschtem Zuganteil geschaffen werden kann. Darüber hinaus kann die Formgebung des Stützkörpers verschiedenartig sein, z.B. konisch oder kugelförmig. Es können auch Formen zusammengesetzter Körper wie Zylinder und Halbkugel oder Zylinder und Kegelstumpf und so weiter gewählt werden. Der Stützkörper kann in seinem Umfangsbereich auch nut- oder wellenförmige Vertiefungen aufweisen, wodurch eine verbesserte Verankerung in der Vergussmasse erreicht werden kann, welche in die jeweiligen Vertiefungen eingreift. So wird ein Formschluss zwischen Vergussmasse und Stützkörper erreicht.

[0016] Besonders bevorzugt ist der Stützkörper aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, um gleichzeitig die elektrische Kontaktierung des Piezoelementes an dem Axialende, an welchem der Stützkörper angeordnet ist, zu ermöglichen. Wenn der Stützkörper aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material gefertigt wird, kann er mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche versehen sein und so ebenfalls zur Kontaktierung des Piezoelementes dienen. So kann der Stützkörper aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt sein und mit einem Leitkleber mit dem Piezoelement verbunden sein. Alternativ können nichtmetallische Materialien wie beispielsweise Glas, Keramik, Kunststoffe oder Verbundstoffe Verwendung finden, welche dann mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche versehen sind, welche dann wiederum mittels eines Leitklebers mit der Axialseite des Piezoelementes verklebt wird.

[0017] Wie oben beschrieben, kann der Träger zur Erzeugung eines gewünschten Therapiefokus gekrümmt ausgebildet sein, beispielsweise kalottenförmig gekrümmt sein, um einen punktförmigen Therapiefokus zu erzielen. Um einen linienförmigen Therapiefokus zu erreichen, kann der Träger auch nur in eine Richtung gekrümmt sein. Der Träger kann dabei eine vorgegebene Krümmung aufweisen und starr ausgebildet sein, sodass die Piezoelemente dann in einen entsprechend vorgekrümmten Träger eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der Träger eine gewisse Flexibilität aufweist und der Träger nach Einsetzen der Piezoelemente in eine gewünschte Form gebogen oder gekrümmt wird. Der Träger kann auch eine Kombination aus den vorgenannten Formen aufweisen. Anschliessend wird er dann in die Vergussmasse eingebettet, wobei dann die gewünschte Form durch die ausgehärtete Vergussmasse beibehalten wird.

[0018] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, zwei oder mehr Träger vorzusehen, in welchen die Piezoelemente in der vorangehend beschriebenen Weise gefasst sind, wobei die Träger mit den Piezoelementen

3 in axialer Richtung der Piezoelemente übereinanderliegend angeordnet sind. Dabei können die mehreren Träger gemeinsam in die Vergussmasse eingebettet sein. So wird ein «Multischichtenwandler» geschaffen, welcher mehrere übereinanderliegende Schichten einzelner Stosswellenerzeuger aufweist.

[0019] Vorzugsweise besteht der Träger aus einem elektrisch nicht leitenden, mechanisch jedoch ausreichend stabilen Material. Dabei ist das Material derart mechanisch stabil gewählt, dass es der Stosswellenquelle die definierte Form gibt und diese selbstständig hält. Auf diese Weise wird durch den Träger sichergestellt, dass die Piezoelemente in definierter Position relativ zueinander gehalten werden.

[0020] Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch eine kalottenförmige Stosswelle gemäss der Erfindung,

Fig. 2 vergrössert den Ausschnitt II in Fig. 1 ,

Fig. 3 vergrössert ein Piezoelement,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf den Träger,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt einer kalottenförmigen Stosswellenquelle gemäss einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 vergrössert den Ausschnitt VI in Fig. 5 und

Fig. 7 eine schemafische Schnittansicht einer kalottenförmigen Stosswellenquelle gemäss einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

[0021 ] Die piezoelektrische Stosswellenquelle gemäss Fig. 1 weist eine kalottenförmige bzw. sphärisch gekrümmte Anordnung von Piezoelementen 2 auf. Die einzelnen Piezoelemente 2 sind in einem Träger 4 gefasst bzw. gehalten und gemeinsam mit dem Träger 4 in eine Vergussmasse 6 eingegossen. Die Piezoelemente 2 sind in einer derart gekrümmten bzw. kalottenförmigen Anordnung platziert, dass ihre Längsachsen X, entlang derer sie Stosswellen erzeugen, auf den gemeinsamen Therapiefokus 8 gerichtet sind.

[0022] Der Träger 4 ist flächig ausgebildet und weist, wie in Fig. 4 gezeigt ist, eine Vielzahl von Durchgangslöchern 10 auf. Die einzelnen Piezoelemente 2 sind jeweils in einem dieser Durchgangslöcher 10 gefasst. Dabei liegen die Piezoelemente mit ihrer Umfangsfläche bezogen auf die Längsachse bzw. axiale Richtung X des jeweiligen Piezoelementes 2 am Innenumfang der Durchgangslöcher 10 an. Die einzelnen Piezoelemente 2 sind, wie in Fig. 2 zu sehen ist, in axialer Richtung jeweils in ihrem Mittelbereich gefasst. D.h., die beiden axialen Enden 12 und 14 stehen in axialer Richtung X im Wesentlichen jeweils um dasselbe Mass gegenüber den Oberflächen des Trägers 4 vor. An den Axialenden 12 und 14 sind die Piezoelemente 2 über elektrische Anschlussdrähte 16 kontaktiert. Dazu sind die elektrischen Anschlussdrähte 16 über Lötpunkte 18 mit den jeweiligen Axialenden 12 und 14 der Piezoelemente 2 verbunden. Die Anschlussdrähte 16 sind flexibel ausgebildet und mit in die flexible Vergussmasse 6 eingebettet.

[0023] Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, weist der Träger 4 neben den Durchgangslöchern 10 zur Aufnahme der Piezoelemente 2 weitere, im Durchmesser kleiner ausgebildete Durchgangslöcher 20 auf, welche von der Vergussmasse 6 durchdrungen werden und somit für eine sichere Verbindung zwischen Vergussmasse 6 und Träger 4 sorgen. Darüber hinaus könnten diese Durchgangslöcher 20 auch dazu genutzt werden, elektrische Anschlussdrähte durch den Träger 4 hindurchzuführen.

[0024] Wie am besten in der Vergrösserung von Fig. 2 und Fig. 3 zu erkennen ist, ist jedes Piezoelement 2 an seinem Aussenumfang von zwei Isolationsringen 22 umgeben. Die Isolationsringe 22 sind dabei in der Axialrichtung X voneinander beabstandet, sodass zwischen den Isolationsringen 22 ein ringförmiger Spalt 24 ausgebildet wird, in welchen der Träger 4 eingreift. D.h., der Träger 4 wird in axialer Richtung zwischen den Isolationsringen 22 fixiert. Die Isolationsringe 22 dienen damit neben der elektrischen Isolation zusätzlich der mechanischen Fixierung der Piezoelemente 2 in den Durchgangslöchern 10 des Trägers 4. Die Isolationsringe 22 können auf dem Aussenumfang der Piezoelemente 2 aufgeschrumpft sein. Dazu kann beispielsweise ein Schrumpfschlauchmaterial Verwendung finden, welches gegebenenfalls mit einem Klebstoff versehen sein kann, bevorzugt einem Heisskleber.

[0025] Darüber hinaus verlängert sich durch die Verwendung zweier beanstandeter Isolationsringe 22 die Kriechstrecke zwischen den Axialenden 12 und 14, d.h. den beiden Polen des Piezoelementes 2.

[0026] Die Fig. 5 und 6 zeigen eine abgewandelte zweite Ausführungsform, welche sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform darin unterscheidet, dass an den Axialenden 14, d.h. den dem Therapiefokus abgewandten Axialenden 14 der Piezoelemente 2, jeweils ein Stützkörper 26 angebracht ist. Die Stützkörper 26 bestehen aus einem gegenüber der Vergussmasse 6 steifen, d.h. weniger elastischen Material, welches entweder elektrisch leitend ausgebildet ist oder mit einer elektrisch leitenden Oberflächenschicht versehen ist. Die Stützkörper 26 sind auf die Axialenden 14 der Piezoelemente 2 elektrisch leitend aufgeklebt. Die Stützkörper 26 dienen dazu, den Zuganteil bei der Stosswellenerzeugung zu reduzieren und sind gemeinsam mit dem Träger 4 und den Piezoelementen 2 in die Vergussmasse 6 eingebettet. Die

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Claims (11)

1. Stützkörper 26 sind über Anschlussdrähte 16, welche an Lötpunkten 18 an den Stützkörpern 26 angebunden sind, elektrisch kontaktiert und dienen somit der elektrischen Kontaktierung der Piezoelemente 2. [0027] Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche einen zweischichtigen Wandler darstellt. Der gezeigte Wandler weist zwei sich parallel bzw. konzentrisch zueinander erstreckende Träger 4 auf, in welche jeweils in der vorangehend beschrieben Weise die Piezoelemente 2 eingesetzt sind. D.h., es sind zwei radial übereinanderliegende Träger mit darin eingefassten Piezoelementen 2 vorgesehen, welche gemeinsam in eine Vergussmasse 6 eingebettet sind. Durch die doppelte Anordnung von Piezoelementen wird eine grössere Leistung des Stosswellenwandlers erreicht. Bezugszeichenliste [0028] 2 Piezoelemente 4 Träger 6 Vergussmasse 8 Therapiefokus 10 Durchgangslöcher 12, 14 Axialenden 16 Anschlussdrähte 18 Lötpunkte 20 Durchgangslöcher 22 Isolationsringe 24 Spalt 26 Stützkörper X Längsachse Patentansprüche 1. Piezoelektrische Stosswellenquelle mit einer Vielzahl von Piezoelementen (2) und zumindest einem flächigen Träger (4), welcher eine Vielzahl von Durchgangslöchern (10) aufweist, wobei jedes Piezoelement (2) in einem der Durchgangslöcher (10) gefasst ist.
2. 2. Piezoelektrische Stosswellenquelle nach Anspruch 1 , bei welcher die Piezoelemente (2) jeweils in ihrer axialen Richtung (X) gesehen in ihrem Mittelbereich in einem der Durchgangslöcher (10) gefasst sind.
3. 3. Piezoelektrische Stosswellenquelle nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Piezoelemente (2) jeweils von mindestens zwei Isolationsringen (22) umfänglich ummantelt sind, wobei die Isolationsringe (22) axial derart voneinander beabstandet sind, dass der Träger (4) zwischen den beiden Isolationsringen (22) gelegen ist.
4. 4. Piezoelektrische Stosswellenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Träger (4) und die in diesem gefassten Piezoelemente (2) in einer Vergussmasse (6) eingebettet sind.
5. 5. Piezoelektrische Stosswellenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Piezoelemente (2) jeweils an ihren axialen Enden (12, 14) elektrisch kontaktiert sind,
6. 6. Piezoelektrische Stosswellenquelle nach Anspruch 5, bei welcher die Piezoelemente (2) jeweils an zumindest einem Axialende (12, 14) über elektrische Anschlussdrähte (16) kontaktiert sind.
7. 7. Piezoelektrische Stosswellenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher an den Piezoelementen (2) jeweils an einem Axialende (14) ein Stützkörper (26) angebracht ist.
8. 8. Piezoelektrische Stosswellenquelle nach Anspruch 7, bei welcher der Stützkörper (26) aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt oder mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche versehen ist und zur Kontaktierung des Piezoelementes (2) dient.
9. 9. Piezoelektrische Stosswellenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Träger (4) gekrümmt ausgebildet ist. 5
10. 10. Piezoelektrische Stosswellenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Träger (4) aus einem elektrisch nicht leitenden und mechanisch derart stabilen Material besteht, dass er der Stosswellenquelle eine definierte Form gibt und diese selbstständig hält.
11. 1 1. Piezoelektrische Stosswellenquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher zumindest zwei Träger (4) mit darin gefassten Piezoelementen (2) übereinanderliegend angeordnet sind. 6