CN106552760B - 一种超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声换能器，包括预紧杆、后质量块、晶堆、前质量块和变幅杆；预紧杆包括一体连接的外周面为光滑的柱形杆头和杆体，柱形杆头包括杆头接触面；后质量块套设于杆体上，后质量块具有第一接触面和第二接触面，第一接触面贴设于杆头接触面；晶堆套设于杆体上，晶堆具有晶堆接触面，晶堆接触面贴设于第二接触面；前质量块连接于杆体的端部；变幅杆连接于前质量块上。本发明提供的超声换能器通过外周面为光滑的柱形杆头产生均匀的压力分布，继而能够将力依次均匀传递给其后的后质量块和晶堆，来让超声换能器的晶堆能够获取更为均匀的压力分布，从而有效提高换能器的机电转换效率，实现超声换能器的低阻抗、高输出的性能。

Description

一种超声换能器

技术领域

本发明涉及一种医疗设备领域，尤其涉及一种超声换能器。

背景技术

超声刀系统广泛医用于医疗领域，超声刀系统的核心部件为医用功率换能器，医用功率换能器的优劣决定了超声刀手术效果以及超声刀的使用寿命。其中，阻抗愈低，效率愈高，则医用功率换能器愈优，因为具有低阻抗、高效率的医用功率换能器才能在相同输入功率的条件下获取更大的高频振动的机械能，输出更大的振幅。

现有技术中，华外医疗提出一种换能器结构，在预紧螺杆与后金属块之间加一弹性垫片以达到压力分布均匀的效果，从而实现医用功率换能器的低能耗，高输出。但是发明人在实施该技术方案时发现该结构存在以下缺陷：(1)预紧螺杆与后金属块间再增加一弹性垫片，增加了接触面积，实际上不利于能量的传递；(2)后金属块一般为钛合金或不锈钢，再在后金属块表面加一类似的垫片，多了一套工艺流程，而且薄片的介入，晶堆的压力均匀度并没有那么理想，换能器的阻抗，振幅以及效率参数有待进一步提高；(3)组装工艺是换能器设计的重要一环，换能器在组装中，要承受较大的强度，薄的垫片结构不但工艺要求较高，而且不利于组装；(4)换能器本身不管在组装还是工作中，都会产生较大应力，特别是大功率下，薄垫片的介入会影响整个换能器的疲劳强度，从而影响换能器的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能耗较低、输出较高的超声换能器。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超声换能器，包括预紧杆、后质量块、晶堆、前质量块和变幅杆；所述预紧杆包括一体连接的外周面为光滑的柱形杆头和杆体，所述柱形杆头的直径大于所述杆体的直径，所述柱形杆头包括杆头接触面；所述后质量块套设于所述杆体上，所述后质量块具有相对设置的第一接触面和第二接触面，所述第一接触面贴设于所述杆头接触面；所述晶堆套设于所述杆体上，所述晶堆具有晶堆接触面，所述晶堆接触面贴设于所述第二接触面；所述前质量块连接于所述杆体的端部，所述前质量块贴设于所述晶堆上；所述变幅杆连接于所述前质量块上。

其中，所述第一接触面的边缘设置有倒角或者倒圆角。

其中，所述第一接触面的边缘与所述杆头接触面的边缘重合。

其中，所述第二接触面的面积大于所述晶堆接触面的面积。

其中，所述第二接触面的内径比所述晶堆接触面的内径小0.2～0.5mm。

其中，所述变幅杆包括依次同轴连接的输入杆、法兰部和输出杆，所述输入杆连接于所述法兰部与所述前质量块之间，所述法兰部用于安装于外部设备上，所述输出杆包括过渡部、圆柱部和环状凸起，所述过渡部同轴连接于所述法兰部上，所述过渡部的外径沿着远离所述法兰部的方向逐渐减小，所述圆柱部同轴连接于所述过渡部上，所述环状凸起突设于所述圆柱部的外围且位于远离所述法兰部的一端。

其中，所述过渡部包括依次连接的第一过渡段、平直段和第二过渡段，所述第一过渡段的外径沿着远离所述法兰部的方向逐渐减少，所述平直段的外表面为直圆柱面且外径沿着所述变幅杆的中心轴方向保持不变，所述第二过渡段的外径沿着远离所述平直段的方向逐渐减少。

其中，所述圆柱部的直径与所述环状凸起的直径的比值为0.65～1.50。

其中，所述环状凸起包括输出端，所述输出端开设沿所述变幅杆的中心轴方向延伸的连接孔，所述环状凸起沿着所述变幅杆的中心轴方向的长度与所述连接孔的孔深的比值为0.15～0.58。

其中，所述前质量块具有后连接面，所述变幅杆具有与所述后连接面形状相同输入面，且所述输入面的直径大于所述后连接面的直径，所述输入面连接于所述后连接面。

其中，所述变幅杆的输入面的周边设置圆角或者倒角。

本发明提供的超声换能器通过外周面为光滑的柱形杆头产生均匀的压力分布，继而能够将力依次均匀传递给其后的后质量块和晶堆，来让超声换能器的晶堆能够获取更为均匀的压力分布，从而有效提高换能器的机电转换效率，实现超声换能器的低阻抗、高输出的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施方式提供的超声换能器的示意图；

图2是图1所示的超声换能器的分解示意图；

图3是其他实施例方式提供的一种变幅杆的示意图；

图4是现有技术的换能器的晶堆中的压电片的压力分布图；

图5是本发明实施方式提供的超声换能器中的晶堆的压电陶瓷片的压力分布图；

图6是现有技术的换能器的晶堆中的压电片的振动位移分布图；

图7是本发明实施方式提供的超声换能器中的晶堆的压电陶瓷片的振动位移分布图；

图8是本发明实施方式提供的一种变幅杆的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1和图2，为本发明提供的一种超声换能器100，包括预紧杆10、后质量块20、晶堆30、前质量块40和变幅杆50；所述预紧杆10包括一体连接的外周面为光滑的柱形杆头11和杆体12，所述柱形杆头11的直径大于所述杆体12的直径，所述柱形杆头11包括杆头接触面11a；所述后质量块20套设于所述杆体12上，所述后质量块20具有相对设置的第一接触面21和第二接触面 22，所述第一接触面21贴设于所述杆头接触面11a；所述晶堆30套设于所述杆体12上，所述晶堆30具有晶堆接触面，所述晶堆接触面贴设于所述第二接触面22；所述前质量块40连接于所述杆体12的端部，所述前质量块40贴设于所述晶堆30上；所述变幅杆50连接于所述前质量块40上。

通过外周面为光滑的柱形杆头11产生均匀的压力分布，继而能够将力依次均匀传递给其后的后质量块20和晶堆30，来让超声换能器100的晶堆30能够获取更为均匀的压力分布，从而有效提高换能器的机电转换效率，避免了现有技术中由于应力分布不均匀而产生无谓的热量来影响超声换能器100的压缩幅度和功率输出的情况，实现超声换能器100的低阻抗、高输出的性能。

在本实施例中，所述预紧杆10可为螺杆，其螺杆头的周面一体设置柱形凸起形成所述柱形杆头11，所述柱形杆头11的外周面为光滑的柱面，并且所述杆头接触面11a为光滑的圆环面。当所述柱形杆头11受到压力时，由于所述柱形杆头11的外周面为光滑的柱面，故其内部的应力会均匀分布，避免如现有技术中的预紧杆10的杆头的外周面为多边形而在边角上集中应力，从而使得应力分布不均匀，影响后续应力的传递。所述杆体12远离所述柱形杆头11的端部设置外螺纹(未图示)，以便于跟后续的部件(如前金属块)进行连接。上述的预紧杆10用于为晶堆30提供预紧力来使所述晶堆30均匀受压力，从而将所述晶堆30的电能高效率转化为机械能。当然，在其它实施例中，所述杆体12远离所述柱形杆头11的端部还可以设置其它连接结构，比如说粘接，只要能够跟后续的部件进行强度连接即可。

在本实施例中，所述后质量块20为金属块，所述后质量块20套设于所述杆体12上，且所述后质量块20的第一接触面21紧贴于所述杆头接触面11a。为了进一步的改善超声换能器100的谐振特性，所述第一接触面21的边缘设置倒角或倒圆角。具体的，所述第一接触面21的边缘设置倒角，以使得对所述后质量块20周面的直径做适度的递增结构，近似形成为带一过渡台阶的圆环面，从而使得所述后质量块20能够更好的接收到所述柱形杆头11的预紧力同时，也进一步改善超声换能器100的谐振特性。所述第二接触面22为平整的圆环面。在其它实施例中，所述第一接触面21的边缘还可以设置倒圆角。

在本实施例中，所述晶堆30包括四片压电陶瓷片31和四片电极片32，所述晶堆30由一压电陶瓷片31和一电极片32交替反复叠接而成，即所述晶堆30 中位于首位的压电陶瓷片31形成晶堆接触面；所述晶堆30套设于所述杆体12 上，所述晶堆接触面紧贴于所述第二接触面22上。当然，在其它实施例中，所述晶堆30的结构还可以为其它，根据实际的应用情况而相应设置，比如说所述压电陶瓷片31或压电片和电极片32的数量分别为2个、6个或者8个。

在本实施例中，所述前质量块40具有前连接面41和后连接面42，所述前连接面41开设内螺纹孔(未图示)，所述前连接面41紧贴于所述晶堆30上，即所述前连接面41紧贴于所述晶堆30中位于末位的电极片32上，所述内螺纹孔与所述杆体12的端部的外螺纹螺纹连接，与所述后质量块20形成夹紧结构为中间的所述晶堆30提供预紧力，使得所述晶堆30产生均匀的压力分布。

在本实施例中，所述变幅杆50具有输入面50a，所述变幅杆50的输入面 50a连接于所述前质量块40的后连接面42上，当所述晶堆30将电能转换为机械能时，所述变幅杆50实现变幅输出。所述变幅杆50远离所述输入面50a的一端设置开设连接孔523b，所述连接孔523b用于连接超声刀。

当所述后质量块20、晶堆30、前质量块40依次套设于所述杆体12上，且所述前质量块40通过螺纹连接并紧密贴设于所述杆体12的端部上时，所述柱形杆头11受力，并将该应力传递给其后的后质量块20、晶堆30，所述晶堆30 受到均匀的压力，当所述晶堆30连接上具有与超声换能器100相同频率的高频电信号时，所述晶堆30中的压电陶瓷片31与所述超声换能器100一起产生高频谐振，从而将电能转化为机械能。

表1压电陶瓷片31压力分布

为了直观得出本实施例中的超声换能器100与现有技术中的换能器相对比具有更优异的性能，如图4、图5和上表1所示，对于晶堆30由于预紧力而产生的压力分布通过Abagus有限元计算，通过晶堆30中的压电片上最小压力与最大压力的比值确定压电片由于预紧而产生的压力均匀度。现有技术中的换能器的预紧杆10为六角头螺杆，其头部容易在棱边处堆积应力，导致六角头的应力分布不均匀，进而依次传递给其后的后质量块20、晶堆30和前质量块40的预紧力亦分布不均，由表1可知，现有技术中的压电片最小与最大压力比值为 0.67；而本发明提供的超声换能器100通过外周面为光滑的柱形杆头11使其内部的应力分布均匀，继而能够将力依次均匀传递给其后的后质量块20、晶堆30、前质量块40和变幅杆50，使得所述晶堆30中的压电陶瓷片31由于预紧力而产生的压力分布更为均匀，由表1可知，本发明的压电片最小与最大压力比值为 0.88。通过上述表1的对比可证本发明的实施例中的外周面光滑的柱形杆头11 的结构实现了更均匀的压力分布，从而避免了现有技术中由于应力分布不均匀而产生无谓的热量来影响超声换能器100的压缩幅度和功率输出的情况，实现超声换能器100的低阻抗、高输出的性能。

表2厚度方向位移分布

为了直观得出本实施例中的超声换能器100与现有技术中的换能器相对比具有更优异的性能，如图6、图7以及上表2所示，利用Abaqus精确的仿真计算得到晶堆30中的压电片在谐振状态下的位移分布，从位移分布可以看出压电片的振动均匀度。通过上表2对两种换能器的对比，可以发现本发明的超声换能器100具备更好的振动均匀度，进而具备更好的谐振特性，输出的能量更集中，更利于手术切割，从而进一步实现超声换能器100的低阻抗、高输出的性能。

为了更进一步的改进，所述第一接触面21的边缘与所述杆头接触面11a的边缘重合。

通过将所述第一接触面21的边缘与所述杆头接触面11a的边缘重合，使得所述柱形杆头11上的预紧力能够较大效率的传递给所述后质量块20，为其后的晶堆30提供更为均匀和更为集中的能量，从而使得所述晶堆30中的压电陶瓷片31的压力和振动更加均匀。当然，在其它实施例中，所述后质量块20与所述柱形杆头11的接触面积还可以根据实际情况而相应改变。

为了更进一步的改进，所述第二接触面22的面积大于所述晶堆接触面的面积。

通过使得所述第二接触面22的面积大于所述晶堆接触面的面积，使得所述后质量块20的内径小于所述晶堆30的内径，进而使得来自所述后质量块20的压力能够更均匀分布于所述晶堆30上，避免所述晶堆30内径出现应力集中的情况，从而保证所述晶堆30中的压电陶瓷片31更为均匀的振动。

在本实施例中，发明人通过大量的实验证明，发现所述第二接触面22的内径比所述晶堆接触面的内径小0.2～0.5mm时，来自所述后质量块20的压力能够更均匀分布于所述晶堆30上，能够更进一步的保证所述晶堆30中的压电陶瓷片31更为均匀的振动。

为了更进一步的改进，所述变幅杆50包括法兰部51、输出杆52和输入杆，所述法兰部51用于安装于外部设备(未图示，例如超声刀的外壳)上，对整个超声换能器起到机械支撑作用，输入杆连接于法兰部51和前质量块40 之间，且通过输入面50a与前质量块连接。所述输出杆52包括过渡部521、圆柱部522和环状凸起523，所述过渡部521同轴连接于所述法兰部51上，所述过渡部521的外径沿着远离所述法兰部51的方向逐渐减小，所述圆柱部522同轴连接于所述过渡部521上，所述环状凸起523突设于所述圆柱部522的外围且位于远离所述法兰部51的一端。

通过对所述变幅杆50的圆柱部522设置环状凸起523，保证了所述变幅杆 50与手术刀进行连接时所需的强度，提高所述超声换能器100的使用寿命。

在本实施例中，所述法兰部51用于安装于壳体上。所述过渡部521连接于法兰部51上，所述过渡部521上的外径的逐渐减小，使得所述变幅杆50的振动幅度能够随着外径的逐渐减少而逐渐增大。所述圆柱部522的外周面为直圆柱面。所述圆柱部522的直径等于所述过渡部521上最小的直径，所述圆柱部 522的直径与所述过渡部521上最大的直径相比适度减少了，通过对所述圆柱部 522进行适度的减小来增大所述变幅杆50的振幅增益比，即使得所述变幅杆50 的圆柱部522在受到所述晶堆30传递过来的振动时的振动幅度能够更大。并且，由于所述变幅杆50的连接孔523b需要与手术刀进行连接，需要较强的力学强度；为了保证所述变幅杆50的力学强度，在所述输出端522a设置环状凸起523，即适当增大所述变幅杆50端部的直径，来保证所述变幅杆50的力学强度。当然，在其它实施例中，如图3所示，所述过渡部621还可以为如下结构：所述过渡部621为二级阶梯结构，即所述过渡部621具有依次连接的第一过渡段 621a、平直段621b和第二过渡段621c，所述第一过渡段621a的外径沿着远离法兰部61的方向逐渐减少，所述平直段621b的外表面为直圆柱面，所述第二过渡段621c的外径沿着远离所述平直段621b的方向逐渐减少。通过将所述过渡部621设置二级阶梯结构，逐渐增加了所述第二过渡段621c的振动幅度，使得所述变幅杆60具有较大的振动幅度。通过二级阶梯结构，使得所述过渡段621 的直径得到二次逐渐减少，保证了所述变幅杆的强度。

为了更进一步的改进，所述圆柱部522的直径与所述环状凸起523的直径的比值为0.62～0.95。

发明人通过大量的实验发现所述圆柱部522的直径与所述环状凸起523的直径的比值为0.62～0.95时，所述变幅杆50能够获取较大增益比和力学强度，从而实现超声换能器100的低阻抗、高输出的性能。

为了更进一步的改进，所述环状凸起523包括输出端523a，所述输出端523a 开设连接孔523b，所述环状凸起523 沿着所述变幅杆50的中心轴方向的长度与所述连接孔523b的孔深的比值为0.15～0.58。

发明人通过大量的实验发现所述环状凸起523沿着所述变幅杆50的中心轴方向的长度与所述连接孔523b的孔深的比值为0.15～0.58时，所述变幅杆50 的输出更为合理，从而实现超声换能器100的低阻抗、高输出的性能。

为了更进一步的改进，所述变幅杆50与所述前质量块40为一体结构。通过将所述变幅杆50与所述前质量块40一体成型加工而成，使得所述超声换能器的整体连接强度增大。

在本实施例中，由于所述超声换能器的整体结构的尺寸较小，为了尽量减少装配精度和增加其连接强度，直接通过一体成型的方式将所述变幅杆50与所述前质量块40连接。当然，在其它实施例中，所述变幅杆50还可以通过螺纹连接于所述前质量块40上。

为了更进一步的改进，所述前质量块40具有后连接面42，所述变幅杆50 具有与所述后连接面42形状相同输入面50a，且所述输入面50a的直径大于所述后连接面42的直径，所述输入面50a连接于所述后连接面42。

通过使得所述后连接面42与所述输入面50a的形状相同，且所述后连接面42的边缘完全抵靠于所述输入面50a上，使得所述晶堆30上的机械能能够较高效率的传递到变幅杆50上，实现所述变幅杆50的高效率输出。

为了更进一步的改进，请参照图8，所述变幅杆50的输入面50a的周边设置圆角或者倒角，在输入面50a处形成一过渡台阶13，使得输入杆的直径自所述输入面50a的周边起，随过渡台阶13的延伸而适度递增。

通过在其所述输入面50a处设置倒角，更进一步优化所述超声变能器的结构，使得能量能够得到更好的传递。当然，在其它实施例中，述输入面50a处还设置圆角。

名称	振幅(Microns)	等效电阻(欧)	驱动电流(A)
				现有技术的换能器	76	15	0.33
本发明的超声换能器	86	10	0.27

表3振动特性比较

为了直观得出本实施例中的超声换能器100与现有技术中的换能器相对比具有更优异的性能，如上表3所示，所述超声变能器的振幅的测量过程通过匹配相应的主机来驱动，换能器在主机的驱动下开始振动，其振动的强弱，即振幅可通过高精度显微镜测得；所述超声换能器100的等效电阻通过阻抗分析仪测出；驱动电流可由主机上读取。本发明实施例的超声换能器100表现出了较为明显的低能耗，高输出，具体表现为：等效电阻比以往的换能器要低一点，也就是说，本发明的超声换能器100结构具有更少的能量耗散，同时在低驱动源的情况下，可以获取与以往换能器相当的或更大的振幅。所有这些特点也说明了本发明实施例中的超声换能器100可以在更少的热量下获得更大的振幅，也就是说，本发明实施例中的超声换能器100的温升较已有的换能器是不明显的，进而也保证了超声换能器100的使用寿命，从而实现超声换能器100的低阻抗、高输出的性能。

当所述超声换能器100开始装配时，首先需要依次将所述后质量块20和晶堆30依次套设于所述杆体12上，并紧贴相邻的部件；接着将与所述变幅杆50 一体连接的前质量块40的前连接面41通过螺纹连接于所述杆体12上，并紧贴于所述晶堆30上，为所述晶堆30提供由预紧力产生的压力；待所述超声换能器100安装好以后，紧接着将所述超声换能器100连接于所述电源上，所述晶堆30中的压电陶瓷片31将电能转化为机械能，进而传递给所述变幅杆50，使得所述变幅杆50实现振动。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声换能器，其特征在于，包括预紧杆、后质量块、晶堆、前质量块和变幅杆；

所述预紧杆包括一体连接的外周面为光滑的柱形杆头和杆体，所述柱形杆头的直径大于所述杆体的直径，所述柱形杆头包括杆头接触面，所述杆头接触面为光滑的圆环面；

所述后质量块套设于所述杆体上，所述后质量块具有相对设置的第一接触面和第二接触面，所述第一接触面贴设于所述杆头接触面，且所述杆头接触面的尺寸与所述后质量块的第一接触面的尺寸相匹配，以使所述杆头接触面与所述后质量块的第一接触面相重合；

所述晶堆套设于所述杆体上，所述晶堆具有晶堆接触面，所述晶堆接触面贴设于所述第二接触面；

所述前质量块连接于所述杆体的端部，所述前质量块贴设于所述晶堆上；

所述变幅杆连接于所述前质量块上。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第一接触面的边缘设置有倒角或者倒圆角。

3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述第一接触面的边缘与所述杆头接触面的边缘重合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的超声换能器，其特征在于，所述第二接触面的面积大于所述晶堆接触面的面积。

5.根据权利要求4所述的超声换能器，其特征在于，所述第二接触面的内径比所述晶堆接触面的内径小0.2～0.5mm。

6.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述变幅杆包括依次同轴连接的输入杆、法兰部和输出杆，所述输入杆连接于所述法兰部与所述前质量块之间，所述法兰部用于安装于外部设备上，所述输出杆包括过渡部、圆柱部和环状凸起，所述过渡部同轴连接于所述法兰部上，所述过渡部的外径沿着远离所述法兰部的方向逐渐减小，所述圆柱部同轴连接于所述过渡部上，所述环状凸起突设于所述圆柱部的外围且位于远离所述法兰部的一端。

7.根据权利要求6所述的超声换能器，其特征在于，所述过渡部包括依次连接的第一过渡段、平直段和第二过渡段，所述第一过渡段的外径沿着远离所述法兰部的方向逐渐减少，所述平直段的外表面为直圆柱面且外径沿着所述变幅杆的中心轴方向保持不变，所述第二过渡段的外径沿着远离所述平直段的方向逐渐减少。

8.根据权利要求7所述的超声换能器，其特征在于，所述圆柱部的直径与所述环状凸起的直径的比值为0.65～1.50；和/或

所述环状凸起包括输出端，所述输出端开设沿所述变幅杆的中心轴方向延伸的连接孔，所述环状凸起沿着所述变幅杆的中心轴方向的长度与所述连接孔的孔深的比值为0.15～0.58。

9.根据权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，所述前质量块具有后连接面，所述变幅杆具有与所述后连接面形状相同的输入面，且所述输入面的直径大于所述后连接面的直径，所述输入面连接于所述后连接面。

10.根据权利要求9所述的超声换能器，其特征在于，所述变幅杆的输入面的周边设置有圆角或者倒角。

Images