CN111570244A - 一种超声外科器械的超声换能器及其超声外科器械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声外科器械的超声换能器，上述超声换能器包括节点和压电晶堆，上述压电晶堆包括多个压电陶瓷片，上述节点至少为2个，上述超声换能器包括热导块，上述热导块以上述节点为中心，上述热导块的两侧均为上述压电晶堆，上述热导块与上述压电陶瓷片接触连接，上述热导块设有端面，上述热导块的端面与上述压电陶瓷片接触连接，上述热导块的阻尼系数小于上述压电陶瓷片的阻尼系数。本发明技术方案增加的热导块结构，尤其结构变换后的效果更好的热导块结构，使处于节点附近的压电陶瓷片发热量减小，均衡了压电晶堆各陶瓷片的发热量，同时对压电晶堆进行热传导及散热，减缓其老化速度，提高换能器整体的工作稳定性和使用寿命。

Description

一种超声外科器械的超声换能器及其超声外科器械
技术领域
本发明涉及生物医药的医疗器械领域，进一步涉及超声外科器械，特别涉及一种超声外科器械的超声换能器及其超声外科器械。
背景技术
现有的超声治疗技术中，超声换能器以电能转换为机械能的形式输出超声振动，该振动被传送到手术端部的执行器，例如手术刀片，用于对组织的切割和凝血。
现有技术中，超声换能器的一般结构如图1和图2所示，包括由多个现有压电陶瓷片102组成的现有压电晶堆100，现有前质量块101和现有后质量块103，以及现有压紧螺栓104，其中超声换能器的第一现有节点N，即振动幅度为零的位置设计在现有压电晶堆100中心。
当施以在换能器的现有压电陶瓷片102周期性电压时，超声换能器以其谐振频率振动，超声换能器内任意位置的纵向应变或纵向应力在拉伸或压缩状态之间周期性变动，如图3所示，如图2所示的超声换能器内第二现有节点A处的纵向应变可在εmax(拉伸)和-εmax(压缩)之间循环，其中压缩和拉伸最大纵向应变的绝对值相等，或至少基本相等。相应地，超声换能器内第二现有节点A处的纵向应力可在σmax(压缩)和-σmax(拉伸)之间循环，其中压缩和拉伸最大纵向应力的绝对值相等，或至少基本相等。
一般地，超声换能器在工作状态时，现有压电陶瓷片102在交流电场的作用下存在介质损耗，从而产生一定的热量，除介质损耗外，结构的形变也会导致能量的损耗，由于材料内部总是存在介质阻力，在振动过程中不断克服介质阻力做功，因此消耗能量，导致材料发热，压电陶瓷在相同的介质损耗下，形变越大，能量损耗就越大，发热量也越大。
现有技术中，缺陷是此结构的换能器靠近节点的陶瓷片应变能最大，发热量也最大，而温度对压电材料的机电耦合系数、介电系数、压电系数等参数影响较大，性能衰退，且温度过高导致老化程度加快，导致压电晶堆各陶瓷片性能参数不均匀，进而影响整体对超声换能器工作效率和使用寿命。故有待提出一种新的超声外科器械的超声换能器及其超声外科器械，以解决换能器靠近节点的陶瓷片应变能大且发热量大而影响整体对超声换能器工作效率和使用寿命的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种用于超声外科手术切割器械的换能装置及其超声外科器械，以至少解决现有技术中换能器靠近节点的陶瓷片应变能大且发热量大而影响整体对超声换能器工作效率和使用寿命的技术问题。
本发明提供了一种超声外科器械的超声换能器，上述超声换能器包括节点和压电晶堆，上述压电晶堆包括多个压电陶瓷片，上述节点至少为2个，上述超声换能器包括热导块，上述热导块以上述节点为中心，上述热导块的两侧均为上述压电晶堆，上述热导块与上述压电陶瓷片接触连接，上述热导块设有端面，上述热导块的端面与上述压电陶瓷片接触连接，上述热导块的阻尼系数小于上述压电陶瓷片的阻尼系数。
可选的，上述热导块的端面面积大于或等于上述热导块与上述压电陶瓷片实际接触的面积。
可选的，每个上述节点均设有上述热导块，每个上述热导块以每个上述节点为中心，每个上述热导块的两侧均为上述压电晶堆。
可选的，上述超声换能器包括中部波导杆的连接杆，上述热导块为环形结构，上述热导块有两个端面，上述连接杆穿过上述热导块和上述压电陶瓷片，使得上述热导块的两个端面均与上述压电陶瓷片接触连接。
可选的，上述热导块与上述压电陶瓷片接触连接的端面设有散热凸缘。
可选的，上述散热凸缘为环形结构。
可选的，上述热导块由主体热导块及散热块两部分组成，上述主体热导块的外侧与上述散热块固定连接为一体。
可选的，上述主体热导块与上述散热块为不同的材料，上述散热块的导热系数大于上述主体热导块的导热系数。
可选的，上述超声换能器为3/2波长超声换能器，上述超声换能器包括中部波导杆，上述超声换能器包括3个压电晶堆和3个上述节点，其中一个节点位于上述中部波导杆上。
本发明还提供了一种超声外科器械，上述超声外科器械包括任一上述的超声换能器。
本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种超声外科器械的超声换能器及其超声外科器械，至少解决了换能器靠近节点的陶瓷片应变能大且发热量大而影响整体对超声换能器工作效率和使用寿命的技术问题，周期性形变而导致的能量损耗由以下公式给出：
ΔW＝πσεsinα，β＝tanα
式中，α为力学损耗角，即应力与应变的相位差，0＜α＜π/2；β为阻尼系数，由公式可以看出，阻尼系数β越大，α越大，能量损耗就越大，机械效率就越低。由图3可知，靠近第二现有节点A的压电陶瓷片的纵向平均应力和平均应变大于远离第二现有节点A的压电陶瓷片的平均应力和平均应变，由于换能器靠近节点的陶瓷片应变能最大，发热量也最大，部分的热量通过连接的金属件传导出去，而压电陶瓷片的导热性较差，与靠近金属件的陶瓷片相比，靠近节点位置附近的陶瓷片温度最高，本发明技术方案增加的热导块结构，尤其结构变换后的效果更好的热导块结构，使处于节点附近的压电陶瓷片发热量减小，均衡了压电晶堆各陶瓷片的发热量，同时对压电晶堆进行热传导及散热，减缓其老化速度，提高换能器整体的工作稳定性和使用寿命。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1为现有技术提供的一种可选的超声换能器结构示意图；
图2为图1所示零件合并后的一种可选的超声换能器剖面结构示意图；
图3为现有技术提供的一种可选的超声换能器的压电陶瓷片的纵向平均应力和平均应变关系示意图；
图4为本发明实施例提供的一种可选的包括3个节点的3/2波长的超声换能器示意图；
图5为图4的爆炸示意图；
图6为本发明实施例提供的一种可选的热导块示意图；
图7为本发明实施例提供的一种可选的第二热导块示意图；
图8为本发明实施例提供的一种可选的第三热导块示意图；
图9为本发明实施例提供的一种可选的中间节点在中部波导杆上的超声换能器示意图；
图10为图9的爆炸示意图。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本申请公开更加透彻和完整，并且能够将本申请公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明实施例如图4至图10所示。
本发明提供了一种超声外科器械的超声换能器，上述超声换能器包括节点和压电晶堆，上述压电晶堆包括多个压电陶瓷片，上述节点至少为2个，上述超声换能器包括热导块，上述热导块以上述节点为中心，上述热导块的两侧均为上述压电晶堆，上述热导块与上述压电陶瓷片接触连接，上述热导块设有端面，上述热导块的端面与上述压电陶瓷片接触连接，上述热导块的阻尼系数小于上述压电陶瓷片的阻尼系数。
例如本发明实施例以3/2波长的超声换能器为例，此换能器结构如图4和图5示出，其长度为3个半波长度，包括3个节点：第一节点N1、第二节点N2和第三节点N3，上述超声换能器还包括前端振幅杆10，其中上述第一节点N1在上述超声换能器的法兰盘11上，上述超声换能器的工作部12前端设置有螺纹，将超声振动输出；上述超声换能器还包括上述后端质量块30及中部波导杆20，上述中部波导杆的连接杆21和22设置螺纹，分别与上述后质量块30和上述前端振幅杆10螺纹连接，其中压电晶堆51，52，53和54，上述每个压电晶堆由多个压电陶瓷片50组成，分别以上述第二节点N2和上述第三节点N3为中心的热导块41和42，上述热导块41和42两侧均为压电晶堆。进一步的，上述热导块41和42的结构如图6所示，上述热导块41和42与上述压电陶瓷片50接触的端面401和402的面积大于或等于上述热导块41和42与上述压电陶瓷片50实际接触的面积。即上述热导块的端面面积大于或等于上述热导块与上述压电陶瓷片实际接触的面积。
上述热导块41中心与上述后质量块30末端的距离设置为1/4波长，上述热导块41和42中心距离设置为1/2波长。
换能器在工作时，节点处的应变和应力是最大的，发热量最大。实施例中节点设置在热导块的中心，同时要求热导块的阻尼系数小于压电陶瓷片的阻尼系数，产生的效果是能量损耗减小，发热量也相应减小，压电晶堆的发热量较为均匀，同时吸收压电陶瓷产生的热量，有效地避免压电晶堆在节点附近的热量集中而导致的温度过高现象，提高换能器的机械效率，延长其使用寿命。
进一步的，每个上述节点均设有上述热导块，每个上述热导块以每个上述节点为中心，每个上述热导块的两侧均为上述压电晶堆。
进一步的，上述热导块为环形结构，上述热导块有两个端面，上述中部波导杆的连接杆21和22穿过上述热导块41(42)和上述压电陶瓷片50，使得上述热导块的两个端面401和402均与上述压电陶瓷片50接触连接。
进一步的，上述热导块与上述压电陶瓷片接触连接的端面设有散热凸缘。即替代上述热导块41和42的另一种结构的热导块方案，效果较图6的热导块更优，因为为了更好发挥热导块的散热特性，本发明实施例的方案增加了热导块的散热面积，结构的特征如图7所示，第二热导块43的特征在于其端面431或432存在至少一个环形凸缘433或434。可选的，上述散热凸缘为环形结构，但上述凸缘形状不限于环形结构，可包括任何增加散热面积的结构，产生的效果是加快散热速度。上述第二热导块43不局限于设置在上述第二节点N2和上述第三节点N3位置，且端面431和432的至少一个端面与上述压电晶堆接触。由图7的剖面示意图可见，上述第二热导块为一体结构。
与图7所示的上述第二热导块结构不同的是如图8所示的第三热导块44，由图8的剖面示意图可见，上述第三热导块44由主体热导块及散热块两部分组成，上述主体热导块的外侧与上述散热块固定连接为一体。上述第三热导块44可替代上述第二热导块43和上述热导块41、42，结构特征如图8所示，上述第三热导块44外侧通过粘接或焊接等方式和散热块61组合在一起，两者为不同的材料，具有不同的导热属性，加快导热速度。散热块形状不限于环形结构，可包括任何增加散热面积的结构。上述第三热导块44不局限于设置在上述第二节点N2和上述第三节点N3位置，且端面441和442的至少一个与上述压电晶堆接触。进一步的，上述主体热导块与上述散热块为不同的材料，上述散热块的导热系数大于上述主体热导块的导热系数。散热块形状不限于环形结构，可包括任何增加散热面积的结构。热导块44不局限于设置在节点N2和N3位置，且端面441和442的至少一个与压电晶堆接触。要求在于散热块61的导热系数大于热导块44的导热系数。产生的效果是压电陶瓷在工作时产生的热量经热导块传导，散热块可快速吸收其热量并释放到周围空气中，较前两个实施例效果更优。
本发明实施例的替代方案，同样是3/2波长换能器，上述超声换能器包括中部波导杆，上述超声换能器包括3个压电晶堆和3个上述节点，其中一个节点位于上述中部波导杆上。结构如图9和图10所示。第二前端振幅杆11，第四节点N4位于法兰盘处；由多个上述压电陶瓷片50组成的压电晶堆55，56，57。上述超声换能器还包括第二后端质量块31及中部波导杆21，其中第五节点N5位于上述中部波导杆21上，以第六节点N6为中心的热导块46，两侧为压电晶堆，其中上述热导块46的结构可以为如图6所示的热导块41、42，也可以为如图7所示的第二热导块43，还可以为如图8所示的第三热导块44。上述热导块46中心与上述第二后质量块31末端的距离设置为1/4波长。
本发明实施例还提供了一种超声外科器械，上述超声外科器械包括任一上述的超声换能器。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。
虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种超声外科器械的超声换能器，所述超声换能器包括节点和压电晶堆，所述压电晶堆包括多个压电陶瓷片(50)，所述节点至少为2个，其特征在于，所述超声换能器包括热导块，所述热导块以所述节点为中心，所述热导块的两侧均为所述压电晶堆，所述热导块与所述压电陶瓷片(50)接触连接，所述热导块设有端面，所述热导块的端面与所述压电陶瓷片(50)接触连接，所述热导块的阻尼系数小于所述压电陶瓷片(50)的阻尼系数。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述热导块的端面面积大于或等于所述热导块与所述压电陶瓷片(50)实际接触的面积。
3.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，每个所述节点均设有所述热导块，每个所述热导块以每个所述节点为中心，每个所述热导块的两侧均为所述压电晶堆。
4.根据权利要求1所述的超声换能器，所述超声换能器包括中部波导杆的连接杆，其特征在于，所述热导块为环形结构，所述热导块有两个端面，所述连接杆穿过所述热导块和所述压电陶瓷片(50)，使得所述热导块的两个端面均与所述压电陶瓷片(50)接触连接。
5.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述热导块与所述压电陶瓷片(50)接触连接的端面设有散热凸缘。
6.根据权利要求5所述的超声换能器，其特征在于，所述散热凸缘为环形结构。
7.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述热导块由主体热导块(44)及散热块(61)两部分组成，所述主体热导块(44)的外侧与所述散热块(61)固定连接为一体。
8.根据权利要求7所述的超声换能器，其特征在于，所述主体热导块(44)与所述散热块(61)为不同的材料，所述散热块(61)的导热系数大于所述主体热导块(44)的导热系数。
9.根据权利要求1所述的超声换能器，所述超声换能器为3/2波长超声换能器，所述超声换能器包括中部波导杆，其特征在于，所述超声换能器包括3个压电晶堆和3个所述节点，其中一个节点位于所述中部波导杆上。
10.超声外科器械，其特征在于，所述超声外科器械包括权利要求1至权利要求9任一所述的超声换能器。
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