CN113491563A - 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 - Google Patents

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Abstract

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，上述换能装置包括压电陶瓷及与上述压电陶瓷连接的金属件，上述压电陶瓷及与上述压电陶瓷连接的上述金属件之间至少设有一处过度材料，上述过度材料的热膨胀系数αt介于上述压电陶瓷的热膨胀系数αp和上述金属件的热膨胀系数αm之间。能有效的解决压电陶瓷的热膨胀系数与周围金属零件的热膨胀系数差异较大导致温度改变时预应力不足或者过大，进而影响换能器的性能和寿命的问题。

Description

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
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，进一步涉及超声外科器械，特别涉及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。
背景技术
用于超声外科手术切割器械的换能装置，以下简称换能器，现有技术中，常见的换能器主要包括：预紧螺栓4(锁紧件)、后盖板2、前盖板3、法兰5以及变幅杆6，如图1及图1-1所示。
现有的超声换能器在长时间工作后会导致发热累积，而压电陶瓷的热导率较低(约为2.1W/(MK),因此容易热量累积，同时压电陶瓷的激化方向热膨胀系数为1.5e-6/℃，而预紧螺栓与后盖板材料(一般为密度较大的金属材料，如不锈钢等)的热膨胀系数为1.1e-5/℃，前盖板(一般为密度较小的铝合金)的热膨胀系数为2.3e-5/℃，即压电陶瓷的热膨胀系数与后盖板、预紧螺栓、前盖板的热膨胀系数差异很大(约10倍)，故当换能器因温升伸长时，压电陶瓷的晶堆的伸长量远远小于其周围零件的伸长量，此时会导致预紧螺栓的预紧力不足，而预紧力不足会导致：
1)换能器工作过程中伸缩力大于预紧力，换能器共振频率显著降低；
2)换能器各个接触面之间产生较大的能量损耗，降低其机电转换效率；
此外，换能器停止工作温度下降以后收缩变形量同样有着很大差异，会导致预紧力过大，这样反复多次“升温-降温”后可致使压电陶瓷碎裂而损坏换能器，进而影响换能器的寿命。而这在一些安全性、稳定性要求较高的应用领域(比如医疗超声切割)有着很大的隐患，故有待提出一种新的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。
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预紧螺栓的预紧力不足的技术问题。
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，上述换能装置包括压电陶瓷及与上述压电陶瓷连接的金属件，上述压电陶瓷及与上述压电陶瓷连接的上述金属件之间至少设有一处过度材料，上述过度材料的热膨胀系数αt介于上述压电陶瓷的热膨胀系数αp和上述金属件的热膨胀系数αm之间。
可选的，上述过度材料的热膨胀系数αt大于上述压电陶瓷的热膨胀系数αp，且上述过度材料的热膨胀系数αt小于上述金属件的热膨胀系数αm，即：αp<αt<αm。
可选的，上述与上述压电陶瓷连接的金属件为后盖板及前盖板，上述换能装置还包括锁紧件。
可选的，上述压电陶瓷与上述后盖板之间设有上述过度材料或上述压电陶瓷与上述前盖板之间设有上述过度材料。
可选的，上述压电陶瓷与上述后盖板之间设有上述过度材料且上述压电陶瓷与上述前盖板之间设有上述过度材料。
可选的，上述后盖板与上述锁紧件之间设有上述过度材料。
可选的，上述过度材料为金属或非金属。
可选的，上述过度材料为聚合物。
可选的，上述聚合物为聚乙烯。
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外科手术切割器械用换能装置。
本发明针对现有技术中的上述不足，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，能有效的解决压电陶瓷的热膨胀系数(小)与周围金属零件的热膨胀系数(大)差异较大导致温度改变时预应力不足或者过大，进而影响换能器的性能和寿命的问题。这样本发明技术方案中的换能器在工作过程中伸缩力虽然大于预紧力，但由于设置了过渡材料，固平滑的过渡了这种差距较大的力的缓冲，换能器共振频率降低很少，此外，有益效果还体现在换能器各个接触面之间产生的能量损耗明显降低，机电转换效率依然很高；
此外，当换能器停止工作时温度下降以后收缩变形量虽然同样有着很大差异，但由于设置了过渡材料，预紧力过渡平滑，这样反复多次“升温-降温”后不会致使压电陶瓷碎裂而损坏换能器，进而延续了换能器的寿命。
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为本发明实施例提供的一种可选的超声外科手术切割器械用换能装置的示意图；
图1-1为本发明实施例提供的一种可选的图1的立体剖面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种可选的后盖板与压电陶瓷晶堆之间设有过渡材料的换能装置的立体剖面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种可选的前盖板与压电陶瓷晶堆之间设有过渡材料的换能装置的立体剖面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种可选的后盖板及前盖板与压电陶瓷晶堆之间均设有过渡材料的换能装置的立体示意图；
图4-1为本发明实施例提供的一种可选的图4的立体剖面示意图；
图5为本发明实施例提供的一种可选的后盖板及前盖板与压电陶瓷晶堆之间、以及后盖板与预紧螺栓之间均设有过渡材料的换能装置的立体示意图。
附图标记：压电陶瓷晶堆1，后盖板2，前盖板3，预紧螺栓4，法兰5，变幅杆6，后盖板与压电陶瓷晶堆之间的过渡材料7-1，前盖板与压电陶瓷晶堆之间的过渡材料7-2，后盖板与预紧螺栓之间的过渡材料7-3。
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。
本实施例如图1至图5所示。
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，上述换能装置包括预压电陶瓷晶堆1、后盖板2、前盖板3、预紧螺栓4、法兰5以及变幅杆6，如图1及图1-1所示。上述换能装置包括压电陶瓷晶堆1及与上述压电陶瓷晶堆1连接的金属件，上述金属件为后盖板2以及前盖板3，上述压电陶瓷晶堆1及与上述压电陶瓷晶堆1连接的上述金属件之间至少设有一处过度材料，上述过度材料的热膨胀系数αt介于上述压电陶瓷晶堆1的热膨胀系数αp和上述金属件的热膨胀系数αm之间，例如可以为图2所示，仅仅在上述后盖板2与上述压电陶瓷晶堆1之间设有过渡材料7-1，还可以为图3所示，仅仅在上述前盖板3与上述压电陶瓷晶堆1之间设有过渡材料7-2，也可以同时在上述后盖板2与上述压电陶瓷晶堆1之间设有过渡材料7-1，并且在上述前盖板3与上述压电陶瓷晶堆1之间设有过渡材料7-2，如图4及图4-1所示，上述过渡材料7-1与上述过渡材料7-2可以相同，也可以不相同，只要能满足上述过度材料的热膨胀系数αt介于上述压电陶瓷晶堆1的热膨胀系数αp和上述金属件的热膨胀系数αm之间即可，即能使热膨胀平滑过渡，本实施例技术方案平衡了换能器压电陶瓷与周围零件材料热膨胀系数差异较大的问题，对热变形不一致起到了很好的改善作用，解决了预紧力不足、机电转换效率低、预紧力过小过大交替变化引起的压电陶瓷损毁等问题，进而稳定了换能器的性能和提高换能器的寿命。关键点在于增加的过渡材料如本实施例中的剖面图所示，过渡材料是介于压电陶瓷和其他金属材料之间，整层铺设，过渡材料和压电陶瓷的面积相同。
将图1-1、图2、图3以及图4的技术方案做下述实验：
准备四组样机，每组10个，对照组为常规未设置过渡材料的换能器，即图1-1的现有技术作为对照组，测试组为图2、图3以及图4记载的技术方案的3种具体实施方式。
换能器均在标准负载的情况下运行1h后测试，这是为了模拟温度升高后导致的性能差异。
结果如表1所示：
表1
Figure BDA0002435817530000061
结果显示，对比未设置过渡材料的换能器，设置过渡材料的换能器的性能均有一定程度的提升，其中机电转换效率表征换能器的总体性能，值越大越好，共振频率的降幅表征换能器性能的稳定，降幅越小越稳定，则由上表不难看出，图4所示的前、后盖板与压电陶瓷晶堆间均设置过渡材料的技术方案具有最显著的效果，而图2所示的仅后盖板与压电陶瓷晶堆间设置过渡材料的技术方案，以及图3所示的仅前盖板与压电陶瓷晶堆间设置过渡材料的技术方案的效果相差不大，但均比图1-1所示的不设置过渡材料的现有技术效果明显，具有显著的有益效果。
进一步的，上述过度材料的热膨胀系数αt大于上述压电陶瓷晶堆1的热膨胀系数αp，且上述过渡材料7-1与上述过渡材料7-2的热膨胀系数αt小于上述金属件的热膨胀系数αm，即：αp<αt<αm，从而平衡了热膨胀系数差异较大的问题，对热变形不一致起到了很好的改善作用。
进一步的，上述方案可以仅仅是上述压电陶瓷晶堆1与上述后盖板2之间设有上述过度材料7-1或上述压电陶瓷晶堆1与上述前盖板3之间设有上述过度材料7-2，仅在一处设置上述过度材料时，就已经可以起到热膨胀平滑过渡的效果，因为主要是为了平衡换能器压电陶瓷与周围零件材料热膨胀系数差异较大的问题，所以仅有一处设置过渡材料，只改善了换能器的一侧，但也能起到明显的效果。
进一步的，同时在上述后盖板2与上述压电陶瓷晶堆1之间设有过渡材料7-1，并且在上述前盖板3与上述压电陶瓷晶堆1之间设有过渡材料7-2，如图4及图4-1所示，这样同时平衡了换能器压电陶瓷与周围零件材料热膨胀系数差异较大的问题，效果最为显著，因为过分设置中间材料有其它性能损害，如声能传导损耗等，即只在必要的地方设置即可，故同时在上述后盖板2与上述压电陶瓷晶堆1之间设有过渡材料7-1，并且在上述前盖板3与上述压电陶瓷晶堆1之间设有过渡材料7-2为效果最佳，最大限度平衡了换能器压电陶瓷与周围零件材料热膨胀系数差异较大的问题。
进一步的，上述后盖板2与上述预紧螺栓4之间设有过度材料7-3，上述过度材料7-3可以与上述过渡材料7-1或上述过渡材料7-2的热膨胀系数相同或者不同，只需要满足上述过度材料7-3的热膨胀系数在上述后盖板2与上述预紧螺栓4的热膨胀系数之间即可，即平衡了上述后盖板2与上述预紧螺栓4之前的热膨胀系数差异较大的问题。
进一步的，上述过度材料为金属或非金属。
进一步的，上述过度材料为聚合物。
进一步的，上述聚合物为聚乙烯。
热膨胀过渡材料类别可以多选，此材料关键参数在于热膨胀系数，可选用金属、非金属、塑胶、聚合物等合适的材料，比如聚乙烯等。
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外科手术切割器械用换能装置。
上述超声外科器械平衡了换能器压电陶瓷与周围零件材料热膨胀系数差异较大的问题，对热变形不一致起到了很好的改善作用，解决了预紧力不足、机电转换效率低、预紧力过小过大交替变化引起的压电陶瓷损毁等问题，进而稳定了换能器的性能和提高换能器的寿命。
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。
此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
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.用于超声外科手术切割器械的换能装置，所述换能装置包括压电陶瓷及与所述压电陶瓷连接的金属件，其特征在于，所述压电陶瓷及与所述压电陶瓷连接的所述金属件之间至少设有一处过度材料，所述过度材料的热膨胀系数αt介于所述压电陶瓷的热膨胀系数αp和所述金属件的热膨胀系数αm之间。
2.根据权利要求1所述的用于超声外科手术切割器械的换能装置，其特征在于，所述过度材料的热膨胀系数αt大于所述压电陶瓷的热膨胀系数αp，且所述过度材料的热膨胀系数αt小于所述金属件的热膨胀系数αm，即：αp<αt<αm。
3.根据权利要求1所述的用于超声外科手术切割器械的换能装置，其特征在于，所述与所述压电陶瓷连接的金属件为后盖板及前盖板，所述换能装置还包括锁紧件。
4.根据权利要求3所述的用于超声外科手术切割器械的换能装置，其特征在于，所述压电陶瓷与所述后盖板之间设有所述过度材料或所述压电陶瓷与所述前盖板之间设有所述过度材料。
5.根据权利要求3所述的用于超声外科手术切割器械的换能装置，其特征在于，所述压电陶瓷与所述后盖板之间设有所述过度材料且所述压电陶瓷与所述前盖板之间设有所述过度材料。
6.根据权利要求5所述的用于超声外科手术切割器械的换能装置，其特征在于，所述后盖板与所述锁紧件之间设有所述过度材料。
7.根据权利要求1所述的用于超声外科手术切割器械的换能装置，其特征在于，所述过度材料为金属或非金属。
8.根据权利要求1所述的用于超声外科手术切割器械的换能装置，其特征在于，所述过度材料为聚合物。
9.根据权利要求8所述的用于超声外科手术切割器械的换能装置，其特征在于，所述聚合物为聚乙烯。
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任一所述的超声外科手术切割器械用换能装置。
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