CN220759876U - 一种大振幅超声换能器及超声手术刀 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种大振幅超声换能器及超声手术刀，超声换能器包括依次连接在一起的变幅杆、压电陶瓷和后盖，压电陶瓷包括至少两个陶瓷片，变幅杆由靠近压电陶瓷至远离压电陶瓷的方向上依次包括后端、增强段和前端，增强段的表面开有若干向内凹陷且沿增强段的轴向延伸的凹槽，前端和增强段的总长度小于四分之一波长且增强段的长度小于变幅杆总长度的二分之一，至少两个陶瓷片工作所产生的轴向振动依次经过后端、增强段和前端后振幅会实现两次放大。采用三段式结构的变幅杆，实现振幅的二次放大，在减少陶瓷片数量的前提下，在相同电流下实现与传统四个陶瓷片的换能器的振幅相一致的效果。解决了陶瓷片数量多所导致的成本高和污染环境的问题。

Description

一种大振幅超声换能器及超声手术刀

技术领域

本实用新型属于超声换能器技术领域，具体涉及一种大振幅超声换能器及超声手术刀。

背景技术

目前，超声手术刀被广泛应用于各种外科手术中。相比于传统的外科手术设备，超声手术刀具有精度高、创伤小以及术后易恢复等优点。超声手术刀的工作原理是利用简谐交流电驱动压电超声换能器产生振动，进而实现组织的切割与凝闭。

为了提高超声手术刀的切割速度，往往要求超声换能器具有较大的振幅比，以在相同的电流激励下，使得超声刀刀头产生更大的振幅。

为了达到这一目的，现有的超声换能器往往包含至少4片陶瓷，这样导致了换能器的成本较高，且由于陶瓷片含有大量的铅，报废后更易导致环境污染；同时传统的换能器的窄端直径也更小，导致结构不可靠。因此，有必要提供新的超声换能器以解决上述问题。

实用新型内容

针对上述存在的技术问题至少之一，本实用新型目的是提供一种大振幅超声换能器及超声手术刀，采用两片陶瓷，以达到降低成本和保护环境的目的，同时通过结构对于换能器振幅的增强作用，在相同电流下，该换能器能够产生与传统四片陶瓷(或多于四片陶瓷)的换能器相同的振幅。

本实用新型的技术方案是：

本实用新型的一个目的在于提供一种大振幅超声换能器，包括依次连接在一起的变幅杆、压电陶瓷和后盖，所述压电陶瓷包括至少两个陶瓷片，所述变幅杆由靠近所述压电陶瓷至远离所述压电陶瓷的方向上依次包括后端、增强段和前端，所述增强段的表面开有若干向内凹陷且沿所述增强段的轴向延伸的凹槽，所述前端和增强段的总长度小于四分之一波长且所述增强段的长度小于所述变幅杆总长度的二分之一，至少两个陶瓷片工作所产生的轴向振动依次经过所述后端、增强段和前端后振幅会实现两次放大。

本实用新型的另一个目的在于提供一种超声手术刀，包括上述的超声换能器

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

本实用新型的大振幅超声换能器，通过对变幅杆结构进行设计，采用三段式结构，可以实现振幅的二次放大，可以在减少陶瓷片数量的前提下，在相同电流激励下实现与传统四个陶瓷片的换能器的振幅相一致的效果。解决了现有技术中换能器陶瓷片数量多所导致的成本高和污染环境的问题。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型实施例的大振幅超声换能器的其中一种结构示意图；

图2为本实用新型实施例的大振幅超声换能器的另一种结构示意图；

图3为图2中的超声换能器的增强段的剖切图；

图4为本实用新型实施例的大振幅超声换能器的又一种结构示意图；

图5为图4中的大振幅超声换能器的增强段的剖切图；

图6为本实用新型实施例的大振幅超声换能器的再一种结构示意图；

图7为图6中的大振幅超声换能器的增强段的剖切图。

其中：1、前端；2、增强段；21、凹槽；3、后端；4、压电陶瓷；5、后盖。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

参见图1至图7，本实用新型实施例的一种大振幅超声换能器，包括依次连接在一起的变幅杆、压电陶瓷4和后盖5。压电陶瓷4包括至少两个陶瓷片。为了降低成本和保护环境，本实用新型实施例中优选为两个陶瓷片。但是如果想要更大的振幅比，那可以增加陶瓷片的数量，也即陶瓷片的数量也可以是大于2个，比如现有常规的四个或大于四个等等。也就是说，两个或四个等数量的陶瓷片均在本实用新型实施例的保护范围内。需要说明的是，变幅杆、陶瓷和后盖5之间紧密相连，且在陶瓷片上施加一定的预应力。具体的连接方式为现有技术，不再赘述，本领域技术人员容易知晓并实现。对于变幅杆而言，为本实用新型的创新点，具体的，如图1所示，变幅杆由靠近压电陶瓷4至远离压电陶瓷4的方向上也即如图1所示的左到右依次包括后端3、增强段2和前端1三部分。其中，增强段2的外表面开有若干向内凹陷且沿增强段2的轴向延伸的凹槽21，前端1和增强段2的总长度小于四分之一波长且增强段2的长度要小于变幅杆总长度的二分之一，如此设计的目的在于避免增强段2无法产生振幅放大效果，同时也防止换能器产生严重的扭转振动。至少两个陶瓷片工作所产生的轴向振动依次经过后端3、增强段2和前端1后振幅会实现两次放大。也就是说，陶瓷片轴向振动经由后端3传播至增强段2时经过增强段2增强放大实现一次振幅放大，再经由增强段2传播至前端1，产生进一步的放大效果，也即实现二次振幅放大，由此，本实用新型实施例的换能器，在相同电流下，使用更少数量的陶瓷片即可达到振幅放大也即与现有常规的四个陶瓷片的换能器的振幅相当的效果，也就是说，采用本实用新型实施例的变幅杆设计，在保证振幅效果不变的情况下，通过减少陶瓷片的数量，解决了现有技术中陶瓷片数量过大所导致的成本高和环境污染的问题。

根据本实用新型的一些优选实施例，如图3、图5和图7所示，凹槽21的深度应小于增强段2的直径的四分之一。如此设计的目的在于避免引起应力集中。

根据本实用新型的一些优选实施例，如图3、图5和图7所示，凹槽21的数量为至少四个，至少四个凹槽21沿增强段2的周向均匀间隔布置。如此设计的目的在于可以实现更好的振幅增强效果。

根据本实用新型的一些优选实施例，如图3、图5和图7所示，凹槽21的截面形状为方形或半圆形。

根据本实用新型的一些优选实施例，如图1、图2和图4所示，凹槽21为螺旋槽，螺旋槽的角度也即螺旋槽的螺旋方向与轴线的夹角小于30°。如此设计的目的在于可以进一步有效避免引起换能器的扭转振动。作为可替换的实施例，如图6所示，凹槽21为沿增强段2的轴线方向延伸的直槽。

根据本实用新型的一些优选实施例，如图1至图7所示，增强段2和前端1均为轴向各处直径一致的圆柱体且前端1的直径大于或等于增强段2的直径。如此设计的目的在于更进一步地消除换能器的扭转振动。

根据本实用新型的一些优选实施例，如图1至图7所示，后端3包括远离增强段2一端的圆柱段和靠近增强段2一端的锥形的过渡连接段，圆柱段的直径大于或等于压电陶瓷4的直径。如此设计的目的在于可以减小换能器对负载的敏感程度。

根据本实用新型的一些优选实施例，如图1至图7所示，后盖5的直径要不小于也即大于或等于压电陶瓷4的直径。如此设计的目的在于可以减小换能器对负载的敏感程度。

根据本实用新型的一些优选实施例，如图1至图7所示，陶瓷片的数量为两个，两个陶瓷片的极化方向相反。如此设计，使得陶瓷片在机械连接上串联在一起，进而使得陶瓷片振动时，振幅相互叠加，而不会相互抵消。可选地，陶瓷片的材料为现有市场上常规的PZT8或者PZT4。

根据本实用新型的一些优选实施例，前端1、增强段2和后端3的材料密度也即变幅杆的材料密度小于后盖5的材料密度。如此设计的目的在于使得换能器的振幅和放大比最大化。具体材料不做描述和限定，为现有常规的变幅杆材料比如钛合金等和后盖5材料比如钢等，本领域技术人员容易知晓并实现。

实施例1

参见图2和图3，本实用新型实施例的超声换能器，后端3和后盖5以及陶瓷片的直径一致。前端1的直径大于增强段2的直径。增强段2上的凹槽21为螺旋槽且凹槽21的横截面为圆形，直径为2mm，凹槽21的角度为30°。换能器的谐振频率为55kHz。经测试，该换能器在340mA的电流激励下，谐振时阻抗为20Ω，变幅杆前端1头的振幅为21um，与传统四个陶瓷片的换能器的振幅（15~25um）一致。

实施例2

参见图4和图5，本实用新型实施例的超声换能器，前端1的直径大于增强段2的直径，增强段2上的凹槽21为螺旋槽且凹槽21的横截面为矩形，凹槽21的宽度为2mm，凹槽21的深度为1mm，凹槽21的角度为20°，换能器的谐振频率为55kHz。经测试，该换能器在340mA的电流激励下，谐振时阻抗为18Ω，变幅杆前端1头的振幅为20um，与传统四个陶瓷片的换能器的振幅（15~25um）一致。

实施例3

参见图6和图7，本实用新型实施例的超声换能器，后端3与后盖5的直径大于陶瓷片的直径，前端1的直径等于增强段2的直径，增强段2上的凹槽21为直槽且凹槽21的横截面为矩形，凹槽21的宽度为2mm，凹槽21的深度为1mm，凹槽21的角度为0°，换能器的谐振频率为55kHz。经测试，该换能器在340mA的电流激励下，谐振时阻抗为15Ω，变幅杆前端1头的振幅为17um，与传统四个陶瓷片的换能器的振幅（15~25um）一致。

实施例4

本实用新型实施例还提供了一种超声手术刀，包括上述实施例的超声换能器。因包括了上述实施例的超声换能器，因此，至少具有上述实施例的超声换能器的有益效果，具体不再赘述。

应当理解的是，本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种大振幅超声换能器，包括依次连接在一起的变幅杆、压电陶瓷和后盖，其特征在于，所述压电陶瓷包括至少两个陶瓷片，所述变幅杆由靠近所述压电陶瓷至远离所述压电陶瓷的方向上依次包括后端、增强段和前端，所述增强段的表面开有若干向内凹陷且沿所述增强段的轴向延伸的凹槽，所述前端和增强段的总长度小于四分之一波长且所述增强段的长度小于所述变幅杆总长度的二分之一，至少两个陶瓷片工作所产生的轴向振动依次经过所述后端、增强段和前端后振幅会实现两次放大。

2.根据权利要求1所述的大振幅超声换能器，其特征在于，所述凹槽的深度小于所述增强段的直径的四分之一。

3.根据权利要求2所述的大振幅超声换能器，其特征在于，所述凹槽的数量为至少四个，至少四个凹槽沿所述增强段的周向均匀间隔布置。

4.根据权利要求2所述的大振幅超声换能器，其特征在于，所述凹槽的截面形状为方形或半圆形。

5.根据权利要求1-4任一项所述的大振幅超声换能器，其特征在于，所述凹槽为螺旋槽，所述螺旋槽的角度小于30°，或所述凹槽为沿所述增强段的轴线方向延伸的直槽。

6.根据权利要求1所述的大振幅超声换能器，其特征在于，所述增强段和所述前端均为轴向各处直径一致的圆柱体且所述前端的直径大于或等于所述增强段的直径。

7.根据权利要求6所述的大振幅超声换能器，其特征在于，所述后端包括远离所述增强段一端的圆柱段和靠近所述增强段一端的锥形的过渡连接段，所述圆柱段的直径要大于或等于所述压电陶瓷的直径。

8.根据权利要求1所述的大振幅超声换能器，其特征在于，所述后盖的直径不小于所述压电陶瓷的直径。

9.根据权利要求1所述的大振幅超声换能器，其特征在于，所述陶瓷片的数量为两个，两个陶瓷片的极化方向相反；和/或

所述前端、增强段和后端的材料密度小于所述后盖的材料密度。

10.一种超声手术刀，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的超声换能器。