KR20190089947A

KR20190089947A - 초음파 혼

Info

Publication number: KR20190089947A
Application number: KR1020197018626A
Authority: KR
Inventors: 파지안 장
Original assignee: 에티컨, 엘엘씨
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-07-31
Also published as: EP3838191A1; US10603064B2; US20180146975A1; BR112019010789B1; CN110167467A; EP3544529A1; JP7027424B2; WO2018098201A1; EP3544529B1; EP3838191B1; KR102583374B1; JP2019535440A; EP3838191C0; CN110167467B; BR112019010789A2

Abstract

일 태양에서, 초음파 혼은 근위 플랜지(210), 제1 직경을 갖고 근위 플랜지에 대해 원위에 위치된 제1 원통형 부분(220), 제2 직경 및 원위 단부를 포함하는 제2 원통형 부분(230)으로서, 제2 원통형 부분은 제1 원통형 부분에 대해 원위에 위치한 위치에 있고, 제2 직경은 제1 직경보다 작은, 상기 제2 원통형 부분(230), 제1 원통형 부분과 제2 원통형 부분 사이에 배치된 테이퍼 형성된 부분(242), 및 플랜지와 제2 원통형 부분의 원위 단부 사이에 위치한 위치에서 혼 주위에 배치된 원통형 질량체(260)를 포함한다. 다른 태양에서, 엔드-벨, 상기에 개시된 바와 같은 초음파 혼, 엔드-벨과 초음파 혼 사이에 배치된 변환기 부분, 및 변환기 부분을 작동시키기 위해 전기 신호를 공급하는 초음파 전원을 포함하는 초음파 시스템.

Description

초음파 혼

본 개시는 일반적으로 초음파 수술 기구(ultrasonic surgical instrument)에 관한 것이며, 더 구체적으로는 초음파 블레이드(ultrasonic blade)를 구동하기 위한 초음파 변환기(ultrasonic transducer)에 관한 것이다. 중공 코어 기구(hollow core instrument) 및 중실 코어 기구(solid core instrument) 둘 모두를 포함한 초음파 기구가 많은 의학적 질환의 안전하고 효과적인 치료에 사용된다. 초음파 기구, 그리고 특히 중실 코어 초음파 기구는, 그것이 초음파 주파수로 수술용 엔드 이펙터(end effector)로 전송되는 기계적 진동의 형태의 에너지를 사용하여 유기 조직을 절단하고/하거나 응고시키는 데 사용될 수 있기 때문에 유리하다. 초음파 진동은, 적합한 에너지 레벨로 유기 조직에 전송되고 적합한 엔드 이펙터를 사용할 때, 조직을 절단하거나, 해부하거나, 들어올리거나, 소작하는 데 사용되거나 뼈로부터 근육 조직을 분리하는 데 사용될 수 있다. 중실 코어 기술을 이용하는 초음파 기구가 특히 유리한데, 왜냐하면 초음파 변환기로부터, 도파관을 통해, 그리고 수술용 엔드 이펙터로 전송될 수 있는 초음파 에너지의 양 때문이다. 그러한 기구는 내시경 또는 복강경 시술과 같은 개방 시술 또는 최소 침습성 시술에 사용될 수 있으며, 여기서 엔드 이펙터는 수술 부위에 도달하기 위해 투관침을 통과한다.

초음파 주파수에서 그러한 기구의 엔드 이펙터(예컨대, 절단 블레이드)를 활성화시키거나 여기시키는 것은 인접 조직 내에 국부적 열을 발생시키는 종방향 진동 운동을 유도한다. 초음파 기구의 특성 때문에, 특정한 초음파 작동 엔드 이펙터는 예를 들어 절단 및 응고를 포함한 많은 기능을 수행하도록 설계될 수 있다. 초음파 진동은 예를 들어 변환기를 전기적으로 여기시킴으로써 수술용 엔드 이펙터에서 유도된다. 변환기는 기구 핸드피스(hand piece) 내에 하나 이상의 압전 또는 자기 변형 소자로 구성될 수 있다. 변환기에 의해 발생된 진동은 변환기로부터 수술용 엔드 이펙터까지 연장되는 초음파 도파관을 통해 수술용 엔드 이펙터로 전송된다. 도파관 및 엔드 이펙터는 변환기와 동일한 주파수에서 공진하도록 설계된다. 따라서, 엔드 이펙터가 변환기에 부착될 때, 전체 시스템 주파수는 변환기 자체와 동일한 주파수이다.

엔드 이펙터의 팁에서의 종방향 초음파 진동의 진폭 d는 다음의 식에 의해 주어진 바와 같이 공진 주파수에서 간단한 사인 곡선으로서 거동하며:

d = A sin(ωt)

여기서,

ω = 주기 주파수 f의 2π배와 동일한 각주파수이고;

A = 제로 대 피크 진폭(zero-to-peak amplitude)이다.

엔드 이펙터 팁의 종방향 편위(excursion)는 사인파의 진폭의 정확히 2배 또는 2A인, 피크 대 피크(peak-to-peak)(p-t-p) 진폭으로 정의된다. 종종, 엔드 이펙터는, 종방향 편위 때문에, 조직을 절단하고/하거나 응고시킬 수 있는 블레이드를 포함할 수 있다. 2001년 9월 4일자로 허여되고 발명의 명칭이 '비대칭 초음파 수술 블레이드의 균형을 잡는 방법(METHOD OF BALANCING ASYMMETRIC ULTRASONIC SURGICAL BLADES)'인 미국 특허 제6,283,981호; 2001년 10월 30일자로 허여되고 발명의 명칭이 '사다리꼴 단면을 갖는 만곡된 초음파 블레이드(CURVED ULTRASONIC BLADE HAVING A TRAPEZOIDAL CROSS SECTION)'인 미국 특허 제6,309,400호; 및 2002년 8월 20일자로 허여되고 발명의 명칭이 '복수의 균형 비대칭부를 포함하는 균형 잡힌 초음파 블레이드(BALANCED ULTRASONIC BLADE INCLUDING A PLURALITY OF BALANCE ASYMMETRIES)'인 미국 특허 제6,436,115호 - 그것의 전체 개시 내용이 이에 의해 본 명세서에 참고로 포함됨 - 가 다양한 초음파 수술 기구를 개시한다.

초음파 수술 기구의 유효성은 엔드 이펙터 팁의 종방향 편위의 양에 부분적으로 관련될 수 있다는 것이 인식될 수 있다. 큰 종방향 편위가 가능한 엔드 이펙터 팁을 갖는 초음파 수술 기구는 외과적 시술 동안 더 많은 작업을 완수할 수 있다. 그 결과, 엔드 이펙터 팁의 잠재적 편위를 최대화하도록 초음파 수술 기구의 구성요소들을 설계하는 것이 유용할 수 있다. 또한, 초음파 수술 기구 변환기에 전력을 공급하는 데 사용되는 에너지 소스에 의해 생성되는 구동 주파수에 약간의 오차가 있을 수 있기 때문에, 그러한 주파수 오차들에 대한 장치의 저항력을 증가시킬 수 있는 초음파 수술 기구의 구성요소들을 설계하는 것이 또한 유용할 수 있다.

하나의 일반적인 태양에서, 다양한 태양은 사전결정된 주파수에서 수술 도구의 종축을 따른 진동들을 생성하도록 구성된 변환기를 포함하는 초음파 수술 기구에 관한 것이다. 다양한 태양에서, 수술 도구는, 종축을 따라 연장되고 변환기에 결합된 초음파 블레이드를 포함할 수 있다. 다양한 태양에서, 수술 도구는 근위 단부(proximal end) 및 원위 단부(distal end)를 갖는 몸체를 포함하며, 여기서 원위 단부는 변환기에 의해 생성되는 진동들에 의해 종축에 대해 이동가능하고, 근위 단부는 변환기에 기계적으로 결합된다.

하나의 일반적인 태양에서, 초음파 수술 기구는 초음파 혼(ultrasonic horn)을 포함할 수 있으며, 초음파 혼은 근위 플랜지; 제1 직경을 갖고, 근위 플랜지에 대해 원위에 위치된 제1 원통형 부분; 제2 직경 및 원위 단부를 포함하는 제2 원통형 부분으로서, 제2 원통형 부분은 제1 원통형 부분에 대해 원위에 위치한 위치에 있고, 제2 직경은 제1 직경보다 작은, 상기 제2 원통형 부분; 제1 원통형 부분과 제2 원통형 부분 사이에 배치된 테이퍼 형성된 부분(tapered portion); 및 플랜지와 제2 원통형 부분의 원위 단부 사이에 위치한 위치에서 혼 주위에 배치된 원통형 질량체(mass)를 포함한다.

하나의 일반적인 태양에서, 초음파 시스템은 엔드-벨(end-bell); 초음파 혼으로서, 초음파 혼은 근위 플랜지, 제1 직경을 갖고, 근위 플랜지에 대해 원위에 위치된 제1 원통형 부분, 제2 직경 및 원위 단부를 포함하는 제2 원통형 부분으로서, 제2 원통형 부분은 제1 원통형 부분에 대해 원위에 위치한 위치에 있고, 제2 직경은 제1 직경보다 작은, 상기 제2 원통형 부분, 제1 원통형 부분과 제2 원통형 부분 사이에 배치된 테이퍼 형성된 부분, 및 플랜지와 제2 원통형 부분의 원위 단부 사이에 위치한 위치에서 혼 주위에 배치된 원통형 질량체를 포함하는, 상기 초음파 혼; 엔드-벨과 초음파 혼 사이에 배치된 변환기 부분; 및 변환기 부분을 작동시키기 위해 사전결정된 주파수 성분을 갖는 전기 신호를 공급하도록 구성된 초음파 전원을 포함할 수 있다.

다양한 태양의 특징이 특히 첨부된 청구범위에 기재된다. 그러나, 다양한 태양은 동작의 방법 및 조직화 둘 모두에 관하여, 그들의 추가의 목적 및 이점과 함께, 하기와 같은 첨부 도면과 관련하여 취해진 하기의 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 초음파 수술 기구 시스템의 태양을 예시한다.
도 2a 내지 도 2d는 초음파 변환기의 태양들을 예시한다.
도 3 내지 도 7은 초음파 변환기의 부분들의 축방향 변위의 진폭에 대한 초음파 변환기 형상 및/또는 기하학적 구조의 영향의 태양들을 예시한다.
도 8 내지 도 16은 초음파 변환기의 위상 마진(phase margin), 변위, 및 임피던스에 대한 초음파 변환기 혼의 태양들의 구성요소들의 영향의 그래프들이다.
도 17은 초음파 변환기 혼의 일 태양을 예시한다.
도 18은 도 17에 묘사된 초음파 변환기 혼의 태양의 임피던스 대 주파수 그래프이다.
도 19는 초음파 변환기 혼의 제2 태양을 예시한다.
도 20은 도 19에 묘사된 초음파 변환기 혼의 태양의 임피던스 대 주파수 그래프이다.
도 21은 초음파 변환기 혼의 제3 태양을 예시한다.
도 22는 도 21에 묘사된 초음파 변환기 혼의 태양의 임피던스 대 주파수 그래프이다.

다양한 태양을 상세히 설명하기 전에, 그러한 태양이 그 응용 또는 사용에 있어, 첨부 도면과 설명에 예시된 부품의 구성 및 배열의 세부 사항으로 제한되지 않는 것에 유의하여야 한다. 예시적인 태양은 다른 태양, 변형 및 수정으로 구현되거나 그에 통합될 수 있고, 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 예를 들어, 아래에 개시된 수술 기구는 단지 예시적인 것이고, 그의 범주 또는 응용을 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 달리 지시되지 않는 한, 본 명세서에 채용된 용어 및 표현은 독자의 편의상 예시적인 태양을 기술하기 위해 선택되었고, 그의 범주를 제한하려는 것이 아니다.

이제 본 명세서에 개시된 장치 및 방법의 구조, 기능, 제조, 및 사용의 원리에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위해 소정의 예시적인 태양이 기술될 것이다. 이들 태양의 하나 이상의 예가 첨부 도면에 예시된다. 당업자는 본 명세서에 구체적으로 기술되고 첨부 도면에 예시된 장치 및 방법이 비-제한적인 예시적 태양이고, 다양한 태양의 범주가 오직 청구범위에 의해서만 한정된다는 것을 이해할 것이다. 하나의 예시적인 태양과 관련하여 예시되거나 기술된 특징부들은 다른 태양들의 특징부들과 조합될 수 있다. 그러한 변경 및 변형은 청구범위의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다.

본 명세서에 기술된 다양한 태양들은, 일반적으로, 초음파 수술 기구 및 그와 함께 사용하기 위한 블레이드에 관한 것이다. 초음파 수술 기구 및 블레이드의 예가 미국 특허 제5,322,055호; 제5,954,736호; 제6,309,400호; 제6,278,218호; 제6,283,981호; 제6,325,811호; 및 제8,319,400호에 개시되어 있으며, 그의 전체 개시 내용들은 본 명세서에 참고로 포함된다.

본 명세서에서 사용된 바와 같은, 용어 "위상 마진"(PM)은 압전 변환기의 반-공진 주파수(anti-resonant frequency)(f_a)와 공진 주파수(f_r) 사이의 주파수의 차이이다. 하나의 비제한적인 예에서, f_r은 압전 변환기의 임피던스 대 주파수 그래프의 트로프(trough)에서의 주파수로서 결정될 수 있다. 유사하게, f_a는 압전 변환기의 임피던스 대 주파수 그래프의 피크에서의 주파수로서 결정될 수 있다. 따라서, PM은 압전 변환기의 f_a - f_r과 동일하다.

본 명세서에서 사용된 바와 같은 약어 "OD"는 초음파 변환기의 구성요소의 외경이다. 더 구체적으로, OD는 초음파 변환기의 초음파 혼과 관련된 링 또는 원통형 질량체의 외경을 지칭할 수 있다.

다양한 태양들에 따르면, 블레이드와 같은 엔드 이펙터를 갖는 수술 도구를 포함하는 초음파 기구는, 다른 것들 중에서도, 출혈을 제어하면서 피질골 및/또는 조직을 제거하는 것이 바람직한 정형 외과 시술들에서 특히 유익할 수 있다. 그의 절단 및 응고 특성으로 인해, 초음파 수술 기구의 블레이드는 일반적인 연조직 절단 및 응고에 유용할 수 있다. 소정 상황들에서, 다양한 태양들에 따른 블레이드는 조직을 동시에 절단하고 지혈 봉합 또는 소작하는 데 유용할 수 있다. 블레이드는 곧거나 만곡되고, 개방 또는 복강경 응용에 유용할 수 있다. 다양한 태양들에 따른 블레이드는 척추 수술에, 특히 뼈로부터 근육을 제거할 때 후방 접근을 돕는 데 유용할 수 있다.

도 1은 초음파 시스템(10)의 일 태양을 예시한다. 초음파 시스템(10)의 일 태양은 초음파 변환기(14)에 결합된 초음파 신호 발생기(12), 핸드피스 하우징(16)을 포함하는 핸드피스 조립체(60) 및 엔드 이펙터(50)를 포함한다. "랑주뱅 스택(Langevin stack)"으로 알려진 초음파 변환기(14)는 일반적으로 변환 부분(18), 제1 공진기 또는 엔드-벨(20), 및 제2 공진기 또는 포어-벨(fore-bell)(22), 및 보조 구성요소를 포함한다. 다양한 태양들에서, 초음파 변환기(14)는 바람직하게는 아래에서 더 상세히 설명될 바와 같이 길이가 1/2 시스템 파장의 정수배(nλ/2)이다. 음향 조립체(24)는 초음파 변환기(14), 마운트(26), 속도 변환기(velocity transformer)(28), 및 표면(30)을 포함할 수 있다.

용어 "근위" 및 "원위"는 핸드피스 조립체(60)를 파지하는 임상의와 관련하여 본 명세서에서 사용된다는 것이 인식될 것이다. 따라서, 엔드 이펙터(50)는 더 근위에 있는 핸드피스 조립체(60)에 대해 원위에 있다. 편의 및 명료함을 위해, "상부" 및 "저부"와 같은 공간 용어가 또한 핸드피스 조립체(60)를 파지하는 임상의와 관련하여 본 명세서에서 사용된다는 것이 또한 인식될 것이다. 그러나, 수술 기구는 많은 배향 및 위치로 사용되며, 이들 용어는 제한적이고 절대적인 것으로 의도되지는 않는다.

엔드-벨(20)의 원위 단부는 변환 부분(18)의 근위 단부에 연결되고, 포어-벨(22)의 근위 단부는 변환 부분(18)의 원위 단부에 연결된다. 포어-벨(22) 및 엔드-벨(20)은 변환 부분(18)의 두께, 엔드-벨(20) 및 포어-벨(22)을 제조하는 데 사용되는 재료의 밀도 및 탄성 계수, 및 초음파 변환기(14)의 공진 주파수를 비롯한 다수의 변수에 의해 결정되는 길이를 갖는다. 포어-벨(22)은 속도 변환기(28)의 초음파 진동 진폭을 증폭시키기 위해 그것의 근위 단부로부터 그것의 원위 단부로 내향으로 테이퍼 형성될 수 있거나, 대안적으로 포어-벨(22)은 증폭을 갖지 않을 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 엔드-벨(20)은 포어-벨(22) 내의 나사산 형성된 개구와 나사식으로 맞물리도록 구성될 수 있는, 그로부터 연장된 나사산 형성된 부재를 포함할 수 있다. 다양한 태양들에서, 예를 들어 압전 소자들(32)과 같은 압전 소자들이 엔드-벨(20)과 포어-벨(22)이 함께 조립될 때 엔드-벨(20)과 포어-벨(22) 사이에서 압축될 수 있다. 엔드-벨(20)과 포어-벨(22) 사이의 압전 소자들(32)의 적절한 압축은 압전 소자들(32)과 포어-벨(22) 사이의 양호한 기계적 결합을 보장하는 데 유용할 수 있다는 것이 인식될 수 있다. 양호한 기계적 결합은 초음파 시스템(10)의 원위 구성요소들로의, 전계에 의해 압전 소자들(32)에 유도된 운동의 전송을 최적화할 수 있다. 일부 태양들에서, 적절한 압축은 변환 부분(18)의 제조 동안 포어-벨(22)에 적용되는 토크 발생 도구(예컨대 토크 렌치)의 사용을 통해 달성될 수 있다. 압전 소자들(32)은 임의의 적합한 재료, 이를테면 예를 들어, 지르콘산 티탄산 납, 메타 니오브산 납, 티탄산 납, 및/또는 예를 들어 임의의 적합한 압전 결정 또는 세라믹 재료로 제조될 수 있다.

다양한 태양들에서, 아래에 더 상세히 논의되는 바와 같이, 변환기(14)는 하나 이상의 압전 소자(32)를 가로질러 전압 전위를 생성하도록 구성될 수 있는, 예를 들어, 양극(34) 및 음극(36)과 같은, 전극들을 추가로 포함할 수 있다. 양극들(34), 음극들(36), 및 압전 소자들(32) 각각은 엔드-벨(20)의 나사산 형성된 부재를 수용하도록 구성될 수 있는, 중심을 통해 연장되는 보어(bore)를 포함할 수 있다. 다양한 태양들에서, 양극들 및 음극들(34, 36)은 각각 와이어들(38, 40)에 전기적으로 결합되며, 여기서 와이어들(38, 40)은 케이블(42) 내에 넣어지고 초음파 시스템(10)의 초음파 신호 발생기(12)에 전기적으로 연결가능할 수 있다.

다양한 태양들에서, 음향 조립체(24)의 초음파 변환기(14)는 초음파 신호 발생기(12)로부터의 전기 신호를, 주로 초음파 주파수에서 초음파 변환기(24) 및 엔드 이펙터(50)의 종방향 진동 운동을 생성하는 기계적 에너지로 변환시킨다. 적합한 발생기가 미국 오하이오주 신시내티 소재의 에티콘 엔도-서저리, 인크.(Ethicon Endo-Surgery, Inc.)로부터 모델 번호 GEN11로서 입수가능하다. 음향 조립체(24)가 에너지를 공급받을 때, 진동 운동 정재파가 음향 조립체(24)를 통해 발생된다. 적합한 진동 주파수 범위는 약 20 ㎐ 내지 120 ㎑일 수 있고, 아주 적합한 진동 주파수 범위는 약 30 내지 70 ㎑일 수 있고, 하나의 예시적인 작동 진동 주파수는 대략 50 ㎑일 수 있다.

음향 조립체(24)를 따른 임의의 지점에서의 진동 운동의 진폭은 진동 운동이 측정되는 음향 조립체(24)를 따른 위치에 의존할 수 있다. 진동 운동 정재파에서의 최소 또는 0의 크로싱(crossing)이 일반적으로 노드로 지칭되고(즉, 여기서 운동이 통상 최소임), 정재파에서의 절대값 최대 또는 피크가 일반적으로 안티-노드로 지칭된다(즉, 여기서 운동이 통상 최대임). 안티-노드와 그것의 가장 가까운 노드 사이의 거리는 1/4 파장(λ/4)이다.

전술된 바와 같이, 와이어(38, 40)는 초음파 신호 발생기(12)로부터의 전기 신호를 양극(34) 및 음극(36)으로 전송한다. 압전 소자(32)는 음향 조립체(24) 내에서 음향 정재파를 생성하기 위해, 예를 들어, 풋 스위치(44)에 응답하여 초음파 신호 발생기(12)로부터 공급되는 전기 신호에 의해 에너지를 공급받는다. 전기 신호는 반복되는 작은 변위들의 형태로 압전 소자(32) 내에 외란을 유발하여, 재료 내에 큰 압축력을 생성한다. 반복되는 작은 변위들은 압전 소자(32)가 전압 구배의 축을 따라 연속적인 방식으로 팽창하고 수축하게 하여, 초음파 에너지의 종파를 생성한다.

다양한 태양들에서, 변환기(14)에 의해 생성된 초음파 에너지는 음향 조립체(24)를 통과해 초음파 전송 도파관(46)을 통해 엔드 이펙터(50)로 전송될 수 있다. 음향 조립체(24)가 엔드 이펙터(50)에 에너지를 전달하기 위해, 음향 조립체(24)의 구성요소들은 엔드 이펙터(50)에 음향학적으로 결합된다. 예를 들어, 초음파 변환기(14)의 원위 단부는 표면(30)에서 스터드(stud)(48)와 같은 나사산 형성된 연결부에 의해 초음파 전송 도파관(46)의 근위 단부에 음향학적으로 결합될 수 있다.

음향 조립체(24)의 구성요소는 임의의 조립체의 길이가 1/2 파장의 정수배(nλ/2)가 되도록 음향학적으로 조정될 수 있으며, 여기서 파장(λ)은 음향 조립체(24)의 사전-선택된 또는 작동 종방향 진동 구동 주파수(f_d)의 파장이고, n은 임의의 양의 정수이다. 음향 조립체(24)가 음향 요소들의 임의의 적합한 배열을 포함할 수 있음이 또한 고려된다.

초음파 엔드 이펙터(50)는 1/2 시스템 파장(λ/2)의 정수배와 실질적으로 동일한 길이를 가질 수 있다. 초음파 엔드 이펙터(50)의 원위 단부(52)는 원위 단부의 최대, 또는 적어도 거의 최대, 종방향 편위를 제공하기 위해 안티노드에 또는 적어도 그 부근에 배치될 수 있다. 변환기 조립체가 에너지를 공급받을 때, 다양한 태양에서, 초음파 엔드 이펙터(50)의 원위 단부(52)는 사전결정된 진동 주파수로 예를 들어 대략 10 내지 500 마이크로미터 피크 대 피크의 범위에서, 그리고 바람직하게는 대략 30 내지 150 마이크로미터의 범위에서 이동하도록 구성될 수 있다.

전술된 바와 같이, 초음파 엔드 이펙터(50)는 초음파 전송 도파관(46)에 결합될 수 있다. 다양한 태양들에서, 예시된 바와 같은 초음파 엔드 이펙터(50) 및 초음파 전송 도파관(46)은, 예를 들어, Ti6Al4V(알루미늄 및 바나듐을 포함하는 티타늄의 합금), 알루미늄, 스테인레스강, 및/또는 임의의 다른 적합한 재료와 같은, 초음파 에너지의 전송에 적합한 재료로부터 단일 유닛 구성으로서 형성된다. 대안적으로, 초음파 엔드 이펙터(50)는 초음파 전송 도파관(46)으로부터 분리가능할 수 있고(그리고 그것과는 상이한 조성을 가질 수 있고), 예를 들어 스터드, 용접부, 접착제, 신속 연결부, 또는 다른 적합한 알려진 방법에 의해 결합될 수 있다. 초음파 전송 도파관(46)은, 예를 들어, 1/2 시스템 파장(λ/2)의 정수배와 실질적으로 동일한 길이를 가질 수 있다. 초음파 전송 도파관(46)은 바람직하게는 예를 들어 티타늄 합금(즉, Ti6Al4V) 또는 알루미늄 합금과 같은, 초음파 에너지를 효율적으로 전파하는 재료로부터 구성된 중실 코어 샤프트로부터 제조될 수 있다.

도 1에 예시된 태양에서, 초음파 전송 도파관(46)은 복수의 노드에 또는 적어도 그 부근에 위치된 복수의 안정화 실리콘 링 또는 유연성 지지체(56)를 포함한다. 실리콘 링(56)은 바람직하지 않은 진동을 감쇠시키고 도파관(46)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 시스(sheath)(58)로부터 초음파 에너지를 격리시키며, 이에 의해 초음파 에너지가 최대 효율로 엔드 이펙터(50)의 원위 단부(52)로 종방향으로 흐르는 것을 보장할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 시스(58)는 핸드피스 조립체(60)의 원위 단부에 결합될 수 있다. 시스(58)는 일반적으로 어댑터 또는 노즈 콘(62) 및 긴 관형 부재(64)를 포함한다. 관형 부재(64)는 어댑터(62)에 부착되고/되거나 그로부터 연장되고, 종방향으로 관통 연장되는 개구를 갖는다. 다양한 태양들에서, 시스(58)는 하우징(16)의 원위 단부 상에 나사 결합되거나 스냅 결합될 수 있다. 적어도 하나의 태양에서, 초음파 전송 도파관(46)은 관형 부재(64)의 개구를 통해 연장되고, 실리콘 링(56)은 개구의 측벽과 접촉하여 그 안의 초음파 전송 도파관(46)을 격리시킬 수 있다. 다양한 태양들에서, 시스(58)의 어댑터(62)는 바람직하게는 예를 들어 울템(Ultem)(등록상표)으로 구성되고, 관형 부재(64)는 예를 들어 스테인레스강으로 제조된다. 적어도 하나의 태양에서, 초음파 전송 도파관(46)은 그것을 외부 접촉으로부터 격리시키기 위해 그것을 둘러싸는, 예를 들어 중합체 재료를 가질 수 있다.

위에 설명한 바와 같이, 전압 또는 전력 소스가 변환기의 압전 소자들 중 하나 이상과 작동가능하게 결합될 수 있으며, 여기서 압전 소자들 각각에 인가된 전압 전위는 압전 소자들이 종방향으로 팽창 및 수축하거나 진동하게 할 수 있다. 또한 위에 설명한 바와 같이, 전압 전위는 주기적일 수 있고, 다양한 태양들에서, 전압 전위는, 예를 들어, 변환기(14), 도파관(46), 및 엔드 이펙터(50)를 포함하는 구성요소들의 시스템의 공진 주파수와 동일하거나 거의 동일한 주파수에서 사이클링될 수 있다. 그러나, 다양한 태양들에서, 변환기 내의 압전 소자들 중 소정의 압전 소자는 변환기 내의 다른 압전 소자들보다 종방향 진동들의 정재파에 더 기여할 수 있다. 더 상세하게는, 변환기 내에 종방향 변형 프로파일이 발생할 수 있으며, 여기서 변형 프로파일은, 특히 시스템이 그의 공진 주파수에서 또는 그 부근에서 진동되고 있을 때, 압전 소자들 중 일부가 진동들의 정재파에 기여할 수 있는 종방향 변위들을 제어하거나 제한할 수 있다.

도 1의 초음파 수술 기구 시스템(10)과 관련하여, 압전 소자들(32)로부터의 기계적 진동을 도파관(46)을 통해 엔드 이펙터(50)에 결합시키기 위해 다수의 구성요소들이 요구될 수 있다는 것이 인식될 수 있다. 음향 조립체(24)를 구성하는 추가적인 요소들은 시스템에 추가적인 제조 비용, 제조 단계 및 복잡성을 추가할 수 있다. 도 1에 예시된 그리고 위에 개시된 바와 같은 동등한 장치보다 적은 구성요소, 제조 단계, 및 비용을 요구할 수 있는 초음파 의료 장치의 태양들이 아래에 개시된다.

다시, 도 1을 참조하면, 압전 소자들(32)은 "랑주뱅" 스택으로 구성되며, 여기서 압전 소자들(32)과 그들의 활성화 전극들(34, 36)(함께, 변환기(14))이 인터리빙된다. 활성화된 압전 소자들(32)의 기계적 진동들은 변환기(14)의 종축을 따라 전파되고, 음향 조립체(24)를 통해 도파관(46)의 단부에 결합된다. 초음파 수술 기구 시스템(10)에 사용될 수 있는 압전 소자들(32)의 예는, 예를 들어, 지르콘산 티탄산 납, 메타 니오브산 납, 또는 티탄산 납을 포함하는 세라믹 압전 소자들을 제한 없이 포함할 수 있다.

초음파 변환기(14)의 효율은 정의된 주파수에서 압전 소자들(32)을 구동하는 데 사용되는 전력의 양을 최대화하는 것, 및 정의된 작동 주파수에서 주어진 양의 전력에 대해 압전 소자들(32)의 물리적 변위의 양을 최대화하는 것과 관련될 수 있다.

전력은 초음파 변환기(14)의 임피던스가 최소에 있는 노드 또는 공진 주파수(f_r) 또는 그 부근의 주파수에서 압전 소자들(32)을 작동시킴으로써 최대화될 수 있다. 초음파 변환기(14)의 임피던스가 최대에 있는 안티-노드 또는 반-공진 주파수(f_a) 또는 그 부근의 주파수에서 압전 소자들(32)을 작동시키기 위해 최소량의 전력이 요구될 수 있다. 일부 초음파 변환기들에서, 위상 마진(f_a - f_r)은 노드 공진 주파수에 대해 매우 작을 수 있는데, 예를 들어 약 0.6%이다. 초음파 신호 발생기(12)에 의해 공급되는 신호의 주파수에서 약간의 오차 또는 편차가 발생할 수 있다는 것이 인식될 수 있다. 그러한 주파수 오차는 초음파 신호가 공진 주파수(최소 임피던스)로부터 벗어나 반-공진 주파수(최대 임피던스)에 접근하는 결과를 야기할 수 있다. 따라서, 최적화된 초음파 변환기(14)는 초음파 신호 발생기(12)에서의 주파수 오차의 가능한 영향을 최소화하기 위해 최대 위상 마진을 갖도록 설계될 수 있다.

압전 유도 초음파 진동의 진폭은 초음파 변환기의 형상, 기하학적 구조, 및 재료 밀도에 의해 증폭될 수 있다는 것이 또한 인식된다. 따라서, 초음파 변환기의 형상 및/또는 기하학적 구조를 변경함으로써, 변환기는 그에 부착된 엔드 이펙터의 변위를 최대화하도록 제조될 수 있다.

임피던스 특성을 최적화하고 초음파 변환기의 변위를 최대화할 수 있는 초음파 변환기의 포어-벨 또는 혼의 예들이 아래에 개시된다.

도 2a는 초음파 변환기(14)의 일반적인 태양을 예시한다. 도 1에 관하여 위에 개시된 바와 같이, 초음파 변환기(14)는 엔드-벨(20), 포어-벨 또는 혼(22), 및 이들 사이의 변환 부분(18)을 포함한다. 변환 부분(18)은 하나 이상의 압전 소자(32)를 포함할 수 있다. 초음파 변환기(14)는, 예를 들어, 엔드-벨(20)의 나사산 형성된 샤프트 부분 상에 압전 소자들(32)을 배치하고 엔드-벨(20)의 나사산 형성된 샤프트 부분을 포어-벨 또는 혼(22)의 정합하는 나사산 형성된 부분에 나사 결합시킴으로써 조립될 수 있다.

포어-벨 또는 혼(22)은 다수의 구성요소를 포함할 수 있다. 근위 플랜지(210)는 압전 소자들(32)을 고정하는 데 사용될 수 있다. 제1 원통형 부분(220)은 제1 직경을 가질 수 있고 근위 플랜지(210)에 대해 원위에 위치될 수 있다. 제2 원통형 부분(230)은 제2 직경 및 원위 단부를 가질 수 있다. 제2 원통형 부분(230)은 제1 원통형 부분(210)에 대해 원위에 위치한 위치에 위치할 수 있다. 일부 비제한적인 예들에서, 제2 직경은 제1 직경보다 작을 수 있다. 포어-벨 또는 혼(22)은 또한 제1 원통형 부분(220)과 제2 원통형 부분(230) 사이에 배치된 테이퍼 형성된 부분(240)을 포함할 수 있다. 일부 비제한적인 예들에서, 테이퍼 형성된 부분(240)은 다수의 테이퍼 형성된 섹션(242, 244)을 포함할 수 있다. 다수의 테이퍼 형성된 섹션(242, 244) 각각은 곡률 반경을 가질 수 있다. 일부 비제한적인 예들에서, 다수의 테이퍼 형성된 섹션(242, 244) 각각의 곡률 반경은 동일할 수 있다. 다른 비제한적인 예들에서, 다수의 테이퍼 형성된 섹션(242, 244) 중 하나의 곡률 반경은 상이한 테이퍼 형성된 섹션의 곡률 반경과는 상이할 수 있다. 도 2에는 단지 2개의 테이퍼 형성된 섹션(242, 244)만이 예시되어 있지만, 테이퍼 형성된 부분(240)은 3개, 4개, 또는 그 초과의 개개의 테이퍼 형성된 섹션을 포함할 수 있다는 것이 인식될 수 있다. 일부 비제한적인 예들에서, 테이퍼 형성된 부분은 2개의 연속적인 테이퍼 형성된 섹션 사이에, 예를 들어 제1 테이퍼 형성된 섹션(242)과 제2 테이퍼 형성된 섹션(244) 사이에 위치한 위치에 배치된 평평한 부분(flat)을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 포어-벨 또는 혼(22)은 플랜지(210)와 제2 원통형 부분(230)의 원위 단부 사이에 위치한 위치에서 혼(22) 주위에 배치된 원통형 질량체(260)를 포함할 수 있다. 원통형 질량체(260)는 링 또는 원통의 형태를 취할 수 있다. 링 형상은 다수의 평평한 또는 만곡된 에지를 갖는 원형 링 또는 다면체 링일 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 일부 비제한적인 예들에서, 원통형 질량체(260)는 제1 원통형 부분(220)에서 혼 주위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 원통형 질량체(260)는 제1 원통형 부분(220)의 원위 섹션에서 혼(22) 주위에 배치될 수 있다. 다른 비제한적인 예에서, 원통형 질량체(260)는 테이퍼 형성된 부분(240)에서 혼(22) 주위에 배치될 수 있다. 다수의 테이퍼 형성된 섹션(242, 244)을 포함하는 혼(22)의 경우, 원통형 질량체(260)는 연속적인 테이퍼 형성된 섹션들 사이에, 예를 들어 제1 테이퍼 형성된 섹션(242)과 제2 테이퍼 형성된 섹션(244) 사이에 위치한 위치에 배치될 수 있다. 일부 비제한적인 예들에서, 원통형 질량체(260)는 제2 원통형 부분(230)에서 혼(22) 주위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 원통형 질량체(260)는 제2 원통형 부분(230)의 근위 섹션에서 혼(22) 주위에 배치될 수 있다. 단일 원통형 질량체(260)만이 위에서 개시되고, 예를 들어, 도 2에 예시되어 있지만, 제2 원통형 질량체와 같은 임의의 수의 원통형 질량체가 플랜지(210)와 제2 원통형 부분(230)의 원위 단부 사이에 혼(22) 주위에 배치될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

도 2b 내지 도 2d는 혼의 상이한 예들을 예시하며, 특히 제1 테이퍼 형성된 섹션(242a 내지 242c)에서의 차이들을 묘사하고 있다. 도 2a는 오버레이로서 묘사된 제1 테이퍼 형성된 섹션(242)의 다수의 구성을 예시한다. 도 2b 내지 도 2d는 도 2a에 예시된 구성들 각각의 별개의 예시들을 제공한다.

위에 개시된 바와 같이, 초음파 혼의 형상/크기 및 기하학적 구조는 초음파 변환기뿐만 아니라 그에 부착된 임의의 엔드 이펙터의 변위에 있어서 이득을 유도할 수 있다. 도 3 내지 도 7은 그들이 부착된 초음파 변환기의 구성요소들의 축방향 변위(크기 및 위상)의 시뮬레이션들을 묘사하는 그래프들 상에 오버레이된 다양한 초음파 혼 예들을 예시한다. 아래의 표 1은 도 3 내지 도 7에 묘사된 바와 같은 시뮬레이션 조건들 및 일부 예시적인 결과들에 더하여 초음파 혼 예들에 대한 설명들을 개시한다.

[표 1]

위에 개시된 바와 같이, PM(위상 마진)은 반-공진 주파수(f_a)와 공진 주파수(f_r) 사이의 주파수의 차이로서 정의된다. 압전 디스크에 대한 압전 결합 계수(K_p)는 세라믹 소자가 분극되는 방향에 평행한 전계와, 분극 방향에 대해 방사상 진동을 생성하는 기계적 효과 사이의 결합을 표현한다. 근사로서, 압전 디스크에 대한 K_p는 다음에 의해 기술될 수 있으며:

여기서 f_a는 반-공진 주파수이고 f_r은 공진 주파수이다. 반-공진 주파수에 대해 위상 마진(PM = f_a - f_r)이 작으면, 근호 내의 두 번째 항은 첫 번째 항에 대해 작아지고, 위상 마진과 결합 계수 사이의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다:

표 1의 변위는 초음파 변환기의 단부에서의 축방향 변위에 대응한다. 표 1의 임피던스는 지시된 바와 같은 공진 주파수, V_p-p, 및 전류에서 시뮬레이션들이 실행될 때의 초음파 변환기의 임피던스이다. 기계적 품질 계수 Q_m은 다음과 같이 임피던스 대 주파수 그래프로부터 계산될 수 있으며:

여기서 2Δf는 f_r에서의 최소 임피던스 값의

배에서의 전체 폭이다. 예시적인 임피던스 대 주파수 그래프들이 도 17 내지 도 19에 묘사된다.

도 3은 초음파 변환기(500)의 일부분의 축방향 변위의 크기를 나타내는 변위 크기 그래프(300), 및 초음파 변환기(500)의 일부분의 축방향 변위의 위상을 나타내는 변위 위상 그래프(400) 상에 오버레이된 초음파 변환기(500)의 물리적 표현을 묘사한다. 도 3에 나타낸 그래프의 가로축(변환기의 테일(tail)(517)로부터의 mm 단위의 거리)은 초음파 변환기(500), 변위 크기 그래프(300), 및 변위 위상 그래프(400)의 표현에 동등하게 적용된다. 그래프의 왼쪽 세로축은 μm 단위의 축방향 변위의 크기에 관련되고, 그래프의 오른쪽 세로축은 도(degree) 단위의 축방향 변위의 위상에 관련된다. 변위 크기 그래프(300) 및 변위 위상 그래프(400)는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 50,678 ㎐의 공진 주파수에서 V_p-p(27 V) 및 전류(175.8 mA)의 입력 파라미터들을 갖는 초음파 변환기(500)의 기하학적 구조의 시뮬레이션들로부터 도출되었다.

초음파 변환기(500)는 테일(517), 변환 부분(518), 및 초음파 혼을 포함한다. 변위 크기 그래프(300) 및 변위 위상 그래프(400)에 묘사된 시뮬레이션들의 목적을 위해, 테스트 부하(550) 부분이 초음파 혼의 원위 단부(535)에서 초음파 혼에 부착된다. 테스트 부하(550)는 압전 변환기들의 활성화 동안 초음파 변환기(500)의 거동의 도파관 및 엔드 이펙터에 대한 영향들을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있다. 변환 부분(518)은 그에 부착된 구성요소들을 기계적으로 작동시키기 위한 하나 이상의 압전 변환기를 포함할 수 있다. 초음파 혼은 플랜지(510), 제1 원통형 부분(520), 테이퍼 형성된 부분(540) 및 제2 원통형 부분(530)을 포함한다. 초음파 혼은 플랜지(510)로부터 원위 단부(535)까지 연장된다. 테이퍼 형성된 부분(540)은 제1 테이퍼 형성된 섹션(542), 제2 테이퍼 형성된 섹션(544), 및 제1 테이퍼 형성된 섹션(542)과 제2 테이퍼 형성된 섹션(544) 사이에 배치된 평평한 부분(546)을 추가로 포함한다.

도 3에 묘사된 초음파 혼은 혼 주위에 배치된 링 또는 다른 원통형 질량체를 포함하지 않으며, 초음파 혼에 대한 대안적인 기하학적 구조들이 그것과 기능적으로 비교될 수 있는 기준 구성으로서 간주될 수 있다. 일부 태양들에서, 도 3에 묘사된 초음파 혼은 제1 원통형 부분(520)과 관련된 토크 피처들(torque features)(525)을 포함할 수 있다. 그러한 토크 피처들(525)은 혼이 변환 부분(518) 및 테일(517)과 함께 조립되는 것을 가능하게 하기 위해, 토크 렌치와 같은, 토크 발생 도구와 해제가능하게 맞물리는 데 사용될 수 있다. 위에 개시된 바와 같이, 제조 동안의 그러한 토크 발생 도구의 사용은 변환 부분(518)의 압축을 유도할 수 있으며, 이에 의해 변환 부분(518)의 초음파 장치의 나머지에 대한 기계적 결합을 개선할 수 있다. 아래에 개시되는 바와 같이 명확해질 바와 같이, 그러한 토크 피처들(525)은 플랜지(510), 제1 원통형 부분(520), 제2 원통형 부분(530), 및 임의의 추가적인 링들 또는 원통형 질량체들을 포함하지만 이로 제한되지 않는, 초음파 혼의 임의의 하나 이상의 구성요소 상에 포함되거나 그에 통합될 수 있다.

변위 위상 그래프(400)는 테스트 부하(550)를 포함하는 초음파 변환기(500)의 길이를 따른 축방향 변위의 위상을 나타낸다. 위상은 플랜지(510)를 포함하는 변환 부분(518)의 길이를 따라(테일(517)로부터, 테일(517)로부터 약 20 mm에 있는 위치까지), 그리고 테스트 부하(550)의 원위 세그먼트의 길이를 따라(테일(517)로부터 약 82 mm로부터, 테일(517)로부터 약 105 mm에 있는 테스트 부하(550)의 원위 단부까지) 양의 값을 가질 수 있다. 위상은 또한 초음파 혼의 길이를 따라(테일(517)로부터 약 20 mm에 있는 플랜지(510)로부터, 초음파 혼의 원위 단부(535)까지), 그리고 또한 테스트 부하(550)의 적어도 일부분을 따라(테일(517)로부터 약 60 mm로부터, 테일(517)로부터 약 82 mm에 있는 위치까지) 음의 값을 가질 수 있다.

변위 크기 그래프(300)는 테스트 부하(550)를 포함하는 초음파 변환기(500)의 길이를 따른 축방향 변위의 크기의 절대값을 나타낸다. 변위 크기 그래프(300)는, 부분적으로, 혼의 기하학적 구조에 기인할 수 있는 초음파 변환기(500)의 축방향 변위의 크기에 있어서의 기계적 이득의 양을 묘사한다. 따라서, 변환 부분(518)의 최대 변위 크기는 약 2.5 μm일 수 있지만, 제2 원통형 부분(530)에서의 최대 변위 크기는 약 16 μm일 수 있고, 테스트 부하(550)의 원위 단부에서의 최대 변위 크기(360)는 약 17.1 μm일 수 있다. 이러한 방식으로, 변환 부분(518)으로부터 테스트 부하(550)의 단부까지 약 6.8의 축방향 변위의 크기에 있어서의 이득이 실현될 수 있다.

도 4 내지 도 7은 대안적인 초음파 변환기들의 예 및 이들의 관련 시뮬레이션된 축방향 변위 크기 및 축방향 변위 위상 그래프들을 나타낸다. 대안적인 변환기들 중 다수는 도 3에 묘사된 초음파 변환기(500)에 대해 위에 개시된 것들과 동일한 구성요소들을 포함한다. 그러한 동일한 구성요소들의 예는 테일(517), 변환 부분(518), 제1 원통형 부분(520), 제2 원통형 부분(530), 테이퍼 형성된 부분(540), 제1 테이퍼 형성된 섹션(542), 제2 테이퍼 형성된 섹션(544), 제2 테이퍼 형성된 섹션의 원위 단부(535), 및 테스트 부하(550)를 제한 없이 포함할 수 있다. 도 4 내지 도 7의 복잡성을 줄이기 위해, 동일한 구성요소들에는 동일한 참조 번호들이 매겨진다. 또한, 참조 번호들에 의해 달리 특성화되지 않은, 도 4 내지 도 7에 묘사된 초음파 변환기들의 구성요소들은 도 3에 묘사된 유사하게 명명된 구성요소들 및 참조 번호들을 지칭하는 것으로 이해될 수 있다.

도 4는 초음파 변환기(501)의 일부분의 축방향 변위의 크기를 나타내는 변위 크기 그래프(301), 및 초음파 변환기(501)의 일부분의 축방향 변위의 위상을 나타내는 변위 위상 그래프(도 3의 변위 위상 그래프(400)와 동등함) 상에 오버레이된 초음파 변환기(501)의 물리적 표현을 묘사한다. 도 4에 나타낸 그래프의 가로축(변환기의 테일(517)로부터의 mm 단위의 거리)은 초음파 변환기(501), 변위 크기 그래프(301), 및 변위 위상 그래프의 표현에 동등하게 적용된다. 그래프의 왼쪽 세로축은 μm 단위의 축방향 변위의 크기에 관련되고, 그래프의 오른쪽 세로축은 도 단위의 축방향 변위의 위상에 관련된다. 변위 크기 그래프(301) 및 변위 위상 그래프는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 48,656 ㎐의 공진 주파수에서 V_p-p(27 V) 및 전류(517.5 mA)의 입력 파라미터들을 갖는 초음파 변환기(501)의 기하학적 구조의 시뮬레이션들로부터 도출되었다.

초음파 변환기(501)는 테일, 변환 부분, 및 초음파 혼을 포함한다. 초음파 혼은 플랜지(510), 제1 원통형 부분(520), 테이퍼 형성된 부분 및 제2 원통형 부분을 포함한다. 테이퍼 형성된 부분은 제1 테이퍼 형성된 섹션(542) 및 제2 테이퍼 형성된 섹션(544)을 추가로 포함한다. 도 4에 묘사된 초음파 혼은 제1 원통형 부분(520)의 원위 단부에(플랜지(510)로부터 약 10 mm 원위에) 위치한 토크 피처들(525)을 포함한다. 초음파 변환기(500)(도 3)에 포함된 유사한 기능적 피처들과는 달리, 초음파 변환기(501) 내의 토크 피처들(525)은 제1 원통형 부분(520)의 몸체에 통합되는 것이 아니라, 제1 원통형 부분(520)의 원위 단부에 위치한 추가적인 방사상으로 연장된 부분을 구성한다. 초음파 변환기(501)는 제1 테이퍼 형성된 섹션(542)과 제2 테이퍼 형성된 섹션(544) 사이에(제2 원통형 부분의 원위 단부(535)에 대해 약 18 mm 근위에) 배치된 링 또는 원통형 질량체(548)를 추가로 포함한다. 원통형 질량체(548)는 약 27 mm의 외경 및 약 2 mm의 폭을 갖는다.

변위 위상 그래프(도 3의 변위 위상 그래프(400)와 동등함)는 테스트 부하를 포함하는 초음파 변환기(501)의 길이를 따른 축방향 변위의 위상을 나타낸다. 위상은 플랜지(510)를 포함하는 변환 부분의 길이를 따라(테일로부터, 테일로부터 약 20 mm에 있는 위치까지), 그리고 테스트 부하의 원위 세그먼트의 길이를 따라(테일로부터 약 82 mm로부터, 테일로부터 약 105 mm에 있는 테스트 부하의 원위 단부까지) 양의 값을 가질 수 있다. 위상은 또한 초음파 혼의 길이를 따라(테일로부터 약 20 mm에 있는 플랜지(510)로부터, 초음파 혼의 원위 단부(535)까지), 그리고 또한 테스트 부하의 적어도 일부분을 따라(테일로부터 약 60 mm로부터, 테일로부터 약 82 mm에 있는 위치까지) 음의 값을 가질 수 있다.

변위 크기 그래프(301)는 테스트 부하를 포함하는 초음파 변환기(501)의 길이를 따른 축방향 변위의 크기의 절대값을 나타낸다. 변위 크기 그래프(301)는, 부분적으로, 혼의 기하학적 구조에 기인할 수 있는 초음파 변환기(501)의 축방향 변위의 크기에 있어서의 기계적 이득의 양을 묘사한다. 따라서, 변환 부분의 최대 변위 크기는 약 7.5 μm일 수 있지만, 제2 원통형 부분에서의 혼의 최대 변위 크기는 약 28 μm일 수 있고, 테스트 부하의 원위 단부에서의 최대 변위 크기(361)는 약 30.6 μm일 수 있다. 이러한 방식으로, 변환 부분으로부터 테스트 부하의 단부까지 약 4.1의 축방향 변위의 크기에 있어서의 이득이 실현될 수 있다. 도 4에 묘사된 초음파 혼의 변위 이득은 도 3에 묘사된 초음파 혼의 변위 이득보다 작지만, 도 4에 묘사된 혼의 최대 변위 크기(361)(30.6 μm)는 도 3에 묘사된 혼의 최대 변위 크기(360)(17.1 μm)보다 약 14 μm만큼(또는 82%만큼) 더 크다. 따라서 초음파 혼에 링들 또는 원통형 질량체들을 추가하는 것은 초음파 변환기에 부착된 엔드 이펙터의 변위를 증가시키는 데 사용될 수 있음이 명백하다.

도 4에 묘사된 초음파 변환기(501)의 기하학적 구조는 도 3에 묘사된 초음파 변환기(500)에 비해 증가된 최대 변위 크기(361)를 유발할 수 있다. 또한, 표 1의 항목들은 도 4에 묘사된 혼 기하학적 구조가 초음파 변환기(500)에 대하여 초음파 변환기(501)를 작동시키는 데 사용되는 증가된 전류 및 이에 따라 전력을 필요로 한다는 것을 보여준다. 구체적으로, 초음파 변환기(501)는 초음파 변환기(500)의 전력의 거의 2배의 전력을 사용한다. 이론에 의해 구애됨이 없이, 초음파 변환기(501)를 작동시키기 위한 전력 증가는, 부분적으로, 변환 부분(514)의 감소된 임피던스로 인해 초음파 변환기(501)에 의해 사용되는 추가적인 전류로부터 기인할 수 있다.

도 5는 초음파 변환기(502)의 일부분의 축방향 변위의 크기를 나타내는 변위 크기 그래프(302), 및 초음파 변환기(502)의 일부분의 축방향 변위의 위상을 나타내는 변위 위상 그래프(도 3의 변위 위상 그래프(400)와 동등함) 상에 오버레이된 초음파 변환기(502)의 물리적 표현을 묘사한다. 도 5에 나타낸 그래프의 가로축(변환기의 테일로부터의 mm 단위의 거리)은 초음파 변환기(502), 변위 크기 그래프(302), 및 변위 위상 그래프의 표현에 동등하게 적용된다. 그래프의 왼쪽 세로축은 μm 단위의 축방향 변위의 크기에 관련되고, 그래프의 오른쪽 세로축은 도 단위의 축방향 변위의 위상에 관련된다. 변위 크기 그래프(302) 및 변위 위상 그래프는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 50,510 ㎐의 공진 주파수에서 V_p-p(27 V) 및 전류(258.8 mA)의 입력 파라미터들을 갖는 초음파 변환기(502)의 기하학적 구조의 시뮬레이션들로부터 도출되었다.

초음파 변환기(502)는 테일, 변환 부분, 및 초음파 혼을 포함한다. 초음파 혼은 플랜지(510), 제1 원통형 부분(520), 테이퍼 형성된 부분(540) 및 제2 원통형 부분(530)을 포함한다. 테이퍼 형성된 부분(540)은 제1 테이퍼 형성된 섹션(542), 제2 테이퍼 형성된 섹션(544) 및 이들 사이의 평평한 부분(546)을 추가로 포함한다. 도 5에 묘사된 초음파 혼은 제1 원통형 부분(520)의 원위 단부에(플랜지(510)로부터 약 10 mm 원위에) 위치한 토크 피처들(525)을 포함한다. 초음파 변환기(500)(도 3)에 포함된 유사한 기능적 피처들과는 달리, 초음파 변환기(502) 내의 토크 피처들(525)은 제1 원통형 부분(520)의 몸체에 통합되는 것이 아니라, 제1 원통형 부분(520)의 원위 단부에 위치한 추가적인 방사상으로 연장된 부분을 구성한다. 도 5에 묘사된 초음파 혼은 제2 테이퍼 형성된 섹션(544)의 원위 부분에, 그리고 제2 원통형 부분(530)에 대해 근위에(제2 원통형 부분의 원위 단부(535)에 대해 약 7.6 mm 근위에) 배치된 링 또는 원통형 질량체(532)를 포함한다. 원통형 질량체(532)는 약 8 mm의 외경 및 약 2 mm의 폭을 갖는다.

변위 위상 그래프는 테스트 부하를 포함하는 초음파 변환기(502)의 길이를 따른 축방향 변위의 위상을 나타낸다. 위상은 플랜지(510)를 포함하는 변환 부분의 길이를 따라(테일로부터, 테일로부터 약 20 mm에 있는 위치까지), 그리고 테스트 부하의 원위 세그먼트의 길이를 따라(테일로부터 약 82 mm로부터, 테일로부터 약 105 mm에 있는 테스트 부하의 원위 단부까지) 양의 값을 가질 수 있다. 위상은 또한 초음파 혼의 길이를 따라(테일로부터 약 20 mm에 있는 플랜지(510)로부터, 초음파 혼의 원위 단부(535)까지), 그리고 또한 테스트 부하의 적어도 일부분을 따라(테일로부터 약 60 mm로부터, 테일로부터 약 82 mm에 있는 위치까지) 음의 값을 가질 수 있다.

변위 크기 그래프(302)는 테스트 부하를 포함하는 초음파 변환기(502)의 길이를 따른 축방향 변위의 크기의 절대값을 나타낸다. 변위 크기 그래프(302)는, 부분적으로, 혼의 기하학적 구조에 기인할 수 있는 초음파 변환기(502)의 축방향 변위의 크기에 있어서의 기계적 이득의 양을 묘사한다. 따라서, 변환 부분의 최대 변위 크기는 약 3.5 μm일 수 있지만, 제2 원통형 부분(530)에서의 혼의 최대 변위 크기는 약 19.5 μm일 수 있고, 테스트 부하의 원위 단부에서의 최대 변위 크기(362)는 약 20.9 μm일 수 있다. 이러한 방식으로, 변환 부분으로부터 테스트 부하의 단부까지 약 6의 축방향 변위의 크기에 있어서의 이득이 실현될 수 있다. 도 5에 묘사된 초음파 혼의 변위 이득은 도 3에 묘사된 초음파 혼의 변위 이득보다 작지만, 그것은 도 4에 묘사된 초음파 혼의 변위 이득보다 상당히 더 크다. 도 5에 묘사된 혼의 최대 변위 크기(362)(21 μm)는 도 3에 묘사된 혼의 최대 변위 크기(360)(17.1 μm)보다 거의 4 μm만큼(또는 23%만큼) 약간 더 크다. 도 5에 묘사된 혼에 대한 최대 변위 크기(362)와 도 4에 묘사된 혼에 대한 최대 변위 크기(361)의 비교는, 원통형 질량체를 플랜지(510)로부터 혼의 길이를 따라 더욱 이동시키고 원통형 질량체의 외경을 감소시키는 것이 최대 변위에 대한 원통형 질량체의 영향을 줄일 수 있음을 시사한다.

도 5에 묘사된 초음파 변환기(502)의 기하학적 구조가 도 3에 묘사된 초음파 변환기(500)에 비해 최대 변위 크기(362)의 약간의 증가를 유발할 수 있지만, 표 1의 항목들은 도 5에 묘사된 혼 기하학적 구조가 또한 초음파 변환기(500)의 전력 소비에 비해 전력 소비의 약간의 증가만을 제공한다는 것을 보여준다. 구체적으로, 초음파 변환기(502)는 초음파 변환기(500)의 전력과 비교해 50% 미만의 더 많은 전력을 필요로 한다. 또한, 초음파 변환기(502)의 공진 주파수는 (초음파 변환기(501)에 대한 약 4%의 시프트와 비교해) 초음파 변환기(500)의 공진 주파수로부터 약 0.3%(더 낮음)만 시프트된다. 전원이 조정된(그리고 잠재적으로 고정된) 동작 주파수를 갖는다면, 초음파 변환기의 공진 주파수가 초음파 전원의 동작 주파수로부터 과도하게 벗어나지 않는 것을 보장하는 것이 유용할 수 있다.

도 6은 초음파 변환기(503)의 일부분의 축방향 변위의 크기를 나타내는 변위 크기 그래프(303), 및 초음파 변환기(503)의 일부분의 축방향 변위의 위상을 나타내는 변위 위상 그래프(도 3의 변위 위상 그래프(400)와 동등함) 상에 오버레이된 초음파 변환기(503)의 물리적 표현을 묘사한다. 도 6에 나타낸 그래프의 가로축(변환기의 테일로부터의 mm 단위의 거리)은 초음파 변환기(503), 변위 크기 그래프(303), 및 변위 위상 그래프의 표현에 동등하게 적용된다. 그래프의 왼쪽 세로축은 μm 단위의 축방향 변위의 크기에 관련되고, 그래프의 오른쪽 세로축은 도 단위의 축방향 변위의 위상에 관련된다. 변위 크기 그래프(303) 및 변위 위상 그래프는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 49,694 ㎐의 공진 주파수에서 V_p-p(27 V) 및 전류(285.6 mA)의 입력 파라미터들을 갖는 초음파 변환기(503)의 기하학적 구조의 시뮬레이션들로부터 도출되었다.

초음파 변환기(503)는 테일, 변환 부분, 및 초음파 혼을 포함한다. 초음파 혼은 플랜지(510), 제1 원통형 부분(520), 테이퍼 형성된 부분(540) 및 제2 원통형 부분(530)을 포함한다. 테이퍼 형성된 부분(540)은 제1 테이퍼 형성된 섹션(542), 제2 테이퍼 형성된 섹션(544) 및 이들 사이의 평평한 부분(546)을 추가로 포함한다. 도 6에 묘사된 초음파 혼은 제1 원통형 부분(520)의 원위 단부에(플랜지(510)로부터 약 10 mm 원위에) 위치한 토크 피처들(525)을 포함한다. 초음파 변환기(500)(도 3)에 포함된 유사한 기능적 피처들과는 달리, 초음파 변환기(503) 내의 토크 피처들(525)은 제1 원통형 부분(520)의 몸체에 통합되는 것이 아니라, 제1 원통형 부분(520)의 원위 단부에 위치한 추가적인 방사상으로 연장된 부분을 구성한다. 그리고 제2 테이퍼 형성된 섹션(544)의 원위 부분에, 그리고 제2 원통형 부분(530)에 대해 근위에(제2 원통형 부분의 원위 단부(535)에 대해 약 7.6 mm 근위에) 배치된 링 또는 원통형 질량체(534). 원통형 질량체(534)는 약 12 mm의 외경 및 약 2 mm의 폭을 갖는다. 초음파 변환기(502)와 초음파 변환기(503) 사이의 유일한 차이는 원통형 질량체의 외경임을 알 수 있다(원통형 질량체(534)는 동등한 원통형 질량체(532)보다 약 50% 더 큰 외경을 갖는다).

변위 위상 그래프는 테스트 부하를 포함하는 초음파 변환기(503)의 길이를 따른 축방향 변위의 위상을 나타낸다. 위상은 플랜지(510)를 포함하는 변환 부분의 길이를 따라(테일로부터, 테일로부터 약 20 mm에 있는 위치까지), 그리고 테스트 부하의 원위 세그먼트의 길이를 따라(테일로부터 약 82 mm로부터, 테일로부터 약 105 mm에 있는 테스트 부하의 원위 단부까지) 양의 값을 가질 수 있다. 위상은 또한 초음파 혼의 길이를 따라(테일로부터 약 20 mm에 있는 플랜지(510)로부터, 초음파 혼의 원위 단부(535)까지), 그리고 또한 테스트 부하의 적어도 일부분을 따라(테일로부터 약 60 mm로부터, 테일로부터 약 82 mm에 있는 위치까지) 음의 값을 가질 수 있다.

변위 크기 그래프(303)는 테스트 부하를 포함하는 초음파 변환기(503)의 길이를 따른 축방향 변위의 크기의 절대값을 나타낸다. 변위 크기 그래프(303)는, 부분적으로, 혼의 기하학적 구조에 기인할 수 있는 초음파 변환기(503)의 축방향 변위의 크기에 있어서의 기계적 이득의 양을 묘사한다. 따라서, 변환 부분의 최대 변위 크기는 약 4 μm일 수 있지만, 제2 원통형 부분(530)에서의 혼의 최대 변위 크기는 약 21 μm일 수 있고, 테스트 부하의 원위 단부에서의 최대 변위 크기(363)는 약 22.3 μm일 수 있다. 이러한 방식으로, 변환 부분으로부터 테스트 부하의 단부까지 약 5.6의 축방향 변위의 크기에 있어서의 이득이 실현될 수 있다. 도 6에 묘사된 초음파 혼의 변위 이득은 도 5에 묘사된 초음파 혼의 변위 이득보다 약간 더 작고(약 7%만큼), 도 6에 묘사된 혼의 최대 변위 크기(363)(22.5 μm)는 도 5에 묘사된 혼의 최대 변위 크기(362)(21 μm)보다 약 7%만큼 약간 더 크다. 도 6에 묘사된 혼에 대한 최대 변위 크기(363)와 도 5에 묘사된 혼에 대한 최대 변위 크기(362)의 비교는, 제2 원통형 질량체의 외경을 증가시키는 것이 초음파 변환기의 원위 단부에서 최대 변위를 다소 증가시킬 수 있음을 시사한다.

도 6에 묘사된 초음파 변환기(503)의 기하학적 구조는 도 5에 묘사된 초음파 변환기(502)의 최대 변위 크기에 비해 최대 변위 크기(363)의 약간의 증가를 유발할 수 있다. 표 1의 항목들은 또한 도 6에 묘사된 혼 기하학적 구조가 초음파 변환기(502)의 전력 사용에 비해 전력 사용의 약간의 증가를 유발한다는 것을 보여준다. 구체적으로, 초음파 변환기(503)는 초음파 변환기(502)의 전력과 비교해 동작하기 위해 약 10% 더 많은 전력을 사용한다. 또한, 초음파 변환기(503)의 공진 주파수는 (초음파 변환기(502)에 대한 약 0.3%의 시프트와 비교해) 초음파 변환기(500)의 공진 주파수로부터 약 2.0%만큼(더 낮음) 시프트된다.

도 7은 초음파 변환기(504)의 일부분의 축방향 변위의 크기를 나타내는 변위 크기 그래프(304), 및 초음파 변환기(504)의 일부분의 축방향 변위의 위상을 나타내는 변위 위상 그래프(도 3의 변위 위상 그래프(400)와 동등함) 상에 오버레이된 초음파 변환기(504)의 물리적 표현을 묘사한다. 도 7에 나타낸 그래프의 가로축(변환기의 테일로부터의 mm 단위의 거리)은 초음파 변환기(504), 변위 크기 그래프(304), 및 변위 위상 그래프의 표현에 동등하게 적용된다. 그래프의 왼쪽 세로축은 μm 단위의 축방향 변위의 크기에 관련되고, 그래프의 오른쪽 세로축은 도 단위의 축방향 변위의 위상에 관련된다. 변위 크기 그래프(304) 및 변위 위상 그래프는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 48,524 ㎐의 공진 주파수에서 V_p-p(27 V) 및 전류(41.36 mA)의 입력 파라미터들을 갖는 초음파 변환기(504)의 기하학적 구조의 시뮬레이션들로부터 도출되었다.

초음파 변환기(504)는 테일, 변환 부분, 및 초음파 혼을 포함한다. 초음파 혼은 플랜지(510), 제1 원통형 부분(520), 테이퍼 형성된 부분(540) 및 제2 원통형 부분(530)을 포함한다. 테이퍼 형성된 부분(540)은 제1 테이퍼 형성된 섹션(542) 및 제2 테이퍼 형성된 섹션(544)을 추가로 포함한다. 도 3에 묘사된 초음파 혼과 유사하게, 도 7에 묘사된 초음파 혼은 제1 원통형 부분(520)의 원위 부분의 일부분으로서 제조된 토크 피처들(525)을 포함할 수 있다. 도 7의 초음파 혼은 또한 제1 원통형 부분(520) 상에(제2 원통형 부분의 원위 단부(535)에 대해 약 30.4 mm 근위에) 배치된 링 또는 원통형 질량체(528)를 포함한다. 원통형 질량체(528)는 약 25 mm의 외경 및 약 2 mm의 폭을 갖는다. 초음파 변환기(500)와 초음파 변환기(504) 사이의 주된 차이는 초음파 변환기(504)가 원통형 질량체(528)를 포함한다는 것을 알 수 있다.

변위 위상 그래프는 테스트 부하를 포함하는 초음파 변환기(504)의 길이를 따른 축방향 변위의 위상을 나타낸다. 위상은 플랜지(510)를 포함하는 변환 부분의 길이를 따라(테일로부터, 테일로부터 약 20 mm에 있는 위치까지), 그리고 테스트 부하의 원위 세그먼트의 길이를 따라(테일로부터 약 82 mm로부터, 테일로부터 약 105 mm에 있는 테스트 부하의 원위 단부까지) 양의 값을 가질 수 있다. 위상은 또한 초음파 혼의 길이를 따라(테일로부터 약 20 mm에 있는 플랜지(510)로부터, 초음파 혼의 원위 단부(535)까지), 그리고 또한 테스트 부하의 적어도 일부분을 따라(테일로부터 약 60 mm로부터, 테일로부터 약 82 mm에 있는 위치) 음의 값을 가질 수 있다.

변위 크기 그래프(304)는 테스트 부하 및 초음파 변환기(504)의 길이를 따른 축방향 변위의 크기의 절대값을 나타낸다. 변위 크기 그래프(304)는, 부분적으로, 혼의 기하학적 구조에 기인할 수 있는 초음파 변환기(504)의 축방향 변위의 크기에 있어서의 기계적 이득의 양을 묘사한다. 따라서, 변환 부분의 최대 변위 크기는 약 3.5 μm일 수 있지만, 제2 원통형 부분(530)에서의 혼의 최대 변위 크기는 약 17.5 μm일 수 있고, 테스트 부하의 원위 단부에서의 최대 변위 크기(364)는 약 18.7 μm일 수 있다. 이러한 방식으로, 변환 부분으로부터 테스트 부하의 단부까지 약 5.3의 축방향 변위의 크기에 있어서의 이득이 실현될 수 있다. 도 7에 묘사된 초음파 혼의 변위 이득은 도 3에 묘사된 초음파 혼의 변위 이득보다 더 작지만(약 22%만큼), 도 7에 묘사된 혼의 최대 변위 크기(364)(18.7 μm)는 도 3에 묘사된 혼의 최대 변위 크기(360)(17.1 μm)보다 약 9%만큼 더 크다. 도 7에 묘사된 혼에 대한 최대 변위 크기(364)와 도 3에 묘사된 혼에 대한 최대 변위 크기(360)의 비교는, 제1 원통형 부분(520)의 원위 단부에서의 원통형 질량체(528)의 추가가 최대 변위 크기에 있어서의 약간의 증가를 유발할 수 있음을 시사한다.

도 3에 묘사된 초음파 변환기(500)와 도 7에 묘사된 초음파 변환기(504) 사이의 비교는 원통형 질량체(528)를 변환기에 추가하는 것의 추가적인 효과들을 드러낼 수 있다. 예를 들어, 변환기(500)의 위상 마진(PM)은 변환기(504)의 위상 마진보다 약 14%만큼 더 작다. 위에 개시된 바와 같이, 더 큰 위상 마진은 초음파 신호 발생기에서의 주파수 오차의 가능한 영향들을 최소화하는 데 유용할 수 있다. 따라서, 원통형 질량체(528)의 추가는 이와 관련하여 유용할 수 있다. 표 1의 항목들은 또한 도 7에 묘사된 혼 기하학적 구조가 초음파 변환기(500)의 전력보다 변환기(504)를 작동시키기 위해 약 20% 더 많은 전력을 사용한다는 것을 보여준다. 이는 변환기(500)에 비해 변환기(504)의 20% 증가된 전류 소모 및 변환기(500)의 임피던스에 대해 변환기(504)의 임피던스의 약 20% 감소와 일치한다.

표 1의 데이터 및 도 3 내지 도 7의 그래프들에 기초하여, 초음파 변환기의 길이를 따른 하나 이상의 원통형 질량체의 폭, 크기 및 배치가 변환기의 특성들에 다수의 서로 상호작용하는 영향을 미칠 수 있다는 것을 알 수 있다. 위에 개시된 바와 같이, 변환기의 단부 변위를 최대화하고, 변환기를 구동하는 데 사용되는 전력을 최적화하고, 위상 마진을 최대화할 수 있는(그에 의해 변환기의 공진 주파수로부터의 가능한 전력 공급 주파수 드리프트의 영향을 최소화할 수 있는) 기하학적 구조를 갖는 변환기를 제조하는 것이 바람직하다. 도 8 내지 도 16은 고정된 전압 및 변환기의 공진 주파수에서 전력을 공급받는 변환기의 위상 마진, 단부 변위, 및 임피던스에 대한 링 기하학적 구조의 변화의 영향의 시뮬레이션 그래프들을 묘사한다. 그러한 그래프들은 변환기의 최적화 기하학적 구조들을 결정하는 데 유용할 수 있다.

도 8 내지 도 10은 초음파 변환기(500)에 대한 링 외경(mm)에 대한, 각각, 위상 마진(㎐ 단위), 단부 변위(μm 단위), 및 임피던스(옴 단위)의 그래프들이다. 이러한 시뮬레이션들의 경우, "링"은 변환기(500)의 테일(511)로부터 약 20 mm 원위에 위치한 플랜지(510)를 포함한다. 예를 들어 도 3에서, 플랜지(510)는 변환기(500)의 근위 노드(축방향 변위 크기 그래프(300)가 최소에 있는 위치)에 위치한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 플랜지(510)의 기하학적 구조의 변화로 인한 변환기(500)의 응답 파라미터들은 링 배치로 인한 영향들에 의존하지 않을 수 있다. 도 8 내지 도 10 각각에서, 플랜지(510)는 2 mm의 고정된 폭을 갖는다. 위상 마진의 그래프(도 8의 800) 및 단부 변위의 그래프(도 9의 900) 둘 모두가 OD 값들의 범위에 걸쳐 링 외경에 따라 단조적으로 증가한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 변환기 임피던스의 그래프(도 10의 1000)는 동일한 범위에 걸쳐 단조적으로 감소한다. 변환기를 작동시키는 데 필요한 전력이 변환기 임피던스에 반비례하기 때문에, 임피던스의 감소는 변환기를 작동시키기 위한 전력의 증가에 대응할 수 있다. 링 OD에 대한 PM의 그래프(도 8의 800) 및 링 OD에 대한 단부 변위의 그래프(도 9의 900)가 2차 방정식에 의해 모델링될 수 있는 것으로 보인다. 이론에 의해 구애됨이 없이, 그러한 그래프들은 PM 및 변위 둘 모두가 링의 반경(OD의 1/2)의 제곱의 함수일, 링의 질량의 함수임을 시사할 수 있다.

도 11 내지 도 13은 초음파 변환기(500)에 대한 링 폭(mm 단위)에 대한, 각각, 위상 마진(㎐ 단위), 단부 변위(μm 단위), 및 임피던스(옴 단위)의 그래프들이다. 이러한 시뮬레이션들의 경우, "링"은 변환기(500)의 테일(511)로부터 약 20 mm 원위에 위치한 플랜지(510)를 포함한다. 예를 들어 도 3에서, 플랜지(510)는 변환기(500)의 근위 노드(축방향 변위 크기 그래프(300)가 최소에 있는 위치)에 위치한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 플랜지(510)의 기하학적 구조의 변화로 인한 변환기(500)의 응답 파라미터들은 링 배치로 인한 영향들에 의존하지 않을 수 있다. 도 11 내지 도 13 각각에서, 플랜지(510)는 15 mm의 고정된 외경(OD)을 갖는다. 위상 마진의 그래프(도 11의 1100) 및 단부 변위의 그래프(도 12의 1200) 둘 모두가 링 폭 값들의 범위에 걸쳐 링 폭에 따라 단조적으로 증가한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 변환기 임피던스의 그래프(도 13의 1300)는 동일한 범위에 걸쳐 단조적으로 감소한다. 변환기를 작동시키는 데 필요한 전력이 변환기 임피던스에 반비례하기 때문에, 임피던스의 감소는 변환기를 작동시키기 위해 필요한 전력의 증가에 대응할 수 있다. 링 OD 또는 폭에 대한 PM의 그래프(도 8의 800 대 도 11의 1100)와 링 OD 또는 폭에 대한 단부 변위의 그래프(도 9의 900 대 도 12의 1200)의 비교는, PM과 단부 변위 둘 모두에 대한 링 폭으로 인한 영향이 2개의 측정치에 대한 링 OD의 영향보다 더 클 수 있음을 시사한다. 또한, 링 OD에 대한 PM의 그래프(도 8의 800) 및 링 OD에 대한 변위의 그래프(도 9의 900)의 기울기는 링 OD의 증가에 따라 증가하는 반면, 링 폭에 대한 PM의 그래프(도 11의 1100) 및 링 폭에 대한 변위의 그래프(도 12의 1200)의 기울기는 링 폭의 증가에 따라 감소하거나 일정하게 유지되는 것으로 보인다. 이러한 결과들은, 링 폭의 영향이 링 폭이 커짐에 따라 감소할 수 있지만, 링 폭의 증가는 변환기의 PM 및 단부 변위에 링 OD보다 더 큰 영향을 미칠 수 있음을 시사할 수 있다. 이론에 의해 구애됨이 없이, PM 및 단부 변위 둘 모두에 대한 링 폭의 영향의 감소는 플랜지 폭이 축방향 치수를 따라 증가함에 따라 변환기(500)의 국부적 강성에 있어서의 증가에 기인할 수 있다. 또한, 링 OD 또는 폭에 대한 임피던스의 그래프들(도 10의 1000 대 도 13의 1300)의 비교는, 임피던스에 대한 링 OD로 인한 영향은 링 OD에 따라 대략 선형인 반면, 임피던스에 대한 링 폭으로 인한 영향은 더 복잡한 의존성을 갖는다는 것을 나타낸다.

도 14 내지 도 16은 초음파 변환기(500)에 대한 변환기의 종축을 따른 링 변위(근위 노드와 근위 안티노드 사이의 거리의 퍼센트 단위)에 대한, 각각, 위상 마진(㎐ 단위), 단부 변위(μm 단위), 및 임피던스(옴 단위)의 그래프들이다. 예로서 도 3을 참조하면, 근위 노드는 대략 플랜지(510)의 위치에서(축방향 변위 크기 곡선(300)이 제1 최소에 있는, 테일(517)로부터 약 20 mm) 발견될 수 있다. 유사하게, 예로서 도 3을 참조하면, 근위 안티노드는 대략 축방향 변위 크기 곡선(300)이 초음파 혼에서 제1 최대를 갖는, 테일(517)로부터 약 60 mm에 있는 초음파 혼의 원위 단부(535)에서 발견될 수 있다. 이러한 시뮬레이션들의 경우, "링"은 2 mm의 고정된 폭을 갖는다. 도 8 내지 도 13에 나타낸 그래프들과는 달리, 도 13 내지 도 16에 나타낸 그래프들은 단조적인 것이 아니라, 노드와 안티노드 사이의 퍼센트 거리의 값들의 범위 전체에 걸쳐 최대(도 14의 1400 및 도 15의 1500) 및 최소(도 16의 1600)를 표시한다. 최대 위상 마진(도 14의 1400) 및 변위(도 15의 1500)는 도 16의 그래프(1600)에 묘사된 바와 같이 임피던스에서의 최소에 대응하는 노드와 안티노드 사이의 퍼센트 거리의 값에서 발생한다는 것을 또한 알 수 있다. 도 14 내지 도 16에 묘사된 그래프들은 대칭인 것으로 보이지 않음을 또한 알 수 있다. 이론에 의해 구애됨이 없이, 도 14 내지 도 16에 묘사된 그래프들에서의 대칭성의 결여는 제1 원통형 부분(520)으로부터, 테이퍼 형성된 부분(540)을 통해, 그리고 제2 원통형 부분(530)까지의 초음파 혼의 직경의 변화로부터 기인할 수 있다. 도 14의 그래프(1400) 및 도 15의 그래프(1500)에 묘사된 그래프들의 피크들은 평평한 부분(546)의 위치에 대응할 수 있는 노드/안티노드 거리의 대략 50%에서(테일(517)로부터 대략 40 mm 원위에서) 발생한다. 유사하게, 도 16의 그래프(1600)에서의 트로프는 평평한 부분(546)의 위치에 대응할 수 있는 노드/안티노드 거리의 대략 50%에서(테일(517)로부터 대략 40 mm 원위에서) 발생한다.

위에서 그리고 도 3 내지 도 16에 개시된 바와 같이, 초음파 변환기에 추가되는 원통형 질량체들 또는 링들의 신중한 선택은 에너지 공급부에 의해 에너지를 공급받을 때 변환기의 응답을 조정하는 데 도움이 될 수 있다는 것이 인식될 수 있다. 도 17 내지 도 22는 변환기의 일부 응답 파라미터들의 선택적 조정을 허용할 수 있는 변환기 상의 그러한 링들의 선택적인 배치 및 기하학적 구조의 시뮬레이션된 결과들을 묘사한다.

아래의 표 2는 일부 변환기 응답 파라미터들을 3개의 상이한 혼 기하학적 구조들 각각에 관련시킨다. 표 2에서, "변환기" 아래의 항목은 변환기 기하학적 구조에 대응하는 도면 번호를 언급하고, "응답" 아래의 항목은 그 변환기와 관련된 임피던스 그래프를 묘사하는 도면 번호를 언급한다. 표 2에서, F_r은 대응하는 변환기 도면에 도시된 기하학적 구조에 대해 결정된 공진 주파수(㎐ 단위)에 대응한다. F_r은 Z_min(옴 단위)의 대응하는 최소 임피던스를 갖는다. 위에 언급된 바와 같이, PM(위상 마진)은 반-공진 주파수(F_a)와 공진 주파수(F_r) 사이의 ㎐ 단위의 차이이다. 품질 계수 Qm은 최소 임피던스 값의

배에서의 전체 폭에 대응하는 지점들에서의 임피던스 그래프의 폭에 대한 공칭 주파수의 비율로서 계산된 단위 없는 수이다.

[표 2]

도 17은 최소 플랜지(1710), 링을 갖지 않는 제1 원통형 부분(1720), 평평한 부분을 갖는 테이퍼 형성된 부분(1740), 및 제2 원통형 부분(1730)을 특징으로 하는 초음파 혼(1722)의 제1 태양을 묘사한다. 이것은 도 19에 묘사된 초음파 혼(1922) 및 도 21에 묘사된 초음파 혼(2122)이 그것과 비교될 수 있는 기준 구성으로서 간주될 수 있다. 도 18은 제1 초음파 혼(1722)과 관련된 임피던스 진폭 그래프(1800) 및 임피던스 위상 그래프(1900)를 포함하는 임피던스 그래프를 묘사한다. 임피던스 진폭 그래프(1800)는 공진 주파수(F_r)에서의 최소 임피던스(1820) 및 반-공진 주파수(F_a)에서의 최대 임피던스(1830)를 보여준다. 위상 마진(1840)은 F_a와 F_r 사이의 차이이다.

도 19는 확장된 플랜지(1910), 그의 원위 단부에 위치한 토크 피처들(1925)을 갖는 제1 원통형 부분(1920), 테이퍼 형성된 부분의 원위에 위치한 작은 링(1934), 및 제2 원통형 부분(1930)을 특징으로 하는 초음파 혼(1922)의 제2 태양을 묘사한다. 도 20은 제2 초음파 혼(1922)과 관련된 임피던스 진폭 그래프(1801) 및 임피던스 위상 그래프(1901)를 포함하는 임피던스 그래프를 묘사한다. 임피던스 진폭 그래프(1801)는 공진 주파수(F_r)에서의 최소 임피던스(1821) 및 반-공진 주파수(F_a)에서의 최대 임피던스(1831)를 보여준다. 위상 마진(1841)은 F_a와 F_r 사이의 차이이다.

도 21은 초음파 혼(1922)에 묘사된 플랜지(1910)보다 더 큰 폭을 갖는 확장된 플랜지(2110), 제1 원통형 부분(2120), 제2 원통형 부분(2130), 및 테이퍼 형성된 부분에 대해 원위에 위치하고, 초음파 혼(1922)의 작은 링(1934)의 것과 비슷한 외경 및 폭을 갖는 작은 링(2134)을 특징으로 하는 초음파 혼(2122)의 제3 태양을 묘사한다. 작은 링(2134)은 또한 토크 피처들(2125)을 포함한다. 도 22는 제3 초음파 혼(2122)과 관련된 임피던스 진폭 그래프(1802) 및 임피던스 위상 그래프(1902)를 포함하는 임피던스 그래프를 묘사한다. 임피던스 진폭 그래프(1802)는 공진 주파수(F_r)에서의 최소 임피던스(1822) 및 반-공진 주파수(F_a)에서의 최대 임피던스(1832)를 보여준다. 위상 마진(1842)은 F_a와 F_r 사이의 차이이다.

제2 초음파 혼(1922)과 제3 초음파 혼(2122)은 그들 각자의 기하학적 구조들이 서로 현저히 상이한 것으로 보인다는 것을 알 수 있다. 제3 초음파 혼(2122)의 플랜지는 제2 초음파 혼(1922)의 플랜지보다 약 2배 넓다. 또한, 제2 초음파 혼(1922)은 제3 초음파 혼(2122)의 작은 링(2134)에 통합된, 제1 원통형 부분(1920) 상의 추가적인 토크 피처들(1925)을 포함한다. 그러나, 흥미 있는 것은 제2 초음파 혼(1922)의 공진 주파수가 제3 초음파 혼(2122)의 공진 주파수와 거의 동일한 반면, 둘 모두의 초음파 혼들(1922, 2122)의 F_r은 기준 혼(1722)의 것보다 약 1% 더 크다는 점이다(표 2 참조). 또한, 표 2에 나타난 바와 같이, 공진 주파수(Z_min)에서의 임피던스가 또한 둘 모두의 초음파 혼들(1922, 2122)에 대해 동일하다. 둘 모두의 초음파 혼들(1922, 2122)의 공진 주파수(Z_min)에서의 임피던스가 또한 기준 혼(1722)의 임피던스의 약 절반이다. 표 2는 또한 제3 혼(2122)의 품질 계수가 제2 혼(1922)의 품질 계수보다 약 3% 더 작지만, 둘 모두가 기준 혼(1722)의 품질 계수의 2배 초과의 품질 계수를 갖는 것을 보여준다. 그러나, 또한 표 2를 참조하면, 제2 초음파 혼(1922)의 위상 마진은 기준 혼(1722)의 위상 마진보다 약 10% 더 크고, 제3 혼(2122)의 위상 마진은 제2 혼(1922)의 위상 마진보다 약 11% 더 크다. 따라서, 다른 응답 피처들(F_r, Q_m, 및 Z_min)은 변하지 않은 채로 두고 하나의 응답 피처(위상 마진)를 조정하기 위해 초음파 혼에 기하학적 피처들이 추가될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

위에 개시된 초음파 변환기들 및 초음파 변환기 혼들의 예들은 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다. 초음파 변환기 혼은, 예를 들어, 하나 이상의 원통형 부분, 하나 이상의 테이퍼 형성된 섹션, 및 하나 이상의 링 또는 원통형 질량체를 포함할 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 초음파 변환기 혼은 플랜지를 가질 수 있거나 플랜지가 없을 수 있다.

하나 초과의 원통형 부분은 동일한 또는 상이한 직경 및/또는 길이를 가질 수 있다. 원통형 부분들은 원형 단면, 타원형 단면, 난형 단면, 또는 다른 매끄러운(모나지 않은) 단면을 가질 수 있다. 하나의 원통형 부분의 단면은 제2 원통형 부분의 단면과 동일하거나 상이할 수 있다.

하나 이상의 테이퍼 형성된 섹션은 선형(원추형) 테이퍼들 또는 만곡된 테이퍼들을 가질 수 있다. 만곡된 테이퍼들은 원형 곡선, 타원형 곡선, 난형 곡선, 포물선 곡선, 쌍곡선 곡선, 또는 임의의 다른 곡선으로서 특성화될 수 있다. 다수의 테이퍼 형성된 섹션을 갖는 초음파 혼의 테이퍼 형성된 섹션들은 동일한 또는 상이한 곡률(만곡된 테이퍼의 경우), 또는 동일한 또는 상이한 개각도(opening angle)(원추형 테이퍼의 경우)를 가질 수 있다. 초음파 혼은 테이퍼 형성된 섹션들 모두가 선형 테이퍼를 갖거나, 테이퍼 형성된 섹션들 모두가 만곡된 테이퍼를 갖거나, 선형 테이퍼들과 만곡된 테이퍼들의 조합 또는 조합들인 다수의 테이퍼 형성된 섹션을 포함할 수 있다. 하나 이상의 테이퍼 형성된 섹션은 임의의 원통형 부분들 사이에 분포될 수 있다. 제1 테이퍼 형성된 섹션이 제2 테이퍼 형성된 섹션에 근접하게 배치될 수 있다. 평평한 부분이 제1 테이퍼 형성된 섹션과 제2 테이퍼 형성된 섹션 사이에 배치될 수 있다.

링들 또는 원통형 질량체들은 원통형 외측 표면을 가질 수 있으며, 여기서 원통은 원형 단면, 타원형 단면, 난형 단면, 또는 임의의 다른 폐곡선 단면을 가질 수 있다. 링들 또는 원통형 질량체들은 하나 이상의 평평한 또는 부분적으로 평평한 표면들을 포함하는 외측 표면을 가질 수 있다. 초음파 혼은 하나 이상의 그러한 링들을 포함할 수 있다. 하나 초과의 링의 기하학적 구조들은 동일하거나 상이할 수 있다. 따라서, 제1 링의 외경 및/또는 폭은 제2 링의 각자의 외경 및/또는 폭과 동일하거나 상이할 수 있다. 유사하게, 하나 초과의 링의 외측 표면들은 동일한 기하학적 구조를 가질 수 있거나 상이한 기하학적 구조들을 가질 수 있다.

초음파 변환기 혼은 토크 피처들을 포함할 수 있거나 그러한 토크 피처들이 없을 수 있다. 토크 피처들은 플랜지, 하나 이상의 원통형 부분, 하나 이상의 테이퍼 형성된 섹션, 하나 이상의 평평한 부분, 및/또는 하나 이상의 링 또는 원통형 질량체를 포함한, 초음파 변환기 혼의 구성요소들 중 임의의 하나 이상에 통합되거나 추가될 수 있다. 토크 피처들은 토크 발생 도구와 맞물리는 데 사용될 수 있는 피처들을 포함할 수 있다. 토크 발생 도구는 초음파 혼, 변환기 구성요소들(예컨대 압전 변환기들), 및 단부 또는 테일 피스를 포함하는 초음파 변환기를 조립하는 데 사용될 수 있다. 토크 발생 도구는 변환기 구성요소들과 초음파 혼 사이의 효과적인 기계적 접촉을 보장하는 데 사용될 수 있다. 하나의 비제한적인 예에서, 그러한 토크 피처들은 토크 발생 도구의 적절한 정합 표면들과 맞물리도록 구성된 초음파 혼의 구성요소 상의 하나 이상의 표면을 포함할 수 있다.

다양한 상세사항이 상기의 설명에 기재되었지만, 전기 신호 파형을 디지털 방식으로 발생시키기 위한 발생기 및 수술 기구를 동작시키기 위한 기술의 다양한 태양이 이러한 특정 상세사항 없이도 실시될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 당업자는 본 명세서에 기술된 구성요소(예컨대, 동작), 장치, 객체, 및 이들에 수반되는 논의가 개념 명료성을 위한 예로서 사용되며, 다양한 구성 변경이 고려된다는 것을 인식할 것이다. 그 결과, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 기재된 특정 예 및 수반되는 논의는 그것의 보다 일반적인 부류를 나타내는 것으로 의도된다. 일반적으로, 임의의 특정 예의 사용은 그것의 부류를 나타내는 것으로 의도되며, 특정 구성요소(예컨대, 동작), 장치, 및 객체의 비포함은 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다.

또한, 몇몇 형태들이 예시되고 설명되었지만, 첨부된 청구범위의 범주를 그러한 상세사항으로 한정하거나 제한하는 것은 본 출원인의 의도가 아니다. 본 개시의 범주로부터 벗어남이 없이 그러한 형태들에 대한 많은 수정, 변형, 변경, 치환, 조합, 및 등가물들이 구현될 수 있고 당업자에게 떠오를 것이다. 또한, 설명된 형태들과 관련된 각각의 요소의 구조는 그 요소에 의해 수행되는 기능을 제공하기 위한 수단으로서 대안적으로 기술될 수 있다. 또한, 재료가 소정의 구성요소에 대해 개시되는 경우, 다른 재료가 사용될 수 있다. 따라서, 상기의 설명 및 첨부된 청구범위는 그러한 모든 변경, 조합 및 변형을 개시된 형태의 범주 내에 속하는 것으로서 포함하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다. 첨부된 청구범위는 그러한 모든 수정, 변형, 변경, 치환, 수정, 및 등가물을 포함하도록 의도된다.

개시의 간결성 및 명료성을 위해, 전술한 개시의 선택된 태양들이 상세히보다는 블록 다이어그램 형태로 도시되었다. 본 명세서에 제공된 상세한 설명의 일부 부분들은 하나 이상의 컴퓨터 메모리 또는 하나 이상의 데이터 저장 장치(예컨대, 플로피 디스크, 하드 디스크 드라이브, 콤팩트 디스크(CD), 디지털 비디오 디스크(DVD), 또는 디지털 테이프)에 저장된 데이터에 작용하는 명령어들의 관점에서 제시될 수 있다. 그러한 설명 및 표현은 당업자에 의해 그의 연구 내용을 다른 당업자에게 기술하고 전달하는 데 사용된다. 일반적으로, 알고리즘은 원하는 결과로 이어지는 단계들의 자기-무모순 시퀀스(self-consistent sequence)를 지칭하는데, 여기서 "단계"는, 반드시 필요한 것은 아니지만, 저장, 전송, 조합, 비교 및 달리 조작될 수 있는 전기 또는 자기 신호의 형태를 취할 수 있는 물리적 양 및/또는 논리 상태의 조작을 지칭한다. 이러한 신호를 비트, 값, 요소, 심볼, 문자, 용어, 숫자 등으로 지칭하는 것은 일반적인 용법이다. 이들 및 유사한 용어는 적절한 물리적 양과 연관될 수 있으며, 단지 이들 양 및/또는 상태에 적용되는 편리한 라벨일 뿐이다.

명확하게 달리 언급되지 않는 한, 상기의 개시로부터 명백하듯이, 상기의 개시 전반에 걸쳐, "처리" 또는 "컴퓨팅" 또는 "계산" 또는 "결정" 또는 "표시" 등과 같은 용어를 사용한 논의가 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리 내에 물리적 (전자적) 양으로서 표현되는 데이터를, 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터 또는 다른 그러한 정보 저장, 전송 또는 디스플레이 장치 내에 물리적 양으로서 유사하게 표현되는 다른 데이터로 조작 및 변환하는 컴퓨터 시스템 또는 유사한 전자 컴퓨팅 장치의 작용 및 프로세스를 지칭한다는 것이 인식된다.

일반적으로, 당업자는 광범위한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의 조합에 의해 개별적으로 그리고/또는 집합적으로 구현될 수 있는 본 명세서에서 설명되는 다양한 태양들이 다양한 유형의 "전기 회로"로 구성되는 것으로 간주될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 결과적으로, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "전기 회로"는 적어도 하나의 개별 전기 회로를 갖는 전기 회로, 적어도 하나의 집적 회로를 갖는 전기 회로, 적어도 하나의 주문형 집적 회로를 갖는 전기 회로, 컴퓨터 프로그램에 의해 구성되는 범용 컴퓨팅 장치(예컨대, 본 명세서에서 설명되는 프로세스들 및/또는 장치들을 적어도 부분적으로 실행하는 컴퓨터 프로그램에 의해 구성되는 범용 컴퓨터 또는 본 명세서에서 설명되는 프로세스들 및/또는 장치들을 적어도 부분적으로 실행하는 컴퓨터 프로그램에 의해 구성되는 마이크로프로세서)를 형성하는 전기 회로, 메모리 장치(예컨대, 랜덤 액세스 메모리의 형태들)를 형성하는 전기 회로 및/또는 통신 장치(예컨대, 모뎀, 통신 스위치 또는 광-전기 장비)를 형성하는 전기 회로를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 당업자는 본 명세서에서 설명되는 발명이 아날로그 또는 디지털 방식 또는 이들의 소정 조합으로 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

전술한 상세한 설명은 블록 다이어그램들, 흐름도들 및/또는 예들의 사용을 통해 다양한 형태의 장치들 및/또는 프로세스들을 설명하였다. 그러한 블록 다이어그램, 흐름도, 및/또는 예가 하나 이상의 기능 및/또는 동작을 포함하는 한, 그러한 블록 다이어그램, 흐름도, 및/또는 예 내의 각각의 기능 및/또는 동작은 광범위한 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 사실상 임의의 조합에 의해 개별적으로 그리고/또는 집합적으로 구현될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 일 형태에서, 본 명세서에 기술된 주제의 몇몇 부분은 주문형 집적 회로(ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 디지털 신호 프로세서(DSP), 또는 다른 통합 포맷을 통해 구현될 수 있다. 그러나, 당업자는, 본 명세서에 개시된 형태의 일부 태양이, 전체적으로 또는 부분적으로, 집적 회로에서, 하나 이상의 컴퓨터에서 실행되는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램으로서(예컨대, 하나 이상의 컴퓨터 시스템에서 실행되는 하나 이상의 프로그램으로서), 하나 이상의 프로세서에서 실행되는 하나 이상의 프로그램으로서(예컨대, 하나 이상의 마이크로프로세서에서 실행되는 하나 이상의 프로그램으로서), 펌웨어로서, 또는 이들의 사실상 임의의 조합으로서 등가적으로 구현될 수 있으며, 회로를 설계하고/하거나 소프트웨어 및/또는 펌웨어에 대한 코드를 작성하는 것이 본 개시 내용에 비추어 완전히 당업자의 기술 내에 있을 것임을 인식할 것이다. 게다가, 당업자는, 본 명세서에 기술된 주제의 메커니즘이 다양한 형태의 하나 이상의 프로그램 제품으로서 배포될 수 있으며, 본 명세서에 기술된 주제의 예시적인 형태가 실제로 그 배포를 수행하는 데 사용되는 특정 유형의 신호 보유 매체에 무관하게 적용된다는 것을 인식할 것이다. 신호 보유 매체의 예는 다음을 포함하지만 이로 제한되지 않는다: 플로피 디스크, 하드 디스크 드라이브, 콤팩트 디스크(CD), 디지털 비디오 디스크(DVD), 디지털 테이프, 컴퓨터 메모리 등과 같은 기록가능 유형의 매체; 및 디지털 및/또는 아날로그 통신 매체(예컨대, 광섬유 케이블, 도파관, 유선 통신 링크, 무선 통신 링크(예컨대, 송신기, 수신기, 송신 논리, 수신 논리 등) 등)와 같은 송신 유형 매체.

일부 경우에, 하나 이상의 요소는 표현 "결합된" 및 "연결된"과 함께 이들의 파생어를 사용하여 기술될 수 있다. 이들 용어는 서로에 대한 동의어로서 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 일부 태양은 2개 이상의 요소가 서로 물리적으로 또는 전기적으로 직접 접촉하는 것을 나타내기 위해 용어 "연결된"을 사용하여 기술될 수 있다. 다른 예에서, 일부 태양은 2개 이상의 요소가 물리적으로 또는 전기적으로 직접 접촉하는 것을 나타내기 위해 용어 "결합된"을 사용하여 기술될 수 있다. 그러나, 용어 "결합된"은 2개 이상의 요소가 서로 직접 접촉하지 않으면서도, 여전히 서로 함께 작용하거나 상호작용한다는 것을 또한 의미할 수 있다. 상이한 다른 구성요소 내에 수용되거나 그것과 연결된 상이한 구성요소의 묘사된 아키텍처는 단지 예일 뿐이며, 실제로는 동일한 기능을 달성하는 많은 다른 아키텍처가 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 개념적 의미로, 동일한 기능을 달성하기 위한 구성요소들의 임의의 배열은 원하는 기능이 달성되도록 효과적으로 "연관"된다. 따라서, 특정 기능을 달성하도록 조합되는 본 명세서에서의 임의의 2개의 구성요소는 아키텍처 또는 중간 구성요소에 관계 없이 원하는 기능이 달성되도록 서로 "연관"되는 것으로 간주될 수 있다. 마찬가지로, 그렇게 연관되는 임의의 2개의 구성요소는 또한 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "작동가능하게 연결"되거나 "작동가능하게 결합"되는 것으로 간주될 수 있으며, 그렇게 연관될 수 있는 임의의 2개의 구성요소는 또한 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "작동가능하게 결합 가능한" 것으로 간주될 수 있다. 작동가능하게 결합 가능한 특정 예들은 물리적으로 정합 가능한 및/또는 물리적으로 상호작용하는 구성요소들, 및/또는 무선으로 상호작용 가능한, 및/또는 무선으로 상호작용하는 구성요소들, 및/또는 논리적으로 상호작용하는, 및/또는 논리적으로 상호작용 가능한 구성요소들, 및/또는 전기적으로 상호작용하는 구성요소들, 및/또는 전기적으로 상호작용 가능한 구성요소들, 및/또는 광학적으로 상호작용하는 구성요소들, 및/또는 광학적으로 상호작용 가능한 구성요소들을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.

다른 경우에, 하나 이상의 구성요소가 본 명세서에서 "~하도록 구성된", "~하도록 구성될 수 있는", "~하도록 작동가능한/작동하는", "구성된/구성가능한", "~할 수 있는", "~에 정합가능한/정합되는" 등으로 지칭될 수 있다. 당업자는, 문맥이 달리 요구하지 않는 한, "~하도록 구성된"은 일반적으로 활성 상태 구성요소 및/또는 비활성 상태 구성요소 및/또는 대기 상태 구성요소를 포함할 수 있다는 것을 인식할 것이다.

본 개시의 특정 태양이 도시되고 기술되었지만, 본 명세서의 교시에 기초하여, 본 명세서에 기술된 주제 및 그것의 보다 넓은 태양으로부터 벗어남이 없이 변화 및 변경이 이루어질 수 있으며, 이에 따라 첨부된 청구범위는 본 명세서에 기술된 주제의 진정한 범주 내에 있는 바와 같은 모든 그러한 변화 및 변경을 그것의 범주 내에 포함시키고자 한다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서, 그리고 특히 첨부된 청구범위(예컨대, 첨부된 청구범위의 본문)에서 사용되는 용어는 일반적으로 "개방형" 용어로서 의도된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다(예컨대, 용어 "포함하는"은 "~를 포함하지만, 이로 한정되지 않는"으로 해석되어야 하고, 용어 "갖는"은 "적어도 ~를 갖는"으로 해석되어야 하고, 용어 "포함하다"는 "~를 포함하지만 이로 한정되지 않는다"로 해석되어야 하는 등등이다). 소개되는 청구항 기재의 특정 수가 의도되는 경우, 그러한 의도는 그 청구항 내에 명시적으로 기재될 것이며, 그러한 기재의 부재 시에는 그러한 의도가 존재하지 않는다는 것이 또한 당업자에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해, 하기의 첨부된 청구범위는 청구항 기재를 소개하기 위해 소개 문구 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 사용을 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 문구의 사용은 부정관사("a" 또는 "an")에 의한 청구항 기재의 소개가 그러한 소개되는 청구항 기재를 포함하는 임의의 특정 청구항을, 동일 청구항이 소개 문구 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 및 "a" 또는 "an"과 같은 부정관사를 포함하는 경우에도 하나의 그러한 기재만을 포함하는 청구항으로 제한한다는 것을 암시하는 것으로 해석되지 않아야 하며(예컨대, "a" 및/또는 "an"은 전형적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"으로 해석되어야 함), 이는 청구항 기재를 소개하는 데 사용되는 정관사의 사용에 대해 적용된다.

게다가, 소개되는 청구항 기재의 특정 수가 명시적으로 기재될지라도, 당업자는 그러한 기재가 전형적으로 적어도 기재된 수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 인식할 것이다(예컨대, 다른 수식어가 없는 꾸밈없는 기재 "2개의 기재"는 전형적으로 적어도 2개의 기재 또는 2개 이상의 기재를 의미한다). 또한, "A, B 및 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 규약이 사용되는 그러한 경우에, 일반적으로 그러한 구성은 당업자가 그 규약을 이해할 의미로 의도된다(예컨대, "A, B 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A만을, B만을, C만을, A와 B를 함께, A와 C를 함께, B와 C를 함께, 그리고/또는 A, B 및 C를 함께 등을 갖는 시스템을 포함할 것이지만 이로 제한되지 않는다). "A, B 또는 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 규약이 사용되는 그러한 경우에, 일반적으로 그러한 구성은 당업자가 그 규약을 이해할 의미로 의도된다(예컨대, "A, B 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A만을, B만을, C만을, A와 B를 함께, A와 C를 함께, B와 C를 함께, 그리고/또는 A, B 및 C를 함께 등을 갖는 시스템을 포함할 것이지만 이로 제한되지 않는다). 전형적으로, 명세서에서든, 청구범위에서든, 또는 도면에서든, 2개 이상의 대안적인 용어를 제공하는 분리 단어 및/또는 문구는, 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 용어들 중 하나, 용어들 중 어느 하나, 또는 둘 모두의 용어를 포함할 가능성을 고려하는 것으로 이해되어야 한다는 것이 또한 당업자에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 문구 "A 또는 B"는 전형적으로 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.

첨부된 청구범위와 관련하여, 당업자는 청구범위 내에 기재된 동작들이 일반적으로 임의의 순서로 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 다양한 동작 흐름들이 시퀀스(들)로 제공되지만, 다양한 동작들이 예시된 것들과는 다른 순서로 수행될 수 있거나, 동시에 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 그러한 대안적인 순서의 예는, 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 오버랩핑, 인터리빙, 인터럽팅, 재배열, 증가, 준비, 보완, 동시, 역전, 또는 다른 다양한 순서를 포함할 수 있다. 더구나, "~에 응답하는", "~에 관련된", 또는 다른 과거 시제의 형용사들과 같은 용어들은, 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 일반적으로 그러한 변형을 배제하는 것으로 의도되지 않는다.

"일 태양", "태양", "일 형태", 또는 "형태"에 대한 임의의 언급은 그 태양과 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 적어도 하나의 태양에 포함된다는 것을 의미함에 유의할 만하다. 따라서, 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에서의 문구 "일 태양에서", "태양에서", "일 형태에서", 또는 "형태에서"의 출현은 반드시 모두가 동일 태양을 지칭하는 것은 아니다. 게다가, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 태양에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.

본 명세서에서 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수 용어의 사용과 관련하여, 당업자는 문맥 및/또는 적용에 적절하게 복수를 단수로 번역하고/하거나 단수를 복수로 번역할 수 있다. 다양한 단수/복수 교환이 명료함을 위해 본 명세서에 명시적으로 기재되지는 않는다.

소정 경우에, 시스템 또는 방법의 사용은 구성요소가 영역 밖에 위치될지라도 영역 내에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 분산 컴퓨팅 문맥에서, 분산 컴퓨팅 시스템의 사용은 시스템의 요소가 영역 밖에 위치될 수 있을지라도(예컨대, 영역 밖에 위치된 릴레이, 서버, 프로세서, 신호 보유 매체, 송신 컴퓨터, 수신 컴퓨터 등) 영역 내에서 발생할 수 있다.

시스템 또는 방법의 판매가 마찬가지로 시스템 또는 방법의 구성요소가 영역 밖에 위치되고/되거나 사용될지라도 영역 내에서 발생할 수 있다. 또한, 하나의 영역에서의 방법을 수행하기 위한 시스템의 적어도 일부의 구현은 다른 영역에서의 시스템의 사용을 배제하지 않는다.

본 명세서에서 참조되고/되거나 임의의 출원 데이터 시트 또는 임의의 다른 개시 자료에 열거된 상기에 언급된 미국 특허, 미국 특허 출원 공개, 미국 특허 출원, 외국 특허, 외국 특허 출원, 비특허 간행물 모두는 그것과 모순되지 않는 범위에서 본 명세서에 참고로 포함된다. 그렇기 때문에, 그리고 필요한 범위에서, 본 명세서에 명시적으로 기재된 바와 같은 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함되는 임의의 상충되는 자료를 대체한다. 본 명세서에 참고로 포함되는 것으로 언급되지만 본 명세서에 기재된 기존의 정의, 서술, 또는 다른 개시 자료와 상충하는 임의의 자료 또는 그것의 부분은 포함되는 자료와 기존의 개시 자료 사이에 충돌이 일어나지 않는 범위에서만 포함될 것이다.

요컨대, 본 명세서에 기술된 개념을 채용하는 것으로부터 기인하는 많은 이점이 기술되었다. 하나 이상의 형태에 대한 상기의 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 총망라하거나 개시된 정확한 형태로 제한하도록 의도되지 않는다. 상기의 교시 내용에 비추어 변경 또는 변형이 가능하다. 하나 이상의 형태는 원리 및 실제 응용을 예시함으로써 당업자가 고려되는 특정 용도에 적합한 바와 같은 다양한 변경과 더불어 다양한 형태를 이용하는 것을 가능하게 하기 위해 선택되고 기술되었다. 본 명세서와 함께 제출되는 청구범위가 전체 범주를 한정하는 것이 의도된다.

본 명세서에 기술된 주제의 다양한 태양이 하기의 번호를 매긴 항목에 기재된다:

예 1. 초음파 혼으로서, 근위 플랜지; 제1 직경을 갖고, 근위 플랜지에 대해 원위에 위치된 제1 원통형 부분; 제2 직경 및 원위 단부를 포함하는 제2 원통형 부분으로서, 제2 원통형 부분은 제1 원통형 부분에 대해 원위에 위치한 위치에 있고, 제2 직경은 제1 직경보다 작은, 상기 제2 원통형 부분; 제1 원통형 부분과 제2 원통형 부분 사이에 배치된 테이퍼 형성된 부분; 및 플랜지와 제2 원통형 부분의 원위 단부 사이에 위치한 위치에서 혼 주위에 배치된 원통형 질량체를 포함하는, 초음파 혼.

예 2. 예 1에 있어서, 원통형 질량체는 제1 원통형 부분에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 혼.

예 3.예 1 또는 예 2에 있어서, 원통형 질량체는 제1 원통형 부분의 원위 섹션에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 혼.

예 4. 예 1 내지 예 3 중 어느 한 예에 있어서, 원통형 질량체는 테이퍼 형성된 부분에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 혼.

예 5. 예 1 내지 예 4 중 어느 한 예에 있어서, 원통형 질량체는 제2 원통형 부분에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 혼.

예 6. 예 5에 있어서, 원통형 질량체는 제2 원통형 부분의 근위 섹션에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 혼.

예 7. 예 1 내지 예 6 중 어느 한 예에 있어서, 테이퍼 형성된 부분은 제1 곡률 반경을 갖는 제1 테이퍼 형성된 섹션 및 제2 곡률 반경을 갖는 제2 테이퍼 형성된 섹션을 포함하는, 초음파 혼.

예 8. 예 7에 있어서, 제1 곡률 반경은 제2 곡률 반경과 동일한, 초음파 혼.

예 9. 예 7에 있어서, 제1 곡률 반경은 제2 곡률 반경과는 상이한, 초음파 혼.

예 10. 예 7에 있어서, 테이퍼 형성된 부분은 제1 테이퍼 형성된 섹션과 제2 테이퍼 형성된 섹션 사이에 위치한 위치에 배치된 평평한 부분을 추가로 포함하는, 초음파 혼.

예 11. 예 7에 있어서, 원통형 질량체는 제1 테이퍼 형성된 섹션과 제2 테이퍼 형성된 섹션 사이에 위치한 위치에 배치되는, 초음파 혼.

예 12. 예 1 내지 예 11 중 어느 한 예에 있어서, 플랜지와 제2 원통형 부분의 원위 단부 사이에 위치한 위치에서 혼 주위에 배치된 제2 원통형 질량체를 추가로 포함하는, 초음파 혼.

예 13. 초음파 시스템으로서, 엔드-벨; 초음파 혼으로서, 초음파 혼은 근위 플랜지, 제1 직경을 갖고, 근위 플랜지에 대해 원위에 위치된 제1 원통형 부분, 제2 직경 및 원위 단부를 포함하는 제2 원통형 부분으로서, 제2 원통형 부분은 제1 원통형 부분에 대해 원위에 위치한 위치에 있고, 제2 직경은 제1 직경보다 작은, 상기 제2 원통형 부분, 제1 원통형 부분과 제2 원통형 부분 사이에 배치된 테이퍼 형성된 부분, 및 플랜지와 제2 원통형 부분의 원위 단부 사이에 위치한 위치에서 혼 주위에 배치된 원통형 질량체를 포함하는, 초음파 혼; 엔드-벨과 초음파 혼 사이에 배치된 변환기 부분; 및 변환기 부분을 작동시키기 위해 사전결정된 주파수 성분을 갖는 전기 신호를 공급하도록 구성된 초음파 전원을 포함하는, 초음파 시스템.

예 14. 예 13에 있어서, 원통형 질량체는 초음파 시스템의 전기적 특성을 최적화하도록 구성된 위치에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.

예 15. 예 14에 있어서, 원통형 질량체는 전기 신호에 대해 변환기 부분의 임피던스를 최소화하도록 구성된 위치에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.

예 16. 예 14에 있어서, 원통형 질량체는 전기 신호에 대해 변환기 부분의 위상 마진을 최대화하도록 구성된 위치에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.

예 17. 예 13 내지 예 16 중 어느 한 예에 있어서, 원통형 질량체는 초음파 시스템의 기계적 특성을 최적화하도록 구성된 위치에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.

예 18. 예 17에 있어서, 원통형 질량체는 전기 신호에 의한 변환기 부분의 작동 시에 제2 원통형 부분의 원위 단부의 변위를 최대화하도록 구성된 위치에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.

예 19. 예 17에 있어서, 원통형 질량체는 전기 신호에 의한 변환기 부분의 작동 시에 변환기 부분의 변위에 대한 제2 원통형 부분의 원위 단부의 변위의 비율을 최대화하도록 구성된 위치에서 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.

Claims

초음파 혼(ultrasonic horn)으로서,
근위 플랜지(proximal flange);
제1 직경을 갖고, 상기 근위 플랜지에 대해 원위에 위치된 제1 원통형 부분;
제2 직경 및 원위 단부(distal end)를 포함하는 제2 원통형 부분으로서, 상기 제2 원통형 부분은 상기 제1 원통형 부분에 대해 원위에 위치한 위치에 있고, 상기 제2 직경은 상기 제1 직경보다 작은, 상기 제2 원통형 부분;
상기 제1 원통형 부분과 상기 제2 원통형 부분 사이에 배치된 테이퍼 형성된 부분(tapered portion); 및
상기 플랜지와 상기 제2 원통형 부분의 상기 원위 단부 사이에 위치한 위치에서 상기 혼 주위에 배치된 원통형 질량체(mass)를 포함하는, 초음파 혼.
제1항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 제1 원통형 부분에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 혼.
제2항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 제1 원통형 부분의 원위 섹션에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 혼.
제1항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 테이퍼 형성된 부분에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 혼.
제1항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 제2 원통형 부분에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 혼.
제5항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 제2 원통형 부분의 근위 섹션에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 혼.
제1항에 있어서, 상기 테이퍼 형성된 부분은 제1 곡률 반경을 갖는 제1 테이퍼 형성된 섹션 및 제2 곡률 반경을 갖는 제2 테이퍼 형성된 섹션을 포함하는, 초음파 혼.
제7항에 있어서, 상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경과 동일한, 초음파 혼.
제7항에 있어서, 상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경과는 상이한, 초음파 혼.
제7항에 있어서, 상기 테이퍼 형성된 부분은 상기 제1 테이퍼 형성된 섹션과 상기 제2 테이퍼 형성된 섹션 사이에 위치한 위치에 배치된 평평한 부분(flat)을 추가로 포함하는, 초음파 혼.
제7항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 제1 테이퍼 형성된 섹션과 상기 제2 테이퍼 형성된 섹션 사이에 위치한 위치에 배치되는, 초음파 혼.
제1항에 있어서, 상기 플랜지와 상기 제2 원통형 부분의 상기 원위 단부 사이에 위치한 위치에서 상기 혼 주위에 배치된 제2 원통형 질량체를 추가로 포함하는, 초음파 혼.
초음파 시스템으로서,
엔드-벨(end-bell);
초음파 혼으로서, 상기 초음파 혼은,
근위 플랜지,
제1 직경을 갖고, 상기 근위 플랜지에 대해 원위에 위치된 제1 원통형 부분,
제2 직경 및 원위 단부를 포함하는 제2 원통형 부분으로서, 상기 제2 원통형 부분은 상기 제1 원통형 부분에 대해 원위에 위치한 위치에 있고, 상기 제2 직경은 상기 제1 직경보다 작은, 상기 제2 원통형 부분,
상기 제1 원통형 부분과 상기 제2 원통형 부분 사이에 배치된 테이퍼 형성된 부분, 및
상기 플랜지와 상기 제2 원통형 부분의 상기 원위 단부 사이에 위치한 위치에서 상기 혼 주위에 배치된 원통형 질량체를 포함하는, 상기 초음파 혼;
상기 엔드-벨과 상기 초음파 혼 사이에 배치된 변환기 부분(transducer portion); 및
상기 변환기 부분을 작동시키기 위해 사전결정된 주파수 성분을 갖는 전기 신호를 공급하도록 구성된 초음파 전원을 포함하는, 초음파 시스템.
제13항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 초음파 시스템의 전기적 특성을 최적화하도록 구성된 위치에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.
제14항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 전기 신호에 대해 상기 변환기 부분의 임피던스를 최소화하도록 구성된 위치에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.
제14항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 전기 신호에 대해 상기 변환기 부분의 위상 마진(phase margin)을 최대화하도록 구성된 위치에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.
제13항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 초음파 시스템의 기계적 특성을 최적화하도록 구성된 위치에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.
제17항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 전기 신호에 의한 상기 변환기 부분의 작동 시에 상기 제2 원통형 부분의 상기 원위 단부의 변위를 최대화하도록 구성된 위치에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.
제17항에 있어서, 상기 원통형 질량체는 상기 전기 신호에 의한 상기 변환기 부분의 작동 시에 상기 변환기 부분의 변위에 대한 상기 제2 원통형 부분의 상기 원위 단부의 변위의 비율을 최대화하도록 구성된 위치에서 상기 혼 주위에 배치되는, 초음파 시스템.