SE458821B - Ultraljudskniv - Google Patents

Description

i 458 821 10 15 20 25 30 som är icke-symmetrisk i sin längdriktning så att transdu- cerenhetens vibrationsamplitud blir större vid den transdu- cerenhetsände som ska vara kopplad till hornet.

Därutöver måste man vid utformningen av transducerenheten ta hänsyn till att förhållandet mellan längd och tvärsnitts- area kan vara kritiskt med avseende på uppträdande av stö- rande ljudfenomen även vid lägre frekvenser.

Transducerns longitudinella vibration ska sedan förstärkas av ett lämpligt utformat så kallat horn som då med fördel kan ha den i den svenska ansökningen redovisade formen och en längd av exempelvis cirka 0,72 lambda.

Av det ovanstående framgår att transducern och hornet sam- verkar till alstring av en väldefinierad rörelse för hornets arbetsspets, och det inses att ett stort antal parametrar av geometrisk, materialteknisk och elektroteknisk art samverkar akustiskt och resonansmässigt pà ett firxstänrt sätt för detta En känd ultraljudskniv inbegriper sålunda en förut känd ult- raljudskniv, en rak tranducer med längden 0,5 lambda och ett därtill kopplat rakt horn av längden cirka 0,7 lambda, för aktuella material och (duraluminium respektive en lämplig titanlegering), aktuell frekvens (24 kHz) och geometri (transducerdiameter cirka 16 mm) blir sålunda knivens tota- la längd cirka 250 mm.

Såsom är väl känt för fackmannen och såsom även anges i den berörda patentansökningen, kan transducern och hornet kopp- lasttill varandra via en vågledare som då bör ha en längd uppgående till en heltalsmultipel av 0,5 lambda. En sådan vågledare består lämpligen av ett hårt material som ger lå- ga förluster, exempelvis titan, duraluminium eller mag- nesium. Om en sådan vågledare inkluderas i ultraljudskniven, 10 15 20 25 30 '_ ~' 458 821 blir knivens totala längd ca 350 mm, för frekvensen 24 kHz och material av den angivna arten.

En sådan längdökning av kniven är normalt motiverad enbart iav möjligheten att den nämnda vàgledaren kan vara något krökt så att ultraljudskniven får ett krökt utförande, exempelvis för de inledningsvis nämnda användningsfallen.

Men det inses även att den förut kända möjligheten till en krökt knivutformning medför att knivens längd och tyngd mås- te stegras påtagligt, vilket negativt påverkar hanterbar- heten för kniven.

Det har nu visat sig att det är möjligt att åstadkomma en krökt ultraljudskniv av den antydda arten utan någon in- kopplad vågledare mellan transducerenhet och horn, utan att någon signifikant ändring uppträder i prestanda relativt en rak knivkonstruktion av den diskuterade arten.

Enligt uppfinningen uppnås denna fördel genom att transdu- cerenheten inbegriper en krökt resonansstàng.

Det har sålunda överraskande visat sig att ett krökt utföran- de av transducerenhetens resonansstàng inte ogynnsamt påver- kar den delikata parameterbalans som råder i den förut kända diskuterade ultraljudskniven. Dock måste längden av denna krökta resonsansstàng i transducern korrigeras; i jämförelse med den raka resonansstàngen måste den krökta resonans- stàngens längd anpassas för att ge resonans vid avsedd frek- vens, vanligen 24 kHz nominell frekvens. Detta för att de longltudinella vàgorlm.ha att gå olika fassträcka beroende av skillnadsvägen med avseende pà respektive böjradie. En- ligt uppfinningaiväljes härvid företrädesvis en längd som återger medelvärdet för nämnda varierande kurvradielängd.

Resonansstängen är krökt exempelvis cirka 160. 458 10 15 20 25 30 821 En lämplig transducerenhet är av det allmänna utförande som framgår av den diskuterade hänvisningen, och innefattar en kortare och en längre stàngdel mellan vilka en stapel av piezoelektriska element är inspänd så att den resulterande transducerenheten får en högre amplitud vid sin ena ände än vid andra änden varvid det amplitudsförstärkande hornet lämpligen kopplas till nämnda ena ände av transducerenheten.

Ett exempel på en krökt ultraljudskniv enligt uppfinningen utan någon krökt vågledare inkopplad mellan transducerenhet och horn, komer nu att beskrivas i anslutning till den bi- lagda ritningen.

Pig. 1 visar schematiskt en transducerenhet ingående i ultraljudskniven enligt uppfinningen, fig. 2 visar schematiskt en sidovy av de centrala kompo- nenterna i ultraljudskniven enligt uppfinningen,och fig. 3 är ett diagram som illustrerar amplitudsfördelningen i längdled för ultraljudskniven enligt fig. 2 och därutöver visar storleken av materialpákänningen i ultraljudskniven utmed dess längd.

Såsom framgår av fig. 2 innefattar ultraljudskniven huvud- sakligen en transducerenhet 5 och ett därtill direkt kopplat knivparti 2 i formen av ett så kallat horn. att ett horn Fackmannen inser kan vara kopplat till transducerenheten 5 exempelvis i den position där den longitudinella vibrationen har ett maximum. Vidare inser fackmannen att eventuella an- slutningar till hornet 2, samt tätningar, exempelvis en O- ringïlämpligen placeras i det ställe utmed hornet 2 där longitudinella vibrationsamplituden har ett minimum.

Givetvis uppvisar kniven även en anslutning för matning av alternerande spänning av ultraljudsfrekvenser till transdu- cerenhetens 5 vibrationsalstrande del via ledningar 3lcch 32. 10 15 20 25 458 821.

Hornet 2 är en amplitudtransformator vars geometri beskrivs närmare nedan.

En borrning 6 sträcker sig centralt genom hornets spets och kan via en koppling vara ansluten till en sugledning. En ledning för tillförsel av koksaltlösning till knivens spets kan vara fäst vid kniven.

Transducern enligt fig. 1 omfattar ett piezoelektriskt ele- ment omfattande sex ringar 20 - 25 av ett sintrat keramiskt material mellan vilka är insatta hålförsedda skivor 26 av exempelvis koppar-berylliumlegeringar. Ringarna 20 - 25 och skivorna 26 är anordnade på en titanstång 27, som är för~ sedd med gängor på båda sidor. Vidare förefinnes ett icke visat lager av elektriskt isolerande material, teflon, på stången och tjänstgör såsom elektrisk isolering för skivor- na 26. Resonansstänger 28, 29 med cirkulärt tvärsnitt fram- ställda av ett magnesiumstål eller liknande uppvisar varde- ra gängade partier på respektive ändar av stången 27 och hela enheten 20 - 29 och är statiskt förspända så att de ger ett tryck av ungefär 500 kg/cmz för att tåla de kraf- tiga accelerationer som de utsättes för när spänning matas via ledningarna 30, 31 vilka är elektriskt anslutna till skivorna 26 på sådant sätt att en ledare är ansluten till alternerande skivor medan den andra ledarenär ansluten till återstående skivor.

Transducern har en längd vilken är en halv våglängd för den alternerande matningsqfinnimym.Längderna Ll och L2 av resonansstängerna 28, 29 är olika och beräknas på följande sätt,=om stängerna är raka 458 821 10 15 20 6 hfl _ A .P -v hfl v + tan 1 1 P1 V tan V 1 + c c ' c ' 1 _ A .P _ 1 +tan1 2 2 V2 tan M2 =T Ac.Pc-v V2 aäff= 71/ h ïïr oc där ll, 12, lc hänför sig till stängernas 23, 29 längd reqæktive längden av aggregatet av ringarna 20 - 25, vl, vz, vc betecknar ljudhastigheten för samma enheter, Al, A2, AC betecknar tvärsnittsarean av dessa enheter och P P 1' P betecknar densiteten hos dessa enheter. 2' c: Eftersom enligt uppfinningen en av resonansstängerna, lämp- ligen resonansstàngen 28, har en krökt skepnad med en krök- ning av exempelvis l6°, modifieras emellertid längden L1 för att de longitudinella vågorna ha att gå olika fassträcka be- roende av skillnadsvägen med avseende på respektive böjradie för det krökta avsnittet.Därvíd väljes en längd som återger medelvärdet för nämnda varierande kurvradielängd.

Enligt en föredragen utföringsform av den på ritningen visa- de knivutrustningen är ett lämpligt förhållande mellan ll : 12 = 2,5 varvid transducern oscillerar med ungefär 10 pm vid ändytan 32 och med 4 pm vid ändytan 33. Amplitud- transfprmatorn 2 som lämpligen har längden ca 0,72 Ä, är ansluten till ändytan 32 av transducern och förstärker mag- nituden av rörelsen med ungefär 30 gånger.

Transducern oph amplitudtransformatorn är sammanhàllna medelst en bult, som är kopplad exempelvis medelst gängför- band till de båda stängerna 28, 29 10 15 20 25 458 821 Den använda amplitudtransformatorn framställes lämpligen av en titanlegering inkluderande aluminium och vanadium.

Järnhalten bör icke överstiga 0,3%. Amplitudtransforma- torn inkluderar tre sektioner 40, 41, 42. Sektionen 40 har cylindrisk form och övergår i sektionen 41 vars geometri är en vàgfunktion av fjärde graden Fourier form, dvs. h! Uuu= K-cosK-Vï-x n u 33 där U(X) = longitudinell deflektion i X-riktning Cfx = konstanter Sektionen 42 är i huvudsak spetsformigt avsmalnande. Med en sådan utformning av kniven uppnås en uttalad resonans rela- terat till den longitudinella oscilleringsrörelsen och ur frekvenssynpunkt är denna resonans uttalat separerad från sekundära longitudinella resonanser och kvarvarande reso- nanser relaterade till transversella oscilleringar. Såsom framgår av diagrammet i fig. 3 - jämfört med fig. 1 - där abskissan hänför sig till längden av amplitudtransformatorn _ enligt kurvorna A, B, och ordinatan till den longitudinella oscilleringen enligt kurvan A och magnituden av material- påverkan enligt kurva B framgår att knivens rörelse uppnår maximum vid punkten 43 och avtar mot 0 vid en punkt där borrningen 6 utmynnar på ytan. Det är således möjligt att täta förbindelsen av vakuumanslutningen till borrningen med Qrringstätningar, som icke pâverkas av vibrationer. Av samma anledning är ett handstycke fäst vid transducern 5 så att den icke vibrerar i operatörens hand. Härutöver fram~ går av kurvan B att materialpáverkan när ett maximum icke vid spetsen43 utan inom ett område beläget ett avstånd L inåt frán denna spets.Fördelen med en sådan geometrisk utformning 458 821 10 15 20 25 30 av kniven är uppenbar i det att den ger en lång livslängd.

Man kan lätt experimentellt kontrollera var knivens reso- nanspartier är genom att ansluta kniven till transducern och att mata sistnämnda med elektrisk energi eller ultra- ljudsfrekvens. Härvid kan då rörelsen av spetsen 43 uppmätas.

Genom uppfinningen har det sålunda blivit möjligt att trots den böjda formen nà en "fulla" data kan ernás mikrometer för hornets amplitud vilken icke begränsas, dvs. i form av en amplitud av 300 (240) spets 43. Trots detta ernás en god verkningsgrad, vilket medför att förlustfaktorn blir till- fredsställande vilket i sin tur gör att effektutvecklingen i transducerenheten 5 blir acceptabel. Enligt uppfinningen är det sålunda möjligt att framställa en ultraljudskniv vil- ken för frekvensen 24 kHz har en total längd av cirka 250 mm, men ändå har en böj (till exempel 16° ) som ligger i mittom- ràdet av kniven.

Med en pàovan beskrivet sätt utförd kniv är det möjligt att uppnå data som är väsentligen lika dem som uppnås med hand- stycket enligt svenska patentansökningen 85 05 289-2, men ändå uppnå fördelarna att ickeskymma sikten för operatören mot den vävnadsavverkande spetsen 43 varvid knivens vikt inte blir högre än för den förut kända raka kniven, och längden inte heller kommer att avvika signifikant, varige- nom feed-backkänslan för operatören bevaras.

Resonansstángen 28 kan inte bockas i egentlig mening efter- som man då inte enkelt kan uppnå reproducerbara data för densamma. Istället tillverkas den krökta resonansstången 28 utgàedde från ett i huvudsak spänningsfritt ämne av lämplig metall, tillemmçelen durallegering, varvid ämnet utföres i böjd skepnad, med en riktningsavlänkningCX_av till exempel 160, med hjälp av en numeriskt styrd svarvning eller fräs- ning, så att den resulterande resonansstângen blir väsentli- 458 821 gen spänningsfri och därför kommer att ge reprøducerbara da- ta. Krokigheten är lämpligen kontinuerlig och kan sträcka sig över större delen av stångens längd.

¿I

Claims (9)

458 821 10 P a t e n t k r a v

1. Ultraljudskniv innefattande ett horn (2) med en spets (43) avsedd att bringas i kontakt med vävnad, och en till en spetsen motstáende ände av hornet kopplad transduceren- het (5) anordnad att driva spetsen (43) i longitudinell svängning, varvid transducerenheten innefattar en reso- nansstång, k ä n n e t e c k n a d av att resonans- stången (28) är krökt.

2. Ultraljudskniv enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a d av att hornet (2) är direktkopplat till transdu- 10 cerenheten (5).

3. Ultraljudskniv enligt krav l eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att transducerenheten (5) innefattar ett piezoelektriskt aggregat (20 - 26) som är inspäntnel- lan två resonansstänger (28, 29) av vilka den ena (28) är krökt. 15

4. n a d Ultraljudskniv enligt krav (3), k ä n n e t e c k - av att den krökta resonansstángen (28) är belägen mellan det piezoelektriska aggregatet (20 - 26) och hor- net (2). ' 20

5. Ultraljudskniv enligt något av kraven 1 - 4, n e t e c k n a d k ä n - av att den krökta resonansstângen (28) är krökt till en riktningsavlänkning uppgående till ca 1s°.

6.* Ultraljudskniv enligt något av kraven l - 5, n e t e c k n a d k ä n - av att transducerenheten (5) har en längd av 0,5 lambda där lambda motsvarar transducerns (5) longitudinella vibrationsvåglängd. 25 l 458 821 ll

7. Ultraljudskniv enligt krav 6, k ä n n e t e c k - n a d av att hornet (2) har en längd av ca 0,7 lambda.

8. Ultraljudskniv enligt krav 1 - 7, k ä n n e t e c k - n a d av att transducern (5) och hornet (2) är anordna- de att frambringa en väsentligen ren longitudinell sväng- ning för hornets (2) spets (43).

9. Ultraljudskniv enligt något av kraven 1 - 8, k ä n - n e t e c k n a d av att resonansstàngen (28) har en i huvudsak jämn krökning över i huvudsak hela sin längd.