专利名称：用于超声波换能器的浮动探针的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声钻和取芯器。特别涉及结合超声波和声波振动用于以相对较低的轴向力进行钻孔。
图1a以分解形式描述了本发明一个实施例的各组成部分，分解顺序为部件装配在一起的顺序。
图1b描述了本发明一个实施例，其如图1a所示的各部件已被装配在一起。
图2a示出了带有冷却机件的固定超声波探针的一个实施例的横截面图。
图2b是图2a中的固定超声波探针沿图2a中的线2b所看到的视图。
图3示出了用于体传感器的位移感测的反馈环的一个实施例的流程图。
图4a和4b示出了超声波浮动探针的一个实施例的一部分的横截面图，它解释了压电感测晶体。
图5a和5b各示出了超声波浮动探针的自由块的两个可能位置的横截面图。
图6a，6b，6c和6d显示了超声波浮动探针的四种可能装配。
图6e描述了多段探针的一个实施例。
图6f描述了单段探针的一个实施例。
图7a和7b显示了可以用于超声波浮动探针的一系列尖端形状。
图8示出了具有冲洗和抽吸功能的超声波浮动探针的一个实施例的横截面图。
图9描述了超声波浮动探针的一个实施例的使用的方便性。
具体实施例方式
现在详细述及附图，为阅读方便，相同的参考数字标明附图所有视图中相同或对应的部分。需要注意的是，一个附图并没有描述本发明的每个实施例，本发明的每个值得注意的应用也没有用一个附图描述出。
本发明使用了浮动头钻孔机制，高频超声波振动由电连接至一个超声波发生器的压电栈激励器引发，并由一个超声波扩音器(ultrasonic horn)增强。高频超声波振动由压电栈引发并用于产生冲击作用，其纵向和横向运动都被传递到浮动探针。该浮动头是一个机械频率转换器，并且钻头运行在超声和次声频率的组合下。一个例子是将20kHz超声波驱动频率转换为高频驱动信号和10～10,000Hz声波冲击作用的组合的转换器。并不是仅限于这些数值，因为根据不同的应用还有许多其它值可以采用。该设备为低功率容差设备，可以包括自抽取碎片过程，并提供冲击、凿边、切割、旋转、及挖掘的能力。该设备可进一步改造为具有冲洗和抽取能力。
图1以分解形式示出了本发明一个实施例的各组成部分，分解顺序为部件装配顺序，并且图1b显示了装配好的同样部件。在图1a和1b显示的实施例中，超声频率由包含在外壳15内的压电陶瓷或晶体(未示出)产生。这里采用的“压电陶瓷”将用来指代压电陶瓷、压电晶体。超声波发生器(未示出)产生的高频振动被超声波扩音器64增强，该超声波扩音器64放大超声波发生器所引发的超声波振动。谐振器探针(或钻头、浮动头探针、或钻孔机件)，以下称探针11被插入扩音器64中，扩音器64再被发生器驱动。然而，探针11不是固定于扩音器64上的，而是允许通过使用一个捕获机件而部分脱离扩音器64。捕获机件的一个实施例包括阻挡件50和捕获件51。
装配好后，如图1b所示实施例，捕获件51覆盖了扩音器64并在捕获件51中包括足够大以供探针11穿过的开口42。探针11也具有安装在探针11上的阻挡件50。由此，探针11实际上是一个“浮动探针”，因为探针11在超声波频率周期内部分地脱离扩音器64。然而，本领域普通技术人员将认识到，其它捕获机件也可用来执行同样的功能。
在所示实施例中，当装配时，阻挡件50离探针11被插入扩音器64的一端比离它从捕获件51伸出的那一端更近，但可以是沿探针11的任何一点。阻挡件50比开口42更大以防止探针11从扩音器64完全脱离。阻挡件50可以在扩音器64和捕获件51之间固定到探针11上，或者如图5a和5b所示，探针和阻挡件50被装配成一个集成件。另外，弹簧20可以作为捕获件的一部分，如图1a和1b所示的本发明的实施例。弹簧20位于阻挡件50和捕获件51之间，并在探针11脱离扩音器64之后提供外力将探针11推回至扩音器64中。在一个实施例中，弹簧20被压缩为八分之一英寸(1/8”)。这种压缩使得探针11不用在负荷下工作，即，该设备可以不需要用户对物体施加向下的力就能运行。除弹簧20外，可以采用钟状垫圈(bell-view washer)、悬臂型弹簧或类弹簧材料，也可以采用本领域普通技术人员所知的其它负荷机件。至于弹簧20的偏移量，八分之一英寸稍大于探针11前后移动时其末端的偏移长度。
捕获件51可以被制作成多种几何形状，本应用的附图中显示了其中两种。然而，本领域普通技术人员将容易地希望捕获件51可以被做成其它几何形状，只要捕获件51具有开口42以允许探针11穿过并提供一个表面阻止探针11从扩音器64完全脱离。
图1也描述了用于本发明实施例的频率补偿耦合器或自由块101，以增强超声频率到次声频率的转换。自由块101是一个金属盘或垫圈，滑动并连接到探针11上。这里采用的术语“自由块”被定义为任何未被固定连接到任何其它部件并用来在某些应用中增强该设备的凿岩冲击效果的材料块(金属或其它)。自由块101几乎由所有坚固的材料制成，因为它可能是超声波探针组件中最脆弱的部件。可以使用的材料如钢(包括不锈钢)、钛、其它类似的金属或这些金属的合金。然而，本领域普通技术人员将容易地德希望其它材料用于该设备。
自由块101位于探针11的阻挡件50和探针11被插入扩音器64的末端之间。自由块101在扩音器64和探针11的阻挡件50之间振动，并将探针频率从更高频率降至更低频率。自由块101用作探针的低频和换能器单元的高频之间的调节器。这样，自由块101将超声作用转换为次声作用。这在某些应用中是需要的，因为次声作用比超声频率产生更少热量并且更好运行。
在运行中，由于压电陶瓷快速地膨胀和收缩而接触扩音器64，扩音器64再撞击自由块101，自由块101然后撞击探针11使其向前。然后探针11被弹簧20或其它负荷机制或被用户在设备上施加向下的力而强制返回撞击扩音器64。自由块101在其末端面接触探针11(如图5b的实施例所示)，或接触探针11上的阻挡件50(如图5a的实施例)。该操作每秒重复很多次，产生设备的类凿岩锤效果。
本领域的普通技术人员也可以希望除了所使用的材料外，自由块101的尺寸、形状和重量也能改变。具体的尺寸、形状和重量的选择依赖于换能器扩音器64、探针11的尺寸以及设备将操作的频率输出。自由块101的直径应该至少与扩音器64顶端的直径一样大，以防止探针11通过开口42从捕获件51脱离开，但是又足够小而不会刮擦到捕获件51的侧壁。对于诸如钻取坚硬材料这样的应用，如这里所描述的，自由块101在一个实施例中直径为四分之一(1/4)英寸。对于诸如去除起搏器导线(pacemaker lead)的应用，自由块101的直径也可以是四分之一英寸。然而，探针11的内径和外径依赖于要求的孔尺寸直径或者是穿过探针11内部的物体的直径，如欲去除的起搏器导线。这样，自由块101的尺寸在这种特定应用中也是欲去除的导线的函数。在另一个实施例中，自由块101的直径为5cm(5厘米)，用于在-30℃下对冰进行钻孔和取芯。
还期望可以使用多于一个的自由块101，如图6c的示例。自由块101允许同一个频率的换能器使用具有不同长度的探针11。如该技术领域所公知的，改变探针11的长度通常需要修改换能器的频率。采用自由块101就不需要将换能器调整到不同的探针11长度。
图2a示出了冷却固定的超声波探针的冷却机件，用于某些需要冷却设备的应用，例如一些生物学应用，而图2b是图2a中超声波浮动探针沿线2b所看到的视图。在图2a和图2b中，可以看到产生发射到扩音器64的超声波频率的压电陶瓷60、电连接80、入口85、出口86以及螺栓(bolt)82。
在图2b中可以看到螺栓82，它用来将压电陶瓷60压在一起。在螺栓82内是入口85和出口86，长度基本上和螺栓82一样。盐溶液经由入口86被抽吸流经螺栓82，经过并冷却扩音器64，然后经由出口86流出螺栓82。在该冷却机件的一个实施例中，盐冷却液被压入螺栓82，并连接到真空以将其抽出。
本领域的普通技术人员应该很清楚，图2a和2b所示的冷却机件只在诸如生化应用等热敏感应用中需要。浮动探针11与自由块101的结合减少了摩擦和热，因此，对某些应用不需要使用冷却系统。此外，对本领域的普通技术人员来说，很显然，对于需要冷却的应用，所有可以冷却该设备的机件都可采用。
图3示出了用于体传感器反馈装置的位移感测的反馈环的一个实施例的流程图。该反馈环向操作员提供发生器的最佳频率和功率使用。为了产生反馈，换能器60包括至少两个相对较薄并用作体传感器的感测压电陶瓷89，它们被置于相对较厚的驱动压电陶瓷88或驱动陶瓷附近，并且夹在背部块90和前部驱动99之间。当驱动压电陶瓷88被加电时，它们对感测压电陶瓷89产生一个力。这个力被体传感器89转换为电信号并送到微处理器91。缓冲器/衰减器97将体传感器的输出电压电平减小至控制电路可接受的水平。峰值检测器95包括整流和滤波器，其输出与体传感器输出的峰值成比例。A/D源98是一个模数转换器。微处理器91则计算谐振频率。所需的频率变化由产生频率信号的频率合成器92完成。开关驱动器93是一个开关部件，它产生高功率方波形，其输出频率与频率合成器92的相同。然后，输出级驱动变压器94将电信号的电压提升到能启动驱动压电陶瓷88的水平。输出级驱动器94可能或可能不具有阻抗匹配部件。该设备提供对换能器装置应操作的最佳设置值的瞬时读数。这使得换能器组件能在换能器整个使用过程中保持协调。然而，该体传感器反馈设备只是一个实施例，本领域普通技术人员将认识到，其部件可以与本领域公知的其它部件结合或更换。
图4a和4b示出了超声波浮动探针的一部分的两个横截面图，它解释了与图3中显示和描述的体传感器反馈装置有关的感测压电陶瓷89。图4a和4b示出了本发明预期的超声波设备的上下文中，产生超声波频率的驱动压电陶瓷88和提供反馈至微处理器(未显示)的感测压电陶瓷89之间的位置和连接。感测压电陶瓷89与驱动压电陶瓷88相比很薄。装入的压力螺栓或偏置螺栓100和扩音器64也可以在图4a和4b中被描述。如图4b所示的阶梯状扩音器64与其它几何形状的扩音器(例如图4a中所显示的扩音器)相比，提供了最大的位移放大。
在本发明的一个实施例中，超声波换能器组件作为四分之一波长变压器进行操作，背部块90作为机械开路，即空气背压。在这种条件下，换能器将其大部分输出能量传播到探针11和待钻孔或取芯(coring)的物体。在该实施例中，偏置螺栓100包含换能器组件并用来安装换能器组件，并保持栈中的压电陶瓷60强度。当换能器在高驱动电压下振动时，张力达到可以使压电陶瓷材料破碎的水平。偏置螺栓100被拉紧以便引起处于稍微超过期望的最大张力水平的水平的压力。为了产生一个中空的钻孔/取芯头(例如，当需要冷却剂通路或使用传感器时)，偏置螺栓100可以用螺纹管来代替，可放置在压电陶瓷60栈的中心或在栈外，环绕夹在中间的压电陶瓷60。在本实施例中，换能器引起的位移振幅被前部阶梯状扩音器64机械放大，阶梯状扩音器包括两个或更多个不同直径的同轴圆柱体。
图5a和5b提供了允许探针11部分脱离扩音器64的一个捕获机件的一部分的两个实施例。图5a示出了接合扩音器64的超声波浮动探针部分的横截面图。在该超声波探针11的近端的特写视图中，可以看到换能器扩音器64的尖端，也可以看到自由块101相对于扩音器64尖端的位置。如图5a显示，自由块101安装在探针11上并位于探针11的阻挡件50和安装到扩音器64中的探针11的近端12之间。如图5b所示，自由块101也可以放置在扩音器64的环状部分75内，位于探针11的近端12和扩音器64之间。在如图5a和5b所示的实施例中，也可以看到捕获件51。捕获件51的开口42比阻挡件50的直径更小，并阻止探针11完全从扩音器64脱离。本领域普通技术人员可以想到的探针11、阻挡件50、自由块101和扩音器64之间的其它排列方式也可以用本发明实现。另外，可以采用多于一个自由块101。
图6a到6f示出了超声波浮动探针设备的不同装配方式。在图6a中，示出了一个具有插入扩音器64中的单段环状塑料探针11的手持组件以及阻挡件50。由于需要相对较低的轴向预载以及因为该设备对同轴对准不敏感，可以使用手持装置。这使得该设备可以用于成角度的钻孔和取芯，并在低重力环境中尤其有用。
该设备产生探针11的纵向和横向运动。这些运动产生的结果是，钻头119产生直径稍大于钻头119的直径的孔，减少了在钻孔和取芯过程中钻头119堵塞的可能性。钻头119不需要很锋利，并且各种形状的钻头119也可以被设计为利用这个优点(如图7a和7b)。图6b解释了如图6a中所示的同样的组件，除了其中还显示了如图5a中所装配的自由块101，即，自由块101位于扩音器64和阻挡件50之间的探针11上。图6c显示了如图6b所示的同样的手持组件，但还附加了位于探针11和扩音器64之间的第二个自由块101’。图6d显示了如图6b所示的同样的手持组件，但自由块101位于探针11的近端12和扩音器64之间，如图5b所给出和描述的。如果需要增强冲击效应而不影响超声波频率，则应该将自由块101增加到该组件中。
此外，图6e描述了两段或多段探针，而图6f描述了单段探针。需注意的是，在两段结构中，各段可以是相同材料或由不同材料制成，如钢、钢合金(包括不锈钢)、钛、钛合金、塑料或其它合适的硬材料。需要注意的是，此列表并不详尽，本领域普通技术人员会注意到其它材料也可以使用。同样需注意的是，如图6f所示的单段结构也可以用任何同样的材料制造。
图7A和7B示出了根据应用可用于超声波浮动探针的一系列尖端形状。钻头119可以被制成密集的小直径棒，以允许仅切削对其进行工作的材料的选择部分，或者，钻头119可以是光滑的用于切片应用。由于钻头119和探针(未显示)并不旋转，钻孔传感器可以集成到钻头119附近以检查并分析钻取的材料而没有机械损坏的危险。传感器组的一个或多个传感器可以被用来在穿透介质时检查新产生的表面。此外，传感器可以安装在核心区域内以检查钻取的材料，释放的挥发物被真空系统吸收到分析器(如图8)。可能的传感器包括温度、涡流、声音传感器、电介质、光纤及其它。示出了两个特殊的形状111和112，其具有指状形状以进行钻取。指状形状特别适合钻骨，这是本设备的一个可能的用途。对本领域普通技术人员来说，很显然，根据具体的应用，任何类型的钻头119都可用于本发明，诸如但不限于图7a和7b中的其它钻头119。
图8示出了带有冲洗和抽吸(irrigation and aspiration)机件的超声波浮动探针的一个实施例的横截面图。该图解释了具有冲洗和抽吸能力的自由浮动环状探针11的一个示例，其中探针11是一个取芯器。探针11的近端是用于冲洗的适配器109。适配器109具有冲洗导管110，它连接到泵头106。泵头106是泵105的一部分，其将冲洗液体抽到探针11中。该泵组件具有若干储槽108以存储诸如盐溶液的冲洗液体。每个储槽108通过一个或多个泵导管113连接到泵头106，举例来说，其中，冲洗液体由泵或螺线管107抽吸通过泵导管113。在本实施例中有两个真空出口，第一个真空出口104用于样本，第二个真空出口102用于灰尘和挥发物。第一个真空出口104和第二个真空出口102包括抽吸单元。在所示实施例中，第二个真空出口102位于扩音器64内，而第一个真空出口104位于组件的后部，在压电栈103之后。本领域普通技术人员应该知道抽吸单元的不同部分位于设备的其它位置的其它配置。
图9描述了超声波浮动探针在使用期间的方便性。图9示出了用户的手114，其目的是展示本发明可以轻松地持有，这是因为进行冲击或钻孔操作时只需要较小的轴向力。该封闭和很轻的手柄115包含封闭在其中的元件(压电栈、扩音器等等)，可以与探针11一样被期望。很显然，对于本领域普通技术人员，探针11可以根据应用具有不同的长度。
本发明按照以上描述的每个实施例都可以用于很多应用中。本发明的一个值得注意的应用就是骨移植。准备自体骨移植、同种异体移植或其它诸如珊瑚羟磷灰石的替代物都是本发明有用的应用。骨移植的一个步骤是提取待移植的材料。采用本发明的取芯和样本提取机制尤其适合该目的。另一种骨移植技术是采用脱矿质的骨。脱矿质的骨是一种皮层同种异体移植骨，其中，已经通过诸如酒精或盐酸的不同溶液来实现去除骨的表面脂质和脱水。脱矿质过程去除了酸溶性蛋白质并保留了酸不可溶蛋白质、骨生长因子和骨胶原。这样处理后的骨可被以条带植入或被处理为更小的颗粒。已经推荐，如果在皮层同种异体移植物中钻孔，则通过允许更高效的脱除矿质来提高骨的孔隙率。这使得骨移植更具有骨传导性(osteoconductive)和骨感应性(osteoinductive)。另一个矫形钻孔应用是髋移植，其中，在移植准备过程中，必须在需要被替换的髋骨中钻孔。也可以通过本领域提出的引起更少痛苦的其它方式从人的健康骨骼中获取骨髓样本以用于检定或移植。另一个整形外科应用是事故或疾病之后为接下来插入钉子或螺丝钉而进行的钻孔或取芯，以对病人的骨骼进行接合和修复或在移植替换过程中去除骨接合剂。
该设备装置也可用来钻穿不同的材料，包括但不限于方解石、球内闪长岩、白垩或冰。用于采矿作业以及行星际探测的样本采集都是本发明值得注意的应用。
该设备还有另一个潜在的应用是作为声探测机制(soundingmechanism)。冲击作用提供了一种用于地表地质的非侵入式探测的声探测机制以提供关于其地表下结构和机械特性的信息。为利用这种可能性，可以采用加速度表来感测传递到地面的弹性波并分析接收的波特征，提供关于诸如土壤机械特性、地质各向异性和分层特征的信息，以及检测、定位和定性地质洞穴，这对建筑和地质挖掘领域很有用。该方法包括通过一个介质发送弹性波，并在与各种地球物理特征、分层特征以及材料和地面物理特性交互之后分析波的能量。如表1所示，土壤和岩石的弹性模数具有按数量级变化的明显范围。
表1土壤和岩石的弹性模数的典型值
虽然为了方便起见，本发明的使用方法和相应的仪器已经在上文主要关于具体实施例被描述，很显然，本领域技术人员可以对本发明做很多改变而不偏离本发明权利要求的精神。这些实施例中给出的描述并不是为了示范本设计的所有排列和修改。对本领域技术人员，在本发明的精神和范围内的改变是显然的。
权利要求
1.一种设备，包括谐振器探针，所述谐振器探针具有近端和远端；外壳；固定到所述外壳并适合容纳所述谐振器探针的近端的扩音器；包含在所述外壳内的多个压电陶瓷；捕获机件，其中，所述捕获机件允许所述谐振器探针部分脱离所述扩音器；以及自由块，非固定地接合所述谐振器探针。
2.根据权利要求1的设备，其中，所述谐振器探针是单段探针。
3.根据权利要求1的设备，其中，所述谐振器探针是多段探针。
4.根据权利要求1的设备，其中，所述谐振器探针由选自包括下列的组的材料制成钢、钢合金、钛、钛合金、塑料及其组合。
5.根据权利要求1的设备，其中，所述谐振器探针的所述远端还包括适用于特定用途的钻头，其中，所述特定用途选自包括下列的组钻孔、取芯、采矿、取样、骨移植以及声探测。
6.根据权利要求1的设备，其中，所述多个压电陶瓷由螺栓压在一起，所述螺栓充分穿透所述多个压电陶瓷。
7.根据权利要求1的设备，其中，所述多个压电陶瓷电连接至用于产生超声波振动的超声波发生器。
8.根据权利要求1的设备，其中，所述设备还包括体传感器反馈装置，所述体传感器反馈装置向所述设备的操作员提供用于操作所述设备的瞬时读数和最佳设置值。
9.根据权利要求8的设备，其中，所述体传感器反馈装置包括多个感测压电陶瓷、多个驱动压电陶瓷、背部块、前部驱动、缓冲器/衰减器、峰值检测器、A/D源、微处理器、频率合成器、开关驱动器、以及输出级变压器。
10.根据权利要求9的设备，其中，所述多个感测压电陶瓷为薄压电陶瓷并用作体传感器。
11.根据权利要求9的设备，其中，所述多个驱动压电陶瓷为厚压电陶瓷。
12.根据权利要求9的设备，其中，所述峰值检测器还包括整流和滤波器。
13.根据权利要求9的设备，其中，所述A/D源是模数转换器。
14.根据权利要求9的设备，其中，所述开关驱动器产生高功率方波形，其具有与频率信号相同的频率。
15.根据权利要求9的设备，其中，所述输出级变压器将所述电信号的电压增加至能够启动所述多个驱动压电陶瓷的水平。
16.根据权利要求1的设备，其中，所述扩音器是阶梯状扩音器，所述阶梯状扩音器包括至少两个不同直径的同轴圆柱体。
17.根据权利要求1的设备，其中，所述捕获机件包括带有开口的捕获件和直径大于所述开口的阻挡件，所述阻挡件置于所述谐振器探针上，位于所述扩音器和所述捕获件之间。
18.根据权利要求17的设备，其中，所述捕获机件还包括位于所述阻挡件和所述捕获件之间的弹簧或类弹簧材料，并且其中，所述弹簧或类弹簧材料对所述谐振器探针施加朝向所述扩音器的力。
19.根据权利要求1的设备，其中，所述自由块将探针频率从千赫兹减小到赫兹。
20.根据权利要求1的设备，其中，所述自由块由选自包括下列的组的材料制成钢、钢合金、钛、钛合金及其组合、以及塑料。
21.根据权利要求1的设备，其中，所述自由块被置于所述谐振器探针上，位于所述阻挡件和所述扩音器之间。
22.根据权利要求1的设备，其中，所述扩音器进一步包括环状部分，所述自由块被安置在所述扩音器的所述环状部分内，位于所述谐振器探针的近端和所述扩音器之间。
23.根据权利要求1的设备，其中，所述设备还包括至少一个附加的自由块。
24.根据权利要求6的设备，其中，所述设备还包括冷却机件。
25.根据权利要求24的设备，其中，所述冷却机件包括延伸至少部分所述螺栓长度的入口和出口，其中，冷却盐溶液经由所述入口流经所述螺栓，经过并冷却扩音器，然后经由所述出口流出所述螺栓。
26.根据权利要求1的设备，其中，所述设备还包括冲洗和抽吸机件。
27.根据权利要求26的设备，其中，所述冲洗和抽吸机件包括适配器、至少一个真空出口或入口、以及泵组件。
28.根据权利要求1的设备，其中，所述设备还包括在所述多个压电陶瓷和用于在所述多个压电陶瓷中产生超声波振动的超声波发生器之间的电连接。
29.一种超声波设备，包括谐振器探针，所述谐振器探针具有近端和远端；外壳；固定到所述外壳并适合容纳所述谐振器探针的近端的扩音器；包含在所述外壳内的多个压电陶瓷；捕获件，功能性地接合所述扩音器以及至少部分包围所述谐振器探针，其中，所述捕获机件包括一个开口，所述谐振器的所述远端通过它伸出，并允许所述谐振器探针部分脱离所述扩音器；阻挡件，置于所述谐振器探针上，位于所述扩音器和所述捕获件之间，其直径大于所述捕获件的所述开口；以及自由块，功能性地接合所述谐振器探针。
30.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述谐振器探针为单段探针。
31.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述谐振器探针为多段探针。
32.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述谐振器探针由选自包括下列的组的材料制成钢、钢合金、钛、钛合金、塑料及其组合。
33.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述谐振器探针的所述远端还包括用于特定用途的钻头，其中，所述特定用途选自包括下列的组钻孔、取芯、采矿、取样、骨移植以及声探测。
34.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述多个压电陶瓷用螺栓压在一起，所述螺栓充分地穿透所述多个压电陶瓷。
35.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述多个压电陶瓷电连接至用于产生超声波振动的超声波发生器。
36.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述设备还包括体传感器反馈装置，用于向所述超声波设备的操作员提供瞬时读数以及用于操作所述超声波设备的最佳设置值。
37.根据权利要求36的超声波设备，其中，所述体传感器反馈装置包括多个感测压电陶瓷、多个驱动压电陶瓷、背部块、前部驱动、缓冲器/衰减器、峰值检测器、A/D源、微处理器、频率合成器、开关驱动器、以及输出级变压器。
38.根据权利要求37的超声波设备，其中，所述多个感测压电陶瓷为薄压电陶瓷并用作体传感器。
39.根据权利要求37的超声波设备，其中，所述多个驱动压电陶瓷为厚压电陶瓷。
40.根据权利要求37的超声波设备，其中，所述峰值检测器还包括整流和滤波器。
41.根据权利要求37的超声波设备，其中，所述A/D源是模数转换器。
42.根据权利要求37的超声波设备，其中，所述开关驱动器产生高功率方波形，其具有与频率信号相同的频率。
43.根据权利要求37的超声波设备，其中，所述输出级变压器将所述电信号的电压增加至能够启动所述多个驱动压电陶瓷的水平。
44.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述扩音器是阶梯状扩音器，所述阶梯状扩音器包括至少两个不同直径的同轴圆柱体。
45.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述超声波设备还包括位于所述阻挡件和所述捕获件之间的弹簧或类弹簧材料，其中，所述弹簧或类弹簧材料对所述谐振器探针施加朝向所述扩音器的力。
46.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述自由块将探针频率从千赫兹减小到赫兹。
47.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述自由块由选自包括下列的组的材料制成钢、钢合金、钛、钛合金及其组合、以及塑料。
48.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述自由块被置于所述谐振器探针上，位于所述阻挡件和所述扩音器之间。
49.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述扩音器还包括环状部分，所述自由块被安置在所述扩音器的所述环状部分内，位于所述谐振器探针的近端和所述扩音器之间。
50.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述设备还包括至少一个附加的自由块。
51.根据权利要求34的超声波设备，其中，所述设备还包括冷却机件。
52.根据权利要求51的超声波设备，其中，所述冷却机件包括充分延伸所述螺栓的长度的入口和出口，其中，冷却盐溶液经由所述入口流经所述螺栓，经过并冷却扩音器，然后经由所述出口流出所述螺栓。
53.根据权利要求29的超声波设备，其中，所述超声波设备还包括冲洗和抽吸机件，其中，所述冲洗和抽吸机件包括适配器、至少一个真空出口或入口、以及泵组件。
54.根据权利要求29的超声波设备，其中，超声波发生器电连接至所述多个压电陶瓷，以在所述多个压电陶瓷中产生超声波振动。
55.一种系统，包括谐振器探针，所述探针具有近端和远端；外壳；包含在所述外壳内的多个压电陶瓷；固定到所述外壳并适合容纳所述谐振器探针的近端的扩音器；捕获机件，其中，所述捕获机件允许所述谐振器探针部分脱离所述扩音器；自由块，功能性地接合所述谐振器探针；以及超声波发生器，用于在所述多个压电陶瓷中产生超声波振动，其中，所述超声波发生器电连接至所述多个压电陶瓷。
56.根据权利要求55的系统，其中，所述谐振器探针为单段探针。
57.根据权利要求55的系统，其中，所述谐振器探针为多段探针。
58.根据权利要求55的系统，其中，所述谐振器探针由选自包括下列的组的材料制成钢、钢合金、钛、钛合金、塑料、及其组合。
59.根据权利要求55的系统，其中，所述谐振器探针的所述远端还包括用于特定用途的钻头，其中，所述特定用途选自包括下列的组钻孔、取芯、采矿、取样、骨移植，以及声探测。
60.根据权利要求55的系统，其中，所述多个压电陶瓷用螺栓压在一起，所述螺栓至少部分穿透所述多个压电陶瓷。
61.根据权利要求55的系统，其中，所述多个压电陶瓷电连接至用于产生超声波振动的超声波发生器。
62.根据权利要求55的系统，其中，所述设备还包括体传感器反馈装置，所述体传感器反馈装置向所述设备的操作员提供用于操作所述系统的最佳设置值的瞬时读数。
63.根据权利要求62的设备，其中，所述体传感反馈装置包括多个感测压电陶瓷、多个驱动压电陶瓷、背部块、前部驱动、缓冲器/衰减器、峰值检测器、A/D源、微处理器、频率合成器、开关驱动器、以及输出级变压器。
64.根据权利要求63的设备，其中，所述多个感测压电陶瓷为薄压电陶瓷并用作体传感器。
65.根据权利要求63的设备，其中，所述多个驱动压电陶瓷为厚压电陶瓷。
66.根据权利要求63的设备，其中，所述峰值检测器还包括整流和滤波器。
67.根据权利要求63的设备，其中，所述A/D源是模数转换器。
68.根据权利要求63的设备，其中，所述开关驱动器产生高功率方波形，其具有与频率信号相同的频率。
69.根据权利要求63的设备，其中，所述输出级变压器将所述电信号的电压提高至能够启动所述多个驱动压电陶瓷的水平。
70.根据权利要求55的系统，其中，所述扩音器是阶梯状扩音器，所述阶梯状扩音器包括至少两个不同直径的同轴圆柱体。
71.根据权利要求55的系统，其中，所述捕获机件包括带有开口的捕获件和直径大于所述开口的阻挡件，所述阻挡件置于所述谐振器探针上，位于所述扩音器和所述捕获件之间。
72.根据权利要求71的系统，其中，所述捕获机件进一步包括位于所述阻挡件和所述捕获件之间的弹簧或类弹簧材料，并且其中，所述弹簧或类弹簧材料对所述谐振器探针施加所述扩音器方向的力。
73.根据权利要求55的系统，其中，所述自由块将探针频率从千赫兹减小到赫兹。
74.根据权利要求55的系统，其中，所述自由块由选自包括下列的组的材料制成钢、钢合金、钛、钛合金及其组合、以及塑料。
75.根据权利要求55的系统，其中，所述自由块置于所述谐振器探针上，位于所述阻挡件和所述扩音器之间。
76.根据权利要求55的系统，其中，所述扩音器进一步包括环状部分，所述自由块被安置在所述扩音器的所述环状部分内，位于所述谐振器探针的近端和所述扩音器之间。
77.根据权利要求55的系统，其中，所述设备还包括至少一个附加的自由块。
78.根据权利要求60的系统，其中，所述设备还包括冷却机件。
79.根据权利要求78的系统，其中，所述冷却机件包括充分延伸所述螺栓的长度的入口和出口，其中，冷却盐溶液经由所述入口流经所述螺栓，经过并冷却扩音器，然后经由所述出口流出所述螺栓。
80.根据权利要求55的系统，其中，所述设备还包括冲洗和抽吸机件，其中，所述冲洗和抽吸机件包括适配器、至少一个真空出口或入口、以及泵组件。
全文摘要
本发明涉及一种具有用于钻孔和取芯的基于超声波的探针的设备。本发明使用由频率补偿耦合器或自由块产生的超声和次声振动来产生可部分脱离的探针的冲击作用，需要相对较小的轴向力。本发明还可具有冲洗和抽吸能力。本发明可进一步配有体传感器反馈装置，以向操作员提供关于发生器的最佳频率和使用功率的反馈。本发明的一个实施例还具有冷却机件，以使钻孔或取芯设备保持在最佳的温度。
文档编号A61B17/32GK1905976SQ200480041063
公开日2007年1月31日 申请日期2004年12月3日 优先权日2003年12月4日
发明者达曼德拉·帕尔, 托马斯·彼得森, 宋涛, 杜舒 申请人:电脑控制声学技术公司