专利名称：超声换能器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及超声换能器及其应用，特别是具有压缩装置的夹心式的超声换能器及其应用。
背景技术：
现有技术中，超声发射设备具有多种应用，例如用于手术治疗。超声发射设备通常包括将电能量转换为超声频率的振动的换能器，该振动被传送以使得手术器械的末端产生振动。夹心式的高效超声换能器通常包括安装装置和后质量块，在安装装置和后质量块之间设置有晶堆，该晶堆为交替堆叠的压电元件和电极。大多数这样的高效超声换能器是预压缩的，使用轴向延伸穿过晶堆的压紧螺栓施加压缩力。这种带有压紧螺栓的夹心式的换能器被调制到一个共振频率，其长度被设计成与此共振频率下的波长成比例。当超声换能器工作时，总是保持压缩状态，在振动过程中，其压缩量介于最小压缩量和最大压缩量之间，最小压缩量相对于未压缩状态时的零压缩量稍微偏移，最大压缩量不能超过材料最大压缩强度限制的压缩量。目前已知，用于压缩晶堆的压缩装置可以是螺栓和垫圈的组件，也可以是柱状螺栓。这样的螺栓或垫圈用于夹心式换能器中各零件的声学连接或任何相关的声学装配。该声学连接对于装配体的频率调制很重要，并且只有这样才能使装配体中各零件达到共振从而被驱动。现有技术的缺陷是，上述的压缩装置无法在压电元件的径向方向或整个晶堆的轴向方向产生均勻的压力分布，在径向和轴向方向上非均勻的压力分布会降低换能器的效率并产生较高的无效热量，对于有温度限制的应用场合，所产生的较高的热量是很严重的问题。换能器中的高的无效热量引起其效率降低从而使其最大输出降低，而且，非均勻的压力限制了压缩的幅度，从而限制了换能器的功率容量。对于上述问题，已有商家公开了一种解决方案，如图Ia至图Ic所示，该压缩装置利用安装装置40和具有不同大小接触面的后质量块20夹在第一晶堆30的两端，图Ib中， 由于外斜面201和内斜面203为非接触面，后质量块20与螺栓10接触的接触端面202，小于与第一晶堆30接触的接触端面204，由于较小的接触端面202不与螺栓头101的根部104 接触，消除了螺栓头101的根部104应力效应，从而在压电元件31和电极(正电极33、负电极32)中产生更均勻的应力分布。但是，这种解决方法还是存在缺陷后质量块20由于两侧接触端面的大小不同， 在压缩时，容易产生变形，这种变形进而会影响第一晶堆30中应力分布的均勻性，具体可以参考图2所示的图Ia的超声换能器中的晶堆里的每个压电元件压应力分布云图，图2 中，横轴对应超声换能器轴向方向，纵轴对应超声换能器径向方向，还示出了 8条应力等值线，分别为 A = 18MPa、B = 20MPa、C = 25MPa、D = 30MPa、E = 32MPa、F = 35MPa、G = 38MPa 和H = 39. 44MPa。可见现有技术中应力的分布并不很均勻，特别是远离径向中心处。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中，超声换能器的压电元件和电极应力分布不均勻的缺陷，特别是要避免因为后质量块的不对称而产生变形，进而影响晶堆中应力分布的均勻性。本发明公开的超声换能器，包括安装装置，所述安装装置与一压缩装置相连接；晶堆，所述晶堆安装在所述安装装置和所述压缩装置之间，所述晶堆包括若干正负极交替堆叠的电极，两相邻的电极之间设置有压电元件；后质量块，所述后质量块设置在所述晶堆与所述压缩装置之间，所述后质量块具有与所述晶堆接触的晶堆接触端面和与所述压缩装置接触的压缩装置接触端面；其中所述晶堆接触端面和所述压缩装置接触端面均为平面且形状大小相同；所述压缩装置具有与所述后质量块接触的后质量块接触面，所述后质量块接触面相对于所述压缩装置接触端面的几何中心是中心对称的，所述后质量块接触面的面积小于所述压缩装置接触端面的面积。上述的超声换能器，其中，所述压缩装置是一螺栓，所述后质量块套装在所述螺栓上。上述的超声换能器，其中，所述压缩装置具有靠近所述后质量块的端面，所述端面上设置有至少一个凸台，所述凸台包括与所述后质量块接触的凸台接触面，所有的所述凸台接触面形成所述后质量块接触面。上述的超声换能器，其中，所述凸台可以是中心对称的，也可以为环形的。上述的超声换能器，其中，所述凸台设置在不靠近所述端面的几何中心的位置。上述的超声换能器，其中，所述后质量块为圆环形，所述端面和所述凸台均为圆环形，所述凸台的圆环宽度的中线设置为靠近所述端面的圆环宽度的中线，所述凸台的圆环宽度取值范围为所述端面圆环宽度的1/3-2/3。上述的超声换能器，其中，还包括一与所述后质量块形状大小相同的前质量块，所述前质量块设置在所述晶堆和所述安装装置之间，所述前质量块具有与所述安装装置接触的安装装置接触端面，所述安装装置具有与所述前质量块接触的前质量块接触面，所述前质量块接触面相对于所述安装装置接触端面的几何中心是中心对称的，所述前质量块接触面的面积小于所述安装装置接触端面的面积。上述的超声换能器，其中，所述安装装置具有靠近所述前质量块的第二端面，所述第二端面上设置有至少一个第二凸台，所述第二凸台包括与所述前质量块接触的第二凸台接触面，所有的所述第二凸台接触面形成所述前质量块接触面。上述的超声换能器，其中，所述凸台可以是中心对称的，也可以为环形的。上述的超声换能器，其中，所述第二凸台设置在不靠近所述第二端面的几何中心的位置。上述的超声换能器，其中，所述前质量块为圆环形，所述第二端面和所述第二凸台均为圆环形，所述第二凸台的圆环宽度的中线设置为靠近所述第二端面的圆环宽度的中线，所述第二中心对称凸台的圆环宽度取值范围为所述第二端面圆环宽度的1/3-2/3。根据本发明的另一个方面，还公开一种超声医疗设备，包括发生器；如上述的超声换能器，所述超声换能器适于响应所述发生器所产生的电能而以超声频率振动；传输装置；末端效应器；其中，所述传输装置适于从所述超声换能器接收超声振动，并将所述超声振动传输给所述末端效应器，所述末端效应器适于从所述传输装置接收所述超声振动并相应地进行超声振动。本发明通过改进后质量块的对称性，有效地避免了后质量块由此产生的变形，进而可更好地改善超声换能器中应力分布的均勻性，从而提高超声换能器的效率；减少了所产生的热量而不需要采取主动的冷却措施；而且，均勻的应力分布可允许更大的压缩幅度， 进而可导致更大的致动幅度，使得换能器具有更广的使用范围。
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，为清楚明了，放大了部分部件。图Ia是现有技术中用于外科手术的一种超声换能器的示意图；图Ib是现有技术中用于外科手术的一种超声换能器的后质量块示意图；图Ic是现有技术中用于外科手术的一种超声换能器的螺栓示意图；图2是图Ia所示的现有技术的一个具体实施例的、超声换能器中的晶堆里的每个压电元件压应力分布云图；图3示出了根据本发明的具体实施例的超声换能器的示意图；图4示出了根据本发明的具体实施例的超声换能器的后质量块的示意图；图fe-g示出了根据本发明的具体实施例的具有不同结构的螺栓的示意图；图6示出了根据本发明的一个具体实施例的、超声换能器中的晶堆里的每个压电元件压应力分布云图；图7示出了根据本发明的一个变化例的、超声换能器中螺栓的示意图；图8是图7的剖视图；图9示出了根据本发明的又一个变化例的、超声换能器中螺栓的示意图；图10是图9的剖视图；图Ila示出根据本发明的一个变化例的、超声换能器的示意图；以及图lib是图11中的前质量块的示意图。
具体实施例方式以下结合附图及具体实施方式
对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施方式
仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
参考图3示出了根据本发明的具体实施例的超声换能器的示意图。本发明的超声换能器包括安装装置4，安装装置4与一压缩装置相连接；连接方式可以是螺纹连接，也可以采用诸如弹簧连接、焊接等其他连接方式代替；晶堆3，设置在安装装置4和所述压缩装置之间，晶堆3包括若干正负极交替堆叠的电极，两相邻的电极之间设置有压电元件31 ；后质量块2，设置在晶堆3与所述压缩装置之间，后质量块2具有与晶堆3接触的晶堆接触端面和与所述压缩装置接触的压缩装置接触端面；所述压缩装置用于对晶堆3施加压缩力， 将所述晶堆附接至所述安装装置，所述安装装置适于从所述晶堆接收超声振动；其中，所述晶堆接触端面和所述压缩装置接触端面均为平面且形状大小相同；所述压缩装置具有与所述后质量块接触的后质量块接触面，所述后质量块接触面相对于所述压缩装置接触端面的几何中心是中心对称的，所述后质量块接触面的面积小于所述后质量块的所述压缩装置接触端面的面积，所述后质量块接触面可以由所述压缩装置的靠近所述后质量块的端面上的凸台形成，也可以由其他方式形成，例如，在上述靠近所述后质量块的端面上设置至少一个凸台，所述凸台可以是中心对称的，也可以是环形的，所述凸台包括与所述后质量块接触的凸台接触面，所有的所述凸台接触面的面积总和小于所述后质量块的所述压缩装置接触端面的面积，这里，所有的所述凸台接触面形成所述后质量块接触面。如上所述，本发明实施例的超声换能器沿其纵向依次设置有安装装置、晶堆、后质量和块压缩装置。优选地，本发明为了改进超声换能器中应力分布的均勻性，上述的安装装置、晶堆、后质量块压缩装置和凸台可具备相对于换能器纵向轴的中心对称性，例如，为了加工的方便，可以采用环形的，特别是圆环形的，当然，使用其他的中心对称图形也可以。具体地，结合图4和图5a，本发明实施例公开的超声换能器，包括安装装置4，该安装装置4通过螺纹连接至一螺栓1的螺杆1B，该实施例中压缩装置为螺栓1，其中螺杆IB 的端部设置有螺纹17，螺栓1通过螺纹17连接安装装置4 ；晶堆3，该晶堆3具有孔，可套装在螺杆IB上并位于安装装置4和螺栓1的头部11之间，晶堆3包括若干正负极交替堆叠的电极(正电极33、负电极32)，两相邻电极之间设置有一压电元件31，由于本发明的改进不涉及晶堆3中的压电元件31和电极(正电极33、负电极32)，因此压电元件31和电极 (正电极33、负电极32)与现有技术相同。后质量块2具有孔，优选地可为圆环形，可套装在螺杆IB上，夹在晶堆3与螺栓1 的头部11 (参考图5a)之间；螺栓1用于对晶堆施加压缩力，将晶堆3附接至安装装置4，安装装置4适于从晶堆3接收超声振动，并将超声振动从靠近晶堆3的一端传送到另一端；其中，如图4所示，后质量块2具有两个端面21和22，端面21与螺栓1的头部11接触，即压缩装置接触端面，端面22和晶堆3接触，即晶堆接触端面，该两个端面21和22均为平面， 并且该两个端面21和22的形状大小相同；再参考图5a，螺栓1头部11具有靠近后质量块 2的端面1A，端面IA上设置有中心对称的环形凸台1C，环形凸台IC包括与后质量块2接触的凸台接触面15，凸台接触面15的面积小于后质量块2的端面21的面积，图fe中，环形凸台IC还具有形成凸台接触面15的外斜面12和内斜面13，在螺杆IB的根部14和螺纹17 之间为光杆16，光杆16用于套装后质量块2、晶堆3。在一个优选例中，晶堆3具有与后质量块2接触的后质量块接触端面3A，该后质量块接触端面3A与后质量块2的、与晶堆3接触的端面22的形状、面积相同，亦即，后质量块 2的两个端面与晶堆3的后质量块接触端面3A的形状、积相均相同，而凸台接触面15的面积小于晶堆3的后质量块接触端面3A的面积，因而，后质量块2与螺栓1的接触面积小于后质量块2与晶堆3的接触面积。相对于现有技术的两个端面的形状、面积不同的后质量块(两个端面的形状、面积不同导致了后质量块结构的不对称性)，在压缩状态下，本发明实施例的后质量块2沿换能器纵轴方向具备对称性，其变形被有效减少了，从而进一步改善了应力分布的均勻性。进一步地，端面IA上设置有多个环形凸台，参考图7和图9，分别示出了端面IA上具有2个环形凸台(1C和1C’)和3个环形凸台(1C、1C’和1C”)的实施例，参考图8和图 10，多个环形凸台的高度相同，进一步地，环形凸台IC上的凸台接触面(图7至图10中未标示)的面积大小和环形凸台1C’上的凸台接触面的面积、环形凸台1C”上的凸台接触面的面积大小均不相同，并且，所有凸台接触面的面积总和小于后质量块2的端面22，该实施例中，所有的凸台接触面形成了压缩装置的后质量块接触面。结合图5a，参考图恥至图5g，示出了根据本发明的多个不同的螺栓头部的实施例。本领域技术人员应理解，螺栓1的头部11可以是圆柱形的、六角棱柱形的或其他常见的螺栓头部，在图恥至图5g所示的变化例中，每个螺栓1的头部11上均具有一个环形凸台1C，环形凸台IC的外斜面12和内斜面13(参考图5a)的与端面IA之间的夹角为大于 90度的钝角或等于90度。环形凸台IC与所述端面IA同心，环形凸台IC环绕端面IA的中心并设置在不靠近端面IA中心的位置。优选地，环形凸台IC设置在端面IA的外缘。在一个具体实施例中，为了获得更好的应力分布，端面IA和环形凸台IC均为圆环形，环形凸台IC的圆环宽度的中线设置为靠近端面IA的圆环宽度的中线，环形凸台IC的圆环宽度取值范围为端面IA圆环宽度的1/3-2/3。参考图6所示的使用了本发明的超声换能器中的各个压电元件的应力分布云图， 分别取数值为 A = 18MPa、B = 20MPa、C = 25MPa、D = 30MPa、E = 32MPa、F = 35MPa、G = 38MPa以及H = 43. 908MPa的8条等值线，再对比图2，图6中应力等值线比图2中的应力等值线平滑，大小排布有序，可见相对现有技术，本发明的应力分布得到了极大的改善。根据本发明，通过避免螺栓头部靠近螺杆IB根部的部分与后质量块2之间发生接触，减小螺栓头部与后质量块之间的接触面积，并且使得后质量沿换能器纵轴方向具有对称性，可实现更加均勻的应力分布。进而，螺栓头部上的环形凸台也可以采用其他的条状或块状物来代替，这些条状或块状物厚度相同，用于接触后质量块。这些条状或块状物与后质量块接触的面积要小于没有所述条状或块状物的螺栓头部与后质量块接触的面积。需要保证的是，这些条状或块状物是相对于螺杆中心对称地设置在螺栓头部上。本领域技术人员对于接触表面的位置和大小可通过有限元分析进行优化，以在给定的换能器尺寸空间内实现最均勻的应力分布， 具体的采用有限元分析软件进行优化是现有技术，在此不予赘述。结合参考图Ila和图11b，在又一个优选例中，在晶堆3与安装装置4之间设置有前质量块2A ；前质量块2A具有分别与晶堆3和安装装置4接触的两个端面，该两个端面的形状大小相同。在本实施例中，安装装置4具有靠近前质量块2A的端面14A，端面14A上设置有中心对称的环形凸台34A，环形凸台34A包括与前质量块2A接触的凸台接触面24A，凸台接触面MA的面积小于前质量块2A的上述端面的面积。如图所示，环形凸台34A包括外斜面64A和内斜面74A，外斜面64A和内斜面74A与端面14A的夹角为大于90度的钝角或90度。安装装置4具有内腔44A，该内腔44A上设置有螺纹54A，用于连接螺栓1。进一步地，端面14A上可设置有多个环形凸台34A，多个环形凸台34A的高度相同， 多个环形凸台34A的凸台接触面可以相同，也可以不同，并且，所有凸台接触面的面积总和要小于前质量块。上述的超声换能器中，环形凸台34A与端面14A同心，环形凸台34A环绕所述端面 14A中心并设置在不靠近端面14A中心的位置，例如，环形凸台34A设置在端面14A的外缘。优选地，端面14A和环形凸台34A均为圆环形，环形凸台34A的圆环宽度的中线设置为靠近端面14A的圆环宽度的中线，环形凸台34A的宽度取值范围为端面14A的圆环宽度的 1/3-2/3。在本发明中，螺栓1和后质量块2、前质量块2A起到压缩的作用，本领域技术人员可以根据现有技术采用其他的部件来代替。更进一步地，本发明的超声换能器应用于一种超声医疗设备，所述超声医疗设备包括发生器，本发明的超声换能器，传输装置和末端效应器。所述超声换能器适于响应所述发生器所产生的电能而以超声频率振动，所述传输装置连接所述超声换能器和所述末端效应器，所述传输装置从所述超声换能器接收超声振动，并将所述超声振动传输给所述末端效应器，所述末端效应器从所述传输装置接收所述超声振动并相应地进行超声振动，从而通过末端效应器进行治疗。本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.超声换能器，包括安装装置，所述安装装置与一压缩装置相连接；晶堆，所述晶堆安装在所述安装装置和所述压缩装置之间，所述晶堆包括若干正负极交替堆叠的电极，两相邻的电极之间设置有压电元件；后质量块，所述后质量块设置在所述晶堆与所述压缩装置之间，所述后质量块具有与所述晶堆接触的晶堆接触端面和与所述压缩装置接触的压缩装置接触端面；其特征在于所述晶堆接触端面和所述压缩装置接触端面均为平面且形状大小相同；所述压缩装置具有与所述后质量块接触的后质量块接触面，所述后质量块接触面相对于所述压缩装置接触端面的几何中心是中心对称的，所述后质量块接触面的面积小于所述压缩装置接触端面的面积。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述压缩装置是一螺栓，所述后质量块套装在所述螺栓上。
3.根据权利要求1或2所述的超声换能器，其特征在于，所述压缩装置具有靠近所述后质量块的端面，所述端面上设置有至少一个凸台，所述凸台包括与所述后质量块接触的凸台接触面，所有的所述凸台接触面形成所述后质量块接触面。
4.根据权利要求3所述的超声换能器，其特征在于，所述凸台设置在不靠近所述端面的几何中心的位置。
5.根据权利要求3或4所述的超声换能器，其特征在于，所述后质量块为圆环形，所述端面和所述凸台均为圆环形，所述凸台的圆环宽度的中线设置为靠近所述端面的圆环宽度的中线，所述凸台的圆环宽度取值范围为所述端面圆环宽度的1/3-2/3。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的超声换能器，其特征在于，还包括一与所述后质量块形状大小相同的前质量块，所述前质量块设置在所述晶堆和所述安装装置之间，所述前质量块具有与所述安装装置接触的安装装置接触端面，所述安装装置具有与所述前质量块接触的前质量块接触面，所述前质量块接触面相对于所述安装装置接触端面的几何中心是中心对称的，所述前质量块接触面的面积小于所述安装装置接触端面的面积。
7.根据权利要求6所述的超声换能器，其特征在于，所述安装装置具有靠近所述前质量块的第二端面，所述第二端面上设置有至少一个第二凸台，所述第二凸台包括与所述前质量块接触的第二凸台接触面，所有的所述第二凸台接触面形成所述前质量块接触面。
8.根据权利要求7所述的超声换能器，其特征在于，所述第二凸台设置在不靠近所述第二端面的几何中心的位置。
9.根据权利要求7或8所述的超声换能器，其特征在于，所述前质量块为圆环形，所述第二端面和所述第二凸台均为圆环形，所述第二凸台的圆环宽度的中线设置为靠近所述第二端面的圆环宽度的中线，所述第二凸台的圆环宽度取值范围为所述第二端面圆环宽度的 1/3-2/3。
10.一种超声医疗设备，包括发生器；如权利要求1至9中任意一项所述的超声换能器，所述超声换能器适于响应所述发生器所产生的电能而以超声频率振动；传输装置； 末端效应器；其特征在于，所述传输装置适于从所述超声换能器接收超声振动，并将所述超声振动传输给所述末端效应器，所述末端效应器适于从所述传输装置接收所述超声振动并相应地进行超声振动。
全文摘要
本发明公开一种超声换能器，包括与一压缩装置连接的安装装置，安装在所述安装装置和所述压缩装置之间的晶堆和设置在所述晶堆与所述压缩装置之间的后质量块；其特征在于所述晶堆接触端面和所述压缩装置接触端面均为平面且形状大小相同；所述压缩装置具有与所述后质量块接触的后质量块接触面，所述后质量块接触面相对于所述压缩装置接触端面的几何中心是中心对称的，所述后质量块接触面的面积小于所述压缩装置接触端面的面积。本发明通过改进后质量块的对称性，改善超声换能器中应力分布的均匀性，从而提高超声换能器的效率。
文档编号A61B8/00GK102309341SQ20111027403
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者姚银锋, 方云才, 杨晓峰, 梁耀, 汪炬, 钟学平, 陈启章 申请人:华外医疗器械(上海)有限公司, 瑞奇外科器械(中国)有限公司