NL8921049A - ELECTROMECHANICAL CONVERTER FOR FACO EMULSIFICATION. - Google Patents

Description

ELECTROMECHANISCHE OMZETTER VOOR FACQ-EMÜLSIFICATIEELECTROMECHANICAL CONVERTER FOR FACQ EMULSIFICATION

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting die een holle naald bij ultrasone frequenties in trilling brengt.The invention relates to a device which vibrates a hollow needle at ultrasonic frequencies.

De uitvinding kan worden toegepast bij de medische behandeling van cataracten, waarbij de trillende naald de cataract doet uiteenvallen, en de uiteengevallen resten door het holle deel van de naald worden afgezogen.The invention can be used in the medical treatment of cataracts, wherein the vibrating needle disintegrates the cataract, and the disintegrated debris is aspirated through the hollow part of the needle.

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING - BEKENDE TECHNIEKBACKGROUND OF THE INVENTION - KNOWN TECHNIQUE

Pig. 1 toont een piezo-electrische omzetter 3 die kan worden gebruikt voor het tot stand brengen van een staande ultrasone golf in een buis 6. De omzetter is voorzien van twee piezo-electrische kristallen 9 en 12 die door een electrode 15 zijn gescheiden. Wanneer de kristallen worden bekrachtigd door een wisselstroom-signaal dat wordt aangelegd aan de oppervlakken 21A en 21B, zetten de kristallen uit en trekken zij samen met de frequentie van het signaal. Dat wil zeggen dat de kristallen een cyclus uitvoeren tussen de geëxpandeerde grootte die is aangegeven door de stippellijnen 18, en de geringere grootte die is aangegeven door de oppervlakken 21A en 21B. Deze cyclische uitzetting en samentrekking legt mechanische pulsen op aan de buis 6.Pig. 1 shows a piezoelectric transducer 3 that can be used to create a standing ultrasonic wave in a tube 6. The transducer includes two piezoelectric crystals 9 and 12 separated by an electrode 15. When the crystals are energized by an alternating current signal applied to surfaces 21A and 21B, the crystals expand and contract with the frequency of the signal. That is, the crystals cycle between the expanded size indicated by dotted lines 18 and the smaller size indicated by surfaces 21A and 21B. This cyclic expansion and contraction imposes mechanical pulses on the tube 6.

Indien de pulsfrequentie gelijk is aan de resonantie-frequentie van de buis 6 komt een staande golf tot stand. De staande golf veroorzaakt dat een naald 24 oscilleert tussen de gestippeld aangegeven positie 24A en een met getrokken lijnen aangegeven positie 24. De oscillerende naald kan worden gebruikt voor het opbreken van harde materialen, zoals cataracten in het menselijk oog.If the pulse frequency is equal to the resonance frequency of the tube 6, a standing wave is created. The standing wave causes a needle 24 to oscillate between the dotted position 24A and a solid line position 24. The oscillating needle can be used to break up hard materials, such as cataracts in the human eye.

Een bepaalde soort bekende inrichting maakt gebruik van een electrode 15 die is vervaardigd van een beryllium-koper legering. Echter leidt een dergelijke electrode onder de cyclische samendruk-king en ontspanning die worden opgelegd door de trilling van de kristallen 9 en 12; na verloop van tijd raakt de electrode 15 geëxtrudeerd zoals in grootlijks overdreven vorm in fig. 2 is weergegeven. Deze extrusie veroorzaakt tenminste drie effecten. In de eerste plaats veroorzaakt zij het optreden van minimale luchtspleten, zoals aangegeven door de spleet 28. Deze luchtspleten doen af aan de akoestische koppeling tussen de oppervlakken 30 en 33 waarbij aldus het rendement van de overdracht van ultrasone energie naar de buis 6 afneemt. In de tweede plaats verminderen de luchtspleten het electrische contact tussen de electrode 15 en de kristallen 9 en 12. Een goed electrisch contact is noodzakelijk om de electrische lading die de piezo-elec-trische beweging van de kristallen 9 en 12 induceert,· af te zetten.A particular type of known device uses an electrode 15 made of a beryllium-copper alloy. However, such an electrode suffers from the cyclic compression and relaxation imposed by the vibration of crystals 9 and 12; over time, the electrode 15 becomes extruded as shown in largely exaggerated form in Figure 2. This extrusion produces at least three effects. First, it causes the appearance of minimal air gaps, as indicated by the gap 28. These air gaps detract from the acoustic coupling between the surfaces 30 and 33, thus decreasing the efficiency of the transfer of ultrasonic energy to the tube 6. Second, the air gaps reduce the electrical contact between the electrode 15 and the crystals 9 and 12. Good electrical contact is necessary to reduce the electrical charge that induces the piezoelectric movement of the crystals 9 and 12 put.

In de derde plaats ontlast de extrusie de mechanische druk die oorspronkelijk op de kristallen 9 en 12 werd aangewend. Dat wil zeggen dat de kristallen worden voorBelast onder samendrukking door mechanische krachten die door de pijlen 36 en 39 in fig. 1 zijn weergegeven. De electrode 15 werkt de krachten 36 en 39 tegen. De verandering in de dikte van de electrode die door de extrusie wordt veroorzaakt, vermindert de tegenwerking waarbij de samendrukking afneemt en aldus de kristallen 9 en 12 ontlast raken en onder niet-optimale omstandigheden werken.Third, the extrusion relieves the mechanical pressure originally applied to crystals 9 and 12. That is, the crystals are preloaded under compression by mechanical forces shown by arrows 36 and 39 in Figure 1. The electrode 15 counteracts forces 36 and 39. The change in the thickness of the electrode caused by the extrusion decreases the counteractivity in which the compression decreases, thus relieving the crystals 9 and 12 and operating under non-optimal conditions.

Een tweede eigenschap van de sonde in fig. 1 is dat een aanzienlijke hoeveelheid akoestische energie, aangeduid door de golven 40, van de buis 6 vandaan straalt en niet in de buis 6 straalt. De golven 40 geven aan de naald 24 geen energie mee: hun energie is verloren.A second feature of the probe in Figure 1 is that a significant amount of acoustic energy, indicated by the waves 40, radiates away from the tube 6 and does not radiate into the tube 6. The waves 40 do not impart any energy to the needle 24: their energy is lost.

DOELEN VAN DE UITVINDINGOBJECTS OF THE INVENTION

Het is een doel van de uitvinding een nieuwe en verbeterde ultrasone omzetter te verschaffen.It is an object of the invention to provide a new and improved ultrasonic transducer.

Het is een ander doel van de uitvinding een reflector voor een ultrasone omzetter te verschaffen die het verlies aan akoestische energie vermindert.It is another object of the invention to provide a reflector for an ultrasonic transducer that reduces the loss of acoustic energy.

Het is een ander doel van de uitvinding een electrode voor een ultrasone omzetter te verschaffen die extrusie en vervorming, geïnduceerd door het cyclisch buigen van de omzetter, weerstaat.It is another object of the invention to provide an electrode for an ultrasonic transducer that resists extrusion and distortion induced by cyclic bending of the transducer.

Het is een ander doel van de uitvinding een inrichting te verschaffen die een praktisch constante druk uitoefent op een ultrasone omzetter, afgezien van temperatuurveranderingen.It is another object of the invention to provide a device that applies a practically constant pressure to an ultrasonic transducer apart from temperature changes.

Het is een ander doel van de uitvinding een sonde voor faco-emulsieficatie te verschaffen die akoestische energie opvangt en reflecteert naar een naald die anders verloren zou zijn gegaan, en die een akoestische omzetter in een praktisch constante mate van samendrukking houdt, afgezien van temperatuurveranderingen.It is another object of the invention to provide a pho-emulsion indication probe that captures and reflects acoustic energy to a needle that would otherwise be lost, and which maintains an acoustic transducer at a practically constant degree of compression, apart from temperature changes.

Het is een ander doel van de uitvinding een uitzonderlijk stelsel voor het afgeven van akoestische energie te verschaffen dat zowel een mogelijkheid heeft tot het automatisch volgen van een frequentie die stabiele oscillatie-signalen over een gespecificeerd frequentietraject in stand houdt, als een belastingscompensatie-mechaniek dat de veranderende behoefte aan energie van de akoestische belasting volgt en een maximale overdracht van energie aan de belasting over een gespecificeerd traject van veranderlijke belastingsomstandigheden verzekert.It is another object of the invention to provide an exceptional acoustic energy delivery system that has both an automatic frequency tracking capability that maintains stable oscillation signals over a specified frequency range, and a load compensation mechanism follows the changing energy demand of the acoustic load and ensures maximum transfer of energy to the load over a specified range of variable load conditions.

SAMENVATTING VAM DE UITVINDINGSUMMARY OF THE INVENTION

In een bepaalde vorm van de uitvinding is een piezo-electrische kristalomzetter opgesloten aangebracht tussen een medium met een hoge akoestische impedantie, genaamd een reflector, en een medium met een lage akoestische impedantie, genaamd een resonator. De resonator-impedantie is aangepast aan de akoestische belasting om daardoor een maximale overdracht van energie vanuit de omzetter naar de belasting tot stand te brengen. De reflector met hoge impedantie wint akoestische energie terug die anders verloren zou zijn en zendt de energie na langs de akoestische weg door de resonator naar de belasting. Het resultaat is een energie-overdracht met hoger rendement in vergelijking met bekende mechanismen.In a particular form of the invention, a piezoelectric crystal converter is sandwiched between a high acoustic impedance medium called a reflector and a low acoustic impedance medium called a resonator. The resonator impedance is matched to the acoustic load to achieve maximum transfer of energy from the converter to the load. The high impedance reflector recovers acoustic energy that would otherwise be lost, and retransmits the energy along the acoustic path through the resonator to the load. The result is a higher efficiency energy transfer compared to known mechanisms.

De mogelijkheid frequentie en belasting automatisch te volgen wordt electronisch verschaft door middel van een faco-emul-sieficatie-besturingsketen. Een situatie met een vrijwel constante mechanische spanning wordt voor de piezo-electrische omzetters over een gespecificeerd werktemperatuurtraject door middel van een uitzonderlijk buigzaam klemmechaniek in stand gehouden. Een situatie met een optimale mechanische spanning wordt voor de naalddrager in stand gehouden door de resonator die een combinatie van een akoestische hoorn en een buis is met een vorm die de ideale catenoidale hoorn-constructie dicht benadert.The ability to automatically track frequency and load is provided electronically by means of a pho-emulsification control circuit. A situation with a nearly constant mechanical stress is maintained for the piezoelectric converters over a specified operating temperature range by an exceptionally flexible clamping mechanism. A situation with optimum mechanical stress is maintained for the needle carrier by the resonator which is a combination of an acoustic horn and a tube of a shape close to the ideal catenoid horn construction.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENINGBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

Pig. 1 toont een sonde voor faco-emulsieficatie zoals toegepast in de bekende techniek.Pig. 1 shows a phacoemulsification indication probe as used in the prior art.

Pig. 2 toont de extrusie die kan optreden in een electrode 15 in fig. 1.Pig. 2 shows the extrusion that can occur in an electrode 15 in FIG. 1.

Fig. 3 en fig. 4 tonen een uitvoeringsvorm van de uitvinding.Fig. 3 and 4 show an embodiment of the invention.

Fig. 5 toont de reflectie van akoestische golven door middel van een reflector 43 in fig. 4.Fig. 5 shows the reflection of acoustic waves by means of a reflector 43 in FIG. 4.

Fig. 6 toont schematisch de samendrukking van de omzetter 3 in fig. 3.Fig. 6 schematically shows the compression of the converter 3 in FIG. 3.

Fig. 7 toont schematisch de uitzetting van een stang 66B die de stang 66 in fig. 3 voorstelt, welke uitzetting optreedt teneinde constante druk op de omzetter 3B in fig. 7 te handhaven.Fig. 7 schematically illustrates the expansion of a rod 66B representing the rod 66 in FIG. 3, which expansion occurs to maintain constant pressure on the converter 3B in FIG. 7.

Fig. 8 toont een schakeling die een signaal levert aan een omzetter dat dezelfde frequentie heeft als de resonantiefre-quentie van een belasting op de omzetter.Fig. 8 shows a circuit that supplies a signal to a converter that has the same frequency as the resonance frequency of a load on the converter.

BESCHRIJVING IN BIJZONDERHEDEN VAN DE UITVINDINGDESCRIPTION IN PARTICULARS OF THE INVENTION

Fig. 3 toont een uitvoeringsvorm van de uitvinding, terwijl fig. 4 de uitvinding volgens fig. 3 toont, maar in uiteen genomen vereenvoudigde schematische vorm. In deze figuren is een ultrasone omzetter 3 geplaatst tussen een reflector 43 en een resonator 46. De omzetter bestaat uit een electrode 50 die is vervaardigd van ongehard koolstofstaal nr. 01, en twee piezo-electrische kristallen 53 en 56 die zijn gemaakt van een gemodificeerd keramisch materiaal uit loodzirkonaattitanaat, dat in ringvorm is gebracht en met zilver is bedekt voor het electrische geleidingsvermogen, en voorts in de handel wordt gebracht onder de merknaam PXE door de Electronic Components and Materials Division van North American Philips Corporation.Fig. 3 shows an embodiment of the invention, while FIG. 4 shows the invention according to FIG. 3, but in exploded simplified schematic form. In these figures, an ultrasonic transducer 3 is interposed between a reflector 43 and a resonator 46. The transducer consists of an electrode 50 made of unhardened carbon steel No. 01, and two piezoelectric crystals 53 and 56 made of a modified Lead zirconate titanate ceramic, which has been ring-formed and silver-plated for electrical conductivity, and is further marketed under the trade name PXE by the Electronic Components and Materials Division of North American Philips Corporation.

Een aan de electrode bevestigde nok 59 maakt aansluiting aan een voeding mogelijk. Een electrisch isolerende buis 61 past binnen een boring 63 binnenin de omzetter 3. De reflector 43 is bevestigd aan de resonator 46 door middel van een holle, van draad voorziene buis 66 die past aan van draad voorziene gebieden 68 en 70 in de reflector en de resonator.A cam 59 attached to the electrode allows connection to a power supply. An electrically insulating tube 61 fits within a bore 63 inside the transducer 3. The reflector 43 is attached to the resonator 46 by a hollow threaded tube 66 that fits threaded areas 68 and 70 in the reflector and the resonator.

Zowel de holle buis 66 als de resonator 46 zijn vervaardigd uit 6AL-4V titaan. De reflector 43 is vervaardigd van wolfraam en nr. 17. Een electrisch isolerende bus 61 is vervaardigd van Teflon (Teflon is een merknaam van de Du Pont Chemical Corporation).Both the hollow tube 66 and the resonator 46 are made of 6AL-4V titanium. The reflector 43 is made of tungsten and No. 17. An electrically insulating sleeve 61 is made of Teflon (Teflon is a brand name of the Du Pont Chemical Corporation).

Bij het bijeenbrengen van de onderdelen in fig.When assembling the parts in fig.

4 tot het in fig. 3 getoonde geheel wordt de van draad voorziene buis 66 eerst in de resonator 46 geschroefd totdat een eind 72 in fig. 3 tegen een schouder 75 komt te staan. Vervolgens wordt de reflector 43 op de van draad voorziene buis 66 geschroefd teneinde de omzetter 3 samen te drukken. De mate van samendrukking wordt bepaald met behulp van de volgende werkwijze.4 to the assembly shown in FIG. 3, the threaded tube 66 is first screwed into the resonator 46 until an end 72 in FIG. 3 abuts a shoulder 75. The reflector 43 is then screwed onto the threaded tube 66 to compress the converter 3. The degree of compression is determined using the following method.

Een condensator 77 van twee microfarad wordt over het piezo-electrische kristal 56 aangesloten zoals aangegeven in fig. 3. Deze aansluiting plaatst de condensator 77 parallel aan de kristallen 53 en 56. Deze parallelschakeling bestaat omdat de van draad voorziene buis 66 de reflector 43 electrisch verbindt met de resonator 46 waarbij aldus de resonator 43 en de reflector 46 op dezelfde electrische potentiaal komen te staan. (Dat wil zeggen dat de oppervlakken 79 en 80 van de kristallen beide electrisch zijn aangesloten aan de aansluitdraad 83 van de condensator 77, terwijl de oppervlakken 85 en 86 zijn aangesloten aan de aansluitdraad 89.)A two microfarad capacitor 77 is connected across the piezoelectric crystal 56 as shown in FIG. 3. This terminal places the capacitor 77 parallel to crystals 53 and 56. This parallel connection exists because the wire tube 66 electrically reflector 43 connects to the resonator 46 thus bringing the resonator 43 and the reflector 46 to the same electrical potential. (That is, the surfaces 79 and 80 of the crystals are both electrically connected to the lead wire 83 of the capacitor 77, while the surfaces 85 and 86 are connected to the lead wire 89.)

Na het parallel plaatsen van de condensator 77 aan de kristallen 53 en 56 wordt de reflector 43 naar de resonator 46 toe bewogen door de reflector rond te draaien op de van draad voorziene buis 66 totdat de piezo-electrische kristallen zover zijn samengedrukt dat de spanning over de condensator 77 0,75 volt bereikt. Op dit tijdstip wordt het verplaatsen van de reflector 43 gestopt en zijn de piezo-electrische kristallen 53 en 65 nu op de juiste wijze samengedrukt.After placing the capacitor 77 in parallel with the crystals 53 and 56, the reflector 43 is moved toward the resonator 46 by rotating the reflector on the wire tube 66 until the piezoelectric crystals are compressed to the point that the voltage across the capacitor 77 reaches 0.75 volts. At this time, the movement of the reflector 43 is stopped and the piezoelectric crystals 53 and 65 are now properly compressed.

Een reden om deze bijzondere soort spanningsmeting te doen met gebruikmaking van de condensator 77 is dat de totale capaciteit van de kristallen 53 en 56 ongeveer 600 tot 700 picofarad is. De scheiding van electrische ladingen die wordt geïnduceerd door het samendrukken tussen de reflector 46 en de resonator 43 van de kristallen zal bij een dergelijke geringe capaciteit een grote spanning in de orde van honderden volts opleveren. Het meten van een dergelijke spanning onder deze omstandigheden is moeilijk, tenminste om de reden dat een zeer geringe RC-tijdconstante het gevolg is van de combinatie van de inherente capaciteit van de kristallen en de ingangsweerstand van de voltmeter. Het in fig. 3 getoonde geheel kan als volgt worden gebruikt. De faco-emulsieficatie-naald 94 die in de techniek bekend is, zoals het model nr. IA-145, verkrijgbaar bij Storz Instrument Company, St. Louis, Missouri, wordt in het van draad voorziene eind 96 van de resonator 46 geschroefd. In gebruik trilt de naald in een longitudinale trillingswijze door afwisselend samen te drukken naar de met getrokken lijnen getekende positie 94 en uit te zetten naar de met stippellijnen aangegeven positie 98. De verplaatsing bij het trillen, aangeduid door de afmeting 101, is ongeveer 0,127 mm. De trilling van de naald vindt plaats bij de oscillatie-frequentie van de piezo-electrische kristallen 53 en 56 die door middel van de resonator 46 zijn gekoppeld aan de naald 94. Het gekromde gebied 104 van de resonator 46 werkt als een hoorn teneinde de impedantie van het kristal 56 aan te passen aan die van de naald 94 teneinde de energiestroom naar de naald 94 maximaal te maken. De resonator 46 werkt in zijn geheel als een kwartgolflengte transmissielijn (bij de kristalfreguentie), waarop de naald 94 als een belasting werkt.One reason for doing this particular kind of voltage measurement using capacitor 77 is that the total capacity of crystals 53 and 56 is about 600 to 700 picofarads. The separation of electrical charges induced by the compression between the reflector 46 and the resonator 43 of the crystals at such a small capacity will produce a large voltage of the order of hundreds of volts. Measuring such a voltage under these conditions is difficult, at least for the reason that a very small RC time constant is due to the combination of the inherent capacitance of the crystals and the input resistance of the voltmeter. The assembly shown in Figure 3 can be used as follows. The phacoemulsification needle 94 known in the art, such as Model No. IA-145, available from Storz Instrument Company, St. Louis, Missouri, is threaded into the threaded end 96 of the resonator 46. In use, the needle vibrates in a longitudinal mode of vibration by alternately compressing to the position drawn with solid lines 94 and expanding to the position indicated by dotted lines 98. The vibration displacement, indicated by the size 101, is approximately 0.127 mm . The vibration of the needle occurs at the oscillation frequency of the piezoelectric crystals 53 and 56 coupled to the needle 94 by the resonator 46. The curved region 104 of the resonator 46 acts as a horn to provide impedance of the crystal 56 to match that of the needle 94 so as to maximize the energy flow to the needle 94. The resonator 46 works in its entirety as a quarter wavelength transmission line (at the crystal frequency) on which the needle 94 acts as a load.

De kristallen 53 en 56 in fig. 3 worden aangedreven door een signaal dat wordt aangelegd aan de electrode 50 en de reflector 43. Het aanleggen van een wisselstroomsignaal aan de kristallen 53 en 56 laat deze cyclisch expanderen naar de gestippeld getekende positie 107 die in overdreven vorm in fig. 4 is aangegeven, en vervolgens samentrekken naar de getoonde", met getrokken lijnen getekende positie. Deze cyclische uitzetting en samentrekking legt mechanische pulsen aan aan de resonator 46 bij de frequentie van het signaal.Crystals 53 and 56 in FIG. 3 are driven by a signal applied to electrode 50 and reflector 43. Applying an alternating current signal to crystals 53 and 56 causes them to expand cyclically to the dotted position 107 which is in exaggerated shape is shown in FIG. 4, and then contract to the position shown in solid lines. This cyclic expansion and contraction applies mechanical pulses to resonator 46 at the frequency of the signal.

De frequentie van het signaal dat de electrode 50 en de reflector 43 aandrijft, is bij voorkeur 28,0 tot 29,0 kilohertz, Een stelsel voor het aanbieden van een dergelijk aandrijfsignaal aan de kristallen 53 en 56 is beschreven in de Amerikaanse octrooiaanvrage onder de titel "Control System For Ophthalmic Surgical Instruments”, serienummer 928170, ingediend op 6 november 1986, waarin de uitvinders Gregg Scheller e.a. zijn en die is overgedragen aan de rechthebbende van de onderhavige uitvinding. Deze aanvrage is hierdoor door middel van verwijzing hierin opgenomen. Een uitvoeringsvorm van een dergelijk stelsel is verkrijgbaar bij Storz Instrument Company, St. Louis,The frequency of the signal driving the electrode 50 and the reflector 43 is preferably 28.0 to 29.0 kilohertz. A system for providing such a driving signal to crystals 53 and 56 is described in U.S. Patent Application under U.S. Pat. Title "Control System For Ophthalmic Surgical Instruments", serial number 928170, filed November 6, 1986, in which the inventors are Gregg Scheller et al. and which is assigned to the assignee of the present invention. This application is hereby incorporated by reference herein. embodiments of such a system are available from Storz Instrument Company, St. Louis,

Missouri onder de productnaam "DAISY". In het blokschema in fig.Missouri under the product name "DAISY". In the block diagram in fig.

8 is een soort van schakeling die wordt toegepast in het DAISY-systeem voor het aanbieden van een electrisch signaal voor het aandrijven van de omzetter bij zijn resonatiefrequentie weergegeven. In de hier gegeven toelichting is de omzetter 3 in model gebracht als een RLC-serieresonatienetwerk parallel aan een capaciteit bij werking onder belasting en nabij de resonatiefrequentie van de omzetter. Dit model van de omzetter is niet in fig. 8 weergegeven.8 is a kind of circuit used in the DAISY system for supplying an electrical signal for driving the converter at its resonant frequency. In the explanation given here, the converter 3 is modeled as an RLC series resonance network parallel to a capacitance in operation under load and near the resonant frequency of the converter. This converter model is not shown in Fig. 8.

Omdat het een stelsel met een gesloten lus is.Because it is a closed loop system.

is de aandrijfschakeling in wezen een oscillator die voldoet aan de Barkhausen-criteria voor trilling: faseverschuiving nul en lusver-sterking 1. De ontwerpfrequentie van de oscillator is 28500 +_ 500 hertz.the drive circuit is essentially an oscillator that meets the Barkhausen criteria for vibration: zero phase shift and loop gain 1. The design frequency of the oscillator is 28500 ± 500 hertz.

Het terugkoppelgedeelte van de lus bestaat uit een injectie-oscillator 203, een actief banddoorlaatfilter 205, een actief laag doorlaatfilter 207 en een versterker 209 met variabele versterking. De injectie-oscillator 203 zorgt voor een aanvankelijk spanningssignaal bij een frequentie nabij de resonatiefrequentie van de omzetter. Dit signaal zal worden losgekoppeld van de terugkoppellusweg zodra de aandrijfschakeling een signaal levert dat sterk genoeg is om de omzetter-oscillaties in stand te houden. Het banddoorlaatfilter en het laagdoorlaatfilter zorgen voor de passende frequentie-selectiviteit en faseverschuivingseigenschappen om zo de sterkte van het omzetterterugkoppelsignaal te behouden terwijl de fase-eigen-schappen van de omzetter over een normaal werkgebied variëren. Het vanuit de omzetter teruggekoppelde signaal wordt verkregen over een compensatienetwerk 213 dat zorgt voor een aanvullende frequentieselec-tiviteit en faseverschuivingsstabiliteit. De versterker 209 met variabele versterking brengt de lusversterking tot stand gedurende de aanvankelijke ijking van de filterketens en blijft in wezen vast staan nadat de ijking van de filterketen is voltooid.The feedback portion of the loop consists of an injection oscillator 203, an active bandpass filter 205, an active lowpass filter 207 and a variable gain amplifier 209. The injection oscillator 203 provides an initial voltage signal at a frequency close to the resonant frequency of the converter. This signal will be disconnected from the feedback loop as soon as the drive circuit provides a signal strong enough to sustain transducer oscillations. The band-pass filter and the low-pass filter provide the appropriate frequency selectivity and phase-shifting properties to maintain the strength of the converter feedback signal while the converter's phase properties vary over a normal operating range. The signal fed back from the converter is obtained over a compensation network 213 which provides additional frequency selectivity and phase shift stability. The variable gain amplifier 209 establishes the loop gain during the initial calibration of the filter chains and remains essentially fixed after the calibration of the filter chain is completed.

De eindversterker en transformator 215 zorgen voor een maximale aandrijfspanning van ongeveer 380 volt effectief bij een maximale stroomsterkte van ongeveer 10 milli-ampere effectief. Een versterkingsregelnetwerk 218 zorgt voor een stabiel uitgangsspan-ningssignaal door vergelijking van de aandrijfspanning op de lijn 211 met een spanningsbesturingsreferentieniveau, geleverd door een gebruiker op de lijn 223, en het vervolgens compenseren voor alle verschillen door de versterking van de eindversterker 215 bij te stellen.The power amplifier and transformer 215 provide a maximum drive voltage of about 380 volts effective at a maximum current of about 10 milliamps effective. A gain control network 218 provides a stable output voltage signal by comparing the driving voltage on the line 211 with a voltage control reference level provided by a user on the line 223, and then compensating for all differences by adjusting the gain of the power amplifier 215.

De trilling van de naald 94 in fig. 3 kan worden toegepast bij de mecische behandeling van hard geworden voorwerpen, zoals cataracten in het menselijk oog. De trillende naald 94 brengt wanneer deze nabij een cataract wordt gebracht, het cataract tot uiteenvallen en het uiteengevallen gruis wordt door een kanaal 110 afgezogen onder invloed van een vacuumpomp 115 die is aangesloten aan een nippel 117.The vibration of the needle 94 in Figure 3 can be used in the mechanical treatment of solidified objects, such as cataracts in the human eye. The vibrating needle 94 when brought near a cataract causes the cataract to disintegrate and the disintegrated debris is aspirated through a channel 110 under the influence of a vacuum pump 115 connected to a nipple 117.

Een aantal van belang zijnde aspecten van de uitvinding zijn de volgende: (1) zoals hierboven vermeld is de reflector 43 vervaardigd van wolfraam. Wolfraam heeft een zeer hoge akoestische impedantie in de orde van 90 x 106 kg/(m2 s)tot 105 x 10^ kg/(m2 s). De aan het tussenvlak 79 in fig. 3 gereflecteerde akoestische energie wordt dus (1) in fase gereflecteerd bij (2) een reflectie-coëfficiënt van bijna een, hetgeen betekent dat vrijwel 100% van de energie wordt gereflecteerd met een minimale transmissie naar binnen in de reflector 43. Deze hoge reflectie windt energie die anders in de reflector 43 verloren zou zijn gegaan, terug en zendt deze na naar de resonator 46. Dergelijke verloren gegane energie is in fig. 1 aangeduid als golven 40. De met de uitvinding bereikte hoge reflectie kan als volgt worden uitgelegd.Some important aspects of the invention are as follows: (1) As mentioned above, the reflector 43 is made of tungsten. Tungsten has a very high acoustic impedance on the order of 90 x 106 kg / (m2 s) to 105 x 10 ^ kg / (m2 s). Thus, the acoustic energy reflected at the interface 79 in Fig. 3 is (1) reflected in phase at (2) a reflection coefficient of nearly one, which means that almost 100% of the energy is reflected with minimal transmission inwards. the reflector 43. This high reflection rewinds and sends energy that would otherwise be lost in the reflector 43 to the resonator 46. Such lost energy is referred to as waves 40 in Figure 1. reflection can be explained as follows.

Wanneer de lopende akoestische golven door de omzetter 3 heengaan, ontmoeten zij akoestische impedantie in verschillende niveau's afhankelijk van de dichtheid en van de elasticiteitsmo-dulie van de verschillende materialen waaruit het geheel van de omzetter bestaat. Bij het oversteken door een akoestische golf van een grens tussen twee dergelijke verschillende materialen is het waarschijnlijk dat de golf een reflectieverschijnsel zal ondervinden. De theorie van de energietransmissie kwantificeert dit reflectieverschijnsel zoals de volgende bespreking zal toelichten.As the traveling acoustic waves pass through the transducer 3, they encounter acoustic impedance at different levels depending on the density and the elastic modulus of the different materials making up the transducer assembly. When crossing an boundary between two such different materials by an acoustic wave, it is likely that the wave will experience a reflection phenomenon. The theory of energy transmission quantifies this reflection phenomenon as the following discussion will illustrate.

De reflectiecoëfficiënt die een complex getal is met zowel een reëel deel als een imaginair deel (waarbij beide eventueel van nul verschillen), beschrijft het bedrag van de invallende golfenergie dat wordt gereflecteerd aan de grens tussen de verschillende materialen. Ook beschrijft de reflectiecoëfficiënt de fasebetrek-king tussen de invallende en de gereflecteerde golven waarbij deze betrekking hetzij in fase is (faseverschuiving 0°) of uit fase (met tot aan 180°).The reflection coefficient, which is a complex number with both a real part and an imaginary part (where both may differ from zero), describes the amount of the incident wave energy that is reflected at the boundary between the different materials. Also, the reflection coefficient describes the phase relationship between the incident and reflected waves where this relationship is either in phase (phase shift 0 °) or out of phase (up to 180 °).

De voornaamste ontwerpmethodes die werden gebruikt voor het omzettersamenstel, veronderstelden om te beginnen dat de transmissiemedia voor de akoestische golven zonder verlies zijn.The primary design methods used for the transducer assembly initially assumed that the transmission media for the acoustic waves are lossless.

Deze aanname levert het voordeel dat de wiskundige manipulaties die nodig zijn voor het tot stand brengen van een akoestisch transmissie-ontwerp, veel handelbaarder zijn en weinig kosten veroorzaken in termen van nauwkeurigheid van het eindresultaat.This assumption provides the advantage that the mathematical manipulations required to achieve an acoustic transmission design are much more manageable and low cost in terms of end result accuracy.

In overeenstemming met de aanname van een verlies-vrije transmissie is de methode door middel waarvan de reflectiecoëffi-ciënt wordt berekend. In zijn meest algemene vorm is deze berekening eenvoudig een verhouding van (1) de verschillen tussen twee akoestische impedanties en (2) de som van deze zelfde twee impedanties.Consistent with the assumption of a lossless transmission is the method by which the reflection coefficient is calculated. In its most general form, this calculation is simply a ratio of (1) the differences between two acoustic impedances and (2) the sum of these same two impedances.

Een potentieel verwarrende situatie ontstaat wanneer wordt geprobeerd nummerieke waarden aan beide impedanties toe te kennen alvorens de verhouding is berekend. De berekening van de reflectiecoëfficiënt R is de volgende:A potentially confusing situation arises when trying to assign numerical values to both impedances before calculating the ratio. The calculation of the reflection coefficient R is the following:

In deze vorm stelt Z de specifieke akoestischeIn this form, Z sets the specific acoustic

LL

impedantie voor die aan de akoestische golf wordt gepresenteerd wanneer deze loopt van een medium met een karakteristieke akoestische impedantie Z naar binnen in een medium met een karakteristieke akoestische 0impedance for that presented to the acoustic wave as it runs from a medium with a characteristic acoustic impedance Z inward into a medium with a characteristic acoustic 0

impedantie Z . De nummerieke waarde van de specifieke akoestische Ximpedance Z. The numerical value of the specific acoustic X.

impedantie is een functie van de karakteristieke ak'oestische impedantie, de lengte van het materiaal vanaf het grensvlak waar de golf invalt, naar de akoestische afsluiting van dit materiaalgedeelte, en de nummerieke waarde (eventueel complex) van de specifieke akoestische impedantie die wordt gepresenteerd aan de doorgelaten golf wanneer deze de afsluiting bereikt. Ook van belang zijn in de meest algemene zin de dempingseigenschappen van het materiaal. Echter worden, zoals hiervoor vermeld, deze eigenschappen genegeerd met het oog op het ontwerp omdat wordt gemeend dat voldoende beperkingen wat betreft afmetingen aan de samenstellende onderdelen zijn opgelegd zodat de aanname van het vrij van verlies zijn geldig blijft.impedance is a function of the characteristic acoustic impedance, the length of the material from the interface where the wave falls, to the acoustic termination of this material section, and the numerical value (possibly complex) of the specific acoustic impedance presented to the transmitted wave when it reaches the termination. Also important in the most general sense are the damping properties of the material. However, as noted above, these properties are ignored for design purposes because it is believed that sufficient dimensional constraints are imposed on the constituent parts so that the loss-free assumptions remain valid.

Een belangrijke afmeting waarop dit ontwerp is gebaseerd, is de golflengte van de akoestische golf terwijl deze door het keramische kristalmateriaal loopt. Opdat de reflector van wolfraam de gewenste in-fase-reflectie-eigenschappen heeft, moet zijn lengte dicht bij een kwartgolflengte zijn bij een ondersteuning met lage akoestische impedantie, dat wil zeggen bij een ondersteuning die dicht bij een akoestische kortsluiting is over het werkfrequentie bereik van het omzettersamenstel. De akoestische impedantie van lucht wordt gewoonlijk geacht een akoestische kortsluiting te zijn.An important dimension on which this design is based is the wavelength of the acoustic wave as it passes through the ceramic crystal material. In order for the tungsten reflector to have the desired in-phase reflection properties, its length must be close to a quarter wavelength with a support with low acoustic impedance, that is, with a support that is close to an acoustic short circuit over the operating frequency range of the converter assembly. The acoustic impedance of air is usually considered to be an acoustic short circuit.

Onder deze omstandigheden is de specifieke akoestische impedantie die wordt gepresenteerd aan de doorgelaten akoestische golf ter plaatse van de afsluiting door middel van de wolfraamreflec-tor vrijwel nul. Daarom is de specifieke akoestische impedantie die wordt gepresenteerd aan de invallende akoestische golf aan het grensvlak tussen het keramische kristal en de wolfraamreflector vrijwel oneindig groot. Als gevolg hiervan is de nummerieke waarde z zeer groot in vergelijking met ZQ en zal de reflectiecoëfficiënt die de amplitude van de druk en de faseverschuiving van de invallende akoestische golf die zich bij reflectie voordoen, bepaald, vrijwel gelijk één zijn. Dit betekent dat vrijwel 100% van de invallende akoestische golf in fase zal worden gereflecteerd om daardoor de netto amplitude van de druk van de akoestische golf in de hoofdrichting van de levering van akoestische energie, dat wil zeggen in de richting van de resonator en uiteindelijk naar de punt van de naald, te vergroten.Under these conditions, the specific acoustic impedance presented to the transmitted acoustic wave at the termination by the tungsten reflector is close to zero. Therefore, the specific acoustic impedance presented to the incident acoustic wave at the interface between the ceramic crystal and the tungsten reflector is almost infinite. As a result, the numerical value z is very large compared to ZQ, and the reflection coefficient that determines the amplitude of the pressure and the phase shift of the incident acoustic wave that occurs upon reflection will be almost equal to one. This means that nearly 100% of the incident acoustic wave will be reflected in phase to thereby reflect the net amplitude of the pressure of the acoustic wave in the main direction of the delivery of acoustic energy, i.e. towards the resonator and ultimately towards the tip of the needle.

In de praktijk is de werkelijke lengte van de reflectorsectie minder dan een kwartgolflengte. Echter resulteert het aannemen van het zonder verlies zijn in een zuiver imaginair getal dat de specifieke akoestische impedantie voorstelt die door de reflector wordt geboden. Het netto-resultaat is dat de grootte van de reflectiecoëfficiënt steeds 1 zal zijn, zelfs voor lengtes van de reflector die van een kwartgolflengte verschillen. Het merkbare verschil in de gereflecteerde golf zal de fasebetrekking zijn tussen de golf en de invallende golf. Het variëren van de lengte van de reflector zal deze fasebetrekking wijzigen. Voor de hier beschreven o configuratie dient deze faseverschuiving minder dan 30 te zijn over het normale werkfrequentiegebied van de omzetter.In practice, the actual length of the reflector section is less than a quarter wavelength. However, assuming losslessness results in a pure imaginary number representing the specific acoustic impedance offered by the reflector. The net result is that the magnitude of the reflection coefficient will always be 1, even for reflector lengths that differ from a quarter wavelength. The noticeable difference in the reflected wave will be the phase relationship between the wave and the incident wave. Varying the length of the reflector will change this phase relationship. For the configuration described here, this phase shift should be less than 30 over the normal operating frequency range of the converter.

In de voorkeursuitvoering is Z ongeveer 100 x S g ^ 10 kg/(m2 s) en is ZQ ongeveer 30 x 10 kg/(m2 s). Deze twee getallen zijn reëel, dat wil zeggern complexe getallen met een imaginair deel gelijk nul. Z is ongeveer 130 x 10 kg/(m2 s). Dit getal is Xl imaginair, dat wil zeggen een complex getal met een reëel deel nul.In the preferred embodiment, Z is about 100 x S g ^ 10 kg / (m2 s) and ZQ is about 30 x 10 kg / (m2 s). These two numbers are real, that is to say complex numbers with an imaginary part equal to zero. Z is approximately 130 x 10 kg / (m2 s). This number is X1 imaginary, that is, a complex number with a real part zero.

Z is afgeleid uit standaardmethodes voor een een verdeelde transmis-LZ is derived from standard methods for a distributed transmis-L

sielijn die rekening houden met de lengte, de akoestische snelheid en de dempingseigenschappen van het materiaal, zowel als met de eigenschappen van de akoestische belasting die in contact is met het materiaal.line that take into account the length, the acoustic velocity and the damping properties of the material, as well as the properties of the acoustic load in contact with the material.

waarin β de faseverschuivingsconstante is, 1 de lengte van het mate riaal is en j de vierkantswortel uit -1 is.where β is the phase shift constant, 1 is the length of the material, and j is the square root of -1.

(2) zoals hierboven gesteld is de van draad voorziene buis 66 in de figuren 3 en 4 vervaardigd van 6AL-4V titaan.(2) As stated above, the threaded tube 66 in Figures 3 and 4 is made of 6AL-4V titanium.

Deze legering van titaan heeft een geringe elasticiteitsmodulus.This titanium alloy has a low modulus of elasticity.

De elasticiteitsmodulus is gewoonlijk gedefinieerd als de verhouding tussen eenheid van trekspanning tot eenheid van rek, of als trekkracht per oppervlakte-eenheid, gedeeld door de verlenging per lengte-eenheid. Anders gesteld veroorzaakt bij een geringe modulus een kleine trekkracht een grote verlenging van de van draad voorziene buis 66. Overdreven vereenvoudigd betekent dit dat de van draad voorziene buis 66 van titaan gemakkelijk rekt.The modulus of elasticity is usually defined as the ratio between tensile stress unit to elongation unit, or tensile force per unit area, divided by elongation per unit length. Stated differently, at a low modulus, a small tensile force causes a great elongation of the wire tube 66. Exaggeratedly simplified, this means that the wire tube 66 of titanium easily stretches.

De geringe elasticiteitsmodulus is van belang omdat warmte-uitzetting en warmtesamentrekking van de van draad voorziene buis 66 die de reflector 43 en de resonator 46 bijeen houdt (daardoor druk uitoefenend op de piezo-electrische kristallen 53 en 56), de lengte van de buis 66 kunnen laten veranderen waarbij dus de op de piezo-electrische kristallen 53 en 56 uitgeoefende druk verandert, hetgeen ongewenst is. De geringe elasticiteitsmodulus vangt thermische veranderingen van de afmeting op. Een voorbeeld zal dit toelichten.The low modulus of elasticity is important because heat expansion and heat contraction of the threaded tube 66 holding the reflector 43 and resonator 46 together (thereby applying pressure to the piezoelectric crystals 53 and 56), the length of the tube 66 can change, thus changing the pressure applied to the piezoelectric crystals 53 and 56, which is undesirable. The low modulus of elasticity absorbs thermal changes in size. An example will explain this.

Verandering van de lengte onder invloed van warmte heeft uitsluitend invloed op onderdelen die links, in de richting van de pijl 130, van het oppervlak 80 in fig. 3 liggen, omdat de resonator 46 is vervaardigd van hetzelfde materiaal als de van draad voorziene buis 66 en dus de warmte-uitzettingscoëfficiënten van de buis 66 en de resonator 46 gelijk zijn. Wat betreft de onderdelen links van het oppervlak 80 zullen indien afkoeling van de omzetter 3 plaats vindt en indien de van draad voorziene buis 66 meer zal samentrekken dan de omzetter 3, de reflector 43 en de resonator 46 de kristallen 53 en 56 gaan indrukken door meer druk uit te oefenen. Echter biedt een geringe elasticiteitsmodulus de van draad voorziene buis 66 gelegenheid te rekken hetgeen de druk praktisch constant houdt. Dit wordt verder toegelicht onder verwijzing naar fig. 6.Changing the length under the influence of heat only affects parts lying to the left, in the direction of the arrow 130, of the surface 80 in Fig. 3, because the resonator 46 is made of the same material as the threaded tube 66 and thus the coefficients of thermal expansion of the tube 66 and the resonator 46 are equal. As for the parts to the left of the surface 80, when the converter 3 cools down and the threaded tube 66 contracts more than the converter 3, the reflector 43 and resonator 46 will depress crystals 53 and 56 by apply pressure. However, a low modulus of elasticity allows the threaded tube 66 to stretch, which keeps the pressure practically constant. This is further explained with reference to Fig. 6.

De wanden 132 en 134 stellen de einden voor van de reflector 43, respectievelijk de resonator 46 in fig. 3 die de omzetter 3 samendrukken. Veren 137 die de wanden 132 en 134 naar elkaar toe zullen trekken, stellen de van draad voorziene buis 66 voor die de reflector en de resonator bijeen houdt.The walls 132 and 134 represent the ends of the reflector 43 and the resonator 46 in Figure 3, respectively, which compress the transducer 3. Springs 137, which will pull the walls 132 and 134 together, represent the threaded tube 66 which holds the reflector and resonator together.

in het algemeen is de door een veer 137 uitgeoefende kracht evenredig met zijn lengteverandering, maar voor geringe lengte-veranderingen (van de grootste waarom het gaat bij warmte-uitzetting) kan worden aangenomen dat de kracht relatief constant is. Indien dus de warmte-uitzetting van de omzetter 3 de wand 134 naar de gestippeld getekende positie 134A zal drijven ten opzichte van de wand 132, strekken zich de veren 137 die een relatief constante tegenwerkende kracht die de omzetter 3 samendrukt, in stand houden. De van draad voorziene stang 66 in fig. 3 die als de veer 137 werkt, houdt de druk op de kristallen 53 en 56 op een betrekkelijk constante waarde.in general, the force exerted by a spring 137 is proportional to its change in length, but for slight changes in length (from the largest involved in heat expansion) it can be assumed that the force is relatively constant. Thus, if the thermal expansion of the converter 3 will drive the wall 134 to the dotted position 134A relative to the wall 132, the springs 137 maintain a relatively constant counteracting force that the converter 3 compresses. The threaded rod 66 in Fig. 3, which acts as the spring 137, maintains the pressure on crystals 53 and 56 at a relatively constant value.

De stang 66 in fig. 3 heeft een buitendiameter van 4,2 mm (0,164 inch), een binnendiameter van 1,6 mm (0,0625 inch) en een lengte tussen de van draad 'voorziene einden (dat wil zeggen de afmeting 130 die de afstand voorstelt tussen de einden 68 en 70) van 14,7 mm (0,580 inch). Deze afmetingen van de stang 66 geven daar- g aan een elasticteitsmodulus van in benadering 114 GPa (16,5 x 10 psi), die passend wordt geacht voor de diameter van de omzetter 3 die 10,0 mm (0,394 inch) is, en voor temperaturen die uiteenlopen van 16°C (60°F) tot 132°C (270°F).The rod 66 in Fig. 3 has an outer diameter of 4.2 mm (0.164 inch), an inner diameter of 1.6 mm (0.0625 inch), and a length between the threaded ends (i.e., the size 130 representing the distance between ends 68 and 70) of 14.7 mm (0.580 inch). These dimensions of the rod 66 thus indicate an elasticity modulus of approximately 114 GPa (16.5 x 10 psi), which is considered appropriate for the diameter of the transducer 3 which is 10.0 mm (0.394 inch), and for temperatures ranging from 16 ° C (60 ° F) to 132 ° C (270 ° F).

De stang 66 is beschreven als een veer die een geringe verlenging ondergaat in reactie op de uitzetting door warmte van de omzetter 3, waardoor dus slechts een geringe drukverandering op de kristallen 53 en 56 wordt uitgeoefend. Nu zal worden aangetoond dat de bijzondere configuratie van de uitvinding in fig. 3 een nog geringere drukverandering veroorzaakt in vergelijking met de schematische configuratie in fig. 6.The rod 66 has been described as a spring that undergoes a slight elongation in response to the thermal expansion of the converter 3, thus exerting only a slight pressure change on the crystals 53 and 56. It will now be shown that the particular configuration of the invention in Figure 3 causes an even smaller pressure change compared to the schematic configuration in Figure 6.

Aangenomen wordt dat de omzetter 3 in fig. 6 door warmte uitzet met 0,025 mm (0,001 inch) (dat wil zeggen de afmeting 132 is 0,025 mm (0,001 inch). Om constante druk op de omzetter 3 re houden moet de stang 66 in fig. 3 zowel (1) 0,025 mm (0,001 inch) uitzetten en (2) dezelfde veerkracht op de omzetter 3 houden, zoals hierboven is uiteengezet.The transducer 3 in Fig. 6 is believed to expand by 0.025 mm (0.001 inch) (that is, the size 132 is 0.025 mm (0.001 in)). To maintain constant pressure on the transducer 3, the rod 66 in Fig. 3. both expand (1) 0.025 mm (0.001 inch) and (2) maintain the same resilience on the converter 3, as explained above.

Volgens de wet van Hooke is het de relatieve verandering (niet de absolute verandering) van de lengte van een veer die de absolute verandering van de veerkracht bepaalt. In dit voorbeeld is, indien het rekkende gedeelte van de stang 66 even lang is als de omzetter 3 (dat wil zeggen het van draad voorziene eind 68 dat eindigt in het punt 135 zodat het rekkende gedeelte van de stang 66 evenalng is als de omzetter 3), en indien het rekkende gedeel te van de stang 66 25,4 mm (1 inch) lang is, de relatieve verandering van de stang 66 0,025/25 of 0,1%. Daarentegen is wanneer het rekkende gedeelte is als aangegeven in fig. 3 (zich uitstrekkend van het van draad voorziene eind 68 naar het van draad voorziene eind 70) de procentuele verandering geringer. Indien het rekkende gedeelte, de afstand 130, 76,2 mm (3 inch) lang is, is de relatieve verandering 0,0254/76,2 of 0,033%.According to Hooke's law, it is the relative change (not the absolute change) of the length of a spring that determines the absolute change of the spring force. In this example, if the stretching portion of the rod 66 is the same length as the transducer 3 (i.e., the threaded end 68 terminating at point 135 so that the stretching portion of the rod 66 is similar to the transducer 3 ), and if the stretching portion of the rod 66 is 25.4 mm (1 inch) long, the relative change of the rod 66 is 0.025 / 25 or 0.1%. In contrast, when the stretch portion is as shown in Fig. 3 (extending from the threaded end 68 to the threaded end 70), the percentage change is smaller. If the stretching portion, the distance is 130.76.2 mm (3 inches) long, the relative change is 0.0254 / 76.2 or 0.033%.

Daarom verschaft de configuratie volgens fig.Therefore, the configuration of FIG.

3 een verandering in de veerkracht die driemaal geringer is dan wanneer het rekkende gedeelte van de stang 66 evenlang is als de omzetter 3 (namelijk 0,033 ten opzichte van 0,1). Een reden voor deze vermindering van de verandering is dat de lengte van de erbij betrokken veer (de lengte 130) langer is dan de omzetter 3 waarvan de warmte-uitzetting indien deze niet wordt opgenomen, leidt tot het verhogen van de druk op de kristallen 53 en 56.3 a change in the spring force which is three times less than when the stretching portion of the rod 66 is the same length as the transducer 3 (namely 0.033 to 0.1). One reason for this reduction in the change is that the length of the spring involved (the length 130) is longer than the transducer 3 whose thermal expansion, if not absorbed, increases the pressure on the crystals 53 and 56.

Op andere wijze gezien wordt de warmte-uitzetting van het ene element (dat wil zeggen de omzetter) die er toe leidt dat de druk op dat element toeneemt (omdat het in een klem is geplaatst met klauwen in de vorm van de reflector 43 en de resonator 46) op te vangen door het rekken van de stang 66 die de klauwen bij elkaar houdt. Voorts is de zich rekkende stang 66 langer dan de uitzettende omzetter 3. Aldus is de relatieve verlenging van de stang geringer dan de relatieve verlenging van de omzetter.Seen another way, the thermal expansion of one element (i.e. the transducer) which causes the pressure on that element to increase (because it is placed in a clamp with claws in the form of the reflector 43 and the resonator 46) by stretching the rod 66 holding the claws together. Furthermore, the stretching rod 66 is longer than the expanding transducer 3. Thus, the relative elongation of the rod is less than the relative elongation of the transducer.

Het verschil in verlenging wordt verder toegelicht in fig. 7 waarin de reflectorklauw 43B en de resonatorklauw 46B de omzetter 3B tussen zich in geklemd houden. De stang 66B houdt de klauwen bij elkaar. Indien de omzetter 3B zich uitzet vanaf de afmeting 140 naar de afmeting 144, zet de stang 66B zich uit vanaf de afmeting 146 naar de afmeting 148. De absolute uitzetting van de omzetter (afmeting 150) is gelijk aan de absolute uitzetting van de stang 66 (afmeting 152), maar toch is de relatieve uitzetting van de stang 66B (afmeting 152/afmeting 146) geringer dan de relatieve uitzetting van de omzetter 3 (afmeting 150/afmeting 140). De verandering in de veerkracht die door de stang 66 wordt uitgeoefend, is dus kleiner dan in het geval de relatieve lengteverandering van de stang 66 gelijk zou zijn aan die van de omzetter 3.The elongation difference is further explained in Fig. 7 in which the reflector claw 43B and the resonator claw 46B keep the transducer 3B sandwiched between them. The rod 66B holds the claws together. If the converter 3B expands from the size 140 to the size 144, the rod 66B expands from the size 146 to the size 148. The absolute expansion of the converter (size 150) is equal to the absolute expansion of the rod 66 (size 152), yet the relative expansion of the rod 66B (size 152 / size 146) is less than the relative expansion of the converter 3 (size 150 / size 140). The change in the spring force exerted by the rod 66 is thus smaller than if the relative length change of the rod 66 were equal to that of the transducer 3.

Deze geringe verandering in de veerkracht zorgt voor een meer constante samendrukking die wordt uitgeoefend op de omzetter 3 in fig. 3: de warmte-uitzetting van de omzetter 3 wordt gedeeld over een langere veer, namelijk over een veer met lengte 130 die in de voorkeursuitvoering 14,7 mm (0,580 inch) is, in vergelijking met de lengte van de omzetter 3 die 5,6 mm (0,222 inch) is, de afmeting 140 in fig. 4.This slight change in the spring force provides a more constant compression applied to the converter 3 in Fig. 3: the heat expansion of the converter 3 is shared over a longer spring, namely over a spring of length 130 which in the preferred embodiment 14.7 mm (0.580 inch), compared to the length of the converter 3 which is 5.6 mm (0.222 inch), is the size 140 in Fig. 4.

Opgemerkt moet worden dat zowel de kracht van de warmte-uitzetting en de veerkracht van de van draad voorziene stang 66 aanzienlijk groter zijn dan de drukkrachten die door de akoestische pulsen worden uitgeoefend. Dat wil zeggen dat de van draad voorziene stang 66 in het gedeelte 130 in fig. 3 niet op aanzienlijke wijze wordt verlengd bij de akoestische frequentie van ongeveer 29 kilohertz door middel van de akoestische pulsen.It should be noted that both the heat expansion force and the resilience of the threaded rod 66 are significantly greater than the compressive forces exerted by the acoustic pulses. That is, the threaded rod 66 in the portion 130 in FIG. 3 is not significantly extended at the acoustic frequency of about 29 kilohertz by the acoustic pulses.

(3) de oppervlakken van de elementen die aan de grensvlakken 79 en 80 in fig. 3 bijeenkomen, zijn geslepen en gepolijst tot een vlakheid binnen 2,5 micrometer (1/10.000 inch), of anders gezegd tot een nummer 2 micro-afwerking.(3) the surfaces of the elements meeting at the interfaces 79 and 80 in Figure 3 are ground and polished to a flatness within 2.5 micrometers (1 / 10,000 inch), or in other words to a number 2 micro finish .

(4) De effectieve impedantie van de resonator 46, zoals gezien door het kristal 56, wordt beïnvloed door de belasting op de naald 94. (Wanneer de naald energie levert aan een cataract, wordt de naald "belast".) Vanuit een bepaald gezichtspunt verandert de impedantie van de resonator 46 bij belasting. Op dezelfde wijze beïnvloedt de aanwezigheid van resten in de buis 110 binnenin de resonator 46 de impedantie van de resonator. Gegeven de omstandigheid dat de Q van de resonator 46 zeer scherp is, in de orde van grote van 1000 tot 2000, is als gevolg daarvan de bandbreedte zeer gering, in de orde van grote van 15 tot 40 hertz. Daarom moet de frequentie van het ingangssignaal dat wordt aangeboden aan de omzetter 3, voortdurend worden aangepast aan de zich veranderende resonantiefre-quentie van de resonator 46. De in de hierboven geïdentificeerde octrooiaanvrage beschreven inrichting bewerkstelligt een dergelijke aanpassing.(4) The effective impedance of the resonator 46, as seen through the crystal 56, is affected by the load on the needle 94. (When the needle supplies energy to a cataract, the needle is "loaded".) From a certain point of view changes the impedance of resonator 46 under load. Likewise, the presence of residues in the tube 110 within the resonator 46 affects the impedance of the resonator. Given the fact that the Q of the resonator 46 is very sharp, of the order of magnitude from 1000 to 2000, the bandwidth is consequently very small, of the order of magnitude of 15 to 40 hertz. Therefore, the frequency of the input signal applied to the converter 3 must be continuously adapted to the changing resonance frequency of the resonator 46. The arrangement described in the above-identified patent application accomplishes such adjustment.

Talloze wijzigingen en vervangingen kunnen worden ondernomen zonder af te wijken van de ware geest en strekking van de uitvinding als omschreven in de volgende conclusies.Numerous modifications and replacements can be made without departing from the true spirit and scope of the invention defined in the following claims.

Claims (15)

1. In een . faco-emulsieficatie-sonde met een golfpijp die een mechanische oscillator koppelt met een naald die door de oscillator in trilling wordt gebracht, de verbetering die omvat: a) een reflector die met de oscillator is gekoppeld om de hoeveelheid akoestische energie die aan de naald wordt geleverd, te vergroten.1. In one. phacoemulsification probe with a waveguide that couples a mechanical oscillator to a needle which vibrates by the oscillator, the improvement comprising: a) a reflector coupled to the oscillator to measure the amount of acoustic energy applied to the needle supplied. 2. Inrichting voor het in trilling brengen van een naald, omvattende: a) een mechanische oscillator; b) een koppeling in akoestisch contact met de oscillator en die i) in resonantie is bij een frequentie die met de oscillator bereikbaar is, en ii) die de naald draagt; en c) een reflector in akoestisch contact met de oscillator voor het vergroten van het rendement van de levering van akoestische energie aan de naald.A needle vibrating device, comprising: a) a mechanical oscillator; b) a coupling in acoustic contact with the oscillator and which i) is in resonance at a frequency achievable with the oscillator, and ii) which carries the needle; and c) a reflector in acoustic contact with the oscillator for increasing the efficiency of the delivery of acoustic energy to the needle. 3. Inrichting voor het in trilling brengen van een naald, omvattende; a) een omzetterorgaan voor het stralen van ultrasone energie in een eerste en een tweede richting; b) een orgaan voor het koppelen van ultrasone energie die in de eerste richting straalt, met de naald; en c) een reflectororgaan voor het reflecteren van ultrasone energie die in de tweede richting straalt, naar de naald toe.3. Device for vibrating a needle, comprising; a) a transducer for radiating ultrasonic energy in a first and a second direction; b) a means for coupling ultrasonic energy radiating in the first direction with the needle; and c) a reflector for reflecting ultrasonic energy radiating in the second direction towards the needle. 4. In een faco-emulsieficatie-sonde met een piezo-electrisohe oscillator die tussen twee elementen is gedrukt, de verbetering die omvat: a) een gespannen onderdeel dat zich uitstrekt tussen de twee elementen en dat een elasticiteitsmodulus heeft zodanig dat de spanning praktisch constant blijft bij verandering van de temperatuur.4. In a phacoemulsification probe with a piezoelectric oscillator pressed between two elements, the enhancement comprising: a) a tensioned member extending between the two elements and having a modulus of elasticity such that the tension is practically constant remains with temperature change. 5. Een faco-emulsieficatie-sonde, omvattende: a) een piezo-electrisch element met een eerste en een tweede vlak; b) een impedantie-aanpassingshoorn voor het overdragen van akoestische energie vanuit het eerste vlak naar een naald; en c) een reflector die in aanraking is met het tweede vlak en die een akoestische impedantie heeft zodanig dat de reflectie-coëfficiënt in het contactgebied een reëele component heeft die groter is dan ongeveer 0,9.A phacoemulsification probe, comprising: a) a piezoelectric element with a first and a second face; b) an impedance matching horn for transferring acoustic energy from the first plane to a needle; and c) a reflector in contact with the second face and having an acoustic impedance such that the reflection coefficient in the contact area has a real component greater than about 0.9. 6. Een faco-emulsieficatie-sonde, omvattende: a) een paar piezo-electrische kristallen, gescheiden door een electrode, en met een eerste en een tweede vlak; b) een impedantie-aanpassingshoorn voor het overdragen van akoestische energie vanuit het eerste vlak naar een naald; en c) een reflector van wolfraam in contact met het tweede vlak voor het reflecteren van akoestische energie naar de impedantie-aanpassingshoorn.A phacoemulsification probe, comprising: a) a pair of piezoelectric crystals separated by an electrode, and having a first and a second face; b) an impedance matching horn for transferring acoustic energy from the first plane to a needle; and c) a tungsten reflector in contact with the second face for reflecting acoustic energy to the impedance matching horn. 7. Inrichting volgens conclusie 6, en verder omvattende: d) een samendrukkingsorgaan voor het samendrukken van het paar piezo-electrische kristallen tussen de impedantie-aanpassingshoorn en de reflector van wolfraam, waarbij het samendrukkingsorgaan een zodanige elasticiteitsmodulus heeft dat de samendrukking van het paar piezo-electrische kristallen praktisch constant blijft bij wijziging van de temperatuur.The device of claim 6, and further comprising: d) a compression member for compressing the pair of piezoelectric crystals between the impedance matching horn and the tungsten reflector, the compression member having a modulus of elasticity such that the compression of the piezo pair -electric crystals remain practically constant when the temperature changes. 8. In een faco-emulsieficatie-sonde met een oscillator die tussen twee elementen is samengedrukt, de verbetering die omvat: a) een veerorgaan dat de twee elementen verbindt om de druk op de oscillator praktisch constant te houden bij verandering van de temperatuur.8. In a phacoemulsification probe with an oscillator compressed between two elements, the improvement includes: a) a spring member connecting the two elements to keep the pressure on the oscillator practically constant as the temperature changes. 9. Inrichting volgens conclusie 8, waarin het veerorgaan een veerconstante heeft die praktisch onveranderlijk is over de verlenging van het veerorgaan die wordt veroorzaakt door temperatuurveranderingen. 10. in een faco-emulsieficatie-sonde de verbetering die omvat: a) een piezo-electrische oscillator: b) een akoestische resonator die aanligt tegen een eerste vlak van de piezo-electrische oscillator om akoestische energie uit de oscillator vandaan over te dragen; c) een akoestische reflector die tegen een tweede vlak van de piezo-electrische oscillator dat van het eerste vlak is afgekeerd, aanligt om akoestische energie in de oscillator te reflecteren; c) een onderdeel dat de resonator en de reflector zo verbindt dat spanning in het onderdeel samendrukking van de oscillator veroorzaakt, waarbij het onderdeel een zodanige elasticiteitsmodu-lus heeft dat temperatuurveranderingen geen verandering van betekenis in de samendrukking van de oscillator veroorzaken.The device of claim 8, wherein the spring member has a spring constant which is substantially unchanging over the extension of the spring member caused by temperature changes. 10. in a phacoemulsification probe, the enhancement comprising: a) a piezoelectric oscillator: b) an acoustic resonator that abuts a first face of the piezoelectric oscillator to transmit acoustic energy from the oscillator; c) an acoustic reflector resting against a second face of the piezoelectric oscillator facing away from the first face to reflect acoustic energy in the oscillator; c) a part connecting the resonator and the reflector such that stress in the part causes compression of the oscillator, the part having a modulus of elasticity such that temperature changes do not cause a significant change in the compression of the oscillator. 11. Een faco-emulsieficatie-sonde, omvattende; a) de volgende elementen in de volgende ruimtelijke volgorde op een as: i) een steun voor een naald; ii) een akoestische resonator met een Q die groter is dan 1000, en die de steun draagt: iii) een eerste piezo-electrisch kristal dat aanligt tegen de akoestische resonator; iv) een electrode die aanligt tegen het eerste piezo-electrische kristal; v) een tweede piezo-electrisch kristal dat aanligt tegen de electrode en dat een akoestische impedantie Z heeft; o vi) een reflector die aanligt tegen het tweede piezo-electrische kristal en een zodanige akoestische impedantie heeft dat het reëele deel van de reflectiecoëfficiënt tussen de reflector en het tweede piezo-electrische kristal positief is en groter is dan ongeveer 0,9.A phacoemulsionation probe, comprising; (a) the following elements in the following spatial order on an axis: (i) a needle support; ii) an acoustic resonator with a Q greater than 1000 and carrying the support: iii) a first piezoelectric crystal that abuts the acoustic resonator; iv) an electrode that abuts the first piezoelectric crystal; v) a second piezoelectric crystal that abuts the electrode and has an acoustic impedance Z; o vi) a reflector which abuts the second piezoelectric crystal and has an acoustic impedance such that the real part of the reflection coefficient between the reflector and the second piezoelectric crystal is positive and is greater than about 0.9. 12. Inrichting volgens conclusie 11, en verder omvattende: b) een kanaal dat is opgesloten binnenin de elementen volgens alinea a); en c) een buis die het kanaal omgeeft en de resonator verbindt met de reflector en die onder spanning is hetgeen de resona- tor en de reflector de piezo-electrische kristallen laat samendrukken, en die een zodanige elasticiteitsmodulus heeft dat de samendrukking van de piezo-electrische kristallen praktisch constant blijft bij verandering van temperatuur.The device of claim 11, and further comprising: b) a channel enclosed within the elements of paragraph a); and c) a tube surrounding the channel and connecting the resonator to the reflector and which is under tension which causes the resonator and the reflector to compress the piezoelectric crystals, and having a modulus of elasticity such that the compression of the piezoelectric electric crystals remain practically constant when the temperature changes. 13. Inrichting volgens conclusie 11, waarin de electrode onvervormbaar is door trilling van de piezo-electrische kristallen.The device of claim 11, wherein the electrode is deformable by vibration of the piezoelectric crystals. 14. Bij het gebruik van een faco-emulsieficatie-sonde die is voorzien van een mechanische oscillator die is gekoppeld met een naald, de verbetering die de volgende stap omvat: a) het naar de naald toe reflecteren van energie uit de oscillator die van de naald wegloopt.14. When using a phacoemulsification probe fitted with a mechanical oscillator coupled to a needle, the enhancement includes the following step: a) reflecting energy from the oscillator toward the needle needle runs out. 15. De werkwijze volgens conclusie 14, waarin de gereflecteerde energie in praktisch dezelfde fase-betrekking wordt geplaatst met andere energie die naar de naald toeloopt.The method of claim 14, wherein the reflected energy is placed in substantially the same phase relationship with other energy flowing towards the needle. 15. De werkwijze volgens conclusie 14, waarin de reflectie plaats vindt aan een grensvlak met een positieve akoestische reflectiecoëfficiënt bij de frequentie van de mechanische oscillator. -o-o-o-The method of claim 14, wherein the reflection occurs at an interface with a positive acoustic reflection coefficient at the frequency of the mechanical oscillator. -o-o-o-