NL8921049A - Elektromechanische omzetter voor faco-emulsificatie. - Google Patents

Description

ELECTROMECHANISCHE OMZETTER VOOR FACQ-EMÜLSIFICATIE

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting die een holle naald bij ultrasone frequenties in trilling brengt.

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.

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING - BEKENDE TECHNIEK

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.

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.

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.

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.

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.

DOELEN VAN DE UITVINDING

Het is een doel van de uitvinding een nieuwe en verbeterde ultrasone omzetter te verschaffen.

Het is een ander doel van de uitvinding een reflector voor een ultrasone omzetter te verschaffen die het verlies aan akoestische energie vermindert.

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.

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.

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.

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.

SAMENVATTING VAM DE UITVINDING

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.

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.

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENING

Pig. 1 toont een sonde voor faco-emulsieficatie zoals toegepast in de bekende techniek.

Pig. 2 toont de extrusie die kan optreden in een electrode 15 in fig. 1.

Fig. 3 en fig. 4 tonen een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Fig. 5 toont de reflectie van akoestische golven door middel van een reflector 43 in fig. 4.

Fig. 6 toont schematisch de samendrukking van de omzetter 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. 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.

BESCHRIJVING IN BIJZONDERHEDEN VAN DE UITVINDING

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.

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.

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).

Bij het bijeenbrengen van de onderdelen 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.

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.)

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.

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.

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.

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,

Missouri onder de productnaam "DAISY". In het blokschema 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.

Omdat het een stelsel met een gesloten lus is.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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°).

De voornaamste ontwerpmethodes die werden gebruikt voor het omzettersamenstel, veronderstelden om te beginnen dat de transmissiemedia voor de akoestische golven zonder verlies zijn.

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.

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.

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:

In deze vorm stelt Z de specifieke akoestische

L

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 0

impedantie Z . De nummerieke waarde van de specifieke akoestische 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.

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.

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.

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 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.

Z is afgeleid uit standaardmethodes voor een een verdeelde 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.

waarin β de faseverschuivingsconstante is, 1 de lengte van het mate riaal is en j de vierkantswortel uit -1 is.

(2) zoals hierboven gesteld is de van draad voorziene buis 66 in de figuren 3 en 4 vervaardigd van 6AL-4V titaan.

Deze legering van titaan heeft een geringe elasticiteitsmodulus.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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%.

Daarom verschaft de configuratie volgens 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.

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.

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.

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.

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.

(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.

(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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

13. Inrichting volgens conclusie 11, waarin de electrode onvervormbaar is door trilling van de piezo-electrische kristallen.

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.

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.

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-