SE468197B

SE468197B - Device for generating oscillations in a needle and process for operating a phacoemulsification probe

Info

Publication number: SE468197B
Application number: SE9001916A
Authority: SE
Inventors: K L Klug
Original assignee: Storz Instr Co
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1990-05-29
Publication date: 1992-11-23
Also published as: NL8921049A; EP0389615A1; SE9001916D0; WO1990003150A1; CH678700A5; GB2229924A; JPH03502540A; EP0389615A4; GB9011289D0; GB2229924B; SE9001916L

Abstract

The invention relates to a device for generating oscillations in a needle, especially for a phacoemulsification probe, having an oscillator and a wave guide which physically couples together the needle 94 and the oscillator. A reflector 43 compresses the oscillator 3 against the wave guide by means of a spring member in the form of a tube 66 connecting the reflector 43 and the wave guide. The invention further relates to a process for operating a phacoemulsification probe having a mechanical oscillator 3 coupled to a needle 96. The energy generated by the oscillator and directed away from the needle is reflected towards the needle by a reflector 43 and the oscillator is compressed between the reflector 43 and a wave guide by a spring member in the form of a tube 66. <IMAGE>

Description

15 20 25 30 35 2 Dessa luftspalter försämrar den akustiska kopplingen mel- lan ytorna 30 och 33, och minskar således effektiviteten hos överföringen av ultraljudsenergi in i röret 6. För det andra försämrar luftspalterna den elektriska kontakten mellan elektroden 15 och kristallerna 9 och 12. God elek- trisk kontakt är nödvändig för att avsätta den elektriska laddning som inducerar den piezoelektriska rörelsen hos kristallerna 9 och 12. För det tredje avlastar utpress- ningen det mekaniska tryck som ursprungligen pålades kris- tallerna 9 och 12. Dvs kristallerna är förspända i kom- pression av mekaniska krafter som visas av pilarna 36 och 39 i fig 1. Elektroden 15 reagerar för krafterna 36 och 39. Den ändring av elektrodtjockleken som orsakas av ut- pressningen minskar reaktionen, minskar kompressionen och bringar således kristallerna 9 och 12 att bli obelastade och att arbeta under icke-optimala förhållanden. These air gaps impair the acoustic coupling between the surfaces 30 and 33, thus reducing the efficiency of the transmission of ultrasonic energy into the tube 6. Second, the air gaps impair the electrical contact between the electrode 15 and the crystals 9 and 12. Good electrical contact is necessary to deposit the electric charge that induces the piezoelectric movement of the crystals 9 and 12. Thirdly, the extrusion relieves the mechanical pressure that was originally applied to the crystals 9 and 12. That is, the crystals are biased in the grain. pressure of mechanical forces shown by arrows 36 and 39 in Fig. 1. The electrode 15 reacts to the forces 36 and 39. The change in the electrode thickness caused by the extrusion reduces the reaction, reduces the compression and thus causes the crystals 9 and 12 to become unloaded. and to work under non-optimal conditions.

En andra egenskap hos sonden i fig 1 är att betydande akustisk energi, som anges med vågorna 40, strålar bort från och inte in i röret 6. Vågorna 40 överför inte energi till nålen 24; deras energi går förlorad.A second feature of the probe of Fig. 1 is that significant acoustic energy, indicated by the waves 40, radiates away from and not into the tube 6. The waves 40 do not transmit energy to the needle 24; their energy is lost.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en ny och förbättrad ultraljudsomvandlare.An object of the present invention is to provide a new and improved ultrasonic transducer.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en reflektor för en ultraljudsomvandlare som minskar förlusten av akustisk energi.Another object of the present invention is to provide a reflector for an ultrasonic transducer which reduces the loss of acoustic energy.

Ytterligare ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en elektrod för en ultraljudsomvandlare som motstår utpressning och deformation inducerad av den cykliska böjningen av omvandlaren.A further object of the present invention is to provide an electrode for an ultrasonic transducer which resists squeezing and deformation induced by the cyclic bending of the transducer.

Ytterligare ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en apparat som pålägger ett väsentligen kons- tant tryck på en ultraljudsomvandlare, oberoende av tempe- raturförändringar.Yet another object of the invention is to provide an apparatus which applies a substantially constant pressure to an ultrasonic transducer, independent of temperature changes.

Ytterligare ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en fakcemulgeringssond som infångar och reflek- terar akustisk energi, som annars skulle gå förlorad, i riktning mot en nål, och som bibehåller en akustisk om- 10 15 20 25 30 35 468 197 3 vandlare i en väsentligen konstant kompressionsgrad, obe- roende av temperaturändringar.Yet another object of the invention is to provide a facsimile probe which captures and reflects acoustic energy, which would otherwise be lost, in the direction of a needle, and which maintains an acoustic transducer in a substantially constant degree of compression, independent of temperature changes.

Ytterligare ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett unikt levereringssystem för akustisk ener- gi, viket inbegriper både en automatisk frekvensanpass- ningsförmåga som upprätthåller stabila oscillationssig- naler över ett specificerat frekvensområde och en last- kompensationsmekanism som följer den akustiska lastens förändrande energibehov och säkerställer maximal energi- överföring till lasten över ett specificerat omrâde av lasttillståndsvariation.Yet another object of the invention is to provide a unique acoustic energy delivery system which includes both an automatic frequency adaptive capability which maintains stable oscillation signals over a specified frequency range and a load compensation mechanism which follows the acoustic energy requirements and maximum energy transfer to the load over a specified range of load state variation.

Ytterligare ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande för drift av en fakoemulgerings- sond.Yet another object of the invention is to provide a method of operating a phacoemulsification probe.

Anordningen enligt uppfinningen kännetecknas av att en reflektor pressar ihop oscillatorn mot vàgledaren medelst ett fjäderorgan i form av ett rör som förbinder ett fjäderorgan i form av ett rör som förbinder reflektorn och vågledaren.The device according to the invention is characterized in that a reflector compresses the oscillator against the waveguide by means of a spring means in the form of a tube which connects a spring means in the form of a tube which connects the reflector and the waveguide.

Förfarandet enligt uppfinningen kännetecknas av att den från nålen riktade, av oscillatorn alstrade energin reflekteras i riktning mot nålen av en reflektor; och att oscillatorn pressas ihop mellan reflektorn och en vågle- dare av ett fjäderorgan i form av ett rör.The method according to the invention is characterized in that the energy directed from the needle, generated by the oscillator, is reflected in the direction of the needle by a reflector; and that the oscillator is compressed between the reflector and a waveguide of a spring member in the form of a tube.

I en form av uppfinningen är en omvandlarsandwich med piezoelektrisk kristall belägen mellan ett medium med hög akustisk impedans, benämnd en reflektor, och ett medium med låg akustisk impedans, benämnd en resonator. Resona- torimpedansen är avstämd till den akustiska lasten och överför därigenom maximal energi från omvandlaren till lasten. Högimpedansreflektorn àtervinner akustisk energi som annars skulle gå förlorad och återriktar den via den resonatorakustiska vägen i riktning mot lasten. Resultatet är en mer effektiv energiöverföring jämfört med mekanismer enligt teknikens ståndpunkt. 10 15 20 25 30 35 o\ oo ...ä- wo \a 4 Automatisk frekvens- och lastanpassningsförmâga ås- tadkommes elektroniskt av en fakoemulgeringsstyrkrets. Ett optimalt förhållande med nästan konstant mekanisk spänning upprätthålls för de piezoelektriska omvandlarna över ett angivet arbetstemperaturomràde av en unik, böjlig klämme- kanism. Ett optimalt mekaniskt spänningsförhàllande upp- rätthálls för nåluppbärningen av resonatorn som är en akustisk horn- och rörkombination ("horn and tube combina- tion") som har en form som nära approximerar den ideala katenoidhornanordningen ("catenoidal horn assembly").In one form of the invention, a piezoelectric crystal transducer sandwich is located between a high acoustic impedance medium, called a reflector, and a low acoustic impedance medium, called a resonator. The resonator impedance is tuned to the acoustic load and thereby transfers maximum energy from the converter to the load. The high impedance reflector recovers acoustic energy that would otherwise be lost and redirects it via the resonator acoustic path in the direction of the load. The result is a more efficient energy transfer compared to prior art mechanisms. 10 15 20 25 30 35 o \ oo ... ä- wo \ a 4 Automatic frequency and load adaptability is electronically applied by a phacoemulsification control circuit. An optimum ratio with almost constant mechanical voltage is maintained for the piezoelectric transducers over a specified operating temperature range by a unique, flexible clamping mechanism. An optimal mechanical voltage ratio is maintained for the needle support of the resonator, which is an acoustic horn and tube combination ("horn and tube combination") that has a shape that closely approximates the ideal catenoidal horn assembly.

Fig 1 visar en fakoemulgeringssond enligt teknikens ståndpunkt.Fig. 1 shows a prior art phacoemulsification probe.

Fig 2 visar den utpressning som kan inträffa i elek- troden 15 i fig l.Fig. 2 shows the squeezing that can occur in the electrode 15 in Fig. 1.

Fig 3 och 4 visar en form av uppfinningen.Figures 3 and 4 show a form of the invention.

Fig 5 visar reflektion av akustiska vågor av reflek- torn 43 i fig 4.Fig. 5 shows reflection of acoustic waves by the reflector 43 in Fig. 4.

Fig 6 visar schematiskt kompressionen av omvandlaren 3 i fig 3.Fig. 6 schematically shows the compression of the transducer 3 in Fig. 3.

Fig 7 visar schematiskt expansionen av en stav 66B, som representerar staven 66 i fig 3, vilket inträffar för att upprätthålla konstant tryck på omvandlaren 3B i fig 7.Fig. 7 schematically shows the expansion of a rod 66B, which represents the rod 66 in Fig. 3, which occurs to maintain constant pressure on the transducer 3B in Fig. 7.

Fig 8 visar en krets som till en omvandlare åstadkom- mer en signal som har samma frekvens som resonansfrekven- sen för en last pà omvandlarenf ” Fig 3 visar en form av uppfinningen, medan fig 4 vi- sar uppfinningen fràn fig 3, men som sprängskiss i förenk- lad, schematisk form. I dessa figurer är en ultraljudsom- vandlare 3 belägen mellan en reflektor 43 och en resonator 46. Omvandlaren innefattar en elektrod 50, konstruerad av ohärdat #01-kolstàl, och tvà piezoelektriska kristaller 53 och 56, konstruerade av ett modifierat bly-zirkonat-tita- nat-keramiskt material, format till ringar, silverbelagda för elektrisk ledningsförmàga och marknadsförda under han- delsnamnet PXE av "the Electronic Components and Materials Division of North American Phillips Corporation". En tapp 59, som är fäst i elektroden, medger anslutning till en 10 15 20 25 30 35 468 197 5 kraftkälla. Ett isolerande rör 61 passar i en borrning 63 i omvandlaren 3. Reflektorn 43 är fäst i resonatorn 46 medelst ett ihàligt, gängat rör 66, som passar med gängade områden 68 och 70 i reflektorn och resonatorn.Fig. 8 shows a circuit which provides a converter with a signal having the same frequency as the resonant frequency of a load on the converter. Fig. 3 shows a form of the invention, while Fig. 4 shows the invention from Fig. 3, but as an exploded view. in simplified, schematic form. In these figures, an ultrasonic transducer 3 is located between a reflector 43 and a resonator 46. The transducer comprises an electrode 50, constructed of uncured # 01 carbon steel, and two piezoelectric crystals 53 and 56, constructed of a modified lead-zirconate titanium. Nat ceramics, ring-shaped, silver-plated for electrical conductivity and marketed under the trade name PXE by the Electronic Components and Materials Division of the North American Phillips Corporation. A pin 59, which is attached to the electrode, allows connection to a power source. An insulating tube 61 fits into a bore 63 in the transducer 3. The reflector 43 is attached to the resonator 46 by means of a hollow, threaded tube 66 which fits with threaded areas 68 and 70 in the reflector and the resonator.

Både det ihåliga röret 66 och resonatorn 46 är kon- struerade av 6AL-4V-titan. Reflektorn 43 är konstruerad av #17 volfram. Den isolerande hylsan 61 är konstruerad av Teflon, som är ett varumärke för DuPont Chemical Corpora- tion.Both the hollow tube 66 and the resonator 46 are constructed of 6AL-4V titanium. The reflector 43 is constructed of # 17 tungsten. The insulating sleeve 61 is designed by Teflon, which is a trademark of DuPont Chemical Corporation.

Vid montering av komponenterna i fig 4 till den full- ständiga anordningen i fig 3 gängas det gängade röret 66 först in i resonatorn 46 tills en ände 72 i fig 3 anligger mot en ansats 75. Sedan gängas reflektorn 43 på det gänga- de röret 66 för att trycka ihop omvandlaren 3. Kompres- sionsgraden bestäms medelst följande metod.When mounting the components of Fig. 4 to the complete device of Fig. 3, the threaded tube 66 is first threaded into the resonator 46 until one end 72 of Fig. 3 abuts a shoulder 75. Then the reflector 43 is threaded onto the threaded tube 66. to compress the transducer 3. The degree of compression is determined by the following method.

En kondensator 77 på två mikrofarad ansluts över den piezoelektriska kristallen 56, såsom visas i fig 3. Denna anslutning placerar kondensatorn 77 parallellt med kris- tallerna 53 och 56. Detta parallella arrangemang exciste- rar eftersom det gängade röret 66 elektriskt förbinder reflektorn 43 med resonatorn 46 och således placerar resonatorn 46 och reflektorn 43 på samma elektriska potential. (Dvs kristallernas ytor 79 och 80 är båda elektriskt anslutna till kondensatorns 77 ledning 83, medan ytorna 85 och 86 är anslutna med ledningen 89.) Efter placering av kondensatorn 77 parallellt med kristallerna 53 och 56 flyttas reflektorn 43 fram mot re- sonatorn 46 genom vridning av det gängade röret 66 tills de piezoelektriska kristallerna är komprimerade till den grad att spänningen över kondensatorn 77 når 0,75 V. Vid denna tidpunkt stoppas reflektorns 43 avancemang, och de piezoelektriska kristallerna 53 och 56 är nu komprimerade på ett riktigt sätt.A two-pass capacitor 77 is connected across the piezoelectric crystal 56, as shown in Fig. 3. This connection places the capacitor 77 parallel to the crystals 53 and 56. This parallel arrangement exists because the threaded tube 66 electrically connects the reflector 43 to the resonator. 46 and thus places the resonator 46 and the reflector 43 at the same electrical potential. (Ie the surfaces 79 and 80 of the crystals are both electrically connected to the line 83 of the capacitor 77, while the surfaces 85 and 86 are connected to the line 89.) After placing the capacitor 77 parallel to the crystals 53 and 56, the reflector 43 is moved towards the resonator 46 through rotating the threaded tube 66 until the piezoelectric crystals are compressed to the point that the voltage across the capacitor 77 reaches 0.75 V. At this time, the advancement of the reflector 43 is stopped, and the piezoelectric crystals 53 and 56 are now properly compressed.

En anledning till att man gör denna speciella typ av spänningsmätning, med användning av kondensatorn 77, är att kristallernas 53 och 56 totala kapacitans är approxi- mativt 600-700 pikofarad. Den elektriska laddningssepara- 4 10 15 20 25 30 35 8 6 197 6 tionen, vilken induceras genom kompression mellan kristal- lernas reflektor 43 och resonator 46, skulle med en sådan liten kapacitans alstra en hög spänning i storleksord- ningen hundratals volt. Mätning av en sådan spänning under dessa förhållanden är svårt, åtminstone av den anledningen att en mycket liten RC-tidskonstant resulterar från kombi- nationen av naturlig kristallkapacitans och voltmeterns ingångsresistans.One reason for making this particular type of voltage measurement, using capacitor 77, is that the total capacitance of crystals 53 and 56 is approximately 600-700 picofarads. The electric charge separation, which is induced by compression between the reflector 43 of the crystals and the resonator 46, would with such a small capacitance generate a high 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 results from the combination of the natural resistance of the crystal capacitance and the voltmeter.

Anordningen i fig 3 kan användas på följande sätt. En fakoemulgeringsnål 94, som är känd inom tekniken, såsom modell nr IA-145, tillgänglig från Storz Instrument Com- pany, beläget i St. Louis, Missouri, skruvas in i en gäng- ad ände av resonatorn 46. Vid användning vibrerar nålen i längdriktningen genom omväxlande kompression till det hel- dragna läget 94 och expansion till det streckade läget 98.The device in Fig. 3 can be used in the following way. A phacoemulsification needle 94, known in the art, such as model No. IA-145, available from Storz Instrument Company, located in St. Louis, Missouri, is screwed into a threaded end of the resonator 46. In use, the needle vibrates longitudinally through alternating compression to the solid position 94 and expansion to the dashed position 98.

Vibrationsförskjutningen, som anges med dimensionen 101, är ca 5/1000-delar av en tum (0,127O mm). Nålens vibration inträffar vid oscillationsfrekvensen för de piezoelekt- riska kristallerna 53 och 56, vilka är kopplade till nålen 94 via resonatorn 46. Resonatorns 46 krökta område 104 verkar som ett horn för impedansanpassning av kristallen 56 till nålen 94, för maximering av energiflödet till nålen 94. Resonatorn 46 fungerar som en helhet som en 1/4-våglängdsöverföringslinje (vid kristallfrekvensen), på vilken nålen 94 verkar som en last.The vibration displacement, indicated by the dimension 101, is about 5 / 1000ths of an inch (0.127O mm). The vibration of the needle occurs at the oscillation frequency of the piezoelectric crystals 53 and 56, which are connected to the needle 94 via the resonator 46. The curved region 104 of the resonator 46 acts as a horn for impedance matching of the crystal 56 to the needle 94, to maximize the energy flow to the needle 94. The resonator 46 acts as a whole as a 1/4 wavelength transmission line (at the crystal frequency), on which the needle 94 acts as a load.

Kristallerna 53 och 56 i fig 3 drivs av en signal som påläggs elektroden 50 och reflektorn 43. Påläggningen av en växelströmsignal till kristallerna 53 och 56 bringar dem att cykliskt expandera till det streckade läget 107, som visas i överdriven form i fig 4, och sedan dra ihop sig till det heldragna läge som visas. Denna cykliska ex- pansion och kontraktion pålägger mekaniska pulser på reso- natorn 46 vid signalfrekvensen.The crystals 53 and 56 in Fig. 3 are driven by a signal applied to the electrode 50 and the reflector 43. The application of an AC signal to the crystals 53 and 56 causes them to cyclically expand to the dashed position 107, which is shown in exaggerated form in Fig. 4, and then contract to the solid position shown. This cyclic expansion and contraction imposes mechanical pulses on the resonator 46 at the signal frequency.

Den signalfrekvens som driver elektroden 50 och ref- lektorn 43 är företrädesvis 28,0-29,0 kilohertz. Ett sys- tem för påläggning av en sådan drivsignal till kristaller- na 53 och 56 beskrivs i det amerikanska patentet nr 10 15 20 25 30 35 468 '397 7 4 933 843. Denna ansökan inbegripes härmed som referens.The signal frequency driving the electrode 50 and the reflector 43 is preferably 28.0-29.0 kilohertz. A system for applying such a drive signal to crystals 53 and 56 is described in U.S. Patent No. 10,158,25,308,468, 397,747,933,843. This application is hereby incorporated by reference.

En utföringsform av ett sådant system är tillgängligt från Storz Instrument Company, St. Louis, Missouri, under produktnamnet "DAISY".An embodiment of such a system is available from Storz Instrument Company, St. Louis, Missouri, under the product name "DAISY".

En typ av krets som används i DAISY-systemet för att pålägga en elektrisk signal för drivning av omvandlaren vid dess resonansfrekvens visas i blockschemat i fig 8. I föreliggande förklaring är omvandlaren 3 utformad som ett RLC-serieresonansnät som är parallellt med en kapacitans då det arbetar under last och nära omvandlarens resonans- frekvens. Denna modell av omvandlaren visas inte i fig 8.A type of circuit used in the DAISY system to apply an electrical signal to drive the converter at its resonant frequency is shown in the block diagram in Fig. 8. In the present explanation, the converter 3 is designed as an RLC series resonant network which is parallel to a capacitance when operates under load and close to the resonant frequency of the converter. This model of the converter is not shown in Fig. 8.

Eftersom den är ett system med sluten slinga, är drivkretsen väsentligen en oscillator som uppfyller Bark- hausenkriteriet för oscillation: nollfasskift och sling- förstärkningen ett. Oscillatorns dimensioneringsfrekvens är 28 500 i 500 hertz.Since it is a closed loop system, the drive circuit is essentially an oscillator that meets the Barkhausen criterion for oscillation: zero phase shift and loop gain one. The oscillation frequency of the oscillator is 28,500 to 500 hertz.

Slingans återkopplingsparti består av en insprut- ningsoscillator 203, ett bandpassaktivt filter 205, ett lågpassaktivt filter 207 och en förstärkare 209 med variabel förstärkning. Insprutningsoscillatorn 203 åstad- kommer en initial spänningssignal vid en frekvens nära omvandlarens resonansfrekvens. Denna signal kommer att kopplas bort från återkopplingsslingvägen när drivkretsen väl åstadkommer en signal som är tillräckligt stark för att upprätthålla omvandlaroscillationerna. Bandpass- och làgpassfilterna åstadkommer de lämpliga frekvensselekte- rings- och fasskiftsegenskaperna för att bibehålla styrkan hos omvandlaråterkopplingssignalen medan omvandlarfasegen- skaperna varierar över ett normalt arbetsområde. Signal- återkopplingen från omvandlaren erhålles över ett kompen- sationsnät 213 som åstadkommer ytterligare frekvensselek- tering och fasskiftstabilitet. Förstärkaren 209 med variabel förstärkning upprättar slingförstärkningen under inledande kalibrering av filterkretsarna, och förblir väsentligen fast när filterkretskalibreringen har full- följts. 10 15 20 25 30 35 8 Effektförstärkaren och transformatorn 215 åstadkommer en maximal drivspänning av ca 380 V rms med en maximal ström av ca 10 mA rms. Ett förstärkningsstyrnät 218 åstad- kommer en stabil spänningsutsignal genom att jämföra driv- spänningen på ledningen 221 med en spänningsbörreferens- nivå som åstadkommes av en användare på en ledning 223, och kompenserar sedan för skillnader genom justering av effektförstärkarens 215 förstärkning.The loop feedback portion consists of an injection oscillator 203, a bandpass active filter 205, a low pass active 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 path once the drive circuit provides a signal strong enough to maintain the transducer oscillations. The bandpass and lowpass filters provide the appropriate frequency selection and phase shift characteristics to maintain the strength of the converter feedback signal while the converter phase characteristics vary over a normal operating range. The signal feedback from the converter is obtained over a compensation network 213 which provides additional frequency selection and phase shift stability. The variable gain amplifier 209 establishes the loop gain during initial calibration of the filter circuits, and remains substantially fixed when the filter circuit calibration has been completed. 10 The power amplifier and transformer 215 provide a maximum drive voltage of about 380 V rms with a maximum current of about 10 mA rms. A gain control network 218 provides a stable voltage output signal by comparing the drive voltage on line 221 with a voltage setpoint reference level provided by a user on line 223, and then compensates for differences by adjusting the gain of the power amplifier 215.

Vibration av nålen 94 i fig 3 kan användas vid medi- cinsk behandling av hårdnade objekt, såsom katarakter i det mänskliga ögat. Då den vibrerande nålen 94 bringas nära en katarakt orsakar den nedbrytning av katarakten, och det nedbrutna skräpet dras ut via en kanal 110 under inverkan av en vakuumkälla 115 som är fäst vid en nippel 117.Vibration of the needle 94 in Fig. 3 can be used in the medical treatment of hardened objects, such as cataracts in the human eye. When the vibrating needle 94 is brought close to a cataract, it causes degradation of the cataract, and the degraded debris is drawn out via a channel 110 under the action of a vacuum source 115 attached to a nipple 117.

Flera viktiga aspekter av uppfinningen är följande: (1) Såsom angetts ovan är reflektorn 43 konstruerad av volfram. Volfram har en mycket hög akustisk impedans, i storleksordningen 90 x l0° kg/(m2 - s) till 105 x 10° kg/(m2 - s). Följaktligen reflekteras den akustiska energi som reflekteras vid gränsytan 79 i fig 3 (1) i fas med (2) en reflektionskoeffioient som är nästan ett, vilket inne- bär att nästan 100% av energin reflekteras, med minimal överföring till reflektorn 43. Denna höga reflektion åter- vinner och àterriktar mot resonatorn 46 energi som annars skulle ha gått förlorad in i reflektorn 43. Sådan förlorad energi anges som vågor 40 i fig 1. Den höga med uppfinningen kan förklaras såsom Då de framskridande, akustiska vågorna omvandlaren 3 träffar de på olika nivåer av reflektion som följer. rör sig genom uppnås akustisk impe- dans, beroende på densiteten och elasticitetsmodulen för de olika material som utgör omvandlaranordningen. Då en akustisk våg korsar en gräns mellan två sådana olika mate- rial är det troligt att vågen kommer att uppleva ett ref- lektionsfenomen. Teorin om energiöverföring kvantifierar detta reflektionsfenomen, såsom följande diskussion kommer att förklara. 10 15 20 25 30 35 468 197 9 Reflektionskoefficienten, som är ett komplext tal med både real- och imaginärdel (vilka båda möjligen kan vara icke-noll), beskriver den andel av den infallande vàgener- gin som reflekteras vid gränsytan mellan de olika materia- len. Den beskriver också fasförhållandet mellan den infal- lande och reflekterade vågen, vilket förhållande antingen är i fas (noll graders fasskift) eller i ofas (med upp till 180 grader).Several important aspects of the invention are as follows: (1) As stated above, the reflector 43 is constructed of tungsten. Tungsten has a very high acoustic impedance, in the order of 90 x 10 ° kg / (m2 - s) to 105 x 10 ° kg / (m2 - s). Accordingly, the acoustic energy reflected at the interface 79 in Fig. 3 (1) is reflected in phase with (2) a reflection coefficient which is almost one, which means that almost 100% of the energy is reflected, with minimal transfer to the reflector 43. This high reflection recovers and redirects to the resonator 46 energy that would otherwise have been lost in the reflector 43. Such lost energy is indicated as waves 40 in Fig. 1. The high of the invention can be explained as When the advancing, acoustic waves the converter 3 hits the different levels of reflection that follow. moves through, acoustic impedance is achieved, depending on the density and modulus of elasticity of the various materials that make up the transducer device. As an acoustic wave crosses a boundary between two such different materials, it is likely that the wave will experience a reflection phenomenon. The theory of energy transfer quantifies this phenomenon of reflection, as the following discussion will explain. 10 15 20 25 30 35 468 197 9 The reflection coefficient, which is a complex number with both real and imaginary part (both of which can possibly be non-zero), describes the proportion of the incident path energy that is reflected at the interface between the different matter - len. It also describes the phase relationship between the incident and reflected wave, which relationship is either in phase (zero degree phase shift) or in phase (with up to 180 degrees).

De huvudsakliga utformningsförfaranden som används för omvandlaranordningen utnyttjade ett inledande anta- gande att överföringsmedierna för de akustiska vågorna är förlustfria. Detta antagande åstadkommer den fördelen att de matematiska manipulationer som erfordras för att rea- lisera en akustisk överföringsdesign är mycket mer hanter- bara och ådrar sig små kostnader i termer av noggrannhet hos slutresultatet.The main design methods used for the transducer device utilized an initial assumption that the transmission media for the acoustic waves are lossless. This assumption provides the advantage that the mathematical manipulations required to realize an acoustic transmission design are much more manageable and incur small costs in terms of accuracy of the end result.

Förenligt med antagandet om förlustlös överföring är det förfarande medelst vilket reflektionskoefficienten be- räknas. I sin mest allmänna form är en sådan beräkning helt enkelt ett förhållande mellan (1) skillnaderna mellan två akustiska impedanser och (2) summan av samma två impe- danser. En potentiellt förvirrande situation uppstår då man försöker ge numeriska värden åt varje impedans innan förhållandet är beräknat. Uträkningen för reflektionskoef- ficienten R är följande: -' / R = (ZL - ZO)/(ZL + Zo) I denna form representerar ZL den bestämda, akustiska impedans som presenteras för den akustiska vågen då den rör sig från ett medium som har en karakteristisk, akus- tisk impedans Zo till ett medium som har en karakteris- tisk, akustisk impedans ZX. Det numeriska värdet på den bestämda, akustiska impedansen är en funktion av den karakteristiska, akustiska impedansen, längden av materia- let från gränsytan vid den infallande vågen till det akus- tiska slutet av denna materialsektion, och det numeriska värdet (möjligen komplext) på den bestämda, akustiska impedans som presenteras för den överförda vågen då den 10 15 20 25 30 35 4 68 197 10 når slutet. Också viktigt i den mest allmänna meningen är materialets dämpningsegenskaper. Såsom fastslagits tidiga- re ignoreras emellertid dessa egenskaper för detta design- ändamål, eftersom man anser att tillräckliga dimensions- restiktioner har lagts på komponenterna så att antagandet om ingen förlust förblir giltigt.Consistent with the assumption of lossless transmission is the procedure by which the reflection coefficient is calculated. In its most general form, such a calculation is simply a relationship between (1) the differences between two acoustic impedances and (2) the sum of the same two impedances. A potentially confusing situation arises when trying to give numerical values to each impedance before the ratio is calculated. The calculation for the reflection coefficient R is as follows: - '/ R = (ZL - ZO) / (ZL + Zo) In this form, ZL represents the determined acoustic impedance presented to the acoustic wave as it moves from a medium that has a characteristic, acoustic impedance Zo to a medium that has a characteristic, acoustic impedance ZX. The numerical value of the determined acoustic impedance is a function of the characteristic acoustic impedance, the length of the material from the interface at the incident wave to the acoustic end of this material section, and the numerical value (possibly complex) of the determined, acoustic impedances presented to the transmitted wave when it reaches the end 10 15 20 25 30 35 4 68 197 10. Also important in the most general sense are the damping properties of the material. However, as stated earlier, these properties are ignored for this design purpose, as it is considered that sufficient dimensional restrictions have been placed on the components so that the assumption of no loss remains valid.

En viktig dimension, på vilken denna design är base- rad, är våglängden för den akustiska vågen då den passerar genom det keramiska kristallmaterialet. För att volfram- reflektorn skall ha de önskade i-fasreflektionsegenskaper- na måste dess längd vara nära en fjärdedels våglängd med ett underlag med låg akustisk impedans, dvs med ett under- lag som nästan är en akustisk kortslutningskrets över om- vandlaranordningens arbetsfrekvensomrâde. Luftens akus- tiska impedans anses vanligen vara en akustisk kortslut- ningskrets.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 substrate with low acoustic impedance, ie with a substrate that is almost an acoustic short circuit over the operating frequency range of the converter device. The acoustic impedance of the air is generally considered to be an acoustic short-circuit.

Under dessa förhållanden är den bestämda, akustiska impedans som presenteras för den överförda akustiska vågen vid volframreflektorns slut nästan noll. Därför är den be- stämda, akustiska impedans som presenteras för den infal- lande, akustiska vågen vid gränsytan mellan den keramiska kristallen och volframreflektorn nästan oändlig. Som en följd härav är det numeriska värdet på ZL mycket stort jämfört med Zo, och reflektionskoefficienten, som definie- rar den tryckamplitud och det fasskift för den infallande, akustiska vågen som inträffar vid reflektion, kommer att vara nästan lika med ett. Dvs nästan hundra procent av den infallande, akustiska vågen kommer att reflekteras i fas och därigenom öka nettotrycksamplituden för den akustiska vågen i den huvudsakliga riktningen för leverans av akus- tisk energi, dvs i riktning mot resonatorn och slutligen till nàlspetsen.Under these conditions, the determined acoustic impedance presented to the transmitted acoustic wave at the end of the tungsten reflector is almost zero. Therefore, the definite 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 of ZL is very large compared to Zo, and the reflection coefficient, which defines the pressure amplitude and the phase shift of the incident acoustic wave that occurs during reflection, will be almost equal to one. That is, almost one hundred percent of the incident acoustic wave will be reflected in phase and thereby increase the net pressure amplitude of the acoustic wave in the main direction for delivery of acoustic energy, ie in the direction of the resonator and finally to the needle tip.

I praktiken är reflektorsektionens verkliga längd mindre än en fjärdedels våglängd. Emellertid resulterar icke-förlustantagandet i ett rent imaginärt tal som rep- resenterar den bestämda, akustiska impedans som presente- ras av reflektorn. Nettoresultatet är att reflektionskoef- f> 10 15 20 25 30 35 468 197 11 ficientens magnitud alltid kommer att vara 1, även för andra reflektorlängder än en fjärdedels våglängd. Den märkbara skillnaden i den reflekterade vågen kommer att vara fasrelationen mellan den och den infallande vågen. Ändring av reflektorlängden kommer att ändra detta fasför- hållande. För den aktuella konfigurationen bör fasskiftet vara mindre än 30° över omvandlarens normala arbetsfrek- vensområde.In practice, the actual length of the reflector section is less than a quarter wavelength. However, the non-loss assumption results in a purely imaginary number representing the definite acoustic impedance presented by the reflector. The net result is that the coefficient of reflection coefficient will always be 1, even for reflector lengths other than a quarter wavelength. The noticeable difference in the reflected wave will be the phase relationship between it and the incident wave. Changing the reflector length will change this phase relationship. For the current configuration, the phase shift should be less than 30 ° above the converter's normal operating frequency range.

I den föredragna utföringsformen är Zx ca 100 x lO° kg/(m2 - s) och Zo är ca 30 x 10° kg/(m2 ' s). Båda dessa tal är reella, dvs komplexa tal med en imaginärdel som är noll. ZL är ca 130 x lO° kg/(m2 ' s). Detta tal är imagi- närt, dvs ett komplext tal med en realdel som är noll. ZL erhålles från standardfördelade överföringslinjeförfaran- den som inbegriper längden, den akustiska hastigheten och dämpningsegenskaper hos materialet, likväl som egenskaper- na hos den akustiska last som är i kontakt med materialet.In the preferred embodiment, Zx is about 100 x 10 ° kg / (m2 - s) and Zo is about 30 x 10 ° kg / (m2's). Both of these numbers are real, ie complex numbers with an imaginary part that is zero. ZL is about 130 x 10 ° kg / (m2's). This number is imaginary, ie a complex number with a real part that is zero. ZL is obtained from standard distributed transmission line procedures which include the length, acoustic velocity and damping properties of the material, as well as the properties of the acoustic load in contact with the material.

ZL = j tan (Bl) ZX där ß är fasskiftkonstanten, l är materiallängden och j är kvadratroten av -1. (2) Såsom angetts ovan är det gängade röret 66 i fig 3 och 4 konstruerat av 6AL-4V-titan. Denna titanlegering har låg elasticitetsmodul. Elasticitetsmodul definieras vanligtvis som förhållandet mellan enhetsspänning och en- hetstöjning, eller dragkraft per areaenhet dividerat med sträckning per längdenhet. Uttryckt på ett annat sätt or- sakar en liten dragkraft en stor sträckning av det gängade röret 66 vid låg elasticitetsmodul. I överdrivet förenkla- de termer sträcks det gängade titanröret 66 lätt.ZL = j tan (Bl) ZX where ß is the phase shift constant, l is the material length and j is the square root of -1. (2) As indicated above, the threaded tube 66 in Figs. 3 and 4 is constructed of 6AL-4V titanium. This titanium alloy has a low modulus of elasticity. Modulus of elasticity is usually defined as the ratio between unit stress and unit strain, or tensile force per unit area divided by distance per unit length. In other words, a small tensile force causes a large stretch of the threaded tube 66 at low modulus of elasticity. In excessively simplified terms, the threaded titanium tube 66 is easily stretched.

Den låga elasticitetsmodulen är viktig eftersom ter- misk expansion och kontraktion av det gängade röret 66, vilket håller samman reflektorn 43 och resonatorn 46 (och därigenom pålägger tryck på de piezoelektriska kristaller- na 53 och 56), skulle kunna orsaka längdändring av röret 66, och således ändra det tryck som påläggs de piezoelek- triska kristallerna 53 och 56, vilket är oönskvärt. Den låga elasticitetsmodulen upptar termiska dimensionsänd- 468 197 10 15 20 25 30 35 12 ringar. Ett exempel kommer att illustrera detta.The low modulus of elasticity is important because thermal expansion and contraction of the threaded tube 66, which holds the reflector 43 and the resonator 46 together (thereby applying pressure to the piezoelectric crystals 53 and 56), could cause the length of the tube 66 to change. and thus changing the pressure applied to the piezoelectric crystals 53 and 56, which is undesirable. The low modulus of elasticity accommodates thermal dimensional changes 468 197 10 15 20 25 30 35 12. An example will illustrate this.

Termisk utvidgning påverkar endast komponenter som ligger till vänster om ytan 80 i fig 3, i riktning med pilen 130, eftersom resonatorn 46 är konstruerad av samma material av det gängade röret 66, och således är de ter- miska expansionskoefficienterna för röret 66 och resona- torn 46 samma. Vad gäller komponenter till vänster om ytan 80, om en kylning av omvandlaren 3 inträffar, och om det gängade röret 66 tenderar att dra ihop sig mer än omvand- laren 3, då tenderar reflektorn 43 och resonatorn 46 att trycka ihop kristallerna 53 och 56 genom påläggning av högre tryck. En låg elasticitetsmodul låter emellertid det gängade röret 66 sträcka sig under bibehållande av väsent- ligen konstant tryck. Detta förklaras ytterligare med hän- visning till fig 6. Väggar 132 och 134 representerar än- darna i fig 3 av reflektorn 43 respektive resonatorn 46 som komprimerar omvandlaren 3. Fjädrar 137 som tenderar att dra samman väggarna 132 och 134 representerar det gängade röret 66 som håller samman reflektorn och reso- natorn.Thermal expansion affects only components to the left of the surface 80 of Fig. 3, in the direction of the arrow 130, since the resonator 46 is constructed of the same material of the threaded tube 66, and thus the coefficients of thermal expansion of the tube 66 and resonant tower 46 same. In the case of components to the left of the surface 80, if a cooling of the transducer 3 occurs, and if the threaded tube 66 tends to contract more than the transducer 3, then the reflector 43 and the resonator 46 tend to compress the crystals 53 and 56 by application of higher pressure. However, a low modulus of elasticity allows the threaded tube 66 to extend while maintaining substantially constant pressure. This is further explained with reference to Fig. 6. Walls 132 and 134 represent the ends of Fig. 3 of the reflector 43 and the resonator 46, respectively, which compress the transducer 3. Springs 137 which tend to contract the walls 132 and 134 represent the threaded tube 66 which holds the reflector and the resonator together.

I allmänhet är den kraft som påläggs av fjädern 137 proportionell mot dess procentuella sträckändring, men det kan emellertid antas att för små sträckningar (av den stor- lek som inbegripes vid termisk expansion) är kraften rela- tivt konstant. Därför, om termisk expansion av omvandlaren 3 tenderar att driva väggen 134 till det streckade läget 134A med avseende på väggen 132, sträcks fjädrarna 137 och bibehåller en relativt konstant, motverkande kraft, vilken komprimerar omvandlaren 3. Den gängade staven 66 i fig 3 upprätthåller, då den verkar som fjädern 137, trycket på kristallerna 53 och 56 vid ett relativt konstant värde.In general, the force applied by the spring 137 is proportional to its percentage change in distance, but it can be assumed that for small stretches (of the magnitude involved in thermal expansion) the force is relatively constant. Therefore, if thermal expansion of the transducer 3 tends to drive the wall 134 to the dashed position 134A with respect to the wall 132, the springs 137 are stretched and maintain a relatively constant, counteracting force, which compresses the transducer 3. The threaded rod 66 in Fig. 3 maintains when it acts as the spring 137, the pressure on the crystals 53 and 56 at a relatively constant value.

Staven 66 i fig 3 har en yttre diameter av 0,164 tum (4,17 mm), en inre diameter av 0,0625 tum (l,59 mm) och har en längd mellan gängade förband (dvs dimensionen 130 som representerar avståndet mellan förbanden 68 och 70) på 0,580 tum (l4,73 mm). Dessa dimensioner för staven 66 ger den en approximativ elasticitetsmodul av 11,4 x 107 Pa n 10 15 20 25 30 35 468 197 13 (l6,5 x l0° psi), vilket anses lämpligt för omvandlarens 3 diameter, som är 0,394 tum (l0,0l mm), och för tempera- turavvikelser från 60° Fahrenheit (l5,56°C) till 270" Fahrenheit (l32,22°C).The rod 66 in Fig. 3 has an outer diameter of 0.164 inches (4.17 mm), an inner diameter of 0.0625 inches (1.59 mm) and has a length between threaded joints (ie the dimension 130 representing the distance between the joints 68 and 70) at 0.580 inches (14.73 mm). These dimensions of the rod 66 give it an approximate modulus of elasticity of 11.4 x 107 Pa n 10 15 20 25 30 35 468 197 13 (16.5 x 10 ° psi), which is considered suitable for the diameter of the transducer 3, which is 0.394 inches ( l0.01 mm), and for temperature deviations from 60 ° Fahrenheit (l5.56 ° C) to 270 "Fahrenheit (l32.22 ° C).

Staven 66 har beskrivits som en fjäder som upplever en liten förlängning i gensvar på termisk expansion av omvandlaren 3, och som således pålägger endast en liten ändring av trycket på kristallerna 53 och 56. Det kommer nu att visas att den speciella konfigurationen hos uppfin- ningen i fig 3 orsakar en ändå mindre ändring av trycket jämfört med den schematiska konfigurationen i fig 6.The rod 66 has been described as a spring which experiences a small elongation in response to thermal expansion of the transducer 3, and which thus imposes only a slight change in the pressure on the crystals 53 and 56. It will now be shown that the particular configuration of the invention in Fig. 3 causes an even smaller change in pressure compared to the schematic configuration in Fig. 6.

Antag att omvandlaren 3 i fig 6 termiskt expanderar 0,001 tum (0,0254 mm) (dvs dimensionen 132 är 0,001 tum).Assume that the transducer 3 in Fig. 6 thermally expands 0.001 inch (0.0254 mm) (ie the dimension 132 is 0.001 inch).

För att bibehålla konstant tryck på omvandlaren 3 måste staven 66 i fig 3 både (1) expandera 0,001 tum (0,0254 mm) och (2) bibehålla samma fjäderkraft på omvandlaren 3 såsom förklarats ovan.To maintain constant pressure on the transducer 3, the rod 66 in Fig. 3 must both (1) expand 0.001 inch (0.0254 mm) and (2) maintain the same spring force on the transducer 3 as explained above.

Enligt Hook's lag är det den procentuella ändringen (inte absoluta ändringen) i längd hos en fjäder som be- stämmer den absoluta ändringen i fjäderkraften. I detta exempel, om stavens 66 förlängningsområde har samma ut- sträckning som omvandlaren 3 (dvs det gängade förbandet 68 slutar vid punkten 135, så att stavens 66 förlängnings- område är lika långt som omvandlaren 3), och om stavens 66 förlängningsområde är 1 tum (25,4 mm) långt, då är den procentuella ändringen av staven 66 0,001/1,0 eller 0,1 procent. Å andra sidan, då förlängningsområdet är såsom visas i fig 3 (och sträcker sig från det gängade förbandet 68 till det gängade förbandet 70), minskar den procentuella ändringen. Om förlängningsområdet, avståndet 130, är 3 tum (76,2 mm) långt, är den procentuella ändringen 0,001/3,0 eller 0,033 procent.According to Hook's law, it is the percentage change (not the absolute change) in the length of a spring that determines the absolute change in the spring force. In this example, if the extension area of the rod 66 has the same extent as the transducer 3 (ie, the threaded joint 68 terminates at point 135, so that the extension area of the rod 66 is as long as the transducer 3), and if the extension area of the rod 66 is 1 inch (25.4 mm) long, then the percentage change of the rod 66 is 0.001 / 1.0 or 0.1 percent. On the other hand, when the elongation range is as shown in Fig. 3 (and extends from the threaded joint 68 to the threaded joint 70), the percentage change decreases. If the extension range, distance 130, is 3 inches (76.2 mm) long, the percentage change is 0.001 / 3.0 or 0.033 percent.

Därför åstadkommer konfigurationen i fig 3 en ändring i fjäderkraften som är tre gånger mindre än då stavens 66 förlängningsområde har samma utsträckning som omvandlaren 3 (dvs 0,033 mot 0,1). En anledning till denna minskning i 10 15 20 25 30 35 14 ändring är att längden för den ibegripna fjädern (längden 130) är längre än omvandlaren 3, vars termiska expansion, om den inte upptas, tenderar att öka trycket på kristal- f lerna 53 och 56.Therefore, the configuration of Fig. 3 causes a change in the spring force which is three times smaller than when the extension area of the rod 66 has the same extent as the transducer 3 (ie 0.033 versus 0.1). One reason for this decrease in change is that the length of the included spring (length 130) is longer than the transducer 3, the thermal expansion of which, if not absorbed, tends to increase the pressure on the crystals 53. and 56.

Betraktat på ett annat sätt upptas den termiska ex- pansionen hos ett element (dvs omvandlaren) som tenderar att öka trycket på sig självt (på grund av att det är be- läget i ett skruvstäd med käftar i form av reflektorn 43 och resonatorn 46), genom förlängning av den stav som hål- ler samman käftarna. Vidare är den sträckande staven 66 längre än den expanderande omvandlaren 3. Således är den prccentuella förlängningen av staven mindre än den procen- tuella förlängningen av omvandlaren. f) Skillnaden i förlängning visas ytterligare i fig 7 där reflektorkäften 43B och resonatorkäften 46B klämmer omvandlaren 3B mellan sig. Staven 66B håller samman käf- tarna. Om omvandlaren 3B expanderar från dimensionen 140 till dimensionen 144, expanderar staven 66B från dimensio- nen 146 till dimensionen 148. Den absoluta expansionen av omvandlaren (dimensionen 150) är lika med den absoluta ex- pansionen av staven 66 (dimensionen 152), dock är den pro- centuella expansionen av staven 66B (dimensionen 152/di- mensionen 146) mindre än den prccentuella expansionen av omvandlaren 3 (dimensionen 150/dimensionen 140). Följakt- ligen är ändringen i fjäderkraft'šom páläggs av staven 66 mindre än om den prccentuella ändringen av stavens 66 längd var lika med den för omvandlaren 3.Viewed in another way, the thermal expansion of an element (ie the transducer) which tends to increase the pressure on itself (because it is located in a vice with jaws in the form of the reflector 43 and the resonator 46) is taken up , by extending the rod that holds the jaws together. Furthermore, the extending rod 66 is longer than the expanding transducer 3. Thus, the percentage elongation of the rod is less than the percentage elongation of the transducer. f) The difference in extension is further shown in Fig. 7 where the reflector jaws 43B and the resonator jaws 46B clamp the transducer 3B between them. The rod 66B holds the jaws together. If the transducer 3B expands from the dimension 140 to the dimension 144, the rod 66B expands from the dimension 146 to the dimension 148. The absolute expansion of the transducer (dimension 150) is equal to the absolute expansion of the rod 66 (dimension 152), however the percentage expansion of the rod 66B (dimension 152 / dimension 146) less than the percentage expansion of the transducer 3 (dimension 150 / dimension 140). Consequently, the change in spring force applied by the rod 66 is smaller than if the percentage change in the length of the rod 66 was equal to that of the transducer 3.

Denna lilla ändring i fjäderkraft åstadkommer en mer konstant kompression pålagd på omvandlaren 3 i fig 3: den termiska expansionen av omvandlaren 3 fördelas över en längre fjäder, nämligen över en fjäder med längden 130, som är 0,580 tum (14,73 mm) i den föredragna utföringsfor- men, jämfört med längden av omvandlaren 3, som är 0,222 tum (5,64 mm), dimensionen 140 i fig 4.This small change in spring force produces a more constant compression applied to the transducer 3 in Fig. 3: the thermal expansion of the transducer 3 is distributed over a longer spring, namely over a spring with a length of 130, which is 0.580 inches (14.73 mm) in the preferred embodiment, compared to the length of the transducer 3, which is 0.222 inches (5.64 mm), dimension 140 in Fig. 4.

Det skall noteras att både krafterna från termisk ex- pansicn och fjäderkraften för den gängade staven 66 är vä- sentligen större än de tryckkrafter som páläggs av de V.) J! 10 15 20 25 30 35 468 197 15 akustiska pulserna. Dvs den gängade staven 66 i området 130 i fig 3 förlängs inte väsentligen vid den akustiska frekvensen av ca 29 kilohertz av de akustiska pulserna. (3) Ytorna hos de element som är involverade i mötet vid gränsytorna 79 och 80 i fig 3 är finslipade och pole- rade till inom 0,0025 mm (1/10 000 tums) planhet, eller uttryckt på ett annat sätt till en mikrofinish nr 2. (4) Resonatorns 46 effektiva impedans, såsom den ses av kristallen 56, påverkas av lasten på nålen 94. (Då nå- len levererar energi till en katarakt blir nålen "belas- tad".) Ur en synpunkt ändras impedansen hos resonatorn 46 vid belastning. På liknande sätt påverkar närvaro av skräp i röret 110 i resonatorn 46 resonatorns impedans. Givet att Q, som avser förhållandet mellan resonansfrekvensen och bandbredden vid resonansfrekvensen, för resonatorn 46 är mycket skarp, i storleksordningen 1000-2000, är band- bredden som ett resultat mycket smal, i storleksordningen 15-30 hertz. Därför måste frekvensen hos den insignal som påläggs omvandlaren 3 kontinuerligt anpassas till resona- torns 46 föränderliga resonansfrekvens. Den apparat som beskrivits i den ovan identifierade patentansökan åstad- kommer sådan anpassning.It should be noted that both the forces from the thermal expansion and the spring force of the threaded rod 66 are substantially greater than the compressive forces imposed by the V.) J! 10 15 20 25 30 35 468 197 15 the acoustic pulses. That is, the threaded rod 66 in the region 130 of Fig. 3 is not substantially extended at the acoustic frequency of about 29 kilohertz of the acoustic pulses. (3) The surfaces of the elements involved in the encounter at interfaces 79 and 80 of Fig. 3 are ground and polished to within 0.0025 mm (1 / 10,000 inch) flatness, or otherwise expressed to a microfinish No. 2. (4) The effective impedance of the resonator 46, as seen by the crystal 56, is affected by the load on the needle 94. (When the needle delivers energy to a cataract, the needle becomes "loaded".) From one point of view, the impedance of resonator 46 under load. Similarly, the presence of debris in the tube 110 in the resonator 46 affects the impedance of the resonator. Given that Q, which refers to the relationship between the resonant frequency and the bandwidth at the resonant frequency, for the resonator 46 is very sharp, in the order of 1000-2000, the bandwidth is as a result very narrow, in the order of 15-30 hertz. Therefore, the frequency of the input signal applied to the converter 3 must be continuously adjusted to the changing resonant frequency of the resonator 46. The apparatus described in the patent application identified above provides such adaptation.

Olika modifieringar och utbyten kan göras utan att man avviker från uppfinningens omfattning såsom den defi- nieras i följande patentkrav.Various modifications and substitutions may be made without departing from the scope of the invention as defined in the following claims.

Claims

468 197 10 15 20 25 30 35 16 PATENTKRAV468 197 10 15 20 25 30 35 16 PATENT REQUIREMENTS

1. Anordning för alstring av svängningar i en nål, speciellt för en fakoemulgeringssond, med en oscillator I) och en vågledare som fysiskt sammankopplar nålen (94) och oscillatorn, k ä n n e t e c k n a d av att en reflektor (43) pressar ihop oscillatorn (3) mot vågledaren medelst ett fjäderorgan i form av ett rör (66) som förbinder reflektorn (43) och vågledaren.Device for generating oscillations in a needle, especially for a phacoemulsification probe, with an oscillator I) and a waveguide which physically connects the needle (94) and the oscillator, characterized in that a reflector (43) compresses the oscillator (3) against the waveguide by means of a spring means in the form of a tube (66) connecting the reflector (43) and the waveguide.

2. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k - n a d av att röret (66) är av titanmaterial.Device according to claim 1, characterized in that the tube (66) is made of titanium material.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d av att oscillatorn (3) är mekanisk och att en resonator (46) är direkt akustiskt kopplad till oscil- latorn, vilken resonator uppbär nålen (94) och har en resonansfrekvens som bestäms av oscillatorfrekvensen.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the oscillator (3) is mechanical and that a resonator (46) is directly acoustically coupled to the oscillator, which resonator carries the needle (94) and has a resonant frequency which determined by the oscillator frequency.

4. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att oscillatorn är en ultraljudsomvandlare, som alstrar ultraljudsvågor i en första och en andra riktning, att ett kopplingsorgan överför den i den första riktningen alstra- de energin i fas till nålen (94) och att reflektorn (43) överför den i den andra riktningen alstrade energin till nàlen (94) i fas med den infallande strålningen.Device according to claim 3, characterized in that the oscillator is an ultrasonic transducer which generates ultrasonic waves in a first and a second direction, that a coupling means transmits the energy generated in the first direction in phase to the needle (94) and that the reflector (43) transmits the energy generated in the other direction to the needle (94) in phase with the incident radiation.

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att omvandlaren (3) är piezoelektrisk och är inspänd mellan reflektorn (43) och resonatorn (46) och att röret (66), som sträcker sig mellan reflektorn och resonatorn har en sådan termisk expansionskoefficient att tryck- spänningen förblir väsentligen konstant då temperaturen ändras.Device according to claim 4, characterized in that the transducer (3) is piezoelectric and is clamped between the reflector (43) and the resonator (46) and that the tube (66) extending between the reflector and the resonator has such a coefficient of thermal expansion that the compressive stress remains substantially constant when the temperature changes.

6. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att den piezoelektriska omvandlaren (3) har en första och en andra yta, att ett impedansanpassningshorn (46, 104) är i kontakt med den första ytan för att fysiskt överföra akustisk energi från den första ytan till nålen (94) och att reflektorn (43) är i kontakt med den andra f) 10 15 20 25 30 35 468 197 17 ytan och har en akustisk impedans som är så avpassad att reflektionskoefficienten vid kontaktomràdet har en realdel som överstiger 0,9.Device according to claim 5, characterized in that the piezoelectric transducer (3) has a first and a second surface, that an impedance matching horn (46, 104) is in contact with the first surface for physically transmitting acoustic energy from the first the surface of the needle (94) and that the reflector (43) is in contact with the other surface and has an acoustic impedance which is so matched that the reflection coefficient at the contact area has a real part exceeding 0, 9.

7. Anordning enligt något av kraven 1-6, k ä n n e - t e c k n a d av att reflektorn (43), som är i kontakt med omvandlaren (3), består av volfram.Device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the reflector (43), which is in contact with the transducer (3), consists of tungsten.

8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att omvandlaren (3), som är i kontakt med volframref- lektorn (43), består av en elektrod (50) och två i par an- ordnade, piezoelektriska kristaller (53, 56), som av röret (66) sammanpressas med väsentligen konstant tryck då tem- peraturen ändras.Device according to Claim 7, characterized in that the transducer (3), which is in contact with the tungsten reflector (43), consists of an electrode (50) and two piezoelectric crystals (53, 56) arranged in pairs. ), which is compressed by the tube (66) at a substantially constant pressure as the temperature changes.

9. Anordning enligt något av kraven 1-8, k ä n n e - t e c k n a d av att rörets (66) fjäderkonstant är vä- sentligen opåverkad av den längdförändring av röret som förorsakas av temperaturändringar.Device according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the spring constant of the tube (66) is substantially unaffected by the change in length of the tube caused by temperature changes.

10. Anordning enligt krav 3 och något av kraven 8-9, k ä n n e t e c k n a d av att följande komponenter är anordnade efter varandra i axelriktningen: en fästanordning (96) för nålen (94) den akustiska resonatorn (46) som har överstiger 1000 och som bildar nàlbäraren den första piezoelektriska kristallen (56), som an- ligger mot resonatorn ett Q-tal som elektroden (50), som anligger mot den första kristal- len den andra piezoelektriska kristallen (53), som anlig- ger mot elektroden och som har en akustisk impedans (Zo), reflektorn (43), som anligger mot den andra piezo- elektriska kristallen (53) och som har en akustisk impe- dans som är sådan att realdelen av reflektionskoefficien- ten mellan reflektorn (43) och den andra piezoelektriska kristallen (53) är positiv och större än ca 0,9.Device according to claim 3 and any one of claims 8-9, characterized in that the following components are arranged one after the other in the axis direction: a fastening device (96) for the needle (94), the acoustic resonator (46) having more than 1000 and which the needle carrier forms the first piezoelectric crystal (56), which abuts the resonator a Q number as the electrode (50), which abuts the first crystal, the second piezoelectric crystal (53), which abuts the electrode and which has an acoustic impedance (Zo), the reflector (43), which abuts against the second piezoelectric crystal (53) and which has an acoustic impedance such that the real part of the reflection coefficient between the reflector (43) and the second the piezoelectric crystal (53) is positive and larger than about 0.9.

11. ll. Anordning enligt något av kraven 5-10, k ä n - n e t e c k n a d av att anordningen innefattar en kanal (110). 468 197 10 15 20 25 30 35 1811. ll. Device according to any one of claims 5-10, characterized in that the device comprises a channel (110). 468 197 10 15 20 25 30 35 18

12. Anordning enligt nagot av kraven 8-ll, k ä n - n e t e c k n a d av att elektroden (50) inte är defor- merbar genom svängning hos kristallerna (53, 56).Device according to one of Claims 8 to 11, characterized in that the electrode (50) is not deformable by pivoting the crystals (53, 56).

13. Förfarande för drift av en fakoemulgeringssond med en till en nàl (96) kopplad, mekanisk oscillator (3), Q k ä n n e t e c k n a t av att den från nålen riktade, av oscillatorn alstrade energin reflekteras i riktning mot nålen av en reflektor (43): och att oscillatorn pressas ihop mellan reflektorn (43) och en vàgledare av ett fjä- derorgan i form av ett rör (66).Method for operating a phacoemulsification probe with a mechanical oscillator (3) connected to a needle (96), characterized in that the energy directed from the needle, generated by the oscillator, is reflected in the direction of the needle by a reflector (43). : and that the oscillator is compressed between the reflector (43) and a guide of a spring member in the form of a tube (66).

14. Förfarande enligt krav 13, k ä n n e t e c k - n a t av att den reflekterade energin erhåller väsent- ligen samma fasförhàllande som den energi som leds ome- delbart till nålen.14. A method according to claim 13, characterized in that the reflected energy obtains substantially the same phase ratio as the energy which is immediately conducted to the needle.

15. Förfarande enligt krav 13 eller 14, k ä n n e - t e c k n a t av att reflektionen inträffar vid en gräns- yta som har en positiv, akustisk reflektionskoefficient vid oscillatorns frekvensomráde. W (I15. A method according to claim 13 or 14, characterized in that the reflection occurs at an interface having a positive, acoustic reflection coefficient at the frequency range of the oscillator. W (I