SE468197B - Anordning foer alstring av svaengningar i en naal samt foerfarande foer drift av en fakoemulgeringssond - Google Patents

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.

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.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en ny och förbättrad ultraljudsomvandlare.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en reflektor för en ultraljudsomvandlare som minskar förlusten av akustisk energi.

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.

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.

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.

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.

Ytterligare ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande för drift av en fakoemulgerings- sond.

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.

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.

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").

Fig 1 visar en fakoemulgeringssond enligt teknikens ståndpunkt.

Fig 2 visar den utpressning som kan inträffa i elek- troden 15 i fig l.

Fig 3 och 4 visar en form av uppfinningen.

Fig 5 visar reflektion av akustiska vågor av reflek- torn 43 i fig 4.

Fig 6 visar schematiskt kompressionen av omvandlaren 3 i 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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

En utföringsform av ett sådant system är tillgängligt från Storz Instrument Company, St. Louis, Missouri, under produktnamnet "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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Antag att omvandlaren 3 i fig 6 termiskt expanderar 0,001 tum (0,0254 mm) (dvs dimensionen 132 är 0,001 tum).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Olika modifieringar och utbyten kan göras utan att man avviker från uppfinningens omfattning såsom den defi- nieras i följande patentkrav.

Claims (15)

468 197 10 15 20 25 30 35 16 PATENTKRAV

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.

2. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k - n a d av att röret (66) är av titanmaterial.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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).

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).

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.

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 (I