JP4675463B2

JP4675463B2 - Apparatus and method for tuning an ultrasonic transducer using a trim mass

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Publication number: JP4675463B2
Application number: JP2000244948A
Authority: JP
Inventors: フォスター・ビー・ストゥレン
Original assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Current assignee: Ethicon Endo Surgery Inc
Priority date: 1999-08-12
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: JP2001104328A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に高電力サンドイッチ型超音波トランスデユーサを製造するための装置および方法に関し、特に、トリムマス（切取質量部分：trim mass）を用いた高電力サンドイッチ型超音波トランスデユーサを同調する新規な方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願は１９９９年４月１５日に出願された米国特許出願第０９／２９２，１３４号、１９９８年に６月２５日に出願された第０９／１０４，６１２号、１９９８年６月２５日に出願された第０９／１０４，７８９号、および１９９８年６月２５日に出願された第０９／１０４，６４８号に関連し、これらの全ての出願は本発明と同一の譲受人に譲渡されており、これらの全てが本明細書に参考文献として含まれる。
【０００３】
中空コアおよび中実コアの両方を含む超音波装置は多くの医療状態の安全かつ有効な処理に使用されている。このような超音波装置、特に中実コアの超音波装置は超音波周波数で外科手術エンドイフェクタに機械的振動を伝達する形態のエネルギーにより組織を切断および／または凝固するために使用できるので有利である。超音波振動は、適当なエネルギーで組織に伝達されて適当なエンドイフェクタを使用する場合に、組織を切断、切開または焼灼するために使用できる。中実コア技法を利用する超音波装置は超音波トランスデユーサから導波管を介して外科手術エンドイフェクタに伝達できるエネルギーの量の点で特に有利である。このような装置は内視鏡または腹腔鏡処理のような最少の侵襲性の処理における使用に特に適しており、この場合に、エンドイフェクタはトロカール内を通って外科手術部位に到達する。
【０００４】
超音波振動は、例えば、装置のハンドピース内の１個以上の圧電変換素子または磁気歪素子により構成できるトランスデユーサを電気的に励起することにより、外科手術エンドイフェクタ内において誘発できる。すなわち、トランスデユーサ部分により発生される振動が当該トランスデユーサ部分から外科手術エンドイフェクタまで延在する超音波導波管を介して外科手術エンドイフェクタに伝達される。
【０００５】
サンドイッチ型の超音波トランスデユーサはランゲビン（Langevin）トランスデユーサとも呼ばれ、高強度の超音波動作を発生することが周知であり確立されている。発明者をP. Langevinとする１９２１年に発行された英国特許第１４５，６９１号において、金属板の間に配置されたサンドイッチ型の圧電変換材料が高強度の超音波を発生することが記載されている。また、共鳴周波数に同調して当該共鳴周波数の半波長を生成するように構成されたボルト留めの堆積型トランスデユーサを利用したサンドイッチ型トランスデユーサが英国特許第８６８，７８４号に記載されている。
【０００６】
複合型またはサンドイッチ型の高強度超音波トランスデユーサは一般に前方ベル（fore-bell）および端部ベル（end-bell）または前方マス部材および後方マス部材（mass member）または第１共振器および第２共振器を備えており、これらの間には、圧電変換素子が張力による影響を受けやすいために、環状の圧電変換素子と電極が交互に堆積されている。たいていのこのような高強度トランスデユーサはプレストレス（pre-stressed）型である。すなわち、これらは堆積層を軸方向に貫通して圧電トランスデユーサが耐えられる圧縮力の約半分の静的バイアス力を加える圧縮ボルトを使用している。このようなトランスデユーサの動作時には、これらは常に圧縮状態に保たれて、この圧力は公称ゼロの最小の圧力から材料の最大圧縮強度以下の最大ピーク値まで変動する。
【０００７】
さらに、従来技術の別の実施形態は前方ベルおよび端部ベルの両方にネジ係合して圧縮力をトランスデユーサの堆積層に加えるスタッド部材を利用している。このようなネジ付きのスタッド部材も伝達構成部品をトランスデユーサ組立体に着脱するために従来技術において周知である。例えば、米国特許第５，３２４，２９９号および同第５，７４６，７５６号を参照されたい。このようなボルトおよびスタッドはサンドイッチ型トランスデユーサまたは任意の取付式音響組立体における構成要素間の音響的連結を維持するために利用されている。このような連結技法は組立体の同調性を維持するために重要であり、これにより、組立体が共鳴状態で駆動できるようになる。
【０００８】
サンドイッチ型トランスデユーサは比較的高いＱ値の装置であり、動作中に共鳴状態で駆動され、当該技術分野において既知のフィードバック制御技法により比較的狭い周波数範囲内に維持される。例えば、サンドイッチ型トランスデユーサを組み込んで制御するシステムを記載している米国特許第５，６３０，４２０号および同第５，０２６，３８７号を参照されたい。
【０００９】
しかしながら、このような装置が動作する高いＱ特性のために、サンドイッチ型トランスデユーサを製造することが困難である。製造プロセス中において少なくとも１回各トランスデユーサを個々に同調するのが一般的である。最近の製造プロセスにおいて現在利用できる厳しい許容度を伴っても、サンドイッチ型トランスデユーサの設計者にとって「積み重ね（stack-up）」の問題が困難になっている。すなわち、この「積み重ね」の問題は多数個の部品を組み合わせることによる通常的な変化として現れ、各部品が設計の許容度を有していても、各部品による変化が集合して相当な変化になる。このような個々の部品の変化は、例えば、材料の異なるロットにおける材料特性における変化、組み立ての変化、および寸法の変化等により生じる。
【００１０】
現在において、サンドイッチ型トランスデユーサはその任意の共鳴周波数に対応して望まれる長さよりも長く構成されることが当該技術分野において知られている。すなわち、組み立て中において、サンドイッチ型トランスデユーサはその共鳴周波数について試験された後に、その組立体がさらに短くトリミングされて所望の同調範囲内に調整される。このトリミング処理は取付面において行われる場合が多く、この取付面にはエンドイフェクタのような別の音響組立体が取り付けられる。この取付面における面仕上げ品質は能率的な音響組立体にとって重要なパラメータであり、このようなトリミング処理が相当な製造上の問題を加えてコストを高めていることが知られている。例えば、米国特許第５，７９８，５９９号はトランスデユーサが隣接する部材間において密接な面接触を必要としていて、その密接さは１インチ当たり２個のニュートンリング以内の平坦さの面仕上げを必要とすると述べている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、許容可能な滑らかさまでに既に製造された接触面におけるトリミング処理を必要としないトランスデユーサの同調方法が必要である。また、個々の音響組立体の周波数共鳴における変化に対処できる音響的組立方法が必要である。加えて、例えば、許容度における「積み重ね」の問題による同調のための付加的な長さを含まない共鳴に必要な所望の長さにサンドイッチ型トランスデユーサ構成部品を設計できればさらに有利である。また、既存の共鳴周波数から所望の共鳴周波数に高いＱ値の共鳴装置を同調できる製造中に音響組立体を同調する方法が提供できれば有利である。本発明は以下のようにしてこれらの必要性に対処しこれらを解決した。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は高電力サンドイッチ型超音波トランスデユーサを製造するための方法およびこれに伴う装置であり、特に、接触面におけるトリミング処理を必要としない高電力サンドイッチ型超音波トランスデユーサを同調する新規な方法である。
【００１３】
本発明の方法においては、トリムマス（切取質量部分）が超音波組立体を同調するために当該超音波組立体の構成部分として備えられている。このトリムマスは音響振動の波腹領域に配置されているのが好ましい。その後、このトリムマスのトリミングが製造プロセス中に行われて、音響組立体がその組み合わされた共鳴周波数から所望の共鳴周波数を生じるようになる。本発明の実施形態の一例において、上記のトリムマスは超音波組立体上に配置された環状の領域部分であって、当該組立体の長手軸から半径方向に延出している。
【００１４】
本発明に従う方法は、サンドイッチ型超音波トランスデユーサを組み立てる工程と、この超音波トランスデユーサの共鳴周波数を測定する工程と、複数のトリムマスからトリムマスを選択する工程とを含み、この超音波トランスデユーサを選択したトリムマスにトリミングすることにより、当該超音波トランスデユーサの測定した共鳴周波数が所望の共鳴周波数に変化する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の新規な特徴を特に特許請求の範囲に記載するが、本発明の構成および動作方法、ならびに、そのさらに別の目的および利点は以下の図面に基づく説明を参照することにより最良に理解できる。
【００１６】
図１は本発明による超音波信号発生装置１５、およびサンドイッチ型超音波トランスデユーサ８２およびハウジング２０を備えている超音波外科手術装置１０を示している図である。このトランスデユーサ８２は「ランゲビン・スタック（Langevin stack）」として知られており、一般に変換部分９０、端部ベル９２、および前方ベル９４を備えている。好ましくは、このトランスデユーサ８２は後に詳述するように１／２のシステム波長（ｎλ／２）の整数個分の長さである。音響組立体８０がこのトランスデユーサ８２、取付部材３６、速度変換器６４、トリムマス（切取質量部分）１２５、および前方ベル９４の先端部９５を備えている。
【００１７】
音響組立体８０のトランスデユーサ８２は発生装置１５からの電気的信号を機械的エネルギーに変換し、このエネルギーが超音波トランスデユーサ８２および取り付けられた任意のエンドイフェクタの超音波波長における長手方向の振動動作を生じる。音響組立体８０が励起すると、当該音響組立体８０の中に振動動作定常波が発生する。この音響組立体８０に沿う任意点における振動動作の振幅はこの振動動作を測定する音響組立体８０に沿う位置によって決まる。この振動動作の定常波における最小またはゼロ交差領域を一般に節（node）（すなわち、動作が通常最小である）として呼ばれ、定常波における最大またはピークの絶対値領域を一般に波腹部（anti-node）と言う。これらの波腹部とこれに最も近い節との間の距離は１／４波長（λ／４）である。
【００１８】
端部ベル９２の先端部は変換部分９０の基端部に接続しており、前方ベル９４の基端部は変換部分９０の先端部に接続している。これらの端部ベル９２および前方ベル９４はチタン、アルミニウム、ステンレススチールまたは他の任意の適当な材料により作成されているのが好ましい。これらの前方ベル９４および端部ベル９２は変換部分９０の厚さ、端部ベル９２および前方ベル９４に用いた材料の密度および弾性率、およびトランスデユーサ８２の共鳴周波数を含む多数の変数により決められた長さを有している。この前方ベル９４は単一の１／２λの部分を完成していてもよく、あるいは、多数個の１／２λの部分を含んでいてもよい。前方ベル９４および速度変換器６４は一体であるのが好ましいが、波腹部近傍に配置されたトリムマス１２５により分離されていてもよい。なお、図１および図２に示すように、前方ベル９４、速度変換器６４、およびトリムマス１２５が単一の構成要素として備えられている。前方ベル９４はその基端部からその先端部にかけて内側にテーパ−状になっていて、速度変換器６４において示すように超音波振動の振幅を増幅できるようにしてもよく、また、前方ベル９４が全く増幅作用を有さなくてもよい。
【００１９】
図２において、トランスデユーサ８２の変換部分９０は交互の正電極９６および負電極９８から成る圧電変換部分により構成されているのが好ましく、圧電変換素子１００がこれらの電極９６および９８の間に交互に挟まれている。これらの圧電変換素子１００は、例えば、鉛ジルコニウム塩−チタン酸塩、鉛メタ−ニオブ酸塩、鉛チタン酸塩、または他の圧電変換性の結晶材料のような任意の適当な材料により作成できる。これらの正電極９６、負電極９８、および圧電変換素子１００はそれぞれ中心部を貫通する穴を有している。また、正電極９６および負電極９８はそれぞれワイヤ１０２および１０４により電気的に連結している。これらのワイヤ１０２および１０４はケーブル２５内に包容されていて、超音波外科手術装置１０の発生装置１５に電気的に接続している。
【００２０】
さらに、図２は本発明による超音波トランスデユーサ８２およびハウジング２０を含むハンドピース組立体７０を示している図である。このハンドピース組立体７０はケーブル２５、ハウジング２０、音響組立体８０、およびスタッド５０を含む。さらに、ハウジング２０は基端部２２、先端部２４、ノーズコーン３４、穴１１０、およびＯ−リング２１，２３および３２を含む。音響組立体８０は上記のトランスデユーサ８２、音響アイソレータを含む補助構成部品、電極組立体３０、ボルト１０６、正電極９６、負電極９８、およびインシュレータ２８を含む。
【００２１】
図１および図２において、ワイヤ１０２および１０４は発生装置１５からの電気的信号を電極９６および９８に伝達する。さらに、圧電変換素子１００がフットスイッチ１１８に応じて発生装置１５から供給された電気的信号により励起されて超音波トランスデユーサ８２内に音響定常波を生じる。すなわち、この電気的信号が圧電変換素子１００を反復した微小変位の形態で移動させて、当該材料内における圧縮力に変化が生じる。この結果、この反復した微小変位が圧電変換素子１００を電圧勾配の軸に沿って連続的に膨張および収縮させて、超音波エネルギーの長手方向の波を生じる。この超音波エネルギーが音響組立体８０の中を通ってエンドイフェクタ（図示せず）まで伝達される。
【００２２】
音響組立体８０がエネルギーを供給するためには、当該音響組立体８０における全ての構成部品を音響的に連結する必要がある。さらに、トランスデユーサ８２の先端部はスタッド５０のようなネジ接続により超音波エンドイフェクタの基端部に音響的に連結できる。
【００２３】
各圧電変換素子１００はボルト１０６により端部ベル９２および前方ベル９４の間に圧縮状態で従来的に保持されている。このボルト１０６は頭部、軸部、およびネジ付きの先端部を有しているのが好ましい。このボルト１０６は端部ベル９２、電極９６および９８、および圧電変換素子１００の各穴を通して端部ベル９２の基端部から挿入される。さらに、このボルト１０６のネジ付きの先端部が前方ベル９４の基端部におけるネジ付きの穴の中にネジ込まれる。
【００２４】
音響組立体８０の構成部品は音響的に同調されているのが好ましく、あらゆる組立体の長さが１／２波長の整数倍（ｎλ／２）となっていて、この場合のλは所定のあるいは音響組立体８０の動作する長手方向の振動駆動周波数ｆ_dの波長であり、ｎは任意の正の整数である。なお、この音響組立体８０は音響素子の任意の適当な配列構成を組み込むことができると考えられる。
【００２５】
次に、図２および図３において、ネジ付きの穴１０７が図２に示すボルト１０６の先端側のネジ付き部分に対応している。また、凹部１０８は音響アイソレータ２６に対応して音響組立体８０をトランスデユーサハウジング２０の中に支持する。トリミング処理前のトリムマス１２５の初期的な外径は図１において理解できるようにトランスデユーサハウジング２０の先端部２４の穴１１０の中に嵌合する大きさである。
【００２６】
図４はトリムマス１２５と、当該トリムマス１２５をトリミング処理する前の超音波トランスデユーサの共鳴特性のグラフ１２６を示している図である。すなわち、グラフ１２６は音響組立体８０の初期的な共鳴周波数を示している。このグラフ１２６において、横軸は周波数（ヘルツ（Ｈｚ））であり、縦軸はストローク（工程）とも呼ばれることがある超音波トランスデユーサ８２のエクスカーション（Ａ）の振幅である。この図から、トリムマス１２５がその元の直径からトリミングされていない場合に、最大の振幅が５４，６００ヘルツにおいて生じることが分かる。好ましくは、トリムマス１２５は同調範囲の効率を最大にするために振動の波腹部に配置されている。当該技術分野において知られるように、振動の波腹部における直径の変更は速度を著しく変換することなく行うことができる。例えば、米国特許第５，７４６，７５６号および同第５，８７９，３６４号は波腹部の周りの速度変換器の効率および速度変換に対する寸法変化について記載している。
【００２７】
図５はトリムマス１２５の一部分を除去した後の本発明によるトリムマスと、トリミング処理後の超音波トランスデユーサ８２の共鳴特性のグラフ１３０を示している図である。トリミング処理されたトリムマス１２５の部分がトリミング処理された材料部分１３５として点線で示されている。つまり、グラフ１３０は音響組立体８０のトリミング処理された共鳴周波数を示している。この図において、トリムマス１２５の元の直径の部分から点線で示した部分１３５をトリミングした後に最大振幅が５５，５００ヘルツにおいて生じることが分かる。
【００２８】
本発明は共鳴式超音波組立体の類似体としてスプリング−質量の組み合わせを用いた単純な共振器モデルとして考えることができる。すなわち、共鳴周波数を変更する振動の波腹部近傍に配置された質量の能力はスプリングの端部に吊るされた質量をその類似体として考えることができる。つまり、この質量が変位したり放出されると、このスプリング−質量のシステムは共鳴周波数で振動する。この場合に、質量が増加すると、共鳴周波数は減少する。また、質量が減少すると、共鳴周波数は増大する。
【００２９】
上記のようなスプリング−質量の類似体をトリミング処理したトリムマス１２５として用いることにより、音響組立体８０の全体の共鳴周波数が増大して、製造条件の変動に対応して補正するのに使用可能な範囲内で測定した共鳴周波数から所望の共鳴周波数に変更できる。トリムマス１２５をトリミングする量は経験的な関係に基づいて連続的に推定できるが、製造の簡便さのために、トリムマス１２５のトリミング量を決定して音響組立体８０を所望の共鳴周波数範囲にするためのテーブルを使用することができる。
【００３０】
なお、上記の質量部分を音響組立体８０に付加して、当該組立体の共鳴周波数を計測した共鳴周波数から所望の共鳴周波数に減少できることも考えられる。このことは、例えば、溶接、締り嵌め、または接着等の当該技術分野において既知の手段により行うことができる。
【００３１】
表１は本発明の実施形態におけるトリムマス１２５から材料を除去することにより周波数領域が同調できる一例を示されている。測定したトランスデユーサ８２の周波数領域が１列目に示されている。この表から、トランスデユーサ８２は５５，５００ヘルツの共鳴周波数を有し得ると考えられる。このようにして表１の１列目に開示する周波数領域の一つの中に組み立て後の測定した共鳴周波数があれば、表１の２列目に従ってトリムマス１２５をトリミングすることが許容可能な周波数に対応してその設計限界内にトランスデユーサを維持するために必要である。トランスデユーサ８２の測定した共鳴周波数が所望の周波数５５，５００Ｈｚ以下にずれている場合は、表１の２列目から適当なトリムマス１２５の最終の直径を選択してそのずれを補正することによりトランスデユーサ８２を所望の共鳴周波数内にすることができる。

【００３２】
本発明の別の実施形態において、単一の直径であるが厚さを変えられるトリムマス１２５が使用できる。例えば、トリムマス１２５が０．７インチの直径、および０．３インチの厚さで、波腹部にその中心を配置することができる。この場合に、０．７インチの直径を維持しながら、トリムマス１２５のトリミング処理を０．３インチの厚さ部分からトリミング処理することにより行うことができる。さらに、トリムマス１２５の厚さおよび直径の組み合わせを同調に用いて超音波トランスデユーサ８２を所望の周波数にすることも可能であると考えられる。
【００３３】
本発明のさらに別の実施形態において、上記トリムマス１２５を異なる質量の複数のワッシャとすることができる。すなわち、音響組立体８０の共鳴周波数を測定して、切取質量を有するワッシャを当該音響組立体８０に音響的に連結して同調することができる。この場合に、トリムマス１２５は音響組立体８０の構成部品に一体であってもよく、あるいは、溶接、接着、圧力嵌め等の手段により音響的に音響組立体８０に連結して同調処理を行うことができる。
【００３４】
付加されたトリムマス１２５の音響組立体８０の周波数を変更する能力は音響的振動の波腹部からのトリムマス１２５のずれにより変化する。トリムマス１２５が振動の節において付加されている場合は、共鳴周波数におけるその影響は当該節の近傍にトリムマス１２５が加える剛性が主要因となる。このスプリング−質量類似体において、節部における付加されたトリムマス１２５はばね定数を増大する類似体と考えることができる。あるいは、同一のトリムマス１２５が振動の波腹部に配置されている場合は、共鳴周波数におけるその影響はこのスプリング−質量類似体における増加した質量によるものと考えることができる。また、波腹部の周り（λ／４）以内におけるトリムマス１２５の正確な位置の影響は波腹部近傍における質量の増減に比してほとんど目立たないが、限界の周波数領域内に同調するのに十分な作用を有している。このことは波腹部において最も正確な作用効果（周波数を変更する質量の影響）によるためであり、この作用効果は波腹部からのずれに従ってコサイン関数として減少する。
【００３５】
図６は本発明による超音波トランスデユーサ８２の組立体またはその同調方法のフローチャートである。音響組立体８０は共鳴周波数ｆ_d、および有効音響長（ｎλ／２）を有するように構成できる。しかしながら、構成部品の各材料の特性における許容度の「積み重ね」の変化、あるいは組立体の他の態様により、音響組立体８０が上記の表１に示したようにその設計された共鳴周波数からずれる可能性がある。組み立てプロセス中において、トランスデユーサまたは音響組立体８０の全体がその共鳴周波数について測定可能である。そこで、所望の共鳴周波数からのずれはトリムマス１２５のトリミング処理のための最終直径の表１から適当に選択することにより補正することができる。
【００３６】
図６のフローチャートは前方ベルを選択する工程２１９、端部ベルを選択する工程２２０、少なくとも１個の圧電変換素子を選択する工程２２１、ボルトを選択する工程２２２、補助部品を選択する工程２２３、トランスデユーサをサンドイッチ構造に組み立てる工程２２４、組立体の共鳴周波数を測定する工程２２５、適当な共鳴周波数領域を決定する工程２２６乃至工程２３０、測定した周波数領域に従う複数の最終的なトリムマスを選択する工程２３２乃至工程２３６、トリムマス１２５をトリミング処理する工程２３７、および共鳴周波数を再測定することにより適正な補正が行われたかを検査する工程２４２を含む。さらに、許容可能な共鳴周波数領域から外れた組立体は工程２３１に示すように処理システムから排除される。
【００３７】
以上、本発明の好ましい実施形態を図示しかつ説明したが、当該技術分野の熟練者であれば上記の各実施形態は例示的なものに過ぎないことが明らかに理解できる。すなわち、当該技術分野の熟練者においては、本発明から逸脱することなく多くの変形、変更または置換を行うことが本明細書における開示に基づいて可能になる。従って、本発明の範囲および趣旨を特許請求の範囲およびその実施態様においてのみ定めることとする。
【００３８】
本発明の実施態様は以下の通りである。
（Ａ）超音波組立体を同調する方法において、
（ａ）トリムマス（切取質量部分）を有するサンドイッチ型超音波トランスデユーサを組み立てる工程と、
（ｂ）前記超音波トランスデユーサの共鳴周波数を測定する工程と、
（ｃ）前記超音波トランスデユーサのトリムマスを変化して、前記測定した超音波トランスデユーサの共鳴周波数を第２の共鳴周波数に変更する工程とから成る方法。
（１）前記トリムマスが前記超音波トランスデユーサの前方ベル内に配置されている実施態様Ａに記載の方法。
（２）前記トリムマスが前記超音波トランスデユーサの端部ベル内に配置されている実施態様Ａに記載の方法。
（３）前記トリムマスが前記超音波トランスデユーサの速度変換器内に配置されている実施態様Ａに記載の方法。
（Ｂ）超音波トランスデユーサ組立体を同調する方法において、
（ａ）複数のトリムマスから一定のトリムマスを選択する工程と、
（ｂ）前記選択したトリムマスにより超音波トランスデユーサを変更することにより、前記複数のトリムマスにおける一定のトリムマスを選択する前の超音波トランスデユーサの共鳴周波数を当該超音波トランスデユーサの変更後において第２の共鳴周波数に同調する工程とから成る方法。
（Ｃ）超音波トランスデユーサを製造するための方法において、
（ａ）トリムマス（切取質量部分）を含むサンドイッチ型超音波トランスデユーサを組み立てる工程と、
（ｂ）前記超音波トランスデユーサの共鳴周波数を測定する工程と、
（ｃ）前記超音波トランスデユーサのトリムマスを変化して、前記測定した超音波トランスデユーサの共鳴周波数を第２の共鳴周波数に変更する工程とから成る方法。
（４）実施態様Ｃに記載の方法に従って製造した超音波トランスデユーサ。
（Ｄ）超音波組立体を同調する方法において、
（ａ）トリム（切取）領域を有するサンドイッチ型超音波トランスデユーサを組み立てる工程と、
（ｂ）前記超音波トランスデユーサの共鳴周波数を測定する工程と、
（ｃ）前記トリム領域を構成する複数のトリム（切取）幅から一定のトリム幅を選択する工程と、
（ｄ）前記超音波トランスデユーサのトリム領域をトリミングして前記一定のトリム幅にすることにより、前記複数のトリム幅における一定のトリム幅を選択する前の超音波トランスデユーサの共鳴周波数を当該超音波トランスデユーサのトリミング後において第２の共鳴周波数に同調する工程とから成る方法。
（Ｅ）一定の振動の共鳴駆動周波数を有する超音波トランスデユーサ組立体において、
第１の面および第２の面を有する少なくとも１個の圧電変換素子と、
前記少なくとも１個の圧電変換素子の第１の面の近傍に配置された端部質量部分と、
前記少なくとも１個の圧電変換素子の第２の面の近傍に配置された第１の直径を有する前方質量部分とから成り、当該前方質量部分が、
前記前方質量部分を音響導波管に連結するように構成された取付面と、
前記第１の直径よりも大きな第２の直径を有していて、前記前方質量部分の音響振動の波腹部から１／８λ以内に配置されている環状領域とから成り、当該環状領域の少なくとも一部分を除去することにより、前記超音波トランスデユーサ組立体の共鳴周波数が増大する超音波トランスデユーサ組立体。
（Ｆ）超音波組立体を同調する方法において、
前記超音波組立体内の構成要素の質量を選択的に減少して当該超音波組立体の共鳴周波数を変更する工程から成る方法。
（５）前記超音波組立体が環状領域から成り、当該環状領域が前記超音波組立体の長手軸から半径方向に延出している実施態様Ｆに記載の方法。
（Ｇ）超音波組立体を同調する方法において、
（ａ）質量要素を含むサンドイッチ型超音波トランスデユーサを組み立てる工程から成り、当該質量要素が直径Ｄ1 を有していて、前記超音波トランスデユーサの長手軸から半径方向に延出しており、さらに、
（ｂ）前記超音波トランスデユーサ組立体の共鳴周波数を測定する工程と、
（ｃ）前記質量要素の直径Ｄ1 を新しい直径Ｄ2 に減少することにより、当該減少した直径Ｄ2 が前記超音波トランスデユーサの共鳴周波数を第２の共鳴周波数に変更する工程から成る方法。
【００３９】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、接触面上のトリミング処理を必要とすることなく高電力サンドイッチ型の超音波トランスデユーサを同調する新規な方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超音波信号発生装置の概略図およびサンドイッチ型超音波トランスデユーサおよびハウジングの平断面図である。
【図２】本発明によるサンドイッチ型超音波トランスデユーサおよびハウジングの構成部品の分解斜視図である。
【図３】図２の超音波トランスデユーサにおける前方ベル部分の端面図であり、本発明によるトリムマスの初期的な直径を示している図である。
【図４】本発明によるトリムマスおよび当該トリムマスのトリミング処理前の超音波トランスデユーサの共鳴特性のグラフを示している図である。
【図５】本発明によるトリミング処理したトリムマスおよび当該トリムマスの部分のトリミング処理後の超音波トランスデユーサの共鳴特性のグラフを示している図である。
【図６】本発明による超音波トランスデユーサ組立体および同調方法の一実施形態のフローチャートである。
【符号の説明】
１０超音波外科手術装置
１５超音波信号発生装置
２０ハウジング
８０音響組立体
８２サンドイッチ型超音波トランスデユーサ
１２５トリムマス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to an apparatus and method for manufacturing a high power sandwich ultrasonic transducer, and more particularly to a novel method for tuning a high power sandwich ultrasonic transducer using a trim mass. Related to different methods.
[0002]
[Prior art]
No. 09 / 292,134 filed Apr. 15, 1999, 09 / 104,612 filed Jun. 25, 1998, Jun. 25, 1998. No. 09 / 104,789 filed and 09 / 104,648 filed June 25, 1998, all of which are assigned to the same assignee as the present invention. All of which are incorporated herein by reference.
[0003]
Ultrasound devices that include both hollow and solid cores are used for the safe and effective treatment of many medical conditions. Such ultrasound devices, particularly solid core ultrasound devices, are advantageous because they can be used to cut and / or coagulate tissue with energy in a form that transmits mechanical vibrations to the surgical end effector at ultrasonic frequencies. It is. Ultrasonic vibration can be used to cut, incise, or cauterize tissue when transmitted to the tissue with appropriate energy and using a suitable end effector. Ultrasonic devices that utilize solid core techniques are particularly advantageous in terms of the amount of energy that can be transferred from the ultrasonic transducer through the waveguide to the surgical end effector. Such a device is particularly suitable for use in minimally invasive procedures such as endoscopy or laparoscopic procedures, in which case the end effector passes through the trocar to the surgical site.
[0004]
Ultrasonic vibrations can be induced in a surgical end effector, for example, by electrically exciting a transducer that can be composed of one or more piezoelectric transducers or magnetostrictive elements in the handpiece of the device. That is, the vibration generated by the transducer portion is transmitted to the surgical end effector via an ultrasonic waveguide extending from the transducer portion to the surgical end effector.
[0005]
Sandwich-type ultrasonic transducers, also called Langevin transducers, are well known and established to produce high intensity ultrasonic motion. British Patent No. 145,691 issued in 1921 with the inventor P. Langevin describes that a sandwich-type piezoelectric transducer disposed between metal plates generates high-intensity ultrasonic waves. . British Patent No. 868,784 discloses a sandwich type transducer using a bolted stacked transducer configured to tune to a resonance frequency and generate a half wavelength of the resonance frequency. Yes.
[0006]
Composite or sandwich type high intensity ultrasonic transducers generally have a fore-bell and end-bell or front mass member and a mass member or first resonator and first resonator. Two resonators are provided, and the piezoelectric transducer elements and the electrodes are alternately deposited between them because the piezoelectric transducer elements are easily affected by tension. Most such high strength transducers are pre-stressed. That is, they use compression bolts that pass through the deposited layer in the axial direction and apply a static biasing force that is about half of the compressive force that the piezoelectric transducer can withstand. During operation of such transducers, they are always kept in compression and this pressure varies from a minimum pressure of nominal zero to a maximum peak value below the maximum compressive strength of the material.
[0007]
Furthermore, another embodiment of the prior art utilizes a stud member that threadably engages both the front and end bells to apply a compressive force to the deposited layer of the transducer. Such threaded stud members are also well known in the prior art for attaching and detaching transmission components to and from the transducer assembly. See, for example, US Pat. Nos. 5,324,299 and 5,746,756. Such bolts and studs are utilized to maintain an acoustic connection between components in a sandwich transducer or any mounted acoustic assembly. Such coupling techniques are important for maintaining assembly synchrony, which allows the assembly to be driven in resonance.
[0008]
Sandwich transducers are relatively high Q devices that are driven in resonance during operation and are maintained within a relatively narrow frequency range by feedback control techniques known in the art. See, for example, US Pat. Nos. 5,630,420 and 5,026,387, which describe systems that incorporate and control a sandwich transducer.
[0009]
However, it is difficult to manufacture a sandwich type transducer due to the high Q characteristics with which such devices operate. It is common to individually tune each transducer at least once during the manufacturing process. Even with the tight tolerances currently available in modern manufacturing processes, the “stack-up” problem has become difficult for sandwich transducer designers. In other words, this “stacking” problem appears as a normal change due to the combination of a large number of parts, and even if each part has a design tolerance, the changes due to each part are aggregated into a considerable change. Become. Such individual part changes are caused, for example, by changes in material properties, assembly changes, dimensional changes, etc., in different lots of material.
[0010]
Currently, it is known in the art that sandwich transducers are constructed longer than desired for their arbitrary resonant frequency. That is, during assembly, after the sandwich transducer is tested for its resonant frequency, the assembly is trimmed shorter and adjusted to the desired tuning range. This trimming process is often performed on a mounting surface, and another acoustic assembly such as an end effector is mounted on the mounting surface. Surface finish quality at this mounting surface is an important parameter for efficient acoustic assemblies, and it is known that such trimming processes add significant manufacturing problems and increase costs. For example, U.S. Pat. No. 5,798,599 requires a transducer to have intimate surface contact between adjacent members, with the intimacy surface finish having a flatness within two Newton rings per inch. It states that it is necessary.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, there is a need for a transducer tuning method that does not require trimming on contact surfaces already manufactured to acceptable smoothness. There is also a need for an acoustic assembly method that can cope with changes in frequency resonance of individual acoustic assemblies. In addition, it would be further advantageous if the sandwich transducer component could be designed to the desired length required for resonance, for example, without the additional length for tuning due to “stack” problems in tolerance. It would also be advantageous to provide a method for tuning an acoustic assembly during manufacture that can tune a high Q resonant device from an existing resonant frequency to a desired resonant frequency. The present invention addresses and solves these needs as follows.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a method and associated apparatus for manufacturing a high power sandwich ultrasonic transducer, and more particularly, a novel tuning of a high power sandwich ultrasonic transducer that does not require a trimming process at the contact surface. It is a simple method.
[0013]
In the method of the present invention, a trim mass is provided as a component of the ultrasonic assembly for tuning the ultrasonic assembly. The trim mass is preferably disposed in the anti-vibration region of acoustic vibration. This trim mass is then trimmed during the manufacturing process so that the acoustic assembly produces the desired resonant frequency from its combined resonant frequency. In one example of an embodiment of the present invention, the trim mass is an annular region portion disposed on the ultrasonic assembly and extends radially from the longitudinal axis of the assembly.
[0014]
The method according to the present invention comprises the steps of assembling a sandwich type ultrasonic transducer, measuring the resonance frequency of the ultrasonic transducer, and a plurality of trim masses.RatoSelecting the rim mass, and trimming the ultrasonic transducer to the selected trim mass, the resonance frequency measured by the ultrasonic transducer changes to a desired resonance frequency.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The novel features of the invention are set forth with particularity in the appended claims, and the structure and method of operation of the invention, as well as further objects and advantages thereof, may best be understood by reference to the following description based on the drawings. .
[0016]
FIG. 1 shows an ultrasonic signal generator 15 according to the present invention and an ultrasonic surgical apparatus 10 including a sandwich type ultrasonic transducer 82 and a housing 20. This transducer 82 is known as a “Langevin stack” and generally comprises a transducing portion 90, an end bell 92, and a front bell 94. Preferably, the transducer 82 is an integral number of one-half system wavelengths (nλ / 2) as will be described in detail later. The acoustic assembly 80 includes the transducer 82, the mounting member 36, the speed converter 64, the trim mass (cut-off mass portion) 125, and the front end portion 95 of the front bell 94.
[0017]
The transducer 82 of the acoustic assembly 80 converts the electrical signal from the generator 15 into mechanical energy, which is the longitudinal wavelength at the ultrasonic wavelength of the ultrasonic transducer 82 and any attached end effector. Oscillates in the direction. When the acoustic assembly 80 is excited, an oscillation standing wave is generated in the acoustic assembly 80. The amplitude of the vibration motion at an arbitrary point along the acoustic assembly 80 is determined by the position along the acoustic assembly 80 at which the vibration motion is measured. The minimum or zero crossing region in the standing wave of this oscillating motion is commonly referred to as a node (ie, the motion is usually minimal), and the maximum or peak absolute value region in the standing wave is generally referred to as an anti-node. To tell. The distance between these antinodes and the nearest node is ¼ wavelength (λ / 4).
[0018]
The distal end portion of the end bell 92 is connected to the proximal end portion of the conversion portion 90, and the proximal end portion of the front bell 94 is connected to the distal end portion of the conversion portion 90. These end bells 92 and front bells 94 are preferably made of titanium, aluminum, stainless steel or any other suitable material. These front bells 94 and end bells 92 depend on a number of variables including the thickness of the transducing portion 90, the density and modulus of the material used for the end bells 92 and front bells 94, and the resonant frequency of the transducer 82. DecidedLongHave The front bell 94 may complete a single 1 / 2λ portion or may include multiple 1 / 2λ portions. The front bell 94 and the speed converter 64 are preferably integrated, but may be separated by a trim mass 125 disposed near the antinode. As shown in FIGS. 1 and 2, the front bell 94, the speed converter 64, and the trim mass 125 are provided as a single component. The front bell 94 is tapered inwardly from the base end portion to the tip end portion thereof, so that the amplitude of the ultrasonic vibration can be amplified as shown in the speed converter 64. May have no amplification effect.
[0019]
In FIG. 2, the conversion portion 90 of the transducer 82 is preferably constituted by a piezoelectric conversion portion composed of alternating positive electrodes 96 and negative electrodes 98, and the piezoelectric conversion element 100 is interposed between these

electrodes

96 and 98. It is sandwiched alternately. These piezoelectric transducers 100 can be made of any suitable material such as, for example, lead zirconium salt-titanate, lead meta-niobate, lead titanate, or other piezoelectric transducing crystalline material. . Each of the positive electrode 96, the negative electrode 98, and the piezoelectric conversion element 100 has a hole penetrating the central portion. The positive electrode 96 and the negative electrode 98 are electrically connected by

wires

102 and 104, respectively. These

wires

102 and 104 are encapsulated in cable 25 and are electrically connected to generator 15 of ultrasonic surgical device 10.
[0020]
Further, FIG. 2 shows a handpiece assembly 70 including an ultrasonic transducer 82 and housing 20 according to the present invention. The handpiece assembly 70 includes the cable 25, the housing 20, the acoustic assembly 80, and the stud 50. Further, the housing 20 includes a proximal end 22, a distal end 24, a nose cone 34, a hole 110, and O-rings 21, 23 and 32. The acoustic assembly 80 includes the transducer 82 described above, auxiliary components including an acoustic isolator, the electrode assembly 30, the bolt 106, the positive electrode 96, the negative electrode 98, and the insulator 28.
[0021]
In FIGS. 1 and 2,

wires

102 and 104 transmit electrical signals from generator 15 to

electrodes

96 and 98. Further, the piezoelectric transducer 100 is excited by an electrical signal supplied from the generator 15 in accordance with the foot switch 118, and an acoustic standing wave is generated in the ultrasonic transducer 82. That is, this electrical signal moves the piezoelectric transducer 100 in the form of repetitive minute displacements, and changes occur in the compressive force in the material. As a result, this repeated minute displacement causes the piezoelectric transducer 100 to continuously expand and contract along the voltage gradient axis, producing a longitudinal wave of ultrasonic energy. This ultrasonic energy is transmitted through the acoustic assembly 80 to an end effector (not shown).
[0022]
In order for the acoustic assembly 80 to supply energy, all components in the acoustic assembly 80 must be acoustically coupled. Further, the distal end portion of the transducer 82 can be acoustically coupled to the proximal end portion of the ultrasonic end effector by screw connection such as the stud 50.
[0023]
Each piezoelectric transducer 100 is conventionally held in a compressed state between the end bell 92 and the front bell 94 by bolts 106. The bolt 106 preferably has a head, a shaft, and a threaded tip. The bolt 106 is inserted from the base end portion of the end bell 92 through the end bell 92, the

electrodes

96 and 98, and the holes of the piezoelectric transducer 100. Further, the threaded tip of this bolt 106 is screwed into a threaded hole in the proximal end of the front bell 94.
[0024]
The components of the acoustic assembly 80 are preferably acoustically tuned, and the length of any assembly is an integral multiple of ½ wavelength (nλ / 2), where λ is a predetermined number Alternatively, the longitudinal vibration drive frequency f at which the acoustic assembly 80 operates_dWhere n is an arbitrary positive integer. It is contemplated that the acoustic assembly 80 can incorporate any suitable arrangement of acoustic elements.
[0025]
Next, in FIGS. 2 and 3, the threaded hole 107 corresponds to the threaded portion on the tip side of the bolt 106 shown in FIG. The recess 108 supports the acoustic assembly 80 in the transducer housing 20 corresponding to the acoustic isolator 26. The initial outer diameter of the trim mass 125 before trimming is sized to fit into the hole 110 in the tip 24 of the transducer housing 20, as can be seen in FIG.
[0026]
FIG. 4 is a diagram showing a trim mass 125 and a graph 126 of resonance characteristics of the ultrasonic transducer before the trim mass 125 is trimmed. That is, the graph 126 shows the initial resonance frequency of the acoustic assembly 80. In this graph 126, the horizontal axis represents frequency (hertz (Hz)), and the vertical axis represents the amplitude of excursion (A) of the ultrasonic transducer 82, which may also be referred to as a stroke (process). From this figure, it can be seen that the maximum amplitude occurs at 54,600 Hz when the trim mass 125 is not trimmed from its original diameter. Preferably, the trim mass 125 is located at the antinodes of vibration to maximize the efficiency of the tuning range. As is known in the art, changing the diameter at the antinodes of vibration can be done without significantly changing the speed. For example, U.S. Pat. Nos. 5,746,756 and 5,879,364 describe the efficiency of the speed converter around the antinode and the dimensional change to speed conversion.
[0027]
FIG. 5 is a graph showing a resonance characteristic graph 130 of the trim mass according to the present invention after removing a part of the trim mass 125 and the ultrasonic transducer 82 after the trimming process. The trimmed portion of the trim mass 125 is shown in dotted lines as a trimmed material portion 135. That is, the graph 130 shows the resonance frequency of the acoustic assembly 80 that has been trimmed. In this figure, it can be seen that the maximum amplitude occurs at 55,500 Hertz after trimming the portion 135 indicated by the dotted line from the original diameter portion of the trim mass 125.
[0028]
The present invention can be thought of as a simple resonator model using a spring-mass combination as an analog of a resonant ultrasonic assembly. That is, it is placed near the antinodes of vibrations that change the resonance frequency.QualityThe quantity capacity is hung on the end of the springQualityA quantity can be considered as its analog. That is, when this mass is displaced or released, this spring-mass systemBothVibrates at the sound frequency. In this case, as the mass increases, the resonant frequency decreases. Also, as the mass decreases, the resonant frequency increases.
[0029]
Using the spring-mass analog as described above as a trimmed trim mass 125 increases the overall resonant frequency of the acoustic assembly 80 and can be used to compensate for variations in manufacturing conditions. The resonance frequency measured within the range can be changed to a desired resonance frequency. Although the amount of trimming the trim mass 125 can be estimated continuously based on empirical relationships, for ease of manufacturing, the trim amount of the trim mass 125 is determined to bring the acoustic assembly 80 to the desired resonance frequency range. Can be used for the table.
[0030]
It is also conceivable that the mass portion can be added to the acoustic assembly 80 and the resonance frequency of the assembly can be reduced from the measured resonance frequency to a desired resonance frequency. This can be done by means known in the art such as, for example, welding, interference fit, or adhesion.
[0031]
Table 1 shows an example in which the frequency domain can be tuned by removing material from the trim mass 125 in an embodiment of the present invention. The measured frequency domain of the transducer 82 is shown in the first column. From this table, it is believed that the transducer 82 can have a resonant frequency of 55,500 hertz. Thus, if there is a measured resonance frequency after assembly in one of the frequency regions disclosed in the first column of Table 1, the trim mass 125 can be allowed to be trimmed according to the second column of Table 1. Correspondingly, it is necessary to keep the transducer within its design limits. When the resonance frequency measured by the transducer 82 is shifted to a desired frequency of 55,500 Hz or less, the final diameter of the appropriate trim mass 125 is selected from the second row of Table 1 and the shift is corrected. Transducer 82 can be within a desired resonant frequency.

[0032]
In another embodiment of the present invention, a trim mass 125 having a single diameter but varying thickness can be used. For example, the trim mass 125 may be 0.7 inches in diameter and 0.3 inches thick and centered at the antinode. In this case, the trim mass 125 can be trimmed from the 0.3 inch thick portion while maintaining a diameter of 0.7 inch. It is further contemplated that a combination of the thickness and diameter of the trim mass 125 can be used for tuning to bring the ultrasonic transducer 82 to the desired frequency.
[0033]
In yet another embodiment of the present invention, the trim mass 125 may be a plurality of washers with different masses. That is, the resonance frequency of the acoustic assembly 80 is measured, CutA washer having a gramming mass can be acoustically coupled to the acoustic assembly 80 for tuning. In this case, the trim mass 125 may be integrated with the components of the acoustic assembly 80, or may be acoustically coupled to the acoustic assembly 80 by means of welding, adhesion, pressure fitting, or the like to perform the tuning process. Can do.
[0034]
The ability of the added trim mass 125 to change the frequency of the acoustic assembly 80 is altered by the displacement of the trim mass 125 from the antinodes of acoustic vibrations. When the trim mass 125 is added at a vibration node, the influence of the resonance frequency on the resonance frequency is mainly due to the rigidity applied by the trim mass 125 near the node. In this spring-mass analog, the added trim mass 125 at the node can be considered an analog that increases the spring constant. Alternatively, if the same trim mass 125 is placed at the antinode of vibration, its effect on the resonance frequency can be attributed to the increased mass in this spring-mass analog. Also, the effect of the exact position of the trim mass 125 within (λ / 4) around the antinode is less noticeable than the increase or decrease of mass in the vicinity of the antinode, but is sufficient to tune within the limit frequency range. Has an effect. This is due to the most accurate operation effect (influence of mass changing the frequency) in the antinode, and this operation effect decreases as a cosine function according to the deviation from the antinode.
[0035]
FIG. 6 is a flowchart of the assembly of the ultrasonic transducer 82 or the tuning method thereof according to the present invention. The acoustic assembly 80 has a resonance frequency f_d, And an effective acoustic length (nλ / 2). However, due to tolerance "stacking" changes in the properties of each component material, or other aspects of the assembly, the acoustic assembly 80 may deviate from its designed resonant frequency as shown in Table 1 above. there is a possibility. During the assembly process, the entire transducer or acoustic assembly 80 can be measured for its resonant frequency. Therefore, the deviation from the desired resonance frequency can be corrected by appropriately selecting from the final diameter table 1 for trimming processing of the trim mass 125.
[0036]
The flowchart of FIG. 6 includes a step 219 for selecting a front bell, a step 220 for selecting an end bell, a step 221 for selecting at least one piezoelectric transducer, a step 222 for selecting a bolt, a step 223 for selecting an auxiliary component, Assembling the transducer into a sandwich structure 224, measuring the resonant frequency of the assembly 225, determining an appropriate resonant frequency region 226-230, selecting a plurality of final trim masses according to the measured frequency region Steps 232 to 236, a step 237 for trimming the trim mass 125, and a step 242 for checking whether proper correction has been performed by re-measurement of the resonance frequency. In addition, assemblies that fall outside the acceptable resonance frequency region are excluded from the processing system as shown in step 231.
[0037]
While the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, it will be appreciated by those skilled in the art that the above embodiments are merely exemplary. That is, a person skilled in the art can make many modifications, changes, or substitutions based on the disclosure in the present specification without departing from the present invention. Accordingly, the scope and spirit of the invention should be determined only by the claims and the embodiments thereof.
[0038]
Embodiments of the present invention are as follows.
(A) In a method of tuning an ultrasonic assembly,
(A) assembling a sandwich-type ultrasonic transducer having a trim mass (cut-off mass portion);
(B) measuring a resonance frequency of the ultrasonic transducer;
(C) changing the trim mass of the ultrasonic transducer to change the measured resonance frequency of the ultrasonic transducer to a second resonance frequency.
(1) The trim mass is disposed in a front bell of the ultrasonic transducer.Embodiment AThe method described in 1.
(2) The trim mass is disposed in an end bell of the ultrasonic transducer.Embodiment AThe method described in 1.
(3) The trim mass is disposed in the velocity transducer of the ultrasonic transducer.Embodiment AThe method described in 1.
(B) In a method of tuning an ultrasonic transducer assembly,
(A) selecting a constant trim mass from a plurality of trim masses;
(B) By changing the ultrasonic transducer according to the selected trim mass, the resonance frequency of the ultrasonic transducer before the selection of a fixed trim mass among the plurality of trim masses is changed after the ultrasonic transducer is changed. Tuning to a second resonance frequency.
(C) In a method for manufacturing an ultrasonic transducer,
(A) assembling a sandwich-type ultrasonic transducer including a trim mass (cut-off mass portion);
(B) measuring a resonance frequency of the ultrasonic transducer;
(C) changing the trim mass of the ultrasonic transducer to change the measured resonance frequency of the ultrasonic transducer to a second resonance frequency.
(4)Embodiment CAn ultrasonic transducer manufactured according to the method described in 1.
(D) In a method of tuning an ultrasonic assembly,
(A) assembling a sandwich-type ultrasonic transducer having a trim area;
(B) measuring a resonance frequency of the ultrasonic transducer;
(C) selecting a constant trim width from a plurality of trim (cut) widths constituting the trim area;
(D) Trimming the trim area of the ultrasonic transducer to the constant trim width, thereby reducing the resonance frequency of the ultrasonic transducer before selecting a constant trim width among the plurality of trim widths. Tuning to the second resonant frequency after trimming of the ultrasonic transducer.
(E) In an ultrasonic transducer assembly having a resonant drive frequency of constant vibration,
At least one piezoelectric transducer having a first surface and a second surface;
An end mass portion disposed in the vicinity of the first surface of the at least one piezoelectric transducer;
A front mass portion having a first diameter disposed in the vicinity of the second surface of the at least one piezoelectric transducer, the front mass portion being
A mounting surface configured to couple the front mass portion to an acoustic waveguide;
An annular region having a second diameter larger than the first diameter and disposed within 1 / 8λ from the anti-vibration part of the acoustic vibration of the front mass portion, and at least a part of the annular region An ultrasonic transducer assembly in which the resonance frequency of the ultrasonic transducer assembly is increased by removing.
(F) In a method of tuning an ultrasonic assembly,
A method comprising selectively reducing a mass of a component in the ultrasonic assembly to change a resonance frequency of the ultrasonic assembly.
(5) The ultrasonic assembly includes an annular region, and the annular region extends in a radial direction from a longitudinal axis of the ultrasonic assembly.Embodiment FThe method described in 1.
(G) In a method of tuning an ultrasonic assembly,
(A) comprising assembling a sandwich type ultrasonic transducer including a mass element, the mass element having a diameter D1 and extending radially from the longitudinal axis of the ultrasonic transducer; further,
(B) measuring a resonance frequency of the ultrasonic transducer assembly;
(C) A method comprising the step of reducing the diameter D1 of the mass element to a new diameter D2, whereby the reduced diameter D2 changes the resonance frequency of the ultrasonic transducer to a second resonance frequency.
[0039]
【The invention's effect】
Therefore, the present invention can provide a novel method for tuning a high power sandwich type ultrasonic transducer without requiring trimming on the contact surface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an ultrasonic signal generator according to the present invention and a plan sectional view of a sandwich type ultrasonic transducer and a housing.
FIG. 2 is an exploded perspective view of components of a sandwich type ultrasonic transducer and housing according to the present invention.
FIG. 3 is an end view of the front bell portion of the ultrasonic transducer of FIG. 2, showing the initial diameter of the trim mass according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a resonance characteristic of a trim mass and an ultrasonic transducer before trim processing of the trim mass according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a resonance characteristic of an ultrasonic transducer after trimming and trimming of the trim mass according to the present invention.
FIG. 6 is a flow chart of one embodiment of an ultrasonic transducer assembly and tuning method according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Ultrasonic surgical device
15 Ultrasonic signal generator
20 Housing
80 Acoustic assembly
82 Sandwich type ultrasonic transducer
125 Trimmouth

Claims

In a method for tuning an ultrasonic assembly,
(A) assembling a sandwich-type ultrasonic transducer having a trim mass disposed in the vicinity of an anti-vibration portion of ultrasonic vibration;
(B) measuring a resonance frequency of the ultrasonic transducer;
(C) reducing the diameter of the ultrasonic transducer trim mass and changing the measured resonance frequency of the ultrasonic transducer to a second resonance frequency that is higher by several percent .

In a method for manufacturing an ultrasonic transducer,
(A) assembling a sandwich-type ultrasonic transducer including a trim mass disposed in the vicinity of an anti-vibration portion of ultrasonic vibration;
(B) measuring a resonance frequency of the ultrasonic transducer;
(C) reducing the diameter of the ultrasonic transducer trim mass and changing the measured resonance frequency of the ultrasonic transducer to a second resonance frequency that is higher by several percent .

In a method for tuning an ultrasonic assembly,
(A) assembling a sandwich-type ultrasonic transducer having a trim region disposed in the vicinity of an anti-vibration portion of ultrasonic vibration;
(B) measuring a resonance frequency of the ultrasonic transducer;
(C) selecting a trim width from a plurality of trim widths constituting the trim area;
(D) By reducing the diameter of the trim area of the ultrasonic transducer to the selected trim width, the resonance frequency of the ultrasonic transducer is reduced after the trim mass diameter of the ultrasonic transducer is reduced. Tuning to a second resonant frequency that is higher than a few percent .

In an ultrasonic transducer assembly having a resonant drive frequency,
At least one piezoelectric transducer having a first surface and a second surface;
An end mass portion disposed in the vicinity of the first surface of the at least one piezoelectric transducer;
A front mass portion having a first diameter disposed in the vicinity of a second surface of the at least one piezoelectric transducer, the front mass portion comprising:
A mounting surface configured to couple the front mass portion to an acoustic waveguide;
An annular region having a second diameter larger than the first diameter and disposed within 1 / 8λ from the anti-vibration portion of the acoustic vibration of the front mass portion, and at least of the annular region An ultrasonic transducer assembly wherein removing a portion increases a resonance frequency of the ultrasonic transducer assembly within several percent .

In a method for tuning an ultrasonic assembly,
(A) a step of assembling a sandwich-type ultrasonic transducer including a mass element disposed in the vicinity of an anti-vibration part of ultrasonic vibration, wherein the mass element has a diameter D ₁ and the ultrasonic transformer Extending radially from the longitudinal axis of the deusa,
(B) measuring a resonance frequency of the ultrasonic transducer assembly;
(C) By reducing the diameter D _{1 of the} mass element to a new diameter D ₂ , the reduced diameter D ₂ changes the resonance frequency of the ultrasonic transducer to a _second resonance frequency that is higher by several percent. A method comprising the steps of: