A cymbal transducer for power ultrasonics applications

Abstract

Los transductores clase V tipo "cymbal"' han sido ampliamente utilizados para aplicaciones de ultrasonidos de baja potencia, ya que muestran el desplazamiento de alto para una energía de entrada baja, en comparación con una sola cerámica, cuando se utiliza como un actuador. A pesar de sus beneficios en el rendimiento, los diseños originales de transductores cymbal tienen inconvenientes inherentes para aplicaciones de ultrasonidos de alta potencia que requieren desplazamientos mucho más altos. Las asimetrías introducidas durante el proceso de fabricación reducen la eficiencia del transductor, y la degradación de la capa de unión entre las tapas metálicas y el material electroactivo puede alterar la respuesta de vibración y en última instancia conducir al fallo del transductor. Por tanto, se propone un nuevo diseño del transductor cymbal que ofrece desplazamientos altos. Se comparó la configuración original del transductor cymbal con el nuevo diseño para demostrar los efectos de los niveles de voltaje de entrada en las características dinámicas y la respuesta de vibración de los dos transductores. Para el primero las tapas metálicas están unidas directamente al disco piezocerámico utilizando un epoxi comercial no conductor. El nuevo diseño incorpora un anillo de metal unido al borde exterior del disco piezocerámico para mejorar el acoplamiento mecánico con el fin de mejorar de este modo la capacidad operativa del dispositivo a voltajes más altos, lo que permite la excitación del transductor a desplazamientos más altos mediante la eliminación de los problemas asociados con la degradación en la capa de epoxi. Este diseño se demuestra particularmente adecuado para aplicaciones de ultrasonidos de potencia tales como los dispositivos quirúrgicos miniaturizados, por ejemplo, como dispositivos para realizar procedimientos de corte o perforación en cirugía otropedica.

The flextensional class V cymbal transducer has been widely adopted for low power ultrasonics applications, exhibiting high output displacement for low input energy, compared to a single ceramic, when used as an actuator. Despite its performance benefits, the original designs of cymbal transducers have inherent drawbacks for high power ultrasonics applications that require much higher output displacements. Asymmetries introduced during the fabrication process reduce the efficiency of the transducer, and degradation of the bonding layer between the end-caps and the electroactive material can alter the vibration response and ultimately lead to failure. A new design of the cymbal transducer is therefore proposed that delivers high output displacements. A comparison is presented between a cymbal based on the original design configuration and a new cymbal, to demonstrate the effects of input voltage levels on the dynamic characteristics and vibration response of the two different transducers. For the first cymbal the end-caps are directly bonded to the piezoceramic disc using a commercial non-conductive epoxy. The second cymbal incorporates a metal ring bonded to the outer edge of the piezoceramic disc to improve the mechanical coupling with the end-caps, thereby enhancing the operational capability of the device at higher voltages, allowing for excitation of higher output displacements by removing the problems associated with failure in the epoxy layer. This design is demonstrated to be particularly suitable for power ultrasonics applications such as miniature surgical devices, for example as drilling and cutting devices for orthopaedics procedures.