Sensores 2015, 15, 13670-13679; doi:10.3390/s150613670

Article

ABIERTO UnCCESS sensores ISSN 1424-8220www.mdpi.com/Sensores/de revista

Sensor piezoelctrico para Medir Blando y Duro Stiffness conSensibilidad alta para Ultrasnico Transducers

Yan-Rui Li 1, Chih-Chung Su 1, Wen-Jin Lin 1 y Shuo -Hung Chang 1,2,*

1Department de Ingeniera Mecnica, National Universidad de Taiwn, Taipei 106, Taiwun; Emails: yanray_@calientemail.com (Y.-R.L.); sudoric@gmail.com (C.-C.S.); sakungen@hotmail.com (W.-J.L.)2 Mecnico y Syste ms Bsqueda Laboratories, Tecnologa Industrial Research Instituto,Hsinchu 31040, Taiwn

* Autor a quien la correspondencia tendra que ser dirigida; Email: shchang@ntu.edu.tw; Tel.: +886-2-336-69421.

Academic Editor: Vittorio M.N. Passaro

Recibed: 3 abril 2015 / Accepted: 8 June 2015 / Published: 11 junio 2015

Abstracto: Durante ciruga de ascensor de seno dental, es i mportant a m onitor el grosor de el remaining maxilla a un void porfo unting the pecadous membrane. Allfmena, un sensor should ser integvalor ina ultraso nic herramientas dentales para impedir indeseable damedad. Este papel presenta un piezoelctrico (PZT) senso en s talled en un ultrasonic transducer a m easure el stiffness de alto y l ow materiunl s. Cuatro design escribe using tres PZT anillo materials y un s pencendi PZT para actuador y anillo de sensor materials estuvo estudiado. Tres ubicaciones de sensor eran tambin examined. Las seales de voltaje de el sensor y el dispencajement de el actuator estuvo analizado para distinguir el bajo y alto stiffness. Utilizando tipo de sensor T1 made de el PZT-1 material y la ubicacin de frente Un1 proporcion una sensibilidad alta de 2.47 Vm/kN. El experimental resulta dem onstrated que nuestro diseo puede measure blando y duro stiffness.

Clavewords: seno; piezoelectric senso; ultrunsnico transducer; stiffness; sensitivity

1. Introduccin

Recientemente, ultrasonic den tal herramientas hunve ser utilizados extensively en scaling, micro-invunsive implantas, y otras cirugas orales [13]. Herramientas dentales ultrasnicas haber m cualesquier beneficios, como buenos tajantes

Precisin, bien capacidad para dientes remvalo, simplicity de operacin, y efectos de dolor bajo. Aun as, un peligro durante ciruga de ascensor del seno es perforation de el seno membrane [4,5]. A pesar de que muchos escribe of ultrasonic measurindispositivo de gs have abejan developed to diungnose dentun l health [68], these los instrumentos no pueden ser operados simultneamente con el ultrasonic herramienta dental. Por tanto, es necesario de integrar un sensor a herramientas dentales ultrasnicas a avo id indeseables damedad.Bsqueda pasada [9] ha examined el sitioment sensores en el brazo de vinculacin y el sitio de sensor mejorment para producir seales then puede soler monitor vibracin. O y Feng [10,11] sugiri recording mecnico vibrations por instalar un piezoelctrico (PZT) sensor en el horn a d etect elm . Los cambios significativos estuvieron observados en el segundo harmonic de la seal de vibracin, y el vnculo shear la fuerza podra ser pronosticada. MaruyamUn [12] public una tcnica para combining herramientas dentales ultrasnicas y salud dental measurement instruments. Utilizaron una frecuencia de resonancia que localiza sistema to detecta el s tiffness en el contact punto durante dental tratament. En comn clnico cases, el operunting fuerza de contacto es normalmente abajo 10 N. En belio de fuerzasow 6 N, aun as, el sensitivity y la resolucin de el sistema es insuficientemente alto.Este trabajo presenta un m ethod de m eunsuring el stiffness con sensibilidad alta, especialmente en el caso de blando materials. El mtodo employs PZT materials como el sensor para medir blando y duro stiffness. Por analizar el voltio de produccinunge de el sensor, el stiffness de o ral el tejido puede ser detectado. We Dise varios tipos de PZT el sensor que utiliza diferente PZT materials y les prob en ubicaciones diferentes. Incluso con contacto ligero, el sensor maintained un alto stiffness valor de sensibilidad de aproximadamente 2.47 Vm/kN. El co mbila nacin de actuador y sensor puede ser utilizada simultaneously fo de n tal treenm ent unnd stiffness sencanta.

2. Diseo de P ZT Sensor

2.1. Construccin de diseo

Un conventional ultrasonic dental handpiece a ol, shown en Figura 1, consta de un den tal a ol y un Langevin ultrasnico transducer. El Langevin transducer incluye una estructura de emparedado de PZT anillos clamped between el cuerno y la seccin posterior. La vibracin longitudinal est generada cundo el alternative el voltaje es un pplied a t he PZT electrodo, y el unm plitude es larger en el resonant frecuencia. Ambos de el medios-wavelength metal las partes estn configuradas como el displacement unm plifier y es co mpos de cuatro PZT anillos.

Sensores 2015, 1513671Un PZT el anillo estuvo colocado dentro del transducer como sensor, cuando s hown en Figure 2, de modo que deformation de el PZT dirigira a un ser de voltaje detect. Las seales de voltaje, habiendo amplitudes en la gama ultrasnica, y el desplazarment de la vibracin podra thus ser analizado a disting uish blando y duro stiffness y as distinguir materials de varios grados de stiffne ss. En este w ork, un PZT anillo (Fuji-C213) estuvo utilizado como el actuador. Las propiedades estn listadas en Mesa 1. El exterior diameter, interior diameter, y grosor de el PZT el anillo es 10 mm, 5 mm y 2 mm, respectivamente.

Figura 1. ComPosicin de el ultrasonic dental handpiece.

Figura 2. Ilustracin de ( un) tipos de sensor y ( b) ubicaciones de sensor.

Mesa 1. Propiedades materiales de Fuji C-213 piezoelctricos (PZT) actuador.

PZT Constante de cargo

PZT Constante de voltaje

DielectricConstante

ElectromechanicalCoupling FUnctor

MecnicoFactor de calidad d33 (pC/N) g33 (103 vm/N) 33/0 Kp (102) QM 310 23.4 1470 58 2500

Segn clinical hallazgos, el ultrasnicos dent al handpiece es normalmente operado en 30 kHz, el cual es fuera de la gama de hu munn odo, 20 a 20,000 Hz. La ubicacin y tipo de un sensor fuertemente influencia the sensitivity y el desplazarment. Estos dos factores be discussed below.

2.2. Diseo de Tipos de Sensor

Cuando mostrado en Figura 2un, tres different PZT munt eriunl s, types T1, T2, T3, estuvo estudiado. Para tipo T4, tl PZT ring wcuando d ivided into un unc tuator y un sensor. Tl parameters de t he el sensor est listado en Mesa 2. El m aterial de PZT-1 (Fuji C-213) era same cuando aquello de el PZT actuador. El PZT constante de PZT-2 (Fuji C-203) era ms alto que que de PZT-1, y el Young Modulnos era similar en ambos. Nosotros tambin considerados polyvinylidene fluoruro (PVDF) como m aterial, a causa de su extremely fuerte piezoelectricity y densidad baja, which might munke lo til para PZT sensor aplicaciones. Adems, un PZT el anillo estuvo dividido: 12.5% estuvo utilizado como sensor, y el resto estuvo utilizado como un actuador. La proporcin de12.5% estuvo escogido para dos razones. The Primera razn para utilizar una ruptura PZT como el sensor era la disipacin de energa . Cremos que the dissitioment increase como la proporcin de rea de el PZT sensor a el PZT actuator decreased. La segunda razn era que un diamond el bolgrafo soli manually cortado el areun necesitamos. El outside diameter de el PZT ring es 10 mm, y t he enn er diameter es 5 mm. El consejo diameter de el diamond el bolgrafo es approximately 1 mm. Por tanto, sea difcil de garantizar la calidad tajante de un PZT anillo si smaller runtios, como 1:9 o 1:10, estuvo utilizado.

Mesa 2. Propiedades de PZT materiales de sensor.

Type ParUnmetroYounG PZT Voltage MechanicalDensity GrosorModulus Constant QuUnencendido y Functor

Diseo

Y33 g33 tQM(GPun) (103 vm/N) (103 kg/m3) (mm)

T1 PZT-1 66 23.4 7.80 1.0 2500 Ring sensor T2 PVDF 13 150.0 1.77 0.1 11 Ring senso T3 PZT-2 60 25.6 7.70 1.0 2000 Ring sensor Split into sensoT4 PZT-1 66 23.4 7.80 1.0 2500

(12.5% unrea) y ac tuunt or (87.5% unrea)

2.3. Diseo de Ubicaciones de Sensor

Sensors Un t various locatien s generate different voltajes due to the stress distribution in the transducer. El voltaje de el sensor es en p roportion a la fuerza aplic a el sensor. De ah, la ubicacin de un sensor tendr un directo influence en su sensitivity. En este trabajo, los sensores estuvieron colocados en tres posiciones diferentes, i.e., Un1, Un2 y Un 3, para encontrar el optimal ubicacin. En el estudio de ubicaciones de sensor, utilizamos nicos PZT-1 cuando el actuuntor. Cuando mostrado en Figura 3, the nla oda era loc ated un t the position marked en rojo. Est razonado que el m aximum senso el voltaje sera obtenido con el Un2 conjunto f o t he nearest nodo position. Por tanto, el Un1 conjunto para el nodo ms lejano position era t he opuesto of Un2. Finalmente, el Un3 conjunto era param ed por considerar independiente ajustament de el preload de el sensor y el actuador. Cuando mostrado en Figura 2b, en colocar Un1, el sensor estuvo insertado entre el actuador de anillo y el cuerno. En Colocar Un2, el sensor estuvo apostadoween el anillo actuuntor unnd segmento trasero. En colocar Un3, el sensor era glued en el fin de cola de t he trasero segment por utilizar el insthormiga adhesive de Loctite 403.

Figura 3. La posicin de nodo de elu ltrasonic dental handpiece.

3. Experimental Measurement

Este section es divided a t wo partes. Primero, las influencias de los tipos y las ubicaciones estuvieron investigados para disuadirmine el unppropriate condiciones para el sensor. Segundo, notando la capacidad estuvo verificada, y si mply apoyado beams [13] con grados diferentes de rgidos ness estuvo utilizado tan prueba samples.

3.1. Rendimiento de sensor de Vibracin Libre

Una prueba de vibracin libre, utilizando el conjunto-up mostrado en Figura 4, estuvo conducido a exa mine las eficacias de los diseos de sensor diferentes. El ultrasnico transducer era clamped en una ubicacin hexagonal de el cuerno. La seal de conduccin estuvo proporcionada por un poder unm plifier (NF 4005) conect a el generador de funcin (Agilent 33120Un). El l ongitudinal displuncement de el unc tuator y el voltaje de sensor de el sensor estuvo obtenido con un lser vibrometer (Polytec OFV-3000) y un osciloscopio (Tektronix TDS 5054), respectivamente. El longitudinal dispencajement unnd sensor voltage era m easured bajo un voltaje de conduccin de 5 V utilizando un dynamic seal analyzer (HP 35665). Los resultados estn mostrados en Figura 5. Una cumbre clara de el dispencajement y sensor voltage apareci en un resonante frequency de 40 kHz. The observed sensor voltage was consistent Ingenioh the displacehombrest. The results shDebed good correlation entre el desplazarment y el se nso volta ge e i ndicunt ed que el s ensor voltage era capaz a rea ct a el d isplacement con exactitud.

Figura 4. Experimental Conjunto-arriba para medir el longitudinun l displuncement de el actuador y el voltaje de sensor.

Figura 5. Respuesta de frecuencia bajo un voltaje de conduccin 5 V.

3.2. Rendimiento de sensor en Contacto con Muestra de Prueba

Human bone tissue is Componed of several capas of different materiales. AccordinG to Reference [14], el hueso en la mandbula superior contiene una proporcin alta de cancellous hueso. El prop erties de polymethyl methacrylate (PMMA) es muy similar a aquellos de cancellous hueso, cuando mostrado en Mesa 3. Este trabajo capas de silicio utilizado de los grosores que varan de 1 mm a 5 mm a si mutarde el pecadous membrane y PMMA para simular hueso humano.

Mesa 3. Propiedades de cancellous hueso unnd polymethyl methacrylate (PMMA).

MaterialYoung Modulus (MPa)Poission ProporcinDensidad (103 kg/m3)

Cancellous Hueso3450.311.0

PMMA3030.321.151.19

Figura 6. Experimental Conjunto-arriba para investigar sensor performance during contact con te st sample.

En el experiment, sencillamente-soportado beams con equivalente diferente stiffness estuvo utilizado tan prueba samples. El experimental apparatus de el stiffness measurement es enfermoustrunted en Figura 6. Pecadoce el consejo motion un t the el cuerno era enco ntacto con el test samples, el longitudinal desplazament podra ser m easured de elm ovement de el trasero de t he demasiadol . El u ltrasonic transducer estuvo fijado en un slider de una gua lineal y contact el centro de la prueba sample. Durante ciruga dental, la fuerza de contacto convencional es abajo 10 N. Una fuerza de contacto baja de 3 N sert ween el transducer y prueba sample estuvo controlado por el peso de el slider y el transducer.

4. Resultados unnd Discusin

4.1. Rendimiento de sensor en Vibracin Libre

Figura 7 espectculos el longitudinales desplazament resultados para diferentes sensor locations. En todo locationes, el longitudinales desplazament era l ower que el result para el uninstalled sensor. Pueda ser inferido que la energa estuvo consumida cundo los sensores era i nserted a el transducer, y tanm e la energa estuvo convertida a la seal de sensor, un razonable expectation. T Resulta tambin muestra que la seal de la ubicacin de sensor Un3 estuvo distorsionado en alto input voltaje; est encontrado que el pegamento become inestable bajo alto temperature approximately 130 C qu superando the recommend temperature de operacin. Adems, puesto Un1 produced el m aximum longitudinal dissitioment y un voltaje de sensor ms bajo que puso Un2. Segn Figura 8, the voltaje de sensor de Un 2 era m uch ms alto que que de Un 1. Pueda be enf erred thun t el sensor el voltaje era ms alto porque el sensor de poner Un2 era locunted cercano a t he nodo de el transducer. En este trabajo, un large dispencajement y suficiente voltage era needed para el dispositivo para trabajar. As, el Un1 tipo estuvo utilizado para los conjuntos experimentales T.

Figura 7. Longitudinal displUncements con ubicaciones de sensor diferente.

Cuando mostrado en Figura 9, experiments era performed a ex unm ine la influencia de el tipo de sensor. El pobre longitudinal desplazament de tipo de sensor T2 era bastante noticeable e indic que el blando PVDF mene rial evidentemente bajado the transducer displacement, incluso though el PVDF era muy delgado. Adems, el d isplacement de T 1 era ms alto que que de T 3. Sobre el co mparison de propiedades de

T1 y T 3, el valor de cada elemento era similar, excepto el M echanical Hecho de Calidador (QM). El valor representa el m agnitude de disipacin de energa. TSu tambin indic que un bajo Q M corresponde a un alto mechanical prdida.

Figura 8. Voltajes de sensor de ubicaciones de sensor Un1 y Un 2.

Figura 9. Longitudinal desplazaments de varios tipos de sensor.

4.2. Rendimiento de sensor en Muestra de Prueba del Contacto

Figura 10 espectculos los voltajes de sensor para los grados diferentes de equivalentes stiffness para sensor typesT1 y T 4. Ambos diseos eran capaces a esti mcomi el rgidoness de el s unm ple bajo una carga de contacto baja de3 N. El diseo de sensor de T 1 espectculoed alto stiffness sensibilidad de 2.47 Vm/kN, y T 4 tuvo unsti ffness sensibilidad de 1.55 Vm/kN en el stiffness gama de 0 a 25 kN/m. Notado que thantes de es un salto repentino en2 kN/m para tipo T4. El phenomenon estuvo credo en la causa de el assembly-vaco. Para T 4 tipo, un 12.5% PZT el anillo era divided como sensor por un m anual cutting mtodo con eld iunm ond bolgrafo. El m ethod might resultado en el m easurement error durante elm easurement de el equivalente bajo stiffness debido a els light irregularities de el borde de sensor.

Figura 10. Voltajes de sensor en varios equivalentes stiffness.

5. Conclusiones

This investigation presents Un new PZT sensor for integration into unn ultrasonic dental tool. The sensO puede distinguish duro y blando materials, incluso under un bajo contcarga de acto de 3 N. El stiffness de differe nt prueba samples estuvo detectado por analizar el voltaje from el sensor. El experimental el dato mostr que la ubicacin y el type de el sensor afect the sensitivity de el sensor y el d issitioment de el transducer. Medidaments indic que both tipo T1 y T 4 era capaz de distinguir materiales de d ifferent stiffness. El d ifference en el diseo de tipo T4 tendra que ser notado. ThEs el diseo deja un voltaje de sensor para sero btained ingeniohfuera de t he use de un independiente PZT anillo como sensor. The siGnun l produced by this design is also sufficient for anlisis, ingenioh good sensitivity of 1.55 Vm/kN. This study Tambin determined el o ptimal ubicacin de sensor para serUn 1, donde the PZT el sensor puede ser colocado para m hachaimum displacement de el transducer.

Uncknowledgments

Esta bsqueda se mantuvo con la Ciencia de Taiwn Del sur Aparca Undministration (STSPA), Taiwn, bajo contrato AZ-09-10-25-98.

Autor Contributions

Yan-Rui Li Escribi y editado the manuscript. Wen-Jin Lin performed El experiments para m easurement y adquisicin de dato. Chih-Chung Su Y Shuo-Colgado Chang improb la calidad de esta bsqueda. Todos los autores revisaron el m unnuscript antes de que submission y aprob su publicacin.

Conflictos of Interest

Los autores No declaran ningn conflicto de inters..

Referencias

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