CN104067635A - 超声波转换器、电脉冲生成装置以及包括这些的超声波生成装置 - Google Patents

超声波转换器、电脉冲生成装置以及包括这些的超声波生成装置 Download PDF

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Abstract

超声波生成装置包括超声波转换器和电脉冲生成装置。超声波转换器包括：压电元件，其从电脉冲生成装置接收电脉冲并进行振动；以及存储器，其存储超声波转换器的特性信息。而且，电脉冲生成装置包括：可变脉冲生成器，其形成为能够生成频率、电压及电流中一者以上可变的电脉冲并输出；信息接收器，其从所述存储器接收所述超声波转换器的特性信息；以及控制器，其根据由所述信息接收器接收的所述特性信息，控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器生成频率及电压、电流中的一种以上可变的电脉冲并输出。

Description

超声波转换器、电脉冲生成装置以及包括这些的超声波生成装置
技术领域
本发明涉及利用电脉冲生成超声波的超声波转换器、生成电脉冲的电脉冲生成装置以及包括这些的超声波生成装置。
背景技术
超声波转换器(ultrasonic transducer)可以通过在压电元件的两侧形成电极，制成压电振子，单独或通过把外壳等结合于压电振子而构成。超声波是通过向压电振子的电极接入电脉冲而引起压电元件的振动，由此产生超声波。
超声波转换器的固有的电气特性通常取决于压电元件的材料、形状、厚度等，电气特性还因外部外壳、粘合厚度、使用环境甚至粘合剂而异。作为超声波转换器的电气特性，有共振频率、反共振频率、相位、阻抗等，一般而言，如果把与共振频率相同的频率的电脉冲接入超声波转换器，则输出最大的超声能量。压电元件在共振频率下输出最大超声能量，是因为当为共振频率时，超声波转换器的阻抗最低。但是，即使按共振频率接入电脉冲，根据电脉冲生成装置，超声波转换器的输出也可能不是最高。这种原因是因为电脉冲生成装置与超声波转换器的阻抗相互不同，一般而言，当电力供应部与负载端的阻抗相同时，传递最大电力。因此，超声波转换器为了获得最大超声波输出，共振频率以及阻抗必须相互匹配。为此，在超声波转换器及电脉冲生成装置中，也存在另行构成阻抗匹配电路的情形。
但是，与电脉冲生成装置相比，超声波转换器的电气特性如以上提及所示，根据多样的要素而十分敏感地变化并匹配阻抗，现实而言是困难的问题。特别是虽然使用相同的电脉冲生成装置，但在超声波转换器因寿命性、故障等多种原因而频繁更换使用的情况下，则是更困难的事情。
最近，超声波多样地用于超声波刺激器、高强度集束超声波治疗仪等医疗设备，同时，超声波频率及超声能量的强度也在提高，因而尝试了各种使超声能量的输出提高、稳定的技术。
一般而言，为了提高超声波转换器的共振频率及输出强度，适宜的压电元件的材料、形状等物理条件以及共振频率与阻抗匹配等电气结合极为重要。但是，如前面提及所示，既定地制作超声波转换器的共振频率及阻抗等电气特征，现实而言是非常困难的问题。特别是在超声波转换器的共振频率高或结构复杂、超声波输出强度高的情况下，相同地调整超声波转换器的特性的工作更加困难。由于这种制造工序上的困难，即使是根据相同特性制作的超声波转换器，电气特性也往往不同。这种差异对装置的再现性、治疗效果等产生不良影响。即使有幸在各个超声波转换器中添加阻抗匹配电路等，调节电气特性，而构成阻抗匹配电路所需的时间与经济费用非常高，使制造成本上升。
发明内容
技术课题
本发明要解决的课题是提供一种超声波转换器、电脉冲生成装置以及包括其的超声波生成装置，能够解决因在超声波转换器制造过程中可能发生的各种因素而引起的超声波转换器不均一性所导致的超声波输出不均一或超声波输出强度变弱等问题。
课题解决方案
本发明的一个实施例的生成超声波的超声波转换器包括：压电元件，其从电脉冲生成装置接收电脉冲并进行振动；以及存储器。所述存储器存储所述超声波转换器的特性信息。
所述超声波转换器的特性信息可以包括预先测量的所述超声波转换器的共振频率、阻抗、各频率的输出强度、各频率的阻抗、各供应电源的输出强度、最大输出频率、最大输出强度、使用时间、使用次数中的一种以上。
所述超声波转换器的特性信息可以包括结合于特定电脉冲生成装置而预先测量的所述超声波转换器的共振频率、阻抗、各频率的输出强度、各频率的阻抗、各供应电源的输出强度、最大输出频率、最大输出强度中的一种以上。
所述超声波转换器的特性信息还可以包括所述超声波转换器的使用时间及次数中的一种以上。
本发明的另一实施例的超声波转换器还可以包括连接于所述压电元件的阻抗匹配电路。
另一方面，本发明实施例的电脉冲生成装置包括：可变脉冲生成器，其形成为能够生成具有可变频率的电脉冲并输出；信息接收器，其从外部接收将接受电脉冲供应的超声波转换器的特性信息；以及控制器，其根据由所述信息接收器接收的所述超声波转换器的特性信息，控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器生成频率、电压及电流中的一种以上可变的电脉冲并输出。
所述超声波转换器的特性信息可以包括预先测量的所述超声波转换器的共振频率；所述控制器可以控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器生成具有与所述超声波转换器的共振频率相同的频率的电脉冲并输出。
所述超声波转换器的特性信息可以包括预先测量的所述压电元件的超声波输出能量；所述控制器可以控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器在根据所述超声波输出能量和使用者选择的输出强度算出的输出时间期间生成电脉冲并输出。
所述超声波转换器的特性信息可以包括所述压电元件的固有阻抗以及所述压电元件的使用时间及使用次数中的一种以上，所述控制器可以根据所述超声波转换器的特性信息，控制所述可变脉冲生成器。
本发明实施例的超声波生成装置包括：超声波转换器；以及可变脉冲生成装置，其生成电脉冲并输出。所述超声波转换器包括：压电元件，其从所述电脉冲生成装置接收电脉冲信号并进行振动；以及存储器，其存储所述超声波转换器的特性信息。而且，所述电脉冲生成装置包括：可变脉冲生成器，其形成为能够生成频率、电压及电流中一种以上可变的电脉冲并输出；信息接收器，其从所述存储器接收所述超声波转换器的特性信息；以及控制器，其根据由所述信息接收器接收的所述超声波转换器的特性信息，控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器生成频率、电压及电流中的一种以上可变的电脉冲并输出。
所述超声波转换器的特性信息可以包括预先测量的所述超声波转换器的共振频率；所述控制器可以控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器生成具有与所述超声波转换器的共振频率相同的频率的电脉冲并输出。
所述超声波转换器的特性信息可以包括预先测量的所述压电元件的超声波输出能量；所述控制器可以控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器在根据所述超声波输出能量和使用者选择的输出强度算出的输出时间期间生成电脉冲并输出。
所述超声波转换器的特性信息可以包括所述压电元件的固有阻抗以及所述压电元件的使用时间及使用次数中的一种以上；所述控制器可以根据所述超声波转换器的特性信息，控制所述可变脉冲生成器。
发明效果
根据本发明，在包括压电元件的超声波转换器的存储器中存储有相应特性信息，这可以用作生成电脉冲的基础资料，因此，可以克服在超声波转换器的制造过程中出现的特性，生成所需输出的超声波。
进而，由于超声波转换器的特性信息包括频率或超声波输出强度，因而能够准确体现使用者选择的输出强度，必要时，为了照射使用者需要的特定超声能量，可以在特定输出时间期间接入电脉冲。就这种发明的效果而言，当在相同的系统中构成消耗性地持续使用的超声波转换器时，其效果能够实现最大化。
附图说明
图1是本发明实施例的超声波生成装置的概略性的框图。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明实施例的超声波转换器、电脉冲生成装置以及超声波生成装置进行说明。
超声波转换器是接收电脉冲并生成超声波的装置，电脉冲生成装置是生成驱动超声波转换器的压电元件的电脉冲的装置，超声波生成装置是相当于超声波转换器与电脉冲生成装置的组合的装置。超声波生成装置包括超声波转换器及电脉冲生成装置，因此，下面不对本发明实施例的超声波转换器及电脉冲生成装置另行说明，而是包含于本发明实施例的超声波生成装置进行说明。
如图1所示，超声波转换器10和电脉冲生成装置30连接成能够相互传递电气的及信息信号。通常，由于超声波转换器10寿命比电脉冲生成装置30短，因而超声波转换器10与电脉冲生成装置30可以以相互独立的单位形成，使得能够根据需要而连接。因此，如果超声波转换器10的寿命耗尽，则可以更换为其它超声波转换器而再使用。
超声波转换器10包括从电脉冲生成装置30接收电脉冲并进行振动的压电元件11。压电元件11可以安装于外壳形态的壳体(housing)。例如，压电元件11可以在压电陶瓷层的两面分别形成电极而制造，通过在压电陶瓷层的两端的电极接入电气信号，使得压电元件11进行振动。
另一方面，超声波转换器10可以包括以能够从电脉冲生成装置30接收电脉冲的方式匹配的宽带匹配网络(matching network)12。例如，匹配网络12可以由能够从电脉冲生成装置30接收电脉冲并传递给压电元件11的电路、用于电脉冲生成装置30与超声波转换器10的阻抗整合的阻抗匹配电路等构成。
而且，超声波转换器10可以包括存储压电元件11及超声波转换器10整体的特性信息的存储器13。其中，超声波转换器10的特性信息既可以与将使用相应超声波转换器10的电脉冲生成装置结合而实施，并由测量装备等而实际测量获得，也可以通过相应超声波转换器10的使用历史信息而获得，还可以包括超声波转换器10的各种特性参数。例如，特性信息可以包括相应超声波转换器10的共振频率、阻抗、相位、各频率的超声波输出强度、各频率的阻抗、各供应电压的输出强度、最大输出频率、最大输出强度、使用时间及使用次数等。例如，最大输出频率和超声波输出强度可以测量在接入特定频率的电脉冲时输出的超声波的输出强度为最大时的频率和输出强度而获得。此时，特性信息既可以在制造成超声波转换器10的状态下，单独利用测量设备进行测量，也可以在连接于特定脉冲生成装置进行驱动的状态下，通过测量而获得。例如，最大输出频率、最大输出强度、各频率的输出强度等可以是在由特定的脉冲生成装置连接的状态下测量的值。此时的特定的脉冲生成装置可以是供制造的超声波转换器使用的装置。
而且，还可以具备用于与后面将说明的电脉冲生成装置30连接的连接部14。存储器13中存储的信息可以通过连接部14传送给电脉冲生成装置30。例如，连接部14可以以能够连接于后面将说明的电脉冲生成装置30的信息接收部35的端子形态体现。另一方面，存储器13中存储的信息还可以通过诸如蓝牙的无线通信而传送给电脉冲生成装置30。
而且，虽然在附图中未图示，但超声波转换器10还可以包括连接于压电元件11的阻抗匹配电路。在超声波转换器10的制造过程中，当超声波转换器10的特性未在特定范围内获得时，通过预先配备能够调节超声波转换器10的阻抗的阻抗匹配电路，使之后用于形成所需超声波输出的过程可以实现简化。
另一方面，电脉冲生成装置30包括可变脉冲生成器31。可变脉冲生成器31形成为可以生成具有可变频率的电脉冲并输出。即，可变脉冲生成器31可以根据需要而生成具有互不相同频率的电脉冲并输出。具有可变频率的电脉冲生成装置其本身是本发明所属技术领域的技术人员不言而喻的事项，因此省略对此的详细说明。
由电脉冲生成装置30生成的电脉冲供应给超声波转换器10，为此，电脉冲生成装置30可以包括传送电脉冲的电缆。
控制器(controller)33控制可变脉冲生成器31。例如，控制器33可以进行控制，使得可变脉冲生成器31生成具有既定频率的电脉冲，还可以进行控制，使得在既定时间期间生成电脉冲并输出。控制器33作为微处理器，可以包括存储器以及其它相关硬件和软件，可以由执行下面将说明的控制方法的计算机程序进行驱动。
信息接收器35可以从存储器13接收将接受电脉冲供应的超声波转换器10的特性信息。例如，信息接收器35可以由能够接收超声波转换器10的存储器13中存储的信息的任意装置体现，可以由能够从上述说明的连接部14接收信息的任意装置体现。
由信息接收器35接收的超声波转换器10的特性信息传送给控制器33，控制器33根据接收的特性信息，控制可变脉冲生成器31的工作。即，控制器33根据超声波转换器10的特性信息，控制可变脉冲生成器31，使得可变脉冲生成器31生成频率和电压中的一种以上可变的电脉冲并输出。
下面对控制器31控制可变脉冲生成器31的具体方法进行说明。
作为一个示例，当超声波转换器10的特性信息包括预先测量的相应超声波转换器10的最大输出频率时，控制器33生成具有与超声波转换器10的最大输出频率相同的频率的电脉冲并输出。因此，超声波转换器10可以由具有与预先测量的自身最大输出频率相同的频率的电脉冲而驱动，由此，超声波转换器10可以输出最大超声能量。
另一方面，当超声波转换器10的特性信息包括预先测量的相应超声波转换器10的输出能量时，控制器33控制可变脉冲生成器31，使得可变脉冲生成器31在根据相应超声波转换器10的超声波输出强度和使用者选择的输出能量算出的输出时间期间，生成电脉冲并输出。求出使用者可选择的输出能量的式如下。
[式]
J＝W*S
其中，J为超声能量，W为超声波输出强度，S为时间。
例如，如果获知超声波转换器10的输出强度值和使用者选择的输出能量，则利用把输出强度值乘以输出时间便可算出输出能量的关系，可以算出输出时间。此时，输出强度值可以根据相应超声波转换器10的存储器13中存储的各频率的输出强度值，利用与电脉冲生成装置供应的频率相应的输出强度值进行设置。就这种方法而言，即使把不同超声波转换器连接于相同的电脉冲生成装置，也能够利用超声波转换器的特性信息，生成始终相同的超声波输出。
进一步而言，超声波转换器10的特性信息可以包含相应超声波转换器10的使用时间及使用次数中任意一种以上。当在超声波转换器10的特性信息中包含使用时间及使用次数相关信息时，控制器33确认相应超声波转换器10的使用时间及使用次数，持续地更新并存储，从而能够容易地管理相应超声波转换器10的历史。
以上对本发明的优选实施例进行了详细说明，但本发明的权利范围并非限定于此，所属领域的技术人员引用以下申请范围中定义的本发明的基本概念而导出的多种变更及改良形态也属于本发明的权利范围。
工业上的利用可能性
本发明涉及超声波转换器、电脉冲生成装置及超声波生成装置，可以应用于医疗用设备等，具有工业上的利用可能性。

Claims (10)

1.一种超声波转换器，其用于生成超声波，其特征在于，包括：
压电元件，其从电脉冲生成装置接收电脉冲信号并进行振动；以及
存储器，其存储所述超声波转换器的特性信息。
2.根据权利要求1所述的超声波转换器，其特征在于，
所述超声波转换器的特性信息包括预先测量的所述超声波转换器的共振频率、阻抗、各频率的输出强度、各频率的阻抗、各供应电源的输出强度、最大输出频率、最大输出强度、使用时间、使用次数中的一种以上。
3.根据权利要求1所述的超声波转换器，其特征在于，
还包括连接于所述压电元件的阻抗匹配电路。
4.一种电脉冲生成装置，其特征在于，包括：
可变脉冲生成器，其形成为能够生成具有可变频率的电脉冲并输出；
信息接收器，其从外部接收将接受电脉冲供应的超声波转换器的特性信息；以及
控制器，其根据由所述信息接收器接收的所述超声波转换器的特性信息，控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器生成频率、电压、电流中的一种以上可变的电脉冲并输出。
5.根据权利要求4所述的电脉冲生成装置，其特征在于，
所述超声波转换器的特性信息包括预先测量的所述超声波转换器的共振频率；
所述控制器控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器生成具有与所述超声波转换器的共振频率相同的频率的电脉冲并输出。
6.根据权利要求4所述的电脉冲生成装置，其特征在于，
所述超声波转换器的特性信息包括预先测量的所述压电元件的超声波输出能量；
所述控制器控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器在根据所述超声波输出能量和使用者选择的输出强度算出的输出时间期间生成电脉冲并输出。
7.一种超声波生成装置，其特征在于，包括：
超声波转换器；以及
电脉冲生成装置，其生成电脉冲并输出；
所述超声波转换器包括：压电元件，其从所述电脉冲生成装置接收电脉冲信号并进行振动；以及存储器，其存储所述超声波转换器的特性信息；
所述电脉冲生成装置包括：可变脉冲生成器，其形成为能够生成频率及电压、电流中一种以上可变的电脉冲并输出；信息接收器，其从所述存储器接收所述超声波转换器的特性信息；以及控制器，其根据由所述信息接收器接收的所述超声波转换器的特性信息，控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器生成频率、电压、电流中的一种以上可变的电脉冲并输出。
8.根据权利要求7所述的超声波生成装置，其特征在于，
所述超声波转换器的特性信息包括预先测量的所述超声波转换器的共振频率，
所述控制器控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器生成具有与所述超声波转换器的共振频率相同的频率的电脉冲并输出。
9.根据权利要求7所述的超声波生成装置，其特征在于，
所述超声波转换器的特性信息包括预先测量的所述压电元件的超声波输出能量；
所述控制器控制所述可变脉冲生成器，使得所述可变脉冲生成器在根据所述超声波输出能量和使用者选择的输出强度算出的输出时间期间生成电脉冲并输出。
10.根据权利要求7所述的超声波生成装置，其特征在于，
所述超声波转换器的特性信息包括所述压电元件的固有阻抗以及所述压电元件的使用时间及使用次数中的一种以上；
所述控制器根据所述超声波转换器的特性信息，控制所述可变脉冲生成器。
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