DE19531360B4

DE19531360B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern der Empfindlichkeit von Wandlern

Info

Publication number: DE19531360B4
Application number: DE19531360A
Authority: DE
Inventors: Turuvekere R. North Andover Gururaja; Darwin P. Lexington Adams; Benjamin M. Boxborough Herrick; David M. Melrose Prater
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2015-08-26
Also published as: JPH08229036A; US5889194A; US5585546A; DE19531360A1; US5684243A

Abstract

Vorrichtung zum Liefern einer akustischen Leistung zu einem menschlichen Körper mit folgenden Merkmalen:
(a) einer Übertragungsschaltung (17);
(b) einem elektrostriktiven Wandlerelement (15), das durch die Übertragungsschaltung getrieben wird;
(c) einer Einrichtung zum Erfassen eines Betriebsparameters; und
(d) einer Einrichtung (18) zum Regeln der von dem Wandlerelement ausgegebenen akustischen Leistung,
wobei die Vorrichtung ferner eine Quelle (11) zum Anlegen einer Vorspannung an das Wandlerelement (15) aufweist, und die Regelungseinrichtung ausgebildet ist, um den Pegel der Vorspannung abhängig von dem erfaßten Betriebsparameter so einzustellen, daß die von dem Wandlerelement (15) ausgegebene akustische Leistung einen gewünschten Wert annimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf Verfahren, die eine Rückkopplungskompensation zum Steuern der Empfindlichkeit elektrostriktiver Wandler verwenden.

Auf dem Gebiet der medizinischen Diagnostik werden Wandler typischerweise in Arrays zur Verwendung bei einem Ultraschall-Bilderzeugungssystem angeordnet. 1 zeigt beispielsweise ein Ultraschall-Bilderzeugungssystem 100, bei dem eine elektrische Anregung 102, wie z.B. ein Puls, zu einem Array von Wandlern 101 geliefert wird, welche bewirkt, daß die Wandler eine akustische Ultraschallwelle 103 übertragen. Die Ultraschallwelle wird in den menschlichen Körper übertragen und schließlich zumindest teilweise durch ein Objekt in dem Körper, z.B. das Herz 115, reflektiert. Die reflektierte Welle ("Echo") wird durch das Wandlerarray 101 empfangen, welches einen elektrischen Strom 104 erzeugt, der das Echo anzeigt. Verschiedene Eigenschaften des Signals 104, wie z.B. Amplitude und Phase desselben, werden dann durch eine Signalverarbeitung analysiert, um Informationen über das Objekt, wie z.B. Größe, Standort und Geschwindigkeit desselben, zu bestimmen. Siehe beispielsweise das U.S.-Patent Nr. 5,060,651 mit dem Titel "Ultrasonic Diagnostic Apparatus".

Insbesondere zeigt 1 einen Mikroprozessor 108 zum Steuern eines Senders 107, eines Vorverstärkers 109, eines Strahlformers 106 und eines digitalen Abtastumwandlers 111. Das Echosignal 104 von dem Wandlerarray 101 wird zu dem Vorverstärker 109 und dann seriell zu dem Strahlformer 106, dem Signalprozessor 105, zu einem A/D-Wandler (A/D = Analog/Digital) 110 und zu dem digitalen Abtastumwandler 111 gesen det. Die z-Komponente des Echosignals wird zu dem Nachverarbeitungs-Prozessor 112 gesendet, wobei die resultierende z-Intensität auf einem CRT-Bildschirm (CRT = Cathode Ray Tube = Kathodenstrahlröhre) 104 angezeigt wird. Die x-y-Komponente wird über ein x-y-Raster 113 gesendet und auf dem CRT-Bildschirm 114 angezeigt. Eine beliebige Anzahl von verschiedenen Übertragungs- und Bilderzeugungs-Verarbeitungssystemen kann verwendet werden.

Akustische Bilderzeugungswandler bestehen im allgemeinen aus piezoelektrischen Materialien, wie z.B. einer Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT-Keramik). Sie können ferner aus "Verbundstoffen" gebildet sein, bei denen eine piezoelektrische Keramik und ein Polymer für einen verbesserten Bereich von Eigenschaften kombiniert sind.

Akustische Bilderzeugungswandler wurden ferner aus elektrostriktiven Materialien hergestellt, welche durch das Anlegen einer DC-Vorspannung (DC = Direct Current = Gleichstrom) stark polarisierbar sind. Blei-Magnesium-Niobadblei-Titanat (PMN-PT) ist ein Beispiel einer elektrostriktiven Keramik.

Sowohl piezoelektrische als auch elektrostriktive Wandlerelemente können durch ihre Puls/Echo-Ansprechempfindlichkeit charakterisiert werden. "Empfindlichkeit" bezieht sich im allgemeinen darauf, wie effizient Energie für eine gegebene Eingabe übertragen (ausgegeben) wird. "Puls/Echo-Ansprechen" bezieht sich auf die Fähigkeit des Wandlers, elektrische Energie in akustische Energie und emittierte akustische Energie zurück in elektrische Energie umzuwandeln. Dieselbe kombiniert somit sowohl den Übertragungs- als auch den Empfangs-Wirkungsgrad. Dieselbe ist durch die elektrische Pulsanregung als Eingabe und die akustische Energie als Ausgabe definiert.

Die Puls/Echo-Ansprech-Empfindlichkeit eines elektrostriktiven Wandlers hängt von verschiedenen Materialeigenschaften, wie z.B. der relativen dielektrischen Konstante K und dem Koppelkoeffizienten kt ab. Diese Eigenschaften sind nichtlineare Funktionen der Betriebstemperatur, der DC-Vorspannung und der Betriebsfrequenz. Siehe beispielsweise Takeuchi u.a., "Relaxor Ferroelectric Transducers", Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (1991). Zusätzlich können diese Eigenschaften wegen inhärenten Abweichungen in dem Ausgangsmaterial und/oder den Verarbeitungsbedingungen variieren. Als solche kann die Empfindlichkeit aus verschiedenen Gründen schwanken, wobei einige derselben schwierig zu steuern sind.

Die Federal Drug Administration (FDA) regelt den Betrag an akustischer Energie, der in einen menschlichen Körper übertragen werden darf. Wenn die Empfindlichkeit eines Wandlers variiert, kann ein übermäßiger Betrag an Energie übertragen werden. Ferner werden Systeme, die ihre Eingabe/Ausgabe-Beziehung wesentlich variieren lassen, auf dem Markt als Systeme niedriger Qualität angesehen.

Bis jetzt wurden akustische piezoelektrische Wandler gemäß dem Stand der Technik mit einer offenen Steuerungsschleife getrieben. Somit würde das herkömmliche System den Wandler elektrisch anregen, die Empfindlichkeit jedoch nicht überwachen, um Variationen in der Empfindlichkeit zu erfassen.

Die DE 4307669 C2 beschreibt ein Ultraschallgerät, bei dem eine Vorspannung, deren Polarität entgegengesetzt zu der Polarität eines späteren Anregungssignals ist, an eine Reihe von Ultraschallelementen angelegt wird. Dadurch wird unter anderem eine Steigerung der Leistungsausgabe der Ultraschallelemente bewirkt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Empfindlichkeit von Wandlerelementen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Empfindlichkeit eines elektrostriktiven Wandlers gerichtet. Insbesondere werden verschiedene Charakteristika jedes Wandlerelements nach der Herstellung getestet und dann auf einem Speichermedium aufgezeichnet, wie z.B. auf ein EPROM (EPROM = Erasable Programmable Read Only Memory = löschbarer, programmierbarer Nur-Lese-Speicher) gebrannt. Die gespeicherten Daten werden dann zusammen mit bestimmten Modellbeziehungen zum Überwachen bestimmter Betriebsparameter des Wandlers während der Verwendung verwendet, wobei eine Rückkopplungskompensation verwendet wird, um die Wandlerempfindlichkeit im wesentlichen konstant zu halten.

Insbesondere können die EPROM-Daten aus gemessenen Daten der Empfindlichkeit als Funktion der Versorgungsspannung bei einer vorbestimmten Betriebstemperatur bestehen. Beim Gebrauch wird das Element dann einer Systemsteuerung unterzogen, welche entweder den Übertragungspegel oder den Versorgungspegel oder beide einstellt, um einen gewünschten und stetigen akustischen Ausgabepegel zu erhalten.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Temperatur-Rückkopplungskompensation vorgesehen; bei der ein Temperatursensor benachbart zum Wandlerelement angeordnet ist. Eine Modellbeziehung ist vorgesehen, die die Empfindlichkeit der Materialelementklasse als Funktion der Vorspannung über einen Temperaturbereich definiert. Dann stellt die Systemsteuerung entweder den Übertragungspegel und/oder die Vorspannung ein, um basierend auf den EPROM-Daten für das bestimmte Element, der Modellbeziehung und dem Temperatursignal von dem Temperatursensor die gewünschte akustische Ausgabe zu erreichen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Drucksensor statt eines Temperatursensors verwendet. Die Vorrichtung und das Verfahren sind im wesentlichen dieselben, in diesem Fall definiert die Modellbeziehung jedoch die Empfindlichkeit des Wandleraufbaus als Funktion des Ausgangspegels des Drucksensors. Die Systemsteuerung stellt den Übertragungspegel und/oder die Vorspannung ein, um basierend auf den EPROM-Daten, einer Modellbeziehung und dem Ausgangspegel des Drucksensors eine gewünschte akustische Ausgabe zu erreichen.

Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Gütezahl-Rückkopplungskompensation vorgesehen. Ein EPROM definiert die Empfindlichkeit des Arrays als Funktion der Versorgungsspannung. Ein Modell bezieht die Empfindlichkeit auf die dielektrische Konstante (K) und den Koppelkoeffizienten (kt) für die Klasse des Wandlermaterials. Die Systemsteuerung stellt den Übertragungspegel und/oder die Vorspannung ein, um basierend auf dem EPROM, der Modellbeziehung und den Werten von K und kt die gewünschte akustische Ausgabe zu erreichen. Die Messungen können entweder von dem Betriebselement (Funktionselement) oder von einem Bezugselement in demselben Array aufgenommen werden.

Bei einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel basiert die Rückkopplungskompensation auf der Eingangsleistung in das Wandlerelement. Die Modellbeziehung definiert die Eingangsleistung in das Element, um eine gewünschte akustische Ausgabe zu erreichen. Die Systemsteuerung stellt den Übertragungspegel und/oder die Vorspannung ein, um basierend auf Messungen des Eingangsstroms und der Eingangsspannung eine gewünschte akustische Ausgabe zu erreichen.

Verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Messen und Bestimmen der Elementkapazität, der dielektrischen Konstante und des Koppelkoeffizienten sind beschrieben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Ultraschall-Bilderzeugungssystems, welches ein phasengesteuertes Array verwendet;
2 ein Blockdiagramm, das ein bekanntes Verfahren zum Bauen, Testen und Aufzeichnen von Daten auf einem EPROM, die einen piezoelektrischen Wandler betreffen, zeigt;
3 ein Blockdiagramm, das das Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Testen und Aufzeichnen bestimmter Daten, die ein elektrostriktives Wandlerelement betreffen, und zum Verwenden derartiger Daten in Verbindung mit dem Überwachen von bestimmten Betriebsparametern des Elements und zum Kompensieren von Variationen, die die Empfindlichkeit beeinträchtigen können, zeigt;
4 ein schematisches Diagramm einer bekannten Schaltung mit einer Systemsteuerung zum Einstellen der Ausgabe eines piezoelektrischen Wandlerelements;
5 ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Systemsteuerung zum Regeln der Ausgabe eines elektrostriktiven Wandlerelements durch Variieren der Vorspannung und/oder des Übertragungspegels;
6 ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Temperatursensor zur Rückkopplungskompensation verwendet;
7 ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Drucksensor zur Rückkopplungskompensation verwendet;
8 ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen der dielektrischen Konstante und des Koppelkoeffizienten und zum Schaffen einer Rückkopplungskompensation;
9 ein schematisches Diagramm, das dem von 8 ähnlich ist, bei dem jedoch die Messungen bei dem Betriebselement (Funktionselement) durchgeführt werden, im Gegensatz zu einem Bezugselement wie in 8;
10 ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die Strom- und Spannungssensoren zum Bestimmen der Eingangsleistung und zum Schaffen einer Rückkopplungskompensation verwendet;
11 ein schematisches Diagramm einer Schaltung zum Messen der Kapazität eines Wandlerelements während des Betriebs, um den Koppelkoeffizienten zu bestimmen;
12 ein schematisches Diagramm einer Schaltung zum Messen der geklemmten Kapazität eines Wandlerelements; und
13 ein schematisches Diagramm einer Schaltung zum Messen der Ausgangsleistung eines Wandlerelements.
Bei einem bekannten System, das in den 2 und 4 dargestellt ist, wird ein piezoelektrischer Wandler gebaut, getestet und bestimmte Daten durch Einbrennen auf einem EPROM aufgezeichnet. Die EPROM-Daten können die Empfindlichkeit dieses bestimmten Elements darstellen.
Bei der Benutzung ist das piezoelektrische Element 5 in einem akustischen Bilderzeugungssystem enthalten, das eine Sende/Empfangs-Schaltung 7 aufweist. Die EPROM-Daten 9 für das Element 5 werden zu einer Systemsteuerung 8 geliefert, welche mit der Sende/Empfangs-Schaltung 7 verbunden ist und den Sendepegel in dem Versuch, eine gewünschte akustische Ausgabe 6 von dem Element 5 zu erhalten, einstellt. Dieses offene Schleifensystem schafft jedoch nicht die notwendige Steuerung aus den vorher beschriebenen Gründen.
Im Gegensatz dazu ist ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in den 3 und 5 dargestellt. Insbesondere wird ein elektrostriktives Wandlerelement 15 gebaut, getestet und die gemessenen Daten aus dem Testen auf einem Speichermedium aufgezeichnet, wie z.B. durch Einbrennen auf ein EPROM 19. Wie in 5 gezeigt ist, ist das elektrostriktive Element 15 in einer Betriebsschaltung enthalten und liefert eine akustische Ausgabe 16. Das Element 15 ist mit einer Sende/Empfangs-Schaltung 17 verbunden, welche wiederum mit einer Systemsteuerung 18 verbunden ist. Das Element 15 ist ebenfalls mit einer Vorspannungsquelle 11 verbunden.
Die Daten, die auf dem EPROM 19 vorgesehen sind, bestehen aus der Elementeempfindlichkeit als Funktion der Versorgungsspannung bei der bezeichneten Betriebstemperatur. Die Systemsteuerung, welche die EPROM-Daten empfängt, stellt entweder den Übertragungspegel aus der Schaltung 17 und/oder die Vorspannung, die durch die Vorspannungsquelle 11 eingestellt wird, ein, um einen gewünschten und stetigen akustischen Ausgangspegel 16 zu erhalten.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zum Schaffen einer Temperatur-Rückkopplungskompensation zusätzlich zu der "statischen Kompensation", die durch die EPROM-Daten und die Systemsteuerung von 5 geschaffen werden. In 6 ist die Betriebsschaltung ähnlich zu dem Aufbau in 5 angeordnet, um einen Vergleich zu vereinfachen, wobei ähnlichen Elementen ähnliche Bezugszeichen gegeben wurden, indem zu denselben "10" addiert wurde.
Insbesondere ist ein Temperatursensor 23 neben dem Betriebs- oder Funktionselement 25 angeordnet. In der ganzen Beschreibung soll es offensichtlich sein, daß das Wandler-"Element" einen einzelnen Wandler oder ein Array von Wandlern bezeichnen kann. Die EPROM-Daten 29 für das spezielle Element 25 definieren die gemessene Empfindlichkeit als Funktion der Vorspannung bei einer Betriebstemperatur. Die Modellbeziehung 22 definiert die Empfindlichkeit der Wandler-Materialklasse als Funktion der Vorspannung über einen Bereich von Temperaturen. Die Materialklasse kann beispielsweise das Material PMN-PT sein, welches zum Herstellen des Elements 25 verwendet worden ist. Die EPROM-Daten 29 und die Modellbeziehung 22 werden beide in die Systemsteuerung 28 eingespeist, welche ferner die Ausgabe des Temperatursensors 23 (d.h. die tatsächliche Betriebstemperatur des Elements 25) empfängt. Die Systemsteuerung stellt dann entweder die Sende/Empfangs-Schaltung 27 und/oder die Vorspannungsquelle 21 ein, um eine gewünschte akustische Ausgabe von dem Element 25 zu erreichen. Durch ein derartiges Messen der tatsächlichen Betriebstemperatur können die EPROM-Daten, welche von einer bestimmten Betriebstemperatur ausgehen, korrigiert werden, wenn die tatsächliche Betriebstemperatur von der angenommenen Temperatur abweicht.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das dem in 6 ähnlich ist, bei dem jedoch der Temperatursensor 23 von 6 durch einen Drucksensor 33 in 7 ersetzt wurde. Die Betriebsschaltung von 7 wurde wieder ähnlich zu 6 aufgebaut, um einen Vergleich zu erleichtern, wobei entsprechenden Elementen ähnliche Bezugszeichen gegeben wurden, indem zu denselben "10" addiert wurde.
In 7 mißt der Drucksensor 33 den akustischen Ausgangsdruck eines elektrostriktiven Elements 35 und liefert denselben zu einer Systemsteuerung 38. Die EPROM-Daten 39 definieren wieder die Empfindlichkeit als Funktion der Vorspannung bei einer Betriebstemperatur. Die Modellbeziehung 32 definiert die Empfindlichkeit der Wandleranordnung (z.B. einschließlich eines Verstärkungsmaterials und Anpassungsschichten) als Funktion des Drucksensor-Ausgangspegels. Die Systemsteuerung 38, welche die EPROM-Daten, die Modellbeziehung und die Drucksensorausgabe empfängt, stellt dann entweder die Sende-Empfangs-Schaltung 37 und/oder die Vorspannungsquelle 31 ein, um eine gewünschte akustische Ausgabe von dem Element 35 zu erreichen. Dieses System, das die tatsächliche akustische Druckausgabe von dem Element 35 mißt, ist ein sehr genaues Verfahren zum Steuern der Pulsechoempfindlichkeit, wobei eine gute Genauigkeit des Druck sensors 33 angenommen wird. Somit kann es wünschenswert sein, den Druckwandler zu kalibrieren.
8 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine Gütezahl-Rückkopplungskompensation vorgesehen ist, wobei Messungen an einem getrennten Bezugselement durchgeführt werden. Der Aufbau von 8 ist wieder den vorherigen Schaltungen ähnlich, um einen Bezug zu erleichtern, wobei entsprechenden Elementen ähnliche Bezugszeichen gegeben wurden, indem zu denselben "10" addiert wurde.
Insbesondere zeigt 8 ein erstes elektrostriktives Wandlerelement 45, welches das Betriebs- oder Funktionselement ist, während ein zweites elektrostriktives Wandlerelement 43, mutmaßlich von dem gleichen Array, als das Bezugselement dient. In diesem Fall ist eine Vorrichtung 44 vorgesehen, um die dielektrische Konstante K und den Koppelkoeffizienten kt des Bezugselements zu messen, wobei die Messungen von der Systemsteuerung 48 zusammen mit den EPROM-Daten 49 und einer Modellbeziehung 42 geliefert werden. Die EPROM-Daten bestehen aus der Empfindlichkeit als Funktion der Vorspannung für alle Elemente des Arrays (mutmaßlich für das Array konstant) bei einer Betriebstemperatur. Das Modell 42 bezieht die Empfindlichkeit auf die dielektrische Konstante und den Koppelkoeffizienten für die Klasse von elektrostriktiven Materialien, die bei den Elementen 45, 43 verwendet worden sind. Eine Systemsteuerung stellt dann entweder die Sende/Empfangs-Schaltung 47 und/oder die Vorspannungsquelle 41 ein, um eine gewünschte Akustikausgabe 46 zu erreichen. Eine Vorrichtung zum Messen der dielektrischen Konstante und des Koppelkoeffizienten ist nachfolgend bezüglich den 11 bis 12 beschrieben.
Eine Gütezahl, die für das Modell 42 verwendet werden kann, ist in J. Callerame u.a. "Transmitters And Receivers For Medical Ultrasonics", 1979 Ultrasonics Symposium, IEEE (1979), Seiten 407 – 411 beschrieben. Der Callerame-Artikel beschreibt beispielsweise zwei Parameter TP und RP, welche ein Maß für das Sender- bzw. Empfängeransprechen liefern. Der Parameter TP, der nachfolgend definiert wird, gilt strenggenommen nur bei Frequenzen, die weit unter der Resonanzfrequenz des Wandlers liegen, derselbe ist jedoch ebenfalls ein guter Anhaltspunkt für den Übertragungswirkungsgrad in der Nähe der Resonanz, wenn der Wandler in einem Breitbandmodus betrieben wird:
wobei kt die Dickenmodus-Koppelkonstante ist,
ϵ^S ₃₃ die dielektrische Konstante bei konstanter Dehnung ist, und
c^D ₃₃ die elastische Steifheitskonstante ist.
Ein guter Schätzwert für die relative Empfängerempfindlichkeit, welcher weit entfernt von der Resonanz gültig ist, ist durch den Empfänger-Empfindlichkeitsparameter RP der offenen Schaltung definiert und folgendermaßen gegeben:
wobei t die Wandlerdicke ist.
9 ist unter allen Gesichtspunkten 8 ähnlich, mit Ausnahme davon, daß die Messungen der dielektrischen Konstante und des Koppelkoeffizienten bezüglich des Funktionselements im Gegensatz zu dem Bezugselement durchgeführt werden. Wie gezeigt ist, ist eine Vorrichtung 54 zum Messen von K und kt des Funktionselements 55 vorgesehen. Die Systemsteuerung 58 empfängt die EPROM-Daten 59, eine Modellbeziehung 52 und Messungen von K und kt. Die Systemsteuerung stellt die Ausgabe der Sender/Empfänger-Schaltung 57 und/oder die Vorspannungsquelle 51 ein, um eine gewünschte akustische Ausgabe 56 von dem Element 55 zu erreichen.
10 zeigt ein abschließendes Ausführungsbeispiel zum Schaffen einer Eingangsleistungs-Rückkopplungskompensation. Wieder wurde die Betriebsschaltung ähnlich der früheren Schaltungen aufgebaut, um einen Bezug zu erleichtern, wobei entsprechenden Bezugszeichen ähnliche Nummern gegeben wurden, indem zu denselben "10" addiert wurde.
In 10 sind ein Stromsensor 63 und ein Spannungssensor 64 parallel zu einem Funktionselement 65 zum Bestimmen der Eingangsleistung in das Element 65 geschaffen. Die Ausgaben des Stromsensors 63 und des Spannungssensors 64 werden zu einer Systemsteuerung 68 zusammen mit den EPROM-Daten 69 und einer Modellbeziehung 62 geliefert. Die EPROM-Daten stellen wieder die Empfindlichkeit als Funktion der Vorspannung für dieses Element bei einer Betriebstemperatur dar. Das Modell 62 definiert den Zusammenhang der Eingangsleistung in das Funktionselement und der akustischen Ausgabe dieses Elements. Die Systemsteuerung stellt entweder den Senderpegel aus der Sende/Empfangs-Schaltung 67 und/oder den Vorspannungspegel der Quelle 61 ein, um eine gewünschte akustische Ausgabe 66 zu erreichen. Eine detailliertere Beschreibung einer Vorrichtung zum Bestimmen der Eingangsleistung ist hierin nachfolgend bezüglich 13 beschrieben.
Messung der Kapazität des Wandlers während des Betriebs, um K und k_t zu bestimmen
Das Puls/Echo-Ansprechen eines Wandlers hängt von der elektromechanischen Koppelkonstante kt und der relativen dielektrischen Konstante K ab. Diese Informationen können aus der Geometrie und der Kapazität des Wandlers bestimmt werden. Wenn der Wandler z.B. vernünftigerweise als ein Parallel-Plattenkondensator modelliert werden kann, kann die relative dielektrische Konstante K mit der folgenden Gleichung bestimmt werden: K = Cd/ϵ0A (1)wobei C die Kapazität, d die Dicke zwischen den Elektroden des Wandlers, A die Plattenfläche der Elektroden und ϵ₀ die Permittivität des freien Raums (8,854 × 10^–12 Farad/Meter) sind. Die elektromechanische Koppelkonstante kt kann wiederum mit der folgenden Gleichung bestimmt werden: KS = KT(1 – kt 2) (2)wobei K^S die relative dielektrische Konstante ist, die bei einer Frequenz oberhalb der Betriebsfrequenz des Wandlers gemessen wurde, d.h. "eine geklemmte-Kapazität"-Frequenz, und KT die relative dielektrische Konstante ist, die bei einer Frequenz unterhalb der Betriebsfrequenz gemessen wurde, d.h. bei "einer ungeklemmten-Kapazität"-Frequenz. Diese beiden Frequenzen sollten ausreichend von der Resonanzfrequenz des Wandlers entfernt sein, derart, daß keine Resonanzauswirkung auf die gemessene Kapazität vorhanden ist. Somit kann die elektromechanische Koppelkonstante kt bestimmt werden, indem die Kapazität des Wandlerelements während des Betriebs, sowohl bei einer geklemmten-Kapazität-Frequenz als auch bei einer ungeklemmten-Kapazität-Frequenz gemessen wird. Damit können K und kt dann von einem Steuerungssystem des Bilderzeugungssystems verwendet werden, d.h. zu demselben rückgekoppelt werden. Das Steuerungssystem kann wiederum die DC-Vorspannung demgemäß variieren. Durch Variieren der DC-Vorspannung können Abweichungen in der Empfindlichkeit des Wandlers kompensiert werden. Wenn die Empfindlichkeit beispielsweise derart variiert, daß der Wandler einen erhöhten Betrag an akustischer Energie überträgt, kann die Vorspannung verringert werden. Wenn insbesondere ein elektrostriktiver Wandler eine Vorspannung von 250V DC benötigt, kann es nötig sein, daß die DC-Vorspannungsschaltung die Spannung um ± 25V DC variieren muß. Eine Ansprechzeit zum Verändern der Vorspannung von etwa einer halben Sekunde sollte ausreichend sein, da die Empfindlichkeit nicht derart schnell schwankt.
Wie in 11 gezeigt ist, ist ein Wandlerelement 220a ein Element aus einem Array 201 von derartigen Elementen Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Element 220a für Steuerungszwecke bestimmt. Daher werden die anderen Elemente des Arrays, d.h. die, die zur Bilderzeugung verwendet werden, den Erfassungsbetrieb, der für Steuerungsmessungen benötigt wird, nicht beeinträchtigen. Ebenso werden Spannungen, die an das bestimmte Steuerungselement 220a angelegt werden, die Bilderzeugungselemente nicht beeinträchtigen. Alternativ kann das Wandlerelement 220a zum Bilderzeugen verwendet werden. Damit wird das Messen von verschiedenen Eigenschaften des Elements 220a Informationen über ein Element liefern, das tatsächlich zur Bilderzeugung verwendet wird. Vorzugsweise werden die Eigenschaften des Elements 220a gemessen, wenn sich die Abtasteinrichtung des Bilderzeugungssystems im Leerlauf befindet, d.h. wenn das Array der Elemente nicht zur Bilderzeugung verwendet wird.
Um die sog. "ungeklemmte Kapazität" zu messen, überträgt eine Niederfrequenz-Stromquelle 250 ein bekanntes Signal, beispielsweise eine Sinuswelle von 1000 Hz auf einem Kabel 251, welches das Wandlerelement 220a mit der nachfolgend beschriebenen Meßvorrichtung verbindet. Die an einem Knoten 252 gemessene resultierende Spannung hängt von der Frequenz, d.h. 1000 Hz, und der Gesamtkapazität der Last ("C_Last") ab. C_Last ist die Kapazität des Kabels 251 und des Wandlerelements 220a. Die Spannung ("V") an dem Knoten 252 bezieht sich auf den bekannten Strom ("I") und Last entsprechend der folgenden Gleichungen:
CLast = CKabel + CWandler (4)
Folglich kann CLast durch Aufnehmen des absoluten Werts der gemessenen Spannung (siehe einen Spannungssensor 254) an einem Knoten 253 bestimmt werden. Sobald C_Last bestimmt ist, kann C_Wandler mittels Gleichung (4) gelöst werden, da C_Kabel von vornherein bekannt ist.
Da nicht erwartet wird, daß die Empfindlichkeit des Wandlers mit einer hohen Frequenz schwankt, muß die Berechnung von C_Wandler nicht sehr schnell und nicht sehr häufig durchgeführt werden. Somit kann eine Schaltung mit relativ niedriger Geschwindigkeit verwendet werden. Die erfaßte Spannung an dem Knoten 252 kann beispielsweise mit einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert werden. Die digitalisierte Spannung 253 kann dann von einem Mikroprozessor in dem Bilderzeugungssystem empfangen werden, welcher dann die Gleichungen (3) und (4) löst.
Alternativ kann die ungeklemmte Kapazität des Wandlers 220 bestimmt werden, indem ein bekannter DC-Strom zu dem Element geliefert und die Zeit ("t") gemessen wird, die das Element benötigt, um einen spezifizierten Spannungspegel ("V") zu erreichen. C_Last kann dann aus dem folgenden Zusammenhang bestimmt werden:
Dann kann C_Wandler mit Gleichung (4) gelöst werden.
Mit einem gegebenen C_Wandler bei einer ungeklemmten-Kapazität-Frequenz kann KT unter Verwendung der entsprechenden Kapazitätsgleichung, wie z.B. der Gleichung (1) für Parallel-Plattenkondensatoren, gelöst werden.
Viele weitere einfache Kapazitätsmessungen könnten entworfen werden. Diese beiden werden als repräsentativ für die Technik angesehen.
Die sog. "geklemmte Kapazität" des Wandlers wird bei einer bedeutend höheren Frequenz gemessen, derart, daß sich das Element als Reaktion auf das angelegte Signal nicht bedeutend bewegt. Unter diesen Umständen wirkt das Element, als ob es mechanisch eingeklemmt wäre, und dasselbe speichert beträchtlich weniger Ladung als ein Wandler bei der ungeklemmten Frequenz. Für einen Wandler 220a mit einer Resonanzfrequenz von 5,0 MHz sollte eine Messung bei 10 MHz oder höher ausreichend sein, um die geklemmte Kapazität zu bestimmen. Bei diesen Frequenzen wird die Impedanz des Wandlers jedoch eine resistive Komponente sowie eine kapazitive Komponente aufweisen. Ferner wird die kapazitive Komponente, d.h. die Reaktanz, relativ klein sein, d.h. in der Größenordnung von 10 bis 20 Ohm. Folglich werden Hochfrequenz-Meßtechniken benötigt.
Bezugnehmend auf 12 liefert eine Hochfrequenz-Spannungsquelle 260 ein bekanntes Signal 261 zu einem Richtkoppler 258. Dieses Signal wird oft als "einfallendes Signal" bezeichnet. Der Koppler 258 trennt das einfallende Signal und ein reflektiertes Signal. Das einfallende Signal wird von dem Koppler 258 empfangen und auf dem Kabel 251 übertragen. Das reflektierte Signal (d.h. das Echo) wird durch den Koppler 258 von demselben Kabel 251 empfangen, nachdem das einfallende Signal durch ein Element 220b teilweise reflektiert wurde. Wenn der Koppler 258, das Kabel 251, eine Stromquelle 260 und ein Widerstand R₀ alle eine Nennimpedanz von 50 Ohm aufweisen, existiert jede zu dem Wandler 258 zurückreflektierte Signalform aufgrund des Wandlerelements 220b, welches eine andere Impedanz aufweist. (Das Element 220b stellt ferner ein für Steuerungszwecke bestimmtes Wandlerelement dar.) Folglich kann die Impedanz des Wandlers ("Z_Wandler") mit der folgenden Gleichung bestimmt werden:
Die komplexe Spannung V_i stellt die einfallende Signalspannung dar, die an einem Knoten 262 durch einen Spannungssensor 254a gemessen wird. Die ebenfalls komplexe Spannung V_r stellt die von dem Wandler reflektierte Spannung dar und wird von dem Koppler 258 zu einem Spannungssensor 254b geliefert.
Sobald Z_Wandler bekannt ist, kann die kapazitive Komponente desselben bestimmt und folglich K^S berechnet werden. Sobald K^T und K^S bekannt sind, kann das Steuerungssystem die Empfindlichkeit des Wandlers steuern, indem die Vorspannung demgemäß geändert wird. Der tatsächliche Betrag des Delta in der Vorspannung liegt voraussichtlich in der Grössenordnung von ± 25 V DC für eine Vorspannung von 250 v DC. Diese Zahlen hängen jedoch von den tatsächlich verwendeten Materialien ab, da der nichtlineare Zusammenhang zwischen der Empfindlichkeit und der Vorspannung bei elektrostriktiven Materialien variiert. Die eingestellte Vorspannung kann dann an alle Wandler des Arrays 201 angelegt werden.
Alternativ kann ein einzelnes Wandlerelement verwendet werden. In diesem Fall würden Fachleute wissen, wie sie die Gleichungen (3) bis (5) modifizieren müßten, damit dieselben den modifizierten Verbindungen entsprechen, die Vorrichtungen von 11 und 12 mit einem Element und nicht mit zwei Elementen verbinden.
Messen der Eingangsleistung des Wandlers (I)
In 13 ist ein spezielles Ausführungsbeispiel zum Messen der Eingangsleistung in den Wandler gezeigt. Ein Element 220c ist ein aktives Element, d.h. das Element 220c wird für Bilderzeugungszwecke verwendet. Eine Leitung 266 stellt den Standard-Empfangs- und Sende-Kanal des Bilderzeugungssystems dar.
Ein Stromsensor 265, z.B. ein Transformator, empfängt und überträgt das auf der Leitung 266 empfangene Signal zu einem Kabel 251. Zusätzlich überträgt derselbe ebenso ein Signal auf einer Leitung 268a, welches den übertragenen Strom anzeigt. Ein Spannungssensor 254c erfaßt die Spannung, bei der das Element 220c arbeitet und überträgt ein Signal auf einer Leitung 268b, welches dieselbe anzeigt. Ein Multiplizierer 268 empfängt die Signale auf den Leitungen 268a und 268b und multipliziert dieselben. Da Leistung das Produkt von Spannung und Strom ist, bestimmt der Multiplizierer den augenblicklichen Wert der zu dem Element 220c übertragenen Leistung. Ein Signal, das die augenblickliche Leistung anzeigt, wird auf einer Leitung 268c übertragen und durch ein Tiefpaßfilter 267 empfangen. Das Tiefpaßfilter führt eine Durchschnittsbildungs-Operation des Eingangssignals bezüglich der Zeit durch. Das Durchschnitts-Leistungssignal 267a kann dann von dem Steuerungssystem empfangen werden, welches dann die zu dem Element 220c gelieferte Leistung überwachen kann. Da die zu dem Element 220c gelieferte Leistung die Empfindlichkeit anzeigt, kann das Steuerungssystem daraufhin die DC-Vorspannung demgemäß variieren.
Wenn sich die Betriebsbedingungen beispielsweise verändern, um einen Anstieg der an das Element 220c gelieferten Leistung zur Folge zu haben, würde das Steuerungssystem den Anstieg in der gelieferten Leistung erkennen und demgemäß kompensieren, indem das Array 201 auf einen eingestellten Pegel vorgespannt wird.
Dieses Ausführungsbeispiel bietet den Vorteil des Durchführens der Messungen bei tatsächlichen Betriebsfrequenzen des Elements 220c. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel führt die Messungen durch, wenn das Element 220c mit einer Mittenfrequenz des Elements, d.h. einer Resonanzfrequenz, angeregt wird.
Nach einer Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden verschiedene Modifikationen und Verbesserungen für Fachleute ohne weiteres offensichtlich sein. Ein anderer Benutzer könnte es beispielsweise effektiver und hinsichtlich der Produktionskosten billiger finden, nicht jeden Wandler zu messen und die Daten in einem EPROM zu speichern. Demgemäß dient die vorangegangene Beschreibung lediglich als Beispiel, während die Erfindung durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Vorrichtung zum Liefern einer akustischen Leistung zu einem menschlichen Körper mit folgenden Merkmalen: (a) einer Übertragungsschaltung (17); (b) einem elektrostriktiven Wandlerelement (15), das durch die Übertragungsschaltung getrieben wird; (c) einer Einrichtung zum Erfassen eines Betriebsparameters; und (d) einer Einrichtung (18) zum Regeln der von dem Wandlerelement ausgegebenen akustischen Leistung, wobei die Vorrichtung ferner eine Quelle (11) zum Anlegen einer Vorspannung an das Wandlerelement (15) aufweist, und die Regelungseinrichtung ausgebildet ist, um den Pegel der Vorspannung abhängig von dem erfaßten Betriebsparameter so einzustellen, daß die von dem Wandlerelement (15) ausgegebene akustische Leistung einen gewünschten Wert annimmt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Übertragungsschaltung (17) eine Übertragungsleistung zum Treiben des Wandlerelements (15) ausgibt, wobei die Regelungseinrichtung (18) den Übertragungsleistungspegel einstellt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, die ein Speichermedium (19) zum Speichern gemessener Daten bezüglich einer Empfindlichkeit des Wandlerelements aufweist, wobei die Regelungseinrichtung (18) eine Einrichtung aufweist, die auf die gespeicherten Daten anspricht, um die von dem Wandlerelement ausgegebene akustische Leistung einzustellen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Einrichtung zum Regeln folgende Merkmale umfaßt: ein Modell (22), das die Empfindlichkeit des Wandlerelements als Funktion der Vorspannung für verschiedene Werte des erfassten Betriebsparameters erfaßt; wobei die Vorspannung aus den erfaßten Betriebsparametern und der Empfindlichkeit, die erforderlich ist, um den erwünschten Wert der ausgegebenen akustischen Leistung zu erhalten, bestimmt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Einrichtung zum Erfassen aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem oder mehreren der folgenden Merkmale besteht: einem Temperatursensor (23); einem Drucksensor (33); einer Einrichtung (44; 54) zum Messen der dielektrischen Konstante und des Koppelkoeffizienten des Wandlerelements; und einer Einrichtung (63-64) zum Messen der zu dem Wandlerelement gelieferten Eingangsleistung.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, die ein erstes und zweites Wandlerelement (220a; 220b) eines Wandlerarrays aufweist und bei der die Einrichtung zum Erfassen folgende Merkmale aufweist: eine Stromquelle (250) zum Treiben des ersten Wandlerelements (220a) bei einer unterhalb der Betriebsfrequenze des Wandlerelements liegenden Frequenz; einen ersten Spannungssensor (254) zum Erfassen einer ersten Spannung, die eine Kapazität des ersten Wandlerelements anzeigt; eine Spannungsquelle (260) zum Treiben des zweiten Wandlerelements (220b) bei einer oberhalb der Betriebsfrequenz des Wandler elements liegenden ^Frequenz ^; einen zweiten Spannungssensor (254a) zum Erfassen einer einfallenden Spannung, die zu dem zweiten Wandlerelement übertragen wird; einen dritten Spannungssensor (254b) zum Erfassen einer reflektierten Spannung, die von dem zweiten Wandlerelement übertragen wird; und eine Vorspannungsschaltung zum Vorspannen der Wandlerelemente des Arrays, welche auf die erste, zweite und dritte Spannung anspricht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der das Wandlerelement ein Teil eines Arrays ist und die Einrichtung zum Erfassen folgende Merkmale aufweist: einen Stromsensor (265) zum Erfassen eines zu dem Wandlerelement übertragenen Stroms; einen Spannungssensor (254c) zum Erfassen der Spannung, bei der das Wandlerelement arbeitet; einen Multiplizierer (268), welcher eine erste Eingabe von dem Stromsensor empfängt, welche den Strom anzeigt, und eine zweite Eingabe von dem Spannungssensor, welche die Spannung anzeigt, wobei der Multiplizierer eine Ausgabe schafft, die das Produkt der ersten und zweiten Eingabe anzeigt; und eine Vorspannungsschaltung zum Vorspannen des Ar rays, die auf die Ausgabe des Multiplizierers anspricht.
Verfahren zum Steuern der Empfindlichkeit eines elektrostriktiven Wandlerelements in einem. System, das eine Übertragungsschaltung und eine Vorspannungsquelle aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: (a) Erfassen eines Betriebsparameters des elektrostriktiven Wandlerelements, der eine durch das Wandlerelement erzeugte akustische Leistung anzeigt; und (b) Anlegen einer Rückkopplungskompensation als Reaktion auf den Schritt des Erfassens, um einen Pegel der Vorspannung abhängig von dem erfaßten Betriebsparameter so einzustellen, daß die von dem Wandlerelement (15) ausgegebene akustische Leistung einen gewünschten Wert annimmt.
verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der Schritt (a) das Bestimmen der Kapazität des Wandlerelements bei einer unterhalb der Betriebsfrequenze des Wandlerelements liegenden Frequenz durch Erfassen einer ersten Spannung, die die Kapazität anzeigt, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem der Schritt (a) ein Bestimmen einer zweiten Kapazität des Wandlerelements bei einer oberhalb der Betriebsfrequenze des Wandlerelements liegenden Frequenz aufweist, indem eine zweite Spannung erfaßt wird, die ein einfallendes Signal anzeigt, das zu dem Wandlerelement übertragen wird, und indem eine dritte. Spannung erfaßt wird, die ein reflektiertes Signal anzeigt, das von dem Wandlerelement reflektiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der Schritt (a) eine an das Wandlerelement gelieferte Leistung bei einer Betriebsfrequenz überwacht, indem der zu dem Wandlerelement gelieferte Strom erfaßt und indem eine Spannung erfaßt wird, bei der der Wandler arbeitet.