DE3331896C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsgenerator für einen Ultraschallwandler entsprechend dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Ultraschallwandler werden in vielen Anwendungsfällen verwen­ det, in denen eine gewünschte Wirkung mit der Leistung einer Ultraschallwelle oder einer Ultraschallschwingung erzielt werden kann. Ein Beispiel sind Reinigungsgeräte, bei denen eine Reinigungsflüssigkeit durch einen Ultraschallwandler zu Ultraschallschwingungen angeregt wird, wodurch auch festhaf­ tende Verunreinigungen von der Oberfläche eingetauchter Gegen­ stände abgelöst werden. Ein weiteres Beispiel sind Ultra­ schall-Schweißgeräte, bei denen die Verlustwärme genutzt wird, die bei Ultraschallschwingungen hoher Intensität in elasti­ schen Materialien auftritt. In der Hochfrequenztechnik sind Ultraschallwandler z. B. zur Aussendung von gerichteten, modu­ lierten Ultraschallwellen in Wasser bekannt, was zur Nachrich­ tenübertragung oder Ortung von Schiffen unter Wasser verwendet werden kann. In der Medizin werden Ultraschallwandler bei­ spielsweise zur Zerstörung von Blasen- und Nierensteinen ver­ wendet, da sich Ultraschallwellen hoher Intensität mit Wellen­ leitern relativ einfach durch natürliche Körperöffnungen (z. B. die Harnröhre) an die zu zerstörenden Steine heranführen las­ sen, wodurch die Steine ohne größere Operation entfernbar sind.

Ultraschallwandler werden als elektro-mechanische Wandler bezeichnet und können nach verschiedenen Prinzipien aufgebaut sein. Für hohe Leistungen werden bevorzugt Keramikscheiben verwendet, die nach dem umgekehrten piezoelektrischen Effekt arbeiten.

Im Betrieb werden Ultraschallwandler an eine mechanische Resonanzanordnung angekoppelt. Hohe Ausgangsleistungen mit gutem Wirkungsgrad sind in jedem Fall nur dann zu erreichen, wenn die Anordnung genau bei der Resonanzfrequenz der mecha­ nischen Anordnung oder sehr nahe bei dieser arbeitet. Die elektrische Leistung, mit der der Ultraschallwandler gespeist wird, muß daher sehr genau mit der Arbeitsfrequenz der mechanischen Anordnung zugeführt werden. Da sich die Resonanzfrequenz der Anordnung im Betrieb, z. B. durch Erwärmung oder Laständerung, oder durch Alterungserscheinungen im Laufe der Lebensdauer ändern kann, muß der Leistungsgenerator, der den Ultraschallwandler ansteuert, von den Resonanzverhältnissen der mechanischen Anordnung geregelt werden. Man verwendet hierzu Phasenmeßeinrichtungen, die den Phasenunterschied zwischen der am Ultraschallwandler eingespeisten Spannung und dem eingespeisten Strom messen. Vom Ausgangssignal der Phasenmeßeinrichtung wird die Frequenz des Leistungsgenerators so nachgeregelt, daß Spannung und Strom am Ultraschallwandler eine vorgegebene Phasenverschiebung einhalten, d. h. im allgemeinen möglichst in Phase sind.

Ein gattungsgemäßer Leistungsgenerator für einen Ultraschallwandler mit einer Phasenmeßeinrichtung, deren Ausgangssignal die Frequenzabstimmung des Oszillators durchführt und deren erstes Eingangssignal aus der am angeschlossenen Ultraschallwandler anstehenden Spannung abgeleitet ist, während ihr zweites Eingangssignal aus dem durch den angeschlossenen Ultraschallwandler fließenden Laststrom abgeleitet ist, ist aus der DE 28 15 434 B2, insbesondere Fig. 3 bekannt. Dabei wird von einer bestimmten Phasenverschiebung zwischen dem zum Ultraschallwandler fließenden Strom und der am Ultraschallwandler anliegenden Betriebsspannung ausgegangen, die im Fall der Übereinstimmung von Treiberfrequenz und Resonanzfrequenz herrscht. Die Treiberfrequenz des Leistungsgenerators wird der sich ändernden Resonanzfrequenz des Wandlers nachgeführt, derart, daß die Treiberfrequenz stets der Resonanzfrequenz entspricht. Es ist ferner eine Phasenrückkopplungsschleife vorgesehen, die dafür sorgt, daß die Phasendifferenz zwischen der Phase der am Wandler anliegenden Betriebsspannung und der Phase des dem Wandler zufließenden Stroms den bestimmten Wert hat.

Eine andere bekannte Anordnung dieser Art ist in "The High- Frequency Generator for the Ultrasonic Lithotrite", IN-SIGHT, Urology Edition April 1983, published by Karl Storz Endoscopy- America, Inc., Culver City, CA/USA, beschrieben. Dabei handelt es sich um einen Hochfrequenz-Leistungsgenerator, der eine Ultraschallsonde für die Zertrümmerung von Blasensteinen speist. Der Hochfrequenzgenerator enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator, der im anglo-amerikanischen als "voltage-controlled oscillator" oder VCO bezeichnet wird. Dieser VCO kann mit einer angelegten Spannung in der Frequenz abgestimmt werden. Die Hochfrequenz-Ausgangsspannung des Oszillators wird von einem Leistungsverstärker verstärkt und dem Ultraschallwandler zugeführt. Eine Phasenmeßeinrichtung mißt am Ausgang des Verstärkers den Phasenunterschied zwischen dem Strom, der durch den Ultraschallwandler fließt, und der Spannung, die am Ultraschallwandler anliegt und gibt das Ausgangssignal an den VCO weiter. Dadurch wird die Frequenz des VCO laufend auf die Resonanzbedingung nachgestimmt.

Dieses Verfahren arbeitet jedoch nicht optimal. Aus der Anwen­ dung des beschriebenen Leistungsgenerators ist bekannt, daß die Schwingung des Ultraschallwandlers manchmal "abreißt", das heißt, der VCO läuft trotz der Resonanzregelung auf eine völ­ lig falsche Frequenz und der Ultraschallwandler gibt keine Leistung mehr ab. Dieses Verhalten wird insbesondere beobach­ tet, wenn die Belastung des Ultraschallwandlers schwankt, z. B. wenn der operierende Arzt die mit dem Ultraschallwandler ver­ bundene Sonde zu stark an einen zu zerstörenden Blasenstein andrückt. Aus dem Herstellungsprozeß für den beschriebenen Leistungsgenerator ist weiterhin bekannt, daß beim Schlußab­ gleich der Phasenregelung nicht der Fall der Phasenverschie­ bung Null zwischen Strom und Spannung des Ultraschallwandlers, was dem Fachmann als Optimum erscheinen würde, eingestellt werden darf. In der Einstellung der Phasenverschiebung, die der Leistungsgenerator im Betrieb konstant regelt, muß viel­ mehr jedesmal ein Kompromiß gefunden werden zwischen möglichst großer Ausgangsleistung und Stabilität der abgegebenen Leis­ tung. Es wird aber nie die maximal mögliche Leistung und abso­ lute Stabilität der Schwingung gegen Lastschwankungen gleich­ zeitig erreicht.

Dieses Verhalten hat mehrere Gründe. Zunächst hat ein Ultra­ schallwandler ein Ersatzschaltbild, das als Serienschwingkreis aus einer Kapazität, einer Induktivität und einem ohm′schen Widerstand aufgebaut ist. Diesem Serienschwingkreis liegt eine Kapazität, die sog. Ruhekapazität des Ultraschallwandlers, parallel. Mit sich ändernder Belastung ändert sich der Wert des ohm′schen Widerstandes im Serienschwingkreis. Bei der kleinsten Belastung ist dieser Widerstand am kleinsten, mit steigender Belastung steigt sein Wert ebenfalls an.

Weiterhin ist in der Praxis der Ultraschallwandler, wie z. B. im Fall der Ultraschall-Blasensteinzertrümmerung, vom Leis­ tungsgenerator räumlich getrennt. Die Entfernung muß mit einer Zuleitung überbrückt werden, deren Kapazität eine weitere Pa­ rallelkapazität zum Ultraschallwandler ergibt. Die elektrische Impedanz des gesamten am Leistungsgenerator angeschlossenen Ultraschallwandlers einschließlich Zuleitung hat daher bei der eigentlichen Resonanz der mechanischen Anordnung nicht mehr den Phasenwinkel Null. Der Phasenwinkel der elektrischen Impe­ danz hat bei der Resonanzfrequenz der mechanischen Anordnung nicht einmal einen konstanten Wert, wenn sich die Belastung ändert. Eine feste Einstellung der Phasenregelung kann daher maximal für einen einzigen Belastungswert die optimale Aus­ gangsleistung ergeben. Bei jeder anderen Belastung beeinflußt die Phasenregelung den VCO so, daß die Frequenz aus der Resonanz der mechanischen Anordnung mehr oder weniger weit herausläuft.

Die Ortskurve der Eingangsimpedanz eines Ultraschallwandlers mit Ruhekapazität und Zuleitungskapazität ist im Bereich der Resonanzfrequenz nicht symmetrisch zur reellen Achse. Sie wird um so unsymmetrischer, je größer die Belastung wird und kann dabei so stark in die kapazitive Halbebene wandern, daß im Bereich der Resonanzschleife überhaupt kein Wert mehr exis­ tiert, bei dem die Phase zwischen Strom und Spannung den Wert hat, auf den die Phasenregelung eingestellt ist. Bei einer solchen Belastung reißt die Schwingung ab, der Ultraschall­ wandler gibt keine Leistung mehr ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsgene­ rator für einen Ultraschallwandler zu schaffen, bei dem die Phasenregelung so eingestellt werden kann, daß die maximal mögliche Ausgangsleistung des Leistungsgenerators und die höchstmögliche Schwingungsstabilität bei Lastschwankungen gleichzeitig erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß die in den Kennzeichen der Ansprüche angegebenen Maßnahmen vorgeschlagen. Insbesondere wird dabei das zweite Eingangssignal der Phasen­ meßeinrichtung, mit dem die Phase des Stromes durch den Ultra­ schallwandler gemessen wird, von einem Übertrager mit drei Wicklungen abgeleitet. Durch die erste Wicklung des Übertragers fließt der Strom, der dem Ultraschallwandler insgesamt zuge­ führt wird, oder ein proportionaler Anteil davon. Durch die zweite Wicklung dieses Übertragers fließt ein Strom, der dem von der Zuleitungskapazität und der Ruhekapazität des Ultra­ schallwandlers verursachten Blindstrom gleich oder proportio­ nal ist. Dabei sind die erste und die zweite Wicklung so ge­ polt, daß sich ihre magnetischen Wirkungen auf den Kern des Übertragers voneinander abziehen. Auf den Kern wirkt dabei eine magnetische Spannung, die dem reinen Wirkstrom proportio­ nal ist, der durch den Wirkwiderstand im Ersatzschaltbild des Ultraschallwandlers fließt. Von einer dritten Wicklung auf diesem Übertrager kann daher ein Signal abgenommen werden, das dem reinen Wirkstrom des Ultraschallwandlers proportional ist und insbesondere dessen Phase besitzt. Wird dieses Signal der Phasenmeßeinrichtung als Phasensignal für den Strom des Ultra­ schallwandlers zugeführt, so kann die Resonanzüberwachung ohne die störenden Einflüsse der Zuleitungsinduktivität und der Ru­ hekapazität des Ultraschallwandlers durchgeführt werden. Dabei kann die Phase zwischen der Spannung am Ultraschallwandler und seinem Wirkstrom ohne Rücksicht auf die Belastung konstant und sogar exakt zu null Grad geregelt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Wicklung des Übertragers in Serie zu dem angeschalteten Ultraschallwandler geschaltet. In Serie zu der zweiten Wick­ lung des Übertragers ist ein Kondensator geschaltet. Die bei­ den so entstandenen Serienschaltungen sind parallel geschaltet und direkt oder über bekannte Ankopplungsschaltungen an den Ausgang des Leistungsverstärkers angeschaltet. Dabei ist der in Serie zur zweiten Wicklung liegende Kondensator so dimen­ sioniert, daß das Verhältnis seiner Kapazität zur Summe aus Zuleitungskapazität und Ruhekapazität des Ultraschallwandlers ungefähr reziprok proportional ist zum Verhältnis der Win­ dungszahlen der zweiten und der ersten Wicklung. Bei dieser Dimensionierung kompensieren sich für die Phasenmessung im Kern des Übertragers die Wirkungen der Zuleitungs- und der Ruhekapazität frequenzunabhängig nahezu vollständig.

Wird die Kapazität des Kondensators ungefähr so groß wie die Summe aus der Zuleitungskapazität und der Ruhekapazität des Ultraschallwandlers gewählt und haben die erste und die zweite Wicklung des Übertragers gleich große Windungszahl, so erhält man eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Kennzeichen der weiteren Unteransprüche vorgeschlagen. Um eine möglichst verlustarme Anschaltung des Ultraschallwandlers an den Leistungsgenerator zu erreichen, muß die Induktivität der ersten Wicklung des Übertragers so klein wie möglich gehalten werden. Man kann dies am besten realisieren, wenn man für den Übertrager eine möglichst streuarme Ausführung des Kernes ver­ wendet. In diesem Fall kann mit sehr kleinen Windungszahlen und damit sehr kleinen Induktivitätswerten gearbeitet werden. Erfindungsgemäß wird für den Übertrager ein Ringkern vorge­ schlagen. Man kann damit für die erste und die zweite Wicklung bis zur Windungszahl eins heruntergehen. Beim Ringkern bedeu­ tet dies für die erste und zweite Wicklung je eine durch den Ringkern je einmal hindurchgeführte Leitung.

Zur Verdeutlichung der Erfindung sind folgende Zeichnungen beigefügt. Es zeigen:

Fig. 1 Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Leistungsgene­ rators mit dem aus drei Wicklungen bestehenden Über­ trager und der Ersatzschaltung eines angeschalteten Ultraschallwandlers mit Zuleitungskapazität.

Fig. 2 Ortskurven der Eingangsimpedanz eines Ultraschallwand­ lers bei verschiedenen Werten der Belastung und mit Berücksichtigung der Zuleitungs- und der Ruhekapazi­ tät.

Fig. 3 Ausführungsbeispiel eines Übertragers mit drei Wick­ lungen, dessen Kern als Ringkern ausgeführt ist.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Leistungsgenerators mit dem aus drei Wicklungen bestehenden Übertrager dargestellt. Der VCO 15 speist einen Leistungsver­ stärker 16, an dessen Ausgang in diesem Beispiel ein Ankopp­ lungsvierpol 11 angeschaltet ist. Ein solcher Ankopplungs­ vierpol kann in bekannter Weise Verwendung finden, wenn z. B. der Verstärker im Gegentaktprinzip arbeitet und die Ausgänge der beiden Verstärkerhälften zusammengeschaltet werden müssen. Er kann aber auch zur Leistungsanpassung dienen. Im allgemei­ nen ist ein solcher Ankopplungsvierpol als Übertrager mit hohem Kopplungsfaktor realisiert. An den Ausgang des mögli­ cherweise verwendeten Ankopplungsvierpols ist zunächst die Serienschaltung aus dem Ultraschallwandler 8 und der ersten Wicklung 4 des Übertragers 3 geschaltet. Parallel zum Ultra­ schallwandler 8 liegt dabei noch die Zuleitungskapazität 6.

Am Ausgang des Ankopplungsvierpols 11 ist weiterhin die Se­ rienschaltung aus der zweiten Wicklung 5 des Übertragers 3 und der Kapazität 10 angeschaltet. Zusätzlich wird am Ausgang des Ankopplungsvierpols 11 die Spannung U als erstes Eingangssig­ nal für die Phasenmeßeinrichtung 1 abgegriffen. Auf dem Kern 9 des Übertragers 3 ist noch eine dritte Wicklung 2 angeordnet. Von ihr wird das zweite Eingangssignal für die Phasenmeßein­ richtung 1 abgegriffen.

Die Phasenmeßeinrichtung 1 kann nach jedem der bekannten Prin­ zipien arbeiten. Sie muß nur einen geeigneten Zusammenhang zwischen ihrer Ausgangsspannung und dem Phasenunterschied zwischen den beiden Eingangssignalen herstellen. Die Phasen­ meßeinrichtung wird im allgemeinen einen Sollwertvergleicher und einen Regelverstärker mit geeigneter Charakteristik enthalten, damit die Regelschleife stabil arbeitet und den Phasenunterschied zwischen den beiden Eingangssignalen der Phasenmeßeinrichtung konstant auf den vorgegebenen Sollwert regelt.

Fig. 2 zeigt in einem Smith-Diagramm Ortskurven der Eingangs­ impedanz Z eines Ultraschallwandlers mit Zuleitung im Bereich der Resonanzfrequenz, wie sie z. B. zwischen den Klemmen 20 und 21 in Fig. 2 gemessen werden würden. Der Parameter der Kurven ist die Belastung. Die Ortskurve 22 mit dem größten Durchmes­ ser beschreibt den unbelasteten Fall. Die in dieser Ortskurve enthaltenen Realteile der Impedanz sind nur auf die Eigenver­ luste des Ultraschallwandlers und der angekoppelten mechani­ schen Resonanzanordnung zurückzuführen. Die Ortskurven mit kleineren Durchmessern entstehen bei wachsender Belastung des Ultraschallschwingers.

Auf jeder Ortskurve ist mit einem Kreis die Resonanzfrequenz fr der mechanischen Resonanz markiert. Mit dieser Frequenz müßte der Leistungsgenerator jedesmal seine Leistung abgeben, um bei jeder Belastung die maximal mögliche Ultraschall-Leis­ tung zu erzeugen. Wie man Fig. 2 entnimmt, hat die elektrische Eingangsimpedanz des Ultraschallwandlers aber bei der mecha­ nischen Resonanzfrequenz bei jeder Belastung einen anderen Phasenwinkel. Wird daher die Phasenregelung eines Leistungsge­ nerators ohne die erfindungsgemäße Ausgestaltung auf einen konstanten Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom im Ultra­ schallwandler eingestellt, so kann diese Regelung nur bei einer Belastung die maximal mögliche Ultraschall-Leistung ergeben. In Fig. 2 ist dieser Fall für ein Beispiel darge­ stellt. Die strichlierte Kurve 23 ist im Smith-Diagramm eine Kurve konstanter Phase der Impedanz. Ist die Phasenregelung auf den Wert dieses Beispiels eingestellt, so wird der Ultra­ schallwandler nur im dritten dargestellten Belastungsfall mit der Ortskurve 24 bei der mechanischen Resonanz betrieben, bei allen anderen Belastungen aber nicht.

Darüber hinaus zeigt Fig. 2, daß ab einer bestimmten Belastung die Ortskurven der Eingangsimpedanz Z den eingestellten Pha­ senwinkel gar nicht mehr schneiden. In diesem Belastungsbe­ reich, in Fig. 2 schraffiert dargestellt, gibt ein Leistungs­ generator ohne die erfindungsgemäße Ausgestaltung überhaupt keine Leistung mehr ab, die Ultraschall-Schwingung reißt ab. Ein solcher Generator kann daher immer nur auf einen Kompromiß zwischen Leistungsfähigkeit bei einer bestimmten Belas­ tung und Stabilität eingestellt werden.

Ein Leistungsgenerator nach der Erfindung vermeidet dagegen die Effekte der Zuleitungskapazität und der Ruhekapazität des Ultraschallwandlers, weil die damit verbundenen Blindströme im Meßzweig der Stromphase mit Hilfe der vorgeschlagenen Maßnahme kompensiert werden. Ein Generator mit den Merkmalen der Erfin­ dung kann optimal auf die mechanische Resonanz des Ultra­ schallwandlers eingestellt werden, und diese Einstellung bleibt bei jeder Belastung erhalten. Außerdem reißt die Ultra­ schallschwingung bei optimaler Leistungseinstellung bei keiner Belastung ab.

In Fig. 3 ist ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Übertragers mit drei Wicklungen ge­ zeigt. In diesem Beispiel ist der Kern des Übertragers als Ringkern ausgeführt, der besonders streuarm ist und damit kleine Induktivitäten für die erste und die zweite Wicklung realisierbar macht. In diesem Fall ist die erste und die zweite Wicklung jeweils als nur eine Windung ausgeführt, was im Fall des Ringkerns je einen lediglich einmal durch den Ringkern geführten Leiter bedeutet.

Claims (6)

1. Leistungsgenerator für einen Ultraschallwandler, bestehend aus einem spannungsgesteuerten Oszillator mit Leistungsver­ stärker, an dem der Ultraschallwandler über bekannte An­ kopplungsschaltungen angeschlossen ist, und einer Phasen­ meßeinrichtung, wobei das Ausgangssignal der Phasenmeßein­ richtung die Frequenzabstimmung des Oszillators durchführt und das erste Eingangssignal der Phasenmeßeinrichtung aus der am angeschlossenen Ultraschallwandler anstehenden Span­ nung abgeleitet ist und das zweite Eingangssignal der Pha­ senmeßeinrichtung aus dem durch den angeschlossenen Ultra­ schallwandler fließenden Laststrom abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Eingangssignal der Phasenmeßeinrichtung (1) aus der dritten Wicklung (2) eines Übertragers (3) mit drei Wicklungen gewonnen wird, wobei die erste Wicklung (4) des Übertragers (3) vom Laststrom (I1) oder einem proportionalen Anteil des Laststroms (I1) durchflossen wird, und seine zweite Wicklung (5) von einem Strom durchflossen wird, der gleich oder proportional dem im Laststrom enthaltenen, von der Zuleitungskapazität (6) und der Ruhekapazität (7) des Ultraschallwandlers (8) ver­ ursachten Blindstrom ist, und die erste und die zweite Wicklung so gepolt sind, daß sich ihre magnetischen Wirkun­ gen auf den Kern (9) des Übertragers (3) voneinander ab­ ziehen.

2. Leistungsgenerator für einen Ultraschallwandler nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklung (4) des Übertragers (3) in Serie zu dem angeschalteten Ultraschall­ wandler (8) geschaltet ist, und in Serie zu der zweiten Wicklung (5) des Übertragers (3) ein Kondensator (10) ge­ schaltet ist, und diese zwei Serienschaltungen parallel geschaltet und direkt oder über bekannte Ankopplungsschal­ tungen (11) an den Ausgang des Leistungsverstärkers ange­ schaltet sind, wobei der Kondensator (10) so dimensioniert ist, daß das Verhältnis seiner Kapazität zur Summe aus Zu­ leitungskapazität (6) und Ruhekapazität (7) des Ultra­ schallwandlers (8) ungefähr reziprok proportional ist zum Verhältnis der Windungszahlen der zweiten und der ersten Wicklung (5 und 4).

3. Leistungsgenerator für einen Ultraschallwandler nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (10) ungefähr so groß ist wie die Summe aus der Zuleitungs­ kapazität (6) und der Ruhekapazität (7) des Ultraschall­ wandlers (8), und daß die Windungszahlen der ersten Wick­ lung (4) und der zweiten Wicklung (5) des Übertragers (3) gleich groß sind.

4. Leistungsgenerator für einen Ultraschallwandler nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (9) des Übertragers (3) als Ringkern (12) ausgebildet ist.

5. Leistungsgenerator für einen Ultraschallwandler nach An­ spruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Wick­ lung (4 und 5) des Übertragers (3) aus je einer Windung aufgebaut sind.

6. Leistungsgenerator für einen Ultraschallwandler nach An­ spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Wick­ lung (4 und 5) des Übertragers (3) aus je einem durch den Ringkern (12) gesteckten Leiter (13 und 14) bestehen.