JP2001518386A - 超音波音場の発生のための装置 - Google Patents
超音波音場の発生のための装置Info
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-
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- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
Abstract
(57)【要約】
強い超音波音場を発生するため熱−流体的な原理を利用することは既に提案された。そのために、電解質を有する空間を閉じており、また電力パルス発生器により駆動される少なくとも２つの電極が存在している。本発明によれば、電気的パルスにより加熱すべき電解質空間（２）が、与えるべき電力が半導体スイッチング要素（６）により制御可能な範囲になるよう制限される。
Description
【０００１】 本発明は、超音波発生が熱−流体的な原理の応用のもとに液体の中で行われる
超音波音場の発生のための装置であって、電解質を有する空間を閉じており、ま
た電力パルス発生器により駆動される少なくとも２つの電極と、音波発生体表面
とを有する装置に関する。
超音波音場の発生のための装置であって、電解質を有する空間を閉じており、ま
た電力パルス発生器により駆動される少なくとも２つの電極と、音波発生体表面
とを有する装置に関する。
【０００２】 超音波は多くの技術分野で、またさらに医学で応用されている。後者の応用の
例は、体内器官および妊婦における胎児の超音波検査のような医学における撮像
診断方法である。一般的な技術における応用の例は、高度に負荷される部分の亀
裂破断個所探索またはソナー法である。
例は、体内器官および妊婦における胎児の超音波検査のような医学における撮像
診断方法である。一般的な技術における応用の例は、高度に負荷される部分の亀
裂破断個所探索またはソナー法である。
【０００３】 上記の応用を越えて、特に集中的に焦点合わせをされた超音波音場が最近医学
的処置および外科の高体温法に応用されている。その際の前提条件は、それぞれ
高い空間的分解能または良好な焦点合わせの可能性である。そのためには数ワッ
トないし数１００ワットの時間的に平均された音波出力において、１ＭＨｚより
も高い周波数範囲の高周波が発生されなければならない。その際に超音波音場の
音波前面の質が分解能または焦点の大きさに大きな役割を果たす。
的処置および外科の高体温法に応用されている。その際の前提条件は、それぞれ
高い空間的分解能または良好な焦点合わせの可能性である。そのためには数ワッ
トないし数１００ワットの時間的に平均された音波出力において、１ＭＨｚより
も高い周波数範囲の高周波が発生されなければならない。その際に超音波音場の
音波前面の質が分解能または焦点の大きさに大きな役割を果たす。
【０００４】 実際に導入されるシステムは主に、平らな音波前面を発生するために良く適し
ている圧電超音波変換器を利用する。その際に焦点合わせが音響的なレンズによ
り、もしくは特別な形状の音波発生器により行われる。例えば、目的物に合わせ
て焦点の位置および焦点の大きさを電気的なパラメータの変更により制御できる
ように、個々の要素が互いに独立して駆動される位相制御されるデバイス（フェ
ーズド‐アレイ）として開発された多次元のアレイも知られている。
ている圧電超音波変換器を利用する。その際に焦点合わせが音響的なレンズによ
り、もしくは特別な形状の音波発生器により行われる。例えば、目的物に合わせ
て焦点の位置および焦点の大きさを電気的なパラメータの変更により制御できる
ように、個々の要素が互いに独立して駆動される位相制御されるデバイス（フェ
ーズド‐アレイ）として開発された多次元のアレイも知られている。
【０００５】 公知のデバイスは構成が比較的複雑であり、音波変換器の寿命および到達可能
な振幅の点で不十分である。
な振幅の点で不十分である。
【０００６】 先願であるドイツ特許出願第 19 702 593号明細書により、液体中に強い圧力 パルスを発生するための熱−流体的な原理を、超音波音場を発生するために利用
することが提案されている。その際には２つの電極の間に位置する電解質層が短
い継続時間のパルス電力により加熱され、そして加熱に伴なう電解質の体積膨張
により隣接する媒体の中に強い圧力波が放射される。この方法による個々の圧力
パルスの発生により、数ＭＰａもの振幅を有する任意またはほぼ任意の形状の音
波前面を発生することが可能である。しかしながらそのためには約１００ＭＷの
範囲内のピーク電力を有する電気的パルスが必要である。
することが提案されている。その際には２つの電極の間に位置する電解質層が短
い継続時間のパルス電力により加熱され、そして加熱に伴なう電解質の体積膨張
により隣接する媒体の中に強い圧力波が放射される。この方法による個々の圧力
パルスの発生により、数ＭＰａもの振幅を有する任意またはほぼ任意の形状の音
波前面を発生することが可能である。しかしながらそのためには約１００ＭＷの
範囲内のピーク電力を有する電気的パルスが必要である。
【０００７】 そのことから出発して本発明の課題は、先願の特許出願明細書に記載されてい
る方法に基づいて超音波音場を発生するための実際的な装置を提供することであ
る。
る方法に基づいて超音波音場を発生するための実際的な装置を提供することであ
る。
【０００８】 この課題は、本発明によれば、冒頭にあげられている種類の装置において、電
気的パルスにより加熱すべき電解質空間が、与えるべき電力が半導体スイッチン
グ要素により制御される範囲に制限されていることにより解決される。その際に
好ましくは、音波発生体表面は規定されたアレイ要素を有する２次元のアレイと
して、もしくは１．５次元（１．５Ｄ）の配置のアレイ要素として構成されてい
てよい。
気的パルスにより加熱すべき電解質空間が、与えるべき電力が半導体スイッチン
グ要素により制御される範囲に制限されていることにより解決される。その際に
好ましくは、音波発生体表面は規定されたアレイ要素を有する２次元のアレイと
して、もしくは１．５次元（１．５Ｄ）の配置のアレイ要素として構成されてい
てよい。
【０００９】 本発明において重要なことは、音波発生体表面が、個々の要素が相応に小さい
寸法を有するようにパターニングされていることである。このような要素は“Ａ
ｃｔｅｌｓ”（ａｃｔｕａｔｅｒ‐ｅｌｅｍｅｎｔｓ）とも呼ばれる。高いパル
ス反復率の応用により、高い平均パワーを有する超音波音場が発生される。音波
前面を、個々のＡｃｔｅｌｓの目的に合わせた駆動によりほぼ任意の形状にする
と特に有利である。電解質の中でその際に変換される平均の損失熱は、長い応用
時間にわたって安定な状態が持続するように、冷却装置により導出される。
寸法を有するようにパターニングされていることである。このような要素は“Ａ
ｃｔｅｌｓ”（ａｃｔｕａｔｅｒ‐ｅｌｅｍｅｎｔｓ）とも呼ばれる。高いパル
ス反復率の応用により、高い平均パワーを有する超音波音場が発生される。音波
前面を、個々のＡｃｔｅｌｓの目的に合わせた駆動によりほぼ任意の形状にする
と特に有利である。電解質の中でその際に変換される平均の損失熱は、長い応用
時間にわたって安定な状態が持続するように、冷却装置により導出される。
【００１０】 本発明の他の詳細および利点は、特許請求の範囲と結び付けて図面を参照して
以下に実施例を説明する中で明らかになる。
以下に実施例を説明する中で明らかになる。
【００１１】 図面中で等しいまたは等しく作用する部分には、相応する参照符号を付されて
いる。図面は一部共通に説明される。
いる。図面は一部共通に説明される。
【００１２】 図１には、強固な、すなわち音波を反射する電極を規定する保持体電極１が示
されている。それから間隔をおいて薄い音波透過性のダイアフラム状の電極３が
配置されており、この電極は制御電極を形成する。電極１と３との間に電解質２
が入れられており、その際に電極１と２との間の間隔、従ってまた電解質２の空
間は間隔保持体１１により定められている。この間隔保持体はウェブとして均等
に電解質空間の側面または周囲を境界付ける。
されている。それから間隔をおいて薄い音波透過性のダイアフラム状の電極３が
配置されており、この電極は制御電極を形成する。電極１と３との間に電解質２
が入れられており、その際に電極１と２との間の間隔、従ってまた電解質２の空
間は間隔保持体１１により定められている。この間隔保持体はウェブとして均等
に電解質空間の側面または周囲を境界付ける。
【００１３】 第２の電極３の上に、いまの例では保持箔１２が取付けられており、それから
発生された超音波が超音波伝搬媒体４の中に到達する。電力パルス発生器が参照
符号４を付して、またスイッチング要素が参照符号６を付して示されている。
発生された超音波が超音波伝搬媒体４の中に到達する。電力パルス発生器が参照
符号４を付して、またスイッチング要素が参照符号６を付して示されている。
【００１４】 図１によりいわゆる“Ａｃｔｅｌ”（ａｃｔｕａｔｅｒ‐ｅｌｅｍｅｎｔ）が
定められている。電圧源５の電流パルスによる電解質層３の加熱に伴ない電解質
２が膨張し、またその際に金属化されている保持箔１２を伝搬媒体４の中へ加速
する。それによりこの媒体４の中に強い音波が発生する。別の隣接するＡｃｔｅ
ｌｓにより全体として重畳された音波前面が生ずる。
定められている。電圧源５の電流パルスによる電解質層３の加熱に伴ない電解質
２が膨張し、またその際に金属化されている保持箔１２を伝搬媒体４の中へ加速
する。それによりこの媒体４の中に強い音波が発生する。別の隣接するＡｃｔｅ
ｌｓにより全体として重畳された音波前面が生ずる。
【００１５】 図１中に示されているＡｃｔｅｌは、先願であるドイツ特許出願第 197 02 59
3号明細書に詳細に記載されている熱−電原理を利用する。そこには特にＡｃｔ ｅｌｓのエネルギー費用と発生する圧力振幅との間の物理的な関係が詳細に導き
出されている。
3号明細書に詳細に記載されている熱−電原理を利用する。そこには特にＡｃｔ ｅｌｓのエネルギー費用と発生する圧力振幅との間の物理的な関係が詳細に導き
出されている。
【００１６】 図２中には、図１による個々のＡｃｔｅｌｓから成る２次元（２Ｄ）のアレイ
が示されている。通しの保持体電極２１には、ここでは制御電極として個々の金
属の範囲２３を有する保持体箔２２を設けられており、その際電極２１と２３と
の間に、図２による図示からは詳細には認められない電解質が図１に相応して配
置可能である。
が示されている。通しの保持体電極２１には、ここでは制御電極として個々の金
属の範囲２３を有する保持体箔２２を設けられており、その際電極２１と２３と
の間に、図２による図示からは詳細には認められない電解質が図１に相応して配
置可能である。
【００１７】 離散的な制御電極により、Ｍ列およびＮ行から成る２次元アレイを形成する個
々のＡｃｔｅｌｓ２０、２０′、２０″…が規定されている。側辺長さ１×１ｍ
ｍの個々のＡｃｔｅｌｓ２０の典型的な寸法および１００μｍの電極２１と２３
との間の間隔の場合、電解質の伝導性が０．５Ωｍであるとき、約５０Ωの抵抗
が得られる。各ＡｃｔｅｌにΔＥ＝１ｍＪのエネルギーをチャージした場合、こ
うして０．４μｓのパルス継続時間に対する５ｋＷのピーク電力が必要とされる
。その際に電流は電圧が５００Ｖであるとき約１０Ａである。
々のＡｃｔｅｌｓ２０、２０′、２０″…が規定されている。側辺長さ１×１ｍ
ｍの個々のＡｃｔｅｌｓ２０の典型的な寸法および１００μｍの電極２１と２３
との間の間隔の場合、電解質の伝導性が０．５Ωｍであるとき、約５０Ωの抵抗
が得られる。各ＡｃｔｅｌにΔＥ＝１ｍＪのエネルギーをチャージした場合、こ
うして０．４μｓのパルス継続時間に対する５ｋＷのピーク電力が必要とされる
。その際に電流は電圧が５００Ｖであるとき約１０Ａである。
【００１８】 後者の必要条件は現在通常のトランジスタまたはサイリスタのような半導体デ
バイスにより満足される。例として図１中ではスイッチング要素が電界効果トラ
ンジスタとして構成されている。他の半導体スイッチの使用も可能である。それ
によって発生される圧力振幅は、電解質としてエチレングリコールを使用する際
には典型的に約１０5Ｐａである。
バイスにより満足される。例として図１中ではスイッチング要素が電界効果トラ
ンジスタとして構成されている。他の半導体スイッチの使用も可能である。それ
によって発生される圧力振幅は、電解質としてエチレングリコールを使用する際
には典型的に約１０5Ｐａである。
【００１９】 図２による配置により、１０ｋＨｚのパルス反復率の際にＡｃｔｅｌあたり１
０Ｗの平均電力を達成することが可能である。アレイ配置の際には個々のＡｃｔ
ｅｌ２０、２０′、２０″…の駆動が同時に、しかし互いに独立して行われなけ
ればならない。公知の平面画像スクリーンの際と同様に、ドライバートランジス
タまたはダイオードマトリックスを有する駆動電極の一部分が保持体電極２１の
上に直接に集積して形成される。
０Ｗの平均電力を達成することが可能である。アレイ配置の際には個々のＡｃｔ
ｅｌ２０、２０′、２０″…の駆動が同時に、しかし互いに独立して行われなけ
ればならない。公知の平面画像スクリーンの際と同様に、ドライバートランジス
タまたはダイオードマトリックスを有する駆動電極の一部分が保持体電極２１の
上に直接に集積して形成される。
【００２０】 図３ないし６にはそれぞれ、いわゆる１．５次元（１．５Ｄ）のアレイが示さ
れている。その際図３によるアレイは円筒状の音波前面を発生する役割をし、そ
のために電解質２を有する強固な電極３１の上にストリップ状の制御電極３３、
３３′、３３″…が共通の保持体箔３２の上に被覆されている。この図面には保
持体電極３１と金属化された制御電極３３を有する保持体箔３２との間の間隔を
定めるための間隔保持体は示されていない。電解質２はここでは通しに配置され
ており、その際に制御電極３３によりそれぞれ密に境界付けられた電解質空間が
音波発生のために能動化される。わずかな漏話は支障を生じない。
れている。その際図３によるアレイは円筒状の音波前面を発生する役割をし、そ
のために電解質２を有する強固な電極３１の上にストリップ状の制御電極３３、
３３′、３３″…が共通の保持体箔３２の上に被覆されている。この図面には保
持体電極３１と金属化された制御電極３３を有する保持体箔３２との間の間隔を
定めるための間隔保持体は示されていない。電解質２はここでは通しに配置され
ており、その際に制御電極３３によりそれぞれ密に境界付けられた電解質空間が
音波発生のために能動化される。わずかな漏話は支障を生じない。
【００２１】 球状の音波前面を発生するための相応の配置が図５に示されている。この場合
には保持体電極５１は円形に構成されており、その際、特に保持体箔５２の上の
金属化された制御電極５３、５３′、５３″…はリング状に形成されている。境
界要素は図３におけるのと同じく、ここでも図示されていない。電解質層に対し
ては相応のことが当てはまる。
には保持体電極５１は円形に構成されており、その際、特に保持体箔５２の上の
金属化された制御電極５３、５３′、５３″…はリング状に形成されている。境
界要素は図３におけるのと同じく、ここでも図示されていない。電解質層に対し
ては相応のことが当てはまる。
【００２２】 図４および図６による断面図は、この場合図３および図５による実施例に対し
て同一である。両方の場合に制御電極の駆動も等しく、そのためそれぞれ共通の
電圧源５に、個々のスイッチング要素６、６′、６″…が対応付けられている。
て同一である。両方の場合に制御電極の駆動も等しく、そのためそれぞれ共通の
電圧源５に、個々のスイッチング要素６、６′、６″…が対応付けられている。
【００２３】 スイッチング要素６、６′、６″…を介して、図３または図５による制御電極
３３または５３が、それぞれ分離してかつ同時にアドレス指定可能である。個々
の制御電極の遅延した駆動も可能であり、その際に一定の時間差により、例えば
“Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ”の機能が達成される。
３３または５３が、それぞれ分離してかつ同時にアドレス指定可能である。個々
の制御電極の遅延した駆動も可能であり、その際に一定の時間差により、例えば
“Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ”の機能が達成される。
【００２４】 特に５０ｍｍのＡｃｔｅｌ長さ、１ｍｍの幅および０．１ｍｍの電極間隔を有
する図３の装置において、１．２ＭＨｚの励起周波数の際に、１０5Ｐａの圧力 振幅に対しＡｃｔｅｌあたり約５０ｍＪが必要であることが個々に示された。そ
のために必要な約５００Ａのピーク電流は、パルス継続時間が短いので、最近の
大電力半導体素子により負担可能である。
する図３の装置において、１．２ＭＨｚの励起周波数の際に、１０5Ｐａの圧力 振幅に対しＡｃｔｅｌあたり約５０ｍＪが必要であることが個々に示された。そ
のために必要な約５００Ａのピーク電流は、パルス継続時間が短いので、最近の
大電力半導体素子により負担可能である。
【００２５】 後者は、特に図５による装置に対しても当てはまる。図３／４または図５／６
による両方の装置の際には、図２に比較して明らかにＡｃｔｅｌｓの数、従って
また能動化のためのスイッチング要素の数が少数ですむ。
による両方の装置の際には、図２に比較して明らかにＡｃｔｅｌｓの数、従って
また能動化のためのスイッチング要素の数が少数ですむ。
【００２６】 図２、図３／４および図５／６に示す装置の場合、それぞれストリップ状に金
属化された合成樹脂箔が使用されるので、多くの場合にコスト的に望ましい構成
が可能である。湾曲した表面も形成可能である。
属化された合成樹脂箔が使用されるので、多くの場合にコスト的に望ましい構成
が可能である。湾曲した表面も形成可能である。
【図１】 個々のＡｃｔｅｌｓの動作方法を示す断面図。
【図２】 Ｎ×Ｍの要素から成る２次元のアレイの平面的な配置を示す斜視図。
【図３】 円筒状の音波前面を発生する１．５次元アレイの平面図。
【図４】 図３に示す装置の線・‐・に沿う断面図。
【図５】 球状の音波前面を発生する１．５次元のアレイの平面図。
【図６】 図５に示す装置の線・‐・に沿う断面図。
１、３ 電極 ２ 電解質空間 ６ トランジスタ １１ 境界要素 ２０ 位相制御されるアレイ ２０、２０′、２０″… アレイ要素 ２１、３１、５１ 保持体電極 ２１／２３、３１／３３、５１／５３ 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G047 AC13 GB02 GB18 GB19 GF06 GF18 4C301 AA01 BB12 BB22 DD24 DD25 GB03 GB09 GB13 HH01 5D107 AA09 BB07 CC20 FF08 FF20
Claims (10)
- 【請求項１】 超音波発生が熱−流体的な原理の応用のもとに液体の中で行
われる超音波音場の発生のための装置であって、電解質を有する空間を閉じてお
り、かつ電力パルス発生器により駆動される少なくとも２つの電極と、音波発生
体表面とを有する装置において、 電気的パルスにより加熱すべき電解質空間（２）が、与えるべき電力が半導体
スイッチング要素（６）により制御される範囲に制限されていることを特徴とす
る超音波音場の発生のための装置。 - 【請求項２】 スイッチング要素がトランジスタ（６）またはサイリスタ、
例えば電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項３】 音波発生体表面が規定されたアレイ要素（２０、２０′、２
０″…）を有する２次元（２Ｄ）のアレイとしてパターニングされており、それ
らが個々に駆動可能であることを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項４】 音波発生体表面（２２）が位相制御されるアレイ（２０）と
してパターニングされており、その際に個々のアレイ要素（２０、２０′、２０
″…）が相応の寸法を有することを特徴とする請求項３記載の装置。 - 【請求項５】 円筒状または球状の音波前面を発生するため１．５次元（１
．５Ｄ）の配置のアレイ要素が設けられており、それらが個々に駆動可能である
ことを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項６】 アレイ要素（２０、２０′、２０″…）が湾曲した表面の上
に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の装置。 - 【請求項７】 個々のアレイ要素（２０、２０′、２０″…）の駆動を同時
に、しかし互いに独立して行う駆動電子回路が存在していることを特徴とする請
求項１ないし６の１つに記載の装置。 - 【請求項８】 個々のアレイ要素（２０、２０′、２０″…）の駆動を予め
定める時間差をもって行う駆動電子回路が存在していることを特徴とする請求項
１ないし６の１つに記載の装置。 - 【請求項９】 ドライバートランジスタまたはダイオードマトリックスのよ
うな駆動電子回路の一部分が、直接に保持体電極（２１、３１、５１）の上に一
体化されていることを特徴とする請求項７または８記載の装置。 - 【請求項１０】 電解質空間が、電極（１，３；２１，２３；３１，３３；
５１，５３）の間の均等な間隔保持体を形成する要素（１１）により制限される
ことを特徴とする請求項１ないし９の１つに記載の装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19743336.7 | 1997-09-30 | ||
| DE19743336A DE19743336C2 (de) | 1997-09-30 | 1997-09-30 | Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallfeldern |
| PCT/DE1998/002870 WO1999017276A1 (de) | 1997-09-30 | 1998-09-28 | Vorrichtung zur erzeugung von ultraschallfeldern |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001518386A true JP2001518386A (ja) | 2001-10-16 |
Family
ID=7844243
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000514259A Withdrawn JP2001518386A (ja) | 1997-09-30 | 1998-09-28 | 超音波音場の発生のための装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6366535B1 (ja) |
| EP (1) | EP1019903B1 (ja) |
| JP (1) | JP2001518386A (ja) |
| DE (2) | DE19743336C2 (ja) |
| WO (1) | WO1999017276A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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