JP2015500612A - 例えば超音波トランスデューサといった容量性負荷を駆動するドライバデバイス及び駆動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、容量性負荷１２、特に１つ又は複数のトランスデューサ要素を持つ超音波トランスデューサ１２を駆動するドライバデバイス４０；６０に関し、これは、交流駆動電圧Ｖ１４；Ｖ２２を負荷１２に提供する出力端子４２；６８と、中間的な電圧レベルＶ１６を提供する複数の電圧源要素４６、４８、５０、５２；７２、７４と、複数の制御可能な接続手段Ｓ０〜Ｓ７であって、各々が、電圧源要素４６、４８、５０、５２；７２、７４を出力端子４２；６８に接続するため、及び交流駆動電圧Ｖ１４；Ｖ２２として、中間的な電圧レベルＶ１６又は中間的な電圧レベルＶ１６の複数の合計の１つを出力端子に供給するため、電圧源要素４６、４８、５０、５２；７２、７４の１つに関連付けられる、複数の制御可能な接続手段とを有する。

Description

本発明は、容量性負荷を駆動するドライバデバイス及び対応する駆動方法に関し、特に１つ又は複数のトランスデューサ要素を有する超音波トランスデューサに関する。更に、本発明は、超音波装置に関する。

超音波トランスデューサの分野において、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）トランスデューサといった圧電トランスデューサ、及び今日では、容量マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）デバイスといったＭＥＭＳトランスデューサの使用は、２次元又は３次元超音波を提供するための一般的な方法である。この分野におけるマイクロマシン技術は、小さなサイズ及び高周波ビーム形成アレイの実現を可能にする。これは、同じウェーハ上でモノリシック的に形成されることができる。

既存の超音波トランスデューサは、限られた結合係数が原因で、限られた力率及び限られた効率を持つ。超音波トランスデューサの結合係数は、無損失性振動サイクルにおける総電気エネルギーに対する保存及び供給された機械的なエネルギーの比を表す。ｃＭＵＴの共通の結合係数は、５０％の範囲にある。一方、有効な結合セクターは、さらに低い可能性がある。実際的に、トランスデューサドライバ回路は、トランスデューサにより供給される音響エネルギーの量より多くの電気エネルギーをトランスデューサに提供しなければならない。残りのエネルギーは、トランスデューサの反応的な部分において保存されるか、又は抵抗部分において発散され、失われる熱へと変換される。主に容量電気エネルギーである保存されるエネルギーは、ドライバ回路に戻るように供給されることができ、ドライバタイプに基づき、エネルギーは、次の振動サイクルの間、減らされることができるか、又はドライバ回路において発散される。

ドライバデバイスでエネルギーを保存する共通の方法は、追加的な反応的なデバイス、即ちインダクタを用いることである。このデバイスは、トランスデューサと逆位相にあるエネルギーストレージの観点で作動する。別々のドライバ電子回路を持つ２次元トランスデューサアレイの場合、別々のインダクタは、ドライバと直列に用いられる。何千ものトランスデューサを含む３次元超音波アレイに関して、及び集積された電子回路の場合、個別のインダクタは、ドライバデバイスの全体のサイズを非常に増加させる。

従って、本発明の目的は、改良型のドライバデバイス及び容量性負荷を駆動する対応する駆動方法を提供することであり、特に増加された力率及び増加された結合係数を提供する、１つ又は複数のトランスデューサ要素を持つ超音波トランスデューサを提供することである。更に、本発明の目的は、対応する超音波装置を提供することである。

本発明の一つの側面によれば、容量性負荷、特に１つ又は複数のトランスデューサ要素を持つ超音波トランスデューサを駆動するドライバデバイスが提供され、これは、
交流駆動電圧を負荷に提供する出力端子と、
中間的な電圧レベルを提供する複数の電圧源要素と、
複数の制御可能な接続手段であって、各々が、電圧源要素を出力端子に接続するため、及び中間的な電圧レベル又は中間的な電圧レベルの複数の合計の１つを交流駆動電圧として出力端子に供給するため、電圧源要素の１つに関連付けられる、複数の制御可能な接続手段とを有する。

本発明の別の側面によれば、容量性負荷、特に１つ又は複数のトランスデューサ要素を含む超音波トランスデューサを駆動するための駆動方法において、
交流駆動電圧を負荷に提供するステップと、
複数の電圧源要素を用いて、複数の中間的な電圧レベルを提供するステップと、
交流駆動電圧として階段状上昇又は階段状下降する電圧を負荷に提供するため、負荷にシーケンシャルに電圧源要素を接続するステップとを有する。

本発明の更に別の側面によれば、超音波装置が提供され、これは、１つ又は複数のトランスデューサ要素、特に容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ要素を含む超音波トランスデューサと、本発明に基づき提供される上記超音波トランスデューサ要素を駆動するドライバデバイスとを有する。

本発明の好ましい実施形態は、従属項において規定される。請求項に記載の方法が、請求項に記載のデバイス及び従属項に記載されるデバイスと類似する及び／又は同一の好ましい実施形態を持つ点を理解されたい。

本発明は、供給電圧に負荷を接続する個別のスイッチング要素において大部分のエネルギーが発散することを防止するため、この負荷がゼロ電圧から最大電圧まで１つのステップで充電されることを防止するよう、中間的な電圧レベル又は中間的な電圧レベルの合計を容量性負荷に提供する容量性負荷を駆動するドライバデバイスを提供するというアイデアに基づかれる。スイッチング要素において発散される電気エネルギーを減らすため、本発明によるドライバデバイスは、全体の供給電圧を形成する中間的な電圧レベルを供給し、これに従って容量性負荷に充電するために中間的な電圧レベルの１つ又は合計を提供する、複数の電圧源要素を有する。容量性負荷に提供される中間的な電圧レベルの合計の電荷エネルギーが、１つのステップで負荷に印加される全体の供給電圧により提供される電気エネルギーと比較して減らされるので、電力損失は減らされることができる。こうして、中間的な電圧レベル又は中間的な電圧レベルの合計を提供することは、より柔軟なドライバデバイスを提供することができ、容量性負荷に供給される中間的な電圧レベルの１つ又は中間的な電圧レベルの合計の間のスイッチングにより、電力損失を減らすことができる。電源から引かれる電荷エネルギーは、充電の間減らされ、放電の間増加され、中間的な電圧レベルを負荷に適用することにより電源に戻るよう供給されるので、散逸エネルギーは減らされ、結合係数は改良される。

好ましい実施形態において、電圧源要素が、互いに直列に接続される。これは、容量性負荷への供給に関して、完全な供給電圧に中間的な電圧レベルを加える簡単なソリューションである。

更なる実施形態において、接続手段が、複数の制御可能スイッチを有し、各スイッチが、１つの電圧源要素及び出力端子に接続される。これは、電圧源要素又は複数の電圧源要素の１つの中間的な電圧レベルを出力端子に接続し、及び中間的な電圧レベル又は中間的な電圧レベルの合計を負荷に提供する有効な回路を低い技術的な負担で提供する。

好ましい実施形態において、電圧源要素が、分離した電圧源であり、各電圧源が、中間的な電圧レベルの１つを提供する。これは、中間的な電圧レベルを負荷に提供する簡単で信頼性が高いソリューションである。

更なる好ましい実施形態によれば、電圧源要素が、直列接続を形成する分圧器要素であり、直列接続は、ドライバデバイスを外部電源に接続するため、入力端子を有する。これは、外部供給源電圧から中間的な電圧レベルを低い技術的な負担で形成する安価なソリューションである。この場合、分圧器は、所望するような異なる中間的な電圧レベルへと外部供給源電圧を分ける。

代替的な実施形態によれば、電圧源要素は、中間的な電圧レベルへと外部電圧を変換するため外部電源に接続される電圧変換ユニットであり、特にＤＣ−ＤＣ電圧コンバータである。これは、高い電力効率を持つ中間的な電圧レベルへと外部電圧を変換するソリューションである。

好ましい実施形態において、ドライバデバイスは、制御可能な接続手段を制御する制御ユニットを有し、制御ユニットが、階段状上昇又は階段状下降する駆動電圧を提供するべく、出力端子にシーケンシャルに電圧源要素を接続するよう提供される。これは、各々の電圧ステップの間に印加される低減された電圧レベルによって、低減された電力損失を持つ供給電圧を負荷に印加する簡単なソリューションを提供する。言い換えると、スイッチにわたる電圧が減らされる。これは、スイッチにおける電力損失を減らす。

好ましい実施形態において、ドライバデバイスは、第２の出力端子を更に有し、駆動電圧が、第１及び第２の出力端子の間で提供される。これは、２つの分離した電圧源要素を用いて容量性負荷の両方の入力端子を能動的に駆動する簡単なソリューションを提供する。

好ましい実施形態によれば、電圧源手段が、第２の出力端子にバイアス電圧を供給するため、第２の出力端子に接続される。これは、容量性負荷に供給される駆動電圧を増加させるため、第１及び第２の出力端子の２つの電位の間の電圧オフセットを低い技術的な負担で提供することを可能にする。

好ましい実施形態によれば、ドライバデバイスは中間的な電圧レベルを提供する第２の複数の電圧源要素と、第２の複数の制御可能な接続手段であって、各接続手段が、第２の出力端子に第２の電圧源要素を接続するよう、第２の電圧源要素の１つに関連付けられる、第２の複数の制御可能な接続手段とを有する。これは、両方の出力端子を能動的に駆動するドライバデバイスの回路構造を低い技術的な負担で提供する。

好ましい実施形態によれば、制御ユニットが、第１及び第２の複数の接続手段を制御するよう提供され、制御ユニットは、階段状上昇又は下降する駆動電圧を提供するため、個別の出力端子に対してシーケンシャルに電圧源要素を接続するよう提供される。これは、低い技術的な負担でドライバデバイスを提供する。なぜなら、制御ユニットの量が減らされるからである。

上述したように、本発明は、容量性負荷を駆動するドライバデバイスの電力損失を減らすソリューションを提供する。なぜなら、中間的な電圧レベル又は中間的な電圧レベルの合計が、負荷に供給され、放散されるエネルギーに対応する電荷エネルギーは、供給された電圧の二乗に比例するからである。中間的な電圧レベルが、負荷に対して階段状に提供される場合、負荷に印加される電荷エネルギーは減らされ、及び従って、電力損失も減らされることができる。こうして、ドライバデバイスの効率及び超音波トランスデューサの結合係数は、増加されることができる。

超音波トランスデューサを駆動する既知のドライバデバイスの概略的なブロックダイアグラムを示す図である。 超音波トランスデューサを駆動するパルス化された駆動電圧のタイミングダイアグラムを示す図である。 トランスデューサがその共鳴周波数の近くで作動しているとき有益な超音波トランスデューサの簡単な電気回路モデルを示す図である。 超音波トランスデューサを駆動するドライバデバイスの第１の実施形態の概略的なブロックダイアグラムを示す図である。 図２のドライバデバイスにより提供される駆動電圧の駆動パルスの例を示す図である。 駆動パルスを提供するためのドライバデバイスに関する制御信号のタイミングダイアグラムを示す図である。 図２のドライバデバイスの異なる電圧源要素における電流の４つのタイミングダイアグラムを示す図である。 超音波トランスデューサを駆動するドライバデバイスの第２の実施形態の概略的なブロックダイアグラムを示す図である。 図６のドライバデバイスにより提供される駆動パルスのタイミングダイアグラムを示す図である。

本発明のこれら及び他の側面が、以下に説明される実施形態から明らかとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

図１は、超音波トランスデューサ１２を駆動する既知のドライバデバイス１０（パルサーとしても知られる）の実施形態を示す。ドライバデバイス１０は、電源１４に接続される。これは、ドライバデバイス１０に供給電圧Ｖ１０を提供する。ドライバデバイス１０は、２つのトランジスタ１６、１８を有する。これらは、互いにインバータ構成において接続され、電源１４に接続される。超音波トランスデューサ１２は、トランジスタ１６、１８のドレインコネクタに電気的に接続される。トランジスタ１６を閉じる（トランジスタ１６を導電性にする）ことにより、ドライバデバイス１０の出力ノード１９が、Ｖ１０に接続され、トランジスタ１８を閉じることにより、出力ノード１９は、ＧＮＤに接続される。超音波トランスデューサ１２は、２つの入力端子２０、２２を有する。ここで、第１の入力端子２０は、ドライバデバイス１０の出力ノード１９に電気的に接続され、第２の入力端子２２は、用いられるトランスデューサタイプ（ｃＭＵＴ、ＰＺＴ等）に基づき、ニュートラル又はバイアス電圧に接続される。供給電圧Ｖ１０は、トランジスタ１６、１８を交互にスイッチオン及びオフにすることにより、パルス化されたフォームでトランスデューサ１２に提供される。言い換えると、超音波トランスデューサ１２に対してパルス化された駆動電圧Ｖ１２を提供するため、トランスデューサは、電圧源１４の高電位に接続されるか、又はニュートラル若しくは電源１４の低電位に接続される。

パルス化された駆動電圧Ｖ１２のタイミングダイアグラムは、図１ｂに示される。パルス化された駆動電圧Ｖ１２は、ゼロ及びＶ１０の間で交替している。トランジスタ１６がスイッチオンされ、トランジスタ１８がスイッチオフされるとき、ｔ＿ｏｎで、電圧レベルＶ１２は、０からＶ１０まで増加され、トランジスタ１６がスイッチオフされ、トランジスタ１８がスイッチオンされるとき、ｔ＿ｏｆｆで、駆動電圧Ｖ１２は、Ｖ１０からゼロへと切り替えられる。こうして、パルス化された駆動電圧Ｖ１２が、０及び供給電圧Ｖ１０の間で交替し、電圧レベルは、１つのステップにおいて増加又は減少される。

図１ｃは、符号３０で一般に表される、超音波トランスデューサ１２の簡単な電気回路モデルの概略図を示す。トランスデューサ１２がその共鳴周波数の近くで作動しているとき、このモデル３０は有効である。電気回路モデル３０は、互いに並列に接続されるコンデンサ３２及びレジスタ３４を有する。容量Ｃを持つコンデンサ３２及び抵抗Ｒを持つレジスタ３４がそれぞれ、入力端子２０、２２に接続される。これらは、ドライバデバイス１０にトランスデューサを接続するために提供される。この電気回路モデル３０において、コンデンサ３２は、電子回路及び／又は相互接続の容量（寄生静電容量）と共に、超音波トランスデューサ１２の平行板静電容量を表す。レジスタ３４において消費されるエネルギーは、超音波トランスデューサにより音響エネルギーへと変換されるエネルギーを表す。

コンデンサ３２は、ｔ＿ｏｎ及びｔ＿ｏｆｆの間電圧Ｖ１０へと充電され、ｔ＿ｏｆｆ及びｔ＿ｏｎの間０ボルトへと放電される。電圧レベルＶ１０から接地まで放電されるとき（又は、接地からＶ１０まで充電されるとき）、コンデンサ３２に格納される電気エネルギーは、

により与えられる。ここで、Ｅ_Ｄは、コンデンサ３２に格納される電気エネルギーであり、Ｃは、コンデンサ３２の容量である。バイアス電圧が考慮される場合、電気エネルギーは異なるだろう。Ｖ１０のようなＤＣ電源を用いて０ＶからＶ１０へとコンデンサ３２を充電するのに必要な電気エネルギーは、

で与えられる。ここで、Ｅ_Ｃは、コンデンサ３２を充電するのに必要なエネルギーであり、Ｃは、コンデンサ３２の容量である。エネルギー差Ｅ_Ｃ−Ｅ_Ｄは、コンデンサ３２を充電する間、トランジスタ１６において発散され、エネルギーＥ_Ｄは、コンデンサ３２が放電されるとき、トランジスタ１８において発散される。完全なスイッチングサイクルの後、ドライバデバイス１０により提供されるすべての電気エネルギーは、スイッチにおいて発散され、熱へと変換される。

図２は、本発明の第１の実施形態によるドライバデバイスの概略的なブロックダイアグラムを示す。図２においてドライバデバイスは一般に、符号４０により表される。

ドライバデバイス４０は、出力電圧Ｖ１４及び駆動部電流Ｉを超音波トランスデューサ１２に提供するため、出力端子４２を有する。ドライバデバイス４０は、第２の出力端子４４を有する。これは、（用いられるトランスデューサタイプに基づき、）ニュートラル又はバイアス電圧に接続される。

ドライバデバイス４０は、４つの電圧源要素４６、４８、５０、５２を有する。電圧源要素４６〜５２の各々は、供給電圧Ｖ１０の部分的な電圧Ｖ１６として、中間的な電圧Ｖ１６を提供する。中間的な電圧レベルＶ１６の合計は、供給された電圧Ｖ１０と同一である。中間的な電圧レベルＶ１６は、好ましくは同一であり、本実施形態において、Ｖ１６＝０．２５＊Ｖ１０である。代替的な実施形態において、中間的な電圧レベルＶ１６は互いに異なる。この場合でも、中間的な電圧レベルＶ１６の合計は、供給電圧Ｖ１０と同一である。電圧源要素４６〜５２は、互いに直列に接続される。電圧源要素４６〜５２はそれぞれ、制御スイッチＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に接続される。これらは、出力端子４２に接続される。制御スイッチＳ０〜Ｓ４は、電圧源要素４６〜５２により提供される各電位に接続される。その結果、各電位が、出力端子４２に提供されることができる。スイッチＳ０〜Ｓ４は、制御ユニット５３により制御される。言い換えると、制御スイッチＳ０は、第２の出力端子４４に接続され、及び従って、制御スイッチＳ０が閉じられる場合、駆動電圧Ｖ１４が０であるよう、ニュートラルに接続される。制御スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、電圧源要素４６〜５２の間で接続される。その結果、電位Ｖ１６、２＊Ｖ１６及び３＊Ｖ１６が、出力端子４２に供給されることができる。制御スイッチＳ４は電圧源要素５２に接続される。その結果、電位４＊Ｖ１６が、出力端子４２に提供されることができる。スイッチＳ０〜Ｓ４は、シーケンシャルに切り替えられなければならない。言い換えると、スイッチＳ０〜Ｓ４の個別の導通フェーズと個別の短絡とが重なることは、いかなる場合でも回避されるべきである。代替的な実施形態によれば、スイッチＳ０〜Ｓ４は、任意の短絡を回避するため、スイッチの組み合わされた並列／直列接続において提供される。

従って、電圧源要素４６〜５２の又はこれらの間でのいずれかの電位が、制御スイッチＳ０〜Ｓ４を切り替えることにより、出力端子４２に提供される。言い換えると、０Ｖ、供給電圧Ｖ１０及び中間的な電圧レベルは、ドライバデバイス４０により提供されることができる。従って、階段状上昇又は階段状下降駆動電圧Ｖ１４が、超音波トランスデューサ１２に提供されることができる。

図３は、図２のドライバデバイス４０により提供されるパルス化された駆動電圧Ｖ１４を示すタイミング図である。パルス化された駆動電圧Ｖ１４は、４つのステップにおいて階段状に０からＶ１０まで増加される。パルス化された駆動電圧Ｖ１４は、０から０．２５＊Ｖ１０までｔ１で増加される。これは、Ｖ１６と同一である。パルス化された駆動電圧Ｖ１４は、０．２５＊Ｖ１０から０．５＊Ｖ１０へと、即ち、Ｖ１６から２＊Ｖ１６へとｔ２で増加される。ｔ３及びｔ４で、パルス化された駆動電圧Ｖ１４は、各場合において、ｔ４で供給電圧Ｖ１０に達するよう、中間的な電圧Ｖ１６分増加される。従って、駆動電圧Ｖ１４は、中間的な電圧レベルＶ１６における電圧ステップにおいて、０からＶ１０まで階段状に増加される。ｔ５からｔ８まで、パルス化された駆動電圧Ｖ１４は、中間的な電圧レベルＶ１６のステップにおいて、階段状に減少される。ｔ５において、パルス化された駆動電圧Ｖ１４は、Ｖ１０から０．７５＊Ｖ１０まで、又は言い換えると、４＊Ｖ１０から３＊Ｖ１０へと中間的な電圧Ｖ１６分減少される。ｔ６、ｔ７及びｔ８において、パルス化された駆動電圧Ｖ１４は、各場合において、パルス化された供給電圧Ｖ１４がゼロとなるまで、中間的な電圧レベルＶ１６分減少される。

従って、パルス化された駆動電圧レベルＶ１４は、中間的な電圧レベルＶ１６のステップにおいて０から供給電圧Ｖ１０へと階段状に増加され、中間的な電圧レベルＶ１６のステップにおいて、供給電圧Ｖ１０から階段状に減少される。

図３に示されるように階段状上昇パルス駆動電圧Ｖ１４は、出力端子４２に個別の電位を印加するため、制御スイッチＳ０〜Ｓ４の１つを切り替えることにより提供される。こうして、０Ｖ又は中間的な電圧Ｖ１６又は中間的な電圧Ｖ１６の合計が、出力端子４２に提供されることができる。スイッチＳ０〜Ｓ４の連続的な閉鎖及び開放を用いて、階段状の上昇及び階段状の下降パルス駆動電圧Ｖ１４が提供されることができる。

図４において、制御スイッチＳ０〜Ｓ４に関する制御信号のタイミング図が概略的に示される。供給電圧Ｖ１０＝４＊Ｖ１６を出力端子４２に接続するよう、即ち、制御スイッチＳ４が閉じられるよう、制御スイッチＳ０〜Ｓ４を制御するため、制御信号が制御ユニット５３に提供される。ｔ５において、制御スイッチＳ４は、スイッチオフされ、制御スイッチＳ３は、スイッチオンされる。従って、電位３＊Ｖ１０が、出力端子４２に提供される。ｔ６において、出力端子４２に２＊Ｖ１６を提供するため、制御スイッチＳ３は、スイッチオフされ、制御スイッチＳ２は、スイッチオンされる。ｔ８において、出力端子４２がニュートラルに接続され、パルス化された駆動電圧Ｖ１４が０であるよう、制御スイッチＳ１は、スイッチオフされ、制御スイッチＳ０は、スイッチオンされる。ｔ１において、中間的な電圧Ｖ１６を出力端子４２に提供するため、制御スイッチＳ０は、スイッチオフされ、制御スイッチＳ１は、スイッチオンされる。ｔ２及びｔ３において、中間的な電圧Ｖ１６の個別の合計を出力端子に提供するため、制御スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３はそれぞれ、スイッチオン及びオフにされ、ｔ４において、供給電圧Ｖ１０＝４＊Ｖ１６を出力端子４２に提供するため、制御スイッチＳ３は、スイッチオフされ、制御スイッチＳ４は、スイッチオンされる。上述したように、スイッチＳ０〜Ｓ４は、シーケンシャルに作動されるべきであり、制御信号の重複は、短絡を防止するため回避されるべきである。こうして、階段状上昇及び下降パルス化駆動電圧Ｖ１４が、図４において概略的に示される制御信号により実現されることができる。

図５は、パルス化された駆動電圧Ｖ１４を階段状に増加させる及び階段状に減少させる間、電圧源要素４６〜５２の各々における電流の４つのタイミング図を示す。第１の時間部分Δｔ１の間、パルス化された駆動電圧Ｖ１４は、０からＶ１０まで増加され、第２の時間部分Δｔ２の間、パルス化された駆動電圧Ｖ１４は、Ｖ１０から０まで段階状に減少される。

図５に示されるように、駆動電圧Ｖ１４が増加されるとき、電圧源要素４６は、ｔ１〜ｔ４でのすべてのステップの間、電流を提供する。電圧源要素４８は、ｔ１での第１のステップを除いて、ｔ２、ｔ３及びｔ４でのステップの間、電流を提供する。電圧源要素５２は、ｔ４での最終ステップの間のみ電流を提供する。

第２の時間部分Δｔ２の間、電流は、ｔ５、ｔ６、ｔ７における放電ステップにより電圧源要素４６に戻される。更に、電流は、ｔ５及びｔ６での放電ステップの間、電圧源要素４８に戻され、電流は、放電ステップｔ５の間、電圧源要素５０に戻される。一般に、電圧源要素は、ｎの充電ステップにおいて、トランスデューサ１２に電流を提供し、ｎ−１の放電ステップの間、トランスデューサから充電された電流を受信する。

トランスデューサ１２の充電の間、提供される電気エネルギーは、

により計算されることができる。ここで、Ｅ_ＮＣは、トランスデューサ１２の充電の間、提供される電気エネルギーであり、ｎは、ｔ１〜ｔｎでの充電ステップ又はｔｎ＋１＋...．＋ｔ２ｎでの放電ステップの数である。更に、トランスデューサ１２の放電により提供される電気エネルギーは、

である。ここで、Ｅ_ＮＤは、電気放電エネルギーであり、ｎは、ｔ１〜ｔ４での充電ステップ、又はｔ５〜ｔ８での放電ステップの量である。充電サイクルΔｔ１と放電サイクルΔｔ２とを有する完全なサイクルの間の放散されたエネルギーは、

により計算されることができる。ここで、Ｅ_ＮＳは、放散されたエネルギー又は言い換えるとエネルギー損失である。ｎ＝１に対して、放散されたエネルギーは、従来技術と同じであり、

に対しては、放散されたエネルギーは、理論的には０である。値ｎが、電圧源要素４６〜５２（ｎ＝４に関して）の量に制限されるので、値ｎは制限される。ｎの値を増加させることは、ドライバデバイス４０の回路を複雑にし、電圧源要素４６〜５２の直列抵抗を増加させる。好ましくは、ｎの値は、２〜５の間にある。

図６は、本発明の第２の実施形態によるドライバデバイスを示す。図５におけるドライバデバイスは一般に、符号６０により表される。ドライバデバイス６０は、第１の部分６２及び第２の部分６４を有する。第１の部分６２は、超音波トランスデューサ１２の第１の入力端子２０に接続され、第２の部分６４は、超音波トランスデューサ１２の第２の入力端子２２にコンデンサ６６を介して接続される。

第１の部分６２は、第１の出力端子６８及び第２の出力端子７０を有する。第１の出力端子６８は、超音波トランスデューサ１２の第１の入力端子２０に接続される。第２の出力端子７０は、ニュートラルに接続される。第１の部分６２は、互いに直列に接続される２つの電圧源要素７２、７４を有する。電圧源要素７２、７４はそれぞれ、中間的な電圧Ｖ１６を提供する。第１の部分６２は更に、３つの制御可能スイッチＳ５、Ｓ６、Ｓ７を有する。制御可能スイッチＳ５、Ｓ６、Ｓ７は、第１の出力端子６８に、及び電圧源要素７２、７４により提供される電位の各々に接続される。制御可能スイッチＳ５、Ｓ６、Ｓ７の１つを切り替えることにより、個別の電位０、Ｖ１６又は２＊Ｖ１６が出力端子６８に提供される。

第２の部分は、第１の部分６２と同一であり、第１の出力端子７６及び第２の出力端子７８を有する。第１の出力端子７６は、コンデンサ６６に接続され、第２の出力端子７８は、ニュートラルに接続される。第２の部分６４は、互いに直列に接続される２つの電圧源要素８０、８２を有する。各要素は、中間的な電圧Ｖ１６を提供する。

実際には、源７４及び源８２は、１つの物理的な源に結合されることができ、源７２及び源８０も、１つの物理的な源に結合されることができる。

第１の出力端子７６は、電圧源要素８０、８２により提供される電位の各々に接続可能である。その結果、電位０、Ｖ１６及び２＊Ｖ１６が、第１の出力端子７６に提供されることができる。

ドライバデバイス６０の第１の部分６２は、第１の出力端子６８において電位Ｖ１８を提供し、第２の部分６４は、第１の出力端子７６において電位Ｖ２０を提供する。電圧源手段は、第２の入力端子２２及び電位Ｖ１８の間の電圧オフセットとしてバイアス電圧ＶＢを提供するよう、超音波トランスデューサ１２の第２の入力端子２２に接続される。これは、ｃＭＵＴデバイスに対して適用可能である。この場合、ＰＺＴデバイスは、バイアス電圧（ＶＢ）を必要としない。ドライバデバイス６０は更に、制御ユニット８６を有する。これは、制御スイッチＳ５〜Ｓ１０に接続され、制御スイッチＳ５〜Ｓ１０を制御するために提供される。

制御スイッチＳ５、Ｓ６、Ｓ７を切り替えることにより、階段状に上昇する又は階段状に下降する電位として電位Ｖ１８が提供されることができる。同様に、制御スイッチＳ８、Ｓ９、Ｓ１０を切り替えることにより、階段状に上昇する又は階段状に下降する電位として、電位Ｖ２０が提供されることができる。

図７において、電位Ｖ１８及びＶ２０のタイミング図が概略的に示される。Ｖ１８は、実線として示され、Ｖ２０は、破線として示される。

ｔ１０において、電位Ｖ２０は、制御スイッチＳ８をスイッチオフし、制御スイッチＳ９をスイッチオンすることにより、０からＶ１６まで増加される。ｔ１１において、電位Ｖ１８は、制御スイッチＳ７をスイッチオフし、制御スイッチＳ６をスイッチオンすることにより、２＊Ｖ１６からＶ１６へと減少される。ｔ１２において、電位Ｖ２０は、制御スイッチＳ９をスイッチオフし、制御スイッチＳ１０をスイッチオンすることにより、Ｖ１６から２＊Ｖ１６へと増加される。ｔ１３において、電位Ｖ１８は、制御スイッチＳ６をスイッチオフし、制御スイッチＳ５をスイッチオンすることにより、Ｖ１６から０へと減少される。

反対に、ｔ１４からｔ１７において、電位Ｖ１８は、０から２＊Ｖ１６へと２つのステップで増加され、電位Ｖ２０は、２＊Ｖ１６から０へと２つの電圧ステップにおいて減少される。

バイアス電圧ＶＢは、２＊Ｖ１６又は言い換えると０．５＊Ｖ１０と同じであり、負の極性を有する。その結果、第２の入力端子２２及び第１の出力端子７６の間のオフセットが提供され、電位Ｖ１８及びＶ２０は、２＊Ｖ１６の量分シフトされる。従って、第１及び第２の入力端子２０、２２の間の駆動電圧Ｖ２２が実現される。この電圧は、ｔ１０からｔ１３の間中間的な電圧レベルＶ１６と同じ電圧ステップにより階段状に上昇し、ｔ１４からｔ１７の間中間的な電圧レベルと同一の電圧ステップにより階段状に減少される。従って、パルス化された駆動電圧Ｖ２２は、上述された利点を含む図３に示されるパルス化された駆動電圧Ｖ１４と同じである。

ドライバデバイス４０、６０は、駆動電圧Ｖ１４、Ｖ２２の振幅を変化させることもできる。ビーム成形を提供するため、中間的な電圧レベルを提供することも可能である。例えば、２次元（２Ｄ）トランスデューサアレイにおいて、ビームプロファイルを最適化するため、内側トランスデューサに提供される駆動電圧Ｖ１４、Ｖ２２に対して、外側のトランスデューサに提供されるＶ１４、Ｖ２２の振幅を適合させることが可能である。

本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられ、本発明を限定するものではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、及び実行されることができる。

請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。シングルプロセッサ又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。

請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (13)

1. 容量性負荷を駆動するドライバデバイスであって、
   前記負荷に対して交流駆動電圧を提供する出力端子と、
   中間的な電圧レベルを提供する複数の電圧源要素と、
   複数の制御可能な接続手段であって、各々が、前記電圧源要素を前記出力端子に接続するため、及び前記中間的な電圧レベル又は前記中間的な電圧レベルの複数の合計のいずれかを前記交流駆動電圧として前記出力端子に供給するため、前記電圧源要素の１つに関連付けられる、複数の制御可能な接続手段とを有する、ドライバデバイス。
2. 前記電圧源要素が、互いに直列に接続される、請求項１に記載のドライバデバイス。
3. 前記接続手段が、複数の制御可能スイッチを有し、各スイッチが、１つの電圧源要素及び前記出力端子に接続される、請求項１又は２に記載のドライバデバイス。
4. 前記電圧源要素が、分離した電圧源であり、各電圧源が、前記中間的な電圧レベルの１つを提供する、請求項１乃至３のいずれかに記載のドライバデバイス。
5. 前記電圧源要素が、直列接続を形成する分圧器要素であり、前記直列接続は、前記ドライバデバイスを外部電源に接続するため、入力端子を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載のドライバデバイス。
6. 前記電圧源要素が、前記中間的な電圧レベルへと外部電圧を変換するため、外部電源に接続される電圧変換ユニットである、請求項１乃至４のいずれかに記載のドライバデバイス。
7. 前記制御可能な接続手段を制御する制御ユニットを更に有し、前記制御ユニットが、階段状上昇又は階段状下降する駆動電圧を提供するべく、前記出力端子にシーケンシャルに前記電圧源要素を接続するよう提供される、請求項１乃至６のいずれかに記載のドライバデバイス。
8. 第２の出力端子を更に有し、前記駆動電圧が、前記第１及び前記第２の出力端子の間で提供される、請求項１乃至７のいずれかに記載のドライバデバイス。
9. 前記第２の出力端子にバイアス電圧を供給するため、前記第２の出力端子に接続される電圧源手段を更に有する、請求項８に記載のドライバデバイス。
10. 中間的な電圧レベルを提供する第２の複数の電圧源要素と、第２の複数の制御可能な接続手段であって、各接続手段が、前記第２の出力端子に前記第２の電圧源要素を接続するよう、前記第２の電圧源要素の１つに関連付けられる、第２の複数の制御可能な接続手段とを更に有する、請求項８又は９に記載のドライバデバイス。
11. 前記制御ユニットが、前記第１及び前記第２の複数の接続手段を制御するよう提供され、前記制御ユニットは、階段状上昇又は下降する駆動電圧を提供するため、前記個別の出力端子に対してシーケンシャルに前記電圧源要素を接続するよう提供される、請求項９に記載のドライバデバイス。
12. 容量性負荷を駆動するための駆動方法において、
    前記負荷に対して交流駆動電圧を提供するステップと、
    複数の電圧源要素を用いて複数の中間的な電圧レベルを提供するステップと、
    階段状上昇又は階段状下降する電圧を前記交流駆動電圧として前記負荷に提供するため、前記負荷にシーケンシャルに前記電圧源要素を接続するステップとを有する、方法。
13. 超音波装置であって、
    １つ又は複数のトランスデューサ要素を含む超音波トランスデューサと、
    請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ要素を駆動するドライバデバイスとを有する、超音波装置。

Images