DE19531360A1

DE19531360A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern der Empfindlichkeit von Wandlern

Info

Publication number: DE19531360A1
Application number: DE19531360A
Authority: DE
Inventors: Turuvekere R Gururaja; Darwin P Adams; Benjamin M Herrick; David M Prater
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-08-25
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2015-08-26
Also published as: US5585546A; JPH08229036A; US5684243A; DE19531360B4; US5889194A

Description

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

Auf dem Gebiet der medizinischen Diagnostik werden Wandler typischerweise in Arrays zur Verwendung bei einem Ultra schall-Bilderzeugungssystem angeordnet. Fig. 1 zeigt bei spielsweise 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 über tragen. 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 Geschwindig keit desselben, zu bestimmen. Siehe beispielsweise das U.S.-Patent Nr. 5,060,651 mit dem Titel "Ultrasonic Dia gnostic Apparatus".

Insbesondere zeigt Fig. 1 einen Mikroprozessor 108 zum Steu ern eines Senders 107, eines Vorverstärkers 109, eines Strahlformers 106 und eines digitalen Abtastumwandlers 111. Das Echosignal 104 von dem Wandlerarray 101 wird zu dem Vor verstärker 109 und dann seriell zu dem Strahlformer 106, dem Signalprozessor 105, zu einem A/D-Wandler (A/D = Analog/Di gital) 110 und zu dem digitalen Abtastumwandler 111 gesen det. Die z-Komponente des Echosignals wird zu dem Nachverar beitungs-Prozessor 112 gesendet, wobei die resultierende z-Intensität auf einem CRT-Bildschirm (CRT = Cathode Ray Tube = Kathodenstrahlröhre) 104 angezeigt wird. Die x-y-Kom ponente wird über ein x-y-Raster 113 gesendet und auf dem CRT-Bildschirm 114 angezeigt. Eine beliebige Anzahl von ver schiedenen Übertragungs- und Bilderzeugungs-Verarbeitungs systemen kann verwendet werden.

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

Akustische Bilderzeugungswandler wurden ferner aus elektro striktiven 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 Wandler elemente 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 Em pfangs-Wirkungsgrad. Dieselbe ist durch die elektrische Pulsanregung als Eingabe und die akustische Energie als Aus gabe definiert.

Die Puls/Echo-Ansprech-Empfindlichkeit eines elektrostrikti ven Wandlers hängt von verschiedenen Materialeigenschaften, wie z. B. der relativen dielektrischen Konstante K und dem Koppelkoeffizienten k_t ab. Diese Eigenschaften sind nichtli neare 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 Ausgangs material und/oder den Verarbeitungsbedingungen variieren. Als solche kann die Empfindlichkeit aus verschiedenen Grün den schwanken, wobei einige derselben schwierig zu steuern sind.

Die Federal Drug Administration (FDA) regelt den Betrag an akustischer Energie, der in einen menschlichen Körper über tragen werden darf. Wenn die Empfindlichkeit eines Wandlers variiert, kann ein übermäßiger Betrag an Energie übertragen werden. Ferner werden Systeme, die ihre Eingabe/Ausgabe-Be ziehung wesentlich variieren lassen, auf dem Markt als Sy steme 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 über wachen, um Variationen in der Empfindlichkeit zu erfassen.

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

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Empfindlichkeit eines elektro striktiven Wandlers gerichtet. Insbesondere werden verschie dene Charakteristika jedes Wandlerelements nach der Herstel lung getestet und dann auf einem Speichermedium aufgezeich net, wie z. B. auf ein EPROM (EPROM = Erasable Programmable Read Only Memory = löschbarer, programmierbarer Nur-Lese- Speicher) gebrannt. Die gespeicherten Daten werden dann zu sammen mit bestimmten Modellbeziehungen zum Überwachen be stimmter Betriebsparameter des Wandlers während der Verwen dung verwendet, wobei eine Rückkopplungskompensation verwen det wird, um die Wandlerempfindlichkeit im wesentlichen kon stant zu halten.

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

Bei einem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Tempera tur-Rückkopplungskompensation vorgesehen, bei der ein Tem peratursensor 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 System steuerung entweder den Übertragungspegel und/oder die Vor spannung ein, um basierend auf den EPROM-Daten für das be stimmte Element, der Modellbeziehung und dem Temperatursi gnal von dem Temperatursensor die gewünschte akustische Aus gabe 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 Drucksen sors. Die Systemsteuerung stellt den Übertragungspegel und/oder die Vorspannung ein, um basierend auf den EPROM-Da ten, einer Modellbeziehung und dem Ausgangspegel des Druck sensors eine gewünschte akustische Ausgabe zu erreichen.

Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Güte zahl-Rückkopplungskompensation vorgesehen. Ein EPROM defi niert die Empfindlichkeit des Arrays als Funktion der Ver sorgungsspannung. Ein Modell bezieht die Empfindlichkeit auf die dielektrische Konstante (K) und den Koppelkoeffizienten (k_t) für die Klasse des Wandlermaterials. Die Systemsteu erung stellt den Übertragungspegel und/oder die Vorspannung ein, um basierend auf dem EPROM, der Modellbeziehung und den Werten von K und k_t die gewünschte akustische Ausgabe zu erreichen. Die Messungen können entweder von dem Betriebs element (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 Ein gangsleistung in das Element, um eine gewünschte akustische Ausgabe zu erreichen. Die Systemsteuerung stellt den Über tragungspegel 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 Be stimmen der Elementkapazität, der dielektrischen Konstante und des Koppelkoeffizienten sind beschrieben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Ultraschall-Bilderzeugungs systems, welches ein phasengesteuertes Array ver wendet;

Fig. 2 ein Blockdiagramm, das ein bekanntes Verfahren zum Bauen, Testen und Aufzeichnen von Daten auf einem EPROM, die einen piezoelektrischen Wandler betref fen, zeigt;

Fig. 3 ein Blockdiagramm, das das Verfahren der vorliegen den Erfindung zum Testen und Aufzeichnen bestimmter Daten, die ein elektrostriktives Wandlerelement be treffen, und zum Verwenden derartiger Daten in Ver bindung mit dem Überwachen von bestimmten Betriebs parametern des Elements und zum Kompensieren von Variationen, die die Empfindlichkeit beeinträchti gen können, zeigt;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm einer bekannten Schal tung mit einer Systemsteuerung zum Einstellen der Ausgabe eines piezoelektrischen Wandlerelements;

Fig. 5 ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Systemsteue rung zum Regeln der Ausgabe eines elektrostriktiven Wandlerelements durch Variieren der Vorspannung und/oder des Übertragungspegels;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Temperatur sensor zur Rückkopplungskompensation verwendet;

Fig. 7 ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen Drucksensor zur Rückkopplungskompensation verwendet;

Fig. 8 ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen der dielek trischen Konstante und des Koppelkoeffizienten und zum Schaffen einer Rückkopplungskompensation;

Fig. 9 ein schematisches Diagramm, das dem von Fig. 8 ähn lich ist, bei dem jedoch die Messungen bei dem Be triebselement (Funktionselement) durchgeführt wer den, im Gegensatz zu einem Bezugselement wie in Fig. 8;

Fig. 10 ein schematisches Diagramm einer Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die Strom- und Span nungssensoren zum Bestimmen der Eingangsleistung und zum Schaffen einer Rückkopplungskompensation verwendet;

Fig. 11 ein schematisches Diagramm einer Schaltung zum Mes sen der Kapazität eines Wandlerelements während des Betriebs, um den Koppelkoeffizienten zu bestimmen;

Fig. 12 ein schematisches Diagramm einer Schaltung zum Mes sen der geklemmten Kapazität eines Wandlerelements; und

Fig. 13 ein schematisches Diagramm einer Schaltung zum Mes sen der Ausgangsleistung eines Wandlerelements.

Bei einem bekannten System, das in den Fig. 2 und 4 darge stellt ist, wird ein piezoelektrischer Wandler gebaut, ge testet 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 ei nem 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 Fig. 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 Fig. 5 ge zeigt ist, ist das elektrostriktive Element 15 in einer Be triebsschaltung enthalten und liefert eine akustische Ausga be 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 Vor spannungsquelle 11 verbunden.

Die Daten, die auf dem EPROM 19 vorgesehen sind, bestehen aus der Elementeempfindlichkeit als Funktion der Versor gungsspannung 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 einge stellt wird, ein, um einen gewünschten und stetigen akusti schen Ausgangspegel 16 zu erhalten.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung zum Schaffen einer Temperatur-Rückkopplungs kompensation zusätzlich zu der "statischen Kompensation", die durch die EPROM-Daten und die Systemsteuerung von Fig. 5 geschaffen werden. In Fig. 6 ist die Betriebsschaltung ähn lich zu dem Aufbau in Fig. 5 angeordnet, um einen Vergleich zu vereinfachen, wobei ähnlichen Elementen ähnliche Bezugs zeichen gegeben wurden, indem zu denselben "10" addiert wurde.

Insbesondere ist ein Temperatursensor 23 neben dem Betriebs- oder Funktionselement 25 angeordnet. In der ganzen Beschrei bung soll es offensichtlich sein, daß das Wandler-"Element" einen einzelnen Wandler oder ein Array von Wandlern bezeich nen kann. Die EPROM-Daten 29 für das spezielle Element 25 definieren die gemessene Empfindlichkeit als Funktion der Vorspannung bei einer Betriebstemperatur. Die Modellbezie hung 22 definiert die Empfindlichkeit der Wandler-Material klasse 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 Modellbe ziehung 22 werden beide in die Systemsteuerung 28 einge speist, welche ferner die Ausgabe des Temperatursensors 23 (d. h. die tatsächliche Betriebstemperatur des Elements 25) empfängt. Die Systemsteuerung stellt dann entweder die Sen de/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 tatsäch lichen Betriebstemperatur können die EPROM-Daten, welche von einer bestimmten Betriebstemperatur ausgehen, korrigiert werden, wenn die tatsächliche Betriebstemperatur von der angenommenen Temperatur abweicht.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das dem in Fig. 6 ähnlich ist, bei dem jedoch der Temperatursensor 23 von Fig. 6 durch einen Drucksensor 33 in Fig 7 ersetzt wur de. Die Betriebsschaltung von Fig. 7 wurde wieder ähnlich zu Fig. 6 aufgebaut, um einen Vergleich zu erleichtern, wobei entsprechenden Elementen ähnliche Bezugszeichen gegeben wur den, indem zu denselben "10" addiert wurde.

In Fig. 7 mißt der Drucksensor 33 den akustischen Ausgangs druck eines elektrostriktiven Elements 35 und liefert den selben zu einer Systemsteuerung 38. Die EPROM-Daten 39 defi nieren wieder die Empfindlichkeit als Funktion der Vorspan nung bei einer Betriebstemperatur. Die Modellbeziehung 32 definiert die Empfindlichkeit der Wandleranordnung (z. B. einschließlich eines Verstärkungsmaterials und Anpassungs schichten) als Funktion des Drucksensor-Ausgangspegels. Die Systemsteuerung 38, welche die EPROM-Daten, die Modellbe ziehung und die Drucksensorausgabe empfängt, stellt dann entweder die Sende-Empfangs-Schaltung 37 und/oder die Vor spannungsquelle 31 ein, um eine gewünschte akustische Aus gabe 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 Puls echoempfindlichkeit, wobei eine gute Genauigkeit des Druck sensors 33 angenommen wird. Somit kann es wünschenswert sein, den Druckwandler zu kalibrieren.

Fig. 8 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine Gütezahl-Rückkopplungskompensation vorgesehen ist, wo bei Messungen an einem getrennten Bezugselement durchgeführt werden. Der Aufbau von Fig. 8 ist wieder den vorherigen Schaltungen ähnlich, um einen Bezug zu erleichtern, wobei entsprechenden Elementen ähnliche Bezugszeichen gegeben wur den, indem zu denselben "10" addiert wurde.

Insbesondere zeigt Fig. 8 ein erstes elektrostriktives Wand lerelement 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 k_t 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 beste hen 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 Em pfindlichkeit auf die dielektrische Konstante und den Kop pelkoeffizienten für die Klasse von elektrostriktiven Mate rialien, die bei den Elementen 45, 43 verwendet worden sind. Eine Systemsteuerung stellt dann entweder die Sende/Em pfangs-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 Fig. 11 bis 12 beschrieben.

Eine Gütezahl, die für das Modell 42 verwendet werden kann, ist in J. Callerame u. a. "Transmitters And Receivers For Me dical Ultrasonics", 1979 Ultrasonics Symposium, IEEE (1979), Seiten 407 - 411 beschrieben. Der Callerame-Artikel be schreibt beispielsweise zwei Parameter TP und RP, welche ein Maß für das Sender- bzw. Empfängeransprechen liefern. Der Parameter TP, der nachfolgend definiert wird, gilt streng genommen nur bei Frequenzen, die weit unter der Resonanzfre quenz 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 k_t die Dickenmodus-Koppelkonstante ist,
ε^S₃₃ die dielektrische Konstante bei konstanter Dehnung ist, und
c^D₃₃ die elastische Steifheitskonstante ist.

Ein guter Schätzwert für die relative Empfängerempfindlich keit, 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.

Fig. 9 ist unter allen Gesichtspunkten Fig. 8 ähnlich, mit Ausnahme davon, daß die Messungen der dielektrischen Kon stante und des Koppelkoeffizienten bezüglich des Funktions elements im Gegensatz zu dem Bezugselement durchgeführt werden. Wie gezeigt ist, ist eine Vorrichtung 54 zum Messen von K und k_t des Funktionselements 55 vorgesehen. Die Sy stemsteuerung 58 empfängt die EPROM-Daten 59, eine Modellbe ziehung 52 und Messungen von K und k_t. 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.

Fig. 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 wur den, indem zu denselben "10" addiert wurde.

In Fig. 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 Ele ments. Die Systemsteuerung stellt entweder den Senderpegel aus der Sende/Empfangs-Schaltung 67 und/oder den Vorspan nungspegel 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 Fig. 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 elek tromechanischen Koppelkonstante k_t und der relativen dielek trischen 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 be stimmt 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 k_t kann wieder um mit der folgenden Gleichung bestimmt werden:

K^S = K^T(1-k_t²) (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 K^T die relative dielektrische Konstante ist, die bei ei ner Frequenz unterhalb der Betriebsfrequenz gemessen wurde, d. h. bei "einer ungeklemmten-Kapazität"-Frequenz. Diese beiden Frequenzen sollten ausreichend von der Resonanzfre quenz des Wandlers entfernt sein, derart, daß keine Reso nanzauswirkung auf die gemessene Kapazität vorhanden ist. Somit kann die elektromechanische Koppelkonstante k_t be stimmt werden, indem die Kapazität des Wandlerelements wäh rend des Betriebs, sowohl bei einer geklemmten Kapazität- Frequenz als auch bei einer ungeklemmten-Kapazität-Frequenz gemessen wird. Damit können K und k_t dann von einem Steuer ungssystem des Bilderzeugungssystems verwendet werden, d. h. zu demselben rückgekoppelt werden. Das Steuerungssystem kann wiederum die DC-Vorspannung demgemäß variieren. Durch Vari ieren der DC-Vorspannung können Abweichungen in der Empfind lichkeit des Wandlers kompensiert werden. Wenn die Empfind lichkeit 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 250 V DC be nötigt, 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 Fig. 11 gezeigt ist, ist ein Wandlerelement 220a ein Element aus einem Array 201 von derartigen Elementen dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Element 220a für Steuerungszwecke bestimmt. Daher werden die anderen Elemente des Arrays, d. h. die, die zur Bilderzeugung verwendet wer den, den Erfassungsbetrieb, der für Steuerungsmessungen be nötigt wird, nicht beeinträchtigen. Ebenso werden Spannun gen, 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 Ele ment liefern, das tatsächlich zur Bilderzeugung verwendet wird. Vorzugsweise werden die Eigenschaften des Elements 220a gemessen, wenn sich die Abtasteinrichtung des Bilder zeugungssystems im Leerlauf befindet, d. h. wenn das Array der Elemente nicht zur Bilderzeugung verwendet wird.

Um die sog. "ungeklemmte Kapazität" zu messen, überträgt ei ne Niederfrequenz-Stromquelle 250 ein bekanntes Signal, bei spielsweise eine Sinuswelle von 1000 Hz auf einem Kabel 251, welches das Wandlerelement 220a mit der nachfolgend be schriebenen 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 Wandlerele ments 220a. Die Spannung ("V") an dem Knoten 252 bezieht sich auf den bekannten Strom ("I") und C_Last entsprechend der folgenden Gleichungen:

C_Last = C_Kabel + C_Wandler (4)

Folglich kann C_Last durch Aufnehmen des absoluten Werts der gemessenen Spannung (siehe einen Spannungssensor 254) an ei nem 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 durchge führt werden. Somit kann eine Schaltung mit relativ niedri ger Geschwindigkeit verwendet werden. Die erfaßte Spannung an dem Knoten 252 kann beispielsweise mit einem Analog/Digi tal-Wandler digitalisiert werden. Die digitalisierte Span nung 253 kann dann von einem Mikroprozessor in dem Bilder zeugungssystem empfangen werden, welcher dann die Gleichun gen (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-Kapazi tät-Frequenz kann K^T unter Verwendung der entsprechenden Ka pazitätsgleichung, 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 Tech nik 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 bedeu tend bewegt. Unter diesen Umständen wirkt das Element, als ob es mechanisch eingeklemmt wäre, und dasselbe speichert beträchtlich weniger Ladung als ein Wandler bei der unge klemmten Frequenz. Für einen Wandler 220a mit einer Reso nanzfrequenz von 5,0 MHz sollte eine Messung bei 10 MHz oder höher ausreichend sein, um die geklemmte Kapazität zu be stimmen. Bei diesen Frequenzen wird die Impedanz des Wand lers 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 Größen ordnung von 10 bis 20 Ohm. Folglich werden Hochfrequenz-Meß techniken benötigt.

Bezugnehmend auf Fig. 12 liefert eine Hochfrequenz-Span nungsquelle 260 ein bekanntes Signal 261 zu einem Richtkopp ler 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 über tragen. 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 re flektiert 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 Wand lerelement dar.) Folglich kann die Impedanz des Wandlers ("Z_Wandler") mit der folgenden Gleichung bestimmt werden:

Die komplexe Spannung V_i stellt die einfallende Signalspan nung dar, die an einem Knoten 262 durch einen Spannungssen sor 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 ge liefert.

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 Em pfindlichkeit 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 Zah len hängen jedoch von den tatsächlich verwendeten Materia lien ab, da der nichtlineare Zusammenhang zwischen der Em pfindlichkeit und der Vorspannung bei elektrostriktiven Ma terialien variiert. Die eingestellte Vorspannung kann dann an alle Wandler des Arrays 201 angelegt werden.

Alternativ kann ein einzelnes Wandlerelement verwendet wer den. In diesem Fall würden Fachleute wissen, wie sie die Gleichungen (3) bis (5) modifizieren müßten, damit dieselben den modifizierten Verbindungen entsprechen, die Vorrichtun gen von Fig. 11 und 12 mit einem Element und nicht mit zwei Elementen verbinden.

Messen der Eingangsleistung des Wandlers (I)

In Fig. 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 an zeigt. 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 Span nung und Strom ist, bestimmt der Multiplizierer den augen blicklichen Wert der zu dem Element 220c übertragenen Lei stung. Ein Signal, das die augenblickliche Leistung anzeigt, wird auf einer Leitung 268c übertragen und durch ein Tief paßfilter 267 empfangen. Das Tiefpaßfilter führt eine Durch schnittsbildungs-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 Empfindlich keit 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 Lei stung 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 Durchfüh rens der Messungen bei tatsächlichen Betriebsfrequenzen des Elements 220c. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel führt die Messungen durch, wenn das Element 220c mit einer Mittenfre quenz 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 offensicht lich 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 Be schreibung lediglich als Beispiel, während die Erfindung durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. 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; und
(c) einer Einrichtung (18) zum Regeln des Betrags der akustischen Ausgangsleistung von dem Wandlerele ment.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Übertragungs schaltung eine Quelle (11) zum Anlegen einer Vorspan nung an das Wandlerelement aufweist, wobei die Rege lungseinrichtung (18) den Vorspannungspegel einstellt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Über tragungsschaltung (17) eine Übertragungsleistung zum Treiben des Wandlerelements (15) ausgibt, wobei die Re gelungseinrichtung (18) den Übertragungsleistungspegel einstellt.

4. Vorrichtung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, die ein Speichermedium (19) zum Speichern gemessener Daten bezüglich der Empfindlichkeit des Wandlerelements aufweist, wobei die Regelungseinrich tung (18) eine Einrichtung aufweist, die auf die gespeicherten Daten anspricht, um die akustische Aus gangsleistung von dem Wandlerelement einzustellen.

5. Vorrichtung gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Regelungseinrichtung folgende Merkmale aufweist:
ein Speichermedium (19) zum Speichern gemessener Daten bezüglich der Empfindlichkeit des Wandlerelements;
eine Einrichtung (23; 33; 44; 54; 63-64) zum Überwachen eines Betriebsparameters, der die von dem Wandlerele ment erzeugte Akustikleistung anzeigt;
ein Modell (22), das die Ausgabe der Überwachungsein richtung auf die durch das Wandlerelement erzeugte Aku stikleistung bezieht; und
eine Einrichtung (21), die auf die Ausgabe der Überwa chungseinrichtung, die gespeicherten Daten und das Mo dell anspricht, um den Betrag der von dem Wandlerele ment erzeugten akustischen Ausgangsleistung zu regeln.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Überwachungs einrichtung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus ei nem oder mehrerer der folgenden Merkmale besteht:
einem Temperatursensor (23);
einem Drucksensor (33);
einer Einrichtung (44; 54) zum Messen der dielektri schen Konstante und des Koppelkoeffizienten des Wand lerelements; und
einer Einrichtung (63-64) zum Messen der zu dem Wand lerelement gelieferten Eingangsleistung.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, die ein erstes und zweites Wandlerelement (220a; 220b) eines Wandlerarrays aufweist und bei der die Überwachungseinrichtung fol gende Merkmale aufweist:
eine Stromquelle (250) zum Treiben des ersten Wandler elements (220a) bei einer ungeklemmten Frequenz;
einen ersten Spannungssensor (254) zum Erfassen einer ersten Spannung, die eine Kapazität des ersten Wandler elements anzeigt;
eine Spannungsquelle (260) zum Treiben des zweiten Wandlerelements (220b) bei einer geklemmten Kapazität- Frequenz;
einen zweiten Spannungssensor (254a) zum Erfassen einer einfallenden Spannung, die zu dem zweiten Wandlerele ment übertragen wird;
einen dritten Spannungssensor (254b) zum Erfassen einer reflektierten Spannung von dem zweiten Wandlerelement; und
eine Vorspannungsschaltung (21) zum Vorspannen der Wandlerelemente des Arrays, welche auf die erste, zwei te und dritte Spannung anspricht.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der das Wand lerelement ein Teil eines Arrays ist und die Überwa chungseinrichtung folgende Merkmale aufweist:
einen Stromsensor (265) zum Erfassen eines zu dem Wand lerelement 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 (21) zum Vorspannen des Ar rays, die auf die Ausgabe des Multiplizierers an spricht.

9. Verfahren zum Steuern der Empfindlichkeit eines elek trostriktiven Wandlerelements in einem System, das eine Übertragungsschaltung und eine Vorspannungsquelle auf weist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(a) Überwachen des elektrostriktiven Wandlerelements auf Betriebsparameter, die die durch das Wandler element erzeugte akustische Leistung anzeigen; und
(b) Anlegen einer Rückkopplungskompensation als Reak tion auf den Überwachungsschritt.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem der Schritt (a) das Bestimmen der Kapazität des Wandlerelements bei einer ungeklemmten Kapazität-Frequenz durch Erfassen einer ersten Spannung, die die Kapazität anzeigt, aufweist.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem der Schritt (a) ein Bestimmen einer zweiten Kapazität des Wandler elements bei einer geklemmten Kapazität-Frequenz auf weist, 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.

12. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem der Schritt (a) ei ne an das Wandlerelement gelieferte Leistung bei einer Betriebsfrequenz überwacht, indem der zu dem Wandler element gelieferte Strom erfaßt und indem eine Spannung erfaßt wird, bei der der Wandler arbeitet.