POWER OCILLATOR FOR AN ULTRASONIC TRANSDUCER

Abstract: 1. Power generator for an ultrasonic transducer (8) comprising a voltage-controlled oscillator (15) with power amplifier (16), to which is connected the ultrasonic transducer (8) by means of known coupling circuits, and a phase measuring device (1), the output signal of the phase measuring device (1) performing the frequency matching of oscillator (15) and the first input signal of the phase measuring device is derived from the voltage at the connected ultrasonic transducer and the second input signal of the phase measuring device is derived from the load current flowing through the connected ultrasonic transducer, characterized in that the second input signal of the phase measuring device (1) is obtained from the third winding (2) of a transformer (3) with three windings, the load current (I1) or a proportion of the load current (I1) flowing through the first winding (4) of transformer (3) and a current flows through its second winding (5) which is the same or proportional to the reactive current contained in the load current and caused by the lead capacitance (6) and the standby capacitance (7) of the ultrasonic tranducer (8) and the first and second windings are poled in such a way that their magnetic actions on the core (9) of transformer (3) pull away from one another.

Description: Leistungagenerator tür einen Ultras°hallwanA 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 Ultrascflallschwingung 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 Ultraschall schwingungen hoher Intensität in elasti schen Materialien auftritt. In der Hochfrequenztechnik sind Ultraschallwandler z. B. zur Aussendung von gerichteten, modu lierten Ultrasehallwellen 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-mechan'ische Wandler bezeichnet und können nach verschiedenen Prinzipien aufgebaut sein. Für hohe Leiatungen werden bevorzugt 1Keramikscheiben 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 zwl- schon der am Ultraschallwandler eingespeisten Spannung und dem eingespeisten Strom messen. Vom Ausgangssignal der PhasenmeBeinrichtung 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. Eine bekannte Anordnung dieser Art ist in The High-Frequency generator for the Ultrasonic Lithotrite, IN-SIGHT, Urology dition April'1983,-published by Karl Storz Endoscopy-Amerlca, c., Culver City, CA/USA, beschrieben. Dabei handelt es sich einen Hochfrequenz-Leistungsgenerator, der eine Ultra hallsonde für die Zertrümmerung von Blasensteinen speist. er Hochfrequenzgenerator enthält einen spannungsgesteuerten szillator, der im anglo-amerikanischen als 'tvoltage-cntrolled sscillatorN oder VCO bezeichnet wird. Dieser VCO kann mit einer angelegten Spannung in der Frequenz abgestimmt werden. Die Hochfrequ°nz-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 Ultraschal'lwandler 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 Anwendung des beschriebenen Leistungsgenerators ist bekannt, dass die Schwingung des Ultraschallwandlers manchmal "abreisst", das heisst, der VCO läuft trotz der Resonanzregelung auf eine völlig falsche Frequenz und der IUltraschallwandler gibt keine Leistung mehr ab. Dieses Verhalten wird insbesondere beobachtet, wenn die Belastung des Ultraschallwandlers schwankt, z.B. wenn der operierende Arzt die mit dem Ultraschallwandler verbundene Sonde zu stark an einen zu zerstörenden Blasenstein andrückt. Aus dem Herstellungsprozess für den beschriebenen Leistungsgenerator ist weiterhin bekannt, dass beim Schlussabgleich der Phasenregelung nicht der Fall der Phasenverschiebung 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 vielmehr Jedesmal ein'Kompromiss gefunden werden zwischen möglichst grosser Ausgangsleistung und Stabilität der abgegebenen Leistung. Es wird aber nie die maximal mögliche Leistung und absolute Stabilität der Schwingung gegen Lastschwankungen gleichzeitig erreicht. Dieses Verhalten hat mehrere Gründe. Zunächst hat ein Ultraschallwandler 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; änd'ernder Belastung ändert sich der Wert des ohm'sohen ::Wi'de im Serienschwingkreis. Bei der dErstandes kleinsten Belastung ist dieser Widerstand lam kleinsten, mit steigender Belastung steigt sein Wert ebenfalls an. Weiterhin ist in der Praxis dqr Ultraschallwandler, wie z.B. im Fall der Ultraschall-Blasensteinzertrümmerung, vom Leistungsgenerator 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 Impedanz 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 Ausgangsleistung 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 umso 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 existiert, 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 Ultraschallwandler gibt keine Leistung mehr ab. Der Erfindung liegt die AuRgabe zugrunde, einen Leistungsgeiie- rator für einen Ultraschallwandler zu schaffen, bei dem die Phasenregelung: so eingestellt werden kann, dass die maximal mdgliche Auqgàngsteistung des Lei'^tungsgeneratlrs und die höchstmögliche Schwingungsstabilität bei tLastschwankungen 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 Ultraschallwandler gemessen wird, von einem Übertrager mit drei Wicklungen abgleitet. Durch die erste Wicklung des Übertragers fliesst der Strom, der dem Ultraschallwandler insgesamt zugeführt wird, oder ein proportionaler Anteil davon. Durch die zweite Wicklung dieses Vbertragers fliesst ein Strom, der dem von der Zuleitungskapazität und der Ruhekapzität des Ultra sohaliwandlers verursachten Blindstrom gleich oder proportional ist. Dabei sind die erste und die zweite Wicklung so gepolt, dass sich ihre magnetischen Wirkungen auf den Kern des Übertragers voneinander abziehen. Auf den Kern wirkt dabei eine magnetische Spannung, die dem reinen Wirkstrom proportional ist, der durch'den Wirkwiderstand im Ersatschaltbild 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 Ultraschallwandlers zugeführt, so kann die Resonanzüberwachung ohne die störenden Einflüsse der Zuleitungsinduktivität und der Ruhekapazität des Ultraschallwandlers durchgeführt werden. Dabei kann die Phase zwischen der Spannung am Ultraschallwandler und seinem W i r k s t r o m ohne Rücksicht auf die Belastung konstant und sogar exakt zu null Grad geregelt werden. In einer vorteSlhaften Ausgestaltung der 'Erfindung ist die erste Wicklung'des Übert6age.rs in Serie. zu dem" angeschaltetexl Ultraschallwandl'erigeschaltet.'In Serie zu der zweiten Wick lung des Ubertragers;ist ein Kondensator geschaltet, Die bei- den so entstandenen Serienschaltungen sind parallel geschaltet und direkt oder. Über bekannte Ankopplu'ngsschaltungen an den Ausgang des Leistungsverstärkers angeschaltet. Dabei ist der in Serie zur zweiten Wicklung liegende Kondensator so dimensioniert, 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 oder Ruhekapa it;ät 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 verwendet. In diesem Fall kann mit sehr kleinen Windungszahlen damit sehr kleinen Induktivitätswerten gearbeitet werden. Erfflndungsgemäss wird für den übertrager ein Ringkern vorge chiagen. Man kann damit für die erste und die zweite Wicklung zur Windungszahl eins heruntergehen. Beim Ringkern bedeu dies für die erste und zweite Wicklung Je eine durch den gkern Je einmal hindurchgeführte Leitung. Verdeutlichung der Erfindung sind folgende Zeichnungen veigefUgt. 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. I In Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Leistungsgenerators mit dem aus drei Wicklungen bestehenden Übertrager dargestellt. Der VCO 15 speist einen Leistungsverstärker 16 an dessen Ausgang in diesem Beispiel ein Ankopplungsvierpol 11 angeschaltet ist. Ein solcher Ankopplungsvierpol 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 allgemeinen ist ein solcher Ankopplungsvierpol als Übertrager mit hohem Kopplungsfaktor realisiert. An den Ausgang des möglicherweise verwendeten Ankopplungsvierpols ist zunächst die Serienschaltung aus dem Ultraschallwandler 8 und der ersten Wicklung 4 des Übertragers 3 geschaltet. Parallel zum Ultraschallwandler 8 liegt dabei noch die Zuleitungskapazität 6. Am Ausgang des Ankopplungsvierpols 11 ist weiterhin die Serienschaltung 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 Eingangssignal für die Phasenmesseinrichtung 1 abgegriffen' Auf dem Kern 9 des Übertragers 3 ist noch eine'dritte Wicklung 2 angeordnet. Von ihr wird das zwette;Eingangssignal für die Phasenmesseinrichtung 1 abgegriffen'. Die Phasenmesseinrichtung 1 kann nach Jedem der bekannten Prinzipien arbeiten. Sie muss nur einen geeigneten Zusammenhang zwischen ihrer Ausgangsspannung und dem Phasenunterschied zwischen den beiden Eingangssignalen herstellen. Die Phasenmesseinrichtung 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 Phasenmesseinrlchtung konstant auf den vorgegebenen Sollwert regelt. -Fig. 2 zeigt in einem Smith-Diagramm Ortskur;ven der Ein-gangsimpedanz 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 Durchmesser beschreibt den unbelasteten Fall. Die in dieser Ortskurve enthaltenen Realteile der Impedanz sind nur auf die Eigenverluste des Ultraschallwandlers und der angekoppelten mechanischen 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-Leistung zu erzeugen. Wie man Fig. 2 entnimmt, hat die elektrische Eingangsimpedanz des Ultraschallwandlers aber bei der mechanischen Resonanzfrequenz bei Jeder Belastung einen anderen Phasenwinkel. Wird daher die Phasenregelung eines Leistungsgenerators ohne die erfinungsgemässe Ausgestaltung auf einen konstanten Phasenwinkel zWischen Spannung und'Strom im Ultra schallwandler eingeistellt, so kann diese Regelung nur bei einer Belastung :die 'maxltmai mögliche Ultraschall-Leistung ergeben. In Fig. 2 ist dieser Fall für ein Beispiel dargestellt. 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 Ultraschallwandler 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 Phasenwinkel gar nicht mehr schneiden. In diesem Belastungsbereich, in Fig. 2 schraffiert dargestellt, gibt ein Leistungsgenerator ohne die erfindungsgemässe Ausgestaltung überhaupt keine Leistung mehr ab, die Ultraschall-Schwingung reisst ab. Ein solcher Generator kann daher immer nur äuf einen Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit bei e i n e r bestimmten Belastung 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 Erfindung kann optimal auf die mechanische ' Resonanz des Ultraschallwandlers eingestellt werden, und diese Einstellung bleibt bei Jeder Belastung erhalten. Ausserdem reisst die Ultraschallschwingung bei optimaler Leistungseinstellung bei keiner Belastung ab. In Fig. 3 ist ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Übertragers mit drei Wicklungen gezeigt. 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 machtl-;n diesem Fall ist die I erste und die zweite Wicklung Jeweils als nur eine Windung < 'ausgefUhrt, was im Fall des Ringkerns Je einen lediglich einmal durch' den Ringkern geführten Leiter bedeutet.

Claims: Patentansprüche: 1. Leistungsgeneratcrfür 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 PhasenmeBeinrichtung (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. Leistungsgeneator 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 Ubertragers (3) ein Kondensator (10) ge schaltet ist, und diese Izwei 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 'Ubertragers (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 fUr 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, I 6. Leistungsgenerator reinen UltraschaLlwandler nach An spruch 4, I dadurch gekennzeichnet',' dass die erste und bie zweite Wick lung (4 und 5) des Übertragers (3) aus Je einem durch den Ringkern (12) gesteckten Leiter (13 und 14) bestehen.

Inventors: FASTENMEIER, KARL, PROF. DR.-ING., FLACHENECKER, GERHARD, PROF. DR.-ING., LINDENMEIER, HEINZ, PROF. DR.-ING.
Applicants: MED INVENTIO AG
Application year: 1984
Main classification: B06B1
IPC codes: B06B1, H03L7