УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЕМКОСТНОЙ НАГРУЗКИ И, В ЧАСТНОСТИ, УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК B06B1/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству возбуждения и соответствующему способу возбуждения для возбуждения емкостной нагрузки, в частности, ультразвукового преобразователя, содержащего один или больше элементов преобразователя. Кроме того, настоящее изобретение относится к ультразвуковому устройству.

Предшествующий уровень техники

В области ультразвуковых преобразователей широкое распространение на практике получило использование пьезоэлектрических преобразователей, таких как преобразователи на основе цирконата-титаната свинца (PZT), и в последнее время преобразователи MEM, такие как емкостные, полученные в результате микрообработки, устройства ультразвуковых преобразователей (cMUT), для формирования двумерных или трехмерных ультразвуковых волн. Технология микрообработки в этой области техники позволяет получать малые размеры элементов и реализовать высокочастотные массивы формирования луча, которые могут быть сформированы монолитно на одной и той же подложке.

Существующие ультразвуковые преобразователи имеют ограниченный коэффициент мощности и ограниченный кпд из-за ограниченного коэффициента связи. Коэффициент связи ультразвуковых преобразователей представляет отношение сохраненной и переданной механической энергии к общей электрической энергии в цикле вибрации без потерь. Обычно коэффициент связи cMUT находится в диапазоне 50%, в то время как эффективный сектор связи может быть еще ниже. На практике схемы возбуждения преобразователя должны подавать в преобразователь больше электроэнергии, чем количество акустической энергии, которое будет выведено преобразователем. Оставшаяся энергия сохраняется в реактивных частях преобразователя или рассеивается в резистивных частях и преобразуется в потерянное тепло. Сохраненная энергия, которая, в основном, представляет собой емкостную электроэнергию, может быть передана обратно в схему возбуждения и, в зависимости от типа возбуждения, эта энергия может быть уменьшена во время следующего цикла вибрации или может быть рассеяна в схеме возбуждения.

Общепринятый способ сохранения энергии в устройстве возбуждения представляет собой использование дополнительного реактивного устройства, то есть индуктора, который работает в противофазе, что касается сохранения энергии, с преобразователем. В случае двумерных массивов преобразователей, имеющих дискретные электронные элементы возбуждения, дискретные индукторы используют последовательно с возбудителем. Для трехмерных ультразвуковых массивов, включающих в себя тысячи преобразователей, и в случае интегрированных электронных устройств соответствующие индукторы могли бы сильно увеличить общий размер устройства возбуждения.

Краткое изложение сущности изобретения

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить улучшенное устройство возбуждения и соответствующий способ возбуждения для возбуждения емкостной нагрузки, в частности, в ультразвуком преобразователе, имеющем один или больше элементов преобразователя, обеспечивающее повышенный коэффициент мощности и увеличенный коэффициент связи. Кроме того, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить соответствующее ультразвуковое устройство.

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предусмотрено устройство возбуждения для возбуждения емкостной нагрузки, в частности, ультразвукового преобразователя, имеющего один или больше элементов преобразователя, содержащее:

- выходной вывод для подачи переменного напряжения возбуждения к нагрузке,

- множество элементов подачи напряжения для предоставления промежуточных уровней напряжения,

- множество управляемых средств соединения, каждое из которых связано с одним из элементов подачи напряжения для соединения элементов подачи напряжения с выходными выводами и для подачи одного из промежуточных уровней напряжения или суммы множества промежуточных уровней напряжения в виде переменного напряжения возбуждения на выходной вывод.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, способ возбуждения для возбуждения емкостной нагрузки, в частности, ультразвукового преобразователя, включающего в себя один или больше элементов преобразователя, причем способ возбуждения содержит следующие этапы, на которых:

- подают переменное напряжение возбуждения к нагрузке,

- подают множество промежуточных уровней напряжения посредством множества элементов подачи напряжения, и

- соединяют элементы подачи напряжения последовательно с нагрузкой для обеспечения ступенчатого повышения или снижения напряжения в качестве переменного напряжения возбуждения для нагрузки.

В соответствии с еще одним, другим аспектом настоящего изобретения, предусмотрено ультразвуковое устройство, содержащее ультразвуковой преобразователь, содержащий один или больше элементов преобразователя, в частности, предусмотрены емкостные, полученные в результате микрообработки элементы ультразвукового преобразователя, и устройство возбуждения, предназначенное для возбуждения упомянутых элементов ультразвукового преобразователя, в соответствии с настоящим изобретением.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ имеет аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, как и у заявленного устройства и как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение основано на идее обеспечения устройства возбуждения для возбуждения емкостной нагрузки, которое обеспечивает промежуточные уровни напряжения или сумму промежуточных уровней напряжения для емкостной нагрузки, для предотвращения заряда нагрузки от нулевого напряжения до максимального напряжения за один этап, для предотвращения рассеяния большей части энергии в соответствующем элементе переключателя, который соединяет нагрузку с источником напряжения. Для уменьшения рассеяния электрической энергии в элементе переключателя устройство возбуждения, в соответствии с настоящим изобретением, содержит множество элементов подачи напряжения, которые подают промежуточные уровни напряжения для формирования всего подаваемого напряжения и обеспечивают один или сумму из промежуточных уровней напряжения для заряда емкостной нагрузки, соответственно. Поскольку энергия электрического заряда суммы промежуточных уровней напряжения, подаваемая в емкостную нагрузку, уменьшена по сравнению с электроэнергией, подаваемой от всего напряжения питания, подаваемого на нагрузку за один этап, рассеяние энергии может быть уменьшено. Следовательно, предоставление уровней промежуточного напряжения или суммы промежуточных уровней напряжения может обеспечить более гибкое устройство возбуждения и может уменьшить потребление энергии из-за переключения между одним из уровней промежуточного напряжения или суммой уровней промежуточного напряжения, подаваемых на емкостную нагрузку. Поскольку энергия электрического заряда, отбираемая из источника питания, уменьшается во время заряда и увеличивается во время разряда, и ее подают обратно к источнику питания путем приложения уровней промежуточного напряжения к нагрузке, рассеиваемая энергия уменьшается, и коэффициент связи улучшается.

В предпочтительном варианте осуществления элементы подачи напряжения соединены последовательно друг с другом. Это представляет собой простое решение для добавления промежуточных уровней напряжения для подачи полного напряжения, для его подачи на емкостную нагрузку.

В дополнительном варианте осуществления средство соединения содержит множество управляемых переключателей, каждый из которых соединен с одним из элементов подачи напряжения и с выходным выводом. Это обеспечивает эффективную схему для соединения промежуточных уровней напряжения с одним из элементов подачи напряжения или с множеством элементов подачи напряжения с выходным выводом и для предоставления промежуточных уровней напряжения или суммы промежуточных уровней напряжения на нагрузку при малых технических усилиях.

В предпочтительном варианте осуществления элементы подачи напряжения представляют собой отдельные источники напряжения, каждый из которых обеспечивает один из промежуточных уровней напряжения. Это представляет собой простое и надежное решение для предоставления промежуточных уровней напряжения на нагрузку.

В соответствии с дополнительным предпочтительным вариантом осуществления, элементы подачи напряжения представляют собой элементы делителя напряжения, формирующие последовательное соединение, в котором последовательное соединение содержит входные выводы, для соединения устройства возбуждения с внешним источником питания. Это представляет собой дешевое решение для формирования промежуточных уровней напряжения из внешнего источника питания при малых технических усилиях, в котором делитель напряжения делит внешнее подаваемое напряжение на разные промежуточные уровни напряжения, в соответствии с требованием.

В соответствии с альтернативным вариантом осуществления, элементы подачи напряжения представляют собой модули преобразования напряжения, в частности, преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение, соединенный с внешним источником питания, для преобразования внешнего напряжения на промежуточном уровне напряжения. Такое решение предназначено для преобразования внешнего напряжения на промежуточные уровни напряжения с высоким коэффициентом полезного действия по мощности.

В предпочтительном варианте осуществления устройство возбуждения содержит модуль управления для управления управляемым средством соединения, в котором модуль управления предусмотрен для соединения элементов подачи напряжения последовательно к выходному выводу для последовательного повышения или последовательного понижения напряжения возбуждения. Это обеспечивает простое решение при приложении подаваемого напряжения к нагрузке, имеющей меньшее рассеяние мощности, из-за уменьшенного уровня напряжения, которое прикладывают во время каждой из ступеней напряжения. Другими словами, напряжение на переключателе уменьшено. Это уменьшает рассеяние энергии на переключателе.

В предпочтительном варианте осуществления устройство возбуждения дополнительно содержит второй выходной вывод, в котором напряжение возбуждения предусмотрено между первым и вторым выходными выводами. Это обеспечивает простое решение для активного возбуждения обоих входных выводов емкостной нагрузки посредством двух отдельных элементов подачи напряжения.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, средство подачи напряжения соединено со вторым выходным выводом для подачи напряжения смещения ко второму выходному выводу. Это представляет собой возможность обеспечения напряжения смещения между двумя потенциалами напряжения первого и второго выходных выводов, с малыми техническими усилиями, для повышения напряжения возбуждения, подаваемого к емкостной нагрузке.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, устройство возбуждения содержит второе множество элементов подачи напряжения для предоставления промежуточных уровней напряжения, и второе множество управляемого средства соединения, каждое из которых связано с одним из вторых элементов подачи напряжения, для соединения вторых элементов подачи напряжения со вторым выходным выводом. Это обеспечивает структуру цепи устройства возбуждения для активного возбуждения обоих выходных выводов при малых технических усилиях.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, модуль управления предусмотрен для управления первым и вторым множеством средств соединения, и в котором модуль управления предусмотрен для соединения элементов подачи напряжения последовательно с соответствующим выходным выводом для обеспечения ступенчатого повышения или понижения напряжения возбуждения. Это обеспечивает устройство возбуждения с низкими техническими усилиями, поскольку уменьшено количество модулей управления.

Как упомянуто выше, в настоящем изобретении предусмотрено решение для уменьшения рассеяния энергии устройством возбуждения, для возбуждения емкостной нагрузки, поскольку уровни промежуточного напряжения или сумму уровней промежуточного напряжения подают в нагрузку, и энергия заряда, соответствующая рассеиваемой энергии, пропорциональна квадрату подаваемого напряжения. Если промежуточные уровни напряжения будут поданы ступенчато в нагрузку, энергия электрического заряда, подаваемая в нагрузку, будет уменьшена, и поэтому также рассеяние энергии может быть уменьшено. Следовательно, эффективность устройства возбуждения и коэффициент связи ультразвукового преобразователя могут быть увеличены.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты изобретения будут понятны из и будут очевидны из описанных ниже вариантов осуществления. На следующих чертежах

на фиг. 1a схематично показана блок-схема известного устройства возбуждения для возбуждения ультразвукового преобразователя;

на фиг. 1b показана временная диаграмма импульсного напряжения возбуждения для возбуждения ультразвукового преобразователя;

на фиг. 1c показана простая модель электрической схемы ультразвукового преобразователя, используемая, когда преобразователь работает рядом с его резонансной частотой;

на фиг. 2 схематично показана блок-схема первого варианта осуществления устройства возбуждения для возбуждения ультразвукового преобразователя;

на фиг. 3 показан пример импульса возбуждения для напряжения возбуждения, предусмотренного устройством возбуждения по фиг. 2;

на фиг. 4 показана временная диаграмма сигналов управления для устройства возбуждения, для предоставления импульса возбуждения;

на фиг. 5 показаны четыре временные диаграммы тока в элементах подачи напряжения возбуждения устройства возбуждения по фиг. 2;

на фиг. 6 схематично показана блок-схема второго варианта осуществления устройства возбуждения для возбуждения ультразвукового преобразователя; и

на фиг. 7 показана временная диаграмма импульса возбуждения, предоставляемого устройством возбуждения по фиг. 6.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показан вариант осуществления известного устройства 10 возбуждения (также известный как генератор импульсов) для предоставления ультразвукового преобразователя 12. Устройство 10 возбуждения соединено с источником 14 питания, который предоставляет напряжение V10 питания в устройство 10 возбуждения. Устройство 10 возбуждения содержит два транзистора 16, 18, которые соединены в конфигурации обратного преобразователя друг с другом и соединены с источником 14 питания. Ультразвуковой преобразователь 12 электрически соединен с разъемами стока транзисторов 16, 18. В результате замыкания транзистора 16 (что делает транзистор 16 электропроводным) выходной узел 19 устройства 10 возбуждения соединяется с V10, в результате замыкания транзистора 18 выходной узел 19 соединяется с заземлением GND. Ультразвуковой преобразователь 12 содержит два входных вывода 20, 22, в котором первый входной вывод 20 электрически соединен с выходным узлом 19 устройства 10 возбуждения, и второй входной вывод 22 соединен с нейтралью или напряжением смещения в зависимости от используемого типа преобразователя (cMUT, PZT и т.д.). Напряжение V10 питания поступает к преобразователю 12 в импульсной форме путем переключения транзисторов 16, 18 поочередно в состояние включено и выключено. Другими словами, преобразователь подключается либо к высокому потенциалу источника 14 питания, или к нейтрали, или к низкому потенциалу источника 14 питания для обеспечения импульсного напряжения V12 возбуждения для ультразвукового преобразователя 12.

Временная диаграмма импульсного напряжения VI2 возбуждения показана на фиг. 1b. Импульсное напряжение V12 возбуждения изменяется между нулем и V10. Уровень V12 напряжения увеличивается в момент времени t_on от 0 до V10, когда транзистор 16 включают и транзистор 18 выключают, и напряжение V12 возбуждения переключается от VI0 до нуля в момент времени t_off, когда транзистор 16 выключают, и транзистор 18 включают. Следовательно, импульсное напряжение VI2 возбуждения изменяется от 0 до напряжения V10 питания, и уровень напряжения увеличивается или уменьшается на одном этапе.

На фиг. 1c схематично показан чертеж простой модели электрической схемы ультразвукового преобразователя 12, в общем, обозначенной номером 30 ссылочной позиции. Эта модель 30 работает, когда преобразователь 12 работает близко к его резонансной частоте. Модель 30 электрической схемы содержит конденсатор 32 и резистор 34, включенные параллельно друг другу. Конденсатор 32, имеющий емкость C, и резистор 34, имеющий сопротивление R, каждый соединены с входными выводами 20, 22, которые предусмотрены для подключения преобразователя к устройству 10 возбуждения. В этой модели 30 электрической схемы конденсатор 32 представляет емкость параллельной платы ультразвукового преобразователя 12 в комбинации с емкостями (паразитными емкостями) электронных элементов и/или взаимных соединений. Энергия, потребляемая резистором 34, представляет энергию, которая преобразуется в ультразвуковом преобразователе в акустическую энергию.

Конденсатор 32 заряжается от напряжения V10 между t_on и t_off и разряжается до 0 вольт между t_off и t_on. Электрическая энергия, которая сохраняется в конденсаторе 32, при разряде от уровня напряжения VI0 до земли (или когда заряжается от уровня земли до V10) определяется следующей формулой

в которой E_D представляет собой электроэнергию, сохраненную в конденсаторе 32, и C представляет собой емкость конденсатора 32. Если учитывать напряжение смещения, электроэнергия будет другой. Электроэнергию, которая необходима для заряда конденсатора 32 от 0 V до VI0, используя напряжение источника постоянного тока, такого как VI0, определяют следующим выражением

где E_c представляет собой энергию, необходимую для заряда конденсатора 32, и C представляет собой емкость конденсатора 32. Разность энергий E_c-E_d рассеивается в транзисторе 16 во время заряда конденсатора 32, и энергия E_d рассеивается в транзисторе 18, когда конденсатор 32 разряжается. После полного цикла переключения вся электроэнергия, предоставляемая устройством 10 возбуждения, рассеивается в переключателях и преобразуется в тепло.

На фиг. 2 схематично показана блок-схема устройства возбуждения, в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство возбуждения по фиг. 2, в общем, обозначено цифрой 40.

Устройство 40 возбуждения содержит выходной вывод 42 для подачи выходного напряжения V14 и тока I возбуждения в ультразвуковой преобразователь 12. Устройство 40 возбуждения содержит второй выходной вывод 44, который соединен с нейтралью или напряжением смещения (зависит от используемого типа преобразователя).

Устройство 40 возбуждения содержит четыре элемента 46, 48, 50, 52 подачи напряжения. Каждый из элементов 46-52 подачи напряжения обеспечивает промежуточное напряжение V16 в качестве частичного напряжения V16 подаваемого напряжения V10. Сумма промежуточных уровней V16 напряжения идентична подаваемому напряжению V10. Промежуточные уровни V16 напряжения, предпочтительно, идентичны и в данном варианте осуществления V16=0,25*V10. В альтернативном варианте осуществления промежуточные уровни V16 напряжения отличаются друг от друга, при этом сумма промежуточных уровней V16 напряжения все еще идентична подаваемому напряжению V10. Элементы 46-52 подачи напряжения соединены последовательно друг с другом. Элементы 46-52 подачи напряжения каждый соединен с переключателем S0, S1, S2, S3, S4 управления, которые соединены с выходным выводом 42. Переключатели S0-S4 управления соединены с каждым потенциалом напряжения, предоставляемым элементами 46-52 подачи напряжения таким образом, что каждый потенциал может быть предусмотрен на выходном выводе 42. Переключателями S0-S4 управляют с помощью модуля 53 управления. Другими словами, переключатель S0 управления соединен со вторым выходным выводом 44, и поэтому соединен с нейтралью таким образом, что напряжение V14 возбуждения равно 0, если переключатель S0 управления замкнут. Переключатели S1, S2, S3 управления соединены между элементами 46-52 подачи напряжения таким образом, что потенциал V16, 2*V16 и 3*V16 напряжения может быть подан на выходной вывод 42. Переключатель S4 управления соединен с элементом 52 подачи напряжения таким образом, что потенциал 4*V16 напряжения может быть подан на выходной вывод 42. Переключатели S0-S4 должны быть включены последовательно. Другими словами, наложение соответствующих фаз проводимости переключателей S0-S4 и соответствующих фаз короткого замыкания должно быть исключено в любом случае. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления, переключатели S0-S4 предусмотрены в комбинированном параллельном/последовательном соединении с переключателями для исключения каких-либо коротких замыканий.

Следовательно, любой из потенциалов напряжения или между элементами 46-52 подачи напряжения может быть предусмотрен на выходном выводе 42 путем переключения переключателей S0-S4 управления. Другими словами, 0 V, напряжение V10 питания и промежуточные уровни напряжения могут быть предоставлены устройством 40 возбуждения. Следовательно, ступенчатое увеличение или ступенчатое падение напряжения V14 питания может быть предусмотрено в ультразвуковом преобразователе 12.

На фиг. 3 показана временная диаграмма, представляющая импульсное напряжение V14 возбуждения, подаваемое от устройства 40 возбуждения на фиг. 2. Импульсное напряжение V14 возбуждения повышается от 0 до V10 за четыре шага. Импульсное напряжение V14 возбуждения увеличивается в момент времени t1 от 0 до 0,25*V10, что идентично V16. Импульсное напряжение V14 возбуждения увеличивается в момент времени t2 от 0,25*V10 до 0,5*V10, то есть от V16 до 2*V16. В моменты времени t3 и t4 импульсное напряжение V14 возбуждения каждый раз увеличивается на промежуточное напряжение V16 для достижения подаваемого напряжения V10 в момент времени t4. Следовательно, напряжение V14 возбуждения увеличивается ступенчато от 0 до V10 на этапах напряжения промежуточного уровня V16 напряжения. От t5 до t8 импульсное напряжение V14 возбуждения ступенчато понижается на этапах уровня V16 промежуточного напряжения. В момент времени t5 импульсное напряжение V14 возбуждения уменьшается на промежуточное напряжение V16 возбуждения от V10 до 0,75*V10 или, другими словами, от 4*V10 до 3*V10. В моменты времени t6, t7 и t8 импульсное напряжение V14 возбуждения каждый раз понижается на промежуточный уровень V16 напряжения до тех пор, пока импульсное напряжение V14 возбуждения не станет равным нулю.

Следовательно, уровень импульсного напряжения V14 возбуждения увеличивается ступенчато от 0 до напряжения V10 подачи на ступенях промежуточного уровня V16 напряжения и ступенчато уменьшается от напряжения V10 подачи на ступенях промежуточного уровня V16 напряжения.

Ступенчатое повышение импульсного напряжения V14 возбуждения, как показано на фиг. 3, обеспечивается путем переключения одного из переключателей S0-S4 управления для подачи соответствующего потенциала напряжения на выходной вывод 42. Следовательно, напряжение 0 В или промежуточное напряжение V16, или сумма промежуточных напряжений V16 может быть подано на выходной вывод 42. В результате последовательного замыкания и размыкания переключателей S0-S4 может быть обеспечено ступенчатое повышение и ступенчатое понижение импульсного напряжения V14 возбуждения.

На фиг. 4 схематично показана временная диаграмма сигналов управления для переключателей S0-S4 управления. Сигналы управления подают в модуль 53 управления для управления переключателями S0-S4 управления, для подключения напряжения V10=4*V16 подачи к выходному выводу 42, то есть переключатель S4 управления замкнут. В момент времени t5 переключатель S4 управления выключен, и переключатель S3 управления включен. Следовательно, потенциал 3*V10 напряжения поступает на выходной вывод 42. В момент времени t6 переключатель S3 управления выключают, и переключатель S2 управления включают для подачи 2*V16 на выходной вывод 42. В момент времени t8 переключатель S1 управления выключают, и переключатель S0 управления включают так, что выходной вывод 42 соединяется с нейтральным проводом, и импульсное напряжение V14 возбуждения равно 0. В момент времени t1 переключатель S0 управления выключают, и переключатель S1 управления включают для подачи промежуточного напряжения V16 на выходной вывод 42. В моменты времени t2 и t3 переключатели S1, S2, S3 управления включают и выключают, соответственно, для подачи соответствующей суммы промежуточного напряжения V16 на выходной вывод, и в момент времени t4 переключатель S3 управления выключают, и переключатель S4 управления включают для подачи напряжение V10=4*V16 подачи на выходной вывод 42. Как упомянуто выше, переключатели S0-S4 должны быть активированы последовательно, и наложение сигналов управления должно быть исключено для предотвращения короткого замыкания. Следовательно, ступенчатое повышение и понижение импульсного напряжения V14 возбуждения может быть реализовано с помощью сигналов управления, схематично показанных на фиг. 4.

На фиг. 5 показаны четыре временных диаграммы электрического тока в каждом из элементов 46-52 подачи напряжения во время ступенчатого увеличения и ступенчатого понижения импульсного напряжения V14 возбуждения. Во время первого временного отрезка At1 импульсное напряжение V14 возбуждения увеличивается от 0 до V10 и во время второго временного отрезка At2 импульсного напряжения V14 возбуждения ступенчато понижается от V10 до 0.

Как показано на фиг. 5, элемент 46 подачи напряжения предоставляет ток заряда во время всех этапов, в моменты времени t1-t4, когда напряжение V14 возбуждения увеличивается. Элемент 48 подачи напряжения обеспечивает ток заряда во время этапов в моменты времени t2, t3 и t4, за исключением первого этапа в момент времени t1. Элемент 52 подачи напряжения обеспечивает ток заряда только во время последнего этапа в момент времени t4.

Во время второго отрезка At2 времени ток заряда возвращается в элемент 46 подачи напряжения на этапах разряда в моменты времени t5, t6, t1. Далее ток заряда возвращается в элемент 48 подачи напряжения во время этапов разряда в моменты времени t5 и t6, и ток заряда возвращается в элемент 50 подачи напряжения во время этапа t5 разряда. В общем, элементы подачи напряжения обеспечивают ток заряда для преобразователя 12 за n этапов заряда и принимают ток заряда во время n-1 этапов разряда из преобразователя. Электроэнергия, обеспечивая во время заряда преобразователя 12, может быть рассчитана по следующей формуле

в которой E_NC представляет собой электроэнергию, подаваемую во время заряда преобразователя 12, и n представляет собой количество ступеней заряда в моменты времени t1-tn или ступеней разряда в моменты времени tn+1+....+t2n. Кроме того, электроэнергия, подаваемая в результате разряда в преобразователь 12, может быть представлена следующим уравнением:

в котором E_ND представляет собой энергию электрического разряда, и n представляет собой количество ступеней заряда в моменты времени t1-t4 или ступеней разряда в моменты времени t5-t8. Энергия, рассеиваемая во время всего цикла, содержащая цикл Δt1 заряда и цикл Δt2 разряда, может быть рассчитана следующим образом:

где E_NС представляет собой рассеянную энергию или, другими словами, потери энергии. Для n=1 рассеянная энергия идентична состоянию предшествующего уровня техники и для n=∞ рассеиваемая энергия теоретически равна 0. Поскольку значение n ограничено количеством элементов 46-52 подачи напряжения (для n=4), значение n ограничено. Увеличение значения числа n приводит к усложнению электрических цепей устройства 40 возбуждения и приводит к увеличению последовательного сопротивления элементов 46-52 подачи напряжения. Предпочтительно, значение n находится между 2 и 5.

На фиг. 6 показано устройство возбуждения, в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. Устройство возбуждения по фиг. 5, в общем, обозначено номером 60 ссылочной позиции. Устройство 60 возбуждения содержит первый участок 62 и второй участок 64. Первый участок 62 соединен с первым входным выводом 20 ультразвукового преобразователя 12, и второй участок 64 соединен через конденсатор 66 со вторым входным выводом 22 ультразвукового преобразователя 12.

Первый участок 62 содержит первый выходной вывод 68 и второй выходной вывод 70. Первый выходной вывод 68 соединен с первым входным выводом 20 ультразвукового преобразователя 12. Второй выходной вывод 70 соединен с нейтралью. Первый участок 62 содержит два элемента 72, 74 подачи напряжения, соединенных последовательно друг с другом. Элементы 72, 74 подачи напряжения каждый обеспечивает промежуточное напряжение V16. Первый участок 62 дополнительно содержит три управляемых переключателя S5, S6, S7. Управляемые переключатели S5, S6, S7 соединены с первым выходным выводом 68 и с каждым из потенциалов напряжения, обеспечиваемых элементами 72, 74 подачи напряжения. В результате переключения одного из управляемых переключателей S5, S6, S7 соответствующий потенциал 0, V16 или 2*V16 напряжения поступает на выходной вывод 68.

Второй участок идентичен первому участку 62 и содержит первый выходной вывод 76 и второй выходной вывод 78. Первый выходной вывод 76 соединен с конденсатором 66, и второй выходной вывод 78 соединен с нейтралью. Второй участок 64 содержит два элемента 80, 82 подачи напряжения, соединенные последовательно друг с другом, и каждый из них обеспечивает промежуточное напряжение V16.

На практике источник 74 и источник 82 могут быть объединены в один физический источник, источник 72 и источник 80 также могут быть объединены в один физический источник.

Первый выходной вывод 76 может быть соединен с каждым из потенциалов напряжения, предусмотренных элементами 80, 82 подачи напряжения таким образом, что потенциал 0, V16 и 2*V16 напряжения может быть подан к первому выходному выводу 76.

Первый участок 62 устройства 60 возбуждения обеспечивает на первом выходном выводе 68 потенциал V18 напряжения, и второй участок 64 обеспечивает на первом выходном выводе 76 потенциал V20 напряжения. Средства подачи напряжения соединены со вторым входным выводом 22 ультразвукового преобразователя 12 для обеспечения напряжения VB смещения, как напряжения, смещенного между вторым входным выводом 22 и потенциалом V18 напряжения. Это применимо к устройству «cMUT», в котором устройство PZT не требует напряжения смещения (VB). Устройство 60 возбуждения дополнительно содержит модуль 86 управления, который соединен с переключателями S5-S10 управления и предоставлен для управления переключателями S5-S10 управления.

В результате переключения переключателей S5, S6, S7 управления потенциал V18 напряжения может быть подан со ступенчатым повышением или ступенчатым понижением потенциала напряжения. Соответственно, путем переключения переключателей S8, S9, S10 управления потенциал V20 напряжения может быть подан со ступенчатым повышением или ступенчатым понижением потенциала напряжения.

На фиг. 7 схематично показана временная диаграмма потенциалов V18 и V20 напряжения. Напряжение V18 показано в виде сплошной линии, и V20 показано в виде пунктирной линии.

Потенциал V20 напряжения повышается от 0 до V16 в момент времени t10 в результате отключения переключателя S8 управления и включения переключателя S9 управления. В момент времени t11 потенциал V18 напряжения уменьшается от 2*V16 до V16 путем выключения переключателя S7 управления и включения переключателя S6 управления. Потенциал V20 напряжения увеличивается от V16 до 2*V16 в момент времени tl2 в результате выключения переключателя S9 управления при включении переключателя S10 управления. Потенциал V18 напряжения уменьшается от VI6 до 0 в момент времени t13 в результате выключения переключателя S6 управления и включения переключателя S5 управления.

И, наоборот, потенциал V18 напряжения увеличивается за два этапа от 0 до 2*V16, и потенциал V20 напряжения уменьшается за два этапа напряжения от 2*V16 до 0 в моменты времени от t14 до t17.

Напряжение VB смещения идентично 2*V16 или, другими словами, 0,5*V10 и имеет отрицательную полярность таким образом, что обеспечивается смещение между вторым входным выводом 22 и первым выходным выводом 76, и потенциалы V18 и V20 напряжения сдвигают на величину 2*V16. Следовательно, достигается напряжение V22 возбуждения между первым и вторым входными выводами 20, 22, которое ступенчато повышается на ступень напряжения, идентичную промежуточному уровню V16 напряжения от t10 до t13, и ступенчато понижается на ступень напряжения, идентичную промежуточным уровням напряжения от t14 до t17. Следовательно, импульсное напряжение V22 возбуждения идентично импульсному напряжению V14 возбуждения, показанному на фиг. 3, включая в себя преимущества, описанные выше.

Устройства 40, 60 возбуждения также могут изменять амплитуду напряжений V14, V22 возбуждения. Также возможно обеспечить промежуточный уровень напряжения для обеспечения формирования луча. Например, в двумерном (2-D) массиве преобразователя становится возможным адаптировать амплитуду напряжений V14, V22 возбуждения, подаваемую к внешнему преобразователю относительного напряжения V14, V22 возбуждения, подаваемому к внутреннему преобразователю для оптимизации профиля луча.

В то время как изобретение было представлено и детально описано на чертежах и в предшествующем описании, такие иллюстрации и описания следует рассматривать как иллюстративные или примерные, а не как ограничительные; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть понятными и могут быть выполнены специалистами в данной области техники при выполнении на практике заявленного изобретения в результате изучения чертежей, раскрытия описания и приложенной формулы изобретения.

В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, и единственное число не исключает множественности. Один элемент или другой модуль могут выполнять функции нескольких элементов, представленных в формуле изобретения. Просто факт, что некоторые меры повторяются во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает то, что комбинация этих мер не может использоваться с преимуществом.

Любые номера ссылочных позиций в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничение объема.

Изобретение относится к средствам возбуждения механических колебаний с помощью электрических средств. Устройство (40; 60) возбуждения ультразвукового преобразователя (12), имеющего один или больше элементов преобразователя, содержащее: выходной вывод (42; 68) для обеспечения переменного напряжения (VI4; V22) возбуждения к нагрузке (12), множество элементов (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения для обеспечения промежуточных уровней (VI6) напряжения, множество управляемых средств (S0-S7) соединения, каждое из которых связано с одним из элементов (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения для соединения элементов (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения с выходным выводом (42; 68) и для подачи одного из промежуточных уровней (V16) напряжения или суммы множества промежуточных уровней (V16) напряжения в виде переменного напряжения (V14; V22) возбуждения на выходной вывод; и второй выходной вывод (76), причем напряжение возбуждения (V22) предусмотрено между первым и вторым выходными выводами (68; 76). Технический результат заключается в повышении коэффициента мощности и увеличении коэффициента связи. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство (40; 60) возбуждения для возбуждения емкостной нагрузки (12), в частности, ультразвукового преобразователя (12), имеющего один или больше элементов преобразователя, содержащее:

выходной вывод (42; 68) для обеспечения переменного напряжения (VI4; V22) возбуждения к нагрузке (12),

множество элементов (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения для обеспечения промежуточных уровней (VI6) напряжения,

множество управляемых средств (S0-S7) соединения, каждое из которых связано с одним из элементов (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения для соединения элементов (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения с выходным выводом (42; 68) и для подачи одного из промежуточных уровней (V16) напряжения или суммы множества промежуточных уровней (V16) напряжения в виде переменного напряжения (V14; V22) возбуждения на выходной вывод; и

второй выходной вывод (76), причем напряжение возбуждения (V22) предусмотрено между первым и вторым выходными выводами (68; 76).

2. Устройство возбуждения по п. 1, в котором элементы (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения соединены последовательно друг с другом.

3. Устройство возбуждения по п. 1 или 2, в котором средства (S0-S7) соединения содержат множество управляемых переключателей (S0-S7), каждый из которых соединен с одним из элементов (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения и с выходным выводом (42; 68).

4. Устройство возбуждения по п. 1, в котором элементы (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения представляют собой отдельные источники напряжения, каждый из которых представляет один из промежуточных уровней (VI6) напряжения.

5. Устройство возбуждения по п. 1, в котором элементы (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения представляют собой элементы делителя напряжения, формирующие последовательное соединение, причем последовательное соединение содержит входные выводы для соединения устройства (40; 60) возбуждения с внешним источником питания.

6. Устройство возбуждения по п. 1, в котором элементы (46-52; 72, 74) подачи напряжения представляют собой модули преобразования напряжения, соединенные с внешним источником питания для преобразования внешнего напряжения в уровни (V16) промежуточного напряжения.

7. Устройство возбуждения по п. 1, дополнительно содержащее модуль (53; 86) управления для управления управляемым средством (S0-S7) соединения, причем модуль (53; 86) управления предусмотрен для последовательного соединения элементов (46, 48, 50, 52; 72, 74) подачи напряжения с выходным выводом (42; 68) для обеспечения ступенчатого повышения или ступенчатого понижения напряжения (VI4; V22) возбуждения.

8. Устройство возбуждения по п. 1, дополнительно содержащее средство подачи напряжения, соединенное со вторым выходным выводом (76) для подачи напряжения (VB) смещения на второй выходной вывод (76).

9. Устройство возбуждения по п. 1 или 8, дополнительно содержащее второе множество элементов (80, 82) подачи напряжения для предоставления промежуточных уровней (V16) напряжения и второе множество управляемых средств (S8, S9, S10) соединения, каждое из которых связано с одним из вторых элементов (80, 82) подачи напряжения для соединения вторых элементов (80, 82) подачи напряжения со вторым выходным выводом (76).

10. Устройство возбуждения по п. 9, в котором модуль (86) управления предусмотрен для управления первым и вторым множеством средств (S0-S10) соединения и в котором модуль (86) управления предусмотрен для последовательного соединения элементов (46, 48, 50, 52; 72, 74, 80, 82) подачи напряжения с соответствующим выходным выводом (68, 76) для обеспечения ступенчатого повышения или понижения напряжения (V22) возбуждения.

11. Способ возбуждения для возбуждения емкостной нагрузки (12), в частности, ультразвукового преобразователя (12), причем способ содержит следующие этапы, на которых

обеспечивают переменное напряжение (V14; V22) возбуждения к нагрузке (12),

обеспечивают множество промежуточных уровней (VI6) напряжения посредством множества элементов (46, 48, 50, 52; 72, 74, 80, 82) подачи напряжения, и

соединяют элементы (46, 48, 50, 52; 72, 74, 80, 82) подачи напряжения последовательно с нагрузкой (12) для обеспечения ступенчатого повышения или понижения напряжения (V14; V22) в качестве переменного напряжения (V14; V22) возбуждения для нагрузки (12).

12. Ультразвуковое устройство, содержащее:

ультразвуковой преобразователь (12), содержащий один или больше элементов преобразователя, в частности емкостной, полученный в результате микрообработки ультразвуковой преобразователь, и

устройство (40; 60) возбуждения, предназначенное для возбуждения упомянутых элементов ультразвукового преобразователя, по любому из пп. 1-10.