專利名稱：產(chǎn)生超聲波的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及配備了換能器裝置，并且具體涉及在多種的應(yīng)用中使用的產(chǎn)生 超聲波的裝置。
背景技術(shù)：
在過去的二十年中，醫(yī)療性超聲作為一種緩解關(guān)節(jié)炎、改進(jìn)康復(fù)、并增強(qiáng)傷口愈合 過程的工具已經(jīng)引起了醫(yī)學(xué)界的注意。在教高能下的超聲在外科應(yīng)用中發(fā)揮作用，例如前 列腺治療、以及腦腫瘤和心臟組織燒蝕。醫(yī)療性超聲及其對于組織特性的作用目前正在研 究中。例如，研究人員正在評估超聲波在腦癌的定向化療給藥、以及在細(xì)胞基因轉(zhuǎn)移應(yīng)用中 大分子經(jīng)皮給藥的能力。當(dāng)前正在全力地研究一種復(fù)合式便攜超聲成像和治療系統(tǒng)對于軍 事、工業(yè)以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力。盡管超聲波的廣泛的應(yīng)用，但在過去的50年中基礎(chǔ)硬件并 未發(fā)生顯著變化。驅(qū)動(dòng)超聲換能器以用于醫(yī)療、外科、機(jī)械、軍事以及其他應(yīng)用的能力對于醫(yī)生和聲 學(xué)工程師以及很多其他領(lǐng)域的專業(yè)人員而言是十分重要的。發(fā)明概述在一個(gè)實(shí)施方案中提供了一種產(chǎn)生超聲波的裝置，該裝置具有一個(gè)基于低輸出阻 抗晶體管的驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路能夠在與一個(gè)超聲換能器的諧振頻率相對應(yīng)的一個(gè)頻率 上施加一種驅(qū)動(dòng)信號。該驅(qū)動(dòng)電路的低輸出阻抗允許大部分能量被傳送到該超聲換能器上 并轉(zhuǎn)換為超聲能量。所提出電路的功率轉(zhuǎn)換效率允許超聲驅(qū)動(dòng)器又便攜式電池組來供能， 同時(shí)仍然傳送高超聲波聲功率。這種超聲驅(qū)動(dòng)器可以提供足夠量的能量以使它適合用于一 系列的超聲驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，這些應(yīng)用包括但不限于治療性的低和高功率臨床系統(tǒng)、高強(qiáng)度聚焦 超聲HIFU、聲學(xué)焊接、工業(yè)檢驗(yàn)、以及其他不同形式的低至高功率聲學(xué)裝置。在此給出了超 聲換能器驅(qū)動(dòng)器以及不同實(shí)施方案中的便攜式超聲發(fā)生器裝置的其他部件的其他實(shí)施方 案。在另一個(gè)實(shí)施方案中，一種低輸出阻抗供電器可以結(jié)合在一個(gè)便攜式超聲傳感裝 置中。在此給出了一種超聲傳感裝置的不同實(shí)施方案。附圖簡要說明在此描述的這些特征通過參見以下說明的附圖可以得到更好的理解。附圖并不一 定是成比例的，相反是重點(diǎn)總體上在于展示本發(fā)明的原理。在這些附圖中，相似的參見號在 不同的視圖中用于表示類似的部件。

圖1是一種產(chǎn)生超聲波的裝置的示意性框圖；圖2是一個(gè)結(jié)合定時(shí)電路的驅(qū)動(dòng)電路的示意圖；圖3是一個(gè)結(jié)合定時(shí)電路的驅(qū)動(dòng)電路的框圖，其中該驅(qū)動(dòng)電路包括并聯(lián)安排的多個(gè)晶體管對；圖4是具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的供電器的示意圖，該驅(qū)動(dòng)電路具有并聯(lián)安排的多個(gè)晶 體管對；圖5是具有多個(gè)串聯(lián)連接的供電級的供電器的示意圖；圖6是諧振頻率對驅(qū)動(dòng)電路輸出阻抗的曲線圖(以點(diǎn)值表示)，用于展示驅(qū)動(dòng)器輸 出阻抗對諧振頻率的影響；圖7是產(chǎn)生超聲波的裝置的示例性用戶接口零部件的一個(gè)圖示，其中致動(dòng)器虛擬 控制按鈕顯示在一個(gè)產(chǎn)生超聲波的裝置的顯示器上；圖8是一個(gè)實(shí)施方案中的超聲換能器的梅森模型功率輸出圖；其中超聲換能器是 由具有1. 5MHz的額定諧振頻率的10. 30hm超聲換能器提供的；圖9是一個(gè)實(shí)施方案中的超聲換能器的梅森模型(Mason model)功率輸出圖；其 中該超聲換能器是由具有1. 5MHz的額定諧振頻率的1. 20hm超聲換能器提供的；圖10是用于一個(gè)實(shí)施方案中的超聲換能器的梅森模型功率輸出圖；其中該超聲 換能器是由具有8MHz的額定諧振頻率的10. 60hm超聲換能器提供的；圖11是用于一個(gè)實(shí)施方案中的超聲換能器的梅森模型功率輸出圖；其中該超聲 換能器是由具有8MHz的額定諧振頻率的0. 370hm超聲換能器提供的；圖12是一個(gè)實(shí)施方案中對于所選定的超聲換能器的阻抗對頻率的曲線圖；圖13至圖18的信號圖展示了多個(gè)具體的驅(qū)動(dòng)信號，各自與一組候選換能器組件 中的一個(gè)特定候選換能器組件相關(guān)聯(lián)；圖19的簡圖示出了一個(gè)單一換能器元件超聲換能器；圖20的簡圖示出了一個(gè)多換能器元件超聲換能器；圖21是一個(gè)實(shí)施方案中的產(chǎn)生超聲波的裝置的實(shí)體形式的視圖；圖22用于是產(chǎn)生超聲波的裝置的探頭的前視圖；圖23是用于產(chǎn)生超聲波的裝置的探頭的照片；圖M是一個(gè)實(shí)施方案中攜帶供電器的多個(gè)部件的印刷電路板的俯視圖；圖25是圖M所示的印刷電路板的底視圖；圖沈是具有編織式同軸電纜傳輸線的產(chǎn)生超聲波的裝置的傳輸線的照片；圖27是具有扭絞式同軸電纜傳輸線的產(chǎn)生超聲波的裝置的傳輸線的簡圖；圖觀是驅(qū)動(dòng)電路與定時(shí)電路結(jié)合的示意圖；圖四是具有驅(qū)動(dòng)電路的供電器的框圖，該驅(qū)動(dòng)電路具有多個(gè)并聯(lián)安排的晶體管 對；圖30是具有驅(qū)動(dòng)電路的供電器的示意圖，該驅(qū)動(dòng)電路具有多個(gè)并聯(lián)安排的晶體
管對；圖31是產(chǎn)生超聲波的裝置的實(shí)體形式的視圖；圖32的阻抗曲線展示了一個(gè)示例性換能器的阻抗；圖33的輸出功率效率曲線圖展示了對于產(chǎn)生超聲波的裝置在一個(gè)頻率范圍上的 功率轉(zhuǎn)換百分比；圖34的照片展示了一個(gè)實(shí)施方案中的探頭。發(fā)明詳述
參見圖1示出并說明了一種產(chǎn)生超聲波的裝置的高級示意圖。產(chǎn)生超聲波的裝置 1000可以包括一個(gè)供電器10、以及一個(gè)具有換能器90的超聲探頭80，該換能器90的運(yùn)行 用于發(fā)射超聲波。超聲探頭80可以在大約20kHZ到大約200MHz的超聲頻率范圍內(nèi)的頻率 上發(fā)射超聲波。在一些實(shí)施方案中，產(chǎn)生超聲波的裝置1000還可以包括一條傳輸線70。參見供電器10，供電器10可以包括驅(qū)動(dòng)電路20、定時(shí)電路30、配電和控制電路 40、以及電源50。驅(qū)動(dòng)電路20可以運(yùn)行為具有低輸出阻抗，例如低于0.50hms。供電器10 可以被容納在如虛線邊界12所代表的殼體12中。在一個(gè)實(shí)施方案中的供電器10及其相 關(guān)聯(lián)的殼體12可以是便攜式的，而在一個(gè)實(shí)施方案中的供電器10和殼體12可以是手持式 的。探頭80可以包括一個(gè)超聲換能器90，該超聲換能器響應(yīng)于其接收的電信號而發(fā)射超聲 波。換能器90可以被容納在如虛線邊界82所代表的一個(gè)探頭殼體82中。在一個(gè)實(shí)施方 案中探頭80及其相關(guān)聯(lián)的殼體82可以是便攜式的，而在一個(gè)實(shí)施方案中探頭80和相關(guān)聯(lián) 的殼體82可以是手持式的。在一個(gè)實(shí)施方案中，可以取消傳輸線70，并且產(chǎn)生超聲波的裝置1000可以包括一 個(gè)單一殼體。例如，換能器90可以被容納在殼體12中，或者供電器10可以被容納在探頭 80的殼體82中。產(chǎn)生超聲波的裝置1000可以被配置為在一種單一模式或者可替代地多種運(yùn)行模 式中工作。供電器10輸出的驅(qū)動(dòng)信號對每個(gè)運(yùn)行模式可以具有一組不同的特征。另外，產(chǎn) 生超聲波的裝置1000的運(yùn)行使得裝置1000的運(yùn)行模式并且因此輸出驅(qū)動(dòng)信號響應(yīng)于操作 員輸入到裝置1000中的控制輸入而變化。在一些可能的運(yùn)行模式中，供電器10在一個(gè)穩(wěn) 態(tài)頻率上輸出一個(gè)連續(xù)的驅(qū)動(dòng)信號。供電器10輸出一個(gè)連續(xù)驅(qū)動(dòng)信號的運(yùn)行模式在范圍 廣泛的應(yīng)用中是有用的，例如超聲治療醫(yī)學(xué)應(yīng)用、成像應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用、汽車應(yīng)用、燃料電池 應(yīng)用、水凈化應(yīng)用、過濾應(yīng)用、食品工業(yè)應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用、超聲治療醫(yī)學(xué)應(yīng)用、商業(yè)切割應(yīng)用、 小顆粒去除應(yīng)用、工業(yè)和/或商業(yè)混合應(yīng)用、以及液體蒸發(fā)應(yīng)用。在另一種運(yùn)行模式中，供 電器10的運(yùn)行用于輸出短脈沖驅(qū)動(dòng)信號。這種模式在范圍廣泛的應(yīng)用中是有用的，例如在 超聲治療醫(yī)學(xué)應(yīng)用、成像應(yīng)用、以及工業(yè)應(yīng)用中。由裝置1000以連續(xù)模式亦或脈沖模式發(fā) 射的超聲波對于以下各項(xiàng)也可以是有用的，例如通過循環(huán)冷卻劑中的氣泡冷卻電機(jī)、幫助 冷卻電池、發(fā)酵基質(zhì)的制備、幫助混合的生物燃料和廢物的蒸餾、通過空穴左右促進(jìn)植物油 向生物柴油的轉(zhuǎn)變、對水進(jìn)行脫鹽和凈化、以及對原油進(jìn)行準(zhǔn)備。在一個(gè)實(shí)施方案中的驅(qū)動(dòng)電路20可以包括具有相關(guān)聯(lián)的第一和第二鉗位電壓端 子的一個(gè)晶體管對，其中這些鉗位電壓端子具有交替地傳送到該驅(qū)動(dòng)電路的輸出端的電 壓?？梢允褂靡粋€(gè)振蕩定時(shí)信號來控制這個(gè)晶體管對以便控制晶體管對中的這些晶體管的 切換定時(shí)，這樣晶體管對中的這些晶體管在導(dǎo)通和不導(dǎo)通狀態(tài)之間交替。隨著晶體管對中 的這些晶體管在導(dǎo)通和不導(dǎo)通狀態(tài)之間交替，第一和第二鉗位電壓端子的電壓可以交替地 施加到驅(qū)動(dòng)電路的輸出上。驅(qū)動(dòng)電路可以配備為包括一個(gè)與換能器的阻抗不匹配的低輸出 阻抗。將驅(qū)動(dòng)電路配備為包括低輸出阻抗提供了很多優(yōu)點(diǎn)，將在此進(jìn)一步給出這些優(yōu)點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施方案中，多個(gè)所述的晶體管對可以并聯(lián)連接以減少驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻 抗并增加驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流的能力。驅(qū)動(dòng)電路可以被配置為具有大于50安培的輸出電 流的能力，同時(shí)能夠輸出較低電壓的輸出驅(qū)動(dòng)信號。在較高輸出電壓可能對人類構(gòu)成危險(xiǎn) 的不同應(yīng)用中，輸出一個(gè)低電壓輸出信號(例如50V或更低)是有利的。
在另一方面中，由驅(qū)動(dòng)電路輸出的用于驅(qū)動(dòng)超聲換能器的輸出驅(qū)動(dòng)信號可以是具 有交替為正極和負(fù)極性的雙極性信號。配置驅(qū)動(dòng)電路以輸出一個(gè)雙極性驅(qū)動(dòng)信號在施加到 換能器90上以致使其振動(dòng)的力中提供了變化，因此增加了換能器90的期望的壽命和性能。 在另一方面中，所應(yīng)用的雙極性驅(qū)動(dòng)信號可以是不平衡的雙極性信號，這樣施加到換能器 上的壓縮力在幅值上大于擴(kuò)張力。在一個(gè)實(shí)施方案中，產(chǎn)生超聲波的裝置1000被配置為一個(gè)單一模式裝置，這樣當(dāng) 運(yùn)行時(shí)用于輸出一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號時(shí)，產(chǎn)生超聲波的裝置1000輸出具有一組相同特性的驅(qū)動(dòng) 信號。然而，在一個(gè)實(shí)施方案中，產(chǎn)生超聲波的裝置1000可以包括對該產(chǎn)生超聲波的裝置 進(jìn)行配置的增強(qiáng)的控制特征，這樣操作人員例如通過該裝置的一個(gè)用戶接口的控制致動(dòng)器 的致動(dòng)作用可以調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)信號的一個(gè)或多個(gè)特性以改變該裝置的運(yùn)行模式?？梢越?jīng)受 調(diào)整的驅(qū)動(dòng)信號特性可以包括以下特征，例如幅值、頻率、最大正電壓、最小負(fù)電壓、以及裝 置的輸出驅(qū)動(dòng)信號的模式(例如，“連續(xù)模式”、“脈沖模式”)。裝置1000可以運(yùn)行而使得操 作員可通過用戶接口致動(dòng)器的致動(dòng)作用來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號的一個(gè)或多個(gè)特性。裝置1000還 可以運(yùn)行而使得操作員可以通過如在此所給出的替換換能器組件來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號的一個(gè) 或多個(gè)特性。在一個(gè)實(shí)施方案中，產(chǎn)生超聲波的裝置1000可以被配備為使得裝置1000的換能 器組件是可替換的并且進(jìn)一步使得不同配置的候選換能器組件可以附連到供電器10上。 在一個(gè)實(shí)例中，多個(gè)候選換能器組件各自都可以包括一個(gè)探頭80以及終止于可拆卸連接 器72中的一條傳輸線70，該可拆卸連接器72可以與供電器10的連接器220(參見圖21) 可拆卸地連接。產(chǎn)生超聲波的裝置1000可以被配置為使得附連到供電器10上每個(gè)候選換 能器組件具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的輸出驅(qū)動(dòng)信號，這個(gè)相關(guān)聯(lián)的輸出驅(qū)動(dòng)信號具有良好地適合于 驅(qū)動(dòng)具體相關(guān)聯(lián)的換能器組件的換能器的一組預(yù)定特征。產(chǎn)生超聲波的裝置1000可以被 配置為使得由驅(qū)動(dòng)電路20輸出的特定輸出驅(qū)動(dòng)信號響應(yīng)于多個(gè)換能器組件中當(dāng)前附接到 供電器10的一個(gè)換能器組件。在一個(gè)實(shí)施方案中，裝置1000可以被配置為使得專用于一 個(gè)具體換能器組件的輸出驅(qū)動(dòng)信號可以通過控制輸入而接受調(diào)整，這些控制輸入是由操作 員使用裝置1000的一個(gè)用戶接口輸入到裝置1000上?，F(xiàn)在參見圖2，在此示出并說明了一個(gè)具體實(shí)施方案中結(jié)合定時(shí)電路30的驅(qū)動(dòng)電 路20的示意圖。一般而言，在一個(gè)實(shí)施方案中，驅(qū)動(dòng)電路20的一個(gè)輸出可以響應(yīng)于由定時(shí) 電路30輸出的一個(gè)定時(shí)信號，該定時(shí)信號控制一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)信號的定時(shí)。如圖2所示，驅(qū)動(dòng) 電路20可以包括至少一個(gè)晶體管對204和206，它們具有相關(guān)聯(lián)的第一和第二鉗位電壓端 子。由定時(shí)電路30輸出的一個(gè)定時(shí)信號可以運(yùn)行而在晶體管對中的晶體管之間產(chǎn)生切換， 以便輸出一個(gè)信號，該信號在第一鉗位電壓端子上的電壓和在第二鉗位電壓端子上的電壓 的輸出之間變化。在圖2的實(shí)施方案中，由具有第一和第二鉗位端子電壓的晶體管推挽對 來提供驅(qū)動(dòng)電路20。在所說明的實(shí)施方案中，第一鉗位電壓端子220可以被鎖定到+50V， 而第二鉗位電壓端子222可以被鎖定到-50V。參見定時(shí)電路30，定時(shí)電路30可以輸出一 個(gè)振蕩定時(shí)信號以促使晶體管204和晶體管206交替切換。在圖2的實(shí)施方案中，晶體管 204和206是由金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)來提供的。鎖定到第一鉗位電壓端子 (+50V)的第一晶體管204是由一個(gè)PMOS晶體管提供的，而第二鉗位電壓端子(-50V)是由 NMOS晶體管提供的。圖2的具體實(shí)施方案中的定時(shí)電路30包括一個(gè)管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路302，該集成電路在其管腳7上輸出一個(gè)單極的OV至12V定時(shí)信號。在另一個(gè)實(shí)施方案中， 晶體管204和206可以是由雙極結(jié)型晶體管(BJT)提供的。在此給出的驅(qū)動(dòng)電路20可以 具有不工作和工作狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)時(shí)變電壓出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電路20的輸出上時(shí)，就限定了驅(qū)動(dòng)電 路20的一種工作狀態(tài)。在圖2所示的具體實(shí)施方案中，驅(qū)動(dòng)電路20的晶體管對204、206可以包括以一 種特定配置安排的多個(gè)金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管(M0SFET)。在圖2的實(shí)施方案中，一對 MOSFET(即PMOS晶體管204和NMOS晶體管206)被提供在一個(gè)公共的集成電路202上并 且安排在一種推挽結(jié)構(gòu)中。在該具體實(shí)施方案中，定時(shí)電路30的一個(gè)定時(shí)信號輸出通常作 為一個(gè)門驅(qū)動(dòng)信號通過一個(gè)電容性耦連電路施加到晶體管204和206的柵極上。另外對于 MOSFET推挽對204和206而言，具有定時(shí)(由定時(shí)電路30的輸出來控制)的振蕩定時(shí)信 號通?？梢允┘拥綄?yīng)的推挽對的柵極并且這個(gè)對的對應(yīng)的源極可以被鎖定到對應(yīng)的第 一和第二端子電壓上。隨著所提及的振蕩定時(shí)信號被施加到MOSFET對上，(PM0S和NM0S) 該對可以在一種第一狀態(tài)以及一種第二狀態(tài)之間振蕩，在該第一狀態(tài)中PMOS晶體管204導(dǎo) 通并且NMOS晶體管206截止，在該第二狀態(tài)中，NMOS晶體管206導(dǎo)通并且PMOS晶體管204 截止。通過進(jìn)一步參見圖2的實(shí)施方案中所示的定時(shí)電路30的特征，圖2的實(shí)施方案中 管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路302的管腳7是輸出端，該輸出端提供0到12V矩形波以調(diào)節(jié)MOSFET 的電壓漏極的切換。如圖2所詳述的，管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路302的單極矩形波輸出可以轉(zhuǎn)換 成用于電容性耦連電路的一個(gè)雙極性矩形波。在圖2的實(shí)施方案中，通過耦連電容器210和 214并結(jié)合電阻器212和216提供了一個(gè)電容性耦連電路。從圖2實(shí)施方案中的管腳驅(qū)動(dòng)器 302的管腳7，用兩個(gè)0. 1 μ F的耦連電容器210和214將2. 20hm電阻器電容器分離進(jìn)入低 導(dǎo)通電阻器N/P通道MOSFET集成電路202的輸入管腳2和4中。MOSFET集成電路202可 由從國際整流器公司 international Rectifier Corporation)可獲得的 IRF7350 MOSFET 類型集成電路來提供。另外，電阻器212被連接在管腳2與正端子電壓之間，而電阻器216 被連接在負(fù)端子電壓和MOSFET集成電路202的管腳4之間。電阻器212和216的功能是 允許柵極到源極的一個(gè)電壓差。在一個(gè)實(shí)施方案中，MOSFET集成電路202可由從國際整流 器公司可獲得的IRF7350 MOSFET類型集成電路來提供。在另一個(gè)實(shí)施方案中，MOSFET集 成電路202可由從!^irchild半導(dǎo)體公司可獲得的FDS4559類型集成電路來提供。MOSFET 集成電路202的管腳1和3對應(yīng)地保持在最大值-50V和+50V，用8200hm電阻器跨接管腳 1至2和3至4。旁路電容器230和232同樣被應(yīng)用到MOSFET的管腳1和3上。接地的電 容器230和電容器232的作用是去除來自門驅(qū)動(dòng)信號的噪聲。MOSFET集成電路202的管 腳5至6和7至8被連在一起并且耦連。輸出驅(qū)動(dòng)信號可以通過圖10所示的標(biāo)準(zhǔn)BNC連 接器220施加到超聲換能器上。在一個(gè)實(shí)施方案中，(未示出)M0SFET集成電路202的管 腳5至6和7至8可以連接在一起并且通過10hm、5W功率電阻器進(jìn)行耦連。結(jié)合電容性耦連電路使用一個(gè)單極性定時(shí)信號(在圖2中所說明的實(shí)施方案中包 括電容器210和214、以及電阻器212和216)將單極性定時(shí)信號轉(zhuǎn)換為雙極輸出用于輸入 到晶體管204和206提供了顯著的優(yōu)點(diǎn)。具有單極輸出的管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路302這種類 型的管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路是大批量生產(chǎn)的、并且作為成品零部件是能夠以低成本獲得的。 因此，使用單極性定時(shí)信號允許采用低成本的零部件。另外，由于單極輸出組件管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路302可以使用單端子電壓來供電，因此使用單極輸出定時(shí)電路減少了總體的供電 器復(fù)雜性和成本。參見MOSFET集成電路202，MOSFET集成電路202可以包括形成驅(qū)動(dòng)電路10的晶 體管對的PMOS晶體管204和NMOS晶體管206。在所示的實(shí)例中，這些晶體管被連接在一個(gè) 推挽對中。如圖2的實(shí)施方案所說明，管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路302的輸出可以使用電容性耦 連電路進(jìn)行耦連并且輸入到PMOS晶體管204和NMOS晶體管206的柵極中。當(dāng)0-12V的矩 形輸入波信號是電容性地進(jìn)行耦連用于輸出一個(gè)雙極性輸入信號時(shí)，并且該雙極性輸入信 號被施加到PMOS晶體管204和NMOS晶體管206的柵極中，同時(shí)PMOS晶體管204的源極被 鎖定在適當(dāng)?shù)你Q位電壓例如+50V，并且NMOS晶體管206的源極鎖定在例如-50V時(shí)，MOSFET 對將在(a)NMOS截止、PMOS導(dǎo)通和(b)PMOS截止而NMOS導(dǎo)通兩種狀態(tài)之間交替。如所說 明的方式進(jìn)行操作，MOSFET對的換能器驅(qū)動(dòng)輸出信號將為士50V的矩形波。如所說明的方 式進(jìn)行配置，將會看到由驅(qū)動(dòng)電路20輸出的輸出驅(qū)動(dòng)信號的幅值實(shí)質(zhì)上將僅依賴于鉗位 電壓端子220和鉗位電壓端子222上的電壓，但不會依賴于由定時(shí)電路30輸出的定時(shí)信號 的幅值。在圖2的具體實(shí)施方案中，定時(shí)電路20的輸出可以控制驅(qū)動(dòng)電路20的切換的定 時(shí)；然而輸出定時(shí)信號的幅值對由驅(qū)動(dòng)電路20輸出的輸出驅(qū)動(dòng)信號實(shí)質(zhì)上沒有影響。參見圖2的實(shí)施方案中的定時(shí)電路30的其他方面，管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路302可以 選擇為能夠驅(qū)動(dòng)高電容性負(fù)載。管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路302可以由從htersil公司可獲得 的EL7158KZ管腳驅(qū)動(dòng)器來提供。管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路302在管腳3上可以具有5V矩形 波晶體管-晶體管邏輯(TTL)。在一個(gè)實(shí)施方案中，輸入定時(shí)信號304可以由具有一個(gè)輸出 頻率的晶體振蕩器(未示出)來提供，該輸出頻率被選擇為對應(yīng)于最大功率轉(zhuǎn)換的超聲波 探頭的諧振頻率(換能器90的諧振頻率)。將定時(shí)電路30的晶體振蕩器選擇為具有與換 能器90的諧振頻率相對應(yīng)的一個(gè)輸出頻率提供了某些優(yōu)點(diǎn)。從EPSON Toyocom公司可獲 得的SE1216-ND類型的晶體振蕩器集成電路可以包括一個(gè)振蕩器(圖2未示出)。管腳1 和8保持在+12V，MlOuF的旁路電容器312 (例如10 μ F, 47 μ F)和旁路電容器314 (例如 0. 1 μ F)接地。管腳2通過IOkOhm電阻器連接到管腳1上。管腳4至管腳6被接地。當(dāng)集 成電路202是由從國際整流器公司可獲得的IRF750集成電路來提供時(shí)，如圖2所示的驅(qū)動(dòng) 電路20具有大約0. 50hm的一個(gè)測得的低輸出阻抗(如果包括IOhm串聯(lián)功率電阻器，那么 是1. 50hm)。當(dāng)圖2所示的驅(qū)動(dòng)電路20沒有輸出串聯(lián)功率電阻器時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路20具有大 約IOA的電流輸出能力。在此給出了減少驅(qū)動(dòng)電路20的輸出阻抗并增加其最大電流輸出 能力的多個(gè)方案。參見與圖3和4的框圖以及圖4的電路圖相關(guān)的實(shí)施方案，圖3的實(shí)施方案是圖 2電路的按比例增大的版本，其比例是通過提供圖2實(shí)施方案中說明的多個(gè)并聯(lián)晶體管對 來增大的。如圖3和4的實(shí)施方案所示，驅(qū)動(dòng)電路20可以包括以并聯(lián)配置方式安排的多個(gè) 這樣的推挽晶體管對。在圖3和4的實(shí)施方案中，驅(qū)動(dòng)電路20包括八(8)個(gè)晶體管對。然 而，應(yīng)當(dāng)理解，驅(qū)動(dòng)電路20可以包括1到N個(gè)并聯(lián)的晶體管對，大致如圖2的配置。提供多 個(gè)MOSFET推挽對減少了驅(qū)動(dòng)電路20的輸出阻抗并增加了驅(qū)動(dòng)電路20的功率傳送效率。隨 著將驅(qū)動(dòng)電路20配備為具有大約0. 50hm以下的輸出阻抗并且換能器90具有適當(dāng)?shù)淖杩梗?來自供電器10的能量的95%至100%可以傳送到換能器90上。參見圖3和4的實(shí)施方案，包括管腳驅(qū)動(dòng)器的htersil公司的EL7158ISZ管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路302用作MOSFET的邏輯開關(guān)，這些MOSFET向超聲換能器提供功率振蕩驅(qū) 動(dòng)。對于要求大電流的高功率連續(xù)波應(yīng)用，管腳驅(qū)動(dòng)器用于切換并聯(lián)的MOSFET以降低每個(gè) MOSFET上的電流負(fù)擔(dān)。如圖3和4所示，一個(gè)5V的單一定時(shí)管腳驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)作為分支級 聯(lián)的兩個(gè)12V管腳驅(qū)動(dòng)器以切換四個(gè)M0SFET，而每個(gè)MOSFET都用于便攜式高功率超聲波 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。每個(gè)管腳驅(qū)動(dòng)器/MOSFET單元都是按照圖2的單一晶體管對實(shí)施方案所示進(jìn)行 連線。參見圖2的電路，在每個(gè)晶體管對的輸出中可以可任選地包括IOhm功率輸出串聯(lián)電 阻器(未示出)。通過這些串聯(lián)電阻器，驅(qū)動(dòng)電路20的輸出阻抗可以直接進(jìn)行測量，并且 由MOSFET的制造商數(shù)值來決定，并且這八個(gè)IOhm并聯(lián)功率輸出串聯(lián)電阻器(它們可以可 任選地取消)幾乎是完全電阻性的并大約為0.2至0. 30hm。通過去除功率輸出串聯(lián)電阻器 可以減少輸出阻抗。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路20包括多個(gè)晶體管對時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路20的有效輸出阻抗可 以由下式給出Rd=—
N其中&是單個(gè)晶體管對的輸出阻抗。因此當(dāng)每個(gè)晶體管對具有大約0. 50hm的輸 出阻抗時(shí)，并且存在八(8)個(gè)對，總輸出阻抗可以被預(yù)計(jì)為大約0.060hm。當(dāng)與每個(gè)對相關(guān) 聯(lián)的輸出阻抗大約為1. 50hm時(shí)，并且存在八(8)個(gè)對，驅(qū)動(dòng)電路20的輸出阻抗可以被預(yù)計(jì) 為大約0. 190hm。通過并聯(lián)安排額外的晶體管對來擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)電路20，驅(qū)動(dòng)電路20的輸出阻 抗可以被減小到連續(xù)更低的水平。例如，當(dāng)單個(gè)晶體管對的輸出阻抗為0. 50hm時(shí)，將包括
16個(gè)對并聯(lián)而產(chǎn)生的輸出阻抗可以為大約^l= 0·03 Ohm。在另一方面參見圖3和4的電路，
Io
第一組四個(gè)晶體管對的定時(shí)由第一管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路來提供，而第二組四個(gè)晶體管對的 定時(shí)由第二管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路來提供。當(dāng)輸出一個(gè)定時(shí)信號的每個(gè)管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路 (連接到一個(gè)晶體管對)連接到數(shù)目相等的晶體管對時(shí)，相對于一種不平衡配置(例如，在 這種配置中，第一管腳驅(qū)動(dòng)器集成電路提供四個(gè)晶體管對的定時(shí)，而第二管腳驅(qū)動(dòng)器集成 電路提供兩個(gè)晶體管對的定時(shí))，提供這種平衡配置可以降低噪聲。參見圖3和4的電路， 盡管說明了實(shí)施了某個(gè)特定集成度的具體芯片布局，但應(yīng)當(dāng)理解的是替代性的集成比例是 有可能的。例如，所說明的雙MOSFET集成電路可以用四個(gè)MOSFET集成電路來替換。在一 個(gè)實(shí)施方案中，可以在一個(gè)公共的集成電路上提供驅(qū)動(dòng)電路20、定時(shí)電路30、以及配電和 控制電路40的全部電路部件。在裝置1000的開發(fā)中，它確定了包括額外的晶體管對可以增加驅(qū)動(dòng)電路20的輸 入電容，由此降低了驅(qū)動(dòng)電路20的頻帶寬度。為了擴(kuò)展供電器10的頻帶寬度，可以如圖5 所示對供電器10進(jìn)行配備。在圖5的實(shí)施方案中，供電器10可以包括多個(gè)供電級11-1、11-2、11_3。每個(gè)級 11-1、11-2、11-3都可以包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路20、一個(gè)定時(shí)電路30、公路分配電路40、一個(gè)相 關(guān)聯(lián)電源50 (例如電池電源或AC到DC轉(zhuǎn)換器)、以及一個(gè)相關(guān)聯(lián)級地線5。出于多種原因， 將每個(gè)級提供為具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的電源(它可以獨(dú)立于剩余級的電源)可以是有利的。例 如，這種安排減輕了接地耦連和環(huán)路，提供了獨(dú)立的電源級以用于多通道換能器驅(qū)動(dòng)，并且 提供了供電備份保護(hù)。在圖5的實(shí)施方案中，存在三C3)個(gè)供電級。然而，供電器10還可 以具有1個(gè)、2個(gè)、或N個(gè)供電級。為了連接這些級，第一級(例如11-1)的驅(qū)動(dòng)電路20的 輸出被輸入到后續(xù)級的級地線5中。也就是說，級11-1的輸出被輸入到級11-2的級地線
145中，而級11-2的驅(qū)動(dòng)電路20的輸出被輸入到級11-3的級地線5中。所述實(shí)例中的第一 級11-1的級地線5可以接地。提供圖5所示的多個(gè)串聯(lián)供電級的作用是將不同級的電壓相加。例如，如果對每 個(gè)級進(jìn)行相似的配置，并且第一級具有士M V的輸出電壓，那么供電器的輸出將為士匪V， 其中N為級的個(gè)數(shù)，而M為每個(gè)級的電壓輸出。因此，在此給出的多級供電器的運(yùn)行用于提 供變壓器功能，而不存在時(shí)常由變壓器帶來的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和制造障礙。在一些應(yīng)用中，結(jié)合 一個(gè)變壓器是有利的。提供多供電級增加了供電器10的頻帶寬度并且允許與并聯(lián)放置晶體管對相關(guān)聯(lián) 的帶寬限制問題得到克服。供電器10的輸入電容隨著多個(gè)級的加入而降低。例如，如果對 每個(gè)級進(jìn)行相似的配置并且第一級具有輸入電容C1,則多個(gè)串聯(lián)供電器的輸入電容將為N/ C，其中N為級的個(gè)數(shù)并且C為每個(gè)級的輸入電容。第三級11-3的驅(qū)動(dòng)電路20的有效輸出阻抗是供電器10的每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路20的輸 出阻抗的總和。然而，將會看到，通過將每個(gè)級的驅(qū)動(dòng)電路20配置為具有低輸出阻抗，可 以將輸出阻抗中的有效值保持在低阻抗等級上。可見，當(dāng)每級的輸出阻抗為0.030hm時(shí)， (例如，如在此給出的16個(gè)晶體管對的實(shí)例)最后一級驅(qū)動(dòng)電路的有效輸出阻抗將低于 0. 10hm，依然向負(fù)載提供了良好的電壓轉(zhuǎn)換，即使是在換能器具有低阻抗的情況下(例如， 甚至當(dāng)負(fù)載具有1. OOhm的阻抗、負(fù)載和源端之間的電壓比高于90% (90. 9% )時(shí))。在另一方面中，包括串聯(lián)的多個(gè)級11-1、11-2、11_3的供電器10可以包括一個(gè)主 定時(shí)控制單元35。主定時(shí)控制單元35可以獨(dú)立于每個(gè)級。主定時(shí)控制單元35可以運(yùn)行以 控制每個(gè)供電級11-1、11-2、11-3切換的頻率。主定時(shí)控制單元35可以運(yùn)行以便在某個(gè)頻 率上或在不同的頻率上切換每個(gè)級。已經(jīng)提到可以對每個(gè)級11-1、11_2、11-3相似地進(jìn)行 配置。例如，每個(gè)級11-1、11_2、11-3可以有相同數(shù)目的并聯(lián)安排的晶體管對。在其他實(shí)例 中，每個(gè)級11-1、11-2、11_3可以有不同數(shù)目的晶體管對，每級具有范圍從1到N的晶體管 對數(shù)目?？傮w上圖2至4給出的供電器驅(qū)動(dòng)電路的特征是低輸出阻抗、較低電壓的輸出信 號、以及高電流輸出能力。已經(jīng)說明了可以通過提供如圖3至4所示的多個(gè)并聯(lián)晶體管對 來降低驅(qū)動(dòng)電路20的輸出阻抗。同樣，可以通過提供圖2電路所示的并聯(lián)晶體管對來增加 驅(qū)動(dòng)電路20的電流輸出能力。驅(qū)動(dòng)電路20的電流輸出能力大約為每個(gè)單獨(dú)的晶體管對的 輸出MOSFET電流輸出能力的總和。例如，在圖2的驅(qū)動(dòng)電路中，具有形成在集成電路302 上的一個(gè)晶體管對的單個(gè)晶體管對驅(qū)動(dòng)電路具有大約10安培的電流輸出能力。在圖2至3 的具有八(8)個(gè)并聯(lián)安排的晶體管對的這些實(shí)施方案中，當(dāng)這些晶體管對形成在結(jié)構(gòu)較小 的MOSFET集成電路上時(shí)，電流輸出能力大約為80安培。通過增加或減少驅(qū)動(dòng)電路20中并 聯(lián)安排的晶體管對的數(shù)目，可以提高或降低驅(qū)動(dòng)電路20的電流輸出能力。類似的，驅(qū)動(dòng)電 路20的輸出阻抗隨著將額外的晶體管對加入驅(qū)動(dòng)電路20而降低。在圖2的實(shí)施方案中， 驅(qū)動(dòng)電路20示出了一個(gè)單晶體管對驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路20具有0. 50hm的輸出阻抗。在圖 2至圖3的實(shí)施方案中，其中驅(qū)動(dòng)電路20具有八(8)個(gè)并聯(lián)安排的晶體管對以及在此給出 的這些集成電路，驅(qū)動(dòng)電路20的輸出阻抗大約為Rd = — = 0.6 Ohm
通過增加或減少驅(qū)動(dòng)電路20中并聯(lián)安排的晶體管對的數(shù)目，可以將驅(qū)動(dòng)電路20 的輸出阻抗調(diào)整到所希望的輸出阻抗。根據(jù)最大功率理論，當(dāng)負(fù)載的阻抗與電源的輸出阻抗相匹配時(shí)，最大功率就傳送 到負(fù)載上。在一些實(shí)施方案中，裝置1000可以被配置為使得負(fù)載的阻抗與驅(qū)動(dòng)電路20的 阻抗相匹配。然而在其他實(shí)施方案中，負(fù)載阻抗相對于驅(qū)動(dòng)電路20的阻抗是不匹配的，驅(qū) 動(dòng)電路可以被配備為具有低輸出阻抗(例如，小于0. 50hm)，并且裝置1000可以被配備為使 得驅(qū)動(dòng)電路20的輸出阻抗與負(fù)載阻抗的比率小于1/10。將輸出阻抗配備為低值(例如，小 于0.50hm)并且進(jìn)一步使得輸出阻抗與負(fù)載阻抗的比率小于1/10提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如， 將驅(qū)動(dòng)電路20配置為具有低輸出阻抗和低阻抗比率(例如，1/10或更小的阻抗比率)產(chǎn)生 了高的能量轉(zhuǎn)換效率。大部分實(shí)質(zhì)性的能量都被傳送到負(fù)載(即，換能器90)上。這樣，當(dāng) 驅(qū)動(dòng)電路20變熱時(shí)，損失的能量非常少。這樣的結(jié)果是特別有利的，例如在裝置1000產(chǎn)生 的熱量可能對病人構(gòu)成危害的醫(yī)療應(yīng)用中。對于任意的由一個(gè)或多個(gè)電池提供電源50的 應(yīng)用中，在此給出的高能量轉(zhuǎn)換效率實(shí)施方案在電池使用壽命方面產(chǎn)生了顯著的優(yōu)點(diǎn)。保 持低的驅(qū)動(dòng)電路輸出阻抗和阻抗比率還確保了源電壓十分接近地對應(yīng)于負(fù)載電壓，因此提 高了裝置的可操控性和易用性。傳送到換能器90上的電壓基本上可以通過建立源電壓來 設(shè)定。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路20處于工作狀態(tài)時(shí)并且當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路20輸出具有一個(gè)頻率(例如達(dá)到 換能器90的諧振頻率)的驅(qū)動(dòng)信號時(shí)，在此給出的驅(qū)動(dòng)電路20可以包括一個(gè)相關(guān)聯(lián)的源 電壓。驅(qū)動(dòng)電路源電壓可以通過在開路狀態(tài)(在沒有電流的情況下，驅(qū)動(dòng)電路的阻抗貢獻(xiàn) 部件上沒有電壓)中測量驅(qū)動(dòng)電路的輸出端子上的電壓而直接測得。另外，在一個(gè)負(fù)載附 接在驅(qū)動(dòng)電路的輸出端子之間時(shí)，并且在驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)該負(fù)載時(shí)(例如在與諧振頻率相對 應(yīng)的一個(gè)頻率上)，負(fù)載上的電壓可以表示為VLoad = U-RSource+RLoad等式 1其中I s。ura為驅(qū)動(dòng)電路20的輸出阻抗。因此，負(fù)載(換能器)上的電壓與源電壓 的比率可以表示為VLoad/VSource = RLaffiiRLoad+R
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等式2因此，可以看出當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路30的輸出阻抗趨于零時(shí)，負(fù)載電壓更加接近地近似于 源電壓。另外，可以看出通過將裝置1000配置為使得源輸出阻抗與負(fù)載阻抗的比率保持 在1/9或更低，驅(qū)動(dòng)電路上跨越負(fù)載的電壓的幅值相對于源電壓的幅值將保持在90%或更 高。在此給出了具有這種比率的裝置1000的不同實(shí)施方案。在此給出的其他實(shí)施方案中， 負(fù)載電壓與源電壓的比率為95%或更高，而在其他實(shí)施方案中為99%或更高。以下在表A 中給出了具有所期望的相關(guān)數(shù)據(jù)的預(yù)期實(shí)例。表 A
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生超聲波的裝置，包括一個(gè)供電器，該供電器具有一個(gè)電源、一個(gè)定時(shí)電路、以及用于輸出一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號的一 種基于晶體管的驅(qū)動(dòng)電路，其中該驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)晶體管對，該晶體管對包括第一和第 二晶體管，以及第一和第二鉗位電壓端子，該第一和第二晶體管具有對應(yīng)的第一和第二柵 極，其中該定時(shí)電路的運(yùn)行用于輸出一個(gè)定時(shí)信號用于控制由該驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號 的定時(shí)；一個(gè)超聲換能器，該超聲換能器被配置為發(fā)射超聲能量，該超聲換能器被連接到該驅(qū) 動(dòng)電路上，這樣由該驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號驅(qū)動(dòng)該超聲換能器，其中當(dāng)受到該輸出驅(qū)動(dòng) 信號驅(qū)動(dòng)時(shí)，該超聲換能器發(fā)射最大功率的一個(gè)頻率定義了該超聲換能器的一個(gè)諧振頻 率；其中該驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行用于輸出具有與該諧振頻率相對應(yīng)的一個(gè)頻率的驅(qū)動(dòng)信號；并且其中該裝置被配置為使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)電路輸出該驅(qū)動(dòng)信號以便在與該諧振頻率相對應(yīng) 的一個(gè)頻率上驅(qū)動(dòng)該換能器時(shí)該換能器具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的負(fù)載電壓，其中該裝置進(jìn)一步被 配置為使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)電路在與該諧振頻率相對應(yīng)的一個(gè)頻率上輸出該驅(qū)動(dòng)信號時(shí)該驅(qū)動(dòng) 電路具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的電源電壓，并且其中該裝置被配置為使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)電路在與該諧振 頻率相對應(yīng)的一個(gè)頻率上輸出一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號時(shí)該負(fù)載電壓的幅值是該電源電壓幅值的至 少 90%。
2.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該超聲換能器的運(yùn)行使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)信 號具有一個(gè)第一電壓極性時(shí)向該超聲換能器施加壓縮力，并且進(jìn)一步使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)信號具 有一個(gè)第二電壓極性時(shí)向該超聲換能器施加一個(gè)擴(kuò)張力，并且進(jìn)一步使得該驅(qū)動(dòng)信號是一 個(gè)連續(xù)的雙極性驅(qū)動(dòng)信號從而使得向該超聲換能器施加壓縮力和擴(kuò)張力二者。
3.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該超聲換能器的運(yùn)行使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)信 號具有一個(gè)第一電壓極性時(shí)向該超聲換能器施加壓縮力，并且進(jìn)一步使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)信號具 有一個(gè)第二電壓極性時(shí)向該超聲換能器施加一個(gè)擴(kuò)張力，并且進(jìn)一步使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)信號是 一個(gè)不平衡的連續(xù)雙極性驅(qū)動(dòng)信號從而使得向該超聲換能器施加壓縮力和擴(kuò)張力二者，并 且進(jìn)一步使得該壓縮力具有大于該擴(kuò)張力的強(qiáng)度。
4.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行使得該驅(qū)動(dòng)信號具 有大于50安培的電流輸出能力。
5.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該供電器包括將該定時(shí)信號連接至該 晶體管對的第一和第二柵極上的一個(gè)電容性耦連電路，其中該定時(shí)信號是一個(gè)單極性定時(shí) 信號，并且其中該電容性耦連電路將該單極性定時(shí)信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)雙極性輸入信號用于輸 入到該驅(qū)動(dòng)電路中。
6.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該基于晶體管的驅(qū)動(dòng)電路包括并聯(lián)連 接的多個(gè)晶體管對，這些晶體管對各自具有第一和第二晶體管，其中這些晶體管對各自被 連接至該第一和第二鉗位電壓端子上。
7.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該產(chǎn)生超聲波的裝置包括一個(gè)用戶接 口并且是運(yùn)行性的，這樣使得該驅(qū)動(dòng)信號的至少一個(gè)特征可以響應(yīng)于利用該用戶接口輸入 的一個(gè)操作員控制輸入而變化。
8.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該產(chǎn)生超聲波的裝置被適配為使得該 超聲換能器被結(jié)合在一個(gè)可替換的超聲換能器組件中，該超聲換能器組件是可以附連到該 超聲波生成裝置上的多個(gè)候選超聲換能器組件之一，并且其中該產(chǎn)生超聲波的裝置的運(yùn)行 使得該驅(qū)動(dòng)信號具有至少一個(gè)特征，該至少一個(gè)特征響應(yīng)于該多個(gè)候選超聲換能器組件中 當(dāng)前附連到該產(chǎn)生超聲波的裝置的一個(gè)候選超聲換能器組件。
9.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該產(chǎn)生超聲波的裝置包括一個(gè)用戶接 口并且被適配為使得該超聲換能器被結(jié)合在一個(gè)可替換的超聲換能器組件中，該超聲換能 器組件是可以附連到該產(chǎn)生超聲波的裝置上的多個(gè)候選超聲換能器組件之一，其中該產(chǎn)生 超聲波的裝置的運(yùn)行使得由該驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號響應(yīng)于以下兩者中的每一項(xiàng)(a) 一個(gè)候選換能器組件的切換，以及(b)由操作員利用該用戶接口輸入的一個(gè)控制輸入。
10.如權(quán)利要求9所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該多個(gè)候選換能器組件各自包括安 置在其中用于控制該驅(qū)動(dòng)信號的定時(shí)的一個(gè)定時(shí)裝置。
11.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該產(chǎn)生超聲波的裝置是運(yùn)行在一種 第一運(yùn)行模式以及一種第二運(yùn)行模式中，其中處于該第一運(yùn)行模式中該產(chǎn)生超聲波的裝置 輸出一個(gè)不平衡的雙極性輸出驅(qū)動(dòng)信號，其中處于該第二差運(yùn)行模式中該裝置輸出一個(gè)輸 出驅(qū)動(dòng)信號，該輸出驅(qū)動(dòng)信號是選自由一個(gè)單極性輸出驅(qū)動(dòng)信號和一個(gè)平衡的輸出驅(qū)動(dòng)信 號組成的組。
12.如權(quán)利要求11所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該產(chǎn)生超聲波的裝置包括結(jié)合了該 換能器的一個(gè)可替換的換能器組件，該換能器組件是多個(gè)候選換能器組件之一，其中該產(chǎn) 生超聲波的裝置的運(yùn)行使得該產(chǎn)生超聲波的裝置響應(yīng)于該換能器組件被替代為該多個(gè)候 選換能器組件中的另一個(gè)而從該第一運(yùn)行模式切換到該第二運(yùn)行模式。
13.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該產(chǎn)生超聲波的裝置進(jìn)一步包括一 個(gè)用于容納該超聲換能器的殼體，該殼體具有該超聲換能器安置在其上的一個(gè)遠(yuǎn)端，其中 在該遠(yuǎn)端上進(jìn)一步安置有一個(gè)支座部件，該支座部件限定了用于攜帶超聲耦聯(lián)介質(zhì)的一個(gè) 空腔，該支座部件具有一個(gè)透光壁，該透光壁被適配為允許通過該透光壁來視覺觀察該空 腔的內(nèi)部。
14.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該裝置包括連接該驅(qū)動(dòng)電路和該換 能器的一條傳輸線，該傳輸線包括并聯(lián)安排的多條同軸電纜，并且該傳輸線進(jìn)一步被安排 在一種編織式結(jié)構(gòu)中。
15.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該裝置包括連接該驅(qū)動(dòng)電路和該換 能器的一條傳輸線，該傳輸線包括并聯(lián)安排的多條同軸電纜，并且該傳輸線進(jìn)一步被安排 在一種扭絞結(jié)構(gòu)中。
16.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該換能器包括一個(gè)單一換能器元件， 該單一換能器元件具有一個(gè)第一關(guān)聯(lián)的額定諧振頻率。
17.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該換能器包括多個(gè)換能器元件。
18.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該換能器包括第一和第二換能器元 件，該第一換能器元件具有一個(gè)第一諧振頻率，該第二換能器元件具有一個(gè)第二諧振頻率。
19.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該超聲換能器包括第一和第二換能 器元件，該第一換能器元件具有一個(gè)第一諧振頻率，該第二換能器元件具有一個(gè)第二諧振頻率，并且其中該裝置被配置為使得該驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行輸出一個(gè)掃頻驅(qū)動(dòng)信號，該掃頻驅(qū) 動(dòng)信號具有在一個(gè)第一時(shí)間段的過程中對應(yīng)于該第一諧振頻率的一個(gè)頻率，該掃頻驅(qū)動(dòng)信 號具有在一個(gè)第二時(shí)間段的過程中對應(yīng)于該第二諧振頻率的一個(gè)頻率。
20.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該供電器具有多個(gè)供電級，每個(gè)供電 級具有一個(gè)關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路和電源，其中該多個(gè)供電級包括第一和第二供電級，該第二供電 級相對于該第一供電級是順接的，并且其中這些供電級的第一級的輸出被輸入到該第二供 電級的級地線中。
21.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該供電器包括一個(gè)用戶接口，該用戶 接口被配置為允許操作員利用該用戶接口通過控制輸入端的輸入來獨(dú)立地調(diào)節(jié)該第一端 子鉗位電壓以及第二端子鉗位電壓。
22.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該電源包括一個(gè)電池電源。
23.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該電源包括一個(gè)AC/DC轉(zhuǎn)換器。
24.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)MOSFET集成電 路，并且其中該裝置包括用于攜帶該MOSFET集成電路的一個(gè)殼體和印刷電路板，該印刷電 路具有一個(gè)外圍邊緣，當(dāng)該印刷電路板被安置在該殼體中時(shí)該外圍邊緣靠近該殼體，其中 該MOSFET集成電路被安置在該印刷電路上，其位置與該印刷電路板的一條縱向中心線相 比更靠近該電路板的外圍邊緣。
25.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該驅(qū)動(dòng)電路包括多個(gè)晶體管對以及 多個(gè)管腳驅(qū)動(dòng)器用于提供該多個(gè)晶體管對的切換，其中該驅(qū)動(dòng)電路被配置為使得用于提供 切換的該多個(gè)管腳驅(qū)動(dòng)器各自驅(qū)動(dòng)一個(gè)共同數(shù)目的晶體管對。
26.如權(quán)利要求1所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該裝置包括攜帶該驅(qū)動(dòng)電路的第一 和第二晶體管的一個(gè)印刷電路板，并且其中該驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)輸出端包括結(jié)合了該第一和 第二晶體管的輸出端的公共節(jié)點(diǎn)，其中該公共輸出節(jié)點(diǎn)是由具有一個(gè)平表面區(qū)域的輸出電 壓平面構(gòu)成的，該平表面區(qū)域部分地限定了該印刷電路板的一個(gè)表面。
27.—種產(chǎn)生超聲波的裝置，包括一個(gè)供電器，該供電器具有一個(gè)電源、一個(gè)定時(shí)電路、以及用于輸出一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號的一 個(gè)基于晶體管的驅(qū)動(dòng)電路，其中該驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)晶體管對，該晶體管對包括第一和第 二晶體管，以及第一和第二鉗位電壓端子，該第一和第二晶體管具有對應(yīng)的第一和第二柵 極，其中該定時(shí)電路的運(yùn)行用于輸出一個(gè)定時(shí)信號用于控制由該驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號 的定時(shí)；一個(gè)用于容納該供電器的手持式殼體；一個(gè)超聲換能器，該超聲換能器被配置為發(fā)射超聲能量，該超聲換能器被連接到該驅(qū) 動(dòng)電路上，這樣由該驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號驅(qū)動(dòng)該超聲換能器，其中當(dāng)受到該輸出信號 驅(qū)動(dòng)時(shí)該超聲換能器發(fā)射最大功率的一個(gè)頻率限定了該超聲換能器的一個(gè)諧振頻率；其中該驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行用于輸出具有與該諧振頻率相對應(yīng)的一個(gè)頻率的驅(qū)動(dòng)信號；并且其中該裝置被配置為使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)電路輸出驅(qū)動(dòng)信號以便在與該諧振頻率相對應(yīng)的 一個(gè)頻率上驅(qū)動(dòng)該換能器時(shí)該換能器具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的負(fù)載電壓，其中該裝置進(jìn)一步被配 置為使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)電路在與該諧振頻率相對應(yīng)的一個(gè)頻率上輸出驅(qū)動(dòng)信號時(shí)該驅(qū)動(dòng)電路具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的電源電壓，并且其中該裝置被配置為使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)電路在與該諧振頻率 相對應(yīng)的一個(gè)頻率上輸出驅(qū)動(dòng)信號時(shí)該負(fù)載電壓的幅值是該電源電壓幅值的至少90% ；其中該超聲換能器的運(yùn)行使得當(dāng)該驅(qū)動(dòng)信號具有一個(gè)第一電壓極性時(shí)向該超聲換能 器施加壓縮力，并且進(jìn)一步當(dāng)該驅(qū)動(dòng)信號具有一個(gè)第二電壓極性時(shí)向該超聲換能器施加一 個(gè)擴(kuò)張力，并且進(jìn)一步使得當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號是一個(gè)不平衡的連續(xù)雙極性驅(qū)動(dòng)信號從而使得向 該超聲換能器施加壓縮力和擴(kuò)張力二者，并且進(jìn)一步使得該壓縮力具有大于該擴(kuò)張力的強(qiáng) 度；其中該驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行使得該驅(qū)動(dòng)信號具有大于50安培的電流輸出能力； 其中該供電器包括將該定時(shí)信號連接至該晶體管對的第一和第二柵極上的一個(gè)電容 性耦連電路，其中該定時(shí)信號是一個(gè)單極性定時(shí)信號，并且其中該電容性耦連電路將該單 極性定時(shí)信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)雙極性輸入信號用于輸入到該驅(qū)動(dòng)電路中；其中該基于晶體管的驅(qū)動(dòng)電路包括并聯(lián)連接的多個(gè)晶體管對，這些晶體管對各自具有 第一和第二晶體管，其中這些晶體管對各自連接至該第一和第二鉗位電壓端子上；其中該產(chǎn)生超聲波的裝置包括一個(gè)用戶接口并且被適配為使得該超聲換能器被結(jié)合 在一個(gè)可替換的超聲換能器組件中，該超聲換能器組件是可以附連到該產(chǎn)生超聲波的裝置 上的多個(gè)候選超聲換能器組件之一，并且其中該產(chǎn)生超聲波的裝置的運(yùn)行使得該驅(qū)動(dòng)電路 輸出的驅(qū)動(dòng)信號對應(yīng)于以下兩者中的每一項(xiàng)(a) —個(gè)候選換能器組件的切換，以及(b)由 一個(gè)操作員利用該用戶接口輸入的一個(gè)控制輸入；其中該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)用于容納該超聲換能器的殼體，該殼體具有一個(gè)遠(yuǎn)端，其 上安置了該超聲換能器，其中在該遠(yuǎn)端上進(jìn)一步安置有一個(gè)支座部件，該支座部件限定了 用于攜帶超聲耦聯(lián)介質(zhì)的一個(gè)空腔，該支座部件具有一個(gè)透光壁，該透光壁被適配為允許 通過該透光壁來視覺觀察該空腔的內(nèi)部；其中該裝置包括連接該驅(qū)動(dòng)電路以及該換能器的一條傳輸線，該傳輸線包括并聯(lián)安排 的多條同軸電纜，并且該傳輸線進(jìn)一步被安排在一種編織或扭絞的結(jié)構(gòu)中；其中該供電器具有多個(gè)供電級，每個(gè)供電級具有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)電路和電源，其中 該多個(gè)供電級包括第一和第二供電級，該第二供電級相對于該第一供電級是順接的，并且 其中該多個(gè)供電級的第一級的輸出被輸入到該第二供電級的級地線中；其中該用戶接口被配置為允許一個(gè)操作員利用該用戶接口通過控制輸入的輸入來獨(dú) 立地調(diào)節(jié)該第一端子鉗位電壓和第二端子鉗位電壓； 其中該電源包括一個(gè)電池電源；其中該驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)MOSFET集成電路，并且其中該裝置包括用于攜帶該MOSFET 集成電路的一個(gè)殼體和印刷電路板，該印刷電路具有一個(gè)外圍邊緣，當(dāng)該印刷電路板被安 置在該殼體中時(shí)該外圍邊緣靠近該殼體，其中該MOSFET集成電路安置在該印刷電路板上， 其位置與該印刷電路板的一條縱向中心線相比是更靠近該電路板的外圍邊緣；其中該驅(qū)動(dòng)電路包括多個(gè)晶體管對以及多個(gè)管腳驅(qū)動(dòng)器用于提供該多個(gè)晶體管對的 切換，其中該驅(qū)動(dòng)電路被配置為使得用于提供切換的該多個(gè)管腳驅(qū)動(dòng)器各自驅(qū)動(dòng)一個(gè)共同 數(shù)目的晶體管對；并且其中該裝置包括攜帶該驅(qū)動(dòng)電路的第一和第二晶體管的一個(gè)印刷電路板，并且其中該 驅(qū)動(dòng)電路的輸出端包括接合了該第一和第二晶體管的輸出端的公共節(jié)點(diǎn)，其中該公共輸出節(jié)點(diǎn)是由具有一個(gè)平表面區(qū)域的輸出電壓平面構(gòu)成的，該平表面區(qū)域部分地限定了該印刷 電路板的表面。
28.—種產(chǎn)生超聲波的裝置，包括一個(gè)供電器，該供電器具有用于輸出定時(shí)信號的一個(gè)定時(shí)電路、以及用于輸出驅(qū)動(dòng)信 號的一個(gè)基于晶體管的驅(qū)動(dòng)電路，其中該驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)晶體管對，該晶體管對包括第 一和第二晶體管、以及第一和第二鉗位電壓端子，該第一和第二晶體管具有對應(yīng)的第一和 第二柵極，其中該定時(shí)電路的運(yùn)行用于輸出定時(shí)信號以控制由該驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號 的定時(shí)；一個(gè)超聲換能器，該超聲換能器被配置為發(fā)射超聲能量，該超聲換能器被連接到該驅(qū) 動(dòng)電路上這樣使得由該驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號驅(qū)動(dòng)該超聲換能器，其中該超聲換能器包 括一個(gè)阻抗級別以及一個(gè)頻率級別并且其中該驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行用于在該超聲換能器的頻 率級別附近的一個(gè)頻率上輸出該驅(qū)動(dòng)信號；并且其中該驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)輸出阻抗并且其中該裝置被配置為使得該驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè) 輸出阻抗值是小于該超聲換能器的一個(gè)阻抗級別值的10%。
29.如權(quán)利要求觀所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該產(chǎn)生超聲波的裝置的運(yùn)行用于輸 出大于50瓦特的超聲能量。
30.如權(quán)利要求觀所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該供電器包括將該定時(shí)信號連接至 該晶體管對的第一和第二柵極的一個(gè)電容性耦連電路，其中該定時(shí)信號是一個(gè)單極性定時(shí) 信號，并且其中該電容性耦連電路將該單極性定時(shí)信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)雙極性輸入信號用于輸 入到該驅(qū)動(dòng)電路中。
31.如權(quán)利要求觀所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該基于晶體管的驅(qū)動(dòng)電路包括并聯(lián) 連接的多個(gè)晶體管對，這些晶體管對各自具有第一和第二晶體管，其中這些晶體管對各自 連接至該第一和第二鉗位電壓端子上。
32.如權(quán)利要求觀所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該裝置包括一個(gè)電池電源。
33.如權(quán)利要求觀所述的產(chǎn)生超聲波的裝置，其中該供電器包括一個(gè)用戶接口，該用 戶接口被配置為允許一個(gè)操作員利用該用戶接口通過控制輸入端的輸入來獨(dú)立地調(diào)節(jié)該 第一端子鉗位電壓和第二端子鉗位電壓。
34. 一種產(chǎn)生超聲波的裝置，包括一個(gè)供電器，該供電器具有用于輸出一個(gè)定時(shí)信號的一個(gè)定時(shí)電路、以及用于輸出一 個(gè)驅(qū)動(dòng)信號的一個(gè)基于晶體管的驅(qū)動(dòng)電路，其中該驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)晶體管對，該晶體管 對包括第一和第二晶體管，以及第一和第二鉗位電壓端子，該第一和第二晶體管具有對應(yīng) 的第一和第二柵極，其中該定時(shí)電路的運(yùn)行用于輸出定時(shí)信號以控制該驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū) 動(dòng)信號的定時(shí)；一個(gè)超聲換能器，該超聲換能器被配置為發(fā)射超聲能量，該超聲換能器被連接到該驅(qū) 動(dòng)電路上這樣由該驅(qū)動(dòng)電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號驅(qū)動(dòng)該超聲換能器，其中該超聲換能器包括一 個(gè)阻抗級別以及一個(gè)頻率級別并且其中該驅(qū)動(dòng)電路的運(yùn)行用于在該超聲換能器的頻率級 別附近的頻率上輸出該驅(qū)動(dòng)信號；其中該驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)輸出阻抗并且其中該裝置被配置為使得該驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè) 輸出阻抗值是小于該超聲換能器的一個(gè)阻抗級別值的10% ；其中該產(chǎn)生超聲波的裝置的運(yùn)行用于輸出大于50瓦特的超聲能量； 其中該供電器包括將該定時(shí)信號連接至該晶體管對的第一和第二柵極上的一個(gè)電容 性耦連電路，其中該定時(shí)信號是一個(gè)單極性定時(shí)信號，并且其中該電容性耦連電路將該單 極性定時(shí)信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)雙極性輸入信號用于輸入到該驅(qū)動(dòng)電路中；其中該基于晶體管的驅(qū)動(dòng)電路包括并聯(lián)連接的多個(gè)晶體管對，這些晶體管對各自具有 第一和第二晶體管，其中這些晶體管對各自被連接至該第一和第二鉗位電壓端子上； 其中該裝置包括一個(gè)電池電源；并且其中該供電器包括一個(gè)用戶接口，該用戶接口被配置為允許一個(gè)操作員利用該用戶接 口通過控制輸入端的輸入來獨(dú)立地調(diào)節(jié)該第一端子鉗位電壓以及該第二端子鉗位電壓。
全文摘要
在一個(gè)實(shí)施方案中，在一種產(chǎn)生超聲波的裝置中提供了一種基于低輸出阻抗晶體管的驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路能夠在與一個(gè)超聲換能器的諧振頻率相對應(yīng)的頻率上施加驅(qū)動(dòng)信號。該驅(qū)動(dòng)電路的低輸出阻抗允許實(shí)質(zhì)性部分的能量被傳送到該超聲換能器上并轉(zhuǎn)換為超聲能量。所提出電路的功率轉(zhuǎn)換效率允許由便攜式電池組為超聲驅(qū)動(dòng)器供能，同時(shí)仍然傳送高超聲波聲功率。這種超聲驅(qū)動(dòng)器能夠以足夠的量來提供能量而使其適合用于一系列的超聲驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，這些應(yīng)用包括但不限于治療性低和高功率臨床系統(tǒng)、高強(qiáng)度聚焦超聲HIFU、聲學(xué)焊接、工業(yè)檢驗(yàn)、以及其他不同形式的低至高功率聲學(xué)裝置。在此給出了在不同實(shí)施方案中的超聲換能器驅(qū)動(dòng)器以及便攜式超聲產(chǎn)生器裝置的其他部件的其他實(shí)施方案。
文檔編號A61N7/00GK102149429SQ200980135529
公開日2011年8月10日 申請日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月10日
發(fā)明者G·K·劉易斯, W·歐布利特 申請人:康奈爾大學(xué)