DE19733233C1

DE19733233C1 - Elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE19733233C1
Application number: DE19733233A
Authority: DE
Inventors: Edgar Bauer; Werner Kraus
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 1997-08-01
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2017-08-02
Also published as: JPH11122699A; FR2767014A1; US6231529B1; FR2767014B1; JP2926054B2

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Elektroakustische Wandler dieser Art bestehen aus einem kalottenförmigen Träger, der an seiner Innenseite mit piezoelektrischen Elementen belegt ist, die jeweils an einer zum Träger gerichteten sowie einer davon abgewandten Seite elektrisch kontaktiert und mit einem Hochspannungsimpulsgenerator verbunden sind. Beim Anlegen einer Spannung wird durch den piezoelektrischen Effekt eine Schallwelle in Form einer Druckwelle erzeugt, die aufgrund der kalottenförmigen Anordnung der piezoelektrischen Elemente in einem Punkt bzw. in einem Bereich fokussiert ist, der vom Krümmungsradius des Trägers abhängig ist. Mit derartigen elektro akustischen Wandlern werden Geräte zur medizinischen Behandlung, beispiels weise Lithotriptoren bestückt, deren Anwendungsbereiche weit gefächert sind (von der Steinzertrümmerung bis zur Weichteil- und Schmerzbehandlung).

Ein Vorteil dieser elektroakustischen Wandler mit kalottenförmigen Trägern und daran angeordneten piezoelektrischen Elementen liegt in der von anderen Syste men kaum erreichbaren hohen Energiedichte im Fokusbereich, wodurch eine gezielte und weitgehend schmerzfreie Applikation der Stoßwellen erfolgen kann. Die gesamt abgestrahlte Schalleistung kann jedoch aufgrund der begrenzt zur Verfügung stehenden Abstrahlfläche über bestimmte Grenzen hinaus nicht weiter vergrößert werden. Eine Vergrößerung der Abstrahlfläche kann nämlich nur durch Vergrößerung des Radius der Kalotte oder durch Vergrößerung des Öffnungs winkels (Apertur) erreicht werden. Ersteres ist in der Praxis nicht möglich, da damit die Bauhöhe der Schallquelle soweit anwachsen würde, daß ein Einsatz im Tischgerätebereich nicht mehr möglich wäre. Eine Vergrößerung des Aperturwin kels scheidet ebenfalls aus, da sonst die Eindringtiefe der Stoßwellen in den Patienten selbst zu gering würde und etwaige Leistungssteigerungen dadurch kompensiert würden.

Andererseits ist man bemüht, die Bauform der Wandler eher zu verkleinern, um die Baugröße der Therapiegeräte zu verkleinern und damit auch neuen Anwendungs bereichen zu erschließen, z. B. der Speichelsteinbehandlung oder der Schmerzbe handlung. Die akustische Leistung der Wandler kann zwar durch elektrisches Vorspannen der piezoelektrischen Elemente erhöht werden, doch geht diese Leistungssteigerung zu Lasten der Lebensdauer der Wandlerkalotte.

Aus DE 31 19 295 ist es bekannt, mehrere elektroakustische Wandler hinterein ander anzuordnen und diese so verzögert anzusteuern, daß sich ihre Druckwellen addieren. Eine solche Anordnung hat sich jedoch beim Einsatz piezoelektrischer Wandlerkalotten als ungeeignet herausgestellt, da der Fokusbereich in Richtung Behandlungstiefe stark aufgeweitet wird, was unerwünscht ist. Darüberhinaus hat sich herausgestellt, daß sich enorme Verluste durch Dämpfung ergeben, welche die Schallwellen erfahren, wenn sie durch einen vorgelagerten Wandler hindurch dringen müssen. Schließlich gehen auch diese inneren Reibungsverluste zu Lasten der Lebensdauer insbesondere der vorderen, zum Behandlungsort hin gerichteten Wandlerkalotte.

Vor diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektroakustischen Wandler der eingangs erwähnten Bauart so auszubilden, daß die zum Therapieort abgestrahlte wirksame Schalleistung erhöht wird, ohne die Baugröße deutlich zu erhöhen oder die Standzeit zu verkürzen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß eine Leistungssteigerung durch ver gleichsweise einfache bauliche Maßnahmen erreicht werden kann, wenn ein kalottenförmiger Träger an seiner Innen- und Außenseite mit piezoelektrischen Elementen versehen wird. Hierbei tritt der beim Hintereinanderschalten mehrerer elektroakustischer Wandler auftretende Dämpfungseffekt praktisch nicht auf, da sowohl die außenseitigen als auch die innenseitigen piezoelektrischen Elemente am selben Träger sitzen und somit akustische Ankopplungsverluste durch Zwischen schichten praktisch nicht auftreten. Darüberhinaus kann die Baugröße durch diese kompakte Anordnung der Elemente an der Vorder- und Rückseite des Trägers vergleichsweise klein gehalten werden.

Bevorzugt wird der Träger aus Metall, beispielsweise als Aluminium- oder Mes singkalotte ausgebildet sein, so daß er nicht nur Tragfunktion für die piezoelek trischen Elemente, sondern zugleich auch elektrische Funktion für dieselben übernehmen kann. Zu diesem Zweck werden die piezoelektrischen Elemente leitend mit dem Träger verbunden, beispielsweise durch Aufkleben mittels eines leitfähigen, z. B silberhaltigen Epoxidklebstoffes. Wenn die piezoelektrischen Elemente, was zweckmäßig ist, in im wesentlichen zylindrischer Form ausgebildet sind, können sie mit einer Stirnseite am Träger befestigt werden und es können eine Vielzahl von Elementen nebeneinander angeordnet werden.

Erstaunlicherweise hat es sich herausgestellt, daß es sowohl aus fertigungstech nischen als auch aus Gründen der Leistung zweckmäßig ist, die piezoelektrischen Elemente der Außen- und Innenseite nicht paarweise achsgleich, sondern im wesentlichen ungeordnet am Träger anzuordnen, um so eine höhere Anzahl von piezoelektrischen Elementen anbringen zu können und damit eine höhere Schallei stung zu bekommen. Die Anordnung der piezoelektrischen Elemente erfolgt also vorzugsweise ausschließlich nach Gesichtspunkten der höchsten Packungsdichte.

Wenn der metallische Träger mit einem Pol der piezoelektrischen Elemente verbunden ist, so sollte dieser als Minuspol beschaltet werden und der Träger massekontaktiert sein. Dann kann zum einen die Trägerkalotte durch seitliche Flansche oder sonstige Auskragungen zugleich zur mechanischen Festlegung innerhalb des Gerätes dienen und die elektrische Sicherheit gegen das Anliegen von elektrischen Hochspannungspulsen am Gerät auf einfache Weise durch Erdung desselben zuverlässig gesichert werden.

Um die piezoelektrischen Elemente seitlich zueinander elektrisch zu isolieren, ist es zweckmäßig, diese mit seitlichem Abstand zueinander anzuordnen. Ein inniger Verbund derselben wird dadurch erreicht, daß diese Zwischenräume mit einer hochspannungsfesten isolierenden Vergußmasse ausgefüllt werden, so daß sich eine akustisch quasi homogene Schicht bildet.

Um die Schalleistung des Wandlers weiter zu optimieren, kann an der Rückseite des Wandlers, also an der vom Träger abgewandten Seite der außenseitigen piezo elektrischen Elemente ein Backing als Reflexionskörper vorgesehen sein. Solch ein Reflexionskörper kann als Metallkörper ausgebildet sein, der einen hohen Reflexionsgrad erreichen wird, oder aber aus einem geeigneten Kunststoff oder Verbundstoff. Um eine gute akustische Ankopplung des Reflexionskörpers an die piezoelektrischen Elemente sicherzustellen, wird der Reflexionskörper bevorzugt durch eine Vergußmasse an die piezoelektrischen Elemente der Außenseite an geschlossen. Es ist auch denkbar, statt eines gesonderten Reflexionskörpers die Vergußmasse selbst als solchen auszubilden, dazu können der Vergußmasse beispielsweise Metallspäne beigefügt werden.

Zweckmäßigerweise erfolgt der elektrische Anschluß der piezoelektrischen Ele mente in zwei Gruppen derart, daß die auf den Außenseiten befindlichen piezo elektrischen Elemente und die auf der Innenseite befindlichen piezoelektrischen Elemente gesondert elektrisch ansteuerbar sind. Dann können nämlich durch gezielte zeitliche Triggerung der Impulse Laufzeitunterschiede der akustischen Wellen zwischen der außenseitigen und innenseitigen Gruppe kompensiert oder gezielt hervorgerufen werden, um die Schallintensität im Fokusbereich zu erhöhen oder den Fokusbereich aufzuweiten.

Um dieses zu erreichen, ist es zweckmäßig, dem elektroakustischen Wandler zwei unabhängig voneinander triggerbare Generatoren zur Erzeugung von Hochspan nungsimpulsen zuzuordnen, und zwar einen Generator für die innenseitige Gruppe und einen Generator für die außenseitige Gruppe von piezoelektrischen Elementen. Auch wenn die Generatoren unabhängig voneinander arbeiten, sollen sie doch derart aufeinander abstimmbar sein, daß eine gezielte Überlagerung der Schall wellen der beiden Gruppen von piezoelektrischen Elementen möglich ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Wandler gemäß der Erfindung,

Fig. 2 den Druckverlauf im Fokus bei gleichzeitiger Impulsbeaufschlagung beider Gruppen von piezoelektrischen Wandlern,

Fig. 3 den Druckverlauf im Fokus bei gezielter Triggerung der Impulsbeauf schlagung,

Fig. 4 das elektrische Signal zur Beaufschlagung der beiden Gruppen,

Fig. 5 den Aufbau eines Hochspannungsimpulsgenerators und

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers in Darstellung gemäß Fig. 1.

Der anhand von Fig. 1 dargestellte Wandler besteht aus einem Träger 1 in Form einer Aluminiumkalotte, die einstückig mit einem Rohrabschnitt 2 ausgebildet ist, mit dem der Wandler innerhalb der Geräteanordnung, z. B. eines Therapiegerätes, festgelegt ist. Der kalottenförmige Träger 1 weist auf seiner zum Fokus 3 weisen den Innenseite einen Radius R₁ und auf seiner davon abgewandten Außenseite einen Radius R₂ auf. Die Radien R₁ und R₂ gehen von einem gemeinsamen Mittel punkt, nämlich dem Fokus 3 des elektroakustischen Wandlers aus. Sowohl an seiner Innenseite als auch an der Außenseite ist der Träger 1 mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen 4 belegt, die eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen und mit seitlichem Abstand zueinander im wesentlichen ungeordnet und nach dem Prinzip der höchsten Packungsdichte angeordnet sind. Die piezoelek trischen Elemente 4 sind mit jeweils einer ihrer Stirnseiten an der Innen- bzw. Außenseite des Trägers 1 festgelegt und leitend mit diesem verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Elemente 4 mit einem leitfähigen sil berhaltigen Epoxidklebstoff an der Front- bzw. Rückseite der Trägerkalotte 1 elektrisch leitend befestigt. Die freien Stirnseiten der piezoelektrischen Elemente 4 sind mittels dünner versilberter Kupferdrähte kontaktiert, die dort mittels eines Lötpunktes elektrisch leitend und stoffschlüssig befestigt sind (nicht dargestellt). Die Zwischenräume der vorderseitigen und der rückseitigen piezoelektrischen Elemente 4 sind mit einem hochspannungsfesten Isolationsmaterial 21 ausgefüllt, das auch die Elemente 4 an ihren freien Stirnseiten einschließt und zum Fokus 3 hin kalottenförmig geformt ist, während es zur Rückseite einen ebenen flächigen Abschluß aufweist (siehe Fig. 1). Als Vergußmasse findet Epoxid- oder Polyu rethanvergußmaterial Verwendung.

Die Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente 4 mittels Hochspannungsimpul sen erfolgt in an sich bekannter Weise, wobei jedoch die an der Innenseite des Trägers 1 angeordneten Elemente 4 zu einer (inneren) Gruppe 5 und die an der Außenseite des Trägers 1 angeordneten piezoelektrischen Elemente 4 zu einer (äußeren) Gruppe 6 schaltungstechnisch zusammengefaßt sind, die getrennt von einander ansteuerbar sind.

Aus Sicherheitsgründen bildet der Träger 1 stets den Minuspol beider Gruppen 5 und 6 von piezoelektrischen Elementen 4 und ist durch Masseverbindung 7 stets mit Nullpotential beaufschlagt.

Jede der Gruppen 5 und 6 von piezoelektrischen Elementen 4 ist über einen eige nen Hochspannungsimpulsgenerator 8 bzw. 9 angesteuert. Einem der beiden Hochspannungsimpulsgeneratoren - bei dem anhand von Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dem Hochspannungsimpulsgenerator 8 - ist ein Zeitglied 10 (Delay) vorgeschaltet. Beide Hochspannungsimpulsgeneratoren sind unabhängig voneinander triggerbar und werden über ein Triggermodul 11 angesteuert. Diese Beschaltung ermöglicht es, die Hochspannungsimpulse für die Gruppen 5 und 6 von piezoelektrischen Elementen 4 synchron oder mit einstellbarer zeitlicher Verzögerung zueinander abzugeben. Es ist auch eine Beschaltung nur der vorderen oder nur der hinteren Gruppe 5, 6 möglich.

Anhand von Fig. 2 ist der Druckverlauf im Fokus 3 dargestellt, wobei die Fig. 2a den Druckverlauf nach Beaufschlagung der inneren Gruppe 5 mit einem Hoch spannungsimpuls, die Fig. 2b den Druckverlauf nach Beaufschlagung der äußeren Gruppe 6 mit einem Hochspannungsimpuls und die Fig. c den Druckverlauf nach gleichzeitiger Beaufschlagung beider Gruppen 5 und 6 mit einem Hochspannungs impuls zeigt. Deutlich erkennbar ist, daß die aus dem Hochspannungsimpuls der äußeren Gruppe 6 resultierende Druckwelle flacher in ihrem Verlauf und verzögert gegenüber der der inneren Gruppe 5 erfolgt. Die geringere Amplitude ist durch die erhöhten Dämpfungsverluste begründet, während die Verzögerung in der längeren Laufzeit begründet ist, welche die von der äußeren Gruppe 6 erzeugten Schall wellen zum Fokus haben. Diese müssen nämlich den gegenüber der inneren Gruppe 5 längeren Weg R₂ durchlaufen. Hieraus resultiert der in Fig. 2c bei synchroner Hochspannungsimpulsbeaufschlagung beider Gruppen 5 und 6 dar gestellte Druckverlauf von zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Druckwellen.

Mittels des Zeitgliedes 10 kann eine zeitverzögerte Hochspannungsimpulsbeauf schlagung der inneren Gruppe 5 gegenüber der äußeren Gruppe 6 derart erfolgen, daß die von beiden Gruppen 5 und 6 erzeugten Druckwellen synchron laufen, so wie dies anhand von Fig. 3c dargestellt ist. Die Fig. 3a und 3b stellen den jeweili gen Druckverlauf im Fokus 3 dar, der sich ergibt, wenn nur die innere Gruppe 5 oder nur die äußere Gruppe 6 mit einem Hochspannungsimpuls beaufschlagt werden, wobei die Laufzeitunterschiede bereits kompensiert sind. Wie Fig. 3c verdeutlicht, erfolgt bei geeigneter zeitlicher Anpassung nicht nur eine Addition der von der äußeren Gruppe 6 und der inneren Gruppe 5 im Fokus 3 erzeugten Druckwellen, sondern darüberhinaus eine Aufsteilung, wodurch eine enorme Leistungssteigerung gegenüber konventionellen elektroakustischen Wandlern gegeben ist. Neben dieser anhand von Fig. 3c dargestellten extrem hohen Energie dichte kann durch entsprechende Veränderung des Zeitgliedes 10 die Steilheit des erzeugten Druckimpulses nahezu beliebig eingestellt werden. Auch kann durch Ansteuerung nur der inneren Gruppe 5 oder auch nur der äußeren Gruppe 6 die Leistung des Wandlers nahezu beliebig reduziert werden. Dieser elektroakustische Wandler weist somit einen sehr hohen Dynamikbereich auf, der zudem noch eine Einstellung des Fokusbereiches durch entsprechende elektrische Ansteuerung ermöglicht. Minimale Energiedichten werden beispielsweise erreicht, wenn le diglich die äußere Gruppe 6 von piezoelektrischen Elementen 4 angesteuert wird, da dann die nicht aktiven piezoelektrischen Elemente 4 der inneren Gruppe 5 eine Dämpfungsschicht bilden.

In Fig. 4 ist dargestellt, welche zeitliche Abfolge die Hochspannungsimpulse 12, 13 (idealisierte Darstellung als Rechteckimpulse) aufweisen müssen, damit eine maximale Aufsteilung der Druckwelle im Fokus 3 gemäß Fig. 3c erfolgt. Der in Fig. 4a dargestellte Hochspannungsrechteckimpuls für die äußere Gruppe 6 von piezoelektrischen Elementen 5 wird mehrere µ-Sekunden vor dem für die innere Gruppe 5 von piezoelektrischen Elementen 4 vorgesehenen Hochspannungsimpuls 13 gemäß Fig. 4b erzeugt. Der Zeitunterschied entspricht der Laufzeitdifferenz der Schallwellen zum Fokus.

Anhand von Fig. 5 ist der Aufbau eines Hochspannungsimpulsgenerators 8, 9 dargestellt. Der Hochspannungsimpulsgenerator weist ein Hochspannungsladege rät 14 auf, das über einen Widerstand 15 mit einem Hochspannungskondensator 16 verbunden ist. Der Hochspannungskondensator 16 wird durch das Hochspan nungsladegerät 14 über den Ladewiderstand 15 aufgeladen. Über einen Hoch spannungsschalter 17 wird dieser Hochspannungskondensator 16 mit einer Gruppe 5 oder 6 von parallel geschalteten piezoelektrischen Elementen 4 sowie einem parallel dazu geschalteten Entladewiderstand 18 verbunden. Der Hochspannungs schalter 17 weist einen Triggereingang 19 auf und ist als Halbleiterschalter, z. B. Hochspannungstransistor oder Hochspannungsthyristor ausgebildet, um Schaltvorgänge im µ-Sekunden-Bereich exakt ausführen zu können.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante, die sich von der gemäß Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die äußere Gruppe 6 von piezoelektrischen Elementen 4 auch im rückwärtigen stirnseitigen Bereich nur mit einer dünnen Schicht von Vergußmasse 21 versehen ist und dort mit einem Reflexionskörper 20 versehen ist, der über die Vergußmasse akustisch an die piezoelektrischen Elemente 4 angekoppelt ist und zum Fokus 3 hin kalottenförmig geformt ist, wobei der Mittelpunkt der Kalotte mit dem Fokus 3 übereinstimmt. Der Reflexionskörper 20 besteht aus Metall, in der vorliegenden Ausführung aus Aluminium, kann jedoch auch durch unmittelbaren Verguß, beispielsweise in Form von metallpartikelangereichertem Epoxidharz gebildet werden. Der Reflexionskörper 20 erhöht den Wirkungsgrad insbesondere der äußeren Gruppe 6 von piezoelektrischen Elementen 4.

Bezugszeichenliste

1

Träger

2

Rohrabschnitt

3

Fokus

4

piezoelektrische Elemente

5

innere Gruppe

6

äußere Gruppe

7

Masse

8

Hochspannungsimpulsgenerator

9

Hochspannungsimpulsgenerator

10

Zeitglied

11

Triggermodul

12

Hochspannungsimpuls

13

Hochspannungsimpuls

14

Hochspannungsladegerät

15

Ladewiderstand

16

Hochspannungskondensator

17

Hochspannungsschalter

18

Entladewiderstand

19

Triggereingang

20

Reflexionskörper

21

Vergußmasse
R₁

Radius des Trägers innen
R₂

Radius des Trägers außen

Claims

1. Elektroakustischer Wandler mit einem kalottenförmigen Träger (1), an dessen Innenseite piezoelektrische Elemente (4) angebracht sind, dadurch gekenn zeichnet, daß auch die Außenseite mit piezoelektrischen Elementen (4) versehen ist.

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) aus Metall, vorzugsweise Aluminium oder Messing, besteht und die piezoelektrischen Elemente (4) mit einer Seite leitend mit diesem verbunden sind.

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (4) im wesentlichen zylindrische Form haben und mit einer Stirnseite am Träger (4) anliegen.

4. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (4) zu beiden Seiten des Trägers (1) im wesentlichen ungeordnet nach dem Prinzip der höchsten Packungsdichte angeordnet sind.

5. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) minus- und massekontaktiert ist.

6. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Elemente (4) in seitlichem Abstand zueinander angeordnet sind und daß die dadurch gebildeten Zwischenräu me mit einer hochspannungsfesten isolierenden Vergußmasse (21) ausgefüllt sind.

7. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Außenseite des Trägers (1) angeordneten piezoelektrischen Elemente (4) rückseitig mit einem Reflexionskörper (20) versehen sind.

8. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionskörper (20) durch einen gemeinsamen Metallkörper gebildet ist, der mittels einer Vergußmasse (21) akustisch an die außenseitigen piezoelektrischen Elemente (4) angekuppelt ist.

9. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionskörper durch eine die außenseitigen piezoelektrischen Elemente (4) abdeckenden Vergußmasse (21), vorzugsweise aus einem metallhaltigen Epoxidharz, gebildet ist.

10. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die außenseitige Gruppe (6) und die innenseitige Gruppe (5) von piezoelektrischen Elementen (4) getrennt elektrisch ansteuerbar sind.

11. Elektroakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er durch mindestens zwei unabhängig voneinander triggerbare Generatoren (8, 9) zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen (12, 13) versorgt wird, wobei ein Generator (8) der innenseitigen Gruppe (5) und ein Generator (9) der außenseitigen Gruppe (6) von piezoelektrischen Elementen (4) zugeordnet ist.

12. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren (8, 9) zur gezielten Überlagerung der von den Gruppen (5, 6) von piezoelektrischen Elementen (4) erzeugten Schallwellen triggerbar sind.