DE19701334A1

DE19701334A1 - Mit der zweiten Harmonischen abbildende Wandler

Info

Publication number: DE19701334A1
Application number: DE19701334A
Authority: DE
Inventors: William J Ossmann; Larry Pendergrass; Martin K Mason
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1997-01-16
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2017-01-17
Also published as: JPH1023598A; DE19701334C2; US5825117A

Description

Die Erfindung ist auf die medizinische Bildverarbeitung und insbesondere auf einen Wandler gerichtet, der bei einer er sten Harmonischen sendet und überwiegend bei einer zweiten Harmonischen empfängt.

Ultraschallwandler werden bei einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, bei denen es erwünscht ist, das Innere eines Ob jekts mit einem minimalen Eindringgrad zu betrachten. Bei spielsweise können bei medizinischen Anwendungen viele dia gnostische Informationen von einer Ultraschallabbildung des Inneren eines menschlichen Körpers erhalten werden. Folglich haben Ultraschallabbildungsgeräte, einschließlich der Ultra schallsonden und der zugeordneten Bildverarbeitungsgeräte, eine weit verbreitete medizinische Verwendung gefunden.

Bei einigen medizinischen Ultraschallanwendungen kann die Abbildung des Bluts durch die Injektion eines Kontrastmit tels, das aus mikroskopischen Bläschen oder Teilchen be steht, gesteigert werden. Einige Kontrastmittel weisen die Eigenschaft auf, daß sie, wenn sie bei einer bestimmten Fre quenz f bestrahlt werden, ein starkes Signal bei der zweiten Harmonischen dieser Frequenz, d. h. bei 2f, zurückstrahlen. Da sich diese Frequenz der zweiten Harmonischen von normalen Gewebeechos unterscheidet, wird der Bildkontrast zwischen dem Gewebe, das mit Blut durchtränkt ist, und dem Gewebe, das nicht durchtränkt ist, durch eine frequenzselektive Fil terung und Verarbeitung gesteigert. Dies ist als die Abbil dung mit der zweiten Harmonischen bekannt.

Ein Hindernis bei der Verwendung von Kontrastmitteln für die Abbildung mit der zweiten Harmonischen besteht in der Unter drückung der Sendeenergie bei der Frequenz der zweiten Har monischen von einem Wandler, der in der Lage ist, bei dieser Frequenz zu empfangen. Ein herkömmlicher Ultraschallwandler, der in der Lage ist, die zweite Harmonische, d. h. 2f, zu empfangen, wird auch ein starkes Signal bei 2f senden. Dies stellt ein Problem dar, da Reflexionen sowohl von dem durch tränkten als auch von dem undurchtränkten Gewebe von dieser 2f-Frequenz auftreten werden. Die Energie bei der Frequenz einer beliebigen Harmonischen, die gesendet wird, wird bei dieser Frequenz Gewebeechos erzeugen, welche den Kontrast mit der zweiten Harmonischen, die von den Bläschen erzeugt wird, reduzieren.

Der Versuch der Abbildung mit der zweiten Harmonischen ohne spezielle Wandler wirft verschiedene Probleme auf. Als er stes muß ein sehr breitbandiger Wandler verwendet werden, um sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Harmonischen anzusprechen. Wandler mit der erforderlichen Bandbreite sind jedoch schwierig zu entwerfen und aufzubauen, insbesondere wenn sich die Empfindlichkeit nicht verringern soll. Dies trifft insbesondere auf kleine Elemente zu, die für Sektor sonden benötigt werden. Wenn eine derartige Sonde aufgebaut ist, muß ferner beim Senden die Frequenz der zweiten Harmo nischen unterdrückt werden. Eine zusätzliche Unterdrückung wird beim Senden durch eine unterschiedliche Gewebedämpfung zwischen hohen und niedrigen Frequenzen realisiert, wobei dies bei einer flacheren Tiefe jedoch weniger effektiv ist.

Alternativ könnte jede Sonde separate Sende- und Empfangsab schnitte beinhalten, die jeweils für unterschiedliche Fre quenzen optimiert sind. Da die Abmessungen der Wandlerele mente einer derartigen Sonde sehr stark variieren würden, sind diese aufwendig aufzubauen, wobei dieselben eine kom plizierte Anordnung innerhalb enger mechanischer Toleranzen erfordern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mit der zweiten Harmonischen abbildenden Wandler zu schaf fen, der einfach herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Wandler ge mäß Anspruch 1 und 11, und durch einen Wandler gemäß An spruch 12 gelöst.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie einen mit der zweiten Harmonischen Wandler schafft, der ferner in der Lage ist, als Standardabbildungssonde mit vol ler Apertur betrieben zu werden.

Ein mit einer Harmonischen abbildender Wandler ist eine Struktur aus zwei mechanisch gekoppelten piezoelektrischen Schichten. Diese piezoelektrische Zweischichtstruktur kann entweder in einem symmetrischen Modus, bei dem sich die bei den Schichten im Einklang ausdehnen und zusammenziehen, oder in einem anti-symmetrischen Modus schwingen, bei dem sich eine Schicht zusammenzieht, während sich die andere Schicht ausdehnt. Schwingungen des symmetrischen Modus ergeben sich bei einem Betrieb mit einer ersten Harmonischen, während sich Schwingungen des anti-symmetrischen Modus bei einem Be trieb mit einer zweiten Harmonischen ergeben.

Ein Träger ist neben einer piezoelektrischen Struktur posi tioniert, die eine erste und eine zweite Schicht aus einem piezoelektrischen Material aufweisen kann, zwischen denen mindestens eine Elektrode angeordnet ist. Eine oder mehrere akustische Anpassungsschichten sind über der piezoelektri schen Struktur positioniert. Ein Umschalter ist mit der pie zoelektrischen Struktur verbunden, derart, daß der Wandler bei der ersten Harmonischen arbeitet, wenn der Umschalter geschlossen ist, und der Wandler bei der zweiten Harmoni schen arbeitet, wenn der Umschalter offen ist. Bei einem be vorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Umschalter aus zwei Dioden, die mit entgegengesetzter Polarität parallelge schaltet sind, derart, daß die starken Sendesignale bewir ken, daß die Dioden leiten, woraus sich ein Betrieb bei ei ner ersten Harmonischen ergibt, wobei die Empfangssignale jedoch nicht stark genug sind, um zu bewirken, daß die Dio den leiten, wodurch der Empfang der zweiten Harmonischen ebenso wie der ersten ermöglicht wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen allgemeinen Aufbau eines Wandlerarrays;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des in Fig. 1 gezeigten Wandlerarrays;

Fig. 3A bis D Ausführungsbeispiele eines mit einer zweiten Har monischen abbildenden Wandlers;

Fig. 4A bis B ein alternatives Ausführungsbeispiel für den mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler;

Fig. 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel für den mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler;

Fig. 6 ein alternatives Ausführungsbeispiel für den mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler;

Fig. 7A bis B ein alternatives Ausführungsbeispiel für den mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler;

Fig. 8A bis B ein alternatives Ausführungsbeispiel für den mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler.

Ein Ultraschallwandler ist eine Struktur aus zwei mechanisch gekoppelten piezoelektrischen Schichten. Diese piezoelektri sche Zweischichtstruktur kann entweder in einem symmetri schen Modus, wenn sich die beiden Schichten im Einklang aus dehnen und zusammenziehen, oder in einem anti-symmetrischen Modus schwingen, wenn sich eine Schicht zusammenzieht, wäh rend sich die andere Schicht ausdehnt. Die Schwingungen des symmetrischen Modus ergeben einen Betrieb bei einer ersten Harmonischen, während Schwingungen des anti-symmetrischen Modus einen Betrieb bei einer zweiten Harmonischen ergeben.

Dieser Ultraschallwandler sendet vorzugsweise bei der ersten Harmonischen und ist in der Lage, die zweite Harmonische zu empfangen. Zwischen den Schichten eines piezoelektrischen Materials sind leitende Kontaktschichten (Elektroden) ange ordnet. Die Elektroden sind mit zugeordneten elektronischen Komponenten und mit Signal- und Massezuleitungen von dem Ul traschallsystem verbunden.

Fig. 1 stellt den allgemeinen Aufbau eines Wandlerarrays 10 dar. Das Wandlerarray 10 umfaßt eine Serie von piezoelektri schen Elementen 12, die Seite-an-Seite auf einem Träger 15 angeordnet sind. Der Träger 15 kann eine Dämpfungsschicht mit einer geeigneten akustischen Impedanz sein, um die Emp findlichkeit, die Bandbreite oder Pulslänge des Wandlers zu optimieren. Typische Arrays können mehrere zehn bis mehrere hundert Elemente umfassen, die jeweils in der y-Richtung 100 bis 600 µm breit sein können. Jedes piezoelektrische Element 12_N ist in der x-Richtung typischerweise zwischen 0,5 und 2 cm lang. Die Elemente sind physikalisch getrennt, derart, daß sie einzeln erregt werden können. Abhängig von den Be triebsfrequenzen des Arrays können die Elemente in der z- Richtung 0,1 bis 2 mm hoch sein. Diese Elemente können bei Frequenzen von wenigen MHz bis mehreren zehn MHz arbeiten. Für einen weiten Bereich von medizinischen Anwendungen ist ein typisches Array zwischen 1 und 6 cm lang, wobei jedoch andere Anwendungen Abmessungen erfordern können, die sich außerhalb der offenbarten Bereiche befinden, die ohne weite res von Fachleuten berechnet werden können. Die Serie der piezoelektrischen Elemente 12 kann mit einer Impedanzanpas sungsschicht 16 abgedeckt sein.

Alternativ können die Elemente eine Zusammensetzung eines keramischen piezoelektrischen Material in einer Polymerma trix oder ein nicht-keramisches piezoelektrisches Material anstelle eines einzigen keramischen Materials sein. Fachleu ten sind viele geeignete piezoelektrische Materialtypen be kannt.

Fig. 2 stellt eine Querschnittsansicht des in Fig. 1 gezeig ten Wandlerarrays 10 dar. Zwischen der Serie von piezoelek trischen Elementen 12, die zwei Schichten 12₁, 12₂ eines piezoelektrischen Materials aufweisen, ist eine Serie von elektrisch leitfähigen Schichten 14 angeordnet. Eine der piezoelektrischen Schichten 12₁ ist zwischen elektrisch leitfähigen Kontaktschichten 14A, 14B positioniert, während die andere piezoelektrische Schicht 12₂ zwischen den elek trisch leitfähigen Kontaktschichten 14B, 14C positioniert ist. Die elektrische Kontaktschicht 14B, die zwischen den zwei Schichten 12₁, 12₂ des piezoelektrischen Materials po sitioniert ist, ist ausreichend dünn, damit die Ultraschall schwingungen zwischen den zwei Schichten des piezoelektri schen Materials mechanisch gekoppelt sind.

Dieses Wandlerarray kann in zwei unterschiedlichen Resonanz moden schwingen, welche zwei unterschiedliche Frequenzen er zeugen. Bei dem symmetrischen Schwingungsmodus dehnen sich die obere und untere piezoelektrische Schicht im Einklang aus und ziehen sich im Einklang zusammen, wobei das Array auf die gleiche Art und Weise wie eine einzige Schicht in Resonanz tritt, deren Dicke die Summe der Dicken der zwei Schichten ist. Dieser Modus zeigt eine Dickenmodusresonanz bei einer Frequenz F₁, die durch die folgende Formel be stimmt wird:

wobei v die Schallgeschwindigkeit in den Schichten, und h die Höhe (Dicke) jeder Schicht in der z-Richtung ist.

Bei dem anti-symmetrischen Schwingungsmodus sind die Schwin gungen in den zwei Schichten zueinander gegenphasig, derart, daß sich die untere piezoelektrische Schicht zusammenzieht, während sich die obere Schicht ausdehnt, und sich die untere piezoelektrische Schicht ausdehnt, während sich die obere Schicht zusammenzieht. Als Ergebnis wird die Resonanzfre quenz F₂ dieses Modus durch die folgende Formel bestimmt:

Es ist aus den Gleichungen, die F₁ und F₂ beschreiben, klar zu ersehen, daß F₂ zweimal F₁ ist.

Die obige Beschreibung bezieht sich auf den Fall, bei dem die Dicken der piezoelektrischen Schichten gleich sind. Durch Auswählen unterschiedlicher Dicken für die piezoelek trischen Schichten oder durch Verwenden geradzahlig Vielfa cher der piezoelektrischen Schichten können die Verhältnisse der beiden Resonanzfrequenzen variiert werden. Fachleuten sind viele Variationen, beispielsweise bei der Größe und bei den Anwendungen dieser Wandler, bekannt. Es ist offensicht lich, daß die Resonanzfrequenz des Wandlers sowohl die Fre quenz, bei welcher die Ultraschallenergie von dem Wandler gesendet wird, als auch die Frequenz bestimmt, bei welcher die Ultraschallenergie von dem Wandler empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.

Die Berechnung der Dicken, die erforderlich sind, um die ge wünschten Dickenmodusresonanzfrequenzen zu erzeugen, wird von Fachleuten gut beherrscht. Die Frequenz einer akusti schen Welle wird durch F = v/λ ausgedrückt, wobei v die Schallgeschwindigkeit in dem Medium, das die akustische Wel le trägt, und λ die Wellenlänge einer Welle der Frequenz F in dem Medium ist. Falls F auf die Dickenmodusresonanzfre quenz des Mediums, das die akustische Welle trägt, einge stellt ist, dann gilt außerdem F = (c/ϕ)½/2h, wobei c die Steifigkeit des Resonanzkörpers, ϕ die Dichte des Resonanz körpers, und h die Höhe des Resonanzkörpers ist. Indem mit den Materialeigenschaften des Mediums begonnen wird, können die Dicken berechnet werden, die erforderlich sind, um jede gewünschte Resonanzfrequenz zu erzeugen. Das Anwenden der obigen Gleichung und der Übertragungsleitungstheorie auf das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Array, erzeugt jeden gewünsch ten Satz von Resonanzfrequenzen.

Der Aufbau der mehrschichtigen Arrays kann durch eine belie bige bekannte Verarbeitungstechnik oder durch eine Kombina tion von bekannten Verarbeitungstechniken für Keramik oder Keramikzusammensetzungen erreicht werden. Das beschriebene Aufbauverfahren beginnt entweder mit der Herstellung eines Wafers aus Keramik oder aus einer Keramikzusammensetzung, dessen Dicke gleich der Dicke einer Schicht der gewünschten Struktur ist. Die gewünschten elektrischen Kontaktschichten können dann auf diesen Wafer Vakuum-aufgebracht, aufgedampft oder mittels Siebdruck aufgebracht werden. Zusätzliche Wafer und elektrische Kontaktschichten können ferner unter Verwen dung herkömmlicher Techniken, die Fachleuten bekannt sind, mit dieser Grundstruktur auf eine akustisch angepaßte Art verbunden werden.

Obwohl das beschriebene spezifische Ausführungsbeispiel die Form eines phasengesteuerten Arrays oder eines linearen Ar rays aufweist, kann eine beliebige Anzahl von Elementen, die für einen bestimmten Wandlertyp und eine bestimmte Wandler anwendung geeignet sind, verwendet werden. Beispielsweise werden Wandler häufig unter Verwendung lediglich eines ein zigen Wandlerelements aufgebaut. Das Verhalten und der Auf bau eines solchen getrennten Elements sind hinsichtlich der im vorhergehenden beschriebenen Elemente eines phasengesteu erten Arrays oder eines linearen Arrays gleich.

Die Frequenzen der akustischen Resonanzen eines Wandlers werden durch die Frequenzen der symmetrischen und anti-sym metrischen Schwingungsmoden bestimmt, wie es im vorhergehen den beschrieben wurde. Ob jedoch eine bestimmte Frequenz mit den elektrischen Sende- und Empfangssignalen gekoppelt ist, wird durch die Details der elektrischen Verbindungen und der Ausrichtung der Polarisationsvektoren der piezoelektrischen Schichten bestimmt. Diese können angeordnet werden, um le diglich mit dem einen Modus oder mit dem anderen Modus oder mit einer Überlagerung der zwei Moden gekoppelt zu werden. Falls die elektrischen Verbindungen ein Umschaltelement auf weisen, kann der Wandler hergestellt werden, um in dem einen Modus zu arbeiten, wenn der Umschalter offen ist, und um in dem anderen Modus zu arbeiten, wenn der Umschalter geschlos sen ist.

Typische Umschaltelemente umfassen Dioden, Feldeffekttransi storen, Varistoren und Zehnerdioden. Mehrere der Ausfüh rungsbeispiele, die im nachfolgenden beschrieben werden, weisen die erwünschte Eigenschaft auf, daß das Umschalten automatisch als Reaktion auf die relativen Pegel der Sende- und Empfangssignale durchgeführt wird, ohne daß ein separa tes Steuersignal für die Umschalter benötigt wird. Alterna tiv kann ein Wandler Elemente mit identischen physikalischen Abmessungen aufweisen, wobei jedoch ein Abschnitt der Ele mente für einen Betrieb bei F₁, und der Rest für einen Be trieb bei F₂ verbunden ist. Die Fig. 3-6 wenden sich einem mit einer zweiten Harmonischen abbildenden Wandler zu, der Elemente aufweist, die zwischen dem Betrieb bei einer ersten und einer zweiten Harmonischen umschalten. Die Fig. 7-8 wen den sich den mit einer zweiten Harmonischen abbildendem Wandlern zu, die separate Sätze von Elementen für die erste und die zweite Harmonische aufweisen.

Die Fig. 3A-D stellen mit der zweiten Harmonischen abbilden de Wandler mit passiven Umschaltelementen dar. In Fig. 3A ist zu sehen, daß die untere elektrische Kontaktschicht 14A durch ein Diodenpaar 20A, 20B getrennt ist. Diese Dioden 20A, 20B leiten unter den hohen Signalpegeln beim Senden und Verbinden die untere elektrische Kontaktschicht 14A elek trisch mit der Masse. Beim Empfangen sind die elektrischen Signale nicht stark genug, um zu bewirken, daß die Dioden leiten. Somit ist die untere piezoelektrische Schicht nicht elektrisch gekoppelt. Als Ergebnis sind sowohl die symmetri schen als auch die anti-symmetrischen Schwingungsmoden mit der Empfangsschaltung gekoppelt, wobei der Wandler sowohl bei F₁ als auch F₂ wirksam empfängt.

Eine optionale Stromquelle 12 kann parallel zu dem Dioden paar 20A, 20B plaziert sein. Wenn es erwünscht ist, sowohl F₂ beim Empfangen zu unterdrücken als auch identische Sende- und Empfangscharakteristika aufzuweisen, kann über den An schluß zwischen den Dioden 20A, 20B und der unteren elektri schen Kontaktschicht 14A ein Vorstrom zugeführt werden, um eine der Dioden 20A, 20B einzuschalten. Als Ergebnis ist die Erregung beider piezoelektrischen Schichten die gleiche, wo bei vorzugsweise der symmetrische Schwingungsmodus gekoppelt ist. Dies bewirkt, daß der Wandler bei der niedrigeren Fre quenz F₁ sowohl sendet als auch empfängt. Das elektronische Umschalten des Vorstroms kann mittels Techniken durchgeführt werden, die Fachleuten bekannt sind.

Fig. 3B zeigt eine geringfügige Variation gegenüber Fig. 3A, bei welcher die Signal- und Massebezeichnungen der elektri schen Kontaktschichten umgekehrt sind. Der Betrieb ist der gleiche wie in Fig. 3A.

In Fig. 3C sind eine vierte elektrische Kontaktschicht 14D und eine elektrische Isolationsschicht 22 zwischen der unte ren piezoelektrischen Schicht 14A und der mittleren elektri schen Kontaktschicht 14B angeordnet. Diese Schichten müssen dünn genug sein, um die akustische Kopplung zwischen den piezoelektrischen Schichten zu bewahren. Die Dioden 20A, 20B sind zwischen die mittlere und die vierte elektrische Kon taktschicht 14B, 14D geschaltet, wobei die untere elektri sche Kontaktschicht 14A mit der Schaltungsmasse verbunden ist. Im Betrieb verhält sich dieser Wandler auf die gleiche Art und Weise wie die Wandler von Fig. 3A-B.

Fig. 3D und Fig. 3C sind annähernd gleich, mit der Ausnahme, daß die Isolationsschicht und die Dioden durch eine dünne Siliziumschicht 24 ersetzt wurden, in welcher p-Typ- und n- Typ-Regionen hergestellt wurden, um ein Diodenarray zu bil den, das die mittlere und die vierte elektrische Kontakt schicht verbindet. Der Betrieb ist zu dem von Fig. 3C iden tisch, jedoch ist die Herstellung einfacher, da weniger äußere elektrische Verbindungen zu den Kontaktschichten her gestellt werden müssen.

Alternativ kann die Siliziumschicht durch eine dünne Zink oxidschicht ersetzt werden. Wenn dieselbe in einer geeigne ten Art und Weise hergestellt ist, wirkt das Zinkoxid wie ein Varistor, der beidseitig leitet, wenn er hohen Spannun gen ausgesetzt ist, jedoch unter Niederspannungsbedingungen ein Isolator bleibt. Diese Eigenschaft des Zinkoxid ermög licht es, daß die Siliziumschicht in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3D durch das Zinkoxid ersetzt wird.

Wenn es erwünscht ist, die erste Harmonische, d. h. F₁, beim Empfang zu unterdrücken, kann ein Übertrager oder ein Diffe renzverstärker verwendet werden. In den Fig. 4A-B sind zwei mögliche Verfahren gezeigt, wenn ein Übertrager 26 zum Um schalten zwischen f- und 2f-Moden verwendet wird. In Fig. 4A sind die obere und die untere elektrische Kontaktschicht 14A, 14C mit der Sekundärwicklung des Übertragers 26 verbun den, wobei die mittlere Kontaktschicht 14B geerdet ist. Die Sende/Empfangsleitung ist über ein Diodenpaar, bei dem die Dioden mit entgegengesetzter Polarität parallelgeschaltet sind, mit dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Über tragers 26 und über eine Umschaltschaltung mit der Primär wicklung des Übertragers verbunden.

Eine Umschaltschaltung 28, die aus zwei Dioden 30A, 30B und einer Vorstromquelle 32 besteht, ist dargestellt, wobei je doch auch andere Einrichtungen verwendet werden können. Die Umschaltschaltung 28 muß während des Sendens ausgeschaltet und während des Empfangens eingeschaltet sein. Diese spe zielle Umschaltschaltung 28, die in Fig. 4A gezeigt ist, weist den Vorteil auf, daß das starke Sendesignal dieselbe automatisch ausschalten wird, ohne daß ein separates Steuer signal angelegt ist. Die piezoelektrischen Schichten 121, 122 sind derart polarisiert, um die elektrischen Signale des gemeinsamen Modus (d. h. Signale mit gleicher Polarität) auf der oberen und der unteren elektrischen Kontaktschicht zu den Schwingungen des symmetrischen Modus zu koppeln, und um die elektrischen Signale des Differenzmodus (d. h. Signale mit entgegengesetzter Polarität) zu den Schwingungen des anti-symmetrischen Modus zu koppeln. Die zwei Dioden 20A, 20B, die zwischen die Sende/Empfangsleitung und den Mittel abgriff der Sekundärwicklung des Übertragers 26 geschaltet sind, leiten unter den starken Sendesignalen, was eine elek trische Anregung des gemeinsamen Modus ergibt. Somit wird der symmetrische Schwingungsmodus angeregt, welcher eine Re sonanzfrequenz F₁ aufweist. Beim Empfangen sind die Signale nicht stark genug, um zu bewirken, daß die Dioden 20A, 20B auf der Sekundärseite leiten. Während des Empfangens ist je doch die Umschaltschaltung 28 auf der Primärseite einge schaltet. Somit ist es offensichtlich, daß der Übertrager 26 derart verbunden ist, um lediglich die Empfangssignale des Differenzmodus, die sich aus dem anti-symmetrischen Schwin gungsmodus bei der Frequenz F₂ ergeben, jedoch nicht die Empfangssignale des gemeinsamen Modus zu koppeln, die sich aus dem symmetrischen Schwingungsmodus bei der Frequenz F₁ ergeben.

In Fig. 4B wurde die Polarisationsrichtung einer der piezo elektrischen Schichten umgekehrt. In diesem Fall sind die Schwingungen des symmetrischen Modus mit den elektrischen Signalen des Differenzmodus gekoppelt, und die Schwingungen des anti-symmetrischen Modus sind mit den elektrischen Si gnalen des gemeinsamen Modus gekoppelt. Die mittlere elek trische Kontaktschicht 14B ist über einen Umschalter 34 mit der Masse verbunden, wobei der Umschalter 34 während des Sendens ausgeschaltet und während des Empfangens eingeschal tet ist. Dieser Umschalter kann zu dem in Fig. 4A gezeigten Umschalter ähnlich sein. Die obere Kontaktschicht 14C ist über eine Wicklung eines Übertragers 26 mit der Sende/Emp fangsleitung verbunden, wobei die untere Kontaktschicht 14A über die andere Wicklung des Übertragers 26 mit der Masse verbunden ist. Das Windungsverhältnis des Übertragers ist 1 : 1, wobei die Verbindungen derart beschaffen sind, daß die Signale des gemeinsamen Modus durchgelassen werden, während die Signale des Differenzmodus unterdrückt werden. Zwei Sät ze von Dioden 36A, 36B sind zu den Wicklungen des Übertra gers elektrisch parallelgeschaltet. Diese Dioden 36A, 36B leiten unter den Sendebedingungen mit hohem Signalpegel, wobei der Übertrager umgangen wird, und das Wandlerelement mit einem elektrischen Signal des Differenzmodus angeregt wird, welches in diesem Fall mit dem symmetrischen Schwin gungsmodus, der eine Resonanzfrequenz F₁ aufweist, gekoppelt ist. Beim Senden werden die elektrischen Signale des gemein samen Modus, welche die Frequenz F₂ anregen würden, unter drückt, indem der Umschalter, der mit der mittleren Kontakt schicht verbunden ist, offengehalten wird. Beim Empfangen ist dieser Umschalter 34 geschlossen, und die Schwingungen bei der Frequenz F₂, welche elektrische Empfangssignale des gemeinsamen Modus ergeben, werden über den Übertrager zu der Empfangsleitung durchgelassen. Die empfangenen Schwingungen bei der Frequenz F₁ ergeben elektrische Signale des Diffe renzmodus, welche durch die Wirkung des Übertragers unter drückt werden, da die Empfangssignale zu schwach sind, um die Dioden einzuschalten.

Fig. 5 stellt einen mit einer zweiten Harmonischen abbilden den Wandler dar, der einen Differenzverstärker 38 verwendet, um den Empfang der ersten Harmonischen zu unterdrücken. Der Wandler ist der gleiche, wie der, der in Fig. 3B dargestellt ist, wobei der Wandler zusätzlich den Differenzverstärker 38 und ein zweites Diodenpaar 40 aufweist. Dieses zweite Dio denpaar 40 leitet unter den Sendebedingungen mit hohem Si gnalpegel, wodurch bewirkt wird, daß die Sendesignale den Verstärker 38 umgehen, und wodurch sich ein Sendebetrieb er gibt, der der gleiche ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3B, wobei lediglich die Frequenz F₁ gesendet und die Frequenz F₂ unterdrückt wird. Beim Empfangen sind die Signale nicht stark genug, um zu bewirken, daß die Dioden leiten. Die Schwingungen des symmetrischen Modus, die durch das Empfangen von Echos bei der Frequenz F₁ bewirkt werden, rufen auf der oberen und der unteren Kontaktschicht 14A, 14C Spannungen des gemeinsamen Modus hervor, während die Schwin gungen des anti-symmetrischen Modus, die durch das Empfangen von Echos bei der Frequenz F₂ bewirkt werden, auf der oberen und der unteren Kontaktschicht 14A, 14C Spannungen des Dif ferenzmodus hervorrufen. Der Differenzverstärker 38 läßt le diglich die Spannungen des Differenzmodus durch. Somit wird lediglich die Frequenz F₂ empfangen, während F₁ unterdrückt wird.

Fig. 6 stellt einen mit einer zweiten Harmonischen abbilden den Wandler dar, der das Ultraschallsystem zum Umschalten zwischen den zwei Frequenzen verwendet. Bei diesem Ausfüh rungsbeispiel sind die getrennten Sende/Empfangsleitungen T/R₁, T/R₂ (T = transmit = senden; R = receive = empfangen) mit der oberen und der unteren elektrischen Kontaktschicht 14A, 14C verbunden, wobei die mittlere elektrische Kontakt schicht 14B geerdet ist. Die Sendesignale auf den beiden Sende/Empfangsleitungen T/R₁, T/R₂sind identisch. Somit werden in dem Wandler Schwingungen des symmetrischen Modus angeregt, die eine Sendefrequenz F₁ ergeben. Beim Empfangen ergeben Echos bei der Frequenz F₁ Schwingungen des sym metrischen Modus, die an der oberen und der unteren elektri schen Kontaktschicht identische Spannungen erzeugen, während die Echos bei der Frequenz F₂ Schwingungen des anti-symme trischen Modus ergeben, die an den Kontaktschichten gleiche Spannungen mit jedoch entgegengesetzter Polarität erzeugen. In dem Empfangsstrahlformer des Ultraschallsystems können die Signale auf den zwei Leitungen voneinander abgezogen werden. Dies wird eine Unterdrückung der Signale bei F₁, je doch eine Verstärkung der Signale bei F₂ bewirken. Es ist nun ohne weiteres ersichtlich, daß ein Betrieb bei einer einzigen Frequenz, d. h. bei F₁ oder F₂, oder bei einer be liebigen Frequenz zwischen F₁ und F₂ möglich ist, indem die Sende- und Empfangssignale auf den zwei Sende/Empfangslei tungen zeitlich geeignet eingestellt werden.

Fig. 7A und B stellen Elemente dar, welche, obwohl sie me chanisch identisch sind, derart polarisiert sind, um für ei nen Betrieb entweder bei F₁ oder bei F₂ getrennt optimiert zu sein. Bei beiden Elementen ist die Signalleitung mit der mittleren elektrischen Kontaktschicht verbunden, wobei die obere und die untere elektrische Schicht geerdet sind.

In Fig. 7A sind die Polarisationsvektoren in den zwei piezo elektrischen Schichten entgegengesetzt ausgerichtet. Diese Struktur ist lediglich mit den Schwingungen des symmetri schen Modus piezoelektrisch gekoppelt. Dieselbe arbeitet da her bei der Frequenz F₁. In Fig. 7B sind die Polarisations vektoren in der gleichen Richtung ausgerichtet. Diese Struk tur ist lediglich mit den Schwingungen des anti-symmetri schen Modus piezoelektrisch gekoppelt. Dieselbe arbeitet da her bei der Frequenz F₂. Nun kann für einen mit einer zwei ten Harmonischen abbildenden Wandler ein Abschnitt der Ele mente für den Betrieb bei F₁ polarisiert werden, wobei der Rest der Elemente für einen Betrieb bei F₂ polarisiert wer den kann. Diese Elemente können in verschiedenen Mustern in den Wandlern angeordnet werden. Beispielsweise kann der Wandler entweder in der x- oder y-Richtung in zwei benach barte Abschnitte geteilt werden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, wobei jeder Abschnitt lediglich Elemente mit der glei chen Polarisation aufweist. Alternativ können die zwei Ele menttypen zwischeneinanderliegend angeordnet sein, wobei zwischen den beiden Typen abgewechselt wird. Dies ist ein wenig schwieriger herzustellen, der Wandler wird jedoch zu sammenfallende Sende- und Empfangsstrahlen aufweisen.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 8A und 8B gezeigt ist, können eine oder beide der piezoelektri schen Schichten durch ein elektrostriktives Material ersetzt werden. Dieser Materialtyp zeigt die Eigenschaft, daß das Material durch eine Gleichvorspannung sehr stark polarisier bar ist, wodurch piezoelektrische Eigenschaften gezeigt wer den. Die piezoelektrischen Eigenschaften dauern lediglich solange an, wie die Gleichvorspannung angelegt ist, wobei die Ausrichtung der Polarisation von der Polarität der Vor spannung abhängt. Das HF-Signal (HF = Hochfrequenz) ist ka pazitiv mit der Masse gekoppelt. Durch geeignetes Anlegen der Vorspannungen können somit beide Elementtypen, die in Fig. 7A-B gezeigt sind, hergestellt werden. Fig. 8A ent spricht Fig. 7A, und Fig. 8B entspricht Fig. 7B. Diese Ele mente können in verschiedenen Mustern angeordnet werden, wie es im vorhergehenden beschrieben ist. Zusätzlich können alle Elemente in der gleichen Richtung polarisiert sein, wenn es erwünscht ist, den Wandler in einem herkömmlichen Abbil dungsmodus entweder bei F₁ oder F₂ zu betreiben, wie es von Guraraja (U.S.P.N. 5,410,205) beschrieben ist.

Claims

1. Piezoelektrischer Wandler (10), der bei zwei unter schiedlichen Frequenzen wirksam ist, mit folgenden Merkmalen:
einer piezoelektrischen Anordnung mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, wobei die Anordnung ferner folgende Merkmale aufweist:
eine Serie von N piezoelektrischen Schichten (12), wobei sich die Serie von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt,
eine Mehrzahl von dazwischenliegenden Elektroden (14B), wobei jede derselben zwischen benachbarten piezoelektrischen Schichten angeordnet ist, und
eine erste und eine zweite Elektrode (14A, 14C), wobei die erste Elektrode die erste Oberfläche und die zweite Elektrode die zweite Oberfläche be rührt, wodurch eine Spannungsdifferenz über der piezoelektrischen Anordnung eingerichtet wird;
einer Sende/Empfangsleitung, die mit der piezoelektri schen Anordnung elektrisch verbunden ist; und
einem ersten Umschalter (20A, 20B), der wirksam ist, um zwischen den zwei unterschiedlichen Frequenzen umzu schalten, und der mit der piezoelektrischen Anordnung elektrisch verbunden ist.

2. Wandler gemäß Anspruch 1, bei dem der erste Umschalter aus zwei parallelgeschalteten Dioden besteht, der einen Knoten aufweist, der mit der piezoelektrischen Anord nung verbunden ist, wobei die zwei Dioden mit entgegen gesetzter Polarität parallelgeschaltet sind.

3. Wandler gemäß Anspruch 2, bei dem
die Sende/Empfangsleitung mit mindestens einer der Mehrzahl der dazwischenliegenden Elektroden (14B) ver bunden ist; und
die zwei Dioden (20A, 20B) zwischen die erste Elektrode (14A) und Masse geschaltet sind.

4. Wandler gemäß Anspruch 2, bei dem
die Sende/Empfangsleitung mit der zweiten Elektrode (14C) verbunden ist;
die zwei Dioden (20A, 20B) zwischen die erste und die zweite Elektrode (14A, 14C) geschaltet sind; und
mindestens eine der Mehrzahl von dazwischenliegenden Elektroden (14B) mit Masse verbunden ist.

5. Wandler gemäß Anspruch 4, wobei der Wandler ferner fol gende Merkmale aufweist:
einen Verstärker (38), der mit der ersten und der zwei ten Elektrode verbunden ist, und der einen Ausgang auf weist;
ein zweites Diodenpaar (40), wobei die Dioden mit ent gegengesetzter Polarität parallelgeschaltet sind, und mit der ersten Elektrode und dem Ausgang verbunden sind; und
wobei die Sende/Empfangsleitung mit dem Ausgang verbun den ist.

6. Wandler gemäß Anspruch 2, bei dem
die piezoelektrische Anordnung ferner eine elektrisch
isolierende Schicht (22) zwischen zwei benachbarten da zwischenliegenden Elektroden (14B, 14D) aufweist;
die erste und die zweite Elektrode (14A, 14C) mit Masse verbunden sind; und
die Sende/Empfangsleitung mit einer der zwei benachbar ten dazwischenliegenden Elektroden (14B, 14D) verbunden ist.

7. Wandler gemäß Anspruch 2, bei dem
die piezoelektrische Anordnung ferner eine halb-leitfä hige Schicht (24) aufweist, die ein Diodenarray zwi schen den zwei benachbarten dazwischenliegenden Elek troden (14B, 14D) bildet;
die erste und die zweite Elektrode (14A, 14C) mit Masse verbunden sind; und
die Sende/Empfangsleitung mit einer der zwei benachbar ten dazwischenliegenden Elektroden (14B, 14D) verbunden ist.

8. Wandler gemäß Anspruch 1, der ferner folgende Merkmale aufweist:
einen Übertrager (26) mit einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung und einem Mittelabgriff,
wobei der Übertrager (26) mit der piezoelektrischen An ordnung verbunden und wirksam ist, um die Frequenzse lektivität zu erhöhen.

9. Wandler gemäß Anspruch 8, bei dem
die erste und die zweite Elektrode mit der ersten Wick lung des Übertragers verbunden sind;
eine der dazwischenliegenden Elektroden mit Masse ver bunden ist;
der erste Umschalter zwischen die Sende/Empfangsleitung und den Mittelabgriff geschaltet ist; und
ein zweiter Umschalter (28) vorgesehen ist, der zwi schen die Sende/Empfangsleitung und die zweite Windung geschaltet ist.

10. Wandler gemäß Anspruch 8, bei dem
der Übertrager ein Windungsverhältnis von 1 : 1 aufweist;
die erste Wicklung zwischen die Sende/Empfangsleitung und die erste Elektrode geschaltet ist;
die zweite Wicklung zwischen die zweite Elektrode und Masse geschaltet ist, derart, daß ein Strom, der aus der zweiten Elektrode fließt, in der gleichen Richtung über den Übertrager fließt, wie ein Strom, der in die erste Elektrode fließt;
ein zweiter Umschalter (34) vorgesehen ist, der mit ei ner der dazwischenliegenden Elektroden verbunden ist, wobei der zweite Umschalter wirksam ist, um die eine der dazwischenliegenden Elektroden während des Sendens auszuschalten und während des Empfangens einzuschalten; und
zwei Diodenpaare (36A, 36B) vorgesehen sind, wobei je des Diodenpaar mit entgegengesetzter Polarität paral lelgeschaltet ist, und jeweils mit einer entsprechenden der ersten und zweiten Wicklung verbunden ist.

11. Piezoelektrischer Wandler, der bei mindestens zwei ver schiedenen Frequenzen wirksam ist, mit folgenden Merk malen:
einer piezoelektrischen Anordnung mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, wobei die Anordnung ferner folgende Merkmale aufweist:
eine Serie von N piezoelektrischen Schichten (12 _x), wobei sich die Serie von der ersten Ober fläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt,
eine Mehrzahl von dazwischenliegenden Elektroden (14B), wobei jede derselben zwischen benachbarten piezoelektrischen Schichten angeordnet ist, und
eine erste und eine zweite Elektrode (14A, 14C), wobei die erste Elektrode die erste Oberfläche und die zweite Elektrode die zweite Oberfläche be rührt, wodurch eine Spannungsdifferenz über der piezoelektrischen Anordnung eingerichtet wird; und
zwei Sende/Empfangsleitungen, die mit der piezoelektri schen Anordnung, die bei zwei Schwingungsmoden arbei tet, elektrisch verbunden sind, wobei jeder Schwin gungsmodus einer der zwei unterschiedlichen Frequenzen entspricht.

12. Wandler, der bei einer ersten und einer zweiten Fre quenz wirksam ist, mit folgenden Merkmalen:
einer Mehrzahl von M Anordnungen mit jeweils einer er sten und einer zweiten Oberfläche, wobei jede Anordnung ferner folgende Merkmale aufweist:
eine Serie von N elektro-akustischen Schichten (12 _x), wobei sich die Serie von der ersten Ober fläche zu der zweiten Oberfläche erstreckt,
eine Mehrzahl von dazwischenliegenden Elektroden (14B), wobei jede derselben zwischen benachbarten elektro-akustischen Schichten angeordnet ist, und
eine erste und eine zweite Elektrode (14A, 14C), wobei die erste Elektrode die erste Oberfläche und die zweite Elektrode die zweite Oberfläche be rührt, wodurch eine Spannungsdifferenz über der Anordnung eingerichtet wird; und
M Sende/Empfangsleitungen, wobei jede Leitung mit einer entsprechenden der Mehrzahl von M Anordnungen elek trisch verbunden ist, wobei ein erster Abschnitt der Mehrzahl der M Anordnungen bei der ersten Frequenz ar beitet, während ein zweiter Abschnitt der Mehrzahl der M Anordnungen bei der zweiten Frequenz arbeitet.

13. Wandler gemäß Anspruch 12, bei dem die Serie der N elektro-akustischen Schichten (12 _x) eine Serie von N piezoelektrischen Schichten ist.

14. Wandler gemäß Anspruch 12, bei dem mindestens eine der Serie von N elektro-akustischen Schichten (12 _x) eine Schicht aus einem elektrostriktiven Material ist.