DE2712341A1

DE2712341A1 - Ultraschallwandler mit variablem brennpunkt

Info

Publication number: DE2712341A1
Application number: DE19772712341
Authority: DE
Inventors: Philip Shepard Green
Original assignee: Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 1976-11-01
Filing date: 1977-03-21
Publication date: 1978-05-03
Also published as: GB1554349A; NL7712029A; JPS5357090A; FR2369768A1

Description

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Patentanwälte Dipl. IiV?. R^-r.-.-": -_{!: ;}.^: _;i,_lf,_r Dr. rer. ;:;ü. "_; ho-·^; ;Vr:mlt

Lücile-Grahn-St, aßc i8 D 3 München 80

Stanford Research Institute 333 Ravenswood Avenue^ D112 Menlo Park _# Californien, U.S.A.

Uitraschaiiwandier mit variable!» Brennpunkt

Lh/f i

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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler mit variablem Brennpunkt, insbesondere einen Sende- und/oder Empfangswandler für akustische Druckwellen.

Ultraschallwandler mit variablem Brennpunkt, mit einer zentralen Elektrode mit einer oder mehreren sie umgebenden, etwa ringförmigen Elektroden sind bekannt. Diese Wandler haben einen gleichmäßig gepolten zylindrischen Körper aus elektro-mechanisch empfindlichen Material, z.B. einen piezoelektrischen Kristall, der an gegenüberliegenden parallelen Flächen mit Elektroden versehen ist. Eine Anordnung von Elektroden, mit einer zentralen Elektrode und einer Mehrzahl von etwa ringförmigen Umgebungselektroden, ist an wenigstens einer Fläche des piezo-elektrischen Körpers angeordnet, wobei die Elektroden über einer Gegenelektrode oder Gegenelektroden an der gegenüberliegenden Seite des Körpers liegen. Die elektrischen Verbindungen zu den Elektroden können in Form von Verzögerungsleitungen mit variabler Verzögerung ausgeführt sein, um einen Betrieb mit variablem Brennpunkt zu erhalten. Bei einer Verzögerung von Null oder bei gleicher Verzögerung auf den Verzögerungsleitungen haben diese bekannten Wandleranordnungen eine unendliche Brennweite. Der Strahlverlauf der einzelnen Wandlerelemente hängt unter anderem von den radialen Abmessungen der Elemente ab, wobei die Richtwirkung oder das Richtvermögen mit einer Abnahme der radialen Breite zunimmt. Die Mindestbrennweite, mit der solche Wandler wirksam arbeiten können, ist durch die Größe des Wandlers begrenzt und mit einer Begrenzung der Größe ist auch die entsprechende Empfindlichkeit begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler mit variablem Brennpunkt vom Ring-Typ zu schaffen, der mit kurzen Brennweiten und hoher Empfindlichkeit zu arbeiten

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in der Lage ist; die Größe des Wandlers soll nicht durch die Brennweiten begrenzt sein; ferner sollen die elektrischen Zeitverzögerungen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs von Brennweiten kürzer sein, als dies bei bekannten Vorrichtungen dieser Art erforderlich ist.

Dies wird erreicht durch eine akustische Fokussiereinrichtung mit festem Brennpunkt, wie z.B. akustischen Linsen, Reflektoren, einer Eigenkrümmung der Elektrodenanordnung oder dergleichen, in Verbindung mit einer Wandleranordnung mit variablem Brennpunkt, mit einer zentralen Elektrode, die von einer oder mehreren, im wesentlichen ringförmigen Elektroden umgeben ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind variable elektrische Verzögerungseinrichtungen in den Verbindungen zu den Elektroden der Elektrodengruppe eingebaut. Bei Null-Verzögerung oder gleicher Verzögerung fokussiert der Wandler in einem Brennpunkt, der durch die akustische Fokussiereinrichtung mit fester Brennweite erzeugt wird. Eine Fokussierung in unterschiedlichen Tiefen wird durch Veränderung der Verzögerung erreicht, die durch die elektrischen Verzögerungseinrichtungen erzeugt wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist vorteilhafterweise eine Mehrzahl von Impulssendern vorgesehen, die mit einzelnen Elektroden der Elektrodengruppe verbunden sind und es werden Zeitsteuerungen verwendet, um den sequentiellen Arbeitsablauf zu steuern, um die akustisch fokussierte Anordnung elektrisch zu fokussieren.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

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Fig. 1 in Draufsicht einen Wandler mit veränderlichem Brennpunkt bzw. veränderlicher Brennweite zeigt.

Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt im Schnitt eine modifizierte Ausführungsform des Wandlers, der einen gekrümmten Wandlerkörper zur akustischen Fokussierung anstatt der akustischen Linse nach den Fig. 1 und 2 aufweist.

Fig. 4 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform mit einem Fokussier-Spiegel zur akustischen Fokussierung.

Fig. 5 zeigt in Form eines Blockdiagrammes eine modifizierte Ausführungsform der elektrischen Anordnung zur elektrischen Variierung der akustischen Brennweite oder des akustischen Brennpunktes des Wandlers.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Ultraschallwandler 10 mit variablem Brennpunkt. Der Wandler hat einen zylindrischen Körper oder eine Platte 12 aus piezoelektrischem Material eines geeigneten Typs, z.B. Bariumtitanat, Bleizirkonat-Titanat oder dergleichen. Der piezoelektrische Körper ist normal polarisiert an seinen gegenüberliegenden parallelen Flächen während der Herstellung, z.B. indem er einem elektrischen Ein-Richtungs-Feld ausgesetzt wird.

Die Oberfläche der piezoelektrischen Platte 12 gegenüber der unteren aktiven Wandlerfläche ist mit einer Mehrzahl von axial fluchtenden Elektroden 14-1, 14-2 und 14-3 versehen. Die mittlere Elektrode 14-1 hat Kreisform und die Außenelektroden 14-2 und 14-3 haben Ringform. Die Elektroden an der oberen Fläche des piezoelektrischen Körpers liegen

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über einer Gegenelektrode 16, die die gesamte aktive untere Fläche des piezoelektrischen Körpers überdeckt. Die aktiven Wandlerzonen in der piezoelektrischen Platte 12 sind durch die Abmessungen der konzentrischen Elektroden bestimmt. Die Elektroden 14-1, 14-2 und 14-3 sind über elektrische Verzögerungsleitungen 20-1, 20-2 und 20-3 entsprechend an eine geeignete, nicht gezeigte, Ultraschallwandler-Einrichtung, einen Empfänger oder eine Sender/Empfänger-Einheit angeschlossen. Es sind variable Verzögerungseinrichtungen vorgesehen, um durch den Wandler eine Fokussierung in verschiedenen Tiefen längs der akustischen Achse 22 zu erzeugen.

Der insoweit beschriebene Wandler besteht im wesentlichen aus einer konzentrisch angeordneten Gruppe von Elektroden. Solche Wandler waren bisher mit einer Mehrzahl von Elektroden versehen, beispielsweise zwischen fünf und sieben, aus Gründen der Einfachheit sind jedoch nur drei konzentrische Elektroden gezeigt. Die untere aktive Fläche kann hierbei mit Elektroden derselben Abmessungen wie die Elektroden 14-1, 14-2 und 14-3 versehen sein, die direkt unter diesen angeordnet sein können. Ferner kann die piezoelektrische Platte 12 aus einer Mehrzahl von konzentrischen Elementen bestehen, deren Form ähnlich der Form der mit ihnen verbundenen Elektroden ist. Ferner kann eine entgegengesetzte Polarisation des piezoelektrischen Körpers in seinen benachbarten Zonen verwendet werden. Die Elektroden sind außerdem nicht auf die dargestellte Kreisoder Ringform beschränkt. Es können auch Wandleranordnungen mit einer langgestreckten kreisförmigen Mittelelektrode und ähnlich geformten Außenelektroden benutzt werden. Solche langgestreckten Elektroden können Zentren an verschiedenen Punkten längs des piezoelektrischen Körpers haben, um eine Winkelverschiebung der akustischen Achse von der physikalischen Achse des Körpers zu erreichen. Solche Variationen sind bekannt

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und werden daher nicht im Detail beschrieben. Bei einer Null-Verzögerung oder bei gleicher Verzögerung in den Verbindungen dieser bekannten Wandler zu der zugehörigen Sende- und/oder Empfangseinheit haben die Elektrodenanordnungen eine unbegrenzte Brennweite. Sie werden auf Punkte fokussiert/ die näher bei der Anordnung liegen durch Verwendung geeigneter elektrischer Verzögerungseinrichtungen in den Verbindungen der Elektroden zu der akustischen Sende- und/oder Empfangseinheit. Die Strahlbreite bei den Ringen nimmt jedoch mit abnehmender Brennweite zu, weshalb in der Vergangenheit dies durch Verringerung der Breite der ringförmigen Elektroden kompensiert wurde. Hierdurch wird jedoch die aktive Fläche der Apertur der Elektrodenanordnung reduziert und dementsprechend auch die Empfindlichkeit.

Nach der Erfindung wird eine Kombination aus akustischen Fokussiereinrichtungen mit festem Brennpunkt und einer elektrischen Wandleranordnung mit variablem Brennpunkt verwendet, um eine Anordnung zu schaffen, die eine Fokussierung mit kurzen Brennweiten ohne Verlust an Empfindlichkeit ermöglicht. In den Fig. 1 und 2 wird eine akustische Fokussierung erreicht durch Verwendung einer akustischen Linse 24 an der aktiven Wandlerfläche. Eine Fläche der Linse 24 hat dieselbe Form wie die zugeordnete Fläche des Wandlerkörpers, an der die Linse angebracht ist, die in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 kreisförmig ist. Die gegenüberliegende Linsenfläche ist geeignet konkav gekrümmt, um der Linse die gewünschte feste Brennweite zu geben. Durch Auswahl einer Linse mit einer Brennweite innerhalb oder im Endbereicht der Brennweiten, die im Betrieb erwünscht sind, sind die Verzögerungszeiten, die zur Uberdeckung des Bereiches erforderlich sind, kleiner, als wenn die Linse nicht verwendet wird, der Strahlverlauf der Anordnung ist auf die zentrale

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Achse 22 gerichtet, wodurch die Anforderungen hinsichtlich der Strahlbreite oder Bandbreite reduziert werden und die Breite der Ringe, d.h. der Elektrodenringe, kann größer ausgeführt werden, wenn die akustische Fokussiereinrichtung mit fester Brennweite benutzt wird, wodurch die aktive Fläche der Apertur der Wandleranordnung und demzufolge auch die Empfindlichkeit erhöht werden.

Bei Verwendung anderer Wandler vom Ring-Typ können auch andere akustische Fokussiereinrichtungen mit fester Brennweite verwendet werden. Beispielsweise ist in der Ausführungsform nach Fig. 3 der piezoelektrische Wandlerkörper geeignet gekrümmt, um die erforderliche akustische Fokussierung zu erzeugen. Der Wandler 30 hat einen im allgemeinen zylindrischen Körper 32 aus piezoelektrischem Material. Eine Mehrzahl von axial ausgerichteten Elektroden 34-1, 34-2 und 34-3, die den Elektroden 14-1, 14-2 und 14-3 in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 entsprechen, sind an der oberen Fläche des piezoelektrischen Körpers angeordnet, während an dessen unterer aktiver Fläche eine Elektrode 36 angeordnet ist. Der elektronisch fokussierte Wandler nach Fig. 3 hat im wesentlichen denselben Aufbau wie der Wandler 10, außer daß die aktive Fläche konkav gekrümmt ist, um den Wandler mit dem gewünschten festen akustischen Brennpunkt zu versehen. Die akustische Achse und der Brennpunkt F, der durch die Krümmung des Wandlers gegeben ist, ist in Fig. 3 dargestellt. In den Anschlüssen der Elektroden 34-2 und 34-3 zur nicht-gezeigten Sende- und/oder Empfängereinheit liegen variable Verzögerungseinrichtungen 40-2 und 40-3. Die Mittelelektrode 34-1 ist direkt angeschlossen, ohne Verwendung einer Verzögerungseinrichtung. Der Betrieb des Wandlers mit einem Brennpunkt zwischen dem dargestellten festen Brennpunkt F bis zu unendlich ist somit möglich, abängig von den verwendeten Verzögerungen.

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Wenn variable Verzögerungsleitungen in die Verbindungen zu den konzentrischen Elektroden, wie sie z.B. in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, eingeschaltet sind, kann der Brennpunkt bzw. die Brennweite elektrisch längs der akustischen Achse 22 verändert werden und zwar in Richtung jeder Seite vom Brennpunkt F aus gesehen, der durch die akustische Fokussiereinrichtung gegeben ist.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der Erfindung, die einen Wandler 50 mit variablem Brennpunkt verwendet, der einen zylindrischen piezoelektrischen Körper 12 aufweist, konzentrische Elektroden 14-1, 14-2, 14-3 auf einer Seite des Körpers und eine untere Elektrode 16 auf der gegenüberliegenden Seite, wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2. Verzögerungseinrichtungen 20-1 und 20-2 liegen in den Verbindungen zu den Elektroden 14-1 und 14-2. Die äußere ringförmige Elektrode 14-3 ist direkt an einen nicht-gezeigten Ultraschallsender und/oder Empfänger angeschlossen, ohne Verwendung einer Verzögerungseinrichtung. Ein gekrümmter Spiegel 44 bildet die akustische Fokussiereinrichtung mit festem Brennpunkt für den Wandler mit variablem Brennpunkt. Sind die Verzögerungseinheiten 20-1 und 20-2 auf Null oder gleich eingestellt, so werden akustische Wellen vom Wandler im Brennpunkt F des Spiegels 44 fokussiert. Durch eine geeignete Steuerung der Verzögerungseinrichtungen 20-1 und 20-2 wird die Brennweite der Anordnung reduziert und man erhält eine Fokussierung näher beim Spiegel. Dargestellt ist eine Fokussierung im Punkt F1 auf der akustischen Achse 46 für den Fall, in dem die Verzögerungseinheiten 20-1 und 20-2 mit ausgewählten Verzögerungszeiten betrieben werden. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen sind somit variable Verzögerungseinheiten vorgesehen, um den Brennpunkt der Anordnung längs der akustischen Achse 46 zu variieren.

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Andere Einrichtungen, um elektrisch die Fokussierung zu variieren, die durch die akustische Fokussiereinrichtung erzeugt wird, sind in Fig. 5 gezeigt. Die dargestellte elektrische Einrichtung, die zusammen mit einer akustisch fokussierten Wandleranordnung, wie dem Wandler 10 nach den Fig. 1 und 2, verwendet werden kann, umfaßt eine Mehrzahl von Sendern 60-1, 60-2 und 60-3, die durch die Ausgänge einer Zeit-Steuerungseinheit 62 betätigt werden. Es sind Wellenformen auf den Ausgangsleitungen der Steuereinheit gezeigt, die aus Impulsen bestehen, die zu unterschiedlichen Zeiten auftreten, so daß die Sender oder Geber 60-1, 60-2, 60-3 nacheinander betätigt werden. Eine solche sequentielle Arbeitsweise liefert dieselben elektrischen Fokussierungs-Wirkungen, wie die Verwendung von unterschiedlichen Verzögerungen in den Anschlüssen eines einzigem Impulsgebers zu den verschiedenen Elektrodenringen des Wandlers.

Wie oben erwähnt, bietet die Erfindung unter anderem den Vorteil, daß die radiale Breite der ringförmigen Elektroden größer ausgeführt werden kann als bei bekannten Anordnungen, wodurch die aktive Fläche der Wandleröffnung gesteigert werden kann und als Folge davon auch die Empfindlichkeit der Anordnung. Dies wird ermöglicht durch die Rückführung des Strahlverlaufes des Wandlers zur akustischen Achse, die durch die akustische Einrichtung mit festem Brennpunkt gegeben ist, wie z.B. der Linse, dem Spiegel oder der gekrümmten Wandlerfläche. Die Beschränkungen hinsichtlich der Strahlbreite bei den verschiedenen Elektrodenringen werden dadurch reduziert.

Wie oben erwähnt, ist es nicht notwendig, daß die Wandlerelektroden konzentrisch ausgeführt sind. Die Elektroden können auch elliptisch geformt und exzentrisch angeordnet sein.

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Hierbei werden eine zentrale Elektrode und eine oder mehrere Außenelektroden mit solcher Form verwendet, daß der Wandler unterschiedliche physikalische und akustische Achsen hat.

Der erfindungsgemäße Wandler hat somit akustische Fokussiereinrichtungen mit fester Brennweite, wie z.B. Linsen, Reflektoren, Wandler mit Eigenkrümmung, sowie elektrische Fokussiereinrichtungen, um elektrisch die Brennweite in beiden Richtungen vom Brennpunkt aus gesehen zu verändern, der durch die akustische Fokussiereinrichtung erzeugt wird. Die elektrischen Fokussiereinrichtungen sind z.B. mit Verzögerungsleitungen versehen, um die Wandler mit einer zugehörigen Geber- und/oder Empfangseinheit zu verbinden oder es ist eine Vielzahl von Impulsgeneratoren mit unterschiedlichen Betriebszeiten vorgesehen, die mit den Wandlern verbunden sind. Die Kombination aus akustischen und elektrischen Fokussier-Wandlern eignet sich zur Verwendung in nicht-zerstörenden Ultraschall-Untersuchungsverfahren, ferner zur Ultraschall-Untersuchung in der diagnostischen Medizin.

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e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche

i1y Ultraschallwandler mit variablem Brennpunkt, insbesondere für akustische Druckwellen, g e k e η η zeichnet durch einen Wandler aus einem piezoelektrischen Material mit einer ersten Elektrode, die an einer Fläche ausgebildet ist und einer Mehrzahl von Elektroden, bestehend aus wenigstens einer Mittelelektrode und wenigstens einer Außenelektrode, die an einer zu dieser Fläche gegenüberliegenden Fläche ausgebildet sind, eine Fokussiereinrichtung für akustische Wellen, die mit dem Wandler verbunden ist, um einen akustischen Brennpunkt zu erzeugen, und durch elektrische Einrichtungen, die mit den Elektroden verbunden sind, um den Brennpunkt zu variieren, der durch die Fokussiereinrichtung für die akustischen Wellen erzeugt worden ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einrichtung elektrische Zeitverzögerungseinrichtungen mit variabler Verzögerung aufweist, um den akustischen Brennpunkt elektrisch zu variieren.
3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einrichtung eine Mehrzahl von nacheinander betätigbaren Gebern aufweist, die individuell an einzelne Elektroden angeschlossen sind, um den akustischen Brennpunkt elektrisch zu variieren.

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4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung für akustische Wellen einen festen Brennpunkt bzw. eine feste Brennweite hat.
5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung eine Linse aufweist, die auf der akustischen Achse des Wandlers angeordnet ist.
6. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung durch eine konkave aktive Fläche des Wandlers gebildet ist.
7. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung einen gekrümmten Spiegel aufweist, der auf der akustischen Achse des Wandlers angeordnet ist.
8. Ultraschallwandler mit variablem Brennpunkt zur Verwendung in Verbindung mit einer Ultraschall-Geber- und/oder Empfangs-Einrichtung, gekennzeichnet durch eine Gruppe von piezoelektrischen Wandlerelementen mit einem zentralen Wandlerelement und wenigstens einem äußeren Wandlerelement, elektrischen Einrichtungen, um die Wandlerelemente mit der Ultraschall-Geber- und/oder Empfangs-Einrichtung zu verbinden, um den Wandler elektrisch zu fokussieren, und durch eine akustische Fokussiereinrichtung, um den Wandler akustisch zu fokussieren.
9. Wandler nach Anspruch 8* dadurch gekennzeichnet , daß die akustische Fokussiereinrichtcmg ans Wandlerelementen an einem Körper aus piezoelektrischem Material gebildet ist, der eine konkave Fc-kussierf lache aufweist.

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10. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Fokussiereinrichtung eine akustische Linse aufweist, die am Wandler angebracht ist.
11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Linse einen festen Brennpunkt hat.
12. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Fokussiereinrichtung einen gekrümmten akustischen Spiegel mit festem Brennpunkt aufweist, der auf der akustischen Achse des Wandlers angeordnet ist.
13. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einrichtung eine Vielzahl von Zeitverzögerungsschaltungen mit unterschiedlicher Zeitverzögerung aufweist, die mit den Wandlerelementen verbunden ist.
14. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einrichtung eine Vielzahl von Impulsgebern aufweist, um elektrische Impulse zu erzeugen, die an individuelle Wandlerelemente gelegt werden, und daß eine Steuerung vorgesehen ist, um den Arbeitsablauf der Impulsgeber zeitlich zu steuern.

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