DE2727691A1

DE2727691A1 - Ultraschallsonde

Info

Publication number: DE2727691A1
Application number: DE19772727691
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Fukukita; Akira Fukumoto; Masami Kawabuchi; Jun-Ichi Sato
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1976-10-25
Filing date: 1977-06-20
Publication date: 1978-04-27
Also published as: GB1559030A; DE2727691C3; MX145789A; JPS5353393A; JPS5617026B2; DE2727691B2; CA1076693A; US4101795A

Description

Dipl.-Chem. Biihling

2727691 Dipl.-lng. Kinne

Dipl.-lng. Grupe

U Bavarlarlng 4, Postfach 20 24 03

8000 München 2

Tel.: (0 89) 53 96 53-56 Te!ex:5 24 845tipat cable. Germaniapatent München 20.Juni 1977 B 8272
case PG5O-7717

Matsushita Electric Industrial Company,Limited

Osaka,Japan

Ultraschallsonde

809817/0593

VI/SO

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) KIo. 670-43-804

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallsonde mit piezoelektrischen Wandlerelementen, die besonders für die Verwendung bei Ultraschall-Diagnose- oder -Untersuchungsgeräten mit elektronischer Abtastung geeignet ist.

Die Ultraschalluntersuchung, bei der entweder reflektierte oder durchgelassene Ultraschallsignale Informationen über das Innere des Materials eines Objekts ergeben, findet gegenwärtig eine sehr breite Anwendung. Hinsichtlich der Untersuchungsobjekte besteht keine Einschränkung auf Metalle und andere unterschiedliche Materialien, sondern zu ihnen zählt auch der menschliche Körper; Ultraschall-Diagnose-Geräte haben sich auf unterschiedlichen klinischen Gebieten als sehr geeignet erwiesen. Bei den gegenwärtigen Ultraschall-Untersuchungs- oder Diagnosegeräten werden meistens piezoelektrische Wandler verwendet. Wenn bei diesen Geräten eine elektronische Abtastung angewendet wird, wird eine Vielzahl von Wandlerelementen in einer geeigneten Anordnung zu einer Ultraschallsonde zusammengefaßt, die sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeitet.

Die Erfindung betrifft Schwingungsarten von piezoelektrischen Wandlerelementen in einer Vielelemente-Ultraschallsonde. Zunächst werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1-3 der Zeichnung der Aufbau und die Schwingungsarten einer herkömmlichen Ultraschallsonde beschrieben.

Nach Fig. 1 hat eine herkömmliche Ultraschallsonde für ein Untersuchungsgerät mit elektronischer Abtastung eine Mehrzahl von (n) Wandlerelementen 12 (12-1, 12-2, ..., 12-n), die jeweils aus einer rechteckigen Platte 14 aus piezoelektrischem Material, das entweder ein kristallines

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Material wie Quarzkristall oder ein keramisches Material ist, für das Blei-Zirkonat-Titanat typisch ist, sowie zwei dünnen Elektrodenschichten bzw. -filmen 16 und 16' bestehen, die jeweils auf die vordere und die hintere Fläche der piezoelektrischen Platte 14 aufgeschichtet sind. Die Elektrodenschichten 16, 16' sind durch Plattieren, Vakuumaufdampfen oder Aufbringen eines leitfähigen Anstrichs gebildet. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind üblicherweise die Wandlerelemente 12 unter Gegenüberstellung ihrer längeren Seiten aufrecht in einer geraden Reihe unter gleichen Abständen d angeordnet. Manchmal wird jedoch anstelle der gezeigten eindimensionalen linearen Anordnung entweder eine eindimensionale nichtlineare Anordnung oder eine zweidimensionale Anordnung der Wandlerelemente 12 angewendet. Die Ultraschallsonde 10 hat üblicherweise eine akustische Impedanzanpassungsschicht 18 in der Form einer Platte, die auf die Reihe der Wandlerelemente so aufgelegt ist, daß sie die Außenflächen der vorderen Elektrodenschichten 16 aller Wandlerelemente 12 dicht anliegend abdeckt. Ein Beispiel für das Material der Impedanzanpassungsschicht 18 ist ausgehärtetes Epoxyharz, in dem eindispergiertes Wolframpulver enthalten ist. Die Sonde weist eine hinterlegte Belastungsschicht 20 auf, die in enger Berührung mit den Außenflächen der Rückseiten-Elektrodenschichten 16' aller Wandlerelemente 12 ist, so daß die Reihe der Wandlerelemente 12 fest zwischen die Impedanzanpassungsschicht 18 und die hinterlegte Belastungsschicht 20 eingelegt ist. Als Material für die hinterlegte Belastungsschicht 20 kann auch die vorstehend beschriebene Epoxy-Wolfram-Mischung verwendet werden, jedoch kann das Material aus unterschiedlichen Metallen, Keramiken und Kunstharzen gewählt werden.

Bei einem Ultraschall-Untersuchungsgerät ist die UltraschallsondelO unter Zwischenschaltung eines elektronischen Schal-

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ters 26 zur Abtastung für die Erregung der piezoelektrischen Wandlerelemente 12 mit einer Treiberschaltung 22 und für die Verarbeitung eines von den Wandlerelementen 12 empfangenen reflektierten Signals (das zu einem Sichtgerät oder einem Aufzeichnungsgerät übertragen wird) mit einer Empfängerschaltung 24 verbunden. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet Zuleitungsdrähte, die die Wandlerelemente 12 mit dem elektronischen Schalter 26 verbinden. Im Betrieb wird die Außenfläche der akustischen Impedanzanpassungsschicht in Berührung mit einem Untersuchungsobjekt 30 gebracht, wie beispielsweise im Falle eines Ultraschall-Diagnosegeräts mit dem menschlichen Körper.

Für die Funktion der Ultraschallsonde 10 sind die Schwingeigenschaften der piezoelektrischen Platten 14 ein grundlegender Faktor. Alle Platten 14 haben die gleiche hexahedrale bzw. sechsflächige Form und üblicherweise gemäß der Darstellung in den Fig. 2 und 3 die Form von verhältnismäßig langgestreckten und dünnen rechteckigen Platten. Die Längsachse, die Querachse und die Vertikalachse einer jeden Platte 14 wird (gemäß der Darstellung in Fig. 3) jeweils mit x, y und ζ bezeichnet, während die Länge H, die Breite W und die Dicke t der Platte 14 jeweils als Dimensionen entlang der x-Achse, der y-Achse und der z-Achse definiert sind. Wenn die Platte 14 aus piezoelektrischem kristallinem Material besteht, wird üblicherweise die c-Achse des Kristalls zur z-Achse der Platte 14 gemacht. Wenn die Platte 14 aus piezoelektrischem keramischem Material besteht, wird das Material üblicherweise so polarisiert, daß die Richtung P der Polarisation mit der Richtung ζ der Dicke der Platte 14 übereinstimmt. Die Elektrodenschichten 16, 16' sind auf den zu der x-y-Ebene parallelen Flächen ausgebildet.

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Dieses Wandlerelement 12 ist mit der Absicht ausgelegt, die piezoelektrische Platte 14 in einer Dicken-Längs-Schwingungsart zu verwenden, wobei es in der Praxis allgemein üblich ist, in der Richtung ζ der Dicke der Platte 14 eine Resonanz mit halber Wellenlänge hervorzurufen. Demnach ist die Dicke t der piezoelektrischen Platte 14 durch die folgende Gleichung (1) bestimmt:

wobei Λ die Wellenlänge ist, V die Geschwindigkeit der Ultraschallwelle in der piezoelektrischen Platte 14 ist und f die Frequenz ist.

Wenn gemäß der Darstellung in Fig. 2 zur Bildung einer Gesamtlänge L (die als wirksame Breite der Ultraschallsonde 10 betrachtet werden kann) η Wandlerelemente 12 unter gleichen Abständen d in einer geraden Reihe angeordnet sind, ist die Breite W eines jeden Wandlerelements 12 bzw. einer jeden Platte 14 naturgemäß durch die folgende Gleichung (2) gegeben:

(2) W = — d

Soweit bekannt ist, wurde bisher außer bei Erwägungen der Beziehung zwischen der Anzahl η der Wandlerelemente 12 in einer Ultraschallsonde 10 und der Gesamtbreite der Ultraschallsonde 10 der Breite W der Platte 14 keine besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Bei herkömmlichen Ultraschallsonden für Geräte, die nicht mit einer elektronischen Abtastschaltung ausgestattet sind, ist das Breite/Dicke-Verhältnis W/t für die Platte 14 beachtlich groß und üblicherweise größer als 10/1. Bei Anwendung eines elektronischen Abtastverfahrens

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besteht eine allgemeine Entwicklungsrichtung dahin, die Anzahl η der Wandlerelemente 12 zu steigern, so daß das Verhältnis W/t im allgemeinen klein wird, wie zum Beispiel ungefähr 3/1 oder sogar kleiner.

Primäre Schwingungsarten des rechteckigen Wandlerelements 12 nach Fig. 3 sind die Dicken-Längs-Schwingungsart, bei der eine Resonanz für eine sich in Richtung ζ ausbreitende Schallwelle auftritt, und zwei Arten von Breiten-Längs-Schwingungen, bei denen eine Resonanz jeweils bei sich in den Richtungen χ und y ausbreitenden Schallwellen auftritt. Im Falle der Geräte mit elektronischer Abtastung liegt die Breite W der Platte 14 der Dicke t ziemlich nahe und ist ausreichend klein in bezug auf die Länge H, so daß die Breiten-Längs-Schwingung in x-Richtung vernachlässigt werden kann. Es reicht aus, als Resonanzarten die Dicken-Längs-Schwingung in der z-Richtung (die abgekürzt als TL-Schwingung bezeichnet wird) und die Breiten-Längs-Schwingung in der y-Richtung (die abgekürzt als WL-Schwingung bezeichnet wird) in Betracht zu ziehen.

Es wurde festgestellt, daß eine nicht durchdachte Verringerung der Breite W des Wandlerelements 12 auf weniger als ungefähr das Fünffache der Dicke t eine Interferenz der WL-Schwingungsarten mit der TL-Schwingung verursacht und eine beträchtliche Verzerrung des Ultraschall-Strahlungs-Diagramms des Wandlerelements 12 ergibt. Wenn eine Ultraschalluntersuchung unter Anwendung von Wandlerelementen ausgeführt wird, die ein verzerrtes Ultraschall-Strahlungs-Diagramm zeigen, zeigt eine durch die Untersuchung erzielte visuelle Information unvermeidbar eine Qualitätsverschlechterung.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Lösung der bei den herkömmlichen Ultraschallsonden in piezoelektrischer Ausführung auftretenden, vorstehend beschriebenen Probleme eine piezoelektrische Ultraschallsonde zu schaffen, deren Wandlerelemente eine nahezu ideale Kolbenschwingung in ihrer Grundschwingungsart ohne Verkopplung mit unerwünschten Schwingungsarten ausführen können.

Dabei soll erfindungsgemäß eine Ultraschallsonde der beschriebenen Art geschaffen werden, bei der die Wandlerelemente in Rechteckplattenform mit einem bestimmten Breite/ Dicke-Verhältnis so ausgebildet sind, daß sie eine nahezu ideale Kolbenschwingung ausführen.

Ferner soll die erfindungsgemäße Ultraschallsonde besonders für Ultraschall-Diagnosegeräte mit elektronischer Abtastvorrichtung geeignet sein.

Die erfindungsgemäße Ultraschallsonde weist eine Mehrzahl von Wandlerelementen auf, die jeweils aus einer Rechteckplatte aus piezoelektrischem Material, die ein Breite/ Dicke-Verhältnis von nicht mehr als 0,8 hat, und zwei Elektrodenfilmen gebildet sind, die jeweils auf der vorderen und der hinteren Fläche der Platte aufgeschichtet sind, sowie eine akustische Impedanzanpassungsschicht. Die Wandlerelemente sind unter Gegenübersetzung ihrer längeren Seiten in einer Reihe in Abständen angeordnet. Die akustische Impedanzanpassungsschicht hat einen Schichtenaufbau aus einer gleichförmig starken Innenschicht aus einem ersten Material, dessen akustische Impedanz 2,5 - 9,5mal so groß ist wie die akustische Impedanz eines Objekts der Ultraschalluntersuchung, und einer gleichförmig starken Außenschicht aus einem zweiten Material, dessen akustische Impedanz 1,6 2,7mal so groß ist wie die akustische Impedanz des genannten

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Objekts; die Impedanzanpassungsschicht ist in der Weise auf die Reihe der Wandlerelemente aufgesetzt, daß die Innenschicht die vorderen Elektrodenfilme aller Wandlerelemente eng anliegend bedeckt.

Das Breite/Dicke-Verhältnis der piezoelektrischen Platte liegt vorzugsweise im Bereich von o,4 - o,7.

Als Material für die piezoelektrische Platte wird vorzugsweise entweder Bleititanat-Keramik oder ein keramisches System aus Bleititanat, Bleizirkonat und Bleimagnesiumniobat gewählt.

Bei einer Ultraschallsonde für Ultraschall-Diagnostikgeräte werden vorzugsweise Arsensulfidglas, Kronglas oder geschmolzenes Quarz als Material der Innenschicht der akustischen Impedanzanpassungsschicht und ein Kunstharz für die Außenschicht der Impedanzanpassungsschicht verwendet. Die Sonde braucht mit keinerlei hinterlegter Belastungsschicht ausgestattet sein, so daß die hinteren Elektrodenfilme vorzugsweise gegenüber der Umgebungsluft freiliegen. Vorzugsweise befindet sich in den Zwischenräumen zwischen den Wandlerelementen nichts anderes als Luft.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1-3 zeigen die Form und die Anordnung von

Wandlerelementen bei einer herkömmlichen Ultraschallsonde.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung von Veränderungen von Resonanz- und Antiresonanz-Frequenzkonstanten einer Rechteckplatte

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aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit einer Änderung des Breite/Dicke-Verhältnisses der Platte.

Fig. 5 ist ein Strahlungsdiagramm einer nicht erfindungsgemäßen Ultraschallsonde.

Fig. 6 ist ein Beispiel der Teilchengeschwindigkeitsverteilung an dieser Sonde.

Fig. 7 zeigt ein Ultraschallstrahlungsdiagramm, das auf den Daten nach Fig. 6 beruht.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung von

theoretischen Veränderungen der Resonanzfrequenzkonstante/einer Rechteckplatte aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit einer Veränderung des Breite/Dicke-Verhältnisses der Platte.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit eines elektromechanischen Kopplungskoeffizienten einer Rechteckplatte aus piezoelektrischem Keramikmaterial von dem Breite/Dicke-Verhältnis der Platte zeigt.

Fig. 10 ist eine teilweise Seitenschnittansicht einer erfindungsgemäßen Ultraschallsonde.

Fig. 11 zeigt die Form und die Anordnung der Wandlerelemente dieser Sonde.

Fig. 12 ist eine Rückansicht dieser Sonde.

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Fig. 13—16 sind Modelle einer erfindungsgemäßen Sonde, die Schwingarten der Sonde als Ergebnis einer Analyse nach dem sog. Verfahren endlicher Elemente zeigen.

Fig. 17 ist ein Strahlungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Ultraschallsonde

Als Grundmaterial von Ultraschallwandlern wurden verbreitet ausser piezoelektrischen kristallinen Materialien wie Quarzkristall und Lithiumniobat verschiedene piezoelektrische keramische Materialien verwendet. Beispiele für üblicherweise verwendete keramische Materialien sind Bleititanat (nachstehend als PC-1 bezeichnet), piezoelektrische Zweikomponenten-Keramikmaterialien wie Bleititanatzirkonat (nachstehend als PC-2 bezeichnet) und piezoelektrische Dreikomponenten-Keramikmaterialien wie ein System aus Bleititanat, Bleizirkonat und Bleimagnesiumniobat (nachstehend als PC-3 bezeichnet).

In unterschiedlicher Weise wird für unterschiedliche Arten von Materialien die Erscheinung beobachtet, daß WL-Schwingungsarten mit der TL-Schwingung einer Rechtecksplatte aus piezoelektrischem Material interferieren. Dies geschieht aufgrund von Unterschieden der elektromechanischen Kopplungskoeffizienten zwischen den keramischen Materialien. Relative Intensitäten der TL-Schwingung und der WL-Schwingung für ein jeweiliges Material können aus den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten des Materials unter Berücksichtigung der jeweiligen Schwingungsarten abgeschätzt werden. Die elektromechanischen KQpplungskoeffizienten k und k'₃₁ eines piezoelektrischen Keramikmaterials sind unter Berücksichtigung der TL-Schwingung bzw. der WL-Schwingung jeweils durch die folgenden Gleichungen gegeben:

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^kt ^{= G}33

33

'33

k¹

31

1 - Oc

2 N

Ί -

Dabei sind k

31

piezoelektrische Spannungskonstante des Keramik-

materials

dielektrische Konstante des Keramikmaterials unter

Konstantverformung

Elastizitätsmodul des Keramikmaterials piezoelektrischer Modul des Keramikmaterials

Dielektrizitätskonstante des Keramikmaterials unter Konstantbelastung

Federkonstante des Keramikmaterials Poissonsches Verhältnis des Keramikmaterials

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Zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, der in der TL-Schwingungsart arbeitet, ist bei dem piezoelektrischen Material für den Wandler ein großer Wert für den Koeffizienten k. und ein kleiner Wert für den Koeffizienten k'₃₁ gewünscht. Die Tabelle 1 zeigt Beispiele der drei Arten von Keramikmaterialien PC-1, PC-2 und PC-3.

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Tabelle 1

	Elektromechanische Kopplungskoeffizienten	Breiten längs schwingung	Breiten dehnungs schwingung	Resonanzfrequenz konstanten (MHz mm)	Breiten dehnungs schwingung	830
Material	Dicken- längs- schwingung	k¹ ^K 31	k¹ ^K 33	Dicken- längs- schwingung	^N133	770
	•^kt	0,53	0,66	^Nt	1,4	140
PC-2	0,49	0,54	0,66	1,9	1,4
PC-3	0,46	0,07	0,71	1,9	1,4
PC-1	0,48 ■	1,1

(Werte der elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von anderen
Zweikomponenten- und Dreikomponenten-Keramikmaterialien weichen
nicht wesentlich von den in der Tabelle 1 aufgeführten Werten für
PC-2 und PC-3 ab)

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Wie aus der Tabelle 1 zu ersehen ist, haben die beiden Materialien PC-2 und PC-3 (und unterschiedlich zusammengesetzte Zweikomponentenmaterialien) beachtlich große Werte für k'_... Dementsprechend tritt die Interferenz der WL-Schwingungsarten mit der TL-Schwingung auf, wenn ein auf einem dieser Keramikmaterialien beruhender Ultraschallwandler die Form einer länglichen Rechteckplatte hat, ohne daß das Verhältnis W/t der Platte besonders berücksichtigt ist. Bei Ultraschallwandlern mit PC-1, dessen Merkmal ein sehr kleiner Wert für k¹,« ist, haben die WL-Schwingungsarten einen weitaus geringeren Einfluß auf die TL-Schwingung.

Zur gründlichen Untersuchung des Einflusses von WL-Schwingungen auf die TL-Schwingung bei im Handel erhältlichen piezoelektrischen Keramikmaterialien wurden ausgedehnte Versuche ausgeführt. Die Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Verhältnis W/t einer Rechtecksplatte eines Materialmusters für PC-3 und deren Frequenzkonstante (f«t) hinsichtlich der WL-Schwingungsarten, der bei den Versuchen ermittelt wurde. Bei jedem der Kurvenpaare wie WL₁, WL₂/

WL, stellt die untere Kurve die Resonanzfrequenzkonstante ο

dar, während die obere Kurve die Antiresonanzfrequenzkonstante darstellt. Wenn der Wert des Verhältnisses W/t ausreichend groß ist (W/t> -~ 5), hängt die die TL-Schwingung betreffende Frequenzkonstante f«t nicht von W/t ab, sondern bleibt konstant (ungefähr 2 MHz·mm). Ein Einfluß der WL-Schwingungen auf die TL-Schwingung tritt auf, wenn das Verhältnis W/t unter ungefähr 5 sinkt. Dabei bleibt die auf die TL-Schwingung bezogene Frequenzkonstante nicht langer konstant, sondern zeigt mit Verminderung des Verhältnisses W/t einen allmählichen Anstieg. Insbesondere kann bei einem Verhältnis W/t zwischen ungefähr 3 und 2 eine die Beziehung zwischen W/t und f-t für die TL-Schwingung darstellende Kurve (falls

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eine solche Kurve in der Fig. 4 gezeichnet wäre) von den die WL-Schwingungen repräsentierenden Kurven nicht unterschieden werden. Wenn das Verhältnis W/t ungefähr 2,5 ist, schwingt die Platte in einer komplizierten Schwingungsart, da die TL-Schwingung sowohl mit der WL.-Schwingung als auch mit der WL_-Schwingung gekoppelt ist.

Wenn die TL-Schwingung mit WL-Schwingungen gekoppelt ist, kann die rechteckige Platte bzw. das Wandlerelement nicht langer eine einfache Kolbenbewegung in Richtung der Dicke ausführen. Zum Erzielen eines guten Ultraschallsignals aus einer Ultraschallsonde, die einer elektronischen Abtastung unterzogen ist, ist eine Grundbedingung, daß jedes Wandlerelement der Sonde als einfache Kolbenschallquelle arbeitet, jedoch kann diese Bedingung nicht eingehalten werden, wenn die vorstehend beschriebene Verkopplung unterschiedlicher Schwingungsarten auftritt.

Eine durch die Verkopplung der Schwingungsarten erzeugte nachteilige Auswirkung nimmt vorzugsweise die Form einer Verzerrung des Ultraschallstrahlungsdiagramms der Sonde an, wie sie durch folgende Versuchsergebnisse und theoretische Analysen dargestellt ist.

In der Fig. 5 ist die ausgezogene Kurve ein experimentell erzieltes Fernfeld-Strahlungsdiagramm einer Ultraschallsonde mit zwei Wandlerelementen aus PC-3 in Form von Rechteckplatten mit einem W/t-Verhältnis von 2,5. Die gestrichelte Kurve stellt ein theoretisches Strahlungsdiagramm unter der Annahme dar, daß die Sonde als Kolbenschallquelle arbeitet. Unter Berechnung aus der Fig. 5 wurde die Geschwindigkeitsverteilung an der Oberfläche der geprüften Wandlerelemente als beträchtlich verzerrt ermittelt. Eine derartige Verzerrung wird durch die Verkopplung der TL-Schwingung der

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Elemente mit den WL₄-und WL₅-Schwingungen gemäß der Darstellung in Fig. 4 verursacht. Die Fig. 6 zeigt ein Beispiel der Verteilung in y-Richtung der Ultraschall-Schwinggeschwindigkeit in z-Richtung an der Oberfläche eines PC-3-Elements. In der Fig. 7 zeigt die ausgezogene Kurve ein Fernfeld-Strahlungsdiagramrn, das mit einem Wandlerelement erzielt wird, das die in Fig. 6 gezeigte Geschwindigkeitsverteilung aufweist, während die gestrichelte Kurve ein Fernfeld-Strahlungsdiagramm einer Kolbenschallquelle zeigt. Wie durch die Strahlungsdiagramme nach Fig. 5 gezeigt ist, bewirkt eine Verkopplung unterschiedlicher Schwingungsarten eine Verzerrung des Strahlungsdiagramms und insbesondere eine erhebliche Verstärkung von Nebenkeulen. Wenn eine Ultraschalluntersuchung mit einer derartigen Verzerrung des Strahlungsdiagramms der Wandlerelemente ausgeführt wird, erleiden die bei der Untersuchung empfangenen Ultraschallsignale und daher die auf den empfangenen Signalen beruhenden Bilder eine beträchtliche Qualitätsverschlechterung, die beispielsweise in der Intensität, der Auflösung und dem Kontrastverhältnis zum Ausdruck kommt.

Ein verzerrtes Strahlungsdiagramm gemäß der Darstellung in den Figuren 5-7 ist nicht dem Material PC-3 eigentümlich. Die Versuche wurden mit unterschiedlichen Arten handelsüblicher piezoelektrischer Keramikmaterialien ausgeführt, um nachzuweisen, daß alle keramischen Materialien mit Ausnahme von PC-1 als Ergebnis einer Verkopplung der TL-Schwingungsart mit den WL-Schwingungsarten unzureichende Signale oder Bilder ergeben.

Die in Fig. 5 gezeigten Versuchsergebnisse wurden unter Eintauchen der Wandlerelemente in Wasser ohne Anbringen irgendeiner Impedanzanpassungsschicht und Messen der Intensität eines von einem Unterwasserziel reflektierten Ultraschall-

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signals erzielt. Die Verzerrung des Ultraschall-Strahlungsdiagrairans wurde beträchtlich durch Aufbringen einer akustischen Impedanzanpassungsschicht einesbesonderen Aufbaus vermindert, der später beschrieben wird.

Bei einer erfindungsgemäßen Ultraschallsonde unterscheiden sich die Wandlerelemente hinsichtlich des Materials, der grundsätzlichen Form und der Anordnung nicht besonders von den Elementen bei herkömmlichen Sonden. Jedoch ist es eines der wesentlichen Merkmale der Erfindung, daß das W/t-Verhältnis eines jeden Elements (genauer einer jeden Platte aus einem piezoelektrischen Material) einen Wert von nicht mehr als 0,8 und vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,7 hat. Es wurde festgestellt, daß die vorstehend beschriebene Verkopplung von TL- und WL-Schwingungsarten grundsätzlich durch Verwendung eines solchen Wertes für das Verhältnis W/t der Rechteckplatte als wesentlichen Teil des Wandlerelements vermieden werden kann. Die Grundlage für den besonderen Wert des Verhältnisses W/t ist folgende:

Die Fig. 8 zeigt im wesentlichen das gleiche wie Fig.4 , jedoch sind die Kurven nach Fig. 8 theoretische Kurven, die bei dem Material PC-3 durch Berechnungen erzielt sind, welche eine Erweiterung der grundsätzlichen Verfahren waren, die von R. Holland im "Journal of Acoustical Society of America", Vol. 46 (1974), S. 989, und von D.C. Gazis u. a. im "Journal of Applied Mechanics", Sept. 19 60, S. 541, angegeben wurden. Die Analyse mit dem Verfahren "endlicher Elemente" ergibt gleichfalls diese Kurven. Bei Ultraschallsonden ist es in der Praxis allgemein üblich, entweder kurze Impulse oder Tonfrequenz-Impulssignale bzw. Burstsignale für die Erregung der Wandlerelemente zu dem Zweck zu verwenden, die Längsauflösung zu verstärken. Eine Ultraschallsonde empfängt dann ein reflektiertes Signal, das

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sich als Ergebnis einer Intensitätsmodulation eines gesendeten Impulssignals ergibt, so daß das empfangene Signal eine bestimmte Bandbreite mit der Mittelfrequenz f des gesendeten Signals als Mitte hat. Im allgemeinen kann die Bandbreite Ai zu Af «s f_Q/2 angenommen werden. Das Anlegen eines Ultraschallsignals mit einer derart großen Bandbreite ergibt unvermeidbar die Erregung einiger unterschiedlicher Schwingungsarten. Wenn beispielsweise nach Fig. 8 das PC-3-Element ein W/t-Verhältnis von 2 hat und grundsätzlich in der TL-Schwingungsart betrieben wird, deren Frequenzkonstante ungefähr 2 MHz»mm ist, tritt eine gleichzeitige Erregung von WL-Schwingungen wie WL₃, WL. und WLc auf, deren Frequenzkonstanten f*t bei diesem Verhältnis W/t innerhalb eines 1 MHz«mm breiten Bereichs an beiden Seiten der Frequenzkonstante der TL-Schwingung von ungefähr 2 MHz'itun liegen. Die auf diese Weise verursachten WL-Schwingungen interferieren mit der TL-Schwingung und beeinträchtigen die Eigenschaften des Elements in der vorstehend beschriebenen Weise.

Erfindungsgemäß wird das Verhältnis W/t des Wandlerelements mit der Absicht sehr klein gemacht, zwangsläufig die niedrigste WL-Schwingungsart WL- nach Fig. 8 zu nützen. Wie aus der Fig. 8 zu ersehen ist, zeigen die jeweiligen Frequenzkonstanten der höheren WL-Schwingungsarten einen großen Anstieg mit abnehmendem Verhältnis W/t des Elements, die Frequenzkonstante der WL..-Schwingungsart zeigt jedoch nur einen gemäßigten Anstieg. Folglich entsteht ein großer Unterschied zwischen einer Frequenz, bei der die WL₁-Schwingung auftritt, und einer höheren Frequenz, bei der die WLp-Schwingung (oder eine noch höhere Schwingungsart) auftritt, wenn das Verhältnis W/t einen ausreichend niedrigen Wert annimmt. Wenn W/t 0,8 ist, wächst der Abstand zwischen der WL..-Schwingungsart und der WL_-Schwingungsart auf 0,7 MHz'mm an. Das heißt, bei diesem Verhältnis W/t nimmt das

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diese beiden Schwingungsarten betreffende Verhältnis 4f/f einen Wert von ungefähr 1, d. h. einen deutlich größeren Wert als 1/2 an. Daher tritt bei Verwendung der WL--Schwingungsart als Grundschwingungsart keine unerwünschte Schwingungsart innerhalb der Bandbreite eines mittels der Grundschwingung erzielten Ultraschallsignals auf, sobald das Verhältnis W/t des Elements 0,8 oder kleiner ist. Aus diesem Grund zeigt ein Wandlerelement der beschriebenen Form mit einem W/t-Verhältnis von nicht mehr als 0,8 ein Schallwellen-Strahlungsdiagramm, das dem Strahlungsdiagramm einer Kolbenschallquelle sehr nahe kommt. Daher können bei einem derartigen Wandlerelement mit Sicherheit theoretisch begründete Verfahren für Sonderzwecke wie die Unterdrückung von Nebenkeulen und die Ausführung einer Phasensteuerung angewandt werden.

Wenn das Verhältnis W/t einer Rechteckplatte ausreichend klein ist, tritt in deutlichem Gegensatz zu der Dickenschwingung der Platte, die üblicherweise bei Ultraschallsonden für Untersuchungsgeräte mit elektronischer Abtastung angewandt wird, die Schwingung der Platte in der WL₁-Schwingungsart als Breitenausdehnungsschwingung der Platte auf. Sowohl die Frequenzkonstante als auch der elektromechanische Kopplungskoeffizient von piezoelektrischen Materialien nehmen hinsichtlich unterschiedlicher Schwingungsarten unterschiedliche Werte an. Für die typischen piezoelektrischen Keramikmaterialien PC-1, PC-2 und PC-3 sind die Frequenzkonstanten N¹.,, und die elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k' ^, die beide die Breitenausdehnungsschwingung der Platte betreffen, gleichfalls in der Tabelle 1 aufgeführt. In der Tabelle 1 ist es besonders beachtenswert, daß die Werte für k' ^, die zu beachten sind, wenn die Materialien mit einem ausreichend kleinen Verhältnis W/t geformt werden, beträchtlich größer als die Werte

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für k sind. Bekanntermaßen weist eine Ultraschallsonde
bessere Eigenschaften auf, wenn der elektromechanische
Kopplungskoeffizient einen größeren Wert annimt. Da die
Schwingung der Wandlerelemente in einer erfindungsgemäßen
Sonde im wesentlichen als Breitenausdehnungsschwingung der Platte betrachtet werden kann, ergibt sich daraus, daß die Elemente für den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten einen beträchtlich größeren Wert als im Falle der Ausführung einer Dickenlängsschwingung haben, wie sie bei herkömmlichen Sonden üblich ist. Dementsprechend weist eine
erfindungsgemäße Ultraschallsonde erheblich verbesserte
Eigenschaften auf.

Das Symbol k'_., stellt einen wirksamen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten dar, der von Bedeutung ist, wenn W/t ausreichend klein ist. Es ist möglich, experimentell den Wert des wirksamen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k bei irgendeinem beliebigen W/t zu bestimmen, das nicht notwendig klein zu sein braucht. Die Fig. 9 zeigt den experimentell bestimmten Zusammenhang zwischen W/t und dem wirksamen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k für eine Rechteckplatte aus PC-3. Es ist klar ersichtlich, daß k einen beachtlich großen Wert annimmt, wenn W/t unterhalb 0,8 liegt, und daß k ein Maximum annimmt, wenn W/t zwischen 0,4 und 0,7 liegt.

Die Fig. 10 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer
erfindungsgemäßen Ultraschallsonde 50. Gleichartig wie die herkömmliche Ultraschallsonde 10 nach Fig. 1 hat diese Ultraschallsonde 50 eine Mehrzahl von Wandlerelementen 52, die
die Form von Rechtecksplatten haben und die in einer Reihe mit kleinen Zwischenräumen angeordnet sind. Jedes Wandlerelement 52 ist eine langgestreckte rechteckige Platte 54
aus einem piezoelektrischen Material mit zwei Elektroden-

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filmen 5G bzw. 56', die jeweils auf der vorderen bzw. der hinteren Fläche der Platte aufgeschichtet sind. Als Material für die Platte 54 sind piezoelektrische Keramikmaterialien einschließlich Bleititanat (PC-1), Zweikomponenten-Systemen wie Bleititanatzirkonat (PC-2) und Dreikomponenten-Systemen verwendbar, für welche ein System aus Bleititanat, Bleizirkonat und Bleimagnesiumniobat (PC-3) typisch ist. Vorzugsweise ist Bleititanat oder PC-3 und insbesondere das letztere zu verwenden. Es ist jedoch auch die Anwendung eines kristallinen Materials wie Quarzkristall oder LiNbO₃ möglich. Das gewählte piezoelektrische Material wird in der Weise zu der Platte 54 geformt, daß die Richtung der Dicke t der Platte 54 mit der Richtung der Polarisation zusammenfällt, wenn das Material ein Keramikmaterial ist, jedoch mit der Richtung der c-Achse zusammenfällt, falls das Material ein kristallines Material ist. Die piezoelektrische Platte 54 muß ein bestimmtes Breite/Dicke-Verhältnis haben, das nicht größer als 0,8 ist und vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,7 liegt. Für die Elektrodenfilme 56, 56' wird als Material ein üblicherweise verwendetes Metall wie Ag, Al, Au, Cu oder In verwendet; die Filme werden durch Vakuumaufdampfen, Löten, Plattieren, Flammenspritzen oder Aufbringen eines Anstrichs mit nachfolgender Hitzehärtung gebildet.

Die rechteckigen Wandlerelemente 52 sind gemäß der Darstellung in Fig. 11 unter Gegenüberstellung ihrer (zu den mit den Elektrodenfilmen 56, 56' beschichteten Flächen senkrechten) längeren Seiten in einer Reihe wie beispielsweise in einer ausgefluchteten geraden Reihe angeordnet. Es ist notwendig, die Wandlerelemente 52 mit Zwischenräumen anzuordnen, da durch Bestehen von Lücken 58 zwischen den Wandlerelementen 52 irgendeine akustische Verkopplung zweier benachbarten Wandlerelemente 52 vermieden werden kann. Das Vorhandensein irgendeiner festen Substanz in diesen Lücken bzw.

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Zwischenräumen 58 muß streng vermieden werden, da selbst bei Vorhandensein eines kleinen Volumens an fester Substanz in irgendeinem der Zwischenräume 58 eine Interferenz zwischen benachbaren Wandlerelementen auftritt, wodurch ein "übersprechen" der Signale verursacht wird. In der praktischen Anwendung werden daher die Zwischenräume 58 mit Luft gefüllt oder alternativ evakuiert. Es ist anzustreben, die Breite der Zwischenräume 58 so klein wie möglich zu machen; die untere Grenze ist durch das Herstellungsverfahren bestimmt.

Die Fig. 12 ist eine Rückansicht der Reihe von Wandlerelementen 52. Die vorderen Elektrodenfilme 56 der jeweiligen Wandlerelemente 52 sind miteinander durch Elektrodenzwischenverbinder 57 verbunden, so daß sie als eine gemeinsame Elektrode dienen, und für diese Elektrodenfilme 56 ist eine Zuleitung 59 vorgesehen. Die hinteren Elektrodenfilme 56' sind einzeln mit Zuleitungen 59' ausgestattet.

Nach Fig. 10 hat die Ultraschallsonde 50 eine akustische Impedanzanpassungsschicht 60, die auf die Reihe der Wandlerelemente 52 so aufgelegt ist, daß sie in enger Berührung mit den vorderen Elektrodenfilmen 56 aller Wandlerelemente ist und sie gänzlich abdeckt. Die Ausgestaltung der Impedanzanpassungsschicht 60 ist ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung. Bei dieser Ultraschallsonde 50 besteht die Impedanzanpassungsschicht 60 aus einer gleichförmig dicken Innenschicht 60a, die in Berührung mit den Elektrodenfilmen 56 ist, und einer gleichförmig dicken Außenschicht 60b, die auf die Außenseite der Innenschicht 60a über der ganzen Fläche aufgeklebt ist. Demgemäß wird die Außenseite der Außenschicht 60b in Berührung mit einem Objekt der Ultraschall-Untersuchung oder -diagnose gebracht. Die Innenschicht 60a und die Außenschicht 60b sind gemäß der nachstehenden Beschreibung im Material ver-

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schieden. Eine voll wirksame Sonde kann selbst dann noch erzielt werden, wenn die akustische Impedanzanpassungsschicht als Einzelschicht aus einem geeigneten Material gebildet ist, jedoch hat die Anwendung einer Doppelschicht oder eines Schichtaufbaus als Impedanzanpassungsschicht in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Wandlerelementen 52 deutliche Vorteile.

Der Aufbau der akustischen Impedanzanpassungsschicht wurde unter voller Berücksichtigung von zwei Faktoren, nämlich des Einfügungsgewinns (I.G) und der differentiellen Phase (DP) bestimmt, die als geeignet für die Entwicklung der Eigenschaften der Ultraschallsonde 50 bekannt sind. Der Einfügungsgewinn I.G stellt einen Maßstab für den elektrischmechanischen Umsetzwirkungsgrad dar: je größer der Wert von I.G ist, um so besser ist der Wirkungsgrad. Die differentielle Phase DP steht in Zusammenhang mit dem Ausmaß der zeitlichen Verzerrung eines der Umsetzung mittels eines Wandlers unterzogenen Signals. Wenn die differentielle Phase eine geringere Veränderung in bezug auf die Frequenz aufweist, tritt eine geringere Verzerrung des Signals auf. Der Einfügungsgewinn I-G und die differentielle Phase DP sind beispielsweise von K.E. Sittig in "IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics", Vol. 14 (1967), No. 4, S. 167, ausführlich erläutert. Die experimentellen Untersuchungen im Hinblick auf den Einfügungsgewinn I.G. und die Frequenzabhängigkeit der differentiellen Phase DP für unterschiedliche Materialien haben gezeigt, daß die Materialien für die Innenschicht 6oa und die Außenschicht 60b der akustischen Impedanzanpassungsschicht 60 vorzugsweise nach folgenden Prinzipien auszuwählen sind:

Für die Innenschicht 60 a wird ein Material gewählt, dessen akustische Impedanz 2,5 bis 9,5mal so groß ist wie

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die akustische Impedanz eines Objekts der Untersuchung unter Verwendung der Ultraschallsonde 50. Das Material für die Außenschicht 60b soll eine akustische Impedanz haben, die kleiner als diejenige des Materials für die Innenschicht 6Oa ist, jedoch das 1,6 bis 2,7fache der akustischen Impedanz des Untersuchungsobjekts ist.

Wenn die Ultraschallsonde 50 zur Verwendung bei Ultraschall-Diagnosegeräten (mit dem menschlichen Körper als Objekt) dient, ist als Material für die Innenschicht 60a Arsensulfidglas am besten geeignet, wonach Kronglas und dann geschmolzenes Quarz folgen. Flintglas, Schwerflintglas und Germaniumsulfidglas sind gleichfalls als Material der Innenschicht 60a brauchbar. Andererseits sind für die Außenschicht 60b unterschiedliche Kunstharze wie Epoxyharz, Acrylharz, Polystyrol, PVC, ABS-Harz und Zyanharz brauchbar, wobei am besten Epoxyharz verwendet wird.

Die Stärken der Innenschicht 60a und der Außenschicht 60b werden vorzugsweise so festgelegt, daß sie die folgenden Bedingungen erfüllen: Die Stärke der Innenschicht 60a wird in einen Bereich von 45 - 68 % eines durch V· /2f gegebenen Wertes gelegt, wobei V die Schallgeschwindigkeit in dem

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Material der Innenschicht 60a ist und f die Frequenz der Ultraschallwelle ist, während die Stärke der Außenschicht 60b in den Bereich von 48 - 64 % eines durch V /2f gegebenen Werts gelegt wird, wobei V die Schallgeschwindigkeit in dem Material der Außenschicht 60b ist.

Wenn die jeweiligen Schichten 60a und 60b der Impedanzanpassungsschicht 60 derartige Stärken haben, wird die Stärke t der piezoelektrischen Platten 54 vorzugsweise so festgelegt, daß sie im Bereich von 80 - 120 % eines durch N' _/f gegebenen Werts liegt.

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Obgleich es bei dieser Erfindung nicht ausdrücklich aufgeführt ist, ist es möglich, für eine Sonde mit erfindungsgemäßen Wandlerelementen 52 eine akustische Impedanzanpassungsschicht als Einzelschicht zu gestalten. In diesem Fall wird die Impedanzanpassungsschicht aus einem Material hergestellt, dessen akustische Impedanz 2- bis 4mal so groß ist wie die akustische Impedanz eines Untersuchungsobjekt. Vorzugsweise wird Kronglas oder Germaniumsulfidglas verwendet.

Die Ultraschallsonde 50 braucht nicht mit irgendeiner hinterlegten Belastung (20 in Fig. 1) ausgestattet zu sein, so daß die rückseitigen Elektrodenfilme 56' gewöhnlich gegenüber der Umgebungsluft freiliegen. Es ist jedoch möglich, die Ultraschallsonde 50 mit einer hinterlegten Belastungsschicht auszustatten, die aus einem Material hergestellt ist, dessen akustische Impedanz kleiner als die eines Untersuchungsobjekts ist. Als solches Material dienen Wachs oder leichte Kunststoffe.

Die erfindungsgemäße Sonde hat den Vorteil, daß die Wandlerelemente 52 nahezu wie ein Kolben ohne Beeinflussung durch ungewünschte Schwingungsarten schwingen können. Die theoretische Analyse der Schwingung der Wandlerelemente wurde mit einem Verfahren ausgeführt, das "Verfahren endlicher Elemente" oder "Matrixverfahren" genannt wird. Wie in vielen Lehrbüchern zu ersehen ist, werden bei diesen Verfahren für jeden kleinen Teilbereich eines Körpers aus Belastungsbedingungen, Materialeigenschaften und dem Aufbau des Körpers die Belastung, die Verformung und die Versetzung berechnet.

Nach Fig. 13 wurde die Analyse anhand eines Modells 100 vorgenommen, das aus einer Rechtecksplatte 154 aus PC-3, einer Platte 160a aus geschmolzenem Quarz und einer Platte 160b

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aus Epoxyharz konstruiert wurde. Die piezoelektrische Platte 154 war 0,7 mm dick (t), 0,41 mm breit (W) und 1o nun lang (H). Die Schmelzquarz-Platte 160a und die Epoxyharz-Platte 160b (die als Innenschicht 60a und Außenschicht 60b der akustischen Impedanzanpassungsschicht 60 in Fig. 10 dienten) waren allgemein unbestimmt breit und 10 nun lang. Die Schmelzquarz-Platte 160a war 0,6 mm dick, während die Epoxyharz-Platte 160b 0,28 mm dick war. Diese Werte für die Dicken der jeweiligen Platten 154, 160a und 160b erfüllten die vorstehend beschriebenen Bedingungen. Das Bezugszeichen 200 bezeichnet ein Medium bzw. eine Belastung, auf die die Schwingung übertragen wird. Bei der Analyse wurde als Medium 200 Wasser angenommen.

Als Ergebnis der Analyse zeigt die Fig. 14 eine Versetzungsverteilung an dem Modell nach Fig. 13, wenn die piezoelektrische Platte 154 in einer Grundschwingungsart schwingt, die der WL₁-Schwingungsart nach Fig. 8 entspricht. Durch Fig. 14 wurde theoretisch bestätigt, daß die Wandlerelemente 52 in der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde 50 eine nahezu ideale Kolbenschwingung in ihrer Grundschwingungsart ausführen. Die Fig. 15 und 16 zeigen gleichfalls als Ergebnis der Analyse die Arten von Schwingungen des gleichen Modells 100 bei höheren Schwingungsarten. Die Fig. 16 zeigt, daß bei höheren Schwingungsarten die tatsächliche Schwingung eine Abweichung von der Kolbenschwingung aufweist. Aus Fig. 8 ist jedoch deutlich, daß die Resonanzfrequenz für diese Platte 154 aus PC-3 4,5 MHz ist und ausreichend weit von der Frequenz der Grundschwingungsart mit 2,25 MHz liegt. Demgemäß hat diese Resonanzart keinen nachteiligen Einfluß auf die Grundschwingungsart. Durch gleichartige Analyse an Ultraschallsonden 50 wurde bestätigt, daß die Wandlerelemente 52 der Ultraschallsonde 50 beim Schwingen in der der WL₁-Schwingungsart entsprechenden Grundschwingungsart selbst dann

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eine Kolbenbewegung ausführen, wenn die Abmessungen und die Materialien von den bei dem Modell 100 angewandten verschiedenartig abgewandelt werden (sofern die vorstehend beschriebenen Erfordernisse eingehalten sind).

Die Fig. 17 zeigt die Winkelverteilung der Schallwellenstrahlungsintensität, die durch Versuch an der Ultraschallsonde 50 nach Fig. 10 mit im wesentlichen den Materialien und den Dickewerten gemäß dem Modell 100 nach Fig. 13 erzielt wird. Die Kreise in dieser graphischen Darstellung stellen im Fernfeld erzielte Versuchsdaten dar, während die Kurve ein theoretisches Strahlungsdiagramm darstellt. Die gute Übereinstimmung der experimentellen Daten mit den theoretischen Werten ist offensichtlich.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, kann die erfindungsgemäße Ultraschallsonde als nahezu ideale Kolbenschallquelle arbeiten und hat daher die folgenden Vorteile:

Es entsteht keine Kopplung einer Grundschwingung mit unerwünschten Schwingungsarten. Demgemäß wird eine beträchtliche Vereinfachung nicht nur der mechanischen Eigenschaften, sondern auch der elektrischen Eigenschaften der Wandlerelemente bzw. der Sonde hervorgerufen, was eine Erleichterung bei dem Entwurf der Treiberschaltung der Untersuchungsgeräte bedeutet und die Wahrscheinlichkeit einer elektrischen Interferenz zwischen Grundschwingungen und ungewünschten Schwingungen herabsetzt.

Ein verbesserter Einfügungsgewinn und eine verbesserte Bandbreite können aufgrund der Verwendung der Breitenausdehnungsschwingung anstelle der üblicherweise verwendeten Dickenlängsschwingung erreicht werden, was eine Steigerung

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des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von keramischen Wandlermaterialien von k_fc auf k'₃₃ bedeutet.

Aus dem gleichen Grund kann eine beträchtliche Verminderung des Wertes des akustischen Widerstands Zs des Wandlers erzielt werden. Beispielsweise verringert sich dieser Wert für PC-3 von 36,5 χ 10 (cgs) im Falle der TL-Schwingung auf 25 χ 10 (cgs) im Falle der Breitenausdehnungsschwingung. Als Folge davon kann die akustische Anpassung leichter erzielt werden.

Aufgrund der Realisierung einer nahezu idealen Kolbenschallquelle kann die Steuerung der abgesendeten Schallwelle (z.B. des bewertete η Antriebs, der Fokussierung der Strahlen oder der schrägen Strahlung) durch die Phasen- oder Intensitätssteuerung der Antriebssignale an die einzelnen Wandlerelemente auf einfache Weise und genau ausgeführt wurden.

Die erfindungsgemäße Ultraschallsonde ist besonders für die Verwendung bei Ultraschall-Diagnosegeräten mit elektronischer Abtastung geeignet, sie ist aber auch für andere Arten von Ultraschall-Untersuchungs- oder -diagnosegeräten geeignet.

Mit der Erfindung ist eine besonders für Ultraschalldiagnostikgeräte mit elektronischer Abtastung geeignete Ultraschallsonde geschaffen, die eine Mehrzahl piezoelektrischer Wandlerelemente, die jeweils die Form einer Rechteckplatte mit an beiden Seiten aufgeschichteten Elektrodenfilmen haben und die mit Zwischenräumen in einer Reihe angeordnet sind, und eine akustische Impedanzanpassungsschicht aufweist, die auf die Reihe der Wandlerelemente aufgelegt

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ist. Das Breite/Dicke-Verhältnis einer jeden piezoelektrischen Platte hat einen Wert von nicht mehr als 0,8 und vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,7, so daß die Platte in der Breitenausdehnungsschwingungsart schwingen kann. Insbesondere ist eine Impedanzanpassungsschicht mit einem Schichtenaufbau aus zwei Schichten vorzuziehen, die hinsichtlich der akustischen Impedanz der jeweiligen Materialien verschieden sind und die einzeln eine bestimmte Stärke haben.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Ultraschallsonde für Ultraschall-Untersuchungsgeräte, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Wandlerelementen (52) aus jeweils einer rechteckigen Platte (54) aus piezoelektrischem Material, deren vordere und hintere Fläche jeweils mit einem vorderen bzw. einem hinteren Elektrodenfilm (56, 56') beschichtet ist, wobei die Platte ein Breite-Dicke-Verhältnis (W/t) von nicht mehr als 0,8 hat und die Wandlerelemente unter Gegenüberstellung ihrer längeren Seiten in einer Reihe mit Abständen so angeordnet sind, daß die Platte als Grundschwingungsart eine Breitenausdehnungsschwingung ausführen kann, und durch eine akustische Impedanzanpassungsschicht (60) aus einer gleichförmig starken Innenschicht (60 a) aus einem ersten Material, die zur enganliegenden Abdeckung der vorderen Elektrodenfilme aller Wandlerelemente aus der Reihe der Wandlerelemence angebracht ist, und einer gleichförmig starken Außenschicht (60b) aus einem zweiten Material, die zur enganliegenden Abdeckung der Außenfläche der Innenschicht auf der Innenschicht aufgebracht ist, wobei die akustische Impedanz des ersten Materials 2,5 - 9,5 mal so groß wie die akustische Impedanz eines Objekts der Ultraschall-Untersuchung ist und die akustische Impedanz des zweiten Materials geringer als die akustische Impedanz des ersten Materials, jedoch 1,6 - 2,7mal so groß wie die akustische Impedanz des Objekts ist.

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ORIGlNAI₁. INSPECTED
2. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Breite-Dicke-Verhältnis (W/t) im Bereich von 0,4 - 0,7 liegt.
3. Ultraschallsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material Bleititanat-Keramik ist.
4. Ultraschallsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material ein Keramiksystem aus Bleititanat, Bleizirkonat und Bleimagnesiumniobat ist.
5. Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material ein Glas ist, das aus der Gruppe Arsensulfidglas, Kronglas, geschmolzenes Quarz, Germaniumsulfidglas,
Flintglas und Schwerflintglas gewählt ist, während das zweite Material ein Kunstharz ist, das aus der Gruppe Epoxyharz, Polystyrol, Acryronitril-Butadien- *%, Styrol-Harz, Polyvinylchlorid, Acrylharz und Cyanharz gewählt ist.
6. Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Material ein Glas ist, das aus der Gruppe Arsensulfidglas, Kronglas und geschmolzenes Quarz gewählt ist, während
das zweite Material Epoxyharz ist.
7. Ultraschallsonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht (60a) eine Stärke im Bereich von 45 - 68 % eines

durch V /2f gegebenen Wertes und die Außenschicht (60b)

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ORIGINAL INbHtCTED"

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eine Stärke im Bereich von 48 - 64 % eines durch V,/2f gegebenen Wertes hat, wobei f die Frequenz einer mittels der Sonde zu erzeugenden Ultraschallwelle ist, V_ die Schallgeschwindigkeit in dem

ersten Material ist und V, die Schallgeschwindigkeit in dem zweiten Material ist.
8. Ultraschallsonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Lücken (58) zwischen den Wandlerelementen (52) nur Luft ist.
9. Ultraschallsonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hinteren Elektrodenfilme (56') aller Wandlerelemente (52) völlig gegen die Umgebungsluft offen sind.
10. Ultraschallsonde nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-8, gekennzeichnet durch eine hinterlegte Belastungsschicht (20), die aus einem Material mit einer akustischen Impedanz hergestellt ist, die niedriger als die akustische Impedanz des Objekts (30) der Ultraschall-Untersuchung ist, und die zur Abdeckung der hinteren Elektrodenfilme (56') aller Wandlerelemente (52) aus der Reihe der Wandlerelemente aufgebracht ist.

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