DE3304667A1

DE3304667A1 - Ultraschallwandler-anordnung

Info

Publication number: DE3304667A1
Application number: DE19833304667
Authority: DE
Inventors: Axel Ferdinand 95682 Shingle Springs Calif. Brisken; Michael Stuart 95616 Davis Calif. Horner; Lowell Scott 12309 Schenetady N.Y. Smith
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1982-02-16
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1983-08-25
Also published as: DE3304667C2; GB8304239D0; US4425525A; JPS58161493A; GB2114856B; JPH0124480B2; GB2114856A

Description

Pltraschallwandler-Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung des Strahlmusters von einer Ultraschallwandler-Anordnung in der Richtung senkrecht zur Länge der Anordnung.

Das Strahlungsmuster von einer Öffnung kann durch die Beugungstheorie beschrieben werden. Wenn das Muster in dem weiten Feld der Öffnung gemessen wird, ist es die Fourier-Transformation der Öffnungsfunktion, Für eine rechtwinklige Öffnung also hat das Muster Seitenkeulen bzw. Nebenzipfel bei -13dB (Einweg). Erfindungsgemäß wird eine Technik vorgeschlagen, um das Strahlmuster zu verbessern, indem die Energie in den Seitenkeulen vermindert wird, und dies wird vollständig innerhalb des Wandlers erreicht.

In Echtzeit-Abbildungssystemen mit einer linearen phasengesteuerten Anordnung/wird das Strahlmuster in der Bildebene und entlang der Anordnung (X-Achse) vorwiegend durch die System-· Elektronik gesteuert. Das Strahlmuster in der senkrechten Ebene (Y-Achse) kann nicht durch die System-Elektronik verändert werden, und sie wird allein durch den Aufbau der Anordnung bestimmt, übliche Anordnungen, wie beispielsweise diejenigen mit langen, schmalen rechtwinkligen Elementen, haben Strahlprofile in der Y-Achse, die wesentliche Seitenkeulenwerte aufweisen./(linear phased array)

In einer gleichzeitig eingereichten Anmeldung der gleichen Anmuldering P (Anwaltszeichen: 9O53-RD-13090)

VJt: Jon mehrere Techniken zum Schattieren bzw. Abstufen (Shadirun VOi₁ em einzelnes Illement aufweisenden Wandlern und Anordnungen angegeben, bei denen die Intensität der emittierten Strahlung an der Mitte des Wandlers höher und an den Rändern kleiner ist und die eine Verkleinerung in den Seiten-

keulen erreichen. Sie umfassen das Verändern der piezoelektrischen Umwandlungeffizienz oder Polarisation als eine Funktion der Position mit unterschiedlichen Elementlänyen, selektives Polen des pieozoelektrischen Materials zur Erzielung gepolter und ungepolter Bereiche und Steuerung der Elektrodengeometrie. Es wird eine Schattierung bzw. Abstufung sowohl in der X-Achse als auch der Y-Achse beschrieben; die Schattierungsfunktion ist beispielsweise der erhöhte Kosinus oder Hamtiing, und es gibt viele andere Möglichkeiten. Phasengesteuerte Anordnungen können durch die ersten drei Techniken schattiert bzw. abgestuft werden. Eine Konfiguration, die nicht für phasengesteuerte Anordnungen geeignet ist, ist ein großes, rechtwinkliges Rohelement mit unabhängiger Schattierung bzw. Abstufung der Y-Achse, da die eine Elektrode die ganze Länge überdeckt und die andere Elektrode einen Teil der Länge überdeckt.

Eine schattierte bzw. abgestufte lineare Wandleranordnung weist im wesentlichen identische Wandlerelemente auf, die so geformt

haben sind, daß sie mehr Strahlungsfläche/und breiter in der Mitte sind als an den Enden der einzelnen Elemente. Vorzugsweise sind sie etwa rautenförmig. Die Intensität des emittierten Ultraschalls ist in der Y-Achsrichtung senkrecht zur Länge der Anordnung größer an der Mitte und kleiner an den Enden, und das Strahlungsmuster in dieser Richtung weist verminderte Seitenkeulenwerte auf.

Eine derartige Anordnung mit rautenförmigen Elementen wird zweckmäßigerweise dadurch gefertigt, daß geradlinige Schnitte in kleinen Winkeln zueinander vollständig durch einen plattenförmigen rechtwinkligen Rohkörper aus piezoelektrischem Material gemacht werden. Bei Verwendung mit eine phasengesteuerte Anordnung enthaltenden oder geradlinigen Abbildungssystemen hat diese Schattierung- bzw. Abstufungstechnik den Vorteil, daß sie das Strahlungsmuster in der Y-A~hse verbessert, ohne Änderungen in der Elektronik für die verschiedenen X-Kanalelemente zu erfordern. Die Schat-tierMncis- bzw. Abstufungsfunktion kann. ä§§halfe iPQdifiziert Wträen., ifi.ätm nur der

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Wandler verändert wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 zeigt die Strahlprofile der Y-Achse von einer bekannten Anordnung mit langen, rechtwinkligen Elementen und von einer Anordnung gemäß der Erfindung.

Figur 2 ist eine Draufsicht auf eine lineare Anordnung mit grob rautenförmigen Elementen.

Figur 3 ist eine perspektivische Darstellung von einem Element. Figur 4 zeigt die Schattierungs- bzw. Abstufungsfunktion.

Figur 5 ist eine Querschnitts- und teilweise perspektivische Ansicht von einem plattenförmigen piezoelektrischen Rohkörper, der mit Impedanz-Anpassungsschichten verbunden ist.

Figur 6 ist eine perspektivische Darstellung von einem phasengesteuerten Wandler qemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Eine typische lineare Wandleranordnung für die geradlinige und Sektorabtast-Abbildung weist lange, rechtwinklige Wandlerelemente auf, wie sie beispielsweise in Figur 1 der US-PS 4 217 684 gezeigt sind. Jedes Element in der Anordnung ist exakt wie alle anderen Elemente in der Anordnung. Bei bekannten Vorrichtungen ist es üblich, die einzelnen Elemente durch Säguschnitte senkrecht zur Lange der Anordnung zu trennen. Das Strahlungsmuster dieses Anordnungstyps ist in Figur in gestrichelten Linien gezeigt und weist wesentliche Seitenkeulenwerte auf. Es wird jedoch eine wesentliche Verbesserung erzielt durch Verwendung von Anordnungselementen mit einer unterschiedlichen Form.

Eine Verbesserung wird erzielt durch jede Raumform, die mehr Strahlungsfläche an der Mitte als an den Enden der einzelnen Elemente bietet. Es ist wesentlich für den Erfolg der Technik, daß die Strahlungsfläche der einzelnen Elemente eine Form aufweist/ die in der entsprechenden Richtung schattiert bzw. abgestuft ist, anstatt daß gerade eine Elektrode dieser Form verwendet wird. In diesen eine kleine Breite aufweisenden Elementen in der Größenordnung von einer Wellenlänge bei der Emissionsfrequenz sind die normalen Schwingungstypen mit jeder Erregung stark gekoppelt, so daß das gesamte Element für jedes angelegte Signal schwingt. Die Elemente gemäß der Erfindung sind an der Mitte breiter als an den Enden und sind vollständig durchgeschnitten.

Zweckmäßigerweise wird ein derartiges Element unter Verwendung einer halbleitenden Würfelsäge hergestellt, die nur geradlinige Schnitte machen kann. Aus diesem Grunde ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Anordnung, bei dem jedes Element von seinem Nachbarn durch zwei Schnitte in kleinen Winkeln zueinander getrennt sind. Diese Anordnung ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Die dabei entstehenden Elemente 10 sind in etwa rautenförmig und haben viele Eigenschaften ähnlich wie die rechtwinkigen Elemente. Da jedoch die öffnungen in Y-Achse schattiert bzw. abgestuft ist, ist das Strahlungsmuster in dieser Richtung breiter und hat kleinere Seitenkeulen als ein gleichbemessenes rechtwinkliges Element. Dies ist in Figur 1 gezeigt. In der Richtung senkrecht zur Länge der Anordnung ist die Intensität der emittierten Strahlung größer an der Mitte der Elemente als an den Enden, und die Energie in den Seitenkeulen ist vermindert. Die Signal- und Erd- bzw. Masseelektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen des rautenförmigen Elements 10 sind bei 11 und 12 gezeigt.

Die Schattierungs- bzw. Abstufungsfunktion des rautenförmigen Elements ist zusammenhängend und größer in der Mitte als an den Enden. Eine typische Schattierungsfunktion ist in Figur dargestellt. Die Wahl der Schattierungsfunktion hängt von dem

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spezifischen Erfordernis und dem Bedürfnis zur Beibehaltung einer -guten Auflösung ab, wobei berücksichtigt wird, daß eine gleichförmig gewichtete öffnung die beste Auflösung ergibt. Das Strahlungsmuster der schattierten Anordnung stellt eine leicht verschlechterte Auflösung dar, da die Hauptkeule breiter ist.

Die Verbesserung ded Strahlprofils in der Y-Achse wird vollständig innerhalb des Ultraschallwandlers erreicht und erfordert somit keine Veränderung der System-Elektronik unter den Kanälen. Die Schattierungs- bzw. Abstufungsfunktion kann verändert werden, indem nur der Wandler verändert wird.

Das Verfahren zum Fertigen einer in Y-Achse schattierten bzw. abgestuften, eine lineare Anordnung enthaltenden Ultraschallwandlers wird anhand der Figuren 5 und 6 näher erläutert. Eine noch genauere Beschreibung ist in der US-PS 4 217 684 gegeben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Eine rechtwinklige Platte oder Platine 13 aus piezoelektrischer Keramik wird mit Metall.auf allen sechs Seiten plattiert und hat eine Dicke von einer halben Wellenlänge bei der Emissionsfrequenz. Die plattierte Platine 13 wird mit Viertel-Wellenlängen-Impedanzanpassungsschichten 14 und 15 aus Glas (Glas mit Borsäure als Flußmittel, wie es unter dem Handelsnamen Pyrex im Handel erhältlich ist) und Kunststoff (Methacrylsäuremethylester wie es unter dem Handelsnamen Plexiglas im Handel erhältlich ist). -Durch die Metallplattierung auf der Deckfläche der piezoelektrischen Platine 13 sind Trennschlitze 16 geschnitten, um Signal- und rumgewickelte Erd- bzw. Masseelektroden 17 und 18 abzugrenzen. Zwei geradlinige Schnitte 19 und 20 in kleinen Winkeln zueinander werden vollständig durch die piezoelektrische und Impedanzanpassungschichten aufweisende Struktur hindurchführend ausgeführt und schneiden sich nicht an din Seiten der Platine. Die im wesentlichen gleichen, etwa rautenförmigen Elemente 21 haben ebene Enden. Die Plattierung verdeckt das ebene Ende und hängt mit dem Teil der Erd- bzw. Masseelektrode auf der Deckfläche zusammen und erleichtert

die Herstellung einer Verbindung zu ihr. Die abgetrennten dreieckförmigen Abschnitte 22 sind relativ klein und werden nicht beseitigt. Der Rest der Fertigung der Anordnung kann in der Weise durchgeführt werden, wie es in der US-PS 4 217 684 beschrieben ist.

Die verbesserten Strahlmuster dieser Vorrichtungen führen zu wichtigen Systemvorteilen in Produkten mit einer linearen Anordnung. Sie kann in jeder linearen Wandleranordnung für eine Verwendung mit entweder linearen oder Sektorabbildungsformaten enthalten sein. Die klinische Erfahrung hat gezeigt, daß Seitenkeulenverminderung und hohe Empfindlichkeit wichtiger sind als gute Auflösung für den medizinischen diagnostischen Ultraschall.

Claims

Ansprüche

1. Schattierte bzw. abgestufte lineare Ultraschall-Anordnung mit mehreren Wandlerelementen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (10) auf ihren gegenüberliegenden Oberflächen Elektroden aufweisen und an der Mitte breiter und an jedem Ende schmaler sind, so daß in Richtung der Y-Achse senkrecht zur Länge der Anordnung die Intensität des emittierten Ultraschalls größer an der Mitte als an den Enden ist und das Strahlungsmuster verminderte Seitenkeulenwerte aufweist.

2. Wandleranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (10) im wesentlichen gleich sind.

3. Wandleranordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente MO) etwa rautenförmig sind.

4. Schattierter bzw. abgestufter linearer phasengesteuerter

. Ultraschallwandler mit mehreren im wesentlichen gleichen, langgestreckten, vollständig durchgeschnittenen piezoelektrischen Wandlerelementen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente Elektroden auf gegenüberliegenden Hauptflächen aufweisen und etwa rautenförmig sind, so daß in der Richtung der Y-Achse senkrecht zur Länge der Anordnung die .Intensität des emittierten Ultraschalls größer an der Mitte als an den Enden der Anordnung ist und das Strahlungsmuster verminderte Seitenkeulenwerte aufweist.

5. Wandleranordnung nach Anspruch 4,

dad u-rc h- gekennzeichnet, daß beide Enden von jedem Element eben sind und sich eine Elektrode an den ebenen Enden nach oben zu der anderen Oberfläche erstreckt und von der anderen Elektrode getrennt ist.

6. Wandleranordnung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Element wenigstens eine vollständig durchgeschnittene Impedanzanpassungsschicht verbunden ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer schattierten bzw. abgestuften linearen Wandleranordnung, bei der in der Richtung der Y-Achse senkrecht zur Länge der Anordnung ein Strahlungsmuster verminderte Seitenkeulenwerte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen einer rechtwinkligen piezoelektrischen Platine mit Metall plattiert wird, Trennschlitze durch die Metallplattierung auf der einen Oberfläche geschnitten werden, um Erd- bzw. Masse- und Signalelektroden zu trennen, und geradlinige Schnitte unter kleinen Winkeln zueinander gelegt werden, um eine Reihe im wesentlichen

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gleicher, etwa rautenförmiger Wandlerelemente zu bilden.

8. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die geradlinigen Schnitte sich an den Seiten der Platine nicht schneiden und am Ende ebene, rautenförmige Elemente bilden.

9. Verfahren nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Impedanzanpassungsschicht mit der plattierten rechtwinkligen Platine verbunden und durch die geradlinigen Schnitte vollständig durchgeschnitten wird.