DE3611669C2

DE3611669C2 -

Info

Publication number: DE3611669C2
Application number: DE3611669A
Authority: DE
Inventors: Shin'ichiro Hachioji Jp Umemura; Hiroshi Matsudo Jp Takeuchi; Kageyoshi Katakura; Chitose Tokio/Tokyo Jp Nakaya
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1985-04-10
Filing date: 1986-04-07
Publication date: 1991-09-26
Also published as: DE3611669A1; US4680499A

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Ein sol cher Wandler ist aus der DE-OS 31 49 732 bekannt.

Wandler dieser Art mit einer Vielzahl von einzelnen Wandlerelementen werden zur Erzeugung von Abbildungen bei spielsweise in Ultraschalldiagnose- und -überprüfungsgeräten verwendet.

Der bekannte Ultraschallwandler stellt ein sogenanntes monolithisches Wandlerarray dar, bei dem die einzelnen Wand lerelemente lediglich durch das Muster der Elektroden auf der monolithischen piezoelektrischen Platte bzw. Schicht gebildet werden.

Dabei ergibt sich das Problem, daß sich speziell beim Aussenden von Ultraschallsignalen zum Aufbau eines Bildes benachbarte Wandlerelemente durch seitlich fortpflanzende Nebenschwingungen stören, da die Wandlerelemente nicht me chanisch getrennt sind.

Bei der üblichen Dicke der piezoelektrischen Platte von λ/2, wobei λ die Wellenlänge der verwendeten akustischen Welle ist, wird neben der Grundschwingung in der Normalen zur Plattenebene eine starke Nebenschwingung (mit der Wellen länge λ) in einer Richtung erzeugt, die zur Normalen einen Winkel von 60° einschließt, da hier die effektive Dicke der Platte gleich λ ist.

Bei dem eingangs genannten bekannten Ultraschallwandler wird dieses Problem dadurch gelöst, daß für die piezoelek trische Schicht ein in den Wandlerelementbereichen selektiv polarisiertes Polymer verwendet wird, das darüber hinaus eine hohe Dämpfung aufweist, wodurch das Übersprechen zwischen benachbarten Wandlerelementen verringert wird.

Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß sie zum einen bezüglich der erforderlichen selektiven Polarisierung aufwendig ist und zum anderen wegen der hohen Dämpfung auch nur einen geringen Wirkungsgrad zeigt.

Aus der genannten Druckschrift sowie der DE-OS 31 49 732 ist es darüber hinaus bekannt, auf mechanisch getrennte Wandler, die somit kein monolithisches Array bilden, eine λ/4-Anpassungsschicht aufzubringen, und zwar zum Zwecke der besseren akustischen Ankopplung von Wandler und zu untersu chendem Objekt. Da keine monolithisches Array vorgesehen ist, das heißt auch kein Nebensprechen zwischen benachbarten Wandlerelementen zu befürchten ist, wird dazu nur die in der Normalen der Wandlerebene liegende Grundschwingung in Be tracht gezogen. Die Materialien dieser Anpassungsschichten weisen dabei im allgemeinen eine Longitudinalwellengeschwin digkeit auf, die wesentlich geringer ist als die der piezo elektrischen Platte.

Wird eine solche Anpassungsschicht auf einem monolithi schen Array verwendet, so wird die hier auftretende 60°-Ne benwelle beim Übergang in die Anpassungsschicht gebrochen und pflanzt sich dort unter einem kleineren Winkel zur Nor malen fort. Der Weg der Nebenwelle in der Anpassungsschicht ist damit kürzer als λ/2, und die unerwünschte Nebenwelle wird mit hoher Intensität abgestrahlt, mit dem Ergebnis einer verschlechterten Bildqualität der Ultraschall-Abbil dung.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen monolithischen Array-Ultraschallwandler, insbesondere mit einer keramischen piezoelektrischen Schicht, zu schaffen, bei dem schräg zur Wandleroberfläche abgestrahlte Nebenwellen unterdrückt und dadurch die Entkopplung der einzelnen Wandlerelemente erhöht wird.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs genannten Ultraschallwandler, erfindungsgemäß mit den im Kenn zeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß liegt somit die Longitudinalwellenge schwindigkeit der Anpassungsschicht in einer Größenordnung, die der Wellengeschwindigkeit in der piezoelektrischen Platte entspricht, und die Dicke der Anpassungsschicht ist auf die Dicke der piezoelektrischen Platte abgestimmt.

Die erfindungsgemäße Abstimmung der Dicke der Anpas sungsschicht auf die Dicke der piezoelektrischen Platte (und nicht wie üblich auf die Wellenlänge λ) wurde deshalb vorge sehen, da die Wellengeschwindigkeiten in der Platte und der Anpassungsschicht nicht immer genau gleich gemacht werden können. Ist die Wellengeschwindigkeit beispielsweise in der Anpassungsschicht etwas kleiner als in der piezoelektrischen Platte, so ist bezüglich der Grundwelle, das heißt bezüglich λ/4 in der Normalen, die Schichtdicke von T/2 eigentlich zu groß. Die Länge des von der 60°-Welle in der Anpassungs schicht zurückgelegten Weges entspricht jedoch dabei wegen der nun auftretenden Brechung weiterhin λ/2, so daß mit der erfindungsgemäßen Anordnung somit die starke 60°-Welle be sonders wirkungsvoll unterdrückt werden kann und in Abbil dungssystemen eine hohe Bildqualität erhalten wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Ausführungsbeispiel für den Ultraschallwandler werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 und 2 eine perspektivische Ansicht bzw. eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels und

Fig. 3 und 4 eine perspektivische Ansicht bzw. eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbei spiels.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf der Vorderfläche eine piezoelektrischen Platte 1 eine akustische Anpassungsschicht 2 ausgebildet, deren Dicke in etwa der halben Dicke der piezoelektrischen Platte 1 entspricht. Auf der Rückfläche der piezoelektrischen Platte 1 ist ein Trägermaterial 3 aufgebracht. Eine Oberfläche der piezoelektrischen Platte 1 ist so metallisiert, daß sie Streifen 11 aufweist, die andere Oberfläche ist über die gesamte Fläche metallisiert. Auf diese Weise wird ein monolithischer Array-Wandler geschaffen, der eine Vielzahl von auf der piezoelektrischen Platte angeordneten Wandler elementen hat.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel soll eine akusti sche Welle zu einem lebenden Körper (akustische Impedanz: 1,5×10⁶ Pa·s/m) übertragen und von diesem empfangen. Als piezoelektrische Platte 1 wird eine PZT-Keramik (Bleizirko nattitanat) mit einer Longitudinalwellengeschwindigkeit von 3800 m/s, einer akustischen Impedanz von 28×10⁶ Pa·s/m und einer Dicke von 0,7 mm verwendet. Die Resonanzfrequenz des Wandlers beträgt 2,7 MHz. Für die auf der piezoelektrischen Platte 1 ausgebildete akustische Anpassungsschicht 2 wird ein Polymethylolmelaminharz verwendet, das eine Dicke von etwa 0,35 mm, eine Logitudinalwellengeschwindigkeit von 3300 m/s und eine akustische Impedanz von 5×10⁶ Pa·s/m hat. Dieses Melaminharz kann beispielsweise eine der folgenden Molekularformeln haben:

Als Trägermaterial 3 wird mit Metalloxidpulvern vermischter Gummi verwendet.

Durch Verwendung der akustischen Anpassungsschicht 2, deren Longitudinalwellengeschwindigkeit im wesentlichen gleich der der piezoelektrischen Platte 1 ist, wird die Abstrahlung von Nebenwellen zu dem Objekt unterdrückt, die von der piezoelektrischen Platte schräg ausgestrahlt werden. Dieser Effekt wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Der Dicke T der piezoelektrischen Platte 1 ist durch den Ausdruck

T = λ/2 = l/f_r · C/2

gegeben, wobei f_r die Resonanzfrequenz, λ die Wellenlänge und C die Longitudinalwellengeschwindigkeit angibt. Wenn die piezoelektrische Platte mit der Frequenz f_r erregt wird, werden eine akustische Welle normal zur Ebene der piezo elektrischen Platte sowie Nebenwellen mit dem Winkel R zur Normalen erzeugt. Von diesen Nebenwellen ist die Welle in der Richtung R=60° am stärksten, weil in dieser Richtung T/cosR=λ ist. Diese Nebenwelle 21 wird an der Vorder fläche und der Rückfläche der piezoelektrischen Platte 1 wiederholt reflektiert und pflanzt sich lateral fort. Wenn die Schallgeschwindigkeit der piezoelektrischen Platte 1 und der akustischen Anpassungsschicht 2 im wesentlichen gleich sind, wird die Nebenwelle beim Eintritt in die akustische Anpassungsschicht 2 an der Grenzfläche nicht wesentlich gebrochen. Da die Anpassungsschicht eine Dicke von λ/4 hat, beträgt die Weglänge der Nebenwelle in der Anpassungsschicht λ/4·l/cosR=λ/2. Daher wird diese Nebenwelle praktisch nicht zum Objekt hin abgestrahlt.

Eine akustische λ/4-Anpassungsschicht nach dem Stand der Technik hat dagegen eine viel niedrigere Longitudinal wellengeschwindigkeit als die piezoelektrische Platte. Daher pflanzt sich die 60°-Nebenwelle in der Anpassungsschicht aufgrund der Brechnung mit einem kleineren Winkel fort. Die Weglänge ist damit kürzer als λ/2, und die Nebenwelle wird mit hoher Intensität abgestrahlt.

Um die Emission der Nebenwelle zu dem Objekt wirksam zu unterdrücken, ist es notwendig, daß die Longitudinalwellen geschwindigkeit der akustischen Anpassungsschicht innerhalb eines Bereiches von ±25% von der der piezoelektrischen Platte liegt. Die Wirkung wird verstärkt, wenn sie in einem Bereich von ±15% liegt. Wenn für die piezoelektrische Platte eine Bleizirkonattitanat-(PZT)-Keramik (mit einer Longitudinalwellengeschwindigkeit von 3800 m/s) verwendet wird, kommen als Materialien für die akustische Anpassungsschicht, die die obigen Anforderungen erfüllen, Polymethylolmelaminharz und Glas (Handelsname EDF-4, Longitudinalwellengeschwindigkeit 3700 m/s) in Frage. Wenn eine Bleititanat-(PbTiO₃)-Keramik (Longitudinal wellengeschwindigkeit 4400 m/s) als piezoelektrische Platte verwendet wird, kann für die akustische Anpassungs schicht ebenfalls das oben beschriebene Polymethylol melaminharz oder das Glas verendet werden. Das oben ge nannte Glas hat eine akustische Impedanz von 17,4×10⁶ Pas/m, die für die Impedanzanpassung zwischen der piezoelektrischen Keramik und dem lebenden Körper zu hoch ist. Hervorragende Ergebnisse lassen sich durch Be schichten der akustischen Anpassungsschicht aus Glas mit einer akustischen Anpassungsschicht aus Harz erzielen.

In jedem Fall ist es wünschenswert, daß die Dicke der akustischen Anpassungsschicht λ/4 beträgt, wenn nur der Ausbreitungswirkungsgrad der Welle normal zur Ebene betrachtet wird. Unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung der Nebenwellenabstrahlung ist es jedoch wünschenswert, daß die Dicke der akustischen Anpassungsschicht nicht exakt λ/4, sondern, unabhängig von einer Differenz zwischen den Geschwindigkeiten, T/2 beträgt, wenn mit T die Dicke der piezoelektrischen Platte bezeichnet wird.

Das im obigen Ausführungsbeispiel verwendete Polymethylolmelaminharz kann leicht geformt werden und hat unter den Polymermaterialien eine hohe Schallge schwindigkeit. Als Folge davon liegt die akustische Impedanz bei 5×10⁶ Pa·s/m, so daß dieses Material ohne irgendeine Beimengung als akustische Anpassungs schicht zwischen einem elektroakustischen Wandler aus zum Beispiel einer piezoelektrischen Keramik und einem Medium wie zum Beispiel Wasser oder dem menschlichen Körper verwendet werden kann. Mann kann daher eine akustische Anpassungsschicht erhalten, die eine höhere Gleichmäßigkeit hat als eine Anpassungs schicht, die aus Epoxy harz hergestellt ist, dem zur Erhöhung seines spezifischen Gewichts Metallteilchen oder Metalloxid teilchen beigemengt sind.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ultraschallwandelrs. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 darin, daß zwischen der piezoelek trischen Platte 1 und dem Trägermaterial 3 eine zweite akustische Anpassungsschicht 4 mit einer Dicke von T/4 aus gebildet ist. Die Strukturen und Materialien der anderen Bereiche entsprechen denen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. Die zweite akustische Anpassungsschicht 4 ist aus Glas (Handelsname EDF-4, Longitudinalwellengeschwindig keit 3700 m/s) hergestellt.

Fig. 4 verdeutlicht die Funktion der zweiten akus tischen Anpassungsschicht 4. Die Nebenwelle in der 60°- Richtung wird an der Oberfläche der piezoelektrischen Platte 1 reflektiert und von der Rückfläche durch die zweite akustische Anpassungsschicht zum Trägermaterial 3 abgestrahlt. Da die Weglänge der Nebenwelle in der akustischen Anpassungsschicht 4 im wesentlichen λ/4 ist, wird die Nebenwelle 22 wirkungsvoll in das Trägermaterial 3 gerichtet und von diesem absorbiert. Als Folge davon wird die nachteilige Wirkung der Nebenwelle noch weiter unterdrückt. Zur Erzielung diesses Effekts liegt die Longitudinalwellengeschwindigkeit der akustischen Anpassungsschicht 4 innerhalb von ±25%, vorzugsweise innerhalb von ±15%, der Longitudinalwellen geschwindigkeit der piezoelektrischen Platte 1.

Claims

1. Ultraschallwandler mit
einer piezoelektrischen Platte (1) mit einer λ/2 ent sprechenden Dicke (T) zur Erzeugung von Longitudinalwellen mit einer Wellenlänge λ, wobei die beiden Oberflächen der piezoelektrischen Platte metallisiert sind und zumindest eine der Oberflächen eine Vielzahl von regelmäßig angeord neten und voneinander isolierten metallisierten Bereichen aufweist, die jeweils ein Wandlerelement aufbauen; und mit
einem an der Rückseite der piezoelektrischen Platte (1) vorgesehenen Trägermaterial (3);
gekennzeichnet durch
eine auf der Vorderfläche der piezoelektrischen Platte (1) ausgebildete akustische Anpassungsschicht (2), die eine Longitudinalwellengeschwindigkeit aufweist, die nicht mehr als ±25% von der Longitudinalwellengeschwindigkeit der pie zoelektrischen Platte (1) abweicht, und deren Dicke gleich der Hälfte der Dicke (T) der piezoelektrischen Platte (1) ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite akustische Anpassungsschicht (4), die zwischen der piezoelektrischen Platte (1) und dem Träger material (3) ausgebildet ist und die eine Longitudinal wellengeschwindigkeit aufweist, die nicht mehr als ±25% von der Longitudinalwellengeschwindigkeit der piezoelektrischen Platte (1) abweicht, und deren Dicke nicht größer als ein Viertel der Dicke (T) der piezoelektrischen Platte (1) ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite akustische Anpassungsschicht (2; 4) eine Longitudinalwellengeschwin digkeit aufweist, die nicht mehr als ±15% von der Longi tudinalwellengeschwindigkeit der piezoelektrischen Platte (1) abweicht.

4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Anpassungsschicht (2; 4) aus Polymethylolmelaminharz hergestellt ist.