DE4010294C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde mit einer
Vielzahl von piezoelektrischen Elementen.
Ultraschallsonden sind z. B. aus JP 60-41 399 und
61-69 298 bekannt.
Konkrete Beispiele für Ultraschallsonden verwendende Ul
traschall-Abbildungsgeräte sind ein Ultraschall-Diagno
se- oder -Untersuchungsgerät zum Untersuchen des Innen
bereichs eines menschlichen Körpers und ein Prüfgerät
zum Feststellen von Fehlern im Inneren eines geschweiß
ten Metallstückes bzw. von Schweißstellen.
Ein Ultraschall-Untersuchungsgerät muß mit großer Emp
findlichkeit Bilder hoher Auflösung liefern können, da
mit ein durch kleine physikalische Veränderung aufgrund
einer Veränderung im Zustand eines Patienten verursach
ter Hohlraum deutlich erkannt werden kann. Als Möglich
keit zur Gewährleistung der bei Ultraschallsonden er
forderlichen hohen Auflösung stehen
eine Vergrößerung der Zahl von Elementen eines Wandlers
oder eine Erhöhung seiner Resonanzfrequenz zur Verfü
gung.
Wenn zum genannten Zweck die Zahl der Elemente des in
der Ultraschallsonde verwendeten Wandlers vergrößert
wird, kann die Auflösung in einer Richtung parallel zur
Reihe der Wandlerelemente verbessert
werden. Gleichzeitig werden die Ultraschallwellenab
strahlfläche für jedes Wandlerelement verkleinert und
die Impedanz jedes Wandlerelements erhöht. Insbeson
dere kann dabei die Ultraschallwellenabstrahlfläche
jedes Wandlerelements in einer elektronischen Sektorab
tastsonde zur Durchführung der Sektorabtastoperation
durch Zuspeisung von Ansteuersignalen zu
einer Vielzahl von streifenförmigen Wandlerelementen
mit einer Zeitverzögerung auf 1/2 bis 1/5
derjenigen verkleinert werden, die bei einer Linearab
tastsonde des gleichen Aufbaus zur Durchführung der
Linearabtastoperation erreicht wird. Die Impedanz je
des Wandlerelements ist daher dabei erheblich vergrö
ßert. Infolgedessen wird der Spannungsverlust
in der Sektorabtastsonde aufgrund des Vorhan
denseins der elektrostatischen Kapazität eines den Son
denkopf mit dem Hauptteil des Geräts verbindenden Ko
axialkabels im Vergleich zu dem bei der Linearabtast
sonde größer.
Wenn für den genannten Zweck die bei der Ultraschall
sonde angewandte Resonanzfrequenz erhöht wird, muß be
rücksichtigt werden, daß es in den letzten Jahren nötig
war, intraepidermisches Gewebe oder inneres Gewebe des
Körpers eines einer Operation bzw. Untersuchung un
terworfenen Patienten als Bild hoher Auflösung zu be
trachten. Um diesen Erfordernissen
zu entsprechen, wird die Frequenz auf den Bereich von
15-30 MHz eingestellt. Da jedoch die Ultraschallsonde
allgemein den Dickenexpansionsmodus
des piezoelektrischen Elements ausnützt, muß letz
teres zur Ermöglichung des Hochfrequenzbetriebs dünn
ausgelegt werden. Dieses Problem wird bei Ultraschall
sonden, die mehrlagiges piezoelektrisches Material ver
wenden (vgl. z.B. JP
61-69 298), noch verstärkt. Da nämlich beim mehrlagigen
piezoelektrischen Material gemäß dieser Druckschrift
die piezoelektrischen Schichten elek
trisch parallelgeschaltet sind, tritt Resonanz bei
einer Frequenz der eingestellten Ultraschallwel
le auf, wenn die Gesamtdicke des mehrlagigen piezoelek
trischen Materials
ihrer halben Wellenlänge gleich
wird. In diesem Fall muß daher die Gesamtdicke des mehr
lagigen piezoelektrischen Material so klein wie möglich
gehalten werden.
Piezoelektrische Elemente lassen sich allgemein grob in
zwei Klassen einteilen, nämlich in piezoelektrische Ke
ramikmaterialien und hochpolymere piezoelektrische Ele
mente.
Im Fall eines piezoelektrischen Keramikmaterials be
trägt die Dicke des piezoelektrischen Elements weniger
als 100 µm. Im extrem dünnen piezoelektrischen Element
und insbesondere im Fall der Verwendung eines Keramik
materials z.B. der bleihaltigen PZT-Reihe wird die Cha
rakteristik der Keramik durch im Sintervorgang in die
Sinteratmosphäre diffundierendes Blei stark beeinflußt.
Als Ergebnis wird die Charakteristik des Keramikmate
rials verschlechtert, und das piezoelektrische Element
selbst kann sich verziehen, während gleichzeitig seine
Bearbeitbarkeit beeinträchtigt wird. Bei den meisten
gewöhnlichen piezoelektrischen Elementen sind weiterhin
gesinterte Elektroden aus Silber o.dgl. mit ihnen ver
bunden; in diesem Fall wird Glasfritte enthaltende
Elektrodendruckpaste für eine innige Verbindung von
Silber und Keramikmaterial verwendet, so daß sich das
Verhältnis der in das Keramikmaterial eindiffundieren
den Glasfritte mit einer Abnahme der Dicke des Kera
mikmaterials vergrößern kann. Infolgedessen wer
den die Eigenschaften des piezo
elektrischen Elements selbst verschlechtert.
Ein hochpolymeres piezoelektrisches Element ist im Ver
gleich zur piezoelektrischen Keramik weich, so daß es
weniger beschädigungsanfällig ist. Nachteilig daran ist
jedoch, daß sein elektromechanischer Kopplungsfaktor
mit nur 0,2-0,3 sehr klein ist. Seine Dielektrizitäts
konstante ist um mehr als zwei Größenordnun
gen kleiner als die von Keramikmaterial. Seine Ein
friertemperatur (Glasübergangstemperatur) beträgt nur
etwa 100°C. Das hochpolymere piezoelektrische Element
wird daher nicht allgemein als Mehrlagensonde
verwendet.
Wie erwähnt, besitzen die beiden Arten von piezoelek
trischen Elementen jeweils Mängel bezüglich Material,
Form und dgl..
Es bestehen die folgenden drei Möglich
keiten für die Gewinnung von Bildern bei hoher Empfind
lichkeit mittels einer Ultraschallsonde:
- 1. Erhöhung des elektromechanischen Kopplungsfaktors des piezoelektrischen Elements;
- 2. Erzielung akustischer Anpassung; und
- 3. Erzielung elektrischer Anpassung.
Der maximale Wert von k′33 des derzeit verfügbaren
piezoelektrischen Keramikmaterials, das zur Realisie
rung der oben unter 1. genannten Möglichkeit verwendbar
ist, beträgt etwa 0.7. Obgleich sich große Anstrengun
gen auf die Erhöhung des elektromechanischen Kopplungs
faktors richteten, konnte ein optimales Material, das
besser wäre als ein Keramikmaterial der Blei-Zirconat-
Titanat-Reihe (als PZT bezeichnet, entwickelt
im Jahre 1955), nicht bereitgestellt werden.
Bei der Realisierung der zweitgenannten Möglichkeit
wird die Differenz der akustischen Impedanz zwischen
dem piezoelektrischen Element und dem lebenden Körper
groß, weshalb eine Methode zur Ausbildung einer akusti
schen Anpaßschicht angewandt wird. Dabei können eine
akustische Anpaßschicht oder mehr als eine solche An
paßschicht vorgesehen werden; eine Verbesserung gegen
über dem derzeit verwendeten piezoelektrischen Element
kann jedoch bei Verwendung nur der akustischen Anpaß
schicht nicht erwartet werden.
Für die Realisierung der drittgenannten Möglichkeit
stehen verschiedene Methoden zur Verfügung. Bei einem
Ultraschall-Untersuchungsgerät hat sich aufgrund der
verlangten hohen Auflösung die Zahl der Elemente der
Ultraschallsonde in den letzten Jahren zunehmend ver
größert. Infolgedessen wird die Ultraschallwellenab
strahlfläche jedes Elementes klein, während seine Im
pedanz groß wird. Als Ergebnis wird - wie erwähnt - der
Spannungsverlust infolge des Vorhandenseins der elek
trostatischen Kapazität des Koaxialkabels größer.
Zudem wird die elektronische Sektorabtastsonde nicht
nur für die Aufnahme von B-Modus-Bildern als
Tomogramme des lebenden Körpers,
sondern häufig auch für Aufnahme im Doppler-Modus be
nutzt, in welchem die Blutströmungsmenge im Herzen, in
der Leber, in der Halsschlagader o.dgl. unter Nutzung
der Dopplerverschiebung der Ultra
schallwellen, durch den Blutstrom im betreffenden Organ
hervorgerufen, in Farbe dargestellt wird. Da im Dopp
lermodus das zurückgeworfene Echo von kleinen Körper
chen bzw. Teilchen eines Durchmessers von mehreren Mik
rometern benutzt wird, ist der Pegel eines erhaltenen
Signals im Vergleich zum genannten B-Modus klein. Die
Empfindlichkeitsspanne im Dopplermodus ist somit im
Vergleich zum B-Modus klein, und es ist dabei nötig,
die Empfindlichkeit weiter zu erhöhen.
Neuerdings wird verbreitet eine "Farbstromabbildungs-
oder CFM-Methode" für die zweidimensionale Abbildung
der Diffusion des Blutstroms auf Echtzeit
basis und zur Farbdarstelllung des Blutstroms und der Re
flexionsleistung des Blutstroms angewandt; damit konn
ten die Diagnosefunktion und das diagnostische Anwen
dungsgebiet erheblich verbessert werden.
Die CFM-Methode wird für die Untersuchung verschiede
ner Organe des menschlichen Körpers, wie Gebärmutter,
Nieren und Bauchspeicheldrüse, angewandt. Derzeit lau
fen in zahlreichen Kliniken und Forschungslaboratorien
Forschung und Entwicklung bezüglich eines Untersuchungs
geräts, das die Beobachtung der Bewegung des Koronar
blutstroms ermöglicht.
Im Hinblick auf die der Sonde eigenen Eigenschaften ist
es ersichtlicherweise schwierig, einen schwachen Blut
strom, wie den Koronarblutstrom, und eine durch Hyper
plasie von frühen Krebszellen hervorgerufene Verände
rung des Blutstroms zu beobachten.
Zur Lösung des obigen Problems werden in der Praxis
Sondenköpfe eingesetzt, die dahingehend verbessert
sind, daß der durch die elektrostatische Kapazität des
Koaxialkabels verursachte Verlust durch Einschaltung
einer Emitterfolgerschaltung, als Impedanzwandler, zwi
schen Probenkopf und Koaxialkabel verringert ist. Aber
auch mit einer solchen Sonde ist es schwierig, den er
wähnten schwachen Blutstrom zu beobachten.
Wenn man eine Verbesserung eines Ultraschall-Untersu
chungsgeräts betrachtet, so ist es möglich, dessen
Empfindlichkeit durch Erhöhen der
dem Sondenkopf zugespeisten Ansteuerspannung zu verbes
sern. Da hierbei der dem piezoelektrischen Element zu
gespeiste elektrische Strom ebenfalls ansteigt, kann
durch den dielektrischen Verlust und die auf die aku
stische Linse oder das Träger- bzw. Stützmaterial ab
gestrahlte Ultraschalleistung Wärme erzeugt werden,
welche die Eigenschaften der Sonde verschlechtern oder
Schäden, wie Verbrennungen am menschlichen Körper, her
vorrufen kann. Einer Erhöhung der Ansteuerspannung sind
daher Grenzen gesetzt, und die Empfindlichkeit kann le
diglich mit der Verbesserung nach der obengenannten Me
thode nicht genügend erhöht werden.
Neben der obengenannten Verbesserung sind auch die fol
genden weiteren Verbesserungen entwickelt worden: Im
allgemeinen wird die Bezugsfrequenz im
Dopplermodus niedriger eingestellt als die Mittenfre
quenz der Frequenzbandbreite der Ultraschallsonde. Der
Grund dafür ist, daß es vorteilhaft ist, niederfrequen
te Ultraschallwellen anzuwenden, um den Einfluß durch
eine Herabsetzung des
Rauschabstands aufgrund der Dämpfung der Ultraschall
wellen im lebenden Körper zu unterdrücken. Wenn daher
Ultraschallwellen zweier Arten von Frequenzkomponenten
mittels einer einzigen Ultraschallsonde
ausgesandt/empfangen werden können, ist es möglich, das
B-Modus-Bild hoher Auflösung in den Hochfrequenzkompo
nenten und das Doppler-Bild mit hoher Empfindlich
keit in den Niederfrequenzkomponenten zu gewinnen. Für
die Realisierung eines solchen Geräts werden "Duplex-
oder Doppeltyp-Ultraschallsonden", bei denen zwei Wand
ler unterschiedlicher Resonanzfrequenz in einem
einzigen Ultraschallsondenkopf vorgesehen sind, von
verschiedenen Herstellern angeboten.
Da eine solche Ultraschallsonde jedoch mehrere Wandler
unterschiedlicher Resonanzfrequenzen aufweist, liegen
die Ultraschallwellenübertragungs- und -empfangsebenen
in verschiedenen Positionen, so daß es unmöglich wird,
das gleiche Tomogramm zu beobachten.
Aus diesem Grund wurde ein Gerät entwickelt, das Ultra
schallwellen zweier verschiedener Frequenzbänder mit
tels eines einzigen Wandlers auszusenden und zu empfan
gen vermag, der unter Verwendung eines mehrlagigen
piezoelektrischen Materials der in
JP 60-41 399 beschriebenen Art herge
stellt ist. Dabei können die beiden verschiedenen
Frequenzbandbreiten mittels einer Kombination aus der
Ultraschallsonde, einer Ansteuerimpuls
breite und einem Filter getrennt werden; als Ergebnis
können das B-Modussignal und das Dopplersignal anhand
der Hochfrequenzkomponenten bzw. der Niederfrequenzkom
ponenten getrennt gewonnen werden. Da jedoch auch bei
der Ultraschallsonde mit dem beschriebenen Aufbau der
elektromechanische Kopplungsfaktor eines einzigen piezo
elektrischen Elements praktisch gleichmäßig geteilt
wird, wird das Frequenzband an der Hochfrequenzseite
schmal, und das verbleibende Nachziehen des
Echosignals wird verlängert. Demzufolge kann die Auf
lösung nicht im erwarteten Maß verbessert werden, auch
wenn versucht wird, ein B-Modusbild hoher Auflösung
mittels der Hochfrequenzkomponenten zu gewinnen. Da
sich weiterhin die Niederfrequenzkomponenten mit sich
verschmälerndem Frequenzband verringern,
verschlechtert sich der Rauschabstand, so daß eine un
genügende Eindringung erreicht wird. Der Grund dafür
liegt darin, daß die Frequenzkomponente eines Echosi
gnals aus einem tiefliegenden Bereich des lebenden Kör
pers durch Anteile von Frequenzen ge
bildet wird, die unter der Mittenfrequenz der ausge
sandten Ultraschallwellen liegen. Die für die Gewinnung
günstiger B-Modusbilder erforderliche spezifische Fre
quenzbandbreite beträgt mehr als 40% der Mittenfre
quenz. Beispielsweise liegt die spezifische Bandbreite
bei -6 dB im Bereich von 40-50% im Fall einer
einlagigen Anpassung und bei 60-70% im Fall der zwei
lagigen Anpassung, wenn ein piezoelektrisches Element
eines Einzellagen- oder -schichtaufbaus verwendet wird.
Bei Verwendung des piezoelektrischen Elements mit dem
oben beschriebenen Aufbau beträgt dagegen die spezifi
sche Bandbreite 25% der Mittenfrequenz im Fall einer
einlagigen Anpassung und 35% im Fall der zweilagigen
Anpassung. Damit kann eine spezifische Bandbreite er
reicht werden, die nur die Hälfte der bei Verwendung
des herkömmlichen einlagigen piezoelektrischen Elements
erreichten beträgt, so daß diesbezüglich eine weitere
Verbesserung erforderlich ist.
Wenn - wie erwähnt - das piezoelektrische Keramikmate
rial nach herkömmlicher Technik zum Einstellen der Fre
quenz auf einen hohen Wert durch Verkleinerung der
Dicke des piezoelektrischen Elements benutzt wird, um
eine Ultraschallsonde hoher Auflösung zu erhalten, muß
die Dicke äußerst klein ausgelegt werden. Damit erge
ben sich Probleme bezüglich des Herstellungsverfahrens
und der Eigenschaften oder Charakteristik des Elements.
Zudem kann das hochpolymere piezoelektrische Element
wegen seines kleinen elektromechanischen Kopplungsfak
tors nicht benutzt werden.
Bei der häufig im Dopplermodus eingesetzten elektroni
schen Sektorabtastsonde kann eine wesentliche Verbesse
rung der Empfindlichkeit durch zweckmäßige Material
wahl für das piezoelektrische Element und Anordnung
einer akustischen Anpaßschicht nicht erwartet werden.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Empfindlichkeit
selbst bei einem Sondenkopf nicht sehr hoch ist, bei
dem der durch die elektrostatische Kapazität des Ka
bels selbst hervorgerufene Spannungsverlust durch Ein
fügung des Emitterfolgerkreises zwischen die Sonde und
das Koaxialkabel verringert ist.
Weiterhin wird die Möglichkeit zur Verbesserung der
Empfindlichkeit durch Erhöhung der Ansteuerspannung
durch das Problem der Wärmeerzeugung im piezoelektri
schen Element begrenzt. In dem Fall, in welchem zwei
verschiedene Frequenzbandbreiten bei Verwendung einer
einzigen Ultraschallsonde erhalten werden, ergibt sich
zudem das Problem, daß der gleiche Untersuchungsbe
reich nicht beobachtet werden kann, wenn mehrere Wand
ler verschiedener Resonanzfrequenzen verwendet werden.
Weiterhin ist ein mehrlagiges piezoelektrisches Mate
rial, welches das obige Problem lösen soll und das
durch Laminieren von piezoelektrischen Elementen prak
tisch gleicher Dicke zu einem einlagigen piezoelektri
schen Element geformt ist (vgl.
JP 60-41 399), mit dem Problem behaftet, daß die spe
zifische Frequenzbandbreite der Hochfrequenzkomponenten
schmal ist.
In JP 61-69 300 und dem zugehörigen Abstract ist eine
Ultraschallsonde beschrieben, bei der mehrere piezo
elektrische Schichten vorgesehen sind, die in ihren
Dicken voneinander verschieden sind. Diese piezoelek
trischen Schichten haben abwechselnd zueinander entge
gengesetzte Polarisationsrichtungen.
Weiterhin ist aus DE 29 49 991 C2 eine Ultraschallsonde
bekannt, die mehrere übereinander liegende, unterschied
lich dicke und elektrisch jeweils in Reihe schaltbare
piezoelektrische Schichten hat, die durch das Betätigen
zugehöriger Schalter einzeln oder kombiniert, zeitlich
unmittelbar nacheinander oder gleichzeitig aktiviert
werden können. Diese derart betriebenen piezoelektri
schen Schichten dienen zur Abstrahlung eines Spektrums
ausgewählter Frequenzbänder. Die von der Abstrahlfläche
jeweils am weitesten entfernte piezoelektrische Schicht
ist dabei am dünnsten ausgebildet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultra
schallsonde zu schaffen, die leicht herstellbar ist,
einen breiten Hochfrequenzbereich besitzt und Ultra
schallbilder hoher Auflösung zu liefern vermag.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ultra
schallsonde mit den im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den Patentansprüchen 2 bis 9.
Die Erfindung ermöglicht eine Ultraschallsonde, mit wel
cher ohne weiteres ein Hochfrequenzbetrieb durchführbar
ist, ohne daß sich dabei Schwierigkeiten bezüglich des
Herstellungsverfahrens oder der Eigenschaften ergäben.
Diese Ultraschallsonde ist für Hochfrequenzbetrieb ge
eignet, gewährleistet eine hohe Empfindlichkeit und ver
mag zwei verschiedene Ultraschallwellen auf der glei
chen Ebene des Sondenkopfes auszusenden und zu empfan
gen, wobei die Hochfrequenzkomponenten eine ausreichend
große Bandbreite besitzen.
Die Ultraschallsonde besteht aus einem mehrlagigen
piezoelektrischen Material mit mehreren piezoelektri
schen Schichten, wobei die Polarisierrichtungen der be
nachbarten Schichten zueinander entgegengesetzt sind,
und an den gegenüberliegenden Endflächen desselben in
der Schichtungsrichtung ausgebildeten Elektroden.
Wenn die Ultraschallsonde für ein Ultraschall-Untersu
chungsgerät vorgesehen ist, ist zwischen das mehrlagige
piezoelektrische Material und das Koaxialkabel ein Im
pedanzwandler eingeschaltet.
Die Dicke einer piezoelektrischen Schicht an einem Sub
strat bzw. einer Stützeinheit oder an der der Ultra
schallwellen-Abstrahlfläche an der einen Fläche der ge
schichteten piezoelektrischen Schichten
in der Dickenrichtung gegenüberliegenden End- bzw.
Stirnfläche kann kleiner gewählt werden als die der anderen
piezoelektrischen Schicht.
Das mehrlagige piezoelek
trische Material besteht aus mehreren piezoelektrischen
Schichten, die elektrisch in Reihe geschaltet und so
geschichtet bzw. laminiert sind, daß die Polarisier
richtungen benachbarter piezo
elektrischer Schichten einander entgegengesetzt ange
ordnet sind, wobei seine Grundresonanzfrequenz im Ge
gensatz zu herkömmlichem mehrlagigen piezoelektrischen
Material mit einem einzigen piezoelektrischen Element
oder einer Anzahl von elektrisch parallelgeschalteten
Piezoelektroden nicht von seiner Gesamtdicke abhängt
und eine durch die Dicke der einzelnen piezoelektri
schen Schichten bestimmte Frequenz eingestellt ist.
Wenn somit die Zahl der geschichteten piezoelektrischen
Schichten mit n gegeben ist, kann das mehrlagige piezo
elektrische Material eine Dicke gleich dem n-fachen der
Dicke eines Einzellagen-Elements und die gleiche Re
sonanzfrequenz wie letzteres besitzen. Aus dem obigen
Grund kann der Hochfrequenzbetrieb der Ultraschallson
de ohne Verkleinerung der Gesamtdicke des piezoelek
trischen Elements, d. h. ohne jedes Problem bezüglich
des Herstellungsverfahrens oder der Charakteristik des
Elements, realisiert werden.
Außerdem besitzt dieses mehrlagige piezoelektrische
Material mit einer Anzahl von elektrisch miteinander in
Reihe geschalteten piezoelektrischen Schichten eine er
höhte Impedanz, so daß der eine Verschlechterung der
Empfindlichkeit herbeiführende Spannungsverlust auf
grund der elektrostatischen Kapazität des Koaxialkabels
durch Einfügung eines Impedanzwandlers zwischen den
Sondenkopf und das Koaxialkabel zwecks Verringerung der
Impedanz reduziert werden kann. Außerdem werden Ultra
schallwellen, insbesondere zweite oder folgende Wellen,
die von der einen Ebene dieses mehrlagigen piezoelek
trischen Materials abgestrahlt werden, mit den sich von
der anderen Ebene dieses Materials ausbreitenden Wellen
und den an diesen beiden Enden reflektierten Wellen
kombiniert. Da hierbei die Gesamtdicke des mehrlagigen
piezoelektrischen Materials größer ist als des einla
gigen piezoelektrischen Mehrschicht-Materials, ist die
Zahl der Reflexionen an der Endebene kleiner als beim
letzteren Material, und die Amplitude der Ultraschall
wellen wird demzufolge größer. Wenn die Ultraschall
wellen empfangen werden, wird eine Erzeugungsspannung
für Ultraschallwellen, insbesondere mehrfach reflektierte Komponenten
enthaltende Ultraschallwellen,
im mehrlagigen piezoelek
trischen Material höher. Damit kann die Empfindlichkeit
der Ultraschallsonde ohne weiteres verbessert werden.
Weiterhin weist das mehrlagige piezo
elektrische Material eine End- oder Stirnfläche auf,
die aus der dünnsten piezoelektrischen Schicht geformt
und aus n piezoelektrischen Schichten, z. B. zwei piezo
elektrischen Schichten gebildet ist, die elektrisch in
Reihe geschaltet und so geschichtet sind, daß die Po
laritätsrichtungen der benach
barten piezoelektrischen Schichten zueinander entgegen
gesetzt sind; damit werden die Resonanz, die bei der
Resonanzfrequenz (f₀) niedrigster Ordnung auftritt, die
erzielbar ist, wenn piezoelektrische Schichten gleicher
Dicke schichtweise zusammengesetzt werden, und die Reso
nanz genutzt, die bei der Resonanzfrequenz von f₀/n
(f₀/2) auftritt. Als Ergebnis kann der Ultraschallson
denkopf Ultraschallwellen zweier verschiedener Frequenz
bandbreiten aussenden und empfangen.
Das mehrlagige piezoelektrische Mate
rial kann mit einem Aufbau aus drei oder mehr Schich
ten geformt sein; im folgenden ist jedoch aus Verein
fachungsgründen ein solches Material mit zweilagigem
Aufbau erläutert. Wenn das Verhältnis R (= Dicke der
piezoelektrischen Schichten an der Rückseite/Dicke der
piezoelektrischen Schicht an der Abstrahlebene) der
Dicken der beiden verschieden dicken piezoelektrischen
Schichten geändert wird, können zwei angeregte
Resonanzpegel eingestellt werden. Die Ultra
schallsonde kann mithin durch Än
derung des Verhältnisses R entsprechend dem jeweiligen
Anwendungsfall auf verschiedenen Gebieten eingesetzt
werden.
Wenn beispielsweise ein Untersuchungsobjekt, wie das in
vergleichsweise tiefer Position liegende Herz, von der
Körperoberfläche her beobachtet wird, wird das Dicken
verhältnis R auf einen kleinen Wert eingestellt, um die
Resonanzenergie des Niederfrequenzbereichs in der Band
breite, d.h. die Frequenz von f₀/2 zu erhöhen, womit
eine Ultraschallsonde geschaffen wird, die im Doppler
modus eine hohe Empfindlichkeit besitzt. Wenn dagegen
ein in vergleichsweise flacher Lage befindliches Unter
suchungsobjekt, wie Halsschlagader oder Speiseröhre,
beobachtet wird, wird das Dickenverhältnis R auf einen
großen Wert gesetzt, um die Resonanzenergie des Hoch
frequenzbereichs in der Bandbreite, d.h. die Frequenz
von f₀, zu erhöhen; damit wird eine Ultraschallsonde
geschaffen, die einen erweiterten Hochfrequenzbereich
besitzt und B-Modusbilder hoher Auflösung im B-Modus
zu liefern vermag.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er
findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei
gen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstel
lung des Aufbaus einer Ultraschallsonde
gemäß einer Ausfüh
rungsform der Erfindung,
Fig. 2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen
Schnitt längs der Linie A-A′ in Fig. 1 durch
ein zweilagiges piezoelektrisches Mehr
schicht-Material, das jedoch nicht zur Er
findung gehört,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Äquiva
lentaufbaus einer Ultraschallsonde gemäß
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 eine schematische perspektivische Darstel
lung eines Sondenkopfes einer Ultraschall
sonde gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 5 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen
Schnitt längs der Linie B-B′ in Fig. 4 durch
ein zweilagiges piezoelektrisches Mehr
schicht-Material und
Fig. 6 und 7 graphische Darstellungen von Frequenz
spektren einer nach der Impulsecho
methode erhaltenen Echowelle.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besteht
ein piezoelektrisches Mehrschicht-Material 1 aus meh
reren schichtweise zusammengesetzten laminierten pie
zoelektrischen Elementen. Gemäß Fig. 1 sind mehrere ge
schichtete akustische Anpaßschichten 2-4 und eine
akustische Linse 5 an der Ultraschallwellen-Abstrahl
seite des oberen Abschnitts des piezo
elektrischen Mehrschicht-Materials 1 vorgesehen. Ein
als Sondenkopf-Stützeinheit dienendes Träger- oder Stütz
material 6 ist an der von der Abstrahlseite abgewandten
Rückseite des Sondenkopfes angeordnet. Die genannten
Bauteile sind schichtwei
se zusammengesetzt. Weiterhin sind zwei
Außenelektroden für Stromzufuhr zum Son
denkopf vorgesehen. Insbesondere sind an den Außenflä
chen der oberen und unteren, das Material 1 bildenden
piezoelektrischen Elemente ein als Außenelektrode
dienender Erd- oder Massekabelteil 7 und eine flexible
gedruckte Zuleitungsherausführ-Kabelleiterplatte
(FPC-Platte) 8, auf der ein vorgesehenes gedrucktes
Verdrahtungsmuster ausgebildet ist, vorgesehen.
Gemäß Fig. 2 sind beispielsweise piezoelektrische
Schichten 11 und 12 mit einander entgegengesetzt ange
ordneten Polaritätsrichtungen 13 bzw. 14 übereinander
geschichtet, wobei im Grenzflächenbereich zwischen den
beiden Schichten 11 und 12 eine
Innenelektrode 17 vorgesehen ist. An den beiden End
flächen des mehrlagigen piezoelektrischen Materials 1
in dessen Schichtungsrichtung, d.h. an der Oberseite
der Schicht 11 und der Unterseite der Schicht 12, sind
Außenelektroden 15 bzw. 16 an
geordnet. Die Schichten 11 und 12 bestehen jeweils aus
einem piezoelektrischen Keramikmaterial. Die Innen
elektrode 17 ist zum Polarisieren der Schichten 11 und
12 vorgesehen. Vorzugsweise beträgt
die Dicke jeder der piezoelektrischen Schichten 11
und 12 weniger als 100 µm.
Wenn die Dicke der Schichten 11 und 12 bei dieser Ul
traschallsonde zu t0 vorausgesetzt wird, läßt sich die
Gesamtdicke zu 2t0 ausdrücken. Weiterhin läßt sich die
Grundresonanzfrequenz f0 des piezoelektrischen Mehr
schicht-Materials 1 durch f0=v/2t0 ausdrücken.
Die Grundresonanzfrequenz einer einlagigen piezoelek
trischen Schicht der Dicke t0 läßt sich ebenfalls zu
v/2t0 ausdrücken. Dies ist deshalb der Fall, weil die
Polaritätsrichtungen der beiden
Schichten 11 und 12 einander entgegengesetzt und die
Schichten 11 und 12 elektrisch in Reihe geschaltet
sind, so daß eine Resonanz, bei welcher die Gesamtdicke
2t0 der beiden Schichten 11 und 12 der halben Wellen
länge entspricht, nicht auftritt, während eine Re
sonanz, bei welcher die Dicke t0 der beiden Schichten
11 und 12 gleich der halben Wellenlänge ist, auftreten
kann. Dies bedeutet, daß das mehrlagige piezoelek
trische Material 1 eine Dicke entsprechend dem Dop
pelten des einlagigen piezoelektrischen Elements be
sitzt, während seine Resonanzfrequenz derjenigen des
einlagigen piezoelektrischen Elements gleich ist; damit
wird ein piezoelektrisches Element gleicher Frequenz
charakteristik bzw. gleichen Frequenzgangs zur Verfü
gung gestellt.
Bei dem genannten Material 1 kann somit die Gesamtdicke
im Vergleich zum einlagigen piezoelektrischen Element
vergrößert sein, so daß eine Verschlechterung der Cha
rakteristik im Sinterprozeß oder bei der Ausbildung der
Elektroden 15 oder 16 auf ein Mindestmaß unterdrückt
werden kann; außerdem können die Verarbeitbarkeit ver
bessert und das Auftreten von Schäden auf ein Mindest
maß unterdrückt werden.
Die piezoelektrischen Schichten 11 und 12 bestehen bei
spielsweise aus einem Keramikmaterial der PZT-Reihe mit
einer Dielektrizitätskonstante von 2000; die Dicke je
der piezoelektrischen Schicht beträgt 75 µm. Die piezo
elektrische Schicht liegt in Form einer Anzahl von
Wandlerelementen vor, die in Streifenform geschnitten
und zweckmäßig angeordnet sind. Beim vorliegenden Aus
führungsbeispiel wurde für k′33 ein Meßwert von 64% er
mittelt. Bei der Herstellung des Sondenkopfes der Ul
traschallsonde gemäß Fig. 1 werden akustische Anpaß
schichten 2 bis 4 einer vorbestimmten Dicke an der Ul
traschallwellen-Abstrahlseite des mehrlagigen piezoelek
trischen Materials 1 vorgesehen, und das Massekabel 7
wird zwischen die akustische Anpaßschicht bzw. Anpaß
schichten und die Elektrode 15 eingelötet; die Zulei
tungs-Kabelplatte 8 wird beispielsweise zwischen die
Elektrode 16 und das Stützmaterial 6 eingelötet. Da
nach wird die Platte des piezoelektrischen Materials 1
mittels einer Schlitzschneidemaschine
in die Streifenform gemäß Fig. 2 geschnitten. Bei die
sem Schneidvorgang wird ein Schneidelement einer Dicke
von 15 µm benutzt, und der Schneide-Teilungsabstand
wird auf 60 µm eingestellt. Dabei werden 64 streifen
förmige Wandler geformt. Eine Messung der Impulsecho
charakteristik oder -kennlinie der Wandler ergibt zum
Zeitpunkt des Betriebs aller Wandler eine Mittenfre
quenz von 19,8 MHz.
Als Vergleichsbeispiel wurde eine Ultraschallsonde mit
einem einlagigen piezoelektrischen Element einer Dicke
von 75 µm hergestellt. Der Meßwert von k′33 bei diesem
Element betrug 56%, d.h. er ist um 9% kleiner als bei
der Erfindung. Außerdem traten bei diesem
Vergleichselement Verwerfungen bzw. Verziehungen auf,
und 10% der Vergleichselemente wurden beim Anlöten der
flexiblen Kabelplatte und der Masseleitung beschädigt.
Außerdem wurde dabei festgestellt, daß 8% dieser ein
lagigen piezoelektrischen Vergleichselemente beim Ver
binden derselben mit dem Stützmaterial 4 bzw. 6 beschä
digt wurden, so daß sich mit diesem Element ein deut
lich niedrigeres Fertigungsausbringen ergab.
Wenn bei der Ermittlung der Echowellenformen bei der
Impulsechomethode die Ausführungsform der Erfindung und
das Vergleichsbeispiel miteinander verglichen werden,
ergibt die Messung für das letztere -3 dB und damit
eine ziemlich niedrige Empfindlichkeit.
Fig. 3 veranschaulicht einen Äquivalentaufbau einer
Ultraschallsonde gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Ein Ultraschallsondenkörper 21 gemäß
Fig. 3 besteht aus einem Ultraschallsondenkopf, der auf
dieselbe Weise wie die Ultraschallsonde gemäß den Fig.
1 aufgebaut ist. Dabei ist ein Impedanzwandler 22
zwischen die Elektrode 16 des Ultraschallsonden-Körpers
21 und das eine Ende des Koaxialkabels 23 eingeschal
tet. Der Impedanzwandler 22 besteht aus einem Emitter
folgerkreis mit z.B. einem Bipolartransistor, dessen
Eingangsklemme mit der Außenelektrode 15 (vgl. Fig. 2)
verbunden ist, während die Ausgangsklemme an das eine
Ende des Koaxialkabels 23 angeschlossen ist. Das andere
Ende des Koaxialkabels 23 ist mit einer Eingangsklemme
(Empfangsteil) eines Ultraschall-Untersuchungsgeräts 24
verbunden. Da der genannte Körper 21 in der Praxis aus
einer großen Zahl von Wandlerelementen gebildet ist,
ist dabei eine den Wandlerelementen entsprechende Zahl
von Impedanzwandlern 22 und Koaxialkabeln 23 vorgese
hen.
Die piezoelektrischen Schichten 11 und 12 des Ultra
schallsonden-Körpers bzw. Sondenkopfes 21 sind auf die in
den Fig. 1 und 2 dargestellte Weise elektrisch in Reihe
geschaltet. Infolgedessen sind die elektrostatische
Kapazität zwischen den Elektroden 15 und 16 des mehr
lagigen piezoelektrischen Materials 1 verringert und
die Impedanz erhöht. Wenn der Sondenkörper 21 unmittel
bar mit dem Koaxialkabel 23 verbunden ist, nimmt daher
der Spannungsverlust aufgrund des Vorhandenseins der
elektrostatischen Kapazität des Koaxialkabels 23 zu,
doch kann der Spannungsverlust dadurch verringert wer
den, daß der Impedanzwandler 22 zwischen den Sondenkör
per 21 und das Koaxialkabel 23 eingefügt wird, um die
effektive Impedanz der Ultraschallsonde zu senken.
Wenn bei dieser Ausführungsform die piezoelektrischen
Schichten 11 und 12 des Ultraschallsondenkörpers 1 mit
der gleichen elektrischen Leistung wie im Fall des ein
lagigen piezoelektrischen Elements gespeist werden,
d.h. wenn die Treiber- oder Ansteuerspannung auf das
√-fache der Ansteuerspannung beim einlagigen piezo
elektrischen Element erhöht wird, um die erzeugte Wär
memenge auf die gleiche Größe einzustellen, so ver
ringert sich das elektrische Feld auf das 1/√-fache
desjenigen beim einlagigen piezoelektrischen Element.
Als Ergebnis verringert sich der Schalldruck der Ul
traschallwellen, die durch die erste Ausdehnung oder
Zusammenziehung erzeugt und von der einen Endfläche
(z.B. der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 11)
des mehrlagigen piezoelektrischen Materials 1 abge
strahlt werden, auf das 1/√-fache des Werts beim ein
lagigen piezoelektrischen Element. Die zweiten und fol
genden Ultraschallwellen sind
jedoch eine Kombination von Wellen, die sich von der
anderen Endfläche (z.B. der Rückseite der piezoelek
trischen Schicht 12) des Materials 1 ausbreiten, und der (mehrfach reflektierten)
Wellen, die durch Reflexion der oben genannten Wellen
an den Endflächen des Materials 1 entstehen. Da im Fall
des zweilagigen piezoelektrischen Materials gemäß Fig.
2 die gesamte Dicke der piezoelektrischen Schicht das
Doppelte der Dicke des einlagigen piezoelektrischen
Elements beträgt, ist die Amplitude der Ultraschall
wellen für insbesondere die dritten Wellen (Wellen
dritter Ordnung, 2fach reflektiert) um eine Größe erhöht, welche der ver
kleinerten Zahl von Reflexionen der Ultraschallwellen
an der Endfläche entspricht, und zwar im Vergleich zum
einlagigen piezoelektrischen Element. Wenn weiterhin
angenommen wird, daß im Empfangsmodus Ultraschallwellen
gleichen Schalldrucks empfangen werden, so wird das
elektrische Feld, das in dem zweilagigen piezoelek
trischen Material 1 gemäß Fig. 2 erhalten wird, zur
Hälfte desjenigen beim einlagigen piezoelektrischen
Element; da in diesem Fall die gesamte Dicke des Ma
terials 1 doppelt so groß ist wie beim letztgenannten
Element, entspricht die durch die zuerst empfangenen
Ultraschallwellen erzeugte Spannung unabhängig von der
Zahl der Schichten einer konstanten Größe. Die Erzeu
gungsspannung für die zweiten und folgenden Ultra
schallwellen ist beim mehrlagigen piezoelektrischen Ma
terial höher als beim einlagigen piezoelektrischen Ele
ment.
Bei dieser Ausführungsform ist somit, wie erwähnt, der
Schalldruck der Ultraschallwelle im Sende- oder Über
tragungsmodus erhöht, während auch die Erzeugungsspan
nung im Empfangsmodus erhöht
ist. Demzufolge kann die Empfindlichkeit im Übertra
gungs- und Empfangsmodus verbessert sein, wodurch die
Gesamtleistung der Ultraschallsonde verbessert wird.
Als praktisches Ergebnis wird der Pegel des Echosi
gnals, das vom zu untersuchenden Körper geliefert und
an der Empfangsseite abgegriffen wird,
hoch.
In einem konkreten Beispiel wurde das zweilagige piezo
elektrische Material 1 gemäß den Fig. 1 und 2 im Ultra
schall-Sondenkörper 21 benutzt, wobei die Dicke der pie
zoelektrischen Schichten 11 und 12 etwa 400 µm betrug.
Wie vorstehend beschrieben, wurde bei der Herstellung
des Sondenkörpers 21 eine Schlitzschneidemaschine mit
einem 50 µm dicken Schneidelement benutzt, um das piezo
elektrische Material 1 in Teilungsabständen von 250 µm
zu schneiden bzw. zu schlitzen; auf diese Weise wurde
ein Wandlerteil mit 64 Elementen geformt.
Gleichzeitig wurde als Vergleichsbeispiel eine Ultra
schallsonde mit einem 400 µm dicken einlagigen piezo
elektrischen Element hergestellt.
Die Impulsechocharakteristika bzw. -kennlinien für
Wärmeerzeugung in der piezoelektrischen Schicht gemäß
obigen Ausführungsformen und im genannten Vergleichs
beispiel wurden unter gleichen Bedingungen gemessen.
Die Meßergebnisse zeigten, daß der Spitzenwert bei den
erfindungsgemäßen Ausführungsformen um etwa 3 dB höher
war als beim Vergleichsbeispiel.
Obgleich vorstehend hauptsächlich ein zweilagiges ge
schichtetes piezoelektrisches Material beschrieben ist,
kann dieses Material auch drei oder mehr Schichten auf
weisen.
Fig. 4 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines
Ultraschall-Sondenkopfes gemäß einer dritten Ausfüh
rungsform der Erfindung. Gemäß Fig. 4 sind mehrere ge
schichtete akustische Anpaßschich
ten 2 bis 4 und eine als Abstrahlebene dienende akusti
sche Linse 5 an der Ultraschallwellen-Abstrahlseite im
oberen Abschnitt eines mehrlagigen piezoelektrischen
Materials 1 angeordnet, während eine als Substrat die
nende Träger- bzw. Stützeinheit 6 an der von der Ab
strahlseite abgewandten Rückseite angeordnet ist. Das
Merkmal dieser Ausführungsform liegt in einer Diffe
renz der Dicken mehrerer piezoelektrischer Schichten
(vgl. Fig. 5), welche das piezoelektrische Material 1
bilden.
Fig. 5 veranschaulicht das zweilagige piezoelektrische
Mehrschicht-Material im Schnitt längs der Linie B-B′
in Fig. 4. Gemäß Fig. 5 umfaßt das Material 1 zwei pie
zoelektrische Schichten 11 und 12, die mit einander
entgegensetzten Polaritätsrichtungen 13 bzw. 14 ge
schichtet sind. An
den jeweiligen Endflächen des genannten Materials 1
sind in dessen Schichtungsrichtung, d.h. an der Ober
seite der piezoelektrischen Schicht 11 und an der Un
terseite der Schicht 12, Außenelektroden
15 bzw. 16 geformt. Die Schichten 11 und 12 bestehen
jeweils aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial; in
der Praxis ist eine Innenelek
trode 17 zum Polarisieren der piezoelektrischen Schich
ten 11 und 12 zwischen letzteren angeordnet. In einem
konkreten Beispiel bestehen die piezoelektrischen
Schichten 11 und 12 aus einem Keramikmaterial der PZT-
Reihe mit einer Dielektrizitätskonstante von 2000; die
Dicken der piezoelektrischen Schichten 11 und 12 be
tragen 260 µm bzw. 180 µm; das Dickenverhältnis R der
beiden Schichten 11 und 12 ist somit auf etwa 0,7 ein
gestellt. Dies bedeutet, daß die piezoelektrische
Schicht 12, die weiter von der akustischen Linse 5 an
der Ultraschallwellen-Abstrahlseite entfernt und neben
dem als Substrat dienenden Stützmaterial 6 angeordnet
ist, dünner ausgebildet ist als die piezoelektrische
Schicht 11.
Die Dicken der in drei Lagen vorliegen
den akustischen Anpaßschichten 2 bis 4 sind so be
stimmt, daß eine Frequenzanpassung im Hochfrequenzbe
reich erreicht wird. Dies ist deshalb der Fall, weil
die Frequenzcharakteristik bzw. der Frequenzgang auf
eine große Bandbreite eingestellt ist, um im Hochfre
quenzbereich ein B-Modussignal zu erhalten.
Bei der beschriebenen Ultraschallsonde werden eine
nicht dargestellte Sammel-Erd- bzw. -Masseelektrode und
eine nicht dargestellte flexible gedruckte Leiterplatte
jeweils an den Elektroden 15 bzw. 16 angelötet; mit
einem 30 µm dicken Schneidwerkzeug einer Schlitzschnei
demaschine werden die Schichten zusammen mit den aku
stischen Anpaßschichten 2 bis 4 entsprechend dem Si
gnalleitungsabstand (0,15 mm) der flexiblen Leiter
platte geschnitten bzw. geschlitzt.
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung des Frequenz
spektrums einer Echowellenform, die von einer in Was
ser befindlichen Reflexionsplatte reflektiert und nach
der "Impulsechomethode" gemessen wird. Wie aus dieser
Frequenzspektrumkurve hervorgeht, beträgt die Mitten
frequenz des konvexen Abschnitts des Hochfrequenz
bereichs etwa 7,76 MHz, und die spezifische Bandbreite
beträgt 43,2%, was einen für die Erzielung von B-Mo
dusbildern ausreichend großen Wert darstellt. Hierbei
beträgt die Mittenfrequenz des konvexen Abschnitts des
Niederfrequenzbereichs etwa 3,51 MHz.
Die graphische Darstellung des Frequenzspektrums gemäß
Fig. 7 repräsentiert das Meßergebnis, das im Fall der
dritten Ausführungsform für die gleichen
Parameter erzielt wird. Aus Fig. 7 geht hervor,
daß beim ermittelten Frequenzspektrum im
Fall einer Ultraschallsonde mit einer 230 µm dicken pie
zoelektrischen Schicht 11 und einer 210 µm (R=0,91)
dicken piezoelektrischen Schicht 12, unter anderweitig
unveränderten Bedingungen, die Mittenfrequenz an der
Hochfrequenzseite 7,54 MHz und die spezifische Band
breite 47,2% betragen. Diese Ergebnisse belegen deut
lich, daß mit der dritten Ausführungsform im Vergleich
zur zweiten Ausführungsform eine größere Bandbreite er
zielbar ist.
Die beschriebenen Ultraschallsonden können selektiv für
Untersuchungsobjekte entsprechend den Eigenschaften
derselben verwendet werden. Beispielsweise kann die
Ultraschallsonde gemäß der ersten Ausführungsform zur
Untersuchung der Speiseröhre, die Ultraschallsonde
gemäß der zweiten Ausführungsform für die Untersuchung
des Herzens von der Körperoberfläche her benutzt wer
den.
Die Erfindung ist keineswegs auf das als Beispiel er
läuterte zweilagige geschichtete piezoelektrische Mate
rial beschränkt, sondern verschiedenen Abwandlungen zu
gänglich. Beispielsweise kann ein piezoelektrisches
Mehrschicht-Material mit drei oder mehr Schichten als
piezoelektrisches Element verwendet werden.
Mit der Erfindung wird somit eine Ultraschallsonde mit
den folgenden Wirkungen bzw. Vorteilen realisiert. Die
Grundresonanzfrequenz kann auf etwa 15 bis 30 MHz ver
bessert werden, ohne das Fertigungsausbrin
gen zu verringern, indem die Ultraschallsonde aus einem
mehrlagigen piezoelektrischen Material geformt wird,
das mehrere geschichtete piezoelektrische Lagen
aufweist, die über an ihren beiden Endflä
chen geformte Elektroden elektrisch in Reihe geschal
tet sind. Weiterhin kann eine hohe Empfindlichkeit
durch Einfügen des Impedanzwandlers gemäß dem Anspruch 3
zwecks Senkung der Im
pedanz der Ultraschallsonde erzielt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde
gemäß dem Anspruch 2
können Wel
len einer Vielzahl von verschiedenen Frequenzen aus
gesandt und empfangen werden, beispielsweise Wellen
zweier verschiedener Frequenzen; dies wird mit einer
Ultraschallsonde ermöglicht, die ein mehrlagiges piezo
elektrisches Material enthält, bei dem die von der Ul
traschallwellen-Abstrahlseite am weitesten entfernte
piezoelektrische Schicht mit der kleinsten Dicke aus
gebildet ist. Außerdem kann durch zweckmäßige Ände
rung des Dickenverhältnisses der piezoelektrischen
Schichten des mehrlagigen piezoelektrischen Materials
die spezifische Bandbreite des Hochfrequenzbereichs
entsprechend dem Anwendungsgebiet zweckmäßig einge
stellt werden.
Claims (9)
1. Ultraschallsonde, mit einer Vielzahl von piezoelek
trischen Elementen (1), wobei
- a) jeweils
- a1) ein piezoelektrisches Element (1) mindestens
eine erste und eine zweite piezoelektrische
Schicht (11, 12) aufweist, die in Dickenrichtung
übereinander geschichtet sind, wobei die Polari
sierungsrichtung jeweils einer Schicht zur je
weils benachbarten Schicht entgegengesetzt einge
stellt ist, und
die erste Schicht (12) auf der ersten, von der Abstrahlseite abgewandten Seite des Elementes (1) und die zweite Schicht (11) auf der zweiten, der Abstrahlseite zugewandten Seite des Elemen tes (1) vorgesehen sind, - a2) im Grenzflächenbereich zwischen den beiden Schichten (11, 12) eine Zwischenschicht (17), auf der ersten Seite des Elementes (1) eine erste Außenelektrode (16) und auf der zweiten Seite des Elementes (1) eine zweite Außenelek trode (15) flächig angebracht sind, wobei über die beiden Außenelektroden (15, 16) Strom zuge führt wird und mit Hilfe der Zwischenschicht (17) die entgegengesetzten Polarisierungsrichtun gen erzeugt werden,
- a3) die zweite Außenelektrode (15) auf ihrer vom Ele ment (1) abgewandten Seite mit Ultraschallfre quenz-Anpaßmitteln bestehend aus mehreren akusti schen Anpaßschichten (2, 3, 4) flächig verbunden ist und
- a4) die mindestens zwei Schichten (11, 12), die elek trisch zueinander in Reihe geschaltet sind, je weils aus einem Keramikmaterial geformt sind und sowohl für den Sende- als auch für den Empfangs betrieb eingesetzt werden,
- a1) ein piezoelektrisches Element (1) mindestens
eine erste und eine zweite piezoelektrische
Schicht (11, 12) aufweist, die in Dickenrichtung
übereinander geschichtet sind, wobei die Polari
sierungsrichtung jeweils einer Schicht zur je
weils benachbarten Schicht entgegengesetzt einge
stellt ist, und
- b) die Vielzahl der an den Elementen (1) angebrach ten ersten Außenelektroden (16) auf ihrer je weils von den Elementen (1) abgewandten Seite flächig mit einer Sondenkopf-Stützeinheit (6) verbunden ist und
- c) die Vielzahl der Anpaßmittel (2, 3, 4) auf ihrer von den zweiten Außenelektroden (15) abgewandten Seite mit einer Ultraschallwellen-Fokussierein heit (5) flächig verbunden ist, die aus einer akustischen Linse besteht.
2. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Dicke d1 der ersten Schicht (12)
kleiner ist als die Dicke d2 der zweiten Schicht
(11).
3. Ultraschallsonde nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich
net durch jeweils einen Impedanzwandler (22) pro Ele
ment (1), der jeweils mit seiner Eingangsklemme mit
der ersten Außenelektrode (16) verbunden ist, und
jeweils eine Anschlußeinrichtung (23) pro Element
(1), deren eines Ende jeweils mit der Ausgangsklemme
des Impedanzwandlers (22) verbunden ist, während ihr
anderes Ende an einen Ultraschallbildprozessor (24)
angeschlossen ist.
4. Ultraschallsonde nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Anschlußeinrichtung (23) ein Ko
axialkabel ist.
5. Ultraschallsonde nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich
net durch:
eine Erdungseinheit, die mit der zweiten Außenelek trode (15) flächig verbunden ist, und
eine Verdrahtungseinheit (8) mit einem gedruckten Verdrahtungsanschlußmuster, die mit der ersten Außen elektrode (16) flächig verbunden ist.
eine Erdungseinheit, die mit der zweiten Außenelek trode (15) flächig verbunden ist, und
eine Verdrahtungseinheit (8) mit einem gedruckten Verdrahtungsanschlußmuster, die mit der ersten Außen elektrode (16) flächig verbunden ist.
6. Ultraschallsonde nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich
net durch:
eine Erdungseinheit, die durch Löten jeweils zwi schen die zweite Außenelektrode (15) und eine (2) der akustischen Anpaßschichten (2, 3, 4) geschaltet ist, die eine vorbestimmte Dicke aufweisen, und eine durch Löten jeweils zwischen die erste Außen elektrode (16) und die Sondenkopf-Stützeinheit (6) geschaltete Verdrahtungseinheit (8).
eine Erdungseinheit, die durch Löten jeweils zwi schen die zweite Außenelektrode (15) und eine (2) der akustischen Anpaßschichten (2, 3, 4) geschaltet ist, die eine vorbestimmte Dicke aufweisen, und eine durch Löten jeweils zwischen die erste Außen elektrode (16) und die Sondenkopf-Stützeinheit (6) geschaltete Verdrahtungseinheit (8).
7. Ultraschallsonde nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Erdungseinheit ein Erd- oder Masse
kabel (7) ist und daß die Verdrahtungseinheit (8)
ein flexibles gedrucktes Kabel ist.
8. Ultraschallsonde nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Dickenverhältnis der zweiten
Schicht (11) zur ersten Schicht (12) 1,4 beträgt.
9. Ultraschallsonde nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Dickenverhältnis der zweiten
Schicht (11) zur ersten Schicht (12) 1,1 beträgt.
Applications Claiming Priority (1)
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