DE4010294C2 - - Google Patents

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,
• 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.

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).

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.