DE4304265C2 - Ultraschallwandler - Google Patents

Ultraschallwandler

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezo-electric effect or with electrostriction

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solcher Ul­ traschallwandler ist z. B. für die Ultraschallsonde eines medizinischen Diagnosegeräts geeignet.

Eine Ultraschallsonde weist ein Ultraschallsende-/Emp­ fangselement mit einem piezoelektrischen Element auf. Die Ultraschallsonde wird für die Abbilddung des inneren Zustands eines Zielobjekts durch Ausstrahlung einer Ul­ traschallwelle in Richtung auf das Zielobjekt und Emp­ fangen eines von einer Grenzfläche einer unterschiedli­ chen akustischen Impedanz des Zielobjekts reflektierten Echos benutzt. Ein eine solche Ultraschallsonde bein­ haltendes Ultraschallabbildungsgerät wird beispielswei­ se bei einem medizinischen Diagnosegerät zum Untersu­ chen des Inneren eines menschlichen Körpers oder in einem Prüfgerät zum Prüfen des Inneren eines Metall-Schweiß­ abschnitts eingesetzt.

Abgesehen von der tomographischen Bild- oder Tomogramm- (B-Modusbild)-Darstellung des menschlichen Körpers ist als Beispiel für ein medizinisches Diagnosegerät in neuerer Zeit ein die Farbstromkartierung-(CFM-)Metho­ de anwendendes Gerät entwickelt worden, das eine zwei­ dimensionale Farbwiedergabe der Geschwindigkeit des Blutstroms z. B. des Herzens, der Leber oder der Hals­ schlagader unter Nutzung einer durch den Blutstrom ver­ ursachten Dopplerverschiebung in der Ultraschallwel­ le durchzuführen vermag. Mit diesem me­ dizinischen Diagnosegerät konnte die Diagnose- oder Untersuchungsleistung deutlich verbessert werden. Das die CFM-Methode anwendende medizinische Diagnosegerät wird für die Diagnose an allen inneren Organen, z. B. Ge­ bärmutter, Leber und Milz, des menschlichen Körpers ein­ gesetzt. Weitere Studien werden mit dem Ziel der Schaf­ fung eines Geräts, mit dem eine Koronarthrombose diagno­ stizierbar ist, durchgeführt.

Im Fall des zuerst genannten B-Modusbilds muß ein Bild hoher Auflösung mit einer hohen Empfindlichkeit gewon­ nen werden, damit auch eine kleine Veränderung eines Krankheitszustands und eine Körperhöhle in einer tiefen Lage, durch eine Veränderung des Körpers verursacht, klar erkennbar ist. Da beim zweitgenannten Dopplermo­ dus, der ein CFM-Bild zu liefern vermag, das von einer kleinen Blutzelle eines Durchmessers von etwa einigen fm reflektierte Echo benutzt wird, ist das gewonnene Signal kleiner bzw. schwächer als das im B-Modusbild ge­ wonnene Signal, weshalb eine höhere Meßempfindlich­ keit erforderlich ist.

Herkömmlicherweise werden im Hinblick auf ihre Lei­ stungsfähigkeit Ultraschallsende-/Empfangselemente der folgenden Ausgestaltungen benutzt:

  • 1. Eine durch Bestrahlung eines lebenden Körpers mit einer Ultraschallwelle mittels einer Ultraschallsonde hervorgerufene Ultraschalldämpfung beträgt, außer in Knochen, etwa 0,5-1 dB/MHz·cm. Um somit vom lebenden Körper ein Signal mit hoher Empfindlichkeit zu gewin­ nen, wird vorzugsweise die Frequenz der vom Ultraschall­ sende-/Empfangselement abgestrahlten Ultraschallwelle verringert. Wenn jedoch die Frequenz übermäßig stark verringert wird, vergrößert sich die Wellenlänge der Frequenz, wodurch zeitweilig die Auflösung beeinträch­ tigt wird. Aus diesem Grund wird üblicherweise eine Ul­ traschallwelle einer Frequenz von 2-10 MHz abge­ strahlt.
  • 2. Das piezoelektrische Element des Ultraschallsende-/ Empfangselements muß aus einem Werkstoff eines großen elektromechanischen Koppelfaktors und einer großen Di­ elektrizitätskonstante gebildet sein, so daß ein durch Kabel und die Streukapazität des Geräts verursachter Verlust klein ist und das piezoelektrische Element ein­ fach an eine Sende-/Empfangsschaltung anpaßbar ist. Aus diesem Grund besteht das piezoelektrische Element haupt­ sächlich aus einer Keramik auf Titanatbleizirkonat- (PZT-)Basis.
  • 3. Eine Feld- oder Arraytyp-Ultraschallsonde, durch An­ ordnung von mehreren zehn bis etwa 200 Ultraschallsende-/Empfangselementen mit jeweils einem streifenförmigen piezoelektrischen Element gebildet, besitzt eine hohe Auflösung.

Die herkömmliche Ultraschallsonde ist jedoch mit den folgenden Problemen behaftet:

  • a) Das Ultraschallsende-/Empfangselement strahlt übli­ cherweise die Ultraschallwelle unter Nutzung der Reso­ nanz der Schwingung des piezoelektrischen Elements in der Richtung der Dicke ab. Zur Verringerung des Einflus­ ses der Dämpfung der Ultraschallwelle durch einen leben­ den Körper muß die Frequenz der Ultraschallwelle, wie oben erwähnt, verringert werden. Zur Verringerung der Wellen-Frequenz muß das piezoelektrische Element dicker sein. Um beispielsweise eine Ultraschallwelle einer Frequenz von 2,5 MHz abzustrahlen, muß die Dicke des piezoelektrischen Elements aus dem Keramikmaterial auf PZT-Basis in der Schwingungsrichtung auf 600 µm einge­ stellt werden. Bei einer derartigen Dickenvergrößerung des piezoelektrischen Elements ergeben sich zahlreiche Probleme. Genauer gesagt: um ein streifenförmiges piezo­ elektrisches Element aus einem Block aus Keramikmate­ rial auf PZT-Basis zu formen, wird eine zum Spalten bzw. Schneiden eines Halbleiter-Siliziumplättchens und dgl. benutzte Spalt- oder Schneidvorrichtung eingesetzt. Wenn die Dicke des piezoelektrischen Ele­ ments in der Schwingungsrichtung vergrößert ist, vergrößert sich die Schnittiefe beim Spalten bzw. Schneiden mit einem vorbestimmten Teilungsabstand. Wenn aus diesem Grund das Spalten bzw. Schneiden mittels einer dünnen Klinge erfolgt, wird die Schnittrille schräg bzw. schief oder der geschnittene Bereich gewellt oder das piezoelektrische Element kann beschä­ digt werden. Wenn zur Vermeidung solcher Erscheinungen das Spalten bzw. Schneiden mittels einer dicken Klinge erfolgt, vergrößert sich die Schnittmenge oder -größe. Da die Größe der PZT-Basis-Keramikblöcke vor dem Spal­ ten bzw. Schneiden vorherbestimmt ist, wird dabei die Ultraschallsende-/Empfangsoberfläche jedem piezoelektri­ schen Elements verkleinert. Infolgedessen wird die Emp­ findlichkeit herabgesetzt, und der Nebenzipfel vergrö­ ßert sich.
  • b) Wenn die Arraytyp-Ultraschallsonde mit dem Körper in Berührung gebracht wird, vergrößert sich, weil der Durchmesser der Ultraschallwellenabstrahlflä­ che nicht vergrößert werden kann, mit zunehmender Zahl der Ultraschallsende-/Empfangselemente die Impedanz je­ des piezoelektrischen Elements, und die Anpassung an die Sende-/Empfangsschaltung wird schwierig zu bewerk­ stelligen. Eine mangelhafte Anpassung kann durch Verwen­ dung eines PZT-Basis-Keramikmaterials einer großen rela­ tiven Dielektrizitätskonstante als piezoelektrisches Element vermieden werden. Da sich jedoch der elektrome­ chanische Koppelfaktor des Keramikmaterials auf PZT-Ba­ sis verringert, wenn die relative Dielektrizitätskon­ stante 3000 übersteigt, wird die Meß­ empfindlichkeit herabgesetzt, wodurch ein anderes Pro­ blem aufgeworfen wird.

Bezüglich des oben unter b) beschriebenen Problems wird die Anpassung an die Sende-/Empfangsschaltung durch Aus­ bildung des piezoelektrischen Elements als mehrlagige Struktur oder durch Einbeziehung eines Impe­ danzwandlers erreicht. Obgleich bei einer mehrlagigen Struktur die Übertragungs- bzw. Sendeempfindlichkeit entsprechend der Zahl der Lagen bzw. Schichten erhöht wird, ist jedoch die Empfangsempfindlichkeit der Zahl der Lagen bzw. Schichten umgekehrt proportional. Die An­ wendung des mehrlagigen piezoelektrischen Elements ist daher auf spezielle Fälle beschränkt, z. B. einen Fall, in welchem das piezoelektrische Element kleiner ist als üblich, und einen Fall, in welchem das Kabel lang ist. Bei Verwendung eines Impedanzwandlers, etwa eines Emit­ terfolgers, vergrößern sich die Abmessungen der Ultra­ schallsonde; zudem verengt sich das Frequenzband auf­ grund der dem Impedanzwandler eigenen Frequenzcharakte­ ristika oder -kennlinien.

Es ist bekannt, daß ein piezoelektrisches Element aus einem polymeren Stoff, z. B. Bleimetaniobat, Polyvi­ nylidenfluorid oder einem Mischpolymeren davon, eine kleine Frequenzkonstante besitzt und seine Dicke klei­ ner sein kann als die eines solchen Elements aus einem Keramikmaterial auf PZT-Basis, auch wenn es eine nied­ rige Frequenz aufweist. Der polymere Stoff weist jedoch eine kleine Dielektrizitätskonstante und einen kleinen elektromechanischen Koppelfaktor auf, so daß er nicht praktisch verwendbar ist.

Wenn, wie oben beschrieben, eine eine hohe Empfindlich­ keit besitzende, mit niedriger Frequenz ansteuerbare Ultraschallsonde, die eine geringe Dämpfung der Ultra­ schallwelle in einem lebenden Körper hervorruft, bereit­ gestellt werden soll, wird bei Verwendung eines herkömm­ lichen Keramikmaterials auf PZT-Basis die Dicke der Sonde groß. Bei Verwendung einer dünnen Klinge für das Spalten bzw. Schneiden zur Gewinnung streifenförmiger piezoelektrischer Elemente werden aus diesem Grund die Schnittrille schräg, der Schnittbereich gewellt oder möglicherweise das piezoelektrische Element beschädigt. Da sich beim Spalten bzw. Schneiden mittels einer dicken Klinge der Schnittbereich vergrößert, wird die Oberfläche der Ultraschallsende-/Empfangsfläche jedes piezoelektrischen Elements verkleinert. Dabei nimmt die Empfindlichkeit ab, und der Nebenzipfelpegel vergrößert sich. Wenn weiterhin die Dicke des piezoelektrischen Elements vergrößert wird, erhöht sich die elektrische Impedanz, und die Anpassung an die Sende-/Empfangsschal­ tung wird schwierig.

Aus VOLZ, Hans: "Piezoelektrische Keramiken" in Elek­ tronik Nr. 6, 26. 03. 1982, S. 72-76, ist ein Ultra­ schallwandler mit einem bestehenden piezoelektrischen Element mit auf zwei seiner einander gegenüberliegenden Oberflächen angeordneten Elektroden bekannt. Dieses Element besteht aus einer festen Lösung (von PbZrO₃ und PbTiO₃), d. h. aus Mischkristallen (siehe hierzu auch "Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie", 4. Auflage, Band 15. 1978 Weinheim, New York, Verlag Chemie; Seite 96.

Weiterhin ist aus der DE 31 19 272 C2 ein Ultraschall­ array bekannt, bei welchem eine Vielzahl von piezoelek­ trischen Elementen, bei denen die Ultraschallsende-/Emp­ fangsfläche und die dieser gegenüberliegenden Fläche Elektroden aufweisen, nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei diese Elemente gleichmäßig dick sind.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultra­ schallwandler mit einem Ultraschallsende-/Empfangsele­ ment zu schaffen, der mit niedriger Frequenz ansteuer­ bar ist, bei dem die Dicke des piezoelektrischen Ele­ ments in der Schwingungsrichtung verkleinert sein kann, der ohne weiteres an eine Sende-/Empfangsschaltung an­ paßbar ist und bei dem die Empfindlichkeit erhöht ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Ultraschallwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ermöglicht die Schaffung einer Arraytyp- Ultraschallsonde, bei welcher die Frequenz der von der Ultraschallsende-/Empfangsfläche jedes Ultraschallsen­ de-/Empfangselements ausgesandten Ultraschallwelle kon­ stant einstellbar ist und das einen Ultraschallstrahl hoher Auflösung zu liefern vermag.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ultra­ schallwandlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Ultra­ schallwandlers gemäß einer anderen Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrich­ tung mit einer Wärmeregelfunktion bei einem Ultraschallwandler gemäß Beispiel 5,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Temperatur und der relativen Dielektrizitätskonstante eines Einkristalls auf der Basis einer festen Lösung bzw. eines Mischkristalls aus 91PZN-9PT als piezoelek­ trisches Element beim Ultraschallwandler nach Fig. 3,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Temperatur­ differenzänderung zwischen der Vorrichtung nach Fig. 3 und der Außenluft bei Durchfüh­ rung einer Wärmeerzeugungsregelung am Ultraschallwandler,

Fig. 6 eine graphische Darstellung eines elektrome­ chanischen Koppelfaktors eines Ultraschall­ sende-/Empfangselements mit einer vertieft bzw. konkav gekrümmten Ultra­ schallsende-/Empfangsfläche in der Krümmungs­ richtung,

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Ergebnisses einer Schallfeldmessung bei einer Array­ typ-Ultraschallsonde gemäß Beispiel 6 der Er­ findung,

Fig. 8 eine graphische Darstellung des Ergebnisses einer Schallfeldmessung bei einer Arraytyp- Ultraschallsonde mit einem plattenartigen piezoelektrischen Element,

Fig. 9 eine Aufsicht auf einen Geber oder Sender nach Beispiel 7 der Erfindung,

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung eines in den Wellensender nach Fig. 9 ein­ bezogenen Ultraschallerzeugungselements,

Fig. 11A eine Stirnansicht einer anderen Anordnung des Senders und

Fig. 11B eine Schnittansicht des Senders nach Fig. 11A.

Im folgenden ist ein Ultraschallwandler bzw. eine Ultraschallsonde gemäß einer Aus­ führungsform der Erfindung anhand von Fig. 1 im einzel­ nen erläutert.

Mehrere piezoelektrische Elemente 1 aus einem Ein­ kristall sind mit einem Stützelement 2 in gegenseitiger Trennung verbunden bzw. verklebt. Die piezoelektrischen Elemente 1 schwingen in einer Richtung eines Pfeils A gemäß Fig. 1. Eine erste Elektrode 3 ist von der Ultra­ schallsende-/Empfangsfläche jedes piezoelektrischen Ele­ ments ausgehend und dessen Seitenfläche sowie einen Teil der der Sende-/Empfangsfläche gegenüberliegenden Fläche abdeckend geformt. Eine zweite Elektrode 4 ist an der anderen Fläche jedes piezoelektrischen Elements 1, seiner Sende-/Empfangsfläche gegenüberliegend, geformt und mit einem gewünschten Abstand von der betreffenden ersten Elektrode 1 angeordnet. Jedes piezoelektrische Element 1 und die betreffenden ersten und zweiten Elek­ troden 3 bzw. 4 bilden ein Ultraschallsende-/Empfangsele­ ment. An den Ultraschallsende-/Empfangsflächen der piezo­ elektrischen Elemente 1, einschließlich der jeweiligen ersten Elektroden 3, sind akustische Anpaßschichten 5 ausgebildet. Eine akustische Linse 6 ist so geformt, daß sie die Gesamtbereiche der akustischen Anpaßschich­ ten 5 bedeckt. Mit den ersten Elektroden 3 ist z. B. durch Löten eine Masseelektrodenplatte 7 verbunden. An die zweiten Elektroden 4 ist z. B. durch Löten eine bieg­ same gedruckte Verdrahtungsplatte oder -platine 8 mit einer Vielzahl von Leitern bzw. Kabeln angeschlossen.

Die Ultraschallsonde mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau wird beispielsweise nach folgendem Verfahren gefertigt.

Leitfähige Filme werden auf den beiden Flächen eines Einkristall-Stückblocks durch Aufsprühen erzeugt, worauf ein selektives Ätzen erfolgt, um leitfähige Filme auf der Ultraschallsende-/Empfangsfläche und der dieser gegenüberliegenden Fläche des Einkristallstücks zurückzulassen. Die Masseelektrodenplatte 7 wird durch Löten mit dem einen Endabschnitt des leitfähigen Films an der Sende-/Empfangsfläche verbunden. Auf dem leitfähi­ gen Film auf einer Oberfläche des Einkristallstücks, die als Ultraschallsende-/Empfangsfläche dient, wird eine akustische Anpaßschicht erzeugt. Anschließend wird die eine Vielzahl von Leitern aufweisende bieg­ same gedruckte Verdrahtungsplatine 8 durch Löten mit dem Endabschnitt des leitfähigen Films an der der Sen­ de-/Empfangsfläche gegenüberliegenden Fläche verbunden, worauf das so erhaltene Gebilde mit dem Stützelement 2 verbunden wird. Mittels einer Klinge erfolgt sodann ein mehrfaches Spalten oder Schneiden von der akustischen Anpaßschicht her zu dem leitfähigen Film auf der der Sende-/Empfangsfläche des Einkristallstücks gegenüberlie­ genden Fläche zwecks Bildung einer Vielzahl von getrenn­ ten piezoelektrischen Elementen 1, die jeweils die ersten und zweiten Elektroden 3 bzw. 4 auf dem Stütz­ element 2 und die mehreren, jeweils an den piezoelek­ trischen Elementen 1 angeordneten akustischen Anpaß­ schichten 5 aufweisen. Die akustische Linse 6 wird auf den akustischen Anpaßschichten 5 geformt, worauf eine Ultraschallsonde hergestellt ist.

Die piezoelektrischen Elemente 1 sind durch einen Zink­ bleiniobat-Bleititanat-Einkristall auf der Basis einer festen Lösung bzw. eines Mischkristalls geformt. Ein solcher Einkristall wird beispielsweise nach folgendem Verfahren hergestellt:
PbO, ZnO, Nb₂O₅ und TiO₂ jeweils einer hohen chemischen Reinheit werden als Ausgangsmaterialien benutzt. Die Ausgangsmaterialien werden einer Reinheitskorrektur un­ terworfen und so abgewogen, daß Zinkniobat (PZN) und Bleititanat (PT) einem gewünschten Molverhältnis ent­ sprechen, und die gleiche Menge an PbO wird dem erhalte­ nen Pulver als Flußmittel zugesetzt. Dem so erhaltenen Pulver wird destilliertes Wasser zugesetzt und während einer gewünschten Zeitspanne z. B. in einer ZrO₂-Kugeln enthaltenden Kugelmühle untergemischt. Dem so erhalte­ nen Gemisch wird Wasser entzogen. Das Gemisch wird mit­ tels einer Mahlvorrichtung, z. B. einer Raika-Maschine, ausreichend pulverisiert, in einen Gummiformbehälter eingebracht und unter einem gewünschten Druck über den Gummibehälter verpreßt. Ein aus der Gummiform entnommener fester Stoff wird in z. B. einen Platinbehälter eines gewünschten Volumens bzw. Fassungs­ vermögens eingebracht und bei einer gewünschten Tempera­ tur aufgeschmolzen. Nach dem Abkühlen wird der feste Stoff wiederum in den Platinbehälter eingebracht und mittels z. B. eines Platindeckels verschlossen bzw. abge­ dichtet. Der Behälter wird in die Mitte eines Elektro­ ofens gesetzt. Der Stoff wird auf eine Temperatur über seinem Schmelzpunkt erwärmt und anschließend mit einer gewünschten Temperatursenkungsgeschwindigkeit langsam auf nahezu die Schmelztemperatur abgekühlt, worauf der Behälter auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Sodann wer­ den Salpetersäure einer gewünschten Konzentration in den Behälter eingegeben, der Inhalt des Behälters zum Sieden gebracht und der hergestellte Mischkristallba­ sis-Einkristall aus dem Behälter entnommen.

Neben dem oben beschriebenen Flußmittelverfahren kann der Mischkristallbasis-Einkristall aus Zinkbleiniobat- Bleititanat auf ähnliche Weise auch nach z. B. dem Bridgman-Verfahren, dem Kyropoulous-Verfahren und dem hydrothermischen Verfahren hergestellt werden.

Vorzugsweise wird ein Mischkristallbasis-Einkristall aus Zinkbleiniobat-Bleititanat verwendet, dessen mola­ rer Anteil an Bleititanat 20% oder weniger beträgt. Bei Verwendung eines aus einem solchen Einkristall ge­ bildeten piezoelektrischen Elements kann die Schallge­ schwindigkeit um 20% oder mehr gegenüber derjenigen eines piezoelektrischen Elements aus dem PZT-Keramik­ material herabgesetzt sein, so daß eine Ultraschallson­ de einer hohen Empfindlichkeit erhalten werden kann.

Besonders bevorzugt wird ein Mischkristallbasis-Ein­ kristall aus Zinkbleiniobat-Bleititanat einer Zusammen­ setzung verwendet, die sich durch folgende Formel aus­ drücken läßt:

PbA[(Zn1/3Nb2/3)1-xTix)]BO₃

In obiger Formel sind x zu 0,05 x 0,20 und das stöchiometrische Verhältnis A/B zu 0,98 A/B < 1,00 definiert.

In obiger Formel ist x aus dem im folgenden angegebenen Grund auf obige Weise definiert. Wenn x auf weniger als 0,05 eingestellt ist, wird die Curie-Temperatur des Mischkristallbasis-Einkristalls niedrig, so daß in uner­ wünschter Weise beim Anlöten der biegsamen gedruckten Verdrahtungsplatine 7 oder der Masseelektrodenplatte 8 oder beim Spalten bzw. Schneiden des Mischkristallba­ sis-Einkristalls eine Depolarisation auftreten kann. Wenn dagegen x größer ist als 0,20, kann kein großer elektromechanischer Koppelfaktor erreicht werden; außer­ dem nimmt die Dielektrizitätskonstante ab, so daß die Anpassung der akustischen Impedanz des Sende-/Empfangs­ schaltungsteils schwierig wird. Besonders bevorzugt liegt x bei 0,06 bis 0,12.

Wenn das Verhältnis A/B gemäß obiger Formel außerhalb des obigen Bereichs liegt, kann die Zuverlässigkeit der erhaltenen Ultraschallsonde im tatsächlichen Betrieb in unerwünschter Weise beeinträchtigt sein.

Vorzugsweise besitzt jedes piezoelektrische Element 1 in der Schwingungsrichtung eine Dicke von 200 bis 400 µm.

Bevorzugt besitzen die Ultraschallsende-/Empfangsfläche jedes piezoelektrischen Elements 1 und eine dieser Fläche gegenüberliegende bzw. von ihr abgewandte Fläche eine mittlere Oberflächenrauhigkeit von 0,4 µm oder we­ niger und eine maximale Oberflächenrauhigkeit von 4 µm oder weniger. Wenn die mittlere und die maximale Ober­ flächenrauhigkeit 0,4 µm bzw. 4 µm übersteigen, kann die langfristige Zuverlässigkeit, z. B. Empfindlichkeit, beeinträchtigt sein. Vorzugsweise betragen die mittlere und die maximale Oberflächenrauhigkeit 0,3 µm oder weni­ ger bzw. 3 µm oder weniger.

Bevorzugt besitzt jedes piezoelektrische Element 1 eine Ultraschallsende-/Empfangsfläche in der (001)-Ebene. Ein solches piezoelektrisches Element kann durch Spalten bzw. Schneiden des angegebenen Mischkristallbasis-Ein­ kristalls in der lotrechten Richtung in bezug auf die [001]-Achse (C-Achse) gefertigt werden.

Jede der ersten und zweiten Elektroden 3 bzw. 4 besteht aus einem zweilagigen leitfähigen Film aus z. B. Ti/Au, Ni/Au oder Cr/Au.

Die in Fig. 1 gezeigte Ultraschallsonde verwendet den Festlösungs- bzw. Mischkristallba­ sis-Einkristall aus Zinkbleiniobat-Bleititanat für die piezoelektrischen Elemente 1. Wenn somit Elektroden auf den durch einen derartigen Einkristall gebildeten piezo­ elektrischen Elementen erzeugt werden und damit eine Polarisierung vorgenommen wird, kann eine re­ lative Dielektrizitätskonstante von etwa 2200 erzielt werden. Außerdem können die Ultraschallsende-/Empfangs­ elemente durch Spalten bzw. Schneiden des Mischkristall­ basis-Einkristalls in lotrechter oder vertikaler Rich­ tung in bezug auf z. B. die [001]-Achse zur Bildung von streifenförmigen piezoelektrischen Elementen herge­ stellt werden, die jeweils die Ultraschallsende-/Emp­ fangsfläche auf bzw. in der (001)-Ebene aufweisen, in welcher ein maximaler elektromechanischer Koppelfaktor (k₃₃′) erreicht werden kann, und indem die ersten und zweiten Elektroden 3 bzw. 4 auf den (001)-Ebenen der piezoelektrischen Elemente 1 geformt werden. Jedes die­ ser Ultraschallsende-/Empfangselemente strahlt eine Ul­ traschallwelle einer Schallgeschwindigkeit von 2700 bis 3000 m/s (Frequenzkonstante = 1350 bis 1500 Hz·m) von der Ultraschallsende-/Empfangsfläche des entsprechenden piezoelektrischen Elements mit einer Orientierung der (001)-Ebene ab. Ein solches Ultraschallsende-/Emp­ fangselement vermag daher die Schallgeschwindigkeit um etwa 30% gegenüber derjenigen (4000 m/s) eines herkömm­ lichen Ultraschallsende-/Empfangselements mit einem piezoelektrischen Element aus dem PZT-Basis-Keramikma­ terial zu verzögern. Insbesondere dann, wenn ein piezo­ elektrisches Element aus einem Mischkristallbasis-Ein­ kristall aus Zinkbleiniobat-Bleititanat, dessen Molver­ hältnis an Titanat als Bestandteil zur Erhöhung der Schallgeschwindigkeit auf 20% oder weniger eingestellt ist, verwendet wird, kann die Schallgeschwindigkeit weiter verringert werden.

Unter der Voraussetzung, daß die Frequenz der vom Ultra­ schallsende-/Empfangselement abgestrahlten Ultraschall­ welle zu f₀ definiert ist, die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle v ist und die Dicke des piezoelek­ trischen Elements des Sende-/Empfangselements in der Schwingungsrichtung gleich t ist, läßt sich f₀ durch folgende Gleichung ausdrücken:

f₀ = v/2t

Da somit das Ultraschallsende-/Empfangselement eine Ul­ traschallwelle einer niedrigen Schallgeschwindigkeit auch dann abstrahlen kann, wenn die Frequenz (f₀) auf eine niedrigere Frequenz, als sie in dieser Gleichung definiert ist, eingestellt ist, kann die Dicke des piezoelektrischen Elements des Sende-/Empfangselements verkleinert sein. Mit anderen Worten: es kann eine Niederfrequenzansteuerung, bei welcher ein Signal mit einer hohen Empfindlichkeit er­ halten werden kann, durchgeführt werden, und die Dicke des piezoelektrischen Elements in Form des Mischkri­ stallbasis-Einkristalls in der Schwingungsrichtung kann verkleinert sein.

Aus obiger Beschreibung ergibt sich folgendes: Wenn der Mischkristallbasis-Einkristall zu Streifen geformt wer­ den soll, kann die Schnittiefe der Klinge der Spaltma­ schine (oder auch Schlitzmaschine) verkleinert sein, und das Schneiden kann geradlinig und ohne Wellung des Schnittbereichs auch bei Verwendung einer dünnen Klinge durchgeführt werden. Darüber hinaus kann das Fertigungs­ ausbringen erhöht sein, und für die Ultraschallsende-/ Empfangsfläche des piezoelektrischen Elements kann eine gewünschte Oberfläche aufrechterhalten werden, so daß sich eine Hochleistungs-Ultraschallsonde mit verkleiner­ tem Nebenzipfel erzielen läßt.

Wie oben beschrieben, besitzt das piezoelektrische Ele­ ment aus dem Mischkristallbasis-Einkristall eine rela­ tive Dielektrizitätskonstante, die gleich groß oder grö­ ßer ist als diejenige des herkömmlichen piezoelektri­ schen Elements aus dem Keramikmaterial auf PZT-Basis. Die Anpassung an die Sende-/Empfangsschaltung ist daher einfach möglich. Als Ergebnis kann ein durch ein Kabel oder die Streukapazität des Geräts hervorgerufener Ver­ lust verringert sein, so daß ein Signal mit hoher An­ sprechempfindlichkeit erzielt wird.

Weiterhin wird das Ultraschallsende-/Empfangselement da­ durch hergestellt, daß ein Mischkristallbasis-Ein­ kristall aus Zinkbleiniobat-Bleititanat einer Zusammen­ setzung entsprechend PbA[(Zn1/3Nb2/3)1-xTix)]BO₃ (worin x zu 0,05 x 0,20 und das stöchiometrische Verhält­ nis A/B zu 0,98 A/B < 1,00 definiert sind) verwendet, der ge­ nannte Einkristall in der vertikalen Richtung in bezug auf z. B. die [001]-Achse geschlitzt oder geschnittene, um eine Ultraschallsende-/Empfangsfläche auf der (001)-Ebene, an welcher der maximale elektromechanische Koppelfaktor (k₃₃′) erzielt werden kann, zu bilden, und eine Elektrode auf jeder (001)-Ebene geformt wird. Bei einem solchen Ultraschallsende-/Empfangselement beträgt die Schallgeschwindigkeit der von der Ultraschallsende-/ Empfangsfläche mit der Orientierung der (001)-Ebene ab­ gestrahlten Ultraschallwelle 2700 bis 3000 m/s (Frequenz­ konstante = 1350 bis 1500 Hz·m), wobei ein großer elek­ tromechanischer Koppelfaktor k₃₃′ von 80 bis 85% er­ zielbar ist. Auch wenn die dieses Ultraschallsende-/Emp­ fangselement aufweisende Ultraschallsonde mit einem Diagnosegerät verbunden und ein Test während einer Zeit­ spanne von 1000 Stunden bei einer Impulsspannung von 50 bis 150 V und einer Wiederholungsfrequenz von 3 bis 15 kHz als tatsächliche Betriebsbedingungen durchgeführt wird, kann eine in der Anfangsstufe oder -phase des Be­ triebs erreichte hohe Ansprech-Empfindlichkeit erhalten bleiben.

Wenn das das Ultraschallsende-/Empfangselement bildende piezoelektrische Element aus dem Mischkristallbasis-Ein­ kristall besteht und eine Ultraschallsende-/Empfangsflä­ che sowie eine dieser gegenüberliegende Fläche auf­ weist, die beide eine mittlere Oberflächenrauhigkeit von 0,4 µm oder weniger und eine maximale Oberflächen­ rauhigkeit von 4 µm oder weniger aufweisen, erfährt auch bei einem tatsächlichen Betriebstest während 1000 Stunden oder mehr bei einer Impulsspannung von 50 bis 150 V und einer Wiederholungsfrequenz von 3 bis 15 kHz entsprechend tatsächlichen Betriebsbedingungen die Emp­ findlichkeit keine Verringerung, so daß auf diese Weise eine Ultraschallsonde mit einer ausgezeichneten Lang­ zeitzuverlässigkeit realisiert wird.

Da ferner bei einem Ultraschallwandler, etwa einem Ul­ traschallerzeugungselement, bei dem Elektroden auf der Ultraschallerzeugungsfläche eines piezoelektrischen Ele­ ments aus dem Mischkristallbasis-Einkristall aus Zink­ bleiniobat-Bleititanat entsprechend der angegebenen For­ mel sowie einer dieser Fläche gegenüberliegenden Fläche ausgebildet sind, ein großes elektrisches Feld an die­ ses piezoelektrische Element angelegt werden kann, kann die abgestrahlte Schallwelle dabei verstärkt sein. Das Ultraschallerzeugungselement ist dem­ zufolge für die Stoßwellenquelle eines Steinzertrümmerungs­ geräts oder eines thermotherapeutischen Geräts anwend­ bar, mit dem eine Behandlung durch von außen her erfol­ gendes Abstrahlen der Stoßwelle auf bzw. in einen menschlichen Körper erfolgt, um einen Leber- oder Gal­ lenstein zu kleinen Teilchen zu zertrümmern und die Fragmente des zertrümmerten Steins auf natürlichem Wege abzuführen. Dies bedeutet, daß dieses Element für den Sender oder Übertrager eines Ultraschall-Therapiege­ räts anwendbar ist.

Das durch den Einkristall auf der Basis eines Mischkristalls gebildete piezoelektri­ sche Element besitzt ein spezifisches Gewicht (Wichte) von 8,2 bis 8,5, das dicht an dem (7,5 bis 8,0) eines herkömmlichen piezoelektrischen Elements aus dem Kera­ mikmaterial auf PZT-Basis liegt, und es kann dünner aus­ gebildet werden als das herkömmliche piezoelektrische Element. Das Gesamtgewicht kann daher um etwa 25% ver­ ringert sein. Infolgedessen kann durch Einbau des Ul­ traschallerzeugungselements mit dem piezoelektrischen Element am Sender oder Übertrager ein Steinzertrümme­ rungsgerät niedrigen Gewichts realisiert werden. Da der Sender eines solchen Steinzertrümme­ rungsgeräts mit guter Steuerbarkeit oder Kontrollierbar­ keit genau auf die Position des Steins ausgerichtet werden kann, können die Steinzertrümmerungsleistung ver­ bessert und die Größe des Ansteuermechanismus verrin­ gert werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Elektroden 3 und 4 nicht vorgesehen zu sein brauchen oder die biegsame ge­ druckte Verdrahtungsplatine 7 und die Masseelektroden­ platte 8 nicht auf die in Fig. 1 gezeigte Weise mit den Elektroden 3 und 4 verbunden zu sein brauchen. Bei­ spielsweise können diese Verdrahtungsplatine 7 und die Masseelektrodenplatte 8 unter Verwendung einer Leiter­ paste oder durch Widerstandsschweißen, neben Löten, mit den Elektroden 3 und 4 verbunden sein.

Fig. 1 veranschaulicht eine Arraytyp-Ultraschallsonde. Die Erfindung ist jedoch auch auf eine Ultraschallsonde mit einem einzigen Ultraschallsende-/Empfangselement an­ wendbar.

Eine Arraytyp-Ultraschallsonde gemäß einer anderen Aus­ führungsform der Erfindung ist im folgenden anhand von Fig. 2 im einzelnen beschrieben.

Mehrere piezoelektrische Elemente 11 aus einem Einkri­ stall sind in voneinander getrennter Anordnung mit einer Stützschicht 12 verbunden. Die piezoelektrischen Elemente 11 besitzen eine vorbestimmte gleichmäßige Dicke und weisen Ultraschallsende-/Empfangsflächen auf, die in vertiefter Weise bzw. konkav gekrümmt sind und unter einem rechten Winkel zu ihrer Anordnungsrichtung verlaufen. Der Mittelbereich jeder konkaven Ultraschallsende-/Empfangsfläche besitzt einen maximalen elektromechanischen Koppelfaktor. Die piezoelektrischen Elemente 11 schwingen in der Richtung eines Pfeils A in Fig. 2. An der konkaven Ultraschallsende-/Empfangsfläche jedes piezoelektrischen Elements 11 ist eine erste Elek­ trode 13 angeformt. Eine zweite Elektrode 14 ist zwi­ schen die hochragende oder konvexe Fläche jedes piezoelektrischen Elements an der der Sende-/Empfangsflä­ che gegenüberliegenden Seite und das Stützelement 12 eingefügt und steht in gutem Kontakt mit dem jeweiligen piezoelektrischen Element 11. Die einzelnen piezoelek­ trischen Elemente 11 und ihre entsprechenden ersten und zweiten Elektroden 13 bzw. 14 bilden ein Ultraschallsen­ de-/Empfangselement. An den jeweiligen ersten Elektroden 13 sind akustische Anpaßschichten 15 geformt, die eine vorbestimmte gleichmäßige Dicke sowie Flächen aufwei­ sen, welche vertieft bzw. konkav gekrümmt sind und sich unter einem rechten Winkel zu einer Anordnungsrichtung derselben erstrecken. In der Anordnungsrichtung der piezoelektrischen Elemente 11 ist eine Masseelektroden­ platte 16 zwischen die ersten Elektroden 13 und die aku­ stischen Anpaßschichten 15 eingefügt und mit den ersten Elektroden 13 verbunden. Eine biegsame gedruckte Ver­ drahtungsplatine 17 mit einer Anzahl von Leitern ist zwischen die zweiten Elektroden 14 und das Stützelement 12 in der Ausrichtungsrichtung der piezo­ elektrischen Elemente 11 eingefügt und an die zweiten Elektroden 14 angeschlossen.

Die Arraytyp-Ultraschallsonde mit dem Aufbau gemäß Fig. 2 wird z. B. nach dem im folgenden beschriebenen Verfah­ ren hergestellt.

Zunächst wird ein Einkristallstückblock einer vorbe­ stimmten gleichmäßigen Dicke geformt, der eine in ver­ tiefter bzw. konkaver Weise gekrümmte Ultraschallsende-/ Empfangsfläche sowie eine dieser gegenüberliegende, er­ haben bzw. konvex gekrümmte Fläche aufweist. Auf die beiden Flächen des Ein­ kristallstücks werden durch Zerstäubung leitfähige Fil­ me aufgetragen. Die Masseelektrodenplatte 16 wird mit­ tels einer leitfähigen Paste oder Leiterpaste mit dem Endabschnitt des leitfähigen Films verbunden, der an der vertieften oder konkaven Fläche des piezoelektri­ schen Elements in einer Richtung senkrecht zu einer Krümmungsrichtung des Einkristallstücks liegt. Auf dem an der konkaven Fläche des piezoelektrischen Elements, einschließlich der Masseelektrodenplatte 16, befindli­ chen leitfähigen Film wird eine akustische Anpaßschicht einer vorbestimmten gleichmäßigen Dicke und mit einer auf dieselbe Weise wie das Einkristallstück konkav ge­ krümmten Fläche ausgebildet. Anschließend wird die eine Anzahl von Leitern aufweisende biegsame ge­ druckte Verdrahtungsplatine 17 mit Hilfe einer Leiter­ paste mit dem Endabschnitt des leitfähigen Films an der hochstehenden bzw. konvexen Fläche des Einkristall­ stücks in einer Richtung senkrecht zu dessen Krümmungs­ richtung verbunden, worauf das so erhaltene Gebilde mit dem Stützelement 12 verbunden bzw. verklebt wird. Mittels einer Klinge erfolgt anschließend ein mehrmaliges Spal­ ten oder Schlitzen von der akustischen Anpaßschicht zum leitfähigen Film auf der konvexen Fläche des Einkristallstücks in einer Richtung parallel zur Krümmungsrichtung des piezoelektrischen Elements, wo­ durch die Arraytyp-Ultraschallsonde fertiggestellt wird, bei welcher jedes der mehreren getrennten piezo­ elektrische Elemente 11 mit ersten und zweiten Elektro­ den 13 bzw. 14 auf der Stützschicht 12 geformt ist und die mehreren akustischen Anpaßschichten 15 jeweils auf den piezoelektrischen Elementen 11 angeordnet sind.

Die piezoelektrischen Elemente 11 bestehen aus einem Einkristall auf der Basis einer festen Lösung bzw. eines Mischkristalls aus Zinkbleiniobat- Bleititanat und es wird ein Mischkristallbasis- Einkristall aus Zinkbleiniobat-Bleititanat verwendet, bei dem der molare Anteil an Bleititanat 20% oder weni­ ger beträgt. Besonders bevorzugt wird ein Mischkristall­ basis-Einkristall aus Zinkbleiniobat-Bleititanat einer Zusammensetzung verwendet, die sich durch die Formel PbA[(Zn1/3Nb2/3)1-xTix)]BO₃ ausdrücken läßt (wobei x zu 0,05 x 0,20 und das stöchiometrische Verhältnis A/B zu 0,98 A/B < 1,00 definiert sind.

Zur Einstellung maximaler elektromechanischer Koppelfak­ toren für die Mittelbereiche der vertieften bzw. konka­ ven Ultraschallsende-/Empfangsflächen der piezoelektri­ schen Elemente 11 können beispielsweise die Kristall­ orientierungen der Mittelbereiche dieser konkaven Ultra­ schallsende-/Empfangsflächen so gewählt werden, daß ihre elektromechanischen Koppelfaktoren den Höchstwert erreichen. Genauer gesagt: wenn die piezo­ elektrischen Elemente aus einem Mischkristallbasis-Ein­ kristall aus Zinkbleiniobat-Bleititanat gebildet sind, werden die Kristallorientierungen der Mittelbereiche ihrer konkaven Ultraschallsende-/Empfangsflächen auf die (100)-Ebene gesetzt, so daß an bzw. in ihren Mittelbe­ reichen die maximalen elektromechanischen Koppelfakto­ ren erzielbar sind.

Vorzugsweise besitzt jedes piezoelektrische Element 11 in der Schwingungsrichtung eine Dicke von 200 bis 400 µm.

Bevorzugt besitzen die Ultraschallsende-/Empfangsfläche jedes piezoelektrischen Elements sowie eine letzterer Fläche gegenüberliegende vorstehende bzw. konvexe Flä­ che derselben eine mittlere Oberflächenrauhigkeit von 0,4 µm oder weniger und eine maximale Oberflächenrauhig­ keit von 4 µm oder weniger. Wenn die mittlere und maxi­ male Oberflächenrauhigkeit jeweils 0,4 µm bzw. 4 µm übersteigen, kann sich eine Langzeitzuverlässigkeit, z. B. Empfindlichkeit, verschlechtern. Vorzugsweise betra­ gen die mittlere und maximale Oberflächenrauhigkeit je­ weils 0,3 µm oder weniger bzw. 3 µm oder weniger.

Jede der ersten und zweiten Elektroden 13 und 14 be­ steht aus einem zweilagigen leitfähigen Film aus z. B. Ti/Au, Ni/Au oder Cr/Au.

Bei der Arraytyp-Ultraschallsonde ge­ mäß Fig. 2 sind mehrere Ultraschallsen­ de-/Empfangselemente mit den durch den Einkristall gebil­ deten piezoelektrischen Elementen 11 vorgesehen. Die piezoelektrischen Elemente 11 besitzen eine vorbestimm­ te gleichmäßige Dicke, und ihre Ultraschallsende-/Emp­ fangsflächen sind in der Richtung, in welcher die piezo­ elektrischen Elemente 11 angeordnet sind, vertieft bzw. konkav gekrümmt. Die Mittelbereiche der konkaven Ultra­ schallsende-/Empfangsflächen besitzen die größten elek­ tromechanischen Koppelfaktoren. Bei diesen Ultraschall­ sende-/Empfangselementen bzw. -flächen können daher die elektromechanischen Koppelfaktoren in Richtung auf die Endabschnitte der jeweiligen konkaven Flächen der piezo­ elektrischen Elemente 11 abnehmen. Infolgedessen kann die Frequenz der von der Ultraschallsende-/Empfangsflä­ che jedes Ultraschallsende-/Empfangselements abgestrahl­ ten Ultraschallwelle konstant eingestellt sein, während die elektromechanischen Koppelfaktoren eine gewisse Verteilung aufweisen können. Aus diesem Grund können der Nebenzipfel unterdrückt und ein Schallwellenstrahl hoher Auflösung erreicht werden. Im Gegensatz zu der anhand von Fig. 1 beschriebenen Ultraschallsonde kann weiterhin die Arraytyp-Ultraschallsonde gemäß Fig. 2 den Ultraschallstrahl ohne Verwendung einer akustischen Linse fokussieren. Demzufolge kann eine von der Lage der akustischen Linse abhängende Dämpfung der Ultra­ schallwelle vermieden werden; außerdem kann der sog. Rauschabstand deutlich vergrößert sein.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Beispielen näher beschrieben:

Beispiel 1

Als Ausgangsmaterialien wurden PbO, ZnO, Nb₂O₅ und TiO₂ jeweils einer hohen chemischen Reinheit verwendet. Die Ausgangsmaterialien wurden bezüglich der Reinheit korri­ giert und so abgewogen, daß Zinkniobat (PZN) und Blei­ titanat (PT) einem Molverhältnis von 91 : 9 entspra­ chen, worauf dem so erhaltenen Pulver die gleiche Menge an PbO als Flußmittel zugesetzt wurde. Dem erhaltenen Pulver wurde destilliertes Wasser zugegeben und eine Stunde lang in einer Kugelmühle mit ZrO₂-Kugeln unter­ gemischt. Dem so gebildeten Gemisch wurde Wasser entzo­ gen. Das Gemisch wurde mittels einer Raika-Maschine gründlich pulverisiert, in einen Gummiformbehälter ein­ gegeben und über die Gummiform mit einem Druck von 2 t/cm² verpreßt. 600 g eines aus der Gummiform entnom­ menen Feststoffs wurden in einen Platinbehälter eines Durchmessers von 50 mm und eines Volumens von 250 cm³ bzw. ml eingefüllt und vier Stunden lang mit einer Tem­ peraturerhöhung bis zu 900°C aufgeschmolzen. Nach dem Abkühlen wurden 400 g des Feststoffs wiederum in den Platinbehälter eingebracht und der Behälter mittels eines Platindeckels verschlossen; der Behälter wurde in dem Mittelbereich eines Elektroofens gesetzt. Die Tempe­ ratur wurde innerhalb von fünf Stunden auf bis zu 1250°C erhöht und sodann mit einer Geschwindigkeit von 0,8°C/h langsam auf 800°C erniedrigt, worauf der Behäl­ ter auf Raumtemperatur abgekühlt wurde. Danach wurde Salpetersäure einer Konzentration von 20% in den Pla­ tinbehälter eingegeben, dessen Inhalt acht Stunden lang zum Sieden gebracht wurde. Der hergestellte Mischkri­ stallbasis-Einkristall wurde sodann aus dem Behälter entnommen.

Der nach diesem Flußmittelverfahren erhaltene Einkri­ stall besaß eine nichtfixierte Form und eine Größe von etwa 7 mm im Quadrat (7×7 mm). Wenn ein Teil des Ein­ kristalls pulverisiert und, einer Röntgenbeugung unter­ worfen wurde, wurde dadurch bestätigt, daß der Einkri­ stall ein gutes Kristallgefüge aufweist. Eine chemische Analyse des gebildeten feinen Pulvers nach induktiv ge­ koppelter Plasmaspektrometrie (ICP) ergab eine Zusammen­ setzung des Pulvers von 91PZN-9PT, bei welcher Zinknio­ bat (PZN) und Bleititanat (PT) ein Molverhältnis von 91 : 9 aufwiesen.

Die [001]-Achsenorientierung des Einkristalls wurde mit­ tels einer Laue-Kamera bestimmt; der Einkristall wurde mittels eines entsprechenden Messers in einer Richtung senkrecht zu dieser Achse gespalten. Anschließend wur­ den mittels Zerstäubung Ni/Au-Elektroden auf den Ober­ flächen der (001)-Ebene des gespaltenen Einkristall­ stücks geformt. An das in einem Silikonöl von 150 bis 200°C befindliche Einkristallstück wurde 30 Minuten lang ein elektrisches Feld von 1 kV/mm angelegt, wobei das Einkristallstück unter Anlegung des elektrischen Felds abgekühlt wurde. Dieses Einkristallstück wurde zu­ sammen mit seinen Elektroden zu Streifen gespalten oder geschnitten, worauf Kapazität, Resonanzfrequenz und An­ tiresonanzfrequenz der Streifen gemessen wurden. Hier­ bei wurde bestimmt oder festgestellt, daß die relative Dielektrizitätskonstante 2200, die Schallgeschwindig­ keit 2850 m/s und der elektromechanische Koppelfaktor k₃₃′ 80 bis 85% betrugen.

Weiterhin wurde eine Arraytyp-Ultraschallsonde der Aus­ gestaltung gemäß Fig. 1 unter Verwendung des oben be­ schriebenen Einkristalls aus 91PZN-9PT hergestellt. Ins­ besondere wurde aus dem Einkristall aus 91PZN-9PT ein Einkristallstück einer Dicke von 400 µm geformt. Auf den beiden Oberflächen der (001)-Ebene dieses Einkri­ stallstückblocks und seinen beiden Seitenflächen wurde durch Zerstäubung ein Ti/Au-Leiterfilm abgelagert, worauf ein selektives Ätzen durchgeführt wurde, um einen Teil des an der einen Seitenfläche des piezoelek­ trischen Elements befindlichen Leiterfilms sowie einen Teil des auf einer der Sende-/Empfangsfläche gegenüber­ liegenden Fläche befindlichen Leiterfilms zu entfernen. Eine Masseelektrodenplatte 7 wurde durch Löten am Endab­ schnitt des auf der Sende-/Empfangsfläche befindlichen Leiterfilms angebracht. Auf dem auf einer Oberfläche des Einkristallstücks, die als Ultraschallsende-/Emp­ fangsfläche dient, befindlichen Leiterfilm wurde eine akustische Anpaßschicht geformt. Anschließend wurde durch Löten eine biegsame gedruckte Verdrahtungsplatine 8 mit dem Endabschnitt des Leiterfilms verbunden, der sich an der der Sende-/Empfangsfläche gegenüberliegenden Fläche befindet, worauf das so erhaltene Gebilde mit einem Stützelement 2 verbunden bzw. verklebt wurde. Unter Verwendung einer 30 µm dicken Klinge erfolgte sodann ein Spalten oder Schlitzen von der akustischen Anpaß­ schicht her zu dem Leiterfilm an der der Sendeempfangs­ fläche des Einkristallstücks gegenüberliegenden Fläche mit einer Schnittiefe von 1 mm und einem Teilungsab­ stand von 0,19 mm, um damit Streifen auszubilden. Durch dieses Schlitzen oder Spalten wurden zahlreiche getrenn­ te piezoelektrische Elemente 1 mit jeweils ersten und zweiten Elektroden 3 bzw. 4 auf dem Stützelement 2 so­ wie einer Anzahl von jeweils auf den betreffenden piezo­ elektrischen Elementen 1 angeordneten akustischen Anpaß­ schichten geformt. Eine Betrachtung der Schnittstelle nach dem Schlitzen oder Spalten mit­ tels eines Mikroskop von der Oberseite und den Seitenab­ schnitten her ergab keinerlei gewellten oder geneigten Schnittbereich. Auf den akustischen Anpaßschichten 5 wurde eine akustische Linse 6 ausgebildet, und mehrere Kabel jeweils einer elektrostatischen Kapazität von 110 pF/m und einer Länge von 2 m wurden mit der biegsa­ men gedruckten Verdrahtungsplatine 8 verbunden, wodurch eine Arraytyp-Ultraschallsonde fertiggestellt wurde.

Das reflektierte Echo der Ultraschallsonde wurde nach der Impulsechomethode gemessen. Alle Ultraschallsende-/ Empfangselemente strahlten Echos mit einer Mittenfre­ quenz von etwa 2,5 MHz ab.

Vergleichsbeispiel

Eine Ultraschallsonde, ähnlich derjenigen nach Beispiel 1, wurde unter Verwendung eines piezoelektrischen Ele­ ments aus einem Keramikmaterial auf PZT-Basis mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 2000 angefer­ tigt. Für die Herstellung einer Ultraschallsonde, die ein Echo mit einer Mittenfrequenz von etwa 2,5 MHz ab­ strahlt, muß dabei der als piezoelektrisches Element be­ nutzte Keramikblock auf PZT-Basis eine Dicke von 600 µm besitzen. Wenn dieser Keramikblock mittels einer Klinge gespalten oder geschnitten werden soll, muß daher die Schnittiefe auf etwa 1,3 mm eingestellt sein. Wenn das Schneiden mittels einer Klinge einer Dicke von 30 µm von der akustischen Anpaßschicht her zum Leiter­ film auf der der Sende-/Empfangsfläche des Keramikblocks gegenüberliegenden Fläche zur Bildung von Streifen er­ folgte, schnitt die Klinge schräg in das Einkristall­ stück ein. Bei einer Messung der Impedanzcharakteristi­ ka der Ultraschallsende-/Empfangselemente nach dem Schneiden ergab sich daher, daß 5% der Elemente fehler­ haft waren.

Aus diesem Grund wurde die Klinge durch eine solche einer Dicke von 50 µm ausgewechselt. Das Schneiden er­ folgte auf die gleiche Weise unter Herstellung einer ar­ rayförmigen Ultraschallsonde einer Ausgestaltung ähn­ lich derjenigen gemäß Fig. 1, worauf das Impulsecho ge­ messen wurde. Hierbei ergab sich, daß die Echoempfind­ lichkeit gegenüber der Sonde gemäß Beispiel 1 um etwa 3 dB verschlechtert war.

Bei den Ultraschallsonden gemäß Beispiel 1 und gemäß dem Vergleichsbeispiel wurde das Schallfeld gemessen. Der Nebenzipfelpegel wurde in einem Zustand gemessen, in welchem der Strahl durch Steuerung der Verzögerungs- oder Laufzeit des anzulegenden Impulses um 60° abge­ lenkt war. Hierbei ergab sich, daß die Ultraschallsonde gemäß Beispiel 1 einen um etwa 10 dB niedrigeren Neben­ zipfelpegel als die Ultraschallsonde gemäß dem Ver­ gleichsbeispiel aufweist.

Bei den Ultraschallsonden nach Beispiel 1 und nach dem Vergleichsbeispiel wurde auch die Schallgeschwindig­ keit der Longitudinalwellen gemessen. Hierbei wurde festgestellt, daß die Ultraschallsonde gemäß Beispiel 1 eine Schallgeschwindigkeit von 2800 m/s aufweist, die um etwa 30% niedriger ist als die Schallgeschwindig­ keit von 4000 m/s bei der Ultraschallsonde nach dem Vergleichsbeispiel.

Beispiele 2 bis 4, Bezugsbeispiele 1 bis 3

Als Ausgangsmaterialien wurden PbO, ZnO, Nb₂O₅ und TiO₂ jeweils einer hohen chemischen Reinheit verwendet. Die Ausgangsmaterialien wurden bezüglich der Reinheit korri­ giert und in vorbestimmten Mengen abgewogen, worauf dem erhaltenen Pulver als Flußmittel die gleiche Menge an PbO zugesetzt wurde. Das erhaltene Pulver wurde mit Al­ kohol versetzt und eine Stunde lang in einer Kugelmühle mit ZrO₂-Kugeln gemischt. Danach wurde dem so geformten Gemisch der Alkohol entzogen. Das Gemisch wurde mittels einer Raika-Maschine gründlich pulverisiert, in einen Gummiformbehälter eingebracht und über die Gummiform mit einem Druck von 2 t/cm² verpreßt bzw. beaufschlagt. 1000 g des aus der Gummiform entnommenen Feststoffs wurden in einen Platinbehälter eines Durchmessers von 50 mm und eines Fassungsvermögens von 250 cm³ einge­ füllt, worauf der Platinbehälter mittels eines Platin­ deckels verschlossen wurde; der Behälter wurde in die Mitte eines Elektroofens gesetzt. Die Temperatur im Ofen wurde innerhalb von 5 h auf 1000 bis 1300°C er­ höht und dann langsam mit einer Geschwindigkeit von 0,5° bis 5°C/h auf 700 bis 900°C erniedrigt. Bei diesem lang­ samen Abkühlen wurde Luft mit einer Strömungsmenge von 10 bis 1000 ml/min auf den unteren Abschnitt des Behäl­ ters aufgeblasen, um diesen unteren Behälterabschnitt selektiv zu kühlen; danach wurde der Behälter auf Raum­ temperatur abgekühlt. Hierauf wurden Salpetersäure einer Konzentration von 50% in den Platinbehälter eingege­ ben, der Inhalt des Behälters zum Aufschmelzen des Fluß­ mittelanteils acht Stunden lang zum Sieden gebracht und im Anschluß daran der hergestellte Mischkristallba­ sis-Einkristall aus dem Behälter entnommen.

Bei der Herstellung des Einkristalls wurden sechs Ein­ kristallarten jeweils einer Farbe von Fahlgelb bis Dun­ kelbraun und mit einer Perovskite-Struktur durch Steue­ rung bzw. Regelung der Flußmittelmenge, der Maximaltem­ peratur und der Abkühlgeschwindigkeit erhalten. Jeder der hergestellten Einkristalle besaß eine nicht fixierte Form und eine Größe von etwa 10 mm im Quadrat (10× 10 mm). Wenn ein Teil jedes Einkristalls pulverisiert und einer Röntgenbeugungsanalyse unterworfen wurde, wur­ de bei jedem Einkristall eine gute Kristallstruktur festgestellt. Das gebildete Pulver wurde einer chemi­ schen Analyse nach der ICP-Methode unterworfen. Die er­ zielten Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1 gibt auch das stöchiometrische Ver­ hältnis A/B an, das dann erzielt wurde, wenn die Zusam­ mensetzung jedes Einkristalls durch eine Formel PbA[(Zn1/3Nb2/3)1-xTix)]BO₃ repräsentiert war.

Tabelle 1

Die [001]-Achsenorientierung jedes Einkristalls wurde mittels einer Laue-Kamera bestimmt, und der Einkristall wurde mittels eines Schneidelements in einer Richtung senkrecht zu dieser Achse geschnitten. Anschlie­ ßend wurden durch Zerstäubung Ni/Au-Elektroden auf den Oberflächen der (001)-Ebene des geschnittenen Einkri­ stallstücks geformt. An das in einem Silikonöl von 150 bis 200°C befindliche Einkristallstück wurde 30 min lang ein elektrisches Feld von 1 kV/mm angelegt, wobei das Einkristallstück unter Anlegung des elektrischen Felds abgekühlt wurde. Jedes Einkristallstück wurde zu­ sammen mit seinen Elektroden zu Streifen geschnitten; die Kapazität, die Resonanzfrequenz und die Antireso­ nanzfrequenz der Streifen wurden gemessen. Dabei wurde festgestellt, daß die relative Dielektrizitätskonstante 2000 bis 2800, die Schallgeschwindigkeit 2700 bis 3000 m/s und der elektromechanische Koppelfaktor k₃₃′ 80 bis 85% betrugen.

Ferner wurde unter Verwendung eines Einkristalls nach den gleichen Maßnahmen wie in Beispiel 1 eine 96 Ele­ mente aufweisende Arraytyp-Ultraschallsonde der glei­ chen Ausgestaltung, wie in Fig. 1 gezeigt, hergestellt. Das reflektierte Echo jeder der auf diese Weise erhalte­ nen Ultraschallsonden wurde nach der Impulsechomethode gemessen. Hierbei wurde festgestellt, daß alle Ultra­ schallsende-/Empfangselemente Echos jeweils einer Mitten­ frequenz von etwa 2,5 MHz abstrahlten.

Die Arraytyp-Ultraschallsonden der Beispiele 2 bis 4 und der Bezugsbeispiele 1 bis 3, die jeweils 96 Elemen­ te aufwiesen, wurden etwa 1000 Stunden lang dem tatsäch­ lichen Betriebstest mit einem Rechteckdoppelimpuls einer Wiederholungsfrequenz von 5 kHz, einer Spannung von 100 V, einem Tastverhältnis von 1 : 1 und einer Impulsbreite 0,2 µs unterworfen. Dabei wurde jeweils der Spitzenwert des reflektierten Echos gemessen. Die Zahl der fehlerhaften Elemente unter den in jeder Sonde enthaltenen 96 Elementen wurde unter der Voraussetzung bestimmt, daß ein Element, dessen Spitzenwert um 30 oder mehr gegenüber dem Wert vor dem tatsächlichen Be­ triebstest verschlechtert war, ein fehlerhaftes oder schadhaftes Element darstellte. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2

Wie sich aus Tabelle 2 ergibt, können die Arraytyp-Ul­ traschallsonden der Beispiele 2 bis 4, die jeweils ein piezoelektrisches Element aus einem Einkristall eines stöchiometrischen Verhältnisses A/B entsprechend 0,98 A/B < 1,00 verwenden, über einen langen Zeitraum hinweg eine hohe Zuverlässigkeit beibehalten.

Ultraschallsonden mit der gleichen Ausgestaltung wie in Fig. 1 wurden unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen gefertigt, die aus Einkristallen geschnitten worden waren, welche durch Änderung der Menge an Blei­ titanat im Mischkristallbasis-Einkristall aus Zinkblei­ niobat-Bleititanat im Bereich von 5 bis 20 Mol% erhal­ ten wurden. Aufgrund des stöchiometrischen Verhältnis­ ses zeigten diese Ultraschallsonden nahezu die gleichen Wirkungen oder Ergebnisse bezüglich der Langzeitzuver­ lässigkeit.

Beispiel 5

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrich­ tung mit einer Ultraschallsonde und einer Wärmeregel­ funktion für die Sonde. In Fig. 3 ist mit der Bezugs­ ziffer 21 eine Arraytyp-Ultraschallsonde eines Aufbaus, ähnlich dem oben anhand von Fig. 1 beschriebenen be­ zeichnet. Diese Sonde umfaßt ein piezoelektrisches Ele­ ment aus dem 91PZN-9PT-Mischkristallbasis-Einkristall, ähnlich dem im Beispiel 1 beschriebenen. Bei dem 91PZN-9PT-Mischkristallbasis-Einkristall tritt eine Pha­ sentransformation von einem rhomboedrischen Kristall auf einen tetragonalen Kristall bei einer Temperatur von 50 bis 70°C auf, wie dies in Fig. 4 angegeben ist, welche die Beziehung zwischen der Temperatur und der re­ lativen Dielektrizitätskonstante zeigt; die relative Dielektrizitätskonstante dieses Mischkristallbasis-Ein­ kristalls erhöht sich zusammen mit dieser Phasentrans­ formation. Genauer gesagt: während die relative Dielek­ trizitätskonstante des genannten Einkristalls bei Raum­ temperatur etwa 2200 beträgt, erhöht sie sich aufgrund der Phasentransformation auf 3500 bei 50°C.

Ein Impulsgeber 22 zum Erzeugen eines Impulses wird mit der Ultraschallsonde 21 über ein Kabel verbunden. Fer­ ner wird über ein Kabel ein Empfänger 23 an die Ultra­ schallsonde 21 angeschlossen. Ebenso wird mittels eines Kabels ein Impedanzdetektor- oder -meßkreis 24 mit der Ultraschallsonde 21 verbunden. Der Impedanzmeßkreis 24 mißt eine auf die relative Dielektrizitäts­ konstante der Ultraschallsonde 21 bezogene Änderung der Impedanz. Der Impedanzmeßkreis 24 ist mit dem Impulsge­ ber 22 verbunden, wobei der durch den Impulsgeber 22 an die Ultraschallsonde 21 anzulegende Spannungsimpuls auf der Grundlage des Meßergebnisses des Impedanzmeß­ kreises geregelt wird. Beispielsweise führt der Impedanzmeßkreis 24 die Regelung so durch, daß dann, wenn die Impedanz der Ultraschallsonde 21 eine Größe von 2/3 derjenigen, wenn keine Spannung an der Ultraschallsonde 21 anliegt, erreicht, die durch den Impulsgeber 22 an die Ultraschallsonde 21 anzu­ legende Spannung auf 1/2 der Impedanz eingestellt wird, die dann erhalten wird, wenn keine Spannung an die Ultraschallsonde 21 angelegt ist.

Wenn die Ultraschallsonde 21 der Vorrichtung gemäß Fig. 3 in eine Körperhöhle eingeführt und durch den Impulsge­ ber 22 eine Spannung an die Ultraschallsonde 21 ange­ legt wird, werden die erzeugten Ultraschallwellen zum größten Teil auf einen vorbestimmten Bereich des leben­ den Körpers abgestrahlt und durch die akustischen Anpaß­ schichten, die akustische Linse und das Stützelement, welche die Ultraschallsonde 21 bilden, unter Erzeugung von Wärme teilweise absorbiert. Wenn die Ultraschall­ sonde 21 auf diese Weise Wärme erzeugt, erhöht sich die relative Dielektrizitätskonstante des Mischkristallba­ sis-Einkristalls als dem piezoelektrischen Element der Ultraschallsonde 21 auf die in Fig. 4 gezeigte und oben beschriebene Weise. Die Ultraschallsonde 21 ist mit dem Impedanzmeßkreis 24 zum Messen der auf die relative Di­ elektrizitätskonstante bezogenen Impedanz verbunden. Wenn daher die relative Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Elements der Ultraschallsonde 21 eine vorbestimmte Größe erreicht oder übersteigt (z. B. 3500 oder mehr), werden vom Impedanzmeßkreis 24 ein Signal zum Impulsgeber 22 ausgegeben, eine Spannung entspre­ chend 1/2 derjenigen, die vor der Signalausgabe er­ reicht wird, durch den Impulsgeber 22 an die Ultra­ schallsonde 21 angelegt und damit eine übermäßige Wärmeerzeugung der Ultraschallsonde unterdrückt.

An der Oberfläche der akustischen Linse der Ultraschall­ sonde 21 wurde effektiv ein Thermoelement plaziert, wo­ bei die Wärmeerzeugung dann, wenn die Ultraschallsonde 21 an der Luft belassen wurde, gemessen wurde. Die gra­ phische Darstellung von Fig. 5 veranschaulicht die Ände­ rung der Temperaturdifferenz zwischen der Ultraschall­ sonde 21 und der Außenluft. Aus Fig. 5 geht hervor, daß die bei Verringerung der Ansteuer- oder Treiberspannung auf 1/2 erzeugte Wärme durch Einwirkung einer Rückkopp­ lung vom Impedanzmeßkreis 24 zum Impulsgeber 22 verrin­ gert wurde, wenn die Temperatur der Ultraschallsonde 21 auf 10°C über der Raumtemperatur anstieg.

Wie vorstehend beschrieben, kann bei der Vorrichtung ge­ mäß Beispiel 5 die Menge der durch die Ultraschallsonde 21 erzeugten Wärme durch den Impedanzmeßkreis 24 als eine Impedanzänderung anhand einer Änderung der relati­ ven Dielektrizitätskonstante des in der Ultraschallson­ de 21 angeordneten piezoelektrischen Elements aus 91PZN-9PT ausgelesen werden. Da somit die Treiberspannung der Ultraschallsonde 21 auf der Grundlage der Impedanzänderung geregelt werden kann, kann ein Körperhöhlenbereich des Patienten vor einer übermäßigen Erwärmung, die eine Niedertemperaturver­ brennung hervorruft, geschützt werden. Da weiterhin die Treiberspannung erhöht werden kann, wenn die Ultra­ schallsonde 21 Wärme bei einer niedrigen Temperatur er­ zeugt, können ein Signal mit hoher Empfindlichkeit ge­ wonnen und die Diagnoseleistung verbessert werden. Wenn kein Impedanzmeßkreis vorgesehen ist, muß beispielswei­ se herkömmlicherweise die Treiberspannung aufgrund der Wärmeerzeugung oder -entwicklung der Ultraschallsonde auf 57 V unterdrückt werden. Bei der Vorrichtung gemäß Beispiel 5 kann dagegen die Treiberspannung auf 96 V, also über 57 V, bei einem niedrigen Nebenzipfelpegel von 4,5 dB eingestellt werden. Bei der Empfindlichkeits­ messung unter Verwendung eines Phantoms einer Dämpfung von 0,5 dB/MHz·cm könnte daher mit der Vorrichtung gemäß Beispiel 5, bei welcher die Treiberspannung auf 96 V erhöht sein kann, die Eindringtiefe im Vergleich zu derjenigen bei der herkömmlichen Technik, bei wel­ cher die Treiberspannung auf nur 57 V eingestellt wer­ den kann, um etwa 2 cm vergrößert sein.

Beispiel 6

Der nach Beispiel 1 erhaltene 91PZN-9PT-Einkristall wur­ de an der (001)-Ebene geschnitten und derart vertieft bzw. konkav geformt, daß die (001)-Ebene zu seinem Mit­ telbereich wurde; damit wurde ein Einkristallstück einer vorbestimmten gleichmäßigen Dicke geformt. An der vertieften bzw. konkaven Fläche (Ultraschallwellensende­ fläche) und der vorstehenden bzw. konvexen Fläche die­ ses Einkristallstücks wurden durch Zerstäubung Ti/Au- Elektroden geformt. Ein elektrisches Feld von 1 kV/mm wurde 30 min lang in einem Silikonöl bei einer Tempera­ tur von 150 bis 200°C angelegt, wobei das Einkristall­ stück unter Anlegung des elektrischen Felds abgekühlt wurde. Das Einkristallstück wurde zusammen mit seinen Elektroden in seiner Krümmungsrichtung zu einem Strei­ fen geschlitzt bzw. geschnitten, wodurch ein Ultra­ schallsende-/Empfangselement geformt wurde, bei dem die Elektroden auf den konkaven und konvexen Flächen des ge­ krümmten piezoelektrischen Elements ausgebildet waren. Dieses piezoelektrische Element wurde in einer Richtung senkrecht zu seiner Krümmungsrichtung in fünf Stücke ge­ schnitten, worauf der elektromechanische Koppelfaktor (k₃₃′) gemessen wurde. Fig. 6 zeigt die erhaltenen Er­ gebnisse. In Fig. 6 ist auf der Abszisse die Position oder Lage jedes gespaltenen Elements als l/l₀ angegeben, wobei l₀ die Länge des Ultraschall­ sende-/Empfangselements in der Krümmungsrichtung und 1 die Länge vom einen zum anderen Ende des Elements jedes Spaltelements bedeuten.

Aus Fig. 6 geht hervor, daß bei einem Bauelement aus einem piezoelektrischen Element mit einer konkaven Ul­ traschallwellenabstrahlfläche und einem Mittelbereich mit einer Kristallorientierung der (001)-Ebene der elek­ tromechanische Koppelfaktor im Mittelbereich groß ist und in Richtung auf den Endabschnitt abnimmt.

Eine Arraytyp-Ultraschallsonde der gleichen Ausgestal­ tung wie in Fig. 2 wurde unter Verwendung eines 91PZN-9PT-Einkristallstücks hergestellt, das so konkav, daß die (001)-Ebene seinen Mittelbereich bildete, ge­ formt wurde und eine vorbestimmte gleichmäßige Dicke besaß. Dabei wurden durch Zerstäubung Ti/Au-Leiterfilme auf den konkaven und konvexen Flächen dieses Einkri­ stallstücks geformt. Eine Masseelektrodenplatte 16 wur­ de mittels einer Leiterpaste an dem Endabschnitt des Leiterfilms auf der konkaven Fläche des Einkristall­ stücks in einer Richtung senkrecht zur Krümmungsrich­ tung desselben angebracht. Auf dem Leiterfilm auf der konkaven Fläche des Einkristallstücks, einschließlich der Masseelektrodenplatte 16, wurde eine akustische An­ paßschicht mit einer vorbestimmten gleichmäßigen Dicke und einer vertieft bzw. konkav gekrümmten Fläche ent­ sprechend dem Einkristallstück ausgebildet. Anschlie­ ßend wurde eine biegsame gedruckte Verdrahtungsplatine 17 mit einer Anzahl von Leitern mit Hilfe einer Leiterpaste an dem Endabschnitt des Leiterfilms, der sich auf der konvexen Fläche des Einkristallstücks befindet, in einer Richtung senkrecht zur Krümmungs­ richtung des Einkristallstücks angebracht, worauf das so erhaltene Gebilde mit Hilfe eines Epoxyharzes mit dem Stützelement 12 verbunden bzw. verklebt wurde. Hier­ auf wurde mittels einer 30 µm dicken Klinge ein Schlit­ zen bzw. Schneiden von der akustischen Anpaßschicht her zum Einkristallstück in einer Richtung parallel zu dessen Krümmungsrichtung mit einer Tiefe von 1 mm und einem Teilungsabstand von 0,19 mm zur Ausbildung von Streifen durchgeführt. Durch dieses Schneiden wurden mehrere getrennte piezoelektrische Elemente 11 mit jeweils ersten und zweiten Elektroden 13 bzw. 14 und mit einer Anzahl von akustischen Anpaßschichten 15, die jeweils auf dem betreffenden piezoelektrischen Ele­ menten 11 angeordnet sind, auf dem Stützelement 12 aus­ gebildet; auf diese Weise wurde eine Arraytyp-Ultra­ schallsonde erhalten.

Mittels dieser Ultraschallsonde wurde das Schallfeld des piezoelektrischen Elements gemessen. Die erzielten Ergebnisse sind in Fig. 7 dargestellt.

Zu Vergleichszwecken wurde eine Arraytyp-Ultraschallson­ de hergestellt, die eine der oben beschriebenen Ausge­ staltung gemäß Fig. 2 entsprechende Ausgestaltung auf­ wies, nur mit dem Unterschied, daß das durch den 91PZN-9PT-Einkristall gebildete piezoelektrische Ele­ ment als flache Platte oder Scheibe geformt und eine akustische Linse auf den akustischen Anpaßschichten er­ zeugt war. Das Schallfeld dieser Ultraschallsonde wurde auf die gleiche Weise gemessen. Die dabei erziel­ ten Ergebnisse sind in Fig. 8 dargestellt.

Wie aus den Fig. 7 und 8 hervorgeht, zeigt die Ultra­ schallsonde nach Beispiel 6 eine deutliche Differenz insbesondere bezüglich der Strahlbreite von -20 dB im Vergleich zur Ultraschallsonde mit einem flachen piezo­ elektrischen Element. Es wurde festgestellt, daß die Ultraschallsonde nach Beispiel 6 einen feinen bzw. schmalen Strahl liefert, weil sie einen unterdrückten Nebenzipfelpegel aufweist. Weiterhin wurde festge­ stellt, daß der Rauschabstand des Signals der Ultra­ schallsonde nach Beispiel 6 im Vergleich zu dem bei der eine akustische Linse verwendenden Ultraschallsonde um 5 dB erhöht war.

Im Beispiel 6 kann die Verbindung der Masseelektroden­ platte 16 mit dem Leiterfilm sowie die Verbindung der genannten Verdrahtungsplatine 17 mit dem Leiterfilm, ab­ gesehen von der Verwendung der Leiterpaste, auch durch Schweißen oder Widerstandsschweißen erfolgen.

Beispiel 7

Die [001]-Achsenorientierung des nach Beispiel 1 erhal­ tenen 91PZN-9PT-Einkristalls wurde mittels einer Laue- Kamera bestimmt; der Einkristall wurde mittels eines Schneidelements in einer Richtung senkrecht zu dieser Achse geschlitzt bzw. geschnitten. Anschließend wurden durch Zerstäubung Ti/Au-Elektroden auf den Oberflächen der (001)-Ebene des geschnittenen Einkristallstücks ge­ formt. An das Einkristallstück wurde in einem Silikonöl von 150 bis 200°C während 30 min ein elektrisches Feld von 1 kV/mm angelegt, und das Einkristallstück wurde unter Anlegung des elektrischen Felds abgekühlt. Dieses Einkristallstück wurde zusammen mit seinen Elektroden zu Elementen jeweils einer regelmäßigen Sechseckform ge­ schnitten; Kapazität, Resonanzfrequenz und Antiresonanz­ frequenz regelmäßigen Sechseckelements wur­ den gemessen. Dabei wurden die relative Dielektrizitäts­ konstante zu 2200, die Schallgeschwindigkeit zu 3250 m/s und der elektromechanische Koppelfaktor Kt zu 70 bis 75% ermittelt.

Danach wurde ein Geber oder Sender 36 mit einer Viel­ zahl von Ultraschallerzeugungselementen 35 gemäß Fig. 9 unter Verwendung des 91PZN-9PT-Einkristalls herge­ stellt. Insbesondere wurden dabei gemäß Fig. 10 ein piezoelektrisches Element 31 einer Dicke, die einge­ stellt ist zur Lieferung einer Resonanzfrequenz von 500 kHz, aus diesem Einkristall ausgeschnitten, Ti/Au-Elek­ troden 32 und 33 auf den Oberflächen der (001)-Ebene dieses piezoelektrischen Elements 31 geformt und eine akustische Anpaßschicht 34 auf der oberen Elektrode 32 ausgebildet; auf diese Weise wurden die einzelnen Ul­ traschallerzeugungselemente 35 gefertigt. Die zahlrei­ chen Ultraschallerzeugungselemente 35 wurden eng beab­ standet im wesentlichen in Form einer Kugel eines Durchmessers von 330 mm und eines Radius von 260 mm angeordnet. Auf diese Weise wurde der erwähnte Sen­ der 36 gemäß Fig. 9 hergestellt.

Bei diesem Sender 36 konnte die Dicke des in jedem Ul­ traschallerzeugungselement 35 enthaltenen piezoelek­ trischen Elements 31 auf etwa 3,2 mm eingestellt wer­ den; diese Dicke war kleiner als die Dicke (4 mm) beim herkömmlichen, aus dem Keramikmaterial auf PZT-Basis ge­ formten piezoelektrischen Element. Infolgedessen konnte jedes Ultraschallerzeugungselement 35 von seinen Elek­ troden 32 und 33 her ein elektrisches Feld anlegen, das um 25% höher war als dasjenige des Ultraschallerzeu­ gungselements mit dem herkömmlichen piezoelektrischen Element aus dem Keramikmaterial auf PZT-Basis. Außerdem war das Gewicht jedes Ultraschallerzeugungselements 35 um 20% niedriger als beim herkömmlichen Ultraschaller­ zeugungselement, so daß das Gesamtgewicht der Vorrich­ tung bzw. des Geräts entsprechend niedriger war.

In Beispiel 7 wurden die regelmäßigen sechseckigen Ul­ traschallerzeugungselemente zur Bildung eines Senders dicht nebeneinander angeordnet. Beispielswei­ se können gemäß den Fig. 11A und 11B fächerförmige Ul­ traschallerzeugungselemente 35₁ und trapezförmige Ul­ traschallerzeugungselemente 35₂ mit jeweils gekrümmten gegenüberliegenden Seiten unterschiedlicher Längen dicht nebeneinander sphärisch angeordnet werden, um damit einen Geber oder Sender 36 zu bilden.

Beispiele 8 bis 12, Bezugsbeispiele 4 und 5

Als Ausgangsmaterialien wurden PbO, ZnO, Nb₂O₅ und TiO₂ jeweils einer hohen chemischen Reinheit verwendet. Die­ se Ausgangsmaterialien wurden bezüglich der Reinheit korrigiert und in vorbestimmten Mengen abgewogen; dem resultierenden Pulver wurde als Flußmittel die gleiche Menge an PbO zugesetzt. Das erhaltene Pulver wurde mit Alkohol versetzt und eine Stunde lang in einer Kugel­ mühle mit ZrO₂-Kugeln gemischt. Sodann wurde dem ent­ standenen Gemisch der Alkohol entzogen. Das Gemisch wurde mittels einer Raika-Maschine gründlich pulveri­ siert, in einen Gummiformbehälter eingegeben und über die Gummiform mit einem Druck von 2 t/cm² beaufschlagt. 1000 g eines aus der Gummiform entnommenen Feststoffs wurden in einen Platinbehälter eines Durchmessers von 50 mm und eines Fassungsvermögens von 250 cm³ eingege­ ben. Der Behälter wurde mittels eines Platindeckels ver­ schlossen und in der Mitte eines Elektroofens plaziert. Die Temperatur wurde innerhalb von 5 h auf bis zu 1000 bis 1280°C erhöht und dann langsam mit einer Geschwin­ digkeit von 0,5 bis 5°C/h auf 700 bis 900°C erniedrigt. Danach wurde Salpetersäure einer Konzentration von 30% in den Platinbehälter eingefüllt, worauf der Inhalt im Behälter zum Aufschmelzen des Flußmittelanteils 24 h lang zum Sieden gebracht und im Anschluß daran der her­ gestellte Mischkristallbasis-Einkristall aus dem Behäl­ ter entnommen wurde. Der nach dieser Flußmittelmethode erhaltene Einkristall besaß eine nicht fixierte Form und eine Größe von etwa 20 mm im Quadrat (20 × 20 mm). Ein Teil des Einkristalls wurde pulverisiert und einer Rönt­ genbeugungsanalyse unterworfen; hierbei wurde eine gute Kristallstruktur bzw. ein gutes Kristallgefüge des Ein­ kristalls festgestellt. Eine chemische Analyse des fei­ nen Pulvers nach der ICP-Methode ergab eine Zusammenset­ zung von 91PZN-9PT, bei welcher Zinkniobat (PZN) und Bleititanat (PT) in einem Molverhältnis von 91 : 9 vor­ lagen.

Die [001]-Achsenorientierung des Einkristalls wurde mit­ tels einer Laue-Kamera ermittelt. Der Einkristall wurde mittels eines Schneidelements in einer Richtung senk­ recht zu dieser Achse geschnitten, um sieben Einkri­ stallstücke zu bilden. Die beiden Flächen jedes Einkri­ stallstücks, d. h. die Ultraschallsende-/Empfangsfläche und eine dieser gegenüberliegende Fläche, wurden mit Schleifmittelkörnchen aus Aluminiumoxid oder Silizium­ karbid einer Körnung von #400-#8000 oder einer Cero­ xidpulver eines Durchmessers von 1 µm enthaltenden Paste geschliffen. Die Oberflächenrauhigkeit jedes Ein­ kristallstücks wurde nach dem Schleifen mittels eines Kontakttyp-Oberflächenrauheitsmessers an zehn Stellen mit einem Abstand von 1 mm bestimmt. Die nachstehende Tabelle 3 gibt die mittels dieser Messung ermittelte ma­ ximale und durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit an. Anschließend wurden durch Zerstäubung Ni/Au-Elektroden auf den beiden geschliffenen Flächen jedes Einkristall­ stücks geformt. An das Einkristallstück wurde in einem Silikonöl von 150 bis 200°C während 15 min ein elektri­ sches Feld von 0,5 bis 1 kV/mm angelegt, und das Einkri­ stallstück wurde unter Anlegung des elektrischen Felds auf 40°C abgekühlt. Jedes Einkristallstück wurde zusam­ men mit seinen Elektroden zu einem Streifen geschnit­ ten; daraufhin wurden die Kapazität, die Resonanzfre­ quenz und die Antiresonanzfrequenz des Streifens gemes­ sen. Dabei wurden die relative Dielektrizitätskonstante zu 3000 und die Schallgeschwindigkeit zu 2850 m/s be­ stimmt. Der elektromechanische Koppelfaktor k₃₃′ ent­ sprach dem in der nachstehenden Tabelle 3 angegebenen.

Tabelle 3

Ferner wurde dieser Einkristall auf eine Dicke von 300 µm in der Schwingungsrichtung geschnitten und auf die oben beschriebene Weise mit Schleifmittelkörnchen oder einer Ceroxidpulver enthaltenden Paste geschlif­ fen, um damit Einkristallstücke zu bilden. Unter Verwen­ dung von sieben auf diese Weise hergestellten Einkri­ stallstücken wurden Arraytyp-Ultraschallsonden mit je­ weils 96 Elementen und mit der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 im wesentlichen auf dieselbe Weise wie im Beispiel 1 hergestellt. Das Schlitzen oder Schneiden mit einer Klinge einer Breite von 30 µm erfolgte mit einer Schnittiefe von 1 mm bei einem Teilungsabstand von 0,13 mm; jedes der so gebildeten 96 piezoelektrischen Elemente besaß eine Breite von etwa 80 µm.

Das reflektierte Echo jeder dieser erhaltenen Ultra­ schallsonden wurde nach der Impulsechomethode bestimmt. Dabei ergab sich, daß alle Ultraschallsende-/Empfangsele­ mente Echos mit jeweils einer Mittenfrequenz von etwa 3,75 MHz abstrahlten.

Jede dieser Arraytyp-Ultraschallsonden wurde dem tat­ sächlichen Betriebstest von 1000 Stunden und 3000 Stun­ den mit jeweils einem Rechteckdoppelimpuls einer Wieder­ holungsfrequenz von 5 kHz, einer Spannung von 100 V, einem Tastverhältnis von 1 : 1 und einer Impulsbreite von 0,2 µs unterworfen. Der Spitzenwert des reflektier­ ten Echos wurde gemessen. Die Zahl der schadhaften oder fehlerhaften Elemente unter den in jeder Sonde enthalte­ nen 96 Elementen wurde unter der Voraussetzung geprüft, daß ein Element, dessen Spitzenwert sich um 30 oder mehr gegenüber dem Wert vor den tatsächlichen Betriebs­ tests verschlechtert hatte, als fehlerhaftes Element an­ gesehen wurde. Die Ergebnisse sind in der folgenden Ta­ belle 4 angegeben.

Tabelle 4

Wie aus den Tabellen 3 und 4 hervorgeht, besitzen die Ultraschallsonden der Beispiele 8 bis 12 mit jeweils einem piezoelektrischen Element mit einer Ultraschall­ sende-/Empfangsfläche und einer dieser gegenüberliegen­ den Fläche einer mittleren Oberflächenrauhigkeit von 0,4 µm oder weniger und einer maximalen Oberflächenrau­ higkeit von 4 µm oder weniger nicht nur einen großen elektromechanischen Koppelfaktor k₃₃′, sondern auch eine hohe Betriebs-Zuverlässigkeit über einen langen Zeitraum hinweg.

Ultraschallsonden der gleichen Ausgestaltung wie in Fig. 1 wurden unter Verwendung von piezoelektrischen Elementen hergestellt, die aus Einkristallen, erhalten durch Änderung der Menge an Bleititanat im Mischkri­ stallbasis-Einkristall aus Zinkbleiniobat-Bleititanat im Bereich von 5 bis 20 Mol%, oder aus Einkristallen, die auch Magnesium oder Zirkon enthielten, geschnitten wurden. Als Ergebnis der Oberflächenrauhigkeit gewähr­ leisteten diese Ultraschallsonden nahezu die gleichen Wirkungen bezüglich der Langzeitzuverlässigkeit.

Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, können gemäß der Erfindung eine Niederfrequenzansteuerung erreicht und die Dicke des piezoelektri­ schen Elements in seiner Schwingungsrichtung verringert werden, so daß auf diese Weise eine Ultraschallsonde be­ reitgestellt werden kann, die sich einfach an eine Sen­ der/Empfängerschaltung anpassen läßt, die ein Ultra­ schallsende-/Empfangselement mit erhöhter Empfindlich­ keit aufweist und die sich wirksam für beispielsweise ein medizinisches Diagnosegerät eignet.

Claims (10)

1. Ultraschallwandler, umfassend ein Ultraschallsen­ de-/Empfangselement mit einem piezoelektrischen Ele­ ment (1) sowie zwei auf einer Ultraschallsen­ de-/Empfangsfläche des piezoelektrischen Elements (1) bzw. einer dieser Fläche gegenüberliegenden Fläche geformten Elektroden (3, 4), dadurch gekenn­ zeichnet, daß das piezoelektrische Element (1) aus einem Mischkristallbasis-Einkristall aus Zinkblei­ niobat-Bleititanat gebildet ist.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mischkristallbasis-Einkristall aus Zinkbleiniobat-Bleititanat eine durch eine For­ mel PbA[(Zn1/3Nb2/3)1-xTix]BO₃,in welcher x zu 0,05 x 0,20 definiert ist, re­ präsentierte Zusammensetzung aufweist.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mischkristallbasis-Einkristall ein durch ein stöchiometrisches Verhältnis A/B von 0,98 A/B < 1,00 repräsentierte Zusammensetzung aufweist.
4. Ultraschallwandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Formel x = 0,06 bis 0,12 gilt.
5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsen­ de-/Empfangsfläche und die dieser gegenüberliegende Fläche des piezoelektrischen Elements (1) eine mittlere Oberflächenrauhigkeit von nicht mehr als 0,4 µm und eine maximale Oberflächenrauhigkeit von nicht mehr als 4 µm aufweisen.
6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallsen­ de-/Empfangsfläche des piezoelektrischen Elements (1) auf einer (001)-Ebene liegt.
7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (1) eine Dicke von 200 bis 400 µm in einer Schwingungsrichtung aufweist.
8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vielzahl von Ultraschallsende-/Empfangselementen umfaßt.
9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das piezoelektrische Element (11) ei­ ne vorbestimmte gleichmäßige Dicke aufweist, die Ultraschallsende-/Empfangsfläche vertieft bzw. kon­ kav gekrümmt ist und sich unter einem rechten Win­ kel zu einer Richtung der Elemente erstreckt, und die vertiefte bzw. konkave Ultraschallsen­ de-/Empfangsfläche einen Mittelbereich mit einem ma­ ximalen elektromechanischen Koppelfaktor aufweist.
10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er Bestandteil einer Sonde ist.
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