DE69821074T2 - Composite ultrasound transducer - Google Patents

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    • 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 piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Sachgebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbund-Ultraschallwandler, gebildet durch eine regelmäßige Anordnung einer Vielzahl von piezoelektrischen Keramiksäulen in einer Harzplatte. Ein solcher Verbund-Ultraschallwandler ist bei medizinischen Ultraschalldiagnostikvorrichtungen und industriellen, zerstörungsfreien Prüfvorrichtungen anwendbar.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Eine piezoelektrische Keramikplatte ist für lange Zeit als Ultraschallwandler verwendet worden. Allerdings besitzt die piezoelektrische Keramikplatte eine akkustische Impedanz von ungefähr 30 106 kg/m2s (Mrayl), was viel höher als eine akkustische Impedanz von ungefähr 1,5 106 kg/m2s (Mrayl) irgendeines biologischen Objekts ist, und besitzt deshalb eine niedrige Effektivität einer Übertragung von Ultraschallwellen von der piezoelektrischen Keramikplatte auf das biologische Objekt. Zusätzlich besitzt, verglichen mit piezoelektrischem Harz, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid, die piezoelektrische Keramikplatte eine niedrige Effektivität beim Aufnehmen eines Ultraschallsignals, um es in ein elektrisches Signal umzuwandeln, während sie eine hohe Effektivität zum Umwandeln eines elektrischen Signals in ein Ultraschallsignal hat. Im Hinblick auf diese Probleme ist ein Verbund-Ultraschallwandler, gebildet aus einer Harzplatte, umfassend ein Feld aus einer Vielzahl von kleinen, piezoelektrischen Keramiksäulen, vorgeschlagen und studiert worden (siehe IEEE Trans.Sonics Ultrasonics, Vol. SU-32, 1985, Seiten 481–497).
  • Ein Verbund-Ultraschallwandler wurde, in der Anfangsstufe, durch Anordnen von piezoelektrischen Keramiksäulen, von denen jede eine kreisförmige Form in einem Querschnitt senkrecht zu einer Längsachse besitzt, und durch Füllen des Raums zwischen diesen Keramiksäulen mit Harz, hergestellt. Die piezoelektrischen Keramiksäulen hatten jeweils einen Querschnittsdurchmesser von mindestens ungefähr 300 μm. Es ist bekannt, dass verschiedene Charakteristika des Verbund-Ultraschallwandlers von der Dimension der piezoelektrischen Keramiksäule und der Frequenz der Ultraschallwelle abhängen. Zum Beispiel sollten, falls der Verbund-Ultraschallwandler in einem höheren Frequenzbe reich verwendet wird, die piezoelektrischen Keramiksäulen, die jeweils einen kleineren Querschnittsflächenbereich haben, im Hinblick auf die Empfindlichkeitscharakteristik verwendet werden. Aufgrund solcher Umstände wird, auf dem Gebiet der medizinischen Ultraschalldiagnostik, unter Verwendung von Ultraschallwellen in dem Frequenzbereich von mindestens 2,5 MHz, der Verbund-Ultraschallwandler, umfassend das Feld aus piezoelektrischen Keramiksäulen, die jeweils einen Querschnittsflächenbereich von 300μm oder mehr haben, nicht eingesetzt.
  • Auf dem Gebiet der Halbleiter um 1980 herum begann es, dass eine Unterteilungstechnik unter Verwendung einer Diamandsäge, um ein Siliziumsubstrat zu schneiden, eingesetzt wurde. Die Unterteilungstechnik wurde auch zum Herstellen eines Verbund-Ultraschallwandlers verwendet, der in dem Frequenzbereich von 2,5 MHz oder mehr verwendet werden kann.
  • Zum Beispiel wird, gemäß der japanischen Patentoffenlegung Nr. 58-22046, eine piezoelektrische Keramikplatte zuerst auf einem Ferrit-Substrat angeklebt und die Keramikplatte wird seitlich und vertikal mit einer Teilung von 300 μm unter Verwendung der Unterteilungstechnik geschnitten. Demzufolge wird eine Vielzahl von piezoelektrischen Keramiksäulen, von denen jede einen quadratischen Querschnitt von ungefähr 150 μm × 150 μm besitzt, feldmäßig auf dem Ferrit-Substrat an Positionen entsprechend zu Knoten eines quadratischen Netzwerks (nachfolgend bezeichnet als „quadratisches Netzwerkfeld") angeordnet. Geschnittene Nuten zwischen den piezoelektrischen Keramiksäulen werden mit einer Harzschicht gefüllt und danach werden die Harzschicht und die Vielzahl von piezoelektrischen Keramiksäulen von dem Ferrit-Substrat getrennt, um einen plattenähnlichen Verbund-Ultraschallwandler zu bilden, wie dies schematisch in einer Draufsicht in 4A und in der Seitenansicht der 4B dargestellt ist. Genauer gesagt wird eine Mehrzahl von feinen, piezoelektrischen Keramiksäulen 2, von denen jede einen quadratischen Querschnitt besitzt, in dem quadratischen Netzwerk in einer Harzplatte 3 in einem Verbund-Ultraschallwandler 1 angeordnet.
  • Ein Problem eines Verbund-Ultraschallwandlers 1 ist dasjenige, dass ein unerwünschter, lateraler Mode einer Hochfrequenzresonanz in einer Richtung parallel zu einer Hauptfläche eines plattenähnlichen Wandlers 1 auftritt, während ein erwünschter vertikaler Mode einer Ultraschalloszillation in einer Richtung der Dicke des Wandlers 1 erzeugt wird. Falls die Resonanz im lateralen Mode in einem Frequenzbereich nahe zu einem Fre quenzband der Ultraschalloszillation im vertikalen Mode verwendet wird, zum Beispiel für Ultraschalldiagnostiken, beschleunigt der laterale Resonanzmode eine Ausbreitung von Ultraschallwellen, verursacht durch die Resonanz im vertikalen Mode, was zu einer Verringerung der Auflösung eines Ultraschallbilds führt. Um die Verringerung der Auflösung zu vermeiden, wird eine zentrale Frequenz, verwendet für die Diagnostik, auf die Hälfte der Resonanzfrequenz im lateralen Mode oder geringer begrenzt. Die Auflösung des Ultraschallbilds wird auch durch Verringerung der Frequenz von verwendeten Ultraschallwellen verringert.
  • Allgemein ist die Frequenz der Resonanz im lateralen Mode des Verbund-Ultraschallwandlers umgekehrt proportional zu der Teilung des Felds der piezoelektrischen Keramiksäulen. Deshalb kann die Feldteilung feiner gemacht werden, um die Frequenz der Resonanz im lateralen Mode zu erhöhen. In einem Verbund-Ultraschallwandler 1, wie er in den 4A und 4B dargestellt ist, weist eine wahlweise Seite einer wahlweisen, piezoelektrischen Keramiksäule 2, die die quadratischen Querschnittsflächen besitzt, parallel zu einer Seite einer anderen, keramischen Säule, am nächsten angeordnet zu der einen, wahlweisen, keramischen Säule besitzt, hin. Es wird davon ausgegangen, dass es wahrscheinlich ist, dass die Resonanz des lateralen Modes aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Seiten, die parallel zueinander hinweisen und nahe zueinander liegen, auftritt.
  • Unter solchen Umständen, und mit einem Fortschritt auf dem Gebiet der Röntgenstrahlen-Lithografie, schlägt die japanische Patentoffenlegung Nr. 4-232425 (US-Patent 5,164,920) einen Verbund-Ultraschallwandler vor, wie dies in 6 dargestellt ist, hergestellt unter Verwendung der Röntgenstrahlenlithografie. Wie insbesondere die perspektivische Ansicht der 6 zeigt, umfasst ein Verbund-Ultraschallwandler 1a eine Mehrzahl von schräg verlaufenden, piezoelektrischen, keramischen Säulen 2a, regelmäßig angeordnet in einer Harzplatte 3a. Genauer gesagt besitzt jede schräg verlaufende bzw. konische, piezoelektrische, keramische Säule 2a eine trapezförmige Form an einem Längsquerschnitt, umfassend eine longitudinale, zentrale Achse, und besitzt eine hexagonale Form an einem Querschnitt senkrecht zu der zentralen Achse.
  • Jede der piezoelektrischen, keramischen Säulen 2a ist so gebildet, dass sie den hexagonalen Querschnitt besitzt, um dicht keramische Säulen 2a in der Harzplatte 3a anzuordnen. Jede der piezoelektrischen, keramischen Säulen 2a ist konisch verlaufend, um zu ermöglichen, dass eine Seite einer wahlweisen, keramischen Säule 2a den hexagonalen Querschnitt zu einem Winkel zweimal dem Konuswinkel zu einer Seite einer anderen einen keramischen Säule, angeordnet am nächsten der einen keramischen Säule, ohne parallel dazu hinzuweisen, besitzt. Mit anderen Worten liegen diese Seiten, die am nächsten zueinander hinweisen, nicht parallel zueinander, so dass die Wechselwirkung zwischen diesen Seiten abnimmt und demzufolge davon ausgegangen wird, dass die unerwünschte Resonanz im lateralen Mode unterdrückt wird.
  • Es wird davon ausgegangen, dass dann, wenn ein Konuswinkel von piezoelektrischen Keramiksäulen 2a größer gemacht wird, die nicht erwünschte Resonanz im lateralen Mode stärker unterdrückt werden könnte. Allerdings könnte, falls der Konuswinkel zu groß gemacht wird, der erwünschte, vertikale Oszillationsmode in einer longitudinalen Richtung der piezoelektrischen Keramiksäulen 2a nicht gleichförmig werden. Weiterhin würde es, gerade dann, wenn die Röntgenstrahlenlithografie verwendet wird, schwierig sein, eine feine, piezoelektrische Keramiksäule 2a zu bilden, die einen präzise kontrollierten Konuswinkel und einen hexagonalen Querschnitt besitzt.
  • Piezoelektrische Verbundmaterialien im ultrafeinen Maßstab für Hochfrequenz-Ultraschallbilderzeugungsfelder sind aus B. G. Pazol et al. IEEE Ultrasonics Symposium, November 1995, bekannt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbund-Ultraschallwandler zu schaffen, der relativ einfach mit einer ausreichend unterdrückten, unterwünschten Resonanz im lateralen Mode hergestellt werden kann.
  • Ein Verbund-Ultraschallwandler gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er in dem Anspruch 1 angegeben ist, umfasst eine Harzplatte und eine Vielzahl von feinen, piezoelektrischen Keramiksäulen, die gleichmäßig darin angeordnet sind, wobei jede der piezoelektrischen Keramiksäulen eine im Wesentlichen kreisartige Form in einem Querschnitt senkrecht zu einer Längsmittelachse jeder Säule hat und im Wesentlichen in einer Richtung einer Dicke der Harzplatte durch die Harzplatte hindurchtritt, und wobei die Mittenachsen der Vielzahl von piezoelektrischen Keramiksäulen auf einer Hauptfläche auf der gesamten Harzplatte an Positionen im Wesentlichen entsprechend zu Knoten des Netzes eines regelmäßigen Dreiecks angeordnet sind.
  • Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung ersichtlicher werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A stellt schematisch eine Draufsicht eines Verbund-Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, und 1B stellt eine Seitenansicht davon dar.
  • 2A2J zeigen Querschnittsansichten, die schematisch ein Herstellverfahren des Verbund-Ultraschallwandlers, dargestellt in 1, zeigen.
  • 3 zeigt eine schematische Draufsicht, die eine Stelle darstellt, wo eine Schleife einer auftreffenden Welle erzeugt werden soll, wenn eine Resonanz im lateralen Mode in dem Verbund-Ultraschallwandler der vorliegenden Erfindung auftritt.
  • 4A stellt schematisch eine Draufsicht eines Verbund-Ultraschallwandlers gemäß dem Stand der Technik dar, und 4B stellt eine Seitenansicht davon dar.
  • 5 zeigt eine schematische Draufsicht, die eine Stelle einer Schleife einer stehenden Welle in dem lateralen Oszillationsmode, erzeugt in dem Verbund-Ultraschallwandler, dargestellt in 4A, zeigt.
  • 6 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht, die ein anderes Beispiel eines Verbund-Ultraschallwandlers nach dem Stand der Technik darstellt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In der Draufsicht der 1A und der Seitenansicht der 1B ist ein Beispiel eines Verbund-Ultraschallwandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Eine Vielzahl von piezoelektrischen Keramiksäulen 2b ist regelmäßig in eine Harzplatte 3b in einem Verbund-Ultraschallwandler 1b angeordnet. Jede der Piezoelektrischen Keramiksäulen 2b besitzt eine rechtwinklige Form an einem Längsquerschnitt,umfassend eine Längsmittenachse der Säule, und besitzt eine kreisförmige Form an einem Querschnitt senkrecht zu der Mittenachse. Mit anderen Worten ist jede der piezoelektrischen Keramiksäulen 2b nicht schräg bzw. konisch verlaufend und besitzt einen konstanten Querschnittsdurchmesser. Die Mittenachsen dieser piezoelektrischen Keramiksäulen 2b sind an Positionen entsprechend zu Knoten eines Netzwerks eines regel mäßigen Dreiecks auf dem gesamten einer Hauptfläche einer Harzplatte 3b angeordnet (nachfolgend bezeichnet als „regelmäßig Dreieck-Netzwerk-Feld").
  • Die schematischen Querschnitte der 2A2J stellen ein Beispiel eines Herstellverfahrens des Verbund-Ultraschallwandlers, dargestellt in 1A und 1B, dar. Wie 2A zeigt, wird eine für Röntgenstrahlung empfindliche Harzschicht 11 auf einem leitfähigen Substrat 10 gebildet. Eine Synchrotron-Strahlung (SR) wird zu der Resist-Schicht 11 über eine Röntgenstrahlen-Maske 12 gerichtet. Die Röntenstrahlen-Maske 12 umfasst eine Membran 12a, gebildet aus Siliziumnitrid, mit einer Dicke von 2 μm, und ein Röntgenstrahlen-Absorptionsmuster 12b, gebildet aus einem Wolframfilm mit einer Dicke von 5 μm. Das Röntenstrahlenabsorptionsmuster 12b umfasst eine Vielzahl von kreisförmigen Öffnungen, feldmäßig so angeordnet, um ein Netzwerk eines regelmäßigen Dreiecks zu bilden. Eine Schablonenmaske (Metallnetz ohne die Membran), hergestellt durch die Fotolithografie und Plattieren, kann als Röntenstrahlenmaske verwendet werden.
  • Wie 2B zeigt, wird die Resist-Schicht 11, unterworfen der SR-Bestrahlung, entwickelt, und eine Resist-Strucktur 11a wird gebildet.
  • Wie 2C zeigt, wird eine Nickelform 13 durch Plattieren mit Nickel unter Verwendung eines leitfähigen Substrats 10 als eine Elektrode zum Plattieren gebildet. Die Nickelform 13 umfasst eine Vielzahl von feinen Zylindern, angeordnet entsprechend dem regelmäßigen Dreieck-Netzwerk-Feld. Zum Beispiel sind die Mittenachsen der Zylinder mit einer Beabstandung von 46 μm angeordnet, und jeder Zylinder kann einen Querschnittsdurchmesser von 30 μm und eine Höhe von 300 μm haben.
  • Wie 2D zeigt, erzeugt eine Harzform, unter Verwendung einer Nickelform 13, eine Harzform 14. Die Harzform 14, getrennt von der Harzform 13, besitzt eine negative Struktur, erzeugt durch die Struktur der Form 13, und umfasst eine Vielzahl von feinen Löchern, angeordnet entsprechend dem regelmäßigen Dreieck-Netzwerk-Feld. Zum Beispiel sind die Mittenachsen der Löcher mit einer Beabstandung von 46 μm angeordnet und jedes Loch kann einen Querschnittsdurchmesser von 30 μm und eine Tiefe von 300 μm haben.
  • Wie 2E zeigt, wird eine Schlämme einer piezoelektrischen Keramik auf die Harzform 14 aufgebracht und die Schlämme wird getrocknet, um einen Trockenkuchen 15 der piezoelektrischen Keramik zu bilden.
  • Wie 2F zeigt, wird die Harzform 14 von dem Keramikkuchen 15 unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas 16 entfernt.
  • Wie 2G zeigt, wird der piezoelektrische Keramikkuchen 15 auf 500°C erwärmt, um Bindemittel davon zu entfernen, und danach bei 1200°C gesintert, um eine leicht kontrahierte, gesinterte, piezoelektrische Keramikstruktur 15a herzustellen. Die Beabstandung der Achsen der feinen Keramiksäulen, umfasst in der gesinterten, piezoelektrischen Keramikstruktur 15a, beträgt, zum Beispiel, ungefähr 38 μm, und jede Keramiksäule besitzt einen Querschnittsdurchmesser von ungefähr 25 μm und eine Höhe von ungefähr 250 μm.
  • Wie 2H zeigt, wird die piezoelektrische Keramikstruktur 15a mit, zum Beispiel, Epoxidharz 17 abgedeckt, und dementsprechend wird der Raum zwischen den feinen Keramiksäulen mit Harz 17 gefüllt.
  • Wie 2I zeigt, werden die Basis der Keramikstruktur 15a und die Basis des Füllharzes 17 durch Pollieren entfernt, um eine Vielzahl von feinen, piezoelektrischen Keramiksäulen 2B mit einer erwünschten Höhe zu belassen. Demzufolge wird ein Verbund-Ultraschallwandler 1b, bei dem eine Vielzahl von feinen, piezoelektrischen Keramiksäulen 2b regelmäßig in einer Harzplatte 3b angeordnet ist, erhalten. Allgemein tendiert, falls die Länge jeder piezoelektrischen Keramiksäule verringert wird, oder der Verbund-Ultraschallwandler dünner gemacht wird, die Frequenz der Ultraschallwellen, erzeugt durch den vertikalen Resonanzmode, dazu, höher zu werden.
  • Wie 2J zeigt, sind eine obere Elektrode 18a und eine untere Elektrode 18b gebildet, um ein elektrisches Signal zu dem Verbund-Ultraschallwandler 1b einzugeben oder ein elektrisches Signal davon auszugeben. Jede der Elektroden 18a und 18b ist, zum Beispiel, durch Niederschlagen einer Chromschicht, die eine Dicke von 0,1 μm besitzt, und einer Goldschicht, die eine Dicke von 0,4 μm besitzt, und zwar durch Sputtern, gebildet.
  • Als ein erstes Beispiel der vorliegenden Erfindung wurde ein Verbund-Ultraschallwandler 1b, dargestellt in den 1A und 1B, tatsächlich entsprechend der Verfahrensschritte, dargestellt in den 2A2I, unter Verwendung von Bleizirkunattitanat (PZT) als ein piezoelektrisches Material und von Epoxidharz als ein Epoxidharzmaterial, hergestellt. In dem Verbundwandler 1B des ersten Beispiels betrug eine Beabstandung von Mittenachsen einer Vielzahl von feinen, piezoelektrischen Keramiksäulen 2b 38 μm und jede Keramiksäule 2b hatte einen Querschnittsdurchmesser von 25 μm und eine Höhe von 110 μm. Ähnlich zu dem Verbund-Ultraschallwandler des ersten Beispiels wurde ein Verbund-Ultraschallwandler 1, wie er in den 4A und 4B dargestellt ist, tatsächlich als ein Beispiel zum Vergleich gemäß den Verfahrensschritten, dargestellt in den 2A2B, unter Verwendung von PZT und Epoxidharz, hergestellt. In diesem Vergleichsbeispiel betrug die Beabstandung der Mittenachsen einer Vielzahl von feinen, piezoelektrischen Keramiksäulen 2 38 μm und jede Keramiksäule 2 besaß einen quadratischen Querschnitt von 25 μm × 25 μm und eine Höhe von 110 μm.
  • Das erste Beispiel und das Vergleichsbeispiel wurden getestet und darauffolgend wurde Ultraschallfrequenz von ungefähr 12 MHz, erzeugt durch die Resonanz im vertikalen Mode, in sowohl dem ersten Beispiel als auch in dem Vergleichsbeispiel beobachtet. Obwohl die nicht erwünschte Resonanz mit lateralem Mode nicht in dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung beobachtet wurde, wurde die Resonanz im lateralen Mode mit einer Frequenz von ungefähr 20 MHz und einem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von ungefähr 20% in dem Vergleichsbeispiel beobachtet.
  • Um den Einfluss der nicht erwünchten Resonanz im lateralen Mode, aufgetreten in dem Verbund-Ultraschallwandler, zu vermeiden, sollte die Resonanzfrequenz im vertikalen Mode zumindest die Hälfte der Resonanzfrequenz im lateralen Mode sein. Allerdings ist es, in dem Fall des Verbund-Ultraschallwandlers des Vergleichsbeispiels, unmöglich, die Ultraschallwellen, erzeugt durch die Resonanz im vertikalen Mode, dahingehend zu schützen, dass sie durch die nicht erwünschte Resonanz im lateralen Mode beeinflußt werden, da die Ultraschallwellen, verursacht durch die Resonanz im vertikalen Mode, die Frequenz von ungefähr 12 MHz haben, die höher als die Hälfte der Frequenz, ungefähr 20 MHz, ist, verursacht durch die nicht erwünschte Resonanz im lateralen Mode.
  • Als ein zweites Beispiel der vorliegenden Erfindung wurde ein Verbund-Ultraschallwandlern, der nur seine Dimensionen relativ zu dem Verbund-Ultraschallwandlern des ersten Beispiels geändert besaß, tatsächlich hergestellt. Genauer gesagt betrug, gemäß dem zweiten Beispiel, die Beabstandung der Mittenachsen einer Vielzahl von piezoelektrischen Keramiksäulen 2b 69 μm, und jede Keramiksäule 2b besaß einen Querschnittsdurchmesser von 46 μm und eine Höhe von 230 μm. Der Verbund-Ultraschallwandler des zweiten Beispiels wurde getestet und darauffolgend wurden Ultraschallwellen, verursacht durch die Resonanz im vertikalen Mode von 5,8 MHz, beobachtet. Allerdings wurde die Resonanz im lateralen Mode nicht in dem Bereich von 2–18 MHz beobachtet.
  • Wie zuvor beschrieben ist, wird die nicht erwünschte Resonanz im lateralen Mode in einem Verbund-Ultraschallwandler 1 erzeugt, bei dem piezoelektrische Keramiksäulen 2, von denen jede einen quadratischen Querschnitt besitzt, entsprechend dem quadratischen Netzwerk-Feld angeordnet sind, während die nicht erwünschte Resonanz im lateralen Mode nicht in dem Verbund-Ultraschallwandler 1b beobachtet wird, bei dem die piezoelektrischen Keramiksäulen 2b, die jeweils einen kreisförmigen Querschnitt haben, entsprechend dem Feld eines dreieckigen Netzwerks angeordnet sind. Dafür könnten zwei Gründe vorhanden sein, wie folgt.
  • Der erste Grund ist derjenige, dass dann, wenn eine piezoelektrische Keramiksäule 2b einen kreisförmigen Querschnitt besitzt, wie dies in 3 dargestellt ist, die Seite der Keramiksäule 2b aus einer gekrümmten Fläche, anstelle einer glatten Fläche, gebildet ist. Genauer gesagt variiert, wenn die nicht erwünschte Resonanz im lateralen Mode von einer pioezoelektrischen Keramiksäule zu einer angrenzenden Keramiksäule durch die Wechselwirkung der Seitenwände davon propagiert, die Dicke einer Harzschicht 3b zwischen den Seitenwänden lokal. Deshalb würde eine Entwicklung und Propagation des lateralen Resonanzmodes, mit einer spezifischen Frequenz, durch die nicht Ungleichförmigkeit der Dicke der Harzschicht, zwischen den Seitenwänden der Keramiksäule 2b angrenzend zueinander zwischenliegend, unterdrückt werden.
  • Der zweite Grund ist wie folgt. Falls die piezoelektrische Keramiksäulen 2 entsprechend einem quadratischen Netzwerk-Feld angeordnet sind, wie dies in 5 dargestellt ist, bildet die Stelle der Schleife der stehenden Welle, erzeugt durch die nicht-erwünschte Resonanz im lateralen Mode, eine gerade Linie, wie dies durch eine unterbrochene Linie 4 dargestellt ist. Falls die piezoelektrischen Keramiksäulen 2b entsprechend eines dreieckigen Netzwerk-Felds angeordnet sind, bildet die Lage der Schleife der stehenden Welle der nicht-erwünschten Resonanz im lateralen Mode ein hexagonales Netzwerk, wie dies durch eine unterbrochene Linie 4b in 3 dargestellt ist. Dementsprechend ist es, falls piezoelektrische Keramiksäulen 2 entsprechend dem quadratischen Netzwerk-Feld angeordnet sind, wie dies in 5 dargestellt ist, wahrscheinlich, dass die Resonanz im lateralen Mode auftritt, da die Lage der Schleife der stehenden Welle linear fortführt. Andererseits wird, falls die piezoelektrischen Keramiksäulen 2b entsprechend des dreieckigen Netzwerk-Felds angeordnet sind, wie dies in 3 dargestellt ist, die Resonanz im lateralen Mode unterdrückt, da die Lage der Schleife der stehenden Welle nicht kontinuierlich laufen könnte.
  • In einem Verbund-Ultraschallwandler 1b der vorliegenden Erfindung werden der Effekt des kreisförmigen Querschnitts jeder piezoelektrischen Keramiksäule 2b und der Effekt des regelmäßigen Dreieck-Netzwerk-Felds von Keramiksäulen 2b kombiniert, um die nicht-erwünschte Resonanz im lateralen Mode zu unterdrücken, und demzufolge wird die nicht-erwünschte Frequenz im lateralen Mode nicht beobachtet.
  • Piezoelektrische Keramiksäulen 2b, von denen jede einen kreisförmigen Querschnitt besitzt, könnten nachteilig für ein dichtes Anordnen davon in der Harzplatte verglichen mit piezoelektrischen Keramiksäulen 2a sein, die den hexagonalen Querschnitt haben, wie dies in 6 dargestellt ist. Allerdings umfasst der Verbund-Ultraschallwandler vorzugsweise piezoelektrische Keramiksäulen mit einem Volumenanteil von ungefähr 40% in der Harzplatte unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit, wie dies in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 60-97800 (US-Patent 4,683,396) beschrieben ist. Der tatsächliche Volumenanteil der piezoelektirschen Keramiksäulen in der Harzplatte des Verbund-Ultraschallwandlers des ersten Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt 39%. Dementsprechend wird der Volumenanteil von ungefähr 40% leicht gerade dann erreicht, wenn piezoelektrische Keramiksäulen 2b jeweils den kreisförmigen Querschnitt haben. Die Verwendung von piezoelektrischen Keramiksäulen 2b, von denen jede den kreisförmigen Querschnitt besitzt, anstelle des hexagonalen Querschnitts, ist nicht nachteilig.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Verbund-Ultraschallwandler, der relativ einfach mit einer ausreichend unterdrückten, unerwünschten Resonanz im lateralen Mode hergestellt werden kann, wie dies vorstehend beschrieben ist, erhalten werden.

Claims (6)

  1. Verbund-Ultraschallwandler, der umfasst: eine Harzplatte (3b); und eine Vielzahl feiner piezoelektrischer Keramiksäulen (2b), die gleichmäßig in der Harzplatte (3b) angeordnet sind, wobei: jede der Keramiksäulen (2b) eine im Wesentlichen kreisartige Form in einem Querschnitt senkrecht zu einer Längsmittelachse jeder Säule hat und im Wesentlichen in einer Richtung einer Dicke der Harzplatte (3b) durch die Harzplatte (3b) hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, dass: die Mittelachsen der Vielzahl piezoelektrischer Keramiksäulen (2b) an Positionen angeordnet sind, die im Wesentlichen Knoten eines Netzes in Form eines regelmäßigen Dreiecks auf der Gesamtheit einer Hauptfläche der Harzplatte (3b) entsprechen.
  2. Verbund-Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei jede der Keramiksäulen (2b) in einer Richtung der Längsmittelachse einen konstanten Querschnittsdurchmesser hat.
  3. Verbund-Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede der Keramiksäulen (2b) ein entsprechender gerader Kreiszylinder ist und die Längsmittelachse senkrecht zu der Hauptfläche der Harzplatte (3b) ist.
  4. Verbund-Ultraschallwandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Anordnung der Vielzahl von Säulen durch drei Abmessungsparameter (Höhe der Säulen; Durchmesser der Säulen; Abstand zwischen zwei Säulen) bestimmt wird, die in μm die folgenden Werte haben: [230; 46; 69] oder [110; 25; 38] oder [250; 25; 38] oder [300; 30; 46].
  5. Verbund-Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei wenigstens eine Gruppe der Keramiksäulen (2b) in einem Mittelbereich des Verbund-Ultraschallwandlers jeweils in gleichmäßigen Abständen von sechs benachbarten der Keramiksäulen (2b) umgeben ist, die, in einer Ebene parallel zu der Hauptfläche der Harzplatte gesehen, in einer sechseckigen Struktur angeordnet sind.
  6. Verbund-Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Netz in Form eines regelmäßigen Dreiecks aus den Knoten besteht, die an Scheitelpunkten gleichseitiger Dreiecke angeordnet sind.
DE69821074T 1997-10-06 1998-10-05 Composite ultrasound transducer Expired - Lifetime DE69821074T2 (de)

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