EP0012938A2 - Ultrasonic transducer with optimal lateral resolution and method for its manufacture - Google Patents

Ultrasonic transducer with optimal lateral resolution and method for its manufacture Download PDF

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EP0012938A2
EP0012938A2 EP79105117A EP79105117A EP0012938A2 EP 0012938 A2 EP0012938 A2 EP 0012938A2 EP 79105117 A EP79105117 A EP 79105117A EP 79105117 A EP79105117 A EP 79105117A EP 0012938 A2 EP0012938 A2 EP 0012938A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
focus
curvature
radius
outer dimension
ultrasonic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP79105117A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP0012938A3 (en
Inventor
Arthur Dipl.-Ing. Weyns
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP0012938A3 publication Critical patent/EP0012938A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/32—Sound-focusing or directing, e.g. scanning characterised by the shape of the source
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Definitions

  • the invention relates to a method for producing ultrasonic transducers, with at least one ultrasonic transducer, the active surface of which is artificially focused by means of aids and whose sound radiation field should be predefinable according to the focus distance, focus width and aperture angle following the focus and ultrasonic frequency.
  • the focus distance should always be optimally adjustable to the respective distance of the examination site from the transducer surface.
  • the focal width and the opening angle of the sound radiation field should also be as small as possible so that the lateral resolution is optimal becomes.
  • the influence of side lobes of the sound radiation field should be as small as possible.
  • the ultrasonic transducers produced according to the method are also only designed for continuous sound, but not for pulse-echo operation. When used in pulse-echo mode, larger values for the focus distance and focus width or aperture angle automatically and inevitably result, which is actually undesirable.
  • the lateral resolution can be improved by setting the focus and opening angle of the sound radiation field behind the focus as small as possible.
  • the ultrasonic transducer shown in FIG. 2 on the side 82 of the attachment is constructed in a ring-shaped manner, the ring on the side 84 in accordance with FIG. 4 consisting of individual successive sub-elements.
  • the ring shape of the transducer favors the formation of interference structures. This results in relatively strong focusing and a small aperture angle and thus also good lateral resolution.
  • the increased presence of interference structures entails an increase in the influence of side lobes. -These side lobes lead to image distortions.
  • An ultrasonic transducer manufactured according to the method according to the invention is then characterized according to the invention in that a vibrating molded part defined according to steps a) and b) in the outer dimension and in the radius of curvature of the focusing by means of a mechanical recess (for example a through hole or surface-side contact layer recess) of a part of the vibrating material or one at least electrically in one vibrator divided into individual beam surfaces is cut out by electrically switching off individual surface parts in the active surface.
  • a mechanical recess for example a through hole or surface-side contact layer recess
  • ring oscillator 1 shows a ring oscillator 1 made of, for example, piezoceramic material.
  • the ring vibrator 1 has a through hole 2 as a mechanical recess. Instead of a through hole, a cutout may also be present in a contact layer 3.
  • the ver with the recess 2 see ring vibrator 1 is mechanically curved with the radius of curvature R. Instead of this mechanical curvature, it is of course also possible to choose a planar oscillator with electronic curvature or a mixture of the two. In the latter two cases, in order to generate the delay times required for the electronic curvature (electronic focusing), the compact converter molding must be divided into individual segments 4. This state of affairs is indicated, for example, in FIG. 2.
  • the correct dimension for the external dimension 2a 0 is also automatically determined as a function of R N. From the comparison of the predetermined focus distance F A to the product obtained as a function of N R at a given operating frequency F A focus distance but then the necessary value R N can be set. However, this also defines the external dimension 2a 0 , so that the actual radius of curvature R can now be obtained from the quantities R N and 2a 0 .
  • the maximum value of the opening angle of the sound radiation field behind the focus which results from the defined values for the external dimension and radius of curvature, can now be narrowed in a simple manner by coordinating the size 2a i of the cutout in the active surface of the ultrasonic oscillator in such a way that the device design corresponds optimal ratio between the opening angle and side lobes of the sound radiation field results.
  • the diagrams to the left show from top to bottom for the -6dB lobe, the -20dB lobe and the -40dB lobe of the sound radiation field the curves of the lateral resolution La (mm) over the penetration depth which result with this oscillator according to the invention Te (cm) of the ultrasound in the study area.
  • Te cm
  • the ultrasonic vibrator in the form of an array 5 can be constructed from a large number of individual elements 6 (for example between 60 and 160 elements) arranged next to one another.
  • the line-by-line continuation of the ultrasound beam to build up an ultrasound image takes place by advancing the individual elements 6 in groups.
  • groups are designated 7, for example.
  • the inactive area can be determined electronically or mechanically.
  • a mixed form is present.
  • each group 7 to be switched on is electrical Switch off individual elements within the group with an inner recess 8. This recess 8 runs transversely to the longitudinal direction of the array.
  • the dimensions 2a 01 , 2a i1 and 2a 02 , 2a i1 of both cutouts 8 and 9 are determined according to step c) of the method according to the invention.
  • the group 7 on individual elements in connection with the electrical recess 8 determines the radius of curvature of the focusing according to the invention in the z, x plane of the coordinate system shown.
  • the focusing in the z, y plane is predetermined by the mechanical curvature of the individual array elements in connection with the mechanical recess 9 according to the invention.
  • electronic focusing can of course also be carried out for the purpose of focusing. In this case, only the array in the individual elements has to be constructed in a matrix-like manner in accordance with the exemplary embodiment in FIG. 2.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern, mit einem fokussierenden Ultraschallschwinger mit Aussparung in der Aktivfläche. Wünschenswert ist eine Ausbildung des Wandlers dahingehend, daß sich bei beliebig vorgebbaren Werten der Fokusbreite und des Fokusabstandes optimale laterale Auflösung bei geringstmöglichem Einfluß von Nebenkeulen ergibt. Dies wird erreicht durch Herstellung in den folgenden Schritten: a) für zuerst Fokusbreite (FB) oder Fokusabstand (FA) wird in Abhängigkeit vom Krümmungsradius (R) des Schwingers (1; 5) dessen Außenabmessung (2aO) oder in Abhängigkeit von der Außenabmessung (2aO) der Krümmungsradius (R) festgelegt; b) dann wird für die andere der beiden Fokusgrößen (z.B. FA) die noch nicht bestimmte Größe Außenabmessung bzw. Krümmungsradius festgelegt; c) der sich so ergebende Maximalwert des Öffnungswinkels des Schallstrahlungsfeldes hinter dem Fokus wird durch geeignete Größenwahl (2aO) der Aussparung (2, 8) in der Aktivfläche des Schwingers so eingeengt, daß das Verhältnis zwischen Öffnungswinkel und Nebenkeulen optimal wird.The invention relates to a method for producing ultrasonic transducers, with a focusing ultrasonic transducer with a recess in the active surface. It is desirable to design the converter in such a way that optimum values of the focus width and the focus distance result in optimal lateral resolution with the least possible influence of side lobes. This is achieved by manufacturing in the following steps: a) for first focus width (FB) or focus distance (FA) depending on the radius of curvature (R) of the vibrator (1; 5) its outer dimension (2aO) or depending on the outer dimension ( 2aO) the radius of curvature (R) is determined; b) the size of the outer dimension or radius of curvature, which has not yet been determined, is then determined for the other of the two focus sizes (e.g. FA); c) the resulting maximum value of the opening angle of the sound radiation field behind the focus is narrowed by a suitable choice of size (2aO) of the recess (2, 8) in the active surface of the transducer so that the relationship between the opening angle and side lobes is optimal.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern, mit wenigstens einem Ultraschallschwinger, dessen durch Hilfsmittel künstlich fokussierende Aktivfläche Aussparungen aufweist und dessen Schallstrahlungsfeld nach Fokusabstand, Fokusbreite und Öffnungswinkel im Anschluß an den Fokus und Ultraschallfrequenz vorgebbar sein soll.The invention relates to a method for producing ultrasonic transducers, with at least one ultrasonic transducer, the active surface of which is artificially focused by means of aids and whose sound radiation field should be predefinable according to the focus distance, focus width and aperture angle following the focus and ultrasonic frequency.

Inder Ultraschalltechnik, insbesondere auf dem elektromedizinischen Gebiet oder auf dem Gebiet der Werkstoffprüfung, besteht der Wunsch nach optimaler Anpassung des Schallstrahlungsfeldes des jeweiligen Ultraschallschwingers an die Gegebenheiten. So soll der Fokusabstand beispielsweise immer optimal an den jeweiligen Abstand des Untersuchungsortes von der Schwingerfläche einstellbar sein. Die Fokusbreite und der Öffnungswinkel des Schallstrahlungsfeldes sollen ebenfalls möglichst klein sein, damit die laterale Auflösung optimal wird. Der Einfluß von Nebenkeulen des Schallstrahlungsfeldes soll möglichst gering sein. Alle diese Bedingungen sollen schließlich für jeden beliebigen Anwendungszweck, also z.B. für Ultraschallgeräte mit oder ohne Wasservorlaufstrecke oder sonstiger Ausbildung, gegeben sein. Bekannte Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern erlauben bisher nicht eine eindeutig optimale Abstimmung zwischen Fokusabstand, Fokusbreite und Öffnungswinkel des Schallstrahlungsfeldes, wie dies eigentlich erwünscht ist. So beschreibt die Zeitschrift "Journal of Acoustical Society of America", Vol. 44, No. 5, 1968 auf den Seiten 1310 bis 1318, insbesondere jedoch auf der Seite 1312, ein solches Herstellungsverfahren, bei dem die Einzelwerte nicht separat voneinander vorgebbar und variierbar sind. Die gemäß dem Verfahren hergestellten Ultraschallschwinger sind außerdem nur für Dauerschall, nicht jedoch auch für Puls-Echo-Betrieb ausgelegt. Bei Anwendung im Puls-Echo-Betrieb ergeben sich automatisch und unweigerlich größere Werte für Fokusabstand und Fokusbreite bzw. auch Öffnungswinkel, was eigentlich unerwünscht ist. Bei Ultraschallschwingern läßt sich die laterale Auflösung dadurch verbessern, daß Fokus und Öffnungswinkel des Schallstrahlungsfeldes hinter dem Fokus so klein wie möglich eingestellt werden. Bei Ultraschallwandlern mit oder ohne Wasservorlaufstrecke ist bekanntlich ein kleiner Öffnungswinkel durch Vergrößerung der aktiven Schwingerfläche oder durch Vorgabe eines schwächeren Krümmungsradius der künstlichen Fokussierung (mechanisch oder elektronisch) des Schwingers erreichbar. Eine vergrößerte aktive Schwingerfläche oder ein schwächerer Krümmungsradius führen jedoch immer zu einer Verbreiterung des Schallstrahlungsfeldes im Fokus und dahinter. Das Ergebnis ist eine Verschlechterung der lateralen Auflösung sowohl im Fokus als auch im dahinterliegenden Untersuchungsgebiet des Schallfeldes. Wird von diesen Maßnahmen abgesehen, d.h. wird also die Schwingerfläche verkleinert oder wird stärker künstlich fokussiert, so wird zwar die laterale Auflösung direkt im Fokus verbessert. Unmittelbar hinter dem Fokus verschlechtert sich jedoch die laterale Auflösung rapide, da gegenüber vorher der Öffnungswinkel'jetzt erheblich größer ist. Dies gilt in diesem Sinne auch für die im Aufsatz "A real-time B-scanner with improved lateral resolution" von C. B. Burckhardt et al unterbreiteten Vorschläge zur Herstellung von stark fokussierten Schwingern. So ist beispielsweise der in der Fig. 1 auf der Seite 82 dargestellte sphärisch gekrümmte Schwinger geometrisch stark fokussiert, so daß sich für verschiedene dB-Keulen nahe beieinanderliegende Fokusse und damit gute laterale Auflösung in diesem Bereich ergeben. Hinter diesem Fokusbereich steht jedoch ein sehr großer Öffnungswinkel an, der die laterale Auflösung sofort wieder rapide verschlechtert. Der Bereich guter lateraler Auflösung ist damit in unerwünschter Weise auf ein viel zu kleines Untersuchungsgebiet eingeschränkt. Der in der Fig. 2 auf der Seite 82 des Aufsatzes dargestellte Ultraschallwandler ist ringförmig aufgebaut, wobei gemäß der Fig. 4 auf der Seite 84 der Ring aus einzelnen aufeinanderfolgenden Teilelementen besteht. Die Ringform des Schwingers begünstigt die Ausbildung von Interferenzstrukturen. Dadurch ergibt sich relativ starke Fokussierung und kleiner Öffnungswinkel und damit auch gute laterale Auflösung. Das verstärkte Vorhandensein von Interferenzstrukturen bringt jedoch ein Anwachsen des Einflusses von Nebenkeulen mit sich. -Diese Nebenkeulen führen zu Bildverfälschungen.In ultrasound technology, especially in the electromedical field or in the field of material testing, there is a desire for optimal adaptation of the sound radiation field of the respective ultrasound transducer to the circumstances. For example, the focus distance should always be optimally adjustable to the respective distance of the examination site from the transducer surface. The focal width and the opening angle of the sound radiation field should also be as small as possible so that the lateral resolution is optimal becomes. The influence of side lobes of the sound radiation field should be as small as possible. Ultimately, all of these conditions should exist for any application, for example for ultrasound devices with or without a water inlet section or other training. Known methods for producing ultrasonic transducers have so far not allowed a clearly optimal coordination between the focus distance, focus width and opening angle of the sound radiation field, as is actually desired. The magazine "Journal of Acoustical Society of America", vol. 44, no. 5, 1968 on pages 1310 to 1318, but in particular on page 1312, such a manufacturing process in which the individual values cannot be specified and varied separately from one another. The ultrasonic transducers produced according to the method are also only designed for continuous sound, but not for pulse-echo operation. When used in pulse-echo mode, larger values for the focus distance and focus width or aperture angle automatically and inevitably result, which is actually undesirable. In ultrasonic transducers, the lateral resolution can be improved by setting the focus and opening angle of the sound radiation field behind the focus as small as possible. In the case of ultrasonic transducers with or without a water inlet section, it is known that a small opening angle can be achieved by enlarging the active transducer area or by specifying a weaker radius of curvature for the artificial focusing (mechanical or electronic) of the transducer. However, an enlarged active transducer area or a weaker radius of curvature always lead to a broadening of the sound radiation field in the focus and behind it. The result is a deterioration in the lateral resolution both in the focus and in the investigation area behind the sound field. Apart from these measures, ie So if the transducer surface is reduced or if the focus is more artificially, the lateral resolution directly in focus is improved. Immediately behind the focus, however, the lateral resolution deteriorates rapidly, since the aperture angle is now considerably larger than before. In this sense, this also applies to the suggestions made in the article "A real-time B-scanner with improved lateral resolution" by CB Burckhardt et al for the production of highly focused transducers. For example, the spherically curved oscillator shown in FIG. 1 on page 82 is geometrically strongly focused, so that for different dB lobes there are foci close together and thus good lateral resolution in this area. However, behind this focus area there is a very large aperture angle, which rapidly worsens the lateral resolution again. The area of good lateral resolution is thus undesirably restricted to a study area that is far too small. The ultrasonic transducer shown in FIG. 2 on the side 82 of the attachment is constructed in a ring-shaped manner, the ring on the side 84 in accordance with FIG. 4 consisting of individual successive sub-elements. The ring shape of the transducer favors the formation of interference structures. This results in relatively strong focusing and a small aperture angle and thus also good lateral resolution. However, the increased presence of interference structures entails an increase in the influence of side lobes. -These side lobes lead to image distortions.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, Ultraschallwandler dahingehend'auszubilden, daß sich bei beliebig vorgebbaren Werten der Fokusbreite und des Fokusabstandes optimale laterale Auflösung bei geringstmöglichem Einfluß von Nebenkeulen ergibt.It is an object of the present invention to design ultrasonic transducers in such a way that optimal values of the focal width and the focal distance can be given optimal lateral resolution with the least possible on flow of side lobes.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

  • a) für die vorgebbaren zwei Fokusgrößen Fokusbreite und Fokusabstand wird in Abhängigkeit entweder vom Krümmungsradius des Ultraschallschwingers dessen Außenabmessung oder in Abhängigkeit von der Außenabmessung der Krümmungsradius für zuerst eine der beiden Fokusgrößen festgelegt;
  • b) bei der so festgelegten Außenabmessung oder dem so festgelegten Krümmungsradius wird dann für die andere der beiden vorgebbaren Fokusgrößen die noch nicht bestimmte Größe Krümmungsradius bzw. Außenabmessung festgelegt;
  • c) der sich für Außenabmessung und Krümmungsradius gemäß den Schritten a) und b) ergebende Maximalwert des Öffnungswinkels des Schallstrahlungsfeldes hinter dem Fokus wird schließlich durch Einbringung einer Aussparung in die Aktivfläche des Ultraschallschwingers solcher Größe so eingeengt, daß sich optimales Verhältnis zwischen Öffnungswinkel und Nebenkeulen des Schallstrahlungsfeldes ergibt.
The object is achieved with a method which is characterized according to the invention by the following steps:
  • a) for the predeterminable two focus sizes, the focus width and focus distance, depending on either the radius of curvature of the ultrasonic oscillator, its outer dimension or, depending on the outer dimension, the radius of curvature for one of the two focus sizes;
  • b) in the case of the outer dimension or the radius of curvature thus determined, the not yet determined size of the radius of curvature or outer dimension is then determined for the other of the two specifiable focus sizes;
  • c) The maximum value of the opening angle of the sound radiation field behind the focus, which results for the external dimension and radius of curvature according to steps a) and b), is finally narrowed by making a recess in the active surface of the ultrasonic oscillator of such a size that there is an optimal ratio between the opening angle and the side lobes of the Sound radiation field results.

Ein nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellter Ultraschallwandler ist dann erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein gemäß den Schritten a) und b) in der Außenabmessung und im Krümmungsradius der Fokussierung festgelegtes Schwingerformteil durch mechanische Ausnehmung (z.B. durchgehendes Loch oder oberflächenseitige Kontaktschichtaussparung) eines Teiles des Schwingermaterials oder ein zumindest elektrisch in Einzelstrahlflächen unterteilter Schwinger durch elektrische Abschaltung einzelner Flächenteile in der Aktivfläche ausgespart ist.An ultrasonic transducer manufactured according to the method according to the invention is then characterized according to the invention in that a vibrating molded part defined according to steps a) and b) in the outer dimension and in the radius of curvature of the focusing by means of a mechanical recess (for example a through hole or surface-side contact layer recess) of a part of the vibrating material or one at least electrically in one vibrator divided into individual beam surfaces is cut out by electrically switching off individual surface parts in the active surface.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen

  • Fig. 1 einen gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten kompakten Ringschwinger mit mechanischer Fokussierung;
  • Fig. 2 einen gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten Ringschwinger in Matrixform zur elektronischen Fokussierung;
  • Fig. 3 ein praktisches Ausführungsbeispiel für einen gemäß der Erfindung hergestellten Ringschwinger und Diagramme, die den mit diesem Ringschwinger erreichten Verlauf der lateralen Auflösung über der Eindringtiefe im Vergleich mit Verläufen von nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Ultraschallschwingern aufzeigen;
  • Fig. 4 einen Ultraschallschwinger in Form eines Ultraschall-Arrays mit einer Mischform aus mechanischer und elektrischer Ausnehmung.
Further advantages and details of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment with reference to the drawing in conjunction with the subclaims. Show it
  • 1 shows a compact ring oscillator with mechanical focusing, produced according to the method according to the invention;
  • FIG. 2 shows a ring oscillator in matrix form produced by the method according to the invention for electronic focusing;
  • 3 shows a practical exemplary embodiment for a ring oscillator produced according to the invention and diagrams which show the course of the lateral resolution over the depth of penetration achieved with this ring oscillator in comparison with courses of ultrasonic oscillators produced according to conventional methods;
  • Fig. 4 shows an ultrasonic transducer in the form of an ultrasonic array with a mixed form of a mechanical and electrical recess.

Die Fig. 1 zeigt einen Ringschwinger 1 aus z.B. piezokeramischem Material. Im vorliegenden Fall weist der Ringschwinger 1 ein durchgehendes Loch 2 als mechanische Ausnehmung auf. Ebensogut kann anstelle eines durchgehenden Loches eine Aussparung in einer Kontaktschicht 3 vorhanden sein. Der mit der Ausnehmung 2 versehene Ringschwinger 1 ist mit dem Krümmungsradius R mechanisch gekrümmt. Anstelle dieser mechanischen Krümmung kann selbstverständlich auch ein Planarschwinger mit elektronischer Krümmung oder eine Mischform aus beidem gewählt werden. In den beiden letzteren Fällen muß zur Erzeugung der für die elektronische Krümmung (elektronische Fokussierung) erforderlichen Verzögerungszeiten das kompakte Wandlerformteil in Einzelsegmente 4 unterteilt sein. Dieser Sachverhalt ist z.B. in der Fig. 2 angedeutet.1 shows a ring oscillator 1 made of, for example, piezoceramic material. In the present case, the ring vibrator 1 has a through hole 2 as a mechanical recess. Instead of a through hole, a cutout may also be present in a contact layer 3. The ver with the recess 2 see ring vibrator 1 is mechanically curved with the radius of curvature R. Instead of this mechanical curvature, it is of course also possible to choose a planar oscillator with electronic curvature or a mixture of the two. In the latter two cases, in order to generate the delay times required for the electronic curvature (electronic focusing), the compact converter molding must be divided into individual segments 4. This state of affairs is indicated, for example, in FIG. 2.

Ein Schwinger der Fig. 1 bzw. 2 wird nun gemäß der Erfindung wie folgt hergestellt:

  • Zuerst werden für den jeweils erwünschten Anwendungsfall Fokusbreite FB und Fokusabstand FA in ihren optimalen Werten vorgegeben. Die Fokusbreite FB ist jedoch, wie auch der Fokusabstand FA, eine Funktion vom Krümmungsradius R der Fokussierung und der äußeren Abmessung 2a0 des Schwingers. Damit ergibt sich die Beziehung für die Fokusbreite (bezogen auf eine bestimmte Anzahl von Schwingungen innerhalb des Erregungs- und/oder Echoimpulses) zu
    Figure imgb0001
1 and 2 is now manufactured according to the invention as follows:
  • First, focus width F B and focus distance F A are specified in their optimal values for the desired application. However, the focus width F B , like the focus distance F A , is a function of the radius of curvature R of the focusing and the outer dimension 2a 0 of the transducer. This results in the relationship for the focus width (based on a certain number of vibrations within the excitation and / or echo pulse)
    Figure imgb0001

Dasselbe gilt auch für den Fokusabstand FA mit der Beziehung

Figure imgb0002
The same applies to the focus distance F A with the relationship
Figure imgb0002

Aus ① ergibt sich durch Umrechnung auf aO die Beziehung

Figure imgb0003
oder
Figure imgb0004
 The relationship results from ① by conversion to a O
Figure imgb0003
 or
Figure imgb0004

Aus ② in Verbindung mit ③ ergibt sich dann

Figure imgb0005
oder aus ② in Verbindung mit ④
Figure imgb0006
 The result of Verbindung in conjunction with ③ is then
Figure imgb0005
 or from ② in conjunction with ④
Figure imgb0006

Aus Gründen der Vereinfachung empfiehlt sich die Ermittlung zuerst von ③ in Abhängigkeit von einem normierten Radius RN, der wie folgt definiert ist:

Figure imgb0007
For reasons of simplification, the determination of ③ is recommended first as a function of a normalized radius R N , which is defined as follows:
Figure imgb0007

In diesem Falle bestimmen sich bei völliger Frequenzunabhängigkeit automatisch aus RN die relative Fokusbrei- te FB/a0 und der normierte Fokusabstand FA/ 0 . Somit wird aber auch automatisch das richtige Maß für die Außenabmessung 2a0 in Abhängigkeit von RN festgelegt. Aus dem Vergleich des vorgegebenen Fokusabstandes FA mit dem in Abhängigkeit von RN bei vorgegebener Betriebsfrequenz erhaltenen Fokusabstand FA läßt sich dann aber der notwendige Wert RN festlegen. Damit ist jedoch auch die Außenabmessung 2a0 festgelegt, so daß sich aus den Größen RN und 2a0 jetzt der tatsächliche Krümmungsradius R erhalten läßt. Der sich mit den festgelegten Werten für Außenabmessung und Krümmungsradius ergebende Maximalwert des Öffnungswinkels des Schallstrahlungsfeldes hinter dem Fokus kann nun in einfacher Weise durch Abstimmung der Größe 2ai der Aussparung in der Aktivfläche des Ultraschallschwingers so eingeengt werden, daß sich ein der Gerätekonzeption entsprechendes optimales Verhältnis zwischen Öffnungswinkel und Nebenkeulen des Schallstrahlungsfeldes ergibt.In this case, in complete frequency independence automatically determined from the relative Fokusbrei- R N te F B / a 0 and the normalized focus on pro s from s t F and A / 0th In this way, however, the correct dimension for the external dimension 2a 0 is also automatically determined as a function of R N. From the comparison of the predetermined focus distance F A to the product obtained as a function of N R at a given operating frequency F A focus distance but then the necessary value R N can be set. However, this also defines the external dimension 2a 0 , so that the actual radius of curvature R can now be obtained from the quantities R N and 2a 0 . The maximum value of the opening angle of the sound radiation field behind the focus, which results from the defined values for the external dimension and radius of curvature, can now be narrowed in a simple manner by coordinating the size 2a i of the cutout in the active surface of the ultrasonic oscillator in such a way that the device design corresponds optimal ratio between the opening angle and side lobes of the sound radiation field results.

Die Fig. 3 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel für einen Ringschwinger gemäß der Fig. 1, der z.B. für die Betriebsfrequenz von f = 3,5 MHz einen Außendurchmesser 2a0 = 40 mm und eine innere Ausnehmung mit einem Durchmesser von 2a. = 13 mm aufweist. Der Krümmungsradius ist mit R = 242 mm bestimmt. Die links daneben gezeigten Diagramme zeigen von oben nach unten für die -6dB-Keule, die -20dB-Keule und die -40dB-Keule des Schallstrahlungsfeldes die sich mit diesem Schwinger gemäß der Erfindung ergebenden Verläufe der lateralen Auflösung La (mm) über der Eindringtiefe Te (cm) des Ultraschalles im Untersuchungsgebiet. Es ist deutlich zu ersehen, daß der die Erfindung betreffende Verlauf I der lateralen Auflösung in sämtlichen drei Diagrammen im interessierenden Eindringtiefenbereich von etwa 0 bis 13 cm deutlich besser verläuft als die Verläufe II und III solcher Ultraschallwandler, die nach herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden.FIG. 3 shows a practical exemplary embodiment for a ring oscillator according to FIG. 1, which for example has an outer diameter 2a0 = 40 mm and an inner recess with a diameter of 2a for the operating frequency of f = 3.5 MHz . = 13 mm. The radius of curvature is determined with R = 242 mm. The diagrams to the left show from top to bottom for the -6dB lobe, the -20dB lobe and the -40dB lobe of the sound radiation field the curves of the lateral resolution La (mm) over the penetration depth which result with this oscillator according to the invention Te (cm) of the ultrasound in the study area. It can clearly be seen that the course I of the lateral resolution relating to the invention proceeds significantly better in all three diagrams in the penetration depth range of about 0 to 13 cm of interest than the courses II and III of such ultrasonic transducers which were produced by conventional methods.

Die Fig. 4 zeigt ein Alternativbeispiel zu den Fig. 1 und 2. Gemäß diesem Alternativbeispiel kann der Ultraschallschwinger in Form eines Arrays 5 aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Einzelelementen 6 (z.B. zwischen 60 und 160 Elementen)aufgebaut sein. Bei derartigen Ultraschallschwingern in Array-Form geschieht die zeilenweise Fortführung des Ultraschallstrahles zum Aufbau eines Ultraschallbildes durch Fortschaltung der Einzelelemente 6 in Gruppen. Beim Array der Fig. 4 sind derartige Gruppen beispielsweise mit 7 bezeichnet. Die Festlegung der inaktiven Fläche kann elektronisch oder mechanisch erfolgen.Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 liegt eine Mischform vor. So ist z.B. jede fortzuschaltende Gruppe 7 durch elektrische Abschaltung von Einzelelementen innerhalb der Gruppe mit einer inneren Aussparung 8 versehen. Diese Aussparung 8 verläuft jeweils quer zur Längsrichtung des Arrays. Eine weitere Aussparung 9, die im vorliegenden Fall jedoch nicht elektronisch, sondern mechanisch ausgelegt ist, verläuft in Längsrichtung des Arrays. Die Abmessungen 2a01, 2ai1 bzw. 2a02, 2ai1 beider Aussparungen 8 bzw. 9 bestimmen sich gemäß Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 bestimmt die Gruppe 7 an Einzelelementen in Verbindung mit der elektrischen Aussparung 8 den Krümmungsradius der Fokussierung gemäß der Erfindung in der z, x-Ebene des eingezeichneten Koordinatensystems. Die Fokussierung in der z,y-Ebene ist durch die gezeichnete mechanische Krümmung der Array-Einzelelemente in Verbindung mit der mechanischen Aussparung 9 gemäß der Erfindung vorbestimmt. Anstelle der mechanischen Krümmung kann zum Zwecke der Fokussierung selbstverständlich auch eine elektronische Fokussierung vorgenommen werden. In diesem Falle muß lediglich das Array in den Einzelelementen matrixartig entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 aufgebaut sein.4 shows an alternative example to FIGS. 1 and 2. According to this alternative example, the ultrasonic vibrator in the form of an array 5 can be constructed from a large number of individual elements 6 (for example between 60 and 160 elements) arranged next to one another. In the case of such ultrasonic vibrators in the form of an array, the line-by-line continuation of the ultrasound beam to build up an ultrasound image takes place by advancing the individual elements 6 in groups. In the array of FIG. 4, such groups are designated 7, for example. The inactive area can be determined electronically or mechanically. In the exemplary embodiment in FIG. 4, a mixed form is present. For example, each group 7 to be switched on is electrical Switch off individual elements within the group with an inner recess 8. This recess 8 runs transversely to the longitudinal direction of the array. Another recess 9, which in the present case is not designed electronically but mechanically, runs in the longitudinal direction of the array. The dimensions 2a 01 , 2a i1 and 2a 02 , 2a i1 of both cutouts 8 and 9 are determined according to step c) of the method according to the invention. In the exemplary embodiment in FIG. 4, the group 7 on individual elements in connection with the electrical recess 8 determines the radius of curvature of the focusing according to the invention in the z, x plane of the coordinate system shown. The focusing in the z, y plane is predetermined by the mechanical curvature of the individual array elements in connection with the mechanical recess 9 according to the invention. Instead of the mechanical curvature, electronic focusing can of course also be carried out for the purpose of focusing. In this case, only the array in the individual elements has to be constructed in a matrix-like manner in accordance with the exemplary embodiment in FIG. 2.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern, mit wenigstens einem Ultraschallschwinger, dessen durch Hilfsmittel künstlich fokussierende Aktivfläche Aussparungen aufweist und dessen Schallstrahlungsfeld nach Fokusabstand, Fokusbreite und Öffnungswinkel im Anschluß an den Fokus und Ultraschallfrequenz vorgebbar sein soll, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) für die vorgebbaren zwei Fokusgrößen Fokusbreite (FB) und Fokusabstand (FA) wird in Abhängigkeit entweder vom;Krümmungsradius (R) des Ultraschallschwingers (1; 5) dessen Außenabmessung (2a0) oder in Abhängigkeit von der Außenabmessung (2a0) der Krümmungsradius (R) für zuerst eine der beiden Fokusgrößen (z.B. FB) festgelegt; b) bei der so festgelegten Außenäbmessung oder dem so festgelegten Krümmungsradius wird dann für die andere der beiden vorgebbaren Fokusgrößen (z.B. FA) die noch nicht bestimmte Größe Krümmungsradius bzw. Außenabmessung festgelegt; c) der sich für Außenabmessung (2a0) und Krümmungsradius (R) gemäß den Schritten a) und b) ergebende Maximal-. wert des Öffnungswinkels des Schallstrahlungsfeldes hinter dem Fokus wird schließlich durch Einbringung einer Aussparung (2; 8, 9) in die Aktivfläche des Ultraschallschwingers (1; 5) solcher Größe (2ai) so eingeengt, daß sich optimales Verhältnis zwischen Öffnungswinkel und Nebenkeulen des Schallstrahlungsfeldes ergibt. 1. A method for producing ultrasonic transducers with at least one ultrasonic transducer, the active surface of which is artificially focused by means of aids and whose sound radiation field should be predeterminable according to the focus distance, focus width and aperture angle following the focus and ultrasonic frequency, characterized by the following steps: a) for the predeterminable two focus sizes, the focus width (F B ) and the focus distance (F A ), depending on either the radius of curvature (R) of the ultrasonic vibrator (1; 5) or its outer dimension (2a 0 ) or depending on the outer dimension (2a 0 ) the radius of curvature (R) is determined for one of the two focus sizes ( e.g. F B ); b) in the case of the outer dimension or the radius of curvature thus determined, the not yet determined size of the radius of curvature or outer dimension is then determined for the other of the two predeterminable focus sizes (eg F A ); c) the maximum resulting for the outer dimension (2a 0 ) and radius of curvature (R) according to steps a) and b). The opening angle of the sound radiation field behind the focus is finally narrowed by introducing a recess (2; 8, 9) into the active surface of the ultrasonic transducer (1; 5) of such size (2a i ) that there is an optimal ratio between the opening angle and side lobes of the sound radiation field results. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge-kennzeichnet, daß bei Vorgabe einer der beiden Fokusgrößen die Außenabmessung (2a0) des Ultraschallschwingers (1; 5) in Abhängigkeit vom auf das Verhältnis a02/λ, mit a0 als halbe Außenabmessung des Ultraschallschwingers und X als Ultraschallwellenlänge, normierten Krümmungsradius (RN = R/ a0 2 2) festgelegt wird.2. The method according to claim 1, thereby indicates that if one of the two focus values is specified, the outer dimension (2a 0 ) of the ultrasonic vibrator (1; 5) depending on the ratio a 0 2 / λ, with a 0 as half the outer dimension of the ultrasonic vibrator and X as the ultrasonic wavelength, normalized radius of curvature ( R N = R / a 0 2 2) is determined. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei so in Abhängigkeit von RN festgelegter Außenabmessung (2a0) für die andere vorgegebene Fokusgröße der normierte Krümmungsradius (RN) sowie der tatsächliche Wert 2a0 und aus diesen dann schließlich der wirkliche Krümmungsradius (R) festgelegt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that with the outer dimension so defined as a function of R N (2a 0 ) for the other predetermined focus size, the normalized radius of curvature (R N ) and the actual value 2a 0 and finally the actual radius of curvature therefrom (R) is set. 4. Nach einem Verfahren entsprechend den Ansprüchen 1 bis 3 hergestellter Ultraschallwandler, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemäß den Schritten a) und b) in der Außenabmessung (2a0) und im Krümmungsradius (R) der Fokussierung festgelegtes Schwingerformteil (1; 5) durch mechanische Ausnehmung (2 oder 9) (z.B. durchgehendes Loch oder oberflächenseitige Kontaktschichtaussparung) eines Teiles des Schwingermaterials oder ein zumindest elektrisch in Einzelstrahlflächen (6) unterteilter Schwinger (5) durch elektrische Abschaltung einzelner Flächenteile (8) in der Aktivfläche ausgespart ist.4. According to a method according to claims 1 to 3 manufactured ultrasonic transducer, characterized in that according to the steps a) and b) in the outer dimension (2a 0 ) and in the radius of curvature (R) of the focus fixed vibrator (1; 5) by mechanical recess (2 or 9) (e.g. through hole or surface-side contact layer recess) of a part of the vibrating material or a vibrator (5) at least electrically divided into individual beam surfaces (6) is cut out in the active surface by electrically switching off individual surface parts (8). 5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit mechanischer Ausnehmung (2) versehener Schwinger (1) als Ringschwinger, vorzugsweise in Kreis- oder Ovalform, ausgebildet ist.5. Ultrasonic transducer according to claim 4, characterized in that a mechanical recess (2) provided vibrator (1) is designed as a ring vibrator, preferably in a circular or oval shape. 6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringschwinger (1) in Kompaktform aus einem einzigen Materialteil (Fig.1) gebildet oder durch Aneinanderreihung von einzelnen Schwingerelementen (Fig. 2) zu einem Ring zusammengesetzt ist.6. Ultrasonic transducer according to claim 5, characterized in that the ring vibrator (1) is formed in compact form from a single material part (Fig.1) or by stringing together individual vibrating elements (Fig. 2) to form a ring. 7. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein in linearer oder matrixartiger Aneinanderreihung von Einzelelementen (6) kammförmig aufgebauter Ultraschallschwinger (5) (Fig.4) in einer Gruppe (8) von Einzelsegmenten innerhalb der Gesamtzahl aller oder weiterer Gruppen (7) der Einzelsegmente abschaltbar ist, wobei die ausgeschnittene Gruppe (8) in der Flächenform die Abmessungen der Aussparung festlegt.7. Ultrasonic transducer according to claim 4, characterized in that in a linear or matrix-like sequence of individual elements (6) comb-shaped ultrasonic vibrator (5) (Fig.4) in a group (8) of individual segments within the total number of all or further groups (7 ) the individual segments can be switched off, the cut-out group (8) defining the dimensions of the cutout in the surface shape. 8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (5) zusätzlich mechanische Aussparungen (9) in der Aktivfläche aufweist.8. Ultrasonic transducer according to claim 7, characterized in that the oscillator (5) additionally has mechanical cutouts (9) in the active surface. 9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung des Krümmungsradius (R) der Fokussierung gemäß Schritt b) ein Ultraschallschwinger mit Aussparung dient, der a) entweder schon vorab mechanisch mit dem erwünschten Krümmungsradius der Fokussierung gekrümmt ist (Fig.1), b) oder planar ausgebildet ist und mit dem Krümmungsradius rein elektronisch fokussiert ist (Fig. 2), c)-oder eine Kombination aus mechanischer und elektronischer Fokussierung vorliegt (z.B. Fig. 4). 9. Ultrasonic transducer according to one of claims 4 to 8, characterized in that an ultrasonic oscillator with a recess serves to determine the radius of curvature (R) of the focusing according to step b) a) is either already mechanically curved in advance with the desired radius of curvature of the focusing (FIG. 1), b) or planar and is purely electronically focused with the radius of curvature (FIG. 2), c) -or there is a combination of mechanical and electronic focusing (eg FIG. 4). 10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Fokusbreite FB = f (R, a0) und dem Fokusabstand FA = g (R, a0) vorgebbarer Ultraschallschwinger mit Aussparung in der Aktivfläche wie folgt dimensioniert ist: a) die äußere Abmessung beträgt
Figure imgb0008
 b) der Krümmungsradius beträgt bei dieser Außenabmessung
Figure imgb0009
 c) die Aussparung hat eine innere Abmessung bei diesen Werten von solcher Größe 2ai, bei der das Verhältnis zwischen Öffnungswinkel und Nebenkeulen des Schallstrahlungsfeldes optimal ist. 10. Ultrasonic transducer according to one of claims 4 to 9, characterized in that a with the focus width F B = f (R, a 0 ) and the focus distance F A = g (R, a 0 ) predeterminable ultrasonic oscillator with a recess in the active surface such as is dimensioned as follows: a) the outer dimension is
Figure imgb0008
 b) the radius of curvature is at this outer dimension
Figure imgb0009
 c) the recess has an internal dimension at these values of such a size 2a i , in which the ratio between the opening angle and side lobes of the sound radiation field is optimal.
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