DE3611669A1

DE3611669A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE3611669A1
Application number: DE19863611669
Authority: DE
Inventors: Kageyoshi Katakura; Chitose Tokio/Tokyo Nakaya; Hiroshi Matsudo Takeuchi; Shin'ichiro Hachioji Umemura
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1985-04-10
Filing date: 1986-04-07
Publication date: 1986-10-16
Also published as: DE3611669C2; US4680499A

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, der für einen Sensor in einer Ultraschallbildvorrichtung, wie zum Beispiel einem Ultraschalldiagnosegerät oder einem Ultraschallablenkdetektor, geeignet ist. Ein Ultraschallwandler in regelmäßiger Anordnung, ein sogenannter Array-Ultraschallwandler, mit einer monolithischen piezoelektrischen Platte (monolithischer Array-Wandler) hat eine hohe Leistung bei niedrigen Herstellungskosten. Ein Beispiel dafür ist in der auf die Erfinder zurückgehenden US-Patentanmeldung Nr. 676 314 aus dem Jahre 1984 dargestellt. In einem derartigen Wandler wird eine die Bildqualität verschlechternde Teilwelle erzeugt, die sich entlang der piezoelektrischen Platte lateral fortpflanzt, da die Wandlerelemente der Anordnung nicht mechanisch geschnitten ist.

Die generelle Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Ultraschallwandler anzugeben, mit dem die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler das dem monolithischen Array-Wandler anhaftende Problem lösen und mit niedrigen Kosten ein Bild hoher Qualität liefern.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe weist der erfindungsgemäße monolithische Array-Wandler eine monolithische piezoelektrische Platte und eine auf einer Oberfläche der piezoelektrischen Platte gebildete akustische Anpassungsschicht auf, die etwa halb so dick wie die piezoelektrische Platte und aus einem Material hergestellt ist, dessen Longitudinalwellengeschwindigkeit im wesentlichen gleich der der piezoelektrischen Platte ist.

Das Material der akustischen Anpassungsschicht ist vorzugsweise so gewählt, daß es eine Longitudinalwellen-

geschwindigkeit aufweist, die innerhalb eines Bereiches von _+ 25 %, vorzugsweise von +_ 15 %, von der der piezoelektrischen Platte liegt.

Entsprechend der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Abstrahlung von Teilwellen, die in der piezoelektrischen Platte in anderen Richtungen als normal zur Ebene der piezoelektrischen Platte erzeugt werden, auf ein Objekt unterdrückt, so daß der Wandler eine hohe Bildqualität liefern kann. In der piezoelektrischen Platte werden im allgemeinen Teilwellen in verschiedenen Richtungen sowie eine akustische Welle normal zur Ebene der akustischen piezoelektrischen Platte erzeugt, die eine Dicke von λ/2 hat, wobei λ die Wellenlänge der verwendeten akustischen Welle ist. Von diesen Teilwellen ist die Teilwelle in der Richtung am stärksten, in der die akustische Weglänge in der piezoelektrischen Platte λ beträgt, d.h. in einer Richtung von 60° zu einer Normalen zur Ebene der piezoelektrischen Platte. Nach dem Stand der Technik hat die akustische Anpassungsschicht eine Dicke von λ/4 und ist so ausgelegt, daß die akustische Welle normal zur Ebene der piezoelektrischen Platte am wirkungsvollsten abgestrahlt wird. Da in der bekannten akustischen Anpassungsschicht die Longitudinalwellengeschwindigkeit geringer als die der piezoelektrischen Platte ist, pflanzt sich die Teilwelle in der Richtung von 60° in der akustischen Anpassungsschicht mit einem kleineren Winkel fort. Daher wird eine derartige Teilwelle mit einem ziemlich hohen Wirkungsgrad auf das Objekt abgestrahlt. Nach vorliegender Erfindung pflanzt sich andererseits die Teilwelle in der Richtung von 60° in der akustischen Anpassungsschicht ebenfalls im wesentlichen in der Richtung von 60° fort. Die akustische Anpassungsschicht hat daher eine Weglänge, die etwa gleich λ/2 für die Teilwelle ist. Als Folge davon wird die Teilwelle im wesentlichen nicht zu dem Objekt abgestrahlt.

Damit wird nach vorliegender Erfindung die Abstrahlung der stärksten Teilwelle zu dem Objekt unterdrückt, und der Wandler kann eine hohe Bildqualität erzielen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 und 2 eine perspektivische Ansicht bzw. eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 3 und 4 eine perspektivische Ansicht bzw. eine

Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf der Vorderfläche einer piezoelektrischen Platte 1 eine akustische Anpassungsschicht 2 ausgebildet, deren Dicke in etwa der halben Dicke der piezoelektrischen Platte 1 entspricht. Auf der Rückfläche der piezoelektrischen Platte ist ein Trägermaterial 3 aufgebracht. Eine Oberfläche der piezoelektrischen Platte 1 ist so metallisiert, daß sie Streifen 11 aufweist, die andere Oberfläche ist über die gesamte Fläche metallisiert. Auf diese Weise wird ein monolithischer Array-Wandler geschaffen, der eine Vielzahl von auf der piezoelektrischen Platte angeordneten Wandlerelementen hat.

Das vorliegende Ausführurigsbeispiel soll eine akustische Welle zu einem lebenden Körper (akustische Impedanz: 1,5 χ 10 Kg/m .Sek) übertragen und von diesem empfangen. Als die piezoelektrische Platte 1 wird eine PZT-Keramik (Bleizirkonattitanat) mit einer Longitudinalwellengeschwindigkeit von 3800 m/Sek, einer akustischen Impedanz von 28 χ 10 Kg/m .Sek und einer Dicke von 0,7 mm verwendet. Die Resonanzfrequenz des Wandlers beträgt 2,7 MHz. Für die auf der piezoelektrischen Platte 1 ausgebildete akustische Anpassungsschicht 2 wird ein Polymethylolmelaminharz verwendet, das eine Dicke von etwa

0,35 mm, eine Longitudinalwellengeschwindigkeit von

ft 0

3300 m/Sek und eine akustische Impedanz von 5 χ 10 Kg/m .Sek hat. Dieses Melaminharz kann beispielsweise eine der folgenden Molekularformeln haben:

oder

NH-CH₀OH

-NH - C

C-NH- CH₉-²

NH-CH₂OH

N N

-NH-C

Als das Trägermaterial 3 wird mit Metalloxidpulvern vermischter Gummi verwendet.

Durch Verwendung der akustischen Anpassungsschicht 2, deren Longitudinalwellengeschwindigkeit im wesentlichen gleich der der piezoelektrischen Platte 1 ist, wird die Abstrahlung der Teilwelle zu dem Objekt unterdrückt, die von der piezoelektrischen Platte schräg ausgestrahlt würde Dieser Effekt wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Die Dicke T der piezoelektrischen Platte 1 ist durch den Ausdruck

T = λ/2 = f

gegeben, wobei f die Resonanzfrequenz, λ die Wellenlänge und C die Longitudinalwellengeschwindigkeit angibt. Wenn die piezoelektrische Platte mit der Frequenz f erregt wird, werden eine akustische Welle normal zur Ebene der piezoelektrischen Platte sowie Teilwellen mit dem Winkel θ zur Normalen erzeugt. Von diesen Teilwellen ist die Teilwelle

in der Richtung ^ = λ oder Θ = 60° am stärksten. Diese

cos Θ

Teilwelle 21 wird an der Vorderfläche und der Rückfläche der piezoelektrischen Platte 1 wiederholt reflektiert und pflanzt sich lateral fort. Wenn die Schallgeschwindigkeiten der piezoelektrischen Platte 1 und der akustischen Anpassungsschicht 2 im wesentlichen gleich sind, wird ein Teil der Teilwelle an der Grenzfläche nicht wesentlich gebrochen und tritt in die akustische Anpassungsschicht 2 ein. Da die akustische Anpassungsschicht eine Dicke von λ/4 hat, beträgt die Weglänge der Teilwelle in der akustischen Anpassungsschicht λ/4 . 1/cos 9 = λ/2. Daher wird diese akustische Teilwelle praktisch nicht von der akustischen Anpassungsschicht 2 zum Objekt abgestrahlt.

Die akustische λ/4 -Anpassungsschicht nach dem Stand der Technik hat dagegen eine viel niedrigere Longitudinalwellengeschwindigkeit als die piezoelektrische Platte. Daher pflanzt sich die Teilwelle in der Richtung von 60° in der akustischen Anpassungsschicht durch die Brechung

mit einem kleineren Winkel fort. Die Weglänge ist damit kürzer als λ/2, und die Teilwelle wird zu dem Objekt mit einem hohen Wirkungsgrad abgestrahlt.

Um die Emission der Teilwelle zu dem Objekt wirksam zu unterdrücken, ist es notwendig, daß die Longitudinalwellengeschwindigkeit der akustischen Anpassungsschicht innerhalb eines Bereiches von _+ 25 % von der der piezoelektrischen Platte liegt. Die Wirkung wird beträchtlich, wenn sie in einem Bereich von _+ 15 % liegt. Wenn für die piezoelektrische Platte eine Bleizirkonattitanat (PZT)-Keramik (ir.it einer Longitudinalwellengeschwindigkeit von 3800 m/Sek)

verwendet wird, kommen als Materialien für die akustische Anpassungsschicht, die die obigen Anforderungen erfüllen, Polymethylolmelaminharz und Glas (Handelsname EDF-4, Longitudinalwellengeschwindigkeit 3700 m/Sek) in Frage. Wenn eine Bleititanat (PbTiO₃)-Keramik (Longitudinalwellengeschwindigkeit 4400 m/Sek) als die piezoelektrische Platte verwendet wird, können für die akustische Anpassungsschicht ebenfalls das oben beschriebene Polymethylolmelaminharz oder das Glas verwendet werden. Das oben genannte Glas hat eine akustische Impedanz von

6 2
17,4 χ 10 Kg/m .Sek, die für die Impedanzanpassung zwischen der piezoelektrischen Keramik und dem lebenden Körper zu hoch ist. Hervorragende Ergebnisse lassen sich durch Beschichten der akustischen Anpassungsschicht aus Glas mit der akustischen Anpassungsschicht aus Harz erzielen-.

In jedem Fall ist es sehr wünschenswert, daß die Dicke der akustischen Anpassungsschicht λ/4 beträgt, wenn nur der Ausbreitungswirkungsgrad der Welle normal zur Ebene betrachtet wird. Unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung der Teilwellenabstrahlung ist es jedoch wünschenswert, daß die Dicke der akustischen Anpassungsschicht nicht exakt λ/4, sondern, unabhängig von einer Differenz zwischen den Geschwindigkeiten, T/2 beträgt, wenn mit T die Dicke der piezoelektrischen Platte bezeichnet ist.

Das im obigen Ausfuhrungsbeispiel verwendete Polymethylolmelaminharz kann leicht geformt werden und hat unter den Polymermaterialien eine hohe Schallgeschwindigkeit, Als Folge davon liegt die akustische Impedanz bei 5 χ 10 Kg/m .Sek, so daß dieses Material ohne irgendeine Beimengung als die akustische Anpassungsschicht zwischen einem elektroakustischen Wandlermaterial, wie zum Beispiel einer piezoelektrischen Keramik, und einem Medium,wie zum Beispiel Wasser oder dem menschlichen Körper, verwendet werden kann. Man kann daher vorteilhaft eine akustische Anpassungsschicht erzielen, die eine

höhere Gleichmäßigkeit als eine akustische Anpassungsschicht nach dem Stand der Technik hat, die aus Epoxyharz hergestellt ist, mit dem zur Erhöhung seines spezifischen Gewichts Metallteilchen oder Metalloxidteilchen vermischt sind.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 darin, daß zwischen der piezoelektrischen Platte 1 und dem Trägermaterial 3 eine zweite akustische Anpassungsschicht 4 mit einer Dicke von T/4 gebildet ist. Die Strukturen und Materialien der anderen Bereiche entsprechen denen des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. Die zweite akustische Anpassungsschicht 4 ist aus Glas (Handelsname EDF-4, Longitudinalwellengeschwindigkeit 3700 m/Sek) hergestellt.

Fig. 4 verdeutlicht die Funktion der zweiten akustischen Anpassungsschicht 4. Die Teilwelle in der 60°- Richtung wird an der Oberfläche der piezoelektrischen Platte 1 reflektiert und von der Rückfläche durch die zweite akustische Anpassungsschicht zum Trägermaterial 3 abgestrahlt. Da die Weglänge der Teilwelle in der akustischen Anpassungsschicht 4 im wesentlichen λ/4 ist, wird die Teilwelle 22 wirkungsvoll zum Trägermaterial 3 gerichtet und von diesem absorbiert. Als Folge davon wird die nachteilige Wirkung der Teilwelle noch weiter unterdrückt als im ersten Ausführungsbeispiel. Zur Erzielung dieses Effekts liegt die Longitudinalwellengeschwindigkeit der akustischen Anpassungs schicht 4 innerhalb von +_ 25 %, vorzugsweise innerhalb von +_ 15 %, der Longitudinalwellengeschwindigkeit der piezoelektrischen Platte 1.

Ah/CG

Claims

STREHL SCHUB^L-BOV1F GROSSING SCHULZ O β 1 1 β β Q Ι·ΛΤΚΧΤΛΧ\νΛΐ/ΓΚ EUItOPEAJi I1AlEXI ATTORNEYS HITACHI, LTD. und HITACHI MEDICAL CORPORATION DEA-27 644 7. April 1986 Ultraschallwandler PATENTANSPRÜCHE

1. Ultraschallwandler, gekennze ichnet durch

eine piezoelektrische Platte (1), deren beide Oberflächen metallisiert sind, wobei zumindest eine der Oberflächen eine Vielzahl von isolierten metallisierten Bereichen aufweist;

ein auf der Rückfläche der piezoelektrischen Platte (1) ausgebildetes Trägermaterial (3); und

eine auf der Vorderfläche der piezoelektrischen Platte (1) ausgebildete akustische Anpassungsschicht (2), deren Longitudinalwellengeschwindigkeit im wesentlichen gleich der der piezoelektrischen Platte (1), und deren Dicke gleich der Hälfte der Dicke der piezoelektrischen Platte (1) ist.

• a·

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, gekennze ichnet durch eine zweite akustische Anpassungsschicht (4), die zwischen der piezoelektrischen Platte (1) und dem Trägermaterial (3) ausgebildet ist, deren Longitudinalwellengeschwindigkeit im wesentlichen gleich der der piezoelektrischen Platte (1),und deren Dicke nicht größer als 1/4 der Dicke der piezoelektrischen Platte (1) ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Longitudinalwellengeschwindigkeit der ersten und/oder zweiten akustischen Anpassungsschicht (2, 4) innerhalb eines Bereiches von +_ 25 % der Longitudinalwellengeschwindigkeit der piezoelektrischen Platte (1) liegt.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Longitudinalwellengeschwindigkeit der ersten und/oder zweiten akustischen Anpassungsschicht (2, 4) innerhalb eines Bereiches von _+ 15 % der Longitudinalwellengeschwindigkeit der piezoelektrischen Platte (1) liegt.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die akustischen Anpassungsschichten (2, 4) aus Polymethylolmelaminharz hergestellt sind.