DE2855143B1 - Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers und entsprechend hergestellter Wandler - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers und entsprechend hergestellter WandlerInfo
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Description
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 (2ao) der Krümmungsradius
(R) für zuerst eine der beiden Fokusgrößen (z. B. FB) festgelegt; )()
b) bei der so festgelegten Außenabmessung 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 Maximalwert 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 (2a,) so eingeengt, daß sich optimales Verhältnis
zwischen Öffnungswinkel und Nebenkeulen des Schallstrahlungsfeldes ergibt. 5'
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorgabe einer der beiden
Fokusgrößen die Außenabmessung (2a0) des Ultraschallschwingers
(1; 5) in Abhängigkeit vom auf das Verhältnis ao2/A, mit a0 als halbe Außenabmessung
des Ultraschallschwingers und λ als Ultraschallwellenlänge, normierten Krümmungsradius
festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei so in Abhängigkeit von Rn
festgelegter Außenabmessung (2ao) für die andere to vorgegebene Fokusgröße der normierte Krümmungsradius
(Rn) sowie der tatsächliche Wert 2a0 und aus diesen dann schließlich der wirkliche
Krümmungsradius (R) festgelegt wird.
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 (2ao) und
im Krümmungsradius (R) der Fokussierung festgelegtes Schwingerformteil (1; 5) durch mechanische
Ausnehmung (2 oder 9) (z. B. durchgehendes Loch oder oberflächenseitige Kontaktschichtaussparung)
eines Teils des Schwingermaterials oder ein zumindest elektrisch in Einzelstrahlflächen (6)
unterteilter Schwinger (5) durch elektrische Abschaltung einzelner Flächenteile (8) in der Aktivfläche
ausgespart ist.
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.
6. Ultraschallwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringschwinger (1) in
Kompaktform aus einem einzigen Materialteil (F i g. 1) gebildet oder durch Aneinanderreihung von
einzelnen Schwingerelementen (F i g. 2) zu einem Ring zusammengesetzt ist.
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.
8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (5) zusätzlich
mechanische Aussparungen (9) in der Aktivfläche aufweist.
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 (F ig. 1), *
b) oder planar ausgebildet ist und mit dem Krümmungsradius rein elektronisch fokussiert
ist (F ig. 2),
c) oder eine Kombination aus mechanischer und elektronischer Fokussierung vorliegt (z. B.
F ig. 4).
10. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der
Fokusbreite Fn= f (R, a») und dem Fokusabstand
Fa= g(R, a0) vorgebbarer Ultraschallschwinger mit
Aussparung in der Aktivfläche wie folgt dimensioniert ist:
a) die äußere Abmessung beträgt
ao^Fi (R, Fb)
b) der Krümmungsradius beträgt bei dieser Außenabmessung
R=Gi (Fa, Fi, (R, Fn))
c) die Aussparung hat eine innere Abmessung bei diesen Werten von solcher Größe 2a,·, bei der
das Verhältnis zwischen Öffnungswinkel und Nebenkeulen des Schallstrahlungsfeldes optimal
ist.
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.
QRfGJsMAL !MSPECTED
In der 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 r>
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 2">
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 r>
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 F i g. 1 dargestellte sphärisch gekrümmte
Schwinger geometrisch stark fokussiert, so daß sich für wi
verschiedene dB-KeuIen nahe beeinanderliegende 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, tf
Der Bereich guter lateraler Auflösung ist damit in unerwünschter Weise auf ein viel zu kleines Untersuchungsgebiet
eingeschränkt. Der in der Fig.2 dargestellte Ultraschallwandler ist ringförmig aufgebaut,
wobei gemäß der Fig.4 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.
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.
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.
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
(ζ. B. durchgehendes Loch oder oberflächenseitige Kontaktschichtaussparung) eines Teils des Schwingermaterials
oder ein zumindest elektrisch in Einzelstrahlflächen unterteilter Schwinger durch elektrische Abschaltung
einzelner Flächenteile in der Aktivfläche ausgespart ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigt
F i g. 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,
F i g. 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.
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 Fi g. 2 angedeutet.
Ein Schwinger der F i g. 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 2ao des Schwingers. Damit ergibt
sich die Beziehung für die Fokusbreite (bezogen auf eine bestimmte Anzahl von Schwingungen innerhalb des
Erregungs- und/oder Echoimpulses) zu
FB = f (R, a0).
®
Dasselbe gilt auch für den Fokusabstand F4 mit
der Beziehung
FA = g (R, Ci0). φ
Aus φ ergibt sich durch Umrechnung auf ci0 die
Beziehung
flo = F1 (R, FB) (D
R = F2(a0, FB). (§)
Aus φ in Verbindung mit φ ergibt sich dann
R = G1 (FA, F1 (R, FB) ©
oder aus φ in Verbindung mit (4)
«o = G2 {FA, F2 (Ci0, FB). ©
Aus Gründen der Vereinfachung empfiehlt sich die Ermittlung zuerst von 3 in Abhängigkeit von einem
normierten Radius Am der wie folgt definiert ist:
_2
η _ T)i
"Q
(ηλ
Kn — κ/ —■-·
w
In diesem Falle bestimmten sich bei völliger Frequenzunabhängigkeit automatisch aus Rn die relative
Fokusbreite Fs/ao und der normierte Fokusabstand
Somit wird aber auch automatisch das richtige Maß für die Außenabmessung 2ao in Abhängigkeit von Rm
festgelegt. Aus dem Vergleich des vorgegebenen Fokusabstandes Fa mit dem in Abhängigkeit von Ä/ybei
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 2a/ der Aussparung in der
Aktivfläche des Ultraschallschwingers so eingeengt werden, daß sich ein der Gerätekonzeption entsprechendes
optimales Verhältnis zwischen öffnungswinkel und Nebenkeulen des Schällstrahlungsfeldes ergibt.
Die F i g. 3 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel
für einen Ringschwinger gemäß der F i g. 1, der z. B. für die Betriebsfrequenz von /=3,5 MHz einen Außendurchmesser
2ao=4O 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 Ultraschalls 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
jo hergestellt wurden.
Die F i g. 4 zeigt ein Alternativbeispiel zu den F i g. 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 F i g. 4 ■ sind derartige Gruppen beispielsweise mit 7 bezeichnet. Die Festlegung der
inaktiven Fläche kann elektronisch oder mechanisch erfolgen. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 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 2aoi, 2a,i
bzw. 2ao2,2a,i beider Aussparungen 8 bzw. 9 bestimmen
sich gemäß Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern, mit wenigstens einem Ultraschallschwin- "5
ger, 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, gekennzeichnetdurch die folgenden Schritte:
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1979
- 1979-12-12 EP EP79105117A patent/EP0012938A3/de not_active Withdrawn
- 1979-12-18 AU AU53976/79A patent/AU5397679A/en not_active Abandoned
- 1979-12-18 JP JP16545679A patent/JPS5586287A/ja active Pending
- 1979-12-20 US US06/105,643 patent/US4287770A/en not_active Expired - Lifetime
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