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Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, bestehend
aus mindestens einer Reihe von Ultraschallelementen, in
denen Querseitenkanten aufeinanderfolgender Elemente schräg
zur Quermittelachse der Reihe verlaufen.
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Ein derartiger Ultraschallwandler mit einer Reihe von
Ultraschallelementen, nachfolgend als "Reihe" bezeichnet, ist aus
der US-Patentbeschreibung 4.425.525 bekannt. Wenn solche
Reihen für Untersuchungen mit Hilfe von
Ultraschallschwingungen verwendet werden, z.B. für eine medizinische
Untersuchung, besteht ein Problem darin, daß jedes der Elemente
in der Reihe im Betrieb ein Druckmuster mit einem
Hauptlappen und mehreren Seitenlappen erzeugt. Diese Seitenlappen
sind nicht nur vorhanden, wenn das Druckmuster parallel zur
Längsachse der Reihe, der Seitenachse, geprüft wird, sondern
auch in der dazu rechtwinkligen Richtung, der Querrichtung.
Die Seitenlappen können im Vergleich mit dem Hauptlappen
eine relativ hohe Intensität aufweisen und die
Interpretation eines mit Hilfe der Reihe erzeugten
Ultraschallecho-Bildes behindern.
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Für die bekannte Reihe wird vorgeschlagen, jedem der
Unterelemente die Form eines Diamanten zu geben, wobei die Enden
des Diamanten, in der Querachse jedes der Elemente gesehen,
abgeflacht ist. Mit Hilfe derart gestalteter Elemente, bei
denen die Breite jedes Elements, von der Quermittelachse der
Reihe zu den beiden Längsseitenkanten hin gesehen, in dieser
Weise allmählich abnimmt, wird in der Querrichtung der Reihe
ein Druckmuster erzeugt, dessen Seitenlappen ausreichend
unterdrückt sind. Es ist jedoch ein Nachteil der bekannten
Reihe, daß die in der Seitenrichtung gesehenen Seitenlappen
des Druckmusters garnicht unterdrückt werden. In einer Reihe
von Ultraschallelementen führen solche Seitenlappen zur
Interferenz der Seitenlappen angrenzender Elemente, wodurch
sogenannte "Gitterlappen" erzeugt werden, die das
Druckmuster sehr nachteilig beeinflussen können, weil solche
Gittermuster unter bestimmten Umständen so intensiv sein können
wie der Hauptlappen. Es ist eine bekannte Technik, solche
Gittermuster in gewissem Umfang zu unterdrücken, indern die
Elemente durch Sägeschnitte in Unterelemente aufgeteilt
werden ("in Würfel unterteilen"), wobei mit dieser Technik ein
spezifisches Verhältnis zwischen der Breite der Sägeschnitte
und der Breite der Siebelemente für die bestmögliche
Unterdrückung der Gitterlappen gewählt wird. Um eine bessere
Unterdrückung der Gittermuster zu erlangen, ist es
wünschenswert, sich mit ihrer Ursache zu befassen, nämlich dein
Vorliegen von Seitenlappen in dem Druckmuster jedes der
Elemente.
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Die Erfindung bietet eine Lösung, um dieses zu erreichen,
indem ein Ultraschallwandler der genannten Art vorgesehen
wird, bei den die Gesamtausdehnung (2a) jedes der
Ultraschallelemente (14b, 14c, 14d) in der Querrichtung größer
ist als der Abstand (p) zwischen den Mittelpunkten der
aufeinanderfolgenden Elemente auf der Quermittelachse (x) der
Reihe.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich geworden,
wie unten ausführlicher erläutert wird, die Seitenlappen in
dem Druckmuster sowohl in der Querrichtung als auch in der
Seitenrichtung zu unterdrücken, so daß die Seitenlappen und
insbesondere die von ihnen durch Interferenz erzeugten
Gitterlappen die Analyse des Ultraschallecho-Bildes nicht
nachteilig beeinflussen.
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Es ist anzumerken, daß es aus der Deutschen
Patentbeschreibung 3.304.666 bekannt ist, die Seitenlappen der Elemente
eines Ultraschallwandlers zu unterdrücken. Hierzu werden in
der Längsrichtung der Reihe zu den beiden Enden der Reihe
hin Elemente verwandt, die allmählich immer weniger intensiv
polarisiert sind, wodurch die Elemente im Zentrum der Reihe
am meisten zu dem Strahl beitragen. Diese Lösung ist jedoch
umständlich, weil Elemente mit einem gegeneinander
unterschiedlichen Maß an Polarisation verwendet werden müssen.
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Die Erfindung wird anschließend anhand einer beispielhaften
Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert. Hierin zeigen:
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Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer
bekannten Ultraschallreihe;
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Figur 2a, b, c und d eine Aufsicht einer bekannten
Ausbildung von Ultraschallelementen und in Aufsicht drei
Ausbildungsformen von erfindungsgemäßen Ultraschallelementen zur
Anwendung in einer Reihe gemäß Figur 1.
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Figur 1 zeigt eine herkömmliche Ultraschallreihe mit einem
Stab aus piezolelektrischem keramischem Material 10, aus dem
die jeweiligen Ultraschallelemente gebildet werden. Dieser
Stab ist in an sich bekannter Weise auf einem Träger 11
angebracht. Auf dem Stab ist oben eine Elektrodenschicht 12
und am Boden eine Elektrodenschicht 13 aufgelegt. In der in
Figur 1 gezeigten Reihe werden die getrennten
Ultraschallelemente mittels Sägen durch den Stab 10 mit den beiden
Elektroden lagen und dem Träger 11 in gleichen gegenseitigen
Abständen gebildet, wodurch eine große Zahl von einzelnen,
im wesentlichen identischen Ultraschallelementen 14 gebildet
wird, von denen jedes eine obere Elektrode 12 und eine
untere Elektrode 13 aufweist. Aus dieser großen Zahl von
Ultraschallelementen kann auf an sich bekannte Weise eine
Ultraschallreihe gebildet werden.
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In der in Figur 1 gezeigten Reihe haben die
Ultraschallelemente in der Aufsicht eine rechteckige Form, wie auch Figur
2 erkennen läßt, die drei der Elemente 14 aus der Reihe
gemäß Figur 1 zeigt. Die Figuren 2b, c, d zeigen in Aufsicht
die Formen von drei aufeinanderfolgenden
Ultraschallelementen jeweils in einer Reihe, wobei die Ultraschallelemente
jeweils mit 14b, 14c und 14d bezeichnet sind und im
Gegensatz zu den bekannten Ultraschallelementen 14 gemäß Figur 2a
ein Druckmuster erzeugen, dessen Seitenlappen immer in einem
nennenswerten Umfang gegenüber dem Hauptlappen unterdrückt
werden, so daß die Bildung von Gitterlappen in dem
Druckmuster der gesamten Reihe ebenfalls weitgehend unterdrückt
werden kann.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß eine
nennenswerte Unterdrückung der Seitenlappen in dem Strahlungsmuster
eines Ultraschallelementes sowohl in einer zur Längsachse
der Reihe parallelen Richtung als auch in einer dazu
rechtwinkligen Richtung erzielt werden kann, wenn die Teilung der
aufeinanderfolgenden Elemente in der Reihe kleiner ist als
die Breite jedes der Elemente. In Figur 2b hat jedes der
Ultraschallelemente 14b die Gestalt eines Flügels; dabei ist
die Elementenbreite mit 2b, der Winkel zwischen dem ersten
Seitenkantenpaar an beiden Seiten der Längsachse mit 2α und
der Winkel zwischen dem zweiten Seitenkantenpaar an beiden
Seiten der Längsachse mit 2β bezeichnet. Die Teilung
zwischen den aufeinanderfolgenden Elementen 14b in der Reihe
ist mit p bezeichnet.
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Die in den Figuren 2c und 2d gezeigten Gestaltungen der
erfindungsgemäßen Ultraschallelemente 14c bzw 14d stellen im
wesentlichen Varianten der Ausführungsform gemäß Figur 2b
dar. Die Abmessungen und die Winkel sind in den Figuren 2c
und 2d mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in Figur
2b. Für die Ausführungsform gemäß Figur 2c trifft es zu, daß
2α=2β, während in der Ausführungsform gemäß Figur 2d die
Enden der Ultraschallelemente parallel zu der Längsachse der
Reihe eine Länge von Null haben. Für die Ausführungsform
gemäß Figur 2c und 2d trifft es ferner zu, daß die
Elementenbreite 2a größer ist als die Teilung p zwischen den
aufeinanderfolgenden Elementen.
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In der Praxis hat sich herausgestellt, daß bei der
Ausführungsform gemäß Figur 2c eine gute Unterdrückung der
Seitenlappen in dem Druckmuster erzielt werden kann, wenn
2α=2β=140º eingehalten wird. Für die Ausführungsform gemäß
Figur 2b und 2d ist 2α< 2β< 180º einzuhalten, um die Bedingung
2a > p einhalten zu können.
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Bei der Verwendung der Ultraschallelemente 14b, 14c oder 14d
in einem linearen Reihenwandler gemäß Figur 1 kann somit
offensichtlich ein Ultraschallwandler aufgebaut werden,
indem man mehrere Reihen nebeneinander in der Y-Querrichtung
anordnet.
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Durch die Verwendung der Ultraschallelemente 14b, 14c oder
14d in einer Reihe ist es auch möglich, die an sich bereits
bekannten Techniken zum Unterdrücken von Gitter- und
Seitenlappen anzuwenden. Diese bekannten Techniken bestehen aus
dem sogenannten "Unterwürfeln" der Elemente zum Unterdrücken
von Seitenlappen; ferner dem Gewichten der Druckamplitude
eines Elements als eine Funktion der Stellung dieses
Elements in der Reihe in einer Weise, daß der Anteil der an
beiden Enden der Reihe befindlichen Elemente weniger schwer
gewichtet wird als der Anteil der im Zentrum befindlichen
Elemente, wodurch im Ergebnis eine weitere Unterdrückung der
Seitenlappen möglich ist. Wenn mehrere Reihen nebeneinander
in der Y-Richtung zur Anwendung kommen, kann eine solche
Gewichtung auch in der Y-Richtung durchgeführt werden. Eine
weitere Methode zum Schwächen der Seitenlappen besteht in
der Anwendung der Absorption einer Ultraschallinse vor der
jeweiligen Reihenstellung; dem teilweisen Wegätzen der
Elektroden der Elemente in Richtung von deren Kanten und dem
Ausrichten der Polarisation der Elemente zu der Stellung der
Elemente in der Reihe.
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Ein mögliches Verfahren zum Herstellen einer Reihe mit
Ultraschallelementen gemäß Figur 2b, c oder d besteht in der
Herstellung von zwei Unter-Wandlerreihen, die gegeneinander
spiegelbildlich bezüglich der Quermittelachse der Reihe
ausgebildet
sind. In einer solchen Unter-Wandlerreihe, die
somit, in der Aufsicht von Figur 2 gesehen, die
Ultraschallelemente über und unter der X-Achse aufweist, können die
Elemente auf einfache Weise aus einem Stab aus
piezoelektrischem keramischem Material, der Elektroden auf beiden Seiten
aufweist und auf einem Träger angebracht ist, hergestellt
werden, indem die Elemente voneinander durch Sägen oder
Schneiden mit Hilfe eines Lasers getrennt und in die
gewünschte Form gebracht werden. Die endgültige Reihe kann
dann durch Befestigen der beiden Unter-Wandler aneinander
gebildet werden.
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Wenn auch in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
die Sektionen der Reihen auf beiden Seiten der X-Achse
spiegelbildlich zueinander sind, ist es im Prinzip auch möglich,
diese Reihenteile gegeneinander in der X-Richtung zu
versetzen oder auch unterschiedlich gestaltete Elemententeile auf
beiden Seiten der X-Achse zu verwenden.