DE3733776A1 - Ultraschallsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde, bei der ein piezoelektrisches Verbundmaterial Anwendung findet, und insbesondere eine Mehrelement-Ultraschallsonde, bei der durch getrennte Anordnung von Elektroden in einer Streifenform mehrere unabhängig zu betreibende piezoelektrische Vibratoren gebildet werden.

Ein typisches bekanntes piezoelektrisches Verbundmaterial hat eine Struktur, in der eine große Anzahl von piezoelektrischen Keramik-Stabelementen, beispielsweise aus Bleizirkontitanat (im folgenden als "PZT" abgekürzt), regelmäßig in einer X-Richtung sowie in einer Y-Richtung angeordnet ist, wobei zwischen den einzelnen Stabelementen gleichmäßige Abstände eingehalten werden, wie es in der anliegenden Zeichnungsfigur 1 dargestellt ist. Die Hauptteile von Ultraschallsonden, in denen ein derartiges piezoelektrisches Verbundmaterial Anwendung findet, sind mit einer Vielzahl von Elektroden versehen, die in Streifenform auf der Oberfläche des piezoelektrischen Verbundmaterials angeordnet sind (im folgenden als "Streifenelektroden- Elemente" bezeichnet) und die es ermöglichen, das piezoelektrische Verbundmaterial in dem Bereich, der jeweils einer Streifenelektrode entspricht, unabhängig als einen piezoelektrischen Schwingungserzeuger bzw. Vibrator zu betreiben. Derartige Strukturen sind in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 22 046/1983 und im US-Patent Nr. 46 28 223 dargestellt. Zur Verringerung einer Seiten- bzw. Nebenkeule zeigt das US-Patent Nr. 46 58 176 andererseits einen Aufbau, in der der Anordnungsabstand der piezoelektrischen Keramikstäbe kleiner als die Wellenlänge der Schallwelle mit der Grundresonanzfrequenz ist, und in der die Breite der einzelnen piezoelektrischen Keramikstäbe sowie der Anordnungsabstand dieser Stäbe längs ihrer Anordnungsrichtung unterschiedlich sind. Daneben sind auch Fokussiermechanismen durch Phaseneinstellung der Ansteuersignale der piezoelektrischen Vibratoren und ähnliches bekannt. Auf die Beschreibung derartiger Mechanismen wird daher hier verzichtet.

Die oben beschriebene herkömmliche Technik berücksichtigt jedoch nicht eine Anordnung, bei der die Sonde unter Verwendung eines piezoelektrischen Verbundmaterials aufgebaut wird, das einen hohen Volumenanteil der piezoelektrischen Keramik- Stabelemente aufweist. Ein piezoelektrisches Verbundmaterial mit einem hohen Volumenanteil zeigt nämlich die Probleme, daß seine Flexibilität niedrig wird, da das von organischen Materialien, die zur Flexibilität beitragen, eingenommene Volumen klein wird, womit der Aufbau einer Ultraschallsonde mit gekrümmter Oberfläche schwierig wird, und daß andererseits, da das von dem piezoelektrischen Keramikmaterial eingenommene Volumen groß ist, der Abstand zwischen Kanälen so klein wird, daß Nebensprechen ansteigt.

Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 114 239/1985 zeigt eine rechteckige oder ringförmige Elektrodenstruktur, die US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 661 928/1984 eine Ultraschallsonde, in der ein piezoelektrisches Verbundmaterial Anwendung findet, dessen piezoelektrischer Volumenanteil zwischen etwa 0,15 und 0,75 liegt.

Wie die bereits oben beschriebene Technik berücksichtigen jedoch auch diese beiden Anmeldungen nicht die Abnahme der Flexibilität bzw. Elastizität des piezoelektrischen Verbundmaterials.

Alle oben beschriebenen bekannten Techniken basieren ausschließlich auf dem Konzept, daß bei einem Ansteigen des Volumenanteils der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente in dem piezoelektrischen Verbundmaterial die akustische Impedanz des piezoelektrischen Materials ansteigt, so daß eine Anpassung mit Wasser an einen lebenden Körper schwierig durchzuführen ist. Aus diesem Grund wird ein piezoelektrisches Verbundmaterial mit hervorragenden Vibrationscharakteristika und einer akustische Anpassungsschicht als piezoelektrische Materials für die Sonde nicht hinreichend berücksichtigt.

In der US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 944 523 ist andererseits ein Eingabegerät für Computer, elektronische Schreibmaschinen oder ähnliches gezeigt, in dem ein piezoelektrisches Verbundmaterial Anwendung findet. Diese Anmeldung liegt jedoch auf einem vollkommen anderen technischen Gebiet, und die dort dargestellte Struktur unterscheidet sich von der der vorliegenden Erfindung.

Die generelle Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Ultraschallsonde aus einem piezoelektrischen Verbundmaterial anzugeben, mit der die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll eine Ultraschallsonde geschaffen werden, die selbst bei Verwendung eines piezoelektrischen Verbundmaterials, in dem piezoelektrische Keramik- Stabelemente einen Volumenanteil von zumindest 0,60 haben, ihre Flexibilität bzw. Elastizität nicht verliert, und in der auch das Nebensprechen zwischen Kanälen nicht erhöht wird.

Mit einer Ultraschallsonde mit einem piezoelektrischen Verbundmaterial, das aus piezoelektrischen Keramik-Stabelementen aufgebaut ist, die in der Richtung (X-Richtung), in der nebeneinander Streifenelektroden gebildet sind, sowie in der Richtung (Y-Richtung) senkrecht zu dieser Richtung angeordnet sind, kann die Lösung der oben angesprochenen Aufgabe erfolgen, wenn in dem piezoelektrischen Verbundmaterial die Spalte zwischen den Streifenelektroden so weit ausgedehnt sind, daß das Nebensprechen in der X-Richtung kein Problem darstellt, und die Spalte zwischen den piezoelektrischen Keramik-Stabelementen, die mit den Streifenelektroden abgedeckt sind, in dieser Richtung minimiert sind. Wenn ein Teil eines piezoelektrischen Keramik-Stabelements in die Spalte zwischen den Streifenelektroden vorsteht, bedeutet der Ausdruck "Spalt" im folgenden den Wert, der sich nach Subtraktion eines solchen vorstehenden Teils ergibt.

Die oben beschriebene Aufgabe kann auch gelöst werden, indem die Ultraschallsonde unter Anwendung eines piezoelektrischen Verbundmaterials mit einer Struktur aufgebaut wird, in der die Breite der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente, die mit den Streifenelektroden abgedeckt sind, in der X-Richtung verringert ist, während in der Y-Richtung der Spalt verringert bzw. die Breite des piezoelektrischen Materials erhöht ist, um die Dichte des piezoelektrischen Materials zu erhöhen. Mit der oben beschriebenen Anordnung ist die Sonde selbst dann flexibel, wenn der Volumenanteil der piezoelektrischen Keramik- Stabelemente hoch ist, das Nebensprechen kann verringert, und der Abfall der Empfindlichkeit kann beschränkt werden.

Wenn darüber hinaus die Breite des piezoelektrischen Materials oder die Länge der Spalte zwischen den piezoelektrischen Keramik-Stabelementen in der X- und der Y-Richtung gleichmäßig ist, kann der Herstellungsprozeß vereinfacht, und eine hohe Genauigkeit in den Abmessungen sichergestellt werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Struktur zu schaffen, bei der die Flexibilität noch weiter erhöht ist und bei der in einem Teil eines Bereichs des piezoelektrischen Verbundmaterials aus einem organischen Stoff Rinnen bzw. Nuten ausgebildet sind, wobei auf einer der Oberflächen des Verbundmaterials Elektroden angeordnet sind, so daß das piezoelektrische Verbundmaterial leichter verformt, und eine Ultraschallsonde mit gekrümmter Oberfläche erzielt werden kann, die einen relativ kleinen Krümmungsradius hat.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Struktur anzugeben, die als einen Bestandteil eine akustische Anpassungsschicht aufweist, deren akustische Impedanz zwischen der des piezoelektrischen Verbundmaterials und der des lebenden Körpers liegt, wobei der Verhältnis W/t zwischen der Breite W und der Höhe t eines piezoelektrischen Keramik-Stabelements kleiner als 1 ist, und der Volumenanteil dieser piezoelektrischen Keramik-Stabelemente zumindest 0,35 beträgt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Ansicht der Struktur eines herkömmlichen piezoelektrischen Verbundmaterials;

Fig. 2A und 2B Ansichten der Struktur eines piezoelektrischen Verbundmaterials bzw. der entsprechenden Elektrodenanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3A und 3B schematische Ansichten von herkömmlichen Ultraschallsonden mit gekrümmter Oberfläche;

Fig. 4A, 4B und 4C Ansichten der Struktur eines piezoelektrischen Verbundmaterials bzw. der entsprechenden Elektrodenanordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 eine perpektivische Ansicht zur Erläuterung der Bildung von Streifenelektroden in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6A, 6B und 6C Darstellungen von Schritten eines Herstellungsverfahrens für das oben beschriebene piezoelektrische Verbundmaterial mit den Streifenelektroden;

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Mehr-Ring-Elektrode nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 8A, 8B und 8C eine Ansicht der Struktur einer Ultraschallsonde zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; ein Diagramm, in dem das Ergebnis der Analyse des Schwingungszustands bezogen auf den Wert W/t eines piezoelektrischen Keramik-Stabelements dargestellt ist; bzw. ein Diagramm, in dem die Empfindlichkeits-Charakteristika der Sonde bezogen auf den Wert W/t eines piezoelektrischen Keramik- Stabelements dargestellt sind;

Fig. 9A, 9B und 9C Diagramme, in denen die Ergebnisse der Analyse des Schwingungszustands eines piezoelektrischen Keramik-Stabelements und eines organischen Materials dargestellt sind;

Fig. 10 ein Diagramm, das einer bereits bekannten Veröffentlichung entnommen ist, zur Erläuterung der Eigenschaften der Erfindung; und

Fig. 11, 12A, 12B und 12C Diagramme, in denen die Empfindlichkeits-Charakteristika der Sonde entsprechend der erfindungsgemäßen Struktur dargestellt sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 2A und 2B beschrieben.

In den Fig. 2A und 2B ist mit Bezugsziffer 101 ein piezoelektrisches Verbundmaterial bezeichnet, mit Bezugsziffer 102 ein piezoelektrisches Keramik-Stabelement, beispielsweise ein PZT-Element, und mit Bezugsziffer 103 ein organisches Material. Die Anordnungsrichtung von Streifenelektroden, d. h. die Richtung, in der Streifenelektroden nebeneinander angeordnet sind, ist mit X, die Richtung senkrecht dazu mit Y bezeichnet. Der Anordnungsabstand der piezoelektrischen Keramik- Stabelemente in der X- und Y-Richtung, d. h. der Abstand, in dem die Keramik-Stabelemente in der X- und Y-Richtung hintereinander angeordnet sind, ist mit Px bzw. Py bezeichnet. Die Breite der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente in der X- und der Y-Richtung ist mit Wx bzw. Wy, der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Stabelementen, d. h. der Spalt zwischen diesen Elementen, ist mit gx bzw. gy bezeichnet (d. h. Px=Wx+gx; Py=Wy+gy).

Fig. 2B zeigt den Zustand, in dem Streifenelektroden 104 ausgebildet sind. Hier gelten die Beziehungen f(x)=Wx/Px und f(y)=Wy/Py, wobei f(x) das Verhältnis zwischen den Werten Wx und Px der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente in der X- Richtung, und f(y) das Verhältnis zwischen den entsprechenden Werten Wy und Py in der Y-Richtung ist. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß zumindest entweder die Breite (W) der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente oder die Breite des Spaltes (gx bzw. gy) zwischen den Stabelementen kleiner als der Abstand bzw. Spalt zwischen den Streifenelektroden ist und daß diese Größen unterschiedliche Werte in der X- und Y-Richtung annehmen.

In der herkömmlichen Struktur sind die Werte von P, W und g in der X- und Y-Richtung gleich, wenn für den Volumenanteil v₁ der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente 102 in dem piezoelektrischen Verbundmaterial 101 folgende Relation gilt:

1 ≧ v₁ ≧ 0 (z. B. wenn gilt: v₁ ≧ 0,6).

In diesem Fall wird die Spaltbreite gx zwangsläufig klein, und auch der Abstand bzw. Spalt zwischen den nebeneinanderliegenden Streifenelektroden, die die piezoelektrischen Keramik-Stabelemente mit diesem kleinen gx-Wert abdecken, wird klein, so daß die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Nebensprechen zwischen den Streifenelektroden zunimmt, und die Flexibilität in der X-Richtung abnimmt. Der obengenannte Volumenanteil ist durch folgende Gleichung gegeben:

Der Anstieg des Nebensprechens verringert die Auflösung der Sonde, und der Abfall der Flexibilität bzw. Elastizität macht es schwierig, eine konvexe oder eine konkave Array-Sonde zu bilden, wie sie in den Fig. 3A und 3B gezeigt ist. (Bezüglich einer konvexen Array-Sonde und ihrer Anwendung wird beispielsweise auf folgende Veröffentlichung verwiesen: Japanese Journal of Medical Ultrasonics, 43-C-70, Dezember 1983). In den Fig. 3A und 3B ist mit Bezugsziffer 201 das piezoelektrische Verbundmaterial und mit Bezugsziffer 202 ein Trägerbett bzw. ein Träger- oder Stützmaterial bezeichnet. X und Y bezeichnen, wie in den Fig. 2A und 2B die Anordnungsrichtung der Streifenelektroden bzw. die Richtung senkrecht zu dieser Anordnungsrichtung. Zur Vereinfachung sind in diesen Zeichnungen Anschlußdrähte, eine akustische Anpassungsschicht und eine akustische Linse nicht dargestellt.

Der Spalt zwischen nebeneinanderliegenden Streifenelektroden in der Richtung ihrer Anordnung ist soweit ausgedehnt, daß das Nebensprechen nicht erhöht wird, und daß die Flexibilität nicht verlorengeht. Das Problem des Nebensprechens tritt nicht auf, wenn der Spalt bis zu etwa 30 µm groß ist. Vorzugsweise wird die Relation gx/Wx≧0,1 eingehalten, um die gewünschte Flexibilität zu erhalten. Der Volumenanteil der piezoelektrischen Vibratorelemente ist durch

v₁ = f(x) · f(y)

gegeben. Wenn beispielsweise der Wert gx zwischen allen piezoelektrischen Keramik-Stabelementen erhöht wird, um die Abstände zwischen den nebeneinanderliegenden Streifenelektroden zu vergrößern (unter der Voraussetzung, daß Wx gleich bleibt), kann der Wert gy kleiner gemacht werden, um die Dichte der von den Streifenelektroden abgedeckten piezoelektrischen Keramik- Stabelemente (auch als "Belegungsdichte" bezeichnet) zu erhöhen und die Empfindlichkeit des (in dieser Beschreibung als "Sonde" bezeichneten) Meßfühlers bzw. Prüfkopfes nicht zu verschlechtern (unter der Voraussetzung, daß Wy gleichbleibt). Wenn der Volumenanteil v₁ der oben angegebenen Gleichung genügt, und das Nebensprechen auf oben beschriebene Weise erringert wird, läßt sich ein flexibles piezoelektrisches Verbundmaterial herstellen, und eine Sonde kann unter Anwendung eines solchen piezoelektrischen Verbundmaterials aufgebaut werden.

Die Fig. 4A, 4B und 4C zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem der Volumenanteil v₁ groß ist. Mit Bezugsziffer 301 ist das piezoelektrische Verbundmaterial, mit Bezugsziffer sind die piezoelektrischen Keramik-Stabelemente und mit Bezugsziffer 303 ist das organische Material bezeichnet. Es gibt zwei Spaltbreiten in der X-Richtung, gx₁ und gx₂. Der Spalt mit der Breite gx₂ ist der Spalt für das Abschneiden der Streifenelektroden 304, während der Spalt mit der Breite gx₁ in der X-Richtung den Abstand zwischen benachbarten piezoelektrischen Keramik-Stabelementen in einem Bereich vorgibt, der durch die Streifenelektroden 304 abgedeckt ist. Der Volumenanteil v₁ kann innerhalb der Elektroden 304 groß gemacht werden, indem der Wert gy klein gemacht wird. Da der Wert gx₂ groß gemacht werden kann, treten Nebensprech- und Flexibilitätsprobleme nicht auf. Wird ein großer Volumenanteil v₁ und eine Flexibilität in der Y-Richtung gewünscht, können, wie in Fig. 4C gezeigt, Spalte mit zwei unterschiedlichen Breiten gy₁ und gy₂ in der Y-Richtung vorgesehen werden. Durch Erhöhen des Wertes gy₂ läßt sich eine hohe Flexibilität erzielen. Oben ist ein Fall dargestellt, in dem der Wert v₁ groß ist. Werden jedoch ein kleiner v₁-Wert und eine Flexibilität insbesondere in der Y-Richtung gefordert, können die Werte gy und gx größer gemacht werden. Die mit "gx" und "gy" bezeichneten Werte umfassen hier die Werte gx₁, gx₂ bzw. gy₁, gy₂.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugsnahme auf Fig. 5 beschrieben. Das piezoelektrische Verbundmaterial ist in dieser Fig. mit Bezugsziffer 401 bezeichnet. In das organische Material 403 ist eine große Anzahl von piezoelektrischen Keramik-Stabelementen 402 eingebettet. Zur Trennung von Streifenelektroden 404 a und 404 b sind Rinnen oder Nuten 405 a und 405 b ausgebildet. Nach einer bekannten Technik werden die Elektroden 404 durch ein Vakuum-Abscheideverfahren gebildet, wobei jedoch die Breite einer Maske für die Bildung der Elektroden etwa 50 µm beträgt und nicht weiter verringert werden kann. Aufgrund der Verformung der Maske hat es sich darüber hinaus als extrem schwierig erwiesen, die Elektroden 404 mit einem Vakuum-Abscheideverfahren mit hoher Genauigkeit auszubilden. Beträgt beispielsweise die Spaltbreite zwischen den piezoelektrischen Keramik-Stabelementen 402 etwa 30 µm, die Breite der Maske jedoch entsprechend der herkömmlichen Vakuum- Abscheidetechnik zumindest etwa 50 µm, verbleiben bei der Herstellung unausweichlich piezoelektrische Keramik-Stabelemente 402, auf denen die Elektroden nur zum Teil ausgebildet sind, wodurch die Leistung des piezoelektrischen Verbundmaterials 401 verringert wird.

Nach vorliegender Erfindung kann durch eine Schneidetechnik, bei der eine Dicing-Säge Anwendung findet, der Spalt 405 zwischen den Elektroden 404 leicht kleiner als der Spalt zwischen den piezoelektrischen Keramik-Stabelementen 402 ausgebildet werden, und die Elektroden können trotzdem vollständig voneinander getrennt werden.

Durch die Ausbildung einer Rinne 405, die bis in das organische Material 403 reicht, ergibt sich darüber hinaus eine Steigerung der Flexibilität in der X-Richtung in Fig. 5.

In letzter Zeit kam der Wunsch auf, den Krümmungsradius einer konvexen Array-Sonde weiter zu verringern. Werden erfindungsgemäß Rinnen oder Nuten vorgesehen, wird die Flexibilität verbessert, so daß ohne weiteres eine konvexe Array-Sonde mit einem kleineren Krümmungsradius aufgebaut werden kann.

In den Fig. 6A bis 6C ist das Herstellungsverfahren gezeigt. Entsprechend Fig. 6A wird auf der gesamten Oberfläche des piezoelektrischen Verbundmaterials 501 eine Elektrodenschicht 51 ausgebildet. Anschließend werden mit einer Dicing-Säge Rinnen oder Nuten 505 gebildet, wie in Fig. 6B gezeigt. Hier ist mit Bezugsziffer 52 das Sägeblatt der Dicing-Säge bezeichnet, das mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Dadurch werden in einem rechten Winkel zur X-Richtung verlaufende Rinnen 505 und gleichzeitig die Streifenelektroden 504 a, 504 b gebildet. Da Sägeblätter mit etwa 15 µm zur Verfügung stehen, tritt das oben beschriebene Problem, wie es sich bei der Vakuum-Abscheidung mit der Maske ergab, nicht auf. Wird nur Flexibilität gefordert, muß die Rinne 505 nicht immer zwischen den piezoelektrischen Keramik-Stabelementen gebildet werden, sondern kann auch in einer Richtung schräg zur Anordnungsrichtung der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente 502 verlaufen, wie es beispielsweise in der in Fig. 6C gezeigten Anordnung der Fall ist. Fig. 6C zeigt eine Draufsicht auf das piezoelektrische Verbundmaterial 501, wobei die Elektroden 51 nicht dargestellt sind. Die Schneiderinnen können beispielsweise in Richtung der Linie 53 oder der Linie 54 gebildet werden.

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine Anordnung, in der Elektroden in Form mehrerer Ringe ausgebildet sind. Mit Bezugsziffer 61 sind die ringförmigen Elektroden, mit Bezugsziffer 62 die Rinnen zwischen den Elektroden 61 bezeichnet. In diesem Fall kann keine Dicing-Säge Anwendung finden, die Rinnen können jedoch auf dieselbe Weise wie in den Fig. 6A bis 6C durch eine Ultraschallbearbeitung oder ähnliches nach Ausbildung der Elektrode 61 (der Rundelektrode im Beispiel nach Fig. 7) auf der Oberfläche des Verbundmaterials 601 hergestellt werden. Mit der Ultraschall-Bearbeitungstechnik wird die Breite der Rinnen 62 ziemlich groß, die Flexibilität kann jedoch erhöht werden.

Ein Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Ultraschallsonde unter Anwendung des piezoelektrischen Verbundmaterials aufgebaut wird, das die Elektroden mit den Rinnen bzw. Nuten aufweist. Um die Sonde herzustellen, ist es notwendig, das piezoelektrische Verbundmaterial auf einem Trägerbett bzw. einem Träger- oder Stützmaterial zu befestigen und Anschlußdrähte herauszuführen. Da das jedoch mit bekannten Mitteln erfolgen kann, wird auf die Beschreibung hier verzichtet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 8A bis 8C beschrieben.

Das in diesem Ausführungsbeispiel Anwendung findende piezoelektrische Verbundmaterial 101 entspricht dem in Fig. 2A gezeigten und ist hier nicht nochmals dargestellt. Es wird angenommen, daß in diesem Ausführungsbeispiel die in Fig. 2A gezeigten piezoelektrischen Keramik-Stabelemente 102 die Breite W = Wx = Wy und die Höhe t haben. Wie auch in IEICE Technikal Report ED 84-157 beschrieben, können unter Anwendung des piezoelektrischen Verbundmaterials verschiedene Sonden aufgebaut werden. Zur Vereinfachung der Erläuterung ist jedoch in Fig. 8A nur eine einzige Sonde als ein einfaches Beispiel dieser Sonden dargestellt. Die Elektroden 104 und 105 sind auf den oberen und unteren Oberflächen des piezoelektrischen Verbundmaterials 101 durch Vakuum-Abscheidung von Cr-Au oder ähnlichem ausgebildet, und Anschlußdrähte 104′ und 105′ angeschlossen. Weiterhin ist ein Trägermaterial 106 aufgebracht und eine akustische Anpassungsschicht 107 formiert. Fig. 8B zeigt die Beziehung zwischen dem Wert W / t des piezoelektrischen Keramik-Stabelements und seinem Schwingungs- oder Vibrationszustand. Die Bezugsziffern 109 und 110 bezeichnen die Elektroden auf den oberen bzw. unteren Oberflächen. Als das piezoelektrische Material wird PZT verwendet, und die Vibrationsanalyse erfolgt mit einer "Finite Elemente-Methode". Die Bezugsziffern 112 bis 116 geben den Vibrationszustand des piezoelektrischen Keramik-Stabelements 108 entsprechend dem W / t-Wert zu dem Zeitpunkt T /2 an, wenn ein Rechteck-Impuls 111 mit einer Pulsbreite T /2 über den Elektroden 109 und 110 zu einem Zeitpunkt 0 angelegt wird. Hier bezeichnet das Symbol T die Periode der Grundschwingung in der Längsrichtung des piezoelektrischen Keramik-Stabelements 108. Um den Vibrationszustand leichter erfassen zu können, wird die Verschiebung auseinandergezogen, und die Längsrichtung ist zweimal so groß wie die Querrichtung dargestellt. Daneben ist nur die obere Hälfte gezeigt, da Symmetrie vorliegt. Mit den Bezugsziffern 117 bis 121 ist der stationäre Zustand des piezoelektrischen Keramik-Stabelements 108 angegeben. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, nähert sich die Vibration oder Schwingung des piezoelektrischen Keramik-Stabelements mit abnehmendem W / t-Wert dem Zustand, in dem nur die Longitudinal-Schwingung vorliegt. Für die Sonde ist nur die Longitudinal-Schwingung notwendig, während die anderen Schwingungsanteile, wie z. B. die Lateral-Schwingung, Rauschkomponenten werden. Das piezoelektrische Keramik-Stabelement 102 in dem piezoelektrischen Verbundmaterial 101 schwingt daher vorzugsweise nur in der Longitudinal-Richtung, und der Wert W / t ist vorzugsweise kleiner als 1, wie aus Fig. 8B verständlich wird. In Fig. 8C ist das Ergebnis einer Empfindlichkeitsmessung dargestellt, wenn eine Sonde unter Verwendung des piezoelektrischen Verbundmaterials aufgebaut ist, wobei der Volumenanteil der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente 102 konstant gehalten, der Wert W / t jedoch verändert wird (Kennlinie 122). Die Empfindlichkeitsmessung wird durchgeführt, indem ein flacher plattenförmiger Reflektor in Wasser 30 mm entfernt von der Sonde angeordnet, und das Reflexionsmaterial von diesem Reflektor gemessen wird. Aus diesem Diagramm wird auch verständlich, daß die Empfindlichkeit hoch wird, wenn W / t < 1, und daß die Empfindlichkeit zum Abfallen neigt, wenn W / t zu klein ist. Die Form der Elemente 101 und 102 sollte unter Berücksichtigung sowohl der Fig. 8B als auch der Fig. 8C bestimmt werden, wobei jedoch die Relation W / t < 1 die wesentliche Bedingung ist, um unter Verwendung des piezoelektrischen Verbundmaterials eine Sonde hoher Qualtität (hohe Empfindlichkeit und hohe Auflösung) zu erzielen.

Bei einer Sonde, die als eine Einzelsonde, wie in Fig. 8A gezeigt, oder als eine elektronische Abtast-Mehrelement-Ultraschallsonde aufgebaut ist, fällt die Empfindlichkeit ab oder die Direktivitäts- bzw. Richteigenschaften werden verschlechtert, wenn die piezoelektrischen Keramik-Stabelemente und das diese umgebende organische Material einander entgegengesetzte Vibrationen bzw. Schwingungen zeigen. Es ist deshalb wünschenswert, daß das piezoelektrische Keramik-Stabelement und das dieses umgebende organische Material im selben Schwingungsmodus vibrieren. Da in dem piezoelektrischen Verbundmaterial die piezoelektrischen Keramik-Stabelemente in das organische Material eingebettet sind, wie in Fig. 2A gezeigt, wird eine Struktur notwendig, bei der eine Schwingung im selbem Schwingungsmodus erfolgt. Die Fig. 9A, 9B und 9C zeigen den Schwingungszustand, wenn die Größe W / t der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente 701 auf einem konstanten Wert von 0,25 gehalten wird, und die Breite W′ des organischen Materials 702 zwischen den Keramikstäben verändert wird. Da das piezoelektrische Verbundmaterial für die Sonde vorzugsweise flexibel ist, wird hier als das organische Material elastisches Polyurethan verwendet. Mit den Bezugsziffern 703 und 704 sind die Elektroden auf den oberen und unteren Oberflächen bezeichnet.

Die Fig. 9B und 9C zeigen den Schwingungszustand zum Zeitpunkt T /2, wenn das elektrische Signal auf dieselbe Weise wie in Fig. 8B angelegt wird. Mit dem Symbol T ist hier die Periode der Grundschwingung in der Längsrichtung des piezoelektrischen Keramik-Stabelements 801 bezeichnet, wie schon beschrieben. Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß sich die Elemente 701 und 702 mit abnehmendem W′-Wert derselben Schwingung nähern. Ist W / t konstant, bedeutet ein kleiner W′-Wert, daß der Volumenanteil (V₁) der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente in dem Verbundmaterial groß ist. Für das piezoelektrische Verbundmaterial wird ein relativ großer v₁-Wert (mit einem relativ kleinen W / t-Wert) angestrebt. Der v₁-Wert, der der Anordnung mit W′ = W und W′ = 0,15 W nach den Fig. 9B und 9C entspricht, beträgt 0,25 bzw. 0,76.

Wie oben beschrieben, werden die Eigenschaften für das piezoelektrische Verbundmaterial für die Ultraschallsonde vorzugsweise so gewählt, daß die Größe W / t des piezoelektrischen Keramik-Stabelements kleiner als 1, und der Wert v₁ groß ist. Wie jedoch in der (der Fig. 6 des IEICE Technical Report DE 84-157 entnommenen) Fig. 10 gezeigt ist, steigt die akustische Impedanz des piezoelektrischen Verbundmaterials (das Produkt aus der Dichte des Materials und der Schallgeschwindigkeit) mit einem ansteigenden PZT-Volumenanteil v₁ an, und die Anpassung an den lebenden Körper nimmt ab. Dieses Problem wird durch zusätzliches Versehen einer akustischen Anpassungsschicht gelöst. Fig. 11 zeigt zum Vergleich die Empfindlichkeit einer elektronischen Abtast-Sonde, die unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Faktoren aufgebaut ist. Die Empfindlichkeitsmessung wird auf dieselbe Weise durchgeführt, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. 8C beschrieben wurde, wobei dieselbe Sende/Empfangs-Schaltung Anwendung findet. Der W / t-Wert der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente in dem piezoelektrischen Verbundmaterial liegt zwischen 0,39 und 0,75, die Anpassungsschicht ist eine Einzelschicht, die Impedanz des piezoelektrischen Verbundmaterials, für die der akustische Impedanz der Anpassungsschicht ausgenutzt wird, und die akustische Impedanz eines lebenden Körpers werden als ein geometrisches Mittel verwendet, und die Dicke der Anpassungsschicht wird auf etwa ¼ Wellenlänge der Frequenz des piezoelektrischen Verbundmaterials gesetzt. Mit Bezugsziffer 801 ist das Ergebnis der Empfindlichkeitsmessung bezeichnet. Bei dieser Empfindlichkeitsmessung wird eine Elementbreite der Sonde von etwa 0,6 mm und ein Abstand des piezoelektrischen Verbundmaterials von etwa 0,2 mm gewählt. Zu Vergleichszwecken erfolgt eine Empfindlichkeitsmessung mit einer herkömmlichen Sonde, in der PZT Anwendung findet. Diese herkömmliche Sonde ist jedoch mit zwei Anpassungsschichten versehen, und die Empfindlichkeit wird im allgemeinen um 2 bis 3 dB höher als die mit nur einer Anpassungsschicht. Hier wird dasselbe PZT-Material für die piezoelektrischen Keramik-Stabelemente des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Verbundmaterials und der herkömmlichen Sonde verwendet. Die Bezugsziffern 802 und 803 bezeichnen Fälle für die herkömmliche Sonde, bei denen einerseits eine akustische Linse nicht angebracht ist und andererseits eine akustische Linse angebracht ist.

In der elektronischen Abtast-Sonde muß der Strahl in der Richtung senkrecht zur Abtastvorrichtung des Ultraschall-Strahls gebündelt werden, um die Bildqualität zu verbessern. Im Falle der herkömmlichen Sonde, in der PZT Anwendung findet, wird eine akustische Linse notwendig, da PZT nicht flexibel ist. Die akustische Linse dämpft stark die Ultraschallwelle, und in dem hier beispielhaft dargestellten Fall von 5 MHz, ergibt sich ein Empfindlichkeitsunterschied von etwa 9 dB. Die akustische Linse ist jedoch unabdingbar, um die Bildqualität zu verbessern. Im Gegensatz dazu ist das piezoelektrische Verbundmaterial nach dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel flexibel und kann in eine gewünschte Form gebracht werden. Daher läßt sich ein gutes Bild erzielen, indem jedem Element eine konkave Form gegeben wird, ohne daß eine akustische Linse Anwendung findet. Wie aus der Kurve 801 verständlich wird, ist die Empfindlichkeit umso höher, je höher der v₁-Wert ist. Eine Empfindlichkeit über der Linie 802 läßt sich erzielen, wenn z₁ < 0,75, eine Empfindlichkeit über der Linie 803, wenn v₁ < 0,35.

In den Fig. 12A, 12B und 12C sind Empfangssignale 401, 402 der Sonde aus dem piezoelektrischen Verbundmaterial mit der erfindungsgemäßen Struktur dargestellt. Die Bezugsziffern 401 und 402 stehen für Fälle, in denen v₁ einen Wert von 0,80 bzw. 0,63 hat. Zum Vergleich ist das Empfangssignal der herkömmlichen PZT-Sonde (ohne akustische Linse) mit der Bezugsziffer 403 dargestellt. Im Vergleich zum Signal 403 zeigen die Empfangssignale 401 und 402 kurze Impulse (d. h. eine hohe Auflösung) mit einer höheren Empfindlichkeit als das Signal 403, so daß sich eine Sonde mit hoher Leistung erzielen läßt.

Wie aus obiger Beschreibung deutlich wird, kann nach vorliegender Erfindung das Nebensprechen zwischen Kanälen verringert werden, ohne die Flexibilität einzubüßen. Es läßt sich leicht eine Ultraschall-Sonde mit hoher Leistung aufbauen, selbst wenn ein piezoelektrisches Verbundmaterial mit einem hohen piezoelektrischen Volumenanteil Anwendung findet.

Claims (5)

1. Ultraschallsonde, gekennzeichnet durch
ein piezoelektrisches Verbundmaterial (101, 301, 401, 501, 601) mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Keramik- Stabelementen (102, 302, 402, 502, 602) und einem organischen Material (103, 303, 403, 503, 603), in das die Keramik- Stabelemente eingebettet sind, und
Elektrodengruppen (104, 105; 304; 404; 504; 61; 703, 704), die auf der oberen und unteren Oberfläche des piezoelektrischen Verbundmaterials angeordnet sind,
wobei zumindest eine Elektrodengruppe aus streifenförmigen Elektrodenelementen aufgebaut ist, die nebeneinander mit Spalt (405, 505) angeordnet sind, dessen Breite größer als die Breite (Wx, Wy) einer Vielzahl von von den streifenförmigen Elektrodenelementen abgedeckten Keramik-Stabelementen und/oder die Breite (gx, gy) des Spalts zwischen nebeneinander liegenden Keramik-Stabelementen ist, und
wobei die Breite (Wx, Wy) der Stabelemente und/oder die Breite (gx, gy) des Spalts zwischen den Stabelementen in der Richtung (X), in der die streifenförmigen Elektrodenelemente nebeneinander angeordnet sind, und in der Richtung (Y) senkrecht zu dieser Anordnungsrichtung (X) verschiedene Werte hat.

2. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Richtung (Y) senkrecht zur Anordnungsrichtung (X) der streifenförmigen Elektrodenelemente die Breite (Wy) der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente (102, 302, 402, 502, 602) und die Breite (gy) des Spalts zwischen den Stabelementen so gewählt sind, daß die Belegungsdichte von von den Streifenelektroden (104, 304, 404, 504) abgedeckten Stabelementen erhöht wird.

3. Ultraschallsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Elektrode (105) des piezoelektrischen Verbundmaterials (101) eine akustische Anpassungsschicht (107) angeordnet ist, deren akustische Impedanz zwischen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Verbundmaterials und der akustischen Impedanz eines ein Meßobjekt bildenden lebenden Körpers liegt,
daß das Verhältnis W/t der Breite W zur Höhe t der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente (102) kleiner als 1 ist, und
daß der Volumenanteil der piezoelektrischen Keramik-Stabelemente des piezoelektrischen Verbundmaterials zumindest 0,35 beträgt.

4. Ultraschallsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die akutische Impedanz der akustischen Anpassungsschicht (107) das geometrische Mittel der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Verbundmaterials (101) und der akustischen Impedanz des das Meßobjekt bildenden lebenden Körpers ist, und
daß die Dicke der akustischen Anpassungsschicht (107) einen Wert hat, der einem Viertel des Wertes der Wellenlänge der Longitudinalschwingung des piezoelektrischen Verbundmaterials (101) entspricht.

5. Ultraschallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des organischen Materials (403, 503) in der Nähe der Spalte zwischen nebeneinander liegenden, auf dem piezoelektrischen Verbundmaterial (401, 501) angeordneten, streifenförmigen Elektrodenelementen (404 a, 404 b; 504 a, 504 b) Rinnen (405, 505) gebildet sind.