DE2424582A1 - Sende- und empfangsgeraet fuer ultraschallwellen - Google Patents

Sende- und empfangsgeraet fuer ultraschallwellen

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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Description

PATENTANWÄLTE HENKEL— KERN — FEILER — HÄNZEL— MÜLLER
DR. PHIL. DIPL.-ING. DR. RER. NAT. DIPL.-ING. DIPL.-ING.
ητ>.ττΛηη cnmlin CTDACCTJ O BAYERISCHE HYPOTHEKEN- UND
Telex: 05 29 802 HNKL D EDUARD-SCH MID-STRASSE Z wechselbank München nr. 3is- es in
TELEFON: (08 11) 66 3197. 66 30 91-92 D-8000 MÜN CHEN 90 POSTSCHECK: MCHN 1621 47-80» TELEGRAMME: ELLIPSOID MÜNCHEN **
0 1 MAi
Tokyo Sbibaura Electric Co., Ltd. . ' '· '""
Kawäsaki-shi. Japan .
Sende- und Empfangsgerät für Ultraschallwellen
Die Erfindung betrifft ein Sende- und Empfangsgerät für Ultraschallwellen. Insbesondere handelt es sich um ein derartiges Gerät, das unter■elektronischer Fokussierung der Ultraschallwellen eine Abtastung mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht.
Unter den Ultraschall-Diagnosegeräten, die eine Diagnose durch Abtasten mit Ultraschallwellenstrahlen durchführen, gibt es ein Gerät, das das sogenannte elektronische Sektorabtastsystem verwendet, bei dem mehrere längliche piezoelektrische Elemente auf der gleichen Ebene angeordnet sind. Ultraschallwellen-Sendesignalgeneratoren und Ultraschallwellen-Empfangsdetektoren sind entsprechend mit den piezoelektrischen Elementen verbunden. Diese piezoelektrischen Elemente werden in einer vorgeschriebenen Reihenfolge mit einer vorgeschriebenen Zeitverzögerung angeregt, um so die Richtungseigenschaften der Ultraschallwellenstrahlen zu verändern und auf diese Art ein Sektorabtasten zu erreichen. Bei diesem elektronischen Sektorabtastsystem erfordert die Vergrößerung eines Gesichtsfeldes eine Verringerung der Breite eines Jeden piezoelektrischen Elements. Um schärfere Richtungseigenschaften zu erreichen, muß man die Anzahl der piezoelektrischen Elemente erhöhen und außerdem die gleiche Anzahl von Ultraschallwellen-Sendesignalgene-
Dr.St./ /Ro - 2
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ratoren und Ultraschallwellen-Empfangsdetektoren vorsehen. Außerdem ist eine entsprechende Anzahl von damit verbundenen elektronischen Schaltkreisen erforderlich, was den Gesamtaufbau kompliziert macht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Sende- und Empfangsgerät für Ultraschallwellen zu schaffen, das in der Lage ist, mehrere
• /+
Ultraschallwelle« auf eine Ob;jektsubstanz zu fokussieren und die Objektsubstanz durch die fokussierten Strahlen abzutasten. Die von der Substanz reflektierten Ultraschallwellen können dann in elektrische Signale umgewandelt werden. Das Gerät soll eine hohe Richtgenauigkeit und hohe Auflösungsgenauigkeit bei möglichst geringem Schaltungsaufwand ermöglichen.
Die Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Sende- und Empfangsgerät für Ultraschallwellen dadurch erreicht, daß der Verzögerungsimpuls-Signalgenerator so ausgeführt ist, daß er mehrere Paare von Yerzögerungsimpulssignalen erzeugt, wobei ein Paar davon die gleiche Verzögerungszeit und eine von einem anderen Paar unterschiedliche Verzögerungszeit aufweist, und zwar gesteuert durch Steuersignale, die von einer Steuersignal-Generatoreinheit erzeugt werden. Diese Vielzahl von Verzögerungsimpulssignalen werden entspr-echenden Antriebsimpuls-Generatoreinheiten zugeführt, von denen entsprechende Hochfrequenz-Antriebsimpulse mit einer Verzögerungszeit erzeugt werden, die der eines jeden Verzögerungsimpulses entspricht. Es wird ein Schalter-Schaltkreis betätigt, der die Schaltoperation so ausführt, daß Antriebsimpulse entsprechend vorgeschriebenen elektroakustischen Wandlerelementen zugeführt werden, um fokussierte Ultraschallwellenstrahlen zu erzeugen. Dieser Schalter-Schaltkreis wird durch mehrere elektronische Schalter gebildet, die aufeinanderfolgend für jede vorgeschriebene Anzahl von Schaltern aufgrund der Schalter-Schaltkreissteuersignale geschaltet werden. Die entsprechenden elektroakustischen Umsetzerelemente erzeugen
+) strahlen
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Informationssignale in entsprechend vorgeschriebenen Verzögerungszeiten nach Empfang der reflektierten Ultraschallwellenstrahlen. Die entsprechenden Informationssignale werden über äen Schalter-Schaltkreis einem Ultraschallwellen-Empfängerdetektor zugeführt. Der Detektor umfaßt einen elektronischen Schalter-Schaltkreis, der entsprechende Informationssignale einem entsprechenden Verzögerungsschaltkreis zuführt, um so die Verzögerungszeiten der Informationssignale zu entzerren. Die hinsichtlich der Verzögerungszeit entzerrten Informationssignale werden zusammengesetzt und einem Anzeigegerät zugeführt.
Ein tieferes Verständnis der Erfindung erhält man anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt:
Pig. 1 ein Schaltdiagramm des Ultraschallwellen-Senders des erfindungsgemäßen Geräts;
Fig. 2 ein Schaltdiagramm des Ultraschallwellen-Senders, der zum Antrieb von jeweils sechs piezoelektrischen Elementen vorgesehen ist, um fokussierte Ultraschallwellen zu erzeugen;
Fig. 3 ein Schaltdiagramm zur Darstellung der Steuerimpuls-&eneratoreinheiten und der Antriebsimpuls-&eneratoreinheiten der Fig. 2;
Fig. 4 Zeitdiagramme der von den entsprechenden Teilen des Schaltdiagramms der Fig. 3 erzeugten Signale;
Fig. 5 den Zusammenhang zwischen den Verzögerungszeiten des Verzögerungsschaltkreises und dem Punkt, auf dem die Ultraschallwellenstrahlen fokussiert werden;
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Fig. 6 ein graphisches Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Verzögerungszeit und einer Entfernung χ zwischen dem Brennpunkt der Ultraschallwellenstrahlen und den Ebenen der piezoelektrischen Elemente;
Fig. 7 ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung der Schaltkreisanordnung des Schalter-Schaltkreises nach Fig. 2j
Fig. 8A ein Blocksehaltdiagramm zur Darstellung eines Schalter-Schaltkreises, der den Signalgenerator zur Erzeugung von Steuersignalen für die Steuerung des Schalter-Schaltkreises der Fig. 7 steuert}
Fig. 8B Diagramme der von entsprechenden Teilen der Fig. 8A erzeugten Signale?
Fig. 9 ein Schaltdiagramm zur Darstellung der Ultraschallwellen-Empfangs schaltung des Ultraschallsende- und -empfangsgerätes gemäß der Erfindung;
Fig. 10 ein Schaltdiagramm zur Darstellung des Schalter-Schaltkreises für die empfangenen Informationssignale des Ultraschallwellen-Empfangsschaltkreises der Fig. 9»
Fig. 11A ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines Ultraschallwellenempfangssignal-Schalterschaltkreises zur Steuerung des Signalgenerators für die Steuerung des Ultraschallwellenempfangssignal-Schalterschaltkreises der Fig. 10}
Fig. 11BZeitdiagramme der dem Schaltkreis derFig. 10 zugeführten Signale; und
Fig. 12 ein graphisches Diagramm zur Illustration der Richtungseigenschaften des Ultraschallwellen-Sendeschaltkreises des erfindungsgemäßen Gerätes.
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In Fig. 1 ist eine Steuersignal-Generatoreinheit 50 so aufgebaut, daß sie Taktimpulssignale 01, C2, 03 ..... Cn aufeinanderfolgend zu den vorgeschriebenen Zeitintervallen erzeugt, und ein Verzögerungsimpuls-Generator 51 ist so aufgebaut, daß er mehrere Verzögerungsimpulssignale d1, d2, d3 dn aufgrund der entsprechenden Steuerimpulssignale der genannten Steuersignal-Generatoreinheit 50 erzeugt. Die Verzögerungsimpulssignale werden entsprechenden Antriebsimpuls-Generatorein-
heiten P1, P2, P3 Pn zugeführt, die so aufgebaut sind,
daß sie aufgrund der entsprechenden Verzögerungsimpulssignale Antriebs impulse erzeugen. Der Ausgang der genannten Antriebsimpuls-Generatoreinheit P1 ist über Schalter S1, Sm+1,.·· des Schalter-Schaltkreises 52 mit Elementen 1, m+1,... einer Vielzahl von elektroakustischen Wandlerelementen, z.B. piezoelektrischen Elementen,, verbunden, die aufeinanderfolgend in der gleichen Ebene angeordnet sind. Der Ausgang der Antriebsimpuls-Generatoreinheit P2 ist über Schalter S2, Sm+2,... mit Elementen 2, m+2,... verbunden. In gleicher Weise sind die Antriebsimpuls-Generatoreinheiten P3 bis Pn über entsprechende Schalter mit elektroakustischen Wandlerelementen verbunden.
Wenn in der oben dargestellten Schaltkreiskonstruktion von den Antriebsimpuls-Generatoreinheiten Pt bis Pn in entsprechend vorgeschriebenen Verzögerungszeiten Antriebsimpulse erzeugt werden, und wenn z.B. eine Anzahl m von Schaltern S1, S2, .... ..Sm geschlossen sind und die verbleibenden Schalter geöffnet sind, werden die elektroakustischen Wandlerelemente 1, 2, 3, m so in Betrieb gesetzt, daß sie einen Ultraschallwellenstrahl erzeugen, der auf einen vorgeschriebenen Punkt fokus·?
siert ist. Wenn dann darauffolgend die Schalter S2, S3
..Sm+1 geschlossen werden und die verbleibenden Schalter geöffnet sind und die Verzögerungszeiten der Verzögerungsimpulse, die entsprechend den Antriebsimpuls-Generatoreinheiten P1 bis Pn zugeführt werden, von Impuls zu Impuls verschoben werden, wird
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der Brennpunkt der Ultraschallwellenstrahlen in eine Stellung verschoben, die um ein elektroakustisch.es Wandlerelement parallel zur Anordnung der Elemente verschoben ist. Wenn in der oben beschriebenen Weise die geschlossenen Schalter des Schaltungs-Schaltkreises um jeweils einen verschoben sind und wenn gleichzeitig die Verzögerungszeiten der Terzögerungsimpulse um jeweils einen Impuls verschoben sind, um wiederum die elektroakustischen Wandlerelemente in Betrieb zu setzen, wird der Brennpunkt der Ultraschallwellen dazu gebracht, die Objektsubstanz parallel zur Anordnung der Elemente abzutasten.
Pur eine genauere Erläuterung der Erfindung soll nun anhand der Fig. 2 und 3 ein.Gerät beschrieben werden, bei dem die piezoelektrischen Elemente in einer Weise angetrieben werden, daß jeweils eine Verschiebung um Einheiten von sechs Elementen entsteht, um auf diese Weise das Abtasten mittels der fokussierten Ultraschallwellen zu erreichen.
In Fig. 2 sind die Steuerimpuls-Generator einheit 5Ö, der Verzögerungsimpuls-Generator 51, die Impulsgeneratoreinheiten P1 bis P6, der elektronische Schalter-Schaltkreis 52 und die elektroakustische Wandlereinheit 53 in der gleichen Weise miteinander verbunden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. In Pig. 3 sind die konkreten Schaltkreiskonstruktionen der Steuerimpuls-Generatoreinheit 50 und des Verzögerungsimpuls-Generators 51 ge- . zeigt. Die Steuerimpuls-Generatoreinheit 50 ist so aufgebaut, daß Taktimpulssignale von einem Taktimpuls-Generator 501 einem Schieberegister 502, einem Zähler 503 und Verzögerungs-Schaltkreisen 170, 171 und 172 zugeführt werden. Die Ausgänge des Zählers 503 werden den Eingängen von einem NAHD-Tor 504 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Eingang eines NAND-Tores 505 verbunden ist, dessen Ausgang einem Schieberegister 502 zugeführt wird. Die Ausgangssignale C1 bis C6, die von dem Register 502 erzeugt werden, werden einem Verzögerungsimpuls-Generator
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zugeführt, und das Aus gangs signal G6 wird zudem noch dem anderen Eingang des NAND-Tores 505 zugeführt. Der Verzögerungsimpuls-Generator 51 ist so aufgebaut, daß entsprechende erste Eingänge von ODER-Toren 113, 124 und 135 mit dem Ausgang 01 des Registers 502 verbunden sind; der zweite Eingang des ODER-Tores 113 und die entsprechenden ersten Eingänge von ODER-Toren 123 und 134- sind mit dem Ausgang 02 verbunden; der zweite Eingang des ODER-Tores 123 und die entsprechenden ersten Eingänge der ODER-Tore 114 und 133 sind mit dem Ausgang 03 verbunden; die entsprechenden zweiten Eingänge der ODER-Tore 124 und 133 und der erste Eingang eines ODER-Tores 115 sind mit dem Ausgang 04 verbunden; die entsprechenden zweiten Eingänge der ÖDER-Tore 115 und 134 und der erste Eingang eines ODER-Tores 125 sind mit dem Ausgang 05 verbunden; die entsprechenden zweiten Ausgänge der ODER-Tore 114, 125 und 135 sind mit dem Ausgang 06 verbunden. Die Ausgänge der ODER-Tore 113 bis 115, 123 bis 125 und 133 bis 135 sind entsprechend mit entsprechenden zweiten Eingängen von UND-Toren 110 bis 112, 120 bis 122 und 130 Ms 132 verbunden, und die entsprechenden zweiten Eingänge der UND-Tore 140, 142, 150, 152, 160 und 162 sind mit den Ausgängen von ODER-Toren 115, 113, 125, 123, 135 und 133 verbunden. Der Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises I70 ist mit entsprechenden ersten Eingängen der UND-Tore 110, 120, 130, 140, 150 und 160 verbunden, der Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises 171 ist mit entsprechenden ersten Eingängen der UND-Tore 111, 121 und I3I verbunden, und der Ausgang des Verzögerungs-Schaltkreises 172 ist mit den entsprechenden ersten Eingängen der UND-Tore 112, 122, 132, I42, 152 und 162 verbunden. Die Ausgänge der UND-Tore 110 bis 112, 120 bis 122 und 130 bis 132 sind entsprechend an Eingänge von ODER-Toren 101, 102 und 103 angeschlossen, während die Ausgänge von UND-Toren 140 und 142, 150 und 152 und 160 und 162 entsprechend mit den Eingängen von ODER-Toren I04, 105 und 106 verbunden sind. Die entsprechend verbleibenden Eingänge der ODER-Tore 104, 105 und 106 sind mit den Ausgängen der UND-Tore 111, 121 und I3I ver-
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bunden. Die Ausgänge der ODER-Tore 101 Ms 106 werden entsprechend den Antriebsimpuls-Generatoreinheiten P1 bis ?6 zugefülirt.
Wenn "bei der oben genannten Schaltkreisanordnung die Schalter S1 bis S6 des Schalter-Schaltkreises 52 geschlossen und die verbleibenden Schalter S7 bis Sn alle geöffnet sind und wenn das Schieberegister 502 der Steuerimpuls-G-eneratoreinheit 50 die Steuerimpulse C1 erzeugt, liefern die ODER-Tore 113, 124 und 135 Äusgangssignale, und gleichzeitig erzeugen die ■Verzögerungs-Schaltkreise 170, 171 und 172 Verzögerungs-Ausgangssignale zu. Verzögerungszeiten DO, D1 und D2, wie in den Zeitdiagrammen der Fig. 4 dargestellt ist. Zu diesem Zweck werden die ODER-Tore 101 und 106 entsprechend dazu gebracht, Verzögerungsimpulssignale in der Verzögerungszeit DO aufgrund der Ausgangssignale von den UND-Toren 110 und 160 zu erzeugen, die mit Ausgangssignalen von dem ODER-Tor 113 und dem Verzögerungs-Schaltkreis 170 versorgt werden. Die ODER-Tore 102 und 105 werden entsprechend dazu gebracht, Verzögerungsimpulssignale in der Verzögerungszeit D1 aufgrund eines Ausgangsignals von dem UND-Tor 121 zu erzeugen, das mit Ausgangssignalen von dem ODER-Tor 124 und dem Verzögerungs-Schaltkreis 171 versorgt wird. Die ODER-Tore 103 und 104 werden entsprechend dazu gebracht, Verzögerungsimpulssignale in der Verzögerungszeit D2 aufgrund von Signalen der ÜND-Tore 132 und 142 zu erzeugen, die mit Ausgangssignalen von den ODER-Toren 113 und 135 und des Verzögerungs-Schaltkreises 172 versorgt werden.
Die Antriebsimpuls-Generatoreinheiten P1 bis P6 werden in entsprechender Weise dazu gebracht, die Antriebsimpulssignale p1 bis p6 aufgrund der Verzögerungsimpulssignale d1 bis d6 der ODER-Tore 101 bis 106 zu erzeugen. Diese Antriebsimpulssignale p1 bis p6 werden in der Verzögerungszeit DO erzeugt, die Antriebsimpulssignale p2 und p5 werden in der Verzögerungszeit
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1)1, die Antriebsimpulssignale p3 und p4 in der Verzögerungszeit D2 erzeugt. ¥enn die Länge der Verzögerungszeit so festgelegt ist, daß DO kürzer is als D1 und D1 kurzer als D2, so treiben die Antriebsimpulssignale.ρ1 und p6, die anfänglich erzeugt werden, die elektroakustischen Wandlerelemente, z.B. piezoelektrische Elemente 1 und 6, über die Schalter S1 bzw. S6 und veranlassen die Elemente 1 und 6, Ultraschallwellen zu erzeugen. Darauf werden in einer vorgeschriebenen Zeitverzögerung gegenüber den Antriebsimpulssignalen p1 und p6 die Antriebsimpulssignale p2 und p5 erzeugt, die in entsprechender Weise äie elektroakustisehen Wandlerelemente 2 und 5 über die Schalter S2 bzw. S5 in Betrieb setzen, um diese Elemente 2 und 5 zur Abgabe von Ultraschallwellen zu veranlassen. Als nächstes werden die gegenüber den Antriebsimpulssignalen p2 und p5 · leicht verzögerten Antriebsimpulssignale p3 und p4 erzeugt, die entsprechend die Elemente 3 und 4 über die Schalter S3 bzw. S4 in Betrieb setzen, um die Elemente 3 und 4 zur Abgabe von Ultraschallwellen zu veranlassen.
Wenn Ultraschallwellen erzeugt werden, die voneinander Bit um Bit gegeneinander in der oben beschriebenen Weise verzögert sind, werden sie auf einen Punkt X1 fokussiert. Wenn als nächstes die Schalter S2 bis Sn geschlossen und die Schalter S1 und S8 bis Sn geöffnet sind, und das Schieberegister 502 das Steuerimpulssignal 02 erzeugt, erzeugen die UND-Tore 110 und 120 Ausgangssignale in einer Verzögerungszeit DO aufgrund von Ausgangssignalen von den ODER-Toren 113, 123 und 134 aufgrund des C2-Signals und der Ausgangssignale von den Verzögerungs-Schaltkreisen 170, 171 und 172, und das UND-Tor 131 erzeugt das Ausgangssignal in der Verzögerungszeit D1, und die UND-Tore 142 und 152 erzeugen entsprechend die Ausgangssignale in der Verzögerungszeit D2. Die ODER-Tore 101 bis 106 erzeugen die Verzögerungsimpulssignale d1 bis d6 aufgrund der Ausgangssignale von den UND-Toren 110, 120, 131, 142 und 152.
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Diese Terzögerungsimpulssignale d1 und d2 werden in der Verzögerungszeit DO erzeugt, die Signale d3 und d6 in der Verzögerungszeit D1 und die Signale d4 und d5 in der Verzögerungszeit D2. Die Antriebsimpuls-Grenerator einheit en P1 bis P6 erzeugen die Antriebsimpulse p1 bis p6 in Verzögerungszeiten, die den Verzögerungszeiten der Verzögerungsimpulse d1 bis d6 entsprechen, aufgrund der genannten Verzögerungsimpulssignale d1 Ms d6. Zuerst betreiben die Antriebsimpulse p2 und p7 die piezoelektrischen Elemente 2 und 7 über die Schalter S2 und S7. Als nächstes betreiben die Impulse p3 und p6 die piezoelektrischen Elemente 3 und 6 mit einer leichten Verzögerung über die Schalter S3 und S6, und die Impulse p4 und p5 betreiben die piezoelektrischen Elemente 4 und 5 mit einer weiteren leichten Verzögerung über die Schalter S4 und S5. Wenn in der oben beschriebenen Weise die entsprechenden piezoelektrischen Elemente 2 bis 7 mit einer vorgeschriebenen Zeitverzögerung in Betrieb gesetzt werden, werden Ultraschallwellenstrahlen von diesen Elementen auf einen Punkt X2 fokussiert, wie in gebrochenen Linien angedeutet ist. Dieser Punkt X2 ist um ein piezoelektrisches Element von dem Punkt X1 parallelverschoben· Wenn in der oben beschriebenen Weise die Schaltoperationen der Schalter S1 bis Sn des Schalter-Schaltkreises 52 Schalter um Schalter verschoben werden, und wenn simultan dazu die Verzögerungszeiten DO, D1 und D2 der Verzögerungsimpulse entsprechend festgelegt werden, können die Brennpunkte X1, X2... ..2h der Ultraschallwellenstrahlen nacheinander in der angegebenen Reihenfolge verschoben werden, wodurch es den Ultraschallwellen, ermöglicht wird, die Objektsubstanz abzutasten. Tabelle 1 zeigt den Zusammenhang zwischen den Brennpunkten
X1, X2, X3, 14, X5, X6 Xn-5 und den Verzögerangszeiten
DO, D1 und D2 der Verzögerungsimpulse d1 bis d6.
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Tabelle 1
Brennpunkt d1 d2 « d4 3)1- d6
X1 DO D1 D2 D2 D2 DO
X2 DO DO D1 D2 D2 D1
X3 D1 DO- DO D1 D1 D2
X4 D2 DI DO DO DO D2
X5 D2 D2 D1 DO DO D1
X6 D1 D2 D2 D1 •
D1		 DO
• - ■
Xn-5		 •
DO		 •
D1		 •
D2		 •
D2		 DO
Wie aus der obigen Tabelle 1 ersichtlich ist, werden die Brennpunkte nacheinander durch regelmäßiges Wiederholen der Verzögerungszeiten DO, D1 und D2 der Verzögerungsimpulse d1 bis d6 in der Form von DO (=0)-»D1<>D2+D24D1*I)0*D1 verschoben.
Es soll, nun die Art und Weise beschrieben werden, durch die Verzögerungszeiten DO, D1 und D2 festgelegt werden, siehe dazu Fig. 5. Wenn der Abstand zwischen dem Punkt, der den Mittelpunkt der Reihe der piezoelektrischen Elemente 1, 2, 3, 6 bildet und auf der Oberfläche des mittleren Elementes liegt, und dem Punkt X, der auf einer Linie senkrecht zu dieser Reihe liegt, mit χ bezeichnet wird, werden die Differenzen Δχ, Δχ2 und Δχ3 zwischen dem Abstand χ und den Abständen zwischen den eat sprechenden. Ebenen der piezoelektrischen Elemente und dem Punkt X durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
Ax2 =
r- χ
(3d/2)2 '- χ (2)
*- χ (3)
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wobei d den Abstand zwischen zwei angrenzenden Elementen ausdrückt. Wenn entsprechend die Geschwindigkeit, mit der die Ultraschallwellen durch ein Medium hindurchlaufen, mit C bezeichnet wird, werden Zeitdifferenzen von At-j, £$2» ^b* von den Ultraschallwellen benötigt, um den Punkt X von den entsprechenden piezoelektrischen Elementen zu erreichen, wobei sich die Zeitdifferenzen wie folgt berechnen:
1 =Δχ1/ο ;..
At2 =Ax2/c (5)
At5 = Ax3/c (6)
Wenn entsprechend die Zeitverzögerungszeit DO der Antriebsimpulse, die den piezoelektrischen Elementen 1 und 6 zugeführt werden, auf 0 gesetzt werden, und wenn DO als Bezug verwendet wird, beträgt die Verzögerungszeit D1 der den piezoelektrischen Elementen 2 und 5 zugeführten Impulse
D1 = At3 - At2 = (Ax3 - Ax2)/c.
Die Verzögerungszeit D2 der den piezoelektrischen Elementen 3 und 4 zugeführten Impulse drückt sich durch die Gleichung
D2 = At5 - At1 = (Ax3 - Ax1)/c
aus. Wenn die Verzögerungszeiten DO, D1 und D2 entsprechend auf diese Weise festgelegt werden, können die Ultraschallwellenstrahlen, die von den piezoelektrischen Elementen 1 bis 6 erzeugt werden, in die Nähe des Punktes X fokussiert werden.
Setzt man den Abstand d zwischen zwei angrenzenden piezoelektrischen Elementen auf 2 mm und die Geschwindigkeit c der Ultraschallwellen auf 1500 fest, ergibt sich eine Beziehung
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zwischen den Verzögerungszeiten D1 und D2 zur Entfernung χ zwischen dem Punkt X und den piezoelektrischen Elementen, wie sie in Pig. 6 gezeigt ist. Aus Pig. 6 läßt sich erkennen, daß bei Veränderung der Verzögerungszeiten D1 und D2 die Stellung des Brennpunktes X der Ultraschallwellenstrahlen verändert werden kann. Entsprechend werden, wie in Pig. 3 gezeigt, mehrere Ausgangsanschlüsse von den Verzögerungs-Schaltkreisen 170, 171 und 172 abgenommen und in geeigneter Weise gewechselt, wodurch die Stellung des Brennpunktes X verändert werden kann, wodurch die Ultraschallwellenstrahlen veranlaßt werden, einen vorgeschriebenen Bereich der Objektsubstanz abzutasten, ohne daß die Stellung des Gerätes verändert wird.
Der schon erwähnte Schalter-Schaltkreis 52 arbeitet elektronisch und ist in Pig. 7 dargestellt.
Die in Pig. 7 gezeigte Analog-Schalter-Schaltkreiseinheit besitzt Analogschalter S1 bis Sn von gleicher Konstruktion. Zur Erläuterung sei beispielsweise der Analogschalter S1 beschrieben. Die Primärwicklung des Transformators T1 ist mit einem Endender Antriebsimpuls-Generator einheit P1 und dem Ultraschallwellenempfangssignal-Behandlungsgerät Q1 verbunden, und am anderen Ende mit dem Kollektor eines Transistors Ts1, dessen Basis über einen Widerstand R11 mit dem geerdeten Emitter verbunden ist. Die Sekundärwicklung des Impulstransformators T.. ist mit dem einen Ende an dem Kollektor des Transistors Tr,, der Kathode einer Diode D1 und dem piezoelektrischen Element 1 verbunden, während das andere Ende geerdet und mit der Anode der Diode D1 sowie mit dem Emitter des.Transistors Tr1 und über einen Widerstand R21 mit dessen Basis verbunden ist. Die Basis des Transistors Ts1 ist über einen Widerstand R51 mit. dem Ausgangsanschluß eines Inverters G11 verbunden, während · die Basis des Transistors Tr1 über den Inverter G21 mit dem Ausgangsanschluß des Inverters G11 verbunden ist. Der Ein-
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-H-
gangs ans chluß des Inverters G·^ ist mit einem Ausgangsanschluß eines Schaltersteuer-Schaltkreises SC verbunden. Dieser Schaltersteuer-Schaltkreis ist z.B. so aufgebaut, wie es in Pig. 8A gezeigt ist. Ein Signal, wie es in Fig. 8B(b) gezeigt ist, das von einem Taktimpuls-Generator 501 erzeugt wird, wird einem Binärzähler 503 zugeführt undckzreh einen Plip-Plop-Schaltkreis FP. geführt, um ein Signal zu erhalten, wie es in Pig. 8B(c) gezeigt ist. Dieses Signal (c) und das Signal (b) von dem Taktimpuls-Generator 501 werden einem Schieberegister zugeführt, um Signale SC1, SC2, SC3 ..... SCn zu erhalten, wie es in Pig. 8B gezeigt ist. Die Ausgänge SC1 bis SCn von dem Schaltersteuer-Sehaltkreis SC werden entsprechend den Analogschaltern S1 bis Sn zugeführt.
Zur Erklärung der vorgenannten Schalter-Schaltkreise S1 bis Sn sei gesagt, daß zuerst die Ausgangssignale SC1 bis SC6 von dem Schaltersteuer-Schaltkreis SC den Schaltern S1 bis S6 zugeführt werden. Zur Erläuterung nur des Betriebs des Schalters S1 sei gesagt, daß das Ausgangssignal SC1 von dem Schaltkreis SC als eine positive Vorspannung zur Vorspannung des !Transistors Ts.j über den Inverter G^ und den Widerstand IU^ zugeführt wird, um diesen Transistor leitend zu machen. Andererseits wird der Ausgang des Inverters G^ als negative Vorspannung der Basis des Transistors Tr.. über den Inverter Gp-ι zugeführt, um diesen Transistor zu sperren. Somit setzen die intriebsimpulse von der Antriebsimpuls-Generatoreinheit 11 das piezoelektrische Element 1 über die Primärwicklung des Impulstransformators T1, den Kollektor und Bnitter des Transistors Ts.. und der Sekundärwicklung des Impulstransformators T.. in der genannten Reihenfolge in Betrieb. Die verbleibenden Schalter S2 bis S6 werden in der gleichen Weise betätigt. Wenn als nächstes die Ausgangssignale SC2 bis SC7 von dem Schaltersteuer-Schaltkreis SC erzeugt werden, werden die Schalter S2 bis S7 leitend gemacht und die Schalter S8 bis Sn nichtleitend gemacht, D.h., im Schalter
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51 wird der Transistor Ts1 abgeschaltet und der Transistor Tr1 eingeschaltet.. Der oben genannte Sehalter-Schaltkreis wurde nur als Beispiel erläutert, er kann von jeder beliebigen Konstruktion sein, wenn er nur die Schaltoperationen auf elektronische Weise mit den vorgeschriebenen Steuersignalen ausführt.
Die vorgenannte Beschreibung bezog sich auf den Betrieb, bei dem die Objekt subs tanz von den fokussierten Ultraschallwellenstrahlen abgetastet wurde, nämlich bei dem Ultraschallwellen-Sendebetrieb. Im folgenden wird der Betrieb beschrieben, bei dem das Bild der Objekt subs tanz erhalten wird, indem die von der Objektsubstanz reflektierten Ultraschallwellenstrahlen wieder in elektrische Signale umgesetzt werden, nämlich dem Ultras challwellen-Aufnahmebetrieb.
In dem Ultraschallwellen-Empfangsschaltkreis der Pig. 9 werden von der Objektsubstanz reflektierte Ultraschallwellenstrahlen in Informationssignale 11 bis 16 durch die gleichen piezoelektrischen Elemente 1 bis 6 der elektroakustisch^ Wandlereinheit 53 umgewandelt, wie sie zur Aussendung der Ultraschallwellen benutzt wurden. Die Informationssignale 11 und 16 werden in der Verzögerungszeit D2 empfangen, die Signale 12 und 15 in der Verzögerungszeit D1, und die Signale 13 und 14 in der Verzögerungszeit DO. Diese Informationssignale werden in entsprechender Weise· Verstärkern A1 bis A6 über die gleichen elektronischen Schalter SI bis S6 des Schalter-Schaltkreises
52 zugeführt, wie sie zur Aussendung der Ultraschallwellen verwendet wurden. Die auf diese Weise verstärkten Informationssignale 11 bis 16 werden entsprechend Ultraschallwellen aufnehmenden signalschaltenden Schaltkreisen R.. bis Rg zugeführt, die in gleicher Weise gezeigt sind. Diese schaltenden Schaltkreise R1 bis Rg werden entsprechend durch drei elektronische Schalter aufgebaut, nämlich durch W11 bis W^, W21 bis W«*,
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VL1 Ms W55, W^1 Ms W,,» W^1 Ms W^ und Wg1 Ms Wg-. Die Informations signale 11 und I6 werden über die entsprechenden geschlossenen Schalter W11 und Wg1 der schaltenden Schaltkreise R1 und Rg einem Verzögerungs-Schaltkreis 271 mit der Verzögerungszeit DO zugeführt, die Signale 12 und 15 werden über die geschlossenen Schalter W22 und- W52 einem Verzögerungs-Schaltkreis 272 mit der Verzögerungszeit D1 zugeführt, und die Signale 13 und 14 werden über die geschlossenen Schalter W,, "bzw. W.., einem Verzögerungs-Schaltkreis 273 mit einer Verzögerungszeit D2 zugeführt. Die Informationssignale 11, I6; 12, und 13, 14, die in den verschiedenen Verzögerungszeiten D2, D1 und DO erzeugt werden, werden durch diese Verzögerungs-Schaltkreise 271, 272 und 273 dazu gebracht, zeitlich zusammenzufallen, und sie werden zusammengesetzt und dann einem Verstärker 300 zugeführt. Die zusammengesetzten Informationssignale, verstärkt durch den Verstärker 300, werden z.B. einem Kathodenstrahl-Oszillographen GRT zugeführt, wodurch ein Bild der Objekt subs tanz auf dem Oezillographenschirm dargestellt wird. Die Informationssignale 12 bis 17, entsprechend dem nächsten Abtastpunkt X2, werden den Ultraschallwellen aufnehmenden signalschaltenden Schaltkreisen R2 bis Rg und R1 über die Schalter S2 bis S7 und die Verstärker A1 bis A6 zugeführt. Die Informationssignale 12 bis 17, die diesen schaltenden Schaltkreisen zugeführt werden, werden durch die Schalter Wp1, W,«» ^4/5 * ^1BV ^62 und W11 geleitet, die durch Schaltersteuersignale geschlossen sind. Dann werden die Signale 12 und 17 in den Verzögerungsschaltkreis 271 geführt, die Signale 13 und I6 in den Verzögerungs-Schaltkreis 272 und die Signale 14 und 15 in den Verzögerungs-Schaltkreis 273. Die über die Verzögerungs-Schaltkreise 271 bis 273 zusammengesetzten Informationssignale bewirken, daß ein Bild des Abtastpunktes X2 auf dem Kathodenstrahl-OsÄillographen abgebildet wird. Die schaltenden Schaltkreise R1 bis Rg sind in genaueren Einzelheiten in Fig. 10 dargestellt. Die Analog-Tore W11 bis Wg- sind von MOS-Bauart und werden durch
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Steuersignale GS^0 Ms CSg2 gesteuert, die durch, die Zeitdiagramme der Pig. 11B dargestellt sind, wobei diese Zeitsteuersignale von dem Schieberegister 502 durch einen Schaltkreis gemäß Pig. 11A erhalten werden.
Wie oben dargestellt, wird ein vorgeschriebenes Bild auf die Kathodenstrahlröhre projiziert aufgrund der reflektierten Anteile der Ultraschallwellenstrahlen, die ununterbrochen die Objektsubstanz abtasten. Die vorliegende Ausführungsform betrifft ein Gerät, bei dem die piezoelektrischen Elemente in Einheiten von sechs Elementen betrieben werden, aber diese Anzahl von Elementen kann beliebig verändert werden.
Wie schon dargestellt, ermöglicht die Erfindung die Erzeugung von fokussierten Ultraschallwellenstrahlen, indem piezoelektrische Elemente in einer vorgeschriebenen Anzahl mit einer relativen Verzögerung zueinander betrieben werden, wobei die Elemente einzeln voneinander einen Abstand aufweisen, wodurch gute Richtungseigenschaften des Gerätes erhalten werden. Wenn z.B. die Breite eines piezoelektrischen Elementes, die Oszillationsfrequenz, eine Entfernung χ zwischen dem Brennpunkt und der Reihe von piezoelektrischen Elementen und die Anzahl der gleichzeitig betriebenen piezoelektrischen Elemente auf die Werte 2 mm, 2 MHz, 6 cm und 6 festgelegt werden, können die in Pig. gezeigten ausgezeichneten Richtungseigenschaften erhalten werden.
Die in Pig. 12 gezeigten Richtungseigenschaften sind die, die man im Palle der Anwendung von Ultraschallwellen erhält. Jedoch erhält man die zusammengesetzte Richtcharakteristik von Ultraschallwellen-Aussendung und -empfang durch Quadrieren der Richtungskennlinien der Pig. 12. Entsprechend weist das erfindungsgemäße Gerät eine extrem gute Auflösung auf. Mit anderen Worten, die Intensität der Ultraschallwellen in der Nähe
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des Brennpunktes und die Ultraschallwellen-Enipfangssignalspannung entsprechend der von der Nähe des Brennpunktes reflektierten Wellen sind höher, als es bei dem bekannten Gerät der Pail ist, das kein Fokussiersystem für die Ultraschallwellen verwendet. Weiterhin besitzt das erfindungsgemäße Gerät eine Empfindlichkeit, die proportional zur zweiten Potenz der Empfindlichkeit des bekannten Geräts ist.
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Claims (4)

Patentansprüche
1.yUltraschallwellensende- und -empfangsgerät, g e k e η η ^zeichnet durch einen Ultraschallwellen-Sender zur Ausstrahlung von.fokussierten Ultraschallwellen, versehen mit einer Steuersignal-Generatoreinheit (50) zur Erzeugung von Steuersignalen aufeinanderfolgend in zirkulierender Weise, einer Verzögerungsimpulssignal-Generatoreinheit (51) zur Erzeugung von mehreren Verzögerungsimpulssignalen zu entsprechend vorgeschriebenen Verzögerungszeiten aufgrund der Steuersignale der Steuersignal-Generatoreinheit (50), mehreren Antriebssignal-Generatoreinheiten (P1-P6) zur Erzeugung von AntriebsSignalen zu Verzögerungszeiten entsprechend denen der Verzögerungsimpulssignale aufgrund der Verzögerungsimpulssignale von der Verzögerungsimpulssignal-Generatoreinheit (51), einer Schalter-Schaltungseinheit (52) mit mehreren elektronischen Schaltern (SI-Sn), die zur Ausführung der Schaltoperation vorgesehen und gegeneinander Eins um Eins versetzt sind für jede vorgeschriebene Anzahl von Schaltern, um so Antriebssignale für die Antriebssignal-Generatoreinheit (P1-P6) zu vorgeschriebenen elektroakustischen Y/andlerelementen (1-n) zu liefern; und durch eine Ultraschallwellen-Empfangseinrichtung zum Empfang der reflektierten Anteile der Ultraschallwellenstrahlen und zum Aufnehmen der empfangenen Ultraschallwellensignale über die Schalter-Schaltkreiseinheit'(52) und zum Zusammensetzen der Signale mittels Verzögerungseinrichtungen (271-273).
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsimpuls-Generatoreinheit (51) eine Vielzahl von ODER-iDoren (113-115, 123-125, 133-135) aufweist, die selektiv betätigt werden, um Ausgangssignale aufgrund von Steuersignalen zu erzeugen, die wiederum von der Steuer-
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signal-Generatoreinheit (50) erzeugt werden, mit einer Vielzahl von Verzögerungs-Schaltkreiseinheiten (170, 171, 172), die jeweils unterschiedliche vorgeschriebene Verzögerungszeitlängen (DO, D1, D2) aufweisen, mit einer Vielzahl von UND-Toren (110-112, 120-122, 130-132, I40-I42, 150-152, 160, 162), die selektiv "betätigt werden, um Ausgangs-• signale aufgrund von den entsprechenden Ausgängen der Ver-• zögerungs-Schaltkreiseinheiten (170, 17J-, 172) und den ODER-Toren (113-115, 123-125, 133-135/, und mit einer Vielzahl von ODER-Toren (101-106) zur Erzeugung von Ausgangssignalen zu Verzögerungszeiten, die denen der Verzögerungs-Schaltkreiseinheiten (170-172) entsprechen, aufgrund der Ausgänge der UND-Tore.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter-Schaltkreiseinheit (52) einen Schaltersteuer-Schaltkreis (SC) umfaßt, um Steuersignale zu erzeugen, um die elektronischen Schalter der Schalter-Schaltkreiseinheit (52) selektiv zu "betätigen.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elektronische Schalter einen Impulstransformator (Tn) aufweist, der mit einer "bestimmten Antriebssignal-Generatoreinheit (Pn) und einem.Halbleiter-Schaltelement (Trn) verbunden ist, um durch dieses Antriebssignale zu senden, die über den Impulstransformator (Tn) von der bestimmten Antriebssignal-Generatoreinheit (Pn) erzeugt werden aufgrund von Steuersignalen des Schaltersteuer-Schaltkreises (SC),
5· Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen-Aufnahmeeinrichtung eine Vielzahl von Verstärkern (A^-Ag) zur entsprechenden Verstärkung der über die Schalter-Schaltkreiseinheit (52) empfangenen Ultraschallwellensignale umfaßt,"und gekennzeichnet durch einen Ultraschallwellensignal-Schalter-Schaltkreis (R1-Rg) mit einer Vielzahl von elektro-
+) zu erzeugen 409850/0847
nischen Schaltern (W), die die Schaltoperation derart ausführen, daß die entsprechenden Ausgänge von den Verstärkern (A^-Ag) "bestimmten Verzögerungs-Schaltkreisen (271-273) zugeführt werden, durch eine Vielzahl von Verzögerungs-Schaltkreiseinheiten (271-173) zur Entzerrung der Verzögerungszeiten der aufgenommenen Ultraschallwellen-Signale, die über
/Ind den Schalter-Schaltkreis (R..-R/-) erhalten wurden/ durch Einrichtungen (300) zur Zusammensetzung der Ausgänge von den Verzögerungs-Schaltkreis-Einrichtungen (271-273).
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