DE102006013220B3

DE102006013220B3 - Streifenschwinger

Info

Publication number: DE102006013220B3
Application number: DE200610013220
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Degel; Franz Josef Dipl.-Ing. Becker
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-03-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler (7) mit mindestens einem Piezoelement (8-11) mit einer schallabstrahlenden Fläche (17), die entlang einer vorgegebenen Krümmungsrichtung gekrümmt ist, sowie mit mehreren Elektroden (12-16) zur Erzeugung eines elektrischen Polarisationsfeldes (E) in dem Piezoelement (8-11), wobei das Polarisationsfeld (E) in dem Piezoelement (8-11) im Wesentlichen parallel zu der schallabstrahlenden Fläche (17) ausgerichtet ist, so dass das Piezoelement (8-11) entsprechend dem transversalen piezoelektrischen Effekt und/oder entsprechend dem longitudinalen Schereffekt arbeitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

In vielen Ultraschallanwendungsgebieten werden als Ultraschallwandler sogenannte Phased-Arrays eingesetzt, die mehrere streifenförmige und parallel angeordnete Piezoelemente aufweisen, die elektrisch getrennt voneinander angesteuert werden können. Durch eine geeignete Einstellung der Phasenverschiebung zwischen den einzelnen streifenförmigen Piezoelementen lässt sich der von dem Ultraschallwandler abgegebene Schallstrahl rechtwinklig zu den streifenförmigen Piezoelementen schwenken und fokussieren.

Oftmals ist es aber auch erforderlich, in Längsrichtung der streifenförmigen Piezoelemente einen großen fächerartigen Bereich zu beschallen, wozu ein großer Öffnungswinkel des abgegebenen Schallstrahls in dieser Richtung erforderlich ist. Ein großer Öffnungswinkel setzt jedoch physikalisch eine kleine Sendeappertur voraus, was bei den streifenförmigen Piezoelementen gerade nicht der Fall ist. Nachteilig an den bekannten Phased-Arrays mit streifenförmigen Piezoelementen ist also, dass der abgegebene Schallstrahl in Längsrichtung der streifenförmigen Piezoelemente nur einen geringen Öffnungswinkel aufweist.

Darüber hinaus wird bei vielen Ultraschallanwendungsgebieten neben dem großen Öffnungswinkel des abgegebenen Schallstrahls eine möglichst hohe Sendekonstante des Ultraschallwandlers gefordert, um möglichst große Reichweiten zu erzielen, was sich durch ein möglichst großes Volumen des piezoelektrischen Materials realisieren lässt.

3 zeigt einen bekannten Ultraschallwandler, der eine hohe Sendekonstante mit einem großen Öffnungswinkel kombiniert. Hierbei sind auf einem Träger 1 mehrere kleine Piezoelemente 2-6 angebracht, die aus einem piezoelektrisch aktiven Material bestehen, wie beispielsweise PZT (Blei-Zirkonat-Titanat). Die einzelnen Piezoelemente 2-6 weisen hierbei einen Winkelversatz auf, wodurch der Öffnungswinkel des abgegebenen Schallstrahls in der Zeichenebene vergrößert wird. Darüber hinaus weisen die einzelnen Piezoelemente 2-6 rechtwinklig zur Zeichenebene nur eine geringe räumliche Ausdehnung und damit eine entsprechend kleine Sendeappertur auf, so dass der Öffnungswinkel des abgegebenen Schallstrahls auch rechtwinklig zu der Zeichenebene groß ist.

Nachteilig an diesem Ultraschallwandler ist die aufwendige Herstellung, da die einzelnen Piezoelemente 2-6 mit hohem Fertigungsaufwand auf den Träger 1 aufgeklebt und elektrisch kontaktiert werden müssen. Dieser bauartbedingte Nachteil dieses Ultraschallwandlers lässt sich zwar abschwächen, indem die Anzahl der einzelnen Piezoelemente 2-6 reduziert und deren Größe entsprechend erhöht wird, jedoch entstehen dadurch ungünstige Schalldruckeinbrüche in der abgegebenen Schallkeule. Allgemein gilt, dass eine solche Bauweise mit einer Vielzahl von einzelnen Piezoelementen nur eine Annäherung an eine Idealform sein kann, so dass sich mit dieser Bauweise kein optimales Ergebnis erreichen lässt.

Aus DE 26 17 702 A1 , DE 695 08 779 T2 , US 6 288 477 B1 , WO 01/58601 A1 und WO 2005/007305 A1 sind verschiedene Schallwandler bekannt, die jedoch die vorstehend genannten Nachteile ebenfalls nicht beseitigen.

Schließlich ist aus WO 91/00153 ein breit strahlender Ultraschallwandler bekannt, bei dem mehrere plattenförmige Piezoelemente stapelförmig übereinander angeordnet sind und durch ebenfalls plattenförmige Elektroden angeregt werden, die Sandwichartig zwischen den plattenförmigen Piezoelementen angeordnet sind. Hierbei werden die einzelnen plattenförmigen Piezoelemente entsprechend dem transversalen piezoelektrischen Effekt und dem longitudinalen Schereffekt angeregt, so dass die Schallabstrahlung an der Seitenfläche des Plattenstapels erfolgt, die rechtwinklig zu den einzelnen Platten ausgerichtet ist. Nachteilig an diesem bekannten Ultraschallwandler ist jedoch ebenfalls der geringe Öffnungswinkel des abgegebenen Schallstrahls in Längsrichtung der Platten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen Ultraschallwandler einen großen Öffnungswinkel zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler gemäß dem Hauptanspruch gelöst.

Die Erfindung sieht deshalb einen Ultraschallwandler mit mindestens einem Piezoelement mit einer gekrümmten schallabstrahlenden Fläche und mehreren Elektroden zur Erzeugung eines elektrischen Polarisationsfeldes in dem Piezoelement vor, wobei das Polarisationsfeld in dem Piezoelement im Wesentlichen parallel zu der schallabstrahlenden Fläche ausgerichtet ist, so dass das Piezoelement entsprechend dem transversalen piezoelektrischen Effekt und/oder entsprechend dem longitudinalen Schereffekt arbeitet.

Bei dem transversalen piezoelektrischen Effekt erzeugt eine elektrische Feldstärke in dem Piezoelement eine Dehnung, die rechtwinklig zu der Feldrichtung ausgerichtet ist, so dass das Piezoelement in dem sogenannten 3-1-Schwingungsmode arbeitet.

Die Erfindung umfasst jedoch auch solche Ultraschallwandler, bei denen das Piezoelement hauptsächlich entsprechend dem longitudinalen Schereffekt arbeitet, wobei die Feldrichtung ebenfalls rechtwinklig zu der Dehnung ausgerichtet ist.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler ist jedoch von herkömmlichen Ultraschallwandlern mit einer gekrümmten schallabstrahlenden Fläche zu unterscheiden, bei denen das Piezoelement hauptsächlich entsprechend dem longitudinalen piezoelektrischen Effekt arbeitet, wobei die elektrische Feldrichtung parallel zu der mechanischen Dehnung ausgerichtet ist. Es ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass das Piezoelement verschiedene piezoelektrische Effekte realisiert, sofern der transversale piezoelektrische Effekt oder der piezoelektrische Schereffekt überwiegt.

Die Erfindung sieht also erstmals einen Ultraschallwandler vor, bei dem ein Piezoelement eine gekrümmte schallabstrahlende Fläche aufweist und in dem 3-1-Schwingungsmode arbeitet.

Vorzugsweise weist die schallabstrahlende Fläche des Piezoelementes quer zu der Krümmungsrichtung eine wesentlich kleinere räumliche Ausdehnung auf als in der Krümmungsrichtung, um quer zu der Krümmungsrichtung einen großen Öffnungswinkel der Ultraschallabstrahlung zu erreichen. Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler weist also vorzugsweise rechtwinklig zu der Krümmungsrichtung eine kleine Sendeappertur auf, was in dieser Richtung einen großen Öffnungswinkel der Schallabstrahlung ermöglicht.

Darüber hinaus ist die schallabstrahlende Fläche des Piezoelements in der Krümmungsrichtung vorzugsweise unterbrechungsfrei durchgehend ausgebildet ohne die Unterbrechungen aufzuweisen, wie sie bei dem eingangs beschriebenen bekannten Ultraschallwandler zwischen den einzelnen Piezoelementen auftreten. Dadurch wird verhindert, dass die abgestrahlte Schallkeule ungünstige Schalldruckeinbrüche aufweist, wie sie vorstehend zum Stand der Technik beschrieben wurden.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die schallabstrahlende Fläche in Krümmungsrichtung Unterbrechungen oder Einschnitte aufweist, wobei die Unterbrechungen bzw. Einschnitte beispielsweise eine Breite aufweisen können, die kleiner als 95% der Plattenbreite ist. Auf diese Weise können unerwünschte Platten-Schwingungsmoden reduziert werden.

Weiterhin ist die schallabstrahlende Fläche des Piezoelements in der Krümmungsrichtung vorzugsweise knickfrei durchgehend ausgebildet. Die Krümmung kann auf diese Weise also entsprechend einer gewünschten Abstrahlcharakteristik festgelegt werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die schallabstrahlende Fläche des Piezoelements nur in einer einzigen Krümmungsrichtung gekrümmt, während die schallabstrahlende Fläche des Piezoelements quer zu dieser Krümmungsrichtung im Wesentlichen eben und ungekrümmt ist. Es besteht jedoch alternativ auch die Möglichkeit, dass die schallabstrahlende Fläche in mehreren Richtungen gekrümmt ist.

Darüber hinaus ist die schallabstrahlende Fläche des Piezoelements in der vorgegebenen Krümmungsrichtung vorzugsweise mehrfach gekrümmt. Dies bedeutet, dass die schallabstrahlende Fläche des Piezoelements mehrere konvexe und/oder konkave Abschnitte aufweist.

Gemäß der Erfindung besteht das Piezoelement aus mehreren im Wesentlichen planparallelen Platten, die stapelförmig angeordnet sind, wobei die einzelnen Platten vorzugsweise in der Krümmungsrichtung verlaufen und quer zu der Krümmungsrichtung nebeneinander gestapelt sind. Die einzelnen Platten können hierbei mit einem elektrisch leitenden Kleber miteinander verbunden sein, wobei zwischen den benachbarten Platten vorzugsweise jeweils eine flächige Elektrode angeordnet ist. Bei diesem Aufbau lässt sich eine vorgegebene elektrische Feldstärke in den einzelnen plattenförmigen Piezoelement mit einer geringeren Ansteuerspannung realisieren als bei einem herkömmlichen Aufbau mit Elektroden an der Ober- und Unterseite des Piezoelements, wenn das Piezoelement entsprechend der longitudinalen Piezoeffekt arbeitet.

Darüber hinaus besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, auf die schallabstrahlende Fläche des Piezoelements eine Anpassschicht aufzubringen, um die Bandbreite des Ultraschallwandlers zu erhöhen und die Ankopplung zu verbessern. Hierzu weist die Anpassschicht eine andere akustische Impedanz auf als das Piezoelement.

Im Rahmen der Erfindung lassen sich verschiedene piezoaktive Materialien verwenden, wie beispielsweise polykristalline ferroelektrische Keramiken, z.B. Barium-Titanat oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT : plumbum zirconate titanate).

Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Ultraschallwandler auch mehrere der vorstehend beschriebenen Piezoelemente aufweisen, die elektrisch getrennt voneinander ansteuerbar sind und einen Phased-Array-Applikator bilden.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1a eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers,
1b eine Querschnittsansicht des Ultraschallwandlers aus 1a,
2 eine Querschnittsansicht durch ein Piezoelement des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers zur Verdeutlichung des transversalen piezoelektrischen Effekts sowie
3 eine Querschnittsansicht durch den eingangs beschriebenen bekannten Ultraschallwandler entsprechend dem Stand der Technik.
Die 1a und 1b zeigen einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler 7 mit vier stapelförmig angeordneten plattenförmigen Piezoelementen 8, 9, 10, 11 aus Blei-Zirkonat-Titanat (PZT).
An der Vorderseite und an der Rückseite des Stapels ist jeweils eine flächige Elektrode 12 bzw. 13 angeordnet, um in den Piezoelementen 8-11 ein elektrisches Polarisationsfeld zu erzeugen. Darüber hinaus sind auch zwischen den einzelnen Piezoelementen 8-11 jeweils flächenförmige Elektroden 14, 15, 16 angeordnet. Die Elektroden 14 und 15 sind hierbei elektrisch miteinander verbunden und werden gemeinsam angesteuert, wie auch die Elektroden 12, 13 und 16 elektrisch miteinander verbunden sind und gemeinsam angesteuert werden. Die einzelnen plattenförmigen Piezoelemente 8-11 weisen hierbei eine relativ geringe Dicke auf, so dass sich eine vorgegebene elektrische Feldstärke in den Piezoelementen 8-11 mit einer relativ geringen Ansteuerspannung erreichen lässt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass der erfindungsgemäße Ultraschallwandler 7 eine mehrfach gekrümmte schallabstrahlende Fläche 17 aufweist, so dass sich durch eine geeignete Formgebung der schallabstrahlenden Fläche 17 nahezu beliebige Abstrahlcharakteristiken erreichen lassen.
Aus der Querschnittsansicht in 1b ist weiterhin ersichtlich, dass der erfindungsgemäße Ultraschallwandler 7 quer zu seiner Krümmungsrichtung eine geringe räumliche Ausdehnung aufweist, was zu einem relativ großen Öffnungswinkel α der Ultraschallabstrahlung quer zu der Krümmungsrichtung führt.
Aus der Querschnittsansicht in 2 ist weiterhin ersichtlich, dass die elektrische Feldstärke E in dem beispielhaft ausgewählten Piezoelement 11 rechtwinklig zu den flächigen Elektroden 12, 15 verläuft, während der transversale piezoelektrische Effekt in dem Piezoelement 11 eine Dehnungskraft F erzeugt, die rechtwinklig zu der elektrischen Feldstärke E ausgerichtet ist.

1: Träger
2-6: Piezoelemente
7: Ultraschallwandler
8-11: Piezoelemente
12-16: Elektroden
17: schallabstrahlende Fläche

Claims

Ultraschallwandler (7) mit mindestens einem Piezoelement (8-11) mit a) einer schallabstrahlenden Fläche (17), b) mehreren planparallelen Platten (8-11), c) mehreren Elektroden (12-16) zur Erzeugung eines elektrischen Polarisationsfeldes (E) in dem Piezoelement (8-11), d) wobei das Polarisationsfeld (E) in dem Piezoelement (8-11) parallel zu der schallabstrahlenden Fläche (17) ausgerichtet ist, so dass das Piezoelement (8-11) entsprechend dem transversalen piezoelektrischen Effekt und/oder entsprechend dem longitudinalen Schereffekt arbeitet, dadurch gekennzeichnet, e) dass die schallabstrahlende Fläche entlang einer vorgegebenen Krümmungsrichtung gekrümmt ist, und f) dass die planparallelen Platten (8-11) jeweils in der Krümmungsrichtung verlaufen und quer zu der Krümmungsrichtung nebeneinander angeordnet sind.
Ultraschallwandler (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabstrahlende Fläche (17) quer zu der Krümmungsrichtung eine wesentlich kleinere räumliche Ausdehnung aufweist als in der Krümmungsrichtung, um quer zu der Krümmungsrichtung einen großen Öffnungswinkel (α) der Ultraschallabstrahlung zu erreichen.
Ultraschallwandler (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabstrahlende Fläche (17) des Piezoelements (8-11) in der Krümmungsrich tung unterbrechungsfrei durchgehend ausgebildet ist oder Unterbrechungen aufweist.
Ultraschallwandler (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabstrahlende Fläche (17) des Piezoelements (8-11) in der Krümmungsrichtung knickfrei durchgehend ausgebildet ist oder Knickstellen aufweist.
Ultraschallwandler (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabstrahlende Fläche (17) des Piezoelements (8-11) quer zu der Krümmungsrichtung eben ist.
Ultraschallwandler (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabstrahlende Fläche (17) des Piezoelements (8-11) in der Krümmungsrichtung mehrfach gekrümmt ist.
Ultraschallwandler (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (8-11) in einem 3-1-Schwingungsmode arbeitet.
Ultraschallwandler (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten elektrisch leitend miteinander verbunden sind, insbesondere mit einem elektrisch leitenden Kleber.
Ultraschallwandler (7) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den benachbarten Platten jeweils eine flächige Elektrode (14-16) angeordnet ist.
Ultraschallwandler (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schallabstrahlen de Fläche (17) des Piezoelements (8-11) mit einer Anpassschicht belegt ist, wobei die Anpassschicht eine andere akustische Impedanz aufweist als das Piezoelement (8-11).
Ultraschallwandler (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (8-11) als piezoaktives Material eine polykristalline ferroelektrische Keramik enthält.
Ultraschallwandler (7) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (8-11) als piezoaktives Material Barium-Titanat oder Blei-Zirkonat-Titanat enthält.
Ultraschallwandler (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mehrere Piezoelemente, die elektrisch getrennt voneinander ansteuerbar sind und einen Array-Applikator bilden.
Ultraschallwandler (7) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Piezoelemente (8-11) quer zu der Krümmungsrichtung hintereinander angeordnet sind.