DE2023929A1 - Piezoelektrischer Ultraschall-Wandler. - Google Patents

Piezoelektrischer Ultraschall-Wandler.

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DE2023929A1
DE2023929A1 DE19702023929 DE2023929A DE2023929A1 DE 2023929 A1 DE2023929 A1 DE 2023929A1 DE 19702023929 DE19702023929 DE 19702023929 DE 2023929 A DE2023929 A DE 2023929A DE 2023929 A1 DE2023929 A1 DE 2023929A1
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Paul Henry Collingswood N.J. EgIi (V.St.A.). GO9f21-02
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Description

  • Be schreibuIlg Piezoelektrischer Ultraschall-Wandler Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Ultraschall-Wandler.
  • Normalerweise breiten sich die von einem Schallwandler abgestrahlten Schallstrahlen in einem beträchtlichen Winkel aus und sind in irgendeinem größeren Abstand vom Wandler über einen großen Bereich gestreut. Es sind Verfahren bekannt, die Form des Schall strahls in gewissem Umfang zu steuern, d. h.
  • den DivergenzwiSkel zu überwachen und - innerhalb bestimmter Grenzen - eine Fokusierung in einem von der Wandlervorderfläche aus gewählten Abstand zu erreichen. Es war jedoch bis jetzt nicht möglich, eine gute Fokusierung über eine größere Entfernung zu erreichen.
  • Bei normaler Strahlausbreitung liegt in der Strahlachse etwas mehr Schall energie als am Außenrand des Stralilmusters und es werden technische Verfahren zur Abtastung-kleiner Xörper oder Ziele entwickelt, die auf Erkermung der Reflektionsspitzenleistung gerichtet sind. Da ein kleiner Körper jedoch nur einen winzigen Bruchteil der gesamten Schall energie eines breiten Schallstrahls reflektiert, müssen große Schalleistungen abgestrahlt werden, um ein brauchbares Rückkehrsignal zu erhalten.
  • Es gibt viele Anwendungen fiir Ultraschall-Wandler, bei denen es wichtig ist, einen-kleinen Bereich in verschiedenen ÄbsUnden vom Wandler zu finden, wobei es gleichzeitig erforderlich ist, daß die gesamte abgestrahlte Schalleistung klein ist. So muß beispielsweise für medizinisch-diagnostische Anwendungen die gesamte in den Patienten eingestrahlte Leistung auf kleine Werte beschränkt sein, so daß keine Schädigungen des bestrahlten Gewebes auftreten können. Auch sind für batteriegespeiste Geräte und insbesondere für tragbare Geräte kleine Schallstrahlleistungen erwünscht, um die Batterie zu schonen, d. h. um deren Lebensdauer zu verlängern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile bisher bekannter Ultraschall-Wandler, insbesondere die oben aufgezeigten Mängel zu beseitigen. Insbesondere soll bei der erfindungsgemäßen Schallwandlervorrichtung eine gute nutzbare Schallrefelktion eines über einen weiten Abstand schmalen Schallstrahls unter Verwendung geringer Schallenergie erreicht werden.
  • Ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Ultraschall-Wandler ist gekennzeichnet durch ein mittig angeordnetes piezoelektrisches Strahlerelement, dessen Querschnitssabmessung (Durchmesser) dem 15- bis 55fachen der Wellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht, eine das Strahlerelement umebende piezoelektrische Empfangseinheit, deren Breite an jeder Stelle etwa dem 10-bis 35fachen der Wellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht, eine Einrichtung, die auf der Rückseite des Strahlerelements eine Luftsäule angrenzt und eine Impedanzanpassungsschicht aus organischem polymerem Werkstoff auf der Vorderseite des Strahlerelements aufweist und dadurch, daß das Strahlerelement, die Luftsäule und die Impedanzanpassungsschicht ein bei Betríebsfrequenz als Einel-Resonanzeinheit schwingendes, gekoppeltes schwingungsfähiges System bilden.
  • Der enfizschte. schmale Bereichs des Schallstrahls wird also durch die geometrische Vertcilung der schwingungsfähigen Elemcnte des Wandlers erreicht. Der geringe Beistungsverbrauch hängt von der neuartigen Kopplung der schwingungsfähigen Systeme ab, die in Einzelheiten weiter unten erläutert wird. Der gesuchte eng umgrenzte Bereich wird durch ein schwingungsfähiges Kristallelenent erreicht, dessen Querschnittsabmessungen in bestimmtem Verhältnis zur Wellenlänge des abgestrahlten Strahls gewählt sind, so daß dieserabgestrahlte Strahl sich weder seitlich zu weit ausbreitet noch eine scharfe Fokusierung an einem bestimmten einzelnen Raumpunkt erhält. Das Empfängerkristallelement (oder-Elemente) ungibt das abstrahlende Kristalle element. Diese Empfängereinheit kann eine Mehrzahl solcher Empfangskristalle aufweisen, vorzugsweise jedoch wird ein einzelner ringförmiger Empfängerkristall verwendet. Die Rückseite des abstrahlenden und empfangenden Kristalls ist gegen eine abgestimmte Luftsäule gerichtet, die in Resonanz mit dem abstrahlenden Kristall schwingt. Weiterhin ist die Vorderfläche des abstrahlenden Kristalls mit einer Impedanz-Anpassungsschicht versehen.
  • Durrh die Erfindung wurde ein Ultraschall-Wandler geschaffen, de- insbesondere ein mittiges Strahlerkristallelement aufweist, CL essen Querschnitssabmessungen dem 20- bis 30fachen der Wellenlänge entspricht und das von einer Anzahl empfangender Kristalle element oder vorzugsweise von einem einzigen durchgehenden ringförmigen Empfangskristallelement umgeben ist, dessen Breite an.jedem Punkt mindestens dem 10fachen und nicht mehr als dem 30-fachen der Wellenlänge entspricht. Jedes der strahlenden und empfangenen Kristalleiemente ist Teil einer gekoppelten scharingungsfähigen Anordnung oder eines Schwingungssystems, das zusätzlich zu der piezoelektrischen Kristallplatte eine Resonanz-Luftsäule auf der Rückseite der Platte und eine Resonanz-Impedanzanpassungsschicht aus organischem, polymerem Material auf der Vorderseite aufweist, die alle gemeinsam eine schwingungsfähige Einheit bilden. Mit dieser Anordnung oder diesem System läßt sich ein Schallstrahl-Suchmuster erzeugen, dessen Flächenbereich über eine große Entfernung konstant bleibt.
  • Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten sind an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigt: Fig. 1 in einer Draufsicht die geometrische Anordnung eines strahlenden und mehrere empfangender Kristall elemente, die eine Wandlereinheit bilden; Fig. 2 eine Skizze zur Verdeutlichung des der abgestrahlten und zu empfangenden Schallenergie bei geradlinig und schräg vor dem Wandler liegenden Körpern oder Zielen; Fig. 3 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des Wandlers; Fig. 4 eine vergrößerte Seitenansicht des Wandlers, gesehen entlang der Linie 4-4 in Fig. 3 und Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des in Fig. 4 durch einen Ereis 5 umgrenzten Abschnittes.
  • Fig. 1 zeigt ein Strahlerelement 1Q, das von acht Empfangselementen 21 bis 28 umgeben ist.
  • Fig. 3 zeigt ein Wandlerelement 10, das von einem einzigen ringförmigen Empfangselement 30 umgeben ist.
  • Es wurde gefunden, daß der Durchmesser des Strahlerelements bei der Erzeugung eines eng umgrenzten Suchbereichs ein wichtiger und regulierender Faktor ist. Ein Schwingungselement mit im Vergleich zur Wellenlänge sehr kleinem Querschnitt strahlt einen sehr breiten Strahl ab. Andererseits strahlt ein Schwingungselement, dessen Querschnitt sehr viel größer ist als es der Wellenlänge entspricht, einen Strahl ab, der an einem bestimmten Punkt vor dem Wandler fokusiert wird, während über diesen Punkt hinaus eine, beispielsweise als Weitfeld zu bezeichnende Ausbreitung erfolgt. Erwünscht ist ein Strahlerelement, das zwischen diesen beiden Extremen liegt, so daß der abgestrahlte Strahl weder zu weit aufgefächert noch an einem einzelnen Punkt im Raum scharf fokusiert wird.
  • Als Beispiel sei die Schallwellenlänge in einer typischen Salzlösung bei einer Frequenz von 5 NlIz betrachtet, die einer Wellenlänge von 0,3 mm entspricht. Um den optimalen Querschnitt für den Strahlerkristall zu bestimmen, muß erkannt sein, daß der schmale Randbereich des kreisrunden Scheibenelements nicht zu den koherenten Schwingungsmuster beiträgt, da unvermeidlich störende Wechselwirkungen mit Randschwingungen auftreten sowie deshalb, weil die Pheripherie durch Klebemittelstellen fest eingespannt ist, durch die das piezoelektrische Element am oder im zugeordneten Halter befestigt ist.
  • Es wurde nun gefunden, daß der Strahlerkristall zur Erzeugung eines schwach fokusierten, relativ schmalen senderseitigen Strahlwinkels im Querschnitt bzw. im Durchmesser dem 20- bis 30fachen der Wellenlänge entsprechen sollte. Für eine Frequenz von 5 HNz entspricht dies einem Durchmesser von 7 bis 10 mm, wobei für die Randwirkung 1 mm zugelassen wird. Bei unter 5 Rz liegenden Betriebsfrequenzen würde der Querschnitt oder Durchmesser des schwingenden Strahlerelements entsprechend den zunehmenden Wellenlz-lgen größer werden.
  • Bei den Empfangselementen, bei denen die Querctchnittsabmessungen oder Breite des Empfangskristalls weniger kritisch sind und die Größenverhältnisse innerhalb zeclimaßiger Grenzen nach den Gesamtabmessungen des-Wandler gewählt werden, nimmt ein größerer Empfangsbereich einen größeren Anteil des reflektierten Schallsignals auf. Wird das Bapfangselement dagegen im Vergleich zur Größe des Körpers oder der Schallstrahlabmessungen sehr groß, so trifft das reflektierte Signal zu verschiedenen Seiten an den inneren und äußeren Kantenabschnitten des Empfängerelements ein, so daß Abweichungen von der einfachen, erwünschten Schwingung eines diskreten Empfangselements auftreten würden. Es wurde gefunden, daß sich für einen 5I$Hz-Wandler befriedigende Ergebnisse erzielen lassen, wenn die Empfangselemente 21 bis 28 einen Durchmesser von 4 - 10 mm aufweisen, was etwa dem 10- bis 30fachen der Wellenlänge entspricht.
  • Die Fähigkeit des Wandlers, einen kleinen Bereich auch über sich verändernde Entfernungen abzusuchen, beruht auf der Verteilung einer Vielzahl von Empfangselementen, die um das Strahl erkristall element herum angeordnet sind, so daß von einem Ziel stammende Reflektionen an verschiedenen Empfangs elementen zu verschiedenen Zeiten eintreffen. Diese Verhältnisse sind in Fig. 2 veranschaulicht. Liegt ein kleines Ziel unmittelbar senkrecht vor dem Strahlerelement 10, wie etwa das Ziel T1 in Fig. 2, so trifft der Strahlkegel der reflektierten Schallenergie an allen Empfängern 21 bis 28 in Fig. 1 (die alle miteinader verbunden sind) genau zur gleichen Zeit ein, so daß die von jedem einzelnen Empfänger 21 bis 28 erzeugten Signale zu einem Gesamtsignal addiert werden. Liegt das Ziel oder der Körper jedoch in einem Winkel von der Achse des Schallstrahls ab, wie es etwa durch das Ziel T2 in Fig. 2 veranschaulicht ist, so trifft das reflektierte Signal an jedem B:pfangselement 21 bis 28 zu verschiedenen Zeiten ein mit der Folge, daß die von den Empfängern 21 bis 28 erzeugten Signale gegeneinander eine Phasenverschiebung aufweisen, so daß die aufaddierte Summe für mehrere Empfänger 21 bis 28 dementsprechend kleiner ist.
  • Die geneinsame Wirkung eines schmalen, wenig fokusierten Sendestrahls und der am Umfang verteilten Empfängers die Signale von außermitti liegenden Zielen zu verschiedenen Zeiten aufnehmen, ergibt eine Vorrichtung mit einer starken Abgrenzungswirkung' bei der starke Signale nur von kleinen Zielen oder Zielpunkten gebildet werden, die über einen weiten Abstandsbereich jedoch unmittelbar vor den Wandler liegen.
  • Es hat sich gezeigt, daß die einzelnen Empfangselement 21 bis 28 in Fig. 1 durch ein einziges kreisringförmiges Empfangselement 30, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, unter der Voraussetzung ersetzt werden können, daß das einzelne ringförmige Element 30 ein schwingungsfähiges Element hoher Güte Q, etwa ein Quarz ist, so daß die an irgendeinem Punkt entstehenden Schwingungen mit geringen Verlust über das gesamte Element übertragen bzw. verteilt werden.
  • Es wurde bereits erläutert, wie der richtige Durchmesser für ein diskretes Empfangselement 21 bis 28 des in Fig. 1 gezeigten Aufbaus zu wählen ist. Wird ein einzelnes kreisringförmiges Empfangselement in Verbindung mit einen richtig bemessenen Sendestrahl verwendet, so treffen von außerhalb der Achse liegenden Zielen reflektierte Signale an einigen Punkten des Empfangselements 30 außer Phase mit von anderen Punkten stammenden Signalen ein und die sich ergebenden komplexen außer Phase liegenden Schwingungen schwächen bei einem einzelnen ringförmigen Empfangselement 30 das erzeugte Signal im Vergleich zu dem Fall, bei dem die reflektierte Energie von senkrecht vor dem Wa.ndler liegenden Zielen stammt, die an allen Punkten des Kreisring-Empfangselement 30 gleichzeitig eintrifft, so daß ein starkes koherentes Signal entsteht.
  • Es mrde gefunden, daß bei einem Wandler mit den oben beschriebenen Abmessungen die effektive Zielfläche nur etwa 10 mm im Durchmesser ist, und zwar bei einer Entfernung von etwa 6 mm (1/4 inch) durchgehend bis zu einem Abstand von etwa 1 m (3 feet) vor dem Wandler, und daß sich die wirksame Zielfläche selbst dann nur auf etwa 20 mm verbreitert, wenn der Abstand vom Wandler etwa 6 m (20 feet) entspricht.
  • Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des in Fig. 3 gezeigten Wandlers im Schnitt entlang der Linie 4-4. Eine Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Wandlers würde ähnlich aussehen wie die Darstellung in Fig. 4. Diese Fig. 4 zeigt die Teile der schwingungsfähigen Wandleranordnung oder des schwingungsfähigen Systems, das im Hinblick auf Beistungseinsparung so konzipiert ist, daß Nutzsignale aus einem kleinen Betrag reflektierter Schallenergie, die von dem Empfänger aufgenommen wird, erhalten werden. Dieses in Fig. 4 gezeigte Wandlersystem weist in allen schwingungsfähigen Abschnitten, d. h. im Strahlerabschnitt oder bei den einzelnen Empfangsabschnitten oder bei dem einzelnen ringförmigen Empfangsabschnitt jeweils drei-'JleiLe auf.
  • Das erste Teil jedes Schwingungsabschnitts und das Herzstück des gekoppelten schwingungsfähigen Systems gemäß Fig. 4 ist ein piezoelektrisches Kristall element 10 bzw. 21 bis 28 bzw.
  • 30. Für Frequenzen im MHz-Bereich wird ein Quarz mit X-Schnitt als piezoelektrisches Element 10 oder 21 bis 28 oder 30 bevorzugt, da bei diesem Quarzschnitt einfache und saubere Longitudinalschwingungen senkrecht zur Achse der Kristallplatte erhalten werden. Bei Frequenzen im F2Hz-Bereich werden Amoniumphosphatkristalle bevorzugt als piezoelektrische Elemente verwendet. Die verschiedenen piezoelektrischen Keramiken, wie etwa Titanate und Zirkonate, sind für irgendeinen Frequenzbereich geeignet, wobei jedoch in einigen elektrischen Eigenschaften und hinsichtlich einer klaren, einfachen Schqingungsform bei relativ geringer Kreuzkopplung Verluste im Vergleich mit Einkristallen berücksichtigt werden müssen.
  • Wie Fig. 4 zeigt, besteht der zweite Teil jedes schwingungsfähigen Abschnitts aus einer abgestimmten Luftsäule 70 oder 71, die in Resonanz mit dem Kristall schwingt. Bei für Allwendungen im Wasser bestimmten Wandlern wurden die unerwünschten Schwingungen von der Rückseite der Kristalle bei den bekannten Vorrichtungen gewöhnlich in gewissem Umfang gedämpft, um Reflektionen von der Rückseite zu verhindern, die die erwünschten Schwingungen im Wasser stören könnten. Eine bekannte Art zu dämpfen besteht darin, den Kristall auf ein Schallenergie absorbierendes Material, wie etwa Kork, aufzusetzen. Da jedoch Materialien wie Kork weder vollständig elastisch noch vollständig schallabsorbierend sind, wird dabei die freie Schwingung etwas vermindert.
  • Eine andere, bereits früher verwendete Möglichkeit besteht darin, hinter dem Kristall eine Lufthöhlung vorzusehen und die Fehlanpassung von Schall schwingungen in Luft und im Kristall auszunützen, um die Wirkungen der rückwärts reflektierten Energie zu vermindern. Obgleich diese Methode sehr wirkungsvoll ist, tritt immer noch ein geringer Anteil reflektierter Energie auf, der die erwünschten Schwingungen in Vorwärtsrichtung stört.
  • Bei dem in Fig. 4 gezeigten erfindungsgemäßen schwinrrtm.gsfä.higen System ist jede der BuSthöhlungen 70 und 71 so bemessen, daß der kleine Anteil reflektierter Energie in Resonanz liegt mit dem Kristall 10 oder 21 bis 28 oder 30 und die erwünschte Schwingung in VorlJärtsrichtung verstärkt. Aus diesem Grund is-t jede der Höhlungen 70 und 71 relativ lang ausgebildet, um die seitlichen Reflektionen zu vermindern, wobei die Rückseite der Höhlung mit einem absorbierenden Material 72,, 73 belegt sein kann, um die Gesamtreflektionen weiter zu vermindern. Als wichtiges Merkmal sei jedoch vermerkt , daß die Abmessungen jeder Höhlung 70, 71 so gewählt sind, daß die reflektierte Energie in Phase zu den Schwingungen des Kristalls 10 oder 21 bis 28 oder 30 steht. Die Länge der Höhlung entspricht damit einem Vielfachen der Wellenlänge der speziellen Frequenz in Luft.
  • Bei 5 EIz ist die Wellenlänge in trockener Luft 0,066 mm und die bevorzugte Länge der Höhlung ist 5,28 mm und entspricht damit dem 80fachen der Wellenlänge.
  • Der dritte Teil des in Fig. 4 gezeigten gekoppelten Schwingungssystems (das als eine Einz ei einheit schwingt) besteht in einer Impedanz-Anpassungsschicht 80 zwischen den schwingungsfähigen Kristallelementen 10 und 30 und dem Wasser oder anderen Medium, in dem der Wandler betrieben wird. Die Punktion der Impedanz-Anpassungsschicht 80 läßt sich vergleichen mit einem nicht reflektierenden ueberzug aus Glas oder der Verwendung verschiedener Glaszusammensetzungen bei einem Linsenaufbau zur Verhinderung von Reflektionen, die bei plötzlichen änderungen des Brechungsindex bei der Lichtübertragung oder dem Licht durchgang auftreten. In ähnlicher Weise treten bei der Schallübertragung beträchtliche Reflektionsverluste an Zwischenflächen von Medien mit sehr verschiedenen akustischen Impedanzen auf. Die Grenze zwischen den Kristallen 10 und 30 und Wasser kann als Beispiel für eine Zwischenfläche bei sehr unterschiedlichen akustischen Impedanzen genannten werden. Die akustische Impedanz ergibt sich als das Produkt der Dichte und der Schallgeschwindigkeit das sich für Quarz zu 14,4 g/cm2sec (10-5) und für Salzlösung zu 1,5 g/cm2sec (10-5) ergibt..
  • Eine Anzahl hochpolymerer Materialien weisen akustische Impedanzen auf, die zwischen der von Quarz und Wasser liegen, so daß diese Polymere als Impedanz-Anpassungselemente bei dem gekoppelten Schwinrrunpssystern der Erfindung gemaß Fig. 4 verwendet werden können. Bei Acrylglas und Nylon beispielsweise bemißt, sich eine zwei Wellenlängen entsprechende Dicke des Abschnitts bei 5NHz zu 0,98 mm. Dies entspricht dem gewünschen Zweck. Andere Polymere, wie etwa Siliciumverbindungen und Polypropylen körnigen ebenso bei kleinen Dickenanpassungen crwendet werden.
  • Ein soweit anhand der Fig. 4- beschriebenererfindungsgemaßer Wandler, der als schwingendes Element den in den Fig. 1 und 3 gezeigten Aufbau aufweist, ergibt einen erwünschten scharf fokusierten Abtastbereich innerhalb eines großen Abstandabereichs bei guten Echosignalen auch bei kleiner elektrischer und Schallenergie, sowohl bei Impulsbetrieb als auch bei kontinuierlicher Arbeitsweise. Wird Impulsausstrahlung verwendet, beispielsweise zur Messung des Abstands kleiner Ziele durch einfaches Echo, so ergibt sich als wesentlicher Vorteil, daß die Größe der Objekte bestimmbar ist, da der Strahl unabhängig von der Entfernung stets etwa die gleiche Fläche abtastet.
  • Ähnlich ergibt sich, wenn der Wandler bei mit Amplitudenmodulation und Frequenzverschiebung arbeitenden Ultraschallvorrichtungen kontinuierlich betrieben wird, eine höhere Meßgenauigkeit für die Bewegung und Größe, da die abgetastete Körper- oder Zielfläche klein ist und innerhalb gewisser Grenzen unabhängig vom Abstand konstante Größe aufweist. Dies sind ganz besonders hervorzuhebende Merkmale, die von Vorteil bei biologisch-diagnostischen Anwendungen sind etwa bei der Bestimmung der Größe einer Erweiterung von Herzwänden.
  • Der übrige Teil der Wandleranordnung gemäß Fig. 4 wird nun noch kurz beschrieben. Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des in Fig. 4 durch einen Kreis 5 gekennzeichneten Abschnitts. Das beispielsweise aus messing bestehende Gehäuse 40 weist am Grund kleine Öffnungen 41 und 42 auf, durch die isolierte Leiter 43 und 44 durchgeführt sind, die jeweils mit der Mitte der Unterseite des Strahlerkristalls 10 und mit den ringförmigen Empfangskristall 30verbunden sind. Die Unter-oder Rückfläche jedes Kristalls 13 und 30 ist mit einem leitfähigen ilaterial, wie etwa-Goldfolie oder einem Goldniederschlag bedeckt, der mit dem Bezugszeichen 11 bzw. 31 gekennzeichnet ist und der bis nahe an die Kanten des Kristalls reicht, so daß sichergestellt ist, daß kein Kontakt mit dem Messinggehäuse 40 besteht. Durch eine in Fig. 5 deutlicher gezeigte Isolierung 33 wird ein Kontakt zwischen der Goldfolie 11 oder 31 und dem Gehäuse 40 sicher verhindert. Die Kristalle 10 und 30 sind im Gehäuse 40 lediglich an ihren Kanten befestigt, z. B. durch kleine Klebemittelflecken oder einen geeigneten Zement oder Kitt 33 (Fig. 5). Diese Haftmittel flecken 33 können jeweils an um 900 versetzten Punkten vorgesehen sein, so daß jede Kante jedes Kristalls 10 bzw.
  • 30 an vier Stellen gehalten ist, so daß ein maximal möglicher Freiheitsgrad für die Schwingungen der Kristalle gewährleistet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Klebemittelpunkte in Fig. 4 nicht eingezeichnet.
  • Um Kanteffekte zu vermeiden oder zu vermindern, ist jede Kante der Kristalle 10 und 30 abgerundet und weist, wie Fig. 5 zeigt, vorzugsweise hyperbolisch abgerundete Kanten auf.
  • Die obere-oder Frontfläche der Kristalle 10 und 30 ist mit einem leitfähigen Material, wie etwa Goldfolie oder einem Goldniederschalg 34 überzogen, der über die ganze Fläche erstreckt ist und einen guten Kontakt mit dem Messinggehäuse 40 ergibt. Ein gemeinsamer Anschluß 45 verbindet das Gehäuse 40 mit einer entsprechenden nachgeschalteten Einheit. Die Zuführungsleiter zur Unterfläche der Kristalle 10 und 30 sind sehr leicht und sind mit den Kristallen durch kleine Lötpaste verbunden. Diese Leiter weisen ausreichende Länge auf, so daß die freien Schwingungen der Kristalle je nach der zugeführten Energie nicht behindert werden.

Claims (6)

Patentansprüche
1.y Piezoelektrischer Ultraschall-Wandler g e k e n n -z e i c h n e t d u r c h ein mittig angeordnetes piezoelektrisches Strahlerelement (10), dessen Querschnittsabmessung (Durchmesser) dem 15- bis 35fachen der Wellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht, eine das Strahlerelement (10) umgebende piezoelektrische Empfangseinheit (21 bis 28, 30), deren Breite an jeder Stelle etwa dem 10- bis 35fachen der Wellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht, eine Einrichtung (40), die auf der Rückseite des Strahlerelements (10) eine Luftsäule (70, 71) umgrenzt und eine Impedanz-Anpassungsschicht (80) aus organischem polymerem Werkstoff auf der Vorderseite des Strahlerelements aufweist, und dadurch daß das Strahlerelement (10), die Luftsäule (70, 71) und die Impedanz-Anpassungsschicht (80) ein bei Betriebsfrequenz als Einzel-Resonanzeinheit schwingendes gekoppeltes schwingungsfähiges System bilden.
2. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Strahlerelement (10) als kreisförmige Scheibe ausgebildet ist und daß die es umgebende Empfangseinheit (21 bis 28, 30) ein einzelnes Empfangselement in Form eines geschlossenen Rings (30) ist.
3. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k en n z e i c h n e t, daß das Strahlerelement (10) als kreisförmige Scheibe ausgebildet ist und die Empfangseinheit aus einer Vielzahl das Strahlerelement (10) umgebenden Empfangselemente (21 bis 28) aufgebaut ist.
4. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, 2, oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zur Bildung der Resonanz-Luftsäule (70, 71) bestimmte Einrichtung ein Gehäuse (40) aufweist, das auf der Rückseite des Strahlerelements (10) eine Höhlung umgrenzt, deren Länge bei trockener Luft etwa dem 15- bis 100fachen der Wellenlänge entspricht.
5. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Strahler-und die Empfangs element Quarzkristalle mit X-Schnitt sird.
6. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Querschnitssabmessung (der Durchmesser) des Strahlerelements (10) etwa dem 20- bis 30fachen der Wellenlänge, die Breite der Empfangselnheit an jeder Stelle mindestens dem 10fachen und höchstens dem 30fachen der Wellenlänge der Betriebsfrequenz entspricht. Leerseite
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