DE2850251A1 - Ultraschallwellenwandler und verfahren zur erzeugung von ultraschallwellen - Google Patents

Ultraschallwellenwandler und verfahren zur erzeugung von ultraschallwellen

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DE2850251A1 DE19782850251 DE2850251A DE2850251A1 DE 2850251 A1 DE2850251 A1 DE 2850251A1 DE 19782850251 DE19782850251 DE 19782850251 DE 2850251 A DE2850251 A DE 2850251A DE 2850251 A1 DE2850251 A1 DE 2850251A1
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Description

  • Ultraschallwellenwandler und Verfahren zur Erzeugung
  • von Ultraschallwellen Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wandler zur Erzeugung von Ultraschallwellenenergie mittels eines Ultraschallwellengerätes, insbesondere einen Wandler zur Erzeugung eines konvergierenden Ultraschallbündels, sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Ultraschallwellen.
  • Auch wenn ein Medium optisch undurchsichtig ist, besteht die Möglichkeit, die innere Struktur dieses Mediums zu betrachten, solange dieses Medium akustisch durchlässig ist; wie bei der Röntgenstrahlungsfotografie. Unter Verwendung von Ultraschallwellenenergie erzeugte Fotografien kann man dort anwenden, wo das Medium optisch undurchsichtig ist. Dazu gehören medizinische Anwendungen, Mikroskope, sicht zerstörendes Testen, Unterwasserbeobachtung und/oder Erdbebenforschung.
  • Es sind einige Ultraschallwellenwandler zur Erzeugung einer fokussierten Ultraschallwelle vorgeschlagen worden. Einige von diesen benutzen eine eine akustische Phasenschiebung bewirkende Platte, eine kreisartige Anordnung, eine akustische Linse oder einen fotoakustischen Wandler. Die bekannten oder vorgeschlagenen Lösungen reichen jedoch nicht aus, um Ultraschallwellen für die Betrachtung der inneren Struktur eines Mediums zu fokussieren, oder sie sind kompliziert.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile und Beschränkungen bekannter Ultraschallwellenwandler durch Bereitstellung eines neuen und verbesserten Ultraschallwellenwandlers zu überwinden. Es soll ein Ultraschallwellenwandler verfügbar gemacht werden, mit dem sich Ultraschallwellen in eine einzige Linie fokussieren lassen. Außerdem soll ein Ultraschallwellenwandler geschaffen werden, mit dem sich Ultraschallwellen auf einen einzigen Punkt fokussieren lassen. Ferner soll ein Ultraschallwellenwandler verfügbar gemacht werden, der die Ultraschallwelle in einem Abtastbetrieb erzeugt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Ultraschallwelenwandler mit einem piezoelektrischen Substrat, der dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens eine Gruppe fingerartig ineinandergreifender Elektroden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats angeordnet ist, daß jede Gruppe mehrere f ingerartig ineinandergreifende Elektroden aufweist, die in Längsrichtung der Finger einer jeden fingerartig ineinandergreifenden Elektrode angeordnet sind, und daß an die Elektroden eine Wechselspannung mit vorbestimmter Phasendifferenz angelegt wird, und zwar unter der Bedingung, daß die ineinandergreifenden Elektroden in Berührung mit einer Flüssigkeit stehen. Die Periode zwischen den Fingern der ineinandergreifenden Elektroden kann entweder gleichförmig oder nicht gleichförmig sein.
  • Gleichförmige Elektroden erzeugen ein Schallbündel, das in einer einzigen Linie konvergiert, und nicht gleichförmige Elektroden erzeugen ein Schallbündel, das in einem einzigen Punkt konvergiert.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Ausführungsform des vorliegenden Ultraschallwellenwandlers; Fig. 2A einige Ausführungsformen der ineinander-und 2B greifenden Elektroden; Fig. 3 eine Ausführungsform des vorliegenden Ultraschal lwellenwandlers; Fig. 4 eine andere Ausführungsform des vorliegenden Ultraschallwellenwaridlers; Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Wirkungsprinzips der Konvergenz in x-Richtung; Fig. 6 in Kurvenform experimentelle Ergebnisse und 7 des vorliegenden Ultraschallwellenwandlers; Fig. 8 eine andere Ausführungsform des vorliegenden Ultraschallwellenwandlers; Fig. 9A eine andere Anordnung der erfindungs-und 9B gemäßen ineinandergreifenden Elektrode; Fig. 10A Signalformen elektrischer Signale, die und 1OB den in Fig. 9A bzw. Fig. 9B gezeigten Elektroden zugeführt werden; und Fig. 11 in-Kurvenform das experimentelle Ergebnis der in den Fig. 9A und 9B gezeigten Ausführungsformen.
  • Fig.*1 zeigt den Aufbau des vorliegenden Ultraschallwandlers. In Fig. 1 befindet sich eine Flüssigkeit 2 in einem Gehäuse 1, und piezoelektrisches Material 3 mit fingerartig ineinandergreifpnder Elektrodenanordnung 4 auf der Oberfläche befindet sich in der Flüssigkeit 2.
  • Einige mögliche Beispiele für die Flüssigkeit 2 sind-Wasser, Äther, Azeton und Glyzerin.
  • Einige Strukturen der fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenanordnung 4 sind in den Fig. 2A und 2B gezeigt.
  • Fig. 2A zeigt eine Einphasen (Zweiphasen-) Elektrodenanordnung, bei der ein Paar kammförmiger Elektroden-4-l und 4-2 fingerartig ineinandergreifend angeordnet sind, so daß die einzelnen Finger der beiden Elektroden abwechselnd erscheinen, und eine Zweiphasen-Wechselspannung wird an ein Paar Anschlüsse (a) und (b) der Elektroden angelegt. Fig. 2B zeigt efre Dreiphasenelektrode, bei der drei kammförmige Elektroden 4-1, 4-2 und 4-3 fingerartig ineinandergreifend auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials 3 so angeordnet sind, daß die einzelnen Finger der einzelnen Elektroden abwechselnd angeordnet sind und die Periode der zur selben Elektrode gehörenden Finger drei ist,und eine Dreiphasen-Wechselspannung wird an Anschlüsse (a), (b) und (c) angelegt.
  • Die Einphasenelektrode nach Fig. 2A erzeugt ein Paar Ultraschallwellenbündel, die in zueinander entgegengesetzten Richtungen gerichtet sind (in den in Fig. 1 mit Pfeilen A und B angegebenen Richtungen). Dagegen kann die Dreiphasenelektrode nach Fig. 2B ein einziges Ultraschallwellenbündel in einer vorbestimmten Richtung erzeugen (der Richtung gemäß Pfeil A oder B in Fig. 1).
  • Als Elektrodenmaterial wird beispielsweise eine Kombination aus Chrom (Cr) und Gold (Au) bevorzugt. Einige der bevorzugten Materialien für den piezoelektrischen Wandler sind LiNbO3, Quarzkristall, Bi12GeO20 und eine Keramik der Gruppe Pb Zr, Ti) O3 (beispielsweise "91-A", hergestellt von der TDK Electronics, Tokyo, Japan.
  • Die Beziehung zwischen der Periode a der einzelnen Finger einer der ineinandergreifenden Elektrode und der Richtung e der Ultraschallwellenbündel mit maximaler Energie ist definiert durch die Beziehung: sin e = Vw/(f.d) =f/d Dabei bedeuten: Af die Wellenlänge einer Schallwelle der Frequenz f in der Flüssigkeit, Vw die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle in der Flüssigkeit und f die Frequenz. Aus obiger Gleichung läßt sich entnehmen: ist die Periode d konstant, erhält man von der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung parallele Ultraschallwellenbündel in der Richtung e.
  • Die folgende Tabelle zeigt experimentelle Ergebnisse für den Winkel e der Schallbündelabstrahlung für einige Kombinationen von piezoelektrischem Material und Flüssigkeit.
    131 roL.y,X I Pieziie
    131 rot y, x <111),(11O) =
    l zu (400öls) i 59rq/s) (1708m/s) (91A)
    ¼
    lassen
    | (1482,6mvs) 21.80 28.00 60,240 «0
    (1oMB{s) | 14.60 18.60 360 28.20
    I
    (11Rkvs) 17.30 22.10 44.20 34o0
    | glyzerin
    | (192 w 5) l 28.7° | 37-5° | / 1 64.5°
    Piezoelektrisches Material und Oberflächengeschwindigkeit der akustischen Welle i Flüssigkeit und Schallgeschwindigkeit (20 OC) Die obige Tabelle zeigt: ist ein kleiner Wert für e gewünscht, ist eine Kombination aus einer Flüssigkeit mit niedriger Schallgeschwindigkeit und aus einem piezoe1ektrischen Material mit hoher Oberflächenwellengesöhwindigkeit zu bevorzugen.
  • Fig. 3 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallwellenwandlers. Gemäß Fig. 3 sind mehrere fingerartig ineinandergreifende Elektrodenanordnungen 4a, 4b, 4c auf dem piezoelektrischen Substrat 3 angeordnet. Diese ineinandergreifenden Elektroden bilden eine Elektrodengruppe 10. Es ist in Fig. 3 angenommen, daß die Periode d zwischen den einzelnen Fingern einer jeden der ineinandergreifenden Elektroden konstant oder gleichförmig ist und daß die ineinandergreifenden Elektroden in der Längsrichtung der Elektrodenfinger positioniert sind. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist in Fig. 3 die Flüssigkeit weggelassen, obwohl die ineinandergreifenden Elektroden in Wirklichkeit die Flüssigkeit berühren.
  • Da die Periode d der Finger in Fig. 3 konstant ist, zeigen die Ultraschallwellenbündel in x-Richtung keine Konvergenz oder Fokussierung, sondern man erhält eine Vielzahl paralleler Bündel. Andererseits wirken die mehreren ineinandergreifenden Elektroden in y-Richtung wie ein Beugungsgitter. Wenn ein elektrisches Signal mit einer vorbestimmten Phasendifferenz an eine ineinandergreifende Elektrode angelegt wird, erzeugt diese demgemäß ein Schallwellenbündel mit definierter Phase. Somit werden insgesamt die einzelnen Schallbündel, jedes mit seiner eigenen Phase, aufsummiert, und die Bündel konvergieren in der zur x-Achse parallelen Linie F.
  • Wenn die y-Richtung-Position der n-ten der ineinandergreifenden Elektroden yn ist, ferner die an die Elektrode angelegte elektrische Frequenz f gleich 2 E 0 und die Phase des an die Elektrode angelegten elektrischen Signals a (Yn) dann weist das Schallwellenbündel die Phase Xn(y,x) auf, wenn dieses Bündel an der Linie F ankommt, deren Koordinaten (y, x) sind. Diese Phase Xn (y,x) erhält man durch die nachfolgende Formel, in der VW die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit und t eine Zeit ist.
  • Wenn der untenstehenden Formel Genüge getan ist, haben die Schallwellenbündel von allen ineinandergreifenden Elektroden die gleiche Phase, und sie konvergieren auf einer einzigen Linie F.
  • Dabei ist m eine ganze Zahl, und yn = ne ist erfüllt, wenn die Länge zwischen den einzelnen ineinandergreifenden Elektroden e ist.
  • Wenn elektrische Sianale mit die obige Gleichung erfüllenden Phasen an die ineinandergreifenden Elektroden in Fig. 3 angelegt werden, erhält man demgemäß ein Schallwellenbndel, das in einer einzigen Linie konvergiert. In Fig. 3 ist die Phase der ineinandergreifenden Elektrode 4a gleich u 0(Y1) die der Elektrode 4b gleich J 0(Y2) und die Phase der Elektrode 4n gleich a (Yn).
  • Ein elektrisches Signal mit einer gewünschten Phase kann man erhalten, indem man eine herkömmliche Oberflächenwellenverzögerungsleitung mit Abgriffen oder herkömmliche LC-Schaltungen verwendet.
  • Es wurde ein Experiment ausgeführt, bei dem als piezoelektrisches Substrat 91A (von der TDK Electronics Co. hergestellt) und zehn ineinandergreifende Elektroden mit einer Fingerperiode von 428 ßm verwendet wurden. Wird ein elektrisches Signal der Frequenz 5,0 MHz mit die obige Gleichung erfUllenden Phasendifferenzen an die ineinandergreifenden Elektroden angelegt, erhält man ein Schallwellenbündel, das in einer einzigen Linie konvergiert, die in einer zur Oberfläche der ineinandergreifenden Elektroden parallel verlaufenden Ebene liegt. Der Abstand zwischen dieser Ebene und der Oberfläche der ineinandergreifenden Elektroden ist 20 cm.
  • Fig. 4 zeigt einen anderen Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallwellenwandlers, bei dem mehrere Elektrodengruppen 10a und 10b auf einem einzigen piezoelektrischen Substrat 3 angeordnet sind. Die Elektrodengruppe 10a besitzt mehrere ineinandergreifende Elektroden 4a, 4b, .... 4n, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, und die andere Elektrodengruppe 1Ob weist eine Vielzahl ineinandergreifender Elektroden 4a', 4b', ... 4n' auf. Es sei angenommen, daß die Periode d der Finger der ineinandergreifenden Elektroden der Gruppe 10a von derjenigen der Gruppe 10b verschieden ist. Da die Brennweite des Ultraschallwellenbündels von der Periode der Finger der ineinandergreifenden Elektrode und von der Frequenz des an die Elektrode angelegten elektrischen Signals abhängt, kann der Ultraschallwandler nach Fig. 4 ein Ultraschallwellenbündel erzeugen, dessen Brennweite durch Umschalten eines elektrischen Signals einstellbar ist. Natürlich können auf einem einzigen Substrat mehr als drei Elektrodengruppen angeordnet werden, um mehr als drei Arten von Schallwellen zu erzeugen.
  • Es wird nun anhand von Fig. 5 die Wirkung der Periode der ineinandergreifenden Elektrode erläutert. Wie zuvor erwähnt, ist die Beziehung zwischen der Wellenlänge Af der Schallwelle der Frequenz f in der Flüssigkeit und der Richtung e des stärksten Schallbündels in der folgenden Formel dargestellt, die mit den experimentellen Ergebnissen des Erfinders übereinstimmt.
  • sin # = Vw/(f.d) = #f/d (3) .
  • Dabei ist d die periodische Länge der Elektrode. Die Bedingung, daß der an allen Punkten der Elektrode erzeugte Schall im Punkt P fokussiert ist, d. h., die Bedingung, daß der in allen Punkten erzeugte Schall den Punkt P durchläuft und in Punkt P in Phase ist, ist in der folgenden Formel (4) gezeigt.
  • rn = Rn - L2 = klni R fL + k2n2 Äf2 (4) Dabei sind: r der Abstand zwischen der n-ten Elektrode n und dem Punkt Q, Rn der Abstand zwischen der n-ten Elektrode und dem Punkt P und k1 und k2 Konstanten. Die Werte für (k1, k2) sind (1, 1/4) für die in Fig. 2A gezeigte Zweiphasenelektrode und (2/3, 1/9) für die in Fig. 2B gezeigte Dreiphasenelektrode. Die gewünschte Periode der Elektrode kann man erhalten, indem man die Formeln (3) und (4) unter Verwendung eines Computers berechnet.
  • Aus der obigen Erläuterung geht auch hervor, daß die Eigenschaften der Konvergenz der Schallwelle von der Frequenz der Schallwelle abhängen. Die Fig. 6 und 7 zeigen die experimentellen Ergebnisse der Fokussiereigenschaften eines Wandlers, der für einen Betrieb bei 2,5 MHz ausgelegt ist und bei dem piezoelektrische Keramik des Typs 91-A und Wasser kombiniert sind. In Fig. 6 zeigt die horizontale Achse den Abstand von der Schallquelle, und die vertikale Achse zeigt die Breite des Strahls. Die Kurven in Fig. 6 zeigen die Form des Schallwellenbündeis mit der Frequenz als Parameter, und diese Kurven erhält man durch Messen der ichtbündelung des Schallbündels bei den verschiedenen Frequenzen. Die Form des Schallbündels erhält man aus der Richtbündelung. Die Brennweite bei jeder Frequenz kann man aus den Kurven in Fig. 6 berechnen, und das Ergebnis ist in Fig. 7 gezeigt.
  • Ferner zeigt das Experiment, daß der vorliegende Wandler der Analogbeziehung genügt, d. h., der Wandler mit einem halb so großen Elektrodenmuster zeigt eine Brennweite von 16 cm bei einer Mittenfrequenz von 5 MHz und einer Bündelbreite von 3,8 mm. Ferner ändert sich die Brennweite für jede Frequenz gleichermaßen.
  • Gemäß der obigen Erläuterung kann eine nicht gleichförmige Periode der Finger der ineinandergreifenden Elektroden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials in der Flüssigkeit ein konvergentes Ultraschallwellenbündel erzeugen, indem eine Wechselspannung an die Elektrode angelegt wird.
  • Fig. 8 zeigt einen weiteren Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschallwellenwandlers, bei dem Schallwellenbündel in einem einzigen Punkt F' konvergieren. Nach Fig. 8 ist eine Vielzahl ineinandergreifender Elektroden 4a, 4b, 4c, ...
  • auf dem piezoelektrischen Substrat 3 angeordnet. Die ineinandergreifenden Elektroden bilden eine Elektrodengruppe 10.
  • Die Periode zwischen den einzelnen Fingern in jeder der ineinandergreifenen Elektroden genügt der zuvor erwähnten Formel (4),und jede der ineinandergreifenden Elektroden ist in Längsrichtung der Elektrodenfinger positioniert. Zur Vereinfachung der Zeichnung ist in Fig. 3 die Flüssigkeit weggelassen, obwohl die ineinandergreifenden Elektroden in Wirklichkeit eine Flüssigkeit berühren.
  • Da die Periode der Finger in Fig. 8 die im Zusammenhang mit Fig. 5 erläuterte Formel (4) erfüllt, konvergieren die Ultraschallwellenbündel in der x-Richtung, und man erhält eine Vielzahl konvergierender Bündel, deren Anzahl der Zahl n der ineinandergreifenden Elektroden entspricht. Gleichzeitig konvergieren die Bündel in der y-Richtung, wenn man elektrische Signale anlegt, deren Phasendifferenzen durch die im Zusammenhang mit Fig. 3 erläuterte Formel (2) definiert sind. Demgemäß konvergieren die Bündel sowohl in der x- als auch in der y-Richtung, und folglich konvergieren sie in einem einzigen Punkt F'.
  • Man beachte, daß eine Anordnung gemäß Fig. 4 möglich ist, bei der eine Gruppe ineinandergreifender Elektroden mit der in Fig. 8 erläuterten nicht-gleichförmigen Periode verwendet wird. In diesem Fall können die Eigenschaften der in einen einzigen Punkt fokussierten Bündel durch Steuern der Phasendifferenz des an die ineinandergreifenden Elektroden angelegten elektrischen Signals und durch Umschalten der Gruppen der ineinandergreifenden Elektroden geändert werden.
  • Wenn die Oberfläche einer ineinandergreifenden Elektrode mit einer Schutzschicht, beispielsweise aus Silikongummi, bedeckt ist, ist die Elektrode gegen chemische Angriffe geschützt.
  • Die Fig. 9A und 9B zeigen eine andere Anordnung einer erfindungsgemäßen ineinandergreifenden Elektrodenvorrichtung.
  • Fig. 9A zeigt eine zweiphasige ineinandergreifende Elektrode und Pig. 9B zeigt eine dreiphasige ineinandergreifende Elektrode. Es sei angenommen, daß die Periode der Finger der ineinandergreifenden Elektroden in beiden Fig. 9A und 9B konstant ist, so daß man ein paralleles Bündel erhält, das nicht konvergiert.
  • Die ineinandergreifenden Elektroden in Fig.9A umfassen eine gemeinsame Elektrode 9-n und andere Elektroden 9-1 bis 9-6. Jede der Elektroden 9-1 bis 9-6 verbindet eine vorbestimmte Anzahl Finger, wie rs in Fig. 9A gezeigt ist (in der Ausführungsform sind drei Finger miteinander verbunden, es sei jedoch bemerkt, daß ein einziger Finger eine Elektrode bilden kann). Die in Fig. 9B gezeigte dreiphasige ineinandergreifende Elektrode weist eine Vielzahl von Fingergruppen (a, bi, ci) auf, und zu einem Zeitpunkt erhält lediglich eine einzige Fingergruppe (ai, bi, ci) das elektrisce Dreiphasensignal.
  • Fig. loA zeigt die Signalform des elektrischen Signals, das an die in Fig. 9A gezeigte ineinandergreifende Elektrode angelegt ist, und Fig. 10B zeigt die Signalform desjenigen elektrischen Signals, das an die in Fig. 9B gezeigte ineinandergreifende Elektrode angelegt wird.
  • In Fig. iOA wird zunächst ein elektrischer Impuls (a) an die gemeinsame Elektrode 9-n und die erste Elektrode 9-1 angelegt, und dann wird der nächste elektrische Impuls (b) zwischen der gemeinsamen Elektrode 9-n und der zweiten Elektrode 9-2 angelegt. Gleichermaßen wird der elektrische Impuls an einer ineinandergreifenden Elektrode 9-1 bis 9-6 von der Elektrode 9-1 über 9-2, 9-3, 9-4 und 9-5 zur Elektrode 9-5 verschoben. Demgemäß verschieben sich die von den ineinandergreifenden Elektroden erzeugten Schallwellenbündel ebenfalls in x-Richtung. Die sich verschiebenden Schallwellenbündel können zur Ultraschallabtastung der Oberfläche eines Objektes benutzt werden, obwohl sie nicht fokussiert sind.
  • Dagegen werden in Fig. 10B elektrische Dreiphasensignale an die Fingergruppe (ai, bii ci) angelegt, und das elektrische Signal verschiebt sich von der ersten Fingergruppe (aj, b1, c) zu (a2, b2, c2) und dann zu (a3, b3, c3), (a4, b4, c4)... (an, bn, cn).
  • Wie Fig. loB zeigt, erhalten zu einem Zeitpunkt nur drei Finger das elektrische Signal, wie es in Fig. 10B durch den schraffierten Teil dargestellt ist.
  • Die Anordnung gemäß Fig. 9B und 10B kann auch ein sich verschiebendes Ultraschallwellenbündel erzeugen, das die Oberfläche eines Objektes abtasten kann. Die Anordnung nach Fig. 9A erzeugt ein Paar Schallwellenbündel, wenn ein Zweiphasensignal angelegt wird, und die Anordnung nach Fig. 9B erzeugt ein einziges Schallwellenbündel, wenn ein dreiphasiges elektrisches Signal angelegt wird.
  • Fig. 11 zeigt das experimentelle Ergebnis der ineinandergreifenden Elektroden in den Fig. 9A und 9B, und sie zeigt die Beziehung zwischen der an die Elektroden angelegten elektrischen Frequenz und der Richtung e des Strahlbündels.
  • Wie Fig. ii zeigt, kann die Richtung des Strahlbündels durch Steuern der an die Elektroden angelegten Frequenz gesteuert werden, und die Wirkung der Formel (3) ist bewiesen.
  • Das sich verschiebende elektrische Signal für die Anordnungen nach den Fig. 9A und 9B kann man durch eine Verzögerungsleitung erzeugen. die eine Vielzahl Abgriffe aufweist, wobei jeder Abgriff mit einem Elektrodenfinger ai verbunden ist.
  • Wie aus der vorausgehenden Erläuterung hervorgeht, kann erfindungsgemäß die ineinandergreifende Elektrode auf der Oberfläche des piezoelektrischen Materials in der Flüssigkeit ein konvergierendes Ultraschallwellenbündel erzeugen, indem eine Wechselspannung an die Elektrode angelegt wird. Das Anwendungsfeld der vorliegenden Frfindung ist nicht auf Fotografie oder die Betrachtung der inneren Struktur eines Materials beschränkt, sondern die Erfindung ist auch auf andere Bereiche anwendbar, die ein konvergierendes Schallbündel benötigen; beispielsweise kann man Flüssigkeit zerstäuben, indem man das Schallbündel auf den Grenzbereich von Flüssigkeit und Wasser fokussiert.
  • L e e r s e i t e

Claims (10)

  1. Patentansprüche Ultraschallwellenwandler mit einem piezoelektrischen Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Gruppe fingerartig ineinandergreifender Elektroden auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrates angeordnet ist, daß jede Gruppe mehrere fingerartig ineinandergreifende Elektroden aufweist, die in Längsrichtung der Finger einer jeden fingerartig ineinandergreifenden Elektrode angeordnet sind, und daß an den Elektroden eine Wechselspannung mit vorbestimmter Phasendifferenz liegt.
  2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode zwischen den Fingern einer jeden der ineinandergreifenden Elektroden konstant ist.
  3. 3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode zwischen den Fingern der ineinandergreifenden Elektroden der Beziehung rn2 = k1n#fL + k2n2#f2 genügt, wobei rn die horizontale Länge zwischen dem n-ten Finger der Elektrode und dem Brennpunkt ist, die Wellenlänge der Schallwelle in einer Flüssigkeit, L die vertikale Länge zwischen der Elektrode und dem Brennpunkt, und wobei k1 und k2 Konstanten sind.
  4. 4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fingerartig ineinandergreifende Elektrode eine Dreiphasenelektrode ist und daß die Wechselspannung eine Dreiphasenspannung ist.
  5. 5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die fingerartig ineinandergreifende Elektrode eine Zweiphasenelektrode ist und daß die Wechselspannung eine Einphasenspannung ist.
  6. 6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode zwischen den Fingern und die Frequenz des an die erste Gruppe ineinandergreifender Elektroden angelegten elektrischen Signals von jenen der zweiten Gruppe ineinandergreifender Elektroden verschieden sind.
  7. 7. Verfahren zur Erzeugung eines konvergierenden Ultraschallwellenbündels, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrisches Substrat mit wenigstens einer Gruppe fingerartig ineinandergreifender Elektroden auf der Substratoberfläche derart in eine Flüssigkeit gesetzt wird, daß wenigstens diese ineinandergreifenden Elektroden mit der Flüssigkeit in Berührung sind, wobei jede der Gruppen eine Vielzahl fingerartig ineinandergreifender Elektroden aufweist, die in Richtung der Finger einer jeden der ineinandergreifenden Elektroden angeordnet sind, und daß an jede Elektrode eine Wechselspannung einer vorbestimmten Frequenz mit der Phasendifferenz angelegt wird, wobei m eine ganze Zahl ist, #0 eine Winkelfrequenz des elektrischen Signals, Vw die Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit, Yn die Länge zwischen der n-ten der ineinandergreifenden Elektroden und dem Ursprungspunkt, ## (yn) die Phase des an die n-te ineinandergreifende Elektrode angelegten elektrischen Signals, und wobei (y, x) Koordinaten sind.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode zwischen den Fingern der ineinandergreifenden Elektroden konstant gemacht wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode zwischen den Fingern der ineinandergreifenden Elektroden der Beziehung rn2 = k1n#fL + k2n2#f2 genügend ausgebildet wird, wobei rn die horizontale Länge zwischen dem n-ten Finger der Elektrode und dem Brennpunkt ist, f die Wellenlänge der Schallwelle in einer Flüssigkeit, L die vertikale Länge zwischen der Elektrode und dem Brennpunkt, und wobei k1 und k2 Konstaaten sind.
  10. 10. Ultraschallwellenwandler bzw. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit aus der Gruppe Wasser, Äther, Aceton und Glyzerin ausgewählt ist bzw. wird.
DE19782850251 1977-11-21 1978-11-20 Ultraschallwellenwandler und Verfahren zur Erzeugung eines konvergierenden Ultraschallwellenbündels Expired DE2850251C2 (de)

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