DE2933315A1

DE2933315A1 - Ultraschall-umformer

Info

Publication number: DE2933315A1
Application number: DE19792933315
Authority: DE
Inventors: Kohji Toda
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1978-08-21
Filing date: 1979-08-17
Publication date: 1980-04-03
Also published as: JPS5527944A; JPS5822915B2; DE2933315C2; US4296348A

Description

Ultraschall-Umformer

Die Erfindung bezidit sich auf einen Ultraschall-Umformer, der in Ultraschall-Vorrichtungen, insbesondere zur Erzeugung von Ultraschallwellen in einem flüssigen Medium, verwendet werden kann.

Wenn ein Medium zwar optisch opak, akustisch jedoch durchlässig ist, ist eine Untersuchung mittels akustischer Abbildung durch das Medium hindurch möglich, wie bei einer Röntgenstrahl-Untersuchung. Ultraschallabbildungen durch optisch opake Medien hindurch sind für medizinische Diagnosen, Mikroskope, zerstörungsfreie Untersuchungen, Untersuchungen von Unterwasserbedingungen, Erdbebenuntersuchungen u. dgl. geeignet.

Bei Ultraschall-Umformern gibt es die verschiedensten Umformereinrichtungen, wie akustische Phasenplatten, Ringanordnungen, akustische Linsen, Licht-Schall-Umformer u. dgl. Hierbei ist jedoch die Bbhassierung der Schallwellen für eine Ultraschallabbildung noch unzureichend,so daß sie einer Verbesserung bedarf.

Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung mit einer verzahnten Elektrodenanordnung vorgeschlagen, die auf der

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Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats angeordnet ist, so daß Ultraschallstrahlen von der verzahnten Elektrodenanordnung durch Anliegen einer Wechselspannung an die Elektrodenanordnung, während die Elektrodenanordnung mit einer Flüssigkeit in Berührung gehalten wird, abgestrahlt werden. Hierbei ist die Dicke des piezoelektrischen Substrats zur Erregung einer Oberflächenwelle (Rayleigh-Welle) ausreichend.

Oa die verzahnte Elektrode Jedoch schwingt, während sie mit der Flüssigkeit in Berührung steht, ist ein mechanischer und chemischer Schutz für die Elektrode erforderlich.

Um auch diesen Nachteil zu beseitigen, zeichnet sich die Erfindung aus durch die Verwendung eines piezoelektrischen Substrats, dessen Dike gleich oder kleiner als die Wellenlänge einer Schallwelle in dem piezoelektrischen Substrat ist, so daß eine Lamb-Welle und keine Rayleigh-Welle erzeugt wird.

Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschall-Umformer,

Fig. 2 eine Draufsicht auf verzahnte Elektroden,

Fig. 3 ein Diagramm zu Erläuterung der Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Umformers und

Fig. 4 und 5 grafische Darstellungen von Meßergebnissen bei Ausfuhrungsbeispielen.

Der in Fig. 1 dargestellte Ultraschall-Umformer besitzt ein piezoelektrisches Substrat 1, dessen Dicke gleich oder kleiner als die Wellenlänge Λ einer Schallwelle in dem Substrat ist. Eine "interdigitale" oder verzahnte Elektrodenanordnung 2 be-

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steht aus zwei kammartigen Elektroden mit Anschlüssen a und b, deren Zinken oder Zähne verzahnt sind bzw. ineinandergreifen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Eine ebene Elektrode 3 mit einem Anschluß c ist an der Rückseite des Substrats 1 angeordnet und steht mit einem flüssigen Medium 4 in Berührung. Wenn an die Anschlüsse a, b und c dreiphasige Wechselspannungen angelegt werden, wird eine Schallwelle, d.h. eine Longitutinalwelle gemäß Gleichung (1) von der dem flüssigen Medium zugekehrten Seite des piezoelektrischen Substrats in das flüssige Medium abgestrahlt.

sin θ m v_w / V_L (1)

Darin ist θ die Strahlungsrichtung der Schallwelle, V^ die Geschwindigkeit der Schallwelle im flüssigen Medium und V^ die Geschwindigkeit einer sich in dem piezoelektrischen Substrat ausbreitenden Lamb-Welle.

Die Lamb-Welle unterscheidet sich von der Rayleigh-Welle darin, daß bei der Lamb-Welle Verschiebungen an den gegenüberliegenden Oberflächen eines Mediums auftreten, durch das die Welle wandert, und im Falle einer symmetrischen Schwingungsart (Mode) sind die Charakteristiken dieser Verschiebungen die gleichen. Betrachtet man daher diese Charakteristiken, dann zeigt sich, daß der Zustand der Verschiebung auf der mit den verzahnten Elektroden versehenen Substratoberfläche der gleiche wie der auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats Jet, so daß eine wirksame Abstrahlung der Schallwelle in das flüssige Medium dadurch bewirkt werden kann, daß man die mit den verzahnten Elektroden versehene Substratoberfläche vom flüssigen Medium abgekehrt, dagegen die gegenüberliegende Oberfläche (d.h. die mit der ebenen Elektrode versehene Oberfläche) mit dem flüssigen Medium in Berührung stehend anordnet. Darüber hinaus kann eine von einem Umformer dieser Art empfangene Schallwelle wirksam in elektrische Signale umgeformt werden,und in diesem Falle wird die Empfindlichkeit ebenfalls maximal, wenn die Schallwelle aus einer Richtung eintrifft, die Gleichung (1) erfüllt.

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Wenn die Periode der verzahnten Elektrode, die auf des piezoelektrischen Substrat angeordnet wird, gleiche Intervalle aufweist, irfrd die von jedem Abschnitt der verzahnten Elektrode abgestrahlte Schallwelle in Form eines Schallwellenstrahle parallel zu einer Richtung abgestrahlt, die die nachstehende, ait Gleichung (1) in Beziehung stehende Gleichung (2) erfüllt:

V
θ - sin'¹ 2L· (2)

f · d

Darin ist f die Trägerfrequenz elektrischer Signale, die dem Umformer zugeführt werden, und d die Elektrodenperiode der verzahnten Elektrode.

Wenn bei dem erwähnten Aufbau des Umformers die ebene Elektrode weggelassen wird und einphasige Wechselspannungen an die verzahnten Elektroden angelegt werden, wirkt der Umformer weiterhin in ähnlicher Weise. Wenn die angelegten Spannungen einphasig sind, werden zwei Schallstrahlen abgestrahlt, und zwar der eine in Richtung + θ und der andere in Richtung - ©, während beim Anlegen dreiphasiger Spannungen nur eine Welle abgestrahlt wird, und zwar in Richtung + θ oder - Θ.

Selbst wenn jedoch dreiphasige Wechselspannungen angelegt werden, ist erfindungsgemäß die verzahnte Elektrodenform, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ausreichend, so daß keine Dreiphasen-Elektroden auf der einen Seite des piezoelektrischen Substrats angeordnet zu werden brauchen, wie es bei bekannten Umformern der Fall ist (die zusätzlich eine spezielle Konstruktion eines Kreuzungstelle aus Elektrodenleitungen benötigen, um einen Kurzschlue zu verhindern). Der erfindungsgemäBe Elektrodenaufbau ist daher wesentlich einfacher.

Obwohl in der Zeichnung eine lineare Konstruktion der verzahnten Elektroden dargestellt ist, läßt sich eine ähnliche Wirkung auch mittels verzahnter Elektroden in gebogener Form erzielen.

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Anhand von Fig. 3 wird nachstehend die Bestimmung des Elektrodenabstands beschrieben. Der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge X^ einer Schallwelle mit der Frequenz f in einer Flüssigkeit und der Richtung der maximalen Ausgangsstrahlung (Winkel Θ) wird durch nachstehende Gleichung beschrieben, die mit Meßergebnissen gut Übereinstimmt.

sin θ =X_f / 2 d (3)

Darin ist d der Abstand zwischen den Elektroden. Um gemäß Fig. 3 die von verschiedenen Elektroden abgestrahlten Schallwellen in einem Punkt P zu fokussieren (d.h. zu Erreichen, daß die von verschiedenen Punkten abgestrahlten Schallwellen den Punkt P durchlaufen und miteinander in Phase sind), muß nachstehende Bedingung erfüllt sein:

X_n - (R_o ²sin² θ_{0 +} η λ _f R_{0 +} J η² λ f) ₍₄₎ η - 0, +1, +2, ···, _± N

Darin sind >f die Wellenlänge einer Schallwelle mit der Frequenz f in der Flüssigkeit, R₀ der Abstand der nullten Elektrode vom StrahlfokussLerungspunkt und X der Horizontalabstand vom Nullpunkt (0) bis zu einer bestimmten Elektrode.

Als Elektrodenmaterial ist eine Zusammensetzung aus Chrom (Cr) und Gold (Au) wegen seiner ausreichend hohen mechanischen Festigkeit besonders geeignet. Die Elektroden werden in an sich bekannter Weise auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats aufgebracht, z.B. durch Aufdampfen und Aufsprühen. Das piezoelektrische Substrat kann aus LiNbO^, Quartz, Bi₁₂Ge(X)O PZT-Keramik (z.B. der von der TDK Electronics Co., Ltd., hergestellten piezoelektrischen Keramik 91 A) oder dergleichen hergestellt sein.

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ORIGINAL INSPECTED

- 8 -Beispiel 1

Ein Ultraschall-Umformer wurde in der Weise hergestellt, daß auf der einen Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats aus einer piezoelektrischen Keramik 91A der TDK verzahnte Elektroden mit gleichen Abständen (mit einer Elektrodenperiode von 1,4 mm, einer Elektrodenüberlappungsbreite von 10 mm und einer Elektrodenzahnbreite von 350 um, die gleich dem Elektrodenabstand ist) angebracht wurden, eine ebene Elektrode auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats durch Aufsprühen von Cr-Au ausgebildet wurde und die Elektroden mit Anschlüssen a, b und c verbunden wurden, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Den beiden ElektrodenanschlUssen a und b der verzahnten Elektroden wurden elektrische Signale aus hochfrequenten Impulsen zugeführt. Bei einer Änderung der Trägerfrequenz der elektrischen Signale änderte sich die Richtung (Θ) der akustischen Strahlen, die von der mit einer Flüssigkeit in Berührung stehenden Rückseite abgestrahlt wurden, mit der Trägerfrequenz, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. In diesem Falle stand die Polarisierungsachse senkrecht zu derjenigen Ebene der piezoelektrischen Keramik, auf der die verzahnten Elektroden aufgebracht waren, und die piezoelektrische Keramik hatte eine Länge von 70 mm, eine Breite von 20 mm und eine Dicke von 0,15 mm. Ferner zeigte sich ein ähnliches Verhalten, als eine Kombination einer der beiden Anschlüsse der verzahnten Elektroden mit der ebenen Elektrode (als geerdete Elektrode) auf der gegenüberliegenden Oberfläche,und auch dann, als nur die verzahnten Elektroden, ohne Ausbildung einer ebenen Elektrode, benutzt wurden. Im zuletzt genannten Falle wurden in zwei Richtungen Schallwellen abgestrahlt, d.h. in Richtung + θ und in Richtung - 9. Obwohl es günstig ist, die Schallwellen beider Richtungen zu benutzen, ist es auch möglich, die eine, je nach Anwendungsfall, durch eine Schal1-absorbierungseinrichtung zu unterdrücken.

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- 9 Beispiel 2

Es wurde eine Vorrichtung mit einer piezoelektrischen Keramik, die die gleichen Eigenschaften wie die nach Beispiel 1 hatte, hergestellt und so ausgelegt, daß sie Schallwellen mit einer Frequenz von 2,3 MHz an einer 30 cm vom Umformer entfernten Stelle fokussierte, und dann wurden Untersuchungen an der Vorrichtung durchgeführt. Die grafische Darstellung in Fig. 5 stellt die Ergebnisse dieser Untersuchungen dar, wobei die Strahlbreiten für gegenüber dem Mittenwert um 3dB niedrigere Energiewerte gelten. Wie die Darstellung zeigt, betrug die Strahlbreite im fokussierten Teil 7,5 mm, während der Abstand zum Strahlfokussierungspunkt nahe bei dem Auslegewert (Nennwert) lag. Hierbei war die mit der Flüssigkeit in Berührung stehende ebene Elektrode geerdet, während die dreiphasigen elektrischen Signale drei Gruppen von Elektrodenanschlüssen, zu denen zwei Anschlüsse für die verzahnten Elektroden gehörten, zugeführt wurden, wobei die Abstrahlung der akustischen Strahlen in nur einer Richtung bestätigt wurde.

Ähnlihe Strahlfokussierungseigenschaften von Schallwellen ergaben sich, als einphasige elektrische Signale zwei Anschlüssen der drei Elektrodenanschlüsse zugeführt wurden.

Wie vorstehend ausführlich dargelegt wurde, lassen sich durch Anlegen von Wechselspannungen an verzahnte Elektroden auf einem dünnen piezoelektrischen Substrat Ultraschallstrahlen mit ausgezeichneten Fokussierungseigenschaften in eine mit dem Substrat in Berührung stehende Flüssigkeit abstrahlen.

Die Erfindung ist nicht auf die Herstellung von Abbildungen beschränkt, sondern kann generell in allen Fällen angewandt werden, bei denen Schallwellenstrahlen fokussiert werden müssen, z.B. zum Zerstäuben einer Flüssigkeit durch Fokussierung von Schallwellenstrahlen an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und Luft.

Claims

Patentansprüche

1./Ultraschall-Umformer, gekennzeichnet durch ein piezoelek-

, . gleich der oder trisches Substrat (1), dessen Dicke/wesentlich geringer als die Wellenlänge (X) einer Ultraschallwelle in dem Substrat ist, und eine verzahnte Elektrodenanordnung (2) auf der einen Seite des Substrats, so daß beim Anlegen von Wechselspannungen an die Elektrodenanordnung, während die gegenüberliegende Seite des Substrats mit einem flüssigen Medium (4) in Berührung gehalten wird, Ultraschallwellen in das flüssige Medium abgestrahlt werden.

2. Ultraschall-Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Seite des Substrats (1) eine ebene Elektrode (3) angeordnet und Dreiphasen-Wechselspannungen an die verzahnte Elektrodenanordnung (2) und die ebene Elektrode (3) angelegt sind.

3. Ultraschall-Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz f der Wechselspannungen in Abhängigkeit von der Strahlungsrichtung der Ultraschallwellen bestimmt ist.

4. Ultraschall-Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einzelnen Elektrodenzähnen der verzahnten Elektrodenanordnung (2) die nachstehenden Bedingungen erfüllt

λ_ sä v"— Bin "^ + ΠΑ« fv_ +ü.n ν no ο χ ο τ

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wobei Λ - die Wellenlänge einer Schallwelle mit der Frequenz f in dem flüssigen Medium (4), R_Q der Abstand der nullten Elektrode von einem Strahlfokusierungspunkt und θ die Richtung eines Strahls von der nullten Elektrode ist.

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