DE2933315C2

DE2933315C2 - Ultraschall-Umformer

Info

Publication number: DE2933315C2
Application number: DE2933315A
Authority: DE
Inventors: Kohji Yokosuka Kanagawa Toda
Original assignee: Tdk Electronics Co Ltd Tokyo; TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1978-08-21
Filing date: 1979-08-17
Publication date: 1982-04-08
Also published as: US4296348A; JPS5527944A; JPS5822915B2; DE2933315A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Umformer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Ultraschall-Umformer geht aus der DE-OS 27 42 492 mit älterem Zeitrang hervor und ist besonders für Ullraschallabbildungen durch optisch opake Medien hindurch, z. B. für medizinische Diagnosen. Mikroskope, zerstörungsfreie Untersuchungen, Untersuchungen von Unterwasserbedingungen, Erdbebenuntersuchungen und dergleichen, geeignet.

Bei diesem früheren Vorschlag werden die Ultraschallwellen von derjenigen Seite des Substrats abgestrahlt, auf der die verzahnte Elektrodenanordnung aufgebracht ist. Demzufolge wird die mit der verzahnten Elektrodenanordnung versehene Substratseite mit dem Medium in Berührung gebracht, in das die Ultraschallwellen abgestrahlt werden sollen. Dies führt zu einem frühzeitigen Verschleiß der Elektrodenanordnung, insbesondere bei feuchten oder flüssigen Medien.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Umformer der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem ein vorzeitiger Verschleiß der Elekirodenanordnung durch das Medium, in das die Ultraschallwellen abgestrahlt werden sollen, auf einfache Weise vermieden ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Im Gegensatz zu dem gattungsgemäßen Umformer, bei dem die Substrat-Dicke wesentlich größer ist, so daß eine Rayleigh-Welle von der mit der verzahnten Elektrodenanordnung versehenen Substratseite abgestrahlt wird, ergibt sich erfindungsgemäß eine Lamb-WeIIe auf der anderen Seite des Substrats, aufgrund der geringeren Substrat-Dicke in Verbindung mit der verzahnten Elektrodenanordnung,

Diese Strahlungsrichtung hat den Vorteil, daß die die verzahnte Elektrodenanordnung aufweisende Seite des Umformers nicht mit dem Medium in Berührung gebracht zu werden braucht, in das die Ultraschallwelle abgestrahlt werden soll. Die verzahnte Elektrodenan-

Ordnung braucht daher insbesondere nicht vor feuchten oder flüssigen Medien geschützt zu werden, was den Aufbau vereinfacht

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

F i g. 1 schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschall-Umformer, Fi g. 2 eine Draufsicht auf verzahnte Elektroden,

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

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

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 besteht aus zwei kammartigen Elektroden mit Anschlüssen a und b, deren Zinken oder Zähne verzahnt sind bzw. ineinandergreifen, wie es in F i g. 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 = V_WIV_L (1)

Darin ist θ die Strahlungsrichtung der Schallwelle, Vw die Geschwindigkeit der Schallwelle im flüssigen Medium und Vl 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 ist, so daß eine wirksame Abstrahlung der Schallwelle in das flüssige Medium

- dadurch bewirkt v/erden 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 Empfind'ichkeit ebenfalls maximal, wenn die Schallwelle aus einer Richtung eintrifft, die Gleichung (1) erfüllt. Wenn die Periode der verzahnten Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet wird, gleiche Intervalle aufweist, wird die von jedem Abschnitt der verzahnten Elektrode abgestrahlte Schallwelle in Form eines Schallwellenstrahls parallel zu einer Richtung abgestrahlt, die die nachstehende mit Gleichung (1) in Beziehung stehende Gleichung (2) erfüllt:

= sin"

(2)

Darin ist /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 Wechsehpannungen 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 -Θ, während beim Anlegen dreiphasiger Spannungen Tiur eine Welle abgestrahlt wird, und zwar in Richtung + θ oder — Θ.

Selbst wenn jedoch dreiphasige Wechselspannungen angelegt werden, ist erfindungsgemäß die verzahnte Elektrodenform, wh 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 Kreuzungsteils aus Elektrodenleilungen benötigen, um einen Kurzschluß zu verhindern). Der erfindungsgemäße Elektrodenaufbau ist daher wesentlich einfacher.

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

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

2(1

30

35

sin θ

(3)

Darin ist c/der Abstand zwischen den Elektroden. Um gemäß Fig. 3 die von verschiedenen Elektroden -to 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:

(4)

η = 0, ±1,±2, · · ■ ,±N

50

Darin sind Xf die Wellenlänge einer Schallwelle mit der Frequenz /in der Flüssigkeit, R₀ der Abstand der nullten Elektrode vom Strahlfokussierungspunkt und X_n 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 _b0 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 LiNbO₃, Quartz, Bh₂GeO₂₀, PZT-Keramik (z. B. der von _b5 der TDK Electronics Co, Ltd, hergestellten piezoelektrischen Keramik 91 A) oder dergleichen hergestellt sein.

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 !,4 mm, einer Elektrodenüberlappungslänge von 10 mm und einer Elektrodenzahnbreite von 350 pm, 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, bund cverbunden wurden, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist Den beiden Elektrodenanschlüssen a und oder verzahnten Elektroden wurden elektrische Signale aus hochfrequenten Impulsen zugeführt. Bei einer Änderung der Trägerfrequenz der elektrischen Signale änderte sich die Richtung (0) 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 zeigt: 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 — Θ. Obwohl es günstig ist, die Schallwellen beider Richtungen zu benutzen, ist es auch möglich, die eine, je nach Anwendungsfall, durch eine Schallabsorbierungseinrichtung zu unterdrücken.

Beispiel 2

Es wurde eine Vorrichtung mit einer piezoelektrischen Keramik, die die gleichen Eigenschaften wie die nach Beispie! 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 F i g. 5 stellt die Ergebnisse dieser Untersuchungen dar, wobei die Strahlbreiten für gegenüber dem Mittelwert um 3 dB niedrigere Energiewerte gelten. Wie die Darstellung zeigt, betrug die Strahlbrcite im fokussicrten Tei' 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.

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

Wie vorstehend ausführlich dargelegt wurde, lassen sich durch Anlegen von Wechselspannungen an verzahnte Elektroden auf einem dünnen piezoelektri-

sehen 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Umformer mit einem piezoelektrischen Substrat und einer verzahnten Elektrodenanordnung auf der einen Seite des Substrats, so daß beim Anlegen einer Wechselspannung an die Elektrodenanordnung Ultraschallwellen in das Medium, das mit dem Substrat in Berührung gehalten wird, fokussiert abgestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Substrats (1) wesentlich kleiner als die Wellenlänge (A) einer Ultraschallwelle in dem Substrat (1) ist, so daß die wirksame Abstrahlung der Ultraschallweilen von der der verzahnten Elektrodenanordnung gegenüberliegenden, mit dem Medium in Berührung gehaltenen Substratseite dadurch erfolgt, daß die Seite mit der verzahnten Elektrodenanordnung nicht mit dem Medium in Berührung steht

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.