DE3104860C2

DE3104860C2 - Elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE3104860C2
Application number: DE19813104860
Authority: DE
Inventors: Aisaku Nagai; Kenichi Iwaki Fukushima Nakamura; Hiroshi Obara
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1980-02-12
Filing date: 1981-02-11
Publication date: 1983-10-27
Also published as: GB2072459A; FR2475836A1; DE3104860A1

Abstract

Der elektroakustische Wandler des piezoelektrischen Typs, der insbesondere zur Verwendung im Ultraschallbereich geeignet ist, nutzt die piezoelektrischen Eigenschaften in der senkrechten Richtung des piezoelektrischen Polymerfilms. Der elektroakustische Wandler enthält einen piezoelektrischen Polymerfilm, der auf beiden Seiten mit Elektroden versehen ist, wobei eine der Elektroden gestützt oder überzogen ist mit einer porösen Materialschicht, z.B. aus einem Schaum oder aus einem Fasermaterial, wodurch die Oberfläche der anderen Elektrode als akustische Sendefläche und als akustische Empfangsfläche genutzt wird. Der Wandler bewirkt eine elektroakustische Umwandlung in dem Frequenzband innerhalb eines Bereichs, der von etwa dem 0,6-fachen bis zu etwa dem 1,4fachen der senkrechten Grundresonanzfrequenz des piezoelektrischen Polymerfilms reicht.

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektroakustische Wandler, die piezoelektrische Polymerfilme, wie beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid oder dgl. verwenden, können entsprechend der Schwankung der Piezoelektrizität grob in zwei Gruppen eingeteilt werden. Die eine Gruppe umfaßt elektroakustische Wandler, welche die Piezoelektrizität ausnutzen, die durch Kontraktion und Expansion von Polymerfilmen hervorgerufen tv'ird (siehe DE-AS 21 60 176). Die zweite Gruppe umfaßt elektroakustische Wandler, bei denen die Piezoelektrizität in der Materialdicke beim Expansionsbetrieb ausgenutzt wird (siehe DE-AS 22 53 833). Die erste Gruppe von elektroakustischen Wandlern wird vorzugsweise im tonfrequenten Bereich benutzt und die zweite Gruppe von Wandlern wird für Ultraschallanwendungen benutzt Seit kurzem ist den elektroakustischen Wandlern vom piezoelektrischen Typ vor allem Aufmerksamkeit geschenkt worden, und zwar z. B. bei der Anwendung als medizinische Sonden in Verbindung mit der Entwicklung der Ultraschall-Medizin.

Die elektroakustischen Wandler vom piezoelektrischen Typ werden in einem Frequenzbereich angewandt der üblicherweise um die Grundresonanzfrequenz /ö = v/2 fliegt (wobei ν die Schallgeschwindigkeit und f die Dicke des piezoelektrischen Elementes bedeuten), wobei im Dicken-Expansionsbetrieb des piezoelektrischen Elements mit Rücksicht auf den WirKungsgrad bei der elektroakustischen Umsetzung gearbeitet wird. Als piezoelektrische Elemente sind piezoelektrische Polymerelemente und piezoelektrische Keramikdemente verwendet worden. Die piezoelektrischen Polymerelemente sind den piezoelektrischen Keramikelementen hinsichtlich der Eigenschaften überlegen, und zwar mit Rücksicht darauf, daß die betreffenden piezoelektrischen Polymerelemente ein Breitbandverhalten aufgrund ihrer geringen Güte (Q-Fakior) aufweisen, daß sie hinsichtlich der Schallimpedanz gut an Körpergewebe angepaßt sind und daß sie flexibel sind und nicht zur Beschädigung neigen. Die piezoelektrischen Polymerelemente weisen jedoch den Nachteil auf, daß der Wirkungsgrad bei der elektroakustischen Umsetzung niedriger ist als jener der piezoelektrischen Keramikelemente, und zwar sogar dann, wenn die piezoelektrischen Polymerelemente innerhalb des Bereiches nahe der Grundresonanzfrequenz in der Dicke betrieben werden. Demgemäß sind Versuche zur kommerziellen Anwendung elektroakustischer Wandler vom piezoelektrischen Typ unter Verwendung der piezoelektrischen Polymerelemente noch nicht abgeschlossen worden.

Bei dem obenerwähnten bekannten elektroakustischen Wandler vom piezoelektrischen Typ (DE-AS 22 53 833) ist nun an einer Fläche des piezoelektrischen Filmes eine Unterlage oder ein Gegenhalterteil aus einem Material angeordnet, welches größere Elastizität und Masse als der betreffende Polymerfilm aufweist. Die Frequenz des verwendeten Ultraschallsignales liegt weit unterhalb der Grundresonanzfrequenz des betreffenden Polymerfilms bei dessen in Richtung der Dicke erfolgenden Expansionsbetriebs.

Es ist schließlich auch schon ein elektroakustischer Wandler bekannt (DE-OS 26 12 563), der eine mit einer piezoelektrischen Schicht versehene, in einem Wandlergehäuse angeordnete Membran aufweist, wobei ein vor dieser Membran liegender Bereich über ein Vorvolumen und zumindest im Wandlergehäuse vorgesehene öffnungen an die Außenluft angekoppelt sind und wobei ein hinter der Membran liegender Bereich mit einem das Wandlergehäuse luftdicht verschließenden Einsatz versehen ist. Zwischen der Membran und dem Einsatz ist ein elastische Eigenschaften aufweisender

Formkörper angeordnet, der an der Membran zumindest teilweise druckausübend anliegt Ein Teil des Formkörpers ist dabei in einem Aufnahmeraum des Einsatzes gehalten, und ein anderer Teil des Formkörpers bildet den an der Membran anliegenoen druckausübenden Bereich. Es hat sich gezeigt, daß dieser bekannte elektroakustische Wandler nur einen relativ geringen Wirkungsgrad hinsichtlich der elektroakustischen Umwandlung besitzt und im übrigen nicht ohne weiteres einsetzbar ist im Ultraschallgebiet

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen die Piezoelektrizität im Dicken-Expansionsbetrieb von piezoelektrischen Polymerfilmen ausnutzenden elektroakustischen Wandler zu schaffen, der gegenüber den bisher bekannten elektroakustischen '5 Wandlern einen verbesserten Wirkungsgrad bei der elektroakustischen Umwandlung besitzt und der insbesondere für den Einsatz im Ultraschallgebiet brauchbar bzw. anpaßbar ist

Gelöst wird die vorstehend aufgezei₆te Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß auf relativ einfache Weise ein elektroakustischer Wandler geschaffen ist, der einen relativ hohen Wirkungsgrad bei der elektroakustischen Umwandlung besitzt und der besonders gut im Ultraschallgebiet verwendbar ist.

Zweckmäßige Weiterbildungen des elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform des elektroakustischen Wandlers, dessen Wandlerkörper im Schnitt gezeigt ist,

F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Meßverfahrens für die Ermittelung des Wirkungsgrades der elektroakustischen Umwandlung des Wandlers gemäß Fig. 1, wobei ein Wasserbad im Schnitt gezeigt ist,

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der durch das Verfahren gemäß F i g. 2 erzielten Meßergebnisse und

Fig.4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des elektroakustischen Wandlers, dessen Wandlerkörper im Schnitt gezeigt ist. ^4S

Gemäß Fig. 1 und 4 weisen die elektroakustischen Wandler jeweils einen Wandlerkörper 10 auf. der wenigstens aus einem piezoelektrischen Polymerfilm 12 und einer porösen Materialschicht 15 bzw. 50 besteht.

Das piezoelektrische Polymermaterial, das für den 'ⁿ piezoelektrischen Polymerfilm 12 verwendet wird, kann jedes piezoelektrische Polymermaterial sein, das bei elektroakustischen Wandlern anwendbar ist; es kann beispielsweise ein fluorhaltiges Polymer, wie zum Beispiel ein Polyvinylfluorid-Homopolymer oder -Co- ^ bzw. -Mischpolymer sein oder ein Polyvinylidenfluorid-Homopolymer oder -Mischpolymer. Der piezoelektrische Polymerfilm 12 kann eine Dicke aufweisen, die im allgemeinen von etwa 10 bis 1000 μηι reicht, obwohl er nicht auf eine bestimmte Dicke beschränkt ist. ^b0

Der Polymerfilm 12 ist auf seinen beiden Seiten mit dünnen Folienelektroden 14a, 146 versehen. Die dünnen Folienelektroden 14,7 und 146 können aus einem leitenden Material, wie Metall, zum Beispiel üus Aluminium oder Nickel bestehen. ""

Der piezoelektrische F'olyinerfilm 12. der auf seiner Fläche die Elektrode 14a aufweist, ist ferner mit einer norösen Materialschicht Versehen. Das poröse Material.

40 welches für die in Fig. 1 dargestellte poröse Materialschicht zu verwenden ist kann ein Schaum 16 sein, beispielsweise ein Polyurethan-Schaum, ein Polystyrol-Schaum, ein Schaumgummi oder irgendein anderes geeignetes geschäumtes Polymer. Das poröse Material, welches in der Ausführungsform gemäß Fig.4 zu verwenden ist kann ein Fasermaterial 50 sein, beispielsweise ein Papier mit poröser Struktur, ein Vliesstoff, ein gewebter Stoff oder ein gewirkter Stoff. Von den Fasermaterialien 50 können der Vliesstoff, der gewebte Stoff und der gewirkte Stoff aus Textilfaser oder Glasfaser bestehen. Die porösen Materialien können einen Aufbau mit geschlossenen Zellen oder mit offenen Zellen aufweisen oder einen Aufbau mit einer Kombination aus geschlossenen und offenen Zellen oder auch einen Aufbau mit Zwischenräumen, und sie können als zusammengesetzte Schichten angewandt werden. Vorzugsweise sind solche porösen Materialien anzuwenden, die insbesondere ein kleines scheinbares spezifisches Gewicht bezüglich des wahren spezifischen Gewichtes aufweisen, also eine große Porosität aufweisen. Ein praktischer Wert der Porosiu,: für das poröse Material kann allgemein im Bereich von etwa 30% bis etwa 99,5% liegen. Der Polyurethan-Schaum, der für den in F i g. 1 gezeigten Aufbau zu verwenden ist, hat ein scheinbares spezifisches Gewicht von etwa 0.02, während er ein wahres spezifisches Gewicht von etwa 1,18 hat. Es hat also eine Porosität von etwa 98%. Das Fasermaterial, das für den in F i g. 4 gezeigten Aufbau zu verwenden ist, kann eine Porosität von etwa 50% haben.

Die porösen Materialschichten 16 und 50 können auf einer geeigneten Grundplatte 18 gelagert sein. Die Grundplatte 18 besteht günstigerweise aus einem relativ dicken, harten Material, wie zum Beispiel aus einem Metall oder Kunststoff. Die Grundplatte 18 kann lediglich als Träger fungieren und ist vorzugsweise so aufgebaut, daß sie keinen oder einen geringen Einfluß auf den Polymerfilm 12 über eine akustische Reflexion ausübt.

Die andere dünne Folienelektrode 146, welche an ihrer äußeren Oberfläche nicht mit irgendeinem Material versehen ist, kann als akustische Sendefläche oder als akustische Empfangsfläche funktionieren. Die dünnen Folieneiektroden 14a und 146 sind elektrisch durch Leitungen 20a bzw. 206 mit einem Hochfrequenz-Generator 22 verbunden. Der Hochfrequenz-Generator 22 ist ausgelegt zur Erzeugung von Ausgangssignalen mit Frequenzen innerhalb des Bereichs von etwa dem 0,6fachen bis etwa dem 1,4fachen der Grundresonanzfrequenz des verwendeten piezoelektrischen Polymerfilms 12 beim Dicken-Expansionsbetrieb. Wenn die Leitungen 20a und 206 ferner elektrisch mit einem Verstärker 24 verbunden sind, ist dies vorteilhaft und praktisch, da der Wandler sowohl zum Senden als auch zum Empfangen gemäß einem Impulsecho-System verwendet werden kann.

Besondere Merkmale der elektroakustischen Wandler werden mehr im einzelnen anhand der F i g. 1 und 4 beschrieben.

In Fig. 1 ist ein piezoelektrischer Polyvinylidenfluoridfilm 12 mit einer Dicke von 350 μηη auf beiden Oberflächen mit Nickel-Elektroden 14a und 146 versehen und in rechteckige Stücke geeigneter Größe geschnitten, zum Beispiel 25 mm · 40 mm. Ein zweiseitig haftender Polyurethan-Schaum 16 mit einer Dicke von beispielsweise 3 mm ist mit seiner einen Fläche an die Nickel-Elektrode 14a angeklebt und mit seiner anderen Fläche an eine Bakelit-Grundplatte 18 geeigne-

ter Dicke von beispielsweise 20 mm und geeigneter Größe von beispielsweise 30 mm ■ 50 mm, um den Schaum in dem Mittelabschnitt der Grundplatte 18 anzubringen.

Als Vergleichsmuster wird ein Wandler vorgesehen, welcher einen Aufbau von im wesentlichen gleicher Größe, wie unmittelbar vorher erwähnt, aufweist und bei wp';hem ein piezoelektrischer Polyvinylidenfluorid-FiIm 12, der auf seinen beiden Seiten Nickel-Elektroden 14a und 146 aufweist, mittels eines Epoxid-Klebstoffs direkt an einer Bakelit-Grundplatte angebracht ist.

Der Wandler in F i g. 4 gleicht im wesentlichen dem in F i g. 1 gezeigten Wandler, mit der Ausnahme, daß eine Glasstoffschicht 50 anstelle der Schaumschicht angewandt ist. Die Glasstoffschicht 50 kann bis zu 5 mm dick und dicker als die Schaumschicht 16 sein.

Der Wirkungsgrad der elektroakustischen Umwandlung des erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers wird dadurch bestimmt, daß der Wandler mit dem ober» beschriebenen Aufbau gemäß F i g. 1 verwendet und verglichen wird mit einem Wandler, der als Vergleichsmuster dient.

Der Wirkungsgrad wird in Wasser gemessen, und zwar nach einem Meßverfahren, wie es in F i g. 2 gezeigt ist. Ein Prüfling 30 mit einem der Wandlerkörper 10, die in den F i g. 1 und 4 gezeigt sind, wird in Wasser auf dem Boden eines Wasserbades 32 angeordnet. Die Elektroden werden über einen Abschwächer 34 mit der Ausgangsseite eines Hochfrequenzoszillators 36 (Impulsmodulator und Empfängermodell 6600 von MA-TEC, Inc.) verbunden. Ein Hydrophon oder Unterwassermikrophon 38 wird über dem Prüfling 30 im Wasser im oberen Bereich des Wasserbades 32 so angeordnet, daß seine Empfangsfläche 30 cm von dem Prüfling 30 entfernt ist. Die. Ausgangsseite des Hydrophons 38 ist über einen Verstärker 40 mit einem Oszilloskop 42 verbunden.

In F i g. 3 sind die Werte des Dämpfungsfaktors des Abschwächers 34 in Abhängigkeit von der Frequenz des Hochfrequenz-Oszillators 36 aufgetragen. Der Abschwächer 34 wird so eingestellt, daß das Ausgangssignal des Hydrophons 38 konstant gemacht wird, während das Ausgangssignal des Hochfrequenz-Oszillators 36 bei 1000 V_ss konstant gehalten wird. Es versteht sich, daß der elektroakustische Umwandlungswirkungsgrad des Prüflings 30 als hoch angesehen wird, wenn der Dämpfungsfaktor in dem Abschwächer 34 hoch ist, weil dann die an den Prüfling 30 angelegte Spannung des Oszillators 36 niedrig ist.

F i g. 3 zeigt die Ergebnisse der Messung, die mit dem in F i g. 2 dargestellten Verfahren durchgeführt worden ist. Die Kurve A zeigt die Ergebnisse bei Anwendung des in Fig. 1 gezeigten Wandlerkörpers 10, und die gestrichelte Linie B zeigt die Ergebnisse bei Verwendung des oben erwähnten Vergleichsmusters als Prüfling 30. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß kein großer Unterschied oder keine große Abweichung zwischen den beiden Prüflingen besteht hinsichtlich des Dämpfungsfaktors in Bereichen, die von der Grundresonanzfrequenz k beim Dicken-Expansionsbetrieb weit abliegen. Es ist zu bemerken, daß deshalb, weil die Grundresonanzfrequenzen ^₀ beider Prüflinge beim Dicken-Expansionsbetrieb in gewissem Ausmaß voneinander abweichen, diejenige des Prüflings 30 des als ίο Muster geprüften erfindungsgemäßen Wandlerkörpers mit foA bezeichnet ist und diejenige des Vergleichsmusters mit /ös bezeichnet ist. Es ist indessen zu beachten, daß eine im wesentlichen große Differenz des Dämpfungsfaktors um die Grundresonanzfrequenz /Ό beim Dicken-Expansionsbetrieb herum besteht, insbesondere innerhalb des Bereichs, der von etwa dem 0,6fachen bis zu etwa dem 1,4fachen der betreffenden Grundresonanzfrequenz reicht. Dementsprechend ist aus F i g. 3 zu erkennen, daß der in F i g. 1 gezeigte erfindungsgemäße Wandlerkörper 10 besser ist hinsichtlich der elektroakustischen Umwandlungswirkungsgrades als das Vergleichsmuster, und der Wirkungsgrad ist größenordnungsmäßig um etwa 6 dB bei dem Resonanzpunkt vergrößert.

In F i g. 3 ist die betreffende Grundresonanzfrequenz füA des in Fig. 1 dargestellten Wandlerkörpers 10 auf etwa 2,5 MHz eingestellt. Die Grundresonanzfrequenz /(M beim Dicken-Expansionsbetrieb kann so gelegt bzw. eingerichtet werden, daß sie innerhalb eines geeigneten Bereichs von 1 bis 15 MHz reicht, wenn der Wandlerkörper 10 bei einer medizinischen Sonde angewandt wird, daß sie von etwa 15—200 MHz bei Anwendung in einem bzw. für ein Mikroskop reicht und daß sie von einigen zehn kHz bis 1 MHz bei Anwendung für ein Sonargerät reicht.

Bei Prüfung des in F i g. 4 gezeigten Wandlerkörpers 10 zeigt sich, daß er im wesentlichen die gleichen Ergebnisse liefern kann, wie durch die Kurve A in F i g. 2 gezeigt.

Der erfindungsgemäße elektroakustische Wandler ergibt einen verbesserten elektroakustischen Umwandlungswirkungsgrad aufgrund der Reflexionswirkung mittels des porösen Materials, wie zum Beispiel eines Schaumes oder eines Fasermaterials, welches auf der einen Seite des piezoelektrischen Polymerfilms vorgesehen ist Der verbesserte Wirkungsgrad wird mit Sicherheit erzielt, wenn die anzuwendenden Frequenzen innerhalb eines Bereichs liegen, der von etwa dem 0,6fachen bis zu etwa dem 1,4fachen der Grundresonanzfrequenz des piezoelektrischen Polymerfilms beim Dicken-Expansionsbetrieb reicht. Dementsprechend ist der erfindungsgemälie elektroakustische Wandler vom piezoelektrischen Typ insbesondere anwendbar zum Senden und/oder Empfangen von Ultraschallwellen. 55

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Elektroakustischer Wandler, mit einem an beiden Seiten Elektroden (14a, Ub) aufweisenden piezoelektrischen Polymerfilm (12). dessen eine s Seite als Druckwirkungsfläche für Senden und Empfangen von Schallwellen verwendet ist, dadurch gekennzeichnet,

daß auf der anderen Seite eine Schicht (16, 50) aus porösem Material aufgebracht ist, und ' ο

daß eine elektroakustische Umsetzung in einem Frequenzband von etwa dem 0,6- bis etwa dem l,4fachen der Grundresonanzfrequenz des piezoelektrischen Polymerfilms (12) in Dicken-Expansionsbetrieb erfolgt

Z Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (16, 50) eine Porosität von etwa 30% bis etwa 99,5% aufweist

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das poröse Material (16) ein Schaum ist.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum aus der Gruppe gewählt ist, zu welcher Polyurethan-Schaum, Polystyrol-Schaum, Schaumgummi und anderes geschäumtes Polymer gehören.

5. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (50) ein Fasermaterial ist.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial (50) aus der Gruppe gewählt ist, zu der Papier, Vliesstoff, gewebter Stoff und gewirkter Stoff gehören.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vliesstoff, der gewebte Stoff oder der gewirkte Stoff aus Textilfaser oder Glasfaser besteht.

8. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem einer Seite eine harte Trägerplatte zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die harte Trägerplatte (18) an der dem Polymerfilm (12) abgewandten Seite der Schicht (16, 50) aus porösem Material angebracht ist.

9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der harte Grundplattenträger (18) aus Metall oder Kunststoff besteht.

10. Wandler nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (14a, 146,) eine dünne Folienelektrode aus Nickel oder Aluminium ist. '

II. Wandler nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Polymerfilm (12) aus einem fluorhaltigen Polymer besteht.

12. Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das fluorhaltige Polymer ein Polyvinylfluorid-Homopolymer oder -Copolymer oder ein Polyvinylidenfluorid-Homopolymer oder -Copolymer ist.