DE3129725A1

DE3129725A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE3129725A1
Application number: DE19813129725
Authority: DE
Inventors: Horoshi Iwaki Fukushima Obara; Masafumi Yoshida
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1980-07-29
Filing date: 1981-07-28
Publication date: 1982-03-04
Also published as: JPS5728500A; NL8103582A; FR2488094A1; GB2083695A

Description

28. Juli 1981

KUREHA KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA 9-11 Horidome-cho 1-chome
Nihonbashi, Chuo-ku
TOKYO/JAPAN

ULTRASCHALLWANDLER

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler und insbesondere einen Ultraschallwandler, der zur Verwendung bei einem, Ultraschall-Bildaufnahmegerät oder dergleichen verwendbar ist.

Bei einem Ultraschall-Bildaufnahmegerät ist die Auflösungsgrenze durch die Wellenlänge der Ultraschallwelle begrenzt, weshalb es notwendig ist, die Wellenlänge der Ultraschallwelle klein zu machen um höhere Auflösung zu erreichen. Andererseits nimmt mit kürzer werdender Wellenlänge die Dämpfung der Welle zu, wodurch sich Schwierigkeiten beirji Erreichen eines Tiefen-Bildes ergeben. Folglich ist es, um ein Tiefen-Bild erfolgreich aufzunehmen, erforderlich, eine Ultraschallwelle mit längerer Wellenlänge zu verwenden. Somit muß sehr häufig die Auflösung oder die Wellenlänge der Ultraschallwelle beim Aufnehmen eines Bildes eines Oberflächenabschnittes oder eines Tiefenabschnittes geändert werden. Als Quelle einer Ultraschallwelle für ein Ultraschall-Aufnahmegerät wird ein Wandler verwendet, der die Dickenschwingung oder -vibration eines piezoelektrischen

Körpers verwendet, wie eines keramischen piezoelektrischen Körpers, eines hochpolymeren piezoelektrischen Körpers und dergleichen. In einem solchen Fall ist es zum Erhöhen: des elektroakustischer Wandlerwirkungsgrades des Wandlers erforderlich, eine Ultraschallwelle einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz f zu verwenden, die durch die Dicke des piezoelektrischen Körpers und die Schallgeschwindigkeit ν im piezoelektrischen Körper bestimmt ist. Der Zusanmenhang zwischen der Dicke 1 der Schallgeschwindigkeit ν im piezoelektrischen Körper und der Resonanzfrequenz f« ergibt sich zu:

f ₀ ·= v/21

Folglich ist, wenn piezoelektrische Körper gleicher Zusammensetzung verwendet werden, die Schallgeschwindigkeit in den Wandlerelementen konstant, weshalb die Resonanzfrequenz durch Ändern der Dicke 1 des piezoelektrischen Korpers geändert werden kann. Folglich ist es üblich, mehrere Ultraschallwandler, die piezoelektrische Körper verschiedener Dicke aufweisen, herzustellen_/die selektiv für den tatsächlichen Betrieb abhängig von der erforderlichen Frequenz ausgetauscht werden. Die Betriebsweise zum Ändern der Resonanzfrequenz ist damit außerordentlich umständlich und schwierig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschallwandler anzugeben, dessen Frequenz ohne Austausch des Wandlers änderbar ist.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird ein Ultraschallwandler angegeben, der aufweist mehrere geschichtete oder laminierte piezoelektrische Körper-Lagen mit Elektroden auf entgegengesetzten Flächen, eine Verdrahtungsanordnung zum Verbinden der Elektroden der piezoelektrischen Körper-Lagen mit einem Oszillator derart, daß die piezoelektrischen Körpsr-Lagen alle in dem gleichen Schwingungsmodus schwingen,und eine Schalteinrichtung, die mit mindestens einer der

Verdrahtungsanordnungen verbunden ist und durch Schaltbetrieb so betätigbar ist, daß die Gesamtdicke der tatsächlich wirksamen piezoelektrischen Körper-Lagen zum Ändern der Frequenz des 'Resonators änderbar ist.

Durch die Erfindung ist eine einfache Änderung der Frequenz eines Ultraschallwandlers möglich. Weiter gibt die Erfindung einen Ultraschallwandler an, der in einem breiten Frequenzband anwendbar ist. Weiter gibt die Erfindung einen Ultraschallwandler an, bei dem die tatsächlich wirksame Dicke einer Lage eines piezoelektrischen Körpers, der zum E_rzcugen einer Ultraschallwelle erwünschter oder Soll-Frequenz dient, durch einfachen Schaltbetrieb änderbar ist. Schließlich gibt die Erfindung einen Ultraschallwandler an, der in einem Ultraschall-Bildaufnahmegerät verwendbar ist, bei dem Bilder eines Oberflächenabschnittes und eines Tiefenabschnittes mit entsprechend geänderter Auflösung erhalten werden können.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 im Querschnitt einen Ultraschallwandler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

^FiS· ² in ähnlichem Quer schnitt einen Ultraschallwandler gemäß einem zweitem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 in ähnlichem Querschnitt einen Ultraschallwandler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Ultraschallwandler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der zwei Lagen piezoelektrischer Körper la und Ib enthält. Diese piezoelektrischen Körper la und Ib bestehen jeweils aus einem piezoelektrischem

HochpdLymer beispielsweise Polyvinylidenfluorid, und weisen Elektroden 2a,2b bzw. 2c, 2d auf, die an deren entgegengesetzten Flächen aufgebracht sind. Die Elektroden 2b und 2c sind miteinander mittels einer leitfähigen Klebstofflage 3 verbunden, wodurch die piezoelektrischen Körper la Ib miteinander laminiert oder geschichtet angeordnet sind. Wie sich aus den in Fig. 1 angegebenen Heilsymbolen ergibt, die die Polarisationsrichtungen der hochpolymeren piezoelektrischen Körper darstellen, besitzen, der obeie und der untere piezoelektrische Körper gleiche Polarität, wobei die Oberseite jedes piezoelektrischen Körpers positive Polarität besitzt. Die Elektroden 2a₇2b,2c besitzen Verdrahtungen bzw. Verbindungsleitungen, die derart angeschlossen sind, daß sie durch Schaltbetrieb von Schaltern 5a oder 5b einschaltbar sind. Insbesondere ist die Elektrode 2a direkt mit einem Anschluß eines Impulsgenerators oder Oszillators 4 verbunden. Die Elektroden 2b und 2c sind mit dem anderen entgegengesetztem Anschluß des Impulsgenerators 4 über den Schalter 5^a und einen reihengeschalteten Widerstand 6a verbunden. Die Elektrode 2b ist ebenfalls mit dem entgegengesetzten oder anderen Anschluß des Impulsgenerators k über den Schalter 5b verbunden. Ein Schalttransistor kann als ein solcher Schalter bzw. eine solche Schalteinrichtung verwendet werden.

Bei einem derartigen Aufbau schwingen, wenn die beiden Schalter ^a und 5^ geschlossen bzw. durchgeschaltet sind, die beiden piezoelektrischen Körper la und Ib beide. Im Gegensatz dazu schwingt, wenn nur ein Schalter 5^a <ier Schalte.r 5^a 5b geschlossen bzw. durchgeschaltet ist, lediglich ein piezoelektrischer Körper la der beiden piezoelektrischen Körper la Ib, weshalb die Gesamtdicke des piezoelektrischen Körpers,der tatsächlich für die Schwingung wirksam ist, die Hälfte im Vergleich zu dem Fall ist, in dem beide piezoelektrischen Körper Ia_xIb

schwingen. Folglich beträgt die Resonanzfrequenz im letzteren Fall im wesentlichen die Hälfte dar Resonanzfrequenz im ersteren Fall, bei dem beide piezoelektrischen Körper schwingen. Die SchwingungsfrequetLz des Oszillators *fc wird abhängig von dem selektiven Schaltbetrie/b der Schalter 5a und 5b in Übereinstimmung mit der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers geändert. Zum Erreichen höherer Auflösung werden beide Schalter 5a und 5b durchgeschaltet, damit piezoelektrischen Körper la und Ib schwingen um eine Ultraschallwelle kürzerer Wellenlänge zu erzeugen. Im Gegensatz dazu wird um ein Tiefen-Bild zu erhalten, lediglich ein Schalter 5a durchgeschaltet, damit lediglich ein piezoelektrischer Körper la wirksam schwingt. Eine Ultraschallwelle größerer Wellenlänge wird dadurch vom Wandler erhalten, wodurch die Dämpfung in einem Medium verringert wird, um :su erreichen, daß ein Tiefen-Bild aufgenommen werden kann. Es ist festzuhalten, daß wenn lediglich ein Schalter 5a durchgeschaltet ist, um zu erreiche!,daß lediglich ein piezoelektrischer Körper la effektiv schwingt, die Ist-Frequenz die erhalten wird, etwas niedriger ist als die berechnete Frequenz, aufgrund des Vorliegens des nicht in Betrieb befindlichen oder unwirksamen piezoelektrischen Körpers Ib,der mit dem wirksamen.piezoelektrischen Körper la haftend verbunden ist, jedoch spielt dies keine wesentliche Rolle.

Fig. 2 zeigt einen Ultraschallwandler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der eine zusätzliche dritte Lage eines hochpolymeren Körpers Ic aufweist, der auf die Anordnung des ersten AusührungsbeiSpieles mit benachbarten piezoelektrischen Körpern aufgeschichtet bzw. laminiert ist, wobei diese jedoch entgegengestzte Polarität zueinander besitzen. Zwei Zwischenelektroden zwischen jeweils zwei benachbarten piezoelektrischen Körpern-Lagen sind mit dem gleichen Potential gekoppelt oder es wird andererseits eine gemeinsame Elektrode

verwendet, wobei Elektroden auf entgegengesetzten Seiten jedes piezoelektrischen Körpers entgegengesetzte Polarität zueinander besitzen, so daß jede zweite Elektrode die gleiche Polarität aufweist. Insbesondere ist eine Elektrode 2a direkt mit einem Anschluß eines Impulsgenerators 4 verbunden, während eine weitere Elektrode 2c mit dem einen Anschluß ■ des Impulsgenerators ^iiber einen Schalter 5a verbunden ist. Eine weitere Elektrode 2b ist direkt mit dem anderen Anschluß des Impulsgenerators k verbunden, während eine andere Elektrode 2d mit dem anderen Anschluß des Impulsgenarators 4 über einen Schalter ^h verbunden ist.

Bei einer derartigen Anordnung ist, wenn die beiden Schalter 5a und 5b beide geöffnet bzw. gesperrt sind, lediglich ein piezoelektrischer Körper la in Betrieb. Wenn ein Schalter 5a geschlossen, bzw. durchgeschaltet ist, sind zwei piezoelektrische Körper la und Ib in Betrieb geset·^ und wenn die beiden Schalter 5a und 5b beide geschlossen bzw. durchgeschaltet sind, sind alle drei piezoelektrischen Körper la_; Ib und Ic in Betrieb ges3?i?fc'->$-Daher kann die Resonanzfrequenz des Wandlers in drei Stufen verändert werden durch selektiven Schaltbetrieb der beiden Schalter 5a und 5^·

Fig. 3 zeigt einen Ultraschallwandler gemäß einem,dritten Ausfülirungsbeispiel der Erfindung, der weiter eine vierte Lage eines hochpolymeren Körpers Id enthält, der auf die Anordnung gemäß Fig. 2 geschichtet bzw. laminiert ist. Dieser Wandler ist jedoch so verdrahtet, daß er einen Mischtyp zwischen den Wandlern gemäß Fig. 1 und gemäß Fig. 2 bildet, derart, daß die piezoelektrischen Körper la und Ib gleiche Polarität und die piezoelektrischen Körper Ic und Id ebenfalls gleiche Poalrität besitzen, wobei die Polarität der ersteren su der der letzteren entgegengesetzt ist. Der Wandler besitzt, eine zusätzliche Elektrode 2e und zwei zusätzliche Schalter 5c aad 5d, zusätzlich zu den Schaltern 5a und 5b.

Die Schalter 5a und 5c besitzen rcihengeschaltete Widerstände 6 a "ind 6b.

Bei einem derartigen Aufbau kanu die Anzahl der piezoelektrischen Körper, die in Betrieb gesetzt sind, schrittweise erhöht werden, durch schrittweises Einschalten der Schalter 5^a und 5b j 5^C und 5d· Folglich kajxri die Frequenz einer schwingenden Ultraschallwelle in vier verschiedenen Stufen geändert werden.

Ein Resonator mit dem erwähnten Aufbau erreicht einen Ultraschallwandler für Änderung der effektiven Dicke der in Betrieb befindlichen Körper-Lagen durch lediglich elektrisches Schalten der Schalter 5a bis 5dj derart, daß die Resonanzfrequenz nach Wunsch geändert wenden kann. Daher können bei Anwendung bei einem Ultrascheill-Bildauf-nahmegerät Bildaufnahmen von einem Oberflächenabschnitt bis zur Tiefe bei verschiedenen Aufslösungen durchgeführt werden. In einem derartigen Fall kaan die Prewuenz stafenartig geändert werden durch aufeinandei~£olgendes Schalten der Schalter, wodurch sich eine Erhöhung des Informationsgehaltes baw. eine Zunahme der Information ergibt und vrodurch sich eine ausreichende Auflösung für jeden Bildaufnahmebetrieb ergibt. Darüberhinaus kann durch Frequenzwobbeln die Freqwenz über einen weiten Bereich geändert werden, wodurch das wirksame Frequenzband erweitert wird..

Selbs-tverständlich sind noch andere Ausfuhrungsformen möglich, insbesondere ist die Anzahl der Lagen nicht auf die der dargestellten. Ausführungsbeispiele beschränkt.

iwalt

Claims

AN S PRUCHE

Ultraschallwandler, mit

mehreren geschichteten Lagen (la, Ib, lc und ld) aus piezoelektrischem Körper mit Elektroden ( 2a₍ 2b, 2c, 2d) auf sich gegenüberliegenden Flächen und eii/ier Verdrahtungsaaordnung zum Verbinden, der Elektroden der Lagen aus piezoelektrischem Körper mit einem,Oszillator

(4) derart, daß die Lagen aus piezoelektrischem Körper alle mit dem gleichen Sehwingungsmodus schwingen, gekennzeichnet durch

eine Schalteinrichtung (5a_i5b_/5c_/ 5d) j die in mindestens einem Teil derVerdrahtung angeordnet ist and durch Schaltbetrieb so betätigbar ist, daß die G^^3a!^^tdicke der tatsächlich wirksamen piezoelektrischen Körper (la I^ In, und Id) sich mit der Frequenz des Resonators ändert.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die mehreren piezoelektrischen Körper-Lagen (la Ib) derart geschichtet sind, daß sie gleiche Polarität besitzen.

3- Ultraschallwandler nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß benachbarte der piezoelektrischen Körper-Lagen (la^lb, Ic) zueinander entgegengesetzte Polarität besitzen, daß die Elektroden (2a_/ 2b, 2C₁, 2d) zwischen zwei benachbarten der piezoelektrischen Körper-Lagen (la Ib₇Ic) mit dem gleichen Potential versorgt sind und daß die Elektroden (2a.2b₇2c_/ 2d) eine derartige Polarität besitzen, daß jede zweite Elektrode die gleiche Polarität hat, wobei einander gegenüberliegende Elektroden zueinander entgegengesetzte Polarität besitzen.

k. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens-'drei piezoelektrische Körper-Lagen "(la lb_A Ic₇Id) vorgesehen sind, die eine derartige Polarität besitzen, daß in einer ersten Kombination aus zwei benachbarten piezoelektrischen Körper-Lagen (la,Ib) diese gleiche Polarität besitzen, während in einer zweiten Kombination von zwei benachbarten piezoelektrischen Körper-Lagen (lb_/lc) diese entgegengesetzte Polarität zueinander besitzen, wobei die Elektroden zwischen diesen beiden piezoelektrischen Körper-Lagen mit dem gleichen Potential versorgt sind.

5· Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Paar von zwischengeordneten Elektroden (2b,2c) zwischen benachbarten der piezoelektrischen Körper-Lagen (la Ib) miteinander mittels eines leitenden Klebstoffes (3) verbunden sind.

6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die zwischengeordneten Elektroden zwischen jeweils zwei benachbarten piezoelektrischen Köi-per-Lagen (Ia₇ Ib, lc, Id) jeweils aus einer gemeinsamen Elektrode (2a,2h_r 2c, 2d) gebildet sind.

7. Ultrasehallvrandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsfrequenz des Oszillators (4) abhängig vom Schaltbetrieb der Schalteinrichtung (5&,5^, 5c, 5d) änderbar ist.