DE4008768A1 - Piezoelektrischer wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Piezoelektrische Wandler werden üblicherweise dazu verwendet, um elektrische Signale in Schallwellen oder andere mechanische Vibratio­ nen oder Schwingungen oder mechanische Vibrationen oder Schwingungen in elektrische Signale umzuwandeln. Sie konvertieren elektrische Signale in mechanische Schwingungen oder umgekehrt durch Ausnutzung der morphologi­ schen Änderung eines Kristalls durch Spannungsanlegung oder umgekehrt unter Ausnutzung der Spannung, die durch einen an dem Kristall angeleg­ ten Druck erzeugt wird.

Ein piezoelektrischer Wandler wird beispielsweise als Sonde in einem Ultraschalldiagnostikgerät für medizinische Zwecke oder für das nicht zerstörerische Untersuchen von Materialien verwendet. Die Abtast­ methode für Ultraschallstrahlen, das Prinzip des linearen elektronischen Abtastens, des sektorenweisen elektronischen Abtastens und das Prinzip der Strahlablenkung sind beschrieben in "Recent progress in ultrasonic diagnostic apparatures", the Journal of Acoustic Society of Japan, Vol. 36, Nr. 11, 1980, Seiten 576-580. Hierin ist auch erläutert, wie Ul­ traschallbilder für medizinische Zwecke erhalten werden.

Jedoch ist die Auflösung des piezoelektrischen Wandlers, wie er heutzutage als Sonde verwendet wird, nicht voll zufriedenstellend. Um die Auflösung in einem Diagnosegerät zu erhöhen, ist es notwendig, die Präzision der Anordnung, die Zeitauflösung und die Angleichung in der akustischen Impedanz mit einer Probe zu verbessern.

Um die positionale Präzision zu verbessern, ist es wünschens­ wert, Ultraschallstrahlen auf einen Punkt konvergieren zu lassen. Die bisher bei der Linearabtastmethode verwendete Sonde fokussierte jedoch Ultraschallstrahlen nur linear. Die Schallquelle sollte daher eine ge­ krümmte Fläche oder insbesondere eine sphärische Fläche besitzen, um die Ultraschallstrahlen auf einen Punkt zu fokussieren.

Ein piezoelektrischer Wandler mit einer gekrümmten Schall­ quelle ist bereits in der P 40 06 718.1 beschrieben, gemäß der piezoe­ lektrische Wandlerelemente mit gekrümmten Flächen auf einer gekrümmten Basis ausgebildet sind. Jedoch ist dieser Wandler nicht dazu bestimmt, als Sonde verwendet zu werden, so daß auch die Steuerung des Brennpunk­ tes nicht in Betracht gezogen ist.

Der Konvergenzpunkt der ausgestrahlten Strahlen könnte durch diesen piezoelektrischen Wandler gesteuert werden, wenn eine Vielzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen als konzentrische ringförmige Elektroden ausgebildet wären und Treiberimpulse an jede der Elektroden zeitversetzt angelegt würden. Jedoch bleibt dieser Wandler dann immer noch problematisch in bezug auf die Zeitauflösung.

Um die Zeitauflösung zu verbessern, sollte die Rückstrahlung der empfangenen Wellen reduziert und die zur Dämpfung erforderliche Zeit verkürzt werden. Wenn jedoch eine Vielzahl von Elektroden auf einem pie­ zoelektrischen Material aus dichter Substanz, wie es bisher verwendet wurde, vorgesehen wird, wird der Effekt des Treibens einer Elektrode, insbesondere der Vibration oder des elektrischen Feldes, sich auf andere Elektroden fortpflanzen. Eine Sonde emittiert Schallwellen, die durch elektrische Treiberimpulse angeregt werden, in Richtung auf ein Ziel (beispielsweise einen lebenden Körper), empfängt die hiervon reflektier­ ten Schallwellen und konvertiert diese wiederum in elektrische Signale, wobei für sämtliche Funktionen eine einzige Einrichtung verwendet wird. Wenn daher die Vibration oder Spannung sich auf andere Elemente fort­ pflanzt, ergibt sich ein Zustand, als wenn Ultraschallsignale von außer­ halb eingeschleust würden, so daß sich ein nachteiliges Rauschen ergibt.

Um dieses Problem zu lösen, wurde bereits vorgeschlagen, das piezoelektrische Material zusätzlich zu den Elektroden zu teilen, wobei das piezoelektrische Material und die Elektroden konzentrisch angeordnet sind, um die positionale Präzision als auch die Zeitauflösung zu verbes­ sern, vgl. die japanische Anmeldung 55 711/89 (P 40 06 718.1). Hier ist jedoch nicht das Problem der akustischen Impedanz berücksichtigt.

Bei fehlender Anpassung bezüglich der akustischen Impedanz zwischen dem piezoelektrischen Material und dem lebenden Körper oder dem Wasser, wird der von dem piezoelektrischen Wandler erzeugte Schall be­ trächtlich gedämpft, wenn er von einem Ziel reflektiert wird. Wenn die Dämpfung groß ist, wird die Empfindlichkeit der empfangenen Signale ge­ stört, wodurch sich kein klares Bild erhalten läßt. Daher sollte die akustische Impedanz eines piezoelektrischen Wandlers ähnlich derjenigen von Wasser sein, wenn er als Sonde in einem Ultraschalldiagnostikgerät verwendet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei dem die Beein­ trächtigung der Auflösung durch Rauschen oder Rückstrahlung aufgrund der Übertragung von Schwingungen zwischen benachbarten piezoelektrischen Wandlerelementen wesentlich reduziert bzw. eliminiert wird, wobei sich insbesondere eine akustische Impedanz im wesentlichen entsprechend der­ jenigen von Wasser erreichen läßt.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Der piezoelektrische Wandler besitzt Elektroden, die auf bei­ den Seiten einer Scheibe aus piezoelektrischem Material ausgebildet ist, die mit einer gekrümmten Fläche versehen ist, wobei die wenigstens auf einer Seite hiervon ausgebildeten Elektrodenkonzentrisch und isoliert voneinander angeordnet sind. Der Wandler ist aus einem Material herge­ stellt, das einen elekromechanischen Kopplungsfaktor K _p der Vibration in Oberflächenrichtung der piezoelektrischen Basisscheibe von 0,3 oder we­ niger aufweist (nachfolgend als Ausbreitungsvibrationsmode oder Radial­ modevibration bezeichnet).

Die piezoelektrische Basis besteht vorzugsweise aus einem Ma­ terial mit einem mechanischen Qualitätsfaktor Q _m von 30 oder weniger. Das Material kann Bleizirkonattitanat mit einer Porosität von 30 Vol.-% oder mehr sein. Ferner kann es aus Bariumtitanat, einer Verbindung der Bleititanatgruppe oder einer Verbindung der Bleizirkonattitanatgruppe oder einer Mischung hiervon sein, die eine Porosität von 30 Vol.-% oder mehr aufweist. Als Material mit einem niedrigen mechanischen Qualitäts­ faktor Q _m kann auch Polyvinylidenfluorid oder ein Copolymer hiervon ver­ wendet werden.

Die piezoelektrische Basis besitzt vorzugsweise eine sphäri­ sche Fläche. Die Dicke der piezoelektrischen Basis liegt vorzugsweise bei 1 mm oder weniger oder bei 0,7 mm oder weniger, um Ultraschallwellen von einigen MHz zu erzeugen oder zu empfangen.

Von den geteilten Elektroden ist die mittlere vorzugsweise kreisförmig, während die umgebenden Elektroden ringförmig und konzen­ trisch hierzu angeordnet sind. Jedoch können auch alle geteilten Elek­ troden ringförmig sein. Alternativ können kreisförmige oder ringförmige Elektroden beispielsweise radialgeteilt sein. Die den geteilten Elektro­ den gegenüberliegende Elektrode ist vorzugsweise im wesentlichen über der gesamten Fläche der piezoelektrischen Basis ausgebildet.

Elektrostatische Kapazitäten zwischen den ersten und zweiten Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten der Basis angeordnet sind, sollten vorzugsweise im wesentlichen einander gleich sein.

Es ist zweckmäßig, den Wandler mit einer Harzbeschichtung auf seinen Oberflächen und Rändern zu beschichten.

Wenn der mechanische Kopplungsfaktor K _p in dem Ausbreitungs­ vibrationsmodus der piezoelektrischen Basis klein ist, ist es möglich, die mechanische Beanspruchung oder Vibration, die auf benachbarte Berei­ che übertragen wird, zu reduzieren. Daher ist die Beeinflußung durch die Signalspannung, die benachbarte Elektroden treibt, in dem Fall, in dem mehrere Elektroden unabhängig getrieben werden, gering, so daß Schall­ felder mit größerer Präzision konvergiert oder ausgestrahlt werden kön­ nen.

Poröse piezoelektrische Keramiken, die einen geringen mecha­ nischen Kopplungsfaktur K _p aufweisen, sind als Material geeignet. Diese Keramiken besitzen einen kleinen mechanischen Qualitätsfaktor Q _m und können die empfangenen Schwingungen schnell dämpfen, so daß sie eine akustische Impedanz liefern, die näher zu derjenigen von Wasser ist. Die Materialien können daher das Dämpfen von akustischen Wellen, die von ei­ nem piezoelektrischen Wandler ausgehen, reduzieren und das Dämpfen von akustischen Wellen, die in Wasser oder lebendem Gewebe reflektiert oder fortgepflanzt werden, reduzieren.

Bei der JP-OS 60-1 11 600 wirkt der gekrümmte piezoelektrische Wandler als akustische Linse, die Schallfelder auf die konkave Fläche konvergiert, während ein sphärischer piezoelektrischer Wandler Schall­ felder auf den sphärischen Mittelpunkt konvergiert. Wenn die Elektrode konzentrisch geteilt ist und durch Elektroden mit gleicher Phase getrie­ ben wird, werden die Schallfelder ähnlich auf das sphärische Zentrum kon­ vergiert.

Wenn konzentrisch angeordnete Elektroden zeitlich versetzt von der äußersten her getrieben werden, können mechanische Vibrationen, insbesondere Schallwellen, auf einen beliebigen Punkt abhängig von der Treiberzeit fokussiert werden.

Ein derartiges konvergierendes Schallfeld kann erhalten wer­ den, wenn ringförmige konzentrische Elektroden auf einer piezoelektri­ schen Basis aus einem dichten Material ausgebildet und sequentiell von außen her getrieben werden. Wenn jedoch eine Elektrode elektrisch ge­ trieben wird, werden unvermeidlich mechanische Beanspruchung, Vibration und ein elektrisches Feld auf ein benachbartes Element über das piezoe­ lektrische Material übertragen. Akustische Wellen und Vibrationen werden von dem benachbarten Element erzeugt, die die Konvergenzeigenschaft des Schallfeldes vermindert und Rauschen erzeugt. Dieses Problem wird durch Verwendung eines Materials mit geringem mechanischem Kopplungsfaktor K _p gelöst.

Wenn der piezoelektrische Wandler in einer gekrümmten oder einer sphärischen Form ausgebildet ist, können die Schallfelder mit ei­ ner höheren Präzision konvergieren.

Die Einstellung bezüglich der Impedanz zwischen den beiden Elektroden wird einfacher und somit wird die Verteilung der Eingangslei­ stung der Elektroden einfacher, indem die elektrostatischen Kapazitäten zwischen gegenüberliegenden Elektroden gleich gemacht werden.

Die Isolierung zwischen den Elektroden kann durch Beschichten der Oberflächen und Stirnseiten mit einer Harzbeschichtung verbessert werden, wodurch auch die Umgebungswiderstandsfähigkeit vergrößert wird. Die Harzbeschichtung als Unterlageschicht absorbiert unnötigen Schall oder Vibration und reduziert damit den Einfluß der Schallfelder. Durch Verwendung der Beschichtung als Angleichungsschicht für die akustische Impedanz kann das Dämpfen akustische Wellen, das sonst durch Reflexion an Zwischenflächen zwischen dem Gerät und Wasser oder lebendem Gewebe während des Aussendens oder Empfangens von Wellen erzeugt wird, reduzie­ ren, wodurch die Empfindlichkeit verbessert wird.

Wenn der Wandler einen geringen elektromechanischen Kopp­ lungsfaktor K _p im Ausbreitungsmodus in der planaren Richtung der Basis besitzt, kann Interferenz zwischen Elektroden zum Vermindern des Rau­ schens vermieden werden.

Da die empfangenen Wellen schnell gedämpft werden kön­ nen, können nachfolgende Impulse in einem kurzen Zeitraum erzeugt werden, so daß eine hohe Zeitauflösung und eine hohe Distanzauflösung für ein Ultraschalldiagnosegerät oder ein Materialuntersuchtungssy­ stem geliefert werden können.

Wenn ein poröses Material verwendet wird, kann die aku­ stische Impedanz reduziert werden, so daß sie näher zu derjenigen von lebendem Gewebe oder Wasser ist, so daß ein Dämpfen von Schallwellen vermindert wird, das sonst aufgrund von Fehlanpassung der akustischen Impedanzen auftreten würde.

Wenn für die Basis ein sphärisches Material verwendet wird, kann es Schallfelder auf der konkaven Seite hiervon fokussieren und läßt sich als akustische Linse verwenden. Der Konvergenzpunkt wird durch Phasenverschiebung der Treiberspannungen, die an konzen­ trische ringförmige Elektroden angelegt werden, beliebig gesteuert.

Das Beschichten der Flächen und Ränder mit einem Harzfilm verbessert die Verlässlichkeit des Geräts und kann auch den Schall dämpfen, wenn die Schicht als Anpassungsschicht für den Schall ver­ wendet wird. Wenn die Beschichtung als Unterlage auf der Seite, die derjenigen, die akustische Wellen erzeugt, gegenüberliegt, verwendet wird, kann hierdurch Rauschen vermindert werden. Wenn beide Flächen des Wandlers mit einer Beschichtung zur Anpassung bzw. Unterlage ver­ sehen sind, ist ein stärkerer Effekt zu erwarten.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfol­ genden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beige­ fügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungs­ form des piezoelektrischen Wandlers.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Wandler von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entsprechend einer zweiten Ausführungsform.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung zum Messen des Effektes der mechanischen Vibrationen und elektrischen Signale auf benachbarte Elektroden.

Fig. 5 zeigt diagrammartig das Ergebnis einer Messung mit der in Fig. 4 dargestellten Einrichtung.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Untersuchungseinrichtung für Eigenschaften von ausgesendeten/empfangenen Wellen.

Fig. 7 zeigt Graphen der empfangenen Wellenformen.

Fig. 8 zeigt schematisch eine Methode zum Messen der Kon­ vergenz von Schallwellen.

Fig. 9 zeigt die Steuerung der Konvergenzpunkte, auf die Schallwellen fokussiert werden.

Der piezoelektrische Wandler umfaßt eine piezoelektrische Basis 1, die in einer gekrümmten Fläche ausgebildet ist, eine erste Elektrode 2, die auf einer Fläche der piezoelektrischen Basis 1 aus­ gebildet ist und eine zweite Elektrode 3, die auf der anderen Fläche der piezoelektrischen Basis 1 ausgebildet ist. Wenigstens eine der beiden Elektroden 2, 3 (in dieser Ausführungsform die Elektrode 3) ist konzentrisch in voneinander getrennte, isolierte Ringbereiche ge­ teilt.

Die Basis 1 besteht aus einem Material, das einen elek­ tromechanischen Kopplungsfaktor K _p von 0,3 oder weniger und einen me­ chanischen Qualitätsfaktor Q _m von 30 oder weniger aufweist, und be­ steht vorzugsweise aus Bleizirkonattitanat (PZT) mit einer Porosität von 30 Vol.-% oder mehr.

Die piezoelektrische Basis 1 besitzt eine sphärische Form. Die Elektroden 3 umfassen eine mittlere gewölbte Elektrode und eine Vielzahl von hierzu konzentrischen ringförmigen Elektroden (bei diesem Ausführungsbeispiel 3 ringförmige Elektroden). Die Elektrode 2 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte Fläche der piezoe­ lektrischen Basis 1 an einer Seite hiervon. Die Elektroden 3 sind derart ausgebildet, daß sie im wesentlichen zueinander gleiche elek­ trostatische Kapazitäten aufweisen.

PbzrO₃ und PbTiO₃ in Pulverform mit einer Korngröße von 40 µm oder weniger, vorzugsweise 20 µm oder weniger, werden getrennt gebrannt und einem Molverhältnis von 53 : 47 gemischt. Ein Lösungs­ mittel zur Formgebung (hauptsächlich Xylol oder Äthanol) und ein Bin­ demittel (PVD) werden zu der Mischung zugegeben, um einen Brei zu bilden, auf dem Grünlinge unter Verwendung eines Abstreifmessers her­ gestellt werden.

Die Grünlinge werden in runde Form geschnitten und ins sphärische Form gebracht. Die Teile werden bei 1000 bis 1200°C ge­ brannt und das erhaltene poröse PZT wird als piezoelektrische Basis 1 verwendet. Die Basis 1 besitzt eine Dicke von 0,2 mm, eine Porosität von 50%, K _p von 0,12 und Q von 11.

Die Dicke der piezoelektrischen Basis beträgt vorzugswei­ se 1 mm oder weniger und erforderlichenfalls 0,7 mm oder weniger, um mit einer Frequenz von mehreren MHz zu arbeiten. Wenn bei dieser Aus­ führungsform eine Dicke von 0,2 mm verwendet wird, beträgt die Reso­ nanzfrequenz in Richtung der Dicke ca. 3 kHz. Für höhere Frequenz sollte die Dicke vermindert werden. Da jedoch die Basis aus porösem Material besteht, sind hier entsprechende Grenzen gesetzt.

Bei dem Herstellungsverfahren wird eine Expansion, die aufgrund der Reaktion von PbZrO₃ mit PbTiO₃ verwendet, um poröses PZT zu erhalten. Die Porosität von PZT kann durch Wahl einer geeigneten Teilchengröße, der zu den drei zugesetzten Substanzen, der Brenntem­ peratur usw. auf 30 Vol.-% oder mehr eingestellt werden. Einzelheiten bezüglich der Porosität von Bleizirkonattitanat werden von K. Hikita et al "Effect of porous structure to piezoelectric properties of PZT ceramics" Japanese J. Appl. Phys. 22, Supplement, 22-2, S. 64-66 (1983) beschrieben.

Die Elektrode 2 wird auf der konkaven Fläche der Basis 1 und die Elektroden 3 auf der konvexen Fläche hiervon ausgebildet.

Insbesondere werden Silberelektroden auf die konkave und konvexe Flä­ che der Basis 1 gesintert und die Elektrode auf der konvexen Seite konzentrisch geätzt, um eine kreisförmige und eine Mehrzahl von hier­ zu konzentrischen ringförmigen Elektroden zu bilden. Der äußere Rand der Basis 1 wird nicht mit einer Elektrode versehen, um eine elektri­ sche Isolierung zwischen der konkaven und konvexen Fläche zu befesti­ gen. Die Elektrode 3 wird derart geteilt, daß die Bereiche der ent­ sprechenden Elektroden im wesentlichen gleich zueinander und die elektrostatischen Kapazitäten der Elektrode 2 und jeder der zweiten Elektroden 3, die bezüglich der Basis 1 einander gegenüberliegen, im wesentlichen identisch sind.

Die Abmessungen der zweiten Elektroden sind:

• 1) Der Außendurchmesser der zentralen gewölbten Elektrode 10,4 mm
• 2) Der Innen- und Außendurchmesser der ringförmigen Elektrode benachbart zu der zentralen 11,4 mm bzw. 115,4 mm
• 3) Die Innen- und Außendurchmesser der ringförmigen Elektrode benachbart zu der vorhergehenden 16,4 mm bzw. 19,4 mm
• 4) Der Innen- und Außendurchmesser der ringförmigen Elektrode benachbart zu der vorhergehenden 20,4 mm bzw. 23,0 mm.

Der Wandler wird dann zur Polarisation behandelt. Hierzu wird die Elektrode 2 geerdet und die Elektroden 3 mit einer positiven Klemme einer Stromquelle verbunden. Der Wandler wird in Siliconöl von 120°C getaucht, ein elektrisches Feld von 2 bis 3 kV/mm während 20 bis 30 min getaucht und polarisiert. Nachdem diese Behandlung beendet ist, wird der Wandler aus dem Öl genommen, mit Äthanol gewaschen und getrocknet. An die Elektroden 2, 3 werden Leitungen 4, 5 gelötet.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform im Schnitt, bei der der Wandler an den Stirnseiten und am Umfang mit einem Harzfilm 6 bedeckt ist.

Zum Beschichten mit einem Harzfilm 6 wird ein Harzfilm aus Urethan oder dergleichen, der vorher geformt wurde, auf beiden stirnseitigen Flächen des Wandlers angebracht und Harz an den Rand­ seiten aufgebracht. Alle Flächen können harzbeschichtet sein. Durch das Beschichten der Randflächen mit Harz kann die Wasserdichtigkeit vergrößert und somit die Zuverlässigkeit wesentlich verbessert wer­ den.

Der Harzfilm 6 kann als Unterlagebeschichtung zum Absor­ bieren von Schall oder Vibration in Richtung gegen die konvexe Fläche verwendet werden. Eine weitere Hinterlegungsschicht kann auf dem Harzfilm 6 befestigt werden.

Die Wirkung von mechanischen Vibrationen und elektrischen Signalen auf benachbarte Elektroden und die Konvergenzwirkung von Schallfeldern und Eigenschaften von ausgestrahlten bzw. empfangenen Wellen werden unter Verwendung eines derart erhaltenen piezoelektri­ schen Wandlers gemessen. Hierbei wird eine Struktur aus dichtem PZT- Material anstelle von porösem PZT-Material zum Vergleich verwendet.

Gemäß Fig. 4 wird von einem Funktionsgenerator 41 eine Sinuswelle erzeugt, die durch einen Verstärker 42 verstärkt und an die zentrale Elektrode 3, mit A bezeichnet, angelegt wird. Die in den weiteren mit B, C und D bezeichneten ringförmigen Elektroden 3 er­ zeugten Sinuswellenamplituden werden mittels eines Oszilloskops 43 gemessen. Die Sinuswelle ist ein Wechselstrom von 10 V und 3 MHz.

Fig. 5 zeigt das Ergebnis der Messung bezüglich des er­ sten Ausführungsbeispiels und des Vergleichsbeispiels. Das poröse PZT hat eine Porosität von 50% und der elektromechanische Kopplungsfaktor K _p ist 0,12.

Im Fall eines Vergleichsbeispiels mit dichtem PZT haben Signale, die an der Elektrode B benachbart zu der mittleren Elektrode A erzeugt werden, eine Amplitude, die um 18 dB geringer als diejenige an der Elektrode A ist. Bei der Ausführungsform mit porösem PZT ist die Amplitude der erzeugten Signale um 37 dB geringer als diejenige an der Elektrode A, so daß sich eine Differenz von 19 dB im Vergleich zum Vergleichsbeispiel ergibt. An der Elektrode C ist die Amplituden­ differenz zu derjenigen der Elektrode A 26 dB im Vergleichsbeispiel und 38 dB gemäß der ersten Ausführungsform. An der Elektrode D be­ trägt die Amplitudendifferenz 27 dB bezüglich des Vergleichsbeispiels und 38 dB bezüglich der ersten Ausführungsform.

Bei dem unter Verwendung von porösem PZT hergestellten Wandler ist die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Vibrationen und elektrischen Signalen zu benachbarten Elektroden wesentlich ver­ mindert.

Ein ähnlicher Versuch bezüglich der zweiten Ausführungs­ form und einem Vergleichsbeispiel gleicher Struktur führt dazu, daß an der Elektrode B eine Amplitudendifferenz von ca. 19 dB zwischen den beiden Beispielen gemessen wird. Es wird ein ähnliches Resultat wie bezüglich der ersten Ausführungsform erhalten.

Gemäß Fig. 6 wird ein Wandler der ersten Ausführungsform und ein Vergleichswandler gleicher Struktur mit dichtem PZT und iden­ tischer Resonanzfrequenz in Richtung der Dicke (piezoelektrischer Wandler 61) getestet, wobei die jeweilige rückseitige Beschichtung 62 auf der konvexen Fläche des Wandlers 61 mit Silicongummi 63 an einem Ende eines Plastikzylinders 64 befestigt wird, um als Sonde zum Mes­ sen von ausgestrahlten bzw. empfangenen Wellen zu dienen. Die Sonde wird mit einem Impulsgenerator/Empfänger 65 verbunden, dessen Ausgang mit einem Oszilloskop 66 verbunden ist.

Ein Ziel 67 aus rostfreiem Stahl wird in Siliconöl 88 ge­ taucht und liegt auf einer akustisch absorbierenden Unterlage 69 auf.

Das vordere Ende der Sonde wird in das Siliconöl 68 ein­ getaucht und Impulse gleicher Phase von dem Impulsgeber/Empfänger 65 an die Elektroden A, B, C und D des Wandlers 61 angelegt, um akusti­ sche Wellen in dem Siliconöl 68 zu erzeugen. Die von dem Ziel 67 re­ flektierten Wellen werden durch den Impulsgeber/Empfänger 65 empfan­ gen, die von dem Oszilloskop 66 beobachteten Wellenformen sind in den Fig. 7a (Vergleichsbeispiel) und Fig. 7b (erste Ausführungsform) dia­ grammartig dargestellt, wobei einerseits die Ausgangsspannung und an­ dererseits die Zeit die beiden Diagrammachsen bilden.

Bei Verwendung des porösen Materials für die Basis 1 zei­ gen die Wellenformen der Vibration eine gleichmäßige Dämpfung. Die zum Dämpfen der Amplitude vom Maximum auf 20 dB oder weniger bei gleichem Meßpegel erforderliche Zeit beträgt 40% in bezug auf das Vergleichsbeispiel (d. h. die Differenz in der Zeit ist 60% oder mehr).

Fig. 7 bezieht sich auf eine Basis 1 mit einer Porosität von 50%. Wenn die Porosität auf 30% erniedrigt wird, beträgt die Differenz bezüglich der Zeit, die zum Dämpfen erforderlich ist, 20%.

Wenn die Porosität weiter erniedrigt wird, wird die Zeitdifferenz weiter auf weniger als 20% verringert. Andererseits wird die Diffe­ renz vergrößert, wenn die Porosität vergrößert wird. Wenn ein Mate­ rial mit einer Porosität von 65% verwendet wird, wird die Zeit, die zum Dämpfen der Amplitude vom Maximum auf 20 dB oder weniger erford­ erlich ist, 30% oder weniger der Zeit, die bei dichtem Material not­ wendig ist.

Wenn ein Wandler gemäß der zweiten Ausführungsform ver­ wendet wird, ist die Dämpfungszeit der empfangenen Wellen 50% kleiner im Vergleich zu einem Wandler aus dichtem Material.

Die Dämpfungszeitreduktion im umgekehrten Verhältnis zum Porositätsanstieg beruht darauf, daß das Material der piezoelektri­ schen Basis 1 einen geringeren mechanischen Qualitätsfaktur Q _m auf­ weist, wodurch die Vibrationswellenformen sehr schnell gedämpft wer­ den.

Typische piezoelektrische Faktoren in bezug auf Dichte und poröses PZT sind der beigefügten Tabelle entnehmbar. Bei dichtem PZT ist der mechanische Qualitätsfaktor Q _m 140, jedoch bei PZT mit einer Porosität von 30% nur 30, wodurch sich die geringere Dämpfungs­ zeit ergibt. Wenn die Porosität 50% beträgt, ist Q _m = 11, wenn die Porosität 65% ist, ist Q=5. Q nimmt umgekehrt proportional zum Anstieg der Porosität ab.

Der elektromechanische Kopplungsfaktor, K _p im Ausbrei­ tungsvibrationsmodus einer Scheibe ist 0,51 bei dichtem Material, je­ doch 0,27 bei PZT mit 30% Porosität. Wenn die Porosität 50% ist, ist K _p =0,12, bei 65% Porosität ist K _p =0,05 oder weniger. K _p nimmt ab entsprechend der Zunahme der Porosität.

Um den Effekt der Vibration zwischen Elektroden zu ver­ mindern, um Wellenformen von empfangenen akustischen Wellen schnell zu dämpfen, ist der elektromechanische Kopplungsfaktor K _p vorzugswei­ se 0,3 oder weniger und der mechanische Qualitätsfaktor Q _m 30 oder weniger.

Wie aus derTabelle ersichtlich, ist in dichtem PZT die akustische Impedanz 28×10⁶ kg/m² sec, jedoch in porösem Material ge­ ringer. Der Wert von porösem Material liegt näher zu demjenigen von Wasser oder demjenigen des menschlichen Körpers. Daher kann das Dämp­ fen von akustischen Wellen bewirkt durch Fehlanpassung der akusti­ schen Impedanz vermieden werden.

Ähnliche Ergebnisse ergeben sich bei Verwendung der ande­ ren im Vorstehenden genannten piezoelektrischen Materialien anstelle von PZT, wenn dem Material eine geeignete Porosität verliehen wird, wobei K _p auf 0,3 oder weniger und Q _m auf 30 oder weniger eingestellt wird. Entsprechend kann auch ein Polyvinylidenfluorid oder ein Copolymer hiervon, das einen kleineren mechanischen Qualitätsfaktor Q _m aufweist, verwendet werden.

Gemäß Fig. 8 wird ein piezoelektrischer Wandler 81 ge­ mäß der ersten Ausführungsform in Siliconöl getaucht und Elektroden auf der konvexen Fläche hiervon gleichzeitig mit den gleichen Wellenfor­ men durch elektrische Impulse von einem Impulsgenerator/Empfänger 82 ge­ trieben, um Schallwellen auf der konkaven Fläche hiervon parallel zum Flüssigkeitsniveau des Öls zu erzeugen. Eine Stahlkugel 84 mit einem Durchmesser von 5 mm an einen feinen Draht in dem Öl hängend reflektiert die akustischen Wellen, die von dem Impulsgenerator/Empfänger 82 empfan­ gen und von einem Oszilloskop 83 dargestellt werden.

Wenn die Stahlkugel 84 in eine Position nahe zum Mittelpunkt oder ca. 80 mm vom Zentrum der konkaven Fläche angeordnet wird, werden die zurückgestrahlten Wellen am stärksten. Wenn ein Wandler von sphärischer Form verwendet wird, werden daher die akustischen Wellen auf den sphärischen Mittelpunkt hiervon fokussiert.

Fig. 9 zeigt die Steuerung des Konvergenzpunktes, an dem die Schallwellen fokussieren. Der Wandler mit sphärischer Form gemäß den dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen wirkt als aku­ stische Linse, wobei die Schallfelder auf der konkaven Fläche hiervon fo­ kussieren. Wenn beispielsweise elektrische Spannungen der gleichen Phase an entsprechende piezoelektrische Wandlerelemente angelegt werden, stimmt der Fokus der erzeugten Schallwellen mit dem sphärischen Mittelpunkt überein. Wenn die Phasen der Spannungen zum Treiben entsprechender Ele­ mente seitlich versetzt werden, können die Konvergenzpunkte gesteuert werden.

Durch Steuern der Phasen der gepulsten Spannungen zum Treiben der piezoelektrischen Wandlerelemente werden gepulste Spannungen in versetzten Phasen von außen nach innen bezüglich der Wandlerelemente angelegt. Die Schallfelder fokussieren an einem geometrischen Fokus der gekrümmten Fläche oder einem Punkt 92, der näher zu dem Wandler als der sphärische Mittelpunkt 91 ist. Wenn die Spannungen zeitlich gestaffelt von der mittleren Elektrode nach außen hin angelegt werden, fokussieren die akustischen Felder in einem Punkt 93, der weiter als der sphärische Mittelpunkt 91 vom Wandler entfernt ist. Die Positionen der Punkte 92, 93 können beliebig durch Steuern der Phasenverschiebung der gepulsten Span­ nungen gesteuert werden.

Wenn piezoelektrische Wandlerelemente zeitlich versetzt getrieben werden, würde, wenn die treibende Wellenform eines Elemen­ tes benachbarte Elemente beeinträchtigen würde, die Phasenkontrolle gestört werden, wodurch die Konvergenz der akustischen Felder zer­ stört würde. Da das Material der erfindungsgemäßen Wandler jedoch nur einen geringen elektromechanischen Kopplungsfaktor K _p im Ausbrei­ tungsvibrationsmodus aufweist, können Rauschen und Rückstrahlung be­ wirkt durch unnötige seitliche Vibrationen reduziert werden.

Tabelle

Claims (7)

1. Piezoelektrischer Wandler mit einer piezoelektrischen Ba­ sis (1) in Form einer gekrümmten Platte und mit Elektroden (2, 3) auf beiden Seiten der Basis (1), wobei wenigstens eine der Elektroden (3) auf einer Seite der Basis (1) in konzentrische, voneinander isolierte Elektroden unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (1) aus einem Material besteht, das einen elektromechanischen Kopplungs­ faktor K _p von 0,3 oder weniger bezüglich in planarer Richtung verlau­ fender Vibration aufweist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (1) aus einem Material mit einem mechanischen Qualitätsfaktor Q _m von 30 oder weniger besteht.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (1) Bleizirkonattitanat mit einer Porosität von 30 Vol.-% oder höher umfaßt.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Basis (1) sphärisch ausgebildet ist.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die unterteilte Elektrode eine Vielzahl von konzentri­ schen ringförmigen Elektroden (3) aufweist, während die nicht unter­ teilte Elektrode (2) sich im wesentlichen über eine Seite der Basis (1) erstreckt.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrostatischen Kapazitäten zwischen den Elektro­ den (2, 3), die bezüglich der Basis (1) einander gegenüberliegend an­ geordnet sind, im wesentlichen identisch zueinander sind.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Seiten und der Rand der Basis (1) mit einer Harz­ beschichtung versehen ist.