EP1169143A1 - Impuls-ultraschallwandler mit einem elementarblock aus piezoelektischem material - Google Patents

Impuls-ultraschallwandler mit einem elementarblock aus piezoelektischem material

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EP1169143A1
EP1169143A1 EP00929375A EP00929375A EP1169143A1 EP 1169143 A1 EP1169143 A1 EP 1169143A1 EP 00929375 A EP00929375 A EP 00929375A EP 00929375 A EP00929375 A EP 00929375A EP 1169143 A1 EP1169143 A1 EP 1169143A1
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sound transducer
piezoelectric material
impulse sound
collar
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element

Definitions

  • the invention relates to a pulse transducer in the ultrasonic range. Such converters are needed in many areas of technology where short pulses are necessary. Defectoscopy comes first, followed by sonography in the medical field.
  • the classic design of such a transducer consists of a plane-parallel plate made of piezoelectric material, which has electrodes on the two flat upper and lower sides, the plate being polarized perpendicular to the sides covered with electrodes.
  • This plate is glued to a block that dampens the ultrasonic wave and has acoustic impedance that is matched to the piezo plate.
  • So-called adaptation layers are provided on the outlet side, which allow reflection-free sound transmission and very short pulses to be achieved in pulse mode. Converters of this type are well known State of the art, and a good discussion of it and the problems that arise, can be found, for example, in the book by MG Silk, Ultrasonic Transducers for Nondestructive Testing, Adam Hüger 1984.
  • Converters of the well-known type require a complex and therefore expensive technology if they are to generate really good impulses. Furthermore, the known transducers are relatively thick (at least 5 mm) and it is virtually impossible to manufacture them for frequencies that are greater than 30 MHz. Also, with pulse excitation, only relatively long pulses are generated, which have a negative effect on the measurements. Another disadvantage is that they are not suitable for automatic mass production and their parameters cannot be kept within a narrow tolerance range.
  • Transducers with lens-shaped elementary blocks have relatively good pulse shapes and also good repeatability, but they only produce weak signals and are considerably less sensitive compared to classic converters. The same disadvantages have also been found in transducers which are able to deliver relatively short signals due to the special electrode design or inhomogeneous polarization of the piezo element.
  • the object on which the invention is based is to create a sound transducer for the ultrasound range which emits strong and short pulses, has a high sensitivity and ensures repeatability of the parameters in series production.
  • the object is achieved according to the invention by the features of the pulse sound transducer contained in the characterizing part of claim 1.
  • the block which is T-shaped in longitudinal section and which may have a column, cone or pyramid shape with a round, oval or polygonal cross section is dimensioned in such a way that that there is damping of the shaft which moves inside the column to prevent it from reflecting on the free column wall and emerging as a ringing which deteriorates the pulse quality. It is therefore possible to dispense with further damping means. In addition, the production as a mass article is made considerably easier by the omission of additional damping means and adhesive connections. It is essential for the invention to form a collar on the block to form the unit cell. This shape, the selected proportions and the arrangement of the electrodes, which are arranged on the exit surface and around the block above the collar, are decisive for the basic vibration, which is designed in three dimensions.
  • the basic polarization direction of the piezo material should run perpendicular to the base surface, that is to say the exit surface of the pulse of the T-shaped unit cell.
  • Fig. 3 shows the electric field within the elementary cell.
  • Figure 1 shows the unit cell 1 in a perspective view. This consists of block 2 and the collar 3 molded onto it. The collar protrudes over the block.
  • the unit cell 1 is triangular in section, but it can also have any other shape. It can be round, oval and polygonal, and taper to the top as a cone or pyramid.
  • One electrode 4 is arranged on the straight exit surface of the pulse, while the other electrode 5 extends laterally along the block 2. It is not necessary for the electrode 5 to run around the entire block, nor for the lower electrode to cover the entire lower surface.
  • the thickness of the covenant is marked with a, the height of the block with b, the width of the block with c and the total height of unit cell 1 with h.
  • the active area of the unit cell is located in the lower part of the block and within the federal government.
  • the proportions of the unit cell are essential. It has been shown that the thickness of the collar in relation to the height of the block of piezoelectric material to the total height, So keep a / b / h in the ratio 1/4 - 6/10 in order to produce optimal results. Optimal results means that strong and short impulses are emitted and the converter has a high sensitivity. 2 shows the pulse curve achieved with the sound transducer according to the invention.
  • the T-shape of the elementary cell 1 according to the invention is of very great importance since it enables the electric field between the electrodes within the elementary cell to be closed.
  • 3 shows the image of the electric field in the unit cell. As can be seen from this, this only runs within the unit cell of the converter. This shape also enables volume oscillation and all upwards s.
  • Fig. 1 directed waves, that is, against the impulse exit surface propagating waves so attenuated that they can no longer be reflected at the upper end of the unit cell.
  • the proportions of the unit cell are of great importance.
  • the ratio of the individual parts of the unit cell has already been specified.
  • the height of cell h should be at least 10 times greater than the height of collar a.
  • Such a converter produces pulses that are 20 ns long and has a bandwidth of 4 - 35 MHz as a receiver.
  • the ultrasonic wave that goes up in the drawing is totally damped.
  • the complete transducer does not have to be thicker than 2 mm. It is even possible to make it significantly thinner if the unit cell is constructed in such a way that it forms a peak at the top, which prematurely dampens the wave going in this direction.
  • the component of the electric field that is parallel to the foot of the unit cell 1, that is to say the transverse bars of the T, is comparable to the component perpendicular to it.
  • the properties of the transducer according to the invention are only determined by the properties of the selected piezoelectric material and the precision of the shape of the unit cell, i. H. in other words, the converter according to the invention can be produced with very good repeatability.
  • Transducers of this type can contain one or more unit cells that can be connected to one another.
  • the converter according to the invention is able to produce very short and very strong pulses that cannot be achieved with other converter designs.
  • the amplitude of the pulses produced is at least twice greater than that of the classic converters. Its sensitivity is comparable to that of classic designs.
  • the converter according to the invention can, however, be manufactured at considerably lower costs and used wherever classic converter types can also be used.
  • the converter according to the invention can achieve a significant increase in effectiveness in comparison to other non-classical constructions, since no losses of the electric field occur to the outside and all undesired sound waves are subjected to an almost complete damping without this large ceramic thickness or other damping bodies would have to be used.
  • the pulse length is shorter and the amplitude larger. None of the known designs is easier to manufacture.

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Description

IMPULS-ULTRASCHALLWANDLER MIT EINEM ELEMENTARBLOCK AUS PIEZOELEKTRISCHEM MATE¬ RIAL
Die Erfindung bezieht sich auf einen Impulsschallwandler im Ultraschallbereich. Solche Wandler werden auf vielen Gebieten der Technik benötigt, wo kurze Impulse notwendig sind. An erster Stelle steht dabei die Defektoskopie, woran sich die Sonographie im medizinischen Bereich anschließt.
Die klassische Konstruktion eines solchen Wandlers besteht aus einer planparallelen Platte aus piezoelektrischem Material, die an den beiden flachen Ober- und Unterseiten Elektroden aufweist, wobei die Platte senkrecht zu den mit Elektroden belegten Seiten polarisiert ist. Diese Platte ist auf einen Block aufgeklebt, der die Ultraschallwelle dämpft und akustische Impedanz hat, die an die Piezoplatte angepaßt ist. An der Austrittsseite sind sogenannte Anpassungsschichten vorgesehen, die eine reflexionsfreie Schallübertragung und im Impulsbetrieb sehr kurze Impulse erzielen lassen. Wandler dieser Art gehören zum bekannten Stand der Technik, und eine gute Erörterung darüber und der dabei auftretenden Probleme findet sich z.B. in dem Buch von M. G. Silk, Ultrasonic Transducers for Nondestructive Testing, Adam Hüger 1984.
Wandler der bekannten Bauart verlangen, eine aufwendige und damit kostspielige Technologie, falls sie wirklich gute Impulse generieren sollen. Ferner sind die bekannten Wandler relativ dick (mindestens 5 mm) und es ist so gut wie unmöglich, sie für Frequenzen zu fertigen, die größer als 30 MHz sind. Auch werden bei Impulsanregung nur relativ lange Pulse erzeugt, die sich nachteilig auf die Messungen auswirken. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sie sich nicht für automatische Massenanfertigung eignen und auch ihre Parameter nicht in einem engen Toleranzbereich gehalten werden können.
Relativ gute Impulsformen und auch gute Wiederholbarkeit besitzen Wandler mit linsenförmigen Elementarblöcken, jedoch produzieren sie nur schwache Signale und sind im Vergleich zu den klassischen Wandlern erheblich weniger empfindlich. Die gleichen Nachteile wurden auch an Wandlern festgestellt, die durch spezielle Elektrodengestaltung oder inhomogene Polarisation des Piezoelementes in der Lage sind, relativ kurze Signale zu liefern.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Schallwandler für den Ultraschallbereich zu schaffen, der starke und kurze Impulse aussendet, eine große Empfindlichkeit aufweist und eine Wiederholbarkeit der Parameter bei der Serienherstellung gerantiert. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale des Impulsschallwandlers gelöst.
Der im Längsschnitt T-förmige Block, der Säulen-, Kegel- oder Pyramidenform mit rundem, ovalem oder mehreckigem Querschnitt haben kann, ist so bemessen, daß eine Dämpfung der Welle erfolgt, die sich ins Innere der Säule bewegt um zu verhindern, daß sie an der freien Säulenwand reflektiert und als eine Nachschwingung nach außen tritt, die die Impulsqualität verschlechtert. Es kann somit auf weitere Dämpfungsmittel verzichtet werden, Außerdem wird die Herstellung als Massenartikel durch den Wegfall von zusätzlichen Dämpfungsmitteln und Klebeverbindungen wesentlich erleichtert. Essentiell für die Erfindung ist die Anformung eines Bundes an den Block zur Bildung der Elementarzelle. Diese Formgebung, die gewählten Proportionen sowie die Anordnung der Elektroden, die an der Austrittsfläche und um den Block herum oberhalb des Bundes angeordent sind, sind ausschlaggebend für die Grundschwingung, die dadurch dreidimensional gestaltet ist. Es ist auch wichtig, daß infolge der erfindungsgemäßen Konstruktion der Elementarzelle sich das elektrische Feld innerhalb der Elementarzelle schließt und somit ein starker Impuls nach außen gesendet werden kann. Die Grundpolarisationsrichtung des Piezomaterials soll senkrecht zu der Fußfläche, also der Austrittsfläche des Impulses der T-förmigen Elementarzelle verlaufen.
Es wurde festgestellt, daß es besonders vorteilhaft ist, wenn die folgenden Abmessungsverhältnisse eingehalten werden, nämlich a/ b/ h = 1 / 4-6/ 10, wobei a die Dicke des Bundes, b der Durchmesser des Blocks bzw. dessen Breite und h die Höhe der Elementarzelle ist. Die Größenverhältnisse der schallerzeugenden Elementen, hier der Elementarzelle, sind bei allen schallwellenerzeugenden Konstruktionen von ganz besonderer Bedeutung, wie Beispiele aus der Musikwelt zeigen. So erzeugen die Violine, die Bratsche, das Cello und der Kontrabaß aufgrund ihrer unterschiedlichen Größenverhältnisse unterschiedliche Tonhöhen und -tiefen. Es hat sich ebenfalls gezeigt, daß eine zusätzliche radiale Polarisierung durch Anlegen einer hohen Spannung die Stärke des Impulses verbessert. Höchstwahrscheinlich wirkt sich diese Polarisierung durch die Ausnutzung der zusätzlichen Piezoef- fekte vorteilhaft aus.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Elementarzelle,
Fig. 2 den Verlauf des Impulses,
Fig. 3 das elektrische Feld innerhalb der Elementarrzelle.
Figur 1 zeigt die Elementarzelle 1 in perspektivischer Darstellung. Diese besteht aus dem Block 2 und dem daran angeformten Bund 3. Der Bund ragt über den Block heraus. In der gezeigten Darstellung ist die Elementarzelle 1 im Schnitt dreieckförmig gehalten, sie kann aber auch jede andere Form besitzen. Sie kann rund, oval und mehreckig sein, sowie nach obenhin spitz als Kegel oder Pyramide zulaufen. Die eine Elektrode 4 ist an der geraden Austrittsfläche des Impulses angeordnet, während die andere Elektrode 5 sich seitlich entlang dem Block 2 erstreckt. Es ist nicht erforderlich, daß die Elektrode 5 um den ganzen Block herumläuft und auch nicht, daß die untere Elektrode die gesamte untere Fläche bedeckt.
Die Dicke des Bundes ist mit a, die Höhe des Blocks mit b, die Breite des Blocks mit c und die Gesamthöhe der Elementarzelle 1 mit h gekennzeichnet. Der aktive Bereich der Elementarzelle befindet sich im unteren Teil des Blocks und innerhalb des Bundes. Wie schon erwähnt, sind die Proportionen der Elementarzelle von essentieller Bedeutung. Es hat sich dabei gezeigt, daß die Dicke des Bundes im Verhältnis zu der Höhe des Blocks aus piezoelektrischem Material zu der Gesamthöhe, also a/b/h im Verhältnis 1 / 4 - 6 / 10 zu halten ist, um optimale Ergebnisse zu erzeugen. Optimale Ergebnisse heißt, daß starke und kurze Impulse ausgesendet werden, und der Wandler eine große Empfindlichkeit aufweist. In Fig. 2 ist die mit dem erfindungsgemäßen Schallwandler erreichte Impulskurve dargestellt.
Die erfindungsgemäße T-Form der Elementarzelle 1 ist von sehr großer Bedeutung, da sie ermöglicht, daß das elektrische Feld zwischen den Elektroden innerhalb der Elementarzelle geschlossen wird. In Fig. 3 ist das Bild des elektrischen Feldes in der Elementarzelle wiedergegeben. Wie daraus ersichtlich, verläuft dieses nur innerhalb der Elementarzelle des Wandlers. Diese Form ermöglicht außerdem eine Volumenschwingung und dazu noch alle nach oben s. Fig. 1 gerichteten Wellen, also entgegen der Impulsaustrittsfläche sich fortpflanzenden Wellen so dämpft, daß sie nicht mehr an dem oberen Ende der Elementarzelle reflektiert werden können.
Von großer Bedeutung sind - wie schon ausgeführt - die Proportionen der Elementarzelle. Das Verhältnis der einzelnen Teile der Elementarzelle ist bereits angegeben worden. Die Höhe der Zelle h soll mindestens 10 mal größer als die der Höhe des Bundes a sein. Die tatsächlichen Abmessungen können beispielsweise folgende Werte haben: a = 0,2 mm, b = 1 mm und h = 2 mm. Ein solcher Wandler produziert Impulse, die 20 ns lang sind und hat als Empfänger eine Bandbreite von 4 - 35 MHz.
Bei dem erfindungsgemäßen Wandler mit den genannten Proportionen wird die Ultraschallwelle, die in der Zeichnung nach oben geht, total gedämpft. Der komplette Wandler muß nicht dicker als 2 mm sein. Es ist sogar möglich, ihn bedeutend dünner zu machen, wenn die Elementarzelle so konstruiert ist, daß sie nach oben eine Spitze bildet, die die in diese Richtung gehen-de Welle vorzeitig ausreichend dämpft.
Von Bedeutung ist es auch, daß bei den gewählten Größenverhältnissen die Komponente des elektrischen Feldes, die zu dem Fuß der Elementarzelle 1 , also den Querbalken des T parallel ist, vergleichbar mit der dazu senkrechten Komponente ist.
Infolge dieser Tatsache spielen alle Piezokoeffizienten des Piezomaterials eine im wesentlichen gleichbedeutende Rolle. Es kommt zu einer Volumenschwingung des aktiven Bereichs der Elementarzelle, die durch ihre Form und gezielte Anbringung der Elektroden sowie nachträgliche Polarisierung in der radialen Richtung gestaltbar ist. Die nachträgliche Polarisierung erfolgt nach Fertigstellung des Wandlers bzw. der Elementarzelle durch Anlegen einer relativ hohen Spannung an seine Elektroden. Diese Schwingungsart ermöglicht offensichtlich eine bessere Nutzung des Piezoeffektes und beeinflußt auch die Dämpfung der nach hinten gehenden Welle.
Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wandlers werden dabei nur durch die Eigenschaften des gewählten piezoelektrischen Materials und die Präzision der Formgebung der Elementarzelle bestimmt, d. h. mit anderen Worten, der erfindungsgemäße Wandler läßt sich mit sehr guter Wiederholbarkeit herstellen. Wandler diesen Typs können eine oder mehrere Elementarzellen enthalten, die miteinander verbunden werden können.
Der erfindungsgemäße Wandler ist in der Lage sehr kurze und sehr starke Impulse zu produzieren, die mit anderen Wandlerkonstruktionen nicht erreichbar sind. Die Amplitude der produzierten Impulse ist mindestens zweimal größer als bei den klassischen Wandlern. Seine Empfindlichkeit ist mit den klassischen Konstruktionen vergleichbar. Der erfindungsgemäße Wandler läßt sich aber mit erheblich niedrigeren Kosten herstellen und überall dort einsetzen, wo auch klassische Wandlertypen verwendet werden können.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß mit dem erfindungsgemäßen Wandler im Vergleich zu anderen nicht klassischen Konstruktionen eine erhebliche Steigerung der Effektivität erreicht werden kann, da keine Verluste des elektrischen Feldes nach außenhin auftreten und alle unerwünschten Schallwellen einer fast vollständigen Dämpfung unterworfen werden, ohne daß dazu eine große Keramikdicke oder andere Dämpfungskörper benutzt werden müßten. Im Vergleich zu den klassischen Konstruktionen ist die Impulslänge kürzer und die Amplitude größer. Keine der bekannten Konstruktionen ist leichter zu fertigen.

Claims

Patentansprüche
1.) Impulsschallwandler für den Ultraschallbereich zum Einsatz sowohl als Sender wie auch als Empfänger mit einem Elementarblock aus piezoelektrischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des aus piezoelektrischem Material bestehenden Elementarblocks des Wandlers größer ist als dessen Breite und der Block am Austrittsende der Impulse einen angeformten Bund derart aufweist, daß eine glatte Austrittsfläche für die Schallwelle gebildet ist und im Längsschnitt eine T-Form entsteht, wobei die Grundpolarisation senkrecht zur Austrittsfläche verläuft und die eine Elektrode auf der Austrittsfläche vorgesehen ist, während die andere oberhalb des Bundes an dem Block verläuft.
2.) Impulsschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block als runde oder mehreckige Säule, Kegel oder Pyramide ausgebildet und der Bund entsprechend angepaßt ist.
3.) Impulsschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Proportion der Elementarzelle wie folgt gewählt ist: a/b/h = 1 / 4-6/10, wobei a die Dicke des Bundes ist, b der Durchmesser oder die Breite des Blocks und h die Höhe der gesamten Zelle.
4.) Impulsschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementarzelle nach der Formgebung einer zusätzlichen radialen Polarisierung durch Anlegen einer hohen Spannung ausgesetzt wird.
5.) Impulsschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus mehreren Elementarzellen zusammengesetzt ist, wobei den Zellen um die Säulen oder dgl. längliche Gebilde Elektroden zugeordnet sind, jedoch die Gesamtheit der Zellen eine Elektrode an der Gesamtaustrittsfläche der Pulse aufweist.
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