DE4006718A1 - Piezoelektrischer wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler, der elektrische Signale in Schallwellen oder andere mechanische Vibrationen oder aber mechanische Vibrationen in elektrische Signale konvertiert. Die Erfindung ist anwendbar bei der Schallabstrahlung, -fokussierung, -übertragung und -empfang. Die Erfindung ist geeignet für die Übertra­ gung oder den Empfang von Schallwellen in bzw. aus Wasser und/oder den menschlichen Körper und insbesondere als Sonde in einem Ultraschalldiag­ nostikgerät.

Piezoelektrische Wandler werden üblicherweise verwendet, um elektrische Signale in Schallwellen oder andere mechanische Vibrationen oder mechanische Vibrationen in elektrische Signale umzuwandeln. Dies geschieht durch Ausnutzung der morphologischen Änderung eines Kristalls, durch Anlegung einer Spannung oder durch Ausnutzung der durch Anlegen eines Drucks an dem Kristall erzeugten Spannung.

Als piezoelektrischer Wandler wird beispielsweise eine Sonde eines Ultraschalldiagnostikgeräts verwendet. Eine derartige Sonde wird beispielsweise durch M. Ide, Recent medical applications of ultrasonic waves; the Journal of Acoustic Society of Japan, Vol. 33, No. 10, 1977, pp. 586-591 und M. Ide in Recent progress in ultrasonic diagnostic ap­ paratus; the Journal of Acoustic Society in Japan, Vol. 36, No. 11, 1980, pp. 576-580 beschrieben. Der erstgenannte Aufsatz beschreibt im einzelnen das Abtastsystem für lineare, bogenförmige, kreisförmige, sek­ torförmige, radiale oder andere Ultraschallstrahlen, während der zweite Aufsatz das Prinzip der elektronischen Linearabtastmethode, die derzeit weitgehend verwendet wird, die Struktur einer tatsächlichen elektroni­ schen Linearabtastsonde und das Prinzip der Ablenkung der Ultraschall­ strahlen, bewirkt durch die Phasenverzögerung, beschreibt.

Die Sonde für die Linearabtastmethode ist jedoch insofern nachteilig, als abgestrahlte Ultraschallstrahlen linear fokussieren. Das Fokussieren auf einen Punkt ist wünschenswert, um Bilder mit hoher Posi­ tionsgenauigkeit zu erhalten. Um Ultraschallstrahlen zu fokussieren, ist es wünschenswert, eine Schallquelle zu besitzen, die eine gekrümmte Flä­ che, insbesondere eine sphärische Fläche besitzt.

In der japanischen Patentanmeldung Sho 60-1 11 600 ist ein pie­ zoelektrischer Wandler vorgeschlagen worden, in dem die Schallquelle ei­ ne gekrümmte Fläche aufweist. Der piezoelektrische Wandler besitzt hier­ bei eine gekrümmte Basis, soll jedoch nicht als Sonde dienen, so daß auch keine Fokussteuerung der Strahlen in Betracht gezogen ist.

Um den Konvergenzpunkt abgestrahlter Strahlen bei der älteren japanischen Anmeldung zu steuern, ist eine Methode absehbar, bei der ringförmige Elektroden konzentrisch angeordnet und eine Vielzahl von piezoelektrischen Wandlerelementen ausgebildet werden, wobei Treiberim­ pulse, die an die entsprechenden Elemente angelegt werden, sequenziell verzögert werden. Jedoch ist diese Methode insofern nachteilig, als dann, wenn Treiberimpulse an eine beliebige Elektrode angelegt werden, der getriebene Bereich aufgrund der Expansion bzw. Kontraktion aufgrund des piezoelektrischen Effektes vibriert, wobei die Vibration auf ein be­ nachbartes Wandlerelement übertragen wird und Spannungsimpulse an den Elektroden aufgrund dessen piezoelektrischer Eigenschaften erzeugt wer­ den, wodurch die Vibration weiter auf ein hierzu benachbartes Element übertragen wird. Außerdem wird innerhalb eines Wandlerelementes aufgrund des zugeführten Treiberimpulses ein elektrisches Feld erzeugt, das zum benachbarten Element vagabundiert, um dieses zu treiben, oder eine elek­ trische Spannung wird offensichtlich zwischen Elektroden des Elementes erzeugt. Wenn es als Sonde verwendet wird, werden durch elektrische Treiberimpulse erzeugte Schallwellen auf ein Ziel (beispielsweise biolo­ gisches Gewebe) abgestrahlt und die hiervon reflektierten Schallwellen werden empfangen und in elektrische Signale unter Verwendung eines Ein­ zelelementes konvertiert. Wenn daher Vibration oder Spannung auf andere Elemente übertragen wird, ist der Zustand ähnlich zu demjenigen, bei dem Ultraschallsignale von außerhalb eingeführt werden, die ein Rauschen be­ wirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Wandler zu schaffen, der es ermöglicht, mechanische Vibrationen zu erzeugen, die im wesentlichen auf einen Punkt fokussiert sind, und bei dem ein derar­ tiger Konvergenzpunkt gesteuert werden kann.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Form der Wandlerelemente ist vorzugsweise derart, daß der Rand des mittleren Elementes im wesentlichen kreisförmig ist, während die Form der umgebenden Elemente ringförmig ist. Es können jedoch auch alle Elemente ringförmig sein. Alternativ können kreis- oder ringförmige Elemente radial geteilt sein.

Jedes Wandlerelement umfaßt eine erste Elektrode, gebildet zwischen der Basis und dem Wandlerelement, wobei sich das piezoelektri­ sche Material auf der Oberfläche dieser ersten Elektrode befindet, und eine zweite Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Material ausgebil­ det ist. Die zweite Elektrode ist mechanisch und elektrisch von anderen Wandlerelementen isoliert. Die piezoelektrischen Materialien sind eben­ falls voneinander isoliert.

Die Basis hat eine flache Seite, auf der eine Vielzahl von Wandlerelementen angeordnet sein kann. Um jedoch erzeugte Vibrationen (Schallwellen) zu konvergieren oder abzustrahlen, ist es bevorzugt, eine Basis mit gekrümmter Fläche zu nehmen und eine Vielzahl von Wandlerele­ menten längs der gekrümmten Fläche anzuordnen. Als gekrümmte Fläche ist insbesondere eine sphärische oder parabolische Fläche geeignet.

Die erste Elektrode kann gemeinsam für alle Wandlerelemente verwendet werden. Wenn die Basis elektrisch leitend ist, kann die Basis die erste Elektrode darstellen.

Das Material für die Wandlerelemente enthält vorzugsweise eine Keramik ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bariumtitanat, Bleitita­ nat, Bleizirkonattitanat oder eine Verbindung der Bleizirkonattitanat­ gruppe und wird zum Polarisieren behandelt. Es kann Polyvinylidenfluorid oder sein Kopolymer sein. Das Material für die Basis kann Polyurethan, Silicongummi, Epoxyharz oder ein anderes organisches Harzmaterial sein. Die Wandlerelemente sind vorzugsweise derart strukturiert, daß sie im wesentlichen identische elektrostatische Kapazitäten zwischen der ersten und zweiten Elektrode besitzen. Es ist zweckmäßig, die Oberfläche der Wandlerelemente mit einem Harzfilm zu beschichten.

Wenn Wandlerelemente, die konzentrisch angetrieben sind, von außerhalb zeitlich versetzt getrieben werden, können mechanische Vibrat­ ionen, insbesondere Schallwellen, auf einen beliebigen Punkt abhängig von der Treibersteuerung konvergieren. Das zu der Zeit erhaltene Schall­ feld stellt ein konvergierendes Schallfeld dar.

Ein derartiges konvergierendes Schaltfeld kann durch Ausbil­ dung von ringförmigen konzentrischen Elektroden auf einer flachen Platte mit piezoelektrischen Eigenschaften und Treiben derselben sequenziell von der äußersten her erhalten werden. In diesem Fall jedoch, wenn eines der Wandlerelemente elektrisch getrieben wird, werden Vibrationen und elektrische Felder unvermeidlich an ein benachbartes Element über das piezoelektrische Material übertragen. Dies erzeugt seinerseits Schall­ wellen und Vibrationen von dem benachbarten Wandlerelement, das den Kon­ vergenzfaktor beeinträchtigt und Rauschen erzeugt. Gemäß der Erfindung werden zwischen den Wandlerelementen Spalte vorgesehen, um die mechani­ schen Beanspruchungen oder Vibrationen zu reduzieren, die sonst auf be­ nachbarte Elemente übertragen würden. Ein an ein Wandlerelement angeleg­ tes elektrisches Feld beeinträchtigt benachbarte Elemente über piezoe­ lektrische Materialien dann kaum. Wenn daher die Vielzahl von Wandlere­ lementen unabhängig getrieben werden, ergibt sich erfindungsgemäß nur ein sehr geringer Einfluß von der Signalspannung auf benachbarte Elemen­ te, so daß das Schallfeld mit hoher Präzision konvergiert.

Wenn die Wandlerelemente gemäß der Erfindung auf einer ge­ krümmten Fläche, insbesondere einer sphärischen oder parabolischen Flä­ che angeordnet sind, kann das Schallfeld mit noch höherer Präzision kon­ vergieren.

Wenn eine Elektrode auf der Seite der Basis gemeinsam verwen­ det wird, insbesondere wenn die Basis selbst als Elektrode verwendet wird, kann das Ausbilden der Elektroden vereinfacht werden.

Die Umwandlungseffizienz wird durch entsprechende Verwendung von Materialien als piezoelektrisches Material wie Bariumtitanat, Blei­ titanat, Bleizirkonattitanat, eine Verbindung der Bleizirkonattitanat­ gruppe, Polyvinylidenfluorid oder sein Kopolymer verbessert.

Wenn ein organisches Harz für die Basis verwendet wird, ist die akustische Impedanz hiervon geringer als diejenige von Keramik und näher zu derjenigen von Wasser oder dem menschlichen Körper. Daher kann die Dämpfung der akustischen Wellen, die von dem piezoelektrischen Wand­ ler abgegeben werden, reduziert werden ebenso wie diejenige der akusti­ schen Wellen, die unter Wasser reflektiert werden. Da des weiteren die Vibration der Basis selbst schnell gedämpft wird, kann auch der darauf montierte piezoelektrische Wandler schnell gedämpft werden. Das Inter­ vall des Erzeugens von akustischen Wellen kann verkürzt werden, wodurch die Zeitauflösung verbessert wird, indem einfach das Material und die Dicke der Basis geeignet gewählt werden. Die Basis kann als Anlage­ schicht verwendet werden.

Wenn die elektrostatischen Kapazitäten der entsprechenden Wandlerelemente identisch zueinander sind, kann die Impedanz leichter eingestellt werden, um die Verteilung der Eingangsleistung zwischen den Elementen zu erleichtern.

Die Isolierung zwischen den Elementen kann zum Erhöhen der Um­ gebungswiderstandsfestigkeit erhöht werden durch Beschichtung der Ober­ fläche der Wandlerelemente mit einem Harz. Wenn die Harzbeschichtung als Anlageschicht verwendet wird, kann unnötiger Schall oder Vibration hier­ von absorbiert werden, um den Einfluß auf das Schallfeld zu reduzieren.

Wie vorstehend beschrieben kann der erfindungsgemäße piezoe­ lektrische Wandler mechanische Vibrationen erzeugen, und zwar insbeson­ dere akustische Wellen, die im wesentlichen auf einen Punkt konvergie­ ren, wobei der Konvergenzpunkt gesteuert werden kann.

Der Wandler ist gegen Rauschen sehr unempfindlich und sehr wirksam als Sonde in einem Ultraschalldiagnostikgerät zur Verbesserung von Bildern mit hoher Positionsgenauigkeit.

Wenn die Wandlerelemente auf einer parabolischen Fläche ange­ ordnet werden, um parallele Strahlen zu erzeugen, besitzen die Strahlen eine ausgezeichnete Parallelität und sind sehr effektiv zum Auffinden von Fischen oder bei der Schallnavigation und bei Sonarsystemen.

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

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers.

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

Fig. 3 und 4 zeigen Schnitte entsprechend verschiedenen Her­ stellungsstufen des Wandlers von Fig. 1.

Fig. 5 und 6 zeigen zwei weitere Ausführungsformen im Schnitt.

Fig. 7 zeigt eine Meßeinrichtung zum Nachweis, daß mechanische Vibrationen und elektrische Signale benachbarte Elektroden nicht beein­ trächtigen.

Fig. 8 und 9 zeigen einen Vergleichswandler in Draufsicht und im Schnitt.

Fig. 10 zeigt eine graphische Darstellung des Meßergebnisses der Meßeinrichtung von Fig. 7.

Fig. 11 zeigt eine Meßeinrichtung zum Messen der Konvergenz von Schallwellen.

Fig. 12 zeigt die Steuerung der Position des Fokus, auf den die Schallwellen konvergieren.

Fig. 13 zeigt eine vierte Ausführungsform im Schnitt.

Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsform eines piezoe­ lektrischen Wandlers umfaßt eine Basis 1, auf der eine erste Elektrode 2 ausgebildet ist, und eine Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen 3 aus piezoelektrischem Material, die auf der ersten Elektrode 2 ausgebildet sind, sowie eine zweite Elektrode 4, die auf der Oberseite des piezoe­ lektrischen Materials ausgebildet ist.

Die piezoelektrischen Wandlerelemente sind konzentrisch zu­ einander sowohl mechanisch als auch elektrisch voneinander isoliert angeordnet und jedes Element ist getrennt mit einer zweiten Elektrode 4 verbunden. Hierzu sind Spalte 5 zwischen zwei benachbarten Elementen vorgesehen, wobei das zentrale Element gewölbt ist (kreisförmig in Draufsicht), während die das zentrale Element umgebenden Elemente ring­ förmig sind.

Die Oberflächen der piezoelektrischen Wandlerelemente sind mit einem Harzfilm 8 beschichtet, der jedoch in Fig. 1 weggelassen ist.

Der piezoelektrische Wandler wird hergestellt, indem ein ge­ wölbtes Keramikstück mit einem Durchmesser von 25 mm, 200 µm Dicke und 80 mm Krümmungsradius, hergestellt aus Bleizirkonattitanat (nachstehend als PZT bezeichnet), sowohl auf der konkaven als auch auf der konvexen Flä­ che mit entsprechenden Silberelektroden versehen und gesintert wird. Die umlaufende Kante des Keramikteils wird nicht mit Elektroden versehen, um eine elektrische Isolierung zwischen der konkaven und konvexen Oberflä­ che sicherzustellen. Bei dieser Ausführungsform ist PZT hergestellt durch Zugeben von 0,5 Gew.-% Nb₂O₅ zu Pb (Zr_0,53Ti_0,47)O₃ · Nb₂O₅, um die piezoelektrischen Eigenschaften zu verbessern, um die Polarisation in nachfolgenden Schritten zu erhöhen.

Dann wird das Keramikteil in eine Vielzahl von ringförmigen Elementen derart zerschnitten, daß gleiche elektrostatische Kapazität zwischen Elektroden in jedem Ring herrscht. Dies wird dadurch verwirk­ licht, daß der Bereich jeder Elektrode in gleicher Größe hergestellt wird, wenn die Dicke des gewölbten Keramikteils gleichförmig ist.

Das Keramikteil wird insbesondere in ein gewölbtes piezoelekt­ risches Wandlerelement und drei ringförmige piezoelektrische Wandlerele­ mente unter Verwendung einer Ultraschalleinrichtung mit einer Sonotrode mit drei zylindrischen Vorsprüngen unterschiedlichen Durchmessers ge­ teilt. Die Abmessungen sind hierbei folgende:

• 1) Der äußere Durchmesser des mittleren gewölbten Elementes beträgt 10,4 mm.
• 2) Der Innendurchmesser und der Außendurchmesser des ringför­ migen piezoelektrischen Wandlerelementes benachbart zu dem mittleren beträgt 11,4 mm bzw. 15,4 mm.
• 3) Der Innendurchmesser und der Außendurchmesser des ringför­ migen piezoelektrischen Wandlerelementes benachbart zu dem vorstehenden beträgt 16,4 mm bzw. 19,4 mm.
• 4) Der Innendurchmesser und der Außendurchmesser des ringför­ migen piezoelektrischen Wandlerelementes benachbart zu dem vorhergehenden beträgt 20,4 mm bzw. 23,0 mm.

Die erste Elektrode 2, das piezoelektrische Material und die zweite Elektrode 4 werden auf diese Weise hergestellt, die so erhaltenen Elemente sind im Schnitt in Fig. 3 dargestellt.

Leitungen 6 werden an den vier Elementen 3 auf den konkaven Seiten hiervon befestigt und die Elemente 3 auf einer Basis 1 montiert.

Als Basis 1 wird ein gewölbtes Polyurethanharzteil von 0,5 mm Dicke, 27 mm Durchmesser und 80 mm Krümmungsradius auf der konvexen Sei­ te verwendet und mit durchgehenden Bohrungen in vorbestimmten Positionen mit einem Durchmesser 0,2 bis 0,5 mm versehen, durch die Leitungen 6 hindurchgeführt werden. Nach dem Hindurchführen der Leitungen 6 werden die Elemente 3 an der Basis 1 befestigt. Insbesondere wird das gleiche Urethanharz wie für die Basis 1 auf die Elemente 3 auf der konkaven Sei­ te hiervon aufgebracht, wonach die Elemente 3 auf der Basis 1 unter ge­ eigneten Bedingungen aufgebracht werden, um das Harz zum Befestigen der Elemente 3 hierauf auszuhärten.

Das Harz wird in die Bohrungen in der Basis 1 zum Befestigen der Leitungen 6 als auch zum Sicherstellen der pneumatischen Dichtung zwischen der konkaven Fläche der Basis 1 und den konkaven Flächen der Elemente 3 gefüllt. Die Spalten 5 sind zwischen den Elementen 3 in glei­ chen Intervallen vorgesehen, so daß die elektrischen Signale und mecha­ nischen Vibrationen nicht auf benachbarte Elemente 3 übertragen werden.

Die Elemente werden dann zur Polarisierung in Siliconöl be­ handelt.

Vier Leitungen 6, die mit den Elementen 3 auf den konkaven Seiten hiervon verbunden sind, werden hierzu geerdet und die Elektroden 4 auf der konvexen Seite werden stark auf positive Anschlüsse gedrückt. Das Teil wird in Siliconöl von 120°C getaucht und ein elektrisches Feld von 2-3 kV/1 mm während 20-30 min angelegt, um das piezoelektrische Material zu polarisieren. Nach dieser Behandlung wird das Teil aus dem Öl entnommen, mit Äthanol oder dergleichen gereinigt und getrocknet. Leitungen 7 werden an der konvexen Fläche der Elemente 3 angelötet. Das so hergestellte Teil ist in Fig. 4 dargestellt.

Das gleiche Urethanharz wie für die Basis 1 wird auf die kon­ vexe Fläche der Elemente 3 aufgebracht, um eine Harzbeschichtung 8 aus­ zubilden. Die Beschichtung 8 verbessert die Isolierung und die Umge­ bungsfestigkeit der Elemente 3. Die Beschichtung 8 kann als Hinterle­ gungsschicht zum Absorbieren unnötiger Töne oder Vibrationen in Richtung der konvexen Seite dienen. Alternativ kann eine zusätzliche Hinterle­ gungsschicht auf der Harzbeschichtung 8 vorgesehen sein.

Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der die Elemente 3 auf der konkaven Seite der Basis 1 ausgebildet sind.

Obwohl die Basis 1 bei der vorhergehenden Ausführungsform mit Bohrungen für die Leitungen 6 versehen war, kann die erste Elektrode 2 auch gemeinsam verwendet werden. Wenn beispielsweise die Leitungen 6 zu erden sind, kann jede Leitung 6 zwischen der Basis 1 und dem piezoe­ lektrischen Material verlaufen. In einem solchen Fall kann Wasser­ dichtigkeit und Umgebungswiderstandsfähigkeit erhöht werden, so daß eine derartige Ausführungsform dann zweckmäßig ist, wenn eine Seite der Basis 1 ohne Wandlerelemente in Kontakt mit Wasser kommt.

Bei der Ausführungsform von Fig. 5 ist die Basis 1 zunächst gewölbt ausgebildet worden. Jedoch ist es nicht notwendig, sie vor­ her so weit zu formen, wenn die Basis 1 die positionelle Anordnung zwischen den Elementen 3 aufrechterhalten kann. Beispielsweise kann die Basis 1 entsprechend der Krümmung der Elemente 3 einfach durch Anordnen der Elemente 3 entsprechend der Krümmung und mit entspre­ chendem Abstand sowie Einfüllen des Harzes zum Befestigen der Ele­ mente 3 geformt werden.

Fig. 6 zeigt eine dritte Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, daß die erste Elektro­ de 2′ von allen Elementen 3 gemeinschaftlich verwendet wird. Hierbei ist es nicht notwendig, Bohrungen in der Basis 1 für Leitungen vor­ zusehen.

Die Herstellung dieser Ausführungsform wird nachstehend nä­ her beschrieben. Eine Basis 1 mit einem Durchmesser von 27 mm, einer Dicke von 0,3 mm und einem Krümmungsradius von 60 mm an der konvexen Fläche wird in gewölbter Form unter Verwendung eines Epoxyharzes hergestellt. Leitendes Epoxyharz, das ein leitendes Material wie Silberpulver oder eine andere leitende Substanz enthält, wird auf die konvexe Fläche der Basis 1 aufgebracht und ausgehärtet, um die erste Elektrode 2′ auf der konvexen Fläche zu bilden.

Silberelektroden werden auf beiden Seiten eines gewölbten PZT-Keramikteils von 25 mm Durchmesser, 200 µm Dicke und 60 mm Krüm­ mungsradius auf der konkaven Fläche ausgebildet. Dieses Teil wird in vier Elemente geteilt, von denen eines kreisförmig und die anderen drei ringförmig, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, sind.

Die Elemente werden auf der konvexen Fläche der Basis 1 durch ein leitendes Epoxyharz des gleichen Materials wie es für die Elektrode 2′ auf der Oberfläche der Basis 1 verwendet wurde, befe­ stigt. Die erste Elektrode 2′ wird mit Leitungen 6′ durch leitende Paste verbunden, während die zweiten Elektroden 4 mit den Leitungen 7 verlötet werden.

Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform wird ein elektri­ sches Feld von 3 kV/mm zwischen der ersten Elektrode 2′ und den zweiten Elektroden 4 zum Polarisieren angelegt.

Da die zweiten Elektroden 4 getrennt voneinander auf jedem Element 3 angeordnet sind, können die Elemente 3 mit den zweiten Elektroden 4 unabhängig voneinander betrieben werden. Die gegensei­ tige Übertragung von Vibrationen zwischen den Elementen 3 ist wie bei der ersten Ausführungsform vernachlässigbar.

Der Grund, warum der Basis 1 eine gewölbte Form gegeben wird, besteht darin, daß sie Vibrationen oder Schwingungen, die von den Elementen 3 erzeugt werden, konvergieren oder abstrahlen kann. Die von den konkaven Flächen hiervon erzeugten akustischen Wellen können auf einen Punkt auf der gekrümmten Fläche konvergiert werden, um einen hohen akustischen Druck zu liefern.

Die Basis 1 und die Elemente 3 können in Abhängigkeit von der Verwendung auch auf einer ebenen Fläche angeordnet werden.

Die Eigenschaften des piezoelektrischen Wandlers der ersten Ausführungsform wurden gemessen, wobei Fig. 7 eine Meßeinrichtung zeigt, die verwendet wird, um zu demonstrieren, daß mechanische Vi­ brationen und elektrische Signale nicht durch benachbarte Elektroden beeinträchtigt werden.

Die Leitungen 6 der entsprechenden Elemente 3 werden geerdet und Sinuswellen von ±10 V, 5 MHz werden an eine Elektrode 4 (als Elektrode A gekennzeichnet) des mittleren gewölbten Elementes 3 an­ gelegt. Die Amplitude der Sinuswellen der gleichen Frequenz, die gleichzeitig an jeder der Elektroden der ringförmigen Elemente 3 er­ zeugt werden, wird gemessen. Die Sinuswellen werden von einem Fre­ quenzgenerator 9 erzeugt und durch einen Verstärker 10 verstärkt an die Elektrode A angelegt. Die an den übrigen Elektroden B, C und D erzeugten Spannungen werden durch ein Oszilloskop 11 gemessen.

Zum Vergleich wird ein Wandler vermessen, bei dem eine Viel­ zahl von piezoelektrischen Wandlerelementen miteinander durch pie­ zoelektrisches Material ohne Spalten verbunden sind. Ein derartiger Wandler ist in den Fig. 8 und 9 in Draufsicht und im Schnitt darge­ stellt.

Die Vergleichsvorrichtung wurde hergestellt durch Ausbildung einer ersten Elektrode 2 aus Silber auf der konkaven Fläche eines gewölbten PZT-Keramikteils von 25 mm Durchmesser, 200 µm Dicke und 80 mm Krümmungsradius der konkaven Fläche sowie Ausbildung einer zentralen Elektrode und drei ringförmigen zweiten Elektroden 4 auf der konvexen Fläche. Die Abmessungen der zweiten Elektroden 4 sind die gleichen wie diejenigen der ersten Ausführungsform.

Die ersten Elektroden 2 der Elemente sind durch Leitungen 6 miteinander verbunden, die an der konkaven Fläche hiervon zur Basis 1 angebracht sind, und werden in ähnlicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform polarisiert und entsprechend mit Leitun­ gen 7 versehen.

Fig. 10 zeigt die Meßergebnisse. In der Graphik stellt die vertikale Achse die generierten Spannungen dar, während die horizon­ tale Achse den Abstand zwischen dem Zentrum der Elektrode A zu jeder der Elektroden B, C und D darstellt.

Die Amplitude der in der zweiten Elektrode B benachbart zu dem gewölbten Element 3 erzeugten Wellen war um 43 dB kleiner als die an die Elektrode A in der ersten Ausführungsform angelegte Span­ nung. Die Amplituden der in der dritten und vierten Elektrode C und D erzeugten Wellen ist entsprechend um 45 dB kleiner.

In dem Vergleichsbeispiel ist andererseits die Amplitude der in der Elektrode B erzeugten Wellen nur um 28 dB von der an die Elektrode A angelegten Spannung reduziert, was um 15 dB größer als der erfindungsgemäß erhaltene Wert ist. Eine ähnliche Tendenz wird für die Elektroden C und D beobachtet.

Das Experiment verifiziert die Effektivität der Ausbildung der piezoelektrischen Elemente 3 in Ringform.

Fig. 11 zeigt eine Einrichtung zum Messen der Konvergenz von akustischen Wellen.

Bei diesem Experiment werden die in der ersten Ausführungs­ form erhaltenen piezoelektrischen Wandlerelemente 14 in Siliconöl getaucht und gleichzeitig in allen Elektroden auf der konvexen Flä­ che mit der gleichen Wellenform durch elektrische Impulse, die von einem Impulsoszillator/Empfänger 12 erzeugt werden, angesteuert, um akustische Wellen auf der konkaven Fläche parallel zum Ölniveau zu erzeugen. Eine Stahlkugel 15 von 5 mm Durchmesser ist über einen feinen Draht aufgehängt und bewegt sich in dem Öl auf der konkaven Seitenfläche. Die von der Stahlkugel 15 reflektierten akustischen Wellen werden von dem Empfänger 12 empfangen und ihre Wellenform auf einem Oszilloskop 13 angezeigt.

Wenn die Stahlkugel mit ihrem Mittelpunkt ca. 80 mm vom Zen­ trum der konkaven Fläche entfernt oder in einer Position näher zu der sphärischen Fläche des Elementes 14 angeordnet wird, wird das Echo am stärksten. Anders ausgedrückt ergibt sich, daß dann, wenn piezoelektrische Wandlerelemente sphärischer Form verwendet werden, akustische Wellen zum sphärischen Mittelpunkt konvergieren.

Fig. 12 zeigt die Kontrolle des Konvergenzpunktes, wo aku­ stische Wellen fokussiert werden.

Die piezoelektrischen Wandlerelemente, die eine sphärische Form besitzen, wirken wie eine akustische Linse, von der Fallfelder auf der konkaven Seite hiervon konvergieren. Wenn beispielsweise Spannung der gleichen Phase an jedes Element angelegt wird, stimmen die Brennpunkte der erzeugten akustischen Wellen mit dem sphärischen Center überein. Wenn die Phase der Spannung, die an die Elemente an­ gelegt ist, zeitlich versetzt ist, können die Brennpunkte, wo aku­ stische Wellen konvergieren, beim Bewegen kontrolliert werden.

Fig. 12 zeigt eine derartige bewegende Kontrolle der Brenn­ punkte der Wandlerelemente. Die Phasen der Spannungsimpulse zum Treiben der Wandlerelemente werden so gesteuert, daß Spannungsimpul­ se in versetzten Phasen sequenziell von dem äußeren zum inneren Ele­ ment angelegt werden. Die Schallfelder konvergieren zu dieser Zeit auf einen geometrischen Fokus der gekrümmten Fläche oder einen Punkt 17, der näher zum Wandler als der sphärische Mittelpunkt 16 liegt. Wenn Spannungsimpulse mit versetzten Phasen sequenziell vom inneren zum äußeren Element angelegt werden, konvergiert das Schallfeld auf einen Punkt 18, der weiter als der sphärische Mittelpunkt 16 ent­ fernt ist. Die Positionen der Punkte 17, 18 können durch die Phasen­ abweichung der Spannungsimpulse beliebig gesteuert werden.

Wenn piezoelektrische Wandlerelemente zeitversetzt getrieben werden, wobei treibende Wellenformen von Elementen benachbarte Ele­ mente beeinträchtigen, würde die Phasenkontrolle gestört, wodurch die Konvergenz des Schallfeldes zerstört würde. Wenn jedoch die Ele­ mente 3 mit einem Spalt zwischen zwei benachbarten Elementen ange­ ordnet werden, werden sowohl die Vibrationen als auch die elektri­ schen Signale zwischen zwei Elementen isoliert, so daß Interferenzen zwischen diesen vermieden werden.

Die Elemente 3 können auch auf einer anders als sphärisch gekrümmten Fläche, beispielsweise auf einer parabolisch gekrümmten Fläche wie in Fig. 13 dargestellt angeordnet sein. Hierdurch lassen sich parallel zueinander verlaufende Strahlen erzeugen.

Claims (8)

1. Piezoelektrischer Wandler mit einer Vielzahl von piezoe­ lektrischen Wandlerelementen (3), die auf einer Basis (1) angeordnet sind, wobei jedes Wandlerelement (3) aus piezoelektrischem Wandler­ material eine erste Elektrode (2), die zwischen dem Wandlerelement (3) und der Basis (1) ausgebildet ist, und eine zweite Elektrode (4) umfaßt, die auf der Fläche des piezoelektrischen Materials ausgebil­ det ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (3) konzen­ trisch und voneinander mechanisch und elektrisch isoliert angeordnet sind und wenigstens eine von den beiden Elektroden (2, 4) unabhängig an jedem Element (3) vorgesehen ist.

2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wandlerelemente (3) ringförmig sind.

3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Basis (1) eine gekrümmte Fläche auf­ weist, wobei die Wandlerelemente (3) auf der gekrümmten Fläche ange­ ordnet sind.

4. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gekrümmte Fläche sphärische Form besitzt.

5. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (2) gemeinsam für alle Wandlerelemente (3) vorgesehen ist, während jedes Wandlerele­ ment (3) mit einer separaten Elektrode (4) versehen ist.

6. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (1) aus einem organischen Harzmaterial gebildet ist.

7. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (3) im wesentli­ chen gleiche elektrostatische Kapazitäten zwischen den ersten und zweiten Elektroden (2, 4) besitzen.

8. Piezoelektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (3) mit einer Harzbeschichtung (8) auf ihren Oberflächen versehen sind.