Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ РЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ - Патент РФ 2105432
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ РЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ РЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ РЕЗОНАНСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Монокристаллический пьезоэлемент может быть использован в резонансных преобразователях в ультразвуковых медицинских диагностических приборах и ультразвуковых дефектоскопах. Пьезоэлемент выполнен в виде прямоугольной пластины из материала с матрицей пьезомодуля указанного вида. Ориентировка пластины выполнена с поворотом относительно оси Y. В качестве материала пластины могут быть использованы ниобат лития или танталат лития. При использовании пьезоэлемента обеспечивается оптимальное сочетание максимальной пьезоактивности основной моды колебаний и максимальной анизотропии пьезоэффекта. Для указанных материалов определены ряды оптимальных углов поворота пластины. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2105432
Класс(ы) патента: H04R17/10, H01L41/02
Номер заявки: 96107698/28
Дата подачи заявки: 16.04.1996
Дата публикации: 20.02.1998
Заявитель(и): Кобяков Игорь Борисович
Автор(ы): Кобяков Игорь Борисович
Патентообладатель(и): Кобяков Игорь Борисович
Описание изобретения: Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в ультразвуковых диагностических приборах, а также в ультразвуковой дефектоскопии.
Обычно медицинские ультразвуковые приборы и дефектоскопы используют датчики (излучатели-приемники ультразвука) на основе пьезокерамики различных составов. Однако эти составы наряду с высокой пьезоактивностью (материал PZT-4 (ЦТС-19): d33 = 290 · 10-12 Кл/Н) обладают низкой анизотропией пьезоэффекта (d33/d32 = 2), вследствие чего частоты поперечных (паразитных) колебаний искажают основную частоту. Этот отрицательный эффект в определенной мере устраняется изготовлением резонансного преобразователя из ста и более пьезоэлементов шириной 0,1 мм каждый, что находится на пределе технологических возможностей.
Интересным направлением для создания пьезоэлементов является использование монокристаллов. Однако удачное сочетание в одном монокристаллическом материале высокой пьезоактивности основной моды колебаний (максимум d33) и анизотропии пьезоэффекта (d33/d32 > 30) до сих пор при использовании метода повернутых срезов не было получено.
Известен пьезоэлектрический трансформатор, включающий в качестве составной части монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя, выполненный в виде прямоугольной пластины из материала с матрицей пьезомодулей вида

у которой ориентировка прямоугольной пластины выполнена с поворотом относительно одной из кристаллических осей [1].
В качестве материала пластины в этом техническом решении выбран ниобат лития или танталат лития. Ориентировка пластины выполнена с поворотом относительно оси X для улучшения качественных характеристик пьезоэлектрического трансформатора. Такая ориентировка не влияет на анизотропию пьезоэффекта.
Известен монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя, выполненный в виде прямоугольной пластины из материала с матрицей пьезомодулей вида
,
у которой ориентировка прямоугольной пластины выполнена с поворотом относительно одной из кристаллографических осей [2].
В этом техническом решении ориентировка граней прямоугольной пластины из танталата лития выполнена с поворотом относительно кристаллографической оси X для повышения стабильности генерируемых колебаний на частотах средневолнового диапазона с нулевым ТКЧ. Такая ориентировка также не влияет на анизотропию пьезоэффекта.
Задача, решаемая настоящим изобретением, - увеличение анизотропии пьезоэффекта для уменьшения влияния частоты поперечных (паразитных) колебаний на основную (несущую) частоту и сведения поперечных колебания до уровня шумов.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - определение углов среза для нахождения оптимального сочетания максимальной пьезоактивности основной моды колебаний (максимум d33) и максимальной анизотропии пьезоэффекта (d33/d32) для уменьшения числа пьезоэлементов в преобразователе при одновременном увеличении толщины одного пьезоэлемента.
Для решения поставленной задачи в известном монокристаллическом пьезоэлементе резонансного преобразователя, выполненном в виде прямоугольной пластины из материала с матрицей пьезомодулей вида

у которой ориентировка прямоугольной пластины выполнена с поворотом относительно одной из кристаллографических осей, согласно изобретению ориентировка выполнена с поворотом относительно оси Y.
Возможны варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- в качестве материала прямоугольной пластины был выбран ниобат лития;
- поворот для пластины из ниобата лития был выполнен под углами, выбранными из ряда 49 ± 10o, 131 ± 10o, 229 ± 10o, 311 ± 10o;
- в качестве материала прямоугольной пластины был выбран танталат лития;
- поворот для пластины из танталата лития был выполнен под углами, выбранными из ряда 44 ± 10o, 136 ± 10o, 224 ± 10o, 316 ± 10o.
За счет ориентировки прямоугольной пластины с поворотом относительно оси Y удалось для указанных материалов увеличить анизотропию пьезоэффекта.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными при рассмотрении вариантов осуществления устройства со ссылками на прилагаемые рисунки.
Фиг. 1 изображает поворот осей координат Z и X на угол Θ (Z'и X') относительно кристаллографической оси Y; фиг. 2 - монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя.
Монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя (фиг. 2) выполнен из прямоугольной пластины 1 из материала с матрицей пьезомодулей вида

например, из ниобата лития (LiNbO3) или танталата лития (LiTaO3).
На фиг. 2 также показана металлизация 2, расположенная на двух противоположных гранях. Ориентировка прямоугольной пластины 1 (фиг. 1, 2) выполнена с поворотом относительно кристаллографической оси Y на угол Θ.
Поиск материалов среди монокристаллов-сегнетоэлектриков с высокой пьезоэлектрической активностью привел по меньшей мере к двум материалам, принадлежащим к одному и тому же классу симметрии (3m или C3v) - ниобату и танталату лития.
Матрицы пьезомодулей для ниобата лития

и для танталата лития

свидетельствуют о невысокой анизотропии пьезоэффекта. Добиться в этом плане положительного результата можно лишь за счет преобразования системы координат (метод повернутых срезов). Вращение системы координат вокруг осей X и Z не дают положительного результата. Однако вращение вокруг оси Y привело к следующим результатам, показанным в табл. 1.
Как видно из представленной таблицы, оптимальными углами Θ для ниобата лития, при которых отношение d33/d32 достаточно велико, а пьезомодуль d33 максимален, являются углы поворота 50o, 130o, 230o и 310o. Шаг угла поворота в 10o позволяет с необходимой точностью определить и d33, и d33/d32.
После проведения расчетов вблизи оптимальных углов Θ с шагом в один градус были уточнены значения этих углов: 49o, 131o, 229o и 311o.
Для указанных углов: d33' = 34,0·10-12 Кл/Н, а величина d33'/d32' = 40.
Для танталата лития аналогичные расчеты привели к следующим значениям оптимальных углов Θ: 44o, 136o, 224o, 316o.
Для этих углов: d33' = 11,4·10-12 Кл/Н, а величина d33'/d32' = 5,3.
Нулевые значения пьезомодулей при определенных углах определяются симметрией кристаллов.
Соответствующие расчеты были подтверждены экспериментально для угла Θ = 50o. Резкое возрастание анизотропии пьезоэффекта в предлагаемых материалах позволяет уменьшить число монокристаллических пьезоэлементов в их сборке в 3 - 5 раз, в несколько раз увеличив ширину каждого пьезоэлемента: от 0,1 мм до 1 мм и выше. В свою очередь это облегчает технологию приготовления ультразвуковых преобразователей, а также упрощает электронные схемы для обработки принимаемых ультразвуковых сигналов при одновременном улучшении качества изображения.
Из-за высокого импеданса предлагаемых кристаллов в частотном диапазоне от 5 до 10 МГц и выше их использование открывает новые возможности по исследованию системы кровообращения человека.
Наиболее успешно заявленный монокристаллический пьезоэлемент может быть использован в ультразвуковых диагностических приборах и в устройствах ультразвуковой дефектоскопии, а также в тех областях, в которых требуется излучение и прием высококачественного ультразвукового сигнала.
Формула изобретения: 1. Монокристаллический пьезоэлемент резонансного преобразователя, выполненный в виде прямоугольной пластины из материала с матрицей пьезомодулей вида

у которой ориентировка прямоугольной пластины выполнена с поворотом относительно одной из кристаллофизических осей, отличающийся тем, что ориентировка выполнена с поворотом относительно кристаллофизической оси Y.
2. Пьезоэлемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала прямоугольной пластины выбран ниобат лития.
3. Пьезоэлемент по п.2, отличающийся тем, что поворот выполнен под углами, выбранными из ряда 49 ± 10o, 131 ± 10o, 229 ± 10o, 311 ± 10o.
4. Пьезоэлемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала прямоугольной пластины выбран танталат лития.
5. Пьезоэлемент по п.4, отличающийся тем, что поворот выполнен под углами, выбранными из ряда 44 ± 10o, 136 ± 10o, 224 ± 10o, 316 ± 10o.