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.
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): d
33 = 290
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
10
-12 Кл/Н) обладают низкой анизотропией пьезоэффекта (d
33/d
32 = 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 d
33) и анизотропии пьезоэффекта (d
33/d
32 > 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
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/25153.gif)
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
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/25154.gif)
, 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 d
33) и максимальной анизотропии пьезоэффекта (d
33/d
32) 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
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/25155.gif)
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
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 131
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 229
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 311
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o; - в качестве материала прямоугольной пластины был выбран танталат лития;
- поворот для пластины из танталата лития был выполнен под углами, выбранными из ряда 44
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 136
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 224
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 316
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o.
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
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
(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
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/25156.gif)
например, из ниобата лития (LiNbO
3) или танталата лития (LiTaO
3).
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
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
.
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 C
3v) - ниобату и танталату лития.
Матрицы пьезомодулей для ниобата лития
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/25157.gif)
и для танталата лития
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/25158.gif)
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
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
для ниобата лития, при которых отношение d
33/d
32 достаточно велико, а пьезомодуль d
33 максимален, являются углы поворота 50
o, 130
o, 230
o и 310
o. Шаг угла поворота в 10
o позволяет с необходимой точностью определить и d
33, и d
33/d
32.
После проведения расчетов вблизи оптимальных углов
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
с шагом в один градус были уточнены значения этих углов: 49
o, 131
o, 229
o и 311
o.
Для указанных углов: d
33' = 34,0
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
10
-12 Кл/Н, а величина d
33'/d
32' = 40.
Для танталата лития аналогичные расчеты привели к следующим значениям оптимальных углов
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
: 44
o, 136
o, 224
o, 316
o.
Для этих углов: d
33' = 11,4
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
10
-12 Кл/Н, а величина d
33'/d
32' = 5,3.
Нулевые значения пьезомодулей при определенных углах определяются симметрией кристаллов.
Соответствующие расчеты были подтверждены экспериментально для угла
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/920.gif)
= 50
o. 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
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/2/25159.gif)
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
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 131
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 229
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 311
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o.
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
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 136
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 224
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o, 316
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
10
o.
РИСУНКИ
Рисунок 1,
Рисунок 2,
Рисунок 3