DE19609645C2 - Verfahren zum Herstellen einer Gradientenspule - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Gradientenspule, die beispielsweise in einer Bildgebungsvorrichtung eines Kernspintomographen oder dergleichen eingesetzt wird.

Ein Verfahren zum Herstellen elektrischer Gradientenspulen mit in einer Fläche liegenden Bindungen ist beispielsweise in DE 34 41 328 A1 beschrieben.

Zudem ist in EP 0 587 423 A1 eine Gradientspulenanordnung mit einer Abschirmungsvorrichtung beschrieben.

Allgemein besteht eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds aus drei Arten von Spulen, d. h. einer Gx-, einer Gy- und einer Gz-Spule, und zwar zum Erzeugen von Gradientenmagnetfeldern entlang wechselseitig senkrecht zueinander verlaufender Richtungen, d. h. der X-, der Y- und der Z-Achse. Jeder dieser Spulen besteht entlang ihrer jeweiligen Richtung aus einer inneren und einer äußeren Spule, derart, daß die äußere Spule und die innere Spule angeordnet ist, neben dem gewünschten Gradientenmagnetfeld auch eine Streuung des Gradientenmagnetfelds zur Außenseite hin zu vermeiden. Dies gelingt durch Zuführung eines Stroms an die äußere Abschirmspule entlang einer Richtung, die zu der Stromrichtung in der inneren Gradientenspule entgegengesetzt ist. Demnach handelt es sich um eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds vom sogenannten Abschirmtyp.

Die Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht einer derartigen Vorrichtung zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds für einen Kernspintomographen in einer durch die Y- und Z-Achse definierten Ebene.

In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Z- Achsenlinie, das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Y- Achsenlinie, das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Gy- Gradientenspule, und das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Gy- Abschirmspule. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Wicklungskörper für die Gradientenspulen, das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Wicklungskörper für die Abschirmspulen, das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Gx-Gradientenspule, das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Gx-Abschirmspule, das Bezugszeichen 9 bezeichnet Gz-Gradientenspule, das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine Gz-Abschirmspule, und das Bezugszeichen 11 bezeichnet einen Fixierbolzen zum Fixieren des Wicklungskörpers 5 für die Gradientenspule mit dem Wicklungskörper 6 für die Abschirmspule. Zudem bezeichnet das Bezugszeichen 12 ein nachfolgend geklärtes Spulensockelglied.

Die Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht zum Darstellen lediglich der Gx-Gradientenspule, welche in einer durch die anhand des Bezugszeichens 13 bezeichneten X-Achse und der Y-Achse 2 definierten Ebene liegt.

Die Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht der Gy- Gradientenspulen entlang einer geneigten Richtung. Die Gy- Gradientenspule 3 besteht aus vier eine gleiche Form aufweisenden Wirbelspulen, deren detaillierte Struktur nachfolgend beschrieben wird. Diese vier Wirbelspulen sind symmetrisch bezüglich der Z-Achsenlinie 1, der Y-Achsenlinie 2 und der X-Achsenlinie 13 angeordnet. Sie sind miteinander seriell durch Verwenden von nachfolgend beschriebenen Verbindungszuführungen geschaltet. Ähnlich ist die Gy- Abschirmspule 4 mit vier Wirbelspulen aufgebaut, die die gleiche Form aufweisen. Die Wirbelformen der Gy- Gradientenspule 3 unterscheiden sich von denjenigen der Gy- Abschirmspule 4. Lediglich die Gx-Gradientenspule ist derart angeordnet, daß sie um 90° entlang der Umfangsrichtung verschoben ist. Ferner ist die sie ähnlich mit Wirbelspulen aufgebaut, die zu denjenigen der Gy-Gradientenspule ähnlich sind.

Die Gz-Gradientenspule unterscheidet sich von den Wirbelspulen. Beispielsweise ist sie eine solenoidförmige Spule, die aus einem gewöhnlichen rechteckigen Kupferdraht besteht, der auf eine zylindrische Fläche gewickelt ist.

Die Fig. 6 zeigt ein Blatt einer in der Gy-Gradientenspule verwendeten Wirbelspule 14. Die Wirbelspule wird so hergestellt, daß beispielsweise eine Rille 15 mit einer Breite von ungefähr 1,5 mm in einer Wirbelform in einem Kupferstück mit einer Dicke von ungefähr 1 bis 3 mm hergestellt wird, das einer leitfähigen Platte entspricht. Hierdurch werden mehrere Spulenwindungen gebildet und diese Spulenwindungen auf einer zylindrischen Wickelschablone in einer Sattelform gebogen. Verschiedene Bearbeitungsverfahren, beispielsweise Maschinenschneiden, Ätzen und Wasserbestrahlen können zur Bildung der Rille 15 in der Kupferplatte eingesetzt werden.

Nun wird das Bilden der Gy-Gradientenspule 3 durch Verbinden der einzelnen Wirbelspulen 14 beschrieben. Die Fig. 7A zeigt die Wirbelspule 14 unmittelbar nach dem Herstellen der Rille 15. Wie in Fig. 7A gezeigt, wird die Wirbelspule 14 an einem Sockelglied 12 befestigt, das aus einer Epoxidplatte oder dergleichen besteht. Es ist erwähnen, daß der Abschnitt gemäß der Kupferplatte schraffiert dargestellt ist.

Das Sockelglied 12 wird zum korrekten Biegen der in Wirbelform ausgebildeten Kupferplatte verwendet, in der die Rille 15 gebildet ist. Wie in Fig. 7A gezeigt, werden die Breiten der jeweiligen Windungen der Wirbelspule 14 nicht konstant ausgebildet. Ferner wird die Kupferplatte bis zum einem Anschlußabschnitt 16 des inneren Randabschnitts vorgesehen. Die Spur bzw. der Verlauf der Rille 15 wird auf der Grundlage des zu erzielenden magnetischen Flusses bzw. Aufbaus bestimmt.

Die Fig. 8 zeigt einen Verbindungsaufbau für die Gy- Gradientenspule. Die Fig. 8A zeigt eine perspektivische Ansicht zum Darstellen der Gesamtform der Gy-Gradientenspule, die mit vier Wirbelspulen 14 aufgebaut ist. Die Fig. 8B zeigt eine Draufsicht auf zwei dieser Wirbelspulen 14. In der Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 17 eine Verbindungszuführung zum Verbinden der Endabschnitte 16 der beiden Wirbelspulen 14. Da sich durch Löten keine ausreichende Spulenverbindung erzielen läßt, wird meist Hartlöten angewandt. Obwohl in der Figur nicht gezeigt, ist die Verbindungszuführung entlang der Y-Achsenrichtung mit der äußeren Spulenwindung verbunden, und die vier Wirbelspulen 14 werden wechselseitig in Serie so verbunden, daß die Gy-Gradientenspule 3 und die Gy- Abschirmspule 4 gebildet sind.

Aufgrund des Aufbaus der oben beschriebenen Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds entstehen Probleme, die hauptsächlich auf die spezifischen Bedingungen der Herstellungsstufen zurückzuführen sind. Ein erstes Problem besteht darin, daß der Anschlußabschnitt 16 dann kaum hochgehoben werden kann, wenn die Verbindungszuführung 15 mit der Wirbelspule 14 durch Hartlöten verbunden wird, da die Kupferplatte bis zu dem Anschlußabschnitt 16 des inneren Randabschnitts der Wirbelspule 14 geführt ist. Demnach ist kein ausreichender Arbeitsraum gewährleistet, in dem beispielsweise ein Hartlöt-Kopfabschnitt zu einem Verbindungsabschnitt geführt ist.

Ebenso kann beim Biegen der Wirbelspule 14 der Kupferplatte im Fall eines sehr festen inneren Anschlußabschnitts 16 dieser nicht glatt auf die gebogene Fläche angepaßt werden. Somit besteht ein zusätzliches Problem darin, daß der innere Randabschnitt 16 gegenüber der gebogenen Fläche beabstandet ist. Zudem ist es beim Biegen der Wirbelspule 14 erforderlich, das Sockelglied 12 zum mechanischen Unterstützen dieser Kupferplatte heranzuziehen. Dies erfolgt durch Anhaften der Wirbelspule 14 an der Kupferplatte, damit die Spulenwindungen örtlich nicht verschoben werden. Ist die Vorrichtung zum Erzeugen des Gradientenmagnetfelds vom Abschirmtyp, so wird aufgrund dieses Stützsockels der Abstand zwischen der Gradientenspule und der Abschirmspule bei Verwendung des Sockelglieds im Vergleich zu dem Fall verringert, in dem kein Sockelglied verwendet wird.

Aufgrund der Verwendung der Gradientenspulen und der Abschirmspulen zum Erzeugen von Magnetfeldern, die innerhalb und außerhalb der Vorrichtung einander entgegenstehen, besteht insofern eine Schwierigkeit, als eine höhere magnetomotorische Kraft im Vergleich zu dem Fall erforderlich ist, in dem lediglich die Gradientenspule allein verwendet wird, und zwar zum Erzeugen eines gewünschten Magnetfelds in der Vorrichtung zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds. Unter der Annahme, daß sowohl der maximale Innendurchmesser der Gradienten-/Abschirmspulen-Anordnung sowie ein minimaler Außendurchmesser auf konstante Werte beschränkt sind, bedeutet dies, daß der Abstand zwischen der Gradientenspule und der Abschirmspule vermindert ist, so daß die erforderliche elektromotorische Kraft erhöht ist.

Demnach sollte die Gradientenspule unter größtmöglicher Beabstandung zu der Abschirmspule innerhalb des zulässigen Raums der Vorrichtung zum Erzeugen des Gradientenmagnetfelds so montiert sein, daß sich der Wirkungsgrad beim Erzeugen des Gradientenmagnetfelds erhöht und die erforderliche magnetomotorische Kraft verringert ist. Wird bei Verringern des Nennstroms und der Nennspannung dieser Vorrichtung zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds die magnetomotorische Kraft erniedrigt, so läßt sich die Leistungsfähigkeit der Energiequelle ebenso vermindern, so daß die Vibrationen, das Rauschen und die Wärmeentwicklung dieser Vorrichtung zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds verringert sind. Im Ergebnis behindert die Verwendung eines Sockelglieds die Optimierung geometrischer Abmessungen bei dieser Vorrichtung zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds.

Demnach besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen einer Gradientenspule mit hoher mechanischer Stabilität bereits vor dem Aufbringen auf den Spulenkörper.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Gradientenspule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Demnach ist erfindungsgemäß die Verwendung eines Sockelglieds nicht mehr länger erforderlich, da ein Haftmittel in die Rille zum Verstärken der mechanischen Festigkeit der Wirbelspule unter Ausbildung eines einheitlichen Körpers gebildet wird.

Da die Mikroverbindungen während der Bildung der Rillen und dem Biegen der Windungen in die Form einer zylindrischen Fläche in den Rillen zurückbleiben, verstärken die Mikroverbindungen mechanisch die Wirbelspule. Weiterhin läßt sich aufgrund der erhöhten mechanischen Festigkeit das Biegen in eine zylindrische Fläche korrekt und genau ohne Einsatz des Sockelglieds erreichen. Bleiben die Mikroverbindungen während des Biegevorgangs in dem Haftmittel zurück, so ist die mechanische Festigkeit der Wirbelspule zusätzlich erhöht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß in die Mikroverbindungen Löcher eingeformt werden, damit im letzten Schritt zum Herausnehmen der Mikroverbindungen ein leichtes Entfernen der Mikroverbindungen ermöglicht wird. Hierdurch ist die Handhabung der Mikroverbindungen im Rahmen des Verfahrens zum Herstellen einer Gradientenspule vereinfacht.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird beispielhaft unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben; es zeigen:

Fig. 1A und Fig. 1B eine Draufsicht zum Darstellen einer Wirbelspule gemäß der Erfindung sowie einen vergrößerten Abschnitt dieser Wirbelspule;

Fig. 2 einen weiter vergrößerten Abschnitt der Wirbelspule gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Schnittansicht zum Darstellen einer üblichen Vorrichten zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds;

Fig. 4 eines Schnittansicht zum Darstellen einer üblichen Vorrichtung zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Gy- Gradientenmagnetfeldspule;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht zum Darstellen eines Blattes der Wirbelspule gemäß der Erfindung;

Fig. 7A und Fig. 7B eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer üblichen Wirbelspule; und

Fig. 8A und Fig. 8B eine perspektivische Ansicht und eine Draufsicht zum Darstellen der Verbindungsstruktur für eine Gy- Gradientenspule.

Nachfolgend wird unter Bezug auf die Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, wobei selbe oder vergleichbare Elemente wie sie in den Fig. 3 bis 8 gezeigt, anhand derselben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Die Fig. 1 zeigt eine Draufsicht zum Darstellen einer Wirbelspule 14 für eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds. Zum Herstellen der Wirbelspule 14 wird eine Kupferplatte bearbeitet, derart, daß eine Rille 15 durch Einsatz verschiedener Verfahren in die Kupferplatte eingearbeitet wird, beispielsweise Maschinenschneiden, Ätzen oder Wasserbestrahlen. Hierbei wird ein notwendiger leitfähiger Abschnitt der Wirbelspule 14 entfernt, um eine Lücke 18 derart zu bilden, daß eine Breite der Rille 15 an dem inneren gewundenen Abschnitt der Wirbelspule 14 größer ist als diejenigen der anderen gewundenen Abschnitte der Wirbelspule 14.

Die Ausbildung der Lücke 18 erfolgt auf Grundlage einer Analyse der Magnetfeldberechnung, derart, daß der Mittelpunkt der jeweiligen gewundenen Abschnitte nicht durch das Vorsehen der Lücke 18 verschoben wird.

Zudem kann eine Mittenabschnitt der Wirbelspule 14 flexibel ausgebildet und an eine Verbindungszuführung der Wirbelspule 14 angefügt sein. Auch ein innenliegender Anschlußabschnitt 16 kann leicht angehoben sein, so daß ein zum Durchführen der Bondbearbeitung verwendeter Bearbeitungsraum sichergestellt ist. Auch beim Biegen der Wirbelspule 14 wird der Mittenabschnitt sicher gehalten, und eine sattelförmige Wirbelspule 14 kann in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen gebogenen Fläche hergestellt werden. Demnach läßt sich eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds mit hoher Genauigkeit herstellen.

Erfindungsgemäß ist zudem vorgesehen, daß ein Haftmittel, das beispielsweise aus einem isolierenden Material wie Epoxidharz hergestellt wird, in die Rille eingefüllt wird. Nach dem Aushärten des Haftmittels werden die jeweiligen gewundenen Abschnitte der Wirbelspule 14 mechanisch zu einem Körper geformt. Hierdurch wird durch das Biegen keine unnötige Deformation verursacht, und die mechanische Zuverlässigkeit der Wirbelspule 14 läßt sich verbessern. Beispielsweise kann das Haftmittel unter Verwendung einer Bürste bzw. eines Pinsels oder eines Luftsprühers in die Rille 15 gefüllt werden.

Da die Stärke der Wirbelspule 14 durch Einsatz des Haftmittels vergrößert ist, kann das im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erörterte Sockelglied weggelassen werden. Im Ergebnis lassen sich die Kosten reduzieren. Zusätzlich läßt sich Abstand zwischen der Gradientenspule und der Abschirmspule um eine Größenordnung erhöhen, der durch die Dicke des nunmehr überflüssigen Sockelglieds gegenüber der üblichen Struktur erhöht ist. Dies führt zu einer Reduzierung der erforderlichen magnetomotorischen Kraft für die Gradientenmagnetfeldspule, und der Nennstrom kann erniedrigt werden. Im Ergebnis kann die Energieversorgung mit niedriger Leistung ausgeführt sein. Zusätzlich lassen sich die Vibrationen sowie das Rauschen und die Wärmeentwicklung, welche von der Vorrichtung zum Erzeugen des Gradientenmagnetfelds ausgehen, reduzieren.

Wie in der Fig. 1B gezeigt, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung in der Rille 15 Mikroverbindungen 19 vorgesehen, die sehr kleinen Brückenabschnitten entsprechen. Die Mikroverbindungen 19 sind in vorbestimmten Intervallen angeordnet. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Mikroverbindungen 19 die Deformation des leitfähigen Abschnitts verhindern, der beispielsweise mit einem Wasserstrahlvorgang bearbeitet wird. Die Länge der Mikroverbindungen 19 kann geeignet gewählt werden, beispielsweise in der Größenordnung von 2 mm, und zwar im Hinblick auf die Stärke des Kupfermaterials und den eingesetzten Schneidvorgang.

Das Biegen wird so durchgeführt, daß die Mikroverbindungen 19 zwischen den Mindestabschnitten der Wirbelspule 14 vorgesehen sind. Anschließend werden die Mikroverbindungen 19 unter Verwendung eines Handbohrers oder einer Kneifzange bzw. einer Beißzange entfernt. Da die gewundenen Abschnitte der Wirbelspule 14 zum Überführen in einen gebogenen Körper mit Mikroverbindungen 19 versehen sind, läßt sich ein korrektes Biegen realisieren.

Obgleich in der Zeichnung nicht gezeigt, kann nach dem Ausbilden der Rille 15 mit den Mikroverbindungen 19 ein Haftmittel in die Rille 15 eingefüllt werden. Nach dem Aushärten des Haftmittels können die Mikroverbindungen 19 abgeschnitten werden. Darauffolgend kann das Biegen der sich ergebenden Wirbelspule durchgeführt werden. Es sind alternativ auch möglich, die Mikroverbindungen 19 erst dann abzuschneiden, wenn das Biegen der Wirbelspule 14 beendet ist.

In jedem Fall ergebt sich ein erhöhter mechanischer Verstärkungseffekt bei gleichzeitigem Einsatz von Mikrobrücken und des Haftmittels, so daß sich noch zuverlässigere Wirbelspulen hochgenau herstellen lassen.

Als weiteres Verfahren unter Heranziehung der Mikroverbindungen wird die plattenförmige Wirbelspule 14 an einem Sockelglied ähnlich dem Stand der Technik angebracht und anschließend gebogen. Anschließend wird nur dieses Sockelglied entfernt, und die Mikroverbindungen 19 werden schließlich abgeschnitten. In diesem Fall können die Mikroverbindungen 19 zwei Funktionen ausüben, d. h. die Mikroverbindungen 19 können die Wirbelspule 14 dann verstärken, wenn die Wirbelspule an dem Sockelglied angebracht ist, und dieses Sockelglied läßt sich von der Wirbelspule entfernen.

Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht einer teilweise vergrößerten Wirbelspule 14, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Zusätzlich zu der Fig. 1B zeigt die Fig. 2 ein Bohrloch bei einer Mitte des Brückenabschnitts 19. Hierdurch kann die Mikroverbindung 19 mit einer Kneifzange oder einem Handbohrer nach dem Aushärten des Haftmittels entfernt werden, indem ein Spitzenabschnitt der Kneifzange oder Handbohrers mit dem Bohrloch 20 in Eingriff gebracht wird. Somit lassen sich die Mikroverbindungen selbst dann leicht entfernen, wenn die Wirbelspule 14 gebogen ist.

Obgleich die vorliegende Erfindung unter Anwendung auf Gradientenmagnetfeldspulen erläutert wurde, läßt sie sich sehr breit generell auf Vorrichtungen zum Erzeugen von Magnetfeldern anwenden, welche mit einer Wirbelspule versehen sind, wodurch sich ähnliche Vorteile ergeben.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen einer Gradientenspule, gemäß dessen:

• a) in einer flachen leitenden Platte eine Rille (15) zum Ausbildender einzelnen Windungen der Gradientenspule so gebildet wird, daß in der Rille (15) Mikroverbindungen (19) zum vorläufigen wechselseitigen Fixieren der Windungen verbleiben,
• b) zum weiteren wechselseitigen Fixieren der Windungen in die Rille (15) ein Haftmittel aus isolierendem Material eingefüllt wird,
• c) die Mikroverbindungen (19) zum Halten der Windungen nach Aushärten des Haftmittels aus der Rille (15) herausgenommen werden, und
• d) die Windungen in die Form einer zylindrischen Fläche gebogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Mikroverbindungen (19) Löcher (20) eingeformt werden, damit im Schritt c) ein leichtes Entfernen der Mikroverbindungen (19) ermöglicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mikroverbindung (19) durch Einführen eines spitzen Abschnitts in das Loch (20) entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rille (15) durch Maschinenschneiden, Ätzen oder Wasserbestrahlung gebildet wird.