DE2829581C2

DE2829581C2 - Verfahren zur Herstellung von Ultraschallköpfen

Info

Publication number: DE2829581C2
Application number: DE2829581A
Authority: DE
Inventors: Bertram 8520 Erlangen Sachs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-07-05
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1980-01-17
Also published as: DE2829581B1; JPS5511698A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschallköpfen, insbesondere von Wandlerkämmen für Ultraschall-Arrays oder Compound-Scanner, bei dem ein Wandlergrundformteil, ζ. Β. Wandlerelementstreifen oder E'ementplatte, mechanisch, z. B. durch Sägen oder Schneiden, in eine vorgebbare Zahl von Wandlerelementen zerteilt wird, die dann auf Abstand zueinander angeordnet sind oder werden, wobei die Breite jedes einzelnen Wandlerelementes kleiner ist als die Höhe.

Der Ultraschallkopf kann ein beliebig geformter Abtastkopf für B-Scan oder aber auch für Α-Scan oder für ein ähnliches Abtastverfahren sein. Es kann sich im vorliegenden Fall also auch um einen Ultraschallkopf für z. B. Compound-Scan handeln. In besonderer Anwendung sollte der Schallkopf jedoch der Wandlerkamm eines Ultraschall-Arrays sein.

Bei bekannten Ultraschallköpfen, insbesondere aus der Array-Technik (z. B. I. C. S ο m e r aus ULTRASO-NICS, Juli 68, Seiten 153 bis 159), erfolgt Zerteilung durch Sägen in λ/2-Schritten oder Schritten geringfügig darunter. Die sich ergebenden Wandlerelemente werden nach Sandwichmanier mit zwischengelagerten Abstandsschichten aus Teflon zu einem langgestreckten Wandlerkamm zusammengefügt. Anschließend wird für jedes Einzelwandlerelement des Wandlerkammes eine ihm eigene Kontaktierung angebfacht. Ein in dieser Weise hergestellter Schallkopf erfüllt noch nicht in optimaler Weise die Bedingungen hinsichtlich einer besonders guten lateralen Auflösung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren anzugeben, das Ultraschallköpfe mit optimaler Lateralauflösung bei gleichzeitig hei vorragender Abstrahl- bzw. Empfangsleistung liefert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an dem auf einem Trägerteil aufgebrachten Wandlergrundformteil durch Sägen oder Schneiden eine Schrittzerteilung in solch feinen Schrittabständen vorgenommen wird, die deutlich unterhalb der halben Wellenlänge der abzustrahlenden bzw. zu empfangenen Ultraschallwellen liegen, und daß innerhalb solcher Feinteilung benachbarte Wandlerelemente gruppenweise zusammenkontaktiert werden.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt ι ο sich Feinunterteilung mit Schrittbreiten sehr viel kleiner als )J2. Die Lateralauflösung so hergestellter Schallköpfe wird somit erheblich verbessert Da zudem innerhalb der Feinunterteilung benachbarte Wandlerelemente jeweils in bestimmter Anzahl gruppenweise zusammen- ι => kontaktiert werden, ergibt sich trotz Feinunterteilung eine relativ große Summen-Abstrahl- bzw. Empfangsfläche. Bei erheblich verbesserter Lateralauflösung ist dann also auch abgestrahlte bzw. empfangene Leistung optimal.

Die Kontaktierung jeweils benaciibarter Wandlerelemente erfolgt zweckmäßig durch Löten, !n weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sollen ferner die Schrittabstände der Zerteilung wenigstens kleiner als λ/4 gewählt werden. Die Spaltzwischenräume sollen 2ί darüber hinaus bei der Zerteilung Spaltbreiten von höchstens Vs des Zerteilungsschrittabstandes aufweisen. Die Zerteilung kann für sämtliche Wandlerelemente in einem Zug durch ein Zerteilungsgatter vorgenommen werden, das bereits eine auf die erwünschte Zahl der Wandlerelemente abgestimmte Zahl von Einzelteilern aufweist, die in Abständen kleiner oder sehr viel kleiner λ/2 aneinandergereiht sind. Bei Anwendung von Zerteilungsgattern mit gegenüber der Wandlerelementzahl geringerer oder auch sehr viel geringerer Zahl n, ii z.B. auch /I=I, von Einzelzerteilern kann die Zerteilung aber auch bei Relativverschiebung zwischen Wandlergrundformteil und Zerteilungsgatter in Schiebeschritten mit Schrittbreiten kleiner oder sehr viel kleiner i's λ/2 erfolgen. In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sollte eine Anzahl n, vorzugsweise im Bereich π=4 bis 10, von in Abständen größer als die erwünschte Wandlerelementbreite nebeneinander angeordneten Zerteilern eines Zerteilungsgatters gleichzeitig π Zerteilungen in den jeweili- 4^r> gen Zer'eilerabständen vornehmen und es sollte dann nach jeder derartigen Mehrfachzerteilung für nächstfolgende entsprechende Mehrfachzerteilungen in den erwünschten Abständen kleiner oder sehr viel kleiner λ/2 eine Realtivversciiiebung zwischen Wandlergrund- ■■> <> formteil und Zerteilungsgatter in diesen erwünschten kleinen Abständen vorgenommen werden. Das Herstellungsverfahren wird durch diese spezielle Art der Zerteilung vereinfacht und beschleunigt.

Weitere Voneile und Einzelheiten der Erfindung v, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen.

Es zeigt

F i g. 1 ein Zerteilungsverfahren am Wandlerstreifen wi des Kammes eines Uliraschall-Arrays unter Anwendung einer η-Gattersäge in Parallelschritten,

F i g. 2 einen Teilausschnitt des Zerteilungsverfahrens gemäß Fig. 1,

F i g. 3 den Verlauf eines Schnittes in Seitenansicht, <>^r> F i g. 4 den Verfahrensschritt der Kontaktierung,

Fig. 5 ein Zertei'tüigsverfahren in trapezförmigen Schrägschritten über die Länge eines Wandlerstreifens, Fig.6 ein Einzelsegment der Zerteilung gemäß F i g. 5 in Vergrößerung,

Fig./ ein Zerteilungsverfahren in trapezförmigen Schrägschritten über die Höhe des Wandlerelement-Streifens,

Fig.8 ein Zerteilungsverfahren für den Schallkopf eines Compound-Scanners.

In der Fig. 1 wird ein Wandlerelementstreifen l.der aus einem Streifen 2 aus piezoelektrischem Material (z. B. aus Blei-Zirkonat-Titanat) mit zugehöriger Silberkontaktierung 3, 4 besteht, mit einem Trägerteil 5, z. B. aus Epoxydharz, verbunden. Anschließend erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt zur Herstellung eines Wandlerkammes die Zerteilung in einer Reihe aufeinanderfolgender Wandlerelemente. Zum Zerteilen dient im vorliegenden Fall eine η-Gattersäge. Eine solche Gattersäge zeichnet sich dadurch p.us, daß in festgelegten Abständen A hintereinander mehrere Sägeblätter zum gleichzeitigen Sägen angeordnet sind.

Im Ausführungsbeispiel der Fig.' sei der Übersichtlichkeit halber angenommen. cla<3 es sich bei der η-Gattersäge um eine solche mit insgesamt drei Sägeblättern handelt. In diesem Falle ergeben sich also in der ersten Schnittführung von rechts nach links drei erste Schnitte 6a. Anschließend wird die Gattersäge um eine Schrittbreite b nach links verschoben und erneut gesägt. Es ergeben sich dann die nächstfolgenden drei seitlich um den Betrag b versetzten Schritte 66. Bei erneuter Verschiebung um die Schrittbreite b ergeben sich dann die Schnitte 6c usw., bis der Wandlerelementstreifen t in sämtlichen Schritten zerteilt ist. Aufgrund dieser Zerteilungsart durch Sägen ergeben sich schließlich Wandlerelemente Ta. 7b. Tc etc. in Aufeinanderfolge entlang dem Wandlerstreifen I.die untereinander durch die Sägespalten 6a, 6Zj, 6cetc. getrennt sind.

In der F i g. 2 ist der schrittweise Sägevorgang durch die Gattersäge 8a bis 8c mit Drehachse 9 und Rotationsrichtung 10 sowie Schrittverschiebung ti nochmals in schematischer Darstellung angedeutet. Die F i g. 3 zeigt dann schließlich das Beispiel für einen "ekrümmten Sägelinienverlauf in Richtung /. Die Sägelinie kann selbstverständlich bei Querschub der Gattersäge auch gerade verlaufen. Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 1 ergeben sich durch einsprechende Zahl hintereinandergelegter, schrittweise um b verschobener Sägeschritte insgesamt z. B. 256 Einzelschwinger. Da die Schrittbreite b bei zeitlich aufeinanderfolgenden Sägevorgänge deutlich unterhalb der halben Wellenlänge (λ/2) der abgestrahlten bzw. empfangenen Ultra-Schallwellen liegt — sie ist wenigstens kleiner als λ/4 — so ergeben sich im Endeffekt Breiten b der einzelnen Wandlerelemente 7a, Tb, 7c etc., die ebenfalls deutüch unterhalb der halben Wellenlänge liegen. Dies bedeutet, daJ die laterale Auflösung der einzelnen Schwinger erheblich verbessert wird.

Die Verkleinerung der Wandlerelementbreiten b würde allerdings zu einer Verminderung der Abstrahlbzw. Empfangsleistung jedes einzelnen Wandlerelementes führen. Letzteres wird jedoch dadurch verhindert, daß nun in einem zweiten Verfahrensschritt einzelne Wandlerelemente gruppenweise züsärnmenkontaktiert werdtn. so daß trotz Feinunierteilung die Abstrahl- bzw. Emrfangsflache wieder vergrößert wird. Trotz relativ hohon Spaltverlustes (der Spaltverlust macht ca. 20% d .r Aktivfläche aus) ergibt sich für jede einzelne Gruppe eines derart kontaktierten Wandlerkammes dann mindestens dieselbe Abstrahl- bzw. Empfangsleistung wie für Wandlerkämme des Standes

der Technik, wobei jedoch die laterale Auflösung erheblich besser ist.

Das Kontaktierungsverfahren im zweiten Verfahrensschritt ist in der F i g. 4 angedeutet. Dort sind die einzelnen Wandlerelemente der Feinunterteilung wieder mit 7a, 7b, 7c etc. bezeichnet. Die Kontaktierung erfolgt jeweils in Gruppen von zwei benachbarten Elementen. Die Kontakte auf der Oberseite sind mit 14a. 14b etc. bezeichnet. Die Kontaktierung der Unterseite erfolgt durch Zusammenlöten der Durchführdrähte 12a. 126 etc. durch den Träger 5. An jede der Lötkontaktstellen eines Wandlerelementpaares sind dann die Signalansteuerleiiungen 13a, 136 etc. bzw. 15a etc. angeschlossen.

In der Praxis umfaßt das UUraschall-Array der F i g. I bis 4 bei einer Ultraschallfrequenz von f= 2,25 MHz, wie bereits angedeutet, insgesamt 256 Einzelschwinger. Nach der erfindungsgemäßen Sägetechnik ergibt sich die Breite b eines jeden Einzeischwingers zu etwa 0,26 mm. Die Höhe der Elemente beträgt etwa /) = 0,7 mm und die Länge ungefähr /== 11 mm. Bei einer Spaltbreite in der Größenordnung von 5=0,05 bis 0,06 mm ergibt sich damit bei Zusammenfassung von insgesamt zwei Wandlerelementen zu einer Gruppe eine Gesamtgruppenbreite von etwa 0,57 mm, wobei die einzelnen Gruppen untereinander entlang dem Wandlerkamm 9 durch Spaltbreiten wiederum in der Größenordnung s = 0,05 bis 0,06 mm abgetrennt sind.

Die Wandlerelemente können die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Stäbchenform mit über die Wandlerlänge / und Wandlerhöhe h gleichbleibender Breite b haben. Ebensogut sind jedoch auch andere geometrische Formgebungen möglich, z. B. Trapezform nach Höhe h und/oder Länge / bei Schrägsägen, wobei jedoch die Breite b zumindest an einer Stelle des einzelnen Wandlerelementes den Bedingungen der Erfindung genügen sollte. Ausführungsbeispiele dieser Art zeigen die Fig. 5 bis 7 mit Schrägsägelinien 16a bis 16n und 18a, 18b etc, die zu trapezförmigen Wandlerelementformen 17abis 17nbzw. 19a, 19£> etc. führen.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. I bis 4 arbeitet mit

F.iri7plplpmpntpn nrn Ππιηηρ Splh<:tvpr<:iän<Hlirh

können auch mehr als nur zwei, z. B. drei, vier oder mehr Einzelelemente zu einer Wandlergruppe zusammengeschaltet werden. Die Einzelelemente können dann noch feiner unterteilt sein, so daß sich beispielsweise eine Breitenbedingung erheblich kleiner als λ/4 und damit sehr viel kleiner als λ/2 ergibt. Die G'esamtbreite jeder Wandlergruppe kann dann wieder etwa λ/2 sein. Eil solches Ultraschall-Array eignet sich dann insbesondere wieder zur Anwendung für Sektor-Abtastung. Ebenso gut kann jedoch auch die Gesamtbreile einer Wandler gruppe größer als λ/2 sein. Derartige Ausbildungsfor men finden Einsatz z. B. bei Linear-Arrays. Alle diese Ausführungsmodifikationen sollen selbstverständlid mit unter den Schutzbereich der Erfindung fallen Entsprechendes gilt auch für die Ausfiihrungsform dei

to Fig. 8, die einen Schallkopf 21 insbesondere füi Ultraschall-Compound-Scan zeigt. Die durch Säger einer Rundwandlerplatte 20 in Schnitten 21a bis 21 r gewonnenen Ultraschallwandlerelemente 22a bis 22/ bilden wieder eine jetzt jedoch runde kammförmigc Abstrahl- bzw. Empfangsfläche mit Gruppenkontaktie rung nach der Lehre der Erfindung. 22 ist dabei da: Ansch'ußkabel für den Schallkopf. Durch Legunj zusätzlicher Querschnitte (nicht dargestellt) kann die Unterteilung der Wandierpiattc selbstverständlich auct matrix- oder mosaikförmig sein. Dasselbe gilt natürlict auch für die Array-Kämme der F i g. 1 bis 7.

Zusammenfassung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zu Herstellung von Ultraschallköpfen, insbesondere voi Wandlerkämmen für Ultraschall-Arrays oder Com pound-Scanner, bei dem ein Wandlergrundformteil, ζ. Β WandlO.vlementstreifen oder Elementplatte, mecha nisch, z. B. durch Sägen oder Schneiden, in eini

«ι vorgebbare Zahl von Wandlerelementen zerteilt wire die dann auf Abstand zueinander angeordnet sind ode werden, wobei die Breite jedes einzelnen Wandlerele mentes kleiner ist als die Höhe. Erwünscht ist ein solche: Herstellungsverfahren, das Ultraschallköpfe mit opti

js maler Lateralauflösung bei gleichzeitig hervorragende Abstrahl- bzw. Empfangsleistung liefert. Dies wire dadurch erreicht, daß an dem auf einem Trägerteil (! oder 21) aufgebrachten Wandlergrundformteil (1 ode 20) durch Sägen oder Schneiden eine Schrittzerteilunj (6a bis fm oder 21a bis 21 π) in solch feiner Schrittabständen (b) vorgenommen wird, die deutlicl unterhalb der halben Wellenlänee (λ/2) der abzustrah !enden bzw. zu empfangenen Ultraschallwellen liegen und daß innerhalb solcher Feinteilung benachbart!

Wandlerelemente (7a, 7b, 7c, 7</etc. oder 22a, 226 etc. gruppenweise zusammenkontaktiert werden (Fig. 1,
und 8).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Ultraschallköpfen, insbesondere von Wandlerkämmen für Ultraschall-Arrays oder Compound-Scanner, bei dem ein Wandlergrundformteil, ζ. Β. Wandlerelementstreifen oder Elementplatte, mechanisch, z. B. durch Sägen oder Schneiden, in eine vorgebbare Zahl von Wandlerelementen zerteilt wird, die dann auf Abstand zueinander angeordnet sind oder werden, wobei die Breite jedes einzelnen Wandlerelementes kleiner ist als die Höhe, dadurch gekennzeichnet, daß an dem auf einem Trägerteil (5 oder 21) aufgebrachten Wandlergrundformteil (1 "> oder 20) durch Sägen oder Schneiden eine Schrittzerteilung (6a bis 6n oder 16a bis 16n oder 18a bis 18/1 oder 21a bis 2In) in solch feinen Schrittabständen (b) vorgenommen wird, die deutlich unterhalb der halben Wellenlänge fi/2) der abzustrahlenden bzw. zu empfangenen Ultraschallwellen liegen, und daß innerhalb solcher Feinteilung benachbarte Wandlerelemente (7a, 7b; 7c, 7d etc. oder 17a, 176 etc. oder 19a, 19£> etc. oder 22a, 22b etc.) gruppenweise zusammenkontaktiert werden. ^

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Kontaktierung jeweils benachbarter Wandlerelemente durch Löten (Lötstellen 15a bis 15/j) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch » gekennzeichnet, daß die Schrittabstände (b) der Zerteilung kleiner λ/4 gewählt sind.

4. Verfahren nacl« einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltzwischenräume (6a bis 6n oder 16a bis 16.; oder 18a bis 18n oder *"> 2t a bis 2In) bei Zerteilung Spaltbreiten (s) von höchstens '/5 des Zerteilungsschrittabstandes (b) aufweisen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteilung für <·< > sämtliche Wandlsrelemente (7a bis 7η oder 17a bis 17/7 oder 19a bis 19n oder 22a bis 22n) in einem Zug durch ein Zerteilungsgatter vorgenommen wird, das bereits eine auf die erwünschte Zahl der Wandlerelemente abgestimmte Zahl von Einzelteilern aufweist, die in Abständen kleiner oder sehr viel kleiner λ/2 aneinandergereiht sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung von Zerteilungsgattem (8a, Bb, Sc) mit gegenüber der ^r>» Wandlerelementzahl geringerer oder auch sehr viel geringerer Zahl n, z. B. auch n— 1, von Einzelzerteilern die Zerteilung bei Relativverschiebung (11) zwischen Wandlergrundformteil und Zerteilungsgatter in Schiebeschritten mit Schrittbreiten kleiner ^r>^r' oder sehr viel kleiner als λ/2 erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl n, vorzugsweise im Bereich //=4 bis 10, von in Abständen (A) größer als die erwünschte Wandlerelementbreite (b) nebenein- *>o ander angeordneten Zerteilern (8a, Sb, Sc) eines Zerteilungsgatters gleichzeitig π Zerteilungen in den jeweiligen Zerteilerabständen (VlJ vornimmt und daß nach jeder derartigen Mehrfachzerteilung für nächstfolgende entsprechende Mehrfachzerteilun- ^br> gen in den erwünschten Abständen (b) kleiner oder sehr viel kleiner λ/2 eine Relativverschiebung zwischen Wandlergrundformteil und Zerteilungsgatter in diesen erwünschten kleinen Abständen (b) vorgenommen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteilung in Parallelabständen erfolgt (F i g. 1 bis 4).

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteilung in Schrägen erfolgt, die über die Quere (1) des Wandlerstreifens (1) trapezförmig verlaufen (F i g. 5, 6).

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteilung in Schrägen erfolgt, die über die Höhe (h) des Wandlerstreifens (1) trapezförmig verlaufen (F ig. 7).

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerteilung durch Schneiden einer Rund- (z. B. Kreis-Jwandlerplatte (20), z. B. in Parallel- oder Trapezschritten, in Staboder Mosaikform erfolgt (F i g. 8).

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 his 11, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Schneidevorrichtung auf der Basis von Schneidstrahlen, z. B. Ultraschall- oder auch Laser-Schneidstrahl, zur Durchführung der Zerteilung in den erwünschten feinen Abständen (b).

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die Verwendung einer n-Gattersäge (8a, Sb, Sc, 9) zur Zerteilung in den erwünschten kleinen Abständen (b)(¥ i g. 2).