DE2829612C2

DE2829612C2 - Verfahren zur Herstellung von Ultraschallköpfen

Info

Publication number: DE2829612C2
Application number: DE2829612A
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: 1980-01-10
Also published as: DE2829612B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschallköpfen, insbesondere von Wandlerkämmen für Ultraschall-Arrays oder Compound-Scanner, die aus einer vorgebbaren Anzahl von aneinandergereihten Wandlerelementen bestehen.

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.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines solchen Verfahrens, das eine technisch besonders einfache und kostensparende Herstellung von Ultraschallköpfen ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) von einem Wandiergrundformteil werden durch Sägen, Schneiden oder Ätzen einzelne Wandlerelemente gewonnen,

b) die einzelnen Wandlerelemente werden aneinandergeschichtet,

c) die Reihe aneinandergeschichteter Wandlerelemente wird mit einem Streifen elastischen Materials in haftender Verbindung belegt,

d) der Streifen wird anschließend in bestimmter Formrichtung gedehnt, so daß sich zwischen den einzelnen Wandlerelementen Spalten mit vorgebbaren Spaltbreiten ergeben,

e) der so gedehnte Stapel wird in haftende Verbindung mit einem Trägerteil gebracht,

f) das Endprodukt aus gedehntem Stapel und Trägerteil bildet schließlich einen Wandlerkamm.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung soll die Breite jedes sich beim Abschneiden oder Absägen ergebenden Wandlerelementes wenigstens an einer Stelle deutlich unterhalb der halben Wellenlänge (λ/2) der abzustrahlenden bzw. zu empfangenen Ultraschallwellen liegen. Nach Beendigung des Dehnungsvorganges und Aufbringung des gedehnten Stapels auf den Trägerteil sollten dann benachbarte Wandlerelemente gruppenweise zusammenkontaktiert werden. Die Kontaktierung jeweils benachbarter Wandlerelemente erfolgt zweckmäßig durch Löten. In besonderer Ausgestaltung sollte die Breite eines jeden Wandlerelementes kleiner λ/4 gewählt werden. Die Dehnung sollte in solcher Dimension erfolgen, daß sich zwischen jeweils zwei benachbarten Wandlerelementen Spaltenabstände einstellen, die vorzugsweise höchstens etwa Vs der Wandlereletnentbreite betragen. Bei Einhaltung dieser Bedingungen ergibt sich eine Feinunterteilung eines Wandlerkammes, dessen Einzelelemente mit optimaler Lateralauflösung arbeiten. Die Kontaktierung in Grup-

pen gewährt dabei trotz Feinunterteilung eine relativ große Summen-Abstrahl- bzw. Empfangsfläche. Bei erheblich verbesserter Lateralauflösung ist dann also auch die abgestrahlte bzw. empfangene Leistung optimal.

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

Es zeigt ίο

F 3 g. 1 den ersten Verfahrensschritt des Abschneidens von Wandlerelementen von einem Wandlergrundformteil,

Fig.2 den zweiten Verfahrensschritt der Aneinanderstapelung der abgeschnittenen Wandlerelemente, 1 ■>

F i g. 3 den dritten Verfahrensschritt des Dehnens des Wandierelementstapels mittels aufgeklebtem Dehnstreifen,

F i g. 4 den vierten Verfahrensschritt des Aufbringens des gedehnten Stapels auf einem Trägertei! mit anschließender Gruppenkontaktierung,

Fig.5 die Dehnung eines Stapels entlang einer gekrümmten Kurve zum Zwecke der Herstellung fokussierender Wandlerkämme,

F i g. 6 die Dehnung eines Rundstapels zum kreisför- 2·> migen Wandlerkamm eines Compound-Scanners.

In der F i g. 1 ist das Wandlergrundformteil 1 ein piezoelektrischer Materialstreifen 2 mit aufgebrachten Silberkontaktierungen 3 und 4. Die mittels Sägen oder Schneiden gewonnenen Einzelelemente sind mit 5a etc. ίο bezeichnet Jedes Einzelelement weist die Breite b, die Höhe h und die Länge / auf. Die Gesamtzahl abgeschnittener Wandlerelemente wird gemäß F i g. 2 in eine Form 6 eingestapelt, so daß sich ein Stapel aus aneinandergereihten Wandlerelementen 5a bis 5n J5 ergibt. Die Oberfläche dieses Stapels wird schließlich mit einem Streifen 7 aus elastischem Material (z. B. Tesastreifen) beklebt Anschließend wird der gesamte Stapel durch Dehnen des Klebestreifens 7 in den Richtungen 8 auseinandergezogen, so daß sich Spalten 9a bis 9n zwischen den einzelnen Wandlerelementen ergeben. Die Spaltbreite ist mit «angedeutet.

Der so gedehnte Stapel wird anschließend gemäß der Fig.4 auf einem Trägerteil 10 angebracht und anschließend kontaktiert

In spezieller Ausführung weist die Wandlerbreite b eines jeden Wandlerelementes einen Wert ruf, der deutlich unterhalb der halben Wellenlänge (λ/2) der abzustrahlenden bzw. zu empfangenen Ultraschallwellen liegt In bevorzugter Ausführung ist der Abstand b w kleiner als A/4. Die Dehnung erfolgt in solchen Dimensionen, daß sich zwischen jeweils zwei benachbarten Wandlerelementen ein Spalt ergibt, dessen Spaltbreite s vorzugsweise maximal Vs der Wandlerelementbreite b beträgt v>

Damit ergeben sich Wandlerkammformationen mit Wandlerelementbreiten, die immer deutlich unterhalb der halben Wellenlänge liegen. Dies bedeutet, daß die laterale Auflösung der einzelnen Wandlerelemente erheblich verbessert ist Die gewählten kleinen ω Wandlerelementbreiten würden allerdings zu einer Verminderung der Abstrahl- bzw. Empfangsleistung jedes einzelnen Wandlerelementes führen. Letzteres wird jedoch dadurch verhindert, daß in einem vorteilhaften Zusatzschritt einzelne Wandlerelemento gruppenweise zusairirenkontaktiert werden, so daß trotz Feinunterteilung die Abstrahl- bzw. Empfangsfläche wieder vergrößert wird. Trotz relativ hohen Spaltveilustes (der Spaltverlust macht ca. 20% der Aktivflache 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 in einem solchen speziellen Verfahrensschritt zeigt die F i g. 4. Dort sind die einzelnen Wandlerelemente 5 bis 5n in Gruppen von jeweils zwei benachbarten Elementen kontaktiert. Im Ausführungsbeispiel der Fig.4 bilden also z.B. die Wandlerelemente 5a und 5b eine erste Gruppe, die Wandlerelemente 5cund 5deine zweite Gruppe etc. Die Kontaktierung au der Oberseite (durch Löten) ist mit lla, lift etc. bezeichnet. Die Kontaktierung der Unterseite erfolgt durch Zusammenlöten der Durchführdrähte durch den Träger 10 hindurch an den Lötkontaktsteller, 12a, \2bctc. An jede Lötkontaktstelle eines Wandlerelementpaares sind rf?nn die zugehörigen Signalsteuerleitungen angeschlossen.

In der Praxis umfaßt der in den Verfahrensschritten gemäß den Fig. 1 bis 4 hergestellte Wandlerkamm bei einer Ultraschallfrequenz von z. B. /=2,25 MHz insgesamt 256 Einzelschwinger. Die Breite b «ines jeden Einzeischwingers ergibt sich bei der gewählten Schnittbreite zu etwa 0,26 mm. Die Höhe h der Elemente beträgt etwa Λ=0,7 mm und die Länge ungefähr /= 11 mm. Bei einer Spaltbreite in der Größenordnung von s=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 durch Spaltbreiten wiederum in der Größenordnung 5=0,05 bis 0,06 mm abgetrennt sind.

Im Endprodukt der Fig.4 ergibt sich ein Wandlerkamm mit parallel verlaufenden Wandlerstabelementen 5a bis 5/7. Ebensogut sind jedoch auch andere geometrische Formgebungen möglich. F i g. 5 zeigt bdspielsweise eine solche Formation, bei der durch Krümmung des Stapels aus den Wandlerelementen 5a bis 5/j durch Aufbringen auf ein Tragerteil 13 mit gekrümmter Aufsetzfläche ein Wandlerkamm mit fokussierender Wirkung erzeugt wirJ. Der Fokus des Wandlerkammes ist mit 14 angedeutet. Das Ausführungsbeispiel der F i g. 6 zeigt hingegen einen Rundstapel aus Einzelelementen 15a bis 15/i. Durch Dehnung des Dehnstreifens 17 ergeben sich Spalten 16a bis 16/i zwischen den einzelnen Wandlerelementen. Durch geeignete Wahl der Rundform des ungedehnten Stapels (Ovalform) läßt sich nach Dehnen dann eine Kreisform des Wandlerkammes gewinnen. Ein solch kreisförmiger Wandlerkamm eignet sich besonders für den Einsatz a'is Abtastkopf bei Ultraschall-Compound-Scannern.

Zusammenfassung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung vo~. Ultraschallköpfen, insbesondere von Wandlerkämmen für Ultraschall-Arrays oder Compound-Scanner, die aus einer vorgebbaren Anzahl von aneinandergereihten Wandlerelemenien bestehen. Erwünscht ist ein technisch besonders einfaches und kostensparendes Herstellungsverfahren. Dies wird erreicht durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) von einem Wandlergrundformteil (1) werden durch Sägen oder Schneiden einzelne Wandlerelemente (5a bis 5n) gewonnen (Fig. 1),

5 6

b) die einzelnen Wandlerelementc (5a bis 5n) werden bis 9n) mit vorgebbaren Spaltbreiten (s) ergeben aneinandergeschichtet (F i g. 2), (F-" i g. S),

c) die Reihe aneinandergeschichteter Wandlerele- e) der so gedehnte Stapel wird in haftende Verbinmente wird mit einem Streifen (7) elastischen dungmit einemTrägerteil(10)gebracht(Fig.4), Materials in haftender Verbindung belegt (F ig. 3), ^r> f) das Endprodukt aus gedehntem Stapel und

d) der Streifen (7) wird anschließend in bestimmter Trägerteil bildet schließlich einen Wandlerkamm Formrichtung (8) gedehnt, so daß sich zwischen den (F i g. 4).

einzelnen Wandlerelementen (5 bis 5n) Spalten (9a

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Ultraschallköpfen, insbesondere von Wandlerkämmen für Ultraschall-Arrays oder Compound-Scanner, die aus einer vorgebbaren Anzahl von aneinandergereihten Wandlerelementen bestehen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) von einem Wandlergrundformteil (1) werden durch Sägen, Schneiden oder Ätzen einzelne Wandlerelemente (5a bis 5n) gewonnen (Fig. 1),

b) die einzelnen Wandlerelemente (5a bis 5n) werden aneinandergeschichtet (F i g. 2),

c) die Reihe aneinandergeschichteter Wandlerelemente wird mit einem Streifen (7) elastischen Materials in haftender Verbindung belegt (F ig· 3).

d) der Streifen (7) wird anschließend in bestimmter Formrichtung (8) gedehnt, so daß sich zwischen den einzelnen Wandlerelementen (5a bis 5n) Spalten (9a bis 9n) mit vorgebbaren Spaltbreiten (s) ergeben (F i g. 3),

e) der so gedehnte Stapel wird in haftende Verbindung mit einem Trägerteil (10) gebracht (F ig. 4),

f) das Endprodukt aus gedehntem Stapel und Trägerteil bildet schließlich einen Wandlerkamm (F ig. 4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wandiergrundformteil (1) in einzelne Wandlereleme/ite zerlegt wird, deren gegenüber der Höhe (h) kleinere Breite (b) wenigstens an einer Stelle des Wandlerelementes auch noch deutlich unterhalb der halben Wellenlänge ß/2) der abzustrahlenden bzw. zu empfangenen Ultraschallwellen liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Wandlerelemente (5a, 5b etc.) nach Herstellung der Spaltabstände gruppenweise zusammenkontaktiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung jeweils benachbarter Wandlerelemente durch Löten (Lötstellen lla, llftetc, 12a, i2betc.)erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelementbreite (b) nach Sägen oder Zerschneiden kleiner λ/4 ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnung des Streifens (7) in solchen Dimensionen erfolgt, daß der sich zwischen jeweils zwei benachbarten Wandlerelementen bildende Spaltabstand (s) vorzugsweise höchstens etwa Vs der Wandlerelementbreite (b) beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Wandlerelemente (5a bis 5n)\n Stäbchen- oder Mosaikform in Parallelstepelung nach Dehnung in einem Wandlerkamm mit zueinander parallelen oder in Mosaikform angeordneten Wandlerelementen geformt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel von Wandlerelementen am Streifen (7) bei der Spaltdehnung beliebig gekrümmten Formgebungen, z. B. auch solchen mit fokussierender Wirkung, unterwor

fen wird (F ig. 5).

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zu einer Rundform zusammengefügter Stapel aus Wandlerelemeinen (15a bis t5n) mittels Dehnslreifen (17) so weit gedehnt wird, daß sich eine zweite Rundform, vorzugsweise Kreisform, mit Zwischenspalten (16a bis 16/7,) ergibt, weiche Rundform den Wanülerkamm z. B. eines Compound-Scanners bilden kann (Fig. 6).