EP0383972B1 - Ultraschall-Array mit trapezförmigen Schwingerelementen sowie Verfahren und Vorrichtung zu seiner Herstellung - Google Patents

Ultraschall-Array mit trapezförmigen Schwingerelementen sowie Verfahren und Vorrichtung zu seiner Herstellung Download PDF

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EP0383972B1
EP0383972B1 EP89103112A EP89103112A EP0383972B1 EP 0383972 B1 EP0383972 B1 EP 0383972B1 EP 89103112 A EP89103112 A EP 89103112A EP 89103112 A EP89103112 A EP 89103112A EP 0383972 B1 EP0383972 B1 EP 0383972B1
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EP
European Patent Office
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laser light
laser
electrode
ceramic
process according
Prior art date
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EP89103112A
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EP0383972A1 (de
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Hans Dr. Rer Nat. Kaarmann
Wolfram Dipl.-Phys. Wersing
Martina Dipl.-Phys. Vogt
Reinhard Dr.-Ing. Lerch
Karl Dr. Dipl.-Phys. Lubitz
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Priority to AT89103112T priority patent/ATE98530T1/de
Priority to JP2039535A priority patent/JP2960093B2/ja
Priority to US07/484,352 priority patent/US5045746A/en
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Priority to US08/116,800 priority patent/USRE35011E/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0648—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of rectangular shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface

Definitions

  • the invention relates to an ultrasound array with a number of adjacent oscillator elements, which are coated with electrode material on a first and second electrode surface, which are opposite one another, all oscillator elements being arranged with their second electrode surface in a base surface, which oscillation elements are a first and have a second boundary surface, which lie opposite one another and are aligned non-parallel to one another, and which oscillator elements are aligned such that their cross section changes in the same way from the first electrode surface to the second electrode surface.
  • the invention also relates to a method for producing such an array.
  • An ultrasound array of the type mentioned at the outset is from PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Vol. 6, No. 132 (E-119) (1010), July 17, 1982 & JP-A-57-58 498.
  • the oscillating elements forming an array are trapezoidal and are lined up with alternating polarity directions so that they form an arc.
  • the reception sensitivity is increased by the same shape, but different polarization direction of the oscillating elements.
  • the arcuate arrangement of the vibrating elements allows sector scanning by means of continuous activation of the vibrating elements, the receiving surface being arranged on the outer side of the arc.
  • the converter elements cannot be arranged in such a way that they have a maximum possible opening angle or acceptance angle, which is a prerequisite for the construction of a phased array.
  • FIG 5 of DE-C-28 29 570 Another ultrasound array is known from FIG 5 of DE-C-28 29 570.
  • This is an ultrasound array which has a number of ultrasound transducer or oscillating elements of a trapezoidal cross section lying next to one another on a carrier or damping body.
  • the first and second electrode surfaces, which are covered with electrode material and lie opposite one another in parallel, are each rectangular. Two flat boundary surfaces run towards each other in a wedge shape.
  • two types of vibrating elements are used alternately side by side: those in which the first electrode area serving as the radiation area is larger than the second electrode area facing the damping body or arranged in a base area, and those in which, conversely, the first electrode area serving as the radiation area Electrode area is smaller than the second electrode area parallel to it.
  • an ultrasound array in particular one with fine division of the individual transducer elements, can be used in a sawing technique, e.g. B. by means of a laser cutting beam.
  • Such an ultrasound array is not suitable as a phased-array applicator, since the two types of oscillating element that are adjacent to each other have different radiation characteristics.
  • the width of the radiation area of each vibrating element must be less than or equal to ⁇ / 2, where ⁇ is the wavelength of the ultrasound emitted in the propagation medium. This condition cannot be met or can only be met incompletely in an ultrasound array with two different types of vibrating elements.
  • the invention is therefore based on the requirement that only identical oscillator elements should be used in an ultrasound array used as a phased array applicator.
  • the older German patent application P DE-A-37 39 226 states that acoustic cross-couplings between the individual ultrasonic transducers of an ultrasonic transducer array can be reduced if the second electrode base surfaces facing the carrier body are larger than their end faces or first electrode surfaces facing away from the carrier body.
  • ultrasound transducers are thus produced, the cross-sectional area of which runs parallel to the longitudinal direction of the array and has the shape of an isosceles trapezoid.
  • the opposite side surfaces of the parting lines located between the ultrasonic transducers are then no longer parallel and the cross-sectional area of the parting line then has a trapezoidal shape.
  • Such separating joints with a trapezoidal cross section can be produced, for example, by means of two saw cuts inclined at an acute angle to one another.
  • the angle of attack of the saw blade is limited relative to the end face of the array.
  • exact bevel cuts can only be achieved with great technical effort.
  • the invention has set itself the goal of specifying an ultrasound array constructed from individual oscillator elements, which enables the generation of short ultrasound pulses with a center frequency in the range from 1 to 50 MHz with a high bandwidth.
  • the vibrating elements which consist of a piezoelectric ceramic material covered on both sides with electrode material, are intended to work as thickness transducers.
  • the directional diagrams of the individual oscillator elements, namely all of the oscillator elements, should have the largest possible opening angle so that the ultrasound array can be used as a linear phased array antenna which is used to scan (scan) acoustically transparent media with the aid of ultrasound pulses , preferably for Ultrasound examination of patients.
  • the individual vibrating elements should have high transmission and reception transmission factors.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an ultrasound array of the type mentioned at the outset, which can be used as a phased array antenna for scanning acoustically transparent media. Furthermore, a method for the production of such an ultrasound array and a device for the production are to be specified.
  • the first-mentioned object is achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1 for AT, CH, GB, FR, LI and NL.
  • All similar vibrating elements with non-parallel boundary surfaces are used. All transducer elements thus have the same directional characteristic and - with a suitable dimensioning - all the same opening angle of a suitable size.
  • the arrangement is such that the first electrode area facing the radiation area of the oscillating elements is smaller than the second electrode area facing the damping body.
  • the method for producing such an ultrasound array is based on a method in which a piezoelectric material is irradiated with a laser cutting beam on lines spaced in parallel.
  • the second object is achieved on the basis of this method according to the invention (claim 1 for DE and claim 7 for AT, CH, GB, FR, LI and NL.) That a piezoelectric ceramic on only one side with converging laser light on the parallel spaced lines is irradiated such that in the Ceramic incisions next to each other with non-parallel walls are created.
  • a device for carrying out the method contains a laser, the laser beam of which can be directed onto a piezoelectric material.
  • a focusing device is arranged between the piezoelectric material and the laser and generates a converging laser light cutting beam on the piezoelectric material.
  • an ultrasound array 2 suitable as a phased array for medical purposes contains a number of juxtaposed vibrating elements 4.
  • the core of each vibrating element 4 is a piezoelectric material 6, in particular a piezoceramic such as, for. B. of the PZT-5 type, the opposite to each other in parallel first and second electrode surfaces are covered with an electrode material 8 and 10, respectively.
  • All (non-cuboid) vibrating elements 4 are the same and are aligned so that their cross-section changes continuously in the direction from the first to the second electrode surface 8 or 10 in the same way, here the first electrode surface 8 is smaller than the second electrode surface 10.
  • All Vibrator elements are arranged with their second electrode surface 10 in a base surface.
  • oscillator elements 4 with mutually opposite, non-parallel first and second boundary surfaces 12 and 14 in the transverse direction x are used.
  • the third and fourth boundary surfaces in the longitudinal direction y of each oscillating element 4, which are designated 16 and 18 in FIG. 1, are preferably non-parallel to one another.
  • the respective longitudinal section may also be trapezoidal.
  • the individual vibrating elements 4 are located on a common damping body 20, the surface of which represents the base area in which the second electrode surfaces 10 of the vibrating elements 4 are arranged. This can be known from a particle-filled plastic, the z. B. based on epoxy or polyurethane exist.
  • the individual vibrating elements 4 with essentially smooth boundary surfaces 12, 14 are separated from one another by V-shaped gaps or incisions 22. It is noteworthy that the V-shaped incisions 22 each extend into the damping body 20 in the present embodiment.
  • Each oscillating element 4 is provided with a coupling layer 24 on the radiation side. It should therefore be emphasized that in the present embodiment, a common coupling layer covering all oscillator elements 4 is not used.
  • the individual coupling layers 24 are also separated from one another by the V-shaped gap 22. This ensures good acoustic decoupling.
  • the incision 22 common to all layers 24, 8, 6, 10 and 20 is produced in one operation in each case during the production of the ultrasound array 2.
  • the ultrasonic radiation area on each coupling layer 24 is designated by 26.
  • the first electrode surface 8 facing the radiation surface of the oscillating elements 4 is smaller than the effective second electrode surface 10 facing the damping layer 20.
  • the wedge angle was 2.5 °
  • the thickness t of the individual vibrating element 4 t 0.4 mm
  • the length l 12 mm
  • the width w u 0.2 mm.
  • the thickness t to be used depends on the piezo material and the width w u on the medium in which the ultrasound propagates after coupling.
  • the width w u should be less than or equal to ⁇ / 2, where ⁇ is the wavelength.
  • the thickness t and the width w u should differ by a factor of 2 or larger. In the present case, a factor of almost exactly 2 was chosen for the dimensioning.
  • Fig. 2 In the reduced side view of Fig. 2 is shown schematically that the radiation-side first electrode 8 is bent sideways on both edges and electrically from the edges via a ground line 28 to a common point 30, z. B. to a grounded terminal 32, is performed.
  • the rear second electrode 10 has a center tap which is connected to a further connection 36 via a line 34.
  • Vibrating elements 4 with non-parallel boundary surfaces 12, 14 and / or 16, 18 can only be produced with great difficulty with the usual machining methods (mechanical sawing or cut-off grinding). Therefore, this problem is solved in the present case by using a device with laser sawing technology ("laser saw”).
  • laser saw a device with laser sawing technology
  • different types of lasers can be used for this, such as. B. Argon ion and Nd-YAG lasers.
  • the prepared layer package 40 consististing of layers 24, 8, 6, 10, 20 with piezoceramic 6
  • the ceramic 6 is principally transparent to the light from the abovementioned lasers, the absorption of the laser radiation takes place only on the basis of nonlinear effects. This means that the cut surfaces do not become very smooth and 22 beads are formed on the edges.
  • an excimer laser 42 is therefore used to avoid overheating and to achieve smooth surfaces, the light in the ultraviolet range of which is directly absorbed by the piezoceramic 6 in the layer package 40.
  • the radiation 44 emerging from the laser 42 is focused with a focusing device 46, which generates a point focus 48, that is, preferably with a converging lens, and is irradiated onto the location of the ceramic 6 in the package 40 that is to be removed.
  • the desired V-shape of the incisions 22 and thus the trapezoidal shape of the vibrating elements 4 can be selected by the focusing device 46.
  • the incisions 22 now result from a relative movement of the piezoelectric ceramic 6 and the laser light with the point focus 48 during the irradiation.
  • the layer package 40 is moved to produce the incisions 22.
  • the layer package 40 is mounted on a holder 50 which is moved in the direction of arrow 52.
  • the device according to FIG. 5 is constructed similarly to the device according to FIG. 4.
  • the focusing device 46 here consists of a cylindrical lens which converges the laser light 44 to a line focus 54 which has the length of the incision 22.
  • the relative movement which is indicated by the arrow 52 in FIG. 4, can be avoided.
  • the distance of the incisions (22, ie the width w of the oscillating elements 4) is set in FIGS. 4 and 5 by appropriate mechanical (stepwise) advancement of the package 40 transversely to the main beam direction s of the laser beam moved in the direction of arrow 56.
  • FIG. 6 A further device for producing V-shaped incisions is shown in FIG. 6.
  • the radiation 44 emerging from the laser 42 is broadened via the beam expansion device 58, so that the expanded laser beam 59 irradiates the entire array area.
  • the laser beam 59 then passes through a mask 60 which is provided with slots 62.
  • the arrangement of the slots 62 represents an image of the incisions 22 lying next to one another in the ceramic 6.
  • This mask 60 is imaged on the surface of the layer package 40 with the focusing device 46, which now represents an imaging system, so that the expanded laser beam 59 likewise Many line foci are generated at the same time as incisions 22 are to be made in the ceramic 6.
  • the device according to FIG. 6 thus allows all incisions 22 in the ultrasound array 2, which are spaced apart in parallel, to be produced in one operation.
  • the depth of cut of the incisions 22 is set by the number of laser pulses. This is possible with very high repeatability.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Ultraschall-Array mit einer Anzahl nebeneinander liegender Schwingerelemente, die an einer ersten und zweiten Elektrodenfläche, die einander gegenüberliegen, mit einem Elektrodenmaterial belegt sind, wobei alle Schwingerelemente mit ihrer zweiten Elektrodenfläche in einer Grundfläche angeordnet sind, welche Schwingerelemente eine erste und eine zweite Berandungsfläche aufweisen, die einander gegenüberliegen und nicht-parallel zueinander ausgerichtet sind, und welche Schwingerelemente so ausgerichtet sind, daß sich ihr Querschnitt von der ersten Elektrodenfläche zur zweiten Elektrodenfläche in gleicher Weise ändert. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Arrays.
  • Ein Ultraschall-Array der eingangs genannten Art ist aus PATENT ABSTRACTS OF JAPAN, Vol. 6, No. 132 (E-119) (1010), 17 Juli 1982 & JP-A-57-58 498 bekannt. Die ein Array bildenden Schwingerelementen sind trapezförmig ausgebildet und mit wechselnder Polaritätsrichtung so aneinandergereiht, daß sie einen Kreisbogen bilden. Durch die gleiche Form, aber verschiedene Polarisierungsrichtung der Schwingerelemente wird die Empfangsempfindlichkeit erhöht. Die bogenförmige Anordnung der Schwingerelemente erlaubt eine Sektorabtastung über eine fortlaufende Aktivierung der Schwingerelemente, wobei die Empfangsfläche an der äußeren Bogenseite angeordnet ist. Die Wandlerelemente können jedoch bei diesen Arraytyp nicht so angeordnet werden, daß sie einen maximal möglichen Öffnungswinkel oder Akzeptanzwinkel aufweisen, der eine Voraussetzung zum Aufbau eines Phased-Array ist.
  • Ein weiteres Ultraschall-Array ist aus FIG 5 der DE-C-28 29 570 bekannt. Hierbei handelt es sich um ein Ultraschall-Array, das auf einem Träger oder Dämpfungskörper eine Anzahl nebeneinander liegender Ultraschall-Wandler- oder Schwingerelemente von trapezförmigem Querschnitt aufweist. Die mit Elektrodenmaterial belegten, einander parallel gegenüberliegenden ersten und zweiten Elektrodenflächen sind jeweils rechteckig ausgebildet. Zwei ebene Berandungsflächen laufen jeweils keilförmig aufeinander zu. Bei diesem Ultraschall-Array werden zwei Typen von Schwingerelementen abwechselnd nebeneinander eingesetzt: solche, bei denen die als Abstrahlfläche dienende erste Elektrodenfläche größer ist als die dem Dämpfungskörper zugewandte oder in einer Grundfläche angeordnete zweite Elektrodenfläche, und solche, bei denen umgekehrt die als Abstrahlfläche dienende erste Elektrodenfläche kleiner ist als die dazu parallele zweite Elektrodenfläche. In dieser DE-C-28 29 570 ist weiter angegeben, daß sich ein Ultraschall-Array, insbesondere ein solches mit Feinunterteilung der einzelnen Wandlerelemente, in einer Sägetechnik, z. B. mittels eines Laser-Schneidstrahls, herstellen läßt.
  • Ein solches Ultraschall-Array ist nicht als Phased-Array-Applikator geeignet, da die beiden jeweils nebeneinanderliegenden Schwingerelement-Typen unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken besitzen. Die Breite der Abstrahlfläche eines jeden Schwingerelementes muß kleiner oder gleich λ/2 sein, wobei λ die Wellenlänge des ausgesandten Ultraschalls im Ausbreitungsmedium ist. Diese Bedingung läßt sich in einem Ultraschall-Array mit zwei verschiedenen Schwingerelement-Typen nicht oder nur unvollkommen einhalten. Die Erfindung basiert daher auf der Forderung, daß in einem Ultraschall-Array mit Anwendung als Phased- Array-Applikator nur gleich ausgebildete Schwingerelemente eingesetzt werden sollten.
  • Die ältere deutsche Patentanmeldung P DE-A-37 39 226 gibt an, daß akustische Querkopplungen zwischen den einzelnen Ultraschallwandlern eines Ultraschallwandler-Arrays verringert werden können, wenn die dem Tragkörper zugewandten zweiten Elektrodengrundflächen größer sind als ihre vom Tragkörper abgewandten Stirnflächen oder ersten Elektrodenflächen. Bei einem linearen Array entstehen so Ultraschallwandler, deren parallel zur Längsrichtung des Arrays verlaufende Querschnittsfläche die Gestalt eines gleichschenkligen Trapezes hat. Die gegenüberliegenden Seitenflächen der zwischen den Ultraschallwandlern befindlichen Trennfugen sind dann nicht mehr parallel und die Querschnittsfläche der Trennfuge hat dann eine trapezförmige Gestalt. Die Herstellung derartiger Trennfugen mit trapezförmigem Querschnitt kann beispielsweise mittels zweier zueinander in einem spitzen Winkel geneigter Sägeschnitte durchgeführt werden. Bei größeren Ultraschallwandler-Arrays ist jedoch der Anstellwinkel des Sägeblatts relativ zur Stirnfläche des Arrays begrenzt. Außerdem sind exakte Schrägschnitte nur mit größerem technischen Aufwand zu realisieren.
  • Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein aus einzelnen Schwingerelementen aufgebautes Ultraschall-Array anzugeben, das die Erzeugung von kurzen Ultraschallimpulsen mit einer Mittenfrequenz im Bereich von 1 bis 50 MHz mit hoher Bandbreite ermöglicht. Die Schwingerelemente, die aus einem beidseitig mit Elektrodenmaterial belegten piezoelektrischen Keramikmaterial bestehen, sollen dabei als Dickenschwinger arbeiten. Die Richtdiagramme der einzelnen Schwingerelemente, und zwar aller Schwingerelemente, sollen einen möglichst großen Öffnungswinkel besitzen, damit das Ultraschall-Array als lineare Phased-Array-Antenne eingesetzt werden kann, die dem Abtasten (Scannen) akustisch transparenter Medien mit Hilfe von Ultraschall-Impulsen dient, vorzugsweise zur Ultraschall-Untersuchung von Patienten. Natürlich sollen die einzelnen Schwingerelemente hohe Sende- und Empfangsübertragungsfaktoren aufweisen.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Array der eingangs genannten Art anzugeben, das als Phased-Array-Antenne zum Abtasten akustisch transparenter Medien eingesetzt werden kann. Weiterhin sollen ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ultraschall-Arrays sowie eine Vorrichtung für die Herstellung angegeben werden.
  • Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 für AT, CH, GB, FR, LI und NL.
  • Es werden somit alles gleichartige Schwingerelemente mit nicht- parallelen Berandungsflächen eingesetzt. Alle Schwingerelemente haben somit dieselbe Richtcharakteristik und - bei geeignet gewählter Dimensionierung - alle denselben Öffnungswinkel geeigneter Größe.
  • Die Anordnung ist so getroffen, daß die der Abstrahlfläche der Schwingerelemente zugewandte erste Elektrodenfläche jeweils kleiner ist als die dem Dämpfungskörper zugewandte zweite Elektrodenfläche.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Ultraschall-Arrays geht aus von einer Methode, bei der ein piezoelektrisches Material mit einem Laser-Schneidstrahl an parallel beabstandeten Linien bestrahlt wird. Die zweitgenannte Aufgabe wird unter Zugrundelegung dieser Methode erfindungsgemäß dadurch gelöst (Anspruch 1 für DE und Anspruch 7 für AT, CH, GB, FR, LI und NL.), daß eine piezoelektrische Keramik nur an einer Seite mit konvergierendem Laserlicht an den parallel beabstandeten Linien bestrahlt wird derart, daß in der Keramik nebeneinanderliegende Einschnitte mit nicht-parallelen Wänden entstehen.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält einen Laser, dessen Laserstrahl auf ein piezoelektrisches Material lenkbar ist. Zwischen dem piezoelektrischen Material und dem Laser ist eine Fokussiereinrichtung angeordnet, die auf dem piezoelektrischen Material einen konvergierenden Laserlicht-Schneidstrahl erzeugt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von sechs Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1
    einen Ausschnitt eines Ultraschall-Arrays in perspektivischer Ansicht;
    FIG 2
    einen zentralen Schnitt in Längsrichtung der Schwingerelemente des Ultraschall-Arrays nach FIG 1 zur Illustration der Elektrodenanschlüsse;
    FIG 3
    einen seitlichen Blick auf die Schwingerelemente des Ultraschall-Arrays nach FIG 1 zur Illustration der Elektrodenanschlüsse;
    Fig. 4
    eine Vorrichtung mit einer Sammellinse zur Herstellung eines Arrays,
    Fig. 5
    eine Vorrichtung mit einer Zylinderlinse zur Herstellung eines Ultraschall-Arrays; und
    Fig. 6
    eine Vorrichtung mit einer Maske und einem Abbildungssystem zur Herstellung eines Ultraschall-Arrays.
  • Bisher wurden in der Praxis vorwiegend Schwingerelemente mit gleicher quaderförmiger Geometrie in phasengesteuerten Ultraschall-Antennen (Phased Arrays) eingesetzt. Die parallelen geometrischen Begrenzungsflächen der Schwingerelemente führen nachteiligerweise zu sehr definierten und ausgeprägten Resonanzen der Querschwingungsmoden. Die Resonanzstellen solcher Wandler-oder Schwingerelemente ergeben sich unmittelbar aus der Schallausbreitungsgeschwindigkeit und der geometrischen Länge oder Breite nach folgender Gleichung (1):

    f res = c 2w (2n+1)   (1)
    Figure imgb0001

    mit
       n = 0,1,2,3,... und
    • fres:
    Resonanzfrequenz der Schwingerelemente,
    c:
    Schallausbreitungsgeschwindigkeit,
    w:
    Breite (bzw. Länge) des Schwingers.
  • Diese ausgeprägten Resonanzen sind zwar in Dickenrichtung z durchaus erwünscht. In Querrichtung (x und/oder y) jedoch haben solche Moden parasitären Charakter. Sie deformieren das Ultraschallfeld und reduzieren den Wirkungsgrad. Die Unterdrückung dieser parasitären Schwingungsmoden ist daher wesentlich.
  • Nach Fig. 1 enthält ein als Phased-Array für medizinische Zwecke geeignetes Ultraschall-Array 2 eine Anzahl nebeneinanderliegender Schwingerelemente 4. Kern jedes Schwingerelementes 4 ist ein piezoelektrisches Material 6, insbesondere eine Piezokeramik wie z. B. vom PZT-5 Typ, das an einander parallel gegenüberliegenden ersten und zweiten Elektrodenflächen mit einem Elektrodenmaterial 8 bzw. 10 belegt ist. Alle (nicht quaderförmigen) Schwingerelemente 4 sind gleich und sind so ausgerichtet, daß sich ihr Querschnitt in Richtung von der ersten zur zweiten Elektrodenfläche 8 bzw. 10 in derselben Weise kontinuierlich ändert, hier ist die erste Elektrodenfläche 8 kleiner als die zweite Elektrodenfläche 10. Alle Schwingerelemente sind mit ihrer zweiten Elektrodenfläche 10 in einer Grundfläche angeordnet. Zur Vermeidung definierter Querresonanzen werden Schwingerelemente 4 mit einander gegenüberliegenden, nicht parallelen ersten und zweiten Berandungsflächen 12 bzw. 14 in Querrichtung x verwendet. Auch die dritten und vierten Berandungsflächen in Längsrichtung y jedes Schwingerelementes 4, die in Fig. 1 mit 16 und 18 bezeichnet sind, sind vorzugsweise nicht-parallel zueinander. Dies hat zur Folge, daß obige Resonanzbedingung (1) für diese Raumrichtungen x, y nicht mehr erfüllt ist.
  • Beispielsweise eignet sich dazu jeweils ein Schwingerelement 4 mit trapezförmigem Querschnitt, wie in Fig. 1 gezeigt. Die seitlichen Berandungslinien des Trapezes kann man sich zur Veranschaulichung durch eine Treppenfunktion approximiert denken. Für jede dieser Treppenstufen gilt die obige Resonanzbedingung (1). Man erreicht durch den trapezförmigen Schwingerquerschnitt also die Verschmierung einer definierten Querresonanz, die bei parallelen Wänden aufträte, auf das Frequenzband, das durch fresu und freso gegeben ist:
    Figure imgb0002
    wobei
    • wu:
    Länge der unteren Trapezkante und
    wo:
    Länge der oberen Trapezkante bedeutet.
  • Auch/oder der jeweilige Längsschnitt kann trapezförmig ausgebildet sein.
  • Durch Schwingerelementgeometrien mit nicht-parallelen Berandungsflächen 12, 14 und/oder 16, 18 werden die parasitären Schwingungsmoden unterdrückt, während der Nutzmode (= Dickenmode) angehoben wird.
  • Die einzelnen Schwingerelemente 4 befinden sich auf einem gemeinsamen Dämpfungskörper 20, dessen Oberfläche die Grundfläche darstellt, in der die zweiten Elektrodenflächen 10 der Schwingerelemente 4 angeordnet sind. Dieser kann bekanntermaßen aus einem mit Teilchen gefüllten Kunststoff, der z. B. auf Epoxid-oder Polyurethan basiert, bestehen. Die einzelnen Schwingerelemente 4 mit im wesentlichen glatten Berandungsflächen 12, 14 sind dabei durch V-förmige Spalte oder Einschnitte 22 voneinander getrennt. Es ist bemerkenswert, daß sich die V-förmigen Einschnitte 22 bei der vorliegenden Ausführung jeweils bis in den Dämpfungskörper 20 hinein erstrecken. Jedes Schwingerelement 4 ist abstrahlseitig mit einer Ankoppelschicht 24 versehen. Es ist also hervorzuheben, daß bei der vorliegenden Ausführung nicht eine gemeinsame, alle Schwingerelemente 4 überdeckende Ankoppelschicht eingesetzt wird. Vielmehr sind vorliegend die einzelnen Ankoppelschichten 24 ebenfalls durch den V-förmigen Spalt 22 voneinander getrennt. Dies gewährleistet eine gute akustische Entkopplung. Der für alle Schichten 24, 8, 6, 10 und 20 gemeinsame Einschnitt 22 wird bei der Herstellung des Ultraschall-Arrays 2 jeweils in einem Arbeitsgang hergestellt. Die Ultraschall-Abstrahlfläche auf jeder Ankoppelschicht 24 ist jeweils mit 26 bezeichnet.
  • Es hat sich gezeigt, daß ein Keilwinkel von 2° bis 3° des Einschnitts 22 für die Verhinderung von Quermoden ausreichend ist. Dieser Keilwinkel ist durch die Nichtparallelität der Berandungsflächen 12, 14 bestimmt.
  • Vorliegend ist also die der Abstrahlfläche der Schwingerelemente 4 zugewandte erste Elektrodenfläche 8 kleiner als die der Dämpfungsschicht 20 zugewandte wirksame zweite Elektrodenfläche 10.
  • In einem realisierten Ausführungsbeispiel betrug der Keilwinkel 2,5°, die Dicke t des einzelnen Schwingerelements 4 t = 0,4 mm, die Länge l = 12 mm und die Breite wu = 0,2 mm. Anzumerken ist, daß die zu verwendende Dicke t vom Piezomaterial und die Breite wu vom Medium, in dem sich nach der Ankopplung der Ultraschall ausbreitet, abhängig ist. Die Breite wu sollte kleiner oder gleich λ/2 sein, wobei λ die Wellenlänge ist. Die Dicke t und die Breite wu sollten sich um einen Faktor 2 oder größer unterscheiden. Vorliegend wurde bei der Dimensionierung ein Faktor von ziemlich genau 2 gewählt.
  • In der verkleinerten Seitenansicht von Fig. 2 ist schematisch dargestellt, daß die abstrahlseitige erste Elektrode 8 seitwärts an beiden Rändern umgebogen und von den Rändern über eine Masseleitung 28 elektrisch zu einem gemeinsamen Punkt 30, z. B. zu einem geerdeten Anschluß 32, geführt ist. Die rückseitige zweite Elektrode 10 hat einen Mittelabgriff, der über eine Leitung 34 mit einem weiteren Anschluß 36 verbunden ist.
  • Aus Fig. 3 ergibt sich, daß seitwärts eine Anzahl von nach unten geführten Leitungen 34 aus dem Ultraschall-Array 2 herausragen.
  • Schwingerelemente 4 mit nicht-parallelen Berandungsflächen 12, 14 und/oder 16, 18 sind mit den üblichen Bearbeitungsverfahren (mechanisches Sägen oder Trennschleifen) nur unter großen Schwierigkeiten herzustellen. Deshalb wird dieses Problem vorliegend durch den Einsatz einer Einrichtung mit Laser-Sägetechnik ("Laser-Säge") gelöst. Prinzipiell können hierfür verschiedene Arten von Lasern verwendet werden, wie z. B. Argon-Ionen- und Nd-YAG-Laser. Dabei ist allerdings Voraussetzung, daß die Energie zum Schneiden in sehr kurzen energiereichen Impulsen dem vorbereiteten Schichtenpaket 40 (bestehend aus den Schichten 24, 8, 6, 10, 20 mit Piezokeramik 6) zugeführt wird, so daß in der Umgebung der Schnittkante oder Rille keine größere Erhitzung des Materials eintritt. Diese wurde eine hohe Bleiverarmung in der PZT-Keramik 6 hervorrufen, so daß die Keramik 6 in der entsprechenden Umgebung des jeweiligen Schnittes, z. B. des Einschnitts 22, inaktiv würde.
  • Da die Keramik 6 für das Licht der obengenannten Laser prinzipiell durchsichtig ist, erfolgt die Absorption der Laserstrahlung nur aufgrund nichtlinearer Effekte. Dies bedingt, daß die Schnittoberflächen nicht sehr glatt werden und an den Kanten 22 Wülste entstehen.
  • Nach den Vorrichtungen von Fig. 4 bis 6 kommt deshalb zur Vermeidung von Überhitzungen und zur Erzielung glatter Flächen ein Excimer-Laser 42 zum Einsatz, dessen im ultravioletten Bereich liegendes Licht direkt von der Piezokeramik 6 im Schichtenpaket 40 absorbiert wird.
  • Nach Fig. 4 wird die aus dem Laser 42 austretende Strahlung 44 mit einer Fokussiereinrichtung 46, die einen Punktfokus 48 erzeugt, also vorzugsweise mit einer Sammellinse, fokussiert und auf die abzutragende Stelle der Keramik 6 im Paket 40 eingestrahlt. Durch die Fokussiereinrichtung 46 kann die gewünschte V-Form der Einschnitte 22 und damit die Trapezform der Schwingerelemente 4 gewählt werden. Die Einschnitte 22 entstehen nun durch eine relative Bewegung der piezoelektrischen Keramik 6 und des Laserlichts mit dem Punktfokus 48 während der Bestrahlung zueinander. Vorzugsweise wird nur das Schichtenpaket 40 zur Erzeugung der Einschnitte 22 bewegt. Dazu ist das Schichtenpaket 40 auf einen Halter 50 montiert, der in Pfeilrichtung 52 bewegt wird.
  • Die Vorrichtung nach Fig. 5 ist ähnlich aufgebaut wie die Vorrichtung nach Fig. 4. Die Fokussiereinrichtung 46 besteht hier aus einer Zylinderlinse, die das Laserlicht 44 zu einem Strichfokus 54 konvergiert, der die Länge des Einschnittes 22 aufweist. Durch die Verwendung des Strichfokus 54 zur Erzeugung der Einschnitte 22 kann die Relativbewegung, die durch den Pfeil 52 in Fig. 4 angedeutet ist, vermieden werden.
  • Der Abstand der Einschnitte (22, d. h. die Breite w der Schwingerelemente 4, wird in Fig. 4 und 5 durch entsprechenden mechanischen (schrittweisen) Vorschub des Pakets 40 quer zur Hauptstrahlrichtung s des Laserstrahls eingestellt. Dazu wird dieses Paket 40 mit dem Halter 50 schrittweise in Pfeilrichtung 56 bewegt.
  • Eine weitere Vorrichtung zur Herstellung von V-förmigen Einschnitten zeigt Fig. 6. Die aus dem Laser 42 austretende Strahlung 44 wird über die Strahlaufweitungseinrichtung 58 verbreitert, so daß der aufgeweitete Laserstrahl 59 die gesamte Array-Fläche bestrahlt. Der Laserstrahl 59 passiert dann eine Maske 60, die mit Schlitzen 62 versehen ist. Die Anordnung der Schlitze 62 stellt ein Abbild der nebeneinanderliegenden Einschnitte 22 in der Keramik 6 dar. Diese Maske 60 wird mit der Fokussiereinrichtung 46, die nun ein abbildendes System darstellt, auf der Oberfläche des Schichtenpakets 40 abgebildet, so daß aus dem aufgeweiteten Laserstrahl 59 ebenso viele Linienfokusse gleichzeitig erzeugt werden, wie Einschnitte 22 in die Keramik 6 einzubringen sind. Die Vorrichtung nach Fig. 6 erlaubt somit die Herstellung aller parallel beabstandeten Einschnitte 22 im Ultraschall-Array 2 in einem Arbeitsgang.
  • Bei den Herstellverfahren nach Fig. 4 bis 6 wird durch die Anzahl der Laserimpulse die Schnittiefe der Einschnitte 22 eingestellt. Dies ist mit sehr hoher Wiederholgenauigkeit möglich.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschall-Arrays mit einer Anzahl nebeneinanderliegender Schwingerelemente (4), bei dem ein piezoelektrisches Material mit einem Laser-Schneidstrahl an parallel beabstandeten Linien bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine piezoelektrische Keramik (6) nur an einer Seite mit konvergierendem Laserlicht (44) an den parallel beabstandeten Linien bestrahlt wird derart, daß in der Keramik (6) nebeneinanderliegende Einschnitte (22) mit nicht-parallelen Wänden (12, 14; 16, 18) entstehen und die Schwingerelemente gebildet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht (44) in einem Punktfokus (48) konvergiert und daß der Einschnitt (22) durch eine relative Bewegung der piezoelektrischen Keramik (6) und des Laserlichts während der Bestrahlung zueinander entsteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht (44) in einem Strichfokus (54) konvergiert, der die Länge des Einschnittes (22) aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach jedem Bestrahlen die Keramik (6) um einen Schritt quer zur Hauptstrahlungsrichtung (s) verschoben wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des in dem Strichfokus (47) konvergierenden Laserlichts ein Laser (42) vorgesehen ist, dessen Laserstrahl (44) auf eine Zylinderlinse gelenkt ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht (44) über eine Maske (60) gelenkt wird, die mit Schlitzen (62) versehen ist, wobei die Anordnung der Schlitze (62) ein Abbild der nebeneinanderliegenden Einschnitte (22) in der Keramik (6) ist und daß diese Maske (60) während des Bestrahlens auf der Keramik (6) so abgebildet wird, daß nebeneinanderliegende Einschnitte (22) entstehen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder der parallel beabstandeten Linien mehrere Laserlichtimpulse in die Keramik (6) eingestrahlt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Laserlichts ein Laser (42) vorgesehen ist, dessen Laserlicht (44) im ultravioletten Bereich liegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (42) ein Excimer-Laser ist, dessen Laserlicht (44) von der piezoelektrischen Keramik (6) absorbiert wird.
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