Verfahren zur Herstellung fokussierender Piezoschwinger

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von fokussierenden Piezoschwingern durch Heißverformen von piezokeramischen Material, insbesondere Piezokeramikstreifen. Das Verformen erfolgt vorzugsweise durch Einlegen von Piezokeramikstreifen in eine auf der Innenseite entsprechend profilierte Form und zweistündigem Erhitzen auf 1200°C.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung fokussierender Piezoschwinger aus Piezokeramik durch Verformen.

[0002] In der elektromedizinischen und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden Ultraschallschwinger eingesetzt, die zur mechanischen Fokussierung des Ultraschallstrahles z.B. zylindrisch oder sphärisch gekrümmt sind. Die Herstellung solcher Piezoschwinger erfolgt bislang durch Profilschleifen von ebenen Körpern auf handelsüblichen Maschinen oder von Hand. Das Schleifen der Profile erfordert einen hohen Aufwand an Werkzeugen und hohe Arbeitskosten, da hohe Genauigkeit, z.B. eine Oberflächengenauigkeit von ± 2 µm gefordert wird und die Dickenwandung entlang der Krümmung, z.B. der Zylinderfläche ebenfalls etwa ± 2 µm betragen soll.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der geschilderten Nachteile übliche bekannte Ultraschallschwinger herzustellen. Sie sollen bei kostensparender Technik gleiche Genauigkeit aufweisen.

[0004] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein piezokeramisches Material, vorzugsweise ein Piezokeramikstreifen heiß verformt wird. Das Verfahren ist so flexibel, daß Radien von z.B. nur 5 mm formbar sind. Die Dicke der zu formenden Piezokeramikflächen oder -scheiben kann von wenigen 10 Mikrometern bis zu mehreren Millimetern (10 mm) betragen. Die bevorzugte Dicke liegt zwischen 0,1 und 0,2 mm. Das Verfahren ist in einfacher Td 2 Dm / 25.9.1980 Weise durchführbar und erfordert keine besonderen Spezialkenntnisse. Er erspart das mechanische Profilschleifen und benötigt nicht einmal eine meßtechnische Kontrolle.

[0005] Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird das piezokeramische Material in einer Form heiß verformt. Hierzu können Piezokeramikstreifen einer Dicke von 10 µm bis 10 mm in eine auf der Innenseite profilierte Form gelegt werden. Die belegte Form wird in einem Ofen 2-8 Stunden auf eine Temperatur zwischen 300 bis 1300°C erhitzt. Vorzugsweise wird zwei Stunden auf 1200°C erhitzt. Die Streifen mit der gewünschten Dickentoleranz von i 2 µm können aus einem Block des Piezomaterials abgetrennt sein. Der in die Form eingelegte Piezokeramikstreifen schmiegt sich infolge von Hochtemperaturfließprozessen der Geometrie der Form an. Eine zusätzliche Krafteinwirkung ist nicht unbedingt erforderlich. Sie kann aber vorteilhaft sein, da hierdurch die Heizzeit verringert wird. Ein Druck von 1 mbar bis 1 bar für die Belastung der Keramikstreifen beim Erhitzen ist geeignet. Das Material der Form wird der gewählten Heiztemperatur entsprechend ausgesucht. Vorzugsweise werden Al₂O₃ oder Zr0₂ verwendet.

[0006] Das auf der Innenseite in die Form eingearbeitete Profil, beispielsweise ein Zylinderhohlschliff, wird formgetreu mit kleinster Toleranz (± 2 µm) von der Piezokeramik übernommen. Neben der Zylinderform können auch sphärisch geschliffene Stützkörper zur Formung von Schwingerkalotten oder stumpfwinklig geformte Stützkörper und ähnlich geformte Körper als Stützform eingesetzt werden.

[0007] Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind alle Piezomaterialien geeignet. Mit besonderem Vorteil werden Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik und Blei-Metaniobat-Keramik verwendet.

[0008] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Piezoschwinger können als mechanisch fokussierende Schwinger vor allem in Ultraschalltransducern insbesondere bei medizinischen Ultraschallarrays verwendet werden.

[0009] Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung und eines Beispiels näher erläutert.

[0010] Die Figuren 1 und 2 zeigen in perspektivischer Darstellung Formen (Stützformen) mit einem auf der Innenseite aufliegenden Piezokeramikstreifen 1. Gemäß Fig. 1 hat die Innenseite der Stützform 2 einen Zylinderhohlschliff 3. Die Form 4 hat ein stumpfwinkeliges Innenprofil 5.

[0011] Fig. 3 zeigt eine Form 6 mit einem nach links und rechts anschließenden stumpfwinkeligen Innenprofil 7.

Beispiel

[0012] Auf einer Innenlochsäge werden Piezokeramikscheiben von ca. 40 x 80 x 0,29 mm gesägt.

[0013] Zwei ebene Scheiben werden übereinander in eine Form aus dichter Al₂O₃-Keramik eingelegt (Fig. 1) und mit einer gebogenen Platte (entsprechend dem gewünschten Radius) aus feuerfestem, hochtonerdehaltigem Material von 70 g beschwert. Anschließend wird die Form in einer geschlossenen Al₂O₃-Kapsel 30 Minuten auf 1200°C erhitzt.

[0014] Die Scheiben mit einem Radius von 65 mm sind für 5,0 MHz-Array geeignet. 11 Patentansprüche 3 Figuren

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung fokussierender Piezoschwinger aus Piezokeramik durch Verformen, dadurch gekennzeichnet , daß piezokeramisches Material heiß verformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß piezokeramisches Material in einer Form heiß verformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein Piezokeramikstreifen heiß verformt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß unter Anwendung von Druck heiß verformt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß als Piezokeramik Blei-Zirkonät-Titanat-Keramik verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a - durch gekennzeichnet , daß als Piezokeramik Bleimetaniobat-Keramik verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß Piezokeramikstreifen einer Dicke von 10 µm bis 10 mm in eine auf der Innenseite profilierte Form gelegt und in dieser 2 bis 8 Stunden auf 300 bis 1300°C erhitzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Keramikstreifen beim Erhitzen mit einem Druck von 1 mbar bis 1 bar belastet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb mehrerer Stunden auf 300 bis 1300°C erhitzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Stunden auf 1200°C erhitzt wird.

11. Kreisbogenförmige Piezokeramikschwinger, hergestellt nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 10.

Zeichnung