/
Автор: Сагателян Г.Р.
Теги: технология металлов машиностроение приборостроение радиотехнические материалы и изделия медицина электротехника диагностика болезней ультразвук ультразвуковая диагностика учебное пособие
ISBN: 5-7038-0949-5
Год: 1993
Текст
Московский государственный технический университет
им. Н.Э.Баумана
Г.Р.Сагателян
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ДЛЯ АППАРАТОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТЕРАПИИ, ДИАГНОСТИКИ И
ХИРУРГИИ
Утверждено райсоветом МГТУ
в качестве учебного пособия по курсу
"Технология приборостроения"
Издательство МГТУ
1993
- 7-
ВБК 34.7:32.843.4
CI3
Рецензенты: В.Й.ЖДров, А.К.Соловьев
Сагателян Г.Р. Технология изготовления пьезоэлектри-
ческих преобразователей для аппаратов ультразвуковой тера-
пии, диагностики и хирургии: Учеб, пособие По курсу "Тех-
нология приборостроения". - М.: Изд-во МГТУ, 1993. - 64 о.
ISBN 5-7038-0949-5
CI3
л
Приведен технологический анализ конструкций разнообразных
ультразвуковых головок к злектрснно-медицинским приборам. Описа- ,
ны различные по конфигурации и назначению детали из пьезокерами-
ки. Проанализированы ключевые операции сборки пьезозлектрическо-
го преобразователя для ультразвуковой медицинской диагностики.
Для студентов, изучающих соответствующий раздел курса
"Технология приборостроения".
х. I. Их. 28. Библиогр. 5 мае*.
Редакция заказной литературы
ББК 34.7:32.843.4,,
Гайк Рафаэлович Сагателян
Технология изготовления пьезоэлектрических преобрааователей
для аппаратов ультразвуковой терапии, диегностики и хирургии
Заведующая редакцией Н. Г.Ковалевская
i Редактор Е.К.Кошелева
Корректор 0.В,Калашникова
ISBN 5-7038-0949-5
© МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1998,
Подг сано в
Печ.л.4,0.
Мед. » 5.
печать 17.II.92. Формат 60x84/16. Бумага тип. > 2.
Усл.печ.л. 3,72. Уч.-изд.л. 3,58. Тираж 500 екэ.
Заказ 7^* 3
Издательство МГТУ, типография МГТУ.
Москва, 2-я Бауманская, 5.
ПРЕДИСЛОВИЕ
. Изготовление пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) -
оАна из современных и наиболее перспективных отраслей технологии
приборостроения. ПЭП находят широкое применение в различных об-
ластях науки и техники, в том числе и в медицине, где на основе
ПЭП разработан рад приборов для реализации ультразвуковых методов
терапии, диагностики и хирургии.
Эксплуатационные характеристики ПЭП для медицинских прибо-
ров во многом определяются особенностями технологических процес-
сов изготовления их специфических деталей (детали из пьезокера-
мики, демпферы, элементы акустической развязки) и сборки харак-
терных сборочных единиц. Изучение этих технологических процессов,
не отраженных в существующей учебной литературе, но применяемых
в медицинской промышленности, представляется весьма актуальным.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам завода
электронно-медицинской аппаратуры (ЭМА) D.E.Алферову и З.Ф.Кась-
яновой за многолетнее эффективное руководство технологической
i Практикой студентов, давшее возможность систематизировать имею-
щийся производственный опыт и апробировать его применение в учеб-
ном процессе в I985-I99I гг.
I. КОНСТРУКТИВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ
Изделие ультразвуковой медицинской техники укрупнение можно
представить в ваде комплекса, состоящего из двух разного рода из-
делий: електронного блока и предназначенных для непосредственного
электромеханического преобразования энергии ультразвуковых голо-
вок, представляющих собой пьезоэлектрические преобразователи на
основе активных элементов - пьезокерамических деталей. В настоя-
щем разделе рассмотрены типовые конструкции различных ПЭП, кото-
рыми оснащаются электронно-медицинские приборы, предназначенные
для ультразвуковой терапии, диагностики, хирургии. Особенности
конструктивного исполнения рассматриваемых изделий предопределя-
ются требованиями, предъявляемыми к используемым в ПЭП материа-
лам, а также к технологическим процессам изготовления и сборки
их основных деталей и сборочных единиц.
6
I.I. Аппараты ультразвуковой терапии
Терапевтический эффект от применения механической энергии
ультразвуковых колебаний (УЗК) достигается двумя путями. Первый
основан на непосредственном воздействии ультразвуковой волны,
проходящей через биологическую ткань, и связан, помимо теплового
эффекта, с интенсификацией метаболизма клетки за счет способство-
вания осмотическим процессам в ее мембране, а также ускорения
биохимических реакций. Второй путь связан с химиотерапией и зак-
лючается в переводе жидких лекарственных препаратов в легко усва-
иваемое пациентом состояние аэрозоля под воздействием энергии УЗК
активного элемента. Примерами реализации первого пути терапевти-
ческого воздействия являются аппараты серии УЗТ, второго - ультра-
звуковые ингаляторы "Туман" и "Муссон".
Излучатели к аппаратам серии УЗТ. Серийно выпускается боль-
шое количество разнообразных излучателей, которые, как правило,
имеют малую массу и достаточно портативны. В них используется
ультразвук средней интенсивности до 3 Вт/см^, работают они в час-
тотном диапазоне 0,88...5 МП}. Применяется непрерывный режим ра-
боты. Выбор частоты определяется глубиной расположения объекта
воздействия: более высокие частоты используются для воздействия
на поверхностные области [I].
Изображенный на рис. I излучатель предназначен для работы
на частоте 0,88 МП}. Активным элементом излучателя является из-
готовленная из титаната бария круглая пластина 2, толщина которой
равна половине длины продольной волны в пьезокерамическом мате-
риале. Пластина 2 базируется по сочетанию поверхностей укорочен-
ный цилиндр - укороченный конус в латунной втулке I, которая че-
рез шпильку 6 крепится к корпусу-ручке 9, изготовленному из уда-
ропрочного полистирола. В технологическом процессе сборки излуча-
теля герметичность соединения втулки I, шпильки 6 и корпуса 9 до-
стигается применением слоя вакуумной смазки. Сочленение пьезоке-
рамической пластины 2 со втулкой I должно обеспечивать выступ
излучающей поверхности пластины над уровнем плоскости втулки на
0,1...0,3 мм.
При схеме крепления пьезокерамической пластины с помощью
короткого винта 5 и двух эластичных колец 4 обеспечивается воз-
душна к нагрузка для тыльной стороны пьезокерамической пластины.
4
5
Высокочастотное переменное напряжение подводится к электро-
ду, выполненному на тыльной стороне пьезокерамической пластины,
по кабелю 8 через подпружиненный контакт 3. Ко второму электроду,
выполненному на излучающей поверхности пьезокерамической пласти-
ны, через коническую фаску, электрически контактирующую с втул-
кой I, шпилькой 6 и Пружиной 7, по кабелю 8 подводится заземле-
ние.
Наиболее распространенный способ введения ультразвуковой
энергии в обрабатываемую область - контактный, когда излучатель
прикладывается непосредственно к коже. В этом случае передача
акустической энергии осуществляется через тонкий слой контактно-
го вещества, в качестве которого используются легко стерилизуе-
мые жидкости с подходящим акустическим импедансом (например, ми-
неральные или парафиновые масла, чаще всего вазелиновое масло).
Во время процедуры следует работать в режиме движущегося
излучателя и не удерживать излучатель в одном положении, посколь-
ку в этом случае возможно образование стоячих волн и "горячих то-
чек", которые могут привести к локальным повреждениям биоткани.
Этим обстоятельством, а также тем, что прохождение ультразвуковой
энергии в биоткань улучшается с увеличением давления излучателя
на контактное вещество, обусловлено интенсивное изнашивание элект-
рода на излучаюшей поверхности пьезокерамической пластины. Для
уменьшения этого износа в серийно выпускаемых излучателях сереб-
ряный электрод на излучаюшей поверхности пьезокерамической плас-
тины усиливают гальваническим никелевым покрытием толщиной 15...
...20 мкм. Однако данное техническое решение недостаточно, прак-
тика показывает, что отказ излучателя возникает преимущественно
вследствие износа никелевого покрытия излучаюшей поверхности пье- .
эокераыической пластины. Поэтому в настоящее время проводятся ис-
следования по разработке и внедрению в серийное производство из-
носостойкого стеклокерамического покрытия взамен гальванического
никелевого.
Конструкция ультразвукового терапевтического излучателя,
предназначенного для воздействия на стенжи полостных органов и
прилегавшие к ним области, изображена на рис. 2.
иеновой конструкции излучателя является цилиндрический пье-
эоэдемент (ПЭ) 4, который излучает коаксиальные ультразвуковые
вол® благодаря наличию слоев металлизации на внутренней и наруж-
ной цилиндрических поверхностях.
6
I
7
На наружной цилиндрической поверхности ПЭ 4 имеются два
пояска, представляющих собой конструкторские базы. Правый поя-
сок, сочленяемый с металлическим корпусом 9, является основной
базой (определяет положение самого ПЭ), а левый - вспомогатель-
ной, определяющей положение наквдной гайки I. Наружные поверхнос-
ти гайки I и корпуса 9 имеют износостойкое покрытие и отполирова-
ны. При сборке должна быть обеспечена герметичность стыков ПЭ 4
с гайкой I и корпусом 9. ’
Интересной особенностью данного излучателя является то, что
цилиндрический ПЭ 4 при сборке должен быть лишен всех шести сте-
пеней свободы. Это связано с тем, что имеет место направленное
излучение ультразвука. Это направление отражается точками А и Б
на поверхности излучателя. Высокочастотный потенциал подводится
к внутренней поверхности ПЭ посредством лепестков 7, фиксируемых.
гайкой 6.
Детали излучателя при сборке стягиваются шпильками 2 и 10,
соединенными посредством диэлектрической втулки 5. При этом вна-
чале с помощью двух диэлектрических втулок 3, а также гаек I и 8
фиксируется ПЭ 4, а затем с псмошью гайки 12 и диэлектрической
шайбы II - пьезоэлемент в сборе относительно корпуса 9.
Переменное напряжение подается на ПЭ 4 от разъема, смонти- -
ревенного на сборочной единице - рукоятке 13 в сборе. Наружная
цилиндрическая поверхность ПЭ заземляется, а возбуждающий потен-
циал подается по коаксиальному электроду рукоятки в сборе на шпи-
льку 10 и лепестковый контакт 7.
Камеры к аппаратам для ультразвукового распыления. Интенсив-
ное распыление жидкостей (водных растворов лекарственных препара-
тов) происходит вследствие фокусированного непрерывного ультра-
звукового излучения. Если сходящийся волновой фронт, образован-
ный активным пьезокерамическим материалом, сфокусировать на по-
верхности жидкости, то вследствие поедеромоторных сил поля нач-
нется интенсивное фонтанирование и распыление жидкости, интенсив-
ность ультразвукового поля при этом составит Г 5...10 Вт/см?
[2].
Ча рис. 3 изображена распылительная камера к бытовому ульт-
развуковому ингалятору "Муссон", предназначенному преимуществен-
но для лечения астмы введением в бронхиальные полости пациента
лекарственного вешества в веде аэрозольных частичек мельчайшей
дисперсности (меИее I мкм).
8 •
i
Более крупные частицы аэрозоля, вследствие оседания на стенках
верхних дыхательных путей, не дают терапевтического эффекта.
Сферический пьезокерамический элемент 4 смонтирован в изго-
товленном из титанового сплава стакане 5, установленном на дне
кюветы-корпуса 3 из ударопрочного полистирола, заполняемой лекар-
ственной жидкостью. Окошко в верхней части кюветы предназначено
для отвода воздуха, образующегося при дегазации воды. Кювета 3
закрыта крышкой-колпачком 2 с раструбом I, предназначенным для
выведения из камеры тумана.
Разность потенциалов подводится к двум электродам, выпол-
ненным в веде токопроводящих покрытий, благодаря представленной
на рис. 3 конструкции сборочной единицы "стакан в сборе", в кото-
рой электрод на внутренней сферической поверхности пьезоэлемента
коммутируется через стакан 5, а электрод на наружной сферической
поверхности - через подпружиненный контакт 7.
Важным эксплуатационным свойством рассматриваемой камеры
является ее герметичность, которая обеспечивается в технологичес-
ком процессе сборки применением эластичной прокладки 6, сжимаемой
тарированным усилием при ввинчивании сборочной единицы - стакана 5
в сборе. Герметичность при сочленении раструба I, крышки 2 и
кюветы 3 обеспечивается благодаря высокой точности конструктор-
ских баз этих деталей. Это выдвигает повышенные требования к ра-
бочим полостям пресс-форм для изготовления указанных деталей спо-
собом литья пластмасс под давлением.
Качественное фокусирование ультразвука на поверхности ле-
карственной жидкости обеспечивается исключением перекосов стака-
на 5 при его ввинчивании в корпус, минимизацией деформаций пьезо-
злемента 4 в процессе его монтажа, а также высокой точностью само-
го сферического ПЭ, достигаемой при ре лизации технологического
процесса его изготовления.
Токопроводящее покрытие, которое нанесено на обе сферичес-
кие поверхности ПЭ, должно обладать и высокой износостойкостью:
внутренняя рабочая сферическая поверхность ПЭ подвержена кавита-
ционной эрозии, а наружная сферическая поверхность ПЭ может быть
повретзена при сборке из-за контактирования с пружинящим элект-
родом.
1.2. Аппараты ультразвуковой диагностики
Одной из простейших, но в то же время основных конструкций
применяемого в медицине пьезоэлектрического преобразователя-для
10
эхо-импульсного метсща визуализации является конструкция зоцпа
одномерного эхоэнцефалографа (рис. 4). В ней реализуется принцип
так называемого совмещенного ПЭЛ, т.е. такого, у которого преоб-
разователь (изготовленная из цирконаттитаната свинца пьезокера-
мическая пластинка 3) служит как для.излучения зондирующего аку-
стического импульса в объект, так и для приема акустических зхо-
сигналов, переизлучаемых мишенью.
В конструкции совмещенных преобразователей предусматривал
ется наличие нескольких обязательных элементов: ПЭ, демпфера,
протектора и корпуса. Поэтому технология изготовления совмещен-
ных преобразователей включает технологию получения каждого эле-
мента и их соединения мееду собой. Как правило, при изготовлени.
корпусов пьезопреобразователёй добиваются их внешней эстетичнорт
производительности, малой стоимости и т.д. Для электрического
ранирования корпус ПЭП изготовляется из металла или диэлектрику,
с металлизацией изнутри. Вначале собирают резонатор, включающий
в себя ПЭ, демпфер и протектор, а закрепляют его в корпусе с по-
мощью заливки подходящим компаундом. Для этого припаивают элект-
рические провода, подводящие электрический потенциал к ПЭ (или
снимающие его). После установки в корпус провода выводят на разъ-
ем, а при его отсутствии припаивают к электрическому кабелю, иду-
щему к электронному прибору, кабель фиксируют в корпусе.
При сборке зоеда необходимо обеспечить такое механическое
крепление П_, которое соответствовало бы конкретному назначению
устройства. Так, для случая излучения непрерывных волн на задан-
ной частоте преобразователь должен обладать высокой добротностью.
Для ее обеспечения пьезопластина закрепляется только в периферий-
ной области, а с тыльной стороны "нагружается на воздух". В слу-
чае же применения эхо-импульсного метода, т.е. при излучении и
приеме коротких (широкополостных) импульсов, желательно, чтобы
преобразователь имел приблизительно равномерную частотную харак-
теристику.
С этой целью колебания пьезокерамической пластины 3 (см.
рис. 4) задемпфированы демпфером 4, изготовленным из свинцовосо- -
держащей невулканизированной резины марки БТ-3. В идеальном слу-
чае материал демпфера должен обладать акустическим импедансом,
равным акустическому импедансу применяемой пьезокерамики. Извест-
ны демпферы, представляющие собой эпоксидную смолу с наполнителем
из вольфрамового порошка.
11
12
Рис. 4. Зона одномерного ультразвукового эхоэнцефалографа
•’'У ' V«’ V ?
Материал демпфера должен обладать свойством значительно
поглощать акустическую энергию, чтобы предотвратить отражение
(особенно когерентное) волны в обратном направлении, т.е. к пье-
зокерамической пластине.
Одна из трудностей, возникающих при использовании пьезоке-
рамических материалов, связана с высоким значением их акустичес-
кого импеданса пр сравнению с импедансом мягких биотканей. Раз-
личие импедансов вызывает плохое акустическое согласование и в.
результате приводит к потере энергии излучения до 12 дБ. Для
преодоления этих трудностей на поверхность ПЭ нанесены два чет-
вертьволновых согласующих слоя I и 2, обеспечивающие также меха-
ническую вашиту электрода-пьезопластины. Согласующие слои изго-
товляют из наполненной вольфрамовым микропорошхом эпоксидной смо-
лы, причем степень наполнения прилегающего к пьеэопластине слоя 2
выше , чем контактирующего с биотканью слоя I. Эпоксидная омола
выбрана еще и потому, что обладает хорошей смачиваемостью, пре-
дотвращая~мамсмкность~ образования воздушной прослойки между
контактирующими поверхностями.
Рассматриваемый аовд одномерного эхоэнцефалографа имеет
тонкостенный алюминиевый корпус 6. Это обусловлено необходимостью
надежно экранизировать преобразователь, поскольку часто возникает
потребность приема и выделения на фоне шумов акустических сигна-
лов мощностью порядка КГ1* Вт.
Металлический корпус зонда надежно акустически развязан с ,
пьезопластиной втулкой Б, изготовленной из свинцовосодержашей
вулканизированной резины марки НВ-7. При недостаточности акусти- '
ческой развязки металлический корпус работает как эффективная
акустическая линия задержки.
Возбуждающее напряжение подается на электроды пьеэокерами-
ческой пластины 3 от генератора через разъем 8 и согласующий
трансформатор 7.
1.3. Аппараты для ультразвуковой хирургии
Можно выделить две большие области клинической хирургии, в
которых ультразвуковые инструменты нашли широкое применение, -
это аспирация (удаление) и разрезание тканей. Большим достоинст-
вом ультразвукового скальпеля является высокая температура на
его конце. Это дает возможность прижигать сосуды до 2 мм в диа-
метре, а значит, добиться малой потери крови при операциях на
органах, богатых сосудами.
13
Основной частью ультразвукового хирургического инструмента,
изображенного на рис. 5, является полуволновой пьезокерамический
преобразователь 4, склеенный с изготовленным из инструментальной
стали волноводом 2, имевшим рабочий наконечник в форме скальпеля.
Амплитуда колебаний наконечника может регулироваться в пределах
от 15 до 150 мкм, рабочая частота составляет 44 иГц.
Пьезокерамический преобразователь 4 имеет трубчатую форму
и совершает продольные УЗК при подаче возбуждающего.напряжения
на два электрода, выполненные в виде серебряного покрытия, нане-
сенного на внутреннюю и наружную цилиндрические поверхности 113.
Собственно напряжение подается через разъем 9 и лепестковый кон-
такт 6 на покрытие, нанесенное на внутреннюю цилиндрическую повер-
хность ПЭ, а электрод на наружной цилиндрической поверхности за-
землен благодаря контактированию выполненного на ПЭ буртика с
тонкостенным металлическим корпусом 5, электрически связанным с
электродом заземления в разъеме 9.
Чтобы повысить безопасность ультразвукового хирургического
инструмента, методом литья под давлением изготовляются пластмассо-
вый корпус 3 и защитный колпачок I. Преимущество ультразвукового
скальпеля по сравнению, например, с лазерным в том, что хирург
чувствует сопротивление ткани при ее разрезании и может лучше
контролировать процесс. Для этого в конструкции рассматриваемого
хирургического инструмента предусмотрено подпружинивание скальпе-
ля с помощью пружины сжатия 8, упирающейся в буртик на ПЭ через
промежуточную втулку 7.
Особенностями описанной конструкции ультразвукового хирур-
гического инструмента обусловлен ряд задач, решаемых при реали-
зации технологического процесса его поузловой сборки и изготов-
ления отдельных деталей.
На этапе сборки наибольшие трудности возникают при склеива-
нии встык пь.-зокерамического излучателя 4 и волновода-скальпеля 2.
Необходимо обеспечить как надежность клеевого шва при знакопере-
менной нагрузке, так и соосность пьезоэлемента с волноводом для
предотвращения поперечных (изгибных) колебаний скальпеля.
1а этапе изготовления отдельных деталей наибольшие сложнос-
ти возникают при изготовлении: волновода-скальпеля 2, представ-
ляющего собой полностью полируемую прецизионную деталь; металли-
ческого корпуса 5, в котором необходимо выполнить глубокое точное г
(отношение длины к диаметру равно шести) отверстие при минималь-
ной толщине стенки; трубчатого пьеэокерямического элемента 4, на
14
буртике которого, в частности, необходимо токопроводящее покры-
тие повышенной износостойкости, нанесение которого на внутреннюю
цилиндрическую поверхность затруднено.
2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Активными элементами ПЭП, применяемых в электронно-медицин-
ских приборах, являются разнообразные по маркам материала, форме-
и размерам детали, изготовляемые из пьезокерамики. Технологичес-
кие процессы изготовления пьезокерамических деталей должны обеспе-
чивать требуемые эксплуатационные характеристики ультразвуковых
медицинских приборов. Эти процессы определяются типом производст-
ва и компонуются из широкого спектра типовых технологических опе-
раций. Наиболее существенные из них рассмотрены в настоящем раз-
деле.
2.1. Материалы для пьеэокерамических деталей
Пьезокерамические детали, работающие в условиях непрерывно-
го излучения, изготовляются из титаната бария (BaTiO5 ), а
работающие в эхо-импульсном режиме - из цирконаттитаната свинца.
Механизм поляризации этих материалов представлен на рис. 6 на
примере титаната бария.
Титанат бария обладает структурой перовскита (рис. 6,а) и
имеет кубическую кристаллическую решетку, в центре которой распо-
лагается ион Ti8* - I, в вершинах находятся ионы Ва** - 2, а
в центре каждой грани ионы 0 - 3. При этом расстояние между
центрами ионов кислорода и титана больше, чем суша их радиусов
(рис. б,б), поэтому ион титана имеет некоторую свободу перемеше-
ния в пространстве между ионами кислорода.
При температуре выше точки Кюри (температура исчезновения
сегнетоэлектрических свойств) вследствие высокой интенсивности
теплового движения ион титана равновероятно может располагаться
вблизи каждого из шести окружающих его ионов кислорода, причем
имеет место переброс ионов титана от одного из ионов кислорода
к другому; усредненное положение иона титана совпадает с центром
куба (см. рис. 6,6).
При температуре ниже точки Кюри из-за недостаточности энер-
гии теплового движения ион титана, находясь вблизи одного из ионов
кислорода , создает электрический момент в элементарной ячейке
(рис. 6,в).
15
Рис. 5. Ультразвуковой хирургический инструмент
г t
Й Рис. б. Механизмы поляризации и пьезозффекта в пьезокерамических материалах
Одновременно происходит искажение формы ячейки - она укорачива-
ется вдоль одной оси и удлиняется вдоль другой (рис. 6,г).
Вследствие взаимодействия между соседними ячейками ионы
титана смешаются в них согласованно. Это приводит к образованию
доменов (рис. 6,д). Под воздействием поляризующего поля
(рис. 6,е) при температуре ниже точки Кюри в кристалле возникает
спонтанная поляризация, ей сопутствует и спонтанная деформация,
поскольку оба эти процесса взаимосвязаны.
Зарвды на поверхности быстро нейтрализирук!тся притянутыми к
ней заряженными частицами противоположного знака, которые всегда
имеются во внешней среде, образуя так называемый двойной слой.
Если поляризованный пьезокристалл подвергнуть, например, сжатию
(рис. 6,к), то а связи с уменьшением размера кристалла по верти-
кали понижается и спонтанная поляризация, а на поверхности часть
заряда двойного электрического слоя оказывается свободной.
Появление свободных зарядов на поверхность сопровождается
возникновением разности потенциалов U = Q / С , где Q - за-
ряд, освобожденный при деформации; С - электрическая емкость
пьезокерамической пластины.
Аналогично, когда к поляризованному пьезокристаллу прикла-
дывается извне разность потенциалов, внутри кристалла возникает
индуцированная поляризация, а обшая поляризация будет больше или
меньше спонтанной в зависимости от знака разности потенциалов:
с изменением поляризации кристалл при ее увеличении удлиняется,
а при уменьшении укорачивается.
К основным параметрам, характеризуют^^ свойства пьезокера-
мических материалов (см. таблицу) относятся: коэффициент электро-
механической связи (при продольном пьезозффекте KJS , при попе-
речном - К ), определяющий ту часть электрической энергии,
которая может быть преобразована в механическую, и наоборот; пье-
зоэлектричес ий модуль g"bs , представляющий собой отношение на-
веденного электрического поля к единичной деформации, и наоборот;
добротность . (?м ; tg & - тангенс угла диэлектрических потерь -
частотно-зависимая величина, определяющая ту часть энергии, кото-
рая т. ряется за период колебаний; плотность р ; модуль упругос-
ти Е ; акустический импеданс, равный произведению плотности на
скорость звука С . На практике важное значение имеют также нап-
ряженность электрического поля пробоя, временная и температурная
стабильность параметров, а также устойчивость к воздействию воды
и химических веществ.
1в
Пьезокерамические материалы и их основные электрофизические свойства
(ГОСТ 13927-60)
вин л ЭМЭ ‘ "“о 294 245 294 343 1
Г,С<5Т” НО 95 290 ! 275 325
СО S 1 5,30 । - 5,30 7,45 О О
С, км/с 4,3-4,90 4,5-5,00 3,0-3,60 СО i со 3,5
Е, ГПа О £ 109-130 55-85 65-68 1
2,00 2,00 3,50 0,75 0,65
Sv* Кл/ { (х I0"12) 100,0 83,3 200,0 О ci 235,0
Й 0,18 0,18 | 0,28 0,31 0,30
0,32 й О О о 0,68 09*0
X СУ 100 300 I 50 L 200 2000
Материал i ТБ-1 ТЕК ЦТС-19 ЦТС-23 ПКР-8
19
2.2. Конструкции пьезоэлементов и предъявляемые
к ним требования
Активные элементы из пьезокерамики, применяемые в изделиях
ультразвуковой терапии, хирургии и диагностики,по конструктивно-
му исполнению могут быть укрупненно разделены на три группы: плос-
кие, цилиндрические и сферические пьезоэлементы.
Плоские пьезоэлементы изготовляются в форме диска и приме-
няются в излучателях для ультразвуковой терапии (ри’с. 7,а) и в
зондах для ультразвуковой диагностики (рис. 7,6). Эти пьезозле-
менты различаются конструктивно. Пьезоэлементы для ультразвуко-
вой терапии изготовляются из высокодобротного титаната бария ма-
рок ТБ-I или ТЕК, пьезоэлементы для ультразвуковой диагностики -
иэ ниэкодобротного (широкополосного) цирконаттитаната свинца мар-
ки ЦТС-19. Высокодобротный цирконаттитанат свинца марки ЦТС-23
в конструкциях терапевтических излучателей применяется ограничен-
но вследствие возможного электрофореза токсичного свинца из пье-
зоэлемента в контактирующую с ним биоткань. В диагностических
зондах этот эффект исключен благодаря наличию двух четвертьволно-
вых согласующих слоев, надежно изолирующих пьезоелемент от паци-
ента.
Конструктивной особенностью пьезоэлементов для ультразву-
ковой терапии является фаска, выполняемая на торце, контактиру-
ющем с объектом. Фаска обеспечивает подвод на этот торец потенци-
ала заземления через токопроводящее покрытие, наносимое всплошную
на торец и прилегающую фаску. Для уменьшения возможности разрыва
покрытия фаска сопрягается с прилегающим торцом по радиусу R =
* 0,2 мм.
Токопроводящее покрытие на торцах терапевтических пьеэоэле-
ментов состоит иэ слоя никеля толщиной мкм, нанесенного поверх
слоя серебра толщиной 10 мкм, а торцы диагностических пьеэозле-
ментов покры-ii только серебром толщиной 10 мкм. Это обусловлено
необходимостью повысить износостойкость поверхностей терапевти-
ческих пьеэоэлементов (для диагностических пьезозлементов такой
необходимости нет), а также’реализовать операции пайки электро-
дов к токопроводящим покрытиям в конструкциях диагностических
зоздов.
Конструкции цилиндрических пьезоэлементов (рис. 8) при внеш-'
нем сходстве различаются тем, что для ультразвуковой терапии ис-
пользуются коаксиальные колебания пьезоэлемента, характэризуюши-
20
еся коэффициентом Kis , а для ультразвуковой хирургии - коле-
бания вдоль оси пьезоэлемента, характеризующиеся коэффициентом
Я31 •
Сферический пьеэоэлемент изготовляется из титаната бария
марки ТБК-3 или высокодобротного цирконаттитаната свинца марки
ЦТС-23 и представляет собой круглую чечевицеобразную пластинку
диаметром 19 мм с толщиной стенки I мм и высотой сферического
сегмента 3 мм (рис. 9). На вогнутую и выпуклую поверхности пье-
зоэлемента нанесены двухслойные токопроводящие покрытия - элект-
роды. Коммутация электрода на вогнутой поверхности пьезоэлемента
осуществляется через плоскую кольцевую базирующую площадку, а
электрода на выпуклой поверхности - в центре пьезоэлемента.
Чтобы предотвратить разрыв токопроводящего покрытия на во-
гнутой поверхности пьезоэлемента, сферическая и плоская кольце-
вые поверхности сопряжены по радиусу скругления R = 0,1...0,3 мм.
Качественная работа преобразователя возможна при минимиза-
ции отклонений от сферичности обеих рабочих поверхностей пьезо-
элемента, а также несовпадения центров этих поверхностей. Сочета-
нием двух указанных параметров определяется разнотолшинность стен-
ки пьеэоэлемента в пределах его рабочей зоны, которая ограничива-
ется полем допуска 10 мкм. Номинал размера толщины стенки зависит
от физико-механических свойств каждой партии материала и определя-
ется по формуле Н» с / 2"fpes , где с - скорость звука в
пьезокерамич-оком материале данной партии; fpej - резонансная
частота, задаваемая ультразвуковым генератором.
Комплект основных конструкторских баз пьезоэлемента, состо-
ящий из кольцевой плоскости и сопряженного с ней укороченного
цилиндра, выполняется по П-му квалитету. В целом конструкция
сферического пьезоэлемента требует обоснованного выбора способа
формообразования при получении заготовки, а также правильного по-
строения этапа технологического процесса, связанного с механичес-
кой обработкой его поверхностей.
2.3. Технологический процесс изготовления .
пьезоэлементоа
Укрупненно технологические процессы изготовления пьезоке-
рамических деталей различных конструкций, предназначенных для
ультразвуковых терапевтических, диагностических и хирургических
приборов, можно представить состоящим из следующих этапов
(рис. 10): I) подготовка порошков; 2) получение заготовки; 3) ме-
ханическая обработка; 4) нанесение покрытий.
026 - О, if
22
Н Предельное отклонение размера определяется по
резонансной частоте дня каждой пунши материала.
2. Резонансная частота (45,8 f %* ) кПц.
3. Покрытие поверхнос/пей 5 - Ср /О-20.,
а
- /6, S -О,НЗ___
"* l фаска'
т~
d
ч» --------------------------------II
*
1. Допуск на Внутренний диаметр определяется
допуском но рЯАОНансную частоту.
2. Ре ионаНОнаЯ частота (2640^-26 )к/й.
3. Покрытие поберхяосты А- Ср. /О Нб.
। б '
Рис. 8. Чертежи цилиндрических пьезоэлементов для
ультразвуковой хирургии (а' и терапии (б)
23
Рис. а. Чертеж цилиндрического пьезоэлемента для
ультразвуковой терапии (в)
24
1. * Размер Эля спроАоя.
2** Рпредыяепся по р»ло*онс*о& дослали*
fat ’264о *&*&%.
3, РоярА/пша поЭархяосян/г Э * Э - Ср 20 MS.
4. ***&3еслешл»ь шс*умяяя»олг.
Рис. 9. Чертеж сферического пьезоэлемента
В свою очередь, этап получения заготовки заключается в ее формо-
образовании и спекании, а заключительный этап включает собствен-
но нанесение покрытий, поляризацию и контроль пьезоэлементов.
Подготовка порошковых композиций из пьезокерамических матери-
алов, подготовка пьезокерамической массы начинается с операции ее
сушки f сушильном шкафу 1(рис.П,а)при температуре T“I00...I20°C.
В процессе выполнения этой операции засыпанную в чашку 2 массу 3
периодически через каждые 2...3 ч перемешивают шпателем и взвеши-
вают гместе с чашкой.Сушка считается законченной, если два следую-
щих одно за другим взвешивания дают одинаковый результат.
В порядке входного контроля качества пьезоэлектрической
массы 3$ Оф объема ее расхода за смену проверяют на дисперсность.
25
Рис. 10. Этапы типового технологического процесса
изготовления пьезозлементов
26
f
б
to
Рис. II. Типовые операции этапа подготовки пьезокерамической
массы: сушка (а); магнитная сепарация (б); протирание
через сито (в); приготовление пластификатора (г);
пластификация массы (д); перемешивание (е)
27
Зернистость порошка должна быть менее 3 мкм, а удельная поверх-
ность частиц, определяемая на специальном приборе АШМ по ГОСТ
13927-60, - не менее 0,3 м^/г.
Для удаления из пьезокерамической массы посторонних ферро-
магнитных частиц проводится операция магнитной сепарации
(рис. 11,6) на импульсном сепараторе, основными составными частя-
ми которого являются: установленный под углом 5° к горизонту под-
пружиненный лоток 4; взаимодействующий с лотком вибратор 5; эв'хт*
ромагнит 6; загрузочный бункер 7; приемная тара У Для отсепариро-
ванной массы.
Работа на импульсном магнитном сепараторе заключается в сле-
дующем. Просушенную массу засыпают в бункер, включают магнитный
сепаратор и устанавливаю!' положение шибера и величину шели в бун-
кере так, чтобы обеспечить равномерное поступление материала по
всей ширине лотка. Качество сепарации проверяют по наличию сле-
дов металла на электромагните постоянного тока. При необходимости
сепарацию повторяют до устранения следов металла. Отсепарировач-
ную массу пересыпают из приемной емкости в эксикатор и переносят
на рабочее место выполнения операций составления шихты.
Интегральнее качество сепарации оценивают по результатам
измерений параметра tgS стандартных образцов по ГОСТ 12370-60.
Если значения tgB оказываются выше допустимых по ГОСТ 13927-60,
то пьезокерамическую массу подвергают дополнительной сепарации.
Для отделения крупной фракции порошка и образовавшихся кон-
гломератов протирают массу 3 через сито 9 (рис. II,в),кодовый
размер ячейки которого 0006, с помощью шпателя 10 и собирают ее
в фарфоровую чащу II.
Далее данный этап технологического процесса разветвляется
на два варианта в зависимости от спосс а формообразования ПЭ.
Первый вариант этапа реализуется при изготовлении плоских
ЛЭ из титане»'а бария или цирконаттитаната свинца, т.е. в техно-
логических процессах с формообразованием заготовок методом прес-
сования.
Для получения пресс-порошка готовят пластификатор IV. С
этой целью 96 весовых частей (в.ч.) дистиллированной воды пере-
мешивают с 4 в.ч. поливинилового спирта (ПВО в колбе 12
(рис. II,г), которую ставят на водяную баню 20 при температуре
100°С и перемешиванием в течение 5 мин добиваются полного рас-
творения ПВО. Остудив раствор, его процеживают через двойной
слой марли.
26 ‘
Операцию пластификации пьезокерамической массы производят
в вытяжном шкафу 13 (рис. П,д). В состав мзссы входит 100 в.ч.
пьезокерамического порошка и 6 в.ч. полученного на продцпушей
операции раствора ПВО. Пластификация мзссы заключается в том,
что ее многократно соскабливает со стенок ступки 14 шпателем 15
и растирают пестиком 16.
Пластифицированная пьезокерамическая масса поступает на
операцию грануляции, которая заключается в протирке массы через
сито (кодовый размер ячейки 07) по схеме, представленной на
рис. II,в. При этом мзсса приобретает вид совокупности удлинен-
ных гранул, обладающей высокой прессуемостью. Гранулированную
мзссу (пресс-порошок) выдерживают при комнатной температуре не
менее 2 ч.
Дозирование пресс-порошка производится по массе взвешивани-
ем на аналитических весах. Полученные дозы навески, уложенные на
бумажияе салфетки, поступают на операцию прессования.
Второй вариант реализации данного этапа технологического
процесса имеет место при изготовлении трубчатых и сферических ПЭ,
когда заготовка формообразуется способом шликерного литья.
Этот вариант начинается с операции дополнительного прокали-
вания дозированного по массе, просеянного пьезокерамического по-
рошка в электропечи по схеме (рис. II,а) при температуре 600°С
в течение 3 ч.
Затем ь барабан шаровой мельницы горячего смешения (МГС)
загружают фарфоровые шары в количестве, обеспечивающем соотноше-
ние массы шаров к массе пьезокерамического порошка, который заг-
ружают туда же предварительно охлажденным до температуры 130...
...170°С, равное 1:2.
В МГС 17 (рис. II,е) выливают расплавленный в фарфоровой
чашке на электроплите воск по ГОСТ 21179-75 в количестве 1% от
массы порошка и перемешивают смесь порошка с воском в течение
I ч при температуре 90...100°С. После этого в барабан загружают
расплавленный парафин нефтяной по ГОСТ 16960-71 в количестве
6,5% от массы порошка и смешивают порошок со связующим в течение
4...6 ч, поддерживая температуру внутри барабана равной 90...100°С
нагревателями 18.
Приготовленный шликер должен быть однородным, не иметь пос-_
торонних включений, видимых невооруженным глазом, должен обладать
хорошей текучестью - сливаться со шпателя тонкой непрерывной
струей.
29
Контроль процентного содержания связки шликера произво-
дится следующим образом. Берут пробу шликера в количестве 50..,.
...70 г в лоток. Разбивают шликер на мелкие кусочки и загружают
по 8...10 г в три предварительно взвешенных тигля, прокаленных
при температуре 900°С в течение часа.
Ставят тигли в электропечь и повышают температуру до 850...
...900°С в течение 7 ч, после этого печь отключают и охлаждают
до температуры 150...200°С. Дальнейшее охлаждение тиглей до ком-
натной температуры производят в эксикаторе, куда их переносят из
печи щипцами.
Процентное содержание связки в шликере, равное потере мае-
сы при его прокаливании, определяется по формуле
К- -100%,
М - м
где М - масса тигля со шликером, г; и - масса пустого тигля,
г; т - масса тигля со шликером после прокаливания, г.
Расхождение в результатах по трем тиглям не должцо превы-
шать 1%, а содержание связки в шликере должно составлять 7,5...
...8,5%.
В случае положительного результата контроля полученный
шликер выливают через сито с кодовым размером ячейки 09 из бара-
бана в протвини. Окончательно затвердевшие брикеты шликера хра-
нят не более шести месяцев в металлическом шкафу в чистом поме-
щении.
Получение заготовок пьезоэлементов. Заготовки ПЭ изготов-
ляются двумя основными методами - прессованием гранулированного
пресс-материала и шликерным литьем.
Прессование применяется для изп товления плоских ПЭ. Оно
заключается в том, что дозу навески,засыпают в собранную пресс-
форму (рис. 12,а), разравнивают засыпанную массу и вставляют
пуансон. Собранную пресс-форму устанавливают по центру плунжера
гидравлического пресса. Для лучшей пропрессовки материала дав-
ление прессования изменяют по определенному режиму (рис. 12,6).
Для извлечения отпрессованной заготовки из полости пресс-
формы последнюю переворачивают, устанавливая на торец пуаксона.
и через разгрузочное кольцо, упираемое в торец матрицы, произво-
дят распрессовку пресс-формы. Извлеченную отпрессованную заготов-
ку укладывают на поддон, а разобранную пресс-форму протирают от
остатков пресс-материала.
30 !
Поддоны складывают штабелями на полках стеллажа, и уложен-
ные на них партиями прессованные заготовки проходят операцию суш-
Рис. 12. Пресс-форма для плоских пьезоэлементов (а)
и изменение давления при прессовании (б):
I - пуансон; 2 - матрица
Заготовки для трубчатых и сферических пьезоэлементов полу-
чают методом шликерного литья, представляющего собой литье под
давлением находящегося в жидкой фазе парафиново-воскового шлике-
ра на основе пьезокерамического порошка, формообразование загото-
вок производится в пресс-формах (рис. 13).
Конструкция пресс-формы для шликерного литья трубчатых ПЭ
(рис. 13,а) должна обеспечивать народу с точным формообразовани-
ем также возможность удаления отливки из полости пресс-формы.
Поэтому матрица пресс-формы изготовляется сборной, состоящей из
двух полуматриц 4 с вертикальной плоскостью разъема. Полуматрицы
замыкаются двумя кольцами I с базирующими буртиками. На нижнем
кольце выполнено литниковое отверстие, взаимодействующее с пита-
ющей трубко’й литьевой машины, а на верхнем кольце имеется точное
отверстие - вспомогательная база для установки стержня 3, оформ-
ляющего отверстие трубчатого ПЭ.
31
Рис. 13. Пресс-формы для шликерного литья трубчатого (а)
и сферического (б) пьезоэлементов
32
Для упрощения сборки и разборки пресс-формы меаду стержнем и
верхним кольцом устанавливается накидная шайба 2.
Шликерное литье сферических ПЭ производится с использовани-
ем пресс-формы многоместной конструкции (рис. 13,6), имеющей гори-
зонтальную плоскость разъема. Полости под отливки образованы со-
четанием поверхностей точных углублений а матрице 5 (формирование
наружных сферических поверхностей ПЭ)и стержней 6(формирование
вогнутых поверхностей ПЭ).На основании технических требований к
точности взаимного расположения поверхностей ПЭ можно рассчитать
допустимые погрешности изготовления отдельных деталей пресс-формы.
Оборудованием для реализации операции шликерного литья яв-
ляется литьевая машина. Во ВНИШ1 разработана установка МОД.
М-768 (рис. 14).
Рис. 14. Схема установки для шликерного литья
33
Техническая характеристика литьевой машины
мод. M-76d
Объем бака для шликера, дм3....................,.. 10,0
Давление вспрыскивания, МПа .....i,.»............. 0,4
Температура нагрева шликера, °C .Л............... 80
Способ поддержания температуры .....Автоматическое
регулирование
Давление в шликерном баке
при вакуумировании, кПа ....................... 0,15
Каркас литьевой машины (см. рис. 14) изготовлен из уголко-
вой стали и обшит стальным листом толщиной 1,5 мм. К каркасу кре-
пится стальная плита 9, на которой осуществляется монтаж основных
сборочных единиц: шликерного бака 2, механизма прижима пресс-
формы 6, ограждения 7, электромагнитного клапана 4, контактного
термометра 3, механической мешалки 5 с электродвигателем, блока
електрического управления (на рис. 14 не показан).
Шликерный бак состоит из собственно бака загрузки шликера,
питателя 12, кожуха и крышки оо встроенной в нее мешалкой. В
крышке бака имеется отверстие под питатель. Для дополнительного
подогрева шликера на выходе трубчатого питателя установлен допол-
нительный нагреватель II из нихромовой проволоки.
Шликерный бак устанавливается а прорези плиты крышки и уп-!
лотняется с помошью вакуумной резины тремя эксцентриковыми зажи-» ..
мами. Для обеспечения равномерного подогрева шликера пространст-
во между шликерным баком и кожухом заполняется жидкостью (глице-
рином), которая подогревается установленным под шликерным баком
трубчатым нагревателем 13 мощностью 2 кВт.
Механизм прижима пресс-формы состоит из двух вертикальных
стоек, на которых установлена подъемная плита 8 прижима. Ограж-
дение, представляющее собой щиток из оргстекла, служит для предо-
хранения оператора от ожогов горячей массой в случае ее разбрыз-
гивания.
Блок электрического управления смонтирован на шасси и слу-
жит для регулирования подачи сжатого воздуха через электромагнит-
ный клапан, для поддержания определенной температуры шликера с
Помощью контактного термометра, а также для питания электродвига-
теля и Электронагревателя.
Для вакуумирования шликерный’бак с расплавленным шликером
34
соединяется с вакуумным насосом. В течение 1,5...2,0 ч из бака
откачивают воздух, одновременно работает механическая мешалка.
По окончании вакуумирования вакуумный шланг перекрывают, а рабо-
чий цикл начинается с того, что открывают доступ сжатого воздуха
через электромагнитный клапан в шликерный бак и в полость мембран-
ной пневмокамеры механизма прижима пресс-формы. Сжатый воздух,
поступающий в полость шликерного бака, выдавливает разогретый жид-
кий шликер из бака через питатель а пресс-форму 10. При выключе-
нии электромагнита клапана прекращается доступ воздуха из сети
в клапан, а давление воздуха в шликерном баке и пневмокамере ме-
ханизма прижима пресс-формы падает, поскольку воздух из шликер-
ного бака уходит в атмосферу. Этим заканчивается рабочий цикл.
Дозировка массы осуществляется подачей в шликерный бак рас-
четного количества воздуха, определяемого давлением и временем
подачи. Контроль за давлением в пневмосистеме осуществляется о
помощью манометра, установленного на плите.
В зависимости от типоразмера трубчатого или сферического
ПЭ рабочее давление впрыска может составлять 0,10...0,15 МПа при
выдержке 5...7 с или 0,25...0,30 МПа при вздержке 15,..25 с.
Через одну-три заливки пресс-форму охлаадают 'яа холодной
подставке до температуры 2О...ЗО°С.
Контроль качества отливок производят визуально. Поверхности
отливок должны быть ровными, гладкими, без пузырей, раковин и
утяжек.
Термическая обработка отформованных заготовок ПЭ также за-
висит от способа формообразования. Если прессованные заготовки
подвергаются только спаканию, то заготовки, полученные способом
шликерного литья, проходят операции удаления органического связу-
ющего и спекания.
Перед проведением собственно операций термообработки про-
изводят прокаливание а печи компонент засыпки - порошков глино-
зема и двуокиси циркоция при температуре 1400°С а течение 15 мин,
Пооле охлаждения компонент засыпки их просеивают через сито с
кодовым размером ячейки I.
Технологическую связку заготовок, полученных шликерным
литьем, удаляют способом выжигания. Для этого на дно керамическо-
го тигля 4 (рис. 15,а) засыпают прокаленный глинозем 2 и загружа-
ют заготовки ПЭ 3, располагая их на расстоянии 5...Я мм одна от
другой и обеспечивая толщину слоев засыпки не менее 10 мм.
ЗЬ
36
Загружают тигли в электропечь I и удаляют связку по определенному
режиму 7(рис. 15,б).Затем отключают электропечь и охлеждают за-
готовки-отливки вместе с печью до комнатной температуры, после
этого вытру кают тигли из электропечи, выкладывают заготовки из
тиглей на лоток с ситом (кодовый размер ячейки 09) в вытяжном
шкафу и обдувают их сжатым воздухом.
Обжиг прессованных и литых заготовок из титаната бария
проводят при температуре I38J...146О°С по схеме (см. рис. 15,а)
и в соответствии с режимами о и б (см.рис. 15,6). При этом на дно
керамического тигля насыпают тонкий (I...2 мм) слой прокаленной
Двуокиси циркония, а заготовки 11Э располагают на расстоянии 5...
...d мм одна от другой и от стенок тигля, причем заготовки труб-
чатых Пэ располагают вертикально. Заготовки охлаждают вместе с
Печью в речение 4d ч. Зыгрузку заготовок из тиглей производят
описанным выше способом.
контроль заготовок на отсутствие трещин, раковин, вздутий
И посторонних включений производят визуально. По ГОСТ 2407-и0
определяют плотность заготовок - для титаната бария она должна
быть не менее 5,4 г/см4. Контроль диэлектрических потерь осуще-
ствляют по ГОСТ 12370-80. Значение tgS должно бы,ь не более
0,02. Пористость полученного материала рассчитывают по водопогло-
щению, определяя массу заготовки до и после четырехчасоаого ки-
пения в дистиллированной воде.
Механическая обработка пьезоэлементов. Механическая обра-
ботка заготовок ПЭ заключается в последовательном выполнении ря-
да операций абразивной обработки. Наличие этого этапа обусловле-
но необходимостью удалить образующийся в процессе спекания обед-
ненный радом компонент дефектный слой, а также исправить возни-
кающие при этом погрешности формы поверхностей ПЭ.
Торцевые поверхности дискообразных ПЭ обрабатывают, приме-
няя односторонний или двусторонний метод формообразования. При
одностороннем методе формообразование двух плоских поверхностей
ПЭ осуществляют поочередно, а при двустороннем - одновременно.
Н начале этапа механической обработки при одностороннем ме-
тоде производится индивидуальная доводка свободным абразивом на
притире 2 (рис. 16,а) (подшлифовка) поочередно обоих торцов спе-
ченных заготовок ПЭ I. Результатом этой операции является получен
ние на торцах ПЭ плоских площадок, достаточгых для их наклеивания
при выполнении последующих операций.
37
38
i
В качестве адгезива используется обладающая свойствами термоплас-
тичности менделеевская замазка следующего состава (по массе):
40% канифоли и 60% пчелиного воска. Замазку готовят, расплавляя
и перемеривая компоненты в тигле на электроплите.
Подшлифованные заготовки наклеивают на прецизионную план-
шайбу 3, в дальнейшем реализуется групповая обработка заготовок.
Для наклеивания планшайбу нагревают на электроплите и ее торец
смазывают расплавляющейся менделеевской замазкой, которая после
укладки заготовок и снятия планшайбы с электроплиты затвердевает
при остывании, обеспечивая сцепление заготовок с планшайбой.
Маршрут обработки каждой из торцевых плоскостей включает
черновую, получистовую и чистовую обработку, представляющие со-
бой соответственно плоское торцовое (рис. 16,6), плоское перифери-
ей круга 4 (рис. 16,в) алмазное шлифование и доводку свободным
абразивом (рис. 16,г). Эти операции выполняются на плоскоШлифо-
вальных станках (рис. К,б, в) и на станке для доводки оптичес-
ких деталей (рис. 16,г),кинематика которого заключается в том,
что инструмент-притир 2 приводится во вращение с частотой пх и,
взаимодействуя фрикционно с прижимаемыми к нему наклеенными на
планшайбу 3 заготовками I, приводит ее во вращение^, частотой
вокруг собственной оси, смешенной относительно оси вращения при-
тира. При этом планшайбе через поводок 5 дополнительно сообщается
возвратно-поступательное движение с частотой п . Указанные три
операции могут производиться и только по схеме, показанной на
рис. 16,г, со сменой зернистости применяемого нормального элект-
рокорунда в следующем порядке: № 10 (черновая обработка), >6 -
(получистовая обработка), № 4 (чистовая обработка).
В рамках совместных работ МГТУ им. Н.Э.Баумана и Московс-
кого завода ЭМА внедрен двусторонний метод обработки торцовых
поверхностей ПЭ на планетарном доводочном станке (рис. 16,д). За-
готовки ПЭ I помещаются в гнезда сепараторов 6, являющихся сател-
литами планеуарного механизма, внутреннее 7 и наружное 6 зубча-
тые колеса которого вращаются в одну сторону со скоростями и
п2 , причем Tij» и na>nt . Траектории движения заготовок
ПЭ по нижнему неподвижному притиру & - удлиненные спиралеобразные
эпициклоиды. Верхний притир 10 вращается с частотой п3 в сторону
вращения воображаемого водила, причем ns = 2-пв , где пй-
частота вращения воображаемого водила. При этих соотношениях
обеспечивается минимальность силы воздействия сепаратора на за-
готовку. Благодаря отсутствию операций наклеивания заготовок на
планшайбу и их отклеивания, а также одновременности обработки обо-
их торцов обеспечивается повышени»’ производительности труда по
сравнению с односторонним методом [1].
После обработки торцовых поверхностей ПЭ обрабатывают их
цилиндрические поверхности. Ллн этого с помощью менделеевской
замазки склеивают заготовки в блок-столбик, к торцам которого
Приклеивают оправки II с центровыми отверстиями. Эту операцию
производят на круглошлифовальном станке, используя алмазный круг
4 прямого профиля с базированием блока в центрах (рис. 16,е).
Этап механической обработки Лэ для диагностических зондов
на этом заканчивается, а на ПЭ для терапевтических излучателей
необходимо еше выполнить фаску, служащую для крепления ПЭ и под-
вода к одному из его торцов электрического потенциала. Получение
фаски (фасетировэние) выполняют на проста оптических станках,
кинематика которых предусматривает единственное вращательное дви-
жение инструментального шпинделя (рис. 16,ж). На этом шпинделе
устанавливают инструмент-притир с конической рабочей поверхность#»
причем угол конуса равен требуемому углу фаски. Заготовку Пэ при-*
клеивают встык к приспособлению - деревянному стержню 12 и дово-
дят свободным абразивом, вводя в полость рабочего конуса на при-
тире. Закругление фяски в месте ее сопряжения с прилегающим тор- х.
цом по радиусу R = 0,1...О,2 мм обеспечивается вследствие неиз-
бежного износа рабочей конической поверхности притира, поскольку
износ имеет форму вырЗатеваемого на конической поверхности торо-
идального углубления.
Этап механической обработки трубчатых ПЭ начинают с подшли-
фовки наружной цилиндрической пов'”зхности с целью создать предва-
рительную технологическую базу. Эту операцию производят на круг-
лошлифовальном стачке, применяя в качестве приспособления устанав-
ливаемую в центрах оправку (рис. 17,а). В результате данной опе-
рации обеспечивается возможность установить заготовку I в цанговый
патрон.
Следующая операция служит для создания двойной направляющей
технологической базы окончательной обработкой внутренней цилинд-
рической поверхности. Заготовку I устанавливают в цанговый. Патрон
токарного станка повышенной точности, и ее отверстие обрабатывают
последовательно двумя специальными алмазными развертками В
(рис. 17,6). Точности размера и формы полученного отверстия долж-
ны быть таковы, чтобы на последующих операциях обеспечивалась
точность взаимного расположения рабочих поверхностей ПЭ.
40 -
41
Комплект технологических баз создают шлиф<.»чнисм торцов ПЭ
на плоскошлифовальном станке алмазным кругом прямого профиля 4’
(рис. 17,в). Заготовки устанавливают в специальное приспособле-
ние, включающее точную плиту 1 с перпендикулярными к ней длинны-
ми стержнями 6, на которые насаживают заготовки 113. минимиза диг
отклонения от перпендикулярности торцов к оси отверстия ИЗ дос-
тигается обеспечением минимального зазора в сочленении стержень -
ПЭ при максимально допустимой длине стержня. Рассматриваемой
схемой базирования определяются такие требования по допустимым
отклонениям от перпендикулярности стержня, формирующего отверс-
тие трубчатого ПЭ в пресс-форме для шликерного литья относите-
льно крышек пресс-формы (см. рис. 13,а).
Формообразование наружной цилиндрической поверхности ПЭ
производится шлифованием алмазным кругом прямого профиля 4 на
круглошлифовальном станке (рис. 17,г). На этой операции в каче-
стве комплекта баз используют точное внутреннее отверстие и по-
очередно точно обработанные торцы ПЭ. Обработка производится на
точной оправке 2, устанавливаемой в центрах кругло (лифовального
станка. Эта операция обеспечивает соосность наружных и внутрен-
ней цилиндрических поверхностей трубчатого Пэ в пределах 'зазора
в сочленении оправка - ПЭ. 1
В ряде случаев возникает необходимость повысить точность '
формы наружной цилиндрической поверхности 113 и снизить ее шеро-
ховатветь. Это достигается применением операции круглой доводки
свободным абразивом, выполняемой на двухдисковнх доводочвдх
станках эксцентрикового типа. На рис. 17,д изображена схема дово-
дочного станка, внедренного на заводе Э1йА по разработкам 1ИТУ
им. Н.Э.Баумана. Заготовки ПЭ I размещают в гнездах сепаратора 7
между верхним 8 и нижним 9 притирами. Сепаратор установлен нч
эксцентрике 10 с эксцентриситетом е относительно оси нижнего
притира, а верхний притир установлен на том же эксцентрике с
эксцентриситетом е относительно оси сепаратора.
Обработка заготовок трубчатых ПЭ заключается в следующем.
Привод станка сообщает одно вращательное движение нижнему прити-
ру. Вследствие фрикционного взаимодействия нижнего притира с се-
паратором и с образующими наружных цилиндрических поверхностей
ПЭ сепаратор начинает вращаться вокруг собственной оси, затем,
в результате фрикционного взаимодействия, и. верхний притир при-
ходит во вращение вокруг собственной оси. Благодаря наличию ука-'
занных эксцентриситетов между осями сепаратора, «икнего и верх-
42
него притиром заготовки пьезоэлементов проскальзывают по рабочим
поверхностям притиров, т "К обеспечивается их обработка.
Особенностью механической обработки сферического ПЭ явля-
ется обработка его выпуклой и вогнутой рабочих сферических поверх-
ностей. Наиболее прогрессивным способом обработки является ллифо-
в-1ние алмазц.,м. трубчатым инструментом. На рис. Id изображена схе-
ма шлифования, внедренная на заводе ЭМА по разработке МГО им.
Н.Э.Наумана.
* <
поверхностей Сферического пьезоэлемента
Алмазный трубчатый инструмент I приводится во вращение,
обеспечивая скорость резания у , вокруг собственной оси, кото-
рая наклонена к оси вращения заготовки ПЭ 2, совпадающей с его
освю симметрии.
Вогнутая сферическая поверхность шлифуется кромкой наружной
цилиндрической поверхности инструмента. При настройке станка до-
биваются положения, при котором эта кромка проходит через полюс
вогнутой сферической поверхности. Тогда оси вращения инструмента
и заготовки ПЭ пересекаются в центре сферы, и требуемый диаметр
наружной цилиндрической поверхности инструмента может быть опре-
делен по формуле
Ж 2 rc«p Stn<X>
где гСф - радиус вогнутой поверхности ПЭ; а - угол между
осями'вращения инструмента и заготовки ПЭ.
43
Выпуклая сферическая поверхность ПЭ обрабатывается кромкой
внутренней цилиндрической поверхности трубчатого алмазного инст-
румента, требуемый диаметр которой может быть определен по фор-
муле
d*2R'Sina
и Сф 1 *
где RC(p - радиус выпуклой (наружной) поверхности ПЭ; а* -
угол между осями вращения инструмента и заготовки ПЭ.
Нанесение токопроводящих и защитных покрытий. Для обеспече-
ния требуемого качества покрытий производят подготовку поверхнос-
тей ПЭ к металлизации. В вытяжном шкафу в фарфоровую чашку зали->
вают этиловый спирт на 0,5 ее объема и поштучно опускают в спирт
заготовки ПЭ. Выдержав заготовки в течение 15 мин, их поштучно
извлекают пинцетом, протирают хлопчатобумажной тканью и укладыва-
ют на керамические огнеупорные подставки.
Подставки с заготовками устанавливают в муфельную печь и
поднимают температуру со скоростью 100 К/ч в течение При
температуре 600°С выдерживают в течение 15 мин, затем отключают
электропечь и охлаждают заготовки вместе с печью до температуры
50...60°С. После этого подставки с заготовками извлекают из печи,
укладывают их на поддоны и переносят на рабочее место для сереб-
рения .
Перед серебрением производят операцию корректировки сереб-
россдержащей пасты по вязкости. Для этого на монтажный стол ус-
танавливают фарфоровую ступку и шпателем перекладывают в нее пас-
ту, извлеченную из упаковки. Круговыми движениями пестика расти-
рают пасту в течение 12 ч, а во время перерывов убирают ступку в
эксикатор. Переливают приготовленную массу в фарфоровый стакан-
чик и, добавляя порциями очищенный скипидар, перемешивают пасту
и периодически замеряют ее вязкость на вискозиметре. Вязкость
разбавленной пасты должна составлять 16...20 мм^/с. Приготовлен-
ную пасту убирают в эксикатор.
Слой серебросодеркашей пасты наносят на специализированной
установке, имеющей вертикальный шпиндель, к которому крепится
цанговый патрон требуемой конфигурации и типоразмера. Пасту на-
носят, поштучно устанавливая заготовки ПЭ 2 (рис. 19) в цанговый
патрон 3 и приводя их во вращение. Поступательным движением бе-
личьей или колонковой кисти I на рабочую поверхность ПЭ наносят
тонкий слой разбааленной серебросодеркашей пасты. Для плоского
44
ПЭ кисть перемешают по горизонтали, для цилиндрического - по вер-
тикали, для сферического - по соответствующей окружности. Заго-
товки с нанесенным слоем пасты перекладывают пинцетом на чистые
листы, белой бумаги для просушки. Сушку продолжают до тех пор,
пока паста не перестанет прилипать к бумаге, затем поштучно нано-
сят пасту на обратную поверхность ПЭ.
Рис’. 19. Нанесение серебросодеркашей пасты на
пьезоэлемент
После нанесения слоя пасты заготовки ЙЭ просушивают на воз-
духе. Для этого их укладывают на специальный поддон, накрытый
чистой белой бумагой, помешают поддон на стеллаж и сушат на воз-
духе в течение 24 ч.
Вжигание серебра производят двумя способами - в муфельной
и конвейерной печах. Для вжигания в муфельной печи (рис. 20,а)
заготовки I укладывают на огнеупорные ультрглегковесные подстав-
ки, помещаемые в полость' печи 3. За 6 ч поднимают температуру до
700°С, выдерживают эту температуру в течение 15 мин, затем отклю-
чают электропечь и охлаждают заготовки вместе с печью в течение
16 ч.
В конвейерной печи (рис. 20,6) вжигание серебра произво-
дится следующим образом. Заготовки 1 укладывают на огнеупорные
подставки 2, с которыми они перемещаются в полости муфеля 3, вклю-
чающего нагревательные.элементы 4. В конвейерной печи предусмот-
рено несколько эон нагрева, температуру в которых устанавливают
и регулируют независимо, обеспечивая требуемый режим термообра-
ботки. Медленное перемещение заготовок осуществляется ленточным
транспортером 5, представляющим собой сеть, сплетенную из прово-
локи. материалом которой является жаропрочный сплав.
Рис. 20. Операции вкигания серебра, выполняемые в муфельной (а)
и конвейерной (б) печах
4G
Контроль качества вжигчния серебра заключается в визуальном
выявлении выщипов, трещин, сколов, затеков, вздутий и включений.
Чтобы получить требуемую толщину покрытия, описанные выше опера-
ции нанесения насты и ьжигания серебра повторяют 2-3 раза.
Формирование покрытий на ПЭ для ультразвуковой диагностики
и хирургии на этом завершают, а рабочие поверхности ПЭ излучате-
лей для ультразвуковой терапии (плоские, цилиндрические и сфери-
ческие) дополнительно никелируют электрохимическим способом, что-
бы повысить износостойкость поверхностей, контактирующих с биоло-
гическим объектом или лекарственной средой.
Операцию электрохимического никелирования проводят в галь-
ванической ванне (рис. 21).
Рис. 21.'Нанесение износостойкого покрытия
электрохимическим способом
Ванна представляет собой стеклянный сосуд I, над которым установ-
лены два медных электрода, представляющие собой катед 2 и анод 5.
На катоде устанавливают специальное приспособление - проволочный
держатель 3, снабженный базирующими крюками. На крюки устанавли-
вают заготовки ачсских цилиндрических и сферических ПЭ 4 таким
образом, что обеспечивается электрический контакт держателя с
серебряными покрытиями на обеих поверхностях ПЭ. К аноду подвеши-
вают никелевую пластину G, благодаря анодному растворению которой
электролит 7 насыщается иенами никеля.
Поляризацию ПЭ начиняют с того, что абразивной шкуркой на
47
бумажной основе или специальным абразивным бруском (_5J зачищают
натеки серебра на боковых поверхностях ПЭ для предотвращения воз-
можного короткого замыкания. Операцию поляризации проводят на
специальной поляризационной установке (рис. 22).
Рис. 22. Схема поляризации пьезоэлементов
Подготовка поляризационной установки К работе заключается в том,
что из нее сливают отработанную полисилоксановую (кремнийоргани-
ческую) жидкость, извлекают остатки разрушенных в процессе пре-
дыдущей поляризации ПЭ, а затем заливают до фиксированного уров-
ня новую порцию полисилоксановой жидкости и прогревают ее, чтобы
удалить остатки влаги, при температуре 200°С в течение 8 ч.
Операция поляризации ПЭ состоит из следующих переходов.Внача-
ле поштучно загружают ПЭ I в зажимные приспособления 3, ориентируя
их одинаково (например, плоские ПЭ - вниз фаской или полностью
серебряной поверхностью). Число загружаемых деталей определяется
их конструктивными характеристиками и конструкцией контактно-за-
жимного приспособления.
Контактно-закимные приспособления опускают в ванну таким
образом, чтобы ПЭ были полностью покрыты силоксановой жидкостью.
Включают источник питания и следят по прибору за токами проводи-
мости, если ток проводимости превышает 0,1 мА, то источник пита-
ния отключают. В этом случае, поочередно изолируя каждый ПЭ, на-
ходят тот, через который идет ток проводимости. После замены
всех некондиционных ПЭ подают напряжение на ванну. Для этого ‘
включают источник высокого напряжения, после 15 мин прогреваиа-
48
чинают плавную подачу высокого напряжения и через 30 мин после
начала подачи заканчивают вывод на режим по высокому напряжению.
С помощью нагревателя 4 и термометра 2 контролируют температуру,
удерживая ее на уровне 100°С. Режим поляризации при заданных
температуре и напряжении из расчета 0,3...1,0 кВ на I мм толщины
ПЭ выдерживают в течение 2 ч. Охлаждение ванны до 30°С производят,
не снимая высокое напряжение, затем источник высокого напряжения
выключают.
Поляризованные ПЭ укладывает на поддоны и при нормальных
условиях выдерживают в течение 5 сут для стабилизации свойств.
Готовые ПЭ контролируют на резонансную частоту, вначение
пьезомодухя, мощность излучения. Резонансную частоту определя-
ют исследуя амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) (рис. 23).
Излучаемую ПЭ мощность измеряют с помощью прибора ИМУ-3 (рис. 24).
Рис.. 23. Типичная амплитудно-частотная характеристика,
полученная при контроле пьезоэлемента
3. ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ 30НЦ0В
Наиболее полно комплекс сборочных операций представлен в
технологическом процессе сборки ультразвуковых диагностических
зондов (см. рис. 4). Особенностями и технологическими тонкостями
выполнения ключевых операций определяется обеспечение допустимых
значений основных выходных параметров при функционировании зонда:
минимальной мертвой эоны; максимальных разрешающей способности и
динамического диапазона.
4fc
9tt
50
3.1. Соединение пывзокерамическей Пластины с демпфером
Сборку излучателя начинают с подготовки пьезозлементов. Ис-
пользуют как выпускаемые серийно на специализированных предприя-
тиях ПЭ, так и изготовляемые на заводе 3i4A, где к настоящему вре-
мени освоена довольно широкая номенклатура ПЭ, различающихся по
толщине и попереч№1М размерам. Поставляемые ПЭ поляризованы и
покрыты электродами.
Рассмотрим некоторые, не всегда учитываемые требования к
электродам ПЭ, используемых в типовых конструкциях прямых совме-
щенных преобразователей. Исследования структуры серебряных элект-
родов пьезопластин из ЦТС-19, выпускаемых серийно, показали, что
они имеют достаточно сложное строение и представляют собой
тонкий пористый слой сплава серебра, свинца и висмута, покрытый
с обеих сторон рыхлым, зернистым слоем окиаи дисперсного сереб-
ра [3]. Размеры частиц дисперсного серебра с внешней стороны ПЭ
в несколько раз меньше микрополостей пористого слоя, что затруд-
няет вход клеящего компаунда в микропоры. Поэтому зернистый слой
серебряного покрытия рекомендуется удалять дг юдкой пьезоэлемента
специальным высокопористым абразивным инструментом (^].
После доводки пьезопластичу необходимо обезжирить (напри-
мер, в растворе синтетического моющего средства), а затем просу-
шить. Подготовленную таким образом пьезопластину перед сборкой
излучателя следует выдержать в нагретом и разбавленном раствори-
телем (ацетоном) эпоксидном клее, который за время выдержки за-
полняет все микропоры.
Технология сборки сочленения ПЭ с демпфером для одной из
возможных конструкций, реализованной в зонде одномерного эхоэн-
цефалоскопа разработки ВНИИМП, изображёна~№Г~рис. 25.
С помощью шаблона I карандашом 2 (твердость ТМ) на поверх-
ности А пьеэоэлемента 3, подлежащей нанесению согласующего слоя,
производят разметку (рис. 25,а), фиксируя те области, на которые
согласующий слой не наносится для обеспечения возможности под-
пайки электродов к металлизации на поверхности А ПЭ.
На поверхность А ПЭ наносят согласующий слой в виде компа-
унда следующего состава по массе:
Смола эпоксидная ЭД-5 (ГОСТ 10537-63) ............... 1,0
Полиэтжленполиамин (ЭТУ ИХП ПЮ-57) ................. 0,13
Вольфрам порошковый марки ЗК6А................... 2,30
51
ж
Рио. 25. Этап технологического процесса сочленения ПЭ с
демпфером: разметка (а); нанесение компаунда (б)}
доводка (в); пайка контакта (г); нанесение
?^паивание конта^ов <еН
52 ' •' • .
Аорошок ТИЯЖрнмн предварительно просушивает при температу-
ре 13О...15О°С в течение 2...3 я. В навеску смолы частями вводят
предварительно отвешенную навеску вольфрама, перемешивают и затем
выдерживают 15...20 мин при температуре 50...60°С с целью удалить
пузырьки воздуха. После прогрева смеси вводят необходимую дозу
отвердителя, и смесь тщательно, осторожно перемешивают. Жизнеспо-
собность полученного компаунда 20 мин.
Компаунд 5 наносят на предварительно подготовленную поверх-
ность ПЭ 3 тонким слоем с помощью шпателя или скальпеля 4
(рис. 25,6). При нанесении слоя следят за тем, чтобы не образовы-
ввлись воздушные пузырьки, которые отрицательно влияют на качест-
во покрытия. После этого нанесенный слой компаунда отверждают при
комнатной температуре 17...23°С в течение 2 сут.
Отвержденный слой подвергают доводке по схеме (см. рис. 16,а)
затем вновь тонким слоем наносят компаунд на предварительно обеэ-».
миренную поверхность, отверждают, вновь шлифуют и т.д. до получе-
ния требуемой четвертьволновой толщины h согласующего слоя
(рис. 25,в). Для зонДа, работающего на частоте 0,68 МГц, h-
. 0,57 мм. Постепенное многократное нанесение слоев компаунда на
поверхность ПЭ вызвано необходимостью максимально устранить обра-
зование воздушных пузырей в наносимом покрытии, поскольку на-
личие пузырей значительно снижает качество согласующего слоя.
К торцу Б ПЭ 3, противоположному тому, на который нанесен
согласующий слой, припаивают внахлест контакт 7 проволоки ПЭЛ-ОД
припоем ПОС-61, применяя паяльник 8 и пинцет 6 с теплоотводящей
массой (рис. 25,г). Место пайки фиксируют по схеме, аналогичной
Той, что изображена на рио. 25,а.
При припаивании выводов к электродам пластины важно не на-
рушить ее поляризацию. Для этого пайку выполняют электропаяльни-
ком с жалом из медной проволоки диаметром I...2 мм со скошенным
торцом. Температура нагрева не должна превышать 100°С. Применяют
легкоплавкие припои (сплавы Вуда или Луповца), имеющие малую
уседку при затвердевании. В качестве флюса используют раствор в
этиловом спирте 30$ канифоли или 6% канифоли и 14$ глицерина.
Флюсом.смазывают участок пьезопластины в месте пайки. Кла-
дут кусочек припоя размером около 2 мм и накладывают контактный
Вровод (обычно медную ленту толщиной 0,02 мм). Припой разглажи-
вают Паяльником. Толщина такой пайки составляет около 0,025 мм,
Контакты выдерживают усилие на отрыв до 4 Н.
'Поскольку соединение контакта 7 с ПЭ ненадежно, его усили-
53
вают нанесением на поверхность В слоя 9 эпоксидной смолы толщи-
ной 0,1...О,2 мм (рис. 25,д). Наличие данного слоя благоприятно
сказывается на согласовании акустических импедансов пьезокерами-
ки и материала демпфера.
Далее, по аналогии с контактом 7, к поверхности А ПЭ при-
паивают три контакта 10 в местах, не покрытых согласующим слоем
(рис. 25,ж).
Присоединение демпфера к ПЭ производят в такой последова-
тельности. Демпфер, изготовленный из резины БТ-3, прокалывают в
месте, соответствующем выходу контакта 7, а затем поверхность .
демпфера, прилегающую к ПЭ, смачивают бензином и разводят до кон-
систенции кашицы. Используя в качестве приспособления специальную
струбцину, демпфер II соединяют с поверхностью В ПЭ в сборе
(рис. 25,е) и выдерживают до отверждения соединения. При этом дем-
пфер должен плотно прилегать к ПЭ по всей поверхности.
Контроль эксплуатационных параметров сочленения ПЭ - демп-
фер осуществляют косвенным методом на основе анализа АЧХ. На
рис. 26 показаны АЧХ после нанесения согласующего слоя и присое-
динения демпфера для пьезоэлемента, АЧХ которого см. на рис. 23.
Указанный способ сочленения не единственный. Достаточно ши-
роко распространена технология приклеивания демпфера к ПЭ. Оста-
новимся на некоторых общих требованиях,предъявляемых к клеящим
массам и компаундам, используемым при сборке преобразователей.
К ним в первую очередь следует отнести требование малой усадки
при полимеризации, близость коэффициентов линейного расширения
клеев, компаундов и материалов склеиваемых деталей излучателя,
возможность получения тонких слоев, сохраняющих прочность соеди-
нения в достаточно широком диапазоне температур, сопротивление
старению (снижению со временем когезионных и адгезионных свойств
клея). Обычно клеи классифицируют по принадлежности основной
компоненты к термореактивным или термопластичным полимерам. Пер-
вые (фенолформальдегидные, эпоксидные и др.) дают высокопрочные
теплостойкие клеевые соединения. Вторым (полиамиды, производные
акриловой кислоты и др.) свойственны эластичность, относительно
невысокая термостойкость (100...150°С), низкая механическая проч-
ность .
При сборке пьезоэлектрических преобразователей хорошо себя
зарекомендовали клеи холодного отверждения на основе эпоксидной
смолы ЭД-20. Пьезокерамическую пластину и демпфер укладывают в
приспособление, обеспечивающее давление в склеиваемом шве 50...
л 70 кПа и толщину клеевого шва 80...120 мкм. Отвередение клее-
Й>о шва происходит при температуре 15...25°С в течение 48 ч.
л» ' ыо ' fioa '
щй ^300 ‘ 1000 ' two
б
Рис. 26. Типичные амплитудно-частотные характеристики
резонатора после нанесения согласующего слоя (а)
и присоединения демпфера (б)
Технология склеивания термопластичным клеем, по сравнению
с термореактивным, более проста. Так, норакрилом можно клеить
при температуре 20°С без давления, и для многих типов преобразо-
вателей норамрил может с успехом заменить эпоксидные клеи. Кроме
того, достоинством норакрила является малое время отверждения:
20...30 мин при температуре 20°С.
Гораздо более простой оказывается технология сборки НЭП
при использовании не приклеенного демпфера, а заливного на осно-
ве эпоксидной смолы с наполнителем, так как нет необходимости
55
Приклеивать демпфер, а технология приготовления демпфирующей
массы несложна. Кроме того, операция фиксации ПЭ в корпусе сов-
мещается с операцией заливки демпфера.
Для достижения максимального демпфирования применяют на-
полнитель из тяжелого металла (вольфрама) с содержанием его в
смеси до 70S. При более высоком содержании наполнителя масса ста-
новится непластичной. Для дальнейшего повышения демпфирующих
свойств демпфер во время полимеризации помещают на вибростенд или
центрифугу, в результате тяжелые частицы наполнителя сосредоточи-
ваются вблизи той области демпфера, которая примыкает к пьезоплас-
тине.
Однако при такой технологии очень часто происходит отрыв
демпфера от пьезопластины, так как усадка в центральной части
сильнее, чем на краях. В результате этого центральная часть демп-
фера отрывается от ПЭ и не выполняет своих функций. Поэтому более
надежна технология изготовления демпфера как самостоятельной де-
тали: его формообразование, термообработка и шлифование контакт-
ной поверхности с последующим приклеиванием к пьезопластине.
3.2. Требования, предъявляемые к демпферам,
и возможные материалы
Для подавления инерционных свойств ПЭ наиболее универсаль-
ным средством является механическое демпфирование. Механический
демпфер располагается с тыльной стороны ПЭ и находится с ним в
акустическом контакте. Обычно пьезопластину приклеивают к демпфе-
ру, что повышает ее механическую прочность.
Материал демпфера должен иметь характеристический импеданс
(произведение его плотности на скорость звука в нем), близкий к
волновому сопротивлению (то же, что и характеристический импе-
данс) ПЭ, и большой коэффициент затухания ультразвука. При выпол-
нении второго требования обеспечивается отсутствие сигналов, отра-
женных от поверхности демпфера, противоположной ПЭ, и мешающих
выявлению далеко расположенных мишеней.
Указанные требования противоречивы. Так, использование в
качестве демпферов металлов и их сплавов с характеристическим им-
педансом, близким к волновому сопротивлению ПЭ, ограничено малым
затуханием, которое не могут компенсировать специальные рассеива-
тели, устанавливаемые на противоположной ПЭ поверхности. Кроме
того, наличие необходимого клеевого соединения между ПЭ и демпфе-
ром значительно сникает входное сопротивление демпфера, а силь-
56
ное различие температурных коэффициентов линейного расширения ма-
териалов демпфера и пьезоэлемента ограничивает температурный диа-
пазон работоспособности ПЭП. Тем не менее, известны случаи успеш-
ного использования в качестве материала для демпфера латуней,
бронз, обладающих волновыми сопротивлениями, близкими к импедан-
сам пьезокерамических материалов, и сравнительно большим коэффи-
циентом затухания УЗК. Неплохие результаты получены при использо-
вании в качестве демпфирующей массы компаунда из галлия, олова и
никеля с вольфрамовым наполнителем, имеющего характеристический
импеданс 25-10° Н-с/м3, однако применение его в серийном произ-
водстве ограничивается трудностями изготовления. Другим демпфером
на металлической основе является компаунд, состоящий из порошка
вольфрама и олова или какого-либо другого пластичного металла
(алюминия, меди, свинца). Для увеличения коэффициента затухания
в компаунд вводят порошок железа (около 7%).
Наиболее широко в качестве материала демпферов применяются
композиционные материалы, состоящие из рассеивателей и связующе-
го компонента. В качестве первых используются порошки тяжелых ме-
таллов и их оксидов, В качестве вторых - смоли (чаще всего эпокси-
дные) или компаунды. В литературе описаны характери. -'.к и демпфе-
ра на основе эпоксидной смолы с наполнителями в виде порошков мар-
шалита (измельченный кварц), карбида титана и вольфрама, а также
компаунда иэ двух частей воска и одной части канифоли со свинцом
и вольфрамом. Характеристические импедансы таких материалов сос-
тавляют (4...12)-10Ь Н.с/м3, коэффициент поглощения звука на час-
тоте I МГц - около 80 м-1.
Используется и горячее прессование порошка вольфрама со
связующим фенопластом. Получаемые таким образом демпферы обладают
высоким коэффициентом затухания ультразвука и достаточно высоким
значением характеристического импеданса (15-IC/3 Н-с/м3). Однако,
в отличие от рассмотренных выше, этот демпфер не может быть полу-
чен непосредственным затвердеванием на ПЭ, а должен быть прикле-
ен, что снижает его эффективный импеданс. Тем не менее демпфер,
полученный горячи^ прессованием фенопласта с вольфрамовым напол-
нителем, исподьзуется практически во всех прямых контактных пре-
образователях. Достоинством его является также достаточно высокая
электрическая проводимость. Плотам прижатием при склеивании демп-
фера к ПЭ, на поверхность которого нанесен металлический элект-
род, обеспечивается возникновение в некоторых течках поверхнос-
тей электрического контакта между демпфером и ИЭ. Таким образом
57
решается задача электрической связи с электродов пьеэопластины.
Наряду с эпоксидными смолами и фенопластом в качестве свя-
зующих компонент нашли применение силикон, полиуретан, каучук,
сырая резина. При некоторых комбинациях связующего компонента и
порошка-наполнителя удается достичь большого поглощения ультра-
звука при достаточно высоком значении характеристического импе-
данса. Например, если в качестве связующего компонента исполь-
зовать самовулканизирующийся герметик 430-МЭС5, то при том же
содержании вольфрамового порошка, что и в эпоксидной смоле, коэф-
фициент затухания ультразвука на частоте 2 МГц будет в 2,5 раза
больше. Кроме того, применение самовулканизирующегося герметика
позволяет отказаться от клеевого слоя между демпфером и ПЭ, что
увеличивает влияние демпфера на инерционность ПЭ.
Аналогичных результатов достигают, используя демпфер из
смеси частиц пластмассы и фторуглерода, которая при повышенной
температуре непосредственно соединяется с поверхностью ПЭ.
Перспективным с точки зрения улучшения совокупных свойств
демпферов является изготовление их с переменными по длине акусти-
ческими свойствами: максимальным характеристическим импедансом
вблизи ПЭ (малый коэффициент отражения) и минимальными скоростью
звука и плотностью в противоположном конце демпфера (коэффициент
поглощения звука вследствие вязкости и упругости обратно пропор-
ционален кубу скорости звука и первой степени плотности).
От плавности изменения свойств демпфера зависит коэффициент
отражения по всей длине демпфера. Для обеспечения плавности изме-
нения свойств массу компаунд - наполнитель в процессе ее отверж-
дения подвергают вибрационной обработке. В результате более тя-
желые частицы наполнителя опускаются вниз к поверхности, которая
в дальнейшем контактирует с пьеэопластиной. Характеристический
импеданс пластины достигает (12...18)•10^ Н-с/м3.
Возможен принципиально иной подход к получению нужного
входного импеданса, при котором между собственно демпфером и
звукопоглотителем помещаю четвертьволновый слой либо набор сло-
ев, обеспечивающий согласование входного акустического сопротив-
ления демпфера и характеристического импеданса ПЭ.
3.3. Завершающие операции сборки ультразвуковых зондов
и рассматриваемой конструкции зонда одномерного эхоэнцефа-
лографа ПЭ с демпфером монтируется внутри втулки, изготовльемой
из свинцовистой резины марки НВ-7 и служащей для акустической
развязки ПЭ от корпуса эовда. Монта* ПЭ во втулке осуществляется
с помощью клеевого соединения, причем в качестве клея применяется
эпоксидная композиция Д9 холодного отверждения (рис. 27).
Рис. Я7. Резонатор одномерного эхоэнцефалографа в сборе:
I - ПЭ в сборе; 2 - втулка акустической развязки;
. 3 - коммутирующее кольцо; 4 - контакт;
5 - дополнительный контакт
Для создания электрических соединений в рассматриваемой
сборочной единице служат два контакта и кольцо, обеспечивающее
заземление.
С помощью кисти и пинцета внутреннюю поверхность втулки
обезжиривают серной кислотой в вытяжном вкафу и просушивают на
воздухе в течение I...3 мин, после этого промывают в ванне с про-
точной водой в течение 15 мин, а затем укладывают втулки на спе-
циальный противень и просушивают их в сушильном шкафу при темпе-
ратуре 5О...6О°С в течение 20...60 мин.
Непосредственно перед нанесением на втулку приготавливают
клей Д9 согласно ОСТ 4Г0.054.210. Жизнеспособность клея не менее
40 мин, а операции нанесения этого клея необходимо завершить в
течение 1,5 ч.
В вытяжном шкафу на внутреннюю поверхность втулки наносят
тонкий слой клея Д9 и вклеивают демпфер с ПЭ во втулку (см.
рис. 27), затем втулку вкладывают в специальное приспособление
с зажимным устройством, зажимают втулку и выдерживают в таком
положении при комнатной температуре в течение 15...20 ч. Общее
время выдержки составляет 2...3 сут.
Далее во втулку эпоксидным клеем холодного отверждения
вклеивают контакты цо специальной технологии, причем при вклеива-
нии одного из контактов через его отверстие пропускают выводной
проводник - конец от ПЭ, а по контуру втулки тем же клеем прикле-
ивают дополнительные контакты, используя пинцет и специальный
прижим.
Затем на верстаке протирают поверхность втулки марлевым
тампоном, смоченным в ацетоне. Используя специальную струбцину
и скальпель, заправляют дополнительные контакты ПЭ под кольцо
(см. рис. 27) и ставят кольцо на клей Д9. С помощью электричес-
кого паяльника на 36 В мощностью 40 Вт, скальпеля и пинцета при-
паивают контакты ПЭ к кольцу и обрезают выступающие концы контак-
тов ПЭ. Аналогично прокладывают свободный конец дополнительного
контакта ио поверхности втулки и штырькового контакта и припаива-
ют его, затем к штырьковому контакту припаивают проволоку ПЭЛ-01.
Места паек промывают спиртом.
Обычно склеенный преобразователь размещают в корпусе излу-
чателя и фиксируют с помощью заливки какой-либо подходящей по ха-
рактеристикам заливочной массы.
Головку зонда 2 (рис. 28) склеивают с алюминиевым корпу-
сом I клеем Д9, который приготавливают следующим образом.
Взвешивают компоненты клея в соответствии с составом
(в в.ч.):
Смола эпоксидная ЭД-16 или ЭД-20 (ГОСТ 10587-76)..... 100 г
Пластификатор (дибутилфталат)- ГОСТ 2102-67) ........ 10
60
Отвердитель (полиэтиленполиамин) .................... 12
Кварц молотый-пылевидный ГОСТ 9077-59 ............... dO
В фарфоровую посуду кладут необходимое количество смолы с
молотым кварцем и разогревают в термостате при температуре 50...
i..70°C в течение 25 мин. Вынув разогретую смолу из термостата
и введя пластификатор, полученную смесь выкуумируют при темпера-
туре 7О...9О°С до прекращения выделения пузырьков воздуха, а
затем охлаждают до комнатной температуры П...25°С. Обезвоженный
отвердитель вводят в охлажденную смесь непосредственно перед упо-
треблением, причем обезвоживание отвердителя производится в тер-
мостате в открытом сосуде при температуре 4О...8О°С в течение
8 ч. Признаком окончания обезвоживания отвердителя служит пленка
молочно-белого цвета на его поверхности.
2
Рис. 2В. Головка зонда в сборе
Клей Д9 наносят на боковую поверхность резиновой втулки
на расстоянии 3...4 мм от краев головки и сжимают головку зоцда 2
с корпусом I. Сняв излишки клея марлевым тампоном, смоченным в
ацетоне, головку зонда помещают в специальное приспособление для
склеивания, в котором выдерживают в течение 12 ч.
На рабочую торцовую поверхность головки зонда наносят вто-
рой четвертьволновой (предохранительный) слой следующего соста-
ва (в.ч.):
.Клей холодного отверждения
(на основе смолы ЭД-6).............................. 100
61
Вольфрамовый порошок W204 .............Л........... 100
После удаления излишков компаунда производят сушку с тече-
ние I сут при комнатной температуре.
Заключительной технологической операцией является доводка
предохранительного слоя по схеме (cMi рис. 16,а) до шероховатос-
ти обработанной поверхности Ra = 1,25 мкм и образования сплош-
ной площадки на всей рабочей торцовой поверхности головки зонда.
Необходимость етой операции обусловлена тем, что вследствие
усадки компаунда при полимеризации происходит деформация тонкого
протектора, т.е. его поверхность становится неплоской, а это при-
водит к появлению влияющего на акустическое поле дополнительного
слоя контактной среды между преобразователем и биообъектом,
Заключение
Рассмотренные изделия ультразвуковой терапии, хирургии,
диагностики свидетельствуют о широком применении разнообразных
и постоянно совершенствуемых конструкций пьезоэлектрических пре-
образователей. Технологические процессы изготовления пьезокерами-
ческих деталей и сборки основных сборочных единиц ПЭП достаточно
специфичны, совершенствование этих процессов должно быть направ-
лено на снижение доли ручного труда на основе разработки и внед-
рения высокопроизводительных механизированных и автоматизирован-
ных операций.
Изготовление зондов для ультразвуковых компьютерных томо-
графов может основываться на изложенной серийной технологии ПЭП.
Расширение спектра технологических решений, применяемых ’
при изготовлении ПЭП, дает возможность разрабатывать САПР их но-
вых, специализированных модификаций.
Литература
I. Применение ультразвука в медицине. Физические основы:
Пер с англ. / Под род. К.Хилла. М.: Мир, 1989. 568 с.
2. Каневский И.И. Фокусирование звуковых и ультразвуковых
волн. М.: Наука, 1977. 336 с.
• 3. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего конт-
роля / Под общ. род. И.Н.Ермилова. М.: Машиностроение, 1986. 280 с
ч. Орлов П.Н. Абразивная доводка деталей приборов и машин.
М.: МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1984. 48 с.
62
5. Сагателян Г.Р. Разработка абразивного инструмента для
доводки оонов магнитных диоков памяти // Чистовая обработка ма
териалов резанием: Об. отатей. М.: МЦНШ. 1990. С. 15—21.
О плавление
Предисловие .......................................... 3
I. Конструктивные разновидности изделий ультразвуковой
медицинской техники ...................»;.............. 3
I.I. Аппараты ультразвуковой терапии ................. 4
1.2. Аппараты ультразвуковой диагностики....,;..... 10
1.3. Аппараты для ультразвуковой хирургии ......... 13
2. Технология изготовления активных элементов
пьезокерамических преобразователей............ 15
2.1. Материалы для пьезокерамических деталей ...... 15
2.2. Конструкции пьезоэлементов и предъявляемых
к ним требования ............................ 20
2.3. Технологический процесс изготовления
пьезоэлементов ................................. 21
3. Технология сборки ультразвуковых зондов............'49
3.1. Соединение пьезокерамической пластины с -
демпфером .......................................... 51
3.2. Требования, предъявляемые к демпферам,
и возможные материалы ...................;.г. 56
3.3. Завершающие операции сборки ультразвуковых
зондов ........................................... 58
Заключение ......... 62 .
Литература 62
3*.-
* 14—