JP7738568B2 - 音響トランスデューサ用多孔質セラミックスの作製方法 - Google Patents

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関連出願

本出願は、２０２０年３月１９日に出願された米国仮出願第６２／９９２，１１５号の優先権を主張するものであり、上記出願の全教示が参照により本明細書に組み込まれる。

音響トランスデューサ、アクチュエータ、流量計、およびその他の超音波デバイスに圧電セラミックまたは電歪セラミックを使用することについて、いくつかの利点が知られている。これらのトランスデューサに使用される多孔質セラミックスは、全体に均一に分散された気孔を有するセラミックス圧密体であってもよい。多孔質セラミックスは、非多孔質セラミックスよりも密度が低く、音響トランスデューサが音響波を伝搬させる伝搬媒体（ほとんどの場合、水）に対してより良い音響的マッチングを提供できる。また、多孔性が提供する低い音響インピーダンスと低いＱ値により、音響トランスデューサ用セラミックスの性能を向上させることができる。

発明が解決使用とする課題

音響トランスデューサ用の多孔質圧電セラミックまたは電歪セラミックを製造するための既存の技術は、複雑で手間のかかる製造工程に制約され、トランスデューサの設計上、および得られる製品の品質上の限界がある。圧粉体の焼成後に形成されるセラミック体の気孔率を高めるため、圧粉体の混合物に気孔形成粒子を導入することができる。しかし、気孔形成粒子の導入は、焼結セラミック体における潜在的な構造上の問題を悪化させる可能性がある。これらの構造上の問題には、例えば、セラミック体の平坦性を阻害し得る、セラミックのひび割れや変形が含まれる。

さらに、上記の構造上の問題は、比較的厚いセラミック体ほど悪化する傾向にあった。おそらくは、このことも一因となって、気孔形成粒子を用いた既存の多孔質セラミック体の厚みは１３ｍｍ程度に留まっている。さらに、上記のような変形の問題から、一般的な多孔質セラミック体は、焼成（本明細書では「焼結」ともいう）後、電極を付ける前に、最終的な厚みと平坦性に研磨されてきた。さらに、焼成工程では、表皮、すなわち、空隙率が大きい比較的滑らかで非多孔質の表面構造が自然に形成されるが、これに対し、焼結セラミック体のバルクは空隙率が大きい。そのため、通常、焼結セラミック体の研磨面には、電極接合の前に平滑なガラス面が施工されていた。

射出成形用混合物に対する気孔形成剤の添加は、様々な技術的課題をもたらす。添加された材料は、混合物の粘度を上昇させる。粘度を下げるには、固形分の添加量（混合物の体積に対するセラミックの量）を減じる必要がある。これは、圧粉前駆体の強度を低下させる可能性があり、さらに収縮を生ぜしめる可能性がある。折れ目や、コールドフロー領域、巨視的に誘導された応力負荷領域の存在は、射出成形されたセラミックプリフォーム（前駆体）の特性と一致するものである。

成形後に気孔形成剤を除去するには、有機バインダーを除去する温度よりも高い温度で焼失させる工程が必要となる。この工程を追加すると、さらに時間がかかり、ひび割れや破損のリスクを高めることになる。

本明細書では、上記の課題を克服するために使用し得る方法が開示される。実施形態は、気孔形成粒子と混合したセラミック材料粉末を処理する方法を提供する。この処理により、予備焼成の圧粉体およびセラミック製造のため焼成中の圧粉体の構造上の一体性が高められ、さらに得られた多孔質セラミック体の改良により、後工程での加工性が高められ、性能が向上する。

実施形態の方法は、クラックの発生を防ぎ、セラミックの焼結表面を研磨することなく平坦性を維持する効果のある、中間予備焼成期間を含むものであってもよい。これにより、電極形成前にセラミックの表面にガラスを塗布する必要がなくなるという大きな利点がある。したがって、電極材料は、多孔質セラミック体の焼結された実質的に無孔の表皮に直接塗布することができる。さらに、前記予備焼成期間の追加により、多孔質セラミック体を既存の方法よりも著しく大きな厚みで形成することができる。さらに、開示された方法は、射出成形と両立できるため、柔軟なトランスデューサ設計が可能となり、製造工程を大幅に簡略化でき、コスト低減が可能となる。こうして、製造工程が大幅に簡素化され、製品の品質も向上する。

特に、実施形態の方法は、中間予備焼成期間中に圧粉体中の気孔形成粒子（ｐｏｒｅ ｆｏｒｍｅｒｓ）を分解する工程を含んでもよい。中間予備焼成期間は、圧粉体からバインダ―が除去される予備焼成期間に続き、最終予備焼成期間及び焼結に先行する。具体的には、最終予備焼成は、気孔形成粒子が実質的に分解された圧粉体から残留する有機物を除去することを特徴とする。このように段階的に予備焼成を行うことで、構造的な完全性と平坦性が保たれる。

開示された方法は、射出成形によって、圧電材料または電歪材料から多孔質セラミックプリフォームを作製するネットシェイプ法を含む。開示された方法は、強圧電セラミック材料粉末と熱可塑性有機バインダーから、均質で粒状の熱可塑性粉末／バインダー混合物を準備することを含んでもよく、セラミックプリフォームに対して非破壊的な加熱を加えることにより、混合物から除去される犠牲孔形成剤を選択し、混合物に含ませてもよい。

各種実施形態において、混合物を射出成形し、様々な形状の自己支持型圧粉体を形成してもよい。これらには、１－３又は２－２の接続性を有する、プレート、円盤、及び複合プリフォームが含まれ、平板状セラミック基体と予め選択された配列で基体から垂直に延びる平行セラミックエレメントからなるものであってもよい。各エレメントは、ロッド状（例えば、１－３）またはラメラ状（例えば、２－２）の形状を有していてもよい。圧粉体は、プリフォームモールドから射出され、７０℃から約７００℃の間の温度で、それぞれバインダー、気孔形成剤、および残留有機物を実質的に完全に除去するために十分な時間、段階的に加熱され、計算上の密度の６５％から９５％の間に焼結されてもよい。

実施形態の方法では、円盤、プレート、ロッド、半球、ウェッジ、またはその他の成形可能な形の最終形状から、トランスデューサを製造することができる。１－３または２－２の構造を射出成形する利点は、従来のセラミックプリフォームのダイシングまたは機械加工に比べ、セラミック廃棄物の発生量を削減できるところにある。１－３又は２－２接続性を示し、多孔質圧電セラミック相又は電歪セラミック相を含む圧電型又は電歪型の複合トランスデューサを製造するため、実施形態にかかる方法によって形成された焼結多孔質セラミック体を、ポリマー材料中に封入し、二相からなるセラミック／ポリマー複合体を形成してもよい。セラミック基体は、複合体下部の平面状表面から除去してもよいし、除去しなくてもよい。エレメントは、上部および下部の平面状表面のそれぞれで露出してもよい。複合材料は、エレメントとの電気的接触を確立するために、電極を付されてもよい。エレメントは、例えば、１－３または２－２接続性を示す圧電複合トランスデューサを生成するために、ポーリング（極性付け）されてもよい。複合形状は、音響インピーダンス、Ｑ値を下げ、有効結合係数と圧電係数を増加させることにより、多孔質セラミックの性能をさらに高めることができる。

一実施形態において、多孔質セラミック体を作製するための方法は、セラミック材料粉末、バインダー材料、及び気孔形成粒子の混合物からなる圧粉体を形成する工程を含む。また、この方法は、圧粉体を一次予備焼成温度で加熱することにより、圧粉体からバインダ材料を除去（抽出）する工程を含む。さらに、この方法は、一次予備焼成温度よりも高い中間予備焼成温度で圧粉体を加熱することにより、気孔形成粒子を分解する工程を含む。さらに、この方法は、中間予備焼成温度よりも高い最終予備焼成温度で圧粉体を加熱することにより、圧粉体から残留する有機物を除去する工程を含む。この方法は、多孔質セラミック体を形成するために、最終予備焼成温度よりも高い焼結温度で圧粉体を焼結する工程をさらに含む。有利には、この多孔質セラミック体の作製方法は、混合物の射出成形により圧粉体を形成することを可能にする。さらに、射出成形では、焼結時に形成されるセラミック体がその最終的な形状をとるよう、ネットシェイプに加工することができ、焼結した多孔質セラミック体の表面の後加工は不要となる。焼結後の機械加工が不要なので、製造工程を大幅に合理化、簡易化できる。

別の実施形態において、音響トランスデューサは、上述の方法、または本明細書に記載される任意の代替方法に従って作製された多孔質セラミック体から作製される。

さらなる実施形態において、圧電型または電歪型の音響トランスデューサは、まず、上述の方法に従って、または本明細書の範囲内の代替方法に従って、多孔質セラミック体を準備することによって作製できる。この方法は、さらに、焼結された多孔質セラミック体の両面に電極を加工する工程を含む。

さらに別の実施形態において、多孔質セラミック体を作製する工程は、セラミック材料粉末、バインダー材料、および気孔形成粒子の混合物を射出成形することによって形成された圧粉体を加熱することによって、圧粉体から気孔形成粒子を分解する工程を含む。この方法では、気孔形成粒子を分解する前に、射出成形された圧粉体からバインダー材料が実質的に抽出除去された状態になっている。また、この方法は、圧粉体から気孔形成粒子を分解した後に、圧粉体を焼結してセラミック多孔体を形成する工程を含む。

一実施形態では、多孔質セラミック体の作製方法は、セラミック材料粉末、バインダー材料、および気孔形成粒子の混合物を射出成形して、圧粉体を形成する工程を含む。この方法は、バインダー材料を抽出し、気孔形成粒子を分解し、圧粉体を焼結して多孔質セラミック体を形成する工程をさらに含む。さらに、別の実施形態では、音響トランスデューサまたはトランスデューサアレイが、この方法を用いて形成され、多孔質セラミック体（または複数のそのような多孔質セラミック体）が形成される。射出成形は、焼結時に形成されるセラミック体がその最終形状をとり、後加工が必要ないように、ネットシェイプとすることができる。

上記は、以下の添付図に示される、例示的な実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。異なる図を通して同じ参照文字が同じ部品を指す添付図面に示されている。図面は必ずしも縮尺通りではなく、実施形態を説明することに重点が置かれている。
一実施形態にかかる、多孔質セラミック体の作製方法を示すフロー図である。 一実施形態において、図１の方法を用いて多孔質セラミック体を作製した後に、多孔質セラミック体に電極を形成して圧電型又は電歪型の音響トランスデューサを作製する方法を示すフロー図である。 別の実施形態にかかる多孔質セラミック体の作製方法において、セラミック材料粉末の混合物の射出成形工程を含む方法のを示すフロー図である。 一実施形態において、多孔質セラミック体の作製方法における温度履歴を示すグラフである。 一実施形態において、多孔質セラミック体の作成方法における別の温度履歴を示すグラフであり、特に、実施方法中の温度プロファイルの屈曲性を示す図である。 （ａ）～（ｄ）は、一連の模式的状態図であり、一実施方法の様々な処理段階における圧粉体混合物の粒子またはそれから形成された多孔質セラミック体を示す図である。 多孔質セラミック体の製造に用いる圧粉体を示す断面説明図であり、圧粉体を基台と砂浴を用いて加工している状態を示す図である。 既存の方法（先行技術）によって製造された既存の音響トランスデューサの断面図である。 一実施形態の方法に従って製造された、音響トランスデューサの断面図である。 一実施形態の方法を用いて製造され得る、１－３の接続性を有する音響トランスデューサアレイを例示する斜視図である。 図１０のアレイに例示された音響トランスデューサエレメントの１つを形成する音響トランスデューサの斜視図である。 一実施形態において、複合体への封入後にポーリングが行われる方法における追加の特徴を示すフローチャートである。 複合化プロセスが、ポーリング、次いで複合体のキャスティング、次いで電極加工を含む、別の実施形態にかかる方法を示すフローチャートである。 一実施方法で使用され得る例示的な金型の概略断面正面図である。 一実施方法によって作製し得る１－３型プリフォームの写真である。 さらに別の実施方法に従って作製し得る１－３型複合プリフォームの写真である。 さらに別の実施形態の方法に従って作製し得る２－２型プリフォームの概略斜視図である。 図１６のプリフォームに従って作製し得る、微細な２－２型複合プリフォームの写真である。 一実施形態にかかる方法で使用し得る一次予備焼成温度プロファイルを示すグラフである。 特定の実施方法の一部で使用し得る例として、図１８の予備焼成温度プロファイルに続く、最終予備焼成温度プロファイルを示すグラフである。 一実施方法で使用し得る一次予備焼成温度期間、中間温度期間、及び最終予備焼成温度期間の組み合わせを含む温度プロファイルを示すグラフであり、各予備焼成期間は室温への温度低下によって互いに分離されている。 実施形態で使用し得る８段の温度プロファイルを示すグラフであり、一次予備焼成期間、中間予備焼成期間、最終予備焼成期間と、温度の低下を介さずに温度を上昇させるものである。 一実施形態にかかる方法において有利に採用され得る強制空気対流機能組込炉の概略説明図である。

以下に、例示的な実施形態について説明する。

［好ましい特定の実施形態の詳細]
本明細書の概要部分で上述したように、本明細書に記載の実施方法では、はるかに容易かつ簡素な方法で、多孔質セラミック体及びトランスデューサアレイを形成できる。この方法は、よりクリーンで、より低コストであり、より広い設計パラメータの組み合わせ及びより良い性能を提供することができる。特に、ここに記載される方法では、後処理により多孔質セラミック体となる圧粉体を、射出成形により形成することができる。得られたセラミック体は、例えば、約１５ｍｍよりも厚く（例えば、約１５ｍｍと約３０ｍｍの間に）することができ、表面に電極を付す前に表面を研磨する必要がない。

図１は、上記の目的を達成するため、特に多孔質セラミック体の形成に使用し得る方法１００を示すフロー図である。まず、セラミック材料粉末、バインダー材料、および気孔形成粒子の混合物を含む圧粉体が形成される（１０２）。ついで、予備焼成温度で圧粉体を加熱することにより、圧粉体からバインダー材料を除去する（１０４）。次に、予備焼成温度よりも高い中間予備焼成温度で圧粉体を加熱することにより、気孔形成粒子を分解する（１０６）。次に、最終予備焼成温度で圧粉体を加熱することにより、圧粉体から残留有機物を除去する（１０８）。最終予備焼成温度は、中間予備焼成温度よりも高い。次に圧粉体を最終予備焼成温度よりも高い焼結温度で焼結し、多孔質セラミック体を形成する（１１０）。

方法１００の重要な利点は、セラミック材料粉末、バインダー材料、および気孔形成粒子の混合物からなる圧粉体を射出成形により形成し得るところにある。方法１００はまた、それによって形成された多孔質セラミック体の構造の一体性を維持する方法を提供し、セラミック表面の研磨および電極加工の前段階としての追加の加工工程を省略することができる。したがって、方法１００を変更し、セラミック材料粉末、バインダー材料、及び孔形成粒子の混合物を射出成形して圧粉体を形成する工程を含むものとしてもよい。

方法１００によって形成される多孔質セラミック体は、圧電性の複合体であってもよい。図１の工程要素を含む様々な実施形態において、セラミック材料粉末は、例えば、ＰＺＴ粉末であってもよい。バインダ材料は、有利には、ワックス材料であってもよく、気孔形成粒子は、例えば、ＰＭＭＡ粒子であってもよい。気孔形成粒子は、有利には、約５μｍと約１５μｍとの間の平均直径を有していてもよい。より具体的には、粒子の平均直径は、約７．５μｍと約１２．５μｍとの間であってよい。好ましい一実施形態では、気孔形成性粒子は、約１０μｍの平均直径を有する。本明細書で使用される直径の文脈では、「約」は１ミクロン以内を意味する。例えば、「約１０μｍ」は、１０±１μｍを意味する。本明細書に記載される気孔形成性粒子が球状でない場合、又は完全な球状でない場合、記載される直径は平均直径であってもよい。本明細書で使用される場合、「平均直径」は、３つの互いに直交する回転軸まわりの粒子の回転に対して測定される、または他の手段で知られる気孔形成粒子の直径の算術平均であってもよい。

様々な実施形態において、焼結温度に加えて、一次予備焼成温度、中間予備焼成温度、及び最終予備焼成温度は、例えば図４～５に関連して説明される様々な温度範囲を有していてもよい。さらに、図１～７および９～１１に関連して、および本明細書の他の部分で説明した様々な任意の方法および物理的要素を使用して、方法１００およびそれによって形成し得る様々な多孔質セラミック体およびトランスデューサを変更してもよい。

図２は、一実施形態にかかる、圧電型又は電歪型の音響トランスデューサの作製方法２００を示すフロー図である。まず焼結された多孔質セラミック体を、図１に例示された方法１００に従って準備する（２０２）。ついで、焼結された多孔質セラミック体の相対する表面に電極を形成し、圧電型又は電歪型の音響トランスデューサを形成する（２０４）。

方法２００を修正し、本開示の範囲内の他の実施形態にかかる方法、多孔質セラミック体、又は音響トランスデューサアセンブリに関連して指摘された任意の要素又は特徴を含めてもよい。注目すべきは、図１の方法１００に関連して説明したように、焼結多孔質セラミック体を形成する処理のため、射出成形を用いて圧粉体を準備してもよい。

図３もフロー図であり、一実施形態にかかる、多孔質セラミック体の作製方法３００を示している。あらかじめセラミック材料粉末、バインダー材料、および気孔形成粒子の混合物の射出成形により形成された圧粉体を加熱することによって、圧粉体から気孔形成粒子を分解する（３０２）。工程３０２で気孔形成粒子が分解される際、バインダー材料は既に射出成形された圧粉体から実質的に除去されている。次に、圧粉体を焼結して多孔質セラミック体を形成する（３０４）。工程３０４での焼結は、気孔形成粒子を圧粉体から実質的に分解された後に行われる。

方法３００は、他の実施形態に関連して本明細書に記載される任意の方法的又は物理的要素をさらに含んでもよい。例えば、方法３００を修正し、多孔質セラミック体に電極を形成して音響トランスデューサを形成する工程を含めてもよい。この方法に整合する方法で形成し得る例示的な音響トランスデューサには、図９～図１１に例示され、以下で説明されるものも含む。また、注目すべきは、方法３００を修正し、セラミック材料粉末、バインダ材料、及び孔形成粒子の混合物を射出成形して圧粉体を形成する工程を含めてもよい。

さらに、方法３００は、以下のように変更してもよい。気孔形成粒子の分解は、圧粉体を中間予備焼成温度で加熱することにより行われてもよい。焼結は、中間予備焼成温度よりも高い焼結温度で圧粉体を加熱することによって行われてもよい。この方法は、分解後、焼結前の圧粉体を、中間予備焼成温度よりも高く、焼成温度よりも低い最終予備焼成温度で加熱することにより、圧粉体から残留する有機物を除去する工程をさらに含んでもよい。

図４は、圧粉体の多孔質セラミック体への変換中に図１の方法１００と整合する各種の例示的温度段階を示す温度履歴４００のグラフである。特に、温度履歴４００は、時間（任意単位）の関数として温度（任意単位）を示している。（例えば、射出成形によって）圧粉体を形成した後、圧粉体は、図４に示すように室温４１２にあってもよい。昇温期間４１４の間、圧粉体の温度を一次予備焼成温度４１６まで上昇させてもよい。一次予備焼成温度４１６は、任意で、一次予備焼成保持期間４１８の間、保持されてもよい。

一次予備焼成保持期間４１８は、特に圧粉体からバインダー材料が除去されることを特徴とする。これは、この期間中の一次予備焼成温度が、気孔形成粒子が著しく分解されることなく残留するのに十分低いままであっても、圧粉体からバインダー材料（例えば、ワックス）を（例えば、溶融により）除去するには、十分高いからである。一次予備焼成温度におけるこの期間は、後の段階での気孔形成粒子の分解および除去を妨げないようにバインダー材料を除去することができるので、特に有利である。気孔形成粒子の分解前にバインダーを除去すると、多孔質構造が残され、火膨れやクラックを発生させることなく分解物が逃散する経路を提供することができる。このように処理することで、圧粉体の構造上の一体性を保持でき、例えば、特に比較的厚い圧粉体の割れを防止することができる。

一次予備焼成保持期間４１８の後、圧粉体の温度は、降温期間４２０にわたって、この場合は、温度が再び室温４１２に達するまで、下降される。その後、圧粉体は任意の休止期間４２２に入り、その間、温度は室温に保たれる。

休止期間４２２の後、温度は再び上昇し、今回は中間予備焼成温度４２４に到達する。この温度は、任意で、中間予備焼成保持期間４２６の間、保持される。この期間４２６は、特に気孔形成粒子の分解によって特徴付けられる。一次予備焼成中にバインダーが予め除去されていることにより、分解する気孔形成粒子は圧粉体からより自由に除去することができ、反りや割れを回避して圧粉体の構造上の一体性を保持するの上で役立つ。

ついで、室温へ降温し、任意で一定期間室温で保持した後、温度は最終予備焼成温度４２８まで再び上げられる。この温度は、任意で一定期間４３０（最終予備焼成保持期間という場合がある）、一定に保持されてもよい。期間４３０は、特に、圧粉体から残留有機物を除去することを特徴とする。バインダー材料及び気孔形成粒子がそれぞれ事前に除去及び分解されたことにより、この期間中に残留有機材料を圧粉体からより自由に除去することができる。最終的な予備焼成温度４２８は、圧粉体から残留有機材料を効果的に実質的に除去するには十分高いが、圧粉体を実質的に焼結するほどには高くない。このようにして、圧粉体に残留有機物がない状態とすることができる。

最終予備予備焼成温度４２８から降温した後、温度はその後任意で、休止期間室温に保持され、その後焼結温度４３２まで上げられる。任意で、温度を再び降下させる前に、圧粉体を焼結保持期間４３４の間、焼結温度４３２に保持してもよい。

図４の温度履歴４００は、図１の方法１００、ならびに図２および図３の方法２００および方法３００とそれれぞれ整合しているが、例示的なものであることを理解されたい。したがって、他の例では、複数の一次、中間、および最終の予備焼成期間、または複数の焼結期間が存在してもよく、それらは、任意に降温期間または休止期間によって分離されてもよい。さらに、昇温期間及び降温期間は直線的である必要はない。一次、中間、および最終の予備焼成保持期間と焼結保持期間は、厳密に一定の温度によって特徴付けられる必要はない。温度は、昇温期間および降温期間において、それぞれ単調増加および単調減少以外の変化を示してもよい。さらに、各段階の後に、すべて室温４１２に到達する必要はない。これらのパラメータの可変性の一部は、以下、図５に関連して説明される。

図５は、図１、図２および図３の方法１００、方法２００、および方法３００にそれぞれ整合する例示的な温度履歴５００を示すグラフである。図４に関連して説明した可変性の一例として、温度履歴５００は、一次予備焼成温度４１６が一次予備焼成保持期間５１８の間だけ一次予備焼成温度の許容差５３６範囲内で維持されることを示す。温度許容差５３６は、例えば、様々な特定の実施形態にかかる方法において、一次予備焼成温度４１６に関して、±３℃、±５℃、±１０℃、±１５℃、±２５℃、または±５０℃であってよい。同様に、中間予備焼成温度４２４、最終予備焼成温度４２８、及び焼結温度４３２は、一次予備焼成温度４１６に関連して記された例示的な許容範囲などの特定の許容範囲内に維持されてもよい。

このように、本明細書で使用される「一次予備焼成温度で」圧粉体を加熱することによって圧粉体からバインダーを除去することは、一次予備焼成温度４１６が保持期間を通して公称温度値の許容範囲内に維持され、一次予備焼成保持期間中の実際の温度は中間予備焼成温度４２４及びその任意の低い許容範囲以下に常に留まることを広く示すと理解されたい。同様に、本明細書で使用される「一次予備焼成温度よりも高い中間予備焼成温度で」圧粉体を加熱することによって気孔形成粒子を分解することは、中間予備焼成保持期間４２６の間、実際の温度が公称の中間予備焼成温度４２４の許容範囲内に保持されることを表す。保持期間４２６の間の実際の温度は、常に一次予備焼成温度及びその任意の上限公差を上回り、最終予備焼成温度４２８及びその任意の下限公差未満に維持される。

同様に、本明細書で使用される「中間予備焼成温度よりも高い最終予備焼成温度で」圧粉体を加熱することによって圧粉体から残留有機物を除去することは、温度が最終予備焼成保持期間４３０の間公称最終予備焼成温度４２８の許容範囲内に保持され、この間の実際の温度は中間予備焼成温度４２４及びその任意の上限許容範囲を上回ったままであることを表わす。さらに、同様に、本明細書で使用される「最終予備焼成温度よりも高い焼結温度で」圧粉体を焼結することは、焼結保持期間４３４の間、温度が焼結温度４３２で、許容範囲内にあり、最終予備焼成温度４２８およびその任意の上限許容値を超えて維持されることを表わす。

温度履歴５００はまた、第２段階である中間予備焼成において、中間予備焼成温度４２４への昇温期間が直線的でないことを示している。同様に、中間予備焼成温度４２４からの降温も直線的でない。温度履歴５００はまた、最終予備焼成温度４２８の後、最終予備焼成温度段階において、室温４１２までではなく、室温と最終予備焼成温度４２８の間にある温度まで降温することを図示している。

温度履歴５００は、さらに、非単調昇温期間５１４の間に、温度が焼結温度４３２まで上げられることを例示する。焼結温度４３２に到達した後、温度は、非単調降温期間５２０の間に、室温に戻るように降温される。非単調昇温期間５１４は、下げ戻しを含み、一般に、任意の回数の温度の下げ戻しを含んでもよい。同様に、非単調降温期間５２０は、焼結温度４３２からの降下中に２つの局所的な温度上昇を含み、これは意図的な処理であってもよく、または特定の加熱装置または処理を反映する特性であってもよく、多孔質セラミック体を形成するための本明細書に記載する方法にとっては重要度の劣る特性である。他の実施形態では、焼結期間中または予備焼成期間中に温度の局所的上昇があってもよく、例えば、温度が公称の予備焼成温度または焼結温度よりも高い値に達してもよい。

いくつかの実施形態では、特にバインダー材料の除去を特徴とする一次予備焼成温度４１６は、７０℃と３９０℃の間であってもよい。より好ましくは、一次予備焼成温度４１６は、２９０℃と３９０℃の間であってもよい。いくつかの実施形態において、一次予備焼成温度４１６は、３１０℃と３７０℃の間であってよく、公称値は３４０℃である。いくつかの実施形態において、気孔形成粒子の分解によって特徴付けられる中間予備焼成温度４２４は、例えば４５０℃と５５０℃の間であってもよい。より具体的には、特定の実施形態において、中間予備焼成温度４２４は、４７５℃と５２５℃の間であり、公称値は５００℃である。

特定の実施形態において、特に圧粉体から残留有機物を除去することを特徴とする最終予備焼成温度４２８は、６００℃と８００℃の間であってよい。特定の実施形態では、最終予備焼成温度は、例えば７００℃の公称値で、６７５℃と７２５℃の間であってよい。一次予備焼成温度、中間焼成温度、および最終予備焼成温度と同様に、焼結温度は、使用される特定のセラミック材料粉末を含む圧粉体の特定の組成に依存することができる。これらの温度値は、圧粉体のサイズおよび形状にも依存し得る。特定の実施形態では、焼結温度は、１０２５℃～１４８５℃の間であってよい。他のより特定の実施形態では、焼結温度４３２は１２２５℃と１２８５℃の間であり、例えば、公称焼結温度は１２５５℃である。

実施形態にかかる各種の方法において適用し得る予備焼成温度プロファイルにおけるさらなる可変性は、図１８～図２１に関連して説明される。

図６（ａ）～（ｄ）は、実施形態にかかる方法の様々な処理段階における圧粉体混合物又はそれから形成された多孔質セラミック体の粒子を表す一連の模式的状態図である。図６（ａ）は、一次予備予備焼成および予備焼成中の圧粉体混合物６３８を表している。圧粉体混合物６３８は、セラミック材料粉末６４０（例えば、ＰＺＴ粉末）、気孔形成粒子６４２（例えば、ＰＭＭＡマイクロビーズ）、及びバインダ材料６４４（例えば、ワックス）の混合物である。バインダ材料６４４は、例えば、射出成形後に混合物をプリフォームに保持させることができる。その後、射出成形プロセスに使用された金型が取り外され、圧粉体の混合物は、さらなる処理に望ましい形態をそのまま保持することができる。温度が一次予備焼成温度まで上昇すると、矢印６４６で図示するように、バインダー６４４が抽出され始める。

図６（ｂ）は、図４に図示された中間予備焼成期間４２６の前およびその間の圧粉体（この段階では圧粉体６４８とする）を示す図である。中間予備焼成期間中、セラミック材料粉末粒子６４０は、ほぼ無傷で変化せずに残り続けるが、気孔形成粒子６４２は、矢印６５０によって図示されるように、圧粉体６４８が中間予備焼成温度に加熱されて保持期間中保持される間に分解される。分解された気孔形成粒子（水およびＣＯ_２）は、基質から分離することが望ましい。このプロセスを支援するために、オーブン内に新鮮な空気を循環させてもよい。分解された気孔形成粒子は、最終的な予備焼成段階において除去され得る残留有機材料に加わってもよいが、分解された気孔形成粒子は、中間予備焼成段階において実質的に完全に除去されることが好ましい。循環される空気流は、有利にこのプロセスを助長することができる。

図６（ｃ）は、図４に図示された最終予備焼成段階４３０の前およびその間の、圧粉体（この段階では圧粉体６５２とする）を図示している。この間、セラミック材料粉末粒子６４０はまだほとんど変化していないが、矢印６５４で図示するように、残留有機材料は圧粉体６５２からさらに抽出される。

図６（ｄ）は、図４に例示された焼結期間４３４の後に圧粉体６５２から形成された多孔質セラミック体６５６の粒子を例示するものである。多孔質セラミック体６５６の例示的な気孔６５８は、気孔形成粒子６４２の場所に残っており、セラミック材料粉末６４０は、気孔６５８をまだ残した状態で、大部分が圧密一体化された焼結セラミック材料の粒子６４０’に変化している。

図７は、図１の方法１００、図４の温度履歴４００、及び図６（ａ）～（ｄ）の模式状態図に示される処理のそれぞれの段階における圧粉体６３８、６４８、又は６５２の断面模式図である。図７は、任意で、基台（セッター）７６０上に置かれた圧粉体６３８、６４８、又は６５２を示す。いくつかの実施形態にかかる方法において、図６（ａ）、図６（ｂ）、及び図６（ｃ）にそれぞれ示される、バインダー材料の抽出、気孔形成粒子の分解、又は残留有機材料の除去は、基台７６０上に圧粉体を配置した状態で行ってもよい。いくつかの実施形態では、焼結のために、圧粉体をＡｌ_２Ｏ_３基台上に配置してもよい（すなわち、基台７６０はＡｌ_２Ｏ_３基台であってもよい）。

砂浴７６２も図７に示されており、これは、バインダー材料の抽出６４６、気孔形成粒子の分解６５０、または圧粉体６３８、６４８、または６５２からの残留有機物の除去６５２をそれぞれ助長することができる。圧粉体は、これらの加熱／処理段階のいずれにおいても、砂浴に浸漬することができる。砂浴は、例えば、安定化ジルコニア又はジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）砂、又は本明細書に照らして当業者に明らかであろう他の適切な材料を含むことができる。

図８（先行技術）は、先行技術の音響トランスデューサ８００の断面図である。トランスデューサ８００は、多孔質セラミック体８５６から形成されているが、これは射出成形によって形成されたものではなく、図１、図２、または図３の方法１００、方法２００、または方法３００に従って準備されたものでもない。このため、セラミック体８５６は、その厚さ８７０に制約があり、例えば、厚さが約１３ｍｍに制約されている。さらに、セラミック体８５６は、上下の表面８６４で最終的な厚み８７０に研削される。研削された表面１８６４は、少なくともこの表面研削後に多孔質であるので、電極層８６８でトランスデューサの電極を形成する前に、平滑化のためにガラス層８６６が研削された表面上に塗布される。

ガラス層は、有機マトリックスに懸濁させたガラス材料をスクリーン印刷、パッド印刷、または塗装することによって塗布することができる。有機材料は焼散され、ガラスをその軟化点以上の温度とすることにより、表面を流動させてコーティングできる。図９は、図８とは対照的に、図１、図２、および図３の方法１００、２００、および３００とそれぞれ一致するように作製される音響トランスデューサ９００を示す図である。音響トランスデューサ９００は、図６（ａ）～（ｄ）に例示された方法に従って準備される焼結後の多孔質セラミック体６５６を含む。それぞれの温度で、抽出、分解、及び残留有機物の除去、次いで焼結を含む多段階の工程を行うため、実施形態に整合して形成された多孔質セラミック体６５６の厚さ９７０は、図８の先行技術の多孔質セラミック体８５６の厚さ８７０よりはるかに大きくすることができる。

さらに、多孔質セラミック体６５６を形成するための圧粉体６５２の焼成工程（焼結）の自然副産物として、図６（ｃ）の圧粉体６５２は、焼結により図６（ｄ）および図９の多孔質セラミック体６５６に変化するにともない、実質的に滑らかで実質的に無孔の、対向する上側および底側の表面９６４を発達させる。本明細書で使用する場合、「実質的に無孔」とは、液体または気体が通過し得る直径１ミクロンより大きい空間または穴のない表面を意味する。これらの滑らかな表面９６４は、ここでは、焼結プロセスにより形成される「表皮」と呼ぶことができる。図１～図６に関連して説明した方法に従って多孔質セラミック体６５６を形成するときに平滑面９６４の研磨は必要ないので、図８に示すガラス層８６６を適用することなく、音響トランスデューサ９００の上部および底部の平滑な表面９６４上に電極８６８を直接形成することができる。この結果、よりクリーンでシンプルな製造工程を実現することができる。プレスのような成形法では、射出成形が作り出すような正確な均一厚さを有する部品は作れない。プレス加工などの成形方法によって形成されたワークピースは、平坦に、かつ最終的な厚さに研磨する必要がある。

いくつかの実施形態では、多孔質セラミック体６５６の厚さ９７０は、図６（ａ）～図６（ｄ）の方法に従って作製した後、少なくとも約１５ｍｍである。他の実施形態では、厚さは、焼結工程の後、少なくとも約２０ｍｍである。本明細書で使用されるセラミック体の厚さについての文脈では、「約」は、厚さにおける±１ｍｍの公差を意味する。したがって、例えば、「約２０ｍｍ」は、２０±１ｍｍを意味する。いくつかの実施形態では、厚さは、約１５ｍｍと約４０ｍｍとの間である。他の実施形態では、厚さは、約１５ｍｍと約３０ｍｍとの間である。さらに他の実施形態では、厚さは約２０ｍｍと約３０ｍｍとの間である。音響トランスデューサ９００は、圧電型または電歪型の音響トランスデューサであってもよいことを理解されたい。図１～図７に関連して説明した工程は、両方のタイプの音響トランスデューサに適している。圧電性または電歪性は、本明細書に照らして当業者に理解されるように、圧粉体混合物を形成する際に適切なセラミック材料粉末を含むことによって選択できる。

図１０は、図２の方法２００と一致するように作製される音響トランスデューサアレイ１００１の斜視図である。音響トランスデューサ１００１は、１－３圧電接続性を示す。さらに、２－２圧電複合接続性、または異なる既知の接続性を示す圧電型または電歪型音響トランスデューサを、開示された方法を用いて製造してもよい。本明細書に記載された方法は、アレイ１００１のような複雑なトランスデューサアレイに使用する場合に、特に有利である。先行技術では、溝１０７４は、セラミックブロックに機械加工（すなわち、研削）されなければならなかった。しかしながら、実施形態にかかる方法では、音響トランスデューサアレイ１００１の多孔質セラミック体６５６は、セラミック材料粉末、気孔形成粒子、及びバインダ―を含む圧粉体混合物から形成でき、混合物を射出成形して圧粉体を形成し、これを本明細書に記載した実施形態にかかる方法に従い、さらに処理してもよい。この方法は、アレイ１００１のようなトランスデューサアレイの製造を大幅に容易にする。

音響トランスデューサアレイ１００１は、バッキング層材料１０７２をさらに含む。溝１０７４の間には、バッキング材料１０７２から延びる、個々の音響トランスデューサ１０００が配置されており、音響トランスデューサ１０００のアレイ全体は、射出成形プロセスを用いて形成されたものである。溝１０７４は、本明細書では、”トレンチ”とも呼ばれる。溝１０７４は、高分子マトリックス材料又は他のマトリックス材料で充填して複合層１０５７を形成する前の「空隙」又は「ボイドスペース」とも呼ばれ得る。バッキング層材料１０７２は、電極を付したトランスデューサ１０００に直接又は間接的に結合されてもよい。間接的な結合の場合、例えば、電極層とバッキングとの間に配置された他の材料（複数可）の１つ以上の層が存在してもよい。

図１１は、図１０のアレイ１００１に含まれる一つの音響トランスデューサ１０００を図示する断面図である。図１１に示されるように、音響トランスデューサ１０００は、バッキング層材料１０７２に加えて、１つまたは複数の整合層１１７６を含む。１つ以上の整合層１１７６は、多孔質セラミック体６５６がに電極を形成したのち、電極層８６８に直接または間接的に塗布されてもよい。間接的に形成する場合、他の材料（複数可）の１つ以上の層を、整合層と電極層との間に配置してもよい。音響トランスデューサ１０００、または図１０のアレイ１００１は、当技術分野で知られている方法に従って、高分子材料に封入してもよいことを理解されたい。封入に用いる高分子材料は、音響トランスデューサ１０００と環境との間に絶縁障壁および保護障壁を形成する。

トランスデューサまたはアレイが圧電セラミック体からなる場合、実施形態にかかる方法は、本明細書に照らして当業者によって理解されるように、電界を加えることによって焼結された多孔質セラミック体をポーリングするステップをさらに含むことができる。アレイ１００１などの音響トランスデューサアレイの適切な形成により、多孔質セラミック体６５６への電極形成は、例えば１－３または２－２接続性などの圧電複合接続性をもたらすことができる。

[特定の実施形態に適用し得るさらに詳細な説明］
電気機械式トランスデューサは、音響用途において電気エネルギーと機械エネルギーの相互変換に使用される。このような用途には、共振器、音響信号検出器、音響プロジェクター、非破壊検査、超音波画像処理などが含まれるが、これらに限定されない。一般に、このようなトランスデューサの音響活性要素は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸マグネシウム鉛（ＰＭＮ）、または同様の強圧電材料などの圧電セラミック材料で作られている。（例えば、B. Jaffe et al., Piezoelectric Ceramics, Academic Press, London, N.Y., 1971,特にチャプター５、７、８を参照）。

用途によっては，ポリマーやプラスチックのマトリックスに圧電セラミックファイバーやシートを入れた複合材料の方が，固体のセラミック材料よりも効果的なトランスデューサとなる場合がある。このような圧電セラミックとポリマーの組み合わせは文献に多数記載されており、いくつかには商業的な用途が見つかっている。特に、有機ポリマー相で分離された微細な圧電セラミックファイバーやストリップは、医療用超音波や音響非破壊評価に使用されている。その他の用途としては、水中環境で使用される軽量の大面積アクチュエータであるハイドロホンがあり、複合材料は固体セラミックトランスデューサと比較して、水や体液に対する音響結合を改善することができる。（R. E. Newnhamら, ”Composite Piezoelectric Transducers,” Materials in Engineering 2, 93-106 (December 1980); J. A. Hossackら, ”Finite Element Analysis of 1-3 Composite Transducers”, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 38 [6]618-629 (November 1991)．参照。Newnhamらは、参照により本明細書に組み込まれる）。

これまでに多くの複合材料が作られ、実験室レベルで評価されてきた。成功した組み合わせの１つは、有機ポリマー相によって３次元的に連結されたマトリックス内に、１次元的に連結されたセラミック相（例えば、ＰＺＴファイバー）が含まれているものである。この組み合わせは、当技術分野では１－３複合体として知られている（Newnhamら、前掲書、９５頁）。この複合体のハイドロフォンの特性（Newnhamら、前掲書、９３頁）は、相の特性と複合体の構造を適切に選択することによって、固体ＰＺＴセラミックの特性の１万倍以上にすることができる。もう一つの重要な構成は、２次元的に接続されたＰＺＴセラミックの帯を２次元的に接続されたポリマーの平行な帯で分離したもので、２－２複合体と呼ばれるものである。（Newnhamら、前掲書、９５頁）。この構成は、フェイズドアレイタイプのトランスデューサーに広く使用されている。

超音波イメージングなどの高周波用途では、十分に高い周波数を達成するために、複合材料中の圧電セラミックエレメントは極めて小さな寸法（例えば直径２０～２００μｍ）である必要がある。このような複合アレイエレメントの微細化は、複合材料の製造を極めて困難にしている。

初期の複合材料は、押出成形されたＰＺＴセラミックロッドを治具の中で手作業で位置合わせしてエポキシ樹脂で封止し、その後、適切な厚さにスライスしてセラミックロッドをポーリングすることで製造されたものである（Newnhamら、前掲書、９８～９９頁）。この方法は、この材料の性能上の利点を示したが、試作目的であっても大きなスケールで１－３の複合材料を製造することに伴う困難も浮き彫りにした。その困難さとは（１）ポリマーによるカプセル化の際に、多数のＰＺＴファイバーを配列し支持する必要があること、（２）通常の大型配列において１本以上の欠陥ファイバーに遭遇する確率が高いため、ポーリング時に誘電破壊の発生率が高くなること、などである。

より現実的な製造方法を実証するために、いくつかの試みがなされてきた。押出成形されたＰＺＴ繊維から複合材料を組み立てるために、繊維の配置と組み立てを自動化する方法が開発された。この方法は、直径約０．５～１ｍｍの繊維を持つ粗い複合材料には有効であり、機械で扱うのに十分な強度を持つものである。より微細な複合材料の場合、ウェハーダイシングソーを使って固体のセラミックからセラミック複合材料構造をダイシングするのが典型的な方法である。この場合、固体セラミック片の一部は、ＰＺＴ繊維アレイの支持体としてそのまま残される。（Hossackら、前掲書、６２１－６２５頁）。この技術は、５０μｍ以下のセラミック素子を有する微細構造を製造するために使用することができるが、セラミック中の欠陥の存在やソーイング方法自体の能力の限界により、素子の寸法が小さくなるにつれて工程の歩留まりが低くなってしまう。また、直線的な切断に限定されるため、特殊な形状のセラミック素子を作製することは困難である。

その後、ネットシェイプスリップキャスティングプロセスにより、このような複合トランスデューサを作製する試みが報告されている。（U. Bast ら、"A new Technique for the Production of Piezoelectric Composites with 1-3 Connectivity", Ceramics Today-Tomorrow's Ceramics, Proc. 7th CIMTEC--World Ceramics Congress, Terme, Italy, Jun.24-30, 1990, Materials Science Monographs, 66C, P. Vincenzini, Ed. Elsevier Science Press, N.Y., 1991所載）。このスリップキャスティング法では、ＰＺＴ粉末の液体スラリーを所望のプリフォーム形状に形成するためのテンプレートまたはサポートとして使用するために、穴を含む使い捨てのプラスチックツールが製造される。「プリフォーム」は、本書では「圧粉体」とも呼ばれる。セラミック焼成工程では、プラスチックツールが焼散され、多孔質のＰＺＴ繊維アレイが残り、これが焼結されて高密度の製品が得られる。しかし、この工程では、セラミック部品を製造するたびに新しいプラスチックツールが必要となり、金型コストが高くなるという欠点がある。

その後、１－３または２－２の接続性を示す圧電型または電歪型の複合トランスデューサ用の完全に緻密なセラミックプリフォーム（本明細書では「セラミック体」とも呼ぶ）を製造するためのネットシェイプ法が開発された。このネットシェイプ法は、強圧電セラミック材料または電歪セラミック材料から選択されたセラミック粉末と、射出成形によって混合物を成形可能にするのに十分な熱可塑性有機バインダーとを含む、均質で粒状の熱可塑性粉末／バインダー混合物を用意することを含む。バインダーは、その固形分量で射出成形中に混合物を熱可塑性にし、加熱によって混合物から非破壊的に除去し得るものを選択できる。プリフォームの圧粉体は、プリフォームの圧粉体のネガであるプリフォーム型を含む射出成形装置で混合物を射出成形し、プリフォーム型内の圧粉体を十分に冷却して、自立した圧粉体としてプリフォーム型から離脱可能とすることによって形成してもよい。

圧粉体は、平板状の基体と、基体と一体であり、予め選択された配列で基体から垂直に延び、基体により固定的に支持されて配列を保つ複数の平行エレメントとを含んでもよい。平板状の基体と複数の平行エレメントは、セラミック粉末とバインダー材料の混合物で構成されている。各エレメントは、棒状またはラメラ状の形状を有する。自己支持型圧粉体は、プリフォームモールドから放出され、圧粉体からバインダを完全に除去するのに十分な時間、３００℃～７００℃の温度に加熱される。結合剤を除去した本体は、理論密度の少なくとも約９５％に緻密化するのに十分な温度と時間で焼結し、完全に緻密なプリフォームを製造することができる。

他の態様では、完全緻密なプリフォームは、１－３または２－２の接続性を示し、完全緻密な圧電セラミックまたは電歪セラミック相を含む圧電型または電歪型の複合トランスデューサを作製するために使用できる。この方法は、プリフォームの完全に緻密なエレメントを高分子材料に封入して、上部および下部の平面状表面を有する２相セラミック／高分子複合体を形成することをさらに含んでもよい。下部平面状表面は、セラミック基体を含んでもよい。セラミック基体は下部平面状表面から除去することができ、完全緻密なエレメントは上部および下部平面状表面の各々で露出させることができる。複合材料は、電極がそれぞれの完全緻密なエレメントの相対する面と電気的接触を確立するように、上部および下部表面で電気めっきすることができる。より狭い態様では、１－３または２－２の接続性を示す圧電型複合トランスデューサを生成するのに十分な時間、セラミック材料のキュリー温度直下の温度で、高電界で完全緻密な要素をポーリングすることができる。

いくつかの実施形態に適用される一態様では、セラミック繊維またはストリップ（ラメラ）プリフォーム（それぞれ１－３または２－２複合材用）は、再利用可能な金型を利用してほぼネット形状の本体を射出成形することにより製造することができる。バインダーを除去した後、本体を焼結して所望のネットシェイププリフォームを作製することができる。圧電素子や電歪素子を作るには、プリフォームをポリマーマトリックスに充填し、機械加工して余分な材料とベースを除去する。その後、既知の方法で電極を形成する。セラミック相のポーリングは、圧電トランスデューサを製造するために、既知の方法で行うことができる。

この例示的な方法では、ＰＺＴ粉末を複合プリフォームの形状に成形する手段として、射出成形が使用される。射出成形は、複雑な形状を低コストで大量に生産する手段として、プラスチック産業で広く利用されてきた。射出成形技術によるセラミックスの製造は、その後開発されたもので、ネジガイドのような断面の小さな形状や、タービン翼の鋳造インサートのような高密度までの焼結を必要としない大型で複雑な形状で最も成功している。

ＰＺＴセラミック粉末と有機バインダーの高温の熱可塑性混合物を、冷却された金型に加圧注入することにより、通常のプラスチック成形と同様の容易さと迅速さで、複雑な形状を製造することができる。ＰＺＴ粉末は、圧電特性を向上させるため、あるいは意図する用途に合わせて特性を調整するために、通常、数パーセントのドナーまたはアクセプタ成分をドープすることができるが、必ずしも必要ではない。典型的なドーパントには、鉄、ニオブ、ランタン、および他の希土類元素が含まれる。粉末は通常、５０体積％以上の高い固形分量で混合物に加えられる。有機バインダーは、約１０～１００時間かけてゆっくりとバインダーを除去することにより、非破壊的に成形体から除去される。非破壊的なバインダーの除去は、射出成形された混合物中の高い固形分負荷によって支援される。バインダー除去後の焼成、ポーリング、ポリマー封止は、従来のＰＺＴ／ポリマー複合体と同様の工程で行われる。

このようなＰＺＴセラミックプリフォームを製造するための１つの方法では、成形金型を使用することで、過剰な再加工コストを発生させずに部品設計を変更することができる。エレメントは一体型のセラミック基体上に成形され、焼結とポリマー封止の工程が完了した後に取り外すことができる。必要に応じて、個々のプリフォームを一緒に構成することができる（例えば、ベースを機械加工して端と端を突き合わせ、より大きなＰＺＴファイバーまたはストリップのアレイを形成することができる）。

図１２Ａは、その工程を示すフローチャートである。ＰＺＴ粉末は、所望の粒径及び分布を達成するために、所望により粉砕されてもよい。次に、粉末は、熱可塑性有機バインダーと共に加熱されたミキサー内で少なくとも約５０体積％の固形分量で均質に混合される。ミキサーは、少なくともバインダーの融点まで加熱する必要がある。バインダーは、射出成形に適した高温の熱可塑性混合物を粉末と共に供給し、製造工程に有害な残留物がなく、ゆっくりと加熱して除去できるものから選択される。適切なバインダー（本明細書では「バインダー材料」ともいう）の例には、パラフィンワックスなどのワックス、ポリプロピレン、およびポリエチレンが含まれる。混合物は、成形前に冷却され、粒状化されてもよい。造粒された混合物は、特別に設計された金型を装着した従来の装置を用いて射出成形されてもよい。典型的には、射出成形の圧力は約５０～２０，０００ｐｓｉである。好ましくは、高温の混合物に接触するすべての表面は、それと非反応性であるように選択される。

図１２Ｂは、複合化法が、ポーリング、次いで複合体のキャスティング、次いで電極加工を含む、代替実施形態にかかる方法を例示するフローチャートである。図１２Ｂは、封入により複合体化した後にポーリングが行われる図１２Ａとは対照的である。

図１３は、例示的な金型アセンブリ１０を示す概略図である。工具本体１２は、キャビティ１６を囲むキャビティ部分１４を含む。工具本体１２はまた、スプルー部分１８を含み、このスプルー部分１８を介して、スプルー２０が射出成形プロセス中にキャビティ１６の充填を可能にする。キャビティ１６内に取り外し可能に配置されるのは、交換可能なインサート２２であり、これは、キャビティ１６と共に、金型２４を画定する。金型２４は、以下に説明する、所望のプリフォームのネガである。好都合なことに、インサート２２は、異なるデザインの鋳型を提供するためにキャビティ１６と組み合わされるための異なる形状の交換可能なインサート（図示せず）のセットの１つであってよい。

射出成形プロセスで混合物を十分に加熱してバインダを再溶解し、混合物がキャビティ１６を完全に充填し、金型２４に適合するようにしてもよい。金型２４は十分に冷却され、プリフォームの形状に近いがそれよりもわずかに大きい形状を有する形状保持性圧粉体を製造することができる。典型的なプリフォームの大きさは、約５０×５０ｍｍである。通常、若干の成形収縮が予想される。場合によっては、プリフォームのサイズを制限して、成形サイクルの冷却部分において最外部のエレメントが削げ落ちる可能性を最小限に抑えることができる。このようなサイズ制限は経験的に決定することができる。より大きなトランスデューサの製造は、以下で説明される。もちろん、金型２４は、成形されたプリフォームの除去を容易にするためにも設計されており、金型からのプリフォームの除去を妨げることなく、直線状の側面またはテーパー状のエレメントを有するプリフォームを製造する。プリフォームの離型後、金型２４は、同じ射出成形プロセスによって別のプリフォームを製造するために、同じまたは異なるインサートで、再使用することができる。

射出成形された圧粉体が図１４に示されている。この圧粉体は、セラミック混合物支持基体の一方の平面上に規則的な配列で配置され、そこから垂直に外側に延びる棒状のセラミック混合物エレメントを含む。個々のエレメントは、空隙によって互いに分離されている。エレメント間の距離は、いわゆる「溝幅」である。基体の対向する平面から外側に伸びているのは、図１４には示されていないステムで、モールドスプルーの形状に適合している。ステムは、通常、成形後すぐに取り外される。各素子のサイズ及び形状、トレンチ幅、並びに射出成形圧粉体における基体上の素子の配列の設計は、バインダー材の焼散（本明細書では「抽出」ともいう）及び緻密化ステップ中の収縮を許容するよう経験的に決定でき、所期のトランスデューサ特性を得るために既知の原理に従って選択された形状の焼結プリフォーム（セラミック体）を製造することができる。

図１４には、２つの焼結プリフォームも示されている。棒状エレメントのための典型的な焼結プリフォーム断面形状は、円筒形、正方形、長方形、三角形、及び六角形を含み、エレメントは、直辺又はテーパー状であってもよい。エレメントの典型的なサイズは、直径、または相当直径が約２０～２００μｍ、アスペクト比（長さと直径の比）が少なくとも約３：１～約２０：１である。トレンチの幅は、典型的には２０～５０００μｍである。基体の厚さは、処理中にエレメントアレイを堅く支持するように選択され、基体は通常、最外部のエレメントを超えてトレンチ幅の約半分の各縁で延在する。

圧粉体は、バインダーの分解温度よりわずかに高い温度で、バインダーを完全に除去するのに十分な時間、熱処理されてもよい。例えばパラフィンワックスバインダーの場合、典型的な焼散（バインダー材料の抽出）工程は、約３００℃～７００℃の温度と約１０～１００時間の時間を含む。バインダーの焼散が非破壊的であること（すなわち、バインダーの除去が、焼結プリフォームの破損を引き起こしたり、またはそれから製造されるトランスデューサーの動作を妨害するのに十分に大きいクラックまたはボイドを焼結体中に残さないように行われること）は、プリフォーム製造の成功に有利である。このような非破壊的な除去は、バインダーの選択とバインダー燃焼加熱工程で選択されるパラメータなどの要因に依存することは既述のとおりである。

バインダーを除去したプリフォームは、その後、完全に高密度のセラミックスを製造するための従来の方法で、完全緻密度、すなわち、理論密度の少なくとも約９５％、好ましくは少なくとも約９７％まで高密度化することができる。（例えば、Newnhamら、前掲書、９８頁；Bastら、前掲書、２０１２頁；L. J. Bowenらの発表、ISAF92, 8th Int. Symposium on Applns. of Ferroelectrics, Clemson, SC, Sep.1, 1992, Published March 1993; Bowen et al.は参照により本明細書に組み込まれる）。プリフォームの焼結に適した典型的な加熱サイクルは、ＰｂＯリッチ雰囲気中、１１００℃～１４００℃で０．１～４時間焼結することを含む。任意に、プリフォームは、焼結後、例えば、約１１００℃～１４００℃及び約２００～３００００ｐｓｉで約０．１～４時間の熱間静水圧プレス（ＨＩＰｉｎｇ）によりさらに緻密化されてもよい。同様のパラメータを用いた従来の焼結－ＨＩＰ処理も、プリフォームを高密度化するのに適した方法である。

次に、一体型基体によって支持されたエレメントの配列を含む完全に緻密なプリフォームを、既知の方法で封入して、エレメントを囲み、その間の空隙を満たす硬質または軟質のポリマーからなる第２相のマトリックスを形成することができる。典型的な封入工程は、プリフォームよりわずかに大きく深い金型内で反転させたプリフォームの上に、真空下で新しく配合したエポキシ樹脂混合物を注ぎ、エポキシ樹脂を固化させ、得られた複合構造体を金型から取り外すことを含む。その後、複合体を機械加工してエレメント端部を露出させ、典型的には、プリフォームの支持セラミック基体を除去する。このような１－３複合体を図１５に示す。

図１５の写真は、プリフォームからの棒状または繊維状の圧電エレメントが、ポリマーマトリックス中に互いに平行な関係で埋め込まれて、１－３複合体を形成していることを示している。次に、この複合体は、例えば、銀、金、パラジウム、または導電性ポリマーなどの従来の電極材料を平面上に堆積させて、セラミックエレメントとの電気的接触を確立することによって、既知の方法で電極加工することができる。

素子を強圧電化するには、既知の方法でポーリングを行ってもよい。つまり、キュリー温度よりわずかに低い温度で強い電界をエレメントに印加し、極軸を形成する（例えば、Newnhamら、前掲書、１０２頁を参照）。あるいは、ポリマーマトリックスに封入し、底面を研磨する前に、セラミックプリフォームにポーリングを行ってもよい。

代替的に、プリフォームモールド２４は、２－２複合体用のプリフォームを製造するように構成されるものでもよい。２－２複合体用の典型的なセラミックプリフォームが図１６に概略的に示されており、平行な空隙、又はトレンチ５４によって分離された平行な平板状セラミックエレメント２の配列を含むプリフォーム５０が示されている。平板状エレメント５２は平板状セラミック基体５６により支持されている。

図１７は、微細な２－２複合体のプリフォームの写真であり、１－３複合体について上述したように、成形、焼結、およびポリマーで封入するに好適なものである。この方法で作製したＰＺＴ／ポリマーラメラ２－２複合体には、３０μｍという薄いセラミック層が形成されていることが確認されている。次に、２－２複合体を機械加工してセラミック基体を除去し、最外層のエレメントの外側の平坦表面を露出させ、これらの外側表面に、１－３複合体について上述した方法と同様の方法で電極を形成することができる。この複合体は、本明細書で説明した方法で極性付けされてもよい。

上記の個々のプリフォームは、エレメントアレイのサイズが５０×５０ｍｍ程度である。しかし、より大きなアレイを作製することも可能である。１つの方法では、高密度化した複数のプリフォームのセラミック基体の外縁を、必要に応じて機械加工して余分な基体材料を除去し、基体同士をコプレーナ配置で隣接させ、例えば隣接する縁を突き合わせて、必要なサイズの封止金型に充填することができる。別の方法では、プリフォームは、隙間なくタイル状になるように設計される。封入の後、基体を機械加工して、封入されたエレメントの所望の大きなアレイを残すことができる。図１５に示す１－３複合体は、この方法で、それぞれ約５０×５０ｍｍのセラミックプリフォームを４個使用して製造されたものである。

本明細書で上述したセラミック材料はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であるが、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ビスマスおよびそれらの誘導体などのニオブ酸マグネシウム鉛（ＰＭＮ）および同様の強圧電または電歪材料などの材料も、本明細書に記載した射出成形法による作製に好適に用いることができる。適切なマトリックス材料は、作製されたデバイスが向けられる用途、および上述の封入プロセスを用いて一体型マトリックスを提供するその能力に依存する。そのような材料には、剛性および可撓性のポリマー材料の両方が含まれ、例えば、エポキシ樹脂、ポリウレタン、およびエラストマーが例示できる。

以下の実施例は、当業者が開示された実施形態をより明確に理解し、実施することができるように提示される。この実施例は、本開示の範囲に対する制限として考慮されるべきではなく、単に例示的かつ代表的なものとして考慮されるべきである。

ポリマーマトリックス中に平行配向したＰＺＴ繊維からなる圧電複合体（１－３構成）を、記載の方法で射出成形により作製した。希土類ドナーを添加したＰＺＴ粉末（Ｍｏｒｇａｎ Ｍａｔｒｏｃ， Ｉｎｃ．， Ｂｅｄｆｏｒｄ， Ｏｈｉｏ， ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ ＰＺＴ－５Ｈ）をパラフィンワックスと加熱ミキサーでワックスの融点以上の温度で十分な時間（約１～８時間）混合して均質な混合物を形成させた。冷却後、この混合物を小片に造粒し、金型を取り付けた射出成形機に投入した。金型には、約５０ｍｍ四方の底面が開いたキャビティがあり、その中に直径約１ｍｍ、長さ約１０ｍｍの繊維状のオープンキャビティ３６１個を含む交換可能な工具が収められ、結果として、成形されるプリフォームのネガと同じ形状のキャビティが形成された。射出成形では、ＰＺＴとワックスの混合物を再溶解させ、圧力をかけてキャビティ内に完全に充填させた。高温のＰＺＴ混合物にさらされる装置の金属表面は、混合物の汚染を最小限に抑えるためにハードフェース加工された。

成形ステップに続いて、ＰＺＴ／ワックスプリフォームを金型から取り出し、スプルーによって形成されたステムを除去し、プリフォームをオーブンに入れ、ワックスが完全に焼散するまで２日間かけてゆっくりと加熱した。次に、得られた多孔質ＰＺＴプリフォームを密閉したセラミックるつぼに入れ、１２００℃から１３００℃の範囲の温度で緻密化が完了するまで加熱し、冷却して緻密なセラミックプリフォームとして取り出した。

このようにして作られたプリフォームを、用途に応じてエポキシ樹脂またはポリウレタンポリマーに埋め込んで、複合体の製造工程を完了させた。最終工程では、セラミック基体プレートを研磨し、露出したＰＺＴ素子の端部に金属電極を貼り付け、２０～２５ｋＶ／ｃｍの高電界下、室温～１１０℃程度で極性を付与した。

この手順により、１－３および２－２形状のＰＺＴセラミックプリフォームを、最小２５μｍ、最大１．５ｍｍ幅のＰＺＴエレメント寸法で作製した。射出成形したＰＺＴ圧電セラミック１－３複合体の圧電特性および誘電特性を、ダイプレス成形したバルク材と比較した結果を下表に示す。表からわかるように、この方法により、鉄の混入が最小限に抑えられ、優れた圧電特性、誘電特性が維持されていることがわかる。

この方法では、再利用可能なツールインサートを使用し、プリフォームの設計のバリエーションに合わせて簡単に交換することができる。自立したプリフォーム圧粉体は、バインダーの除去と焼結の前にツールから分離される。既存の焼結装置を用いた商業的に可能な焼結方法により、プリフォーム本体に完全な密度を容易に達成することができる。また、この方法は、他の製造方法と比較して、多くの繊維を同時に扱うことができる複雑なニアネットシェイプ機能、高速処理（通常、部品あたり数分）、トランスデューサ設計に関する柔軟性（ＰＺＴ素子の間隔と形状のバリエーション）、部品の形成に使用した工具を再利用してコストを多くの部品に分散できることにより、中程度の量の生産におけるコスト削減などの利点を持っている。

図１８は、例示的な実施形態にかかる方法で使用し得る一次予備焼成温度プロファイルを示すグラフである。このグラフは、時間（任意単位）の関数として温度（℃）を示している。室温からの昇温期間１８１４の後、圧粉体の温度は、一次予備焼成保持期間１８１８の間、約３３５℃に保持される。保持期間１８１８の後、圧粉体の温度は、降温期間１８２０の間に再び室温まで降温される。

図１９は、多孔質セラミック体を準備するための実施形態にかかる方法における予備焼成段階の温度部分の一部を形成することができる温度プロファイルを示すグラフである。図１９では、予備焼成保持期間１８１８が図示されており、図１８に示された降温期間１８２０に続いて、最終予備焼成工程のために圧粉体の温度が約７００℃まで昇温され、ここで最終予備焼成温度は最終予備焼成保持期間１９３０の間保持される。その後、温度は室温に降温される。

図２０は、音響トランスデューサ用の多孔質セラミック体を準備するための実施方法において使用し得る、３つの予備焼成期間の全てを示すグラフである。図１８に示された予備焼成温度プロファイルに続いて、温度は室温から中間予備焼成温度、この場合約５００℃まで昇温され、中間予備焼成保持期間２０２６の間保持される。保持期間２０２６の後、温度は室温まで再び降温される。この降温に続いて、温度は再び上昇し、今度は約７００℃の最終予備焼成温度まで上昇し、最終予備焼成温度で最終予備焼成保持期間１９３０の間保持され、その後室温に降温し、全て焼結（焼成）プロセスの準備となる。

様々な予備焼成期間は、それらの間の温度の降温によって分離される必要はない。有利なことに、いくつかの実施形態では、圧粉体は、同じオーブン内で本明細書に記載のすべての予備焼成期間に従って予備焼成され得る。したがって、連続する予備焼成期間の間に、室温または他の温度への降温がある必要はない。

図２１は、このオプションを例示するグラフであり、圧粉体の予備焼成期間、中間焼成期間、および最終焼成期間の温度履歴を示し、これらの予備焼成期間の各々は、予備焼成期間間で温度を低下させずに、同一のオーブンで実施される。図２１において、温度が一次予備焼成温度まで上昇し、一次予備焼成保持期間１８１８の間その温度に保持された後、温度が直接中間予備焼成温度、約５００℃まで上昇し、中間予備焼成保持期間２０２６の間保持される。保持期間２０２６の後、圧粉体が保持されるオーブン環境の温度は、最終予備焼成温度、約７００℃まで直接上げられ、最終予備焼成保持期間１９３０の間、保持される。このようにして、実施方法がより容易となる。

図２２は、実施形態にかかる方法において有利に採用され得る強制空気対流機能組込炉２２８８を示す概略図である。特に、バインダ材料の抽出、気孔形成粒子の分解、残留有機材料の除去、及び圧粉体の焼結は、全て同じ組込炉２２８８で行ってもよく、したがって、本明細書に記載される実施形態にかかる方法の実行が大幅に容易になる。図２２は、特に、送風ファン２２８２がオーブン内の循環２２８４を引き起こす、既存の強制空気対流式オーブン２２８０を示す。本明細書で説明したように、空気循環は、例えば、オーブン内の新鮮な空気の循環によって、気孔形成粒子の分解と、結果として生じる水及び二酸化炭素のグリーンボディマトリックスからの除去とを促進するために有利に採用することができる。図２２はまた、例えば多孔質セラミック体を形成する焼結段階のための焼結用圧粉体を加熱するために使用し得る存の炉２２８６を例示している。

強制空気対流式オーブン２２８０の機能と炉２２８６の機能とが、送風ファン２２８２とそれによって生じる循環２２８４とを一部含むことによって、強制空気対流機能組込炉２２８８において結合されると、予備燃焼工程と焼結とを同一の炉において実行することができる。これにより、例えば射出成形によって圧粉体が形成される段階から、焼結工程を経て、実施形態にかかる方法中の冷却段階及び他の中間段階を最小化又は排除することができる。このようにして、図２１に図示された温度プロファイルは、最終的な予備焼成保持期間１９３０と、図２１には図示されていないが例えば図４～５に図示されている焼結段階との間に冷却期間が存在しないように、拡張することができる。

現時点では本発明の好ましい実施形態と考えられるものを示し、説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、そこに種々の変更および修正を加えることができることは、当業者には明らかであろう。

本書に引用されたすべての特許、公開された出願および参考文献の教示は、参照することによりその全体が組み込まれる。

例示的な実施形態が特に示され、説明されたが、添付の特許請求の範囲によって包含される実施形態の範囲から逸脱することなく、形態および詳細における種々の変更がそこでなされ得ることが当業者によって理解されるであろう。
なお、本発明は、実施の態様として下記の内容を含む。
〔態様１〕
多孔質セラミック体を作製する方法であって、
セラミック材料粉末、バインダー材料、および気孔形成用粒子を混合してなる圧粉体を形成する工程と、
一次予備焼成温度で前期圧粉体を加熱し、該圧粉体から前期バインダー材料を除去する工程と、
前記一次予備焼成温度よりも高い中間予備焼成温度で前記圧粉体を加熱して前記気孔形成粒子を分解する工程と、
前記中間予備焼成温度より高い最終予備焼成温度で前期圧粉体を加熱することにより、前記圧粉体から残留有機物を除去する工程と、
前記最終予備焼成温度よりも高い焼結温度で前記圧粉体を焼結して、多孔質セラミック体を形成する工程と、
を含む方法。
〔態様２〕
態様１に記載の方法において、
前記圧粉体を形成する工程は、
前記混合物の射出成形を含む方法。
〔態様３〕
態様２に記載の方法において、
前記射出成形でネットシェイプに成形する方法。
〔態様４〕
態様１から３のいずれか一態様に記載の方法において、
前記多孔質セラミック体は、圧電性の複合体である、方法。
〔態様５〕
態様１から４のいずれか一態様に記載の方法において、
前記セラミック材料粉末がＰＺＴ粉末である、方法。
〔態様６〕
態様１から５のいずれか一態様に記載の方法において、
前記バインダー材料がワックスである、方法。
〔態様７〕
態様１から６のいずれか一態様に記載の方法において、
前記気孔形成性粒子がＰＭＭＡ粒子である、方法。
〔態様８〕
態様１から７のいずれか一態様に記載の方法において、
前記気孔形成粒子が５μｍ以上１５μｍ以下の平均直径を有する、方法。
態様１から８のいずれか一態様に記載の方法において、
前記一次予備焼成温度が２９０℃以上３９０℃以下である、方法。
〔態様１０〕
態様１から９のいずれか一態様に記載の方法において、
前記一次予備焼成温度が３１０℃以上３７０℃以下である、方法。
〔態様１１〕
態様１から１０のいずれか一態様に記載の方法において、
前記中間予備焼成温度が４５０℃以上５５０℃以下である、方法。
〔態様１２〕
態様１から１１のいずれか一態様に記載の方法において、
前記中間予備焼成温度が４７５℃以上５２５℃以下である、方法。
〔態様１３〕
態様１から１２のいずれか一態様に記載の方法において、
前記最終予備焼成温度が６００℃以上８００℃以下である、方法。
〔態様１４〕
態様１から１３のいずれか一態様に記載の方法において、
前記最終予備焼成温度が６７５℃以上７２５℃以下である、方法。
〔態様１５〕
態様１から１４のいずれか一態様に記載の方法において、
前記焼結温度が１０２５℃以上１４８５℃以下である、方法。
〔態様１６〕
態様１から１５のいずれか一態様に記載の方法において、
前記焼結温度が１２２５℃以上１２８５℃以下である、方法。
〔態様１７〕
態様１から１５のいずれか一態様に記載の方法において、
前記最終予備焼成工程後、前記焼結工程前に、前記圧粉体をＰｂ雰囲気に密閉することをさらに含む、方法。
〔態様１８〕
態様１から１７のいずれか一態様に記載の方法において、
バインダー材料の除去、気孔形成粒子の分解、および残留有機物の除去の少なくとも１つが、前記圧粉体を安定化ジルコニアまたはジルコン（ＺｒＳｉＯ _４ ）の砂浴に浸漬して行われる、方法。
〔態様１９〕
態様１から１８のいずれか一態様に記載の方法において、
前記圧粉体の焼結は、圧粉体をＡｌ _２ Ｏ _３ 基台に載おこなわれる、方法。
〔態様２０〕
態様１～１９のいずれか一態様に記載の方法により作製された多孔質セラミック体を含む、音響トランスデューサ。
〔態様２１〕
前記多孔質セラミック体は、態様１の方法に従って作製された後、少なくとも約１５ｍｍの厚さを有する、
態様２０に記載の音響トランスデューサ。
〔態様２２〕
前記多孔質セラミック体は、態様１の方法に従って作製された後、少なくとも約２０ｍｍの厚さを有する、
態様２１に記載の音響トランスデューサ。
〔態様２３〕
前記圧粉体の焼結で、理論密度の６５％以上９５％以下に焼結されている、
態様２０～２２のいずれか一態様に記載の音響トランスデューサ。
〔態様２４〕
圧電型または電歪型音響トランスデューサを作製する方法であって、
態様１～１９のいずれか一態様に記載の方法に従って、多孔質セラミック体を準備するステップと、
焼結され前記多孔質セラミック体の相対向する表面に電極を形成し、圧電型または電歪型音響トランスデューサを形成するステップを含む、方法。
〔態様２５〕
圧粉体を形成する工程が、前記混合物を射出成形することを含む、態様２４に記載の方法。
〔態様２６〕
前記射出成形でネットシェイプに成形する、態様２５に記載の方法。
〔態様２７〕
焼結された多孔質セラミック体の、実質的に非多孔性の、両側の表面に電極を形成するステップを含む、態様２４～２６のいずれか一態様に記載の方法。
〔態様２８〕
態様２４～２７のいずれか一態様に記載の方法において、
前記音響トランスデューサに少なくとも１つのバッキング層または整合層を取り付けるステップをさらに含む、方法。
〔態様２９〕
態様２４～２８のいずれか一態様に記載の方法において、
前記音響トランスデューサを高分子材料で封入ステップをさらに含む、方法。
〔態様３０〕
態様２４～２９のいずれか一態様に記載の方法において、
前記焼結多孔質セラミック体は圧電セラミック体であり、
電界を印加することにより前記焼結多孔質セラミック体をポーリングするステップをさらに含む、方法。
〔態様３１〕
態様２４～３０のいずれか一態様に記載の方法において、
前記電極の形成により、
前記圧電型または電歪型音響トランスデューサが１～３または２～２の圧電複合接続性を示す、方法。
〔態様３２〕
態様２４～３１のいずれか一態様に記載の方法により作製された圧電型又は電歪型音響トランスデューサ。
〔態様３３〕
多孔質セラミック体を作製する方法であって、
セラミック材料粉末、バインダー材料、および気孔形成粒子の混合物を射出成形することによって形成され、射出成形後にバインダー材料が実質的に除去された圧粉体を加熱して、前記圧粉体から気孔形成粒子を分解する工程と；
前記圧粉体から気孔形成粒子を分解した後に、該圧粉体を焼結することにより多孔質セラミック体を形成する工程を含む、方法。
〔態様３４〕
前記気孔形成粒子の分解が、前記圧粉体を中間予備焼成温度で加熱することにより行われ、前記焼結が、圧粉体を中間予備焼成温度よりも高い焼結温度で加熱することにより行われ；
分解後、前記焼結の前に、圧粉体を中間予備焼成温度よりも高く、前記焼結温度よりも低い最終予備焼成温度で加熱して残留有機材料を圧粉体から取り除く工程をさらに含む態様３３に記載の方法。
〔態様３５〕
態様３３または態様３４に記載の方法により作製された多孔質セラミック体からなる音響トランスデューサ。

５０ プリフォーム
５２ 平板状エレメント
５４ トレンチ
５６ 平板状基体
４１２ 室温
４１６ 一次予備焼成温度
４２４ 中間予備焼成温度
４２８ 最終予備焼成温度
４３２ 焼結温度
６３８ 混合物
６４０ セラミック材料粉末
６４２ 気孔形成粒子
６４４ バインダー材料
６３８、６４８、６５２ 圧粉体
６５６ 多孔質セラミック体
６５８ 気孔
７６０ 置台
７６２ 砂浴
８６８ 電極
９００、１０００ 音響トランスデューサ
１００１ 音響トランスデューサアレイ
１０７２ バッキング層材料
１１７６ 整合層材料

Claims (33)

1. 多孔質セラミック体を作製する方法であって、
   セラミック材料粉末、バインダー材料、および気孔形成用粒子を混合してなる圧粉体を形成する工程と、
   一次予備焼成温度で前記圧粉体を加熱し、該圧粉体から前記バインダー材料を除去する工程と、
   前記一次予備焼成温度よりも高い中間予備焼成温度で前記圧粉体を加熱して前記気孔形成粒子を分解する工程と、
   前記中間予備焼成温度より高い最終予備焼成温度で前記圧粉体を加熱することにより、前記圧粉体から残留有機物を除去する工程と、
   前記最終予備焼成温度よりも高い焼結温度で前記圧粉体を焼結して、多孔質セラミック体を形成する工程と、
   圧電型または電歪型音響トランスデューサを形成するため、焼結された前記多孔質セラミック体の相対向する表面に電極を形成する工程と、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記圧粉体を形成する工程は、
   前記混合物の射出成形を含む方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   前記射出成形でネットシェイプに成形する方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の方法において、
   前記多孔質セラミック体は、圧電性の複合体である、方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の方法において、
   前記セラミック材料粉末がＰＺＴ粉末である、方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の方法において、
   前記バインダー材料がワックスである、方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の方法において、
   前記気孔形成性粒子がＰＭＭＡ粒子である、方法。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の方法において、
   前記気孔形成粒子が５μｍ以上１５μｍ以下の平均直径を有する、方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法において、
   前記一次予備焼成温度が２９０℃以上３９０℃以下である、方法。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の方法において、
    前記一次予備焼成温度が３１０℃以上３７０℃以下である、方法。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法において、
    前記中間予備焼成温度が４５０℃以上５５０℃以下である、方法。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法において、
    前記中間予備焼成温度が４７５℃以上５２５℃以下である、方法。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法において、
    前記最終予備焼成温度が６００℃以上８００℃以下である、方法。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法において、
    前記最終予備焼成温度が６７５℃以上７２５℃以下である、方法。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法において、
    前記焼結温度が１０２５℃以上１４８５℃以下である、方法。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法において、
    前記焼結温度が１２２５℃以上１２８５℃以下である、方法。
17. 請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法において、
    前記最終予備焼成工程後、前記焼結工程前に、前記圧粉体をＰｂ雰囲気に密閉することをさらに含む、方法。
18. 請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法において、
    バインダー材料の除去、気孔形成粒子の分解、および残留有機物の除去の少なくとも１つが、前記圧粉体を安定化ジルコニアまたはジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）の砂浴に浸漬して行われる、方法。
19. 請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法において、
    前記圧粉体の焼結は、圧粉体をＡｌ_２Ｏ_３基台に載おこなわれる、方法。
20. 請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法により多孔質セラミック体を作製するステップを含み、
    焼結後の前記多孔質セラミック体が少なくとも約１５ｍｍの厚さを有する、
    音響トランスデューサの製造方法。
21. 焼結後の前記多孔質セラミック体が、少なくとも約２０ｍｍの厚さを有する、
    請求項２０に記載の音響トランスデューサの製造方法。
22. 前記圧粉体の焼結で、理論密度の６５％以上９５％以下に焼結する、
    請求項２０または２１に記載の音響トランスデューサの製造方法。
23. 圧電型または電歪型音響トランスデューサを作製する方法であって、
    請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法に従って、多孔質セラミック体を準備するステップを含む、方法。
24. 圧粉体を形成する工程が、前記混合物を射出成形することを含む、請求項２３に記載の方法。
25. 前記射出成形でネットシェイプに成形する、請求項２４に記載の方法。
26. 焼結された多孔質セラミック体の、実質的に非多孔性の、両側の表面に電極を形成するステップを含む、請求項２３から２５のいずれか一項に記載の方法。
27. 請求項２３から２６のいずれか一項に記載の方法において、
    前記音響トランスデューサに少なくとも１つのバッキング層または整合層を取り付けるステップをさらに含む、方法。
28. 請求項２３から２７のいずれか一項に記載の方法において、
    前記音響トランスデューサを高分子材料で封入するステップをさらに含む、方法。
29. 請求項２３から２８のいずれか一項に記載の方法において、
    前記焼結多孔質セラミック体は圧電セラミック体であり、
    電界を印加することにより前記焼結多孔質セラミック体をポーリングするステップをさらに含む、方法。
30. 請求項２３から２９のいずれか一項に記載の方法において、
    前記電極の形成により、
    前記圧電型または電歪型音響トランスデューサが１～３または２～２の圧電複合接続性を示す、方法。
31. 多孔質セラミック体を作製する方法であって、
    セラミック材料粉末、バインダー材料、および気孔形成粒子の混合物を射出成形することによって形成された圧粉体を加熱して、前記圧粉体から気孔形成粒子を分解する工程と；
    気孔形成粒子の分解後に前記圧粉体から残留有機物を除去する工程と；
    前記圧粉体から気孔形成粒子を分解し残留有機物を除去した後に、該圧粉体を焼結することにより多孔質セラミック体を形成する工程と、
    焼結された前記多孔質セラミック体の相対向する表面に電極を形成し、圧電型または電歪型音響トランスデューサを形成する工程と、
    を含み、
    前記気孔形成粒子を分解する工程の前に、射出成型後の圧粉体からバインダー材料が実質的に除去される、
    方法。
32. 前記気孔形成粒子の分解が、前記圧粉体を中間予備焼成温度で加熱することにより行われ、前記焼結が、圧粉体を中間予備焼成温度よりも高い焼結温度で加熱することにより行われ；
    前記圧粉体から残留有機物を除去する工程が、気孔形成粒子の分解後、前記焼結の前に、圧粉体を中間予備焼成温度よりも高く、前記焼結温度よりも低い最終予備焼成温度で加熱することにより行われる請求項３１に記載の方法。
33. 請求項３１または請求項３２に記載の方法により多孔質セラミック体を作製するステップを含む音響トランスデューサの製造方法。