JPS6149487A - 多孔性圧電セラミツク材料の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特に医学超音波技術に使用するための圧電特
性を有する多孔性セラミック材料の製造法に関する。

〔従来の技術〕

医学技術における超音波アンテナまたは超音波変換器、
たとえばリニアアレーまたは位相調節アレーでは、下記
の４つの条件ａ）ないしｄ）をできるかぎり良好に満足
する圧電材料が必要とされる。

ａ）高い変換器効率、すなわちできるかぎり高い厚み結
合係数Ｋｉを有する圧電材料であること。

ｂ）横モードによるアーティファクトを防止するため、
縁出射なしの短いパルスの正確な送信を行い得る圧電材
料であること、すなわちできるかぎりわずかな横結合Ｋ
Ｐまたはに３１および高い内部制動（低いＱ値と同義）
を有する圧電材料であること。

Ｃ＞ｔＳ音波アンテナと信号導体との間の良好な電気的
整合が可能であること。すなわち圧電材料の誘電率は変
換器の大きさおよび周波数に関係して良好に設定可能ま
たは容易に選定可能でなければならない。

ｄ）検査対象物すなわち医学技術の場合には（人体の）
組織への良好な音響的整合が可能であること。すなわち
圧電材料の音響インピーダンスの値は検査対象物のイン
ピーダンスの値にできるかぎり近くなければならない。

従来の圧電材料はいずれも上記４つの必要条件ａ）ない
しｄ）を条件付きでしか満足し得ない。

さらに、超音波アンテナの製造のために高コストの方法
を甘受しなければならない。従って、一般に圧電材料は
条件ａ）およびＣ〉を良好に満足するように選定される
。条件ｂ）に関する満足な結果は、個々の変換器素子を
細分割し且つ１つの制動ブロックを超音波アンテナの背
側に取付けることにより達成される。条件ｄ）を満足す
るためには、厚みλ／４の整合層を超音波アンテナと人
体組織との間に設ける方法に移行している。非常に良好
な結果が厚みλ／４の２つの整合層により達成される。

ここで、λは超音波の波長である。

Ｐ　ｂ　Ｎ　ｂ　２０　ｓまたは低Ｑセラミックス（た
とえばビブリソト（Ｖｉｂｒｉｔ）　６６８　）のよう
な特殊な圧電セラミックスの使用により条件ｂ）をまさ
に良好に満足し得るが、条件ａ）およびＣ）は我慢しな
ければならない。整合層はこの場合にも必要である。

圧電合成樹脂（ＰＶＦ　２）の使用により条件ｂ）およ
びｄ）は非常に良好に満足されるが、それに対して条件
ａ）およびＣ）はあまり良好に満足されない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従って、本発明の目的は、上記の必要条件ａ）ないしｄ
）を同等に良好に満足する多孔性圧電セラミック材料を
提供することである。さらに、製造コストが比較的わず
かでなければならない。材料は特に医学超音波技術に使
用可能でなければならず、しかしまた材料検査のような
他の超音波技術にも使用可能でなければならない。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的は、本発明によれば、圧電セラミック出発材料
に粒状重合体が添加され且つ混合され、また粒状重合体
が時間的に後で第１の焼成過程で焼き除かれることを特
徴とする多孔性圧電セラミック材料の製造法により達成
される。

セラミック圧電出発材料に粒状重合体を混合することに
より、混合物内に、圧電材料が存在し得ない空間が形成
される。前記第１の焼成過程で粒状重合体が焼き除かれ
、またセラミック圧電材料が、粒状重合体により生じて
いる空洞に入り込み得ないままに固化される。こうして
、適当なセラミンク出発材料および適当な粒状重合体を
選定すれば、前記４つの条件ａ）ないしｄ）を同等に良
好に満足する多孔性圧電材料が得られる。

本発明の特に有利な実施態様では、圧電出発材料は予め
粉末化された形態で粒状重合体に混合される。それによ
り、後で混合物への形状付与が行われる以前に混合物が
既に互いに接着しており、従って形状付与が、予め粉末
化されていない圧電出発材料を使用する場合にくらべて
簡単になる。

〔実施例〕

以下、図面により本発明を一層詳細に説明する。図面に
は、圧電特性を有する多孔性圧電セラミックスの製造法
のフローダイアグラムが示されている。

圧電特性を有する通常のセラミック粉末ｌ　（出発材料
）から出発される。粉末粒子の相互結合を一層良好にす
るため、セラミック粉末１は結合材２と混合され、また
その際に顆粒（Ｇｒａｎｕｌａｔ）　３として爾後処理
される。セラミック粉末１は通常の爾後処理の際に厚み
結合係数Ｋｔ＝０．５、所望の横結合Ｑｆ１、共振の鋭
さＱ＝２００および（所望の誘電率に応じて）５００と
５０００との間のεを有する通常のセラミックスが得ら
れるように調製されている。

顆粒３はいま粒状重合体４と混合物５として混合され、
特にプレス可能な混合顆粒として処理される。ここで“
粒状重合体”という用語は、好ましくは１０ないし４０
μｍの中心粒寸法を有する丸い形状を有するべき小さい
粒子の形態の重合体を意味している。２０μｍの値が特
に有利であることが判明している。粒状重合体４として
は特にポリメチルメタクリレートが通している。原理的
にはもちろん、焼成過程で焼き除き得る他の物質も選択
され得る。混合物５における粒状重合体４の質量比は最
終製品の所望の特性に応じて１ｏないし４０％である。

混合物５はできるかぎり均質でなければならない。すな
わち、セラミック粉末１および粒状重合体４の均等な分
布を有するべきである。

本製造法の１つの変形例によれば、結合材２を後で初め
てセラミック粉末１および粒状重合体４と共に混合物５
として処理することができる。その場合、粒状重合体４
も接着して結合されている混合顆粒が生ずる。同様に、
結合材２の添加を全く省略することも考えられる・。

もう１つの変形例では、セラミック粉末１を第１のスラ
ッジとして、また粒状重合体４を第２のスラッジとして
処理し、両スラッジを続いて混合することができる。こ
こで、スラッジとは、粒子が液体のなかに懸濁している
物質を意味する。スラッジは分散材の添加により得られ
ていてよい。

セラミック粉末１および粒状重合体４の前処理に応じて
、混合物５の製造のために下記の３つの方法が用いられ
得る。

Ａ）図面による実施例では、予め顆粒化されたセラミッ
ク粉末３のなかに粒状重合体４が所望の量で混合装置、
たとえばボールミル内で混合される。

Ｂ）一層大きな量の場合には、セラミック粉末１、結合
材２および粒状重合体４が共通に混合され、また続いて
適当な顆粒化装置、たとえば渦式顆粒化装置内で顆粒化
される。注意すべきこととして、粒状重合体４は使用さ
れる結合材２のなかに非常にわずかしが溶解せず、また
は全く溶解しない。ここで、粒状重合体４の合成樹脂粒
が、表面堆積メカニズムにより拡大する一次粒子を形成
子るための核生成中心を成すことは有利である。

Ｃ）セラミック粉末１および粒状重合体４が混合前に第
１または第２のスラッジとして処理されるならば、混合
物５の製造のために噴霧塔が用いられる。そこで両スラ
ッジが所望の量比に噴霧される。その際、両スラッジの
流れは先ず噴霧ノズルのすぐ前に一緒に導かれ、それに
より分離が回避される。

混合物５の製造のすぐ後に混合物５に形状を付与する過
程が続く。これはたとえば混合物５を直方体ブロックに
圧縮するプレス６であってよい。

最終製品の使用目的に応じて、直方体の代わりに円板ま
たは円筒がプレスされてもよいし、管が押出しプレス法
で製造されてもよい。

直方体ブロックとしての形状付与の後に第１の焼成過程
７が続く。この焼成過程７で有機物質、すなわち粒状重
合体４および結合材２が焼き除かれる。温度経過および
酸素供給率は所与のプログラムに従って、たとえば１℃
／ｍｉｎで５５０℃までならびに酸素ＩＪ６１１／粒状
重合体粒状重合体形結合材固形成分される。第１の焼成
過程７の後に、添加された粒状重合体４の量に応じて約
１０ないし５０％の特定の多孔度を有するブロックが得
られる。

第１の焼成過程７の後に、好ましくは冷却期間を介さず
その直後に第２の焼成過程８が続く。この本来の焼成過
程は、選択されたセラミック材料に対して最適な条件の
もとに実行される。第２の焼成過程８は多孔性ブロック
を焼結して、その機械的堅固性を高める役割をする。こ
うして処理された多孔性焼結ブロックはたとえばのこ引
き、研磨のような１つまたは複数の通常の加工方法によ
り所望の最終製品、いまの場合には超音波アンテナとし
て爾後処理され得る。

これまでに説明した製造法はプレス部品の製造に有利で
ある。

本製造法の他の実施態様では、特にたとえば約５ＭＨｚ
の高い周波数で動作する超音波変換器用として特定の多
孔度を有する圧電セラミック箔がそれ自体は公知のモー
ルドまたは引抜き法により製造される。そのために、圧
電粉末で調製された第１のスラッジが薄い箔に成形され
る。このいわゆる“箔スラッジ”に粒状重合体４が混合
される。

このスラッジは同じく約２０μｍの中心粒寸法を有する
ことが好ましい。その際に注意すべきこととして、粒状
重合体４は、スラッジ希釈のために使用される溶剤のな
かに溶解しない。

本製造法のこの実施態様では、溶剤が蒸発する乾燥プロ
セス中に粒状重合体４とセラミック粉末１との間の分離
が生ずる。このような分離は焼成されたセラミック箔内
の密度勾配に通ずる。すなわち、多孔度が箔の一方の側
では他方の側よりも高くなる。この効果は欠点ではない
。それどころか、密度勾配の生成は超音波変換器の製造
の際には目的にかなっている。それにより、多孔性セラ
ミック箔が厚みλ／４を有する整合層として使用される
ならば、この整合層により均等な孔分布の場合よりもは
るかに広帯域の整合が可能である。

この応用では、高い多孔度を有する側が整合すべき層、
すなわちたとえば人体組織のほうに向けられ、また低い
多孔度を有する側が超音波アンテナのほうに向けられて
いる。

超音波変換器の所望の最終形状に到達すると、多孔性圧
電セラミック部品またはセラミック体は電極または電極
構造を設けられる。これは公知の蒸着またはスパッタリ
ング法で行われる。

電極取付は後に多孔性セラミック部品またはセラミック
体は分極される。しかしながら、高い多孔度を有するセ
ラミックスの分極は簡単ではない。そのために必要とさ
れる比較的高い電界の強さに基づいてセラミックスの孔
のなかで放電が生じ得る。この放電は内部短絡、従って
また圧電効果の減少に通ずる。従って、多孔性セラミッ
ク部品を、孔内に入り込み得る保護ガス、特に六フッ化
イオウ（ＳＦ６）のなかで圧力下に分極することは有利
である。

さらに、セラミック部品の爾後処理のためにその孔を公
知の真空モールド法により合成樹脂で満たすことは有利
であり得る０、 〔発明の効果〕 説明した実施例では、冒頭に記載した必要条件ａ）ない
しｄ）が特に良好に満足される。

ａ）厚み結合係数Ｋｊがほぼ０．５に等しく、従って十
分に高い。これはそれ自体で標準的セラミックスに対し
て良好な値である。

ｂ）多孔性セラミックスの横結合に３１および共振の鋭
さＱが従来のセラミックスにくらべて非常に低い。横結
合に３１は約０．１、また共振の鋭さＱは約２０である
。

Ｃ）出発材料として種々の圧電セラミック粉末を使用す
ることにより、約２００ないし１２００の誘電率を有す
る多孔性セラミックス（最終製品）を製造し得る。それ
によって特に医学技術の超音波アンテナ（変換器）にお
いてほぼすべての用途に対して良好な電気的整合が達成
され得る。

ｄ）音響インピーダンスは標準的圧電セラミソダ’　　
　　　　　　　　ＸｒＬ！３０ｘｌＯ’ｈ、／ｒｄ　ｓ
　ｉ’アル。ツレ。

くらべて、本発明による多孔性セラミックスでは、音響
インピーダンスを低い値、たとえば１０　Ｘ　１０　’
　ｋｇ　／　ｎｆ　ｓに選定し得る。従って、従来の多
孔性でないセラミックスを使用する場合には厚みλ／４
の２つの整合層により初めて可能な音響的整合と同様に
良好な音響的整合を厚みλ／４の単一の整合層のみによ
り達成することができる。これに関連する利点として、
セラミックスの音響インピーダンスを、その他のパラメ
ータは実際上一定に保って、混合する粒状重合体の量の
変更により種々に選定することができる。

【図面の簡単な説明】

図面は圧電特性を有する多孔性圧電セラミックスの本発
明による製造法の実施例のフローダイアグラムである。 １・・・セラミック粉末、２・・・結合材、３・・・顆
粒、４・・・粒状重合体、５・・・混合、６・・・ブロ
ックとしてプレス、７・・・第１の焼成過程、８・・・
第２の焼成過程、９・・・機械的爾後処理。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）特に医学超音波技術に使用するための圧電特性を有
   する多孔性セラミック材料の製造法において、圧電セラ
   ミック出発材料（１）に粒状重合体（４）が添加され且
   つ混合され、また粒状重合体（４）が時間的に後で第１
   の焼成過程で焼き除かれることを特徴とする多孔性圧電
   セラミック材料の製造法。 ２）圧電出発材料（１）が粉末形態で粒状重合体（４）
   と共に１つの混合物（５）として混合されることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の製造法。 ３）混合物（５）が第１の焼成過程の前に所与の形状を
   付与されることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の製造法。 ４）圧電出発材料が、粒状重合体と混合される以前に、
   第１のスラッジとして処理されることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記載の
   製造法。 ５）粒状重合体が、第１のスラッジと混合される以前に
   、第２のスラッジとして処理されることを特徴とする特
   許請求の範囲第４項記載の製造法。 ６）粒状重合体が１０μｍと４０μｍとの間の中心粒寸
   法を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項ない
   し第５項のいずれか１項に記載の製造法。 ７）粒状重合体が混合の際に１０ないし５０％の質量比
   を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし
   第６項のいずれか１項に記載の製造法。 ８）第１の焼成過程に第２の焼成過程が続いており、そ
   の際に第２の焼成過程の焼成温度は第１の焼成過程の焼
   成温度よりも高いことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第７項のいずれか１項に記載の製造法。 ９）材料が第２の焼成過程の後に電界内で分極されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の製造法。 １０）分極の際に導電性でない保護ガスが、粒状重合体
   の焼き除きにより生ずる空洞内に入れ込まれることを特
   徴とする特許請求の範囲第９項記載の製造法。