DE19637397C2

DE19637397C2 - Ultraschall-Meßkopf und Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls

Info

Publication number: DE19637397C2
Application number: DE19637397A
Authority: DE
Inventors: Yohachi Yamashita; Senji Shimanuki; Kouichi Harada; Shiroh Saitoh; Mamoru Izumi; Tsuyoshi Kobayashi; Masaru Kawachi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Canon Medical Systems Corp
Priority date: 1995-09-13
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2016-09-14
Also published as: DE19637397A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschall-Meßkopf bzw. eine Ultraschall-Sonde zur Verwendung beispielsweise in einer Ultraschall-Vorrichtung zur Diagnose. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Monokristall-Materials, das zur Verwendung als piezoelektrisches Element in einem Ultraschall-Meßkopf geeignet ist.

Ein Ultraschall-Meßkopf ist eine Vorrichtung, die hauptsächlich aus einem piezoelek trischen Element besteht und zur Verwendung beim Abbilden der inneren Struktur eines Gegenstandes geeignet ist. Das Abbilden der inneren Struktur des Gegenstandes kann erfolgen durch Emittieren von Ultraschall-Wellen auf den Gegenstand und anschließendes Empfangen der von verschiedenen Grenzflächen des Gegenstandes reflektierten Wellen, wobei die Grenzflächen des Gegenstandes in Bezug auf ihre akustische Impedanz vonein ander verschieden sind. Beispiele von Ultraschall-Abbildungsvorrichtungen, die sich eines derartigen Ultraschall-Meßkopfes bedienen, schließen medizinische Diagnose-Vorrichtun gen zur Untersuchung des Inneren des menschlichen Körpers und Inspektionsvorrichtun gen zum Nachweis von Rissen im Inneren geschweißter Metallteile ein.

Im Zusammenhang mit medizinischen Diagnosevorrichtungen konnte deren Diagnose vermögen aufgrund der Entwicklung des CFM-Verfahrens (Color Flow Mapping method) in starkem Maße verbessert werden, das es ermöglicht, daß die Geschwindigkeit des Blutstroms zusätzlich zur Anzeige des Tomogramms (B-Bild) des menschlichen Körpers in Farbe aufgezeigt wird. In Übereinstimmung mit diesem CFM-Verfahren wird eine Ultraschall-Welle auf das Herz, die Leber oder Carotis-Arterien emittiert, und die Geschwindigkeit des Blutstroms wird zweidimensional in Farbe dargestellt, indem man die vom Blutstrom abgeleitete Doppler-Verschiebung ausnutzt. Dieses CFM-Verfahren wird derzeit bei der Diagnose im Zusammenhang mit verschiedenen Organ-Arten des mensch lichen Körpers wie beispielsweise der Gebärmutter, der Leber, der Milz usw. angewendet.

Es wird auch als möglich angesehen, Thromben in Blutgefäßen im Herzen zu diagnostizie ren, indem man beispielsweise Gebrauch von dem CFM-Verfahren macht, wobei man einen Ultraschall-Meßkopf mit der Oberfläche des menschlichen Körpers in Kontakt bringt. Daher werden derzeit Studien zur Entwicklung einer empfindlicheren Vorrichtung dieser Art durchgeführt.

Es ist im Falle eines Bildes des B-Modes erwünscht, daß selbst eine kleine Verletzung oder ein Hohlraum aufgrund einer physikalischen Änderung deutlich beobachtet werden kann, und zwar bis hinab in tiefere Bereiche. Daher ist es erwünscht, ein Bild mit hoher Auflösung in hoher Empfindlichkeit zu erhalten. Andererseits wird im Fall der Doppler-Methode zum Erhalt eines CFM-Bildes ein Reflexions-Echo von winzi gen Blutzellen mit einem Durchmesser von einigen µm (Mikron) verwendet, so daß der zu erhaltende Signalbereich niedriger ist als im Fall des vorstehend erwähnten B-Modes. Daher sind die Anforderungen an eine hohe Empfindlichkeit bei der Doppler-Methode strenger, verglichen mit denen beim B-Mode.

Bisher wurden verschiedene Verbesserungen an Ultraschall-Meßköpfen selbst oder an Diagnose-Vorrichtungen durchgeführt, um eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen. Bei spielsweise wurde im Fall des B-Modes deswegen, weil der Einfluß eines piezoelek trischen Elements, das als Ultraschall-Wellen übertragendes bzw. empfangendes Element fungiert, auf die Leistung des Ultraschall-Meßkopfes nicht vernachlässigt werden kann, ein Material verwendet, das einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Da ein Material mit einer großen Dielek trizitätskonstante leicht mit einer Übertragungs-Empfangs-Schaltung abgestimmt werden kann, kann ein Verlust aufgrund der Kapazität von Kabeln oder Vorrichtungen minimiert werden. Als Material, das diese Anforderungen erfüllt, wurden vornehmlich piezoelek trische Keramikmaterialien auf Blei-Zirkonium-Titanat-Basis verwendet.

Als Ultraschall-Meßkopf wurden vornehmlich Ultraschall-Meßköpfe verwendet, in denen etwa 10 bis 200 streifenförmige piezoelektrische Elemente regelmäßig angeordnet sind. Es besteht ein Trend dazu, daß die Zahl der piezoelektrischen Elemente in dem Ultraschall-Meßkopf steigt, und zwar im Hinblick auf die Forderung nach einem Ultraschall-Meßkopf mit höherer Auflösung. Um jedoch Kontakt-Fehler des Ultraschall-Meßkopfes auf dem lebenden Körper zu vermeiden, kann die Öffnung der Ultraschall-Wellen emittierenden Seite nicht über einen vorbestimmten Grenzwert hinaus vergrößert werden. Da die Zahl der piezoelektrischen Elemente in einem Ultraschall-Meßkopf steigt, ist es erforderlich, daß die Größe der einzelnen piezoelektrischen Elemente minimiert wird, was das Problem aufwirft, daß die piezoelektrische Elemente kaum mit der Übertragungs-Empfangs-Schaltung abgestimmt werden können.

Es wurden verschiedene Verfahren zur Lösung der vorstehend aufgezeigten Probleme vorgeschlagen. Beispielsweise offenbart die US 4,958,327 eine Laminat struktur von piezoelektrischen Elementen, und die DE 3,729,731 A1 offenbart den Einsatz eines Impedanz-Konverters.

Beide Lösungen sind jedoch nicht notwendigerweise zufriedenstellend zur Lösung der vorstehend aufgezeigten Probleme. Wenn beispielsweise piezoelektrische Elemente zu einer Laminatstruktur ausgebildet werden, kann die Übertragungs-Empfindlichkeit in dem Maße verbessert werden, wie die Zahl der Schichten steigt, aus denen das Laminat besteht. Andererseits wird jedoch die Empfangs-Empfindlichkeit verschlechtert. Daher ist die Anwendbarkeit der Laminatstruktur aus piezoelektrischen Elementen auf spezielle Endanwendungen beschränkt, wie beispielsweise in dem Fall, in dem ein Vibrator viel kleiner ist, oder in dem Fall, in dem das Kabel viel kürzer ist. Wenn andererseits ein Impedanz-Konverter wie beispielsweise ein Emitterver stärker bzw. ein Emitterfolger verwendet wird, führt dies zu einer Vergrößerung des Ultraschall-Meßkopfes, und gleichzeitig kann die Frequenz des Ultraschall-Meßkopfes aufgrund der charakteristischen Frequenz-Eigenschaften, die dem Impedanz-Konverter eigen sind, auf ein schmales Band beschränkt sein.

Darüber hinaus zeigen die herkömmlichen Keramikmaterialien des PZT-Typs einen kleineren elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, wenn deren relative Dielektrizi tätskonstante 4.000 übersteigt. Dies führt zu dem weiteren Problem, daß deren Empfind lichkeit verschlechtert werden kann. Es sind auch andere Arten piezoelektrischer Materia lien bekannt, z. B. monokristalline Materialien wie beispielsweise Lithiumniobat, Keramik materialien wie beispielsweise Bleititanat und Bleimetaniobat, sowie Polymermaterialien wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid oder eines seiner Copolymere. Diese piezoelek trischen Materialien weisen jedoch eine zu niedrige Dielektrizitätskonstante und einen zu niedrigen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten auf, um sie in praktischen Ge brauch zu nehmen.

Die Druckschrift EP 0 379 229 A2 beschreibt einen Ultraschall-Meßkopf bzw. eine Ultraschall-Sonde, in dem/der eine Elektrode auf einer Oberfläche eines eine piezo elektrische Verbindung umfassenden Elements angeordnet ist, die aus einem piezo elektrischen Keramikmaterial und einem Material mit einer niedrigeren akustischen Impedanz besteht.

Andererseits wurde auch vorgeschlagen, piezoelektrische Verbundelemente (oder piezo elektrische Verbundkörper) zu verwenden, bei denen ein säulenförmiges oder pulver förmiges piezoelektrisches Material in einem Harz eingelagert ist. Dies wird offenbart in der japanischen Patentveröffentlichung JP 54-19,151, in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung JP 60-97,800, in der japanischen ungeprüften Patentveröffentli chung JP 61-53,562 und in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung JP 61-109,400. Verfahren zur Herstellung eines derartigen piezoelektrischen Verbundele ments sind beispielsweise offenbart in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung JP 57-45,290, in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung JP 58-21,883, in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung JP 60-54,600, in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung JP 60-85,699, in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung JP 62-122,499 und in der japanischen ungeprüften Patentver öffentlichung JP 62-131,700.

Das piezoelektrische Verbundelement ist gegenüber piezoelektrischen Einzelelementen dahingehend vorteilhaft, daß dessen akustische Impedanz näher der eines lebenden Körpers ist, da die akustische Impedanz des piezoelektrischen Verbundelements kleiner ist als die des piezoelektrischen Einzelelements. Darüber hinaus kann im Fall eines piezoelek trischen Verbundkörpers des 1-3-Typs oder 2-2-Typs unter anderem der elektromechani sche Kopplungskoeffizient weiter verbessert werden, verglichen mit einem piezoelek trischen Verbundelement des Dünnplatten-Typs. Für die Herstellung des piezoelektrischen Verbundelements wurden vornehmlich piezoelektrische Keramikmaterialien des PZT-Typs verwendet, und zwar im Hinblick auf eine hohe Dielektrizitätskonstante und den hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K₃₃ der Materialien.

Bei einem piezoelektrischen Verbundelement besteht das Problem, daß deswegen, weil dieses den Einschluß eines Harzes umfaßt, die Dielek trizitätskonstante schlechter werden kann und die Verbesserung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten nicht von Vorteil ist, verglichen mit der Erniedrigung der Dielektrizitätskonstanten. Daher sind piezoelektrische Verbundelemente, die aus einem monokristallinen Material und einem Harz bestehen, nur für mechanische Meßköpfe des Einzel-Typs nützlich, die eine große Elementoberfläche oder eine kreisförmige Anordnung aufweisen, und diese werden kaum für die vorherrschenden Typen derartiger Vorrichtun gen wie beispielsweise solche mit phasenweiser Anordnung, konvexer Anordnung oder linearer Anordnung verwendet.

Wie oben erläutert, wurden verschiedene Mittel zum Erhalt eines Ultraschall-Meßkopfes mit hoher Empfindlichkeit vorgeschlagen, beispielsweise ein Verfahren unter Einsatz piezoelektrischer Keramikmaterialien mit hoher Dieleketrizitätskonstante wie z. B. Blei- Zirkonium-Titanat, ein Verfahren zum Anordnen eines Impedanz-Konverters zwischen einem Vibrator und einem Kabel oder ein Verfahren unter Ausbildung eines piezoelek trischen Materials in Laminatstruktur. Jedoch war jeder dieser Vorschläge von den vorstehend aufgezeigten Problemen begleitet.

Was die anderen Arten piezoelektrischer Materialien angeht, so sind deren Dielektrizitäts konstante und deren elektromechanischer Kopplungskoeffizient so klein, daß es schwierig ist, diese dafür zu verwenden, eine ausreichende Verbesserung der Empfindlichkeit eines Ultraschall-Meßkopfes zu erzielen. Außerdem ist im Fall einer Verbundstruktur, die aus einem piezoelektrischen Material und einem Harz aufgebaut ist, die Verbesserung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten nicht so groß, verglichen mit der Erniedrigung der Dielektrizitätskonstante, so daß eine derartige Verbundstruktur nicht für Ultraschall-Meßköpfe für allgemeine Zwecke verwendet wird.

In jüngerer Zeit hat ein piezoelektrisches Monokristall-Material, das aus einem binären System besteht, das durch die allgemeine Formel

Pb{(B1, B2)_1-xTi_x}O₃

wiedergegeben wird, Aufmerksamkeit als neues Beispiel für ein piezoelektrisches Material auf sich gezogen. In dieser Formel steht B1 für wenigstens ein Element, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Zn, Mg, Ni, Sc, In und Yb; steht B2 für wenigstens ein Element, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Nb und Ta; und der Gehalt an Bleititanat liegt im Bereich von 0 bis 55 Mol-%. In dieser Perovskit-Verbindung können 10 Mol-% oder weniger des Bleis ersetzt sein durch wenigstens ein Element, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Ba, Sr, Ca und La.

Wenn dieses monokristalline Material für die Herstellung eines Ultraschall-Meßkopfes verwendet wird, der bei niedriger Frequenz betrieben werden soll, kann das Material zu einem dünnen Monokristall ausgebildet werden, so daß es mit hoher Präzision selbst mit einem dünnen Schneidmesser zu einem streifenförmigen Vibrator geschnitten werden kann. Im Ergebnis kann die Ausbeute im Hinblick auf eine hohe Präzision des Arbeitens verbessert werden, wodurch es möglich wird, eine Verschlechterung der Empfindlichkeit und eine Erhöhung des Seitenlappen-Niveaus zu unterdrücken.

Jedoch weist ein eine feste Lösung ausbildender Monokristall wie z. B. Pb[(B1, B2)_1-x, Ti_x]O₃ Nachteile dahingehend auf, daß das Innere des Monokristalls mit größerer Wahrschein lichkeit durch Fremdmaterialien, Brüche oder Risse beschädigt wird, so daß das Schnei den des Monokristalls zur Herstellung eines Vibrators für einen Ultraschall-Meßkopf durchgeführt werden muß, während man die vorstehend aufgezeigten defekten Bereiche des Monokristalls vermeidet. Eine Standardgröße, wie sie für einen Vibrator für einen Herz-Meßkopf zur Verwendung in einer Ultraschall-Diagnosevorrichtung verlangt wird, ist 15 mm × 15 mm × 0,4 mm. Da das Schneiden des Vibrators aus dem Monokristall durchgeführt wird, während man defekte Bereiche meidet, die beispielsweise durch Fremdmaterial beeinträchtigt sind, ist die Ausbeute an Vibratoren dieser Größe in der Praxis jedoch extrem niedrig. Darüber hinaus besteht ein weiteres Problem darin, daß dann, wenn der Vibrator einer Polarisationsbehandlung unterworfen wird, indem man einen Gleichstrom darauf aufbringt, nachdem Elektroden auf dem Vibrator gebildet wurden, Brüche in dem Vibrator gebildet werden können. Das Brechen des Vibrators kann im schlechtesten Fall bei einem Anteil von bis zu 50% hervorgerufen werden, was in nachteiliger Weise eine Massenproduktion des Vibrators verhindert.

Dementsprechend ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschall-Meßkopf bzw. eine Ultraschall-Sonde hoher Empfindlichkeit zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls zu schaffen, der durch die Formel

Pb{(B1, B2)_1-xTi_x}O₃

wiedergegeben wird, das frei ist von der Bildung von Brüchen oder dem Einschluß von Fremdmaterial im Inneren des Monokristalls und das auch frei ist von der Bildung von Brüchen bei einem aus dem Monokristall herzustellenden Vibrator, nachdem dieser einer Polarisationsbehandlung unterworfen wurde.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird geschaffen ein Ultraschall-Meßkopf bzw. eine Ultraschall-Sonde mit

- einem piezoelektrischen Verbundkörper, der in einer Form des 1-3-Typs oder des 2-2-Typs vorliegt, umfassend einen piezoelektrischen Monokristall und ein Harz; und
- Elektroden, die mit dem piezoelektrischen Verbundkörper verbunden sind;

wobei der piezoelektrische Monokristall an wenigstens einer der Flächen des piezo elektrischen Verbundkörpers nach außen zeigt und der piezoelektrische Monokristall ein Verhältnis der elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K₃₃

/K_t

von 1,6 oder mehr und das Harz ein akustische Impedanz Zp von 4 × 10⁶

kg/m²

s oder weniger auf weisen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch vorgeschlagen ein Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls für einen Ultraschall-Meßkopf bzw. eine Ultraschallsonde, umfassend die Schritte, daß man

- eine flache glatte Oberfläche eines Keramik-Sinterkörpers, der wenigstens eine flache glatte Fläche aufweist, mit einer flachen glatten Oberfläche eines Impf- Monokristalls in Kontakt bringt, der wenigstens eine flache glatte Fläche und eine Gitterkonstante aufweist, die von derjenigen des Keramik-Sinterkörpers um nicht mehr als ±10% abweicht, wodurch man einen Verbundkörper erhält, der aus dem Keramik-Sinterkörper und dem Impf-Monokristall besteht und eine Sinter dichte von nicht weniger als 99% aufweist, bezogen auf die theoretische Dichte; und
- den Verbundkörper in einem geschlossenen, mit einer Bleiatmosphäre gefüllten Gefäß auf eine Temperatur von 1.000 bis 1.450°C erhitzt;

wobei der Keramik-Sinterkörper aus einer Verbund-Perowskit-Verbindung besteht, die durch die folgende allgemeine Formel (1)

Pb{(B1, B2)_1-xTi_x}O₃

wiedergegeben wird, in der x einen Wert aufweist, der im Bereich von 0 bis 0,55 liegt; B1 für wenigstens ein Element steht, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Zn, Mg, Ni, Sc, In und Vb; und B2 für wenigstens ein Element steht, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Nb und Ta.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung erläutert. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können realisiert und erhalten werden mittels der Instrumente und Kombinationen, die insbesondere in den nachfolgenden Patentansprüchen aufgeführt sind.

Die beigefügten Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung darstellen, veranschauli chen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der obigen allgemeinen Beschreibung und der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Ultraschall-Meßkopfes bzw. einer Ultraschall-Sonde gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel der Struktur eines piezoelek trischen Verbundelements veranschaulicht, wie es in einem Ultraschall-Meßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel der Struktur eines piezoelektrischen Verbundelements veranschaulicht, wie es in einem Ultraschall- Meßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll;

die Fig. 4A bis 4C Aufsichten, die jeweils schematisch das Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls gemäß der vorliegenden Erfindung ver anschaulichen; und

die Fig. 5A und 5B perspektivische Ansichten, die jeweils ein Beispiel eines Keramik-Sinterkörpers veranschaulichen, wie er bei der Herstellung eines Oxid- Monokristalls gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll.

Die Erfindung wird nachfolgend weiter unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, die Ultraschall-Meßköpfe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines Ultraschall-Meßkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind in dem Ultraschall- Meßkopf gemäß der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl der piezoelektrischen Ver bundelemente 1, die jeweils einen Monokristall und ein Harz umfassen, auf ein Packungs material in einer solchen Weise gebunden, daß die piezoelektrischen Verbundelemente 1 voneinander getrennt gehalten werden. In diesem Fall können die piezoelektrischen Verbundelemente 1 eine Struktur des 1-3-Typs haben, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, oder eine Struktur des 2-2-Typs haben, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist. Der piezoelektrische Verbundkörper des 1-3-Typs ist so aufgebaut, daß eine Mehrzahl von säulenförmigen piezoelektrischen Elementen 21 in einem Harz 22 eingelagert ist. Andererseits ist der piezoelektrische Verbundkörper des 2-2-Typs so aufgebaut, daß eine Mehrzahl von streifenartigen piezoelektrischen Elementen 23 in einem Harz 22 eingelagert sind.

Jedes der piezoelektrischen Elemente 1 vibriert in der Richtung, wie sie durch einen Pfeil A in Fig. 1 gezeigt ist. In dem in der Figur gezeigten Ultraschall-Meßkopf ist eine erste Elektrode 3 auf der Ultraschall-Wellen übertragenden bzw. empfangenden Fläche jedes piezoelektrischen Elements 1 ausgebildet. Diese erste Elektrode 3 erstreckt sich über die Seitenwandung des piezoelektrischen Elements 1 zu einem Abschnitt der Rückseite, die der Ultraschall-Wellen übertragenden bzw. empfangenden Seite gegenüberliegt (eine Zwischenfläche zwischen dem piezoelektrischen Element 1 und dem Verpackungsmaterial 2), wodurch eine Umkehr-Elektrode gebildet wird. Diese erste Elektrode 3 muß nicht notwendigerweise als derartige Umkehr-Elektrode ausgebildet sein, sondern kann nur auf den Flächen ausgebildet sein, die vertikal zur Richtung A liegen. Diese erste Elektrode 3 ist mit einem üblichen Elektrodensubstrat 7 verbunden.

Auf der Rückseite jedes piezoelektrischen Elements 1, das der Ultraschall-Wellen über tragenden bzw. empfangenden Seite gegenüberliegt, ist eine zweite Elektrode 4 in der Weise ausgebildet, daß die zweite Elektrode 4 um eine vorbestimmte Entfernung von der ersten Elektrode 3 entfernt angeordnet ist. Diese zweite Elektrode 4 ist mit einer flexiblen gedruckten Leitungsplatte 8 durch Lötung oder eine leitfähige Paste verbunden, wodurch ein Zuleitungsdraht gebildet wird. Mit dieser Kombination von piezoelektrischen Elemen ten 1, den ersten Elektroden 3 und den zweiten Elektroden 4 wird ein Ultraschall-Wellen übertragendes bzw. empfangendes Element aufgebaut.

Eine akustische Anpassungschicht ist auf jeder der Ultraschall-Wellen übertragenden bzw. empfangenden Seiten des piezoelektrischen Elements 1 ausgebildet, auf der die erste Elektrode 3 ebenfalls ausgebildet ist, wie dies oben erwähnt wurde. In der in dieser Figur gezeigten Ausführungsform ist die akustische Anpassungsschicht 5 in Form einer Zwei schichten-Struktur aufgebaut. Jedoch kann die akustische Anpassungsschicht 5 eine Einzelstruktur oder eine aus drei oder mehr Schichten bestehende Struktur sein. Eine akustische Linse 6 ist darüber hinaus über der gesamten einzelnen akustischen Anpas sungsschicht 5 gebildet.

Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, daß dann, wenn der elek tromechanische Kopplungskoeffizient eines piezoelektrischen Monokristalls und die akustische Impedanz eines Harzes bei der Herstellung eines piezoelektrischen Verbundkör pers, der einen piezoelektrischen Monokristall und ein Harz umfaßt, auf spezielle Bereiche beschränkt werden, ein piezoelektrischer Verbundkörper mit den gewünschten Eigen schaften, die alle Erfordernisse erfüllen, erhalten werden kann. Erfindungsgemäß wird nämlich das Verhältnis zwischen dem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K₃₃ in der Längsrichtung eines säulenartigen piezoelektrischen Monokristalls und dem elektrome chanischen Kopplungskoeffizienten K_t in Dickenrichtung einer dünnen Platte eines piezo elektrischen Monokristalls so gewählt, daß es 1,6 oder höher ist, und die akustische Impedanz eines Harzes zum Einlagern des piezoelektrischen Monokristalls wird so gewählt, daß sie 4 × 10⁶ kg/m²s oder weniger ist. In diesem Fall sollte der Wert von K₃₃ wünschenswerterweise 80% oder höher sein, und der Wert von K_t sollte wünschens werterweise 50% oder höher sein. Wenn ein piezoelektrischer Monokristall und ein Harz, die jeweils die vorstehend genannten Eigenschaften aufweisen, zum Aufbau eines piezo elektrischen Verbundkörpers des 1-3-Typs oder 2-2-Typs verwendet werden, kann dafür gesorgt werden, daß die akustische Impedanz des piezoelektrischen Verbundkörpers nahe der eines lebenden Körpers liegt, wobei man einen hohen elektromechanischen Kopplungs koeffizienten aufrechterhält.

Bei der Verwendung eines piezoelektrischen Verbundkörpers, der einen piezoelektrischen Monokristall und ein Harz umfaßt, kann die Verschlechterung der Dielektrizitätskon stanten nicht vermieden werden. Da jedoch die akustische Impedanz erniedrigt würde und der Kopplungskoeffizient verbessert werden kann, kann die Leistung des resultierenden Ultraschall-Meßkopfes verbessert werden. Wenn das Verhältnis K₃₃/K_t niedriger ist als 1,6, kann der Grad des Beitrags zur Verbesserung des Ultraschall-Meßkopfes durch die Erniedrigung der akustischen Impedanz und die Verbesserung des Kopplungskoeffizienten die negative Wirkung auf den Ultraschall-Meßkopf durch die Erniedrigung der Dielek trizitätskonstanten überwiegen, und dies wäre immer noch unzureichend, um eine signifi kante Verbesserung der Empfindlichkeit zu erreichen, d. h. eine Verbesserung der Emp findlichkeit um 2 dB oder mehr. Wenn außerdem das Verhältnis K₃₃/K_t geringer als 1,6 ist, ist der Grad der Verbesserung des Kopplungskoeffizienten zu klein, so daß es un möglich ist, eine signifikante Verbreiterung des Frequenzbandes zu erreichen, d. h. eine Verbreiterung um mehr als 20%.

Wenn andererseits die akustische Impedanz des Harzes 4 × 10⁶ kg/m²s übersteigt, nähert sich der Kopplungskoeffizient, der erhalten wird, wenn der piezoelektrische Körper zu einer Verbundstruktur verarbeitet wird, K_t, so daß ein Vorteil, der durch die Erniedrigung der aktustischen Impedanz erbracht wird, durch die negative Wirkung verloren gehen kann, die aus der Erniedrigung der Dielektrizitätskonstanten resultiert. Wenn die akustische Impedanz zu klein ist, verschlechtert sich die mechanische Festig keit des piezoelektrischen Verbundkörpers. Daher sollte bei der praktischen Anwendung die akustische Impedanz vorzugsweise 1 × 10⁶ kg/m²s oder mehr sein.

Was den piezoelektrischen Monokristall angeht, so ist es bevorzugt, einen piezoelek trischen Monokristall in Form einer festen Lösung zu verwenden, der wenigstens Bleititanat wie beispielsweise Pb{(B1, B2)_1-xTi_x}O₃ enthält, worin x im Bereich von 0,05 bis 0,55 liegt; B1 für wenigstens ein Element steht, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Zn, Mg, Ni, Sc, In und Yb; und B2 für wenigstens ein Element steht, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Nb und Ta.

Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Als Ausgangsmaterialien wurden PbO, ZnO, Nb₂O₅ und TiO₂, jeweils in hoher Reinheit, verwendet, und die Reinheit dieser Verbindungen wurde korrigiert. Danach wurden diese Verbindungen so gemischt, daß das Mol-Verhältnis zwischen Blei-Zink-Niobat (PZN) und Bleititanat (PT) 91 : 9 wurde. Dieser Mischung wurde außerdem eine gleiche Gewichts menge an PbO als Flußmittel zugesetzt. Dieser Pulvermischung wurde reines Wasser zugesetzt, und die Mischung wurde dann in einer Kugelmühle 1 h lang gemischt, die ZrO₂-Kugeln enthielt. Danach wurde das Wasser in der Mischung entfernt, und das Produkt wurde anschließend ausreichend pulverisiert, indem man Gebrauch von einem Pulverisator machte. Anschließend wurde die pulverisierte Mischung in eine Kautschuk- Form gefüllt und unter einem Druck von 2.2046 t/cm²(2 tons/cm²) in der Kautschuk-Form gepreßt.

Der resultierende feste Körper wurde aus der Kautschuk-Form herausgenommen, und 600 g des festen Körpers wurden in einen Platinbehälter mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Volumenkapazität von 250 ml gefüllt und anschließend auf 900°C über eine Zeit von 4 h erhitzt, wodurch der feste Körper geschmolzen wurde. Danach wurde das geschmolzene Material abgekühlt, und anschließend wurden weitere 400 g des festen Körpers, der in dem vorstehend erwähnten Preßvorgang in einer Kautschuk-Form erhalten worden war, in den Platinbehälter gefüllt. Dieser wurde anschließend hermetisch ver schlossen und in das Zentrum eines elektrischen Ofens gestellt. Danach wurde der Ofen über eine Zeit von 5 h bis auf 1.260°C erhitzt und anschließend allmählich auf 800°C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 0,8°C/h heruntergekühlt. Danach ließ man ihn auf Raumtemperatur abkühlen. Anschließend wurden 30% konzentrierte Salpetersäure in den Platinbehälter gefüllt, und die Inhaltsstoffe in dem Platinbehälter wurden 8 h lang unter Sieden behandelt. Anschließend wurde ein Monokristall des Typs feste Lösung aus dem Platinbehälter entnommen.

Der resultierende Monokristall hatte eine pfeilspitzenartige Form und maß etwa 20 mm im Quadrat. Ein Teil des Monokristalls wurde dann herausgenommen und pulverisiert, um die Kristallstruktur mittels Röntgenstrahlbeugung zu untersuchen, wodurch die Bildung der Perowskit-Struktur bestätigt wurde. Danach wurde die <001<-Achse des Monokristalls ermittelt, wobei man Gebrauch von einer Laue-Kamera machte, und der Monokristall wurde in vertikaler Richtung zu der <001<-Achse mit einer Schneidvorrichtung ge schnitten.

Diese geschnittene Fläche des Monokristall-Stücks wurde unter Verwendung eines Schleif materials #2000 poliert und so ein 500 µm dickes Monokristall-Stück erhalten. Danach wurde eine Ti/Au-Elektrode auf beiden Oberflächen des Monokristall-Stücks mittels eines Sputterverfahrens gebildet. Anschließend wurde das Monokristall-Stück in ein Siliconöl eingetaucht, das auf 200°C erhitzt worden war, und anschließend wurde das Siliconöl auf 40°C abgekühlt, wobei man ein elektrisches Feld von 1 kV/mm anlegte, wodurch eine Polarisationsbehandlung durchgeführt wurde.

Anschließend wurde das Monokristall-Stück in die Form eines Stabs mit 300 µm im Quadrat gebracht, wofür man eine Schneidsäge verwendete, um den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K₃₃ zu messen. Gleichzeitig wurde auch der elektromechanische Kopplungskoeffizient K_t unter Verwendung einer Probe des Monokristall-Stücks der dünnen Platte gemessen. Im Ergebnis wurde gefunden, daß K₃₃ den Wert 92% hatte, und es wurde gefunden, daß K_t 55% war, d. h. K₃₃/K_t = 1,67 < 1,6.

Danach wurde eine Mehrzahl von Rillen mit einer Tiefe von 450 µm und einem Abstand von 200 µm unter Verwendung einer 50 µm dicken Klinge einer Schneidsäge ausgebildet, wobei der Monokristall eine Dicke von 500 µm hatte. Hierdurch wurde eine regelmäßige Anordnung von Rillen ausgebildet. Der Monokristall wurde nicht komplett zerschnitten, sondern der Kristall wurde als Ganzes behalten unter Belassen eines 50 µm dicken, nicht geschnittenen Teils unter jeder der Rillen. Anschließend wurde ein Epoxid-Harz mit einer akustischen Impedanz von 3 × 10⁶ kg/m²s in die durch den Schneidvorgang gebildeten Rillen gefüllt und anschließend gehärtet.

Anschließend wurde eine Mehrzahl von Rillen derselben Größe, wie sie oben beschrieben wurde, im rechten Winkel zu den vorstehend erwähnten, vorab ausgebildeten Rillen ausgebildet, und diese Rillen wurden anschließend mit dem vorstehend genannten Epoxid- Harz in derselben Weise gefüllt, wie dies oben beschrieben wurde. Man ließ das dadurch eingefüllte Epoxid-Harz ebenfalls härten. Im Ergebnis wurde eine Struktur erhalten, in der eine Mehrzahl von säulenartigen Monokristallen in dem Harz eingelassen war.

Danach wurde der nicht geschnittene Teil des Monokristalls wegpoliert, so daß es möglich wurde, daß die Dicke der resultierenden Verbundstruktur auf eine Dicke von 400 µm reduziert wurde. Danach wurde eine Ti/Au-Elektrode auf beiden Seiten des Monokristalls mittels eines Sputterverfahrens gebildet, wodurch ein piezoelektrischer Verbundkörper hergestellt wurde. Wenn der elektromechanische Kopplungskoeffizient unter diesen Bedingungen gemessen wurde, wurde ein Wert von 88% erhalten, was einen bemerkens wert hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten anzeigt.

In dem obigen Beispiel wurde ein piezoelektrischer Verbundkörper des 1-3-Typs herge stellt, wofür man das vorstehend beschriebene Verfahren einsetzte. Jedoch ist das Herstell verfahren nicht auf das oben beschriebene Verfahren beschränkt. Beispielsweise kann der Monokristall am Anfang vollständig abgeschnitten werden, oder Rillen können in Matrix- Form zu Beginn ausgebildet werden, und anschließend kann ein Harz in diese Rillen eingefüllt werden. Außerdem können dann, wenn das Epoxid-Harz in zwei Schritten eingefüllt wird, wie dies oben beschrieben wurde, zwei verschiedene Arten von Harzen zum Füllen der Rillen verwendet werden. Der nicht zerschnittene Teil des Monokristalls kann nach Einfüllen eines Harzes nicht vollständig wegpoliert werden. Der so gebildete piezoelektrische Verbundkörper kann einer zusätzlichen Polarisationsbehandlung unter worfen werden, sofern dies erforderlich ist.

Wenn die Richtung der in den Monokristall einzuschneidenden Rillen auf nur eine Rich tung beschränkt ist, kann ein piezoelektrischer Verbundkörper des 2-2-Typs hergestellt werden, indem man dieselbe Verfahrensweise anwendet, wie sie oben beschrieben wurde.

Ein Ultraschall-Meßkopf des Typs mit geregelter Anordnung wurde hergestellt, indem man den piezoelektrischen Verbundkörper des 1-3-Typs einsetzte, der nach dem oben beschriebenen Verfahren erhalten worden war. Zuerst wurde mit dem Ziel der Ausbildung einer Umkehr-Elektrode ein Schlitz in einer der Elektroden gebildet, die auf beiden Oberflächen des piezoelektrischen Verbundkörpers gebildet worden waren. Der Schlitz wurde in einer der Elektroden parallel zu der Kante des piezoelektrischen Ver bundkörpers mittels Ätzen ausgebildet. Dadurch wurde die eine Elektrode in zwei Teile geteilt. Anschließend wurde die Kante einer der beiden durch die Schlitzbildung herge stellten Elektroden und die Kante der anderen Elektrode miteinander durch Überziehen mit einer leitfähigen Paste in dem Bereich zwischen diesen Kanten verbunden, wodurch die Umkehr-Elektrode 3 ausgebildet wurde. Es sollte jedoch angemerkt werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Schaffung einer solchen Umkehr-Elektrode beschränkt ist.

Mit diesem piezoelektrischen Verbundkörper 1, der mit Ti/Au-Elektroden 3 und 4 versehen war, wurden die flexible Leitungsplatte 8 und die übliche Elektrodenplatte 7 verbunden, indem man Gebrauch von einer leitfähigen Paste machte. Nachdem die akustische Anpassungsschicht 5 auf der Ultraschall-Wellen emittierenden Oberfläche des piezoelektrischen Verbundkörpers 1 ausgebildet worden war, wurde der piezoelektrische Verbundkörper 1 auf dem Packungsmaterial 2 unter Verwendung eines Epoxid-Harzes befestigt, wobei die gegenüberliegende Oberfläche des piezoelektrischen Verbundkörpers 1, die von der akustischen Anpassungsschicht 5 entfernt angeordnet war, dem Packungs material 2 gegenüberlag. Danach wurde der piezoelektrische Verbundkörper 1 zusammen mit der akustischen Anpassungsschicht 5 in einem Abstand von 200 µm mit einer 50 µm dicken Schneidklinge einer Schneidsäge zerschnitten. Die Unterteilung zur Bildung einer regelmäßigen Anordnung kann durch Ätzen erfolgen. Danach wurde eine akustische Linse 6 über der gesamten akustischen Anpassungsschicht 5 befestigt. Zum Schluß wurde ein Koaxialkabel mit einer elektrostatischen Kapazität von 110 pF/m und einer Länge von 2 m mit der flexiblen Leitungsplatte 8 verbunden und so ein Meßkopf mit einer regelmäßi gen Anordnung erhalten.

Wenn mittels des Impuls-Echo-Verfahrens ein Reflexions-Echo an diesem Ultraschall- Meßkopf gemessen wurde, wurde von jedem der Elemente ein Echo mit einer Zentral frequenz, die in einen Bereich von 2,48 ± 0,1 MHz fiel, empfangen. Die relative Bandbreite bei -6 dB betrug im Mittel 93%, was die Möglichkeit zeigt, eine breitere Doppler-Referenzfrequenz einzustellen, verglichen mit dem herkömmlichen Ultraschall- Meßkopf.

Vergleichsbeispiel 1

Ein piezoelektrischer Verbundkörper wurde hergestellt unter Verwendung von piezoelek trischen Blei-Zirkonium-Titanat-Keramikmaterialien. Anschließend wurde unter Ver wendung dieses piezoelektrischen Verbundkörpers ein Ultraschall-Meßkopf mit regelmäßiger Anordnung hergestellt. Anschließend wurden die Werte von K₃₃ und K_t gemessen. Es ergab sich 75% für K₃₃ und 50% für K_t; folglich ergab sich für K₃₃/K_t ein Wert von 1,5, was kleiner war als 1,6.

Der in diesem Fall verwendete piezoelektrische Verbundkörper war eine Struktur des 1-3- Typs, die die gleiche war wie diejenige von Beispiel 1. Alle Bedingungen wie beispiels weise der Abstand beim Schneiden und das Harz-Füllmaterial waren dieselben wie diejenigen, die in Beispiel 1 verwendet wurden, mit der Ausnahme, daß die Dicke des piezoelektrischen Körpers auf 550 µm festgesetzt wurde. Es wurde gefunden, daß der elektromechanische Kopplungskoeffizient des resultierenden piezoelektrischen Verbund körpers 70% war.

Es wurde ein Ultraschall-Meßkopf mit regelmäßiger Anordnung hergestellt, indem man diesen piezoelektrischen Verbundkörper in derselben Weise einsetzte, wie dies in Beispiel 1 erläutert ist. Wenn die charakteristischen Impuls-Echo-Eigenschaften dieses Ultraschall-Meßkopfes gemessen wurden, wurde gefunden, daß die Zentralfrequenz 2,52 MHz betrug, was fast denselben Wert wie denjenigen anzeigt, der in Beispiel 1 gemessen wurde. Der Grund dafür, daß nahezu dieselbe Zentralfrequenz wie in Beispiel 1 erhalten wurde, obwohl die Dicke des piezoelektrischen Körpers geändert wurde, kann den Unterschieden der akustischen Geschwindigkeit und des Kopplungskoeffizienten zuge schrieben werden. Der Peakwert der Echo-Welle war -7 dB, verglichen mit Beispiel 1, und die relative Bandbreite bei -6 dB war 76%.

Vergleichsbeispiel 2

Ein piezoelektrischer Verbundkörper wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 herge stellt, mit der Ausnahme, daß das Harz, das zur Füllung der Rillen des Monokristalls verwendet wurde, eine akustische Impedanz von 5 × 10⁶ kg/m²s hatte. Es wurde gefunden, daß der Kopplungskoeffizient dieses piezoelektrischen Verbundkörpers 82% betrug; dies war kleiner als der entsprechende Wert in Beispiel 1.

Ein Ultraschall-Meßkopf mit regelmäßiger Anordnung wurde hergestellt, indem man diesen piezoelektrischen Verbundkörper in derselben Weise verwendete, wie dies in Beispiel 1 erläutert ist. Wenn die charakteristischen Impuls-Echo-Eigenschaften dieses Ultraschall-Meßkopfes gemessen wurden, war der Peakwert der Echo-Welle -2 dB, verglichen mit Beispiel 1, und die relative Bandbreite bei -6 dB war 86%, was eine schlechte Leistung anzeigt, verglichen mit Beispiel 1.

Vergleichsbeispiel 3

Ein Ultraschall-Meßkopf mit regelmäßiger Anordnung wurde hergestellt, indem man einen piezoelektrischen Monokristall derselben Art verwendete, wie er in Beispiel 1 verwendet wurde, ohne daß man einen piezoelektrischen Verbundkörper verwendete. Wenn die charakteristischen Impuls-Echo-Eigenschaften dieses Ultraschall-Meßkopfes gemessen wurden, war der Peakwert der Echo-Welle bei -4 dB, verglichen mit Beispiel 1, und die relative Bandbreite bei -6 dB war 85%, was eine schlechte Leistung im Vergleich mit Beispiel 1 zeigt.

Der Ultraschall-Meßkopf der vorliegenden Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf spezielle Beispiele beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht durch diese speziellen Beispiele beschränkt ist. Vielmehr versteht es sich, daß verschiedene Variationen möglich sind. Beispielsweise kann bei dem piezoelektrischen Monokristall wenigstens ein Element, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Mg, Ni, Sc, In oder Yb besteht, anstelle von Zn verwendet werden. Außerdem kann ein Teil des Nb durch Ta ersetzt werden. Selbst wenn eines dieser Elemente verwendet wird, kann ein Ultraschall- Meßkopf erhalten werden, der ausgezeichnete Leistungen zeigt.

In dem obigen Beispiel wurde die Elektrode mittels eines Sputterverfahrens gebildet. Jedoch kann die Elektrode gebildet werden mit einem Silber-Einbrennverfahren oder einem Verfahren der Abscheidung aus der Dampfphase. Außerdem können anstelle von Ti/Au auch andere Arten von Elektrodenmaterialien wie beispielsweise Ni/Au oder Cr/Au verwendet werden. Es gibt nämlich keine Beschränkung im Hinblick auf das Elektroden material, solange dieses die vorbestimmten Größenordnungen der Leitfähigkeit und Haftfestigkeit aufweist.

Der piezoelektrische Monokristall kann hergestellt werden unter Anwendung des Bridg man-Verfahrens, des Kyropoulos-Verfahrens (eines Verfahrens des Ziehens des Kristalls aus der Schmelze), eines Zonenschmelz-Verfahrens oder eines Hydrothermal-Wachstums verfahrens. Jedoch ist die Anwendung der folgenden Verfahrensweise bevorzugt im Hinblick auf das einfache Erhalten eines einheitlichen Monokristalls, der frei von irgend welchen inneren Brüchen ist.

Es wurde nämlich nach extensiven Untersuchungen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung angestellt wurden, gefunden, daß die Bildung von Fremdmaterial oder von Rissen in dem Monokristall, der durch die allgemeine Formel

Pb{(B1, B2)_1-xTi_x}O₃

wiedergegeben wird, dem Herstellungsverfahren des Kristalls zugeschrieben werden kann. Herkömmlicherweise wurde nämlich der Monokristall der vorliegenden Art hergestellt unter Verwendung eines Flußmittels, das als Hauptkomponente Bleioxid enthielt. Die Herstellung erfolgte bei hoher Temperatur und unter Anwendung eines Fließverfahrens, des Kyropoulos-Verfahrens, des Bridgman-Verfahrens oder eines Fließzonen-Verfahrens. Im Ergebnis besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, daß Risse, Fluß oder Fremdmateria lien mit Pyrochlor-Struktur im Inneren des resultierenden Monokristalls gebildet werden. Dies macht es schwierig, einen exzellenten Monokristall ausgedehnter Größe zu erhalten.

Im Hinblick auf diese Phänomene wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung an genommen, daß ein Verfahren zur Herstellung eines Monokristalls ohne Einsatz irgend eines Flußmittels ein wirksames Verfahren zum Erhalt eines einheitlichen Monokristalls sein könnte, der frei von inneren Rissen oder von fremden Materialien ist. Dadurch wurde das folgende Verfahren erfunden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nämlich ein Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls geschaffen, das die Schritte umfaßt, daß man

Pb{(B1, B2)_1-xTi_x}O₃

Das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird im einzelnen wie folgt diskutiert.

Der Keramik-Sinterkörper, der in dem Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokri stalls gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, ist eine Verbund-Pe rowskit-Verbindung, die durch die vorstehende allgemeine Formel (1) wiedergegeben wird. Wenn die Sinterdichte dieser Perowskit-Verbindung geringer ist als 99%, bezogen auf die theoretische Dichte, wäre es unmöglich, einen einheitlichen Monokristall zu erhalten, und ein Kristall, der unter solchen Bedingungen erhalten werden soll, neigt dazu, leicht zu brechen, wenn er einer Polarisationsbehandlung im Anschluß an das Anbringen einer Elektrode auf der Oberfläche des Kristalls unterworfen wird.

Wenn der Wert x in der vorstehend genannten allgemeinen Formel (1) den Wert 0,55 übersteigt, kann der resultierende Kristall leicht brechen, wenn er einer Polarisations behandlung unterworfen wird, und gleichzeitig kann die Isolationsbeständigkeit des resultierenden Kristalls gesenkt werden, was es schwierig macht, den Kristall zu polarisie ren.

Wenn B1 und B2 gewählt sind aus Elementen, die verschieden von denen sind, die oben definiert wurden, wäre es schwierig, ein monokristallines Material zu erhalten, das exzellente piezoelektrische charakteristische Eigenschaften zeigt, die denen der kerami schen PZT-Materialien überlegen sind. Wenn der Monokristall zu einem Verbundkörper zur Verwendung in dem vorstehenden Ultraschall-Meßkopf verarbeitet werden soll, sollte der Wert x vorzugsweise wenigstens 0,05 oder größer sein.

Was die Perowskit-Verbindung angeht, so sollte das Verhältnis zwischen dem A-Teil und dem B-Teil, d. h. (A/B), wenn die Perowskit-Verbindung durch die Formel ABO₃ wie dergegeben wird, vorzugsweise im Bereich von 1,00 bis 1,10 liegen. Dabei steht A für Pb und B steht für {(B1, B2)_1-xTi_x}. Wenn das Verhältnis (A/B) geringer ist als 1,00, wird die Wachstumsgeschwindigkeit des Monokristalls zu langsam, was Verbindungen dieser Zusammensetzung für den praktischen Gebrauch unbrauchbar macht. Wenn andererseits das Verhältnis (A/B) den Wert 1,10 übersteigt, kann eine Neigung dazu bestehen, daß eine Extramenge Bleioxid, die die A-Komponente ausmacht, im Inneren des Monokristalls eingeschlossen wird. Außerdem kann die Überschußmenge Bleioxid durch die Zufuhrquel le für Bleioxid zugeführt werden, z. B. Bleizirkonat, das in das Innere des geschlossenen Gefäßes gelegt wird.

Die Blei-Einheit der Verbund-Perowskit-Verbindung kann partiell durch eines der Elemen te Ba, Sr, Ca oder La ersetzt werden. In diesem Fall sollte das Ersatz-Verhältnis dieser Elemente vorzugsweise auf 10 Mol-% oder weniger beschränkt werden, und zwar im Hinblick auf die Vermeidung einer übermäßigen Verlangsamung der Wachstumsgeschwin digkeit des Monokristalls.

Die Verbund-Perowskit-Verbindung kann eine geringe Menge eines Übergangsmetalls wie beispielsweise Mn, Co, Fe, Sb, W, Cu oder Hf, ein Lanthaniden-Element oder Alkalime talle enthalten. Jedoch sollte der Gehalt an diesen Elementen vorzugsweise auf höchstens 1 Mol-% beschränkt werden, und zwar im Hinblick auf die Aufrechterhaltung eines großen Wertes der piezoelektrischen Konstante.

Das Verhältnis zwischen dem B1-Element und dem B2-Element in der oben erwähnten allgemeinen Formel (1) kann ein stöchiometrisches Verhältnis sein, wobei allgemein eine Toleranz von ±0,02 gilt. Dieses Verhältnis kann jedoch innerhalb des Bereichs von ± 0,2 variiert werden.

Die Perowskit-Verbindung kann auch einen Zusatz wie beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃, PtO, MgO, Fe₂O₃ und Bi₂O₃ enthalten. In diesem Fall sollte der Gehalt an SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃ und PtO vorzugsweise auf 0,5 Mol- % oder weniger beschränkt werden, und der Gehalt an anderen Verbindungen sollte vorzugsweise auf 1 Mol-% oder weniger be schränkt werden. Wenn der Gehalt an diesen Zusätzen die genannten Grenzwerte über steigt, besteht eine Neigung dazu, daß Pyrochlor-Kristalle, die eine niedrige Dielek trizitätskonstante aufweisen, zusätzlich zu den Perowskit-Kristallen erzeugt werden, was eine Zunahme der Kristalldefekte herbeiführt.

Die Perowskit-Verbindung kann auch 5 Mol-% oder weniger ZrO₂ enthalten. Wenn der Gehalt an ZrO₂ 5 Mol-% übersteigt, kann die Wachstumsgeschwindigkeit des Monokri stalls extrem gesenkt werden, und gleichzeitig kann die Nicht-Einheitlichkeit der Zu sammensetzung innerhalb des Kristalls gefördert werden.

Der Keramik-Sinterkörper kann zusätzlich zu dem Weg des normalen Sinterns durch heißisostatisches Pressen (HIP) oder durch Heißpressen hergestellt werden. Mit dem Einsatz dieser Verfahrensweisen ist es möglich, leicht einen Sinterkörper zu erhalten, der eine Sinterdichte von 99% oder mehr aufweist, bezogen auf die theoretische Dichte.

Die Größe des Keramik-Sinterkörpers, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden soll, kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der Endanwendung des Monokristalls gewählt werden. Beispielsweise kann im Fall eines medizinischen Ultraschall-Meßkopfes die Größe 15 × (15 bis 17) × 0,5 mm³ sein. Die glatte Oberfläche dieses Keramik-Sinterkörpers sollte vorzugsweise eine Glätte von etwa ±1,0 µm auf weisen und am meisten bevorzugt planiert sein.

Die Gitterkonstante des Keramik-Sinterkörpers ist allgemein 3,88 bis 4,15 Å (0,388 bis 0,415 nm).

Es gibt keine besondere Beschränkung im Hinblick auf den Impf-Monokristall, der in dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, solange der Impf-Monokristall eine Gitterkonstante aufweist, die äquivalent derjenigen des Kera mik-Sinterkörpers ist, wobei die Abweichung auf einen Bereich von ±10% beschränkt ist. Da das Metall, das auf dem Monokristall gebildet werden soll, eine Tendenz dazu zeigt, sich nach dem darunterliegenden Azimuth des Monokristalls zu orientieren, kann ein derartiges Metall als Zwischenschicht verwendet werden. In diesem Fall wird Pt allgemein als derartige Zwischenschicht verwendet. Wenn ein Impf-Monokristall mit einer Gitterkonstante verwendet wird, die sich von der des Keramik-Sinterkörpers um mehr als ±10% unterscheidet, besteht bei dem resultierenden Kristall die Neigung dazu, leicht zu brechen, wenn er einer Polarisationsbehandlung unterworfen wird. Darüber hinaus kann es schwierig sein, einen Monokristall mit einem Durchmesser von 10 mm oder mehr herzustellen. Es sollte angemerkt werden, daß die Differenz zwischen der Gitterkonstante eines Keramik-Sinterkörpers und der Gitterkonstante eines Impf-Monokristalls vorzugs weise so klein wie möglich sein sollte, d. h. am meisten bevorzugt sollte die Gitterkon stante eines Keramik-Sinterkörpers identisch mit der des Impf-Monokristalls sein.

Solange die vorstehend genannten Erfordernisse in Bezug auf die Gitterkonstante erfüllt sind, kann der Impf-Monokristall, der in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfin dung verwendet werden soll, gewählt sein aus Materialien, die völlig verschieden sind von dem Keramik-Sinterkörper, beispielsweise MgO oder SrTiO₃. Jedoch ist die Verwendung eines Impf-Monokristalls, der dieselbe Zusammensetzung wie diejenige des Keramik- Sinterkörpers aufweist, bevorzugt, da die Bildung von Brüchen im Abkühlschritt des Materials nach der Herstellung eines Monokristalls, der einen Durchmesser von 20 mm im Quadrat oder mehr hat, verhindert werden kann.

Die Größe des Impf-Monokristalls kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der Größe des Keramik-Sinterkörpers gewählt werden. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Größe des Impf-Monokristalls identisch mit der des Keramik-Sinterkörpers ist. Die Dicke der Impf-Monokristalle sollte wenigstens 0,3 mm oder mehr sein. Wenigstens eine der glatten Oberflächen des Impf-Monokristalls sollte vorzugsweise eine Glattheit von etwa ±1,0 µm haben und noch mehr bevorzugt planiert sein.

Bei der Herstellung eines Oxid-Monokristalls unter Einsatz der vorliegenden Erfindung werden ein vorbestimmter Impf-Monokristall 31 und ein vorbestimmter Keramik-Sinter körper 32 hergestellt, wie dies in Fig. 4A gezeigt ist. Diese Materialien weisen jeweils Eigenschaften auf, die den vorstehend beschriebenen Erfordernissen genügen, und die Kontaktflächen der beiden Materialien werden glatt gemacht. Danach wird - wie in Fig. 4B gezeigt - die glatte Kontaktoberfläche des Impf-Monokristalls 31 in Kontakt mit der glatten Kontaktoberfläche des Keramik-Sinterkörpers 32 gebracht, und anschließend wird ein Gewicht 34 auf dem Keramik-Sinterkörper 32 angeordnet. Diese gestapelte Struktur wird dann in einem geschlossenen Gefäß 35, das mit einer Bleiatmosphäre gefüllt ist, auf eine Temperatur von 1.000 bis 1.450°C erhitzt. Das in diesem Fall einzusetzende geschlossene Gefäß 35 kann vorzugsweise aus Platin, Palladium, Rhodium, Silber oder einer Legierung dieser Metalle hergestellt sein oder mit einer Porzellan-Ummantelung hoher Dichte versehen sein. Die Verwendung anderer Materialien als der oben beispielhaft genannten kann unerwünscht sein, da sie der Anlaß für die Bildung von Rissen in dem resultierenden Monokristall sein kann. Das Gewicht 34 kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der Form der Ausgangsmaterialien oder von dem Herstellungsverfahren gewählt werden. Wenn beispielsweise das Gewicht 34 wiederholt für eine lange Zeitdauer verwendet werden soll, sollte das Gewicht 34 aus Platin hergestellt sein.

Wenn die Aufheiztemperatur geringer als 1.000°C ist, kann die Geschwindigkeit zur Bildung eines Monokristalls zu langsam werden. Wenn andererseits die Aufheiztemperatur 1.450°C übersteigt, kann es schwierig werden, einen einheitlichen Kristall ausgedehnter Größe zu erhalten.

Die Aufheizzeit des Kontaktkörpers, der aus dem Keramik-Sinterkörper und dem Impf- Monokristall besteht, kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit beispielsweise von der Form der Ausgangsmaterialien gewählt werden. Wenn beispielsweise die Dicke des Kontaktkörpers 10 mm oder weniger ist, kann die Aufheizzeit vorzugsweise im Bereich von 10 bis 500 h liegen, noch mehr bevorzugt im Bereich von 100 bis 200 h. Während dieser Zeit wird der Kontaktkörper auf die oben genannte Temperatur erhitzt, um einen Monokristall 36 zu erhalten, wie er in Fig. 4C gezeigt ist.

Wie oben erläutert, ist es in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung deswegen, weil ein spezieller Impf-Monokristall und ein spezieller Keramik- Sinterkörper miteinander in Kontakt gebracht und in einem mit einer Bleiatmosphäre gefüllten geschlossenen Gefäß erhitzt werden, um den Keramik-Sinterkörper zu mono kristallisieren, möglich, die Bildung von Brüchen bzw. Rissen und das Einschließen von Fremdmaterialien im Inneren des resultierenden Monokristalls zu verhindern. Außerdem ist es möglich, einen Oxid-Monokristall zu erhalten, der in der Lage ist, die Bildung von Brüchen bzw. Rissen in einem Vibrator nach der Polarisationsbehandlung zu inhibieren.

Außerdem ist es gemäß der vorliegenden Erfindung auch möglich, ein dreieckiges, zylindrisches oder in feinen Säulen ausgebildetes Monokristall-Element zu erhalten, indem man in geeigneter Weise die Form des Keramik-Sinterkörpers modifiziert. In diesem Fall sollte der Bereich der glatten Fläche des Keramik-Sinterkörpers vorzugsweise gleich oder kleiner als der Bereich der glatten Oberfläche des Impf-Monokristalls gemacht werden.

Die Form des Keramik-Sinterkörpers kann eine Form wie diejenigen sein, die in den Fig. 5A und 5B gezeigt sind. Der Keramik-Sinterkörper, der in Fig. 5A gezeigt ist, umfaßt ein plattenartiges Keramikmaterial 41 und eine Mehrzahl von säulenförmigen Keramikmaterialien 42, die systematisch auf dem plattenartigen Keramikmaterial 41 angeordnet sind. Nachdem dieser Keramik-Sinterkörper monokristallisiert wurde, wird ein Epoxid-Harz in die Räume zwischen den säulenförmigen Keramikmaterialien 42 gefüllt. Dadurch wird ein piezoelektrischer Verbundkörper des 1-3-Typs gebildet.

Der Keramik-Sinterkörper, der in Fig. 5B gezeigt ist, umfaßt ein plattenartiges Keramik material 41 und eine Mehrzahl von streifenartigen Keramikmaterialien 43, die systema tisch auf dem plattenartigen Keramikmaterial 41 angeordnet sind. Nachdem dieser Kera mik-Sinterkörper monokristallisiert wurde, wird ein Epoxid-Harz in die Zwischenräume zwischen den streifenartigen Keramikmaterialien 43 gefüllt, wodurch ein piezoelektrischer Verbundkörper des 2-2-Typs gebildet wird.

Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Keramik-Sinterkör per irgendeiner gewünschten Form zu monokristallisieren und unter Verwendung des resultierenden Monokristalls einen Ultraschall-Meßkopf mit einer gewünschten Größe zu schaffen, der eine höhere Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit aufweist als piezoelek trische Keramikmaterialien des PZT-Typs.

Der aus einer festen Lösung bestehende Monokristall, der gemäß der vorliegenden Erfindung herge stellt werden soll, kann in Abhängigkeit vom Azimuth des Impfkristalls zu einem Mono kristall irgendeines gewünschten Azimuths ausgebildet werden. Wenn beispielsweise ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhaltener Monokristall in einer Richtung vertikal zur [001]-Achse (oder C-Achse) des Monokristalls geschnitten wird und Elektroden auf der (001)-Ebene des Monokristalls gebildet werden, kann ein Vibrator mit einem ausge zeichneten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten erhalten werden, indem man den Monokristall einer Polarisationsbehandlung unterwirft. Wenn andererseits ein im Rahmen der vorliegenden Erfindung erhaltener Monokristall in einer Richtung, die vertikal zur [111]-Achse des Monokristalls geschnitten wird und Elektroden auf der (111)-Ebene des Monokristalls gebildet werden, kann ein Vibrator mit einer großen Dielektrizitätskonstante erhalten werden, indem man den Monokristall einer Polarisationsbehandlung unterzieht.

Wenn ein Monokristall, der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten werden soll, zu einem streifenartigen Vibrator verarbeitet wird, ist die akustische Ge schwindigkeit in der Dickenrichtung im Bereich von 2.000 bis 3.500 m/s, und die Fre quenzkonstante, d. h. das Produkt aus der Antiresonanz-Frequenz und der Dicke, liegt im Bereich von 1.350 bis 1.500 Hz.m. Demgegenüber würde im Fall von piezoelektrischen Keramikmaterialien des PZT-Typs die Frequenzkonstante im Bereich von 2.000 bis 3.000 Hz.m liegen, d. h. ist um 25 bis 50% langsamer, im Vergleich mit dem Vibrator gemäß der vorliegenden Erfindung. Außerdem liegt im Fall des streifenartigen Vibrators der vorliegenden Erfindung der elektromechanische Kopplungskoeffizient K₃₃ im Bereich von 72 bis 85%, was einen ausgezeichneten und einheitlichen elektromechanischen Kopp lungskoeffizienten zeigt. Dieser macht es möglich, einen Vibrator ausgedehnter Größe, z. B. mit etwa 100 mm Maximaldurchmesser, und hoher Leistung zu erhalten.

Wenn andererseits ein durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhaltener Mono kristall in einer Richtung geschnitten wird, die mit der [111]-Achse des Monokristalls parallel verläuft, und Elektroden auf der (111)-Fläche des Monokristalls ausgebildet werden, kann ein Vibrator mit einer hohen Dielektrizitätskonstante erhalten werden, die im Bereich von 2.000 bis 8.000 liegt.

Es wird nun nachfolgend das Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls gemäß der vorliegenden Erfindung weiter unter Bezugnahme auf die folgenden speziellen Bei spiele erläutert.

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurde ein Monokristall des Typs feste Lösung hergestellt, der durch die folgende Formel wiedergegeben wird

Pb{(Mg_1/3, Nb_2/3)_0,68Ti_0,32}O₃,

(nachfolgend einfach bezeichnet als "PMNT 68/32").

Zuallererst wird ein Verfahren zur Herstellung eines Impf-Monokristalls im einzelnen erläutert.

Der Impf-Monokristall wurde mit dem Fließverfahren unter Verwendung eines Flußmittels hergestellt, das 80 Mol-% Bleioxid (PbO) und 20 Mol-% Boroxid (B₂O₃) enthielt.

Als Ausgangsmaterialien wurden PbO, MgO, Nb₂O₅ und TiO₂ in Pulverform, jeweils in hoher Reinheit, verwendet. Danach wurden diese Komponenten in einem solchen Verhält nis gemischt, daß man die vorstehend beschriebene Zusammensetzung erhielt. Dieser Mischung wurde außerdem eine äquimolare Gewichtsmenge eines PbO-B₂O₃-Flußmittels zugesetzt. Nachdem man dieses Material vollständig unter Verwendung einer Mischvor richtung des Trockenmisch-Typs gemischt hatte, wurde das resultierende Mischpulver in ein Kautschuk-Gefäß eingefüllt und unter einem Druck von 2.2046 t/cm² (2 tons/cm²) unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Kautschuk-Form gepreßt. Der resultierende feste Körper wurde aus dem Kautschuk-Gefäß herausgenommen, und 600 g des festen Körpers wurden in einen Platinbehälter gegeben, der einen Durchmesser von 50 mm und eine Volumen kapazität von 250 ml hatte. Das Material wurde dann im Verlauf von 4 h auf bis zu 900°C erhitzt, wodurch der feste Körper geschmolzen wurde.

Im Anschluß daran wurde das geschmolzene Material abgekühlt, und anschließend wurden weitere 400 g des festen Körpers, der bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Pressen der Mischung in einer Kautschuk-Form erhalten worden war und der das vor stehend beschriebene Mischpulver und Flußmittel enthielt, in den Platinbehälter gegeben. Dieser wurde anschließend hermetisch verschlossen und in der Mitte eines elektrischen Ofens angeordnet.

Danach wurde der Ofen im Verlauf von 12 h bis auf 1.200°C erhitzt und anschließend allmählich auf 800°C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 1°C/h abgekühlt. Zum Schluß ließ man den Ofen bis auf Raumtemperatur abkühlen. Während dieses Abkühl schrittes wurde selektiv Sauerstoffgas gegen einen unteren Abschnitt des Platinbehälters geblasen, um so zu veranlassen, daß die Bildung eines Kerns an einem Punkt erfolgte.

Danach wurden 30% konzentrierte Salpetersäure in den Platinbehälter gegeben, und die Inhaltsstoffe in dem Platinbehälter wurden 8 h lang unter Siedebedingungen behandelt. Danach wurde ein in Form einer festen Lösung vorliegender Monokristall aus dem Platinbehälter entnom men. Bei Beobachten des resultierenden Monokristalls wurde gefunden, daß dieser eine pfeilspitzenartige Form hatte und etwa 20 mm im Quadrat maß.

Eine Teilmenge des Monokristalls wurde dann herausgenommen und pulverisiert, um die Kristallstruktur mittels Röntgenstrahlbeugung zu untersuchen. Es wurde die Bildung einer perfekten Perowskit-Struktur bestätigt. Wenn die Zusammensetzung dieses Pulvers mittels ICP analysiert wurde, wurde gefunden, daß der Wert von x etwa 0,32 war. Es wurde gefunden, daß die Gitterkonstante dieses Monokristalls 4,018 Å (0,4018 nm) betrug.

Danach wurde die [001]-Achse des Monokristalls unter Einsatz einer Laue-Kamera ermittelt, und der Monokristall wurde vertikal zu der [001]-Achse mit einer Schneidvor richtung geschnitten. So wurde ein 1 mm dickes Monokristallstück erhalten. Die ge schnittene Fläche des Monokristallstücks wurde anschließend poliert, und 10 Stücke rechteckiger Vibratoren, die jeder 12 mm im Quadrat maßen, wurden aus diesem Mono kristallstück herausgeschnitten, um sie anschließend als Impfkristall zu verwenden.

Nachfolgend wird die Verfahrensweise zur Herstellung eines Keramik-Sinterkörpers im einzelnen erklärt. Dieser Keramik-Sinterkörper wurde hergestellt unter Anwendung eines üblichen Festphasen-Reaktionsverfahrens, und zwar wie folgt: Zuallererst wurden als Ausgangsmaterialien PbO, MgO, Nb₂O₅ und TiO₂ in Pulverform, die jeweils eine hohe Reinheit aufwiesen, verwendet und in einem solchen Verhältnis gemischt, daß man die Zusammensetzung Pb{(Mg_1/3, Nb_2/3)_0,68Ti_0,32}O₃ erhielt. Nachdem man das Mischpulver mit reinem Wasser versetzt hatte, wurde es weiter gemischt und 20 h lang in einer Nylon- Tiegelmühle pulverisiert, die mit Zirkoniumoxid-Kugeln gefüllt war. Danach wurde das resultierende pulverisierte Pulver getrocknet und in einer Aluminiumhülle bei einer Temperatur von 800°C calciniert.

Danach wurde diesem calcinierten Pulver Bleioxid in einer Anteilsmenge von 0,5 Gew.-% zugesetzt, und reines Wasser wurde erneut dieser calcinierten pulverförmigen Mischung zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde dann in der oben genannten Tiegelmühle pulverisiert und anschließend unter Erhalt einer pulverförmigen Mischung getrocknet. Anschließend wurde eine 5%ige wäßrige Lösung von PVA als Bindemittel der Pulver mischung in einem Verhältnis von 5 Gew.-% zugesetzt, und die resultierende Mischung wurde in einem Mörser gemischt. Die Mischung wurde dann durch ein Sieb #48 gege ben, und die Mischung wurde unter Erhalt von Granulaten granuliert, die dann in einer Form unter einem Druck von 50 MPa komprimiert wurden, wodurch sie vorläufig in eine säulenartige Form mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 15 mm gebracht wurden.

Der geformte Körper wurde dann in eine Kautschuk-Form gegeben und unter Verwendung einer hydrostatischen Presse unter einem Druck von 100 MPa geformt. So wurde ein Formprodukt erhalten, das anschließend in einem elektrischen Ofen bei einer Temperatur von 500°C 4 h lang erhitzt wurde, um dadurch das Formprodukt zu entfetten. Nach diesem Entfettungsschritt wurde das Formprodukt in eine doppelschichtige Magnesium oxid-Hülle hoher Dichte eingeführt und bei einer Temperatur von 1.200°C 3 h lang gesintert. Zum Schluß wurde der Sinterkörper bei einem Druck von 20 MPa in einer Sauerstoffatmosphäre und bei einer Temperatur von 1.000°C 5 h lang heißgepreßt.

Bei Untersuchung der Merkmale des resultierenden Sinterkörpers wurde gefunden, daß dessen Dichte 99,5% der theoretischen Dichte war, daß der Sinterkörper aus einer einzigen Phase mit perfekter Perowskit-Struktur bestand und daß dessen Gitterkonstante 4,019 Å (0,4019 nm) betrug. Eine rechteckige Platte mit den Maßen 12 mm × 12 mm × 5 mm wurde aus diesem heißgepreßten Sinterkörper ausgeschnitten, und eine der Ober flächen der Platte wurde planiert. So wurde eine Probe eines Keramik-Sinterkörpers gebildet.

Der Unterschied der Gitterkonstante zwischen dem Keramik-Sinterkörper, der in diesem Beispiel hergestellt worden war, und dem Impf-Monokristall betrug 0,03%. Dieser Impf- Monokristall und der Keramik Sinterkörper wurden zur Herstellung eines Oxid-Monokri stalls verwendet, wie dies nachfolgend beschrieben ist.

Zuerst wurde die planierte Oberfläche des Impf-Monokristalls in Kontakt mit der planierten Oberfläche der heißgepreßten Sinterkörper-Probe gebracht. So wurde ein laminierter Körper gebildet. Dieser wurde anschließend in einen Platin-Tiegel gegeben. Einige Platten eines heißgepreßten Sinterkörper, der aus demselben Material wie die Probe des heißgepreßten Sinterkörpers hergestellt worden war, wurden auf die Probe des heißgepreßten Sinterkörpers als Gewicht gesetzt. Nachdem der Platin-Tiegel hermetisch verschlossen worden war, wurde dieser weiter in einen Magnesiumoxid-Tiegel gesetzt, der dann einer Hitzebehandlung in einem elektrischen Ofen für die Zeit von 170 h bei einer Temperatur von 1.280°C unterworfen würde. Nach dem Abkühlen wurde der Magnesi umoxid-Tiegel aus dem elektrischen Ofen genommen, und die geschnittene Oberfläche der heißgepreßten Sinterkörper-Probe wurde angeschaut. Im Ergebnis wurde nicht eine Korngrenze gefunden, was die Monokristallisation der heißgepreßten Sinterkörper-Probe bestätigte.

Eine quadratische Platte mit den Maßen 12 mm × 12 mm × 0,4 mm wurde aus dem neu monokristallisierten Teil des hitzebehandelten Körpers herausgeschnitten. Diese wurde anschließend mittels des Laue-Röntgenstrahl-Verfahrens untersucht, wodurch die Monokri stallisation der heißgepreßten Sinterkörper-Probe bestätigt wurde. Anschließend wurden 10 Platten einer quadratischen Platte mit derselben Größe, wie sie oben genannt wurde, aus dem monokristallisierten Bereich des hitzebehandelten Körpers herausgeschnitten, und eine Ni/Au-Elektrode wurde auf beiden Oberflächen der quadratischen Platten mittels eines Sputterverfahrens gebildet. Diese quadratischen Platten wurden einer Polarisations behandlung in Siliconöl, das auf 180°C erhitzt worden war, durch Anlegen eines elek trischen Feldes von 1,5 kV/mm unterworfen und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Im Ergebnis wurde kein Bruch in einer der 10 Platten der resultierenden Vibratoren gefunden, die wie oben erklärt polarisiert worden waren.

Der so erhaltene Vibrator wurde unter Verwendung einer Diamantklinge geschnitten. So wurde ein rechteckiges Element mit einer Breite von 150 µm gebildet, dessen elektrome chanischer Kopplungskoeffizient K₃₃ anschließend gemessen wurde. Im Ergebnis wurde gefunden, daß K₃₃ den Wert von 83% hatte, und die Schwankung des Wertes war klein und betrug nicht mehr als 2%.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wurde ein in Form einer festen Lösung vorliegender Monokristall hergestellt, der durch die Formel

Pb{(Sc_1/2, Nb_1/2)_0,29(Mg_1/3, Nb_2/3)_0,34Ti_0,37}O₃

wiedergegeben wird (nachfolgend einfach bezeichnet als "PSMNT 29/34/37").

Zuerst wird das Verfahren zur Herstellung eines Impf-Monokristalls im einzelnen erläu tert.

Der Impf-Monokristall wurde hergestellt im Wege des Fließverfahrens unter Verwendung eines Flußmittels, das 75 Mol-% Bleioxid und 25 Mol-% Boroxid umfaßte.

Als Ausgangsmaterialien wurden PbO, Sc₂O₃, MgO, Nb₂O₅ und TiO₂, jeweils in Pulver form und mit hoher Reinheit (99,9% oder mehr), verwendet. Diese Verbindungen wurden in einem solchen Verhältnis gemischt, daß man die vorstehend angegebene Zusammensetzung erhielt. Dieser Mischung wurde weiter ein PbO-B₂O₃-Flußmittel in einer Menge zugesetzt, die das Zweifache der molaren Gewichtsmenge der Zusammen setzung betrug. Nach vollständigem Mischen unter Verwendung einer Mischvorrichtung des Trockenmisch-Typs wurde das resultierende Mischpulver in ein Kautschuk-Gefäß gegeben und in diesem Kautschuk-Gefäß unter einem Druck von 2.2046 t/cm² (2 tons/cm²) gepreßt. Der resultierende feste Körper wurde aus dem Kautschuk-Gefäß herausgenommen, und 600 g des festen Körpers wurden in einen Platinbehälter gegeben, der einen Durchmesser von 50 mm und eine Volumenkapazität von 250 ml hatte. Das Material wurde 4 h lang auf bis zu 900°C erhitzt, wodurch der feste Körper geschmolzen wurde.

Danach wurde das geschmolzene Material abgekühlt, und es wurden anschließend weitere 400 g des festen Körpers, der aus dem oben beschriebenen Schritt des Pressens in einer Kautschuk-Form erhalten worden war und der das vorstehend beschriebene Mischpulver und ein Flußmittel umfaßte, in den Platinbehälter gegeben. Dieser wurde anschließend hermetisch verschlossen und in das Zentrum eines elektrischen Ofens gestellt.

Danach wurde der Ofen 12 h lang auf eine Temperatur bis zu 1.250°C erhitzt und anschließend allmählich mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 1°C/h bis auf 800°C heruntergekühlt. Danach ließ man ihn auf Raumtemperatur abkühlen. Während dieses Abkühlschrittes wurde Sauerstoffgas selektiv gegen den unteren Abschnitt des Platinbehäl ters geblasen, um zu veranlassen, daß sich ein Kern an einem Punkt bildete.

Danach wurden 30% konzentrierte Salpetersäure in den Platinbehälter gegeben, und der Inhalt des Platinbehälters wurde 8 h lang bei Siedetemperatur behandelt. Danach wurde ein Monokristall des Typs feste Lösung aus dem Platinbehälter herausgenommen. Bei Betrachten des resultierenden Monokristalls wurde gefunden, daß dieser eine pfeilspitzen artige Form hatte und etwa 20 mm im Quadrat maß.

Ein Teil des Monokristalls wurde dann abgenommen und pulverisiert, um die Kristall struktur durch Röntgenstrahlbeugung zu untersuchen. Dabei wurde die Bildung einer perfekten Perowskit-Struktur bestätigt. Bei Analyse der Zusammensetzung dieses Pulvers mittels ICP wurde gefunden, daß die Werte der Komponenten denen entsprachen, die anfangs eingesetzt worden waren. Es wurde gefunden, daß die Gitterkonstante dieses Monokristalls 4,025 Å (0,4025 nm) war.

Danach wurde die [001]-Achse des Monokristalls unter Verwendung einer Laue-Kamera ermittelt, und der Monokristall wurde im rechten Winkel zur [001]-Achse mit einer Schneidvorrichtung geschnitten. So wurde ein 1 mm dickes Monokristall-Stück erhalten. Die geschnittene Fläche des Monokristall-Stücks wurde anschließend poliert, und es wurden 10 Stücke eines rechteckigen Vibrators, die jeweils 12 mm im Quadrat maßen, aus diesem Monokristall-Stück herausgeschnitten, um sie nachfolgend als Impfkristall zu verwenden.

Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Sinterkörpers im einzel nen erläutert. Dieser Keramik-Sinterkörper wurde hergestellt unter Anwendung des üblichen Festphasen-Reaktionsverfahrens, und zwar wie folgt: Zuallererst wurden als Ausgangsmaterialien PbO, Sc₂O₃, MgO, Nb₂O₃ und TiO₂, jeweils in Pulverform und mit hoher Reinheit, verwendet und in einem solchen Verhältnis gemischt, daß man zwei verschiedene Arten von Zusammensetzungen erhielt, nämlich PSMNT 29/34/37 und PSMNT 58/00/42. Nach Zusatz von reinem Wasser wurde jedes Mischpulver weiter gemischt und 20 h lang in einer Nylon-Tiegelmühle pulverisiert, die mit Zirkoniumoxid- Kugeln gefüllt war. Danach wurde das resultierende pulverisierte Pulver getrocknet und in einer Aluminiumoxid-Hülle bei einer Temperatur von 800°C calciniert.

Danach wurde diesem calcinierten Pulver Bleioxid in einem Mengenanteil von 0,5 Gew.- % zugesetzt, und außerdem wurde erneut reines Wasser dieser calcinierten Pulvermi schung zugesetzt. Die resultierende Mischung wurde dann in der vorstehend erwähnten Tiegelmühle pulverisiert und anschließend unter Erhalt einer Pulvermischung getrocknet. Anschließend wurde eine 5%ige wäßrige Lösung von PVA als Bindemittel der Pulver mischung in einem Mengenanteil von 5 Gew.-% zugesetzt, und die resultierende Mi schung wurde in einem Mörser gemischt. Die Mischung wurde dann durch ein Sieb #48 gegeben, und dadurch wurde die Mischung unter Erhalt von Granulaten granuliert. Diese wurden dann in einer Form unter einem Druck von 50 MPa komprimiert, um sie so vorläufig in Form von Säulen mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 15 mm zu bringen.

Der Formkörper wurde dann in eine Kautschuk-Form gegeben und unter Anwendung einer hydrostatischen Presse unter einem Druck von 100 MPa geformt, wodurch ein Formprodukt erhalten wurde. Das Formprodukt wurde anschließend in einem elektrischen Ofen bei einer Temperatur von 500°C 4 h lang erhitzt, um das Formprodukt zu entfetten. Nach diesem Entfettungsschritt wurde das Formprodukt in eine doppelschichtige Magnesi umoxid-Hülle hoher Dichte eingeführt und bei einer Temperatur von 1.250°C 3 h lang gesintert. Zum Schluß wurde der Sinterkörper bei einem Druck von 20 MPa in einer Sauerstoffatmosphäre und bei einer Temperatur von 1.100°C 5 h lang heißgepreßt.

Bei Untersuchung der Merkmale des resultierenden Sinterkörpers wurde gefunden, daß dessen Dichte 99,7% der theoretischen Dichte betrug, daß der Sinterkörper aus einer einzigen Phase mit perfekter Perowskit-Struktur bestand und daß die Gitterkonstante von PSMNT 29/34/37 4,025 Å (0,4025 nm) betrug und die Gitterkonstante von PSMNT 58/00/42 4,030 Å (0,4030 nm) betrug. Eine rechteckige Platte mit den Maßen 12 mm × 12 mm × 5 mm würde aus jedem heißgepreßten Sinterkörper herausgeschnitten, und eine von deren Oberflächen wurde planiert. So wurden Proben der Keramik-Sinterkörper hergestellt.

Die Differenz der Gitterkonstante zwischen den Keramik-Sinterkörpern, die in diesem Beispiel hergestellt wurden, und den Impf-Monokristallen war vernachlässigbar im Fall von PSMNT 29/34/37 und war 0,15% im Fall von PSMNT 58/00/42. Dieser Impf- Monokristall und die Keramik-Sinterkörper wurden zur Herstellung eines Oxid-Monokri stalls herangezogen, wie dies nachfolgend erläutert ist.

Zuallererst wurde die planierte Oberfläche des Impf-Monokristalls in Kontakt mit der planierten Oberfläche der Probe des heißgepreßten Sinterkörpers gebracht. So wurde ein Laminatkörper hergestellt, der dann in einen Platin-Tiegel gestellt wurde. Einige Lagen eines heißgepreßten Sinterkörpers, der aus demselben Material wie die Probe des heißge preßten Sinterkörpers hergestellt worden war, wurden auf der Probe des heißgepreßten Sinterkörpers als Gewicht angeordnet. Nachdem der Platin-Tiegel hermetisch verschlossen worden war, wurde er weiter in einen Magnesiumoxid-Tiegel gestellt. Dieser wurde dann einer Hitzebehandlung in einem elektrischen Ofen für die Zeit von 170 h bei einer Temperatur von 1.280°C unterworfen. Nach dem Abkühlen wurde der Magnesiumoxid- Tiegel aus dem elektrischen Ofen herausgenommen, und die geschnittene Oberfläche der Probe des heißgepreßten Sinterkörpers wurde angeschaut. Als Ergebnis wurden überhaupt keine Korngrenzen in irgendeiner der Proben gefunden. Dadurch wurde die Monokristalli sation der Proben des heißgepreßten Sinterkörpers bestätigt.

Eine quadratische Platte mit den Maßen 12 mm × 12 mm × 0,4 mm wurde aus dem neu monokristallisierten Teil des hitzebehandelten Körpers herausgeschnitten. Diese wurde dann mit dem Laue-Röntgenstrahl-Verfahren untersucht. Hierdurch wurde die Monokri stallisation der Probe des heißgepreßten Sinterkörpers bestätigt. Anschließend wurden 10 quadratische Platten mit derselben Größe, wie sie vorstehend genannt wurde, aus dem monokristallisierten Bereich des hitzebehandelten Körpers ausgeschnitten, und eine Ni/Au- Elektrode wurde auf beiden Oberflächen der quadratischen Platten mittels eines Sputter verfahrens ausgebildet. Diese quadratischen Platten wurden einer Polarisationsbehandlung in Siliconöl, das auf 220°C erhitzt worden war, durch Anlegen eines elektrischen Feldes von 2 kV/mm unterworfen. Sie wurden anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Im Ergebnis wurde kein Bruch an einer der zehn Platten der resultierenden Vibratoren erkannt, die wie oben erläutert polarisiert worden waren.

Die so erhaltenen Vibratoren wurden unter Verwendung einer Diamantklinge geschnitten, wodurch ein rechtwinkliges Element mit einer Breite von 150 µm gebildet wurde, dessen elektromechanischer Kopplungskoeffizient K₃₃ anschließend gemessen wurde. Als Ergebnis wurde gefunden, daß der Wert von K₃₃ 80% war, und die Schwankung des Wertes war klein und betrug nicht mehr als 2%.

Beispiel 4

Pb{(Zn_1/3, Nb_2/3)_0,30(Mg_1/3, Nb_2/3)_0,23(Sc_1/2, Ta_1/2)_0,18Ti_0,29}O₃

wiedergegeben wird (nachfolgend einfach bezeichnet als "PZMNSTT 30/23/18/29").

Zuallererst wird das Verfahren zur Herstellung eines Impf-Monokristalls im einzelnen erläutert.

Der Impf-Monokristall wurde hergestellt auf dem Wege des Fließverfahrens unter Ver wendung eines Flußmittels, das 90 Mol-% Bleioxid und 10 Mol-% Boroxid umfaßte.

Als Ausgangsmaterialien wurden PbO, Sc₂O₃, MgO, Nb₂O₅, Ta₂O₅ und TiO₂, jeweils in Pulverform und mit hoher Reinheit, verwendet. Diese Verbindungen wurden in einem solchen Verhältnis gemischt, daß man die vorstehend angegebene Zusammensetzung erhielt. Dieser Mischung wurde weiter ein PbO-B₂O₃-Flußmittel in einer Menge zugesetzt, die das Zweifache der molaren Gewichtsmenge der Zubereitung betrug. Das resultierende gemischte Pulver wurde dann in einer Kautschuk-Form in derselben Weise gepreßt, wie dies in den vorstehenden Beispielen erläutert ist, wodurch ein fester Körper gebildet wurde. Dieser wurde anschließend unter Schmelzen des festen Körpers erhitzt. Danach wurde das geschmolzene Material abgekühlt und in das Zentrum eines elektrischen Ofens gestellt. Danach wurde der Ofen 12 h lang bis auf 1.250°C erhitzt und anschließend allmählich mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 1°C/h bis auf 800°C heruntergekühlt. Danach ließ man ihn bis auf Raumtemperatur abkühlen. Während dieses Abkühlschrittes wurde Sauerstoffgas selektiv gegen den unteren Bereich des Platinbehälters geblasen, um zu veranlassen, daß sich an einem Punkt ein Kern bildete.

Ein Teil des Monokristalls wurde dann abgenommen und pulverisiert, um die Kristall struktur durch Röntgenstrahlbeugung zu untersuchen. Dabei wurde die Bildung einer perfekten Perowskit-Struktur bestätigt. Bei Analyse der Zusammensetzung dieses Pulvers mittels ICP wurde gefunden, daß die Werte der Komponenten denen entsprachen, die anfangs eingesetzt worden waren. Es wurde gefunden, daß die Gitterkonstante dieses Monokristalls 4,034 Å (0,4034 nm) war.

Der Keramik-Sinterkörper wurde wie folgt hergestellt: Zuallererst wurden als Ausgangs materialien PbO, Sc₂O₃, MgO, Nb₂O₅, Ta₂O₅ und TiO₂, jeweils in Pulverform und jeweils mit hoher Reinheit verwendet und in einem solchen Verhältnis gemischt, daß man die Zusammensetzung Pb{(Zn_1/3, Nb_2/3)_0,30(Mg_1/3, Nb_2/3)_0,23(Sc_1/2, Ta_1/2)_0,18Ti_0,29}O₃ erhielt. Nachdem man reines Wasser zugesetzt hatte, wurde das Mischpulver weiter gemischt und 20 h lang in einer Nylon-Tiegelmühle pulverisiert, die mit Zirkoniumoxid-Kugeln gefüllt war. Danach wurde das resultierende pulverisierte Pulver getrocknet und in einer Alumi niumoxid-Hülle bei einer Temperatur von 800°C calciniert.

Danach wurde diesem calcinierten Pulver Bleioxid in einem Mengenanteil von 0,5 Gew.-% zugesetzt, und reines Wasser wurde erneut dieser calcinierten Pulvermischung zu gesetzt. Die resultierende Mischung wurde dann in der vorstehend erwähnten Tiegelmühle pulverisiert und anschließend unter Erhalt einer Pulvermischung getrocknet. Anschließend wurde eine 5%ige wäßrige Lösung von PVA als Bindemittel der Pulvermischung in einem Mengenanteil von 5 Gew.-% zugesetzt, und die resultierende Mischung wurde in einem Mörser gemischt. Die Mischung wurde durch ein Sieb #48 gegeben, und dadurch wurde die Mischung unter Erhalt von Granulaten granuliert. Diese wurden dann in einer Form unter einem Druck von 50 MPa komprimiert, um sie so vorläufig in Form von Säulen mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 15 mm zu bringen.

Der Formkörper wurde dann in eine Kautschuk-Form gegeben und unter Anwendung einer hydrostatischen Presse unter einem Druck von 100 MPa geformt, wodurch ein Formprodukt erhalten wurde. Das Formprodukt wurde anschließend in einem elektrischen Ofen bei einer Temperatur von 500°C 4 h lang erhitzt, um das Formprodukt zu entfetten. Nach diesem Entfettungsschritt wurde das Formprodukt in eine doppelschichtige Magnesi umoxid-Hülle hoher Dichte eingeführt und bei einer Temperatur von 1.300°C 4 h lang gesintert. Zum Schluß wurde der Sinterkörper in einer Sauerstoffatmosphäre und bei einer Temperatur von 1.150°C 5 h lang heißgepreßt.

Bei Untersuchung der Merkmale des resultierenden Sinterkörpers wurde gefunden, daß dessen Dichte 99,2% der theoretischen Dichte betrug, daß der Sinterkörper aus einer einzigen Phase mit perfekter Perowskit-Struktur bestand und daß dessen Gitterkonstante 4,034 Å (0,434 nm) betrug. Eine rechteckige Platte mit den Maßen 12 mm × 12 mm × 5 mm wurde aus diesem heißgepreßten Sinterkörper herausgeschnitten, und eine von deren Oberflächen wurde planiert. So wurde eine Probe eines Keramik-Sinterkörpers hergestellt. Andererseits wurde eine SrTiO₃-Monokristall-Platte hergestellt, deren (110)-Ebene planiert worden war. Die Gitterkonstante der SrTiO₃-Monokristall-Platte war 3,903 Å (0,3903 nm). Diese SrTiO₃-Monokristall-Platte wurde als Substrat verwendet, und das vorstehend erwähnte Material 30PZN-23PMN-18PST-29PT wurde auf dieses Substrat gelegt.

Die Differenz der Gitterkonstante zwischen dem Keramik-Sinterkörper, der in diesem Beispiel hergestellt worden war, und dem Impf-Monokristall betrug 3,3%. Dieser Impf- Monokristall und der Keramik-Sinterkörper wurden zur Herstellung eines Oxid-Monokri stalls verwendet, wie dies nachfolgend erläutert ist.

Zuerst wurde die planierte Oberfläche des Impf-Monokristalls in Kontakt mit der planierten Oberfläche der Probe des heißgepreßten Sinterkörpers gebracht. So wurde ein Laminatkörper hergestellt, der dann in einen Platin-Tiegel gestellt wurde. Einige Lagen heißgepreßten Sinterkörpers, der aus demselben Material wie die Probe des heißgepreßten Sinterkörpers hergestellt worden war, wurden auf die Probe des heißgepreßten Sinterkör pers als Gewicht gelegt. Nachdem der Platin-Tiegel hermetisch verschlossen worden war, wurde er weiter in einen Magnesiumoxid-Tiegel gestellt. Dieser wurde dann einer Hitze behandlung in einem elektrischen Ofen bei einer Temperatur von 1.280°C für die Zeit von 170 h unterworfen. Nach dem Abkühlen wurde der Magnesiumoxid-Tiegel aus dem elektrischen Ofen herausgenommen, und die geschnittene Oberfläche der Probe des heißgepreßten Sinterkörpers wurde angeschaut. Als Ergebnis wurden überhaupt keine Korngrenzen gefunden. Dadurch wurde die Monokristallisation der Proben des heißge preßten Sinterkörpers bestätigt.

Die so erhaltenen Vibratoren wurden unter Verwendung einer Diamantklinge geschnitten und so ein rechtwinkliges Element mit einer Breite von 150 µm hergestellt. Dessen elek tromechanischer Kopplungskoeffizient K₃₃ wurde danach gemessen. Im Ergebnis wurde gefunden, daß der Wert von K₃₃ 81% war, und die Schwankung des Wertes war klein und war nicht höher als 2,5%.

In den Beispielen 2 und 3 wurden der Keramik-Sinterkörper und der Impf-Monokristall, die beide aus einem Material derselben Zusammensetzung bestanden, zur Bildung eines Monokristalls gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. In Beispiel 4 wurde ein SrTiO₃-Impfkristall mit Perowskit-Struktur verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Wenn beispielsweise ein MgO-Monokristall mit einer Gitterkonstante von 4,20 Å (0,420 nm) als Impfkristall verwendet wurde und Pb(Mg_1/3, Nb_2/3)O₃ mit einer Gitterkonstante von 4,041 Å (0,4041 nm) als Keramikmateri al verwendet wurde und die Monokristallisation durch Hitzebehandlung der Materialien in einem geschlossenen Gefäß durchgeführt wurde, war es möglich, die Monokristallisation in derselben Weise wie oben beschrieben zu erreichen.

Im Gegensatz dazu war dann, wenn PMN (4,04 Å; 0,404 nm) oder PSN (4,08 Å; 0,408 nm) in derselben Weise wie oben beschrieben hergestellt wurde, mit der Ausnahme, daß eine TiO₂-A-Fläche (4,59 Å; 0,459 nm) als Impfkristall verwendet wurde, das resultieren de Oxid, das nach der Hitzebehandlung erhalten wurde, polykrisallin, und es wurde die Bildung von Brüchen bemerkt. In diesem Fall war die Differenz der Gitterkonstante zwischen dem Impf-Monokristall und jedem der Keramik-Sinterkörper 13,6% bzw. 11,1%.

Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß es dann, wenn die Differenz der Gitterkon stante zwischen dem Impf-Monokristall und dem Keramik-Sinterkörper 10% übersteigt, unmöglich ist, unter Verwendung einer derartigen Kombination aus einem Impf-Monokri stall und einem Keramik-Sinterkörper einen Oxid-Monokristall zu erhalten, und es werden in dem resultierenden Monokristall Brüche bzw. Risse gebildet.

Wie aus den oben beschriebenen Ergebnissen ersichtlich ist, ist es bei Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung möglich, einen Monokristall zu erhalten, der frei von irgendwelchen Rissen oder Brüchen und Fremdmaterialien ist, selbst wenn der Kristall eine ausgedehnte Größe aufweist, und der in der Lage ist, stabile Eigenschaften selbst nach einer Polarisationsbehandlung zu zeigen.

In den vorgenannten Beispielen wurden (PMNT 68/32), (PSMNT 29/34/37) und (PZMN- STT 30/23/18/29) beispielhaft für die Erläuterung des Herstellungsverfahrens der vor liegenden Erfindung genannt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Materialien beschränkt, sondern es wurde gefunden, daß andere ähnliche Arten von piezoelektrischen Monokristallen, wie z. B. Pb{(Sc_1/2, Nb_1/2)_0,58Ti_0,42}O₃, Pb{(Sc_1/2, Ta_1/2)_0,55Ti_0,37}O₃, Pb{(Yb_1/2, Nb_1/2)_0,50}O₃ oder Pb{(In_1/2, Nb_1/2)_0,63Ti_0,37}O₃, nützlich sind zum Erhalt ähnlicher Wirkungen.

Wie oben erläutert, ist es deswegen, weil der elektromechanische Kopplungskoeffizient und die akustische Impedanz eines piezoelektrischen Monokristalls, der zur Herstellung eines piezoelektrischen Verbundkörpers verwendet wird, jeweils auf Werte eines spezifi schen Bereichs gemäß der vorliegenden Erfindung beschränkt sind, möglich, einen Ultraschall-Meßkopf bzw. eine Ultraschall-Sonde mit einer merkbar verbesserten Emp findlichkeit zu erhalten. Außerdem wäre dieses Material deswegen, weil der Ultraschall- Meßkopf, der gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten werden soll, breite charak teristische Band-Eigenschaften aufweist und gleichzeitig in der Lage ist, eine weite Dopp 01032 00070 552 001000280000000200012000285910092100040 0002019637397 00004 00913ler-Referenzfrequenz festzusetzen, sehr wirksam in der Verbesserung der diagnosti schen Möglichkeiten medizinischer Diagnosegeräte.

Es ist auch gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein Verfahren zur Herstellung eines Monokristalls ausgedehnter Größe zu schaffen, der frei ist von Rissen oder Fremd material und der in der Lage ist, stabile charakteristische Eigenschaften selbst nach der Polarisationsbehandlung des Materials zu zeigen. Der nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellende Monokristall ist nützlich insbesondere bei der Herstellung eines Vibrators für einen Ultraschall-Meßkopf bzw. eine Ultraschall-Sonde. Er kann jedoch auch nützlich für andere Anwendungen sein, z. B. Vorrichtungen für nicht zerstörende Tests, Kondensatoren, optische Materialien oder für andere Endanwendungen, bei denen ein monokristallines Material eingesetzt werden kann.

Claims

1. Ultraschall-Meßkopf bzw. Ultraschall-Sonde mit

- einem piezoelektrischen Verbundkörper (1), der in einer Form des 1-3-Typs oder des 2-2-Typs vorliegt, umfassend einen piezoelektrischen Monokristall und ein Harz; und
- Elektroden (3, 4), die mit dem piezoelektrischen Verbundkörper (1) verbunden sind;

wobei der piezoelektrische Monokristall an wenigstens einer der Flächen des piezo elektrischen Verbundkörpers (1) nach außen zeigt und der piezoelektrische Monokri stall ein Verhältnis der elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K₃₃/K_t von 1,6 oder mehr und das Harz eine akustische Impedanz Zp von 4 × 10⁶ kg/m²s oder weniger aufweisen.

2. Ultraschall-Meßkopf nach Anspruch 1, worin wenigstens einer der beiden Werte elektromechanischer Kopplungskoeffizient K₃₃ oder elektromechanischer Kopp lungskoeffizient K_t den Bedingungen K₃₃ ≧ 80% und K_t ≧50% genügt.

3. Ultraschall-Meßkopf nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die akustische Im pedanz Zp 1 × 10⁶ kg/m²s oder mehr beträgt.

4. Ultraschall-Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der piezoelektri sche Monokristall ein Oxid-Monokristall einer Perowskit-Verbindung ist, die durch ABO₃ wiedergegeben wird.

5. Ultraschall-Meßkopf nach Anspruch 4, worin A für Pb steht und B für {(B1, B2)_1-xTi_x} steht, worin B1 für wenigstens ein Element steht, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Zn, Mg, Ni, Sc, In und Yb; B2 für wenigstens ein Ele ment steht, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Nb und Ta; und x ein Wert ist, der in den Bereich von 0,05 bis 0,55 fällt.

6. Ultraschall-Meßkopf nach einem der Ansprüche 4 oder 5, worin das Verhältnis (A/B) zwischen dem A-Teil und dem B-Teil des Oxid-Monokristalls, der durch die Formel ABO₃ wiedergegeben wird, im Bereich von 1,00 bis 1,10 liegt.

7. Ultraschall-Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin das Harz ein Epoxid-Harz ist.

8. Ultraschall-Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Elektrode nur auf der Seite angebracht ist, auf der der piezoelektrische Monokristall nach außen zeigt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls für einen Ultraschall-Meßkopf bzw. eine Ultraschallsonde, umfassend die Schritte, daß man

- eine flache glatte Oberfläche eines Keramik-Sinterkörpers (32), der wenigstens eine flache glatte Fläche aufweist, mit einer flachen glatten Oberfläche eines Impf-Monokristalls (3) in Kontakt bringt, der wenigstens eine flache glatte Fläche und eine Gitterkonstante aufweist, die von derjenigen des Keramik-Sinterkörpers (32) um nicht mehr als ±10% abweicht, wodurch man einen Verbundkörper erhält, der aus dem Keramik-Sinterkörper (32) und dem Impf-Monokristall (3) besteht und eine Sinterdichte von nicht weniger als 99% aufweist, bezogen auf die theoretische Dichte; und
- den Verbundkörper in einem geschlossenen, mit einer Bleiatmosphäre gefüllten Gefäß (35) auf eine Temperatur von 1.000 bis 1.450°C erhitzt;

wobei der Keramik-Sinterkörper (32) aus einer Verbund-Perowskit-Verbindung besteht, die durch die folgende allgemeine Formel (1)
Pb{(B1, B2)_1-xTi_x}O₃
wiedergegeben wird, in der x einen Wert aufweist, der im Bereich von 0 bis 0,55 liegt; B1 für wenigstens ein Element steht, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Zn, Mg, Ni, Sc, In und Vb; und B2 für wenigstens ein Element steht, das gewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Nb und Ta.

10. Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls nach Anspruch 9, worin die Verbund-Perowskit-Verbindung wiedergegeben wird durch ABO₃ und worin das Verhältnis (A/B) zwischen dem A-Teil und dem B-Teil in der Verbund-Perowskit- Verbindung im Bereich von 1,00 bis 1,10 liegt.

11. Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls nach Anspruch 9 oder An spruch 10, worin die Zusammensetzung des Impf-Monokristalls identisch ist mit der Zusammensetzung der Verbund-Perowskit-Verbindung.

12. Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin der molare Anteil x in der allgemeinen Formel (1) im Bereich von 0,05 bis 0,55 liegt.

13. Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls nach einem der Ansprüche 9 bis 12, worin der Keramik-Sinterkörper eine erste Schicht mit einer flachen glatten Fläche, die in Kontakt gebracht werden soll mit der flachen glatten Fläche des Impf-Monokristalls, und eine zweite Schicht aufweist, die auf der ersten Schicht angeordnet ist und eine größere Oberfläche als diejenige der ersten Schicht auf weist.

14. Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls nach Anspruch 13, worin die zweite Schicht aus einer Mehrzahl von säulenförmigen Keramikmaterialien gebil det ist, die systematisch in der Weise angeordnet sind, daß ein Raum zwischen der Mehrzahl von säulenartigen Keramikmaterialien gelassen wird.

15. Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Monokristalls nach Anspruch 13, worin die zweite Schicht aus einer Mehrzahl von streifenförmigen Keramikmaterialien gebil det ist, die systematisch in der Weise angeordnet sind, daß ein Raum zwischen der Mehrzahl von streifenartigen Keramikmaterialien gelassen wird.

16. Verwendung eines nach dem Verfahren der Ansprüche 9 bis 15 herstellbaren Oxid-Monokristalls in einem Ultraschall-Meßkopf bzw. einer Ultraschall-Sonde.