JP2010076996A - セラミックスと金属との接合体、フィードスルー、生体配置用装置、および接合体の作製方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁物と導体ピンとの接合状態の信頼性と、生体の安全性との双方を、同時に確保する。
【解決手段】
セラミック体と金属体との接合体であって、セラミック体の表面に設けられた、Ｐｔを主成分としＴｉを含有するメタライズ層と、前記メタライズ層上に設けられた、Ａｕを主成分として含む金属ロウと、を備え、前記メタライズ層と前記金属ロウとを介して、前記セラミック体と前記金属体とが接合されていることを特徴とする、セラミックスと金属との接合体を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックスと金属との接合体、フィードスルー、生体配置用装置、および接合体の作製方法に関する。

現在、人体の心臓の動きの異常を矯正する埋め込み型ペースメーカーや、埋め込み型心臓細動除去器などが、実際に人体に適用されている。例えば埋め込み型ペースメーカーでは、バッテリや回路基板等が内蔵されたケーシングにフィードスルー端子が設けられ、このフィードスルー端子の電極と、心臓の適切な場所に外科的に接続されたリード線とが接続される。かかるフィードスルーに要求される性能として、体液がケーシング内に侵入して回路基板やバッテリに付着し、ペースメーカーの動作の不具合を生じさせないこと、生体との適合性の高い安全な材質で構成されていること、等が挙げられる。特許文献１にはフィードスルーの一例が開示されている。特許文献１記載のフィードスルー２００では、図５に示すように、アルミナからなる絶縁物２０２に設けられた複数の貫通孔２００ａに、例えば金からなる導体ピン２０４が挿通されている。フィードスルー２００の絶縁物２０２の上面には、面取部２０６が設けられている。この面取部２０６には、例えば金を含むろう材層２０８がスパッタリングによって形成されており、このろう材層２０８によって絶縁物２０２とピン２０４とが接合されている。
特開２００５―４０５８５号公報

特許文献１記載のフィードスルーでは、絶縁物２０２と導体ピン２０４とが、スパッタリングによって形成されたろう材層２０８によってのみ接合されており、導体ピン２０４に外力が加わることで、絶縁物２０２と導体ピン２０４との接合状態が悪化し易い。この場合、絶縁物２０２の貫通孔２０２ａを介してケーシング内に体液が侵入することもある。また、特許文献１では、このろう材層２０８による接合の強度を高めるため、ろう材を形成するに先がけて、チタンーモリブテンメタライズ層を形成することも提案されている。しかし、モリブテンは生体に必ずしも適しているとはいえず、このようなメタライズ層で接合強度を確保した場合の、人体の安全性は確保されていない。特許文献１記載のフィードスルーでは、絶縁物と導体ピンとの接合状態の信頼性と、生体の安全性との双方を、同時に確保することができない。本願発明は、かかる課題に鑑みてなされたものである。

かかる課題を解決するため、本願発明では、セラミック体と金属体との接合体であって、セラミック体の表面に設けられた、Ｐｔを主成分とし、Ｔｉが含有されたメタライズ層と、前記メタライズ層上に設けられた、Ａｕを主成分として含む金属ロウと、を備え、前記メタライズ層と前記金属ロウとを介して、前記セラミック体と前記金属体とが接合されていることを特徴とする、セラミックスと金属との接合体を提供する。

なお、前記セラミック体は、アルミナを主成分とすることが好ましい。また、前記金属体は、Ｐｔを主成分とすることが好ましい。また、前記メタライズ層は、Ｔｉ含有量が３．５％質量以上６．０質量％以下であることが好ましい。

また、前記セラミック体は、一方主面から他方主面に延びる貫通孔を備え、前記金属体は前記貫通孔に挿通されており、前記金属体が、前記貫通孔の内面に被着された前記メタライズ層および前記金属ロウを介して、前記セラミック体に接合されていることが好ましい。

本発明は、また、上述のセラミックスと金属体との接合体を備えて構成された、前記金属体を電極端子とするフィードスルーも、併せて提供する。

本発明は、また、上記フィードスルーと、前記フィードスルーの前記金属体を介して電気エネルギーを送る送電部と、前記送信部からの電気エネルギ―を受け取る受電部と、を備えたことを特徴とする生体配置用装置も、併せて提供する。

本発明は、また、セラミック体の表面に、セラミック体の表面に、Ｐｔを主成分とし、Ｔｉが含有された金属膜を形成する工程と、前記金属膜の表面に、金属ロウを介して金属体を接合する工程と、を有することを特徴とする接合体の作製方法を、併せて提供する。

なお、前記金属膜を形成する工程では、Ｐｔ粉末とＴｉ粉末とが少なくとも混合されてなるペーストを焼成して前記金属膜を生成し、各粉末の合計量に対するＴｉ粉末の割合が、３．５％質量以上６．０質量％以下であることが好ましい。

本発明のセラミックスと金属との接合体は、人体との適合性が比較的高い材質のみで、セラミックスと金属とを比較的強固に接合することができる。本発明のフィードスルーは、例えばハートペーサーなどの生体配置用装置に用いた場合、絶縁物と導体ピンとの接合状態の信頼性と、生体の安全性との双方を、同時に確保することができる。また、本発明の生体配置用装置は、動作の信頼性が比較的高く、かつ生体の安全性も比較的高い。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明のフィードスルーの一実施形態であるフィードスルー１０の概略断面図、図１（ｂ）はフィードスルー１０の概略上面図である。

本実施形態のフィードルルー１０は、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするセラミック体１２と、Ｐｔからなる導体ピン１４と、Ａｕ等の生体適合性を有する金属からなるハウジング１８とを有して構成されている。フィードスルー１０は、例えば後述するハートペーサー３０に備えて用いられる。

セラミック体１２は、アルミナを主成分とするセラミック焼結体からなり、上面から下面に向かって貫通する貫通孔１２ａが、複数設けられている。セラミック体１２のアルミナの含有割合は、例えば９０質量％以上であることが好ましい。

貫通孔１２ａの内周面には、Ｐｔを主成分としＴｉが含有されたメタライズ層２２が設けられ、このメタライズ層２２上にＡｕを主成分として含む金属ロウ２４が設けられている。導体ピン１４はＰｔを主成分とし、メタライズ層２２と金属ロウ２４とを介して、セラミック体１２と接合されている。金属ロウ２４は、例えばＡｕを９０質量％以上含有している。なお、メタライズ層は、Ｐｔ以外でもＰｄなど、良好な生体適合性をもち、Ｐｔと同様な性質をもつ物質を主成分としていてもよい。

メタライズ層２２は、例えば、従来周知の厚膜ペースト法を用い、セラミック体１２の貫通孔１２ａの内周面に形成すればよい。具体的には、例えば、Ｐｔ粉末とＴｉ粉末とを所定量計量し、エチルセルロースなどのバインダーをテルピネオールなどの有機溶剤で溶剤したビヒクルと、上記の各粉末とをミキサーで混合し、ペーストを作成する。作成したこのペーストを、ピン状の治具などを用いて、セラミック体１２の貫通孔１２ａ内に塗布し、大気雰囲気または真空雰囲気で焼成してメタライズ層２２を形成すればよい。これら、Ｐｔ粉末とＴｉ粉末の配合割合、ひいてはメタライズ層２２における含有割合は、（９４〜９６．５）質量％Ｐｔ−（３．５〜６．０）質量％Ｔｉが好ましい。

なお、各元素の含有割合（質量％）は、例えば走査型電子顕微鏡装置を用いて行う、従来公知のＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析法）によって求めることができる。例えば、ＥＤＡＸ社製ＰＨＯＥＮＩＸを用い、加速電圧１５ｋＶで各原子に対応するスペクトルを求め、各原子に対応するスペクトル強度から算出することができる。

ハウジング１８は、フィードスルー１０と、例えば後述するハートペーサーのケーシングと、を接合するための部位である。ハウジング１８も、例えばＡｕ等の生体適合性が比較的高い金属で構成されている。フィードスルー１０は、Ｐｔを主成分とする導体ピン１２ａ、Ｐｔを主成分としＴｉを含有するメタライズ層２２、Ａｕを主成分とする金属ロウ２４、のいずれもが生体適合型の金属で構成されており、例えばハートペーサーなどの生体配置用装置に用いられたとしても、係る装置は配置された人体に与える影響は比較的少ない。

また、フィードスルー１０のメタライズ層２２は、Ｐｔを主成分としＴｉを含有する、アルミナからなるセラミック体１２との接合強度が比較的高い。

Ｔｉは活性金属であり、メタライズ層２２に含まれるＴｉはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなるセラミック体１２へと拡散し、セラミック体１２とメタライズ層２２との界面に酸化チタン（ＴｉＯ）の層を形成する。この層が密着層となり、メタライズ層２２は、アルミナからなるセラミック体１２と比較的強固に接合する。ただし、ＴｉはＰｔとも反応し、Ｔｉ_３Ｐｔ、ＴｉＰｔ等の比較的硬い金属間化合物も生成する。Ｔｉが比較的多くなると、メタライズ層２２内にこのような金属間化合物が比較的多く生成される。メタライズ層２２内の、このような金属間化合物の生成量が多大になると、メタライズ層２２自体の機械的強度は低下し易い。セラミック体１２とメタライズ層２２との接合強度を比較的強固にし、かるメタライズ層２２自体の強度を比較的強くするには、メタライズ層２２におけるＴｉの含有割合が３．５〜６．０質量％であることが好ましい。

また、フィードスルー１０では、図１に示すように、セラミック体１２の貫通孔１２ａの内周面の全体にメタライズ層２２が設けられ、このメタライズ層２２の上面に金属ロウ２４が形成され、メタライズ層２２と金属等２４とを介してセラミック体１２と導体ピン１４とが接合されている。フィードスルー１０では、導体ピン１４とセラミック体１２との接合面積が比較的高く、導体ピン１４とセラミック体１２との接合強度は比較的高い。なお、メタライズ層２２は、貫通孔１２ａの内周面全体に設けられている必要はなく、貫通孔１２ａの内面の一部に設けられていればよい。セラミック体１２と導体ピン１４との接合強度を比較的高くするには、貫通孔１２ａの内周面の５０％以上の領域に、メタライズ層２２が被着されていればよい。

なお、生体適合性が比較的高い金属とは、体の細胞組織および血液に触れても、体の免疫反応、特に血栓形成および繊維化細胞組織による電極のカプセル化が少ない金属であり、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Nb、B等が挙げられる。

図２は、本願発明の生体配置用装置の一実施形態であって、図１に示すフィードスルー１０を備えて構成されたハートペーサー３０の概略断面図である。

ハートペーサー３０は、内部にバッテリ４２、回路基板４４、ＥＭＩフィルタ４６、等を内蔵し、上側壁面にフィードスルー１０が固定された下部ケース４０と、フィードスルー１０の導体ピン１４と接続したリード線５２が内部を通過するとともに、フィードスルー１０の他の導体ピン１４と接続したアンテナ５４とが内部に配された上部ケース５０とが組み合わされた構成となっている。

下部ケース４０は例えばＴｉからなり、上側の壁面にフィードスルー１０が固定されている。フィードスルー１０のハウジング１８と下部ケース４０とが接合されて、下部ケース４０にフィードスルー１０が固定されている。下部ケース４０内には例えばＬｉイオンバッテリからなるバッテリ４２と、このバッテリ４２と接続されて所定の電気信号を発生する回路基板４４と、例えばテレビの送信機、携帯電話、電波塔などからの電磁波等に起因するＥＭＩを除去するためのＥＭＩフィルタ４６等が内蔵されている。これらバッテリ４２、回路基板４４、およびＥＭＩフィルタ４６は、下部ケース４０およびフィードスルー１０によって、血液等の体液と分離されている。

フィードスルー１０では、セラミック体１２の貫通孔１２ａに導体ピン１４が挿通されており、導体ピン１４を介して下部ケース４０内部の回路基板４４と、上部ケース５０を通過するリード線５２とが物理的および電気的に接続されている。リード線５２は、人体の心臓の所定位置に電気的に接続されており、回路基板４４から発せられて導体ピン１４を介して供給された電気信号を、人体の心臓の所定位置まで導く。上部ケース５０には、アンテナ５４も配置されており、このアンテナ５４も、フィードスルー１０の導体ピン１４を介して、下部ケース４０内の回路基板４４と接続されている。

アンテナ５４は、ハートペーサー３０の動作状態を表すデータ、ハートペーサー３０の動作条件を調整するためのデータ、ハートペーサー３０を装着している人体の現在の健康状態を表すデータなど、種々のデータを外部の通信装置とやり取りする。アンテナ５４も、フィードスルー１０の導体ピン１４を介して、下部ケース４０内の回路基板４４と接続されており、回路基板４４からの信号を発信するとともに、外部の通信装置から送られた信号を受信して回路基板４４に送る。アンテナ５４は、例えばセラミック基板６２の表面に導体パターン６４が配されて構成されている。アンテナ５４をかかる構成とすると、例えば金属ワイヤによってアンテナを構成した場合等と比較し、製造工程が簡略化し、低コストでハートペーサーを作製することができるとともに、金属ワイヤの曲げ加工等にともなってフィードスルーの導体ピンに外力が付加されることも防ぐことができる。

上述のように、フィードスルー１０は、生体適合性の高い金属材料のみで構成されており、人体に配置した場合であっても、人体に対する安全性は比較的高い。また、フィードスルー１０では、導体ピン１４とセラミック体１２との接合強度は比較的高く、例えばハードペーサー３０を装着した人物が、長期間に渡って継続的に激しい動作を繰り返した場合などでも、導体ピン１４とセラミック体１２との接合状態を良好に維持しておくことができる。

本実施形態のフィードスルー１０は、例えば以下に示す方法で作製すればよい。

まず、例えばアルミナを主成分とするセラミック体１２を準備し、このセラミック体１２にメタライズ層２２を形成する。なお、セラミック体１２は、アルミナ粉末をプレス成型した後焼成する、公知の手法によって作製することができる。なお、セラミック体の材質についてはアルミナであることに限定されないが、生体適合性を考慮すると、アルミナ、チタン酸バリウム、ジルコニア、チッカ珪素、等が好ましい。

セラミック体２２の形成（メタライズ処理）には、従来周知の厚膜ペースト法を利用することができる。例えば、Ｐｔ粉末とＴｉ粉末とを所定量計量し、エチルセルロースなどのバインダーをテルピネオールなどの有機溶剤で溶剤したビヒクルと、上記の各粉末とをミキサーで混合し、ペーストを作成する。作成したこのペーストを、ピン状の治具などを用いて、セラミック体１２の貫通孔１２ａ内に塗布し、大気雰囲気で焼成してメタライズ層２２を形成すればよい。

より具体的には、例えば、焼成炉を用いて、大気雰囲気または真空雰囲気で例えば１１００〜１５００℃で３０分以上熱処理を行い、メタライズ層２２を得る。

次に、Ａｕを主成分として含む金属ロウ２４を介して、メタライズ層２２と導体ピン１４とを接合する。この際、例えば、メタライズ層２２が内周面に設けられた貫通孔１２ａに導体ピン１４を挿通した状態で、導体ピン１４とメタライズ層２４との間隙に、加熱して溶融させた金属ロウ２４を流しこむことで、フォードスルー１０を得る。

図３は、フィードスルー１０における、メタライズ層２２と金属ロウ２４との接合強度についての確認実験の結果を示すグラフであり、メタライズ層におけるＴｉ含有割合（質量％）に対する、Ｐｔ導体線の接合強度の関係を示している。図４は、図３に示すグラフの確認実験について説明する概略斜視図である。

この確認実験では、まず、図４に示すように、アルミナ基板１００の主面に、ＰｔにＴｉを含有してなるメタライズ層１０２を形成し、Ａｕを主成分とする金属ロウ１０４を介してＰｔ導体線１０６を接合した構造体を作製した。この構造体について、引っ張り試験を行った。なお、Ｐｔ導体線１０６の直径は０．４ｍｍで、Ｐｔ含有量は９９．９９％のものを用いた。

図３は、メタライズ層１０２におけるＴｉの含有量を変化させた場合それぞれについて、Ｐｔ導体線１０６がアルミナ基板１００から離間した際、またはＰｔ導体線１０６が破断した際の引張強度の大きさを示している。

実験の結果、Ｔｉが３．０質量％以下までは、メタライズ層１０２とアルミナ基板１００との界面から、メタライズ層１０２が剥離した。Ｔｉが３．５質量％以上になると、メタライズ層１０２とアルミナ基板１００との接合強度は飛躍的に高まり、Ｐｔ導体線１０６が破断しても、アルミナ基板１００、メタライズ層１０２、金属ロウ２４、Ｐｔ導体線１０６の接合状態は、維持されたままだった。Ｔｉが６．５質量％より多くなると、メタライズ層１０２自体が崩れるように剥がれた。実験から、メタライズ層１０２におけるＴｉの含有割合が３．５〜６．０質量％であると、アルミナ基板１００とメタライズ層１０２との接合強度が比較的強固になり、かかるメタライズ層１０２自体の強度が比較的強くなることがわかった。

以上、本発明のセラミックスと金属との接合体、フィードスルー、生体配置用装置、および接合体の作製方法について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

（ａ）は、本発明のフィードスルーの一実施形態の概略上面図、（ｂ）は概略断面図である。 図１に示すフィードスルーを備えて構成されたハートペーサーの概略断面図である。 図１および図２に示すフィードスルーにおける、メタライズ層と金属ロウとの接合強度についての確認実験の結果を示すグラフである。 図３に示すグラフの確認実験について説明する概略斜視図である。 従来のフィードスルーの一例の概略断面図である。

符号の説明

１０ フィードスルー
１２ セラミック体
１２ａ 貫通孔
１４ 導体ピン
１８ ハウジング
２２ メタライズ層
２４ 金属ロウ
３０ ハートペーサー
４０ 下部ケース
４２ バッテリ
４４ 回路基板
４６ ＥＭＩフィルタ
５２ リード線
５４ アンテナ
１００ アルミナ基板
１０２ メタライズ層
１０４ 金属ロウ

Claims (9)

1. セラミック体と金属体との接合体であって、
   セラミック体の表面に設けられた、Ｐｔを主成分とし、Ｔｉが含有されたメタライズ層と、
   前記メタライズ層上に設けられた、Ａｕを主成分として含む金属ロウと、を備え、
   前記メタライズ層と前記金属ロウとを介して、前記セラミック体と前記金属体とが接合されていることを特徴とする、セラミックスと金属との接合体。
2. 前記セラミック体は、アルミナを主成分とすることを特徴とする請求項１記載のセラミックスと金属との接合体。
3. 前記金属体は、Ｐｔを主成分とすることを特徴とする請求項１または２記載のセラミックスと金属との接合体。
4. 前記メタライズ層は、Ｔｉ含有量が３．５％質量以上６．０質量％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合体。
5. 前記セラミック体は、一方主面から他方主面に延びる貫通孔を備え、
   前記金属体は前記貫通孔に挿通されており、
   前記金属体が、前記貫通孔の内面に被着された前記メタライズ層および前記金属ロウを介して、前記セラミック体に接合されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックスと金属との接合体。
6. 請求項５に記載のセラミックスと金属体との接合体を備えて構成された、
   前記金属体を電極端子とするフィードスルー。
7. 請求項６記載のフィードスルーと、前記フィードスルーの前記金属体を介して電気エネルギーを送る送電部と、前記送信部からの電気エネルギ―を受け取る受電部と、を備えたことを特徴とする生体配置用装置。
8. セラミック体の表面に、Ｐｔを主成分とし、Ｔｉが含有された金属膜を形成する工程と、
   前記金属膜の表面に、金属ロウを介して金属体を接合する工程と、
   を有することを特徴とする接合体の作製方法。
9. 前記金属膜を形成する工程では、Ｐｔ粉末とＴｉ粉末とが少なくとも混合されてなるペーストを焼成して前記金属膜を生成し、
   各粉末の合計量に対するＴｉ粉末の割合が、３．５％質量以上６．０質量％以下であることを特徴とする請求項８記載の接合体の作製方法。

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