JP2010150076A - セラミック体と金属との接合体、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

セラミック体と金属との接合体、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。 Download PDF

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【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、セラミック体と金属との接合体を提供する。
【選択図】図1

Description

本発明は、セラミック体と金属との接合体、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4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、Auを主成分とし、PtおよびTiが含有されたメタライズ層を備え、前記メタライズ層を介して、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、セラミック体と金属との接合体を提供する。
また、上述のセラミック体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を併せて提供する。
また、上述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を、併せて提供する。
また、セラミック体の表面に、Auを主成分とし、PtおよびTiが含有された金属膜を形成する工程と、前記金属膜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。
本発明のセラミック体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、セラミック体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)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、Auを主成分とし、PtおよびTiが含有されたメタライズ層22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を介して、セラミック体12と接合されている。また、セラミック体12表面には、貫通孔12aの端部近傍に、導体ピン14の少なくとも一部を覆う金属ロウ24が設けられている。金属ロウ24は、貫通孔12aの端部に露出したメタライズ層22と接合し、また導体ピン14とも接合している。金属ロウ24は、貫通孔12aの端部をより確実に閉塞するとともに、導体ピン14を、セラミック体12に対してより強固に結合する。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含有していてもよい。
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、Au粉末と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、Au粉末と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、(40〜90)質量%Au−(5.0〜40)質量%Pt−(1.0〜15)質量%Tiが好ましい。なお、メタライズ層22の融点を、例えば1500℃未満など、比較的低い温度としておくには、Ptは例えば40質量%未満としておくことが好ましい。
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、Auを主成分としPtおよび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、Auを主成分としてPtおよびTiを含有してなり、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)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、TiPt、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、メタライズ層22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。メタライズ層22は、Auを主成分としてPtおよびTiを含有してなり、融点が1100℃未満と、例えばPtの融点である約1400℃よりも低い。メタライズ層22が内面に形成された貫通孔12aに、Ptからなる導体ピン14を挿通した状態で、例えば1100℃〜1200℃に昇温すると、導体ピン14は形状を維持したまま、メタライズ層22のみが溶融して貫通孔12aの内周面全体に濡れ広がる。このように作製されたフィードスルー10は、導体ピン14のセラミック体12に対する接合強度が比較的高い。
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。
メタライズ層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、Au粉末と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、メタライズ層22が内面に形成された貫通孔12aに、Ptからなる導体ピン14を挿通して、例えば1100℃〜1200℃に昇温し、導体ピン14を、メタライズ層22を介してセラミック体12に接合する。この際、導体ピン14は形状を維持したまま、メタライズ層22のみが溶融して貫通孔12aの内周面全体に濡れ広がる。このように作製されたフィードスルー10は、導体ピン14のセラミック体12に対する接合強度が比較的高い。
この後、貫通孔22の端部近傍に、Auを主成分とする金属ロウ24を設ける。この際、例えば、貫通孔12aに導体ピン14を挿通した状態で、貫通孔12aの端面に露出したメタライズ層24と導体ピン14との双方に被着するよう、加熱して溶融させた金属ロウ24を塗布し、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、セラミック体12と導体ピン14との接合強度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3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、このメタライズ層102を介して略円柱状のPt部材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部材の接合面の直径は0.4mmで、Pt含有量は99.99%のものを用いた。メタライズ層102にPt部材106を当接した状態で、例えば1160℃まで昇温させ、Pt部材106とアルミナ基板100とをメタライズ接合させた。
この結果、例えばTi:7.0%、Pt:9.3%、Au:83.7%とした場合、接合強度は約122Nと、実用に耐え得る比較的高い強度を達成することができた。また、例えばTi:9.0%、Pt:18.2%、Au:72.8.%とした場合、接合強度は約141Nと、実用に耐え得る比較的高い強度を達成することができた。また、例えばTi:7.0%、Pt:27.9%、Au:65.1%とした場合も、接合強度が約153Nと、実用に耐え得る比較的高い強度を達成することができた。
以上、本発明のセラミック体と金属との接合体、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断面図、(b)は概略上面図である。 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。 本発明のセラミック体と金属との接合体の接合強度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、
    前記セラミック体と前記金属体とが、Auを主成分とし、PtおよびTiが含有された接合層を介して接合されていることを特徴とするセラミック体と金属との接合体。
  2. 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記載のセラミック体と金属との接合体。
  3. 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または2記載のセラミック体と金属との接合体。
  4. 前記接合層は、Au含有割合が40質量%以上かつ90質量%、Pt含有割合が1.0質量%以上かつ15質量%、Ti含有割合が3.5質量%以上かつ6.0質量%以下、を満たす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体と金属との接合体。
  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、
    前記金属体が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接合層を介して、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体と金属との接合体。
  6. 前記セラミック体表面には、前記貫通孔の端部近傍に、前記金属体の少なくとも一部を覆うAuロウ部材が設けられていることを特徴とする、請求項5記載のセラミック体と金属との接合体。
  7. 請求項1〜6のいずれかに記載のセラミック体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。
  8. 請求項7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。
  9. セラミック体の表面に、Auを主成分とし、PtおよびTiが含有された金属膜を形成する工程と、
    前記金属膜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。
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