高周波トランスデューサ用途向けに粒径を小さくした配向ピエゾセラミックス

より鮮明な画像のための鋭い音

超音波検査は現代医療の基本であり、手術や放射線を使わずに医師がリアルタイムで体内を観察できる手段を提供します。より微細な構造—細い血管、早期の腫瘍、繊細な眼球構造—を明らかにするには、超音波装置はますます高い周波数で動作する必要があります。しかし、各プローブの中心部にある電気信号と音を相互に変換する“スマート”セラミックは、非常に高い周波数に適するほど薄くすると性能を大きく失いがちです。本研究は、有力なピエゾ材料の内部結晶粒構造を注意深く縮小することで、極薄層でも性能を保持できることを示し、より鋭く小型の超音波機器の道を拓きます。

内部の構成要素が重要な理由

超音波プローブに使われるセラミックスはピエゾ電気性を示します：圧力を受けると電気を生み、電圧をかけると形状が変わります。高周波イメージング—約20メガヘルツ以上—では、トランスデューサの能動セラミック層は髪の毛より薄くなければなりません。多くの小さな結晶が同じ方向を向くように設計された従来の“配向”セラミックスは、単結晶に匹敵する性能を示しつつ製造コストはずっと低くできます。しかしそれらの粒子は通常かなり大きく、数十マイクロメートルに達します。セラミックを高周波用の厚さまで研磨すると、損傷した表面層や内部応力が各粒に占める割合が大きくなり、内部領域が電気分極を反転・回転させにくくなります。その結果、音と電気の変換能力が急激に低下する――これが厚さスケーリング効果として知られる問題です。

より小さく、より整列した粒を作る

研究者たちはこの問題に根本から取り組み、セラミックをボトムアップで再設計しました。彼らは先進的な超音波機器で広く使われる高性能材料、PMN–PTに着目しました。粒子の成長と配向を制御するために、チタン酸バリウムの薄板状微粒子をテンプレートとして用いました。溶融塩中で温度と処理時間を慎重に下げた改良された“トップケミカル”プロセスにより、テンプレートは約2.7マイクロメートルという従来の半分以下の長さで得られました。こうした小型テンプレートをPMN–PT粉末に混ぜてセラミック化すると、生成された配向粒子の平均は約7.8マイクロメートルとなり、比較対象の配向材料に比べて50%以上小さくなりました。重要なのは、粒子は依然として所望の方向に非常によく整列しており、単結晶に近い特性を与えている点です。

薄くしても維持される高性能

粒径を抑えた上で、研究チームは新しいセラミックを500マイクロメートルから75マイクロメートルまで段階的に薄くしたときの挙動を測定しました。新しい微細粒配向セラミックと従来の粗粒配向セラミックはいずれも厚い状態では優れたピエゾ応答を示し、類似の非配向セラミックのおよそ4倍の性能を示しました。しかし厚さが減るにつれて両者は異なる挙動を示しました。従来材料では、主要なピエゾ係数と誘電率が最薄で約3分の1低下し、エネルギー損失も目立って増加しました。対照的に粒径を小さくしたセラミックでは、これらの指標はわずか10〜13%程度しか低下せず、損失も低いままでした。分極ループや微視的観察からは、微細粒材料では表面損傷があっても内部領域が容易に分極方向を切り替えられるのに対し、従来の大きな粒ではピン止めや部分的脱分極が起きやすいことが示されました。

微視的な仕組みを覗く

なぜ小さな粒子がこれほど有利に働くのかを理解するため、著者らは粒内部と粒界の役割を分けて、微小な分極壁の移動のしやすさを調べました。電気的試験では、粒のコアは両材料でほぼ同じように導電する一方で、微細粒セラミックはより高抵抗でガラス様の粒界領域を持つことが示されました。通常、粒界面積が増えることは性能に不利に働きます。しかし詳細な“レイリー”解析とナノスケールの力学顕微鏡観察により、分極の異なる領域間の内部境界であるドメイン壁が小さな粒子内でより自由に動くことが分かりました。この余分な可動性が増加した粒界面積の不利を上回り、厚さを大幅に薄くしても現実的な電界下で完全な分極を可能にしました。要するに、内部構造単位を縮小することは、表面欠陥や残留応力に対してより鈍感なドメインネットワークを作り出したのです。

より鮮明で小型の超音波機器へ

この研究は、微視的な粒構造を設計することで、非常に高い周波数の超音波に必要な薄さでも単結晶に近い性能を維持する配向ピエゾセラミックスを作れることを示しています。粒径を小さくしたPMN–PTセラミックスは、強い電気機械結合、大きなひずみ、安定した挙動を20メガヘルツ以上のトランスデューサに適した厚さまで維持します。テンプレート戦略は確立されたセラミック加工法と適合し、他の先進ピエゾ組成にも拡張可能なため、信号強度や信頼性を犠牲にすることなく、より深くかつ微細な構造を観察できる小型プローブへの実用的な道を提供します。

引用: Xiao, Y., Yang, S., Wang, M. et al. Textured piezoelectric ceramics with reduced grain size for high-frequency transducer applications. Nat Commun 17, 3750 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70360-z

キーワード: ピエゾセラミックス, 超音波トランスデューサ, 粒径設計, 高周波イメージング, 配向材料