JP2002112393A

JP2002112393A - 熱膨張率の異なる物体の結合体とそれを用いた超音波送受信器

Info

Publication number: JP2002112393A
Application number: JP2000303341A
Authority: JP
Inventors: Hideki Morozumi; 英樹両角; Daisuke Betsusou; 大介別荘; Takeshi Nagai; 彪長井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-10-03
Filing date: 2000-10-03
Publication date: 2002-04-12

Abstract

(57)【要約】【課題】熱膨張率の異なる二つの物体の結合体におい
て、その結合品質を向上する。【解決手段】熱膨張率の異なる第一の物体２と第二の
物体４を複数の接合手段５、６、７を介して接合すると
ともに、前記複数の接合手段のうち、少なくとも一つの
接合手段は凸凹を持つ構成としてあり、接合手段間に存
在する凸凹面が熱膨張収縮によって生じる接合手段間の
界面にかかる応力の方向を分散させるので、第一の物体
と第二の物体の接合部にかかる応力を低減し、反りやひ
び、剥がれ等の生じない高品質の結合体を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラスと金属など
熱膨張率が異なる材料を接合して構成した結合体及びそ
れを用いた超音波送受信器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にガラスと金属など熱膨張率が異な
る材料を接合して構成した結合体として種々の物がある
が、そのひとつに超音波送受波器がある。

【０００３】例えば超音波送受波器は、図１１に示すよ
うに圧電振動子５１を接着剤５２で金属ケース５３内面
に接着し、更に前記金属ケース５３の外面に接着剤５４
で音響整合部材５５を接着して一つの結合体としてあ
る。そして上記圧電振動子５１はセラミック材料、金属
ケース５３はステンレス、更に音響整合部材５５はガラ
スバルーン５６を混合して固めたエポキシ樹脂と、それ
ぞれ熱膨張率の異なる材料で構成してあり、これらを結
合一体化する接着剤５２、５４はエポキシ樹脂で構成し
てある。

【０００４】上記構成から成る超音波送受波器は、電極
５７、５８より電力を供給すると、圧電振動子５１が約
５００kHzで振動し、接着剤５２、金属ケース５３、接
着剤５４を介して、この振動（音）を音響整合部材５５
に伝搬する。そして音響整合部材５５は圧電振動子５１
の振動（音）を被測定物である気体、液体、固体などの
物質へ伝搬する。なお、ここで、接着剤５２、５４と金
属ケース５３の厚さは、振動（音）の波長に比べ十分に
小さいものであり、理論的には振動（音）の透過、反射
を無視できるようにしてある。

【０００５】また音響整合部材５５は圧電振動子５１の
振動（音）を被測定物である気体、液体、固体などの物
質へ効率的に伝搬させるため理想的には次の考え方から
求めている。。

【０００６】すなわち、物質の音響インピーダンスは密
度×音速で求められる。空気の音響インピーダンスＺ
_AIRは約４２８kg/m²sec、振動子である圧電振動子の音
響インピーダンスＺ_PZTは約３０×１０⁶kg/m²secであ
る。圧電振動子から空気中へ超音波を放射する場合、両
者の音響インピーダンスの差により音の反射が発生し、
空気中への音の放射効率が低下する。これを改善するた
めに用いるものが音響整合部材である。音の反射がない
理想的な音響整合部材の音響インピーダンスＺ_Mは、

【０００７】

【数１】

【０００８】から理論的に求められる。上記のＺ_PZT及
びＺ_AIRの値を用いると、Ｚ_Mは約０．１１×１０⁶kg/m²
ｓとなる。このような理想な音響インピーダンスを持つ
音響整合部材を得るため、音響整合部材を構成する材料
は、密度が小さく、音速が遅いことが必要である。

【０００９】以上のことから、従来の音響整合部材は、
密度の小さい樹脂材料を用いたり、樹脂材料にガラスバ
ルーン５６などを用いて空隙を設け、より密度の小さい
構成としている。よって、音響整合体は機械的強度の弱
いものとなっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】さて、このように熱膨
張率の異なる圧電振動子５１、金属ケース５３、音響整
合部材５５等の複数物体の結合体から成る超音波送受波
器は、圧電振動子５１、金属ケース５３、音響整合部材
５５の熱膨張率が異なるため、被測定物質にふれる等し
て温度変化すると音響整合材料５５と金属ケース５３と
の接合が剥がれたり、機械的強度の弱い音響整合部材に
ひびが入ったり、あるいは音の波長に比べ十分に小さい
厚さに設定した金属ケース５３が反ったりする。そして
この反りやひび、剥がれ等が発生すると所期の動作が得
られなくなる、すなわち被測定物質の測定が不可能にな
る等、品質トラブルが発生する。

【００１１】また超音波送受波器特有の問題としては金
属ケース５３と音響整合部材５５を接着する接着剤に、
エポキシなどの樹脂材料を用いているので、樹脂材料の
熱膨張率をはじめとする温度特性が、超音波送受信器の
出力波形などの特性に影響を与え、温度差がある環境で
は正確に測定できないという課題が生じる。

【００１２】また、音響整合部材および樹脂系接着剤が
さらされる被測定物質に硫黄などの樹脂を腐食しやすい
成分が含まれていると、この腐食性成分によって音響整
合部材や接着剤の材料である樹脂が腐食され、音響整合
部材の場合は、密度、音速、形状の変化により、音の放
射効率が悪くなって正確な計測ができなくなり、樹脂系
接着剤の場合は、金属ケースから音響整合部材が剥が
れ、測定が不可能になる。

【００１３】本発明は前記従来の課題を解決するもの
で、結合品質の向上を目的としたものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記従来の課
題を解決するために、熱膨張率の異なる第一の物体と第
二の物体を複数の接合手段を介して接合するとともに、
前記複数の接合手段のうち、少なくとも一つの接合手段
は凸凹を持つ構成としたものである。

【００１５】これによって、接合手段間に存在する凸凹
面が熱膨張収縮によって生じる接合手段間の界面にかか
る応力の方向を分散させるので、第一の物体と第二の物
体の接合部にかかる応力を低減し、反りやひび、剥がれ
等の生じない結合体を提供できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明は以下に記載する各形態に
よって実施することができる。

【００１７】すなわち、請求項１に記載の結合体は、熱
膨張率の異なる第一の物体と第二の物体を、複数の接合
手段を介して接合すると共に、そのうちの少なくとも一
つの接合手段が凸凹状となる構成としてあり、凸凹面で
接合界面にかかる応力の方向を分散することとなって、
第一の物体と第二の物体にかかる応力を低減し、結合体
の反りやひび及び接合部の剥がれ等を防止する。

【００１８】また請求項２に記載の結合体は、熱膨張率
の異なる第一の物体と第二の物体を、複数の接合手段を
介して接合すると共に、そのうち少なくとも一つを断続
的な構成としてあり、先の実施形態の作用に加え接合手
段自体の温度による形状変化の大きさを小さくすること
が可能となり、複数の接合手段にかかる応力を更に低減
し、結合体の反りやひび及び剥がれ等をより低減する。

【００１９】また請求項３に記載の結合体は、特に接合
手段は三層構造とし、第一の接合手段の材料を銀ロウと
し、第二の接合手段の材料をチタンとし、第三の接合手
段の材料をガラスとしたものであり、先の各実施形態に
おける作用を効果的に発揮させることができる上に、腐
食等にも強いものとなる。

【００２０】また請求項４に記載の結合体は、熱膨張率
の異なる第一の物体と第二の物体を接合する複数の接合
手段のうち、少なくとも一つの接合手段は熱膨張率の異
なる複数の材料からなる構成としてあり、この接合手段
に含まれる熱膨張率の小さい材料が熱膨張率の大きい材
料の形状変化を妨げることとなり、接合手段自体の熱膨
張率を局所的に小さくするので、第一の物体と第二の物
体にかかる応力を更に低減し、結合体の反りやひび及び
接合部の剥がれ等を防止する。

【００２１】また請求項５に記載の結合体は、特に接合
手段は三層構造とし、第一の接合手段の材料を銀ロウと
セラミックの混合体とし、第二の接合手段の材料をチタ
ンとし、第三の接合手段の材料をガラスとしたものであ
り、請求項４記載の実施形態における作用を効果的に発
揮させることができる上に、腐食等にも強いものとな
る。

【００２２】また請求項６に記載の超音波送受波器は、
先の各実施形態の結合体を超音波送受信器として用いた
ものであり、熱膨張率をはじめとする温度特性の小さい
音響整合部材を用いて長期的に反りひび等の発生しない
高品質で、温度特性の優れた超音波送受信器を実現でき
る。

【００２３】

【実施例】以下本発明の実施例を超音波送受波器に適用
した例を元に、その図面を参照しながら説明する。

【００２４】（実施例１）図１は、本発明の第一の実施
例における熱膨張率の異なる二つの物体の結合体を用い
た超音波送受信器の断面図を示すものである。

【００２５】図１において、１は振動手段となる振動子
で、本実施例ではセラミック材料を用いた圧電振動子で
構成されている。２は金属ケースで、その内面に従来と
同様のエポキシ樹脂から成る接着剤（図示せず）により
接着してある。この金属ケース２は第一の物体に相当す
るものであり、耐腐食性がよく、強度も強いステンレス
を用いて構成してある。そして更にこの金属ケース２は
密閉されており、振動子１を気体や水から保護し、気体
や水の浸入による劣化や電気的故障を防止する。また、
金属ケース２の厚さは２００〜３００μmと薄くしてあ
り、これにより、金属ケース２中を音が通過する際の減
衰は殆どなくなる。また、理論上、金属ケース２の音の
波長に対し、その厚さが十分薄ければ、金属ケース２の
音響インピーダンスを無視することができ、振動子１か
ら音響整合部材４に直接振動が伝わるものと考えること
ができる。金属ケース２の材料であるステンレスの音速
は５０００〜６０００m/sであり、振動周波数５００kHz
における音の波長は１０〜１２mmとなる。従って、金属
ケース２の厚さは音の波長に対し十分薄いものである。
なお、振動周波数と音速と音の波長の関係は後の（数式
２）に示すものとする。

【００２６】４は音響整合部材で、第二の物体に相当す
る。本実施例では立体的なガラス微小片の集合体とする
ことで多数の空隙を有する構成とし、かさ密度を０．４
〜０．６g/cm³、音速を１０００〜１３００m/sとしてい
る。音響整合部材４の厚さは、おおよそ音の１／４波長
になるようにしている。音の波長λは次の式で求めるこ
とができる。

【００２７】（数式２） λ＝ｃ／ｆ（ここでｃは音速、ｆは振動周波数である）本実施例では、５００kHzの音を伝搬するので、音の波
長は２〜２．６mmとなり、音の１／４波長は０．５〜
０．６５mmとなる。

【００２８】５〜７は前記金属ケース２と音響整合部材
４とを接着する接合手段で、三層構造となっている。ま
ず５は第一の接合手段で、熱膨張率が金属ケースに近い
銀と銅の合金である銀ロウで構成され、一方を金属ケー
ス２と接合し、もう一方で凸凹状を形成している。この
第一の接合手段５の厚さは２０〜５０μm程度である。
６は第二の接合手段で、数μmの酸化チタンの膜で構成
され、第一の接合手段５の凸凹面に沿って構成されてい
る。７は第三の接合手段で、音響整合部材４に用いたガ
ラスより低融点で熱膨張率が近いガラスで構成され、一
方を第二の接合手段５と接合し、もう一方を音響整合部
材３と接合している。この第三の接合手段の厚さは５０
〜１００μm程度としてある。

【００２９】８、９は電極で、振動子１に電力を入力し
たり、振動子１の出力信号を取り出すものである。１０
は絶縁手段であり、ガラスや樹脂などで構成され、電極
９と金属ケース２を電気的に絶縁している。

【００３０】以上のように構成された超音波送受信器に
ついて、まずその動作、作用を説明する。

【００３１】まず、電極８、９を通して振動子１である
圧電振動子に約５００kHzの交流電力を数周期入力する
と、振動子１は約５００kHzで振動する。この振動は、
金属ケース２、第一の接合手段５、第二の接合手段６、
第三の接合手段７を介して、音響整合部材４に伝搬す
る。本実施例では、金属ケース２の厚さは２００〜３０
０μmであり、第一の接合手段５、第二の接合手段６、
第三の接合手段７からなる複数の接合手段の厚さは約１
００μmである。これらは、十分に薄いので、この部分
で音は殆ど減衰せず、振動子１の振動を音響整合部材４
に伝えることができる。また、これらは音の波長に比
べ、十分に短いので、音の反射を無視することができ、
振動子１は音響整合部材４と隣接した状態と考えること
ができる。

【００３２】次に振動子１の振動は、音響整合部材５を
介して、空気に伝搬する。振動子１を構成する圧電振動
子の音響インピーダンスは約３０×１０⁶kg/m²・secあ
り、音響整合部材４の音響インピーダンスは約０．６×
１０⁶kg/m²・secであり、空気の音響インピーダンスは約
約４２８kg/m²・secであるので、振動子１から空気への
音の透過率は約０．１６となり、被測定物質である空気
に効率よく振動を伝搬することができる。

【００３３】またこの超音波送受信器は、逆に空気中の
振動を、音響整合部材３を介して振動子１に伝え、振動
子１がこの振動を電気信号に変換して電極８、９に出力
することもできる。

【００３４】以上のように超音波送受信器は電気信号を
振動子１で機械的振動に変換し、この振動を空気などに
伝えたり、空気などからの振動を振動子１で電気信号に
変換し、電極８、９で受ける。

【００３５】このような動作、作用を有する本実施例の
超音波送受波器において、周囲温度を変化させたとき次
のようになる。まず一般に、ステンレスとガラスとは熱
膨張率が大きく異なるので、ステンレスを材料とする金
属ケース２とガラスを材料とする音響整合部材４を平面
形状で接合しても応力が大きくなり、金属ケース２を２
００〜３００μmと薄くしている場合、この結合体は反
ってしまう。この結合体が反ってしまうと、振動子１と
金属ケース２に隙間が生じ、振動が伝わらなくなる。ま
たは、音響整合部材４は多数の空隙を設けた構成として
いるので機械強度が弱く、音響整合部材４自体が割れた
りひびが入る可能性もある。

【００３６】そこでこの発明の実施例では、接合手段を
三層構造として上記のような不都合が生じないようにし
てある。すなわち、銀ロウを材料とする第一の接合手段
５とチタンを材料とする第二の接合手段６と低融点ガラ
スを材料とする第三の接合手段７を用い、温度変化によ
る接合手段自体の形状変化が少ないものとしてある。例
えば、２０℃における熱膨張率はステンレスが１４．７
×１０^-6Ｋ^-1、銀ロウが１７〜１８×１０^-6Ｋ^-1、チタ
ンが８．６^-6Ｋ^-1、ガラスが０．５５〜８×１０^-6Ｋ^-1
であり、温度変化による接合し合う各部材間の形状変化
そのものが従来樹脂材料のものに比べ少なくなってい
る。

【００３７】そして、上記銀ロウを材料とする第一の接
合手段５とチタンを材料とする第二の接合手段６を凸凹
形状にして、低融点ガラスを材料とする第三の接合手段
７と接合するかたちとしてある。これにより、接合界面
にかかる応力の方向を分散し、第三の接合手段７にかか
る応力が低減する。そしてこの第三の接合手段７の低融
点ガラスと音響整合部材４のガラスの熱膨張率はほぼ同
じなので、音響整合部材３には殆ど応力がかからないこ
とになる。

【００３８】以下図５〜図９を用いて上記内容を更に詳
しく説明する。

【００３９】図５は複数の接合手段を単純に用いて結合
した場合の例を示す。２ａは第一の物体で厚さ２００〜
３００μmの金属（ステンレス）、４ａは第二の物体で
厚さ２００〜３００μmのセラミック、５ａは第一の接
合手段で銀ロウ、６ａは第二の接合手段でチタンであ
る。

【００４０】以上のような結合体は次のようにして製造
する。まず、第一の接合手段５ａの材料である銀ロウ粉
末（粒径５０μm以下）と第二の接合手段６ａの材料で
あるチタン粉末（粒径５０μm以下）と粘性を有する固
形助剤を混合して、ペーストを作成する。

【００４１】このペーストを第一の物体２ａである金属
に塗布し、その上に第二の物体４ａであるセラミックを
載せて、真空炉中で、銀ロウが溶ける温度（約９００
℃）で加熱して焼結させる。この際に、チタンは銀ロウ
より密度が小さいので、銀ロウの表面に浮き、第二の接
合手段６ａを形成し、残った銀ロウは第一の接合手段５
ａを形成する。

【００４２】この結合体の場合、第一の接合手段５ａ
（銀ロウ）と第二の接合手段６ａ（チタン）の接合境界
面と、第二の接合手段６ａ（チタン）と第二の物体４ａ
（セラミック）の接合境界面で、熱膨張率の差により応
力が発生する。第一の物体２ａ（金属）と第二の物体４
ａ（セラミック）の厚さが十分にあれば、この応力がか
かっても反ることは殆どないので、接合することができ
る。しかし、図５のようにセラミックと金属が２００〜
３００μmと薄ければ、接合後、熱膨張率の差による応
力で大きな反りが生じ、第二の物体４ａ（セラミック）
の機械的強度が持たない場合には、第二の物体４ａ（セ
ラミック）は割れてしまう。

【００４３】図６は三層の結合手段を単純に用いて結合
した結合体の場合の例を示す。この例は、第二の物体４
ａの融点が、第一の接合手段５ａの材料である銀ロウや
第二の接合手段６ａの材料であるチタンより低い場合に
用いるものである。

【００４４】図６において、４ａは第二の物体で空隙を
有するガラス（厚さ６００〜７００μm）で構成され
る。このガラスの融点は約６００℃である。７ａは第三
の接合手段で第二の物体４ａのガラスより融点の低い低
融点ガラス（厚さ５０〜１００μm）である。その他の
構成は図５と同様であり、ここでの説明は省略する。

【００４５】図６に示した結合体は次のようにして製造
する。まず、図５と同様に、第一の接合手段５ａの材料
である銀ロウ粉末と第二の接合手段６ａの材料であるチ
タン粉末と粘性を有する固形助剤を混合してペーストを
作り、このペーストを第一の物体１である金属に塗布
し、真空炉中で、銀ロウが溶ける温度（約９００℃）で
加熱して焼結させる。この際に、チタンは真空炉内にわ
ずかに含まれる酸素または窒素と反応して溶融し、図６
に示す第二の接合手段６ａを形成する。

【００４６】焼き付け後、第一の接合手段５ａと第二の
接合手段６ａが焼結した第一の物体２ａを真空炉より取
り出し、第三の接合手段７ａの材料である低融点ガラス
粉末と固形助剤を混合したペーストを、第二の接合手段
６ａの上に塗布し、その上に第二の物体４ａであるガラ
スを載せて、電気炉を用いて、大気中で低融点ガラスが
溶ける温度で加熱し、焼結させる。

【００４７】この結合体は、接合手段の材料である銀ロ
ウやチタンより融点が低い第二の物体４ａでも接合する
ことができる。そして、約４５０℃で第二の物体４ａ
（ガラス）と第三の接合手段７ａ（低融点ガラス）を接
合するので、図５の製造方法（約９００℃）に比べ、接
合時における形状変化の大きさが小さくなり、第二の接
合手段６ａ（チタン）と第三の接合手段７ａ（低融点ガ
ラス）の接合境界面にかかる応力を低減できる。しか
し、この方法においても、接合面にわずかな応力が生じ
る。第一の物体２ａ（金属）や第二の物体４ａ（ガラ
ス）が薄い場合には、この構造では若干の反りが生じる
場合がある。特に図６のように第二の物体４ａが、空隙
を有する構造で強度が弱い場合は、第三の接合手段７ａ
（低融点ガラス）とともに第二の物体４ａ（ガラス）が
割れることがある。

【００４８】図７は接合面を凸凹状および断続的にした
本発明の実施例の場合を示す。

【００４９】図７において、５ａは第一の接合手段で約
５０μmの厚さの銀ロウである。第一の接合手段５ａの
表面は凸凹形状になっている。６ａは第二の接合手段で
酸化チタンである。第二の接合手段６ａは第一の接合手
段５ａの凸凹面に沿って数μmの膜を構成している。７
ａは第三の接合手段で厚さ５０〜１００μmの低融点ガ
ラスである。その他の構成は図６と同様であるので、こ
こでの説明は省略する。

【００５０】図７に示した結合体は図９に示す行程で製
造する。なお、以下に説明する行程（方法）は一例であ
って、これに限られるものではない。まず、第一の接合
手段５ａの材料である銀ロウ粒子と第二の接合手段６ａ
の材料であるチタン粒子と粘性を有する固形助剤を混合
して、ペーストを作成する。このペーストを、図１０に
示すような網（メッシュ）状の印刷工具２６を通して第
一の物体２ａに塗布する。印刷工具２６に通すことで、
第一の物体１には、このペーストが断続的に存在するこ
とになる。その後、このペーストは若干粘性を弱くして
いるので、その形状を維持できず周りに広がり、連続的
にはなるが、凸凹形状となる。また、部分的には断続し
たところも残った状態となる。この状態で、真空炉中で
銀ロウが溶ける温度（約９００℃）で加熱して、凸凹形
状のまま焼結させる。この際に、チタンは真空炉中のわ
ずかな酸素または窒素と反応して溶融し、第二の接合手
段６ａである酸化チタン膜を形成する。

【００５１】その後、図６の結合体と同様に、低融点ガ
ラスを有するペーストを第二の接合手段６ａの表面に塗
布して、その上に第二の物体４ａである空隙を有するガ
ラス構造体を載せ、低融点ガラスが溶ける温度で加熱
し、第一の物体２ａと第二の物体４ａを接合する。

【００５２】このように、図９に示した接合方法は以下
三つのポイントがある。

【００５３】一つ目は、凸凹形状を構成する一方法とし
て、銀ロウ粉末とチタン粉末と粘性を有する固形助剤か
らなるペーストを、網を通して第一の物体に塗布（印
刷）することである。

【００５４】二つ目は、先に、このペーストと第一の物
体２ａを加熱し焼結させる。すなわち、ペーストの上に
何も載せずに焼結することで、凸凹形状を残すことであ
る。

【００５５】三つ目は、第二の接合手段６ａである酸化
チタン膜が凸凹形状に沿って構成されるように、チタン
と銀ロウを粉末にして混ぜ合わせ、更には真空炉中に若
干の酸素または窒素を残して加熱し、チタンが酸素また
は窒素と反応して溶融できるようにすることである。

【００５６】以上の三つの結合体についての結合状態の
結果を（表１）に示す。（表１）は第一の物体に薄い金
属、第二の物体にガラスまたはセラミックを用いた場合
の結果である。

【００５７】

【表１】

【００５８】この（表１）から明らかなように図７に示
した凸凹形状を有する結合体では、第一の物体と第二の
物体を接合した後も、反り、剥離等がなく、高品質の結
合体が得られた。

【００５９】以下、この反りや剥離等が生じない理由に
ついて説明する。

【００６０】図８は図７の結合体の中心から左部分を拡
大して示したものである。

【００６１】図８に示すように、焼結後、第一の物体２
ａ（金属）と、それと同程度の熱膨張率をもつ第一の接
合手段５ａ（銀ロウ）は同じ程度の横方向の収縮をしよ
うとする。このときに、これらよりも熱膨張率の小さい
第二の接合手段６ａ（チタン）との境界面で応力が発生
する。同時に、第二の接合手段６ａ（チタン）とこれよ
りも熱膨張率の小さい第三の接合手段７ａ（低融点ガラ
ス）との境界面でも応力が発生する。この応力の方向
は、図８の太い矢印で示される。この応力のベクトルは
図８の細い矢印で示されるように、上下方向と横方向に
分けることができる。上下方向の力のベクトルは互いに
打ち消されるので、全体の応力が低減される。

【００６２】そして前記第一の物体２ａ（金属）と第一
の接合手段５ａ（銀ロウ）の熱膨張率は殆ど同じなの
で、この境界面に応力は殆ど生じない。また第二の物体
４ａ（高融点ガラス）と第三の接合手段７ａ（低融点ガ
ラス）の熱膨張率も殆ど同じなので、この境界面にも応
力は殆ど生じないものである。

【００６３】以上のような理由から、図７に示す凸凹形
状または断続的な形状は、接合後温度変化があっても反
りやひび、剥離等が起こらないものと考えられる。

【００６４】このように、本実施例においては第一の接
合手段を凸凹状とし、第二の接合手段をこの凸凹面に沿
って構成することにより、接合面にかかる応力の方向を
分散させることとなり、接合面にかかる応力を低減する
ことができる。これにより、金属ケース２とガラスで構
成された音響整合部材４を反りなく接合できることとな
り、温度による特性変化の小さい音響整合部材を使った
超音波送受信器を提供できる。そして、金属ケース２と
音響整合部材４との接合部で剥がれが生じたり、音響整
合部材にひびが入ったり、厚みの薄い金属ケース２に反
りが生じたりすることがなくなり、長期間にわたってそ
の性能を維持することができる。

【００６５】また、本実施例では特に第一の接合手段を
銀ロウで構成し、第二の接合手段をチタンで構成し、第
三の接合手段をガラスで構成しているので、硫黄などを
含む気体中であっても腐食しにくい構造となり、長寿命
の超音波送受信器を提供できる。

【００６６】なお、樹脂材料の一つであるエポキシの熱
膨張率は一般的に５０〜６０×１０ ^-6Ｋ^-1である。特に
音響整合部材４はガラスで構成されているので、温度に
よる形状変化は小さい。従って、音の１／４波長の厚さ
を維持できるので、温度による出力特性の変化も小さく
てすむ。また、各材料の融点は４００℃以上であり、か
なりの高温環境下でなければ、各部品が柔らかくなるこ
とがなく、製造工程で品質不良品を生むようなこともな
くなる。

【００６７】（実施例２）図２は図１の超音波送受信器
を構成する複数の接合手段にかかる応力を更に低減でき
る構成としたものである。

【００６８】図２において、図１の構成と異なるところ
は、第一の接合手段５が断続的に構成され、同時に第一
の接合手段５の凸凹面に沿って膜を構成している第二の
接合手段６も断続的になっている点である。断続的な構
成をとることにより、熱膨張率が大きくても、接合手段
自体の形状変化の大きさは小さくなるので、第二の接合
手段６と第三の接合手段７の接合面にかかる応力は小さ
なものとなる。また、断続的に存在する接合手段同士に
より形状変化は相殺される部分が生じることにもなり、
第二の接合手段６と第三の接合手段７の接合面にかかる
応力は小さなものとなる。

【００６９】なお、断続的に金属ケース２と第三の接合
手段７が接触する部分も存在するが、その接触面積はわ
ずかであり、熱膨張率の差が大きくても接合することが
できる。接合できない場合でも、その接触面積はわずか
であるので、振動（音）の伝搬に与える影響を無視でき
る。

【００７０】その他の図２の超音波送受信器を構成する
部品の動作については図１と同様であり、ここでは省略
する。

【００７１】以上のように、第一の接合手段５を断続的
にすることで、複数の接合手段にかかる応力を低減する
こととなり、音響整合部材４をガラスよりも熱膨張率の
小さい材料にすることができ、温度による出力特性変化
のない超音波送受信器を提供できる。

【００７２】また、第三の接合手段７を省略して、音響
整合部材４と第二の接合手段６を接合することもできる
こととなり、簡単な構成で音響整合部材４と金属ケース
２を接合できる。

【００７３】また、本実施例では音響整合部材４の材料
をガラスとしているが、特にセラミックにすることによ
り、音響整合部材４の強度を強くすることができたり、
耐熱性を高めることができる。

【００７４】（実施例３）図３は本発明の第三の実施例
における結合体を用いた超音波送受信器の構成を示す。

【００７５】図３において、図１と異なるところは、第
一の接合手段５内に複数のアルミナ粒子１１が点在して
いる点である。その他の構成については図１と同様であ
り、ここでは省略する。

【００７６】以上のように構成された超音波送受信器に
ついて、以下その作用を説明する。まず、アルミナ粒子
１１の熱膨張率は６〜７×１０^-6Ｋ^-1であり、銀ロウの
熱膨張率に比べ十分に小さいので、アルミナ粒子１１は
温度による形状変化は殆どないこととなる。

【００７７】このようなアルミナ粒子１１と銀ロウを混
合して第一の接合手段５を構成、すなわち第一の接合手
段５を熱膨張率の異なる材料の混合体とすることで、こ
の第一の接合手段５は温度による形状変化の大きいとこ
ろと小さいところができ、全体としてみればその熱膨張
率を下げることができ、第一接合手段自体の変形を少な
くすることができる。

【００７８】また、アルミナ粒子１１は凸凹を形成する
部材ともなり、アルミナ粒子１１の大きさを設定するこ
とで、簡単に第一の接合手段５を凸凹状にすることがで
きる。

【００７９】（実施例４）図４に示した超音波送受信器
は、図３の超音波送受信器を構成する複数の接合手段に
かかる応力を更に低減できる構成としたものである。

【００８０】図４において、図３の構成と異なるところ
は、第一の接合手段５が断続的に構成されている点であ
る。断続的な構成をとることにより、熱膨張率が大きく
ても、形状変化の大きさは更に小さくすることができ
る。また、断続的に存在する第一の接合手段同士により
形状変化は相殺され、接合面にかかる応力は小さなもの
となる。

【００８１】従って、図４に示した超音波送受信器にお
いては、まず、第一の接合手段５と第二の接合手段６の
接合面にかかる応力が小さくなり、次に第二の接合手段
６と第三の接合手段７の接合面にかかる応力が小さくな
るので、複数の接合手段にかかる応力は図３の超音波送
受信器よりも小さくなる。

【００８２】以上のように、第一の接合手段５を断続的
にすることにより、接合面にかかる応力を更に低減する
こととなり、音響整合部材をガラスよりも熱膨張率の小
さい材料にすることができ、温度による出力特性変化の
ない超音波送受信器を提供できる。

【００８３】次に本発明実施例品の製造方法を図９を用
いて以下に詳しく説明しておく。

【００８４】まずステップ２１の混合工程から始まり、
この混合行程では、第一の接合手段５の材料である銀ロ
ウと、第二の接合手段６の材料であるチタンの粒子を所
定の比率で混合し、混合体を作成する。本実施例では、
混合体を構成する材料の分布が均一になるように、粘性
を有する樹脂材料からなる固形助剤をあわせて混合す
る。この固形助剤は銀、銅、チタンに比べはるかに融点
が低く、第一の接合手段５の材料である銀ロウを溶かす
前に蒸発するようにしている。

【００８５】ステップ２２の混合体塗布では、混合体を
金属ケース２に塗布する。具体的には図１０に示すよう
なメッシュ状の印刷工具２６を用いて印刷する。このメ
ッシュ状の印刷工具２６により、混合体を凸凹形状にす
ることができる。

【００８６】ステップ２３の混合体加熱工程では、混合
体を塗布した金属ケース２を真空炉に入れ加熱する。従
って混合体は凸凹形状のまま形成される。

【００８７】ステップ２４のガラス塗布工程では、第一
の接合手段５と第二の接合手段６が形成された金属ケー
ス２を真空炉より取り出し、第三の接合手段７の構成材
料である低融点ガラスを塗布する。このとき、低融点ガ
ラスに粘性を有する樹脂材料からなる固形助剤を混合
し、低融点ガラスを均一に塗布できるようにする。

【００８８】ステップ２５の接合工程では、音響整合部
材４を低融点ガラスの上に置き、約３０ｇの荷重をかけ
ながら、大気中で４５０℃前後に加熱する。すると、低
融点ガラスが溶融し、一方は第二の接合手段６を構成す
る酸化チタン膜と接合し、もう一方は音響整合部材４を
構成するガラスと接合する。音響整合部材４のガラスが
軟化する温度は６００℃以上であり、４５０℃で溶ける
ことはない。

【００８９】また、本方法では、特に酸化しやすい材料
にチタンを用い、それより比重の重い材料に銀ロウを用
いている。チタンの密度は４．５４g/cm³であり、銀と
銅の合金の密度は９〜１０g/cm³である。これらの材料
からなる混合体を溶かしたときに、銀ロウ上にチタンが
浮くこととなり、チタンが酸化し膜を形成できる。

【００９０】また、本方法では、混合体加熱行程２３に
おいて、約８００〜９００℃で加熱するようにしてい
る。この加熱温度はチタンの融点１６５０℃に比べ、十
分に低い温度であるが、銀ロウの融点より高い温度なの
で、銀ロウの液体中にチタンを浮上させることが可能に
なる。浮上したチタンは真空炉内の酸素と反応すること
により溶融し、酸化チタンの膜を形成することができ、
第二の接合手段６を構成する。

【００９１】また、本方法では、酸化しやすい材料であ
るチタン粒子の大きさを１５０μm以下にすることによ
り、チタンの融点まで加熱しなくても、チタンが酸素と
反応して溶融し、数μmの薄い酸化チタンの膜を形成で
きる。

【００９２】また、本方法では、まず、第一の接合手段
５と第二の接合手段６を金属ケース２に接合している。
これにより、ステップ２２の混合体塗布において形成し
た凸凹形状を維持したまま接合手段を形成できる。その
他にも、融点の異なる材料を接合手段に使うことができ
るようになる。

【００９３】また、本方法では、酸化しやすい材料であ
るチタンの熱膨張係数が２０℃において８．６×１０^-6
Ｋ^-1で、それより比重の大きい材料である銀ロウの熱膨
張係数が１５〜１７×１０^-6Ｋ^-1である。つまり、熱膨
張係数が小さいチタンを膜状にすることにより、第二の
接合手段６と第一の接合手段５、金属ケース２とは、段
階的な熱膨張係数を有することになり、第三の接合手段
７の材料である低融点ガラスと金属ケース２の材料であ
るステンレスの熱膨張係数の差により生じる応力を緩和
することができる。これにより、音響整合部材４をガラ
スで構成しても、金属ケース２と接合することができ
る。

【００９４】図１０にメッシュ状の印刷工具２６を示
す。この印刷工具２６はステンレス製の針金の空間２７
に混合体を通すことにより、金属ケース２の表面に混合
体を点在させることができる。点在した混合体は、重力
により徐々に広がって平らになるが、粘性を持っている
ので凸凹状態を維持する。この凸凹形状は、針金の太さ
と空間２７の比率により自由に設定できるものである。

【００９５】また、針金の太さを更に太くすれば、混合
体が隙間を埋めることができなくなり、断続的な形状も
設定できる。

【００９６】以上のように、混合体の粘性とメッシュ状
の印刷工具により、混合体の形状を自由に設定できる。

【００９７】なお、結合体として本実施例では超音波送
受波器を例にして説明したが、これに限られるものでは
なく、熱膨張率の異なる複数物体の結合物であればどの
ようなものでも良いことは言うまでもないことである。

【００９８】

【発明の効果】以上のように本発明の結合体は、接合手
段間に存在する凸凹面が熱膨張収縮によって生じる接合
手段間の界面にかかる応力の方向を分散させるので、第
一の物体と第二の物体の接合部にかかる応力を低減し、
反りやひび、剥がれ等の生じない結合体を提供できる。

【００９９】そして超音波送受波器は、熱膨張率をはじ
めとする温度特性の小さい音響整合部材を用いて長期的
に反りひび等の発生しない高品質で、温度特性の優れた
超音波送受信器を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における結合体を用いた超音
波送受信器の断面図

【図２】同実施例２の結合体を用いた超音波送受信器の
断面図

【図３】同実施例３の結合体を用いた超音波送受信器の
断面図

【図４】同実施例４の結合体を用いた超音波送受信器の
断面図

【図５】本発明の比較例として示す結合体の断面図

【図６】同本発明の第２比較例として示す結合体の断面
図

【図７】同本発明の実施例品である結合体の断面図

【図８】同本発明の実施例品である結合体の作用説明図

【図９】本発明の結合体の製造方法を示す行程フローチ
ャート

【図１０】本発明の結合体製造に使用するメッシュ状の
印刷工具を示す平面図

【図１１】従来の結合体を用いた超音波送受信器の断面
図

【符号の説明】

１振動子２金属ケース（第一の物体）４音響整合部材（第二の物体）５第一の接合手段６第二の接合手段７第三の接合手段

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０３Ｃ 29/00 Ｃ０３Ｃ 29/00 (72)発明者長井彪大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 4G061 AA02 BA03 CA03 CB13 CB14 CC02 CD02 CD12 DA01 DA26 5D019 AA17 AA22 BB02 BB12 GG01 GG06 5D107 AA09 AA14 CC02 CC10 FF07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱膨張率が異なる第一の物体と第二の物
体を、複数の接合手段を介して接合すると共に、前記複
数の接合手段のうち、少なくとも一つの接合手段は凸凹
状の構成とした結合体。
【請求項２】熱膨張率が異なる第一の物体と第二の物
体を、複数の接合手段を介して接合すると共に、前記複
数の接合手段のうち、少なくとも一つの接合手段は断続
的に存在する構成とした結合体。
【請求項３】接合手段は三層構造とし、第一の接合手
段の材料を銀ロウとし、第二の接合手段の材料をチタン
とし、第三の接合手段の材料をガラスとした請求項１ま
たは２記載の結合体。
【請求項４】熱膨張率が異なる第一の物体と第二の物
体を、複数の接合手段を介して接合すると共に、前記複
数の接合手段のうち、少なくとも一つの接合手段は熱膨
張率の異なる複数の材料から構成した結合体。
【請求項５】接合手段は三層構造とし、第一の接合手
段の材料を銀ロウとセラミックの混合体とし、第二の接
合手段の材料をチタンとし、第三の接合手段の材料をガ
ラスとした請求項４記載の結合体。
【請求項６】請求項１〜４いずれか１項に記載の結合
体を用いた超音波送受信器。