JP2002112394A

JP2002112394A - 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及びその製造方法

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Publication number: JP2002112394A
Application number: JP2000303342A
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、耐熱品質を向上する。【解決手段】熱膨張率の異なる第一の物体３と第二の
物体４を接合する複数の接合手段のうち、第一の接合手
段５は複数の熱膨張率の異なる粒子からなる混合体を加
熱して、膜状の第二の接合手段６を有する構成としてあ
り、前記各接合手段自体が段階的に熱膨張率を変化させ
て、第一の物体３と第二の物体４との熱膨張率の差を緩
和する。これにより第一の物体３と第二の物体４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
ない結合体や温度特性の優れた超音波送受信器を提供で
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９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】またこのような結合体を用いた従来の超音
波送受信器の構成では、金属ケース５３と音響整合部材
５５を接着するための接着剤に、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
という超音波送受波器特有の課題もあった。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。

【００１２】本発明は前記従来の課題を解決するもの
で、温度による特性変化の小さい結合体と超音波送受信
器を提供することを目的としている。

【００１３】

【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、第一の物体と前記第一の物体とは熱
膨張率が異なる第二の物体を、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、第一の接
合手段は複数の粒子からなる混合体を加熱して膜状の第
二の接合手段を有する構造としてある。

【００１４】これによって、熱膨張率の異なる材料で第
一の接合手段と膜状の第二の接合手段を形成することと
なり、第一の物体と第二の物体との熱膨張率の差によ
り、複数の接合手段にかかる応力を段階的に減少させる
ことができ、反りやひび、剥がれ等の生じない結合体を
提供できる。

【００１５】

【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。

【００１６】すなわち、請求項１に記載の発明は、第一
の物体と前記第一の物体とは熱膨張率が異なる第二の物
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、第一の接合手段は複数の粒子から
なる混合体を加熱して膜状の第二の接合手段を有する構
造としてあり、熱膨張率の異なる材料で膜部分を形成す
ることとなり、第一の物体と第二の物体との熱膨張率の
差により複数の接合手段にかかる応力を段階的に減少で
き、結合体の反りやひび、剥離を低減できる。

【００１７】また請求項２に記載の発明は、特に請求項
１に記載の複数の粒子からなる混合体を、酸化または窒
化または炭化しやすい第一の材料と、それより比重の重
い第二の材料を有する構成とすることにより、混合体が
溶けた時に、第一の材料が、第二の材料中で浮き、分離
することとなり、第一の材料により確実に膜（第二の接
合手段）を形成することができる。

【００１８】また請求項３に記載の発明は、特に請求項
２に記載の第一の材料を、第二の材料に比べ高い融点と
することにより、第一の材料が蒸発するのを防止するこ
ととなり、第一の材料によりより確実に膜（第二の接合
手段）を形成することができる。

【００１９】また請求項４に記載の発明は、特に請求項
２または３に記載の第一の材料の粒子を１５０μm以下
とすることにより、第一の材料を、その融点より低い温
度で酸化または窒化または炭化させることで溶かすこと
ができ、第一の材料による膜（第二の接合手段）を確実
に形成することができる。

【００２０】また請求項５に記載の発明は、特に請求項
２〜４に記載の第一の材料をチタンとし、第二の材料は
銀ロウとしたものであ。

【００２１】また請求項６に記載の発明は、特に請求項
２〜５に記載の第一の材料を、第二の材料に比べ小さい
熱膨張率とすることにより、第一の接合手段の基板部分
と膜部分で段階的な熱膨張率を持つことになるので、そ
の他の接合手段と第一の物体の間にかかる応力を効果的
に低減できる。

【００２２】また請求項７に記載の発明は、特に請求項
２〜６に記載の複数の粒子からなる混合体に第三の材料
を設け、第三の材料を第一の材料より熱膨張率が小さい
構成とすることにより、第一の接合手段自体の熱膨張率
を低減することになり、その他の接合手段と第一の物体
との間の応力をより確実に低減できる。

【００２３】また請求項８に記載の発明は、特に請求項
７に記載の第一の材料をチタンとし、第二の材料を銀ロ
ウとし、第三の材料はセラミックとしたものである。

【００２４】また請求項９に記載の発明は、請求項１〜
８のいずれかに記載の結合体を用いて超音波送受信器を
構成することにより、熱膨張率が小さい部品で各部を構
成することとなり、長期的に反りひび等の発生しない高
品質で、かつ温度による出力などの特性変化が小さい温
度特性の優れた超音波送受信器を実現できる。

【００２５】また請求項１０に記載の発明は、複数の材
料からなる粒子を混合して混合体を形成し、この混合体
を第一の物体の接合面に接着して第一の接合手段を形成
し、これを加熱して第一の接合手段の表面に複数の材料
からなる粒子のうちの一つで形成される第二の接合手段
を形成し、これら第一、第二接合手段を固化した後、第
一、第二接合手段と第二の物体との間に第三の接合手段
を介在させて第一、第二の物体を接合する結合体の製造
方法であり、融点の異なる接合手段を複数形成して各実
施形態の結合体を効率的に製造することができる。ま
た、第一の接合手段と第二の接合手段の形状を自由に設
定できる。

【００２６】また請求項１１に記載の発明は、特に請求
項１０に記載の第一の接合手段を加熱する温度は、酸素
または窒素または炭素を有する気体中で複数の材料のう
ちの一つが溶ける温度としてあり、これにより、液体と
なった第二の材料中に第一の材料が浮き上がることとな
り、第一の材料により膜（第二の接合手段）を確実に形
成することができる。

【００２７】また請求項１２に記載の発明は、請求項１
０または１１記載の複数の粒子の混合体は、網を通し
て、第一の物体に印刷し、その後加熱するようにしてあ
り、第一の接合手段と第二の接合手段を凸凹形状や断続
的な形状にして、より確実な接合を実現できる。

【００２８】

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

【００２９】図１は、本発明の一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。

【００３０】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、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役割がある。また、金属ケ
ース２の厚さは２００〜３００μmと薄くしている。金
属ケース２を薄くすることにより、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。

【００３１】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。

【００３２】（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。

【００３３】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。第一の接合手段５の厚さ
は２０〜５０μmとしている。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。第
三の接合手段の厚さは５０〜１００μmとしている。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】さらに、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となる。

【００３８】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。

【００３９】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で受けるものである。

【００４０】次に、図１の超音波送受信器の周囲温度が
変化したときについて説明する。

【００４１】温度が変化すると、図１の超音波送受信器
の構成部品は、その材料の熱膨張率に基づいて、厚さを
はじめとした形状を変化させる。しかし、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、温度による
形状変化は樹脂材料に比べると殆どない。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５０〜６
０×１０^-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もない。

【００４２】しかしながら、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自体が割れる
可能性もある。

【００４３】そこで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。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にかかる応力を低減する。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。

【００４４】また、第一の接合手段５と第二の接合手段
６の凸凹状は第三の接合手段７と引っかかることによっ
ても、この境界面での接合を強くしている。

【００４５】以下図２〜図５を用いて上記内容を更に詳
しく説明する。

【００４６】図２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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】図３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。

【００５１】図３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２と同様であり、ここでの説明は省略する。

【００５２】図３に示した結合体は次のようにして製造
する。まず、図２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３
に示す第二の接合手段６ａを形成する。

【００５３】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。

【００５４】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２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。

【００５５】図４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。

【００５６】図４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３と同様であるので、こ
こでの説明は省略する。

【００５７】図４に示した結合体は図５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。

【００５８】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８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９
００℃）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。

【００５９】その後、図３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。

【００６０】このように、図４に示した接合方法は以下
三つのポイントがある。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】

【表１】

【００６６】この（表１）から明らかなように図４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。

【００６７】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。

【００６８】図５は図４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。

【００６９】図５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５の太い矢印で示される。この応力のベクトルは
図５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。

【００７０】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。

【００７１】以上のような理由から、図４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。

【００７２】これにより、本実施例においては金属ケー
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。

【００７３】また、本実施例では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。

【００７４】次に本発明実施例品の製造方法を図６を用
いて以下に詳しく説明する。

【００７５】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。

【００７６】ステップ２２の混合体塗布では、混合体を
第一の物体である金属ケース２に塗布する。具体的には
図７において説明するが、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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】ステップ２５の接合工程では、第二の物体
である音響整合部材４を低融点ガラスの上に置き、約３
０ｇ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。

【００８０】また、本実施例では、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。

【００８１】また、本実施例では、混合体加熱行程２５
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。

【００８２】また、本実施例では、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。

【００８３】また、本実施例では、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５２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。

【００８４】また、本実施例では、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
^-6Ｋ^-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。

【００８５】図８は本発明の結合体の製造に当たって使
用するメッシュ状の印刷工具２６を示している。

【００８６】図８において２７はステンレス製の針金で
ある。２８は空間である。空間２８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２７の太さと空間２８の比
率により自由に設定できるものである。

【００８７】また、針金２６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。

【００８８】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の
で、図１に示した構造の接合手段を実現できる。

【００８９】図７は、図６に示したフローに基づいて製
造した結合体の主要部断面写真である。２が第一の物体
である金属ケースで、ステンレスを材料としている。５
が銀ロウ層で、６が酸化チタン膜で、１１がアルミナ粒
子であり、７が低融点ガラス層である。４はガラスで構
成された第二の物体に相当する音響整合部材である。こ
こでは、銀ロウ層５内部にアルミナ粒子１１を点在させ
ることで、銀ロウ層５および酸化チタン膜６が凸凹形状
を構成している。

【００９０】この主要部断面写真から明らかなように、
金属ケース２と銀ロウ層５は隙間なく接合している。ま
た銀ロウ層５と酸化チタン膜６も隙間なく接合してい
る。つまり、銀ロウ粒子と、チタン粒子を有する混合体
を溶かすことにより、軟化した状態で互いに接合するこ
ととなり、各接合面を隙間なくすることができる。アル
ミナ粒子１１と凸凹形状の構成は、酸化チタン膜６と低
融点ガラス層７の接合面にかかる応力を低減するもので
ある。アルミナ粒子１１の熱膨張係数は６〜７×１０^-6
Ｋ^-1であり、銀ロウより小さい。アルミナ粒子１１を内
部に含むことにより、銀ロウ層５には局所的に熱膨張係
数の小さいところが存在することとなり、銀ロウ層５全
体の熱膨張係数を小さくすることができる。従って、低
融点ガラス層７にかかる応力も小さくなる。また、凸凹
状の構成により、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小さくすることが
でき、低融点ガラス層７にかかる応力を低減できる。低
融点ガラスと音響整合部材４のガラスは、ほぼ同じ熱膨
張係数を持つので、低融点ガラス層７と音響整合部材４
の接合面には、応力は殆どかからない。

【００９１】以上のような構成をとることにより、音響
整合部材４や、音響整合部材４と金属ケース２を接合す
る複数の接合手段を、熱膨張係数の小さい材料で構成で
き、超音波送受信器の温度による特性変化を小さくする
ことができる。

【００９２】また、本実施例において、特にチタンを窒
素や炭素などと反応させることにより、窒化チタン膜ま
たは炭化チタン膜を形成して、第二の接合手段を構成し
てもよい。この場合においても、酸化チタン膜と同様の
効果をもつものである。窒化チタン膜は、窒素雰囲気中
でチタン粒子と銀ロウ粒子を有する混合体を加熱するこ
とで形成することができる。なお、膜の組成について
は、膜が接合する相手の組成に対応して設定すればよ
い。

【００９３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、二つの
物体を接合する接合手段自体が段階的に熱膨張率を変化
させて、第一の物体と第二の物体との熱膨張率の差を緩
和することになり、これによって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や温度特性の優れた超音波送受信器
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における結合体を用いた超音
波送受信器の断面図

【図２】本発明の比較例として示す結合体の断面図

【図３】同本発明の第２比較例として示す結合体の断面
図

【図４】同本発明の実施例品である結合体の断面図

【図５】同本発明の実施例品である結合体の作用説明図

【図６】同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７】同本発明の結合体を用いた超音波送受信器の断
面写真を示す図

【図８】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９】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３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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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） 4G026 BA01 BB26 BF16 BF31 BG02 BG25 BG27 BG30 BH13 4G061 AA02 BA03 CA03 CB04 CB13 CB14 DA24 DA43 5D019 AA12 AA22 BB02 EE02 GG02 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の物体と前記第一の物体とは熱膨張
率が異なる第二の物体を、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、第一の接合手
段は複数の粒子からなる混合体を加熱して膜状の第二の
接合手段を有する構造とした結合体。
【請求項２】複数の粒子の混合体は、酸化または窒化
または炭化しやすい第一の材料と、それより比重の重い
第二の材料からなる請求項１記載の結合体。
【請求項３】第一の材料は、第二の材料に比べ高い融
点を有する請求項２記載の結合体。
【請求項４】第一の材料の粒子は１５０μm以下で構
成した請求項２または３記載の結合体。
【請求項５】第一の材料はチタンとし、第二の材料は
銀ロウとした請求項２〜４のいずれか１項記載の結合
体。
【請求項６】第一の材料は、第二の材料に比べ小さい
熱膨張率を有する請求項２〜５のいずれか１項記載の結
合体。
【請求項７】複数の粒子の混合体は、第三の材料を有
し、第三の材料は前記第一の材料より熱膨張率が小さい
請求項２〜６のいずれか１項記載の結合体。
【請求項８】第一の材料はチタンとし、第二の材料は
銀ロウとし、第三の材料はセラミックとした請求項７記
載の結合体。
【請求項９】請求項１〜８のいずれか１項記載の結合
体を用いた超音波送受信器。
【請求項１０】複数の材料からなる粒子を混合して混
合体を形成し、この混合体を第一の物体の接合面に接着
して第一の接合手段を形成し、これを加熱して第一の接
合手段の表面に複数の材料からなる粒子のうちの一つで
形成される第二の接合手段を形成し、これら第一、第二
接合手段を固化した後、第一、第二接合手段と第二の物
体との間に第三の接合手段を介在させて第一、第二の物
体を接合する結合体の製造方法。
【請求項１１】第一の接合手段を加熱する温度は、酸
素または窒素または炭素を有する気体中で複数の材料の
うちの一つが溶ける温度とする請求項１０記載の結合体
の製造方法。
【請求項１２】複数の粒子の混合体は、網を通して、
第一の物体に印刷し、その後加熱する請求項１０または
１１記載の結合体の製造方法。