特許 7494058 超音波トランスデューサの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-24

(45)【発行日】2024-06-03

(54)【発明の名称】超音波トランスデューサの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H04R 31/00 20060101AFI20240527BHJP

   H04R 17/00 20060101ALI20240527BHJP

   H10N 30/073 20230101ALI20240527BHJP

   H10N 30/20 20230101ALI20240527BHJP

【ＦＩ】

H04R31/00 330

H04R17/00 330J

H10N30/073

H10N30/20

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020142622

(22)【出願日】2020-08-26

(65)【公開番号】P2022038236

(43)【公開日】2022-03-10

【審査請求日】2023-08-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 克哉

(72)【発明者】

【氏名】小林 剛史

(72)【発明者】

【氏名】高橋 利英

(72)【発明者】

【氏名】山本 哲也

【審査官】渡邊 正宏

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－１２１８２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｒ １／００－ １／０２

Ｈ０４Ｒ １／０６

Ｈ０４Ｒ １／２０－ １／３４

Ｈ０４Ｒ １／４０

Ｈ０４Ｒ １／４４

Ｈ０４Ｒ ３／００

Ｈ０４Ｒ ９／００

Ｈ０４Ｒ １３／００

Ｈ０４Ｒ １５／００

Ｈ０４Ｒ １７／００

Ｈ０４Ｒ １７／１０

Ｈ０４Ｒ １９／００

Ｈ０４Ｒ ２３／００

Ｈ０４Ｒ ２９／００－３１／００

Ｈ１０Ｎ ３０／００－３９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バッキング材と、前記バッキング材の表面に設けられている圧電部材とを備える超音波トランスデューサの製造方法であって、
前記バッキング材の表面が上方に向くように前記バッキング材を支持面に載置する、バッキング材載置ステップと、
前記支持面に載置された前記バッキング材の表面に、流動性を有する接合材を介して、前記圧電部材を接合する、圧電部材接合ステップと
を有し、
前記バッキング材において前記表面に対して反対に位置する裏面は、
前記バッキング材載置ステップの際に前記支持面に接触する接触面部と、
前記バッキング材載置ステップの際に前記支持面との間に空間が介在する非接触面部と
を含み、
前記圧電部材接合ステップでは、前記非接触面部と前記支持面との間の空間に前記接合材が流入する、
超音波トランスデューサの製造方法。

【請求項2】

前記圧電部材接合ステップにおいては、
前記接合材として、前記バッキング材の表面に設けた第１の予備半田層を設けると共に、前記圧電部材の裏面に第２の予備半田層を設け、
前記第１の予備半田層と前記第２の予備半田層とを対面させて合わせることによって、前記圧電部材の接合を実行する、
請求項１に記載の超音波トランスデューサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、超音波トランスデューサの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

次世代高速炉では、冷却材として溶融ナトリウムを使用している。そして、溶融ナトリウム中の構造物を検査するために、超音波トランスデューサの開発が行われている。溶融ナトリウム中の構造物を検査するために用いる超音波トランスデューサにおいて、バッキング材と圧電部材との間の接合は、２５０℃程度の温度に耐える耐熱性を有する必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－２２９３１号公報

【文献】特開平７－２３６６３８号公報

【文献】特開２００９－２００８３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

図６は、関連技術に係る超音波トランスデューサ１００Ｊを模式的に示す図である。

【0005】

関連技術の超音波トランスデューサ１００Ｊは、表面に金属層２０（スパッタ層）が形成されたバッキング材１０と、裏面に金属層４０（Ｎｉメッキ層）が形成された圧電部材５０との間が、半田層３０を用いて接合されている。図示を省略しているが、圧電部材５０は、バッキング材の表面に接合させた後に、アレイ加工によってアレイ状に切断されている。そして、圧電部材５０において金属層６０（スパッタ層）が形成された表面には、半田層７０を用いて前面板８０が設置されている。

【0006】

関連技術の超音波トランスデューサ１００Ｊにおいてバッキング材１０の表面に圧電部材５０を接合する際には、バッキング材１０の表面に予備半田層（図示省略）を設けると共に、圧電素子の裏面に予備半田層（図示省略）を設ける。そして、バッキング材１０の表面に設けた予備半田層と、圧電素子の裏面に設けた予備半田層とを対面させて合わせることによって一体化した半田層３０により、バッキング材１０と圧電部材５０との間を接合させる。これにより、接合性の向上を実現できる。

【0007】

しかしながら、上記のような関連技術においては、図６に示すように、バッキング材１０の側面において半田層３０に重力や表面張力が作用することで、バッキング材１０の側面に半田溜まり３０１が形成される場合がある。

【0008】

このため、バッキング材１０に圧電部材５０を接合した後に、圧電部材５０についてアレイ加工などの加工を行う際に、半田溜まり３０１に起因して加工不良が発生する場合がある。たとえば、加工で用いるカッターが破損する場合や、バッキング材１０が破損する場合がある。その結果、製造効率の向上が容易でなく、歩留まりの低下などが生ずる場合がある。

【0009】

したがって、本発明が解決しようとする課題は、製造効率の向上、および、歩留まりの向上などを容易に実現可能な、超音波トランスデューサの製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

実施形態は、バッキング材と、バッキング材の表面に設けられている圧電部材とを備える超音波トランスデューサの製造方法であって、バッキング材載置ステップと圧電部材接合ステップとを有する。バッキング材載置ステップでは、バッキング材の表面が上方に向くようにバッキング材を支持面に載置する。圧電部材接合ステップでは、支持面に載置されたバッキング材の表面に、流動性を有する接合材を介して、圧電部材を接合する。バッキング材において表面に対して反対に位置する裏面は、バッキング材載置ステップの際に支持面に接触する接触面部と、バッキング材載置ステップの際に支持面との間に空間が介在する非接触面部とを含む。圧電部材接合ステップでは、非接触面部と支持面との間の空間に接合材が流入する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を模式的に示す断面図である。

【図2】図２は、実施形態に係る超音波トランスデューサの製造方法を説明するための断面図である。

【図3】図３は、実施形態に係る超音波トランスデューサの製造方法を説明するための断面図である。

【図4】図４は、実施形態に係る超音波トランスデューサの製造方法を説明するための断面図である。

【図5】図５は、実施形態に係る超音波トランスデューサの製造方法を説明するための断面図である。

【図6】図６は、関連技術に係る超音波トランスデューサ１００Ｊを模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

［Ａ］構成
本実施形態の超音波トランスデューサ１００の構成の一例に関して、図１を用いて説明する。

【0013】

図１は、実施形態に係る超音波トランスデューサの構成を模式的に示す断面図である。図１において、縦方向は、鉛直方向（重力が作用する方向）であって、横方向は、水平方向である。

【0014】

図１に示すように、本実施形態の超音波トランスデューサ１００は、バッキング材１０と圧電部材５０とを備え、バッキング材１０の表面に圧電部材５０が設けられている。

【0015】

ここでは、バッキング材１０と圧電部材５０との間には、金属層２０と半田層３０と金属層４０とが介在している。そして、圧電部材５０において金属層６０が形成された表面には、半田層７０を介して、前面板８０が設置されている。

【0016】

本実施形態の超音波トランスデューサ１００は、たとえば、冷却材として溶融ナトリウムを使用する次世代高速炉において、溶融ナトリウム中の構造物を検査するために使用される。

【0017】

［Ｂ］製造方法
本実施形態の超音波トランスデューサ１００を製造する製造方法の一例について、図２から図５を用いて説明する。

【0018】

図２から図５は、実施形態に係る超音波トランスデューサの製造方法を説明するための断面図である。図１と同様に、図２から図５において、縦方向は、鉛直方向（重力が作用する方向）であって、横方向は、水平方向である。

【0019】

本実施形態においては、図２から図５に示す工程を順次経て、図１に示すように超音波トランスデューサ１００を製造する。各工程に関して、順次、説明する。

【0020】

［Ｂ－１］バッキング材載置ステップ
超音波トランスデューサ１００を作製する際には、まず、図２に示すように、超音波トランスデューサ１００の作製で用いる支持台（図示省略）の支持面ＳＰに、バッキング材１０を載置する（バッキング材載置ステップ）。

【0021】

バッキング材１０は、たとえば、ゴム材料を用いて形成されている。

【0022】

バッキング材１０は、表面Ｓ１１と裏面Ｓ１２と側面Ｓ１３とを有し、バッキング材１０の表面Ｓ１１が上方に向いた状態になるように、バッキング材１０が平坦な支持面ＳＰに載置される。

【0023】

バッキング材１０において、表面Ｓ１１は、凸曲面になるように形成されている。

【0024】

バッキング材１０において、側面Ｓ１３は、平坦面であって、互いに対向する一対の側面Ｓ１３が平行になるように形成されている。ここでは、側面Ｓ１３は、バッキング材１０が支持面ＳＰに載置されたときに、支持面ＳＰに対して直交している。

【0025】

バッキング材１０において、裏面Ｓ１２は、表面Ｓ１１に対して反対に位置している。本実施形態では、バッキング材１０の裏面Ｓ１２は、バッキング材１０の載置の際に支持面ＳＰに接触する接触面部Ｓ１２ａ（第１裏面部）と、バッキング材１０の載置の際に支持面ＳＰに接触せずに支持面ＳＰとの間に空間が介在する非接触面部Ｓ１２ｂ（第２裏面部）とを含む。

【0026】

バッキング材１０の裏面Ｓ１２のうち、接触面部Ｓ１２ａは、支持面ＳＰと同様に、平坦面であって、裏面Ｓ１２の中央部分に設けられている。

【0027】

バッキング材１０の裏面Ｓ１２のうち、非接触面部Ｓ１２ｂは、たとえば、曲面であって、裏面Ｓ１２の端部に設けられている。非接触面部Ｓ１２ｂは、たとえば、平坦な裏面Ｓ１２の端部について面取り加工を行うことで形成される。

【0028】

［Ｂ－２］金属層形成ステップ
つぎに、図３に示すように、バッキング材１０に金属層２０を形成する（金属層形成ステップ）。

【0029】

ここでは、金属層２０は、たとえば、Ｃｒ層とＮｉ層とＡｕ層とがバッキング材１０に順次積層された積層構造であって、たとえば、スパッタリング法によって形成される。金属層２０は、バッキング材１０において表面Ｓ１１と側面Ｓ１３との他に、裏面Ｓ１２の非接触面部Ｓ１２ｂを被覆するように設けられる。

【0030】

［Ｂ－３］圧電部材接合ステップ
つぎに、図４および図５に示すように、バッキング材１０の表面Ｓ１１に圧電部材５０を接合する（圧電部材接合ステップ）。

【0031】

ここでは、圧電部材５０は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）などの圧電材料で形成されている。圧電部材５０は、表面Ｓ５１と裏面Ｓ５２とを有し、圧電部材５０の接合は、圧電部材５０の表面Ｓ５１が上方に向いた状態で実行される（図４参照）。

【0032】

圧電部材５０において、表面Ｓ５１は、たとえば、凸曲面になるように形成されている。これに対して、圧電部材５０において、裏面Ｓ５２は、たとえば、凹曲面になるように形成されている。

【0033】

圧電部材５０の裏面Ｓ５２には、金属層４０が形成されている。金属層４０は、たとえば、Ｎｉ層であって、たとえば、メッキ法によって形成される。

【0034】

そして、圧電部材５０の裏面Ｓ５２には、金属層４０を介して、予備半田層３２（第２の予備半田層）を設ける。これと共に、バッキング材１０の表面Ｓ１１に予備半田層３１（第１の予備半田層）を設ける（図４参照）。予備半田層３１および予備半田層３２は、接合材として設けられており、たとえば、８．０質量％のスズ（Ｓｎ）と２．０質量％の銀（Ａｇ）と残部が鉛（Ｐｂ）からなる材料で形成されている。

【0035】

その後、バッキング材１０の表面Ｓ１１に設けた予備半田層３１と、圧電部材５０の裏面Ｓ５２に設けた予備半田層３２とを対面させて合わせる（図４参照）。

【0036】

このように、予備半田層３１と予備半田層３２とが一体化することによって形成される半田層３０（接合材）により、バッキング材１０と圧電部材５０との間が接合される（図５参照）。

【0037】

半田層３０は、接合完了前は溶融状態であって流動性があり、接合完了時に固化する。それゆえ、接合完了前においては、半田層３０は、バッキング材１０の表面Ｓ１１から下方へ流動し、バッキング材１０の側面Ｓ１３を被覆するように流れる。その後、流動性がある半田層３０は、バッキング材１０の裏面Ｓ１２のうち支持面ＳＰとの間に空間が介在する非接触面部Ｓ１２ｂと、支持面ＳＰとの間の空間に流入し、非接触面部Ｓ１２ｂを被覆する（図５参照）。

【0038】

このため、本実施形態では、関連技術の場合（図６参照）と異なり、半田層３０に対して重力や表面張力が作用した場合であっても、側面Ｓ１３の下方に半田層３０が溜まることがないので、半田溜まり３０１が形成されにくい。

【0039】

［Ｂ－４］その他のステップ
上記のように、バッキング材１０の表面Ｓ１１に圧電部材５０を接合した後には、図１に示すように、圧電部材５０の表面Ｓ５１に金属層６０を形成する（金属層形成ステップ）。金属層６０は、たとえば、Ｃｒ層とＮｉ層とＡｕ層とがバッキング材１０に順次積層された積層構造であって、たとえば、スパッタリング法によって形成される。

【0040】

そして、図示を省略しているが、アレイ加工によって圧電部材５０をアレイ状に複数に切断する（アレイ加工ステップ）。ここでは、紙面に直交する方向に延在する圧電部材５０を、カッターを用いて複数に切断する。

【0041】

その後、図１に示すように、金属層６０が形成された圧電部材５０の表面Ｓ５１に、半田層７０を用いて前面板８０を設置する（前面板設置ステップ）。このようにして、超音波トランスデューサ１００を完成させる。

【0042】

［Ｃ］まとめ
以上のように、本実施形態では、バッキング材１０の裏面Ｓ１２は、接触面部Ｓ１２ａと非接触面部Ｓ１２ｂとを有する。接触面部Ｓ１２ａは、バッキング材１０を支持面ＳＰに載置する際に支持面ＳＰに接触するのに対して、非接触面部Ｓ１２ｂは、バッキング材１０を支持面ＳＰに載置する際に支持面ＳＰに接触せずに支持面ＳＰとの間に空間が介在する。このため、支持面ＳＰに載置されたバッキング材１０の表面Ｓ１１に、流動性を有する半田層７０（接合材）を介して、圧電部材５０を接合する際には、非接触面部Ｓ１２ｂと支持面ＳＰとの間の空間に半田層７０が流入する。その結果、本実施形態では、関連技術の場合（図６参照）と異なり、半田溜まり３０１が形成されにくい。それゆえ、本実施形態では、圧電部材５０についてアレイ加工などの加工を行う際に、半田溜まり３０１に起因した加工不良が発生することがない。したがって、本実施形態では、製造効率の向上、および、歩留まりの向上などを容易に実現することができる。

【0043】

本実施形態では、接合材として、バッキング材１０の表面に設けた予備半田層３１を設けると共に、圧電部材５０の裏面Ｓ５２に予備半田層３２を設け、予備半田層３１と予備半田層３２とを対面させて合わせることによって、圧電部材５０の接合を実行しているので、接合性の向上を実現できる。このような接合を行う場合には、関連技術として説明したように、半田溜まりが形成され易い。しかし、上記したように、本実施形態では、予備半田層３１と予備半田層３２とによって構成される半田層７０が、圧電部材５０を接合する際に、非接触面部Ｓ１２ｂと支持面ＳＰとの間の空間に流入する。したがって、接合性の向上と共に、製造効率の向上および歩留まりの向上などを実現可能である。

【0044】

［Ｄ］変形例
上記の実施形態では、溶融ナトリウム中の構造物を検査するために使用される超音波トランスデューサ１００に関して説明したが、これに限らない。他の用途で使用される超音波トランスデューサ１００について、上記実施形態と同様に作製を行ってもよい。

【0045】

上記の実施形態では、接合材として半田材を用いる場合について説明したが、これに限らない。超音波トランスデューサ１００を用いる環境や対象に応じて、半田材以外に、接着剤などの様々な材料を接合材として用いてもよい。

【0046】

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0047】

１０：バッキング材、２０：金属層、３０：半田層、３１：予備半田層（第１の予備半田層）、３２：予備半田層（第２の予備半田層）、４０：金属層、５０：圧電部材、６０：金属層、７０：半田層、８０：前面板、１００：超音波トランスデューサ、１００Ｊ：超音波トランスデューサ、Ｓ１１：表面、Ｓ１２：裏面、Ｓ１２ａ：接触面部、Ｓ１２ｂ：非接触面部、Ｓ１３：側面、Ｓ５１：表面、Ｓ５２：裏面、ＳＰ：支持面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】