【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波を発生する送波素子をホーンとともに備える超音波用トランスデューサおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、超音波を送波し反射波を受波することによって、物体の存否の監視、物体までの距離の計測、物体の形状計測などを行う装置が広く採用されている。近年では、超音波によって多点の情報を得ることが要求されており、この種の要求を満たすために、超音波用トランスデューサをアレイ化して１次元ないし２次元に配列したものも提案されている。ただし、超音波の送波に用いる超音波用トランスデューサは、一般に超音波を発生する送波素子と、送波素子で発生した超音波の指向性を制御するためのホーンとを備えているものであるから、ホーンの存在が小型化を妨げている。
【０００３】
そこで、ホーンの小型化を可能とした超音波用トランスデューサとして、超音波と電気信号との間の変換を行う圧電体を設けたシリコンの台座と、シリコンにより形成されたホーンとを固着した構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この構成では、台座とホーンとがともにシリコンにより形成されているから、半導体加工技術によって微細加工が可能であって小型化が容易になっている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−２９２５９８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１に記載の技術ではホーンにシリコンを用いているから、ホーンを形成する技術としては異方性エッチングあるいはイオンビームエッチングが採用されている。異方性エッチングではホーンを任意形状に形成するのは難しく、送波素子に広く採用されているエクスポネンシャルホーンを形成することも困難である。また、ホーンがシリコンであってもイオンビームエッチングを採用すれば任意形状に形成することが可能ではあるが、高真空装置が必要であるから設備が高価であり、またホーンを個々に加工しなければならないからサイクルタイムが長くなるものであって、超音波用トランスデューサに用いるホーンの製造には適さないものである。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、製造が容易かつ小型であって、しかも任意形状のホーンを用いることが可能な超音波用トランスデューサおよびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、超音波を発生する送波素子が、合成樹脂を成形した立体回路基板からなる保持基板に貫設されたホーンののどに合わせて保持基板の一面側に取り付けられて成ることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、合成樹脂を成形した保持基板にホーンを設けているから、ホーンの形状は成形によって決定され任意形状のホーンを容易に作成することができる。しかも、立体回路基板の成形技術では微細な形状を実現することができるから小型化が容易である。さらに、立体回路基板に送波素子を配置したことによって、所望の回路を送波素子とともに立体回路基板に実装することが可能であって、送波素子を駆動するのに必要な回路を含む全体の小型化が可能になる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記保持基板の前記一面側に、前記送波素子が複数個配列されるとともに超音波を受信する受波素子が複数個配列され、超音波を受波素子に導く受波用開口が保持基板に貫設されて成ることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、送波素子および受波素子を複数個ずつ１枚の保持基板に設けているから、１枚の保持基板で送波素子および受波素子のアレイ化が可能になる。送波素子をアレイ化することによって、たとえば、すべての送波素子を同様に駆動することによって超音波の到達範囲を拡げることができ、また、各送波素子に適宜の位相差を与えて駆動しフェーズドアレイとして機能させることにより超音波の送波に特定方向への指向性を与えてることが可能になる。同様に、受波素子をアレイ化することによって、たとえば、受波素子による超音波の受信範囲を拡げることができ、また、各受波素子の受信タイミングを適宜の位相差でずらすことにより、超音波の受波に特定方向への指向性を与えることが可能になる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記送波素子と前記受波素子とがそれぞれ前記保持基板の前記一面の中心を通り前記一面に直交する対称軸の回りに２回以上の回転対称性をもって配列され、送波素子と受波素子との配列の対称軸が一致していることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、送波素子と受波素子とが２回以上の回転対称性をもって配列されているから、超音波を送波する領域と受波する領域とにそれぞれ対称性を保たせることができ、しかも送波素子と受波素子との配列の対称軸が一致していることによって、超音波を送波する領域と受波する領域との中心線を一致させることができる。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項２または請求項３の発明において、前記保持基板において前記送波素子と前記受波素子との間となる領域に送波素子と受波素子との間の伝熱を抑制する熱分離用孔が貫設されて成ることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、熱分離用孔によって送波素子と受波素子との間が熱的に分離されるから、送波素子の駆動に伴って発生する熱が受波素子に伝達されにくくなり、受波素子の温度変化による特性変化を抑制することができる。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項２ないし請求項４の発明において、前記保持基板が前記送波素子から超音波を放射する空間に向かって凸となった曲面を有し、前記受波素子が当該曲面上の複数部位において各部位の法線方向を正面方向として配列されていることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、保持基板が平板状である場合に比較すると超音波の送受波の領域を広角にすることができる。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項３ないし請求項５の発明において、前記受波素子が、中央部に貫通孔を有する支持基台と、貫通孔の口軸方向の一面において支持基台に設けた薄肉のダイヤフラムと、ダイヤフラムの振動を電気信号に変換する音響電気変換部と、支持基台の前記一面において音響電気変換部と電気的に接続された電極パッドとを備え、前記保持基板に支持基台の他面を当接させた形で保持基板に受波素子が取り付けられ、保持基板に設けた導体パターンと支持基台に設けた電極パッドとがボンディングワイヤを介して電気的に接続されることを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、支持基台に設けたダイヤフラムの振動を電気信号に変換する構成の受波素子の一般的な電極パッドの位置を変更することなく、保持基板に設けた導体パターンと受波素子とをボンディングワイヤを用いて接続することができる。このようにボンディングワイヤを用いて接続することにより、接続箇所が露出するから、とくに受波素子が多数個設けられているときの接続箇所の確認が容易になる。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６の発明において、前記保持基板の周縁に前記一面側に突出する脚片が形成され、外部回路との接続用に保持基板に形成された導体パターンが脚片の先端面に延長されていることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、外部回路を電気的に接続するにあたって、外部回路を実装した回路基板に設けた回路パターン上に保持基板を載置し、回路基板に保持基板を接合するだけで外部回路の電気的接続が可能になり、実装作業が容易になる。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７の発明において、前記送波素子が、半導体基板上に断熱層を介して発熱用電極を設けた構造であって、発熱用電極の温度変化を媒質の膨張収縮に変換する電気音響変換素子であることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、半導体製造技術を用いて送波素子を形成することができるから、圧電体を用いた送波素子に比較して小型化が容易になる。しかも、熱衝撃（発熱用電極の近傍に存在する空気の急激な温度変化による膨張収縮）によって超音波を発生するから、機械的振動を発生する可動部分がなく、寿命の向上が期待できる。また、複数の送波素子を高密度に配置したときに他の送波素子に機械的振動が伝達されず、送波素子同士の干渉が少なく、受波素子とともに保持基板に設ける場合に受波素子の出力における残響時間の低減が期待できる。
【００２３】
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項８の発明において、前記ホーンののどの直径が、前記送波素子から発生する超音波の波長よりも小さいことを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、放射インピーダンスの影響を軽減して送波素子から発生した超音波を空間に効率よく放射させることができ、結果的に比較的小型の送波素子を用いながらもエネルギの大きい超音波を空間に放射させることが可能になる。
【００２５】
請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項９の発明において、前記送波素子にヒートシンクを設けたことを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、送波素子からの熱をヒートシンクによって放熱するから、発熱素子の温度上昇を抑制し、熱による発熱素子の動作特性の変化を抑制することができる。とくに、熱衝撃によって超音波を発生する形式の送波素子を用いる際には、断熱層の温度が上昇すると熱衝撃を与えられなくなるから、断熱層の蓄熱が抑制されるようにヒートシンクで不要な熱を廃棄し、効率よく動作させることが可能になる。
【００２７】
請求項１１の発明は、超音波用トランスデューサの製造方法であって、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の超音波用トランスデューサを製造するにあたって、保持基板は、ホーンを設けた合成樹脂成形品において導体パターンを形成する部位を含む領域に導体薄膜からなるメッキ下地電極を形成した後、メッキ下地電極のうち導体パターンを形成する部位と残りの部位とをレーザ照射によって分離し、次に導体パターンとなる部位に電気メッキによる厚み付けを行い、その後、導体パターン以外の部位の導体薄膜をエッチングにより除去して形成されることを特徴とする。
【００２８】
この方法によれば、保持基板の導体パターンの形状をレーザ照射によるパターニングで決定することができるから、導体パターンの微細な加工が可能であり、導体パターンを精密に形成することができる結果、高密度化および小型化が可能になる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態に示す超音波用トランスデューサは、図１ないし図５に示すように、合成樹脂を成形した立体回路基板からなる保持基板１を備え、超音波を発生する送波素子２と、超音波を受信する受波素子３とが保持基板１に複数個ずつ取り付けられた構成を有する。
【００３０】
保持基板１は、正方形状に形成された前板１１の周縁の全周に亘って脚片１２が突設された薄箱状に形成される。保持基板１の材料としては、立体回路基板に用いる合成樹脂材料であれば種々の材料を利用可能であるが、微細な形状を成形によって実現するために、たとえばＰＰＡ（ポリフタルアミド）を用いる。保持基板１には後述するようにメッキによる導体パターン１３ａ〜１３ｄ（図６参照）が形成される。本実施形態における保持基板１の前板１１は１０ｍｍ角程度であって、脚片１２は１ｍｍ程度の突出寸法を有している。脚片１２の先端部には他の部位よりも薄肉であるフィレット部１２ａが形成されている。また、フィレット部１２ａの先端は前板１１と平行な平面になっている。
【００３１】
前板１１の四隅付近にはそれぞれ送波素子２が配置され、隣接する送波素子２の間に形成される十字状の領域に受波素子３が配列される。つまり、送波素子２および受波素子３は、前板１１の中心を通り前板１１に直交する対称軸の回りで、４回回転対称となるように配置される。言い換えると、送波素子２と受波素子３との配列の対称軸が一致する。図示例では、４個の送波素子２と９個の受波素子３とを用いている。送波素子２と受波素子３とは、いずれも前板１１において脚片１２が突出している面に取り付けられ、結果的に前板１１と脚片１２とに囲まれた空間に配置される。前板１１において送波素子２に対応する部位には円形状に開口するホーン１４が貫設され、前板１１において受波素子３に対応する部位には正方形状に開口する受波用開口１５が貫設される。なお、送波素子２と受波素子３とは４回回転対称に配列することは必須ではなく、回転対称性を持つように配置してあればよく、位置関係も図示例に制限されるものではない。要は、送波素子２と受波素子３との配列の対称軸が一致していることによって、超音波を送波する領域と受波する領域との中心線を一致させることができればよい。また、送波素子２および受波素子３の個数も図示例には制限されない。
【００３２】
ホーン１４としてはエクスポネンシャルホーンを用いており、ホーン１４の中心軸に沿って口に向かってのどから距離ｘの位置の断面積Ｓが、Ｓ＝Ｓ０・ｅｘｐ（４πｆｘ／ｃ）となる形状に形成される。ただし、Ｓ０はホーン１４ののどの断面積、ｆは遮断周波数、ｃは音速である。遮断周波数ｆは、可聴周波数の上限である２０ｋＨｚ以上であって、目的とする超音波よりも低い周波数に設定される。上式から明らかなように、ホーン１４の内周面は滑らかに連続する曲面であって、従来構成のようにシリコンによってホーンを形成する場合には実現が困難な形状であるが、本実施形態では立体回路基板の成形技術を用いてホーン１４を形成することができるから、容易に実現することができる。
【００３３】
送波素子２はホーン１４ののどに合わせて配置されるのであって、送波素子２から発生する音波のうち遮断周波数以下の成分はホーン１４を通過することによって減衰することになる。つまり、送波素子２からは可聴周波数成分を含む音波を発生させても可聴周波数成分を除去ないし低減して超音波を送出することが可能になり、送波素子２の駆動原理や駆動方法について選択の自由度が高くなる。本実施形態では、後述するように、送波素子２として熱衝撃による粗密波を発生させるものを用いており、駆動方法によっては可聴周波数成分が発生する可能性があるが、可聴周波数成分を除去するように遮断周波数を設定したホーン１４を用いることによって、超音波成分のみを取り出すことを可能にしてある。
【００３４】
また、一般に、送波素子２において超音波を発生させる面の最大寸法が、送波素子２から発生させる超音波の波長よりも大きいときには、放射インピーダンスの影響を受けて減衰が大きくなるが、本実施形態では送波素子２にホーン１４を結合しているから、ホーン１４ののどの径を取り出す超音波の波長よりも小さくすることができる。したがって、ホーン１４ののどの径を、取り出す超音波の波長よりも小さくすることで、放射インピーダンスの影響を軽減し、送波素子２から発生した超音波をあまり減衰させることなく空間に放射することが可能になり、結果的に送波素子２から発生する超音波のエネルギが比較的小さい場合でも、大きなエネルギの超音波を空間に放射させることが可能になる。言い換えると、送波素子２として小型のものを用いることが可能になる。ちなみに、目的とする超音波を１００ｋＨｚとすると波長は約３．４ｍｍであって、この場合にはホーン１４ののどの径を１ｍｍなどと設定すればよい。
【００３５】
ところで、一般に超音波を発生させる素子としては圧電体を用いて電気信号を超音波に変換するものが広く採用されているが、本実施形態では、図１０のように、単結晶シリコンのような半導体基板２１の上に多孔質シリコンのような断熱層２２を介して発熱用電極２３を積層した構造の送波素子２を採用している。この送波素子２は、発熱用電極２３に通電することによる発熱用電極２３の温度変化を、発熱用電極２３の周囲の媒質（空気）の膨張収縮に変換する。つまり、発熱用電極２３への通電により生じる熱衝撃を利用して粗密波を発生させる電気音響変換素子を送波素子２として用いている。この送波素子２は、半導体製造技術を用いて容易に形成することができ、圧電体を用いる場合よりも小型化が容易になる。しかも、熱衝撃を利用して粗密波としての超音波を発生するから、機械的振動を発生する可動部分がなく、寿命の向上が期待できる。また、機械的な振動部分がないから、複数の送波素子２を高密度に配置しても他の送波素子２に機械的振動が伝達されないことによって送波素子２同士の干渉が少なく、保持基板１に設けた受波素子２に回り込む残響の低減も期待できる。さらに言えば、機械的振動部分がないことによって、保持基板１においてホーン１４ののどが開口する面に密着させるだけで、ホーン１４とのインピーダンスマッチングが可能になる。ここにおいて、ホーン１４ののどが円形に開口している場合に、正方形状の発熱用電極２３を備える送波素子２を用い、ホーン１４ののどの直径を１ｍｍとするときには、発熱用電極２３を１ｍｍ角とすればよい。また、同じ送波素子２を用いてホーン１４ののどを１ｍｍ角の正方形状としてもよい。あるいはまた、のどが直径１ｍｍの円形に開口するホーン１４に対して直径１ｍｍの円形である発熱用電極２３を備える送波素子２を採用してもよい。
【００３６】
上述の構成の送波素子２では、発熱用電極２３に通電したときの熱が空気に効率よく伝達されるように断熱層２２を設けているが、発熱用電極２３の単位時間当たりの発熱量が多くなれば、断熱層２２に蓄熱される可能性があり、断熱層２２に蓄熱されると発熱用電極２２への非通電時に周囲の媒質が加熱されることになり媒質に温度変化による熱衝撃を与えることができなくなる。したがって、発熱用電極２３の通電サイクルが短い（単位時間当たりの発熱量が多い）場合に備えて、断熱層２２に蓄熱されないように断熱層２２の熱を効率よく逃がすことが必要になる。そこで、本実施形態では、図１１に示すように、金属製のヒートシンク２４を半導体基板２１に設けてあり、この構成によって断熱層２２の蓄熱を抑制して発熱用電極２３への通電時に大きな熱衝撃を与えることを可能にしている。また、本実施形態に用いる構成の送波素子２ではなく圧電体などを用いる送波素子２であっても、ヒートシンク２４を設けることによって温度上昇を抑制することができ、結果的に温度上昇による効率の低下を抑制することができる。
【００３７】
一方、受波素子３には、図１２に示すように、単結晶シリコンからなる支持基台３０を備え、支持基台３０の中央部に形成した貫通孔３１の口軸方向の一面において支持基台３０の貫通孔３１を覆う薄肉のダイヤフラム３２を備え、このダイヤフラム３２の振動を電気信号に変換する音響電気変換部としてのピエゾ素子３３をダイヤフラム３２に積層した形のものを用いる。支持基台３０に形成した貫通孔３１は矩形状に開口し、図１２における下端から上端に向かって開口断面積を小さくするテーパ状に形成される。支持基台３０の下面および上面にはシリコン酸化膜３０ａ，３０ｂがそれぞれ形成され、支持基台３０の上面のシリコン酸化膜３０ｂを介してシリコンからなるダイヤフラム３２が設けられる。ダイヤフラム３２の表面にはシリコン酸化膜３２ａが形成される。ピエゾ素子３３は、シリコン酸化膜３２ａの上に積層される下部電極（白金／チタン）３３ａと、ＰＺＴあるいはＺｎＯのような圧電体層３３ｂと、圧電体層３３ｂの一部に積層された上部電極３３ｃとからなる。下部電極３３ａおよび上部電極３３ｂの一部には電極パッド（図示せず）が形成される。
【００３８】
上述した受波素子３では、貫通孔３１に対応する部位に超音波の振動が伝達されると、圧電体層３３ｂの圧電効果によって下部電極３３ａと上部電極３３ｂとの間に微小電圧が発生する。また、圧電体層３３ｂは寸法により規定される固有周波数を有しているから、不要周波数成分を除去して固有周波数付近の振動のみを電圧に変換する。
【００３９】
ところで、保持基板１には、図６に示すように、送波素子２および受波素子３を外部回路に接続するための導体パターン１３ａ〜１３ｄが形成されている。各送波素子２に対してはそれぞれ一対ずつの導体パターン１３ａ，１３ｂが形成され、各送波素子２に対応する各一対の導体パターン１３，１３ｂの一端部は前板１１の角部を挟むように配置され、フィレット部１２ａの先端面まで延長される。また、各受波素子３に対してはそれぞれ１本の導体パターン１３ｃが個別に形成されるとともに、複数個の受波素子３で共通に用いられる１本の導体パターン１３ｄが形成される。図示例では、２個ずつの受波素子３に共通に用いる３本の導体パターン１３ｄと、３個の受波素子３に共通に用いる１本の導体パターン１３ｄとが形成されている。導体パターン１３ｃ，１３ｄは前板１１の各辺の中央部に配置され、フィレット部１２ａの先端面まで延長される。
【００４０】
上述のように、導体パターン１３ａ〜１３ｄがフィレット部１２ａまで延長されているから、図７のようにプリント基板からなる回路基板４に形成した回路パターンと接続するに際して、回路基板４の上に保持基板１を載置して回路パターンと導体パターン１３ａ〜１３ｄとの位置を合わせた後に、回路基板４に保持基板１を接合すればよいのであって、回路パターンと導体パターンとの電気的な接続を容易に行うことができる。
【００４１】
導体パターン１３ａ，１３ｂと送波素子２とは、図８に示すように、ホーン１４ののどの周部において金バンプ１６を用いて接合され、導体パターン１３ｃ，１３ｄと受波素子３とは、図９に示すように、受波用開口１５の周部において金バンプ１７を用いて接合される。なお、受波用開口１５は、受波素子３の正面方向に対して４５度までの角度範囲の超音波を受波することができるように、受波用開口１５の形状が設定されている。つまり、図９のように、受波用開口１５は、受波素子３の外周寸法よりも内周寸法が大きい受波用孔１５ａを有し、受波用孔１５ａの内周面の一部に受波素子３を取り付ける取付片１５ｂを突設し、取付片１５ｂの中央部にダイヤフラム３２を露出させる開口窓１５ｃを形成した構成を有する。一方、送波素子２に対応して設けたホーン１４は、遮断周波数によって口の直径が決定され、ホーン１４ののどの直径と内周形状と口の直径とによってホーン１４の中心線に沿った長さが決まる。なお、図１などではホーン１４の口の周囲に段差を形成しているが、段差は必須ではなく図８のように保持基板１の厚み寸法の全長に亘ってホーン１４を形成してもよい。また、必要に応じて保持基板１に所望の回路を実装することも可能である。
【００４２】
本実施形態では、４個の送波素子２と９個の受波素子３とを設けてアレイ化しているから、送波素子２の駆動方法や受波素子３の出力に対する処理方法によって、超音波を送波ないし受波する領域を制限したり、超音波の到達範囲を拡げたりすることが可能になる。たとえば、すべての送波素子２を同様に同じ信号で駆動すれば、１個の送波素子２を駆動する場合に比較して大きなエネルギが得られるから、超音波の到達範囲を拡げることができる。とくに、送波素子２を矩形波パルスで駆動すれば、送波素子２から送出される粗密波も矩形波状になり、波形に歪のないインパルスを空間に放射することができ、受波素子３で受波する反射波の波形も歪が少なくなる。とくに、上述のように熱衝撃を利用して粗密波を生成する送波素子２を用いることによって、矩形波パルスによる送波素子２の駆動が容易になる。各送波素子２を駆動するにあたっては、駆動信号に適宜の位相差を与えることによってフェーズドアレイとして機能させてもよい。この場合、超音波の送波方向に特定方向への指向性を付与することができ、４個の送波素子２を駆動して所望方向に超音波を放射するから、結果的に比較的大きなエネルギの超音波を所望方向に放射することが可能になる。
【００４３】
送波素子２と同様にして、受波素子３についても、複数個の受波素子３を同時に用いることによって感度を高めることができ、結果的に受波素子３による超音波の受信範囲を拡げることが可能になる。また、各受波素子３の受信タイミングを適宜の位相差でずらすことによって、超音波の受波に特定方向への指向性を与えることが可能になる。ここに、複数個の受波素子３を用いて指向性を付与する場合には、メインローブの方向を受波素子３の配列方向において制御することができるのであって、本実施形態では受波素子３を十字形に配列しているから、互いに直交する方向にメインローブの方向を制御することが可能になり、メインローブの方向を前板１１の前方において任意に制御することが可能になる。
【００４４】
ところで、本実施形態では保持基板１として立体回路基板を用いるから、保持基板１を以下の方法で製造するのが望ましい。すなわち、まず合成樹脂成形品として前板１１、脚片１２を備え、かつホーン１４、受波用開口１５を備える形状の部材を形成する。すなわち、ホーン１４や受波用開口１５の形状は合成樹脂成形品として決定される。次に、導体パターン１３ａ〜１３ｄを形成する部位を含む領域に導体薄膜からなるメッキ下地電極を形成する。このメッキ下地電極は導体パターン１３ａ〜１３ｄと一致している必要はなく、導体パターン１３ａ〜１３ｄを形成する部位の全体を含んでいればよい。たとえば、保持基板１となる合成樹脂成形品の裏面全体にメッキ下地電極を形成してもよい。
【００４５】
メッキ下地電極はレーザ照射によってパターニングされ、導体パターン１３ａ〜１３ｄとなる部位と他の部位との間が分離される。つまり、導体パターン１３ａ〜１３ｄとなる部位の輪郭線に沿ってメッキ下地電極の一部が除去される。次に、導体パターン１３ａ〜１３ｄとなる部位に電気メッキによる厚み付けを行って導体パターン１３ａ〜１３ｄを形成し、その後、導体パターン１３ａ〜１３ｄ以外の部位の導体薄膜をエッチングにより除去する。この手順で保持基板１を製造することによって、導体パターン１３ａ〜１３ｄの形状をレーザ照射によるパターニングで決定することができ、導体パターン１３ａ〜１３ｄの微細な加工が可能になる。つまり、導体パターン１３ａ〜１３ｄを精密に形成することができる結果、高密度化および小型化が可能になる。
【００４６】
（実施形態２）
実施形態１では、送波素子２の温度上昇を抑制するために送波素子２にヒートシンク２４を設ける構成を示したが、本実施形態は、図１３に示すように、保持基板１の前板１１において送波素子２と受波素子３との間となる領域に熱分離用孔１８を貫設したものである。熱分離用孔１８は各送波素子２の回りに複数個ずつ形成されており、熱分離用孔１８を形成したことによって、送波素子２と受波素子３との間の伝熱が抑制される。つまり、熱分離用孔１８によって送波素子２と受波素子３との間が熱的に分離され、送波素子２の駆動に伴って発生する熱が受波素子３に伝達されにくくなるから、受波素子２の温度変化による特性変化を抑制することができる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００４７】
（実施形態３）
本実施形態は、コンデンサ型の受波素子３を用いるものである。つまり、コンデンサ型のマイクロホンと同様の駆動原理によって動作するものであって、図１４に示す構造を有している。図示例は図１２に示した受波素子３と同様に、単結晶シリコンのような半導体からなる支持基台３０を備え、支持基台３０の中央部に形成した貫通孔３１の口軸方向の一面において支持基台３０の貫通孔３１を多う薄肉のダイヤフラム３２を備えている。ただし、支持基台３０において貫通孔３１の周部に酸化シリコンのような絶縁材料からなる支持部３４を介して背面板３５を載置してあり、背面板３５とダイヤフラム３２とを対向するように配置している点が図１２に示す受波素子３とは異なる。背面板３５には排気孔３５ａが形成され、ダイヤフラム３２の振動時に排気孔３５ａを空気が通過するようにしてある。
【００４８】
本実施形態に用いる受波素子３は、ダイヤフラム３２が超音波を受けて振動したときに、ダイヤフラム３２と背面板３５との間の距離変化により生じる静電容量の変化を検出するものであって、図１２に示した受波素子３と同様に半導体製造技術を用いて形成することができ、しかもピエゾ素子が不要であるから、小型の受波素子３を得ることができる。また、本実施形態の受波素子３では、ピエゾ素子のような強い共振周波数を持たないから、受波周波数の範囲を広くとることが可能になる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００４９】
（実施形態４）
実施形態１では前板１１が平板状である保持基板１を用いたが、本実施形態は、図１５に示すように、保持基板１の前板１１を送波素子２から超音波を放射する空間に向かって凸となるように湾曲した形状に形成したものである。図示例では保持基板１に設けた受波素子３のみを示しているが、送波素子２も同じ前板１１に配列される。ここで、前板１１の形状は適宜に選択可能であるが、図示例では前板１１の前面（送波素子２から超音波が放射される空間側の面）を球面の一部と想定しており、隣接する受波素子３の正面方向がなす角度をθとしている。つまり、保持基板１の前板１１に形成した受波用開口１５の中心軸の方向（前板１１の前面の法線方向）を受波素子３の正面方向として配置してある。
【００５０】
本実施形態の構成では、保持基板１が平板状である場合に比較すると超音波の送受波の領域を広角にすることができる。他の構成および動作は実施形態１と同様である。
【００５１】
（実施形態５）
実施形態１では保持基板１に設けた受波用開口１５の周囲で金バンプ１７により受波素子３をフリップチップ実装していたが、本実施形態は図１６に示すように、支持基台３０においてダイヤフラム３２の反対側面を受波用開口１５の周囲で接合し、受波素子３に設けた電極パッドと保持基板１に設けた導体パターン１３ｃ，１３ｄとをボンディングワイヤ（図示せず）を介して電気的に接続するものである。つまり、保持基板１への受波素子３の機械的固定と電気的接続とは別部材によって行われる。他の構成および動作は実施形態１と同様であって、本実施形態の構成によれば、ボンディングワイヤを用いて接続することにより、接続箇所が露出するから、とくに受波素子３が多数個設けられているときの接続箇所の確認が容易になる。
【００５２】
なお、上述の例では保持基板１に送波素子２とともに受波素子３も取り付ける例を示したが、保持基板１に送波素子２のみを取り付ける構成を採用することも可能である。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、合成樹脂を成形した保持基板にホーンを設けているから、ホーンの形状は成形によって決定され任意形状のホーンを容易に作成することができるという利点があり、しかも、立体回路基板の成形技術では微細な加工が可能であるから小型化が容易であるという利点を有する。さらに、立体回路基板に送波素子を配置したので、所望の回路を送波素子とともに立体回路基板に実装することが可能であって、送波素子を駆動するのに必要な回路を含む全体の小型化が可能になるという効果を奏する。
【００５４】
また、本発明の方法によれば、保持基板の導体パターンの形状をレーザ照射によるパターニングで決定することができるから、導体パターンの微細な加工が可能であり、導体パターンを精密に形成することができる結果、高密度化および小型化が可能になるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は送波素子を通る断面図である。
【図２】同上の側面図である。
【図３】同上の受波素子を通る断面図である。
【図４】同上の導体パターンを省略した背面図である。
【図５】同上の斜視図である。
【図６】同上の導体パターンを示す背面図である。
【図７】同上の使用例を示す分解側面図である。
【図８】同上の送波素子付近を示す要部断面図である。
【図９】同上の受波素子付近を示す要部断面図である。
【図１０】同上に用いる送波素子を示す断面図である。
【図１１】同上に用いる送波素子の他例を示す断面図である。
【図１２】同上に用いる受波素子を示す断面図である。
【図１３】実施形態２を示す斜視図である。
【図１４】実施形態３に用いる受波素子を示す断面図である。
【図１５】実施形態４を示す要部断面図である。
【図１６】実施形態５を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１ 保持基板
２ 送波素子
３ 受波素子
１２ 脚片
１３ａ〜１３ｄ 導体パターン
１４ ホーン
１５ 受波用開口
１８ 熱分離用孔
２１ 半導体基板
２２ 断熱層
２３ 発熱用電極
２４ ヒートシンク
３０ 支持基台
３１ 貫通孔
３２ ダイヤフラム
３３ ピエゾ素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic transducer including a transmission element that generates ultrasonic waves together with a horn, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Generally, apparatuses that monitor the presence or absence of an object, measure the distance to the object, measure the shape of the object, and the like by transmitting an ultrasonic wave and receiving a reflected wave are widely used. In recent years, it has been required to obtain multi-point information using ultrasonic waves, and in order to satisfy this type of requirement, ultrasonic transducers that are arrayed in a one-dimensional or two-dimensional manner have been proposed. . However, an ultrasonic transducer used for ultrasonic transmission generally includes a transmission element that generates ultrasonic waves and a horn that controls the directivity of the ultrasonic waves generated by the transmission elements. For this reason, the presence of the horn prevents the miniaturization.
[0003]
Therefore, as an ultrasonic transducer that enables downsizing of the horn, there is a configuration in which a silicon pedestal provided with a piezoelectric body that converts between an ultrasonic wave and an electric signal is fixed to a horn formed of silicon. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this configuration, since the pedestal and the horn are both formed of silicon, microfabrication can be achieved by semiconductor processing technology, and miniaturization is facilitated.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-5-292598
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the technique described in Patent Document 1, since silicon is used for the horn, anisotropic etching or ion beam etching is employed as a technique for forming the horn. In anisotropic etching, it is difficult to form a horn in an arbitrary shape, and it is also difficult to form an exponential horn widely used in a wave transmitting element. Even if the horn is made of silicon, it can be formed into an arbitrary shape by using ion beam etching. However, the equipment is expensive because a high vacuum device is required, and the horn must be individually processed. Therefore, the cycle time is long, and it is not suitable for manufacturing a horn used for an ultrasonic transducer.
[0006]
The present invention has been made in view of the above reasons, and an object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer that can be easily manufactured and miniaturized and that can use a horn of any shape, and a method for manufacturing the same. There is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a wave transmitting element for generating an ultrasonic wave is attached to one surface side of a holding substrate in accordance with a throat of a horn penetrating a holding substrate made of a three-dimensional circuit board formed with a synthetic resin. It is characterized by that.
[0008]
According to this configuration, since the horn is provided on the holding substrate molded with the synthetic resin, the shape of the horn is determined by molding, and a horn having an arbitrary shape can be easily created. Moreover, the molding technology of the three-dimensional circuit board can realize a fine shape, and thus can be easily downsized. Furthermore, by arranging the transmitting element on the three-dimensional circuit board, a desired circuit can be mounted on the three-dimensional circuit board together with the transmitting element, and the entire circuit including the circuit necessary for driving the transmitting element is included. Can be miniaturized.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, a plurality of the wave transmitting elements and a plurality of wave receiving elements for receiving ultrasonic waves are arranged on the one surface side of the holding substrate. A wave receiving opening for guiding the light to the wave receiving element is formed through the holding substrate.
[0010]
According to this configuration, since a plurality of transmitting elements and receiving elements are provided on one holding substrate, it is possible to form an array of transmitting and receiving elements with one holding substrate. By arraying the transmitting elements, for example, all the transmitting elements can be driven in the same way, so that the reach of ultrasonic waves can be expanded, and each transmitting element is driven with an appropriate phase difference. However, by functioning as a phased array, it is possible to give directivity in a specific direction to the transmission of ultrasonic waves. Similarly, by arraying the receiving elements, for example, it is possible to widen the reception range of ultrasonic waves by the receiving elements, and by shifting the reception timing of each receiving element by an appropriate phase difference, It becomes possible to give directivity in a specific direction to the reception of sound waves.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the invention, the transmitting element and the receiving element each pass through the center of the one surface of the holding substrate at least twice around an axis of symmetry perpendicular to the one surface. It is arranged with rotational symmetry, and the symmetry axis of the arrangement of the transmitting element and the receiving element is the same.
[0012]
According to this configuration, since the transmitting element and the receiving element are arranged with two or more rotational symmetries, it is possible to maintain symmetry in the ultrasonic wave transmitting area and the receiving area. In addition, since the symmetry axes of the arrangement of the transmitting element and the receiving element match, the center lines of the ultrasonic wave transmitting area and the receiving area can be made coincident.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect of the present invention, transmission between the transmitting element and the receiving element is performed in a region between the transmitting element and the receiving element on the holding substrate. A heat separation hole for suppressing heat is provided through the hole.
[0014]
According to this configuration, since the transmission element and the reception element are thermally separated by the heat separation hole, heat generated by driving the transmission element is not easily transmitted to the reception element. The characteristic change due to the temperature change of the wave receiving element can be suppressed.
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention, in the second to fourth aspects of the invention, the holding substrate has a curved surface that is convex toward a space that emits ultrasonic waves from the transmitting element, and the receiving element is The plurality of parts on the curved surface are arranged with the normal direction of each part as the front direction.
[0016]
According to this configuration, the ultrasonic wave transmission / reception region can be widened as compared with the case where the holding substrate is flat.
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, in any of the third to fifth aspects of the present invention, the wave receiving element is provided on a support base having a through hole in a central portion and a surface of the through hole in the mouth axis direction. A thin-walled diaphragm, an acoustoelectric conversion unit that converts diaphragm vibration into an electric signal, and an electrode pad that is electrically connected to the acoustoelectric conversion unit on the one surface of the support base, and is supported by the holding substrate. The wave receiving element is attached to the holding substrate in such a manner that the other surface of the base is brought into contact, and the conductor pattern provided on the holding substrate and the electrode pad provided on the support base are electrically connected via a bonding wire. It is characterized by that.
[0018]
According to this configuration, the conductor pattern and the wave received on the holding substrate can be changed without changing the position of the general electrode pad of the wave receiving element configured to convert the vibration of the diaphragm provided on the support base into an electric signal. The element can be connected using a bonding wire. By connecting using bonding wires in this way, the connection location is exposed, so that it is easy to check the connection location especially when a large number of wave receiving elements are provided.
[0019]
According to a seventh aspect of the present invention, in the first to sixth aspects of the present invention, a leg piece projecting toward the one surface is formed on the periphery of the holding substrate, and the conductor is formed on the holding substrate for connection to an external circuit. The pattern is extended to the front end face of the leg piece.
[0020]
According to this configuration, when the external circuit is electrically connected, the holding board is placed on the circuit pattern provided on the circuit board on which the external circuit is mounted, and the external circuit is simply joined to the circuit board. Electrical connection becomes possible, and mounting work becomes easy.
[0021]
The invention according to claim 8 is the structure according to any one of claims 1 to 7, wherein the wave transmitting element has a structure in which a heating electrode is provided on a semiconductor substrate via a heat insulating layer, and the temperature change of the heating electrode It is an electroacoustic conversion element that converts into an expansion and contraction of a medium.
[0022]
According to this configuration, since the wave transmitting element can be formed by using a semiconductor manufacturing technique, the size can be easily reduced as compared with the wave transmitting element using a piezoelectric body. In addition, since ultrasonic waves are generated by thermal shock (expansion and contraction due to a rapid temperature change of air existing in the vicinity of the heating electrode), there is no movable part that generates mechanical vibration, and an improvement in life can be expected. In addition, when a plurality of transmitting elements are arranged at high density, mechanical vibrations are not transmitted to other transmitting elements, and there is little interference between transmitting elements. Reduction of reverberation time at the output of the element can be expected.
[0023]
The invention of claim 9 is characterized in that, in the inventions of claims 1 to 8, the diameter of the horn of the horn is smaller than the wavelength of the ultrasonic wave generated from the transmitting element.
[0024]
According to this configuration, it is possible to reduce the influence of the radiation impedance and efficiently radiate the ultrasonic wave generated from the transmission element to the space, and as a result, the energy is large while using a relatively small transmission element. Ultrasonic waves can be emitted into the space.
[0025]
A tenth aspect of the invention is characterized in that, in the first to ninth aspects of the invention, a heat sink is provided in the wave transmitting element.
[0026]
According to this configuration, since the heat from the wave transmitting element is radiated by the heat sink, the temperature rise of the heating element can be suppressed, and the change in the operating characteristics of the heating element due to heat can be suppressed. In particular, when using a type of transmission element that generates ultrasonic waves by thermal shock, heat shock is not applied when the temperature of the heat insulation layer rises, so a heat sink is not required to suppress heat storage in the heat insulation layer. It is possible to discard heat and operate efficiently.
[0027]
The invention of claim 11 is a method of manufacturing an ultrasonic transducer, wherein when the ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 10 is manufactured, the holding substrate is provided with a horn. After forming a plating base electrode made of a conductive thin film in a region including a part where a conductor pattern is formed in a synthetic resin molded product, the part of the plating base electrode where the conductor pattern is formed and the remaining part are separated by laser irradiation, Next, the conductive pattern is formed by thickening by electroplating on a portion to be a conductor pattern, and then removing the conductive thin film at a portion other than the conductor pattern by etching.
[0028]
According to this method, since the shape of the conductor pattern of the holding substrate can be determined by patterning by laser irradiation, the conductor pattern can be finely processed and the conductor pattern can be precisely formed. Densification and miniaturization are possible.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
As shown in FIGS. 1 to 5, the ultrasonic transducer shown in the present embodiment includes a holding substrate 1 made of a three-dimensional circuit board formed with a synthetic resin, and includes a transmission element 2 that generates ultrasonic waves, an ultrasonic wave And a plurality of receiving elements 3 for receiving the signal are attached to the holding substrate 1.
[0030]
The holding substrate 1 is formed in a thin box shape in which leg pieces 12 project from the entire periphery of the periphery of the front plate 11 formed in a square shape. Various materials can be used as the material of the holding substrate 1 as long as it is a synthetic resin material used for a three-dimensional circuit board. For example, PPA (polyphthalamide) is used to realize a fine shape by molding. As will be described later, conductor patterns 13a to 13d (see FIG. 6) are formed on the holding substrate 1 by plating. In this embodiment, the front plate 11 of the holding substrate 1 is about 10 mm square, and the leg pieces 12 have a protruding dimension of about 1 mm. A fillet portion 12 a that is thinner than other portions is formed at the tip of the leg piece 12. The tip of the fillet portion 12a is a plane parallel to the front plate 11.
[0031]
The transmitting elements 2 are arranged near the four corners of the front plate 11, and the receiving elements 3 are arranged in a cross-shaped region formed between the adjacent transmitting elements 2. That is, the transmitting element 2 and the receiving element 3 are arranged so as to be rotationally symmetric four times around the axis of symmetry passing through the center of the front plate 11 and orthogonal to the front plate 11. In other words, the symmetry axes of the arrangement of the transmitting element 2 and the receiving element 3 coincide. In the illustrated example, four transmission elements 2 and nine reception elements 3 are used. The wave transmitting element 2 and the wave receiving element 3 are both attached to the surface of the front plate 11 from which the leg pieces 12 protrude, and as a result, are arranged in a space surrounded by the front plate 11 and the leg pieces 12. . In the front plate 11, a horn 14 that opens in a circular shape is penetrated in a portion corresponding to the wave transmitting element 2, and a wave receiving opening 15 that opens in a square shape in a portion corresponding to the wave receiving element 3 in the front plate 11. Is penetrated. Note that it is not essential that the transmitting element 2 and the receiving element 3 be arranged rotationally symmetrical four times. The transmitting element 2 and the receiving element 3 may be arranged so as to have rotational symmetry, and the positional relationship is also limited to the illustrated example. is not. In short, it is only necessary that the center lines of the ultrasonic wave transmitting area and the wave receiving area can be matched by matching the symmetry axes of the arrangement of the transmitting element 2 and the receiving element 3. Further, the number of transmitting elements 2 and receiving elements 3 is not limited to the illustrated example.
[0032]
An exponential horn is used as the horn 14, and the cross-sectional area S at a distance x from the throat toward the mouth along the central axis of the horn 14 is S = S0 · exp (4πfx / c). Formed. Where S0 is the cross-sectional area of the horn 14, f is the cutoff frequency, and c is the speed of sound. The cut-off frequency f is set to a frequency that is 20 kHz or more, which is the upper limit of the audible frequency, and is lower than the target ultrasonic wave. As is apparent from the above equation, the inner peripheral surface of the horn 14 is a smoothly continuous curved surface, which is difficult to realize when the horn is formed of silicon as in the conventional configuration. Then, since the horn 14 can be formed using the molding technique of the three-dimensional circuit board, it can be easily realized.
[0033]
The wave transmitting element 2 is arranged in accordance with the throat of the horn 14, and components below the cutoff frequency in the sound wave generated from the wave transmitting element 2 are attenuated by passing through the horn 14. That is, even if a sound wave including an audible frequency component is generated from the transmission element 2, it becomes possible to remove or reduce the audible frequency component and transmit an ultrasonic wave. Increased freedom of choice. In the present embodiment, as will be described later, the wave transmitting element 2 that generates a dense wave due to thermal shock is used, and an audible frequency component may be generated depending on the driving method, but the audible frequency component is removed. Only the ultrasonic component can be extracted by using the horn 14 having the cut-off frequency set.
[0034]
In general, when the maximum dimension of the surface on which the ultrasonic wave is generated in the transmission element 2 is larger than the wavelength of the ultrasonic wave generated from the transmission element 2, the attenuation is increased due to the influence of the radiation impedance. In the embodiment, since the horn 14 is coupled to the wave transmitting element 2, the throat diameter of the horn 14 can be made smaller than the wavelength of the ultrasonic wave. Therefore, by making the throat diameter of the horn 14 smaller than the wavelength of the ultrasonic wave to be extracted, the influence of the radiation impedance is reduced, and the ultrasonic wave generated from the transmission element 2 is radiated to the space without much attenuation. As a result, even when the energy of the ultrasonic wave generated from the transmission element 2 is relatively small, it is possible to radiate the ultrasonic wave having a large energy into the space. In other words, it is possible to use a small wave transmission element 2. Incidentally, if the target ultrasonic wave is 100 kHz, the wavelength is about 3.4 mm. In this case, the throat diameter of the horn 14 may be set to 1 mm or the like.
[0035]
By the way, in general, as an element for generating an ultrasonic wave, an element that converts an electrical signal into an ultrasonic wave using a piezoelectric body is widely used. In this embodiment, as shown in FIG. A wave transmitting element 2 having a structure in which a heating electrode 23 is laminated on a semiconductor substrate 21 via a heat insulating layer 22 such as porous silicon is employed. The wave transmitting element 2 converts a temperature change of the heat generating electrode 23 caused by energizing the heat generating electrode 23 into expansion and contraction of a medium (air) around the heat generating electrode 23. That is, an electroacoustic transducer that generates a dense wave using a thermal shock generated by energization of the heat generating electrode 23 is used as the wave transmitting element 2. The wave transmitting element 2 can be easily formed by using a semiconductor manufacturing technique, and can be easily reduced in size as compared with the case of using a piezoelectric body. In addition, since ultrasonic waves are generated as a close-packed wave using thermal shock, there are no movable parts that generate mechanical vibration, and an improvement in life can be expected. In addition, since there is no mechanical vibration portion, even if a plurality of transmission elements 2 are arranged at high density, the mechanical vibration is not transmitted to other transmission elements 2, thereby reducing interference between the transmission elements 2, Reduction of reverberation that wraps around the wave receiving element 2 provided on the holding substrate 1 can also be expected. Furthermore, since there is no mechanical vibration part, impedance matching with the horn 14 becomes possible simply by bringing the throat of the horn 14 into close contact with the surface of the holding substrate 1. Here, in the case where the throat of the horn 14 is opened in a circular shape, when the transmission element 2 having the square heating electrode 23 is used and the throat diameter of the horn 14 is 1 mm, the heating electrode 23 is A 1 mm square may be used. Alternatively, the horn 14 may have a 1 mm square shape using the same transmission element 2. Or you may employ | adopt the transmission element 2 provided with the electrode 23 for a heat_generation | fever whose circular shape is 1 mm in diameter with respect to the horn 14 whose throat opens circularly with a diameter of 1 mm.
[0036]
In the transmission element 2 having the above-described configuration, the heat insulating layer 22 is provided so that heat when the heat generating electrode 23 is energized is efficiently transmitted to the air. The heat generation amount of the heat generating electrode 23 per unit time is provided. If there is a large amount of heat, there is a possibility that heat will be stored in the heat insulating layer 22, and if heat is stored in the heat insulating layer 22, the surrounding medium will be heated when the heating electrode 22 is not energized, and the heat due to temperature change will be generated in the medium Can not give an impact. Therefore, it is necessary to efficiently release the heat of the heat insulating layer 22 so that heat is not stored in the heat insulating layer 22 in preparation for a case where the energization cycle of the heat generating electrode 23 is short (a large amount of heat generation per unit time). Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 11, a metal heat sink 24 is provided on the semiconductor substrate 21. With this configuration, heat storage of the heat insulating layer 22 is suppressed, and a large amount of heat is generated when the heating electrode 23 is energized. It is possible to give an impact. Even in the case of the transmission element 2 using a piezoelectric body or the like instead of the transmission element 2 having the configuration used in the present embodiment, the temperature rise can be suppressed by providing the heat sink 24. As a result, the temperature rise A decrease in efficiency can be suppressed.
[0037]
On the other hand, as shown in FIG. 12, the wave receiving element 3 includes a support base 30 made of single crystal silicon, and a support base is provided on one surface in the mouth axis direction of a through hole 31 formed at the center of the support base 30. A thin diaphragm 32 that covers the through-hole 31 of the base 30 is provided, and a piezoelectric element 33 as an acoustoelectric conversion unit that converts vibration of the diaphragm 32 into an electric signal is laminated on the diaphragm 32. The through hole 31 formed in the support base 30 opens in a rectangular shape, and is formed in a taper shape that decreases the opening cross-sectional area from the lower end to the upper end in FIG. Silicon oxide films 30 a and 30 b are respectively formed on the lower surface and the upper surface of the support base 30, and a diaphragm 32 made of silicon is provided via the silicon oxide film 30 b on the upper surface of the support base 30. A silicon oxide film 32 a is formed on the surface of the diaphragm 32. The piezo element 33 includes a lower electrode (platinum / titanium) 33a stacked on a silicon oxide film 32a, a piezoelectric layer 33b such as PZT or ZnO, and an upper electrode stacked on a part of the piezoelectric layer 33b. 33c. An electrode pad (not shown) is formed on part of the lower electrode 33a and the upper electrode 33b.
[0038]
In the wave receiving element 3 described above, when ultrasonic vibration is transmitted to a portion corresponding to the through hole 31, a minute voltage is generated between the lower electrode 33a and the upper electrode 33b due to the piezoelectric effect of the piezoelectric layer 33b. . In addition, since the piezoelectric layer 33b has a natural frequency defined by the size, unnecessary frequency components are removed and only vibrations near the natural frequency are converted into voltage.
[0039]
By the way, as shown in FIG. 6, the holding substrate 1 is provided with conductor patterns 13a to 13d for connecting the transmitting element 2 and the receiving element 3 to an external circuit. A pair of conductor patterns 13a and 13b is formed for each transmission element 2, and one end of each pair of conductor patterns 13 and 13b corresponding to each transmission element 2 sandwiches a corner of the front plate 11. And extended to the tip surface of the fillet portion 12a. In addition, one conductor pattern 13 c is individually formed for each receiving element 3, and one conductor pattern 13 d that is used in common by the plurality of receiving elements 3 is formed. In the illustrated example, three conductor patterns 13 d used in common for every two receiving elements 3 and one conductor pattern 13 d used in common for the three receiving elements 3 are formed. The conductor patterns 13c and 13d are disposed at the center of each side of the front plate 11 and extend to the tip surface of the fillet portion 12a.
[0040]
As described above, since the conductor patterns 13a to 13d are extended to the fillet portion 12a, when being connected to the circuit pattern formed on the circuit board 4 made of a printed board as shown in FIG. After the substrate 1 is mounted and the positions of the circuit pattern and the conductor patterns 13a to 13d are aligned, the holding substrate 1 may be joined to the circuit substrate 4, and the electrical connection between the circuit pattern and the conductor pattern Can be easily performed.
[0041]
As shown in FIG. 8, the conductor patterns 13a and 13b and the wave transmitting element 2 are joined using gold bumps 16 at the periphery of the horn 14, and the conductor patterns 13c and 13d and the wave receiving element 3 are As shown in FIG. 9, bonding is performed using gold bumps 17 at the periphery of the receiving opening 15. The shape of the wave receiving opening 15 is set so that the wave receiving opening 15 can receive ultrasonic waves in an angle range of up to 45 degrees with respect to the front direction of the wave receiving element 3. . That is, as shown in FIG. 9, the wave receiving opening 15 has a wave receiving hole 15 a having an inner peripheral dimension larger than the outer peripheral dimension of the wave receiving element 3, and a part of the inner peripheral surface of the wave receiving hole 15 a. A mounting piece 15b for mounting the wave receiving element 3 is provided so as to project, and an opening window 15c for exposing the diaphragm 32 is formed at the center of the mounting piece 15b. On the other hand, the diameter of the mouth of the horn 14 provided corresponding to the transmitting element 2 is determined by the cut-off frequency, and the horn 14 has a throat diameter, an inner peripheral shape, and a diameter of the mouth along the center line of the horn 14. The length is determined. In FIG. 1 and the like, a step is formed around the mouth of the horn 14, but the step is not essential, and the horn 14 may be formed over the entire length of the holding substrate 1 as shown in FIG. . In addition, a desired circuit can be mounted on the holding substrate 1 as necessary.
[0042]
In the present embodiment, four wave transmitting elements 2 and nine wave receiving elements 3 are provided and arrayed. Therefore, depending on the driving method of the wave transmitting element 2 and the processing method for the output of the wave receiving element 3, It is possible to limit a region where sound waves are transmitted or received, or to extend the reach of ultrasonic waves. For example, if all the transmission elements 2 are similarly driven with the same signal, a larger energy can be obtained compared to the case where one transmission element 2 is driven, so that the reach of ultrasonic waves can be expanded. . In particular, if the transmission element 2 is driven by a rectangular wave pulse, the dense wave transmitted from the transmission element 2 also has a rectangular wave shape, and an impulse having no distortion in the waveform can be radiated to the space. The distortion of the waveform of the reflected wave that is received at is reduced. In particular, the use of the transmission element 2 that generates a dense wave using thermal shock as described above facilitates driving of the transmission element 2 with a rectangular pulse. When driving each transmission element 2, it may function as a phased array by giving an appropriate phase difference to the drive signal. In this case, directivity in a specific direction can be imparted to the ultrasonic wave transmission direction, and the four wave transmission elements 2 are driven to emit ultrasonic waves in a desired direction. It becomes possible to emit ultrasonic waves of energy in a desired direction.
[0043]
Similarly to the wave transmitting element 2, the sensitivity of the wave receiving element 3 can be increased by using a plurality of wave receiving elements 3 at the same time. As a result, the ultrasonic wave receiving range by the wave receiving element 3 is expanded. It becomes possible. In addition, by shifting the reception timing of each receiving element 3 by an appropriate phase difference, directivity in a specific direction can be given to the reception of ultrasonic waves. Here, when directivity is imparted using a plurality of wave receiving elements 3, the direction of the main lobe can be controlled in the arrangement direction of the wave receiving elements 3. Since the elements 3 are arranged in a cross shape, the direction of the main lobe can be controlled in directions orthogonal to each other, and the direction of the main lobe can be arbitrarily controlled in front of the front plate 11. .
[0044]
By the way, in this embodiment, since a three-dimensional circuit board is used as the holding substrate 1, it is desirable to manufacture the holding substrate 1 by the following method. That is, first, a member having a shape including a front plate 11 and leg pieces 12 as a synthetic resin molded product, and a horn 14 and a receiving opening 15 is formed. That is, the shapes of the horn 14 and the receiving opening 15 are determined as a synthetic resin molded product. Next, a plating base electrode made of a conductive thin film is formed in a region including a portion where the conductor patterns 13a to 13d are formed. The plating base electrode does not need to coincide with the conductor patterns 13a to 13d, and may include the entire portion where the conductor patterns 13a to 13d are formed. For example, the plating base electrode may be formed on the entire back surface of the synthetic resin molded product to be the holding substrate 1.
[0045]
The plating base electrode is patterned by laser irradiation, and the portion to be the conductor patterns 13a to 13d is separated from other portions. That is, a part of the plating base electrode is removed along the contour lines of the portions to be the conductor patterns 13a to 13d. Next, the conductor patterns 13a to 13d are thickened by electroplating to form the conductor patterns 13a to 13d, and thereafter, the conductor thin film at portions other than the conductor patterns 13a to 13d is removed by etching. By manufacturing the holding substrate 1 by this procedure, the shapes of the conductor patterns 13a to 13d can be determined by patterning by laser irradiation, and the conductor patterns 13a to 13d can be finely processed. That is, the conductor patterns 13a to 13d can be precisely formed, so that the density and size can be reduced.
[0046]
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the structure in which the heat sink 24 is provided with the heat sink 24 in order to suppress the temperature rise of the wave transmitter 2 has been described. However, in the present embodiment, as shown in FIG. In FIG. 11, a heat separation hole 18 is provided in a region between the transmission element 2 and the reception element 3. A plurality of heat separation holes 18 are formed around each transmission element 2, and heat transfer between the transmission element 2 and the reception element 3 is suppressed by forming the heat separation holes 18. Is done. That is, the heat separating hole 18 thermally separates the wave transmitting element 2 and the wave receiving element 3, and heat generated when the wave transmitting element 2 is driven is hardly transmitted to the wave receiving element 3. The characteristic change due to the temperature change of the wave receiving element 2 can be suppressed. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.
[0047]
(Embodiment 3)
In the present embodiment, a capacitor type receiving element 3 is used. In other words, it operates on the same driving principle as a condenser microphone and has the structure shown in FIG. The illustrated example includes a support base 30 made of a semiconductor such as single crystal silicon, like the wave receiving element 3 shown in FIG. 12, and the through-hole 31 formed in the central portion of the support base 30 in the mouth axis direction. On one side, a thin diaphragm 32 is provided which has many through holes 31 in the support base 30. However, the back plate 35 is placed on the periphery of the through hole 31 in the support base 30 via the support portion 34 made of an insulating material such as silicon oxide so that the back plate 35 and the diaphragm 32 face each other. Is different from the wave receiving element 3 shown in FIG. An exhaust hole 35a is formed in the back plate 35 so that air passes through the exhaust hole 35a when the diaphragm 32 vibrates.
[0048]
The wave receiving element 3 used in this embodiment detects a change in electrostatic capacitance caused by a change in the distance between the diaphragm 32 and the back plate 35 when the diaphragm 32 is vibrated by receiving ultrasonic waves. 12 can be formed by using a semiconductor manufacturing technique in the same manner as the wave receiving element 3 shown in FIG. 12, and a piezo element is unnecessary, so that a small wave receiving element 3 can be obtained. In addition, since the receiving element 3 of the present embodiment does not have a strong resonance frequency unlike a piezo element, the receiving frequency range can be widened. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.
[0049]
(Embodiment 4)
In the first embodiment, the holding substrate 1 in which the front plate 11 has a flat plate shape is used. However, in this embodiment, the front plate 11 of the holding substrate 1 emits ultrasonic waves from the wave transmitting element 2 as shown in FIG. It is formed in a curved shape so as to be convex toward the space. Although only the wave receiving element 3 provided on the holding substrate 1 is shown in the illustrated example, the wave transmitting element 2 is also arranged on the same front plate 11. Here, the shape of the front plate 11 can be selected as appropriate, but in the illustrated example, the front surface of the front plate 11 (the surface on the space side where ultrasonic waves are radiated from the transmitting element 2) is assumed to be a part of a spherical surface. The angle formed by the front direction of adjacent wave receiving elements 3 is θ. That is, the direction of the central axis of the wave receiving opening 15 formed in the front plate 11 of the holding substrate 1 (the normal direction of the front surface of the front plate 11) is arranged as the front direction of the wave receiving element 3.
[0050]
In the configuration of the present embodiment, the ultrasonic wave transmission / reception region can be widened as compared with the case where the holding substrate 1 has a flat plate shape. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.
[0051]
(Embodiment 5)
In the first embodiment, the wave receiving element 3 is flip-chip mounted by the gold bumps 17 around the wave receiving opening 15 provided in the holding substrate 1, but in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the opposite side surface of the diaphragm 32 is joined around the wave receiving opening 15, and the electrode pads provided on the wave receiving element 3 and the conductor patterns 13 c and 13 d provided on the holding substrate 1 are connected via bonding wires (not shown). Are electrically connected. That is, mechanical fixing of the wave receiving element 3 to the holding substrate 1 and electrical connection are performed by separate members. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment, and according to the configuration of the present embodiment, the connection portion is exposed by connecting using bonding wires. This makes it easy to check the connection location when it is connected.
[0052]
In the above example, the wave receiving element 3 and the wave receiving element 2 are attached to the holding substrate 1. However, a configuration in which only the wave transmitting element 2 is attached to the holding substrate 1 may be employed.
[0053]
【The invention's effect】
According to the configuration of the present invention, since the horn is provided on the holding substrate molded with the synthetic resin, the shape of the horn is determined by molding, and there is an advantage that a horn of an arbitrary shape can be easily created, The molding technology of the three-dimensional circuit board has an advantage that miniaturization is easy because fine processing is possible. Furthermore, since the transmitting element is arranged on the three-dimensional circuit board, a desired circuit can be mounted on the three-dimensional circuit board together with the transmitting element, and the entire circuit including the circuit necessary for driving the transmitting element is included. There is an effect that downsizing becomes possible.
[0054]
Further, according to the method of the present invention, since the shape of the conductor pattern of the holding substrate can be determined by patterning by laser irradiation, the conductor pattern can be finely processed and the conductor pattern can be precisely formed. As a result, there is an advantage that high density and miniaturization are possible.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a first embodiment, in which FIG. 1A is a front view, and FIG. 1B is a cross-sectional view through a transmission element;
FIG. 2 is a side view of the above.
FIG. 3 is a cross-sectional view through the wave receiving element.
FIG. 4 is a rear view in which the conductor pattern is omitted.
FIG. 5 is a perspective view of the same.
FIG. 6 is a rear view showing the same conductor pattern.
FIG. 7 is an exploded side view showing an example of use of the above.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part showing the vicinity of the transmission element of the above.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part showing the vicinity of the receiving element of the above.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a wave transmitting element used in the above.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing another example of the wave transmitting element used in the above.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a wave receiving element used in the above.
FIG. 13 is a perspective view showing a second embodiment.
14 is a cross-sectional view showing a wave receiving element used in Embodiment 3. FIG.
15 is a cross-sectional view of a main part showing Embodiment 4. FIG.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a main part of a fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Holding substrate
2 Transmitting element
3 receiving element
12 leg pieces
13a-13d Conductor pattern
14 Horn
15 Receiving aperture
18 Heat separation hole
21 Semiconductor substrate
22 Thermal insulation layer
23 Heating electrode
24 heat sink
30 Support base
31 Through hole
32 Diaphragm
33 Piezo elements
