JP2016049193A - 超音波デバイス、超音波デバイスの製造方法、超音波プローブ、超音波測定装置、電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本実施形態の超音波デバイスとしての超音波デバイスユニット130は、第1面132aに配置された、超音波素子と、超音波素子に接続された素子配線端子145,147とを含む素子基板131と、超音波素子が配置された領域149を内包する大きさで厚み方向に貫通して開口した開口部162と、開口部162以外の実装面161aに設けられた配線端子163とを含む配線基板161と、を備え、第1面132aの超音波素子と開口部162とは対向して配置され、素子配線端子145,147と配線端子163とが対向して接続されている。開口部162に音響整合層151が形成された音響レンズ152が挿入され、音響整合層151は超音波素子が配置された領域に接している。
【選択図】図6
Description
上記超音波診断装置において、上記超音波トランスデューサー素子チップは、上記超音波トランスデューサー素子から超音波を発信させたり、該超音波の反射波を上記超音波トランスデューサー素子で受信したりするための送受信回路にフレキシブルプリント基板(以降、FPCと称す)を介して電気的に接続されている。
この構成によれば、音響インピーダンスが超音波素子と異なる対象物である例えば人体との間に音響レンズと音響整合層とを介することにより、超音波素子から発信される超音波を人体に効率的に照射することができる。また、例えば超音波が照射された対象物である例えば人体から反射した超音波を超音波素子で効率的に受けることができる。
この構成によれば、封止部材により開口部と音響レンズとの隙間から水分などが浸入することを防ぐことができる。すなわち、封止部材により、水分などで音響整合層や素子基板の特性や機能が低下したり失われたりすることを防止できる。
この構成によれば、開口部を有する配線基板の厚みを調整することで、音響整合層の層厚を精度よく確保することができる。音響整合層の層厚は音響インピーダンスに影響するため、対象物により効率的に超音波を伝達可能な超音波デバイスを実現できる。
この構成によれば、配線基板の開口部を音響レンズにより塞ぐことになり、開口部から水分などが浸入し難くなるので、高い接続信頼性を有する超音波デバイスを実現できる。
この方法によれば、音響インピーダンスが超音波素子と異なる対象物である例えば人体との間に音響レンズと音響整合層とを介することにより、超音波素子から発信される超音波を人体に効率的に照射することが可能であると共に、超音波が照射された対象物である例えば人体から反射した超音波を超音波素子で効率的に受けることが可能な超音波デバイスを製造することができる。
この方法によれば、封止部材により開口部と音響レンズとの隙間から水分などが浸入することを防ぐことができる。すなわち、封止部材により、水分などで音響整合層や素子基板の特性や機能が低下したり失われたりすることを防止して、より高い接続信頼性を有する超音波デバイスを製造することができる。
この方法によれば、配線基板からはみ出た音響整合層形成部材を除去することで、開口部を有する配線基板の厚みによって、音響整合層の層厚を精度よく規定することができる。音響整合層の層厚は音響インピーダンスに影響するため、対象物により効率的に超音波を伝達可能な超音波デバイスを製造することができる。
この方法によれば、配線基板と音響レンズとの間に隙間が生じないように音響レンズを固定することができ、且つ外部から音響整合層や素子基板の第1面に水分などが浸入することを防ぐことができる。すなわち、より高い接続信頼性を有する超音波デバイスを製造することができる。
本適用例によれば、測定対象として例えば人体の特定部位に超音波プローブを当て、超音波デバイスから発信させた超音波の反射波を超音波デバイスで受信して、該特定部位の内部の状況を画像として表示部に表示することが可能であり、高い接続信頼性を有する超音波測定装置を提供できる。
<電子機器>
まず、本実施形態の電子機器として超音波測定装置を例に挙げ、図1及び図2を参照して説明する。図1は超音波測定装置の構成を示す斜視図、図2は超音波測定装置の電気的な構成を示すブロック図である。
送信回路115は、送信期間において、選択回路117を介して超音波デバイスユニット130に超音波を発信させる電気信号としての送信信号を出力する。送信信号の周波数及び振幅電圧は、UI部112を介して制御部111により設定することができる。
受信回路116は、受信期間において、選択回路117を介して超音波デバイスユニット130から電気信号としての受信信号を受け取る。また、受け取った受信信号の増幅、A/D変換(アナログ/デジタル変換)などの受信処理を行う。受信回路116は、例えば低雑音増幅器、電圧制御アッテネーター、プログラマブルゲインアンプ、ローパスフィルター、A/Dコンバーターなどで構成することができる。
制御部111は、送信回路115及び受信回路116を制御する。具体的には、制御部111は、送信回路115に対して送信信号の生成及び出力処理の制御を行い、受信回路116に対して受信信号の周波数設定やゲイン設定などの制御を行う。
選択回路117は、制御部111の制御に基づいて、選択された送信信号を出力する。
処理部113は、受信回路116からの検出データを受けて、必要な画像処理や表示用画像データの生成などを行う。
表示部114は、処理部113に接続された例えば液晶ディスプレイであって、処理部113から出力される表示用画像データを表示する。
次に、本実施形態の超音波デバイスとしての超音波デバイスユニット130について、図3〜図6を参照して説明する。図3は超音波デバイスユニットの構成を示す概略平面図、図4(a)は素子基板の構成を示す概略平面図、図4(b)は図4(a)のB−B’線で切った素子基板の構造を示す概略断面図、図5は配線基板の構成を示す概略平面図、図6は超音波デバイスユニットの構造を示す概略断面図である。なお、図6は図1あるいは図3のA−A’線で切った概略断面図である。
素子基板131及び配線基板161は、外形が四角形であって、以降、素子基板131及び配線基板161の長手方向をX方向、長手方向に直交する短手方向をY方向として説明する。
素子基板131は、Y方向に配列する8個の圧電体膜142に跨って配置された第1配線部144aと、7つの第1配線部144aの両端に接続され、X方向に延在する一対の第2配線部144bとを含む上電極配線144を有している。また、X方向に配列する7個の圧電体膜142に跨ると共に、圧電体膜142の下層に設けられた下電極配線146を有している。言い換えれば、列単位に設けられた第1配線部144aは、Y方向に配列した8個の圧電素子140のそれぞれにおいて上電極141として機能する。また、行単位に設けられた下電極配線146は、X方向に配列した7個の圧電素子140のそれぞれにおいて下電極143として機能する。上電極配線144は、例えばイリジウム(Ir)を用いて形成される。下電極配線146は、例えばチタン(Ti)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)を用いて形成される、あるいはこれらの金属を積層して形成してもよい。
振動板135が振動することで発生する超音波は、基板本体132に対して圧電素子140側に放出されるだけでなく、空間134を介して補強板138側に伝搬して補強板138で反射される。補強板138で反射した超音波は、再び空間134を介して圧電素子140側から放出される。したがって、振動板135の振動によりそのまま放出される超音波と補強板138で反射した超音波との位相がずれて減衰しないように、空間134の音響的な距離は、超音波の波長λの4分の1(λ/4)の奇数倍に設定される。言い換えれば、アクチュエーター(電気機械変換素子)としての圧電素子140と振動板135とにより構成される超音波素子から発せられる超音波の波長λを考慮して、基板本体132の厚みや補強板138の厚み)が設定される。
なお、圧電素子140は、振動板135が受けた反射波のエネルギー(力)を電気信号に変換する機械電気変換素子としても機能する。また、素子基板131は、本実施形態のように補強板138を含む構成としてもよいし、補強板138を含まない構成とすることも可能である。また、空間134は、空気層であることに限定されず、例えばシリコーンなどの樹脂層であってもよい。
Z=ρ×C ・・・・(1)
したがって、水の密度ρを1000kg/m3、音速を1530m/sとすると、水つまり人体の音響インピーダンスZは、1.5×106kg/(m2・s)となる。この値は、1.5Mrayls(メガレイリー)と呼ばれている。
次に、本実施形態の超音波デバイスの製造方法としての超音波デバイスユニットの製造方法について、図7及び図8を参照して説明する。図7(a)〜(c)及び図8(a)〜(d)は超音波デバイスユニットの製造方法を示す概略断面図である。
本実施形態の超音波デバイスユニット130の製造方法は、素子基板131と、配線基板161とを準備する工程(ステップS1)と、素子基板131を配線基板161に実装する工程(ステップS2)と、音響レンズ152に音響整合層151を形成する工程(ステップS3)と、配線基板161に音響レンズ152を組み込む工程(ステップS4)と、開口部162と音響レンズ152との隙間に封止部材153を充填する工程(ステップS5)と、を備えている。以降、図7及び図8を参照してより具体的に説明する。
(1)超音波デバイスユニット130とその製造方法によれば、素子基板131が配線基板161に平面実装(フェイスダウン実装)されているので、素子基板131の素子配線端子145,147と配線基板161の配線端子163とをFPCなどの中継基板を用いて接続させる場合に比べて、中継基板の配線抵抗や接続抵抗に起因する素子基板131と配線基板161との間で送受される電気信号の減衰や外部からのノイズの影響を受け難く、高い接続信頼性を有すると共に、薄型な超音波デバイスユニット130を提供及び製造することができる。
(2)配線基板161は、実装面161aに配線端子163や引き回し配線を配し、コネクター165などの電子部品を実装面161aに実装可能な片面基板を用いることができるので、両面基板や多層基板を用いる場合に比べて低コスト化を図ることができる。
(3)超音波デバイスユニット130は、音響整合層151と音響レンズ152とを備えている。また、音響整合層151は音響レンズ152の凹部152bを埋めるように形成される。そして、音響整合層151が素子基板131の素子領域149に接するように音響レンズ152が配線基板161の開口部162に挿入されて封止部材153により固定される。したがって、素子基板131から発した超音波を測定対象である例えば人体などに効率よく伝えると共に、該超音波の人体からの反射波を素子基板131に効率よく伝えることが可能な薄型の超音波デバイスユニット130を提供及び製造することができる。
(4)配線基板161の開口部162に音響レンズ152を挿入することにより生じた隙間164に封止部材153が充填されて、配線基板161と音響レンズ152とが固定される。これによれば、隙間164から水分などが浸入することを防ぐことができ、水分などの影響により音響整合層151が変質したり、接合部材166を介した素子配線端子147(145)と配線端子163との接合が不安定になったりすることを防ぐことができる。
(5)超音波プローブ120は上記超音波デバイスユニット130を備えているので、高い接続信頼性を有し、薄型な超音波プローブ120を実現できる。
(6)超音波測定装置100は、上記超音波プローブ120を備えているので、高い接続信頼性を有し、携帯性に優れた超音波測定装置100を提供することができる。
<超音波デバイス>
次に、第2実施形態の超音波デバイスとしての超音波デバイスユニットについて、図9を参照して説明する。図9は第2実施形態の超音波デバイスユニットの構造を示す概略断面図である。第2実施形態の超音波デバイスユニットは、第1実施形態の超音波デバイスユニット130に対して、配線基板、音響整合層、音響レンズの構成を異ならせたものである。第1実施形態と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。なお、図9は第1実施形態の図6に示された超音波デバイスユニット130と比較することが可能な概略断面図である。
次に、第2実施形態の超音波デバイスの製造方法としての超音波デバイスユニットの製造方法について、図10を参照して説明する。図10(a)〜(d)は第2実施形態の超音波デバイスユニットの製造方法を示す概略断面図である。
本実施形態の超音波デバイスユニット230の製造方法は、素子基板131と、配線基板261とを準備する工程(ステップS11)と、素子基板131を配線基板261に実装する工程(ステップS12)と、音響整合層251を形成する工程(ステップS13)と、配線基板261に音響レンズ252を配置する工程(ステップS14)と、音響レンズ252を配線基板261に固定する工程(ステップS15)と、を備えている。以降、図10を参照してより具体的に説明する。なお、ステップS11は、第1実施形態のステップS1と内容が変わらないので、説明を省略する。
(7)上記超音波デバイスユニット230とその製造方法によれば、音響整合層251は配線基板261の開口部262を埋めて形成され、配線基板261からはみ出た余分な音響整合層形成部材251aは除去される。したがって、配線基板261の厚みを調整することによって、音響整合層251の厚みを制御することができる。第1実施形態のように音響整合層151が形成される凹部152bを音響レンズ152に設ける場合に比べて、音響レンズ252の成形が容易となる。また、第1実施形態の支持部152cのように突出した部分が音響レンズ252にはないので、落下などの衝撃で支持部152cが破損したり、支持部152cから音響レンズ152にひび割れが生じたりするなどの不具合が生じ難い。つまり耐衝撃性に優れた超音波デバイスユニット230を提供できる。
(8)配線基板261の開口部262は音響整合層251によって埋められると共に、音響レンズ252の平らな面252bによって閉止される。加えて、音響レンズ252の外周部は封止部材153により封止されるので、第1実施形態に比べて、開口部262に水分などがより浸入し難い。つまり、水分などにより音響整合層251が変質したり、素子基板131と配線基板261との接合部分に水分などが浸入して接合状態が不安定になったりすることをより確実に防止することができる。
なお、第2実施形態では、音響整合層251の厚みを変える場合、配線基板261の厚みも同時に変える必要がある。これに対して、第1実施形態では、音響整合層151の厚みを変えても、配線基板161の厚みを変える必要がないため、配線基板161を共通部品として利用できるというメリットがある。言い換えれば、第2実施形態では音響レンズ252を共通部品として利用できるメリットがある。
Claims (15)
- 第1面に配置された、超音波素子と、前記超音波素子に接続された素子配線端子とを含む素子基板と、
前記超音波素子が配置された領域を内包する大きさで厚み方向に貫通して開口した開口部と、前記開口部以外の実装面に設けられた配線端子とを含む配線基板と、を備え、
前記第1面の前記超音波素子と前記開口部とは対向して配置され、
前記素子配線端子と前記配線端子とが対向して接続されていることを特徴とする超音波デバイス。 - 前記開口部において前記素子基板側から順に積層された、音響整合層と、音響レンズと、を備えることを特徴とする請求項1に記載の超音波デバイス。
- 前記開口部と前記音響レンズとの隙間に充填された封止部材を有する請求項1または2に記載の超音波デバイス。
- 前記開口部を埋めて、前記素子基板に接する音響整合層と、
前記配線基板に対して、前記開口部と重なる位置において前記音響整合層と接するように取り付けられた音響レンズと、を備えたことを特徴とする請求項1に記載の超音波デバイス。 - 前記音響レンズの前記音響整合層と接する側の面は、前記開口部よりも大きいことを特徴とする請求項4に記載の超音波デバイス。
- 第1面に配置された、超音波素子と、前記超音波素子に接続された素子配線端子とを含む素子基板と、前記超音波素子が配置された領域を内包する大きさで厚み方向に貫通して開口した開口部と、前記開口部以外の実装面に設けられた配線端子とを含む配線基板と、を準備する工程と、
前記第1面の前記超音波素子と前記開口部とが対向するように前記素子基板を前記配線基板に実装し、前記素子配線端子と前記配線端子とを接続する工程と、を備えたことを特徴とする超音波デバイスの製造方法。 - 凸状のレンズ面と、前記レンズ面に対向する平面とを有する音響レンズの前記平面に音響整合層を形成する工程と、
前記音響整合層が形成された前記音響レンズを前記音響整合層が前記素子基板と接するように前記配線基板の前記開口部に前記音響レンズを組み込む工程と、を含むことを特徴とする請求項6に記載の超音波デバイスの製造方法。 - 前記開口部と前記音響レンズとの隙間に封止部材を充填する工程を含むことを特徴とする請求項6または7に記載の超音波デバイスの製造方法。
- 前記素子基板が実装された前記配線基板の前記開口部を埋めるように音響整合層形成部材を充填する工程と、
前記配線基板の前記実装面と反対側の面からはみ出した前記音響整合層形成部材を除去する工程と、
前記配線基板の前記反対側の面の前記開口部と重なる位置に音響レンズを配置する工程と、を含むことを特徴とする請求項6に記載の超音波デバイスの製造方法。 - 前記音響レンズの外周部に封止部材を配置して、前記配線基板の前記反対側の面に前記音響レンズを固定する工程を含むことを特徴とする請求項9に記載の超音波デバイスの製造方法。
- 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の超音波デバイスを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
- 請求項6乃至10のいずれか一項に記載の超音波デバイスの製造方法を用いて製造された超音波デバイスを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
- 請求項11または12に記載の超音波プローブと、
前記超音波プローブの超音波デバイスからの出力を処理し、画像を形成する処理部と、
前記画像を表示する表示部と、を備えたことを特徴とする超音波測定装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の超音波デバイスを備えたことを特徴とする電子機器。
- 請求項6乃至10のいずれか一項に記載の超音波デバイスの製造方法を用いて製造された超音波デバイスを備えたことを特徴とする電子機器。
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