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

Abstract

【課題】薄型で高い信頼性を有する超音波デバイスとその製造方法、該超音波デバイスを備えた超音波プローブ、超音波測定装置、電子機器を提供すること。
【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

本発明は、超音波デバイス、超音波デバイスの製造方法、該超音波デバイスを用いた、超音波プローブ、超音波測定装置、電子機器に関する。

超音波デバイスとして、基板の第１面にアレイ状に配置された開口に設けられた超音波トランスデューサー素子と、基板の第１面と反対側の第２面に固定された補強部材と、を備え、補強部材に上記開口と外部空間とを連通させる直線状溝部を有する超音波トランスデューサー素子チップが開示されている。また、この超音波トランスデューサー素子チップが搭載された超音波プローブを備える超音波診断装置が開示されている。
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。

特開２０１３−２１１６０４号公報

しかしながら、送受信回路の少なくとも一部を含む配線基板と、超音波トランスデューサー素子チップとを電気的に接続させるためにＦＰＣなどの中継基板を用いることは、中継基板自体の配線抵抗や、中継基板との接続における接続抵抗などにより、送受信回路と超音波トランスデューサー素子との間で送受される電気信号の電圧降下を生じさせる。また、中継基板に外部からノイズが入り易いという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例］本適用例に係る超音波デバイスは、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。

本適用例によれば、中継基板を用いて素子基板と配線基板とが電気的に接続される場合に比べて、配線基板に素子基板がフェイスダウン実装されているので、中継基板の配線抵抗や接続抵抗に起因す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を提供できる。

上記適用例に記載の超音波デバイスは、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、を備えることが好ましい。
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。

上記適用例に記載の超音波デバイスにおいて、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ことが好ましい。
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。

上記適用例に記載の超音波デバイスにおいて、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、を備えるとしてもよい。
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。

上記適用例に記載の超音波デバイスにおいて、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が好ましい。
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。

［適用例］本適用例に係る超音波デバイスの製造方法は、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。

本適用例によれば、中継基板を用いて素子基板と配線基板とを電気的に接続する場合に比べて、配線基板に素子基板をフェイスダウン実装するので、中継基板の接続抵抗に起因する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を製造することができる。

上記適用例に記載の超音波デバイスの製造方法において、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、を含むことが好ましい。
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。

上記適用例に記載の超音波デバイスの製造方法において、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が好ましい。
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。

上記適用例に記載の超音波デバイスの製造方法において、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、を含むとしてもよい。
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。

上記適用例に記載の超音波デバイスの製造方法において、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が好ましい。
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。

［適用例］本適用例に係る超音波プローブは、上記適用例に記載の超音波デバイスを備えたことを特徴とする。

［適用例］本適用例に係る超音波プローブは、上記適用例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。

これらの適用例によれば、従来よりも薄型で高い接続信頼性を有する超音波プローブを提供することができる。

［適用例］本適用例に係る超音波測定装置は、上記適用例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。
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。

［適用例］本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載の超音波デバイスを備えたことを特徴とする。

［適用例］本適用例に係る電子機器は、上記適用例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。

これらの適用例によれば、薄型で高い接続信頼性を有する超音波デバイスを備えた電子機器を提供することができる。

超音波測定装置の構成を示す斜視図。 超音波測定装置の電気的な構成を示すブロック図。 第１実施形態の超音波デバイスユニットの構成を示す概略平面図。 （ａ）は素子基板の構成を示す概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線で切った素子基板の構造を示す概略断面図。 配線基板の構成を示す概略平面図。 第１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。 （ａ）〜（ｃ）は第１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。 （ａ）〜（ｄ）は第１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。 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。 （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。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示している。

（第１実施形態）
＜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。

図１に示すように、本実施形態の電子機器としての超音波測定装置１００は、装置本体１１０と、装置本体１１０にケーブル１１８を介して電気的に接続された超音波プローブ１２０とを有する。超音波測定装置１００は、例えば測定対象としての人体の特定部位に超音波プローブ１２０を当て、超音波プローブ１２０から発信させた超音波が人体の内部で反射した反射波（エコー波）を超音波プローブ１２０で受信し、受信情報を画像として装置本体１１０の表示部１１４に表示することが可能な装置である。

装置本体１１０は、タブレット型であって、超音波プローブ１２０を駆動するための各種回路（詳しくは後述する）を内蔵している。また、表示部１１４には、タッチ方式の入力手段（図示省略）が組み込まれており、表示部１１４に表示された各種の操作アイコンやボタンなどに使用者（ユーザー）が触れることで、操作アイコンやボタンなどに対応付けられた操作を実行することができる。

超音波プローブ１２０は、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と、超音波デバイスユニット１３０が組み込まれた筐体（ケース）１２１とを備えている。超音波デバイスユニット１３０は、筐体（ケース）１２１の窓孔１２２から突出するように設けられ、測定対象に接して超音波を伝えたり、超音波の反射波を超音波プローブ１２０の内部に導いたりする音響レンズ１５２を備えている。音響レンズ１５２は、シリンドリカル（円柱の側面である曲面の一部を指す）なレンズ面１５２ａを有している。レンズ面１５２ａが測定対象に接する部分である。なお、超音波プローブ１２０は、超音波やその反射波が効率よく送受されるように、測定対象である例えば人体の特定部位に水分を含むジェルを塗布してから音響レンズ１５２が当てられて測定が行われる。

図２に示すように、超音波測定装置１００は、装置本体１１０と、超音波デバイスユニット１３０を内蔵する超音波プローブ１２０とを有している。装置本体１１０は、制御部１１１と、ユーザーインターフェイス部（ＵＩ部）１１２と、処理部１１３と、表示部１１４と、送信回路１１５と、受信回路１１６と、選択回路１１７とを有している。
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。

ＵＩ部１１２は前述したタッチ方式の入力手段を含むものであり、制御部１１１に接続されている。ＵＩ部１１２は、ユーザーが行う操作（例えばタッチ方式の入力手段の操作など）に基づいて制御部１１１に必要な命令（コマンド）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。

本実施形態の超音波測定装置１００は、小型で薄型の超音波デバイスユニット１３０が搭載された超音波プローブ１２０を備え、装置本体１１０に内蔵された電源（図１及び図２では図示を省略した）により駆動される携帯型の超音波測定装置である。なお、電源は、装置本体１１０に内蔵されることに限定されず、別体であってもよいし、外部から電源コードを経て供給される構成であってもよい。

＜超音波デバイス＞
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。

図３に示すように、超音波デバイスユニット１３０は、素子基板１３１と、配線基板１６１とを有している。素子基板１３１には超音波素子が設けられている。配線基板１６１には、複数の配線端子１６３と２つのコネクター１６５とが設けられている。素子基板１３１は、配線基板１６１の配線端子１６３が設けられた実装面に平面実装されている。コネクター１６５には、ケーブル１１８の配線１１９が接続されている。
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。

図４（ａ）に示すように、素子基板１３１は、Ｘ方向とＹ方向とに沿って配置された圧電素子１４０を有している。本実施形態では、圧電素子１４０は、Ｘ方向に等間隔で７個、Ｙ方向に等間隔で８個、合計５６個配置されている。言い換えれば、Ｘ方向を行とし、Ｙ方向を列とすると、圧電素子１４０は８行７列に配置されている。複数の圧電素子１４０が配置された領域を素子領域１４９と呼ぶこととする。なお、素子領域１４９に配置される圧電素子１４０の数はこれに限定されるものではない。また、素子領域１４９における圧電素子１４０の配置は、Ｘ方向とＹ方向とにおいてそれぞれ等間隔に配置されることに限定されず、例えば、Ｘ方向（行）における配置、あるいはＹ方向（列）における配置が１つ置きにずれていてもよい。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、圧電素子１４０は、上電極１４１と、下電極１４３と、これらの電極間に挟持された圧電体膜１４２とを有している。圧電体膜１４２は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）膜である。
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。

Ｘ方向に延在する一対の第２配線部１４４ｂの両端には素子配線端子１４５が設けられている。同じくＸ方向に延在する下電極配線１４６の両端には素子配線端子１４７が設けられている。素子基板１３１のＸ方向の左端には、Ｙ方向において、２つの素子配線端子１４５と、２つの素子配線端子１４５の間に等間隔で配置された８つの素子配線端子１４７とを含む端子部１４５ａが設けられている。同じく、素子基板１３１のＸ方向の右端には、Ｙ方向において、２つの素子配線端子１４５と、２つの素子配線端子１４５の間に等間隔で配置された８つの素子配線端子１４７とを含む端子部１４５ｂが設けられている。

図４（ｂ）に示すように、素子基板１３１は、基板本体１３２と、基板本体１３２の第１面１３２ａに積層された振動板１３５とを有する。本実施形態では、振動板１３５は、第１面１３２ａに順に積層された第１誘電体膜１３６と第２誘電体膜１３７とを含むものである。第１誘電体膜１３６は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜であり、第２誘電体膜１３７は、例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）膜である。複数の圧電素子１４０は振動板１３５の第２誘電体膜１３７上に配置されている。

基板本体１３２は、例えばシリコンなどの半導体基板が用いられている。基板本体１３２の厚みは、例えば０．１５ｍｍである。基板本体１３２には、圧電素子１４０のそれぞれに対応して空間１３４が形成されている。隣り合う空間１３４は壁１３３によって仕切られている。つまり、素子領域１４９においてＸ方向とＹ方向とに配置された圧電素子１４０のそれぞれに対応する空間１３４と壁１３３とが基板本体１３２に形成され、振動板１３５により空間１３４の第１面１３２ａ側が閉じられている。図４（ａ）に示すように平面視における空間１３４の大きさは、圧電体膜１４２の大きさよりも大きい。

基板本体１３２の第１面１３２ａと反対側の第２面１３２ｂには、補強板１３８が設けられている。補強板１３８は、例えば鉄ニッケル合金などからなる金属板やシリコン基板などを用いることができる。補強板１３８の材質や厚みは、超音波デバイスユニット１３０の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波デバイスユニット１３０の中心周波数に基づいて設定される。本実施形態では、補強板１３８は常温付近での熱膨張率が他の金属材料に比べて小さい４２アロイ（鉄ニッケル合金）を用い、その厚みは例えば０．１ｍｍである。補強板１３８には、基板本体１３２においてＸ方向に隣り合う７つの空間１３４を外気に連通させる溝１３９が設けられている。言い換えれば、溝１３９は、振動板１３５上においてＸ方向に配置された７個の圧電素子１４０に対応して基板本体１３２に設けられた７つの空間１３４を連通させるように、補強板１３８において行単位に複数設けられている。なお、溝１３９は行単位に設けられることに限定されず、列単位に設けてもよいし、行単位と列単位の双方に対応して設けてもよい。また、空間１３４を外気に連通させる手段は溝１３９に限らず、例えば補強板１３８を貫通する孔や、溝と孔とを組み合わせて外気に連通させてもよい。

このような素子基板１３１の構成によれば、上電極配線１４４と下電極配線１４６との間に、所定周波数の例えば矩形波を印加すれば、行単位及び／または列単位で圧電素子１４０を駆動して振動板１３５を振動させ超音波を発生させることができる。また、超音波の反射波（エコー波）が振動板１３５を振動させることで圧電素子１４０の上電極１４１と下電極１４３との間に所定周波数の電気信号を生じさせることができる。
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。

図５に示すように、素子基板１３１が平面実装される配線基板１６１は、リジットな例えばガラスエポキシ配線基板であって、配線基板１６１を貫通する開口部１６２と、実装面１６１ａに設けられた複数の配線端子１６３と、２つのコネクター１６５とを有している。開口部１６２の形状は四角形である。開口部１６２の大きさ（形状及び面積）は、素子基板１３１から発する超音波の放出を阻害しない、あるいは超音波の反射波が素子基板１３１に到達することを阻害しないように設定される。具体的には、開口部１６２の大きさ（形状及び面積）は、素子基板１３１における素子領域１４９を内包する大きさ、つまり素子領域１４９の大きさ（形状及び面積）と同じ、または素子領域１４９の大きさ（面積）よりもやや大きいことが好ましい。なお、素子領域１４９の形状及び面積は、複数の圧電素子１４０のそれぞれに対応して形成された複数の空間１３４が占める領域の外縁によって規定することができる（図４（ａ）参照）。

配線端子１６３は、Ｘ方向において開口部１６２を挟んで配置されると共に、開口部１６２のＹ方向の縁に沿って複数配置されている。複数の配線端子１６３は、素子基板１３１における端子部１４５ａ，１４５ｂの２つの素子配線端子１４５と、８つの素子配線端子１４７とに対応してＹ方向に等間隔で配置されている（図４（ａ）参照）。

図６に示すように、超音波デバイスユニット１３０は、素子基板１３１と、配線基板１６１と、音響整合層１５１と、音響レンズ１５２と備えている。素子基板１３１は配線基板１６１の実装面１６１ａに平面実装（フェイスダウン実装）されている。具体的には、素子領域１４９と開口部１６２とが向かい合うように素子基板１３１と配線基板１６１とが対向して配置され、互いに対向して配置された素子配線端子１４７（１４５）と、配線端子１６３とが接合部材１６６を介して接合されている。これにより、素子基板１３１に設けられた複数の圧電素子１４０が電気的に配線基板１６１に接続される。接合部材１６６は、例えば、金や半田などのバンプでもよいし、熱可塑性の異方性導電フィルムや異方性導電接着剤であってもよい。

配線基板１６１の開口部１６２には、音響レンズ１５２が挿入されている。音響レンズ１５２は、前述したようにシリンドリカルなレンズ面１５２ａと、レンズ面１５２ａの反対側に設けられた凹部１５２ｂとを有する。凹部１５２ｂは支持部１５２ｃと平面１５２ｄとを含んで構成されている。凹部１５２ｂには音響整合層形成部材が充填されて音響整合層１５１が構成されている。音響レンズ１５２は、支持部１５２ｃが素子基板１３１の素子領域１４９以外の部分に接し、音響整合層１５１が少なくとも素子領域１４９と接するように開口部１６２に挿入される。そして、音響レンズ１５２の側面と開口部１６２の内壁との隙間１６４を埋めるように封止部材１５３が充填される。これにより、音響レンズ１５２が配線基板１６１に固定される。封止部材１５３は、高い耐湿性能と接着性能とを有する例えば熱硬化性のエポキシ樹脂が用いられる。

レンズ面１５２ａ及び凹部１５２ｂを有する音響レンズ１５２は、透明な例えばシリコーン樹脂を成形型に充填して固化することにより形成される。音響整合層１５１もまた透明な例えばシリコーン樹脂を用いて形成することができる。音響整合層１５１を音響レンズ１５２と同系の部材で構成することにより、音響レンズ１５２に対する音響整合層１５１の密着性や接着性を確保することができる。

音響整合層１５１及び音響レンズ１５２は、素子基板１３１で発生した超音波を測定対象である例えば人体に効率よく伝えたり、人体から反射した超音波の反射波を効率よく素子基板１３１に伝えたりするために設けられている。音響整合層１５１及び音響レンズ１５２における超音波及びその反射波の伝搬効率つまり音響インピーダンスは、素子基板１３１における超音波素子（圧電素子１４０と振動板１３５を含む）、及び測定対象となる例えば人体の音響インピーダンスを考慮して設定される。

前述した超音波測定装置１００において、測定に用いられる超音波は、１ＭＨｚ〜３０ＭＨｚの間の周波数となっている。音速は、超音波が伝わる物体やその温度により異なることが知られている。測定対象が例えば人体の場合、媒質としての人体は水に近い特性を有することから、測定に用いられる超音波の音速は、水中の音速であるおよそ１５３０ｍ／ｓ（秒）（３５℃）を前提としている。音響インピーダンスを「Ｚ」として表すと、音響インピーダンスＺは、媒質の密度ρと音速Ｃの積（数式（１））で表すことができる。
Ｚ＝ρ×Ｃ ・・・・（１）
したがって、水の密度ρを１０００ｋｇ／ｍ^３、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、１．５×１０^６ｋｇ／（ｍ^２・ｓ）となる。この値は、１．５Ｍｒａｙｌｓ（メガレイリー）と呼ばれている。

本実施形態の素子基板１３１の超音波素子から発する超音波の周波数は、およそ７．５ＭＨｚであり、音響インピーダンスはおよそ１Ｍレイリーである。したがって、音響整合層１５１及び音響レンズ１５２は、１Ｍレイリーと１．５Ｍレイリーとの間の値が設定される。効率的な超音波の送受の観点から音響整合層１５１は超音波素子に近い音響インピーダンスとされ、音響レンズ１５２は人体に近い音響インピーダンスとされることが好ましい。本実施形態における音響整合層１５１の音響インピーダンスは例えば１．２Ｍレイリーであり、音響レンズ１５２の音響インピーダンスは１．５Ｍレイリーである。音響整合層１５１は、上述したように音響インピーダンスを考慮すると共に、厚みも考慮する必要がある。厚みが厚くなれば超音波が音響整合層１５１を伝わる間に減衰し易くなる。したがって、音響整合層１５１はできるだけ薄いほうが好ましい。本実施形態における音響整合層１５１の厚みはおよそ０．１ｍｍである。開口部１６２に音響整合層１５１と音響レンズ１５２とが収容される配線基板１６１の厚みはおよそ０．５ｍｍである。なお、音響整合層１５１は、本実施形態のように単層であることに限定されず、音響インピーダンスが異なる複層構造であってもよい。

＜超音波デバイスの製造方法＞
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。

ステップＳ１では、圧電素子１４０と圧電素子１４０に繋がる上電極配線１４４や下電極配線１４６が形成された素子基板１３１を用意する。また、少なくとも開口部１６２及び配線端子１６３が形成された配線基板１６１を用意する。そして、図７（ａ）に示すように、配線基板１６１の配線端子１６３に接合部材１６６を配置する。本実施形態では、接合部材１６６として異方性導電接着剤を用い、配線端子１６３に塗布した。異方性導電接着剤の塗布は、例えば印刷法やディスペンス法などを挙げることができる。異方性導電接着剤を用いているので、複数の配線端子１６３に跨って塗布しても、隣り合う配線端子１６３同志が、異方性導電接着剤により短絡することはない。なお、このような接合部材１６６の配置は、次のステップＳ２で行うとしてもよい。そして、ステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、図７（ｂ）に示すように、素子領域１４９と、開口部１６２とが向かい合い、且つ素子配線端子１４７（１４５）と接合部材１６６が配置された配線端子１６３とが対向するように、素子基板１３１と配線基板１６１とを位置決めして配置する。このように素子基板１３１と配線基板１６１とを位置決めして対向配置する方法としては、それぞれ異なる基準位置に配置された素子基板１３１と配線基板１６１に対して、カメラなどの撮像手段で素子配線端子１４７（１４５）と配線端子１６３とをそれぞれ画像認識させ、一方に対して他方を相対的に移動させることにより画像処理によって位置決めして対向配置する方法が挙げられる。また、配線基板１６１の開口部１６２を利用して、開口部１６２側から素子基板１３１を撮像することで素子基板１３１と配線基板１６１とを位置決めして対向配置させてもよい。そして、図７（ｃ）に示すように、素子基板１３１の補強板１３８に圧着ツール５０を当接させ、素子基板１３１を配線基板１６１に押し当てる。このとき、接合部材１６６に熱が伝わるように圧着ツール５０をヒーターなどで加熱する。所定の温度で所定の時間、素子基板１３１を配線基板１６１に熱圧着することで、素子配線端子１４７（１４５）と配線端子１６３とが接合部材１６６を介して接合される。

ステップＳ３では、まず、図８（ａ）に示すように、音響レンズ１５２の凹部１５２ｂに音響整合層形成部材１５１ａを充填する。次に、支持部１５２ｃをガイド（案内部）としてスキージ７０を移動させることにより、支持部１５２ｃからはみ出た余分な音響整合層形成部材１５１ａをスキージ７０でかき取る。これにより、図８（ｃ）に示すように、凹部１５２ｂの平面１５２ｄに対向する面１５１ｂがほぼ平坦な音響整合層１５１が形成される。言い換えれば、ばらつきが小さい安定した厚みを有する音響整合層１５１が形成される。そして、ステップＳ４へ進む。なお、ステップＳ３は、ステップＳ２の後に行う必要はなく、ステップＳ４の前までに行われていればよい。

ステップＳ４では、図８（ｄ）に示すように、音響整合層１５１が形成された音響レンズ１５２を配線基板１６１の開口部１６２に挿入する。音響レンズ１５２の支持部１５２ｃが素子基板１３１に当接するように挿入すれば、音響整合層１５１と素子領域１４９とが接して配置される。そして、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５では、配線基板１６１の開口部１６２に音響レンズ１５２を挿入することで生じた、音響レンズ１５２の側面と開口部１６２の内壁との間の隙間１６４（図８（ｄ）参照）に封止部材１５３を充填して固化する。これにより、配線基板１６１に音響レンズ１５２を固定して超音波デバイスユニット１３０ができあがる（図６参照）。なお、素子基板１３１の第１面１３２ａと実装面１６１ａとの間の隙間にも封止部材１５３を充填してもよい。

また、コネクター１６５は、素子基板１３１を配線基板１６１に平面実装する前に実装してもよいし、素子基板１３１を配線基板１６１に平面実装した後に実装してもよい。

第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（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。

（第２実施形態）
＜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。

図９に示すように、本実施形態の超音波デバイスユニット２３０は、素子基板１３１と、配線基板２６１と、音響整合層２５１と、音響レンズ２５２とを備えている。配線基板２６１には、配線基板２６１を貫通すると共に、素子領域１４９の大きさと同じまたはそれよりも大きく開口する開口部２６２が設けられている。配線基板２６１の実装面２６１ａには、開口部２６２の縁部に沿って複数の配線端子２６３が設けられている。素子基板１３１は配線基板２６１の実装面２６１ａに平面実装（フェイスダウン実装）されている。具体的には、素子領域１４９と開口部２６２とが向かい合うように素子基板１３１と配線基板２６１とが対向して配置され、互いに対向して配置された素子配線端子１４７（１４５）と、配線端子２６３とが接合部材１６６を介して接合されている。これにより、素子基板１３１に設けられた複数の圧電素子１４０が電気的に配線基板２６１に接続されている。接合部材１６６は、第１実施形態で説明したように、例えば、金や半田などのバンプでもよいし、熱可塑性の異方性導電フィルムや異方性導電接着剤であってもよい。本実施形態では接合部材１６６として、熱可塑性の異方性導電接着剤が用いられている。

音響整合層２５１は、配線基板２６１の開口部２６２を埋めると共に、配線基板２６１に平面実装された素子基板１３１の素子領域１４９に接するように形成されている。

音響レンズ２５２は、シリンドリカルなレンズ面２５２ａと、レンズ面２５２ａに対向する平らな面２５２ｂとを有している。面２５２ｂの大きさ（面積）は開口部２６２の大きさ（面積）よりも大きい。また、音響レンズ２５２は、面２５２ｂが音響整合層２５１と接するように、配線基板２６１の実装面２６１ａと反対側の面２６１ｂに配置されている。さらに、音響レンズ２５２の外周部に封止部材１５３が配置され、封止部材１５３により音響レンズ２５２が配線基板２６１の面２６１ｂに固定されている。

音響整合層２５１は、第１実施形態と同様に透明な例えばシリコーン樹脂を用いて形成されている。音響レンズ２５２もまた第１実施形態と同様に透明な例えばシリコーン樹脂を成形型で成形することにより形成されている。音響整合層２５１及び音響レンズ２５２は、音響インピーダンスが１Ｍレイリーから１．５Ｍレイリーの間の値となるように設定されている。音響整合層２５１の音響インピーダンスは例えば１．２Ｍレイリーであり、音響レンズ２５２の音響インピーダンスは１．５Ｍレイリーである。

＜超音波デバイスの製造方法＞
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。

ステップＳ１２では、図１０（ａ）に示すように、素子基板１３１の素子領域１４９と、開口部２６２とが向かい合い、且つ素子配線端子１４７（１４５）と接合部材１６６が配置された配線端子２６３とが対向するように、素子基板１３１と配線基板２６１とを位置決めして配置する。そして、所定の温度で所定の時間、素子基板１３１を配線基板２６１に熱圧着することで、素子配線端子１４７（１４５）と配線端子２６３とが接合部材１６６を介して接合される。そして、ステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３では、図１０（ｂ）に示すように、素子基板１３１が平面実装された配線基板２６１を上下に反転させ、開口部２６２を埋めるように音響整合層形成部材２５１ａを充填する。次に、配線基板２６１の実装面２６１ａと反対側の面２６１ｂからはみ出た余分な音響整合層形成部材２５１ａを除去する。具体的には、図１０（ｃ）に示すように、配線基板２６１の面２６１ｂにスキージ７０を当てた状態で移動させることにより、面２６１ｂからはみ出た余分な音響整合層形成部材２５１ａをスキージ７０でかき取る。これにより、配線基板２６１の開口部２６２において露出した面がほぼ平らな音響整合層２５１が形成される。そして、ステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４では、図１０（ｄ）に示すように、音響レンズ２５２の面２５２ｂが開口部２６２と重なり、面２５２ｂが音響整合層２５１と接するように、配線基板２６１の面２６１ｂに音響レンズ２５２を配置する。続いて、音響レンズ２５２の外周部に封止部材１５３を配置して固化することにより、配線基板２６１の面２６１ｂに音響レンズ２５２を固定する。これにより、超音波デバイスユニット２３０ができあがる。

上記第２実施形態によれば、上記第１実施形態の効果（１）、（２）、（５）、（６）と同様な効果に加えて、以下の効果が得られる。
（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。

本発明は、上記した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う超音波デバイスおよび該超音波デバイスの製造方法ならびに該超音波デバイスを適用する超音波プローブや超音波測定装置（電子機器）もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。上記実施形態以外にも様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。

（変形例１）超音波デバイスは、音響整合層や音響レンズを備えたユニット構成であることに限定されない。音響整合層及び音響レンズがなく、配線基板に素子基板を平面実装した構成や、素子基板が平面実装された配線基板に音響整合層を設ける構成としてもよい。

（変形例２）超音波素子を構成する圧電素子１４０は、上電極１４１と下電極１４３との間に圧電体膜１４２が挟持された構造であることに限定されない。例えば、圧電体膜１４２の上に、第１電極と第２電極とが間隔を置いて対向して配置される構造であってもよい。

（変形例３）本発明の超音波デバイスが適用される電子機器は、超音波測定装置１００に限定されない。例えば、超音波液中計測装置、超音波空中計測器などに適用することができる。

１００…超音波測定装置、１１０…装置本体、１１３…処理部、１１４…表示部、１２０…超音波プローブ、１３０…超音波デバイスとしての超音波デバイスユニット、１３１…素子基板、１３２…基板本体、１３２ａ…第１面、１４５，１４７…素子配線端子、１４９…超音波素子が配置された領域、１５１…音響整合層、１５１ａ…音響整合層形成部材、１５２…音響レンズ、１５２ａ…レンズ面、１５２ｄ…レンズ面に対向する平面、１５３…封止部材、１６１…配線基板、１６１ａ…実装面、１６２…開口部、１６３…配線端子、１６４…隙間、１６６…接合部材、２３０…超音波デバイスユニット、２５１…音響整合層、２５２…音響レンズ、２５２ａ…レンズ面、２５２ｂ…音響整合層と接する側の面、２６１…配線基板、２６１ａ…実装面、２６２…開口部、２６３…配線端子。

Claims (15)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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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