JP2017034360A - 超音波デバイス、圧電デバイス、超音波測定装置、及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
このような構成では、それぞれ所定厚み寸法を有する支持基板、アレイ対向板、及び素子基板を、基板厚み方向に順に積層する従来の構成に比べて、挿入部に挿入された少なくともアレイ対向板の一部の厚み寸法分だけ、厚み寸法を小さくでき、超音波デバイスの小型化を図ることができる。また、超音波デバイスの小型化を図るために、アレイ対向板の寸法を小さくしなくてもよいため、アレイ対向板の剛性の低下を抑制できる。このように、本適用例によれば、所望の剛性を有しかつ小型な超音波デバイスを提供することができる。
ここで、固定部材としては、例えば各種の接着剤等の樹脂材料を用いることができる。
本適用例では、固定部材によって支持基板に対してアレイ対向板を固定する。すなわち、アレイ対向板は、挿入部に挿入された状態で、支持基板に対して固定されている。これにより、例えば、測定時等において基板厚み方向に平行な応力が作用した場合でも、挿入部内においてアレイ対向板が移動することにより素子基板が変形したり、変形量が許容範囲を超えることによって素子基板が破損したりすることを抑制できる。
本適用例では、挿入部は、素子基板の厚み方向に設けられた第一溝部であり、第一溝部の第一底面は、アレイ対向板の素子基板と反対側の面に当接する。このような構成では、第一底面にアレイ対向板を当接させた状態で、素子基板及びアレイ対向板の少なくとも一方を支持基板に支持させることができる。これにより、基板厚み方向において、アレイ対向板及び素子基板を、支持基板に対して位置決めできる。すなわち、第一溝部の厚み方向の寸法によって、アレイ対向板の挿入量を設定できるため、支持基板に対して所望の位置に素子基板を位置決めでき、位置決めも容易である。
本適用例では、挿入部は、支持基板を貫通するように設けられる。このような構成では、支持基板の厚み寸法以上の厚みを有するアレイ対向板であっても、所望の挿入量でアレイ対向板を挿入部に挿入することができる。つまり、素子基板の位置をアレイ対向板の厚み寸法に関わらず設定することができ、超音波デバイスにおける設計に自由度を広げることができる。例えば、支持基板を平坦面に配置した状態で、素子基板を支持基板に固定することにより、アレイ対向板における素子基板とは反対側の端面と、支持基板の一面とが、厚み方向において同一位置となるように配置することができる。
本適用例では、補強板が、貫通孔を覆うように支持基板に接合され、当該補強板の貫通孔に臨む面が、アレイ対向板の素子基板とは反対側の面に当接する。このような構成では、補強板にアレイ対向板を当接させた状態で、素子基板及びアレイ対向板の少なくとも一方を支持基板に支持させることができる。これにより、基板厚み方向において、支持基板に対して所望の位置にアレイ対向板及び素子基板を位置決めできる。また、補強板によって支持基板を補強することができ、超音波デバイスの強度を向上させることができる。
本適用例では、厚み方向において、アレイ対向板における素子基板とは反対側の端部が、支持基板から突出し、当該端部が、補強板に設けられた第二溝部に挿入される。そして、上記アレイ対向板の前記素子基板とは反対側の面が、第二溝部の第二底面に当接した状態で、素子基板及びアレイ対向板の少なくとも一方を支持基板に支持させることができる。これにより、上述した発明と同様に、基板厚み方向において、支持基板に対して所望の位置に、アレイ対向板及び素子基板を位置決めすることができる。これに加え、第二溝部の厚み方向の寸法によって、封止板の挿入量を設定でき、超音波デバイスにおける設計の自由度をより広げることができる。また、第二溝部の平面形状(補強板の板厚方向から見た平面視における形状)をアレイ対向板の平面形状に応じた形状とすることで、アレイ対向板のアライメント調整を好適に実施でき、及び平面方向への位置ずれを抑制できる。
本適用例では、挿入部にアレイ対向板が挿入された状態で、素子基板の突出部と支持基板とが接合される。このような構成では、挿入部にアレイ対向板を挿入した状態で、平面視において、支持基板に対する素子基板の位置を調整することが容易であり、位置決め精度の向上を図ることができる。
本適用例では、接合部材としての導電性材料を用いて、素子基板に設けられた素子端子部と、配線基板に設けられた回路端子部と、を直接接合すること(いわゆる、フェースダウン実装)により、素子基板と配線基板とを接合する。これにより、超音波デバイスの実装段階における作業工程を簡単にでき、製造効率性を向上させることができる。また、実施時に、上記電極線及び電極端子とフレキシブル基板とを半田を用いて接合する場合、フレキシブル基板の一端側と他端側との2度の加熱を行うことになり、加熱工程数が増大することとなる。この場合、2度目の加熱の前までに、超音波モジュールに配置された樹脂材料(例えば電極端子を覆う樹脂被膜や接着剤等)が熱収縮したり変形したりして、素子基板に応力が作用し、当該素子基板が変形するおそれがある。これに対して、本適用例では、フェースダウン実装によって、1度の加熱によって、電極線及び電極端子を接合することができ、上記素子基板の変形を抑制できる。
本適用例では、アレイ対向板は、各超音波トランスデューサーと重なる位置に設けられた凹部と、超音波トランスデューサー間の振動膜が形成された領域以外の領域にて素子基板を支持し、かつ、凹部を隔てる隔壁部とを、有する。このような構成では、各超音波トランスデューサーに対応する凹部が、隔壁部によって隔たれているため、超音波トランスデューサー間でのクロストークを抑制できる。また、隔壁部によって、支持基板が支持されているため、素子基板の撓みを抑制できる。
本適用例では、アレイ対向板は、各超音波トランスデューサー群と重なる位置に設けられた凹部と、超音波トランスデューサー群間の振動膜が形成された領域以外の領域にて素子基板を支持し、かつ、凹部を隔てる隔壁部とを、有する。このような構成では、各超音波トランスデューサー群に対応する凹部が、隔壁部によって隔たれているため、超音波トランスデューサー群間でのクロストークを抑制できる。また、隔壁部によって、素子基板が支持されているため、素子基板の撓みを抑制できる。
本適用例では、支持基板は、挿入部に少なくともアレイ対向板の一部が挿入された状態で、素子基板及びアレイ対向板の少なくともいずれか一方を支持する。
このような構成では、それぞれ所定厚み寸法を有する支持基板、アレイ対向板、及び素子基板を、基板厚み方向に順に積層する従来の構成に比べて、挿入部に挿入された前記少なくともアレイ対向板の一部の厚み寸法分だけ、厚み寸法を小さくでき、圧電デバイスの小型化を図ることができる。また、圧電デバイスの小型化を図るために、アレイ対向板の寸法を小さくしなくてもよいため、アレイ対向板の剛性の低下を抑制できる。このように、本適用例によれば、所望の剛性を有しかつ小型な圧電デバイスを提供することができる。
本適用例では、支持基板は、挿入部に少なくともアレイ対向板の一部が挿入された状態で、素子基板及びアレイ対向板の少なくともいずれか一方を支持する。
このような構成では、それぞれ所定厚み寸法を有する支持基板、アレイ対向板、及び素子基板を、基板厚み方向に順に積層する従来の構成に比べて、挿入部に挿入された前記少なくともアレイ対向板の一部の厚み寸法分だけ、厚み寸法を小さくでき、超音波測定装置の小型化を図ることができる。また、超音波測定装置の小型化を図るために、アレイ対向板の寸法を小さくしなくてもよいため、アレイ対向板の剛性の低下を抑制できる。このように、本適用例によれば、所望の強度を有しかつ小型な超音波測定装置を提供することができる。
本適用例では、支持基板は、挿入部に少なくともアレイ対向板の一部が挿入された状態で、素子基板及びアレイ対向板の少なくともいずれか一方を支持する。
このような構成では、それぞれ所定厚み寸法を有する支持基板、アレイ対向板、及び素子基板を、基板厚み方向に順に積層する従来の構成に比べて、挿入部に挿入された前記少なくともアレイ対向板の一部の厚み寸法分だけ、厚み寸法を小さくでき、電子機器の小型化を図ることができる。また、電子機器の小型化を図るために、アレイ対向板の寸法を小さくしなくてもよいため、アレイ対向板の剛性の低下を抑制できる。このように、本適用例によれば、所望の強度を有しかつ小型な電子機器を提供することができる。
以下、本発明に係る第一実施形態の電子機器としての超音波測定装置について、図面に基づいて説明する。
[超音波測定装置1の構成]
図1は、本実施形態の超音波測定装置1の概略構成を示す斜視図である。図2は、超音波測定装置1の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の超音波測定装置1は、図1に示すように、超音波プローブ2と、超音波プローブ2にケーブル3を介して電気的に接続された制御装置10と、を備えている。制御装置10は、本発明の制御部に相当する。
この超音波測定装置1は、超音波プローブ2を生体(例えば人体)の表面に当接させ、超音波プローブ2から生体内に超音波を送出する。また、生体内の器官にて反射された超音波を超音波プローブ2にて受信し、その受信信号に基づいて、例えば生体内の内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態(例えば血流等)を測定したりする。
図3は、超音波プローブ2における超音波デバイス24の概略構成を示す平面図である。
超音波プローブ2は、筐体21と、筐体21内部に設けられた超音波ユニット22と、超音波ユニット22を制御するためのドライバ回路等が設けられ、超音波ユニット22を支持する配線基板23と、を備えている。
なお、超音波デバイス24は、超音波ユニット22と、配線基板23とを含み構成され、超音波ユニット22と配線基板23とが、接合部材45(図5参照)によって接合される。また、超音波ユニット22は、本発明の圧電デバイスの一例であり、後述するように圧電素子413を含み構成される。
なお、本実施形態では、ケーブル3を用いて、超音波プローブ2と制御装置10とが接続される構成例を示すが、これに限定されず、例えば超音波プローブ2と制御装置10とが無線通信により接続されていてもよく、超音波プローブ2内に制御装置10の各種構成が設けられていてもよい。
図4は、超音波ユニット22における素子基板41を、封止板42側から見た平面図である。図5は、図4におけるB-B線で切断した超音波デバイス24の断面図である。
超音波デバイス24を構成する超音波ユニット22は、図3及び図4に示すように、素子基板41と、封止板42と、音響整合層43(図5参照)と、音響レンズ44(図5参照)と、を備える。
素子基板41は、図5に示すように、基板本体部411と、基板本体部411に積層された振動膜412と、振動膜412に積層された圧電素子413と、を備えている。ここで、素子基板41において、封止板42に対向する背面41Aは本発明における第一面となり、背面41Aとは反対側の作動面41Bが本発明における第二面となる。また、振動膜412及び圧電素子413により、本発明の超音波トランスデューサー51が構成されている。
振動膜412は、例えばSiO2や、SiO2及びZrO2の積層体等より構成され、基板本体部411の背面41A側全体を覆って設けられている。この振動膜412の厚み寸法は、基板本体部411に対して十分小さい厚み寸法となる。基板本体部411をSiにより構成し、振動膜412をSiO2により構成する場合、例えば基板本体部411の背面41A側を酸化処理することで、所望の厚み寸法の振動膜412を容易に形成することが可能となる。また、この場合、SiO2の振動膜412をエッチングストッパーとして基板本体部411をエッチング処理することで、開口部411Aを容易に形成することが可能となる。
このような超音波トランスデューサー51では、下部電極414及び上部電極416の間に所定周波数の矩形波電圧が印加されることで、開口部411Aの開口領域内の振動膜412を振動させて超音波が送出することができる。また、対象物から反射された超音波により振動膜412が振動されると、圧電膜415の上下で電位差が発生する。したがって、下部電極414及び上部電極416間に発生する前記電位差を検出することで、受信した超音波を検出することが可能となる。
ここで、下部電極414は、X方向に沿う直線状に形成されている。すなわち、下部電極414は、X方向に沿って並ぶ複数の超音波トランスデューサー51に跨って設けられており、圧電膜415と振動膜412との間に位置する下部電極本体414Aと、隣り合う下部電極本体414Aを連結する下部電極線414Bと、アレイ領域Ar1外の端子領域Ar2に引き出される下部端子電極線414Cとにより構成されている。よって、X方向に並ぶ超音波トランスデューサー51では、下部電極414は同電位となる。
また、下部端子電極線414Cは、アレイ領域Ar1外の端子領域Ar2まで延出し、端子領域Ar2において、後述する配線端子部231と接続される第一電極パッド414Pを構成する。
共通電極部416Bは、アレイ領域Ar1以外の外周領域Ar3におけるY方向の両側にそれぞれ設けられている。+Y側の共通電極部416Bは、Y方向に沿って複数設けられた超音波トランスデューサー51のうちの+Y側端部に設けられた超音波トランスデューサー51から+Y側に延出した上部端子電極416E同士を接続する。−Y側端部の共通電極部416Bは、−Y側に延出した上部端子電極416E同士を接続する。よって、アレイ領域Ar1内の各超音波トランスデューサー51では、上部電極416は同電位となる。また、これら一対の共通電極部416Bは、X方向に沿って設けられ、その端部がアレイ領域Ar1から端子領域Ar2まで引き出されている。そして、共通電極部416Bは、端子領域Ar2において、後述する配線端子部231と接続される第二電極パッド416Pを構成する。
図6は、封止板42を素子基板41側から見た平面図である。
封止板42は、本発明のアレイ対向板に相当し、図6に示すように、厚み方向から見た際の平面形状が例えば矩形状に形成され、シリコン基板等の半導体基板や、絶縁体基板により構成される。封止板42は、図3に示すように、平面視において、少なくともアレイ領域Ar1と重なり、かつ、X方向において2つの端子領域Ar2の間となる位置に配置され、アレイ領域Ar1以外の外周領域Ar3において、接合膜や接着剤等により素子基板41と接合されている。これにより、封止板42は、素子基板41の基板強度を向上させることが可能となる。
なお、封止板42の材質や厚みは、超音波トランスデューサー51の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波トランスデューサー51にて送受信する超音波の中心周波数に基づいて設定することが好ましい。
この凹溝421が形成されることにより、振動膜412のうち、超音波トランスデューサー51により振動される領域(開口部411A内)では、素子基板41との間に所定寸法のギャップ421Aが設けられることになり、振動膜412の振動が阻害されない。
また、隔壁部422は、基板本体部411における超音波トランスデューサー51間の開口部411A以外の領域(支持部411B;図5参照)と重なる位置に配置され、基板本体部411を支持している。この隔壁部422によって内部空間Sが隔てられることにより、1つの超音波トランスデューサー51からの背面波が他の隣接する超音波トランスデューサー51に入射される不都合(クロストーク)を抑制することができる。
なお、基板本体部411の開口部411A以外の領域(支持部411B)と封止板42の隔壁部422とが接合されていてもよい。
音響整合層43は、図5に示すように、素子基板41の作動面41B側に設けられている。具体的には、音響整合層43は、素子基板41の開口部411A内に充填され、かつ、基板本体部411の作動面41B側から所定の厚み寸法で形成される。
音響レンズ44は、音響整合層43上に設けられ、図1に示すように、筐体21のセンサー窓21Bから外部に露出する。
これらの音響整合層43や音響レンズ44は、超音波トランスデューサー51から送信された超音波を測定対象である生体に効率よく伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率よく超音波トランスデューサー51に伝搬させる。このため、音響整合層43及び音響レンズ44は、素子基板41の超音波トランスデューサー51の音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスに設定されている。
図7は、配線基板23を素子基板41側から見た平面図である。
配線基板23は、本発明の支持基板に相当し、素子基板41が接合される。この配線基板23は、図5及び図7に示すように、配線端子部231と、貫通孔232とを備える。
配線端子部231は、本発明の回路端子部に相当し、素子基板41の突出部41Cの端子領域Ar2に設けられた各電極パッド414P,416Pに対応する位置に設けられる。この配線端子部231は、対応する電極パッド414P,416Pと、例えば半田等の導電性を有する接合部材45によって接合される。すなわち、素子基板41の突出部41Cは、接合部材45によって、配線基板23に接合される。なお、配線端子部231及び接合部材45は、樹脂被膜45Aによって覆われている。
選択回路233は、制御装置10の制御に基づいて、超音波ユニット22と送信回路234とを接続する送信接続、及び超音波ユニット22と受信回路235とを接続する受信接続を切り替える。
送信回路234は、制御装置10の制御により送信接続に切り替えられた際に、選択回路233を介して超音波ユニット22に超音波を発信させる旨の送信信号を出力する。
受信回路235は、制御装置10の制御により受信接続に切り替えられた際に、選択回路233を介して超音波ユニット22から入力された受信信号を制御装置10に出力する。受信回路235は、例えば低雑音増幅回路、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コンバーター等を含んで構成されており、受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を制御装置10に出力する。
コネクタ部236は、送信回路234、受信回路235に接続されている。また、コネクタ部236にはケーブル3が接続されており、上述したように、このケーブル3は、筐体21の通過孔21Cから引き出されて制御装置10に接続されている。
図8は、本実施形態における超音波ユニット22の配線基板23への実装方法を示す図である。
本実施形態では、超音波ユニット22と配線基板23との接続は、まず図8(A)に示すように、素子基板41の各電極パッド414P,416Pに対向する位置に設けられた配線端子部231に対して、例えば半田等の導電性を有する接合部材45を設ける。なお、配線基板23は、図示を省略するが平坦面に載置されている。
この後、図8(B)及び図8(C)に示すように、超音波ユニット22を配線基板23の法線方向(厚み方向)から重ね合せ、押圧部材等により押圧する。これにより、各電極パッド414P,416Pと配線端子部231とが、接合部材45により接合される。その後、電極パッド414P,416Pと配線端子部231とを樹脂被膜45Aで覆うことにより、容易に超音波ユニット22を配線基板23に実装できる。
これに対して本実施形態のようなフェースダウン実装を採用する構成では、図9に示す従来例のように、FPC71と封止板72における開口73の角部との接触による断線がなく、配線信頼性が向上する。また、FPC71の張力による超音波ユニット22の浮きがないので、超音波トランスデューサーアレイ50から所望方向に精度よく超音波を送信することができ、また、所望方向から超音波を精度よく受信することができる。
これに対して、本実施形態では、電極パッド414P,416Pと配線端子部231とを接続し、樹脂被膜45Aで覆った後に、加熱することがない。したがって、樹脂被膜45Aが熱収縮等によって変形することにより、超音波ユニット22に応力が作用することを抑制でき、当該応力により素子基板41が変形する等の不具合の発生を抑制できる。
制御装置10は、図2に示すように、例えば、操作部11と、表示部12と、記憶部13と、演算部14と、を備えて構成されている。この制御装置10は、例えば、タブレット端末やスマートフォン、パーソナルコンピューター等の端末装置を用いてもよく、超音波プローブ2を操作するための専用端末装置であってもよい。
操作部11は、ユーザーが超音波測定装置1を操作するためのUI(user interface)であり、例えば表示部12上に設けられたタッチパネルや、操作ボタン、キーボード、マウス等により構成することができる。
表示部12は、例えば液晶ディスプレイ等により構成され、画像を表示させる。
記憶部13は、超音波測定装置1を制御するための各種プログラムや各種データを記憶する。
演算部14は、例えばCPU(Central Processing Unit)等の演算回路や、メモリー等の記憶回路により構成されている。そして、演算部14は、記憶部13に記憶された各種プログラムを読み込み実行することで、送信回路234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235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。
配線基板23は、素子基板41側で開口し、素子基板41側から封止板42が挿入される貫通孔232を有する。超音波デバイス24では、この貫通孔232に封止板42が挿入された状態で、素子基板41が接合部材45によって配線基板23に接合される。
このような構成では、それぞれ所定厚み寸法を有する支持基板、封止板、及び素子基板を、基板厚み方向に順に積層する従来の構成に比べて、貫通孔232に挿入された封止板42の厚み寸法分だけ、超音波デバイス24の厚み寸法を小さくでき、超音波デバイス24の小型化を図ることができる。また、超音波デバイス24の小型化を図るために、封止板の寸法を小さくすることによる封止板の剛性の低下を抑制できる。このように、本実施形態によれば、所望の剛性を有しかつ小型な超音波デバイス24を提供することができる。また、所望の強度を有しかつ小型な超音波測定装置1を提供することができる。
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。
図10は、第二実施形態に係る超音波デバイスの断面図である。
第二実施形態に係る超音波デバイス24Aは、図10に示すように、第一実施形態の超音波デバイスに対して、更に、封止板42を配線基板23に固定する固定部材としての樹脂部材46を備える。第二実施形態に係る超音波デバイス24Aは、樹脂部材46を備える点以外は、基本的に、第一実施形態の超音波デバイス24と略同様に構成される。なお、以降の説明にあたり、第一実施形態と同様の構成については、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
本実施形態では、封止板42は、貫通孔232に挿入された状態で、樹脂部材46によって配線基板23に対して固定される。これにより、例えば、測定時等において作動面41Bから背面41Aに向かう方向の応力が作用した場合でも、貫通孔232内において封止板42が移動することにより素子基板41が変形したり、変形量が許容範囲を超えることによって素子基板41が破損したりすることを抑制できる。
また、本実施形態では、樹脂部材46として接着剤を用いる。このため、封止板42を貫通孔232に挿入した状態で、貫通孔232の内面と封止板42との間の隙間に接着剤を流入させ、硬化させる等の簡易な方法により、封止板42を配線基板23に固定することができる。
次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。
第一実施形態の超音波デバイスでは、配線基板23に、当該配線基板23を基板厚み方向に貫通する貫通孔232が設けられている。これに対して、第三実施形態の超音波デバイスでは、上記貫通孔232の代りに溝部が設けられる点で相違する。
図11に示すように、超音波デバイス24Bにおける配線基板23Aは、溝部237を有する。
溝部237は、本発明の第一溝部に相当し、平面視において、第一実施形態の貫通孔232(図5参照)と同様の位置に設けられ、封止板42が挿入される。この溝部237は、素子基板41と対向する底面(第一底面)237Aを有し、素子基板41とは反対側の封止板42の端部423(すなわち、封止板42の素子基板41とは反対側の端面)が底面237Aに当接する。このような構成では、封止板42の端部423が底面237Aによって支持されるため、封止板42が素子基板41とは反対側に移動することを抑制でき、ひいては、応力によって素子基板41が封止板42側に反ることを抑制できる。
溝部237は、封止板42が挿入されるものである。この溝部237の底面237Aは、封止板42の端部423に当接する。このような構成では、上述のように、素子基板41の反りを抑制でき、当該反りによる駆動精度への低下や、素子基板41の破損といった不具合の発生を抑制できる。
図12は、第三実施形態の一変形例の超音波デバイス24Cの断面図である。
図12に示す超音波デバイス24Cでは、溝部237の内面と、封止板42との間の間隙や、素子基板41と配線基板23Aとに挟まれた領域に、樹脂部材46が充填される。
このような構成では、上記第三実施形態の作用効果に加え、第二実施形態の作用効果を同時に得ることができる。すなわち、配線基板23Aに対して素子基板41を容易に位置決めできる。また、封止板42を配線基板23Aに固定でき、素子基板41の変形や破損を抑制できる。
次に、本発明に係る第四実施形態について説明する。
図13は、第四実施形態に係る超音波デバイスの断面図である。
第四実施形態に係る超音波デバイス24Dは、図13に示すように、第一実施形態の超音波デバイスに対して、更に、封止板42の貫通孔232を覆う補強板47を備える。
補強板47は、厚み方向に見た平面視において、矩形状の部材であり、素子基板41とは反対側において配線基板23に接合される。この補強板47は、厚み方向に見た平面視において、少なくとも貫通孔232と重なる位置に配置され、貫通孔232の一端(封止板42が挿入される側とは反対側の開口)を閉塞する。補強板47は、配線基板23や封止板42よりも高い剛性を有し、例えば、42アロイ等の金属材料を用いて形成される。
なお、超音波デバイス24Dの実装方法は、上記方法に限定されず、配線基板23に超音波ユニット22を実装した後に、補強板47を配線基板23に接合してもよい。
本実施形態では、配線基板23における素子基板41とは反対側の面に補強板47を接合し、当該補強板47の貫通孔232に臨む面に封止板42が当接する。このような構成では、補強板47に封止板42を当接させた状態で、素子基板41を配線基板23に接合することができる。これにより、基板厚み方向において、封止板42すなわち素子基板41を位置決めすることができる。また、補強板47によって配線基板23を補強することができ、超音波デバイス24(超音波ユニット22)の強度を向上させることができる。
図14は、第四実施形態の一変形例に係る超音波デバイス24Eの断面図である。
超音波デバイス24Eは、図14に示すように、第四実施形態の超音波デバイス24Dに対して、更に、封止板42を配線基板23及び補強板47に接合する樹脂部材46を備える。
樹脂部材46は、貫通孔232の内面と封止板42と補強板47によって囲まれる空間や、素子基板41と配線基板23とに挟まれた領域に充填されている。この樹脂部材46によって、封止板42が、配線基板23や補強板47に接合される。
次に、本発明に係る第五実施形態について説明する。
第四実施形態の超音波デバイスでは、配線基板23に、当該配線基板23を基板厚み方向に貫通する貫通孔232が設けられ、当該貫通孔232を覆うように平板状の補強板47が接合されている。これに対して、第六実施形態の超音波デバイスでは、上記補強板の貫通孔232と重なる位置に第二溝部が設けられる点で相違する。
図15に示すように、超音波デバイス24Fにおける補強板47Aは、第二溝部471を有する。
第二溝部471は、平面視において、貫通孔232と重なる位置に設けられ、封止板42の端部423が挿入される。すなわち、本実施形態では、基板厚み方向における封止板42の寸法が、配線基板23よりも大きい。このため、封止板42の端部423は、基板厚み方向における配線基板23とは反対側にて、貫通孔232から突出している。この封止板42の端部423は、第二溝部471に挿入され、当該第二溝部471の第二底面471Aと当接する。
本適用例では、厚み方向において、素子基板41とは反対側の封止板42の端部423が、配線基板23から突出し、補強板47Aに設けられた第二溝部471に挿入される。そして、上記封止板42の端部423が、第二溝部471の第二底面471Aに当接した状態で、素子基板41と配線基板23とが接合される。これにより、第二底面471Aに封止板42が支持された状態で、素子基板41を配線基板23に接合することができる。これにより、基板厚み方向において、封止板42すなわち素子基板41を位置決めすることができる。これに加え、第二溝部471の厚み方向の寸法によって、封止板42の挿入量を設定でき、超音波デバイス24Fにおける設計の自由度をより広げることができる。
また、第二溝部471の平面形状(補強板の板厚方向から見た平面視における形状)を封止板42の平面形状に応じた形状とすることにより、封止板42のアライメント調整を好適に実施でき、及び平面方向への位置ずれを抑制できる。
超音波デバイス24Gは、図16に示すように、第五実施形態の超音波デバイス24Fに対して、更に、封止板42を配線基板23及び補強板47に接合する樹脂部材46を備える。
樹脂部材46は、貫通孔232の内面と封止板42と補強板47の第二溝部471とによって囲まれる空間や、素子基板41と配線基板23とに挟まれた領域に充填されている。すなわち、この樹脂部材46によって、封止板42が、配線基板23や補強板47に接合される。
次に、本発明に係る第六実施形態について説明する。
第一実施形態の超音波デバイスでは、封止板42は、各超音波トランスデューサー51に対応する凹溝421が形成されている。これに対して、第六実施形態の超音波デバイスでは、複数の超音波トランスデューサー51を含む超音波トランスデューサー群51Aのそれぞれに対応する凹溝が形成される点で相違する。
図17に示すように、超音波デバイス24Hは、封止板42Aを備える。
この封止板42Aは、図18に示すように、アレイ対向領域Ar4(図4参照)に、超音波トランスデューサー群51Aのそれぞれに対応した複数の凹溝(凹部)424が形成される。これら複数の凹溝424は、基板厚み方向の平面視において、X方向に沿って設けられる複数の隔壁部425によって互いに隔てられている。すなわち、Y方向に隣接する凹溝424間において、当該凹溝424によって形成される内部空間SAが、隔壁部425によって隔てられている。
封止板42Aは、各超音波トランスデューサー群51Aと重なる位置に設けられた凹溝424が形成され、当該凹溝424によって形成される内部空間SAが、隔壁部425によって隔てられている。このような構成では、各超音波トランスデューサー群51Aに対応する凹溝424が、隔壁部425によって隔たれているため、超音波トランスデューサー群51A間でのクロストークを抑制できる。
また、隔壁部425は、超音波トランスデューサー群51A間における、振動膜412が形成された領域以外の領域にて素子基板41を支持している。このような構成では、隔壁部425によって、素子基板41を支持することにより、当該素子基板41の撓みを抑制できる。
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
上記各実施形態では、挿入部としての貫通孔232や溝部237が、平面視において封止板42に応じた形状を有し、素子基板41及び封止板42のうち、封止板42のみを挿入可能に構成されていた。しかしながら、本発明はこれに限定されず、素子基板41及び封止板42の両方が、挿入部に挿入可能に構成され、これら素子基板41及び封止板42のうちの少なくとも一方が、配線基板23に対して支持される構成を採用してもよい。例えば、基板厚み方向の平面視において、素子基板41及び封止板42の外形が一致し、素子基板41及び封止板42の両方が挿入可能に構成されてもよい。また、上記各実施形態のように、素子基板41が配線基板23に支持される構成に限定されず、封止板42のみが、例えば樹脂部材46等の固定部材によって配線基板23に固定され、支持される構成としてもよい。
また、超音波ユニット22を備えた超音波測定装置1を例示したが、その他の電子機器に対しても適用できる。例えば、超音波を洗浄対象に対して送出し、線状対象を超音波洗浄する超音波洗浄機等に用いることができる。
図19は、超音波洗浄機の概略構成を示す図である。
図19に示す超音波洗浄機8は、洗浄槽81と、洗浄槽81の例えば底面に設置された超音波モジュール82と、を備える。
超音波モジュール82は、上記各実施形態と同様の超音波ユニット22と、超音波ユニット22を制御する配線基板83とを備えている。すなわち、超音波ユニット22は、作動面41Bが洗浄槽81の内面に臨む素子基板41と、素子基板41の背面41A側に設けられた封止板42とを備え、素子基板41の背面41A側に、複数の超音波トランスデューサー51(図19においては図示略)により構成された超音波トランスデューサーアレイ50(図19においては図示略)と、超音波トランスデューサーアレイ50のアレイ領域Ar1(図19においては図示略)の外側に引き出された電極線とを備えている。そして、電極線は、アレイ領域Ar1外の端子領域Ar2において、配線基板83に設けられた配線端子部(図示略)に電気的に接続される。
このような構成において、配線基板83に対して超音波ユニット22をフェースダウン実装にて容易に実装することができる。また、素子基板41の作動面41B側が洗浄槽81側に面するので、背面41A側に設けられた超音波トランスデューサー51や電極線の防水性を高めることができる。
また、開口部411Aの背面41A側に振動膜412を設ける構成を例示したが、例えば、開口部411Aの作動面41B側に振動膜412が設けられ、この振動膜412の背面41A側に超音波トランスデューサー51を構成する圧電素子413が設けられる構成としてもよい。
23,23A…配線基板(支持基板)、24,24A〜24G…超音波デバイス(圧電デバイス)、41A…背面(第一面)、41B…作動面(第二面)、41C…突出部、42,42A…封止板、45…接合部材、46…樹脂部材(固定部材)、47,47A…補強板、50…超音波トランスデューサーアレイ、51…超音波トランスデューサー、51A…超音波トランスデューサー群、213…配線端子部(素子端子部)、231…配線端子部(回路端子部)、232…貫通孔(挿入部)、237…溝部(第一溝部、挿入部)、237A…底面、411A…開口部、412…振動膜、413…圧電素子、414P…第一電極パッド(素子端子部)、416P…第二電極パッド(素子端子部)、421…凹溝、422…隔壁部、423…端部、424…凹溝、425…隔壁部、471…第二溝部、471A…第二底面。
Claims (13)
- 複数の超音波トランスデューサーがアレイ状に配置された超音波トランスデューサーアレイが設けられた素子基板と、
前記素子基板に接合され、少なくとも前記超音波トランスデューサーアレイを覆うアレイ対向板と、
前記素子基板及び前記アレイ対向板の少なくともいずれか一方を支持する支持基板と、を備え、
前記支持基板は、少なくとも前記アレイ対向板の一部が挿入される挿入部を有する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1に記載の超音波デバイスにおいて、
前記アレイ対向板を前記支持基板に固定する固定部材を備える
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1又は請求項2に記載の超音波デバイスにおいて、
前記挿入部は、前記支持基板の厚み方向に設けられた第一溝部であり、
前記第一溝部は、前記アレイ対向板の前記素子基板とは反対側の面に当接する第一底面を有する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1又は2に記載の超音波デバイスにおいて、
前記挿入部は、前記支持基板を厚み方向に貫通する貫通孔である
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項4に記載の超音波デバイスにおいて、
前記貫通孔を覆って前記支持基板に接合される補強板を備え、
前記補強板は、前記貫通孔に臨む面が前記アレイ対向板の前記素子基板とは反対側の面に当接する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項5に記載の超音波デバイスにおいて、
前記補強板は、前記補強板を厚み方向から見た平面視において、前記アレイ対向板と重なる位置に、前記アレイ対向板の前記素子基板とは反対側の端部が挿入される第二溝部を有し、
前記第二溝部は、前記アレイ対向板の前記素子基板とは反対側の面に当接する第二底面を有する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記素子基板は、基板厚み方向から見た平面視において、前記アレイ対向板及び前記挿入部から突出する突出部を有し、
前記突出部が前記支持基板に接合される
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項7に記載の超音波デバイスにおいて、
前記素子基板を前記支持基板に接合する接合部材を備え、
前記素子基板は、第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、
前記超音波トランスデューサーアレイは、前記第一面に設けられ、
前記アレイ対向板は、前記第一面に接合され、
前記素子基板における前記突出部の前記第一面には、前記超音波トランスデューサーに電気的に接続された素子端子部を有し、
前記支持基板は、前記素子端子部に対向する位置に設けられ、前記素子端子部に電気的に接合される回路端子部を有し、
前記接合部材は、導電性材料で形成され、前記素子端子部と前記回路端子部とを電気的に接合する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記素子基板は、複数の前記超音波トランスデューサーのそれぞれに対応した開口部と、前記開口部を閉塞する振動膜とを有し、
前記アレイ対向板は、前記素子基板の厚み方向に見た平面視において、前記超音波トランスデューサーの前記振動膜と重なる位置に設けられた凹部と、複数の超音波トランスデューサー間の前記振動膜以外の領域において前記素子基板を支持し、かつ、前記凹部を隔てる隔壁部と、を有する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の超音波デバイスにおいて、
前記素子基板は、複数の前記超音波トランスデューサーのそれぞれに対応した開口部と、前記開口部を閉塞する振動膜とを有し、
前記超音波トランスデューサーアレイは、同一の駆動信号によって駆動され、隣接して配置される複数の前記超音波トランスデューサーを含む超音波トランスデューサー群を、複数有し、
前記アレイ対向板は、前記素子基板の厚み方向に見た平面視において、複数の前記超音波トランスデューサー群に含まれる前記超音波トランスデューサーの前記振動膜と重なる位置に設けられ、前記素子基板側に開口する凹部と、複数の前記超音波トランスデューサー群間の前記振動膜以外の領域において前記素子基板を支持し、かつ、前記凹部を隔てる隔壁部と、を有する
ことを特徴とする超音波デバイス。 - 複数の圧電素子がアレイ状に配置された圧電素子アレイが設けられた素子基板と、
前記素子基板に接合され、少なくとも前記圧電素子アレイを覆うアレイ対向板と、
前記素子基板及び前記アレイ対向板の少なくともいずれか一方を支持する支持基板と、
を備え、
前記支持基板は、少なくとも前記アレイ対向板の一部が挿入される挿入部を有する
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 複数の超音波トランスデューサーがアレイ状に配置された超音波トランスデューサーアレイが設けられた素子基板と、
前記素子基板に接合され、少なくとも前記超音波トランスデューサーアレイを覆うアレイ対向板と、
前記素子基板及び前記アレイ対向板の少なくともいずれか一方を支持する支持基板と、
前記超音波トランスデューサーを制御する制御部と、を備え、
前記支持基板は、少なくとも前記アレイ対向板の一部が挿入される挿入部を有する
ことを特徴とする超音波測定装置。 - 複数の圧電素子がアレイ状に配置された圧電素子アレイが設けられた素子基板と、
前記素子基板に接合され、少なくとも前記圧電素子アレイを覆うアレイ対向板と、
前記素子基板及び前記アレイ対向板の少なくともいずれか一方を支持する支持基板と、
前記圧電素子を制御する制御部と、を備え、
前記支持基板は、少なくとも前記アレイ対向板の一部が挿入される挿入部を有する
ことを特徴とする電子機器。
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