JP2017069662A - Piezoelectric element substrate, piezoelectric module, ultrasonic module and ultrasonic device - Google Patents

Piezoelectric element substrate, piezoelectric module, ultrasonic module and ultrasonic device Download PDF

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勇祐 中澤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element substrate capable of being reduced in size, and a piezoelectric module, an ultrasonic probe and an ultrasonic device.SOLUTION: An ultrasonic device comprises: an element substrate 41 having a back surface 41A and an operating surface 41B and being disposed with a plurality of opening portions 41C in an array; and a plurality of piezoelectric elements 413 provided at an operating surface 41B side of the element substrate 41. Any ones of the plurality of opening portions 41C are through holes 41C2, and the other opening portions 41C are recessed grooves 41C1. The plurality of piezoelectric elements 413 are provided at the operating surface 41B side in groove bottom surfaces of the recessed grooves 41C1. Through electrodes 41D passing through from the operating surface 41B to the back surface 41A of the element substrate 41 and being electrically connected to the piezoelectric elements 413 at the operating surface 41B side are provided on the through holes 41C2.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、圧電素子基板、圧電モジュール、超音波モジュール、及び超音波装置に関する。   The present invention relates to a piezoelectric element substrate, a piezoelectric module, an ultrasonic module, and an ultrasonic device.

従来、超音波の送受信処理等を行う超音波トランスデューサーが知られている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1に記載の超音波トランスデューサーは、開口部を有する素子基板に開口部を覆う支持膜が設けられ、当該支持膜上に下部電極、圧電膜、及び上部電極が積層された圧電素子が、アレイ状に配置されたアレイ構造を有する。このような超音波トランスデューサーでは、バルク型の振動子を用いた超音波デバイスに比べて、薄型化を実現できる。   2. Description of the Related Art Conventionally, an ultrasonic transducer that performs ultrasonic transmission / reception processing and the like is known (see, for example, Patent Document 1). The ultrasonic transducer described in Patent Document 1 includes a piezoelectric element in which a support film covering an opening is provided on an element substrate having an opening, and a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are stacked on the support film. Have an array structure arranged in an array. Such an ultrasonic transducer can be made thinner than an ultrasonic device using a bulk-type vibrator.

特開2014−209728号公報JP 2014-209728 A

ところで、特許文献1に記載の超音波トランスデューサーでは、素子基板と配線基板とを接続する場合、素子基板のアレイ領域の外側に、各圧電素子から引き出された信号線に接続される端子部をそれぞれ設け、例えばFPC等を介して端子部と配線基板とを接続する必要がある。このため、圧電素子のアレイ領域の外側に複数の端子部を設けるためのスペースが必要であり、基板サイズが大きくなるとの課題があった。
一方、素子基板における開口部間に貫通電極を設けて下部電極や上部電極と導通させ、この貫通電極を介して配線基板に接続する構成も考えられる。しかしながら、この場合、貫通電極を配置するために、開口部間(圧電素子間)のスペースを大きく採る必要があり、基板サイズの十分な小型化を図ることができない。また、圧電素子間の寸法が大きくなることで、超音波特性が低下するとの課題がある。
By the way, in the ultrasonic transducer described in Patent Document 1, when the element substrate and the wiring substrate are connected, a terminal portion connected to a signal line drawn from each piezoelectric element is provided outside the array region of the element substrate. For example, it is necessary to connect the terminal portion and the wiring board via an FPC or the like. For this reason, a space for providing a plurality of terminal portions outside the array region of the piezoelectric elements is necessary, and there is a problem that the substrate size becomes large.
On the other hand, a configuration is also conceivable in which a through electrode is provided between the openings in the element substrate so as to be electrically connected to the lower electrode and the upper electrode and connected to the wiring substrate through the through electrode. However, in this case, in order to arrange the through electrodes, it is necessary to provide a large space between the openings (between the piezoelectric elements), and the substrate size cannot be sufficiently reduced. Moreover, there exists a subject that an ultrasonic characteristic falls by the dimension between piezoelectric elements becoming large.

本発明は、小型化が可能な圧電素子基板、圧電モジュール、超音波モジュール、及び超音波装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric element substrate, a piezoelectric module, an ultrasonic module, and an ultrasonic device that can be miniaturized.

本発明の一適用例に係る圧電素子基板は、第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を備え、前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられていることを特徴とする。   A piezoelectric element substrate according to an application example of the present invention has a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a plurality of openings in which the second surface side opens in a predetermined array region. And a plurality of piezoelectric elements provided on the first surface side of the element substrate, and any one of the plurality of openings includes the element substrate as a substrate. It is a through-hole penetrating in the thickness direction, the other opening is a concave groove, the piezoelectric element is provided on the first surface side of the groove bottom surface of the concave groove, and the element substrate includes the element substrate A through-electrode that penetrates from the first surface to the second surface and is electrically connected to the piezoelectric element on the first surface side is provided.

本適用例では、素子基板に複数の開口部がアレイ状に設けられている。また、開口部は、溝底面に圧電素子が設けられた凹溝と、素子基板を第一面から第二面に亘って貫通する貫通孔とを含む。そして、貫通孔には、貫通電極が設けられ、当該貫通電極は、第一面側において凹溝の第一面側に設けられた圧電素子に電気的に接続されている。
このような構成では、例えば圧電素子基板を配線基板等に載置して、配線基板等に設けられた端子部と貫通電極とを当接させることで、容易に各圧電素子に対して信号の入出力を行うことができる。したがって、例えば圧電素子から外側に複数の引出線を引き出して端子部を形成し、これらの端子部に対してFPC等により配線基板等に接続する場合に比べ、圧電素子基板の平面サイズを小さくできる。また、開口部間(つまり、圧電素子間)に、圧電素子と導通する貫通電極を設ける場合では、開口部間に貫通電極を配置するためのスペースを確保する必要があり、その分、圧電素子基板の平面サイズが大きくなる。これに対して、本適用例では、アレイ状に配置された複数の開口部のうちのいずれかを貫通孔とし、当該貫通孔に貫通電極を設ける構成となる。このため、開口部間の間隔を広げる必要がなく、これによる圧電素子基板の平面サイズの大型化もない。
以上により、本適用例では、従来に比べて、圧電素子基板の平面サイズを小さくできる。
In this application example, the element substrate is provided with a plurality of openings in an array. The opening includes a groove having a piezoelectric element provided on the groove bottom surface and a through hole penetrating the element substrate from the first surface to the second surface. A through electrode is provided in the through hole, and the through electrode is electrically connected to a piezoelectric element provided on the first surface side of the groove on the first surface side.
In such a configuration, for example, a piezoelectric element substrate is placed on a wiring board or the like, and a terminal portion provided on the wiring board or the like is brought into contact with the through electrode, so that a signal can be easily transmitted to each piezoelectric element. I / O can be performed. Therefore, for example, the planar size of the piezoelectric element substrate can be reduced as compared with the case where a plurality of lead lines are drawn out from the piezoelectric element to form terminal portions and these terminal portions are connected to a wiring substrate or the like by FPC or the like. . In addition, in the case where a through electrode that is electrically connected to the piezoelectric element is provided between the openings (that is, between the piezoelectric elements), it is necessary to secure a space for arranging the through electrode between the openings. The planar size of the substrate is increased. In contrast, in this application example, any one of the plurality of openings arranged in an array is used as a through hole, and a through electrode is provided in the through hole. For this reason, it is not necessary to widen the space | interval between opening parts, and the enlargement of the plane size of a piezoelectric element board | substrate by this does not occur.
As described above, in this application example, the planar size of the piezoelectric element substrate can be reduced as compared with the conventional example.

本適用例の圧電素子基板において、前記貫通孔は、前記アレイ領域の中心に対して点対称となる位置に設けられていることが好ましい。
圧電素子基板として、凹溝の溝底面に圧電素子を配置し、例えば薄膜状の圧電素子を駆動させて溝底面を駆動させたり、溝底面の変位を圧電素子により検出したりする場合、圧電素子基板の厚み寸法を小さくする必要がある。このような圧電素子基板では、アレイ領域内に貫通孔を例えば1か所にまとめて(例えば前後左右で隣接する位置に)設けると、貫通孔近傍における基板強度が低下し、基板における応力バランスが不均一となる。例えば、貫通孔をアレイ領域の一端側に集約して配置した場合、アレイ領域における一端側の基板強度が弱くなる。この場合、貫通孔が集約して配置されたアレイ領域の一端側において基板が破損しやすくなったり、応力バランスの不均一性によって超音波特性が不均一になったりする場合がある。
これに対して、本適用例では、貫通孔がアレイ領域の中心に対して点対称となるように設けられている。このような構成では、基板の応力バランスが均一となり、基板強度の低下や、超音波特性の悪化を抑制することができる。
In the piezoelectric element substrate of this application example, it is preferable that the through hole is provided at a position that is point-symmetric with respect to the center of the array region.
When a piezoelectric element is disposed on the bottom surface of a groove as a piezoelectric element substrate, for example, when a thin film-like piezoelectric element is driven to drive the bottom surface of the groove or displacement of the bottom surface of the groove is detected by the piezoelectric element, the piezoelectric element It is necessary to reduce the thickness dimension of the substrate. In such a piezoelectric element substrate, if through holes are provided in one place in the array region (for example, at positions adjacent to each other in the front, rear, left, and right directions), the substrate strength in the vicinity of the through holes decreases, and the stress balance in the substrate is reduced. It becomes non-uniform. For example, when the through holes are concentrated and arranged on one end side of the array region, the substrate strength on one end side in the array region becomes weak. In this case, the substrate may be easily damaged at one end side of the array region in which the through holes are arranged and the ultrasonic characteristics may be non-uniform due to non-uniform stress balance.
On the other hand, in this application example, the through hole is provided so as to be point-symmetric with respect to the center of the array region. With such a configuration, the stress balance of the substrate becomes uniform, and a decrease in substrate strength and a deterioration in ultrasonic characteristics can be suppressed.

本適用例の圧電素子基板において、前記貫通孔に隣り合う前記開口部は、前記凹溝であることが好ましい。
本適用例では、アレイ状に配置される開口部において、貫通孔が隣り合って配置されない。このため、上記適用例と同様に、基板の強度低下を抑制することができる。
In the piezoelectric element substrate of this application example, it is preferable that the opening adjacent to the through hole is the concave groove.
In this application example, the through holes are not arranged adjacent to each other in the openings arranged in an array. For this reason, it is possible to suppress a decrease in the strength of the substrate as in the above application example.

本適用例の圧電素子基板において、前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面側から第一電極層、圧電膜、及び第二電極層を積層した積層体により構成され、前記貫通電極は、前記第一電極層に接続されていることが好ましい。
本適用例では、圧電素子は、凹溝の溝底面上に、第一電極層、圧電膜、及び第二電極層の順に積層されることで構成され、第一電極層が貫通電極に接続されている。第一電極層は、凹溝の溝底面上、若しくは圧電素子のうち溝底面に最も近い位置に設けられているため、貫通電極に対して容易に接続することができる。
In the piezoelectric element substrate of this application example, the piezoelectric element is configured by a stacked body in which a first electrode layer, a piezoelectric film, and a second electrode layer are stacked from the groove bottom surface side of the concave groove, It is preferable to be connected to the first electrode layer.
In this application example, the piezoelectric element is configured by laminating the first electrode layer, the piezoelectric film, and the second electrode layer on the groove bottom surface in this order, and the first electrode layer is connected to the through electrode. ing. Since the first electrode layer is provided on the groove bottom surface of the concave groove or at a position closest to the groove bottom surface of the piezoelectric element, it can be easily connected to the through electrode.

本適用例の圧電素子基板において、前記開口部は、第一方向、及び前記第一方向に対して交差する第二方向に沿ってアレイ状に配置され、前記第一方向に沿って配置された前記圧電素子により1つの圧電素子群が構成され、前記アレイ領域には、前記第二方向に沿って複数の前記圧電素子群が配置され、同一の圧電素子群に属する前記圧電素子の前記第一電極層は、電気的に互いに接続されており、前記第一方向に沿って配置された複数の前記開口部のうちの少なくともいずれか1つは前記貫通孔であることが好ましい。
本適用例では、第一方向に沿って配置された圧電素子により1つの圧電素子群が構成され、当該圧電素子群が第二方向に沿って複数配置される。1つの圧電素子群に属する圧電素子の第一電極層は互いに電気的に接続されており、1つの圧電素子群に属する圧電素子の第二電極層は電気的に接続されている。そして、同一の圧電素子群の第1電極層は、当該圧電素子群が配置される第一方向に沿って設けられた貫通孔の貫通電極に接続されている。
このような構成では、例えば、同一の圧電素子群の第二電極層に対して共通電位(COM信号)を印加し、第一電極層に対して所望の駆動電位(SIG信号)を印加することで、当該同一の圧電素子群に属する圧電素子を同時に駆動させることができる。すなわち、アレイ領域に配置された複数の圧電素子を、圧電素子群を1ch(チャネル)として1次元アレイとして駆動させることが可能となる。
この時、本適用例のように、圧電素子群が配置される第一方向に沿って配置される開口部の1つを、駆動電位を印加する貫通電極が設けられた貫通孔とすることで、貫通電極から各圧電素子までの距離を短くでき、電気抵抗も小さくなるので、各圧電素子に印加される駆動電圧の電圧降下を抑制できる。
In the piezoelectric element substrate of this application example, the openings are arranged in an array along the first direction and the second direction intersecting the first direction, and are arranged along the first direction. One piezoelectric element group is constituted by the piezoelectric elements, and a plurality of the piezoelectric element groups are arranged along the second direction in the array region, and the first of the piezoelectric elements belonging to the same piezoelectric element group is arranged. The electrode layers are electrically connected to each other, and at least one of the plurality of openings disposed along the first direction is preferably the through hole.
In this application example, one piezoelectric element group is configured by the piezoelectric elements arranged along the first direction, and a plurality of the piezoelectric element groups are arranged along the second direction. The first electrode layers of the piezoelectric elements belonging to one piezoelectric element group are electrically connected to each other, and the second electrode layers of the piezoelectric elements belonging to one piezoelectric element group are electrically connected. And the 1st electrode layer of the same piezoelectric element group is connected to the penetration electrode of the through-hole provided along the 1st direction where the said piezoelectric element group is arrange | positioned.
In such a configuration, for example, a common potential (COM signal) is applied to the second electrode layer of the same piezoelectric element group, and a desired drive potential (SIG signal) is applied to the first electrode layer. Thus, the piezoelectric elements belonging to the same piezoelectric element group can be driven simultaneously. That is, a plurality of piezoelectric elements arranged in the array region can be driven as a one-dimensional array with the piezoelectric element group as one channel (channel).
At this time, as in this application example, one of the openings arranged along the first direction in which the piezoelectric element group is arranged is a through hole provided with a through electrode for applying a driving potential. Since the distance from the through electrode to each piezoelectric element can be shortened and the electric resistance is also reduced, the voltage drop of the drive voltage applied to each piezoelectric element can be suppressed.

本適用例の圧電素子基板において、前記貫通孔は、前記第一方向に沿う2辺及び前記第二方向に沿う2辺に囲われた矩形状の前記アレイ領域の2本の対角線における少なくとも一方に沿って設けられていることが好ましい。
本適用例では、上述のように、1つの圧電素子群を1ch(チャネル)として駆動させて超音波を出力させ、第二方向に沿って配置された複数の圧電素子群から出力された超音波の波面を重ね合せることで、所定方向に超音波ビームを出力することができる。このような超音波ビームを形成する場合、各圧電素子群に属する各圧電素子から同一出力の超音波を送信することが好ましい。しかしながら、実際には、貫通電極(貫通孔)が設けられる位置から離れるにしたがって、圧電素子に入力される駆動電圧が低下(電圧降下)し、これに伴い、各圧電素子から送信される超音波の強度に偏りが生じる(強度分布が不均一となる)。
ここで、遠く離れた圧電素子群(例えば、第二方向の両端部に配置された圧電素子群)から出力される超音波は、互いに強度分布が異なっていても、大きな影響が出ることはない。一方、隣り合う圧電素子群から送信される超音波において、強度分布に大きな差があると、超音波の波面同士の重ね合せが困難となり、その結果、精度のよい超音波ビームを形成できない。
これに対して、本適用例では、貫通孔は、矩形状のアレイ領域における2本の対角線に沿って設けられている。よって、隣り合う圧電素子群において、電圧降下の偏りが略同一となる。この場合、例えば各圧電素子群から超音波を送信させて、超音波ビームを形成する場合でも、隣り合う圧電素子群から送信される超音波の強度分布が略同一分布となる。従って、超音波の波面を好適に重ね合せることができ、精度のよい超音波ビームを形成できる。
In the piezoelectric element substrate of this application example, the through hole is formed in at least one of two diagonal lines of the rectangular array region surrounded by two sides along the first direction and two sides along the second direction. It is preferable that it is provided along.
In this application example, as described above, one piezoelectric element group is driven as one channel (channel) to output ultrasonic waves, and the ultrasonic waves output from the plurality of piezoelectric element groups arranged along the second direction. By superimposing these wavefronts, an ultrasonic beam can be output in a predetermined direction. When forming such an ultrasonic beam, it is preferable to transmit ultrasonic waves having the same output from each piezoelectric element belonging to each piezoelectric element group. However, in practice, as the distance from the position where the through electrode (through hole) is provided, the drive voltage input to the piezoelectric element decreases (voltage drop), and accordingly, the ultrasonic wave transmitted from each piezoelectric element. There is a bias in the intensity (the intensity distribution is non-uniform).
Here, ultrasonic waves output from a group of piezoelectric elements that are far away (for example, a group of piezoelectric elements arranged at both ends in the second direction) do not have a great effect even if their intensity distributions are different from each other. . On the other hand, if there is a large difference in intensity distribution between ultrasonic waves transmitted from adjacent piezoelectric element groups, it is difficult to superimpose the wavefronts of the ultrasonic waves, and as a result, an accurate ultrasonic beam cannot be formed.
On the other hand, in this application example, the through holes are provided along two diagonal lines in the rectangular array region. Therefore, in the adjacent piezoelectric element groups, the bias of the voltage drop is substantially the same. In this case, for example, even when ultrasonic waves are transmitted from each piezoelectric element group to form an ultrasonic beam, the intensity distribution of ultrasonic waves transmitted from adjacent piezoelectric element groups becomes substantially the same distribution. Therefore, it is possible to suitably superimpose the wavefronts of ultrasonic waves, and it is possible to form an ultrasonic beam with high accuracy.

本適用例の圧電素子基板において、前記貫通孔は、前記第一方向に沿う前記圧電素子群の中心を通り、前記第二方向に沿った仮想線に対して線対称となる位置にそれぞれ設けられていることが好ましい。
本適用例では、貫通孔が、第一方向において仮想線に対して線対称となる位置にそれぞれ設けられている。このため、1つの圧電素子群における電圧降下を極力抑制できる。つまり、圧電素子群において、貫通電極が設けられる位置から遠い位置の圧電素子は、貫通電極近傍の圧電素子に比べて電圧降下の影響を大きく受ける。したがって、例えば、第一方向における一端にのみ貫通電極が設けられる構成とした場合、他端に設けられた圧電素子の電圧降下が大きくなる。これに対して、本適用例では、貫通孔が第一方向に沿う中心を通り第二方向に平行な仮想線に対して線対称となる位置にそれぞれ設けられている。よって、例えば第一方向における一端に第1の貫通孔が設けられた場合、第一方向における他端に第2の貫通孔が設けられることになる。この場合、これらの貫通孔から第一電極層に対して駆動電位(SIG信号)が印加されるので、電圧降下の影響を抑制できる。
さらに、上記のように、アレイ領域の対角線に沿って貫通孔を設ける構成では、2本の対角線の双方に沿って、貫通孔が設けられることになる。このため、圧電素子基板における応力バランスをより均一化することができる。
In the piezoelectric element substrate of this application example, the through holes are provided at positions that pass through the center of the piezoelectric element group along the first direction and are symmetrical with respect to a virtual line along the second direction. It is preferable.
In this application example, the through holes are provided at positions that are line-symmetric with respect to the virtual line in the first direction. For this reason, the voltage drop in one piezoelectric element group can be suppressed as much as possible. That is, in the piezoelectric element group, the piezoelectric element at a position far from the position where the through electrode is provided is greatly affected by the voltage drop as compared with the piezoelectric element in the vicinity of the through electrode. Therefore, for example, when the through electrode is provided only at one end in the first direction, the voltage drop of the piezoelectric element provided at the other end increases. On the other hand, in this application example, the through holes are provided at positions that are line-symmetric with respect to a virtual line that passes through the center along the first direction and is parallel to the second direction. Therefore, for example, when the first through hole is provided at one end in the first direction, the second through hole is provided at the other end in the first direction. In this case, since the drive potential (SIG signal) is applied to the first electrode layer from these through holes, the influence of the voltage drop can be suppressed.
Furthermore, as described above, in the configuration in which the through holes are provided along the diagonal lines of the array region, the through holes are provided along both of the two diagonal lines. For this reason, the stress balance in the piezoelectric element substrate can be made more uniform.

本適用例の圧電素子基板において、前記開口部は、第一方向、及び前記第一方向に対して交差する第二方向に沿ってアレイ状に配置され、前記アレイ領域は、複数の部分アレイ領域を含み、各部分アレイ領域には、前記第一方向に沿うn個、第二方向に沿うm個により構成されるn×m個の前記開口部がアレイ状に配置され、各部分アレイ領域内において、前記貫通孔は、当該部分アレイ領域の中心に対して点対称となる位置に設けられている
ことが好ましい。
本適用例では、n×m個の開口部に設けられた部分アレイ領域に設けられた各圧電素子により圧電素子群を構成することができる。このような構成でも、各部分アレイにおいて、貫通孔を当該部分アレイの中心に対して点対称となるように配置することで、圧電素子基板の応力バランスを均一化できる。
In the piezoelectric element substrate according to this application example, the openings are arranged in an array along a first direction and a second direction intersecting the first direction, and the array region includes a plurality of partial array regions. In each partial array region, n × m openings, which are composed of n pieces along the first direction and m pieces along the second direction, are arranged in an array. The through-hole is preferably provided at a position that is point-symmetric with respect to the center of the partial array region.
In this application example, the piezoelectric element group can be configured by each piezoelectric element provided in the partial array region provided in the n × m openings. Even in such a configuration, the stress balance of the piezoelectric element substrate can be made uniform by arranging the through holes in each partial array so as to be point-symmetric with respect to the center of the partial array.

本発明に係る一適用例の圧電モジュールは、第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、配線基板と、を備え、前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部を備えていることが好ましい。
本適用例では、上記適用例と同様に、圧電素子基板の小型化を図れるので、圧電モジュールにおいても小型化を図ることができる。
The piezoelectric module of one application example according to the present invention has a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a plurality of openings that open on the second surface side in a predetermined array region. Are arranged in an array, and a plurality of piezoelectric elements provided on the first surface side of the element substrate, and a back surface bonded to the second surface of the element substrate A substrate and a wiring substrate, and any one of the plurality of openings is a through-hole penetrating the element substrate in the substrate thickness direction, the other openings are concave grooves, and the piezoelectric element is , Provided on the first surface side of the groove bottom surface of the concave groove, the through hole penetrating from the first surface to the second surface of the element substrate, and the piezoelectric element on the first surface side A through electrode electrically connected to the back substrate is provided. A second through electrode electrically connected to the through electrode and penetrating in a substrate thickness direction, and the wiring board is provided at a position corresponding to each of the second through electrode, It is preferable that the terminal part connected electrically is provided.
In this application example, similarly to the above application example, the piezoelectric element substrate can be reduced in size, so that the piezoelectric module can also be reduced in size.

本発明に係る一適用例の超音波モジュールは、第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、配線基板と、を備え、前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部と、前記端子部と電気的に接続され、前記圧電素子に対して駆動信号を出力して超音波を出力させる超音波送信処理、及び前記圧電素子から入力された検出信号に基づいて超音波を検出する超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を行う駆動回路と、を備えていることを特徴とする。
本適用例では、上記適用例と同様に、圧電素子基板の小型化を図れるので、超音波モジュールにおいても小型化を図ることができる。
An ultrasonic module according to an application example of the present invention has a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a plurality of openings in which the second surface side opens in a predetermined array region. A piezoelectric element substrate having element portions arranged in an array and a plurality of piezoelectric elements provided on the first surface side of the element substrate; and bonded to the second surface of the element substrate A back substrate and a wiring substrate, and any one of the plurality of openings is a through-hole penetrating the element substrate in a substrate thickness direction, and the other opening is a concave groove, and the piezoelectric element Is provided on the first surface side of the groove bottom surface of the concave groove, and the through hole penetrates from the first surface to the second surface of the element substrate, and the piezoelectric surface on the first surface side. A through electrode electrically connected to the element is provided, and the back substrate is A second through electrode that is electrically connected to the through electrode and penetrates in the thickness direction of the substrate; and the wiring board is provided at a position corresponding to each of the second through electrode, Connected to the terminal unit, ultrasonic transmission processing for outputting a drive signal to the piezoelectric element and outputting an ultrasonic wave, and detection input from the piezoelectric element And a drive circuit that performs at least one of ultrasonic reception processing for detecting ultrasonic waves based on the signal.
In this application example, as in the above application example, the piezoelectric element substrate can be reduced in size, so that the ultrasonic module can also be reduced in size.

本発明の一適用例に係る超音波装置は、第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、配線基板と、制御部と、を備え、前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部と、前記端子部と電気的に接続され、前記圧電素子に対して駆動信号を出力して超音波を出力させる超音波送信処理、及び前記圧電素子から入力された検出信号に基づいて超音波を検出する超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を行う駆動回路と、を備え、前記制御部は、前記駆動回路及び前記複数の圧電素子を用いた前記超音波送信処理及び前記超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を制御することを特徴とする。
本適用例では、上記適用例と同様に、圧電素子基板及び超音波モジュールの小型化を図れるので、当該超音波モジュールを搭載する超音波装置においても小型化を図ることができる。
An ultrasonic apparatus according to an application example of the present invention has a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a plurality of openings in which the second surface side opens in a predetermined array region. A piezoelectric element substrate having element portions arranged in an array and a plurality of piezoelectric elements provided on the first surface side of the element substrate; and bonded to the second surface of the element substrate A back substrate, a wiring substrate, and a control unit, wherein one of the plurality of openings is a through-hole penetrating the element substrate in the substrate thickness direction, and the other opening is a groove. The piezoelectric element is provided on the first surface side of the groove bottom surface of the concave groove, and the through hole penetrates from the first surface to the second surface of the element substrate. On the side, a through electrode electrically connected to the piezoelectric element is provided, and the back substrate is A second through electrode electrically connected to the through electrode and penetrating in a substrate thickness direction, and the wiring board is provided at a position corresponding to each of the second through electrode; An electrically connected terminal part, an ultrasonic transmission process for outputting a drive signal to the piezoelectric element and outputting an ultrasonic wave electrically connected to the terminal part, and input from the piezoelectric element A drive circuit that performs at least one of ultrasonic reception processes for detecting an ultrasonic wave based on a detection signal, and the control unit uses the drive circuit and the plurality of piezoelectric elements to perform the ultrasonic wave It controls at least one of the transmission process and the ultrasonic wave reception process.
In this application example, as in the above application example, the piezoelectric element substrate and the ultrasonic module can be reduced in size, so that the ultrasonic apparatus including the ultrasonic module can also be reduced in size.

第一実施形態の超音波測定装置の概略構成を示す斜視図。The perspective view which shows schematic structure of the ultrasonic measuring device of 1st embodiment. 第一実施形態の超音波測定装置の概略構成を示すブロック図。1 is a block diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic measurement apparatus according to a first embodiment. 第一実施形態における超音波センサーの概略構成を示す平面図。The top view which shows schematic structure of the ultrasonic sensor in 1st embodiment. 第一実施形態の超音波デバイスにおける素子基板を、封止板側から見た平面図。The top view which looked at the element substrate in the ultrasonic device of a first embodiment from the sealing board side. 図4におけるアレイ領域における一部を拡大した拡大平面図。The enlarged plan view which expanded a part in the array area | region in FIG. 図5におけるA−A線で切断した超音波センサーの断面図。Sectional drawing of the ultrasonic sensor cut | disconnected by the AA line in FIG. 図5におけるB−B線で切断した超音波センサーの断面図。Sectional drawing of the ultrasonic sensor cut | disconnected by the BB line in FIG. 第一実施形態の開口部の配置構成を示す概略図。Schematic which shows the arrangement configuration of the opening part of 1st embodiment. 第一実施形態の超音波デバイスの製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the ultrasonic device of 1st embodiment. 第一実施形態の超音波デバイスの製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the ultrasonic device of 1st embodiment. 第二実施形態の開口部の配置構成を示す概略図。Schematic which shows the arrangement configuration of the opening part of 2nd embodiment. 第三実施形態の開口部の配置構成を示す概略図。Schematic which shows the arrangement structure of the opening part of 3rd embodiment. 他の実施形態における超音波デバイスの製造方法を示す図。The figure which shows the manufacturing method of the ultrasonic device in other embodiment. 他の実施形態における開口部の配置構成を示す概略図。Schematic which shows the arrangement configuration of the opening part in other embodiment. 他の実施形態の電子機器である超音波洗浄機の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the ultrasonic cleaner which is an electronic device of other embodiment.

[第一実施形態]
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、本発明における超音波装置に相当し、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。
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。
[First embodiment]
Hereinafter, an ultrasonic measurement device as an electronic apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Configuration of Ultrasonic Measuring Apparatus 1]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an ultrasonic measurement apparatus 1 of the present embodiment. FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the ultrasonic measurement apparatus 1.
The ultrasonic measurement apparatus 1 of the present embodiment corresponds to the ultrasonic apparatus in the present invention, and is electrically connected to the ultrasonic probe 2 and the ultrasonic probe 2 via a cable 3 as shown in FIG. And a control device 10.
The ultrasonic measurement apparatus 1 causes an ultrasonic probe 2 to abut on the surface of a living body (for example, a human body), and transmits ultrasonic waves from the ultrasonic probe 2 into the living body. In addition, the ultrasonic wave reflected by the organ in the living body is received by the ultrasonic probe 2, and based on the received signal, for example, an internal tomographic image in the living body is obtained, or the state of the organ in the living body (for example, Blood flow etc.).

[超音波プローブ2の構成]
図3は、超音波プローブ2における超音波センサー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デバイス22と、超音波デバイス22を制御するためのドライバ回路等が設けられた配線基板23と、を備えている。なお、超音波デバイス22と、配線基板23とにより超音波センサー24が構成され、当該超音波センサー24は、本発明の圧電モジュール又は超音波モジュールを構成する。
[Configuration of Ultrasonic Probe 2]
FIG. 3 is a plan view showing a schematic configuration of the ultrasonic sensor 24 in the ultrasonic probe 2.
The ultrasonic probe 2 includes a housing 21, an ultrasonic device 22 provided inside the housing 21, and a wiring board 23 provided with a driver circuit and the like for controlling the ultrasonic device 22. . Note that an ultrasonic sensor 24 is constituted by the ultrasonic device 22 and the wiring board 23, and the ultrasonic sensor 24 constitutes a piezoelectric module or an ultrasonic module of the present invention.

筐体21は、図1示すように、例えば平面視矩形状の箱状に形成され、厚み方向に直交する一面(センサー面21A)には、センサー窓21Bが設けられており、超音波デバイス22の一部が露出している。また、筐体21の一部(図1に示す例では側面)には、ケーブル3の通過孔21Cが設けられ、ケーブル3は、通過孔21Cから筐体21の内部の配線基板23に接続されている。また、ケーブル3と通過孔21Cとの隙間は、例えば樹脂材等が充填されることで、防水性が確保されている。
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。
As shown in FIG. 1, the housing 21 is formed, for example, in a box shape having a rectangular shape in plan view, and a sensor window 21 </ b> B is provided on one surface (sensor surface 21 </ b> A) orthogonal to the thickness direction. A part of is exposed. Further, a passage hole 21C of the cable 3 is provided in a part (side surface in the example shown in FIG. 1) of the housing 21, and the cable 3 is connected to the wiring board 23 inside the housing 21 through the passage hole 21C. ing. Further, the gap between the cable 3 and the passage hole 21 </ b> C is ensured to be waterproof, for example, by being filled with a resin material or the like.
In the present embodiment, a configuration example in which the ultrasonic probe 2 and the control device 10 are connected using the cable 3 is shown, but the present invention is not limited to this. For example, the ultrasonic probe 2 and the control device 10 are wirelessly connected. They may be connected by communication, and various configurations of the control device 10 may be provided in the ultrasonic probe 2.

[超音波デバイス22の構成]
図4は、超音波デバイス22における素子基板41を、封止板42とは反対側(作動面側)から見た平面図である。図5は、図4におけるアレイ領域Ar1における一部を拡大した拡大平面図である。図6は、図5におけるA−A線で切断した超音波センサー24の断面図である。図7は、図5におけるB−B線で切断した超音波センサー24の断面図である。
超音波センサー24を構成する超音波デバイス22は、図6及び図7に示すように、素子基板41と、封止板42(背面基板)と、音響整合層43と、音響レンズ44(図1参照)と、により構成されている。
[Configuration of Ultrasonic Device 22]
FIG. 4 is a plan view of the element substrate 41 in the ultrasonic device 22 as viewed from the side opposite to the sealing plate 42 (operation surface side). FIG. 5 is an enlarged plan view in which a part of the array region Ar1 in FIG. 4 is enlarged. 6 is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor 24 taken along the line AA in FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of the ultrasonic sensor 24 taken along line BB in FIG.
As shown in FIGS. 6 and 7, the ultrasonic device 22 constituting the ultrasonic sensor 24 includes an element substrate 41, a sealing plate 42 (back substrate), an acoustic matching layer 43, and an acoustic lens 44 (FIG. 1). Reference).

(素子基板41の構成)
素子基板41は、図6,7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、基板本体部411及び振動膜412を含んで構成されている素子基板41と、圧電素子413とにより、本発明の圧電素子基板が構成されている。また、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二面となり、背面41Aとは反対側の作動面41Bが本発明における第一面となる。
そして、図4に示すように、素子基板41を厚み方向から見た平面視において、素子基板41の中心領域には、複数の超音波素子51がアレイ状に配置された超音波素子アレイ50が設けられている。この超音波素子アレイ50が設けられる領域を、以降、アレイ領域Ar1と称する。
(Configuration of element substrate 41)
As shown in FIGS. 6 and 7, the element substrate 41 includes a substrate body 411, a vibration film 412 stacked on the substrate body 411, and a piezoelectric element 413 stacked on the vibration film 412.
Here, the element substrate 41 including the substrate body 411 and the vibration film 412 and the piezoelectric element 413 constitute the piezoelectric element substrate of the present invention. In the element substrate 41, the back surface 41A facing the sealing plate 42 is the second surface in the present invention, and the operation surface 41B opposite to the back surface 41A is the first surface in the present invention.
As shown in FIG. 4, in a plan view of the element substrate 41 as viewed from the thickness direction, an ultrasonic element array 50 in which a plurality of ultrasonic elements 51 are arranged in an array is formed in the central region of the element substrate 41. Is provided. Hereinafter, the region in which the ultrasonic element array 50 is provided is referred to as an array region Ar1.

素子基板41のアレイ領域Ar1内には、X方向(第一方向)、及びX方向に直交するY方向(第二方向)に沿って、アレイ状に配置された複数の開口部41Cが設けられている。これらの開口部41Cには、図4〜7に示すように、凹溝41C1と、貫通孔41C2とが含まれている。凹溝41C1は、基板本体部411を厚み方向に貫通する孔部411A(図6,7参照)と、孔部411Aの作動面41B側を閉塞する振動膜412とにより構成されている。また、貫通孔41C2は、基板本体部411を厚み方向に貫通する孔部411Aと、孔部411Aの作動面41B側に設けられた振動膜412の一部に設けられ、当該振動膜412を厚み方向に貫通する孔部412A(図6,7参照)とにより構成されており、これらの孔部411Aと孔部412Aとが連通する。
なお、アレイ領域Ar1内における、これらの凹溝41C1及び貫通孔41C2の配置に関しては後述する。
In the array region Ar1 of the element substrate 41, a plurality of openings 41C arranged in an array are provided along the X direction (first direction) and the Y direction (second direction) orthogonal to the X direction. ing. As shown in FIGS. 4 to 7, the opening 41 </ b> C includes a concave groove 41 </ b> C <b> 1 and a through hole 41 </ b> C <b> 2. The concave groove 41C1 includes a hole 411A (see FIGS. 6 and 7) that penetrates the substrate main body 411 in the thickness direction, and a vibration film 412 that closes the operating surface 41B side of the hole 411A. The through-hole 41C2 is provided in a hole 411A that penetrates the substrate body 411 in the thickness direction and a part of the vibration film 412 provided on the operating surface 41B side of the hole 411A. It is comprised by the hole part 412A (refer FIG. 6, 7) penetrated in the direction, and these hole parts 411A and the hole part 412A communicate.
The arrangement of the concave grooves 41C1 and the through holes 41C2 in the array region Ar1 will be described later.

以下、素子基板41を構成する各部について詳細に説明する。
基板本体部411は、例えばSi等の半導体基板であり、例えば平面矩形状に形成されている。この基板本体部411のアレイ領域Ar1内には、上述したように、X方向及びY方向に沿ってアレイ状に配置された複数の孔部411Aが設けられている。これらの孔部411Aは、基板本体部411を厚み方向に貫通する。
また、基板本体部411の平面視において、素子基板41の矩形角部のうち対角関係となる対角部に対応する位置には、基板厚み方向を貫通するCOM用の孔部が設けられている。
Hereinafter, each part which comprises the element substrate 41 is demonstrated in detail.
The substrate body 411 is a semiconductor substrate such as Si, and is formed in a planar rectangular shape, for example. In the array region Ar1 of the substrate body 411, as described above, a plurality of holes 411A arranged in an array along the X direction and the Y direction are provided. These hole parts 411A penetrate the substrate body part 411 in the thickness direction.
Further, in a plan view of the substrate body 411, a COM hole penetrating the substrate thickness direction is provided at a position corresponding to a diagonal portion of the rectangular corner portion of the element substrate 41 that is diagonally related. Yes.

振動膜412は、例えばSiOや、SiO及びZrOの積層体等より構成され、基板本体部411の作動面41B側に設けられている。
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SiO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。
The vibration film 412 is made of, for example, SiO 2 , a laminated body of SiO 2 and ZrO 2 , and is provided on the operating surface 41B side of the substrate body 411.
The thickness dimension of the vibration film 412 is sufficiently small with respect to the substrate main body 411. When the substrate body 411 is made of Si and the vibration film 412 is made of SiO 2 , for example, the vibration film 412 having a desired thickness dimension can be easily formed by oxidizing the back surface 41A side of the substrate body 411. It becomes possible.

また、振動膜412を厚み方向から見た平面視において、基板本体部411の孔部411Aと重なる各領域は、その位置によって振動膜412の形状が異なる。すなわち、上述したように、振動膜412のうち、基板本体部411の孔部411Aと重なる複数の領域のいくつかには、厚み方向に貫通する孔部412Aが設けられており、孔部411A及び孔部412Aにより貫通孔41C2が形成されている。
この孔部412Aは、図6に示すように、振動膜412の背面41A側から作動面41B側に向かって開口径が縮小するテーパ状に傾斜する形状を有する。
X方向に沿った孔部412Aの作動面41B側の開口寸法aは、図5、7に示すように、孔部411Aと同寸法となる。
また、Y方向に沿った孔部412Aの作動面41B側の開口寸法bは、圧電素子413の圧電膜415(後述)のY方向に沿った幅寸法cよりも小さく、Y方向に対して孔部412Aが圧電膜415の幅内に収まるように形成されることが好ましい。より好ましくは、図5,6に示すように、Y方向に沿った孔部412Aの作動面41B側の開口寸法bを、下部電極414(後述)の幅寸法dと同寸法にし、下部電極414と重なるように設けることが好ましい。
Further, in a plan view of the vibration film 412 viewed from the thickness direction, the shape of the vibration film 412 differs depending on the position of each region overlapping with the hole 411A of the substrate body 411. That is, as described above, in some of the plurality of regions of the vibration film 412 that overlap with the hole 411A of the substrate body 411, the hole 412A penetrating in the thickness direction is provided. A through hole 41C2 is formed by the hole 412A.
As shown in FIG. 6, the hole portion 412 </ b> A has a shape that is inclined in a tapered shape in which the opening diameter is reduced from the back surface 41 </ b> A side of the vibration membrane 412 toward the working surface 41 </ b> B side.
As shown in FIGS. 5 and 7, the opening dimension “a” of the hole 412A along the X direction on the side of the operating surface 41B is the same as that of the hole 411A.
Further, the opening dimension b on the working surface 41B side of the hole 412A along the Y direction is smaller than the width dimension c along the Y direction of a piezoelectric film 415 (described later) of the piezoelectric element 413, and the hole dimension with respect to the Y direction is a hole. The portion 412A is preferably formed so as to be within the width of the piezoelectric film 415. More preferably, as shown in FIGS. 5 and 6, the opening dimension b on the working surface 41B side of the hole 412A along the Y direction is set to the same dimension as the width dimension d of the lower electrode 414 (described later), and the lower electrode 414 is formed. Is preferably provided so as to overlap.

孔部411Aと重なる振動膜412のうち、孔部412Aが設けられていない領域は振動部412Bとなり、孔部412Aと振動部412Bとにより凹溝41C1が形成されている。なお、振動部412B及び圧電素子413により、超音波の送受信を行う超音波素子51が構成される。
さらに、振動膜412のうち、素子基板41の対角部に対応する位置には、振動膜412を厚み方向に貫通するCOM用孔部が、上述した基板本体部411のCOM用孔部と重なる位置に設けられており、これらのCOM用孔部によりCOM用貫通孔41C3が構成される。
Of the vibrating membrane 412 that overlaps with the hole 411A, a region where the hole 412A is not provided is a vibrating portion 412B, and the groove 41C1 is formed by the hole 412A and the vibrating portion 412B. Note that the ultrasonic element 51 that transmits and receives ultrasonic waves is configured by the vibration unit 412B and the piezoelectric element 413.
Further, in the vibration film 412, the COM hole portion that penetrates the vibration film 412 in the thickness direction overlaps the COM hole portion of the substrate main body portion 411 at a position corresponding to the diagonal portion of the element substrate 41. The COM through hole 41C3 is formed by these COM holes.

本実施形態では、貫通孔41C2には、貫通電極41Dが設けられている。この貫通電極41Dは、例えば、貫通孔41C2内に充填され、振動膜412の作動面41B側に設けられた圧電素子413の下部電極414に導通している。
また、基板本体部411に設けられたCOM用孔部及び振動膜412に設けられたCOM用孔部により構成されるCOM用貫通孔41C3には、COM用貫通電極41E(図4参照)が設けられている。このCOM用貫通電極41Eは、圧電素子413の上部電極416に導通している。
In the present embodiment, a through electrode 41D is provided in the through hole 41C2. For example, the through electrode 41D is filled in the through hole 41C2 and is electrically connected to the lower electrode 414 of the piezoelectric element 413 provided on the operating surface 41B side of the vibration film 412.
Further, the COM through-hole 41C3 (see FIG. 4) is provided in the COM through-hole 41C3 configured by the COM hole provided in the substrate body 411 and the COM hole provided in the vibration film 412. It has been. The COM through electrode 41E is electrically connected to the upper electrode 416 of the piezoelectric element 413.

圧電素子413は、図4、5に示すように、平面視において、各開口部41Cと重なる領域に設けられる。この圧電素子413は、図6,7に示すように、それぞれ、下部電極414(第一電極層)、圧電膜415、及び上部電極416(第二電極層)を振動部412B側から順に積層した積層体により構成されている。各圧電素子413のうち、凹溝41C1と重なる位置に設けられた圧電素子413(振動部412B上に設けられた圧電素子413)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、振動部412B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部412Bが振動されると、圧電膜415の上下で電位差が発生し、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。   As shown in FIGS. 4 and 5, the piezoelectric element 413 is provided in a region overlapping with each opening 41 </ b> C in plan view. As shown in FIGS. 6 and 7, the piezoelectric element 413 has a lower electrode 414 (first electrode layer), a piezoelectric film 415, and an upper electrode 416 (second electrode layer) stacked in order from the vibrating portion 412B side. It is comprised by the laminated body. Among each piezoelectric element 413, a piezoelectric element 413 provided at a position overlapping with the concave groove 41C1 (a piezoelectric element 413 provided on the vibration part 412B) is a rectangular wave having a predetermined frequency between the lower electrode 414 and the upper electrode 416. By applying the voltage, the vibration unit 412B can be vibrated to transmit ultrasonic waves. Further, when the vibration unit 412B is vibrated by the ultrasonic wave reflected from the object, a potential difference is generated above and below the piezoelectric film 415, and the potential difference generated between the lower electrode 414 and the upper electrode 416 is detected. The received ultrasonic wave can be detected.

一方、各圧電素子413のうち、貫通孔41C2と重なる位置に設けられた圧電素子413の下部電極414は、上述したように、貫通孔41C2内に設けられる貫通電極41Dに当接され、電気的に導通されている。貫通電極41Dは、貫通孔41C2内に充填されているため、平面視において貫通孔41C2と重なる位置に設けられた圧電素子413の下部電極414及び上部電極416間に電圧を印加しても、圧電膜415の伸縮が規制される。よって、超音波の送受信は行われない。   On the other hand, among the piezoelectric elements 413, the lower electrode 414 of the piezoelectric element 413 provided at a position overlapping with the through hole 41C2 is in contact with the through electrode 41D provided in the through hole 41C2, as described above, so that electrical Is connected to. Since the through electrode 41D is filled in the through hole 41C2, even if a voltage is applied between the lower electrode 414 and the upper electrode 416 of the piezoelectric element 413 provided at a position overlapping with the through hole 41C2 in a plan view, the piezoelectric element is not piezoelectric. Expansion and contraction of the film 415 is restricted. Therefore, transmission / reception of ultrasonic waves is not performed.

(開口部41Cの配置構成)
本実施形態では、上述したように、開口部41Cは、素子基板41のアレイ領域Ar1内で、X方向及びY方向に沿って複数アレイ状に配置されている。また、開口部41Cと重なる位置には、圧電素子413が配置されているので、これらの圧電素子413も、X方向及びY方向に沿ってアレイ状に配置されることになる。
ここで、各圧電素子413を構成する下部電極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圧電素子413に跨って設けられている。具体的には、下部電極414は、圧電膜415と振動部412B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、貫通孔41C2と重なる位置に設けられ、貫通電極41Dに接触する電極導通部414Cと、により構成されている。
本実施形態では、X方向に並ぶ開口部41Cのうちの1つが貫通孔41C2であり、その他は凹溝41C1となる。よって、X方向に並ぶ圧電素子413では、1つの貫通孔41C2に設けられた貫通電極41Dから信号の入出力が行われる。
(Arrangement configuration of the opening 41C)
In the present embodiment, as described above, the openings 41C are arranged in a plurality of arrays along the X direction and the Y direction in the array region Ar1 of the element substrate 41. In addition, since the piezoelectric elements 413 are arranged at positions overlapping with the openings 41C, these piezoelectric elements 413 are also arranged in an array along the X direction and the Y direction.
Here, the lower electrode 414 constituting each piezoelectric element 413 is formed in a linear shape along the X direction. That is, the lower electrode 414 is provided across a plurality of piezoelectric elements 413 arranged along the X direction. Specifically, the lower electrode 414 overlaps the lower electrode body 414A positioned between the piezoelectric film 415 and the vibrating portion 412B, the lower electrode wire 414B connecting the adjacent lower electrode bodies 414A, and the through hole 41C2. And an electrode conduction portion 414C that is in contact with the through electrode 41D.
In the present embodiment, one of the openings 41C arranged in the X direction is the through hole 41C2, and the other is the concave groove 41C1. Therefore, in the piezoelectric elements 413 arranged in the X direction, signals are input / output from the through electrode 41D provided in one through hole 41C2.

一方、上部電極416は、図4に示すように、Y方向に沿って並ぶ複数の圧電素子413に跨って設けられた素子電極部416Aと、互いに平行する素子電極部416Aの端部同士を連結する共通電極部416Bとを有する。素子電極部416Aは、圧電膜415上に積層された上部電極本体416Cと、隣り合う上部電極本体416Cを連結する上部電極線416Dとを備える。
そして、共通電極部416Bのうち、素子基板41の対角部に対応する一部は、COM用貫通孔41C3に接触して導通されている。
On the other hand, as shown in FIG. 4, the upper electrode 416 connects the element electrode portions 416A provided across the plurality of piezoelectric elements 413 arranged in the Y direction and the ends of the element electrode portions 416A parallel to each other. Common electrode portion 416B. The element electrode portion 416A includes an upper electrode body 416C laminated on the piezoelectric film 415 and an upper electrode line 416D that connects the adjacent upper electrode bodies 416C.
A part of the common electrode portion 416B corresponding to the diagonal portion of the element substrate 41 is in contact with and connected to the COM through hole 41C3.

また、図7に示すように、X方向に沿った断面視において、開口部41C間には、下部電極線414B上に、素子間電極層417が設けられている。この素子間電極層417は、上部電極416のパターニング時において同時に形成される電極層であり、上部電極416とは絶縁されている。なお、素子間電極層417は、図7に示すように、一部が圧電膜415上に積層されてもよい。また、上部電極416と素子間電極層417との間の放電等による導通を抑制するために、素子間電極層417を覆う絶縁層418が設けられることが好ましい。この絶縁層418は、図6,7に示すように、一端部が上部電極416上に積層されてもよく、例えば、素子間電極層417及び上部電極416を覆う構成(素子基板41の作動面41B側全体に亘って設けられる構成)としてもよい。
このような素子間電極層417を設けることで、開口部41C間における電気抵抗値を低下させることができ、電圧降下を抑制できる。
Further, as shown in FIG. 7, the inter-element electrode layer 417 is provided on the lower electrode line 414 </ b> B between the openings 41 </ b> C in a cross-sectional view along the X direction. The inter-element electrode layer 417 is an electrode layer formed simultaneously with the patterning of the upper electrode 416 and is insulated from the upper electrode 416. Note that a part of the inter-element electrode layer 417 may be laminated on the piezoelectric film 415 as shown in FIG. In order to suppress conduction between the upper electrode 416 and the inter-electrode layer 417 due to discharge or the like, an insulating layer 418 that covers the inter-electrode layer 417 is preferably provided. As shown in FIGS. 6 and 7, the insulating layer 418 may have one end laminated on the upper electrode 416. For example, the insulating layer 418 covers the inter-element electrode layer 417 and the upper electrode 416 (operation surface of the element substrate 41). It is good also as a structure provided over the 41B side whole.
By providing such an inter-element electrode layer 417, the electrical resistance value between the openings 41C can be reduced, and a voltage drop can be suppressed.

上記のような超音波素子アレイ50では、下部電極414で連結されたX方向に並ぶ超音波素子51により、1つの超音波素子群51A(圧電素子群)が構成され、当該超音波素子群51AがY方向に沿って複数並ぶ1次元アレイ構造を構成する。このような1次元アレイ構造の超音波素子アレイ50では、1つの超音波素子群51Aを1ch(チャネル)として、チャネル毎に駆動することが可能となる。
つまり、本実施形態では、上部電極416に接続されるCOM用貫通電極41Eは、例えば、配線基板23に設けられた共通電位回路232(図2参照)に接続され、COM信号が印加されることで共通電位(例えば0電位)に設定される。すなわち、超音波素子アレイ50において、上部電極416は共通電位に設定される。
一方、各超音波素子群51Aの下部電極414に接続される各貫通電極41Dは、それぞれ個別に配線基板23の端子に接続される。従って、各貫通電極41Dに対して、それぞれ個別のSIG信号(駆動信号)を駆動することで、超音波素子群51Aには、下部電極414に印加されたSIG信号に基づいて駆動電位が印加され、1つの超音波素子群51Aに属する各超音波素子51から略同一の超音波を送信することが可能となる。また、各超音波素子群51Aに対するSIG信号の印加タイミングを、それぞれ遅延させることで、超音波の波面を所望の方向に向かわせることが可能となる。さらには、超音波を受信した際には、各超音波素子群51Aから出力された受信信号を検出することで、各超音波素子群51Aにて超音波を受信したタイミングを検出でき、これにより、超音波の反射位置を特定することが可能となる。
In the ultrasonic element array 50 as described above, one ultrasonic element group 51A (piezoelectric element group) is configured by the ultrasonic elements 51 arranged in the X direction connected by the lower electrode 414, and the ultrasonic element group 51A. Constitutes a one-dimensional array structure in which a plurality of are arranged along the Y direction. In the ultrasonic element array 50 having such a one-dimensional array structure, one ultrasonic element group 51A can be set as 1ch (channel) and can be driven for each channel.
That is, in this embodiment, the COM through electrode 41E connected to the upper electrode 416 is connected to, for example, the common potential circuit 232 (see FIG. 2) provided on the wiring board 23, and a COM signal is applied. Is set to a common potential (for example, 0 potential). That is, in the ultrasonic element array 50, the upper electrode 416 is set to a common potential.
On the other hand, each penetration electrode 41D connected to the lower electrode 414 of each ultrasonic element group 51A is individually connected to a terminal of the wiring board 23. Therefore, a driving potential is applied to the ultrasonic element group 51A based on the SIG signal applied to the lower electrode 414 by driving an individual SIG signal (drive signal) to each through electrode 41D. It is possible to transmit substantially the same ultrasonic wave from each ultrasonic element 51 belonging to one ultrasonic element group 51A. In addition, by delaying the application timing of the SIG signal to each ultrasonic element group 51A, the wavefront of the ultrasonic wave can be directed in a desired direction. Furthermore, when the ultrasonic waves are received, by detecting the reception signals output from the respective ultrasonic element groups 51A, the timing at which the ultrasonic waves are received by the respective ultrasonic element groups 51A can be detected. It becomes possible to specify the reflection position of the ultrasonic wave.

ここで、例えば、各超音波素子51に接続された下部電極414を素子基板41の外周部に引き出し、その引き出し先端部を配線基板23の端子に接続する場合、下部電極414におけるSIG信号の入出力位置と、各超音波素子51との距離が長くなる。このように、信号線の長さが長くなると、配線抵抗により電圧降下が生じてしまう。これに対して、本実施形態では、X方向に並ぶ開口部41Cのうちの1つが貫通孔41C2であり、当該貫通孔41C2に設けられた貫通電極41Dから当該X方向に並ぶ各超音波素子51にSIG信号が入力される。この場合、貫通電極41D(SIG信号の入出力位置)が、各超音波素子51に近くなり、電圧降下の影響を抑制可能となる。また、基板外周部に引き出し線を引き出して端子領域を形成する構成に比べ、アレイ領域Ar1内での導通が可能となるので、素子基板41自体のサイズを小さくできる。   Here, for example, when the lower electrode 414 connected to each ultrasonic element 51 is pulled out to the outer peripheral portion of the element substrate 41 and the leading end portion is connected to the terminal of the wiring substrate 23, the input of the SIG signal in the lower electrode 414 is performed. The distance between the output position and each ultrasonic element 51 becomes longer. Thus, when the length of the signal line is increased, a voltage drop occurs due to the wiring resistance. In contrast, in the present embodiment, one of the openings 41C arranged in the X direction is the through hole 41C2, and the ultrasonic elements 51 arranged in the X direction from the through electrode 41D provided in the through hole 41C2. The SIG signal is input to. In this case, the through electrode 41D (input / output position of the SIG signal) is close to each ultrasonic element 51, and the influence of the voltage drop can be suppressed. In addition, since it is possible to conduct in the array region Ar1, the size of the element substrate 41 itself can be reduced as compared with the configuration in which the lead region is led out to the outer periphery of the substrate to form the terminal region.

ところで、素子基板41のアレイ領域Ar1内は、アレイ状の開口部41Cが形成される領域であり、応力に対する基板強度が弱く、例えば、破損や撓み等が生じやすい。このため、通常は、素子基板41に対して、例えば金属製の封止板42が設けられ、素子基板41を補強する。しかしながら、本実施形態では、開口部41Cの一部は貫通孔41C2であり、全ての開口部41Cが凹溝41C1である場合に比べて、より基板強度に対する対策が必要となる。
ここで、貫通孔41C2が設けられる位置が1か所に集中している場合、当該箇所における応力に対する強度はさらに弱くなる。例えば、隣り合う超音波素子群51Aにおいて、貫通孔41C2の位置がいずれも−X側の端部である場合、アレイ領域Ar1における−X側の端部が一様に応力に対する強度が不足する。このような場合、当該領域において、破損や撓みがより発生しやすくなり、また、応力バランスも不均一となるので、各振動部412Bにおける振動にも影響を与える可能性があり、高精度な超音波を出力できない。
従って、貫通孔41C2の配置位置としては、アレイ領域Ar1内である程度のバラつきがある必要がある。
By the way, the array region Ar1 of the element substrate 41 is a region where the array-shaped opening 41C is formed, and the substrate strength against the stress is weak, and, for example, breakage or bending is likely to occur. For this reason, normally, for example, a metal sealing plate 42 is provided on the element substrate 41 to reinforce the element substrate 41. However, in the present embodiment, a part of the opening 41C is the through hole 41C2, and more measures against the substrate strength are required than in the case where all the openings 41C are the concave grooves 41C1.
Here, when the positions where the through holes 41C2 are provided are concentrated in one place, the strength against the stress in the place is further weakened. For example, in the adjacent ultrasonic element group 51A, when the positions of the through holes 41C2 are all at the −X side end, the −X side end in the array region Ar1 has a uniform strength against stress. In such a case, in the region, breakage and deflection are more likely to occur, and the stress balance becomes non-uniform, which may affect the vibration in each vibration part 412B, and high-precision super Cannot output sound waves.
Therefore, the arrangement position of the through hole 41C2 needs to have some variation in the array region Ar1.

しかしながら、超音波素子アレイ50において、各超音波素子群51Aを駆動させて超音波ビームを形成する場合、隣り合う超音波素子群51Aから超音波が合成されて出力値が大きい波面を形成し、当該波面を所定方向に伝搬させる。したがって、隣り合う超音波素子群51Aから出力される超音波の強度分布は略一様であることが好ましい。
ここで、ある超音波素子群51A(第1の超音波素子群51A)において、貫通孔41C2がX方向における−X側端部に設けられる場合、貫通孔41C2に設けられる貫通電極41Dから遠い位置の超音波素子51では、僅かながら電圧降下が発生する。したがって、当該第1の超音波素子群51Aから出力される超音波としては、−X側では電圧降下がない強い強度の超音波が出力され、貫通電極41Dから遠い+X側では、電圧降下の影響により−X側よりも弱い強度の超音波が出力されることになる。
上記のような第1の超音波素子群51Aに隣り合う第2の超音波素子群51Aにおいて、例えば、貫通孔41C2がX方向における+X側端部に設けられていると、当該第2の超音波素子群51Aからは、−X側で弱く、+X側で強い強度の超音波が出力されることになる。
このような場合、隣り合う超音波素子群51Aから出力される超音波の強度分布が大きく異なるので、精度のよい超音波ビームを形成することが困難となる。
However, in the ultrasonic element array 50, when each ultrasonic element group 51A is driven to form an ultrasonic beam, ultrasonic waves are synthesized from adjacent ultrasonic element groups 51A to form a wavefront having a large output value, The wavefront is propagated in a predetermined direction. Therefore, it is preferable that the intensity distribution of the ultrasonic waves output from the adjacent ultrasonic element groups 51A is substantially uniform.
Here, in a certain ultrasonic element group 51A (first ultrasonic element group 51A), when the through hole 41C2 is provided at the −X side end in the X direction, the position is far from the through electrode 41D provided in the through hole 41C2. In the ultrasonic element 51, a slight voltage drop occurs. Therefore, as the ultrasonic wave output from the first ultrasonic element group 51A, a strong ultrasonic wave having no voltage drop is output on the −X side, and on the + X side far from the through electrode 41D, the influence of the voltage drop is output. As a result, an ultrasonic wave having a weaker intensity than that of the −X side is output.
In the second ultrasonic element group 51A adjacent to the first ultrasonic element group 51A as described above, for example, if the through hole 41C2 is provided at the + X side end in the X direction, From the acoustic wave element group 51A, an ultrasonic wave that is weak on the −X side and strong on the + X side is output.
In such a case, since the intensity distribution of the ultrasonic waves output from the adjacent ultrasonic element groups 51A is greatly different, it is difficult to form an accurate ultrasonic beam.

図8は、本実施形態における開口部41Cにおける凹溝41C1及び貫通孔41C2の配置構成を示す図である。図8において、黒丸は貫通孔41C2、白丸は凹溝41C1を示している。
本実施形態では、上記のような2つの課題を解決するために、図4及び図8に示すように、貫通孔41C2が配置されている。
具体的には、貫通孔41C2は、矩形状のアレイ領域Ar1における対角線D1、D2のうち、一方(対角線D1)に沿って配置されている。つまり、Y方向における−Y側端部に配置される超音波素子群51Aでは、−X側端部に貫通孔41C2が配置され、これに+Y側に隣り合う超音波素子群51Aでは、−X側端部から2番目の開口部41Cが貫通孔41C2となる。この場合、隣り合う超音波素子群51Aにおいて、出力される超音波の強度分布が略同一となり、高精度な超音波ビームを形成することが可能となる。
また、貫通孔41C2が、アレイ領域Ar1の中心点(アレイ中心O)に対して点対称となる位置にそれぞれ配置されることになり、かつ、X方向や、Y方向に隣り合う位置に貫通孔41C2が並ばない。このような構成とすることで、貫通孔41C2による基板強度の弱い領域をアレイ領域Ar1内にばらけさせることができ、素子基板41の応力バランスを均一化できる。よって、例えば1か所に基板強度が弱くなる貫通孔41C2を配置する場合に比べて、基板の破損や湾曲を抑制でき、精度の高い超音波の送受信処理を実施できる。
FIG. 8 is a diagram illustrating an arrangement configuration of the concave grooves 41C1 and the through holes 41C2 in the opening 41C in the present embodiment. In FIG. 8, black circles indicate through holes 41C2, and white circles indicate concave grooves 41C1.
In the present embodiment, in order to solve the above two problems, as shown in FIGS. 4 and 8, a through hole 41C2 is arranged.
Specifically, the through hole 41C2 is disposed along one (diagonal line D1) of the diagonal lines D1 and D2 in the rectangular array region Ar1. That is, in the ultrasonic element group 51A arranged at the −Y side end in the Y direction, the through hole 41C2 is arranged at the −X side end, and in the ultrasonic element group 51A adjacent to the + Y side, −X The second opening 41C from the side end becomes the through hole 41C2. In this case, in the adjacent ultrasonic element group 51A, the intensity distribution of the output ultrasonic waves becomes substantially the same, and it is possible to form a highly accurate ultrasonic beam.
Further, the through holes 41C2 are respectively arranged at positions that are point-symmetric with respect to the center point (array center O) of the array region Ar1, and the through holes are located at positions adjacent to the X direction or the Y direction. 41C2 is not lined up. By adopting such a configuration, a region where the substrate strength is weak due to the through hole 41C2 can be dispersed in the array region Ar1, and the stress balance of the element substrate 41 can be made uniform. Therefore, for example, compared to the case where the through hole 41C2 in which the substrate strength is weakened at one place, the substrate can be prevented from being damaged or curved, and highly accurate ultrasonic transmission / reception processing can be performed.

(封止板42の構成)
次に、封止板42について説明する。
封止板42は、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。なお、封止板42の材質や厚みは、超音波素子51の周波数特性に影響を及ぼすため、超音波素子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。
(Configuration of sealing plate 42)
Next, the sealing plate 42 will be described.
As shown in FIG. 6, the sealing plate 42 has a planar shape when viewed from the thickness direction, for example, a rectangular shape, and is configured by a semiconductor substrate such as a silicon substrate or an insulator substrate. In addition, since the material and thickness of the sealing plate 42 affect the frequency characteristics of the ultrasonic element 51, it is preferable to set based on the center frequency of the ultrasonic wave transmitted and received by the ultrasonic element 51.

この封止板42は、素子基板41のアレイ領域Ar1に対向する領域(図6,7参照)に、開口部41Cのそれぞれに対応した複数の貫通孔部421を備えている。
そして、封止板42に設けられた貫通孔部421のうち、素子基板41の貫通孔41C2に対向する貫通孔部421には、貫通孔41C2を貫通する貫通電極41Dが挿通されている。なお、本実施形態では、素子基板41に設けられた貫通電極41Dが、封止板42の貫通孔部421の基板厚み方向をも貫通する構成を例示するが、貫通電極41Dとは別に、封止板42の貫通孔部421を貫通する電極が設けられ、貫通電極41Dと導通する構成としてもよい。
また、封止板42には、COM用貫通孔41C3に対向する位置にも貫通孔部(図示略)が設けられており、COM用貫通孔41C3に設けられたCOM用貫通電極41Eが挿通されている。
The sealing plate 42 includes a plurality of through-hole portions 421 corresponding to the openings 41C in a region (see FIGS. 6 and 7) facing the array region Ar1 of the element substrate 41.
And among the through-hole portions 421 provided in the sealing plate 42, the through-electrode 41D penetrating the through-hole 41C2 is inserted into the through-hole portion 421 facing the through-hole 41C2 of the element substrate 41. In the present embodiment, the through electrode 41D provided on the element substrate 41 exemplifies a configuration in which the through hole portion 421 of the sealing plate 42 also penetrates the substrate thickness direction. An electrode that penetrates the through-hole portion 421 of the stop plate 42 may be provided to be electrically connected to the through-electrode 41D.
Further, the sealing plate 42 is also provided with a through hole portion (not shown) at a position facing the COM through hole 41C3, and the COM through electrode 41E provided in the COM through hole 41C3 is inserted therethrough. ing.

なお、本実施形態では、封止板42として、開口部41Cに対向して貫通孔部421が設けられる構成を例示したが、これに限定されない。例えば、アレイ領域Ar1と対向する領域内で、貫通孔41C2に対向する位置に貫通孔部421が形成され、その他の開口部41C(凹溝41C1)に対向する領域は、封止板42により覆われる構成としてもよい。
この場合、超音波素子51から背面41A側に背面波として送出された超音波が封止板42にて反射されることになる。この際、封止板42により反射された反射背面波と、振動部412Bから作動面41B側に放出される超音波との位相がずれると、超音波が減衰する。よって、封止板42により凹溝41C1を覆う構成とする場合では、振動部412Bと封止板42との音響的な距離が、送信される超音波の波長λの4分の1(λ/4)の奇数倍となるように、各凹溝41C1の溝深さを設定することが好ましい。言い換えれば、超音波素子51から発せられる超音波の波長λを考慮して、素子基板41の各部の厚み寸法が設定される。
In the present embodiment, as the sealing plate 42, the configuration in which the through-hole portion 421 is provided so as to face the opening portion 41C is illustrated, but the present invention is not limited to this. For example, a through-hole portion 421 is formed at a position facing the through-hole 41C2 in a region facing the array region Ar1, and the region facing the other opening 41C (concave groove 41C1) is covered with the sealing plate 42. It is good also as a structure to be called.
In this case, the ultrasonic wave sent out as a back wave from the ultrasonic element 51 to the back surface 41 </ b> A is reflected by the sealing plate 42. At this time, if the phase of the reflected back wave reflected by the sealing plate 42 and the ultrasonic wave emitted from the vibrating part 412B to the working surface 41B side shifts, the ultrasonic wave is attenuated. Therefore, in the case where the groove 41C1 is covered with the sealing plate 42, the acoustic distance between the vibration part 412B and the sealing plate 42 is a quarter of the wavelength λ of the transmitted ultrasonic wave (λ / It is preferable to set the groove depth of each concave groove 41C1 so as to be an odd multiple of 4). In other words, the thickness dimension of each part of the element substrate 41 is set in consideration of the wavelength λ of the ultrasonic wave emitted from the ultrasonic element 51.

(音響整合層43及び音響レンズ44の構成)
音響整合層43は、図6,7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の作動面41B側で各圧電素子413を覆い、かつ、表面が平坦面となるように形成される。
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に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、超音波素子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素子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の超音波素子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。
(Configuration of acoustic matching layer 43 and acoustic lens 44)
The acoustic matching layer 43 is provided on the operating surface 41B side of the element substrate 41 as shown in FIGS. Specifically, the acoustic matching layer 43 is formed so as to cover each piezoelectric element 413 on the operating surface 41B side of the element substrate 41 and to have a flat surface.
The acoustic lens 44 is provided on the acoustic matching layer 43, and is exposed to the outside from the sensor window 21B of the housing 21, as shown in FIG.
The acoustic matching layer 43 and the acoustic lens 44 efficiently propagate the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic element 51 to the living body to be measured, and efficiently reflect the ultrasonic wave reflected in the living body. To propagate. For this reason, the acoustic matching layer 43 and the acoustic lens 44 are set to an acoustic impedance intermediate between the acoustic impedance of the ultrasonic element 51 of the element substrate 41 and the acoustic impedance of the living body.

[配線基板23の構成]
配線基板23は、超音波デバイス22が接合され、超音波デバイス22により超音波の送受信処理を実施させる。配線基板23には、超音波デバイス22が接合された際に、貫通孔41C2及びCOM用貫通孔41C3に対向する位置に端子部231が設けられており、各貫通孔41C2,41C3から、封止板42を貫通した貫通電極41D,41Eと導通されている。
また、配線基板23は、超音波デバイス22を駆動させるためのドライバ回路等が設けられている。具体的には、配線基板23は、図2に示すように、端子部231、共通電位回路232、選択回路233、送信回路234、受信回路235、及びコネクタ部236(図3参照)を備えている。
共通電位回路232は、例えばグランド回路であり、端子部231のうちCOM用貫通電極41Eと導通する端子部231に接続されている。これにより、この共通電位回路232は、COM用貫通電極41Eを介して、上部電極416に共通電位(0電位)が印加する。
[Configuration of Wiring Board 23]
The wiring board 23 is bonded to the ultrasonic device 22 and causes the ultrasonic device 22 to perform ultrasonic transmission / reception processing. The wiring board 23 is provided with a terminal portion 231 at a position facing the through hole 41C2 and the COM through hole 41C3 when the ultrasonic device 22 is bonded. The terminal portion 231 is sealed from the through holes 41C2 and 41C3. The through electrodes 41D and 41E penetrating the plate 42 are electrically connected.
The wiring board 23 is provided with a driver circuit and the like for driving the ultrasonic device 22. Specifically, as shown in FIG. 2, the wiring board 23 includes a terminal portion 231, a common potential circuit 232, a selection circuit 233, a transmission circuit 234, a reception circuit 235, and a connector portion 236 (see FIG. 3). Yes.
The common potential circuit 232 is, for example, a ground circuit, and is connected to the terminal portion 231 that is electrically connected to the COM through electrode 41E in the terminal portion 231. As a result, the common potential circuit 232 applies a common potential (0 potential) to the upper electrode 416 via the COM through electrode 41E.

選択回路233は、貫通電極41Dと導通する各端子部231に接続されている。そして、選択回路233は、制御装置10の制御に基づいて、超音波デバイス22(各端子部231)と送信回路234とを接続する送信接続、及び超音波デバイス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を介して超音波デバイス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を介して超音波デバイス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。
The selection circuit 233 is connected to each terminal portion 231 that is electrically connected to the through electrode 41D. The selection circuit 233 connects the transmission connection for connecting the ultrasonic device 22 (each terminal unit 231) and the transmission circuit 234 and the ultrasonic device 22 and the reception circuit 235 based on the control of the control device 10. Switch incoming connections.
When the transmission circuit 234 is switched to the transmission connection under the control of the control device 10, the transmission circuit 234 outputs a transmission signal to the effect that the ultrasonic device 22 transmits ultrasonic waves via the selection circuit 233.
When the reception circuit 235 is switched to the reception connection under the control of the control device 10, the reception circuit 235 outputs the reception signal input from the ultrasonic device 22 via the selection circuit 233 to the control device 10. The reception circuit 235 includes, for example, a low-noise amplifier circuit, a voltage control attenuator, a programmable gain amplifier, a low-pass filter, an A / D converter, and the like. The reception circuit 235 converts the received signal into a digital signal, removes a noise component, and is desired. After performing each signal processing such as amplification to the signal level, the received signal after processing is output to the control device 10.

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。   The connector unit 236 is connected to the transmission circuit 234 and the reception circuit 235. Further, the cable 3 is connected to the connector portion 236, and as described above, the cable 3 is pulled out from the passage hole 21 </ b> C of the housing 21 and connected to the control device 10.

[制御装置10の構成]
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。
[Configuration of Control Device 10]
As illustrated in FIG. 2, the control device 10 includes, for example, an operation unit 11, a display unit 12, a storage unit 13, and a calculation unit 14. For example, the control device 10 may be a terminal device such as a tablet terminal, a smartphone, or a personal computer, or may be a dedicated terminal device for operating the ultrasonic probe 2.
The operation unit 11 is a UI (User Interface) for the user to operate the ultrasonic measurement apparatus 1 and can be configured by, for example, a touch panel provided on the display unit 12, operation buttons, a keyboard, a mouse, or the like. .
The display unit 12 is configured by a liquid crystal display, for example, and displays an image.
The storage unit 13 stores various programs and various data for controlling the ultrasonic measurement apparatus 1.
The calculation unit 14 is configured by a calculation circuit such as a CPU (Central Processing Unit) and a storage circuit such as a memory. Then, the calculation unit 14 reads and executes various programs stored in the storage unit 13 to control transmission signal generation and output processing with respect to the transmission circuit 234, and to receive signal reception with respect to the reception circuit 235. Controls frequency setting and gain setting.

[超音波デバイス22の製造方法]
図9及び図10は、本実施形態の超音波デバイス22の形成方法を示す図である。なお、図9及び図10では、素子基板41のY方向に沿った断面を示している。
超音波デバイス22の製造では、まず、素子基板41を形成するために、図9(A)に示すように、Siからなる基板本体部411の表面を酸化処理し、さらに表面にZrOを成膜することで、SiO及びZrOの積層体からなる振動膜412を形成する。
[Method for Manufacturing Ultrasonic Device 22]
9 and 10 are diagrams illustrating a method for forming the ultrasonic device 22 of the present embodiment. 9 and 10, a cross section along the Y direction of the element substrate 41 is shown.
In the manufacture of the ultrasonic device 22, first, in order to form the element substrate 41, as shown in FIG. 9A, the surface of the substrate main body portion 411 made of Si is oxidized, and further ZrO 2 is formed on the surface. By forming the film, the vibration film 412 made of a laminate of SiO 2 and ZrO 2 is formed.

この後、図9(B)に示すように、振動膜412上に、圧電素子413を形成する。
すなわち、振動膜412の作動面41B側に下部電極414を形成するための電極材料を成膜して、エッチング等によりパターニングすることで、下部電極414(下部電極本体414A,下部電極線414B,電極導通部414C)を形成する。この後、振動膜412の作動面41B側に、圧電膜415を形成するための圧電材料を製膜し、例えばエッチング等によりパターニングして、圧電膜415を形成する。さらに、振動膜412の作動面41B側に、上部電極416を形成するための電極材料を製膜し、例えばエッチング等によりパターニングして、上部電極416(素子電極部416A、共通電極部416B)及び素子間電極層417を形成する。そして、振動膜412の作動面41B側に、絶縁層418を形成するための絶縁材料を成膜し、エッチング等によりパターニングすることで絶縁層418を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 9B, a piezoelectric element 413 is formed on the vibration film 412.
That is, an electrode material for forming the lower electrode 414 is formed on the working surface 41B side of the vibration film 412, and patterned by etching or the like, whereby the lower electrode 414 (lower electrode body 414A, lower electrode line 414B, electrode) Conductive portion 414C) is formed. Thereafter, a piezoelectric material for forming the piezoelectric film 415 is formed on the operating surface 41B side of the vibration film 412, and is patterned by, for example, etching to form the piezoelectric film 415. Further, an electrode material for forming the upper electrode 416 is formed on the operating surface 41B side of the vibration film 412, and is patterned by, for example, etching, so that the upper electrode 416 (element electrode portion 416A, common electrode portion 416B) and An inter-element electrode layer 417 is formed. Then, an insulating material for forming the insulating layer 418 is formed on the operating surface 41B side of the vibration film 412, and the insulating layer 418 is formed by patterning by etching or the like.

この後、図9(C)に示すように、基板本体部411の背面41A側から、開口部41Cの形成位置(圧電素子413の形成位置)に、孔部411Aを形成する。
すなわち、孔部411Aを形成するためのマスクパターンを基板本体部411の背面41A側に形成し、例えばエッチング等により、Siにより構成された基板本体部411に孔部411Aを形成する。当該エッチングは、ドライエッチングであってもよく、ウェットエッチングであってもよい。なお、ウェットエッチングの場合、サイドエッチングにより、孔部411A間の隔壁(支持部411B)の幅寸法が小さくなるおそれがあるため、ドライエッチングによる加工が好ましい。
なお、図示は省略するが、孔部411Aの形成時に、同時に、COM用孔部も形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 9C, a hole 411A is formed at the position where the opening 41C is formed (the position where the piezoelectric element 413 is formed) from the back surface 41A side of the substrate body 411.
That is, a mask pattern for forming the hole 411A is formed on the back surface 41A side of the substrate body 411, and the hole 411A is formed in the substrate body 411 made of Si, for example, by etching or the like. The etching may be dry etching or wet etching. In the case of wet etching, side etching may reduce the width dimension of the partition wall (support portion 411B) between the hole portions 411A, and therefore dry etching is preferable.
Although illustration is omitted, a COM hole is formed simultaneously with the formation of the hole 411A.

さらに、孔部411Aを形成するためのマスクパターンを除去した後、孔部412Aを形成するためのマスクパターンを基板本体部411の背面41A側に形成する。このマスクパターンは、例えば、孔部412Aにおける作動面41B側の開口と同一形状、同一寸法の開口が設けられるパターンとなる。そして、振動膜412のSiO層,ZrO層を順次エッチングし、図9(D)に示すように、孔部412Aを形成する。この際、上記のようなマスクパターンを形成することで、振動膜412の厚み方向に沿ってエッチングが進むとともに、振動膜412の厚み方向に対して直交する方向に対してサイドエッチングが進む。したがって、振動膜412に、背面41A側から作動面41B側に向かうにしたがって、開口断面積(厚み方向に対して直交する面内の面積)が小さくなる孔部412Aが形成される。なお、当該エッチング処理において、作動面41B側に設けられた下部電極414がエッチングストッパとなり、振動膜412の背面41A側に当該下部電極414(電極導通部414C)が露出することになる。
ここで、孔部412Aが形成されることで、当該孔部412Aと先に形成された孔部411Aとにより貫通孔41C2が構成され、孔部412Aが形成されていない領域は、振動膜412が振動部412Bを構成し、孔部411Aと振動部412Bとにより凹溝41C1が構成される。
なお、図示は省略するが、孔部412Aの形成時に、同時に、振動膜412にもCOM用孔部も形成され、先に形成された基板本体部411側のCOM用孔部と振動膜412のCOM用孔部により、図4に示すようなCOM用貫通孔41C3が形成される。
Further, after removing the mask pattern for forming the hole 411A, a mask pattern for forming the hole 412A is formed on the back surface 41A side of the substrate main body 411. This mask pattern is, for example, a pattern in which an opening having the same shape and the same size as the opening on the operating surface 41B side in the hole 412A is provided. Then, the SiO 2 layer and the ZrO 2 layer of the vibration film 412 are sequentially etched to form a hole 412A as shown in FIG. 9D. At this time, by forming the mask pattern as described above, etching proceeds along the thickness direction of the vibration film 412 and side etching proceeds in a direction orthogonal to the thickness direction of the vibration film 412. Therefore, a hole 412A having a smaller opening cross-sectional area (in-plane area perpendicular to the thickness direction) is formed in the vibration film 412 from the back surface 41A side toward the working surface 41B side. In the etching process, the lower electrode 414 provided on the operating surface 41B side serves as an etching stopper, and the lower electrode 414 (electrode conducting portion 414C) is exposed on the back surface 41A side of the vibration film 412.
Here, by forming the hole 412A, the through-hole 41C2 is configured by the hole 412A and the previously formed hole 411A, and the vibration film 412 is formed in a region where the hole 412A is not formed. The vibrating part 412B is configured, and the hole 411A and the vibrating part 412B constitute a concave groove 41C1.
Although illustration is omitted, at the same time when the hole 412A is formed, a COM hole is also formed in the vibration film 412, and the COM hole on the substrate body 411 side and the vibration film 412 formed earlier are formed. A COM through hole 41C3 as shown in FIG. 4 is formed by the COM hole.

この後、図10(A)に示すように、開口部41C(凹溝41C1及び貫通孔41C2)に対応した貫通孔部421を予め形成した封止板42を、基板本体部411の背面41A側に接合する。
そして、図10(B)に示すように、貫通孔41C2及びCOM用貫通孔41C3(図示略)に対して、それぞれ、例えばAgペースト等の導電性ペーストを充填し、貫通電極41D及びCOM用貫通電極41Eを形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 10A, the sealing plate 42 in which the through-hole portion 421 corresponding to the opening 41C (the concave groove 41C1 and the through-hole 41C2) is formed in advance is attached to the back surface 41A side of the substrate main body 411. To join.
Then, as shown in FIG. 10B, the through hole 41C2 and the COM through hole 41C3 (not shown) are filled with a conductive paste such as Ag paste, for example, and the through electrode 41D and the COM through hole are filled. The electrode 41E is formed.

[第一実施形態の作用効果]
本実施形態の超音波測定装置1では、超音波プローブ2と、制御装置10とを備え、超音波プローブ2には、超音波センサー24を構成する超音波デバイス22と、配線基板23とが設けられている。そして、この超音波デバイス22を構成する素子基板41には、アレイ領域Ar1内に複数の開口部41Cが設けられている。これらの開口部41Cのうちの多くは凹溝41C1であり、その溝底面である振動部412Bの作動面41B側に、圧電素子413が配置される。また、開口部41Cのうちの残りは貫通孔41C2であり、圧電素子413を構成する下部電極414に導通する貫通電極41Dが挿通される。
[Operational effects of the first embodiment]
The ultrasonic measurement apparatus 1 according to this embodiment includes an ultrasonic probe 2 and a control apparatus 10, and the ultrasonic probe 2 includes an ultrasonic device 22 that constitutes an ultrasonic sensor 24 and a wiring board 23. It has been. The element substrate 41 constituting the ultrasonic device 22 is provided with a plurality of openings 41C in the array region Ar1. Many of these openings 41C are concave grooves 41C1, and the piezoelectric element 413 is disposed on the operating surface 41B side of the vibration part 412B that is the bottom surface of the groove. Further, the remainder of the opening 41C is a through hole 41C2, and a through electrode 41D that is electrically connected to the lower electrode 414 constituting the piezoelectric element 413 is inserted therethrough.

このような構成では、超音波デバイス22を配線基板23に実装する際に、配線基板23の端子部231に対して、貫通電極41Dを接触させるだけの簡素な構成で、各圧電素子413に対する信号の入出力が行える。
例えば、各圧電素子413から外側に複数の引出線を引き出して端子部を形成し、これらの端子部に対してFPC等により配線基板等に接続する場合に比べ、基板の平面サイズを小さくできる。また、開口部間(例えば図4における支持部411B)に、圧電素子と導通する貫通電極を設ける場合では、開口部間に貫通電極を配置するためのスペースを確保する必要があり、その分、基板の平面サイズが大きくなる。これに対して、本適用例では、アレイ状に配置された複数の開口部のうちのいずれかを貫通孔とし、当該貫通孔に貫通電極を設ける構成となる。このため、開口部間の間隔を広げる必要がなく、これによる基板の平面サイズの大型化もない。
以上により、本実施形態では、従来に比べて、素子基板41の平面サイズを小さくでき、超音波デバイス22、超音波センサー24、超音波プローブ2、及び超音波測定装置1の小型化を図ることができる。
In such a configuration, when the ultrasonic device 22 is mounted on the wiring substrate 23, the signal to each piezoelectric element 413 is simply configured by simply bringing the through electrode 41 </ b> D into contact with the terminal portion 231 of the wiring substrate 23. I / O can be performed.
For example, the planar size of the substrate can be reduced as compared with a case where a plurality of lead lines are drawn out from each piezoelectric element 413 to form terminal portions and these terminal portions are connected to a wiring substrate or the like by FPC or the like. Further, in the case where a through electrode that is electrically connected to the piezoelectric element is provided between the openings (for example, the support portion 411B in FIG. 4), it is necessary to secure a space for arranging the through electrode between the openings. The planar size of the substrate is increased. In contrast, in this application example, any one of the plurality of openings arranged in an array is used as a through hole, and a through electrode is provided in the through hole. For this reason, it is not necessary to widen the space | interval between opening parts, and the enlargement of the planar size of a board | substrate by this does not occur.
As described above, in the present embodiment, the planar size of the element substrate 41 can be reduced as compared with the conventional case, and the ultrasonic device 22, the ultrasonic sensor 24, the ultrasonic probe 2, and the ultrasonic measurement apparatus 1 can be downsized. Can do.

本実施形態の素子基板41では、複数の開口部41Cがアレイ領域Ar1内にアレイ状に配置され、そのうち貫通孔41C2は、アレイ中心Oに対して点対称となる位置に設けられている。具体的には、貫通孔41C2は、矩形状のアレイ領域Ar1の対角線D1に沿って配置され、貫通孔41C2のX方向及びY方向に隣り合う開口部41Cは、凹溝41C1となる。
このような構成では、例えば貫通孔41C2がアレイ領域Ar1における1か所に固まって形成される構成等に比べ、応力バランスが均一となり、素子基板41の破損や超音波特性の不均一を抑制できる。
In the element substrate 41 of the present embodiment, a plurality of openings 41C are arranged in an array in the array region Ar1, and the through holes 41C2 are provided at positions that are point-symmetric with respect to the array center O. Specifically, the through hole 41C2 is arranged along the diagonal line D1 of the rectangular array region Ar1, and the opening 41C adjacent to the through hole 41C2 in the X direction and the Y direction becomes a concave groove 41C1.
In such a configuration, for example, compared to a configuration in which the through-hole 41C2 is formed in one place in the array region Ar1, the stress balance is uniform, and damage to the element substrate 41 and non-uniform ultrasonic characteristics can be suppressed. .

本実施形態では、圧電素子413は、下部電極414、圧電膜415、及び上部電極416を積層することで構成されている。そして、貫通電極41Dは、SIG信号を印加するための下部電極414に接続されている。下部電極414は、振動膜412上に設けられる電極であるため、貫通孔41C2を設けることで、容易に貫通電極41Dと下部電極414を接触させることができる。   In the present embodiment, the piezoelectric element 413 is configured by stacking a lower electrode 414, a piezoelectric film 415, and an upper electrode 416. The through electrode 41D is connected to the lower electrode 414 for applying the SIG signal. Since the lower electrode 414 is an electrode provided on the vibration film 412, the through electrode 41D and the lower electrode 414 can be easily brought into contact with each other by providing the through hole 41C2.

本実施形態では、X方向に沿って配置された超音波素子51により1つの超音波素子群51Aが構成され、当該超音波素子群51AがY方向に沿って複数配置されることで1次元アレイ構造が構成されている。そして、下部電極414は、X方向に沿って配置される複数の超音波素子51に跨って設けられており、1つの超音波素子群51Aに属する超音波素子51の下部電極414は電気的に接続され、貫通電極41Dにより導通している。
このような構成では、超音波素子群51Aに属する各超音波素子51から貫通電極41Dまでの距離が短くなるので、その分、電気抵抗も小さくなり、電圧降下による影響を抑制できる。
In the present embodiment, one ultrasonic element group 51A is configured by the ultrasonic elements 51 arranged along the X direction, and a plurality of the ultrasonic element groups 51A are arranged along the Y direction to form a one-dimensional array. The structure is structured. The lower electrode 414 is provided across a plurality of ultrasonic elements 51 arranged along the X direction, and the lower electrode 414 of the ultrasonic elements 51 belonging to one ultrasonic element group 51A is electrically connected. Connected and conducted by the through electrode 41D.
In such a configuration, since the distance from each ultrasonic element 51 belonging to the ultrasonic element group 51A to the through electrode 41D is shortened, the electrical resistance is correspondingly reduced, and the influence of the voltage drop can be suppressed.

また、貫通孔41C2が、アレイ領域Ar1における対角線D1に沿って設けられているので、隣り合う超音波素子群51Aから出力される超音波の強度分布が略同じとなる。このため、各超音波素子群51Aから送信された超音波の波面を好適に重ね合せることができ、高精度な超音波ビームを形成することができる。   Further, since the through holes 41C2 are provided along the diagonal line D1 in the array region Ar1, the intensity distribution of the ultrasonic waves output from the adjacent ultrasonic element groups 51A is substantially the same. For this reason, the wavefronts of the ultrasonic waves transmitted from the respective ultrasonic element groups 51A can be suitably superimposed, and a highly accurate ultrasonic beam can be formed.

[第二実施形態]
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、1つの超音波素子群51Aに対して、1つの貫通電極41DによりSIG信号が入出力される例を示した。これに対して、第二実施形態では、1つの超音波素子群51Aに対して、2つの貫通電極41DによりSIG信号が入出力される点で、上記第一実施形態と相違する。なお、以降の説明にあたり、既に説明した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。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment according to the present invention will be described.
In the first embodiment, the example in which the SIG signal is input / output by one through electrode 41D with respect to one ultrasonic element group 51A has been described. On the other hand, the second embodiment is different from the first embodiment in that SIG signals are input / output by two through electrodes 41D with respect to one ultrasonic element group 51A. In the following description, the same reference numerals are given to the configurations already described, and the description thereof is omitted or simplified.

図11は、第二実施形態における素子基板41の開口部41Cの配置構成を示す図である。図11において、白丸は、凹溝41C1を示し、黒丸は、貫通孔41C2を示している。
本実施形態では、図11に示すように、X方向に沿って並ぶ開口部41Cのうちの2つが貫通孔41C2となる。これらの貫通孔41C2には、第一実施形態と同様、貫通電極41Dが設けられて下部電極414に導通する。
なお、上部電極416は、第一実施形態と同様に、別途設けられたCOM用貫通電極41Eに接続されている(図示略)。
FIG. 11 is a diagram illustrating an arrangement configuration of the opening 41C of the element substrate 41 in the second embodiment. In FIG. 11, white circles indicate the concave grooves 41C1, and black circles indicate the through holes 41C2.
In the present embodiment, as shown in FIG. 11, two of the openings 41C arranged along the X direction become the through holes 41C2. Similar to the first embodiment, these through holes 41C2 are provided with through electrodes 41D and are electrically connected to the lower electrode 414.
Note that the upper electrode 416 is connected to a separately provided COM through electrode 41E (not shown), as in the first embodiment.

また、各貫通孔41C2は、図11に示すように、アレイ領域Ar1における対角線D1及び対角線D2の双方に沿って配置されている。
ここで、アレイ中心Oの近傍の超音波素子群51Aでは、対角線D1,D2の双方に沿う位置に貫通孔41C2を配置すると、X方向及びY方向に対して隣り合う位置に貫通孔41C2が配置されることになる。この場合でも、貫通孔41C2の面積は、アレイ領域Ar1の総面積に対して十分に小さいため、これらの4つの貫通孔41C2がX方向、Y方向に隣り合っても、基板強度の低下が無視できる程度となり、問題は生じない。
しかしながら、貫通孔41C2に対してX方向及びY方向に隣り合う位置の開口部41Cは、凹溝41C1であることがより好ましい。この場合、図11に示すように、アレイ中心Oの近傍の超音波素子群51Aでは、例えば対角線D1に沿う位置にのみ貫通孔41C2を配置し、対角線D2に沿う位置には凹溝41C1を配置する。
Further, as shown in FIG. 11, each through hole 41C2 is arranged along both the diagonal line D1 and the diagonal line D2 in the array region Ar1.
Here, in the ultrasonic element group 51A in the vicinity of the array center O, when the through holes 41C2 are arranged at positions along both the diagonal lines D1 and D2, the through holes 41C2 are arranged at positions adjacent to the X direction and the Y direction. Will be. Even in this case, since the area of the through hole 41C2 is sufficiently small with respect to the total area of the array region Ar1, even if these four through holes 41C2 are adjacent to each other in the X direction and the Y direction, the decrease in the substrate strength is ignored. As much as possible, there is no problem.
However, the opening 41C at a position adjacent to the through hole 41C2 in the X direction and the Y direction is more preferably a concave groove 41C1. In this case, as shown in FIG. 11, in the ultrasonic element group 51A near the array center O, for example, the through hole 41C2 is disposed only at a position along the diagonal line D1, and the concave groove 41C1 is disposed at a position along the diagonal line D2. To do.

また、超音波素子群51Aにおいて、貫通電極41Dからの距離が長くなると、その距離に応じて電圧降下が発生し、各超音波素子51から送信される超音波の強度に差が生じる。例えば、上記第一実施形態では、−Y側端部に配置された超音波素子群51Aは、貫通電極41D(貫通孔41C2)が−X側端部に配置される。この場合、当該貫通電極41Dから、+X側端部に配置された超音波素子51までの距離が長くなり、その分、電圧降下が発生して、出力される超音波の強度が低下する。   Further, in the ultrasonic element group 51A, when the distance from the through electrode 41D becomes longer, a voltage drop occurs according to the distance, and a difference occurs in the intensity of the ultrasonic wave transmitted from each ultrasonic element 51. For example, in the first embodiment, in the ultrasonic element group 51A arranged at the −Y side end, the through electrode 41D (through hole 41C2) is arranged at the −X side end. In this case, the distance from the penetration electrode 41D to the ultrasonic element 51 arranged at the + X side end is increased, and a voltage drop occurs accordingly, and the intensity of the output ultrasonic wave is reduced.

これに対して、本実施形態では、1つの超音波素子群51Aに対して、2つの貫通電極41Dにより下部電極414が接続され、かつ、アレイ領域Ar1内において、これらの貫通電極41Dは、一対の対角線D1,D2に沿って配置されている。つまり、1つの超音波素子群51Aにおいて、X方向の中心点を通りY方向に平行な仮想線(すなわち、図11において、アレイ中心Oを通りY方向に平行な仮想線L)に対して、上記2つの貫通電極41Dが線対称となる位置に配置される。このような構成では、各超音波素子51に対して、貫通電極41Dからの距離が極端に長くなることがない。つまり、仮想線Lよりも−X側の超音波素子51に対しては、−X側に配置された貫通電極41DからのSIG信号が伝達され、+X側の超音波素子51に対しては、+X側に配置された貫通電極41DからのSIG信号が伝達される。よって、最も電圧降下が発生する可能性のある超音波素子51は、貫通電極41Dからの長さが、最大でも超音波素子群51AのX方向に沿う長さ寸法の1/2となる超音波素子51(貫通電極41Dが+X側端部及び−X側端部に位置する場合では仮想線L近傍の超音波素子51、又は、貫通電極41DがX方向の中心に位置する場合では±X側端部に位置する超音波素子51)となる。
したがって、第一実施形態における一部の超音波素子群51Aのような大きな電圧降下が発生せず、超音波素子51から出力される超音波の出力を均一にできる。
また、電圧降下が生じたとしても、仮想線Lを挟んで均一な割合で当該電圧降下が生じるので、出力される超音波の強度も仮想線Lを挟んで線対称となる分布となり、強度分布をより均一化できる。
On the other hand, in this embodiment, the lower electrode 414 is connected to one ultrasonic element group 51A by two through electrodes 41D, and these through electrodes 41D are paired in the array region Ar1. Are arranged along the diagonal lines D1, D2. That is, in one ultrasonic element group 51A, with respect to a virtual line passing through the center point in the X direction and parallel to the Y direction (that is, a virtual line L passing through the array center O and parallel to the Y direction in FIG. 11) The two through electrodes 41D are arranged at positions that are line-symmetric. In such a configuration, the distance from the through electrode 41 </ b> D does not become extremely long with respect to each ultrasonic element 51. In other words, the SIG signal from the through electrode 41D arranged on the −X side is transmitted to the −X side ultrasonic element 51 with respect to the virtual line L, and the + X side ultrasonic element 51 is The SIG signal is transmitted from the through electrode 41D arranged on the + X side. Therefore, the ultrasonic element 51 in which the voltage drop is most likely to occur is an ultrasonic wave whose length from the through electrode 41D is ½ of the length along the X direction of the ultrasonic element group 51A at the maximum. Element 51 (in the case where the through electrode 41D is located at the + X side end and the −X side end, the ultrasonic element 51 near the virtual line L or the through electrode 41D is located on the ± X side when the through electrode 41D is located at the center in the X direction) The ultrasonic element 51) is located at the end.
Therefore, a large voltage drop does not occur as in some ultrasonic element groups 51A in the first embodiment, and the output of ultrasonic waves output from the ultrasonic elements 51 can be made uniform.
Further, even if a voltage drop occurs, the voltage drop occurs at a uniform rate across the virtual line L, so that the intensity of the output ultrasonic wave also becomes a line symmetry distribution across the virtual line L, and the intensity distribution Can be made more uniform.

なお、図11に示す例では、アレイ中心Oの近傍の超音波素子群51Aにおいて1つの貫通電極41Dのみが設けられることになる。しかしながら、当該貫通電極41Dの配置位置は、X方向に沿う中心位置となるため、貫通電極41Dから最も離れた超音波素子51までの距離は、上記のように、最大で超音波素子群51AのX方向に沿う長さ寸法の1/2程度となる。よって、電圧降下による大きな影響は生じない。   In the example shown in FIG. 11, only one through electrode 41D is provided in the ultrasonic element group 51A in the vicinity of the array center O. However, since the arrangement position of the through electrode 41D is a central position along the X direction, the distance from the through electrode 41D to the ultrasonic element 51 farthest from the through electrode 41D is the maximum of the ultrasonic element group 51A as described above. It becomes about 1/2 of the length dimension along the X direction. Therefore, a large influence due to the voltage drop does not occur.

[本実施形態の作用効果]
上記のような本実施形態の素子基板41では、上記第一実施形態と同様、アレイ領域Ar1内において、貫通孔41C2がアレイ中心Oに対して点対称に配置されることになり、基板強度の低下を抑制できる。
また、上記第一実施形態と同様に、隣り合う超音波素子群51A同士において、超音波の出力強度分布が略同一となり、精度よく超音波の波面を重ね合せることができ、超音波ビームを所望の方向に出力することができる。
[Operational effects of this embodiment]
In the element substrate 41 of the present embodiment as described above, the through holes 41C2 are arranged point-symmetrically with respect to the array center O in the array region Ar1, as in the first embodiment, and the substrate strength is high. Reduction can be suppressed.
As in the first embodiment, the ultrasonic output intensity distributions of the adjacent ultrasonic element groups 51A are substantially the same, and the ultrasonic wavefronts can be superimposed with high accuracy. Can be output in the direction of.

さらに、各超音波素子群51Aにおいて、仮想線Lに対して線対称となる位置に貫通孔41C2が配置されるので、貫通電極41Dから各超音波素子51までの距離が極端に長くなることがなく、電圧降下を抑制でき、強度分布が均一な高精度な超音波を出力でき、高精度な超音波ビームを形成できる。   Furthermore, in each ultrasonic element group 51A, since the through hole 41C2 is arranged at a position that is line-symmetric with respect to the virtual line L, the distance from the through electrode 41D to each ultrasonic element 51 may become extremely long. Therefore, it is possible to suppress a voltage drop, to output a high-accuracy ultrasonic wave having a uniform intensity distribution, and to form a high-accuracy ultrasonic beam.

[第三実施形態]
次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。
上述した第一実施形態及び第二実施形態では、X方向に並ぶ超音波素子51により超音波素子群51Aが構成され、当該超音波素子群51AがY方向に複数配列される構成を例示した。これに対して、第三実施形態では、X方向に並ぶn個の超音波素子列をY方向にm列並べることで1つの超音波素子群が構成されている。すなわち、第三実施形態では、超音波アレイは、n×m個の部分アレイ領域に構成され、各部分アレイ領域により1つの超音波素子群が構成される。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment according to the present invention will be described.
In the first embodiment and the second embodiment described above, the ultrasonic element group 51A is configured by the ultrasonic elements 51 arranged in the X direction, and a configuration in which a plurality of the ultrasonic element groups 51A are arranged in the Y direction is illustrated. In contrast, in the third embodiment, one ultrasonic element group is configured by arranging n ultrasonic element arrays arranged in the X direction and m arrays in the Y direction. That is, in the third embodiment, the ultrasonic array is configured by n × m partial array regions, and one ultrasonic element group is configured by each partial array region.

図12は、第三実施形態における素子基板41の開口部41Cの配置構成を示す図である。図12において、白丸は、凹溝41C1を示し、黒丸は、貫通孔41C2を示している。
図12に示すように、本実施形態では、超音波素子アレイ50のアレイ領域Ar1は、複数の部分アレイ領域Ar2を有する。なお、本実施形態では、部分アレイ領域Ar2がY方向に複数並ぶ構成を例示するが、部分アレイ領域Ar2がX方向及びY方向に沿って2次元アレイ状に並ぶ構成としてもよい。
FIG. 12 is a diagram showing an arrangement configuration of the opening 41C of the element substrate 41 in the third embodiment. In FIG. 12, white circles indicate the concave grooves 41C1, and black circles indicate the through holes 41C2.
As shown in FIG. 12, in the present embodiment, the array region Ar1 of the ultrasonic element array 50 has a plurality of partial array regions Ar2. In this embodiment, a configuration in which a plurality of partial array regions Ar2 are arranged in the Y direction is illustrated, but the partial array regions Ar2 may be arranged in a two-dimensional array along the X and Y directions.

各部分アレイ領域Ar2には、それぞれ、n×m個(本実施形態では、12×5個)の開口部41Cがアレイ状に配置されている。この開口部41Cは、第一実施形態と同様に、圧電素子413が配置される凹溝41C1と、貫通電極41Dが挿通される貫通孔41C2とを含む。そして、開口部41Cにおける貫通孔41C2は、矩形状の各部分アレイ領域Ar2における対角線D3に沿って配置されている。
なお、本実施形態において、各部分アレイ領域Ar2の超音波素子51は、下部電極414が互いに電気的に接続され、各貫通電極41Dから同じSIG信号が入出力される。これにより、1つの部分アレイ領域Ar2を1つの超音波素子群51Aとして機能させることが可能となる。
また、第一実施形態と同様に、X方向に沿う超音波素子51の下部電極414同士が接続され、Y方向に沿って隣り合う超音波素子51間では、導通が取られない構成としてもよい。この場合でも、各部分アレイ領域Ar2に設けられた貫通電極41Dにそれぞれ同一のSIG信号を同タイミングで印加すれば、部分アレイ領域Ar2に属する超音波素子51を同時に駆動させることが可能となる。
In each partial array region Ar2, n × m (in this embodiment, 12 × 5) openings 41C are arranged in an array. Similar to the first embodiment, the opening 41C includes a concave groove 41C1 in which the piezoelectric element 413 is disposed, and a through hole 41C2 through which the through electrode 41D is inserted. And the through-hole 41C2 in the opening part 41C is arrange | positioned along the diagonal D3 in each rectangular-shaped partial array area | region Ar2.
In the present embodiment, in the ultrasonic elements 51 of each partial array region Ar2, the lower electrodes 414 are electrically connected to each other, and the same SIG signal is input / output from each through electrode 41D. Thus, one partial array region Ar2 can be functioned as one ultrasonic element group 51A.
Similarly to the first embodiment, the lower electrodes 414 of the ultrasonic elements 51 along the X direction are connected to each other, and conduction between the adjacent ultrasonic elements 51 along the Y direction may be prevented. . Even in this case, if the same SIG signal is applied to the through electrodes 41D provided in each partial array region Ar2 at the same timing, the ultrasonic elements 51 belonging to the partial array region Ar2 can be simultaneously driven.

さらに、本実施形態において、第一及び第二実施形態と同様、上部電極416は、アレイ領域外において設けられたCOM用貫通電極41Eに導通されていればよい。なお、部分アレイ領域Ar2内におけるいずれかの開口部41CをCOM用の貫通孔としてもよい。この場合、当該貫通孔上には下部電極414及び圧電膜415を積層せず、上部電極のみをCOM用の貫通孔を覆うように形成し、COM用の貫通孔に設けられた貫通電極を上部電極416に導通させる。   Furthermore, in the present embodiment, as in the first and second embodiments, the upper electrode 416 only needs to be electrically connected to the COM through electrode 41E provided outside the array region. Note that any one of the openings 41C in the partial array region Ar2 may be a through hole for COM. In this case, the lower electrode 414 and the piezoelectric film 415 are not stacked on the through-hole, but only the upper electrode is formed so as to cover the COM through-hole, and the through-electrode provided in the COM through-hole is disposed on the upper side. Conduction is made to the electrode 416.

[本実施形態の作用効果]
本実施形態は、アレイ領域Ar1は、複数の部分アレイ領域Ar2を備え、これらの各部分アレイ領域Ar2は、n×m個の開口部41Cを備える。そして、これらの開口部41Cのうち、部分アレイ領域Ar2の対角線D3に沿う開口部41Cは、貫通孔41C2であり、下部電極414に導通する貫通電極41Dが設けられている。
このような構成でも、上記第一及び第二実施形態と同様に、各部分アレイ領域Ar2における応力バランスが均一となり基板強度の低下を抑制できる。
また、各部分アレイ領域Ar2を1つの超音波素子群51A(1つのチャネル)として駆動させることができる。この場合、各超音波素子群51Aから出力される超音波の強度分布が同じ分布となり、出力された超音波の波面を重ね合せて超音波ビームを形成する際に、各超音波素子群51Aから出力される超音波間で強度むらがなく、高精度な超音波ビームを形成することが可能となる。
[Operational effects of this embodiment]
In the present embodiment, the array region Ar1 includes a plurality of partial array regions Ar2, and each of these partial array regions Ar2 includes n × m openings 41C. Of these openings 41C, the opening 41C along the diagonal D3 of the partial array region Ar2 is a through hole 41C2, and a through electrode 41D that is electrically connected to the lower electrode 414 is provided.
Even in such a configuration, similarly to the first and second embodiments, the stress balance in each partial array region Ar2 is uniform, and the decrease in the substrate strength can be suppressed.
Each partial array region Ar2 can be driven as one ultrasonic element group 51A (one channel). In this case, the intensity distribution of the ultrasonic waves output from each ultrasonic element group 51A becomes the same distribution, and when forming the ultrasonic beam by superimposing the wavefronts of the output ultrasonic waves, each ultrasonic element group 51A There is no intensity unevenness between the output ultrasonic waves, and it is possible to form a highly accurate ultrasonic beam.

[変形例]
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。
上記第一実施形態において、超音波デバイス22の製造方法として、図9,10を例示したが、これに限定されない。
例えば図13に示すような製造方法であってもよい。
図13は、超音波デバイス22の別の製造方法を示す一例である。この方法では、まず、図13(A)に示すように、基板本体部411に対して振動膜412を形成する。この後、図13(B)に示すように、振動膜412の作動面41B側から、貫通孔41C2の形成位置に対して孔部412Aを形成する。
この後、図13(C)に示すように、振動膜412上に、下部電極414、圧電膜415、上部電極416、絶縁層418を形成する。ここで、下部電極414は、孔部412A内に充填させて基板本体部411に当接させる。
この後、図13(D)に示すように、基板本体部411の背面41A側から各孔部411Aをエッチング等により形成する。これにより、孔部412Aに充填された下部電極414が孔部411Aに露出する。そして、封止板42を接合した上で、貫通電極41Dを挿入し、下部電極414に導通させる。
[Modification]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the present invention includes configurations obtained by modifying, improving, and appropriately combining the embodiments as long as the object of the present invention can be achieved. Is.
In the first embodiment, FIGS. 9 and 10 are illustrated as the method for manufacturing the ultrasonic device 22, but the method is not limited thereto.
For example, a manufacturing method as shown in FIG. 13 may be used.
FIG. 13 is an example showing another method for manufacturing the ultrasonic device 22. In this method, first, as shown in FIG. 13A, the vibration film 412 is formed on the substrate body 411. Thereafter, as shown in FIG. 13B, a hole portion 412A is formed from the operating surface 41B side of the vibrating membrane 412 to the formation position of the through hole 41C2.
Thereafter, as shown in FIG. 13C, a lower electrode 414, a piezoelectric film 415, an upper electrode 416, and an insulating layer 418 are formed on the vibration film 412. Here, the lower electrode 414 is filled in the hole 412A and brought into contact with the substrate body 411.
Thereafter, as shown in FIG. 13D, each hole 411A is formed by etching or the like from the back surface 41A side of the substrate body 411. Thereby, the lower electrode 414 filled in the hole 412A is exposed to the hole 411A. Then, after the sealing plate 42 is joined, the through electrode 41D is inserted, and is conducted to the lower electrode 414.

また、上記各実施形態及び図13に示す例では、貫通孔41C2内に充填された貫通電極41Dを例示したが、これに限定されない。例えば、貫通孔41C2の表面に対して、メタル蒸着等により金属薄膜を成膜することで、下部電極414と導通する貫通電極41Dを形成してもよい。   Further, in each of the above embodiments and the example illustrated in FIG. 13, the through electrode 41 </ b> D filled in the through hole 41 </ b> C <b> 2 is illustrated, but the present invention is not limited to this. For example, the through electrode 41D that is electrically connected to the lower electrode 414 may be formed by forming a metal thin film on the surface of the through hole 41C2 by metal vapor deposition or the like.

上記各実施形態では、貫通孔41C2がアレイ領域Ar1の対角線D1、又は、一対の対角線D1及び対角線D2の双方に沿って設けられる例を示したが、これに限定されない。貫通孔41C2の位置としては、素子基板41における応力バランスが均一となり、基板強度が低下しない位置で、かつ、隣り合う超音波素子群51Aから出力される超音波の強度分布が略同じとなるように、配置すればよい。
例えば、図14に示すように、アレイ中心Oに対して点対称となる位置にジグザグに貫通孔41C2を設ける構成などとしてもよい。
In each of the above embodiments, the example in which the through hole 41C2 is provided along the diagonal line D1 of the array region Ar1 or the pair of diagonal lines D1 and the diagonal line D2 has been described, but the present invention is not limited thereto. The positions of the through holes 41C2 are such that the stress balance in the element substrate 41 is uniform, the substrate strength does not decrease, and the intensity distribution of the ultrasonic waves output from the adjacent ultrasonic element groups 51A is substantially the same. It is sufficient to arrange them.
For example, as shown in FIG. 14, it is good also as a structure which provides the through-hole 41C2 zigzag in the position which becomes point-symmetric with respect to the array center O.

また、上記実施形態では、貫通孔41C2に対してX方向及びY方向に隣り合う開口部41Cは、凹溝41C1となる例を示したが、これに限定されない。上述したように、各開口部41Cは、アレイ領域Ar1に対して十分小さい面積であり、例えば所定値以下の個数(例えば2〜3個)であれば、X方向又はY方向に貫通孔41C2が隣り合う構成であってもよい。   Moreover, although the opening part 41C adjacent to the X direction and the Y direction with respect to the through hole 41C2 has been described in the above embodiment as an example of the concave groove 41C1, the present invention is not limited thereto. As described above, each opening 41C has a sufficiently small area with respect to the array region Ar1. For example, if the number is a predetermined value or less (for example, 2 to 3), the through holes 41C2 are formed in the X direction or the Y direction. Adjacent configurations may be used.

第三実施形態において、1つの部分アレイ領域Ar2に属する超音波素子51を1chとして駆動させる例を示したが、Y方向に沿って奇数番目の部分アレイ領域Ar2を超音波の送信用アレイとし、偶数番目の部分アレイ領域Ar2を超音波の受信用アレイとしてもよい。   In the third embodiment, the example in which the ultrasonic element 51 belonging to one partial array region Ar2 is driven as 1ch has been shown, but the odd-numbered partial array region Ar2 along the Y direction is an ultrasonic transmission array, The even-numbered partial array region Ar2 may be an ultrasonic receiving array.

上記各実施形態において、超音波の送受信を行うことで生体内の内部断層構造を測定する超音波装置を例示したが、これに限定されない。
例えば、超音波装置として、例えばコンクリート建築物等のコンクリート内部構造を検査するための測定機等として用いることもできる。
また、超音波デバイス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、洗浄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15は、超音波洗浄機の概略構成を示す図である。
図15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、上記実施形態と同様の超音波デバイス22と、超音波デバイス22を制御する配線基板83とを備えている。
このような超音波洗浄機8でも、上記同様の作用効果を得られ、素子基板41の平面サイズを小型化でき、かつ、配線基板83に対して超音波デバイス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。このため、超音波洗浄機8の小型化を図れる。
また、電子機器として、上記各実施形態や図15として、超音波モジュールを備えた電子機器を例示したが、超音波の送受信用の圧電モジュールに限定されない。
例えば、本発明の圧電モジュールを圧力センサー等に適用させることができる。この場合、圧力媒体(例えば気体や液体)により変位する振動部412Bの変位量を、圧電膜415に発生した起電力を検出することで測定し、振動部412Bの変位量から圧力媒体の圧力を測定する。
In each said embodiment, although the ultrasonic device which measures the internal tomographic structure in a living body by performing transmission / reception of an ultrasonic wave was illustrated, it is not limited to this.
For example, as an ultrasonic device, it can also be used as a measuring machine for inspecting a concrete internal structure such as a concrete building.
Moreover, although the ultrasonic measuring apparatus 1 provided with the ultrasonic device 22 was illustrated, it is applicable also to another electronic device. For example, it can be used in an ultrasonic cleaning machine or the like that sends ultrasonic waves to the object to be cleaned and ultrasonically cleans the object to be cleaned.
FIG. 15 is a diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic cleaning machine.
The ultrasonic cleaning machine 8 illustrated in FIG. 15 includes a cleaning tank 81 and an ultrasonic module 82 installed on, for example, the bottom surface of the cleaning tank 81.
The ultrasonic module 82 includes the ultrasonic device 22 similar to that of the above embodiment and a wiring board 83 that controls the ultrasonic device 22.
Such an ultrasonic cleaning machine 8 can also obtain the same effect as described above, can reduce the planar size of the element substrate 41, and can easily mount the ultrasonic device 22 on the wiring board 83 by face-down mounting. Can be implemented. For this reason, size reduction of the ultrasonic cleaning machine 8 can be achieved.
Moreover, although the electronic device provided with the ultrasonic module was illustrated as said each embodiment and FIG. 15 as an electronic device, it is not limited to the piezoelectric module for transmission / reception of an ultrasonic wave.
For example, the piezoelectric module of the present invention can be applied to a pressure sensor or the like. In this case, the displacement amount of the vibration part 412B displaced by the pressure medium (for example, gas or liquid) is measured by detecting the electromotive force generated in the piezoelectric film 415, and the pressure of the pressure medium is determined from the displacement amount of the vibration part 412B. taking measurement.

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。   In addition, the specific structure for carrying out the present invention may be configured by appropriately combining the above-described embodiments and modifications within the scope that can achieve the object of the present invention, and may be appropriately changed to other structures and the like. May be.

1…超音波測定装置(超音波装置)、8…超音波洗浄機(超音波装置)、22…超音波デバイス、23…配線基板、24…超音波センサー、41…素子基板、41A…背面(第二面)、41B…作動面(第一面)、41C…開口部、41C1…凹溝、41C2…貫通孔、41D…貫通電極、42…封止板(背面基板)、50…超音波素子アレイ、51…超音波素子、51A…超音波素子群、82…超音波モジュール、83…配線基板、231…端子部、232…共通電位回路、233…選択回路、234…送信回路、235…受信回路、411…基板本体部、411A…孔部、412…振動膜、412A…孔部、412B…振動部、413…圧電素子、414…下部電極、414A…下部電極本体、414B…下部電極線、414C…電極導通部、415…圧電膜、416…上部電極、421…貫通孔部、Ar1…アレイ領域、Ar2…部分アレイ領域、D1…対角線、D2…対角線、D3…対角線、L…仮想線、O…アレイ中心。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic measuring apparatus (ultrasonic apparatus), 8 ... Ultrasonic cleaning machine (ultrasonic apparatus), 22 ... Ultrasonic device, 23 ... Wiring board, 24 ... Ultrasonic sensor, 41 ... Element board | substrate, 41A ... Back surface ( (Second surface), 41B ... acting surface (first surface), 41C ... opening, 41C1 ... concave groove, 41C2 ... through hole, 41D ... through electrode, 42 ... sealing plate (back substrate), 50 ... ultrasound element Array, 51 ... Ultrasonic element, 51A ... Ultrasonic element group, 82 ... Ultrasonic module, 83 ... Wiring board, 231 ... Terminal part, 232 ... Common potential circuit, 233 ... Selection circuit, 234 ... Transmission circuit, 235 ... Reception Circuit, 411... Substrate body, 411A. 414C ... Electrode conduction Part, 415 ... piezoelectric film, 416 ... upper electrode, 421 ... through hole, Ar1 ... array region, Ar2 ... partial array region, D1 ... diagonal line, D2 ... diagonal line, D3 ... diagonal line, L ... virtual line, O ... array center .

Claims (11)

第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、
前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を備え、
前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、
前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、
前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられている
ことを特徴とする圧電素子基板。
An element substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, wherein a plurality of openings that are open on the second surface side in a predetermined array region are arranged in an array;
A plurality of piezoelectric elements provided on the first surface side of the element substrate,
Any of the plurality of openings is a through-hole penetrating the element substrate in the substrate thickness direction, and the other openings are concave grooves,
The piezoelectric element is provided on the first surface side in the groove bottom surface of the concave groove,
The through hole is provided with a through electrode that penetrates from the first surface to the second surface of the element substrate and is electrically connected to the piezoelectric element on the first surface side. A piezoelectric element substrate.
請求項1に記載の圧電素子基板において、
前記貫通孔は、前記アレイ領域の中心に対して点対称となる位置に設けられている
ことを特徴とする圧電素子基板。
The piezoelectric element substrate according to claim 1,
The piezoelectric element substrate, wherein the through hole is provided at a position that is point-symmetric with respect to a center of the array region.
請求項1又は請求項2に記載の圧電素子基板において、
前記貫通孔に隣り合う前記開口部は、前記凹溝である
ことを特徴とする圧電素子基板。
In the piezoelectric element substrate according to claim 1 or 2,
The piezoelectric element substrate, wherein the opening adjacent to the through hole is the concave groove.
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の圧電素子基板において、
前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面側から第一電極層、圧電膜、及び第二電極層を積層した積層体により構成され、
前記貫通電極は、前記第一電極層に接続されている
ことを特徴とする圧電素子基板。
The piezoelectric element substrate according to any one of claims 1 to 3,
The piezoelectric element is constituted by a laminate in which a first electrode layer, a piezoelectric film, and a second electrode layer are laminated from the groove bottom side of the groove,
The piezoelectric element substrate, wherein the through electrode is connected to the first electrode layer.
請求項4に記載の圧電素子基板において、
前記開口部は、第一方向、及び前記第一方向に対して交差する第二方向に沿ってアレイ状に配置され、
前記第一方向に沿って配置された前記圧電素子により1つの圧電素子群が構成され、前記アレイ領域には、前記第二方向に沿って複数の前記圧電素子群が配置され、同一の圧電素子群に属する前記圧電素子の前記第一電極層は、電気的に互いに接続されており、
前記第一方向に沿って配置された複数の前記開口部のうちの少なくともいずれか1つは前記貫通孔である
ことを特徴とする圧電素子基板。
The piezoelectric element substrate according to claim 4,
The openings are arranged in an array along a first direction and a second direction intersecting the first direction,
One piezoelectric element group is configured by the piezoelectric elements arranged along the first direction, and a plurality of the piezoelectric element groups are arranged along the second direction in the array region, and the same piezoelectric element The first electrode layers of the piezoelectric elements belonging to a group are electrically connected to each other;
At least one of the plurality of openings arranged along the first direction is the through-hole.
請求項5に記載の圧電素子基板において、
前記貫通孔は、前記第一方向に沿う2辺及び前記第二方向に沿う2辺に囲われた矩形状の前記アレイ領域の2本の対角線における少なくとも一方に沿って設けられている
ことを特徴とする圧電素子基板。
In the piezoelectric element substrate according to claim 5,
The through-hole is provided along at least one of two diagonal lines of the rectangular array region surrounded by two sides along the first direction and two sides along the second direction. A piezoelectric element substrate.
請求項5又は請求項6に記載の圧電素子基板において、
前記貫通孔は、前記第一方向に沿う前記圧電素子群の中心を通り、前記第二方向に沿った仮想線に対して線対称となる位置にそれぞれ設けられている
ことを特徴とする圧電素子基板。
In the piezoelectric element substrate according to claim 5 or 6,
The through-holes are provided at positions that pass through the center of the piezoelectric element group along the first direction and are symmetrical with respect to a virtual line along the second direction. substrate.
請求項1に記載の圧電素子基板において、
前記開口部は、第一方向、及び前記第一方向に対して交差する第二方向に沿ってアレイ状に配置され、
前記アレイ領域は、複数の部分アレイ領域を含み、各部分アレイ領域には、前記第一方向に沿うn個、第二方向に沿うm個により構成されるn×m個の前記開口部がアレイ状に配置され、
各部分アレイ領域内において、前記貫通孔は、当該部分アレイ領域の中心に対して点対称となる位置に設けられている
ことを特徴とする圧電素子基板。
The piezoelectric element substrate according to claim 1,
The openings are arranged in an array along a first direction and a second direction intersecting the first direction,
The array region includes a plurality of partial array regions, and each partial array region includes n × m openings formed by n pieces along the first direction and m pieces along the second direction. Arranged in a shape,
In each partial array region, the through-hole is provided at a position that is point-symmetric with respect to the center of the partial array region.
第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、
前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、
配線基板と、を備え、
前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、
前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、
前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、
前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、
前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部を備えた
ことを特徴とする圧電モジュール。
An element substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a plurality of openings that are open on the second surface side in a predetermined array region; and A plurality of piezoelectric elements provided on the first surface side of the element substrate, and a piezoelectric element substrate,
A back substrate bonded to the second surface of the element substrate;
A wiring board, and
Any of the plurality of openings is a through-hole penetrating the element substrate in the substrate thickness direction, and the other openings are concave grooves,
The piezoelectric element is provided on the first surface side in the groove bottom surface of the concave groove,
The through hole is provided with a through electrode that penetrates from the first surface to the second surface of the element substrate and is electrically connected to the piezoelectric element on the first surface side,
The rear substrate has a second through electrode that is electrically connected to the through electrode and penetrates the substrate thickness direction;
The said wiring board was provided in the position corresponding to each of said 2nd penetration electrode, and was provided with the terminal part electrically connected with the said 2nd penetration electrode. The piezoelectric module characterized by the above-mentioned.
第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、
前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、
配線基板と、を備え、
前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、
前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、
前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、
前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、
前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部と、前記端子部と電気的に接続され、前記圧電素子に対して駆動信号を出力して超音波を出力させる超音波送信処理、及び前記圧電素子から入力された検出信号に基づいて超音波を検出する超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を行う駆動回路と、を備えた
ことを特徴とする超音波モジュール。
An element substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a plurality of openings that are open on the second surface side in a predetermined array region; and A plurality of piezoelectric elements provided on the first surface side of the element substrate, and a piezoelectric element substrate,
A back substrate bonded to the second surface of the element substrate;
A wiring board, and
Any of the plurality of openings is a through-hole penetrating the element substrate in the substrate thickness direction, and the other openings are concave grooves,
The piezoelectric element is provided on the first surface side in the groove bottom surface of the concave groove,
The through hole is provided with a through electrode that penetrates from the first surface to the second surface of the element substrate and is electrically connected to the piezoelectric element on the first surface side,
The rear substrate has a second through electrode that is electrically connected to the through electrode and penetrates the substrate thickness direction;
The wiring board is provided at a position corresponding to each of the second through electrodes, a terminal portion electrically connected to the second through electrodes, and electrically connected to the terminal portions. Drive that performs at least one of an ultrasonic transmission process that outputs a drive signal to output an ultrasonic wave and an ultrasonic reception process that detects an ultrasonic wave based on a detection signal input from the piezoelectric element And an ultrasonic module.
第一面、及び前記第一面とは反対側の第二面を有し、所定のアレイ領域内において前記第二面側が開口する複数の開口部がアレイ状に配置された素子基板と、前記素子基板の前記第一面側に設けられた複数の圧電素子と、を有する圧電素子基板と、
前記素子基板の前記第二面に接合される背面基板と、
配線基板と、
制御部と、を備え、
前記複数の開口部のうちのいずれかは前記素子基板を基板厚み方向に貫通する貫通孔であり、その他の開口部は凹溝であり、
前記圧電素子は、前記凹溝の溝底面における前記第一面側に設けられ、
前記貫通孔には、前記素子基板の前記第一面から前記第二面までを貫通し、前記第一面側において前記圧電素子に電気的に接続される貫通電極が設けられ、
前記背面基板は、前記貫通電極と電気的に接続され、基板厚み方向を貫通する第二貫通電極を有し、
前記配線基板は、前記第二貫通電極のそれぞれに対応する位置に設けられ、当該第二貫通電極と電気的に接続される端子部と、前記端子部と電気的に接続され、前記圧電素子に対して駆動信号を出力して超音波を出力させる超音波送信処理、及び前記圧電素子から入力された検出信号に基づいて超音波を検出する超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を行う駆動回路と、を備え、
前記制御部は、前記駆動回路及び前記複数の圧電素子を用いた前記超音波送信処理及び前記超音波受信処理の少なくともいずれか一方の処理を制御する
ことを特徴とする超音波装置。
An element substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface, and a plurality of openings that are open on the second surface side in a predetermined array region; and A plurality of piezoelectric elements provided on the first surface side of the element substrate, and a piezoelectric element substrate,
A back substrate bonded to the second surface of the element substrate;
A wiring board;
A control unit,
Any of the plurality of openings is a through-hole penetrating the element substrate in the substrate thickness direction, and the other openings are concave grooves,
The piezoelectric element is provided on the first surface side in the groove bottom surface of the concave groove,
The through hole is provided with a through electrode that penetrates from the first surface to the second surface of the element substrate and is electrically connected to the piezoelectric element on the first surface side,
The rear substrate has a second through electrode that is electrically connected to the through electrode and penetrates the substrate thickness direction;
The wiring board is provided at a position corresponding to each of the second through electrodes, a terminal portion electrically connected to the second through electrodes, and electrically connected to the terminal portions. Drive that performs at least one of an ultrasonic transmission process that outputs a drive signal to output an ultrasonic wave and an ultrasonic reception process that detects an ultrasonic wave based on a detection signal input from the piezoelectric element A circuit,
The control device controls at least one of the ultrasonic transmission processing and the ultrasonic reception processing using the drive circuit and the plurality of piezoelectric elements.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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