JP4185506B2

JP4185506B2 - 超音波振動子の製造方法

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Publication number: JP4185506B2
Application number: JP2005160926A
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Inventors: 和裕小林
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Priority date: 2004-06-02
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Publication date: 2008-11-26
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Description

本発明は超音波振動子の製造方法に関し、特にバッキングユニットの製作に関する。

生体の三次元超音波診断に用いられる２Ｄアレイ振動子は二次元配列された複数の振動素子を有する。それらの振動素子に対して信号線（リード）を個別的に接続するために、リードアレイ内蔵のバッキング部材が用いられる。

非特許文献１（特に図２）及び特許文献１（特に図５）には、リード列が形成された複数の基板と、バッキング作用をもった複数のスペーサと、を互い違いに積層させることにより、バッキング部材（バッキングユニット）を製作することが示されている。特許文献２（特に図４）には、振動素子列が設けられた複数の基板を、バッキング材に形成された複数の溝に挿入して接着固定することが示されている。特許文献３には、型枠内にリードアレイを構成し、そこへバッキング材料を充填して硬化させる技術が開示されている。そこにはリード上端部のアレイパターンとリード下端部のアレイパターンとを異ならせることについても記載されている。特許文献４には、バッキング材料への溝形成と電極材料の充填とを利用してバッキング部材を製作することが記載されている。

特開平７−１３１８９５号公報特開２００１−３０９４９３号公報特開２００３−２６５４７６号公報特開２００４−３３８２９号公報 M.Greenstein,P.Lum,H.Yoshida,M.S.Seyed-Bolorforosh,A 2.5MHz 2D Array with Z-Axis Backing.1996 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM,p1513-1516.

リードアレイを備えたバッキング部材の製作に当たって、複数の部材を単純に積層して接着すると、各部材の位置決め誤差が問題となる。また、保持された基板間に多量の液状バッキング材料を流し込んで、それを熱硬化させると、バッキング材料の熱収縮に伴って、各基板（リードアレイ）の変形や位置決め誤差が生じやすい。特に粘性の高い液状バッキング材料を用いる場合、基板間の全体にバッキング材料が十分に展開しないおそれがある。更に、製作作業あるいは製作コストの観点から、バッキング部材を簡便に製作することが求められ、加えて、バッキング部材の特性を維持、向上することも求められている。

非特許文献１及び特許文献１には、複数のピン状の治具を利用して各部材を位置決めすることが示されている。しかし、非特許文献１には製造方法の詳細が記載されていない。特許文献１に記載された製造方法では、多量のバッキング材料を充填してそれを硬化する必要があるため（その図６（ｂ）参照）、上記で指摘した問題が生じる。特許文献２に記載された手法（特に図４）では、バッキング部材に形成された各溝へ基板が差し込まれている。しかし、各基板に振動子列を形成してから、各基板の挿入配置を行っているため、各基板の位置決め精度がそのまま各振動素子の位置決め精度を左右する点を指摘できる。

本発明の目的は、超音波振動子の製造に当たって、リードアレイを備えたバッキングユニットの製作に当たって各リードの位置決め精度を向上させることにある。

本発明の他の目的は、超音波振動子の製造に当たって、リードアレイを備えたバッキングユニットを簡易に製作することにある。

本発明の他の目的は、良好な特性を有するバッキングユニットを備えた超音波振動子を製作することにある。

（１）本発明は、Ｘ方向に整列しそれぞれＹ方向に伸長する複数のスリットを有し、バッキング材料で構成された第１製作体を製作する工程と、前記第１製作体における前記複数のスリットに対して、リード列を有する複数の基板を挿入し、これにより第２製作体を製作する工程と、前記第２製作体におけるＺ方向の上層部を除去し、前記第２製作体の上面にリード上端アレイを露出させ、これにより第３製作体を製作する工程と、前記第３製作体の上面側に振動素子アレイを設ける工程と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、まず、複数のスリットを有するバッキング材料で構成された第１製作体（バッキング母体）が製作される。第１製作体は、複数の部材の結合体として構成されていてもよいし、単一の部材で構成されていてもよい。第１製作体における各スリットに対して各基板が挿入される。つまり、各スリットは各基板の位置決め手段として機能する。各基板が接着剤などによって固定される。各基板はリード列を有するが、その配列としては各種のものが考えられる。各基板はフィルム状のＦＰＣ（フレキシブルプリント回路）基板であるのが望ましいがそれ以外のリードフレームなどであってもよい。複数の基板が挿入された第２製作体におけるＺ方向の上層部（振動子側部分）が除去される。この状態では上面にリード上端アレイが露出する。ここで、上層部は切削加工などの手法を用いて除去され、あるいは、上面の研磨処理により上層部が除去される。ここで、第３製作体の上面と振動素子アレイとの間に上面電極パッドアレイが形成されるのが望ましい。その場合、上面電極パッドアレイ（及び、後述する下面電極パッドアレイ）は、メッキ法、スパッタ法、蒸着法などによって構成される。あるいは、第３製作体の上面に電極層を形成し、その上に振動材料で構成された板状の振動部材を設け、上方から、振動部材と電極層とを同時にダイシングソーによってカッティングすることによって、振動素子アレイ及び上面電極パッドアレイを同時製作することも可能である。上記構成によれば、第１製作体に形成された各スリットへの各基板の挿入によってリード列を配置できるので簡便であり、位置決め精度がよい。また、上層部の除去により、振動素子アレイとリードアレイとの電気的コンタクトを確実に行える。

（２）本発明は、Ｘ方向に整列しそれぞれＹ方向に伸長し且つＺ方向の両側が閉じた複数のスリットを有し、バッキング材料で構成された第１製作体を製作する工程と、前記第１製作体における複数のスリットに対して、リード列を有する複数の基板を前記Ｙ方向から挿入し、これにより第２製作体を製作する工程と、前記第２製作体におけるＺ方向の上層部を除去し、前記第２製作体の上面にリード上端アレイを露出させ、前記第２製作体のＺ方向の下層部を除去し、前記第２製作体の下面にリード下端アレイを露出させ、これにより第３製作体を製作する工程と、前記第３製作体の上面側に振動素子アレイを設ける工程と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、Ｙ方向から各基板が各スリット内へ挿入される。各スリットのＹ方向の一方端は開口であるが、Ｙ方向の他方端は開口であっても閉じていてもよい。両端が開口であれば挿入方向に自由度があるのでその作業性が容易となる。他方端が閉じていれば各基板のＹ方向の位置決めが容易となる。上記構成によれば、第１製作体に形成された各スリットへの各基板の挿入によってリード列を配置できるので簡便であり、位置決め精度がよい。また、上層部の除去により、振動素子アレイとリードアレイとの電気的コンタクトを確実に行える。

望ましくは、前記第３製作体の上面に上面電極パッドアレイを形成する工程と、前記第３製作体の下面に下面電極パッドアレイを形成する工程と、を含む。

望ましくは、前記第１製作体を製作する工程は、第１バッキング板に対しＸ方向に並んだ複数のハーフスリットを形成し、第２バッキング板に対しＸ方向に並んだ複数のハーフスリットを形成する工程と、前記複数のハーフスリットが形成された第１バッキング板と前記複数のハーフスリットが形成された第２バッキング板とを前記複数のスリットが構成されるように対向させて結合する工程と、を含む。

望ましくは、前記第１バッキング板と前記第２バッキング板とが位置決め具を用いて位置決めされた状態で、前記各スリットに前記各基板が挿入される。

（３）本発明は、Ｘ方向に整列しそれぞれＹ方向に伸長し且つＺ方向の下方が開いた複数のスリットを有し、バッキング材料で構成された第１製作体を製作する工程と、前記第１製作体における複数のスリットに対して、リード列を有する複数の基板における挿入部分を挿入し、これにより第２製作体を製作する工程と、前記第２製作体におけるＺ方向の上層部を除去し、前記第２製作体の上面にリード上端アレイを露出させ、これにより第３製作体を製作する工程と、前記第３製作体の上面側に振動素子アレイを設ける工程と、を含むことを特徴とする。

上記構成によれば、各スリットにおけるＺ方向の下方端（非振動子側）が開口となっており、各スリットへ基板を部分的に挿入した状態では、第１製作体（バッキング母体）からその下方へ複数の基板が引き出されることになる。例えば、バッキング母体の下面側に電極パッドアレイなどを形成する必要がなくなり、また、下面における電気的な接続が不要となる。各基板上に電子回路などを搭載するようにしてもよい。各スリットに対して、各基板をＺ方向の下方側から挿入するのが望ましい。その場合、各スリットのＹ方向の両端は閉じていてもよいし、開口であってもよい。前者によればＹ方向の位置決めが容易となる。後者によれば、挿入時に運動各基板に自由度があるので作業性がよい。なお、スリットのＹ方向の一方端側から基板をスライドさせて挿入することもできる。各基板は接着剤などを利用して各スリットへ固定される。

いずれにしても、上記構成によれば、第１製作体に形成された各スリットへの各基板の挿入によってリード列を配置できるので簡便であり、位置決め精度がよい。また、上層部の除去により、振動素子アレイとリードアレイとの電気的コンタクトを確実に行える。更に、第１製作体の下面側で結線処理を行う必要がなくなる。各基板相互がＺ方向にばらついて位置決めされても、上層部が除去されるために、そのようなＺ方向のばらつきは解消される。

（４）上記構成において、望ましくは、前記第３製作体を製作する工程は、前記第３製作体内における前記各基板の上端部に複数の突出部を形成する工程を含み、前記各突出部はリード突出要素を有し、前記リード上端アレイは複数のリード突出要素上端面によって構成される。

上記構成によれば、第３製作体としてのバッキング部材内において、各基板の上端部に複数の突出部が構成される。換言すれば、各基板の上端部においてリード間に切欠部が構成される。よって、バッキング部材の上層部において、振動素子から後方に放射されバッキング部材に進入した超音波の内で、水平方向に向かう超音波が基板間で反射する問題を解消あるいは軽減でき、また振動素子から後方に放射された超音波が基板それ自体を直接的に伝搬して、隣接する振動素子へ回り込む問題を解消あるいは軽減できる。各突出部間にはバッキング材料が存在し、バッキング部材本来の機能がより効果的に発揮される。

上記構成において、各突出部は、望ましくは、リード突出要素とベース層突出要素とで構成される。前者によって信号ラインが必要に応じて電極パッドなどを介して振動素子に電気的に接続される。後者はリード突出要素の支持体あるいは形成媒体として機能する。

最初から基板の上端部に複数の突出部を形成しておくと、それらの屈曲等が生じやすく、それらの物理的保護や配列の維持を図ることが困難となる。そこで、各基板をバッキング材料内に配置してから、各基板の上端部に複数の突出部を形成するのが望ましい。望ましくは、ブロック状あるいは平板形のバッキング部材に対してその上面から複数の切欠溝を形成し、各切欠溝へバッキング材料を充填する。これにより、結果として、各基板に事後的に複数の突出部が構成される。複数の切削溝を形成した状態でも、溝形成方向において突出部間にはバッキング材料が存在するため、複数の突出部の配列を維持でき、また各突出部の変形を防止できる。各切欠溝は各基板に直交する方向に形成される。

（５）本発明は、Ｘ方向に整列しそれぞれＹ方向に伸長する複数のスリットを有し、バッキング材料で構成された第１製作体を製作する工程と、前記第１製作体における前記複数のスリットに対して、リード列を有する複数の基板を挿入し、これにより第２製作体を製作する工程と、前記第２製作体におけるＺ方向の上層部を所定深さで除去して前記第２製作体の上面にリード上端アレイを露出させる上層部除去工程を有し、第３製作体を製作する工程と、前記第３製作体の上面側に振動素子アレイを設ける工程と、を含み、第２製作体から前記第３製作体を製作する工程は、更に、前記第２製作体に対して上面側から複数の切欠溝を形成し、これによって前記各基板の上端部に複数の突出部を形成する溝形成工程と、前記複数の切欠溝にバッキング材料を充填する溝充填工程と、を有し、前記各突出部はリード突出要素を有し、前記リード上端アレイは複数のリード突出要素上端面によって構成される、ことを特徴とする。

望ましくは、前記第３製作体を製作する工程では、前記上層部除去工程の実行後に前記溝形成工程が実行される。望ましくは、前記第３製作体を製作する工程では、前記溝形成工程の実行後に前記上層部除去工程が実行される。望ましくは、前記第３製作体を製作する工程では、前記上層部除去工程と前記溝形成工程とが同時進行で実行される。

望ましくは、前記各切欠溝の底面は平坦面であり、あるいは、１又は複数の傾斜面によって構成される。前者は垂直方向における超音波の反射が問題とならないような場合に採用するのが望ましく、後者はその問題を効果的に軽減あるいは解消する場合に採用するのが望ましい。各溝の底面形状は例えばダイシングを行うブレードの先端形状を選択することによって容易に実現できる。

以上説明したように、本発明によれば、リードアレイを備えたバッキングユニットの製作に当たって各リードの位置決め精度を向上できる。本発明によれば、リードアレイを備えたバッキングユニットを簡易に製作できる。あるいは、本発明によれば、良好な特性をもったバッキング部材を製作できる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図５には、本発明に係る超音波振動子の製造方法が示されている。この超音波振動子は医用超音波診断装置に接続される超音波探触子内に設けられるものであり、本実施形態において超音波振動子は三次元超音波画像あるいは任意断層画像を形成するためのいわゆる２Ｄアレイ振動子である。つまり、超音波ビームを二次元走査することにより三次元データ取込空間を形成するための振動子である。

図１の（Ａ）において、まず最初に同一形状をもった２つのバッキング板１０，１２が用意される。２つのバッキング板１０，１２の厚みは異なっていてもよい。それらの境界面での超音波の反射が問題となるような場合には、最終的に上側となる（振動素子アレイに近い方の）バッキング板の厚みを厚くして、境界面をより遠ざけるようにしてもよい。バッキング板１０，１２は、タングステン、シリコーンなどの超音波減衰の大きい材料をエポキシ樹脂に添加したものである。もちろん、バッキング材料としてはそれ以外にも各種のものを採用することができる。

次に、図１の（Ｂ）で示されるように、バッキング板１０，１２に対して複数のハーフスリット（つまり溝）１６Ａ，１６Ｂが形成される。それぞれのバッキング板１０，１２に形成される複数のハーフスリット１６Ａ，１６Ｂにおけるピッチは例えば０．１〜０．３ｍｍである。各ハーフスリット１６Ａ，１６Ｂの溝幅は後に説明するＦＰＣ基板の厚さに若干のマージンを加えた大きさに設定され、例えば１０〜１５μｍである。各ハーフスリット１６Ａ，１６Ｂの深さは後に説明するＦＰＣ基板の横幅の半分の値に設定される。それらのハーフスリット１６Ａ，１６Ｂの作成にあたっては、ダイシングソーやレーザー加工機などを用いるのが好適である。

次に、図１の（Ｃ）で示されるように、上記のように加工された２つのバッキング板１０，１２が治具２６内に配置される。具体的には、各ハーフスリット１６Ａ，１６Ｂが互いに連結してそれぞれのスリット２２が構成されるように、２つのバッキング板１０，１２が互いに対向した状態で結合される。この段階において、２つのバッキング板１０，１２を接着するための接着剤の流し込みなどを行ってもよいが、本実施形態では、後に説明するＦＰＣ基板の挿入時あるいは挿入後において接着剤の流し込みを行うようにしている。つまり、その結果として２つのバッキング板１０，１２が相互に結合される。治具２６は、接着剤を硬化させた後にバッキング母体（第１製作体）２０を取り外し易いように、シリコーン材料などによって構成されるのが望ましい。なお、２つのバッキング板１０，１２の接合に当たっては、図示の治具２６の他に各種の位置決め構造を用いることができる。

すなわち、治具２６にはあらかじめ挿入対象としてのバッキング母体２０と同形状の溝（空洞）が形成されており、その溝内に２つのバッキング板１０，１２が互いに対向した状態で差し込まれる。ちなみに、図１の（Ｃ）には互いに直交する３つの座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚが表されており、その座標系は図１において（Ｃ）に示す斜視図についてのものである。なお、接合体としてのバッキング母体２０との関係において、上記座標系は後に説明する図２、図３などにおいても共通のものとなっている。

図１の（Ｃ）に示されるように、バッキング母体２０は、Ｘ方向に整列した複数のスリット２２を有する。各スリット２２は上記のハーフスリット１６Ａ，１６Ｂを結合したものに相当する。各スリット２２はＹ方向に伸張した溝であり、Ｙ方向の両端が開口となっている。ただし、Ｙ方向の一方側を閉じたものとして構成することもできる。以下に説明するように各スリットのおける２つの開口の内で、一方が差込み用開口として機能する。

図２に示されるように、各スリット２２に対してＦＰＣ基板２８が挿入される。ＦＰＣ基板２８は、フィルム状の部材であって、その側面にはリード列２９が形成されている。リード列２９は、図２に示す例においてＹ方向に整列した複数のリード２９ａによって構成されており、各リード２９ａはＺ方向に平行である。図２においては発明説明のためＦＰＣ基板２８の厚みが大きく描かれているが、実際にはＦＰＣ基板２８はフィルム状であって、これに合わせてスリット２２もかなり細い溝である。また、各リード２９ａは、ＦＰＣ基板２８の絶縁ベース層の一方面（あるいは両面）に形成された薄膜状の導電層である。

各スリット２２に対してＦＰＣ基板２８を挿入して、各ＦＰＣ基板２８のＹ方向の位置を適正に位置決めした後に、例えば各スリット２２における隙間に低粘度のエポキシ系接着剤が流し込まれる。接着剤を注入した後にあるいはその注入段階において治具２６全体を真空中の環境下に置くことにより、表面張力作用などによって接着剤が部材間の隙間に展開する。２つのバッキング板の接合面にも展開する。この場合において、低粘性の接着剤を用いればその展開作用を円滑に行わせることができる。また本実施形態においては大量の接着剤を使うことなく各部材の貼り合わせを行える。接着剤内に減衰剤を添加することも可能である。各部材間の隙間への接着剤の展開を考えるならば、そのような添加はあえて行う必要はない。接着剤の硬化によってバッキング母体２０が完成すると、その完成後の製作体（第２製作体）が治具２６から取り出される。

中間製作体としての第２製作体に対しては、図３に示すように上部層及び下部層の除去が行われる。すなわち、上記のように取り出された第２製作体におけるＺ方向の上部層及び下部層が一定の範囲（基板辺に到達するあるいはそれを超える深さ）で除去される。それが符号３２Ａ，３２Ｂによって表されている。実際には、製作体の上面及び下面を研磨、研削することによって上記の加工を行うことができる。上部層及び下部層の除去により、図３に示されるように、上面３０Ａ及び下面３０Ｂが研磨されたバッキングアセンブリ（第３製作体）３０が完成する。

但し、第３製作体の製作工程において、上部層及び下部層の除去の後に、上部層及び下部層の除去の前に、あるいは、上部層及び下部層の除去と同時進行で、バッキングアセンブリ３０の特性を良好にするために、後述する「付加的加工」を行うようにしてもよい。そのような付加的加工によれば、その上面から内部に進入した超音波が基板間で反射する問題、及び、その超音波が基板それ自体を伝搬して隣接する振動素子へ回り込む問題、を解消又は軽減できる。

完成したバッキングアセンブリ３０の上面３０Ａにおいては、リードアレイ３１が露出し、これは下面３０Ｂについても同様である。リードアレイ３１は、複数のリード列によって構成され、上面３０Ａにおいては各リードの上端面が露出し、下面３０Ｂにおいては各リードの下端面が露出する。なお、バッキングアセンブリ３０は、見方を変えれば、複数のスペーサ２９とそれらの間に設けられた複数のＦＰＣ基板２８とからなるものであり、各スペーサ２９は第１部分２７Ａと第２部分２７Ｂによって構成される。

図３に示したような加工処理が完了すると、図４に示すように、バッキングアセンブリ３０の上面に電極層３４が形成される。ちなみに、この段階において下面側にも電極層を形成するようにしてもよい。そのような電極層は、メッキ処理、スパッタ処理、蒸着処理などによって形成される。そして、図４に示されるように、電極層３４の上面にＰＺＴ、複合材料などによって構成されるプレート状の振動材料３８が接着される。

そして、図５に示されるように、上面側からマトリクス状にダイシングソーなどを用いて二次元のカッティング４４を行うことにより振動材料が複数の要素に分割され、各要素は振動素子４２を構成する。すなわち、そのようなカッティングにより振動素子アレイ４０が構成される。また、カッティング４４による溝の深さを所定値とすることにより、電極層についてもカッティングを行うことができ、これによって電極層は複数の電極パッド３４ａに分割される。その溝の深さは、バッキングアセンブリ３０の表面内に若干進入する程度とするのが望ましい。

バッキングアセンブリ３０の下面側には各リードに対応して複数の電極パッド３６ａが形成される。この場合においてはメッキ処理、スパッタ処理、蒸着処理などを利用できる。それらの電極パッド３６ａは信号線との接続端子として利用される。ちなみに複数の電極パッド３６ａに対してＦＰＣ基板を接合して電気的なコンタクトを達成するようにしてもよい。以上の工程によって振動素子アレイ４０の背面側にバッキングユニット４６が構成される。

上記の工程の後、振動素子アレイ４０の上面側には共通のグランド電極あるいは複数の個別グランド電極が形成され、その上面側に整合素子アレイが形成される。これによって振動子ユニットが構成され、その振動子ユニットにして配線がなされ、またそれがプローブケース内に配置される。

なお、上記の実施形態においては、図５に示したように、カッティング４４によって複数の電極パッド３４ａを形成したが、複数の電極パッド３６ａと同様に、そのようなカッティングによらずに複数の電極パッド３４ａを形成した上で、その上面に複数の振動素子を設けるようにしてもよい。

図６には、ＦＰＣ基板についての各種の実施形態が示されている。（Ａ）には、図２において示したＦＰＣ基板２８が示されている。そこに設けられているリード列２９は複数のリード２９ａによって構成され、それらは互いに平行であり、そのピッチも一定である。（Ｂ）に示されるＦＰＣ基板５０においては、いわゆるスパースアレイに対応して一定のリードが間引かれたリード列５２が示されている。リード列５２は複数のリード５２ａによって構成されているが、基本ピッチは同一であるものの、無効素子に相当するリードは除去されている。（Ｃ）に示すＦＰＣ基板５４においては、振動子側のピッチと非振動子側のピッチとが異なるリード列５６が示されている。すなわち、それを構成する各リード５６ａは振動子側から非振動子側にかけて広がっており、放射状のパターンが構成されている。（Ｄ）に示されるＦＰＣ基板５８においては、振動子側と非振動子側とにおいてピッチが異なっており、かつ上記のスパースアレイに対応したパターンをもってリード列６０が構成されている。各リード６０ａが直線的に引き出されている点については上記の各実施形態と同様である。図６に示される各実施形態はもちろん例示であって、これ以外にもＦＰＣ基板上におけるリード列パターンとしては各種のものを採用することができる。後述する付加的加工において、切欠溝の形成に当たっては、各リードの上端部が適正に残存するようにその処理を行うのが望ましい。あるいは、付加的加工において適正に切欠溝を形成できるように、リードパターンを選択するのが望ましい。

上記実施形態においては、図２で示したように、バッキング母体上にあらかじめ形成された複数のスリットに対してＦＰＣ基板２８を挿入するだけで各ＦＰＣ基板２８の位置決めを行うことができるので、容易であり、また少ない量の接着剤を用いてＦＰＣ基板２８などを接着することができるので、接着剤の硬化に伴う歪みの問題など解消あるいは軽減することができる。また、図３に示したように、電気的な接続が行われる上面３０Ａ及び下面３０Ｂについては研磨すなわち除去加工が行われるため、電気的な接続を確実に行えるという利点がある。また、上記実施形態においては、バッキングユニット内に多くのバッキング材料を配置することができるので、十分なバッキング作用を発揮させることができるという利点がある。

次に、図７及び図８を用いて他の実施形態について説明する。

図７に示す実施形態においては、バッキング母体８０が単一の部材によって構成されており、具体的には、バッキング母体８０はバッキング材料によって構成されている。そのバッキング母体８０は、Ｘ方向に整列した複数のスリット８２を有し、各スリット８２のＺ方向の一方側すなわち非振動子側は閉じている。一定の厚みをもったバッキング材料に対してダイシングソーなどを用いて複数のスリット８２を形成することにより、図７に示すようなバッキング母体８０を容易に製作することができる。

そのようなバッキング母体８０は図７に示されるように治具８４に取付けられ、その状態において、各スリット８２に対して各ＦＰＣ基板８６が部分的に挿入される。ＦＰＣ基板８６はスリット８２に挿入した状態において、その一部分のみが挿入されており、他の部分はバッキング母体８０から引き出されている。各ＦＰＣ基板８６は図７に示されるように、リードアレイ８８を有しており、それらのリードアレイ８８はＹ方向に整列した複数のリード８８ａによって構成される。ちなみに各ＦＰＣ基板８６上にプリアンプやドライバなどの電子回路を設けることもできる。更にその電子回路としてビームフォーマーを搭載することもできる。

バッキング母体８０における各スリット８２に対してそれぞれＦＰＣ基板８６を挿入し、そして各ＦＰＣ基板８６を接着すれば、また符号９０で示す上層部の除去を行えば、これによってバッキングアセンブリ９２が構成される。

そして、バッキングアセンブリ９２に対して図５に示したような手法を用いてその上面に複数の振動素子４２からなる振動素子アレイ４０を形成し、同時に複数の電極パッド１０２ａを構成すれば、図８に示すバッキングユニット１００が構成される。バッキングユニット１００はバッキング母体と基板群８７とからなるものであり、基板群８７は複数のＦＰＣ基板８６によって構成される。

図７及び図８に示した実施形態によれば、図１〜図５に示した実施形態と同様に、あらかじめ形成されたスリットへの基板挿入によって適切にリード列の位置決めを行うことができ、また少ない量の低粘度の接着剤をもって各ＦＰＣ基板を固定することが可能であり、バッキングアセンブリあるいはバッキングユニットに生ずる接着剤の硬化に伴う歪みの問題を解消することができる。また、図７及び図８に示した実施形態においては、バッキングユニット１００におけるバッキング母体８０の下面側に複数の電極パッドを設ける必要がなく、作業性あるいは製造コストを低減できるという利点がある。

なお、図７及び図８に示した実施形態において、各スリット８２はそのＹ方向の両端が閉じた溝であってもよい。あるいはその一方側のみが開いた溝であってもよい。ちなみに、図７において符号９０はバッキングアセンブリ９２を治具８４から取り出した後に行われる上部層の除去範囲を表しているが、仮に各ＦＰＣ基板８６についてＺ方向の位置決め誤差が多少あったとしても、上部層９０の除去により、バッキングアセンブリ９２における上面を平坦面とすることができ、またその上面においては適正なリード上端アレイが現れる。

次に、図９〜図１２を用いて、上記の製造方法に関して部分的な変形例を説明する。この変形例は、第３製作体つまりバッキングアセンブリを製作する過程において付加的工程を加えたものである。

図９には、第３製作体としてのバッキングアセンブリ１１０が示されている。符号１１２，１１３は、第２製作体の上面及び下面の切削、研磨が行われた除去範囲を示している。すなわち、図９に示すバッキングアセンブリ１１０は、図３に示したバッキングアセンブリ３０に相当し、それは図１及び図２に示した過程を経て製作されたものである。但し、図９に示すバッキングアセンブリ１１０は完成品ではなく、以下に説明する溝形成及び溝充填の各工程を経て、バッキングアセンブリ１１０の完成品が製作される。バッキングアセンブリ１１０は、一般に、振動素子アレイを構成する振動素子数に対応して、数百から数千のリードを内蔵しているが、図９においてはバッキングアセンブリの一部分が示されている。

図９に示すバッキングアセンブリ１１０は、上下に積層された２つの部分１１０−１、１１０−２で構成され、Ｘ方向に並んだ複数の基板１１６を内蔵している。各基板１１６はＦＰＣ基板であって、それはベース層１１６とリードパターンを構成する複数のリード１１８で構成される。各基板１１６の厚みは例えば数十〜百μｍである。各リード１１８はベース層上に形成された銅層をエッチングすることによって形成される。また、導電性の向上のため、更にニッケルや金をメッキしてもよい。その厚みは例えば１０〜２０μｍである。

図１０に示すように、バッキングアセンブリ１１０に対して、その上面から複数の切欠溝１２０が形成される。これは各基板１１４の上端部に後述する複数の切欠部を形成するためになされるものである。各切欠部は、バッキングアセンブリ１１０の上層部１１０Ａにおいて、各基板面での超音波の反射及び基板を介した超音波伝搬を防止する機能を有する。複数の切欠溝１２０は、Ｙ方向に一定間隔をもって整列し、各切欠溝１２０はＸ方向に伸長している。複数の切欠溝１２０の形成により、バッキングアセンブリ１１０の上層部には複数の突出壁１２２が形成される。それらはＹ方向に一定間隔をもって整列しており、各突出壁１２２はＸ方向に伸長した壁状の部分である。各突出壁１２２は、複数の突出部１２４及び複数のバッキング材料部分１２６によって構成される。各突出壁１２２において、個々の突出部１２４はそれらの間にバッキング材料部分１２６が存在することによって保持され、それが物理的に強化され、その変形が防止される。

以上の説明から理解されるように、バッキングアセンブリ１１０の上層部１１０Ａにおいては、各基板１１４ごとに、その上端部にＹ方向に並んだ複数の突出部１２４が構成される。バッキングアセンブリ１１０の下層部１１０Ｂにおいては各基板１１４の本体部分が存在する。なお、各切欠溝１２０の深さは、超音波の波長の２倍以上、望ましくは３倍以上に設定するのが望ましい。それが深くなり過ぎると、各突出壁１２２の変形等が生じるおそれがあるので、それらの諸事情を考慮して、各切欠溝１２０の深さを設定するのが望ましい。一般にはその深さを超音波の波長の３倍程度に設定するのが望ましい。

図１１には、上記の溝形成後の基板１１４が示されている。基板１１４は、ベース層１１６と複数のリード１１８とで構成されているが、その上端部１１４Ｃにおいては、複数の突出部１２４が形成され、同時に、それらの間に切欠部１４０が形成されている。符号１１６Ｃはベース層本体を示している。各突出部１２４は、リード突出要素１１８Ａとベース層突出要素１１６Ａで構成され、前者によって振動素子への電気的な接続がなされる。後者はリード突出要素１１８Ａの保持媒体あるいは形成媒体である。符号１１８Ｂはリード突出要素上端面を示し、符号１１６Ｂはベース層突出要素上端面を示している。バッキングアセンブリの上面に形成されるリード上端アレイは、複数のリード突出要素上端面によって構成される。複数の振動素子間のピッチは例えば０．３ｍｍであり、突出部１２４におけるＹ方向のサイズは例えば０．１ｍｍであり、切欠部１４０のＹ方向のサイズは例えば０．２ｍｍである。

図１２には、図１０に示した溝形成工程後に実行される充填工程が示されている。複数の切欠溝１２０にはそれぞれバッキング材料１３０が充填され、それが硬化される。この充填工程により、突出部間の切欠部にはバッキング材料が流し込まれる。充填されるバッキング材料１３０は、バッキングアセンブリ１１０の基材をなすバッキング材料と同一であるのが望ましい。なお、符号１３２は振動素子配列を示している。充填工程の後に、バッキング材料１１０の上面を研磨処理するのが望ましい。

以上のような付加的工程を経て、図１２に示されるバッキングアセンブリ（第３製作体）１１０が完成する。その後、図４に示したように、バッキングアセンブリ１１０の上面に電極層等が形成される。上記のように、第２製作体の上面及び下面を除去する除去工程（図３，図９参照）の後に、溝形成工程及び充填工程が実行されたが、その順序を逆にしてもよい。例えば、溝形成工程及び充填工程を実行した後に、除去工程を実行しても、同じ結果を得られる。また、溝形成工程の後に除去工程を実行した後、充填工程を実行することもできる。あるいは、除去工程と溝形成工程とを同時に実行することもできる。

図１２に示したバッキングアセンブリ１１０によれば、その上層部において、ベース層における不要部分を除去できるので、基板間での超音波の反射を抑制でき、また、基板それ自体を超音波が伝搬してクロストークが生じることを防止できる。なお、下層部においては、超音波がかなり減衰するため、上記のような問題を事実上無視することができる。

図９〜図１２においては、各切欠溝の底面（境界面）が平坦な水平面であったが、そこでの超音波の反射が問題となるような場合には、その底面を１又は複数の斜面として構成するのが望ましい。切欠溝をダイシングソーを用いて形成する場合にはその歯の形状を適宜選択すればよい。

バッキング母体の製作工程を説明するための図である。バッキング母体に対して複数のＦＰＣ基板を挿入してバッキングアセンブリを製作するプロセスを説明するための図である。バッキングアセンブリにおいて上部層及び下部層の研磨を説明するための図である。バッキングアセンブリに対する振動材料の接着を説明するための図である。本実施形態に係る製造方法によって製作された超音波振動子を示す図である。ＦＰＣ基板についての多様なバリエーションを説明するための図である。他の実施形態に係るバッキングアセンブリの製造プロセスを説明するための図である。他の実施形態に係る超音波振動子を説明するための図である。変形例に係るバッキングアセンブリを示す図である。変形例に係る溝形成工程を示す図である。変形例に係る加工後の基板を示す図である。変形例に係る充填工程を示す図である。

符号の説明

１０，１２バッキング板、２０バッキング母体、２２スリット、２８ＦＰＣ基板、２９リード列、３０バッキングアセンブリ、４０振動素子アレイ、４６バッキングユニット。

Claims

Ｘ方向に整列しそれぞれＹ方向に伸長する複数のスリットを有し、バッキング材料で構成された第１製作体を製作する工程と、
前記第１製作体における前記複数のスリットに対して、リード列を有する複数の基板を挿入し、これにより第２製作体を製作する工程と、
前記第２製作体におけるＺ方向の上層部を除去し、前記第２製作体の上面にリード上端アレイを露出させ、これにより第３製作体を製作する工程と、
前記第３製作体の上面側に振動素子アレイを設ける工程と、
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
Ｘ方向に整列しそれぞれＹ方向に伸長し且つＺ方向の両側が閉じた複数のスリットを有し、バッキング材料で構成された第１製作体を製作する工程と、
前記第１製作体における複数のスリットに対して、リード列を有する複数の基板を前記Ｙ方向から挿入し、これにより第２製作体を製作する工程と、
前記第２製作体におけるＺ方向の上層部を除去し、前記第２製作体の上面にリード上端アレイを露出させ、前記第２製作体のＺ方向の下層部を除去し、前記第２製作体の下面にリード下端アレイを露出させ、これにより第３製作体を製作する工程と、
前記第３製作体の上面側に振動素子アレイを設ける工程と、
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
請求項２記載の製造方法において、更に、
前記第３製作体の上面に上面電極パッドアレイを形成する工程と、
前記第３製作体の下面に下面電極パッドアレイを形成する工程と、
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
請求項２記載の製造方法において、
前記第１製作体を製作する工程は、
第１バッキング板に対しＸ方向に並んだ複数のハーフスリットを形成し、第２バッキング板に対しＸ方向に並んだ複数のハーフスリットを形成する工程と、
前記複数のハーフスリットが形成された第１バッキング板と前記複数のハーフスリットが形成された第２バッキング板とを前記複数のスリットが構成されるように対向させて結合する工程と、
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
請求項４記載の製造方法において、
前記第１バッキング板と前記第２バッキング板とが位置決め具を用いて位置決めされた状態で、前記各スリットに前記各基板が挿入されることを特徴とする超音波振動子の製造方法。
Ｘ方向に整列しそれぞれＹ方向に伸長し且つＺ方向の下方が開いた複数のスリットを有し、バッキング材料で構成された第１製作体を製作する工程と、
前記第１製作体における複数のスリットに対して、リード列を有する複数の基板における挿入部分を挿入し、これにより第２製作体を製作する工程と、
前記第２製作体におけるＺ方向の上層部を除去し、前記第２製作体の上面にリード上端アレイを露出させ、これにより第３製作体を製作する工程と、
前記第３製作体の上面側に振動素子アレイを設ける工程と、
を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
請求項６記載の製造方法において、更に、
前記第３製作体の上面に上面電極パッドアレイを形成する工程を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
請求項１，２又は６記載の製造方法において、
前記第３製作体を製作する工程は、前記第３製作体内における前記各基板の上端部に複数の突出部を形成する工程を含み、
前記各突出部はリード突出要素を有し、
前記リード上端アレイは複数のリード突出要素上端面によって構成される、
ことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
Ｘ方向に整列しそれぞれＹ方向に伸長する複数のスリットを有し、バッキング材料で構成された第１製作体を製作する工程と、
前記第１製作体における前記複数のスリットに対して、リード列を有する複数の基板を挿入し、これにより第２製作体を製作する工程と、
前記第２製作体におけるＺ方向の上層部を所定深さで除去して前記第２製作体の上面にリード上端アレイを露出させる上層部除去工程を有し、前記第２製作体から第３製作体を製作する工程と、
前記第３製作体の上面側に振動素子アレイを設ける工程と、
を含み、
前記第３製作体を製作する工程は、更に、
前記第２製作体に対して上面側から複数の切欠溝を形成し、これによって前記各基板の上端部に複数の突出部を形成する溝形成工程と、
前記複数の切欠溝にバッキング材料を充填する溝充填工程と、
を有し、
前記各突出部はリード突出要素を有し、
前記リード上端アレイは複数のリード突出要素上端面によって構成される、
ことを特徴とする超音波振動子の製造方法。
請求項９記載の製造方法において、
前記第３製作体を製作する工程では、前記上層部除去工程の実行後に前記溝形成工程が実行されることを特徴とする超音波振動子の製造方法。
請求項９記載の製造方法において、
前記第３製作体を製作する工程では、前記溝形成工程の実行後に前記上層部除去工程が実行されることを特徴とする超音波振動子の製造方法。
請求項９記載の製造方法において、
前記第３製作体を製作する工程では、前記上層部除去工程と前記溝形成工程とが同時進行で実行されることを特徴とする超音波振動子の製造方法。
請求項９記載の製造方法において、
前記各切欠溝の底面は平坦面であり、あるいは、１又は複数の傾斜面によって構成されることを特徴とする超音波振動子の製造方法。