JP7176347B2 - 超音波素子、及び超音波装置 - Google Patents
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Description
図1は、第一実施形態の超音波装置の一例である距離測定装置1の概略構成を示すブロック図である。
図1に示すように、本実施形態の距離測定装置1は、超音波素子10と、超音波素子10を制御する制御部20とを備える。この距離測定装置1では、制御部20は、駆動回路30を介して超音波素子10を制御し、超音波素子10から超音波を送信する。そして、対象物により超音波が反射され、超音波素子10により反射波が受信されると、制御部20は、超音波の送信タイミングから超音波の受信タイミングの時間に基づいて、超音波素子10から対象物までの距離を算出する。
以下、このような距離測定装置1の構成について、具体的に説明する。
図2は、超音波素子10の概略を模式的に示す平面図である。
図2に示すように、超音波素子10には、互いに交差するX方向及びY方向に沿って、複数の超音波トランスデューサー50が2次元アレイ状に配置されている。なお、図2では、X方向とY方向とが直交する場合を例示している。なお、図2において、封止板45の図示は省略している。
本実施形態では、Y方向に配置された複数の超音波トランスデューサー50により、1チャネルの送受信列素子群が構成される。また、当該1チャネルの送受信列素子群がY方向に沿って複数並んで配置されることで、1次元アレイ構造の超音波素子10が構成される。ここで、超音波トランスデューサー50が配置される領域をアレイ領域Arとする。
なお、図2は、説明の便宜上、超音波トランスデューサー50の配置数を減らしているが、実際には、より多くの超音波トランスデューサー50が配置されている。
図3及び図4に示すように、超音波素子10は、素子基板41と、支持膜42と、圧電素子43と、壁部44と、封止板45と、を含んで構成されている。
素子基板41は、第一面411、及び第一面411と表裏を為す第二面412を有し、例えばSi等の半導体基板により構成されている。本実施形態では、素子基板41には、Y方向に長手となる開口部41Aが、X方向に複数設けられている。
各開口部41Aは、素子基板41の第一面411から第二面412までを貫通する貫通孔であり、当該貫通孔の第一面411側に支持膜42が設けられる。すなわち、支持膜42により開口部41Aの第一面411側が覆われている。なお、開口部41Aには、クロストークの影響を抑制するために、樹脂等が充填されて振動抑制層が形成されていてもよい。
ここで、素子基板41の支持膜42と接合される部分は隔壁部41Bであり、開口部41Aは、隔壁部41Bにより、±X側及び±Y側の四方が囲われることで形成される。よって、±X側の隔壁部41Bは、X方向で互いに対向し、±Y側の隔壁部41BはY方向で互いに対向する。
支持膜42は、例えばSiO2及びZrO2の積層体等より構成され、素子基板41の開口部41Aに臨む第三面421及び当該第三面421の裏面である第四面422を有する。すなわち、支持膜42は、開口部41Aを構成する隔壁部41Bにより支持され、開口部41Aの第一面411側を覆う。この支持膜42の厚み寸法は、素子基板41に対して十分小さい厚み寸法となる。
封止板45は、素子基板41を補強する機能を有する。この封止板45は、厚み方向から見た際の平面形状が例えば素子基板41と同形状に形成され、Si等の半導体基板や、絶縁体基板により構成される。この封止板45には、素子基板41と対向する面から、支持膜42に向かって突出する梁部451が設けられており、当該梁部451を介して支持膜42に接着部材Pにより接合される。梁部451は、例えば、エッチング等により封止板45と一体に形成されており、アレイ領域Ar内において、±X側端部間に亘って設けられている。
壁部44は、支持膜42と梁部451とを接合させる接着部材Pが、支持膜42の第四面422に沿って流れ出した場合に、接着部材Pが圧電素子43に至ることを抑制する。本実施形態では、接着部材Pは、梁部451から壁部44に亘って配置されている。これにより、梁部451と壁部44との間の領域では、接着部材Pが固化されるので支持膜42の振動が抑制される。
また、壁部44は、例えば樹脂により構成されており、エッチング等により支持膜42の第四面422側において、梁部451と圧電素子43との間に、封止板45に向かって突出して設けられている。このような壁部44は、X方向が長手方向とされ、Y方向に複数設けられる。本実施形態では、壁部44は、アレイ領域Ar内において、±X側端部間に亘って形成されている。
具体的には、開口部41Aの±Y側端部においては、支持膜42のうち、X方向に延びる1つの隔壁部41Bの縁452と、Y方向に延びる一対の隔壁部41Bの互いに向かい合う2つの縁452と、X方向に延びる1つの壁部44の縁441とにより囲われる領域が振動部423となる。また、開口部41Aの端部以外においては、支持膜42のうち、Y方向に延びる一対の隔壁部41Bの互いに向かい合う2つの縁452と、X方向に延びる一対の壁部44の互いに向かい合う2つの縁441とにより囲われる領域が振動部423となる。
圧電素子43は、支持膜42の第四面422側において、各振動部423にそれぞれ設けられている。この圧電素子43は、例えば、支持膜42側から順に下部電極431、圧電膜432、及び上部電極433を積層した積層体により構成されている。すなわち、圧電素子43は、支持膜42の第三面421から第四面422に向かう膜厚方向から見た平面視において、支持膜42の前記開口部41Aと重なる領域に配置される。なお、下部電極431は、第一電極の一例であり、上部電極433は第二電極の一例である。
このような超音波トランスデューサー50では、下部電極431及び上部電極433の間に所定周波数の矩形波電圧、つまり駆動信号が印加されることで、圧電膜432が撓んで振動部423が振動して超音波が送出される。また、被検体から反射された超音波により振動部423が振動されると、圧電膜432の上下で電位差が発生する。これにより、下部電極431及び上部電極433の間に発生する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。
また、上部電極433は、X方向に沿って直線状に形成されており、X方向に並ぶ超音波トランスデューサー50を接続する。そして、上部電極433の±Y側端部は共通電極線433Aに接続される。この共通電極線433Aは、X方向に複数配置された各上部電極433同士を結線し、その端部には、回路基板に電気接続される共通端子433Bが設けられている。
この駆動端子431A及び共通端子433Bは、それぞれ駆動回路30に接続され、駆動端子431Aには、駆動回路30から駆動信号が入力され、共通端子433Bには、所定の共通電位、例えば、-3Vが印加される。
制御部20は、超音波素子10を駆動させる駆動回路30と、演算部40とを含んで構成されている。また、制御部20には、その他、距離測定装置1を制御するための各種データや各種プログラム等を記憶した記憶部を備えていてもよい。
基準電位回路31は、超音波素子10の上部電極433の共通端子433Bに接続され、上部電極433に基準電位、例えば-3V等を印加する。
切替回路32は、アレイ領域Arに配置された各超音波トランスデューサー50の下部電極431の駆動端子431Aと、送信回路33と、受信回路34とに接続される。この切替回路32は、スイッチング回路により構成されており、各駆動端子431Aのそれぞれと送信回路33とを接続する送信接続、及び、各駆動端子431Aのそれぞれと受信回路34とを接続する受信接続を切り替える。
次に、上述のような超音波素子10の製造方法について説明する。
図5は、本実施形態における超音波素子10の製造工程の概略を示す図である。
図5に示すように、超音波素子10を製造するには、先ず、素子基板41及び封止板45を製造する。
具体的には、Siの半導体基板の一方の面側を熱酸化処理し、半導体基板の表面にSiO2膜を形成する。さらに、SiO2膜上にZr層を形成し、これを熱酸化処理して、ZrO2層を形成する。これらのSiO2及びZrO2の積層体により支持膜42を形成する。そして、支持膜42上に圧電素子43及び壁部44を形成し、その後、半導体基板の他方の面側をエッチングすることにより、開口部41Aを有する素子基板41を形成する。
また、別の半導体基板をエッチングすることにより、梁部451を有する封止板45を形成する。
この際、図5に示すように、接着部材Pが支持膜42の第四面422に沿って流れ出したとしても、当該接着部材Pは壁部44によって堰き止められる。つまり、接着部材Pは、梁部451と壁部44との間に配置される。これにより、流れ出した接着部材Pが圧電素子43に至ることを抑制できるので、圧電素子43に接着部材Pが付着して、圧電素子43の振動特性が変化してしまうことを抑制できる。
本実施形態の超音波素子10は、第一面411及び第二面412と、第一面411から第二面412までを貫通する開口部41Aと、開口部41Aを囲う隔壁部41Bとを有する素子基板41を備える。素子基板41の第一面411には、開口部41Aを覆い、開口部41Aに臨む第三面421及び第三面421と表裏を為す第四面422を有する支持膜42が設けられている。支持膜42の第四面422には、封止板45から支持膜42に向かって突出した梁部451が接着部材Pにより接合されている。そして、支持膜42の第四面422において、梁部451と圧電素子43との間には、封止板45に向かって突出した壁部44が設けられている。これにより、梁部451と支持膜42とを接着部材Pにより接合させる際に、接着部材Pが支持膜42の第四面422に沿って流れ出したとしても、接着部材Pは、壁部44により堰き止められる。そのため、流れ出した接着部材Pが圧電素子43に至ることを抑制でき、圧電素子43に接着部材Pが付着して所望する音響特性が得られなくなってしまうことを抑制できる。
ここで、接着部材Pが壁部44まで到達せず、梁部451と壁部44との間で止まる場合、超音波トランスデューサー50の周波数は、流れ出た接着部材Pの端部位置によって変動する。つまり、接着部材Pが固化すると、支持膜42の振動が抑制されるので、接着部材Pが付着していない部分により超音波トランスデューサー50の周波数特性が決定する。しかし、梁部451を支持膜42に接着する際に、僅かなアライメント誤差によって、梁部451と壁部44との間に流れ出る接着部材Pの量が変動する。このため、各超音波トランスデューサー50の周波数特性がそれぞれ異なる特定となってしまう。
これに対して、本実施形態では、接着部材Pは梁部451から壁部44に亘って配置される、つまり、接着部材Pが壁部44まで到達して固化される。これにより、壁部44の縁441により振動領域を規定とすることができ、各超音波トランスデューサー50の周波数特性を均一にできる。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。
上述した第一実施形態では、梁部451と支持膜42とが接着部材Pにより接合される例を示した。これに対して、第二実施形態では、梁部451に向かって突出する支持壁46が支持膜42の第四面422に設けられ、当該支持壁46と梁部451とが接着部材Pにより接合される点で、上記第一実施形態と相違する。
図6に示すように、本実施形態では、支持膜42の第四面422側に、梁部451に向かって突出する支持壁46が形成される。
支持壁46は、例えば樹脂により構成されており、エッチング等により支持膜42の第四面422側に設けられている。このような、支持壁46は、X方向が長手方向とされ、Y方向に複数設けられる。本実施形態では、支持壁46は、アレイ領域Ar内において、±X側端部間に亘って形成されている。そして、支持壁46と梁部451とが、接着部材Pにより接合される。
本実施形態の超音波素子10は、支持膜42の第四面422に設けられ、梁部451に向かって突出する支持壁46を備える。そして、当該支持壁46と梁部451とが、接着部材Pにより接合される。この場合、接着部材Pは、支持壁46の壁面を伝って移動し、その後、支持膜42の第四面422に沿って移動した後、壁部44に至る。そのため、流れ出した接着部材Pが壁部44よりも圧電素子43側に流れ出ることをより確実に抑制することができる。
次に、本発明の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、支持膜42の第四面422側に、封止板45に向かって突出する壁部44が設けられる例を示した。これに対して、第三実施形態では、壁部44が、下部電極連結配線431Cの一部として構成される点で、上記第一実施形態及び第二実施形態と相違する。
図7及び図8に示すように、下部電極431には、下部電極引出配線431B、下部電極連結配線431C、及び下部電極接続配線431Dが接続されている。これにより、各超音波トランスデューサー50のそれぞれの下部電極431は、下部電極引出配線431B、下部電極連結配線431C、及び下部電極接続配線431Dを介して、電気的に接続されている。
下部電極連結配線431Cは、導電性材料で形成され、下部電極引出配線431B及び下部電極接続配線431Dに接続される。下部電極連結配線431Cは、各圧電素子43の+Y側及び-Y側において、X方向に延出されている、すなわち、Y方向において、圧電素子43を挟んで、互いに対向して配置されている。また、下部電極連結配線431Cは、複数の配線が束ねられた束配線として構成される。本実施形態では、下部電極連結配線431Cは、3本の配線が束ねられて構成される。
下部電極接続配線431Dは、導電性材料で形成され、下部電極連結配線431Cに接続される。下部電極接続配線431Dは、複数の配線が束ねられた束配線として構成され、本実施形態では、3本の配線が束ねられて構成される。また、下部電極接続配線431Dは、±Y方向の端部において、駆動端子431Aに接続する。
本実施形態の超音波素子10は、圧電素子43が、支持膜42から積層される下部電極431、圧電膜432、及び上部電極433を有する。そして、梁部451と圧電素子43との間に配置され、下部電極431と電気的に接続される下部電極連結配線431Cの一部が、壁部44として構成される。これにより、例えば、樹脂をエッチングする等して壁部44を設けなくても、流れ出した接着部材Pが圧電素子43に至ることを抑制することができるので、超音波素子10の製造を容易にすることができる。
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
図9は、変形例の超音波素子10における超音波トランスデューサー50を拡大した平面であり、図10は、図9におけるC-C線で切断した超音波素子10を模式的に示す断面図である。
例えば、図9及び図10に示すように、上部電極433は、上部電極引出配線433C及び上部電極接続配線433Dが接続されていてもよい。そして、上部電極接続配線433Dは、導電性材料で形成され、3本の配線が束ねられた束配線として構成され、Y方向から見た断面視において、±X方向の両側に配置された上部電極接続配線433Dは、梁部451と圧電素子43との間に配置される。また、同様に、3本の配線で構成される下部電極接続配線431Dのうち、±X方向の両側に配置された下部電極接続配線431Dは、梁部451と圧電素子43との間に配置される。つまり、流れ出した接着部材Pを堰き止める壁部44が、バイパス配線としての上部電極接続配線433D及び下部電極接続配線431Dの一部として構成されていてもよい。
すなわち、X方向に複数設けられる開口部41Aのうち、所定数の開口部41Aを跨いでX方向に長手に設けられる構成とすればよい。
例えば、1つの開口部41Aの-X側に配置される隔壁部41Bから、当該開口部41Aの+X側に配置される隔壁部41Bまでに亘って梁部451が設けられる構成としてもよい。この場合、X方向に対して複数の梁部451が設けられる構成となる。
Claims (4)
- 第一面、及び前記第一面と表裏を為す第二面と、前記第一面から前記第二面までを貫通する開口部と、前記開口部を囲う隔壁部とを有する素子基板と、
前記素子基板の前記第一面に設けられて前記開口部を覆い、前記開口部に臨む第三面と、前記第三面と表裏を為す第四面とを有する支持膜と、
前記支持膜に設けられ、前記第三面から前記第四面に向かう膜厚方向から見た平面視において、前記支持膜の前記開口部と重なる領域に配置される圧電素子と、
前記支持膜の前記第四面に対向して設けられ、前記支持膜に向かって突出する梁部を介して、前記支持膜に接着部材により接合される封止板と、
前記支持膜の前記第四面に設けられ、前記梁部と前記圧電素子との間において、前記封止板に向かって突出して設けられる壁部と、を備え、
前記接着部材は、前記梁部から前記壁部に亘って配置される
ことを特徴とする超音波素子。 - 第一面、及び前記第一面と表裏を為す第二面と、前記第一面から前記第二面までを貫通する開口部と、前記開口部を囲う隔壁部とを有する素子基板と、
前記素子基板の前記第一面に設けられて前記開口部を覆い、前記開口部に臨む第三面と、前記第三面と表裏を為す第四面とを有する支持膜と、
前記支持膜に設けられ、前記第三面から前記第四面に向かう膜厚方向から見た平面視において、前記支持膜の前記開口部と重なる領域に配置される圧電素子と、
前記支持膜の前記第四面に対向して設けられ、前記支持膜に向かって突出する梁部を介して、前記支持膜に接着部材により接合される封止板と、
前記支持膜の前記第四面に設けられ、前記梁部と前記圧電素子との間において、前記封止板に向かって突出して設けられる壁部と、を備え、
前記支持膜の前記第四面に設けられ、前記梁部に向かって突出する支持壁を備え、
前記梁部と前記支持壁とが前記接着部材により接合される
ことを特徴とする超音波素子。 - 請求項1に記載の超音波素子において、
前記圧電素子に接続されるバイパス配線を備え、
前記壁部は前記バイパス配線の一部により構成される
ことを特徴とする超音波素子。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の超音波素子と、
前記圧電素子に対して駆動信号を入力する駆動回路と、
を備えることを特徴とする超音波装置。
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