JPH0329498A - 超音波トランスジューサ実装筐体および実装方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は超音波トランスジューサに関し、更に詳しくは
ロボット等の近接覚センサとして利用される静電型空中
超音波トランスジューサの実装筐体および実装方法に関
する。

（従来の技術） フェーズドアレイ超音波トランスジュ〜サは、機械走査
を必要とせず、電子走査のみで近接対象物の形状をすば
やく検出することができる。そのため、煙中等の不可視
環境下でのロボットハンドのコントロールや移動時の衝
突防止等のコントロールを正確に行う際の制御デバイス
として最適なものと考えられている。現在、超音波トラ
ンスジューサを用いた音響画像技術が、水中および医療
の分野でソナーや、ＣＴスキャナ等として広く用いられ
ている。

しかしながら、従来広く用いられている圧電セラミック
技術を利用した超音波トランスジューサには、空気との
インピーダンスマッチングや高速応答性等の点で問題が
あり、この技術をそのまま空中に適用することは困難で
あった。さらに、この型の超音波トランスジューサは共
振タイプであるため、個々の要素の特性を均一にするこ
とが困難であった。

セル型のトランスジューサは、コンデンサーマイクロフ
ォンおよびコンデンサースピーカのー■・ｔであり、当
初から空中で利用することを目的に開発が行われてきた
。セル型のトランスジューサは、表面に多くの溝をもつ
背後電極とこれに対向する電極をもつ有機体の振動膜か
らなる。この静電型のトランスジューサを用いると、空
気との良好なインピーダンスマッチングおよび高速応答
が可能になる。

第３図および第４図は、このセルの原理に基づいた従来
の超音波トランスジューサの構戊の一例を示す断面図お
よび構成図である。これらの図において、１は円形のア
ルミ合金の板で、表面に数〜敬十ｐｍの深さをもつ複数
個の穴が機械加工により形戊されている。この穴の上面
には、厚さ６〜２０数ｐｍのポリエステル膜２がハウジ
ング（金属ケース）３と中筒（プラスチックケース）４
により挟まれて固定されている。ポリエステル膜２の表
面には、アルミ合金の板１と接する面と反対の側の表面
に、金等による電極（図示せず）が蒸着されている。一
方、アルミ合金の板１の裏面には、金属よりなる板ばね
５が取り付けられており、アルミ合金の板１をポリエス
テル膜２に押しつけている。板ばね５は、中筒４に固定
されている。６，７は電極端子で、６は板ばね５と一体
に構或されており、一方、７はハウジング３と一体に構
戊されている。したがって、電極端子６の電位は、板ば
ね５を介してアルミ合金の板ｌと等しく、一方、電極端
子７の電位は、ハウジング３を介してポリエステル膜２
に蒸着された電極と等しい。この結果、電極端子６，７
間に電圧が印加されると、この印加電圧に等しい電圧が
アルミ合金の板１とポリエステル膜２に蒸着された電極
の間に生じ、静電気力によりポリエステル膜２が変位す
る。したがって、電極端子６，７間に印加する電圧を交
流信号とすると、ポリエステル膜２に作用する静電気力
も交流で変化して、ポリエステル膜２を振動させ、この
結果、超音波が前面に放射される。

第５図は、前記第３図および第４図で述べた静電型超音
波トランスジューサの動作原理を示す図で、機械的要素
ｌ１と電気的要素１２とで構戊されている。機械的要素
１１は、振動板１１ａと固定板１ｌｂから構威されてお
り、例えば第４図に示す構造をもつ。

第３図および第４図では、ポリエステル膜２が振動仮１
１ａを、アルミ合金の板１が固定板１ｌｂを、それぞれ
、構戊している。一方、電気的要素１２は、超音波の送
波の場合には、直流バイアス電圧１３、高抵抗１４、結
合容量１５および発振回路１６で構成される。発振回路
１６が無信号のとき、振動板１１ａは、直流バイアス電
圧１３により固定板１ｌｂに引きつけられている。次に
、発振回路１６が直流バイアス電圧１３よりも振幅の小
さい交流電圧を発生したとき、振動板１１ａのたわみは
、発振回路１６の両端に生じる信号電圧の極性により、
以下のように変化する。すなわち、発振回路１６の両端
に生じる電圧の極性が直流バイアス電圧１３と同じとき
には、これらの電圧の和に等しい電圧が振動板１１ａと
固定仮１ｌｂの間に加わるため、振動板１１ａのたわみ
は無信号時より大きくなる。一方、発振回路１６の電圧
の極性が直流バイアス篭圧１３と逆の場合には、直流バ
イアスｒｐ圧から信号電圧を差し引いた電圧が振動板１
１ａと固定板１ｌｂの間に加わるため、振動板１１ａの
たわみは鳳信号時より小さくなる。したがって、発振回
路１６の信号雷圧を周期的に変化させると、振動板１１
ａが振動し、超音波が前面に放射される。以上、超音波
を送波する場合について述べたが、受波の場合には、第
５図の１６をインピーダンス変換、ま曽幅、ノイズ除去
のための帯域制限等を行う受信回路とすればよい。この
とき、外部から入射した超音波により、振動板１１ａが
振動して、振動板１１ａと固定板１ｌｂの間の容量値が
変化するため、直流バイアス電圧１３からの充電電流が
変化する。この充電電流の変化は高抵抗１４の端子間電
圧の変化として音響一電気変換されるので、これを受信
回路でインピーダンス変換、増幅、帝域制限することに
より、超音波の受波が可能になる。

以上、従来の静電型超音波トランスジューサの一例につ
いて説明した。しかしながら、第３図および第４図に示
した超音波トランスジューサでは、アルミ合金の板１表
面上に穴を加工する際に、機械加工を用いていたため、
穴の寸法や形状のばらつきを避けることができなかった
。アルミ合金の板１表面上の穴は、第５図に示す振動板
１１ａと固定板１ｌｂの間の間隙に相当するもので、そ
の寸法や形状がばらつくと、振動板１１ａを駆動する力
がばらつき、フェーズドアレイ超音波トランスジューサ
を構成した場合に、アレイ各素子間の超音波送受特性が
一定にならないという欠点があった。また、第３図およ
び第４図に示した従来の構造を用いて、前述のフェーズ
ドアレイ超音波トランスジューサを実現しようとすると
、装置の大型化が避けられないという問題があった。例
えば、アレイ化されたトランスジューサの電極を結ぶ配
線は、それだけでかなりの大きさとなる。

第６図は、このような背景のもとに提案されたシノコン
マイクロマシニング技術を利用した静電型シリコン超音
波トランスジューサ素子の一例を示す構造模式断面図で
ある。このシリコン超音波トランスジューサは、シリコ
ン基板２１表面にエッチングにより設けた微小なエソチ
ング穴２２上に酸化膜２３を介して固定電極２４を形戊
し、その上にさらに酸化膜２５を介して有機体薄膜２６
に蒸着された金属箔よりなる振動工極２７を張り付け、
微小なエノチング穴２２に空気を閉じ込めた構造をもつ
。

このシリコン超音波トランスジューサは、シリコン基板
を用いるので、シリコンのマイクロマシニング技術を用
いてシリコン基板上に精度よく微***を形戊することが
でき、アレイ化されたトランスジューサの各素子間の特
性ばらつきを低減することができる。また、シリコン基
板を使うと、第５図に示した電気的要素１２をシリコン
ＩＣ製造プロセスを用いて集積化することができるので
、フェーズドアレイ超音波トランスジューサの小型軽量
化が期待できる。

次に第７図（ａ）〜（ｄ）を用いてこのシリコン超音波
トランスジューサの従来の製造方法の一例を説明する。

まず最初に、例えば面方位（１００）のシリコン基板２
１表面に、酸化膜２８をマスクとして、ヒドラジン等を
用いた異方性エッチングにより、開口部の一辺が数＋ｐ
ｍ口程度の正方形の微小なエッチング穴２２を形戒する
（第７図（ａ））。次に酸化膜２８を完全に除去し、新
たに然酸化により酸化膜２３を戒長じた後、その上にア
レイ状にアルミニウムの固定ｔ極２４を形戊する（第７
図（ｂ））。その後、さらにＣＶＤ法で酸化膜２５を堆
積し層間絶縁膜とする（第７図（Ｃ））。シリコン基板
２１をチップに分離した後、セラミックパノケージ２０
にグイボンディングされ、各固定電極がワイヤーボンデ
ィングによりリードに接続される。最後に、アルミニウ
ムの振動電極２７が蒸着された厚さ数〜数＋ｐｍのポリ
エステル膜からなる有機体薄膜２６がアルミニウムの枠
２９に引き延ばされ固定（接着）される。この状態で、
アルミニウムの枠２９ごと、ねじ３０でセラミックパッ
ケージ２０に固定（ねじ止め）される（第７図（ｄ））
。

（発明が解決しようとする課題） 以上、具体例を挙げて従来のシリコン超音波トランスジ
ューサを説明した。しかしながら、従来のセラミノクパ
ノケージ２０を用いた素子実装では有機体薄膜２６をチ
ップ上に引き延ばして張る工程で一方を固定し片方をお
もりやバネ等の治具で引き延ばした有機体薄膜２６にア
ルミニウムの枠２９を接着した後この枠２９に沿って膜
を切り取り、枠２９をセラミックパッケージ２０にねじ
止めしていた。

そのため、実装工程での作業性が悪かった。またねじ止
めのとき有機体薄膜２６に対して膜面に平行な力が加わ
るため薄膜２６にしわがよることがあり再現性が悪いと
いう欠点があった。また、有機体薄膜２６およびボンデ
イングワイヤ（図示せず）が露出しており、これらに対
する保護対策がとられていないという欠点もあった。

上記欠点の解決には、第３図および第４図に示した超音
波トランスジューサの実装方法が有効である。この実装
方法であれば、ポリエステル膜２はハウジング３に中筒
４をはめ込むとき接着なしで自動的に取付けられるし、
膜の引き延ばしはアルミ合金の板１を板ばね５で押すこ
とにより実現できる。

しかしながら、第６図および第７図で説明したアレイ型
シリコン超音波トランスジューサでは、固定電極２４が
円形のアルミ合金の仮ｌでなくシリコン基板２１上にパ
ターンニングされたアルミ電極であること、アレイ構造
のため各電極から独立にリードを取り出す必要があるこ
と、およびボンディングワイヤを避けて膜を張る必要が
あることなどの制約があり、第３図および第４図に示し
た超音波トランスジューサの実装技術をそのまま採用す
ることは不可能であった。

本発明の目的は、上記従来のシリコン超音波１・ランス
ジューサの欠点を除去し、実装工程での作業性・再現性
が改善され、かつ、有機体薄膜およびボンデイングワイ
ヤの保護が可能な、融通性のある超音波トランスジュー
サ実装筐体および実装方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の超音波トランスジューサ実装筐体は、一方の面
に第１の電極を有する有機体薄膜と、複数の穴をもつ半
導体基板表面上に配置された第２の電極とを備えた超音
波トランスジューサを実装するための筐体であって該筐
体に溝が形或され、この講中に配置すべき弾性体の棒を
有し、この棒を押さえ筐体にねじ止めされる押さえ板を
有し、前記半導体基板が搭載されたプリント基板を前記
筐体に収容する機構と、前記プリント基板を支持すると
ともに前記有機体薄膜に押しつける機構とを備えたこと
を特徴とする。

前記半導体基板が搭載されたプリント基板を筐体に収容
する機構は例えば該筐体に形成された凸部である。

また前記プリント基板を支持するとともに前記有機体薄
膜に押しつける機構は例えば、板ばねと、筐体に設けら
れた該板ばねを挿入するためのガイドとで構或される。

本発明の超音波トランスジューサの実装方法は、複数の
穴をもつ半導体基板表面上に配置された第２の電極を備
えた超音波トランスジューサを前記実装筐体に実装する
方法であって、前記有機体薄膜の両端を筐体の前記溝に
いれその上がら前記弾性体の棒で押さえこの棒を前記押
さえ板で押さえてこの押さえ板をねじ止めし、次いで前
記プリント基板を前記半導体基板が搭載された側を前記
有機体薄膜にあて前記ガイドに前記板バネを差込んで前
記プリント基板の反対側の面を押しつける。

（作用） 本発明では、従来とは異なり、チップの前面を保護する
部分（保護カバー）と、チップ（がボンディングされた
プリント基板）と有機体薄膜を支持し固定する部分とが
一体になっている。そのため有機体薄膜を枠に接着する
工程が不要になりいきなり筐体に収納できるので作業性
が格段に向上する。また有機体薄膜を引き延ばす際は従
来のように薄膜が接触する面が平坦な枠で押さえるので
なく、薄膜を溝に挟んでその上から弾性体の棒で押さえ
る。

従ってネジ止めするとき薄膜に対して膜面に平行な方向
の力は加わりにくくなり薄膜が波打つことは非常に少な
くなって作業の再現性が向上する。

また薄膜を引き延ばして固定しプリント基板を装着した
とき既にボンディングワイヤと有機体薄膜の保護が完了
していることになる。また本発明では有機体薄膜を筐体
に固定してからプリント基板を装着するので、半導体基
板のボンディングパッドやボンデイングワイヤを避けて
装着することが容易になり作業に融通性がでる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例について説明す
る。

第１図は、本発明の超音波トランスジューサ実装筐体の
一実施例を示す図面であり、（ａ）は本実施例の筐体を
前面から見た図、（ｂ）は該筺体のＡ−Ａ矢視断面図、
（Ｃ）は該置体を裏面から見た図、（ｄ）は該筐体の側
面図である。第１図において、前面を保護する保護カバ
ー３１，ストッパ領域３２、プリント基板支持部３３、
断面がＶ字形状の溝（以下■溝と略称）３４とその両側
に設けたねじ穴３５、および板ばね挿入ガイド３６が一
体形成されている。筐体はアルミ製である。

保護カバー３１は、該筐体に実装されるシリコン超音波
トランスジューサの有機体薄膜およびシリコン基板を保
護するために設けられたもので、放射および入射超音波
を減衰なく通過させるため、薄肉形状に加工されるとと
もに、貫通した多数の微***３７が形戒されている。図
面が煩雑になるのを避けるため第１図、第２図では微小
穴３７は一部省略して描いてある。またストッパ領域３
２に設けられたＶ溝３４とねじ穴３５は、超音波トラン
スジューサを構或する矩形の有機体薄膜を実装筐体の両
端部で固定するために設けられたもので、固定には後述
するようにゴムの丸捧と押さえ板を用いる。プリント基
板支持部３３は、筐体裏面の四隅に形成された凸部であ
り、超音波トランスジューサを構成するシリコン基板が
ダイボンディングされたプリント基板は、このプリント
基板支持部３３に囲まれ、シリコン基板のある側の面の
両端部がストッパ領域３２と接触する形で筺体内に収容
される。

次に、第２図を用いて、第１図に示した筐体を用いた場
合における、本発明の超音波トランスジューサの実装方
法の一例を説明する。

図において、（ａ）は実装後の筐体を前面がら見た図、
（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視断面図、（ｃ）は裏面から見た
図、（ｄ）はＣ−Ｃ矢視断面図である。図において、４
１は矩形の有機体薄膜、４２はチップ分離されたシリコ
ン基板、４３はプリント基板、４４はゴムの丸棒、４５
は押さえ板、４６は止めねじ、４７は板ばねを、それぞ
れ示している。また、第１図と同一符号を付した構或要
素は、第１図と同一の構成要素を示している。

本実施例の実装方法では、まず有機体薄膜４１をＶ：Ｆ
ｆ３４中にいれ、その上にゴムの丸俸４４を置きその上
から押さえ板４５で押さえて止めねじ４６により固定す
る。次に、プリント基板４３を筐体裏面の四隅に形戒さ
れたプリント基板支持部３３に囲まれシリコン基板のあ
る側の面の両端部がストッパ領域３２と接触する形で筐
体内に収容される。プリント基板４３の前面には、チッ
プ分離後のシリコン基板４２がダイボンディングおよび
ワイヤーボンディングされている。最後に、筐体の両側
に設けられた板ばね挿入ガイド３６に板ばね４７を差込
み、プリント基板４３を筐体本体に固定する。

本実施例では、有機体薄膜４１を、■溝３４中に置かれ
たゴムの丸棒４４と押さえ板４５とで挟んで止めねじ４
６により固定するため、従来行われていた、治具による
有機体薄膜の引き延ばし、および該有機体薄膜のアルミ
枠への接着は不要となり、実装工程の作業性・再現性が
改善される。また、デバイスを構成する有機体薄膜４ｌ
、シリコン基板４２およびボンディング線（図示せず）
は筐体に一体形成された保護カバー３１により保護され
る。さらに、有機体薄膜４１は両端で固定されるため、
作業工程に融通性があり、プリント基板４３に搭載され
るシリコン基仮４２と有機体薄膜４１の間の相互の位置
関係を調節することにより、シリコン基板のボンディン
グバノドやボンディングワイヤー領域を避けて有機体薄
膜を張ることが可能である。

したがって、本実施例によれば、前記従来技術の欠点が
ことごとく解消され、実装工程での作業性・再現性・融
通性に優れ、かつ、デバイスを｛７ｑ或ずる有機体薄膜
、シリコン基板およびボンディング線が保護されたシリ
コン超音波トランスジューサが実現される。

なお、本実施例では弾性体の棒としてゴムの丸俸を用い
たが、ゴムでなく弾性のあるプラスチックでもよいし、
丸棒でなく多角形の棒でもよい。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、実装工程での作業性．
再現性．融通性に優れ、がっ、有機体薄膜、半導体基板
およびボンディング線が保護された半導体超音波トラン
スジューサが実現され、フェーズドアレイ空中超音波ト
ランスジューサの小型軽量化に対する効果は大きいもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明による超音波トランスジ
ューサ実装筐体の一実施例を示す図、第２図（ａ）〜（
ｄ）は本発明による超音波トランスジューサ実装方法の
一実施例を示す図、第３図および第４図は従来の超音波
トランスジューサの断面図および構或図、第５図は従来
の静電型超音波トランスジューサの原理図、第６図およ
び第７図（ａ）〜（ｄ）は従来のシノコン超音波トラン
スジューサの構造および製造方法を示す図である。 １・・・アルミ合金の板、２・・・ポリエステル膜、３
・・・ハウジング、４・・・中筒、５・・・仮ばね、６
，７・・・電極端子、１１・・・機絨的要素、ｌｌａ・
・・振動板、ｌｌｂ・・・固定板、１２・・・電気的要
素、１３・・・直流バイアス電圧、１４・・・高抵抗、
１５・・・結合容量、１６・・・発振回路、２０・・・
セラミックパッケージ、２１・・・シリコン基板、２２
・・・エッチング穴、２３・・・酸化膜、２４・・・固
定電極、２５・・・層間絶縁膜、２６・・・有機体薄膜
、２７・・・振動篭極、２８・・・マスク酸化膜、２９
・・・アルミニウムの枠、３０・・・ねじ、３１・・・
保護カバー、３２・・・ストノパ領域、３３・・・プリ
ント基板支持部、３４・・・■溝、３５・・・ねじ穴、
３６・・・板ばね挿入ガイド、３７・・・微***４１・
・・有機体薄膜、４２・・．シリコン基板、４３・・・
プリント基板、４４・・・ゴムの丸棒、４５・・・押さ
え板、４６・・・止めねじ、４７・・・板ばね。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一方の面に第１の電極を有する有機体薄膜と、複数
   の穴をもつ半導体基板表面上に配置された第２の電極と
   を備えた超音波トランスジューサを実装するための筐体
   であって、該筐体に溝が形成され、この溝中に配置すべ
   き弾性体の棒を有し、この棒を押さえ筐体にねじ止めさ
   れる押さえ板を有し、前記半導体基板が搭載されたプリ
   ント基板を前記筐体に収容する機構と、前記プリント基
   板を支持するとともに前記有機体薄膜に押しつける機構
   とを備えたことを特徴とする超音波トランスジューサ実
   装筐体。 ２、前記半導体基板が搭載されたプリント基板を筐体に
   収容する機構が、該筺体に形成された凸部である請求項
   １記載の超音波トランスジューサ実装筺体。 ３、前記プリント基板を支持するとともに前記有機体薄
   膜に押しつける機構が、板ばねと、筺体に設けられた該
   板ばねを挿入するためのガイドとで構成される請求項１
   または２記載の超音波トランスジューサ実装筺体。 ４、複数の穴をもつ半導体基板表面上に配置された第２
   の電極を備えた超音波トランスジューサを請求項３記載
   の実装筺体に実装する方法であって、前記有機体薄膜の
   両端を筺体の前記溝にいれその上から前記弾性体の棒で
   押さえこの棒を前記押さえ板で押さえてこの押さえ板を
   ねじ止めし、次いで前記プリント基板を前記半導体基板
   が搭載された側を前記有機体薄膜にあて前記ガイドに前
   記板バネを差込んで前記プリント基板の反対側の面を押
   しつけて固定するようにしたことを特徴とする超音波ト
   ランスジューサの実装方法。