JPH06335091A - 音響変換器 - Google Patents

音響変換器

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JPH06335091A
JPH06335091A JP6124463A JP12446394A JPH06335091A JP H06335091 A JPH06335091 A JP H06335091A JP 6124463 A JP6124463 A JP 6124463A JP 12446394 A JP12446394 A JP 12446394A JP H06335091 A JPH06335091 A JP H06335091A
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JP6124463A
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Michael Greenstein
マイケル・グリーンステイン
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HP Inc
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Hewlett Packard Co
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • B06B1/0629—Square array

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】個々の変換器素子について信号調節を行うこと
ができ、かつ後方に導かれる波動エネルギを効果的に減
衰することのできる、簡潔で、軽量な音響変換器を提供
する。 【構成】本発明の一実施例によれば、並列集積回路チッ
プの成層上に設置された回路により個別に駆動される圧
電素子のアレイを備えた音響変換器が提供される。チッ
プの成層は圧電素子から後方に導かれる波動エネルギの
部分の音響的減衰を行うバッキング部材の側面にある。
バッキング部材は個々の圧電素子から集積回路チップま
での電気的接触を行うが、隣接圧電素子を分離してい
る。バッキング部材は素子からの音波エネルギを、エネ
ルギが集積回路チップの成層に到達する前に吸収するの
で、個別回路は駆動される特定の素子の「音響的影」の
中にある。その結果、盤上回路は変換器の性質に悪影響
を与えず、変換器の断面積は大きくならない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に音響変換器に関す
るものであり、更に詳細には、超音波変換器アレイの信
号調節装置および相互接続装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】医療に使用する診断用超音波影像システ
ムは、人体の組織の影像を、音響変換器素子または音響
変換素子のアレイを電気的に励起して人体に進入する短
い超音波パルスを発生することにより形成する。組織か
らの反響は一つまたは複数の音響変換素子により受信さ
れ、電気信号に変換される。電気信号は増幅されて組織
の断面影像を形成するのに使用される。医療分野以外で
はエコーグラフ検査も行われている。
【０００３】超音波影像システムの製作にあたって重要
な二つの領域は電気的相互接続を行う手段および信号を
調節する手段である。信号調節に関しては、予備増幅、
保護、および制御のための回路類が、人体または他の関
係ある物体と接触させられる変換器ヘッドの盤上に理想
的に設置される。しかし、変換器ヘッドは操作しやすい
簡潔、軽量の装置であるべきである。素子の二次元アレ
イの各変換器素子について予備増幅および保護の回路を
組込むことは容易には行われない。
【０００４】変換器ヘッド内部の構成要素の電気的相互
接続はバッキング層の存在により複雑になっている。個
々の変換器素子は入力信号を前方および後方の双方に導
かれる波動エネルギに音響的に変換する。エネルギ吸収
性バッキング層は後方に導かれるエネルギの反射が超音
波影像の解像度を減らさないようにする。反射はシステ
ムのパワー出力を改善するが、反射は音響出力パルスの
幅を広くし、それにより解像度に悪影響を及ぼす。
【０００５】バッキング像は単一素子を備えた変換器ヘ
ッドの中の電気的相互接続には問題を生じない。しか
し、相互接続機構は変換器素子の直線状アレイにとって
は重要な懸念事項となる。この懸念は、素子の３行およ
び３列より大きい二次元アレイを備えた変換器ヘッドで
は、多数の素子が電気的接続に適合する露出縁を備えて
いないことになるので、大きくなる。
【０００６】Kawabe等に与えられた米国特許第4,825,11
5号は励起エネルギを素子の中心列に与える方法を記し
ている。結合ワイヤを中心素子に取付けることができ、
その後成形法によりバッキング層を形成する。その特許
に記されているように、この相互接続計画に伴う困難
は、解像度を改善するために変換器素子間の距離が減少
するにつれて、２本の結合ワイヤが共に短絡する可能性
も増大するということである。Kawabe等は望ましい相互
接続計画は、変換器素子に接触する第１の脚および素子
の隣接列間の間隔に沿って後方に延びる第２の脚を備え
ているＬ形印刷配線板を使用するものであるということ
を教示している。バッキング層はＬ形印刷配線板の第２
の脚の間に成形される。Kawabe等は従来の相互接続機構
に対してかなりな改善を行っているが、印刷配線板の第
１の脚は変換器素子と接触したままであり、波動エネル
ギを反射する表面となるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】素子のアレイを成す個
々の変換器素子について信号調節を行うことができ且つ
後方に導かれる波動エネルギを効果的に減衰する相互接
続機構を備えている簡潔、軽量な音響変換器を提供する
のが本発明の目的である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述の目的は並列集積回
路チップの成層上に設置された回路により個別に駆動さ
れる圧電素子のアレイを備えた音響変換器により満たさ
れる。チップの成層は圧電素子から後方に導かれる波動
エネルギの部分の音響的減衰を行うバッキング部材の側
面にある。好適実施例では、バッキング部材は個々の圧
電素子から集積回路チップまでの電気的接触を行うが、
隣接圧電素子を分離している。すなわち、バッキング部
材は好適にはＺ軸導電体である。
【０００９】音響変換器は圧電素子の直線状アレイを備
えることができるが、典型的には素子は二次元的に配列
されている。二次元アレイはＭ×Ｎ個の圧電素子を備
え、Ｍ個の素子は方位方向にあり、Ｎ個の素子は高度方
向にある。集積回路チップは各々方位方向に広がること
ができ、能動回路を備えているチップの数は高度方向に
ある素子の数（Ｍ）に対応する。したがって、各集積回
路チップは素子の１行に専用されることができ、それが
専用される列の直後に固定することができる。
【００１０】好適に、各圧電素子は別々の集積回路によ
り駆動され、各回路は駆動される素子の直後にある。バ
ッキング部材は素子からの音波エネルギを、エネルギが
集積回路チップの成層に到達する前に吸収するので、個
別回路は駆動される特定の素子の「音響的影」の中にあ
る。その結果、盤上回路は変換器の性質に悪影響を与え
ず、変換器の断面積は大きくならない。
【００１１】集積回路チップの成層は、パッシベーショ
ン層により保護されている個別の半導体回路を製作し、
次いでチップを結合してブロックを形成することにより
形成される。チップは熱結合、圧力、または締付け部材
を用いて積層することができるが、典型的には接着剤が
使用されている。好適に、チップは第１の縁で相接し、
接触面を形成するようになっている。変換器パッドのパ
ッド格子アレイが接触面上に形成されている。このパッ
ド格子アレイは個々の圧電素子から導体へのアクセスを
行う。
【００１２】集積回路チップを第１の縁にあるパッド格
子アレイと反対の縁で相接するようにすることもでき
る。この実施例では、第２のパッド格子アレイを信号を
遠隔回路に対して送受信するケーブルと接触するように
形成することができる。代りに、第２の縁を相接しない
ようにし、このようなケーブルに接続される入出力パッ
ドを露出させることができる。
【００１３】集積回路チップと圧電素子との間の電気的
連絡は導体をバッキング部材を貫いて延ばすことにより
行うことができる。たとえば、バッキング部材を、バッ
キング部材の対向端で終端して積層チップのパッド格子
アレイに対応するように設置されている第１の露出端を
設けるように、および圧電素子の位置に対応する第２の
露出端を設けるようにする埋込み円筒形導体を備えた音
響減衰材料のブロックとすることができる。代りに、バ
ッキング部材を減衰材料と導電材料のストリップとの交
互層を有する積層部材とすることができる。バッキング
部材の形状は重要ではない。
【００１４】本発明の長所は、入力信号および出力信号
を調節する盤上回路をユーザが操作しようとする装置の
大きさを有意に増大することなく集積回路の成層を使用
して設けることができるということである。積層チップ
は圧電素子の音響的影の中にある回路を備えることがで
きる。半導体チップは信号調節の問題を、各サブアセン
ブリが管理可能な任務に責任を持つようにして、モジュ
ール式サブアセンブリに分割できるようにする。他の長
所は接触場所のパッド格子アレイを使用することにより
変換器の音響的性質に悪影響を与えない確実な相互接続
機構が得られるということである。事実、音響インピー
ダンスの高いワイヤを使用して圧電素子の後面から伝達
される音波エネルギを適格に減衰する際の補助とするこ
とができる。本発明は中心間隔が短い、たとえば、３０
０μｍの、二次元アレイに特に適しているが、一次元ア
レイにも使用することができる。
【００１５】
【実施例】図１を参照すると、二次元変換器アレイ１０
が方位方向に１０個の圧電素子１２をおよび高度方向に
７個の素子を備えているように図示されている。「圧
電」は、材料に加えられる電界に応答して機械的波動を
発生する材料と定義されている。圧電セラミックおよび
圧電重合体が知られている。
【００１６】理想的には、７０個の圧電素子１２が個別
に制御される。個別制御により音響変換器１０の電子的
焦点合せが可能になる。二次元アレイを所定の素子１２
への信号を遅延させて位相合せし、所要の方向および焦
点範囲を得るようにすることができる。電子的に焦点合
せされた変換器アレイは、エコーグラフ検査中静止状態
に保持し得るという長所を示し、変換器の解像度および
有効寿命を増す可能性がある。
【００１７】圧電素子１２は、伝統的な方法を用いてジ
ルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の長方形ブロックをさい
の目に切るかまたは型押しすることにより形成すること
ができる。現在の技術では素子ピッチが３００μｍの二
次元アレイ１０を形成することが可能である。圧電素子
１２を励起すると音波エネルギが素子の前面１４から伝
達される。駆動信号は反射波エネルギを前面で受取るこ
とができるように制御される。電気信号は受取ったエネ
ルギに応じて形成される。変換器アレイ１０から遠く離
れている電子装置は受取った信号を監視し、音波エネル
ギを反射する本体の像を形成する。
【００１８】圧電素子１２を励起すると音波エネルギが
後面からばかりでなく前面１４からも伝達される。後面
でインピーダンスが整合していないと前面への反射が生
ずる。このような音響反射はアレイ１０のパワー出力を
改善するが、その結果出力パルスの幅が増大して超音波
影像の解像度が不充分になる。したがって、バッキング
部材１６を本発明で採用している。図１の実施例では、
バッキング部材は音響エネルギ減衰材料のブロックであ
る。たとえば、バッキング部材を、タングステン粒子お
よびシリカ粒子または気泡のような音響吸収体および分
散体を有するエポキシ材料から形成することができる。
【００１９】圧電素子１２からの音波エネルギを減衰す
る他に、バッキング部材１６はＺ軸導電体として働く。
すなわち、導体１８を埋込んでバッキング部材を貫いて
平行に延長させる。導体１８の端は図１に示す上面２０
で露出しており、図示してない下面でも露出している。
【００２０】変換器アレイ１０およびバッキング部材１
６を次に、圧電素子１２の後面にある、図示してない接
点と物理的および電気的に接触している導体１８と共に
組立てることができる。実際には、さいの目に切りまた
は型押しされて素子の行列を形成している圧電材料のブ
ロックを、圧電素子を分離する前に、バッキング部材に
接続すべきである。エポキシまたは他の適切な接着剤を
合体させる表面の一方または両方に施すことができる。
【００２１】圧電材料の中実ブロックをバッキング部材
１６に組付けてから、圧電材料の裏面をさいの目に切る
か型押しするかして個別圧電素子１２を形成することが
できる。たとえば、圧電材料に切込むのにダイヤモンド
鋸を使用することができる。分離には好適には、結合に
使用される材料を通してバッキング部材１６に切込みを
形成することが含まれる。切込みは隣接素子を音響的に
電気的に分離するのに役立つ。
【００２２】随意選択的に、導体１８を形成する材料を
選定するには音響的性質の他に電気的性質を考慮する。
導体１８とバッキング部材１６との間のインピーダンス
が整合していれば音波が導体からバッキング部材に流れ
ることができる。しかし、このようなエネルギの移動は
所望の程度のエネルギを導体から引出すには充分でない
ことがある。その移動の効率を上げるには、導体の音速
をバッキング部材１６の音速より大きくすべきである。
このような構造は導体およびバッキング部材を逆波ガイ
ドとして働かせる。所望の音速不整合を達成するのに適
している材料には銅および鋼がある。導体からのエネル
ギの移動の効率を更に大きくするには導体をアルミニウ
ムまたは他の音速が導体より低い或る材料で被覆するこ
とにより行うことができる。
【００２３】導体１８を備えるように行われるバッキン
グ層１６を設けることの代案として、導体を最初に圧電
材料の中実ブロックの後側の接触域に取付け、次に音響
減衰材料を導体の傍に成形してＺ軸コネクタを達成する
ことができる。このような方法に伴う問題は、図１に示
した方法でも同様であるが、圧電素子１２の密度が増大
するにつれて、隣接導体間の短絡の可能性も増大すると
いうことである。
【００２４】他の代案は、音響減衰材料の層と導電材料
の層とを交互にして、積層バッキング部材を設けること
である。導電層を駆動しようとする圧電素子のピッチに
等しいピッチを有する材料のストリップに分割すべきで
ある。たとえば、単一層の導電ストリップのピッチを３
００μｍとすることができ、この場合ストリップの幅は
２５０μｍであり、ストリップは５０μｍの切込みによ
り分離されている。適切な厚さは３０００Åである。長
さ１５mmのこのようなストリップの抵抗の測定値は約１
オームであった。
【００２５】積層バッキング部材の場合、減衰層の厚さ
を圧電素子のピッチに等しくすべきである。導電層およ
び減衰層を標準の低粘度エポキシを用いて結合すること
ができる。成層はスペーサとして働くダミー層を備える
ことができる。得られる構造を、積層プロセスから生ず
る段差の無いきれいな表面仕上げを得るようにラップ仕
上げするか、そうでなければ処理すべきである。
【００２６】次に得られたバッキング部材の上縁および
下縁をメタリゼーション層で被覆することができる。メ
タリゼーション層にパターン形成すれば、圧電素子の後
面の接点のような、隣接面に確実に接続するに充分な面
積を有する接触場所が得られる。表面のメタリゼーショ
ン層のパターニングは伝統的な写真平版法を用いて行う
ことができる。しかし、圧電素子を形成するとき圧電材
料およびバッキング部材の上面をダイヤモンド鋸で加工
する間切込みが作られるまですべての接触場所を電気的
に接触させることによりセルフアライニングプロセスを
達成することができる。
【００２７】更に他の代案は、バッキング部材の形成に
Ｚ軸材料を利用することである。Ｚ軸エポキシが知られ
ている。このようなエポキシは、エポキシ自身の内部の
充填剤が一方向の電気伝導を可能とするが、他のすべて
の方向で電気的絶縁を行うので、別の導体の必要性を排
除している。難しいのは充分な音響減衰を行うＺ軸材料
の選択である。
【００２８】バッキング部材１６に機械的におよび電気
的に接続されているのは集積回路チップ２２の成層であ
る。成層２２は７個の能動半導体チップ２４、２６、２
８、３０、３２、３４、および３６を備えている。スペ
ーサチップ３８は成層の一端で使用される。
【００２９】チップ２４−３８の第１の縁は相接して平
面状相互接触面４０となっている。相互接続面に沿って
接触パット４２のパッド格子アレイがある。接触パッド
のパターンはバッキング部材１６を貫く導体１８のパタ
ーンに対応している。接触パッドは集積チップの成層２
２がバッキング部材に結合されたとき圧電素子１２に電
気的に接続される。各種構成要素を共に結合するにはエ
ポキシまたは他の適切な接着剤を利用することができ
る。接触パッド４２は高くなっている区域であるから、
導体１８の裏側との物理的および電気的接触が、成層２
２とバッキング部材１６との間に薄い接着剤層が存在し
ている場合でも、可能である。代りに、音響変換器アレ
イ１０、バッキング部材、および集積回路チップの成層
を圧力によって共に保持することができる。
【００３０】半導体チップ２４−３６の長さは、入出力
パッド４４が相互接続面４０とは反対の縁で露出するよ
うに変る。能動半導体チップ２４−３６の各々を、各セ
ルが圧電素子１２を駆動する回路を備えているようにし
て、並列セルに分割することができる。したがって、チ
ップの成層２２は各々が一組の回路を備えているチップ
の集積された一組から製作される三次元半導体回路であ
る。図１で、能動チップの数は高度方向の圧電素子１２
の数に対応している。７個のチップの各々を次にセルに
分割してセル方位方向の圧電素子１２と一対一に対応さ
せることができる。
【００３１】今度は図２を参照すると、単一シリコンチ
ップ４６が５０個の単位セル４８に分割されて図示され
ている。チップ４６は圧電素子の５０×５０アレイと共
に使用することができる。各単位セルは、アレイ内の個
々の圧電素子を駆動するための、前置増幅器、保護ダイ
オード、および制限集積制御電子回路を備えることがで
きる。
【００３２】次に図３を参照すると、３個の隣接単位セ
ル５０、５２、および５３がセル内に製作された回路を
備えて図示されている。各セルの回路を図４に概略図示
してある。セル５０〜５３は図１の能動半導体チップ２
４〜３６のいずれか一つから、または図２のシリンチッ
プ４６からとすることができる。
【００３３】各単位セル５０〜５３はパワーパッド５
４、接地パッド５６、および信号パッド５８を備えるこ
とができる。プリアンプ出力保護ダイオード（Ｄ１）６
０は前置増幅器６２を関連信号パッド５８から入る透過
パルスから保護する。前置増幅器にはパッド５４−５８
とは反対のチップの縁で変換器パッド６４から受取った
信号を増幅する働きをする。前置増幅器は、音響装置が
パワー、接地、および信号の各パッド５４−５８で接続
されているケーブルを駆動することができるようにする
のに重要である。
【００３４】プリアンプ入力保護ダイオード（Ｄ２）６
６前置増幅器入力回路を透過パルスから保護する。ケー
ブル絶縁ダイオード（Ｄ３）６８は関連して動作する圧
電変換素子をケーブルのキャパシタンスを駆動するとい
う必要条件から保護する。バイアス抵抗器（Ｒ１、Ｒ
２、Ｒ３、およびＲ４）７０、７１、７２、および７３
は前置増幅器６２の内部に設置され、ダイオードを適正
にバイアスしている。
【００３５】図２および図３の単位セルは既知の半導体
製作法を用いて３００μｍのピッチを備えることができ
る。代表的な単位セルの長さは５mmから２５mmの範囲に
ある。長さによって、漏話が問題になることがあるが、
漏話の可能性を減らすために共面遮蔽を組込むことがで
きる。
【００３６】図３および図４の回路は盤上回路の一例と
して取入れられているだけであって本発明を限定しよう
とするものではない。実際、完全サイクルを０ボルトか
ら１００ボルトへまた０ボルトに戻り、続いて−１００
ボルトまで降下して０ボルトに戻る伝達パルスから構成
することができる。上述の回路は正パルスに対して適切
に動作するが、−１００ボルトまで降下を含んでいるパ
イポーラ伝達パルスでは保護ダイオードの数を２倍にす
る必要がある。
【００３７】回路は標準の写真平版法を用いてセル５０
〜５３の中に製作することができる。図１の７個の能動
半導体チップ２４−３６を単一シリコンウェーハから製
作し、次いでこれをさいの目に切ってチップに分離する
ことができる。型押ししたチップ上のパッシベーション
層は回路を保護する。
【００３８】７個の能動半導体チップ２４−３６および
スペーサ半導体チップ３８を次ぎに接着接合して図１に
示すブロックを形成する。市場で入手できる接着剤を利
用することができる。集積回路チップ２２の成層を次に
相互接続面４０をラップ仕上げして相互接続面を平らに
する。メタリゼーション層を相互接続面およびチップの
アレイの側面７４に形成する。側面のメタリゼーション
を接地して接地平面を設ける。相互接続面４０のメタリ
ゼーションは接触パッド４２とバッキング部材１６の導
体１８との間に適正に確実に接続するのに使用される。
この相互接続面４０のメタリゼーション層は図５の円形
部材を生ずるように型押しされる。この図は金層から型
押しされた接続パッド４２を示している。型押しされた
接触パッド４２を図３を参照して説明したように変換器
パッド６４と整列させる。接触パッドはきわどいもので
はないが、パッド４２により設けられている接触面の面
積が増大すると、集積回路チップを積層する際の、およ
びチップをバッキング部材の導体に接続する際の、製造
公差を緩くすることができる。
【００３９】図１を参照すると、図示してないが、音響
変換器はバッキング部材１６と集積回路チップの成層２
２との間にパーソナリティ（personality）層を備える
ことができる。パーソナリティ層は接触パッド４２のパ
ターンと導体１８のパターンとの相互接続を集成するの
に、またはバッキング部材１６の後面を平面状相互接続
面４０に合わせるのに使用することができる。パーソナ
リティ層は、一方の側または両側に導電経路を有し、且
つ一方の側から反対側へ延びるめっき貫通穴を有するシ
リコンから作ることができる。パーソナリティ層は能動
半導体チップ２４−３６に垂直に設置される。
【００４０】チップ２４−３８の成層２２を図１に反転
階段構成を備えているように示してある。しかし、これ
は決定的ではない。対称構成を図６に示す。６個の能動
半導体チップ７６、７８、８０、８２、８４、および８
６を示してある。集積回路をチップ３２、３４、および
３６の右側に、およびチップ７６、７８、および８０の
左側に、置くことができる。随意選択的に、中心チップ
８０および８２に対して両面シリコンチップを使用する
ことができる。
【００４１】図７は集積回路チップ８８、９０、９２、
９４、９６、および９８の正方形成層を示す。今度も、
中心の右側にあるチップ９４−９８は表面上右に集積回
路を備えることができるが、チップ８８、９０、および
９２は表面上左に集積回路を備えている。図６でのよう
に、正方形構成は、両面ウェーハを使用しない場合に
は、中心に空白の相互接続区域を残すことになる。図７
の実施例では、パッド格子アレイが反対側に設けられて
いる。一方の側はバッキング部材に接続されるが、反対
側はケーブルに取付けられるフレックス回路に接続され
る。代りに、ケーブルはパッド格子アレイに直接接続す
ることができるように終端機構を備えることができる。
【００４２】動作中、図１の集積回路チップの成層２２
はケーブルに結合されて、入出力パッド４４で信号を受
けたり伝達したりする。接触パッド４２はバッキング部
材１６の導体と整列するようなパターンに作られる。信
号調節は能動半導体チップ２４−３６の各々にある回路
により行われる。チップの成層およびバッキング部材１
６は共に側面７４および７５に接地平面を備えている。
接地平面は漏話の可能性を少なくするように作られてい
る。
【００４３】パッド４４で入力される伝達パルスは圧電
素子１２で音響的に変換される。波動エネルギは素子１
２の前面１４から伝送される。前面から伝送されるエネ
ルギはエコーグラフ検査を行うのに利用される。
【００４４】圧電素子１２の後面からの音波エネルギの
望ましくない伝送はエネルギを減衰するように選定され
た材料から作られているパッキング部材１６により吸収
される。上に記したように、音響減少の効率は導体１８
を形成する材料の選択により上げることができる。
【００４５】圧電素子１２の前面１４で受取られた反射
波エネルギはバッキング部材１６の導体１８により能動
半導体チップ２４−３６に伝えられる電気信号に変換さ
れる。この受信信号はチップ上の回路により調節され
る。たとえば、受信信号を能動チップ２４−３６の上に
作られた前置増幅器により別々に増幅することができ
る。
【００４６】圧電素子１２の各々に対する信号を調節す
る回路を特定の圧電素子の「音響的影」の中に置くこと
ができる。すなわち、各圧電素子に関連する回路を素子
の直後にバッキング部材１６の圧電素子とは反対の側に
置くことができる。したがって、圧電素子の後面から伝
達される音響エネルギはすべて、集積回路に到達する前
に減衰する。恐らく更に重要なのは、盤上回路を備えれ
ば、装置の断面積が大きくならないということであろ
う。これにより装置をユーザが容易に操作することがで
きる。
【００４７】本発明を二次元音響アレイに適用されてい
るとして説明してきたが、積層集積回路チップを一次元
アレイと共に使用することもできる。したがって、盤上
プリアンプまたは他の電子回路を伝統的な直線状アレイ
と共に使用するよう設置することができる。それで積層
集積回路チップの適用は圧電素子のピッチのチップ上の
回路のピッチに対する関係によって変る。
【００４８】たとえば、図８で、能動集積回路チップ１
００にある回路のピッチは圧電素子１０２のピッチ以下
であり、したがって接触パッド１０４の一次元パッド格
子アレイが充分である。入出力パッド１０６は能動集積
回路チップ１００から後方に広がり、図示してないフレ
ックスケーブルと接触している。ケーブルからの伝達パ
ルスはパッド１０６から入る。伝達パルスは接触パッド
１０４に伝えられ、Ｚ軸バッキング部材１０８を貫いて
延びる導体を介して個々の圧電素子１０２に送られる。
能動集積回路チップ１００はスペーサチップ１１０、１
１２、および１１４に結合されてバッキング部材１０８
の寸法を合わせる。バッキング部材およびチップの成層
は共に露出側面に接地平面を備えている。受信信号は能
動チップ１００の回路で上述と同じ仕方で調節を受け
る。
【００４９】今度は図９を参照すると、圧電素子１１８
のアレイに出入りする信号を調節する回路は圧電素子の
ピッチにより大きいピッチを備えることができる。この
ような場合には、回路を二つの能動集積回路チップ１２
０と１２２との間で交互に分割することができる。スペ
ーサチップ１２４および１２６は能動チップ１２０およ
び１２２をはさみ込んでいる。接触パッド１２８はＺ軸
バッキング部材１３０と接触して圧電素子１１８と能動
チップの入出力パッドとの間の電気的連絡を行う。
【００５０】能動チップ１２０および１２２の回路によ
り行われる信号調節の他に、チップの成層は、マルチプ
レクサ１３４を備えることができる。マルチプレクサは
スペーサチップ１２４の上に直接製作することができる
が、チップに取付ける別個の部材とすることができる。
マルチプレクサへの入出力パッド１３６はケーブルに接
続されている。マルチプレクサからのパッド１３８は能
動チップ１２０および１２２の入出力パッドにワイヤボ
ンド１４０により接続されている。フレックス回路また
はテープ自動化結合フレームをワイヤボンドの代りに使
用することができる。
【００５１】盤上マルチプレクサ１３４は圧電素子１１
８に最も近いコネクタケーブルの端で活性化された圧電
素子１１８のスイッチングを可能とする。したがって、
わずか１０本の信号線を有するケーブルを使用して２０
個の素子から成る圧電アレイを操作することができる。
マルチプレクサをケーブルの反対の端に設置したとすれ
ば、典型的には１０本より多い信号線が必要になるであ
ろう。
【００５２】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施例毎に列挙する。
【実施例１】電気信号に応答して音波エネルギを伝達
し、受取った音波エネルギを電気信号に変換する音響変
換器において、各々が前面および後面を備えている圧電
素子のアレイ、前記後面に取付けられて前記圧電素子か
ら受取った音波エネルギを減衰するバッキング手段、前
記バッキング手段により前記圧電素子から隔離されてい
る、前記圧電素子専用の回路を備えた、並列集積回路チ
ップの成層、および前記集積回路チップを前記圧電素子
に電気的に接続する導体手段、から構成されている音響
変換器。
【実施例２】個々の圧電素子に専用される回路は該個々
の圧電素子の後面の後方突出突起により形成される空間
の中にある実施例１に記載の変換器。
【実施例３】前記バッキング手段は音響減衰材料から形
成されており、前記導体手段は、第１の端が前記圧電素
子と電気的に接触し且つ第２の端が前記集積回路チップ
と電気的に接触している導体の複数から構成されてお
り、圧電素子の前記アレイは二次元アレイである実施例
１に記載の変換器。
【実施例４】前記導体は前記音響減衰材料を貫く直線状
導電部材である実施例３に記載の変換器。
【実施例５】前記集積回路チップは第１の縁で相接して
該第１の縁で第１の平面状接触面を形成しており、該第
１の平面状接触面は前記導体手段と電気的に連絡してい
る変換器パッドのアレイを備えている実施例１に記載の
変換器。
【実施例６】前記集積回路チップは前記第１の縁とは反
対の第２の縁で相接し、それにより第２の接触面を形成
しており、該第２の接触面はパッド格子アレイを備えて
いる実施例５に記載の変換器。
【実施例７】前記集積回路チップは前記第１の縁とは反
対の第２の縁を備えており、前記集積回路チップは長さ
が一様ではなく、該集積回路チップが前記第２の縁で相
接しないようになっている実施例５に記載の変換器。
【実施例８】各圧電素子は前記集積回路チップの一つに
ある同一の信号調節電気回路と関連して動作するように
なっており、前記同一の信号調節電気回路は前記集積回
路チップの平行領域に沿って設置されている実施例１に
記載の変換器。
【実施例９】前記平行領域には第１および第２の端があ
り、各平行領域の前記第１の端は前記導体手段と接触し
ている変換器パッドを備え、各平行領域の前記第２の端
は入力／出力パッドを備えている実施例８に記載の変換
器。
【実施例１０】前面および後面を備えている変換器素子
のアレイ、複数の導体がそれを貫いているバッキング部
材であって、該バッキング部材は前記変換器素子の前面
後面に結合されており、前記導体は前記変換器素子との
電気的接触を行うよう露出した第１の端を備えており、
前記導体は前記バッキング部材の前記変換器素子と反対
の側に第２の端を備えており、前記バッキング部材は音
波エネルギを減衰する音響インピーダンスを備えている
バッキング部材、および各々が第１の縁に接触パッドを
備えている複数の並列半導体部材であって、該半導体部
材は前記バッキング部材に接合されて前記接触パッドが
前記導体の第２の端と整列し、前記接触パッドと前記導
体との間を電気的に接続するようになっており、前記半
導体部材は電気信号を前記変換器素子との間で送受信す
る集積回路を備えている複数の並列半導体部材、から構
成されている音響変換器。
【実施例１１】半導体部材の前記第１の縁は相接して平
面状接触面を形成しており、前記接触パッドは前記平面
状接触面に沿う二次元パッド格子アレイである実施例１
０に記載の変換器。
【実施例１２】前記パッド格子アレイ、前記バッキング
部材を貫く前記導体、および前記変換器素子はすべて整
列している実施例１１に記載の変換器。
【実施例１３】前記バッキング部材は二次元パッド格子
アレイを有する対向する第１および第２の側面を有する
ブロックである実施例１０に記載の変換器。
【実施例１４】前記半導体部材は各変換器素子に専用さ
れる集積回路を備えており、特定の変換器素子に専用さ
れる前記集積回路は該特定の変換素子の音響的影の中に
ある実施例１０に記載の変換器。
【実施例１５】各々が後面を備えている変換器素子の二
次元アレイ、前記変換素子の前記後面に接続されて音波
エネルギを減衰するバッキング手段、前記変換器素子を
動作させる電気エネルギを入力および出力する導体手
段、および前記変換器素子を動作させる前記電気エネル
ギを調節する複数の集積回路であって、前記変換素子は
前記集積回路と一対一に関連して動作するようになって
おり、各集積回路は関連して動作する変換器素子の音響
的影の中にあり、変換器素子の前記音響的影は変換器素
子の前記後面の後方突出突起の中にあるように且つ前記
バッキング手段の向うにあるように形成されている領域
である複数の集積回路、から構成されている音響変換
器。
【実施例１６】更に、共に結合されて積層された電気的
に能動の部材を形成する複数の半導体チップを備えてお
り、該半導体チップは前記変換器素子の前記後面に垂直
な方向に広がる平行部分を備えており、変換器素子と関
連して動作する集積回路は関連して動作する変換器素子
の音響的影の中に入っている平行部分の内部にある実施
例１５に記載の変換器。
【実施例１７】前記集積回路は前置増幅器を備えている
実施例１５に記載の変換器。
【実施例１８】前記半導体チップは第１の縁で相接して
おり且つ該第１の縁に入力／出力パッドを備えてパッド
格子アレイを形成しており、該パッド格子アレイは前記
導体手段と電気的に接触している実施例１６に記載の変
換器。
【実施例１９】前記導体手段は前記バッキング手段上に
第２のパッド格子アレイを備えて前記半導体チップと接
触している実施例１８に記載の変換器。
【００５３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いるこ
とにより、素子のアレイを成す個々の変換器素子につい
て信号調節を行うことができ、且つ後方に導かれる波動
エネルギを効果的に減衰することができる。また、簡
潔、軽量な音響変換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二次元音響変換器の破断斜視図で
ある。
【図２】図１の能動集積回路の側面図である。
【図３】図２の集積回路チップの、線３−３に沿って取
った、３個のセルの内部にある回路の側面図である。
【図４】図３の回路の概略図である。
【図５】図１の集積回路チップの成層の上にあるパッド
格子アレイの一部の上面図である。
【図６】本発明による集積回路チップの成層の第２の実
施例の側面図である。
【図７】本発明による集積回路チップの成層の第３の実
施例の側面図である。
【図８】図１の音響変換器の他の実施例を示す図であ
る。
【図９】本発明による音響変換器の他の実施例の斜視図
である。
【符号の説明】
10：変換器アレイ 12：圧電素子 16：バッキング部材 18：導体 22：チップの成層 24、26、28、30、32、34、36：半導体チップ 42：接触パッド 48：単位セル 54：電力パッド 56：接地パッド 58：信号パッド 60：保護ダイオード 62：前置増幅器 64：変換器パッド 70、71、72、73：バイアス抵抗器 88、90、92、94、96、98、100：集積回路チップ 102：圧電素子 104：接触パッド 106：入出力パッド 108：バッキング部材 128：接触パッド 134：マルチプレクサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｒ 3/00 ３３０ 9181−5Ｈ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電気信号に応答して音波エネルギを伝達
    し、受取った音波エネルギを電気信号に変換する音響変
    換器において、 各々が前面および後面を備えている圧電素子のアレイ
    と、 前記後面に取付けられて前記圧電素子から受取った音波
    エネルギを減衰するバッキング手段と、 前記バッキング手段により前記圧電素子から隔離されて
    いる、前記圧電素子専用の回路を備えた、並列集積回路
    チップの成層と、 前記集積回路チップを前記圧電素子に電気的に接続する
    導体手段と、 を備えて成る音響変換器。
JP6124463A 1993-05-17 1994-05-13 音響変換器 Pending JPH06335091A (ja)

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US08/062,665 US5329498A (en) 1993-05-17 1993-05-17 Signal conditioning and interconnection for an acoustic transducer
US062,665 1993-05-17

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