特開 2023-162600 超音波デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023162600

(43)【公開日】2023-11-09

(54)【発明の名称】超音波デバイス

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20231101BHJP

   H10N 30/30 20230101ALI20231101BHJP

【ＦＩ】

H04R17/00 330H

H01L41/113

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022073039

(22)【出願日】2022-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】松田 洋史

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019AA26

5D019BB02

5D019BB19

5D019BB28

(57)【要約】

【課題】空隙の無い貫通電極を有する超音波デバイスを提供する。
【解決手段】超音波デバイス１は、超音波素子１３を含む第１基板１０と、第１基板１０上の電極１１，１２と、第１基板１０と対向する第１面２０ａから第１面２０ａとは反対側の第２面２０ｂに貫通する開口部２１，２２を有する第２基板２０と、第１基板１０又は電極１１，１２と第２基板２０との間に介在し、第１基板１０と第２基板２０とを離間させるギャップ材１４と、を備え、第２基板２０は、第１基板１０に対して第１方向に積層され、第１方向からの平面視にて、開口部２１，２２は、電極１１，１２と重なり、ギャップ材１４で囲まれた領域は、開口部２１，２２を囲う囲い部１５と、囲い部１５の一部から延伸し、開口部２１，２２を大気開放するように第１基板１０と第２基板２０との間を延伸する連通部１６，１７と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波素子を含む第１基板と、
前記第１基板上の電極と、
前記第１基板と対向する第１面から前記第１面とは反対側の第２面に貫通する開口部を有する第２基板と、
前記第１基板又は前記電極と前記第２基板との間に介在し、前記第１基板と前記第２基板とを離間させるギャップ材と、を備え、
前記第２基板は、前記第１基板に対して第１方向に積層され、
前記第１方向からの平面視にて、前記開口部は、前記電極と重なり、
前記ギャップ材で囲まれた領域は、前記開口部を囲う囲い部と、前記囲い部の一部から延伸し、前記開口部を大気開放するように前記第１基板と前記第２基板との間を延伸する連通部と、を有することを特徴とする超音波デバイス。

【請求項2】

前記連通部は、前記第１基板の端部まで延伸することを特徴とする、
請求項１に記載の超音波デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、超音波素子が形成された第１面を有する基板と、電極に対向して開口部が設けられた保護基板と、を備え、基板と保護基板との間にギャップを設けるためのギャップ材が配置されている超音波デバイスが特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１１４７４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の超音波デバイスは、開口部に導電性樹脂等を流し込んで超音波素子の電極と導通をとる場合、開口部内に空気が残ってしまうことがある。空気がある部分は、導電性樹脂が存在しないため、電極との接触面積の減少による接触抵抗の増加や断線してしまうという課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

超音波デバイスは、超音波素子を含む第１基板と、前記第１基板上の電極と、前記第１基板と対向する第１面から前記第１面とは反対側の第２面に貫通する開口部を有する第２基板と、前記第１基板又は前記電極と前記第２基板との間に介在し、前記第１基板と前記第２基板とを離間させるギャップ材と、を備え、前記第２基板は、前記第１基板に対して第１方向に積層され、前記第１方向からの平面視にて、前記開口部は、前記電極と重なり、前記ギャップ材で囲まれた領域は、前記開口部を囲う囲い部と、前記囲い部の一部から延伸し、前記開口部を大気開放するように前記第１基板と前記第２基板との間を延伸する連通部と、を有することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態に係る超音波デバイスの構成を示す概略図。

【図2】図１中の送受信部の構造を示す概略平面図。

【図3】図２中のＡ－Ａ線断面図。

【図4】図２中のＢ－Ｂ線断面図。

【図5】貫通電極の製造方法を説明するための概略断面図。

【図6】貫通電極の製造方法を説明するための概略断面図。

【図7】貫通電極の製造方法を説明するための概略断面図。

【図8】貫通電極の製造方法を説明するための概略断面図。

【図9】貫通電極の製造方法を説明するための概略断面図。

【図10】第２実施形態に係る超音波デバイスが備える送受信部の構造を示す概略平面図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係る超音波デバイス１について、振動することによって超音波を発生させる超音波素子１３を１つ以上有する超音波センサーを一例として挙げ、図１～図４を参照して説明する。
尚、以降の平面図及び断面図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿った方向を「Ｚ方向」と言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」とも言い、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。また、本実施形態における第１方向とは、Ｚ方向のことである。

【0008】

超音波デバイス１は、図１に示すように、超音波の送受信部１００とタイマー２００とを備える。送受信部１００は、超音波を送信方向Ｄ１に送信し、対象物Ｏにて受信方向Ｄ２に反射された超音波を受信する。送受信部１００が送信する超音波は、超音波素子１３によって生成される。また、送受信部１００が受信する超音波は、超音波素子１３によって受信される。

【0009】

タイマー２００は、送受信部１００が超音波を送信してから対象物Ｏにて反射された超音波を受信するまでの時間を計測する。これにより、超音波デバイス１は、超音波デバイス１から対象物Ｏまでの距離Ｌｏを計測する。

【0010】

送受信部１００は、図２、図３、及び図４に示すように、超音波素子１３を含む第１基板１０、電極としての第１電極１１、電極としての第２電極１２、ギャップ材１４、及び第２基板２０を備える。

【0011】

送受信部１００では、図４に示すように、第１基板１０からプラスＺ方向である上方に向かって、振動板１０ａ、第１電極１１又は第２電極１２、ギャップ材１４、及び第２基板２０がこの順番にて積層される。第２基板２０は、ギャップ材１４を介して第１基板１０に対して第１方向となるプラスＺ方向に積層される。

【0012】

第１基板１０には、貫通部１０ｂが形成される。貫通部１０ｂは、第１基板１０を貫通する。第１基板１０の上方には、振動板１０ａが積層される。そのため、貫通部１０ｂに対応する領域の振動板１０ａは、マイナスＺ方向に露出して振動可能な膜として機能する。

【0013】

第１電極１１と第２電極１２との間に電圧が印加されると、超音波素子１３がＸ方向及びＹ方向に伸縮する。これにより、上記領域の振動板１０ａが振動して超音波が生成される。該超音波は、超音波素子１３に対応する貫通部１０ｂから対象物Ｏへ向けて送信される。超音波は、対象物Ｏで反射された後、貫通部１０ｂを介して振動板１０ａを振動させ、この振動が超音波素子１３に伝達されることによって受信される。従って、超音波デバイス１を用いる際には、貫通部１０ｂを対象物Ｏに対向させる。尚、超音波素子１３の個数は、特に限定されない。本実施形態では、例えば、超音波素子１３は、５行５列の配列を構成しているので、超音波素子１３の個数は、２５個である。

【0014】

第１基板１０の材料には、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ₃）、サファイア、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、及び酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等が適用される。
振動板１０ａの材料には、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ₃）、及び酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）等が適用される。

【0015】

第１基板１０上には、振動板１０ａを介して第１電極１１又は第２電極１２が配置される。貫通部１０ｂの上方には、超音波素子１３が配置される。超音波素子１３の下方は、一部が振動板１０ａに接し、他部が第１電極１１に接して配置される。超音波素子１３のＸ方向の両側面及び上方は、第２電極１２と接する。即ち、超音波素子１３の一端と第１電極１１と、及び超音波素子１３の他端と第２電極１２とは、各々電気的に接続される。超音波素子１３の一端が第１電極１１に接続され、超音波素子１３の他端が第２電極１２に接続されるため、超音波素子１３を駆動して超音波を発生させたり、超音波を受信させたりすることが可能となる。

【0016】

また、第１基板１０上には、図２に示すように、超音波素子１３のＹ方向プラス側に矩形状の２つのギャップ材１４が配置され、超音波素子１３のＹ方向マイナス側に後述する開口部２１，２２を枠状に囲む２つのギャップ材１４が配置される。ギャップ材１４は、第１基板１０又は電極１１，１２と、第２基板２０との間に介在し、第１基板１０と第２基板２０とを離間させ、超音波素子１３が収容される空間を形成する。

【0017】

超音波素子１３には、公知の圧電体が適用される。圧電体の材料としては、例えば、ペロブスカイト（ＡＢＯ₃）構造を有する複合酸化物を用いる。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの鉛系複合酸化物、鉄酸ビスマス（ＢＦＯ）系材料及びニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）などの非鉛系複合酸化物が挙げられる。鉛系複合酸化物を用いると、超音波素子１３における振動の変位量を確保し易くなる。非鉛系複合酸化物を用いると、環境対応を促進し易くなる。

【0018】

第１電極１１及び第２電極１２の材料は、導電性を有するものであれば特に限定されない。第１電極１１及び第２電極１２の材料としては、例えば、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ａｕ（金）、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、ステンレス鋼などの金属材料、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）などの酸化錫系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム系ストロンチウム、ニッケル酸ランタン、元素ドープチタン酸ストロンチウムなどの酸化物導電材料、および導電性ポリマーなどが適用可能である。

【0019】

ギャップ材１４は、例えば、光硬化型などの硬化性を有する樹脂によって形成される。これにより、第１基板１０と第２基板２０との間の、Ｚ方向の間隔が高精度に形成される。

【0020】

第２基板２０は、超音波素子１３、第１電極１１、及び第２電極１２に対して、上方でギャップ材１４に支持される。第２基板２０は、Ｚ方向において、第１基板１０と対向する第１面２０ａと、第１面２０ａとは反対側の第２面２０ｂと、を有する。第２基板２０には、第１基板１０と同様な材料が適用される。

【0021】

第２基板２０は、第１面２０ａから第２面２０ｂに貫通する開口部としての第１開口部２１及び開口部としての第２開口部２２を有する。第１開口部２１及び第２開口部２２は、超音波素子１３のＹ方向マイナス側に配置された２つの枠状のギャップ材１４の各々に対応して配置され、Ｚ方向からの平面視にて、第１電極１１及び第２電極１２と重なり、超音波素子１３とは重ならない。超音波素子１３は、第１基板１０、第２基板２０、及びギャップ材１４から形成される空間に配置されるため、超音波素子１３が発信又は受信する超音波による振動板１０ａの振動が妨げられない。

【0022】

ギャップ材１４にて枠状に囲まれた領域及び開口部２１，２２によって上方が開放された空間には、導電性樹脂３０が充填され、第１貫通電極３１及び第２貫通電極３２が形成される。第１貫通電極３１は、第１電極１１と電気的に接続され、第２貫通電極３２は、第２電極１２と電気的に接続される。貫通電極３１，３２は、送受信部１００における実装用の接続配線となる。

【0023】

貫通電極３１，３２は、ギャップ材１４にて枠状に囲まれた領域及び開口部２１，２２に銀ペースト等の導電性樹脂３０を充填して固化させることにより形成される。充填する導電性樹脂３０の体積をギャップ材１４にて枠状に囲まれた領域及び開口部２１，２２の内容積よりも大きくして、導電性樹脂３０の上方の端部を第２基板２０から上方に突出させている。導電性樹脂３０における上方に突出した部分は、実装が容易で小型の実装用端子となる。

【0024】

超音波素子１３のＹ方向マイナス側に配置されたギャップ材１４の詳細な形態について、図２及び図４を参照して説明する。ここで、図２においては、第２基板２０に遮蔽される、ギャップ材１４、第１電極１１、第２電極１２、及び超音波素子１３等は、第２基板２０を透過させて破線で示す。

【0025】

図２に示すように、Ｚ方向からの平面視にて、第１貫通電極３１に対応するギャップ材１４は、第１開口部２１を囲う囲い部１５と、囲い部１５の一部から延伸し、第１開口部２１を大気開放するように第１基板１０と第２基板２０との間を延伸する連通部としての第１連通部１６と、を有する。尚、第１貫通電極３１に対応するギャップ材１４による第１連通部１６は、囲い部１５のＸ方向マイナス側の一部からＸ方向マイナス側に延伸し、第１連通部１６のＸ方向マイナス側端部からＹ方向マイナス側に延伸し、第１基板１０のＹ方向マイナス側端部まで延伸している。

【0026】

また、第２貫通電極３２に対応するギャップ材１４は、第２開口部２２を囲う囲い部１５と、囲い部１５の一部から延伸し、第２開口部２２を大気開放するように第１基板１０と第２基板２０との間を延伸する連通部としての第２連通部１７と、を有する。尚、第２貫通電極３２に対応するギャップ材１４による第２連通部１７は、囲い部１５のＸ方向マイナス側の一部からＸ方向マイナス側に延伸し、第１基板１０のＸ方向マイナス側端部まで延伸している。

【0027】

本実施形態の超音波デバイス１は、ギャップ材１４による開口部２１，２２を囲う囲い部１５の一部から開口部２１，２２を大気開放するように延伸する連通部１６，１７を有するため、開口部２１，２２に導電性樹脂３０を充填し、貫通電極３１，３２を形成する際に、囲い部１５及び開口部２１，２２内の空気が連通部１６，１７から囲い部１５及び開口部２１，２２外に抜け、空隙が生じるのを抑制することができる。

【0028】

また、ギャップ材１４は、Ｚ方向からの平面視にて、開口部２１，２２を囲む枠状に形成されているため、開口部２１，２２に導電性樹脂３０を充填する際に、導電性樹脂３０が流れ出て超音波素子１３等に接触することが防止される。

【0029】

次に、貫通電極３１，３２の製造方法について、図５～図９を参照して説明する。

【0030】

貫通電極３１，３２の形成には、ステンシル印刷法が用いられる。ステンシル印刷法は、シルクスクリーン法と同じ漏れ印刷法である。図５に示すように、第２基板２０の第２面２０ｂにステンシル４０が重ねて配置される。ステンシル４０は、第１開口部２１及び第２開口部２２と同じ形状の穴４０ａを備える。尚、第１貫通電極３１及び第２貫通電極３２の形成は特に限定されない。例えば、ディスペンサーを用いて第１貫通電極３１及び第２貫通電極３２が形成されても良い。

【0031】

Ｘ方向マイナス側のステンシル４０上にペースト状の導電性樹脂３０が載置される。導電性樹脂３０は、銀フィラーを含有する糊状の樹脂系接着剤である。導電性樹脂３０は、溶媒を含んでおり流動性を有する。導電性樹脂３０がスキージ４１及びステンシル４０に挟まれる。スキージ４１は、Ｙ方向に長い板である。プラスＸ方向を第１摺動方向Ｂ１とする。Ｘ方向マイナス側のスキージ４１がステンシル４０に接触した状態でスキージ４１が第１摺動方向Ｂ１に摺動される。導電性樹脂３０は、スキージ４１に押されて第１摺動方向Ｂ１に移動する。

【0032】

図６に示すように、スキージ４１が第２開口部２２を通過するとき、導電性樹脂３０の一部が穴４０ａを通って第２開口部２２に入る。導電性樹脂３０の一部は、第２開口部２２及びギャップ材１４のＸ方向プラス側の側壁に沿って第２電極１２に達するまで充填される。

【0033】

図７に示すように、スキージ４１が第１開口部２１を通過するとき、導電性樹脂３０の一部が穴４０ａを通って第１開口部２１に入る。導電性樹脂３０の一部は、第１開口部２１及びギャップ材１４のＸ方向プラス側の側壁に沿って第１電極１１に達するまで充填される。

【0034】

その後、スキージ４１をマイナスＸ方向である第２摺動方向Ｂ２に移動させる。第２摺動方向Ｂ２は、第１摺動方向Ｂ１の逆方向である。Ｘ方向プラス側のスキージ４１がステンシル４０に接触した状態でスキージ４１が第２摺動方向Ｂ２に摺動される。導電性樹脂３０は、スキージ４１に押されて第２摺動方向Ｂ２に移動する。

【0035】

図８に示すように、スキージ４１が第１開口部２１を通過するとき、導電性樹脂３０の一部が穴４０ａを通って第１開口部２１に入る。第２摺動方向Ｂ２に移動するスキージ４１により、第１開口部２１に配置される導電性樹脂３０の一部は、第１開口部２１及びギャップ材１４のＸ方向マイナス側の側壁に沿って第１電極１１に達するまで充填される。尚、ギャップ材１４のＸ方向マイナス側の側壁の一部に第１連通部１６が設けられているため、第１開口部２１の空気が第１連通部１６を介して第１開口部２１の外に押し出され、第１貫通電極３１に空隙が生じ無い。

【0036】

図９に示すように、スキージ４１が第２開口部２２を通過するとき、導電性樹脂３０の一部が穴４０ａを通って第２開口部２２に入る。第２摺動方向Ｂ２に移動するスキージ４１により、第２開口部２２に配置される導電性樹脂３０の一部は、第２開口部２２及びギャップ材１４のＸ方向マイナス側の側壁に沿って第２電極１２に達するまで充填される。尚、ギャップ材１４のＸ方向マイナス側の側壁の一部に第２連通部１７が設けられているため、第２開口部２２の空気が第２連通部１７を介して第２開口部２２の外に押し出され、第２貫通電極３２に空隙が生じ無い。

【0037】

尚、本実施形態では、第１摺動方向Ｂ１がプラスＸ方向であり、第２摺動方向Ｂ２がマイナスＸ方向である。そのため、ギャップ材１４による開口部２１，２２を大気開放する連通部１６，１７は、開口部２１，２２を囲う囲い部１５の一部からマイナスＸ方向に延伸しているので、スキージ４１を第２摺動方向Ｂ２に移動する際に、開口部２１，２２のＸ方向マイナス側の側壁と電極１１，１２の上面との間に溜まる空気を開口部２１，２２外に開放することができる。従って、ギャップ材１４による開口部２１，２２を大気開放する連通部１６，１７は、囲い部１５の一部から第２摺動方向Ｂ２に延伸していることが、貫通電極３１，３２内に空隙を生じさせないために重要である。

【0038】

尚、本実施形態では、超音波デバイス１として対象物Ｏとの距離Ｌｏを計測する超音波センサーを例示したが、超音波デバイス１は、これに限定されない。超音波デバイス１は、例えば、流量センサー、物体検知センサー、画像センサー、及び発電素子等であってもよい。

【0039】

以上述べたように本実施形態の超音波デバイス１は、貫通電極３１，３２に対応するギャップ材１４が開口部２１，２２を囲う囲い部１５と、囲い部１５の一部から延伸し、開口部２１，２２を大気開放するように第１基板１０と第２基板２０との間を延伸する連通部１６，１７と、を有する。そのため、貫通電極３１，３２を製造する際に、開口部２１，２２内に空隙が生じるのを抑制でき、電極１１，１２との接触面積の減少による接触抵抗の増加や断線してしまうという虞を低減することができる。

【0040】

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る超音波デバイス１ａが備える送受信部１００ａの構造について、図１０を参照して説明する。

【0041】

本実施形態の送受信部１００ａは、第１実施形態の送受信部１００に比べ、開口部２１，２２を囲う囲い部１５の一部から延伸する連通部１６，１７の方向が異なること以外は、第１実施形態の送受信部１００と同様である。なお、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。

【0042】

本実施形態の超音波デバイス１ａの送受信部１００ａは、図１０に示すように、ギャップ材１４が開口部２１，２２を囲う囲い部１５と、囲い部１５の一部から開口部２１，２２を大気開放するように第１基板１０と第２基板２０との間を延伸する連通部１６ａ，１７ａと、を有する。

【0043】

第１貫通電極３１に対応するギャップ材１４は、第１開口部２１を囲う囲い部１５と、囲い部１５の一部から延伸し、第１開口部２１を大気開放するように第１基板１０と第２基板２０との間を延伸する第１連通部１６ａと、を有する。第１貫通電極３１に対応するギャップ材１４による第１連通部１６ａは、囲い部１５のＹ方向マイナス側の一部からマイナスＹ方向に延伸し、第１基板１０のＹ方向マイナス側端部まで延伸している。

【0044】

第２貫通電極３２に対応するギャップ材１４は、第２開口部２２を囲う囲い部１５と、囲い部１５の一部から延伸し、第２開口部２２を大気開放するように第１基板１０と第２基板２０との間を延伸する第２連通部１７ａと、を有する。第２貫通電極３２に対応するギャップ材１４による第２連通部１７ａは、囲い部１５のＹ方向マイナス側の一部からマイナスＹ方向に延伸し、第１基板１０のＹ方向マイナス側端部まで延伸している。

【0045】

尚、本実施形態では、開口部２１，２２及び囲い部１５内に導電性樹脂３０を充填し、貫通電極３１，３２を製造する際、第１摺動方向Ｂ１をプラスＹ方向とし、第２摺動方向Ｂ２をマイナスＹ方向とする。これにより、貫通電極３１，３２内に空隙を生じるのを抑制することができる。

【0046】

このような構成とすることで、第１実施形態の超音波デバイス１と同様の効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0047】

１，１ａ…超音波デバイス、１０…第１基板、１０ａ…振動板、１０ｂ…貫通部、１１…電極としての第１電極、１２…電極としての第２電極、１３…超音波素子、１４…ギャップ材、１５…囲い部、１６…連通部としての第１連通部、１７…連通部としての第２連通部、２０…第２基板、２０ａ…第１面、２０ｂ…第２面、２１…開口部としての第１開口部、２２…開口部としての第２開口部、３０…導電性樹脂、３１…第１貫通電極、３２…第２貫通電極、４０…ステンシル、４０ａ…穴、４１…スキージ、１００，１００ａ…送受信部、２００…タイマー、Ｂ１…第１摺動方向、Ｂ２…第２摺動方向、Ｄ１…送信方向、Ｄ２…受信方向、Ｌｏ…距離、Ｏ…対象物。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】