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(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】P2024158763
(43)【公開日】2024-11-08
(54)【発明の名称】超音波デバイス
(51)【国際特許分類】
H04R 17/00 20060101AFI20241031BHJP
【ＦＩ】
H04R17/00 330J
H04R17/00 332A
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023074270
(22)【出願日】2023-04-28
(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】小島 力
(72)【発明者】
【氏名】久保 景太
(72)【発明者】
【氏名】新井 義雄
(72)【発明者】
【氏名】岩井 光
【テーマコード（参考）】
5D019
【Ｆターム（参考）】
5D019AA07
5D019BB19
5D019GG06
(57)【要約】
【課題】周波数特性を向上可能な超音波デバイスを提供する。
【解決手段】超音波デバイス２０は、基板２１と、基板２１の一方側の面に設けられ、基板２１を振動させる超音波素子としての圧電素子２２と、圧電素子２２を覆うように基板２１の一方側の面に接合された保護部材２３と、保護部材２３の基板２１側とは反対側に配置されたベース部材２４と、保護部材２３とベース部材２４との間に設けられ、保護部材２３とベース部材２４とを接合する接合部２６と、を備え、接合部２６の音響インピーダンスは、保護部材２３の音響インピーダンスより小さく、かつ、ベース部材２４の音響インピーダンスより小さい。
【選択図】図３
【解決手段】超音波デバイス２０は、基板２１と、基板２１の一方側の面に設けられ、基板２１を振動させる超音波素子としての圧電素子２２と、圧電素子２２を覆うように基板２１の一方側の面に接合された保護部材２３と、保護部材２３の基板２１側とは反対側に配置されたベース部材２４と、保護部材２３とベース部材２４との間に設けられ、保護部材２３とベース部材２４とを接合する接合部２６と、を備え、接合部２６の音響インピーダンスは、保護部材２３の音響インピーダンスより小さく、かつ、ベース部材２４の音響インピーダンスより小さい。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板の一方側の面に設けられ、前記基板を振動させる超音波素子と、
前記超音波素子を覆うように前記基板の前記一方側の面に接合された保護部材と、
前記保護部材の前記基板側とは反対側に配置されたベース部材と、
前記保護部材と前記ベース部材との間に設けられ、前記保護部材と前記ベース部材とを接合する接合部と、を備え、
前記接合部の音響インピーダンスは、前記保護部材の音響インピーダンスより小さく、かつ、前記ベース部材の音響インピーダンスより小さい、超音波デバイス。
前記基板の一方側の面に設けられ、前記基板を振動させる超音波素子と、
前記超音波素子を覆うように前記基板の前記一方側の面に接合された保護部材と、
前記保護部材の前記基板側とは反対側に配置されたベース部材と、
前記保護部材と前記ベース部材との間に設けられ、前記保護部材と前記ベース部材とを接合する接合部と、を備え、
前記接合部の音響インピーダンスは、前記保護部材の音響インピーダンスより小さく、かつ、前記ベース部材の音響インピーダンスより小さい、超音波デバイス。
【請求項2】
前記接合部は、エラストマーによって構成されている、請求項１に記載の超音波デバイス。
【請求項3】
前記接合部の厚さは、前記接合部における音速を、前記超音波素子により前記基板から送信される超音波の中心周波数で除した値以上である、請求項１または請求項２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、超音波の送受信を行う超音波デバイスが知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の超音波デバイスは、複数の振動部を備えた基板と、複数の振動部のそれぞれに設けられる超音波素子と、超音波素子を覆うように基板に接合される保護部材と、保護部材の基板側とは反対側に接合されるベース部材と、を備える。駆動信号を入力された超音波素子が振動部を振動させることで、振動部から超音波が送信される。また、対象物で反射された超音波が振動部を振動させることで、超音波素子が振動部の振幅に応じた受信信号を発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２１－５７７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述の特許文献１などの超音波デバイスにおいて、超音波素子が基板を振動させると、基板の正面から超音波が送信されるだけでなく、基板の背面から保護部材に振動が伝搬される。保護部材に伝搬した振動の一部は、保護部材またはベース部材による界面で反射した後、超音波素子に戻ってくる。このような振動が対象物で反射された超音波による基板の振動に重畳されると、いわゆる尾引きなどの残響異常が生じ、その結果、超音波デバイスの周波数特性が低下する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の一態様に係る超音波デバイスは、基板と、前記基板の一方側の面に設けられ、前記基板を振動させる超音波素子と、前記超音波素子を覆うように前記基板の前記一方側の面に接合された保護部材と、前記保護部材の前記基板側とは反対側に配置されたベース部材と、前記保護部材と前記ベース部材との間に設けられ、前記保護部材と前記ベース部材とを接合する接合部と、を備え、前記接合部の音響インピーダンスは、前記保護部材の音響インピーダンスより小さく、かつ、前記ベース部材の音響インピーダンスより小さい。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】本開示の一実施形態に係る超音波デバイスを用いた超音波計測装置の概略構成を示す模式図。
【図2】本実施形態の超音波デバイスの基板の概略構成を示す平面図。
【図4】実施例および比較例１，２の各構成を説明するための模式図。
【図5】実施例に係る超音波デバイスの周波数特性を示すグラフ。
【図6】比較例１に係る超音波デバイスの周波数特性を示すグラフ。
【図7】比較例２に係る超音波デバイスの周波数特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、本開示の一実施形態に係る超音波デバイスについて説明する。
図１は、本実施形態の超音波デバイス２０を含んだ超音波計測装置１００を示す模式図である。超音波計測装置１００は、制御部１０と、制御部１０により制御されて超音波の送受信を行う超音波デバイス２０とを備える。この超音波計測装置１００において、超音波デバイス２０は、対象物Ｗに向かって超音波を送信し、対象物Ｗで反射された超音波を受信する。制御部１０は、超音波デバイス２０による超音波の送信タイミングから受信タイミングまでの時間に基づいて、超音波デバイス２０から対象物Ｗまでの距離を算出する。
図１は、本実施形態の超音波デバイス２０を含んだ超音波計測装置１００を示す模式図である。超音波計測装置１００は、制御部１０と、制御部１０により制御されて超音波の送受信を行う超音波デバイス２０とを備える。この超音波計測装置１００において、超音波デバイス２０は、対象物Ｗに向かって超音波を送信し、対象物Ｗで反射された超音波を受信する。制御部１０は、超音波デバイス２０による超音波の送信タイミングから受信タイミングまでの時間に基づいて、超音波デバイス２０から対象物Ｗまでの距離を算出する。
【0008】
［制御部１０の構成］
まず、制御部１０について簡単に説明する。この制御部１０は、図１に示すように、スイッチング回路１１、シグナルグラウンド１２、送信回路部１３、受信回路部１４、およびマイコン１５（マイクロコントローラー）を備える。
まず、制御部１０について簡単に説明する。この制御部１０は、図１に示すように、スイッチング回路１１、シグナルグラウンド１２、送信回路部１３、受信回路部１４、およびマイコン１５（マイクロコントローラー）を備える。
【0009】
スイッチング回路１１は、超音波デバイス２０の後述する下部電極に電気的に接続されている。このスイッチング回路１１は、マイコン１５の制御に基づいて、送信回路部１３に接続される送信接続状態と、受信回路部１４に接続される受信接続状態とを切り替え可能である。
シグナルグラウンド１２は、超音波デバイス２０の後述する上部電極に電気的に接続されるグラウンドであり、上部電極を所定の基準電位に維持する。
シグナルグラウンド１２は、超音波デバイス２０の後述する上部電極に電気的に接続されるグラウンドであり、上部電極を所定の基準電位に維持する。
【0010】
送信回路部１３は、マイコン１５の制御により、駆動信号を生成し、超音波デバイス２０に出力する。これにより、超音波デバイス２０から対象物Ｗに向かって超音波が出力される。このとき、超音波デバイス２０は、対象物Ｗで反射された超音波を受信し、受信信号を出力する。
【0011】
受信回路部１４は、超音波デバイス２０から出力された受信信号を処理してマイコン１５に出力する。具体的には、受信回路部１４は、アンプ、コンパレーター等の回路を備え、受信信号を所定のゲインで増幅し、コンパレーターで信号電圧が閾値を超える信号のゼロクロス点を検出してゼロクロス検出パルスをマイコン１５に出力する。
【0012】
マイコン１５は、各種プログラムや各種データが記憶されるメモリー、および、メモリーに記憶されたプログラムの命令セットを実行するプロセッサーを含む。そして、マイコン１５は、メモリーに記憶されたプログラムをプロセッサーにより実行することで、超音波デバイス２０による超音波の送受信処理を制御したり、受信回路部１４から入力されるゼロクロス検出パルスに基づいて、超音波デバイス２０から対象物Ｗまでの距離を算出したりする。
【0013】
［超音波デバイス２０の構成］
図２は、超音波デバイス２０の基板２１の概略構成を示す平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ切断線に対応する超音波デバイス２０の断面図である。
図３に示すように、超音波デバイス２０は、正面２１Ａおよび背面２１Ｂを有する基板２１と、基板２１の背面２１Ｂ上に配置される圧電素子２２と、圧電素子２２を覆うように基板２１の背面２１Ｂに接合された保護部材２３と、保護部材２３の基板２１側とは反対側に固定されたベース部材２４とを備える。なお、図２では、保護部材２３およびベース部材２４等の図示が省略されている。また、基板２１と保護部材２３との間は、基板用接合部２５により接合され、保護部材２３とベース部材２４との間は、接合部２６（本発明の接合部に相当）により接合されている。
図２は、超音波デバイス２０の基板２１の概略構成を示す平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ切断線に対応する超音波デバイス２０の断面図である。
図３に示すように、超音波デバイス２０は、正面２１Ａおよび背面２１Ｂを有する基板２１と、基板２１の背面２１Ｂ上に配置される圧電素子２２と、圧電素子２２を覆うように基板２１の背面２１Ｂに接合された保護部材２３と、保護部材２３の基板２１側とは反対側に固定されたベース部材２４とを備える。なお、図２では、保護部材２３およびベース部材２４等の図示が省略されている。また、基板２１と保護部材２３との間は、基板用接合部２５により接合され、保護部材２３とベース部材２４との間は、接合部２６（本発明の接合部に相当）により接合されている。
【0014】
以下、基板２１および保護部材２３の積層方向をＺ方向とし、基板２１の正面２１Ａが対向する方向を＋Ｚ側とし、基板２１の背面２１Ｂが対向する方向を－Ｚ側とする。また、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に直交するＹ方向とする。
【0015】
図２に示すように、基板２１をＺ方向から見た平面視において、基板２１は、素子領域Ａｒ１および外周領域Ａｒ２を有する。素子領域Ａｒ１は、基板２１の中央部に位置しており、外周領域Ａｒ２は、素子領域Ａｒ１を囲うように位置している。素子領域Ａｒ１には、後述する超音波トランスデューサーＴｒがＸ方向およびＹ方向に沿って２次元アレイ状に配置されている。
【0016】
図３に示すように、基板２１は、基板本体部２１１と、基板本体部２１１に対して－Ｚ側に設けられた振動板２１２とを備える。基板本体部２１１は、振動板２１２を支持する部材であり、Ｓｉ等の半導体基板で構成される。この基板本体部２１１の素子領域Ａｒ１には、基板本体部２１１をＺ方向に貫通する複数の開口部２１１Ａが設けられている。複数の開口部２１１Ａは、Ｘ方向およびＹ方向に沿ってアレイ状に配置されている。
【0017】
振動板２１２は、例えばＳｉＯ２およびＺｒＯ２の積層体等より構成されている。振動板２１２は、開口部２１１Ａの－Ｚ側を閉塞するように、基板本体部２１１に積層されている。振動板２１２のうち開口部２１１ＡとＺ方向に重なる部分は、超音波の送受信を行う振動部２１２Ａを構成する。
【0018】
圧電素子２２は、基板２１の背面２１Ｂすなわち振動板２１２の－Ｚ側の面において、振動部２１２Ａに対応する領域にそれぞれ設けられている。この圧電素子２２は、振動部２１２Ａを振動させる超音波素子である。圧電素子２２の詳細な構成の図示は省略するが、例えば、圧電素子２２は、振動板２１２に順に積層される下部電極、圧電膜および上部電極により構成される。
【0019】
基板２１の各振動部２１２Ａと当該振動部２１２Ａ上に配置された圧電素子２２とは、それぞれ超音波トランスデューサーＴｒを構成する。超音波トランスデューサーＴｒでは、下部電極と上部電極との間に電圧が印加されると、圧電膜が伸縮することで、振動部２１２Ａが開口部２１１Ａの開口幅等に応じた発振周波数で振動する。これにより、発振周波数を中心とした周波数の超音波が振動部２１２Ａから送信される。
また、対象物Ｗで反射された超音波が振動部２１２Ａに入力されると、振動部２１２Ａが入力された超音波の音圧に応じた振幅で振動し、圧電膜の下部電極側と上部電極側との間で電位差が発生する。これにより、各圧電素子２２から当該電位差に応じた受信信号が出力される。
また、対象物Ｗで反射された超音波が振動部２１２Ａに入力されると、振動部２１２Ａが入力された超音波の音圧に応じた振幅で振動し、圧電膜の下部電極側と上部電極側との間で電位差が発生する。これにより、各圧電素子２２から当該電位差に応じた受信信号が出力される。
【0020】
保護部材２３は、基板２１の外周領域Ａｒ２において、基板２１の背面２１Ｂに対して接合部２６を介して接合されている。この保護部材２３は、例えばシリコン基板等により構成され、基板２１と略同一サイズの矩形状を有する。また、保護部材２３には、複数の凹部２３２が設けられている。各凹部２３２は、対応する１以上の振動部２１２Ａを収容する。保護部材２３の凹部２３２により、保護部材２３と圧電素子２２との間にはＺ方向の隙間空間が存在する。
また、保護部材２３において隣り合う凹部２３２同士の間の部位である壁部２３３は、基板用接合部２５を介して、基板２１において隣り合う振動部２１２Ａ同士の間の部位に接合されていてもよい。
また、保護部材２３において隣り合う凹部２３２同士の間の部位である壁部２３３は、基板用接合部２５を介して、基板２１において隣り合う振動部２１２Ａ同士の間の部位に接合されていてもよい。
【0021】
ベース部材２４は、接合部２６を介して、保護部材２３の－Ｚ側の面の全体に接合されている。このベース部材２４は、例えば回路基板であってもよいし、超音波デバイス２０の筐体に設けられる補強板などであってもよい。例えば、ベース部材２４が回路基板である場合には、ベース部材２４として、ガラスエポキシ基板などを利用できる。その他、ベース部材２４として、ステンレス、ポリイミド、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を利用できる。
また、ベース部材２４が回路基板である場合には、超音波トランスデューサーＴｒを制御するための制御部１０がベース部材２４に設けられてもよい。この場合、ベース部材２４は、保護部材２３に設けられた貫通電極やＦＰＣなど、任意の配線構造により基板２１上の端子に電気的に接続される。
また、ベース部材２４が回路基板である場合には、超音波トランスデューサーＴｒを制御するための制御部１０がベース部材２４に設けられてもよい。この場合、ベース部材２４は、保護部材２３に設けられた貫通電極やＦＰＣなど、任意の配線構造により基板２１上の端子に電気的に接続される。
【0022】
基板用接合部２５は、特に限定されないが、永久レジストやエポキシ樹脂等の接着剤を利用できる。
接合部２６は、エラストマーにより構成されることが好ましい。また、接合部２６の形態は、接着剤であってもよいし、粘着フィルムであってもよい。
ここで、接合部２６を構成するエラストマーとは、弾性を有する高分子材料である。接合部２６は、熱可塑性エラストマーであってもよいし、熱硬化性エラストマーであってもよい。特に、接合部２６は、粘弾性を有するゴム、例えばシリコーンなどであることが好ましい。
接合部２６は、エラストマーにより構成されることが好ましい。また、接合部２６の形態は、接着剤であってもよいし、粘着フィルムであってもよい。
ここで、接合部２６を構成するエラストマーとは、弾性を有する高分子材料である。接合部２６は、熱可塑性エラストマーであってもよいし、熱硬化性エラストマーであってもよい。特に、接合部２６は、粘弾性を有するゴム、例えばシリコーンなどであることが好ましい。
【0023】
本実施形態の超音波デバイス２０は、接合部２６の音響インピーダンスＺが保護部材２３の音響インピーダンスＺよりも小さく、かつ、ベース部材２４の音響インピーダンスＺよりも小さくなるように構成されている。なお、音響インピーダンスＺとは、音の伝搬のしやすさを数値で表すものであり、媒質の密度ρ（ｋｇ/ｍ３）および媒質中の音速ｃ（ｍ/ｓ）に基づいて、Ｚ＝ｐ・ｃにより求められる。
例えば、保護部材２３がシリコンである場合、保護部材２３の音響インピーダンスＺは、２２．４（１０６ｋｇ/（ｍ２・ｓ））である。また、第２接合部がシリコーンである場合、第２接合部の音響インピーダンスＺは１．５（１０６ｋｇ/（ｍ２・ｓ））である。また、ベース部がガラスエポキシ基板である場合、ベース部材の音響インピーダンスＺは５．１（１０６ｋｇ/（ｍ２・ｓ））である。
例えば、保護部材２３がシリコンである場合、保護部材２３の音響インピーダンスＺは、２２．４（１０６ｋｇ/（ｍ２・ｓ））である。また、第２接合部がシリコーンである場合、第２接合部の音響インピーダンスＺは１．５（１０６ｋｇ/（ｍ２・ｓ））である。また、ベース部がガラスエポキシ基板である場合、ベース部材の音響インピーダンスＺは５．１（１０６ｋｇ/（ｍ２・ｓ））である。
【0024】
また、接合部２６の厚さＴは、以下の式（１）を満たすことが好ましい。ここで、Ｃは、接合部２６における音速であり、Ｆは、振動部２１２Ａから送信される超音波の中心周波数である。
Ｔ≧Ｃ／Ｆ ・・・式（１）
例えば、接合部２６がシリコーンから構成される場合、接合部２６における音速は１４８５ｍ／秒である。振動部２１２Ａから送信される超音波の中心周波数が７ＭＨｚである場合、式（１）により、接合部２６の厚さＴは、２１２μｍ以上であることが好ましい。
なお、接合部２６の厚さＴの上限は特に限定されないが、製造上、保護部材２３とベース部材との間を接合する機能を実現しつつ、均一な厚みを実現できる厚さであればよい。
Ｔ≧Ｃ／Ｆ ・・・式（１）
例えば、接合部２６がシリコーンから構成される場合、接合部２６における音速は１４８５ｍ／秒である。振動部２１２Ａから送信される超音波の中心周波数が７ＭＨｚである場合、式（１）により、接合部２６の厚さＴは、２１２μｍ以上であることが好ましい。
なお、接合部２６の厚さＴの上限は特に限定されないが、製造上、保護部材２３とベース部材との間を接合する機能を実現しつつ、均一な厚みを実現できる厚さであればよい。
【0025】
［本実施形態の効果］
本実施形態の超音波デバイス２０では、超音波トランスデューサーＴｒが超音波を送信する際、基板２１の正面２１Ａ側から超音波が送信されるだけでなく、図３の矢印Ｃに示すように、基板２１の背面２１Ｂ側から保護部材２３に振動が伝搬される。保護部材２３に伝搬した振動の一部は、保護部材２３と接合部２６との界面、接合部２６とベース部材２４との界面、および、ベース部材２４と空気との界面のいずれかで反射した後、超音波トランスデューサーＴｒに戻ってくる。このような振動が対象物Ｗで反射された超音波による超音波トランスデューサーＴｒの振動に遅れて重畳されると、尾引きなどの残響異常が生じ、超音波デバイスの周波数特性が低下する。そこで、本実施形態は、超音波トランスデューサーＴｒに戻ってくる振動の割合を抑制することで、超音波デバイス２０の周波数特性を向上させるものである。
本実施形態の超音波デバイス２０では、超音波トランスデューサーＴｒが超音波を送信する際、基板２１の正面２１Ａ側から超音波が送信されるだけでなく、図３の矢印Ｃに示すように、基板２１の背面２１Ｂ側から保護部材２３に振動が伝搬される。保護部材２３に伝搬した振動の一部は、保護部材２３と接合部２６との界面、接合部２６とベース部材２４との界面、および、ベース部材２４と空気との界面のいずれかで反射した後、超音波トランスデューサーＴｒに戻ってくる。このような振動が対象物Ｗで反射された超音波による超音波トランスデューサーＴｒの振動に遅れて重畳されると、尾引きなどの残響異常が生じ、超音波デバイスの周波数特性が低下する。そこで、本実施形態は、超音波トランスデューサーＴｒに戻ってくる振動の割合を抑制することで、超音波デバイス２０の周波数特性を向上させるものである。
【0026】
具体的には、本実施形態の超音波デバイス２０では、上述したように、接合部２６の音響インピーダンスが保護部材２３の音響インピーダンスより小さく、かつ、ベース部材２４の音響インピーダンスより小さい。このような構成では、保護部材２３と接合部２６との間、および、接合部２６とベース部材２４との間のそれぞれにおいて、音響インピーダンスのギャップが存在する。すなわち、接合部２６は、音響インピーダンスのギャップを成す部材によって挟まれている。これにより、保護部材２３から接合部２６に伝搬した振動が接合部２６内で多重反射し、この振動のエネルギーが接合部２６内に閉じ込められる間に散逸される。よって、超音波トランスデューサーＴｒに戻ってくる振動の割合を抑制でき、超音波デバイス２０の周波数特性を向上できる。その結果、超音波デバイス２０を利用した超音波計測装置１００による測定精度を向上できる。
【0027】
また、本実施形態の接合部２６は、エラストマーにより構成されている。エラストマーは、接合部２６内に閉じ込められた振動のエネルギーを好適に散逸させることができるため、超音波デバイス２０の周波数特性を好適に向上できる。
【0028】
また、本実施形態の接合部２６の厚さＴは、接合部２６における音速を、振動部２１２Ａから送信される超音波の中心周波数で除した値以上である。このような構成によれば、接合部２６内で振動を好適に多重反射させることができる。
【0029】
以下、本実施形態の超音波デバイス２０の効果について、実施例および比較例１，２を用いて説明する。なお、実施例に係る超音波デバイスは、上述した超音波デバイス２０に対応する構成を有する。
【0030】
図４は、実施例および比較例１，２に係る各超音波デバイスを模式的に示す図である。
実施例は、超音波を送受信するチップ３０（本実施形態の基板２１および圧電素子２２に対応）と、チップ３０の背面上に積層されかつエラストマー以外の樹脂から構成された第１樹脂層３１（保護部材２３に対応）と、第１樹脂層３１上に積層されたエラストマー層３２（接合部２６に対応）と、エラストマー層３２上に積層されかつエラストマー以外の樹脂から構成された第２樹脂層３３（ベース部材２４に対応）とを有する。第２樹脂層３３のチップ３０側とは反対側には空気層が存在する。
ここで、チップ３０の音響インピーダンスをＺＡとし、第１樹脂層３１の音響インピーダンスをＺＢとし、エラストマー層３２の音響インピーダンスをＺＣとし、第２樹脂層３３の音響インピーダンスをＺＤとし、空気の音響インピーダンスをＺＥとする。
実施例において、各層の音響インピーダンスの関係は、ＺＡ＞ＺＢ＞ＺＣ＜ＺＤ＞ＺＥとなる。すなわち、エラストマー層３２は、第１樹脂層３１の音響インピーダンスより小さく、かつ、第２樹脂層３３の音響インピーダンスより小さい。
実施例は、超音波を送受信するチップ３０（本実施形態の基板２１および圧電素子２２に対応）と、チップ３０の背面上に積層されかつエラストマー以外の樹脂から構成された第１樹脂層３１（保護部材２３に対応）と、第１樹脂層３１上に積層されたエラストマー層３２（接合部２６に対応）と、エラストマー層３２上に積層されかつエラストマー以外の樹脂から構成された第２樹脂層３３（ベース部材２４に対応）とを有する。第２樹脂層３３のチップ３０側とは反対側には空気層が存在する。
ここで、チップ３０の音響インピーダンスをＺＡとし、第１樹脂層３１の音響インピーダンスをＺＢとし、エラストマー層３２の音響インピーダンスをＺＣとし、第２樹脂層３３の音響インピーダンスをＺＤとし、空気の音響インピーダンスをＺＥとする。
実施例において、各層の音響インピーダンスの関係は、ＺＡ＞ＺＢ＞ＺＣ＜ＺＤ＞ＺＥとなる。すなわち、エラストマー層３２は、第１樹脂層３１の音響インピーダンスより小さく、かつ、第２樹脂層３３の音響インピーダンスより小さい。
【0031】
比較例１は、チップ３０と、チップ３０の背面上に積層された第１樹脂層３１とを有する。第１樹脂層３１のチップ３０側とは反対側には空気層が存在する。
比較例１において、各層の音響インピーダンスの関係は、ＺＡ＞ＺＢ＞ＺＥとなる。比較例１では、第１樹脂層３１は、音響インピーダンスのギャップによって挟まれているが、第１樹脂層３１の音響インピーダンスは隣接する空気層の音響インピーダンスよりも大きい。
比較例１において、各層の音響インピーダンスの関係は、ＺＡ＞ＺＢ＞ＺＥとなる。比較例１では、第１樹脂層３１は、音響インピーダンスのギャップによって挟まれているが、第１樹脂層３１の音響インピーダンスは隣接する空気層の音響インピーダンスよりも大きい。
【0032】
比較例２は、チップ３０と、チップ３０の背面上に積層された第１樹脂層３１と、第１樹脂層３１上に積層された第２樹脂層３３とを有する。第２樹脂層３３のチップ３０側とは反対側には空気層が存在する。
比較例２において、各層の音響インピーダンスの関係は、ＺＡ＞ＺＢ＝ＺＤ＞ＺＥとなる。比較例２では、第１樹脂層３１および第２樹脂層３３は、音響インピーダンスのギャップによって挟まれているが、第２樹脂層３３の音響インピーダンスは隣接する空気層の音響インピーダンスよりも大きい。
比較例２において、各層の音響インピーダンスの関係は、ＺＡ＞ＺＢ＝ＺＤ＞ＺＥとなる。比較例２では、第１樹脂層３１および第２樹脂層３３は、音響インピーダンスのギャップによって挟まれているが、第２樹脂層３３の音響インピーダンスは隣接する空気層の音響インピーダンスよりも大きい。
【0033】
図５は、実施例にかかる超音波デバイスの周波数特性を示す図である。図５に示すように、実施例にかかる超音波デバイスは、２．３ＭＨｚ付近を中心周波数とした超音波を送受信するものであり、その周波数特性として、中心周波数から離れる程、振幅が緩やかに小さくなる様子が現れる。この実施例では、後述する比較例のようなディップＤの発生が抑制されている。
【0034】
一方、図６，図７は、それぞれ比較例１，２にかかる各超音波デバイスの周波数特性を示す図である。なお、比較例１，２にかかる超音波デバイスでは、実施例にかかる超音波デバイスと同様、２．３ＭＨｚ付近を中心周波数とした超音波を送受信するものとする。図６，図７に示すように、比較例１，２にかかる超音波デバイスでは、局所的に振幅が落ち込む周波数帯（いわゆるディップＤ）が現れる。このようなディップＤは、チップ３０の背面から伝搬した振動が空気層に到達するまでのいずれかの界面で反射し、チップ３０の正面で受信される超音波による振動に重畳し、ある周波数帯において互いに打ち消し合うためと考えられる。すなわち、このようなディップＤが存在する場合には、チップ３０の背面から伝搬した振動による尾引きが生じると考えられる。
【0035】
以上の実施例および比較例１，２を検討すると、実施例は、隣接する第１樹脂層３１および第２樹脂層３３よりも音響インピーダンスの小さいエラストマー層３２を有することにより、ディップＤの発生を抑制できると考えられる。本実施形態の超音波デバイス２０は、実施例のエラストマー層３２に対応する接合部２６を有するため、実施例と同様、ディップＤの発生を抑制できる。すなわち、本実施形態の超音波デバイス２０によれば、広い周波数範囲における周波数特性を向上できる。
【0036】
［変形例］
本発明は上述の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および改良によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
本発明は上述の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および改良によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
【0037】
上記実施形態では、送受一体型の超音波トランスデューサーＴｒを備える超音波デバイス２０について説明しているが、超音波送信部として機能する送信用超音波トランスデューサーと、超音波受信部として機能する受信用超音波トランスデューサーとがそれぞれ別体として設けられる構成としてもよい。
【0038】
上記実施形態では、超音波デバイス２０を利用した電子機器として、超音波計測装置１００を例示しているが、超音波デバイス２０は、生体診断装置など、任意の電子機器に組み込むことができる。
【0039】
上記実施形態では、超音波素子として、振動部２１２Ａに積層された下部電極、圧電体、および上部電極を備える圧電素子２２を例示したが、これに限定されない。超音波素子は、所定周期で振動部２１２Ａを振動させる構成であればよく、各種振動素子を適用することができる。
【0040】
上記実施形態では、接合部２６が保護部材２３の－Ｚ側の全面に配置されているが、接合部２６が保護部材２３の－Ｚ側の面の少なくとも一部に配置されていればよい。
【0041】
上記実施形態において、接合部２６は、エラストマーにより構成されることが好ましいと説明されているが、音響インピーダンスの条件を満たすことができれば、エラストマー以外の材料により構成されてもよい。また、上記実施形態において、接合部２６の厚さＴの好ましい下限について説明されているが、当該下限よりも小さくてもよい。このような構成においても、接合部２６を音響インピーダンスのギャップで挟むことによる効果を得ることができる。
【0042】
［本開示のまとめ］
本開示の第一態様に係る超音波デバイスは、基板と、前記基板の一方側の面に設けられ、前記基板を振動させる超音波素子と、前記超音波素子を覆うように前記基板の前記一方側の面に接合された保護部材と、前記保護部材の前記基板側とは反対側に配置されたベース部材と、前記保護部材と前記ベース部材との間に設けられ、前記保護部材と前記ベース部材とを接合する接合部と、を備え、前記接合部の音響インピーダンスは、前記保護部材の音響インピーダンスより小さく、かつ、前記ベース部材の音響インピーダンスより小さい。
このような構成によれば、接合部は、音響インピーダンスのギャップを成す部材によって挟まれている。これにより、保護部材から接合部に伝搬した振動が接合部内で多重反射し、この振動のエネルギーが接合部内に閉じ込められる間に散逸される。よって、保護部材から基板に戻ってくる振動の割合を抑制でき、超音波デバイスの周波数特性を向上できる。
本開示の第一態様に係る超音波デバイスは、基板と、前記基板の一方側の面に設けられ、前記基板を振動させる超音波素子と、前記超音波素子を覆うように前記基板の前記一方側の面に接合された保護部材と、前記保護部材の前記基板側とは反対側に配置されたベース部材と、前記保護部材と前記ベース部材との間に設けられ、前記保護部材と前記ベース部材とを接合する接合部と、を備え、前記接合部の音響インピーダンスは、前記保護部材の音響インピーダンスより小さく、かつ、前記ベース部材の音響インピーダンスより小さい。
このような構成によれば、接合部は、音響インピーダンスのギャップを成す部材によって挟まれている。これにより、保護部材から接合部に伝搬した振動が接合部内で多重反射し、この振動のエネルギーが接合部内に閉じ込められる間に散逸される。よって、保護部材から基板に戻ってくる振動の割合を抑制でき、超音波デバイスの周波数特性を向上できる。
【0043】
本態様に係る超音波デバイスにおいて、前記接合部は、エラストマーによって構成されていることが好ましい。これにより、接合部内に閉じ込められた振動のエネルギーを好適に散逸させることができる。
【0044】
本態様に係る超音波デバイスにおいて、前記接合部は、エラストマーによって構成され前記第２接合部の厚さは、前記接合部における音速を、前記超音波素子により前記基板から送信される超音波の中心周波数で除した値以上であることが好ましい。このような構成によれば、接合部内で振動を好適に多重反射させることができる。
【符号の説明】
【0045】
１０…制御部、１１…スイッチング回路、１２…シグナルグラウンド、１３…送信回路部、１４…受信回路部、１５…マイコン、２０…超音波デバイス、２１…基板、２１１…基板本体部、２１１Ａ…開口部、２１２…振動板、２１２Ａ…振動部、２１Ａ…正面、２１Ｂ…背面、２２…圧電素子、２３…保護部材、２３２…凹部、２３３…壁部、２４…ベース部材、２５…基板用接合部、２６…接合部、３０…チップ、３１…第１樹脂層、３２…エラストマー層、３３…第２樹脂層、１００…超音波計測装置、Ａｒ１…素子領域、Ａｒ２…外周領域、Ｄ…ディップ、Ｔｒ…超音波トランスデューサー、Ｗ…対象物。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】