JPH07101960B2 - 超音波トランスジューサ実装筐体および実装方法 - Google Patents

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ーサは、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一種であり、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成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〜数十μｍの深さをもつ複数
個の穴が機械加工により形成されている。この穴の上面
には、厚さ６〜20数μｍ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
構成されており、一方、７はハウジング３と一体に構成
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１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
11と電気的要素12とで構成されている。機械的要素11
は、振動板11aと固定板11bから構成されており、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が振動板11aを、アルミ合金の板１が固
定板11bを、それぞれ、構成している。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1
3、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11b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と固定板11b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
ス電圧13と逆の場合には、直流バイアス電圧から信号電
圧を差し引いた電圧が振動板11aと固定板11bの間に加わ
るため、振動板11aのたわみは無信号時より小さくな
る。したがって、発振回路16の信号電圧を周期的に変化
させると、振動板11a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、増
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11b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−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、帯域制限すること
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11b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リコン
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ッチン
グ穴22上に酸化膜23を介して固定電極24を形成し、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電極27を張り付け、微小なエッチン
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小穴を形成することが
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21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、開口部の一辺が数十μｍ□程
度の正方形の微小なエッチング穴22を形成する（第７図
（ａ））。次に酸化膜28を完全に除去し、新たに熱酸化
により酸化膜23を成長した後、その上にアレイ状にアル
ミニウムの固定電極24を形成する（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、セラミックパッケージ20にダイボンディングさ
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〜数十μｍ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、従来のセラミックパ
ッケージ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およびボンディ
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
形のアルミ合金の板１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トランスジ
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ィングワイヤ
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、前
記有機体薄膜の両端を入れるために前記筐体に形成され
た溝と、前記溝中に配置され前記有機体薄膜の上に置か
れる弾性体の棒と、前記筐体にねじ止めされることによ
って前記有機体薄膜および前記弾性体の棒を押さえて有
機体薄膜を固定する押さえ板と、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し固定するプリン
ト支持部と、前記プリント基板を支持すると共に前記有
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前記筐体に
収容し固定するプリント支持部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、前記プリント基板よりも
長い板ばねと、筐体の両側面に設けられた該板ばねを挿
入するための板ばね挿入ガイドとで構成され、前記板ば
ね挿入ガイドに前記板ばねを差込んで前記板ばねを湾曲
させることによって、プリント基板を支持するとともに
前記有機体薄膜を押しつける構成よりなる。

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
グパッドやボンディ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）は該筐体のＡ−Ａ矢視断面図、
（ｃ）は該筐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Ｖ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
小穴37が形成されている。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32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成する矩形の有機体
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棒と押さえ板を
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
筐体内に収容される。

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から見た図、
（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、41
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は板ねじを、それぞれ示してい
る。また、第１図と同一符号を付した構成要素は、第１
図と同一の構成要素を示している。

本実施例は実装方法では、まず有機体薄膜41をＶ溝34中
にいれ、その上にゴムの丸棒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成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、Ｖ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46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41、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板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パッドやボンディング
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、デバイスを構成する有機体薄膜、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棒を用い
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、かつ、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成図、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）は従来のシリコン超音波トラ
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……板ばね、6,7……電極
端子、11……機械的要素、11a……振動板、11b……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……振動電極、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……ストッパ領域、33……プリント
基板支持部、34……Ｖ溝、35……ねじ穴、36……板ばね
挿入ガイド、37……微小穴、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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、前記有機体薄膜の両端を入れるため
   に前記筐体に形成された溝と、前記溝中に配置され前記
   有機体薄膜の上に置かれる弾性体の棒と、前記筐体にね
   じ止めされることによって前記有機体薄膜および前記弾
   性体の棒を押さえて有機体薄膜を固定する押さえ板と、
   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
   収容し固定するプリント支持部と、前記プリント基板を
   支持すると共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. 【請求項２】前記半導体基板が搭載されたプリント基板
   を筐体に収容し固定するプリント支持部が、該筐体に形
   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
   ーサ実装筐体。
3. 【請求項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、前記プリント基板より
   も長い板ばねと、筐体の両側面に設けられた該板ばねを
   挿入するための板ばね挿入ガイドとで構成され、前記板
   ばね挿入ガイドに前記板ばねを差込んで前記板ばねを湾
   曲させることによって、プリント基板を支持するととも
   に前記有機体薄膜を押しつける構成よりなる請求項１ま
   たは２記載の超音波トランスジューサ実装筐体。
4. 【請求項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記載の実装筐体に実装する方法であって、前記有機
   体薄膜の両側を筐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当て前記ガ
   イドに前記板ばね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。