水中用超音波アレイセンサ
【課題】圧電型薄膜センサの耐久性（防水・防圧性）を高め、水中用超音波アレイセンサを提供する。
【解決手段】ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサ１において、超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護される。そして、超音波アレイセンサ１の一部に、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０と導通する導通孔３２が設けられる。又は、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０に油または水などの難圧縮性液体が封入される。又は、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０に樹脂が充填される。
【解決手段】ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサ１において、超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護される。そして、超音波アレイセンサ１の一部に、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０と導通する導通孔３２が設けられる。又は、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０に油または水などの難圧縮性液体が封入される。又は、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０に樹脂が充填される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサに関し、特に、水中用として使用可能な耐圧構造に優れた超音波アレイセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から実用化されている超音波センサとしては、圧電体のバルクセラミックスを用いたものが主流である。しかし、小型化の要請があるものの、数ｃｍ程度のスケールで多素子アレイ化は困難であるという問題がある。小型で多素子アレイ化が可能なバルクセラミックスのセンサも市場に出始めているものの、現状非常に高価でありコスト的な問題がある。そのため、このバルクセラミックスに代わるものとして、シリコンマイクロマシニング技術を用いたダイアフラム上に種々のタイプの超音波センサが作製されており、ピエゾ抵抗型や、コンデンサマイクロフォン型、圧電型が研究開発されている。
【０００３】
特に近年、所定の共振周波数を有し超音波を検出可能な圧電型トランスデューサにてなる複数の超音波センサ素子を所定の２次元アレイ状に配置した超音波アレイセンサを用いて、電子走査による物体の三次元計測画像を得ることが実用化されている。このような超音波アレイセンサでは、各々の超音波センサ素子からの出力信号を処理することにより、機械的走査部をなくし、超音波センサ素子自身は固定したままで電気的に計測方位を走査することが可能である。
【０００４】
この圧電型として、空中用と水中用のそれぞれで圧電型薄膜センサが研究されている。空中用としては、空気中での三次元計測を目指した圧電薄膜を用いたマイクロ超音波アレイセンサが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。また、水中用としては、非特許文献１に開示されているものが知られている。
かかる圧電型薄膜センサは、作製プロセスの簡略化、マスク枚数の低減化、歩留まり及び信頼性の向上によるコスト低下が見込まれ、実用化・量産化に適した方式である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８４１８２号公報
【特許文献２】特開２００５−１６７８２０号公報
【非特許文献１】J.J. Bernstein et al., "Micromachined High FrequencyFerroelectric Sonar Transducers", IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Freq. Control, Vol. 44, pp. 960-969, 1997.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように圧電型薄膜センサは、実用化・量産化に適した方式であるが、そのままでは水中で使用できるようにするための対策が十分ではないといった問題がある。
すなわち、以下の問題点が挙げられる。
第１の問題点は、薄膜センサ自体の耐力の問題である。薄膜センサは数ミクロン程度の厚さであり、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避する手立てを講じなければならない。薄膜センサの厚みを厚くしてそれ自身で耐圧性を持たせたものがあるが、感度が悪く、また耐圧性に不安が残る。
第２の問題点は、薄膜センサ表面の問題である。薄膜センサ素子上の上部電極や配線パッド、ステムのピンやボンディング配線が外部に露出しているため、これらが水中で水に直接触れるのを回避する手立てを講じなければならない。
第３の問題点は、センサ出力の増幅系や信号処系などの後段の回路部が水中で動作可能となっていない点である。
【０００７】
上記の問題点に鑑み、本発明は、圧電型薄膜センサの耐久性を高めて、水中用超音波アレイセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、種々の試作品を作製し、改良を重ねた結果、本発明に係る水中用超音波アレイセンサを完成した。
本発明の第１の観点からは、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）超音波アレイセンサの一部に、超音波アレイセンサの背面スペースと導通する導通孔が設けられた水中用超音波アレイセンサが提供される。
【０００９】
かかる第１の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、周縁部が樹脂モールド成形により保護され、かつ、背面スペースと導通する導通孔が設けられていることで、超音波アレイセンサの耐久性を高めることができ、水中用として用いることができる。
ここで、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサとは、薄板構造としてダイアフラム（円形若しくは四辺）形状を用い、その上に複数の圧電型トランスデューサからなる超音波センサ素子を所定間隔で並設したものである。この薄板構造は、公知の通り、その材質及び寸法が同じであれば、正方形板において各超音波センサ素子の共振周波数には一定の関係が成立する。また、同形状の薄板構造の場合、各超音波センサ素子の共振周波数は、薄板構造の一辺の長さの二乗に反比例して低くなるといった特性がある。
【００１０】
本発明の第１の観点においては、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護されている。
ここで、超音波アレイセンサの周縁部とは、上部電極配線パッドからボンディングワイアを経て、ステムのピンまでの領域をいう。この超音波アレイセンサの周縁部を樹脂モールド成形することで、ステムとのボンディング部分の保護を図ることとしている。なお、具体的には、エポキシ樹脂によりモールドしている。
【００１１】
また、本発明の第１の観点においては、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、超音波アレイセンサの一部に、超音波アレイセンサの背面スペースと導通する導通孔が設けられている。
かかる超音波アレイセンサの一部に、超音波アレイセンサの背面スペースと導通する導通孔を設けることにより、薄膜構造であるダイアフラム構造の表面と裏面とを均圧とすることができ、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避することができる。超音波アレイセンサの一部とは、例えば、表面露出部の一部に導通孔を設けたり、横から導通孔をあけたりすることで対応する。なお、導通孔にはフィルタ機能を持たせて、孔から塵などが背面スペースに入らないようにすることが好ましい。
【００１２】
次に、本発明の第２の観点からは、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）超音波アレイセンサの背面スペースに油または水などの難圧縮性液体が封入された水中用超音波アレイセンサが提供される。
第２の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、周縁部が樹脂モールド成形により保護され、かつ、背面スペースに油または水などの難圧縮性液体が封入されていることで、超音波アレイセンサの耐久性を高めることができ、水中用として用いることができる。
第２の観点の水中用超音波アレイセンサは、第１の観点の水中用超音波アレイセンサと異なり、超音波アレイセンサの背面スペースに油または水などの難圧縮性液体が封入された構成を有する。かかる構成により、薄膜センサ自体の耐力を高め、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避できる。
【００１３】
次に、本発明の第３の観点からは、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）超音波アレイセンサの背面スペースに樹脂が充填された水中用超音波アレイセンサが提供される。
第３の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、周縁部が樹脂モールド成形により保護され、かつ、背面スペースに樹脂が充填されていることで、超音波アレイセンサの耐久性を高めることができ、水中用として用いることができる。
第３の観点の水中用超音波アレイセンサは、第１の観点の水中用超音波アレイセンサと異なり、超音波アレイセンサの背面スペースに樹脂が充填された構成を有する。かかる構成により、薄膜センサ自体の耐力を高め、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避できる。
【００１４】
上記の第２の観点および第３の観点の水中用超音波アレイセンサにおいては、薄膜センサの背面（背圧側）に均圧のため流体、プラスチックなどを充填している。かかる場合、超音波の背面での反射波に減衰が生じることとなる。この薄膜センサの背面での超音波の発生は、それが信号源となって波形の解析の障害となるか否かの観点から考察した場合、超音波の背面での反射波に生じる減衰は好ましい結果を招くことになる。一般的に、バルクセンサでは、背面にダンパ材が貼付けてあり、圧電素子に生じた振動を強制的に押さえ込んで（ダンピングをかけて）、パルス幅を小さく（波数を少なく）して時間分解能を高めている。
上記の第２の観点および第３の観点の水中用超音波アレイセンサは、薄膜センサの背面に、流体、プラスチックなどの充填材が設けられており、これらの充填材によりダンピング効果を同時に得ることができるのである。
【００１５】
次に、本発明の第４の観点からは、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）超音波アレイセンサの背面スペースに作動流体が封入され、背面スペース内部と外部との間を連通する連通部を設け、伸縮吸収用のベローズを付設した水中用超音波アレイセンサが提供される。
第４の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、周縁部が樹脂モールド成形により保護され、かつ、背面スペース内部と外部との間を連通する連通部が設けられ、その連通部に伸縮吸収用のベローズが付設されることで、超音波アレイセンサの耐久性を高めることができ、水中用として用いることができる。
第４の観点の水中用超音波アレイセンサは、第１の観点の水中用超音波アレイセンサと異なり、超音波アレイセンサの背面スペースに作動流体が封入され、背面スペース内部と外部との間を連通する連通部を設け、伸縮吸収用のベローズを付設した構成を有する。かかる構成により、薄膜センサ自体の耐力を高め、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避できる。
【００１６】
次に、本発明の第５の観点からは、上述した第１の観点から第４の観点の超音波アレイセンサにおいて、それぞれの超音波アレイセンサ素子の表面に、ポリイミド、サイトップ、パリレンの群から選択される１種または２種以上の表面保護層がコーティングされた水中用超音波アレイセンサが提供される。
第５の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、素子表面に表面保護層がコーティングされていることから、薄膜センサの表面（信号受信側）の耐環境性を向上させることができる。
【００１７】
本発明の水中用超音波アレイセンサでは、流体を伝搬する超音波の振動をセンサダイアフラムの撓み振動としてとらえる。かかる場合、減衰や界面での反射波について考える必要はなく、第５の観点の水中用超音波アレイセンサのようにコーティングが存在する場合、かかるコーティングの存在が薄膜の振動に影響を及ぼすか否かが問題となる。また、薄膜が振動することによって、コーティングに剥離が生じて、超音波の発生状況に変化が生じる可能性があるといった問題がある。
本発明の水中用超音波アレイセンサでは、まずセンサダイアフラムを構成する部材に比べて十分に柔軟なコーティング材料を用いることにより薄膜の振動に影響を及ぼさないようにしている。またコーティング膜の形成過程を工夫することによりコーティングが剥離することを防いでいる。
【００１８】
なお、さらに汚れなど薄膜センサの表面保護のために、プラスチックのフィルム、シートなどでカバーを設けてもよい。この場合に、薄膜センサの表面に若干の隙間をあけてフィルム又はシートのカバーが存在するため、薄膜センサの表面に液体の薄い層とカバー材の薄い層が連続することになり、超音波の伝搬の障害になる可能性が生じる。材料としては水と同じ音響インピーダンスのカバー材を用いることで、かかる影響はほとんどなくなるものの、プラスチックのフィルム、シートなどの固体材料で水と同じ音響インピーダンスを有する材料は現状見当たらない。両者の音響インピーダンスの差が大きいほど、界面での反射率が大きくなり、その影響が著しくなってしまう。それ以上に媒質中での波長以下の厚さの層が超音波の伝搬経路に存在すると、その層で多重反射を起こしてそれが干渉して振幅に大きく影響する可能性もある。例えば、層の厚さが波長の１／４の場合、多重反射した音波がお互いに弱めあって、著しく振幅が低下する可能性がある。このことから、カバー材の層の厚さは、波長を無視できるほど大きいか小さいかいずれかを選択することが好ましい態様である。
【００１９】
次に、本発明の第６の観点からは、上述した第１の観点から第５の観点の超音波アレイセンサにおいて、下記１）〜４）の特徴を備えた水中用超音波アレイセンサが提供される。
１）周縁部と超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングを設ける。
２）周縁部とケーシングとの隣接部に弾力性のある部材からなるＯリングを介在させ、周縁部とケーシングとの間をシールする。
３）超音波アレイセンサの背面部であってケーシング内部の空間に油充填層を設ける。
４）ケーシング内部の油充填層とケーシング外部の圧力調整する均圧調整手段を設ける。
【００２０】
かかる第６の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、現状の超音波アレイセンサのセンサ出力の増幅系や信号処系などの後段の回路部が水中で動作可能となっていないといった問題点を克服し、回路部を防水・耐圧構造とし、高圧下、水中下で、回路部を動作させることができる。
ここで、樹脂モールド成形は、エポキシ樹脂によるプラスチックモールド成形であることが好ましい。
また好ましくは、均圧調整手段は、伸縮吸収用のベローズを付設すると共に、ケーシング内部の油充填層とケーシング外部との間を連通する連通部を設けたものである態様とする。
【００２１】
次に、本発明の第７の観点からは、上述した第１の観点から第５の観点の超音波アレイセンサにおいて、下記１）〜２）の特徴を備えた水中用超音波アレイセンサが提供される。
１）周縁部と超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングを設ける。
２）超音波アレイセンサの背面部であってケーシング内部の空間に樹脂モールドを充填する。
【００２２】
かかる第７の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、現状の超音波アレイセンサのセンサ出力の増幅系や信号処系などの後段の回路部が水中で動作可能となっていないといった問題点を克服し、回路部を防水・耐圧構造とし、高圧下、水中下で、回路部を動作させることができる。
また、第７の観点の水中用超音波アレイセンサは、第６の観点の水中用超音波アレイセンサとは異なり、背面部のケーシング空間に、均圧油を充填するのではなく、樹脂をケーシング内に充填モールドするので、超音波アレイセンサはケーシングと固体の一体となる。このため、外水圧に対して強固に耐えることができるとともに、第６の観点の水中用超音波アレイセンサの構造で必要であったOリングによるシールや均圧ベローズが不要になるといった利点がある。
【００２３】
なお、上述した第１の観点から第７の観点の超音波アレイセンサにおいて、圧電型トランスデューサは、具体的には、電極に挟まれた圧電体を配置してキャパシタ構造とし、超音波振動により圧電的に生じた分極変化を、キャパシタを通じて電圧として取り出すものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の水中用超音波アレイセンサによれば、薄膜センサ自体の耐力性を向上させ、薄膜センサ表面および背面側の回路部を防水・耐圧構造とし、高圧下、水中下において超音波アレイセンサを使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。ただし、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更および変形が可能である。
【００２６】
先ず、本発明の実施形態において、超音波アレイセンサを構成するそれぞれの超音波センサ素子について説明する。以下の実施形態で用いる超音波センサ素子は、薄膜状のダイアフラム構造上に、電極に挟まれた圧電体を配置してキャパシタ構造とし、超音波振動により圧電的に生じた分極変化をこのキャパシタを通じて電圧として取り出すようになっている。ここで圧電体材料としては、強誘電体であるＰＺＴ(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)セラミックス薄膜層を用いている。かかる圧電体はそれ自身が分極変化を生ずるので、静電型センサのように非常に狭い空隙を隔てた対向電極を形成する必要がなく、複雑な構造を必要としない。従って、この超音波センサ素子は、作製プロセスの簡略化、マスク枚数の低減化、歩留まり及び信頼性の向上によるコスト低下が見込まれ、実用化や量産化に適したものである。
【００２７】
図１は、従来から知られている超音波アレイセンサ装置の断面図の一例を示している。超音波アレイセンサ装置は、超音波アレイセンサ１と、それを設置するステム９と、回路部２と、（図示しない）信号処理部から構成される。
超音波アレイセンサ１は、ステム９上に支持具（７ａ，７ｂ）を介して配設されている。超音波アレイセンサ１自体は、薄板構造としてダイアフラム（四辺固定）形状を呈しており、その周囲にそって支持具（７ａ，７ｂ）が形成されている。
この超音波アレイセンサ１で超音波信号を受信すると、圧電信号として処理され、超音波アレイセンサ１のパターン配線を経由して、圧電信号がボンディングワイヤ（６ａ，６ｂ）から引き出される。
ボンディングワイヤ（６ａ，６ｂ）からピン（５ａ〜５ｄ）を経て、回路部２に電線（８ａ，８ｂ）が送られている。回路部２は、通常ケーシングで覆われており、そのケーシング内部のスペースを用いて、電線（８ａ，８ｂ）やプリアンプ回路等の回路が収納されている。電線（８ａ，８ｂ）は回路部２内で集束され、信号ケーブル３となって、ケーブル接続部４から外部の（図示しない）信号処理部に接続されている。
【００２８】
ここで、図１に示すように、超音波アレイセンサ１とステム９の間（超音波アレイセンサ１の裏側）には、薄い層状の空間３０が形成されている。水中用として超音波アレイセンサ装置を使用する場合、この層状の空間３０が存在すると、水圧で簡単に超音波アレイセンサ１に歪が生じたり、ひどい場合は破損することになる。
【００２９】
次に、超音波アレイセンサ１の素子構造について、図２を参照して説明する。図２は、図１の断面模式図で矢印Ａが指し示す点線部分の拡大図である。図２において、超音波センサ素子２０においては、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ
Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有するＳｉ半導体基板を裏面から、ＥＰＷ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ Ｐｙｒｏｃａｔｅｃｈｏｌ Ｗａｔｅｒ；エチレンジアミンとピロカテコールと水との混合液）による異方性エッチング法を用いてエッチングを行うことにより、０．７ｍｍ角のダイアフラム構造を作製する。また、圧電層としては強誘電体のＰＺＴセラミックス薄膜層１７を用いる。
【００３０】
各層の膜厚とダイアフラムの寸法は、共振周波数が１００ｋＨｚとなるように設計している。超音波アレイセンサの形状は７×７の正方形で合計４９素子、素子間隔はいずれも約１．７ｍｍで、アレイ全体は一辺が約１１ｍｍの正方形の領域に収まる大きさである。
ここで、ＳＯＩ構造を有するＳｉ半導体基板１１の裏面に、厚さ０．４μｍのＳｉＯ２にてなる絶縁膜層１２を形成する。そして、Ｓｉ半導体基板１１上に、厚さ０．１μｍのＳｉＯ２にてなる絶縁膜層１３を形成し、さらに厚さ２．２μｍのＳｉ半導体活性層１４を形成する。そして、厚さ０．４μｍ程度の絶縁膜層１５を形成する。
【００３１】
そして、下部電極層１６は、Ｐｔ／ＴｉをＲＦスパッタ装置により製膜して形成している。その上にＰＺＴセラミックス薄膜層１７を形成する。上部電極層１８は、Ａｕを抵抗加熱蒸着法により製膜して形成している。かかる構成とすることで、下部電極層１６および上部電極層１に挟まれたＰＺＴセラミックス薄膜層１７がキャパシタ構造となり、超音波振動により圧電的に生じた分極変化を、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７を通じて電圧として取り出すことが可能となる。
【００３２】
そして、下部電極層１６および上部電極層１８に対して、ボンディングワイヤ（図示しない）を接続して、センサチップを完成する。そして、超音波センサ素子２０を２次元マトリックス状に並置し、超音波アレイセンサ１を形成している。
なお、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の短絡保護のための絶縁膜層としてフォトレジスト層１９を形成している。
【００３３】
そして、複数の超音波センサ素子が並置されて、超音波アレイセンサが構成されている。複数の超音波センサ素子の測定動作中において、各超音波センサ素子の２つの電極間にそれぞれ所定のバイアス電圧を印加することにより、各超音波センサ素子の共振周波数が互いに実質的に一致するように変化させている。
【００３４】
以下の実施例では、この超音波アレイセンサを水中用として用いるための、防水・防圧構造の実施形態について詳細に説明する。
【実施例１】
【００３５】
（薄膜センサの耐圧構造について）
本発明の水中用超音波アレイセンサの一実施形態として、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、超音波アレイセンサの周縁部を樹脂モールド成形により保護し、かつ、超音波アレイセンサの表面露出部の一部に超音波アレイセンサの背面スペースと導通する導通孔を設けたものを実施例１として説明する。
【００３６】
図３は、実施例１の水中用超音波アレイセンサの断面模式図を示している。また、図４は、複数の超音波センサ素子２０を用いてアレイ配置したときの素子配置を示す水中用超音波アレイセンサを示す上面図である。
実施例１の水中用超音波アレイセンサは、図３に示されるように、超音波アレイセンサ１の周縁部が、エポキシ樹脂によりモールドされている。周辺部は、上部電極層１８からボンディングワイア（６ａ，６ｂ）を経て、ステム９のピン（５ａ，５ｂ）までの領域をいう。この超音波アレイセンサの周縁部は、エポキシ樹脂によりモールド成形されており、これにより、ステム９とのボンディングワイヤ（６ａ，６ｂ）部分の保護を図っている。このエポキシ樹脂によるモールド成形は、図４に示されるように、超音波アレイセンサ１の周囲全体に形成している。
【００３７】
そして、超音波アレイセンサ１の表面露出部の一部に超音波アレイセンサの背面スペース３０と導通する導通孔３２を設けている。これにより、薄膜構造であるダイアフラム構造の表面と裏面とを均圧とすることができ、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避している。
【実施例２】
【００３８】
（薄膜センサの他の耐圧構造について）
実施例１では、超音波アレイセンサ１の表面露出部の一部に超音波アレイセンサの背面スペース３０と導通する導通孔３２を設けているが、他の実施例として、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０に油または水などの難圧縮性液体を封入したもの、又は、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０に樹脂を充填したものでもよい。
図５に、超音波アレイセンサの背面スペースに樹脂を充填した断面模式図を示す。
図５に示すように、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０には、例えば、エポキシ樹脂を用いて背面スペース３０の空間をなくしている。
【００３９】
また、超音波アレイセンサ１の表面露出部の一部に超音波アレイセンサ１の背面スペース３０と導通する導通孔３２を設ける替わりに、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０に作動流体を封入し、背面スペース３０内部と外部との間を連通する連通部を設け、伸縮吸収用のベローズを付設するものでもよい。
【実施例３】
【００４０】
（超音波アレイセンサの防水・防圧構造：油充填均圧型）
次に、実施例３の水中用超音波アレイセンサを説明する。
実施例３の水中用超音波アレイセンサは、実施例１または実施例２の超音波アレイセンサの回路部を防水・防圧構造にするもので、超音波アレイセンサの周縁部と超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングを設け、その周縁部とケーシングとの隣接部に弾力性のある部材からなるＯリングを介在させ、該周縁部とケーシングとの間をシールし、超音波アレイセンサの背面部であってケーシング内部の空間に油充填層を設け、ケーシング内部の油充填層とケーシング外部の圧力調整する均圧調整手段を設けたものである。
均圧調整手段としては、均圧ベローズを用いている。
【００４１】
図６〜８に、実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図を示す。以下、図６〜８を参照して、実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサについての説明を行う。
先ず、図６は、実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面図を示す。図６に示すように、周縁部を樹脂モールドで保護された超音波アレイセンサをケーシング４７の上部に置き、その上から押え金４２をビス４１によって取り付け固定している。また、周縁部の樹脂モールド保護部は、下面を機械加工により平滑に仕上げ、Oリング４３によりケーシング４７と水密、油密に密封固定できるようになっている。
【００４２】
ここで、ケーシング４７内部は、超音波アレイセンサのピン５と貫通水密構造のコネクタ４６の間の電線８の配線を収納している。なお、コネクタ４６と耐圧構造の信号ケーブル３は、ハーメチックシール型のものが存在しており、市販されているものを使用している。
ケーシング４７内部には、均圧のために油を充填し、外部の水圧が超音波アレイセンサ１の上面と下面に同時にかかる均圧状態とすることによって、超音波アレイセンサ１に圧力負荷がかかることを回避している。ただし、外部の水圧や温度変化により均圧油はわずかに体積変化を生ずるので、これを補償する必要があるため、均圧ベローズ３５を設けている。
【００４３】
次に、図７は、周縁部を樹脂モールドで保護された超音波アレイセンサを示す。周縁部の樹脂モールドは下面を平滑に仕上げ、Oリングによりケーシングと水密、油密に密封固定できるようになっていると共に、ボンディングワイヤ６の保護にもなっている。
【００４４】
また、図８は、図７の応用例であり樹脂モールドの保護を、超音波アレイセンサ１の周縁だけではなく全面にモールドしたものである。すなわち、超音波アレイセンサ１全体をプラスチックなどの樹脂５０で覆うものである。これにより超音波アレイセンサ１の周縁だけではなく全面にモールドすることにより超音波アレイセンサ１がより強力に保護されることとなる。
【実施例４】
【００４５】
（超音波アレイセンサの防水・防圧構造：プラスチックモールド型）
次に、実施例４の水中用超音波アレイセンサを説明する。
実施例４の水中用超音波アレイセンサは、実施例１または実施例２の超音波アレイセンサの回路部を防水・防圧構造にするもので、超音波アレイセンサの周縁部と超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングを設け、超音波アレイセンサの背面部であってケーシング内部の空間に樹脂モールドを充填したものである。
実施例４の水中用超音波アレイセンサは、超音波アレイセンサ全体をプラスチックでモールドしたものである。耐水圧性に優れたものである。
【００４６】
図９に、実施例４のプラスチックモールド型の超音波アレイセンサの断面模式図を示す。
実施例４のプラスチックモールド型の超音波アレイセンサは、上述の実施例３の水中用超音波アレイセンサにおける油充填層の均圧油の代わりに、樹脂をケーシング内に充填モールドしたものである。
超音波アレイセンサの上面部は、実施例３の水中用超音波アレイセンサと同様、図８に示すように平滑に仕上げている。この場合、超音波アレイセンサをケーシングの位置決め金物の上に保持したあと、超音波アレイセンサの上下部を樹脂にて充填モールドし、上面を平滑に仕上げることにしている。
このようにすれば、超音波アレイセンサ１はケーシング４７と固体の一体となるので、外水圧に対して強固に耐えることができるとともに、実施例３の水中用超音波アレイセンサの構造で必要であったOリングによるシールや均圧ベローズが不要になる。
なお、樹脂モールドの内部に空洞が残らないようにする必要があり、装置の製作に当たって、空気混入、空気の滞留の防止を図っている。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の水中用超音波アレイセンサは、ソナー用超音波センサ装置や水中用カメラや水中用探傷検査装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施例１に係る超音波アレイセンサの断面模式図
【図２】本発明に係る一実施形態である超音波センサ素子の構造を示す断面図
【図３】実施例１の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図
【図４】複数の超音波センサ素子を用いてアレイ配置したときの素子配置を示す超音波アレイセンサを示す上面図
【図５】実施例２の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図
【図６】実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図（１）
【図７】実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図（２）
【図８】実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図（３）
【図９】実施例４のプラスチックモールド型の超音波アレイセンサの断面模式図
【符号の説明】
【００４９】
１ 超音波アレイセンサ
２ 回路部
３ 信号ケーブル
４ 接続部
５，５ａ〜５ｄ ピン
６，６ａ，６ｂ ボンディングワイヤ
７ａ，７ｂ 支持具
８，８ａ，８ｂ 電線
９ ステム
１０ 半導体チップウエハ
１１ Ｓｉ半導体基板
１２，１３，１５ 絶縁膜層
１４ 半導体活性層
１６ 下部電極層
１８ 上部電極層
１７ ＰＺＴセラミックス薄膜層
２０ 超音波センサ素子
３０ 背面スペース
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサに関し、特に、水中用として使用可能な耐圧構造に優れた超音波アレイセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から実用化されている超音波センサとしては、圧電体のバルクセラミックスを用いたものが主流である。しかし、小型化の要請があるものの、数ｃｍ程度のスケールで多素子アレイ化は困難であるという問題がある。小型で多素子アレイ化が可能なバルクセラミックスのセンサも市場に出始めているものの、現状非常に高価でありコスト的な問題がある。そのため、このバルクセラミックスに代わるものとして、シリコンマイクロマシニング技術を用いたダイアフラム上に種々のタイプの超音波センサが作製されており、ピエゾ抵抗型や、コンデンサマイクロフォン型、圧電型が研究開発されている。
【０００３】
特に近年、所定の共振周波数を有し超音波を検出可能な圧電型トランスデューサにてなる複数の超音波センサ素子を所定の２次元アレイ状に配置した超音波アレイセンサを用いて、電子走査による物体の三次元計測画像を得ることが実用化されている。このような超音波アレイセンサでは、各々の超音波センサ素子からの出力信号を処理することにより、機械的走査部をなくし、超音波センサ素子自身は固定したままで電気的に計測方位を走査することが可能である。
【０００４】
この圧電型として、空中用と水中用のそれぞれで圧電型薄膜センサが研究されている。空中用としては、空気中での三次元計測を目指した圧電薄膜を用いたマイクロ超音波アレイセンサが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。また、水中用としては、非特許文献１に開示されているものが知られている。
かかる圧電型薄膜センサは、作製プロセスの簡略化、マスク枚数の低減化、歩留まり及び信頼性の向上によるコスト低下が見込まれ、実用化・量産化に適した方式である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８４１８２号公報
【特許文献２】特開２００５−１６７８２０号公報
【非特許文献１】J.J. Bernstein et al., "Micromachined High FrequencyFerroelectric Sonar Transducers", IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Freq. Control, Vol. 44, pp. 960-969, 1997.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように圧電型薄膜センサは、実用化・量産化に適した方式であるが、そのままでは水中で使用できるようにするための対策が十分ではないといった問題がある。
すなわち、以下の問題点が挙げられる。
第１の問題点は、薄膜センサ自体の耐力の問題である。薄膜センサは数ミクロン程度の厚さであり、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避する手立てを講じなければならない。薄膜センサの厚みを厚くしてそれ自身で耐圧性を持たせたものがあるが、感度が悪く、また耐圧性に不安が残る。
第２の問題点は、薄膜センサ表面の問題である。薄膜センサ素子上の上部電極や配線パッド、ステムのピンやボンディング配線が外部に露出しているため、これらが水中で水に直接触れるのを回避する手立てを講じなければならない。
第３の問題点は、センサ出力の増幅系や信号処系などの後段の回路部が水中で動作可能となっていない点である。
【０００７】
上記の問題点に鑑み、本発明は、圧電型薄膜センサの耐久性を高めて、水中用超音波アレイセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、種々の試作品を作製し、改良を重ねた結果、本発明に係る水中用超音波アレイセンサを完成した。
本発明の第１の観点からは、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）超音波アレイセンサの一部に、超音波アレイセンサの背面スペースと導通する導通孔が設けられた水中用超音波アレイセンサが提供される。
【０００９】
かかる第１の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、周縁部が樹脂モールド成形により保護され、かつ、背面スペースと導通する導通孔が設けられていることで、超音波アレイセンサの耐久性を高めることができ、水中用として用いることができる。
ここで、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサとは、薄板構造としてダイアフラム（円形若しくは四辺）形状を用い、その上に複数の圧電型トランスデューサからなる超音波センサ素子を所定間隔で並設したものである。この薄板構造は、公知の通り、その材質及び寸法が同じであれば、正方形板において各超音波センサ素子の共振周波数には一定の関係が成立する。また、同形状の薄板構造の場合、各超音波センサ素子の共振周波数は、薄板構造の一辺の長さの二乗に反比例して低くなるといった特性がある。
【００１０】
本発明の第１の観点においては、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護されている。
ここで、超音波アレイセンサの周縁部とは、上部電極配線パッドからボンディングワイアを経て、ステムのピンまでの領域をいう。この超音波アレイセンサの周縁部を樹脂モールド成形することで、ステムとのボンディング部分の保護を図ることとしている。なお、具体的には、エポキシ樹脂によりモールドしている。
【００１１】
また、本発明の第１の観点においては、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、超音波アレイセンサの一部に、超音波アレイセンサの背面スペースと導通する導通孔が設けられている。
かかる超音波アレイセンサの一部に、超音波アレイセンサの背面スペースと導通する導通孔を設けることにより、薄膜構造であるダイアフラム構造の表面と裏面とを均圧とすることができ、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避することができる。超音波アレイセンサの一部とは、例えば、表面露出部の一部に導通孔を設けたり、横から導通孔をあけたりすることで対応する。なお、導通孔にはフィルタ機能を持たせて、孔から塵などが背面スペースに入らないようにすることが好ましい。
【００１２】
次に、本発明の第２の観点からは、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）超音波アレイセンサの背面スペースに油または水などの難圧縮性液体が封入された水中用超音波アレイセンサが提供される。
第２の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、周縁部が樹脂モールド成形により保護され、かつ、背面スペースに油または水などの難圧縮性液体が封入されていることで、超音波アレイセンサの耐久性を高めることができ、水中用として用いることができる。
第２の観点の水中用超音波アレイセンサは、第１の観点の水中用超音波アレイセンサと異なり、超音波アレイセンサの背面スペースに油または水などの難圧縮性液体が封入された構成を有する。かかる構成により、薄膜センサ自体の耐力を高め、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避できる。
【００１３】
次に、本発明の第３の観点からは、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）超音波アレイセンサの背面スペースに樹脂が充填された水中用超音波アレイセンサが提供される。
第３の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、周縁部が樹脂モールド成形により保護され、かつ、背面スペースに樹脂が充填されていることで、超音波アレイセンサの耐久性を高めることができ、水中用として用いることができる。
第３の観点の水中用超音波アレイセンサは、第１の観点の水中用超音波アレイセンサと異なり、超音波アレイセンサの背面スペースに樹脂が充填された構成を有する。かかる構成により、薄膜センサ自体の耐力を高め、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避できる。
【００１４】
上記の第２の観点および第３の観点の水中用超音波アレイセンサにおいては、薄膜センサの背面（背圧側）に均圧のため流体、プラスチックなどを充填している。かかる場合、超音波の背面での反射波に減衰が生じることとなる。この薄膜センサの背面での超音波の発生は、それが信号源となって波形の解析の障害となるか否かの観点から考察した場合、超音波の背面での反射波に生じる減衰は好ましい結果を招くことになる。一般的に、バルクセンサでは、背面にダンパ材が貼付けてあり、圧電素子に生じた振動を強制的に押さえ込んで（ダンピングをかけて）、パルス幅を小さく（波数を少なく）して時間分解能を高めている。
上記の第２の観点および第３の観点の水中用超音波アレイセンサは、薄膜センサの背面に、流体、プラスチックなどの充填材が設けられており、これらの充填材によりダンピング効果を同時に得ることができるのである。
【００１５】
次に、本発明の第４の観点からは、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）超音波アレイセンサの背面スペースに作動流体が封入され、背面スペース内部と外部との間を連通する連通部を設け、伸縮吸収用のベローズを付設した水中用超音波アレイセンサが提供される。
第４の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、周縁部が樹脂モールド成形により保護され、かつ、背面スペース内部と外部との間を連通する連通部が設けられ、その連通部に伸縮吸収用のベローズが付設されることで、超音波アレイセンサの耐久性を高めることができ、水中用として用いることができる。
第４の観点の水中用超音波アレイセンサは、第１の観点の水中用超音波アレイセンサと異なり、超音波アレイセンサの背面スペースに作動流体が封入され、背面スペース内部と外部との間を連通する連通部を設け、伸縮吸収用のベローズを付設した構成を有する。かかる構成により、薄膜センサ自体の耐力を高め、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避できる。
【００１６】
次に、本発明の第５の観点からは、上述した第１の観点から第４の観点の超音波アレイセンサにおいて、それぞれの超音波アレイセンサ素子の表面に、ポリイミド、サイトップ、パリレンの群から選択される１種または２種以上の表面保護層がコーティングされた水中用超音波アレイセンサが提供される。
第５の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、素子表面に表面保護層がコーティングされていることから、薄膜センサの表面（信号受信側）の耐環境性を向上させることができる。
【００１７】
本発明の水中用超音波アレイセンサでは、流体を伝搬する超音波の振動をセンサダイアフラムの撓み振動としてとらえる。かかる場合、減衰や界面での反射波について考える必要はなく、第５の観点の水中用超音波アレイセンサのようにコーティングが存在する場合、かかるコーティングの存在が薄膜の振動に影響を及ぼすか否かが問題となる。また、薄膜が振動することによって、コーティングに剥離が生じて、超音波の発生状況に変化が生じる可能性があるといった問題がある。
本発明の水中用超音波アレイセンサでは、まずセンサダイアフラムを構成する部材に比べて十分に柔軟なコーティング材料を用いることにより薄膜の振動に影響を及ぼさないようにしている。またコーティング膜の形成過程を工夫することによりコーティングが剥離することを防いでいる。
【００１８】
なお、さらに汚れなど薄膜センサの表面保護のために、プラスチックのフィルム、シートなどでカバーを設けてもよい。この場合に、薄膜センサの表面に若干の隙間をあけてフィルム又はシートのカバーが存在するため、薄膜センサの表面に液体の薄い層とカバー材の薄い層が連続することになり、超音波の伝搬の障害になる可能性が生じる。材料としては水と同じ音響インピーダンスのカバー材を用いることで、かかる影響はほとんどなくなるものの、プラスチックのフィルム、シートなどの固体材料で水と同じ音響インピーダンスを有する材料は現状見当たらない。両者の音響インピーダンスの差が大きいほど、界面での反射率が大きくなり、その影響が著しくなってしまう。それ以上に媒質中での波長以下の厚さの層が超音波の伝搬経路に存在すると、その層で多重反射を起こしてそれが干渉して振幅に大きく影響する可能性もある。例えば、層の厚さが波長の１／４の場合、多重反射した音波がお互いに弱めあって、著しく振幅が低下する可能性がある。このことから、カバー材の層の厚さは、波長を無視できるほど大きいか小さいかいずれかを選択することが好ましい態様である。
【００１９】
次に、本発明の第６の観点からは、上述した第１の観点から第５の観点の超音波アレイセンサにおいて、下記１）〜４）の特徴を備えた水中用超音波アレイセンサが提供される。
１）周縁部と超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングを設ける。
２）周縁部とケーシングとの隣接部に弾力性のある部材からなるＯリングを介在させ、周縁部とケーシングとの間をシールする。
３）超音波アレイセンサの背面部であってケーシング内部の空間に油充填層を設ける。
４）ケーシング内部の油充填層とケーシング外部の圧力調整する均圧調整手段を設ける。
【００２０】
かかる第６の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、現状の超音波アレイセンサのセンサ出力の増幅系や信号処系などの後段の回路部が水中で動作可能となっていないといった問題点を克服し、回路部を防水・耐圧構造とし、高圧下、水中下で、回路部を動作させることができる。
ここで、樹脂モールド成形は、エポキシ樹脂によるプラスチックモールド成形であることが好ましい。
また好ましくは、均圧調整手段は、伸縮吸収用のベローズを付設すると共に、ケーシング内部の油充填層とケーシング外部との間を連通する連通部を設けたものである態様とする。
【００２１】
次に、本発明の第７の観点からは、上述した第１の観点から第５の観点の超音波アレイセンサにおいて、下記１）〜２）の特徴を備えた水中用超音波アレイセンサが提供される。
１）周縁部と超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングを設ける。
２）超音波アレイセンサの背面部であってケーシング内部の空間に樹脂モールドを充填する。
【００２２】
かかる第７の観点の水中用超音波アレイセンサによれば、現状の超音波アレイセンサのセンサ出力の増幅系や信号処系などの後段の回路部が水中で動作可能となっていないといった問題点を克服し、回路部を防水・耐圧構造とし、高圧下、水中下で、回路部を動作させることができる。
また、第７の観点の水中用超音波アレイセンサは、第６の観点の水中用超音波アレイセンサとは異なり、背面部のケーシング空間に、均圧油を充填するのではなく、樹脂をケーシング内に充填モールドするので、超音波アレイセンサはケーシングと固体の一体となる。このため、外水圧に対して強固に耐えることができるとともに、第６の観点の水中用超音波アレイセンサの構造で必要であったOリングによるシールや均圧ベローズが不要になるといった利点がある。
【００２３】
なお、上述した第１の観点から第７の観点の超音波アレイセンサにおいて、圧電型トランスデューサは、具体的には、電極に挟まれた圧電体を配置してキャパシタ構造とし、超音波振動により圧電的に生じた分極変化を、キャパシタを通じて電圧として取り出すものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の水中用超音波アレイセンサによれば、薄膜センサ自体の耐力性を向上させ、薄膜センサ表面および背面側の回路部を防水・耐圧構造とし、高圧下、水中下において超音波アレイセンサを使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。ただし、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更および変形が可能である。
【００２６】
先ず、本発明の実施形態において、超音波アレイセンサを構成するそれぞれの超音波センサ素子について説明する。以下の実施形態で用いる超音波センサ素子は、薄膜状のダイアフラム構造上に、電極に挟まれた圧電体を配置してキャパシタ構造とし、超音波振動により圧電的に生じた分極変化をこのキャパシタを通じて電圧として取り出すようになっている。ここで圧電体材料としては、強誘電体であるＰＺＴ(Pb(Zr0.52Ti0.48)O3)セラミックス薄膜層を用いている。かかる圧電体はそれ自身が分極変化を生ずるので、静電型センサのように非常に狭い空隙を隔てた対向電極を形成する必要がなく、複雑な構造を必要としない。従って、この超音波センサ素子は、作製プロセスの簡略化、マスク枚数の低減化、歩留まり及び信頼性の向上によるコスト低下が見込まれ、実用化や量産化に適したものである。
【００２７】
図１は、従来から知られている超音波アレイセンサ装置の断面図の一例を示している。超音波アレイセンサ装置は、超音波アレイセンサ１と、それを設置するステム９と、回路部２と、（図示しない）信号処理部から構成される。
超音波アレイセンサ１は、ステム９上に支持具（７ａ，７ｂ）を介して配設されている。超音波アレイセンサ１自体は、薄板構造としてダイアフラム（四辺固定）形状を呈しており、その周囲にそって支持具（７ａ，７ｂ）が形成されている。
この超音波アレイセンサ１で超音波信号を受信すると、圧電信号として処理され、超音波アレイセンサ１のパターン配線を経由して、圧電信号がボンディングワイヤ（６ａ，６ｂ）から引き出される。
ボンディングワイヤ（６ａ，６ｂ）からピン（５ａ〜５ｄ）を経て、回路部２に電線（８ａ，８ｂ）が送られている。回路部２は、通常ケーシングで覆われており、そのケーシング内部のスペースを用いて、電線（８ａ，８ｂ）やプリアンプ回路等の回路が収納されている。電線（８ａ，８ｂ）は回路部２内で集束され、信号ケーブル３となって、ケーブル接続部４から外部の（図示しない）信号処理部に接続されている。
【００２８】
ここで、図１に示すように、超音波アレイセンサ１とステム９の間（超音波アレイセンサ１の裏側）には、薄い層状の空間３０が形成されている。水中用として超音波アレイセンサ装置を使用する場合、この層状の空間３０が存在すると、水圧で簡単に超音波アレイセンサ１に歪が生じたり、ひどい場合は破損することになる。
【００２９】
次に、超音波アレイセンサ１の素子構造について、図２を参照して説明する。図２は、図１の断面模式図で矢印Ａが指し示す点線部分の拡大図である。図２において、超音波センサ素子２０においては、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ
Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有するＳｉ半導体基板を裏面から、ＥＰＷ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ Ｐｙｒｏｃａｔｅｃｈｏｌ Ｗａｔｅｒ；エチレンジアミンとピロカテコールと水との混合液）による異方性エッチング法を用いてエッチングを行うことにより、０．７ｍｍ角のダイアフラム構造を作製する。また、圧電層としては強誘電体のＰＺＴセラミックス薄膜層１７を用いる。
【００３０】
各層の膜厚とダイアフラムの寸法は、共振周波数が１００ｋＨｚとなるように設計している。超音波アレイセンサの形状は７×７の正方形で合計４９素子、素子間隔はいずれも約１．７ｍｍで、アレイ全体は一辺が約１１ｍｍの正方形の領域に収まる大きさである。
ここで、ＳＯＩ構造を有するＳｉ半導体基板１１の裏面に、厚さ０．４μｍのＳｉＯ２にてなる絶縁膜層１２を形成する。そして、Ｓｉ半導体基板１１上に、厚さ０．１μｍのＳｉＯ２にてなる絶縁膜層１３を形成し、さらに厚さ２．２μｍのＳｉ半導体活性層１４を形成する。そして、厚さ０．４μｍ程度の絶縁膜層１５を形成する。
【００３１】
そして、下部電極層１６は、Ｐｔ／ＴｉをＲＦスパッタ装置により製膜して形成している。その上にＰＺＴセラミックス薄膜層１７を形成する。上部電極層１８は、Ａｕを抵抗加熱蒸着法により製膜して形成している。かかる構成とすることで、下部電極層１６および上部電極層１に挟まれたＰＺＴセラミックス薄膜層１７がキャパシタ構造となり、超音波振動により圧電的に生じた分極変化を、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７を通じて電圧として取り出すことが可能となる。
【００３２】
そして、下部電極層１６および上部電極層１８に対して、ボンディングワイヤ（図示しない）を接続して、センサチップを完成する。そして、超音波センサ素子２０を２次元マトリックス状に並置し、超音波アレイセンサ１を形成している。
なお、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の短絡保護のための絶縁膜層としてフォトレジスト層１９を形成している。
【００３３】
そして、複数の超音波センサ素子が並置されて、超音波アレイセンサが構成されている。複数の超音波センサ素子の測定動作中において、各超音波センサ素子の２つの電極間にそれぞれ所定のバイアス電圧を印加することにより、各超音波センサ素子の共振周波数が互いに実質的に一致するように変化させている。
【００３４】
以下の実施例では、この超音波アレイセンサを水中用として用いるための、防水・防圧構造の実施形態について詳細に説明する。
【実施例１】
【００３５】
（薄膜センサの耐圧構造について）
本発明の水中用超音波アレイセンサの一実施形態として、ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、超音波アレイセンサの周縁部を樹脂モールド成形により保護し、かつ、超音波アレイセンサの表面露出部の一部に超音波アレイセンサの背面スペースと導通する導通孔を設けたものを実施例１として説明する。
【００３６】
図３は、実施例１の水中用超音波アレイセンサの断面模式図を示している。また、図４は、複数の超音波センサ素子２０を用いてアレイ配置したときの素子配置を示す水中用超音波アレイセンサを示す上面図である。
実施例１の水中用超音波アレイセンサは、図３に示されるように、超音波アレイセンサ１の周縁部が、エポキシ樹脂によりモールドされている。周辺部は、上部電極層１８からボンディングワイア（６ａ，６ｂ）を経て、ステム９のピン（５ａ，５ｂ）までの領域をいう。この超音波アレイセンサの周縁部は、エポキシ樹脂によりモールド成形されており、これにより、ステム９とのボンディングワイヤ（６ａ，６ｂ）部分の保護を図っている。このエポキシ樹脂によるモールド成形は、図４に示されるように、超音波アレイセンサ１の周囲全体に形成している。
【００３７】
そして、超音波アレイセンサ１の表面露出部の一部に超音波アレイセンサの背面スペース３０と導通する導通孔３２を設けている。これにより、薄膜構造であるダイアフラム構造の表面と裏面とを均圧とすることができ、水中で使用した場合に水圧で膜が変形したり、膜が破損したりするのを回避している。
【実施例２】
【００３８】
（薄膜センサの他の耐圧構造について）
実施例１では、超音波アレイセンサ１の表面露出部の一部に超音波アレイセンサの背面スペース３０と導通する導通孔３２を設けているが、他の実施例として、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０に油または水などの難圧縮性液体を封入したもの、又は、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０に樹脂を充填したものでもよい。
図５に、超音波アレイセンサの背面スペースに樹脂を充填した断面模式図を示す。
図５に示すように、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０には、例えば、エポキシ樹脂を用いて背面スペース３０の空間をなくしている。
【００３９】
また、超音波アレイセンサ１の表面露出部の一部に超音波アレイセンサ１の背面スペース３０と導通する導通孔３２を設ける替わりに、超音波アレイセンサ１の背面スペース３０に作動流体を封入し、背面スペース３０内部と外部との間を連通する連通部を設け、伸縮吸収用のベローズを付設するものでもよい。
【実施例３】
【００４０】
（超音波アレイセンサの防水・防圧構造：油充填均圧型）
次に、実施例３の水中用超音波アレイセンサを説明する。
実施例３の水中用超音波アレイセンサは、実施例１または実施例２の超音波アレイセンサの回路部を防水・防圧構造にするもので、超音波アレイセンサの周縁部と超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングを設け、その周縁部とケーシングとの隣接部に弾力性のある部材からなるＯリングを介在させ、該周縁部とケーシングとの間をシールし、超音波アレイセンサの背面部であってケーシング内部の空間に油充填層を設け、ケーシング内部の油充填層とケーシング外部の圧力調整する均圧調整手段を設けたものである。
均圧調整手段としては、均圧ベローズを用いている。
【００４１】
図６〜８に、実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図を示す。以下、図６〜８を参照して、実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサについての説明を行う。
先ず、図６は、実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面図を示す。図６に示すように、周縁部を樹脂モールドで保護された超音波アレイセンサをケーシング４７の上部に置き、その上から押え金４２をビス４１によって取り付け固定している。また、周縁部の樹脂モールド保護部は、下面を機械加工により平滑に仕上げ、Oリング４３によりケーシング４７と水密、油密に密封固定できるようになっている。
【００４２】
ここで、ケーシング４７内部は、超音波アレイセンサのピン５と貫通水密構造のコネクタ４６の間の電線８の配線を収納している。なお、コネクタ４６と耐圧構造の信号ケーブル３は、ハーメチックシール型のものが存在しており、市販されているものを使用している。
ケーシング４７内部には、均圧のために油を充填し、外部の水圧が超音波アレイセンサ１の上面と下面に同時にかかる均圧状態とすることによって、超音波アレイセンサ１に圧力負荷がかかることを回避している。ただし、外部の水圧や温度変化により均圧油はわずかに体積変化を生ずるので、これを補償する必要があるため、均圧ベローズ３５を設けている。
【００４３】
次に、図７は、周縁部を樹脂モールドで保護された超音波アレイセンサを示す。周縁部の樹脂モールドは下面を平滑に仕上げ、Oリングによりケーシングと水密、油密に密封固定できるようになっていると共に、ボンディングワイヤ６の保護にもなっている。
【００４４】
また、図８は、図７の応用例であり樹脂モールドの保護を、超音波アレイセンサ１の周縁だけではなく全面にモールドしたものである。すなわち、超音波アレイセンサ１全体をプラスチックなどの樹脂５０で覆うものである。これにより超音波アレイセンサ１の周縁だけではなく全面にモールドすることにより超音波アレイセンサ１がより強力に保護されることとなる。
【実施例４】
【００４５】
（超音波アレイセンサの防水・防圧構造：プラスチックモールド型）
次に、実施例４の水中用超音波アレイセンサを説明する。
実施例４の水中用超音波アレイセンサは、実施例１または実施例２の超音波アレイセンサの回路部を防水・防圧構造にするもので、超音波アレイセンサの周縁部と超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングを設け、超音波アレイセンサの背面部であってケーシング内部の空間に樹脂モールドを充填したものである。
実施例４の水中用超音波アレイセンサは、超音波アレイセンサ全体をプラスチックでモールドしたものである。耐水圧性に優れたものである。
【００４６】
図９に、実施例４のプラスチックモールド型の超音波アレイセンサの断面模式図を示す。
実施例４のプラスチックモールド型の超音波アレイセンサは、上述の実施例３の水中用超音波アレイセンサにおける油充填層の均圧油の代わりに、樹脂をケーシング内に充填モールドしたものである。
超音波アレイセンサの上面部は、実施例３の水中用超音波アレイセンサと同様、図８に示すように平滑に仕上げている。この場合、超音波アレイセンサをケーシングの位置決め金物の上に保持したあと、超音波アレイセンサの上下部を樹脂にて充填モールドし、上面を平滑に仕上げることにしている。
このようにすれば、超音波アレイセンサ１はケーシング４７と固体の一体となるので、外水圧に対して強固に耐えることができるとともに、実施例３の水中用超音波アレイセンサの構造で必要であったOリングによるシールや均圧ベローズが不要になる。
なお、樹脂モールドの内部に空洞が残らないようにする必要があり、装置の製作に当たって、空気混入、空気の滞留の防止を図っている。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の水中用超音波アレイセンサは、ソナー用超音波センサ装置や水中用カメラや水中用探傷検査装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施例１に係る超音波アレイセンサの断面模式図
【図２】本発明に係る一実施形態である超音波センサ素子の構造を示す断面図
【図３】実施例１の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図
【図４】複数の超音波センサ素子を用いてアレイ配置したときの素子配置を示す超音波アレイセンサを示す上面図
【図５】実施例２の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図
【図６】実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図（１）
【図７】実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図（２）
【図８】実施例３の油充填均圧型の超音波アレイセンサの断面模式図（３）
【図９】実施例４のプラスチックモールド型の超音波アレイセンサの断面模式図
【符号の説明】
【００４９】
１ 超音波アレイセンサ
２ 回路部
３ 信号ケーブル
４ 接続部
５，５ａ〜５ｄ ピン
６，６ａ，６ｂ ボンディングワイヤ
７ａ，７ｂ 支持具
８，８ａ，８ｂ 電線
９ ステム
１０ 半導体チップウエハ
１１ Ｓｉ半導体基板
１２，１３，１５ 絶縁膜層
１４ 半導体活性層
１６ 下部電極層
１８ 上部電極層
１７ ＰＺＴセラミックス薄膜層
２０ 超音波センサ素子
３０ 背面スペース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）前記超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）前記超音波アレイセンサの一部に、前記超音波アレイセンサの背面スペースと導通する導通孔が設けられた、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項２】
ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）前記超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）前記超音波アレイセンサの背面スペースに、油または水などの難圧縮性液体が封入された、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項３】
ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）前記超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）前記超音波アレイセンサの背面スペースに樹脂が充填された、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項４】
ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）前記超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）前記超音波アレイセンサの背面スペースに作動流体が封入され、前記背面スペース内部と外部との間を連通する連通部を設け、伸縮吸収用のベローズを付設した、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの水中用超音波アレイセンサにおいて、それぞれの超音波アレイセンサ素子の表面に、ポリイミド、サイトップ、パリレンの群から選択される１種または２種以上の表面保護層がコーティングされたことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの水中用超音波アレイセンサにおいて、
１）前記周縁部と前記超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングが設けられ、
２）前記周縁部と前記ケーシングとの隣接部に弾力性のある部材からなるＯリングを介在させることにより前記周縁部と前記ケーシングとの間がシールされ、
３）前記超音波アレイセンサの背面部であって前記ケーシング内部の空間に油充填層が設けられ、
４）前記ケーシング内部の前記油充填層と前記ケーシング外部の圧力調整する均圧調整手段が設けられた、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項７】
前記樹脂モールド成形は、エポキシ樹脂によるプラスチックモールド成形である、
ことを特徴とする請求項６に記載の水中用超音波アレイセンサ。
【請求項８】
前記均圧調整手段は、伸縮吸収用のベローズを付設すると共に、前記ケーシング内部の前記油充填層と前記ケーシング外部との間を連通する連通部を設けたものである、
ことを特徴とする請求項６に記載の水中用超音波アレイセンサ。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれかの水中用超音波アレイセンサにおいて、
１）前記周縁部と前記超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングが設けられ、
２）前記超音波アレイセンサの背面部であって前記ケーシング内部の空間に樹脂モールドが充填された、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項１０】
前記圧電型トランスデューサは、電極に挟まれた圧電体を配置してキャパシタ構造とし、超音波振動により圧電的に生じた分極変化を、前記キャパシタを通じて電圧として取り出すことを特徴とする請求項１〜９に記載の水中用超音波アレイセンサ。
【請求項１】
ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）前記超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）前記超音波アレイセンサの一部に、前記超音波アレイセンサの背面スペースと導通する導通孔が設けられた、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項２】
ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）前記超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）前記超音波アレイセンサの背面スペースに、油または水などの難圧縮性液体が封入された、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項３】
ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）前記超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）前記超音波アレイセンサの背面スペースに樹脂が充填された、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項４】
ダイアフラム構造上にアレイ状に配設された複数の圧電型トランスデューサからなる超音波アレイセンサにおいて、
１）前記超音波アレイセンサの周縁部が樹脂モールド成形により保護され、
２）前記超音波アレイセンサの背面スペースに作動流体が封入され、前記背面スペース内部と外部との間を連通する連通部を設け、伸縮吸収用のベローズを付設した、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの水中用超音波アレイセンサにおいて、それぞれの超音波アレイセンサ素子の表面に、ポリイミド、サイトップ、パリレンの群から選択される１種または２種以上の表面保護層がコーティングされたことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかの水中用超音波アレイセンサにおいて、
１）前記周縁部と前記超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングが設けられ、
２）前記周縁部と前記ケーシングとの隣接部に弾力性のある部材からなるＯリングを介在させることにより前記周縁部と前記ケーシングとの間がシールされ、
３）前記超音波アレイセンサの背面部であって前記ケーシング内部の空間に油充填層が設けられ、
４）前記ケーシング内部の前記油充填層と前記ケーシング外部の圧力調整する均圧調整手段が設けられた、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項７】
前記樹脂モールド成形は、エポキシ樹脂によるプラスチックモールド成形である、
ことを特徴とする請求項６に記載の水中用超音波アレイセンサ。
【請求項８】
前記均圧調整手段は、伸縮吸収用のベローズを付設すると共に、前記ケーシング内部の前記油充填層と前記ケーシング外部との間を連通する連通部を設けたものである、
ことを特徴とする請求項６に記載の水中用超音波アレイセンサ。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれかの水中用超音波アレイセンサにおいて、
１）前記周縁部と前記超音波アレイセンサを蓋部とするケーシングが設けられ、
２）前記超音波アレイセンサの背面部であって前記ケーシング内部の空間に樹脂モールドが充填された、
ことを特徴とする水中用超音波アレイセンサ。
【請求項１０】
前記圧電型トランスデューサは、電極に挟まれた圧電体を配置してキャパシタ構造とし、超音波振動により圧電的に生じた分極変化を、前記キャパシタを通じて電圧として取り出すことを特徴とする請求項１〜９に記載の水中用超音波アレイセンサ。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２４４２３５（Ｐ２００９−２４４２３５Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９４４２４（Ｐ２００８−９４４２４）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（８００００００５７）財団法人新産業創造研究機構 (99)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（０００２０５６２７）大阪府 (238)
【出願人】（５０８０９８８２２）株式会社ＩｎｇｅｎＭＳＬ (2)
【出願人】（５９１２２６６４５）ポニー工業株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（８００００００５７）財団法人新産業創造研究機構 (99)
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【出願人】（０００２０５６２７）大阪府 (238)
【出願人】（５０８０９８８２２）株式会社ＩｎｇｅｎＭＳＬ (2)
【出願人】（５９１２２６６４５）ポニー工業株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
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