JP2013174465A - 放射線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ基板の強度を維持しつつ放射線検出装置を小型化するための技術を提供する。
【解決手段】第１面及び第２面を有し、第１面に画素アレイと当該画素アレイに接続された接続端子とが配置されたセンサ基板と、センサ基板の第１面側に配置され、センサ基板の第２面側から入射した放射線を画素アレイが検出可能な波長の光に変換するシンチレータ層と、画素アレイの動作を制御するための回路を有し、シンチレータ層のセンサ基板とは反対側に配置された回路基板と、接続端子と回路基板とを接続するための接続部とを備え、シンチレータ層は画素アレイを覆う一方で、接続端子を露出されるように配置され、回路基板及び接続部はセンサ基板の第１面の外縁からはみ出さない位置に配置されることを特徴とする放射線検出装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は放射線検出装置に関する。

特許文献１に記載された放射線検出装置では、センサ基板の表側の面に光電変換素子が配置され、光電変換素子により得られた信号を処理するための処理回路がセンサ基板の裏側に配置されている。光電変換素子と処理回路とを接続するフレキシブル配線はセンサ基板の外縁を越えて配置されている。特許文献２は、放射線検出装置を小型化するために、センサ基板の外縁を越えた部分にフレキシブル配線が配置されないようにするための構成を提案する。具体的には、センサ基板にスルーホールが形成され、このスルーホールを通じてセンサ基板の表側にある光電変換素子と裏側にある処理回路とが接続される。特許文献３はセンサ基板の裏側から入射した放射線をセンサ基板の表側に配置されたシンチレータ層で変換する裏面照射型の放射線検出装置を提案する。

特開平９−１５２４８６号公報 特開２００２−１０１３４５号公報 特開２０１０−２６２１３４号公報

特許文献２に提案される放射線検出装置のようにセンサ基板にスルーホールを形成すると、センサ基板の強度が低下する。さらに、スルーホールを形成するためのプロセスが必要となり、放射線検出装置の製造に必要なコストや時間が増加する。特許文献３ではシンチレータ層がセンサ基板の全面を覆うように記載されており、特許文献１と同様にフレキシブル配線がセンサ基板の外縁を越えて配置されていて、放射線検出装置が十分に小型化されていない。そこで、本発明の１つの側面は、センサ基板の強度を維持しつつ放射線検出装置を小型化するための技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、第１面及び第２面を有し、前記第１面に画素アレイと当該画素アレイに接続された接続端子とが配置されたセンサ基板と、前記センサ基板の前記第１面側に配置され、前記センサ基板の前記第２面側から入射した放射線を前記画素アレイが検出可能な波長の光に変換するシンチレータ層と、前記画素アレイの動作を制御するための回路を有し、前記シンチレータ層の前記センサ基板とは反対側に配置された回路基板と、前記接続端子と前記回路基板とを接続するための接続部とを備え、前記シンチレータ層は前記画素アレイを覆う一方で、前記接続端子を露出されるように配置され、前記回路基板及び前記接続部は前記センサ基板の前記第１面の外縁からはみ出さない位置に配置されることを特徴とする放射線検出装置が提供される。

上記手段により、センサ基板の強度を維持しつつ放射線検出装置を小型化するための技術が提供される。

本発明の第１実施形態に係るセンサユニットの構成例を説明する図。 本発明の第２実施形態に係る放射線掲出装置の構成例を説明する図。 本発明の第３実施形態に係る放射線掲出装置の構成例を説明する図。

添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。

図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係るセンサユニット１００の例示の構造について説明する。後述するようにセンサユニット１００は放射線検出装置の一部として用いられてもよい。図１（ａ）はセンサユニット１００の平面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図を示す。センサユニット１００は主にセンサ基板１１０、シンチレータ層１２０、回路基板１３０及び接続部１４０を有しうる。図１（ａ）では説明のために画素アレイ１１１を示しているが、実際にはシンチレータ保護層１２１の下にあるため視認できない。

センサ基板１１０には一方の面（第１面）に画素アレイ１１１が形成されている。以下の説明では画素アレイ１１１が形成された面を受光面１１２と呼び、その反対側の面（第２面）を入射面１１３と呼ぶ。画素アレイ１１１には光電変換素子がアレイ状に配置されており、各光電変換素子は検出した光を電気信号に変換する。画素アレイ１１１はセンサ保護層１１４により覆われる。センサ基板１１０には例えばＡｌなどの金属で形成された接続端子１１５が形成されており、接続端子１１５は導電線（不図示）によって画素アレイ１１１に接続されている。

シンチレータ層１２０はセンサ基板１１０の受光面１１２側（第１面側）に配置されており、画素アレイ１１１全体を覆う一方で、接続端子１１５を露出する。シンチレータ層１２０はセンサユニット１００に入射した放射線１５０を、画素アレイ１１１が検出可能な波長の光に変換する。本実施形態に係るセンサユニット１００は、センサ基板１１０の入射面１１３側（第２面側）から入射した放射線１５０を検出する裏面照射型である。入射面１１３側から入射した放射線１５０はシンチレータ層１２０のうちの画素アレイ１１１に近い側で光に変換される可能性が最も高い。すなわち、画素アレイ１１１の近くが最も強く光る。そのため、その反対側から放射線が入射した場合よりも散乱光が低減し、解像度が向上する。シンチレータ層１２０はシンチレータ保護層１２１で覆われてもよい。シンチレータ保護層１２１で覆うことにより、シンチレータ層１２０を外気からの水分の浸入や外部からの衝撃による構造破壊から保護できる。

回路基板１３０にはＩＣ１３１や抵抗器（不図示）などの回路が形成されている。これらの回路を用いて画素アレイ１１１の動作が制御される。このような制御は例えば画素アレイ１１１の走査やタイミング制御、画素アレイ１１１から得られた信号の処理などを含みうる。回路基板１３０はシンチレータ層１２０のセンサ基板１１０とは反対側に配置される。回路基板１３０と接続端子１１５とは接続部１４０を介して電気的に接続される。裏面照射型であるセンサユニット１００では、接続端子１１５と、回路基板１３０及び接続部１４０とが、センサ基板１１０の同じ側（受光面１１２側）に配置される。回路基板１３０及び接続部１４０が、センサ基板１１０の入射面１１３側（第２面側）とシンチレータ層１２０との間に配置されると、入射した放射線１５０が回路基板１３０及び接続部１４０に吸収されるおそれがあるためである。そのため、回路基板１３０及び接続部１４０をセンサ基板１１０の受光面１１２の外縁（第１面の外縁）からはみ出さない位置に、言い換えると、外縁よりも内側に、配置できる。例えば、接続部１４０の長さ（接続端子１１５に接続された部分と回路基板１３０に接続された部分との間の長さ）を調整することによって接続部１４０が撓んで受光面１１２の外縁からはみ出さないようにしてもよい。接続部１４０の柔軟性が高く容易に変形する場合に、接続部１４０のうち接続端子１１５及び接続部１４０に接続されていない部分（例えば中央部分）をセンサ基板１１０上の構成要素（例えばシンチレータ保護層１２１）に接着剤などで固定してもよい。

センサユニット１００は電磁シールド層１６０を更に有してもよい。電磁シールド層１６０は回路基板１３０とシンチレータ層１２０との間に配置されてもよく、回路基板１３０の有する回路が発生した電磁波を遮蔽して、画素アレイ１１１の動作への影響を低減する。本実施形態に係る電磁シールド層１６０は回路基板１３０よりも大きく、画素アレイ１１１よりも小さい。これにより、画素アレイ１１１の動作への影響を低減するとともに、センサユニット１００の軽量化も実現できる。本実施形態では、電磁シールド層１６０は接続部１４０の有するＩＣ１４１等の回路とシンチレータ層１２０との間にも形成されており、接続部１４０の回路が発生した電磁波も遮蔽できる。センサユニット１００は裏面照射型であるため、電磁シールド層１６０が入射面１１３側から入射した放射線１５０の検出を妨げることはない。

続いて、センサユニット１００の各構成要素の具体的な構成例を説明する。センサ基板１１０は、例えばガラス、耐熱性プラスチック等を用いて形成できる。ガラスで形成した場合に、ガラスによる放射線の吸収を低減するために、薄型ガラス基板を使用してもよい。また、画素アレイ１１１を形成した後、画素アレイ１１１を保護フィルムで保護し、フッ酸の液に浸してガラス基板を化学的に研磨し、センサ基板１１０の厚さを薄くしてもよい。センサ基板１１０を薄くした場合にはセンサユニット１００の更なる小型化、軽量化が実現される。ガラスで形成したセンサ基板１１０の厚さは加工性やハンドリング性を向上するために３０μｍから５００μｍの範囲としてもよく、特に１００から３００μｍの範囲としてもよい。本実施形態のセンサユニット１００では接続端子１１５と回路基板１３０とが同じ側（受光面１１２側）に配置されるため、これらを接続するためにセンサ基板１１０にスルーホールを形成する必要はない。従って、スルーホールを形成することによるセンサ基板１１０の強度の低下を防止でき、歩留まりが向上する。

画素アレイ１１１は、例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）等の半導体を用いたＭＩＳ型センサ、ＰＩＮ型センサ等の変換素子を有する画素が、行列状に配置された領域である。本実施形態において画素アレイ１１１は、絶縁性基板上に画素が行列状に配置された構成や、単結晶半導体基板に画素が行列状に配置された構成など、既存の構成を用いて実施できるため、その詳細な説明を省略する。センサ保護層１１４は、例えばシリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、パラキシリレンやアクリル等の有機物質を含む樹脂を用いて形成されてもよく、例えば、熱硬化型のポリイミド系樹脂を用いてもよい。また、シンチレータ層１２０の蒸着やアニール処理のような高温条件を伴う処理において劣化しないように、耐熱性を有する樹脂を用いてもよい。

シンチレータ層１２０は、例えばＧｄ₂Ｏ₂Ｓ：Ｔｂのような粒子蛍光体やハロゲン化アルカリのシンチレータ層で形成されうる。シンチレータ層１２０はセンサ基板１１０に対してセンサ保護層１１４の上に蒸着することによって形成されるＣｓＩ：ＮａおよびＣｓＩ：Ｔｌ等のハロゲン化アルカリの柱状結晶構造を有してもよい。

シンチレータ保護層１２１は、例えばポリイミド系、エポキシ系、ポリオレフィン系、ポリエステル系、ポリウレタン系、ポリアミド系のホットメルト樹脂を用いて形成されうる。これらの材料のうち、水分透過率の低いものを用いてもよい。また、シンチレータ保護層１２１の厚さを１０μｍ〜２００μｍ程度としてもよい。更に、シンチレータ保護層１２１とシンチレータ層１２０との間に例えば、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｐｔ、及びＡｕ、又はこれらの合金のような反射率の高い金属からなる反射層（不図示）を配置してもよい。これにより、センサユニット１００の輝度特性が向上する。

電磁シールド層１６０は、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉなどの金属で形成された箔、シート又は板の形状や、これらの金属を混ぜ込んだ導電性塗料、ステンレス繊維を分散させた導電性高分子などを用いて形成されうる。これらの材料のうち、加工性や材料価格等での優位なＡｌを使用してもよい。また、金属箔の形状を選択した場合に、樹脂のフィルム形状の材料と貼り合わせてもよく、これにより箔形状の安定化や作業性の向上が図れる。この樹脂として、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、塩化ビニル、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、アクリル等のフィルム材料を用いうる。さらに、接着剤（不図示）を用いて電磁シールド層１６０をシンチレータ保護層１２１に固定してもよい。この接着剤として、例えばゴム系接着剤、アクリル系接着剤、スチレン・共役ジエンブロック共重合体系接着剤、シリコーン系接着剤などを用いうる。電磁シールド層１６０は、薄い場合には電磁シールド効果が少なく、厚い場合にはセンサユニット１００の重量が増加する。そこで、両者のトレードオフを考慮して、電磁シールド層１６０の厚さを５μｍから３ｍｍの範囲としてもよく、特に１０μｍから１ｍｍの範囲としてもよい。

回路基板１３０は例えばガラスエポキシ、紙フェノール、紙エポキシ等を素材とした基板であり、この基板に銅箔など導電体で回路（パターン）配線が形成され、回路を構成する部品が実装される。回路基板１３０の一部にコンタクトホールを形成し、回路基板１３０と電磁シールド層１６０とを導電性接着剤で接続し、回路基板１３０を介して電磁シールド層１６０を接地に接続してもよい。また、回路基板１３０を接着剤等で電磁シールド層１６０に固定してもよい。固定することにより、振動等による衝撃に対して接続部１４０との接続部の信頼性が向上する。

接続部１４０は、例えばポリイミドやポリエステルなどのフィルムで形成された基材の上に銅箔の導電パターンが形成され、表面保護のための絶縁フィルムで被覆されたフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）であってもよい。接続端子１１５と接続部１４０とは導電性接着剤で接着される。また、回路基板１３０と接続部１４０とは導電性接着剤で接着される。この導電性接着剤は、例えば銀や金等の導電フィラーと、アクリルやエポキシ等の樹脂バインダとを混合した接着剤でありうる。

以上のように、本実施形態によれば、センサ基板１１０の外縁を越えた部分に回路基板１３０及び接続部１４０が位置しないので、センサユニット１００を小型化できる。また、センサ基板１１０にスルーホールを形成する必要はないので、センサ基板１１０の強度は維持される。

続いて、図２を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る放射線検出装置２００の例示の構造について説明する。図２（ａ）は放射線検出装置２００の平面図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示す。放射線検出装置２００は主にセンサユニットと、センサユニットを収容して保護するカバーとを備えうる。放射線検出装置２００のセンサユニットは図１に示されるセンサユニット１００と同様の構成であるため、図１を用いて説明された構成要素については同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。図２（ａ）では説明のためにカバーの上面を省略している。また、図２（ａ）において、画素アレイ１１１、接続部１４０の一部及び接続端子１１５は電磁シールド層１６０にあるため実際には視認できない。

カバーは上カバー２６１と下カバー２６２とで構成されうる。放射線１５０の入射側にある下カバー２６２は例えばアモルファスカーボン、樹脂等の放射線吸収量が少ない材料で形成してもよい。放射線検出装置２００は回路基板１３０のほかに回路基板２３０を有しうる。回路基板２３０にはＩＣ２３１等を有する回路が形成されている。回路基板２３０は回路基板１３０と同様の構成を有してもよく、重複する説明を省略する。回路基板１３０にはアナログ信号を処理する回路が配置され、回路基板２３０にはデジタル信号を処理する回路が配置されてもよい。そのような場合、回路基板２３０を回路基板１３０よりも中央側に配置することが好ましい。アナログ信号を処理する回路よりも放射線による品質影響を受けやすいデジタル信号を処理する回路を、放射線の吸収確率が高い中央側に配置した方が、放射線検出装置２００の放射線耐性が向上するためである。回路基板２３０と回路基板１３０とは接続部２４０で接続される。回路基板１３０と回路基板２３０とは１枚の回路基板に統合されてもよい。この場合に、回路基板は画素アレイ１１１を全体的に覆う大きさであってもよい。これにより、外部から回路基板に与えられた応力を画素アレイ１１１全体に分散させることができ、放射線検出装置２００の耐障害性が向上する。

図１の電磁シールド層１６０とは異なり、本実施形態に係る放射線検出装置２００の電磁シールド層１６０はセンサ基板１１０よりも大きく、センサ基板１１０を全体的に覆う。さらに、電磁シールド層１６０の外周は上カバー２６１に接している。これにより、電磁シールド層１６０により画素アレイ１１１が全体的に覆われ、電磁シールド効果がさらに向上する。また、電磁シールド層１６０はセンサ基板１１０よりも小さく、画素アレイ１１１よりも大きくてもよい。この場合にも、電磁シールド層１６０により画素アレイ１１１を全体的に覆うことができる。電磁シールド層１６０には例えば斜めに入れられたスリットである開口２４２が形成されており、接続部１４０はこの開口２４２を通る。

センサ基板１１０と下カバー２６２とはセンサ基板接着層２７１により接着されて固定される。センサ基板接着層２７１として例えばゴム系接着剤、アクリル系接着剤、スチレン・共役ジエンブロック共重合体系接着剤、シリコーン系接着剤などを用いうる。放射線検出装置２００では、センサ基板１１０の入射面１１３と下カバー２６２とがセンサ基板接着層２７１を介して接している。このような構成ではセンサ基板１１０を保持する基台は不要であり、放射線検出装置２００の小型化・軽量化につながる。本実施形態で、センサ基板接着層２７１はセンサ基板１１０の入射面１１３だけでなく、その側面の一部を覆っている。これにより、振動等によるセンサ基板１１０の下カバー２６２への衝突を防ぐことができ、センサ基板１１０の破損が防止される。また、センサ基板１１０の入射面１１３が下カバー２６２に直接に接するように配置してもよく、センサ基板接着層２７１はセンサ基板１１０の側面のみを覆ってもよい。

回路基板１３０、２３０と上カバー２６１との間には保持層２７２が配置される。保持層２７２は例えば発泡ゴムや、多孔質ゴム等からなるスポンジ状の柔らかい物質を用いて形成され、容易に変形する。回路基板１３０、２３０に実装されたＩＣ等の保持層２７２の領域は変形し、実装部品との接触面積を大きくすることでセンサ基板１１０の振動等による位置ずれが防止され、接続部１４０の接続部の信頼性が向上する。本実施形態の放射線検出装置２００も第１実施形態と同様の効果を有する。

続いて、図３を参照しつつ、本発明の第３実施形態に係る放射線検出装置３００の例示の構造について説明する。図３（ａ）は放射線検出装置３００の平面図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図を示す。以下では放射線検出装置３００と放射線検出装置２００との相違点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

放射線検出装置３００はセンサパネルとシンチレータパネルとを別々に準備し、それらを貼り合わせて形成される間接方式の放射線検出装置である。シンチレータを蒸着するためのシンチレータ基板として、電磁シールド層１６０を用いてもよい。これにより、シンチレータ基板と電磁シールド層１６０とを別々に配置する場合と比較して、軽量化・小型化を実現できる。シンチレータの材料としてＣｓＩ：Ｎａ及びＣｓＩ：Ｔｌ等のハロゲン化アルカリ物質を用いる場合には、電磁シールド層１６０の表面に絶縁保護膜（不図示）を形成してから蒸着してもよい。

シンチレータ層１２０がＣｓＩ：Ｔｌ等のハロゲン化アルカリの柱状結晶構造を有する場合に、放射線の吸収量が増加すると輝度特性が低下する。この場合に、環境温度よりも高い熱をシンチレータ層１２０に加えることにより、輝度特性を回復できる。本実施形態に係る放射線検出装置３００では、電磁シールド層１６０にシンチレータ層１２０が蒸着され、電磁シールド層１６０と回路基板１３０、２３１とが直接に又は接着剤を介して接している。これにより、ＩＣ１３１、２３１等の回路で発生した熱は、回路基板１３０、２３０及び電磁シールド層１６０を介してシンチレータ層１２０に伝わる。これにより、シンチレータ層１２０の輝度特性を回復できると共に、ＩＣ１３１、２３２等の回路を冷却できる。また、電磁シールド層１６０にシンチレータ層１２０が蒸着され、シンチレータ層１２０よりも電磁シールド層１６０が大きいので、シンチレータ層１２０全体に回路で発生した熱が伝熱する。シンチレータ層１２０に均一に熱が伝達されるように、熱源となるＩＣ２３１をシンチレータ層１２０の中央に配置してもよい。また、その他のＩＣ等の回路をシンチレータ層１２０上に点在するように配置してもよい。本実施形態の放射線検出装置２００も第１実施形態と同様の効果を有する。

Claims (7)

1. 第１面及び第２面を有し、前記第１面に画素アレイと当該画素アレイに接続された接続端子とが配置されたセンサ基板と、
   前記センサ基板の前記第１面側に配置され、前記センサ基板の前記第２面側から入射した放射線を前記画素アレイが検出可能な波長の光に変換するシンチレータ層と、
   前記画素アレイの動作を制御するための回路を有し、前記シンチレータ層の前記センサ基板とは反対側に配置された回路基板と、
   前記接続端子と前記回路基板とを接続するための接続部とを備え、
   前記シンチレータ層は前記画素アレイを覆う一方で、前記接続端子を露出されるように配置され、
   前記回路基板及び前記接続部は前記センサ基板の前記第１面の外縁からはみ出さない位置に配置される
   ことを特徴とする放射線検出装置。
2. 前記回路基板の有する回路が発生する電磁波を遮蔽する電磁シールド層を更に備え、
   前記電磁シールド層は前記回路基板と前記シンチレータ層との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出装置。
3. 前記電磁シールド層は前記画素アレイよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の放射線検出装置。
4. 前記電磁シールド層は前記センサ基板の前記第１面よりも大きく、
   前記電磁シールド層には前記接続部を通す開口が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の放射線検出装置。
5. 前記シンチレータ層は前記電磁シールド層に蒸着されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の放射線検出装置。
6. 前記回路基板の有する回路で発生した熱が前記シンチレータ層に伝達するように、前記回路基板は直接に又は接着層を介して前記電磁シールド層に接していることを特徴とする請求項５に記載の放射線検出装置。
7. 前記センサ基板、前記シンチレータ層、前記回路基板及び前記接続部を収容するカバーを更に備え、
   前記センサ基板の前記第２面が直接に又は接着層を介して前記カバーに接していることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の放射線検出装置。

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