JP4839176B2 - 超音波トランスデューサ及び超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電容量型の超音波トランスデューサと超音波診断装置に関する。

体腔内に超音波を照射し、そのエコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。この超音波診断法に用いられる超音波診断装置の１つに超音波内視鏡がある。超音波内視鏡は、体腔内へ導入する挿入部の先端に超音波トランスデューサ（超音波振動子）が配設されている。超音波トランスデューサは電気信号を超音波に変換し体腔内へ送信し、また体腔内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有するものである。

従来、超音波トランスデューサとして、セラミック圧電材ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電素子が主に使用されてきたものであるが、近年、マイクロマシニング技術を用いて製造される静電容量型超音波トランスデューサ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、ｃ−ＭＵＴと称する）が注目を集めている。ｃ−ＭＵＴは、例えば特表２００４−５０３３１３号公報に開示されている。

ｃ−ＭＵＴは、空隙部を挟んで対向する一対の平板状の電極（平行平板電極）を具備して構成されるものであり、一方の電極を含む膜（メンブレン）の振動により超音波の送受信を行うものである。
特表２００４−５０３３１３号公報

ｃ−ＭＵＴは、送信時においては、一対の電極間に所定の周波数の電圧信号が印加されることにより発生する、両電極間の静電引力の変化によってメンブレンを振動させて超音波を送信する。

一方、ｃ−ＭＵＴは、受信時においては、受信超音波によるメンブレンの振動に伴う、一対の電極間の静電容量の変化から超音波信号を電気信号に変換するため、両電極を帯電させておくことが必要である。このために、ｃ−ＭＵＴは、受信時においては一対の電極間にＤＣバイアス電圧を印加しなければならない。

このように、ｃ−ＭＵＴにＤＣバイアス電圧を印加し続けることは、ｃ−ＭＵＴの駆動電圧の実効値が高くなり、ｃ−ＭＵＴを構成する配線に負担となり、さらに、内視鏡の消費電力を増加させることになる。また、ＤＣバイアス電圧を印加するための配線及び回路が必要であるため装置が大型化してしまう。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＤＣバイアス電圧を印加することなく超音波の送受信が可能な静電容量型の超音波トランスデューサ及び超音波診断装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波トランスデューサは、基板上に配設され、極性の反転する電圧信号である駆動信号が印加される第１の電極と、該第１の電極上に空隙部を隔てて配設された振動膜と、該振動膜上に配設され、接地電位とされる第２の電極と、前記第１の電極に電気的に接続され、与えられる電場によって自発分極の極性が反転する強誘電体と、を具備することを特徴とする。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図面１から図９を参照して説明する。なお、以下の説明に用いた各図においては、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせてある。図１は超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。図２は超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図である。図３は振動子アレイの斜視図である。図４は、振動子ユニットを超音波の送受方向から見た上面図である。

図１に示すように本実施形態の超音波診断装置である超音波内視鏡１は、体腔内に導入される細長の挿入部２と、この挿入部２の基端に位置する操作部３と、この操作部３の側部から延出するユニバーサルコード４とで主に構成されている。

前記ユニバーサルコード４の基端部には図示しない光源装置に接続される内視鏡コネクタ４ａが設けられている。この内視鏡コネクタ４ａからは図示しないカメラコントロールユニットに電気コネクタ５ａを介して着脱自在に接続される電気ケーブル５及び図示しない超音波観測装置に超音波コネクタ６ａを介して着脱自在に接続される超音波ケーブル６が延出されている。

前記挿入部２は、先端側から順に硬質な樹脂部材で形成した先端硬性部２０、この先端硬性部２０の後端に位置する湾曲自在な湾曲部８、この湾曲部８の後端に位置して前記操作部３の先端部に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部９を連設して構成されている。また、前記先端硬性部２０の先端側には詳しくは後述する超音波を送受するための超音波送受部３０が設けられている。

前記操作部３には前記湾曲部８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ１１、送気及び送水操作を行うための送気・送水ボタン１２、吸引操作を行うための吸引ボタン１３、体腔内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口１４等が設けられている。

図２に示すように、先端硬性部２０には、観察部位に照明光を照射する照明光学部を構成する照明レンズ（図示せず）、観察部位の光学像を捉える観察光学部を構成する対物レンズ２１、切除した部位を吸引したり処置具が突出したりする開口である吸引兼鉗子口２２及び送気及び送水を行うための送気送水口（図示せず）が設けられている。

先端硬性部２０の先端に設けられた超音波送受部３０は、図３に示ように、振動子アレイ３１と駆動回路３４とＦＰＣ３５とを具備して構成されている。ＦＰＣ３５は、可撓性を有し両面に実装面が形成された配線基板（フレキシブル配線基板）であり、超音波送受部３０においては、該ＦＰＣ３５は先端硬性部２０の挿入軸と略平行な軸を中心軸として略円筒状に巻回されて配設されている。

円筒状のＦＰＣ３５の外周面上には、２次元の超音波振動子アレイである振動子アレイ３１が設けられている。振動子アレイ３１は、ＦＰＣ３５の外周面上に周方向に配列された複数の振動子ユニット３２を具備して構成されている。振動子ユニット３２は、ＦＰＣ３５の外周面の法線方向から見て略長方形状を有し、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上において、短手方向を周方向として等間隔に配列されている。振動子アレイ３１は、例えば数十から数百個の振動子ユニット３２により構成されており、本実施形態の振動子アレイ３１は、１２８個の振動子ユニット３２を具備している。

また、振動ユニット３２は、図４に示すように、複数の振動子エレメント３３が配列されて構成されている。本実施形態では、振動子エレメント３３は、ＦＰＣ３５の外周面の法線方向から見て略正方形状を有しており、該振動子エレメント３３は、振動子ユニットの長手方向に１次元に配列されている。振動子ユニット３２は、本実施形態では６４個の振動子エレメント３３により構成されている。

振動子エレメント３３は、詳しくは後述する本実施形態の超音波トランスデューサである複数の振動子セル１００により構成されている。同一の振動子エレメント３３においては、振動子セル１００は、全て並列に電気的に接続されており、超音波観測装置からの駆動信号が入力されることにより、同時に同位相の超音波を送信する。すなわち、本実施形態では、一つの振動子エレメント３３が、超音波を送受信するための最小の駆動単位を構成している。振動子エレメント３３は、本実施形態では４個の振動子セル１００により構成されている。

隣接する振動子ユニット３２間には、個々の振動子ユニット３２を区画する溝部である振動子ユニット境界溝４１が形成されている。また、振動子エレメント３３間にも、個々の振動子エレメント３３を区画する溝部である振動子エレメント境界溝４２が形成されている。このように、最小の駆動単位である振動子エレメント３３の外周に溝部を設けることにより、隣接する振動子エレメント３３間におけるクロストークを低減することが可能となる。

振動子エレメント３３は、ＦＰＣ３５の実装面の法線方向、すなわち円筒状であるＦＰＣ３５の径方向外向きに超音波を送信する。したがって、振動子エレメント３３が１次元に配列されて構成された振動子ユニット３２は、１次元の超音波振動子アレイを構成するものであり、該振動子ユニット３２が複数配列されることにより、２次元の超音波振動子アレイである振動子アレイ３１が構成されるのである。

一方、円筒状のＦＰＣ３５の内周面上、すなわち振動子アレイ３１が実装された実装面とは反対側の実装面上には、複数の駆動回路３４が実装されている。駆動回路３４は、振動子エレメント３３を駆動するためのパルサーや選択回路等の電気回路を有し、個々の振動子エレメント３３と電気的に接続されている。

また、駆動回路３４は、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上に形成された、複数の信号電極３６及び接地電極３７に電気的に接続されている。なお、信号電極３６は、図３においては一つの電極のように示しているものであるが、信号電極３６は、振動子エレメント３３の数に対応して分割されており、一つの振動子エレメント３３に対し一つの信号電極が配設されている。

信号電極３６及び接地電極３７は、超音波ケーブル６内を挿通されて一端が超音波コネクタ６ａに電気的に接続された、同軸ケーブルの他端が電気的に接続される。よって、駆動回路３４は、超音波観測装置に電気的に接続されるのである。

上述の構成を有する超音波送受部３０は、円筒形状のＦＰＣ３５の外周面上に配設された２次元の超音波振動子アレイである振動子アレイ３１によって、超音波を先端硬性部２０の挿入軸と略直交する平面上において放射状に送受信する、いわゆる電子式ラジアル走査と、超音波を先端硬性部２０の挿入軸を含む平面上において放射状に送受信する、いわゆる電子式セクタ走査とを、同時又は交互に行うものである。すなわち、本実施形態の超音波内視鏡１は、体腔内における３次元の超音波走査が可能である。

次に、本実施形態の静電容量型超音波トランスデューサとしての振動子セル１００の構成について、以下に説明する。図５は、振動子セル１００の上面図である。図６は、図５のVI-VI断面図である。図７は、振動子セル１００の等価回路図である。

本実施形態の振動子セル１００は、いわゆるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の技術範囲に属するものである。振動子セル１００は、低抵抗のシリコン半導体からなるシリコン基板１０１（基材）上にマイクロマシニング技術により形成された静電容量型の超音波トランスデューサであり、ｃ−ＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）と称される。本実施形態では、振動子セル１００は、半導体プロセスを用いて形成された平行平板電極により構成されるものであり、シリコン基板１０１上に層状に形成された積層構造を有する。

なお、以下の積層構造の説明において、各層の上下関係については、シリコン基板１０１の表面から法線方向に遠ざかる方向を上方向とする。例えば、図６の断面図において、上部電極１２０は下部電極１１０の上方に配設されている、と称するものとする。また、各層の厚さとは、シリコン基板１０１表面の法線に平行な方向についての各層の寸法を指す。また、以下の説明においては、便宜的に、シリコン基板１０１の表面のうち、振動子セル１００が形成される面をセル形成面、振動子セル１００が形成される面とは反対側の面を裏面と称する。

振動子セル１００は、略円柱状の空隙部であるキャビティ１０７を介して対向する一対の平行平板電極である、下部電極１１０（第１の電極）及び上部電極１２０（第２の電極）を有して構成される。振動子セル１００は、上部電極を含む弾性を有する膜状の構造体であるメンブレン１００ａ（振動膜）の振動により、超音波を送受信するものである。

本実施形態に係る振動子セル１００の構造について、以下に詳細に説明する。

シリコン基板１０１は、導電性を有する低抵抗シリコンウェハからなり、両表面にはそれぞれ電気絶縁性を有するシリコン酸化膜である第１絶縁膜１０２及び裏面絶縁膜１０９が形成されている。第１絶縁膜１０２及び裏面絶縁膜１０９は、シリコン基板１０１を熱酸化することにより形成される高温酸化膜である。

シリコン基板１０１のセル形成面上、すなわち第１絶縁膜１０２上には、上方から見て略円形状の導電層である下部電極１１０が形成されている。下部電極１１０は、Ｍｏ（モリブデン）をスパッタリングにより成膜しパターニングすることで形成される。下部電極１１０は、上方から見て隣接する４つの下部電極１１０同士が、略Ｘ字形状の下部電極配線１１１により電気的に接続されている。

なお、積層構造の最下層部であり、かつシリコン酸化膜上に形成される下部電極１１０を構成する材料は、Ｍｏ以外に、例えばＷ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）等の高融点金属やその合金であることが望ましいが、その後の製造工程で高温の熱処理を避けることができるのであれば、材料はこれに限定されるものではなく、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）等であってもよい。また、下部電極１１０は２種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。

上方から見て略Ｘ字形状の下部電極配線１１１の、配線の交差部には、シリコン基板１０１を貫通して形成されたウェハ貫通電極１１２が、振動子エレメント３３単位で設けられている。ウェハ貫通電極１１２は、シリコン基板１０１とは電気的に絶縁されており、裏面絶縁膜１０９上に形成された信号電極パッド１１３に電気的に接続されている。

すなわち、下部電極１１０は、下部電極配線１１１、ウェハ貫通電極１１２を介して、シリコン基板１０１の裏面に形成された信号電極パッド１１３に電気的に接続されている。

下部電極１１０上には、強誘電体からなる強誘電体膜１３０が形成されている。強誘電体は、自発分極が存在し電場により自発分極の向きが反転する性質を有し、またヒステリシス特性を有することを特徴とする（強誘電性）。本実施形態では強誘電体膜１３０は、Ｂｉ（ビスマス）層状構造強誘電体（Bi₂O₂）²⁺・（A_m-1B_mO_3m+1）^2-、例えば、SrBi₂TaO₉（ｍ＝２）、Sr₂Bi₄Ti₅O₁₈（ｍ＝５）等により構成されることが好ましく、ＣＶＤ法、スパッタ法、ゾルゲルスピンコート法等により成膜される。

強誘電体膜１３０を構成する材料であるＢｉ層状構造強誘電体は、分極反転の繰り返しによる劣化が少ない材料である。なお、強誘電体膜１３０を構成する強誘電体は、Ｂｉ層状構造強誘電体に限られるものではない。

強誘電体膜１３０上には、キャビティ１０７越しに電気絶縁性を有する第２絶縁膜１０４が形成されている。第２絶縁膜は１０４は、本実施形態ではシリコン窒化膜であり、ＬＰＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法により形成される。なお、第２絶縁膜１０４は、シリコン酸化膜であってもよい。

強誘電体膜１３０と、第２絶縁膜１０４との間には、大気圧もしくは減圧状態の密閉された空隙部であるキャビティ１０７が形成されている。キャビティ１０７は、略円柱形状を有し、上方から見て下部電極１１０と略同心上に設けられている。

キャビティ１０７は、本実施形態では、公知の技術である犠牲層エッチングにより形成されるものであり、犠牲層エッチング時に使用される、キャビティ１０７内と第２絶縁膜１０４の上層とを連通するための犠牲層除去孔は、プラグ１０８により封止されている。犠牲層除去孔はキャビティ１０７の外周部の３箇所に形成されている。なお、キャビティ１０７は、微細加工後のウェハ同士を接合する方法で形成されるものであってもよい。

第２絶縁膜１０４上には、上方から見て略円形状の導電層である上部電極１２０が形成されている。上部電極１２０は、上方から見て下部電極１１０と略同心上、すなわち下部電極１１０と対向する位置に設けられている。本実施形態では、上部電極１２０は、Ａｌのスパッタリングにより成膜しパターニングすることで形成される。

上部電極１２０は、上方から見て隣接する４つの上部電極１２０同士が、略Ｘ字形状の上部電極配線１２１により電気的に接続されている。ここで、上部電極配線１２１は、上述した下部電極配線１１１と、上方から見て重なる部分が最小となるように配設されている。このように、下部電極配線１１１と上部電極配線１２１とを、互いに重なる部分が最小となるように配置することにより、配線部における寄生容量の発生を防止することができる。

なお、上部電極１２０を構成する材料は、Ａｌ以外に、例えばＣｕ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｔａ等の導電性を有するものであればよい。また、上部電極１２０は２種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。

上方から見て略Ｘ字形状の上部電極配線１２１の配線の交差部は、振動子ユニット境界溝４１上に形成されている。該振動子ユニット境界溝４１は、第２絶縁膜１０４のメンブレン支持部１０４ａを貫通してシリコン基板１０１に到達する深さで形成されている。振動子ユニット境界溝４１内には、上部電極１２０及び上部電極配線１２１と同一の工程により貫通電極１２２が成膜されており、貫通電極１２２は、シリコン基板１０１にオーミックコンタクト領域１２２ａを介して電気的に接続されている。

また、裏面絶縁膜１０９上には接地電極パッド１２３が形成されており、接地電極パッド１２３は、オーミックコンタクト領域１２３ａを介してシリコン基板１０１に電気的に接続されている。

すなわち、上部電極１２０は、上部電極配線１２１、貫通電極１２２、シリコン基板１０１を介して、シリコン基板１０１の裏面に形成された接地電極パッド１２３に電気的に接続されている。

上部電極１２０上には、電気絶縁性を有する上部保護膜１０５が形成されている。上部保護膜１０５は、本実施形態ではシリコン窒化膜であり、プラズマＣＶＤ法により形成される。なお、上部保護膜１０５は、シリコン窒化物以外に、シリコン酸化膜、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、ハフニウム酸窒化物（ＨｆＯＮ）等により構成されてもよい。特に、ＨｆＮ及びＨｆＯＮは、高密度の膜が得られるため保護膜として好ましい。

また、図示しないが、上部保護膜１０５上には、耐水性、耐薬品性等を有し、生体適合性及び電気絶縁性に優れたパラキシリレン系樹脂等からなる膜を成膜してもよい。

上述した構成を有する振動子セル１００を有する振動子エレメント３１は、例えば半田接合、異方性導電フィルム接合、超音波接合等の公知の工法によりＦＰＣ３５上に実装される。したがって、振動子セル１００は、信号電極パッド１１３及び接地電極パッド１２３を介して、ＦＰＣ３５の反対側に実装された駆動回路３４に電気的に接続される。

すなわち、信号電極パッド１１３を介して、下部電極１１０と駆動回路３４との間で電圧信号である駆動信号及び受信信号の送受がなされる。また、接地電極パッド１２３は、接地電位とされ、上部電極１２０は、シリコン基板１０１及び接地電極パッド１２３を介して接地電位に接続される。

このように、本実施形態では、振動子セル１００を形成する基板を低抵抗のシリコン基板１０１とし、シリコン基板１０１を接地電位とすることにより裏面側から飛来するノイズを遮蔽し、よりＳ／Ｎ比の高い超音波画像を得ることが可能となる。

また、振動子セル１００の裏面側に信号電極パッド１１３及び接地電極パッド１２３を設けることにより、実装面積を減少させることができる。

なお、上述した構成では、下部電極１１０、上部電極１２０及びキャビティ１０７は、上方から見て略円形状を有するものであるが、これらの形状は本実施形態に限るものではなく、例えば正六角形や矩形等であってもよい。メンブレン１００ａ及びキャビティ１０７の寸法は、観察時に使用する超音波の波長や出力により決定されるものである。

以下に、上述した構成を有する超音波内視鏡１及び振動子セル１００の駆動方法及び動作を説明する。図７は、本実施形態の振動子セルの等価回路図である。図８は、強誘電体の分極ヒステリシス特性（Ｐ−Ｅ履歴曲線）を説明するグラフである。図９は、振動子セルの駆動を説明するタイミングチャートである。

以下においては、強誘電体膜１３０は、図８に示すような分極ヒステリシスを有するものとして説明する。図８において、横軸は強誘電体膜１３０に印加される電圧Ｅを示し、縦軸は強誘電体膜１３０の分極量Ｐを示している。分極量Ｐは、強誘電体膜１３０中における電荷の偏りの程度を示す値である。

また、図８においてＰｒは、残留分極と称され、印加電圧Ｅを０とした場合の、強誘電体膜１３０中に残存する電荷の偏りの程度を示す値である。この、電圧無印加時に強誘電体膜１３０中に残存する電荷の偏りは、強誘電体膜１３０表面近傍に局在する逆極性の電荷と中和するため、外部からは観測されない。しかし、強誘電体膜１３０に印加される電圧の変化や強誘電体膜１３０に加えられる温度又は圧力が変化することにより、強誘電体膜１３０中の分極電荷量が変化し、中和状態にあったバランスが崩れ、その差分の電荷が強誘電体１３０の表面上に現出することになる。

また、図７の等価回路図では、メンブレン１００ａの等価静電容量をＣmem、キャビティ１０７の等価静電容量をＣcav、強誘電体膜１３０の等価静電容量をＣfe、第１絶縁膜１０２の等価静電容量をＣinとして示している。

図９においては、横軸は時間を示し、縦軸Ｖｔｒは駆動信号の電圧、縦軸Ｑは下部電極上の電荷量を示している。

本実施形態では、図７に示すように、駆動手段である駆動回路３４から出力される電圧信号である駆動信号は、下部電極１１０に印加されるものである。ここで、下部電極１１０に駆動信号が入力された場合に、Ｃmem、Ｃcav及びＣfe間の分圧電圧が、強誘電体膜１３０の分極反転電圧より大きければ分極反転が生じ、分極反転電荷が誘起される。

例えば、強誘電体膜１３０の分極が図８に示すＡの状態（分極量−Ｐｒ）であった場合、強誘電体膜１３０に＋Ｖａ以上の電圧が印加されると、強誘電体膜１３０の分極はＢの状態に達した後に、Ｃの状態（分極量Ｐｒ）となり分極が反転する。

本実施形態の超音波内視鏡１では、振動子セル１００は、送信期間Ｔｔｒ中に超音波を送信し、送信期間Ｔｔｒ後の受信期間Ｔｒｅ中に超音波を受信する動作を、所定の期間である１送受期間Ｔ１毎に繰り返すように駆動回路３４により駆動される。

図９に示すように、駆動回路３４は、１送信期間Ｔｔｒ中において１度のみ半波のパルス電圧信号（単パルスの電圧信号）を、下部電極１１０に出力する。駆動回路３４から出力される半波のパルス電圧信号は、１回の出力ごとにその極性が反転されるものであり、またその電圧値は、強誘電体膜１３０に分極反転を生じせしめるに足る値であり、かつメンブレン１００ａの振動により発信される超音波の出力が十分なものとなる値とされる。

すなわち、下部電極１１０に印加される駆動信号は、一度の入力ごとにその極性が反転されるものであり、このため一度の駆動信号の入力ごとに強誘電体膜１３０の分極反転が生じ、下部電極１１０上には、２Ｐｒ（＝Ｐｒ−（−Ｐｒ））の電荷量の電荷が誘起される。ここで、下部電極１１０上に誘起された電荷は、図９に示すように、次の駆動信号が入力されるまで保持される。

本実施形態の振動子セル１００は、上述のような駆動方法により駆動されることにより、以下に説明するように動作するものである。

まず、送信期間Ｔｔｒ中において、振動子セル１００の下部電極１１０には、半波のパルス電圧信号である駆動信号が入力される。駆動信号が入力されることにより下部電極１１０と上部電極１２０との間の電位差が変化し、両電極間の静電引力が変動することで両電極間の距離が変化する。すなわち、メンブレン１００ａが振動し、これにより超音波が送信される。

なお、本出願人が特願２００４−１７２９７０号で詳述するように、送信期間Ｔｔｒ中のみにおいて、下部電極１１０と上部電極１２０との間にパルス状にＤＣバイアス電圧を印加する構成としてもよい。このように超音波の送信時において、下部電極１１０と上部電極１２０との間にＤＣバイアス電圧を印加することにより、送信超音波の広帯域化及び音圧の向上等の好ましい効果を得られる。

また、送信期間Ｔｔｒ中において、下部電極１１０に駆動信号が入力されることにより、強誘電体膜１３０の分極反転が生じ、下部電極１１０上に電荷が誘起される。この電荷により、下部電極１１０と上部電極１２０との間にはＤＣ電圧が印加されることとなる。すなわち、送信期間Ｔｔｒに続く受信期間Ｔｒｅ中において、下部電極１１０と上部電極１２０との間にＤＣバイアス電圧が印加された状態が維持された状態となる。

受信期間Ｔｒｅ中において、体腔内において反射された超音波は振動子セル１００に到達し、この反射波によりメンブレン１００ａが振動する。このため、下部電極１１０と上部電極１２０との距離の変化に応じて、下部電極１１０と上部電極１２０との間の静電容量が変化する。ここで、下部電極１１０と上部電極１２０との間にはＤＣバイアス電圧が印加された状態であるため、下部電極１１０と上部電極１２０との間の静電容量の変化に応じて、下部電極１１０上の電荷量に変動が生じる。すなわち、超音波観測装置は、振動子セル１１０の下部電極１１０上の電荷量の変化を受信信号として測定することにより、超音波を受信することが可能となる。

以上のように、本実施形態の振動子セル１１０は、強誘電体膜１３０を設けることにより、従来のＤＣバイアス電圧の印加を必要とするｃ−ＭＵＴと同等の動作を実現するものである。すなわち、本実施形態の振動子セル１１０は、ＤＣバイアス電圧の印加を必要とせず、パルス信号のみにより超音波の送受信を行うことが可能であり、駆動に必要な電圧実効値を従来よりも低い値とすることが可能となる。

よって、本実施形態の振動子セル１１０は、従来よりもより低い消費電力で超音波の送受信を行うことができ、配線にかかる負担も抑えることができる。また、このような振動子セル１１０を具備した超音波内視鏡１においては、ＤＣバイアス電圧を印加するための配線及び回路が不要となり、より装置の小型化を図ることが可能となる。

また、本実施形態の振動子セル１００を具備した超音波内視鏡１によれば、振動子セル１００には圧電セラミックのように鉛等の有毒物質が全く含まれないため、環境負荷の小さい診断装置を実現することが可能である。

また、本実施形態では、振動子セル１００を駆動するための駆動信号は、振動子セル１００の下層側、すなわち観察対象に対して超音波を送受する方向とは反対側に位置する下部電極１１０に印加される。ここで、該下部電極１１０に比してより観察対象に近い位置に配設されている上部電極２００は、接地電位に接続されている。すなわち、本実施形態の振動子セル１００の外周部には、接地電位に接続された導電層のみが配設され、駆動信号が印加される導電層は振動子セル１００の内部側にのみ配設されている。よって、駆動信号が印加される導電層と、外部との電気的絶縁の確保が確実かつ容易となる。これに加えて、前述のように実効値の高いＤＣバイアス電圧を印加するための配線等が不要であるため、例えば、振動子セル１００を被覆するための保護膜の膜厚を薄くすることが可能となり、装置の小型化を図ることが可能となる。

なお、上述の実施形態においては、振動子セル１００を駆動するための駆動回路３４は、振動子セル１００とは別に形成されてＦＰＣ３５に実装されるものであるが、本発明はこの形態に限られるものではない。

例えば、本実施形態は、振動子セル１００をシリコン半導体であるシリコン基板１０１上に形成しているものであり、振動子セル１００を駆動するための電子回路の少なくとも一部を、このシリコン基板１０１上にモノリシックに形成することが可能である。このように駆動回路をシリコン基板１０１上に形成することにより、駆動回路を別途実装する工程を無くすことができ、工程数の短縮化を図ることができる。また、駆動回路と振動子セル１００との電気的接続の信頼性を向上させることが可能である。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、第２の実施形態に係る振動子セルの断面図である。図１１は、第２の実施形態に係る振動子セル１００の等価回路図である。

第２の実施形態では、第１の実施形態の構成に対し、強誘電体膜１３０の配置のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。

本実施形態の振動子セルは、図１０に示すように、強誘電体膜１３０が、下部電極１１０の下層側に配設されている。

本実施形態の振動子セルの駆動方法は、第１の実施形態と同様であるが、駆動手段である駆動回路３４から出力され下部電極１１０に印加される駆動信号は、強誘電体膜１３０の等価静電容量Ｃfeと第１絶縁膜１０２の等価静電容量Ｃinとの分圧電圧が、強誘電体膜１３０の分極反転電圧よりも大きくなる値とされる。

ここで、本実施形態は、第１の実施形態に比して、強誘電体膜１３０に印加される電圧の分圧による電圧降下が少ないため、下部電極１１０へ印加する駆動信号の電圧実効値を第１の実施形態よりも低く抑えることが可能となる。したがって、本実施形態によれば、体腔内で使用される形態において、より好ましい超音波トランスデューサを提供することが可能となる。

また、本実施形態によれば、駆動信号の電圧実効値を第１の実施形態よりも低く抑えられるため、駆動回路や配線を流れる電流値が小さくなり、消費電力を低くすることが可能である。このことは、駆動回路の更なる小型化を可能とし、また駆動回路の発熱による振動子セルの特性変動を防止することが可能となる。

また、本実施形態によれば、下部電極１１０と上部電極１２０との間に誘電体膜１３０が配設されないため、第１の実施形態に比して、下部電極１１０と上部電極１２０との間の距離（電極間距離）を小さくすることができる。

したがって、本実施形態によれば、電極間における静電容量を高くすることが可能となり、より高い送信超音波の音圧が得られ、かつ受信感度の高い静電容量型超音波トランスデューサを実現することができる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について、図１２を参照して説明する。図１２は、第３の実施形態に係る振動子セルの断面図である。第３の実施形態では、第２の実施形態の構成に対し、強誘電体膜１３０の配置のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。

本実施形態の振動子セルは、図１２に示すように、シリコン基板１０１上に第１絶縁膜が形成されず、強誘電体膜１３０はシリコン基板１０１に上接して配設され、さらに強誘電体膜１３０上に下部電極１１０が配設されている。

本実施形態によれば、第２の実施形態に比して、強誘電体膜１３０に印加される電圧の分圧による電圧降下がより少なくなる。よって、下部電極１１０へ印加する駆動信号の電圧実効値をさらに低く抑えることが可能となる。したがって、本実施形態によれば、体腔内で使用される形態において、より好ましい超音波トランスデューサを提供することが可能となる。

また、本実施形態によれば、駆動信号の電圧実効値を第２の実施形態よりも低く抑えられるため、駆動回路や配線を流れる電流値が小さくなり、消費電力を低くすることが可能である。このことは、駆動回路の更なる小型化を可能とし、また駆動回路の発熱による振動子セルの特性変動を防止することが可能となる。

また、第１絶縁膜が形成されないことにより、振動子セルの製造工程の工程数の短縮化を図ることが可能となる。

（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について、図１３を参照して説明する。図１３は、第４の実施形態に係る振動子セルの断面図である。第４の実施形態では、第１の実施形態の構成に対し、振動子セルが形成される基板の材料が異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。

本実施形態では、振動子セルは、電気絶縁性を有する石英により構成された絶縁性基板１５０上に形成されるものである。絶縁性基板１５０は、石英に限らず、サファイヤ、水晶、アルミナ、ジルコニア、ガラス、樹脂等の絶縁性材料により構成されたものであればよい。

絶縁性基板１５０の表面には、絶縁性基板１５０の表面を導電性とする導電性処理部として、金属膜である接地導電層１５１がＭｏ等の導電性の材料をスパッタリングにより成膜することで形成されている。なお、接地導電層１５１は、２種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。例えば、接地導電層は２層の金属膜からなり、下方側（接地導電層１５１に接する側）の層が、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ又はＳｎのいずれかからなり、上方側の層がＰｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｍｏ又はＴａのいずれかからなる構成であってもよい。

接地導電層１５１は接地電位とされるものであり、該接地導電層１５１上に、第１の実施形態の振動子セル１００と同様の構成が積層される。すなわち、本実施形態の振動子セルは、電気回路的には、第１の実施形態におけるシリコン基板１０１を、接地導電層１５１として置き換えたものと等価であり、第１の実施形態と同様の等価回路となる。

本実施形態の振動子セルは、絶縁性基板１５０の裏面側がＦＰＣ上に接着剤等により固定された後に、ワイヤボンディング等によりＦＰＣの配線パターンと電気的に接続される。これにより、接地導電層１５１及び下部電極１１０は、接地電位及び制御回路３４にそれぞれ電気的に接続される。

本実施の形態によれば、導電性の基板上に振動子セルを形成する場合に比して、導電性の基板を配線として使用した場合に発生する寄生容量の発生を抑制することができ、より効率よく振動子セルの駆動制御を行うことができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う超音波トランスデューサ及び超音波診断装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

例えば、上述の実施形態において、強誘電体膜は、振動子セルに対して上方から見て重なる位置、すなわち積層されて配設されているものであるが、強誘電体膜を設ける位置はこれに限られるものではない。例えば、上方から見て振動子セルと強誘電体膜とが離間した位置に配設されるものであってもよい。

また、超音波内視鏡は、電子式のラジアル走査及びセクタ走査を行うものとして説明しているが、走査方式はこれに限られるものではなく、リニア走査、コンベックス走査等を採用したものであってもよい。また、超音波送受部を、複数の振動子エレメントを１次元に配列した１次元アレイとしたものであってもよい。さらに、本発明は機械式の走査方式の超音波内視鏡にも適用可能であり、上述の振動子エレメントをアレイ状配列した形態のみでなく、単一の振動子エレメントを用いた超音波内視鏡にも本発明を適用することが可能である。

また、本発明は、先端に超音波送受部を設けた内視鏡のみに限らず、有線、無線の形式を問わず体腔内に導入される、いわゆる超音波プローブ全般を含む技術分野に属するものである。例えば、内視鏡の処置具挿通孔に挿通されて体腔内に導入される超音波プローブであってもよい。

超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。 超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図である。 振動子アレイの斜視図である。 振動子ユニットを超音波の送受方向からみた上面図である。 振動子セルの上面図である。 図５のVI-VI断面図である。 振動子セルの等価回路図である。 強誘電体の分極ヒステリシス特性を説明するグラフである。 振動子セルの駆動方法を説明するタイミングチャートである。 第２の実施形態に係る振動子セルの断面図である。 第２の実施形態に係る振動子セルの等価回路図である。 第３の実施形態に係る振動子セルの断面図である。 第４の実施形態に係る振動子セルの断面図である。

符号の説明

３４ 駆動回路、 １００ 振動子セル、 １００ａ メンブレン、 １０１ シリコン基板、 １０２ 第１絶縁膜、 １０４ 第２絶縁膜、 １０５ 保護膜、 １０７ キャビティ、 １０８ プラグ、 １０９ 裏面絶縁膜、 １１０ 下部電極、 １１１ 下部電極配線、 １１２ ウェハ貫通電極、 １１３ 信号電極パッド、 １２０ 上部電極、 １２１ 上部電極配線、 １２２ 貫通電極、 １２３ 接地電極パッド、 １３０ 強誘電体膜

Claims (13)

1. 基板上に配設され、極性の反転する電圧信号である駆動信号が印加される第１の電極と、
   該第１の電極上に空隙部を隔てて配設された振動膜と、
   該振動膜上に配設され、接地電位とされる第２の電極と、
   前記第１の電極に電気的に接続され、与えられる電場によって自発分極の極性が反転する強誘電体と、を具備することを特徴とする静電容量型の超音波トランスデューサ。
2. 前記強誘電体は、前記基板と前記第１の電極との間に配設されることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 前記強誘電体は、前記第１の電極と前記空隙部との間に配設されることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
4. 前記駆動信号を、前記第１の電極に印加する駆動手段を具備することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
5. 前記基板は電気絶縁性の材料により構成され、かつ表面上に導電性の導電性処理部が配設された絶縁性基板であって、前記導電性処理部は接地電位とされることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
6. 前記導電性処理部は、前記絶縁性基板上に配設された少なくとも一層の金属膜であることを特徴とする請求項５に記載の超音波トランスデューサ。
7. 前記導電性処理部は、前記絶縁性基板上に配設された二層の金属膜により構成され、該二層の金属膜のうち前記絶縁性基板側に配設される一方の金属膜はＣｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔｉ又はＳｎのいずれかからなり、他方の金属膜はＰｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｍｏ又はＴａのいずれかからなることを特徴とする請求項５に記載の超音波トランスデューサ。
8. 前記基板は導電性の材料により構成された低抵抗基板であって、該低抵抗基板は接地電位とされることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
9. 前記基板は導電性の材料により構成された低抵抗基板であって、該低抵抗基板は接地電位とされることを特徴とする請求項４に記載の超音波トランスデューサ。
10. 前記低抵抗基板は、シリコン半導体からなることを特徴とする請求項９に記載の超音波トランスデューサ。
11. 前記駆動手段の少なくとも一部は、前記シリコン半導体上に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の超音波トランスデューサ。
12. 前記強誘電体は、ビスマス層状構造強誘電体からなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサを具備し、該超音波トランスデューサを体腔内に導入することで超音波診断像を取得することを特徴とする超音波診断装置。

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