WO2008044727A1

WO2008044727A1 - Ultrasonic transducer and ultrasonic diagnostic apparatus

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Publication number: WO2008044727A1
Application number: PCT/JP2007/069831
Authority: WO
Inventors: Hideo Adachi; Katsuhiro Wakabayashi
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp.
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2008-04-17
Also published as: JP4839176B2; US20090204004A1; JP2008093214A; US7995423B2

Description

明細書

超音波トランスデューサ及び超音波診断装置

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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、体腔内へ導入する揷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!/、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。

[0003] 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力近年、マイクロマシユ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 Ul trasonic 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。

[0004] 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 (メンプレン）の振動により超音波の送受信を行うものである。

特許文献 1 :特表 2004— 503313号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明の超音波トランスデューサは、基板上に配設され、信号の入出力に使われる第 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た強誘電体と、を具備することを特徴とする。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。

[図 2]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]振動子アレイの斜視図である。

[図 4]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。

[図 5]振動子セルの上面図である。

[図 6]図 5の VI-VI断面図である。

[図 7]振動子セルの等価回路図である。

[図 8]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。

[図 9]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。

[図 10]第 2の実施形態に係る振動子セルの断面図である。

[図 11]第 2の実施形態に係る振動子セルの等価回路図である。

[図 12]第 3の実施形態に係る振動子セルの断面図である。

[図 13]第 4の実施形態に係る振動子セルの断面図である。発明を実施するための最良の形態

[0011] (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。

[0012] 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揷入部 2と、この揷入部 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。

[0013] 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口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!/、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。

[0014] 前記揷入部 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。

[0015] 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 ¾ I操作を行うための吸 ¾ I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揷入口 14等が設けられてい

[0016] 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。

[0017] 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、振動子ァレイ 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の揷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レ、る。

[0018] 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ァレィ 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、 FP C35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。

[0019] 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!/、る。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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 FPC 35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。

[0023] 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。

[0024] 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力 S、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。

[0025] 信号電極 36及び接地電極 37は、超音波ケーブル 6内を揷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。よつて、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。

[0026] 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の揷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の揷入軸を含む平面上にお!/、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。 [0027] 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 Vト 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。

[0028] 本実施形態の振動子セル 100は、 V、わゆる MEMS (Micro Electro Mechanical Sys tems)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力もなるシリコン基板 101 (基材）上にマイクロマシユ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 Ultra sonic 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。

[0029] 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力、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。

[0030] 振動子セル 100は、略円柱状の空隙部であるキヤビティ 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。

[0031] 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。

[0032] 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 1 09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熱酸化膜である。

[0033] 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ユ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 110からの配線 111により電気的に接続されて!/、る。

[0034] 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 1 10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 (タンタノレ)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ぐ A 1 (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。

[0035] 上方から見て略 X字形状の下部電極 110からの配線 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入出力用電極パッド 113に電気的に接続されている。

[0036] すなわち、下部電極 110は、下部電極 110からの配線 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入出力用電極パッド 113に電気的に接続されている。

[0037] 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 1 30は、ビスマス層状構造強誘電体（Bismuth Layer Structured Ferroelectric Material, BLSF) (Bi O ) ²⁺· (A B O ) ²、例えば、 SrBi TaO (m = 2)、 Sr Bi Ti

2 2 m-1 m 3m+l 2 9 2 4

O (m= 5)等により構成されることが好ましぐ CVD法、スパッタ法、ゾルゲルスピン

5 18

コート法等により成膜される。

[0038] 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レ、。

[0039] 強誘電体膜 130上には、キヤビティ 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、 LP CVD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。

[0040] 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ヤビティ 107が形成されている。キヤビティ 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。

[0041] キヤビティ 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、キヤビティ 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。犠牲層除去孔はキヤビティ 107の外周部の 3箇所に形成されている。なお、キヤビティ 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。

[0042] 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、A1のスパッタリングにより成膜しパターユングすることで形成される。

[0043] 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 120からの配線 121により電気的に接続されている。ここで、上部電極 1 20力、らの酉己線 121は、上述した下部電極 110からの配線 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 110からの配線 111 と上部電極 120からの配線 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低減することができる。

[0044] なお、上部電極 120を構成する材料は、 A1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。

[0045] 上方から見て略 X字形状の上部電極 120からの配線 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 120からの配線 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にォ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。

[0046] また、裏面絶縁膜 109上には接地用電極パッド 123が形成されており、接地用電極パッド 123は、ォ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。

[0047] すなわち、上部電極 120は、上部電極 120からの配線 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用電極パッド 123に電気的に接続されている。

[0048] 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、窒化ハフニゥム（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 Hf ONは、高密度の膜が得られるため保護膜として好まし!/、。

[0049] 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。

[0050] 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、信号入出力用電極パッド 113及び接地用電極パッド 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。

[0051] すなわち、信号入出力用電極パッド 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、接地用電極ノッド 123は、接地電位とされ、上部電極 120は、シリコン基板 101及び接地用電極ノッド 123を介して接地電位に接続される。

[0052] 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ィズを遮蔽し、より S/N比の高い超音波画像を得ることが可能となる。 [0053] また、振動子セル 100の裏面側に信号入出力用電極パッド 113及び接地用電極ノッド 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。

[0054] なお、上述した構成では、下部電極 110、上部電極 120及びキヤビティ 107は、上方から見て略円形状を有するものである力 S、これらの形状は本実施形態に限るものではなぐ例えば正六角形や矩形等であってもよい。メンブレン 100a及びキヤビティ 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

[0055] 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。

[0056] 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。

[0057] 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。

[0058] 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、キヤビティ 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!/、る。

[0059] 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!/、る。

[0060] 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。

[0061] 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。

[0062] 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。

[0063] 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。

[0064] 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。

[0065] 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。

[0066] 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、半波のパノレ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。 [0067] 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。

[0068] 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 12 0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。

[0069] 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。

[0070] 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、ノ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。

[0071] 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、配線に力、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。

[0072] 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!/、診断装置を実現することが可能である。

[0073] 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、振動子セノレ 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

[0074] 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 3 4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力本発明はこの形態に限られるものではない。

[0075] 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。

[0076] (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。

[0077] 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。

[0078] 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 1 10の下層側に配設されている。

[0079] 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。

[0080] 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。

[0081] 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。

[0082] 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。

[0083] 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。

[0084] (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。

[0085] 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!/、る。

[0086] 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力 S可倉となる。

[0087] 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。

[0088] 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。

[0089] (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。

[0090] 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、サフアイャ、水晶、アルミナ、ジルコユア、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。

[0091] 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）の層力 Cr、 Ni、 Cu、 Ti又は S n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。

[0092] 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。

[0093] 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 3 4にそれぞれ電気的に接続される。

[0094] 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。

[0095] なお、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなぐ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!/、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。

[0096] 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力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。

[0097] 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力走査方式はこれに限られるものではなぐリニア走査、コンベックス走查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ぐ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、内視鏡の処置具揷通孔に揷通されて体内に導入される超音波プローブであってもよい。

Claims

請求の範囲

[1] 基板上に配設され、信号の入出力に使われる第 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た強誘電体と、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] 単ノ^レスの電圧信号でありかつ出力ごとに極性の反転する駆動信号を、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、該ニ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、 N i、 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のいずれ力、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に記載の超音波トランスデューサ。

[9] 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 8に記載の超音波トランスデューサ。

[10] 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 9に記載の超音波トランスデューサ。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に記載の超音波トランスデューサ。

請求項 1に記載の超音波トランスデューサを具備することを特徴とする超音波診断装置。