WO2014077106A1 - 超音波振動子エレメント及び超音波内視鏡 - Google Patents

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WO2014077106A1
WO2014077106A1 PCT/JP2013/078935 JP2013078935W WO2014077106A1 WO 2014077106 A1 WO2014077106 A1 WO 2014077106A1 JP 2013078935 W JP2013078935 W JP 2013078935W WO 2014077106 A1 WO2014077106 A1 WO 2014077106A1
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ultrasonic transducer
cell
membrane
cavity
ultrasonic
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PCT/JP2013/078935
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French (fr)
Inventor
松本　一哉
勝裕 若林
Original Assignee
オリンパス株式会社
オリンパスメディカルシステムズ株式会社
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4483—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/12—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves in body cavities or body tracts, e.g. by using catheters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L28/00—Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40—Capacitors
    • H01L28/60—Electrodes

Definitions

  • the present invention provides an ultrasonic transducer element (hereinafter also referred to as “element”) including a cell group including a plurality of capacitance-type ultrasonic transducer cells (hereinafter also referred to as “cells”) and the ultrasonic wave.
  • the present invention relates to an ultrasonic endoscope including an insertion portion in which a transducer element is disposed at a distal end portion.
  • Ultrasonic diagnostic methods that irradiate ultrasonic waves into the body and image and diagnose the internal state from echo signals have become widespread.
  • One of medical devices used for ultrasonic diagnosis is an ultrasonic endoscope.
  • an element is disposed at the distal end rigid portion of the insertion portion introduced into the body.
  • the element has a function of converting an electric signal into an ultrasonic wave and transmitting it into the body, and receiving an ultrasonic wave reflected in the body and converting it into an electric signal.
  • c-MUT capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer
  • the element 120 shown in FIGS. 1 to 3 is disclosed in US Pat. No. 6,854,338.
  • the element 120 has a cell 110 composed of 25 c-MUTs which are basic units of ultrasonic transmission / reception.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of one cell 110 of the element 120.
  • FIG. 3 is a partially exploded view of the four cells 110 of the element 120 shown in FIG.
  • the exclusive region of each cell 110 in other words, the shape of the cell 110 in plan view is shown.
  • the planar view shape is simply referred to as a shape.
  • the shape of the cell 110 can be regarded as a square.
  • the cell 110 includes a conductive substrate 111 that also serves as the lower electrode 12, and an upper electrode 116 that is disposed so as to face the cavity 114H.
  • the region directly above the cavity 114H of the upper electrode 116 constitutes a membrane 118 that vibrates ultrasonically.
  • the cavity 114H is formed by a through hole formed in the insulating layer 114.
  • the cavity 114H is a sealed space that does not communicate with the outside.
  • the membrane 118 vibrates to generate ultrasonic waves.
  • the ultrasonic waves are incident from the outside, the ultrasonic waves are converted into electric signals by utilizing the fact that the membrane 118 is deformed and the capacitance between the electrodes changes.
  • the transmission / reception sensitivity of the element 120 increases as the aperture ratio indicated by “(area of the membrane 118) / (area of the cell 110)” increases.
  • the area other than the membrane 118 immediately above the circular cavity 114H is a dead area that does not contribute to transmission / reception of ultrasonic waves.
  • the capacitance between the electrodes in the insensitive region becomes a so-called parasitic capacitance that does not change when receiving ultrasonic waves.
  • Element 120 has a wide insensitive area and a small aperture ratio, so it was not easy to obtain high transmission / reception sensitivity.
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer element having high transmission / reception sensitivity and an ultrasonic endoscope including the ultrasonic transducer element.
  • An ultrasonic transducer element includes a substrate, a lower electrode disposed on the substrate, a membrane including an upper electrode opposed to the lower electrode via a cavity, A plurality of columns each including a plurality of columns forming the cavity by supporting a membrane, and each of the plurality of ultrasonic transducer cells communicating with each other.
  • An ultrasonic endoscope includes a substrate, a lower electrode disposed on the substrate, and a membrane including an upper electrode disposed opposite to the lower electrode via a cavity, A plurality of pillars forming the cavity by supporting the membrane, and a cell group including a plurality of ultrasonic transducer cells each of which communicates with each other.
  • the ultrasonic transducer element includes an insertion portion disposed at a distal end portion, an operation portion disposed on a proximal end side of the insertion portion, and a universal cord extending from the operation portion.
  • a cell group 10 ⁇ / b> Z including a plurality of ultrasonic transducer cells 10 is disposed on a substrate 11.
  • the cell group 10Z transmits an ultrasonic wave, and the incident ultrasonic wave is transmitted between the lower electrode terminal 12T and the upper electrode terminal 16T. It is converted into an electric signal based on the change in capacitance and received.
  • the cell 10 is supported by the lower electrode 12 connected to the lower electrode terminal 12T, the lower insulating layer 13 covering the lower electrode 12, the pillar 14 forming the cavity 14H, and the pillar 14.
  • the membrane 18 in the region immediately above the cavity 14 ⁇ / b> H includes an upper insulating layer 15, an upper electrode 16, and a protective layer 17.
  • the column 14 supports the membrane 18 to form a cavity 14H.
  • the cavity 14H is a space in which a vacuum state or a desired gas is contained and sealed at a desired pressure.
  • the lower electrode 12 is a single layer film or a multilayer film made of a conductive metal, such as Al, Mo, W, Ti, or an alloy of the above metals.
  • graphene, silicene, or the like may be used as the upper electrode 16.
  • Graphene has a two-dimensional network structure made of carbon atoms or a structure in which a plurality of two-dimensional network structure layers are stacked, and silicene has a two-dimensional network structure made of silicon atoms.
  • graphene and the like are extremely thin, they have electrical conductivity, high rigidity, and high thermal conductivity equivalent to metals.
  • the lower insulating layer 13, the upper insulating layer 15, and the pillars 14 are made of silicon nitride, silicon oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, or the like.
  • the lower insulating layer 13, the upper insulating layer 15, and the pillar 14 may be made of different materials. Note that at least one of the lower insulating layer 13 and the upper insulating layer 15 is not an essential component.
  • the lower insulating layer 13 protects the lower electrode 12 during the process and ensures electrical insulation between the lower electrode 12 and the upper electrode 16.
  • the surface of the lower insulating layer 13 formed so as to cover the lower electrode 12 is planarized by a CMP method or the like as necessary after the film formation.
  • the cavity 14H is formed by sacrificial layer etching. That is, the pillar 14 and the sacrificial layer are disposed on the lower insulating layer 13, and the upper portion is covered with the upper insulating layer 15 and the like.
  • a through hole (VIA hole) in the upper insulating layer 15 or the like covering the sacrificial layer, an etchant is injected into the sacrificial layer, and the sacrificial layer is selectively etched. It is formed.
  • the material of the sacrificial layer is selected from materials having a high etching selectivity with the surrounding material. For example, when the lower insulating layer 13 or the like is made of silicon nitride, phosphorous glass or the like is used for the sacrificial layer.
  • the VIA hole is filled after the sacrifice layer etching, but a hole filling member may be used as a part of the pillars 14.
  • the upper electrode 16 is made of the same material as the lower electrode 12.
  • the protective layer 17 covering the upper electrode 16 is made of an insulator made of silicon nitride, silicon oxide, polyimide, polyparaxylylene, or the like.
  • the material of the component of the element 20, a manufacturing method, etc. are substantially the same as the conventional element. That is, the element 20 is different from the conventional element in that it is not the insulating layer 114 but the plurality of pillars 14 that support the membrane. For this reason, the manufacturing method etc. of the element 20 are not restricted to the said description, The manufacturing method etc. of a well-known element can be used.
  • each cavity 114H is a sealed space, in other words, each cavity 114H is isolated.
  • a cavity 14 ⁇ / b> H is formed by a plurality of pillars 14.
  • the plurality of cavities 14H of the cell group 10Z are so-called open cavities that communicate with each other. In other words, the plurality of cavities 14H form one space.
  • the lower insulating layer 13 and the protective layer 17 are not shown.
  • the top view of FIG. 7 shows only the arrangement of the pillars 14, the lower electrode 12, and the upper electrode 16.
  • the regular hexagons indicated by broken lines in FIGS. 6 and 7 indicate the exclusive region of one cell 10, in other words, the planar view shape of the cell 10, but the boundary is not clearly shown in practice.
  • the boundary lines of the cavities 14H of the plurality of cells 10 indicated by broken lines are virtual lines that do not actually exist.
  • the element 20 is provided with a plurality of cells 10 having a regular hexagonal shape in plan view without any gaps. That is, each column 14 supports the membranes 18 of the three adjacent cells 10 and forms a cavity 14H.
  • the area where the upper insulating layer 15 is joined to the pillar 14 is a dead area that does not contribute to transmission / reception that does not vibrate. Is much higher. That is, the shape and area of the cell 10 are substantially equal to the shape and area of the cavity 14H.
  • the shape of the cell 10 is different from the shape of the cavity 14H that does not include the region of the column 14, but hereinafter, the shape of the cavity 14H may be referred to as the shape of the cell 10.
  • the lower electrodes 12 of the plurality of cells 10 are connected to each other by a lower electrode wiring 12S, and the upper electrodes 16 are connected to each other by an upper electrode wiring 16S. That is, the plurality of cells 10 of the element 20 constitute a cell group 10Z that is driven simultaneously.
  • the membrane 18 causes the lower electrode 12 to be electrostatically attracted by the potential difference. It is attracted in the direction of and displaced.
  • the upper electrode 16 is preferably set to the ground potential.
  • the amount of displacement of the membrane 18 is maximum at the center point of the cell 10 and is maximum at the bisector of each side of the regular hexagon at the boundary of the adjacent cell. Further, the displacement amount is line symmetric with respect to the boundary line of adjacent cells 10 indicated by a broken line. Furthermore, since the cell 10 is a regular hexagon, the amount of displacement is 6-fold symmetric when rotated 6 degrees with respect to the center point of the cell 10.
  • the waveform of the drive signal when transmitting an ultrasonic wave in pulses, it is preferable to control the waveform of the drive signal to be applied. For example, the potential is slowly increased so that the displacement of the membrane 18 can follow the increase of the applied potential, or the next pulse is applied after allowing sufficient time for the membrane 18 to completely stop. Is preferred. Further, after transmitting the ultrasonic wave, the membrane 18 may be forcibly stopped by generating an attractive force by applying an auxiliary pulse or generating a counter vibration by applying an auxiliary pulse having a phase opposite to that of the main pulse.
  • a drive signal composed of, for example, a triangular wave pulse equal to the resonance frequency of the membrane 18 is applied.
  • the vibration frequency of the membrane 18 when ultrasonic waves are generated is slightly lower than the frequency of ultrasonic waves generated by a cell having a circular cavity inscribed in the regular hexagonal cell 10.
  • the cell 10 may be reduced in a similar shape.
  • the membrane 18 vibrates at the frequency of the incident ultrasonic wave due to the sound pressure of the ultrasonic wave, and the thickness of the cavity 14H, that is, the distance between the electrodes changes according to the vibration, Accordingly, the capacitance between the electrodes changes. For this reason, the intensity and frequency of the incident ultrasonic waves are detected by detecting the capacitance between the electrodes.
  • the element 20 can transmit and receive higher frequency ultrasonic waves by always minutely deforming the membrane 18 using the DC offset bias method in which a potential difference is constantly applied between the electrodes.
  • the drive signal may be supplied from the outside of the element 20, or a drive circuit made of an IC or the like may be disposed on the back surface of the element 20.
  • the diameter R of the cross section of the column 14 that is a cylinder is preferably 1/20 or more and 1/5 or less of the interval D between the column 14 and the column 14. If it is above the range, the membrane 18 can be stably supported, and if it is below the range, the aperture ratio is as large as 95% or more, for example, and the feeling of transmission and reception is high.
  • the aperture ratio is “(circle area) / (circumscribed to the circle) even if the cavities are virtually in contact with each other.
  • the area was 78.5%.
  • the aperture ratio is less than 80% in the conventional element in which cells having isolated circular cavities are arranged in a square lattice, but in the element 20, a high aperture ratio exceeding 95% can be easily realized.
  • the element 20 achieves an improvement in ultrasonic transmission / reception sensitivity, and further expands application development.
  • a high aperture ratio means that the membrane can be driven efficiently, or the proportion of parasitic capacitance is reduced, and the signal-to-noise ratio (SN ratio) is also increased.
  • the element 20 has a large aperture ratio and high transmission / reception sensitivity.
  • the opposing region of the lower electrode 12 and the upper electrode 16 all contributes to the reception of ultrasonic waves, it is not affected by the parasitic capacitance due to the insensitive region, so the receiving sensitivity is high.
  • the shape of the pillar 14 is not limited to a cylinder.
  • the pillar 14A shown in FIG. 8A has a substantially equilateral triangle in cross section
  • the pillar 14B shown in FIG. 8B has a substantially star shape with a cross section protruding in three directions.
  • the pillar 14C shown in FIG. 8C has an entasis shape in which the central part of the pillar swells
  • the pillar 14D shown in FIG. 8D has a decorative pillar shape in which the upper part of the pillar is widened.
  • the column 14 may be in the shape of an elliptical column, a polygonal column, a star column, a cone or a polygonal pyramid, and the plurality of columns 14 of the element 20 may be composed of a plurality of columns having different shapes. Good. Even in the case of the pillars 14 other than the cylinders, the pillars 45 are preferably designed so that the aperture ratio of the cells is 90% or more, preferably 95% or more.
  • the lower electrode 12A is a common lower electrode of the plurality of vibrators 10 disposed on the entire surface of the cell group 10ZA formation region. That is, in FIG. 9, the lower electrode 12A of each vibrator 10 is indicated by a broken line, but the boundary line is a virtual line.
  • the lower electrode 12A is disposed on the entire surface. However, since the entire area where the upper and lower electrodes face each other is the membrane 18, the insensitive area is increased as compared with the element 20 having the patterned lower electrode 12. None do.
  • the element 20A is easy to manufacture because it is not necessary to pattern the lower electrode 12A. Further, as described above, since the unevenness is formed on the surface of the lower insulating layer 13 formed on the patterned lower electrode 12, it is preferable to flatten the surface. However, in the element 20A, since the lower electrode 12 is disposed on the entire surface of the cell group 10ZA formation region, no unevenness is formed on the surface of the lower insulating layer 13, and planarization is not necessary.
  • Element 20A has the effect of element 20 and is easier to manufacture.
  • each cell 10 occupies six pillars 14 respectively. For this reason, useless areas that do not contribute to transmission and reception are formed between the cells 10.
  • the element 20B has a high probability of being usable as a product because only one cell 10 is defective even if the column is defective. In other words, in the element 20, not all cells 10 need to be non-defective products in many cases.
  • the element 20B has the effect of the element 20 and the manufacturing yield is higher than that of the element 20 and the like.
  • the element 20B is also designed to have an aperture ratio of 90% or more, particularly preferably 95%. Moreover, some pillars may be shared by adjacent cells, and the remaining pillars may be occupied.
  • three pillars 14 are disposed not only at six apexes of the regular hexagonal cell 10C but also on two sides of the boundary line with the adjacent cell. That is, the membrane of the cell 10 ⁇ / b> C is supported by the twelve columns 14.
  • the displacement of the membrane of the cell 10C is not a six-fold symmetry with respect to the cell center but a two-fold symmetry, and is displaced into a complicated shape. For this reason, the cell 10C has a wide resonance frequency.
  • the element 20C has the effect of the element 20, and the ultrasonic waves generated by the membrane 18 are in a wide band, and similarly, the broadband ultrasonic waves can be transmitted and received.
  • the pillar 14 is arranged not at the apex of the regular hexagonal cell 10D but at a position slightly deviated from the apex.
  • the shift amount d is set at random, but is set inside a circle with a diameter RD.
  • the diameter RD is preferably 1/100 or more and 1/10 or less of the distance D, for example. If it is the said range, an effect is remarkable. Further, the shift amount d is set based on, for example, a random number.
  • the cells 10 having the same spacing D between the pillars 14 may cause unnecessary resonance or emphasize unnecessary transverse waves.
  • the pillars 14 of the cell 10D are randomly arranged from the hexagonal apex with a small plane displacement, so that unnecessary resonance does not occur.
  • the element 20D has the effect that the element 20 has, and there is no possibility that unnecessary resonance will occur.
  • equilateral triangular cells 10E are arranged without gaps. That is, the membrane 18 of each cell 10E is supported by the three common pillars 14. As shown in FIG. 14, in the element 20F, the cell 10F is a regular octagon. The membrane 18 of the cell 10F is supported by twelve columns 14, of which eight are arranged at the apexes of the regular octagonal cell 10F.
  • Element 20E and element 20F have the same effect as element 20. That is, if the column 14 has a transducer cell that forms the cavity 14H by supporting the membrane 18, the number of columns supporting the transducer cell is six if the number is three or more. It is not limited to. Note that the number of columns supporting the transducer cell is preferably 16 or less, and if the number is less than the above range, it is easy to increase the aperture ratio.
  • planar view shape of the membrane (cell) is not limited to a specific shape.
  • it may be a parallelogram, a rectangle, a diamond, or a trapezoid.
  • a shape in which a plurality of cells can be planarly filled, that is, a shape that can be disposed without gaps is preferable because it is easy to increase the aperture ratio.
  • the cell group 10ZG of the element 20G of the eighth embodiment includes three types of cells 10G1 to 10G3 having the same square cavity shape but different sizes (planar dimensions of the cell 10G). To do.
  • the cell group 10ZH of the element 20H according to the ninth embodiment has the same shape and size of the cavities, but four types of cells with different numbers of columns 14 supporting the cavities. 10H1 to 10H4.
  • the cell group 10ZI of the element 20I of the tenth embodiment includes two types of cells 10I1 to 10I2 having different cavities (cells).
  • the cell group 10ZJ of the element 20J of the eleventh embodiment includes two types of cells 10J1 to 10J2 having the same cavity shape and the like, but having different membrane 18 thicknesses.
  • the plurality of types of cells in which the cell group is different from at least one selected from the shape of the cavity in plan view, the size of the cavity (plan view size), the number of columns, or the thickness of the membrane have different resonance frequencies.
  • the elements 20G to 20J have a wide frequency band of ultrasonic waves that can be transmitted and received.
  • the largest cell 10G1 is arranged at the center of the element 20G, and the smallest cell 10G3 is arranged on the outermost periphery. Since the ultrasonic wave generated by the large cell 10G1 has a low frequency, the beam is likely to expand, and the ultrasonic wave generated by the small cell 10G3 has a high frequency, and thus the beam is difficult to expand.
  • the low-frequency cell is arranged in the center, the convergence property of the ultrasonic beam in the entire element is good.
  • the resonance frequency of the cell 10H2 and the cell 10H3 is between the resonant frequency of the cell 10H1 and the resonant frequency of the cell 10H4.
  • Element 20H can observe the near point side of the observation target with high resolution. That is, the near point side has a high resolution because an image is formed by a high frequency signal.
  • the shapes of the two types of cells 10I1 and 10I2 of the element 20I shown in FIG. 17 are two types of rhombuses constituting a Penrose tile pattern, and a column is arranged at the apex of the two types of rhombuses.
  • the Penrose tile pattern two types of rhombuses (rhombuses having an acute angle of 72 degrees and an obtuse angle of 108 degrees and an acute angle of 36 degrees and an obtuse angle of 144 degrees) are plane-filled.
  • a periodic pattern appears, but the Penrose tile pattern does not have a periodic pattern unlike other planar fillings.
  • the Penrose tile pattern has a specific symmetry of 5 times symmetry, so there is no translational symmetry in plan view. For this reason, the element 20I is extremely unlikely to cause unnecessary resonance, and can be particularly preferably used.
  • the element 20I has two types of resonance frequencies.
  • an element having a plurality of cells obtained by reducing or expanding a Penrose tile pattern in one direction is a broadband element having ten kinds of resonance frequencies in principle.
  • the resonance frequency of the cell 10J2 having a thick membrane 18 is higher than the resonance frequency of the cell 10J1 having a small thickness. That is, the resonance frequency is proportional to the membrane thickness.
  • the cell arrangement in an element having a plurality of types of cells having different resonance frequencies can be changed according to the purpose.
  • the number of cell types may be two or more.
  • Each of the elements 20G to 20J has the effects of the element 20 and the like, and further has a wider band characteristic, so that it can be applied to and deployed in ultrasonic Doppler measurement. Further, depending on the purpose, it is possible to arrange the cells in consideration of the directivity of the sound wave in the element, or to arrange the cells with high resolution with excellent convergence in the ultrasonic beam.
  • a very wide band element is obtained by continuously and gently changing the resonance frequency of the arranged cell.
  • the lower electrode 12A is formed on the entire surface of the cell group formation region.
  • the upper electrode 16J is also formed on substantially the entire surface of the cell group formation region, but a hole 16JH is formed in the region facing the column 14.
  • the membrane immediately above the pillar 14 becomes a dead area, but in the element 20J, since there is no upper electrode 16 in the dead area, the receiving sensitivity is higher.
  • FIG. 19 shows an example of an end portion of the cell group 10Z of the element 20 described in the above embodiment.
  • the plurality of cavities 14H of the cells 10 constituting the cell group 10Z communicate with each other.
  • the outer peripheral side of the cavity 14H in the outermost peripheral region of the cell group 10Z is surrounded by a sealing wall made of an envelope surface, and is a sealed space in which the plurality of cavities 14H of the cell group 10Z do not communicate with the outside. It is preferable.
  • the plurality of cavities 14H are preferably sealed spaces that do not communicate with the outside.
  • the element which is a sealed space in which the plurality of cavities 14H of the cell group 10Z do not communicate with the outside, does not change the internal pressure of the cavity 14H even if the surrounding environment changes. .
  • the elements 20 to 20J described above can be preferably used for an ultrasonic endoscope (hereinafter referred to as “endoscope”) 2.
  • endoscope an ultrasonic endoscope
  • the radial array ultrasonic transducer 30 includes a plurality of elements 20, a cylindrical holding member 31 in which the elements 20 are arranged on the outer surface, and a cable 80.
  • the lower electrode terminal 12T and the upper electrode terminal 16T of the element 20 are connected to the conducting wires 81A and 8B of the cable 80, respectively.
  • the ultrasonic array may be a convex type or a linear type.
  • FIG. 21 shows the ultrasonic endoscope system 1 having the ultrasonic endoscope 2 of the twelfth embodiment in which the array-type ultrasonic transducer 30 (element 20) is disposed at the distal end portion 47.
  • the endoscope 2 constitutes an ultrasonic endoscope system 1 together with the ultrasonic observation device 3 and the monitor 4.
  • the endoscope 2 includes an elongated insertion portion 41 to be inserted into the body, an operation portion 42 disposed at the proximal end of the insertion portion 41, and a universal cord 43 extending from a side portion of the operation portion 42. .
  • a connector 44A connected to a light source device (not shown) is disposed at the base end of the universal cord 43. From the connector 44A, there are a cable 45 that is detachably connected to a camera control unit (not shown) via a connector 45A, and a cable 46 that is detachably connected to the ultrasonic observation apparatus 3 via a connector 46A. It is extended.
  • a monitor 4 is connected to the ultrasonic observation apparatus 3.
  • the insertion portion 41 is, in order from the distal end side, a distal end portion 47, a bending portion 48 positioned at the rear end of the distal end portion 47, and a small diameter and long length reaching the operation portion 42 at the rear end of the bending portion 48.
  • a flexible tube portion 49 having flexibility is provided in series.
  • An array type ultrasonic transducer 30 is disposed on the distal end side of the distal end portion 47. The endoscope 2 acquires an ultrasonic image by the array type ultrasonic transducer 30 provided at the distal end portion 47.
  • the endoscope 2 includes an ultrasonic transducer element having high ultrasonic transmission sensitivity and ultrasonic reception sensitivity, a high-resolution image can be acquired.
  • the elements 20 to 20J are not only the endoscope 2 shown in FIG. 21, but also various ultrasonic diagnostic apparatuses that are small and require meridianization, such as IVUS (Intra Vascular UltraSound), extracorporeal ultrasonic probes. Needless to say, it can also be disposed in a capsule ultrasonic endoscope.
  • IVUS Intra Vascular UltraSound
  • extracorporeal ultrasonic probes Needless to say, it can also be disposed in a capsule ultrasonic endoscope.

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Abstract

超音波振動子エレメント２０は、基板１１と、基板１１の上に配設された下部電極１２と、下部電極１２とキャビティ１４Ｈを介して対向配置している上部電極１６を含むメンブレン１８と、メンブレン１８を支持することでキャビティ１４Ｈを形成している複数の柱１４と、をそれぞれが有し、それぞれのキャビティ１４Ｈが互いに通じている複数のセル１０からなるセル群１０Ｚと、を具備する。

Description

超音波振動子エレメント及び超音波内視鏡
　本発明は、複数の静電容量型の超音波振動子セル（以下、「セル」ともいう）からなるセル群を具備する超音波振動子エレメント（以下、「エレメント」ともいう）及び前記超音波振動子エレメントが先端部に配設された挿入部を具備する超音波内視鏡に関する。
　体内に超音波を照射し、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。超音波診断法に用いられる医療装置の１つに超音波内視鏡がある。超音波内視鏡は、体内へ導入される挿入部の先端硬性部にエレメントが配設されている。エレメントは電気信号を超音波に変換し体内へ送信し、また体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。
　現在の多くのエレメントには、環境負荷が大きい鉛を含むセラミック圧電材、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等が主に使用されている。これに対して、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される、材料に鉛を含まない静電容量型超音波振動子（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ－ＭＵＴ」という）からなる複数のセルを有するエレメントの開発が進んでいる。
　例えば、図１～図３に示すエレメント１２０が、米国特許第６８５４３３８号明細書に開示されている。上面図である図１に示すように、エレメント１２０は、超音波送受信の基本単位である２５個のｃ－ＭＵＴからなるセル１１０を有する。
　図２はエレメント１２０の１個のセル１１０の断面図であり、図３は、図１に示したエレメント１２０の４個のセル１１０の部分分解図であり、破線で示された正方形は、１個のセル１１０の専有領域、言い換えればセル１１０の平面視形状を示している。なお、以下、平面視形状を単に形状という。セル１１０の形状は正方形と見なすことができる。
　図２及び図３に示すように、セル１１０は、下部電極１２を兼ねた導電性の基板１１１と、キャビティ１１４Ｈを介して対向配置している上部電極１１６を有する。上部電極１１６のキャビティ１１４Ｈの直上の領域が超音波振動するメンブレン１１８を構成している。キャビティ１１４Ｈは、絶縁層１１４に形成された貫通孔により形成されている。キャビティ１１４Ｈは、外部と通じていない密封された空間である。
　セル１１０は、下部電極１２と上部電極１１６との間に駆動信号が印加されるとメンブレン１１８が振動して超音波を発生する。外部から超音波が入射すると、メンブレン１１８が変形し電極間の静電容量が変化することを利用して、超音波を電気信号に変換する。エレメント１２０の送受信感度は、「（メンブレン１１８の面積）／（セル１１０の面積）」で示される開口率が大きいほど高い。
　しかし、正方形のセル１１０を有するエレメント１２０では、円形のキャビティ１１４Ｈの直上のメンブレン１１８以外の領域は、超音波の送受信には寄与しない不感領域である。例えば不感領域の電極間の静電容量は超音波受信時に変化しない、いわゆる寄生容量となる。
　エレメント１２０では不感領域が広く開口率が小さいため、高い送受信感度を得ることが容易ではなかった。
　送受信感度の高い超音波振動子エレメント及び前記超音波振動子エレメントを具備する超音波内視鏡を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態の超音波振動子エレメントは、基板と、前記基板の上に配設された下部電極と、前記下部電極とキャビティを介して対向配置している上部電極を含むメンブレンと、前記メンブレンを支持することで前記キャビティを形成している複数の柱と、をそれぞれが有し、それぞれの前記キャビティが互いに通じている複数の超音波振動子セルからなるセル群と、を具備する。
　また、別の実施形態の超音波内視鏡は、基板と、前記基板の上に配設された下部電極と、前記下部電極とキャビティを介して対向配置している上部電極を含むメンブレンと、前記メンブレンを支持することで前記キャビティを形成している複数の柱と、をそれぞれが有し、それぞれの前記キャビティが互いに通じている複数の超音波振動子セルからなるセル群と、を具備する超音波振動子エレメントが先端部に配設された挿入部と、前記挿入部の基端側に配設された操作部と、前記操作部から延出するユニバーサルコードと、を具備する。
　本発明の実施形態によれば、受信感度の高い超音波振動子エレメント及び前記超音波振動子エレメントを具備する超音波内視鏡を提供できる。
従来のエレメントの上面図である。 従来のエレメントの超音波振動子セルの断面図である。 従来のエレメントの分解図である。 第１実施形態のエレメントの斜視図である。 第１実施形態のエレメントの超音波振動子セルの断面図である。 第１実施形態のエレメントの分解図である。 第１実施形態のエレメントのセルを説明するための上面模式図である。 第１実施形態のエレメントの柱の変形例を示す図である。 第１実施形態のエレメントの柱の変形例を示す図である。 第１実施形態のエレメントの柱の変形例を示す図である。 第１実施形態のエレメントの柱の変形例を示す図である。 第２実施形態のエレメントの分解図である。 第３実施形態のエレメントを説明するための上面模式図である。 第４実施形態のエレメントを説明するための上面模式図である。 第５実施形態のエレメントを説明するための上面模式図である。 第６実施形態のエレメントを説明するための上面模式図である。 第７実施形態のエレメントを説明するための上面模式図である。 第８実施形態のエレメントを説明するための上面模式図である。 第９実施形態のエレメントを説明するための上面模式図である。 第１０実施形態のエレメントを説明するための上面模式図である。 第１１実施形態のエレメントの分解図である。 実施形態のエレメントの封止壁の上面図である。 第１２実施形態の超音波内視鏡のアレイ型超音波振動子の斜視図である。 第１２実施形態の超音波内視鏡の外観図である。
＜第１実施形態＞
　図４に示すように、本実施形態の超音波振動子エレメント２０は、基板１１の上に、複数の超音波振動子セル１０からなるセル群１０Ｚが配設されている。そして、下部電極端子１２Ｔと上部電極端子１６Ｔとの間に駆動信号が印加されるとセル群１０Ｚは超音波を送信し、入射した超音波は下部電極端子１２Ｔと上部電極端子１６Ｔとの間の静電容量変化をもとに電気信号に変換され受信される。
　図５に示すように、セル１０は、下部電極端子１２Ｔと接続された下部電極１２と、下部電極１２を覆う下部絶縁層１３と、キャビティ１４Ｈを形成している柱１４と、柱１４により支持されている、上部電極端子１６Ｔと接続された上部電極１６を含むメンブレン１８と、を有する。キャビティ１４Ｈの直上の領域のメンブレン１８は、上部絶縁層１５と、上部電極１６と、保護層１７と、を含む。
　柱１４は、メンブレン１８を支持することでキャビティ１４Ｈを形成している。後述するように、キャビティ１４Ｈは、真空状態又は所望の気体が所望の気圧にて封じ込め密封されている空間である。
　なお、単結晶シリコン等からなる基板１１の表面には絶縁薄膜が形成されているが図示していない。下部電極１２は導電性の金属、例えば、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ又は前記金属の合金等からなる単層膜又は多層膜である。
　なお、メンブレン１８の厚さを薄くするためには上部電極１６として、グラフェン又はシリセン等を用いてもよい。グラフェンは炭素原子よりなる２次元網構造又は複数の２次元網構造層が積層された構造を有し、シリセンはシリコン原子からなる２次元網構造を有する。グラフェン等は、厚さが極薄であるにも係わらず、金属同等の、導電率、高剛性及び高熱伝導率を、有する。
　下部絶縁層１３、上部絶縁層１５及び柱１４は、チッ化シリコン、酸化シリコン、酸化タンタル又は酸化ハフニウム等からなる。下部絶縁層１３、上部絶縁層１５及び柱１４は、それぞれ別の材料により構成されていてもよい。なお、下部絶縁層１３又は上部絶縁層１５の少なくともいずれかは必須の構成要素ではない。
　下部絶縁層１３は、下部電極１２をプロセス工程中において保護するとともに、下部電極１２と上部電極１６の間の電気的絶縁を担保する。下部電極１２を覆うように成膜された下部絶縁層１３の表面は、成膜後に必要に応じてＣＭＰ法等により平坦化される。
　キャビティ１４Ｈは、犠牲層エッチングにより形成される。すなわち、下部絶縁層１３の上に柱１４と犠牲層とが配設され、その上が上部絶縁層１５等により覆われる。
　そして犠牲層を覆っている上部絶縁層１５等に貫通穴（ＶＩＡ穴）を形成することにより犠牲層にエッチャントを注入し、犠牲層を選択的にエッチングすることにより、空洞部であるキャビティ１４Ｈが形成される。犠牲層の材料は、周囲の材料とのエッチング選択比の大きい材料から選択される。例えば、下部絶縁層１３等がチッ化シリコンからなる場合には、犠牲層にはリンガラス等が用いられる。ＶＩＡ穴は、犠牲層エッチング後に穴埋めされるが、穴埋め部材を一部の柱１４として用いてもよい。
　上部電極１６は、下部電極１２と同様の材料からなる。上部電極１６を覆う保護層１７は、チッ化シリコン、酸化シリコン、ポリイミド又はポリパラキシリレン等からなる絶縁体からなる。
　なお、エレメント２０の構成要素の材料及び製造方法等は、従来のエレメントと略同じである。すなわち、エレメント２０が、従来のエレメントと異なるのはメンブレンを支持しているのが絶縁層１１４ではなく、複数の柱１４であることである。このため、エレメント２０の製造方法等は、上記記載に限られるものではなく、公知のエレメントの製造方法等を用いることができる。
　図５に示すセル１０は、図２に示したセル１１０と類似しているようにも見える。しかし、図３で示したように、従来のエレメント１２０では、キャビティ１１４Ｈは、それぞれが密閉された空間であり、言い換えれば、それぞれのキャビティ１１４Ｈは孤立していた。これに対して、図６に示すように、エレメント２０では、複数の柱１４によりキャビティ１４Ｈが形成されている。このため、セル群１０Ｚの複数のキャビティ１４Ｈは、互いに通じている（communicate)、いわゆるオープンキャビティである。言い換えれば、複数のキャビティ１４Ｈは、１つの空間を形成している。
　なお、図６の分解図においては、下部絶縁層１３及び保護層１７は図示していない。また図７の上面図は柱１４と下部電極１２と上部電極１６の配置だけを示している。図６及び図７等に破線で示した正六角形は、１個のセル１０の専有領域、言い換えればセル１０の平面視形状を示しているが、実際には境界は明示されない。例えば、破線で示した複数のセル１０のキャビティ１４Ｈの境界線は実際には存在しない仮想線である。
　図６及び図７に示すように、エレメント２０には、平面視形状が正六角形の複数のセル１０が隙間なく配設されている。すなわち、それぞれの柱１４が、隣接する３つのセル１０のメンブレン１８を支持し、キャビティ１４Ｈを形成している。上部絶縁層１５が柱１４と接合されている領域は、振動しない送受信に寄与しない不感領域であるが、エレメント２０の、振動領域であるメンブレン１８の面積がセル面積に対する開口率は従来のエレメントよりもはるかに高い。すなわち、セル１０の形状及び面積はキャビティ１４Ｈの形状及び面積と略等しい。
　なお、エレメント２０においても、厳密には、セル１０の形状と、柱１４の領域を含まないキャビティ１４Ｈの形状と、は異なるが、以下、キャビティ１４Ｈの形状をセル１０の形状ということがある。
　複数のセル１０の下部電極１２は、下部電極配線１２Ｓにより互いに接続されており、上部電極１６は、上部電極配線１６Ｓにより互いに接続されている。すなわち、エレメント２０の複数のセル１０は、同時に駆動されるセル群１０Zを構成している。
　下部電極１２と上部電極１６の間に、下部電極端子１２Ｔと上部電極端子１６Ｔとを介して、０でない電位が印加されると、電位差により発生する静電引力により、メンブレン１８が、下部電極１２の方向に引き寄せられ変位する。なお、安全確保の観点から上部電極１６は接地電位とすることが好ましい。
　メンブレン１８の変位量は、セル１０の中心点で最大あり、隣接セル境界では正六角形の各辺の２等分点で最大となる。また変位量は、破線で表示した隣接するセル１０の境界線を軸として線対称となる。更に、セル１０は正六角形であるので、変位量は、セル１０の中心点に対して６度回転すると等しい６回対称である。
　メンブレン１８が変位した状態で印加電位が切断されると静電引力が消滅し、メンブレン１８は構成材料及び構造パラメータで決まる共振周波数で振動し、共振周波数に等しい振動数の超音波が送信される。
　なお、超音波をパルス的に送信する場合は、印加する駆動信号の波形等を制御することが好ましい。例えば、印加電位の上昇にメンブレン１８の変位が追従できるように、ゆっくりと電位を上昇したり、メンブレン１８が完全に静止するよう十分な時間をおいてから、次のパルスを印加したりすることが好ましい。また、超音波を送信した後に、補助パルス印加による引力、又は、主パルスと逆位相の補助パルス印加によるカウンター振動発生によりメンブレン１８を強制的に静止してもよい。
　一方、ドップラー計測などのために、連続して超音波を送信する場合には、メンブレン１８の共振周波数に等しい、例えば三角波パルスからなる駆動信号が印加される。
　超音波発生時のメンブレン１８の振動周波数、すなわち、発生する超音波の周波数は、正六角形のセル１０に内接する円形のキャビティを有するセルが発生する超音波の周波数より若干低い。前記内接する円形のキャビティを有するセルと等しい超音波周波数を実現するには、セル１０を相似形状で縮小すればよい。
　セル１０に超音波が入射した場合は、メンブレン１８が超音波の音圧により入射超音波の周波数で振動し、その振動に応じてキャビティ１４Ｈの厚さ、すなわち、電極間の距離が変化し、これに応じて電極間の静電容量が変化する。このため、電極間の静電容量を検出することにより、入射した超音波の強度及び周波数が検出される。
　なお、電極間に常時、電位差を印加するＤＣオフセットバイアス法を用いメンブレン１８を常時、微小変形しておくことで、エレメント２０は、より高周波数の超音波を送受信できる。
　なお、駆動信号は、エレメント２０の外部から供給されてもよいし、エレメント２０の裏面に、ＩＣ等からなる駆動回路を配設してもよい。
　ここで、図７に示すように、円柱である柱１４の断面の直径Ｒは、柱１４と柱１４の間隔Ｄの１／２０以上１／５以下が好ましい。前記範囲以上であれば、メンブレン１８を安定して支持可能であり、前記範囲以下であれば開口率が例えば９５％以上と大きいため、送受信感が高い。
　例えば、正六角形のセル１０において、間隔Ｄが１００μｍ、直径Ｒが１０μｍの場合、セル１０の面積は２６０００μｍ２、柱１４の面積は１５７μｍ２である。このため、開口率は、（２６０００－１５７）／２６０００＝９９．４％である。
　これに対して、従来の孤立した円形キャビティを有するセルが正方格子配列したエレメントでは、仮想的にキャビティ同士が接している形態でも、開口率は、「（円の面積）／（円に外接する正方形の面積）」であるため、７８．５％であった。
　すなわち、従来の孤立した円形キャビティを有するセルが正方格子配列したエレメントでは開口率は８０％未満であったが、エレメント２０では、９５％を超える高開口率が容易に実現できる。
　エレメント２０は、超音波の送受信感度の向上が達成され、更に応用展開の拡大が可能となる。また開口率が大きいということは、効率のよいメンブレンのドライブが可能、又は、寄生容量の割合が低下して、信号雑音比（ＳＮ比）も上昇する。
　すなわち、エレメント２０は、開口率が大きく、送受信感度が高い。
　更に、エレメント２０では、下部電極１２と上部電極１６との対向領域は、全て超音波の受信に寄与するため、不感領域による寄生容量の影響を受けないため、受信感度が高い。
　なお、柱１４の形状は円柱に限られるものではない。例えば、図８Ａに示す柱１４Ａでは断面が円形ではなく、略正三角形であり、図８Ｂに示す柱１４Ｂは断面が３方向に突出した略星型である。また、図８Ｃに示す柱１４Ｃは、柱中央部が膨らんだエンタシス形状であり、図８Ｄに示す柱１４Ｄは、柱の上部が広がった飾り柱形状である。
　柱１４は、楕円柱、多角柱、星型柱、円錐又は多角錐等の形状であってもよく、また、エレメント２０の複数の柱１４が、複数の異なる形状の柱から構成されていてもよい。なお、円柱以外の柱１４の場合にも、セルの開口率が９０％以上、好ましくは９５％以上となるように柱４５が設計されることが好ましい。
＜第２実施形態＞
　図９に示す第２実施形態のエレメント２０Ａは、エレメント２０と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　エレメント２０Ａでは下部電極１２Ａが、セル群１０ＺＡ形成領域の全面に配設されている、複数の振動子１０の共通の下部電極である。すなわち、図９では、破線により、それぞれの振動子１０の下部電極１２Ａを示しているが、その境界線は仮想線である。
　エレメント２０Ａでは、下部電極１２Ａが全面に配設されているが、上下電極が対向する領域の全てがメンブレン１８であるため、パターニングされた下部電極１２を有するエレメント２０と比較して不感領域が増加することはない。
　エレメント２０Ａは、下部電極１２Ａをパターニングする必要がないため、製造が簡単である。また、既に説明したように、パターニングされた下部電極１２の上に成膜された下部絶縁層１３の表面には凹凸が形成されるため、平坦化することが好ましい。しかし、エレメント２０Ａでは、セル群１０ＺＡ形成領域の全面に下部電極１２が配設されているため、下部絶縁層１３の表面には凹凸が形成されず、平坦化も不要である。
　エレメント２０Ａは、エレメント２０の効果を有し、更に製造が容易である。
　なお、下部電極１２又は上部電極１６の少なくともいずれかが、基板１１のセル群１０Ｚ形成領域の全面に配設されていても、エレメント２０Ａと同様の効果を有することは言うまでも無い。
＜第３実施形態＞
　図１０に示す第３実施形態のエレメント２０Ｂは、エレメント２０等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　エレメント２０Ｂは、それぞれのセル１０が、それぞれ６本の柱１４を専有する。このため、セル１０の間に、送受信に寄与しない無駄な領域が形成されている。
　隣接するセル１０が柱１４を共用しているエレメント２０等では、１本の柱が不良であると、その柱を共用している３個のセル１０が不良となる。これに対して、エレメント２０Ｂは、柱が不良あっても１個のセル１０が不良となるだけであるため、製品として使用可能となる確率が高い。すなわち、エレメント２０においては、必ずしも全てのセル１０が良品である必要はない場合も多い。
　エレメント２０Ｂは、エレメント２０等の効果を有し、更にエレメント２０等よりも製造歩留まりが高い。
　なお、エレメント２０Ｂにおいても、開口率９０％以上が好ましく、特に好ましくは９５％となるように設計される。また、一部の柱が隣接セルにより共用されており、残りの柱が専有されていてもよい。
＜第４実施形態＞
　図１１に示す第３実施形態のエレメント２０Ｃは、エレメント２０等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。なお、以下の図においては、柱１４は中心を示す黒丸で示す。
　エレメント２０Ｃでは、柱１４が、正六角形のセル１０Ｃの頂点６箇所だけでなく、隣接セルとの境界線の２辺の上にも、それぞれ３本が配設されている。すなわち、セル１０Ｃのメンブレンは、１２本の柱１４により支持されている。
　セル１０Ｃのメンブレンの変位は、セル中心に対して６回対称ではなく、２回対称であり、複雑な形状に変位する。このため、セル１０Ｃは、共振周波数の幅が広い。
　エレメント２０Ｃは、エレメント２０が有する効果を有し、更に、メンブレン１８が発生する超音波は、広帯域であり、同様に、広帯域の超音波を送受信可能である。
＜第５実施形態＞
　図１２に示す第５実施形態のエレメント２０Ｄは、エレメント２０等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　エレメント２０Ｄでは、柱１４が、正六角形のセル１０Ｄの頂点ではなく、頂点から少しずれた位置に配設されている。ずれ量ｄはランダムに設定されているが、直径ＲＤの円の内部に設定されている。直径ＲＤは、例えば、間隔Ｄの１／１００以上１／１０以下が好ましい。前記範囲であれば、効果が顕著である。また、ずれ量ｄは、例えば乱数をもとに設定される。
　柱１４の間隔Ｄが同じセル１０は、不必要共振が発生したり、不要な横波が強調されたりするおそれがある。これに対して、エレメント２０Ｄでは、セル１０Ｄの柱１４が、六角形の頂点から微小な平面変位でランダムに配置されているため、不必要共振が発生したりするおそれがない。
　すなわち、エレメント２０Ｄは、エレメント２０が有する効果を有し、更に、不必要共振が発生したりするおそれがない。
＜第６実施形態及び第７実施形態＞
　第６実施形態のエレメント２０Ｅ及び第７実施形態のエレメント２０Ｆは、エレメント２０等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　図１３に示すように、エレメント２０Ｅでは、正三角形のセル１０Ｅが隙間なく配設されている。すなわち、それぞれのセル１０Ｅのメンブレン１８は、共通の３本の柱１４により支持されている。また、図１４に示すように、エレメント２０Ｆでは、セル１０Ｆは正八角形である。セル１０Ｆのメンブレン１８は１２本の柱１４により支持されており、そのうち、８本は正八角形のセル１０Ｆの頂点に配置されている。
　エレメント２０Ｅ及びエレメント２０Ｆは、エレメント２０と同じ効果を有する。すなわち、柱１４がメンブレン１８を支持することでキャビティ１４Ｈを形成している振動子セルを有していれば、振動子セルを支えている柱の数は、３本以上であれば、６本に限定されるものではない。なお、振動子セルを支えている柱の数は、１６本以下が好ましく、前記範囲以下であれば、開口率を大きくすることが容易である。
　また、メンブレン（セル）の平面視形状は、特定の形状に限定されるものではない。例えば、並行四辺形、長方形、菱形、又は台形であってもよい。特に、複数のセルを平面充填できる、すなわち、隙間なく配設できる形状が、開口率を大きくすることが容易であるため、好ましい。
＜第８実施形態～第１１実施形態＞
　第８実施形態のエレメント２０Ｇ～第１０実施形態のエレメント２０Ｊは、エレメント２０等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　図１５に示すように、第８実施形態のエレメント２０Ｇのセル群１０ＺＧは、キャビティの形状は同じ正方形であるが大きさ（セル１０Ｇの平面視寸法）が異なる３種類のセル１０Ｇ１～１０Ｇ３を具備する。
　図１６に示すように、第９実施形態のエレメント２０Ｈのセル群１０ＺＨは、キャビティの形状及び大きさは同じであるが、それぞれのキャビティを支持している柱１４の数が異なる４種類のセル１０Ｈ１～１０Ｈ４を具備する。
　図１７に示すように、第１０実施形態のエレメント２０Ｉのセル群１０ＺＩは、キャビティ（セル）の形状が異なる２種類のセル１０Ｉ１～１０Ｉ２を具備する。
　図１８に示すように、第１１実施形態のエレメント２０Ｊのセル群１０ＺＪは、キャビティの形状等は同じだが、メンブレン１８の厚さが異なる２種類のセル１０Ｊ１～１０Ｊ２を具備する。
　セル群がキャビティの平面視形状、キャビティの大きさ（平面視寸法）、柱の数又はメンブレンの厚さから選ばれる少なくともいずれかが異なる複数の種類のセルは、共振周波数が異なる。
　このため、エレメント２０Ｇ～２０Ｊは、送受信できる超音波の周波数帯域が広い。例えば、図１５に示すエレメント２０Ｇでは、最も大きなセル１０Ｇ１をエレメント２０Ｇの中心部に配置し、最外周には最も小さなセル１０Ｇ３を配置している。大きなセル１０Ｇ１が発生する超音波は周波数が低いため、ビームが拡がりやすく、小さなセル１０Ｇ３が発生する超音波は周波数が高いため、ビームが拡がりにくい。エレメント２０Ｇでは、低周波数のセルを中心部に配置しているため、エレメント全体での超音波ビームの収束性が良い。
　一方、図１６に示すエレメント２０Ｈでは、中心部に配置されたセル１０Ｈ１のメンブレン１８は１６本の柱１４で支持されているため、共振周波数が高い。これに対して、周辺部に配置されたセル１０Ｈ４のメンブレン１８は５本の柱１４で支持されているため、共振周波数が低い。セル１０Ｈ１とセル１０Ｈ３との間に配置された、セル１０Ｈ２のメンブレン１８は１０本の柱１４で支持されており、セル１０Ｈ３のメンブレン１８は８本の柱１４で支持されている。このため、セル１０Ｈ２及びセル１０Ｈ３の共振周波数は、セル１０Ｈ１の共振周波数とセル１０Ｈ４の共振周波数との間にある。
　エレメント２０Ｈは、観察対象の近点側が高分解能に観察できる。すなわち、近点側は高周波数の信号により画像形成をするため高分解能である。
　図１７に示したエレメント２０Ｉの２種類のセル１０Ｉ１及び１０Ｉ２の形状は、ペンローズタイルパターンを構成する２種類の菱形であり、柱が２種類の菱形の頂点に配置されている。ペンローズタイルパターンでは、２種類の菱形（鋭角７２度、鈍角１０８度の菱形と鋭角３６度、鈍角１４４度の菱形）が平面充填されている。正多角形を利用した充填の場合、周期的なパターンが現れるが、ペンローズタイルパターンは、他の平面充填とは違い周期的なパターンがない。
　ペンローズタイルパターンは５回対称という特異的な対称性を持つため、平面的に見て並進対称性はない。このため、エレメント２０Ｉは不要共振が極めて発生しにくく、特に好ましく用いることができる。
　なお、菱形のセルは、略同一寸法の楕円型キャビティのあるセルと等しい共振周波数を示すため、エレメント２０Ｉは、２種類の共振周波数を有する。更に、ペンローズタイルパターンを一方向に縮小又は拡大した複数のセルを有するエレメントは、原理的には１０種類の共振周波数を有する広帯域なエレメントである。
　図１８に示すエレメント２０Ｊでは、メンブレン１８の厚さが厚いセル１０Ｊ２の共振周波数が、厚さが薄いセル１０Ｊ１の共振周波数よりも高い。すなわち、共振周波数は、メンブレン厚さに比例する。
　なお、共振周波数が異なる複数の種類のセルを有するエレメントにおける、セル配置は、目的に応じて変更可能である。またセルの種類は２種類以上であればよい。
　エレメント２０Ｇ～２０Ｊは、いずれもエレメント２０等が有する効果を有し、更に、より広帯域な特性を有するため、超音波ドップラー計測などに応用展開できる。また、目的に応じて、エレメント内で音波の指向性に配慮したセル配置としたり、超音波ビーム内の収束性に優れた高い解像度を有するセル配置としたりできる。
　また、キャビティの平面視形状、キャビティの大きさ（平面視寸法）、柱の数及びメンブレンの厚さから選択される２以上の要因を変化することで、より多くの共振周波数を有する広帯域のエレメントとなる。特に、配置するセルの共振周波数を連続的になだらかに変化させることにより、非常に広帯域のエレメントとなる。
　なお、図１８に示したエレメント２０Ｊでは、下部電極１２Ａはセル群形成領域の全面に形成されている。一方、上部電極１６Ｊもセル群形成領域の略全面に形成されているが、柱１４と対向する領域には穴１６ＪＨが形成されている。柱１４の直上のメンブレンは不感領域となるが、エレメント２０Ｊでは、不感領域には上部電極１６がないため、受信感度が、より高い。
　ここで、図１９は、上記実施形態で説明したエレメント２０のセル群１０Ｚの端部の一例を示している。既に説明したように、セル群１０Ｚを構成するセル１０の複数のキャビティ１４Ｈは、互いに通じている。しかし、セル群１０Ｚの最外周領域のキャビティ１４Ｈの外周側は、包絡面からなる封止壁により囲まれており、セル群１０Ｚの複数のキャビティ１４Ｈが外部と通じていない密封された空間であることが好ましい。なお、エレメント２０A～２０Ｊにおいても複数のキャビティ１４Ｈが外部と通じていない密封された空間であることが好ましい。
　セル群１０Ｚの複数のキャビティ１４Ｈが外部と通じていない密封された空間であるエレメントは、周囲の環境が変化しても、キャビティ１４Ｈの内部圧力が変化しないため、送受信感度が変化するおそれがない。
＜第１２実施形態＞
　上記で説明したエレメント２０～２０Ｊは、超音波内視鏡（以下、「内視鏡」という）２に好ましく用いることができる。
　図２０に示すように、ラジアルタイプのアレイ型超音波振動子３０は、複数のエレメント２０と、エレメント２０が外面に配設された円筒形の保持部材３１と、ケーブル８０と、を有する。エレメント２０の下部電極端子１２Ｔと上部電極端子１６Ｔとは、それぞれケーブル８０の導線８１Ａ、８Ｂと接続される。なお、超音波アレイは、コンベックス型又はリニア型等でもよい。
　図２１は、アレイ型超音波振動子３０（エレメント２０）が先端部４７に配設された第１２実施形態の超音波内視鏡２を有する超音波内視鏡システム１を示す。内視鏡２は、超音波観測装置３及びモニタ４とともに超音波内視鏡システム１を構成する。内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部４１と、挿入部４１の基端に配された操作部４２と、操作部４２の側部から延出したユニバーサルコード４３とを具備する。
　ユニバーサルコード４３の基端部には、光源装置（不図示）に接続されるコネクタ４４Ａが配設されている。コネクタ４４Ａからは、カメラコントロールユニット（不図示）にコネクタ４５Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル４５と、超音波観測装置３にコネクタ４６Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル４６と、が延出している。超音波観測装置３にはモニタ４が接続される。
　挿入部４１は、先端側から順に、先端部４７と、先端部４７の後端に位置する湾曲部４８と、湾曲部４８の後端に位置して操作部４２に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部４９と、を連設して構成されている。そして、先端部４７の先端側にはアレイ型超音波振動子３０が配設されている。
　先端部４７に設けられたアレイ型超音波振動子３０によって内視鏡２は、超音波画像を取得する。
　内視鏡２は、高い超音波送信感度及び超音波受信感度を有する超音波振動子エレメントを具備するため、高解像度の画像を取得可能である。
　なお、エレメント２０～２０Ｊは、図２１に示した内視鏡２だけでなく、小型で細経化が必要な各種超音波診断装置、例えば、IVUS（Intra Vascular UltraＳound)、体外式の超音波プローブ、又はカプセル型超音波内視鏡にも配設できることは言うまでもない。
　本発明は、上述した実施形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変、例えば、実施形態の構成要素の組み合わせ等が可能である。
　本発明は上述した実施形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変、組み合わせ等ができる。
　本出願は、２０１２年１１月１５日に日本国に出願された特願２０１２－２５１４４４号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

Claims (8)

  1. 　基板と、
    　前記基板の上に配設された下部電極と、前記下部電極とキャビティを介して対向配置している上部電極を含むメンブレンと、前記メンブレンを支持することで前記キャビティを形成している複数の柱と、をそれぞれが有し、それぞれの前記キャビティが互いに通じている複数の超音波振動子セルからなるセル群と、を具備することを特徴とする超音波振動子エレメント。
  2. 　前記メンブレンが、３本以上１６本以下の前記複数の柱により支持されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子エレメント。
  3. 　それぞれの柱が、隣接する複数の超音波振動子セルのメンブレンを支持していることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子エレメント。
  4. 　前記超音波振動子セルの前記下部電極又は前記上部電極の少なくともいずれかが、前記基板のセル群形成領域の全面に配設されている、前記複数の振動子の共通電極であることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動子エレメント。
  5. 　前記セル群が、前記キャビティの形状、前記キャビティの大きさ、前記柱の数又は前記メンブレンの厚さから選ばれる少なくともいずれかが異なる複数の種類の前記超音波振動子セルを具備することを特徴とする請求項３に記載の超音波振動子エレメント。
  6. 　それぞれの前記キャビティの形状が、ペンローズタイルパターンを構成する２種類の菱形であり、
    　前記柱が、前記２種類の菱形の頂点に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動子エレメント。
  7. 　前記セル群の最外周領域の前記キャビティの外周側が、包絡面からなる封止壁により囲まれており、前記セル群の前記複数のキャビティが外部と通じていない密封された空間であることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動子エレメント。
  8. 　請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超音波振動子エレメントが先端部に配設された挿入部と、前記挿入部の基端側に配設された操作部と、前記操作部から延出するユニバーサルコードと、を具備することを特徴とする超音波内視鏡。
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