(57)【要約】      （修正有）【課題】帯域幅が広く、かつ送受信効率のよい超音波エレメントを提供する。【解決手段】超音波エレメント２０は、平面視形状が等方的な第１のキャビティ１４Ａ１を介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第１の振動子セル１０Ａ１と、平面視形状が非等方的な第２のキャビティ１４Ａ２を介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第２の振動子セル１０Ａ２と、を有する。【選択図】図８
2014068674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視形状が等方的な第１のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第１の振動子セルと、
平面視形状が非等方的な第２のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第２の振動子セルと、を有することを特徴とする超音波エレメント。
【請求項２】
前記複数の第１の振動子セルの前記上部電極及び前記複数の第２の振動子セルの前記上部電極を接地電位線と接続される接地電位外部電極と、
前記複数の第１の振動子セルの前記下部電極を、超音波送信用の駆動信号発生部と接続される駆動用外部電極と、
前記複数の第２の振動子セルの前記下部電極を、超音波受信用の容量信号検出部と接続される検出用外部電極と、を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
【請求項３】
前記第１の振動子セルと前記第２の振動子セルとが、共振周波数が同じであることを特徴とする請求項２に記載の超音波エレメント。
【請求項４】
前記第２のキャビティの前記平面視形状の長軸方向の長さが、短軸方向の長さの１３０％以上２００％以下であることを特徴とする請求項３に記載の超音波エレメント。
【請求項５】
前記平面視形状の外周が曲線で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波エレメント。
【請求項６】
前記第１のキャビティの前記平面視形状が円で、
前記第２のキャビティの前記平面視形状が楕円であることを特徴とする請求項５に記載の超音波エレメント。
【請求項７】
前記複数の第１の振動子セルと、前記複数の第２の振動子セルとが、均等に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の超音波エレメント。
【請求項８】
第２の振動子セルを取り囲むように、前記複数の第１の振動子セルが配置されていることを特徴とする請求項６に記載の超音波エレメント。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の超音波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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型の複数の振動子セルを有する超音波エレメント及び前記超音波エレメントを具備する超音波内視鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６８５４３３８号明細書に静電容量型の超音波エレメント１２０が開示されている。図１に示すように、超音波エレメント１２０は、ｃＭＵＴ（capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer）の基本構造である２５個の振動子セル１１０を有する。図２に示すように、振動子セル１１０は、下部電極１１２と上部電極１１６とが、絶縁物よりなる隔壁１１３で囲まれた空間であるキャビティ１１４を介して対向配置している。キャビティ１１４は円柱状であり、その平面視形状は円形である。
【０００３】
下部電極１１２と上部電極１１６との間に電圧が印加されると、上部電極１１６は静電力により下部電極１１２の方向（下方向）に引き寄せられ変形する。電圧印加が無くなると上部電極１１６は弾性力により上方向に戻る。上部電極１１６の変形により超音波が放射される。放射した超音波の反射波（エコー）が、振動子セル１１０に入射すると、上部電極１１６が超音波の音圧により変形し、キャビティ１１４の厚さ、すなわち、下部電極１１２と上部電極１１６との距離が変化する。このため、対向電極間の容量値変化から入射した超音波が検出される。
【０００４】
ここで、振動子セルの「Ｑ値」について説明する。図３に示すように、出射される超音波の強度（パワー）Ｐは、駆動信号の周波数が振動子セルの共振周波数ＦＣのときに最大となり、駆動周波数が共振周波数ＦＣから乖離すると低下する。共振周波数ＦＣにおけるピーク強度ＰＣに対して、強度Ｐが５０％となる共振周波数ＦＣの前後の２つの周波数ＦＬ、ＦＨの差で定義される値を帯域幅（ＢＷ）という。そして、共振周波数ＦＣを帯域幅（ＢＷ）で割った値が、「Ｑ値」である。
【０００５】
Ｑ＝Ｆ１／ＢＷ＝Ｆ１／（ＦＨ−ＦＬ）
【０００６】
Ｑ値は、共振振動の鋭さを示しており、Ｑ値が大きいと、駆動周波数が共振周波数ＦＣの場合は強度Ｐは強いが、駆動周波数が共振周波数ＦＣから乖離すると、急激に強度Ｐが低下する。反対に、Ｑ値が小さいと、駆動周波数が共振周波数ＦＣから乖離しても、強度Ｐが急激には低下しない。同様に、超音波受信時にも、Ｑ値が大きい振動子セルは、共振周波数ＦＣの超音波に対しては高い検出感度を示すが、共振周波数ＦＣから乖離した周波数の超音波に対する検出感度は急激に低下する。
【０００７】
ｃＭＵＴはＱ値が高く、例えば、共振周波数ＦＣ＝９．８ＭＨｚ、Ｑ値＝９８の場合、ＢＷ＝０．１ＭＨｚであり、ＦＬ＝９．７５ＭＨｚ、ＦＨ＝９．８５ＭＨｚである。すなわち、ｆ＝９．７５ＭＨｚ又はｆ＝９．８５ＭＨｚにおける超音波強度Ｐは、ｆ＝９．８ＭＨｚにおける超音波強度Ｐの半分になってしまう。
【０００８】
超音波内視鏡等の医療分野では、超音波の周波数（波長）を変化させたり、ドプラ効果を利用して被検物である血流の方向及び流速の情報を取得したりすること、すなわち、共振周波数ＦＣから乖離した周波数の超音波を受信することがある。
【０００９】
しかし、キャビティ１１４の平面視形状が円形の振動子セル１１０は、Ｑ値が比較的高く、帯域幅ＢＷが狭いために、共振周波数ＦＣから乖離した周波数の超音波の受信効率が高いとは言えなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６８５４３３８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の実施形態は、帯域幅が広く、かつ送受信効率のよい超音波エレメント及び帯域幅が広く、かつ送受信効率のよい超音波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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態の超音波エレメントは、平面視形状が等方的な第１のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第１の振動子セルと、平面視形状が非等方的な第２のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第２の振動子セルと、を有する。
【００１３】
また別の実施形態の超音波内視鏡は、平面視形状が等方的な第１のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第１の振動子セルと、平面視形状が非等方的な第２のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第２の振動子セルと、を有する超音波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。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施形態によれば帯域幅が広く、かつ、送受信効率のよい超音波エレメント及び帯域幅が広く、かつ、送受信効率のよい超音波エレメントを具備する超音波内視鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の超音波エレメントの上面図である。
【図２】従来の超音波エレメントの振動子セルの断面図である。
【図３】振動子セルの「Ｑ値」について説明するための図である。
【図４】第１実施形態の超音波内視鏡を含む超音波内視鏡システムを説明するための構成図である。
【図５】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部の斜視図である。
【図６】第１実施形態の超音波エレメントの斜視図である。
【図７】第１実施形態の超音波エレメントの振動子セルの断面図である。
【図８】第１実施形態の超音波エレメントの振動子セルの複数のキャビティの配置図である。
【図９】第１実施形態の超音波エレメントの第２のキャビティの平面図である。
【図１０】第２実施形態の変形例の超音波エレメントの振動子セルの複数のキャビティの配置図である。
【図１１】第３実施形態の変形例の超音波エレメントの振動子セルの複数のキャビティの配置図である。
【図１２】第４実施形態の変形例の超音波エレメントの振動子セルの複数のキャビティの配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して第１実施形態の超音波エレメント２０及び超音波エレメント２０を有する超音波内視鏡２について説明する。なお、図はいずれも説明のための模式図であり、構成要素の数、大きさ、及び大きさ等の比率等は実際とは異なる。
【００１７】
＜超音波内視鏡の構成＞
図４に示すように、超音波内視鏡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。超音波内視鏡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。
【００１８】
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。はモニタ４が接続される超音波観測装置３は、超音波送信のための駆動信号を発生する駆動信号発生部３Ａと、超音波を受信するための容量信号検出部３Ｂと、接地電位線３Ｃと、を有する。
【００１９】
挿入部４１は、先端側から順に、先端硬性部（以下、「先端部」という）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。
【００２０】
そして、図５に示すように、挿入部４１の先端部４７には、複数の超音波エレメント２０（以下、単に「エレメント」ともいう。）がラジアル状に配置された超音波ユニット３０が配設されている。なお、超音波ユニットは、複数のエレメント２０が、凸形状に配置されたコンベックス走査型、又は平面上に配置されたリニア走査型でもよい。
【００２１】
図６に示すように、超音波を送受信する基本単位であるエレメント２０は、第１の主面２０ＳＡと、第１の主面２０ＳＡと対向する第２の主面２０ＳＢと、を有する、例えばシリコン基板１１を基体とする。そして、超音波エレメント２０の第１の主面２０ＳＡのほぼ中央部には超音波を送受信する送受信部２１が形成されており、第１の主面２０ＳＡの両端部には外部電極２２Ａ１、２２Ａ２、２２Ｂが配設されている。
【００２２】
外部電極２２Ａ１は、超音波送信用の駆動信号発生部３Ａと接続される駆動用外部電極であり、外部電極２２Ａ２は、超音波受信用の容量信号検出部３Ｂと接続される検出用外部電極であり、外部電極２２Ｂは、接地電位線３Ｃと接続される接地電位外部電極である。
【００２３】
送受信部２１には、複数の静電容量型の２種類の振動子セル１０（１０Ａ１、１０Ａ２）（以下、単に「セル」ともいう。）が配置されている。なお、図６では一部の振動子セルのキャビティ１４を破線で示している。
【００２４】
図７に示すように、振動子セル１０は、メンブレンを構成する上部電極１６が、キャビティ（空隙部）１４を介して下部電極１２と対向配置している。後述するように、キャビティ１４は犠牲層のエッチングにより形成される。なお、上部電極１６の上に、さらに、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、又はポリイミドなどからなる上部絶縁層／保護膜が形成されているが図示していない。すなわち、メンブレンは上部電極１６と上部絶縁層と保護膜とにより構成されている。
【００２５】
下部電極１２は、タングステン、モリブデン、もしくはチタン等の高融点金属又は前記金属を含む合金等からなる単層膜又は多層膜である。キャビティ１４の上下に位置する下部絶縁層１３及び上部絶縁層１５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などの絶縁体材料からなる。上部電極１６は、アルミニウム、タングステン、モリブデン、もしくはチタン等の金属又は前記金属を含む合金等からなる単層膜又は多層膜である。
【００２６】
キャビティ１４の形成には、隣接する下部絶縁層１３及び上部絶縁層１５の材料とのエッチング選択比の大きい材料が犠牲層として下部絶縁層１３の上に配設される。犠牲層には、代表的にはリンガラスなどの絶縁材料、多結晶シリコンなどの半導体材料、タングステンなどの金属薄膜材料などが使用される。犠牲層の上に、上部絶縁層１５を形成後、犠牲層を選択的にエッチングすることで、キャビティ１４が形成される。
【００２７】
図８に示すように、エレメント２０は、平面視形状が等方的な円形である第１のキャビティ１４Ａ１を介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第１の振動子セル１０Ａ１と、平面視形状が非等方的な扁平形状の楕円である第２のキャビティ１４Ａ２を介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第２の振動子セル１０Ａ２と、を有する。すなわち、第１のキャビティ１４Ａ１は円柱状であり、第２のキャビティ１４Ａ２は楕円柱状である。
【００２８】
超音波エレメント２０の外部電極２２Ａ１は複数の第１の振動子セル１０Ａ１の下部電極の共通電極であり、外部電極２２Ａ２は複数の第２の振動子セル１０Ａ２の下部電極の共通電極であり、外部電極２２Ｂは複数の第１の振動子セル１０Ａ１及び複数の第２の振動子セル１０Ａ２の上部電極の共通電極である。
【００２９】
すなわち、第１の振動子セル１０Ａ１は超音波送信用セルであり、第２の振動子セル１０Ａ２は超音波受信用セルである。
【００３０】
次に、超音波エレメント２０（セル１０）の動作原理を説明する。超音波送信時には、複数の第１の振動子セル１０Ａ１の下部電極１２と上部電極１６との間に、駆動信号発生部３Ａから駆動信号が印加される。特に、メンブレンの構成材料及び構造パラメータで決まる共振周波数ＦＣで、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦが繰り返される駆動信号では、メンブレンは効率良く振動し、共振周波数ＦＣに等しい振動数の超音波が放射される。
【００３１】
一方、超音波受信時には、複数の第２の振動子セル１０Ａ２のメンブレン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１４Ａ２の厚さ、すなわち、上部電極１６と下部電極１２との間の距離が変化する。電極間距離に応じて電極間の電気的容量値が変化するので、両電極間の容量値の時間変化を検出することにより、入射する超音波の強度と周波数が検出される。
【００３２】
すでに説明したように、キャビティ１４Ａ１の平面視形状が円形の第１の振動子セル１０Ａ１は、メンブレンが振動するときの最大固定端距離である動径方向の径が一定なので、Ｑ値が高い。このため、効率良く、所定の共振周波数ＦＣの超音波を発生する。
【００３３】
一方、第２の振動子セル１０Ａ２は、キャビティ１４Ａ２の平面視形状が非等方的な楕円形である。ここで、形状が「非等方的」とは、円形又は正六角形のような「等方的」形状に対して、上下方向又は左右方向が押しつぶされた扁平形状を意味する。
【００３４】
このため、第２の振動子セル１０Ａ２は、メンブレンが振動するときの最大固定端距離である動径方向の径が、場所により連続的に異なる。このため、メンブレンの振動状態は、異なる直径の円形メンブレンの振動の足し合わせ（重ね合わせ）となる。
【００３５】
例えば、第１の振動子セル１０Ａ１のキャビティ１４Ａ１の平面視形状が直径２６．５μｍの円形の場合、共振周波数ＦＣ＝２２．８ＭＨｚ、Ｑ＝５５．０、ＢＷ＝０．４１５ＭＨｚである。
【００３６】
これに対して、第２の振動子セル１０Ａ２のキャビティ１４Ａ２の平面視形状が、図１０に示すように、長径（ＤＬ）３０μｍ、短径（ＤＳ）２３μｍの楕円の場合には、第１の振動子セル１０Ａ１と同じ共振周波数ＦＣ＝２２．８ＭＨｚであるが、Ｑ＝２９．３、ＢＷ＝０．７７８ＭＨｚであった。
【００３７】
以上の説明のように、実施形態の超音波エレメント２０は、送信時には高いＱ値の高い第１の振動子セル１０Ａ１により効率的に超音波を送信し、受信時には帯域の広い第２の振動子セル１０Ａ２により効率的に超音波を受信できる。
【００３８】
すなわち、超音波エレメント２０は、帯域幅が広く、かつ、送受信効率がよい。特に、第１の振動子セル１０Ａ１の共振周波数と第２の振動子セル１０Ａ２のの共振周波数が同じであることが、送信周波数を中心主波数とした広い帯域の超音波を効率的に超音波を受信できるため好ましい。例えば、被検物の移動（例えば、血管内の血液の流れ）に伴うドプラ効果による反射超音波の周波数偏移の検出に基づいて、被検物の移動情報（移動方向、移動速度）を演算することが容易である。
【００３９】
なお、第２の振動子セル１０Ａ２のキャビティ１４Ａ２の平面視形状は、非等方的であれば、楕円に限られるものではなく、扁平多角形、レーストラック形状、小判型又は角部を曲線化した多角形等でもよい。
【００４０】
なお、メンブレンの変形時に局所的に応力が増大する箇所が少ない形状としては、楕円、又は小判型等の外周が曲線で構成されていることが最も好ましい。信頼性及び耐久性など長期特性の低下のおそれがないためである。
【００４１】
ただし、図９に示すように、キャビティ１４Ａ２の平面視形状の長軸方向の長さ（ＤＬ）が、短軸方向の長さ（ＤＳ）の１３０％以上２００％以下であることが好ましい。前記範囲以上であれば、超音波エレメント２０のように、帯域幅の広がりが顕著であり、前記範囲以下であればＱ値の低下が許容範囲内である。
【００４２】
＜第２実施形態〜第４実施形態＞
次に、第２実施形態〜第４実施形態の超音波エレメント２０Ｂ〜２０Ｄについて説明する。これらの実施形態は、第１実施形態の超音波エレメント２０と比較すると、複数の振動子セル１０の配置形態が異なるだけであるため、その他の説明は省略する。
【００４３】
図１０に示すように、第２実施形態の超音波エレメント２０Ｂは、円形の第１のキャビティ１４Ｂ１（セル１０Ｂ１）を取り囲むように、楕円形の第２のキャビティ１４Ｂ２（セル１０Ｂ２）が配置されている。
【００４４】
図６に示した超音波エレメント２０では、楕円形のキャビティ１４Ａ２を有するセル１０Ａ２の受信指向性を反映した、異方的な指向性を有していた。すなわち、超音波の受信感度に面内異方性があった。
【００４５】
これに対して、超音波エレメント２０Ｂでは、それぞれのセル１０Ｂ２の超音波指向性を相殺しているため、エレメント２０Ｂ全体での指向性が均一で拡散性に優れている。
【００４６】
図１１に示す第３実施形態の超音波エレメント２０Ｃでは、複数の楕円形の第２のキャビティ１４Ｃ２（セル１０Ｃ２）が面内等方的に配設されている。さらに複数の第２のキャビティ１４Ｃ２（セル１０Ｃ２）を取り囲むように、複数の円形の第１のキャビティ１４Ｃ１（セル１０Ｃ１）が配置されている。
【００４７】
超音波の焦点でのビーム幅ｄは、超音波の波長をλ、焦点距離をＦ、音源の口径をＤとすると、以下の（式１）で表される。
【００４８】
ｄ＝１．２×λ×Ｆ／Ｄ  …  （式１）
【００４９】
焦点距離Ｆは、音響レンズを用いる場合はその焦点距離となり、他方、音響レンズを用いないで、エレメント２０）を凹型に湾曲させた場合は、その曲率半径に対応する。
【００５０】
超音波エレメント２０Ｃでは、円形の第１のキャビティ１４Ｃ１を有する第１のセル１０Ｃ１が、第２のセル１０Ｃ２の周辺に配設されているため、音源の口径Ｄが大きい。このため、超音波の焦点でのビーム幅ｄが狭く、高分解能の超音波画像が取得できる。
【００５１】
図１２に示す第４実施形態の超音波エレメント２０Ｄは、大きさの異なる２種類の円形のキャビティ１４Ｄ１（セル１０Ｄ１）及び１４Ｄ２（セル１０Ｄ２）と、大きさ及び形状の異なる２種類の楕円形のキャビティ１４Ｄ３（セル１０Ｄ３）及び１４Ｄ４（セル１０Ｄ４）と、を有する。
【００５２】
キャビティの大きさ又は形状の異なるセルは共振周波数が異なる。すなわち、超音波エレメント２０Ｄの送受信感度は、複数の共振周波数におけるピークの重畳したものとなる。
【００５３】
このため、超音波エレメント２０Ｄは、より帯域の広い超音波が送受信できる。
【００５４】
なお、以上において説明した超音波エレメント２０Ｂ〜２０Ｄが先端部４７に配設された超音波内視鏡２Ｂ〜２Ｄが超音波内視鏡２の効果を有し、特に医療用内視鏡として好ましく用いることができることは言うまでも無い。
【００５５】
本発明は、上述した実施形態及び変形例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、改変等ができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…超音波内視鏡システム、２、２Ｂ〜２Ｄ…超音波内視鏡、３…超音波観測装置、３Ａ…駆動信号発生部、３Ｂ…容量信号検出部、３Ｃ…接地電位線、４…モニタ、１０…振動子セル、１１…シリコン基板、１２…下部電極、１３…下部絶縁層、１４…キャビティ、１５…上部絶縁層、１６…上部電極、２０、２０Ｂ〜２０Ｄ…超音波エレメント、２２Ａ１、２２Ａ２、２２Ｂ…外部電極
【図１】
2014068674.tif 000003
【図２】
2014068674.tif 000004
【図３】
2014068674.tif 000005
【図４】
2014068674.tif 000006
【図５】
2014068674.tif 000007
【図６】
2014068674.tif 000008
【図７】
2014068674.tif 000009
【図８】
2014068674.tif 000010
【図９】
2014068674.tif 000011
【図１０】
2014068674.tif 000012
【図１１】
2014068674.tif 000013
【図１２】
2014068674.tif 000014