(57)【要約】      （修正有）【課題】帯域幅の広い超音波エレメント及び帯域幅の広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。【解決手段】超音波エレメント２０は、下部電極と上部電極とがキャビティ１４を介して対向配置している複数の静電容量型の振動子セルを有し、キャビティ１４の平面視形状が非等方的である。超音波内視鏡は、下部電極と上部電極とがキャビティ１４を介して対向配置している複数の静電容量型の振動子セルを有し、前記キャビティ１４の平面視形状が非等方的であ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。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と上部電極とがキャビティを介して対向配置している複数の静電容量型の振動子セルを有し、
前記キャビティの平面視形状が非等方的であることを特徴とする超音波エレメント。
【請求項２】
前記キャビティの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１に記載の超音波エレメント。
【請求項３】
前記キャビティの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２に記載の超音波エレメント。
【請求項４】
前記キャビティの平面視形状が楕円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】
前記複数の振動子セルが、前記キャビティの長軸方向が平行に列設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】
前記キャビティの長軸方向が平行に列設されている前記複数の振動子セルからなる第１のセル群と、前記第１のセル群の振動子セルと前記キャビティの長軸方向が直交するように列設されている複数の振動子セルからなる第２のセル群と、を有す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７】
前記複数の振動子セルが、前記キャビティの前記短軸方向が放射状に配置されているセル群からな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８】
前記複数の振動子セルが、前記キャビティの前記長軸方向が放射状に配置されているセル群からな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９】
前記キャビティの前記平面視形状又は大きさの少なくともいずれかが異なる複数の種類の振動子セルを有することを特徴とする請求項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。
【請求項１０】
請求項１から請求項９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送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送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、帯域幅の広い超音波エレメント及び帯域幅の広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、下部電極と上部電極とがキャビティを介して対向配置している複数の静電容量型の振動子セルを有し、前記キャビティの平面視形状が非等方的である。
【００１３】
また別の実施形態の超音波内視鏡は、下部電極と上部電極とがキャビティを介して対向配置している複数の静電容量型の振動子セルを有し、前記キャビティの平面視形状が非等方的であ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の広い超音波エレメント及び帯域幅の広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複数のキャビティの配置図である。
【図８】第１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９】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１０】第１実施形態の超音波エレメントのキャビティの上面図である。
【図１１】第１実施形態の超音波エレメントのキャビティの上面図である。
【図１２】第２実施形態の超音波エレメントの複数のキャビティの配置図である。
【図１３】第３実施形態の超音波エレメントの複数のキャビティの配置図である。
【図１４】第４実施形態の超音波エレメントの複数のキャビティの配置図である。
【図１５】第５実施形態の超音波エレメントの複数のキャビティの配置図である。
【図１６】第６実施形態の超音波エレメントの複数のキャビティの配置図である。
【図１７】第７実施形態の超音波エレメント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。超音波観測装置３にはモニタ４が接続される。
【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（以下、単に「エレメント」ともいう。）２０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、複数の超音波エレメント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２２Ａ、２２Ｂが配設されている。
【００２２】
送受信部２１には、複数の静電容量型の振動子セル（以下、単に「セル」ともいう。）１０がマトリックス状に配置されている。なお、図６では一部の振動子セル１０のキャビティ１４を破線で示している。
【００２３】
すなわち、図７に示すように、超音波エレメント２０では、平面視形状が楕円の複数のキャビティ１４（セル１０）が、長軸方向が平行に列設されている。なお、キャビティの配列形状は、図８に示す変形例の超音波エレメント２０Ａのキャビティ１４Ａ（セル１０Ａ）のように、互い違いに高密度に配置されていてもよい。
【００２４】
図９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。
【００２５】
なお、超音波エレメント２０の外部電極２２Ａは複数の振動子セル１０の下部電極１２の共通電極であり、外部電極２２Ｂは複数の振動子セル１０の上部電極１６の共通電極である。このため、１個の超音波エレメント２０に含まれる複数の振動子セル１０は同時に駆動する。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
なお、メンブレンの柔軟性は、エレメント２０の共振周波数等に大きく影響する。例えば上部電極１６の大きさとキャビティ１４の大きさが同一の場合には、製造工程における位置合わせずれにより、共振周波数が変化したり、不均一な変形が発生したりする。このため、上部電極１６の大きさ（平面視寸法）が、キャビティ１４の大きさよりも小さく、確実にキャビティ１４の直上領域に上部電極１６が含まれていることが好ましい。又は、上部電極１６の大きさがキャビティ１４の大きさよりも大きく、上部電極１６がキャビティ１４の直上領域を隙間無く覆っていることが、より好ましい。
【００３０】
すでに説明したように、エレメント２０では、セル１０のキャビティ１４の平面視形状が、非等方的な扁平形状の楕円である。すなわち、キャビティ１４は円柱状ではなく、楕円柱状である。
【００３１】
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、下部電極１２と上部電極１６との間に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。
【００３２】
次に超音波受信時には、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１４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。
【００３３】
すでに説明したように、従来の超音波エレメント１２０は、キャビティ１１４の平面視形状が円形のため、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、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はなかった。すなわち、従来の超音波エレメント１２０は、共振周波数ＦＣから偏移し共振周波数ＦＣと異なる周波数の反射超音波を高感度に検出することが容易ではなかった。
【００３４】
これに対して、超音波エレメント２０は、キャビティ１４の平面視形状が非等方的である。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。
【００３５】
超音波エレメント２０のキャビティ１４は非等方的であるため、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／重ね合わせとなるため、超音波エレメント２０は広帯域な超音波入出力特性を示す。
【００３６】
例えば、キャビティ１１４の平面視形状が直径２３μｍの円形の場合、共振周波数ＦＣ＝２８．０ＭＨｚ、Ｑ＝７３．３、ＢＷ＝０．３８２ＭＨｚである。またキャビティ１１４の平面視形状が直径３０μｍの円形の場合、共振周波数ＦＣ＝１８．１ＭＨｚ、Ｑ＝４０．７、ＢＷ＝０．４４５ＭＨｚである。また、キャビティ１１４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。
【００３７】
これに対して、キャビティ１４の平面視形状が、図１０に示すように、長径（ＤＬ）３０μｍ、短径（ＤＳ）２３μｍの楕円の超音波エレメント２０の場合には、共振周波数ＦＣ＝２２．８ＭＨｚ、Ｑ＝２９．３、ＢＷ＝０．７７８ＭＨｚであった。
【００３８】
すなわち、実施形態の超音波エレメント２０は、同じ平均径の円形キャビティのある従来の超音波エレメントと比較すると、約２倍の広い帯域幅（ＢＷ）を有している。超音波エレメント２０は、共振周波数ＦＣから偏移し共振周波数ＦＣと異なる周波数の反射超音波を高感度に検出することができるため、ドプラ計測など、応用展開の拡大が可能である。
【００３９】
なお、超音波エレメントのキャビティの平面視形状は、非等方的（扁平）であれば、楕円に限られるものではない。ただし、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。
【００４０】
例えば、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すセル１０Ｂ、１０Ｃではキャビティ１４Ｂ、１４Ｃの平面視形状は、非等方的な扁平多角形である。
【００４１】
円形及び楕円形のキャビティを形成するためのフォトリソグラフィのマスクパターンは、データ量が膨大であるため、マスク作成の製造費用が高い。しかし、平面視形状が多角形のキャビティ形成用のマスクパターンはデータ数が少なく、マスク製造費用が安い。このため、エレメント２０Ｂ、２０Ｃは製造コストが安い。
【００４２】
しかし、キャビティの平面視形状が扁平多角形の場合には、変形したメンブレンに局所的に強い応力が作用しやすい。このため、例えば、図１１（Ｃ）に示す、セル１０Ｄのキャビティ１４Ｄのような、レーストラック形状が好ましい。さらに、キャビティの平面視形状は、図１４（Ｄ）に示すセル１０Ｅのキャビティ１４Ｅのような小判型又は図１４（Ｅ）に示すセル１０Ｆのキャビティ１４Ｆのような角部を曲線化した多角形でもよい。
【００４３】
なお、キャビティの平面視形状としては、楕円又は小判型等のように、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。
【００４４】
＜第２実施形態〜第７実施形態＞
次に、第２実施形態〜第７実施形態の超音波エレメント２０Ｇ〜２０Ｌ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。
【００４５】
図１２に示すように、第２実施形態の超音波エレメント２０Ｇは、キャビティ１４Ｇ１の長軸方向が平行に列設されている複数の振動子セル１０Ｇ１からなる第１のセル群１０ＧＸと、キャビティ１４Ｇ１とキャビティ１４Ｇ２の長軸方向が直交するように列設されている複数の振動子セル１０Ｇ２からなる第２のセル群１０ＧＹと、を有する。
【００４６】
図７に示した超音波エレメント２０では、セル１０の超音波指向性を反映した、異方的な指向性を有していた。すなわち、超音波の送受信感度に面内異方性があった。
【００４７】
これに対して、超音波エレメント２０Ｇでは、セル１０Ｇ１、Ｇ２の超音波指向性を相殺しているため、エレメント２０Ｇ全体での指向性が均一で拡散性に優れている。
【００４８】
図１３に示すように、第３実施形態の超音波エレメント２０Ｈでも、複数の振動子セル１０Ｈが、キャビティ１４Ｈの短軸方向が放射状に、言い換えれば、長軸方向が同心円状に配置されているため指向性が均一である。
【００４９】
また、図１４に示す第４実施形態の超音波エレメント２０Ｉも、複数の振動子セル１０Ｉが、キャビティ１４Ｉの長軸方向が放射状に、すなわち、短軸方向が同心円状に配置されているため指向性が均一である。
【００５０】
また、超音波エレメントが、キャビティの平面視形状又は大きさの少なくともいずれかが異なる複数の種類の振動子セルを有していてもよい。
【００５１】
例えば、図１５に示す第５実施形態の超音波エレメント２０Ｊでは、第１の楕円形キャビティ１４Ｊ１（第１のセル１０Ｊ１）と、大きさが小さく扁平率も小さい第２の楕円形キャビティ１４Ｊ２（第２のセル１０Ｊ２）と、がキャビティ１４Ｊ１、１４Ｊ２の長軸方向が平行に列設されている。
【００５２】
図１６に示す第６実施形態の超音波エレメント２０Ｋでは、円形の第１のキャビティ１４Ｋ１（第１のセル１０Ｋ１）の周囲を、楕円形の第２のキャビティ１４Ｋ２（第２のセル１０Ｋ２）と楕円形の第３のキャビティ１４Ｋ３（第３のセル１０Ｋ３）とが、取り囲んでいる。
【００５３】
すなわち、超音波エレメントは、キャビティの平面視形状が非等方的な楕円形のセル及びキャビティの平面視形状が円形のセルを有していてもよい。
【００５４】
図１７に示す第７実施形態の超音波エレメント２０Ｌでは、円形の第１のキャビティ１４Ｌ１（第１のセル１０Ｌ１）の周囲に、複数の楕円形の第２のキャビティ１４Ｌ２（第２のセル１０Ｌ２）の長軸方向が放射状に配置されている。
【００５５】
なお、以上において説明した超音波エレメント２０Ａ〜２０Ｌが先端部４７に配設された超音波内視鏡２Ａ〜２Ｌ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。
【００５６】
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】
【００５７】
１…超音波内視鏡システム、２…超音波内視鏡、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…超音波エレメント、３０…超音波ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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