(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と該第１の電極を支持する支持膜とからなるメンブレンと前記第１の電極に対向し所定の間隔を空けて配置される第２の電極とからなる振動子セルを複数配設して形成された超音波送受面を備える静電容量型超音波トランスデューサにおいて、
前記超音波送受面のより外周側に配設される振動子セルほど、該振動子セルの幅が広くなっていることを特徴とする静電容量型超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記振動子セルはシリコン基板に形成されており、前記メンブレンにおける前記第２の電極と対向する側の表面に電気的絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記超音波送受面は、凹面または平面のいずれかを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記凹面は、略球面又は略円柱形状面であることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の静電容量型超音波トランスデューサ。
【請求項５】
第１の電極と該第１の電極を支持する支持膜とからなるメンブレンと該第１の電極に対向し所定の間隔を空けて配置される第２の電極とからなる振動子セルの複数から構成される振動子エレメントが複数配設される静電容量型超音波トランスデューサにおいて、
より外側に配置される前記振動子エレメントほど、該振動子エレメントを構成する振動子セルの幅が広くなっていることを特徴とする静電容量型超音波トランスデューサ。
【請求項６】
前記各振動子エレメントの駆動タイミングを制御して、該各振動子エレメントから放射される超音波を、焦点を形成するように集束させることを特徴とする請求項５に記載の静電容量型超音波トランスデューサ。
【請求項７】
請求項１から４のうちいずれか１項に記載の静電容量型超音波トランスデューサを備えた超音波内視鏡装置。
【請求項８】
請求項５又は６に記載の静電容量型超音波トランスデューサを備えた超音波内視鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
体腔内に超音波を放射し、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機材の１つに超音波内視鏡装置がある。超音波内視鏡装置は、体腔内へ挿入する挿入部の先端に超音波トランスデューサが取り付けてあり、この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放射したり、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したりするものである。【０００３】
超音波トランスデューサは、例えば円板状とした凹状の超音波放射面と平坦な背面、すなわち、プラノコンケーブ構造を備えるものがある（例えば、特許文献１、特許文献２。）。凹状の超音波放射面の構造をさらに説明すると、中央の厚みを最小として外周に向かって厚みが大きくなる構造をとっている。【０００４】
超音波トランスデューサの構成要素の１つに、超音波と電気信号とを相互変換を可能とする圧電素子がある。この圧電素子からは、圧電素子の各厚みに応答して異なる超音波周波数が発生する。すなわち、超音波周波数は圧電素子の厚みに反比例するので、圧電素子が厚い部分では低周波数の超音波が発生し、薄い部分では高周波数の超音波が発生する。【０００５】
したがって、プラノコンケーブ構造をとることにより、円板状とした凹状の超音波放射面を有する超音波トランスデューサでは、中央で最も高い超音波周波数が発生し、外周に向かって低くなる。【０００６】
このように相違する周波数を発生させるのは、周波数の高低により得られる画像の分解能等が異なるからである。高周波では、表面からその近傍において高い分解能の画像情報を得ることができるが、深部での減衰を生じやすい。低周波では、分解能は高周波の場合と比較して低下するが、減衰が生じにくく、深部も観察することができる。よって、このような高周波と低周波とを合成すると、近傍から遠方に対して、比較的分解能のよい超音波画像を得ることができる。【０００７】
また、近年、パラメトリックアレイを用いた超音波画像処理装置の１つに、パラメトリック音源法を用いた超音波画像処理方法及び超音波画像処理装置に関し、エコーの減衰を少なくすることができるパラメトリック音源法を用いた超音波画像処理装置が開示されている（例えば、特許文献３。）。【０００８】
この特許文献３では、次のことを開示している。中心周波数に一定幅の周波数の振幅変調をかけた振幅変調波若しくは２つの周波数成分をもつ超音波を超音波プローブから被検体に向けて送波することにより、被検体内では組織の非線形性に基づく差の周波数の成分を持つエコーを発生する。差の周波数成分のエコーは、基本周波数よりも低くなるので、被検体を通過する際に生じる信号強度の減衰ははるかに小さくなる。【０００９】
ここで、パラメトリックアレイとは、異なる周波数の音波相互間の差音を取ったとき、この差音と同じ周波数の音波と比べて、ビームパターンが鋭くなるような音源をいう。そして、このパラメトリックアレイを用いて得られた音響特性（パラメトリック特性）に基づく効果をパラメトリック効果という。【００１０】
近年、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した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。これは、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  、超小型電気的・機械的複合体）と総称される素子の１つである。【００１１】
ＭＥＭＳ素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成されており、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を駆動する駆動機構と、駆動機構を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更には機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。【００１２】
静電容量型超音波トランスデューサ（ｃ−ＭＵＴ）は、２つの平面状の電極が向かい立った素子であり、その間には空洞（キャビティ）があり、ＤＣバイアスに重畳させてＡＣ信号を送ると、そのうちの一方の電極を含んだ層（メンブレン）が調和的に振動して、超音波を発生させるものである。
【特許文献１】特開２００３−２９９１９５号公報
【特許文献２】特許第３４７８８７４号公報
【特許文献３】特開平８−８０３００号公報
【発明の開示】
【００１３】
本発明にかかる、第１の電極と該第１の電極を支持する支持膜とからなるメンブレンと前記第１の電極に対向し所定の間隔を空けて配置される第２の電極とからなる振動子セルを複数配設して形成された超音波送受面を備える静電容量型超音波トランスデューサにおいて、前記超音波送受面のより外周側に配設される振動子セルほど、該振動子セルの幅が広くなっていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる、第１の電極と該第１の電極を支持する支持膜とからなるメンブレンと該第１の電極に対向し所定の間隔を空けて配置される第２の電極とからなる振動子セルの複数から構成される振動子エレメントが複数配設される静電容量型超音波トランスデューサにおいて、より外側に配置される前記振動子エレメントほど、該振動子エレメントを構成する振動子セルの幅が広くなっていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態における静電容量型超音波トランスデューサの基本構成を示す図である。
【図２】図１の破線で囲まれた部分１０の拡大図である。
【図３】第１の実施形態における超音波振動子エレメント１の製造方法を示す図である。
【図４】図１のエレメントを歪曲させて、エレメント表面全体から放射される周波数の異なる超音波が焦点を結ぶようにした静電容量型超音波トランスデューサを示す図である。
【図５】第２の実施形態におけるセル形状のバリエーションの一例を示す図である。
【図６】第３の実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのユニット及び各エレメントに入力される駆動パルスの入力タイミングを示す図である。
【図７】第３の実施形態における子エレメント５１の上面を示す図である。
【図８】図７のエレメントを切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の断面図である。
【図９】第３の実施形態における超音波の合成波面を示す図である。
【図１０】第４の実施形態におけるｃ−ＭＵＴの駆動部を示す図である。
【図１１】第４の実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのユニットを示す図である。
【図１２】第４の実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのエレメント及びサブエレメントを示す図である。
【図１３】サブエレメント１２３の一部（破線で囲まれた部分１２４）を拡大した図である。
【図１４】図１３のサブエレメント１２３を切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の断面図である。
【図１５】第４の実施形態におけるユニット１２０側面（図１１のユニット１２０を右方向または左方向からの観察した側面）から観察した超音波の送受信の様子を示す図である。
【図１６】第５の実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのユニット１４０の一例（その１）を示す図である。
【図１７】第５の実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのユニット１４０の一例（その２）を示す図である。
【図１８】第６の実施形態における静電容量型超音波トランスデューサを示す図である。
【図１９】第７の実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのユニット及び各エレメントに入力される駆動パルスの入力タイミングを示す図である。
【図２０】第７の実施形態における子エレメント１５１の上面を示す図である。
【図２１】エレメント１８１が放射する周波数成分を示す図である。
【図２２】図２０のエレメントを切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の断面図である。
【図２３】第７の実施形態における超音波の合成波面を示す図である。
【図２４】第８の実施形態におけるエレメントを示す図である。
【図２５】第８の実施形態における受信信号の検知に関する説明図（その１）である。
【図２６】第８の実施形態における受信信号の検知に関する説明図（その２）である。
【図２７】第８の実施形態をセル単位で行った場合の一例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
＜第１の実施形態＞
本実施形態では、中央部からは高周波を放射して、外周へ向かうほど低周波を放射する静電容量型超音波トランスデューサについて説明する。【００２２】
図１は、本実施形態における静電容量型超音波トランスデューサ（ｃ−ＭＵＴ）の基本構造であって、ｃ−ＭＵＴの全体断面図を示す。この図１に示すｃ−ＭＵＴの単位を振動子エレメント（以下では単にエレメントという）１という。ｃ−ＭＵＴには、シリコン基板２の表面に複数の凹部がある。この１単位を振動子セル（以下では単にセルという）１０という。各セル１０に蓋をするようにメンブレン９がシリコン基板２の上面に被さっている。【００２３】
メンブレン９は、端部がメンブレン支持部１１で固定された振動膜である。メンブレン９は、上部電極７とメンブレン基底膜１４と高誘電率酸化物層８とからなる薄膜である。メンブレン基底膜１４は、上部電極を支持するためのものである。なお、メンブレン基底膜１４として、高誘電率酸化物層８を用いても良い。【００２４】
また、シリコン基板２の背面には、絶縁膜３が設けられている。この絶縁膜３の一部には背面電極パッド（コンタクトパッド）４が設けられている。シリコン基板２の両端には、インターコネクトビアホール６がある。各インターコネクトビアホールの一方の端（シリコン基板の背面側）にはコンタクトパッド５が設けられている。【００２５】
図２は、図１の破線で囲まれた部分を拡大したものである。したがって、複数のセルから１つのエレメントが構成される。セル１０は、各セル１０の両端にあるメンブレン支持部１１によりメンブレン９を支持している。【００２６】
また、メンブレン支持部１１間におけるシリコン基板２の表面（凹部の底部分）には下部電極１２が配設されている。キャビティ（空洞部）１３は、メンブレン９とメンブレン支持部１１と下部電極１２とで囲まれた空間のことをいう。キャビティ（または電極）の幅はＷ（この幅に対応するメンブレンの幅をメンブレン幅ともいう）、メンブレン９の厚さはｔｍ、上部電極７と下部電極１２との間隔はｔで表される。【００２７】
それでは、図１及び図２を参照しながら、さらに、静電容量型超音波トランスデューサの構成について説明する。まず、シリコン基板２の表面にエッチング処理を行い、複数の凹部を形成する。具体的には、シリコン基板２の表面に支持部１１となる物質、例えば、ＳｉＮ（窒化ケイ素）を通常の成膜方法を用い、パターン成膜し、複数の凹部を形成する。なお、支持部１１となる物質は、ＳｉＮでなくとも良く、ＳｉＯ2など絶縁性の高い物質であればよい。【００２８】
この凹部はメンブレン支持部１１により仕切られた構造となる。この凹部の底に下部電極１２を配設する。インターコネクトビアホール６は、シリコン基板２の表面から裏面にかけてシリコン基板を貫通させて設けた導電チャネルである。【００２９】
キャビティ１３の形成方法は犠牲層エッチングを用い、支持部１１はＳｉＮ，ＳｉＯ2などの絶縁材料を用いる。この形成方法は、後述する図３で説明する。【００３０】
インターコネクトビアホール６の端（シリコン基板２の背面側）には、コンタクトパッド５が設けられている。コンタクトパッド５は、上部電極７についてのシリコン基板２の背面側の端子となる。【００３１】
シリコン基板２の背面には絶縁膜３（例えば、ＳｉＯ2）が形成されており、その一部にはコンタクトパッド４が設けられている。このコンタクトパッド４は、下部電極１２に対する導通端子であり、シリコン基板２は抵抗値が小さいシリコン材料を用いているので、このコンタクトパッド４を通して、下部電極１２と導通することができる。【００３２】
絶縁膜３は、コンタクトパッド４とコンタクトパッド５とを絶縁するためのものである。そして、接合後には、コンタクトパッド４とコンタクトパッド５とを通して、それぞれ上部電極７と下部電極１２とにシリコン基板２の背面側から電圧をかけることができる。【００３３】
このようにすることで、上部電極７はエレメント毎にインターコネクトビアホール６を経て、パッド電極へ導かれているが、抵抗の小さなシリコン基板２とは絶縁される。一方、下部電極１２とコンタクトパッド４とは、抵抗の小さなシリコン基板２を通して導通しているので、両コンタクトパッドは絶縁されていることになり、信号が短絡することは起きない。【００３４】
なお、コンタクトパッド４，５は、集積回路化されたパルサー回路やチャージアンプ回路の入出力部（コンタクトパッド）にはんだバンプ等を用いて接合できるような配置になっている。【００３５】
図３は、本実施形態における超音波振動子エレメント１の製造方法を説明する。図３（Ａ）に示すように、シリコン基板８１の上面にＳｉＯ2やＳｉＮ等の絶縁層８２を形成する。なお、この膜を高誘電率膜にしてもよい。次に、図３（Ｂ）に示すように、この絶縁層８２の上に下部電極８３を形成する。【００３６】
次に、図３（Ｃ）に示すように、空洞部等を形成するために犠牲になる（換言すると後で除去される一時的な層としての）犠牲層８４を形成する。この犠牲層８４は、エッチング等で除去し易い、例えばポリシリコンで形成される。【００３７】
次に、図３（Ｄ）に示すように、犠牲層８４における空洞部を形成する部分の上にマスク（レジスト膜）８５を２次元的に配列させるように形成する。図３では、例えば、左右方向の断面で示しているが、紙面に垂直な方向も同様の配列でマスク８５が形成される。【００３８】
そして、各空洞部の周囲（のメンブレン支持部となる部分）８６にはマスク８５を形成しないようにする。【００３９】
次に、図３（Ｅ）に示すように、エッチング処理により、マスク８５をしていない部分の犠牲層８４を除去して、メンブレン支持部形成用の凹部８７を形成する。【００４０】
次に、図３（Ｆ）に示すように、マスク８５を除去する。なお、８６及び８７は、最終的に支柱となる部分である。そして、次の図３（Ｇ）に示すように、凹部８７内を充填してメンブレン支持部を形成すると共に、犠牲層８４の上面を覆うようにメンブレン基材（ＳｉＮ，ＳｉＯ2等）を用い、メンブレン膜となる膜８８を形成する。【００４１】
次に、図３（Ｈ）に示すように、この膜８８から下の犠牲層８４に届く犠牲層逃げ孔８９を形成する。そして、エッチング等により、犠牲層８４を除去する。そして、犠牲層８４を除去して空洞部９０を形成し、その上から孔６９を塞ぐようにメンブレン層（犠牲層逃げ孔封止膜）９１を形成する。このメンブレン層９１は、ＳｉＮ，ＳｉＯ2を用いることができる。なお、この膜を高誘電率膜にしてもよい。このメンブレン層９１の上に上部電極９２を形成すると図３（Ｉ）となる。【００４２】
図３（Ａ）から図３（Ｉ）に示す工程を行うことにより、１層目の超音波振動子エレメント１ａの上に図３（Ｃ）から図３（Ｉ）に示す工程を繰り返すことにより、２層目の超音波振動子エレメント１ｂ（不図示）を形成することができる。【００４３】
次に、ｃ−ＭＵＴ１の動作について説明する。上部電極７と下部電極１２の一対の電極に電圧をかけることで電極間が引っ張り合い、電圧を０に戻すと元に戻る。この振動動作によって超音波が発生し、上部電極の上方向に超音波が放射される。【００４４】
このとき、図１に示すように、本実施形態では、各セルの幅に相違がある。図１の中央の破線を対象線として、左右対称構造になっており、さらに中央から両端に向かうに従って、セルの幅が広がっていく。したがって、メンブレン幅Ｗも、「キャビティ１３ａにおけるメンブレン幅＜キャビティ１３ｂにおけるメンブレン幅＜キャビティ１３ｃにおけるメンブレン幅＜キャビティ１３ｄにおけるメンブレン幅＜キャビティ１３ｅにおけるメンブレン幅」の関係になっている。これについて以下に説明する。
【００４５】
各セルより発生する超音波の中心周波数ｆresは、以下の式（１）で表される。【００４６】
ｆres＝（π／２）×（ｔｍ／Ｗ2）×（Ｅ／１２ρ）1/2    ・・・（１）
（ｔｍ：メンブレンの厚さ、Ｗ：メンブレン幅、Ｅ：ヤング率、ρ：密度）
これより、メンブレン幅Ｗを大きくするほど、ｆresは、小さくなる。すなわち、１セル当たりのメンブレン幅を大きくするほど、低周波を得ることができる。したがって、「キャビティ１３ａにおけるメンブレン幅＜キャビティ１３ｂにおけるメンブレン幅＜キャビティ１３ｃにおけるメンブレン幅＜キャビティ１３ｄにおけるメンブレン幅＜キャビティ１３ｅにおけるメンブレン幅」となる様に１セル当たりのメンブレン幅Ｗを徐々に大きくすることにより、中央のセルから発生する超音波の中心周波数ｆresが最も高く（高周波）、両端に向かうに従って、中心周波数ｆresが小さく（低周波）になっていく。なお、メンブレンの厚さを変化させてｆresを調製してもよい。
【００４７】
また、上部電極７に高誘電率酸化物膜８を形成することで、各セルから発生する超音波の強度を大きくすることができる。高誘電率酸化物層８は、上部電極７と下部電極１２と間に働く静電引力を向上させるために形成された層である。上部電極７と下部電極１２と印加する電圧を制御することで上部電極７と下部電極１２が振動し、超音波を発生させる。よって、上部電極７と下部電極１２の間に働く静電引力が強いほど、より振動は強くなる。そこで、この静電引力を強めることについて検討する。以下の式（２）は、上部電極７と下部電極１２との間に働く静電引力Ｆattを表す。【００４８】
Ｆatt＝−（１／２）×εr×（Ｗ2／ｔ2）×Ｖ2    ・・・（２）
（εr：比誘電率、Ｗ：メンブレン幅、ｔ：電極間距離、Ｖ：電圧）
この式より、ｔ、Ｗ2、Ｖが一定であるならば、比誘電率が高いほど、電極間に働く静電引力Ｆattは大きくなることが分かる。よって、上部電極７と下部電極１２との間に比誘電率の大きい物質を介在させることで、静電引力Ｆattを大きくすることができ、その役割を担うのがまさに高誘電率酸化物層８である。【００４９】
よって、高誘電率酸化物層８には、比誘電率の高い材料を用いる。そこで、本実施形態では、高誘電率酸化物層８として、例えば、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ3（εr：１２００）、チタン酸ストロンチウムＳｒＴｉＯ3（εr：３３２）、チタン酸バリウム・ストロンチウム（εr：バリウムとストロンチウムのイオン比率に応じてチタン酸バリウムとチタン酸ストロンチウムの中間的な値を示す）、酸化タンタル（εr：２７．９）、五酸化タンタル（εr：２７）、酸化ニオブ安定化五酸化タンタル（εr：２７）、酸化アルミニウム、または酸化チタンＴｉＯ2（εr：１００）等の高誘電率を有する材料を用いる。【００５０】
さらに、エレメントについて説明をする。エレメント内の各セルは、共振周波数を持っている。共振周波数とは、式（１）に従う、即ち構造パラメータに依存する周波数である。その共振周波数では、そうでない周波数領域に比較して、振動振幅が大きくなるという特徴がある。また、その周波数を含む広帯域の信号で駆動すると優先的にその周波数で高い効率の振動を行うという特徴がある。【００５１】
上記より、エレメントの中央部からは高周波の超音波が放射され、両端へ向かうほど低周波の超音波が放射される。そして、これらの周波数の異なる超音波が焦点を結ぶようにする。これについては、図４で説明する。【００５２】
図４は、図１のエレメントを歪曲させて、エレメント表面全体から放射される超音波が焦点を結ぶようにしたものである。まず、図１のエレメント１のメンブレン９の表面にフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）２０を接合する。次に、このエレメント１を機械的作用により図４のように歪曲させるため、歪曲処理の前に、絶縁膜３からメンブレン支持部１１に渡って、シリコン基板２に切れ目を入れ、これを各セル間について行う。そうすると、各セルは、隣接するセルとは切り離され、メンブレン９で相互に支持された状態になり、容易に歪曲させることができる。【００５３】
次に、図４に示すように、エレメントの中央が凹形状になるように歪曲させる。歪曲させる場合には、予め焦点距離を設定し、その焦点距離でエレメント表面から放射された超音波が焦点を結ぶように調整する。歪曲後、この形状を維持するために、上記の切れ目のために生じた溝に溝埋め剤２１を充填させる。その後、切れ目を入れた面（絶縁膜３）の表面に背面電極２２を形成する。このようにして、図４の歪曲形状を実現することができる。【００５４】
次に、図４に示したｃ−ＭＵＴの動作について説明する。駆動部３０は、ｃ−ＭＵＴを駆動させるためのデバイスであり、接地配線３１、信号配線３２、グランド３３，３７，３８、ＤＣバイアス電源３４、ＲＦ電源３５、及びＤＣ遮断コンデンサ３６，３９から構成される。【００５５】
上部電極７は、接地配線３１を通してグランド３３で接地されている。信号配線３２は、駆動部で生成された駆動信号をｃ−ＭＵＴ１に伝達するためのものである。【００５６】
ＲＦ電源３５は、駆動信号を生成するための高周波交流電源である。また、ｃ−ＭＵＴ１を駆動させるための駆動信号には、ＲＦ電源３５から供給される交流電圧成分（Ｖrf）だけでなく、ＤＣバイアス電源３４から供給される直流電圧成分（Ｖbias）が必要である。このようにして、生成した駆動信号が、ＤＣ遮断コンデンサ３６及び信号配線３２を通して、背面電極２２に伝達される。また、ＤＣバイアス電源３４、ＲＦ電源３５の一端はそれぞれ、グランド３７，３８で接地されている。【００５７】
ＤＣ遮断コンデンサ３６，３９は、ＤＣバイアス電源３４からの直流電流がチャージアンプやＲＦ電源３５へ流れるのを遮断するためのものである。【００５８】
駆動部３０を駆動させると、駆動信号がｃ−ＭＵＴへ伝達され、各セルのメンブレンが振動することにより、各セルより超音波が放射される。図４に示すように、ｃ−ＭＵＴの中央のセルからは高周波の超音波Ｆ１が放射され、その周辺のセルからは低周波の超音波Ｆ２が放射され、このｃ−ＭＵＴの表面が形成するカーブの成す円の中心でこれらの超音波ビームが焦点を結ぶ。【００５９】
このように、焦点を構成することによって、超音波ビームのビーム幅を絞ることが可能になる。超音波ビームのビーム幅は超音波画像の空間分解能に関係するので、超音波の深達度に問題がない範囲でなるべく絞ることが好ましい。【００６０】
また、このようにｃ−ＭＵＴの表面を湾曲させることで、上記したプラノコンケーブ構造がもたらす機能と同等の機能を有することができる。プラノコンケーブ構造の特徴的な機能は、周辺部から低周波超音波信号、中心部から高周波超音波信号を送信し、双方の超音波による合成音場が近距離（高周波）から遠距離（低周波）まで均一な音場を形成することである。出来るだけ遠方まで超音波を伝播させて、高深達度を得るには、遠距離に関係する低周波超音波信号の感度を上げることが有効となる。【００６１】
高周波成分が近距離の音場に関係するのは、高周波超音波を送信する領域が中心部近傍なので、開口が小さくなり、焦点を近点に結び、低周波成分が遠距離の音場に関係するのは、低周波超音波を送信する領域が周辺部近傍なので、実質開口が大きくなり、焦点を遠点に結ぶということがあるからである。よって、本実施形態におけるｃ−ＭＵＴもこのような機能を有することとなる。【００６２】
なお、本実施形態において、複数の振動子セルが有する共振周波数が、複数の周波数帯に分布するように構成されている。複数の「周波数帯に分布する」とは、本実施形態における振動エレメントにおいて、外縁部に低周波（帯）、中心部に高周波（帯）、即ち、複数の周波数帯を持つ（＝分布する）ように構成されることをいう。このとき、その共振周波数を持った振動子エレメントには同じ周波数帯域の駆動信号を印加する。このようにすることで、エレメント上に分布した各セルより効率よく超音波ビームを放射することができる。【００６３】
なお、セルの共振周波数を決定する構造パラメータは、式（１）より、メンブレンの幅、長さ、又は直径（セルが円形の場合）である。また、本実施形態における静電容量型超音波トランスデューサの超音波送受面は凹面であるが、この凹面は例えば球面でもよいし、またはシリンドリカル面でもよい。また、本実施形態において、高周波とは他方の超音波（低周波）に対して相対的に周波数の高い超音波を示し、低周波とは他方の超音波（高周波）に対して相対的に周波数の低い超音波を示す。【００６４】
以上より、従来、超音波トランスデューサでは、電気信号を超音波に変換させる圧電素子として、例えばセラミック圧電材ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）が使用されてきた。しかしながら、これらをプラノコンケーブ構造へ加工することは容易ではなく、さらに、電極を歪曲させて配設することはなおさら容易ではなかった。しかしながら、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波トランスデューサを歪曲させて、エレメントの中央から高い周波数の超音波を、エレメントの両端に向かって徐々に周波数の低い超音波を放射させることにより、近傍から遠方に対して、比較的分解能のよい超音波画像を得ることができる。【００６５】
また、従来プラノコンケーブ構造で実現していた機能を容易に実現することができる。また、このような静電容量型超音波トランスデューサの製造は、従来の圧電素子をプラノコンケーブ構造にする場合に比べて、容易である。【００６６】
＜第２の実施形態＞
本実施形態では、様々な開口形状のセルをエレメント内に形成して、エレメント中央部より高周波を放射し、その周辺より低周波を放射する場合について説明する。【００６７】
図５は、本実施形態におけるエレメントの上面を示す。図５（ａ）は、楕円形状のエレメント４０に楕円形状のセル４１を複数形成したものである。セル面積は、エレメント４０の中央のセルが最も小さく、これの周囲に徐々に大きいセルが複数形成され、エレメント外周に近づくほど、セル面積は大きくなっている。【００６８】
上記したように、メンブレン幅Ｗを変化させることにより、Ｗ2に反比例して周波数を変化させることができる（式（１）参照）ので、面積の小さいセルをエレメントの中央に形成し、その周囲に面積の大きいセルを形成し、外周に近づくに従って徐々に大きくなるようなセルを複数形成することで、エレメント中央からは高周波が放射され、その周辺方向に向かうに従いより低い低周波が放射される。【００６９】
図５（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、セル形状のバリエーションの一例を示す。図（ａ）では、楕円形状のセルを用いたが、これに限定されない。すなわち、セル形状は、例えば、四角形（図５（ｂ）参照）でもよいし、六角形（図５（ｃ）参照）（例えば、ハニカム形状）でもよいし、円（図５（ｄ）参照）でもよい。また、エレメントの形状についても楕円に限定されず、例えば、四角形でもよいし、六角形でもよいし、円でもよい。【００７０】
以上より、同心円状（または同心楕円状）にセルを配列し、さらに外周に向かうにしたがってセルの面積を大きくすることで、よりエレメントの外周へ向かうほど低周波が放射され、中心へ向かうほど高周波が放射されるので、近傍から遠方に対して、比較的分解能のよい超音波画像を得ることができる。【００７１】
＜第３の実施形態＞
本実施形態では、複数のエレメントを配列して、その中央のエレメントより高周波を放射し、その中央のエレメントから離れるに従ってより低周波を放射する静電容量型超音波トランスデューサであって、超音波送受面を物理的に湾曲させずに、電気的制御により、第１の実施形態と同様の効果を奏する静電容量型超音波トランスデューサについて説明する。【００７２】
図６は、本実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのユニットを示す。基板５４には複数のエレメント５１（本実施形態では、９つのエレメント５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅ，５１ｄ，５１ｃ，５１ｂ，５１ａ）が配設されている。本実施形態では、このエレメント５１の集合をユニット５０という。【００７３】
図７は、本実施形態におけるエレメント５１の上面図を示す。エレメント５１には、４×４個の正方形形状のセル６０が形成されている。これら１６個のセルはすべて同様の構造をしているので、同じ周波数の超音波が放射される。各セル６０の上部中央には上部電極６１が設けられており、隣接するセルの上部電極６１とはインターコネクト電極６２で接続されている。また、エレメント５１の中央部には、インターコネクトビアホール６３が形成されている。【００７４】
図８は、図７のエレメントを切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の断面図である。同図において、エレメント５１の断面は、絶縁膜７０、コンタクトパッド電極７１，７２，下部電極７３、シリコン基板７４、キャビティ７５、メンブレン７６から構成される。【００７５】
メンブレン７６は、上部電極７７及びメンブレン基底膜（さらに高誘電率物質層を含んでも良い）から構成される。上部電極７７は、上記の各セル上にある上部電極６１とインターコネクト電極６２とから構成される。キャビティ７５の幅（セル単位の電極幅）はＷで表される。これらの各部の機能については第１の実施形態と同様である。【００７６】
さて、図６に戻って本実施形態で実現するユニット５０の動作について説明する。まず、各エレメントには、５２で表される駆動パルスが入力される。但し、本来はＤＣパルスが重畳したパルスが駆動パルス５２として用いられるが、ここでは重畳する前のＲＦパルスのみの表示としている。同図の駆動パルス５２は、時間に対しての振幅を表している。各エレメントに入力される駆動パルスには遅延時間を設けてあり、エレメント５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅの順で所定の間隔をあけて駆動パルスが入力される。なお、各エレメントには、図４説明したような駆動部をそれぞれ有しており、この駆動部に駆動パルスが入力される。また、駆動パルスは不図示の超音波内視鏡装置の制御部より送信される。【００７７】
このように遅延時間を設けて駆動パスルをエレメントに入力すると、エレメントから放射される超音波にも時間差が生じる。すなわち、早く駆動したエレメント５１ａからはその分早く超音波が放射され、エレメント５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅになるにしたがって、遅延して駆動するので、その分遅く超音波が放射される。なお、本実施形態では、図６に示すように駆動パルスを遅延させて入力する。【００７８】
なお、エレメント５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅになるに従って、高い周波数の超音波が放射されるようになっている。具体的には、上記したように、エレメント５１を構成するセルのメンブレン幅Ｗを変化させることで、周波数の高低を構成している（式（１）参照）。なお、上記の式（１）より、メンブレンの厚さを変えて周波数を変化させてもよい。【００７９】
図９は、本実施形態における超音波の合成波面８１を示す。電子走査法において、各振動子エレメント５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅに入力される駆動パルスの入力タイミングを制御することにより、超音波の焦点位置を走査することができる。図６で説明したように、各振動子エレメントへの駆動パルス印加のタイミングを相対的に遅延させれば、合成波面８１が得られ、遅延時間の設定に対応した位置で集束する超音波ビームが得られる。これにより、第１の実施形態で実現したことと同様の効果を得ることができる。【００８０】
なお、遅延時間を変化させることで、合成波面を変化させることができ、それにより合成波面の円弧の形状が変化して、その収束する中心位置（焦点）も変わるので、焦点を自在に走査するセクタ走査も可能となる。【００８１】
以上より、エレメントを駆動させる駆動パルスのタイミングをずらす（駆動パルスの入力のタイミングに位相差を設ける）ことにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、エレメントの中央から高い周波数の超音波を、エレメントの両端に向かって徐々に周波数の低い超音波を放射させることにより、近傍から遠方に対して、比較的分解能のよい超音波画像を得ることができる。また、従来プラノコンケーブ構造で実現していた機能を容易に実現することができる。【００８２】
さらに、第１の実施形態に比べ、湾曲させる必要がなく、駆動パルスの制御のみで同様の機能を実現することができ、製造コスト面でも利点がある。【００８３】
＜第４の実施形態＞
本実施形態では、それぞれ周波数の異なる超音波を発生する２種類の音源を交互に配列した静電容量型超音波トランスデューサについて説明する。【００８４】
図１０は、本実施形態におけるｃ−ＭＵＴの駆動部を示す。まず、エレメント１０１のメンブレンの表面にフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１１８を設け、絶縁膜の表面に背面電極１１９を設ける。駆動部１１７は、ｃ−ＭＵＴ１を駆動させるためのデバイスであり、接地配線１１７ａ、信号配線１１７ｂ、グランド１１７ｃ，１１７ｇ，１１７ｈ、ＤＣバイアス電源１１７ｄ、ＲＦ電源１１７ｅ、及びＤＣ遮断コンデンサ１１７ｆ，１１７ｉから構成される。【００８５】
上部電極１０７は、接地配線１１７ａを通してグランド１１７ｃで接地されている。信号配線１１７ｂは、駆動部１１７で生成された駆動信号をｃ−ＭＵＴ１０１に伝達するためのものである。【００８６】
ＲＦ電源１１７ｅは、駆動信号を生成するための交流電源である。また、ｃ−ＭＵＴ１０１を駆動させるための駆動信号には、ＲＦ電源１１７ｅから供給される交流電圧成分（Ｖrf）だけでなく、ＤＣバイアス電源１１７ｄから供給される直流電圧成分（Ｖbias）が必要である。このようにして、生成した駆動信号が、ＤＣ遮断コンデンサ１１７ｆ及び信号配線１１７ｂを通して、背面電極１１９に伝達される。また、ＤＣバイアス電源１１７ｄ、ＲＦ電源１１７ｅの一端はそれぞれ、グランド１１７ｇ，１１７ｈで接地されている。【００８７】
ＤＣ遮断コンデンサ１１７ｆ，１１７ｉは、ＤＣバイアス電源１１７ｄからの直流電流がチャージアンプやＲＦ電源１１７ｅへ流れるのを遮断するためのものである。【００８８】
駆動部１１７を駆動させると、駆動信号がｃ−ＭＵＴへ伝達され、各セルのメンブレンが振動することにより、各セルより超音波が放射される。【００８９】
以上が、ｃ−ＭＵＴ１０１の基本的な説明である。次に、本実施形態におけるパラメトリックアレイを用いた静電容量型超音波トランスデューサについて説明する。【００９０】
図１１は、本実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのユニットを示す。シリコン静電容量型超音波トランスデューサのユニット１２０とは、シリコン基板１２１上に複数のエレメント１２２を配設した構成単位をいう。このエレメント１２２は、さらに２つの振動子サブエレメント（以下、単にサブエレメントという）１２３ａ，１２３ｂから構成されている。なお、図１で説明したエレメントがここでいうサブエレメント１２３に相当する。【００９１】
図１２は、本実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのエレメント及びサブエレメントを示す。上記のように、エレメント１２２は、２つのサブエレメント１２３（１２３ａ，１２３ｂ）から構成されている。サブエレメント１２３ａ，１２３ｂは、相互に相違する周波数の超音波を放射する。【００９２】
図１３は、サブエレメント１２３の一部（破線で囲まれた部分１２４）を拡大した図である。サブエレメント１２３には、複数のセル１２７が形成されている。セル１２７はすべて同様の構造をしているので、同じ周波数の超音波が放射される。各セル１２７の上部中央には上部電極１２５が設けられており、隣接するセル１２７の上部電極１２５とはインターコネクト電極１２６で接続されている。【００９３】
図１４は、図１３のサブエレメント１２３を切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の断面図である。同図において、サブエレメント１２３の断面は、主に、絶縁膜１３４、メンブレン１３５（メンブレン１３５には上部電極１３２も含まれる）、メンブレン支持部１３３、下部電極１３６、シリコン基板１３０、キャビティ１３１から構成される。なお、さらに詳細の構成要素は、図１及び図２で示しているので、図１４では省略している。【００９４】
メンブレン１３５は、上部電極１３２及びメンブレン基底膜（さらに高誘電率物質層を含んでも良い）から構成される。上部電極１３２は、上記の各セル１２７上にある上部電極１２５とインターコネクト電極１２６とから構成される。キャビティ１３１の幅（セル単位のメンブレン幅）はＷで表される。これらの各部の機能については図１及び図２で説明したものと同様である。【００９５】
図１５は、本実施形態におけるユニット１２０側面（図１１のユニット１２０を右方向または左方向からの観察した側面）から観察した超音波の送受信の様子を示す。図１５（ａ）は送信時を示し、図１５（ｂ）は受信時を示す。同図において、ユニット１２０は、サブエレメント１２３ａ，１２３ｂ、シリコン基板１２１、屈曲振動支持スペーサー１４２、第２シリコン基板１４１、第２シリコン基板支持部１４０、電極１４３ａ，１４３ｂからなる。【００９６】
サブエレメント１２３ａ，１２３ｂはシリコン基板１２１上で支持されている。シリコン基板１２１と第２シリコン基板１４１との間には、所定の空間を設ける屈曲振動支持スペーサー１４２が取り付けてある。また、シリコン基板１２１と第２シリコン基板１４１とが対向するそれぞれの面上に電極１４３ａ，１４３ｂが設けられている。【００９７】
図１５（ａ）において、サブエレメント１２３ａ，１２３ｂは、それぞれ異なる周波数ｄ1，ｄ2の超音波を放射する。本実施形態では、例えば、ｄ1＜ｄ2の関係にあるとする。サブエレメント１２３ａからは周波数成分ｄ1の超音波が放射され、サブエレメント１２３ｂからは周波数成分ｄ2の超音波が放射されるとする。このとき、各サブエレメント１２３の各セル１２７より、それぞれ超音波が放射される。異なる周波数の超音波を放射させるには、上記の式（１）より、各セルのメンブレンの幅Ｗを変更すればよい。また、メンブレンの厚さｔｍを変更するようにしてもよい。【００９８】
周波数成分ｄ1，ｄ2の超音波が同方向に放射されると、それらの差音（差周波信号ｄ2−ｄ1）が生じる。この差音は、周波数が低いために遠方まで充分に伝播する。また、差音の音響特性としては、この差音と同じ周波数の音波と比べて、ビームパターンが鋭くなるので、空間に対しての指向性が向上し、空間分解能が向上する（通常、低周波の場合にはビームパターンは広がり空間分解能が低下する）。また、サイドローブが解析範囲内では現れないので、超音波画像のノイズを抑制することができ、超音波画像の質を向上させることができる。【００９９】
図１５（ｂ）は、図１５（ａ）で生じた差周波信号ｄ2−ｄ1が体腔内で反射され、その反射波を受信している様子を示している。すなわち、受信時には、エレメント１２３及びシリコン基板１２１自体が屈曲振動子となる。１４５は受信超音波振動を示し、１４６は受信超音波振動１４５による屈曲共振振動を示す。反射波が帰ってとエレメント１２３表面全体にその音圧がかかり、それにより受信超音波振動１４５がエレメント１２３全体に発生する。【０１００】
そうすると、該受信超音波振動１４５は、エレメント１２３及びシリコン基板１２１に屈曲共振振動１４６をもたらす。具体的には、互いに向き合う面に設けられた電極１４３ａ，１４３ｂが、屈曲変形に伴って電極間距離が変化し、電極間静電容量が変化し、受信電圧が変化する。この読み取った電圧変化に基づいて、エコー画像が形成される。【０１０１】
また、シリコン基板１２１は屈曲振動可能なほどの薄膜である。メンブレンの厚さが数μｍ、キャビティの深さも同じ程度であり、Ｓｉ基板の厚さが５０μｍとしても合計で６０μｍ以下である。この程度の厚みであれば、容易に大きく屈曲変形することができる。【０１０２】
なお、エレメント単位で駆動している（すなわち、エレメント単位で超音波を放射している）ので、各エレメントを構成するサブエレメントは同時に駆動している。すなわち、エレベーション方向（走査方向（例えば、右から左へ走査する方向）に対して垂直方向）にあるサブエレメントは同時に駆動する。また、エレメント単位で駆動して、リニア走査やセクタ走査を行うことができる。また、高周波と低周波を放射する面積はユニットにおいて、等しくなるように形成されている。また、エレベーション方向の中心線を仮に設けたとき、その中心線を境界として両側にサブエレメントが分離配置されている。【０１０３】
なお、図１５（ｂ）において、上記の通り、エレメント１２３及びシリコン基板１２１自体が屈曲振動子となり、屈曲振動支持スペーサー１４２が振動の節点となっているので、この位置を調整することにより、この屈曲振動子の共振周波数特性を調整することができる。すなわち、発生した差音の周波数に応じて、この位置を調整することにより、最適な振動振幅が得られるので、その分、エコー画像の感度がよくなる。また、本実施形態において、高周波とは他方の超音波（低周波）に対して相対的に周波数の高い超音波を示し、低周波とは他方の超音波（高周波）に対して相対的に周波数の低い超音波を示す。【０１０４】
なお、パラメトリックを超音波診断に利用する目的は、低周波の差信号が、低周波だから遠方まで超音波が伝播する、という一般的な特徴とともに低周波でありながら、超音波ビーム幅が小さいという非線形効果ならではの特徴を持っているからである。したがって、近接したＭＨｚ程度の周波数成分を持つ２つの信号から、低周波の差信号（パラメトリック信号）を発生させることが必要である。【０１０５】
このとき、近接したＭＨｚ程度の周波数成分を持つ２つの信号とは、差信号の周波数が元の周波数の１／１０程度が目安である。それより低いと深さ方向の分解能が極端に悪くなり、またそれより高いと遠方まで伝播するという効果が低減する。しかしながら、この目安は絶対的な条件ではなく、例えば、ｆ0＝ｆ2―ｆ1＝ｆ1（ｆ2＝２ｆ1）とした先行技術もある（例えば、特許文献３）。【０１０６】
以上より、パラメトリックアレイを用いた超音波トランスデューサにおいて、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波トランスデューサを用いることにより、より小型化を図ることができる。【０１０７】
＜第５の実施形態＞
本実施形態では、第４の実施形態よりさらにパラメトリック効果を向上させた静電容量型超音波トランスデューサについて説明する。【０１０８】
図１６は、本実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのユニット１５０の一例（その１）を示す。図１１では隣接するエレメントの配列の向きは同方向であったが、図１６では隣接するエレメント１２３の配列の向きを反対にしている。このように相違する２つの周波数を放射するエレメント１２３を交互に配列することで、２つの周波数成分が混ざり易くなり、よりパラメトリック効果を得ることができる。【０１０９】
図１７は、本実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのユニット１６０の一例（その２）を示す。図１７では、エレメントが２種類４つのサブエレメント１２３（１２３ａ、１２３ｂが交互に組み合わさっている。）から構成されている。そして隣接するエレメント１２３相互間においても、サブエレメント１２３ａ、１２３ｂが交互に組み合わさっている。このようにすることで、図１６よりもさらに、２つの周波数成分が混ざり易くなり、よりパラメトリック効果を得ることができる。なお、さらに、細分化してサブエレメント１２３ａ、１２３ｂが交互を配設することにより、より高いパラメトリック効果を得ることができる。【０１１０】
なお、図１６及び図１７において高周波と低周波を放射する面積はユニットにおいて、等しくなるように形成されている。また、本実施形態においてサブエレメントの形状は長方形であるが、これに限定されず、例えば正方形でも円でも六角形でもよい。【０１１１】
＜第６の実施形態＞
本実施形態では、静電容量型超音波トランスデューサの開口が円形であり、２つの近接した共振周波数を有するセルが、円の等面積分割境界線を境にして、同心円状に交互に分離配置した構造を有する静電容量型超音波トランスデューサについて説明する。【０１１２】
図１８は、本実施形態における静電容量型超音波トランスデューサを示す。図１８（ａ）は、静電容量型超音波トランスデューサのユニット１７０の上面図であり、図１８（ｂ）は側面図（超音波送信時）であり、図１８（ｃ）は側面図（超音波受信時）である。図１８（ａ）において、静電容量型超音波トランスデューサ１７０は、高い周波数成分を有する超音波を放射するエレメント１７２と低い周波数成分を有する超音波を放射するエレメント１７１の２つのエレメントから構成される。【０１１３】
図１８（ｂ）において、エレメント１７１，１７２は、それぞれ異なる周波数ｅ1，ｅ2の超音波を放射する。本実施形態では、例えば、ｅ1＜ｅ2の関係にあるとする。エレメント１７２からは周波数成分ｅ1の超音波が放射され、エレメント１７１からは周波数成分ｅ2の超音波が放射されるとする。このとき、各エレメント内の各セルより、それぞれ超音波が放射される。異なる周波数の超音波を放射させるには、上記の式（１）より、各セルのメンブレンの幅Ｗを変更すればよい。また、メンブレンの厚さｔｍを変更するようにしてもよい。【０１１４】
周波数成分ｅ1，ｅ2の超音波が同方向に放射されると、第４の実施形態で述べたように、それらの差音（差周波信号ｅ2−ｅ1）が生じる。この差音は、周波数が低いことから遠方まで充分に伝播する。また、差音の音響特性としては、この差音と同じ周波数の音波と比べて、ビームパターンが鋭くなるので、空間に対しての指向性が向上し、空間分解能が向上する（通常、低周波の場合にはビームパターンは広がり空間分解能が低下する）。また、サイドローブが解析範囲内では現れないので、超音波画像のノイズを抑制することができ、超音波画像の質を向上させることができる。【０１１５】
図１８（ｃ）は、図１８（ｂ）で生じた差周波信号ｅ2−ｅ1が体腔内で反射され、その反射波を受信している様子を示している。すなわち、受信時には、ユニット１７０自体が屈曲振動子となる。１７５は受信超音波振動を示し、１７４は受信超音波振動１７５による屈曲振動を示す。反射波が帰ってとユニット表面全体にその音圧がかかり、それにより受信超音波振動１７５がユニット１７０に発生する。そうすると、ユニット１７０は屈曲共振振動１７４をし、その反射波による受信超音波振動１７５を吸収し、その受信超音波振動１７５が電気信号に変換されるようになっている。なお、図１８は、図１５と同様にサブエレメント、シリコン基板、屈曲振動支持スペーサー、第２シリコン基板、第２シリコン基板支持部、電極から構成されているが、ここでは、省略している。【０１１６】
なお、ユニット単位で駆動しているので、ユニットを構成するエレメント１７１，１７２は同時に駆動し、複数のユニットを用いて駆動制御することでリニア走査やセクタ走査を行うことができる。また、高周波と低周波を放射する面積はユニット内において、等しくなるように形成されている。また、図１８では、高い周波数成分を有する超音波を放射するエレメント７２と低い周波数成分を有する超音波を放射するエレメント１７１の２つのエレメントから構成されるユニットを用いたが、これらのエレメントが交互に同心円状に何重に配列していてもよい。【０１１７】
＜第７の実施形態＞
本実施形態では、パラメトリックアレイを用いて生じた複数の差音を合成して集束させた超音波ビームを生成する静電容量型超音波トランスデューサについて説明する。【０１１８】
図１９は、本実施形態における静電容量型超音波トランスデューサのユニットを示す。基板１８４には複数のエレメント１８１（本実施形態では、９つのエレメント１８１ａ，１８１ｂ，１８１ｃ，１８１ｄ，１８１ｅ，１８１ｄ，１８１ｃ，１８１ｂ，８１ａ）が配設されている。本実施形態では、このエレメント１８１の集合をユニット１８０という。【０１１９】
図２０は、本実施形態におけるエレメント１８１の上面図を示す。エレメント１８１には、外周側に１２個の正方形形状のセル１９０が形成され、その内側には正方形形状のセル１９４が形成されている。同図に示すように、セル１９０の面積の方がセル１９４の面積より大きいので、上記の式（１）より、セル１９０からは低い周波数成分の超音波が放射され、セル１９４からは高い周波数の超音波が放射される。【０１２０】
セル１９１とセル１９４とは、面積が異なるのみで共に同様の構造をしている。各セル１９１，１９４の上部中央には上部電極１９１が設けられており、隣接するセルの上部電極１９１とはインターコネクト電極１９２で接続されている。また、エレメント１８１の中央部には、インターコネクトビアホール１９３が形成されている。【０１２１】
図２１は、エレメント１８１が放射する周波数成分を示す。同図より、２つの振幅のピークＰ１，Ｐ２が見られる。ピークＰ１の周波数はｇ１（＜ｇ２）であり、セル１９０から放射された超音波である。また、ピークＰ２の周波数はｇ２（＞ｇ１）であり、セル１９４から放射された超音波である。【０１２２】
図２２は、図２０のエレメント１８１を切断線Ｂ１−Ｂ２で切断した場合の断面図である。同図において、エレメント１８１の断面は、絶縁膜２００、コンタクトパッド電極２０１，２０２，下部電極２０３、シリコン基板２０４、キャビティ２０５、メンブレン２０６、上部電極２０７、メンブレン支持部２０８から構成される。【０１２３】
メンブレン２０６は、上部電極２０７及びメンブレン基底膜（さらに高誘電率物質層を含んでも良い）から構成される。上部電極２０７は、上記の各セル上にある上部電極１９１とインターコネクト電極１９２とから構成される。メンブレン支持部２０８は、メンブレン２０６を支持するためのものであり、ＳｉＮまたはＳｉＯ2など絶縁性の高い物質で構成されている。キャビティ２０５の幅（セル単位の電極幅）はＷで表される。これらの各部の機能については第４の実施形態と同様である。【０１２４】
また、Ｗ１はセル１９０のメンブレン幅を示し、Ｗ２はセル１９４のメンブレン幅を示し、Ｗ１＞Ｗ２の関係になっている。なお、エレメント１８０において、セル１９０群の面積の総和とセル１９４群の面積の総和はほぼ等しくなるように形成されている（図２０では、説明のためにセル１９０とセル１９４の相対的な大きさを誇張して示している）。【０１２５】
このようにエレメントを構成することで、高周波と低周波が同方向に放射されるので、それらの差音が生じ、パラメトリック効果を得ることができる。【０１２６】
さて、図１９に戻って本実施形態で実現するユニット１８０の動作について説明する。まず、各エレメントには、１８２で表される駆動パルスが入力される。同図の駆動パルスは、時間に対しての振幅を表している。各エレメントに入力される駆動パルスには遅延時間を設けてあり、エレメント１８１ａ，１８１ｂ，１８１ｃ，１８１ｄ，１８１ｅの順で所定の間隔をあけて駆動パルスが入力される。なお、各エレメントには、図１０で説明したような駆動部をそれぞれ有しており、この駆動部に駆動パルスが入力される。また、駆動パルスは不図示の超音波内視鏡装置の制御部より送信される。【０１２７】
このように遅延時間を設けて駆動パスルをエレメントに入力させると、エレメントから放射される超音波にも時間差が生じる。すなわち、早く駆動したエレメント１８１ａからはその分早く放射され、エレメント１８１ｂ，１８１ｃ，１８１ｄ，１８１ｅになるにしたがって、遅延して駆動するので、その分遅く超音波が放射される。【０１２８】
図２３は、本実施形態における超音波の合成波面１８１を示す。電子走査法において、各振動子エレメント１８１ａ，１８１ｂ，１８１ｃ，１８１ｄ，１８１ｅに入力される駆動パルスの入力タイミングを制御することにより、超音波の波面を合成することができる。図１９で説明したように、駆動パルスを円弧状に遅延させれば、各セルから放射された超音波２１０の波面は相互に干渉しあって、波面は凹状（合成波面２１１）となり任意の位置で集束する超音波ビームを制御できるようになる。そうすると、全体としては、円弧形状の合成波面２１１が生じる。このような合成波面が生じると、合成された超音波２１２はこの円弧の中心２１３を焦点として集束するようになる。これにより、第４の実施形態で実現したことと同様の効果を得ることができる。【０１２９】
なお、遅延時間を変更することで、合成波面を変化させることができ、それにより合成波面の円弧の形状が変化して、その収束する中心位置（焦点）も変わるので、焦点を自在に走査することができる。すなわち、セクタ走査が可能となる。【０１３０】
以上より、エレメントを駆動させる駆動パルスのタイミングを放物線的に遅延させることにより、各エレメントから放射させる超音波を合成して集束させ、セクタ走査を行うことができる。また、各エレメントから放射された超音波はパラメトリックアレイを用いて得た差音であるので、通常のセクタ走査よりも空間分解能がよく、高画質の超音波画像を得ることができる。【０１３１】
＜第８の実施形態＞
本実施形態では、少なくとも３つの異なる近接した共振周波数を有するサブエレメントを用いる場合について説明する。【０１３２】
図２４は、本実施形態におけるエレメント２２０を示す。同図において、３つのサブエレメント２２１，２２２，２２３があり、それぞれのサブエレメントから周波数ｆ1，ｆ2，ｆ3の超音波が放射される（ｆ1＜ｆ2＜ｆ3）。【０１３３】
この場合、差周波信号がｆ2−ｆ1、ｆ3−ｆ2、ｆ3−ｆ1の３種類が発生するので、帯域の広い差周波信号が発生する。つまり、同じパラメトリック信号でもこれら３種類はそれぞれ帯域が異なっているので、帯域が広くなる。このような周波数特性をもつパラメトリック信号に対して逆フーリエ変換を行い、時間軸に対するパスル特性を見てみると、パルス幅が短くなる。このパルス幅が短くなるということは、深さ方向の分解能が向上することを示している。【０１３４】
さて、第４の実施形態において、図１５に示した構成では周波数成分ｄ1を持った超音波と、周波数成分ｄ2を持った超音波とで、周波数成分ｄ2−ｄ1パラメトリック信号を対象物内で発生し、このエコー信号を周波数成分ｄ2−ｄ1に共振周波数を有した屈曲振動子で受信した。差周波信号ｄ2−ｄ1が1つだけならばこの構成でよいが、本実施形態のように送信信号がｆ1，ｆ2，ｆ3の場合には、差周波信号がｆ2−ｆ1、ｆ3−ｆ2、ｆ3−ｆ1の３種類が発生する。【０１３５】
したがって、受信信号（反射波）の検出も、これら３種類の周波数に対応させる必要がある。そこで、以下に２パターンの受信について説明する。【０１３６】
図２５は、本実施形態における受信信号の検知に関する説明図（その１）を示す。図２５（ａ）は、屈曲振動子としてのエレメント２２０の側面方向の屈曲振動を示す。ここで、共振振動は、応答感度は小さくなるが、必ずその整数倍の高次の共振（Ｏｖｅｒｔｏｎｅ）を持っている。したがって周波数ｆ1，ｆ2，ｆ3（ｆ1＜ｆ2＜ｆ3）を、例えば、ｆ2−ｆ1＝ｆ0としたら、ｆ3−ｆ2＝２ｆ0、ｆ3−ｆ1＝３ｆ0となるように選ぶ。この場合の構造は、基本的に図１５と同様であり、エレメントが節点２３０で支持されている。このようにすることで、図２５（ｂ）に示すように、ｆ0，２ｆ0，３ｆ0で屈曲共振する（狭帯域屈曲共振）。【０１３７】
図２６は、本実施形態における受信信号の検知に関する説明図（その２）を示す。図２６（ａ）は、屈曲振動子としてのエレメント２２０の側面方向の屈曲振動を示す。図２６（ａ）のような基本構造では、エレメント２２０の周辺を支持し周波数ｆ0の屈曲共振に強制的に機械的なダンピングをかけ、広帯域振動にする。このようにすることで、図２６（ｂ）に示すように、ｆ2−ｆ1，ｆ3−ｆ2，ｆ3−ｆ1の広帯域で屈曲共振する（広帯域屈曲共振）。【０１３８】
なお、本実施形態では３つの異なる近接した共振周波数を有するサブエレメントを用いたが、これに限らず、図２７に示すように、さらに複数の異なる近接した共振周波数を有するセル２４１，２４２，２４３（２４０は、エレメントを表す）を用いても良い。また、３つの異なる近接した共振周波数を有するエレメントの配設順は、周波数の昇順、降順で配設するのが好ましいが、これに限定されず、用途によっては、ランダムな並び順でもよい。【０１３９】
本実施形態によると、複数種類のパラメトリック信号、すなわち、広帯域の周波数信号を送受することができる。【０１４０】
以上より、本発明では、静電容量型超音波トランスデューサを用いることにより、近傍から遠方に対して、分解能のよい超音波画像を容易に得ることができる。【０１４１】
また、本発明を用いることにより、パラメトリック特性を有する静電容量型超音波トランスデューサは、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工して製造することができるので、小型化を可能にする。
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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