(57)【要約】【課題】特性が安定した超音波振動子エレメント２０を提供する。【解決手段】超音波振動子エレメント２０は、シリコン基板１１と、下部電極層１２と、第１絶縁層１３と、キャビティ１４Ａおよびチャネル１４Ｂが形成された第２絶縁層１５と、上部電極層１６と、有し、第１キャビティ１４Ａ１と第２キャビティ１４Ａ２とは大きさが異なり、第１開口部１５Ｃ１から第１キャビティ１４Ａ１の中心までの第１チャネル１４Ｂ１を介した最短距離ｄ１と、第２開口部１５Ｃ２から第２キャビティ１４Ａ２の中心までの第２チャネル１４Ｂ２を介した最短距離ｄ２と、が同じである。【選択図】図６
2012239713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、下部電極層と、第１絶縁層と、キャビティおよびチャネルが形成された第２絶縁層と、上部電極層と、有し、
複数の第１超音波セルおよび複数の第２超音波セルが作製されており、
前記第２絶縁層に、それぞれの前記第１超音波セルの第１キャビティが複数の第１チャネルを介して流入したエッチング剤による犠牲層のエッチングにより形成されているとともに、それぞれの前記第２超音波セルの第２キャビティが複数の第２チャネルを介して流入した前記エッチング剤による前記犠牲層のエッチングにより形成されており、更に、複数の前記第１チャネルのそれぞれの第１開口部と複数の前記第２チャネルのそれぞれの第２開口部とが形成されており、
前記第１キャビティが前記第２キャビティよりも大きく、
前記第１開口部から前記第１キャビティの中心までの前記第１チャネルを介した最短距離と、前記第２開口部から前記第２キャビティの中心までの前記第２チャネルを介した最短距離と、が同じであることを特徴とする超音波振動子エレメント。
【請求項２】
それぞれの第１キャビティの中心から放射状に、互いに直交する４方向に、４本の前記第１チャネルが延設されており、
それぞれの第２キャビティの中心から放射状に、互いに直交する４方向に、４本の前記第２チャネルが延設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。
【請求項３】
互いに隣り合う前記第１超音波セルの前記第１開口部と前記第１超音波セルの前記第２開口部とが、同一の共通開口部により構成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子エレメント。
【請求項４】
前記第１チャネルと前記第２チャネルとは経路形状が異なり、
それぞれの前記第１チャネルに１個の第１開口部が形成されており、それぞれの前記第２チャネルに１個の第２開口部が形成されており、
前記第１超音波セルの４個の前記第１開口部により囲まれる面積が、前記第２超音波セルの４個の前記第２開口部により囲まれる面積よりも広い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。
【請求項５】
前記第１超音波セルおよび前記第２超音波セルと同一の構成でキャビティの大きさが異なる少なくとも１種類の超音波セルが作製されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波振動子エレメント。
【請求項６】
前記上部電極層の一部が、複数の前記第１開口部および複数の第２開口部を封止していることを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子エレメント。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波振動子エレメントが配設された先端硬性部を有する挿入部と、
前記挿入部の基端に位置する操作部と、
前記操作部の側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、静電容量型の超音波振動子エレメント、および、超音波振動子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】
下部電極と上部電極との間にキャビティ（空隙部）があり、上部電極を含むメンブレンが振動する、静電容量型の超音波振動子セルが知られている。複数の超音波振動子セルが２次元配列した超音波振動子エレメントを、ＭＥＭＳ技術を用いて作製する場合、キャビティ形成には、犠牲層エッチング技術が用いられる。
【０００３】
米国特許第５８７０３５１号明細書には、酸化シリコンからなる犠牲層の上に形成した上部絶縁層の開口部から、フッ酸溶液等のエッチング剤を流し込み、犠牲層を除去するキャビティ形成方法が開示されている。また、上記明細書には、異なる大きさのキャビティの複数の超音波振動子セルを有する超音波振動子エレメントは、送受信する超音波周波数の広帯域化が可能なことが開示されている。
【０００４】
しかし、犠牲層のエッチングにより、異なる大きさのキャビティを作製するのは容易ではないことがあった。すなわち、キャビティの大きさが異なると、犠牲層のエッチング完了までに要する時間が異なる。このために、小さいキャビティの上部絶縁層はエッチング完了後も、大きなキャビティのエッチングが完了するまでエッチング剤に曝される。
【０００５】
メンブレンを構成する上部絶縁層が長時間、エッチング剤に曝されると、侵食され薄くなることがある。すると、キャビティ厚さ（高さ）が増大するため超音波の送受信感度が低下したり、共振周波数が変化したりして、超音波振動子エレメントの特性が不安定化するおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５８７０３５１号明細書
【特許文献２】特開２００８−１１８６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の実施形態は、特性が安定した超音波振動子エレメントおよび特性が安定した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】
【０００８】
本発明の実施形態の超音波振動子エレメントは、基体と、下部電極層と、第１絶縁層と、キャビティおよびチャネルが形成された第２絶縁層と、上部電極層と、有し、複数の第１超音波セルおよび複数の第２超音波セルが作製されており、前記第２絶縁層に、それぞれの前記第１超音波セルの第１キャビティが複数の第１チャネルを介して流入したエッチング剤による犠牲層のエッチングにより形成されているとともに、それぞれの前記第２超音波セルの第２キャビティが複数の第２チャネルを介して流入した前記エッチング剤による前記犠牲層のエッチングにより形成されており、更に、複数の前記第１チャネルのそれぞれの第１開口部と複数の前記第２チャネルのそれぞれの第２開口部とが形成されており、前記第１キャビティが前記第２キャビティよりも大きく、前記第１開口部から前記第１キャビティの中心までの前記第１チャネルを介した最短距離と、前記第２開口部から前記第２キャビティの中心までの前記第２チャネルを介した最短距離と、が同じである。
【０００９】
本発明の別の実施形態の超音波内視鏡は、上記超音波振動子エレメントが配設された先端硬性部を有する挿入部と、前記挿入部の基端に位置する操作部と、前記操作部の側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】
【００１０】
本発明の実施形態によれば、特性が安定した超音波振動子エレメントおよび特性が安定した超音波内視鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の超音波内視鏡を説明するための外観図である。
【図２】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部を説明するための斜視図である。
【図３】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部の超音波振動子部の構成を説明するための斜視図である。
【図４】第１実施形態の超音波振動子エレメントの超音波振動子セルの構造を説明するための分解図である。
【図５】第１実施形態の超音波振動子エレメントの第２絶縁層のパターンを説明するための上面図である。
【図６】第１実施形態の超音波振動子エレメントの説明するための断面図である。
【図７】第１実施形態の超音波振動子エレメントの第２絶縁層のパターンを説明するための上面図である。
【図８】第１実施形態の超音波振動子エレメントの犠牲層のエッチング処理を説明するための上面図である。
【図９】第２実施形態の超音波振動子エレメントの第２絶縁層のパターンを説明するための分解図である。
【図１０】第２実施形態の超音波振動子エレメントの第２絶縁層のパターンを説明するための上面図である。
【図１１】第２実施形態の変形例の超音波振動子エレメントの第２絶縁層のパターンを説明するための分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照して第１実施形態の超音波振動子エレメント（以下、「ＵＳエレメント」という）２０、およびＵＳエレメント２０を有する超音波内視鏡（以下、「ＵＳ内視鏡」という）２について説明する。
【００１３】
＜超音波内視鏡の構成＞
図１に示すようにＵＳ内視鏡２は、超音波観測装置３およびモニタ４とともに超音波内視鏡システム１を構成する。ＵＳ内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部２１と、挿入部２１の基端に配された操作部２２と、操作部２２の側部から延出したユニバーサルコード２３と、を具備する。
【００１４】
ユニバーサルコード２３の基端部には、光源装置（不図示）に接続されるコネクタ２４Ａが配設されている。コネクタ２４Ａからは、カメラコントロールユニット（不図示）にコネクタ２５Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２５と、超音波観測装置３にコネクタ２６Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２６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。
【００１５】
挿入部２１は、先端側から順に、先端硬性部３７と、先端硬性部３７の後端に位置する湾曲部３８と、湾曲部３８の後端に位置して操作部２２に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部３９と、を連設して構成されている。そして、先端硬性部３７の先端側には、複数の細長いＵＳエレメント２０（図２等参照）を配設した、超音波送受部である超音波振動子部（以下「ＵＳ振動部」という）９が配設されている。
【００１６】
操作部２２には、湾曲部３８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ２２Ａと、送気および送水操作を行う送気送水ボタン２２Ｂと、吸引操作を行う吸引ボタン２２Ｃと、体内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口２２Ｄ等と、が配設されている。
【００１７】
図２に示すように、ＵＳ振動子部９は、複数の細長いＵＳエレメント２０の長辺が連結され、円筒状に湾曲配置されたラジアル型振動子である。ＵＳ振動子部９が、設けられた先端硬性部３７には、照明光学系を構成する照明用レンズカバー３１と、観察光学系の観察用レンズカバー３２と、吸引口を兼ねる鉗子口３３と、図示しない送気送水ノズルと、が配設されている。
【００１８】
図３に示すように、複数のＵＳエレメント２０の電極と接続される複数の電極パッドを備えたケーブル接続基板部３４が、ＵＳ振動子部９の基端側に配設されている。そして、ＵＳ振動子部９からは、ケーブル接続基板部３４と接続された同軸ケーブル束３５が延設している。同軸ケーブル束３５は、先端硬性部３７と、湾曲部３８と、可撓管部３９と、操作部２２と、ユニバーサルコード２３と、超音波ケーブル２６と、に挿通され、超音波コネクタ２６ａを介して、超音波観測装置３と接続されている。
【００１９】
なお、それぞれのＵＳエレメント２０は信号電極とグランド電極とを有する。それぞれの信号電極には、超音波ケーブル２６の一の同軸ケーブルと接続されている。すなわち、複数のＵＳエレメント２０の、複数の信号電極は、互い部電気的に非接続である。一方、複数のＵＳエレメント２０の、それぞれのグランド電極は、互いに電気的に接続されている。
【００２０】
なお、後述するように、それぞれのＵＳエレメント２０が共振周波数の異なるＵＳセル毎に信号電極を有していてもよい。また、ＵＳ振動子部９は、ラジアル型振動子であるが、ＵＳ振動子部は、凸形状に湾曲したコンベックス型振動子であってもよい。
【００２１】
＜超音波セルの基本構造および基本作製方法＞
次に、図４を用いて、ＵＳエレメント２０の超音波セル（以下、「ＵＳセル」という）１０の基本構造および基本作製方法について説明する。なお、以下の図は説明のための模式図であり、各層の厚さおよび各パターンの大きさ等の比率は実際のＵＳセルとは大きく異なる。
【００２２】
また後述するように、ＵＳエレメント２０には、キャビティ１４Ａの大きさが異なる３種類のＵＳセル１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが作製されているが、その基本構成は同じであるため、ＵＳセル１０として説明する。
【００２３】
図４に示すように、ＵＳセル１０は、基体であるシリコン基板１１上に、順に積層された、信号電極と接続された下部電極層１２と、第１絶縁層（下部絶縁層）１３と、空隙部１４が形成された第２絶縁層（上部絶縁層）１５と、グランド電極と接続された上部電極層１６と、保護層１７と、を有する。空隙部１４は、円筒状のキャビティ１４Ａと、４本のチャネル１４Ｂとからなる。キャビティ１４Ａの直上の、第２絶縁層１５の一部１５Ｂ〜保護層１７が、振動膜であるメンブレン１８を構成している。
【００２４】
シリコン基板１１は、シリコン１１Ａの表面にシリコン熱酸化膜１１Ｂ、１１Ｃを形成した基板である。シリコン基板１１の厚さは、例えば、１００〜６００μｍであり、好ましくは２００〜３００μｍである。シリコン熱酸化膜１１Ｂ、１１Ｃの厚さは、例えば、５〜２５μｍであり、好ましくは１０〜２０μｍである。
【００２５】
シリコン基板１１の一面上に形成される下部電極層１２は、モリブデン等の金属、またシリコンなどの導電性材料からなる。下部電極層１２の厚さは、例えば、０．１〜０．５μｍであり、好ましくは０．２〜０．４μｍである。導電性材料はシリコン基板１１の全面にスパッタ法等により成膜される。そして、フォトリソグラフィによるマスクパターンを形成後にエッチングにより部分的に除去することにより、下部電極１２Ａおよび伝導部１２Ｂが形成される。
【００２６】
すなわち、下部電極層１２は、円形の下部電極１２Ａと、下部電極１２Ａの縁辺部の四方から延設している伝導部１２Ｂとからなる。伝導部１２Ｂにより、下部電極１２Ａは、同じＵＳエレメント２０のＵＳセルの下部電極と電気的に接続されている。
【００２７】
なお、キャビティ１４Ａの大きさが異なる３種類のＵＳセル１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは共振周波数が異なる。このため同じ種類のＵＳセルの下部電極は接続し、異なる種類のＵＳセルの下部電極とは接続されていなくともよい。
【００２８】
次に、下部電極層１２が形成されたシリコン基板１１の一面に、ＳｉＮ等の絶縁性材料からなる第１絶縁層１３がＣＶＤ法（化学気相成長法）等により成膜される。第１絶縁層１３の厚さは、例えば、０．１０〜０．２０μｍである。
【００２９】
そして第１絶縁層１３上に、犠牲層材料を成膜した後、部分的に除去することで、キャビティ１４Ａの形状の犠牲層とチャネル１４Ｂの形状の犠牲層と、が形成される。チャネルは、キャビティにエッチング剤を流入するための流路である。
【００３０】
チャネル形状犠牲層は、円柱状のキャビティ形状犠牲層の縁辺部の四方から延設されている。すなわち、キャビティ１４Ａの中心から放射状に、互いに直交する４方向に、４本のチャネル１４Ｂが延設されている。
【００３１】
このため、後述するように、犠牲層エッチング工程（空隙部作製工程）では、キャビティ１４Ａには４方向からエッチング剤が流入し、キャビティ１４Ａの中心部の犠牲層が溶解すると犠牲層エッチングが終了する。
【００３２】
犠牲層の厚さは、キャビティ１４Ａの高さとなるために、例えば、０．０５〜０．３μｍであり、好ましくは０．０５〜０．１５μｍである。犠牲層材料としては、例えば、リンガラス（ＰＳＧ：含リン酸化シリコン）、二酸化ケイ素、ポリシリコン、または金属などを用いる。
【００３３】
犠牲層が形成された第１絶縁層１３の上面に、第２絶縁層１５が、例えば第１絶縁層１３と同様の方法および同様の材料により形成される。第２絶縁層１５の厚さは、例えば０．２０〜０．５０μｍであり、好ましくは０．３〜０．４５μｍである。なお図４に示すように、第２絶縁層１５は、犠牲層と同じ厚さの第２絶縁層１５Ａと、犠牲層の上に形成される第２絶縁層１５Ｂと、からなるとみなすこともできる。もちろん、第２絶縁層１５Ａと第２絶縁層１５Ｂとは同時に形成される。そして、キャビティ１４Ａの形状の犠牲層の上に形成された第２絶縁層１５Ｂが、メンブレン１８の一部となる。
【００３４】
そして、第２絶縁層１５の所定の位置に、犠牲層を除去するために、エッチング剤を流入する円柱形状の開口部１５Ｃが、フォトリソグラフィ／エッチングにより形成される。すなわち、開口部１５Ｃは、貫通孔である。そして、４本のチャネル形状犠牲層の端部側の上に、それぞれ１個の開口部１５Ｃが形成されている。なお、開口部１５Ｃは、四角柱形状等でもよい。
【００３５】
次に、犠牲層のエッチングによりキャビティ１４Ａおよびチャネル１４Ｂからなる空隙部１４が形成される。
【００３６】
エッチング剤は、第１絶縁層、第２絶縁層および犠牲層の材料により適宜選択される液体または気体である。例えば犠牲層としてリンガラスを用い、第１絶縁層１３および第２絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤としてフッ酸溶液（バッファードＨＦ溶液）を用いる。ＨＦ溶液はリンガラスを溶解するが、ＳｉＮは溶解しにくい。このため、犠牲層が除去され、第１絶縁層１３と第２絶縁層１５との間に、キャビティ１４Ａおよびチャネル１４Ｂからなる空隙部１４が形成される。
【００３７】
空隙部形成工程では、開口部１５Ｃからチャネル１４Ｂを介して流入したエッチング剤により、犠牲層が除去される。すなわち、開口部１５Ｃから流入したエッチング剤は、まずチャネル形状犠牲層を溶解し、チャネル形状犠牲層が除去された後に、キャビティ形状犠牲層を溶解する。このため後述するように、チャネル長が長いとキャビティ形状犠牲層の溶解開始までの時間が長くなる。
【００３８】
次に、上部電極１６Ａと伝導部１６Ｂとからなる上部電極層１６が、下部電極層１２と同様に形成される。ここで、上部電極層１６の一部は開口部１５Ｃを封止する封止部１６Ｃとしての機能を有する。上部電極層１６の厚さは、例えば０．５〜１．０μｍである。
なお、円形の上部電極１６Ａおよび下部電極１２Ａは、キャビティ１４Ａと略同径である。
【００３９】
キャビティ１４Ａは円柱形状に限られるものではなく、多角柱形状等でもよい。キャビティ１４Ａが多角柱形状の場合には、上部電極１６Ａおよび下部電極１２Ａの形状も多角形とすることが好ましい。また、例えば、上部電極層１６はパターニングされていない導電層であってもよい。
【００４０】
最後に、上部電極層１６を覆う保護層１７が形成される。保護層１７は、第２絶縁層１５と同様の方法および同様の材料により形成される絶縁層である。なお、保護層１７はＳｉＮ等からなる絶縁層の上に、更にポリパラキシリレン等の生体適合性のある外皮膜が形成された２層構造であってもよい。保護層１７の厚さは、例えば０．２〜１．５μｍであり、好ましくは０．５〜１．０μｍである。
【００４１】
図４に示す上記構造のＵＳセル１０では、キャビティ１４Ａの直上領域の、第２絶縁層１５Ｂと上部電極層１６と保護層１７とが、振動部であるメンブレン１８を構成する。
【００４２】
なお、ＵＳセルの封止部は上記に限られるものではなく、例えば、ＣＶＤ法で形成したＳｉＮ等の絶縁膜で開口部１５Ｃを封止し、その上に上部電極層１６を形成してもよいし、保護層１７が封止部の機能を有していてもよい。
【００４３】
＜超音波振動子エレメントの構成＞
すでに説明したように、ＵＳエレメント２０には、マトリックス状に２次元配置されたキャビティ１４Ａの平面寸法の大きさが異なる３種類のＵＳセル１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃが作製されている。３種類のＵＳセル１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの、それぞれの基本構成は、いずれもＵＳセル１０として説明した構成と同じである。
【００４４】
すなわち、図５に示すように、第２絶縁層１５の第２絶縁層１５Ａは、３種類のキャビティ１４Ａ１、１４Ａ２、１４Ａ３と、３種類のチャネル１４Ｂ１、１４Ｂ２、１４Ｂ３と、が形成されている。例えば、第１ＵＳセル１０Ａのキャビティ１４Ａ１の直径（２ｒ１）は４０μｍであり、第２ＵＳセル１０Ｂのキャビティ１４Ａ２の直径（２ｒ２）は３０μｍであり、第３ＵＳセル１０Ｃのキャビティ１４Ａ３の直径（２ｒ３）は２０μｍである。
【００４５】
大きさの異なる３種類のキャビティ１４Ａ１〜１４Ａ３は等間隔に格子状に配置されている。すなわち、３種類のＵＳセルのキャビティ１４Ａ１〜１４Ａ３の中心間の距離ｄは、例えば同じ５０μｍである。なお、キャビティ１４Ａ１、１４Ａ２、１４Ａ３の配置、すなわち、ＵＳセル１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの配置は、規則的な格子配置、千鳥配置、または、三角メッシュ配置等であってもよいし、ランダム配置であってもよい。
【００４６】
それぞれのキャビティ１４Ａは、中心から放射状に互いに直交する４方向に、延設された４本のチャネル１４Ｂと挿通している。なお、後述するように互いに隣り合うＵＳセル１０の開口部１５Ｃは、同一の共通開口部により構成されている。すなわち隣り合うＵＳセル１０の共通の開口部１５Ｃが、それぞれのチャネル１４Ｂが交差する部分に形成されている。
【００４７】
３種類のキャビティ１４Ａ１〜１４Ａ３は等間隔に配置されているため、それぞれのキャビティ１４Ａ１〜１４Ａ３から延設されたチャネル１４Ｂ１〜１４Ｂ３は長さが異なる。すなわち、最も大きなキャビティ１４Ａ１のチャネル１４Ｂ１が最も短く、最も小さなキャビティ１４Ａ３のチャネル１４Ｂ３が最も長い。
【００４８】
そして、３種類のＵＳセル１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、同一のシリコン基板１１上に同時に作製される。ここで、図６は図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面構造を示している。図６に示すように、ＵＳエレメント２０は、シリコン基板１１と、下部電極層１２と、第１絶縁層１３と、キャビティ１４Ａおよびチャネル１４Ｂが形成された第２絶縁層１５と、上部電極層１６と、保護層１７と、を有する。
【００４９】
例えば、下部電極層１２は、複数の第１ＵＳセル１０Ａの、それぞれの第１の下部電極１２Ａ１と、複数の第２ＵＳセル１０Ｂの、それぞれの第２の下部電極１２Ａ２と、複数の第３ＵＳセル１０Ｃの、それぞれの第３の下部電極１２Ａ３と、複数の第１の下部電極１２Ａ１と複数の第２の下部電極１２Ａ２と複数の第３の下部電極１２Ａ３とを互いに接続する下部電極配線である伝導部１２Ｂと、を有する。
【００５０】
そして、第１絶縁層１３と第２絶縁層１５との間に３種類のキャビティ１４Ａ１、１４Ａ２、１４Ａ３と、３種類の長さが異なるチャネル１４Ｂ１、１４Ｂ２、１４Ｂ３と、が形成されている。
【００５１】
すなわち、第２絶縁層１５には、それぞれの第１ＵＳセル１０Ａの第１キャビティ１４Ａ１が、第１チャネル１４Ｂ１を介して流入したエッチング剤による犠牲層のエッチングにより形成されている。また、第２絶縁層１５には、それぞれの第２ＵＳセル１０Ｂの第２キャビティ１４Ａ２が、第２チャネル１４Ｂ２を介して流入したエッチング剤による犠牲層のエッチングにより形成されている。また、第２絶縁層１５には、それぞれの第３ＵＳセル１０Ｃの第３キャビティ１４Ａ３が、第３チャネル１４Ｂ３を介して流入したエッチング剤による犠牲層のエッチングにより形成されている。
【００５２】
図７に示すように、第２絶縁層１５Ｂには、複数の第１チャネル１４Ｂ１のそれぞれの第１開口部１５Ｃ１と、複数の第２チャネル１４Ｂ２のそれぞれの第２開口部１５Ｃ２と、複数の第３チャネル１４Ｂ３のそれぞれの第３開口部１５Ｃ３と、が形成されている。
【００５３】
そして、第１開口部１５Ｃ１から第１キャビティ１４Ａ１の中心ＣＡ１までの第１チャネル１４Ｂ１を介した最短距離ｄ１と、第２開口部１５Ｃ２から第２キャビティ１４Ａ２の中心ＣＡ２までの第２チャネル１４Ｂ２を介した最短距離ｄ２と、第３開口部１５Ｃ３から第３キャビティ１４Ａ３の中心ＣＡ３までの第３チャネル１４Ｂ３を介した最短距離ｄ３と、が同じである。
【００５４】
なお、ＵＳエレメント２０では、互いに隣り合う第１ＵＳセル１０Ａの第１開口部１５Ｃ１と第１ＵＳセル１０Ｂの第２開口部１５Ｃ２と第３ＵＳセル１０Ｃの第３開口部１５Ｃ３とが、マトリックス状に配置された同一の共通開口部により構成されている。
【００５５】
例えば、図７に引き出し線で示した第１開口部１５Ｃ１は、１つの第１ＵＳセル１０Ａと、１つの第２ＵＳセル１０Ｂと、２つの第３ＵＳセル１０Ｃと、の共通の開口部である。
【００５６】
そして、図８に示すように、ＵＳエレメント２０では、例えば開口部１５Ｃ１から流入したエッチング剤によりキャビティ１４Ａ１のエッチングが終了するのに要する時間と、開口部１５Ｃ２から流入したエッチング剤によりキャビティ１４Ａ２のエッチングが終了するのに要する時間と、開口部１５Ｃ３から流入したエッチング剤によりキャビティ１４Ａ３のエッチングが終了するのに要する時間と、が同じである。
【００５７】
図８は、引き出し線で示した開口部１５Ｃから流入したエッチング剤は４本のチャネルに沿って犠牲層を溶解している様子を示している。すなわち、エッチング液がチャネル内の犠牲層を溶解する速度と、キャビティ内の犠牲層を溶解する速度は同じである。これは、犠牲層溶解反応が、反応速度律速で進行することに起因する。すなわち、犠牲層溶解の反応速度が、エッチング剤の進入速度よりも十分に遅く、犠牲層とエッチング剤の溶解反応のみがエッチングの進行速度を決定している。
【００５８】
このため、大きさの違うキャビティ１４Ａを、同時に犠牲層エッチングにより作製しても、チャネル１４Ｂの長さが異なるため、小さいキャビティの第２絶縁層１５（および第１絶縁層１３）だけが長時間にわたりエッチング剤に曝されることがない。すなわち、エレメント２０では、キャビティ１４Ａの大きさ（直径）の相違によるエッチング時間の相違を、チャネル１４Ｂの長さにより調整して、キャビティ１４Ａの大きさに関係なく同時にエッチングが完了するようにしている。
【００５９】
このため、ＵＳエレメント２０は、特性が安定している。また、ＵＳエレメント２０を有するＵＳ内視鏡２は特性が安定している。
【００６０】
また、エレメント２０では、それぞれのキャビティ１４Ａの中心から放射状に、互いに直交する４方向に、４本のチャネル１４Ｂが延設されおり、それぞれのチャネル１４Ｂに開口部１５Ｃが形成されている。このため、エレメント２０では、４方向からエッチング剤が流入されるため、エッチング時間が短縮できる。
【００６１】
１個のキャビティ１４Ａに挿通するチャネル１４Ｂが複数あれば前記効果が得られる。エッチング流入経路は多いほど、前記効果が高いが、チャネル本数が増える。このため、１個のキャビティ１４Ａに挿通するチャネル１４Ｂは３本以上６本以下が好ましく、特に好ましくは４本である。
【００６２】
キャビティ１４Ａの大きさの異なる３種類のＵＳセル１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、共振周波数が異なる。このため、ＵＳエレメント２０Ａは送受信可能な超音波周波数が広い。なお、異なる共振周波数の複数のＵＳセルを駆動するための駆動信号は例えば広帯域の周波数帯の中心周波数で駆動してもよいし、駆動信号の周波数を切り替えてもよいし、３波混合型等の特殊波形で駆動してもよい。もちろん、ＵＳセル１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの下部電極が接続されていない場合には、それぞれの共振周波数の駆動信号を用いる。
【００６３】
また、ＵＳエレメント２０が、有する３種類のＵＳセル１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃは、略同数でもよいが、キャビティの大きいＵＳセルの数がキャビティの小さいＵＳセルの数よりも少ないことが好ましい。これは、キャビティの大きいＵＳセルのメンブレンは、キャビティの小さいＵＳセルのメンブレンよりも同じ電圧の駆動信号、または同じ強さの超音波に対して振動しやすいためである。３種類のＵＳセルの個数が異なるＵＳエレメントは、送受信感度の周波数による影響を小さくすることができる。
【００６４】
また、ＵＳエレメント２０における３種類のＵＳセル１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃの２次元配置も均等配置である必要はない。例えば、細長いエレメントの中央領域に、低周波送受信用の大きなキャビティの複数のＵＳセルを配置し、端部領域に高周波送受信用の小さなキャビティの複数のＵＳセルを配置することも、指向性を調整できるため好ましい。
【００６５】
なお、ＵＳエレメント２０Ａには、それぞれのキャビティ１４Ａの大きさの異なる３種類のＵＳセル１０が作製されているが、キャビティ１４Ａの大きさの異なる２種類の第１のＵＳセル１０Ａと第２のＵＳセル１０Ｂとが作製されていてもＵＳエレメント２０Ａと同様の効果を有することは明らかである。
【００６６】
逆に、それぞれのキャビティ１４Ａの大きさの異なる４種類以上のＵＳセル１０が作製されているＵＳエレメントでも、ＵＳエレメント２０Ａと同様の効果を有することは明らかである。すなわち、実施形態の、ＵＳエレメントのＵＳセル１０の種類は、２種類以上であればよく、上限は例えば１０種類である。言い換えれば、実施形態のＵＳエレメントには、第１ＵＳセル１０Ａおよび第２ＵＳセル１０Ｂと同一の構成でキャビティ１４Ａの大きさが異なる少なくとも１種類の超音波セルが作製されている。
【００６７】
またそれぞれのキャビティ１４Ａの大きさの異なる２種類以上のＵＳセル１０が作製されているＵＳエレメントを有するＵＳ内視鏡が、ＵＳ内視鏡２と同様の効果を有することも明らかである。
【００６８】
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態のＵＳエレメント２０Ａ、およびＵＳエレメント２０Ａを有するＵＳ内視鏡２Ａについて説明する。ＵＳエレメント２０Ａ、ＵＳ内視鏡２Ａは、それぞれＵＳエレメント２０、ＵＳ内視鏡２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。
【００６９】
第１実施形態のＵＳエレメント２０は、大きさの異なるキャビティのＵＳセルが等間隔（距離ｄ）に２次元配置されていた。すなわち、最も大きなキャビティ１４Ａ１のＵＳセル１０Ａを基準に他のすべてのＵＳセルが配置されていた。このため、高密度にＵＳセル１０を配置することができないため、ＵＳエレメント２０の小型化が容易ではなかった。
【００７０】
また、複数のキャビティ１４Ａが開口部１５Ｃを共通化しているため、製造時のトラブルから、１つの開口部１５Ｃが所定の寸法で形成できなかった場合等であっても、複数のＵＳセル１０が不良となってしまう可能性があった。
【００７１】
これに対して、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示す第２絶縁層パターン１５Ａ１のように、ＵＳエレメント２０Ａには、大きさの異なる３種類のＵＳセル１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆが作製されている。ＵＳセル１０Ｄのキャビティ１４ＡＤは直径４０μｍであり、ＵＳセル１０Ｅのキャビティ１４ＡＥは直径３０μｍであり、ＵＳセル１０Ｆのキャビティ１４ＡＦは直径２０μｍである。
【００７２】
そして、ＵＳセル１０Ｄの４本のチャネル１４ＢＤと、ＵＳセル１０Ｅの４本のチャネル１４ＢＥと、ＵＳセル１０Ｆの４本のチャネル１４ＢＦと、は経路形状が異なる。
チャネル１４ＢＤは直線状であるが、チャネル１４ＢＥとチャネル１４ＢＦとは、湾曲部のある曲線状である。
【００７３】
また、それぞれのチャネル１４Ｂは、それぞれ専用の四角柱状の開口部１５Ｃを有する。すなわち、４本のチャネル１４ＢＤのそれぞれの端部には開口部１５ＣＤがあり、４本のチャネル１４ＢＥのそれぞれの端部には開口部１５ＣＥがあり、４本のチャネル１４ＢＦのそれぞれの端部には開口部１５ＣＦがある。
【００７４】
３種類のＵＳセル１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆは空隙部１４のパターン形状が大きく異なるが、それぞれのキャビティ中心ＣＡから開口部１５Ｃまでの最短距離は、同じである。すなわち、図９（Ａ）に示すキャビティ中心ＣＡ４から開口部１５ＣＤまでの最短距離ｄ４と、図９（Ｂ）に示すキャビティ中心ＣＡ５から開口部１５ＣＥまでの最短距離ｄ５と、図９（Ｃ）に示すキャビティ中心ＣＡ６から開口部１５ＣＦまでの最短距離ｄ６と、は同じである。
【００７５】
このため、ＵＳエレメント２０Ａは、第１実施形態のＵＳエレメント２０と同じ効果を有し、ＵＳエレメント２０Ａを有するＵＳ内視鏡２Ａは、第１実施形態のＵＳ内視鏡２と同じ効果を有する。
【００７６】
更に、ＵＳエレメント２０Ａでは、第１ＵＳセル１０Ｄの４個の第１開口部１５ＣＤにより囲まれる面積が、第２ＵＳセル１０Ｅの４個の第２開口部１５ＣＥにより囲まれる面積よりも広い。そして、第２ＵＳセル１０Ｅの４個の第２開口部１５ＣＥにより囲まれる面積が、第３ＵＳセル１０Ｆの４個の第３開口部１５ＣＦにより囲まれる面積よりも広い。なお、ＵＳセル１０の専有面積は、開口部に囲まれる面積で近似できる。
【００７７】
このため、図１０に示すように、ＵＳエレメント２０Ａは、所定面積に配設可能なＵＳセル１０の合計数が、同じ所定面積に配設可能な最も大きなキャビティ１４ＡＤのあるＵＳセル１０Ｄの数よりも、多い。
【００７８】
言い換えれば、図１０に示すように、ＵＳエレメント２０Ａは、例えばＵＳセル１０Ｄのキャビティの中心ＣＡＤから、隣り合う複数のＵＳセルのキャビティの中心までの距離は、ｄ７、ｄ８、ｄ９、ｄ１０であり、同じではない。
【００７９】
ＵＳエレメント２０Ａは、ＵＳセル１０がＵＳエレメント２０よりも高密度に配設されているため、より小型である。
【００８０】
更に、ＵＳエレメント２０Ａは、製造時のトラブルから、いずれかの開口部１５Ｃが所定の寸法で形成できなかった場合でも、不良となるのは１個のＵＳセル１０だけである。このため、ＵＳエレメント２０と比べると、ＵＳエレメント２０Ａは製造歩留まりが高い。すなわち、ＵＳエレメントは多くのＵＳセル１０を有するため、一部のＵＳセル１０が不良であっても仕様の範囲内として使用可能である。
【００８１】
また、キャビティ１４Ａの大きさの異なる２種類の第１のＵＳセルと第２のＵＳセルとだけが作製されているＵＳエレメントが、３種類のＵＳセルが作製されているＵＳエレメント２０Ａと同様の効果を有することは明らかである。
【００８２】
すなわち、第１チャネルと前記第２チャネルとは経路形状が異なり、それぞれの前記第１チャネルに１個の第１開口部が形成されており、それぞれの前記第２チャネルに１個の第２開口部が形成されており、前記第１超音波セルの４個の前記第１開口部により囲まれる面積が、前記第２超音波セルの４個の前記第２開口部により囲まれる面積よりも広い超音波振動子エレメントは、超音波振動子エレメント２０Ａと同様の効果を有する。
【００８３】
＜第２実施形態の変形例＞
次に、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）を用いて、第２実施形態の変形例のＵＳエレメント２０Ｂ、２０Ｃについて説明する。
【００８４】
ＵＳエレメント２０ＢのＵＳセル１０ＧおよびＵＳエレメント２０ＣのＵＳセル１０Ｈは、それぞれ折り返し部のあるジグザグ状の経路形状のチャネル１４Ｂを有する。しかしそれぞれの開口部１５Ｃからそれぞれのキャビティ１４Ａの中心ＣＡまでの最短距離が同じになるように設計することで、第２実施形態のＵＳセル１０Ｅ、１０Ｆと同様に用いることができる。
【００８５】
そして、ＵＳセル１０ＧまたはＵＳセル１０Ｈを有するＵＳエレメント２０Ｂ、２０Ｃは、ＵＳエレメント２０Ａのキャビティと同じ効果を有する。また、ＵＳエレメント２０Ｂ、２０ＣのあるＵＳ内視鏡２Ｂ、２ＣはＵＳ内視鏡２Ａと同じ効果を有する。
【００８６】
本発明は、上述した実施形態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、改変等が可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１…超音波内視鏡システム、２…ＵＳ内視鏡、３…超音波観測装置、９…振動子部、１０…ＵＳセル、１１…シリコン基板、１２…下部電極層、１２Ｂ…伝導部、１３…絶縁層、１４…空隙部、１４Ａ…キャビティ、１４Ｂ…チャネル、１５…絶縁層、１５Ａ…絶縁層、１５Ｂ…絶縁層、１５Ｃ…開口部、１６…上部電極層、１６Ａ…上部電極、１６Ｂ…伝導部、１６Ｃ…封止部、１７…保護層、１８…メンブレン、２０…ＵＳエレメント
【図１】
2012239713.tif 000003
【図２】
2012239713.tif 000004
【図３】
2012239713.tif 000005
【図４】
2012239713.tif 000006
【図５】
2012239713.tif 000007
【図６】
2012239713.tif 000008
【図７】
2012239713.tif 000009
【図８】
2012239713.tif 000010
【図９】
2012239713.tif 000011
【図１０】
2012239713.tif 000012
【図１１】
2012239713.tif 000013