(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と、該第１の電極上に空洞の穴部を隔てて配設された振動膜と、該振動膜に支持された第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の間に印加する直流バイアス電圧値を変化可能な駆動部と、を具備し、前記穴部は、前記振動膜に接して形成された第１の空隙部と、該第１の空隙部の底面部に開口して形成され、前記第１の空隙部よりも小さい断面積を有する第２の空隙部とにより構成さてなる超音波トランスデューサであって、
前記第１の空隙部の断面積は、前記振動膜が当該断面積において振動した場合に、所定の第１の周波数を送受信可能なものであり、
前記第２の空隙部の断面積は、前記振動膜が前記第１の空隙部の底面部に接触した状態において、前記振動膜が当該断面積において振動した場合に、前記第１の周波数よりも高い所定の第２の周波数を送受信可能なものであり、
前記駆動部は、前記振動膜が前記第１の空隙部の底面部に接触せずに前記第１の空隙部の断面積において振動する第１の電圧値で直流バイアス電圧を出力した状態と、前記振動膜が前記第１の空隙部の底面部に接触して前記第２の空隙部の断面積において振動する第２の電圧値で直流バイアス電圧を出力した状態と、の双方の状態において超音波の送信動作及び受信動作が可能に構成されている
ことを特徴とする超音波トランスデューサ。
【請求項２】
前記第１の空隙部は、前記振動膜側の断面積が前記振動膜が当該直径において振動した場合に前記第１の周波数を送受信可能なものであり、前記底面側の直径が前記第２の空隙部の断面積と一致するように、側面部がテーパ状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項３】
前記振動膜は、外周部が中央部よりも薄く形成されており、前記第２の電圧値の直流バイアス電圧値が印加されている場合において、前記第１の空隙部の側面部及び底面部に隙間無く接触することを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項４】
前記第２の周波数は、前記第１の周波数の整数倍であり、
前記駆動部は、当該超音波トランスデューサによる超音波の送信時に、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記第１の電圧値の直流バイアス電圧を印加し、超音波の受信時に、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記第２の電圧値の直流バイアス電圧を印加することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサを具備することを特徴とする超音波診断装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサを具備することを特徴とする超音波顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の電極と、該第１の電極上に空隙部を介して配設された振動膜と、該振動膜に支持された第２の電極とを具備した静電容量型の超音波トランスデューサ、超音波診断装置及び超音波顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体に超音波を照射し、そのエコー信号から被検体の状態を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超音波診断装置の１つに医療分野で用いられる超音波内視鏡がある。
【０００３】
超音波診断装置は、医療分野に限らず工業分野においても、被検体（試料）に生じた傷、割れ、空洞等の欠陥の存在の有無を診断するために使用されており、これらは非破壊検査装置や非破壊探傷装置として知られている。
【０００４】
また、超音波を被検体（試料）に照射して被検体の音響的特性を評価することにより、被検体の弾性的性質を定量化したり、薄膜の構造を評価する、いわゆるＶ（ｚ）曲線による解析法が知られている。このようなＶ（ｚ）曲線から被検体の性質を解析する装置として超音波顕微鏡が知られている。
【０００５】
これらの超音波診断装置や超音波顕微鏡には、電気信号を超音波に変換して送信し、また超音波を受信して電気信号に変換するための超音波トランスデューサが配設されている。
【０００６】
従来、超音波トランスデューサとして、セラミック圧電材ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電素子が主に使用されてきたものであるが、近年、特表２００５−５１０２６４号公報に開示されているようなマイクロマシニング技術を用いて製造される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。
【０００７】
ｃ−ＭＵＴは、空隙部を挟んで対向する一対の平板状の電極（平行平板電極）と、該電極の一方の電極を支持するメンブレン（膜）とを具備して構成されるセルを有し、メンブレンの振動により超音波の送受信を行うものである。
【０００８】
このようなｃ−ＭＵＴにおいて、送受信可能な超音波の周波数の帯域を拡げるために、メンブレンの直径や厚みを異ならせた複数の異なる特性を有するセルを配設する技術が、米国特許５，８７０，３５１号公報に開示されている。
【特許文献１】特表２００５−５１０２６４号公報
【特許文献２】米国特許５，８７０，３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
米国特許５，８７０，３５１号公報に開示されているように、異なる周波数帯域に特性を合わせた複数種類のセルを具備することで、送受信する超音波の周波数を広帯域化したｃ−ＭＵＴの場合、ある特定の周波数に着目した場合には、その特定の周波数に対応したセルの数が減少してしまうため、各周波数ごとにおけるｃ−ＭＵＴの超音波の送信強度及び受信感度は低下してしまうという問題がある。
【００１０】
この問題に対し、各周波数に対応する特性のセルの個数を増やすことで、超音波の送信強度及び受信感度を低下させずに広帯域の周波数で超音波の送受信を可能としたｃ−ＭＵＴを実現することは可能であるが、この場合には、ｃ−ＭＵＴが大型化してしまうという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型であり、かつ超音波の送信強度及び受信感度を低下させずに広帯域の周波数で超音波を送受信することが可能な静電容量型の超音波トランスデューサ、超音波診断装置及び超音波顕微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】
本発明に係る超音波トランスデューサは、第１の電極と、該第１の電極上に空洞の穴部を隔てて配設された振動膜と、該振動膜に支持された第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の間に印加する直流バイアス電圧値を変化可能な駆動部と、を具備し、前記穴部は、前記振動膜に接して形成された第１の空隙部と、該第１の空隙部の底面部に開口して形成され、前記第１の空隙部よりも小さい断面積を有する第２の空隙部とにより構成さてなる超音波トランスデューサであって、前記第１の空隙部の断面積は、前記振動膜が当該断面積において振動した場合に、所定の第１の周波数を送受信可能なものであり、前記第２の空隙部の断面積は、前記振動膜が前記第１の空隙部の底面部に接触した状態において、前記振動膜が当該断面積において振動した場合に、前記第１の周波数よりも高い所定の第２の周波数を送受信可能なものであり、前記駆動部は、前記振動膜が前記第１の空隙部の底面部に接触せずに前記第１の空隙部の断面積において振動する第１の電圧値で直流バイアス電圧を出力した状態と、前記振動膜が前記第１の空隙部の底面部に接触して前記第２の空隙部の断面積において振動する第２の電圧値で直流バイアス電圧を出力した状態と、の双方の状態において超音波の送信動作及び受信動作が可能に構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図面１から図１２を参照して説明する。なお、以下の説明に用いた各図においては、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせてある。図１は超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。図２は超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図である。図３は振動子アレイの斜視図である。
【００１４】
本実施形態では、超音波診断装置としての超音波内視鏡に本発明を適用した例を説明する。図１に示すように本実施形態の超音波内視鏡１は、体腔内に導入される細長の挿入部２と、この挿入部２の基端に位置する操作部３と、この操作部３の側部から延出するユニバーサルコード４とで主に構成されている。
【００１５】
前記ユニバーサルコード４の基端部には図示しない光源装置に接続される内視鏡コネクタ４ａが設けられている。この内視鏡コネクタ４ａからは図示しないカメラコントロールユニットに電気コネクタ５ａを介して着脱自在に接続される電気ケーブル５及び図示しない超音波観測装置に超音波コネクタ６ａを介して着脱自在に接続される超音波ケーブル６が延出されている。
【００１６】
前記挿入部２は、先端側から順に硬質な樹脂部材で形成した先端硬性部２０、この先端硬性部２０の後端に位置する湾曲自在な湾曲部８、この湾曲部８の後端に位置して前記操作部３の先端部に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部９を連設して構成されている。また、前記先端硬性部２０の先端側には詳しくは後述する超音波を送受するための超音波送受部３０が設けられている。
【００１７】
前記操作部３には前記湾曲部８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ１１、送気及び送水操作を行うための送気・送水ボタン１２、吸引操作を行うための吸引ボタン１３、体腔内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口１４等が設けられている。
【００１８】
図２に示すように、先端硬性部２０には、観察部位に照明光を照射する照明光学部を構成する照明レンズ（図示せず）、観察部位の光学像を捉える観察光学部を構成する対物レンズ２１、切除した部位を吸引したり処置具が突出したりする開口である吸引兼鉗子口２２及び送気及び送水を行うための送気送水口（図示せず）が設けられている。
【００１９】
先端硬性部２０の先端に設けられた超音波送受部３０は、図３に示ように、振動子アレイ３１と駆動部である駆動回路３４とＦＰＣ３５とを具備して構成されている。ＦＰＣ３５は、可撓性を有し両面に実装面が形成された配線基板（フレキシブル配線基板）であり、超音波送受部３０においては、該ＦＰＣ３５は先端硬性部２０の挿入軸と略平行な軸を中心軸として略円筒状に巻回されて配設されている。
【００２０】
円筒状のＦＰＣ３５の外周面上には、超音波振動子アレイである振動子アレイ３１が設けられている。振動子アレイ３１は、ＦＰＣ３５の外周面上に周方向に配列された複数の振動子ユニット３２を具備して構成されている。振動子ユニット３２は、ＦＰＣ３５の外周面の法線方向から見て略長方形状を有し、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上において、短手方向を周方向として等間隔に配列されている。振動子アレイ３１は、例えば数十から数百個の振動子ユニット３２により構成されており、本実施形態の振動子アレイ３１は、１２８個の振動子ユニット３２を具備している。そして、各振動子ユニット３２は、１６個の振動子エレメント３３を具備している。
【００２１】
詳しくは後述するが、本実施形態の振動子ユニット３２は、低抵抗のシリコン半導体からなるシリコン基板上にマイクロマシニング技術により形成された静電容量型の超音波トランスデューサであり、いわゆるMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）の技術範囲に属するものである。このようなマイクロマシニング技術により形成された静電容量型の超音波トランスデューサは、一般にｃ−ＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）と称される。
【００２２】
本実施形態の振動子アレイ３１においては、一つの振動子ユニット３２内に複数配設された振動子エレメント３３が、超音波を送受信するための最小の駆動単位を構成している。振動子エレメント３３は、それぞれＦＰＣ３５の実装面の法線方向、すなわち円筒状であるＦＰＣ３５の径方向外向きに超音波を送信する。
【００２３】
一方、円筒状のＦＰＣ３５の内周面上、すなわち振動子アレイ３１が実装された実装面とは反対側の実装面上には、複数の駆動回路３４が実装されている。駆動回路３４は、振動子エレメント３３を駆動するためのパルサーや選択回路等の電気回路を有し、個々の振動子エレメント３３と電気的に接続されている。
【００２４】
また、駆動回路３４は、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上に形成された、複数の信号電極３６及び接地電極３７に電気的に接続されている。信号電極３６及び接地電極３７は、超音波ケーブル６内を挿通されて一端が超音波コネクタ６ａに電気的に接続された、同軸ケーブルの他端が電気的に接続される。よって、駆動回路３４は、超音波観測装置に電気的に接続されるのである。
【００２５】
上述の構成を有する超音波送受部３０は、円筒形状のＦＰＣ３５の外周面上に配設された２次元の振動子アレイ３１によって、超音波を先端硬性部２０の挿入軸と略直交する平面上を基本として放射状に送受信する、セクタ走査が可能な電子式ラジアル走査を行えるものである。
【００２６】
次に本実施形態の静電容量型の超音波トランスデューサである振動子セル１００の詳細な構成を、図４から図６を参照して以下に説明する。図４は、振動子ユニット３２を、超音波の送受信側から見た上面図である。すなわち図４において、紙面に直交しかつ紙面から離れる方向へ超音波が送信される。図５は、図４のV-V断面図である。図６は、第２の空隙部をキャビティとした場合の振動子セルの断面図である。
【００２７】
図４に示すように、本実施形態の振動子ユニット３２は、複数の振動子セル１００が行列状に配列されて構成されている。単一の振動子ユニット３２内の全ての振動子セル１００は、全て並列に電気的に接続されており、超音波観測装置からの駆動信号が信号電極パッド３８を介して入力されることにより、同時に同位相の超音波を送信する。
【００２８】
図５に示すように、本実施形態の振動子セル１００は、低抵抗のシリコン半導体からなるシリコン基板１０１上に半導体プロセス等を用いたマイクロマシニング技術により形成された積層構造を有する静電容量型の超音波トランスデューサである。
【００２９】
なお、以下の積層構造の説明において、各層の上下関係については、シリコン基板１０１の表面から法線方向に遠ざかる方向を上方向とする。例えば、図５の断面図において、上部電極１２０は下部電極１１０の上方に配設されている、と称するものとする。また、各層の厚さとは、シリコン基板１０１表面の法線方向の各層の寸法を指す。また、以下の説明においては、便宜的に、シリコン基板１０１の表面のうち、振動子セル１００が形成される面をセル形成面、振動子セル１００が形成される面とは反対側の面を裏面と称する。
【００３０】
シリコン基板１０１は、導電性を有する低抵抗シリコンからなり、両表面にはそれぞれ電気絶縁性を有するシリコン酸化膜である第１絶縁膜１０２及び裏面絶縁膜１０９が形成されている。第１絶縁膜１０２及び裏面絶縁膜１０９は、シリコン基板１０１を熱酸化することにより形成される高温酸化膜である。なお、第１絶縁膜１０２及び裏面絶縁膜１０９はシリコン窒化膜であってもよい。
【００３１】
振動子セル１００は、略円柱状の空洞の穴部であるキャビティ１３０を介して対向する一対の平行平板電極である、下部電極１１０（第１の電極）及び上部電極１２０（第２の電極）を有して構成される。そして、該振動子セル１００を具備して構成される振動子ユニット３２は、振動子セル１００の上部電極１２０を含む弾性を有する膜状の構造体であるメンブレン１００ａ（振動膜）の振動により、超音波を送受信するものである。
【００３２】
第１絶縁膜１０２上には、上方から見て略円形状に、導電層である下部電極１１０が形成されている。下部電極１１０は、Ｍｏ（モリブデン）をスパッタリングにより成膜しパターニングすることで形成される。
【００３３】
積層構造の下層部であり、かつシリコン酸化膜上に形成される下部電極１１０を構成する材料は、Ｍｏ以外に、例えばＷ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）等の高融点金属やその合金であることが望ましいが、その後の製造工程で高温の熱処理を避けることができるのであれば、材料はこれに限定されるものではなく、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）等であってもよい。また、下部電極１１０は２種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。
【００３４】
なお、図示しないが、同一の振動子ユニット３２内の全ての下部電極１１０は、ウェハ貫通電極を介して、シリコン基板１０１の裏面に形成された信号電極パッドに電気的に接続されている。
【００３５】
上記下部電極１１０上には、該下部電極１１０に所定の距離だけ離間して略平行に対向する上部電極１２０が形成されている。上部電極１２０は、上方から見て略円形状にパターニングされた導電層であり、上方から見て下部電極１１０と略同心上に設けられている。本実施形態では、上部電極１２０は、Ａｌをスパッタリングにより成膜しパターニングすることで形成される。
【００３６】
上部電極１２０を構成する材料は、Ａｌ以外に、例えばＣｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ等の導電性を有するものであればよい。また、上部電極１２０は２種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。
【００３７】
なお、図示しないが、同一の振動子ユニット３２内の全ての上部電極１２０は、導電性のシリコン基板１０１を介して、シリコン基板１０１の裏面に形成された接地電極パッドに電気的に接続されている。
【００３８】
上記一対の平行平板電極である下部電極１１０及び上部電極１２０の間には、電気絶縁性を有する第２絶縁膜１０３、第３絶縁膜１０４、第４絶縁膜１０５及び第５絶縁膜１０６が形成されている。
【００３９】
この第２絶縁膜１０３、第３絶縁膜１０４、第４絶縁膜１０５及び第５絶縁膜１０６は、本実施形態においてはシシリコン窒化膜であり、プラズマＣＶＤ法等により成膜される。なお、これらの絶縁膜は、シリコン酸化膜、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、ハフニウム酸窒化物（ＨｆＯＮ）等他の材料及び他のプロセスにより形成された絶縁膜であってもよい。
【００４０】
ここで、詳しくは後述するが、第３絶縁膜１０４及び第４絶縁膜１０５の下部電極１１０及び上部電極１２０により挟持された領域には、第３絶縁膜１０４及び第４絶縁膜１０５を厚さ方向に貫通する大気圧、加圧又は減圧状態の密閉された空隙層であるキャビティ１３０が形成されている。ここで、減圧状態とは、大気圧よりも圧力が低い状態を指し、いわゆる真空状態も含むものである。キャビティ１３０は、略円柱形状を有し、上方から見て下部電極１１０と略同心上に設けられている。
【００４１】
すなわち、空隙部であるキャビティ１３０を介して互いに対向する下部電極１１０及び上部電極１２０は、下部電極１１０上に形成された第２絶縁膜１０３と、上部電極１２０の下層側に形成された第５絶縁膜１０６とによって電気的に絶縁される。また、言い換えれば、下部電極１１０にキャビティ１３０を介して対向する上部電極１２０は、第５絶縁膜１０６により支持されている。
【００４２】
また、上部電極１２０上には、振動子ユニット３２の上面部全体を被覆するように、耐水性、耐薬品性等を有し、生体適合性及び電気絶縁性に優れたパラキシリレン系樹脂等からなる保護膜１０７が形成されている。
【００４３】
ここで、上述した構成を有する振動子セル１００においては、第５絶縁膜１０６、上部電極１２０及び保護膜１０７のうちの、キャビティ１３０上の領域に当たる部位が振動膜であるメンブレン１００ａを構成するのであり、またキャビティ１３０は、メンブレン１００ａが振動するための空隙層を構成している。
【００４４】
上述した振動子セル１００を複数具備して構成される振動子ユニット３２は、例えば半田接合、異方性導電フィルム接合、超音波接合等の公知の工法によりＦＰＣ３５上に実装される。これにより、上述した振動子エレメント３３の振動子セル１００は、信号電極パッド３８及び接地電極パッド３９を介して、ＦＰＣ３５の反対側に実装された駆動回路３４に電気的に接続される。
【００４５】
そして、振動子セル１００の送信時においては、一対の電極である下部電極１１０及び上部電極１２０間に所定の周波数の電圧信号が印加されることにより発生する、両電極間の静電引力の変化によってメンブレン１００ａが振動し、超音波が送信される。一方、振動子セル１００の受信時においては、受信超音波によるメンブレン１００ａの振動に伴う、下部電極１１０及び上部電極１２０間の静電容量の変化から超音波信号を電気信号に変換する。
【００４６】
本実施形態の超音波診断装置である超音波内視鏡１は、振動子セル１００による超音波の送信時及び受信時において、任意の値のＤＣバイアス電圧を、振動子セル１００の下部電極１１０及び上部電極１２０間に印加することが可能な構成を有する。
【００４７】
次に、本実施形態の振動子セル１００のキャビティ１３０の詳細な構成について以下に説明する。
【００４８】
キャビティ１３０は、本実施形態では、公知の技術である犠牲層エッチングにより形成されるものであり、犠牲層エッチング時に使用されるキャビティ１３０内と第５絶縁膜１０６の上層側とを連通するための犠牲層除去孔は、図示しないプラグにより封止されている。なお、キャビティ１３０は、以下に説明する形状を有するものであれば、異なる方式、例えば機械的もしくは化学的な微細加工後のウェハ同士を接合する方法で形成されるものであってもよい。
【００４９】
本実施形態のキャビティ１３０は、上方、すなわち超音波の送信側から見て、直径Ｄ１、深さｔ１である略円柱形状の穴部である第１の空隙部１３１と、該第１の空隙部１３１の底面部１３１ａに、第１の空隙部１３１と同心上に形成された直径Ｄ２、深さｔ２である略円柱形状の穴部である第２の空隙部１３２とが上下方向に連設されることにより構成されている。ここで、第１の空隙部１３１の直径Ｄ１は、第２の空隙部１３２の直径Ｄ２よりも大きく、すなわち、キャビティ１３０は、下方に向かうにつれて開口径が階段状に小さくなる、いわゆる段付きの円柱形状の空隙部である。
【００５０】
なお、上記形状を有するキャビティ１３０の形成方法については、半導体プロセスにより行われる周知のものであるため、その説明は省略して以下に簡単に説明するものとする。本実施形態では、まず、第２絶縁膜１０３上に、厚さｔ２で第３絶縁膜１０４を形成し、フォトリソグラフィによるパターニングにより、該第３絶縁膜１０４の下部電極１１０上となる領域に、該第３絶縁膜１０４を貫通する直径Ｄ２の貫通孔を形成する。
【００５１】
そして、第３絶縁膜１０４上に、厚さｔ１で第４絶縁膜１０５を形成し、フォトリソグラフィによるパターニングにより、該第４絶縁膜１０５の下部電極１１０上となる領域に、該第４絶縁膜１０５を貫通する直径Ｄ１の貫通孔を形成する。以上により直径Ｄ１及び直径Ｄ２の２つの開口径を有する段付きの穴部が、第４絶縁膜１０５及び第３絶縁膜１０４の下部電極１１０上となる領域において形成される。
【００５２】
次に、上記段付きの穴部を埋めるようにＰＳＧ（リンガラス）からなる犠牲層を形成し、第４絶縁膜１０５及び該犠牲層の上面を平面状とする。そして、第４絶縁膜１０５及び犠牲層の上面に、第５絶縁膜１０６及び上部電極１２０を形成した後に、犠牲層除去孔を介して犠牲層をエッチングにより除去することにより、上記段付きの穴部がキャビティ１３０となるのである。
【００５３】
なお、本実施形態では、直径Ｄ１及び直径Ｄ２の２つの円柱形状部を有する段付きの穴部を形成するために、厚さｔ２の第３絶縁膜１０４及び厚さｔ１の第４絶縁膜にそれぞれ直径Ｄ１及び直径Ｄ２の貫通孔を形成しているが、エッチングの深さを制御することにより、厚さｔ１＋ｔ２の単一の絶縁膜に直径Ｄ１及び直径Ｄ２の２つの円柱形状部を有する段付きの穴部を形成する方法も使用可能であることは言うまでもない。
【００５４】
ここで、詳しくは後述するが、直径Ｄ１及び直径Ｄ２の値は、メンブレン１００ａ振動の基本周波数が所定の２種類の周波数の超音波を送受信するのに適した値となるように設定されている。振動膜であるメンブレン１００ａが振動することにより送受信される超音波の周波数は、直径、密度、弾性定数等により決定されるものであるから、上記直径Ｄ１及び直径Ｄ２の値の算出は公知の技術により可能である。以下、振動子セル１００が送受信する２種類の周波数の超音波を、第１の周波数ｆ１の超音波と、該第１の周波数よりも高い値の第２の周波数ｆ２の超音波とする。
【００５５】
本実施形態の超音波内視鏡１は、振動子セル１００による超音波の送信時及び受信時において、所定の値の直流電圧であるＤＣバイアス電圧を、振動子セル１００の下部電極１１０及び上部電極１２０間に印加する。この一対の電極である下部電極１００及び上部電極１２０間に印加されるＤＣバイアス電圧は、振動子セル１００が送信する超音波の周波数又は受信する超音波の周波数に応じてその値が変更される。
【００５６】
本実施形態では、ＤＣバイアス電圧の値は、所定の２種類の電圧値である、第１の電圧値Ｖ１及び第２の電圧値Ｖ２のいずれかとされる。ＤＣバイアス電圧の第１の電圧値Ｖ１の絶対値は、第２の電圧値Ｖ２の絶対値よりも低い値を有する。
【００５７】
具体的には、ＤＣバイアス電圧の第１の電圧値Ｖ１は、超音波の送受信時に振動するメンブレン１００ａのキャビティ１３０側の表面が、キャビティ１３０の第１の空隙部１３１の底面部１３１ａ上に接触しない条件で設定されている。
【００５８】
一方、ＤＣバイアス電圧の第２の電圧値Ｖ２は、超音波の送受信時に振動するメンブレン１００ａのキャビティ１３０側の表面が、図６に示すように、キャビティ１３０の第１の空隙部１３１の底面部１３１ａの最も直径の小さい部位上に接触したまま離間することのない条件で設定されている。ここで、第１の空隙部１３１の底面部１３１ａの最も直径の小さい部位とは、底面部１３１ａと第２の空隙部１３２の側面部とが交差する角部１３１ｂのことを指す。
【００５９】
上述した構成を有する、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル１００は、所定の２種類の周波数の超音波である、第１の周波数ｆ１及び第２の周波数ｆ２の超音波の送信又は受信の少なくとも一方を可能に構成されたものである。この振動子セル１００の動作を以下に説明する。
【００６０】
まず、ｃ−ＭＵＴと称される静電容量型の超音波トランスデューサである振動子セル１００の基本的な動作を説明する。振動子セル１００による超音波の送信時においては、下部電極１１０及び上部電極１２０間に電圧が印加されることにより下部電極１１０及び上部電極１２０間に静電引力が生じ、メンブレン１００ａは下部電極１１０の方向へ引っ張られて弾性変形する。そして、下部電極１１０及び上部電極１２０間の電圧を低下させると、メンブレン１００ａは弾性力により下部電極１１０から遠ざかる方向へ復元する。すなわち、下部電極１１０及び上部電極１２０間にパルス状の電圧信号が印加されることによりメンブレン１００ａが振動し、超音波がメンブレン１００ａの上方向へ送信される。
【００６１】
一方、振動子セル１００による超音波の受信時においては、予め所定の値のＤＣバイアス電圧を下部電極１１０及び上部電極１２０間に印加しておく。そして、超音波がメンブレン１００ａに到達することによるメンブレン１００ａの振動を、下部電極１１０及び上部電極１２０間の静電容量の変化に基づいて電気信号に変換することにより、超音波の受信が行われる。
【００６２】
次に、本実施形態における振動子セル１００の動作の詳細を説明する。上述したように、本実施形態の超音波内視鏡１は、振動子セル１００による超音波の送信時及び受信時において、所定の値のＤＣバイアス電圧を、振動子セル１００の下部電極１１０及び上部電極１２０間に印加する。そして、振動子セル１００により第１の周波数ｆ１の超音波の送信又は受信の少なくとも一方を行う場合には、ＤＣバイアス電圧は第１の電圧値Ｖ１とされ、振動子セル１００により第２の周波数ｆ２の超音波の送信又は受信の少なくとも一方を行う場合には、ＤＣバイアス電圧は第２の電圧値Ｖ２とされる。
【００６３】
すなわち、本実施形態において、第１の周波数ｆ１の超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合には、メンブレン１００ａが振動する領域の直径はＤ１となる。
【００６４】
一方、第２の周波数ｆ２の超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合には、下部電極１１０及び上部電極１２０間に第２の電圧値Ｖ２のＤＣバイアス電圧が印加され、図６に示すようにメンブレン１００ａは第１の空隙部１３１の底面部１３１ａ上に常に接触した状態となり、メンブレン１００ａが振動する領域の直径はＤ２となる。
【００６５】
言い換えれば、本実施形態の振動子セル１００は、超音波の送信方向に配列された複数の異なる種類の形状の空隙部（第１の空隙部１３１及び第２の空隙部１３２）からなるキャビティ１３０を具備しており、ＤＣバイアス電圧値の変化に応じて選択される前記複数の空隙部のうちの少なくとも一つの種類の形状の空隙部においてメンブレン１００ａを振動させる構成を有する。
【００６６】
以下に、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル１００の効果を説明する。
【００６７】
本実施形態の振動子セル１００は、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合に、ＤＣバイアス電圧の値を第１の電圧値Ｖ１又は第２の電圧値Ｖ２とすることにより、メンブレン１００ａの振動する領域の直径をＤ１又はＤ２に変化させることが可能である。ここで、直径Ｄ１及びＤ２の値は、該値の直径のメンブレン１００ａが振動した場合に、第１の周波数ｆ１の超音波及び第２の周波数ｆ２の超音波を送受信するのに適した値とされている。
【００６８】
よって、本実施形態の振動子セル１００は、ＤＣバイアス電圧の値が第１の電圧値Ｖ１である場合には、第１の周波数ｆ１の超音波の送受信を行うことが可能であり、ＤＣバイアス電圧の値が第２の電圧値Ｖ２である場合には、第２の周波数ｆ２の超音波の送受信を行うことが可能である。
【００６９】
従来であれば、複数の異なる周波数の超音波の送受信を行うためには、それぞれの周波数に対応してメンブレンの直径等の特性を異ならせた複数種類の振動子セルを設ける必要があった。しかしながら、本実施形態によれば、単一の振動子セル１００により複数の異なる周波数の超音波の送受信を行うことが可能である。
【００７０】
このため、本実施形態によれば、より広い帯域の超音波の送信及び受信の少なくとも一方が可能でありながら、複数種類の特性の振動子セルを設ける必要がないため、小型かつ送信強度及び受信感度の高い超音波トランスデューサを提供することが可能となるのである。
【００７１】
また、上述したような振動子セル１００を具備して構成される診断装置である超音波内視鏡１は、超音波送受部３０の径を大きくすることなく、複数の異なる周波数の超音波について十分な送信強度及び受信感度を有して被検体の診断を行うことが可能となる。
【００７２】
このため本実施形態の超音波内視鏡１は、例えば、被検体内について広い範囲の検査を行いたい場合、すなわち超音波送受部３０からより離れた領域からのエコー信号を得たい場合には、より遠くまで到達する低い周波数の超音波を送受信して診断を行い、一方、被検体内についてより高解像度で検査を行いたい場合には、高い分解能を得ることが可能な高い周波数の超音波を送受信するように切替えて診断を行うといった、より柔軟な対応力の高い診断を実現することが可能である。
【００７３】
なお、上述した本実施形態においては、振動子セル１００により送受信可能な超音波の周波数である、第１の周波数ｆ１と、該第１の周波数よりも高い周波数である第２の周波数ｆ２との関係を明記していないが、本実施形態の第１の変形例として、第２の周波数ｆ２の値が、第１の周波数ｆ１の値の整数倍に近似するように、直径Ｄ１及びＤ２の値を設定した構成を挙げることが可能である。すなわち、該第１の変形例において第２の周波数ｆ２の超音波は、第１の周波数ｆ１の超音波の倍音となる。
【００７４】
そして、振動子セル１００によって超音波の送信時には第１の電圧値Ｖ１のＤＣバイアス電圧を印加した状態において第１の周波数ｆ１の超音波が被検体内へ送信され、超音波の受信時には第２の電圧値Ｖ２のＤＣバイアス電圧を印加した状態において第２の周波数ｆ２の超音波が受信されるように構成する。
【００７５】
このような構成を具備する本変形例の超音波診断装置によれば、被検体内に送信する超音波（基本波）の周波数の整数倍の周波数を有する高調波成分を感度良く検出することが可能であり、該高調波成分を映像化することにより、いわゆるハーモニックイメージングを実現できる。
【００７６】
また、上述した本実施形態においては、振動子セル１００のキャビティ１３０を、異なる直径の第１の空隙部１３１及び第２の空隙部１３２により構成された、１つの段差を有する段付き穴として説明しているが、本発明はこの形態に限られるものではない。
【００７７】
上述した本実実施形態のキャビティ１３０の構成を異ならせた、第２の変形例を図７に示す。図７に示すように、本変形例の振動子セル１００のキャビティ１４０は、メンブレン１００ａから遠ざかるほどに径が小さくなる２つ以上の段差を有する段付き穴であってもよい。言い換えれば、本変形例のキャビティ１４０は、超音波の送信方向に向かって拡開する段付きの穴部である。
【００７８】
より具体的には、キャビティ１４０は、下部電極１１０上に形成され上部電極１２０を含むメンブレン１００ａを支持する絶縁膜１０８に形成された穴部である。キャビティ１４０は、上方、すなわち超音波の送信側から見て、直径Ｄ１、深さｔ１の略円形の穴部である第１の空隙部１３１と、該第１の空隙部１３１の底面部１３１ａに形成された直径Ｄ２、深さｔ２の略円形の穴部である第２の空隙部１３２と、該該第２の空隙部１３２の底面部１３２ａに形成された直径Ｄ３、深さｔ３の略円形の穴部である第３の空隙部１３３とにより構成されている。
【００７９】
ここで、上記第１の空隙部１３１、第２の空隙部１３２及び第３の空隙部１３３は、上方から見て略同心上に形成されている。また、第１の空隙部１３１の直径Ｄ１は、第２の空隙部１３２の直径Ｄ２よりも大きく、第２の空隙部１３２の直径Ｄ２は、第３の空隙部１３３の直径Ｄ３よりも大きい。すなわち、キャビティ１４０は、下方に向かうにつれて開口径が階段状に小さくなる、いわゆる段付き穴形状の空隙部である。また、上記第３の空隙部１３３の直径Ｄ３は、メンブレン１００ａが、直径Ｄ３の領域で振動した場合に、第２の周波数ｆ２よりも高い周波数である第３の周波数ｆ３の超音波を送受信するのに対応した値とされる。
【００８０】
このように構成された本変形例の振動子セル１００においては、上述した実施形態と同様に、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合に、ＤＣバイアス電圧は、振動子セル１００が送信する超音波の周波数又は受信する超音波の周波数に応じてその値が変更される。そして、このＤＣバイアス電圧の値に応じて、メンブレン１００ａが振動するための空隙部がキャビティを構成する複数の空隙部の中から選択される。
【００８１】
具体的には、本変形例では、ＤＣバイアス電圧の値は、電圧値Ｖ１、電圧値Ｖ２及び電圧値Ｖ３のうちのいずれかが選択さる。ここで、電圧値Ｖ１は、メンブレン１００ａが第１の空隙部１３１の底面部１３１ａ上に接触しない電圧値であり、電圧値Ｖ２は、メンブレン１００ａが、第１の空隙部１３１の底面部１３１ａの最も直径の小さい部位上に接触したまま離間せず、かつメンブレン１００ａが第２の空隙部１３２の底面部１３２ａ上に接触しない電圧値である。そして、電圧値Ｖ３は、メンブレン１００ａが、第２の空隙部１３２の底面部１３２ａの最も直径の小さい部位上に接触したまま離間しない電圧値である。
【００８２】
すなわち、本変形例では、下部電極１１０及び上部電極１２０間に印加するＤＣバイアス電圧を上述した電圧値Ｖ１、電圧値Ｖ２、電圧値Ｖ３と変化させることにより、メンブレン１００ａが振動する領域の直径は、直径Ｄ１、直径Ｄ２、直径Ｄ３と段階的に小さくなる。
【００８３】
したがって、本変形例によれば、単一の振動子セル１００により、３種類の異なる周波数の超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うことができ、上述した実施形態より広い帯域の周波数で超音波を送受信することが可能となる。
【００８４】
なお、本変形例ではキャビティ１４０は、径の異なる３つの空隙部により構成された２段の段付き穴であるが、キャビティ１４０は３段以上の段差を有し、ＤＣバイアス電圧は、それぞれの段差上にメンブレン１００ａが接触する値となるように構成される形態であってもよい。
【００８５】
また、このような技術的思想に基づけば、キャビティの段差の数をさらに増加させた場合、すなわち、図８に本実施形態の第３の変形例として示すような、キャビティ１５０が、超音波の送信方向（上方向）に拡開するテーパ状の穴部として構成される形態もまた、本発明に含まれるものである。このようなテーパ状のキャビティ１５０は、例えば公知のグレーマスクを用いたフォトリソグラフィにより形成可能である。
【００８６】
図８に示す本変形例では、下部電極１１０及び上部電極１２０間に印加するＤＣバイアス電圧の値を変更して下部電極１１０及び上部電極１２０間の静電引力を変化させることにより、下部電極１１０とメンブレン１００ａとの距離を制御することで、メンブレン１００ａが振動する領域の直径を任意に選択することが可能となる。
【００８７】
したがって、本変形例によれば、単一の振動子セル１００により、任意の周波数の超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うことができ、上述した実施形態より広い帯域の周波数で超音波を送受信することが可能となる。
【００８８】
以上に説明した各形態においては、下部電極及び上部電極の間に介装される空洞部であるキャビティは、その側面部を段付き形状とする又はテーパ状とすることにより、上方（上部電極側）から見たときの空洞部の断面積が上方へ向かうほど大きくなるように構成されたものである。
【００８９】
そして、上部電極を支持するメンブレンが、下部電極及び上部電極に印加されるＤＣバイアス電圧の値に対応して下部電極に近づく方向へ弾性変形することにより、該メンブレンの周辺部がキャビティの段付き形状の上面部又はテーパ状の側面部に接触し、結果、メンブレンが振動可能な領域の面積が変化する。
【００９０】
すなわち、本発明に係る振動子セルは、メンブレンが下部電極側へ静電引力により引きつけられて所定量だけ弾性変形した場合に、メンブレンの振動可能な領域の断面積が所定量だけ変化する構成を有するものであり、上述した形態のみに限られるものではない。そのさらに別の変形例を、第４の変形例及び第５の変形例として、それぞれ図９及び図１０を参照して説明する。
【００９１】
まず、本実施形態の第４の変形例では、図９に示すように、下部電極１１０上に形成され上部電極１２０を含むメンブレン１００ａを支持する絶縁膜１０８に、直径Ｄ１、深さｔ１＋ｔ２の円柱形状の穴部１６３が形成され、該穴部１６３の底面部である第２絶縁膜１０３の上面１６３ａ上には内径Ｄ１、高さｔ２の略環状の凸部１６４が凸設される。
【００９２】
このような構成を有する本変形例のキャビティ１６０は、上方から見て直径Ｄ１、深さｔ１の穴部である第１の空隙部１６１と、該第１の空隙部の下方に形成された、略環状の凸部１６４に囲まれた領域である直径Ｄ２、深さｔ２の穴部である第２の空隙部１６２とにより構成される。
【００９３】
すなわち、本変形例では、略環状の凸部１６４の上面部１６４ａが、図５に示した実施形態における第１の空隙部１３１の底面部１３１ａに相当するのであり、したがって、本変形例の振動子セルは、上述した実施形態と同様の効果を有するものである。
【００９４】
なお、直径及び高さがそれぞれ異なる複数の略環状の凸部を、上方から見て同心上に第２絶縁膜１０３の上面１６３ａ上に設ける構成とすれば、図７に示した第２の変形例と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００９５】
また、本実施形態の第５の変形例では、図１０に示すように、下部電極１１０上に形成され上部電極１２０を含むメンブレン１００ａを支持する絶縁膜１０８に、直径Ｄ１、深さｔ１＋ｔ２の円柱形状の穴部１７３が形成される。そして、メンブレン１００ａの下面すなわち、メンブレン１００ａの下部電極１１０に対向する側の表面に、内径Ｄ２、高さｔ２の略環状の凸部１７４が下方に向けて凸設される。
【００９６】
このような構成を有する本変形例のキャビティ１７０は、上方から見て直径Ｄ１、深さｔ１の穴部である第１の空隙部１７１と、該第１の空隙部の上方に形成された、略環状の凸部１７４に囲まれた領域である直径Ｄ２、深さｔ２の穴部である第２の空隙部１７２とにより構成される。すなわち、本変形例におけるキャビティ１７０は、上方向から見た場合に異なる断面積を有する複数の空隙部が積層されて構成され、かつこの複数の空隙部の断面積は上部電極１２０側であるほど小さいものとされている。
【００９７】
そして、本変形例の振動子セルにおいては、上述した実施形態と同様に、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合に、ＤＣバイアス電圧は、振動子セル１００が送信する超音波の周波数又は受信する超音波の周波数に応じてその値が変更される。
【００９８】
具体的には、本変形例では、ＤＣバイアス電圧の値は、電圧値Ｖ１及び電圧値Ｖ２のいずれかが選択される。ここで、電圧値Ｖ１は、メンブレン１００ａから下方に凸設された略環状の凸部１７４が穴部１７３の底面部に接触しない電圧値であり、電圧値Ｖ２は、略環状の凸部１７４が穴部１７３の底面部に接触したまま離間しない電圧値である。
【００９９】
したがって、本変形例では、ＤＣバイアス電圧を電圧値Ｖ１とした場合には、メンブレン１００ａが振動する領域の直径はＤ１となり、ＤＣバイアス電圧を電圧値Ｖ２とした場合には、メンブレン１００ａが振動する領域の直径はＤ２となる。よって、本変形例の振動子セルは、上述した実施形態と同様の作用及び効果を有するものである。
【０１００】
また、上述した実施形態において、図６に示すように第２の電圧値Ｖ２のＤＣバイアス電圧が印加された場合において、メンブレン１００ａは底面部１３１ａの全面に接触するのではなく、メンブレン１００ａの外周側と底面部１３１ａの外周側との間には隙間１３９が生じる。このような隙間１３９が存在すると、メンブレン１００ａを振動させて超音波を送信する際に、メンブレン１００ａの該隙間１３９に面している領域も振動してしまう。このため、送信される超音波とは異なる不要な周波数の超音波が発生してしまうことが考えられる。
【０１０１】
このようなメンブレン１００ａの外周部と底面部１３１ａとの間に隙間１３９が生じてしまうことを防ぐために、例えば図１１に示すように、第１の空隙部１３１の側面部をテーパ状とし、第２の電圧値Ｖ２のＤＣバイアス電圧が印加された場合には、メンブレン１００ａが第１の空隙部１３１の側面部及び底面部１３１ａに隙間なく接触するように構成してもよい。また、例えば図１２に示すように、メンブレン１００ａの外周部を薄く形成し、外周部においてメンブレン１００ａの変形量が大きくなるように構成することで、第２の電圧値Ｖ２のＤＣバイアス電圧が印加された場合には、メンブレン１００ａが第１の空隙部１３１の側面部及び底面部１３１ａに隙間なく接触するようにしてもよい。
【０１０２】
このように、本実施形態の振動子セル１００を、第２の電圧値Ｖ２のＤＣバイアス電圧が印加された場合に、メンブレン１００ａが第１の空隙部１３１の側面部及び底面部１３１ａに隙間なく接触するように構成することにより、不要な周波数の超音波の発生を防止し、ノイズのない超音波を送信することが可能となる。
【０１０３】
なお、上述した構成では、下部電極１１０、上部電極１２０及びキャビティ１３０は、上方から見て略円形状を有するものであるが、これらの形状は本実施形態に限るものではなく、例えば正八角形、正六角形、平行四辺形等の多角形状やその他の形状であってもよい。また、メンブレン１００ａ及びキャビティ１３０の寸法は、観察時に使用する超音波の波長や出力により決定されるものである。
【０１０４】
なお、本実施形態の振動子ユニットは、導電性のシリコン基板１０１を基材として構成されているものであるが、振動子ユニットは、電気絶縁性を有する石英、サファイヤ、水晶、アルミナ、ジルコニア、ガラス、樹脂等の絶縁性材料により構成された基材上に形成されるものであってもよい。
【０１０５】
また、本実施形態の超音波内視鏡は、電子式のラジアル走査を行うものとして説明しているが、走査方式はこれに限られるものではなく、リニア走査、コンベックス走査、機械式走査等を採用したものであってもよい。また、振動子アレイを複数の振動子エレメントを２次元に配列した２次元アレイとしたものであってもよいし、振動子エレメントをアレイ状に配列した形態のみでなく、単一の振動子エレメントを用いた形態であってもよい。
【０１０６】
また、本実施形態の超音波診断装置は、光学観察窓を具備しない超音波プローブ型のものであってもよいし、カプセル型の超音波内視鏡でもよい。また、超音波診断装置は、被検体の体表面上から体腔内に向けて超音波走査を行ういわゆる体外式の超音波診断装置であってもよい。また、超音波診断装置は、工業分野において用いられる非破壊検査装置や非破壊探傷装置であってもよい。
【０１０７】
（第２の実施形態）  
以下、本発明の第２の実施形態について、図１３及び１４を参照して説明する。図１３は第２の実施形態に係る振動子セルの上面図である。図１４は図１３のXIV-XIV断面図である。
【０１０８】
第２の実施形態では、第１の実施形態の構成に対し、振動子セルのキャビティの構成のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。
【０１０９】
本実施形態の振動子セル２００は、図１３に示すように上方向、すなわち超音波の送信側から見て略円形である。そして、図１４に示すように、本実施形態の振動子セル２００は、第１の実施形態と同様に、穴部であるキャビティ２３０を介して対向する一対の平行平板電極である、下部電極１１０（第１の電極）及び上部電極１２０（第２の電極）を有して構成される。上部電極１２０は、振動膜であるメンブレン１００ａにより支持されており、キャビティ２３０は、下部電極１１０とメンブレン１００ａとの間に介装された絶縁膜１０８に形成された空隙部である。
【０１１０】
本実施形態のキャビティ２３０は、メンブレン１００ａに接して形成された直径Ｄ４、深さｔ４の略円柱形状の穴部である第１の空隙部２３１と、該第１の空隙部２３１の底面部２３１ａに形成された直径Ｄ５、深さｔ５の略円柱形状の穴部である複数の第２の空隙部２３２とにより構成されている。本実施形態では４つの第２の空隙部２３２が、上方から見て円形の第１の空隙部２３１の底面部２３１ａに、周方向に等配されて形成されている。
【０１１１】
すなわち、本実施形態のキャビティ２３０は、上方から見た場合に異なる断面積を有する第１の空隙部２３１と第２の空隙部２３２とが、厚さ方向に積層されて構成されるものであって、前記第２の空隙部は、前記第１の空隙部２３１の底面部２３１ａに複数形成されるものである。
【０１１２】
そして、第１の実施形態と同様に、本実施形態において、一対の電極である下部電極１００及び上部電極１２０間に印加されるＤＣバイアス電圧は、振動子セル２００が送信する超音波の周波数又は受信する超音波の周波数に応じてその値が変更される。
【０１１３】
本実施形態では、ＤＣバイアス電圧の値は、所定の２種類の電圧値である、第１の電圧値Ｖ４及び第２の電圧値Ｖ５のいずれかとされる。ＤＣバイアス電圧の第１の電圧値Ｖ４の絶対値は、第２の電圧値Ｖ５の絶対値よりも低い値を有する。
【０１１４】
具体的には、ＤＣバイアス電圧の第１の電圧値Ｖ４は、超音波の送受信時に振動するメンブレン１００ａのキャビティ２３０側の表面が、キャビティ２３０の第１の空隙部２３１の底面部２３１ａ上に接触しない条件で設定されている。
【０１１５】
一方、ＤＣバイアス電圧の第２の電圧値Ｖ５は、上方から見て少なくとも前記複数の第２の空隙部２３２の全てに外接する円よりも内側の領域において、メンブレン１００ａが第１の空隙部２３１の底面部２３１ａ上に接触したまま離間することのない条件で設定されている。
【０１１６】
以上のような構成を有する、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル２００においては、第１の電圧値Ｖ４のＤＣバイアス電圧が印加されている場合には、メンブレン１００ａが振動する領域の直径はＤ４となる。
【０１１７】
一方、第２の電圧値Ｖ５のＤＣバイアス電圧が印加されている場合には、メンブレン１００ａが振動する領域の直径はＤ５となる。そして、この第２の電圧値Ｖ５のＤＣバイアス電圧が印加されている場合において、メンブレン１００ａが振動する直径Ｄ５の領域は、単一の振動子セル２００につき４箇所存在する。
【０１１８】
したがって、このような構成を有する本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル２００は、ＤＣバイアス電圧の電圧値に応じて２種類の異なる周波数の超音波の送信又は受信の少なくとも一方が可能である。
【０１１９】
具体的には、第１の電圧値Ｖ４のＤＣバイアス電圧が印加されている場合には、直径Ｄ４の領域におけるメンブレン１００ａの振動に対応した第１の周波数ｆ４の超音波の送信及び受信の少なくとも一方が可能となる。また、第２の電圧値Ｖ５のＤＣバイアス電圧が印加されている場合には、直径Ｄ５の領域におけるメンブレン１００ａの振動に対応した第２の周波数ｆ５の超音波の送信及び受信の少なくとも一方が可能となる。
【０１２０】
よって、以上のように構成された本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル２００によれば、単一の振動子セル２００により複数の異なる周波数の超音波の送受信を行うことが可能である。
【０１２１】
このため、本実施形態によれば、より広い帯域の超音波の送信及び受信の少なくとも一方が可能でありながら、複数種類の特性の振動子セルを設ける必要がないため、小型かつ送信強度及び受信感度の高い超音波トランスデューサを提供することが可能となるのである。
【０１２２】
また、本実施形態では、複数の第２の空隙部２３２が第１の空隙部２３１の底面部２３１ａに形成されていることにより、単一の振動子セル２００について着目すれば、第２の周波数ｆ５の超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合においてメンブレン１００ａが振動する領域は、複数存在する。
【０１２３】
このため、本実施形態によれば、減衰しやすい周波数の高い超音波の送信強度及び受信感度を、第１の実施形態よりも向上させることが可能となる。
【０１２４】
なお、第１の空隙部２３１の底面部２３１ａに形成される第２の空隙部２３２は、複数の異なる直径を有するものとして、第２の電圧値Ｖ５のＤＣバイアス電圧が印加されている場合には、複数種類の異なる周波数の超音波の送受信を同時に実行することが可能な構成であってもよい。
【０１２５】
また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、第２の空隙部２３２の底面部にさらに第２の空隙部よりも直径の小さい空隙部を形成し、ＤＣバイアス電圧を３段階に変化させることで複数種類の異なる周波数の超音波の送受信を可能とする構成であってもよい。
【０１２６】
（第３の実施形態）  
以下、本発明の第３の実施形態について、図１５を参照して説明する。第３の実施形態は、上述した本発明の超音波トランスデューサを、超音波顕微鏡に適用したものである。図１５は、本実施形態の超音波顕微鏡の構成を説明する図である。
【０１２７】
超音波顕微鏡３００は、高周波発振器３０１で発生した高周波信号を、サーキュレータ３０２を介して本発明に係る超音波トランスデューサ３０３に印加し、超音波に変換する。この超音波を音響レンズ３０４で収束し、その収束点には試料３０５を配置する。試料３０５はサンプルホルダー３０６により保持され、試料３０５と音響レンズ３０４のレンズ面との間には水等のカプラ３０７が充填される。試料３０５からの反射波は音響レンズ３０４を介してトランスデューサ３０３により受信され、電気的な反射信号に変換される。超音波トランスデューサ３０３から出力される受信超音波に対応した電気信号は、サーキュレータ３０２を介して表示装置３０８へ入力される。サンプルホルダー３０６は走査回路３０９により制御される走査装置３１０により水平面内をＸＹの２軸方向に駆動される。
【０１２８】
以上のように構成された超音波顕微鏡３００は、超音波を試料３０５に照射して試料３０５の音響的特性を評価することにより、試料３０５の弾性的性質を定量化したり、薄膜の構造を評価することが可能である。
【０１２９】
上述した実施形態に基づいて、以下の構成を提案することができる。すなわち、  
（付記１）  
静電容量型の超音波トランスデューサにおいて、  
該超音波トランスデューサは、多数の振動子セルから構成され、振動子セルは、少なくとも誘電膜及び上部電極からなる振動膜（メンブレン）と、振動膜に接した空隙部と、空隙部を挟み振動膜と対向する位置にある下部電極とから構成され、  
空隙部により決まる静電ギャップがキャビティ外周部付近で狭くなっていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
【０１３０】
（付記２）  
付記１に記載の前記超音波トランスデューサは、マイクロマシンプロセスを用いた静電容量型の超音波トランスデューサ（ｃ−ＭＵＴ）であることを特徴とする。
【０１３１】
（付記３）  
付記１又は２に記載の前記超音波トランスデューサは、前記キャビティ外周部付近に段差を設けたことを特徴とする。
【０１３２】
（付記４）  
付記１から３のいずれかに記載の前記超音波トランスデューサは、前記キャビティ外周部付近に傾斜を設けたことを特徴とする。
【０１３３】
（付記５）  
付記１から４のいずれかに記載の前記超音波トランスデューサは、駆動電圧（ＤＣバイアス電圧）を可変としたことを特徴とする。
【０１３４】
（付記６）  
付記３に記載の前記超音波トランスデューサは、膜を複数積層することにより前記キャビティ外周部の段差を形成したことを特徴とする。
【０１３５】
（付記７）  
付記４に記載の前記超音波トランスデューサは、グレーマスクにより前記キャビティ外周部の傾斜を形成したことを特徴とする。
【０１３６】
（付記８）  
付記１から７のいずれかに記載の前記超音波トランスデューサは、前記キャビティの上方向から見た場合に、異なる断面積を有する複数の空隙部が積層されて構成されることを特徴とする。
【０１３７】
（付記９）  
付記８に記載の前記複数の空隙部は、前記上部電極側であるほど大きい断面積を有することを特徴とする。
【０１３８】
（付記１０）  
付記８に記載の前記複数の空隙部は、前記上部電極側であるほど小さい断面積を有することを特徴とする。
【０１３９】
（付記１１）  
付記１から１０のいずれかに記載の前記超音波トランスデューサは、前記駆動電圧に応じて、前記振動膜の振動する領域が変化するように構成されたものであることを特徴とする。
【０１４０】
（付記１２）  
付記１１に記載の前記超音波トランスデューサは、前記上部電極及び前記下部電極間に供給されるＤＣバイアス電圧の絶対値が大きいほど、前記振動膜の振動する領域の面積が小さくなるように構成されたものであることを特徴とする。
【０１４１】
（付記１３）  
付記１から１２のいずれかに記載の前記超音波トランスデューサを搭載した超音波内視鏡及び超音波内視鏡システム。
【０１４２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う超音波トランスデューサ、超音波診断装置及び超音波顕微鏡もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。
【図２】超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図である。
【図３】振動子アレイの斜視図である。
【図４】振動子ユニットを超音波の送信方向からみた上面図である。
【図５】図４のV-V断面図である。
【図６】第２の空隙部をキャビティとした場合の振動子セルの断面図である。
【図７】第１の実施形態の第２の変形例の振動子セルの断面図である。
【図８】第１の実施形態の第３の変形例の振動子セルの断面図である。
【図９】第１の実施形態の第４の変形例の振動子セルの断面図である。
【図１０】第１の実施形態の第５の変形例の振動子セルの断面図である。
【図１１】第１の実施形態のその他の変形例の振動子セルの断面図である。
【図１２】第１の実施形態のその他の変形例の振動子セルの断面図である。
【図１３】第２の実施形態の振動子セルの上面図である。
【図１４】図１３のXIV-XIV断面図である。
【図１５】超音波顕微鏡の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１４４】
１００  振動子セル、  １００ａ  メンブレン、  １０１  シリコン基板、  １０２  第１絶縁膜、  １０３  第２絶縁膜、  １０４  第３絶縁膜、  １０５  第４絶縁膜、  １０６  第５絶縁膜、  １０７  保護膜、  １０９  裏面絶縁膜、  １１０  下部電極、  １１１  下部電極配線、  １１４  下部導電層、  １２０  上部電極、  １２１  上部電極配線、  １２４  上部導電層、  １３０  キャビティ、  １３１  第１の空隙部、  １３２  第２の空隙部
【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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