JP2013026735A - 超音波エレメントおよび超音波内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】特性が安定した超音波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。
【解決手段】ＵＳエレメント２０は、シリコン基板１１と、それぞれが、キャビティ１４を介して対向配置した下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとを有する複数の超音波セル１０と、複数の超音波セル１０の超音波送受信面の周囲を覆う超音波吸収層７１と、を具備する。
【選択図】図６

Description

本発明は、静電容量型の超音波エレメントおよ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。

体内に超音波を照射し、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。超音波診断法に用いられる超音波診断装置の１つに超音波内視鏡（以下、「ＵＳ内視鏡」という）がある。ＵＳ内視鏡は、体内へ導入される挿入部の先端硬性部に超音波振動子が配設されている。超音波振動子は電気信号を超音波に変換し体内へ送信し、また体内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有する。

超音波振動子には、環境負荷が大きい鉛を含むセラミック圧電材、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等が主に使用されている。これに対して、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される、材料に鉛を含まない静電容量型超音波振動子（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ−ＭＵＴ」という）の開発が進んでいる。

ｃ−ＭＵＴは、上部電極部と下部電極部とが空洞部（キャビティ）を介して対向配置した超音波セル（以下、「ＵＳセル」という）を単位素子とする。ＵＳセルでは、キャビティの上側の上部電極部を含むメンブレンが振動部を構成している。そして、それぞれの電極部が配線部により接続された複数のＵＳセルを配列して超音波エレメント（以下、「ＵＳエレメント」という）を構成している。

ＵＳセルは、下部電極部と上部電極部との間に電圧を印加することで、静電力により上部電極部を含むメンブレンを振動して超音波を発生する。また外部からメンブレンに超音波が入射すると両電極の間隔が変化するため、静電容量の変化から超音波を電気信号に変換する。

ｃ−ＭＵＴは狭い面積に高密度に配置された複数のＵＳセルからなるため、隣接するＵＳセルの振動が、ノイズとなることがある。特開２００７−３０１０２３号公報には、隣接するＵＳセル間の干渉を抑制するために、ＵＳセルの内部に超音波を吸音する吸音部等を設けた超音波探触子が開示されている。

しかし、公知のＵＳエレメントでは、十分にノイズを低減することは容易ではなく、特性が不安定になるおそれがあった。

特開２００７−３０１０２３号公報

本発明の実施形態は、特性が安定した超音波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。

本発明の実施形態の超音波エレメントは、基板と、それぞれが、キャビティを介して対向配置した下部電極部と上部電極部とを有する複数の超音波セルと、複数の前記超音波セルの超音波送受信面の周囲を覆う超音波吸収層と、を具備する。

また本発明の別の実施形態の超音波内視鏡は、前記記載の超音波エレメントを有する。

本発明の実施形態によれば、特性が安定した超音波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。

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。 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。 第１実施形態の超音波内視鏡の先端部の超音波アレイの構成を説明するための斜視図である。 第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための斜視図である。 第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための図４のＶ−Ｖ線に沿った部分断面図である。 第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための分解図である。 第１実施形態の変形例の超音波エレメントの構造を説明するための部分断面図である。 第２実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための部分断面図である。

＜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、および、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。

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。

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。

挿入部２１は、先端側から順に、先端硬性部（以下、「先端部」という）３７と、先端部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、先端部３７の先端側には超音波ユニット（ＵＳユニット）３０が配設されている。

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。

そして、図２に示すように、ＵＳユニット３０が、設けられた先端部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。

図３に示すように、ＵＳユニット３０の超音波アレイ（ＵＳアレイ）４０は、複数の平面視矩形の超音波エレメント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群である。すなわち、ＵＳアレイ４０では、例えば、直径２ｍｍの円筒の側面に、短辺が０．１ｍｍ以下のＵＳエレメント２０が２００個、３６０度方向に配設されている。なお、ＵＳアレイ４０は、ラジアル型振動子群であるが、ＵＳアレイは、凸形状に折り曲げしたコンベックス型振動子群であってもよい。

円筒状の超音波アレイ４０の端部には、複数の下部電極端子５２が配列しており、それぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの信号線６２と接続されている。上部電極端子５１はそれぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの容量検出線６１と接続されている。

同軸ケーブル束３５は、先端部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。

次に、図４、図５および図６を用いて、ＵＳエレメント２０およびＵＳセル１０の構成について説明する。なお、図はいずれも説明のための模式図であり、パターンの数、厚さ、大きさ、および大きさ等の比率は実際とは異なる。

図４に示すように、ＵＳエレメント２０には、複数の静電容量型のＵＳセル１０がマトリックス状に配置されている。なお説明のため図４では一部のＵＳセル１０のみ示している。ＵＳセル１０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。

図５に示すように、ＵＳセル１０の超音波送受信面、すなわちメンブレン１８の表面は保護層１７である。そして、ＵＳエレメント２０は、複数のＵＳセル１０のメンブレン１８の周囲を覆う超音波吸収層７１を具備する。言い換えれば、ＵＳエレメント２０の表面が、メンブレン１８（保護層１７）と超音波吸収層７１とで構成されている。

超音波吸収層７１はＵＳエレメント２０のメンブレン１８の周囲に入射する超音波を吸収する。すなわち、超音波吸収層７１は超音波が入射すると、振動に応じて伸縮することで超音波エネルギーを熱エネルギーに変換し減衰する。

また、ＵＳエレメント２０は超音波送受信面の反対面（裏面）にバッキング層７２を具備する。バッキング層７２は、ＵＳセル１０の基板に入射した超音波を吸収する。

そして、図５および図６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、下部電極層１２と、下部絶縁層（第１絶縁層）１３と、円筒状のキャビティ１４が形成された上部絶縁層（第２絶縁層）１５と、上部電極層１６と、保護層（第３絶縁層）１７と、を有する。上記構造のＵＳセル１０では、キャビティ１４の直上領域の、上部絶縁層１５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を構成している。

更に、ＵＳエレメント２０では、メンブレン１８の最上層である保護層１７の周囲には超音波吸収層７１が配設されている。すなわち、ＵＳエレメント２０は、複数のＵＳセル１０の超音波送受信面の周囲を覆う超音波吸収層７１を具備する。超音波吸収層７１はメンブレン１８の上には形成されていないため、超音波の送信および受信を妨げない。

ＵＳエレメントのノイズの原因として、すでに説明したように、隣接するＵＳセルのメンブレンの振動が考えられていた。これに対して、発明者は、メンブレンの周囲に入射した超音波がノイズの原因となることを見いだした。そしてメンブレンの周囲に入射した超音波を超音波吸収層７１により吸収することによりノイズの大幅な低減に成功した。

なお、シリコン基板１１の裏面にはシリコン基板１１の振動を抑制するためのバッキング層７２が配設されている

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。

下部電極層１２および上部電極層１６は、導電性シリコンまたは銅、金、もしくはアルミニウム等の金属からなる導電性材料がスパッタ法等により成膜された後に、パターンエッチングされることにより形成される。

下部電極層１２は、平面視円形の複数の下部電極部１２Ａと、下部電極部１２Ａの縁辺部からＹ軸方向に延設している複数の下部配線１２Ｂと、を有する。下部配線１２Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの下部電極部１２Ａを接続している。そして、下部配線１２Ｂは下部電極端子５２と接続されている。

上部電極層１６は、平面視円形の複数の上部電極部１６Ａと、上部電極部１６Ａの縁辺部からＸ軸方向に延設している複数の上部配線１６Ｂと、を有する。上部配線１６Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの上部電極部１６Ａを接続している。そして、上部配線１６Ｂは上部電極端子５１と接続されている。

同じＵＳエレメント２０に配置された複数のＵＳセル１０の全ての下部電極部１２Ａは互いに接続されており、全ての上部電極部１６Ａも互いに接続されている。

下部絶縁層１３、上部絶縁層１５および保護層１７は、例えばＣＶＤ法（化学気相成長法）により成膜されたＳｉＮ等の絶縁性材料からなる。上部絶縁層１５は、下部絶縁層１３の上に形成された犠牲層パターンを覆うように形成される。そして、犠牲層パターンがエッチングにより除去された空間がキャビティ１４である。なお、図６では上部絶縁層１５を、上部絶縁層１５Ａとキャビティ１４が形成された上部絶縁層１５Ｂとに分離して表示している。キャビティ１４の高さは、例えば、０．０５μｍ〜０．３μｍであり、好ましくは０．０５μｍ〜０．１５μｍである。

なお、キャビティ１４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１４が多角柱形状の場合には、上部電極部１６Ａおよび下部電極部１２Ａの平面視形状も多角形とすることが好ましい。

保護層１７は、保護機能だけでなく、音響整合層機能、更にＵＳエレメント２０を連結する機能も有する。なお、保護層１７は第１絶縁層の上に、更に生体適合性のある第２絶縁層が形成された２層構造であってもよい。

超音波吸収層７１は、弾性材料からなり、例えば、エポキシ系、シリコン系、ポリイミド系、ポリエーテルイミド、ＰＥＥＫ、ウレタン系、もしくはフッ素系等の樹脂部材、または、クロロプレンゴム、プロピレン系ゴム、ブタジエン系ゴム、ウレタン系ゴム、シリコーンゴム、もしくはフッ素系ゴム等のゴム材、から選択される。超音波吸収層７１の材料の弾性率は、１ＭＰａから１００ＭＰａが好ましい。前記範囲以上であれば、配設が容易であり、前記範囲以下であれば超音波を効率良く吸収できる。

なお、超音波吸収層７１の厚さは、１μｍから５０μｍが好ましい。前記範囲以上であれば超音波を十分に吸収でき、前記範囲以下であればメンブレンへの超音波の入射を阻害することがない。

バッキング層７２は、超音波吸収層７１と同様の弾性材料を用いることができる。なお、バッキング層７２の材料としては、超音波吸収層７１とは異なり、フィラーを含有する弾性材料を用いてもよい。フィラーは、タングステン等の金属、アルミナ、ジルコニア、シリカ、酸化タングステン、圧電セラミックス、フェライト等のセラミックス、ガラス、または樹脂等からなる、粉体、繊維、または中空粒子等から選択される。

なお、複数の超音波エレメント２０を、連結方向に所定の直径のラジアル形状に湾曲配置することでＵＳアレイ４０が作製される。例えば、ＵＳアレイ４０は、例えば所定の直径の円筒の外周に接合される。更にＵＳアレイ４０に同軸ケーブル束３５が接続され、ＵＳユニット３０が作製される。

そして、ＵＳエレメント２０は、メンブレン１８の周囲に入射した超音波が、メンブレン１８の振動に影響を及ぼすことにより発生するノイズが抑制されている。このため、エレメント２０はおよびＵＳ内視鏡２は特性が安定している。

＜第１実施形態の変形例＞
次に第１実施形態の変形例のＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳエレメント２０Ａを具備する超音波内視鏡２Ａについて説明する。ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図７に示すように、ＵＳエレメント２０Ａは、超音波吸収層７１の開口部の壁面が、主面に対して垂直（９０度）ではなく、傾斜しているテーパー形状である。

メンブレン１８の振動により超音波送受信面から外部に放射された超音波は次第に広がっていく。ＵＳエレメント２０Ａは、広がった超音波が、超音波吸収層７１の壁面に吸収されることがない。

また、ＵＳエレメント２０Ａのメンブレン１８は、メンブレン１８に対して垂直方向から入射する超音波だけでなく、斜め方向から入射する超音波も検出することができる。

なお、傾斜角θは、３０度〜６０度が好ましく、前記範囲以上であれば、メンブレン１８の直近に入射した超音波も超音波吸収層７１が十分に吸収でき、前記範囲以下であれば超音波の放射および入射を阻害することがない。

なお、超音波吸収層７１の開口部の壁面は、断面が直線状のテーパー形状に限られるものではなく、断面が曲線状または階段状であってもよい。

ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡は、ＵＳエレメント２０等が有する効果を有し、更に超音波の送受信効率がよい。

＜第２実施形態＞
次に第２実施形態のＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳエレメント２０Ｂを具備する超音波内視鏡２Ｂについて説明する。ＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、ＵＳエレメント２０、２０ＡおよびＵＳ内視鏡２、２Ａと類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図８に示すように、ＵＳエレメント２０Ｂは、メンブレン１８の保護層１７が周囲の保護層１７よりも凸状態である。これはメンブレン１８にはキャビティ１４が形成されているためである。

ＵＳエレメント２０Ｂは、メンブレン１８の周囲に配設する超音波吸収層７１の厚さを、メンブレン１８の超音波送受信面とほぼ同じ高さになるようにしている。言い換えれば、超音波吸収層７１の表面が、超音波送受信面とほぼ同じ高さにある。

このため、ＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａと同様の効果を有する。更にＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、製造が、より容易である。

本発明は、上述した実施形態または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、改変等が可能である。

１…超音波内視鏡システム、２、２Ａ、２Ｂ…超音波内視鏡、３…超音波観測装置、１０…超音波セル、１１…シリコン基板、１２…下部電極層、１２Ａ…下部電極部、１２Ｂ…下部配線、１３…下部絶縁層、１４…キャビティ、１５…上部絶縁層、１６…上部電極層、１６Ａ…上部電極部、１６Ｂ…上部配線、１７…保護層、１８…メンブレン、２０、２０Ａ、２０Ｂ…超音波エレメント、３０…超音波ユニット、４０…超音波アレイ、７１…超音波吸収層、７２…バッキング層

Claims (5)

1. 基板と、
   それぞれが、キャビティを介して対向配置した下部電極部と上部電極部とを有する複数の超音波セルと、
   前記複数の超音波セルの超音波送受信面の周囲を覆う超音波吸収層と、を具備することを特徴とする超音波エレメント。
2. 前記超音波吸収層が弾性材料からな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。
3. 前記超音波吸収層の超音波送受信面を囲む壁面が傾斜し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。
4. 前記超音波吸収層の表面が、前記超音波送受信面と同じ高さに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。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の超音波エレメントを具備することを特徴とする超音波内視鏡。

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