JP2014023775A - 超音波振動子及び超音波振動子を用いた超音波内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、振動子エレメント内に複数のＣ−ＭＵＴセルを高密度に配設して、超音波の送受信感度を向上させることができるとともに、振動子エレメント同士のクロストークの発生を防止することができ、小型化を可能にする。
【解決手段】本発明の係る超音波振動子は、複数のエレメント部２４Ｚを有し、この複数のエレメント部２４Ｚのそれぞれは、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの間において隣接する第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとの間の距離が異なるように構成され、あるいは、隣接する第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂが間で共振しやすい周波数が異なるような構造で構成され、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂを同一平面上に形成して構成される。
【選択図】図１０

Description

本発明は、超音波振動子、及び超音波振動子を挿入部の先端部側に設けた超音波内視鏡に関する。

近年、体内に超音波を照射し、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。このような超音波診断法に用いられる医療装置には、例えば、体表から体内の状態を画像化できる超音波エコー装置、先端部に超音波を送受信する超音波振動子部を備え、体内に挿入して体内の状態を画像化できる超音波内視鏡などがある。

これらの超音波診断用の医療装置のうち、特に超音波内視鏡は、体内への挿入性の向上、及び患者の苦痛を軽減するために細径化のための種々の工夫がなされている。そのため、超音波振動子部も小型化が進み、そのための種々の工夫がなされている。

このような超音波内視鏡に用いられる、小型化を実現することができる超音波振動子部に、例えば、Ｃ−ＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：静電容量型微細加工超音波振動子）を用いられることがある。

Ｃ−ＭＵＴは、基板上にリソグラフィ技術を用いて複数のＣ−ＭＵＴセルをパターニングすることにより形成される。そして、基板上の複数のＣ−ＭＵＴセルを覆うように可撓性膜を設けることにより、超音波振動子アレイであるＣ−ＭＵＴアレイが形成される。
ここで、ラジアルスキャン走査方式及びコンベックススキャン走査方式の超音波内視鏡においては、超音波振動子部を湾曲状に形成する必要がある。

このため、公知の従来方法では、複数のＣ−ＭＵＴセルで構成された振動子エレメントを有するＣ−ＭＵＴアレイを、ダイシングソーを用いたダイシングにより、分割溝を夫々形成して、ひとつの駆動単位のエレメントを形成し、その後、これらの複数の分割溝の幅を収縮させるように分割溝側に該Ｃ−ＭＵＴアレイを曲げることにより、湾曲状の超音波振動子部を形成するようにしている。

このような湾曲状の超音波振動子部としては、例えば、特許文献１に記載されているように、振動子ユニットが、複数の正方形状の振動子エレメントから構成され、隣接する振動子ユニット間には振動子ユニット配列方向溝が設けられ、さらに、各振動子ユニット内において隣接する振動子エレメント間に振動子エレメント間溝が設けられた静電容量型超音波振動子がある。

また、関連する従来技術としては、例えば、特許文献２に記載されているように、複数の振動子（振動子エレメントに相当）が短冊状に配設された１次元アレイ型のものであって、１つの振動子が、超音波振動子セルに相当する複数の振動要素を有し、これら複数の振動要素が、配列方向およびこの配列方向に直交する方向に均等間隔に並んで形成された構成の超音波振動子がある。

特開２００６−１２２１８８号公報 ＷＯ２００５／０３２３７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の静電容量型超音波振動子では、さらに超音波振動子の小型化を図ろうとすると、振動子エレメントサイズを小さくしなければならない。このため、公知の従来方法により分割溝を形成すると、特に分割溝近傍にはＣ−ＭＵＴセルを配設することができなくなるため、１つの振動子エレメント内のＣ−ＭＵＴセル数が減少してしまい、その結果、超音波の送受信感度が低下してしまう。

すなわち、特許文献１に記載の静電容量型超音波振動子は、振動子エレメント間に振動子エレメント間溝が設けられたそれぞれの振動子エレメントに複数のＣ−ＭＵＴセルを高密度に配設して、超音波の送受信感度を向上させるといった目的、およびその目的を達成するための構成については考慮されていない。

また、特許文献２に記載の超音波振動子は、１つの振動子エレメント内に複数のＣ−ＭＵＴセル（振動要素）を設けてはいるものの、複数の超音波振動子セルが、配列方向に均等間隔に並んで形成された構成であるため、振動子エレメント同士にクロストークが発生してしまい、超音波の送受信感度に影響を及ぼしてしまうといった問題点がある。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、振動子エレメント内に複数のＣ−ＭＵＴセルを高密度に配設して、超音波の送受信感度を向上させることができるとともに、振動子エレメント同士のクロストークの発生を防止することができる小型化の超音波振動子、およびこの超音波振動子を用いた超音波内視鏡を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の一態様の超音波振動子は、基板と、前記基板の上部側に形成され、複数の第１の超音波振動子セルを有する第１の振動子エレメントと、前記第１の振動子エレメントに隣接し、複数の第２の超音波振動子セルを有する第２の振動子エレメントと、を有する複数のエレメント部と、隣り合うエレメント部間に形成された複数の第１の溝を有する溝部と、を具備する超音波振動子において、前記複数のエレメント部のそれぞれは、前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントとの間において隣接する前記第１の超音波振動子セルと前記第２の超音波振動子セルとの間の距離が異なるように構成され、あるいは、前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントとの間において隣接する前記第１の超音波振動子セルと前記第２の超音波振動子セルが、伝播しやすい共振周波数が異なるような構造で構成され、前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントを同一平面上に形成したことを特徴とする。

また、本発明の一態様の超音波内視鏡は、本発明の一態様の超音波振動子を用いたことを特徴とする。

本発明の超音波振動子、およびこの超音波振動子を用いた超音波内視鏡によれば、簡単な構成で、振動子エレメント内に複数のＣ−ＭＵＴセルを高密度に配設して、超音波の送受信感度を向上させることができるとともに、振動子エレメント同士のクロストークの発生を防止することができ、小型化が可能である。

本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子を用いた超音波内視鏡の概略構成を説明する構成図 図１の超音波内視鏡の先端部分の概略構成を示し、ラジアルスキャン走査方式の超音波振動子を示す斜視図 図２の超音波振動子部の変形例１を示し、コンベックススキャン走査方式の超音波振動子を有する超音波内視鏡の先端部分の概略構成を示す上面図 図２の超音波振動子を構成する超音波振動子部の構成を示す斜視図。 超音波振動子部の保護膜形成後の６つの超音波振動子エレメントの短手方向に沿った断面図 第１の実施形態に係る超音波振動子の構成を説明するための、振動子エレメントの平面図 図６の振動子エレメント内に配設されたＣ−ＭＵＴセルの断面図 第１の実施形態の超音波振動子の作用・効果を説明するための説明図 変形例２に係る超音波振動子部を説明するための振動子エレメントの平面図 変形例３に係る超音波振動子部を説明するための振動子エレメントの平面図 変形例４に係る超音波振動子部を説明するための振動子エレメントの平面図 第２の実施形態に係る超音波振動子を示し、隣接するＣ−ＭＵＴセルの構成を説明する断面図 図１２に示すＣ−ＭＵＴセルを有する各振動子エレメントの平面図 第３の実施形態に係る超音波振動子を説明するための、振動子エレメントの平面図 図１４のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線の断面図で、隣接するＣ−ＭＵＴセルの構成を説明するための図 第４の実施形態に係る超音波振動子を説明するための、各振動子エレメント内のセルの配列例を示す図

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１から図１１は、本発明の第１の実施形態に係り、図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波振動子を用いた超音波内視鏡の概略構成を説明する構成図、図２は、図１の超音波内視鏡の先端部分の概略構成を示し、ラジアルスキャン走査方式の超音波振動子を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の超音波内視鏡１は、体腔内に挿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。

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およ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が延出される。

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７と、この先端硬性部７の後端に位置する湾曲自在な湾曲部８と、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とを連設して構成される。そして、先端硬性部７の先端側には、超音波を送受する複数の電子走査型の超音波振動子を配列した超音波送受部である超音波振動子部２０が設けられている。
なお、先端硬性部７の材質としては、特に限定されないが、耐薬品性、或いは生体適合性を備えていることが好ましく、例えばポリスルフォンが挙げられる。

また、操作部３には、湾曲部８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ１１と、送気、及び送水操作を行うための送気送水ボタン１２と、吸引操作を行うための吸引ボタン１３と、体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。

超音波振動子部２０は、ラジアルスキャン走査方式で構成されたものである。この超音波振動子部２０が設けられた先端硬性部７の先端面７ａには、図２に示すように、照明光学系を構成する照明用レンズカバー２１と、観察光学系を構成する観察用レンズカバー２２と、吸引口を兼ねる鉗子口２３と、図示しない送気送水ノズルとが配置されている。

超音波振動子を構成する超音波振動子部２０は、基板に対してシリコンマイクロマシーニング技術を用いて加工してなる、超音波振動子セルであるＣ−ＭＵＴ（静電容量型微細加工超音波振動子）の振動膜が外向するように形成され、複数のＣ−ＭＵＴセルから構成される最小の駆動単位で、表面が矩形状の振動子エレメント２４が、図４に示すように、円筒状に複数配列された電子ラジアル型振動子先端部となっている。基板としては、シリコン基板または石英基板などを用いることができる。

なお、本実施形態では、ラジアルスキャン走査方式の超音波振動子部２０を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、図３の変形例１に示すように、コンベックススキャン走査方式の超音波振動子２０Ａを用いて構成しても良い。
この場合、図３に示すように、超音波振動子部２０Ａが設けられた先端硬性部７の先端面７ａａには、照明光学系を構成する照明用レンズカバー２１ａと、観察光学系を構成する観察用レンズカバー２２ａと、吸引口を兼ねる鉗子口２３ａと、送気送水ノズル２３ｂとが配置されている。
なお、図３は、図２の超音波振動子の変形例１を示し、コンベックススキャン走査方式の超音波振動子を有する超音波内視鏡の先端部分の概略構成を示す上面図、図４は、図２の超音波振動子を構成する超音波振動子部の構成を示す斜視図である。

図４に示すように、超音波振動子部２０は、複数の振動子エレメント２４と、複数の制御回路ユニット２５と、複数の配線用フレキシブルプリント基板（以下、配線用ＦＰＣと称す）２６とを有して構成される。
複数の長方形状の振動子エレメント２４は、各振動子エレメントの短手方向に直列に配設することによって、円筒形に構成される。複数の配線用ＦＰＣ２６は、図示はしないがＦＰＣ上に配線パターンや電極パッドが形成されている。複数の制御回路ユニット２５は、配線用ＦＰＣ２６に対しＣ−ＭＵＴセルとは反対の面に振動子エレメント２４の位置に合わせて、１振動子エレメントに１制御回路ユニット２５という配置で設けられている。

配線用ＦＲＣ２６には、図示はしないがＣ−ＭＵＴセルの振動子エレメント毎にスルーホールが形成され、そのスルーホールを通してＣ−ＭＵＴセルの振動子エレメント２４と制御回路ユニット２５が接続されるようになっている。制御回路ユニット２５は、パルサー、チャージアンプ、マルチプレクサ等の集積回路等から構成される。なお、振動子エレメント２４の形状は、長方形に限定されるものではない。

図５は、超音波振動子部２０の保護膜形成後の６つの超音波振動子エレメント２４の短手方向に沿った断面図を示している。
超音波振動子部２０を構成する各エレメント２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…）には、図５に示すように、少なくとも１つ以上、ここでは複数のＣ−ＭＵＴセル（以下、単にセルという）２８が配列されたセル領域が形成されている。

また、隣り合う２つのエレメント２４間には、所定数のセル群を離隔するように、直線状の切り溝であり溝部３０を構成する、分割溝３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…が設けられている。この分割溝３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…によって、所定の距離で離間するように分け隔たれ、分割された部分が最小の駆動単位振動子であるエレメント２４となる。

なお、各エレメント２４に設けられた電極パッド３１及びＧＮＤ（グランド）電極パッド３２（図６参照）が接続されたケーブル接続基板部（図示せず）は、エレメント２４の基端側に連設されている。そして、超音波振動子部２０からは、図示しないケーブル接続基板部に各信号線が電気的に接続された同軸ケーブル束（図示せず）が延設している。この同軸ケーブル束は、先端硬性部７、湾曲部８、可撓管部９、操作部３、ユニバーサルコード４、及び超音波ケーブル６に挿通され、超音波コネクタ６ａを介して、図示しない超音波観測装置と接続される。
なお、各エレメント２４間の印加（信号）側の電極は、夫々が個別に同軸ケーブル束の各ケーブルから電気信号が供給される構造となっている。

また、超音波振動子部２０は、図５に示すように、各エレメント２４の背面側（裏面側）には可撓性部材２７が設けられ、さらに、各エレメント２４の表面には保護膜２９が形成されており、その後、前記分割溝３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…によって、図４に示すように湾曲状に形成される。なお、超音波振動子部２０の各エレメント２４により形成された円筒形の内部には、図示はしないが分配線などの内蔵物を覆うようにバッキング材が設けられている。

次に、本実施形態の超音波振動子部２０の特徴となる構成について図６〜図７を用いて説明する。なお、図６は、第１の実施形態に係る超音波振動子の構成を説明するための、振動子エレメントの平面図、図７は、図６の振動子エレメント内に配設されたＣ−ＭＵＴセルの断面図である。

図６〜図７に示すように、本実施形態の超音波振動子を構成する超音波振動子部２０は、複数のエレメント部２４Ｚを有して構成される。各エレメント部２４Ｚは、基板３３の上部側に形成された２つの振動子エレメント２４ａ、２４ｂを有する。

第１の振動子エレメント２４ａは、複数の第１のセル２８Ａ、２８ａを有する。第２の振動子エレメント２４ｂは、短手方向の一縁が第１の振動子エレメント２４ａの短手方向の一縁に隣接し、短手方向の他縁が溝部３０ｂを介して別の第１の振動子エレメント２４ａに隣接する、複数の第２のセル２８Ｂ、２８ｂを有する。

また、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂ間には、第１の溝３０ａが形成されている。そして、隣り合う２つのエレメント部２４Ｚ間には、溝３０ｂが設けられている。

そして、超音波振動子部２０の複数のエレメント部２４Ｚは、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの間に隣接する第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとの間の距離が異なるように構成されて、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂを同一平面上に形成している。

すなわち、超音波振動子部２０の複数のエレメント部２４Ｚには、第１の振動子エレメント２４ａ内において第２の振動子エレメント２４ｂと隣接する第１のセル２８ａと、第２の振動子エレメント２４ｂ内において第１の振動子エレメント２４ａと隣接する第２のセル２８ｂとが、複数存在する。エレメント部２４Ｚは、第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとの間の複数の距離が互いに異なるように構成されている。

第１のセル２８Ａ、２８ａおよび第２のセル２８Ｂ、２８ｂ等の各セル２８は、図７に示すように、基板３３と、その基板３３の上部に積層された、内部に下部電極３４を有する第１の積層部３５と、この第１の積層部３５の上部に積層され、下から順に空隙層３６、上部電極３７を配置するとともに、上部側に振動膜３８を形成する第２の積層部３９と、を有して構成される。
すなわち、基板３３は、第１の振動子エレメント２４ａ、第２の振動子エレメント２４ｂを含むエレメント部２４Ｚの裏面全体に設けられている。基板としては、例えばシリコン基板または石英基板を用いることができる。

また、本実施形態においては、図６に示すように、複数のエレメント部２４Ｚは、同一平面上に形成される振動子エレメント２４ａと２４ｂにおいて、溝部３０の形成方向Ｍに沿って少なくとも３個以上、ここでは５個の第１のセル２８Ａ、２８ａおよび少なくとも３個以上、ここでは５個の第２のセル２８Ｂ、２８ｂが配設されている。

また、複数のエレメント部２４Ｚは、１つの振動子エレメントにおいて、第１の振動子エレメント２４ａおよび第２の振動子エレメント２４ｂの短手方向である配列方向Ｅにおいて、第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとの距離が、それぞれ異なる２種類以上の距離Ｌ０〜Ｌ４となるように構成されている。

また、複数のエレメント部２４Ｚは、同一平面上に形成される振動子エレメントにおいて、第１の振動子エレメント２４ａおよび第２の振動子エレメント２４ｂの配列方向Ｅに沿って少なくとも２個以上、ここでは２個の第１のセル２８Ａ、２８ａ、および少なくとも２個以上、ここでは２個の第２のセル２８Ｂ、２８ｂが配列されている。

さらに、複数のエレメント部２４Ｚでは、前記エレメントの配列方向Ｅにおいて、第１のセルと第２のセルとの距離Ｌ０〜Ｌ４が、第１のセル同士２８Ａの距離Ｌおよび第２のセルＢ同士の距離ＬＬとは異なるように構成されている。

具体的な構成を説明すると、エレメント部２４Ｚの第１の振動子エレメント２４ａは、ここでは、１４個の第１のセル（Ｃ−ＭＵＴセル）２８Ａ、２８ａを有して構成される。この場合、第１のセル２８ａは、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの間に隣接する第２のセル２８ｂとの間の距離が異なるように配設されたセルである。

また、第２の振動子エレメント２４ｂは、ここでは、１４個の第２のセル２８Ｂ、２８ｂを有して構成される。この場合、第２のセル２８ｂは、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの間に隣接する第１のセル２８ａとの間の距離が異なるように配設されたセルである。

なお、超音波振動子部２０の形状の具体的な数値を示すと、第２の溝３０ｂの幅Ｗ２は、ストリートラインの幅を含めて、例えば５０μｍであり、また、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとを合わせたエレメント幅Ｗ３は、例えば０．４ｍｍである。

次に、本実施形態の超音波振動子部２０の具体的な構成、および作用・効果について図６、および図８を用いて説明する。なお、図８は第１の実施形態の超音波振動子の作用及び効果を説明するための説明図であり、本実施形態の超音波振動子の構成と比較するために、従来の超音波振動子部２０Ｘの構成を示している。

図８に示すように、従来の超音波振動子部２０Ｘを構成する各振動子エレメント２４ｘには、ここでは１４個のセル２８ｘが略等間隔で配設されているが、このような構成であると、第１の溝３０ａ、第２の溝３０ｂ等の分割溝３０が介在することによって、各振動子エレメント２４Ｘ間において、セル２８ｘが配設できない領域ＥＲが複数発生してしまう。

このため、従来の超音波振動子部２０Ｘでは、１つの振動子エレメント２４ｘ内に複数のセル２８ｘを高密度に配設することができず、超音波の送受信感度を向上させることができない。また、振動子エレメント間の隣接するセル２８ｘが等間隔で配設されているため、振動子エレメント２４ｘ同士にクロストークが発生してしまう。

そこで、本実施形態では、前記図６にて説明したように、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの間に隣接する第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとの間の距離が異なるように構成している。

具体的には、前記隣接する第１のセル２８ａおよび第２のセル２８ｂを、例えば図６中のセル内の矢印に示すように移動させることにより、セル間の距離を変えている。すなわち、第１のセル２８ａの中心Ｃ１から第２のセル２８ｂの中心Ｃ２との距離を、図６に示すように、それぞれ異なる距離である距離Ｌ０、距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３、距離４となるように第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとを配設している。

このような構成とすることにより、従来設けられていた第１の溝３０ａ（図８中破線で示す）とセルが配設できない領ＥＲを無くして、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂを同一平面上に形成することができる。

これにより、同一平面上に形成された第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの境界部分（第１の溝３０ａ部分に相当）にセル配置領域を形成することができ、このセル配置領域に、新たな４個のセル（図６中二重丸で示す）２８Ｘ１〜２８Ｘ４を配設することができる。

なお、これら４個のセル２８Ｘ１〜２８Ｘ４を、第１のセル２８ａまたは第２のセル２８ｂとして配設した場合でも、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの間に隣接する第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとの間の距離が異なるように構成されることになる。

すなわち、セル２８Ｘ１を第２の振動子エレメント２４ｂ側に設けられたセルとした場合、このセル２８Ｘ１に隣接する第１の振動子エレメント２４のセル２８ａとの間の距離Ｌ０１と、他の隣接するセル２８ａとの間の距離Ｌ１１との距離も異なる。なお、このセル２８Ｘ１以外のセル２８Ｘ２〜２８Ｘ４についても同様の関係を満足する。

このため、本実施形態の超音波振動子部２０は、同一平面上に形成された第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの中に複数のセル２８Ａ、２８ａ、２８Ｂ、２８ｂ、２８ｘ１〜２８ｘ４を高密度に配設することができるので、超音波の送受信の感度を向上させることができる。

また、超音波振動子部２０は、第１の振動子エレメント２４ａおよび第２の振動子エレメント２４ｂの配列方向Ｅにおいて、これら振動子エレメント間において、第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとの距離が、それぞれ異なる２種類以上の距離Ｌ０〜Ｌ３、Ｌ０１、Ｌ１１、Ｌ１２となるように構成されている。

このため、振動子エレメント間の隣接するセル同士が共振することがないので、振動子エレメント間でのクロストークの発生を防止することでき、超音波の送受信感度に影響を及ぼすこともない。

従って、第１の実施形態によれば、簡単な構成で、振動子エレメント２４内に複数のＣ−ＭＵＴセル２８を高密度に配設して、超音波の送受信感度を向上させることができるとともに、振動子エレメント２４同士のクロストークの発生を防止することができる小型化の超音波振動子、およびこの超音波振動子を用いた超音波内視鏡１を実現できる。

なお、本実施形態の超音波振動子部２０は、後述する変形例２〜４に示すように構成してもよく、このような変形例２〜４を図９〜図１１を用いて説明する。

図９は、変形例２に係る超音波振動子部を説明するための振動子エレメントの平面図である。

第１の実施形態の超音波振動子部２０は、例えば、図９の変形例２に示すように、溝部３０の形成方向Ｍに配列された、複数の前記第１のセル２８Ａ、２８ａの中心軸Ｃ１同士を結ぶ第１の中心軸線Ｏ１、Ｏ２と、複数の前記第２のセル２８Ｂ、２８ｂの中心軸Ｃ２同士を結ぶ第２の中心軸線Ｏ３、Ｏ４と、が、非平行となるように構成してもよい。

なお、第２の振動子エレメント２４ｂの、溝部３０の形成方向Ｍに配列された、複数の前記第２のセル２８Ｂ、２８ｂの中心軸Ｃ２同士を結ぶ第１の中心軸線Ｏ３、Ｏ４と、第２の振動子エレメント２４ｂに隣接する第３の振動子エレメント２４ｃの、溝部３０の形成方向Ｍに配列された、複数の前記第３のセル２８Ｃ、２８ｃの中心軸Ｃ３同士を結ぶ第３の中心軸線Ｏ５、Ｏ６とについても非平行となるように構成される。
このように構成した場合でも、前記第１の実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

図１０は、変形例３に係る超音波振動子部を説明するための振動子エレメントの平面図である。
第１の実施形態に係る超音波振動子部２０は、例えば、図１０の超音波振動子部２０Ａのエレメント部２４Ｚ１に示すように、一組の振動子エレメント間の溝を無くすように構成してもよい。図１０には、６組の振動子エレメントが示されており、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂが、第３の振動子エレメント２４ｃと第４の振動子エレメント２４ｄが、さらに、第５の振動子エレメント２４ｅと第６の振動子エレメント２４ｆが、それぞれ同一平面上となるように形成して、振動子エレメントの各組内に存在した溝３０を削除するように構成した構成を示した。こうして、エレメント部２４Ｚ１は、振動子エレメント組間の第２の溝３０ｂ１、第３の溝３０ｂ２、第４の溝３０ｂ３を形成した、６つの振動子エレメントとして形成される。

さらに、これら第２〜４の溝３０ｂ１，３０ｂ２、３０ｂ３の形状は、溝配列方向Ｍに沿って直線ではなく、例えば、図１０に示すように、セルを新たに配設可能な設置領域を確保できるような凸凹形状（鋸歯形状）に構成してもよい。

なお、これら第２〜４の溝３０ｂ１、３０ｂ２、３０ｂ３は、例えば、反応性イオンエッチング （Reactive Ion Etching： RIE） 等のドライエッチングにより形成することができる。

このような構成により、溝部３０の溝数を少なくでき、かつ、溝形状を凸凹形状（鋸歯形状）に構成しているので、従来存在していたセルが配設できない領域ＥＲを減らすと同時に、セルを配設配設する領域を十分に確保することができる。すなわち、図１０に示すように、さらに、各振動子エレメントにおいて、新たな４つのセル２８Ｙ１〜２８Ｙ４を配設することができる。

これにより、振動子エレメント内にセルを、より一層高密度で配設することができ、超音波の送受信感度を向上させることができる。また、振動子エレメント間のピッチを小さくすることができるので、超音波振動子部２０Ａの小型化に寄与できる。

図１１は、変形例４に係る超音波振動子部を説明するための振動子エレメントの平面図である。
変形例４に係る超音波振動子部２０Ｂは、略変形例３に示す構成と同様であるが、第３の振動子エレメント２４ｃが第４の振動子エレメント２４ｄと同一平面上に形成されずに１つの振動子エレメントとして形成し、同時に第６の振動子エレメント２４ｆについても同様に１つの振動子エレメントとして形成される。これに応じて、各振動子エレメントを隔てるように第２〜第５の溝３０ｂ１〜３０ｂ４が設けられている。
その他の構成は前記変形例３と同様である。
従って、変形例４における構成であっても、前記変形例３における超音波振動子部２０Ａと同様の作用・効果が得られる。

（第２の実施形態）
図１２および図１３は、本発明に係る超音波振動子の第２の実施形態を示し、図１２は、第２の実施形態に係る超音波振動子を示し、Ｃ−ＭＵＴセルの構成を従来と比較説明する断面図、図１３は、図１２に示すＣ−ＭＵＴセルを有する各振動子エレメントの平面図である。なお、図１２および図１３は、前記第１の実施形態の超音波振動子と同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

本実施形態の超音波振動子部のエレメント部２４ｂは、従来の同一形状をしたセル２８ａ１からなる振動子エレメント部２４ａとは異なり、セル２８ｂ１が、異形状をしておりセル２８ｂ１間で伝播しやすい共振周波数が異なるような構造で構成されている。

そして、異形状をしたセル２８ｂ１は、それぞれ、振動膜３８ａ、３８ｂ、上部電極３７ａ、３７ｂ、空隙層３６ａ、３６ｂ、および下部電極３４ａ、３４ｂを有して構成され、振動膜３８ａ、３８ｂ、上部電極３７ａ、３７ｂ、空隙層３６ａ、３６ｂ、および下部電極３４ａ、３４ｂの各サイズの少なくとも１つを変えることによって異なる構造で構成される。

例えば、下部電極３４ａ、３４ｂのサイズを変えるとすると、図１２に示す構成とすることができる。この場合、図１２（ａ）の従来のセルに示すように、セル２８ａ１の下部電極３４ａの平面における円径のサイズをＫ１とすると、本実施の形態のセル２８ｂ１の下部電極３４ｂの平面におけるある方向における径のサイズＫ２は、例えば、図１２（ｂ）に示すように、下部電極３４ａのサイズＫ１よりも大きくなるように構成している。なお、従来セル２８ａ１の平面における径であるセル径Ｄ１と、本実施の形態のセル２８ｂ１の平面における径であるセル径Ｄ２は、同じサイズである。

すなわち、下部電極３４ｂは、この径のサイズアップした部分３４ｂ１によってサイズＫ２となり、さらにこのサイズアップした部分３４ｂ１を設けたことによって、第２の積層部３９ｂは、下部電極３４ａの配設方向（径方向）に延設部３９ｂ１が延設される。このため、第２のセル２８ｂ１は、下部電極３４ｂ１のようにサイズ変更した場合でも、超音波の送受信感度を損なうことはない。

なお、下部電極３４ｂ１のサイズＫ２は、これに限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更してもよい。また、セル２８ｂ１の下部電極３４ｂのサイズを変更したが、これに限定されるものではなく、セル２８ｂ１の上部電極３７ｂのサイズを、下部電極３４ｂのように変更してもよい。
さらに、サイズ変更した下部電極３４ｂ１の形状は、図１２（ｂ）に示すように楕円形状となるが、この形状に限定されるものではない。

このように下部電極３４ｂのサイズおよび形状を変更することにより、セル２８ｂ１は、電極間に積層される積層部３５ｂ、３９ｂの厚みを変えずに、セルの断面形状の変更が可能となる。

このため、隣接するセル２８ｂ１間の形状を変えることができるため、共振しにくい構成となる。したがって、図１３（ｂ）に示すような配置のセルを配設した振動子エレメント２４ｂを構成すれば、振動子エレメント間の発生するクロストークを低減することができる。
なお、本実施形態において、超音波振動子部２０の周波数帯域を広くとるような場合には、空隙層３６ｂの形状またはサイズを変更してもよい。
その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

従って、第２の実施形態によれば、セル２８ｂ１の、振動膜３８ｂ、上部電極３７ｂ、空隙層３６ｂ、および下部電極３４ｂの各形状またはサイズの少なくとも１つを変更することにより、前記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図１４および図１５は、本発明の超音波振動子の第３の実施の形態を示し、図１４は、第３の実施形態に係る超音波振動子を説明するための、振動子エレメントの平面図、図１５は、図１４のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線の断面図で、隣接するＣ−ＭＵＴセルの構成を説明するための図である。なお、図１４および図１５は、前記第１の実施形態の超音波振動子と同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分のみを説明する。

第１の実施形態の複数のエレメント部２４Ｚは、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの間に隣接する第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとの間の距離が異なるように構成し、第２の実施形態の複数のエレメント部２４ｂは、隣接する各セル２８ｂ間で部分的な構造が異なり、各セル２８ｂ間の共振する周波数が異なるような構造で構成した。

そこで、本実施形態の複数のエレメント部２４Ｘ４は、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの間に隣接する第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとの間の距離と構造との双方を、それぞれ異なるように構成している。

具体的には、図１４に示すように、エレメント部２４Ｚ４は、同一平面上に形成される振動子エレメントにおいて、第１の振動子エレメント２４ａおよび第２の振動子エレメント２４ｂの配列方向Ｅにおいて、第１のセル２８ａ２、２８Ａ２と第２のセル２８ｂ２、２８Ｂ２との距離が、それぞれ異なる２種類以上の距離ＬＬ０〜ＬＬ３、・・・となるように構成されている。

また、第１の振動子エレメント２４ａは、セル径の異なる２種類の第１のセル２８ａ２、２８Ａ２を複数有して構成される。また、第２の振動子エレメント２４ｂは、セル径の異なる２種類の第２のセル２８ｂ２、２８Ｂ２を複数有して構成される。なお、図１４においては、セル径の小さい方が第１のセル２８ａ２、第２のセル２８ｂ２であり、セル径の大きい方が第１のセル２８Ａ２、第２のセル２８Ｂ２である。

ここで、セル径を大小異なるように変えて配設すると、セル自体の周波数帯域が変わってしまうことになる。そこで、本実施形態においては、第１のセル２８ａ１、２８Ａ１及び第２のセル２８ｂ１、２８Ｂ１は、そのセルの平面における径であるセル径Ｄ１、Ｄ２と、振動膜３８ａ、３８Ａの厚みとを調整することにより、同一の共振周波数としている。

つまり、Ｃ−ＭＵＴセルについては、振動膜３８ａ、３８Ａに相当するメンブレンの振動を周辺固定の円板の横振動と考えると、メンブレンの１次振動モードでの固有周波数ｆは、振動モード定数をλ、メンブレンの半径をＲ、ヤング率をＥ、メンブレンの厚さをｔ、メンブレンの密度をρ、メンブレンのポアソン比をσとすると、下記の［式１］で表すことができる。

・・・［式１］
したがって、第１のセル２８ａ１、２８Ａ１及び第２のセル２８ｂ１、２８Ｂ１は、そのセルの平面における径であるセル径Ｄ１、Ｄ２と、振動膜３８ａ、３８Ａの厚みとを調整することにより、同一の共振周波数にすることができる。

このような構成例が、図１５に示されている。すなわち、図１５に示すように、第１のセル２８ａ２のセル径Ｄ１は、第１のセル２８Ａ２のセル径Ｄ２よりも大きく、かつ、第１のセル２８ａの振動膜３８ａのメンブレンの厚さｔ１は、第１のセル２８Ａ２の振動膜３８Ａのメンブレンの厚さｔ２よりも小さい。このように構成することにより、第１の振動子エレメント２４ａ内に同一の共振周波数となる第１のセル２８ａ２，２８Ａ２を配設することができる。

したがって、同じように第２の振動子エレメント２４ｂについても、セル径とメンブレンの厚さを変えた第２のセル２８ｂ２，２８Ｂ２を設けるとともに、エレメント間において隣接するセル同士を、図１４に示すように、セル径とメンブレンの厚さが異なる第１のセル２８ａ２、２８Ａ２と第２のセル２８ｂ２、２８Ｂ２とを用いて配設する。
この構成により、エレメント部２４Ｚ４としての単一周波数による超音波の送受信機能を確保できると同時に、第１の実施形態と同様に、隣接する第１のセルと第２のセルとの距離が異なるので、エレメント間のクロストークの発生を防ぐことができる。

なお、本実施形態において、超音波振動子部を構成するエレメント部２４Ｚ４は、各振動子エレメント内の対向する上部電極３７、下部電極３４の重なり部の重心Ｐが等間隔（等ピッチ）で配列した構成であってもよい。この構成にすれば、音軸が等間隔（等ピッチ）で形成でき、従来と同じ画像処理により、超音波の送受信感度を向上しつつ、エレメント間のクロストークも十分に低減することができる。

従って、第３の実施の形態によれば、第１の振動子エレメント２４ａと第２の振動子エレメント２４ｂとの間に隣接する第１のセル２８ａと第２のセル２８ｂとの間の距離と構造との双方を、それぞれ異なるように構成することで、前記第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。

（第４の実施形態）
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る超音波振動子を説明するための、各振動子エレメント内のセルの配列例を示す図である。

第４の実施形態では、前記第１〜３の実施形態に係る超音波振動子において、複数の第１のセル２８ａの配置形状は、図１６（ａ）に示す二等辺三角格子状、図１６（ｂ）に示す正三角格子状、または図１６（ｅ）に示す歪斜格子状のいずれか１つの種類の配置形状となるように構成される。

また、複数の第２の振動子セル２８ｂの配置形状は、図１６（ａ）に示す二等辺三角格子状、図１６（ｂ）に示す正三角格子状、または図１６（ｅ）に示す歪斜格子状のいずれか１つの種類の配置形状となるように構成される。

なお、複数の第１のセル２８ａおよび複数の第２のセル２８ｂは、セル径とメンブレンの厚さを変えた構造が異なるセルであれば、図１６（ｃ）に示す正方格子状や、図１６（ｄ）に示す矩形格子状の配置形状となるように構成してもよい。
このような第４の実施形態においても、前記第１〜３の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、前記第１〜第４の実施形態、および変形例においては、円形形状のＣ−ＭＵＴセルを用いた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、６角形等の多角形状のＣ−ＭＵＴセルを用いて構成してよい。

また、Ｃ−ＭＵＴセルにおける振動膜部分の一部に、圧電素子を配置したＰ−ＭＵＴ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）をＣ−ＭＵＴの代わりに配置してもよい。

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、改変等が可能である。

１…超音波内視鏡
２…挿入部
３…操作部
４…ユニバーサルコード
５…電気ケーブル
６…超音波ケーブル
７…先端硬性部
７ａ…先端面
７ａａ…先端面
８…湾曲部
９…可撓管部
１１…アングルノブ
１２…送気送水ボタン
１３…吸引ボタン
１４…処置具挿入口
２０…超音波振動子部
２１…照明用レンズカバー
２２…観察用レンズカバー
２３…鉗子口
２４…振動子エレメント
２４ａ…第１の振動子エレメント
２４ｂ…第２の振動子エレメント
２４Ｚ…エレメント部
２５… 制御回路ユニット
２７…可撓性部材
２８、２８Ａ、２８ａ、２８ｂ…超音波振動子セル（Ｃ−ＭＵＴセル）
２９…保護膜
３０…溝部
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…分割溝
３１、３２…電極パッド
３３…基板
３４…下部電極
３５…第１の積層部
３６…空隙層
３７…上部電極
３８…振動膜
３９…第２の積層部

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の上部側に形成され、複数の第１の超音波振動子セルを有する第１の振動子エレメントと、前記第１の振動子エレメントに隣接し、複数の第２の超音波振動子セルを有する第２の振動子エレメントと、を有する複数のエレメント部と、
   隣り合うエレメント部間に形成された複数の第１の溝を有する溝部と、
   を具備する超音波振動子において、
   前記複数のエレメント部のそれぞれは、
   前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントとの間において隣接する前記第１の超音波振動子セルと前記第２の超音波振動子セルとの間の距離が異なるように構成され、
   あるいは、前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントとの間において隣接する前記第１の超音波振動子セルと前記第２の超音波振動子セル間で、共振する周波数が異なるような構造で構成され、
   前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントを同一平面上に形成したことを特徴とする超音波振動子。
2. 前記基板は、前記溝部に沿って折り曲げら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。
3. 前記同一平面上に形成される前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントは、それぞれ少なくとも２個の振動子エレメントを用いて構成した部分があることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波振動子。
4. 前記エレメント部が前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントとの間において隣接する前記第１の超音波振動子セルと前記第２の超音波振動子セルとの間の距離が異なるように構成される場合、
   前記複数のエレメント部のそれぞれは、
   前記同一平面上に形成される前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントにおいて、溝部の形成方向に沿って少なくとも３個以上の前記第１の超音波振動子セルおよび前記第２の超音波振動子セルが配設されており、
   前記第１の振動子エレメントおよび前記第２の振動子エレメントの配列方向において、前記第１の超音波振動子セルと前記第２の超音波振動子セルとの距離が、それぞれ異なる２種類以上の距離となるように構成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波振動子。
5. 前記複数のエレメント部のそれぞれは、
   前記第１の振動子エレメントおよび前記第２の振動子エレメントの配列方向に沿って少なくとも２個以上の第１の超音波振動子セルおよび少なくとも２個以上の第２の超音波振動子セルが配列されており、
   前記第１の振動子エレメントおよび前記第２の振動子エレメントの配列方向において、前記第１の超音波振動子セルと前記第２の超音波振動子セルとの距離と、前記第１の超音波振動子セル同士の距離および前記第２の振動子超音波セル同士の距離とは異なることを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子。
6. 前記エレメント部が前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントとの間において隣接する前記第１の超音波振動子セルと前記第２の超音波振動子セルとの間の距離が異なるように構成される場合、
   前記溝部の形成方向に配列された、複数の前記第１の超音波振動子セルの中心軸同士を結ぶ第１の中心軸線と、複数の前記第２の超音波振動子セルの中心軸同士を結ぶ第２の中心軸線と、は、非平行であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波振動子。
7. 前記エレメント部が前記第１の振動子エレメントと前記第２の振動子エレメントとの間において隣接する前記第１の超音波振動子セルと前記第２の超音波振動子セル間で、共振する周波数が異なるような構造で構成される場合、
   前記第１の超音波振動セル及び前記第２の超音波振動子セルは、振動膜、上部電極、空隙層、および下部電極を有して構成され、前記振動膜、前記上部電極、前記空隙層、前記下部電極の各サイズの少なくとも１つを変えることによって前記異なるような構造で構成したことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
8. 前記第１の超音波振動セル及び前記第２の超音波振動子セルは、そのセルの平面における径であるセル径と、前記振動膜の厚みとを調整することにより、同一の共振周波数とすることを特徴とする請求項７に記載の超音波振動子。
9. 前記複数の第１の超音波振動子セルの配置形状は、二等辺三角格子状、正三角格子状、または歪斜格子状のいずれか１つの種類の配置形状であり、
   前記複数の第２の超音波振動子セルの配置形状は、二等辺三角格子状、正三角格子状、または歪斜格子状のいずれか１つの種類の配置形状であることを特徴とする請求項１から請求項８の何れか１項に記載の超音波振動子。
10. 請求項１から請求項９の何れか１項の超音波振動子を備えたことを特徴とする請求項２特徴とする超音波内視鏡。

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