JP2014068674A - Ultrasonic element and ultrasonic endoscope - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic element having wide bandwidth and high transmission/reception efficiency.SOLUTION: An ultrasonic element 20 includes: a plurality of first transducer cells 10A1 in which lower electrodes and upper electrodes are facingly disposed via first cavities 14A1 that are isotropic in planar view; and a plurality of second transducer cells 10A2 in which lower electrodes and upper electrodes are facingly disposed via second cavities 14A2 that are anisotropic in planar view.

Description

本発明は、静電容量型の複数の振動子セルを有する超音波エレメント及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。   The present invention relates to an ultrasonic element having a plurality of capacitive transducer cells and an ultrasonic endoscope including the ultrasonic element.

米国特許第6854338号明細書に静電容量型の超音波エレメント120が開示されている。図1に示すように、超音波エレメント120は、cMUT(capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer)の基本構造である25個の振動子セル110を有する。図2に示すように、振動子セル110は、下部電極112と上部電極116とが、絶縁物よりなる隔壁113で囲まれた空間であるキャビティ114を介して対向配置している。キャビティ114は円柱状であり、その平面視形状は円形である。   US Pat. No. 6,854,338 discloses a capacitive ultrasonic element 120. As shown in FIG. 1, the ultrasonic element 120 has 25 transducer cells 110 that are the basic structure of a cMUT (capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer). As shown in FIG. 2, in the transducer cell 110, the lower electrode 112 and the upper electrode 116 are arranged to face each other through a cavity 114 that is a space surrounded by a partition wall 113 made of an insulating material. The cavity 114 has a cylindrical shape, and its plan view shape is circular.

下部電極112と上部電極116との間に電圧が印加されると、上部電極116は静電力により下部電極112の方向(下方向)に引き寄せられ変形する。電圧印加が無くなると上部電極116は弾性力により上方向に戻る。上部電極116の変形により超音波が放射される。放射した超音波の反射波(エコー)が、振動子セル110に入射すると、上部電極116が超音波の音圧により変形し、キャビティ114の厚さ、すなわち、下部電極112と上部電極116との距離が変化する。このため、対向電極間の容量値変化から入射した超音波が検出される。   When a voltage is applied between the lower electrode 112 and the upper electrode 116, the upper electrode 116 is attracted toward the lower electrode 112 (downward) by an electrostatic force and deformed. When no voltage is applied, the upper electrode 116 returns upward due to elastic force. Ultrasonic waves are emitted by the deformation of the upper electrode 116. When the reflected wave (echo) of the emitted ultrasonic wave is incident on the transducer cell 110, the upper electrode 116 is deformed by the sound pressure of the ultrasonic wave, and the thickness of the cavity 114, that is, the lower electrode 112 and the upper electrode 116 is changed. The distance changes. For this reason, the incident ultrasonic wave is detected from the capacitance value change between the counter electrodes.

ここで、振動子セルの「Q値」について説明する。図3に示すように、出射される超音波の強度(パワー)Pは、駆動信号の周波数が振動子セルの共振周波数FCのときに最大となり、駆動周波数が共振周波数FCから乖離すると低下する。共振周波数FCにおけるピーク強度PCに対して、強度Pが50%となる共振周波数FCの前後の2つの周波数FL、FHの差で定義される値を帯域幅(BW)という。そして、共振周波数FCを帯域幅(BW)で割った値が、「Q値」である。   Here, the “Q value” of the transducer cell will be described. As shown in FIG. 3, the intensity (power) P of the emitted ultrasonic wave becomes maximum when the frequency of the drive signal is the resonance frequency FC of the transducer cell, and decreases when the drive frequency deviates from the resonance frequency FC. A value defined by a difference between two frequencies FL and FH before and after the resonance frequency FC at which the intensity P is 50% with respect to the peak intensity PC at the resonance frequency FC is referred to as a bandwidth (BW). A value obtained by dividing the resonance frequency FC by the bandwidth (BW) is a “Q value”.

Q=F1/BW=F1/(FH−FL)   Q = F1 / BW = F1 / (FH-FL)

Q値は、共振振動の鋭さを示しており、Q値が大きいと、駆動周波数が共振周波数FCの場合は強度Pは強いが、駆動周波数が共振周波数FCから乖離すると、急激に強度Pが低下する。反対に、Q値が小さいと、駆動周波数が共振周波数FCから乖離しても、強度Pが急激には低下しない。同様に、超音波受信時にも、Q値が大きい振動子セルは、共振周波数FCの超音波に対しては高い検出感度を示すが、共振周波数FCから乖離した周波数の超音波に対する検出感度は急激に低下する。   The Q value indicates the sharpness of resonance vibration. When the Q value is large, the intensity P is strong when the drive frequency is the resonance frequency FC, but when the drive frequency deviates from the resonance frequency FC, the intensity P decreases rapidly. To do. On the other hand, when the Q value is small, the strength P does not rapidly decrease even if the drive frequency deviates from the resonance frequency FC. Similarly, when receiving ultrasonic waves, a transducer cell having a large Q value exhibits high detection sensitivity for ultrasonic waves having a resonance frequency FC, but detection sensitivity for ultrasonic waves having a frequency deviating from the resonance frequency FC is abrupt. To drop.

cMUTはQ値が高く、例えば、共振周波数FC=9.8MHz、Q値=98の場合、BW=0.1MHzであり、FL=9.75MHz、FH=9.85MHzである。すなわち、f=9.75MHz又はf=9.85MHzにおける超音波強度Pは、f=9.8MHzにおける超音波強度Pの半分になってしまう。   The cMUT has a high Q value. For example, when the resonance frequency FC = 9.8 MHz and the Q value = 98, BW = 0.1 MHz, FL = 9.75 MHz, and FH = 9.85 MHz. That is, the ultrasonic intensity P at f = 9.75 MHz or f = 9.85 MHz is half of the ultrasonic intensity P at f = 9.8 MHz.

超音波内視鏡等の医療分野では、超音波の周波数(波長)を変化させたり、ドプラ効果を利用して被検物である血流の方向及び流速の情報を取得したりすること、すなわち、共振周波数FCから乖離した周波数の超音波を受信することがある。   In the medical field such as an ultrasonic endoscope, changing the frequency (wavelength) of an ultrasonic wave or acquiring information on the direction and flow velocity of a blood flow as a test object using the Doppler effect, In some cases, ultrasonic waves having a frequency deviating from the resonance frequency FC may be received.

しかし、キャビティ114の平面視形状が円形の振動子セル110は、Q値が比較的高く、帯域幅BWが狭いために、共振周波数FCから乖離した周波数の超音波の受信効率が高いとは言えなかった。   However, it can be said that the transducer cell 110 whose cavity 114 has a circular shape in plan view has a relatively high Q value and a narrow bandwidth BW, and therefore has high reception efficiency of ultrasonic waves having a frequency deviated from the resonance frequency FC. There wasn't.

米国特許第6854338号明細書US Pat. No. 6,854,338

本発明の実施形態は、帯域幅が広く、かつ送受信効率のよい超音波エレメント及び帯域幅が広く、かつ送受信効率のよい超音波エレメントを具備する超音波内視鏡を提供することを目的とする。   Embodiments of the present invention are intended to provide an ultrasonic endoscope having a wide bandwidth and high transmission / reception efficiency, and an ultrasonic endoscope having a wide bandwidth and high transmission / reception efficiency. .

本発明の実施形態の超音波エレメントは、平面視形状が等方的な第1のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第1の振動子セルと、平面視形状が非等方的な第2のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第2の振動子セルと、を有する。   An ultrasonic element according to an embodiment of the present invention includes a plurality of first transducer cells in which a lower electrode and an upper electrode are opposed to each other via a first cavity having an isotropic shape in plan view, and in plan view And a plurality of second transducer cells in which a lower electrode and an upper electrode are arranged to face each other through a second cavity having an anisotropic shape.

また別の実施形態の超音波内視鏡は、平面視形状が等方的な第1のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第1の振動子セルと、平面視形状が非等方的な第2のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第2の振動子セルと、を有する超音波エレメントが先端部に配設された挿入部と、前記挿入部の基端側に配設された操作部と、前記操作部から延出するユニバーサルコードと、を具備する。   An ultrasonic endoscope according to another embodiment includes a plurality of first transducer cells in which a lower electrode and an upper electrode are disposed to face each other through a first cavity having an isotropic shape in plan view. An ultrasonic element having a plurality of second transducer cells in which a lower electrode and an upper electrode are opposed to each other through a second cavity having an anisotropic shape in plan view is disposed at a distal end portion. An insertion portion, an operation portion disposed on the proximal end side of the insertion portion, and a universal cord extending from the operation portion.

本発明の実施形態によれば帯域幅が広く、かつ、送受信効率のよい超音波エレメント及び帯域幅が広く、かつ、送受信効率のよい超音波エレメントを具備する超音波内視鏡を提供できる。   According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide an ultrasonic element having a wide bandwidth and an ultrasonic element having good transmission / reception efficiency and an ultrasonic element having a wide bandwidth and high transmission / reception efficiency.

従来の超音波エレメントの上面図である。It is a top view of the conventional ultrasonic element. 従来の超音波エレメントの振動子セルの断面図である。It is sectional drawing of the transducer cell of the conventional ultrasonic element. 振動子セルの「Q値」について説明するための図である。It is a figure for demonstrating "Q value" of a vibrator cell. 第1実施形態の超音波内視鏡を含む超音波内視鏡システムを説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the ultrasonic endoscope system containing the ultrasonic endoscope of 1st Embodiment. 第1実施形態の超音波内視鏡の先端部の斜視図である。It is a perspective view of the front-end | tip part of the ultrasonic endoscope of 1st Embodiment. 第1実施形態の超音波エレメントの斜視図である。It is a perspective view of the ultrasonic element of a 1st embodiment. 第1実施形態の超音波エレメントの振動子セルの断面図である。It is sectional drawing of the transducer cell of the ultrasonic element of 1st Embodiment. 第1実施形態の超音波エレメントの振動子セルの複数のキャビティの配置図である。FIG. 3 is a layout diagram of a plurality of cavities of the transducer cell of the ultrasonic element according to the first embodiment. 第1実施形態の超音波エレメントの第2のキャビティの平面図である。It is a top view of the 2nd cavity of the ultrasonic element of a 1st embodiment. 第2実施形態の変形例の超音波エレメントの振動子セルの複数のキャビティの配置図である。FIG. 10 is a layout diagram of a plurality of cavities of transducer cells of an ultrasonic element according to a modification of the second embodiment. 第3実施形態の変形例の超音波エレメントの振動子セルの複数のキャビティの配置図である。FIG. 10 is a layout diagram of a plurality of cavities of transducer cells of an ultrasonic element according to a modification of the third embodiment. 第4実施形態の変形例の超音波エレメントの振動子セルの複数のキャビティの配置図である。FIG. 10 is a layout diagram of a plurality of cavities of transducer cells of an ultrasonic element according to a modification of the fourth embodiment.

<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及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。なお、図はいずれも説明のための模式図であり、構成要素の数、大きさ、及び大きさ等の比率等は実際とは異なる。
<First Embodiment>
Hereinafter, the ultrasonic endoscope 20 having the ultrasonic element 20 and the ultrasonic element 20 according to the first embodiment will be described with reference to the drawings. Each figure is a schematic diagram for explanation, and the number of components, size, ratio of size, and the like are different from actual ones.

<超音波内視鏡の構成>
図4に示すように、超音波内視鏡2は、超音波観測装置3及びモニタ4とともに超音波内視鏡システム1を構成する。超音波内視鏡2は、体内に挿入される細長の挿入部41と、挿入部41の基端に配された操作部42と、操作部42の側部から延出したユニバーサルコード43とを具備する。
<Configuration of ultrasonic endoscope>
As shown in FIG. 4, the ultrasonic endoscope 2 constitutes an ultrasonic endoscope system 1 together with the ultrasonic observation device 3 and the monitor 4. The ultrasonic endoscope 2 includes an elongated insertion portion 41 to be inserted into the body, an operation portion 42 disposed at the proximal end of the insertion portion 41, and a universal cord 43 extending from a side portion of the operation portion 42. It has.

ユニバーサルコード43の基端部には、光源装置(不図示)に接続されるコネクタ44Aが配設されている。コネクタ44Aからは、カメラコントロールユニット(不図示)にコネクタ45Aを介して着脱自在に接続されるケーブル45と、超音波観測装置3にコネクタ46Aを介して着脱自在に接続されるケーブル46と、が延出している。はモニタ4が接続される超音波観測装置3は、超音波送信のための駆動信号を発生する駆動信号発生部3Aと、超音波を受信するための容量信号検出部3Bと、接地電位線3Cと、を有する。   A connector 44 </ b> A connected to a light source device (not shown) is disposed at the base end of the universal cord 43. From the connector 44A, there are a cable 45 that is detachably connected to a camera control unit (not shown) via a connector 45A, and a cable 46 that is detachably connected to the ultrasonic observation apparatus 3 via a connector 46A. It is extended. The ultrasonic observation apparatus 3 to which the monitor 4 is connected includes a drive signal generator 3A that generates a drive signal for ultrasonic transmission, a capacitance signal detector 3B that receives the ultrasonic wave, and a ground potential line 3C. And having.

挿入部41は、先端側から順に、先端硬性部(以下、「先端部」という)47と、先端部47の後端に位置する湾曲部48と、湾曲部48の後端に位置して操作部42に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部49と、を連設して構成されている。   The insertion portion 41 is operated in order from the distal end side, the distal end rigid portion (hereinafter referred to as “the distal end portion”) 47, the bending portion 48 positioned at the rear end of the distal end portion 47, and the rear end of the bending portion 48. A flexible tube portion 49 having a small diameter, a long length, and flexibility reaching the portion 42 is continuously provided.

そして、図5に示すように、挿入部41の先端部47には、複数の超音波エレメント20(以下、単に「エレメント」ともいう。)がラジアル状に配置された超音波ユニット30が配設されている。なお、超音波ユニットは、複数のエレメント20が、凸形状に配置されたコンベックス走査型、又は平面上に配置されたリニア走査型でもよい。   As shown in FIG. 5, an ultrasonic unit 30 in which a plurality of ultrasonic elements 20 (hereinafter also simply referred to as “elements”) is arranged in a radial shape is disposed at the distal end portion 47 of the insertion portion 41. Has been. The ultrasonic unit may be a convex scanning type in which a plurality of elements 20 are arranged in a convex shape, or a linear scanning type in which a plurality of elements 20 are arranged on a plane.

図6に示すように、超音波を送受信する基本単位であるエレメント20は、第1の主面20SAと、第1の主面20SAと対向する第2の主面20SBと、を有する、例えばシリコン基板11を基体とする。そして、超音波エレメント20の第1の主面20SAのほぼ中央部には超音波を送受信する送受信部21が形成されており、第1の主面20SAの両端部には外部電極22A1、22A2、22Bが配設されている。   As shown in FIG. 6, the element 20 that is a basic unit for transmitting and receiving ultrasonic waves has a first main surface 20SA and a second main surface 20SB facing the first main surface 20SA, for example, silicon. The substrate 11 is a base. A transmitter / receiver 21 for transmitting and receiving ultrasonic waves is formed at a substantially central portion of the first main surface 20SA of the ultrasonic element 20, and external electrodes 22A1, 22A2, 22B is disposed.

外部電極22A1は、超音波送信用の駆動信号発生部3Aと接続される駆動用外部電極であり、外部電極22A2は、超音波受信用の容量信号検出部3Bと接続される検出用外部電極であり、外部電極22Bは、接地電位線3Cと接続される接地電位外部電極である。   The external electrode 22A1 is a drive external electrode connected to the drive signal generating unit 3A for ultrasonic transmission, and the external electrode 22A2 is a detection external electrode connected to the capacitive signal detection unit 3B for receiving ultrasonic waves. The external electrode 22B is a ground potential external electrode connected to the ground potential line 3C.

送受信部21には、複数の静電容量型の2種類の振動子セル10(10A1、10A2)(以下、単に「セル」ともいう。)が配置されている。なお、図6では一部の振動子セルのキャビティ14を破線で示している。   In the transmission / reception unit 21, a plurality of capacitive type two transducer cells 10 (10A1, 10A2) (hereinafter also simply referred to as “cells”) are arranged. In FIG. 6, the cavities 14 of some of the transducer cells are indicated by broken lines.

図7に示すように、振動子セル10は、メンブレンを構成する上部電極16が、キャビティ(空隙部)14を介して下部電極12と対向配置している。後述するように、キャビティ14は犠牲層のエッチングにより形成される。なお、上部電極16の上に、さらに、SiN、SiO、又はポリイミドなどからなる上部絶縁層/保護膜が形成されているが図示していない。すなわち、メンブレンは上部電極16と上部絶縁層と保護膜とにより構成されている。 As shown in FIG. 7, in the transducer cell 10, the upper electrode 16 constituting the membrane is disposed so as to face the lower electrode 12 through a cavity (gap portion) 14. As will be described later, the cavity 14 is formed by etching the sacrificial layer. An upper insulating layer / protective film made of SiN, SiO 2 , polyimide, or the like is further formed on the upper electrode 16, but is not shown. That is, the membrane is composed of the upper electrode 16, the upper insulating layer, and the protective film.

下部電極12は、タングステン、モリブデン、もしくはチタン等の高融点金属又は前記金属を含む合金等からなる単層膜又は多層膜である。キャビティ14の上下に位置する下部絶縁層13及び上部絶縁層15は、チッ化シリコン、酸化シリコン、酸化タンタル又は酸化ハフニウムなどの絶縁体材料からなる。上部電極16は、アルミニウム、タングステン、モリブデン、もしくはチタン等の金属又は前記金属を含む合金等からなる単層膜又は多層膜である。   The lower electrode 12 is a single layer film or a multilayer film made of a refractory metal such as tungsten, molybdenum, or titanium or an alloy containing the metal. The lower insulating layer 13 and the upper insulating layer 15 located above and below the cavity 14 are made of an insulating material such as silicon nitride, silicon oxide, tantalum oxide, or hafnium oxide. The upper electrode 16 is a single layer film or a multilayer film made of a metal such as aluminum, tungsten, molybdenum, or titanium or an alloy containing the metal.

キャビティ14の形成には、隣接する下部絶縁層13及び上部絶縁層15の材料とのエッチング選択比の大きい材料が犠牲層として下部絶縁層13の上に配設される。犠牲層には、代表的にはリンガラスなどの絶縁材料、多結晶シリコンなどの半導体材料、タングステンなどの金属薄膜材料などが使用される。犠牲層の上に、上部絶縁層15を形成後、犠牲層を選択的にエッチングすることで、キャビティ14が形成される。   In forming the cavity 14, a material having a high etching selectivity with respect to the material of the adjacent lower insulating layer 13 and upper insulating layer 15 is disposed on the lower insulating layer 13 as a sacrificial layer. As the sacrificial layer, typically, an insulating material such as phosphorus glass, a semiconductor material such as polycrystalline silicon, a metal thin film material such as tungsten, or the like is used. After forming the upper insulating layer 15 on the sacrificial layer, the cavity 14 is formed by selectively etching the sacrificial layer.

図8に示すように、エレメント20は、平面視形状が等方的な円形である第1のキャビティ14A1を介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第1の振動子セル10A1と、平面視形状が非等方的な扁平形状の楕円である第2のキャビティ14A2を介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第2の振動子セル10A2と、を有する。すなわち、第1のキャビティ14A1は円柱状であり、第2のキャビティ14A2は楕円柱状である。   As shown in FIG. 8, the element 20 includes a plurality of first transducer cells in which a lower electrode and an upper electrode are arranged to face each other via a first cavity 14A1 having an isotropic circular shape in plan view. 10A1 and a plurality of second transducer cells 10A2 in which the lower electrode and the upper electrode are arranged to face each other via the second cavity 14A2 having a flat-shaped ellipse having an anisotropic shape in plan view. Have. That is, the first cavity 14A1 has a cylindrical shape, and the second cavity 14A2 has an elliptic cylinder shape.

超音波エレメント20の外部電極22A1は複数の第1の振動子セル10A1の下部電極の共通電極であり、外部電極22A2は複数の第2の振動子セル10A2の下部電極の共通電極であり、外部電極22Bは複数の第1の振動子セル10A1及び複数の第2の振動子セル10A2の上部電極の共通電極である。   The external electrode 22A1 of the ultrasonic element 20 is a common electrode for the lower electrodes of the plurality of first transducer cells 10A1, and the external electrode 22A2 is a common electrode for the lower electrodes of the plurality of second transducer cells 10A2. The electrode 22B is a common electrode for the upper electrodes of the plurality of first transducer cells 10A1 and the plurality of second transducer cells 10A2.

すなわち、第1の振動子セル10A1は超音波送信用セルであり、第2の振動子セル10A2は超音波受信用セルである。   That is, the first transducer cell 10A1 is an ultrasonic transmission cell, and the second transducer cell 10A2 is an ultrasonic reception cell.

次に、超音波エレメント20(セル10)の動作原理を説明する。超音波送信時には、複数の第1の振動子セル10A1の下部電極12と上部電極16との間に、駆動信号発生部3Aから駆動信号が印加される。特に、メンブレンの構成材料及び構造パラメータで決まる共振周波数FCで、印加電圧のON/OFFが繰り返される駆動信号では、メンブレンは効率良く振動し、共振周波数FCに等しい振動数の超音波が放射される。   Next, the operation principle of the ultrasonic element 20 (cell 10) will be described. At the time of ultrasonic transmission, a drive signal is applied from the drive signal generator 3A between the lower electrode 12 and the upper electrode 16 of the plurality of first transducer cells 10A1. In particular, with a drive signal in which the applied voltage is repeatedly turned ON / OFF at a resonance frequency FC determined by the constituent materials and structure parameters of the membrane, the membrane vibrates efficiently, and ultrasonic waves having a frequency equal to the resonance frequency FC are emitted. .

一方、超音波受信時には、複数の第2の振動子セル10A2のメンブレンが超音波の音圧により入射超音波の周波数で振動し、その振動に応じてキャビティ14A2の厚さ、すなわち、上部電極16と下部電極12との間の距離が変化する。電極間距離に応じて電極間の電気的容量値が変化するので、両電極間の容量値の時間変化を検出することにより、入射する超音波の強度と周波数が検出される。   On the other hand, when receiving ultrasonic waves, the membranes of the plurality of second transducer cells 10A2 vibrate at the frequency of the incident ultrasonic wave due to the sound pressure of the ultrasonic waves, and the thickness of the cavity 14A2, that is, the upper electrode 16 is corresponding to the vibration. And the distance between the lower electrode 12 changes. Since the electric capacitance value between the electrodes changes according to the distance between the electrodes, the intensity and frequency of the incident ultrasonic wave are detected by detecting the time change of the capacitance value between the two electrodes.

すでに説明したように、キャビティ14A1の平面視形状が円形の第1の振動子セル10A1は、メンブレンが振動するときの最大固定端距離である動径方向の径が一定なので、Q値が高い。このため、効率良く、所定の共振周波数FCの超音波を発生する。   As already described, the first vibrator cell 10A1 having a circular shape in the plan view of the cavity 14A1 has a high Q value because the radius in the radial direction, which is the maximum fixed end distance when the membrane vibrates, is constant. For this reason, an ultrasonic wave having a predetermined resonance frequency FC is efficiently generated.

一方、第2の振動子セル10A2は、キャビティ14A2の平面視形状が非等方的な楕円形である。ここで、形状が「非等方的」とは、円形又は正六角形のような「等方的」形状に対して、上下方向又は左右方向が押しつぶされた扁平形状を意味する。   On the other hand, the second transducer cell 10A2 has an elliptical shape in which the shape of the cavity 14A2 in plan view is anisotropic. Here, the shape “isotropic” means a flat shape in which the vertical direction or the horizontal direction is crushed with respect to an “isotropic” shape such as a circle or a regular hexagon.

このため、第2の振動子セル10A2は、メンブレンが振動するときの最大固定端距離である動径方向の径が、場所により連続的に異なる。このため、メンブレンの振動状態は、異なる直径の円形メンブレンの振動の足し合わせ(重ね合わせ)となる。   For this reason, in the second transducer cell 10A2, the radius in the radial direction, which is the maximum fixed end distance when the membrane vibrates, continuously varies depending on the location. For this reason, the vibration state of the membrane is the addition (superposition) of vibrations of circular membranes having different diameters.

例えば、第1の振動子セル10A1のキャビティ14A1の平面視形状が直径26.5μmの円形の場合、共振周波数FC=22.8MHz、Q=55.0、BW=0.415MHzである。   For example, when the plan view shape of the cavity 14A1 of the first transducer cell 10A1 is a circle having a diameter of 26.5 μm, the resonance frequency FC = 22.8 MHz, Q = 55.0, and BW = 0.415 MHz.

これに対して、第2の振動子セル10A2のキャビティ14A2の平面視形状が、図10に示すように、長径(DL)30μm、短径(DS)23μmの楕円の場合には、第1の振動子セル10A1と同じ共振周波数FC=22.8MHzであるが、Q=29.3、BW=0.778MHzであった。   On the other hand, when the plan view shape of the cavity 14A2 of the second transducer cell 10A2 is an ellipse having a major axis (DL) of 30 μm and a minor axis (DS) of 23 μm as shown in FIG. The same resonance frequency FC = 22.8 MHz as that of the transducer cell 10A1, but Q = 29.3 and BW = 0.778 MHz.

以上の説明のように、実施形態の超音波エレメント20は、送信時には高いQ値の高い第1の振動子セル10A1により効率的に超音波を送信し、受信時には帯域の広い第2の振動子セル10A2により効率的に超音波を受信できる。   As described above, the ultrasonic element 20 of the embodiment efficiently transmits ultrasonic waves by the first transducer cell 10A1 having a high Q value at the time of transmission and the second transducer having a wide band at the time of reception. An ultrasonic wave can be efficiently received by the cell 10A2.

すなわち、超音波エレメント20は、帯域幅が広く、かつ、送受信効率がよい。特に、第1の振動子セル10A1の共振周波数と第2の振動子セル10A2のの共振周波数が同じであることが、送信周波数を中心主波数とした広い帯域の超音波を効率的に超音波を受信できるため好ましい。例えば、被検物の移動(例えば、血管内の血液の流れ)に伴うドプラ効果による反射超音波の周波数偏移の検出に基づいて、被検物の移動情報(移動方向、移動速度)を演算することが容易である。   That is, the ultrasonic element 20 has a wide bandwidth and good transmission / reception efficiency. In particular, if the resonance frequency of the first transducer cell 10A1 and the resonance frequency of the second transducer cell 10A2 are the same, it is possible to efficiently convert the ultrasonic wave in a wide band with the transmission frequency as the center main wave number into the ultrasonic wave. Can be received. For example, based on the detection of the frequency shift of reflected ultrasound due to the Doppler effect accompanying the movement of the test object (for example, blood flow in the blood vessel), the movement information (movement direction and speed) of the test object is calculated. Easy to do.

なお、第2の振動子セル10A2のキャビティ14A2の平面視形状は、非等方的であれば、楕円に限られるものではなく、扁平多角形、レーストラック形状、小判型又は角部を曲線化した多角形等でもよい。   The plan view shape of the cavity 14A2 of the second transducer cell 10A2 is not limited to an ellipse as long as it is anisotropic, and a flat polygon, a racetrack shape, an oval shape, or a corner is curved. It may be a polygon.

なお、メンブレンの変形時に局所的に応力が増大する箇所が少ない形状としては、楕円、又は小判型等の外周が曲線で構成されていることが最も好ましい。信頼性及び耐久性など長期特性の低下のおそれがないためである。   In addition, as a shape with few locations where stress locally increases when the membrane is deformed, it is most preferable that the outer periphery of an ellipse or an oval shape is configured by a curve. This is because there is no fear of deterioration of long-term characteristics such as reliability and durability.

ただし、図9に示すように、キャビティ14A2の平面視形状の長軸方向の長さ(DL)が、短軸方向の長さ(DS)の130%以上200%以下であることが好ましい。前記範囲以上であれば、超音波エレメント20のように、帯域幅の広がりが顕著であり、前記範囲以下であればQ値の低下が許容範囲内である。   However, as shown in FIG. 9, it is preferable that the length (DL) in the major axis direction of the cavity 14A2 in a plan view is 130% or more and 200% or less of the length (DS) in the minor axis direction. If it is above the above range, the bandwidth spread is remarkable as in the ultrasonic element 20, and if it is below the above range, the Q value falls within the allowable range.

<第2実施形態〜第4実施形態>
次に、第2実施形態〜第4実施形態の超音波エレメント20B〜20Dについて説明する。これらの実施形態は、第1実施形態の超音波エレメント20と比較すると、複数の振動子セル10の配置形態が異なるだけであるため、その他の説明は省略する。
<Second Embodiment to Fourth Embodiment>
Next, the ultrasonic elements 20B to 20D of the second embodiment to the fourth embodiment will be described. Since these embodiments differ only in the arrangement form of the plurality of transducer cells 10 as compared with the ultrasonic element 20 of the first embodiment, other description is omitted.

図10に示すように、第2実施形態の超音波エレメント20Bは、円形の第1のキャビティ14B1(セル10B1)を取り囲むように、楕円形の第2のキャビティ14B2(セル10B2)が配置されている。   As shown in FIG. 10, in the ultrasonic element 20B of the second embodiment, an elliptical second cavity 14B2 (cell 10B2) is arranged so as to surround the circular first cavity 14B1 (cell 10B1). Yes.

図6に示した超音波エレメント20では、楕円形のキャビティ14A2を有するセル10A2の受信指向性を反映した、異方的な指向性を有していた。すなわち、超音波の受信感度に面内異方性があった。   The ultrasonic element 20 shown in FIG. 6 has anisotropic directivity reflecting the reception directivity of the cell 10A2 having the elliptical cavity 14A2. That is, there was in-plane anisotropy in ultrasonic reception sensitivity.

これに対して、超音波エレメント20Bでは、それぞれのセル10B2の超音波指向性を相殺しているため、エレメント20B全体での指向性が均一で拡散性に優れている。   On the other hand, in the ultrasonic element 20B, since the ultrasonic directivity of each cell 10B2 is offset, the directivity of the entire element 20B is uniform and excellent in diffusibility.

図11に示す第3実施形態の超音波エレメント20Cでは、複数の楕円形の第2のキャビティ14C2(セル10C2)が面内等方的に配設されている。さらに複数の第2のキャビティ14C2(セル10C2)を取り囲むように、複数の円形の第1のキャビティ14C1(セル10C1)が配置されている。   In the ultrasonic element 20C according to the third embodiment shown in FIG. 11, a plurality of elliptical second cavities 14C2 (cells 10C2) are arranged in an in-plane isotropic manner. Further, a plurality of circular first cavities 14C1 (cells 10C1) are arranged so as to surround the plurality of second cavities 14C2 (cells 10C2).

超音波の焦点でのビーム幅dは、超音波の波長をλ、焦点距離をF、音源の口径をDとすると、以下の(式1)で表される。   The beam width d at the focal point of the ultrasonic wave is expressed by the following (formula 1), where λ is the wavelength of the ultrasonic wave, F is the focal length, and D is the aperture of the sound source.

d=1.2×λ×F/D … (式1)     d = 1.2 × λ × F / D (Formula 1)

焦点距離Fは、音響レンズを用いる場合はその焦点距離となり、他方、音響レンズを用いないで、エレメント20)を凹型に湾曲させた場合は、その曲率半径に対応する。   The focal length F is the focal length when an acoustic lens is used, and corresponds to the radius of curvature when the element 20) is bent concavely without using the acoustic lens.

超音波エレメント20Cでは、円形の第1のキャビティ14C1を有する第1のセル10C1が、第2のセル10C2の周辺に配設されているため、音源の口径Dが大きい。このため、超音波の焦点でのビーム幅dが狭く、高分解能の超音波画像が取得できる。   In the ultrasonic element 20C, since the first cell 10C1 having the circular first cavity 14C1 is disposed around the second cell 10C2, the aperture D of the sound source is large. For this reason, the beam width d at the focal point of the ultrasonic wave is narrow, and a high-resolution ultrasonic image can be acquired.

図12に示す第4実施形態の超音波エレメント20Dは、大きさの異なる2種類の円形のキャビティ14D1(セル10D1)及び14D2(セル10D2)と、大きさ及び形状の異なる2種類の楕円形のキャビティ14D3(セル10D3)及び14D4(セル10D4)と、を有する。   The ultrasonic element 20D of the fourth embodiment shown in FIG. 12 includes two types of circular cavities 14D1 (cell 10D1) and 14D2 (cell 10D2) having different sizes, and two types of elliptical shapes having different sizes and shapes. And cavities 14D3 (cell 10D3) and 14D4 (cell 10D4).

キャビティの大きさ又は形状の異なるセルは共振周波数が異なる。すなわち、超音波エレメント20Dの送受信感度は、複数の共振周波数におけるピークの重畳したものとなる。   Cells with different cavity sizes or shapes have different resonant frequencies. That is, the transmission / reception sensitivity of the ultrasonic element 20D is obtained by superimposing peaks at a plurality of resonance frequencies.

このため、超音波エレメント20Dは、より帯域の広い超音波が送受信できる。   For this reason, the ultrasonic element 20D can transmit and receive ultrasonic waves with a wider band.

なお、以上において説明した超音波エレメント20B〜20Dが先端部47に配設された超音波内視鏡2B〜2Dが超音波内視鏡2の効果を有し、特に医療用内視鏡として好ましく用いることができることは言うまでも無い。   Note that the ultrasonic endoscopes 2B to 2D in which the ultrasonic elements 20B to 20D described above are disposed at the distal end portion 47 have the effect of the ultrasonic endoscope 2, and are particularly preferable as a medical endoscope. Needless to say, it can be used.

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、改変等ができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

1…超音波内視鏡システム、2、2B〜2D…超音波内視鏡、3…超音波観測装置、3A…駆動信号発生部、3B…容量信号検出部、3C…接地電位線、4…モニタ、10…振動子セル、11…シリコン基板、12…下部電極、13…下部絶縁層、14…キャビティ、15…上部絶縁層、16…上部電極、20、20B〜20D…超音波エレメント、22A1、22A2、22B…外部電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasound endoscope system 2, 2B-2D ... Ultrasound endoscope, 3 ... Ultrasonic observation apparatus, 3A ... Drive signal generation part, 3B ... Capacitance signal detection part, 3C ... Ground potential line, 4 ... Monitor 10, vibrator cell 11, silicon substrate, 12 lower electrode, 13 lower insulating layer, 14 cavity, 15 upper insulating layer, 16 upper electrode, 20, 20B to 20D ultrasonic element, 22A1 , 22A2, 22B ... external electrodes

Claims (9)

平面視形状が等方的な第1のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第1の振動子セルと、
平面視形状が非等方的な第2のキャビティを介して下部電極と上部電極とが対向配置している複数の第2の振動子セルと、を有することを特徴とする超音波エレメント。
A plurality of first transducer cells in which a lower electrode and an upper electrode are arranged to face each other through a first cavity having an isotropic shape in plan view;
An ultrasonic element comprising: a plurality of second transducer cells in which a lower electrode and an upper electrode are arranged to face each other through a second cavity having an anisotropic shape in plan view.
前記複数の第1の振動子セルの前記上部電極及び前記複数の第2の振動子セルの前記上部電極を接地電位線と接続される接地電位外部電極と、
前記複数の第1の振動子セルの前記下部電極を、超音波送信用の駆動信号発生部と接続される駆動用外部電極と、
前記複数の第2の振動子セルの前記下部電極を、超音波受信用の容量信号検出部と接続される検出用外部電極と、を有す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。
A ground potential external electrode that connects the upper electrode of the plurality of first transducer cells and the upper electrode of the plurality of second transducer cells to a ground potential line;
An external electrode for driving connected to the driving signal generator for transmitting ultrasonic waves, the lower electrode of the plurality of first transducer cells;
2. The ultrasonic element according to claim 1, wherein the lower electrode of the plurality of second transducer cells includes a detection external electrode connected to a capacitive signal detection unit for receiving ultrasonic waves. .
前記第1の振動子セルと前記第2の振動子セルとが、共振周波数が同じで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。   The ultrasonic element according to claim 2, wherein the first transducer cell and the second transducer cell have the same resonance frequency. 前記第2のキャビティの前記平面視形状の長軸方向の長さが、短軸方向の長さの130%以上200%以下であることを特徴とする請求項3に記載の超音波エレメント。   4. The ultrasonic element according to claim 3, wherein a length of the second cavity in the major axis direction of the plan view shape is 130% or more and 200% or less of a length in the minor axis direction. 前記平面視形状の外周が曲線で構成されていることを特徴とする請求項4に記載の超音波エレメント。   The ultrasonic element according to claim 4, wherein an outer periphery of the planar view shape is configured by a curve. 前記第1のキャビティの前記平面視形状が円で、
前記第2のキャビティの前記平面視形状が楕円であることを特徴とする請求項5に記載の超音波エレメント。
The plan view shape of the first cavity is a circle;
The ultrasonic element according to claim 5, wherein the shape of the second cavity in plan view is an ellipse.
前記複数の第1の振動子セルと、前記複数の第2の振動子セルとが、均等に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の超音波エレメント。   The ultrasonic element according to claim 6, wherein the plurality of first transducer cells and the plurality of second transducer cells are evenly arranged. 第2の振動子セルを取り囲むように、前記複数の第1の振動子セルが配置されていることを特徴とする請求項6に記載の超音波エレメント。   The ultrasonic element according to claim 6, wherein the plurality of first transducer cells are arranged so as to surround the second transducer cell. 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の超音波エレメントが先端部に配設された挿入部と、
前記挿入部の基端側に配設された操作部と、
前記操作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。
An insertion portion in which the ultrasonic element according to any one of claims 1 to 8 is disposed at a tip portion;
An operation portion disposed on a proximal end side of the insertion portion;
An ultrasonic endoscope comprising: a universal cord extending from the operation unit.
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