JPWO2013065365A1 - 超音波振動子エレメントおよび超音波内視鏡 - Google Patents
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Abstract
超音波振動子エレメント２０は、平面視円形のキャビティ１４を介して配向配置している下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８とを有する複数の静電容量型の超音波セル１０を具備し、キャビティ１４の厚さがキャビティ１８の中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少している。
Description
本発明は、静電容量型の超音波振動子エレメントおよび前記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。
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 Micro-machined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ−ＭＵＴ」という）の開発が進んでいる。
特表２００５−５１０２６４号公報に開示されているように、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振動子エレメント（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メンブレンが変形し両電極部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。
ここで、ｃ−ＭＵＴのメンブレンは、太鼓の膜と同じように全外周が固定（拘束）された円形膜であるため、中心部は変位しやすいが、外周部は変位しにくい。このため、メンブレンの外周部は中心部に比べると送受信効率が悪かった。すなわち、従来の静電容量型の超音波振動子エレメントおよび従来の静電容量型の超音波振動子エレメントを有する超音波内視鏡は送受信効率がよいとはいえないことがあった。
本発明は、送受信効率のよい超音波振動子エレメントおよび送受信効率のよい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振動子エレメントは、平面視円形のキャビティを介して配向配置している下部電極部と上部電極部を含むメンブレンとを有する複数の静電容量型の超音波セルを具備し、キャビティの厚さが前記キャビティの中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少している。
また別の実施形態の超音波内視鏡は、平面視円形のキャビティを介して配向配置している下部電極部と上部電極部を含むメンブレンとを有する複数の静電容量型の超音波セルを有する、前記キャビティの厚さが前記キャビティの中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少している超音波振動子エレメント、を具備する。
＜第１の実施形態＞
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（ＵＳエレメント）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。
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（ＵＳエレメント）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。
＜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。
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、超音波送受部である超音波ユニット（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、超音波を送受信する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、複数の平面視長方形の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６４個、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、凸形状に湾曲したコンベックス型振動子群であってもよい。
＜超音波振動子エレメントの構成＞
図４に示すように、平面視長方形の超音波振動子エレメント２０は、複数の超音波セル１０がマトリックス状に２次元配置された送受信部６０を有する。それぞれのＵＳエレメント２０には、複数の超音波セル１０を駆動するための上部電極端子５１および下部電極端子５２が配設されている。そして、複数のＵＳエレメント２０は、それぞれの長辺が連結されている。
図４に示すように、平面視長方形の超音波振動子エレメント２０は、複数の超音波セル１０がマトリックス状に２次元配置された送受信部６０を有する。それぞれのＵＳエレメント２０には、複数の超音波セル１０を駆動するための上部電極端子５１および下部電極端子５２が配設されている。そして、複数のＵＳエレメント２０は、それぞれの長辺が連結されている。
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、形状、厚さ、大きさ、および大きさ等の比率は実際とは異なる。
＜超音波セルの基本構造＞
図５および図６に示すように、それぞれのＵＳセル１０は、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが、下部絶縁層１３、ギャップ調整部１９、キャビティ１４および上部絶縁層１５を介して対向配置している。なお、以下、Ｚ方向の基板側を下側といい、保護層１７側を上側という。
図５および図６に示すように、それぞれのＵＳセル１０は、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが、下部絶縁層１３、ギャップ調整部１９、キャビティ１４および上部絶縁層１５を介して対向配置している。なお、以下、Ｚ方向の基板側を下側といい、保護層１７側を上側という。
すなわち、ＵＳセル１０は、基体であるシリコンからなる基板１１上に、順に積層された、下部電極層１２と、下部絶縁層１３と、キャビティ１４を有するギャップ調整層１９Ａと、上部絶縁層１５と、上部電極層１６と、保護層１７と、を有する。キャビティ１４の直上の、上部絶縁層１５の一部１５Ｂ〜保護層１７が、メンブレン１８を構成している。なお、メンブレン１８は図６等では説明のため厚く図示しているが、平面視円形のキャビティ１４の開口に張られた薄い厚さ、例えば、1μm〜10μmの振動膜である。
下部電極層１２は下部電極部１２Ａと下部配線部１２Ｂとからなる。また、上部電極層１６は上部電極部１６Ａと上部配線部１６Ｂとからなる。ＵＳエレメント２０の複数のＵＳセル１０の全ての下部電極部１２Ａは下部配線部１２Ｂを介して下部電極端子５２と接続されている。同様にＵＳエレメント２０の複数のＵＳセル１０の全ての上部電極部１６Ａは上部配線部１６Ｂを介して上部電極端子５１と接続されている。
なお、下部電極部１２Ａ、上部電極部１６Ａ、ギャップ調整部１９およびキャビティ１４は中心軸Ｏに対して回転対称形状であり、平面視円形である。
そして、キャビティ１４の厚さ（高さ）であるギャップを調整する、高誘電率材料からなるギャップ調整部１９は、円筒形の空洞部であるキャビティ形成部１４Ａの内部の下部絶縁層１３の上に配設されている。言い換えれば、キャビティ形成部１４Ａのギャップ調整部１９のない空間が、キャビティ１４である。そして、ギャップ調整部１９の厚さ「Ｔ」は、中心部が最小の例えば０（μm）であり、中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加している。
すなわち、半径が「Ｒ」のギャップ調整部１９の厚さ「Ｔ」の分布Ｔ（ｒ）は、例えば、（式１）に示す、中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加する関数で表現できる。ここで、中心軸Ｏからの距離が「ｒ」、ギャップ調整部１９の外周（ｒ＝Ｒ）の厚さが「ＴＲ」である。もちろん、分布Ｔ（ｒ）は、（式１）に示す関数と完全に一致している必要はなく、多少の相違、例えば±５％程度の相違があってもよい。
（式１）
Ｔ（ｒ）＝ＴＲ×［１−Ｊ０（２．４／Ｒ×ｒ）］
Ｊ０は０次のベッセル関数であり、Ｊ０（０）＝１、Ｊ０（２．４）＝０である。
Ｔ（ｒ）＝ＴＲ×［１−Ｊ０（２．４／Ｒ×ｒ）］
Ｊ０は０次のベッセル関数であり、Ｊ０（０）＝１、Ｊ０（２．４）＝０である。
ここで、（式１）は、外周が拘束された円形の平面振動板の振動の包絡線を示す第０種ベッセル関数を用いた表現である。
ギャップ調整部１９は、高誘電率材料、例えば、比誘電率Ｋｓが３以上の例えばＳｉＯ２（Ｋｓ＝３．８）からなることが好ましく、比誘電率Ｋｓが５以上の例えばＳｉＮからなることが特に好ましい。もちろん、より比誘電率Ｋｓが高い、Ａｌ２Ｏ３（Ｋｓ＝８．５）、Ｔａ２Ｏ５（Ｋｓ＝２０〜２５）、ＴｉＯ２（Ｋｓ＝４０〜１１０）、ＨｆＯＦ、または、ＨｆＯ２、更にはチタン酸バリウム系セラミックス等を用いてもよいが、形成方法の容易さ等の観点からは、比誘電率Ｋｓの上限は、１５０程度である。
一方、キャビティ１４の厚さ（高さ）「ｔ」は、ギャップ調整部１９の厚さ分布に対応して、キャビティ１４の中心Ｏから外周部に向かって曲線的に単調減少しており、（式２）に示す第０種ベッセル関数ｔ（ｒ）で示される。すなわち、キャビティ１４は、いわゆる下凸形状である。なお、「ｔ０」はキャビティ１４の中心（ｒ＝０）の厚さ（高さ）「ｔ」であり、ギャップ調整部１９の外周（ｒ＝Ｒ）の厚さ「ＴＲ」に等しい。
（式２）
ｔ（ｒ）＝ｔ０×Ｊ０（２．４／Ｒ×ｒ）
すなわち、キャビティ１４の厚さ「ｔ」の厚さの分布（変化状態）ｔ（ｒ）は、駆動時のメンブレン１８の理論的変形状態と同じである。
ｔ（ｒ）＝ｔ０×Ｊ０（２．４／Ｒ×ｒ）
すなわち、キャビティ１４の厚さ「ｔ」の厚さの分布（変化状態）ｔ（ｒ）は、駆動時のメンブレン１８の理論的変形状態と同じである。
次に、図７Ａ〜図７Ｅを用いて、ＵＳエレメント２０の製造方法について説明する。
＜下部電極層形成＞
導電性シリコンまたは金属、例えば、銅、金、Ｍｏ、Ｔａ、もしくはアルミニウムからなる導電層が、絶縁層（不図示）を形成した基板１１の全面にスパッタ法またはＣＶＤ（化学気相成長法）法等により成膜される。そして、導電層の上に、レジストからなるマスクパターンをフォトリソグラフィにより形成後に、マスクパターンに覆われていない導電層を選択的にエッチング除去することにより、下部電極層１２が形成される。
導電性シリコンまたは金属、例えば、銅、金、Ｍｏ、Ｔａ、もしくはアルミニウムからなる導電層が、絶縁層（不図示）を形成した基板１１の全面にスパッタ法またはＣＶＤ（化学気相成長法）法等により成膜される。そして、導電層の上に、レジストからなるマスクパターンをフォトリソグラフィにより形成後に、マスクパターンに覆われていない導電層を選択的にエッチング除去することにより、下部電極層１２が形成される。
＜下部絶縁層形成＞
下部電極層１２を覆うように、ＳｉＮ等の絶縁性材料からなる下部絶縁層１３が、例えばＣＶＤ法等により成膜される。必要に応じて、成膜後に下部絶縁層１３の表面は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish)法により平坦化される。そして、下部絶縁層１３の上に、更に例えばＳｉＮからなる中間絶縁層１５Ａが形成される。中間絶縁層１５Ａの厚さ「ｔ０（ＴＲ）」が、キャビティ形成部１４Ａの厚さ（高さ）に対応する。
下部電極層１２を覆うように、ＳｉＮ等の絶縁性材料からなる下部絶縁層１３が、例えばＣＶＤ法等により成膜される。必要に応じて、成膜後に下部絶縁層１３の表面は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish)法により平坦化される。そして、下部絶縁層１３の上に、更に例えばＳｉＮからなる中間絶縁層１５Ａが形成される。中間絶縁層１５Ａの厚さ「ｔ０（ＴＲ）」が、キャビティ形成部１４Ａの厚さ（高さ）に対応する。
図７Ａに示すように、フォトリソグラフィ法により作製されたマスクを用いて、中間絶縁層１５Ａが選択的にエッチング除去されキャビティ形成部１４Ａが形成される。下部絶縁層１３と中間絶縁層１５Ａとが異なる材料からなる場合には、中間絶縁層１５Ａを選択的にエッチングする薬液またはガスなどでエッチングする。他方、下部絶縁層１３と中間絶縁層１５Ａとが、同一材料、例えばＳｉＮなどからなる場合には、必要に応じてＣＭＰ法で中間絶縁層１５Ａの表面を平坦化した後、中間絶縁層１５Ａのエッチングレートに基づき、キャビティ形成部１４Ａだけを、キャビティ１４の最大高さ（深さ）「ｔ０」になるまでエッチングしてもよい。
＜ギャップ調整部形成＞
中間絶縁層１５Ａの表面に、高誘電率材料からなるギャップ調整層１９Ａが、キャビティ形成部１４Ａの最大厚さ（高さ）「ＴＲ（ｔ０）」以上に成膜される。そして、ギャップ調整層１９Ａの膜厚相当分（凸部）がＣＭＰ法により研磨され表面が平坦化される。すると、キャビティ形成部１４Ａの内部のみにギャップ調整層１９Ａが埋め込まれた構造が作製される。
中間絶縁層１５Ａの表面に、高誘電率材料からなるギャップ調整層１９Ａが、キャビティ形成部１４Ａの最大厚さ（高さ）「ＴＲ（ｔ０）」以上に成膜される。そして、ギャップ調整層１９Ａの膜厚相当分（凸部）がＣＭＰ法により研磨され表面が平坦化される。すると、キャビティ形成部１４Ａの内部のみにギャップ調整層１９Ａが埋め込まれた構造が作製される。
図７Ｂに示すように、グレースケールフォトマスクなどを介してフォトレジストに露光することにより、厚さが中心部から外周部に向かって単調増加するレジストマスク６３が作製される。すなわちレジストマスク６３の厚さは、（式１）で示されるように、中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加している。
レジストマスク６３とギャップ調整層１９Ａとのエッチングレートが等しいドライエッチング条件で、エッチバック処理を行うことで、図７Ｃに示すように、（式１）で示される表面プロファイルの高誘電率材料からなるギャップ調整部１９がキャビティ形成部１４Ａの内部に作製される。
＜犠牲層形成＞
例えばタングステンからなる犠牲層材料が、キャビティ形成部１４Ａの最大厚さ（ＴＲ）以上の厚さに成膜される。そして、ＣＭＰ法による研磨が行われると、図７Ｄに示すように、キャビティ形状の犠牲層６１を含んだ構造が得られる。研磨後の犠牲層６１の最大厚さ「ｔ０（ＴＲ）」は、例えば、０．０５μm〜０．３μmであり、好ましくは０．０５μm〜０．１５μmである。
例えばタングステンからなる犠牲層材料が、キャビティ形成部１４Ａの最大厚さ（ＴＲ）以上の厚さに成膜される。そして、ＣＭＰ法による研磨が行われると、図７Ｄに示すように、キャビティ形状の犠牲層６１を含んだ構造が得られる。研磨後の犠牲層６１の最大厚さ「ｔ０（ＴＲ）」は、例えば、０．０５μm〜０．３μmであり、好ましくは０．０５μm〜０．１５μmである。
＜上部絶縁層形成＞
上部絶縁層１５が、例えば下部絶縁層１３と同様の方法および同様の材料により形成される。そして、上部絶縁層１５の所定の位置に、犠牲層６１を除去するために、エッチング剤を流入する開口部（不図示）が形成される。
上部絶縁層１５が、例えば下部絶縁層１３と同様の方法および同様の材料により形成される。そして、上部絶縁層１５の所定の位置に、犠牲層６１を除去するために、エッチング剤を流入する開口部（不図示）が形成される。
＜キャビティ形成＞
犠牲層６１を選択的にエッチング除去することにより、キャビティ１４が形成される。例えば犠牲層６１としてタングステン（Ｗ）を用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤として過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を用いる。また犠牲層６１として導電性多結晶シリコンを用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤としてフッ化キセノンガス（ＸｅＦ２）を用いる。
犠牲層６１を選択的にエッチング除去することにより、キャビティ１４が形成される。例えば犠牲層６１としてタングステン（Ｗ）を用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤として過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を用いる。また犠牲層６１として導電性多結晶シリコンを用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤としてフッ化キセノンガス（ＸｅＦ２）を用いる。
＜上部電極層形成＞
下部電極層１２と同様の方法により、上部電極層１６が形成される。
下部電極層１２と同様の方法により、上部電極層１６が形成される。
＜保護層形成＞
図７Ｅに示すように、上部絶縁層１５が保護層１７で覆われる。保護層１７は、保護機能だけでなく、複数のＵＳエレメント２０を連結する機能も有する。保護層１７としては、ポリイミド、エポキシ、アクリル、またはポリパラキシレンなどの可撓性の樹脂からなり、中でも、ポリイミドが、耐薬品性が高く、屈曲性を有し、加工が容易のため好ましい。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。
図７Ｅに示すように、上部絶縁層１５が保護層１７で覆われる。保護層１７は、保護機能だけでなく、複数のＵＳエレメント２０を連結する機能も有する。保護層１７としては、ポリイミド、エポキシ、アクリル、またはポリパラキシレンなどの可撓性の樹脂からなり、中でも、ポリイミドが、耐薬品性が高く、屈曲性を有し、加工が容易のため好ましい。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。
なお、キャビティ１４の平面視は真円である必要はなく、略円形でよい。更にキャビティ１４の平面視は略円形の多角形であってもよい。すなわち、キャビティ形成部１４Ａの形状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。キャビティ形成部１４Ａ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。そして、ギャップ調整部１９は、内接円の範囲が前記厚さ分布を満たしていればよい。
複数のＵＳエレメント２０を、図４に示す連結方向にラジアル形状に湾曲配置することで、図２および図３に示したＵＳアレイ４０が作製される。ＵＳアレイ４０は、例えば所定の外径の円筒の外周面に接合される。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。
＜ＵＳエレメント／ＵＳセルの動作＞
次に、図８Ａおよび図８Ｂを用いて、ＵＳエレメント２０の動作について説明する。なお図８Ａおよび図８Ｂでは、下部絶縁層１３、上部絶縁層１５および保護層１７等は表示せず、その影響についての説明も省略する。
次に、図８Ａおよび図８Ｂを用いて、ＵＳエレメント２０の動作について説明する。なお図８Ａおよび図８Ｂでは、下部絶縁層１３、上部絶縁層１５および保護層１７等は表示せず、その影響についての説明も省略する。
図８Ａに示すように、下部電極部１２Ａは下部電極端子５２を介して超音波観測装置３の電圧信号発生部３Ａと接続されている。一方、上部電極部１６Ａは上部電極端子５１を介して容量信号検出部３Ｂと接続されグランド電位となっている。容量信号検出部３Ｂは超音波受信時に容量信号（電流変化）を検出する。
超音波発生時（駆動時）には、電圧信号発生部３Ａはバイアス電圧を含む駆動電圧信号を下部電極部１２Ａに印加する。下部電極部１２Ａに電圧が印加されると、図８Ｂに示すように、グランド電位の上部電極部１６Ａは静電力により下部電極部１２Ａに引き寄せられるため、上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８は凹形状に変形する。なお、キャビティ１４の外周部は高さ（厚さ）「ｔ」が小さいが、メンブレン１８の外周部は変形量が小さいため、メンブレン１８の変形の妨げとなることはない。
そして下部電極部１２Ａへの電圧印加がなくなると、メンブレン１８は弾性力により図８Ａに示す元の形に回復する。メンブレン１８の（変形／回復）による振動により超音波が発生する。
ここで、従来のＵＳエレメントのキャビティ１４は、内部全体が比誘電率「１」の空気（真空）であり、厚さは中心部から外周部まで同じ「ｔ０」であった。言い換えれば従来のＵＳエレメントのキャビティ１４は、ＵＳエレメント２０のキャビティ形成部１４Ａと同じであった。
これに対して、ＵＳエレメント２０のキャビティ形成部１４Ａの内部にはギャップ調整部１９が配設されている。高誘電率材料からなるギャップ調整部１９の比誘電率Ｋｓは「１」よりも大きい。このため、ギャップ調整部１９の誘電等価間隔「Ｔｅｆｆ」は、キャビティ１４の中心からの距離が「ｒ」の位置においては、（式３）で示される。ここで、誘電等価間隔「Ｔｅｆｆ」とは、物理的間隔「Ｔ」に対して、比誘電率Ｋｓを考慮した静電的間隔である。
（式３）
Ｔｅｆｆ（ｒ）＝Ｔｒ（ｒ）／Ｋｓ
ここで、比誘電率Ｋｓが「１」より十分に大きい場合、例えばＫｓ≧３では、誘電等価間隔「Ｔｅｆｆ」は、略「０」と見なすことができる。すなわち、すなわち、ＵＳエレメント２０では、ギャップ調整部１９は静電的には存在しないものと見なすことができる。
Ｔｅｆｆ（ｒ）＝Ｔｒ（ｒ）／Ｋｓ
ここで、比誘電率Ｋｓが「１」より十分に大きい場合、例えばＫｓ≧３では、誘電等価間隔「Ｔｅｆｆ」は、略「０」と見なすことができる。すなわち、すなわち、ＵＳエレメント２０では、ギャップ調整部１９は静電的には存在しないものと見なすことができる。
このため、キャビティ１４の誘電等価間隔「ｔｅｆｆ」は（式４）で近似表現できる。
（式４）
ｔｅｆｆ＝ｔ０―Ｔ（ｒ）
言い換えれば、キャビティ１４を介して対向配置している下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとの物理的間隔は均一である。しかし、キャビティ１４の実効厚さである誘電等価間隔「Ｔｅｆｆ」、すなわち、静電的間隔（電極間実効距離）は、中心（ｒ＝０）が最大であり、外周部に向かって曲線的に減少している。静電力は、電極間実効距離に比例するため、ＵＳエレメント２０は、電極間距離が均一な従来のＵＳエレメントよりも、電極間に作用する静電力が増加している。このため、ＵＳエレメント２０は超音波の発生効率がよい。
ｔｅｆｆ＝ｔ０―Ｔ（ｒ）
言い換えれば、キャビティ１４を介して対向配置している下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとの物理的間隔は均一である。しかし、キャビティ１４の実効厚さである誘電等価間隔「Ｔｅｆｆ」、すなわち、静電的間隔（電極間実効距離）は、中心（ｒ＝０）が最大であり、外周部に向かって曲線的に減少している。静電力は、電極間実効距離に比例するため、ＵＳエレメント２０は、電極間距離が均一な従来のＵＳエレメントよりも、電極間に作用する静電力が増加している。このため、ＵＳエレメント２０は超音波の発生効率がよい。
更に、ＵＳエレメント２０では、駆動時には、下部電極部１２Ａに引き寄せられたメンブレン１８の下面全体はギャップ調整部１９の上面に接触し張り付くように変形する。このため、駆動時のメンブレン１８の変形状態は、（式１）等で示されるギャップ調整部１９の上面形状と同じになる。
すでに説明したように、（式１）等で示される形状は理論的な振動膜の変形形状である。
理論的状態に変形するＵＳセル１０が発生する超音波はひずみの少ない理想的な波形となる。このため、ＵＳセル１０を有するＵＳエレメント２０は超音波の送信効率がよい。
なお、メンブレン１８の下面全体がギャップ調整部１９の上面に張り付くように、すなわち当接するように大きく変形するとき、キャビティ１４に気体が存在する場合に気体は、圧縮された状態で内部に保持されてもよいし、例えばエッチング剤を流入するために形成した開口部（不図示）を介して外部に放出されてもよい。
また、ＵＳエレメント２０では、電極間に空気よりも絶縁性の高い高誘電率材料からなるギャップ調整部１９が配設されているため、電極間の絶縁耐圧が高い。
一方、ＵＳセル１０を有するＵＳエレメント２０は、超音波の受信効率もよい。すでに説明したように、電極間距離が中心部から外周部に向かって減少しているＵＳセル１０は、電極間距離が均一な従来のＵＳセルよりも静電容量が増加している。このため、ＵＳセル１０は、従来のＵＳセルと同じ程度にメンブレン１８が変形しても、電荷量の変化率が増大している。更に、メンブレン１８の外周部は、中間絶縁層１５Ａに拘束されているため変形量が小さいが、電極間距離が短いため、電荷量の変化が大きい。
以上の説明のように、ＵＳエレメント２０は超音波の送受信効率がよい。そしてＵＳエレメント２０を具備するＵＳ内視鏡２は超音波の送受信効率がよい。
＜第１実施形態の変形例＞
図８Ａ等に示すように、ＵＳエレメント２０では中間絶縁層１５Ａに形成された円筒形の空洞部であるキャビティ形成部１４Ａの内部に、高誘電率材料からなるギャップ調整部１９が配設されているため、キャビティの厚さが変化していた。これに対して、図９Ａに示すＵＳセル１０Ａのように、高誘電率材料からなる中間絶縁層１５Ａの一部を厚さが変化するキャビティ１４Ａ１としてもよい。すなわち、図９Ａに示す第１実施形態の変形例１のＵＳエレメント２０Ａのギャップ調整部は中間絶縁層１５Ａの一部である。
図８Ａ等に示すように、ＵＳエレメント２０では中間絶縁層１５Ａに形成された円筒形の空洞部であるキャビティ形成部１４Ａの内部に、高誘電率材料からなるギャップ調整部１９が配設されているため、キャビティの厚さが変化していた。これに対して、図９Ａに示すＵＳセル１０Ａのように、高誘電率材料からなる中間絶縁層１５Ａの一部を厚さが変化するキャビティ１４Ａ１としてもよい。すなわち、図９Ａに示す第１実施形態の変形例１のＵＳエレメント２０Ａのギャップ調整部は中間絶縁層１５Ａの一部である。
また、図９Ｂに示すように、第１実施形態の変形例２のＵＳエレメント２０ＢのＵＳセル１０Ｂのキャビティ１４Ｂは、ＵＳエレメント２０と同様に厚さが中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加しているが、いわゆる上凹形状である。
ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳエレメント２０Ｂは、ＵＳエレメント２０と同じ効果を有する。
＜第２実施形態＞
以下、図面を参照して、第２実施形態のＵＳセル１０Ｃを有するＵＳエレメント２０Ｃについて説明する。ＵＳセル１０ＣおよびＵＳエレメント２０Ｃは、第１実施形態のＵＳセル１０およびＵＳエレメント２０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。
以下、図面を参照して、第２実施形態のＵＳセル１０Ｃを有するＵＳエレメント２０Ｃについて説明する。ＵＳセル１０ＣおよびＵＳエレメント２０Ｃは、第１実施形態のＵＳセル１０およびＵＳエレメント２０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。
図１０Ａに示すように、ＵＳセル１０Ｃでは、下部絶縁層１３により覆われた下部電極部１２Ｃの厚さＴ１２が中心から外周に向かって曲線的に単調増加している。このため、下部電極部１２Ｃと上部電極部１６Ａとの物理的間隔が、中心から外周部に向かって曲線的に単調減少している。このため、キャビティ１４Ｃの厚さ「ｔ」が中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加している。
そして、ＵＳエレメント２０Ｃの下部電極部１２Ｃの厚さＴ１２の分布およびキャビティ１４Ｃの厚さ「ｔ」の分布は、第１実施形態のＵＳエレメント２０のギャップ調整部１９の厚さ変化と同じく、（式１）または（式２）の第０種ベッセル関数で示すことができる。すなわち、ＵＳエレメント２０Ｃでも、キャビティ１４Ｃの厚さ変化状態は、駆動時のメンブレンの変形状態と同じである。
言い換えれば、下部絶縁層１３により覆われた下部電極部１２Ｃの上面形状が、キャビティ１４Ｃの下面形状と同じである。
下部電極部１２Ｃは、ギャップ調整層１９Ａと同じように厚さが中心部から外周部に向かって単調増加するレジストマスクなどを用いて、エッチバック処理を行うことで形成される。
＜第２実施形態の変形例＞
図１０Ｂに示すように、第２実施形態の変形例１のＵＳエレメント２０ＤのＵＳセル１０Ｄでは、基板１１Ｄに深さが、第０種ベッセル関数で表現される、中心部から外周部に向かって単調減少する凹部が形成され、その上に下部電極部１２Ｄが形成されている。このため、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ｄとの物理的間隔が、中心から外周部に向かって曲線的に単調減少している。そして、キャビティ１４Ｄの厚さ「ｔ」は、中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加している。
図１０Ｂに示すように、第２実施形態の変形例１のＵＳエレメント２０ＤのＵＳセル１０Ｄでは、基板１１Ｄに深さが、第０種ベッセル関数で表現される、中心部から外周部に向かって単調減少する凹部が形成され、その上に下部電極部１２Ｄが形成されている。このため、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ｄとの物理的間隔が、中心から外周部に向かって曲線的に単調減少している。そして、キャビティ１４Ｄの厚さ「ｔ」は、中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加している。
また、図１０Ｃに示す第２実施形態の変形例２のＵＳエレメント２０ＥのＵＳセル１０Ｅでは、上部電極部１６Ｅがメンブレン１８の内部応力により第０種ベッセル関数で表現される凸形状に変形している。このため、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ｅとの物理的間隔が、中心から外周部に向かって曲線的に単調減少している。このため、キャビティ１４Ｅの厚さ「ｔ」が中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少している。
更に、図１０Ｄに示す第２実施形態の変形例３のＵＳエレメント２０ＦのＵＳセル１０Ｆでは、第０種ベッセル関数で表現される下凸形状のキャビティと、第０種ベッセル関数で表現される上凸状のキャビティとを組み合わせることで、両凸形状のキャビティ１４Ｆを有する。上部電極部１６Ｆと基板１１Ｆ上の下部電極部１２Ｆとの物理的間隔は、中心から外周部に向かって曲線的に単調減少している。
ＵＳエレメント２０Ｃ〜２０Ｆは、いずれもＵＳエレメント２０と同じ効果を有する。更に、ＵＳエレメント２０Ｃ〜２０Ｆは、ＵＳエレメント２０と異なり、ギャップ調整部１９の形成が不要であるので作製が容易である。
以上の説明のように、ＵＳエレメント２０Ａ〜２０ＦはＵＳエレメント２０と同様に超音波の送受信効率がよい。そしてＵＳエレメント２０Ａ〜２０Ｆを具備するＵＳ内視鏡２Ａ〜２Ｆは超音波の送受信効率がよい。
なお、メンブレン１８の外周の拘束条件によっては、第１実施形態、第２実施形態、および変形例で示したキャビティ１４〜１４Ｆの厚さ（高さ）分布ｔ（ｒ）は、［ｒ］の増加につれ厚さ「ｔ」が曲線的に単調減少する関数で表現できれば、（式５）に示す円弧関数、または（式６）に示す正弦関数であってもよい。
（式５）
ｔ（ｒ）＝ｔ０×［１−（ｒ／Ｒ）２］
（式６）
ｔ（ｒ）＝ｔ０×［１−ｓｉｎ（π／２×ｒ／Ｒ）］
また、キャビティの形状としては、キャビティ１４〜１４Ｆの形状に限られるものではなく、キャビティの厚さが中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少していればよい。例えば、キャビティの上面が大きく湾曲し、下面が小さく湾曲していてもよいし、その逆にキャビティの上面が小さく湾曲し、下面が小さく大きく湾曲していてもよい。
ｔ（ｒ）＝ｔ０×［１−（ｒ／Ｒ）２］
（式６）
ｔ（ｒ）＝ｔ０×［１−ｓｉｎ（π／２×ｒ／Ｒ）］
また、キャビティの形状としては、キャビティ１４〜１４Ｆの形状に限られるものではなく、キャビティの厚さが中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少していればよい。例えば、キャビティの上面が大きく湾曲し、下面が小さく湾曲していてもよいし、その逆にキャビティの上面が小さく湾曲し、下面が小さく大きく湾曲していてもよい。
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。
本出願は、２０１１年１１月１日に日本国に出願された特願２０１１−２４０４７５号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。
Claims (10)
- 平面視円形のキャビティを介して配向配置している下部電極部と上部電極部を含むメンブレンとを有する複数の静電容量型の超音波セルを具備し、
前記キャビティの厚さが前記キャビティの中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少していることを特徴とする超音波振動子エレメント。 - 前記下部電極部と前記上部電極部の物理的間隔または誘電等価間隔が、前記中心部から前記外周部に向かって曲線的に単調減少し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。
- 前記キャビティの厚さの変化状態が、駆動時の前記メンブレンの変形状態と同じであ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。
- 駆動時の前記キャビティの厚さの変化状態が、第０種ベッセル関数で表現されることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動子エレメント。
- 前記下部電極部と前記上部電極部との間に、中心部から外周部に向かって厚さが曲線的に単調増加する誘電体からなるギャップ調整部を有することを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子エレメント。
- 前記誘電体の比誘電率が３以上であ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。
- 駆動時に前記下部電極部に引き寄せられた前記メンブレンの下面が前記ギャップ調整部の上面と接触することを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子エレメント。
- 下部絶縁層により覆われた前記下部電極部の上面形状が、前記キャビティの下面形状と同じであることを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子エレメント。
- 駆動時に前記下部電極部に引き寄せられた前記メンブレンの下面が前記絶縁層の上面と接触することを特徴とする請求項８に記載の超音波振動子エレメント。
- 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の超音波振動子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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