WO2013005486A1 - 静電容量型超音波振動子及び電子機器 - Google Patents

静電容量型超音波振動子及び電子機器 Download PDF

Info

Publication number
WO2013005486A1
WO2013005486A1 PCT/JP2012/063051 JP2012063051W WO2013005486A1 WO 2013005486 A1 WO2013005486 A1 WO 2013005486A1 JP 2012063051 W JP2012063051 W JP 2012063051W WO 2013005486 A1 WO2013005486 A1 WO 2013005486A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
ultrasonic transducer
vibrating membrane
diaphragm
ultrasonic
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/063051
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
暁 吉田
Original Assignee
オリンパスメディカルシステムズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by オリンパスメディカルシステムズ株式会社 filed Critical オリンパスメディカルシステムズ株式会社
Publication of WO2013005486A1 publication Critical patent/WO2013005486A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/12—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves in body cavities or body tracts, e.g. by using catheters
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4444—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device related to the probe
    • A61B8/445—Details of catheter construction
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4483—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive ultrasonic transducer and an electronic apparatus that generate ultrasonic waves by vibrating a vibrating membrane by electrostatic attraction between electrodes.
  • a piezoelectric element that converts an electrical signal into an ultrasonic wave such as a ceramic piezoelectric material PZT (lead zirconate titanate)
  • PZT lead zirconate titanate
  • C-MUT element Capacitive Ultrasonic transducers (capacitive Micro-Machined Ultrasonic C Transducer (hereinafter referred to as C-MUT element)) that have processed substrates are attracting attention.
  • a pair of electrodes are arranged opposite to each other with a predetermined cavity (cavity) on a silicon substrate, and one electrode is provided on a vibration film, and a drive signal is applied to one of the electrodes.
  • the vibrating membrane is vibrated to transmit ultrasonic waves.
  • the echo signal which came back can be transmitted / received by applying a bias voltage between two electrodes and detecting it with a vibrating membrane.
  • the frequency to which the diaphragm responds strongly is determined by the diameter of the diaphragm, in the C-MUT element having only one type of diaphragm, the frequency that responds most strongly is only one frequency.
  • Such a C-MUT element is not suitable for harmonic imaging diagnosis using a harmonic signal even when applied to a medical ultrasonic endoscope or the like.
  • Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2007-251505 discloses that a plurality of transducer cells having a plurality of diameters are arranged on a single substrate, so that a plurality of separated frequencies such as a frequency that is an integral multiple of the transmitted frequency is used. A technique for enabling response to a frequency is disclosed.
  • a lower electrode disposed at the lower part of the diaphragm is divided into a step structure having irregularities, and the functions of the two types of lower electrodes at that time are for transmission and reception The technique divided by is disclosed.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and is capable of changing the movable range of the vibrating membrane while suppressing unnecessary vibration, and capable of efficiently transmitting and receiving ultrasonic waves of a plurality of frequencies with one type of cell. It is an object of the present invention to provide a capacitive ultrasonic transducer and an electronic device.
  • a capacitive ultrasonic transducer is a capacitive ultrasonic transducer that generates ultrasonic waves by vibrating a vibrating membrane by electrostatic attraction between electrodes, and includes an upper electrode.
  • the vibrating membrane including and deformable, a gap formed under the vibrating membrane, a central electrode disposed opposite to the vibrating membrane via the gap, and the vibrating membrane via the gap
  • One or more restricting electrodes that are disposed on the outer periphery of the central electrode so as to face each other and can be driven independently of the central electrode, and provided on the outer periphery of the central electrode,
  • a vibration film restricting portion that has a sticking surface for sticking a peripheral portion of the vibration film by electrostatic attraction generated between the restriction electrode and restricts a movable range of the vibration film by the sticking surface;
  • the tensioning surface includes a top surface extending from a center side of the tensioning surface toward an outer peripheral side. It is inclined so that the distance between the electrodes becomes close.
  • Explanatory drawing showing the basic configuration of a capacitive ultrasonic transducer Explanatory drawing which shows the sticking state of the diaphragm in FIG.
  • Explanatory drawing which shows the manufacturing process (1) of an ultrasonic transducer
  • vibrator Explanatory drawing which shows the taper surface in the manufacturing process (1) of an ultrasonic transducer
  • vibrator Explanatory drawing which shows the manufacturing process (2) of an ultrasonic transducer
  • vibrator Explanatory drawing which shows the manufacturing process (3) of an ultrasonic transducer
  • vibrator Explanatory drawing which shows the cavity in the manufacturing process (3) of an ultrasonic transducer
  • vibrator Explanatory drawing showing the connection structure of the lower electrode Explanatory drawing which shows the A-A 'line cross section of FIG.
  • Explanatory drawing showing an example of application to an ultrasonic endoscope
  • the perspective view which shows the structure of the front-end
  • Explanatory drawing showing an example of application to an ultrasonic flaw detector
  • Explanatory drawing showing an example of application to an acoustic microscope
  • reference numeral 1 denotes a capacitive ultrasonic transducer having a vibrating membrane structure (hereinafter simply referred to as “ultrasonic transducer”) formed on a substrate such as a silicon substrate or a glass substrate by a micromachining technique.
  • a substrate such as a silicon substrate or a glass substrate by a micromachining technique.
  • the ultrasonic transducer 1 can perform transmission and reception of a plurality of frequencies with one type of cell, and is in the form of a normal transducer element formed with a plurality of cells having the same structure, and in a harmonic imaging diagnosis in the medical field. Etc. can be realized efficiently.
  • the ultrasonic transducer 1 includes, as a lower electrode 23, a central electrode 24 disposed in the center of the cell, and a regulation electrode 25 disposed around the central electrode 24 to limit the movable range of the vibration film 22. And a vibration film restricting portion 28 that restricts the movable range of the vibration film 22 by sticking the periphery of the vibration film 22 under the action of the restriction electrode 25.
  • the central electrode 24 and the regulating electrode 25 constituting the lower electrode 23 can be driven independently of each other.
  • the upper electrode 21 is a ground electrode, and the central electrode 24 and the regulating electrode 25 are hot electrodes. It is possible to transmit and receive ultrasonic waves of different frequencies.
  • the direction away from the substrate surface in the normal direction is the upward direction.
  • the upper electrode 21 is disposed above (upper) the lower electrode 23.
  • the vibrating membrane 22 is an elastic membrane-like vibrating membrane structure that is wrapped with an upper insulating film 26 that insulates and protects the upper electrode 21 from the outside and a lower insulating film 27 that is exposed in the gap 20. It is configured.
  • a vibration film regulating portion 28 that is curved downward from the peripheral edge portion of the vibration film 22 toward the central electrode 24 side is formed at a portion of the gap 20 that faces the lower peripheral portion of the vibration film 22.
  • the diaphragm regulating portion 28 has a part of a conical surface having a vertex on the cell center axis and a surface having a tapered section in the cell center axis direction as a sticking surface to which the peripheral part of the diaphragm 22 sticks.
  • the diaphragm regulating portion 28 includes a tapered insulating layer 20 a that forms an inner wall surface below the gap portion 20, and a tapered regulating electrode 25 that is annularly disposed below the insulating layer 20 a.
  • the tapered insulating layer 20 a is configured to form a tensioning surface of the vibration film 22.
  • the vibration film restricting portion 28 is provided with a shoulder portion 29 that rapidly decreases from the insulating layer 20a forming the tapered surface toward the central electrode 24 side.
  • the inclination angle of the shoulder 29 is not particularly limited as long as the inclination angle is larger than that of the sticking surface.
  • the insulating layer 20b that is the bottom surface of the gap 20 is continuously formed on the flat portion that is one step lower than the shoulder 29.
  • a central electrode 24 is disposed below the insulating layer 20b, and a tensioning surface on which the periphery of the vibration film 22 sticks to the outer periphery of the central electrode 24 and a position closer to the upper electrode 21 than the central electrode 24 is. Will be provided.
  • the shape of the electrode or cell may be any shape that allows the generation of unnecessary vibration within an allowable range, and examples thereof include an ellipse and a polygon in addition to a circle. When a polygon is adopted, the corners can be rounded.
  • the ultrasonic transducer 1 having such a configuration drives both the central electrode 24 and the regulating electrode 25 when driving only the central electrode 24 among the central electrode 24 and the regulating electrode 25 constituting the lower electrode 23.
  • the range of motion of the vibrating membrane 22 changes depending on the case, and it is possible to transmit and receive ultrasonic waves having different frequencies in one type of cell.
  • the vibrating membrane 22 having the upper electrode 21 vibrates in a region supported by the outer peripheral edge of the vibrating membrane regulating portion 28.
  • the ultrasonic wave can be received by generating the ultrasonic wave and detecting the returned echo signal with the vibration film 22. Transmission / reception of ultrasonic waves using only the central electrode 24 without using the restriction electrode 25 is the same as that of a normal ultrasonic transducer.
  • the regulation electrode 25 when the regulation electrode 25 is used, when a DC voltage is applied to the regulation electrode 25, an electrostatic attractive force is generated between the upper electrode 21 of the vibrating membrane 22 and the regulation electrode 25. As shown in FIG. 2, the peripheral portion of the vibration film 22 including the upper electrode 21 sticks to the tapered insulating layer 20 a that forms the vibration film sticking surface of the vibration film regulating portion 28. As a result, the movable range of the vibration film 22 is limited to a region on the inner diameter side from the shoulder 29, and apparently, the vibration film 22 becomes a vibration film having a relatively small diameter. Accordingly, when the central electrode 24 is driven in this state, it is possible to transmit and receive ultrasonic waves with a higher frequency.
  • the upper electrode 21 and the regulation electrode 25 are both embedded in the insulating layer.
  • the arrangement is not limited.
  • either the lower insulating film 27 of the vibration film 22 or the insulating layer 20 a covering the regulating electrode 25 is omitted, and either the upper electrode 21 or the regulating electrode 25 is exposed in the gap portion 20. May be.
  • the diameter of the movable range of the vibrating membrane 22 is ⁇ D1
  • the ultrasonic frequency is F1
  • the regulation electrode 25 is used (the voltage is applied).
  • the diameter of the movable range in the state where the peripheral portion of the diaphragm 22 is attached to the diaphragm regulating section 28 is ⁇ D2 and the frequency of the ultrasonic wave is F2
  • the vibration film 22 since the vibration film 22 is adhered to the vibration film regulating portion 28 without a gap, the vibration film 22 does not cause unnecessary vibration, and two of the ultrasonic waves reflected back to the observation object. Double harmonics can be efficiently received by one type of cell. Accordingly, it is possible to effectively use ultrasonic waves with clearly different frequencies in one type of cell without providing separate cells for transmission and reception, and it is possible to construct highly efficient harmonic imaging.
  • the ultrasonic transducer 1 having such a vibration film regulating unit 28 can be manufactured through, for example, the steps shown in FIGS. 3A to 5B.
  • a method for forming the vibration film restricting portion 28 in a three-dimensional shape using a gray scale mask will be described.
  • 3A to 5B schematically show the manufacturing process divided into processes (1), (2), and (3) for the sake of convenience, and show one cell.
  • a substrate 2 such as a silicon substrate is prepared, and insulating members 3 such as silicon oxide (SiO 2 ) are formed on both surfaces of the substrate 2 as shown in FIG. 3A.
  • insulating members 3 such as silicon oxide (SiO 2 ) are formed on both surfaces of the substrate 2 as shown in FIG. 3A.
  • a conductive film 4 made of a metal material having excellent heat resistance such as molybdenum or silver is patterned on the surface on the one insulating member 3 side of the substrate 2 to form a central electrode 24, and silicon nitride (SiN) or the like is used.
  • the insulating layer 5 is covered.
  • the insulating layer 5 at this stage is formed by an insulating layer 5a below the central electrode 24 and an insulating layer 5b formed on the central electrode 24.
  • the gray scale mask 7 is a mask having a distribution in the transmittance of ultraviolet light, and is set so that the transmittance of ultraviolet light increases as it approaches the center electrode 24.
  • a tapered surface 8 as shown in FIG. 3B is formed by photolithography using the gray scale mask 7.
  • a conductive film 9 made of a metal material such as molybdenum or silver is patterned on the insulating layer 5b on which the tapered surface 8 is formed, as in the case of the central electrode 24. Then, as shown in FIG. 4B, an etching process is performed so that only the conductive film 9 on the tapered surface 8 remains. The conductive film 9 on the tapered surface 8 becomes the regulation electrode 25.
  • an insulating layer 5c covering the regulation electrode 25 (the conductive film 9 on the tapered surface 8) is formed.
  • the insulating layer 5 c that covers the conductive film 9 on the tapered surface 8 forms an insulating layer 20 a that becomes the tapered surface of the vibration film regulating portion 28.
  • the sacrificial layer 10 is filled in the recess formed following the tapered surface 8 and the central electrode 24, and is flattened by chemical mechanical polishing.
  • An insulating layer 5d as shown in FIG. 5B is formed on the polished flat surface, an etching hole (not shown) reaching the sacrifice layer 10 from the insulation layer 5d is opened, and the sacrifice layer 10 is formed by etching.
  • the cavity 11 is formed by dissolving and removing.
  • the sacrificial layer 10 As a material of the sacrificial layer 10, for example, phosphate glass (PSG), tungsten (W), polysilicon, or the like can be used, and buffered hydrofluoric acid (BHF), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), respectively. It can be removed by etching using xenon difluoride (XeF 2 ) or the like.
  • the hole for removing the sacrificial layer 10 is closed when patterning the conductive film 12 and forming the uppermost insulating layer 5e in the next step, and the cavity 11 from which the sacrificial layer 10 has been removed is a vacuum gap 20 Formed as.
  • the insulating layer 5d, the conductive film 12, and the uppermost insulating layer 5e formed on the sacrificial layer 10 are a lower insulating film 27, an upper electrode 21, and an upper insulating film 26 that are exposed in the gap 20, respectively.
  • the vibration film 22 having the vibration film structure is formed.
  • the vibration film 22 having this vibration film structure may be formed by bonding without using the sacrificial layer 10.
  • the center electrode 24 of each cell when viewed from the substrate plane side where a plurality of cells are two-dimensionally arranged, the center electrode 24 of each cell has connection electrodes 24i and 24j arranged in a cross shape between adjacent cells. And is connected to the central electrode 24 of the adjacent cell. That is, a connection structure is formed in which the center electrodes 24 of a plurality of cells are connected in a grid pattern by the connection electrodes 24i and 24j, and are connected to an electrode pad for external connection (not shown) provided at the end of the substrate. .
  • the cells are arranged in a lattice pattern, but the cell arrangement may be a staggered arrangement, a random arrangement, or a honeycomb arrangement.
  • the cell arrangement is dense, the number of cells per unit area can be increased, and highly efficient transmission / reception becomes possible.
  • the cell density in the vibrator can be changed to form a gradation without making the cell interval equal.
  • the sound pressure can be intentionally distributed in the plane of the vibrator. In this case, it may be effective for beam focus and the like.
  • the regulation electrode 25 disposed on the upper part of the central electrode 24 is also connected to the adjacent cell via the connection electrodes 25i and 25j disposed in a cross shape between the upper part of the connection grid of the central electrode 24 and the adjacent cell.
  • a connection structure is formed which is connected to the restriction electrode 25 and connects the restriction electrodes 25 of a plurality of cells in a lattice pattern. 6A, when the cross section taken along the line AA ′ in the direction of the connection electrode 25i, as shown in FIG. 6B, the regulation electrodes 25 arranged on the tapered surface of each cell are trapezoidal with respect to the valley-shaped recess. They are connected to each other via connection electrodes 25i arranged on the plane portion between the cells to be the projecting surfaces.
  • the upper electrode 21 is connected to the upper electrode 21 of the adjacent cell via the connection electrode 21k disposed obliquely with respect to the connection grid of the central electrode 24 (regulation electrode 25).
  • the upper electrode 21 for each cell is connected in a lattice shape via the connection electrode 21k.
  • FIG. 7B showing a cross section taken along line B-B ′ of FIG. 7A, the upper electrode 21 is arranged independently for each cell in the connecting grid direction of the central electrode 24 (regulating electrode 25).
  • the regulation electrode 25 has been described as being formed on the tapered surface 8 formed of an insulating layer, but as in another configuration example (1) shown in FIG.
  • the taper surface of the diaphragm regulating portion 28 may be formed using the electrode 25A having a substantially right-angled cross-sectional shape.
  • a ring-shaped regulating electrode disposed almost in parallel with the central electrode 24 as in another configuration example (2) shown in FIG. It may be 25B.
  • the vibration film restricting portion 28 does not limit the curved surface to which the peripheral portion of the vibration film 22 sticks to a tapered surface, but has a curved surface having a bowl shape as in another configuration example (1) shown in FIG. It is good also as the diaphragm regulation part 28A which has as a sticking surface of 22.
  • FIG. 10 a regulation electrode 25C having a bowl-like curved surface is provided following the bowl-shaped diaphragm attached surface.
  • These restricting electrodes 25, 25A, 25B, and 25C are not limited to one restricting electrode in one cell, but may be constituted by a plurality of electrodes divided in the circumferential direction or the radial direction.
  • the diaphragm regulating portion 28 may be configured to have a multistage tapered surface whose angle increases toward the inner diameter side instead of a single tapered surface as the diaphragm attaching surface.
  • FIG. 11 shows a diaphragm regulating portion 28B having a two-step tapered surface as another configuration example (2) of the diaphragm regulating portion 28.
  • the regulating electrode 25_1 corresponding to the outer tapered surface 28B_1 The control electrode 25_2 corresponding to the taper surface 28B_2 is provided.
  • the movable range of the diaphragm 22 can be changed in three stages according to the usage state of the two regulating electrodes 25_1 and 25_2, and ultrasonic waves of three kinds of frequencies are transmitted and received. It becomes possible.
  • the diameter of the movable range of the vibrating membrane 22 in a state where both the regulation electrodes 25_1 and 25_2 are not used (no voltage is applied) is ⁇ D1 ′
  • the frequency of the ultrasonic wave is F1 ′
  • the diameter of the movable range in a state where the peripheral portion of the vibrating membrane 22 is attached to the outer tapered surface 28B_1, ⁇ D2 ′, the frequency of the ultrasonic wave at this time is F2 ′
  • ⁇ D3 ′ and the ultrasonic frequency at this time is F3 ′
  • the same effect can also be obtained in the diaphragm control part 28 having a single taper surface by dividing the restriction electrode 25 into a plurality of electrodes in the radial direction. That is, the movable range of the vibrating membrane 22 can be varied in multiple stages by sequentially driving a plurality of concentric regulating electrodes to sequentially generate electrostatic attraction between the upper electrode 21 in the radial direction. It is possible to use ultrasonic waves of a plurality of frequencies.
  • the above vibration membrane regulating portions 28, 28A and 28B prevent unnecessary vibrations from sticking around the periphery of the vibration membrane 22 without any gaps. However, some unnecessary vibrations may be allowed depending on the application. In such a case, it is possible to use the ultrasonic vibrators 1A and 1B having other configurations shown in FIGS. Hereinafter, differences from the ultrasonic transducer 1 will be mainly described.
  • An ultrasonic transducer 1A of another configuration example (1) shown in FIG. 12 is a planar vibrating membrane substantially parallel to the vibrating membrane 22 with respect to the ultrasonic transducer 1 having the tapered vibrating membrane regulating portion 28. It has the control part 28C. That is, a planar portion 30 made of an insulating layer facing each other with a predetermined gap is provided annularly around the lower portion of the vibrating membrane 22, and an annular regulating electrode 31 is disposed below the planar portion 30, thereby vibrating A film restricting portion 28C is formed.
  • a shoulder portion 32 that rapidly decreases toward the central electrode 24, and a flat portion that is one step lower from the shoulder portion 32, that is, a gap.
  • An insulating layer reaching the insulating layer 20b that becomes the bottom surface of the portion 20 is continuously formed.
  • a disc-shaped central electrode 24 is disposed below the insulating layer 20b.
  • the ultrasonic transducer 1A having such a configuration, when a DC voltage is applied to the regulating electrode 31, an electrostatic attractive force is generated between the upper electrode 21 of the vibrating membrane 22 and the regulating electrode 31.
  • the peripheral part of the vibration film 22 including the upper electrode 21 sticks to the flat part 30 of the vibration film regulating part 28 ⁇ / b> C.
  • the movable range of the vibration film 22 is limited to a region on the inner diameter side from the shoulder portion 32, and apparently the vibration film has a relatively small diameter.
  • the central electrode 24 is driven in this state, ultrasonic waves with higher frequency are obtained. Can be sent and received.
  • the relationship between the diameter of the movable range of the vibration film 22 and the frequency is the same as that of the ultrasonic transducer 1 described above.
  • the vibrating membrane restricting portion 28C of the ultrasonic transducer 1A is changed to a vibrating membrane restricting portion 28D having a two-stage plane portion.
  • the diaphragm regulating portion 28D has an outer plane portion 30_1 and an inner plane portion 30_2 formed one step lower from the plane portion 30_1 on the central electrode 24 side, and the regulation electrode corresponding to the plane portion 30_1. 31_1 and the regulation electrode 31_2 corresponding to the plane portion 30_2.
  • This diaphragm regulating portion 28D has three stages of movable range of the diaphragm 22 according to the usage state of the two regulating electrodes 31_1 and 31_2, like the diaphragm regulating portion 28B having the two-step tapered surface described above. It is possible to transmit and receive ultrasonic waves of three types of frequencies.
  • FIG. 15 shows an example applied to the ultrasonic endoscope 101 as a medical electronic device.
  • the ultrasonic endoscope 101 extends from an elongated insertion portion 102 introduced into the body of a subject, an operation portion 103 positioned at the proximal end of the insertion portion 102, and a side portion of the operation portion 103. It is mainly composed of a universal cord 104.
  • An endoscope connector 104 a connected to a light source device (not shown) is provided at the base end portion of the universal cord 104.
  • the endoscope connector 104a is detachably connected to a camera control unit (not shown) via an electrical connector 105a and detachably connected to an ultrasound observation device (not shown) via an ultrasonic connector 106a.
  • An ultrasonic cable 106 is extended.
  • the insertion portion 102 is operated by being positioned at the rear end of the bending portion 108, the bending portion 108, which is formed at the rear end of the distal end rigid portion 120, and the bending portion 108, which is freely bent.
  • a flexible tube portion 109 having a small diameter, a long length, and flexibility reaching the distal end portion of the portion 103 is continuously provided.
  • an ultrasonic transmission / reception unit 130 for transmitting / receiving ultrasonic waves described later is provided on the distal end side of the distal rigid portion 120.
  • the operation unit 103 includes an angle knob 111 that controls the bending of the bending portion 108 in a desired direction, an air / water supply button 112 for performing air supply and water supply operations, a suction button 113 for performing suction operations, and an introduction into the cavity.
  • a treatment instrument insertion port 114 or the like serving as an entrance of the treatment instrument to be performed is provided.
  • the distal end rigid portion 120 includes an illumination lens (not shown) that constitutes an illumination optical unit that irradiates the observation site with illumination light, and an objective that constitutes the observation optical unit that captures an optical image of the observation site.
  • the lens 121 is provided with a suction / forceps port 122 which is an opening through which the excised site is sucked or a treatment tool protrudes, and an air supply / water supply port (not shown) for supplying air and water.
  • an ultrasonic transducer 100 using an ultrasonic transducer 1 (1A, 1B) has an ultrasonic transducer 100 in the outer circumferential direction. It is arranged in a cylindrical shape in a state of facing.
  • the ultrasonic transducer 100 is formed by winding a substrate 131 made of a flexible material such as polyimide in a cylindrical shape, and from a plurality of transducer cells on the outer circumferential surface of the substrate 131 wound in the cylindrical shape.
  • the ultrasonic transducer elements 132 which are the smallest drive unit are arranged in the circumferential direction.
  • an electret 133 that can stably hold a sufficient amount of electric charge for reducing the DC bias voltage is arranged corresponding to the plurality of ultrasonic transducer elements 132. It is installed.
  • a signal electrode pad 134 and a ground electrode pad 135 corresponding to the plurality of ultrasonic transducer elements 132 are formed on the outer peripheral surface of the substrate 131.
  • the signal electrode pad 134 and the ground electrode pad 135 include The other end of the coaxial cable 136, which is inserted through the ultrasonic cable 106 and is electrically connected to the ultrasonic connector 106a, is electrically connected.
  • vibrator 1 (1A, 1B) can be applied not only to the ultrasonic endoscope mentioned above but a conventionally well-known ultrasonic diagnostic apparatus.
  • the present invention may be applied to an ultrasonic probe type ultrasonic endoscope, a capsule type ultrasonic endoscope, or an ultrasonic diagnostic apparatus that transmits and receives ultrasonic waves from outside the subject into the subject.
  • the ultrasonic flaw detection apparatus 201 includes a probe 202 that transmits and receives an ultrasonic wave, and an apparatus main body 203 for controlling the probe 202.
  • a display device 206 that displays an image for flaw detection is provided in the center of the front surface of the apparatus main body 203, and a switch 207 that performs various roles is provided in the vicinity of the display device 206.
  • the probe 202 is connected to the apparatus main body 203 by a composite coaxial cable 208.
  • An ultrasonic transducer 100_1 using the ultrasonic transducer 1 (1A, 1B) is disposed on the contact surface portion 202a that contacts the subject of the probe 202.
  • the ultrasonic flaw detection apparatus 201 emits an ultrasonic wave in a state where the contact surface portion 202a of the probe 202 is in contact with the subject, and changes the reflection of the ultrasonic wave to damage the subject without destroying the subject. It is possible to detect.
  • vibrator 1 (1A, 1B) can be applied not only to the ultrasonic flaw detection apparatus mentioned above but a conventionally well-known nondestructive inspection apparatus.
  • the present invention may be applied to a thickness measuring device that measures the thickness of a subject by transmitting and receiving ultrasonic waves.
  • the ultrasonic microscope 300 applies the high-frequency signal generated by the high-frequency oscillator 301 to the ultrasonic transducer 100_2 using the ultrasonic transducer 1 (1A, 1B) via the circulator 302 and converts it into ultrasonic waves.
  • the ultrasonic wave is converged by the acoustic lens 304, and the sample 305 is disposed at the convergence point.
  • the sample 305 is held by a sample holder 306, and a coupler 307 such as water is filled between the sample 305 and the lens surface of the acoustic lens 304.
  • the reflected wave from the sample 305 is received by the ultrasonic transducer 100_2 via the acoustic lens 304 and converted into an electrical reflection signal.
  • An electrical signal corresponding to the received ultrasonic wave output from the ultrasonic transducer 100_2 is input to the display device 308 via the circulator 302.
  • the sample holder 306 is driven in the XY biaxial directions in the horizontal plane by the scanning device 310 controlled by the scanning circuit 309.
  • the ultrasonic microscope 300 is capable of quantifying the elastic properties of the sample 305 and evaluating the structure of the thin film by irradiating the sample 305 with ultrasonic waves and evaluating the acoustic characteristics of the sample 305. .
  • the peripheral part of the diaphragm is attached to the diaphragm regulating part, and ultrasonic waves of a plurality of frequencies are efficiently transmitted and received while suppressing unnecessary vibration with one type of cell. This makes it possible to construct highly efficient harmonic imaging.

Abstract

　超音波振動子１は、基板２に形成された空隙部２０を介して弾性変形可能な上部電極２１を有する振動膜２２と下部電極２３とが対向配置されて構成され、下部電極２３として、セル中央に配置される中央電極２４と、この中央電極２４の周囲に配置されて振動膜２２の可動域を制限する規制電極２５とを備え、更に、規制電極２５の作用下で振動膜２２の周辺部を張り付かせて振動膜２２の可動域を制限する振動膜規制部２８を備えている。これにより、振動膜２２の周辺部を振動膜規制部２８に張り付かせて、１種類のセルで不要振動を抑制しながら複数の周波数の超音波を効率的に送受信することができ、高効率のハーモニックイメージングを構築することが可能となる。

Description

静電容量型超音波振動子及び電子機器
　本発明は、電極間の静電引力によって振動膜を振動させて超音波を発生する静電容量型超音波振動子及び電子機器に関する。
　従来、超音波振動子としては、セラミック圧電材ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の電気信号を超音波に変換させる圧電素子が使用されてきたが、近年では、マイクロマシーニング技術を用いてシリコン基板を加工した静電容量型超音波振動子（Capacitive Micro-Machined Ultrasonic Transducer（以下、Ｃ－ＭＵＴ素子と称す））が注目を集めている。
　このＣ－ＭＵＴ素子は、シリコン基板上に所定の空洞（キャビティ）を隔てて一対の電極を対向配置し、一方の電極を振動膜に設けるものであり、どちらかの電極に駆動信号を印加することで、振動膜を振動させて超音波を送信する。また、帰ってきたエコー信号を、二つの電極間にバイアス電圧を印加し振動膜で検出することにより、超音波の送受信が可能となる。
　このとき、振動膜が強く応答する周波数は振動膜の径によって決まるため、振動膜の径が一種類しかないＣ－ＭＵＴ素子では、最も強く応答する周波数は１つの周波数のみとなる。このようなＣ－ＭＵＴ素子は、医療用の超音波内視鏡等に適用しても、高調波信号を用いたハーモニックイメージング診断には適していない。
　このため、日本国特開２００７－２５１５０５号公報には、１つの基板上に複数の径の振動子セルを配置することにより、送信した周波数の整数倍の周波数等といったように、かけ離れた複数の周波数に応答可能とする技術が開示されている。
　また、国際公開ＷＯ２００５／８４２８４号には、振動膜下部に配置される下部電極を分割して凹凸を持たせた段差構造とし、そのときの２種類の下部電極の働きを送信用と受信用とで分ける技術が開示されている。
　しかしながら、日本国特開２００７－２５１５０５号公報に開示の技術は、１つの素子を構成する基板内で基本波送信用と高周波受信用とのセル領域を分けることになる。そのため、基本波を送信するときには、高周波受信用のセルが応答せずに送信に使用されず、一方、高調波を受信するときには、基本波送信用のセルが応答せずに受信に使用されないことになる。このため、各セルを有効に使用することができず、送受信効率の低下を招く。
　また、国際公開ＷＯ２００５／８４２８４号に開示の技術は、２種類の下部電極を使い分けて振動膜の可動域を変化させることで、異なる周波数に対応可能であるが、振動膜は中心に近いほど湾曲しやすく周辺にいくほど湾曲しにくいため、振動膜周辺部を固定しようとしても段差に応じた隙間が生じ、この隙間部分が固有の振動数で振動して不要振動となる。このため、送信時に求められる周波数の振動が不要振動によって妨害されてしまい、同様に、超音波の送受信効率を低下させてしまう。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、不要振動を抑制しながら振動膜の可動域を可変することができ、１種類のセルで複数の周波数の超音波を効率良く送受信可能な静電容量型超音波振動子及び電子機器を提供することを目的としている。
　本発明の一態様に係る静電容量型超音波振動子は、電極間の静電引力によって振動膜を振動させて超音波を発生する静電容量型超音波振動子であって、上部電極を含み変形可能な前記振動膜と、前記振動膜の下に形成された空隙部と、前記空隙部を介して前記振動膜に対向配置される中央電極と、前記空隙部を介して前記振動膜に対向するように前記中央電極の外周に配置され、前記中央電極と独立して駆動可能な１つ以上の規制電極と、前記中央電極の外周に設けられ、前記規制電極を含んで前記上部電極と前記規制電極との間に生じる静電引力で前記振動膜の周辺部を張り付かせる張付面を有し、前記張付面により前記振動膜の可動域を制限する振動膜規制部と、を備え、前記張付面は、前記張付面の中心側から外周側に向かって前記上部電極との距離が近くなるよう傾斜している。
　本発明の一態様に係る電子機器は、上記の静電容量型超音波振動子を備えている。
静電容量型超音波振動子の基本構成を示す説明図 図１における振動膜の張付き状態を示す説明図 超音波振動子の製造工程（１）を示す説明図 超音波振動子の製造工程（１）におけるテーパ面を示す説明図 超音波振動子の製造工程（２）を示す説明図 超音波振動子の製造工程（２）におけるテーパ面上の規制電極を示す説明図 超音波振動子の製造工程（３）を示す説明図 超音波振動子の製造工程（３）におけるキャビティを示す説明図 下部電極の接続構造を示す説明図 図６ＡのＡ－Ａ’線断面を示す説明図 上部電極の接続構造を示す説明図 図７ＡのＢ－Ｂ’線断面を示す説明図 規制電極の他の構成例（１）を示す説明図 規制電極の他の構成例（２）を示す説明図 振動膜規制部の他の構成例（１）を示す説明図 振動膜規制部の他の構成例（２）を示す説明図 超音波振動子の他の構成例（１）を示す説明図 図１２における振動膜の張付き状態を示す説明図 超音波振動子の他の構成例（２）を示す説明図 超音波内視鏡への適用例を示す説明図 超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図 超音波送受部の斜視図 超音波探傷装置への適用例を示す説明図 超音波顕微鏡への適用例を示す説明図
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。　
　図１において、符号１はマイクロマシーニング技術によりシリコン基板やガラス基板等の基板上に形成される振動膜構造の静電容量型超音波振動子（以下、単に「超音波振動子」と記載する）であり、同図においては、基板上に形成される複数のセルの１つを示している。この超音波振動子１は、１種類のセルで複数の周波数の送受信を行うことができ、同一構造の複数のセルで形成される通常の振動子エレメントの形態としながら、医療分野におけるハーモニックイメージング診断等を効率的に実現可能としている。
　具体的には、超音波振動子１は、基板２上の絶縁層５に形成された空隙部２０を介して、弾性変形可能な上部電極２１を有する振動膜２２と、下部電極２３とが対向配置されて構成されている。特徴的には、超音波振動子１は、下部電極２３として、セル中央に配置される中央電極２４と、この中央電極２４の周囲に配置されて振動膜２２の可動域を制限する規制電極２５とを備え、更に、規制電極２５の作用下で振動膜２２の周辺部を張り付かせて振動膜２２の可動域を制限する振動膜規制部２８を備えている。下部電極２３を構成する中央電極２４と規制電極２５とは互いに独立して駆動可能であり、上部電極２１をグランド電極、中央電極２４及び規制電極２５をホット電極として、両者の駆動状態に応じて異なる周波数の超音波の送受信が可能となる。
　尚、基板２に形成される各要素の上下関係については、基板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１においては、上部電極２１は下部電極２３の上方（上部）に配設されているものとする。
　本実施の形態においては、振動膜２２は、上部電極２１を外部から絶縁・保護する上部絶縁膜２６と空隙部２０内に露呈する下部絶縁膜２７とで包み込んだ弾性膜状の振動膜構造として構成されている。また、振動膜２２の下部周辺部に対向する空隙部２０の部位には、振動膜２２の周縁部から中央電極２４側に向かって下方に湾曲する振動膜規制部２８が形成されている。
　振動膜規制部２８は、セル中心軸上に頂点を有する円錐面の一部でセル中心軸方向の断面がテーパ状の面を、振動膜２２の周辺部が張り付く張付面として有している。図１においては、振動膜規制部２８は、空隙部２０下部の内壁面を形成するテーパ状の絶縁層２０ａと、この絶縁層２０ａの下部に環状に配置されるテーパ状の規制電極２５とより構成され、テーパ状の絶縁層２０ａが振動膜２２の張付面を形成している。
　更に、振動膜規制部２８には、テーパ面を形成する絶縁層２０ａから中央電極２４側に向かって急激に低くなる肩部２９が設けられている。前記肩部２９の傾斜角度については前記張付面よりも傾斜角度が大きければよく、特に限定されない。
　この肩部２９から一段低くなった平面部に空隙部２０の底面となる絶縁層２０ｂが連続的に形成されている。この絶縁層２０ｂの下部には、中央電極２４が配置されており、中央電極２４の外周且つ上部電極２１に対して中央電極２４よりも近い位置に、振動膜２２の周辺部が張り付く張付面が設けられることになる。
　尚、図６Ａ，７Ａにおいて円形の電極、円形のセルが図示されているが本発明はこれに限定されない。電極またはセルの形状は不要振動の発生が許容範囲となる形状であればよく、例えば、円形の他に楕円形、多角形などが挙げられる。多角形を採用する場合には角をアール形状にすることもできる。
　このような構成を有する超音波振動子１は、下部電極２３を構成する中央電極２４と規制電極２５とのうち、中央電極２４のみを駆動する場合と中央電極２４及び規制電極２５の双方を駆動する場合とで振動膜２２の可動域が変化し、１種類のセルで異なる周波数の超音波の送受信が可能となる。
　規制電極２５を使用しない場合、中央電極２４をＤＣバイアス電圧に重畳されたＡＣ信号で駆動すると、上部電極２１を有する振動膜２２が振動膜規制部２８の外周縁で支持される領域で振動して超音波を発生し、帰ってきたエコー信号を振動膜２２で検出することで、超音波を受信することができる。この規制電極２５を使用せずに中央電極２４のみを使用しての超音波の送受信は、通常の超音波振動子と同様である。
　一方、規制電極２５を使用する場合には、規制電極２５にＤＣ電圧を印加すると、振動膜２２の上部電極２１と規制電極２５との間に静電引力が生じ、この静電引力により、図２に示すように、上部電極２１を含む振動膜２２の周辺部が振動膜規制部２８の振動膜張付面を形成するテーパ状の絶縁層２０ａに張り付く。その結果、振動膜２２の可動域が肩部２９より内径側の領域に制限され、みかけ上、振動膜２２が相対的に小径の振動膜となる。従って、この状態で中央電極２４を駆動すると、より高い周波数の超音波の送受信を行うことができる。
　尚、本実施の形態においては、上部電極２１及び規制電極２５は、何れも絶縁層内に埋め込まれる配置となっているが、上部電極２１と規制電極２５とが直接接触しない限り、このような配置に限定されることはない。例えば、振動膜２２の下部絶縁膜２７と規制電極２５を覆う絶縁層２０ａとの何れか一方を省略し、空隙部２０内に上部電極２１と規制電極２５との何れか一方が露出するようにしても良い。中央電極２４についても同様であり、上部電極２１及び規制電極２５に接触しない限り、絶縁層２０ｂで覆うことなく空隙部２０内に露出させることも可能である。
　ここで、規制電極２５を使用しない状態（電圧を印加しない状態）での振動膜２２の可動域の径をΦＤ１、超音波の周波数をＦ１として、規制電極２５を使用して（電圧を印加して）振動膜２２の周辺部を振動膜規制部２８に張り付かせた状態での可動域の径をΦＤ２、超音波の周波数をＦ２とすると、振動膜の共振周波数は径の２乗に半比例するため、Ｄ２＝Ｄ１／２1/2の関係に設定することにより、周波数Ｆ１の基本波と基本波の２倍の周波数Ｆ２（＝Ｆ１×２）の高調波とを１種類のセルで扱うことができる。
　このとき、振動膜２２は、周辺部が振動膜規制部２８に隙間無く張り付いて密着するため、不要な振動を引き起こすことがなく、観察物に反射して戻ってきた超音波のうちの２倍の高調波を１種類のセルで効率的に受信することができる。これにより、セルを送受信別体のセルを設けることなく、１種類のセルで明確に異なる周波数の超音波を有効に利用することができ、高効率のハーモニックイメージングを構築することが可能となる。
　このような振動膜規制部２８を有する超音波振動子１は、例えば、図３Ａ～図５Ｂに示すような工程を経て製造することができる。以下では、振動膜規制部２８をグレイスケールマスクを用いた３次元形状で形成する方法について説明する。尚、図３Ａ～図５Ｂは、製造工程を、便宜的に工程（１），（２），（３）に区分して概略的に示しており、また、１つのセルについて表示している。
　先ず、シリコン基板等の基板２を準備し、図３Ａに示すように、基板２の両面に、酸化シリコン（ＳiＯ2）等の絶縁部材３を成膜する。そして、基板２の一方の絶縁部材３側の面に、モリブデンや銀等の耐熱性に優れた金属材料からなる導電膜４をパターニングして中央電極２４を形成し、窒化シリコン（ＳiＮ）等からなる絶縁層５で覆う。尚、この段階での絶縁層５は、中央電極２４下部の絶縁層５ａと、中央電極２４の上に成膜される絶縁層５ｂとにより形成されている。
　次に、絶縁層５ｂの上にレジスト６を塗布し、その後、中央電極２４の上部を除いた領域をグレースケールマスク７でマスクしてレジスト６を露光させ、反応性イオンエッチング等のドライエッチングを行う。グレースケールマスク７は、周知のように、紫外光の透過率に分布を持たせたマスクであり、中央電極２４に近づくにつれて紫外光の透過率が高くなるように設定されている。このグレースケールマスク７を用いたフォトリソグラフィーにより、図３Ｂに示すようなテーパ面８が形成される。
　次に、図４Ａに示すように、テーパ面８が形成された絶縁層５ｂの上に、中央電極２４と同様、モリブデンや銀等の金属材料からなる導電膜９をパターニングする。そして、図４Ｂに示すように、テーパ面８上の導電膜９のみが残るようにエッチング処理を行う。このテーパ面８上の導電膜９が規制電極２５となる。
　更に、図５Ａに示すように、規制電極２５（テーパ面８上の導電膜９）を覆う絶縁層５ｃを成膜する。このテーパ面８上の導電膜９を覆う絶縁層５ｃは、振動膜規制部２８のテーパ面となる絶縁層２０ａを形成する。そして、テーパ面８及び中央電極２４に倣って形成される凹部に犠牲層１０を充填し、ケミカルメカニカルポリッシングで平坦化する。ポリッシングした平坦面上には、図５Ｂに示すような絶縁層５ｄが成膜され、絶縁層５ｄから犠牲層１０に達するエッチング用のホール（図示せず）を開けて、エッチングにより犠牲層１０を溶解して除去することで、キャビティ１１が形成される。
　犠牲層１０の材料としては、例えば、リン酸ガラス（ＰＳＧ）、タングステン（Ｗ）、ポリシリコン等を用いることができ、それぞれ、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）、過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）、二フッ化キセノン（ＸeＦ2）等を用いたエッチングで除去することができる。この犠牲層１０を除去するためのホールは、次の工程の導電膜１２のパターニング及び最上部の絶縁層５ｅを形成する際に閉塞され、犠牲層１０を除去したキャビティ１１が真空の空隙部２０として形成される。
　尚、犠牲層１０の上に成膜される絶縁層５ｄ、導電膜１２、最上部の絶縁層５ｅは、それぞれ、空隙部２０内に露呈する下部絶縁膜２７、上部電極２１、上部絶縁膜２６として形成され、振動膜構造の振動膜２２が形成される。この振動膜構造の振動膜２２は、犠牲層１０を用いることなく接合によって形成しても良い。
　次に、セル間の電極接続構造について、図６Ａ，図６Ｂ，図７Ａ，図７Ｂを用いて説明する。
　図６Ａに示すように、複数のセルが二次元に配置される基板平面側から見ると、各セルの中央電極２４は、隣接セルとの間に十字状に配置された接続電極２４ｉ，２４ｊを介して、隣接セルの中央電極２４と接続されている。すなわち、複数のセルの中央電極２４同士が接続電極２４ｉ，２４ｊによって格子状に接続される接続構造が形成され、基板端部に設けられた図示しない外部接続用の電極パッド等に接続されている。
　本実施の形態では格子状にセルを配置しているが、セル配置は千鳥配置であっても、ランダム配列であっても、ハニカム状配列であってもよい。セルの配列を密にした場合、単位面積あたりのセル数を稼ぐことができ、高効率な送受信が可能となる。
　また、格子配列でもセル間隔を等間隔にせず、振動子内でセル密度を変更してグラデーションを形成することも可能である。セル密度に分布を持たせることで、振動子の面内で音圧に意図的に分布を持たせられる。この場合、ビームフォーカスなどに有効となる可能性がある。
　同様に、中央電極２４の上部に配置される規制電極２５も、中央電極２４の接続格子の上部で隣接セルとの間に十字状に配置された接続電極２５ｉ，２５ｊを介して、隣接セルの規制電極２５と接続されており、複数のセルの規制電極２５同士が格子状に接続される接続構造が形成されている。図６Ａにおける接続電極２５ｉ方向のＡ－Ａ’線断面で見ると、図６Ｂに示すように、セル毎のテーパ面に配置される規制電極２５同士が、谷状の凹部に対して台形状の突起面となるセル間の平面部に配置される接続電極２５ｉを介して、互いに接続されることになる。
　一方、上部電極２１は、図７Ａに示すように、中央電極２４（規制電極２５）の接続格子に対して斜めに配置された接続電極２１ｋを介して、隣接セルの上部電極２１と接続されており、セル毎の上部電極２１が接続電極２１ｋを介して格子状に接続されている。図７ＡのＢ－Ｂ’線断面を示す図７Ｂに示すように、中央電極２４（規制電極２５）の接続格子方向では、上部電極２１はセル毎に独立した配置となる。
　ここで、規制電極２５は、本実施の形態においては、絶縁層で形成されるテーパ面８上に成膜されるものとして説明したが、図８に示す他の構成例（１）のように、略直角三角形の断面形状を有する電極２５Ａを用いて振動膜規制部２８のテーパ面を形成するようにしても良い。また、振動膜規制部２８のテーパ面を絶縁層で形成する場合には、図９に示す他の構成例（２）のように、中央電極２４とほぼ平行に配置されるリング状の規制電極２５Ｂとしても良い。
　更に、振動膜規制部２８は、振動膜２２の周辺部が張り付く湾曲面をテーパ面に限定することなく、図１０に示す他の構成例（１）のように、椀形状の曲面を振動膜２２の張付面として有する振動膜規制部２８Ａとしても良い。図１０においては、椀状の振動膜張付面に倣って、椀状の曲面を有する規制電極２５Ｃを備えている。これらの規制電極２５，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃは、１つのセルで１つの規制電極に限定されるものではなく、円周方向或いは径方向に分割した複数の電極で構成することも可能である。
　また、振動膜規制部２８は、振動膜張付面として、単一のテーパ面ではなく内径側に向かって角度が大きくなる多段のテーパ面を有するように構成しても良い。図１１は、振動膜規制部２８の他の構成例（２）として、２段のテーパ面を有する振動膜規制部２８Ｂを示しており、外側のテーパ面２８Ｂ＿１に対応した規制電極２５＿１と、内側のテーパ面２８Ｂ＿２に対応した規制電極２５＿２との２つの電極を備えている。このような振動膜規制部２８Ｂでは、２つの規制電極２５＿１，２５＿２の使用状態に応じて、振動膜２２の可動域を３段階に変化させることができ、３種類の周波数の超音波を送受信することが可能となる。
　すなわち、規制電極２５＿１，２５＿２の双方を使用しない（電圧を印加しない）状態での振動膜２２の可動域の径をΦＤ１’、このときの超音波の周波数をＦ１’、外側の規制電極２５＿１のみを使用して（電圧を印加して）振動膜２２の周辺部を外側のテーパ面２８Ｂ＿１に張り付かせた状態での可動域の径をΦＤ２’、このときの超音波の周波数をＦ２’、外側の規制電極２５＿１と内側の規制電極２５＿２とを同時に使用して（同時に電圧を印加して）振動膜２２の周辺部を外側のテーパ面２８Ｂ＿１と内側のテーパ面２８Ｂ＿２とに張り付かせた状態での可動域の径をΦＤ３’、このときの超音波の周波数をＦ３’とすると、前述したように振動膜の共振周波数は径の２乗に半比例するため、Ｄ２’＝Ｄ１’／２1/2、Ｄ３’＝Ｄ１’／３1/2の関係に設定することにより、周波数Ｆ１’の基本波と、基本波の２倍の周波数Ｆ２’（＝Ｆ１’×２）の高調波と、基本波の３倍の周波数Ｆ３’（＝Ｆ１’×３）の高調波とを１種類のセルで扱うことができる。この場合においても、振動膜２２の周辺部がテーパ面２８Ｂ＿１，２８Ｂ＿２に隙間無く張り付いて密着するため、不要な振動を引き起こすことがなく、明確に異なる３種類の周波数の超音波を有効に利用することができる。
　尚、単一のテーパ面の振動膜規制部２８においても、規制電極２５を径方向で複数の電極に分けて構成することにより、同様の効果を得ることが可能である。すなわち、同心状に配置した複数の規制電極を順次駆動して上部電極２１との間の静電引力を径方向で順次発生させることにより、振動膜２２の可動域を多段階に可変することができ、複数の周波数の超音波を利用することが可能となる。
　以上の振動膜規制部２８，２８Ａ，２８Ｂは、振動膜２２の周辺部を隙間無く張り付かせることで不要な振動の発生を防止している。しかしながら、用途によっては若干の不要振動を許容できる場合もあり、そのような場合、図１２や図１４に示す他の構成の超音波振動子１Ａ，１Ｂを用いることも可能である。以下では、主として超音波振動子１との相違について説明する。
　図１２に示す他の構成例（１）の超音波振動子１Ａは、テーパ形状の振動膜規制部２８を有する超音波振動子１に対して、振動膜２２とほぼ平行の平面状の振動膜規制部２８Ｃを有するものである。すなわち、振動膜２２下部の周辺部に、所定の間隙を持って対向する絶縁層からなる平面部３０を環状に設け、この平面部３０の下部に環状の規制電極３１を配置することにより、振動膜規制部２８Ｃを形成している。
　環状の平面部３０の内径側には、超音波振動子１と同様、中央電極２４側に向かって急激に低くなる肩部３２が設けられ、この肩部３２から一段低くなった平面部すなわち空隙部２０の底面となる絶縁層２０ｂに至る絶縁層が連続的に形成されている。絶縁層２０ｂの下部には、円板状の中央電極２４が配置されている。
　このような構成の超音波振動子１Ａは、規制電極３１にＤＣ電圧を印加すると、振動膜２２の上部電極２１と規制電極３１との間に静電引力が生じ、この静電引力により、図１３に示すように、上部電極２１を含む振動膜２２の周辺部が振動膜規制部２８Ｃの平面部３０に張り付く。その結果、振動膜２２の可動域が肩部３２より内径側の領域に制限され、みかけ上、相対的に小径の振動膜となり、この状態で中央電極２４を駆動すると、より高い周波数の超音波の送受信を行うことができる。振動膜２２の可動域の径と周波数との関係は、上述した超音波振動子１の場合と同様である。
　一方、図１４に示す他の構成例（２）の超音波振動子１Ｂは、超音波振動子１Ａの振動膜規制部２８Ｃを、２段階の平面部を有する振動膜規制部２８Ｄとしたものである。すなわち、振動膜規制部２８Ｄは、外側の平面部３０＿１と、この平面部３０＿１から中央電極２４側に１段低く形成された内側の平面部３０＿２とを有し、平面部３０＿１に対応した規制電極３１＿１と、平面部３０＿２に対応した規制電極３１＿２とを備えている。この振動膜規制部２８Ｄは、先に説明した２段のテーパ面を有する振動膜規制部２８Ｂと同様、２つの規制電極３１＿１，３１＿２の使用状態に応じて、振動膜２２の可動域を３段階に変化させることができ、３種類の周波数の超音波を送受信することが可能となる。
　次に、以上の超音波振動子１（１Ａ，１Ｂ）の各種電子機器への適用例について説明する。
　図１５は、医療用の電子機器として、超音波内視鏡１０１に適用した例を示している。この超音波内視鏡１０１は、被検体の体内に導入される細長の挿入部１０２と、この挿入部１０２の基端に位置する操作部１０３と、この操作部１０３の側部から延出するユニバーサルコード１０４とで主に構成されている。
　ユニバーサルコード１０４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１０４ａが設けられている。この内視鏡コネクタ１０４ａ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１０５ａを介して着脱自在に接続される電気ケーブル１０５及び図示しない超音波観測装置に超音波コネクタ１０６ａを介して着脱自在に接続される超音波ケーブル１０６が延出されている。
　挿入部１０２は、先端側から順に硬質な部材で形成した先端硬性部１２０、この先端硬性部１２０の後端に位置する湾曲自在な湾曲部１０８、この湾曲部１０８の後端に位置して操作部１０３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１０９を連設して構成されている。また、先端硬性部１２０の先端側には後述する超音波を送受するための超音波送受部１３０が設けられている。
　操作部１０３には湾曲部１０８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ１１１、送気及び送水操作を行うための送気・送水ボタン１１２、吸引操作を行うための吸引ボタン１１３、腔内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口１１４等が設けられている。
　図１６に示すように、先端硬性部１２０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１２１、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１２２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。
　先端硬性部１２０の先端に設けられた超音波送受部１３０は、図１７に示すように、超音波振動子１（１Ａ，１Ｂ）を用いた超音波トランスデューサ１００が、振動子セルを外周方向に向けた状態で円筒状に配列されて構成されている。超音波トランスデューサ１００は、ポリイミド等の可撓性を有する材料により構成された基板１３１を円筒状に巻回し、この円筒状に巻回された基板１３１の外周面上に、複数の振動子セルからなり最小の駆動単位である超音波振動子エレメント１３２を周方向に配列して構成されている。
　基板１３１の内周面上には、複数の超音波振動子エレメント１３２に対応して、ＤＣバイアス電圧を低減するのに十分な量の電荷を安定して保持することが可能なエレクトレット１３３が配設されている。また、基板１３１の外周面上には、複数の超音波振動子エレメント１３２に対応した信号電極パッド１３４及び接地電極パッド１３５が形成されており、該信号電極パッド１３４及び接地電極パッド１３５には、超音波ケーブル１０６内を挿通されて一端が超音波コネクタ１０６ａに電気的に接続された、同軸ケーブル１３６の他端が電気的に接続されている。
　尚、超音波振動子１（１Ａ，１Ｂ）は、上述した超音波内視鏡に限らず、従来公知の超音波診断装置に適用されうる。例えば、超音波プローブタイプの超音波内視鏡、カプセル型の超音波内視鏡または被検体外から被検体内に超音波を送受する形態の超音波診断装置に適用してもよい。
　次に、超音波振動子１（１Ａ，１Ｂ）を非破壊検査装置の一例としての超音波探傷装置に適用した形態を、図１８を参照して説明する。
　超音波探傷装置２０１は、超音波を送受するプローブ２０２と、このプローブ２０２を制御するための装置本体部２０３とを備えている。装置本体部２０３の前面中央には、探傷のための画像を表示する表示装置２０６が設けられており、この表示装置２０６の近傍には各種の役割を担うスイッチ２０７が設けられている。
　また、プローブ２０２は、複合同軸ケーブル２０８により装置本体部２０３に接続されている。プローブ２０２の被検体に当接させる当接面部２０２ａには、超音波振動子１（１Ａ，１Ｂ）を用いた超音波トランスデューサ１００＿１が配設されている。
　超音波探傷装置２０１は、プローブ２０２の当接面部２０２ａを被検体に当接させた状態で超音波を発し、この超音波の反射の変化によって被検体を破壊することなく被検体内の傷を検出することが可能である。
　尚、超音波振動子１（１Ａ，１Ｂ）は、上述した超音波探傷装置に限らず、従来公知の非破壊検査装置に適用されうる。例えば、超音波を送受することにより被検体の厚さを計測する厚さ計測装置に適用してもよい。
　次に、超音波振動子１（１Ａ，１Ｂ）を超音波顕微鏡に適用した例を、図１９を参照して説明する。
　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を介して超音波振動子１（１Ａ，１Ｂ）を用いた超音波トランスデューサ１００＿２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を介して超音波トランスデューサ１００＿２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１００＿２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。この超音波顕微鏡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。
　このように本実施の形態においては、振動膜の周辺部を振動膜規制部に張り付かせて、１種類のセルで不要振動を抑制しながら複数の周波数の超音波を効率的に送受信することができ、高効率のハーモニックイメージングを構築することが可能となる。
　本出願は、２０１１年７月４日に日本国に出願された特願２０１１－１４８５９１号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものである。

Claims (8)

  1. 　電極間の静電引力によって振動膜を振動させて超音波を発生する静電容量型超音波振動子であって、
    　上部電極を含み変形可能な前記振動膜と、
    　前記振動膜の下に形成された空隙部と、
    　前記空隙部を介して前記振動膜に対向配置される中央電極と、
    　前記空隙部を介して前記振動膜に対向するように前記中央電極の外周に配置され、前記中央電極と独立して駆動可能な１つ以上の規制電極と、
    　前記中央電極の外周に設けられ、前記規制電極を含んで前記上部電極と前記規制電極との間に生じる静電引力で前記振動膜の周辺部を張り付かせる張付面を有し、前記張付面により前記振動膜の可動域を制限する振動膜規制部と、
    　を備え、
    　前記張付面は、前記張付面の中心側から外周側に向かって前記上部電極との距離が近くなるよう傾斜していることを特徴とする静電容量型超音波振動子。
  2. 　前記振動膜規制部の前記張付面を、前記規制電極を覆う絶縁層で形成したことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子。
  3. 　前記振動膜規制部の前記張付面を、前記規制電極で形成したことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子。
  4. 　前記振動膜規制部の前記張付面を、超音波送信方向の断面形状がテーパ形状となるように形成したことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子。
  5. 　前記張付面のテーパ形状を、内径側に向かって傾斜が大きくなる多段階のテーパ形状で形成したことを特徴とする請求項４に記載の静電容量型超音波振動子。
  6. 　前記振動膜を超音波送信方向から見て円形に形成し、
    　前記振動膜規制部によって制限される前記振動膜の可動域の径を、可動域の径に対応する共振周波数の比が制御の前後で整数倍となるように設定することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子。
  7. 　前記張付面と前記中央電極との間には、
    　前記張付面よりも傾斜角度の大きい肩部が配置されることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子。
  8. 　請求項１に記載の静電容量型超音波振動子を備えることを特徴とする電子機器。
PCT/JP2012/063051 2011-07-04 2012-05-22 静電容量型超音波振動子及び電子機器 WO2013005486A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011-148591 2011-07-04
JP2011148591 2011-07-04

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013005486A1 true WO2013005486A1 (ja) 2013-01-10

Family

ID=47436844

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/063051 WO2013005486A1 (ja) 2011-07-04 2012-05-22 静電容量型超音波振動子及び電子機器

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2013005486A1 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016540392A (ja) * 2013-09-24 2016-12-22 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． Ｃｍｕｔデバイス製造方法、ｃｍｕｔデバイス、及び装置
WO2019004103A1 (ja) * 2017-06-30 2019-01-03 キヤノン株式会社 中空構造体の製造方法、及び中空構造体
WO2020251915A1 (en) * 2019-06-10 2020-12-17 Butterfly Network, Inc. Curved micromachined ultrasonic transducer membranes
CN113695213A (zh) * 2020-05-22 2021-11-26 通用电气精准医疗有限责任公司 具有非共面致动和位移的显微机械加工的超声换能器
WO2023005952A1 (zh) * 2021-07-30 2023-02-02 歌尔微电子股份有限公司 微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005506783A (ja) * 2001-10-23 2005-03-03 シンデル，ディヴィッド，ダヴリュ． 超音波プリント回路基板トランスデューサ
JP2009055474A (ja) * 2007-08-28 2009-03-12 Olympus Medical Systems Corp 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

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005506783A (ja) * 2001-10-23 2005-03-03 シンデル，ディヴィッド，ダヴリュ． 超音波プリント回路基板トランスデューサ
JP2009055474A (ja) * 2007-08-28 2009-03-12 Olympus Medical Systems Corp 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

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016540392A (ja) * 2013-09-24 2016-12-22 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． Ｃｍｕｔデバイス製造方法、ｃｍｕｔデバイス、及び装置
WO2019004103A1 (ja) * 2017-06-30 2019-01-03 キヤノン株式会社 中空構造体の製造方法、及び中空構造体
US11505456B2 (en) 2017-06-30 2022-11-22 Canon Kabushiki Kaisha Method for producing hollow structure and hollow structure
WO2020251915A1 (en) * 2019-06-10 2020-12-17 Butterfly Network, Inc. Curved micromachined ultrasonic transducer membranes
US11383269B2 (en) 2019-06-10 2022-07-12 Bfly Operations, Inc. Curved micromachined ultrasonic transducer membranes
CN113695213A (zh) * 2020-05-22 2021-11-26 通用电气精准医疗有限责任公司 具有非共面致动和位移的显微机械加工的超声换能器
CN113695213B (zh) * 2020-05-22 2022-06-28 通用电气精准医疗有限责任公司 具有非共面致动和位移的显微机械加工的超声换能器
WO2023005952A1 (zh) * 2021-07-30 2023-02-02 歌尔微电子股份有限公司 微机电系统麦克风、麦克风单体及电子设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2110186B1 (en) Ultrasound transducer and electronic device
JP5019997B2 (ja) 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
JP4632853B2 (ja) 静電容量型超音波振動子とその製造方法
JP4347885B2 (ja) 静電容量型超音波振動子の製造方法、当該製造方法によって製造された静電容量型超音波振動子を備えた超音波内視鏡装置、静電容量型超音波プローブおよび静電容量型超音波振動子
JP4774393B2 (ja) 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
JP4730162B2 (ja) 超音波送受信デバイス，超音波探触子およびその製造方法
US20140010052A1 (en) Capacitive transducer
JP2005103294A (ja) 集束を行なう超微細加工超音波トランスデューサ・アレイ及び関連する製造方法
WO2006046471A1 (ja) 静電容量型超音波振動子及びその体腔内超音波診断システム
WO2013005486A1 (ja) 静電容量型超音波振動子及び電子機器
JP2008099036A (ja) 超音波トランスデューサ、超音波探触子及び超音波診断装置
JP2008283618A (ja) 超音波送受信デバイス及びそれを用いた超音波探触子
JP5855374B2 (ja) 超音波エレメントおよび超音波内視鏡
JP4891182B2 (ja) 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
JP5669953B2 (ja) 超音波振動子エレメントおよび超音波内視鏡
JP2013034665A (ja) 超音波エレメントおよび超音波内視鏡
JP4774394B2 (ja) 超音波トランスデューサ、超音波トランスデューサの製造方法、超音波診断装置及び超音波顕微鏡
US9636710B2 (en) Ultrasound element and ultrasound endoscope
JP6752727B2 (ja) 超音波トランスデューサおよび超音波撮像装置
JP2011035916A (ja) 超音波内視鏡
US20230002213A1 (en) Micro-machined ultrasound transducers with insulation layer and methods of manufacture
JP2013026735A (ja) 超音波エレメントおよび超音波内視鏡
WO2023277914A1 (en) Micro-machined ultrasound transducers with insulation layer and methods of manufacture

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12806923

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12806923

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP