WO2021038722A1 - 超音波エレメントおよび内視鏡 - Google Patents

超音波エレメントおよび内視鏡 Download PDF

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WO2021038722A1
WO2021038722A1 PCT/JP2019/033543 JP2019033543W WO2021038722A1 WO 2021038722 A1 WO2021038722 A1 WO 2021038722A1 JP 2019033543 W JP2019033543 W JP 2019033543W WO 2021038722 A1 WO2021038722 A1 WO 2021038722A1
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electrode
conductive layer
cavity
width
convex region
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PCT/JP2019/033543
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French (fr)
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松本　一哉
片白　雅浩
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オリンパス株式会社
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    • 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
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B8/12—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves in body cavities or body tracts, e.g. by using catheters
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    • A61B8/4494—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device characterised by features of the ultrasound transducer characterised by the arrangement of the transducer elements
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an endoscope including an ultrasonic element including a capacitive transducer and an ultrasonic probe each having a plurality of ultrasonic elements including a capacitive transducer.
  • An endoscope equipped with an ultrasonic probe can clearly depict the gastrointestinal wall, deep organs, etc. in a state of good image quality that is not affected by gas and bone in the body.
  • the electron scanning ultrasonic probe has a plurality of ultrasonic elements, each including an ultrasonic transducer, arranged in a row.
  • a ceramic piezoelectric material containing lead for example, PZT (lead zirconate titanate) is often used for the ultrasonic transducer.
  • PZT lead zirconate titanate
  • cMUT capacitive micro-machined Ultrasonic Transducer
  • the cMUT emits and receives ultrasonic waves by vibrating the membrane (diaphragm) including the upper electrode that faces the lower electrode with the cavity in between.
  • the harmonic imaging method using the harmonic signal included in the reflected ultrasonic waves can obtain a clear image that cannot be obtained by the conventional B mode method.
  • Harmonic imaging methods include tissue harmonic imaging that uses harmonics generated by the influence of the non-linearity of living tissue when ultrasonic waves propagate through the body, and injection of contrast medium bubbles into the body and irradiation with ultrasonic waves. It is classified into contrast harmonic imaging using harmonics generated when a bubble bursts or resonates. Harmonic imaging requires a wideband ultrasonic transducer that can receive not only the fundamental frequency but also harmonics that are integral multiples of the fundamental frequency.
  • U.S. Patent Application Publication No. 2012/01/23268 discloses a cMUT having a vibrating membrane with a high aspect ratio.
  • a high aspect ratio is selected to prevent a locally occurring decrease in sensitivity. ..
  • U.S. Patent Application Publication No. 2009/0301200 discloses cMUT in which the specific bandwidth is continuously changed while keeping the resonance frequency constant by adding a beam structure to the membrane.
  • the cMUT is characterized in that it does not change the resonance frequency. Further, since the electrode (upper electrode) of the membrane does not completely cover the entire surface of the cavity, the area of the counter electrode is small and there is a possibility that the efficiency of transmission / reception is not high.
  • An embodiment of the present invention aims to provide a highly efficient and wide band ultrasonic element and a highly efficient and wide band endoscope.
  • the ultrasonic element of the embodiment of the present invention is an ultrasonic element in which at least one capacitance type transducer is arranged on a substrate, and the capacitance type transducer is arranged on the substrate.
  • the cross-sectional shape of the cavity provided with the electrode and the protective layer covering the second electrode and parallel to the first electrode of the cavity has a length in the first direction orthogonal to the first direction.
  • the protective layer has a convex region extending in the first direction, which is longer than the width in the second direction, and the convex region changes the width in the second direction.
  • the endoscope of another embodiment includes an ultrasonic probe including a plurality of ultrasonic elements, and each of the plurality of ultrasonic elements has a plurality of capacitive transducers arranged on a substrate.
  • Each of the plurality of capacitance type transducers covers the first electrode arranged above the substrate, a frame member having a cavity above the first electrode, and the cavity.
  • the first electrode is provided with a second electrode arranged so as to face each other with the first electrode and the cavity in between, and a protective layer covering the second electrode.
  • the cross-sectional shape parallel to the electrodes has a length in the first direction longer than the width in the second direction orthogonal to the first direction, and the protective layer extends in the first direction. It has a convex region, and the width of the convex region changes in the second direction.
  • a highly efficient and wide band ultrasonic element and a highly efficient and wide band endoscope can be provided.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII of FIG. 4 of the cMUT of the first embodiment.
  • the endoscope 2 shown in FIG. 1 constitutes an endoscope system 1 together with an ultrasonic observation device 3 and a monitor 4.
  • the endoscope 2 includes an elongated insertion portion 31 to be inserted into the body, an operation portion 32 arranged at the base end of the insertion portion 31, and a universal cord 33 extending from the operation portion 32.
  • the connector 34 arranged on the universal cord 33 is connected to the light source device (not shown), the camera control unit (not shown), and the ultrasonic observation device 3.
  • a monitor 4 is connected to the ultrasonic observation device 3 and the camera control unit.
  • the insertion portion 31 is configured by connecting a rigid portion 31A, a curved portion 31B, and a flexible tube portion 31C having a small diameter, a long length, and flexibility.
  • the rigid portion 31A is provided with an ultrasonic probe 30 which is an ultrasonic transmitting / receiving portion.
  • the ultrasonic probe 30 of the endoscope 2 shown in FIG. 2 is a radial type in which the long sides of a plurality of elongated rectangular ultrasonic elements 20 are connected and arranged in a cylindrical shape.
  • the rigid portion 31A includes an illumination lens cover 35 constituting an illumination optical system, an observation lens cover 36 of the observation optical system, a forceps port 37 also serving as a suction port, and an air supply / water supply nozzle (not shown). Has been done.
  • the ultrasonic probe 30 may be a convex type in which a plurality of elements 20 are curvedly arranged in a convex shape.
  • ⁇ Ultrasonic element> In the element 20 shown in FIG. 3, a plurality of rectangular capacitive transducers (cMUTs) 10 are integrated in a state where their long sides are adjacent to each other, and are arranged in a row on one substrate 11.
  • cMUTs capacitive transducers
  • the following figure is a schematic diagram for explanation, and the thickness, size, dimensional ratio, etc. of each component are different from the actual cMUT.
  • the direction of the substrate 11 is referred to as "downward” and the direction of the ultrasonic wave emitting surface is referred to as "upper".
  • the upper surface of the element 20 (the surface opposite to the substrate 11) is covered with the protective layer 17 except for the region where the electrode terminals 23 and 24 are arranged. That is, the first wiring 21 (third conductive layer 21A) and the second wiring 21 (third conductive layer 21A) connecting the first electrode (lower electrode) 13 and the second electrode (upper electrode) 16 of the plurality of cMUT10s, respectively. Wiring 22 (third conductive layer 22A) is also covered with the protective layer 17 (see FIG. 5).
  • the region covering the second conductive layer 16B (see FIGS. 5 to 8) of the second electrode 16 is the convex region CA.
  • the thickness of the protective layer 17 is substantially the same for both the convex region CA and the flat region FA around the convex region CA.
  • the convex region CA covers the second conductive layer 16B, it is more convex than the flat region FA by the thickness of the second conductive layer 16B.
  • the convex region CA has a trapezoidal cross section parallel to the main surface of the substrate 11.
  • the region of the protective layer 17 that covers the first wiring 21 (third conductive layer 21A) and the second wiring 22 (third conductive layer 22A) is also convex.
  • adjacent cMUT 10s are arranged in a state in which the convex regions CA are rotated by 180 degrees from each other.
  • the convex regions CA of the adjacent cMUT 10s may be arranged in the same direction.
  • the element 20 may be composed of one cMUT.
  • the cMUT 10 has a first insulating layer 12, a first electrode (lower electrode) 13, a frame member 14, a second insulating layer 15, and a second electrode, which are sequentially arranged on the substrate 11.
  • (Upper electrode) 16 and a protective layer 17 are provided.
  • the frame member 14 has a cavity C above the first electrode 13.
  • the second electrode 16 is arranged so as to face the first electrode 13 with the cavity C of the frame member 14 interposed therebetween.
  • the protective layer 17 covers the upper surface of the cMUT 10 including the second electrode 16.
  • the second electrode 16 includes a first conductive layer 16A that completely covers the upper part of the cavity C, and a second conductive layer 16B that covers only a part of the first conductive layer 16A.
  • the second conductive layer 16B is thicker than the first conductive layer 16A.
  • the first insulating layer 12 and the second insulating layer 15 are not essential components of the cMUT 10.
  • the substrate 11 is made of an insulating material, the first insulating layer 12 is unnecessary.
  • the second electrode 16 and the protective layer 17 arranged on the cavity C form a membrane (vibration film) 19 that vibrates ultrasonically.
  • the cMUT10 emits ultrasonic waves in the vertical direction (Z direction) of the membrane 19 by vibrating the membrane 19.
  • the membrane 19 vibrates due to ultrasonic waves incident from the vertical direction (Z direction).
  • the cavity C has a cross section (XY plane) parallel to the first electrode 13, in other words, a cross section (XY plane) perpendicular to the vibration direction (Z direction) of the membrane 19 has a shape of the first direction (X). It is a substantially rectangular shape whose axial direction) is longer than the second direction (Y-axis direction) orthogonal to the first direction.
  • the first electrode 13 and the second conductive layer 16B facing each other across the cavity C have a cross-sectional size in which the region facing the cavity C is parallel to the first electrode 13. And the shape is the same as the cavity C.
  • the rectangular cavity C has a length XL in the first direction (X-axis direction: major axis direction) of 30 ⁇ m to 3000 ⁇ m and a length in the second direction (Y-axis direction: minor axis direction) ( Width) YL is 5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the aspect ratio (XL / YL), which is the ratio of the length XL to the width YL of the cavity C, is preferably 6 or more and 20 or less. If the aspect ratio (XL / YL) of the cavity C is within the above range, the cMUT10 has a wide band and high efficiency.
  • the facing area between the first electrode 13 and the second electrode 16 is a cross section (XY plane parallel to the first electrode 13) perpendicular to the vibration direction (Z direction) of the membrane 19 of the cavity C. ) Is the same as the area. That is, the first electrode 13 covers the entire lower part of the cavity C, and the second electrode 16 covers the entire upper part of the cavity C.
  • the cMUT10 (element 20) of the embodiment Since the area of the first electrode 13 and the second electrode 16 facing each other across the cavity C is the same as the area of the cavity C and is large, the cMUT10 (element 20) of the embodiment has transmission / reception efficiency. Is good.
  • the thickness of the first conductive layer 16A is 0.1 ⁇ m
  • the thickness of the second conductive layer 16B is 2 ⁇ m.
  • the thickness of the first conductive layer 16A is preferably 0.05 ⁇ m or more and 0.5 ⁇ m or less
  • the thickness of the second conductive layer 16B is preferably 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the first conductive layer 16A is thin because it is sufficient that a voltage can be applied between the first conductive layer 16A and the first electrodes 13 arranged to face each other.
  • the second conductive layer 16B is thick in order to impart a predetermined weight distribution to the membrane 19.
  • the second conductive layer 16B extends in the first direction (X-axis direction), and the width W in the second direction (Y-axis direction) is not constant but changes linearly.
  • the second conductive layer 16B has a trapezoidal shape in which the cross-sectional shape parallel to the first electrode 13 is line-symmetrical with respect to the center line O of the width (length) YL in the second direction of the membrane 19.
  • the width W1 in the cross section shown in FIG. 6 is wider than the width W2 in the cross section shown in FIG. 7.
  • the resonance frequency of the membrane 19 drops or rises in proportion to the weight and hardness of the membrane 19. Therefore, the region where the width W1 of the second conductive layer 16B is wide has a higher resonance frequency than the region where the width W1 is narrow.
  • the membrane 19 has a wide band because the resonance frequency changes along the first direction.
  • the center line O of the membrane 19 has the maximum amplitude when vibrated. That is, it deforms the most.
  • the membrane 19 of the ultrasonic element 20 is reinforced by a thick second conductive layer 16B along the center line O, and therefore has excellent durability.
  • the region of the protective layer 17 covering the second conductive layer 16B is a convex region CA due to the thickness of the second conductive layer 16B. That is, the shape of the convex region CA is substantially the same as the shape of the second conductive layer 16B.
  • the width W in the second direction (Y-axis direction) of the convex region CA extending in the first direction (X-axis direction) is the center line of the width (length) YL in the second direction of the membrane 19. It has a trapezoidal shape that is symmetrical along O.
  • the region around the convex region CA of the protective layer 17 constituting the membrane 19 and not covering the second conductive layer 16B is referred to as a flat region FA.
  • the first wiring 21 and the second wiring 22 are also provided with the third conductive layers 21A and 22A made of the same material as the second conductive layer 16B and having the same thickness.
  • the first wiring 21 and the second wiring 22 are preferably thick in order to reduce electrical resistance.
  • the third conductive layer 22A is arranged on the second wiring 22. Will be set up.
  • the element 20 is compared with an element having no third conductive layer 21A, 22A because the first wiring 21 and the second wiring 22 have low resistance due to the third conductive layers 21A, 22A. Then, the delay time is short, and higher frequency ultrasonic waves can be transmitted and received.
  • the substrate 11 is made of, for example, silicon. By thermally oxidizing the surface of the substrate 11, a silicon oxide layer, which is the first insulating layer 12, is formed.
  • the first insulating layer 12 may be a resin layer arranged on the substrate 11 or an inorganic material layer such as SiN formed by a CVD method (chemical vapor deposition method) or the like.
  • a conductive layer made of a metal such as copper, aluminum, gold, or doped silicon is disposed on the first insulating layer 12 of the substrate 11, that is, above the substrate 11. Then, after arranging the mask pattern by photolithography, the patterned first electrode 13 is formed by partially removing the mask pattern by using an etching method. The first electrode 13 extends to the first wiring 21 via a wiring extending from the edge portion.
  • a sacrificial layer pattern (not shown) in the shape of the cavity C is arranged so as to cover the first electrode 13. Then, the second insulating layer 15 is arranged so as to cover the sacrificial layer pattern by, for example, the same method and the same material as the first insulating layer 12.
  • the frame member layer 14 made of an insulating material such as SiN is arranged so as to cover the second insulating layer 15, and further, the second insulating layer 15 is arranged so as to cover the frame member layer 14. Will be done.
  • the second insulating layer 15 is, for example, SiN.
  • An opening (not shown) into which the etching agent flows is formed at a predetermined position of the frame member layer 14 and the second insulating layer 15 in order to remove the sacrificial layer pattern.
  • Cavity C is formed by removing the sacrificial layer pattern.
  • a hydrofluoric acid solution (buffered HF solution) is used as the etching agent.
  • a third insulating layer covering the first electrode 13 is arranged before the sacrificial layer pattern is arranged.
  • the second insulating layer 15 is unnecessary.
  • the second insulating layer 15 and the third insulating layer are formed of the same method and the same material.
  • the cavity C may be formed by a so-called joint forming method.
  • the second electrode 16 is bonded to the frame member layer 14 after disposing the frame member layer 14 having a space to be the cavity C.
  • the cavity C has a high aspect ratio, it may not be easy to etch the sacrificial layer pattern, so it is preferable to use the bonding forming method.
  • the cavity C that is, the membrane 19, may have a substantially rectangular shape, a trapezoidal shape, an elliptical shape, or the like in which the corners having a rectangular cross section (XY plane) parallel to the first electrode 13 are chamfered.
  • the first conductive layer 16A of the second electrode 16 is arranged so as to cover the second insulating layer 15 by using the same method as that of the first electrode 13.
  • the first conductive layer 16A completely covers the upper surface of the cavity C.
  • the first conductive layer 16A extends to the second wiring 22 by passing through the wiring.
  • the first conductive layer 16A, the wiring, and the second wiring 22 are integrally conductive layers that are simultaneously formed and patterned.
  • the first conductive layer 16A or the like may include a layer made of chromium or titanium as a base layer.
  • a second conductive layer 16B is arranged in a part of the first conductive layer 16A constituting the membrane 19.
  • the first conductive layer 16A and the second conductive layer 16B are preferably made of the same material from the viewpoint of productivity and adhesion strength.
  • the first conductive layer 16A is a copper layer disposed by a sputtering method
  • the second conductive layer 16B is a copper plating layer.
  • the region other than the region to be the second conductive layer 16B is thinly processed by etching, argon ion milling, or the like to form the first conductive layer 16A. May be good.
  • the third conductive layers 21A and 22A are simultaneously arranged on the first wiring 21 and the second wiring 22.
  • the third conductive layers 21A and 22A and the second conductive layer 16B are formed and patterned by the same method, and they are made of the same material and have the same thickness.
  • the second conductive layer 16B is disposed at the same time.
  • first electrode 13 and the first conductive layer 16A may be a common conductive layer of a plurality of cMUT 10s arranged across the plurality of cMUT 10.
  • first conductive layer 16A in FIG. 8 may extend in the second direction (Y-axis direction) of the cMUT 10. Since the common conductive layer is easy to pattern, the element having the common conductive layer is easy to manufacture. It is not preferable to use both the first electrode 13 and the first conductive layer 16A as a common conductive layer because the parasitic capacitance increases.
  • the protective layer 17 is arranged so as to cover the second electrode 16.
  • the protective layer 17 may be arranged by the same method and the same material as the second insulating layer 15.
  • the protective layer 17 may have a two-layer structure in which a biocompatible outer skin layer such as polyparaxylylene is further arranged on a thin insulating layer made of SiN or the like.
  • the protective layer 17 is a convex region CA in which the region covering the second conductive layer 16B is more convex than the flat region FA covering only the first conductive layer 16A.
  • the cavity C may be formed by etching the sacrificial layer.
  • the resonance frequency FR continuously changes along the first direction (X-axis direction) which is the longitudinal direction. That is, the region where the width W of the second conductive layer 16B is wide is harder than the region where the width W is narrow, so that the resonance frequency FR is high.
  • the resonance frequency FR1 in the region of the width W2 shown in FIG. 7 is 10 MHz
  • the resonance frequency FR2 of the region of the width W1 wider than the width W2 shown in FIG. 6 is 20 MHz.
  • the cMUT 10 When a drive signal of the fundamental frequency FRI (10 MHz) is applied to the electrode terminals 23 and 24 of the element 20, the cMUT 10 emits ultrasonic waves of the fundamental frequency FR1 (10 MHz) centering on the region of the width W2.
  • the reflected ultrasonic wave of the second harmonic FR2 (20 MHz) from the subject vibrates around the region of the width W1 of the cMUT10.
  • the element 20 Since the resonance frequency FR of the membrane 19 continuously changes along the first direction (X-axis direction), the element 20 has a wide band. Further, the element 20 is highly efficient because the facing electrode area of the membrane 19 is large.
  • the drive signal applied to the element 20 is a sine wave instead of a square wave so as not to emit harmonic ultrasonic waves.
  • a drive signal of the fundamental frequency whose phase is inverted is applied in a continuous state, and the reflected ultrasonic waves are processed.
  • the reflected wave of the fundamental frequency ultrasonic wave whose phase is inverted disappears by the superimposition processing.
  • the element 20 is highly efficient and has a wide band, and the endoscope provided with the ultrasonic probe 30 including the element 20 is highly efficient and has a wide band.
  • the element 20 is particularly suitable for the harmonic imaging method because the resonance frequency has a wide band range from the fundamental frequency FR1 to the harmonic FR2 which is an integral multiple of the fundamental frequency FR1.
  • Each of the elements 20A to 20L, cMUT10A to 10L has a flat region FA covering the first conductive layer 16A by covering the upper surface of the membrane 19 (protective layer 17) with the second conductive layer 16B.
  • the membrane 19 (protective layer 17) has a flat region FA having no convex region CA along the first direction (X-axis direction).
  • the cMUT10A has a flat region FA in which the width W of the convex region CA is zero.
  • the width W of the convex region CA changes on a curve along the first direction (X-axis direction) in the membrane 19 (protective layer 17).
  • the change in the width W of the convex region CA is not limited to a straight line, but may be a curved line.
  • the convex region CA has a substantially rhombic shape, and the width W along the first direction (X-axis direction) changes linearly and is in the center.
  • the width WC of the part is the widest.
  • the width WC is the same as the width YL of the membrane 19.
  • the convex region CA has a substantially football shape, the width W changes in a curved shape, and the width W at the substantially central portion is the widest.
  • the convex region CA has a substantially barrel shape, the width W changes linearly, and the membrane 19 is in the first direction (X-axis direction).
  • the width WC at the center is the widest.
  • the convex region CA has a substantially hourglass drum shape in which the central portion is constricted, the width W changes in a curved shape, and the membrane.
  • the width WC of the substantially central portion in the first direction (X-axis direction) of 19 is the narrowest.
  • the convex region CA of the cMUT10 of the element may have a width W that changes linearly or curvedly. Further, the change in the width W of the convex region CA is not monotonous, and may be further decreased or increased after reaching the maximum value or the minimum value along the first direction (X-axis direction). That is, as for the width W of the convex region CA, the width W of the substantially central portion of the membrane 19 in the first direction may be the widest or the narrowest.
  • the region having a predetermined resonance frequency is a narrow region in the first direction (X-axis direction).
  • the width W of the convex region CA of the cMUT 10G to 10L of the elements 20G to 20L of the modified examples 7 to 12 changes stepwise. Therefore, the target resonance frequency region is wide. That is, the elements 20G to 20L of the modified examples 7 to 12 have high transmission sensitivity and reception sensitivity at a desired frequency, and are highly efficient.
  • the width W of the convex region CA changes in two steps in a stepwise manner, and the width W changes in two steps in a second direction (Y).
  • Y There is a flat region FA without a convex region CA in the axial direction).
  • the region having the widest width W of the convex region CA is composed of only the convex region CA.
  • the resonance frequency of the region F1 in which there is no convex region CA and the whole is a flat region FA is set to the fundamental frequency f1.
  • the resonance frequency of the region F2, which is partly the convex region CA, is a harmonic that is twice the fundamental frequency f1.
  • the resonance frequency of the region F3, which is the convex region CA as a whole, is the third harmonic, which is three times the fundamental frequency f1.
  • the membrane 19 of the elements 20G to 20I is composed of three regions having different resonance frequencies.
  • the membrane 19 is composed of a region of the convex region CA and a flat region FA without the convex region CA in the first direction. ..
  • the resonance frequency of the region F1 which is the flat region FA without the convex region CA is set to the fundamental frequency f1.
  • the resonance frequency of the region F2, which is the convex region CA as a whole, is a second harmonic that is twice the fundamental frequency f1.
  • the membrane 19 of the elements 20J to 20L is composed of two regions F1, F2, and F3 having different resonance frequencies.
  • the region where the harmonic frequency is the resonance frequency that is, the regions F2 and F3 whose entire region is the convex region CA is the region where the fundamental frequency is the resonance frequency, that is, the region F1 which is the flat region FA without the convex region CA. It is preferable that the area is larger than that. This is to receive the low-intensity harmonics contained in the reflected wave of the fundamental frequency ultrasonic wave with high sensitivity.
  • the intensity of the third harmonic is even smaller than that of the second harmonic. Therefore, the area of the region F3 that receives the third harmonic is preferably larger than the area of the region F2 that receives the second harmonic.
  • the element may include two or more types of cMUT selected from cMUT10 to cMUT10L of the first embodiment and the modified examples 1 to 12 of the first embodiment.
  • the wiring between the second wiring 22 and the first conductive layer 16A is also a third conductive layer having the same thickness as the second conductive layer and the same material. Covered by 22C. Therefore, the convex region CA of the protective layer 17 is connected to the convex region covering the second wiring 22.
  • the element 20M Since the element 20M has a small electrical resistance in the path from the second wiring 22 to the second electrode 16, highly efficient transmission / reception is possible.
  • the elements 20A to 20L having the configurations shown in the modified examples 1 to 12 of the first embodiment are provided, and the second conductive layer covering the second wiring is extended to the second wiring.
  • the element 20M has the same effect as the element 20M in addition to the effect of the elements 20A to 20L.
  • the cMUT10N is the same as the cMUT10K shown in FIG. 11B in that it is composed of two regions having different resonance frequencies.
  • the element 20N has the effects of the element 20M and the element 20K.
  • the convex region CA is a region where the protective layer 17O is thick.
  • the second protective layer 17B is laminated on the region serving as the convex region CA of the first protective layer 17A.
  • the element 20O is easy to manufacture because the bandwidth can be widened by changing only the thickness of the protective layer.
  • the elements 20A to 20L having the configurations shown in the modified examples 1 to 12 of the first embodiment are provided, and if the protective layer 17O has a convex region CA which is a thick region, the elements 20A to 20A to Needless to say, in addition to the effect of 20L, it has the same effect as the element 20O.
  • the cMUT10P is the same as the cMUT10K shown in FIG. 11B in that it is composed of two regions having different resonance frequencies.
  • the element 20P has the effects of the element 20O and the element 20K.
  • the endoscopes 2A to 2O including the elements 20A to 20O have the effects of the endoscope 2 and the effects of the elements 20A to 20O, respectively.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various modifications, modifications, and the like can be made without changing the gist of the present invention.

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Abstract

少なくとも１つのｃＭＵＴ１０が基板１１に配設されている超音波エレメント２０であって、ｃＭＵＴ１０は、基板１１に配設されている第１の電極１３と、空洞Ｃを有する枠部材１４と、第１の電極１３と空洞Ｃをはさんで対向配置されている第２の電極１６と、第２の電極１６を覆っている保護層１７と、を具備し、空洞Ｃは、Ｘ軸方向の長さＸＬがＹ軸方向の幅ＹＬよりも長く、保護層１７は、Ｘ軸方向に延設されている凸領域ＣＡを有し、凸領域ＣＡはＹ軸方向の幅Ｗが変化している。

Description

超音波エレメントおよび内視鏡
　本発明は、静電容量型トランスデューサを含む超音波エレメント、および、それぞれが静電容量型トランスデューサを含む複数の超音波エレメントを有する超音波探触子を具備する内視鏡に関する。
　超音波探触子を具備する内視鏡は、体内のガスおよび骨の影響を受けない良好な画質の状態において消化管壁および深部臓器等を明瞭に描出できる。電子走査式の超音波探触子には、それぞれが超音波トランスデューサを含む複数の超音波エレメントが列設されている。
　超音波トランスデューサには、鉛を含むセラミック圧電材料、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）が使用されていることが多い。これに対して、マイクロマシン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マイクロマシン超音波トランスデューサ（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃＭＵＴ」という。）の開発が進んでいる。
　ｃＭＵＴは、下電極と空洞をはさんで対向している上電極を含むメンブレン（ダイヤフラム）が振動することによって、超音波を出射したり、受信したりする。
　一方、反射超音波に含まれる高調波信号を用いたハーモニックイメージング法では、従来のＢモード法では得られない鮮明な画像が得られる。ハーモニックイメージング法は、超音波が生体中を伝播する時に、生体組織の非線形性の影響を受けて生じた高調波を用いるティッシューハーモニックイメージングと、体内に造影剤バブルを注入し、超音波の照射によってバブルが破裂または共振する時に発生する高調波を用いるコントラストハーモニックイメージングと、に分類される。ハーモニックイメージングには、基本周波数だけでなく基本周波数の整数倍の高調波を受信できる広帯域の超音波トランスデューサが必要である。
　米国特許出願公開第２０１２／０１２３２６８号明細書には、高アスペクト比の振動膜（メンブレン）を有するｃＭＵＴが開示されている。このｃＭＵＴでは、振動膜の中心から振動膜が固定されている周縁部までの距離を不均一である場合に、アスペクト比を高く選択することによって、局所的に発生する感度低下を防止している。
　国際公開第２００５／０８７３９１号には、端部が異なる幅を有する不対称のメンブレンを含むｃＭＵＴを用いたハーモニックイメージング法が開示されている。
　米国特許出願公開第２００９／０３０１２００号明細書には、メンブレンに梁構造を付加することによって、共振周波数を一定としつつ比帯域幅を連続的に変えたｃＭＵＴが開示されている。
　すなわち、上記ｃＭＵＴは、共振周波数を変えないことを特徴としている。また、メンブレンの電極（上電極）は、空洞の全面を完全には覆っていないために、対向電極面積が小さく、送受信の効率が高くはないおそれがあった。
米国特許出願公開第２０１２／０１２３２６８号明細書 国際公開第２００５／０８７３９１号 米国特許出願公開第２００９／０３０１２００号明細書
　本発明の実施形態は、高効率かつ広帯域の超音波エレメントおよび高効率かつ広帯域の内視鏡を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態の超音波エレメントは、少なくとも１つの静電容量型トランスデューサが基板に配設されている超音波エレメントであって、前記静電容量型トランスデューサは、前記基板の上方に配設されている第１の電極と、前記第１の電極の上方に空洞を有する枠部材と、前記空洞を覆っており、前記第１の電極と前記空洞をはさんで対向配置されている第２の電極と、前記第２の電極を覆っている保護層と、を具備し、前記空洞の前記第１の電極と平行な断面形状は、第１の方向の長さが前記第１の方向と直交する第２の方向の幅よりも長く、前記保護層は、前記第１の方向に延設されている凸領域を有し、前記凸領域は、前記第２の方向の前記幅が変化する。
　また別の実施形態の内視鏡は、複数の超音波エレメントを含む超音波探触子を具備し、前記複数の超音波エレメントのそれぞれは、複数の静電容量型トランスデューサが基板に配設されており、前記複数の静電容量型トランスデューサのそれぞれは、前記基板の上方に配設されている第１の電極と、前記第１の電極の上方に空洞を有する枠部材と、前記空洞を覆っており、前記第１の電極と前記空洞をはさんで対向配置されている第２の電極と、前記第２の電極を覆っている保護層と、を具備し、前記空洞の前記第１の電極と平行な断面形状は、第１の方向の長さが前記第１の方向と直交する第２の方向の幅よりも長く、前記保護層は、前記第１の方向に延設されている凸領域を有し、前記凸領域は、前記第２の方向の前記幅が変化する。
　本発明の実施形態によれば、高効率かつ広帯域の超音波エレメントおよび高効率かつ広帯域の内視鏡が提供できる。
実施形態の内視鏡を具備する内視鏡システムの模式図である。 実施形態の内視鏡の先端部の斜視図である。 第１実施形態の超音波エレメントの平面図である。 第１実施形態のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態のｃＭＵＴの図４のＶ－Ｖ線にそった断面図である。 第１実施形態のｃＭＵＴの図４のＶＩ－ＶＩ線にそった断面図である。 第１実施形態のｃＭＵＴの図４のＶＩＩ－ＶＩＩ線にそった断面図である。 第１実施形態のｃＭＵＴの分解図である。 第１実施形態の変形例１のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例２のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例３のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例４のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例５のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例６のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例７のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例８のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例９のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例１０のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例１１のｃＭＵＴの平面図である。 第１実施形態の変形例１２のｃＭＵＴの平面図である。 第２実施形態のｃＭＵＴの分解図である。 第２実施形態の変形例のｃＭＵＴの分解図である。 第３実施形態のｃＭＵＴの分解図である。 第３実施形態の変形例のｃＭＵＴの分解図である。
＜第１実施形態＞
　以下、図面を参照して第１実施形態の超音波エレメント２０（以下、「エレメント２０」ともいう。）および超音波エレメント２０を有する内視鏡２について説明する。
＜内視鏡システム＞
　図１に示す内視鏡２は、超音波観測装置３およびモニタ４とともに内視鏡システム１を構成する。内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部３１と、挿入部３１の基端に配設された操作部３２と、操作部３２から延出するユニバーサルコード３３と、を具備する。
　ユニバーサルコード３３に配設されたコネクタ３４は、光源装置（不図示）、カメラコントロールユニット（不図示）、および超音波観測装置３と接続される。超音波観測装置３およびカメラコントロールユニットにはモニタ４が接続される。
　挿入部３１は、硬性部３１Ａと、湾曲部３１Ｂと、細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部３１Ｃと、を連設することによって構成されている。そして、硬性部３１Ａには、超音波送受部である超音波探触子３０が配設されている。
＜超音波探触子＞
　図２に示す内視鏡２の超音波探触子３０は、複数の細長い長方形の超音波エレメント２０の長辺が連結されて、円筒状に湾曲配置されたラジアル型である。硬性部３１Ａには、照明光学系を構成する照明用レンズカバー３５と、観察光学系の観察用レンズカバー３６と、吸引口を兼ねる鉗子口３７と、図示しない送気送水ノズルと、が配設されている。
　なお、超音波探触子３０は、複数のエレメント２０が凸形状に湾曲配置されているコンベックス型であってもよい。
＜超音波エレメント＞
　図３に示すエレメント２０には、複数の長方形の静電容量型トランスデューサ（ｃＭＵＴ）１０が、それぞれの長辺が隣り合う状態に一体化されて、１つの基板１１に列設されている。なお、以下の図は、説明のための模式図であり、各構成要素の厚さ、大きさ、および、寸法の比率等は実際のｃＭＵＴとは異なる。また、エレメント２０の積層構造を説明するときには、基板１１の方向を「下」、超音波の出射面の方向を「上」という。
　エレメント２０の上面（基板１１と反対の面）は、電極端子２３、２４が配設されている領域以外は、保護層１７で覆われている。すなわち、複数のｃＭＵＴ１０のそれぞれの第１の電極（下電極）１３および第２の電極（上電極）１６を、それぞれ接続している第１の配線２１（第３の導電層２１Ａ）および第２の配線２２（第３の導電層２２Ａ）も、保護層１７で覆われている（図５参照）。
　保護層１７は、第２の電極１６の第２の導電層１６Ｂ（図５～図８参照）を覆っている領域が凸領域ＣＡである。なお、保護層１７の厚さは、凸領域ＣＡも、凸領域ＣＡの周囲のフラット領域ＦＡも略同じである。しかし、凸領域ＣＡは、第２の導電層１６Ｂを覆っているため、第２の導電層１６Ｂの厚さの分だけフラット領域ＦＡよりも凸となっている。凸領域ＣＡは基板１１の主面に平行な断面の形状が台形である。
　なお、保護層１７は、第１の配線２１（第３の導電層２１Ａ）および第２の配線２２（第３の導電層２２Ａ）を覆っている領域も凸形状である。
　なお、図３に示すエレメント２０では、隣り合うｃＭＵＴ１０は、互いに凸領域ＣＡが１８０度回転した状態に配置されている。しかし、隣り合うｃＭＵＴ１０は、凸領域ＣＡが同じ方向に配置されていてもよい。
　また、エレメント２０は、１つのｃＭＵＴによって構成されていてもよい。
＜ｃＭＵＴ＞
　次に、図４～図８を用いて、エレメント２０のｃＭＵＴ１０の構造について説明する。
　ｃＭＵＴ１０は、基板１１に、順に配設されている、第１の絶縁層１２と、第１の電極（下電極）１３と、枠部材１４と、第２の絶縁層１５と、第２の電極（上電極）１６と、保護層１７と、を具備する。枠部材１４は、第１の電極１３の上方に空洞（キャビティ）Ｃを有する。第２の電極１６は、枠部材１４の空洞Ｃを間にはさんで、第１の電極１３と対向配置されている。保護層１７は第２の電極１６を含むｃＭＵＴ１０の上面を覆っている。
　第２の電極１６は、空洞Ｃの上方を完全に覆っている第１の導電層１６Ａと、第１の導電層１６Ａの一部だけを覆っている第２の導電層１６Ｂと、を含む。第２の導電層１６Ｂは、第１の導電層１６Ａよりも厚い。
　なお、第１の絶縁層１２および第２の絶縁層１５は、ｃＭＵＴ１０の必須構成要素ではない。例えば、基板１１が絶縁材料からなる場合には第１の絶縁層１２は不要である。
　空洞Ｃの上に配置されている第２の電極１６と保護層１７とが、超音波振動するメンブレン（振動膜）１９を構成している。ｃＭＵＴ１０は、メンブレン１９が振動することによってメンブレン１９の垂直方向（Ｚ方向）に超音波を出射する。ｃＭＵＴ１０は、垂直方向（Ｚ方向）から入射した超音波によってメンブレン１９が振動する。
　空洞Ｃは、第１の電極１３に平行な断面（ＸＹ面）の形状、言い替えれば、メンブレン１９の振動方向（Ｚ方向）に垂直な断面（ＸＹ面）の形状は、第１の方向（Ｘ軸方向）が第１の方向と直交する第２の方向（Ｙ軸方向）よりも長い略長方形である。なお、空洞Ｃをはさんで対向している第１の電極１３および第２の導電層１６Ｂは、それぞれが空洞Ｃと対向している領域が、第１の電極１３と平行な断面の大きさおよび形が空洞Ｃと同じである。
　例えば、長方形の空洞Ｃは、第１の方向（Ｘ軸方向：長軸方向）の長さＸＬは、３０μｍ～３０００μｍであり、第２の方向（Ｙ軸方向：短軸方向）の長さ（幅）ＹＬは、５μｍ～５００μｍである。空洞Ｃの長さＸＬと幅ＹＬとの比であるアスペクト比（ＸＬ／ＹＬ）は、６以上２０以下であることが好ましい。空洞Ｃのアスペクト比（ＸＬ／ＹＬ）が前記範囲内であれば、ｃＭＵＴ１０は、広帯域かつ高効率である。
　実施形態のｃＭＵＴ１０では、第１の電極１３と第２の電極１６との対向面積は、空洞Ｃのメンブレン１９の振動方向（Ｚ方向）に垂直な断面（第１の電極１３と平行なＸＹ面）の面積と同じである。すなわち、第１の電極１３は空洞Ｃの下方全体を覆っており、第２の電極１６は空洞Ｃの上方全体を覆っている。
　第１の電極１３と第２の電極１６との、空洞Ｃをはさんで対向している面積が空洞Ｃの面積と同じであり、広いため、実施形態のｃＭＵＴ１０（エレメント２０）は、送受信効率がよい。
　例えば、第１の導電層１６Ａの厚さは、０．１μｍであり、第２の導電層１６Ｂの厚さは、２μｍである。なお、第１の導電層１６Ａの厚さは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であり、第２の導電層１６Ｂの厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
　すなわち、第１の導電層１６Ａは、対向配置されている第１の電極１３との間に電圧が印加できればよいため、薄い。これに対して、第２の導電層１６Ｂは、メンブレン１９に所定の重量分布を付与するために、厚い。
　第２の導電層１６Ｂは、第１の方向（Ｘ軸方向）に延設されており、第２の方向（Ｙ軸方向）の幅Ｗは、一定ではなく、直線的に変化している。第２の導電層１６Ｂは第１の電極１３と平行な断面形状が、メンブレン１９の第２の方向の幅（長さ）ＹＬの中央線Ｏに対して、線対称な台形状である。図６に示す断面における幅Ｗ１は、図７に示す断面における幅Ｗ２よりも広い。
　メンブレン１９の共振周波数は、メンブレン１９の重量および硬度に比例して、降下または上昇する。このため、第２の導電層１６Ｂの幅Ｗ１が広い領域は、狭い領域よりも、共振周波数が高い。メンブレン１９は第１の方向にそって共振周波数が変化しているため、広帯域である。
　メンブレン１９の中央線Ｏは、振動したときに最大振幅となる。すなわち、最も大きく変形する。超音波エレメント２０のメンブレン１９は、中央線Ｏにそって、厚い第２の導電層１６Ｂによって補強されているため、耐久性が優れている。
　保護層１７の第２の導電層１６Ｂを覆っている領域は、第２の導電層１６Ｂの厚さのために凸領域ＣＡとなっている。すなわち、凸領域ＣＡの形状は、第２の導電層１６Ｂの形状と略同じである。第１の方向（Ｘ軸方向）に延設されている凸領域ＣＡの第２の方向（Ｙ軸方向）の幅Ｗは、メンブレン１９の第２の方向の幅（長さ）ＹＬの中央線Ｏにそって左右対称な台形状である。メンブレン１９を構成している保護層１７の凸領域ＣＡの周囲の、第２の導電層１６Ｂを覆っていない領域を、フラット領域ＦＡという。
　なお、第１の配線２１および第２の配線２２にも、第２の導電層１６Ｂと同じ材料からなり同じ厚さの第３の導電層２１Ａ、２２Ａが配設されている。
　第１の配線２１および第２の配線２２は、電気抵抗低減のために厚いことが好ましい。後述するように、エレメント２０では、第１の導電層１６Ａに第２の導電層１６Ｂが配設される工程において、同時に、例えば、第２の配線２２の上に第３の導電層２２Ａが配設される。エレメント２０は、第１の配線２１および第２の配線２２が、第３の導電層２１Ａ、２２Ａによって、低抵抗となっているために、第３の導電層２１Ａ、２２Ａを有しないエレメントと比較すると、遅延時間が短く、より高周波の超音波の送受信ができる。
＜製造方法＞
　次に、ｃＭＵＴ１０を含むエレメント２０の製造方法を説明する。
　基板１１は、例えば、シリコンからなる。基板１１の表面を熱酸化することによって、第１の絶縁層１２であるシリコン酸化層が形成される。第１の絶縁層１２は、基板１１に配設された、樹脂層または、ＣＶＤ法（化学気相成長法）等を用いて成膜されたＳｉＮ等の無機材料層でもよい。
　基板１１の第１の絶縁層１２の上、すなわち、基板１１の上方に、銅、アルミニウム、金なとの金属またはドープされたシリコンなどからなる導電層が配設される。そして、フォトリソグラフィによるマスクパターンを配設した後に、エッチング法を用いて部分的に除去することによってパターニングされた第１の電極１３が形成される。第１の電極１３は、縁辺部から延設されている配線を経由することによって第１の配線２１まで延設されている。
　なお、以下では、フォトリソグラフィ法によるパターニングの説明は省略する。
　キャビティＣの形状の犠牲層パターン（不図示）が、第１の電極１３を覆う状態に配設される。そして、第２の絶縁層１５が犠牲層パターンを覆う状態に、例えば第１の絶縁層１２と同様の方法および同様の材料によって配設される。
　そして、ＳｉＮ等の絶縁性材料からなる枠部材層１４が、第２の絶縁層１５を覆う状態に配設され、さらに、第２の絶縁層１５が枠部材層１４を覆う状態に、配設される。第２の絶縁層１５は、例えばＳｉＮである。
　枠部材層１４および第２の絶縁層１５の所定の位置に、犠牲層パターンを除去するために、エッチング剤を流入する開口部（不図示）が形成される。
　犠牲層パターンを除去することによって空洞Ｃが形成される。例えば犠牲層パターンとしてリンガラスを用い、第１の絶縁層１２および第２の絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤としてフッ酸溶液（バッファードＨＦ溶液）を用いる。
　第１の電極１３がエッチング剤に溶解する場合には、犠牲層パターンを配設する前に、第１の電極１３を覆う第３の絶縁層が配設される。逆に、第１の電極１３および第２の電極１６がエッチング剤に溶解しない場合には、第２の絶縁層１５は不要である。第２の絶縁層１５と第３の絶縁層とは同じ方法、同じ材料で成膜される。
　なお、空洞Ｃは、いわゆる接合形成法によって形成してもよい。接合形成法では、空洞Ｃとなる空間のある枠部材層１４を配設した後に、第２の電極１６が枠部材層１４に接合される。特に、空洞Ｃが高アスペクトの場合には、犠牲層パターンのエッチングが容易ではないことがあるため、接合形成法を用いることが好ましい。
　空洞Ｃ、すなわち、メンブレン１９は、第１の電極１３に平行な断面（ＸＹ面）の形状が長方形の角部が面取りされている略長方形、台形または楕円形等でもよい。
　次に、第１の電極１３と同じ方法を用いて第２の電極１６の第１の導電層１６Ａが、第２の絶縁層１５を覆う状態に配設される。第１の導電層１６Ａは空洞Ｃの上面を完全に覆っている。さらに、第１の導電層１６Ａは配線を経由することによって第２の配線２２まで延設されている。第１の導電層１６Ａ、前記配線および第２の配線２２は、同時に成膜されパターニングされた一体の導電層である。なお、第１の導電層１６Ａ等は、下地層としてクロムまたはチタンからなる層を含んでいてもよい。
　メンブレン１９を構成している第１の導電層１６Ａの一部に、第２の導電層１６Ｂが配設される。第１の導電層１６Ａと第２の導電層１６Ｂとは、生産性および密着強度の観点から、同じ材料なることが好ましい。例えば、第１の導電層１６Ａはスパッタ法によって配設された銅層であり、第２の導電層１６Ｂは銅めっき層である。
　第２の導電層１６Ｂの厚さの導電膜を配設してから、第２の導電層１６Ｂとなる領域以外を、エッチングまたはアルゴンイオンミリング等によって薄く加工することによって第１の導電層１６Ａとしてもよい。
　エレメント２０の製造方法では、第２の導電層１６Ｂが配設される工程において、同時に、第１の配線２１および第２の配線２２の上に、第３の導電層２１Ａ、２２Ａが配設される。すなわち、第３の導電層２１Ａ、２２Ａと第２の導電層１６Ｂとは、同じ方法で成膜およびパターニングされており、これらは、同じ材料からなり、かつ、同じ厚さである。
　逆に言えば、エレメント２０の製造方法では、配線抵抗を低減するために第３の導電層２１Ａ、２２Ａを配設する工程において、同時に第２の導電層１６Ｂが配設される。
　なお、第１の電極１３および第１の導電層１６Ａのいずれか一方だけは、複数のｃＭＵＴ１０にまたがって配設されている複数のｃＭＵＴ１０の共通導電層でもよい。例えば、図８における第１の導電層１６Ａは、ｃＭＵＴ１０の第２の方向（Ｙ軸方向）に延設されていてもよい。共通導電層はパターニングが容易であるため、共通導電層を有するエレメントは製造が容易である。なお、第１の電極１３および第１の導電層１６Ａの両方を、それぞれ共通導電層とすることは寄生容量が増加するため好ましくない。
　保護層１７が第２の電極１６を覆う状態に配設される。保護層１７は、第２の絶縁層１５と同様の方法および同様の材料によって配設されてもよい。なお、保護層１７は、ＳｉＮ等からなる薄い絶縁層の上に、更にポリパラキシリレン等の生体適合性のある外皮層が配設された２層構造であってもよい。
　保護層１７は、第２の導電層１６Ｂを覆っている領域が、第１の導電層１６Ａだけを覆っているフラット領域ＦＡよりも凸となっている凸領域ＣＡである。
　なお、第２の電極１６または保護層１７を配設した後に、犠牲層をエッチングすることによって空洞Ｃを形成してもよい。
＜駆動方法＞
　ｃＭＵＴ１０の略長方形の空洞Ｃ（メンブレン１９）は、長手方向である第１の方向（Ｘ軸方向）にそって、共振周波数ＦＲが連続的に変化している。すなわち、第２の導電層１６Ｂの幅Ｗが広い領域は、幅Ｗが狭い領域よりも、硬いために、共振周波数ＦＲが高い。
　例えば、図７に示す幅Ｗ２の領域の共振周波数ＦＲ１は、１０ＭＨｚであり、図６に示す、幅Ｗ２よりも広い幅Ｗ１の領域の共振周波数ＦＲ２は、２０ＭＨｚである。
　エレメント２０の電極端子２３、２４に、基本周波数ＦＲＩ（１０ＭＨｚ）の駆動信号が印加されると、ｃＭＵＴ１０は、基本周波数ＦＲ１（１０ＭＨｚ）の超音波を幅Ｗ２の領域を中心に出射する。被検体からの第２高調波ＦＲ２（２０ＭＨｚ）の反射超音波は、ｃＭＵＴ１０の幅Ｗ１の領域を中心に振動する。
　メンブレン１９が第１の方向（Ｘ軸方向）にそって共振周波数ＦＲが連続的に変化しているため、エレメント２０は広帯域である。また、エレメント２０は、メンブレン１９の対向電極面積が広いために高効率である。
　なお、高調波の超音波を出射しないために、エレメント２０に印加される駆動信号は矩形波ではなく正弦波であることが好ましい。また、基本周波数ＦＲ１の反射波の影響を受けない高調波ＦＲ２の信号を得るためには、位相を反転した基本周波数の駆動信号を連続した状態において印加し、それらの反射超音波を信号処理することが好ましい。すなわち、位相が反転した基本周波数の超音波の反射波は重畳処理と消失する。しかし、位相が反転した基本周波数の超音波の高調波反射波は重畳処理しても消失しないためである。
　エレメント２０は高効率かつ広帯域であり、エレメント２０を含む超音波探触子３０を具備する内視鏡は、高効率かつ広帯域である。エレメント２０は、共振周波数が、基本周波数ＦＲ１から、基本周波数ＦＲ１の整数倍の高調波ＦＲ２に及ぶ広帯域であるために、特にハーモニックイメージング法に適している。
＜第１実施形態の変形例＞
　第１実施形態の変形例１～１２のエレメント２０Ａ～２０Ｌについて説明する。エレメント２０Ａ～２０Ｌは、エレメント２０と類似し、同じ効果を有しているために、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　エレメント２０Ａ～２０ＬのｃＭＵＴ１０Ａ～１０Ｌは、いずれもメンブレン１９（保護層１７）の上面に、第２の導電層１６Ｂを覆っていることによって、第１の導電層１６Ａを覆っているフラット領域ＦＡよりも凸となっている凸領域ＣＡがある。
＜変形例１、２＞
　図９Ａに示す変形例１のエレメント２０ＡのｃＭＵＴ１０Ａでは、メンブレン１９（保護層１７）には、第１の方向（Ｘ軸方向）にそって凸領域ＣＡがないフラット領域ＦＡがある。言い替えれば、ｃＭＵＴ１０Ａには、凸領域ＣＡの幅Ｗがゼロのフラット領域ＦＡがある
　図９Ｂに示す変形例２のエレメント２０ＢのｃＭＵＴ１０Ｂは、メンブレン１９（保護層１７）では、第１の方向（Ｘ軸方向）にそって凸領域ＣＡの幅Ｗが曲線上に変化している。
　すなわち、凸領域ＣＡの幅Ｗの変化は、直線状に限られるものではなく、曲線状でもよい。
＜変形例３～６＞
　図９Ｃに示す変形例３のエレメント２０ＣのｃＭＵＴ１０Ｃでは、凸領域ＣＡは、略菱形状であり、第１の方向（Ｘ軸方向）にそった幅Ｗは直線状に変化しており、かつ中央部の幅ＷＣが、最も広い。幅ＷＣは、メンブレン１９の幅ＹＬと同じである。
　図９Ｄに示す変形例４のエレメント２０ＤのｃＭＵＴ１０Ｄでは、凸領域ＣＡは、略フットボール状であり、幅Ｗは曲線状に変化しており、かつ略中央部の幅Ｗが、最も広い。
　図９Ｅに示す変形例５のエレメント２０ＥのｃＭＵＴ１０Ｅでは、凸領域ＣＡは、略樽状であり幅Ｗは直線状に変化しており、かつ、メンブレン１９の第１の方向（Ｘ軸方向）における略中央部の幅ＷＣが、最も広い。
　図９Ｆに示す変形例６のエレメント２０ＦのｃＭＵＴ１０Ｆでは、凸領域ＣＡは、略中央部がくびれている略砂時計（hourglass drum）状であり、幅Ｗは曲線状に変化しており、かつ、メンブレン１９の第１の方向（Ｘ軸方向）における略中央部の幅ＷＣが、最も狭い。
　すなわち、エレメントのｃＭＵＴ１０の凸領域ＣＡは、幅Ｗが直線状に変化していてもよいし、曲線状に変化していてもよい。さらに凸領域ＣＡの幅Ｗの変化は単調ではなく、第１の方向（Ｘ軸方向）にそって最大値または最小値となってから、更に減少または増加していてもよい。すなわち、凸領域ＣＡの幅Ｗは、メンブレン１９の第１の方向の略中央部の幅Ｗが、最も広くてもよいし、最も狭くてもよい。
＜変形例７～１２＞
　凸領域ＣＡの幅Ｗが連続的に変化しているｃＭＵＴでは、所定の共振周波数となる領域は第１の方向（Ｘ軸方向）において狭い領域であった。これに対して、変形例７～１２のエレメント２０Ｇ～２０ＬのｃＭＵＴ１０Ｇ～１０Ｌの凸領域ＣＡは、幅Ｗが階段状に変化している。このため、目的の共振周波数の領域が広い。すなわち、変形例７～１２のエレメント２０Ｇ～２０Ｌは、所望の周波数における送信感度および受信感度が高く、高効率である。
＜変形例７～９＞
　図１０Ａ～１０Ｃに示す変形例７～９のエレメント２０Ｇ～２０ＩのｃＭＵＴ１０Ｇ～１０Ｉでは、凸領域ＣＡは、幅Ｗが、階段状に２段階に変化しており、かつ、第２の方向（Ｙ軸方向）において凸領域ＣＡがないフラット領域ＦＡがある。また、凸領域ＣＡの幅Ｗが最も広い領域は、凸領域ＣＡだけによって構成されている。
　凸領域ＣＡがなく全体がフラット領域ＦＡである領域Ｆ１の共振周波数は基本周波数ｆ１に設定されている。一部が凸領域ＣＡである領域Ｆ２の共振周波数は、基本周波数ｆ１の２倍の高調波である。全体が凸領域ＣＡである領域Ｆ３の共振周波数は、基本周波数ｆ１の３倍の第３高調波である。
　すなわち、エレメント２０Ｇ～２０Ｉのメンブレン１９は、共振周波数が異なる３つの領域からなる。
＜変形例１０～１２＞
　図１１Ａ～１１Ｃに示す変形例１０～１２のエレメント２０Ｊ～２０ＬのｃＭＵＴ１０Ｊ～１０Ｌでは、メンブレン１９は、第１の方向において凸領域ＣＡの領域と、凸領域ＣＡのないフラット領域ＦＡと、からなる。
　凸領域ＣＡのないフラット領域ＦＡである領域Ｆ１の共振周波数は基本周波数ｆ１に設定されている。全体が凸領域ＣＡである領域Ｆ２の共振周波数は、基本周波数ｆ１の２倍の第２高調波である。
　すなわち、エレメント２０Ｊ～２０Ｌのメンブレン１９は、共振周波数が異なる２つの領域Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３からなる。
　なお、高調波の周波数が共振周波数となる領域、すなわち、全体が凸領域ＣＡである領域Ｆ２、Ｆ３は、基本周波数が共振周波数の領域、すなわち、凸領域ＣＡのないフラット領域ＦＡである領域Ｆ１よりも面積が広いことが好ましい。基本周波数の超音波の反射波に含まれる強度の小さい高調波を感度良く受信するためである。
　さらに、第３高調波は、第２高調波よりもさらに強度が小さい。このため、第３高調波を受信する領域Ｆ３の面積は、第２高調波を受信する領域Ｆ２の面積よりも広いことが好ましい。
　なお、エレメントは、第１実施形態および第１実施形態の変形例１～１２のｃＭＵＴ１０～ｃＭＵＴ１０Ｌから選択される２種類以上のｃＭＵＴを含んでいてもよい。
＜第２実施形態＞
　第２実施形態のエレメント２０Ｍについて説明する。エレメント２０Ｍは、エレメント２０と類似し、同じ効果を有しているために、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　図１２に示すエレメント２０ＭのｃＭＵＴ１０Ｍでは、第２の配線２２と第１の導電層１６Ａとの間の配線も、第２の導電層と同じ厚さ、かつ、同じ材料からなる第３の導電層２２Ｃによって覆われている。このため、保護層１７の凸領域ＣＡは、第２の配線２２を覆っている凸領域とつながっている。
　エレメント２０Ｍは、第２の配線２２から第２の電極１６への経路の電気抵抗が小さいために、高効率の送受信が可能である。
　なお、第１実施形態の変形例１～１２に示した構成のエレメント２０Ａ～２０Ｌを有し、さらに第２の配線を覆っている第２の導電層が第２の配線まで延設されていれば、エレメント２０Ａ～２０Ｌの効果に加えて、エレメント２０Ｍと同じ効果を有することは言うまでも無い。
　例えば、図１３に示す第２実施形態の変形例のエレメント２０Ｎでは、ｃＭＵＴ１０Ｎは、共振周波数が異なる２つの領域からなる点において、図１１Ｂに示したｃＭＵＴ１０Ｋと同じである。エレメント２０Ｎは、エレメント２０Ｍおよびエレメント２０Ｋの効果を有する。
＜第３実施形態＞
　第３実施形態のエレメント２０Ｏについて説明する。エレメント２０Ｏは、エレメント２０と類似し、同じ効果を有しているために、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
　図１４に示す保護層１７Ｏでは、凸領域ＣＡは保護層１７Ｏの厚さが厚い領域である。保護層１７Ｏでは、第１の保護層１７Ａの凸領域ＣＡとなる領域に第２の保護層１７Ｂが積層されている。
　保護層の厚さだけを変えることによって、広帯域化をはかれるため、エレメント２０Ｏは製造が容易である。
　なお、第１実施形態の変形例１～１２に示した構成のエレメント２０Ａ～２０Ｌを有し、さらに保護層１７Ｏの厚さが厚い領域である凸領域ＣＡを有していれば、エレメント２０Ａ～２０Ｌの効果に加えて、エレメント２０Ｏと同じ効果を有することは言うまでも無い。
　例えば、図１５に示す第３実施形態の変形例のエレメント２０Ｐでは、ｃＭＵＴ１０Ｐは、共振周波数が異なる２つの領域からなる点において、図１１Ｂに示したｃＭＵＴ１０Ｋと同じである。エレメント２０Ｐは、エレメント２０Ｏおよびエレメント２０Ｋの効果を有する。
　なお、エレメント２０Ａ～２０Ｏを含む内視鏡２Ａ～２Ｏが、内視鏡２の効果、および、エレメント２０Ａ～２０Ｏのそれぞれの効果を有することは言うまでも無い。
　本発明は、上述した実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
１…内視鏡システム
２、２Ａ～２Ｐ…内視鏡
１０…ｃＭＵＴ（静電容量型超音波トランスデューサ）
１１…基板
１２…第１の絶縁層
１３…第１の電極
１４…枠部材
１５…第２の絶縁層
１６…第２の電極
１６Ａ…第１の導電層
１６Ｂ…第２の導電層
１７…保護層
１７Ａ…第１の保護層
１７Ｂ…第２の保護層
１９…メンブレン
２０、２０Ａ～２０Ｐ…超音波エレメント
２１…第１の配線
２１Ａ、２２Ａ…第３の導電層
２２…第２の配線
２３、２４…電極端子
３０…超音波探触子

Claims (15)

  1. 　少なくとも１つの静電容量型トランスデューサが基板に配設されている超音波エレメントであって、
    　前記静電容量型トランスデューサは、前記基板の上方に配設されている第１の電極と、前記第１の電極の上方に空洞を有する枠部材と、前記空洞を覆っており、前記第１の電極と前記空洞をはさんで対向配置されている第２の電極と、前記第２の電極を覆っている保護層と、を具備し、
    　前記空洞の前記第１の電極と平行な断面形状は、第１の方向の長さが前記第１の方向と直交する第２の方向の幅よりも長く、
    　前記保護層は、前記第１の方向に延設されている凸領域を有し、前記凸領域は、前記第２の方向の前記幅が変化することを特徴とする超音波エレメント。
  2. 　前記第２の電極は、前記空洞を覆っている第１の導電層と、前記第１の導電層の一部を覆っている第２の導電層と、を含み、
    　前記第２の導電層は、厚さが前記第１の導電層よりも厚く、前記第１の方向に延設されており、前記第２の方向の幅が変化しており、
    　前記凸領域は、前記第２の導電層を覆っている領域であることを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
  3. 　前記第２の導電層は前記第１の電極と平行な断面形状が、前記空洞の前記第２の方向の前記幅の中央線を対称軸とする線対称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。
  4. 　前記第１の導電層と前記第２の導電層とは同じ材料からなることを特徴とする請求項２に記載の超音波エレメント。
  5. 　前記基板に複数の静電容量型トランスデューサが列設されており、
    　前記複数の静電容量型トランスデューサの前記第２の電極と接続されている、前記第１の導電層と同じ材料、かつ、同じ厚さの第２の配線を具備し、
    　前記第２の導電層と同じ材料、かつ、同じ厚さの第３の導電層が、前記第２の配線を覆っていることを特徴とする請求項２に記載の超音波エレメント。
  6. 　前記第２の配線を覆っている前記第３の導電層は、前記第２の配線と前記第１の導電層との間の配線も覆ってい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。
  7. 　前記第１の電極および前記第２の導電層の一方だけが、前記複数の静電容量型トランスデューサにまたがって配設されている前記複数の静電容量型トランスデューサの共通導電層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。
  8. 　前記凸領域は、前記保護層の厚さが厚い領域であ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。
  9. 　前記凸領域は、前記第２の方向の幅が直線的に変化してい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。
  10. 　前記凸領域の前記幅は、前記第１の方向における中央部が、最も広い、または、最も狭いことを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
  11. 　前記保護層には、前記第１の方向にそって前記凸領域のないフラット領域があ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。
  12. 　前記凸領域の前記第２の方向の幅は、階段状に変化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。
  13. 　前記第２の電極および前記保護層を含むメンブレンは、共振周波数が異なる２つの領域からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
  14. 　前記第２の電極および前記保護層を含むメンブレンは、共振周波数が異なる３つの領域からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波エレメント。
  15. 　複数の超音波エレメントを含む超音波探触子を具備する内視鏡であって、
    　前記複数の超音波エレメントのそれぞれは、複数の静電容量型トランスデューサが基板に配設されており、
    　前記複数の静電容量型トランスデューサのそれぞれは、
    　前記基板の上方に配設されている第１の電極と、前記第１の電極の上方に空洞を有する枠部材と、前記空洞を覆っており、前記第１の電極と前記空洞をはさんで対向配置されている第２の電極と、前記第２の電極を覆っている保護層と、を具備し、
    　前記空洞の前記第１の電極と平行な断面形状は、第１の方向の長さが前記第１の方向と直交する第２の方向の幅よりも長く、
    　前記保護層は、前記第１の方向に延設されている凸領域を有し、前記凸領域は、前記第２の方向の前記幅が変化することを特徴とする内視鏡。
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