JP2008099036A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】プルイン現象が発生せず良好な特性を有する静電容量型の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を提供することを目的とする。
【解決手段】互いに対向して配設された一対の電極と、該一対の電極の一方の電極を支持する振動膜とを具備して構成される静電容量型の超音波トランスデューサであって、前記一対の電極間に介装されたｎ層（ｎは１以上の自然数）の空隙層と、前記一対の電極間に介装されたｍ層（ｍは１以上の自然数）の絶縁層とを具備し、かつ次式を満たす構成とする。
ｄ_１≦（Σｄ_ｎ＋Σｔ_ｍ／ｋ_ｍ）／３
ただし、ｄ_ｎは第ｎ層の空隙層の厚さ、特にｄ_１は前記振動膜が振動するための空隙層の厚さ、ｔ_ｍは第ｍ層の絶縁層の厚さ、ｋ_ｍは第ｍ層の絶縁層の比誘電率。
【選択図】図６

Description

本発明は、静電容量型の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に関する。

体腔内に超音波を照射し、そのエコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。この超音波診断法に用いられる超音波診断装置の１つに超音波内視鏡がある。超音波内視鏡は、体腔内へ導入される挿入部の先端に超音波トランスデューサ（超音波振動子）により構成される超音波探触子が配設されている。超音波トランスデューサは電気信号を超音波に変換し体腔内へ送信し、また体腔内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有するものである。

従来、超音波トランスデューサとして、セラミック圧電材ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等の圧電素子が主に使用されてきたものであるが、近年、マイクロマシニング技術を用いて製造される静電容量型超音波トランスデューサ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、ｃ−ＭＵＴと称する）が注目を集めている。

ｃ−ＭＵＴは、例えば図１０に示すように、空隙部（キャビティ）４０７を挟んで対向する一対の平板状の電極（平行平板電極）を具備して構成されるものであり、一方の電極である上部電極４２０を含む膜（メンブレン）４００ａの振動により超音波の送受信を行うものであり、例えば特許文献１に開示されている。

また、ｃ−ＭＵＴのような、平行平板型の電極を用いた静電容量式のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）では、両電極間の距離が所定の値よりも小さくなると、メンブレンの復元力よりも静電引力が勝るようになり、上部電極４２０を支持するメンブレン４００ａが他方の電極である下部電極４１０側に貼着してしまう、いわゆるプルイン（pull-in）現象が発生することが知られている。

プルイン現象が発生する条件は、メンブレン４００ａの変位量をｘｐ、キャビティ４０７の厚さをｄ、絶縁膜４０４の比誘電率をｋ、厚さをｔとした場合に、次式で表される。

ｘｐ＝（ｄ＋ｔ／ｋ）／３ ・・式（３）
プルイン現象が発生する条件は、例えば非特許文献１に式（２５）として記載されている。
米国出願公開公報ＵＳ２００５／０２１９９５３Ａ１ Bozkurt, A.，外３名、「Theory and analysis of electrode size optimization for capacitive microfabricated ultrasonic transducers」，"IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS,FERROELECTRICS,AND FREQUENCY CONTROL"，ＶＯＬ．４６，ＮＯ．６，Ｐ１３６４−１３７４，Ｎｏｖ １９９９

ｃ−ＭＵＴにおいてプルイン現象が生じてしまうと、メンブレンは全体が対向する電極側に貼り付いてしまうように変形を起こす。このため、メンブレンの周辺部に応力が集中し、プルイン現象が発生することによって、メンブレンの寿命が短くなる、もしくは特性が変化してしまう。また、プルイン現象によって、メンブレンが破壊されてしまう場合もある。

なお、プルイン現象が発生する条件においてｃ−ＭＵＴを駆動することも可能であるが、この場合、プルイン現象が発生する値以上の駆動電圧においてはメンブレンの振幅が一定に限られてしまうので、超音波の出力を制御することができる範囲が狭くなってしまう。

ここで、電子走査式の超音波内視鏡は複数のｃ−ＭＵＴを具備して構成されるものである。一般に、電子走査式の超音波内視鏡では、画質の向上を目的として、各ｃ−ＭＵＴごとに送信のタイミングや送信超音波の出力を制御することで、放射する超音波ビームの形状を制御している。このような電子走査式の超音波内視鏡においては、プルイン現象が発生すると、送信超音波の音圧が不連続となり、適切な超音波ビームの制御が困難となる。また、プルイン現象が発生している状態では、メンブレンの振動が正弦波状ではなくなるため、音質が低下してしまう。

また、プルイン現象が発生しない条件においてｃ−ＭＵＴを駆動する場合、駆動電圧の最大値が制限されてしまうため、超音波の出力を下げざるを得なくなる。

このように、プルイン現象が発生してしまうｃ−ＭＵＴにおいては、超音波の送受信の特性が制限されてしまうのである。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、プルイン現象が発生せず良好な特性を有する静電容量型の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を提供することを目的とする。

本発明の超音波トランスデューサは、互いに対向して配設された一対の電極と、該一対の電極の一方の電極を支持する振動膜とを具備して構成される静電容量型の超音波トランスデューサであって、前記一対の電極間に介装されたｎ層（ｎは１以上の自然数）の空隙層と、前記一対の電極間に介装されたｍ層（ｍは１以上の自然数）の絶縁層と、を具備し、かつ次式を満たすことを特徴とする。
ｄ_１≦（Σｄ_ｎ＋Σｔ_ｍ／ｋ_ｍ）／３
ただし、ｄ_ｎは第ｎ層の空隙層の厚さ、特にｄ_１は前記振動膜が振動するための空隙層の厚さ、ｔ_ｍは第ｍ層の絶縁層の厚さ、ｋ_ｍは第ｍ層の絶縁層の比誘電率

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図面１から図６及び図１０を参照して説明する。なお、以下の説明に用いた各図においては、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせてある。図１は超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。図２は超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図である。図３は振動子アレイの斜視図である。図４は、振動子ユニットを超音波の送受方向からみた上面図である。

図１に示すように本実施形態の超音波診断装置である超音波内視鏡１は、体腔内に導入される細長の挿入部２と、この挿入部２の基端に位置する操作部３と、この操作部３の側部から延出するユニバーサルコード４とで主に構成されている。

前記ユニバーサルコード４の基端部には図示しない光源装置に接続される内視鏡コネクタ４ａが設けられている。この内視鏡コネクタ４ａからは図示しないカメラコントロールユニットに電気コネクタ５ａを介して着脱自在に接続される電気ケーブル５及び図示しない超音波観測装置に超音波コネクタ６ａを介して着脱自在に接続される超音波ケーブル６が延出されている。

前記挿入部２は、先端側から順に硬質な樹脂部材で形成した先端硬性部２０、この先端硬性部２０の後端に位置する湾曲自在な湾曲部８、この湾曲部８の後端に位置して前記操作部３の先端部に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部９を連設して構成されている。また、前記先端硬性部２０の先端側には詳しくは後述する超音波を送受するための超音波送受部３０が設けられている。

前記操作部３には前記湾曲部８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ１１、送気及び送水操作を行うための送気・送水ボタン１２、吸引操作を行うための吸引ボタン１３、体腔内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口１４等が設けられている。

図２に示すように、先端硬性部２０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２１、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２２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２０の先端に設けられた超音波送受部３０は、図３に示ように、振動子アレイ３１と駆動回路３４とＦＰＣ３５とを具備して構成されている。ＦＰＣ３５は、可撓性を有し両面に実装面が形成された配線基板（フレキシブル配線基板）であり、超音波送受部３０においては、該ＦＰＣ３５は先端硬性部２０の挿入軸と略平行な軸を中心軸として略円筒状に巻回されて配設されている。

円筒状のＦＰＣ３５の外周面上には、２次元の超音波振動子アレイである振動子アレイ３１が設けられている。振動子アレイ３１は、ＦＰＣ３５の外周面上に周方向に配列された複数の振動子ユニット３２（超音波探触子）を具備して構成されている。振動子ユニット３２は、ＦＰＣ３５の外周面の法線方向から見て略長方形状を有し、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上において、短手方向を周方向として等間隔に配列されている。振動子アレイ３１は、例えば数十から数百個の振動子ユニット３２により構成されており、本実施形態の振動子アレイ３１は、１２８個の振動子ユニット３２を具備している。

また、振動ユニット３２は、図４に示すように、複数の振動子エレメント３３が配列されて構成されている。本実施形態では、振動子エレメント３３は、ＦＰＣ３５の外周面の法線方向から見て略正方形状を有しており、該振動子エレメント３３は、振動子ユニットの長手方向に１次元に配列されている。振動子ユニット３２は、本実施形態では６４個の振動子エレメント３３により構成されている。

振動子エレメント３３は、詳しくは後述する本実施形態の超音波トランスデューサである複数の振動子セル１００により構成されている。同一の振動子エレメント３３においては、振動子セル１００は、全て並列に電気的に接続されており、超音波観測装置からの駆動信号が入力されることにより、同時に同位相の超音波を送信する。すなわち、本実施形態では、一つの振動子エレメント３３が、超音波を送受信するための最小の駆動単位を構成している。振動子エレメント３３は、本実施形態では４個の振動子セル１００により構成されている。

隣接する振動子ユニット３２間には、個々の振動子ユニット３２を区画する溝部である振動子ユニット境界溝４１が形成されている。また、振動子エレメント３３間にも、個々の振動子エレメント３３を区画する溝部である振動子エレメント境界溝４２が形成されている。このように、最小の駆動単位である振動子エレメント３３の外周に溝部を設けることにより、隣接する振動子エレメント３３間におけるクロストークを低減することが可能となる。

振動子エレメント３３は、ＦＰＣ３５の実装面の法線方向、すなわち円筒状であるＦＰＣ３５の径方向外向きに超音波を送信する。したがって、振動子エレメント３３が１次元に配列されて構成された振動子ユニット３２は、１次元の超音波振動子アレイを構成するものであり、該振動子ユニット３２が複数配列されることにより、２次元の超音波振動子アレイである振動子アレイ３１が構成されるのである。

一方、円筒状のＦＰＣ３５の内周面上、すなわち振動子アレイ３１が実装された実装面とは反対側の実装面上には、複数の駆動回路３４が実装されている。駆動回路３４は、振動子エレメント３３を駆動するためのパルサーや選択回路等の電気回路を有し、個々の振動子エレメント３３と電気的に接続されている。

また、駆動回路３４は、円筒状のＦＰＣ３５の外周面上に形成された、複数の信号電極３６及び接地電極３７に電気的に接続されている。なお、信号電極３６は、図３においては一つの電極のように示しているものであるが、信号電極３６は、振動子エレメント３３の数に対応して分割されており、一つの振動子エレメント３３に対し一つの信号電極が配設されている。

信号電極３６及び接地電極３７は、超音波ケーブル６内を挿通されて一端が超音波コネクタ６ａに電気的に接続された、同軸ケーブルの他端が電気的に接続される。よって、駆動回路３４は、超音波観測装置に電気的に接続されるのである。

上述の構成を有する超音波送受部３０は、円筒形状のＦＰＣ３５の外周面上に配設された２次元の超音波振動子アレイである振動子アレイ３１によって、超音波を先端硬性部２０の挿入軸と略直交する平面上において放射状に送受信する、いわゆる電子式ラジアル走査と、超音波を先端硬性部２０の挿入軸を含む平面上において放射状に送受信する、いわゆる電子式セクタ走査とを、同時又は交互に行うものである。すなわち、本実施形態の超音波内視鏡１は、体腔内における３次元の超音波走査が可能である。

次に、本実施形態の静電容量型超音波トランスデューサとしての振動子セル１００の構成について、以下に説明する。図５は、振動子セル１００の上面図である。図６は、図５のVI-VI断面図である。

本実施形態の振動子セル１００は、いわゆるMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）の技術範囲に属するものである。振動子セル１００は、シリコン基板１０１上にマイクロマシニング技術により形成された静電容量型の超音波トランスデューサであり、ｃ−ＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）と称される。本実施形態では、振動子セル１００は、半導体プロセスを用いて形成された平行平板電極により構成されるものであり、積層構造を有する。

なお、以下の積層構造の説明において、各層の上下関係については、シリコン基板１０１の表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６の断面図において、上部電極１２０は下部電極１１０の上方に配設されている、と称するものとする。また、各層の厚さとは、シリコン基板１０１表面の法線に平行な方向についての各層の寸法を指す。また、以下の説明においては、便宜的に、シリコン基板１０１の表面のうち、振動子セル１００が形成される面をセル形成面、振動子セル１００が形成される面とは反対側の面を裏面と称する。

振動子セル１００は、略円柱状の空隙部であるキャビティ１０７を介して対向する一対の平行平板電極である、下部電極１１０（第１の電極）及び上部電極１２０（第２の電極）を有して構成される。振動子セル１００は、両電極間の距離の変化、すなわち上部電極１２０を支持する弾性を有する膜状の構造体であるメンブレン１００ａ（振動膜）の振動により、超音波を送受信するものである。すなわち、キャビティ１０７は、メンブレン１００ａが振動するための空隙層を構成している。

本実施形態に係る振動子セル１００の構造について、以下に詳細に説明する。

シリコン基板１０１は、導電性を有する低抵抗シリコンウェハからなり、両表面にはそれぞれ電気絶縁性を有するシリコン酸化膜である第１絶縁膜１０２及び裏面絶縁膜１０９が形成されている。第１絶縁膜１０２及び裏面絶縁膜１０９は、シリコン基板１０１を熱酸化することにより形成される高温酸化膜である。

シリコン基板１０１のセル形成面上、すなわち第１絶縁膜１０２上には、上方から見て略円形状に、導電層である下部電極１１０が形成されている。下部電極１１０は、Ｍｏ（モリブデン）をスパッタリングにより成膜しパターニングすることで形成される。下部電極１１０は、上方から見て隣接する４つの下部電極１１０同士が、略Ｘ字形状の下部電極配線１１１により電気的に接続されている。

なお、積層構造の下層部であり、かつシリコン酸化膜上に形成される下部電極１１０を構成する材料は、Ｍｏ以外に、例えばＷ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｔａ（タンタル）等の高融点金属やその合金であることが望ましいが、その後の製造工程で高温の熱処理を避けることができるのであれば、材料はこれに限定されるものではなく、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）等であってもよい。また、下部電極１１０は２種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。

上方から見て略Ｘ字形状の下部電極配線１１１の、配線の交差部には、シリコン基板１０１を貫通して形成されたウェハ貫通電極１１２が設けられている。ウェハ貫通電極１１２は、シリコン基板１０１とは電気的に絶縁されており、裏面絶縁膜１０９上に形成された信号電極パッド１１３に電気的に接続されている。

すなわち、下部電極１１０は、下部電極配線１１１、ウェハ貫通電極１１２を介して、シリコン基板１０１の裏面に形成された信号電極パッド１１３に電気的に接続されている。

下部電極１１０上には、該下部電極１１０を被覆するように、電気絶縁性を有する第２絶縁膜１０３が形成されている。第２絶縁膜１０３は、本実施形態ではシリコン酸化膜であり、プラズマＣＶＤ法により成膜される。なお、第２絶縁膜１０３は、シリコン窒化膜、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、ハフニウム酸窒化物（ＨｆＯＮ）等であってもよい。

第２絶縁膜１０３上には、キャビティ１０７越しに電気絶縁性を有する第３絶縁膜１０４が形成されている。第３絶縁膜１０４は、本実施形態ではシリコン酸化膜であり、プラズマＣＶＤ法により成膜される。なお、第３絶縁膜１０４は、シリコン窒化膜であってもよい。

第２絶縁膜１０３と、第３絶縁膜１０４との間には、大気圧、加圧又は減圧状態の密閉された第１層の空隙層であるキャビティ１０７が形成されている。ここで、減圧状態とは、大気圧よりも圧力が低い状態を指し、いわゆる真空状態も含むものである。キャビティ１０７は、略円柱形状を有し、上方から見て下部電極１１０と略同心上に設けられている。

キャビティ１０７は、本実施形態では、公知の技術である犠牲層エッチングにより形成されるものであり、犠牲層エッチング時に使用されるキャビティ１０７内と第３絶縁膜１０４の上層とを連通するための犠牲層除去孔は、プラグ１０８により封止されている。犠牲層除去孔はキャビティ１０７の外周部の３箇所に形成されている。なお、キャビティ１０７は、微細加工後のウェハ同士を接合する方法で形成されるものであってもよい。

第３絶縁膜１０４上には、上方から見て略円形状の導電層である上部電極１２０が形成されている。上部電極１２０は、上方から見て下部電極１１０と略同心上、すなわち下部電極１１０と対向する位置に設けられている。本実施形態では、上部電極１２０は、Ａｌをスパッタリングにより成膜しパターニングすることで形成される。

上部電極１２０は、上方から見て隣接する４つの上部電極１２０同士が、略Ｘ字形状の上部電極配線１２１により電気的に接続されている。ここで、上部電極配線１２１は、上述した下部電極配線１１１と、上方から見て重ならない位置に配設されている。このように、下部電極配線１１１と上部電極配線１２１とを、互いに重ならないように配置することにより、配線部における寄生容量の発生を防止することができる。

なお、上部電極１２０を構成する材料は、Ａｌ以外に、例えばＣｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ等の導電性を有するものであればよい。また、上部電極１２０は２種以上の導電性材料を積層した多層構造を有するものであってもよい。

上方から見て略Ｘ字形状の上部電極配線１２１の配線の交差部は、振動子ユニット境界溝４１上に形成されている。該振動子ユニット境界溝４１は、第２絶縁膜１０４のメンブレン支持部１０４ａを貫通してシリコン基板１０１に到達する深さで形成されている。振動子ユニット境界溝４１内には、上部電極１２０及び上部電極配線１２１と同一の工程により貫通電極１２２が成膜されており、貫通電極１２２は、シリコン基板１０１にオーミックコンタクト領域１２２ａを介して電気的に接続されている。

また、裏面絶縁膜１０９上には接地電極パッド１２３が形成されており、接地電極パッド１２３は、オーミックコンタクト領域１２３ａを介してシリコン基板１０１に電気的に接続されている。

すなわち、上部電極１２０は、上部電極配線１２１、貫通電極１２２、シリコン基板１０１を介して、シリコン基板１０１の裏面に形成された接地電極パッド１２３に電気的に接続されている。

上部電極１２０上には、電気絶縁性を有する保護膜１０５が形成されている。保護膜１０５は、本実施形態ではシリコン窒化膜であり、プラズマＣＶＤ法により形成される。なお、保護膜１０５は、シリコン酸化膜であってもよい。なお、保護膜１０５は、シリコン窒化物以外に、シリコン酸化膜、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、ハフニウム酸窒化物（ＨｆＯＮ）等により構成されてもよい。特に、ＨｆＮ及びＨｆＯＮは、高密度の膜が得られるため保護膜として好ましい。

また、図示しないが、保護膜１０５上には、耐水性、耐薬品性等を有し、生体適合性及び電気絶縁性に優れたパラキシリレン系樹脂等からなる膜を成膜してもよい。

上述した構成を有する振動子セル１００を有する振動子エレメント３１は、例えば例えば半田接合、異方性導電フィルム接合、超音波接合等の公知の工法によりＦＰＣ３５上に実装される。したがって、振動子セル１００は、信号電極パッド１１３及び接地電極パッド１２３を介して、ＦＰＣ３５の反対側に実装された駆動回路３４に電気的に接続される。

ここで、上述した構成を有する振動子セル１００においては、第３絶縁膜１０４、上部電極１２０及び保護膜１０５のうちの、キャビティ１０７上の領域に当たる部位が振動膜であるメンブレン１００ａを構成し、キャビティ１０７は、メンブレン１００ａが振動するための空隙層を構成している。

また、下部電極１１０と上部電極１２０との間には、第２絶縁膜１０３（第２層の絶縁層）、キャビティ１０７（第１層の空隙層）及び第３絶縁膜１０４（第１層の絶縁層）からなる層構造が介装されているが、これらはそれぞれ、厚さｔ_２、ｄ_１及びｔ_１を有するように形成されている。

一般に、キャビティ１０７、第２絶縁膜１０３及び第３絶縁膜１０４の各層の寸法は、送受信する超音波の周波数や、出力、及び絶縁耐圧等の振動子セル１００に必要とされる条件に基づいて決定されるものであるが、本実施形態では、これに加えて次式（１）の条件を満たすように、各層の厚さが決定されるものである。
ｄ_１≦（Σｄ_ｎ＋Σｔ_ｍ／ｋ_ｍ）／３ ・・式（１）
ここで、ｎ及びｍは１以上の自然数、ｄ_ｎは空隙層の厚さ、特にｄ_１はメンブレン１００ａ(振動膜)が振動するための空隙層の厚さ、ｔ_ｍは絶縁層の厚さ、ｋ_ｍは絶縁層の比誘電率
なお、式（１）は、非特許文献１におけるプルイン現象の発生条件式を、より広範囲な条件に適応可能なように一般化し、さらにプルイン現象が生じない様に不等号化して新たに導出したものであり、式（１）を満たすことにより、振動子セル１００において、プルイン現象が発生しなくなるのである。すなわち、式（１）は、メンブレン１００ａの振幅が最大振幅、すなわちｄ_１となった場合においても、電極間における静電引力が、メンブレンの復元力を上回ることがない条件を示している。

ここで、図１０に示すように、下部電極１１０と上部電極１２０電極との間に絶縁膜が１層しか存在しない場合、もしくは３層以上存在する場合においても、上式（１）が適用可能なことはいうまでもない。

例えば、本実施形態の振動子セル１００において、超音波の出力値から、キャビティ１０７の厚さｄ_１が０．１μｍと定められた場合には、次式が適用される。
０．１≦（０．１＋ｔ_１／ｋ_１＋ｔ_２／ｋ_２）／３
ここで、第２絶縁膜１０３及び第３絶縁膜１０４がシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなるため、ｋ_１＝ｋ_２≒４である。よって、第２絶縁膜１０３及び第３絶縁膜１０４の厚さは、次式
（ｔ_１＋ｔ_２）≧０．８［μｍ］
を満たすように決定される。

以上のような構成を有する本実施形態の振動子セル１００は、プルイン現象が発生することのない構成を有するため、プルイン現象に起因する超音波の音質の低下及び出力の低下が発生することがない。また、振動子セル１００では、プルイン現象が発生しないため、印加する駆動電圧に制限がなく、超音波の出力を制限されることがない。

したがって、本実施形態によれば、良好な特性を有する超音波トランスデューサを実現することが可能となる。また、本実施形態の超音波トランスデューサを備えた超音波内視鏡によれば、品質の高い良好な超音波診断像を得ることが可能となるのである。

なお、上述した構成では、下部電極１１０、上部電極１２０及びキャビティ１０７を具備して構成される振動子セル１００は、上方から見て略円形状を有するものであるが、これらの形状は本実施形態に限るものではなく、例えば正六角形や矩形等であってもよい。

また、上述した構成では、シリコン基板１０１は、配線としての機能を有するために導電性の材料により構成されるものとしているが、別途代わりの配線を設けるのであれば絶縁性の材料により構成されるものであってもよい。すなわち、振動子セル１００は、シリコンに限らず、石英、ガラス、サファイア、セラミック等からなる基板上に形成されるものであってもよく、また、ポリイミド等の高分子からなる基板上に形成されてもよい。

また、本実施形態では振動子セル１００は、シリコン基板１０１の裏面上に設けた電極パッドを介して駆動回路と電気的に接続される構成としているが、例えばシリコン基板１０１のセル形成面上に設けた電極及びボンディングワイヤを介して、振動子セル１００と駆動回路とが電気的に接続されるものであってもよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図７は、振動子セルの積層構造を模式的に表した断面図である。第２の実施形態の振動子セルは、第１の実施形態の振動子セルに対し、上部電極及び下部電極間に空隙層が追加されたものであり積層構造のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。

図７に示すように、本実施形態の振動子セル２００は、下部電極１１０と第２絶縁膜１０３との間に、厚さｄ_２を有する空間である空隙層１４０（第２層の空隙層）が形成されている。空隙層１４０は、下部電極１１０上に厚さｄ_２の絶縁膜からなるスペーサ１３０を設けることで形成されるものである。空隙層１４０は、大気圧、加圧又は減圧された状態である。なお、本実施形態では、メンブレン１００ａは、キャビティ１０７内において振動する。

また、本実施形態の振動子セル２００は、式（１）の条件を満たすように、各層の厚さが決定されるものである。

例えば、本実施形態の振動子セル２００において、第１の実施形態と同様に超音波の出力値から、キャビティ１０７の厚さｄ_１が０．１μｍと定められた場合には、次式が適用される。
０．１≦（０．１＋ｄ_２＋ｔ_１／ｋ_１＋ｔ_２／ｋ_２）／３
ここで、第２絶縁膜１０３及び第３絶縁膜１０４がＳｉＯ_２からなるため、ｋ_１＝ｋ_２≒４である。よって、ｄ_２が０．１μｍと定められた場合には、第２絶縁膜１０３及び第３絶縁膜１０４の厚さは、次式
（ｔ_１＋ｔ_２）≧０．４［μｍ］
を満たすように決定される。すなわち、キャビティ１０７の厚さ、すなわちメンブレンの振幅を第１の実施形態と同等の値としながら、下部電極１１０と第２絶縁膜１０３との間の距離を０．３μｍだけ短くすることができる。

このように、本実施形態によれば、空隙層１４０を設けることによって、振動子セル２００の厚さを薄くすることが可能となるのである。したがって、振動子セル２００を備えた超音波内視鏡も小型化することができる。なお、第２の実施形態においても第１の実施形態と同等の効果を有することはいうまでもない。

なお、空隙層は、本実施形態に限らず複数箇所に設けられてもよく、例えばメンブレン１００ａ中に第３層の空隙層としての厚さｄ_３の空隙層が設けられてもよい。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照して説明する。図８は、振動子セルの積層構造を模式的に表した断面図である。第３の実施形態の振動子セルは、第１の実施形態の振動子セルに対し、上部電極及び下部電極間に空隙層が追加されたものであり積層構造のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。

図８に示すように、本実施形態の振動子セル３００は、第２絶縁膜１０３とキャビティ１０７との間に、厚さｄ_２を有する空間である空隙層１４１（第２層の空隙層）が形成されている。ここで、キャビティ１０７及び空隙層１４１は、両者を物理的に区画する構造が設けられておらず、連設された状態で形成されているものであるが、本実施形態では、メンブレン１００ａが振動するために設けられた厚さｄ_１の空隙部をキャビティ１０７として規定するものである。一方、空隙層１４１は、第２絶縁膜１０３上に厚さｄ_２の絶縁膜からなるスペーサ１３１を設けることで形成されている。

また、空隙層１４１内には、高さｄ_２の柱状の凸部である複数のポスト１３２が、離散的に配設されている。ポスト１３２は、スペーサ１３１と同一工程により形成されるものであり、絶縁膜により構成されている。また、空隙層１４１は、大気圧、加圧又は減圧された状態である。

本実施形態の振動子セル３００は、第１及び第２の実施形態と同様に式（１）の条件を満たすように、各層の厚さが決定されるものである。

以上のような構成を有する振動子セル３００では、ポスト１３２が設けられていることにより、メンブレン１００ａの振幅が最大となった場合においてメンブレン１００ａが下部電極１００側の構造に接触する面積を小さくすることが可能となる。このため、メンブレン１００ａが、下部電極１１０側に貼り付いてしまうことがない。

また、キャビティ１０７と連通する空隙層１４１が形成されていることにより、キャビティ１０７内が真空以外、例えば大気圧であった場合には、メンブレン１００ａの振動によりキャビティ内の雰囲気が圧縮される率を低くすることができる。これにより、メンブレンが振動する際に発生する、キャビティ内の雰囲気を圧縮するための抵抗を減らすことができ、より効率よく出力の高い超音波を発生することができる。

したがって、本実施形態の振動子セル３００は、超音波をより効率よく安定して出力することが可能となるのである。なお、第３の実施形態においても第２の実施形態と同等の効果を有することはいうまでもない。

なお、空隙層を配設する位置及び数は、本実施形態に限られるものではなく、例えばメンブレン１００ａ側、すなわち第３絶縁膜１０４の下層にポストを形成するものであってもよい。また、空隙層を複数形成するものであってもよい。
また、ポストの先端形状は、略半球形状や、テーパ状等であってもよい。

（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照して説明する。図９は、第４の実施形態の振動子セルの配置を模式的に示した上面図である。第４の実施形態は、第１の実施形態の振動子エレメントに対し、振動子セルの形状及び配置のみが異なる。よって、以下ではこの相違点のみを説明するものとし、また、第１の実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を適宜に省略するものとする。

上述の第１の実施形態では、振動子セル１００は、全て同一の形状を有するものとしているが、本実施形態では、図７に示すように、振動子エレメント１５０は、異なる形状の複数の振動子セル１５１、１５２及び１５３によって構成されている。

ここで、振動子セルの形状とは、略円柱状のキャビティの直径、キャビティの厚さ、メンブレンの厚さ等によって規定されるものを指し、振動子セルが送受信する超音波の特性を決定する要素である。

本実施形態では、形状の異なる複数の振動子セル１５１、１５２及び１５３のうちの、少なくとも一部が上式（１）を満たすように形成されている。したがって第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、本実施形態では、形状の異なる複数の振動子セル１５１、１５２及び１５３には、同一の駆動信号が入力される。したがって、振動子セル１５１、１５２及び１５３からそれぞれ異なる周波数及び出力の超音波が送信され、振動子エレメント１５０が送信する超音波の周波数帯域を広げることが可能となる。

また、超音波探触子である振動子ユニットを構成する複数の振動子エレメントの一部が、図７に示す本実施形態の振動子エレメント１５０を具備して構成されるものであってもよい。これにより、振動子ユニットは、複数の異なる特性の超音波を送受信することが可能となる。また、複数の異なる特性の超音波を送受信可能な振動子エレメント１５０又は振動子ユニットを具備した超音波内視鏡によれば、異なる帯域の超音波による超音波断層像を得ることが可能となり、体腔内をより詳細に観察することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う超音波トランスデューサ及び超音波内視鏡もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

例えば、本実施形態の超音波内視鏡は、電子式のラジアル走査及びセクタ走査を行うものとして説明しているが、走査方式はこれに限られるものではなく、リニア走査、コンベックス走査等を採用したものであってもよく、また機械式の走査方式であってもよい。また、超音波送受部は、複数の振動子エレメントを１次元に配列した１次元アレイとしたものであってもよい。

また、本発明は、先端に超音波送受部を設けた内視鏡のみに限らず、有線、無線の形式を問わず体腔内に導入される、いわゆる超音波プローブ全般を含む技術分野に属するものである。例えば、内視鏡の処置具挿通孔に挿通されて体腔内に導入される超音波プローブであってもよい。

超音波内視鏡の概略構成を示す説明図である。 超音波内視鏡の先端部分の構成を示す斜視図である。 振動子アレイの斜視図である。 振動子ユニットを超音波の送受方向からみた上面図である。 振動子セルの上面図である。 図５のVI-VI断面図である。 第２の実施形態の振動子セルの断面図である。 第３の実施形態の振動子セルの断面図である。 第４の実施形態の振動子エレメントの上面図である。 従来の振動子セルの構成を説明する断面図である。

符号の説明

１００ 振動子セル、 １００ａ メンブレン、 １０１ シリコン基板、 １０２ 第１絶縁膜、 １０３ 第２絶縁膜、 １０４ 第３絶縁膜、 １０５ 保護膜、 １０７ キャビティ、 １０８ プラグ、 １０９ 裏面絶縁膜、 １１０ 下部電極、 １１１ 下部電極配線、 １１２ ウェハ貫通電極、 １１３ 信号電極パッド、 １２０ 上部電極、 １２１ 上部電極配線、 １２２ 貫通電極、 １２３ 接地電極パッド、 ３４ 駆動回路

Claims (4)

1. 互いに対向して配設された一対の電極と、
   該一対の電極の一方の電極を支持する振動膜とを具備して構成される静電容量型の超音波トランスデューサであって、
   前記一対の電極間に介装されたｎ層（ｎは１以上の自然数）の空隙層と、
   前記一対の電極間に介装されたｍ層（ｍは１以上の自然数）の絶縁層と、
   を具備し、かつ次式を満たすことを特徴とする超音波トランスデューサ。
   ｄ_１≦（Σｄ_ｎ＋Σｔ_ｍ／ｋ_ｍ）／３
   ただし、ｄ_ｎは第ｎ層の空隙層の厚さ、特にｄ_１は前記振動膜が振動するための空隙層の厚さ、ｔ_ｍは第ｍ層の絶縁層の厚さ、ｋ_ｍは第ｍ層の絶縁層の比誘電率
2. 前記空隙層を２層以上有し、少なくとも１層の空隙層中に絶縁性材料からなる凸部が配設されてなることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ。
3. 請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサを具備することを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項１又は２に記載の超音波トランスデューサを具備し、該超音波トランスデューサを体腔内に導入することで超音波診断像を取得することを特徴とする超音波診断装置。

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