JP5019997B2 - Ultrasonic transducer, ultrasonic diagnostic apparatus and ultrasonic microscope - Google Patents
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Description
本発明は、第1の電極と、該第1の電極上に空隙部を介して配設された振動膜と、該振動膜に支持された第2の電極とを具備した静電容量型の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に関する。 The present invention relates to an electrostatic capacitance type comprising a first electrode, a vibrating membrane disposed on the first electrode via a gap, and a second electrode supported by the vibrating membrane. The present invention relates to an ultrasonic transducer, an ultrasonic diagnostic apparatus, and an ultrasonic microscope.
被検体に超音波を照射し、そのエコー信号から被検体の状態を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つに医療分野で用いられる超音波内視鏡がある。 2. Description of the Related Art An ultrasonic diagnostic method that irradiates a subject with ultrasonic waves and diagnoses the state of the subject from the echo signals has become widespread. One of ultrasonic diagnostic apparatuses used for this ultrasonic diagnostic method is an ultrasonic endoscope used in the medical field.
超音波診断装置は、医療分野に限らず工業分野においても、被検体(試料)に生じた傷、割れ、空洞等の欠陥の存在の有無を診断するために使用されており、これらは非破壊検査装置や非破壊探傷装置として知られている。 Ultrasound diagnostic devices are used not only in the medical field but also in the industrial field to diagnose the presence or absence of defects such as scratches, cracks, cavities, etc. in the specimen (sample). It is known as an inspection device or a nondestructive flaw detection device.
また、超音波を被検体(試料)に照射して被検体の音響的特性を評価することにより、被検体の弾性的性質を定量化したり、薄膜の構造を評価する、いわゆるV(z)曲線による解析法が知られている。このようなV(z)曲線から被検体の性質を解析する装置として超音波顕微鏡が知られている。 In addition, a so-called V (z) curve that quantifies the elastic properties of a subject or evaluates the structure of a thin film by irradiating the subject (sample) with ultrasonic waves and evaluating the acoustic characteristics of the subject. The analysis method by is known. An ultrasonic microscope is known as an apparatus for analyzing the properties of a subject from such a V (z) curve.
これらの超音波診断装置や超音波顕微鏡には、電気信号を超音波に変換して送信し、また超音波を受信して電気信号に変換するための超音波トランスデューサが配設されている。 These ultrasonic diagnostic apparatuses and ultrasonic microscopes are provided with ultrasonic transducers for converting electric signals into ultrasonic waves and transmitting them, and receiving ultrasonic waves and converting them into electric signals.
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、特表2005−510264号公報に開示されているような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。 Conventionally, a piezoelectric element such as a ceramic piezoelectric material PZT (lead zirconate titanate) has been mainly used as an ultrasonic transducer, but in recent years, as disclosed in JP-T-2005-510264. A capacitive ultrasonic transducer (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer; hereinafter referred to as “c-MUT”) manufactured using a micromachining technique has attracted attention.
c−MUTは、空隙部を挟んで対向する一対の平板状の電極(平行平板電極)と、該電極の一方の電極を支持するメンブレン(膜)とを具備して構成されるセルを有し、メンブレンの振動により超音波の送受信を行うものである。 The c-MUT has a cell configured to include a pair of flat electrodes (parallel plate electrodes) facing each other with a gap and a membrane (film) supporting one of the electrodes. Ultrasonic waves are transmitted and received by membrane vibration.
このようなc−MUTにおいて、送受信可能な超音波の周波数の帯域を拡げるために、メンブレンの直径や厚みを異ならせた複数の異なる特性を有するセルを配設する技術が、米国特許5,870,351号公報に開示されている。
米国特許5,870,351号公報に開示されているように、異なる周波数帯域に特性を合わせた複数種類のセルを具備することで、送受信する超音波の周波数を広帯域化したc−MUTの場合、ある特定の周波数に着目した場合には、その特定の周波数に対応したセルの数が減少してしまうため、各周波数ごとにおけるc−MUTの超音波の送信強度及び受信感度は低下してしまうという問題がある。 As disclosed in US Pat. No. 5,870,351, in the case of a c-MUT in which a plurality of types of cells having characteristics matched to different frequency bands are provided so that the frequency of ultrasonic waves to be transmitted and received is widened. When attention is paid to a specific frequency, the number of cells corresponding to the specific frequency decreases, so that the transmission intensity and reception sensitivity of the c-MUT ultrasound for each frequency decrease. There is a problem.
この問題に対し、各周波数に対応する特性のセルの個数を増やすことで、超音波の送信強度及び受信感度を低下させずに広帯域の周波数で超音波の送受信を可能としたc−MUTを実現することは可能であるが、この場合には、c−MUTが大型化してしまうという問題がある。 In response to this problem, by increasing the number of cells with characteristics corresponding to each frequency, a c-MUT that enables transmission and reception of ultrasonic waves over a wide frequency range without reducing the transmission intensity and reception sensitivity of ultrasonic waves is realized. However, in this case, there is a problem that the c-MUT is enlarged.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型であり、かつ超音波の送信強度及び受信感度を低下させずに広帯域の周波数で超音波を送受信することが可能な静電容量型の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を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a small capacitance that can transmit and receive ultrasonic waves at a wide frequency range without reducing ultrasonic transmission intensity and reception sensitivity. An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer, an ultrasonic diagnostic apparatus, and an ultrasonic microscope.
本発明に係る超音波トランスデューサは、第1の電極と、該第1の電極上に空洞の穴部を隔てて配設された振動膜と、該振動膜に支持された第2の電極と、前記第1の電極及び前記第2の電極の間に印加する直流バイアス電圧値を変化可能な駆動部と、を具備し、前記穴部は、前記振動膜に接して形成された第1の空隙部と、該第1の空隙部の底面部に開口して形成され、前記第1の空隙部よりも小さい断面積を有する第2の空隙部とにより構成さてなる超音波トランスデューサであって、前記第1の空隙部の断面積は、前記振動膜が当該断面積において振動した場合に、所定の第1の周波数を送受信可能なものであり、前記第2の空隙部の断面積は、前記振動膜が前記第1の空隙部の底面部に接触した状態において、前記振動膜が当該断面積において振動した場合に、前記第1の周波数よりも高い所定の第2の周波数を送受信可能なものであり、前記駆動部は、前記振動膜が前記第1の空隙部の底面部に接触せずに前記第1の空隙部の断面積において振動する第1の電圧値で直流バイアス電圧を出力した状態と、前記振動膜が前記第1の空隙部の底面部に接触して前記第2の空隙部の断面積において振動する第2の電圧値で直流バイアス電圧を出力した状態と、の双方の状態において超音波の送信動作及び受信動作が可能に構成されている。 An ultrasonic transducer according to the present invention includes a first electrode, a vibrating membrane disposed on the first electrode with a hollow hole therebetween, a second electrode supported by the vibrating membrane, A drive unit capable of changing a DC bias voltage value applied between the first electrode and the second electrode , wherein the hole is formed in contact with the vibration film. and parts, are formed open to the bottom portion of the gap portion of the first, an ultrasonic transducer arrangement now made by a second gap portion having a smaller cross sectional area than the first gap portion, wherein The cross-sectional area of the first gap is such that a predetermined first frequency can be transmitted and received when the vibrating membrane vibrates in the cross-sectional area, and the cross-sectional area of the second gap is the vibration In a state where the membrane is in contact with the bottom surface of the first gap, the vibrating membrane is When a vibration is generated in the first and second vibrations, a predetermined second frequency higher than the first frequency can be transmitted and received, and the driving unit does not contact the bottom surface of the first gap portion with the vibration film. A state in which a DC bias voltage is output at a first voltage value that vibrates in a cross-sectional area of the first gap portion, and the vibrating membrane comes into contact with a bottom surface portion of the first gap portion and the second gap The transmission and reception operations of ultrasonic waves are possible in both the state in which the DC bias voltage is output with the second voltage value that vibrates in the cross-sectional area of the part.
(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12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。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In each drawing used for the following description, the scale is different for each member in order to make each member a size that can be recognized on the drawing. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic endoscope. FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the distal end portion of the ultrasonic endoscope. FIG. 3 is a perspective view of the transducer array.
本実施形態では、超音波診断装置としての超音波内視鏡に本発明を適用した例を説明する。図1に示すように本実施形態の超音波内視鏡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。 In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to an ultrasonic endoscope as an ultrasonic diagnostic apparatus will be described. As shown in FIG. 1, an ultrasonic endoscope 1 according to this embodiment includes an elongated insertion portion 2 introduced into a body cavity, an operation portion 3 located at the proximal end of the insertion portion 2, and the operation portion 3. And a universal cord 4 extending from the side of the main body.
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。
An
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。
The insertion portion 2 is located at the distal end
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。
The operation unit 3 includes an
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。
As shown in FIG. 2, the distal end
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と駆動部である駆動回路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。
As shown in FIG. 3, the ultrasonic transmission /
円筒状のFPC35の外周面上には、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。そして、各振動子ユニット32は、16個の振動子エレメント33を具備している。
On the outer peripheral surface of the
詳しくは後述するが、本実施形態の振動子ユニット32は、低抵抗のシリコン半導体からなるシリコン基板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、いわゆるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の技術範囲に属するものである。このような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は、一般にc−MUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)と称される。
As will be described in detail later, the
本実施形態の振動子アレイ31においては、一つの振動子ユニット32内に複数配設された振動子エレメント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、それぞれ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。
In the
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。
On the other hand, a plurality of
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。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。
The
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を基本として放射状に送受信する、セクタ走査が可能な電子式ラジアル走査を行えるものである。
The ultrasonic transmission /
次に本実施形態の静電容量型の超音波トランスデューサである振動子セル100の詳細な構成を、図4から図6を参照して以下に説明する。図4は、振動子ユニット32を、超音波の送受信側から見た上面図である。すなわち図4において、紙面に直交しかつ紙面から離れる方向へ超音波が送信される。図5は、図4のV-V断面図である。図6は、第2の空隙部をキャビティとした場合の振動子セルの断面図である。
Next, a detailed configuration of the
図4に示すように、本実施形態の振動子ユニット32は、複数の振動子セル100が行列状に配列されて構成されている。単一の振動子ユニット32内の全ての振動子セル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信号電極パッド38を介して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。
As shown in FIG. 4, the
図5に示すように、本実施形態の振動子セル100は、低抵抗のシリコン半導体からなるシリコン基板101上に半導体プロセス等を用いたマイクロマシニング技術により形成された積層構造を有する静電容量型の超音波トランスデューサである。
As shown in FIG. 5, the
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5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表面の法線方向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。
In the following description of the laminated structure, regarding the vertical relationship of each layer, the direction away from the surface of the
シリコン基板101は、導電性を有する低抵抗シリコンからなり、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。なお、第1絶縁膜102及び裏面絶縁膜109はシリコン窒化膜であってもよい。
The
振動子セル100は、略円柱状の空洞の穴部であるキャビティ130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。そして、該振動子セル100を具備して構成される振動子ユニット32は、振動子セル100の上部電極120を含む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。
The
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。
On the first insulating
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。
The material constituting the
なお、図示しないが、同一の振動子ユニット32内の全ての下部電極110は、ウェハ貫通電極を介して、シリコン基板101の裏面に形成された信号電極パッドに電気的に接続されている。
Although not shown, all the
上記下部電極110上には、該下部電極110に所定の距離だけ離間して略平行に対向する上部電極120が形成されている。上部電極120は、上方から見て略円形状にパターニングされた導電層であり、上方から見て下部電極110と略同心上に設けられている。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。
On the
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。
The material constituting the
なお、図示しないが、同一の振動子ユニット32内の全ての上部電極120は、導電性のシリコン基板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に電気的に接続されている。
Although not shown, all the
上記一対の平行平板電極である下部電極110及び上部電極120の間には、電気絶縁性を有する第2絶縁膜103、第3絶縁膜104、第4絶縁膜105及び第5絶縁膜106が形成されている。
Between the
この第2絶縁膜103、第3絶縁膜104、第4絶縁膜105及び第5絶縁膜106は、本実施形態においてはシシリコン窒化膜であり、プラズマCVD法等により成膜される。なお、これらの絶縁膜は、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)等他の材料及び他のプロセスにより形成された絶縁膜であってもよい。
The second
ここで、詳しくは後述するが、第3絶縁膜104及び第4絶縁膜105の下部電極110及び上部電極120により挟持された領域には、第3絶縁膜104及び第4絶縁膜105を厚さ方向に貫通する大気圧、加圧又は減圧状態の密閉された空隙層であるキャビティ130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130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。
Here, as will be described in detail later, the third
すなわち、空隙部であるキャビティ130を介して互いに対向する下部電極110及び上部電極120は、下部電極110上に形成された第2絶縁膜103と、上部電極120の下層側に形成された第5絶縁膜106とによって電気的に絶縁される。また、言い換えれば、下部電極110にキャビティ130を介して対向する上部電極120は、第5絶縁膜106により支持されている。
That is, the
また、上部電極120上には、振動子ユニット32の上面部全体を被覆するように、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保護膜107が形成されている。
Further, the
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5絶縁膜106、上部電極120及び保護膜107のうちの、キャビティ130上の領域に当たる部位が振動膜であるメンブレン100aを構成するのであり、またキャビティ130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。
Here, in the
上述した振動子セル100を複数具備して構成される振動子ユニット32は、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。これにより、上述した振動子エレメント33の振動子セル100は、信号電極パッド38及び接地電極パッド39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。
The
そして、振動子セル100の送信時においては、一対の電極である下部電極110及び上部電極120間に所定の周波数の電圧信号が印加されることにより発生する、両電極間の静電引力の変化によってメンブレン100aが振動し、超音波が送信される。一方、振動子セル100の受信時においては、受信超音波によるメンブレン100aの振動に伴う、下部電極110及び上部電極120間の静電容量の変化から超音波信号を電気信号に変換する。
When the
本実施形態の超音波診断装置である超音波内視鏡1は、振動子セル100による超音波の送信時及び受信時において、任意の値のDCバイアス電圧を、振動子セル100の下部電極110及び上部電極120間に印加することが可能な構成を有する。
The ultrasonic endoscope 1 that is the ultrasonic diagnostic apparatus of the present embodiment applies a DC bias voltage of an arbitrary value to the
次に、本実施形態の振動子セル100のキャビティ130の詳細な構成について以下に説明する。
Next, a detailed configuration of the
キャビティ130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130内と第5絶縁膜106の上層側とを連通するための犠牲層除去孔は、図示しないプラグにより封止されている。なお、キャビティ130は、以下に説明する形状を有するものであれば、異なる方式、例えば機械的もしくは化学的な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。
In this embodiment, the
本実施形態のキャビティ130は、上方、すなわち超音波の送信側から見て、直径D1、深さt1である略円柱形状の穴部である第1の空隙部131と、該第1の空隙部131の底面部131aに、第1の空隙部131と同心上に形成された直径D2、深さt2である略円柱形状の穴部である第2の空隙部132とが上下方向に連設されることにより構成されている。ここで、第1の空隙部131の直径D1は、第2の空隙部132の直径D2よりも大きく、すなわち、キャビティ130は、下方に向かうにつれて開口径が階段状に小さくなる、いわゆる段付きの円柱形状の空隙部である。
The
なお、上記形状を有するキャビティ130の形成方法については、半導体プロセスにより行われる周知のものであるため、その説明は省略して以下に簡単に説明するものとする。本実施形態では、まず、第2絶縁膜103上に、厚さt2で第3絶縁膜104を形成し、フォトリソグラフィによるパターニングにより、該第3絶縁膜104の下部電極110上となる領域に、該第3絶縁膜104を貫通する直径D2の貫通孔を形成する。
Note that a method for forming the
そして、第3絶縁膜104上に、厚さt1で第4絶縁膜105を形成し、フォトリソグラフィによるパターニングにより、該第4絶縁膜105の下部電極110上となる領域に、該第4絶縁膜105を貫通する直径D1の貫通孔を形成する。以上により直径D1及び直径D2の2つの開口径を有する段付きの穴部が、第4絶縁膜105及び第3絶縁膜104の下部電極110上となる領域において形成される。
Then, a fourth
次に、上記段付きの穴部を埋めるようにPSG(リンガラス)からなる犠牲層を形成し、第4絶縁膜105及び該犠牲層の上面を平面状とする。そして、第4絶縁膜105及び犠牲層の上面に、第5絶縁膜106及び上部電極120を形成した後に、犠牲層除去孔を介して犠牲層をエッチングにより除去することにより、上記段付きの穴部がキャビティ130となるのである。
Next, a sacrificial layer made of PSG (phosphorus glass) is formed so as to fill the stepped hole, and the fourth insulating
なお、本実施形態では、直径D1及び直径D2の2つの円柱形状部を有する段付きの穴部を形成するために、厚さt2の第3絶縁膜104及び厚さt1の第4絶縁膜にそれぞれ直径D1及び直径D2の貫通孔を形成しているが、エッチングの深さを制御することにより、厚さt1+t2の単一の絶縁膜に直径D1及び直径D2の2つの円柱形状部を有する段付きの穴部を形成する方法も使用可能であることは言うまでもない。
In the present embodiment, in order to form a stepped hole having two cylindrical portions having a diameter D1 and a diameter D2, the third
ここで、詳しくは後述するが、直径D1及び直径D2の値は、メンブレン100a振動の基本周波数が所定の2種類の周波数の超音波を送受信するのに適した値となるように設定されている。振動膜であるメンブレン100aが振動することにより送受信される超音波の周波数は、直径、密度、弾性定数等により決定されるものであるから、上記直径D1及び直径D2の値の算出は公知の技術により可能である。以下、振動子セル100が送受信する2種類の周波数の超音波を、第1の周波数f1の超音波と、該第1の周波数よりも高い値の第2の周波数f2の超音波とする。
Here, as will be described in detail later, the values of the diameter D1 and the diameter D2 are set so that the fundamental frequency of the vibration of the
本実施形態の超音波内視鏡1は、振動子セル100による超音波の送信時及び受信時において、所定の値の直流電圧であるDCバイアス電圧を、振動子セル100の下部電極110及び上部電極120間に印加する。この一対の電極である下部電極100及び上部電極120間に印加されるDCバイアス電圧は、振動子セル100が送信する超音波の周波数又は受信する超音波の周波数に応じてその値が変更される。
The ultrasonic endoscope 1 according to the present embodiment applies a DC bias voltage, which is a DC voltage having a predetermined value, at the time of transmission and reception of ultrasonic waves by the
本実施形態では、DCバイアス電圧の値は、所定の2種類の電圧値である、第1の電圧値V1及び第2の電圧値V2のいずれかとされる。DCバイアス電圧の第1の電圧値V1の絶対値は、第2の電圧値V2の絶対値よりも低い値を有する。 In the present embodiment, the value of the DC bias voltage is one of the first voltage value V1 and the second voltage value V2, which are two predetermined voltage values. The absolute value of the first voltage value V1 of the DC bias voltage is lower than the absolute value of the second voltage value V2.
具体的には、DCバイアス電圧の第1の電圧値V1は、超音波の送受信時に振動するメンブレン100aのキャビティ130側の表面が、キャビティ130の第1の空隙部131の底面部131a上に接触しない条件で設定されている。
Specifically, the first voltage value V1 of the DC bias voltage is such that the surface on the
一方、DCバイアス電圧の第2の電圧値V2は、超音波の送受信時に振動するメンブレン100aのキャビティ130側の表面が、図6に示すように、キャビティ130の第1の空隙部131の底面部131aの最も直径の小さい部位上に接触したまま離間することのない条件で設定されている。ここで、第1の空隙部131の底面部131aの最も直径の小さい部位とは、底面部131aと第2の空隙部132の側面部とが交差する角部131bのことを指す。
On the other hand, the second voltage value V2 of the DC bias voltage is such that the surface on the
上述した構成を有する、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル100は、所定の2種類の周波数の超音波である、第1の周波数f1及び第2の周波数f2の超音波の送信又は受信の少なくとも一方を可能に構成されたものである。この振動子セル100の動作を以下に説明する。
The
まず、c−MUTと称される静電容量型の超音波トランスデューサである振動子セル100の基本的な動作を説明する。振動子セル100による超音波の送信時においては、下部電極110及び上部電極120間に電圧が印加されることにより下部電極110及び上部電極120間に静電引力が生じ、メンブレン100aは下部電極110の方向へ引っ張られて弾性変形する。そして、下部電極110及び上部電極120間の電圧を低下させると、メンブレン100aは弾性力により下部電極110から遠ざかる方向へ復元する。すなわち、下部電極110及び上部電極120間にパルス状の電圧信号が印加されることによりメンブレン100aが振動し、超音波がメンブレン100aの上方向へ送信される。
First, the basic operation of the
一方、振動子セル100による超音波の受信時においては、予め所定の値のDCバイアス電圧を下部電極110及び上部電極120間に印加しておく。そして、超音波がメンブレン100aに到達することによるメンブレン100aの振動を、下部電極110及び上部電極120間の静電容量の変化に基づいて電気信号に変換することにより、超音波の受信が行われる。
On the other hand, when ultrasonic waves are received by the
次に、本実施形態における振動子セル100の動作の詳細を説明する。上述したように、本実施形態の超音波内視鏡1は、振動子セル100による超音波の送信時及び受信時において、所定の値のDCバイアス電圧を、振動子セル100の下部電極110及び上部電極120間に印加する。そして、振動子セル100により第1の周波数f1の超音波の送信又は受信の少なくとも一方を行う場合には、DCバイアス電圧は第1の電圧値V1とされ、振動子セル100により第2の周波数f2の超音波の送信又は受信の少なくとも一方を行う場合には、DCバイアス電圧は第2の電圧値V2とされる。
Next, details of the operation of the
すなわち、本実施形態において、第1の周波数f1の超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合には、メンブレン100aが振動する領域の直径はD1となる。
That is, in this embodiment, when at least one of transmission and reception of the ultrasonic wave of the first frequency f1 is performed, the diameter of the region in which the
一方、第2の周波数f2の超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合には、下部電極110及び上部電極120間に第2の電圧値V2のDCバイアス電圧が印加され、図6に示すようにメンブレン100aは第1の空隙部131の底面部131a上に常に接触した状態となり、メンブレン100aが振動する領域の直径はD2となる。
On the other hand, when at least one of transmission and reception of ultrasonic waves of the second frequency f2 is performed, a DC bias voltage of the second voltage value V2 is applied between the
言い換えれば、本実施形態の振動子セル100は、超音波の送信方向に配列された複数の異なる種類の形状の空隙部(第1の空隙部131及び第2の空隙部132)からなるキャビティ130を具備しており、DCバイアス電圧値の変化に応じて選択される前記複数の空隙部のうちの少なくとも一つの種類の形状の空隙部においてメンブレン100aを振動させる構成を有する。
In other words, the
以下に、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル100の効果を説明する。
Hereinafter, effects of the
本実施形態の振動子セル100は、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合に、DCバイアス電圧の値を第1の電圧値V1又は第2の電圧値V2とすることにより、メンブレン100aの振動する領域の直径をD1又はD2に変化させることが可能である。ここで、直径D1及びD2の値は、該値の直径のメンブレン100aが振動した場合に、第1の周波数f1の超音波及び第2の周波数f2の超音波を送受信するのに適した値とされている。
The
よって、本実施形態の振動子セル100は、DCバイアス電圧の値が第1の電圧値V1である場合には、第1の周波数f1の超音波の送受信を行うことが可能であり、DCバイアス電圧の値が第2の電圧値V2である場合には、第2の周波数f2の超音波の送受信を行うことが可能である。
Therefore, when the value of the DC bias voltage is the first voltage value V1, the
従来であれば、複数の異なる周波数の超音波の送受信を行うためには、それぞれの周波数に対応してメンブレンの直径等の特性を異ならせた複数種類の振動子セルを設ける必要があった。しかしながら、本実施形態によれば、単一の振動子セル100により複数の異なる周波数の超音波の送受信を行うことが可能である。
Conventionally, in order to transmit / receive a plurality of ultrasonic waves having different frequencies, it is necessary to provide a plurality of types of transducer cells having different characteristics such as the diameter of the membrane corresponding to each frequency. However, according to this embodiment, it is possible to transmit and receive a plurality of ultrasonic waves having different frequencies by the
このため、本実施形態によれば、より広い帯域の超音波の送信及び受信の少なくとも一方が可能でありながら、複数種類の特性の振動子セルを設ける必要がないため、小型かつ送信強度及び受信感度の高い超音波トランスデューサを提供することが可能となるのである。 For this reason, according to the present embodiment, it is possible to transmit and receive ultrasonic waves in a wider band, but there is no need to provide a transducer cell having a plurality of types of characteristics. This makes it possible to provide a highly sensitive ultrasonic transducer.
また、上述したような振動子セル100を具備して構成される診断装置である超音波内視鏡1は、超音波送受部30の径を大きくすることなく、複数の異なる周波数の超音波について十分な送信強度及び受信感度を有して被検体の診断を行うことが可能となる。
In addition, the ultrasonic endoscope 1 that is a diagnostic apparatus configured by including the
このため本実施形態の超音波内視鏡1は、例えば、被検体内について広い範囲の検査を行いたい場合、すなわち超音波送受部30からより離れた領域からのエコー信号を得たい場合には、より遠くまで到達する低い周波数の超音波を送受信して診断を行い、一方、被検体内についてより高解像度で検査を行いたい場合には、高い分解能を得ることが可能な高い周波数の超音波を送受信するように切替えて診断を行うといった、より柔軟な対応力の高い診断を実現することが可能である。
For this reason, the ultrasonic endoscope 1 of the present embodiment, for example, when it is desired to perform a wide range of examinations within the subject, that is, when it is desired to obtain an echo signal from a region further away from the ultrasonic transmission /
なお、上述した本実施形態においては、振動子セル100により送受信可能な超音波の周波数である、第1の周波数f1と、該第1の周波数よりも高い周波数である第2の周波数f2との関係を明記していないが、本実施形態の第1の変形例として、第2の周波数f2の値が、第1の周波数f1の値の整数倍に近似するように、直径D1及びD2の値を設定した構成を挙げることが可能である。すなわち、該第1の変形例において第2の周波数f2の超音波は、第1の周波数f1の超音波の倍音となる。
In the above-described embodiment, the first frequency f1 that is the frequency of ultrasonic waves that can be transmitted and received by the
そして、振動子セル100によって超音波の送信時には第1の電圧値V1のDCバイアス電圧を印加した状態において第1の周波数f1の超音波が被検体内へ送信され、超音波の受信時には第2の電圧値V2のDCバイアス電圧を印加した状態において第2の周波数f2の超音波が受信されるように構成する。
Then, at the time of transmitting ultrasonic waves by the
このような構成を具備する本変形例の超音波診断装置によれば、被検体内に送信する超音波(基本波)の周波数の整数倍の周波数を有する高調波成分を感度良く検出することが可能であり、該高調波成分を映像化することにより、いわゆるハーモニックイメージングを実現できる。 According to the ultrasonic diagnostic apparatus of this modification having such a configuration, it is possible to detect with high sensitivity harmonic components having a frequency that is an integral multiple of the frequency of the ultrasonic wave (fundamental wave) transmitted into the subject. It is possible, and so-called harmonic imaging can be realized by visualizing the harmonic component.
また、上述した本実施形態においては、振動子セル100のキャビティ130を、異なる直径の第1の空隙部131及び第2の空隙部132により構成された、1つの段差を有する段付き穴として説明しているが、本発明はこの形態に限られるものではない。
In the above-described embodiment, the
上述した本実実施形態のキャビティ130の構成を異ならせた、第2の変形例を図7に示す。図7に示すように、本変形例の振動子セル100のキャビティ140は、メンブレン100aから遠ざかるほどに径が小さくなる2つ以上の段差を有する段付き穴であってもよい。言い換えれば、本変形例のキャビティ140は、超音波の送信方向に向かって拡開する段付きの穴部である。
FIG. 7 shows a second modification in which the configuration of the
より具体的には、キャビティ140は、下部電極110上に形成され上部電極120を含むメンブレン100aを支持する絶縁膜108に形成された穴部である。キャビティ140は、上方、すなわち超音波の送信側から見て、直径D1、深さt1の略円形の穴部である第1の空隙部131と、該第1の空隙部131の底面部131aに形成された直径D2、深さt2の略円形の穴部である第2の空隙部132と、該該第2の空隙部132の底面部132aに形成された直径D3、深さt3の略円形の穴部である第3の空隙部133とにより構成されている。
More specifically, the
ここで、上記第1の空隙部131、第2の空隙部132及び第3の空隙部133は、上方から見て略同心上に形成されている。また、第1の空隙部131の直径D1は、第2の空隙部132の直径D2よりも大きく、第2の空隙部132の直径D2は、第3の空隙部133の直径D3よりも大きい。すなわち、キャビティ140は、下方に向かうにつれて開口径が階段状に小さくなる、いわゆる段付き穴形状の空隙部である。また、上記第3の空隙部133の直径D3は、メンブレン100aが、直径D3の領域で振動した場合に、第2の周波数f2よりも高い周波数である第3の周波数f3の超音波を送受信するのに対応した値とされる。
Here, the
このように構成された本変形例の振動子セル100においては、上述した実施形態と同様に、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合に、DCバイアス電圧は、振動子セル100が送信する超音波の周波数又は受信する超音波の周波数に応じてその値が変更される。そして、このDCバイアス電圧の値に応じて、メンブレン100aが振動するための空隙部がキャビティを構成する複数の空隙部の中から選択される。
In the
具体的には、本変形例では、DCバイアス電圧の値は、電圧値V1、電圧値V2及び電圧値V3のうちのいずれかが選択さる。ここで、電圧値V1は、メンブレン100aが第1の空隙部131の底面部131a上に接触しない電圧値であり、電圧値V2は、メンブレン100aが、第1の空隙部131の底面部131aの最も直径の小さい部位上に接触したまま離間せず、かつメンブレン100aが第2の空隙部132の底面部132a上に接触しない電圧値である。そして、電圧値V3は、メンブレン100aが、第2の空隙部132の底面部132aの最も直径の小さい部位上に接触したまま離間しない電圧値である。
Specifically, in this modification, the value of the DC bias voltage is selected from the voltage value V1, the voltage value V2, and the voltage value V3. Here, the voltage value V1 is a voltage value at which the
すなわち、本変形例では、下部電極110及び上部電極120間に印加するDCバイアス電圧を上述した電圧値V1、電圧値V2、電圧値V3と変化させることにより、メンブレン100aが振動する領域の直径は、直径D1、直径D2、直径D3と段階的に小さくなる。
That is, in this modification, the diameter of the region in which the
したがって、本変形例によれば、単一の振動子セル100により、3種類の異なる周波数の超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うことができ、上述した実施形態より広い帯域の周波数で超音波を送受信することが可能となる。
Therefore, according to the present modification, at least one of transmission and reception of ultrasonic waves of three different frequencies can be performed by the
なお、本変形例ではキャビティ140は、径の異なる3つの空隙部により構成された2段の段付き穴であるが、キャビティ140は3段以上の段差を有し、DCバイアス電圧は、それぞれの段差上にメンブレン100aが接触する値となるように構成される形態であってもよい。
In this modification, the
また、このような技術的思想に基づけば、キャビティの段差の数をさらに増加させた場合、すなわち、図8に本実施形態の第3の変形例として示すような、キャビティ150が、超音波の送信方向(上方向)に拡開するテーパ状の穴部として構成される形態もまた、本発明に含まれるものである。このようなテーパ状のキャビティ150は、例えば公知のグレーマスクを用いたフォトリソグラフィにより形成可能である。
Further, based on such a technical idea, when the number of steps of the cavity is further increased, that is, as shown in FIG. 8 as a third modified example of the present embodiment, the
図8に示す本変形例では、下部電極110及び上部電極120間に印加するDCバイアス電圧の値を変更して下部電極110及び上部電極120間の静電引力を変化させることにより、下部電極110とメンブレン100aとの距離を制御することで、メンブレン100aが振動する領域の直径を任意に選択することが可能となる。
In the present modification shown in FIG. 8, the value of the DC bias voltage applied between the
したがって、本変形例によれば、単一の振動子セル100により、任意の周波数の超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うことができ、上述した実施形態より広い帯域の周波数で超音波を送受信することが可能となる。
Therefore, according to this modification, at least one of transmission and reception of an ultrasonic wave having an arbitrary frequency can be performed by the
以上に説明した各形態においては、下部電極及び上部電極の間に介装される空洞部であるキャビティは、その側面部を段付き形状とする又はテーパ状とすることにより、上方(上部電極側)から見たときの空洞部の断面積が上方へ向かうほど大きくなるように構成されたものである。 In each embodiment described above, the cavity that is interposed between the lower electrode and the upper electrode has an upper side (upper electrode side) by making the side surface portion stepped or tapered. ) When viewed from above, the cross-sectional area of the cavity portion increases as it goes upward.
そして、上部電極を支持するメンブレンが、下部電極及び上部電極に印加されるDCバイアス電圧の値に対応して下部電極に近づく方向へ弾性変形することにより、該メンブレンの周辺部がキャビティの段付き形状の上面部又はテーパ状の側面部に接触し、結果、メンブレンが振動可能な領域の面積が変化する。 Then, the membrane supporting the upper electrode is elastically deformed in a direction approaching the lower electrode corresponding to the value of the DC bias voltage applied to the lower electrode and the upper electrode, so that the peripheral portion of the membrane has a stepped cavity. As a result, the area of the region in which the membrane can vibrate changes.
すなわち、本発明に係る振動子セルは、メンブレンが下部電極側へ静電引力により引きつけられて所定量だけ弾性変形した場合に、メンブレンの振動可能な領域の断面積が所定量だけ変化する構成を有するものであり、上述した形態のみに限られるものではない。そのさらに別の変形例を、第4の変形例及び第5の変形例として、それぞれ図9及び図10を参照して説明する。 That is, the transducer cell according to the present invention has a configuration in which the cross-sectional area of the oscillating region of the membrane changes by a predetermined amount when the membrane is attracted to the lower electrode side by electrostatic attraction and elastically deformed by a predetermined amount. It is what it has and is not restricted only to the form mentioned above. Still another modified example will be described as a fourth modified example and a fifth modified example with reference to FIGS. 9 and 10, respectively.
まず、本実施形態の第4の変形例では、図9に示すように、下部電極110上に形成され上部電極120を含むメンブレン100aを支持する絶縁膜108に、直径D1、深さt1+t2の円柱形状の穴部163が形成され、該穴部163の底面部である第2絶縁膜103の上面163a上には内径D1、高さt2の略環状の凸部164が凸設される。
First, in the fourth modification of the present embodiment, as shown in FIG. 9, a cylinder having a diameter D1 and a depth t1 + t2 is formed on an insulating
このような構成を有する本変形例のキャビティ160は、上方から見て直径D1、深さt1の穴部である第1の空隙部161と、該第1の空隙部の下方に形成された、略環状の凸部164に囲まれた領域である直径D2、深さt2の穴部である第2の空隙部162とにより構成される。
The
すなわち、本変形例では、略環状の凸部164の上面部164aが、図5に示した実施形態における第1の空隙部131の底面部131aに相当するのであり、したがって、本変形例の振動子セルは、上述した実施形態と同様の効果を有するものである。
That is, in the present modification, the
なお、直径及び高さがそれぞれ異なる複数の略環状の凸部を、上方から見て同心上に第2絶縁膜103の上面163a上に設ける構成とすれば、図7に示した第2の変形例と同様の効果が得られることは言うまでもない。
If a plurality of substantially annular convex portions having different diameters and heights are provided on the
また、本実施形態の第5の変形例では、図10に示すように、下部電極110上に形成され上部電極120を含むメンブレン100aを支持する絶縁膜108に、直径D1、深さt1+t2の円柱形状の穴部173が形成される。そして、メンブレン100aの下面すなわち、メンブレン100aの下部電極110に対向する側の表面に、内径D2、高さt2の略環状の凸部174が下方に向けて凸設される。
Further, in the fifth modification of the present embodiment, as shown in FIG. 10, a cylinder having a diameter D1 and a depth t1 + t2 is formed on the insulating
このような構成を有する本変形例のキャビティ170は、上方から見て直径D1、深さt1の穴部である第1の空隙部171と、該第1の空隙部の上方に形成された、略環状の凸部174に囲まれた領域である直径D2、深さt2の穴部である第2の空隙部172とにより構成される。すなわち、本変形例におけるキャビティ170は、上方向から見た場合に異なる断面積を有する複数の空隙部が積層されて構成され、かつこの複数の空隙部の断面積は上部電極120側であるほど小さいものとされている。
The
そして、本変形例の振動子セルにおいては、上述した実施形態と同様に、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合に、DCバイアス電圧は、振動子セル100が送信する超音波の周波数又は受信する超音波の周波数に応じてその値が変更される。
In the transducer cell of this modification, as in the above-described embodiment, when at least one of transmission and reception of ultrasonic waves is performed, the DC bias voltage is the frequency of the ultrasonic waves transmitted by the
具体的には、本変形例では、DCバイアス電圧の値は、電圧値V1及び電圧値V2のいずれかが選択される。ここで、電圧値V1は、メンブレン100aから下方に凸設された略環状の凸部174が穴部173の底面部に接触しない電圧値であり、電圧値V2は、略環状の凸部174が穴部173の底面部に接触したまま離間しない電圧値である。
Specifically, in this modification, either the voltage value V1 or the voltage value V2 is selected as the value of the DC bias voltage. Here, the voltage value V1 is a voltage value at which the substantially
したがって、本変形例では、DCバイアス電圧を電圧値V1とした場合には、メンブレン100aが振動する領域の直径はD1となり、DCバイアス電圧を電圧値V2とした場合には、メンブレン100aが振動する領域の直径はD2となる。よって、本変形例の振動子セルは、上述した実施形態と同様の作用及び効果を有するものである。
Therefore, in this modification, when the DC bias voltage is a voltage value V1, the diameter of the region in which the
また、上述した実施形態において、図6に示すように第2の電圧値V2のDCバイアス電圧が印加された場合において、メンブレン100aは底面部131aの全面に接触するのではなく、メンブレン100aの外周側と底面部131aの外周側との間には隙間139が生じる。このような隙間139が存在すると、メンブレン100aを振動させて超音波を送信する際に、メンブレン100aの該隙間139に面している領域も振動してしまう。このため、送信される超音波とは異なる不要な周波数の超音波が発生してしまうことが考えられる。
In the embodiment described above, when a DC bias voltage having the second voltage value V2 is applied as shown in FIG. 6, the
このようなメンブレン100aの外周部と底面部131aとの間に隙間139が生じてしまうことを防ぐために、例えば図11に示すように、第1の空隙部131の側面部をテーパ状とし、第2の電圧値V2のDCバイアス電圧が印加された場合には、メンブレン100aが第1の空隙部131の側面部及び底面部131aに隙間なく接触するように構成してもよい。また、例えば図12に示すように、メンブレン100aの外周部を薄く形成し、外周部においてメンブレン100aの変形量が大きくなるように構成することで、第2の電圧値V2のDCバイアス電圧が印加された場合には、メンブレン100aが第1の空隙部131の側面部及び底面部131aに隙間なく接触するようにしてもよい。
In order to prevent the
このように、本実施形態の振動子セル100を、第2の電圧値V2のDCバイアス電圧が印加された場合に、メンブレン100aが第1の空隙部131の側面部及び底面部131aに隙間なく接触するように構成することにより、不要な周波数の超音波の発生を防止し、ノイズのない超音波を送信することが可能となる。
Thus, when the DC bias voltage of the second voltage value V2 is applied to the
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130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、例えば正八角形、正六角形、平行四辺形等の多角形状やその他の形状であってもよい。また、メンブレン100a及びキャビティ130の寸法は、観察時に使用する超音波の波長や出力により決定されるものである。
In the above-described configuration, the
なお、本実施形態の振動子ユニットは、導電性のシリコン基板101を基材として構成されているものであるが、振動子ユニットは、電気絶縁性を有する石英、サファイヤ、水晶、アルミナ、ジルコニア、ガラス、樹脂等の絶縁性材料により構成された基材上に形成されるものであってもよい。
Note that the vibrator unit of the present embodiment is configured using the
また、本実施形態の超音波内視鏡は、電子式のラジアル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、機械式走査等を採用したものであってもよい。また、振動子アレイを複数の振動子エレメントを2次元に配列した2次元アレイとしたものであってもよいし、振動子エレメントをアレイ状に配列した形態のみでなく、単一の振動子エレメントを用いた形態であってもよい。 Moreover, although the ultrasonic endoscope of the present embodiment has been described as performing electronic radial scanning, the scanning method is not limited to this, and linear scanning, convex scanning, mechanical scanning, and the like are performed. It may be adopted. Further, the transducer array may be a two-dimensional array in which a plurality of transducer elements are arranged two-dimensionally, or may be a single transducer element as well as a form in which the transducer elements are arranged in an array. The form using may be sufficient.
また、本実施形態の超音波診断装置は、光学観察窓を具備しない超音波プローブ型のものであってもよいし、カプセル型の超音波内視鏡でもよい。また、超音波診断装置は、被検体の体表面上から体腔内に向けて超音波走査を行ういわゆる体外式の超音波診断装置であってもよい。また、超音波診断装置は、工業分野において用いられる非破壊検査装置や非破壊探傷装置であってもよい。 Further, the ultrasonic diagnostic apparatus according to the present embodiment may be an ultrasonic probe type that does not include an optical observation window, or may be a capsule type ultrasonic endoscope. Further, the ultrasonic diagnostic apparatus may be a so-called extracorporeal ultrasonic diagnostic apparatus that performs ultrasonic scanning from the body surface of the subject toward the body cavity. The ultrasonic diagnostic apparatus may be a nondestructive inspection apparatus or a nondestructive flaw detection apparatus used in the industrial field.
(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13及び14を参照して説明する。図13は第2の実施形態に係る振動子セルの上面図である。図14は図13のXIV-XIV断面図である。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a top view of the transducer cell according to the second embodiment. 14 is a cross-sectional view taken along the line XIV-XIV in FIG.
第2の実施形態では、第1の実施形態の構成に対し、振動子セルのキャビティの構成のみが異なる。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。 In the second embodiment, only the configuration of the cavity of the transducer cell is different from the configuration of the first embodiment. Therefore, only this difference will be described below, and the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
本実施形態の振動子セル200は、図13に示すように上方向、すなわち超音波の送信側から見て略円形である。そして、図14に示すように、本実施形態の振動子セル200は、第1の実施形態と同様に、穴部であるキャビティ230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。上部電極120は、振動膜であるメンブレン100aにより支持されており、キャビティ230は、下部電極110とメンブレン100aとの間に介装された絶縁膜108に形成された空隙部である。
As shown in FIG. 13, the
本実施形態のキャビティ230は、メンブレン100aに接して形成された直径D4、深さt4の略円柱形状の穴部である第1の空隙部231と、該第1の空隙部231の底面部231aに形成された直径D5、深さt5の略円柱形状の穴部である複数の第2の空隙部232とにより構成されている。本実施形態では4つの第2の空隙部232が、上方から見て円形の第1の空隙部231の底面部231aに、周方向に等配されて形成されている。
The
すなわち、本実施形態のキャビティ230は、上方から見た場合に異なる断面積を有する第1の空隙部231と第2の空隙部232とが、厚さ方向に積層されて構成されるものであって、前記第2の空隙部は、前記第1の空隙部231の底面部231aに複数形成されるものである。
That is, the
そして、第1の実施形態と同様に、本実施形態において、一対の電極である下部電極100及び上部電極120間に印加されるDCバイアス電圧は、振動子セル200が送信する超音波の周波数又は受信する超音波の周波数に応じてその値が変更される。
As in the first embodiment, in this embodiment, the DC bias voltage applied between the
本実施形態では、DCバイアス電圧の値は、所定の2種類の電圧値である、第1の電圧値V4及び第2の電圧値V5のいずれかとされる。DCバイアス電圧の第1の電圧値V4の絶対値は、第2の電圧値V5の絶対値よりも低い値を有する。 In the present embodiment, the value of the DC bias voltage is one of the first voltage value V4 and the second voltage value V5, which are two predetermined voltage values. The absolute value of the first voltage value V4 of the DC bias voltage is lower than the absolute value of the second voltage value V5.
具体的には、DCバイアス電圧の第1の電圧値V4は、超音波の送受信時に振動するメンブレン100aのキャビティ230側の表面が、キャビティ230の第1の空隙部231の底面部231a上に接触しない条件で設定されている。
Specifically, the first voltage value V4 of the DC bias voltage is such that the surface on the
一方、DCバイアス電圧の第2の電圧値V5は、上方から見て少なくとも前記複数の第2の空隙部232の全てに外接する円よりも内側の領域において、メンブレン100aが第1の空隙部231の底面部231a上に接触したまま離間することのない条件で設定されている。
On the other hand, the second voltage value V5 of the DC bias voltage is such that the
以上のような構成を有する、本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル200においては、第1の電圧値V4のDCバイアス電圧が印加されている場合には、メンブレン100aが振動する領域の直径はD4となる。
In the
一方、第2の電圧値V5のDCバイアス電圧が印加されている場合には、メンブレン100aが振動する領域の直径はD5となる。そして、この第2の電圧値V5のDCバイアス電圧が印加されている場合において、メンブレン100aが振動する直径D5の領域は、単一の振動子セル200につき4箇所存在する。
On the other hand, when the DC bias voltage having the second voltage value V5 is applied, the diameter of the region in which the
したがって、このような構成を有する本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル200は、DCバイアス電圧の電圧値に応じて2種類の異なる周波数の超音波の送信又は受信の少なくとも一方が可能である。
Therefore, the
具体的には、第1の電圧値V4のDCバイアス電圧が印加されている場合には、直径D4の領域におけるメンブレン100aの振動に対応した第1の周波数f4の超音波の送信及び受信の少なくとも一方が可能となる。また、第2の電圧値V5のDCバイアス電圧が印加されている場合には、直径D5の領域におけるメンブレン100aの振動に対応した第2の周波数f5の超音波の送信及び受信の少なくとも一方が可能となる。
Specifically, when a DC bias voltage of the first voltage value V4 is applied, at least transmission and reception of ultrasonic waves of the first frequency f4 corresponding to the vibration of the
よって、以上のように構成された本実施形態の超音波トランスデューサである振動子セル200によれば、単一の振動子セル200により複数の異なる周波数の超音波の送受信を行うことが可能である。
Therefore, according to the
このため、本実施形態によれば、より広い帯域の超音波の送信及び受信の少なくとも一方が可能でありながら、複数種類の特性の振動子セルを設ける必要がないため、小型かつ送信強度及び受信感度の高い超音波トランスデューサを提供することが可能となるのである。 For this reason, according to the present embodiment, it is possible to transmit and receive ultrasonic waves in a wider band, but there is no need to provide a transducer cell having a plurality of types of characteristics. This makes it possible to provide a highly sensitive ultrasonic transducer.
また、本実施形態では、複数の第2の空隙部232が第1の空隙部231の底面部231aに形成されていることにより、単一の振動子セル200について着目すれば、第2の周波数f5の超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行う場合においてメンブレン100aが振動する領域は、複数存在する。
In the present embodiment, since the plurality of
このため、本実施形態によれば、減衰しやすい周波数の高い超音波の送信強度及び受信感度を、第1の実施形態よりも向上させることが可能となる。 For this reason, according to the present embodiment, it is possible to improve the transmission intensity and reception sensitivity of an ultrasonic wave having a high frequency that is easily attenuated, as compared with the first embodiment.
なお、第1の空隙部231の底面部231aに形成される第2の空隙部232は、複数の異なる直径を有するものとして、第2の電圧値V5のDCバイアス電圧が印加されている場合には、複数種類の異なる周波数の超音波の送受信を同時に実行することが可能な構成であってもよい。
Note that the
また、本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、第2の空隙部232の底面部にさらに第2の空隙部よりも直径の小さい空隙部を形成し、DCバイアス電圧を3段階に変化させることで複数種類の異なる周波数の超音波の送受信を可能とする構成であってもよい。
Also in this embodiment, similarly to the first embodiment, a gap having a diameter smaller than that of the second gap is formed on the bottom surface of the
(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15を参照して説明する。第3の実施形態は、上述した本発明の超音波トランスデューサを、超音波顕微鏡に適用したものである。図15は、本実施形態の超音波顕微鏡の構成を説明する図である。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, the above-described ultrasonic transducer of the present invention is applied to an ultrasonic microscope. FIG. 15 is a diagram illustrating the configuration of the ultrasonic microscope according to the present embodiment.
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を介して本発明に係る超音波トランスデューサ303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を介してトランスデューサ303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303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。
The
以上のように構成された超音波顕微鏡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。
The
上述した実施形態に基づいて、以下の構成を提案することができる。すなわち、
(付記1)
静電容量型の超音波トランスデューサにおいて、
該超音波トランスデューサは、多数の振動子セルから構成され、振動子セルは、少なくとも誘電膜及び上部電極からなる振動膜(メンブレン)と、振動膜に接した空隙部と、空隙部を挟み振動膜と対向する位置にある下部電極とから構成され、
空隙部により決まる静電ギャップがキャビティ外周部付近で狭くなっていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
Based on the embodiment described above, the following configuration can be proposed. That is,
(Appendix 1)
In capacitive ultrasonic transducers,
The ultrasonic transducer is composed of a large number of transducer cells. The transducer cell includes a vibrating membrane (membrane) including at least a dielectric film and an upper electrode, a gap portion in contact with the vibrating membrane, and a vibrating membrane sandwiching the gap portion. And a lower electrode in a position opposite to
An ultrasonic transducer characterized in that the electrostatic gap determined by the gap is narrow near the outer periphery of the cavity.
(付記2)
付記1に記載の前記超音波トランスデューサは、マイクロマシンプロセスを用いた静電容量型の超音波トランスデューサ(c−MUT)であることを特徴とする。
(Appendix 2)
The ultrasonic transducer according to attachment 1 is a capacitive ultrasonic transducer (c-MUT) using a micromachine process.
(付記3)
付記1又は2に記載の前記超音波トランスデューサは、前記キャビティ外周部付近に段差を設けたことを特徴とする。
(Appendix 3)
The ultrasonic transducer according to appendix 1 or 2 is characterized in that a step is provided in the vicinity of the outer periphery of the cavity.
(付記4)
付記1から3のいずれかに記載の前記超音波トランスデューサは、前記キャビティ外周部付近に傾斜を設けたことを特徴とする。
(Appendix 4)
The ultrasonic transducer according to any one of appendices 1 to 3, wherein an inclination is provided in the vicinity of the outer peripheral portion of the cavity.
(付記5)
付記1から4のいずれかに記載の前記超音波トランスデューサは、駆動電圧(DCバイアス電圧)を可変としたことを特徴とする。
(Appendix 5)
The ultrasonic transducer according to any one of appendices 1 to 4, wherein a drive voltage (DC bias voltage) is variable.
(付記6)
付記3に記載の前記超音波トランスデューサは、膜を複数積層することにより前記キャビティ外周部の段差を形成したことを特徴とする。
(Appendix 6)
The ultrasonic transducer according to appendix 3 is characterized in that a step in the outer peripheral portion of the cavity is formed by stacking a plurality of films.
(付記7)
付記4に記載の前記超音波トランスデューサは、グレーマスクにより前記キャビティ外周部の傾斜を形成したことを特徴とする。
(Appendix 7)
The ultrasonic transducer according to appendix 4 is characterized in that an inclination of the outer peripheral portion of the cavity is formed by a gray mask.
(付記8)
付記1から7のいずれかに記載の前記超音波トランスデューサは、前記キャビティの上方向から見た場合に、異なる断面積を有する複数の空隙部が積層されて構成されることを特徴とする。
(Appendix 8)
The ultrasonic transducer according to any one of appendices 1 to 7, wherein a plurality of gap portions having different cross-sectional areas are stacked when viewed from above the cavity.
(付記9)
付記8に記載の前記複数の空隙部は、前記上部電極側であるほど大きい断面積を有することを特徴とする。
(Appendix 9)
The plurality of gaps according to
(付記10)
付記8に記載の前記複数の空隙部は、前記上部電極側であるほど小さい断面積を有することを特徴とする。
(Appendix 10)
The plurality of gaps according to
(付記11)
付記1から10のいずれかに記載の前記超音波トランスデューサは、前記駆動電圧に応じて、前記振動膜の振動する領域が変化するように構成されたものであることを特徴とする。
(Appendix 11)
The ultrasonic transducer according to any one of appendices 1 to 10 is configured such that a vibrating region of the vibrating membrane changes according to the driving voltage.
(付記12)
付記11に記載の前記超音波トランスデューサは、前記上部電極及び前記下部電極間に供給されるDCバイアス電圧の絶対値が大きいほど、前記振動膜の振動する領域の面積が小さくなるように構成されたものであることを特徴とする。
(Appendix 12)
The ultrasonic transducer according to
(付記13)
付記1から12のいずれかに記載の前記超音波トランスデューサを搭載した超音波内視鏡及び超音波内視鏡システム。
(Appendix 13)
An ultrasonic endoscope and an ultrasonic endoscope system each including the ultrasonic transducer according to any one of appendices 1 to 12.
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、超音波診断装置及び超音波顕微鏡もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the gist or concept of the invention that can be read from the claims and the entire specification. A transducer, an ultrasonic diagnostic apparatus, and an ultrasonic microscope are also included in the technical scope of the present invention.
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 第4絶縁膜、 106 第5絶縁膜、 107 保護膜、 109 裏面絶縁膜、 110 下部電極、 111 下部電極配線、 114 下部導電層、 120 上部電極、 121 上部電極配線、 124 上部導電層、 130 キャビティ、 131 第1の空隙部、 132 第2の空隙部 100 vibrator cell, 100a membrane, 101 silicon substrate, 102 first insulating film, 103 second insulating film, 104 third insulating film, 105 fourth insulating film, 106 fifth insulating film, 107 protective film, 109 back surface insulating film , 110 lower electrode, 111 lower electrode wiring, 114 lower conductive layer, 120 upper electrode, 121 upper electrode wiring, 124 upper conductive layer, 130 cavity, 131 first gap, 132 second gap
Claims (6)
前記第1の空隙部の断面積は、前記振動膜が当該断面積において振動した場合に、所定の第1の周波数を送受信可能なものであり、
前記第2の空隙部の断面積は、前記振動膜が前記第1の空隙部の底面部に接触した状態において、前記振動膜が当該断面積において振動した場合に、前記第1の周波数よりも高い所定の第2の周波数を送受信可能なものであり、
前記駆動部は、前記振動膜が前記第1の空隙部の底面部に接触せずに前記第1の空隙部の断面積において振動する第1の電圧値で直流バイアス電圧を出力した状態と、前記振動膜が前記第1の空隙部の底面部に接触して前記第2の空隙部の断面積において振動する第2の電圧値で直流バイアス電圧を出力した状態と、の双方の状態において超音波の送信動作及び受信動作が可能に構成されている
ことを特徴とする超音波トランスデューサ。 A first electrode; a vibrating membrane disposed on the first electrode with a hollow hole therebetween; a second electrode supported by the vibrating membrane; the first electrode and the second electrode A drive unit capable of changing a DC bias voltage value applied between the electrodes , wherein the hole includes a first gap formed in contact with the vibration film, and the first gap An ultrasonic transducer formed by being opened in a bottom surface portion of the first gap portion and having a second gap portion having a smaller cross-sectional area than the first gap portion ,
The cross-sectional area of the first gap portion is capable of transmitting and receiving a predetermined first frequency when the vibrating membrane vibrates in the cross-sectional area.
The cross-sectional area of the second gap is greater than the first frequency when the vibrating membrane vibrates in the cross-sectional area in a state where the vibrating membrane is in contact with the bottom surface of the first gap. Capable of transmitting and receiving a high predetermined second frequency,
The driving unit outputs a DC bias voltage at a first voltage value that vibrates in a cross-sectional area of the first gap without the vibrating membrane being in contact with the bottom surface of the first gap, The state in which the vibrating membrane is in contact with the bottom surface of the first gap and outputs a DC bias voltage with a second voltage value that vibrates in the cross-sectional area of the second gap is super An ultrasonic transducer characterized in that it is capable of transmitting and receiving sound waves.
前記駆動部は、当該超音波トランスデューサによる超音波の送信時に、前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第1の電圧値の直流バイアス電圧を印加し、超音波の受信時に、前記第1の電極と前記第2の電極との間に前記第2の電圧値の直流バイアス電圧を印加することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。The driving unit applies a DC bias voltage of the first voltage value between the first electrode and the second electrode when transmitting ultrasonic waves by the ultrasonic transducer, and receives ultrasonic waves. 4. The ultrasonic transducer according to claim 1, wherein a DC bias voltage having the second voltage value is applied between the first electrode and the second electrode. 5. .
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