超音波エレメントおよび超音波内視鏡
【課題】特性が安定したＵＳエレメント２０を提供する。
【解決手段】ＵＳエレメント２０は、シリコン基板１１と、複数の下部電極部１２Ａと複数の下部配線部１２Ｂとを有し駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子５２と接続された下部電極層１２と、下部絶縁層１３と、複数のキャビティ１４が形成された上部絶縁層１５と、複数の上部電極部１６Ａと複数の上部配線部１６Ｂとを有し容量信号を検出するためのグランド電位の上部電極端子５１と接続された上部電極層１６と、保護層１７と、がシリコン基板１１の上に順に積層されており、少なくとも前記下部配線部１２Ｂの上側に形成された、グランド電位の遮蔽電極端子５３と接続された遮蔽電極部７１を更に具備する。
【解決手段】ＵＳエレメント２０は、シリコン基板１１と、複数の下部電極部１２Ａと複数の下部配線部１２Ｂとを有し駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子５２と接続された下部電極層１２と、下部絶縁層１３と、複数のキャビティ１４が形成された上部絶縁層１５と、複数の上部電極部１６Ａと複数の上部配線部１６Ｂとを有し容量信号を検出するためのグランド電位の上部電極端子５１と接続された上部電極層１６と、保護層１７と、がシリコン基板１１の上に順に積層されており、少なくとも前記下部配線部１２Ｂの上側に形成された、グランド電位の遮蔽電極端子５３と接続された遮蔽電極部７１を更に具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型の超音波エレメント、および、前記超音波エレメントを具備する超音波内視鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
体内に超音波を照射し、エコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。超音波診断法に用いられる超音波診断装置の１つに超音波内視鏡（以下、「ＵＳ内視鏡」という）がある。ＵＳ内視鏡は、体内へ導入される挿入部の先端硬性部に超音波振動子が配設されている。超音波振動子は電気信号を超音波に変換し体内へ送信し、また体内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有する。
【０００３】
これまでは、超音波振動子には、環境負荷が大きい鉛を含むセラミック圧電材、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等が主に使用されていた。これに対して、カロンティらは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される、材料に鉛を含まない静電容量型超音波振動子（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ−ＭＵＴ」という）を開示している。ｃ−ＭＵＴは、上部電極部と下部電極部とが空洞部（キャビティ）を介して対向配置した超音波セル（以下、「ＵＳセル」という）を単位素子とする。そして、それぞれの電極部が配線部により接続された複数のＵＳセルを配列して超音波エレメント（以下、「ＵＳエレメント」という）を構成している。
【０００４】
ＵＳセルは、下部電極部と上部電極部との間に電圧を印加することで、静電力により上部電極部を含むメンブレン（振動部）を振動して超音波を発生する。また外部から超音波が入射すると両電極の間隔が変化するため、静電容量の変化から超音波を電気信号に変換する。なお、超音波受信送信時だけでなく超音波受信時にも、送受信の効率を向上するため、電極間に所定のバイアス電圧が印加される。
【０００５】
ｃ−ＭＵＴでは、安定した特性を得るために、超音波発生のための駆動信号および超音波受信のためのバイアス信号は下部電極部に印加されており、上部電極部は常にグランド電位（接地電位）とされている。
【０００６】
しかし、下部電極部または下部配線部を覆っている絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されることがある。すると、印加された電位が欠陥部からＵＳセルの外部に漏れ出るため、ＵＳセルおよびＵＳ内視鏡の特性が不安定になるおそれがあった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】カロンティら、マイクロエレクトロニクスジャーナル（Microelectronics Journal）、２００６年、３７巻、ｐ７７０−７７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の実施形態は、特性が安定した超音波エレメントおよび特性が安定した超音波内視鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態の超音波エレメントは、基体と、複数の下部電極部と、前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部と、を有し、駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、下部絶縁層と、複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、それぞれの前記キャビティを介して、それぞれの前記下部電極部と対向配置している複数の上部電極部と、前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部と、を有し、容量信号を検出するための、グランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、保護層と、が前記基体の上に順に積層されており、少なくとも前記下部配線部の上側に形成された、グランド電位の遮蔽電極端子と接続された遮蔽電極部を更に具備する。
【００１０】
また本発明の別の実施形態の超音波内視鏡は、前記記載の超音波エレメントを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、特性が安定した超音波エレメントおよび特性が安定した超音波内視鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の超音波内視鏡を説明するための外観図である。
【図２】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部を説明するための斜視図である。
【図３】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部の超音波アレイの構成を説明するための斜視図である。
【図４】第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための上面図である。
【図５】第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための図４のＶ−Ｖ線に沿った部分断面図である。
【図６】第１実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【図７】第１実施形態の超音波セルの製造方法を説明するための断面図である。
【図８】第１実施形態の超音波セルの犠牲層のパターンを示す上面図である。
【図９】第１実施形態の超音波セルの遮蔽電極部のパターンを示す上面図である。
【図１０】第１実施形態の超音波セルの動作を説明するための模式図である。
【図１１】第２実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【図１２】第２実施形態の超音波セルの下部電極層のパターンを示す上面図である。
【図１３】第２実施形態の超音波セルの上部電極層のパターンを示す上面図である。
【図１４】第３実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【図１５】第４実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜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、および、超音波エレメント２０を有する超音波内視鏡２について説明する。
【００１４】
＜超音波内視鏡の構成＞
図１に示すようにＵＳ内視鏡２は、超音波観測装置３およびモニタ４とともに超音波内視鏡システム１を構成する。ＵＳ内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部２１と、挿入部２１の基端に配された操作部２２と、操作部２２の側部から延出したユニバーサルコード２３と、を具備する。
【００１５】
ユニバーサルコード２３の基端部には、光源装置（不図示）に接続されるコネクタ２４Ａが配設されている。コネクタ２４Ａからは、カメラコントロールユニット（不図示）にコネクタ２５Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２５と、超音波観測装置３にコネクタ２６Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２６と、が延出している。超音波観測装置３にはモニタ４が接続される。
【００１６】
挿入部２１は、先端側から順に、先端硬性部（以下、「先端部」という）３７と、先端部３７の後端に位置する湾曲部３８と、湾曲部３８の後端に位置して操作部２２に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部３９と、を連設して構成されている。そして、先端部３７の先端側には超音波ユニット３０が配設されている。
【００１７】
操作部２２には、湾曲部３８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ２２Ａと、送気および送水操作を行う送気送水ボタン２２Ｂと、吸引操作を行う吸引ボタン２２Ｃと、体内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口２２Ｄ等と、が配設されている。
【００１８】
そして、図２に示すように、超音波ユニット（ＵＳユニット）３０が、設けられた先端部３７には、照明光学系を構成する照明用レンズカバー３１と、観察光学系の観察用レンズカバー３２と、吸引口を兼ねる鉗子口３３と、図示しない送気送水ノズルと、が配設されている。
【００１９】
図３に示すように、ＵＳユニット３０の超音波アレイ（ＵＳアレイ）４０は、複数の平面視矩形の超音波エレメント２０の長辺が連結され、円筒状に湾曲配置されたラジアル型振動子群である。すなわち、ＵＳアレイ４０では、例えば、直径２ｍｍの円筒の側面に、短辺が０．１ｍｍ以下のＵＳエレメント２０が２００個、３６０度方向に配設されている。なお、ＵＳアレイ４０は、ラジアル型振動子群であるが、ＵＳアレイは、凸形状に折り曲げしたコンベックス型振動子群であってもよい。
【００２０】
円筒状の超音波アレイ４０の端部には、複数の下部電極端子５２が配列しており、それぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの信号線６２と接続されている。上部電極端子５１はそれぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの容量検出線６１と接続されている。遮蔽電極端子５３は、それぞれが同軸ケーブル束３５のシールド線６３と接続されている。すなわち同軸ケーブル束３５は、複数の信号線６２および複数の容量検出線６１の合計数と同じ本数の芯線のある同軸ケーブルからなる。
【００２１】
同軸ケーブル束３５は、先端部３７と、湾曲部３８と、可撓管部３９と、操作部２２と、ユニバーサルコード２３と、超音波ケーブル２６と、に挿通され、超音波コネクタ２６Ａを介して、超音波観測装置３と接続されている。
【００２２】
＜送受信部の構成＞
次に、図４、図５および図６を用いて、ＵＳエレメント２０および超音波セル（ＵＳセル）１０の構成について説明する。なお、図はいずれも説明のための模式図であり、パターンの数、厚さ、大きさ、および大きさ等の比率は実際とは異なる。
【００２３】
図４に示すように、ＵＳエレメント２０には、複数の静電容量型のＵＳセル１０がマトリックス状に配置されている。なお説明のため図４では一部のＵＳセル１０のみ示している。ＵＳセル１０の配置は、規則的な格子配置、千鳥配置、または、三角メッシュ配置等であってもよいし、ランダム配置であってもよい。そしてＵＳエレメント２０の一方の端部には下部電極端子５２が、他方の端部には上部電極端子５１と遮蔽電極端子５３とが配設されている。
【００２４】
図５および図６に示すように、ＵＳセル１０は、基体であるシリコン基板１１上に、順に積層された、下部電極端子５２と接続された下部電極層１２と、下部絶縁層（第１絶縁層）１３と、円筒状のキャビティ１４が形成された上部絶縁層（第２絶縁層）１５と、上部電極端子５１と接続された上部電極層１６と、保護層（第３絶縁層）１７と、を有する。シリコン基板１１は、シリコン１１Ａの表面にシリコン熱酸化膜１１Ｂ、１１Ｃを形成した基板である。
【００２５】
すなわち、それぞれのＵＳセル１０は、キャビティ１４を介して対向配置している下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとを有する。
【００２６】
下部電極層１２は、平面視円形の複数の下部電極部１２Ａと、下部電極部１２Ａの縁辺部から２方向に延設している複数の下部配線部１２Ｂと、を有する。下部配線部１２Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの下部電極部１２Ａを接続している。そして、下部配線部１２Ｂは下部電極端子５２と接続されている。
【００２７】
上部電極層１６は、平面視円形の複数の上部電極部１６Ａと、上部電極部１６Ａの縁辺部から２方向に延設している複数の上部配線部１６Ｂと、を有する。上部配線部１６Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの上部電極部１６Ａを接続している。そして、上部配線部１６Ｂは上部電極端子５１と接続されている。
【００２８】
すなわち。同じＵＳエレメント２０に配置された複数のＵＳセル１０の全ての下部電極部１２Ａは互いに接続されており、全ての上部電極部１６Ａも互いに接続されている。
【００２９】
図５および図６に示す上記構造のＵＳセル１０では、キャビティ１４の直上領域の、上部絶縁層１５と上部電極層１６と保護層１７とが、振動部であるメンブレン１８を構成している。
【００３０】
そして、ＵＳセル１０は、キャビティ１４の外周部に遮蔽電極部７１を有する。遮蔽電極部７１は、下部配線部１２Ｂの上側を含む領域に形成された導電性材料からなる電極であり、遮蔽電極端子５３と接続されている。後述するように、キャビティ１４は上部絶縁層１５に覆われた導電性材料からなる犠牲層７０がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、遮蔽電極部７１は、エッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域である。
【００３１】
なお、図６では図示の都合上、上部絶縁層１５を上部絶縁層１５Ａと上部絶縁層１５Ｂとに分離して表示しているが、上部絶縁層１５Ａと上部絶縁層１５Ｂとは同時に一体形成される。そして、犠牲層７０に形成された溝部７０Ａに進入した部分が上部絶縁層１５Ａである。
【００３２】
ＵＳエレメント２０では、下部配線部１２Ｂの上側は、下部絶縁層１３、上部絶縁層１５および保護層１７だけでなく、遮蔽電極部７１により覆われている。そして遮蔽電極部７１は遮蔽電極端子５３を介して常にグランド電位である。
【００３３】
このため、たとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部電極層１２に印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳセル１０の外部に漏れることがない。このため、ＵＳセル１０およびＵＳ内視鏡２は特性が安定している。
【００３４】
また、遮蔽電極部７１は、犠牲層７０を用いて作製されるために、工程数の増加が少なく製造が容易である。
【００３５】
＜ＵＳエレメントの製造方法＞
次に、図７（Ａ）〜図７（Ｆ）、図８および図９を用いてＵＳエレメント２０の製造方法について簡単に説明する。
【００３６】
＜ステップＳ１１＞下部電極層形成
導電性シリコンまたは金属、例えば、銅、金、またはアルミニウムからなる導電性材料が、シリコン基板１１の全面にスパッタ法等により成膜される。そして、フォトリソグラフィによるマスクパターンを形成後にエッチングにより部分的に除去することにより、下部電極部１２Ａと下部配線部１２Ｂとを有する下部電極層１２が形成される。
【００３７】
＜ステップＳ１２＞下部絶縁層形成
下部電極層１２を覆うように、ＳｉＮ等の絶縁性材料からなる下部絶縁層１３が例えばＣＶＤ法（化学気相成長法）等により成膜される。
【００３８】
＜ステップＳ１３＞犠牲層形成
下部絶縁層１３の上に、導電性材料の中から選択されたエッチングにより除去可能な材料からなる犠牲層材料が成膜される。そして、図７（Ａ）に示すように犠牲層７０の上に、フォトリソグラフィによるマスクパターン７５が形成される。
【００３９】
＜ステップＳ１４＞犠牲層パターニング
図７（Ｂ）および図８に示すように、犠牲層７０が、エッチング処理により、キャビティの形状（円柱状）のキャビティ部７２と、遮蔽電極部７１と、にドーナツ状の溝部７０Ａを介して分離される。
【００４０】
犠牲層７０の厚さは、キャビティ１４の高さとなるために、例えば、０．０５〜０．３μｍであり、好ましくは０．０５〜０．１５μｍである。
【００４１】
＜ステップＳ１５＞上部絶縁層形成
図７（Ｃ）に示すように、犠牲層パターン（キャビティ部７２および遮蔽電極部７１）の上面に、上部絶縁層１５が、例えば下部絶縁層１３と同様の方法および同様の材料により形成される。このとき、すでに説明したように、溝部７０Ａの内部にも上部絶縁層１５Ａが形成される。
【００４２】
そして、上部絶縁層１５の所定の位置に、キャビティ部７２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。
【００４３】
＜ステップＳ１６＞キャビティ形成
次に、図７（Ｄ）および図９に示すように、キャビティ部７２のエッチング除去によりキャビティ１４が形成される。遮蔽電極部７１は上部絶縁層１５Ａによりキャビティ部７２と分離されているため、エッチング剤により除去されない。すなわち、遮蔽電極部７１は、エッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域である。
【００４４】
例えば犠牲層７０としてタングステン（Ｗ）を用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５として窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いた場合には、エッチング剤として過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を用いる。また犠牲層７０として導電性多結晶シリコンを用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤としてフッ化キセノンガス（ＸｅＦ２）を用いる。
【００４５】
なお、キャビティ１４は円柱形状に限られるものではなく、多角柱形状等でもよい。キャビティ１４が多角柱形状の場合には、上部電極部１６Ａおよび下部電極部１２Ａの平面視形状も多角形とすることが好ましい。
【００４６】
＜ステップＳ１７＞上部電極層形成
図７（Ｅ）に示すように、下部電極層１２と同様の方法および同様の材料により、上部電極部１６Ａと上部配線部１６Ｂとを有する上部電極層１６が形成される。
【００４７】
＜ステップＳ１８＞保護層形成
図８（Ｆ）に示すように、ＵＳエレメント２０の表面が、保護層１７で覆われる。保護層１７は、保護機能だけでなく、音響整合層機能、更にＵＳエレメント２０を連結する機能も有する。
【００４８】
なお、説明を省略したが、下部電極形成工程では下部電極端子５２も形成されており、上部電極形成工程では上部電極端子５１も形成されており、遮蔽電極形成工程（犠牲層形成）では遮蔽電極端子５３も形成されている。保護層１７は、下部電極端子５２、上部電極端子５１および遮蔽電極端子５３を覆わないように形成される。
【００４９】
保護層１７としては、ポリイミド、エポキシ、アクリル、またはポリパラキシレンなどの可撓性の樹脂からなり、耐薬品性が高く、屈曲性を有し、加工が容易のため、特に好ましくはポリイミドである。なお、保護層１７は第１絶縁層の上に、更に生体適合性のある第２絶縁層が形成された２層構造であってもよい。
【００５０】
なお、複数の超音波エレメント２０を、連結方向に所定の直径のラジアル形状に湾曲配置することでＵＳアレイ４０が作製される。例えば、ＵＳアレイ４０は、例えば所定の直径の円筒の外周に接合される。更にＵＳアレイ４０に同軸ケーブル束３５が接続され、ＵＳユニット３０が作製される。
【００５１】
＜ＵＳエレメントの動作＞
次に、図１０を用いて、ＵＳエレメント２０の動作について説明する。下部電極部１２Ａは下部電極端子５２を介して超音波観測装置３の電圧信号発生部３Ａと接続されている。遮蔽電極部７１は遮蔽電極端子５３を介してグランド電位となっている。一方、上部電極部１６Ａは上部電極端子５１を介して容量信号検出部３Ｂと接続されグランド電位となっている。容量信号検出部３Ｂは容量信号（電流変化）を検出する。
【００５２】
超音波発生時には、電圧信号発生部３Ａはバイアス電圧を含む駆動電圧信号を下部電極部１２Ａに印加する。下部電極部１２Ａに電圧が印加されると、グランド電位の上部電極部１６Ａは静電力により下部電極部１２Ａに引き寄せられるため、上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８は変形する。そして下部電極部１２Ａへの電圧印加がなくなると、メンブレン１８は弾性力により元の形に回復する。このメンブレン１８の変形／回復により超音波が発生する。
【００５３】
一方、超音波受信時には、受信した超音波エネルギーにより上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８が変形する。すると上部電極部１６Ａと下部電極部１２Ａとの距離が変化するため、その間の静電容量が変化する。すると容量信号検出部３Ｂに容量変化に伴う電流が流れる。すなわち、受信した超音波エネルギーが容量信号に変換される。
【００５４】
なお、図６および図１０に示すように、ＵＳセル１０では、平面視略円形の下部電極部１２Ａの直径Ｒ１２が、平面視略円形の上部電極部１６Ａの直径Ｒ１６よりも大きく、更に平面視略円形の上部電極部１６Ａの直径Ｒ１６が、平面視略円形のキャビティ１４の直径Ｒ１４よりも大きい。なお、下部電極部１２Ａとキャビティ１４と上部電極部１６Ａの中心を結ぶ直線はシリコン基板１１に垂直である。
【００５５】
このため、ＵＳセル１０では、製造時に積層形成する各層のパターン位置合わせ精度の許容量が大きく製造が容易である。言い換えれば、パターン位置合わせのずれが大きくても、ＵＳセル１０は特性が安定している。
【００５６】
しかし、このために、メンブレン１８の外周領域で、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが対向配置している部分がある。この対向部分はコンデンサを形成しているが、超音波を受信しても静電容量が変化しない寄生容量部（固定容量部）１９である。寄生容量部１９の静電容量が大きいと、メンブレン１８（可変容量部）の静電容量が変化しても、容量信号検出部３Ｂで検出される容量信号（静電容量）の変化率は小さくなってしまう。
【００５７】
しかし、ＵＳエレメント２０では、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが対向配置している外周部にグランド電位の遮蔽電極部７１が配設されている。このため、下部電極部１２Ａと遮蔽電極部７１とが対向配置している部分の上の上部電極部１６Ａは、下部電極部１２Ａとコンデンサを形成していない。すなわち上部電極部１６Ａの外周部は寄生容量の原因とならない。このため、ＵＳエレメント２０は、遮蔽電極部７１のないＵＳエレメントよりも超音波の受信感度が高い。
【００５８】
更に、図６等に示したように、ＵＳエレメント２０の下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとは長手方向が直交している。すなわち、下部配線部１２Ｂは下部電極部１２ＡからＹ軸方向に延設されているのに対して、上部配線部１６Ｂは上部電極部１６ＡからＺ軸方向に延設されている。下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとは対向する領域がないＵＳエレメント２０は、下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとの間で寄生容量が生じないため、超音波の受信感度が高い。
【００５９】
＜第２実施形態＞
次に第２実施形態のＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳエレメント２０Ａを具備する超音波内視鏡２Ａについて説明する。ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６０】
図１１に示すように、ＵＳエレメント２０Ａでは、上部電極層１６を形成するために成膜した導電性材料からなる層の一部（１６Ｃ）が遮蔽電極部７４である。すなわち、遮蔽電極部７４は、上部電極層１６と同時に同じ材料により形成され、上部電極層１６と溝部７５Ａにより分離されている領域である。
【００６１】
ここで、図１２は下部電極層１２のパターンを示している。すでに説明したように、下部電極層１２は、全面に導電性材料層を形成した後に、マスクを介してエッチング処理を行うことにより、下部電極部１２Ａと下部配線部１２Ｂとからなるパターンに加工される。
【００６２】
これに対して、図１２に示すように、上部電極層１６は、全面に導電性材料層を形成した後に、マスクを介してエッチング処理を行うことにより、溝部７５Ａにより遮蔽電極部７４と分離される。
【００６３】
遮蔽電極部７４を具備するＵＳエレメント２０Ａは、たとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部電極層１２に印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳエレメント２０Ａの外部に漏れることがない。このため、ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは特性が安定している。
【００６４】
また、遮蔽電極部７４は、上部電極層１６と同時に作製されるために、工程数の増加が少なく製造が容易である。
【００６５】
＜第３実施形態＞
次に第３実施形態のＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳエレメント２０Ｂを具備する超音波内視鏡２Ｂについて説明する。ＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、ＵＳエレメント２０、２０ＡおよびＵＳ内視鏡２、２Ａと類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６６】
図１４に示すように、ＵＳエレメント２０Ｂは、遮蔽電極部が、第１の遮蔽電極部７１と第２の遮蔽電極部７３とからなる。第１の遮蔽電極部７１は、ＵＳエレメント２０が具備していたのと同じようにエッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域からなる。第２の遮蔽電極部７３は、ＵＳエレメント２０Ａが具備していたのと同じように上部電極層１６と同時に形成され、上部電極層１６と溝部７５Ａにより分離されている領域である。
ＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、２つの遮蔽電極部７１、７３を具備するため、ＵＳエレメント２０、１０ＡおよびＵＳ内視鏡２、２Ａよりも、より特性が安定している。
【００６７】
＜第４実施形態＞
次に第４実施形態のＵＳエレメント２０ＣおよびＵＳエレメント２０Ｃを具備する超音波内視鏡２Ｃについて説明する。ＵＳエレメント２０ＣおよびＵＳ内視鏡２Ｃは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６８】
図１５に示すように、ＵＳエレメント２０Ｃでは、遮蔽電極部７６が、保護層１７を介して下部電極層１２の上側の全面を覆っている。遮蔽電極部７６は、導電性材料、例えばアルミニウム、チタン、導電性プラスチック等からなる。なお、遮蔽電極部７６を更に第２保護層（不図示）が覆っていてもよい。言い換えれば遮蔽電極部７６を、多層構造の保護層の中間層としてもよい。
【００６９】
ＵＳエレメント２０Ｃは、メンブレン１８が遮蔽電極部７６の分だけ厚くなるため、振動しにくくなるという問題点がある。また、遮蔽電極部７６を形成する工程を追加する必要がある。
【００７０】
しかし、ＵＳエレメント２０Ｃはたとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部電極層１２に印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳエレメント２０Ｃの外部に漏れることがない。このため、ＵＳエレメント２０ＣおよびＵＳ内視鏡２Ｃは特性が安定している。
【００７１】
本発明は、上述した実施形態または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。
【符号の説明】
【００７２】
１…超音波内視鏡システム、２…超音波内視鏡、３…超音波観測装置、３Ａ…電圧信号発生部、３Ｂ…容量信号検出部、１０…超音波セル、１１…シリコン基板、１２…下部電極層、１２Ａ…下部電極部、１２Ｂ…下部配線部、１３…下部絶縁層、１４…キャビティ、１５…上部絶縁層、１６…上部電極層、１６Ａ…上部電極部、１６Ｂ…上部配線部、１７…保護層、１８…メンブレン、２０…超音波エレメント、３０…超音波ユニット、４０…超音波アレイ、５１…上部電極端子、５２…下部電極端子、５３…遮蔽電極端子、７０…犠牲層、７０Ａ…溝部、７１…遮蔽電極部、７２…キャビティ部、７３…遮蔽電極部、７４…遮蔽電極部、７５Ａ…溝部、７６…遮蔽電極部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型の超音波エレメント、および、前記超音波エレメントを具備する超音波内視鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
体内に超音波を照射し、エコー信号から体内の状態を画像化して診断する超音波診断法が普及している。超音波診断法に用いられる超音波診断装置の１つに超音波内視鏡（以下、「ＵＳ内視鏡」という）がある。ＵＳ内視鏡は、体内へ導入される挿入部の先端硬性部に超音波振動子が配設されている。超音波振動子は電気信号を超音波に変換し体内へ送信し、また体内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する機能を有する。
【０００３】
これまでは、超音波振動子には、環境負荷が大きい鉛を含むセラミック圧電材、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）等が主に使用されていた。これに対して、カロンティらは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される、材料に鉛を含まない静電容量型超音波振動子（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ−ＭＵＴ」という）を開示している。ｃ−ＭＵＴは、上部電極部と下部電極部とが空洞部（キャビティ）を介して対向配置した超音波セル（以下、「ＵＳセル」という）を単位素子とする。そして、それぞれの電極部が配線部により接続された複数のＵＳセルを配列して超音波エレメント（以下、「ＵＳエレメント」という）を構成している。
【０００４】
ＵＳセルは、下部電極部と上部電極部との間に電圧を印加することで、静電力により上部電極部を含むメンブレン（振動部）を振動して超音波を発生する。また外部から超音波が入射すると両電極の間隔が変化するため、静電容量の変化から超音波を電気信号に変換する。なお、超音波受信送信時だけでなく超音波受信時にも、送受信の効率を向上するため、電極間に所定のバイアス電圧が印加される。
【０００５】
ｃ−ＭＵＴでは、安定した特性を得るために、超音波発生のための駆動信号および超音波受信のためのバイアス信号は下部電極部に印加されており、上部電極部は常にグランド電位（接地電位）とされている。
【０００６】
しかし、下部電極部または下部配線部を覆っている絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されることがある。すると、印加された電位が欠陥部からＵＳセルの外部に漏れ出るため、ＵＳセルおよびＵＳ内視鏡の特性が不安定になるおそれがあった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】カロンティら、マイクロエレクトロニクスジャーナル（Microelectronics Journal）、２００６年、３７巻、ｐ７７０−７７７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の実施形態は、特性が安定した超音波エレメントおよび特性が安定した超音波内視鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態の超音波エレメントは、基体と、複数の下部電極部と、前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部と、を有し、駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、下部絶縁層と、複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、それぞれの前記キャビティを介して、それぞれの前記下部電極部と対向配置している複数の上部電極部と、前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部と、を有し、容量信号を検出するための、グランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、保護層と、が前記基体の上に順に積層されており、少なくとも前記下部配線部の上側に形成された、グランド電位の遮蔽電極端子と接続された遮蔽電極部を更に具備する。
【００１０】
また本発明の別の実施形態の超音波内視鏡は、前記記載の超音波エレメントを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、特性が安定した超音波エレメントおよび特性が安定した超音波内視鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態の超音波内視鏡を説明するための外観図である。
【図２】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部を説明するための斜視図である。
【図３】第１実施形態の超音波内視鏡の先端部の超音波アレイの構成を説明するための斜視図である。
【図４】第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための上面図である。
【図５】第１実施形態の超音波エレメントの構造を説明するための図４のＶ−Ｖ線に沿った部分断面図である。
【図６】第１実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【図７】第１実施形態の超音波セルの製造方法を説明するための断面図である。
【図８】第１実施形態の超音波セルの犠牲層のパターンを示す上面図である。
【図９】第１実施形態の超音波セルの遮蔽電極部のパターンを示す上面図である。
【図１０】第１実施形態の超音波セルの動作を説明するための模式図である。
【図１１】第２実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【図１２】第２実施形態の超音波セルの下部電極層のパターンを示す上面図である。
【図１３】第２実施形態の超音波セルの上部電極層のパターンを示す上面図である。
【図１４】第３実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【図１５】第４実施形態の超音波セルの構造を説明するための分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜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、および、超音波エレメント２０を有する超音波内視鏡２について説明する。
【００１４】
＜超音波内視鏡の構成＞
図１に示すようにＵＳ内視鏡２は、超音波観測装置３およびモニタ４とともに超音波内視鏡システム１を構成する。ＵＳ内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部２１と、挿入部２１の基端に配された操作部２２と、操作部２２の側部から延出したユニバーサルコード２３と、を具備する。
【００１５】
ユニバーサルコード２３の基端部には、光源装置（不図示）に接続されるコネクタ２４Ａが配設されている。コネクタ２４Ａからは、カメラコントロールユニット（不図示）にコネクタ２５Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２５と、超音波観測装置３にコネクタ２６Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル２６と、が延出している。超音波観測装置３にはモニタ４が接続される。
【００１６】
挿入部２１は、先端側から順に、先端硬性部（以下、「先端部」という）３７と、先端部３７の後端に位置する湾曲部３８と、湾曲部３８の後端に位置して操作部２２に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部３９と、を連設して構成されている。そして、先端部３７の先端側には超音波ユニット３０が配設されている。
【００１７】
操作部２２には、湾曲部３８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ２２Ａと、送気および送水操作を行う送気送水ボタン２２Ｂと、吸引操作を行う吸引ボタン２２Ｃと、体内に導入する処置具の入り口となる処置具挿入口２２Ｄ等と、が配設されている。
【００１８】
そして、図２に示すように、超音波ユニット（ＵＳユニット）３０が、設けられた先端部３７には、照明光学系を構成する照明用レンズカバー３１と、観察光学系の観察用レンズカバー３２と、吸引口を兼ねる鉗子口３３と、図示しない送気送水ノズルと、が配設されている。
【００１９】
図３に示すように、ＵＳユニット３０の超音波アレイ（ＵＳアレイ）４０は、複数の平面視矩形の超音波エレメント２０の長辺が連結され、円筒状に湾曲配置されたラジアル型振動子群である。すなわち、ＵＳアレイ４０では、例えば、直径２ｍｍの円筒の側面に、短辺が０．１ｍｍ以下のＵＳエレメント２０が２００個、３６０度方向に配設されている。なお、ＵＳアレイ４０は、ラジアル型振動子群であるが、ＵＳアレイは、凸形状に折り曲げしたコンベックス型振動子群であってもよい。
【００２０】
円筒状の超音波アレイ４０の端部には、複数の下部電極端子５２が配列しており、それぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの信号線６２と接続されている。上部電極端子５１はそれぞれが同軸ケーブル束３５の、それぞれの容量検出線６１と接続されている。遮蔽電極端子５３は、それぞれが同軸ケーブル束３５のシールド線６３と接続されている。すなわち同軸ケーブル束３５は、複数の信号線６２および複数の容量検出線６１の合計数と同じ本数の芯線のある同軸ケーブルからなる。
【００２１】
同軸ケーブル束３５は、先端部３７と、湾曲部３８と、可撓管部３９と、操作部２２と、ユニバーサルコード２３と、超音波ケーブル２６と、に挿通され、超音波コネクタ２６Ａを介して、超音波観測装置３と接続されている。
【００２２】
＜送受信部の構成＞
次に、図４、図５および図６を用いて、ＵＳエレメント２０および超音波セル（ＵＳセル）１０の構成について説明する。なお、図はいずれも説明のための模式図であり、パターンの数、厚さ、大きさ、および大きさ等の比率は実際とは異なる。
【００２３】
図４に示すように、ＵＳエレメント２０には、複数の静電容量型のＵＳセル１０がマトリックス状に配置されている。なお説明のため図４では一部のＵＳセル１０のみ示している。ＵＳセル１０の配置は、規則的な格子配置、千鳥配置、または、三角メッシュ配置等であってもよいし、ランダム配置であってもよい。そしてＵＳエレメント２０の一方の端部には下部電極端子５２が、他方の端部には上部電極端子５１と遮蔽電極端子５３とが配設されている。
【００２４】
図５および図６に示すように、ＵＳセル１０は、基体であるシリコン基板１１上に、順に積層された、下部電極端子５２と接続された下部電極層１２と、下部絶縁層（第１絶縁層）１３と、円筒状のキャビティ１４が形成された上部絶縁層（第２絶縁層）１５と、上部電極端子５１と接続された上部電極層１６と、保護層（第３絶縁層）１７と、を有する。シリコン基板１１は、シリコン１１Ａの表面にシリコン熱酸化膜１１Ｂ、１１Ｃを形成した基板である。
【００２５】
すなわち、それぞれのＵＳセル１０は、キャビティ１４を介して対向配置している下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとを有する。
【００２６】
下部電極層１２は、平面視円形の複数の下部電極部１２Ａと、下部電極部１２Ａの縁辺部から２方向に延設している複数の下部配線部１２Ｂと、を有する。下部配線部１２Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの下部電極部１２Ａを接続している。そして、下部配線部１２Ｂは下部電極端子５２と接続されている。
【００２７】
上部電極層１６は、平面視円形の複数の上部電極部１６Ａと、上部電極部１６Ａの縁辺部から２方向に延設している複数の上部配線部１６Ｂと、を有する。上部配線部１６Ｂは、同じＵＳエレメント２０の他のＵＳセルの上部電極部１６Ａを接続している。そして、上部配線部１６Ｂは上部電極端子５１と接続されている。
【００２８】
すなわち。同じＵＳエレメント２０に配置された複数のＵＳセル１０の全ての下部電極部１２Ａは互いに接続されており、全ての上部電極部１６Ａも互いに接続されている。
【００２９】
図５および図６に示す上記構造のＵＳセル１０では、キャビティ１４の直上領域の、上部絶縁層１５と上部電極層１６と保護層１７とが、振動部であるメンブレン１８を構成している。
【００３０】
そして、ＵＳセル１０は、キャビティ１４の外周部に遮蔽電極部７１を有する。遮蔽電極部７１は、下部配線部１２Ｂの上側を含む領域に形成された導電性材料からなる電極であり、遮蔽電極端子５３と接続されている。後述するように、キャビティ１４は上部絶縁層１５に覆われた導電性材料からなる犠牲層７０がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、遮蔽電極部７１は、エッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域である。
【００３１】
なお、図６では図示の都合上、上部絶縁層１５を上部絶縁層１５Ａと上部絶縁層１５Ｂとに分離して表示しているが、上部絶縁層１５Ａと上部絶縁層１５Ｂとは同時に一体形成される。そして、犠牲層７０に形成された溝部７０Ａに進入した部分が上部絶縁層１５Ａである。
【００３２】
ＵＳエレメント２０では、下部配線部１２Ｂの上側は、下部絶縁層１３、上部絶縁層１５および保護層１７だけでなく、遮蔽電極部７１により覆われている。そして遮蔽電極部７１は遮蔽電極端子５３を介して常にグランド電位である。
【００３３】
このため、たとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部電極層１２に印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳセル１０の外部に漏れることがない。このため、ＵＳセル１０およびＵＳ内視鏡２は特性が安定している。
【００３４】
また、遮蔽電極部７１は、犠牲層７０を用いて作製されるために、工程数の増加が少なく製造が容易である。
【００３５】
＜ＵＳエレメントの製造方法＞
次に、図７（Ａ）〜図７（Ｆ）、図８および図９を用いてＵＳエレメント２０の製造方法について簡単に説明する。
【００３６】
＜ステップＳ１１＞下部電極層形成
導電性シリコンまたは金属、例えば、銅、金、またはアルミニウムからなる導電性材料が、シリコン基板１１の全面にスパッタ法等により成膜される。そして、フォトリソグラフィによるマスクパターンを形成後にエッチングにより部分的に除去することにより、下部電極部１２Ａと下部配線部１２Ｂとを有する下部電極層１２が形成される。
【００３７】
＜ステップＳ１２＞下部絶縁層形成
下部電極層１２を覆うように、ＳｉＮ等の絶縁性材料からなる下部絶縁層１３が例えばＣＶＤ法（化学気相成長法）等により成膜される。
【００３８】
＜ステップＳ１３＞犠牲層形成
下部絶縁層１３の上に、導電性材料の中から選択されたエッチングにより除去可能な材料からなる犠牲層材料が成膜される。そして、図７（Ａ）に示すように犠牲層７０の上に、フォトリソグラフィによるマスクパターン７５が形成される。
【００３９】
＜ステップＳ１４＞犠牲層パターニング
図７（Ｂ）および図８に示すように、犠牲層７０が、エッチング処理により、キャビティの形状（円柱状）のキャビティ部７２と、遮蔽電極部７１と、にドーナツ状の溝部７０Ａを介して分離される。
【００４０】
犠牲層７０の厚さは、キャビティ１４の高さとなるために、例えば、０．０５〜０．３μｍであり、好ましくは０．０５〜０．１５μｍである。
【００４１】
＜ステップＳ１５＞上部絶縁層形成
図７（Ｃ）に示すように、犠牲層パターン（キャビティ部７２および遮蔽電極部７１）の上面に、上部絶縁層１５が、例えば下部絶縁層１３と同様の方法および同様の材料により形成される。このとき、すでに説明したように、溝部７０Ａの内部にも上部絶縁層１５Ａが形成される。
【００４２】
そして、上部絶縁層１５の所定の位置に、キャビティ部７２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。
【００４３】
＜ステップＳ１６＞キャビティ形成
次に、図７（Ｄ）および図９に示すように、キャビティ部７２のエッチング除去によりキャビティ１４が形成される。遮蔽電極部７１は上部絶縁層１５Ａによりキャビティ部７２と分離されているため、エッチング剤により除去されない。すなわち、遮蔽電極部７１は、エッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域である。
【００４４】
例えば犠牲層７０としてタングステン（Ｗ）を用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５として窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いた場合には、エッチング剤として過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）を用いる。また犠牲層７０として導電性多結晶シリコンを用い、下部絶縁層１３および上部絶縁層１５としてＳｉＮを用いた場合には、エッチング剤としてフッ化キセノンガス（ＸｅＦ２）を用いる。
【００４５】
なお、キャビティ１４は円柱形状に限られるものではなく、多角柱形状等でもよい。キャビティ１４が多角柱形状の場合には、上部電極部１６Ａおよび下部電極部１２Ａの平面視形状も多角形とすることが好ましい。
【００４６】
＜ステップＳ１７＞上部電極層形成
図７（Ｅ）に示すように、下部電極層１２と同様の方法および同様の材料により、上部電極部１６Ａと上部配線部１６Ｂとを有する上部電極層１６が形成される。
【００４７】
＜ステップＳ１８＞保護層形成
図８（Ｆ）に示すように、ＵＳエレメント２０の表面が、保護層１７で覆われる。保護層１７は、保護機能だけでなく、音響整合層機能、更にＵＳエレメント２０を連結する機能も有する。
【００４８】
なお、説明を省略したが、下部電極形成工程では下部電極端子５２も形成されており、上部電極形成工程では上部電極端子５１も形成されており、遮蔽電極形成工程（犠牲層形成）では遮蔽電極端子５３も形成されている。保護層１７は、下部電極端子５２、上部電極端子５１および遮蔽電極端子５３を覆わないように形成される。
【００４９】
保護層１７としては、ポリイミド、エポキシ、アクリル、またはポリパラキシレンなどの可撓性の樹脂からなり、耐薬品性が高く、屈曲性を有し、加工が容易のため、特に好ましくはポリイミドである。なお、保護層１７は第１絶縁層の上に、更に生体適合性のある第２絶縁層が形成された２層構造であってもよい。
【００５０】
なお、複数の超音波エレメント２０を、連結方向に所定の直径のラジアル形状に湾曲配置することでＵＳアレイ４０が作製される。例えば、ＵＳアレイ４０は、例えば所定の直径の円筒の外周に接合される。更にＵＳアレイ４０に同軸ケーブル束３５が接続され、ＵＳユニット３０が作製される。
【００５１】
＜ＵＳエレメントの動作＞
次に、図１０を用いて、ＵＳエレメント２０の動作について説明する。下部電極部１２Ａは下部電極端子５２を介して超音波観測装置３の電圧信号発生部３Ａと接続されている。遮蔽電極部７１は遮蔽電極端子５３を介してグランド電位となっている。一方、上部電極部１６Ａは上部電極端子５１を介して容量信号検出部３Ｂと接続されグランド電位となっている。容量信号検出部３Ｂは容量信号（電流変化）を検出する。
【００５２】
超音波発生時には、電圧信号発生部３Ａはバイアス電圧を含む駆動電圧信号を下部電極部１２Ａに印加する。下部電極部１２Ａに電圧が印加されると、グランド電位の上部電極部１６Ａは静電力により下部電極部１２Ａに引き寄せられるため、上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８は変形する。そして下部電極部１２Ａへの電圧印加がなくなると、メンブレン１８は弾性力により元の形に回復する。このメンブレン１８の変形／回復により超音波が発生する。
【００５３】
一方、超音波受信時には、受信した超音波エネルギーにより上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８が変形する。すると上部電極部１６Ａと下部電極部１２Ａとの距離が変化するため、その間の静電容量が変化する。すると容量信号検出部３Ｂに容量変化に伴う電流が流れる。すなわち、受信した超音波エネルギーが容量信号に変換される。
【００５４】
なお、図６および図１０に示すように、ＵＳセル１０では、平面視略円形の下部電極部１２Ａの直径Ｒ１２が、平面視略円形の上部電極部１６Ａの直径Ｒ１６よりも大きく、更に平面視略円形の上部電極部１６Ａの直径Ｒ１６が、平面視略円形のキャビティ１４の直径Ｒ１４よりも大きい。なお、下部電極部１２Ａとキャビティ１４と上部電極部１６Ａの中心を結ぶ直線はシリコン基板１１に垂直である。
【００５５】
このため、ＵＳセル１０では、製造時に積層形成する各層のパターン位置合わせ精度の許容量が大きく製造が容易である。言い換えれば、パターン位置合わせのずれが大きくても、ＵＳセル１０は特性が安定している。
【００５６】
しかし、このために、メンブレン１８の外周領域で、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが対向配置している部分がある。この対向部分はコンデンサを形成しているが、超音波を受信しても静電容量が変化しない寄生容量部（固定容量部）１９である。寄生容量部１９の静電容量が大きいと、メンブレン１８（可変容量部）の静電容量が変化しても、容量信号検出部３Ｂで検出される容量信号（静電容量）の変化率は小さくなってしまう。
【００５７】
しかし、ＵＳエレメント２０では、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが対向配置している外周部にグランド電位の遮蔽電極部７１が配設されている。このため、下部電極部１２Ａと遮蔽電極部７１とが対向配置している部分の上の上部電極部１６Ａは、下部電極部１２Ａとコンデンサを形成していない。すなわち上部電極部１６Ａの外周部は寄生容量の原因とならない。このため、ＵＳエレメント２０は、遮蔽電極部７１のないＵＳエレメントよりも超音波の受信感度が高い。
【００５８】
更に、図６等に示したように、ＵＳエレメント２０の下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとは長手方向が直交している。すなわち、下部配線部１２Ｂは下部電極部１２ＡからＹ軸方向に延設されているのに対して、上部配線部１６Ｂは上部電極部１６ＡからＺ軸方向に延設されている。下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとは対向する領域がないＵＳエレメント２０は、下部配線部１２Ｂと上部配線部１６Ｂとの間で寄生容量が生じないため、超音波の受信感度が高い。
【００５９】
＜第２実施形態＞
次に第２実施形態のＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳエレメント２０Ａを具備する超音波内視鏡２Ａについて説明する。ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６０】
図１１に示すように、ＵＳエレメント２０Ａでは、上部電極層１６を形成するために成膜した導電性材料からなる層の一部（１６Ｃ）が遮蔽電極部７４である。すなわち、遮蔽電極部７４は、上部電極層１６と同時に同じ材料により形成され、上部電極層１６と溝部７５Ａにより分離されている領域である。
【００６１】
ここで、図１２は下部電極層１２のパターンを示している。すでに説明したように、下部電極層１２は、全面に導電性材料層を形成した後に、マスクを介してエッチング処理を行うことにより、下部電極部１２Ａと下部配線部１２Ｂとからなるパターンに加工される。
【００６２】
これに対して、図１２に示すように、上部電極層１６は、全面に導電性材料層を形成した後に、マスクを介してエッチング処理を行うことにより、溝部７５Ａにより遮蔽電極部７４と分離される。
【００６３】
遮蔽電極部７４を具備するＵＳエレメント２０Ａは、たとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部電極層１２に印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳエレメント２０Ａの外部に漏れることがない。このため、ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳ内視鏡２Ａは特性が安定している。
【００６４】
また、遮蔽電極部７４は、上部電極層１６と同時に作製されるために、工程数の増加が少なく製造が容易である。
【００６５】
＜第３実施形態＞
次に第３実施形態のＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳエレメント２０Ｂを具備する超音波内視鏡２Ｂについて説明する。ＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、ＵＳエレメント２０、２０ＡおよびＵＳ内視鏡２、２Ａと類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６６】
図１４に示すように、ＵＳエレメント２０Ｂは、遮蔽電極部が、第１の遮蔽電極部７１と第２の遮蔽電極部７３とからなる。第１の遮蔽電極部７１は、ＵＳエレメント２０が具備していたのと同じようにエッチング処理により除去されなかった犠牲層７０の残存領域からなる。第２の遮蔽電極部７３は、ＵＳエレメント２０Ａが具備していたのと同じように上部電極層１６と同時に形成され、上部電極層１６と溝部７５Ａにより分離されている領域である。
ＵＳエレメント２０ＢおよびＵＳ内視鏡２Ｂは、２つの遮蔽電極部７１、７３を具備するため、ＵＳエレメント２０、１０ＡおよびＵＳ内視鏡２、２Ａよりも、より特性が安定している。
【００６７】
＜第４実施形態＞
次に第４実施形態のＵＳエレメント２０ＣおよびＵＳエレメント２０Ｃを具備する超音波内視鏡２Ｃについて説明する。ＵＳエレメント２０ＣおよびＵＳ内視鏡２Ｃは、ＵＳエレメント２０およびＵＳ内視鏡２と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６８】
図１５に示すように、ＵＳエレメント２０Ｃでは、遮蔽電極部７６が、保護層１７を介して下部電極層１２の上側の全面を覆っている。遮蔽電極部７６は、導電性材料、例えばアルミニウム、チタン、導電性プラスチック等からなる。なお、遮蔽電極部７６を更に第２保護層（不図示）が覆っていてもよい。言い換えれば遮蔽電極部７６を、多層構造の保護層の中間層としてもよい。
【００６９】
ＵＳエレメント２０Ｃは、メンブレン１８が遮蔽電極部７６の分だけ厚くなるため、振動しにくくなるという問題点がある。また、遮蔽電極部７６を形成する工程を追加する必要がある。
【００７０】
しかし、ＵＳエレメント２０Ｃはたとえ絶縁膜の一部が、ゴミまたは欠陥などに起因して破壊されても、下部電極層１２に印加される電圧信号（駆動信号およびバイアス信号）がＵＳエレメント２０Ｃの外部に漏れることがない。このため、ＵＳエレメント２０ＣおよびＵＳ内視鏡２Ｃは特性が安定している。
【００７１】
本発明は、上述した実施形態または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。
【符号の説明】
【００７２】
１…超音波内視鏡システム、２…超音波内視鏡、３…超音波観測装置、３Ａ…電圧信号発生部、３Ｂ…容量信号検出部、１０…超音波セル、１１…シリコン基板、１２…下部電極層、１２Ａ…下部電極部、１２Ｂ…下部配線部、１３…下部絶縁層、１４…キャビティ、１５…上部絶縁層、１６…上部電極層、１６Ａ…上部電極部、１６Ｂ…上部配線部、１７…保護層、１８…メンブレン、２０…超音波エレメント、３０…超音波ユニット、４０…超音波アレイ、５１…上部電極端子、５２…下部電極端子、５３…遮蔽電極端子、７０…犠牲層、７０Ａ…溝部、７１…遮蔽電極部、７２…キャビティ部、７３…遮蔽電極部、７４…遮蔽電極部、７５Ａ…溝部、７６…遮蔽電極部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
複数の下部電極部と、前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部と、を有し、駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、
下部絶縁層と、
複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、
それぞれの前記キャビティを介して、それぞれの前記下部電極部と対向配置している複数の上部電極部と、前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部と、を有し、容量信号を検出するための、グランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、
保護層と、が前記基体の上に順に積層されており、
少なくとも前記下部配線部の上側に形成された、グランド電位の遮蔽電極端子と接続された遮蔽電極部を更に具備することを特徴とする超音波エレメント。
【請求項２】
前記キャビティが、前記上部絶縁層に覆われた導電性材料からなる犠牲層がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、
前記遮蔽電極部が、前記エッチング処理により除去されなかった前記犠牲層の残存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。
【請求項３】
前記遮蔽電極部が、前記上部電極層と同時に形成され、前記上部電極層と溝部により分離され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。
【請求項４】
前記遮蔽電極部が、第１の遮蔽電極部と第２の遮蔽電極部とからなり、
前記キャビティが、前記上部絶縁層に覆われた導電性材料からなる犠牲層がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、
前記第１の遮蔽電極部が前記エッチング処理により除去されなかった前記犠牲層の残存領域であり、前記第２の遮蔽電極部が前記上部電極層と同時に形成され、前記上部電極層と溝部により分離され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。
【請求項５】
前記遮蔽電極部が、前記保護層を介して前記下部電極層の上側の全面を覆っ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。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の前記超音波エレメントを有する超音波内視鏡。
【請求項１】
基体と、
複数の下部電極部と、前記複数の下部電極部を接続する複数の下部配線部と、を有し、駆動信号およびバイアス信号が印加される下部電極端子と接続された下部電極層と、
下部絶縁層と、
複数のキャビティが形成された上部絶縁層と、
それぞれの前記キャビティを介して、それぞれの前記下部電極部と対向配置している複数の上部電極部と、前記複数の上部電極部を接続する複数の上部配線部と、を有し、容量信号を検出するための、グランド電位の上部電極端子と接続された上部電極層と、
保護層と、が前記基体の上に順に積層されており、
少なくとも前記下部配線部の上側に形成された、グランド電位の遮蔽電極端子と接続された遮蔽電極部を更に具備することを特徴とする超音波エレメント。
【請求項２】
前記キャビティが、前記上部絶縁層に覆われた導電性材料からなる犠牲層がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、
前記遮蔽電極部が、前記エッチング処理により除去されなかった前記犠牲層の残存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。
【請求項３】
前記遮蔽電極部が、前記上部電極層と同時に形成され、前記上部電極層と溝部により分離され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。
【請求項４】
前記遮蔽電極部が、第１の遮蔽電極部と第２の遮蔽電極部とからなり、
前記キャビティが、前記上部絶縁層に覆われた導電性材料からなる犠牲層がエッチング処理により部分的に除去された領域であり、
前記第１の遮蔽電極部が前記エッチング処理により除去されなかった前記犠牲層の残存領域であり、前記第２の遮蔽電極部が前記上部電極層と同時に形成され、前記上部電極層と溝部により分離され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。
【請求項５】
前記遮蔽電極部が、前記保護層を介して前記下部電極層の上側の全面を覆っ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。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の前記超音波エレメントを有する超音波内視鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−２１５１１（Ｐ２０１３−２１５１１Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３２７８（Ｐ２０１１−１５３２７８）
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（３０４０５０９２３）オリンパスメディカルシステムズ株式会社 (1,905)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（３０４０５０９２３）オリンパスメディカルシステムズ株式会社 (1,905)
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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