超音波エレメントおよび超音波内視鏡
【課題】感度が高く製造が容易な超音波エレメントを提供する。
【解決手段】超音波エレメント２０は、第１の下部電極と第１の上部電極とが、第１の下部誘電体層、第１のキャビティおよび第１の上部誘電体層を介して対向配置している複数の送信用の第１の超音波セル１０Ａと、第２の下部電極１２Ａと第２の上部電極１６Ａとが、第２の下部誘電体層１３、第２のキャビティ１４および第２の上部誘電体層１５を介して対向配置している複数の受信用の第２の超音波セル１０Ｂと、を具備し、前記第２の超音波セル１０Ｂの受信感度が、前記第１の超音波セル１０Ａの受信感度よりも高い。
【解決手段】超音波エレメント２０は、第１の下部電極と第１の上部電極とが、第１の下部誘電体層、第１のキャビティおよび第１の上部誘電体層を介して対向配置している複数の送信用の第１の超音波セル１０Ａと、第２の下部電極１２Ａと第２の上部電極１６Ａとが、第２の下部誘電体層１３、第２のキャビティ１４および第２の上部誘電体層１５を介して対向配置している複数の受信用の第２の超音波セル１０Ｂと、を具備し、前記第２の超音波セル１０Ｂの受信感度が、前記第１の超音波セル１０Ａの受信感度よりも高い。
【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し、特に受信用超音波セルと送信用超音波セルとを有する超音波エレメント、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】
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る。これに対して、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 Micro-machined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ−ＭＵＴ」という）の開発が進んでいる。
【０００４】
ｃ−ＭＵＴは、上部電極と下部電極とが空洞部（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。ＵＳセルでは、キャビティの上側の上部電極を含むメンブレンが振動部を構成している。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。
【０００５】
ＵＳセルは、下部電極と上部電極との間に電圧を印加することで、静電力により上部電極を含むメンブレンを振動して超音波を発生する。また外部からメンブレンに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。
【０００６】
特表２００５−５１０２６４号公報（米国特許第６５８５６５３号明細書）には、送信用のＵＳセルと受信用のＵＳセルとを有するｃ−ＭＵＴが開示されている。
【０００７】
しかし、送信専用ＵＳセルと受信専用ＵＳセルとを有するｃ−ＭＵＴは、送信用ＵＳセルと受信用ＵＳセルとは構造または寸法等が異なるため、同時に作製することは容易ではないことがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００５−５１０２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の実施形態は、高感度でかつ製造が容易な超音波エレメントおよび高感度でかつ製造が容易な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】
【００１０】
本発明の実施形態の超音波エレメントは、それぞれが、第１の下部電極と第１の上部電極とが、第１の下部誘電体層、第１のキャビティおよび第１の上部誘電体層を介して対向配置している超音波を送信する複数の第１の超音波セルと、それぞれが、第２の下部電極と第２の上部電極とが、第２の下部誘電体層、第２のキャビティおよび第２の上部誘電体層を介して対向配置している超音波を受信する複数の第２の超音波セルと、を具備し、前記第２の超音波セルの受信感度が前記第１の超音波セルの受信感度よりも高い。
【００１１】
また別の実施形態の超音波内視鏡は、上記記載の超音波エレメントを有する先端硬性部を具備する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、高感度でかつ製造が容易な超音波エレメントおよび高感度でかつ製造が容易な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】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の超音波内視鏡を具備する内視鏡システムを説明するための外観図である。
【図２】第１の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の実施形態の超音波エレメントの構成を説明するための斜視図である。
【図４】第１の実施形態の超音波エレメントの超音波セルの分解図である。
【図５】第１の実施形態の超音波エレメントの超音波セルの部分断面図である。
【図６】第２の実施形態の超音波エレメントの超音波セルの部分断面図である。
【図７】第３の実施形態の超音波エレメントの超音波セルの部分断面図である。
【図８】第４の実施形態の超音波エレメントの超音波セルの部分断面図である。
【図９】第５の実施形態の超音波エレメントの構成を説明するための上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して第１の実施形態の超音波エレメント（ＵＳエレメント）２０、および、ＵＳエレメント２０を有する超音波内視鏡（以下、「ＵＳ内視鏡」という）２について説明する。
【００１５】
＜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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、超音波送受部である超音波ユニット（ＵＳユニット）３０が配設されている。
【００１８】
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。
【００１９】
そして、図２に示すように、超音波を送受信する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。
【００２０】
図２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、複数の平面視長方形のＵＳ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、配設されている。
【００２１】
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、凸形状に湾曲したコンベックス型振動子群であってもよい。
【００２２】
＜超音波エレメントの構成＞
図３に示すように、ＵＳエレメント２０には、複数の送信専用の第１の超音波セル１０Ａと、複数の受信専用の第２の超音波セル１０Ｂと、がマトリックス状に２次元配置されている。なお、以下の図はいずれも説明のための模式図であり、パターンの数、形状、厚さ、大きさ、および大きさ等の比率は実際とは異なる。
【００２３】
超音波セル１０Ａは超音波を送信する第１のＵＳセルであり、超音波セル１０Ｂは超音波を受信する第２のＵＳセルである。そして超音波セル１０Ｂの受信感度が、超音波セル１０Ａの受信感度よりも高い。なお、超音波セル１０Ａは送信専用セルであるために受信された超音波は超音波画像生成等には利用されない。
【００２４】
＜超音波セルの基本構造＞
ＵＳセル１０ＡおよびＵＳセル１０Ｂの構成は類似しており、かつ、同時に同じ方法および同じ材料により作製されるため、以下ＵＳセル１０として説明する。
【００２５】
図４に示すように、ＵＳセル１０は、下部電極１２Ａと上部電極１６Ａとが、下部誘電体層１３、キャビティ１４および上部誘電体層１５を介して対向配置している。すなわち、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、下部電極層１２と、下部誘電体層１３と、キャビティ１４が形成された上部誘電体層１５と、上部電極層１６と、保護層１７と、を有する。キャビティ１４の直上の、上部誘電体層１５の一部１５Ｂ〜保護層１７が、振動膜であるメンブレン１８を構成している。
【００２６】
シリコン基板１１は、シリコンの表面にシリコン熱酸化膜を形成した基板である。シリコン基板１１の厚さは、例えば、１００〜６００μｍであり、好ましくは２００〜３００μｍである。
【００２７】
シリコン基板１１の一面上に形成される下部電極層１２は、モリブデン等の金属、またシリコンなどの導電性材料からなる。導電性材料はシリコン基板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パターンマスク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１２Ａおよび配線部１２Ｂが形成される。
【００２８】
すなわち、下部電極層１２は、円形の下部電極１２Ａと、下部電極１２Ａの縁辺部の二方から延設している配線部１２Ｂとからなる。
【００２９】
次に、下部電極層１２が形成されたシリコン基板１１の一面に、下部誘電体層１３がＣＶＤ法（化学気相成長法）等により成膜される。
【００３０】
そして下部誘電体層１３上に、犠牲層材料を成膜した後、フォトリソグラフィによるパターンマスクを形成後に部分的に除去（パターニング）することで、キャビティ１４の形状の犠牲層が形成される。犠牲層材料としては、例えば、リンガラス（ＰＳＧ：含リン酸化シリコン）、二酸化ケイ素、ポリシリコン、または金属などを用いる。
【００３１】
犠牲層が形成された下部誘電体層１３の上面に、上部誘電体層１５が、例えば下部誘電体層１３と同様の方法および同様の材料により形成される。なお、図４に示すように、上部誘電体層１５は、犠牲層と同じ厚さの上部誘電体層１５Ａと、犠牲層の上に形成される上部誘電体層１５Ｂと、からなるとみなすこともできる。もちろん、上部誘電体層１５Ａと上部誘電体層１５Ｂとは同時に形成される。そして、キャビティ１４の形状の犠牲層の上に形成された上部誘電体層１５Ｂが、メンブレン１８の一部となる。
【００３２】
次に、犠牲層のエッチングによりキャビティ１４が形成される。
エッチング剤は、下部誘電体層１３、上部誘電体層１５および犠牲層の材料により適宜選択される液体または気体である。例えば犠牲層としてリンガラスを用い、誘電体層１３と１５にチッ化シリコンを用いた場合は、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。ＨＦ溶液はリンガラスを溶解するが、チッ化シリコンは溶解しにくい。このため、犠牲層が除去され、下部誘電体層１３と上部誘電体層１５との間に、キャビティ１４が形成される。
【００３３】
次に、上部電極１６Ａと配線部１６Ｂとからなる上部電極層１６が、下部電極層１２と同様に形成される。上部電極層１６は、例えば０．５〜１．０μｍのアルミニウムからなる。
【００３４】
例えば、円形の上部電極１６Ａおよび下部電極１２Ａの大きさは、いずれもキャビティ１４と略同径である。
また、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１６Ａおよび下部電極１２Ａの形状も多角形とすることが好ましい。
【００３５】
最後に、上部電極層１６を覆う保護層１７が形成される。保護層１７は、例えば、上部誘電体層１５と同様の方法および同様の材料により形成される。なお、保護層１７は誘電体層の上に、更にポリパラキシリレン等の生体適合性のある外皮膜が形成された２層構造であってもよい。保護層１７の厚さは、例えば０．２〜１．５μｍであり、好ましくは０．５〜１．０μｍである。
【００３６】
次に、図３におけるＩＶ-ＩＶ断面の一部である図５を用いて、ＵＳセル１０ＡとＵＳセル１０Ｂとを比較しながら、その構成について説明する。なお、以下の図においては、配線部１２Ｂ、１６Ｂは表示しない。
【００３７】
図５に示すように、ＵＳエレメント２０では、ＵＳセル１０Ａのキャビティ１４の高さ１４Ｔ１が、ＵＳセル１０Ｂのキャビティ１４の高さ１４Ｔ２よりも高い。すなわち、製造時の犠牲層の厚さがＵＳセル１０Ａの方がＵＳセル１０Ｂよりも厚い。ＵＳセル１０ＡとＵＳセル１０Ｂとで、犠牲層の厚さを変えるには、例えばフォトリソグラフィによるパターンマスクを形成時に、いわゆるハーフ露光を行いマスク層の厚さを変えておき、次にドライエッチバック法で異なる厚さの犠牲層を形成することで容易に実現できる。
【００３８】
ＵＳセル１０Ｂのキャビティ１４の高さ１４Ｔ２は、例えば、０．０５〜０．３μｍであり、好ましくは０．０５〜０．１５μｍである。これに対してＵＳセル１０Ａのキャビティ１４の高さ１４Ｔ１は、１４Ｔ２の１５０％〜５００％が好ましい。前記範囲以上であれば、ＵＳセル１０Ｂの受信感度が確実に向上し、前記範囲以下であればＵＳセル１０Ｂのキャビティ１４の形成が困難ではない。
【００３９】
静電容量は上部電極１６Ａと下部電極１２Ａの間の距離に反比例するため、メンブレン１８の変化量（振動量）が同じならば、電極間距離が小さい方が容量変化の割合が大きい。このため、ＵＳセル１０ＢはＵＳセル１０Ａよりも受信感度が高い。
【００４０】
またＵＳセル１０Ａは、キャビティ１４の高さ１４Ｔ１が高いために、超音波送信時に、メンブレン１８が大きく振動してもメンブレンが下の下部誘電体層１３と接触することがない。すなわち、メンブレン１８の可動領域を広くすることができるため、ＵＳセル１０Ａから放射される超音波の強度を大きくすることができる。また、超音波を受信したときのＵＳセル１０Ｂからの受信信号が大きくなるため、高感度である。更に、ＵＳエレメント２０では、ＵＳセル１０ＡとＵＳセル１０Ｂとを同一の工程および同一の材料で形成することができるため、メンブレンの応力を同等にすることができ、製造が容易になるとともにＵＳセル１０ＡとＵＳセル１０Ｂの振動特性を同等にできる。
【００４１】
以上の説明のように、ＵＳエレメント２０は高感度でかつ製造が容易であり、ＵＳエレメント２０を有する超音波内視鏡２は、高感度でかつ製造が容易である。
【００４２】
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態のＵＳエレメント２０Ａ、およびＵＳエレメント２０Ａを有するＵＳ内視鏡２Ａについて説明する。ＵＳエレメント２０Ａ、ＵＳ内視鏡２Ａは、それぞれＵＳエレメント２０、ＵＳ内視鏡２と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４３】
図６に示すように、ＵＳエレメント２０Ａでは、ＵＳセル１０Ｂ１の下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ２が、ＵＳセル１０Ａ１の下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ１よりも厚い。ＵＳエレメント２０ＡとＵＳセル１０Ｂ１とで下部電極１２Ａの厚さを変えるには、２回に分けて成膜を行ってもよいし、エッチングにより膜厚を減じてもよい。
【００４４】
ＵＳセル１０Ａ１の下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ１は、例えば、０．１〜０．５μｍであり、好ましくは０．２〜０．４μｍである。これに対してＵＳセル１０Ａ２の下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ２は、１２Ｔ１の１．５倍以上が好ましく、特に好ましくは３倍以上である。下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ２の上限は、キャビティ１４の高さが０．０５μｍ以下とならないように設定される。前記範囲以上であれば、ＵＳセル１０Ｂ１の受信感度が確実に向上し、前記範囲以下であればＵＳセル１０Ｂ１のキャビティ１４の形成が困難ではない。
【００４５】
すでに説明したように、静電容量は上部電極１６Ａと下部電極１２Ａの間の距離に反比例するため、ＵＳセル１０Ｂ１はＵＳセル１０Ａ１よりも受信感度が高い。すなわち、下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ１が、前記範囲以上であれば所望の受信感度が得られ、前記範囲以下であれば受信に支障がない。
【００４６】
すなわち、ＵＳエレメント２０Ａは、ＵＳエレメント２０と同じ効果を有する。更に、ＵＳエレメント２０Ａでは基板１１から保護層１７上面までの距離、すなわち、上部電極層１６の上面までの距離が２種類のＵＳセル１０Ａ、１０Ｂで同じである。
【００４７】
このため、ＵＳエレメント２０Ａは、犠牲層の上面は異なる犠牲層厚さのセルにおいても同一の高さとなり、かかる構成の実現には半導体製造工程で標準的なＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）プロセスのみで形成可能となるため、ＵＳエレメント２０よりもその製造方法が簡略かつ実現性と歩留まりに優れる。
【００４８】
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態のＵＳエレメント２０Ｂ、およびＵＳエレメント２０Ｂを有するＵＳ内視鏡２Ｂについて説明する。ＵＳエレメント２０Ｂ、ＵＳ内視鏡２Ｂは、それぞれＵＳエレメント２０、ＵＳ内視鏡２と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４９】
図７に示すように、ＵＳエレメント２０Ｂでは、ＵＳセル１０Ｂ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ２が、ＵＳセル１０Ａ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ１よりも厚い。なお、ＵＳセル１０Ｂ２の下部電極１２Ａの厚さとＵＳセル１０Ａ２の下部電極１２Ａの厚さは同じであるため、ＵＳエレメント２０Ｂでは、ＵＳセル１０Ａ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ１と下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ１の合計値よりも、ＵＳセル１０Ｂ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ２と下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ１との合計値が厚い。
【００５０】
ここで、無限に広い２枚の平行平板が間隔ｄで配置されたコンデンサＣの中に比誘電率がεr、厚さが（ｄ−ｇ）の誘電体層を挿入した場合を例に、ＵＳセル１０の受信感度について説明する。
【００５１】
コンデンサＣの単位面積あたりの静電容量Ｃ０は以下の（式１）で示される。
【００５２】
（式１）
【００５３】
ＵＳセルが超音波を受信して、上部電極がｘだけ下部電極側に変位したときの静電容量Ｃ１は以下の（式２）で示される。
【００５４】
（式２）
【００５５】
すなわち、上部電極がｘだけ下部電極側に変位したときの静電容量変化率（Ｃ１／Ｃ０）は以下の（式３）で示される。
【００５６】
（式３）
【００５７】
上記（式３）より、電極間の距離ｄの間に、空気（真空）に替えて誘電体材料を挿入することで、受信感度である静電容量変化率を改善することができることがわかる。
【００５８】
ここで、従来のＵＳセルでも、電極間には絶縁層として誘電体が配設されていた。すなわち、配設目的が絶縁であるため、耐絶縁性にのみ着目して材料および厚さが決定されていた。例えば、材料としては、酸化シリコン（εｒ＜３．９）または窒化シリコン（εｒ＜７．５）が使用されており、厚さは下部誘電体層では０．１０〜０．２０μｍ、上部誘電体層では０．２０〜０．５０μｍであった。
【００５９】
これに対して、ＵＳエレメント２０Ｂでは、電極間の絶縁層の絶縁特性だけでなく、誘電体特性にも着目することで、受信用のＵＳセル１０Ｂ２を送信用のＵＳセル１０Ａ２よりも高感度にしている。すなわち、ＵＳセル１０Ｂ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ２は、ＵＳセル１０Ａ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ１の、１．５倍以上が好ましく、特に好ましくは２倍以上である。下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ２の上限は、キャビティ１４の高さが０．０５μｍ以下とならないように設定される。前記範囲以上であれば、ＵＳセル１０Ｂ１の受信感度が確実に向上し、前記範囲以下であればＵＳセル１０Ｂ１のキャビティ１４の形成が困難ではない。
【００６０】
更に下部誘電体層１３の材料としては高誘電率材料を用いることが好ましい。例えば、広く絶縁材料として使用されている酸化シリコン（εｒ＜３．８）、窒化シリコン（εｒ＜７．５）よりも、εｒ＞８の酸化アルミニウム等が好ましく、εｒ＞１５の酸化チタン、酸化ハフニウムまたは酸化ジルコニウム等が特に好ましい。
【００６１】
ＵＳエレメント２０ＢはＵＳエレメント２０Ａと同様の効果を有し、更に設計の自由度が高いために製造が容易である。また第２実施形態同様、ＣＭＰ法など半導体製造工程で常用される製造方法のみを用いての製造が可能であるため、高歩留まりが実現できる。
【００６２】
＜第４実施形態＞
以下、第４実施形態のＵＳエレメント２０Ｃ、およびＵＳエレメント２０Ｃを有するＵＳ内視鏡２Ｃについて説明する。ＵＳエレメント２０Ｃ、ＵＳ内視鏡２Ｃは、それぞれＵＳエレメント２０Ｂ、ＵＳ内視鏡２Ｂと類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６３】
図８に示すように、ＵＳエレメント２０Ｃでは、ＵＳセル１０Ｂ３の方がＵＳセル１０Ａ３よりも、下部誘電体層１３の厚さと上部誘電体層１５Ｂの厚さとの合計値が、大きい。
すなわち、ＵＳセル１０Ａ３の下部誘電体層１３の厚さを１３Ｔ１、上部誘電体層１５Ｂの厚さを１５Ｔ１、ＵＳセル１０Ｂ３の下部誘電体層１３の厚さを１３Ｔ２、上部誘電体層１５Ｂの厚さを１５Ｔ２としたとき、以下の（式４）を満たす。
（１３Ｔ１＋１５Ｔ１）＜（１３Ｔ２＋１５Ｔ２） （式４）
【００６４】
なお、（式４）を満足すれば、（１３Ｔ１＞１３Ｔ２）、または（１５Ｔ１＞１５Ｔ２）、であってもよい。
【００６５】
ＵＳエレメント２０Ｃでは、電極間に配設される誘電体層の厚さの合計値を厚くすることにより、送信用のＵＳセル１０Ａ３よりも受信用のＵＳセル１０Ｂ３の受信感度を高くすることができる。
【００６６】
ＵＳエレメント２０ＣはＵＳエレメント２０Ｂと同様の効果を有し、更に設計の自由度が高いために製造が容易である。
【００６７】
＜第５実施形態＞
以下、第５実施形態のＵＳエレメント２０Ｄ、およびＵＳエレメント２０Ｄを有するＵＳ内視鏡２Ｃについて説明する。ＵＳエレメント２０Ｄ、ＵＳ内視鏡２Ｄは、それぞれＵＳエレメント２０Ｂ、ＵＳ内視鏡２Ｂと類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６８】
図３に示したように、ＵＳエレメント２０では同数のＵＳセル１０ＡとＵＳセル１０Ｂとが配置されていた。これに対して、図９に示すように、ＵＳエレメント２０Ｄでは、受信用のＵＳセル１０Ｂ４の数が送信用のＵＳセル１０Ａ４の数よりも多い。そして、正六角形の中心に送信用のＵＳセル１０Ａ４が配置され、正六角形の頂点に受信用のＵＳセル１０Ｂ４が配置されている。
【００６９】
送信用のＵＳセル１０Ａ４から送信された超音波は広がりながら進み被検体に反射されて戻ってくる。このため、ＵＳセル１０Ａ４の周囲にＵＳセル１０Ａ４よりも数の多いＵＳセル１０Ｂ４が配置されているＵＳエレメント２０Ｄは受信効率がよい。また、正六角形の中心と頂点とに配置されているＵＳセル１０は単位面積あたりの配置数を大きくできるため特に好ましい。
【００７０】
以上の説明のようにＵＳエレメント２０Ｄは複数の送信用のＵＳセル１０Ａ４と複数の受信用のＵＳセル１０Ｂ４とを具備し、ＵＳセル１０Ｂ４の数がＵＳセル１０Ａ４の数の２倍である。ＵＳセル１０Ｂ４の数は、ＵＳセル１０Ａ４の数の１．５倍以上が好ましく、特に好ましくは２倍以上であり、上限は例えば５倍である。またＵＳセル１０Ｂ４を回転対称図形の頂点に配置しＵＳセル１０Ａ４を中心に配置することが好ましい。回転対称図形としては、特に６回対称の正六角形が好ましい。
【００７１】
ＵＳエレメント２０Ｄは、ＵＳエレメント２０Ｂが有する効果を有し、更に受信感度が高い。
【００７２】
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】
【００７３】
１…超音波内視鏡システム、２、２Ａ〜２Ｄ…超音波内視鏡、３…超音波観測装置、１０、１０Ａ、１０Ｂ…超音波セル、１１…シリコン基板、１２…下部電極層、１２Ａ…下部電極、１２Ｂ…配線部、１３…下部誘電体層、１４…キャビティ、１５…上部誘電体層、１６…上部電極層、１６Ａ…上部電極、１６Ｂ…配線部、１７…保護層、１８…メンブレン、２０、２０Ａ〜２０Ｄ…超音波エレメント、３０…超音波ユニット、４０…超音波アレイ
【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し、特に受信用超音波セルと送信用超音波セルとを有する超音波エレメント、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】
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る。これに対して、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 Micro-machined Ultrasonic Transducer；以下、「ｃ−ＭＵＴ」という）の開発が進んでいる。
【０００４】
ｃ−ＭＵＴは、上部電極と下部電極とが空洞部（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。ＵＳセルでは、キャビティの上側の上部電極を含むメンブレンが振動部を構成している。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。
【０００５】
ＵＳセルは、下部電極と上部電極との間に電圧を印加することで、静電力により上部電極を含むメンブレンを振動して超音波を発生する。また外部からメンブレンに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。
【０００６】
特表２００５−５１０２６４号公報（米国特許第６５８５６５３号明細書）には、送信用のＵＳセルと受信用のＵＳセルとを有するｃ−ＭＵＴが開示されている。
【０００７】
しかし、送信専用ＵＳセルと受信専用ＵＳセルとを有するｃ−ＭＵＴは、送信用ＵＳセルと受信用ＵＳセルとは構造または寸法等が異なるため、同時に作製することは容易ではないことがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００５−５１０２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の実施形態は、高感度でかつ製造が容易な超音波エレメントおよび高感度でかつ製造が容易な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】
【００１０】
本発明の実施形態の超音波エレメントは、それぞれが、第１の下部電極と第１の上部電極とが、第１の下部誘電体層、第１のキャビティおよび第１の上部誘電体層を介して対向配置している超音波を送信する複数の第１の超音波セルと、それぞれが、第２の下部電極と第２の上部電極とが、第２の下部誘電体層、第２のキャビティおよび第２の上部誘電体層を介して対向配置している超音波を受信する複数の第２の超音波セルと、を具備し、前記第２の超音波セルの受信感度が前記第１の超音波セルの受信感度よりも高い。
【００１１】
また別の実施形態の超音波内視鏡は、上記記載の超音波エレメントを有する先端硬性部を具備する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、高感度でかつ製造が容易な超音波エレメントおよび高感度でかつ製造が容易な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】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の超音波内視鏡を具備する内視鏡システムを説明するための外観図である。
【図２】第１の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の実施形態の超音波エレメントの構成を説明するための斜視図である。
【図４】第１の実施形態の超音波エレメントの超音波セルの分解図である。
【図５】第１の実施形態の超音波エレメントの超音波セルの部分断面図である。
【図６】第２の実施形態の超音波エレメントの超音波セルの部分断面図である。
【図７】第３の実施形態の超音波エレメントの超音波セルの部分断面図である。
【図８】第４の実施形態の超音波エレメントの超音波セルの部分断面図である。
【図９】第５の実施形態の超音波エレメントの構成を説明するための上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して第１の実施形態の超音波エレメント（ＵＳエレメント）２０、および、ＵＳエレメント２０を有する超音波内視鏡（以下、「ＵＳ内視鏡」という）２について説明する。
【００１５】
＜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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、超音波送受部である超音波ユニット（ＵＳユニット）３０が配設されている。
【００１８】
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。
【００１９】
そして、図２に示すように、超音波を送受信する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。
【００２０】
図２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、複数の平面視長方形のＵＳ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、配設されている。
【００２１】
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、凸形状に湾曲したコンベックス型振動子群であってもよい。
【００２２】
＜超音波エレメントの構成＞
図３に示すように、ＵＳエレメント２０には、複数の送信専用の第１の超音波セル１０Ａと、複数の受信専用の第２の超音波セル１０Ｂと、がマトリックス状に２次元配置されている。なお、以下の図はいずれも説明のための模式図であり、パターンの数、形状、厚さ、大きさ、および大きさ等の比率は実際とは異なる。
【００２３】
超音波セル１０Ａは超音波を送信する第１のＵＳセルであり、超音波セル１０Ｂは超音波を受信する第２のＵＳセルである。そして超音波セル１０Ｂの受信感度が、超音波セル１０Ａの受信感度よりも高い。なお、超音波セル１０Ａは送信専用セルであるために受信された超音波は超音波画像生成等には利用されない。
【００２４】
＜超音波セルの基本構造＞
ＵＳセル１０ＡおよびＵＳセル１０Ｂの構成は類似しており、かつ、同時に同じ方法および同じ材料により作製されるため、以下ＵＳセル１０として説明する。
【００２５】
図４に示すように、ＵＳセル１０は、下部電極１２Ａと上部電極１６Ａとが、下部誘電体層１３、キャビティ１４および上部誘電体層１５を介して対向配置している。すなわち、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、下部電極層１２と、下部誘電体層１３と、キャビティ１４が形成された上部誘電体層１５と、上部電極層１６と、保護層１７と、を有する。キャビティ１４の直上の、上部誘電体層１５の一部１５Ｂ〜保護層１７が、振動膜であるメンブレン１８を構成している。
【００２６】
シリコン基板１１は、シリコンの表面にシリコン熱酸化膜を形成した基板である。シリコン基板１１の厚さは、例えば、１００〜６００μｍであり、好ましくは２００〜３００μｍである。
【００２７】
シリコン基板１１の一面上に形成される下部電極層１２は、モリブデン等の金属、またシリコンなどの導電性材料からなる。導電性材料はシリコン基板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パターンマスク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１２Ａおよび配線部１２Ｂが形成される。
【００２８】
すなわち、下部電極層１２は、円形の下部電極１２Ａと、下部電極１２Ａの縁辺部の二方から延設している配線部１２Ｂとからなる。
【００２９】
次に、下部電極層１２が形成されたシリコン基板１１の一面に、下部誘電体層１３がＣＶＤ法（化学気相成長法）等により成膜される。
【００３０】
そして下部誘電体層１３上に、犠牲層材料を成膜した後、フォトリソグラフィによるパターンマスクを形成後に部分的に除去（パターニング）することで、キャビティ１４の形状の犠牲層が形成される。犠牲層材料としては、例えば、リンガラス（ＰＳＧ：含リン酸化シリコン）、二酸化ケイ素、ポリシリコン、または金属などを用いる。
【００３１】
犠牲層が形成された下部誘電体層１３の上面に、上部誘電体層１５が、例えば下部誘電体層１３と同様の方法および同様の材料により形成される。なお、図４に示すように、上部誘電体層１５は、犠牲層と同じ厚さの上部誘電体層１５Ａと、犠牲層の上に形成される上部誘電体層１５Ｂと、からなるとみなすこともできる。もちろん、上部誘電体層１５Ａと上部誘電体層１５Ｂとは同時に形成される。そして、キャビティ１４の形状の犠牲層の上に形成された上部誘電体層１５Ｂが、メンブレン１８の一部となる。
【００３２】
次に、犠牲層のエッチングによりキャビティ１４が形成される。
エッチング剤は、下部誘電体層１３、上部誘電体層１５および犠牲層の材料により適宜選択される液体または気体である。例えば犠牲層としてリンガラスを用い、誘電体層１３と１５にチッ化シリコンを用いた場合は、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。ＨＦ溶液はリンガラスを溶解するが、チッ化シリコンは溶解しにくい。このため、犠牲層が除去され、下部誘電体層１３と上部誘電体層１５との間に、キャビティ１４が形成される。
【００３３】
次に、上部電極１６Ａと配線部１６Ｂとからなる上部電極層１６が、下部電極層１２と同様に形成される。上部電極層１６は、例えば０．５〜１．０μｍのアルミニウムからなる。
【００３４】
例えば、円形の上部電極１６Ａおよび下部電極１２Ａの大きさは、いずれもキャビティ１４と略同径である。
また、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１６Ａおよび下部電極１２Ａの形状も多角形とすることが好ましい。
【００３５】
最後に、上部電極層１６を覆う保護層１７が形成される。保護層１７は、例えば、上部誘電体層１５と同様の方法および同様の材料により形成される。なお、保護層１７は誘電体層の上に、更にポリパラキシリレン等の生体適合性のある外皮膜が形成された２層構造であってもよい。保護層１７の厚さは、例えば０．２〜１．５μｍであり、好ましくは０．５〜１．０μｍである。
【００３６】
次に、図３におけるＩＶ-ＩＶ断面の一部である図５を用いて、ＵＳセル１０ＡとＵＳセル１０Ｂとを比較しながら、その構成について説明する。なお、以下の図においては、配線部１２Ｂ、１６Ｂは表示しない。
【００３７】
図５に示すように、ＵＳエレメント２０では、ＵＳセル１０Ａのキャビティ１４の高さ１４Ｔ１が、ＵＳセル１０Ｂのキャビティ１４の高さ１４Ｔ２よりも高い。すなわち、製造時の犠牲層の厚さがＵＳセル１０Ａの方がＵＳセル１０Ｂよりも厚い。ＵＳセル１０ＡとＵＳセル１０Ｂとで、犠牲層の厚さを変えるには、例えばフォトリソグラフィによるパターンマスクを形成時に、いわゆるハーフ露光を行いマスク層の厚さを変えておき、次にドライエッチバック法で異なる厚さの犠牲層を形成することで容易に実現できる。
【００３８】
ＵＳセル１０Ｂのキャビティ１４の高さ１４Ｔ２は、例えば、０．０５〜０．３μｍであり、好ましくは０．０５〜０．１５μｍである。これに対してＵＳセル１０Ａのキャビティ１４の高さ１４Ｔ１は、１４Ｔ２の１５０％〜５００％が好ましい。前記範囲以上であれば、ＵＳセル１０Ｂの受信感度が確実に向上し、前記範囲以下であればＵＳセル１０Ｂのキャビティ１４の形成が困難ではない。
【００３９】
静電容量は上部電極１６Ａと下部電極１２Ａの間の距離に反比例するため、メンブレン１８の変化量（振動量）が同じならば、電極間距離が小さい方が容量変化の割合が大きい。このため、ＵＳセル１０ＢはＵＳセル１０Ａよりも受信感度が高い。
【００４０】
またＵＳセル１０Ａは、キャビティ１４の高さ１４Ｔ１が高いために、超音波送信時に、メンブレン１８が大きく振動してもメンブレンが下の下部誘電体層１３と接触することがない。すなわち、メンブレン１８の可動領域を広くすることができるため、ＵＳセル１０Ａから放射される超音波の強度を大きくすることができる。また、超音波を受信したときのＵＳセル１０Ｂからの受信信号が大きくなるため、高感度である。更に、ＵＳエレメント２０では、ＵＳセル１０ＡとＵＳセル１０Ｂとを同一の工程および同一の材料で形成することができるため、メンブレンの応力を同等にすることができ、製造が容易になるとともにＵＳセル１０ＡとＵＳセル１０Ｂの振動特性を同等にできる。
【００４１】
以上の説明のように、ＵＳエレメント２０は高感度でかつ製造が容易であり、ＵＳエレメント２０を有する超音波内視鏡２は、高感度でかつ製造が容易である。
【００４２】
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態のＵＳエレメント２０Ａ、およびＵＳエレメント２０Ａを有するＵＳ内視鏡２Ａについて説明する。ＵＳエレメント２０Ａ、ＵＳ内視鏡２Ａは、それぞれＵＳエレメント２０、ＵＳ内視鏡２と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４３】
図６に示すように、ＵＳエレメント２０Ａでは、ＵＳセル１０Ｂ１の下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ２が、ＵＳセル１０Ａ１の下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ１よりも厚い。ＵＳエレメント２０ＡとＵＳセル１０Ｂ１とで下部電極１２Ａの厚さを変えるには、２回に分けて成膜を行ってもよいし、エッチングにより膜厚を減じてもよい。
【００４４】
ＵＳセル１０Ａ１の下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ１は、例えば、０．１〜０．５μｍであり、好ましくは０．２〜０．４μｍである。これに対してＵＳセル１０Ａ２の下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ２は、１２Ｔ１の１．５倍以上が好ましく、特に好ましくは３倍以上である。下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ２の上限は、キャビティ１４の高さが０．０５μｍ以下とならないように設定される。前記範囲以上であれば、ＵＳセル１０Ｂ１の受信感度が確実に向上し、前記範囲以下であればＵＳセル１０Ｂ１のキャビティ１４の形成が困難ではない。
【００４５】
すでに説明したように、静電容量は上部電極１６Ａと下部電極１２Ａの間の距離に反比例するため、ＵＳセル１０Ｂ１はＵＳセル１０Ａ１よりも受信感度が高い。すなわち、下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ１が、前記範囲以上であれば所望の受信感度が得られ、前記範囲以下であれば受信に支障がない。
【００４６】
すなわち、ＵＳエレメント２０Ａは、ＵＳエレメント２０と同じ効果を有する。更に、ＵＳエレメント２０Ａでは基板１１から保護層１７上面までの距離、すなわち、上部電極層１６の上面までの距離が２種類のＵＳセル１０Ａ、１０Ｂで同じである。
【００４７】
このため、ＵＳエレメント２０Ａは、犠牲層の上面は異なる犠牲層厚さのセルにおいても同一の高さとなり、かかる構成の実現には半導体製造工程で標準的なＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）プロセスのみで形成可能となるため、ＵＳエレメント２０よりもその製造方法が簡略かつ実現性と歩留まりに優れる。
【００４８】
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態のＵＳエレメント２０Ｂ、およびＵＳエレメント２０Ｂを有するＵＳ内視鏡２Ｂについて説明する。ＵＳエレメント２０Ｂ、ＵＳ内視鏡２Ｂは、それぞれＵＳエレメント２０、ＵＳ内視鏡２と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４９】
図７に示すように、ＵＳエレメント２０Ｂでは、ＵＳセル１０Ｂ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ２が、ＵＳセル１０Ａ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ１よりも厚い。なお、ＵＳセル１０Ｂ２の下部電極１２Ａの厚さとＵＳセル１０Ａ２の下部電極１２Ａの厚さは同じであるため、ＵＳエレメント２０Ｂでは、ＵＳセル１０Ａ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ１と下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ１の合計値よりも、ＵＳセル１０Ｂ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ２と下部電極１２Ａの厚さ１２Ｔ１との合計値が厚い。
【００５０】
ここで、無限に広い２枚の平行平板が間隔ｄで配置されたコンデンサＣの中に比誘電率がεr、厚さが（ｄ−ｇ）の誘電体層を挿入した場合を例に、ＵＳセル１０の受信感度について説明する。
【００５１】
コンデンサＣの単位面積あたりの静電容量Ｃ０は以下の（式１）で示される。
【００５２】
（式１）
【００５３】
ＵＳセルが超音波を受信して、上部電極がｘだけ下部電極側に変位したときの静電容量Ｃ１は以下の（式２）で示される。
【００５４】
（式２）
【００５５】
すなわち、上部電極がｘだけ下部電極側に変位したときの静電容量変化率（Ｃ１／Ｃ０）は以下の（式３）で示される。
【００５６】
（式３）
【００５７】
上記（式３）より、電極間の距離ｄの間に、空気（真空）に替えて誘電体材料を挿入することで、受信感度である静電容量変化率を改善することができることがわかる。
【００５８】
ここで、従来のＵＳセルでも、電極間には絶縁層として誘電体が配設されていた。すなわち、配設目的が絶縁であるため、耐絶縁性にのみ着目して材料および厚さが決定されていた。例えば、材料としては、酸化シリコン（εｒ＜３．９）または窒化シリコン（εｒ＜７．５）が使用されており、厚さは下部誘電体層では０．１０〜０．２０μｍ、上部誘電体層では０．２０〜０．５０μｍであった。
【００５９】
これに対して、ＵＳエレメント２０Ｂでは、電極間の絶縁層の絶縁特性だけでなく、誘電体特性にも着目することで、受信用のＵＳセル１０Ｂ２を送信用のＵＳセル１０Ａ２よりも高感度にしている。すなわち、ＵＳセル１０Ｂ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ２は、ＵＳセル１０Ａ２の下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ１の、１．５倍以上が好ましく、特に好ましくは２倍以上である。下部誘電体層１３の厚さ１３Ｔ２の上限は、キャビティ１４の高さが０．０５μｍ以下とならないように設定される。前記範囲以上であれば、ＵＳセル１０Ｂ１の受信感度が確実に向上し、前記範囲以下であればＵＳセル１０Ｂ１のキャビティ１４の形成が困難ではない。
【００６０】
更に下部誘電体層１３の材料としては高誘電率材料を用いることが好ましい。例えば、広く絶縁材料として使用されている酸化シリコン（εｒ＜３．８）、窒化シリコン（εｒ＜７．５）よりも、εｒ＞８の酸化アルミニウム等が好ましく、εｒ＞１５の酸化チタン、酸化ハフニウムまたは酸化ジルコニウム等が特に好ましい。
【００６１】
ＵＳエレメント２０ＢはＵＳエレメント２０Ａと同様の効果を有し、更に設計の自由度が高いために製造が容易である。また第２実施形態同様、ＣＭＰ法など半導体製造工程で常用される製造方法のみを用いての製造が可能であるため、高歩留まりが実現できる。
【００６２】
＜第４実施形態＞
以下、第４実施形態のＵＳエレメント２０Ｃ、およびＵＳエレメント２０Ｃを有するＵＳ内視鏡２Ｃについて説明する。ＵＳエレメント２０Ｃ、ＵＳ内視鏡２Ｃは、それぞれＵＳエレメント２０Ｂ、ＵＳ内視鏡２Ｂと類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６３】
図８に示すように、ＵＳエレメント２０Ｃでは、ＵＳセル１０Ｂ３の方がＵＳセル１０Ａ３よりも、下部誘電体層１３の厚さと上部誘電体層１５Ｂの厚さとの合計値が、大きい。
すなわち、ＵＳセル１０Ａ３の下部誘電体層１３の厚さを１３Ｔ１、上部誘電体層１５Ｂの厚さを１５Ｔ１、ＵＳセル１０Ｂ３の下部誘電体層１３の厚さを１３Ｔ２、上部誘電体層１５Ｂの厚さを１５Ｔ２としたとき、以下の（式４）を満たす。
（１３Ｔ１＋１５Ｔ１）＜（１３Ｔ２＋１５Ｔ２） （式４）
【００６４】
なお、（式４）を満足すれば、（１３Ｔ１＞１３Ｔ２）、または（１５Ｔ１＞１５Ｔ２）、であってもよい。
【００６５】
ＵＳエレメント２０Ｃでは、電極間に配設される誘電体層の厚さの合計値を厚くすることにより、送信用のＵＳセル１０Ａ３よりも受信用のＵＳセル１０Ｂ３の受信感度を高くすることができる。
【００６６】
ＵＳエレメント２０ＣはＵＳエレメント２０Ｂと同様の効果を有し、更に設計の自由度が高いために製造が容易である。
【００６７】
＜第５実施形態＞
以下、第５実施形態のＵＳエレメント２０Ｄ、およびＵＳエレメント２０Ｄを有するＵＳ内視鏡２Ｃについて説明する。ＵＳエレメント２０Ｄ、ＵＳ内視鏡２Ｄは、それぞれＵＳエレメント２０Ｂ、ＵＳ内視鏡２Ｂと類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００６８】
図３に示したように、ＵＳエレメント２０では同数のＵＳセル１０ＡとＵＳセル１０Ｂとが配置されていた。これに対して、図９に示すように、ＵＳエレメント２０Ｄでは、受信用のＵＳセル１０Ｂ４の数が送信用のＵＳセル１０Ａ４の数よりも多い。そして、正六角形の中心に送信用のＵＳセル１０Ａ４が配置され、正六角形の頂点に受信用のＵＳセル１０Ｂ４が配置されている。
【００６９】
送信用のＵＳセル１０Ａ４から送信された超音波は広がりながら進み被検体に反射されて戻ってくる。このため、ＵＳセル１０Ａ４の周囲にＵＳセル１０Ａ４よりも数の多いＵＳセル１０Ｂ４が配置されているＵＳエレメント２０Ｄは受信効率がよい。また、正六角形の中心と頂点とに配置されているＵＳセル１０は単位面積あたりの配置数を大きくできるため特に好ましい。
【００７０】
以上の説明のようにＵＳエレメント２０Ｄは複数の送信用のＵＳセル１０Ａ４と複数の受信用のＵＳセル１０Ｂ４とを具備し、ＵＳセル１０Ｂ４の数がＵＳセル１０Ａ４の数の２倍である。ＵＳセル１０Ｂ４の数は、ＵＳセル１０Ａ４の数の１．５倍以上が好ましく、特に好ましくは２倍以上であり、上限は例えば５倍である。またＵＳセル１０Ｂ４を回転対称図形の頂点に配置しＵＳセル１０Ａ４を中心に配置することが好ましい。回転対称図形としては、特に６回対称の正六角形が好ましい。
【００７１】
ＵＳエレメント２０Ｄは、ＵＳエレメント２０Ｂが有する効果を有し、更に受信感度が高い。
【００７２】
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】
【００７３】
１…超音波内視鏡システム、２、２Ａ〜２Ｄ…超音波内視鏡、３…超音波観測装置、１０、１０Ａ、１０Ｂ…超音波セル、１１…シリコン基板、１２…下部電極層、１２Ａ…下部電極、１２Ｂ…配線部、１３…下部誘電体層、１４…キャビティ、１５…上部誘電体層、１６…上部電極層、１６Ａ…上部電極、１６Ｂ…配線部、１７…保護層、１８…メンブレン、２０、２０Ａ〜２０Ｄ…超音波エレメント、３０…超音波ユニット、４０…超音波アレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが、基板上の第１の下部電極と第１の上部電極とが、第１の下部誘電体層、第１のキャビティおよび第１の上部誘電体層を介して対向配置している、超音波を送信する複数の第１の超音波セルと、
それぞれが、前記基板上の第２の下部電極と第２の上部電極とが、第２の下部誘電体層、第２のキャビティおよび第２の上部誘電体層を介して対向配置している、超音波を受信する複数の第２の超音波セルと、を具備し、
前記第２の超音波セルの受信感度が、前記第１の超音波セルの受信感度よりも高いことを特徴とする超音波エレメント。
【請求項２】
基板から前記第１の上部電極の上面までの距離と、前記基板から前記第２の上部電極の上面までの距離が、同じ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】
前記第１の下部誘電体層の厚さと前記第１の上部誘電体層の厚さとの合計値よりも、前記第２の下部誘電体層の厚さと前記第２の上部誘電体層の厚さとの合計値が厚いことを特徴とする請求項２に記載の超音波エレメント。
【請求項４】
前記第１の下部誘電体層の厚さよりも、前記第２の下部誘電体層の厚さが厚いことを特徴とする請求項３に記載の超音波エレメント。
【請求項５】
前記第１の下部電極の厚さよりも前記第２の下部電極の厚さが厚いことを特徴とする請求項２に記載の超音波エレメント。
【請求項６】
前記複数の第１の超音波セルが回転対処図形の回転中心に配置され、前記複数の第２の超音波セルが前記回転対処図形の頂点に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波エレメント。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波エレメントを有する先端硬性部を具備することを特徴とする超音波内視鏡。
【請求項１】
それぞれが、基板上の第１の下部電極と第１の上部電極とが、第１の下部誘電体層、第１のキャビティおよび第１の上部誘電体層を介して対向配置している、超音波を送信する複数の第１の超音波セルと、
それぞれが、前記基板上の第２の下部電極と第２の上部電極とが、第２の下部誘電体層、第２のキャビティおよび第２の上部誘電体層を介して対向配置している、超音波を受信する複数の第２の超音波セルと、を具備し、
前記第２の超音波セルの受信感度が、前記第１の超音波セルの受信感度よりも高いことを特徴とする超音波エレメント。
【請求項２】
基板から前記第１の上部電極の上面までの距離と、前記基板から前記第２の上部電極の上面までの距離が、同じ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】
前記第１の下部誘電体層の厚さと前記第１の上部誘電体層の厚さとの合計値よりも、前記第２の下部誘電体層の厚さと前記第２の上部誘電体層の厚さとの合計値が厚いことを特徴とする請求項２に記載の超音波エレメント。
【請求項４】
前記第１の下部誘電体層の厚さよりも、前記第２の下部誘電体層の厚さが厚いことを特徴とする請求項３に記載の超音波エレメント。
【請求項５】
前記第１の下部電極の厚さよりも前記第２の下部電極の厚さが厚いことを特徴とする請求項２に記載の超音波エレメント。
【請求項６】
前記複数の第１の超音波セルが回転対処図形の回転中心に配置され、前記複数の第２の超音波セルが前記回転対処図形の頂点に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波エレメント。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の超音波エレメントを有する先端硬性部を具備することを特徴とする超音波内視鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−３４６６５（Ｐ２０１３−３４６６５Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７３１４２（Ｐ２０１１−１７３１４２）
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【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)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【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)
【Ｆターム（参考）】
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