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WO2013065365A1 - 超音波振動子エレメントおよび超音波内視鏡 - Google Patents

超音波振動子エレメントおよび超音波内視鏡 Download PDF

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WO2013065365A1
WO2013065365A1 PCT/JP2012/068603 JP2012068603W WO2013065365A1 WO 2013065365 A1 WO2013065365 A1 WO 2013065365A1 JP 2012068603 W JP2012068603 W JP 2012068603W WO 2013065365 A1 WO2013065365 A1 WO 2013065365A1
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WO
WIPO (PCT)
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cavity
ultrasonic
ultrasonic transducer
electrode portion
transducer element
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/068603
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
松本　一哉
和久 唐木
守 長谷川
勝裕 若林
Original Assignee
オリンパスメディカルシステムズ株式会社
オリンパス株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by オリンパスメディカルシステムズ株式会社, オリンパス株式会社 filed Critical オリンパスメディカルシステムズ株式会社
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Priority to EP12844742.2A priority patent/EP2775736B1/en
Publication of WO2013065365A1 publication Critical patent/WO2013065365A1/ja
Priority to US14/265,745 priority patent/US10016121B2/en

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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/012—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor characterised by internal passages or accessories therefor
    • A61B1/015—Control of fluid supply or evacuation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/12—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves in body cavities or body tracts, e.g. by using catheters
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4444—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device related to the probe
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    • A61B8/461—Displaying means of special interest
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0292—Electrostatic transducers, e.g. electret-type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive ultrasonic transducer element and an ultrasonic endoscope including the ultrasonic transducer element.
  • Ultrasonic diagnostic methods that irradiate ultrasonic waves into the body and image and diagnose the internal state from echo signals have become widespread.
  • One of the ultrasonic diagnostic apparatuses used for the ultrasonic diagnostic method is an ultrasonic endoscope (hereinafter referred to as “US endoscope”).
  • US endoscope an ultrasonic transducer is disposed at the distal end rigid portion of the insertion portion introduced into the body.
  • the ultrasonic transducer has a function of converting an electric signal into an ultrasonic wave and transmitting it into the body, and receiving an ultrasonic wave reflected in the body and converting it into an electric signal.
  • a ceramic piezoelectric material containing lead having a large environmental load such as PZT (lead zirconate titanate), is mainly used.
  • PZT lead zirconate titanate
  • a capacitive ultrasonic transducer Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer
  • MEMS Micro Electro MechanicalsSystems
  • c-MUT is an ultrasonic cell (hereinafter referred to as “US cell”) in which an upper electrode portion and a lower electrode portion are arranged to face each other via a cavity portion (cavity). Is a unit element.
  • US cell the membrane including the upper electrode part on the upper side of the cavity constitutes the vibrating part.
  • An ultrasonic transducer element (hereinafter referred to as “US element”) is configured by arranging a plurality of US cells in which each electrode part is connected by a wiring part.
  • the US cell generates ultrasonic waves by applying a voltage between the lower electrode portion and the upper electrode portion to vibrate the membrane including the upper electrode portion by electrostatic force. Further, when ultrasonic waves are incident on the membrane from the outside, the membrane is deformed and the distance between both electrode portions is changed, so that the ultrasonic waves are converted into electric signals from the change in capacitance.
  • the membrane of c-MUT is a circular membrane whose entire outer periphery is fixed (restrained) like the drum membrane, the central portion is easily displaced, but the outer peripheral portion is difficult to displace. For this reason, the outer peripheral part of the membrane had poor transmission / reception efficiency compared to the central part. That is, it may be said that the conventional endoscope having a capacitive ultrasonic transducer element and the conventional capacitive ultrasonic transducer element have not good transmission / reception efficiency.
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic transducer element with high transmission / reception efficiency and an ultrasonic endoscope with high transmission / reception efficiency.
  • An ultrasonic transducer element includes a plurality of capacitance-type ultrasonic cells each having a lower electrode portion and a membrane including an upper electrode portion that are oriented through a circular cavity in plan view. And the thickness of the cavity monotonously decreases in a curved manner from the center to the outer periphery of the cavity.
  • An ultrasonic endoscope includes a plurality of capacitive ultrasonic cells each having a lower electrode portion and a membrane including the upper electrode portion that are oriented through a circular cavity in plan view. And an ultrasonic transducer element in which the thickness of the cavity is monotonically decreasing from the center of the cavity toward the outer periphery.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view taken along line VV in FIG. 4. It is an exploded view of the ultrasonic cell of the ultrasonic transducer element of the first embodiment.
  • the US endoscope 2 constitutes an ultrasonic endoscope system 1 together with the ultrasonic observation device 3 and the monitor 4.
  • the US endoscope 2 includes an elongated insertion portion 21 to be inserted into the body, an operation portion 22 disposed at the proximal end of the insertion portion 21, and a universal cord 23 extending from a side portion of the operation portion 22. It has.
  • a connector 24A connected to a light source device (not shown) is disposed at the base end of the universal cord 23. From the connector 24A, there are a cable 25 that is detachably connected to a camera control unit (not shown) via a connector 25A, and a cable 26 that is detachably connected to the ultrasonic observation apparatus 3 via a connector 26A. It is extended.
  • a monitor 4 is connected to the ultrasonic observation apparatus 3.
  • the insertion portion 21 is operated in order from the distal end side, the distal end rigid portion (hereinafter referred to as “the distal end portion”) 37, the bending portion 38 positioned at the rear end of the distal end portion 37, and the rear end of the bending portion 38.
  • a flexible tube portion 39 having a small diameter, a long length, and flexibility that reaches the portion 22 is provided continuously.
  • An ultrasonic unit (US unit) 30 that is an ultrasonic transmission / reception unit is disposed on the distal end side of the distal end portion 37.
  • the operation unit 22 includes an angle knob 22A for controlling the bending of the bending unit 38 in a desired direction, an air / water supply button 22B for performing air supply and water supply operations, a suction button 22C for performing suction operations, and a treatment introduced into the body.
  • a treatment instrument insertion port 22D and the like serving as an instrument entrance are disposed.
  • the distal end portion 37 provided with the US unit 30 for transmitting and receiving ultrasonic waves has an illumination lens cover 31 constituting an illumination optical system and an observation lens cover 32 of the observation optical system.
  • a forceps port 33 that also serves as a suction port and an air / water supply nozzle (not shown) are provided.
  • the ultrasonic array (US array) 40 of the US unit 30 is a group of radial transducers in which the long sides of a plurality of rectangular US elements 20 in plan view are connected and curved in a cylindrical shape. is there. That is, in the US array 40, for example, 64 US elements 20 having a short side of 0.1 mm or less are arranged on the side surface of a cylinder having a diameter of 2 mm.
  • the US array 40 is a radial type transducer group, but the US array may be a convex type transducer group curved in a convex shape.
  • the ultrasonic transducer element 20 having a rectangular shape in plan view includes a transmission / reception unit 60 in which a plurality of ultrasonic cells 10 are two-dimensionally arranged in a matrix.
  • Each US element 20 is provided with an upper electrode terminal 51 and a lower electrode terminal 52 for driving a plurality of ultrasonic cells 10. The long sides of the plurality of US elements 20 are connected.
  • the US cell 10 includes a lower electrode layer 12, a lower insulating layer 13, a gap adjusting layer 19A having a cavity 14, and an upper insulating layer 15, which are sequentially stacked on a substrate 11 made of silicon as a base.
  • the upper electrode layer 16 and the protective layer 17 are included.
  • a portion 15 B to the protective layer 17 of the upper insulating layer 15 immediately above the cavity 14 constitutes a membrane 18.
  • the membrane 18 is shown thick in FIG. 6 and the like for explanation, it is a vibrating membrane with a thin thickness, for example, 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, stretched over the opening of the circular cavity 14 in plan view.
  • the lower electrode layer 12 includes a lower electrode portion 12A and a lower wiring portion 12B.
  • the upper electrode layer 16 includes an upper electrode portion 16A and an upper wiring portion 16B. All the lower electrode portions 12A of the plurality of US cells 10 of the US element 20 are connected to the lower electrode terminal 52 via the lower wiring portion 12B. Similarly, all the upper electrode portions 16A of the plurality of US cells 10 of the US element 20 are connected to the upper electrode terminal 51 via the upper wiring portion 16B.
  • the lower electrode portion 12A, the upper electrode portion 16A, the gap adjusting portion 19 and the cavity 14 are rotationally symmetric with respect to the central axis O and are circular in plan view.
  • a gap adjusting portion 19 made of a high dielectric constant material that adjusts the gap that is the thickness (height) of the cavity 14 is formed on the lower insulating layer 13 inside the cavity forming portion 14A that is a cylindrical cavity portion. It is arranged. In other words, the space without the gap adjusting portion 19 of the cavity forming portion 14 ⁇ / b> A is the cavity 14.
  • the thickness “T” of the gap adjusting unit 19 is, for example, 0 ( ⁇ m), which is the minimum at the center, and monotonically increases from the center toward the outer periphery.
  • the distribution T (r) of the thickness “T” of the gap adjusting unit 19 having a radius “R” is, for example, a function that increases monotonically in a curve from the center to the outer periphery as shown in (Expression 1).
  • the distance from the central axis O is “r”
  • the distribution T (r) does not need to completely match the function shown in (Equation 1), and there may be some difference, for example, about ⁇ 5%.
  • Equation 1 is an expression using a Bessel function of the 0th kind indicating an envelope of vibration of a circular flat diaphragm whose outer periphery is constrained.
  • SiN for example, having a relative dielectric constant Ks of 5 or more.
  • barium titanate ceramics or the like may be used, but the upper limit of the relative dielectric constant Ks is about 150 from the viewpoint of the ease of formation.
  • the film is formed by, for example.
  • the lower electrode layer 12 is formed by selectively etching away the conductive layer not covered with the mask pattern.
  • a lower insulating layer 13 made of an insulating material such as SiN is formed by a CVD method or the like so as to cover the lower electrode layer 12. If necessary, the surface of the lower insulating layer 13 is planarized by CMP (Chemical Mechanical Polish) after film formation. Then, an intermediate insulating layer 15A made of, for example, SiN is formed on the lower insulating layer 13.
  • the thickness “t0 (TR)” of the intermediate insulating layer 15A corresponds to the thickness (height) of the cavity forming portion 14A.
  • the intermediate insulating layer 15A is selectively removed by etching using a mask manufactured by a photolithography method to form a cavity forming portion 14A.
  • the intermediate insulating layer 15A is etched with a chemical solution or a gas that selectively etches the lower insulating layer 15A.
  • the lower insulating layer 13 and the intermediate insulating layer 15A are made of the same material, for example, SiN
  • the surface of the intermediate insulating layer 15A is planarized by a CMP method if necessary, and then the intermediate insulating layer 15A Based on the etching rate, only the cavity forming portion 14A may be etched until the maximum height (depth) of the cavity 14 becomes “t0”.
  • a gap adjusting layer 19A made of a high dielectric constant material is formed to be equal to or larger than the maximum thickness (height) “TR (t0)” of the cavity forming portion 14A. Then, a portion corresponding to the film thickness (projection) of the gap adjusting layer 19A is polished by the CMP method to flatten the surface. Then, a structure in which the gap adjusting layer 19A is embedded only in the cavity forming portion 14A is manufactured.
  • the resist mask 63 and the gap adjusting layer 19A are made of a high dielectric constant material having a surface profile represented by (Formula 1).
  • a gap adjusting part 19 is produced inside the cavity forming part 14A.
  • a sacrificial layer material made of tungsten is formed to a thickness equal to or greater than the maximum thickness (TR) of the cavity forming portion 14A.
  • TR maximum thickness
  • a structure including a cavity-shaped sacrificial layer 61 is obtained as shown in FIG. 7D.
  • the maximum thickness “t0 (TR)” of the sacrificial layer 61 after polishing is, for example, 0.05 ⁇ m to 0.3 ⁇ m, and preferably 0.05 ⁇ m to 0.15 ⁇ m.
  • the upper insulating layer 15 is formed by the same method and the same material as the lower insulating layer 13, for example. Then, an opening (not shown) through which an etchant flows is formed at a predetermined position of the upper insulating layer 15 in order to remove the sacrificial layer 61.
  • the cavity 14 is formed by selectively etching away the sacrificial layer 61.
  • tungsten (W) is used as the sacrificial layer 61 and SiN is used as the lower insulating layer 13 and the upper insulating layer 15
  • hydrogen peroxide H 2 O 2
  • conductive polycrystalline silicon is used as the sacrificial layer 61 and SiN is used as the lower insulating layer 13 and the upper insulating layer 15
  • xenon fluoride gas (XeF 2 ) is used as an etching agent.
  • the upper electrode layer 16 is formed by the same method as that for the lower electrode layer 12.
  • the protective layer 17 has not only a protective function but also a function of connecting a plurality of US elements 20.
  • the protective layer 17 is made of a flexible resin such as polyimide, epoxy, acrylic, or polyparaxylene. Among them, polyimide is preferable because of high chemical resistance, flexibility, and easy processing.
  • the protective layer 17 may have a two-layer structure in which a second insulating layer having biocompatibility is further formed on the first insulating layer.
  • the plan view of the cavity 14 does not need to be a perfect circle, and may be a substantially circular shape. Further, the plan view of the cavity 14 may be a substantially circular polygon. That is, the shape of the cavity forming portion 14A is not limited to the cylindrical shape, and may be a polygonal column shape or the like. When the cavity forming portion 14A has a polygonal column shape, the shape of the upper electrode portion 16A and the lower electrode portion 12A in plan view is preferably also a polygon. And the gap adjustment part 19 should just have the range of the inscribed circle satisfy
  • the US array 40 shown in FIGS. 2 and 3 is produced by arranging a plurality of US elements 20 in a radial shape in the connecting direction shown in FIG.
  • the US array 40 is bonded to the outer peripheral surface of a cylinder having a predetermined outer diameter, for example. Further, the coaxial cable bundle 35 is connected to the US array 40, and the US unit 30 is manufactured.
  • the lower electrode portion 12A is connected to the voltage signal generating portion 3A of the ultrasonic observation apparatus 3 via the lower electrode terminal 52.
  • the upper electrode portion 16A is connected to the capacitive signal detection portion 3B via the upper electrode terminal 51 and has a ground potential.
  • the capacitance signal detector 3B detects a capacitance signal (current change) when receiving an ultrasonic wave.
  • the voltage signal generating unit 3A applies a driving voltage signal including a bias voltage to the lower electrode unit 12A.
  • a voltage is applied to the lower electrode portion 12A, as shown in FIG. 8B, since the upper electrode portion 16A having the ground potential is attracted to the lower electrode portion 12A by electrostatic force, the membrane 18 including the upper electrode portion 16A has a concave shape. Transforms into Although the outer peripheral portion of the cavity 14 has a small height (thickness) “t”, the outer peripheral portion of the membrane 18 has a small deformation amount, and therefore does not hinder the deformation of the membrane 18.
  • the cavity 14 of the conventional US element was air (vacuum) having a relative dielectric constant of “1” throughout, and the thickness was the same “t0” from the center to the outer periphery.
  • the cavity 14 of the conventional US element is the same as the cavity forming portion 14 ⁇ / b> A of the US element 20.
  • a gap adjusting portion 19 is disposed inside the cavity forming portion 14A of the US element 20.
  • the relative dielectric constant Ks of the gap adjusting unit 19 made of a high dielectric constant material is larger than “1”.
  • the dielectric equivalent distance “Teff” of the gap adjusting unit 19 is expressed by (Equation 3) at the position where the distance from the center of the cavity 14 is “r”.
  • the dielectric equivalent distance “Teff” is an electrostatic distance in consideration of the relative dielectric constant Ks with respect to the physical distance “T”.
  • the ultrasonic wave generated by the US cell 10 that is deformed into a theoretical state has an ideal waveform with little distortion. For this reason, the US element 20 having the US cell 10 has good ultrasonic transmission efficiency.
  • the membrane 18 When the membrane 18 is greatly deformed so that the entire lower surface of the membrane 18 sticks to the upper surface of the gap adjusting portion 19, that is, when the gas exists in the cavity 14, the gas is held inside in a compressed state. Alternatively, for example, it may be discharged to the outside through an opening (not shown) formed for inflow of the etching agent.
  • the gap adjusting portion 19 made of a high dielectric constant material having higher insulation than air is disposed between the electrodes, the withstand voltage between the electrodes is high.
  • the US element 20 having the US cell 10 has good ultrasonic reception efficiency.
  • the US cell 10 in which the distance between the electrodes decreases from the central portion toward the outer peripheral portion has a higher capacitance than the conventional US cell in which the distance between the electrodes is uniform.
  • the rate of change of the charge amount is increased.
  • the outer peripheral portion of the membrane 18 is restrained by the intermediate insulating layer 15A, the amount of deformation is small, but since the distance between the electrodes is short, the change in charge amount is large.
  • the US element 20 has high ultrasonic transmission / reception efficiency.
  • the US endoscope 2 including the US element 20 has high ultrasonic transmission / reception efficiency.
  • a gap adjusting portion 19 made of a high dielectric constant material is disposed inside a cavity forming portion 14A that is a cylindrical hollow portion formed in the intermediate insulating layer 15A. Therefore, the thickness of the cavity has changed.
  • a part of the intermediate insulating layer 15A made of a high dielectric constant material may be a cavity 14A1 whose thickness changes. That is, the gap adjusting portion of the US element 20A of Modification 1 of the first embodiment shown in FIG. 9A is a part of the intermediate insulating layer 15A.
  • the cavity 14B of the US cell 10B of the US element 20B of Modification 2 of the first embodiment has a thickness that curves from the center to the outer periphery in the same manner as the US element 20. Although it increases monotonously, it is a so-called upper concave shape.
  • the US element 20A and the US element 20B have the same effect as the US element 20.
  • the thickness T12 of the lower electrode portion 12C covered by the lower insulating layer 13 is monotonically increased from the center toward the outer periphery. For this reason, the physical interval between the lower electrode portion 12C and the upper electrode portion 16A monotonously decreases in a curved manner from the center toward the outer peripheral portion. For this reason, the thickness “t” of the cavity 14C monotonically increases from the center toward the outer periphery.
  • the upper surface shape of the lower electrode portion 12C covered with the lower insulating layer 13 is the same as the lower surface shape of the cavity 14C.
  • the lower electrode portion 12C is formed by performing an etch-back process using a resist mask whose thickness increases monotonously from the central portion toward the outer peripheral portion in the same manner as the gap adjusting layer 19A.
  • the depth of the substrate 11D is expressed from the 0th kind Bessel function toward the outer periphery.
  • a concave portion that monotonously decreases is formed, and a lower electrode portion 12D is formed thereon.
  • the physical distance between the lower electrode portion 12A and the upper electrode portion 16D is monotonously decreased in a curved manner from the center toward the outer peripheral portion.
  • the thickness “t” of the cavity 14D monotonously increases in a curved manner from the central portion toward the outer peripheral portion.
  • the upper electrode portion 16E is deformed into a convex shape expressed by a zeroth-type Bessel function due to internal stress of the membrane 18. Yes.
  • the physical distance between the lower electrode portion 12A and the upper electrode portion 16E monotonously decreases in a curved manner from the center toward the outer peripheral portion.
  • the thickness “t” of the cavity 14E is monotonously decreasing in a curved manner from the central portion toward the outer peripheral portion.
  • a downwardly convex cavity represented by a zeroth-type Bessel function and an upper one represented by a zeroth-type Bessel function.
  • a biconvex cavity 14F is provided.
  • the physical distance between the upper electrode portion 16F and the lower electrode portion 12F on the substrate 11F monotonously decreases in a curved manner from the center toward the outer peripheral portion.
  • US elements 20C to 20F all have the same effect as US element 20. Further, unlike the US element 20, the US elements 20C to 20F are easy to manufacture because the formation of the gap adjusting portion 19 is unnecessary.
  • the US elements 20A to 20F have high ultrasonic transmission / reception efficiency like the US element 20.
  • the US endoscopes 2A to 2F including the US elements 20A to 20F have good ultrasonic wave transmission / reception efficiency.
  • the thickness (height) distribution t (r) of the cavities 14 to 14F shown in the first embodiment, the second embodiment, and the modified example may be [r].
  • the thickness “t” can be expressed by a function that decreases monotonically in a curve as it increases, the arc function shown in (Expression 5) or the sine function shown in (Expression 6) may be used.
  • the shape of the cavity is not limited to the shape of the cavities 14 to 14F, and it is sufficient that the thickness of the cavity is monotonously decreased in a curved manner from the central portion toward the outer peripheral portion.
  • the upper surface of the cavity may be greatly curved and the lower surface may be curved slightly, and conversely, the upper surface of the cavity may be curved slightly and the lower surface may be curved small and greatly.

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Abstract

超音波振動子エレメント２０は、平面視円形のキャビティ１４を介して配向配置している下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａを含むメンブレン１８とを有する複数の静電容量型の超音波セル１０を具備し、キャビティ１４の厚さがキャビティ１８の中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少している。

Description

超音波振動子エレメントおよび超音波内視鏡
　本発明は、静電容量型の超音波振動子エレメントおよび前記超音波振動子エレメントを具備する超音波内視鏡に関する。
　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。
　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。
　特表２００５－５１０２６４号公報に開示されているように、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。ＵＳセルでは、キャビティの上側の上部電極部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振動子エレメント（以下、「ＵＳエレメント」という）を構成している。
　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メンブレンが変形し両電極部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。
　ここで、ｃ－ＭＵＴのメンブレンは、太鼓の膜と同じように全外周が固定（拘束）された円形膜であるため、中心部は変位しやすいが、外周部は変位しにくい。このため、メンブレンの外周部は中心部に比べると送受信効率が悪かった。すなわち、従来の静電容量型の超音波振動子エレメントおよび従来の静電容量型の超音波振動子エレメントを有する超音波内視鏡は送受信効率がよいとはいえないことがあった。
　本発明は、送受信効率のよい超音波振動子エレメントおよび送受信効率のよい超音波内視鏡を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態の超音波振動子エレメントは、平面視円形のキャビティを介して配向配置している下部電極部と上部電極部を含むメンブレンとを有する複数の静電容量型の超音波セルを具備し、キャビティの厚さが前記キャビティの中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少している。
　また別の実施形態の超音波内視鏡は、平面視円形のキャビティを介して配向配置している下部電極部と上部電極部を含むメンブレンとを有する複数の静電容量型の超音波セルを有する、前記キャビティの厚さが前記キャビティの中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少している超音波振動子エレメント、を具備する。
第１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。 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。 第１実施形態の超音波内視鏡の超音波ユニットの構成を説明するための斜視図である。 第１実施形態の超音波振動子エレメントの構成を説明するための上面図である。 図４のＶ－Ｖ線に沿った部分断面図である。 第１実施形態の超音波振動子エレメントの超音波セルの分解図である。 第１実施形態の超音波振動子エレメントの製造方法を説明するための部分断面図である。 第１実施形態の超音波振動子エレメントの製造方法を説明するための部分断面図である。 第１実施形態の超音波振動子エレメントの製造方法を説明するための部分断面図である。 第１実施形態の超音波振動子エレメントの製造方法を説明するための部分断面図である。 第１実施形態の超音波振動子エレメントの製造方法を説明するための部分断面図である。 第１実施形態の超音波振動子エレメントの駆動を説明するための断面模式図である。 第１実施形態の超音波振動子エレメントの駆動を説明するための断面模式図である。 第１実施形態の変形例１の超音波振動子エレメントの部分断面図である。 第１実施形態の変形例２の超音波振動子エレメントの部分断面図である。 第２実施形態の超音波振動子エレメントの部分断面図である。 第２実施形態の変形例１の超音波振動子エレメントの部分断面図である。 第２実施形態の変形例２の超音波振動子エレメントの部分断面図である。 第２実施形態の変形例３の超音波振動子エレメントの部分断面図である。
＜第１の実施形態＞
　以下、図面を参照して第１実施形態の超音波振動子エレメント（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。
＜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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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６４個、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、凸形状に湾曲したコンベックス型振動子群であってもよい。
＜超音波振動子エレメントの構成＞
　図４に示すように、平面視長方形の超音波振動子エレメント２０は、複数の超音波セル１０がマトリックス状に２次元配置された送受信部６０を有する。それぞれのＵＳエレメント２０には、複数の超音波セル１０を駆動するための上部電極端子５１および下部電極端子５２が配設されている。そして、複数のＵＳエレメント２０は、それぞれの長辺が連結されている。
　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、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。
＜超音波セルの基本構造＞
　図５および図６に示すように、それぞれのＵＳセル１０は、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ａとが、下部絶縁層１３、ギャップ調整部１９、キャビティ１４および上部絶縁層１５を介して対向配置している。なお、以下、Ｚ方向の基板側を下側といい、保護層１７側を上側という。
　すなわち、ＵＳセル１０は、基体であるシリコンからなる基板１１上に、順に積層された、下部電極層１２と、下部絶縁層１３と、キャビティ１４を有するギャップ調整層１９Ａと、上部絶縁層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、上部絶縁層１５の一部１５Ｂ～保護層１７が、メンブレン１８を構成している。なお、メンブレン１８は図６等では説明のため厚く図示しているが、平面視円形のキャビティ１４の開口に張られた薄い厚さ、例えば、1μm～10μmの振動膜である。
　下部電極層１２は下部電極部１２Ａと下部配線部１２Ｂとからなる。また、上部電極層１６は上部電極部１６Ａと上部配線部１６Ｂとからなる。ＵＳエレメント２０の複数のＵＳセル１０の全ての下部電極部１２Ａは下部配線部１２Ｂを介して下部電極端子５２と接続されている。同様にＵＳエレメント２０の複数のＵＳセル１０の全ての上部電極部１６Ａは上部配線部１６Ｂを介して上部電極端子５１と接続されている。
　なお、下部電極部１２Ａ、上部電極部１６Ａ、ギャップ調整部１９およびキャビティ１４は中心軸Ｏに対して回転対称形状であり、平面視円形である。
　そして、キャビティ１４の厚さ（高さ）であるギャップを調整する、高誘電率材料からなるギャップ調整部１９は、円筒形の空洞部であるキャビティ形成部１４Ａの内部の下部絶縁層１３の上に配設されている。言い換えれば、キャビティ形成部１４Ａのギャップ調整部１９のない空間が、キャビティ１４である。そして、ギャップ調整部１９の厚さ「Ｔ」は、中心部が最小の例えば０（μm）であり、中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加している。
　すなわち、半径が「Ｒ」のギャップ調整部１９の厚さ「Ｔ」の分布Ｔ（ｒ）は、例えば、（式１）に示す、中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加する関数で表現できる。ここで、中心軸Ｏからの距離が「ｒ」、ギャップ調整部１９の外周（ｒ＝Ｒ）の厚さが「ＴＲ」である。もちろん、分布Ｔ（ｒ）は、（式１）に示す関数と完全に一致している必要はなく、多少の相違、例えば±５％程度の相違があってもよい。
（式１）
　Ｔ（ｒ）＝ＴＲ×［１－Ｊ０（２．４／Ｒ×ｒ）］
　Ｊ０は０次のベッセル関数であり、Ｊ０（０）＝１、Ｊ０（２．４）＝０である。
　ここで、（式１）は、外周が拘束された円形の平面振動板の振動の包絡線を示す第０種ベッセル関数を用いた表現である。
　ギャップ調整部１９は、高誘電率材料、例えば、比誘電率Ｋｓが３以上の例えばＳｉＯ２（Ｋｓ＝３．８）からなることが好ましく、比誘電率Ｋｓが５以上の例えばＳｉＮからなることが特に好ましい。もちろん、より比誘電率Ｋｓが高い、Ａｌ２Ｏ３（Ｋｓ＝８．５）、Ｔａ２Ｏ５（Ｋｓ＝２０～２５）、ＴｉＯ２（Ｋｓ＝４０～１１０）、ＨｆＯＦ、または、ＨｆＯ２、更にはチタン酸バリウム系セラミックス等を用いてもよいが、形成方法の容易さ等の観点からは、比誘電率Ｋｓの上限は、１５０程度である。
　一方、キャビティ１４の厚さ（高さ）「ｔ」は、ギャップ調整部１９の厚さ分布に対応して、キャビティ１４の中心Ｏから外周部に向かって曲線的に単調減少しており、（式２）に示す第０種ベッセル関数ｔ（ｒ）で示される。すなわち、キャビティ１４は、いわゆる下凸形状である。なお、「ｔ０」はキャビティ１４の中心（ｒ＝０）の厚さ（高さ）「ｔ」であり、ギャップ調整部１９の外周（ｒ＝Ｒ）の厚さ「ＴＲ」に等しい。
（式２）
　ｔ（ｒ）＝ｔ０×Ｊ０（２．４／Ｒ×ｒ）
　すなわち、キャビティ１４の厚さ「ｔ」の厚さの分布（変化状態）ｔ（ｒ）は、駆動時のメンブレン１８の理論的変形状態と同じである。
　次に、図７Ａ～図７Ｅを用いて、ＵＳエレメント２０の製造方法について説明する。
＜下部電極層形成＞
　導電性シリコンまたは金属、例えば、銅、金、Ｍｏ、Ｔａ、もしくはアルミニウムからなる導電層が、絶縁層（不図示）を形成した基板１１の全面にスパッタ法またはＣＶＤ（化学気相成長法）法等により成膜される。そして、導電層の上に、レジストからなるマスクパターンをフォトリソグラフィにより形成後に、マスクパターンに覆われていない導電層を選択的にエッチング除去することにより、下部電極層１２が形成される。
＜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法等により成膜される。必要に応じて、成膜後に下部絶縁層１３の表面は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish)法により平坦化される。そして、下部絶縁層１３の上に、更に例えばＳｉＮからなる中間絶縁層１５Ａが形成される。中間絶縁層１５Ａの厚さ「ｔ０（ＴＲ）」が、キャビティ形成部１４Ａの厚さ（高さ）に対応する。
　図７Ａに示すように、フォトリソグラフィ法により作製されたマスクを用いて、中間絶縁層１５Ａが選択的にエッチング除去されキャビティ形成部１４Ａが形成される。下部絶縁層１３と中間絶縁層１５Ａとが異なる材料からなる場合には、中間絶縁層１５Ａを選択的にエッチングする薬液またはガスなどでエッチングする。他方、下部絶縁層１３と中間絶縁層１５Ａとが、同一材料、例えばＳｉＮなどからなる場合には、必要に応じてＣＭＰ法で中間絶縁層１５Ａの表面を平坦化した後、中間絶縁層１５Ａのエッチングレートに基づき、キャビティ形成部１４Ａだけを、キャビティ１４の最大高さ（深さ）「ｔ０」になるまでエッチングしてもよい。
＜ギャップ調整部形成＞
　中間絶縁層１５Ａの表面に、高誘電率材料からなるギャップ調整層１９Ａが、キャビティ形成部１４Ａの最大厚さ（高さ）「ＴＲ（ｔ０）」以上に成膜される。そして、ギャップ調整層１９Ａの膜厚相当分（凸部）がＣＭＰ法により研磨され表面が平坦化される。すると、キャビティ形成部１４Ａの内部のみにギャップ調整層１９Ａが埋め込まれた構造が作製される。
　図７Ｂに示すように、グレースケールフォトマスクなどを介してフォトレジストに露光することにより、厚さが中心部から外周部に向かって単調増加するレジストマスク６３が作製される。すなわちレジストマスク６３の厚さは、（式１）で示されるように、中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加している。
　レジストマスク６３とギャップ調整層１９Ａとのエッチングレートが等しいドライエッチング条件で、エッチバック処理を行うことで、図７Ｃに示すように、（式１）で示される表面プロファイルの高誘電率材料からなるギャップ調整部１９がキャビティ形成部１４Ａの内部に作製される。
＜犠牲層形成＞
　例えばタングステンからなる犠牲層材料が、キャビティ形成部１４Ａの最大厚さ（ＴＲ）以上の厚さに成膜される。そして、ＣＭＰ法による研磨が行われると、図７Ｄに示すように、キャビティ形状の犠牲層６１を含んだ構造が得られる。研磨後の犠牲層６１の最大厚さ「ｔ０（ＴＲ）」は、例えば、０．０５μm～０．３μmであり、好ましくは０．０５μm～０．１５μmである。
＜上部絶縁層形成＞
　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。そして、上部絶縁層１５の所定の位置に、犠牲層６１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。
＜キャビティ形成＞
　犠牲層６１を選択的にエッチング除去することにより、キャビティ１４が形成される。例えば犠牲層６１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６１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。
＜上部電極層形成＞
　下部電極層１２と同様の方法により、上部電極層１６が形成される。
＜保護層形成＞
　図７Ｅに示すように、上部絶縁層１５が保護層１７で覆われる。保護層１７は、保護機能だけでなく、複数のＵＳエレメント２０を連結する機能も有する。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、中でも、ポリイミドが、耐薬品性が高く、屈曲性を有し、加工が容易のため好ましい。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。
　なお、キャビティ１４の平面視は真円である必要はなく、略円形でよい。更にキャビティ１４の平面視は略円形の多角形であってもよい。すなわち、キャビティ形成部１４Ａの形状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。キャビティ形成部１４Ａ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。そして、ギャップ調整部１９は、内接円の範囲が前記厚さ分布を満たしていればよい。
　複数のＵＳエレメント２０を、図４に示す連結方向にラジアル形状に湾曲配置することで、図２および図３に示したＵＳアレイ４０が作製される。ＵＳアレイ４０は、例えば所定の外径の円筒の外周面に接合される。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。
＜ＵＳエレメント／ＵＳセルの動作＞
　次に、図８Ａおよび図８Ｂを用いて、ＵＳエレメント２０の動作について説明する。なお図８Ａおよび図８Ｂでは、下部絶縁層１３、上部絶縁層１５および保護層１７等は表示せず、その影響についての説明も省略する。
　図８Ａに示すように、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。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は超音波受信時に容量信号（電流変化）を検出する。
　超音波発生時（駆動時）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、図８Ｂに示すように、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は凹形状に変形する。なお、キャビティ１４の外周部は高さ（厚さ）「ｔ」が小さいが、メンブレン１８の外周部は変形量が小さいため、メンブレン１８の変形の妨げとなることはない。
　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は弾性力により図８Ａに示す元の形に回復する。メンブレン１８の（変形／回復）による振動により超音波が発生する。
　ここで、従来のＵＳエレメントのキャビティ１４は、内部全体が比誘電率「１」の空気（真空）であり、厚さは中心部から外周部まで同じ「ｔ０」であった。言い換えれば従来のＵＳエレメントのキャビティ１４は、ＵＳエレメント２０のキャビティ形成部１４Ａと同じであった。
　これに対して、ＵＳエレメント２０のキャビティ形成部１４Ａの内部にはギャップ調整部１９が配設されている。高誘電率材料からなるギャップ調整部１９の比誘電率Ｋｓは「１」よりも大きい。このため、ギャップ調整部１９の誘電等価間隔「Ｔｅｆｆ」は、キャビティ１４の中心からの距離が「ｒ」の位置においては、（式３）で示される。ここで、誘電等価間隔「Ｔｅｆｆ」とは、物理的間隔「Ｔ」に対して、比誘電率Ｋｓを考慮した静電的間隔である。
（式３）
　Ｔｅｆｆ（ｒ）＝Ｔｒ（ｒ）／Ｋｓ
　ここで、比誘電率Ｋｓが「１」より十分に大きい場合、例えばＫｓ≧３では、誘電等価間隔「Ｔｅｆｆ」は、略「０」と見なすことができる。すなわち、すなわち、ＵＳエレメント２０では、ギャップ調整部１９は静電的には存在しないものと見なすことができる。
　このため、キャビティ１４の誘電等価間隔「ｔｅｆｆ」は（式４）で近似表現できる。
（式４）
　ｔｅｆｆ＝ｔ０―Ｔ（ｒ）
　言い換えれば、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との物理的間隔は均一である。しかし、キャビティ１４の実効厚さである誘電等価間隔「Ｔｅｆｆ」、すなわち、静電的間隔（電極間実効距離）は、中心（ｒ＝０）が最大であり、外周部に向かって曲線的に減少している。静電力は、電極間実効距離に比例するため、ＵＳエレメント２０は、電極間距離が均一な従来のＵＳエレメントよりも、電極間に作用する静電力が増加している。このため、ＵＳエレメント２０は超音波の発生効率がよい。
　更に、ＵＳエレメント２０では、駆動時には、下部電極部１２Ａに引き寄せられたメンブレン１８の下面全体はギャップ調整部１９の上面に接触し張り付くように変形する。このため、駆動時のメンブレン１８の変形状態は、（式１）等で示されるギャップ調整部１９の上面形状と同じになる。
　すでに説明したように、（式１）等で示される形状は理論的な振動膜の変形形状である。
　理論的状態に変形するＵＳセル１０が発生する超音波はひずみの少ない理想的な波形となる。このため、ＵＳセル１０を有するＵＳエレメント２０は超音波の送信効率がよい。
　なお、メンブレン１８の下面全体がギャップ調整部１９の上面に張り付くように、すなわち当接するように大きく変形するとき、キャビティ１４に気体が存在する場合に気体は、圧縮された状態で内部に保持されてもよいし、例えばエッチング剤を流入するために形成した開口部（不図示）を介して外部に放出されてもよい。
　また、ＵＳエレメント２０では、電極間に空気よりも絶縁性の高い高誘電率材料からなるギャップ調整部１９が配設されているため、電極間の絶縁耐圧が高い。
　一方、ＵＳセル１０を有するＵＳエレメント２０は、超音波の受信効率もよい。すでに説明したように、電極間距離が中心部から外周部に向かって減少しているＵＳセル１０は、電極間距離が均一な従来のＵＳセルよりも静電容量が増加している。このため、ＵＳセル１０は、従来のＵＳセルと同じ程度にメンブレン１８が変形しても、電荷量の変化率が増大している。更に、メンブレン１８の外周部は、中間絶縁層１５Ａに拘束されているため変形量が小さいが、電極間距離が短いため、電荷量の変化が大きい。
　以上の説明のように、ＵＳエレメント２０は超音波の送受信効率がよい。そしてＵＳエレメント２０を具備するＵＳ内視鏡２は超音波の送受信効率がよい。
＜第１実施形態の変形例＞
　図８Ａ等に示すように、ＵＳエレメント２０では中間絶縁層１５Ａに形成された円筒形の空洞部であるキャビティ形成部１４Ａの内部に、高誘電率材料からなるギャップ調整部１９が配設されているため、キャビティの厚さが変化していた。これに対して、図９Ａに示すＵＳセル１０Ａのように、高誘電率材料からなる中間絶縁層１５Ａの一部を厚さが変化するキャビティ１４Ａ１としてもよい。すなわち、図９Ａに示す第１実施形態の変形例１のＵＳエレメント２０Ａのギャップ調整部は中間絶縁層１５Ａの一部である。
　また、図９Ｂに示すように、第１実施形態の変形例２のＵＳエレメント２０ＢのＵＳセル１０Ｂのキャビティ１４Ｂは、ＵＳエレメント２０と同様に厚さが中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加しているが、いわゆる上凹形状である。
　ＵＳエレメント２０ＡおよびＵＳエレメント２０Ｂは、ＵＳエレメント２０と同じ効果を有する。
＜第２実施形態＞
　以下、図面を参照して、第２実施形態のＵＳセル１０Ｃを有するＵＳエレメント２０Ｃについて説明する。ＵＳセル１０ＣおよびＵＳエレメント２０Ｃは、第１実施形態のＵＳセル１０およびＵＳエレメント２０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。
　図１０Ａに示すように、ＵＳセル１０Ｃでは、下部絶縁層１３により覆われた下部電極部１２Ｃの厚さＴ１２が中心から外周に向かって曲線的に単調増加している。このため、下部電極部１２Ｃと上部電極部１６Ａとの物理的間隔が、中心から外周部に向かって曲線的に単調減少している。このため、キャビティ１４Ｃの厚さ「ｔ」が中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加している。
　そして、ＵＳエレメント２０Ｃの下部電極部１２Ｃの厚さＴ１２の分布およびキャビティ１４Ｃの厚さ「ｔ」の分布は、第１実施形態のＵＳエレメント２０のギャップ調整部１９の厚さ変化と同じく、（式１）または（式２）の第０種ベッセル関数で示すことができる。すなわち、ＵＳエレメント２０Ｃでも、キャビティ１４Ｃの厚さ変化状態は、駆動時のメンブレンの変形状態と同じである。
　言い換えれば、下部絶縁層１３により覆われた下部電極部１２Ｃの上面形状が、キャビティ１４Ｃの下面形状と同じである。
　下部電極部１２Ｃは、ギャップ調整層１９Ａと同じように厚さが中心部から外周部に向かって単調増加するレジストマスクなどを用いて、エッチバック処理を行うことで形成される。
＜第２実施形態の変形例＞
　図１０Ｂに示すように、第２実施形態の変形例１のＵＳエレメント２０ＤのＵＳセル１０Ｄでは、基板１１Ｄに深さが、第０種ベッセル関数で表現される、中心部から外周部に向かって単調減少する凹部が形成され、その上に下部電極部１２Ｄが形成されている。このため、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ｄとの物理的間隔が、中心から外周部に向かって曲線的に単調減少している。そして、キャビティ１４Ｄの厚さ「ｔ」は、中心部から外周部に向かって曲線的に単調増加している。
　また、図１０Ｃに示す第２実施形態の変形例２のＵＳエレメント２０ＥのＵＳセル１０Ｅでは、上部電極部１６Ｅがメンブレン１８の内部応力により第０種ベッセル関数で表現される凸形状に変形している。このため、下部電極部１２Ａと上部電極部１６Ｅとの物理的間隔が、中心から外周部に向かって曲線的に単調減少している。このため、キャビティ１４Ｅの厚さ「ｔ」が中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少している。
　更に、図１０Ｄに示す第２実施形態の変形例３のＵＳエレメント２０ＦのＵＳセル１０Ｆでは、第０種ベッセル関数で表現される下凸形状のキャビティと、第０種ベッセル関数で表現される上凸状のキャビティとを組み合わせることで、両凸形状のキャビティ１４Ｆを有する。上部電極部１６Ｆと基板１１Ｆ上の下部電極部１２Ｆとの物理的間隔は、中心から外周部に向かって曲線的に単調減少している。
　ＵＳエレメント２０Ｃ～２０Ｆは、いずれもＵＳエレメント２０と同じ効果を有する。更に、ＵＳエレメント２０Ｃ～２０Ｆは、ＵＳエレメント２０と異なり、ギャップ調整部１９の形成が不要であるので作製が容易である。
　以上の説明のように、ＵＳエレメント２０Ａ～２０ＦはＵＳエレメント２０と同様に超音波の送受信効率がよい。そしてＵＳエレメント２０Ａ～２０Ｆを具備するＵＳ内視鏡２Ａ～２Ｆは超音波の送受信効率がよい。
　なお、メンブレン１８の外周の拘束条件によっては、第１実施形態、第２実施形態、および変形例で示したキャビティ１４～１４Ｆの厚さ（高さ）分布ｔ（ｒ）は、［ｒ］の増加につれ厚さ「ｔ」が曲線的に単調減少する関数で表現できれば、（式５）に示す円弧関数、または（式６）に示す正弦関数であってもよい。
（式５）
　ｔ（ｒ）＝ｔ０×［１－（ｒ／Ｒ）２］
（式６）
　ｔ（ｒ）＝ｔ０×［１－ｓｉｎ（π／２×ｒ／Ｒ）］
　また、キャビティの形状としては、キャビティ１４～１４Ｆの形状に限られるものではなく、キャビティの厚さが中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少していればよい。例えば、キャビティの上面が大きく湾曲し、下面が小さく湾曲していてもよいし、その逆にキャビティの上面が小さく湾曲し、下面が小さく大きく湾曲していてもよい。
　本発明は、上述した実施形態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。
　本出願は、２０１１年１１月１日に日本国に出願された特願２０１１－２４０４７５号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲、図面に引用されたものとする。

Claims (10)

  1. 　平面視円形のキャビティを介して配向配置している下部電極部と上部電極部を含むメンブレンとを有する複数の静電容量型の超音波セルを具備し、
    　前記キャビティの厚さが前記キャビティの中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少していることを特徴とする超音波振動子エレメント。
  2. 　前記下部電極部と前記上部電極部の物理的間隔または誘電等価間隔が、前記中心部から前記外周部に向かって曲線的に単調減少していることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子エレメント。
  3. 　前記キャビティの厚さの変化状態が、駆動時の前記メンブレンの変形状態と同じであることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子エレメント。
  4. 　駆動時の前記キャビティの厚さの変化状態が、第０種ベッセル関数で表現されることを特徴とする請求項３に記載の超音波振動子エレメント。
  5. 　前記下部電極部と前記上部電極部との間に、中心部から外周部に向かって厚さが曲線的に単調増加する誘電体からなるギャップ調整部を有することを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子エレメント。
  6. 　前記誘電体の比誘電率が３以上であることを特徴とする請求項５に記載の超音波振動子エレメント。
  7. 　駆動時に前記下部電極部に引き寄せられた前記メンブレンの下面が前記ギャップ調整部の上面と接触することを特徴とする請求項６に記載の超音波振動子エレメント。
  8. 　下部絶縁層により覆われた前記下部電極部の上面形状が、前記キャビティの下面形状と同じであることを特徴とする請求項４に記載の超音波振動子エレメント。
  9. 　駆動時に前記下部電極部に引き寄せられた前記メンブレンの下面が前記絶縁層の上面と接触することを特徴とする請求項８に記載の超音波振動子エレメント。
  10. 　請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の超音波振動子エレメントを具備することを特徴とする超音波内視鏡。
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