超声波部件以及超声波内窥镜的制作方法
超声波部件以及超声波内窥镜的制作方法
【专利摘要】超声波部件(30)具备多个元件(60)，该多个元件(60)包括下部电极(11A)与构成振动片(18)的上部电极(16A)隔着空腔(13)相向配置的N个单体(9)，元件(60)具有N1个第一单体(9A)以及与第一单体(9A)相比接收灵敏度高且发送灵敏度低的N2个第二单体(9B)，其中，N1≠N2、N1+N2＝N。
【专利说明】超声波部件以及超声波内窥镜
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有多个静电电容型的超声波振子单体的超声波部件以及具备 上述超声波部件的超声波内窥镜。
【背景技术】
[0002] 对被检物照射超声波并根据回波信号将体内的状态图像化来进行诊断的超声波 诊断法正在普及。使用于超声波诊断法的超声波诊断装置之一是超声波内窥镜。超声波内 窥镜在向体内插入的插入部的前端部配置有超声波部件。超声波部件具有将电信号变换为 超声波向体内发送并且接收在体内反射的超声波而变换为电信号的功能。
[0003] 在超声波部件中，作为超声波振子利用使用了压电陶瓷材料（例如PZT :锆钛酸 铅）的压电型超声波振子或者使用MEMS技术制造的静电电容型超声波振子（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer :c_MUT)〇
[0004] c-MUT型单体的下部电极与构成振动片的上部电极隔着空腔相向配置。当在单体 的电极间施加电压时由于静电力而振动片变形并产生超声波。另一方面，当由被摄体反射 的反射超声波（回波）入射到单体时，由于振动片变形，因此通过测量电极间的静电电容来 接收超声波。
[0005] 在此，使单体的发送灵敏度提高与使接收灵敏度提高是相反的。因此，例如在日本 特表2005-210264号公报中公开了一种超声波部件，具有重视发送灵敏度的构造的发送专 用单体以及重视接收灵敏度的构造的接收专用单体。
[0006] 但是，在以往的超声波部件中，发送专用单体或者接收专用单体分别只能用于发 送或者接收，并且个数和占有面积相同。因此，在发送接收效率这一观点出发，不能说是具 有充分高的特性。
【发明内容】
[0007] 发明要解决的问是页
[0008] 本发明的实施方式的目的在于，提供一种发送接收灵敏度高的超声波部件以及发 送接收灵敏度高的超声波内窥镜。
[0009] 用于解决问题的方案
[0010] 本发明的实施方式的超声波部件具备多个超声波振子元件，该多个超声波振子元 件包括下部电极与构成振动片的上部电极隔着空腔相向配置的N个超声波振子单体，上述 超声波振子元件具有N 1个第一超声波振子单体以及与上述第一超声波振子单体相比接收 灵敏度高且发送灵敏度低的N2个（其中，N 1尹N2、NJN2 = N)第二超声波振子单体。
[0011]另外，本发明的其它实施方式的超声波内窥镜具备超声波部件，该超声波部件具 备多个超声波振子元件，该多个超声波振子元件包括下部电极与构成振动片的上部电极隔 着空腔相向配置的N个超声波振子单体，上述超声波振子元件具有N 1个第一超声波振子 单体以及与上述第一超声波振子单体相比接收灵敏度高且发送灵敏度低的N2个（其中， N1尹NyNjN2 = N)第二超声波振子单体。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是用于说明第一实施方式的超声波内窥镜的外观图。
[0013] 图2是用于说明第一实施方式的超声波内窥镜的前端部的结构的立体图。
[0014] 图3是用于说明第一实施方式的超声波部件的立体图。
[0015] 图4是用于说明第一实施方式的超声波部件的超声波振子元件的立体图。
[0016] 图5是用于说明第一实施方式的超声波部件的超声波振子单体的构造的截面图。
[0017] 图6是用于说明第一实施方式的超声波部件的元件的超声波振子单体的配置等 的俯视图。
[0018] 图7是用于说明第二实施方式的超声波部件的元件的超声波振子单体的配置等 的俯视图。
[0019] 图8是用于说明第三实施方式的超声波部件的元件的超声波振子单体的配置等 的俯视图。
【具体实施方式】
[0020] 〈第一实施方式〉
[0021] 以下，参照【专利附图】
【附图说明】第一实施方式的超声波部件30以及具有超声波部件30的超 声波内窥镜2。此外，附图均为用于进行说明而示出的示意图，结构要素的数量、大小以及大 小等的比率等与实际不同。
[0022] 〈超声波内窥镜系统的结构〉
[0023] 如图1所示，超声波内窥镜2与超声波观测装置3和监视器4 一起构成超声波内 窥镜系统1。超声波内窥镜2具备向体内插入的细长的插入部41、配置于插入部41的基端 的操作部42以及从操作部42的侧部延伸出的通用线缆43。
[0024] 在通用线缆43的基端部配置有与光源装置（未图示）相连接的连接器44A。从连 接器44A延伸出线缆45以及线缆46,线缆45经由连接器45A以自由地安装和拆卸的方式 与摄像头控制部件（未图示）连接，线缆46经由连接器46A以自由地安装和拆卸的方式与 超声波观测装置3连接。在超声波观测装置3上连接监视器4。
[0025] 插入部41构成为从前端侧起依次连续设置有前端部47、位于前端部47的后端的 弯曲部48以及位于弯曲部48的后端并至操作部42为止是细长而具有挠性的挠性管部49。 而且，在前端部47配置有超声波部件30 (参照图5)。
[0026] 在操作部42中配置有：角旋钮42A，其进行弯曲控制来使弯曲部48向期望的方向 弯曲；送气送水按钮42B，进行送气和送水操作；吸引按钮42C，其进行吸引操作；处置器具 插入口 42D，其成为具有后述的向体内导入的穿刺针等的处置器具的入口等。
[0027] 而且，如图2所示，在配置了超声波内窥镜2的超声波部件30的前端部47配置有 构成照明光学系统的照明用透镜罩31、观察光学系统的观察用透镜罩32、钳子口 33以及未 图示的送气送水喷嘴。如后文中所述，超声波部件30具有多个超声波振子元件（以下称为 "元件"）60。
[0028] 如图3所示，外部电极62A与线缆80的导线81A相连接，外部电极62B与线缆80 的导线81B相连接。
[0029] 如图4所示，作为发送接收超声波的基本单位的元件60具有第一主面60SA以及 与第一主面60SA相向的第二主面60SB。而且，在元件60的第一主面60SA的大致中央部 形成有发送接收超声波的发送接收部61，在第一主面60SA的两端部配置有外部电极62A、 62B。如后文中所述，元件60具有多个超声波振子单体（以下称为"单体"）9。
[0030] 如图5所示，元件60的单体9具有在作为基体的硅基板10上依次层叠的下部电 极层11、下部绝缘层12、空腔13、其支承层14、上部绝缘层15、上部电极层16以及保护层 17。此外，图5示出一个单体9的截面构造，但是一般由几十个?几千个单体9构成一个元 件60。
[0031] 下部电极层11具有多个下部电极IlA以及从下部电极IlA的缘边部延伸设置的 多个下部电极布线（未图示）。下部电极层11连接相同元件60的其它单体9的下部电极 11A。上部电极层16具有多个上部电极16A以及从上部电极16A延伸设置的多个上部电极 布线（未图示）。上部电极层16连接相同元件60的其它单体9的上部电极16A。而且，各 单体9具有隔着空腔13相向配置的下部电极IlA与上部电极16A。
[0032] 如上所述，配置于相同元件60的多个单体9的全部下部电极IlA相互连接，全部 上部电极16A也相互连接。而且，对下部电极层11施加驱动电压，上部电极层16成为接地 电位。
[0033] 当在元件60的下部电极层11与上部电极层16之间施加脉冲电压时，由于静电力 而包含上部电极16A的振动片（振动部）18振动，由此产生超声波。另外，当从外部入射超 声波时振动片18变形并下部电极层11与上部电极层16的间隔发生变化，因此根据静电电 容的变化将超声波变换为电信号。
[0034] 如图6所示，在超声波部件30中，元件60的N个单体9包括Nla个第一单体9A和 N2a个第二单体9B (其中，Nla尹N2a)。第二单体9B与第一单体9A相比接收灵敏度高且发送 灵敏度低。即，第一单体9A为发送灵敏度S na、接收灵敏度SKla，第二单体9B为发送灵敏度 ST2a(其中，STla>ST2a)、接收灵敏度SK2a(其中，S Kla〈SK2a)。例如能够通过改变振动片18的厚 度，将单体9的发送灵敏度和接收灵敏度优化为适于发送或者接收。
[0035] 以下，将超声波部件30 (元件60)的发送接收灵敏度S定义为发送灵敏度St (单 位：Pa/V)与接收灵敏度Sk(单位：V/Pa)的积，理论性地导出发送接收灵敏度S成为最大的 条件。
[0036] 用以下（式11)表示元件60的单体9的总数Na、单体9A的个数Nla、单体9B的个 数 N2a。
[0037] (式 11)
[0038] Na = Nla+N2a
[0039] 而且，用（式12)表示元件60的发送灵敏度STa。
[0040] (式 12) _] STa = Sna · Nla+ST2a · N2a = Sna · Nla+ST2a · (Na-Nla)
[0042] 另一方面，用（式13)表示元件60的接收灵敏度SKa。
[0043] (式 I3)
[0044] SEa = SEla · Nla+SE2a · N2a = SEla · Nla+SE2a · (Na-Nla)
[0045] 即，在超声波部件30(元件60)中，发送灵敏度高且接收灵敏度低的第一单体9A 和发送灵敏度低且接收灵敏度高的第二单体9B均使用于发送和接收。
[0046] 如上所述，用（式14)定义元件60的发送接收灵敏度Sa。
[0047] (式 14)
【权利要求】
1. 一种超声波部件，具备多个超声波振子元件，各超声波振子元件包括下部电极与构 成振动片的上部电极隔着空腔相向配置的N个超声波振子单体，该超声波部件的特征在 于， 上述超声波振子元件具有K个第一超声波振子单体以及与上述第一超声波振子单体 相比接收灵敏度高且发送灵敏度低的N2个第二超声波振子单体，其中，&尹N2、K+N 2 = N。
2. 根据权利要求1所述的超声波部件，其特征在于， 上述第一超声波振子单体的上部电极与上述第二超声波振子单体的上部电极相连接， 上述第一超声波振子单体的下部电极与上述第二超声波振子单体的下部电极相连接，上述 第一超声波振子单体和上述第二超声波振子单体均用于发送和接收。
3. 根据权利要求2所述的超声波部件，其特征在于， 上述第一超声波振子单体的发送灵敏度为ST1、接收灵敏度为SK1，上述第二超声波振子 单体的发送灵敏度为ST2、接收灵敏度为SK2，满足以下式， 0? 9X 彡 & 彡 1. IX 其中，
4. 根据权利要求1所述的超声波部件，其特征在于， 上述第一超声波振子单体是面积为4的发送专用单体，上述第二超声波振子单体是面 积为A2的接收专用单体，满足以下式， 0? 9Y 彡 & 彡 1. 1Y 其中，
5. 根据权利要求2所述的超声波部件，其特征在于， 上述第一超声波振子单体的发送灵敏度为ST1、接收灵敏度为SK1、面积为&，上述第二 超声波振子单体的发送灵敏度为ST2、接收灵敏度为SK2、面积为A2，满足以下式， 0? 9Z 彡 & 彡 1. 1Z it由.
Sri〈SR2、A! 4 A2。
6. -种超声波内窥镜，其特征在于， 具备前端部，该前端部具有根据权利要求1?5中的任一项所述的超声波部件。
【文档编号】A61B8/12GK104349722SQ201380030605
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年5月10日 优先权日:2012年6月11日
【发明者】佐藤宪 申请人:奥林巴斯株式会社
【专利摘要】超声波部件(30)具备多个元件(60)，该多个元件(60)包括下部电极(11A)与构成振动片(18)的上部电极(16A)隔着空腔(13)相向配置的N个单体(9)，元件(60)具有N1个第一单体(9A)以及与第一单体(9A)相比接收灵敏度高且发送灵敏度低的N2个第二单体(9B)，其中，N1≠N2、N1+N2＝N。
【专利说明】超声波部件以及超声波内窥镜
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有多个静电电容型的超声波振子单体的超声波部件以及具备 上述超声波部件的超声波内窥镜。
【背景技术】
[0002] 对被检物照射超声波并根据回波信号将体内的状态图像化来进行诊断的超声波 诊断法正在普及。使用于超声波诊断法的超声波诊断装置之一是超声波内窥镜。超声波内 窥镜在向体内插入的插入部的前端部配置有超声波部件。超声波部件具有将电信号变换为 超声波向体内发送并且接收在体内反射的超声波而变换为电信号的功能。
[0003] 在超声波部件中，作为超声波振子利用使用了压电陶瓷材料（例如PZT :锆钛酸 铅）的压电型超声波振子或者使用MEMS技术制造的静电电容型超声波振子（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer :c_MUT)〇
[0004] c-MUT型单体的下部电极与构成振动片的上部电极隔着空腔相向配置。当在单体 的电极间施加电压时由于静电力而振动片变形并产生超声波。另一方面，当由被摄体反射 的反射超声波（回波）入射到单体时，由于振动片变形，因此通过测量电极间的静电电容来 接收超声波。
[0005] 在此，使单体的发送灵敏度提高与使接收灵敏度提高是相反的。因此，例如在日本 特表2005-210264号公报中公开了一种超声波部件，具有重视发送灵敏度的构造的发送专 用单体以及重视接收灵敏度的构造的接收专用单体。
[0006] 但是，在以往的超声波部件中，发送专用单体或者接收专用单体分别只能用于发 送或者接收，并且个数和占有面积相同。因此，在发送接收效率这一观点出发，不能说是具 有充分高的特性。
【发明内容】
[0007] 发明要解决的问是页
[0008] 本发明的实施方式的目的在于，提供一种发送接收灵敏度高的超声波部件以及发 送接收灵敏度高的超声波内窥镜。
[0009] 用于解决问题的方案
[0010] 本发明的实施方式的超声波部件具备多个超声波振子元件，该多个超声波振子元 件包括下部电极与构成振动片的上部电极隔着空腔相向配置的N个超声波振子单体，上述 超声波振子元件具有N 1个第一超声波振子单体以及与上述第一超声波振子单体相比接收 灵敏度高且发送灵敏度低的N2个（其中，N 1尹N2、NJN2 = N)第二超声波振子单体。
[0011]另外，本发明的其它实施方式的超声波内窥镜具备超声波部件，该超声波部件具 备多个超声波振子元件，该多个超声波振子元件包括下部电极与构成振动片的上部电极隔 着空腔相向配置的N个超声波振子单体，上述超声波振子元件具有N 1个第一超声波振子 单体以及与上述第一超声波振子单体相比接收灵敏度高且发送灵敏度低的N2个（其中， N1尹NyNjN2 = N)第二超声波振子单体。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是用于说明第一实施方式的超声波内窥镜的外观图。
[0013] 图2是用于说明第一实施方式的超声波内窥镜的前端部的结构的立体图。
[0014] 图3是用于说明第一实施方式的超声波部件的立体图。
[0015] 图4是用于说明第一实施方式的超声波部件的超声波振子元件的立体图。
[0016] 图5是用于说明第一实施方式的超声波部件的超声波振子单体的构造的截面图。
[0017] 图6是用于说明第一实施方式的超声波部件的元件的超声波振子单体的配置等 的俯视图。
[0018] 图7是用于说明第二实施方式的超声波部件的元件的超声波振子单体的配置等 的俯视图。
[0019] 图8是用于说明第三实施方式的超声波部件的元件的超声波振子单体的配置等 的俯视图。
【具体实施方式】
[0020] 〈第一实施方式〉
[0021] 以下，参照【专利附图】
【附图说明】第一实施方式的超声波部件30以及具有超声波部件30的超 声波内窥镜2。此外，附图均为用于进行说明而示出的示意图，结构要素的数量、大小以及大 小等的比率等与实际不同。
[0022] 〈超声波内窥镜系统的结构〉
[0023] 如图1所示，超声波内窥镜2与超声波观测装置3和监视器4 一起构成超声波内 窥镜系统1。超声波内窥镜2具备向体内插入的细长的插入部41、配置于插入部41的基端 的操作部42以及从操作部42的侧部延伸出的通用线缆43。
[0024] 在通用线缆43的基端部配置有与光源装置（未图示）相连接的连接器44A。从连 接器44A延伸出线缆45以及线缆46,线缆45经由连接器45A以自由地安装和拆卸的方式 与摄像头控制部件（未图示）连接，线缆46经由连接器46A以自由地安装和拆卸的方式与 超声波观测装置3连接。在超声波观测装置3上连接监视器4。
[0025] 插入部41构成为从前端侧起依次连续设置有前端部47、位于前端部47的后端的 弯曲部48以及位于弯曲部48的后端并至操作部42为止是细长而具有挠性的挠性管部49。 而且，在前端部47配置有超声波部件30 (参照图5)。
[0026] 在操作部42中配置有：角旋钮42A，其进行弯曲控制来使弯曲部48向期望的方向 弯曲；送气送水按钮42B，进行送气和送水操作；吸引按钮42C，其进行吸引操作；处置器具 插入口 42D，其成为具有后述的向体内导入的穿刺针等的处置器具的入口等。
[0027] 而且，如图2所示，在配置了超声波内窥镜2的超声波部件30的前端部47配置有 构成照明光学系统的照明用透镜罩31、观察光学系统的观察用透镜罩32、钳子口 33以及未 图示的送气送水喷嘴。如后文中所述，超声波部件30具有多个超声波振子元件（以下称为 "元件"）60。
[0028] 如图3所示，外部电极62A与线缆80的导线81A相连接，外部电极62B与线缆80 的导线81B相连接。
[0029] 如图4所示，作为发送接收超声波的基本单位的元件60具有第一主面60SA以及 与第一主面60SA相向的第二主面60SB。而且，在元件60的第一主面60SA的大致中央部 形成有发送接收超声波的发送接收部61，在第一主面60SA的两端部配置有外部电极62A、 62B。如后文中所述，元件60具有多个超声波振子单体（以下称为"单体"）9。
[0030] 如图5所示，元件60的单体9具有在作为基体的硅基板10上依次层叠的下部电 极层11、下部绝缘层12、空腔13、其支承层14、上部绝缘层15、上部电极层16以及保护层 17。此外，图5示出一个单体9的截面构造，但是一般由几十个?几千个单体9构成一个元 件60。
[0031] 下部电极层11具有多个下部电极IlA以及从下部电极IlA的缘边部延伸设置的 多个下部电极布线（未图示）。下部电极层11连接相同元件60的其它单体9的下部电极 11A。上部电极层16具有多个上部电极16A以及从上部电极16A延伸设置的多个上部电极 布线（未图示）。上部电极层16连接相同元件60的其它单体9的上部电极16A。而且，各 单体9具有隔着空腔13相向配置的下部电极IlA与上部电极16A。
[0032] 如上所述，配置于相同元件60的多个单体9的全部下部电极IlA相互连接，全部 上部电极16A也相互连接。而且，对下部电极层11施加驱动电压，上部电极层16成为接地 电位。
[0033] 当在元件60的下部电极层11与上部电极层16之间施加脉冲电压时，由于静电力 而包含上部电极16A的振动片（振动部）18振动，由此产生超声波。另外，当从外部入射超 声波时振动片18变形并下部电极层11与上部电极层16的间隔发生变化，因此根据静电电 容的变化将超声波变换为电信号。
[0034] 如图6所示，在超声波部件30中，元件60的N个单体9包括Nla个第一单体9A和 N2a个第二单体9B (其中，Nla尹N2a)。第二单体9B与第一单体9A相比接收灵敏度高且发送 灵敏度低。即，第一单体9A为发送灵敏度S na、接收灵敏度SKla，第二单体9B为发送灵敏度 ST2a(其中，STla>ST2a)、接收灵敏度SK2a(其中，S Kla〈SK2a)。例如能够通过改变振动片18的厚 度，将单体9的发送灵敏度和接收灵敏度优化为适于发送或者接收。
[0035] 以下，将超声波部件30 (元件60)的发送接收灵敏度S定义为发送灵敏度St (单 位：Pa/V)与接收灵敏度Sk(单位：V/Pa)的积，理论性地导出发送接收灵敏度S成为最大的 条件。
[0036] 用以下（式11)表示元件60的单体9的总数Na、单体9A的个数Nla、单体9B的个 数 N2a。
[0037] (式 11)
[0038] Na = Nla+N2a
[0039] 而且，用（式12)表示元件60的发送灵敏度STa。
[0040] (式 12) _] STa = Sna · Nla+ST2a · N2a = Sna · Nla+ST2a · (Na-Nla)
[0042] 另一方面，用（式13)表示元件60的接收灵敏度SKa。
[0043] (式 I3)
[0044] SEa = SEla · Nla+SE2a · N2a = SEla · Nla+SE2a · (Na-Nla)
[0045] 即，在超声波部件30(元件60)中，发送灵敏度高且接收灵敏度低的第一单体9A 和发送灵敏度低且接收灵敏度高的第二单体9B均使用于发送和接收。
[0046] 如上所述，用（式14)定义元件60的发送接收灵敏度Sa。
[0047] (式 14)
【权利要求】
1. 一种超声波部件，具备多个超声波振子元件，各超声波振子元件包括下部电极与构 成振动片的上部电极隔着空腔相向配置的N个超声波振子单体，该超声波部件的特征在 于， 上述超声波振子元件具有K个第一超声波振子单体以及与上述第一超声波振子单体 相比接收灵敏度高且发送灵敏度低的N2个第二超声波振子单体，其中，&尹N2、K+N 2 = N。
2. 根据权利要求1所述的超声波部件，其特征在于， 上述第一超声波振子单体的上部电极与上述第二超声波振子单体的上部电极相连接， 上述第一超声波振子单体的下部电极与上述第二超声波振子单体的下部电极相连接，上述 第一超声波振子单体和上述第二超声波振子单体均用于发送和接收。
3. 根据权利要求2所述的超声波部件，其特征在于， 上述第一超声波振子单体的发送灵敏度为ST1、接收灵敏度为SK1，上述第二超声波振子 单体的发送灵敏度为ST2、接收灵敏度为SK2，满足以下式， 0? 9X 彡 & 彡 1. IX 其中，
4. 根据权利要求1所述的超声波部件，其特征在于， 上述第一超声波振子单体是面积为4的发送专用单体，上述第二超声波振子单体是面 积为A2的接收专用单体，满足以下式， 0? 9Y 彡 & 彡 1. 1Y 其中，
5. 根据权利要求2所述的超声波部件，其特征在于， 上述第一超声波振子单体的发送灵敏度为ST1、接收灵敏度为SK1、面积为&，上述第二 超声波振子单体的发送灵敏度为ST2、接收灵敏度为SK2、面积为A2，满足以下式， 0? 9Z 彡 & 彡 1. 1Z it由.
Sri〈SR2、A! 4 A2。
6. -种超声波内窥镜，其特征在于， 具备前端部，该前端部具有根据权利要求1?5中的任一项所述的超声波部件。
【文档编号】A61B8/12GK104349722SQ201380030605
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年5月10日 优先权日:2012年6月11日
【发明者】佐藤宪 申请人:奥林巴斯株式会社
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