WO2013187158A1 - 超音波ユニットおよび超音波内視鏡 - Google Patents

超音波ユニットおよび超音波内視鏡 Download PDF

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    • B06B2201/20—Application to multi-element transducer

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic unit having a plurality of capacitive ultrasonic transducer cells and an ultrasonic endoscope including the ultrasonic unit.
  • An ultrasonic diagnostic method in which an ultrasonic wave is irradiated to a test object and an internal state is imaged from an echo signal is diagnosed.
  • One of ultrasonic diagnostic apparatuses used for ultrasonic diagnostic methods is an ultrasonic endoscope.
  • an ultrasonic unit is disposed at a distal end portion of an insertion portion to be inserted into the body.
  • the ultrasonic unit 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 piezoelectric ultrasonic vibrator using a piezoelectric ceramic material (for example, PZT: lead zirconate titanate), or a capacitive ultrasonic vibration manufactured using MEMS technology.
  • PZT lead zirconate titanate
  • the child Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer: c-MUT is used.
  • the lower electrode and the upper electrode constituting the membrane are arranged to face each other via a cavity.
  • the membrane is deformed by an electrostatic force and ultrasonic waves are generated.
  • the reflected ultrasonic wave (echo) reflected by the subject is incident on the cell, the membrane is deformed, so that the ultrasonic wave is received by measuring the capacitance between the electrodes.
  • Japanese National Publication No. 2005-210264 discloses an ultrasonic unit having a transmission-only cell with a structure that emphasizes transmission sensitivity and a reception-only cell with a structure that emphasizes reception sensitivity. Yes.
  • the transmission-only cell or the reception-only cell is used only for transmission or reception, respectively, and the number and occupied area are the same. For this reason, it cannot be said that it has sufficiently high characteristics from the viewpoint of transmission / reception efficiency.
  • Embodiments of the present invention are intended to provide an ultrasonic unit with high transmission / reception sensitivity and an ultrasonic endoscope with high transmission / reception sensitivity.
  • an ultrasonic endoscope includes a plurality of ultrasonic waves including N ultrasonic transducer cells in which a lower electrode and an upper electrode constituting a membrane are arranged to face each other via a cavity.
  • the ultrasonic endoscope 2 constitutes an ultrasonic endoscope system 1 together with an ultrasonic observation device 3 and a monitor 4.
  • the ultrasonic endoscope 2 includes an elongated insertion portion 41 to be inserted into the body, an operation portion 42 disposed at the proximal end of the insertion portion 41, a universal cord 43 extending from a side portion of the operation portion 42, It comprises.
  • a connector 44A connected to a light source device (not shown) is disposed at the base end of the universal cord 43. From the connector 44A, there are a cable 45 that is detachably connected to a camera control unit (not shown) via a connector 45A, and a cable 46 that is detachably connected to the ultrasonic observation apparatus 3 via a connector 46A. It is extended.
  • a monitor 4 is connected to the ultrasonic observation apparatus 3.
  • the insertion portion 41 is, in order from the distal end side, a distal end portion 47, a bending portion 48 positioned at the rear end of the distal end portion 47, and a small diameter and long length reaching the operation portion 42 at the rear end of the bending portion 48.
  • a flexible tube portion 49 having flexibility is provided in series.
  • the ultrasonic unit 30 is arrange
  • the operation unit 42 includes an angle knob 42A that controls the bending of the bending portion 48 in a desired direction, an air / water supply button 42B that performs air supply and water supply operations, a suction button 42C that performs suction operations, and a body that will be described later.
  • a treatment instrument insertion port 42D or the like serving as an entrance of a treatment instrument having a puncture needle or the like is disposed.
  • the distal end portion 47 where the ultrasonic unit 30 of the ultrasonic endoscope 2 is disposed has an illumination lens cover 31 constituting an illumination optical system and an observation optical system for observation.
  • a lens cover 32, a forceps port 33, and an air / water supply nozzle (not shown) are disposed.
  • the ultrasonic unit 30 includes a plurality of ultrasonic transducer elements (hereinafter referred to as “elements”) 60.
  • the external electrode 62A is connected to the conductor 81A of the cable 80, and the external electrode 62B is connected to the conductor 81B of the cable 80.
  • the element 60 which is a basic unit for transmitting and receiving ultrasonic waves, has a first main surface 60SA and a second main surface 60SB facing the first main surface 60SA.
  • a transmitter / receiver 61 that transmits and receives ultrasonic waves is formed at a substantially central portion of the first main surface 60SA of the element 60, and external electrodes 62A and 62B are disposed at both ends of the first main surface 60SA.
  • the element 60 has a plurality of ultrasonic transducer cells (hereinafter referred to as “cells”) 9.
  • the cell 9 of the element 60 includes a lower electrode layer 11, a lower insulating layer 12, a cavity 13, and a support layer 14, which are sequentially stacked on a silicon substrate 10 that is a base.
  • the upper insulating layer 15, the upper electrode layer 16, and the protective layer 17 are included.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional structure of one cell 9, but generally several tens to several thousand cells 9 constitute one element 60.
  • the lower electrode layer 11 has a plurality of lower electrodes 11A and a plurality of lower electrode wirings (not shown) extending from the edge of the lower electrode 11A.
  • the lower electrode layer 11 connects the lower electrodes 11 ⁇ / b> A of other cells 9 of the same element 60.
  • the upper electrode layer 16 includes a plurality of upper electrodes 16A and a plurality of upper electrode wirings (not shown) extending from the upper electrode 16A.
  • the upper electrode layer 16 connects the upper electrodes 16 ⁇ / b> A of other cells 9 of the same element 60.
  • Each cell 9 includes a lower electrode 11 ⁇ / b> A and an upper electrode 16 ⁇ / b> A that are opposed to each other with the cavity 13 interposed therebetween.
  • all the lower electrodes 11A of the plurality of cells 9 arranged in the same element 60 are connected to each other, and all the upper electrodes 16A are also connected to each other.
  • a driving voltage is applied to the lower electrode layer 11, and the upper electrode layer 16 is at ground potential.
  • the membrane (vibrating part) 18 including the upper electrode 16A is vibrated by an electrostatic force, thereby generating an ultrasonic wave. Further, when ultrasonic waves are incident from the outside, the membrane 18 is deformed and the distance between the lower electrode layer 11 and the upper electrode layer 16 is changed, so that the ultrasonic waves are converted into electric signals from the change in capacitance.
  • the N cells 9 of the element 60 include N 1a first cells 9A and N 2a second cells 9B (provided that N 1a ⁇ N 2a ).
  • the second cell 9B has higher reception sensitivity and lower transmission sensitivity than the first cell 9A. That is, the first cell 9A has the transmission sensitivity S T1a and the reception sensitivity S R1a , and the second cell 9B has the transmission sensitivity S T2a (where S T1a > S T2a ) and the reception sensitivity S R2a (where S R1a ⁇ S R2a ).
  • the transmission sensitivity and reception sensitivity of the cell 9 can be optimized for transmission or reception by changing the thickness of the membrane 18, for example.
  • the transmission / reception sensitivity S of the ultrasonic unit 30 (element 60) is defined as the product of the transmission sensitivity S T (unit: Pa / V) and the reception sensitivity S R (unit: V / Pa).
  • the maximum condition is derived theoretically.
  • transmission and reception sensitivity S a of the element 60 is defined by Equation (14).
  • the ultrasonic unit 30 performs transmission and reception using both the first cell 9A suitable for transmission and the second cell 9B suitable for reception. For this reason, the transmission sensitivity is higher than that of a conventional ultrasonic unit that performs transmission using only the first cell 9A suitable for transmission. Similarly, the reception sensitivity is higher than that of a conventional ultrasonic unit that performs reception using only the second cell 9B suitable for reception.
  • the ultrasonic unit 30 having the number of first cells 9A represented by (Expression 15) and the number of second cells 9B represented by (Expression 16) has high transmission / reception sensitivity.
  • the ultrasonic endoscope 2 including the ultrasonic unit 30 has high transmission / reception sensitivity.
  • the number (ratio) of the cells 9 is not strictly limited to the number indicated by (Equation 15) or the like, but from the number indicated by (Equation 15) or the like from the relationship of the arrangement in the element. It may be within a range of ⁇ 10%.
  • the number N 1a of the first cells 9A only needs to satisfy the following (Formula 15A) with respect to the number (X) represented by (Formula 15).
  • Equation 15 the number N 1a of the first cell 9A, the number N 2a of the second cell. 9B (Equation 17) and (Equation 18).
  • the number N 1a of the first cells 9A is 22.5% (25 ⁇ 0.9) or more and 27.5% (25 ⁇ 1.1) or less of the number N a of the plurality of cells 9, As described above, it is effective.
  • the number N 1b of the first cells 9Ab is an exclusive area A 1b transmission cell
  • the number N 2b of the second cells 9Bb is the area A 2b (provided that A 1b ⁇ A 2b ) reception-only cell.
  • the lower electrode of the first cell 9Ab and the lower electrode of the second cell 9Bb which are drive potential electrodes arranged in the element 60b, are not connected.
  • the upper electrode of the first cell 9Ab which is a ground potential electrode, and the upper electrode of the second cell 9Bb may be connected.
  • the occupied area of the cell 9b does not mean, for example, the diameter or the like of each cavity, but as shown in FIG. 7, the center when arranged in the element 60 and the center of other surrounding cells 9b This is the area of the portion surrounded by the line connecting the midpoints.
  • the number (ratio) of the cells 9 is not strictly limited to the number indicated by (Expression 29) or the like, but from the number indicated by (Expression 29) or the like from the relationship of the arrangement in the element. It may be within a range of ⁇ 10%.
  • the number N 1b of the first cells 9Ab only needs to satisfy the following (Expression 29A) with respect to the number (Y) indicated by (Expression 29).
  • the number N 1b of the first cell 9Ab is, 60% of the number N b of a plurality of cells 9 ((2/3) ⁇ 0.9) or more 73.3% ((2/3) ⁇ 1.1 ) As described above, the following effects are effective.
  • the ultrasonic unit 30b performs transmission using only the first cell 9Ab dedicated to transmission, and performs reception using only the second cell 9Bb dedicated to reception.
  • the area occupied by A 1b of the first cell 9Ab, and the area occupied by A 2b of the second cell 9Bb it is different.
  • the number (ratio) of cells having the maximum transmission / reception sensitivity is not related to the transmission sensitivity or the reception sensitivity.
  • each element 60b has the number of cells 9Ab and 9Bb indicated by (Expression 31) and (Expression 32) has high transmission / reception sensitivity.
  • the ultrasonic endoscope 2b including the ultrasonic unit 30b has high transmission / reception sensitivity.
  • the ultrasonic unit 30c and the ultrasonic endoscope 2c of the third embodiment will be described. Since the ultrasonic unit 30c and the like are similar to the ultrasonic unit 30 and the like, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the element 60c of the ultrasonic unit 30c has an area where the ultrasonic cell can be arranged as A c , the first cell 9Ac has a transmission sensitivity S T1c , a reception sensitivity S R1c , and an area is A 1c , and the second cell 9Ac is the transmission sensitivity S T2c (where S T1c > S T2c ), the reception sensitivity S R2c (where S R1c ⁇ S R2c ), and the area A 2c (where A 1c ⁇ A 2c ).
  • the number (ratio) of the cells 9 is not strictly limited to the number indicated by (Equation 50) or the like, but from the number indicated by (Equation 50) or the like from the relationship of the arrangement in the element. It may be within a range of ⁇ 10%.
  • the number N 1c of the first cells 9Ac only needs to satisfy the following (Expression 50A) with respect to the number (Z) indicated by (Expression 50).
  • N c 1000
  • transmission sensitivity S T1c 100 Pa / V
  • transmission sensitivity S T2c 20 Pa / V
  • reception sensitivity S R1c 300 pV / Pa
  • reception sensitivity S R2c 900 pV / Pa
  • a 2c 5000 ⁇ m 2
  • the effect is obtained if the number N 1c of the first cells 9Ac is 720 (800 ⁇ 0.9) or more and 880 (800 ⁇ 1.1) or less.
  • the ultrasonic unit 30c Since the ultrasonic unit 30c has the effects of the ultrasonic units 30 and 30b, the transmission / reception sensitivity is higher.
  • the ultrasonic endoscope 2c including the ultrasonic unit 30c has higher transmission / reception sensitivity.

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Description

超音波ユニットおよび超音波内視鏡
　本発明は、複数の静電容量型の超音波振動子セルを有する超音波ユニットおよび前記超音波ユニットを具備する超音波内視鏡に関する。
　被検物に超音波を照射し、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つに超音波内視鏡がある。超音波内視鏡は、体内へ挿入される挿入部の先端部に超音波ユニットが配設されている。超音波ユニット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。
　超音波ユニットには超音波振動子として、圧電セラミックス材料（例えばＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）を用いた圧電型超音波振動子、またはＭＥＭＳ技術を用いて製造される静電容量型超音波振動子（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer：ｃ－ＭＵＴ）が使用されている。
　ｃ－ＭＵＴ型セルは、下部電極とメンブレンを構成する上部電極とがキャビティを介して対向配置している。セルの電極間に電圧が印加されると静電力によりメンブレンが変形して超音波が発生する。一方、被写体で反射した反射超音波（エコー）がセルに入射すると、メンブレンが変形するため、電極間の静電容量を測定することにより超音波が受信される。
　ここで、セルの送信感度を高くすることと、受信感度を高くすることとは、相反する。このため、例えば、日本国特表２００５－２１０２６４号公報には、送信感度を重視した構造の送信専用セルと、受信感度を重視した構造の受信専用セルと、を有する超音波ユニットが開示されている。
　しかし、従来の超音波ユニットでは、送信専用セルまたは受信専用セルは、それぞれ送信または受信にしか使われず、さらに個数および占有面積が同じであった。このため、送受信効率という観点からは十分に高い特性を有するとは言えなかった。
　本発明の実施形態は、送受信感度が高い超音波ユニットおよび送受信感度が高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ユニットは、下部電極とメンブレンを構成する上部電極とがキャビティを介して対向配置しているＮ個の超音波振動子セルを含む複数の超音波振動子エレメントを具備し、前記超音波振動子エレメントが、Ｎ１個の第１の超音波振動子セルと、前記第１の超音波振動子セルよりも受信感度が高く送信感度の低いＮ２個（但し、Ｎ１≠Ｎ２、Ｎ１＋Ｎ２＝Ｎ）の第２の超音波振動子セルと、を有する。
　また本発明の別の実施形態の超音波内視鏡は、下部電極とメンブレンを構成する上部電極とがキャビティを介して対向配置しているＮ個の超音波振動子セルを含む複数の超音波振動子エレメントを具備し、前記超音波振動子エレメントが、Ｎ１個の第１の超音波振動子セルと、前記第１の超音波振動子セルよりも受信感度が高く送信感度の低いＮ２個（但し、Ｎ１≠Ｎ２、Ｎ１＋Ｎ２＝Ｎ）の第２の超音波振動子セルと、を有する超音波ユニットを具備する。
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。 第１実施形態の超音波内視鏡の先端部の構成を説明するための斜視図である。 第１実施形態の超音波ユニットを説明するための斜視図である。 第１実施形態の超音波ユニットの超音波振動子エレメントを説明するための斜視図である。 第１実施形態の超音波ユニットの超音波振動子セルの構造を説明するための断面図である。 第１実施形態の超音波ユニットのエレメントの超音波振動子セルの配置等を説明するための上面図である。 第２実施形態の超音波ユニットのエレメントの超音波振動子セルの配置等を説明するための上面図である。 第３実施形態の超音波ユニットのエレメントの超音波振動子セルの配置等を説明するための上面図である。
＜第１実施形態＞
　以下、図面を参照して第１実施形態の超音波ユニット３０および超音波ユニット３０を有する超音波内視鏡２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、構成要素の数、大きさ、および大きさ等の比率等は実際とは異なる。
＜超音波内視鏡システムの構成＞
　図１に示すように、超音波内視鏡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。超音波内視鏡２は、体内に挿入される細長の挿入部４１と、挿入部４１の基端に配された操作部４２と、操作部４２の側部から延出したユニバーサルコード４３と、を具備する。
　ユニバーサルコード４３の基端部には、光源装置（不図示）に接続されるコネクタ４４Ａが配設されている。コネクタ４４Ａからは、カメラコントロールユニット（不図示）にコネクタ４５Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル４５と、超音波観測装置３にコネクタ４６Ａを介して着脱自在に接続されるケーブル４６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４１は、先端側から順に、先端部４７と、先端部４７の後端に位置する湾曲部４８と、湾曲部４８の後端に位置して操作部４２に至る細径かつ長尺で可撓性を有する可撓管部４９と、を連設して構成されている。そして、先端部４７には、超音波ユニット３０が配設されている（図５参照）。
　操作部４２には、湾曲部４８を所望の方向に湾曲制御するアングルノブ４２Ａと、送気および送水操作を行う送気送水ボタン４２Ｂと、吸引操作を行う吸引ボタン４２Ｃと、後述する体内に導入する穿刺針等を有する処置具の入り口となる処置具挿入口４２Ｄ等と、が配設されている。
　そして、図２に示すように、超音波内視鏡２の超音波ユニット３０が配設された先端部４７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、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。後述するように、超音波ユニット３０は複数の超音波振動子エレメント（以下、「エレメント」という）６０を有する。
　図３に示すように、外部電極６２Ａは、ケーブル８０の導線８１Ａと接続され、外部電極６２Ｂはケーブル８０の導線８１Ｂと接続されている。
　図４に示すように、超音波を送受信する基本単位であるエレメント６０は、第１の主面６０ＳＡと、第１の主面６０ＳＡと対向する第２の主面６０ＳＢと、を有する。そして、エレメント６０の第１の主面６０ＳＡの略中央部には超音波を送受信する送受信部６１が形成されており、第１の主面６０ＳＡの両端部には外部電極６２Ａ、６２Ｂが配設されている。後述するように、エレメント６０は複数の超音波振動子セル（以下、「セル」という）９を有する。
　図５に示すように、エレメント６０のセル９は、基体であるシリコン基板１０上に、順に積層された、下部電極層１１と、下部絶縁層１２と、キャビティ１３と、その支持層１４と、上部絶縁層１５と、上部電極層１６と、保護層１７と、を有する。なお、図５は１個のセル９の断面構造で示しているが、一般的には数十個～数千個のセル９が１個のエレメント６０を構成している。
　下部電極層１１は、複数の下部電極１１Ａと、下部電極１１Ａの縁辺部から延設している複数の下部電極配線（不図示）と、を有する。下部電極層１１は、同じエレメント６０の他のセル９の下部電極１１Ａを接続している。上部電極層１６は、複数の上部電極１６Ａと、上部電極１６Ａから延設している複数の上部電極配線（不図示）と、を有する。上部電極層１６は、同じエレメント６０の他のセル９の上部電極１６Ａを接続している。そして、それぞれのセル９は、キャビティ１３を介して対向配置している下部電極１１Ａと上部電極１６Ａとを有する。
　以上の説明のように、同じエレメント６０に配置された複数のセル９の全ての下部電極１１Ａは互いに接続されており、全ての上部電極１６Ａも互いに接続されている。そして下部電極層１１には、駆動電圧が印加され、上部電極層１６は接地電位となっている。
　エレメント６０の下部電極層１１と上部電極層１６との間にパルス電圧が印加されると、静電力により上部電極１６Ａを含むメンブレン（振動部）１８が振動することで、超音波が発生する。また外部から超音波が入射するとメンブレン１８が変形し下部電極層１１と上部電極層１６と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。
　図６に示すように、超音波ユニット３０では、エレメント６０のＮ個のセル９は、Ｎ１ａ個の第１のセル９Ａと、Ｎ２ａ個の第２のセル９Ｂと、を含む（但し、Ｎ１ａ≠Ｎ２ａ）。第２のセル９Ｂは、第１のセル９Ａよりも受信感度が高く送信感度が低い。すなわち、第１のセル９Ａが送信感度ＳＴ１ａ、受信感度ＳＲ１ａであり、第２のセル９Ｂが送信感度ＳＴ２ａ（但し、ＳＴ１ａ＞ＳＴ２ａ）、受信感度ＳＲ２ａ（但し、ＳＲ１ａ＜ＳＲ２ａ）である。セル９の送信感度および受信感度は、例えば、メンブレン１８の厚さを変えることで、送信または受信に最適化することができる。
　以下、超音波ユニット３０（エレメント６０）の送受信感度Ｓを、送信感度ＳＴ（単位：Ｐａ／Ｖ）と受信感度ＳＲ（単位：Ｖ／Ｐａ）との積と定義し、送受信感度Ｓが最大となる条件を理論的に導きだす。
　エレメント６０のセル９の総数Ｎａ、セル９Ａの個数Ｎ１ａ、セル９Ｂの個数Ｎ２ａは、以下の（式１１）で示される。
　（式１１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　そして、エレメント６０の送信感度ＳＴａは、（式１２）で示される。
　（式１２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　一方、エレメント６０の受信感度ＳＲａは、（式１３）で示される。
　（式１３）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　すなわち、超音波ユニット３０（エレメント６０）では、送信感度が高く受信感度の低い第１のセル９Ａおよび送信感度が低く受信感度が高い第２のセル９Ｂが、共に、送信および受信に使用される。
　既に説明したように、エレメント６０の送受信感度Ｓａは、（式１４）で定義される。
　（式１４）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　（式１４）より、最大の送受信感度Ｓａとなる第１のセル９Ａの数Ｎ１ａは、（式１５）で示される。
　（式１５）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　なお、最大の送受信感度Ｓａとなる第２のセル９Ｂの数Ｎ２ａは、（式１６）で示される。
　（式１６）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
　すなわち、第１のセル９Ａの数Ｎ１ａが（式１５）に示すように、第２のセル９Ｂの数Ｎ２ａが（式１６）に示すように構成されたエレメント６０は送受信感度Ｓａが最大となる。
　以上の説明のように、超音波ユニット３０は、送信に適した第１のセル９Ａと受信に適した第２のセル９Ｂとの両方を用いて、送信および受信を行う。このため、送信に適した第１のセル９Ａだけを用いて送信を行う従来の超音波ユニットよりも送信感度が高い。同様に受信に適した第２のセル９Ｂだけを用いて受信を行う従来の超音波ユニットよりも受信感度が高い。
　さらに、（式１５）で示される数の第１のセル９Ａ、および（式１６）で示される数の第２のセル９Ｂを有する超音波ユニット３０は、送受信感度が高い。そして、超音波ユニット３０を具備する超音波内視鏡２は送受信感度が高い。
　なお、セル９の数（比率）は、厳密に（式１５）等で示される数に限定されるものではなく、エレメント内での配置等の関係から、（式１５）等で示される数から±１０％の範囲内であればよい。
　すなわち、（式１５）で示される数（Ｘ）に対して、第１のセル９Ａの数Ｎ１ａは以下の（式１５Ａ）を満たしていればよい。
　（式１５Ａ）
　０．９Ｘ≦Ｎ１ａ≦１．１Ｘ
　以下、具体例として、ＳＴ２ａ＝１／２ＳＴ１ａ、ＳＲ２ａ＝３ＳＲ１ａの場合について例示する。
　（式１５）および（式１６）より、第１のセル９Ａの数Ｎ１ａ、第２のセル９Ｂの数Ｎ２ａは（式１７）、（式１８）のようになる。
　（式１７）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010
　（式１８）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
　すなわち、エレメント６０の複数のセル９の個数を、２５％が第１のセル９Ａ、７５％が第２のセル９Ｂとなるように設定することで、送受信効率は最大となる。
　なお、第１のセル９Ａの個数Ｎ１ａが、複数のセル９の個数Ｎａの２２．５％（２５×０．９）以上２７．５％（２５×１．１）以下であれば、効果があることは既に説明した通りである。
＜第２実施形態＞
　次に、第２実施形態の超音波ユニット３０ｂおよび超音波内視鏡２ｂについて説明する。超音波ユニット３０ｂ等は、超音波ユニット３０等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。
　超音波ユニット３０ｂのエレメント６０ｂでは、個数Ｎ１ｂの第１のセル９Ａｂが占有面積Ａ１ｂの送信専用セルであり、個数Ｎ２ｂの第２のセル９Ｂｂが占有面積Ａ２ｂ（但し、Ａ１ｂ≠Ａ２ｂ）の受信専用セルである。
　すなわち、超音波ユニット３０ｂでは、エレメント６０ｂに配置された駆動電位電極である第１のセル９Ａｂの下部電極と第２のセル９Ｂｂの下部電極とは接続されていない。なお、接地電位電極である第１のセル９Ａｂの上部電極と第２のセル９Ｂｂの上部電極とは接続されていてもよい。
　エレメント６０ｂにおいて第１のセル９Ａｂおよび第２のセル９Ｂｂを配置する送受信部６１の面積をＡ、エレメント６０ｂを構成する超音波セルの数の総和をＮｂとおくと（式２１）および（式２２）の関係が成り立つ。
　（式２１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
　（式２２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
　すなわち、セル９ｂの占有面積とは、例えば個々のキャビティの直径等を意味するものではなく、図７に示すように、エレメント６０に配置した場合の中心と周囲の他のセル９ｂの中心との中間点を結ぶ線で囲まれる部分の面積である。
　（式２２）を変形すると（式２３）となる。
　（式２３）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000014
　第１のセル９Ａｂの送信感度をＳＴｂ、第２のセル９Ｂｂの受信感度をＳＲｂとすると、エレメント６０ｂの送受信感度Ｓｂは、（式２４）で示される。
　（式２４）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
　（式２４）から、第１のセル９Ａｂの数Ｎ１ｂが、（式２５）を満たす場合に送受信感度Ｓｂが最大となることが明らかである。
　（式２５）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016
　なお、この場合の第２のセル９Ｂｂの数Ｎ２ｂは、（式２６）で示される。
　（式２６）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017
　したがって、超音波セル９Ａｂ、９Ｂｂの数の比より（式２７）が得られる。
　（式２７）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000018
　（式２２）および（式２７）より、超音波セル９Ａｂ、９Ｂｂの数の関係は（式２８）の通りとなる。
　（式２８）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000019
　よって、超音波ユニット３０ｂでは送受信感度Ｓｂが最大となるのは、（式２９）を満足する場合である。
　（式２９）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000020
　なお、送受信感度Ｓｂが最大となる第２のセル９Ｂｂの数Ｎ２ｂは、（式３０）で示される。
　（式３０）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000021
　また、セル９の数（比率）は、厳密に（式２９）等で示される数に限定されるものではなく、エレメント内での配置等の関係から、（式２９）等で示される数から±１０％の範囲内であればよい。
　すなわち、（式２９）で示される数（Ｙ）に対して、第１のセル９Ａｂの数Ｎ１ｂは以下の（式２９Ａ）を満たしていればよい。
　０．９Ｙ≦Ｎ１ｂ≦１．１Ｙ　（式２９Ａ）
　以下、具体例として、第２のセル９Ｂｂの面積Ａ２ｂが第１のセル９Ａｂの面積Ａ１ｂの２倍、すなわちＡ２ｂ＝２Ａ１ｂであった場合について説明する。（式２９）および（式３０）より、送受信感度Ｓｂが最大第１のセル９Ａｂの数Ｎ１ｂ、第２のセル９Ｂｂの数Ｎ２ｂは、（式３１）、（式３２）で示される。
　（式３１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000022
　（式３２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000023
　すなわち、エレメント６０の複数のセル９の個数を、２／３が第１のセル９Ａとし、１／３が第２のセル９Ｂとなるように設定することで、送受信効率は最大となる。
　なお、第１のセル９Ａｂの個数Ｎ１ｂが、複数のセル９の個数Ｎｂの６０％（（２／３）×０．９）以上７３．３％（（２／３）×１．１）以下であれば効果があることは既に説明した通りである。
　以上の説明のように、超音波ユニット３０ｂは、送信専用の第１のセル９Ａｂだけを用いて送信を行い、受信専用の第２のセル９Ｂｂだけを用いて受信を行う。しかし、従来の超音波ユニットとは異なり、第１のセル９Ａｂの占有面積Ａ１ｂと、第２のセル９Ｂｂの占有面積Ａ２ｂと、が異なる。
　上記で説明したように、送信専用セルおよび受信専用セルを有するエレメント６０ｂでは、送受信感度の最大値となるセルの個数（比率）は、送信感度または受信感度は関係がない。
　そして、それぞれのエレメント６０ｂが（式３１）、（式３２）で示される数のセル９Ａｂ、９Ｂｂを有する超音波ユニット３０ｂは、送受信感度が高い。そして、超音波ユニット３０ｂを具備する超音波内視鏡２ｂは、送受信感度が高い。
＜第３実施形態＞
　次に、第３実施形態の超音波ユニット３０ｃおよび超音波内視鏡２ｃについて説明する。超音波ユニット３０ｃ等は、超音波ユニット３０等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。
　超音波ユニット３０ｃのエレメント６０ｃは、超音波セルが配置可能な部分の面積をＡｃ、第１のセル９Ａｃが送信感度ＳＴ１ｃ、受信感度ＳＲ１ｃ、面積がＡ１ｃであり、第２のセル９Ａｃが、送信感度ＳＴ２ｃ（但し、ＳＴ１ｃ＞ＳＴ２ｃ）、受信感度ＳＲ２ｃ（但し、ＳＲ１ｃ＜ＳＲ２ｃ）、面積Ａ２ｃ（但し、Ａ１ｃ≠Ａ２ｃ）である。
　すなわち、（式４１）が成り立つ。
　（式４１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000024
　（式４１）を変形すると、（式４２）が得られる。
　（式４２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000025
　エレメント６０ｃの送信感度ＳＴｃは（式４３）で示される。
　（式４３）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000026
　一方、エレメント６０ｃの受信感度ＳＲｃは（式４４）で示される。
　（式４４）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000027
　そして、エレメント６０ｃの送受信感度Ｓｃは（式４５）で示される。
　（式４５）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000028
　ここで、α、β、γを、以下のように定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000029
　それにより、送受信感度Ｓｃは（式４６）で表される。
　（式４６）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000030
　（式４６）から、第１のセル９Ａｃの数Ｎ１ｃが（式４７）を満たす場合に、送受信感度Ｓｃは最大となることは明らかである。
　（式４７）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000031
　一方、送受信感度Ｓｃは最大となる第２のセル９Ｂｃの数Ｎ２ｃは、（式４８）で示される。
（式４８）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000032
　したがって、それぞれのセルの数の比より（式４９）が得られる。
　（式４９）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000033
　エレメント６０ｃを構成するセルの数の総和をＮｃとすると（式５０）および（式５１）が成り立つ。
（式５０）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000034
　（式５１）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000035
　第１のセル９Ａｃの数ＮＴｃおよび第２のセル９Ｂｃの数ＮＲｃが、（式５０）および（式５１）を満たすエレメント６０ｃ（超音波ユニット３０ｃ）は送受信感度Ｓｃが最大となる。
　また、セル９の数（比率）は、厳密に（式５０）等で示される数に限定されるものではなく、エレメント内での配置等の関係から、（式５０）等で示される数から±１０％の範囲内であればよい。
　すなわち、（式５０）で示される数（Ｚ）に対して、第１のセル９Ａｃの数Ｎ１ｃは以下の（式５０Ａ）を満たしていればよい。
　Ｚ・０．９≦Ｎ１ｃ≦Ｚ・１．１　（式５０Ａ）
　例えば、Ｎｃ＝１０００、送信感度ＳＴ１ｃ＝１００Ｐａ／Ｖ、送信感度ＳＴ２ｃ＝２０Ｐａ／Ｖ、受信感度ＳＲ１ｃ＝３００ｐＶ／Ｐａ、受信感度ＳＲ２ｃ＝９００ｐＶ／Ｐａ、面積Ａｃ＝４．２ｍｍ２、面積Ａ１ｃ＝４０００μｍ２、Ａ２ｃ＝５０００μｍ２の場合は、Ｎ１ｃ＝８００、Ｎ２ｃ＝２００、となる。
　なお、第１のセル９Ａｃの個数Ｎ１ｃが、７２０（８００×０．９）以上８８０（８００×１．１）以下であれば効果があることは既に説明した通りである。
　超音波ユニット３０ｃは、超音波ユニット３０、３０ｂの効果を併せ持つため、送受信感度が、より高い。そして超音波ユニット３０ｃを具備する超音波内視鏡２ｃは送受信感度が、より高い。
　本発明は、上述した実施形態等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、２０１２年６月１１日に日本国に出願された特願２０１２－１３２０２６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 (6)

  1. 　下部電極とメンブレンを構成する上部電極とがキャビティを介して対向配置しているＮ個の超音波振動子セルを含む複数の超音波振動子エレメントを具備し、
    　前記超音波振動子エレメントが、Ｎ１個の第１の超音波振動子セルと、前記第１の超音波振動子セルよりも受信感度が高く送信感度の低いＮ２個（但し、Ｎ１≠Ｎ２、Ｎ１＋Ｎ２＝Ｎ）の第２の超音波振動子セルを有することを特徴とする超音波ユニット。
  2. 　前記第１の超音波振動子セルの上部電極と前記第２の超音波振動子セルの上部電極とが接続されており、前記第１の超音波振動子セルの下部電極と前記第２の超音波振動子セルの下部電極とが接続されており、前記第１の超音波振動子セルおよび前記第２の超音波振動子セルが送信および受信に使用されることを特徴とする請求項１に記載の超音波ユニット。
  3. 　前記第１の超音波振動子セルが送信感度ＳＴ１、受信感度ＳＲ１であり、前記第２の超音波振動子セルが送信感度ＳＴ２（但し、ＳＴ１＞ＳＴ２）、受信感度ＳＲ２（但し、ＳＲ１＜ＳＲ２）であり、以下の式を満足することを特徴とする請求項２に記載の超音波ユニット。
    　０．９Ｘ≦Ｎ１≦１．１Ｘ
    但し、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
  4. 　前記第１の超音波振動子セルが面積Ａ１の送信専用セルであり、前記第２の超音波振動子セルが面積Ａ２（但し、Ａ１≠Ａ２）の受信専用セルであり、以下の式を満足することを特徴とする請求項１に記載の超音波ユニット。
    　０．９Ｙ≦Ｎ１≦１．１Ｙ
    但し、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
  5. 　前記第１の超音波振動子セルが送信感度ＳＴ１、受信感度ＳＲ１、面積がＡ１であり、前記第２の超音波振動子セルが、送信感度ＳＴ２（但し、ＳＴ１＞ＳＴ２）、受信感度ＳＲ２（但し、ＳＲ１＜ＳＲ２）、面積Ａ２（但し、Ａ１≠Ａ２）であり、以下の式を満足することを特徴とする請求項２に記載の超音波ユニット。
    　０．９Ｚ≦Ｎ１≦１．１Ｚ
    但し、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
  6. 　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の超音波ユニットを有する先端部を具備することを特徴とする超音波内視鏡。
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