圧電振動子1024個、球面形状の超音波センサー：光超音波でリアルタイム3D画像

ジャパンプローブは内閣府 革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）の一環として、1024個の超音波受信用の圧電振動子を球面形状に配置した超音波センサーを開発し、光超音波イメージング法によるリアルタイム3D画像の取得を可能にした。

[辻村祐揮，EE Times Japan]

直径110mmの半球に1024個の圧電振動子

　ジャパンプローブ、科学技術振興機構、内閣府は2017年7月14日、ジャパンプローブの研究開発センター長である大平克己氏らの研究グループが、超音波受信用の圧電振動子を1024個備える球面形状の超音波センサーを開発したと発表した。同センサーの実現により、人体の血管網と血液状態（酸素飽和度）のリアルタイム3D画像を光超音波イメージング法で取得することが可能になったという。

フィルム状の超音波圧電振動子 出典：科学技術振興機構（クリックで拡大）

　今回の研究は、内閣府 革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）の一環として実施された。光超音波イメージング法とは、レーザー光を対象物の吸収体に照射し熱膨張させ、その際に発生する音波（光音響効果）を検出しイメージングする手法のこと。この手段で血管網や血液状態の画像を3Dでリアルタイムに取得するには3つの技術的な課題があったが、研究グループはそれら全ての課題を解決した超音波センサーを開発した。

　1つ目の課題は、血管から発生する超音波を多方向から受信できるよう、超音波センサーの受信面を計測対象を取り囲むような球面形状とすること。2つ目は、球面形状に多数の圧電振動子を並べ、微弱な超音波を多くの圧電振動子で受信できるようにし、高解像度のリアルタイム画像を取得可能にすること。3つ目は、圧電振動子の受信可能な周波数を広帯域化し、観察対象の大きさに反比例して高周波化する超音波を検出できるようにすることだ。

　ジャパンプローブの研究グループは今回、球面状に多数の素子を形成するために、モールド法を用いて薄い半球フィルム状の圧電振動子を作成。フィルム状の圧電振動子に複数の電極を配列する新開発の技術を駆使し、直径110mmの半球に1024個の圧電振動子を備えた超音波センサーモジュールを完成させた。圧電振動子にはコンポジット振動子を採用し、それを構成する圧電材料、整合層、ダンパー材を最適化することで、1M〜4MHz以上の広帯域な受信感度を実現したという。

（左）フィルム状の超音波圧電振動子、（右）球面状の超音波センサーモジュールのモックアップ 出典：科学技術振興機構（クリックで拡大）