Fundamental studies on high power and high frequency ultrasonic vibration using DPLUS

• Project/Area Number: 20H02097
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 森田 剛 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (60344735)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2021: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2020: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
• Keywords: 強力超音波 / 集束超音波 / 高周波 / 楕円集束機構 / DPLUS / 圧電振動 / 二重放物面反射 / 高周波振動

Outline of Research at the Start

本研究は、従来は数10kHzから100kHz程度に制限されていた強力超音波研究をMHz帯の未開拓領域へと大きく展開するための基礎研究を実施することを目的とする。この実現に向けて、応募者独自の発想に基づく「対向する二重放物面構造による導波路への強力超音波導入機構(DPLUS)”」の基本特性の解明、設計指針の確立、性能向上、応用展開を行う。この研究を通してDPLUSを基盤デバイスとした高周波強力超音波という新学術領域を創成するとともに、医学、工学、理学、生物学における超音波技術の応用研究に大きく貢献していくことが期待される。

Outline of Annual Research Achievements

MHz帯において強力超音波を出力するための振動子について、その設計指針を確立し、バイオや医療関係に応用していくことを本研究の目的としている。本研究で提案しているDPLUSは縦波入力波を二つの楕円反射面で集束して細棒導波路に入力し、その先端から強力超音波として出力することに特長を有している。これは、従来の強力超音波を出力するためのランジュバン振動子とは異なり、マルチモードであることが特長である。
本年度は、二重放物面反射を利用したDPLUSを用いて、細棒導波路から高出力超音波が出力される超音波出力を利用して細胞のカルシウムイメージングを確認した。この実験結果により、細胞の分化誘導や細胞分裂促進などの超音波照射効果についての研究において、DPLUSが有効に利用できることを実証できた。
また、このような共振駆動においてではなく、バースト駆動時などの場合における超音波伝搬メカニズムを詳細に検討した。この結果、圧電リングから出力された縦波振動が二回の放物面で反射して導波路に入力される振動に対して、1回目の放物面反射で縦波横波モード変換した波が集束し、細棒導波路に入射する波が非常に大きいことを見出した。さらに、反射面に対する入射角度によっては、縦波が高効率で横波に変換されることが分かった。そこで、この現象を積極的に利用することによって、縦波入力波を曲面で反射させて高効率に横波として集束させるElipsと命名した楕円反射集束機構を提案した。また、このElipsの考え方を展開し、細棒導波路からの強力超音波の高効率出力や、バルクPZTからの縦波を集束した強力弾性表面波を出力させることに成功した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Rayleigh wave excitation with an elliptical reflector for high-power ultrasound (2024)
  • Author(s): Yamada Kyohei、Ieiri Shoki、Itoh Shinsuke、Kasashima Takashi、Morita Takeshi
  • Journal Title: Sensors and Actuators A: Physical Volume: 370 Pages: 115253-115253
  • DOI: 10.1016/j.sna.2024.115253
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A high-power ultrasonic transducer operated in MHz range by circular plate bending mode using a single parabolic reflector (2024)
  • Author(s): Wang Weiquan、Yamada Kyohei、Hasegawa Hiroshi、Hirano Kohsuke、Morita Takeshi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 4 Pages: 04SP27-04SP27
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad308f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pressure amplification mechanism for airborne ultrasound: Air-DPLUS (2023)
  • Author(s): Wang Weiquan、Yamada Kyohei、Tabaru Marie、Morita Takeshi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 6 Pages: 060903-060903
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acdb19
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optimization of the Thin Waveguide for Double-Parabolic-Reflectors Ultrasonic Transducers (DPLUS) for Thermal Ablation (2023)
  • Author(s): Chen Kang、Irie Takasuke、Iijima Takashi、Miyake Susumu、Morita Takeshi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Biomedical Engineering Volume: 70 Issue: 2 Pages: 553-564
  • DOI: 10.1109/tbme.2022.3197213
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tube-type double-parabolic-reflector ultrasonic transducer (T-DPLUS) (2022)
  • Author(s): Yamada Kyohei、Chen Kang、Irie Takasuke、Iijima Takashi、Miyake Susumu、Morita Takeshi
  • Journal Title: Acoustical Science and Technology Volume: 43 Issue: 5 Pages: 287-290
  • DOI: 10.1250/ast.43.287
  • ISSN: 0369-4232, 1346-3969, 1347-5177
  • Year and Date: 2022-09-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-Loss Ultrasound Transmission Through Waveguide From Double Parabolic Reflectors (DPLUS) for Thermal Ablation (2022)
  • Author(s): Chen Kang、Irie Takasuke、Iijima Takashi、Miyake Susumu、Morita Takeshi
  • Journal Title: IEEE Access Volume: 10 Pages: 113678-113689
  • DOI: 10.1109/access.2022.3216707
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hard-Type Piezoelectric Materials Based Double-Parabolic-Reflectors Ultrasonic Transducer (DPLUS) for High-Power Ultrasound (2022)
  • Author(s): Chen Kang、Irie Takasuke、Iijima Takashi、Kasashima Takashi、Yokoyama Kota、Miyake Susumu、Morita Takeshi
  • Journal Title: IEEE Access Volume: 10 Pages: 26117-26126
  • DOI: 10.1109/access.2022.3156609
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-Power Ultrasonic Transducer for Effective Hemolysis (2022)
  • Author(s): Wu Xiaogang、Chen Kang、Hoshijima Yasushi、Hariu Taro、Yamazaki Hiroki、Miyake Susumu、Morita Takeshi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Volume: 69 Issue: 1 Pages: 181-186
  • DOI: 10.1109/tuffc.2021.3116977
  • NAID: 130008084260
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Double-parabolic-reflectors Ultrasonic Transducer with Flexible Waveguide for Minimally Invasive Treatment (2021)
  • Author(s): Chen Kang、Irie Takasuke、Iijima Takashi、Morita Takeshi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Biomedical Engineering Volume: - Issue: 10 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1109/tbme.2021.3057087
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Selection criteria of piezoelectric materials for double-parabolic-reflectors ultrasonic transducers (DPLUS) for high-power ultrasound (2021)
  • Author(s): Chen Kang、Irie Takasuke、Iijima Takashi、Kasashima Takashi、Yokoyama Kota、Morita Takeshi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 60 Issue: 10 Pages: 106504-106504
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac1fb9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Ultrasonic Tweezer With Multiple Manipulation Functions Based on the Double-Parabolic-Reflector Wave-Guided High-Power Ultrasonic Transducer (2020)
  • Author(s): Liu Qingyang、Chen Kang、Hu Junhui、Morita Takeshi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Volume: 67 Issue: 11 Pages: 2471-2474
  • DOI: 10.1109/tuffc.2020.3014352
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Wideband Multimode Excitation by a Double-Parabolic-Reflector Ultrasonic Transducer (2020)
  • Author(s): Chen Kang、Irie Takasuke、Iijima Takashi、Morita Takeshi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control Volume: 67 Issue: 8 Pages: 1620-1631
  • DOI: 10.1109/tuffc.2020.2978234
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Double parabolic reflectors wave-guided high-power ultrasonic transducer (DPLUS) based ultrasonic tweezers for micro/nano manipulation (2020)
  • Author(s): Liu Qingyang、Chen Kang、Hu Junhui、Morita Takeshi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: SK Pages: SKKD12-SKKD12
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab827e
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Applying Multimodal Frequency Vibration to Adhered Cells in Standard Culture Dishes by Using DPLUS (Double-Parabolic-Reflectors Wave-Guided Ultrasonic Transducer) (2023)
  • Author(s): Koki Yokoi, Chikahiro Imashiro, Yuta Kurashina and Takeshi Morita
  • Organizer: International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators (IWPMA 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] T-DPLUS with Disposable Waveguide for Medical Application (2023)
  • Author(s): Kyohei Yamada, Kang Chen, Shinsuke Itoh, Takashi Kasashima, Masato Yamazaki, and Takeshi Morita
  • Organizer: International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators (IWPMA 2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Air-DPLUS for high power airborne ultrasound (2023)
  • Author(s): 王唯権, 山田恭平 , 田原麻梨江 , 森田剛
  • Organizer: 2022年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] Air-DPLUS for high power airborne ultrasound (2022)
  • Author(s): Weiquan Wang, Kyohei Yamada, Zhirui Chen, Marie Tabaru, Takeshi MORITA
  • Organizer: IWPMA2022, Web Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Propagation characteristics of traveling waves in T-DPLUS (2022)
  • Author(s): Kyohei Yamada, Kang Chen, Susumu Miyake, Takeshi Morita
  • Organizer: IWPMA2022, Web Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 音響コアクラッド構造の導波路を用いたDPLUSの解析 (2022)
  • Author(s): 土田大聖, 山田恭平, 陳康, 三宅奏 , 伊藤伸介, 笠島崇, 山崎正人 , 森田剛
  • Organizer: 2023年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] T-DPLUSの医用応用のためのディスポーザブル導波路の検討 (2022)
  • Author(s): 山田恭平, 陳康, 三宅奏 , 伊藤伸介, 笠島崇, 山崎正人, 森田剛
  • Organizer: 2023年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] Optimization of the thin waveguide for double-parabolic-reflectors ultrasonic transducers (DPLUS) for minimally invasive thermal treatments (2022)
  • Author(s): Kang Chen, Takasuke Irie, Takashi Iijima, Susumu Miyake, Takeshi Morita
  • Organizer: 第43回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム, USE2022
• [Presentation] 流体媒質を使用した二重反射面集束型振動子（Fluid-type DPLUS）の研究 (2022)
  • Author(s): 山田恭平, 王唯権, 陳康, 三宅奏, 森田剛
  • Organizer: 第43回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム, USE2022
• [Presentation] DPLUS によるシリコンウェーハの超音波洗浄 (2022)
  • Author(s): 山田恭平, 陳康, 三宅奏, 鈴木一成, 森田剛
  • Organizer: 2022年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [Presentation] チューブ型DPLUSにおける超音波伝搬過程の解明 (2022)
  • Author(s): 山田恭平, 陳康, 入江喬介, 飯島高志, 三宅奏, 森田剛
  • Organizer: 超音波研究会，US2022-8
• [Presentation] Fundamental Characteristics of Tube-Type Double-parabolic-reflectors ultrasonic transducer (Tube-Type DPLUS) (2021)
  • Author(s): Kyohei Yamada, Kang Chen, Takasuke Irie, Takashi Iijima, Susumu Miyake and Takeshi Morita
  • Organizer: IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multimode Excitation by a Double-Parabolic-Reflectors Ultrasonic Transducer (DPLUS) with hard type piezoelectric materials (2021)
  • Author(s): Kang Chen, Takasuke Irie, Takashi Iijima, Takashi Kasashima, Kota Yokoyama, Susumu Miyake and Takeshi Morita
  • Organizer: IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MHz帯の強力超音波振動子DPLUSとその応用展開 (2021)
  • Author(s): 森田 剛
  • Organizer: 日本機械学会2021年度 年次大会, 特別行事企画・先端技術フォーラム
  • Invited
• [Presentation] 流路型SPLUSによる圧電材料特性が溶血に及ぼす影響について (2021)
  • Author(s): 永田雄大，山田恭平，星島康，針生太郎，山崎浩樹，三宅奏, 森田剛
  • Organizer: 2022年度精密工学会春季大会
• [Presentation] チューブ型DPLUSにおける進行波の伝搬特性 (2021)
  • Author(s): 山田恭平, 陳康, 入江喬介, 飯島高志, 三宅奏, 森田剛
  • Organizer: 2022年度精密工学会春季大会
• [Presentation] チューブ型DPLUSによる円筒型導波路への高出力超音波の導入 (2021)
  • Author(s): 山田恭平, 陳康, 入江喬介, 飯島高志, 三宅奏, 森田剛
  • Organizer: 第42回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム
• [Presentation] チューブ型DPLUSによる超音波照射の熱的効果の検証 (2021)
  • Author(s): 山田恭平, 陳康, 入江喬介, 飯島高志, 三宅奏, 森田剛
  • Organizer: 2021年度精密工学会秋季大会
• [Presentation] 二重反射面構造による円筒型導波路への強力超音波導入（チューブ型DPLUS） (2021)
  • Author(s): 山田恭平, 陳康, 入江喬介, 飯島高志, 三宅奏, 森田剛
  • Organizer: 超音波研究会
• [Presentation] Reveal the vibration characteristics of DPLUS: the selection criteria of piezoelectric materials (2021)
  • Author(s): 陳康, 入江喬介, 飯島高志, 笠島崇, 横山広大, 三宅奏, 森田剛
  • Organizer: 超音波研究会
• [Presentation] 円筒型導波路への二重反射面型強力超音波集束機構 (2021)
  • Author(s): 山田恭平, 陳康, 入江喬介, 飯島高志, 森田剛
  • Organizer: 2021年度精密工学会春季大会
• [Presentation] Hard-type piezoelectric materials based DPLUS for high-power ultrasonics (2021)
  • Author(s): 陳康, 入江喬介, 飯島高志, 笠島崇, 横山広大、森田剛
  • Organizer: 2021年度精密工学会春季大会
• [Presentation] High-power ultrasonic transducer for effective hemolysis (2021)
  • Author(s): 呉暁剛, 陳康, 星島康, 針生太郎, 山崎浩樹, 森田剛
  • Organizer: 2021年度精密工学会春季大会
• [Presentation] Ultrasonic propagation characteristics of Bulk Metallic Glass at sub100-MHz (2020)
  • Author(s): Kohei Shinoda, Kang Chen, Takasuke Irie, Takashi Iijima and Takeshi Morita
  • Organizer: International Workshop on Piezoelectric Materials on Applications (IWPMA 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nonlinear transfer matrix model for high-power piezoelectric vibration (2020)
  • Author(s): Takeshi Morita and Susumu Miyake
  • Organizer: International Workshop on Piezoelectric Materials on Applications (IWPMA 2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Flexible waveguide with Double-Parabolic-refLectors Ultrasonic tranSducer (DPLUS) for high-power therapeutic ultrasound (2020)
  • Author(s): Kang Chen, Takasuke Irie, Takashi Iijima and Takeshi Morita
  • Organizer: International Workshop on Piezoelectric Materials on Applications (IWPMA 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Selection of piezoelectric material for double parabolic reflectors wave-guided ultrasonic transducers (2020)
  • Author(s): 陳康, 入江喬介, 飯島高志, 森田剛
  • Organizer: 2020年度精密工学会秋季大会
• [Presentation] 金属ガラスの超音波顕微鏡用細径導波路への適用の検討 (2020)
  • Author(s): 篠田航平, チェン カン, 入江喬介, 飯島高志, 森田剛
  • Organizer: 2020年度精密工学会秋季大会
• [Presentation] Double-parabolic-reflectors ultrasonic transducer with long and flexible waveguide for therapeutic ultrasound (2020)
  • Author(s): 陳康, 入江喬介, 飯島高志, 森田剛
  • Organizer: 第41回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム
• [Remarks] 東京大学精密工学専攻 超音波デバイス研究室
  • URL: https://usdev.t.u-tokyo.ac.jp/index.html
• [Remarks] 新型医療用超音波デバイス(DPLUS)
  • URL: http://www.hsd.k.u-tokyo.ac.jp/contents/research.html