WO2016009953A1

WO2016009953A1 - メカニカル３ｄ超音波探触子

Info

Publication number: WO2016009953A1
Application number: PCT/JP2015/069842
Authority: WO
Inventors: 那珂洋二
Original assignee: 日本電波工業株式会社
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2016-01-21
Also published as: CN106659467B; US20180209944A1; JP2016020877A; US10393706B2; JP6321478B2; CN106659467A

Abstract

検出部材の減速比が、超音波送受信部をフルストローク駆動した場合でも、検出部材の総回転数が１回転以下となるように設定して、超音波送受信部の搖動の制御を行う際に基準となる原点位置を正確に検出して超音波送受信部の初期駆動位置を決定する。内部に超音波送受信部１００を備え、かつ、超音波伝播液体２２を封入したハウジング２１と、駆動モータ１の回転駆動力を伝達して前記超音波送受信部１００を搖動させる駆動装置と、前記超音波送受信部１００の搖動を制御する際に基準となる原点位置を検出する検出装置と、を備えた超音波探触子において、前記検出装置は、前記駆動装置が回転駆動力を伝達する中間部材から回転を取り出し、前記回転を減速して前記検出装置の検出部材１４に伝達し、前記検出部材１４の回転をセンサー１３で検出することにより原点位置Ｏを検出することを特徴とする超音波探触子。

Description

メカニカル３Ｄ超音波探触子

　本発明は、メカニカル３Ｄ超音波探触子に係わり、とくに、メカニカル３Ｄ超音波探触子の超音波送受信部の搖動の制御の行う際に基準となる原点位置を検出する検出装置を備えたメカニカル３Ｄ超音波探触子に関する。

　従来のメカニカル３Ｄ超音波探触子、例えば超音波探触子の超音波送受信部を短軸方向に搖動させる円弧状スキャン超音波探触子では、駆動モータ軸の回転を超音波送受信部に伝達する機構の途中に設けた駆動部材に回転円板（光学回転板）を設けて、透過型フォトセンサーにより超音波送受信部の回転位置の検出を行っていた。　

　例えば、円弧状スキャン超音波探触子では、従来の図５（ａ）に示すように、ハウジング３０内にケース３１を設け、ケース３１の両側壁に保持板３３を中心軸３２により搖動自在に設けるとともに、保持板３３の上面部に圧電素子群からなる超音波送受信部３４を設けてある。　

　そして、ケース３１の下面部に枠体３６を固着し、駆動モータ３５を枠体３６に下面に設けるとともに、歯車機構を介して制御シャフト３９を、ケース３１内に設けた傘歯車機構３７に連結し、駆動モータ３５により、保持板３１の一側壁に固着した傘歯車と噛み合わせて、回転させ超音波送受信部３４を短軸方向に搖動させるようになっている。　

　ここで、図５（ａ）に示す制御シャフト３９には、図５（ｃ）に詳細を図示するように、半月状の光学回転板３８が結合され、光遮蔽部３８ａと光透過部３８ｂとが、境界部Ｐを基準として、光学回転板３８の回転中心から互いに反対方向に、それぞれ１８０°間隔をおいて形成されている。　

　そして、枠体３６の内側面に設けた透過型フォトセンサー４０により、短軸方向の超音波送受信部３４の原点位置を検出して被検体（生体）の正確な位置から生体情報を得ることができるようになっている（特許文献１参照）。　

　また、図５（ｂ）に示した超音波探触子の超音波送受信部を短軸方向に平行に往復動させるリニアスキャン超音波探触子は、容器本体５０の側面部にタイミングベルトと駆動プーリ―からなる移動機構５１を設け、容器本体５０の側面部に設けた一対のリニアガイド５２に案内されて、電動モータ５３を回転駆動させて、探触子本体（超音波探触子）５４を短軸方向に往復動させてリニアスキャンを行うように構成されている。　

　リニアスキャン超音波探触子でも、超音波送受信部を短軸方向に搖動させてスキャンさせて円弧状スキャン超音波探触子と同様に、超音波送受信部の短軸方向の移動の右端部（Ｒ端）と左端部（Ｌ端）を透過型フォトセンサー（図示なし）により、検出して、原点位置を検出して被検体の２次元画像を形成し、次いで、超音波送受信部を短軸方向に移動させて、この２次元画像と合成して３次元画像を形成して、被検体（生体）の正確な位置から生体情報を得ることができるようになっている（特許文献２参照）。

　　
特開２００６－３４６１２５号公報特許第４５８４３２１号明細書

　通常、超音波診断装置による被検体の診断時の視野範囲を広げようとすると、超音波送受信部の搖動量を大きくすることが必要になる。しかしながら、前述した従来の原点検出方法では、搖動量を大きくすると、図６に示すように、回転円板が、フルストロークで１回転以上回転してしまう場合が生じることがある。　　

　ここで、図６は、リニアスキャン超音波探触子において、前述の特許文献１に示した駆動軸（制御シャフト３９）に半月状の円板３８を取り付け、縦軸に透過型フォトセンサーからのセンサー出力を、また横軸に、超音波送受信部のフルストロークにおける、Ｌ端、原点及びＲ端の検出位置を示したものである。　

　このように、図６のような場合、前出の図５（ｃ）に示したように、原点検出においては、光学回転板３８の回転角度範囲を２分割して透過型フォトセンサーの遮光状態と透過状態に２分割して、それらの境界部Ｐを検出して原点であることを判断している。そのため、仮に光学回転板３８が、フルストロークで１回転以上回転してしまうと、超音波送受信部がＲ端からＬ端の間でフルストローク駆動される間に、原点位置を２回以上検出してしまうこととなり（図６に示すセンサー出力が低いところが検出された原点位置）、正確な原点検出ができないとする不都合が生じてしまうことになる。　

　また、超音波送受信部の停止時に、超音波送受信部が、原点に対してＬ端またはＲ端のどちらの側に位置しているかを、透過型フォトセンサーの出力を検出して判断して、原点検出の際の初期駆動方向を決定している。そのため、光学回転板３８がフルストロークで１回転以上してしまう従来の構成では、超音波送受信部の位置に対して、透過型フォトセンサーの出力が一義的に決まらず、超音波送受信部の移動方向が判断できない不都合が生じることになる。　

　このような問題に対する対策として、駆動モータから中間部材までのその回転数の減速比Ｒ１を大きくし、また、中間部材から超音波送受信部までの減速比Ｒ２を小さくすることにより、中間部材の総回転数を小さくすることが考えられる。　

　しかし、このような減速方法では、Ｒ２を小さくするため、従来例の超音波送受信部の搖動に大小傘歯車を用いた機構ものでは、小歯車を大きくすることが不可欠であり、例えば、図５（ａ）に示したハウジング３０内の超音波伝播液体を封止している枠体３１内の液体室の大きさが大きくなってしまい、超音波探触子の小型化、軽量化の妨げとなってしまうことになる。反対に、傘歯車のうちの大歯車を小さくすることも考えられるが、超音波送受信部の搖動用の軸受機構（図５（ａ）中心軸３２参照）上の制約から、大歯車を小さくすることは極めて困難である。

　上記した課題を解決するため、本発明の超音波探触子は、内部に超音波送受信部を備え、かつ、超音波伝播液体を封入したハウジングと、駆動モータの回転駆動力を伝達して前記超音波送受信部を搖動させる駆動装置と、前記超音波送受信部の搖動を制御する際に基準となる原点位置を検出する検出装置と、を備え、前記検出装置は、前記駆動装置が回転駆動力を伝達する中間部材から回転を取り出し、前記回転を減速して前記検出装置の検出部材に伝達し、前記検出部材の回転をセンサーで検出することにより原点位置を検出することを特徴とする。　

　また、本発明の超音波探触子では、前記検出部材の全回転範囲が、前記センサーの出力状態が異なる２つの領域に分割され、前記２つの領域の境界部を前記原点位置として検出することを特徴とする。　

　さらに、本発明の超音波探触子では、前記検出部材の減速比が、前記超音波送受信部をフルストローク駆動した場合でも、前記検出部材の総回転数が１回転以下となるように設定したことを特徴とする。　

　またさらに、前記中間部材に設けた駆動歯車に被駆動歯車を噛合させて前記回転を取り出し、前記被駆動歯車が、直接または別の連動部材を介して前記検出部材を回転させることを特徴とする。　

　さらに、前記被駆動歯車が、前記駆動歯車との軸間距離が変化する方向に相対移動自在に支持され、前記被駆動歯車と前記駆動歯車とが互いに噛合う方向に弾性的に付勢されていることを特徴とする。

　メカニカル３Ｄ超音波探触子の超音波送受信部の搖動の制御の行う際に基準となる原点位置が正確に検出され、より正確な３次元画像が形成されるようになる。

　　
本願のメカニカル３Ｄ超音波探触子、特にリニアスキャン型のメカニカル３Ｄ超音波探触子、の第１実施例の駆動装置と検出装置を斜め上方から見た斜視図である。図１に示したリニアスキャン型のメカニカル３Ｄ超音波探触子のベースとハウジングとを破断して示して、Ａ方向から見た矢視図である。本願のメカニカル３Ｄ超音波探触子のフルストロークのＬ端、原点及びＲ端位置での、駆動軸と検出部材の時計方向の回転数及びセンサー出力の強弱を示すグラフである。図１に示した減速機構の第２実施例の構成図である。従来の円弧状スキャン型のメカニカル３Ｄ超音波探触子の縦断面図である。リニアスキャン型のメカニカル３Ｄ超音波探触子の探触子移動機構の斜視図である。図５（ａ）に示した円弧状スキャン型のメカニカル３Ｄ超音波探触子の透過型フォトセンサーの拡大斜視図である。従来の減速機構による探触子のフルストローク中のＬ端、原点及びＲ端位置におけるセンサー出力を示すグラフである。

　以下、本願のメカニカル３Ｄ超音波探触子の実施例を添付した図面に基づいて説明する。　

　図１及び図２に示すように、本発明のメカニカル３Ｄ超音波探触子をリニアスキャン型のメカニカル３Ｄ超音波探触子に適用した第１実施例では、超音波送受信部（探触子本体）１００の短軸方向への搖動（往復動）機構は、駆動モータ１と、この回転駆動力を超音波送受信部１００へ伝達する駆動軸３を回転駆動させる減速機構２から構成される。そして、この減速機構２は、図１に示すように、図２に示すベース２０に軸支された駆動モータ１の出力軸１ａに固着された小プーリー２ａと大プーリー２ｃと両方のプーリー２ａ、２ｃの間に掛けられた第１タイミングベルト２ｂからなる。　

　また、駆動軸３は、図２に示すように、オイルシール５を介して、ベース２０に軸支され、駆動モータ１の出力軸１ａに固着された小プーリー２ａの回転が両方のプーリー２ａ、２ｃの間に掛けられた第１タイミングベルト２ｂにより大プーリー２ｃに減速されて伝達され、大プーリー２ｃをその一端部で軸支する駆動軸３を時計方向（ＣＷ）及び反時計方向（ＣＣＷ）に回転させるようになっている。　

　このような構成により、駆動軸３の他端部に軸支された駆動軸プーリー３ａの外周部に接触し、かつ、超音波送受信部（探触子本体）１００のＬ端及びＲ端に相当する短軸方向の搖動端部のベース２０の側壁にそれぞれ設けられた第１及び第２アイドルプーリー７ａ、７ｂの間に跨って張架され、かつ、第１テンションプーリー６ａ、６ｂ及び第２テンションプーリーによりテンションを付加された第２タイミングベルト４が、Ｌ端及びＲ端方向に交互に駆動されるようになる。　

　この第２タイミングベルト４の駆動により、超音波送受信部１００が、ハウジング２１の内底面に敷設された一対の平行なガイド機構２１ａ（従来例の図５に示すリニアガイド５２を参照）に案内されて、短軸方向に直線状に移動する（図１に示すＣＷ方向に駆動軸３が回転するとＬ端方向に、またＣＣＷ方向に駆動軸３が回転するとＲ端方向に超音波送受信部１００が、移動する）。　

　さらに、図１に示すように、駆動軸３の左右両端部の中間位置に、駆動歯車１０を設け、この駆動歯車１０を、この駆動歯車１０よりも歯数が多い被駆動歯車１１と噛合させてある。これにより、駆動軸３の回転数が、駆動系の途中から分岐されて減速され、被駆動歯車１１と一体に設けられた回転円板１４を回転させ、図５（ｃ）に示した光学回転板と同様に、光遮蔽部１４ａと光透過部１４ｂにより、それらの境界部Ｐを検出して原点位置Ｏを検出する。　

　ここで、超音波送受信部１００がＲ端方向に移動するときには、回転円板（検出部材）１４は、図１に示すＣＷ方向に、また、超音波送受信部１００がＬ端方向に移動するときには、回転円板１４は、ＣＣＷ方向にそれぞれ回転するようになっている。　

　さらに、駆動歯車１０と被駆動歯車１１との噛合部に、いわゆるバックラッシュがあると、超音波送受信部１００が、予め設定した原点位置を搖動時に通過するタイミングと回転円板１４からのセンサー出力が変化するタイミングに誤差が生じてしまう。このタイミング誤差は、超音波送受信部１００の移動(搖動)方向が逆の場合、即ち、Ｌ端からＲ端方向への移動の場合と、Ｒ端からＬ端方向への移動の場合とで、顕著となり、超音波診断装置で被検体の３次元画像を形成する際に問題となる。　

　この問題点を解決するため、本発明のリニアスキャン型のメカニカル３Ｄ超音波探触子では、図１に示すように、前述した被駆動歯車１１を図示しない保持部材により駆動歯車１０との軸間距離が自在に変化できるように支持し、ベース２０に一端を支持し、その他端を被駆動歯車１１に取り付けた弦巻バネ１２によって、常に駆動歯車１０の方向に被駆動歯車１１を付勢するようにしてある。　

　この弦巻バネ１２による付勢により駆動歯車１０と被駆動歯車１１との間に生じるバックラッシュを殆ど零にすることができる。なお、回転円板（センサー）１４は、上述した図示しない被駆動歯車１１の保持部材に固定すればよいので、別途、回転円板１４を設ける場合と比べて、超音波探触子の小型化及び製造コストの低減が図れるようになる。　

　また、駆動軸３は、特に、図２に示すように、オイルシール５によりベース２０に封止・支持されているから、ハウジング２１内に封入されたオイル等の超音波伝播液体２２がベース２０とハウジング２１から漏出することがない。　

　加えて、図１に示すように、第２タイミングベルト４は、超音波送受信部１００のＬ端及びＲ端に相当する短軸方向の搖動端部のベース２０の側壁に、それぞれ設けられた第１及び第２アイドルプーリー７ａ、７ｂの間に跨って張架され、第１テンションプーリー６ａ、及び第２テンションプーリー６ｂによりテンションを付加されて、ベース２０とハウジング２１内に引き回されて敷設されている。　

　ここで、第１テンションプーリー６ａまたは第２テンションプーリー６ｂのいずれか一方を図示しないバネにより付勢して適宜第２タイミングベルト４にテンションを付与してもよく、また、第１及び第２アイドルプーリー７ａ、７ｂをバネにより付勢して、第２タイミングベルト４にテンションを付与してもよい。　

　前述したように、本発明のメカニカル３Ｄ超音波探触子では、図５（ａ）に示したような、全ての減速に平歯車または傘歯車を用いた従来の減速機構に代えて、タイミングベルトとプーリー及び歯車機構による減速機構を用いたので、駆動モータから駆動軸への減速比を大幅に大きくできるようになるとともに、透過型フォトセンサーを構成する回転円板のフルストローク中の総回転数を駆動歯車と被駆動歯車の組み合わせにより大幅に減速する。　

　この結果、以下に述べるように、回転円板の総回転数をフルストロークで１回転以下に減速することができるようになる。　

　即ち、図３に示すように、横軸に超音波送受信部のフルストロークを、また、縦軸に、駆動軸３及び検出部材（回転円板）１１時計方向の回転数を及び透過型フォトセンサー１３の出力をとり、超音波送受信部１００のＬ端から原点Ｏを経てＲ端に至る当該回転数及びセンサー出力をプロットしグラフ化した。　

　このグラフ（図３）によると、超音波送受信部１００がＬ端からＲ端までのフルストロークを移動する際、駆動軸３は、±１．６回転するので、その総回転数は３．２回転となる。しかし、本発明のメカニカル３Ｄ超音波探触子の実施例１では、駆動歯車１０と被駆動歯車１１との間の減速比により、回転円板１１は、駆動軸３の回転数に対して４分の１に減速されているので、回転円板１１は、±０．４回転しかせず、結局、回転円板１１の総回転数は、０．８回転数、即ち、フルストロークで１回転以下となり、超音波送受信部１００の原点位置Ｏに誤差が生じなくなる。　

　なお、本発明のメカニカル３Ｄ超音波探触子の実施例１では、原点検出に透過型フォトセンサーを用いたが、これに限らず、反射型フォトセンサー、磁気検出センサー、接触式ブラシエンコーダ等を用いてもよい。　

　また、前述した本発明の第１実施例では、回転円板の減速に、１個の駆動歯車と１個の被駆動歯車とを噛合させたが、図４に示すように、本発明の第２実施例では、前出第１実施例の第１被駆動歯車１１の次段に、さらに第２被駆動歯車１５を設けて、第１被駆動歯車１１と同軸に形成した小歯車１１ａと噛合させ、さらなる減速比を得るように構成する。　

　ここで、この第２実施例では、第１被駆動歯車１１は、駆動歯車１０及び第２被駆動歯車１５の何れに対しても、それらの軸間距離が変化できるように支持されており、かつ、第２引張バネ１６により、何れの噛合い歯車と噛合う方向に付勢されている。このため、それぞれの駆動歯車の歯合時のバックラッシュを同時になくすことができるようになる。　

　したがって、本発明の第２実施例によれば、前出の第１実施例よりも大きな減速比を得ることが可能となり、また、これと同等の減速比であっても、各大駆動歯車の直径を小さくすることができるので、超音波探触子のレイアウト上の制約があっても、その設計自由度が極めて高くなる。　

　なお、本発明の超音波探触子は、円弧状スキャン型のメカニカル３Ｄ超音波探触子にも適用できるが、超音波送受信部の、より多くの駆動量(移動量)を必要とする、リニアスキャン型のメカニカル３Ｄ超音波探触子により有効に適用できる。

１　　　駆動モ－タ１ａ　　出力軸２　　　減速機構２ａ　　小プーリー２ｂ　　第１タイミングベルト２ｃ　　大プーリー３　　駆動軸３ａ　　駆動軸プーリー４　　第２タイミングベルト５　　オイルシール６ａ　　第１テンションプーリー６ｂ　　第２テンションプーリー７ａ　　第１アイドルプーリー７ｂ　　第２アイドルプーリー１０　　第１駆動歯車１１　　第１被駆動歯車１２　　第１引張バネ１３　　透過型フォトセンサー１４　　回転円板１４ａ　光遮蔽部１４ｂ　光透過部１５　　第２被駆動歯車１６　　第２引張バネ２０　　ベース２１　　ハウジング２２　　音響伝播液体１００　超音波送受信部Ｐ　　　境界部Ｏ　　　原点位置

Claims

　内部に超音波送受信部を備え、かつ、超音波伝播液体を封入したハウジングと、駆動モータの回転駆動力を伝達して前記超音波送受信部を搖動させる駆動装置と、前記超音波送受信部の搖動を制御する際に基準となる原点位置を検出する検出装置と、を備えた超音波探触子において、前記検出装置は、前記駆動装置が回転駆動力を伝達する中間部材から回転を取り出し、前記回転を減速して前記検出装置の検出部材に伝達し、前記検出部材の回転をセンサーで検出することにより原点位置を検出することを特徴とする超音波探触子。
　前記検出部材の全回転範囲が、前記センサーの出力状態が異なる２つの領域に分割され、前記２つの領域の境界部を前記原点位置として検出することを特徴とする請求項１に記載の超音波探触子。
　前記検出部材の減速比が、前記超音波送受信部をフルストローク駆動した場合でも、前記検出部材の総回転数が１回転以下となるように設定したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の超音波探触子。
　前記中間部材に設けた駆動歯車に被駆動歯車を噛合させて前記回転を取り出し、前記被駆動歯車が、直接または別の連動部材を介して前記検出部材を回転させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超音波探触子。
　前記被駆動歯車が、前記駆動歯車との軸間距離が変化する方向に相対移動自在に支持され、前記被駆動歯車と前記駆動歯車とが互いに噛合う方向に弾性的に付勢されていることを特徴とする請求項４に記載の超音波探触子。