JP2020187104A - 超音波高速スキャン装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、モータの回転運動を直線運動に変換させて、これに備えられるプローブを高速移動させて被検体を高速スキャンするようにした超音波高速スキャン装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置は、被検体が収納される本体と、前記本体に一方向に直線移動されるように装着されるマウンティングプレートと、前記マウンティングプレートに装着され、プローブを前記マウンティングプレートの運動方向と直交する方向に直線移動させる駆動ユニットと、を備え、前記駆動ユニットは、前記マウンティングプレートに対して固定されるモータと、前記モータに連結され、前記マウンティングプレートに対して回転運動する回転体と、前記回転体に連結ロッドで連結されてマウントプレートに対して直線移動される移動ロッドと、前記移動ロッドに固定されるプローブと、を含むことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波高速スキャン装置に係り、より詳細には、モータの回転運動を直線運動に変換させて、高速スキャンの可能な超音波高速スキャン装置に関する。

一般的に、超音波システムは、多様に応用されている重要な診断システムの中の一つである。特に、超音波システムは、オブジェクトに対して非侵襲および非破壊の特性を持っているので、様々な分野で広く利用されており、近年は、オブジェクトの内部形状の２次元または３次元の映像を生成するのに利用されている。

このような超音波システムは、超音波信号を送信及び受信するために、広帯域のトランスデューサを含むプローブを備えている。トランスデューサが電気的に刺激されれば、超音波信号が生成されてオブジェクトに伝達される。オブジェクトに伝達された超音波信号は、反射されてトランスデューサで電気信号に変換される。変換された電気信号を増幅および信号処理して組織の映像のための超音波映像データが生成される。

一方、従来には、超音波システムの一例として、下記の特許文献１で超音波探傷装置が提案されており、前記提案された超音波探傷装置は、探傷プローブをＸ、Ｙ、Ｚ軸に移動させながら被検体（オブジェクト）を探傷する技術である。
しかし、先行技術文献１で提案した超音波探傷装置では、探傷プローブがボールネジとベルト駆動機構によりＸ、Ｙ、Ｚ軸に移動されるが、このようなボールネジとベルト駆動機構は、その構造的特性上、探傷プローブの移動を高速化するのに限界があり、このような限界により、従来の超音波探傷装置では、被検体を高速スキャンすることができないという問題がある。

特開平９−２８８０９７号公報

本発明の目的は、モータの回転運動を直線運動に変換させて、これに備えられるプローブを高速移動させて被検体を高速スキャンするようにする超音波高速スキャン装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、回転運動を直線運動に変換する過程で発生するプローブの振動を最小化させて、より正確なスキャンが行われるようにする超音波高速スキャン装置を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、移動ロッドに設けられるプローブの配置構造を変えて移動ロッドの移動距離を最小化し、迅速なスキャンが行われるようにする超音波高速スキャン装置を提供することにある。

本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置は、被検体が収納される本体と、前記本体に一方向に直線移動されるように装着されるマウンティングプレートと、前記マウンティングプレートに装着され、プローブを前記マウンティングプレートの運動方向と直交する方向に直線移動させる駆動ユニットと、を備え、前記駆動ユニットは、前記マウンティングプレートに対して固定されるモータと、前記モータに連結され、前記マウンティングプレートに対して回転運動する回転体と、前記回転体に連結ロッドにより連結されて、マウントプレートに対して直線移動される移動ロッドと、前記移動ロッドに固定されるプローブと、を含む。
前記回転体は、バー形状の回転ロッドで備えられ、前記回転ロッドは、その一側部に前記連結ロッドが連結され、他側部には、カウンタバランスが結合されている。
前記カウンタバランスが結合される前記回転ロッドに長孔が備えられ、前記カウンタバランスを前記回転ロッドの長さ方向に位置調整できるようにする。
前記回転ロッドに結合される前記カウンタバランスの位置（下記のb）の調整は、次の式によって決められ、
ｃｍｒ＝Ｂｂ
ここで、ｃは補正係数、ｍは、前記移動ロッド及び前記移動ロッドと共に直線運動する部品（エンコーダ、プローブ、およびこれらを固定するための各種のプレート）を合わせた質量、ｒは、前記回転ロッドの回転中心点から前記連結ロッドが連結される連結孔の中心点までの距離、Ｂは、カウンタバランスの質量、ｂは、前記回転ロッドの回転中心点から前記カウンタバランスの質量中心点までの距離となる。

前記マウンティングプレートには、前記マウンティングプレートの移動方向と直交する方向にリニアガイドが設けられ、前記移動ロッドが前記リニアガイドに結合されて前記リニアガイドに沿って直線移動される。
前記プローブは前記移動ロッドの前記被検体側の端に２つ以上設けられ、前記複数のプローブが移動ロッドの移動方向と平行または直交する方向に所定の間隔離隔されて一列配置されている。

前記プローブを前記移動ロッドに固定する固定治具と、前記プローブの下部に設けられ、前記プローブを連結して支持する支持部材と、をさらに備える。
前記支持部材の前記移動ロッドが並進運動する移動方向の両側の端部は流線型となっている。
前記プローブを前記移動ロッドに固定する固定治具と、前記プローブの下部に設けられ、前記移動ロッドが並進運動する移動方向の両側の端部が流線型の支持部材と、をさらに備える。
前記回転体は、円板状の回転板で備えられ、前記回転板の外周縁部には、連結ロッドが偏心の状態で連結されている。

本発明の他の実施形態に係る超音波高速スキャン装置は、被検体が収納される本体と、前記本体に一方向に直線移動されるように装着されるマウンティングプレートと、前記マウンティングプレートに装着され、プローブを前記マウンティングプレートの運動方向と直交する方向に直線移動させる駆動ユニットと、を備え、前記駆動ユニットは、前記マウンティングプレートに対して回転運動する回転部材と、前記回転部材に連結部材を介して連結され、前記回転部材の回転運動に応じて前記マウンティングプレートに対して直線移動される移動部材と、一端が前記回転部材の回転中心から離れた位置に連結され、他の一端が前記移動部材と連結され、前記回転部材の回転運動を前記移動部材に伝達する連結部材と、前記回転部材の前記回転中心から離れて前記連結部材が連結された位置と反対の位置に結合されるカウンタバランスと、を含む。

本発明の超音波高速スキャン装置によれば、モータの回転運動を連結ロッドを介してプローブの直線運動に変換することにより、直線移動されるプローブによって被検体の高速スキャンを実現することができる。
また、モータの回転運動を、プローブの直線運動に変換する過程で発生する振動をカウンタバランスにより減衰させて、プローブの振動を最小化して、より正確なスキャンを行うことができ、これによりスキャニングの速度を増大させることができる。
なお、移動ロッドに多数のプローブを平行または直交する方向に並列配置することにより、移動ロッドの移動距離を減らしてスキャニングの速度を増大することができる。

本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置の外形を示す斜視図である。 図１の超音波高速スキャン装置において、プローブを移動させる駆動ユニットの一実施例を示す結合構成図である。 図２の駆動ユニットのそれぞれの構成要素を分離して示す分離斜視図である。 図２の駆動ユニットの動作状態を示す図である。 図２の駆動ユニットのカウンタバランスによる振動低減機能を説明するための図である。 図２の駆動ユニットに備えられるプローブの別の設置例示図である。 本発明の他の実施例に係る駆動ユニットに備えられるプローブの設置例示図である。 本発明の超音波高速スキャン装置に構成される駆動ユニットの他の実施例を示す結合構成図である。 図８の駆動ユニットを詳細に示す分離斜視図である。 図８の駆動ユニットの作動状態を示す図である。 図５のカウンタバランスにより振動を低減させる原理を説明するための概念図である。 本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置によって被検体をスキャンした結果を概略的に示す図である。

以下、本発明の好ましい実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明で使用される用語は、本発明の機能を考慮して定義された用語として、これは、使用者、または運用者の意図または慣例によって変わることができるので、このような用語の定義は、本発明の技術的事項に合致する意味と概念として解釈されるべきである。
なお、本発明の実施例は、本発明の権利範囲を限定せず、本発明の請求の範囲に記載された構成要素の例示的な事項に過ぎず、本発明の明細書の全体にわたる技術思想に含まれ、請求の範囲の構成要素で均等物として置換可能な構成要素を含む実施例である。また、本発明の一つの実施例で使用されている要素の技術は、他の実施例でも同様に適用可能である。
また、下記の実施例での選択的な用語は、１つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用されるものであり、構成要素が下記の用語によって制限されるものではない。
一方、本発明を説明するにおいて、本発明の要旨を不明瞭にする危険性のある公知技術の詳細な説明は省略する。

図１〜図１０には、本発明に係る超音波高速スキャン装置の構成と、各実施例が示されている。
本発明に係る超音波高速スキャン装置は、モータの回転運動を超音波トランスデューサが含まれたプローブ（ｐｒｏｂｅ）の端の直線運動に変換させることにより、回転運動を生成する駆動モータによってプローブを高速で直線移動させて、被検体を高速スキャンするようにする。

図１を参照すると、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置は、被検体（図示せず）が収納される本体１０と、本体１０の上部に設けられ、一方向に直線移動するマウンティングプレート２０と、マウンティングプレート２０の一面に装着され、プローブ（図示せず）をマウンティングプレート２０の運動方向と直交する方向に直線移動させる駆動ユニット１００、２００と、を含んでいる。
特に、本体１０内の被検体が収納される部分には、超音波スキャンの媒質、例えば水が供給され、被検体は、超音波媒質である水の中に浸った状態となっている。前記本体１０の上部、すなわち被検体から離隔された上部には、後述されるマウンティングプレート２０を支持する一方、マウンティングプレート２０の移動を案内するための支持フレーム１１が設置されている。支持フレーム１１は、図１に示したように、一対の本体１０の上部に所定の間隔離隔して一方向（例えばＹ軸方向）に沿って平行に設置されている。

また、マウンティングプレート２０は、一対の支持フレーム１１を横切って支持フレーム１１が延長される方向と直角方向（例えば、Ｘ軸方向）に延長されるように設置されてもよい。この場合に、マウンティングプレート２０は、別途の駆動手段（図示せず）により支持フレーム１１上でＹ軸方向に直線移動するようになる。
このとき、マウントプレート２０は、Ｘ軸方向に沿って本体１０の被検体が配置されている部分に向かって下方向（例えばＺ軸方向）に垂直な一面、すなわち前面部を持つことができる。マウンティングプレート２０の前面部には駆動ユニット１００、２００が設けられ、駆動ユニット１００、２００のプローブがマウンティングプレート２０に沿ってＸ方向に直線移動しながら下部に配置されている被検体をスキャンするようになる。前記駆動ユニット１００、２００は、下記の各実施例別に分けて詳細に説明する。
図２〜図７には、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置の駆動ユニットが示されている。

図面を参照すると、超音波高速スキャン装置の駆動ユニット１００は、図２と図３に示したように、マウンティングプレート２０に対して固定されるモータ１２０と、モータ１２０に連結されてマウンティングプレート２０に対して回転運動する回転体１７０と、回転体１７０に連結ロッド１６０により連結されてマウントプレート２０に対して直線移動される移動ロッド１５０と、移動ロッド１５０に固定されるプローブ１５４と、を含んでいる。
このとき、マウントプレート２０の前面部にはベースプレート１１０が結合固定され、モータ１２０がベースプレート１１０に固定されるように設置され、回転体１７０が、モータ１２０の回転軸に締結されてベースプレート１１０に対して回転運動するようになる。また、移動ロッド１５０がベースプレート１１０に直線移動されるように設置されている。この場合に、駆動ユニット１００が、別途のベースプレート１１０に設置されるようにすることにより、駆動ユニット１００の設置の自由度が大きくなり、作業性が向上することができる。

このとき、モータ１２０は、ベースプレート１１０の後面部に結合固定され、モータ１２０の回転軸に該当するモータ軸がベースプレート１１０を貫通して前面部に突出することができる。また、回転体１７０は、モータ１２０のモータ軸に連結されてベースプレート１１０の前面部で回転するようになる。移動ロッド１５０は、連結ロッド１６０を介して回転体１７０と連結されてベースプレート１１０の前面部で直線移動するになる。
このとき、移動ロッド１５０は、ベースプレート１１０の一軸（例えば、Ｘ軸）に沿って両方向に直線運動するように、Ｘ軸方向に拘束されるように設けられている。このため、マウンティングプレート２０またはベースプレート１１０にリニアガイド１３０が固定設置され、移動ロッド１５０がリニアガイド１３０に結合されてリニアガイド１３０に沿って直線移動するように設けられている。

この場合、モータ１２０のモータ軸の回転運動がモータ軸に固定結合された回転体１７０を回転させ、回転体１７０に一端が回動可能に結合された連結ロッド１６０を動かすことができる。また、連結ロッド１６０の運動によって連結ロッド１６０の他端に回動可能に結合された移動ロッド１５０を動かすことができる。このとき、移動ロッド１５０は、リニアガイド１３０によって、その運動が拘束されて、リニアガイド１３０に沿ってＸ軸方向に運動することになる。このとき、モータ軸の回転によって回転体１７０が回転運動し、回転体１７０の回転運動によって決められる限界内で、移動ロッド１５０が並進運動することになる。
一方、回転体は、回転部材としてバー形状の回転ロッド１７０になることができる。連結ロッド１６０は、バー形状を有することができ、本発明はこれに限定せず、様々な形状の連結部材でもよい。移動ロッド１５０は、バー形状を有することができ、本発明はこれに限定せず、様々な形状の移動部材でもよい。

一方、プローブ１５４は、移動ロッド１５０に結合固定されて移動ロッド１５０と共に運動しながら、移動ロッド１５０の運動によって生成される軌跡に沿って被検体を超音波スキャンしながら被検体のイメージが入力される。このため、プローブ１５４は、入力される電気信号によって超音波信号を出力し、被検体から反射される超音波が入力されて、再び電気信号に変換するトランスデューサを含むことができる。
一方、ベースプレート１１０は、マウンティングプレート２０と同じ長方形のプレートとして、マウンティングプレート２０の前面部に一定の間隔離隔されたまま平行に固定設置されている。前記ベースプレート１１０は、その後面部に備えられている多数の結合軸１１１がマウンティングプレート２０の前面部に結合されて固定されている。

また、ベースプレート１１０の前面部には、リニアガイドのガイドレール１３０が埋設される結合孔１１３と案内孔１１２とが備えられている。このとき、結合孔１１３と案内孔１１２は、連通された構造で形成されるが、結合孔１１３よりは案内孔１１２がより大きな内径を有するように形成されている。このように案内孔１１２を結合孔１１３より大きく形成して、結合孔１１３との間に境界面を形成することによって、リニアガイドのガイドレール１３０に沿って移動する移動ロッド１５０の行程を構造的に案内孔１１２に対応した距離に制限することができるようになる。
一方、上述のようにベースプレート１１０の結合孔１１３と案内孔１１２に備えられているリニアガイドは、リニアガイドレール１３０と、スライダ１４０と、を含んでいる。リニアガイドレール１３０は、結合孔１１３と案内孔１１２を貫通するように備えられており、スライダ１４０は、リニアガイドレール１３０に結合されてリニアガイドレール１３０の長さ方向に沿って直線移動される。このとき、スライダ１４０は、リニアガイドレール１３０より外側にさらに突出するように備えることによって、ベースプレート１１０の結合孔１１３側へは進入できずに結合孔１１３より大きな内径を有する案内孔１１２でのみ移動されるので、移動ロッド１５０の行程を案内孔１１２内に制限することになる。

また、このようなスライダ１４０の外側面には、移動ロッド１５０が結合固定されることにより、移動ロッド１５０の最大の行程は、案内孔１１２の長さに対応する距離に制限することができ、各ロッド１５０、１６０、１７０によって案内孔１１２の長さより短い距離（図４のＬまたは図１０のＬ'）に制限することができる。
一方、ベースプレート１１０の後面部に備えられているモータ１２０は、正回転及び逆回転駆動が可能なステップモータとして備えられており、移動ロッド１５０の移動量を精密に制御して調節するようになる。ただし、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置では、連結ロッド１６０によって回転体１７０の一方向の回転を移動ロッド１５０の並進運動に変換することにより、モータ１２０の一方向駆動によって簡単に移動ロッド１５０の並進運動を実現することができる。したがって、簡単な制御及び高速並進運動の実現が可能になることによって、超高速超音波スキャンが可能になる。

モータ１２０のモータ軸に連結される回転体は、平らな（ｆｌａｔ）バー（ｂａｒ）形状の回転ロッド１７０として備えられており、回転ロッド１７０は、その一側部に連結ロッド１６０が連結され、他側部には、カウンタバランス１８０が結合されている。このとき、カウンタバランス１８０は、回転ロッド１７０と共に回転しながら、エネルギーを格納することによって、連結ロッド１６０を介して移動ロッド１５０と共に直線運動するすべての構成要素の直線並進運動によって発生する振動を吸収することができる。したがって、カウンタバランス１８０は、移動ロッド１５０の並進運動によって発生する震え現象を緩和させて、すべてのシステムが安定して動作することができるようにする。
一方、カウンタバランス１８０が存在しない場合に、超音波スキャン装置によって、プローブのスキャニング速度を高めるために、モータの回転速度を高めた場合、移動ロッド１５０が震えて、正確なスキャニングができなくて、それ以上のスキャン速度を高めることができないようになる。特に、移動ロッド１５０の運動方向が逆に変わる地点で、その震えが非常に大きくなる問題が発生した。これに対して、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置では、カウンタバランス１８０を使用することによって、モータの回転速度を高めた場合でも、移動ロッド１５０の震え現象が顕著に減って、プローブ１５４による被検体のスキャニング速度を著しく増加させることができた。

このため、回転ロッド１７０の中央部には、モータ１２０のモータ軸が連結される回転中心孔１７１が形成され、両側部には、それぞれ連結孔１７２と長孔１７３が形成されている。前記連結孔１７２には、連結ロッド１６０の一側の端部がベアリングを媒介して相対回転可能に結合され、長孔１７３には、カウンタバランス１８０が固定されるように結合されるようになる。
このとき、連結孔１７２は、回転ロッド１７０の一側の端部に単一の孔で形成されており、長孔１７３は、回転ロッド１７０の他側の端部に回転ロッド１７０の長さ方向に長く穿孔された複数の孔で形成されている。これは、モータ１２０によって回転ロッド１７０が高速回転するときに、カウンタバランス１８０が回転ロッド１７０に１つの長孔で結合されていれば、カウンタバランス１８０に作用する慣性力によって、カウンタバランス１８０が回転ロッド１７０上で回転されて、重心が乱れることができるので、カウンタバランス１８０は、回転ロッド１７０に複数の長孔１７３で結合固定されている。これは、回転ロッド１７０の高速回転の時に、カウンタバランス１８０の回転を防止することができる。

さらに、上述のように、長孔１７３が回転ロッド１７０の長さ方向に長く形成されているので、長孔１７３に結合固定されるカウンタバランス１８０の位置を回転ロッド１７０上で移動させて可変させることができ、これにより、移動ロッド１５０に具備されるプローブ１５４およびプローブの質量の変化によって、カウンタバランス１８０の位置を調整して、回転ロッド１７０の両側に作用する力（慣性力）の均衡を維持して、回転ロッド１７０の高速回転の時に発生する振動を減衰させることができるようになる。
また、カウンタバランス１８０は、図３及び図５に示されたように、回転ロッド１７０の一側の端部、すなわち長孔１７３側の端部が結合される結合溝１８１が段差になるように形成され、前記結合溝１８１と回転ロッド１７０は、形状を合わせることによって、相対回転が不可能に結合し、これによって、回転ロッド１７０の高速回転の時、カウンタバランス１８０の回転を防止することができる。前記結合溝１８１の底面には、回転ロッド１７０の長孔１７３と一致する複数の締結孔１８２が形成され、前記締結孔１８２は、長孔１７３上で、その位置が調節された状態で締結手段により結合固定されている。

図１１は、カウンタバランス１８０によって振動低減原理を説明する図である。示されたように、移動ロッド１５０の運動による一次力による不均衡力（ｐｒｉｍａｒｙ ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｆｏｒｃｅ）ｍ＊ω＾２＊ｒ＊ｃｏｓθが、回転中心Ｏから半径ｒの位置にある回転質量ｍによって作られる遠心力によるものとみなすことができる。このとき、不均衡力は移動ロッド１５０の運動に応じて点ＯからＰに向かってストロークラインに沿って一定の方向に、回転ロッド１７０の回転の角度に応じて、その大きさが変わることができる。
このとき、移動ロッド１５０の運動による一次不均衡力は、移動ロッド１５０の運動による等価質量ｍに対して回転ロッド１７０上の原点Ｏを基準に反対側の半径ｂの位置にあるカウンタバランス１８０の質量Ｂによってバランシングされる。この場合に、カウンタバランス１８０による均衡力は一定の大きさＢ＊ω＾２＊ｂを有し、回転ロッド１７０の回転の角度に応じて方向が変わる。

このとき、回転ロッド１７０の回転角度に応じて、一定の方向に大きさが変わる等価質量ｍによる一次力不均衡力（ｐｒｉｍａｒｙ ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｆｏｒｃｅ）ｍ＊ω^２＊ｒ＊ｃｏｓθは一定の大きさを有し、その方向が変わるカウンタバランス１８０の質量Ｂによる均衡力（ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）Ｂ＊ω＾２＊ｂによってバランシングされる。つまり、この場合、式１の関係式によって等価質量ｍにより発生する不均衡力は、カウンタバランス１８０の質量Ｂによってバランシングされる。
一方、等価質量ｍによる不均衡力は、一次力による不均衡力と二次力による不均衡力が存在することができるが、二次力による不均衡力は、一次力による不均衡力に比べて、その大きさが小さくて無視して計算した。また、一次力の不均衡力は回転ロッド１７０の回転の角度に応じて、その方向は一定であるが、その大きさが変わり、均衡力は大きさは一定であるが、その方向が変わる点を考慮して近似化し、補正係数ｃを導入して、式１のように簡略化してカウンタバランス１８０の位置を決めることができる。したがって、比較的簡単な計算式によってカウンタバランス１８０の位置を決めることができるので、容易にシステムの震え現象を改善することができる。

このように、回転ロッド１７０の長孔１７３上で位置調節されるカウンタバランス１８０の位置は、次の式によって決められる。このとき、補正係数ｃは、実験を通して震え現象が最も少なく発生する値を繰り返してシミュレーションまたは実験によって予め決めて、定数として使用することができる。
[式１]
ｃｍｒ＝Ｂｂ
ここで、cは補正係数として０.５であり、ｍは移動ロッド１５０及び移動ロッド１５０と共に直線運動する部品（エンコーダ１５２、トランスデューサ１５４、およびこれらを固定するための各種プレート）を合わせた質量であり、ｒは回転ロッド１７０の回転中心孔１７１から連結ロッド１６０が連結される連結孔１７２の中心点までの距離であり、Ｂはカウンタバランス１８０の質量であり、ｂは回転ロッド１７０の回転中心孔１７１からカウンタバランス１８０の質量中心ｃまでの距離である（図５参照）。

一方、上述のように、式の左側辺のｃとｒは一定の値であり、ｍは移動ロッド１５０に備えられるプローブ１５４の個数に応じて可変する質量値である。
したがって、ｍの質量値に応じてカウンタバランス１８０の質量Ｂ、または回転ロッド１７０の回転中心孔１７１からカウンタバランス１８０の質量中心点ｃまでの距離ｂを調整して、回転ロッド１７０の両側に作用する力（慣性力）を相殺させて振動を減衰させることで、プローブの振動を最小化することができる。
一方、図１１を参照して、式１で数学的な計算によって補正係数ｃの値を計算することができる。等価質量ｍに対して繰り返し運動によってｘ方向に力を加えると、等価質量ｍによる不均衡力（ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ ｆｏｒｃｅ）は、ｘ方向ｍ＊ω^２＊ｒ＊ｃｏｓθになれる。また、クランクピンＣを基準に半径ｂの質量Ｂを有するカウンタバランスによる力がｘ方向の成分Ｂ＊ω^２＊ｂ＊ｃｏｓθとｙ方向の成分Ｂ＊^２＊ｂ＊ｓｉｎθを発生する。ｍｒ＝Ｂｂメカニズムでは、θが０°または１８０°で均衡を維持することができる。しかし、θが０°または１８０°以外の領域では、ｘ方向へは均衡を維持するが、ｙ方向へはＢ＊ω^２＊ｂ*ｓｉｎθだけ機構の振動を起こすことになる。

このとき、すべての値で均衡を維持するために、式１のｃ値を０＜ｃ＜１とすることができる。したがって、ｘ方向の不均衡力はｍ＊ω^２＊ｒ＊ｃｏｓθ−Ｂ＊ω＾２＊ｂ＊ｃｏｓθとなり、これは式１を反映すれば、ｃ＊ｍ＊ω＾２＊ｒ＊ｃｏｓθになり、y方向の不均衡力はＢ＊ω^２＊ｂ＊ｓｉｎθになり、これは式１を反映すれば、ｃ＊ｍ＊ω^２＊ｒ＊ｓｉｎθになる。ｘ方向の不均衡力とｙ方向の不均衡力とを合成して、不均衡合力を求め、すべてのθ値に対して不均衡合力が最小になるｃの値を調べて、その値を使用すると、式１によって不均衡合力が最小になる条件で、等価質量ｍが繰り返し運動することができるようになる。この時のｃ値を求めると、０.５になる。
この場合、クランクピンＣを基準に半径ｂの質量Ｂを有するカウンタバランスによって振動が最小となる条件で、等価質量ｍが繰り返して運動するようになる。したがって、システム全体の振動を最小化することができ、それに応じて、超音波スキャン速度を増加させて、超高速超音波スキャンが可能になる。

一方、上述のように、回転ロッド１７０と移動ロッド１５０との間には、連結ロッド１６０が備えられており、連結ロッド１６０は、その両側の端部に連結軸１６１が突出されるように備えられており、両連結軸１６１は、それぞれ回転ロッド１７０の連結孔１７２と移動ロッド１５０の連結孔１５１にベアリングを媒介として相対回転可能に結合されている。これにより、連結ロッド１６０は、回転ロッド１７０の回転運動を移動ロッド１５０の直線運動に変換させる媒介体の役割を果たすことになる。
一方、移動ロッド１５０は、リニアガイドレール１３０に備えられているスライダ１４０の外側面に結合固定され、このように具備される移動ロッド１５０は、リニアガイドレール１３０と垂直に直交する方向に設置されている。また、移動ロッド１５０の上部と下端部には、エンコーダ１５２とプローブ１５４がそれぞれ結合固定され、移動ロッド１５０の下端部には、プローブ１５４が連結されて、トランスデューサを介して本体１０に収納された被検体を超音波スキャンするようになる。

また、スライダ１４０の中心と一致する移動ロッド１５０の一側には連結孔１５１が形成され、連結ロッド１６０の一側の連結軸１６１がベアリングを媒介として回転可能に結合されることにより、モータ１２０による回転ロッド１７０の回転の時に、連結ロッド１６０によって移動ロッド１５０がスライダ１４０を媒介としてリニアガイドレール１３０に沿って直線移動するようになる。
一方、通常の超音波スキャン装置では、プローブ１５４が並進する両端の位置で動きが反転される。つまり、プローブ１５４が両端に到達すると、一方向の運動を停止して、反対方向に新たな運動を始めることになる。特に、超音波スキャン装置では、被検体上のプローブ１５４の端が超音波媒質、例えば水中に沈めた状態で運動することになる。この場合には、プローブ１５４が並進する両端の位置で激しい水跳ね現象が発生することができる。

このような問題を解決するために、駆動ユニット１００は、プローブ１５４を移動ロッド１５０に固定する固定治具１５３と、プローブ１５４の下部に設置され、移動ロッド１５０が並進運動する移動方向（Ｘ軸方向）の両側の端部が流線型である支持部材１５５と、をさらに含んでいる。つまり、プローブ１５４の被検体側の端部を支持しながら、超音波媒質、例えば水中に少なくとも一部浸かる支持部材１５５の両側の端部が流線型となっている。したがって、プローブ１５４が並進する両端の位置で水跳ね現象を緩和させることができる。
一方、プローブ１５４は、移動ロッド１５０の被検体側の端に２つ以上設けることができる。この場合、複数のプローブ１５４が同時に被検体の他の領域をスキャンすることにより、一つの被検体に対して移動ロッド１５０を動かす範囲または回数を減らし、高速スキャニングが可能になる。図２及び図３には、プローブ１５４が２つ設けられている実施例が示されており、図６及び図７には、プローブ１５４が３つ設けられている実施例が示されている。この場合、２つ以上のプローブ１５４のそれぞれを介して入力されたイメージが合成されて、全体のイメージを得るようになる。このとき、イメージの処理によって同じ部分が重なる部分を認識して、一部で入力されるイメージに対して当該の部分を削除して合成する必要がある。

このとき、複数のプローブ１５４を移動ロッド１５０の移動方向と平行または直交する方向に所定の間隔離隔して、一列に配置することができる。図６には、移動ロッド１５０の移動方向と平行な方向に一定の間隔離隔されるように一列に配置されている実施例が示されている。図７には、移動ロッド１５０の移動方向と直交する方向に一定の間隔離隔されるように一列に配置されている実施例が示されている。
一方、２つまたはそれ以上のプローブ１５４を一定の間隔離隔するように配置することができる。この場合、２つ以上のプローブ１５４を介して入力される映像を処理するときに、比較的簡単なアルゴリズムにより合成して、全体のイメージを得ることができるようになる。
一方、プローブ１５４は、移動ロッド１５０の下端部に設けられる別途の固定治具１５３により固定されている。特に、この場合に、２つ以上のプローブ１５４が設けらている場合、プローブ１５４の相対位置を一定に固定することができるようになる。

また、上述のように並列配置されているプローブ１５４は、固定治具１５３の位置によって移動ロッド１５０の移動方向と平行または直交する方向に配置することもできる。
すなわち、図６に示したように、固定治具１５３−１が移動ロッド１５０の移動方向と平行な方向に設けられている場合には、固定治具１５３−１に一列に並列配置される多数のプローブ１５４−１がＸ軸方向に配列されることにより、移動ロッド１５０の移動距離が短くなるので、それぞれのプローブ１５４−１を介して被検体を高速で超音波スキャンすることができるようになる。
また、図７に示したように、固定治具１５３−２が移動ロッド１５０の移動方向と直交する方向に設けられている場合には、多数のプローブ１５４−２がＹ軸方向に備えられることにより、マウンティングプレート２０の移動距離が短くなるので、それぞれのプローブ１５４−２を介して被検体を高速で超音波スキャンすることができるようになる。

また、支持部材１５５−１、１５５−２がプローブ１５４−１、１５４−２の下部に設けられ、プローブを連結して支持している。この場合、複数のプローブ１５４−１、１５４−２をさらに安定的に支持することができる。
このとき、支持部材１５５−１、１５５−２は、移動ロッド１５０が並進運動する移動方向の両側の端部が流線型になっている。この場合、本体１０の水中で支持部材１５５−１、１５５−２の移動の時、円滑な移動を誘導するだけでなく、水跳ね現象を最小化することができる。
一方、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置は、次のように動作することができる。
まず、本体１０の内部に超音波スキャンしようとする被検体を収納した状態で、駆動ユニット１００のモータ１２０が作動されれば、モータ１２０に連結された回転ロッド１７０が回転する。

このとき、回転ロッド１７０の一側に連結ロッド１６０を媒介として連結された移動ロッド１５０に作用する質量値に基づいて、回転ロッド１７０の他側に備えられているカウンタバランス１８０の質量Ｂ、またはカウンタバランス１８０の位置を調整して、回転ロッド１７０の両側に作用する力の均衡を合わせた状態である。
このように回転ロッド１７０が回転すれば、図４に示したように、回転ロッド１７０に連結された連結ロッド１６０の一側の端部が回転ロッド１７０と共に回転運動し、移動ロッド１５０に連結されて拘束された連結ロッド１６０の他側の端部は、直線往復運動をするようになる。
したがって、上述のように回転ロッド１７０の回転運動を直線運動に変換させる連結ロッド１６０によって移動ロッド１５０は、リニアガイドレール１３０に沿って高速で直線往復移動するようになり、前記移動ロッド１５０の直線移動により、プローブ１５４は被検体上でＸ軸方向に直線移動しながら、被検体を超音波スキャンすることになる。

このとき、プローブ１５４は、図４に示したように、被検体のＸ軸方向に完全に移動されて、スキャンした後、マウンティングプレート２０が本体１０のＹ軸方向に移動され、マウンティングプレート２０の移動の後にプローブ１５４は、前述した逆方向である−Ｘ軸方向に直線移動しながら、被検体を連続して高速スキャンすることになる。
図８〜図１０は、本発明の他の実施例に係る超音波高速スキャン装置の駆動ユニットを示している。

まず、本実施例を説明する前に、前述した実施例と同じ部分については、前述した実施例の説明を参照して、前述した実施例と異なる部分についてのみ詳細に説明する。
本発明の他の実施例に係る駆動ユニット２００は、図８と図９に示したように、マウンティングプレート２０の前面部に結合固定される第１ベースプレート２１０と、第１ベースプレート２１０の前面部に第１ベースプレート２１０と一定の間隔を維持したまま離隔して備えられている第２ベースプレート２３０と、第１ベースプレート２１０の後面部に結合固定され、モータ軸が第１及び第２ベースプレート２１０、２３０を貫通して前面部に突出するように備えられているモータ２２０と、モータ２２０のモータ軸に連結されて、ベースプレート２１０の前面部で回転する回転体、すなわち円板状の回転板２４０と、回転板２４０に第１及び第２連結ロッド２５０、２６０として連結されて、第２ベースプレート２３０の前面部で直線移動される移動ロッド２９０と、移動ロッド２９０に結合固定される一方、被検体を超音波スキャン（探傷）するプローブ２９３とを含んでいる。

ここで、第１ベースプレート２１０の背面に備えられている結合軸２１１と、第２ベースプレート２３０の貫通孔２３１と固定溝２３２（図２の案内孔１１２と結合孔１１３に対応）と、リニアガイドレール２７０と、スライダ２８０と、エンコーダ２９１と、固定治具２９２と、プローブ２９３は、図２に示された実施例の構成と同様であるので、これの説明は省略し、回転板２４０と、これに連結されている各ロッド２５０、２６０、２９０のみに対して詳細に説明する。
回転板２４０は、正円からなる円板で備えられており、その前面の一側の外周縁部には、第１連結ロッド２５０との連結のための連結軸２４１が突出されるように備えられている。前記連結軸２４１は、ベアリングを媒介として、第１連結ロッド２５０と結合することにより、第１連結ロッド２５０と相対回転が可能な状態で連結されている。

また、第１連結ロッド２５０は、平坦なバー（ｂａｒ）で備えられており、その一側の端部には、回転板２４０の連結軸２４１が回転可能に結合され、他側の端部には、他の連結軸２５１が突出されるように備えられている。この連結軸２５１もベアリングを媒介として第２連結ロッド２６０と結合することにより、第２連結ロッド２６０と相対回転が可能な状態で連結されて備える。したがって、回転板２４０に連結された第１連結ロッド２５０の一側の端部は、回転板２４０と共に回転運動され、第２連結ロッド２６０に連結されて拘束された第１連結ロッド２５０の他側の端部は、直線往復運動するようになる。このとき、直線往復移動する第１連結ロッド２５０は、回転板２４０の直径ほど直線移動する。
第２連結ロッド２６０は、長方形のプレートで備えられており、その中心部には、第1連結ロッド２５０の連結軸２５１がベアリングを媒介として結合される連結孔２６１が備えられている。これにより、第２連結ロッド２６０は、第１連結ロッド２５０に相対回転可能な状態で連結されて、第１連結ロッド２５０の直線移動の時に、第１連結ロッド２５０と共にリニアガイドレール２７０に沿って直線移動される。このとき、第２連結ロッド２６０は、リニアガイドレール２７０に結合されたスライダ２８０を囲んだ状態で結合固定してスライダ２８０と共に一体に移動される。

また、移動ロッド２９０は、スライダ２８０の外側面に結合固定されてスライダ２８０及び第２連結ロッド２６０と共にリニアガイドレール２７０に沿って直線移動され、直線移動される移動ロッド２９０の行程は、回転板２４０の直径に対応する距離だけ移動される。
したがって、上述のように、回転板２４０の直径に該当する行程を有する移動ロッド２９０は、直線往復移動距離が短くて、回転板２４０の高速回転の時にも前述した図２に示された実施例に比べて、相対的に振動が小さく発生するので、前述した実施例でのカウンタバランス１８０を備えていなくても、プローブの振動を最小化することができる。ただし、本実施例でも、カウンタバランスを使用して振動をさらに低減する実施例も可能である。
図１２は、本発明の一実施例に係る超音波高速スキャン装置において図２の駆動ユニットを使用して被検体をスキャンした結果を示す。この時、図２の駆動ユニットを使用して被検体をスキャンした測定結果が表１に示されている。表１には、先行技術文献に記載された構成と同様の構成を有する従来の超音波スキャン装置（比較例）により、図１２の場合と同じ被検体に対する測定結果を共に比較して示した。

両者の場合、同じ被検体に対して同じスキャンステップ１００ｕｍ、４００個のＢスキャンを適用したとき、従来の超音波スキャン装置は、一つのラインあたり１秒がかかり、全体４００秒がかかった。これに対して、本発明の図２に示された実施例を適用した場合は、１つのラインあたり０.０５秒がかかり、全体２０秒がかかった。すなわち、本発明の図２に示された実施例を適用した場合に、図１２に示された品質のスキャン結果を得ると同時に、比較例に比べて速度を２０倍向上させることができる顕著な効果を得ることができる。
一方、超音波スキャン装置は、印刷回路基板と建築資材などを含む様々な被検体の断面を非破壊的にスキャンすることができる。このとき、製品の生産性を考慮すると、そのスキャン速度は非常に重要な要素である。特に、実際の現場で印刷回路基板の回路の不良を検査するのに時間がかかりすぎて、全体のラインの生産性が大幅に低くなるという問題があった。

しかし、表１に示したように、本発明の一実施例に係る図２の駆動ユニットを使用する場合、比較例に比べて顕著に高速で図１２のように被検体をスキャンした。
以上、本発明を具体的な実施例を通じて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、本発明の技術的思想内で当分野の通常の知識を有する者であれば、その変形や改良が可能であることは明らかである。本発明の簡単な変形または変更は、本発明の範囲に属するものとして、本発明の具体的な保護範囲は、添付された特許請求の範囲によって明確になる。

１０ 本体
１１ 支持フレーム
２０ マウンティングプレート
１００、２００ 駆動ユニット
１１０ ベースプレート
１１１、２１１ 結合軸
１１２ 案内孔
１１３ 結合孔
１２０ モータ
１３０、２７０ リニアガイドレール
１４０、２８０ スライダ
１５０、２９０ 移動ロッド
１５１、１７２、２６１ 連結孔
１５２、２９１ エンコーダ
１５３、２９２ 固定治具
１５４、２９３ プローブ
１６０ 連結ロッド
１７０、２４０ 回転ロッド
１７１ 回転中心孔
１７３ 長孔
１８０ カウンタバランス
１８１ 結合溝
１８２ 締結孔
２１０ 第１ベースプレート
２２０ ステップモータ
２３０ 第２ベースプレート
２３１ 貫通孔
２３２ 固定溝
１６１、２４１、２５１ 連結軸
２５０ 第１連結ロッド
２６０ 第２連結ロッド

Claims (11)

1. 被検体が収納される本体と、
   前記本体に一方向に直線移動されるように装着されるマウンティングプレートと、
   前記マウンティングプレートに装着され、プローブを前記マウンティングプレートの運動方向と直交する方向に直線移動させる駆動ユニットと、を備え、
   前記駆動ユニットは、
   前記マウンティングプレートに対して固定されるモータと、
   前記モータに連結され、前記マウンティングプレートに対して回転運動する回転体と、前記回転体に連結ロッドで連結されてマウントプレートに対して直線移動される移動ロッドと、
   前記移動ロッドに固定されるプローブと、を含むことを特徴とする超音波高速スキャン装置。
2. 前記回転体は、バー形状の回転ロッドで備えられ、
   前記回転ロッドは、その一側部に前記連結ロッドが連結され、他側部には、カウンタバランスが結合されることを特徴とする請求項１に記載の超音波高速スキャン装置。
3. 前記カウンタバランスが結合される前記回転ロッドに長孔が備えられ、
   前記カウンタバランスを前記回転ロッドの長さ方向に位置調整できるようにすることを特徴とする請求項２に記載の超音波高速スキャン装置。
4. 前記回転ロッドに結合される前記カウンタバランスの位置（下記のｂ）の調整は、次の式によって決められ、
   ｃｍｒ＝Ｂｂ
   ここで、ｃは補正係数、
   ｍは、前記移動ロッド及び前記移動ロッドと共に直線運動する部品（エンコーダ、プローブ、およびこれらを固定するための各種のプレート）を合わせた質量、
   ｒは、前記回転ロッドの回転中心点から前記連結ロッドが連結される連結孔の中心点までの距離、
   Ｂは、カウンタバランスの質量、
   ｂは、前記回転ロッドの回転中心点から前記カウンタバランスの質量中心点までの距離になることを特徴とする請求項３に記載の超音波高速スキャン装置。
5. 前記マウンティングプレートには、前記マウンティングプレートの移動方向と直交する方向にリニアガイドが設けられ、
   前記移動ロッドが前記リニアガイドに結合されて前記リニアガイドに沿って直線移動されることを特徴とする請求項１に記載の超音波高速スキャン装置。
6. 前記プローブが前記移動ロッドの前記被検体側の端に２つ以上設けられ、
   複数の前記プローブが移動ロッドの移動方向と平行または直交する方向に所定の間隔離隔されて一列配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波高速スキャン装置。
7. 前記プローブを前記移動ロッドに固定する固定治具と、
   前記プローブの下部に設けられ、前記プローブを連結して支持する支持部材と、をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の超音波高速スキャン装置。
8. 前記支持部材の前記移動ロッドが並進運動する移動方向の両側の端部が流線型であることを特徴とする請求項７に記載の超音波高速スキャン装置。
9. 前記プローブを前記移動ロッドに固定する固定治具と、
   前記プローブの下部に設けられ、前記移動ロッドが並進運動する移動方向の両側の端部が流線型である支持部材と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波高速スキャン装置。
10. 前記回転体は、円板状の回転板で備えられ、
    前記回転板の外周縁部には、連結ロッドが偏心の状態で連結されることを特徴とする請求項１に記載の超音波高速スキャン装置。
11. 被検体が収納される本体と、
    前記本体に一方向に直線移動されるように装着されるマウンティングプレートと、
    前記マウンティングプレートに装着され、プローブを前記マウンティングプレートの運動方向と直交する方向に直線移動させる駆動ユニットと、を備え、
    前記駆動ユニットは、
    前記マウンティングプレートに対して回転運動する回転部材と、
    前記回転部材に連結部材を介して連結され、前記回転部材の回転運動に応じて前記マウンティングプレートに対して直線移動される移動部材と、
    一端が前記回転部材の回転中心から離れた位置に連結され、他の一端が前記移動部材と連結され、前記回転部材の回転運動を前記移動部材に伝達する連結部材と、
    前記回転部材の前記回転中心から離れて前記連結部材が連結された位置と反対の位置に結合されるカウンタバランスと、を含むことを特徴とする超音波高速スキャン装置。