JP6403758B2 - 超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、被検体（生体）に対して超音波送受信部である圧電素子群から超音波の送受波を行い、被検体の超音波診断のための三次元（３Ｄ）データの取り込みを行う短軸搖動型の超音波探触子に係り、とくに、超音波探触子の圧電素子群を短軸方向に機械的に搖動する一対の歯車の歯面間に噛合い時に生じるバックラッシュを防止した超音波探触子に関する。

三次元データの取り込みを行う機械式短軸搖動型超音波探触子を用いる超音波診断装置では、通常、圧電素子群の搖動に用いる駆動モータの駆動信号もしくはモータ駆動機構に設けられたエンコーダの出力信号に基いて三次元画像を構築している。

しかし、前記いずれの場合も、駆動対象である超音波送受信部（圧電素子群）は、例えば、油のような音響伝播液体を密封・封止しているハウジング（密封容器）内に配置されている。これに対して、駆動モータやエンコーダは、前記音響伝播液体との直接の接触を避けるために、前記したハウジングの外に配置されている。このため、超音波送受信部と駆動モータもしくはエンコーダとの間は、例えば、一対のかさ歯車からなる歯車機構により駆動・伝動されることがある。そして、このような歯車機構では、互いに噛合う歯車間のバックラッシュが規定の値よりも大きいと、超音波送受信部の搖動時に、構築される超音波画像にズレが生じてしまう問題点があった。

すなわち、検体から超音波画像の取り込みは、超音波送受信部（圧電素子群）が、一方向（正方向）に搖動するときと、逆方向（他方向）に搖動するときのいずれの方向においても行われる。しかし、一方向及び逆方向において、超音波送受信部が、駆動モータの駆動信号もしくはエンコーダの出力信号に基いて、いずれも同じ搖動角にあると判断して、超音波画像を構築したとしても、実際には、搖動用の歯車機構を構成する互いに噛合う歯車間のバックラッシュ分だけ、超音波送受信部が、正逆転方向で異なった搖動位置（角度）にあることになり、前記したようなズレが超音波画像に生じてしまうことになる。

そこで、従来は、図９（ａ）（ｂ）に示すように、短軸揺動型探触子において、その長軸方向に並べられて超音波送受波面に音響レンズを有する圧電素子群３２０を、密閉容器３００内に収容された回転保持台３１０上に設け、前記圧電素子群３２０の短軸方向に前記圧電素子群３２０を駆動軸３０７、かさ歯車３０８，３０９を介して揺動することにより、前記圧電素子群３２０の超音波送受波面から送受波される超音波を前記短軸方向に機械的に走査し、前記密閉容器３００内に、音響伝播媒体Ｌとしての液体をカバー３３０を被せて封止・充填する。

ここで、互いに噛合うかさ歯車３０８，３０９のバックラッシュは、回転保持台３１０の上部両端部に螺合した一対の保持軸３１４を、適宜、例えば、調節溝３１４aにドライバーの先端を挿入して、回転させて調節するようになっている（特許文献１参照）。

前述した、従来の互いに噛合う駆動歯車３０８，３０９のバックラッシュの調節では、許容限度のバックラッシュを有する超音波探触子本体を限界見本として用意し、操作者が、この限界見本である超音波探触子本体を手動により回転・搖動させて、その手により感触により、バックラッシュが許容値内にあるか否かを判断する。

また、他の従来例では、図１０（ａ)（ｂ）に示すように、超音波探触子において、振動子と、この振動子を搖動させるモータ軸４０８との間に、このモータ軸４０８に固着される原動側かさ歯車４０１と従動側かさ歯車４０２とを二分割して、各かさ歯車４０１，４０２の一方が他方に対して回転可能となるように、モータ軸４０８に支持し、かつ一方向に、ピン４０３，４０４に装着されたコイルばね４０５により回転付勢されるようにしてある。

このような構成により、原動側かさ歯車４０１の歯面は、このかさ歯車４０１と隣接する従動側かさ歯車４０２の歯面とともに相手側のかさ歯車４３０の噛合うべき歯面の両側から、コイルばね４０５による引張力で挟み各歯面間のバックラッシュが除去されるようになる。

特開２０１２−９５２５６号公報 特開平２−１７７０４３号公報

しかしながら、このような従来の超音波探触子の駆動歯車機構のバックラッシュ除去では、噛合う歯車間の間隔を調整してバックラッシュを極力最小にすることも考えられるが、当該歯車の偏心精度等を規定値以下に保つのには、限界がある。そのため、超音波送受信部（圧電素子群）の“ある搖動位置”では、バックラッシュを無くすことができても、“他の搖動位置”では、バックラッシュが生じてしまうことがある。このため、駆動歯車機構の全搖動範囲に亘って、バックラッシュを無くすことは、技術的に不可能であった。また、バックラッシュの調整には、多くの作業工数を要するため、超音波探触子の製造コストダウンの妨げとなる、とする問題点があった（前出特許文献１に記載の従来例の場合）。

また、特許文献２に記載の従来例の場合には、超音波送受信部の搖動に用いる歯車機構を構成するかさ歯車を二分割するため、かさ歯車が大型化してしまい超音波探触子自体の小型化を阻害する、とする問題点があった。

上記した課題を解決するため、本発明の超音波探触子では、ハウジングの内部に超音波送受信部を設けるとともに超音波伝播媒体を封入し、かつ、前記超音波送受信部を搖動させる駆動装置を設け、前記駆動装置が、駆動モータの回転を前記超音波送受信部の搖動に変換する駆動伝達機構であって、前記駆動伝達機構の一部または全部が歯車機構からなり、前記歯車機構の中の少なくとも一対の歯車の噛み合わせ部において、一方の前記一対の歯車を弾性的に他方の前記一対の歯車に付勢して、押圧することを特徴とする。

また、本発明の超音波探触子では、前記一方の前記一対の歯車が、これと一体に回転する他の部材とともに前記他方の前記一対の歯車に弾性的に付勢され、押圧されることを特徴とする。

さらに、本発明の超音波探触子では、前記一対の歯車が、互いに噛合う、かさ歯車であることを特徴とする。

またさらに、本発明の超音波探触子では、前記一方の前記一対の歯車と一体に回転する他の部材が、前記一方の前記一対の歯車に回転力を伝達する駆動軸である、または、前記歯車機構の回転軸である、ことを特徴とする。

本発明の超音波探触子では、前記一方の一対の歯車を弾性的に他方の前記一対の歯車に付勢して、押圧する部材が、前記一方の一対の歯車と一体に回転する他の部材の端部に周設された圧縮バネであること、または、前記歯車機構の回転軸に周設された圧縮バネであることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成により噛合う一対の歯車の歯面間のバックラッシュが防止され、超音波送受信部の搖動動作において形成される超音波画像のズレが生じることが無い、かつ、組立作業性の良好な超音波探触子が得られるようになる。

本発明の超音波探触子の正面図（ａ）及び側面図（ｂ）を示す。 図１（ｂ）に示した本発明の超音波探触子のＩＩ―ＩＩ矢視断面を示す。 図１に示した本発明の超音波探触子の超音波送受信部とその搖動部の斜視図を示す。 図３に示した本発明の超音波探触子の超音波送受信部の搖動部全体の斜視図を示す。 図４に示した超音波送受信部の搖動部の歯車機構の実施例１の拡大断面図を示す。 図５のＡ矢視部の拡大断面図を示す。 図４に示した超音波送受信部の搖動部の歯車機構の実施例２の拡大断面図を示す。 図４に示した超音波送受信部の搖動部の歯車機構の実施例２の図７にＢ矢視で示した軸受部の断面図を示す。 従来の超音波探触子を示し、（ａ）は、カバーを外して上から見た超音波探触子の斜視図を、また、（ｂ）は、カバーを被せて音響伝播液体を密封・封止した超音波探触子の断面図を示す。 従来の別の超音波探触子の振動子の搖動機構を示し、（ａ）は、その断面図を、また、（ｂ）は、上から見た平面図を示す。

実施例１
以下、本発明の超音波探触子の実施例１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、本発明の医療診断用の超音波探触子は、プラスティック材料からなるキャップ３０と、このキャップ３０に嵌入されたベース５０とによりハウジングを形成し、音響レンズを有する超音波送受信部（圧電素子群）２０を、ベース５０の基台１０に超音波探触子の長軸方向に対向して設けた一対の回転軸１４に回動自在に設ける。そして、音響伝播媒体Ｌとして機能する、例えば、油等の液体をハウジング内に入れ、同じくプラスティック材料からなる外装部材としてのグリップケース４０をハウジングに被せて密封・封止する。

そして、グリップケース４０内に設けた駆動モータ１に給電ケーブル６０から電力を供給して駆動し、超音波送受信部（圧電素子群）２０を搖動させ、その超音波送受信面で送受波される超音波を超音波送受信部（圧電素子群）２０の短軸方向に機械的に走査することにより、被検体の超音波診断のための三次元データの取り込みが行えるようになっている。

ここで、図２，３及び４に基づいて、本発明の超音波探触子の超音波送受信部（圧電素子群）の搖動機構について説明する。

図２及び図３に示すように、本発明の超音波探触子のハウジングの一部を構成するベース５０の上面に駆動モータ１を立設し、この駆動モータ１の下端部から延出した駆動軸に嵌着されたモータプーリー２の駆動力をタイミングベルト３を介して、同じくベース５０の上面に回動自在に立設した駆動軸７に嵌着された駆動軸プーリー４に伝達するように構成されている。

そして、駆動軸７の出力側下端部には、小かさ歯車８が嵌着され、この小かさ歯車８と噛合う扇状の大かさ歯車９が、基台１０に設けた一方の回転軸１４に嵌着され小かさ歯車８の回転を大かさ歯車９に伝達して駆動軸７の回転を減速し、かつ、回転方向の変換を行い、超音波送受信部（圧電素子群）２０を搖動させるようにしてある。

ここで、駆動軸７の上端部には反射板５が嵌着され、その上部に固定して設けた反射型フォトセンサ６により、超音波送受信部（圧電素子群）２０の基準位置を検出できるようになっている。

また、図４に示した、超音波送受信部（圧電素子群）２０の搖動動作の制御は、駆動モータ１自体により行われるが、オープンループで制御されるステッピングモータによってもよい。または、クローズドループで制御されるＤＣモータあるいはＡＣモータによってもよい。この場合には、クローズド制御を行うために、ここでは図示しないエンコーダを設ける。

なお、図５に示すように、駆動軸プーリー４の内側空洞部と駆動軸７の外側面との間に固形状のオイルシールを設けてもよい。

とくに、本発明の超音波探触子の超音波送受信部（圧電素子群）の搖動機構では、図６に示すように、小かさ歯車８の回転により搖動される大かさ歯車９は、回転軸１４に固着され、その先端部は、ボールベアリング１３によりベース５０に回転自在に軸支されている。

そして、コイル状の圧縮バネ１１が基台１０と回転軸１４に滑合したカラー１２との間に配設され基台１０を付勢して押圧力を基台１０に付与するようになっている。これにより、圧縮バネ１１は、カラー１２及びボールベアリング１３を介して、ベース５０によって図６の右方向への移動を規制されるので、圧縮バネ１１は、基台１０を介して超音波送受信部２０全体を図６の左方向に付勢（Ｆ）するようになる。

このため、大かさ歯車９は、これと噛合っている小かさ歯車８の歯面に向けて付勢されるので、超音波送受信部２０が、どの搖動位置にあっても、両歯車８，９の歯面間にバックラッシュが生じることが無く、その結果、バックラッシュを人手により一々調整する作業が不要となる。

また、圧縮バネ１１の弾性力は、ボールベアリング１３を介して、基台１０とベース５０の間に作用しているため、超音波送受信部２０の搖動の際の摩擦負荷の増加を低減できる。

すなわち、カラー１２は、回転軸１４に対して回転、かつ軸方向移動が自在であり、かつ、カラー１２の一端部は、圧縮バネ１１と、また、その他端部は、ボールベアリング１３の内輪１３ａと当接し、内輪１３ａは、ボール１３ｃにより外輪１３ｂに対して回転自在であるが、内輪１３ａの軸方向の移動は、固定され、さらに、外輪１３ｃのフランジ１３ｄがベース５０と係合・固定されているからである。ここで、回転軸１４は、基台１０と固定される一方、内輪１３ａに対しては、軸方向に移動自在である。

さらに、回転軸１４の先端部のボールベアリング１３の内輪１３ａと嵌合している外径寸法は、カラー１２が滑合している回転軸１４の外径寸法よりも大きい。さらに、回転軸１４のカラー１２が滑合している外径部は、回転軸１４の軸方向に延出して、基台１０と所定長をもって固定されているので、回転軸１４は、軸ブレなく基台１０とベース５０により保持されるようになる。

そのため、超音波探触子の組み立て作業時に、カラー１２が圧縮バネ１１の弾性力で弾き飛ばされて離散することがなくなり、超音波探触子の組立性が良好になる。

実施例２
本発明の超音波探触子の実施例２では、図７に示すように、小かさ歯車８を回転駆動する駆動軸７の上端部の上方に、例えば円筒状の、保持枠１０１をベース５０に架設し、保持枠１０１に形成した断面円形状の孔部１０１ａ内に圧縮バネ１０２を保持し、コマ１０３を孔部１０１ａ内に軸方向に移動自在に保持する。

ここで、コマ１０３は、駆動軸７の上端部の軸中心を点接触で押圧するようにするため、その先端部がテーパ状または球面状に形成されている。

このような形状のため、圧縮バネ１０２の押圧・弾性力が駆動軸７の上端部に作用しても、駆動軸７の回転を妨げるような摩擦力は、殆ど生じなくなる。

この本発明の超音波探触子の実施例２では、小かさ歯車８を回転駆動する駆動軸７は、その上端部をボールベアリング１０４により、また、その下端部をボールベアリング１０５により回動自在に軸支されている。

とくに、本発明の超音波探触子の実施例２では、図７のＢ矢視拡大断面図である図８に示すように、駆動軸７の段部は、ボールベアリング１０５の内輪と外輪の端面と当接しないように、隙間ｇを設けてあるので、駆動軸７に作用する圧縮バネ１０２の付勢・押圧力は、小かさ歯車８に効果的に伝達され、小かさ歯車８の歯面を、これと噛合う大かさ歯車９の歯面に向けて常時付勢するようになる。

この結果、両かさ歯車８，９の歯面間のバックラッシュが無くなるようになる。

１ 駆動モータ
２ モータプーリー
３ タイミングベルト
４ 駆動軸プーリー
５ 反射板
６ 反射型フォトセンサ
７ 駆動軸
８ 小かさ歯車
９ 大かさ歯車
１０ 基台
１１ 圧縮バネ
１２ カラー
１３ ボールベアリング
１４ 回転軸
２０ 超音波送受信部
３０ キャップ
４０ グリップケース
５０ ベース
６０ 給電ケーブル

Claims (4)

1. ハウジングの内部に超音波送受信部を設けるとともに音響伝播媒体を封入し、かつ、前記超音波送受信部を搖動させる駆動装置を設けた超音波探触子において、前記駆動装置が、駆動モータの回転を前記超音波送受信部の搖動に変換する駆動伝達機構であって、前記駆動伝達機構の一部または全部が歯車機構からなり、前記歯車機構の内の少なくとも一対の歯車の噛み合わせ部において、一方の前記一対の歯車を弾性的に他方の前記一対の歯車に付勢して、押圧し、前記一対の歯車が、互いに噛合う、かさ歯車であり、かつ、前記一方の前記一対のかさ歯車が、これと一体に回転する他の部材とともに、その回転軸方向に前記他方の前記一対のかさ歯車に向けて弾性的に付勢され、押圧されることを特徴とする超音波探触子。
2. 前記一方の前記一対のかさ歯車と一体に回転する他の部材が、前記一方の前記一対のかさ歯車に回転力を伝達する駆動軸であることを特徴とする、請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記超音波送受信部が、回転軸により搖動自在に軸支され、前記一方の一対のかさ歯車と一体に回転する他の部材が、前記回転軸であることを特徴とする、請求項１及び２のいずれか１項に記載の超音波探触子。
4. 前記一方の一対のかさ歯車を弾性的に他方の前記一対のかさ歯車に向けて付勢して、押圧する部材が、前記一方の一対のかさ歯車と一体に回転する他の部材に周設された圧縮バネであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の超音波探触子。

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