JPH05272989A - ロータリエンコーダおよびこのロータリエンコーダを用いた超音波診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】この発明は、回転数や回転角度を精度よく検出
して検出精度を向上させるとともに小型化を図ることが
できるロータリエンコーダおよびこのロータリエンコー
ダを用いた超音波診断装置を提供するものである。 【構成】この発明に係るロータリエンコーダは、直径の
異なる２つの円筒１６，１７を二重筒構造に構成し、一
方の円筒を固定円筒に、他方の円筒を回転円筒にして、
外側円筒１７の外表面側に光学ミラー１８を設ける一
方、内側および外側円筒１６，１７の周面にスリット２
８，２９をそれぞれ形成し、前記内側円筒１６内を遮光
板２０を境にして発光側と受光側とに区画したものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は回転数や回転角度等の
回転量を検出するロータリエンコーダに係り、特にバー
ニア方式を採用した超小型のロータリエンコーダおよび
このロータリエンコーダを用いた超音波診断装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】モータ等の回転系の回転速度や回転角度
等の回転量を検出する手段として磁気や光を利用したロ
ータリエンコーダがある。このうち磁気を用いたロータ
リエンコーダは、トランスを使用し、固定磁界中で回転
体の回転により生じる起電力（ＳＩＮ波形）を検出して
回転数を測定するアブソリュート方式が知られている。
また、光を用いたロータリエンコーダ１は、図９に示す
ようにインクリメント方式に構成される。このロータリ
エンコーダ１は、ボールベアリング２により支持された
回転シャフト３にメインスケールを構成するパルス円板
４を回転自在に設け、このパルス円板４に対向して固定
のインデックススケール５を設置する。

【０００３】インデックススケール５を並置したパルス
円板４の一側には、発光ダイオード等の光源６を、その
他側にはフォトトランジスタ等の受光素子７ａ，７ｂ，
７ｃをそれぞれ複数個対向して設置し、光源６から発光
された光を、パルス円板４の主信号用スリット８ａやゼ
ロ信号用スリット８ｂおよびインデックススケール５の
各インデックス用スリット９ａ，９ｂ，９ｃを通して受
光素子７ａ，７ｂ，７ｃでそれぞれ検出し、各受光素子
７ａ，７ｂ，７ｃから図１０に示すパルス信号を出力
し、このパルス信号により回転シャフト３の回転数や回
転角度等の回転量を検出するようになっている。

【０００４】また、超音波診断装置の中には、被検体を
より的確に診断するため、プローブを食道や血管等の体
腔内に挿入し、被検体の検査部位をより近い位置から観
察し、鮮明な超音波画像を得るようにしたものがある。

【０００５】この超音波診断装置では、プローブを体腔
内に挿入するため、超音波を送受信するプローブの向き
を正確に検出する必要がある。

【０００６】従来の超音波診断装置においては、図１１
に示すように体腔内プローブ１０が構成される。この体
腔内プローブ１０はモータ１１からの回転トルクをトル
クケーブル１２を介して超音波ミラーや振動子等の超音
波送受信手段１３に伝達されており、プローブの回転角
度をモータ１１に付設されたロータリエンコーダ１で検
出している。このロータリエンコーダ１により、プロー
ブのメカニカルラジアルスキャン時に超音波の送受信方
向を検出している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のロータリエンコ
ーダ１は、回転角度や回転数の検出に光や磁気を用いて
検出しているが、光を用いたインクリメント方式のロー
タリエンコーダでは、検出精度を向上させるためにはパ
ルス円板４の径を増大させねばならず、小型化に限界が
ある。また、磁気を用いたアブソリュート方式のロータ
リエンコーダでは同様に検出精度を向上させるにはトラ
ンスを大型化しなければならず、小型化に限界があっ
た。

【０００８】従来のロータリエンコーダでは、回転数や
回転角度等の回転量の検出精度と小型化とが両立せず、
回転精度を保って小型化を図ることが難しいため、この
ロータリエンコーダを超音波診断装置の体腔内用として
用いることは困難であった。

【０００９】従来の超音波診断装置の体腔内プローブで
は、被検体の体腔内に挿入されないモータ１１にロータ
リエンコーダ１を付設してプローブ１０の回転角度や回
転数を検出している。しかしながら、この検出手段で
は、モータ１１からの回転トルクがトルクケーブル１２
を介して伝達されるとき、トルクケーブル１２の歪によ
り回転誤差θ_erが生じる。この回転誤差θ_er＝θ₁ −θ
₀ が固定値でなく、不規則に生じると、超音波送受信手
段１３の回転角度を正確に測定することができず、測定
誤差が生じる。

【００１０】この発明は、上述した事情を考慮してなさ
れたもので、回転数や回転角度等の回転量を精度よく検
出して検出精度を向上させるとともに小型化を図ること
ができるロータリエンコーダおよびこのロータリエンコ
ーダを用いた超音波診断装置を提供することを目的とす
る。

【００１１】この発明の他の目的は、バーニア方式の円
筒タイプとすることにより、回転角度検出の分解能を向
上させ、回転角度検出精度を向上させた超小型のロータ
リエンコーダおよびこのロータリエンコーダを用いた超
音波診断装置を提供することにある。

【００１２】この発明のさらに他の目的は、ロータリエ
ンコーダを体腔内に挿入可能とし、超音波送受信手段の
近くで回転角度を検出して検出精度や装置の信頼性を向
上させた超音波診断装置を提供するにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係るロータリ
エンコーダは、上述した課題を解決するために、請求項
１に記載したように、直径の異なる２つの円筒を二重筒
構造に構成し、一方の円筒を固定円筒に、他方の円筒を
回転円筒として外側円筒の外表面側に光学ミラーを設け
る一方、内側および外側円筒の周面にスリットをそれぞ
れ形成し、前記内側円筒内を遮光板を境にして発光側と
受光側とに区画したものである。

【００１４】上述した課題を解決するために、この発明
に係るロータリエンコーダは請求項２に記載したように
内側および外側円筒の周面に周方向に沿って複数のスリ
ットを等ピッチに配設し、内側円筒と外側円筒は各スリ
ットのピッチ間隔を異にしたり、また、請求項３に記載
したように内側および外側円筒は内側円筒が固定円筒で
外側円筒を回転円筒に構成したり、さらに請求項４に記
載したように内側円筒は内部に遮光板を配置する一方、
この遮光板を境にして一方に発光側を構成する光源を他
方に受光側を構成する光センサをそれぞれ配置したり、
さらにまた、請求項５に記載したように内側円筒は内部
に遮光板を配置する一方、この遮光板を境にして一方に
発光側を構成する光ファイバを、他方に受光側を構成す
る光ファイバをそれぞれ臨ませ、光源および光センサは
光ファイバを介して誘導自在としたものである。

【００１５】また、この発明に係る超音波診断装置は、
上述した課題を解決するために、請求項６に記載したよ
うにモータからの回転トルクを伝達可能なフレキシブル
シャフトとこのフレキシブルシャフトの先端に備えられ
た超音波送受信手段により体腔内プローブを構成し、こ
の体腔内プローブは超音波送受信手段の近くのフレキシ
ブルシャフト先端部にバーニア方式を採用した円筒タイ
プのロータリエンコーダを設け、このロータリエンコー
ダで超音波の送受信方向を検出自在に構成したものであ
る。

【００１６】さらに、上述した課題を解決するために、
この発明に係る超音波診断装置は、請求項７に記載した
ように体腔内プローブはフレキシブルシャフトをシース
で被覆する一方、このシースにロータリエンコーダの外
側円筒を設け、フレキシブルシャフトに内側円筒を設け
たものである。

【００１７】

【作用】このロータリエンコーダは二重筒構造の円筒タ
イプとすることで円板タイプのロータリエンコーダより
小型化を図ることができる。

【００１８】また、二重筒構造の内側円筒および外側円
筒の一方を回転円筒に、他方を固定円筒に構成する一
方、両円筒の周面にスリットを等ピッチに、各ピッチ間
隔を互いに異にすることによりバーニア方式が採用さ
れ、スリット数を少なくしても回転量の検出精度を向上
させることができる。

【００１９】さらに、この超音波診断装置は、体腔用プ
ローブの先端部に超音波送受信手段を設け、この超音波
送受信手段の近くにバーニア方式を採用した内筒タイプ
のロータリエンコーダを設け、このロータリエンコーダ
で回転量を検出するようにしたので、超音波送受信手段
の近くで回転角度等の回転量を検出でき、回転量の検出
精度を向上させることができるとともに超音波診断装置
の信頼性の向上を図ることができる。

【００２０】

【実施例】以下、この発明の一実施例について添付図面
を参照して説明する。

【００２１】図１はこの発明に係るロータリエンコーダ
の原理を示す拡大図である。このロータリエンコーダ１
５は内側円筒１６と外側円筒１７とで二重筒構造に形成
され、外側円筒１７の外表面側が中空筒状の光学ミラー
１８で被覆される。光学ミラー１８は例えばアルミ製フ
ィルムを外側円筒１７に貼着することにより構成され
る。

【００２２】内側円筒１６の内部にはホルダ筒１９が一
体あるいは一体的に収容され、このホルダ筒１９内は遮
光板２０により軸方向２領域に区画される。ホルダ筒１
９には遮光板２０を境にして一側に発光側としてのＬＥ
Ｄ等の光源２１が、その他側に受光側としての集光器２
２および光電変換素子等の光センサ２３がそれぞれ収容
される。光源２１、遮光板２０、集光器２２および光セ
ンサ２３はホルダ筒１９により一体化して構成しても、
また内側円筒１６内に直接収容して一体化してもよい。
光源２１には外部から電源が供給されるようになってお
り、また、光センサ２３から信号線２５が外部に延びて
おり、この信号線２５を介して検出信号が外部に取り出
される。

【００２３】また、内側円筒１６および外側円筒１７に
は、図２および図３に示すように周面にスリット２８，
２９が等ピッチに形成される一方、内側円筒１６と外側
円筒１７のスリット２８，２９は互いにピッチ間隔を異
にし、バーニアの機能を備えるようになっている。例え
ば外側円筒１７のスリット数をｎとしたとき、内側円筒
１６は（ｎ−１）のスリット数に構成される。内側円筒
１６および外側円筒１７の一方は固定円筒として、その
他方は回転円筒として構成される。内側円筒１６内には
光源２１や光センサ２３用の信号線２５，２６が配置さ
れるので、例えば、内側円筒１６を固定円筒に、外側円
筒１７を回転円筒にすることが望ましいが、その逆であ
ってもよい。逆の場合には、各電圧や検出信号は図示し
ないスリップリングを介して供給あるいは取り出され
る。

【００２４】図３は内側円筒１６を回転円筒とし、外側
円筒１７を固定円筒とした例で、内側円筒１６を図示し
ないモータで破線矢印Ａのように回転させることによ
り、内側円筒１６のNo. １〜No. ５のスリット２８は外
側円筒１７のスリット２９と順次選択的に一致せしめら
れる。

【００２５】図３の例では、初めに外側円筒１７のNo.
１スリット（No. ６スリット）２９と内側円筒１６のN
o. １スリット（No. ５スリット）２８が一致してお
り、内側円筒１６のNo. ５スリット２８が外側円筒１７
のNo. ５スリット２９に一致するまで矢印Ａ方向に回転
していく間に、外側円筒１７と内側円筒１６とはNo. ２
同士、No. ３同士、No. ４同士の各スリットが順次一致
していく。

【００２６】内側円筒１６と外側円筒１７の各スリット
２８，２９が順次一致すると、光源２１から３６０度の
全ての方向に放射される光は、一致したスリット２８，
２９を通って光学ミラー１８で反射し、集光器２２で集
光されて受光器としての光センサ２３で検出され、この
光センサ２３からスリットが一致する毎にパルス信号Ｂ
が出力される。

【００２７】内側円筒１６と外側円筒１７のスリット２
８，２９は、例えば内側円筒１６が微小移動（回転）す
る毎に、一致・不一致を繰り返し、結果としてパルス信
号Ｂを光センサ２３から出力する。このパルス信号Ｂの
出力を観察することにより、内側円筒１６の回転量を正
確に検出することができる。

【００２８】このロータリエンコーダでは、内側円筒１
６と外側円筒１７の一方を固定円筒、他方を回転円筒に
し、各円周上に等ピッチで互いにピッチ間隔を異にする
スリット２８，２９を配設したバーニア方式とすること
により、各円筒の円周上にスリットを配置できる一方、
スリットの数を少なくしても、回転数や回転角度等の回
転量の測定精度を向上させることができる。

【００２９】また、内側円筒１６内に発光器である光源
２１や受光器である光センサ２３を配置し、外側円筒１
７の少なくともスリット部を光学ミラー１８で被覆した
ので、光源からの光が外部に漏れず、一致したスリット
２８，２９を通った光は光学ミラー１８で反射して光セ
ンサ２３で検出される。その際、光センサ２３は内側円
筒１６内に封じ込めることができるので外からの光（外
乱）の影響を受けず検出精度が向上する。また、ロータ
リエンコーダ１５を円筒構造としたので、外径を小さく
することができ、外径を小さくしても回転量の検出精度
は低下しない。

【００３０】さらに、ロータリエンコーダの一実施例で
は、内側円筒１６内に遮光板２０を境にして一側に光源
２１を、他側に光センサ２３等を配置した例を示した
が、光源２１や光センサ２３は必ずしも内側円筒１６内
に入れなくてもよい。光源２１や光センサ２３はロータ
リエンコーダ１５の外側設置タイプとし、光ファイバ
（図示せず）にてロータリエンコーダ１５に光を誘導す
ることもできる。この場合にも内側円筒１６は遮光板２
０を境にして一側を発光（光源）側に、他側を受光側に
構成する必要がある。

【００３１】また、内側円筒１６に収容させる光学セッ
ト（光源、遮光板、光センサ）は１セットでは図１０に
示す従来例の１つの信号のみしか検出できないが、この
光学セットを３セット用意し例えば縦列配置することに
より、従来例の３つの信号を検出することができる。

【００３２】図４はロータリエンコーダを超音波診断装
置のカテ先プローブ等の体腔内プローブ３０に適用した
例を示す。この体腔内プローブ３０は食道や血管などの
体腔内の超音波画像を得るために用いられる。

【００３３】この体腔内プローブ３０は、モータ３１を
トルクケーブルなどの中空構造のフレキシブルシャフト
３２を介して超音波送受信手段３３に連結しており、こ
の超音波送受信手段３３は、プローブケース３４内に収
容された一体あるいは一体的構造の振動子３５や音響ミ
ラー２６により構成される。しかして、モータ３１から
の回転トルクをフレキシブルシャフト３２を介して超音
波送受信手段３３に伝達し、この超音波送受信手段３３
に所定の回転量を付与するようになっている。

【００３４】超音波送受信手段３３は直径が数mmφ、例
えば１mmφ〜２mmφ程度のプローブヘッドケース（ハウ
ジング）３４内に収容される一方、フレキシブルシャフ
ト３２はシース３７により被覆される。

【００３５】また、超音波送受信手段３３の近くのフレ
キシブルシャフト３２に図１に示すものと同様なロータ
リエンコーダ１５Ａが設けられる。ロータリエンコーダ
１５Ａは図５に示すように固定の外側円筒１７と回転可
能な内側円筒１６とで二重筒構造に構成される。外側円
筒１７は図６（Ａ）および（Ｂ）に示すようにシース３
７に固定され、その外周面は例えばアルミフィルム製の
光学ミラー１８で被覆される。

【００３６】一方、内側円筒１６は図７（Ａ）および
（Ｂ）に示すようにフレキシブルシャフト３２に固着さ
れ、図５に示すベアリング４０により外側円筒１７に対
し回転フリーに支持される。内側円筒１６と外側円筒１
７は図１および図２に示すものと同様、周面にスリット
２８，２９が等ピッチにかつピッチ間隔を互いに異にし
て形成される。

【００３７】また、内側円筒１６には光学セットが収容
され、遮光板２０を境にして一側にＬＥＤ等の光源２１
が、他側に集光器２２および光センサ２３がそれぞれ収
容される。

【００３８】しかして、このロータリエンコーダ１５Ａ
は図８に示すように、電源４１から電圧を印加すること
により、ＬＥＤ等の光源２１から３６０゜の全方向に光
を放射させるようになっている。放射された光は内側円
筒１６と外側円筒１７の一致したスリット２８，２９を
通り、光学ミラー１８で反射して集光器２２に集めら
れ、光センサ２３にて検出される。光センサ２３にて検
出された信号は波形整形器４２で波形成形された後、パ
ルス信号Ｂとして出力されカウンタ４３にてカウントさ
れ、内側円筒１６の回転量を検出するようになってい
る。

【００３９】モータ３１を回転させると、外側円筒１７
に対し内側円筒１６が回転し、外側円筒１７のスリット
２９と内側円筒１６のスリット２８の相対位置が徐々に
変化し、いずれかのスリットが一致すると、光センサ２
３から１パルス分の検出信号を出力する。

【００４０】今、外側円筒１７と内側円筒１６のスリッ
ト幅を共にΔＳ、スリット間隔をａ，ｂ（ａ＜ｂ）と
し、ΔＳ＝（ｂ−ａ）／２として内側円筒１６を、図３
に示すように、矢印Ａの方向にスリット幅ΔＳづつ動か
す場合を考慮する。内側円筒１６が図３に示す状態から
ΔＳだけ移動すると全てのスリットが一致しない。この
状態から次のΔＳ移動すると外側円筒１７のNo. ２のス
リット２９が内側円筒１６のNo. ２のスリット２８と一
致し、次のパルス信号Ｂを光センサ２３から出力する。

【００４１】すなわち、スリット幅ΔＳの２倍の量だけ
回転すると、１パルス分の検出信号を出力するので、内
側円筒１６の回転量は、検出信号の１／２パルス分、す
なわちΔＳ（スリット幅相当分）が分解能となる。

【００４２】次に、ロータリエンコーダ１５Ａの分解能
を考慮して、例えば、直径２mmφのロータリエンコーダ
で１゜の回転角度を検出するに必要なスリット数ｎとス
リット間隔を求める。１゜の回転角度をロータリエンコ
ーダ１５Ａで検出するために必要な外側円筒１７のスリ
ット数をｎとする。この場合、内側円筒１６のスリット
数はｎ−１となる。また計算を簡単にするため、ここで
は外側円筒と内側円筒の半径を共にｒとする。

【００４３】外側円筒１７のスリット数ｎは、次式で求
められる。

【００４４】

【数１】ｂ−ａ＝２・ΔＳ ………（１）

【数２】

【数３】ｎａ＝２πｒ ………（３）

【００４５】ただし、ａ，ｂは外側円筒１７および内側
円筒１６のスリット間隔（ピッチ）である。

【００４６】上記の（１），（２），（３）式より

【数４】 となり、この（４）式より、

【数５】 が求められ、必要なスリット数は１４個でよいことがわ
かる。

【００４７】１４個のスリットを外側円筒１７に形成し
た場合、外側円筒１７のスリット間隔ａは約０．４４８
８mm、内側円筒１６のスリット間隔ｂは約０．４８３３
mm（スリット数１３個）となり、いずれもスリット間隔
が大きくてよいので成形が容易になる。

【００４８】ロータリエンコーダ１５Ａを円筒構造と
し、スリットをバーニア方式に形成することにより、超
小型、例えば直径１．５mmφ〜２mmφ程度のロータリエ
ンコーダ１５Ａを構成できる。このロータリエンコーダ
１５Ａは直径が小さいので体腔内プローブ３０の体腔内
挿入部分に設けることが可能となる。

【００４９】

【発明の効果】以上に述べたようにこの発明に係るロー
タリエンコーダにおいては、内側円筒と外側円筒を二重
筒構造に構成し、一方を固定円筒に、他方を回転円筒に
構成して外側円筒の外表面側に光学ミラーを設ける一
方、各円筒の周面にスリットをそれぞれ形成し、内側円
筒内を遮光板を境にして発光側と受光側とに構成したの
で、ロータリエンコーダを小型化することができる。

【００５０】また、内側円筒および外側円筒の各周面に
等ピッチでかつピッチ間隔が互いに異なるスリットを形
成したバーニア方式とすることで、小型化を図り、かつ
スリット数を少なくしても、回転量（回転角度）を精度
よく、高い分解能で測定することができる。

【００５１】このロータリエンコーダは小形化を図るこ
とができ、小形化しても回転量の検出精度を向上させる
ことができるので、超音波診断装置の体腔内プローブに
適用して体腔内に挿入することができ、体腔内プローブ
の超音波送受信手段の近くに設けることができ、超音波
送受信手段等の回転量を精度よく検出することができ、
装置の信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係るロータリエンコーダの一実施例
を拡大して示す原理図。

【図２】図１のロータリエンコーダに備えられる外側円
筒と内側円筒を例示する図。

【図３】図１のロータリエンコーダを使用して回転量を
検出する原理を説明する図。

【図４】このロータリエンコーダを超音波診断装置の体
腔内プローブに適用した例を示す図。

【図５】体腔内プローブへのロータリエンコーダの組み
込み状態を示す図。

【図６】（Ａ）および（Ｂ）は体腔内プローブに介装さ
れるロータリエンコーダの外側円筒とシースへの装着状
態をそれぞれ示す図。

【図７】（Ａ）および（Ｂ）は体腔内プローブに介装さ
れるロータリエンコーダの内側円筒とフレキシブルシャ
フトとの固着状態をそれぞれ示す図。

【図８】ロータリエンコーダによる回転量の検出原理を
示す電気回路図。

【図９】従来の光を使用したロータリエンコーダを示す
図。

【図１０】従来のロータリエンコーダの各受光素子から
の検出信号をそれぞれ示す図。

【図１１】従来のロータリエンコーダを超音波診断装置
の体腔内プローブに適用した例を示す図。

【符号の説明】

１５，１５Ａ ロータリエンコーダ １６ 内側円筒 １７ 外側円筒 １８ 光学ミラー １９ ホルダ筒 ２０ 遮光板 ２１ 光源（発光器） ２２ 集光器 ２３ 光センサ（受光器） ２８，２９ スリット ３０ 体腔内プローブ ３１ モータ ３２ フレキシブルシャフト ３３ 超音波送受信手段 ３５ 振動子 ３６ 音響ミラー

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直径の異なる２つの円筒を二重筒構造に
   構成し、一方の円筒を固定円筒に、他方の円筒を回転円
   筒として外側円筒の外表面側に光学ミラーを設ける一
   方、内側および外側円筒の周面にスリットをそれぞれ形
   成し、前記内側円筒内を遮光板を境にして発光側と受光
   側とに区画したことを特徴とするロータリエンコーダ。
2. 【請求項２】 内側および外側円筒の周面に周方向に沿
   って複数のスリットを等ピッチに配設し、内側円筒と外
   側円筒は各スリットのピッチ間隔を異にした請求項１に
   記載のロータリエンコーダ。
3. 【請求項３】 内側および外側円筒は内側円筒が固定円
   筒で外側円筒を回転円筒に構成した請求項１に記載のロ
   ータリエンコーダ。
4. 【請求項４】 内側円筒は内部に遮光板を配置する一
   方、この遮光板を境にして一方に発光側を構成する光源
   を他方に受光側を構成する光センサをそれぞれ配置した
   請求項１または２に記載のロータリエンコーダ。
5. 【請求項５】 内側円筒は内部に遮光板を配置する一
   方、この遮光板を境にして一方に発光側を構成する光フ
   ァイバを、他方に受光側を構成する光ファイバをそれぞ
   れ臨ませ、光源および光センサは光ファイバを介して誘
   導自在とした請求項１または２に記載のロータリエンコ
   ーダ。
6. 【請求項６】 モータからの回転トルクを伝達可能なフ
   レキシブルシャフトとこのフレキシブルシャフトの先端
   に備えられた超音波送受信手段により体腔内プローブを
   構成し、この体腔内プローブは超音波送受信手段の近く
   のフレキシブルシャフト先端部にバーニア方式を採用し
   た円筒タイプのロータリエンコーダを設け、このロータ
   リエンコーダで超音波の送受信方向を検出自在に構成し
   たことを特徴とする超音波診断装置。
7. 【請求項７】 体腔内プローブはフレキシブルシャフト
   をシースで被覆する一方、このシースにロータリエンコ
   ーダの外側円筒を設け、フレキシブルシャフトに内側円
   筒を設けた請求項６に記載の超音波診断装置。