JPH0664029B2 - 平衡型走査機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、被検物即ちターゲットを検出し、測定し又は
分析する際に超音波変換器やその他の同種装置を機械的
に急速往復走査する走査機構に関する。「走査機構」と
は、被検物と変換器とのいずれかを直線に沿ってか又は
ラスタパターンやその他の走査パターンで移動させる機
械的移送装置である。この走査機構は第３次元方向（焦
点方向）に調節可能に構成することもある。変換器とし
ては種々のタイプのものが使用できる、例えば、光やそ
の他の電磁波、又は中性子や陽電子等の他の粒子、又は
流体流やエーロゾルや音波や電磁場等の、ターゲットを
検査し若しくはこれに影響を与える媒体を発射する装置
又はそれを受ける装置を使用することができる。しかし
本発明は、特に例えば音響顕微鏡のような超音波Ｃ走査
型検査装置で結像用に使用される超音波変換器又は変換
器対に使用するのに適しているので、以下ではこの使用
例について説明する。

Ｃ走査装置では、変換器は通常合焦した状態で音響エネ
ルギをターゲットに射出し、この同じ変換器又は別の変
換器でもって、このターゲットを通過、又はそこで屈折
若しくは反射した信号エネルギーを受ける。この信号を
電子回路で処理して位相や振幅や経過時間（time−of−
flight）やその他の信号成分に関する情報を抽出する。
典型的には射出する音響エネルギーは、互いに分離した
パルスであり、変換器は高精度に合焦されている。この
為に、被検のターゲット領域に関する信号のコヒーレン
ス及びその時間関係が有効な状態に保たれるように、位
置精度及び安定性を高度に保持する必要がある。使用す
る音響周波数は通常1MHz〜1000MHzであり、このうちの
中間周波数又は高周波数を使用した場合には、ターゲッ
トの細部が高解像力で測定できるが、しかしこの解像度
は走査機構の位置精度によって多少制限を受けてしま
う。通常、少なくとも走査範囲が大きいときには、ター
ゲットではなく機器ヘッドを移動することによって走査
を行い、数千のピクセル（画素）を発生し、次いでこれ
らを記憶又は表示する。このような走査を適当な時間内
で完了する為には、機械的移動を高速度で行わなければ
ならず、またこの走査によって得た情報が有効なもので
ある為には走査は位置的に高精度に行わなければならな
い。

上述の走査速度の要件を考えてみると、典型的な例とし
ては、ターゲットの表示には256×256＝65536のピクセ
ルが必要となるであろう。この場合には１秒当り１ピク
セルの速度では一走査には18時間以上が必要となってし
まう。実用上は、この速度は10000ピクセル／ｓのオー
ダーであることが必要である。他方、位置的精度の要件
を考えると、千分の１インチのその何分の１かの精度が
必要となるかもしれない。この程度の位置的誤差が存在
すると、必要な細部を測定することができなくなる。

速度要件と精度要件とは一般に相反する関係にある。典
型的なＣ走査機では、ターゲットを容易かつ直接に写像
する為にラスタパターン又は平行線ターンが選択され
る。このようなパターンを得る為には、走査機構に大き
な往復加速度を加えると共に第２次元方向に急速に移動
（この移動はステップ関数として行われる場合が多
い。）する必要がある。更に、第３次元方向（焦点方
向）に迅速にかつ精度よく移動することが必要となるこ
ともある。このように急速に加速する場合、物体の質量
がかなり大きいときには大きな力で駆動する必要があ
る。ところがこれらの物体の移動及び駆動機構に対する
反力によって単純位置誤差と複合位置誤差の両方が発生
する。このため、反作用によってこの装置の種々の部品
間に相補的加速度が生じ、これにより変換器やターゲッ
トが誤った位置に変化してしまう。またこれによって発
生した応力が機構を変形させ運動ベクトルの向きを変え
てしまい、この為に思わぬ方向に位置誤差を発生させる
こともある。更に同様の誤差が慣性の回転モーメントに
よって発生することもある。

Ｃ走査型装置の最終走査速度限界は、走査機構に無関係
に決まることが多い。装置のスループットを最大にする
為には走査機構の速度は、上述の最終速度限界に実用上
できるだけ近ずけるべきである。反射モードの音響顕微
鏡の一例では、パルスを水（音速1480m／ｓ）の如き結
合媒体を介してアルミ（6200m／ｓ）の如き固体ターゲ
ットに送ると、これらのパルスは各媒体を往復して約１
／２インチ（1.27cm）の全通路長を通過する。この為に
は、往復の経過時間を11μｓ（マイクロセカンド）以下
とする必要があり、この場合、走査機構は、11μｓ毎に
１ピクセル幅を測定する速度でターゲットを走査する必
要がある。

もちろん、加速及び減速に要した時間により理論上の最
大走査速度は減じられる。各走査線の全域で速度を理論
的には線形にし、各走査線の端部においてはほぼ無限大
の加速度で急反転すべきである。これを実現するのは不
可能であることは言うまでもなく、実際上の目標は、走
査機構がそのピーク速度で移動している時間をできるだ
け多くしかつまた方向反転に要する時間をできるだけ少
なくすることである。

走査速度の増大が要求されているが、位置的誤差を避け
る為に、加速度は必然的に制限せざるをえない。そこ
で、これらを考慮した妥協点の最適状態は、速度がサイ
ン曲線状に変化し、走査の丁度中央でのみ最大速度とな
り、その他では速度が許容できる最大の割合いで変化す
るものである。走査機構は、極めて剛性が高くかつ質量
が大きいものが要求され、この要求は速度の増大に伴い
ますます重要になるであろう。また変換器の質量も、非
常に重要となり、変換器の慣性が装置全体と比べて小さ
くなるようにできるだけ軽量化する必要がある。

発明の要約 そこで、本発明の目的は、並進及び回転の両方について
局所的な運動量及び慣性力とを夫々効果的にバランスさ
せつまり平衡させて高速の走査速度でもって効率的かつ
正確に走査する、音響顕微鏡用又はその他の走査機器用
の新規でありかつ改良された小形走査機構を提供するこ
とである。

本発明の別の目的は、かなりの寸法と重量を有する移動
式変換器と共に使用されるにも拘らず、高速でも高精度
・高率で走査する、音響顕微鏡用又は他の走査機器用の
新規でありかつ改良されたＣ走査機構を提供することで
ある。

本発明は、変換器と、この変換器を軸Ｘに添って被検物
に対して往復運動させかつ横軸Ｙに沿って上記被検物と
上記変換器とを互いに相対的にシフトさせて上記被検物
を所定のＸ−Ｙラスタで走査する走査機構と、を具備す
る音響顕微鏡又はこの種の他の機器に使用される平衡・
零慣性型Ｘ軸走査機構に係わり、この走査機構は、第１
及び第２往復台と、これらの往復台を軸Ｘに沿って移動
可能に案内する案内手段と、上記第１往復台に取付けら
れた変換器とを具備する。上記第２往復台の総質量は上
記変換器と上記第１往復台の総質量に等しく、かつ上記
各総質量の分布は上記Ｘ軸に関してバランスされてい
る。上記両往復台に接続された駆動手段は、大きさは等
しいが方向が逆の加速度と速度で上記両往復台を上記軸
Ｘに沿って駆動する。

また、本発明は、変換器と、この変換器を軸Ｘに添って
被検物に対して往復動させかつ横軸Ｙに沿って上記被検
物と上記変換器とを互いに相対的にシフトさせて上記被
検物を所定のＸ−Ｙラスタで走査する走査機構と、を具
備する音響顕微鏡又はこの種の他の機器に使用される平
衡慣性型Ｘ軸走査機構に係わり、この走査機構は、上記
軸Ｘに沿って延在した細長い、高剛性の案内レールと、
この案内レール上に、これに沿って往復動可能に互いに
隣接取付けされた第１及び第２往復台と、上記第１往復
台に取付けられた変換器と、を具備する。上記第２往復
台の総質量は上記変換器と上記第１往復台の総質量に等
しく、かつ上記各総質量の分布は上記Ｘ軸に関してバラ
ンスされている。上記両往復台に接続された駆動手段
は、大きさは等しいが方向が逆の加速度と速度でもって
上記両往復台を上記軸Ｘに沿って駆動する。

往復台の運動時にそれぞれの往復台により生ずる力は往
復台の質量と加速度の積に等しいが、本発明では、上記
のように第１往復台と変換器との総重量と第２往復台の
総重量とが等しいことと、両往復台が常に大きさが等し
く方向が反対の速度および加速度で駆動されることとに
より、機構全体に生ずる力は常に打ち消しあうことにな
る。したがって振動や位置誤差の発生が極小に抑えられ
るという効果を奏する。

更に、変換器と第１往復台の総質量と第２往復台の総質
量のそれぞれの分布がＸ軸に関してバランスされている
ことと、両往復台ともにＸ軸に沿って運動することとに
より、機構を回転させる方向の力も生じない。

好適実施例の説明 第１図及び第２図は、本発明の一実施例による平衡・零
慣性型の走査機構20を示したもので、この機構20は、一
般に音響顕微鏡やその他の機器に使用される。これらの
機器は、変換器と走査機構とを具備し、この走査機構
は、変換器をＸ軸に沿って被検物に対して往復移動し、
他方被検物又は変換器は、Ｘ軸を横切る軸Ｙに沿って変
位されるので、被検物は結局所定のＸ−Ｙラスター・パ
ターンで走査される。走査機構20は、第１往復台21と第
２往復台22とを有し、第１図及び第２図に図示したよう
に両往復台の各々は形状が矩形であり、第２往復台22は
第１往復第21を取囲むように配置されている。

走査機構20は、Ｘ軸に沿った往復台21,22の移動を案内
する案内手段を有しており、この案内手段は一対の非弾
性エンドレス駆動ベルト又はワイヤ23から成り、これら
の案内ベルト23は走査機構の両側部に配置されたローラ
ー24,25の周囲に延在している。これらのローラー24,25
の中心軸はＹ軸に平行かつＸ軸に垂直に定められてい
る。各駆動案内ベルト23の一方の直線走行部は、第２往
復台22の一部を構成する上方突出部材26に溶接やその他
の接続体27よって固着されており、駆動案内ベルト23の
他方の直線走行部も溶接やその他の固着手段28によって
往復台21の底部に固着されている。

走査機構20は更に変換器30を具備し、この変換器30は第
１往復台21に取付けられ、特に好ましくは往復台21の中
心に取付けられている。典型的な音響顕微鏡の場合に
は、変換器30は、第２図に示したように被検物32に入射
する超音波エネルギー個別パルス31を発射する。変換器
30は発射した超音波エネルギーパルス31に関する焦点距
離が固定されていることが望ましい。走査機構20の位置
を鉛直軸Ｚに沿って調節することによって、このパルス
ビーム31の焦点位置を被検物32に対して上下に変位させ
てもよい。

第１往復台21と変換器30との総質量は、複数の釣合錘33
を含んだ第２往復台22の総質量に等しく定められてい
る。即ち、変換器30が質量の異なった変換器に変換され
た場合には、釣合錘33を変えることによって往復台21と
22との間の質量関係は等しく保つことができる。もちろ
ん、この釣合錘は、取付けを逆にしてもよい。即ち、往
復台22の重量を往復台21と最大重量の変換器との総重量
よりも大きく定め、この往復台21に釣合錘を取付けるこ
とによって往復台21と22との間の質量のバランスを保つ
こともできる。

走査機構20は駆動手段を有し、この駆動手段はローラー
24に連結したモーター34を含む。上記駆動手段はまた、
ベルト23とローラー25を含み、これらの部材の働きは往
復台21,22を駆動すると共にその移動を案内することで
ある。

第１図と第２図において、図示の往復台21と22は三軸X,
Y,Zの交点上のスタート位置にある。この位置におい
て、モータ34が矢印Ａ方向（第２図参照）にローラ24を
駆動すると、ベルト23は、第１往復台21と変換器30とを
右方向、即ち、第１図と第２図の矢印Ｃの方向に移動す
る。もちろん、ワイヤ、又はベルト23の上述の移動によ
って、ローラ25は矢印Ｂ方向に回転され、これにより往
復台22は、矢印Ｃの逆方向である矢印Ｄ方向に駆動され
る。更に、両往復台の一方の加速度と速度とは他方の往
復台と方向が逆であるが、大きさは一致している。

往復台21と変換器30の最大行程は、往復台21の寸法と往
復台22の内部空間とによって制限される。この図示例で
は、行程距離は、第１図及び第２図において両方向への
往復台21の移動範囲を表すベクトルＳによって示されて
いる。第3A図は、被検物32がＹ軸に沿ってわずかな量Ｊ
づつ前進した時の全Ｃ走査ラスター・パターンを示して
いる。第3B図は往復台21と22との速度の関係を示してい
る。尚、この加速度も速度の関係と同一である。

第3A図に示した走査パターンから分るように、第１往復
台、即ち変換器用往復台21が走査距離Ｓによって決定さ
れる矢印Ｃ方向の移動端に達する毎に往復台21の速度は
零になる（第3B図参照）。この点において、モータ34は
逆転してローラー24を矢印Ａと逆方向に回転駆動する。
この逆転によって、機構20の下部側の駆動・案内ベルト
23が第１往復台21を矢印Ｄの方向に駆動し、これとは逆
にワイヤ23の上部側により、第２往復台即ち、釣合錘用
往復台22を矢印Ｃの方向に移動する。上述したように、
両往復台の加速度と速度は、常に大きさが等しく方向が
逆である。こうして、第3A図に示したＣ走査パターンが
得られる。

走査機構20は、平衡・零慣性型装置であり、第２往復台
22の釣合質量は往復台21とその変換器30との総質量に等
しく、両総質量は軸Ｘに沿って同一直線上を等速で等距
離移動する。従って、並進運動の全運動量は、常に互い
に相殺される。両往復台の運動が軸Ｘに平行な方向に拘
束されている状態では、両往復台の質量は軸Ｘに関して
完全に対称である必要はないが、しかしそれらの質量は
Ｘ軸に関してＹ方向とＺ方向との両方向にバランスされ
ていなければならない。すなわち、各往復台についてＸ
軸より上方の質量をＸ軸より下方の質量と等しく、かつ
往復台質量の横方向変位をＸ軸に関して等しくすべきで
ある。このような拘束の下で、両往復台の速度と加速度
は従来の走査機構に比べてかなり大きくすることができ
る。実際、この平衡・零慣性型構造において、走査速度
を制限するものとしては走査パルスビーム31の音響行路
時間や、モータ34の限界や、ベルト23の如き駆動部材の
強度や更には走査機構の構成部材の弾性係数の如き外部
因子がもっと重要なものとなっているように思われる。
これは、本装置に作用するせん断力及び圧縮力に起因す
る位置誤差の原因となる恐れがある。

走査機構20は慣性力及び運動量によって生じる力に関し
て完全には補償されていない。即ち、駆動ローラ24と案
内ローラ25は常に同方向（矢印Ａ及びＢ参照）に回転
し、これによりローラ24,25について生ずる運動量が平
行となり互いに相殺されずに付加されることになる。こ
れは、ほとんどの走査機構については許容できるもので
あるが、しかしある分野の走査機構については走査速度
を大幅に制限する原因となる。第４図及び第５図の走査
機構40はこの問題を解消するものである。

走査機構40は第１往復台41と第２往復台42とを具備す
る。これらの往復台41,42は共に矩形形状であり、往復
台42は往復台41を取囲むように配置されている。往復台
42は側部に走査機構40のＸ軸に平行な一対の内面52を有
し、これらの内面52は駆動面を構成する。これらの駆動
面52としては、摩擦駆動面を使用することもできるが、
ギヤ・ラック等を使用する方が好ましい。ギヤ・ラック
駆動面52は軸Ｘの一方側の二個の回転駆動部材43（ピニ
オン・ギヤとして図示）に係合し、またＸ軸の反対側で
は同様のピニオンギヤ44に係合している。同様にＸ軸に
平行な往復台41の一対の面51も駆動面、この場合にはギ
ヤ・ラック面を構成し、これらの駆動面51もピニオン・
ギヤ43,44と係合している。ピニオン・ギヤ43,44は、Ｘ
軸に沿った往復台41,42の移動を案内する案内手段を構
成している。

ピニオン43は非弾性の主駆動ベルト45に係合し、このベ
ルト45はＸ軸駆動モータ47の作動軸に取付けられたピニ
オン46に係合している。同様に、ピニオン44は非弾性の
副駆動ベルト55に係合し、このベルト55は釣合ローラ57
のピニオン56に係合している。部材57は単なる従動ロー
タであれば充分であるけれども、別の構成を採用しても
よい。例えば、釣合ロータ57に走査機構40の制御に使用
する位置センサー機能を設けてもよく、この位置センサ
ーの付設は、全走査線長S2（第５図）を可変にする必要
がある場合に、特に有効である。又、釣合ロータ57とし
てモータ47とほぼ同一のモータを使用することもでき
る。この場合には両モータは逆に配列された関係で作動
される。

変換器50は往復台41に取付けられており、この取付け位
置は変換器50が第４図及び第５図に示したように軸X,Y,
Zの交点に正確に一致するように往復台41の中心に定め
ることが好ましい。第２往復台即ち釣合用往復台42の総
質量は、変換器50と第１往復台41との総質量に等しく定
められている。この為に、第２往復台42には適当な釣合
い錘48が取付けられる。もちろん、可変の釣合錘を、往
復台42に取付ける代わりに第１往復台41に取付けてもよ
い。いずれの場合にも各往復台41と42の質量は、第４図
及び第５図に示したようにＸ軸に関して、好ましくはＹ
とＺの両方向にバランスされていなければならない。

この走査機構40の作用は以下の通りである。まずモータ
47が通電され矢印A2に示したように反時計方向にモータ
軸とピニオン46とを回転する。この結果、両ピニオン43
が反時計方向に回転され、変換器用往復台41を矢印C2の
方向に駆動すると共に釣合用往復台42を矢印D2の方向に
駆動する。上述のように往復台41と42の移動方向は正確
に逆方向であり、Ｘ軸に共に平行である。両往復台41,4
2は、回転駆動面51,52と回転駆動部材43とを介して同一
モータ47に直接連結されているので、両往復台の加速度
と速度は、方向が逆であるが常に等しい。

上述のようにモータ47が反時計方向に回転している時に
は、Ｘ軸の反対側では、第１往復台41は矢印C2の方行に
移動して両ピニオン44を時計方向に回転駆動する。この
結果、ピニオン56と釣合用ロータ57は、ベルト55による
駆動連結によって矢印B2の時計方向に回転される。

機構40の走査動作は、上述の、機構20の場合と同一であ
り、第3A図及び第3B図に示したようになる。動作の各サ
イクルにおいて、変換器50を支持する第１往復台41は、
所定の走査行程S2の一端に達するまで一方向（例えば矢
印C2）に移動する。この一端において、往復台41は、移
動方向が反転され（例えば矢印D2），軸Ｘに沿って反対
方向に全走査距離S2だけ駆動される。このような動作
は、ターゲット54が各走査線毎に距離Ｊ（第3A図）だけ
進められて走査が完了するまで続けられる。この走査機
構40も、上述の機構20のように平衡配置によって並進運
動慣性及び運動量は打消される。更に、走査機構40では
モータ47と釣合用ロータ57とを含めた機構全体の回転モ
ーメントも零状態にバランスされる。

走査機構40には、全体のバランス特性及び零慣性特性を
保ちながら種々の変形例を考えることができる。例え
ば、両ピニオン43の一方をモータ47の軸に直接取付け
て、駆動ベルト45を省略することができる。この場合に
は、釣合用ロータ57を本機構の反対側のピニオン44の軸
に取付けてベルト55を省略することにより、走査機構の
対称性及びバランス性が保たれる。もちろん、焦点合せ
の為に被検物54を軸Ｚ方向に可動な載置台に取付けるよ
うにするとよい。またこの代わりに走査機構40の全体を
軸Ｚに沿って可動に構成することもできる。同様に、上
述の例では、被検物54をＹ軸の方向にわずかずつ移動さ
せる構成であったが、この代わりに機構40をＹ軸に平行
に移動するようにしてもよい。また、走査機構20と40の
両方とも、被検物をＹ方向に連続的に相対移動した場合
には第3C図に示す走査パターンが得られる。

上述の走査機構40は、主及び副の駆動ベルト45、55のみ
が往復台41、42の上方に配置されているだけであるの
で、完全にバランスされているわけではない。そこで、
完全にバランスさせるためには、モータ47と釣合い用ロ
ータ57の下方にピニオンを追加し、かつピニオン43、44
を往復台42の下方に延長してベルト45、55に対応する２
本の駆動ベルトを加えればよい。

第６図は、本発明の別の実施例による音響顕微鏡用又は
その他の機器用の慣性平衡型走査機構を単純化して示し
た概略斜視図であり、走査機構60は長い高剛性案内レー
ル61を具備し、このレール61は本機構60の主走査軸であ
る軸Ｘに平行に延在している。レール61には、その上面
と下面に案内スロット62、63が夫々形成され、これらの
案内スロット62、63も軸Ｘに平行に延びている。

走査機構60は更に案内レール61においてほぼＣ字形状の
第１往復台71を具備し、この往復台71は変換器支持板72
を有し、この支持板72には２本の脚73が固設されてい
る。これらの往復台脚73は、案内レール61を横切るよう
に延在し、案内レール61の対向する側面（上面と底面）
に係合している。脚73は案内突起74を有し、これらの突
起74はレール61の案内スロット62、63内に突出してい
る。変換器75はブラケット76の如き適宜の手段によって
板72に取外し可能に取付けられている。図示の構成で
は、走査軸Ｘは変換器用往復台71の鉛直脚77を貫通して
いる。

走査システム60は更に第２往復台82を具備し、この第２
往復台82はＣ字形状の中央部を有する。２本の往復台脚
83は案内レール61を一部取囲むように配置され、案内レ
ール61の上面と下面とを横切るように突出している。各
脚83は案内突起84を有し、各案内突起84はレール61の案
内スロット62、63に夫々係合している。釣合錘85は適宜
の手段（第５図不図示）によって走査機構60の第２往復
台82に着脱可能に取付けられている。釣合錘85は、自身
を含んだ第２往復台82の総質量が変換器75を含んだ第１
往復台71の総質量に等しくなるように選定されている。
更に、往復台71と変換器75との全重量の分布は、Ｘ軸に
関して実質的にバランスするように定められている。往
復台82と釣合錘85の総重量についても同様である。

走査機構60（第６図）が音響顕微鏡に使用された場合に
は、変換器75は焦点合せされた一連の86で示されるよう
な超音波パルスを発生し、これらのパルス86は被検物、
即ちターゲット87に衝突する。ターゲット87は、適宜の
移動ベッド（不図示）に取付けられており、副走査軸Ｙ
の方向に移動される。走査機構60の全体は、焦点合せの
為に第３軸、本例では鉛直軸Ｚに沿って所定の範囲内で
移動できるように、後述の鉛直移動案内体に取付けられ
ることが好ましい。

走査機構60の駆動手段は電動モータ91を有し、このモー
タ91の軸92はモータハウジングの上端と下端とから夫々
突出している。モータ軸92は上端にピニオン93を支持
し、このピニオン93は非弾性駆動ベルト94と係合してい
る。このベルト94は、Ｘ軸に平行に機構60を横切って延
在し、そのベルト他端には遊び車95が係合している。第
２の駆動ベルト96は、ベルト94と全く同様のもので、軸
92の下端（不図示）によって駆動される。ベルト96は、
ベルト94と同様に軸Ｘに平行に延在し、遊び車95と係合
している。各駆動ベルト94、96は、その前側走行部、即
ち外側走行部が箇所97で示すように往復台71の板72に固
着され、他側部、即ち後側部が参照番号98で示したよう
に往復台82に固定されている。

第６図の走査機構60の作用は以下の通りである。モータ
91がモータ軸92とピニオン93とを矢印A3の方向に回転さ
せると、遊び車95が駆動ベルト94、96によって矢印B3の
方向に回転される。変換器用往復台71は箇所97において
ベルト94、96に固定されているので、往復台71と変換器
75とは矢印C3の方向に駆動される。他方、第２の、即ち
釣合錘用往復台82は箇所98においてベルト94、96に固定
されているので、この第２の往復台82は矢印D3の方向に
駆動される。もちろん、両往復台が案内レール61によっ
て決まる通路、即ちＸ軸に位置合せされた通路に沿って
移動できるのみなので、矢印C3とD3は軸Ｘに平行になっ
ている。

変換器75がＸ軸に沿った方向C3の移動端に達すると、モ
ータ91は反転し両往復台を逆方向に駆動する。即ち、次
の走査線では、モータ91と遊び車95は矢印A3及びB3の反
対方向に回転し、変換器75を保持した第１往復台71をD3
の方向に駆動しかつ第２往復台82をC3の方向に駆動す
る。上述の実施例と同様に、往復台71、82の移動方向は
互いに逆方向であるが、駆動手段による両往復台の加速
度と速度は常に等しい大きさを有す。これによってター
ゲット87には想像線99で示した走査パターンが得られ、
この状態で、ターゲット87が軸Ｙに沿って間欠的に移動
されれば、第3A図の走査パターンが得られ、連続的に移
動されれば第3C図の走査パターンが得られる。

第７図及び第８図は第６図の走査機構60の具体例60Aを
示した詳細図である。第７図では、駆動ベルトと変換器
と釣合錘は、その他の部材を詳細に示すために省略され
ているが、これらの部材は第８図に示されている。

第７図と第８図の走査機構60Aは高重量・高剛性で細長
い基板101を具備し、この基板101は走査機構の大部分の
部材を支持する主支持体である。第７図に示したよう
に、基板101の右端には２枚のモータ保持板102、103が
基板に固着され、これらの間にモータ91が取付けられ支
持される。モータ軸92は第７図の右上に示され、一対の
ピニオン又は駆動スプロケット93A、93Bがモータ軸37に
取付けられている。第７図には図示されていないが、軸
92の下端に同様の一対のスプロケットが取付けられてい
る。

案内レール61は、基板101に取付けられ、この基板の殆
ど全長に亘ってかつ基板101のうちのモータ91の保持部
分から離れるように延在している。レール61と基板101
との間には衝撃を伝えないようにエラストマー・パッド
119を介在させてもよい。基板101には、案内レール61の
右端に第１端部停止板104が取付けられ、案内レール61
の他端に同様の端部停止板105が取付けられている。基
板101に固着されたＣ字形状の中央停止部材106は、案内
レール61の中央部に嵌合し、この案内レールを往復台71
用の部分と往復台82用の部分とに分離している。この部
材106は両往復台間の障壁として働いている。

板104には一組のバネ107が取付けられ、これらのバネ10
7は変換器用往復台71の一対の水平脚73と同一高さに位
置し、各水平脚73に対向している。同様に、停止板106
にも一組のバネ107が往復台71の各水平脚73の反対側側
面に出会うような位置に取付けられている。中央停止板
106の左側面にも、一組のバネ108が釣合用往復台82の各
脚83の一側面に出会うように設置されている。他端停止
板105にも、複数本のバネ108が往復台82の脚83の反対側
の側面に出会うように設置されている。

第７図の走査機構60Aでは、想像線で示した２本の駆動
ベルト94A、94Bが第６図に示したプロトタイプ（原型）
上部駆動ベルト94に対応していおり、これらの駆動ベル
ト94A、94Bは夫々スプロケット又はピニオン93A、93Bに
係合している。機構60Aの反対側端部では、上記駆動ベ
ルト94A、94Bは軸111に取付けられた２本のスプロケッ
ト109A、109Bに係合している。第８図はこの一対の駆動
ベルト94A、94Bと往復台71、82との連結関係等を明示し
ている。第７図及び第８図の実施例では一対の駆動ベル
ト94A、94Bと同様の２本のベルト96A、96Bが下方に設け
られ、これらのベルト96A、96Bは軸113に取付けられた
２個のスプロケット112A、112Bに係合されている。第８
図は、一対のベルト96A、96Bの関係、及び固定具97、98
によって一対のベルト96A、96Bを２個の往復台71、82に
固着した状態を示している。

軸111は２枚の板114に取付けられた軸受に支持され、こ
れらの板114は左側軸取付板115に固定され、この取付板
115は左側軸引張りブラケット116に固着されている。同
様に、軸113は、軸111と軸合せされており、２枚の取付
板117の間に延在している。尚、軸111と113とは、一本
の軸で構成することもでき、第６図の遊び車95の機能を
果たしている。

第７図及び第８図の走査機構60Aは第６図に示したプロ
トタイプ走査機構60と全く同様に機能する。モータ91
は、ベルト94A、94B及び96A、96Bをまず一方向に駆動
し、次いで逆方向に駆動する。これによって、変換器用
往復台71と釣合用往復台82は案内レール61、即ち軸Ｘに
沿って互いに逆方向に駆動される。上述した全ての実施
例と同様に、両往復台は、常に同一速度かつ同一加速度
であるが、逆方向に駆動される。バネ107、108は非常用
制限装置として作用するものである。即ち、各往復台と
も、通常は上記バネ107、108に衝突する前に停止される
ので、上記バネは本機構の損傷を防止するためにのみ設
置されている。軸Ｘに沿った２個の往復台の走行範囲
は、モータ91用の適宜の制御装置を使用することでター
ゲットに応じて調節してもよい。基板101に固定された
支柱121とモータ支持板102との間に位置センサー用のス
ケールを取付け、このスケールを走査するセンサーを往
復台71の板72に取付ければ、このセンサーから往復台71
の位置を表す信号を得ることができる。この位置の信号
はモータ91の制御に使用される。このような手法は、プ
リンタ用往復台制御装置等でこれまで広く使用されてい
る位置決め・加速・速度制御法と同様であるので、本明
細書では詳述しない。

上述のように走査機構60Aの全てを支持する基板部材101
は、適宜の手段によって鉛直往復台123に固設され、こ
の鉛直往復台123には２個の鉛直案内路124、125が形成
されている。これらの案内路124、125は、ヨーク128に
よって互いに連結された一対の鉛直案内レール126、127
に係合している。この構成は、簡単ではあるが優れた、
機構60AのＺ軸移動用案内装置であり、これによって、
変換器75の焦点調節を行うことができる。

本発明による走査機構によれば、Ｘ軸に沿った走査距離
は、被検物の寸法や特性に応じてかなりの程度調節する
ことができる。音響顕微鏡の場合、走査線長さＳは典型
的には0.051インチ（0.13cm）若しくはこれより更に小
さい値から3.5インチ（9cm）以上の範囲内で変化する。
また、Ｙ方向の微小移動量Ｊは、かなりの変動がある
が、代表的には0.0002インチであろう。走査ラスターの
走査線を通過するのに要する時間は、走査システムを使
用する機器の種類やその他の要件に応じてかなりの変動
があるが、典型的にはほぼ0.04秒であろう。

以上の説明から明らかなように、本発明の種々の実施例
に使用された駆動ベルト若しくは他の駆動部材は、位置
誤差を排除するために本質的に伸縮不可な、即ち非弾性
のものとすべきである。即ち、ベルトに長手方向にかな
りの変形が生ずると、許容できない位置誤差が発生して
しまう。場合によっては、ワイヤのような駆動部材を使
用することもできし、公知のタイミングベルトのような
非弾性ベルトを使用することもできる。第７図及び第８
図の機構60Aの駆動ベルト94A、94B及び96A、96Bとして
は、公知の自転車用チェーンに類似するが主に樹脂材料
で作られた梯子型の樹脂ベルトが好ましい。また、第７
図及び第８図の実施例の駆動モータとしては、高トルク
かつ低慣性特性を有する市販のパンケーキ型サーボモー
タを使用することができる。

被検物が通常水性媒体中に浸漬されるか、少なくとも水
性媒体に接続されて、かつ変換器からの超音波エネルギ
ー出力や他の要因によって水蒸気がかなり発生するよう
な音響顕微鏡では、走査機構の金属部品はすべてステン
レスやアルミやその他の腐食しにくい金属製とすること
が非常に望ましい。この点からも駆動ベルトをプラスチ
ック製とすることが好ましい。

本発明の全実施例とも、上述したように往復台とその付
設物との総重量が他方の往復台とその付設物との総重量
に正確に釣合うようにする必要がある。更に、各往復台
とその付設との総重量の分布ができるかぎりＸ軸に関し
てバランスしている必要がある。また、案内レールを使
用する実施例（第６図乃至第８図）においては、各往復
台とその付設物との総重量は往復台の走行を案内する案
内レールに関して均一に分布させる必要がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による音響顕微鏡用の走査機
構を示した概略平面図； 第２図は第１図の２−２線矢視の正面図； 第3A図は第１図及び第２図よりも拡大した縮尺で示した
典型的なＣ走査の走査パターン図； 第3B図は第１図及び第２図の２個の往復台の速度及び加
速度の関係を示した図； 第3C図は第3A図と対応しているが異なった走査パターン
図； 第４図は本発明の別の実施例による走査機構を示した概
略平面図； 第５図は第４図の５−５線矢視の正面図； 第６図は本発明のその他の実施例による音響顕微鏡用の
平衡慣性式走査機構を単純化して示した概略斜視図； 第７図は第６図の機構の走査部を詳細に示した拡大図； 第８図は第７図の線８−８に沿った詳細断面図である。 ［主要部分の符号の説明］ 20;40;60;60A……走査機構、 21;41;71……第１往復台、 22;42;82……第２往復台、 23;45,55;94,96……ベルト、 24、25……ローラ、 30;50;75……変換器、 32;54;87……被検物、 33;48;85……釣合錘、 34;47;91……モータ、 61……案内レール。

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】変換器と、この変換器を軸Ｘに沿って被検
   物に対して往復運動させ、かつ横軸Ｙに沿って上記被検
   物と上記変換器とを互いに相対的にシフトさせて上記被
   検物を所定のＸ−Ｙラスタで走査する走査機構と、を具
   備する音響顕微鏡またはこの種の他の機器に使用される
   平衡・零慣性型Ｘ軸走査機構であって、 （ａ）第１往復台（21;41;71）と第２往復台（22;42;8
   2）と； （ｂ）上記Ｘ軸に沿った上記両往復台の移動を案内する
   ための案内手段と； （ｃ）上記変換器（30;50;75）が上記第１往復台に取り
   付けられていることと； （ｄ）上記第２往復台の総質量が上記変換器と上記第１
   往復台との総質量に等しく、かつこれらの両総質量の各
   々の分布が上記Ｘ軸に関してほぼバランスされているこ
   とと； （ｅ）上記往復台を大きさが等しく方向が逆の加速度と
   速度でＸ軸に沿って往復駆動させるため、Ｘ軸に関して
   対向する側部にあり、上記往復台に連結された２つの細
   長い駆動要素（23;45、55;94、96）から成る駆動手段
   （23−25、34;43−47、51、52、55−57;91−98）と、 （ｆ）上記駆動手段はＸ軸に関してほぼ対称であり、往
   復台に加わる駆動力がＸ軸のまわりで有効にバランスさ
   れ、両往復台の質量の中心間を結ぶ直線と往復台の運動
   の軌道とは共に上記Ｘ軸にほぼ一致していること、から
   構成された平衡・零慣性型Ｘ軸走査機構。
2. 【請求項２】上記駆動要素（23;45、55;94、96）の各々
   は駆動ベルトを含み、該駆動ベルトの各々は上記Ｘ軸に
   平行な２つの直線走行部を有していることを特徴とする
   請求項１に記載の平衡・零慣性型Ｘ軸走査機構。
3. 【請求項３】各駆動ベルトの一方の直線走行部（23;9
   4、96）は上記第１往復台（21;71）に接続され、他方の
   直線走行部は上記第２往復台（22;82）に接続されてい
   ることを特徴とする請求項２に記載の平衡・零慣性型Ｘ
   軸走査機構。
4. 【請求項４】上記Ｘ軸上に平行に延在する細長い高剛性
   の案内レールを含み、この案内レールに沿って往復運動
   するため上記第１と第２の往復台（71、82）が該案内レ
   ール上に近接して配置され、各往復台はほぼＣ字形の形
   状を有しており、上記往復台の２本の脚部（73、83）は
   上記案内レールの対向側部（74、84）に係合し該対向側
   部を亙るよう延在していることを特徴とする請求項１に
   記載の平衡・零慣性型Ｘ軸走査機構。
5. 【請求項５】上記第２往復台（22;42）は、上記第１往
   復台（21;41）を取り囲むように配置されていることを
   特徴とする請求項１に記載の平衡・零慣性型Ｘ軸走査機
   構。
6. 【請求項６】上記駆動要素（23）の各々は駆動ベルトを
   含み、各駆動ベルトは上記Ｘ軸に平行な２つの直線走行
   部を有し、各駆動ベルトの一方の直線走行部は上記第１
   往復台（21）に接続され、他方の直線走行部は上記第２
   往復台（22）に接続されていることを特徴とする請求項
   ５に記載の平衡・零慣性型Ｘ軸走査機構。
7. 【請求項７】上記第２往復台（42）は、２個の第２往復
   台駆動面（52）を有し、これらの各面は、同様の２個の
   第１往復台駆動面（51）から離間しており、上記駆動面
   のすべては上記Ｘ軸に平行であり、上記第１往復台駆動
   面は上記第１往復台（41）の対向側部に形成されている
   ことと； 第１回転駆動要素（45）が、各往復台においてその駆動
   面（51、52）の一方に係合する駆動面を有する第１の回
   転駆動部材（43）を回転することと； 第２回転駆動要素（55）が、各往復台においてその他方
   の駆動面（51、52）に係合する駆動面を有する第２の回
   転駆動部材（44）を回転することとを特徴とする請求項
   １に記載の平衡・零慣性型Ｘ軸走査機構。
8. 【請求項８】第２往復台（42）は第１往復台（41）を取
   り囲むように配置されていることを特徴とする請求項７
   に記載の平衡・零慣性型Ｘ軸走査機構。
9. 【請求項９】各駆動要素（45、55）は駆動ベルトを含
   み、各駆動ベルトは上記Ｘ軸に平行な２つの直線走行部
   を有することを特徴とする請求項８に記載の平衡・零慣
   性型Ｘ軸走査機構。
10. 【請求項１０】第１往復台（41）の一方の側部におい
    て、上記Ｘ軸に平行な方向に所定距離だけ互いに離間し
    た２つの第１回転駆動部材（43）を有しており、これら
    は共に第１の駆動要素（45）により回転され、第１往復
    台（41）の他方の側部には一致した距離だけ互いに離間
    した２つの第２回転駆動部材（44）を有しており、これ
    らは共に第２の駆動要素（55）により回転されることを
    特徴とする請求項７に記載の平衡・零慣性型Ｘ軸走査機
    構。
11. 【請求項１１】上記駆動要素（45、55）の各々は、駆動
    ベルトであり、第１駆動ベルト（45）は駆動モータ（4
    7）に接続され、第２駆動ベルトは釣合ロータ（57）に
    接続され、上記駆動モータと上記釣合ロータの回転動作
    はほぼ等しいことを特徴とする請求項10に記載の平衡・
    零慣性型Ｘ軸走査機構。
12. 【請求項１２】上記第２往復台（42）は、上記第１往復
    台（41）を取り囲むように配置されていることを特徴と
    する請求項11に記載の平衡・零慣性型Ｘ軸走査機構。
13. 【請求項１３】変換器と、この変換器を軸Ｘに沿って被
    検物に対して往復運動させ、かつ横軸Ｙに沿って上記被
    検物と上記変換器とを互いに相対的にシフトさせて上記
    被検物を所定のＸ−Ｙラスタで走査する走査機構と、を
    具備する音響顕微鏡またはこの種の他の機器に使用され
    る平衡・零慣性型Ｘ軸走査機構であって、 （ａ）上記Ｘ軸に平行に延在する細長い高剛性の案内レ
    ール（61）と； （ｂ）上記案内レール上にこれに沿って往復運動可能に
    互いに隣接して取り付けられた第１および第２の往復台
    （71、82）であり、各往復台は形状がほぼＣ字形状であ
    り、該往復台の２本の脚部（73、83）が上記案内レール
    （74、84）の対向側部に係合し、かつそこを亙って延在
    している第１および第２往復台と； （ｃ）第１往復台（71）上に配置された変換器（75）
    と； （ｄ）上記第２往復台（82）の総質量が上記変換器（7
    5）と上記第１往復台（71）との総質量に等しく、かつ
    これらの両総質量の各々の分布が上記Ｘ軸に関してバラ
    ンスされていることと； （ｅ）上記両往復台に隣接され、上記Ｘ軸に関してほぼ
    対称であり、上記両往復台を、互いに大きさが等しいが
    方向が逆である加速度および速度でもって上記Ｘ軸に沿
    って往復駆動する駆動手段（91−98）とから構成された
    慣性平衡型Ｘ軸走査機構。
14. 【請求項１４】上記案内レール（61）の上記対向側部の
    各々は、上記Ｘ軸に平行な細長い案内スロット（62、6
    3）を含み、各往復台脚部（73、83）は、上記案内スロ
    ットの１つの内に突出しそれに係合する内方突出支持用
    案内要素（74、84）を含むことを特徴とする請求項13に
    記載の慣性平衡型Ｘ軸走査機構。
15. 【請求項１５】上記駆動手段（91−98）は少なくとも１
    本のエンドレス駆動ベルト（94、96）を含み、この駆動
    ベルトは上記Ｘ軸に平行な２つの直線走行部を有し、一
    方の直線走行部は上記第１往復台（71）に接続され、他
    方の直線走行部は上記第２往復台（82）に接続されてい
    ることを特徴とする請求項13に記載の慣性平衡型Ｘ軸走
    査機構。
16. 【請求項１６】上記駆動手段（91−98）は、第１および
    第２の平行で互いに離間したエンドレスベルト（94、9
    6）を含み、各駆動ベルトは、上記Ｘ軸に平行な２つの
    直線走行部を有し、この一方の直線走行部は上記第１往
    復台（71）に接続され、他方の直線走行部は上記第２往
    復台（82）に接続されており、上記第１駆動ベルト（9
    4）は上記案内レール（61）の一方の側で上記両往復台
    に接続され、上記第２駆動ベルト（96）は上記案内レー
    ルの他方の側で上記両往復台に接続されていることを特
    徴とする請求項13に記載の慣性平衡型Ｘ軸走査機構。
17. 【請求項１７】上記案内レール（61）の両端に取り付け
    られ、上記案内レールに沿った上記両往復台（71、82）
    の外方への移動を制限する２枚の端部停止板（104、10
    5）と； 上記案内レールの中央に位置し、上記両往復台が上記案
    内レールに沿って互いに接近移動することを制限してい
    る中央停止板（106）と； をさらに具備することを特徴とする請求項13に記載の慣
    性平衡型Ｘ軸走査機構。
18. 【請求項１８】各停止板（104−106）は複数の弾性停止
    部材（107、108）を含み、これらの弾性停止部材は、最
    も近い他の停止板の方に突出して、上記両往復台（71、
    82）の過度の移動を停止する際、衝撃を緩和するよう働
    くことを特徴とする請求項17に記載の慣性平衡型Ｘ軸走
    査機構。