JPH08173434A

JPH08173434A - 圧電型アクチュエータおよび超音波探触子

Info

Publication number: JPH08173434A
Application number: JP6321885A
Authority: JP
Inventors: Yoshizou Ishizuka; 宜三石塚
Original assignee: Terumo Corp
Current assignee: Terumo Corp
Priority date: 1994-12-26
Filing date: 1994-12-26
Publication date: 1996-07-09
Anticipated expiration: 2019-05-10
Also published as: JP3524183B2

Abstract

(57)【要約】【構成】独立に動作可能な自由端の変位の方向が互いに
直交方向であり、略平行な向きに配設された複数のバイ
モルフ型アクチュエータ素子２、２０と、前記自由端の
変位が合成されて変位する可動部と、直交する２方向に
回動可能な回動部と、前記回動部に備えられた超音波振
動子７と、前記可動部の変位を前記回動部に伝達する連
結部５１とを有している超音波探触子。【効果】簡単な構造で超音波探触子の方向を自在に変え
うることができ、３次元断層像を容易に得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、小型ながら変位量、発
生力の大きな動作が可能な圧電型アクチュエータ、並び
に超音波振動子を機械的に走査し、被検体の断層像を表
示する超音波探触子に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、微細加工技術の進歩により、微小な
駆動メカニズムが発展しつつある。特に医療機器の分野
では患者への負担が著しく低減される低侵襲治療のニー
ズの増加と共に、狭い体内で機能する診断機器や治療機
器が開発されつつある。

【０００３】このような分野において小型で高速かつ自
由度のあるアクチュエータの実現が望まれている。

【０００４】一例として超音波内視鏡が挙げられる。超
音波内視鏡は胃や尿管、胆管、血管等の体腔内に挿入さ
れ、先端に取り付けられている超音波振動子から超音波
ビームを被検体中に送出しその反射波をとらえるもので
あるが、断層像として画像化するためにはこの超音波振
動子を機械的に回転もしくは偏向させなければならな
い。現在、ほとんどの超音波内視鏡では、外部のモータ
ーの回転をカテーテル内を通したシャフトによって先端
の超音波振動子まで伝える方式が取られている。この回
転運動によって、超音波ビームの送受波方向を、超音波
の伝搬方向に対して直交方向に移動（ビーム走査）する
ことにより、ビーム走査が行われた空間内の２次元的エ
コー情報が得られ、このエコー情報に基づいて、ＣＲＴ
等の表示器上に断層像として画像表示することができ
る。従来、超音波断層装置は特別なものを除いては２次
元像として表示されるものが大半を占めているが、体腔
内では体表から超音波プローブを操作するようにプロー
ブの向きを自由に変えて観察する断層面を変更すること
は非常に困難である。

【０００５】前述のビーム走査面に垂直方向に超音波探
触子を移動させ、装置内のメモリ上にビーム走査と対応
する座標でエコー情報を記憶させれば３次元の断層像を
得ることができる。例えば、特開平５−２３３３９号公
報には、回動するローターの軸を、その軸と直交する軸
を有する支持機構で回転させる方式が開示されている。
また、特開昭６２−１２０８４４号公報には、回転する
振動子ヘッドの回転軸を超音波放射面と直交する面内で
回転させる方式が開示されている。この他、特開平２−
２４６９４８号公報、特開平５−２４４６９１号公報に
は、このような機構を用いずに、振動子を２次元的にア
レイ化し、個々の素子間に位相差を与えて送信すること
により３次元断層像を得る方式が開示されている。しか
し、モーターを内蔵する機構においては小型化や軽量化
の点で難がある。またアレイ化プローブの場合、有効に
超音波ビームを偏向させるには多数の分割（最低でも１
６×１６＝２５６程度）は必要と思われ、製造の難しさ
以外に配線スペースの増加や配線間のクロストークの増
加など、実現には困難な課題が多く、体腔内に用いられ
るような目的には不向きである。

【０００６】体腔内に挿入して用いられる超音波探触子
において、３次元断層像を得る方式が種々考案されてい
る。例えば、特開昭５７−９４３９号公報に開示されて
いるように振動子を回転させることにより長軸に直角な
平面にラジアル走査を行い、更にこの振動子部を長軸方
向に移動することによって円筒状の３次元断層像を得る
方式がある。また、特開昭６３−１１５５４６号公報に
開示されているようにラジアル走査を行う振動子の面を
傾けることにより観察面を移動する方式もある。挿入方
向の前方の画像を得る目的の走査機構はシャフトの回転
をカム等によって回動運動に変換するもの（例：特開平
５−２３７１１３号公報）の他、形状記憶合金を利用し
たもの（例：特開平４−２６６７４６）、熱による気泡
発生を利用したもの（例：特開平４−３５４９４６号公
報）、電磁石を利用したもの（例：特開平５−２３７１
１１号公報、特開平５−２４４６９４号公報）などアク
チュエータ自体が交互に力の向きを変化させる方式も種
々考案されている。その走査機構全体を挿入方向を軸と
して回転させれば前方の３次元断層像が得られる。この
他、バイモルフ型アクチュエータの自由端に超音波振動
子を固定し、アクチュエータを屈曲変位させて超音波ビ
ーム走査を行う方式（実開昭６３−１３０００８号公
報）も考案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭５７−
９４３９号公報や特開昭６３−１１５５４６号公報に開
示されているような方式では探触子の側方は観察できる
が、挿入する前方の部位を観察することはできない。ま
た、連続して回転させるため、振動子への電気的エネル
ギーを供給するためにはスリップリング等、高価な摺動
接点が必要となる。特開平５−２３７１１３号公報に開
示されているようなシャフトによる駆動方式において
は、シャフトの回転による振動の発生によって画像のぶ
れが生じてしまう問題の他、シャフトの占める容積によ
り、例えばレーザーファイバーなど治療手段を組み込ん
だりする際に細径化が困難になるといった問題が生ず
る。気泡発生や形状記憶合金を用いる方法は基本的に熱
を用いるため、その冷却法や安定性、応答性等に不利な
面がある。電磁石による方法も巻線や鉄芯を用し、小型
化することが困難である他、有効に駆動力を発生するに
は固定子とローターとのギャップを高精度に設定する必
要があり、いずれも細径化は困難といえる。バイモルフ
型アクチュエータの自由端に超音波振動子を固定する方
式は簡単な構成ではあるが、バイモルフ型アクチュエー
タの屈曲変位は微量であるため微小な空間領域しかビー
ム走査ができない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るものは、独立に動作可能な自由端を有する複数のバイ
モルフ型アクチュエータ素子と、前記自由端の変位が合
成されて変位する可動部とを有する圧電型アクチュエー
タである。

【０００９】そして、前記自由端の変位の方向が互いに
直交方向である複数のバイモルフ型アクチュエータ素子
と、前記自由端の変位が合成されて変位する可動部とを
有することが好ましい。

【００１０】そして、前記自由端の変位の方向が同一で
あるバイモルフ型アクチュエータ素子は、略平行に配列
されてなることが好ましい。

【００１１】そして、前記可動部は、前記複数のバイモ
ルフ型アクチュエータ素子に略平行に配置された軸材
と、少なくとも前記独立に動作可能な自由端ごとに設け
られ、かつ前記軸材の長軸方向に隔てて設けられた複数
の支持材とを有し、前記軸材が前記複数の支持材に設け
られた穴部で支持されている。

【００１２】そして、前記可動部は、前記自由端の各々
が嵌合している溝部を有し、該溝部内において、前記自
由端は、前記自由端の変位に直交する方向にスライド可
能である。

【００１３】さらに、前記固定材と信号線との接続は、
半田付け、導電性接着剤により接続されることが好まし
く、半田付けの場合、バイモルフ型アクチュエータ素子
に用いられている圧電体のキュリー温度よりも充分に低
い融点のものを用いることが好ましい。

【００１４】さらに、前記支持材の中央には、接続され
たバイモルフ型アクチュエータ素子の変位方向に一致し
た長穴が形成され、該長穴には、前記軸材が挿通されて
おり、該長穴の短軸長は、該軸材の直径程度であり、長
軸長は、他方向に変位するバイモルフ型アクチュエータ
素子の変位量よりも長く設定されている。

【００１５】さらに、前記固定材の中央に穴部が形成さ
れ、該穴部の内径は、前記軸材の動作に影響を与えない
程度な大きさが好ましい。

【００１６】また、このような目的を達成するものは、
前記圧電型アクチュエータを用いて、直交する２方向に
回動可能な回動部と、前記回動部に備えられた超音波振
動子と、前記可動部の変位を前記回動部に伝達する連結
部とを有する超音波探触子である。

【００１７】そして、前記連結部は、先端が球面状の接
触子と該接触子の先端が当接する受け材を有し、前記接
触子と前記受け材が永久磁石による磁力で吸着されてい
る。

【００１８】

【作用】本発明の圧電型アクチュエータは、複数のバイ
モルフ型アクチュエータ素子が略平行な向きで配置され
ており、その自由端の変位の方向が互いに直交方向に独
立に動作する。更に、可動部ではこれらの変位が合成さ
れ、任意の方向への変位が可能となる。

【００１９】可動部の１態様として、バイモルフ型アク
チュエータ素子に平行に配置された軸材を有するものに
おいては、この軸材が、独立に動作可能な自由端ごとに
設けられた複数の支持材の穴部によって支持されてい
る。これらの支持材の変位は互いに直交する方向に動作
するので軸材先端はこれらの変位が合成され、任意の方
向へ変位することが可能となる。

【００２０】可動部の１態様として、前記自由端の各々
が嵌合している溝部を有するものにおいては、該溝部内
において自由端は前記自由端の変位に直交する方向には
スライド可能である。このため、ある方向に変位する自
由端はそれに直交する方向の自由端の変位の影響を受け
ない。その結果、可動部はこれらの変位が合成され、任
意の方向へ変位することが可能となる。

【００２１】本発明の超音波探触子においては、複数の
バイモルフ型アクチュエータ素子が略平行な向きで配置
されており、その自由端の変位の方向が互いに直交方向
に独立に動作する。更に、可動部ではこれらの変位が合
成され、任意の方向への変位する。この変位は連結部に
よって超音波振動子が備えられた回動部に伝達される。
回動部は直交する２方向に回動可能な構造となってお
り、可動部の変位に応動して任意の方向に回動する。

【００２２】本発明の一つの態様における連結部は、先
端が球面状の接触子と該接触子の先端が当接する受け材
を有し、これらが磁力による吸着力によって、フレキシ
ブルに連結されているため、可動部の直線的な変位を滑
かに回動部の回動運動に変換できる。

【００２３】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明の圧電型アクチュエータの
一実施例を示す斜視図である。図２は、本発明の圧電型
アクチュエータの一実施例の固定端の実装例を示す断面
図である。図３は、本発明の圧電型アクチュエータのバ
イモルフ型アクチュエータ素子と支持材の構成を示す斜
視図である。図４は、本発明の圧電体アクチュエータの
Ｘ軸方向への変位を示す平面図である。図５は、本発明
の圧電体アクチュエータのＹ軸方向への変位を示す平面
図である。図６は、本発明の圧電型アクチュエータのバ
イモルフ型アクチュエータ素子の電圧−変位特性を示す
図である。図７は、本発明の圧電型アクチュエータのバ
イモルフ型アクチュエータ素子の時間−変位特性を示す
図である。図８は、本発明の圧電型アクチュエータのバ
イモルフ型アクチュエータ素子の時間−電圧特性を示す
図である。

【００２４】図１に示すように、Ｘ軸方向に変位する一
対のバイモルフ型アクチュエータ素子２と、Ｙ軸方向に
変位する一対のバイモルフ型アクチュエータ素子２０を
軸対称に配置し、軸には軸材２１が設けられいる。バイ
モルフ型アクチュエータ素子の一端（固定端）は、中心
に穴部３１を有し、穴部３１に軸材が挿通された固定材
３に固定され、他端の自由端には、Ｘ軸方向に変位する
バイモルフ型アクチュエータ素子２には支持材４が、Ｙ
軸方向に変位するバイモルフ型アクチュエータ素子２０
には支持材４０がそれぞれ設けられ、支持体４には、Ｘ
軸方向の長穴４１が、支持材４０にはＹ軸方向の長穴４
２が設けられ、軸材２１の他端には、ハウジング（図示
しない）に固定された別の固定材３０が設けられてい
る。

【００２５】図２に示すように、本実施例ではバイモル
フ型アクチュエータ素子２、２０をパラレル型、即ち表
面側の電極の電位が同電位のタイプであり、金属製の固
定材３に半田付けで固定している。

【００２６】このようにすれば機械的な固定と同時に電
気的な接続もとることができる。この場合、固定材３の
電位を共通電位０［Ｖ］とし、各バイモルフ型アクチュ
エータ素子の内部電極、即ちシム材の電位を独立に変位
する素子毎に与えることによって、バイモルフ型アクチ
ュエータ素子の駆動が可能となる。

【００２７】図３に示すように、支持材４の中央には長
軸がＸ軸方向に一致した長穴４１が、また、支持材４０
の中央には長軸がＹ軸方向に一致した長穴４２があり、
軸材２１が、これらの長穴４１、４２を貫通し、固定材
３の中心の穴部３１も貫通し、その末端が出力端として
利用される。

【００２８】図４、５に示すように、支持材４の長穴４
１がＸ軸方向の作用点となり、軸材２１をＸ軸方向に変
位させる。また、支持材４０の長穴４２はＹ軸方向の作
用点となり、軸材２１をＹ軸方向に変位させる。Ｘ軸方
向の変位をＵｘ、Ｙ軸方向の変位をＵｙとすると、軸材
２１の末端は固定材３０に嵌合しているので支点として
働き、軸材２１の出力端はＸ軸方向にＷｘ＝Ｕｘ・（Ｚ
ｘ２＋Ｚｘ１）／Ｚｘ１、Ｙ軸方向にＷｙ＝Ｕｙ・（Ｚ
ｙ２＋Ｚｘ１）／Ｚｙ１の変位を発生させる。軸材２１
の出力端の変位はＷｘ，Ｗｙの変位が合成されたものと
なる。

【００２９】変位Ｕｘ，Ｕｙは、バイモルフ型アクチュ
エータ素子に引加する電圧によって変化させることがで
きる。

【００３０】図６に示すように、バイモルフ型アクチュ
エータ素子に印加する電圧ＶｘあるいはＶｙを＋方向に
増加すれば、変位ＵｘあるいはＵｙは＋方向に増大し、
一方向に増加すれば変位は−方向に増大することが解
る。即ち、Ｖｘ，Ｖｙを調整することにより、Ｕｘ，Ｕ
ｙを独立に設定でき、可動部材の出力端を動作範囲内で
任意の位置に変位させることができる。

【００３１】なお、図７に示すように、バイモルフ型ア
クチュエータ素子の電圧−変位特性は、一般的にヒステ
リシス（履歴）特性がある。このため、電圧をＶ１から
Ｖ２に増加した後、再びＶ１に下げても元の位置Ｕ１に
は戻らず、Ｕ１’の位置になる。

【００３２】従って、本発明の圧電型アクチュエータを
動作させる際は、ヒステリシス特性を考慮した制御が必
要である。例えば、図７に示すように三角波状の時間−
変位特性を行わせるには、図８に示すような時間変化を
する電圧を加えれば良い。

【００３３】本実施例のような構造によれば、Ｚｙ２／
Ｚｙ１，Ｚｘ２／Ｚｘ１等の比率によって変位量を拡大
もしくは縮小させることができる。但し、変位の拡大率
に反比例して出力端の発生力が減少することに注意しな
ければならない。

【００３４】（実施例２）図９は、本発明の圧電型アク
チュエータの一実施例を示す斜視図である。図１０は、
本発明の圧電体アクチュエータのＸ軸方向への変位を示
す平面図である。図１１は、本発明の圧電体アクチュエ
ータのＹ軸方向への変位を示す平面図である。

【００３５】図９に示すように、Ｘ軸方向に変位する一
対のバイモルフ型アクチュエータ素子２と、Ｙ軸方向に
変位する一対のバイモルフ型アクチュエータ素子２０が
軸対称に配置され、軸には軸材２１が設けられ、固定材
３の中心部に設けられている穴部３１に挿通されてい
る。バイモルフ型アクチュエータ素子２、２０の固定端
は固定材３に固定され、他端の自由端には、Ｘ軸方向に
変位するバイモルフ型アクチュエータ素子２には支持材
４が、Ｙ軸方向に変位するバイモルフ型アクチュエータ
素子２０には支持材４０がそれぞれ設けられ、支持材
４、４０には、軸材２１が首振り可能な程度の直径の丸
穴４３、４４が設けられている。

【００３６】図１０、１１に示すように、Ｘ軸方向につ
いては、支持材４の丸穴４３が支点となり、支持材４の
丸穴４３がＸ軸方向の作用点となっている。支持材４が
Ｕｘだけ変位した場合、軸材２１の出力端はＸ軸方向に
Ｗｘ＝Ｕｘ（１＋Ｚ２／Ｚ１）だけ変位する。軸材２１
の出力端の変位はＷｘ，Ｗｙの変位が合成されたものと
なる。

【００３７】ｙ方向については、支持材４０の丸穴４４
が支点となり、支持材４０の丸穴４４がＹ軸方向の作用
点となっている。支持材４０がＵｙだけ変位した場合、
軸材２１の出力端はＹ軸方向にＷｙ＝−Ｕｙ・Ｚ２／Ｚ
１だけ変位する。

【００３８】また、実施例１と同様に本実施例の構造に
よれば、Ｚ２／Ｚ１の比率によって変位量を拡大もしく
は縮小させることができる。但し、変位の拡大率に反比
例して出力端の発生力が減少することに注意しなければ
ならない。

【００３９】（実施例３）図１２は、本発明の圧電型ア
クチュエータの一実施例を示す斜視図である。図１３
は、本発明の圧電型アクチュエータの可動材を示す斜視
図である。図１４は、本発明の圧電型アクチュエータの
一実施例を示す斜視図である。

【００４０】図１２に示すように、Ｘ軸方向に変位する
一対のバイモルフ型アクチュエータ素子２と、Ｙ軸方向
に変位する一対のバイモルフ型アクチュエータ素子２０
が軸対称に配置されている。軸には軸材２１が設けら
れ、固定材３の中心部に設けられている穴部３１に挿通
している。バイモルフ型アクチュエータ素子２、２０の
固定端は固定材３に固定され、他端の自由端は、可動材
３２が設けられている。

【００４１】図１３に示すように、可動材３２には、Ｘ
軸方向およびＹ軸方向に溝３３、３４が設けられ、Ｘ軸
方向に変位するバイモルフ型アクチュエータ素子２は、
の自由端はＸ軸方向の溝３３に挿入され、Ｙ軸方向に変
位するバイモルフ型アクチュエータ素子２０の自由端
は、Ｙ軸方向の溝３４に挿入されている。

【００４２】溝３３、３４の幅は、バイモルフ型アクチ
ュエータ素子２、２０の厚さ程度で、各バイモルフ型ア
クチュエータ素子２、２０の変位に対して直交方向には
なるべく少ない摩擦で滑るように設定される。

【００４３】そのため、Ｘ軸方向に変位するバイモルフ
型アクチュエータ素子２と、Ｙ軸方向に変位するバイモ
ルフ型アクチュエータ素子２０とは、互いに他方の変位
の影響を受けずに自由端の変位を可動材３２に伝えるこ
とができる。

【００４４】結果的に可動材３２の出力端３５は、これ
らのバイモルフ型アクチュエータ素子２、２０の変位が
Ｘ軸方向またはＹ軸方向の合成された方向へ変位するこ
とができる。

【００４５】（実施例４）図１４に示すように、バイモ
ルフ型アクチュエータ素子のどちらか一方については、
２枚並んでいるものを１枚のバイモルフ型アクチュエー
タ素子２、２０で構成しても良い。このようにすれば、
バイモルフ素子の電極への配線を減らすことができ、製
造面で有利となる。

【００４６】ここで、他の構成部分は図１３に示したも
のと同様である。

【００４７】以上の説明では、バイモルフ型アクチュエ
ータ素子としてパラレル型を用いていたが、シリーズ型
を使用しても同様な効果をもたらすことができる。その
際、駆動電圧は両面の表面電極間に印加することになる
ので、バイモルフ型アクチュエータ素子の固定端の周囲
の材質あるいは固定材３を絶縁性のものにし、表面電極
間がショートしないようにする必要がある。

【００４８】また、シリーズ型においては中間のシム材
は必ずしも必要なものではなく、所望するアクチュエー
タの特性によっては除去したものを使用しても良い。

【００４９】以上の説明では独立に動作可能なバイモル
フ素子の数を１あるいは２としたが、本発明の実施形態
はこれに限られるものではない。

【００５０】（実施例５）図１５は、本発明の圧電型ア
クチュエータの一実施例を示す平面図である。図１５に
示すように、バイモルフ型アクチュエータ素子２０を厚
み方向に重ね合わせた構造を示している。固定材３に所
定の間隔で複数のバイモルフ型アクチュエータ素子２０
が平行に固定されている。この間隔は素子同士が触れ合
わないような間隔であれば狭くても良い。複数のバイモ
ルフ型アクチュエータ素子２０の自由端には、支持材４
が接着されている。この場合の接着材３６はシリコン系
やウレタン系のように柔軟性のある接着材が望ましい。
前述した実施例における１枚分のバイモルフ型アクチ
ュエータ素子を、この素子群に置き換えた構造をとるこ
とにより、重ね合わせた枚数に比例して出力端における
発生力を増加できる。バイモルフ素子の厚みは数百ミク
ロン程度なので、このように厚み方向に重ね合わせても
大きなスペースの増加とはならない。

【００５１】（実施例６）実施例１から実施例３におい
ては、バイモルフ素子が独立に変位する方向をＸ、Ｙの
２方向としたが、これに加えて他の方向に変位するバイ
モルフを組み合わせる形態も可能である。

【００５２】図１６は、本発明の圧電型アクチュエータ
の一実施例を示す平面図である。図１７は、本発明の圧
電型アクチュエータの一実施例のＡ−Ａ’間の断面図で
ある。

【００５３】図１６に示すように、Ｘ軸方向に変位する
バイモルフ型アクチュエータ素子２と、Ｙ軸方向に変位
するバイモルフ型アクチュエータ素子２０の他に、これ
らと４５度傾いた方向のバイモルフ型アクチュエータ素
子２２、２３が設けられている。

【００５４】図１７に示すように、自由端の位置におけ
る軸中心が軸点２４の位置から、軸点２４’の位置まで
変位する場合を考えると、各バイモルフ型アクチュエー
タ素子２、２０、２２、２３の位置が、それぞれ破線の
位置となれば良いことが解る。

【００５５】このような構造をとれば発生力を増加でき
ると共に、変位の方向による発生力の違いを緩和でき全
方位に亘って滑らかな発生力を得ることができる。

【００５６】（実施例７）第二の発明図１８は、本発明の超音波探触子の一実施例を示す断面
図である。図１９は、本発明の超音波探触子の同実施例
のハウジングを取り除いた斜視図である。

【００５７】図１８、１９に示すように、圧電型アクチ
ュエータ１は、実施例１で示した圧電型アクチュエータ
であり、Ｘ軸方向へ変位するバイモルフ型アクチュエー
タ素子２０と、Ｙ軸方向へ変位するバイモルフ型アクチ
ュエータ素子２を備え、圧電型アクチュエータ１は、固
定材３、３０の部分でハウジング５内に固定され、出力
端は、搖動部６に付随する連結部５１に接続され、回動
部は、２軸の自由度を持つジンバル機構とプローブヘッ
ド部より成り、プローブヘッド部はジンバル機構で支持
され、先端に超音波振動子７が接着されている（図１９
では説明を解りやすくするため、アクチュエータ部と回
動部を分離した形で描いている）。

【００５８】超音波振動子７から発せられた超音波を伝
搬させるため、ハウジング５内（固定材３から音響窓５
２までの間）には、超音波を伝搬させる液体が封入され
ている。

【００５９】この液体は、例えば、生理食塩水、シリコ
ンオイル、フロリナート等のフロン化合物等を用いるこ
とができるが、生理食塩水のように絶縁性の低い液体を
使用する場合は、バイモルフ型アクチュエータ素子２、
２０や超音波振動子７およびその電極配線等の電気系の
絶縁に配慮する必要がある。

【００６０】超音波振動子７への信号線７０、７１は、
固定材３および３０に設けられた配線孔を通して行われ
るが、固定材３０においては、前記の液体が漏れないよ
うに配線孔がシールされている。

【００６１】信号線７０、７１は、プローブヘッドの回
動によるストレスを防止するため、一部をコイル状にし
て伸縮自在な構造となっている。固定材３０より後部
は、柔軟な樹脂のチューブ７５となり、図示されていな
い超音波診断装置本体に接続され、その内部を送受信信
号線７２（同軸ケーブル）や、アクチュエータ駆動線７
３、７４およびアクチュエータ共通線が通る。

【００６２】但し、本実施例では、固定材３、３０およ
びハウジング５を金属製とし、バイモルフ型アクチュエ
ータ素子２、２０の共通電極（シム材）と導通している
ものとしている。そのため、アクチュエータ共通線は送
受信信号線７２の片側（例えばシールド線側）と共用し
て用いられている。

【００６３】アクチュエータ部の出力端は、Ｘ軸、Ｙ軸
方向にほぼ直線的に変位し、連結部５１は、この直線的
な変位を回動運動に変換する役割を担う。

【００６４】図２０に示すように、連結部５１は、ジン
バル機構を用いたもので、ジンバル機構の軸５３および
５４がプローブヘッド部に挿入されており、アクチュエ
ータ出力端５５の動作に伴って、プローブヘッド部は、
図２１に示すように回動する。

【００６５】図２１では、１方向のみ描かれているが、
これと直交する方向についても同様である。この方法
は、よく知られている方法ではあるが、機構的に複雑な
ため小型化が困難でありコスト高になる。

【００６６】図２２に示すように、プローブヘッド背面
に円筒形の溝部５６を設け、その途中に金属の薄い板材
５７を埋め込んだものである。アクチュエータ出力端５
５は、板材５７の中心に設けられた丸孔に挿入されてい
る。アクチュエータ出力端５５の動作に伴って、プロー
ブヘッド部は、図２３に示すように回動する。

【００６７】この方法は簡単な構造で小型化やコストの
面で有利ではあるが、プローブヘッド部に充分な偏向角
を与えるには板材５７を薄くしなければならない。ま
た、回動に伴い、アクチュエータ出力端５５が板材５７
を貫通する部分の断面積が変化するので出力端と丸孔と
の間に空隙が必要となる。そのため偏向角の精度を高め
るには出力端を細くしなければならない。更に、回動に
伴ってアクチュエータ出力端５５が板材５７の丸孔中で
摺動するため、板材５７の摩耗が大きな問題となる。

【００６８】以上の問題を解決した連結部の構造を図２
４〜図２６に示す。

【００６９】図２４に示すように、アクチュエータ出力
端５５は、パイプ状になっており、その中に摺動子５８
が挿入され、摺動子５８には、永久磁石５９が設けら
れ、その先端は球面（凸面）に加工されている。この永
久磁石５９の先端は、プローブヘッド側に設けられた受
け材５００の軸受け部５１０に吸着している。軸受け部
５１０は、永久磁石５９の先端の球面と同じ曲率半径の
球面（凹面）に加工されている。

【００７０】但し、軸受け部５１０の球面の範囲は、図
２５に示されるように、偏向角θｍａｘに対しπ−２θ
ｍａｘ以下でなければならない。アクチュエータ出力端
５５の変位に対して、軸受け部５１０は、常に吸着され
た状態を維持するので、プローブヘッドは、図２６に示
されるように回動する。

【００７１】なお、本実施例においては、摺動子５８側
に永久磁石５９を設けたが、受け材５００側あるいは両
側を永久磁石としても良い。次に、本発明の超音波探触
子１０による超音波ビーム走査の具体例を述べる。

【００７２】図２７は、本発明の超音波探触子の超音波
ビームの走査例を示す斜視図である。図２８は、本発明
の超音波探触子の超音波ビームの走査変位を表す図であ
る。図２９は、本発明の超音波探触子の超音波ビームの
走査例を示す斜視図である。図３０は、本発明の超音波
探触子の超音波ビームの走査変位を表す図である。図３
１は、本発明の超音波探触子の超音波ビームの走査例を
示す斜視図である。図３２は、本発明の超音波探触子の
超音波ビームの走査変位を表す図である。

【００７３】図２７、２８に示すように、横軸には時間
（ｔ）が、縦軸には、独立に動作するバイモルフ型アク
チュエータの自由端の変位（θ）が示してあり、自由端
の方向をＸ軸、Ｙ軸の２つの座標軸にとり、それらの変
位量をＵｘ、Ｕｙとする。可動部は、これらの変位が合
成されて変位するので、その位置は（Ｕｘ，Ｕｙ）で表
わせる。

【００７４】この可動部の変位は、連結部を通じて回動
部に伝達される。この回動部は、直交する２方向に回動
可能であるため、Ｕｘ，Ｕｙに対応した角度θｘ，θｙ
だけ偏向する。Ｕｘ，Ｕｙはバイモルフ型アクチュエー
タに印加される電圧の大きさによって制御できる。即
ち、ｘ軸の変位を発生するバイモルフ型アクチュエータ
素子の電圧を−Ｖｘから＋Ｖｘまで滑らかに変化させる
と回動部の角度は−θｘから＋θｘへと滑らかに偏向す
る。この間、超音波振動子によってＫ回の送受波を行わ
せることによって、Ｋ本のエコーデータから成る一枚の
断層像が得られる。

【００７５】同様にＹ軸軸の変位を発生するバイモルフ
型アクチュエータ素子の電圧を−Ｖｙから＋Ｖｙまで滑
らかに変化させると回動部の角度は−θｙから＋θｙへ
と滑らかに偏向する。ここでＹ軸方向に変位するバイモ
ルフ型アクチュエータ素子の電圧変化の１周期内に、Ｘ
軸方向に変位するバイモルフ型アクチュエータ素子の電
圧変化をＮ回行うとすれば、回動部に固定された超音波
振動子の超音波放射方向は図２７、２８に示すように、
被検体の空間を２θｘ×２θｙの角度で切り出した領域
をＮ枚の断層面で走査することになり、断層像の３次元
的エコーデータが得られる。

【００７６】本発明の超音波探触子１０はアクチュエー
タに印加する電圧によって任意の方向に超音波ビームを
偏向できるため、前述の実施例以外に図２９、３０に示
すように渦巻状に走査したり、図３１、３２に示すよう
に曲面状の断層面で超音波ビーム走査を行わせることも
可能である。

【００７７】図２９、３０に示すように、バイモルフ型
アクチュエータ素子（θｘ側）の電圧を正弦波とし、そ
の振幅を０から２Ｖまで滑らかに増減させる。また、バ
イモルフ型アクチュエータ素子（θｙ側）の電圧も同様
な正弦波とするがＸ軸方向の電圧に対して位相を９０度
進める。その結果アクチュエータの出力端は次第に半径
の増加する円運動（渦巻運動）となり、渦巻状の超音波
ビーム走査が実現される。その他は、図２８で説明した
通りである。

【００７８】なお、この場合被検体の空間内に一定密度
で超音波ビームを送出させるには、前記の正弦波の周期
を固定とし、前記渦巻の中心線からの偏向角の増加に伴
って超音波送受信周期短くさせていく方法と、超音波送
受信周期を一定とし、前記の正弦波の周期を、その振幅
の増加に伴って長くさせていく方法等を実施すれば良
い。

【００７９】図３１、３２に示すように、バイモルフ型
アクチュエータ素子（θｘ側）および（θｙ側）の双方
とも同一周期で電圧の増減が繰り返される。そのため、
常に同一の断層面のエコーデータが得られる。断層面の
形状や傾きは、それぞれのアクチュエータに加わる電圧
波形を適宜変更することで自由に操作できる。その他
は、図２８で説明した通りである。

【００８０】以上の説明ではアクチュエータ１として、
実施例１で示されたものを例としたが、他のいずれの実
施例で示したアクチュエータを用いても同様の効果を得
ることができる。

【００８１】

【本発明の効果】本発明の圧電型アクチュエータは、独
立に動作可能な自由端の変位の方向が互いに直交方向で
あり、かつ、平行な向きに配設された複数のバイモルフ
型アクチュエータ素子と、前記自由端の変位が合成され
て変位する可動部とを有する。

【００８２】そして、前記の可動部が前記複数のバイモ
ルフ型アクチュエータ素子に略平行に配置された軸材
と、少なくとも前記独立に動作可能な自由端ごとに設け
られ、かつ前記軸材の長軸方向に隔てて設けられた複数
の支持材とを有し、前記軸材が前記複数の支持材に設け
られた穴部で支持されている。

【００８３】そして、前記可動部が前記自由端の各々が
嵌合している溝部を有し、該溝部内において前記自由端
は前記自由端の変位に直交する方向にスライド可能なも
のである。

【００８４】そして、前記可動部は、前記複数のバイモ
ルフ型アクチュエータ素子のうち１つの方向に変位する
自由端に、該自由端の変位と直交方向に変位する他のバ
イモルフ型アクチュエータ素子の固定端が連結されてい
ることより、複雑な機構を用いることなく、任意の方向
に瞬時に変位させることの可能なアクチュエータが実現
できる。また、構造が簡単なため、小型かつ低コストの
アクチュエータが実現できる。

【００８５】また、独立に動作可能な自由端の変位の方
向が互いに直交方向であり、略平行な向きに配設された
複数のバイモルフ型アクチュエータ素子と、前記自由端
の変位が合成されて変位する可動部と、直交する２方向
に回動可能な回動部と、前記回動部に備えられた超音波
振動子と、前記可動部の変位を前記回動部に伝達する連
結部とを有しそして、前記連結部は、先端が球面状の
接触子と該接触子の先端が当接する受け材を有し、前記
接触子と前記受け材が永久磁石による磁力で吸着されて
いることにより、３次元断層像を得ることのできる超音
波探触子を簡単な構造で実現できる。また、バイモルフ
型アクチュエータに印加する電圧により、自由に走査面
を移動したり固定したりできるため、走査する断面数を
任意に変更したり、任意の位置に固定したりすることも
可能である。特に、バイモルフ型アクチュエータは、細
長い形状で容易に製造できるため、体腔内探触子のよう
に細径な探触子への応用に適している。更に、超音波振
動子を駆動するための電気信号を伝達するための摺動接
点を必要としないので装置を低価格化や耐久性向上にも
寄与する。

【００８６】また、連結部を、先端が球面状の接触子と
該接触子の先端が当接する受け材で構成し、これらを磁
力により吸着させたため簡単な構造で直線運動から回動
運動への変換が実現でき、常に安定した回動動作が得ら
れ、装置の小型化や低価格化、高画質化に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電型アクチュエータの一実施例を示
す斜視図である。

【図２】本発明の圧電型アクチュエータの一実施例の固
定端の実装例を示す断面図である。

【図３】本発明の圧電型アクチュエータのバイモルフ型
アクチュエータ素子と支持材の構成を示す斜視図であ
る。

【図４】本発明の圧電型アクチュエータのＸ軸方向への
変位を示す平面図である。

【図５】本発明の圧電型アクチュエータのＹ軸方向への
変位を示す平面図である。

【図６】本発明の圧電型アクチュエータのバイモルフ型
アクチュエータ素子の電圧−変位特性を示す図である。

【図７】本発明の圧電型アクチュエータのバイモルフ型
アクチュエータ素子の時間−変位特性を示す図である。

【図８】本発明の圧電型アクチュエータのバイモルフ型
アクチュエータ素子の時間−電圧特性を示す図である。

【図９】本発明の圧電型アクチュエータの一実施例を示
す斜視図である。

【図１０】本発明の圧電型アクチュエータのＸ軸方向へ
の変位を示す平面図である。

【図１１】本発明の圧電型アクチュエータのＹ軸方向へ
の変位を示す平面図である。

【図１２】本発明の圧電型アクチュエータの一実施例を
示す斜視図である。

【図１３】本発明の圧電型アクチュエータの可動材を示
す斜視図である。

【図１４】本発明の圧電型アクチュエータの一実施例を
示す斜視図である。

【図１５】本発明の超音波アクチュエータの一実施例を
示す斜視図である。

【図１６】本発明の超音波アクチュエータの一実施例を
示す斜視図である。

【図１７】本発明の超音波アクチュエータの一実施例の
Ａ−Ａ’間の断面図である。

【図１８】本発明の超音波探触子の一実施例を示す斜視
図である。

【図１９】本発明の超音波探触子の同実施例のハウジン
グを取り除いた斜視図である。

【図２０】本発明の超音波探触子の連結部の一実施例を
示す斜視図である。

【図２１】本発明の超音波探触子の連結部の回動を示す
断面図である。

【図２２】本発明の超音波探触子の連結部の一実施例を
示す斜視図である。

【図２３】本発明の超音波探触子の連結部の回動を示す
断面図である。

【図２４】本発明の超音波探触子の連結部の一実施例を
示す斜視図である。

【図２５】本発明の超音波探触子の連結部の回動を示す
断面図である。

【図２６】本発明の超音波探触子の連結部の回動の詳細
を示す断面図である。

【図２７】本発明の超音波探触子の超音波ビームの走査
例を示す斜視図である。

【図２８】本発明の超音波探触子の超音波ビームの走査
変位を表す図である。

【図２９】本発明の超音波探触子の超音波ビームの走査
例を示す斜視図である。

【図３０】本発明の超音波探触子の超音波ビームの走査
変位を表す図である。

【図３１】本発明の超音波探触子の超音波ビームの走査
例を示す斜視図である。

【図３２】本発明の超音波探触子の超音波ビームの走査
変位を表す図である。

【符号の説明】

１圧電型アクチュエータ１０超音波探触子２Ｙ軸方向に変位するバイモルフ型アクチュ
エータ素子２０Ｘ軸方向に変位するバイモルフ型アクチュ
エータ素子２１軸材２２、２３バイモルフ型アクチュエータ素子２４絶縁スリーブ２５半田付け３、３０固定材３１穴部３２可動部３３Ｘ軸方向の溝３４Ｙ軸方向の溝３５出力端３６接着剤４、４０支持材４１Ｘ軸方向の長穴４２Ｙ軸方向の長穴４３、４４丸穴５ハウジング５１連結部５２音響窓５３、５４ジンバル機構の軸５５アクチュエータ出力端５６溝部５７板材５８摺動子５９永久磁石５００受け材５１０軸受け部６搖動部７超音波振動子７０、７１信号線７２送受信信号線７３、７４アクチュエータ駆動線７５樹脂のチューブ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年４月４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

【図１０】

【図１３】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図８】

【図１５】

【図２６】

【図９】

【図１１】

【図１２】

【図１４】

【図１６】

【図１７】

【図２０】

【図２１】

【図２２】

【図２３】

【図１８】

【図１９】

【図２４】

【図２５】

【図２７】

【図２８】

【図２９】

【図３０】

【図３１】

【図３２】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】独立に動作可能な自由端の変位の方向が
互いに直交方向である複数のバイモルフ型アクチュエー
タ素子と、前記自由端の変位が合成されて変位する可動部とを有す
ることを特徴とする圧電型アクチュエータ。
【請求項２】前記自由端の変位の方向が同一であるバ
イモルフ型アクチュエータ素子は、略平行に配列されて
なることを特徴とする請求項１に記載の圧電型アクチュ
エータ。
【請求項３】前記可動部は、前記複数のバイモルフ型
アクチュエータ素子に略平行に配置された軸材と、少なくとも前記独立に動作可能な自由端ごとに設けら
れ、かつ前記軸材の長軸方向に隔てて設けられた複数の
支持材とを有し、前記軸材が前記複数の支持材に設けられた穴部で支持さ
れていることを特徴とする請求項１項または請求項２に
記載の圧電型アクチュエータ。
【請求項４】前記可動部は、前記自由端の各々が嵌合
している溝部を有し、該溝部内において、前記自由端は、前記自由端の変位に
直交する方向にスライド可能であることを特徴とする請
求項１ないし請求項３のいずれかに記載の圧電型アクチ
ュエータ。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれかに記
載の圧電型アクチュエータを備え、直交する２方向に回動可能な回動部と、前記回動部に備えられた超音波振動子と、前記可動部の変位を前記回動部に伝達する連結部とを有
することを特徴とする超音波探触子。
【請求項６】前記連結部は、先端が球面状の接触子と
該接触子の先端が当接する受け材を有し、前記接触子と前記受け材が永久磁石による磁力で吸着さ
れていることを特徴とする請求項５に記載の超音波探触
子。