DE3618082A1

DE3618082A1 - Ultraschallwandlermesskopfanordnung

Info

Publication number: DE3618082A1
Application number: DE19863618082
Authority: DE
Inventors: Darwin P. Guilford Conn. Adams; James West Haven Conn. Dockendorff; Peter J. Durham Conn. Dutko; Arpad Northford Conn. Molnar; Phillipp J. Berlin Conn. Quedens
Original assignee: Picker International Inc
Current assignee: Philips Medical Systems Cleveland Inc
Priority date: 1985-06-03
Filing date: 1986-05-30
Publication date: 1986-12-04
Also published as: CA1276716C; JPS61280850A; US4773426A

Description

PICKER INTERNATIONAL INC., Ohio, VStA Ul traschallwandlermeßkopf anordnung

Die Erfindung betrifft Ultraschallwandlermeßkopfanordnungen zur Ultraschallabbildung und insbesondere Ultraschallwandlermeßkopfanordnungen für medizinische Ultraschalldiagnostik mit mechanischer Sektorabtastungsabbildung ·

\jJ Ultraschallabbildungssysteme werden seit langer Zeit für die medizinische Diagnostik benutzt. Derartige Systeme weisen einen Ultraschallwandler, Äbbildungselektronik und ein Bildschirmgerät auf. Die Abbildungselektronik betätigt den Wandler derart, daß er Ultraschallwellen erzeugt und Ultraschallenergie sich in den nahe beim Wandler angeordneten Körper des Patienten ausbreitet. Im Körper des Patienten verursacht diese einfallende Ultraschallenergie an Grenzflächen zwischen Körpergeweben mit unterschiedlichen akustischen Widerstandseigenschaften Echos. Einige dieser Echos werden zum Wandler hin zurückreflektiert, welcher sie in elektrische Ausgangssignale umformt. Die Abbil dungselektronik verarbeitet die elektrischen Ausgangssignale derart, daß auf dem Bildschirmgerät visuelle Bilder erzeugt werden, die den inneren Aufbau des

Patientenkörpers wiedergeben.

Einige Ultraschallsysteme sind imstande, eine sogenannte Echtzeit oder Real-Time-Abbildung zu liefern. Eine Art solcher Systeme verwendet eine ültraschallmeß- kopfanordnung, die einen bewegbar befestigten Ultraschallwandler innerhalb einer Kammer aufweist, die ein flüssiges Ultraschallankopplungsmittel oder Kontaktmittel enthält. In einem derartigen System ist der Wandler für eine Dreh-Schwenkbewegung um eine Achse herum befestigt, und ein Motor ist se vorgesehen, daß er den

Wandler um seine Achse eine Drehschwingung vor und zurück ausführen läßt, wobei hierzu ein Antriebselement oder eine Welle den Motor und den Wandler aneinanderkoppelt. Ein Umsetzer oder Encoder ist mit dem Motor gekoppelt, um die jeweilige augenblickliche Winkellage des Wandlers anzuzeigen. Die Abbildungsschaltung erfaßt sowohl die Ultraschallechos, die durch die Ausgangssignale dargestellt werden, als auch das Encodersignal, das die Wandlerlage darstellt, um ein Bild zu erzeugen, das in geeigneter Weise dem räumlichen Verteilungsmuster und den Eigenschaften der empfangenen Ultraschallechos entspricht. Die Abbildungsschaltung zieht dabei sowohl den Abstand zwischen dem Wandler und dem Ursprang der Echos in Betracht als auch die Winkellage des Wandlers, wobei beide Informationen die räumliche Zuordnung der Echos definieren.

Bereits bekannte Beispiele für Ultraschallabbildungssysteme mit mechanisch abtastenden Wandlern sind in den folgenden US-Patentschriften beschrieben: Patent Nr. 4 238 062, erlassen am 16. Dezember 1980, Taenzer; und Patent Nr. 3 886 490, Green.

In einem Beispiel, auf das hier bezug genommen werden soll, weist eine Ultraschallmeßkopfanordnung einen Schrittschaltmotor auf, der dazu benutzt wird, die Wandlerbewegung anzutreiben, wobei gleichzeitig Informationen bezüglich der Lage der Wandlerorientierung geliefert werden· Der Motor ist über einen Umsetzungs-Getriebekopf gekoppelt, der ein Kegelradgetriebe aufweist, welches ein weiteres Kegelradgetriebe antreibt, an welches der Wandler gekoppelt ist.

Eine weitere Meßkopfanordnung wird durch einen bürstenlosen Gleichstrommotor betrieben. Ein Drehtransformator ist mit dem Motor als Positionsfühler gekoppelt. Der Wandler wird über einen Kegelradgetriebesatz enge-

trieben, wobei ein Kegelradgetriebe auf der Motorwelle und das andere Kegelradgetriebe am Wandler befestigt sind.

üblicherweise sind der Ultraschallwandler und das Antriebskopplungsgefüge, wie die Kegelradgetriebeanordnung, innerhalb eines Meßkopfgehäuses in ein flüssiges Ultraschallkopplungsmittel eingetaucht. Dabei sind im wesentlichen zwei Lösungen vorgeschlagen worden, um eine Abdichtung des flüssigen Ankopplungsmittels innerhalb des Meßkopfes zu erzielen. Entsprechend einem Vorschlag ist das gesamte Meßkopfgehäuse abgedichtet, und das Innere des Gehäuses ist vollständig mit dem Ankopplungsmittel geflutet. Die Qualität dieser Abdichtung kann unter dieser Bedingung sehr gut sein, Jedoch müssen alle Teile innerhalb des Meßkopfgehäuses, einschließlich des Elektromotors, unter Tauchbadbedingungen arbeiten. Diese Forderung schränkt jedoch die Auswahl der Komponenten ein und beeinträchtigt in nachteiliger Weise die Zuverlässigkeit der Funktionsweise.

Entsprechend einem weiteren Vorschlag ist eine Dreh- oder Wellendichtung innerhalb des Gehäuses vorgesehen, die das Gehäuse in einen"nassen" Abschnitt und einen "trockenen" Abschnitt aufteilt. Der Wandler und die GetriebeLopplungsanordnung befinden sich innerhalb des nassen Abschnitts, während der Motor und die Encodervorrichtung innerhalb des trockenen Abschnitts angeordnet sind. Eine Antriebswelle erstreckt sich vom Motor durch die Dreh- oder Wellendichtung zur Getriebekopplungsanordnung. In dieser Vorrichtung ergaben sich jedoch Schwierigkeiten beim Herstellen einer vollständig flüssigkeitsundurchlässigen Dichtung. Ein geringfügiger Abgang von Flüssigkeit aus dem nassen Abschnitt war im wesentlichen unvermeidbar. Dieser Abgang oder Verlust kann jedoch unerwünschte Befeuchtung der Komponenten des elektrischen Motors und/oder Luftblasen bewirken, die sich

innerhalb des nassen Abschnitts im Ankopplungsmittel bilden. Das Vorhandensein derartiger Luftblasen steht jedoch einer sauberen übertragung und Erfassung der Ultraschallenergie entgegen, so daß es erforderlich ist, die Fluidkammer immer dann neu zu füllen, wenn derartige Luftblasen auftreten.

Überdies bietet keine der genannten Lösungen eine Abdichtung, die eine optimale Anpassung an Änderungen im Flüssigkeitsdruck im Bereich des Kopplungsmittels gewährleisten würde.

Darüber hinaus weisen Ultraschallwandlermeßkopfanordnungen elektrische Zuleitungen auf, die an den Ultraschallwandler angekoppelt sind und sich aus dem Wandlermeßkopfgehäuse heraus bis zur Abbildungsschaltung erstrecken, die außerhalb des Gehäuses angeordnet ist* Da jedoch der Wandler selbst,oszilliert, ist es stets notwendig, für eine Lockerung und Entlastung der Spannung in den elektrischen Leitungen zu sorgen, die auftreten würde , wenn die Zuleitungen straff gezogen wären.

Eine Losung zu dieser Spannungsentlastung beinhaltete eine Betriebsschleife in den elektrischen Zuleitungen in der Nähe des Wandlers. Vorausgesetzt, daß die Leitung in geeigneter Weise gebogen ist, wird hierdurch ein adäquater Belastungsschutz gewährleistet. Jedoch ist es bei der Anwendung dieser Lösung außerordentlich wichtig, daß die die Anordnung zusammenfügende Person die Leitung in geeigneter Weise gestaltet. Es kommt daher oft vor, daß eine unerfahrene oder schlecht ausgebildete Person die Form der Schleife in für eine adäquate Spannungsentlastung nicht geeigneter Weise formt. Darüber hinaus schwimmt die Betriebs- oder Serviceschleife in dem Ultraschallankopplungsmittel in der Umgebung der Getriebe anordnung frei und wird gelegent-

lieh in das Getriebe gezogen, so daß Fehlfunktionen auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte akustische Wandlermeßkopfanordnung zu schaffen, die eine wirksame und flexible flüssigkeitsundurchlässige innere Dichtung zur Isolation der nassen Kammer, in der der Wandler angeordnet ist, aufweist. Ferner soll durch die Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zur Spannungsentlastung der elektrischen Leitungen, die mit dem Wandler gekoppelt sind, angegeben werden.

Lösungsmerkmale für die erfindungsgemäße Aufgabe sind in den Ansprüchen 1, 11 und 13 angegeben. Die Nachteile der bekannten Anordnungen werden reduziert oder beseitigt, indem eine verbesserte Ultraschallanordnung mit mechanischer Wandlerabtastung angegeben wird, die ein im wesentlichen röhrenförmiges Gehäuse und einen Ultraschallwandler aufweist, der zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Darüber hinaus ist eir-e Antriebsvorrichtung vorgesehen, die eine Antriebswelle aufweist, welche sich innerhalb des Gehäuses in Längsrichtung erstreckt, ferner einen Motor, der die Antriebswelle in Schwingungen versetzt, und eine Vorrichtung, die die Welle an den Wandler ankoppelt. Ferner ist ein Membrandichtungsteil vorgesehen, das einen röhrenförmigen Bereich aus federndem Material aufweist, welches in einem ersten Bereich um den Umfang der Welle herum fest angebunden ist. Das federnde Material ist darüber hinaus an einem weiteren Bereich am Umfang des inneren Wandgefüges des röhrenförmigen Gehäuses befestigt.

Die Membrandichtung oder das Membrandichtungsteil bewirkt eiie i» wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige Dichtung zwischen zwei Abschnitten des Gehäuses, wobei

die Dichtung jedoch gleichzeitig dazu ausgelegt ist, sich der Übertragung einer beträchtlichen Schwingungsbewegung der Antriebswelle durch das Dichtungsteil anzupassen. Infolgedessen ist die erfindungsgemäße Abdichtung im Vergleich zu bekannten rotierbaren Dichtungsvorrichtungen vorzuziehen, in denen sich die Antriebswelle durch die Abdichtung erstreckt und bezüglich der Abdichtung dreht, wodurch ein Übertritt von Flüssigkeit zwischen den durch die Dichtung im Gehäuseinneren gebildeten Abschnitten ermöglicht ist.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Membranabdichtung in übereinandergerollter Weise teilweise über sich selbst zurückgerollt.

In dieser Gestaltung ist der Bereich, in welchem die Dichtung an dem Inneren der Gehäusewandung befestigt ist, zwischen dem Bereich gelegen, an dem das Dichtungsteil mit der Antriebswelle verbunden ist, und dem Bereich, bei dem das Dichtungsglied zurückgerollt oder um sich selbst herumgewickelt ist.

Diese übereinandergerollte Struktur des Dichtungsteils bildet einen ersten Bereich des Dichtungsteils, der im wesentlichen ein verlängertes Teil bildet mit einem Durchmesser, der nur geringfügig größer als der der Antriebswelle ist, und einen flanschartigen Bereich, der beträchtlich breiter als dieser verlängerte Bereich ist und sich nach außen bis zu der Innenwandung des Gehäuses erstreckt. Der erste oder verlängerte röhrenförmige Bereich erleichtert die Anpassung der Dichtung an die Antriebswellenrotation über einen beträchtlichen Winkelverschiebungsbereich, während hierbei die intakte Anbindurig und Befestigung des Dichtungsteils an der Antriebswelle aufrechterhalten wird, so daß !Leckverluste verhindert werden. Der weitere oder flanschartige Bereich der Dichtung gewährleistet die Anpassung der Dichtung an Volumenänderungen und/oder Druckdifferenzen zwischen den

jeweiligen Abschnitten, in welche das Dichtungsteil das Gehäuse einteilt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Bereiche, in denen das röhrenförmige Abdichtungsteil jeweils befestigt ist, jeweils in unmittelbarer Nähe an entsprechenden entgegengesetzten Enden des Abdichtungsteils vorgesehen.

Ferner ist vorgesehen, die Drehschwingungsbewegung des Motors um die Achse der Antriebswelle aus einer vorbestimmten Winkellage heraus auf ± 42° zu begrenzen. Das in der oben beschriebenen Weise ausgebildete Dichtungsteil kann sich ohne Schwierigkeiten und leicht an Drehwellenbewegungen dieser Größenordnung anpassen, wobei die Befestigung der Dichtung nicht beeinträchtigt wird und eine vollständig und dicht angebrachte Dichtung sich zwischen dem Außenumfang der Antriebswelle und dem inneren Umfang des Meßkopfgehäuses erstreckt.

Vorzugsweise weist die Dichtung eine röhrenförmige Membran aus dehnbarem Material wie beispielsweise einem Kautschuk enthaltenden Material auf.

Entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung weist der Me.Ckopf eine Vorrichtung auf, an der der Ultraschallwandler für eine Drehbewegung um eine Achse befestigt ist, die sich im wesentlichen senkrecht zur Achse des Gehäuses erstreckt. Diese Vorrichtung zur Befestigung des Wandlers weist einen Satz von Kegelradgetrieben auf, die eine Drehbewegung des Wandlers um diese senkrechte Achse infolge der axialen Drehschwingungsbewegung der Antriebswelle bewirkt.

Ferner kann ein optischer Umsetzer oder Encoder vorgesehen werden, der mit dem Motor gekoppelt ist, um die augenblickliche jeweilige Winkellage der Antriebswelle

BAD

und damit auch des Wandlers anzuzeigen.

Vorzugsweise bildet das Meßkopfgehäuse in Zusammenwirkung mit der Membrandichtung eine dichte Vorkammer innerhalb der Gehäuseanordnung, wobei diese Vorkammer den Ultraschallwandler und die Vorrichtung zur Ankopplung des Wandlers enthält.

In dieser Vorkammer ist zweckmäßigerweise ein flüssiges ültraschallankopplungsmittel enthalten.

Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel weist das Meßkopfgehäuse einen ersten im wesentlichen zylindrischen starren Bereich und einen zweiten im wesentlichen zylindrischen Bereich mit einem abgerundeten Ende auf/ welches einen Bereich aus einem Material aufweist, das für den Durchtritt von Ultraschallenergie geeignet ist, um die Ankopplung des bewegbaren Ultraschallwandlers über das Gehäuse an die Oberfläche des Objektkörpers zu fördern.

Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Wandler an eine elektrische Leitung angekoppelt, die sich aus dem Gehäuse heraus erstreckt, um die Ankopplung des Wandlers an die Abbildungsschaltung zu ermöglichen. Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, um eine Spannungsentlastung in dieser Zuleitung herbeizuführen, so daß die Zuleitung der Wandlerschwingungsbewegung standhält. Hierzu ist eine im wesentlichen zylindrische Spule oder Rolle innerhalb des Gehäuses befestigt. Die Spule weist eine spiralförmige Rille oder ein Gewinde auf, das sich über die Außenfläche der Spule erstreckt, wobei die elektrische Zuleitung innerhalb dieser Rille um die Spule herumgewunden ist.

Die Spule ist ferner fest mit dem Wandler gekoppelt angebracht, so daß sie eine mit der Wandlerbewegung gekoppelte Bewegung ausführt. Bewegt sich die Spule, so

Ib

zieht sich die elektrische Zuleitung alternierend um die Spule zusammen und lockert sich wieder.

Entsprechend diesen Merkmalen ist eine Vorrichtung geschaffen, die eine Spannungsentlastung in der Zuleitung aufrechterhält, während die Zuleitung im wesentlichen in einem eingeschränkten Bereich verbleibt, so daß verhindert ist, daß irgendwelche losen Bereiche der Zuleitung vom Getriebemechanismus erfaßt werden, der die Antriebswelle mit dem Wandler verbindet.

\ Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

F I G . 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung, die die vorliegende Erfindung enthält,

F I G . 2 eine seitliche Aufrißansicht, teilweise im Querschnitt dargestellt, die eine allgemeine Übersieht über Komponenten eines Bereichs der in FIG. 1 gezeigten Anordnung darstellt,

F I G . 3 eine seitliche Aufrißansicht, teilweise im Querschnitt dargestellt, die den in FIG. 2 geneigten Bereich der Anordnung detailliert darstellt und

F I G . 4 eine detaillierte Querschnittsansicht eines Bereichs der Anordnung aus FIG. 3 entlang einem Ausschnitt A-A'.
30

Das Blockschaltbild in FIG. 1 stellt eine Ultraschallabbildungsanordnung S mit mechanischer Sektorabtastung dar, welche die vorliegende Erfindung enthält. Die gezeigte Anordnung weist eine Ultraschallmeßsonde 5 oder auch Ultraschallmeßkopf 10, eine Impuls-Empfangsschaltung 12, eine Abbildungsschaltung 14 und ein Bildschirmgerät 16 auf. Die Anordnung S sendet Ultraschallenergie in ein (nicht dargestelltes) Objekt. Die Anordnung spricht auf in diesem Objekt erzeugte Ultraschallechos an, um ein Sektorbild oder eine Sektordarstellung 26 zu erzeugen, welches den Eigenschaften und der Verteilung der empfangenen Ultraschallechos entspricht und den inneren Aufbau und/oder den Zustand des Objektkörpers anzeigt.

Der Meßkopf 10 enthält einen Ultraschallwandler, der insgesamt mit der Bezugszahl 18 angedeutet ist, einen Motor 20, um den Wandler mechanisch in Schwingungen zu versetzen, und einen Umsetzer oder auch Encoder 22, der im wesentlichen sofort die Azimutorientierung oder seitliche Winkelorientierung des Wandlers anzeigt.

Die Impulsempfangsschaltung 12 führt elektrische Impulssignale über eine Leitung 81 (FIG. 1 und 3) dem Wandler 18 zu, wodurch der Wandler dazu veranlaßt wird, Ultraschallenergie in den Objektkörper abzugeben. Wenn Ultraschallechos an Gewebegrenzflächen innerhalb des Objektkörpers auftreten, so breiten sich einige dieser Echos so aus, daß sie den Wandler wieder erreichen. Ansprechend auf diese Echosignale erzeugt der Wandler elektrische Ausgangssignale, die über die Leitung 81 von der Impulsempfangsschaltung erfaßt werden.

Die Impulsempfangsschaltung 12 überträgt die das Echo anzeigenden Wandlerausgangssignale zur AbMldungsschaltung 1^. Diese Abbildungsschaltung 14 empfängt

BAD ORIGin_al

/τ

ebenfalls ein Signal über eine Leitung 24 vom Encoder 22, das in wesentlichen die augenblickliche Orientierung des Wandlers anzeigt.

Die Abbildungsschaltung 14 verarbeitet die erfaßten, das Echo anzeigenden Signale und das Orientierungssignal vom Encoder, um auf dem Bildschirmgerät 16, welches eine CRT-Darstellumgsausrüstung aufweist, ein Sektorbild 26 zu erzeugen, das den entsprechenden inneren Objektkörperaufbau beschreibt.

Die FIG. 2 zeigt einen mechanischen In-line-Sektorabtastungskopf, der die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist. Dieser Meßkopf weist ein Gehäuse auf, welches einen ersten Bereich 30 aufweist, der im wesentlichen aus einem starren Material besteht, wie beispielsweise widerstandsfähigem Kunststoff, und der zylindrisch geformt ist und, wie in der FIG. 2 dargestellt, auf der linken Seite geschlossen ist. Das Gehäuse weist außerdem einen Schallfensterbereich 32 auf, der im wesentlichen eine halbkugelförmige Form aufweist, die zur rechten Seite in der FIG. 2 hin ausgebaucht ist. Dieser zweite Schallfensterbereich 32 ist aus einem Material hergestellt, welches den Durchgang von Ultraschallenergie zwischen dem Wandler und dem Gehäuseäußeren begünstigt. Im Betrieb wird der Bereich 32 des Gehäuses gegen den Objektkörper gehalten, um Ultraschallenergie vom Meßkopf in bezug auf den Körper anzukoppeln.

Das Innere des Prüf- oder Meßkopfs 10 ist in der Umgebung des Wandlers 18, wie durch die Bezugszahl 34 angedeutet, mit einem flüssigen akustischen Ankopplungsmaterial oder auch Kontaktmittel gefüllt.

Der Motor 20 weist einen bürstenlosen Gleichstrommotor geringer Trägheit auf. Der Motor 20 wird durch

eine (nicht dargestellte) Servoleistungsschaltung bekannter Art in einer Betriebsart mit begrenztem Drehwinkel betrieben. Dabei ist die WinkelverSchiebung des Motors auf angenähert ± bezüglich einer vorbestimmten Mittellage festgelegt.

Der Umsetzer oder Encoder 22 ist ein optischer Umsetzer, der über eine Welle 36 starr mit dem Motor gekoppelt ist. Es handelt sich um einen 3-Kanalencoder, der vorzugsweise zwei Datenkanäle mit 512 Zyklen oder Schleifendurchläufen pro Kanal und einen Indexkanal aufweist·

Der Wandler 18 ist für eine Drehbewegung um eine Achse 38, die sich bezüglich der Papierebene in FIG. nach oben und unten erstreckt, drehbar gehaltert. Hierzu ist der Wandler 18 auf einer Drehwelle 40 befestigt, die für eine axiale Bewegung um die Achse 38, die im wesentlichen senkrecht zur Achse des Gehäusebereichs verläuft, in Lagern 42, 44 gelagert ist.

Der Wandler wird durch eine Vorrichtung, die eine Antriebswelle 46 des Motors 20 einschließt, angetrieben, und ist mit dieser Antriebswelle über ein Paar von Kegelradgetrieben oder Kegelradvorgelegen 48, 50 gekoppelt. Das Kegelradgetriebe oder kurz Kegelrad 48 ist axial auf der Antriebswelle 46 befestigt, und das Kegelrad 50 ist auf der Wandlerdrehwelle 40 befestigt. Das Getriebeverhältnis zwischen den Getrieberädern 48, 50 ist angenähert 1:1,33.

FIG. 3 zeigt eine detaillierte Ansicht des erfindungsgemäßen, in FIG. 2 dargestellten, Meßkopfes. Die Meßkopfanordnung zeigt das Gehäuse mit dem ersten zylindrischen Bereich 30 und dem zweiten abgerundeten Schallfensterbereich 32, die zuvor in Verbindung mit der FIG. 2 schon beschrieben wurden. Der Motor 20 ist

über die Welle 36 mit dem optischen Encoder 22 gekoppelt, der eine Scheibe 22a und eine optische Leseanordnung 23 aufweist. Vom Encoder 22 wird ein über die Leitung 24 geführtes Ausgangssignal erzeugt, das im wesentlichen die augenblickliche Drehlage des Motors 20 anzeigt, wobei dieses Signal, wie bereits in Verbindung mit FIG. 1 erläutert wurde, der Abbildungsschaltung 14 zugeführt wird. Ein Abschlußbereich 31 schließt die Welle 36 ein und schließt die linke Seite des Gehäusebereichs 30 ab.

Die Gehäusebereiche 30 und 31 sind über drei (nicht dargestellte) Schrauben in einem Bereich 31a so verbunden, daß bei der Wartung eine einfache Trennung dieser Bereiche möglich ist. Alternativ zu dieser Lösung kann auch eine Ankopplung dieser Bereiche über ein Drehgewinde benutzt werden.

Das Schallfenster ist über ineinandergreifende Gewindegänge 33 mit dem Gehäusebereich 30 verbunden. Alternativ hierzu kann jedoch auch eine Schraubzwingenanorinung benutzt werden.

Der Wandler 18 ist über ein Koppelelement 19 starr mit der Drehwelle 40 verbunden, welche die vertikale AchLö 38 aufweist, die, wie in FIG. 3 dargestellt ist, im wesentlichen senkrecht zur Gehäuseachse verläuft. Die Drehwelle 40 ist über die Lager 42, 44 zur Drehung um ihre eigene Achse gelagert.

Die Antriebswelle 46 erstreckt sich vom Motor bis in die Nähe der Drehwelle 40 und ist bezüglich des Gehäusebereichs 30 angenähert koaxial ausgebildet. In der FIG. 3 ist dargestellt, wie die Getrieberäder 48, auf den Wellen 40, 46 befestigt sind, um die Drehung der Welle 40 und des Wandlers 18 infolge der axialen Drehung der durch den Motor 20 angetriebenen Antriebs-

welle zu bewirken.

Der Motor 20 wird durch eine nichtdargestellte Servoschaltung derart betrieben, daß die Welle 46 aus einer mittleren vorbestimmten Lage heraus in beiden Richtungen eine Winkelverschiebung von 42° erfährt.

Der Meßkopf weist ferner ein Diaphragma- oder Membrandichtungsteil 64 auf, um das Innere des Gehäuses 30 und des Schallfensters 32 in einen vorderen Naßkammerbereich 34, der das akustische Ankopplungsmittel enthält, und eine Trockenkammer 65, in der sich der Motor befindet, zu teilen. Das Dichtungsteil 64 muß imstande sein, sich an die durch diese Bereiche hindurchtretende Motorantriebswelle 46 anzupassen und den Übergangsbereich der Welle vom nassen in den trockenen Bereich so aufzunehmen, daß eine wirksame Flüssigkeitsdichtung gebildet wird, die der außerordentlich beträchtlichen Drehschwingung der Antriebswelle 46 standhält. Ferner muß die Dichtung so ausgelegt sein, daß sie Kontraktion und Expansion der Haß- oder Vorkammer infolge von änderungen der Flüssigkeitstemperatur des akustischen Ankopplungsmittels innerhalb der Vorkammer ermöglicht.

Das Membrandichtungsteil 64, das in FIG. 3 im Querschnitt dargestellt ist, weist einen röhrenförmigen Bereich aus elastischem Membranmaterial auf, vorzugsweise aus E-RTV Siliconkautschuk, hergestellt von Dow-Corning. Das Dichtungsteil 64 weist ein relativ schmales Ende 66 auf und baucht sich in seiner Länge bis zu einem relativ weiten Ende 70 aus. In einem Bereich 68 in der Nähe seines schmaleren Endes ist das Dichtungsteil 64 mittels eines 732 RTV-Dichtungsmittels, hergestellt von Dow-Corning, und mit einem O-Ring 69 am äußeren Umfang der Antriebswelle 46 befestigt bzw. verleimt oder verklebt. Nahe des äußerer, oder

weiteren Endes 70 ist das Dichtungsteil 64 über eine Klemmverbindung 71 in einem Bereich 72 am Umfang der Innenwand des Gehäusebereichs 30 befestigt. Auf diese Weise bildet das Dichtungsteil 64 eine biegsame jedoch im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige Dichtung zwischen der vorderen Kammer 34 und der trockenen Kammer 65·

Alternativ hierzu kann das Gehäuse 30 im Bereich 72 aufgeteilt sein, wobei das Dichtungsteil zwischen die geteilten Bereiche geführt wird und das Gehäuse beispielsweise durch eine Schraubverbindung wieder abgedichtet wird, so daß die äußeren Enden des Dichtungsteils an dieser Stelle festgeklemmt sind.

Das Membrandichtungsteil 64 oder auch die Membrandichtung 64 weist in der Umgebung seines schmaleren Endes 66, wie in der FIG. 3 dargestellt ist, über einen wesentlichen Teil seiner Länge einen relativ konstanten Durchmesser auf, der nur geringfügig größer als der Durchmesser der Antriebswelle 46 ist. Dieser röhrenförmige Dichtungsbereich mit relativ konstantem Durchmesser liefert die erforderliche Biegsamkeit und Dehnbarkeit, um eine im wesentlichen schwingende Drehbewegung der Antriebswelle 46 um ihre Achse zu erleichtern, ohne daß hierbei übermäßige Kräfte auftreten, die dazu neigen wurden, den fest angebundenen Bereich 68 von der Antriebswelle 46 abzutrennen.

Darüber hinaus begünstigt die röhrenförmige Form der Abdichtung, daß die Abdichtung infolge der Antriebswellendrehbewegung sich nach vorn und hinten zusammendreht, ohne daß sich das Dichtungsmaterial verzieht oder knickt. Versuche haben gezeigt, daß bei Vermeidung von Verknicken oder Verziehen des Dichtungsmate rial, ε während der Bewegung eine Dichtung über 100 Millionen Drehzyklen aushält, ohne daß sie

BAD OR|qim_al

schadhafte Stellen oder eine signifikane Abnutzung zeigt.

Ein Knicken oder Verziehen des Materials würde die Dichtungsabnutzung erheblich beschleunigen, weil im Knickbereich Spannungskonzentrationen im Dichtungsmaterial auftreten wurden und die Dichtung infolgedessen über sich selbst und über die Antriebswelle gerieben würde.
10

Ferner würde ein Knicken und Verziehen ebenfalls beträchtliche Änderungen im Drehmoment bewirken, welches zur Drehschwingung der Welle um ihre Achse erforderlich ist.

Die in FIG. 3 im Querschnitt dargestellte Dichtung 64 weist eine übereinandergerollte Form auf. Dabei ist das Dichtungsteil in einem gekrümmten Bereich 74 über sich selbst zurückgerollt. Der befestigte Bereich 72 in der Nähe des weiteren Dichtungsendes 70 ist, bezüglich des Gehäuses in Längsrichtung gesehen, zwischen dem zurückgerollten Bereich 74 und dem fest angebundenen und geklebten Bereich 68 gelegen, der sich in der Umgebung des schmaleren Endes der Dichtung befindet.

Dieser zurückgerollte Aufbau definiert einen flanschartigen Bereich 76 der Dichtung 64, der sich im wesentlichen aus der Nähe des Außenumfangs der Antriebswelle 46 bis zur Innenwandung des Gehäusebereichs 30 erstreckt. Dieser flanschartige Bereich wirkt für die nötige Expansion und Kontraktion des Vorkammervolumens in Übereinstimmung mit Änderungen der Flüssigkeitstemperatur in der Vorkammer.

Infolgedessen bietet die besondere Form des Dichtungsteils 64 sowohl eine Erleichterung der Drehbewegung

der sich durch die Dichtung erstreckenden Antriebswelle 46 als auch eine Anpassung an sich ändernde Flüssigkeitstemperaturen innerhalb der Vorkammer, wobei in jedem Falle ein Auftreten von Spannungen vermieden ist, welche dazu ausreichen wurden, die Bereiche 68 und 72 aus ihren Befestigungen und von den Bereichen, an die sie angrenzen, zu lösen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Art und Weise, wie die leitende elektrische Verbindung mit dem Wandler 18 hergestellt ist. Wie in der FIG. 3 gezeigt ist, ist eine Leitung 81 an den Wandler 18 angeschlossen. Die Leitung 81 besteht vorzugsweise aus einem Koaxialkabel und überträgt Impulssignale zum Wandler 18, um diesen dazu zu veranlassen, Ultraschallenergie in das Objekt zu übertragen. Darüber hinaus führt die Leitung 81 Ausgangssignale vom Wandler, die den erfaßten, den Schallwandler erreichenden Ultraschallechos entsprechen, wobei die Leitung 81, wie in der FIG. 1 angezeigt ist, diese Ausgangssignale zurück zur Impulsempfangsschaltung 12 führt.

Es ist eine Anordnung vorgesehen, um den Bereich der Leitung oder des Kabels 81 innerhalb eines definierten Ber-ichs der Vorkammer zuverlässig und positiv an einer relativ festen Stelle und Position zu halten, wobei jedoch hierbei dafür gesorgt ist, daß eine Kabelspannungsentlastung in Form eines Spielraums gewährleistet ist, um bei der Drehschwingbewegung des Wandlers eine Übertragung von übermäßigen Spannungen auf das Kabel zu vermeiden.

Diese Spannungsentlastungsvorrichtung weist eine Spule oder eine Rolle 83 auf, die fest und koaxial bezüglich der Drehwelle 40 angebracht ist und sich daher gleichförmig mit den Wandlerschwingunger. bewegt.

Die Spule 83 ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial mit geringem Reibungskoeffizienten hergestellt, wie es beispielsweise unter dem Warenzeichen Delrin geführt wird. Die äußere Fläche der Spule ist mit einem im wesentlichen spiralförmigen Gewinde oder einer Rille 85 ausgebildet. Diese spiralförmige Rille 85 zeigt, wenn sie wie in FIG. 3 im Querschnitt betrachtet wird, einen abgerundeten Boden auf.

Bei Benutzung des Meßkopfes ist das Koaxialkabel 81 über drei Wicklungen über die Spule 83 innerhalb der Rille 85 gewunden und zwar über einen Kabelbereich zwischen einer Austrittsstelle 87 aus dem Gehäusebereich 32 und einer Ankopplungsstelle 67 des Kabels an den Wandler 18.

Dabei ist das Kabel so gewunden, daß bei Drehung der Spule um + 65° aus ihrer Mittel- oder Ruhelage heraus das Kabel gerade gestrafft ist. Infolgedessen ist gewährleistet, daß das Kabel während der normalen Spulendrehung gelockert bleibt. Die Rillen in der Spule dienen dazu, die Kabelwicklungen zu trennen. Infolgedessen sind ein Reiben der einzelnen Kabelwicklungen aufeinander und vorzeitige Kabelverluste und Fehler vermieden.

Wird der Wandler infolge der axialen Drehbewegung der Drehwelle 40 in Drehschwingung versetzt, so rotiert die Spule 83 gleichförmig mit dieser Drehschwingung. Infolgedessen zieht sich das gewundene Kabel 81 in der in der Spule vorgesehenen Rille 83 alternierend zusammen und lockert sich wieder. Durch diese mit Rillen versehene Spule 83 als Spannungsentlas tungsvorri chtung wird das Kabel im wesentlichen innerhalb der Kammer 34 in einer Stellung gehalten, die zeitlich nicht variiert, wobei gleichseitig gewährleistet ist, daß sich das Kabel alternierend lockert

und festzieht, so daß Spannungen auf das Kabel und die Ankopplung des Kabels an den Wandler 18 vermieden sind.

Ein in den FIG. 3 und 4 dargestellter Stoppstift 90 erstreckt sich diametral durch die Welle 36. Durch diesen Stoppstift werden der Wandler, die Spule, das Koaxialkabel, die Getrieberadanordnung und die Membrandichtung 64 bei einem Ausfall des Servoantriebs vom Motor 20 vor Zerstörung und Beschädigung bewahrt, die bei einer Überdrehung und übermäßigen abrupten Bewegung auftreten könnten.

Zwei überschiebmuffen 92, 94 sind jeweils über entgegengesetzte Enden des Stiftes 90 gelegt. Die Form 96 des Gehäuseendabdeckungsbereichs 31 bildet jeweils Stoppstellen für den Stift bei einem Winkel von ± 42° der Wellenrotation, um eine Überdrehung zu verhindern.

Der gesamte Prüfkopf ist ausgenommen des Schallfensters und einer Kabelöffnung 97 am dem Fenster gegenüberliegenden Ende in einer Kunststoffschutzhülle oder Röhre 98 (FIG. 3) eingeschlossen. Die Röhre 98 sorgt für eine zusätzliche Isolation und verbessert das äußere Erscheinungsbild des Geräts.

Das Kabel 81 erstreckt sich unterhalb der Röhre 98 entlang der Länge des Probengehäuses bis zur Öffnung 97, bei der es gemeinsam mit der Leitung 24 vom Encoder 22 aus dem Meßkopf herausgeführt ist.

Die Erfindung wurde an Hand der Ausführungsbeispiele erläutert, jedoch nicht erschöpfend beschrieben. Es sind daher zahlreiche Abänderungen, Hinzufügungen und Variationen der gezeigten Ausführungsbeispiele denkbar, ohne von der Erfindungsidee abzuweichen oder den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Ja/Gu

Claims

Pctienicmwäite

Reichel u. Reiche!

Parkstraße 13

6000 Frankfurt a M. 1 3618082

PICKER INTERNATIONAL INC., Ohio, VStA

Patentansprüche

1· Ultraschallmeßkopfanordnung mit einem im wesentlichen röhrenförmigen Gehäuse, welches ein Wandgefüge bildet, einem Ultraschallwandler, der zumindest teilweise innerhalb dieses Gehäuses angeordnet ist, einer Antriebswelle, die sich innerhalb des Gehäuses in dessen Längsrichtung erstreckt und mit diesem Wandler derart gekoppelt ist, daß infolge der Bewegung der Antriebswelle eine schwingende Bewegung des Wandlers bewirkt wird, einer Antriebsvorrichtung, die so angekoppelt ist, daß sie die Bewegung der Antriebswelle verursacht, und einer Dichtung, die zwischen dieser Antriebswelle und dem Wandgefüge des Gehäuses angeordnet ist und das Gehäuse in einen vorderen Abschnitt, der den Wandler enthält, und einen hinteren Abschnitt teilt, wobei der vordere Abschnitt dazu ausgelegt ist, eine Ultraschallankopplungs substanz aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung (20) eine Drehschwingungsbewegung der Antriebswelle (46) bewirkt und daß die Dichtung (64) eine röhrenförmige Membrandichtung aus federndem Material aufweist, welche in einem ersten Bereich (68/ an der Antriebswelle (46) befestigt ist und zusätzlich in einem zweiten Bereich (72) an dem Wandgefüge des Gehäuses (30, 32) befestigt ist, um eine im wesentlichen flüssigkeitsundurchlässige und flexible Dichtung zwischen diesen Abschnitten (34, 35) des Gehäuses (30, 32) herzustellen.
2. Anordnung nach Anspruch 1»
dadurch gekennzeichnet, daß die Membrandichtung (64) zumindest teilweise in einem vorbestimmten Bereich (74) in übereinandergerouter Weise über sich selbst zurückgerollt ist, wobei dieser zweite Bereich (72), in Längsrichtung bezüglich des Gehäuses (30, 32) gesehen, zwischen dem zurückgerollten Bereich (74) der Dichtung (64) und diesem ersten Bereich (68) angeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Membrandichtung (64) einen ersten, nahe diesem ersten Bereich (68) gelegenen Teilbereich aufweist, der über seine Länge einen relativ gleichmäßigen Durchmesser aufweist, und einen zweiten flanschartigen Teilbereich (76), der an den ersten Teilbereich angrenzt und sich unmittelbar bis zu diesem zweiten Bereich (72) erstreckt, wobei dieser flanschartige Teilbereich (76) einen Hauptdurchmesser aufweist, der beträchtlich größer als der des ersten Teilbereiches ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Bereich (68, 72) jeweils unmittelbar an sich gegenüberliegenden entsprechenden Endbereichen (66, 70) der Membrandichtung liegen..
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung (20) auf die Antriebswelle (46) eine Drehschwingungsbewegung von angenähert ± 42° aus einer vorbestimmten Winkellage heraus überträgt.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Material ein dehnbares Material ist.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Vorrichtung (40, 42, 44) vorgesehen ist, auf der der Ultraschallwandler (18) für eine Drehbewegung um eine Achse angebracht ist, die im wesentlichen senkrecht zu einer Achse des röhrenförmigen Gehäuses (30, 32) verläuft, und daß die Drehwelle (46) dieser Vorrichtung über einen Satz von Kegelradgetrieben (48, 50) derart mit dem Wandler (18) gekoppelt ist, daß eine Schwingungsbewegung des Wandlers (18) um diese senkrechte Achse infolge der Drehschwingungsbewegung der Antriebswelle (46) bewirkt wird.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrandichtung (64) Silikonkautschuk aufweist.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein optischer Umsetzer (22) vorgesehen ist, der die Winkelposition der Antriebswelle (46) anzeigt.
10. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Membrandichtung (64) ein relativ schmales Ende (66) aufweist und sich über ihre Länge bis zu einem relativ weiten gegenüberliegenden Ende (70) hin ausbaucht, wobei der erste Bereich (68) unmittelbar in der Nähe des schmalen Endes (66) liegt und der zweite Bereich (72) unmittelbar am weiten Ende (70) liegt.
11. Gerät zur Aufteilung des Inneren eines Gehäuses in zwei Abschnitte, die durch eine flüssigkeitsundurchlässige Dichtung voneinander getrennt sind, wobei gleichzeitig für eine Übertragung einer Drehbewegung zwischen den beiden Bereichen durch die Dichtung hindurch über ein Antriebsglied gesorgt ist, welches sich zwischen diesen beiden Abschnitten erstreckt, gekennzeichnet durch ein röhrenförmiges Dichtungsglied (64) aus einem federnden Membranmaterial mit einem ersten Ende (66) und einem weiteren zweiten Ende (70), wobei ein Bereich (68) dieser Membran, der unmittelbar am ersten Ende (66) gelegen ist, um das Antriebsglied (46) herum befestigt ist und wobei ein Bereich (72) dieser Membran, der unmittelbar am zweiten weiteren Ende (70) liegt, am Gehäuse (30, 32) befestigt ist, wobei die Membran ferner einen verlängerten Bereich unmittelbar am ersten Ende aufweist, der einen nur geringfügig größeren Durchmesser als das Antriebsglied aufweist, und sich in einem Bereich (74), der unmittelbar am zweiten weiteren Ende (70) liegt, abrupt in einen relativ weiten flanschartigen Bereich (76) ausweitet.
12. Gerät nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß der flanschartige Bereich (76) der Membran bezüglich dem übrigen Teil dieser Membran in übereinandergerollter Weise zurückgerollt ist.
13. Ultraschallmeßkopf anordnung mit einem Gehäuse, einem Ultraschallwandler, der innerhalb des Gehäuses bewegbar angebracht ist, und einer elektrischen Zuleitung, die an den Wandler angekoppelt ist und sich bis zu einer Stelle außerhalb des Gehäuses erstreckt, um die Ankopplung des Wandlers an eine externe Schaltung zu ermöglichen,

dadurch gekennzeichnet, daß diese elektrische Zuleitung (81) um eine im wesentlichen zylindrische Spule (83) herum angeordnet ist, die innerhalb des Gehäuses (30, 32) nahe beim Wandler (18) befestigt ist.
14. Anordnung nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Zuleitung (81) ein Koaxialkabel ist.
15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (83) aus Kunststoffmaterial besteht.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13» 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (83) eine im wesentlichen spiralförmige Rille (85) über ihrer Außenfläche aufweist und daß die elektrische Zuleitung (81) in dieser Rille (85) um die Spule (83) herumgeführt ist.
17. Anordnung nach Anspruch 16,

dadurch gekennzeichnet, daß die Rille (85) einen im wesentlichen abgerundeten Boden aufweist.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Vorrichtung (40, 42, 44) vorgesehen ist, auf der der Wandler (18) und diese Spule (83) so befestigt sind, daß sie eine gekoppelte Drehbewegung ausführen, und daß die elektrische Zuleitung (81) locker um diese Spule (83) herumgeführt ist, um eine Spannungsentlastung in der Leitung (81) zu fördern.

19· Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30, 32) eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist und daß die Vorrichtung (40, 42, 44) den Wandler (18) und die Spule (83) so anordnet, daß Spule und Wandler eine Drehbewegung um eine Achse ausführen, die im wesentlichen senkrecht zur Achse des Gehäuses (30, 32) verläuft.