JP2009195305A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

【課題】 探触子本体の十分な短軸方向の移動ストロークを確保するため、無端ベルトからなる移動機構により、探触子本体を短軸方向に密閉容器の内側壁ぎりぎりまで往復動させる。
【解決手段】 本発明の超音波探触子は、短冊形状の複数の圧電素子を前記圧電素子の幅方向となる長軸方向に並べた平坦状の圧電素子群からなる探触子本体１を形成して容器本体３に収容し、カバーを被せて密閉し、前記探触子本体１を前記圧電素子の長さ方向となる短軸方向に機械的に直線的に走査するため、前記探触子本体１を駆動源（モータ）２０により短軸方向に直線的に無端ベルト２８により一対のリニアガイド３１により案内して往復動させて機械的に走査することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子群を短軸方向に機械的に走査する超音波探触子（以下、“短軸機械走査探触子”とする）に関し、特に圧電素子群を短軸方向に直線的に往復動させる短軸機械走査探触子に関する。

短軸機械走査探触子は、例えば圧電素子群（探触子本体）をその長軸方向に電子走査し、かつ、短軸方向に機械的に走査して立体画像を得るようになっている〔特公平７−３８８５１号公報（特許文献１）、特開２００３−１７５０３３号公報（特許文献２）、特開２００６−３４６１２５号公報（特許文献３）など参照〕。

このような探触子では、例えば圧電素子を縦横に配列して二次元方向に電子走査するマトリクス型等に比較し、例えば配線（結線）及び走査回路を簡易にできるので、実用化されている。

しかしながら、従来の短軸機械走査探触子では、圧電素子群を短軸方向に円弧状に電子リニア走査するので、密閉容器の超音波の送受波面もこれに倣って短軸方向に円弧状の凸部となる。また、この従来例では、圧電素子群が長軸方向にコンベックス（凸曲面状）となっているので、密閉容器の長軸方向もこれに倣って凸状となる。したがって、超音波の送受波面が短軸方向及び長軸方向ともに凸状となり全体的に凸状（山状）となる。

このことから、例えば生体（特に女性）の乳腺を探触子で診断する際、その送受波面の全面を***（凸部、山部）に当接することが困難になる問題点があった。なお、送受波面の全面が***に当接しない場合は、超音波の減衰を生じて正常な生体の診断画像を得られなくなる。

また、従来の短軸機械走査探触子は、短軸方向（圧電素子の長さ方向）に円弧状に生体を走査するので、生体深部になればなるほど、方位分解能が粗くなる問題点もあった。

そこで、例えば、***のような生体の突出部に当接し易く、かつ、方位分解能を良好とした短軸機械走査探触子が、本願の発明者（長谷川恭伸）により提案されている〔特願２００６−２３６１１１（未公開、特許文献４）〕。

この提案されている短軸機械走査探触子は、図９（ａ），（ｂ）に示すように、短冊形状の複数の圧電素子１０２ａを前記圧電素子１０２ａの幅方向となる長軸方向に並べて平坦状の圧電素子群１０２を形成し、前記圧電素子群１０２を超音波媒質として機能する液体Ｌが充填された密閉容器１０３内に収容し、前記圧電素子群１０２を前記圧電素子１０２ａの長さ方向となる短軸方向に機械的に走査する構成になっている。

このような構成によれば、圧電素子群１０２が短軸方向に円弧状に回転・揺動するのではなく、短軸方向に直線的に移動（往復動）する。したがって、密閉容器１０３の送受波面を、従来例のように凸状とすることなく、平坦面にできる。これにより、生体、例えば***に対して、密閉容器１０３の送受波面を全面的に当接し易くできる。

そして、圧電素子群１０２が、短軸方向に直線的に移動（往復動）するので、送受波面からの超音波が被検部に対して平行に放射される。したがって、生体の深部においても超音波の間隔は一定となり、方位分解能を良好にできるとともに圧電素子群の移動速度を高められる。

また、この探触子では、図９（ａ），（ｂ）に示すように、前記圧電素子群１０２が基台１０５及びバッキング材１０５ａを介して可動台１１０上に設けられ、また、圧電素子群１０２の表面には、音響整合層１０６ａを介して音響レンズ１０６が設けられて、探触子本体１０１が形成されている。

さらに前記長軸方向となる前記可動台１１０の両端側には、一対の脚部１１０ａ，１１０ｂが設けられるとともに前記一対の脚部１１０ａ，１１０ｂには前記短軸方向に案内シャフト１１１が挿通され、前記一対の脚部１１０ａ，１１０ｂの一方には、前記短軸方向に可動ラック１１３が固定され、前記可動ラック１１３には電動モータを駆動源とした回転歯車（ピニオン）１１４が噛合した構成となっている。そして、圧電素子群１０２が設けられた可動台１１０の長軸方向に形成した一対の脚部１１０ａ，１１０ｂに、短軸方向に挿通する案内シャフト１１１を設ける。これにより、圧電素子群１０２を短軸方向に自在に往復動できる。ここでは、可動台１１０の一方の脚部１１０ａの短軸方向に設けた可動ラック１１３を、電動モータを駆動源とした回転歯車によって移動（往復動）させるようになっている。

しかしながら、この提案されている短軸機械走査探触子（特願２００６−２３６１１１）では、図９（ｂ）に示すように、回転歯車（ピニオン）と噛合する可動ラック１１３は、案内シャフト１１１で案内して圧電素子群１０２を短軸方向に安定して直線的に移動させるためには、回転歯車１１４の数倍の長を必要とする。そのため、圧電素子群１０２が密閉容器１０３両内側壁１０３ａ，１０３ｂに到達する前に可動台１１０の両端面が両内側壁１０３ａ，１０３ｂに接触してしまう。このため、探触子本体の十分な短軸方向の移動ストロークがとれないとする問題点があった。
特公平７−３８８５１号公報 特開２００３−１７５０３３号公報 特開２００６−３４６１２５号公報 特開２００６−２３６１１１号（未公開）

本発明が解決しようとする課題は、探触子本体の十分な短軸方向の移動ストロークを確保するため、無端ベルトからなる移動機構により、探触子本体を短軸方向にこれを収容する容器の内側壁ぎりぎりまで往復動させ、十分な短軸方向の移動ストロークを確保することである。

上記した課題を解決するため、本発明は、短冊形状の複数の圧電素子を前記圧電素子の幅方向となる長軸方向に並べた平坦状の圧電素子群からなる探触子本体を形成して容器本体に収容し、前記探触子本体を前記圧電素子の長さ方向となる短軸方向に機械的に走査する超音波探触子において、前記探触子本体を短軸方向に直線的に駆動源により駆動される無端ベルトにより往復移動させることを特徴とする。

探触子本体の短軸方向への直線的移動（往復動）のストロークを容器本体の内側壁ぎりぎりまで確保できる。

以下、本発明の超音波探触子の実施例を添付した図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の超音波探触子の圧電素子群（以下、“探触子本体”という）と、この探触子本体を短軸方向に直線的に移動させる移動機構の斜視図である。ここで、従来例と同様にカバーを探触子本体を収容した容器本体に被せて密閉し、超音波媒質として機能するオイルが密閉容器内に充填するが、本発明の実施例の説明を容易にするために、このカバーとオイルの図示は省略してある。

とくに、本発明の超音波探触子の実施例である、短軸機械走査探触子は、図１に示すように、探触子本体１と、この探触子本体１を短軸方向に直線的かつ、機械的に往復動させる移動機構２と、この移動機構２を装着する容器本体３と（この容器本体３に図示しないカバーを嵌合させ密閉して密閉容器を構成し、この密閉空間に超音波媒質として機能するオイルを充填する。）、さらに、本発明の超音波探触子を裏面から見た斜視図である図２に示すように、移動機構２を直線的に短軸方向に往復動させる駆動源としてのＤＣモータ、ステップモータ等の電動モータ２０が容器本体２の背面に設けられている。

本発明の超音波探触子を構成する探触子本体１は、図９に示す従来の探触子本体と同じ構成であって、短冊形状の複数の圧電素子１０２ａをその幅方向となる長軸方向に平坦状（平面上）に並べてなる圧電素子群１０２からなり、圧電素子群１０２は、平板状の基台１０５のバッキング材１０５ａ上に固着され、基台１０５は可動台１０（図１参照）に固定される。さらに、圧電素子群１０２の超音波の送受波面には、音響整合層１０６ａを設け、短軸方向に所定の曲率（コンベックス）を有する音響レンズ１０６を設けて構成されている。

また、前述した圧電素子群１０２を第１圧電素子群と第２圧電素子群とから構成し、長軸方向に並設してもよい。ここでは、第１圧電素子群と第２圧電素子群の超音波周波数は、それぞれ異なり、第１圧電素子群のそれは７．５ＭＨｚとし、第２圧電素子群のそれは１０ＭＨｚとする。このような探触子では、例えば***の深部を診察する場合は、超音波周波数の低い圧電素子（７．５ＭＨｚ）を使用し、また生体の表面近傍の浅部を診断する場合は、超音波周波数の高い圧電素子（１０ＭＨｚ）を使用する。ここでは、図示しない電気回路の切替機構によって、第１圧電素子群または第２圧電素子群への電気パルスをいずれか一方に切り替えて供給する。

他方、探触子本体１を短軸方向に直線的に往復動させる駆動源としての電動モータ２０は、図２に示すように、容器本体３の背面にブラケット２６を介して固着され、このモータ２０の回転駆動力は、この電動モータ２０の出力軸に嵌入され、かつ外周に歯状部が形成された駆動プーリー２２、この駆動プーリー２２の歯状部に噛合し、かつ、軸受台２５に軸支されたフランジ付の従動プーリー２４を経て、この従動プーリー２４に摺合された無端第２タイミングベルト２３に伝達される。

ここで、電動モータ２０は、正逆転可能であって、その出力軸側には、図示しない減速機が、また、他端側にはエンコーダーが内蔵されている。

また、図２に示した、従動プーリー２４の回転軸の他端側（容器本体３の表側）には、図１に示すように、外周に歯状部を有するフランジ付のタイミングプーリー２７が嵌入され、容器本体３の表側の面の四隅に回転自在に軸支された、例えば４個のアイドルプーリー２９と、先のタイミングプーリー２７にまたがって外側表面に歯状部をもつ無端第１タイミングベルト２８が掛回されている。

とくに、本発明の超音波探触子の探触子本体１の直線移動機構２では、タイミングプーリー２７の外周に形成された歯状部にタイミングベルト２８の表側に形成された歯状部が係合して電動モータ２０の回転力が確実にタイミングベルト２８に伝達されて、このタイミングベルト２８を直線方向に往復動させるように構成されている。

他方、容器本体３の四隅に装着された４個のアイドルプーリー２９は、タイミングベルト２８の裏側（歯状部が形成されていない）に接触するので、単に遊動・回転してタイミングベルト２８の往復動を案内する働きをする。ここで、タイミングプーリー２７とアイドルプーリー２９の間に、図３に明示があるように、テンションプーリー３０が設けられ、調節ネジ３０ｂを緩めてテンションプーリー３０の軸を長孔３０ａ内で短軸方向に移動させて、タイミングベルト２８に付与する張力（テンション）を調節できるようにしてある。

さらに、図１と図３に示すように、容器本体３の表側の面に、一対のリニアガイド３１をネジ止めして並設し、探触子本体１の底部（図９に示した基台１０５）に、可動台１０を固着させ、この可動台１０の上部脚部１０ａに締付け部材１１を装着して、タイミングベルト２８を握持（固着）するとともに、一方のリニアガイド３１に脚部１０ａが案内されて直線方向に往復動できるようにする。

また、可動台１０の他方の下部脚部１０ｂには、案内部材１２（タイミングベルト２８に固着されていない）を固着し、他方のリニアガイド３１に可動台１０の脚部１０ｂが案内されて同じく直線方向に往復動できるようにする。なお、この案内部材１２は、タイミングベルト２８を握持（固着）しない。

また、タイミングベルト２８の裏側には、図１に示すように、プレキシブル基板用カバー３２が設けられていて、圧電素子群１０２に通電する導電性プレキシブル基板（図示せず）がタイミングベルト２８等の可動部にまき込まれるのを防止してある。

このように構成することにより、図３に示すように、本発明の超音波探触子では、第１タイミングベルト２８は、タイミングプーリー２７の歯状部にその歯状部に係合し、一対のリニアガイド３１の間に配設された４個のアイドルプーリー２９に、その裏面（平坦部、歯状部がない面）に遊動して接触、掛回されるとともに、テンションプーリー３０により、その裏面から適当な張力（テンション）が付与されるようになる。

本発明の超音波探触子では、その長軸方向は、従来例と同じように、例えば図８（ａ），（ｂ）に示すように、圧電素子群１０２の一端側から複数個の圧電素子１０２ａ、例えば５個、に遅延回路１１６を経てパルスを印加して、電子的に収束させる。そして、圧電素子１０２ａを次の５個に切り替えて同様のパルスを圧電素子１０２ａに印加する。これを繰り返し、順次、超音波Ｐを収束させて長軸方向にリニア走査する。これらの走査により、接触子本体１を短軸方向に移動機構２により機械的なリニア走査をし、また長軸方向に電子的なリニア走査をして、生体の３次元画像を得ることができる。ここで、圧電素子群１０２の表面には音響レンズ１０６が、また、その下面には、バッキング材１０５ａが設けられている。

次に、上記のように構成された本発明の超音波探触子の動作について説明する。

まず、図１に示す電動モータ２０を回転駆動（例えば正転、時計方向回転）させると、電動モータ２０の回転力は、電動モータ２０に内蔵した減速機により所定の回転数に減速されて、図２に示す駆動プーリー２２に伝達され、この駆動プーリー２２に第２タイミングベルト２３を介して連結された従動プーリー２４に伝達される。前述したように、図１に示すタイミングプーリー２７は、先の従動プーリー２４の出力軸と同軸であるから、タイミングプーリー２７の歯状部と噛合した第１タイミングベルト２８を、４個のアイドルプーリー２９により案内して、図３に矢印Ａで示す方向に移動させる。この移動により、探触子本体１は、締付け部材１１により、図１に示すように、タイミングベルト２８に固着されているから、同様に矢印Ａの方向（短軸方向）に一対のリニアガイド３１に沿って直線移動する。

他方、図１に示す電動モータ２０を逆転（反時計方向回転）させると、電動モータ２０の回転力は、同様に図２に示す駆動プーリー２２に伝達され、この駆動プーリー２２にタイミングベルト２３を介して連結された従動プーリー２４に伝達される。前述したように、図１に示すタイミングプーリー２７は、先の従動プーリー２４の出力軸と同軸であるから、タイミングプーリー２７の歯状部と噛合した第１タイミングベルト２８を、４個のアイドルプーリー２９により案内して、図３に矢印Ｂで示す方向に移動させる。この移動により、探触子本体１は、同様に矢印Ｂの方向に一対のリニアガイド３１に沿って移動する。これにより、接触子本体１が直線的に短軸方向に往復動できるようになる。

また、電動モータ２０の正逆転及び回転速度制御は、電動モータ２０に内蔵されたエンコーダーにより自動的に行われ、本発明の超音波探触子では、密閉容器の内側壁直近まで、探触子本体１の短軸方向の直線移動が可能となるので、限度ぎりぎりまで短軸方向の探触子本体の移動が担保され、かつ、十分な移動ストロークが確保されるようになる。

本発明の超音波探触子は、生体等の被検体の立体画像の形成に広く利用できる。

本発明の超音波探触子の圧電素子群（探触子本体）と、この探触子本体を短軸方向に直線的に往復動させる移動機構を表面から見た斜視図（容器本体に被せるカバーは取り除いてある）である。 図１に示した本発明の超音波探触子をその裏面から見た斜視図であって、移動機構の駆動部分を示す。 図１に示した本発明の超音波探触子の移動機構の平面図を示す。 同じく移動機構の正面図を示す。 同じく移動機構の側面図を示す。 同じく移動機構の横断面図（長軸方向）を示す。 同じく移動機構の縦断面図（短軸方向）を示す。 本発明の超音波探触子の長軸方向動作を説明する模式図であって、図８（ａ）は、最初の圧電素子５個に遅延回路を経てパルスを印加した模式図を、また、図８（ｂ）は、圧電素子を次の５個に切り替えてパルスを印加した模式図を、それぞれ示す。 従来の短軸機械走査探触子を説明する図であって、図９（ａ）は、その長軸方向の、また、図９（ｂ）は、その短軸方向の断面図（図９ａのＩ−Ｉ矢視方向断面）を示す。

符号の説明

１ 探触子本体
２ 移動機構
３ 容器本体
１０ 可動台
１１ 締付け部材
１２ 案内部材
２０ 電動モータ
２２ 駆動プーリー
２３ 第２タイミングベルト
２４ 従動プーリー
２５ 軸受台
２６ ブラケット
２７ タイミングプーリー
２８ 第１タイミングベルト
２９ アイドルプーリー
３０ テンションプーリー
３１ リニアガイド
３２ プレキシブル基板用カバー

Claims (9)

1. 短冊形状の複数の圧電素子を前記圧電素子の幅方向となる長軸方向に並べた平坦状の圧電素子群からなる探触子本体を形成し、容器本体に収容し、前記探触子本体を前記圧電素子の長さ方向となる短軸方向に機械的に走査する超音波探触子において、前記探触子本体を駆動源により短軸方向に直線的に無端ベルトにより往復移動させて機械的に走査することを特徴とする超音波探触子。
2. 前記無端ベルトが、第１タイミングベルトであり、該第１タイミングベルトが一方の表面に歯状部を有し、該歯状部が前記駆動源に連結されたタイミンクプーリーの歯状部と噛合して前記第１タイミングベルトを短軸方向に往復動させる請求項１に記載の超音波探触子。
3. 前記駆動源が、正逆転自在な電動モータから構成され、該電動モータの出力軸に係合した駆動プーリーと、該駆動プーリーに第２タイミングベルトを介して連結した従動プーリーと、タイミングプーリーと、からなる請求項１に記載の超音波探触子。
4. 前記第１タイミングベルトが、前記タイミングプーリーの噛状部に噛合して短軸方向に往復動するとともに、前記容器本体の表側の面に回転自在に軸支した複数個のアイドルプーリーの外周面に接して遊動される請求項１に記載の超音波探触子。
5. 前記容器本体の表側の面に一対のリニアガイドを長軸方向に所定の間隔をおいて並設し、前記探触子本体を前記リニアガイドで案内して短軸方向に往復動させるようにした請求項１に記載の超音波探触子。
6. 前記探触子本体の底面に可動台を固着し、該可動台の上端部に脚部を設け、該脚部に締付け部材を固着して前記第１タイミングベルトを握持させ、他方、前記可動台の下端部に案内部材を固着して、前記探触子本体を前記第１タイミングベルトと一体に一対の前記リニアガイドに滑合させて短軸方向に往復動させるようにした請求項１に記載の超音波探触子。
7. 前記タイミングプーリーと前記アイドルプーリーとの間にテンションプーリーを配設して、該テンションプーリーの短軸方向の位置を調節して前記第１タイミングベルトの張力を調節するようにした請求項２に記載の超音波探触子。
8. 前記探触子本体を構成する圧電素子群が、超音波周波数の異なる第１圧電素子群と第２圧電素子群とからなり、前記第１圧電素子群と前記第２圧電素子群とが長軸方向に並設される請求項１に記載の超音波探触子。
9. 前記超音波探触子が、短軸走査型超音波探触子である請求項１に記載の超音波探触子。

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