JP5416627B2

JP5416627B2 - ３次元超音波探触子

Info

Publication number: JP5416627B2
Application number: JP2010061016A
Authority: JP
Inventors: 秀光小林
Original assignee: Hitachi Aloka Medical Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: JP2011193920A

Description

本発明は、超音波診断装置に用いられる超音波探触子に関し、特に３次元超音波画像取得用の探触子に関する。

３次元超音波画像を取得するための超音波探触子において、振動素子を１次元に配列した振動子アレイを、機械的に配列方向に交差する方向に走査する形式のものが知られている。この形式の超音波探触子は、振動素子の１次元配列の方向の走査（主走査）は電子走査を行い、この主走査に交差する副走査方向に機械走査を行って、三次元の領域の超音波エコー情報を取得する。機械走査においては、振動子アレイを所定の範囲で往復動させる必要がある。この振動アレイを往復動させるための方法として、正逆に回転可能なモータを用いる方法と、モータは１方向に回転させつつ、リンク機構またはカム機構を用いる方法が知られている。

下記特許文献１には、モータを１方向に回転させ、リンク機構またはカム機構を用いて往復運動に変換する方法が示されている。

特開昭６０−１３５０３４号公報

モータを１方向に回転させ、リンク機構、カム機構を用いて往復運動に変換する方法は、モータを反転する必要がなく、反転に伴う伝達系のガタによる位置誤差、騒音に対し有利となる。また、モータを反転させるためには、振動子アレイ等の慣性に加えモータの回転部分の慣性も加わるため大きなトルクを発生させる必要があるが、反転する必要がなければ（１方向回転であれば）、小さなモータで足りる。

上記特許文献１には、斜板カムによる超音波探触子の機械走査機構が示されている。しかし、斜板カムを用いた場合の、機械走査範囲の変更について開示されていない。

本発明は、超音波探触子の、回転軸線に対し傾斜したカム面を有するカムを用いた機械走査機構において、副走査範囲を変更可能とすることを目的とする。

本発明の３次元超音波探触子は、回転軸線回りに回転駆動され、前記回転軸線に対し傾斜したカム面を有する傾斜カムと、傾斜カムのカム面に一端が当接し、前記回転軸線に関して対称に配置された２本のロッドと、ロッドの回転を規制し、回転軸線方向のスライドを案内するロッドホルダと、ロッドの他端と接触し、当該ロッドのスライドにより回転軸線に直交する揺動軸回りに揺動する揺動板と、揺動板上に配置された１次元超音波振動子アレイと、を有し、ロッドホルダは前記回転軸線回りに回動させることができ、この回動によりロッドが揺動板に接触する位置を変えて、揺動板の揺動範囲を変更し、超音波ビームの副走査範囲を変更するものである。

また、傾斜カムは、ロッドホルダを特定の回転位置としたときに、揺動板の揺動範囲に対して少なくとも７０％の範囲で、揺動板の揺動速度を一定とするカムプロフィールを有するようにできる。

傾斜カムを利用した超音波振動子アレイの揺動機構において、揺動範囲の変更が可能となる。

本実施形態の３次元超音波探触子の内部の要部構造を示す斜視図である。本実施形態の３次元超音波探触子の内部の要部構造を示す正面図である。カムプロフィールの形状を説明するための図である。傾斜カムの回転角φと揺動板（振動子アレイ）の傾き角θの関係を示す図である。傾斜カムの回転角φと揺動板（振動子アレイ）の揺動速度（ｄθ／ｄφ）の関係を示す図である。ロッドホルダの回動による、揺動軸に対するロッドの位置の変化を示す図である。ロッドホルダの回動位置ψを変えたときの、ロッドの進退量ｈ’を示す図である。ロッドホルダの回動位置ψを変えたときの、揺動板（振動子アレイ）の傾き角θ’を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１および図２は、本実施形態の３次元超音波探触子１０の内部構造、特に振動子アレイ１２の揺動に係る構造を示す図であり、図１が斜視図、図２が正面図である。超音波探触子１０のケース１４を破断して内部が見える状態としている。振動子アレイ１２は、振動素子が孤を描くように１次元配列されている。また、別の例では、直線状に配列することも可能である。この探触子１０は、この１次元配列された振動素子の作る面内で超音波の電子走査が可能である。振動子アレイ１２は、揺動軸１６を軸として揺動する揺動板１８上に固定されている。揺動軸１６は、その軸線が移動しないようにケース１４に支持されている。揺動板１８には、２本のロッド２０の一端が当接しており、これらのロッドの他端は、傾斜カム２２のカム面２４に当接している。

ロッド２０は、ロッドホルダ２６に、ロッド２０の軸線方向に沿ってロッド自身がスライド可能に支持されている。ロッドホルダ２６は略円柱形状を有し、その軸線回りに回動可能である。ロッドホルダ２６を回動させるためにホルダ駆動モータ２８が備えられており、このモータの駆動力が適切な伝達要素によりロッドホルダ２６に伝達される。伝達要素は例えば、ホルダ駆動モータ２８の出力軸に固定されたピニオン３０と、ロッドホルダ２６の外周面に設けられたリング状のギア３２とで構成することができる。傾斜カム２２は、揺動モータ３４に回転駆動される。傾斜カム２２のカム面２４の形状、すなわちカムプロフィールは後で詳述する。

揺動モータ３４と傾斜カム２２の回転軸線は一致している。２本のロッドの軸線は、傾斜カム２２の回転軸線と平行で、かつこの軸線に対し対称に配置されている。また、揺動軸１６の軸線は、傾斜カム２２の回転軸線に直交するよう配置されている。揺動軸１６の軸線は、さらに振動子アレイ１２の振動素子の作る面、すなわち超音波走査面の面内に位置し、かつ超音波走査面の中心軸線に直交するように配置される。また、この軸線配置に平行な位置に配置することもできる。

傾斜カム２２が回転すると、そのカム面２４上をロッド２０が相対的に移動して、カム面２４の形状により軸線方向にスライドする。スライドして進出するロッド２０が揺動板１８を押し、このとき、もう一方のロッド２０は退避して揺動板１８の動きを阻害しないようにしている。これにより、揺動モータ３４の１方向の回転運動が、揺動板１８および振動子アレイの揺動運動に変換される。

傾斜カム２２のカムプロフィールについて説明する。図３は、カム面２４の形状と、説明のための座標系を示している。また、以下のカム面形状に関する説明においては、説明を簡略にするために、傾斜カム２２上に固定された座標系を用いて説明する。

ｚ軸は、傾斜カム２２の回転軸線に一致し、このｚ軸とカム面２４の交点をＯとする。ｘ軸、ｙ軸は、それぞれｚ軸に直交し、また互いに直交する。前述のようにｘｙｚ座標系は傾斜カム２２と共に回転する系であり、ｘ軸、ｙ軸は傾斜カム２２と共に回転する。曲線ｓは、カム面２４とロッド２０の接触点Ａ，Ｂの軌跡である。接触点Ａ，Ｂのｘｙ平面における位置を角度φで表す。実際の探触子においては、この角度φは傾斜カムの回転角に相当する。接触点Ａ，Ｂのｚ軸からの距離をＬ／２とする。したがって、接触点Ａ，Ｂをｘｙ平面に投影した点の距離はＬになる。この距離Ｌは、２本のロッド２０の距離である。また、線分ＡＢのｘｙ平面に対する傾きをθとする。また、点Ｏと接触点Ａのｚ座標の差をｈとする。このｈは、ロッドのスライド量に相当する。

図４は、接触点Ａの角度位置φと、線分ＡＢの傾きθの関係を示すグラフである。θ＝０を中心として一定の範囲（−θ1 〜θ1 ）で、グラフが直線となっている。また、この範囲の外側では、正弦波形となっている。２本のロッド２０を含む平面が、揺動軸１６に直交する場合、線分ＡＢの傾きθが、揺動板１８の傾きになる。したがって、所定の区間でグラフを直線とすることにより、その区間では揺動板１８の回動速度が一定となる。回動速度を一定として、超音波の主走査を一定の時間間隔で行えば走査面が一定角度間隔となる。また、この範囲の外側では、グラフは正弦波形となっている。

θ＝θ1 のときのφをφ1 とすると、角度位置φと傾きθの関係は次のようになる。

式（２）に対応する区間においては、φ1 から（π−φ1 ）が半波長となる正弦波となっている。式（４）に対応する区間でも同様である。式（１）〜（４）に対応する各区間の境界では、速度が連続することが望ましいので、φ＝φ1 における式（２）の微分値が式１に対応する区間の速度（θ1 ／φ1 ）に一致することを条件とすれば、次のようになり、式（２），（４）のａが求まる。

θ1 ＝６０°、φ1 ＝３０°であれば、ａ＝０．１６６７ｒａｄ＝９．５５°となる。したがって、揺動板１８の揺動角の範囲は、±３９．５５°となる。揺動板１８の回動速度が一定の範囲で超音波の走査を行うとすれば、その範囲は、揺動範囲の約７６％となる。

接触点Ａのｚ軸方向変位ｈと角度位置φの関係を次に示す。

式（６）〜式（９）に示される変位ｈにてカムプロフィールが決定される。

図５には、角度位置φに対する揺動板１８の回動速度ｄθ／ｄφが示されている。揺動板１８の回動速度が一定であれば、超音波の主走査を一定の時間間隔で行うことにより、各主走査面の角度間隔が一定となる。

図６は、ロッドホルダ２６を図１または図２の上方から視た状態を示す図である。前述のようにロッドホルダ２６は自身の円柱形状の軸線回りに回動可能である。また、この軸線は傾斜カム２２の回転軸線に一致している。ロッドホルダ２６を回動させることによって、２本のロッドの、揺動軸１６に直交する方向の間隔Ｓが変化する。

２本のロッド２０が揺動軸１６に直交する方向に並んでいるときが、図６中符号２０-1，２０-1で示されている。このときのロッド２０の揺動軸直交方向の間隔Ｓは、ロッド２０の距離Ｌである（Ｓ＝Ｌ）。ロッドホルダ２６を角度ψ回転させると、２本のロッドは符号２０-2，２０-2で示す位置となり、揺動軸１６に直交する方向の間隔ＳはＬ’ に短縮される（Ｌ’＝Ｌcosψ）。

接触点Ａのｚ軸方向変位ｈは変わらないので、間隔ＳがＬからＬ’ に短縮すると、揺動板１８の揺動範囲は広くなる。前述の式（１）〜（９）に、θ1 ＝６０°、φ1 ＝３０°、Ｓ＝Ｌを適用して求めたカムプロフィールを有する傾斜カム２２において、ロッドホルダ２６を回動させて、間隔Ｓを短縮したときの、ロッド２０の変位ｈ’と揺動板１８の傾きθ’を図７、図８に示す。図８には、比較のために図４に示す傾きθのグラフも描かれている。

ロッドホルダ２６を回動させて間隔ＳをＬ’としたときの傾きθ’は、−φ1 〜φ1 の区間で、次のように表される。

式（１０）で示されるようにθ’はφの１次関数とならず、θ’のグラフは−φ1 〜φ1 の区間において完全には直線とならない。

以上の実施形態においては、２本のロッド２０を揺動軸１６に直交する方向に並べて配置したとき、振動子アレイの揺動速度が所定範囲において一定となるように傾斜カムのカムプロフィールを決定した。しかし、２本のロッド２０が他の配置となる場合において、振動子アレイの揺動速度が所定範囲で一定となるようにカムプロフィールを設計することもできる。

１０３次元超音波探触子、１２振動子アレイ、１６揺動軸、１８揺動板、２０ロッド、２２傾斜カム、２４カム面、２６ロッドホルダ。

Claims

回転軸線回りに回転駆動され、前記回転軸線に対し傾斜したカム面を有する傾斜カムと、
傾斜カムのカム面に一端が当接し、前記回転軸線に関して対称に２本配置されたロッドと、
ロッドの回転を規制し、回転軸線方向のスライドを案内するロッドホルダと、
ロッドの他端と接触し、当該ロッドのスライドにより回転軸線に直交する揺動軸回りに揺動する揺動板と、
揺動板上に配置された１次元超音波振動子アレイと、
を有し、
ロッドホルダは前記回転軸線回りに回動させることができ、この回動によりロッドが揺動板に接触する位置を変えて、揺動板の揺動範囲を変更し、超音波ビームの副走査範囲を変更する、
３次元超音波探触子。
請求項１に記載の３次元超音波探触子であって、
傾斜カムは、ロッドホルダを特定の回動位置としたときに、揺動板の揺動範囲に対して少なくとも７０％の範囲で、揺動板の揺動速度を一定とするカムプロフィールを有する、
３次元超音波探触子。