機械3D超聲波探頭的製作方法

2023-06-14 02:59:47

本發明涉及一種機械3D超聲波探頭(mechanical scanning 3D ultrasonic transducer)，特別涉及一種機械3D超聲波探頭，具備：對原點位置進行檢測的檢測裝置，所述原點位置在對機械3D超聲波探頭的超聲波收發部的擺動進行控制時作為基準。

背景技術：

在以往的機械3D超聲波探頭，例如，使超聲波探頭的超聲波收發部在短軸方向上擺動的圓弧狀掃描超聲波探頭中，旋轉圓板(光學旋轉板)設置於驅動部件，通過透射型光傳感器來檢測超聲波收發部的旋轉位置，所述驅動部件設置在將驅動馬達軸的旋轉傳遞至超聲波收發部的機構的中途。

例如，在圓弧狀掃描超聲波探頭中，如以往的圖5(a)所示，盒體31設置在外殼30內，保持板33通過中心軸32擺動自如地設置於盒體31的兩側壁，並且在保持板33的上表面部設置有超聲波收發部34，所述超聲波收發部34包含壓電元件群。

而且，在盒體31的下表面部固定有框體36，驅動馬達35設置於框體36的下表面，並且控制軸39經由齒輪機構而連結於設置在盒體31內的傘齒輪機構37，通過驅動馬達35，使控制軸39與固定於保持板31的一側壁的傘齒輪嚙合並旋轉，從而使超聲波收發部34在短軸方向上擺動。

此處，如圖5(c)的詳細圖所示，半月狀的光學旋轉板38結合於圖5(a)所示的控制軸39，以邊界部P為基準，從光學旋轉板38的旋轉中心向彼此相反的方向分別隔開180°的間隔而形成有遮光部38a與透光部38b。

而且，能夠通過設置於框體36的內側面的透射型光傳感器40，來檢測短軸方向上的超聲波收發部34的原點位置，從而根據被檢測體(生物)的準確位置來獲得生物信息(參照專利文獻1)。

另外，圖5(b)所示的使超聲波探頭的超聲波收發部在短軸方向上平行地往返移動的線性掃描超聲波探頭，採用如下結構：在容器主體50的側面部設置移動機構51，所述移動機構51包含同步帶(timing belt)與驅動帶輪，所述移動機構51受到設置於容器主體50側面部的一對直線導軌52引導，使電動馬達53旋轉驅動，使探頭主體(超聲波探頭)54在短軸方向上往返移動而進行線性掃描。

線性掃描超聲波探頭也能夠使超聲波收發部在短軸方向上擺動而進行掃描，與圓弧狀掃描超聲波探頭同樣地，通過透射型光傳感器(未圖示)來檢測超聲波收發部的短軸方向移動的右端部(R端)與左端部(L端)，檢測原點位置而形成被檢測體的二維圖像，接著，使超聲波收發部在短軸方向上移動，與所述二維圖像合成而形成三維圖像，根據被檢測體(生物)的準確位置來獲得生物信息(參照專利文獻2)。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2006-346125號公報

專利文獻2：日本專利第4584321號說明書

技術實現要素：

[發明所要解決的問題]

通常，若想要擴大在使用超聲波診斷裝置對被檢測體進行診斷時的視野範圍，則需要增大超聲波收發部的擺動量。但是，對於所述以往的原點檢測方法來說，若增大擺動量，則有時會產生如下情況：如圖6所示，旋轉圓板在全行程(full stroke)中旋轉了1旋轉以上。

此處，圖6表示在線性掃描超聲波探頭中，將半月狀的圓板38安裝於所述專利文獻1所示的驅動軸(控制軸39)，由縱軸表示來自透射型光傳感器的傳感器輸出，另外，由橫軸表示超聲波收發部的全行程中的L端、原點及R端的檢測位置。

如此，在圖6的情況下，如所述圖5(c)所示，在原點檢測過程中，將光學旋轉板38的旋轉角度範圍一分為二而分割為透射型光傳感器的遮光狀態與透射狀態，檢測所述兩個狀態的邊界部P並判斷為原點。因此，若光學旋轉板38在全行程中旋轉了1旋轉以上，則在超聲波收發部在R端與L端之間進行全行程驅動的期間，會兩次以上地檢測原點位置(圖6所示的檢測出傳感器輸出低的原點位置)，導致產生無法準確地檢測原點這一不良情況。

另外，在超聲波收發部停止時，對透射型光傳感器的輸出進行檢測，判斷超聲波收發部相對於原點位於L端或R端中的哪一側，從而決定原點檢測時的初始驅動方向。因此，導致光學旋轉板38在全行程中旋轉了1旋轉以上的以往的結構會產生如下的不良情況：相對於超聲波收發部的位置，無法唯一地決定透射型光傳感器的輸出，無法判斷超聲波收發部的移動方向。

作為針對如上所述的問題的對策，可考慮增大從驅動馬達至中間部件為止的轉數(rotation speed)的減速比R1，另外，減小從中間部件至超聲波收發部為止的減速比R2，由此，減小中間部件的總轉數(total rotation speed)。

但是，對於此種減速方法來說，為了減小R2，在現有例的使用大小傘齒輪來使超聲波收發部擺動的機構中，必須增大小齒輪，例如導致圖5(a)所示的外殼30內的密封有超聲波傳播液體的框體31內的液體室的尺寸增大，從而會妨礙超聲波探頭的小型化、輕量化。相反地，也可考慮減小傘齒輪中的大齒輪，但由於超聲波收發部的擺動用的軸承機構(參照圖5(a)的中心軸32)方面的制約，極難減小大齒輪。

[解決問題的技術手段]

為了解決所述問題，本發明的超聲波探頭的特徵在於包括：外殼，內部具有超聲波收發部且在所述外殼封入有超聲波傳播液體；驅動裝置，傳遞驅動馬達的旋轉驅動力而使所述超聲波收發部擺動；以及檢測裝置，檢測在對所述超聲波收發部的擺動進行控制時作為基準的原點位置，其中，所述驅動裝置傳遞所述旋轉驅動力到中間部件，所述檢測裝置從所述中間部件抽出旋轉，使所述旋轉減速並傳遞至所述檢測裝置的檢測部件，所述檢測裝置利用傳感器來檢測所述檢測部件的旋轉，由此檢測原點位置。

另外，本發明的超聲波探頭的特徵在於：所述檢測部件的整個旋轉範圍被分割為所述傳感器的輸出狀態不同的兩個區域，將所述兩個區域的邊界部作為所述原點位置進行檢測。

而且，本發明的超聲波探頭的特徵在於：以即使在對所述超聲波收發部進行全行程驅動的情況下，所述檢測部件的總轉數成為1旋轉以下的方式來設定所述檢測部件的減速比。

此外，特徵在於：使被驅動齒輪嚙合於設置在所述中間部件上的驅動齒輪而抽出所述旋轉，所述被驅動齒輪直接或經由別的聯動部件使所述檢測部件旋轉。

而且，特徵在於：所述被驅動齒輪是以向與所述驅動齒輪之間的軸間距發生變化的方向相對自如移動的方式而受到支撐，所述被驅動齒輪與所述驅動齒輪向彼此嚙合的方向彈性地被施力。

[發明的效果]

準確地檢測在對機械3D超聲波探頭的超聲波收發部的擺動進行控制時作為基準的原點位置，形成更準確的三維圖像。

附圖說明

圖1是從斜上方觀察本申請的機械3D超聲波探頭，特別是線性掃描型機械3D超聲波探頭的第一實施例的驅動裝置與檢測裝置的立體圖。

圖2是切斷地表示圖1所示的線性掃描型機械3D超聲波探頭的基座與外殼，並從A方向觀察的箭視圖。

圖3是表示本申請的機械3D超聲波探頭的全行程的L端、原點及R端位置的驅動軸與檢測部件的順時針方向轉數及傳感器輸出的強弱的曲線圖。

圖4是圖1所示的減速機構的第二實施例的結構圖。

圖5(a)是以往的圓弧狀掃描型機械3D超聲波探頭的縱剖視圖。

圖5(b)是線性掃描型機械3D超聲波探頭的探頭移動機構的立體圖。

圖5(c)是圖5(a)所示的圓弧狀掃描型機械3D超聲波探頭的透射型光傳感器的放大立體圖。

圖6是表示以往的減速機構的探頭的全行程中的L端、原點及R端位置的傳感器輸出的曲線圖。

具體實施方式

以下，基於附圖來對本申請的機械3D超聲波探頭的實施例進行說明。

如圖1及圖2所示，在將本發明的機械3D超聲波探頭應用於線性掃描型機械3D超聲波探頭的第一實施例中，超聲波收發部(探頭主體)100向短軸方向的擺動(往返移動)機構包括：驅動馬達1、與使驅動軸3旋轉驅動的減速機構2，所述驅動軸3向超聲波收發部100傳遞所述驅動馬達1的旋轉驅動力。而且，如圖1所示，所述減速機構2包括：小帶輪2a、大帶輪2c以及掛在兩個帶輪2a、2c之間的第一同步帶2b，所述小帶輪2a固定於受到圖2所示的基座20軸支撐的驅動馬達1的輸出軸1a。

另外，如圖2所示，驅動軸3經由油封(oil seal)5而軸支撐於基座20，固定於驅動馬達1的輸出軸1a的小帶輪2a的旋轉通過掛在兩個帶輪2a、2c之間的第一同步帶2b，減速傳遞至大帶輪2c，使在一端部軸支撐著大帶輪2c的驅動軸3向順時針方向(CW)及逆時針方向(CCW)旋轉。

根據此種結構，交替地向L端及R端方向驅動第二同步帶4，所述第二同步帶4與軸支撐於驅動軸3的另一端部的驅動軸帶輪3a的外周部接觸，並橫跨架設在第一惰輪(idle pulley)7a及第二惰輪7b之間，且由第一張緊輪6a、6b及第二張緊輪施加了張力，所述第一惰輪7a及第二惰輪7b分別設置於與超聲波收發部(探頭主體)100的L端及R端相當的短軸方向的擺動端部的基座20的側壁。

通過所述第二同步帶4受到驅動，超聲波收發部100受到鋪設於外殼21的內底面的一對平行的引導機構21a(參照現有例的圖5所示的直線導軌52)引導，從而在短軸方向上呈直線狀地移動(若驅動軸3向圖1所示的CW方向旋轉，則超聲波收發部100向L端方向移動，另外，若驅動軸3向CCW方向旋轉，則超聲波收發部100向R端方向移動)。

而且，如圖1所示，在驅動軸3的左右兩端部的中間位置設置有驅動齒輪10，所述驅動齒輪10與齒數比所述驅動齒輪10更多的被驅動齒輪11嚙合。由此，驅動軸3的轉數(rotation speed)在驅動系統的中途被分散而減速，使與被驅動齒輪11一體地設置的旋轉圓板14旋轉，與圖5(c)所示的光學旋轉板同樣地，通過遮光部14a與透光部14b來檢測這兩個部分的邊界部P，從而檢測原點位置O。

此處，當超聲波收發部100向R端方向移動時，旋轉圓板(檢測部件)14向圖1所示的CW方向旋轉，另外，當超聲波收發部100向L端方向移動時，旋轉圓板14向CCW方向旋轉。

而且，若在驅動齒輪10與被驅動齒輪11的嚙合部有所謂的側隙(backlash)，則會導致超聲波收發部100在擺動時通過預先設定的原點位置的時刻、與來自旋轉圓板14的傳感器輸出發生變化的時刻產生誤差。所述時刻誤差(timing error)在超聲波收發部100的移動(擺動)方向相反的情況下，即在從L端向R端方向移動的情況、與從R端向L端方向移動的情況下變得顯著，並在利用超聲波診斷裝置來形成被檢測體的三維圖像時成為問題。

為了解決所述問題點，在本發明的線性掃描型機械3D超聲波探頭中，如圖1所示，通過未圖示的保持部件，以使所述被驅動齒輪11與驅動齒輪10之間的軸間距能夠自如地發生變化的方式來支撐所述被驅動齒輪11，並通過螺旋彈簧12來一直向驅動齒輪10的方向對被驅動齒輪11施力，所述螺旋彈簧12的一端支撐於基座20，另一端安裝於被驅動齒輪11。

由所述螺旋彈簧12施力，由此，能夠使驅動齒輪10與被驅動齒輪11之間所產生的側隙幾乎為零。再者，旋轉圓板(傳感器)14隻要固定於所述未圖示的被驅動齒輪11的保持部件即可，因此，與另外設置旋轉圓板14的情況相比，能夠使超聲波探頭小型化且能夠減少製造成本。

另外，特別如圖2所示，驅動軸3由油封5密封、支撐於基座20，因此，封入至外殼21內的油等超聲波傳播液體22不會從基座20與外殼21漏出。

此外，如圖1所示，第二同步帶4橫跨架設在第一惰輪7a及第二惰輪7b之間，且由第一張緊輪6a及第二張緊輪6b施加張力，從而繞回鋪設於基座20與外殼21內，所述第一惰輪7a及第二惰輪7b分別設置於與超聲波收發部100的L端及R端相當的短軸方向的擺動端部的基座20的側壁。

此處，可以通過未圖示的彈簧對第一張緊輪6a或第二張緊輪6b中的任一個張緊輪施力，從而適當地對第二同步帶4賦予張力，另外，也可以通過彈簧對第一惰輪7a及第二惰輪7b施力，從而對第二同步帶4賦予張力。

如上所述，在本發明的機械3D超聲波探頭中，代替如圖5(a)所示的全部減速均使用平齒輪或傘齒輪的以往的減速機構，使用了由同步帶與帶輪及齒輪機構形成的減速機構，因此，能夠大幅增大從驅動馬達向驅動軸減速的減速比，並且通過驅動齒輪與被驅動齒輪的組合，使構成透射型光傳感器的旋轉圓板的全行程中的總轉數(total rotation speed)大幅減速。

結果是如下所述，能夠在全行程中，將旋轉圓板的總轉數減速至1旋轉以下。

即，如圖3所示，橫軸採用超聲波收發部的全行程，另外，縱軸採用驅動軸3及檢測部件(旋轉圓板)11的順時針方向的轉數及透射型光傳感器13的輸出，對從超聲波收發部100的L端經過原點O到達R端的所述轉數及傳感器輸出進行繪製而形成曲線圖。

根據所述曲線圖(圖3)，當超聲波收發部100在從L端至R端為止的全行程中移動時，驅動軸3旋轉了±1.6旋轉，因此，所述驅動軸3的總轉數為3.2旋轉。但是，在本發明的機械3D超聲波探頭的實施例1中，根據驅動齒輪10與被驅動齒輪11之間的減速比，旋轉圓板11已減速至驅動軸3的轉數的四分之一，因此，旋轉圓板11僅旋轉了±0.4旋轉，結果是旋轉圓板11的總轉數為0.8旋轉，即，在全行程中旋轉了1旋轉以下，超聲波收發部100的原點位置O未產生誤差。

再者，在本發明的機械3D超聲波探頭的實施例1中，使用了透射型光傳感器來檢測原點，但不限於此，也可以使用反射型光傳感器、磁檢測傳感器、接觸式電刷編碼器(brush encoder)等。

另外，在所述本發明的第一實施例中，使一個驅動齒輪與一個被驅動齒輪嚙合來使旋轉圓板減速，但如圖4所示，在本發明的第二實施例中採用如下結構：在所述第一實施例的第一被驅動齒輪11的下一段，進一步設置第二被驅動齒輪15，並使所述第二被驅動齒輪15嚙合於與第一被驅動齒輪11同軸地形成的小齒輪11a，進一步獲得減速比。

此處，在所述第二實施例中，以使第一被驅動齒輪11與驅動齒輪10及第二被驅動齒輪15之間的軸間距均能夠發生變化的方式來支撐所述第一被驅動齒輪11，且由第二拉伸彈簧16，向與任一個嚙合齒輪嚙合的方向對所述第一被驅動齒輪11施力。因此，能夠同時消除各個驅動齒輪嚙合時的側隙。

因此，根據本發明的第二實施例，能夠獲得比所述第一實施例更大的減速比，另外，即使減速比與第一實施例的減速比同等，也能夠減小各大驅動齒輪的直徑，因此，即使超聲波探頭在布局上有限制，其設計自由度仍極高。

再者，本發明的超聲波探頭也能夠應用於圓弧狀掃描型機械3D超聲波探頭，但能夠更有效地應用於超聲波收發部需要更多驅動量(移動量)的線性掃描型機械3D超聲波探頭。

[符號的說明]

1：驅動馬達

1a：輸出軸

2：減速機構

2a：小帶輪

2b：第一同步帶

2c：大帶輪

3：驅動軸

3a：驅動軸帶輪

4：第二同步帶

5：油封

6a：第一張緊輪

6b：第二張緊輪

7a：第一惰輪

7b：第二惰輪

10：第一驅動齒輪

11：第一被驅動齒輪

12：第一拉伸彈簧

13：透射型光傳感器

14：旋轉圓板

14a：遮光部

14b：透光部

15：第二被驅動齒輪

16：第二拉伸彈簧

20：基座

21：外殼

22：聲音傳播液體

100：超聲波收發部

P：邊界部

O：原點位置