機械3D超聲波探頭的制作方法

本發(fā)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(fā)部的擺動進行控制時作為基準(zhǔn)。

背景技術(shù)：

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(fā)部在短軸方向上擺動的圓弧狀掃描超聲波探頭中，旋轉(zhuǎn)圓板(光學(xué)旋轉(zhuǎn)板)設(shè)置于驅(qū)動部件，通過透射型光傳感器來檢測超聲波收發(fā)部的旋轉(zhuǎn)位置，所述驅(qū)動部件設(shè)置在將驅(qū)動馬達軸的旋轉(zhuǎn)傳遞至超聲波收發(fā)部的機構(gòu)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(shè)置在外殼30內(nèi)，保持板33通過中心軸32擺動自如地設(shè)置于盒體31的兩側(cè)壁，并且在保持板33的上表面部設(shè)置有超聲波收發(fā)部34，所述超聲波收發(fā)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(qū)動馬達35設(shè)置于框體36的下表面，并且控制軸39經(jīng)由齒輪機構(gòu)而連結(jié)于設(shè)置在盒體31內(nèi)的傘齒輪機構(gòu)37，通過驅(qū)動馬達35，使控制軸39與固定于保持板31的一側(cè)壁的傘齒輪嚙合并旋轉(zhuǎn)，從而使超聲波收發(fā)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(xué)旋轉(zhuǎn)板38結(jié)合于圖5(a)所示的控制軸39，以邊界部P為基準(zhǔn)，從光學(xué)旋轉(zhuǎn)板38的旋轉(zhuǎn)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(shè)置于框體36的內(nèi)側(cè)面的透射型光傳感器40，來檢測短軸方向上的超聲波收發(fā)部34的原點位置，從而根據(jù)被檢測體(生物)的準(zhǔn)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(fā)部在短軸方向上平行地往返移動的線性掃描超聲波探頭，采用如下結(jié)構(gòu)：在容器主體50的側(cè)面部設(shè)置移動機構(gòu)51，所述移動機構(gòu)51包含同步帶(timing belt)與驅(qū)動帶輪，所述移動機構(gòu)51受到設(shè)置于容器主體50側(cè)面部的一對直線導(dǎo)軌52引導(dǎo)，使電動馬達53旋轉(zhuǎn)驅(qū)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(fā)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(fā)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(fā)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(jù)被檢測體(生物)的準(zhǔn)確位置來獲得生物信息(參照專利文獻2)。

現(xiàn)有技術(shù)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(shù)實現(xiàn)要素：

[發(fā)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范圍，則需要增大超聲波收發(fā)部的擺動量。但是，對于所述以往的原點檢測方法來說，若增大擺動量，則有時會產(chǎn)生如下情況：如圖6所示，旋轉(zhuǎn)圓板在全行程(full stroke)中旋轉(zhuǎn)了1旋轉(zhuǎn)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安裝于所述專利文獻1所示的驅(qū)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(fā)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(xué)旋轉(zhuǎn)板38的旋轉(zhuǎn)角度范圍一分為二而分割為透射型光傳感器的遮光狀態(tài)與透射狀態(tài)，檢測所述兩個狀態(tài)的邊界部P并判斷為原點。因此，若光學(xué)旋轉(zhuǎn)板38在全行程中旋轉(zhuǎn)了1旋轉(zhuǎn)以上，則在超聲波收發(fā)部在R端與L端之間進行全行程驅(qū)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(dǎo)致產(chǎn)生無法準(zhǔn)確地檢測原點這一不良情況。

另外，在超聲波收發(fā)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(fā)部相對于原點位于L端或R端中的哪一側(cè)，從而決定原點檢測時的初始驅(qū)動方向。因此，導(dǎo)致光學(xué)旋轉(zhuǎn)板38在全行程中旋轉(zhuǎn)了1旋轉(zhuǎn)以上的以往的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生如下的不良情況：相對于超聲波收發(fā)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(fā)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(qū)動馬達至中間部件為止的轉(zhuǎn)數(shù)(rotation speed)的減速比R1，另外，減小從中間部件至超聲波收發(fā)部為止的減速比R2，由此，減小中間部件的總轉(zhuǎn)數(shù)(total rotation speed)。

但是，對于此種減速方法來說，為了減小R2，在現(xiàn)有例的使用大小傘齒輪來使超聲波收發(fā)部擺動的機構(gòu)中，必須增大小齒輪，例如導(dǎo)致圖5(a)所示的外殼30內(nèi)的密封有超聲波傳播液體的框體31內(nèi)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，但由于超聲波收發(fā)部的擺動用的軸承機構(gòu)(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(shù)手段]

為了解決所述問題，本發(fā)明的超聲波探頭的特征在于包括：外殼，內(nèi)部具有超聲波收發(fā)部且在所述外殼封入有超聲波傳播液體；驅(qū)動裝置，傳遞驅(qū)動馬達的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力而使所述超聲波收發(fā)部擺動；以及檢測裝置，檢測在對所述超聲波收發(fā)部的擺動進行控制時作為基準(zhǔn)的原點位置，其中，所述驅(qū)動裝置傳遞所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力到中間部件，所述檢測裝置從所述中間部件抽出旋轉(zhuǎn)，使所述旋轉(zhuǎn)減速并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(zhuǎn)，由此檢測原點位置。

另外，本發(fā)明的超聲波探頭的特征在于：所述檢測部件的整個旋轉(zhuǎn)范圍被分割為所述傳感器的輸出狀態(tài)不同的兩個區(qū)域，將所述兩個區(qū)域的邊界部作為所述原點位置進行檢測。

而且，本發(fā)明的超聲波探頭的特征在于：以即使在對所述超聲波收發(fā)部進行全行程驅(qū)動的情況下，所述檢測部件的總轉(zhuǎn)數(shù)成為1旋轉(zhuǎn)以下的方式來設(shè)定所述檢測部件的減速比。

此外，特征在于：使被驅(qū)動齒輪嚙合于設(shè)置在所述中間部件上的驅(qū)動齒輪而抽出所述旋轉(zhuǎn)，所述被驅(qū)動齒輪直接或經(jīng)由別的聯(lián)動部件使所述檢測部件旋轉(zhuǎn)。

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

[發(fā)明的效果]

準(zhǔn)確地檢測在對機械3D超聲波探頭的超聲波收發(fā)部的擺動進行控制時作為基準(zhǔn)的原點位置，形成更準(zhǔn)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(qū)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，并從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(qū)動軸與檢測部件的順時針方向轉(zhuǎn)數(shù)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(gòu)的第二實施例的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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，基于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(fā)明的機械3D超聲波探頭應(yīng)用于線性掃描型機械3D超聲波探頭的第一實施例中，超聲波收發(fā)部(探頭主體)100向短軸方向的擺動(往返移動)機構(gòu)包括：驅(qū)動馬達1、與使驅(qū)動軸3旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的減速機構(gòu)2，所述驅(qū)動軸3向超聲波收發(fā)部100傳遞所述驅(qū)動馬達1的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力。而且，如圖1所示，所述減速機構(gòu)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固定于受到圖2所示的基座20軸支撐的驅(qū)動馬達1的輸出軸1a。

另外，如圖2所示，驅(qū)動軸3經(jīng)由油封(oil seal)5而軸支撐于基座20，固定于驅(qū)動馬達1的輸出軸1a的小帶輪2a的旋轉(zhuǎn)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(qū)動軸3向順時針方向(CW)及逆時針方向(CCW)旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)此種結(jié)構(gòu)，交替地向L端及R端方向驅(qū)動第二同步帶4，所述第二同步帶4與軸支撐于驅(qū)動軸3的另一端部的驅(qū)動軸帶輪3a的外周部接觸，并橫跨架設(shè)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(shè)置于與超聲波收發(fā)部(探頭主體)100的L端及R端相當(dāng)?shù)亩梯S方向的擺動端部的基座20的側(cè)壁。

通過所述第二同步帶4受到驅(qū)動，超聲波收發(fā)部100受到鋪設(shè)于外殼21的內(nèi)底面的一對平行的引導(dǎo)機構(gòu)21a(參照現(xiàn)有例的圖5所示的直線導(dǎo)軌52)引導(dǎo)，從而在短軸方向上呈直線狀地移動(若驅(qū)動軸3向圖1所示的CW方向旋轉(zhuǎn)，則超聲波收發(fā)部100向L端方向移動，另外，若驅(qū)動軸3向CCW方向旋轉(zhuǎn)，則超聲波收發(fā)部100向R端方向移動)。

而且，如圖1所示，在驅(qū)動軸3的左右兩端部的中間位置設(shè)置有驅(qū)動齒輪10，所述驅(qū)動齒輪10與齒數(shù)比所述驅(qū)動齒輪10更多的被驅(qū)動齒輪11嚙合。由此，驅(qū)動軸3的轉(zhuǎn)數(shù)(rotation speed)在驅(qū)動系統(tǒng)的中途被分散而減速，使與被驅(qū)動齒輪11一體地設(shè)置的旋轉(zhuǎn)圓板14旋轉(zhuǎn)，與圖5(c)所示的光學(xué)旋轉(zhuǎn)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(dāng)超聲波收發(fā)部100向R端方向移動時，旋轉(zhuǎn)圓板(檢測部件)14向圖1所示的CW方向旋轉(zhuǎn)，另外，當(dāng)超聲波收發(fā)部100向L端方向移動時，旋轉(zhuǎn)圓板14向CCW方向旋轉(zhuǎn)。

而且，若在驅(qū)動齒輪10與被驅(qū)動齒輪11的嚙合部有所謂的側(cè)隙(backlash)，則會導(dǎo)致超聲波收發(fā)部100在擺動時通過預(yù)先設(shè)定的原點位置的時刻、與來自旋轉(zhuǎn)圓板14的傳感器輸出發(fā)生變化的時刻產(chǎn)生誤差。所述時刻誤差(timing error)在超聲波收發(fā)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，并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(fā)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(qū)動齒輪11與驅(qū)動齒輪10之間的軸間距能夠自如地發(fā)生變化的方式來支撐所述被驅(qū)動齒輪11，并通過螺旋彈簧12來一直向驅(qū)動齒輪10的方向?qū)Ρ或?qū)動齒輪11施力，所述螺旋彈簧12的一端支撐于基座20，另一端安裝于被驅(qū)動齒輪11。

由所述螺旋彈簧12施力，由此，能夠使驅(qū)動齒輪10與被驅(qū)動齒輪11之間所產(chǎn)生的側(cè)隙幾乎為零。再者，旋轉(zhuǎn)圓板(傳感器)14只要固定于所述未圖示的被驅(qū)動齒輪11的保持部件即可，因此，與另外設(shè)置旋轉(zhuǎn)圓板14的情況相比，能夠使超聲波探頭小型化且能夠減少制造成本。

另外，特別如圖2所示，驅(qū)動軸3由油封5密封、支撐于基座20，因此，封入至外殼21內(nèi)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(shè)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(shè)于基座20與外殼21內(nèi)，所述第一惰輪7a及第二惰輪7b分別設(shè)置于與超聲波收發(fā)部100的L端及R端相當(dāng)?shù)亩梯S方向的擺動端部的基座20的側(cè)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(dāng)?shù)貙Φ诙綆?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(fā)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(gòu)，使用了由同步帶與帶輪及齒輪機構(gòu)形成的減速機構(gòu)，因此，能夠大幅增大從驅(qū)動馬達向驅(qū)動軸減速的減速比，并且通過驅(qū)動齒輪與被驅(qū)動齒輪的組合，使構(gòu)成透射型光傳感器的旋轉(zhuǎn)圓板的全行程中的總轉(zhuǎn)數(shù)(total rotation speed)大幅減速。

結(jié)果是如下所述，能夠在全行程中，將旋轉(zhuǎn)圓板的總轉(zhuǎn)數(shù)減速至1旋轉(zhuǎn)以下。

即，如圖3所示，橫軸采用超聲波收發(fā)部的全行程，另外，縱軸采用驅(qū)動軸3及檢測部件(旋轉(zhuǎn)圓板)11的順時針方向的轉(zhuǎn)數(shù)及透射型光傳感器13的輸出，對從超聲波收發(fā)部100的L端經(jīng)過原點O到達R端的所述轉(zhuǎn)數(shù)及傳感器輸出進行繪制而形成曲線圖。

根據(jù)所述曲線圖(圖3)，當(dāng)超聲波收發(fā)部100在從L端至R端為止的全行程中移動時，驅(qū)動軸3旋轉(zhuǎn)了±1.6旋轉(zhuǎn)，因此，所述驅(qū)動軸3的總轉(zhuǎn)數(shù)為3.2旋轉(zhuǎn)。但是，在本發(fā)明的機械3D超聲波探頭的實施例1中，根據(jù)驅(qū)動齒輪10與被驅(qū)動齒輪11之間的減速比，旋轉(zhuǎn)圓板11已減速至驅(qū)動軸3的轉(zhuǎn)數(shù)的四分之一，因此，旋轉(zhuǎn)圓板11僅旋轉(zhuǎn)了±0.4旋轉(zhuǎn)，結(jié)果是旋轉(zhuǎn)圓板11的總轉(zhuǎn)數(shù)為0.8旋轉(zhuǎn)，即，在全行程中旋轉(zhuǎn)了1旋轉(zhuǎn)以下，超聲波收發(fā)部100的原點位置O未產(chǎn)生誤差。

再者，在本發(fā)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，但不限于此，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(fā)明的第一實施例中，使一個驅(qū)動齒輪與一個被驅(qū)動齒輪嚙合來使旋轉(zhuǎn)圓板減速，但如圖4所示，在本發(fā)明的第二實施例中采用如下結(jié)構(gòu)：在所述第一實施例的第一被驅(qū)動齒輪11的下一段，進一步設(shè)置第二被驅(qū)動齒輪15，并使所述第二被驅(qū)動齒輪15嚙合于與第一被驅(qū)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(qū)動齒輪11與驅(qū)動齒輪10及第二被驅(qū)動齒輪15之間的軸間距均能夠發(fā)生變化的方式來支撐所述第一被驅(qū)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?qū)λ龅谝槐或?qū)動齒輪11施力。因此，能夠同時消除各個驅(qū)動齒輪嚙合時的側(cè)隙。

因此，根據(jù)本發(fā)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(qū)動齒輪的直徑，因此，即使超聲波探頭在布局上有限制，其設(shè)計自由度仍極高。

再者，本發(fā)明的超聲波探頭也能夠應(yīng)用于圓弧狀掃描型機械3D超聲波探頭，但能夠更有效地應(yīng)用于超聲波收發(fā)部需要更多驅(qū)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(qū)動馬達

1a：輸出軸

2：減速機構(gòu)

2a：小帶輪

2b：第一同步帶

2c：大帶輪

3：驅(qū)動軸

3a：驅(qū)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(qū)動齒輪

11：第一被驅(qū)動齒輪

12：第一拉伸彈簧

13：透射型光傳感器

14：旋轉(zhuǎn)圓板

14a：遮光部

14b：透光部

15：第二被驅(qū)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(fā)部

P：邊界部

O：原點位置