JPH0796479A

JPH0796479A - 圧力検出機構を有するマニピュレータ

Info

Publication number: JPH0796479A
Application number: JP5242757A
Authority: JP
Inventors: Hideo Adachi; 日出夫安達; Takuya Imahashi; 拓也今橋
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-09-29
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1995-04-11

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明にあっては、被検体に支障をきたすこ
となく、操作性が良く安全にするために、種々の構造の
圧電振動子を組込んだ自励発振回路を構成することを特
徴とする。【構成】エミッタ接地されたトランジスタ２０のコレク
タは、圧電素子１４の振動励起電極１２に接続されると
共に、アンテナ１９がタップ端子に接続された昇圧コイ
ル２３を介して電源供給端子２４に接続されている。ま
た、トランジスタ２０のベースは、圧電素子１４の帰還
電極１３からの帰還電圧の位相、振幅を調整するコンデ
ンサ２１、抵抗２２を介して帰還電極１３に接続されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は管腔内に挿入して管腔
壁への押圧状態を検出しながら管腔内の状態を診断、処
置する湾曲管状で圧力検出機構を有するマニピュレータ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、管腔内に挿入し、管腔壁への押圧
状態を検出しながら管腔内の状態を診断、処置する内視
鏡が、工業用に於いては産業用配管や航空機用エンジン
内部の診断等、また医療用としては腹腔内の診断治療に
必要不可欠な装置として利用されている。更に、近未来
に於いては生体の血管内の診断、治療を行える微小構造
の極細内視鏡の実現が期待され、マイクロマシン技術を
ベースとした研究が進められている。このような応用、
とりわけ医療用の内視鏡に於いて、被検体へ傷害を与え
ることは絶対的に避けなければならないことである。ま
た傷害を与えないまでも、被検者への苦痛を和らげるこ
とは重要なテーマであり、種々の対策が取られている。
とりわけ、内視鏡の操作性の向上が重要な対策の１つと
して検討されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、こうした内
視鏡、例えば医療用の内視鏡に於いては、その先端部
に、鉗子等の処置具や触針、或いは光照射系の光ファイ
バ等を有している。そして、これら処置具、触針、光フ
ァイバ等は、何れも管状構造体の管壁内に配線されて内
視鏡の末端部の操作部に接続されている。

【０００４】しかしながら、このような内視鏡では、触
針により体腔内を確認しながらマニピュレータを挿入す
ると共に、末端部の操作部に操作を行うため、操作性に
課題を有しているものであった。

【０００５】このため、挿入操作性を高めるために、本
件特許出願人は、外周面にセンサを設けた内視鏡等の管
状マニピュレータを、特願平５−８４６４号として出願
している。ところが、上記特願平５−８４６４号に記載
のマニピュレータの挿入操作性をより高めるためには、
センサをより多く設けなければならない。しかしなが
ら、センサの数を増やせば、それだけ管状構造体の管壁
内の配線が増加するので、管の径が大きくなってしま
う。このことは、被検者の苦痛を和らげるという目的に
反するものであった。

【０００６】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、被検体に支障をきたすことなく、操作性が良く安全
な圧力検出機構を有するマニピュレータを提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわちこの発明は、管
状マニピュレータ構造体に複数設けられるもので、上記
管状マニピュレータ構造体を所定方向に振動励起させる
振動励起手段と、この振動励起手段によって励起された
振動を検出して出力信号を発生する振動検出手段と、上
記振動励起手段及び振動検出手段に電気的に結合され、
上記管状マニピュレータ構造体に印加される圧力の変化
に応じて上記振動励起手段で発生された出力信号を制御
する制御手段と、この制御手段で制御された出力信号を
無線で受信部に伝播する伝播手段とを具備することを特
徴とする。

【０００８】

【作用】この発明の圧力検出機構を有するマニピュレー
タにあっては、管状マニピュレータ構造体の側壁に複数
の具体的な構造を有す圧電センサを形成し、このセンサ
と簡単な回路部品で自励発振回路を構成し、センサ信号
を無線で操作者に伝達するか、圧力を検出した直後に能
動湾曲、能動挿入するようになっている。

【０００９】上記マニピュレータは、同一圧電素子に帰
還電極を設けており、増幅素子と共に自励発振回路を構
成している。更に、上記増幅素子はアンテナを接続して
いる。これにより、圧電センサの共振周波数の電波を送
信できる。この圧電センサに圧力が加わると、帰還電圧
の振幅が小さくなり、位相がずれて自励発振回路の発振
が停止する。遠隔的に圧電センサ自励振回路の発振周波
数に相当する電波を受信できる受信機を動作させ、自励
発振回路の発振が停止しているかどうかをモニタすれ
ば、圧電センサに圧力が加わっているかどうかがわか
る。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例を説
明する。図２は、この発明の第１の実施例で、圧力検出
センサを有するマニピュレータを内視鏡に適用した例の
構成図である。内視鏡は管腔１に挿入する挿入部２を有
している。挿入部２は、先端側に湾曲部３を形成してな
る。更に、先端部４には、観察光学系の観察窓５、照明
光学系の照明窓６、チャンネルの先端開口７があり、触
針８及び鉗子９を利用することができる。

【００１１】湾曲部３は、複数の湾曲ブロック１０ａ、
１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、…（１０）を連接し
てなる。各湾曲ブロック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０
ｄ、１０ｅ、…の外周に於いて、例えば外周を４分割す
る各位置には、複数のセンサ部が配設されている。これ
らのセンサ部は、管腔壁への押圧状態を検出する圧力セ
ンサ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、…（１
１）で構成されている。

【００１２】また、湾曲ブロック１０ａ、１０ｂ、１０
ｃ、１０ｄ、１０ｅ、…は、圧力センサ１１ａ、１１
ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、…からの情報を基に、例
えば操作ワイヤ等の湾曲駆動手段によって強制的に湾曲
させられる。

【００１３】図３は、湾曲ブロック１０ａ、１０ｂ、１
０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、…に配設された圧力センサ１１
ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、…の近傍の構造
を示した図、図４（ａ）は図３に示されたマニピュレー
タの圧力センサの部分の断面図、図４（ｂ）は更に円弧
状圧電素子の断面図である。

【００１４】湾曲ブロック１０の外周には、裏面に全面
電極、表面に分割電極、すなわち振動励起電極１２ａ、
１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ（１２）と帰還電極１３ａ、１
３ｂ、１３ｃ、１３ｄ（１３）を有した円弧状圧電素子
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ（１４）が均等に接着
される。これによって、例えばチタン等の耐喰性金属材
料で構成された湾曲ブロック１０と、ジルコンチタン酸
鉛（ＰＺＴ）で構成された円弧状圧電素子１４とから、
ユニモルフ形の圧電屈曲振動子が湾曲ブロック１０の外
周に沿って構成される。

【００１５】尚、湾曲ブロック１０には、隣接された圧
電屈曲振動子間で振動が互いにクロストークしないよう
に、クロストーク防止孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５
ｄが形成される。また、屈曲振動の機械的品質係数Ｑ_m
を得るために、外周に沿って振動漏れ防止孔１６ａ〜１
６ｄ、１７ａ〜１７ｄが形成されている。このような孔
開け加工は、レーザビームやマイクロワイヤ放電加工を
用い容易に加工可能である。

【００１６】一方、湾曲ブロック１０の内側には、各ユ
ニモルフ圧電屈曲振動子とでリード線を介して自励発振
回路を形成するための周辺回路部１８ａ、１８ｂ、１８
ｃ、１８ｄ（１８）が併設されている。そして、これら
の周辺回路部１８ａ〜１８ｄには、湾曲ブロック１０の
周方向にアンテナ１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ（１
９）が配設されている。該アンテナ１９の先端は、クロ
ストーク防止孔１５を通して外壁で係止される。

【００１７】図１は、図４に示された回路１８と帰還電
極１３を有する圧電素子１４で構成された自励発振回路
の例を示したものである。図１に於いて、２０はトラン
ジスタ等の増幅素子であり、そのエミッタは接地され、
コレクタは振動励起電極１２に接続され、ベースはコン
デンサ２１、抵抗２２を介して帰還電極１３に接続され
ている。上記コンデンサ２１及び抵抗２２は、帰還電極
１３からの帰還電圧の位相、振幅を、それぞれ調整する
ためのものである。

【００１８】また、トランジスタ２０のコレクタには、
タップ付き昇圧コイル２３の一端が接続されている。こ
の昇圧コイル２３は、その他端が回路１８への電源供給
端子２４に接続され、タップ端子がアンテナ１９に接続
されている。

【００１９】次に、この回路１８の動作について説明す
る。電源供給端子２４に電圧Ｖccが入力されると、その
過度的変化によって圧電素子１４の振動励起電極１２に
電圧が印加され、振動励起電極１２の圧電素子部は逆圧
電効果によって機械振動（屈曲振動）を起こす。この機
械振動は、圧電素子１４全体に亘る減衰共振振動を起こ
す。これによって、帰還電極１３には圧電効果による電
圧Ｖ_f が発生される。

【００２０】この帰還電圧Ｖ_f は、振動励起電極１２に
印加された電圧に対し、振幅は小さく、位相はほぼπ
（１８０度）ずれている。したがって、トランジスタ
（増幅素子）２０によってループ利得が１以上で、π
（１８０度）位相を反転させると、この回路は継続的に
発振する。尚、昇圧コイル２３は、発振回路の発振電圧
を大きくするためのものであるが、必ずしも必要なもの
ではない。また、アンテナ１９は、この回路１８の発振
状態を無線で伝達するための手段である。

【００２１】この回路１８は、いわゆる自励発振回路と
称されるもので、上記のように発振条件は振幅のループ
ゲインが１以上で有ることと、位相がループで２π（３
６０度）ずれることが両立することである。したがっ
て、何れかの条件が崩れると、発振が停止することにな
る。

【００２２】いま、圧電素子１４に応力が加わると、振
動の減衰が大きくなり、振幅のループゲインが１以上と
いう条件が崩れ、発振が停止する。この場合、抵抗２２
を調整することにより、発振停止する応力の閾値を調整
することができる。

【００２３】図５は、上述した発振回路の変形例を示し
たものである。増幅素子としては、２つのインバータ２
５ａ、２５ｂを有したＩＣ２５を用いている。インバ―
タ２５ａ、２５ｂの入力側には、それぞれ帰還抵抗２６
（Ｒ１）、２７（Ｒ２）が接続されている。また、イン
バ―タ２５ｂの出力側には、位相調整用のコンデンサ２
８（Ｃ）の一端と振動励起電極１２が接続されている。
帰還電極１４と上記コンデンサ２８の他端は、昇圧コイ
ル２３を介して帰還抵抗２６、２７に接続されている。
尚、２９はＩＣ２５への電源供給端子である。

【００２４】このような構成の自励発振回路に於いて、
図１の回路例と異なるのは、帰還信号が無くてもこの回
路は圧電素子の静電容量Ｃ（２８）及び帰還抵抗Ｒ２
（２７）で決定される周波数で発振する。但し、この場
合は帰還信号がある場合のように圧電素子の共振周波数
とは異なるので、周波数を検出して応力の掛かり具合を
知ることができる。

【００２５】次に、この発明の第２の実施例を説明す
る。図６は、この発明の第２の実施例で、マニピュレー
タを内視鏡に適用した他の構成例を示したものである。
上述した第１の実施例が圧電素子の長手方向を管状構造
体１０の外周に沿って配置したのに対し、この第２の実
施例では管状構造体１０の軸方向に、長方形状の圧電素
子の長手方向を配した構成となっている。

【００２６】図７は、圧電素子部の構造を示したもので
ある。図７（ａ）は、図６のＡ−Ａ′線に沿って軸方向
から見た圧電素子部の断面図、図７（ｂ）は同図（ａ）
のＢ−Ｂ′線に沿った断面図、図７（ｃ）は同図（ａ）
のＣ−Ｃ′線に沿った断面図である。

【００２７】管状構造体１０の内側周面には、圧電素子
３０、及びこの圧電素子３０とリード線３０ａ、３０ｂ
を介して接続された周辺回路３１が配設されている。上
記圧電素子３０は、ＰＺＴ等の圧電材料３２、振動励起
電極３３、帰還電極３４で構成される。また、圧電素子
３０の周囲には、溝孔３５、３６、３７、３８が形成さ
れる。これら溝孔３５〜３８で囲まれた管状構造体１０
の部分が、エポキシ接着剤等で接着されて圧電ユニモル
フを構成している。

【００２８】この圧電ユニモルフは、図７（ｃ）に示さ
れるように、その厚さｄ、長さＬ、圧電材料３２と管状
構造体１０との平均的な弾性定数、印加電圧によって、
最大変位Δｘと共振周波数が決定される。

【００２９】尚、図７では、圧電素子３０を管状構造体
１０の内側面に４箇所軸対称に配置したが、これに限ら
れるものではない。例えば、図８に示されるように、よ
り密集隣接させた配置であっても良い。このユニモルフ
と周辺回路３１により、上述した第１の実施例と同様の
自励発振回路を構成する。

【００３０】図９は、この発明による第３実施例の構成
を示したもので、図９（ａ）は第３の実施例による圧電
応力センサの正面図、図９（ｂ）は断面図である。上述
した第１及び第２の実施例が、１つの圧電素子に設けら
れた帰還電極を用いて自励発振回路を構成し、圧電素子
上に応力が加わったときに発振が停止するというもので
あった。この第３の実施例では、一対の圧電素子を用
い、一方を振動励起用、他方を帰還信号用として用い
て、一対の圧電素子の間に存在する振動伝播領域を伝播
する振動を、応力印加によって制動させると発振が停止
するという構成となっている。

【００３１】図９に於いて、振動励振用圧電素子３９と
帰還用圧電素子４０との間に、振動伝播領域４１が設け
られている。この振動伝播領域４１は、管状構造体４２
の管壁である。また、この管壁には、振動励振用圧電素
子３９、帰還用圧電素子４０及び振動伝播領域４１の周
囲には、振動のクロストークを防止したり、振動を逃さ
ないための溝孔４３及び４４、４５が形成されている。

【００３２】図１０は、第３の実施例に用いる自励発振
回路の構成例である。増幅素子２０であるトランジスタ
２０のコレクタが、管状構造体４２に形成された振動励
振用圧電素子３９に接続される。また、トランジスタ２
０のベースは位相調整用コンデンサ２１、振幅調整用抵
抗２２を介して帰還用圧電素子４０に接続されている。
そのたの構成は、図１の自励発振回路と同様であるの
で、ここでは説明を省略する。

【００３３】いま、端子２４にＤＣ電圧を印加すると、
その変化によって振動励振用圧電素子３９は瞬間振動
し、管状構造体４２から成る振動伝播領域（４１）を減
衰しながら伝播していく。この振動が圧電素子４０の位
置に到達すると、圧電効果によって圧電素子４０に電圧
が生じる。この電圧を、位相調整用コンデンサ２１、振
幅調整用抵抗２２を経て増幅素子２０の入力部へ帰還さ
せる。

【００３４】これによって、トータルループゲインが１
以上になり、また圧電素子３９、４０の位置関係と位相
調整用コンデンサ２１の調整により、位相が２πまわ
り、振動伝播領域の音速と長さで決定される周波数で発
振状態になる。但し、この発振周波数は、位相調整用コ
ンデンサ２１、振幅調整用抵抗２２の調整の具合によっ
ては、振動伝播領域の音速と長さで決定される基本周波
数以外の周波数、すなわち高調波で発振させることもで
きる。

【００３５】この状態で、振動伝播領域部に、ある値以
上の応力が加わると、いわゆる周波数跳びが生じ、基本
周波数から高調波に発振周波数が変化する。また、更に
大きな応力が加わると、発振が停止する。この信号をア
ンテナ１９を経て無線で操作者に伝達する。

【００３６】図１１は、このようにアンテナ１９を経て
無線で操作者に伝達するシステムを示したものである。
各センサ部毎に異なる周波数ｆ₁ 、ｆ₂ 、…、ｆ_i で発
振する自励発振回路４６₁ 、４６₂ 、…を構成し、無線
で操作者の所へ送信する。そして、受信機４７では、上
記周波数ｆ₁ 、ｆ₂ 、…、ｆ_i に相当する信号のみが選
択的に受信され、その周波数、例えばｆ₁ なる周波数に
相当する信号が受信されない時は、ｆ₁ なる周波数の自
励発振が停止される。すなわち、ｉ番目の応力検出部に
応力が加わっていると判断されることになる。このシス
テムの例では、自励発振回路の発振周波数をそのまま送
信しているが、他の搬送波をこの自励発振回路の発振周
波数でＦＭ変調してから送信するという方法でも勿論構
わない。

【００３７】また、発振周波数の応力による基本波から
高調波への飛び、すなわち周波数変位を利用しても良
い。但し、この場合、高調波の周波数が他のセンサから
の基本波や高調波周波数と互いに接近しないように選ぶ
必要がある。

【００３８】次に、図１１に示されたシステムの送受信
の方法について、検出対象物が生体の場合と工業用配管
の場合に分けて説明する。先ず、生体を対象とした場
合、送受信で注意すべきことは生体の電波吸収能であ
る。生体の電波吸収能は、その周波数が１００ＭＨｚを
越すと急激に大きくなるといわれている。したがって、
自励発振回路の発振周波数をそのまま用いる場合も、Ｆ
Ｍ送信する場合も、１００ＭＨｚ以下の周波数帯を用い
るのが好ましい。通常は２０〜８０ＭＨｚに設定する
が、この装置の使用環境に有害電波が無ければ、より低
周波数、すなわち２０ＭＨｚ以下でも使用することがで
きる。

【００３９】次に、受信器の配置について説明する。検
出情報を乗せた自励発振回路からの電波信号は、生体を
透過させて直接体外で受信する方法と、センサを含む自
励発振回路を配設した構造体に沿って、内視鏡等の管状
マニピュレータの操作部に伝送する方法がある。更に、
後者の場合に於いては、内視鏡等の管内部に配設してい
るセンサ駆動回路への電源電圧供給線に電波を乗せて電
波伝送することができる。また、内視鏡等の管壁を構成
する金属性の補強材や、内視鏡等の湾曲操作を行うため
の金属性のワイヤに電波を乗せて電波伝送することがで
きる。

【００４０】したがって、受信機の配置は、電波信号
を、生体を透過させて直接体外で受信する方法に於いて
は、電波が到達する範囲内であれば体外のどこに配置し
ても良い。例えば、信号を種々に加工して、ディスプレ
イ等に検出情報を表示しても良いし、検出情報を直接人
間の間隔に呈示しても良い。

【００４１】一方、内視鏡等の管に沿わせて電波伝送さ
せる場合は、受信機は操作部近傍に配置することにな
る。しかしながら、これを中継点として、最終的に検出
情報の呈示は、更に離れた場所で行っても良いことは勿
論である。

【００４２】次に、対象物が工業用配管や航空機エンジ
ン内部の検出の場合について説明する。これらの場合
は、配管等を構成する材料が、どの程度の電波透過性を
有するか、またその肉厚によって異なるが、その材質が
導体の導電率領域に存在する場合、すなわち金属の場合
は、上述した生体を対象とした場合と同様である。つま
り、配管に電波を乗せた電波伝送か、或いは管状マニピ
ュレータの管内部に配設しているセンサ駆動回路への電
源電圧供給線に電波を乗せて信号伝送するということに
なる。この場合、受信機は、管状マニピュレータの挿入
口近辺に配置することになる。

【００４３】これに対して、対象物の材質が絶縁体の場
合は、受信機の位置は必ずしも管状マニピュレータの挿
入口近辺とする必要がなく、電波の到達する範囲内であ
ればどこでも良い。

【００４４】尚、対象物に電波を透過させて信号伝送す
るときは、送信アンテナは内視鏡等管状マニピュレータ
の管外側壁側に配置させ、電波が内視鏡等、管状マニピ
ュレータの管壁を構成する金属部材にシールドされない
ようにする必要がある。

【００４５】以上のように、検出信号の送受信は、適宜
使用周波数を選択したり、送信経路を選択したり、受信
機の配置を決定することができる。図１２は、この発明
による第４の実施例で、圧電振動子応力センサの構成を
示したものである。上述した第１乃至第３の実施例と第
４の実施例との差異は、第１乃至第３の実施例は圧電素
子の主面が管状構造体に接着されたのに対し、第４の実
施例は圧電素子の端部で管状構造体を振動させたり、そ
れを検出する構造になっていることである。この構造
は、単に管状構造体に加わった応力を検出するだけでは
無く、管状構造体に定在波と進行波を生じさせることに
より、内視鏡の挿入性を高める効果を持たすことができ
るものである。

【００４６】図１２（ａ）は圧電振動子応力センサの立
体図、図１２（ｂ）は断面図である。管状構造体４８の
内壁面に、一対の中空円板状圧電バイモルフ４９及び５
０が嵌合されて配設されている。中空円板状にしている
のは、中空部５１に光学系や照明系の導波路や他の管状
体を通すためである。

【００４７】この応力検出部５２は、図１２（ｂ）に示
されるように、一対の圧電バイモルフ４９、５０と、そ
れに挟まれた振動伝播領域５３で構成される。単に応力
検出のみに用いる場合は、図１３に示されるような、他
の実施例と同様の発振回路を構成させる。図１３の自励
発振回路の構成は、圧電素子の構造が異なる以外は、上
述した第３の実施例と同じであるので、説明を省略す
る。

【００４８】次に、この発明の第５の実施例について説
明する。この第５の実施例は、図１４に示される内視鏡
の鉗子等の処置具用開口部より這出した触針で管腔壁等
の硬さを触診するセンサに応用した例である。

【００４９】図１４（ａ）は圧電素子応力センサの構造
を示した図、図１４（ｂ）は同図（ａ）の触針の拡大
図、図１４（ｃ）は触針の拡大図である。触針５４の先
端には、管腔１の壁等の組織に直接接触する先端部５５
が形成されている。また、先端部５５は、この先端部５
５に繋がる微細径管状構造体５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、
…が、柔軟部材５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、…により連結
されている。この柔軟部材５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、…
は、それぞれ微細径管状構造体同士のなす角が、ある程
度の範囲で自由に変化できることを可能にするゴム等で
構成された蛇腹状のものである。

【００５０】更に、図１４（ｃ）を参照すると、圧電ア
クチュエータ５８、５９は、先端部５５のＰ点を軸方
向、及び軸方向に垂直な面内の円運動を起こさせること
が可能なように配設されている。

【００５１】ここで、図１５（ａ）を参照して、応力検
出回路の動作について説明する。圧電素子６０の端子６
１、６２間、端子６３、６２間に印加されるπ／２位相
のずれた電圧は、正のパルス信号発振回路６４の出力か
ら加算器６５に入力され、抵抗６６及び直流電源６７に
よる負のオフセット電圧が加算されて、正負の信号に変
換される。

【００５２】更に、加算器６５の出力は、２チャンネル
に分けられ、その一方は９０度移相器６８を通すことに
よって得られる。そして、各変位Ｉ〜IVに対応するイン
ピーダンスを電流値として検出するために、極性が異な
る一対のダイオード６９、７０及び７１、７２と、これ
らのダイオード６９、７０及び７１、７２に接続された
電流電圧変換用の直流抵抗７３、７４及び７５、７６か
ら成る並列回路に、各チャンネルを分岐させている。

【００５３】各直流抵抗７３〜７６の変換電圧は、アナ
ログスイッチ７７、７８、７９、８０を経て、それぞれ
コンパレータ８１、８２、８３、８４に入力される。各
コンパレータ８１〜８４の比較電圧８５、８６、８７、
８８は、３端子圧電バイモルフ６０に何の応力も加わっ
ていない時にコンパレータ８１〜８４の出力が０Ｖにな
るように設定する。

【００５４】コンパレータ８１及び８２の出力端子と、
コンパレータ８３及び８４の出力端子がそれぞれ結線さ
れ、結線された各出力は加算器８９へ入力される。尚、
アナログスイッチ７７〜８０がオン状態になるのは、ア
ナログスイッチ７７〜８０の制御端子ａ、ｂ、ｃ、ｄへ
の電圧印加が、倍周波回路９０と１ビット４出力回路９
１によって、図１５（ｂ）のようにに設定されるので、
ｔ１になるタイミングでは抵抗７３の電圧と抵抗７６の
電圧が加算器８９に入力される。

【００５５】いま、３端子圧電バイモルフ６０に何の応
力も加わっていないとすると、コンパレータ８２、８４
の出力が０になるので、加算器８９の出力も０Ｖとな
る。これに対して、変位Ｉに逆らうような応力が加わる
と、端子６２に負電圧、端子６３に負電圧が加わった時
のインピーダンスが上昇し、応力の無い時に比べ電流量
が低下する。したがって、抵抗７３、７４からの電圧
は、何れも小さくなる。

【００５６】応力が大きくなる程、抵抗７３、７６から
の電圧は小さくなるので、逆にコンパレータ８２、８４
の出力は大きくなり、その結果、加算器８９の出力も大
きくなる。変位II、III 、IVに対抗する方向の応力に対
しても、それぞれタイミングｔ２、ｔ３、ｔ４に於いて
同様の動作となる。

【００５７】次に、上記したような加算器８９の出力に
よって、例えばその明るさによって応力の強さ、矢印の
向きによって応力の方向を表す視覚に訴える応力提示装
置９２を動作させることについて説明する。

【００５８】加算器８９の出力電圧は４つに分岐され、
それぞれトランジスタ９３、９４、９５、９６のベース
に入力される。トランジスタ９３〜９６のコレクタに
は、リングカウンタ９７から正電圧のタイミングパルス
９８、９９、１００、１０１が、一定の周期で、且つ各
トランジスタ毎に位相がずらされて入力される。また、
トランジスタ９３〜９６のエミッタは、それぞれ抵抗１
０２、１０３、１０４、１０５を介して接地される。

【００５９】上記タイミングパルス９８〜１０１は、倍
周波回路９０の出力がリングカウンタ９７に入力され、
その出力から得られるものである。また、正電圧のタイ
ミングパルス９８は、図１５（ｂ）のタイミングｔ１と
同期している。したがって、このタイミングに加算器８
９により出力があれば、変位Ｉに逆らうような応力が加
わっていることになる。

【００６０】このタイミング信号９８と加算器８９から
の出力によって、トランジスタ９３が動作し、抵抗１０
２の両端に加算器８９からの出力に比例した、すなわち
応力に比例した電圧が得られる。この電圧は、ダイオー
ド１０６を介して抵抗１０７が接続されたコンデンサ１
０８に充電される。そして、この充電電圧により、ＦＥ
Ｔ１０９、抵抗１１０、トランジスタ１１１を経て発光
ダイオード１１２が点灯される。この発光ダイオード１
１２上には、例えば図示のような矢印マーク１１３の半
透明カラーフィルムが配置されているので、矢印マーク
１１３が明るく表示される。

【００６１】変位II、III 、IVに対抗する方向の応力に
対しても、それぞれ、タイミングパルスｔ２（９９）、
ｔ３（１００）、ｔ４（１０１）のトランジスタ１１
４、１１５、１１６への入力によって同様の動作とな
る。その結果、発光ダイオード１１７、１１８、１１９
により、矢印マーク１２０、１２１、１２２の何れか１
つ、または場合によっては２方向の矢印マークにまたが
って明るく表示し、同時に応力に比例した明るさを得る
ことができることになる。

【００６２】尚、上記トランジスタ９４、９５、９６と
トランジスタ１１４、１１５、１１６の間には、上記し
たダイオード１０６、抵抗１０７、コンデンサ１０８、
ＦＥＴ１０９、抵抗１１０から成る回路１２３と同じ構
成の回路１２４、１２５、１２６が接続されている。

【００６３】図１６（ａ）は、触針５４の先端部５５の
内部構造を示す立体図である。先端部５５は、円柱状屈
曲変位アクチュエータ１２７の上端部で円柱軸に垂直な
面内で円運動をし、上端部と触針５４の先端部５５を結
合する結合棒１２８が配設されている。

【００６４】図１６（ｂ）は上記アクチュエータ１２７
及び圧電バイモルフ６０の詳細を示した図、図１６
（ｃ）は円柱状アクチュエータ１２７の分極処理方法を
示す図である。円柱状アクチュエータ１２７には、分極
処理用兼アクチュエータ制御信号授受電極１２９ａ、１
２９ｂ、１２９ｃ、１２９ｄが配設されている。上記電
極１２９ａと１２９ｂ間、及び電極１２９ｃと１２９ｄ
間には、分極処理用直流電源１３０、１３１が接続され
ている。尚、１３２、１３３は、分極処理によって形成
された分極、１３４はＰＺＴ等の円柱状圧電セラミクス
である。

【００６５】図１６（ｄ）は、円柱状圧電セラミクス１
３４を駆動するための端子構造を示したものである。同
図に於いて、電極１２９ａ〜１２９ｄの分極状態が対向
電極１２９ａと１２９ｃ、１２９ｂと１２９ｄ近傍で、
１３２ａ、１３３ａ、１３２ｂ、１３３ｂというように
逆方向に向いている。したがって、対向電極１２９ａと
１２９ｃの間、または対向電極１２９ｂと１２９ｄの間
に電圧を印加すると、その電圧の極性に対応した方向に
屈曲変位する。

【００６６】また、隣接する電極、例えば電極１２９ｂ
と１２９ｃとを結線してこれを接地端子６２とし、他の
２つの端子６１、６３にπ／２位相のずれた交流電圧を
すると、円柱状圧電セラミクス１２７の先端部は、図示
矢印Ｄ方向の回転円運動を起こす。

【００６７】円柱状圧電セラミクス１２７の底部は、圧
電バイモルフ６０の中心部に固定されているので、圧電
バイモルフ６０の屈曲により、先端部Ｐ点は図示矢印Ｅ
の軸方向にも変位させることが可能である。したがっ
て、先ず圧電バイモルフ６０に接続された端子６０ａ、
６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ、６０ｅ、６０ｆのうち、屈曲
振動のインピーダンスを端子６０ｄ、６０ｃに流れる電
流値の測定によって行い、次いで円柱状圧電セラミクス
１２７の各対向電極に流れる電流値の測定を、端子６
１、６２、６３に接続することによって、図示矢印Ｄの
回転円運動に対し、どの方向からどの程度の大きさの応
力が掛かっているかがわかる。

【００６８】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、種々の
構造の圧電振動子を組込んだ自励発振回路を構成するこ
とにより複数のセンサ配置でもセンサ回路や配線に煩わ
されない管状マニピュレータ構造体の実現が可能とな
り、管状マニピュレータの生体管腔壁への圧力のかかり
具合を操作者に呈示することにより、正確な検出が可能
となり、被検体に支障をきたすことなく、操作性が良く
安全な圧力検出機構を有するマニピュレータを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例で、帰還電極付き圧電
振動子応力センサを用いた自励発振回路の構成図であ
る。

【図２】この発明の第１の実施例で、図１に示された圧
力検出センサを有するマニピュレータを内視鏡に適用し
た例の構成図である。

【図３】図２の湾曲ブロック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、
１０ｄ、１０ｅ、…に配設された圧力センサ１１ａ、１
１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、…の近傍の構造を示し
た図である。

【図４】（ａ）は図３に示されたマニピュレータの圧力
センサの部分の断面図、（ｂ）は円弧状圧電素子の断面
図である。

【図５】第１の実施例による帰還電極付き圧電振動子応
力センサを用いた自励発振回路の変形例を示した回路構
成図である。

【図６】この発明の第２の実施例で、マニピュレータを
内視鏡に適用した他の構成例を示した図である。

【図７】圧電素子部の構造を示したもので、（ａ）は図
６のＡ−Ａ′線に沿って軸方向から見た圧電素子部の断
面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ′線に沿った断面
図、（ｃ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ′線に沿った断面図で
ある。

【図８】第２の実施例による帰還電極付き圧電振動子応
力センサの他の構造例を示した図である。

【図９】この発明による第３実施例の構成を示したもの
で、（ａ）は第３の実施例による圧電応力センサの正面
図、（ｂ）は断面図である。

【図１０】第３の実施例に用いる自励発振回路の構成例
を示した図である。

【図１１】自励振回路の発信器と受信器による圧電振動
子応力センサ信号無線電圧システムの構成例を示した図
である。

【図１２】この発明による第４の実施例で、圧電振動子
応力センサの構成を示した図である。

【図１３】第４の実施例による圧電振動子応力センサを
用いた発振回路の構成を示した図である。

【図１４】この発明の第５の実施例の構成を示すもの
で、（ａ）は圧電素子応力センサの構造を示した図、
（ｂ）は同図（ａ）の触針の拡大図、（ｃ）は触針の拡
大図である。

【図１５】（ａ）は第５の実施例による圧電振動子応力
センサを用いた応力検出回路の回路図、（ｂ）はアナロ
グスイッチ７７〜８０のオン、オフ状態を表した図であ
る。

【図１６】第５の実施例による圧電素子応力センサの構
造を示したもので、（ａ）は触針５４の先端部５５の内
部構造を示す立体図、（ｂ）はアクチュエータ１２７及
び圧電バイモルフ６０の詳細を示した図、（ｃ）は円柱
状アクチュエータ１２７の分極処理方法を示す図、
（ｄ）は円柱状圧電セラミクス１３４を駆動するための
端子構造を示した図である。

【符号の説明】

１…管腔、２…挿入部、３…湾曲部、４…先端部、５…
観察窓、６…照明窓、７…先端開口、８…触針、９…鉗
子、１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ…
湾曲ブロック、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１
ｄ、１１ｅ…圧力センサ、１２、１２ａ、１２ｂ、１２
ｃ、１２ｄ…振動励起電極、１３、１３ａ、１３ｂ、１
３ｃ、１３ｄ…帰還電極、１４、１４ａ、１４ｂ、１４
ｃ、１４ｄ…）円弧状圧電素子、１５ａ、１５ｂ、１５
ｃ、１５ｄ…クロストーク防止孔、１６ａ、１６ｂ、１
６ｃ、１６ｄ、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ…振動
漏れ防止孔、１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ…
周辺回路部、１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ…
アンテナ、２０…増幅素子（トランジスタ）、２１…コ
ンデンサ、２２…抵抗、２３…昇圧コイル、２４…電源
供給端子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】管状マニピュレータ構造体に複数設けら
れるもので、上記管状マニピュレータ構造体を所定方向
に振動励起させる振動励起手段と、この振動励起手段によって励起された振動を検出して出
力信号を発生する振動検出手段と、上記振動励起手段及び振動検出手段に電気的に結合さ
れ、上記管状マニピュレータ構造体に印加される圧力の
変化に応じて上記振動励起手段で発生された出力信号を
制御する制御手段と、この制御手段で制御された出力信号を無線で受信部に伝
播する伝播手段とを具備することを特徴とする圧力検出
機構を有するマニピュレータ。