JP2000227367A - 光ファイバを用いた力センサ及びこれを用いた制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気的雑音の影響を受けず、耐腐食性、耐水
性、電気的絶縁性に優れた歪みセンサを提供する。 【解決手段】 可撓性を有するプラスチック製の筒状体
２と、前記筒状体内部で保持される光ファイバ１と、前
記光ファイバの端面の近傍に設けられ、前記光ファイバ
の端面から出射される光の一部又は全部を反射して前記
光ファイバの端面に再び入射させる鏡３とを備える。前
記筒状体に力が加えられたとき、前記筒状体が歪み、前
記光ファイバの端面と前記反射部材との相対的位置関係
が変化するので、光ファイバの他端における出射光の強
度が変化する。この変化を検出して歪みを知る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光ファイバを用
いた力センサ（歪みセンサ）に関する。また、これを用
いた制御システム、特に、医療における手術用のマスタ
スレーブシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】加えられている力を検出するためのセン
サとして、電気抵抗特性を利用したひずみゲージが知ら
れている。この従来のセンサは、荷重に対するひずみが
生じた結果おこる弾性変形により抵抗値が変化するのを
利用し、その関係からひずみを検出する。近年の薄膜技
術の進歩により非常に小型のひずみゲージが作られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のひずみゲージは
性能的に満足できるものの、電気的な雑音を受け易く、
電気的絶縁性に劣るという問題がある。そのため、電気
的ノイズ環境下や水流中での使用には適さない。一方、
例えば、遠隔操作で電気メスを操作する手術用マスタス
レーブシステムなどにおいて必要とされる力センサは、
電気的雑音の影響を受けず、さらに、耐腐食性、耐水
性、電気的絶縁性に優れていることが求められる。この
種の用途のためには従来にない新たなタイプの力センサ
が開発される必要があった。

【０００４】この発明は、電気的雑音の影響を受けず、
さらに、耐腐食性、耐水性、電気的絶縁性に優れたセン
サを提供することを目的とする。

【０００５】また、この発明は、前記センサを用いるこ
とにより、手術という特別な環境下で機能する制御シス
テムを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明は、少なくとも可撓性を有する筒状体と、
前記筒状体内部で保持される光ファイバと、前記光ファ
イバの端面の近傍に設けられ、前記光ファイバの端面か
ら出射される光の一部又は全部を反射して前記光ファイ
バの端面に再び入射させる反射部材とを備える。

【０００７】前記筒状体に力が加えられたとき、前記光
ファイバの端面と前記反射部材との相対的位置関係が変
化するので、前記筒状体の変形量に応じた強度の光が得
られる。

【０００８】好ましくは、前記反射部材が、前記筒状体
の変形の方向を知ることができるように、斜めに配置さ
れている。

【０００９】好ましくは、前記光ファイバの端面が、前
記筒状体の変形の方向を知ることができるように、斜め
に切断されている。

【００１０】この発明は、操作者が操作する操作部と、
前記操作部の出力に基づき所定の動作を行う被操作部
と、前記被操作部が対象物に接触したときの反力を検出
するように前記被操作部に設けられた前記力センサと、
前記力センサの出力に基づき前記操作部に所定の動きを
与えることにより前記操作者に前記被操作部の接触状況
を知らせる作動部と、を備える制御システムである。

【００１１】好ましくは、この制御システムは、遠隔操
作により手術を可能にする手術用マスタスレーブシステ
ムであって、前記被操作部が手術に用いられる電気メス
であり、前記作動部が前記操作部に動きを与えるトルク
発生器である。

【００１２】好ましくは、前記操作部に動き検出用セン
サを設けるとともに、この動き検出用センサの出力を前
記トルク発生器の駆動信号にフィードバックする。

【００１３】好ましくは、前記力センサは、前記電気メ
スの上下方向の力を検出するように、前記電気メスのア
ームに沿って設けられる。

【００１４】好ましくは、前記力センサは、前記電気メ
スの少なくとも前後方向の力を検出するように、前記電
気メスのアームと角度をなすように設けられる。

【００１５】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態１．以下、この
発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

【００１６】図１に発明の実施の形態１のセンサの断面
略図を示す。センサ１０は、金属製あるいはプラスチッ
ク製のチューブ２の内部に納められた光ファイバ１と、
光ファイバ１の端面前方に配置された鏡面３と、鏡面３
と反対側の端部に設けられて光ファイバ１を支持するシ
リコン等の支持部材４とを備える。光ファイバ１の端面
から矢印のように光が出射されるとともに、鏡面３で反
射された光が光ファイバ１の端面に入射される。光ファ
イバ１の図示されない他の端面には、後述するように、
フォトピックアップが配置され、光ファイバ１に光を入
射させるとともに、出射する光を検出する。チューブ２
は可撓性を有するように作られているので、図１のよう
に力Fを加えると、チューブ２は点線のようにたわむ。
これにともない、光ファイバ１の端面と鏡面３との相対
的位置関係が変化するので、光ファイバ１の端面に入射
される光量が変化する。光量の変化量はチューブ２のた
わみ量（歪量）に関係する。センサ１０の動作原理は、
かかる知見に基づくものである。

【００１７】センサ１０の具体例を挙げれば、チューブ
２はアクリル製で、長さ：８５ｍｍ、外径：６ｍｍ、内
径：４ｍｍ、光ファイバ１の端面から鏡面２までの距
離：約２００μｍである。

【００１８】光ファイバ１を固定する必要があるときは
図２に示す構成を採用することができる。図２は、図１
のセンサ１０の概略断面図である。図２（ａ）は、セン
シング用光ファイバ１とチューブ２の隙間に、光ファイ
バ１の固定用に十数本の補助用光ファイバ５を詰め込ん
でいる。図２（ｂ）は、１本の比較的太い補助用光ファ
イバ６を詰め込んでいる。任意の固定方法を採用するこ
とができる。

【００１９】図３は、光検出機構を含むセンサの全体図
を示す。光ファイバ１の一端にはセンサ１０が設けら
れ、他方の端には光検出機構１１が設けられている。光
検出機構１１は所定の光を光ファイバ１に入射するとと
もに、光ファイバ１から出射される光強度を検出する機
能を有する。光検出機構として、例えば低コストでコン
パクトなＣＤ用の光ピックアップを用いることができ
る。図３において、Ｌはセンサ１０が歪む部分を示し、
Ｂはその歪みの方向及び量を示す。なお、光検出機構１
１は最適な検出が行えるように、図３の矢印の方向に向
きを調節することが望ましい。

【００２０】図４は、光検出機構１１としてのＣＤピッ
クアップの内部構造を示す。ＣＤピックアップは、レー
ザー光源と結像レンズ系、フォーカス誤差検出系、光ス
ポットを動かすアクチュエータからなる。レーザー光源
１１ａの出力光は光ファイバ１に入射されるとともに、
光ファイバ１から出射された光はスプリッタ１１ｂで分
離されて受光素子１１ｃで検出される。

【００２１】図５（ａ）は、光ファイバ１の端面から鏡
面２までの距離と反射光強度の損失の関係を示す図であ
る。図５（ｂ）は、光ファイバ１と端面と鏡面２のなす
角度と反射光強度の損失の関係を示す図である。これら
の図から、反射強度は光ファイバ１と鏡面２との相対的
距離に大きく依存していることがわかる。また、図５
（ｂ）から、力検出のために有効な角度変化範囲は約０
度ないし１０度であることがわかる。

【００２２】図５（ｃ）は、光ファイバ１の自重による
たわみと反射光強度の損失の関係を示す図である。この
図から、光ファイバを片持ち梁としても影響を与えない
距離は、約０ｍｍ乃至３０ｍｍであることがわかる。

【００２３】図５（ｄ）は、アクリル製チューブを用い
たときの荷重特性を示す図である。この場合、反射光強
度の損失は、荷重０ｇ乃至約２００ｇではほとんどない
が、約２００ｇ乃至６００ｇでは直線的に増加すること
がわかる。この直線的部分において荷重の検出を行うこ
とができる。

【００２４】以上の説明から明らかなように、このセン
サは光ファイバを用いるので、電気的雑音の影響を受け
ず、さらに、耐腐食性、耐水性、電気的絶縁性に優れる
という特徴がある。また、構造も簡単である。このセン
サは、従来のひずみゲージを用いることができなかっ
た、電気的雑音下や、湿度が高い場所、水流下でも使用
することができる。

【００２５】発明の実施の形態２．発明の実施の形態１
のセンサは、力が加えられていないとき光ファイバ１に
対して鏡面３垂直であったが、所定の角度傾けるように
してもよい。図６に一例を示す。図１と比較すればわか
るように、図６のセンサ１０は先端の鏡面３が斜めにな
っている点に特徴がある。力Ｆが加えられると、点線の
ようにチューブ２がたわむ点は同様である。なお、図６
において光ファイバ１はチューブ２のほぼ真ん中に配置
されている。これは、後述のように、正負の歪み量を測
定するためである。

【００２６】図６のセンサ１０は、図１のセンサ１０と
は特性上で相違する。図７（ａ）は図１のセンサ１０の
特性の概略を示し、図７（ｂ）は図６のセンサ１０の特
性の概略を示す。

【００２７】図７（ａ）からわかるように、図１のセン
サ１０の特性は、正負の歪み量に対して概ね対象であ
り、歪み量の絶対値が同じであれば、ほぼ同程度の反射
光強度の減少が見られる。この特性は歪み量の絶対値を
知るときには便利である。特に、ＡＢ間及びＣＤ間の変
化はほぼ直線的であり、これらの間において歪み量を正
確に測定することができる。

【００２８】ところで、図６のように鏡面３を斜めにす
ることにより、図７（ａ）のグラフの中心を左右に移動
させることができる。斜めにすることにより、チューブ
２がたわんだ状態と同様の光ファイバ１と鏡面３の相対
的位置関係を与えることができるからである。グラフの
移動量は、鏡面３の角度を変えることにより調整するこ
とができる。図７（ｂ）は、歪み量ゼロの位置が図７
（ａ）のＣＤのほぼ真ん中に来た場合のグラフである。
この場合、正負の歪み量に対して正負反対の反射強度特
性変化が見られる。すなわち、ある正の歪み量が生じた
とき所定の量だけ反射光強度が減少し、同じ量の負の歪
み量が生じたとき同じ量だけ反射光強度が増加する。こ
の特性は歪み量の絶対値とともに、その方向を知るとき
に便利である。

【００２９】図７（ｂ）の特性は、図７（ａ）の特性に
比べて次の点でも優れている。

【００３０】（１）直線性のよい部分ＥＦで歪みを検出
できるので高い精度で検出できる。

【００３１】（２）歪み量ゼロ付近での検出感度が低下
しない（図７（ａ）ではゼロ付近で検出感度が低下す
る）。

【００３２】このように、図１のセンサ１０と図７のセ
ンサ１０とは特性が相違するから、目的・用途に応じて
使い分けが可能である。

【００３３】発明の実施の形態３．上記発明の実施の形
態２において、鏡面３を斜めにすることにより図７
（ｂ）の特性を得たが、光ファイバ１の先端を斜めに整
形しても同様の特性を得ることができる。図８にこの実
施の形態のセンサ１０の構造を示す。光ファイバ１の端
面１ａが斜めにカットされているので、出射される光は
屈折して鏡面３の法線と一定の角度をなすようになる。
これは鏡面３を斜めにしたことと同様の作用・効果を生
じる。

【００３４】なお、鏡面３を斜めにするとともに、光フ
ァイバ１の先端を斜めにカットするようにしてもよい。
両者を組み合わせることにより、用途に応じてさまざま
な特性を提供することができる。

【００３５】発明の実施の形態４．次に、上記センサ１
０を用いた制御システムの例について説明する。

【００３６】現代の医療において手術は欠かせないもの
であるが、医師には肉体的・精神的負担とともに、術中
に肝炎やエイズなどに感染する危険性が伴う。また、近
年切開を最小限にとどめて患者の負担を軽減させる低浸
襲性手術が注目されているが、医師に高度な技量と熟練
が要求されるため、人手不足といった問題が指摘されて
いる。このような問題を解決するためロボット技術を導
入し、遠隔操作により手術を行う手術用マスタスレーブ
システムが提案されている。このシステムは、前立腺肥
大症を対象とした内視鏡下手術などに用いられる。図９
にこのシステムの概念図を示す。

【００３７】手術操作にはスレーブアーム先端にある手
術器具（切除用内視鏡）にかかる微小な力覚情報を医師
が操作するマスターアーム２０にフィードバックさせる
ためのセンサが必要不可欠である。しかし、手術環境及
び電気メスの使用を考慮すると、電気的諸特性を利用す
る従来の歪みゲージのようなセンサでは、機能・安全の
両面で不十分である。この点、上述した光ファイバを用
いたセンサ１０は、絶縁性、耐水・耐熱性等に優れ、手
術用マスタスレーブシステムに最適である。

【００３８】図１０に、手術用マスタスレーブシステム
の機能ブロック図を示す。医師がマスターアーム２０を
操作すると、それに伴ってスレーブアーム２３が動く。
マスターアーム２０に設けられている操作部２０ａがそ
の動きを検出し、検出された信号が増幅器２１を通って
メス及びアーム駆動部２２に入力される。メス及びアー
ム駆動部２２が動作すると電気メス２３ａが動き、所定
の患部が切開・切除される。電気メス２３ａには、前述
の光ファイバを用いたセンサ２３ｂが取り付けられてい
て、電気メス２３ａが患部に接触したときの反力を検出
する。その出力は作動増幅器２４に入力される。作動増
幅器２４は、マスターアーム２０に設けられたトルク発
生用モータ２０ｂを駆動する。センサ２３ｂの出力に応
じてトルク発生用モータ２０ｂが回転してマスターアー
ム２０にトルクを与えるので、操作している医師は電気
メス２３ａが患部に接触しているのか、接触していると
きはどの程度の反力を受けているのかを知ることができ
る。なお、トルク発生用モータ２０ｂには直接的あるい
は間接的に接続されたセンサが設けられていて、トルク
の量がセンサ２３ｂの出力レベルに一致するようにフィ
ードバックがかけられている。

【００３９】図１１に、電気メス２３ａの概略を示す
（同図（ａ））。電気メス２３ａの先端部の電線が患部
１００に接触して切開・切除を行う（同図（ｂ））。

【００４０】図１２に、センサ２３ｂの取り付け状態を
示す。図１２（ａ）の電気メス２３ａ及びそのアーム部
は斜視図のようになっていて、センサ２３ｂは電気メス
２３ａの先端部近傍（同図（ｂ））、あるいは電気メス
２３ａからアーム部にかけて（同図（ｃ））に取り付け
られる。なお、アーム部は導光性部材からなり、モニタ
用の画像を得たり、イルミネーション用に用いられる。
電気メスは矢印のように前後に移動する。図１２（ｂ）
の取り付け方法によれば、主に電気メス２３ａの上下方
向の反力を検出することができる。図１２（ｃ）の取り
付け方法によれば、電気メス２３ａの上下方向とともに
前後方向についても検出することができる。

【００４１】先にも述べたように、センサ２３ｂとして
光ファイバを用いたひずみセンサを用いる。従来の電気
抵抗特性を利用したひずみゲージでは、電気的な雑音を
受け易く電気的絶縁性にすぐれないこのゲージは、手術
という特別な環境下で、しかも電気メスに取り付けるに
は適当ではない。これに対して、光ファイバを用いたひ
ずみセンサは次のような特徴を有するので、この種の用
途に最適である。

【００４２】（１）耐腐食性・耐水性に優れている。

【００４３】（２）電気メス（ループ）に取り付けられ
る程度に小型軽量である。

【００４４】（３）電気的雑音の影響を受けない。

【００４５】（４）電気計測における電線並みの低損失
で遠隔操作が可能。

【００４６】（５）電気絶縁性に優れ、高電圧環境でも
危険なく使用可能。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１のセンサの縦断面略
図を示す。

【図２】 この発明の実施の形態１のセンサの横断面略
図を示す。

【図３】 この発明の実施の形態１に係る、光検出機構
を含むセンサの全体図を示す。

【図４】 この発明の実施の形態１に係る光検出機構と
してのＣＤピックアップの内部構造を示す。

【図５】 この発明の実施の形態１の光強度損失特性の
測定例である。

【図６】 この発明の実施の形態２のセンサの縦断面略
図を示す。

【図７】 図７（ａ）は発明の実施の形態１のセンサの
光強度損失特性の概略を示し、図７（ｂ）は発明の実施
の形態２のセンサの光強度損失特性の概略を示す。

【図８】 この発明の実施の形態３のセンサの縦断面略
図を示す。

【図９】 手術用マスタスレーブシステムの概念図を示
す。

【図１０】 この発明の実施の形態４の手術用マスタス
レーブシステムの機能ブロック図を示す。

【図１１】 図１１（ａ）は電気メス２３ａの概略を示
す。図１１（ｂ）は電気メス２３ａの先端部の電線が患
部１００に接触して切開・切除を行う様子を示す。

【図１２】 この発明の実施の形態４のシステムにおけ
るセンサの取り付け状態を示す。

【符号の説明】

１ 光ファイバ ２ チューブ ３ 鏡面 ４ 支持部材４ ５、６ 補助用光ファイバ １０ センサ １１ 光検出機構 ２０ マスターアーム ２０ａ 操作部 ２０ｂ トルク発生用モータ ２０ｃ センサ ２１ 増幅器 ２２ メス及びアーム駆動部 ２３ スレーブアーム ２３ａ 電気メス ２３ｂ センサ ２４ 作動増幅器

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも可撓性を有する筒状体と、前
   記筒状体内部で保持される光ファイバと、前記光ファイ
   バの端面の近傍に設けられ、前記光ファイバの端面から
   出射される光の一部又は全部を反射して前記光ファイバ
   の端面に再び入射させる反射部材とを備え、前記筒状体
   に力が加えられたとき、前記筒状体の変形量に応じた強
   度の光が得られるように、前記光ファイバの端面と前記
   反射部材との相対的位置関係が変化することを特徴とす
   る光ファイバを用いた力センサ。
2. 【請求項２】 前記反射部材が、前記筒状体の変形の方
   向を知ることができるように、斜めに配置されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の力センサ。
3. 【請求項３】 前記光ファイバの端面が、前記筒状体の
   変形の方向を知ることができるように、斜めに切断され
   ていることを特徴とする請求項１記載の力センサ。
4. 【請求項４】 操作者が操作する操作部と、前記操作部
   の出力に基づき所定の動作を行う被操作部と、前記被操
   作部が対象物に接触したときの反力を検出するように前
   記被操作部に設けられた請求項１記載の力センサと、前
   記力センサの出力に基づき前記操作部に所定の動きを与
   えることにより前記操作者に前記被操作部の接触状況を
   知らせる作動部と、を備える制御システム。
5. 【請求項５】 前記被操作部が手術に用いられる電気メ
   スであり、前記作動部が前記操作部に動きを与えるトル
   ク発生器であることを特徴とする請求項４記載の制御シ
   ステム。
6. 【請求項６】 前記操作部に動き検出用センサを設ける
   とともに、この動き検出用センサの出力を前記トルク発
   生器の駆動信号にフィードバックすることを特徴とする
   請求項５記載の制御システム。
7. 【請求項７】 前記力センサは、前記電気メスの上下方
   向の力を検出するように、前記電気メスのアームに沿っ
   て設けられることを特徴とする請求項５記載の制御シス
   テム。
8. 【請求項８】 前記力センサは、前記電気メスの少なく
   とも前後方向の力を検出するように、前記電気メスのア
   ームと角度をなすように設けられることを特徴とする請
   求項５記載の制御システム。