JP2004321792A - 深度制御またはｚ軸駆動の方法とその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学機器に用いる深度制御やＺ軸駆動を提供する。
【解決手段】軸１２に沿って位置を制御するための位置制御装置１０であって、前記軸１２に沿って膨張・収縮するように配置できる形状記憶合金２８を備えた、前記軸１２に沿って伸張・収縮することができる伸張性部材２６と、前記形状記憶合金２８の温度を制御するための加熱手段８２と、前記加熱手段８２を制御するためのものであって、位置の変化に応答して動作するフィードバック機構３２とを有し、前記位置は前記加熱手段８２によって制御可能であり、前記フィードバック機構３２によって一定に保たれる。
【選択図】図１Ａ

Description

関連出願

本出願は、2003年4月14日出願の米国仮出願No.60/462,324に基づくものであり、その利益を主張するものであって、その全てが参照により本明細書に組み込まれる、

本発明は、例えば内視鏡や顕微鏡等（内視顕微鏡も含む）の光学機器に用いる深度制御やZ軸駆動を提供するための方法または装置に関するものである。

例えばWO 00/75712で見られるように、X-Y駆動、言い換えれば、X-Y走査のための多くの技術が提案されてきた。Z軸すなわち深度方向の駆動は、特に内視鏡検査や顕微鏡検査において、取り分け共焦点系においてしばしば必要となる。既存の方法の一つによれば、Z軸深度調整を対物レンズの手動による位置調整で行っている。ベンチトップシステム（卓上システム）では、直接レンズ位置を調整することも可能であろうが、ハンドヘルド装置の場合、既存のシステムでは、ユーザーが操作するカム機構によって行われている。共焦点顕微鏡システムでは、Z軸深度調整機構は、オペレーターが、異なる焦点面深さにおいて、被検物中で共焦点を合焦させられることが必要である。

しかし、既存のZ軸アクチュエーターシステムは、寸法（特に、直径）を最小化する必要のある、あるいは、内視鏡検査の場合のように、硬い先端部の長さをできる限り短くしなければならない、小型化された共焦点内視鏡や他の小型の装置に対しては不適切である。

本発明の目的は、Z軸のコントロールを可能としつつ、横方向にもある程度の可撓性を与える、Z軸アクチュエーターを提供することである。

本発明は、第１の広い態様によれば、軸に沿って位置を制御するための位置制御装置であって、前記軸に沿って膨張・収縮するように配置できる形状記憶合金を備えた、前記軸に沿って伸張・収縮することができる伸張性部材と、前記形状記憶合金の温度を制御するための加熱手段と、前記加熱手段を制御するためのものであって、位置の変化に応答して動作するフィードバック機構とを有し、前記位置は前記加熱手段によって制御可能であり、前記フィードバック機構によって一定に保たれる、位置制御装置を提供する。

実施形態の一つでは、前記軸が深度、すなわちZ方向の軸である。（この場合、装置は深度制御装置、すなわちZ軸駆動装置として記載することができる。）

好ましくは、前記装置は前記形状記憶合金の膨張或いは収縮に抗して作用するバイアス手段からなり、好ましくは、収縮に抗して作用する。

好ましくは、前記バイアス手段がスプリングであり、さらに好ましくはコイルばねであるが、例えば、前記形状記憶合金の収縮時に圧縮される、ゴムやその他の弾力のある物質からなる部材でも良い。

従って、前記形状記憶合金の周囲の温度変化により生じる長さの変動は、装置により所望の長さにセットされれば、その長さを維持するように、前記フィードバック機構により補正される。前記形状記憶合金の適切な実施例はティネルやニチノールである。

好ましくは、前記フィードバック機構が、装置の位置を感知するためのフィードバックセンサーを有し、前記形状記憶合金に加えられる熱を加減するために前記加熱手段に送られる出力を供給する。

実施形態の一つでは、前記フィードバック機構が複数のフィードバックセンサーを含む。この方法によって、より精密な位置測定がなされ、若しくは、被測定距離が均一でない場合（例えば装置が曲がっているときなど）では、適切な位置を測定するために曲がり具合の測定がなされる。

好ましくは、前記加熱手段が前記形状記憶合金を加熱するための電流電源を備え、好ましくは、前記電流電源が、前記形状記憶合金に電流を流すことによりなる。しかし、前記加熱手段は他のどんな適切な選択でもよく、前記形状記憶合金の周囲を取巻く、または、通過する流体（空気、その他の気体、液体を含む）を加熱し、循環させる機構を含む。選択的には、前記加熱手段は前記形状記憶合金とヒーターの接触からなり、さもなければ他の熱伝達からなる。（例えば、一つまたは複数の電熱素子が前記形状記憶合金上に熱を放射することができ、或いは、一つまたは複数の電熱素子が前記形状記憶合金に熱伝導性を有する連結器で接続される）

好ましくは、電流がパルス幅変調電流である。好ましくは、前記加熱手段が、パルス幅変調電流のデューティ比を変えることにより、前記電流の平均値を変化させて前記加熱手段を制御することが可能である。

従って、平均電流値を変化させることによって、前記形状記憶合金の加熱、ひいては長さを制御することができる。

前記フィードバック機構が、静電容量センサー、可変抵抗センサー、磁気ホールセンサー、誘導センサー、或いは光学センサー備えていてもよい。実施形態の一つでは、前記フィードバック機構が２重線コイル容量性センサーを備える容量性センサーを有し、２重線コイル容量性センサーのコイル間隔が前記装置の位置によって変化して、前記センサーの出力を変化させる。好ましい実施形態では、前記フィードバック機構が、赤色パルス光を射出する発光ダイオード（LED）と位相固定増幅（PIN）検出ダイオードを含む光学センサーを備える。

好ましくは、前記装置は、さらに前記形状記憶合金を前記装置に固定するための長尺部材を備え、前記長尺部材は縦方向には十分に堅く、横方向には可撓性である。さらに好ましくは、前記長尺部材がボーデンケーブルからなる。

また、本発明は、照射光を通すための光ファイバーと、観察領域に前記照射光を合焦させるための集光装置と、観察領域の位置を制御するための上述した位置制御装置を備える内視鏡を提供する。

前記位置は、射出開孔の移動、前記集光装置の移動、或いは前記射出開孔と前記集光装置両方の移動により調節可能であり、その前記移動は前記位置制御装置によって制御可能である。

好ましくは、前記内視鏡は前記射出開孔が組み込まれたX-Y走査機構を有し、前記X-Y走査機構の位置が前記位置制御装置によって調節できる。

実施形態の一つでは、前記伸張性部材が、複数の同様な伸張性部材の一つである。

従って、複数の形状記憶合金の部材を含むことができる。これにより、要求する温度範囲を狭くでき、または、Z軸位置に変化をもたらすためにより均等に分散した力を加えることができる。選択的には、ぞれぞれの部材に加えられた別々の熱が装置内のデバイスを曲げるために使用することができる。例えば、装置がX-Y走査機構のZ軸位置を制御するために使用する場所において、X-Y走査機構に例えば装置の円周に均等に間隔をあけた３つの独立した制御部材を配置することによって装置の角度を方向付けることができる。

実施形態の一つでは、前記内視鏡が共焦点内視鏡であり、内視顕微鏡の形式であってもよい。

また、本発明は、観察領域の位置を制御するための、上述したような位置制御装置を備える顕微鏡（共焦点顕微鏡でもよい）を提供する。

また、本発明は、上述したような位置制御装置を備える結腸鏡（共焦点でもよい）を提供する。

実施形態の一つでは、前記装置は、位置が変化するときに間隔が変化する、前記装置の２つの部分の間に配置され、取付けられ、前記間隔が変化するにつれて撓曲するフレキシブルプリント回路基板（PCB）をさらに備える。

実際にこの方法は、２つの構成要素の間隔距離が変化し、電気的な接続がそれらの間に必要であり望まれる場所に、他の応用法で使用されている。

好ましくは、前記装置は、軸方向（例えばZ軸方向）に所望のホームポジションを設定するホーム調整機構をさらに備え、以降の位置調整はホームポジションに対して行われる。

また、第二に広い態様では、本発明は、軸に沿った位置の位置決め制御を与える方法であって、前記軸に沿って膨張・収縮するように配置できる形状記憶合金を備え、前記軸に沿って伸張・収縮することができる伸張性部材を用い、加熱手段によって前記形状記憶合金の長さを制御し、位置の変化に応答するフィードバック信号を提供し、前記位置を一定に保つために前記フィードバック信号に応じて前記加熱手段を制御するものであって、前記位置は、前記加熱手段によって制御可能であり、前記フィードバック機構によって一定に保たれる方法を提供する。

前記軸が深度或いはZ軸である。

好ましくは、その方法はさらにバイアス手段を用いて、前記形状記憶合金の膨張或いは収縮に抗する力を加えることを含み、そのバイアス手段が例えばスプリングであり、好ましくはその収縮に抗して作用することを含む。

また、本発明は、ある部位の内視鏡検査あるいは結腸鏡検査を行う方法であって、光学ヘッドを前記部位に位置させること、前記内視鏡検査或いは結腸鏡検査の観察領域の少なくとも一部分を、形状記憶合金によって位置制御することを含む方法を提供する。

図１は結腸鏡挿入部１０の模式図であり、この挿入部は、本発明の好ましい実施形態によるZ軸制御装置を備えている。Z軸制御装置はその深度方向、すなわちZ軸方向１２における焦点面の位置をコントロールするためのものである。この結腸鏡挿入部１０は、結腸に挿入して使用される結腸鏡の一部であり、この図では結腸鏡のハンドピースや制御装置等は省略している。

結腸鏡挿入部１０は比較的硬い前方部１４と可撓性を有する後方部１６を含む。前方部１４は主として、X-Y走査機構２０と対物光学トレイン部２２を内包する外側管状ハウジング１８を備える。図１Aでは、光学トレイン部２２を２枚のレンズで代表して模式的に図示している。しかし、光学トレイン部２２は、単レンズの場合もあるが、通常は、各々が、凸レンズ、凹レンズもしくは平面素子を有する複数の光学素子により構成されるような複合レンズを有する。

後方部１６は主要部としてZ軸制御装置２４、すなわち、形状記憶合金ニチノール製の後方延伸ワイヤー２８とボーデンケーブル（Bowden Cable）（ニチノールワイヤー２８の後方端に一端が、ハウジング１８の後部端に他端が取付けられている）形の長尺部材３０と位置センサー３２とを有する、Z軸アクチュエーター２６を含む。

結腸上またはその内部に位置する点状観察領域（point observational field）３７への照射光３６（典型的にはレーザー）と、その点状観察領域３７より（反射光または蛍光として）放射された、検出用の戻り光とを伝送する光ファイバー３４は、X-Y走査機構２０の先端と同じ位置まで伸ばされ、結腸鏡挿入部１０の挿入方向の軸がある中心部に配置される。この光ファイバー３４の途中に照射光と放射光とを分離するためのビームスプリッター（図示せず）を介し、末端には光源と検出器（図示せず）を接続する。光学トレイン部２２は、光ファイバー３４の出射端の射出開孔（射出開孔）から点状観察領域３７に至る照射光の焦点を合わせ、光ファイバー３４内に戻ってくる光の集光と焦点を合わせるためのレンズを有する。

結腸鏡挿入部１０は共焦点法で駆動し、結腸鏡の深さ領域が観察対象組織の表面上或いはその表面以下の明確に境界が定められた焦点面３８に制限されるように、光ファイバー３４の射出開孔が空間的なフィルターとして作用する。しかし、X-Y走査機構２０はハウジング１８内を往復運動する形状であるためにZ軸方向に沿ってスライドが可能となっており、すなわち、ハウジング１８の前方端に対し近づいたり離れたりする。この実施形態では、通常作動時には光学トレイン部２２がハウジング１８に対して固定されており、その結果、焦点面３８の位置を変化させるために、X-Y走査機構２０は光学トレイン部２２に対し滑動して近づいたり離れたりすることができる。しかしながら、他の実施形態では、X-Y走査機構２０は光学トレイン部２２中の選択された後方側の光学素子と共にスライドが可能であり、残りの光学素子はハウジング１８に対して相対的に固定されたままとなる。この実施形態の一つの実施例では、最前方の光学素子のみが他の素子の動作にかかわらず静止している。この実施例は図１B中の１０’に模式的に示されており、描かれたレンズはそれぞれ一つ或いは複数の光学素子を簡潔に表示したものである（前述したように）。

さらなる実施形態では、X-Y走査機構２０が光学トレイン部２２中の全ての光学素子と共にスライド可能であり、ハウジング１８の端部では最端の（すなわち最前方の）光学素子と被検物との間にZ軸寸法が可変の管状空間が形成される。そこで、被検物の一部分をこの管状空間に押し込むことができ、その結果被検物組織の安定性が増し、且つイメージングが容易となる。この管状空間１９を含む実施形態は図１C中の１０’’に模式的に示されており、描かれたレンズはまたそれぞれ一つ或いは複数の光学素子を簡潔に表示したものである（前述したように）。

このように、これらの実施形態のいずれにおいても、観察視野領域は、結腸鏡挿入部１０の位置の粗調整を行わなくてもある程度（範囲４０の間であり、Z軸方向に約３００μｍ）は制御可能である。Z軸制御装置２４を備えることによりX-Y走査機構のスライドが可能となり、従って、結腸鏡挿入部１０と被検物に対するX-Y走査機構２０と焦点面３８の位置変更をも可能にする。

焦点面３８の移動範囲は、光学トレイン部２２の最前端の光学素子のちょうど後方側からその光学素子のおおよそ３００μｍ前方までである。

光ファイバー３４の出射端３５がX-Y走査機構２０によりXとY方向に駆動されるので、光ファイバー３４はX-Y走査機構２０にしっかりと取付けられていることに注目すべきである。このことはまた、Z軸制御装置２４によりX-Y走査機構２０が前進或いは後退する時に、光ファイバー３４の出射端３５も相応して前進或いは後退し、その結果、焦点面３８をZ軸方向に前進或いは後退させるということを、確実にしている。X-Y走査機構２０と出射端３５が３００μｍの範囲を超えて動作すると、光ファイバー３４はX-Y走査機構２０の後方領域において引張応力が働くか、或いは伸張する。しかし、このX-Y走査機構２０の後方領域（内視鏡頭部の１ｍ以上外側も含む）では、光ファイバー３４は筒状部（図示せず）に包まれており、この伸びが可能である程度に筒状部内で十分に動くことができるようになっている。結腸鏡を結腸検査部位へと操作するときにもそうした状況は起こるので、そのような筒状内部での動きは正常な動きであることを理解されたい。

概して、前後方向のZ軸駆動を達成するために、ニチノールワイヤー２８の前端部４２をX-Y走査機構２０の後部に取付ける。ニチノールワイヤー２８を加熱すると収縮が起こり、その結果X-Y走査機構２０を後方へと引っ張る。一方、ニチノールワイヤー２８を冷却すると膨張し始め、ハウジング１８とX-Y走査機構２０の後部との隙間に位置するコイルスプリング４４の付勢とともに、X-Y走査機構２０が前方へとスライドする。スプリング４４はこの図中に模式的に示されているが、近接する構成部材とともに、後により詳細に示す。

上述のように、結腸鏡挿入部１０の焦点面３８はX-Y走査機構２０の移動とともにZ軸方向１２に動く。ニチノールワイヤー２８をボーデンケーブル３０に或いはX-Y走査機構２０の後部に取り付けるために、数種類の技術のいずれでも使用することができる。ニチノールワイヤー２８はその端を曲げることにより取り付けることが可能であり、或いは選択的には、その端部を膨張させ、隣接する部材（すなわち、ボーデンケーブル３０或いはX-Y走査機構２０の後部）の切り欠き部に引っ掛けることも可能である。他の方法は、隣接する部材に予め開けた穴にニチノールワイヤー２８を通し、その後ワイヤーを輪にするか或いは取り付け位置に当てはまるように応力を加えて異なる角度に折り曲げる。この方法では、より安定した連結状態を得るために、さらに折り曲げることができる。

しかし、Z軸制御装置２４内の温度が理論的に一定に維持されているときでも、その温度のわずかな変動がニチノールワイヤー２８の長さの変化を引き起こすことになる。この変動が抑制されていないために、焦点面３８の不必要な位置変動が生じる。したがって、主として位置センサー３２を用いるフィードバック機構によって、Z軸制御装置２４の動きが一定に保たれる。位置センサー３２はハウジング１８に対するX-Y走査機構２０の位置を検出し、結果として焦点面３８の位置の物差しとなる変化する出力信号を提供する。この信号は、ニチノールワイヤー２８の長さの好ましくないどのような変動をも補正するために使用することができ、その結果焦点面３８の位置が浮動する。調整時の焦点面３８の位置を保つために必要な復原性は１０μｍのオーダーである。さらに、このフィードバックは結腸鏡の曲げによる焦点面位置のドリフト量を最小にする（可撓部１６、或いは可撓部１６とハンドピース（図示せず）の間において）。

また、フィードバック機構は、オペレーターが新たなZ深度或いはZ位置を設定してからその位置に到達するまでの応答時間を可能な限り短くしている。この応答時間は回路構成要素（図３A、３B参照）の応答時間と、ニチノールワイヤー２８自身に必要な加熱電流が通電し始める応答時間とを含む。前者は望ましくは５ミリ秒から１００ミリ秒である。加熱によりニチノールワイヤー２８が収縮するとき、後者はニチノールワイヤー２８内部の温度変化率に、またはX-Y走査機構２０の機械抵抗（スプリング４４の抵抗を含む）に依存する。加熱を弱めることによってニチノールワイヤー２８が膨張するとき、後者はワイヤーの放熱率に依存し、またスプリング４４に抗するワイヤーの動作に依存する。本実施形態はZ深度の最小から最大までを１０秒間で調整することができる。

重要なことであるが、ニチノールワイヤー２８に通電する加熱電流は駆動温度を最低限に維持するために最小限にすべきである。それは患者の安全のためであり、またワイヤーの冷却時に確実に放熱できるように発熱を最小限にするためである。

この実施形態の位置センサー３２は光強度センサーを含み、図２A中の４６に概略を図示している。この光学位置センサー４６は、赤色パルス光を射出する発光ダイオード（LED）４８と位相固定増幅（PIN）検出ダイオード（Phase Locked Amplifying detecting diode）５０からなる。LED４８から放射されるパルス光５２は、焦点調節レンズ（図示せず）によって一対の光ファイバー５４に集光される。このパルス光５２は、一対の光ファイバー５４の遠隔照射端５８から光５６として放射され、X-Y走査機構２０の後方表面６０上へと直進する。その後、後方表面６０からの反射光６２は第２の一対の光ファイバー６４により集光される。光ファイバー５４、６４は合わせて光ファイバーバンドル６６を形成する。光ファイバー６４は反射光６２を検出ダイオード５０へと伝送する。光ファイバー５４、６４は、測定精度を最大限にするために、光ファイバーバンドル６６内で、一対の光ファイバー５４が一対の光ファイバー６４で形成される面に対し直交する、交差適合配置（cross-matched configuration）で配列される。

光学位置センサー４６中のダイオード５０により検出される光の強度は、後方表面６０と光ファイバーバンドル６６の端部との間の距離６８の関数として変化する。そしてこの距離６８がX-Y走査機構２０の位置とともに変化するため、結果としてこの距離６８がニチノールワイヤー２８の長さの指標となる。ハウジング１８中のX-Y走査機構２０の動作は検出ダイオード５０により検出され、ダイオードが機械的変位をアナログ電圧信号O（V）に変換し（変換器による。図示なし）、その結果その信号がX-Y走査機構の機械的変位を示す。

アナログ電圧信号と機械的変位の関係を連続した６回の試験で測定し、アナログ電圧信号を変位ｄ（μｍ）の関数として図２Bにプロットした。それぞれの試験に対応する曲線がグラフ右側の表に試験番号とともに記載されている。機械的変位４００μｍから６５０μｍの範囲では、アナログ電圧信号は機械的変位とほぼ線形関係になり、６回の試験ではほぼ同じように繰り返される。

物理的な大きさが結腸鏡挿入部１０の所定の位置に収まれば、所望のフィードバックを提供するために他の形式の位置センサーを使うことができる。

従って、図２Cを参照すると、位置センサー３２は選択的には２重線コイル容量性センサー７０でもよく、そのセンサー７０中のコイル７２aと７２bはセンサーの長さに応じて分離する方向に変化する。コイル７２aと７２bは回路に接続されてないため、両コイルが互いにより近くに引きつけられるにつれて（センサー７０の収縮によって）静電容量が増加する。センサー７０はZ軸方向１２に一直線に並んでいるため、X-Y走査機構２０の（ハウジング１８に対して相対的な）位置変動は結果としてコイル７２aと７２bの間隔距離の変化を生じさせる。このことは、ニチノールワイヤー２８が収縮してX-Y走査機構２０を後方に引寄せてセンサー７０が圧縮される時、或いはニチノールワイヤー２８がスプリング４４によるX-Y走査機構２０の前方への付勢とともに膨張し、センサー７０が伸張する時に生じる。したがって、Z軸制御装置によって調整されたハウジング１８内でのX-Y走査機構２０の位置が、センサー７０で検出される容量と密接な関係を有する。よって、ハウジング１８中のX-Y走査機構２０の変動は容量性位置センサー７０により検出され、そのセンサーは機械的変位をアナログ電圧信号に変換し、その結果その信号がX-Y走査機構の機械的変位を示す。

このように、容量性位置センサー７０はX-Y走査機構２０の変動によって容量変化を引き起こす。

図３Aは、図１に示されていた結腸鏡の挿入部１０とZ軸制御装置２４の回路の概略図である。上述のように、結腸鏡挿入部１０は結腸鏡の一要素であり、結腸鏡はさらにハンドピース８０と制御基板８２を有する。これらの３要素（挿入部１０、ハンドピース８０、制御基板８２）のいずれも、それぞれ独立した電源（図３A中に図示なし）を持っている。

ハンドピース８０は検出ダイオード５０を備える。その検出ダイオードは位置センサー３２からの信号の変化を受信し、上述したようにその信号の変化をX-Y走査機構２０の機械的変位を示すアナログ電圧信号８８に変換する。この検出ダイオード５０は、検出された光の強度の変化に応じてアナログ電圧信号を直ちに出力する。出力電圧８８の変化範囲は６００ｍVよりも大きい。

この実施形態では検出ダイオード５０がハンドピース８０内に設置されているが、このダイオードとLED４８は本質的にはこのシステムのどこにでも設置することができる。これは、光ファイバー５４、６４対の交差配列バンドルの長さが光学位置センサー３２の精度にとっては重要でないためである。例えば、LED４８と検出ダイオード５０は十分に小さくすることができ、結腸鏡挿入部１０内部のPCB（可撓性回路基板）の表面上に直接置かれる。この実施形態では光ファイバー５４、６４対の交差配列バンドルは不必要である。その代わりに、LED４８により放射された光はすぐにX-Y走査機構２０の後方表面６０から反射され、その後検出ダイオード５０によって検出される。

図３Bを参照すると、他の実施形態では、位置センサー３２は２重線コイル静電容量センサー７０であり、ハンドピース８０は復調器を含む変換器８６を備え、その復調器は自励振回路と復調回路とを有する（検出ダイオード５０の代わりに）。

静電容量位置センサー３２から変換器８６までの配線を少しでも長くすると静電容量が増加し、その結果、測定される静電容量の変化量の割合が低下することとなるので、変換器８６をできる限り静電容量位置センサー３２に近づけて配置するほうがよい。

試験では、容量性位置センサー３２の静電容量が測定され、十分に伸張されたときは１１０ｐｆであり、収縮時は１４０ｐｆであることが分かり、静電容量の範囲（即ち、140-110=30 pf）は平均値（即ち、(140+110/2）=125 pf)の２４％であった。従って、変換器８６をセンサー３２に近接して配置した場合には、この程度のパーセンテージ範囲が得られることになる。この２４％程度の静電容量変化はバックグラウンドのノイズよりも高いので容易に検出され、また出力８８を介してフィードバックループ中に容易に入力される。

しかし、図３Bに示す実施形態では、結腸鏡挿入部１０の空間的な制限を考慮すると、変換器８６を挿入部１０内に容易には配置できない。その次に最も近くて適切な変換器８６の位置がハンドピース８０内であるため、図３Bにその位置を示した。

約２ｍの長さの低静電容量電気ケーブル８４を容量性位置センサー７０と変換器８６との間に使用する。この低静電容量ケーブルの静電容量は実測値で１３０pf/mあった。よって、変換器８６がハンドピース８０内に配置されたときの、静電容量の変化率は、実際には30/(125+2×130)となり、約８％である。

さらにもし変換器８６が制御基板８２内に配置されると、変換器８６と位置センサー３２の間にはより長いケーブルが必要となる。変換器８６による検出時の静電容量変化率の低下は、位置のフィードバック機構の精度、且つ、或いは、その反復処理速度が少なくともある程度は妥協されなければならないことを、実質上意味する。

変換器８６は交流信号によって交流ハーフブリッジを駆動し、ブリッジの一つのアームは固定キャパシターからなる（この実施例では、もう一方のアームは、実際上、容量性位置センサー７０中の２つのコイル７２a、７２bからなる）。X-Y走査機構２０の機械的変位は位置センサー３２において交流信号の振幅変化を引き起こす（インピーダンス変化のために）。変換器８６は、位置センサー３２からの信号を励振信号と比較し、それらの差を直流電圧に復調する。変換器８６からの出力電圧８８の変化範囲は２００ｍVよりも大きい。変換器８６のゼロオフセット電圧は、それぞれの特定の位置センサー３２に適応するように調整することができる。

したがって、上述したように、検出ダイオード５０からの信号（図３A参照）、或いは変換器８６からの信号（図３B参照）がアナログ電圧信号８８として出力された後、信号８８は制御基板８２へと伝送されるが、この基板内ではまず第一にアンプ９０によって増幅され、次にアナログデジタル変換器（ADC）９２で後続のプロセスのためのデータとなるデジタル信号９４に変換される。

アンプ９０は低ノイズ作動アンプとローパスフィルター及びデジタルポテンショメーターを備える。入力信号が変換器８６から来るとき、典型的な最大振幅（範囲）は２００ｍVであり、出力信号の最大振幅は典型的には１Vから４Vの間に設定されている。

制御基板８２上のマイクロコントローラー９６はADC９２からのデジタル信号を集め、Z軸アクチュエーター２６を駆動させるドライバー９８（同じく、制御基板８２上にある）を制御するために必要な信号を算出する。これらについては後により詳細に記載する。概略を言えば、ドライバー９８はワイヤー２８の加熱のためにパルス幅変調電流をワイヤー２８に流し、ワイヤー２８の長さを変化させる。変調電流のデューティ比を変化させて電流の平均値を変化させることによって加熱をコントロールし、その結果ワイヤー２８上に発熱をもたらす。

ADC９２は１２ビットのシリアル・アナログ‐デジタル変換器であり、アンプ９０からのアナログ信号をデジタル信号９４に変換する。ADC９２はマイクロコントローラー９６にインターフェースで接続され、位置センサー３２からの最終的な変換信号を順に受信している。その際、ADC９２はマイクロコントローラー９６により制御されている。

アンプ９０のゲインは、マイクロコントローラー９６によって、或いはアンプ９０のアナログ出力信号を最大スケール範囲にセットするための外部調整部１００を介して調整可能である。また、変換器８６に入力されるオフセット補正１０２と、アンプ９０に入力されるゲイン補正１０４は、ADC９２に対して系（センサー３２の特性によるもの、またはその特定の感度）を適切な範囲内に調整するために使用することができる。

さらに、ハンドピース８０は２つの深度コントロールボタン１０６を有し、それらのボタンはX-Y走査機構２０の正確なZ位置をセットするためのパルス信号をマイクロコントローラー９６に送る。一方は深さを増加させ、他方は深さを減少させるボタン１０６それぞれと、マイクロコントローラー９６を結ぶ配線１０８中には５Vの定電圧が存在する。マイクロコントローラー９６は、オペレーターが深度コントロールボタン１０６を押したときにそれぞれの配線１０８における電圧が５Vから０Vへと落ちる電圧を監視している。オペレーターがシステムをコントロールすることを考慮に入れ、コントロールボタン１０６は押された回数または押されている継続時間をマイクロコントローラー９６によって監視されている。継続して押された時間１００ミリ秒ごとに１回の独立した押下げとして処理がなされる。マイクロコントローラー９６は、データ収集、データ算出、電流制御のタスクを完了する。ADC９２からの１２ビットデジタル信号と深度コントロールボタン１０６からのスイッチ信号がリアルタイムにサンプリングされており、マイクロコントローラー９６は比例・積分・微分（PID）制御法によってドライバー９８を、またその後ニチノールワイヤー２８をコントロールするために使用する値を計算する。ここでPID制御法のKpは比例係数、Kiは積分係数、Kdは微分係数である（図４参照）。

図４に示したPID制御法を参照すると、Z(n)は位置センサー３２により検出される実測位置の出力であり、S(n)はオペレーターからボタン１０６によって入力される所望の位置または要求する位置からの信号であり、E(n)は結合誤差信号（composite error signal）であり、Tは時間制御周期である。V(n)は中間コントローラー出力であり、スケール１とスケール２がV(n)をリスケールする。PWMはパルス幅変調出力（the Pulse Width Modulation output）であり、ワイヤー２８の発熱量を調整する。PID回路とPID制御法の今回の手段では、最新反復（current iteration）からの誤差信号（error signal）E(n)は初期反復（earlier）からの誤差信号E(n-2)或いはE(n-1)を加えてさらに変更される。同様に最新反復（current iteration）の中間出力V(n)を加えてV(n-2)にさらに変更される。

パラメーターKp、Ki、Kdは調整部１００により予め設定され、且つ調整可能であり、電流値はPWM形式で出力される。コントロール周期は５ミリ秒から１００ミリ秒の範囲で調整可能である。

したがって、このシステムは、X-Y走査機構２０を要求されたZ位置に駆動させ、或いは特定のZ位置に維持させるための閉路のデジタル制御ループを形成し、PID制御法を使用する位置センサー３２とZ軸アクチュエーター２６を導入して安定した性能を得ている。

例えば、対物光学トレイン部２２中の最端の光学素子のほぼ外側を焦点面とする、「ホーム」ポジションにX-Y走査機構２０をセットすることができる。さらに調整はそのホームポジションに相対的に行われる。そして、一対の読出し値（図示せず）がホームポジションに相対的なZ位置と光学トレイン部２２中の最前端の光学素子の外側表面に相対的な「絶対的な」Z位置をそれぞれ示す。ホームポジションスイッチ１１０はマイクロコントローラーにホームポジションがどこであるかを示すための信号を供給する。同様にホームポジションはまた、焦点面が対物光学トレイン部２２の最前端の光学素子の内部よりもさらに後方へと移動することを防ぐための「停止」位置として機能することができる。異なった位置センサーとZ軸アクチュエーターの使用による要求仕様と特性の変化（例えば感度）を処理するために、マイクロコントローラー９６は、オフセット補正１０２（上述している）とゲイン補正１０４（同じく上述している）と駆動電流補正１１２を備えて、それぞれの構成要素の補正を行う。

ニチノールワイヤー２８はZ軸アクチュエーター２６の重要な要素である。それは形状記憶合金ニチノールから作られており、加熱時に長さが収縮し、冷却時には元の長さまで伸びる。特にX-Y走査機構２０の位置に対してフィードバックを提供するための位置センサー３２のおかげで、小さくて繰返し性に優れたニチノールワイヤーがある程度良い精度をもって結腸鏡挿入部１０中のX-Y走査機構２０の移動の制御を可能にしている。上述したように、ニチノールワイヤー２８を収縮・伸張させるために、方形波パルス幅変調電流（PWM）をワイヤー２８に流す。PWM電流の平均値は加熱を制御し、その結果ワイヤー２８の長さも制御する。マイクロコントローラー９６は、PWM電流の種々の平均値を得るために電流パルスのデューティ比をコントロールし、その結果ワイヤー２８の所望の温度と長さを得る。ドライバー９８は０Vから５Vまでを検出し、典型的な例ではPWM電圧を０ｍAから３５０ｍAの方形波パルス電流形式に変換する。その電流がニチノールワイヤー２８を流れてワイヤー内部で熱に変換される。

ドライバー９８はPWM電流を供給するための電圧‐電流変換器であり、ワイヤー２８を選択的に加熱することによってZ軸アクチュエーターを駆動させる。ドライバー９８はスイッチ方式で作動する。「オン」状態での電流値は、調整部１００を介して或いはマイクロコントローラー９６により制御されるデジタルポテンショメーターにより設定される。

図５Aは、オペレーターが適切なコントロールボタンを押すことにより指示した後のドライバー９８への方形波入力電圧１１４の模式図であり、オペレーターがニチノールワイヤー２８を縮めて焦点面３８を結腸鏡挿入部１０のカバースリップ（図示なし）に相対的に近づくように移動させようとした場合である。より大きな平均電流がニチノールワイヤー２８に流れるように、比較的高い平均電圧をドライバー９８に与えるため、パルス幅１１６は比較的広くなっている。

図５Bを参照すると、オペレーターが適切な深度コントロールボタン１０６を押したとき、マイクロコントローラー９６は結果として生ずる電圧のリークに反応し、パルス幅１２０がより小さくなるように方形波パターン１１８を再形成する。そして、より低い平均電圧がドライバー９８に入力される。結果として、より低い電流がニチノールワイヤー２８を流れる。

想像がつくと思われるが、もう一方の深度コントロールボタン１０６を押すと、逆の現象が起きる。これらの実施例では、位置センサー３２の効果は、焦点面３８位置の望ましくない変位を補正するために、方形波パルスの幅１１６、１２０を深度コントロールボタン１０６により決定した要求された幅の設定値付近で微量に絶えず変化させるようにして、マイクロコントローラー９６内に変換されたデジタル信号を供給することによって方形波パターンを連続的に変調させることである。

ニチノールワイヤー２８とX-Y走査機構２０に対するスプリング４４と光学位置センサー３２の配置は図６により詳細に示されている。この図で明らかなように、スプリング４４はZ軸アクチュエーター２６の前方の隙間１２２（不使用時は約１．３ｍｍである）に配置されている。ボーデンケーブル３０（ニチノールワイヤー２８のほとんどを覆っている）と位置センサー３２の後方収容部１２４とは、機械的な安定性と電気的な絶縁性が図られ、収縮する包装部材（shrink wrap）でカバーされている。

また、結腸鏡挿入部１０内の電気回路は隙間１２２中の３つのPCB１２６a、１２６b、１２６cに設置されており、後方のPCB１２６aはZ軸アクチュエーター部材の前端に、前方のPCB１２６cはX-Y走査機構２０の後端に位置する。隙間１２２の大きさは使用中（ニチノールワイヤー２８の長さの収縮、膨張時）に変化するため、第３のPCBすなわちPCB１２６bは可撓性であり、他の２つのPCBの間に円弧状に配置され、接続されている。フレキシブルPCB１２６bは、３つのPCBに渡って電気的な接続を維持できるように、他の２つのPCB１２６a、１２６cにしっかりと固定されている。ワイヤー接続は、使用によりまたはんだ接続部の曲げによりすぐに壊れるため、その使用が避けられている。

また、この図中には、ケーブル１２８、X軸センサー１３０の外部回路、メカニカルピン１３２の形状をしたバックストップが示されている。このメカニカルピン１３２は、ニチノールワイヤー２８が最も収縮した状態である時のX-Y走査機構２０の最後部移動位置を定めている。さらに、X-Y走査機構２０がこのメカニカルピン１３２に接触するとすぐに、ニチノールワイヤー２８がそれ以上加熱されないようにするために、電流のカットオフ或いは調整を行うことが可能である。さもなければ、ニチノールワイヤー２８が自分自身を固定した位置の一箇所から引っ張り出してしまうという危険性がある。

スプリング４４は後方PCB１２６aと前方PCB１２６cに接して付勢し、またその後方PCB１２６aはボーデンケーブル３０に対する取付け表面を有する。さらに、光ファイバー３４はX-Y走査機構２０の後部のあたりまで前方に延びた筒に囲まれ、この筒は好ましくは、後方または前方PCB１２６a、１２６cを密閉しており、ほこり、細菌、他の汚染物質の進入をある程度阻止する役目を果たす。

ニチノールワイヤー２８はその前端を前方PCB１２６cに取付ける。ニチノールワイヤー２８が使用中に膨張と収縮を繰り返すにつれて、PCB１２６cの取付け位置はその取付け部を損失に導く可能性のある機械的な応力にさらされることとなる。図７Aを参照すると、この実施形態によれば、ニチノールワイヤー２８の前方先端部をフック１３４の形状とし、前方PCB１２６cを２度貫いている。さらに、任意であるが好ましいはんだ１３６（或いは選択的には接着剤）はフック１３４の端の上を覆い、PCB１２６cとの取付け位置にあるニチノールワイヤー２８を支持するための前方表面キャップを形成する。

図７Bを参照すると、他の実施形態では、フック１３４がPCB１２６cから離れてしまう可能性がほとんどなくなるように、ニチノールワイヤー２８の前方先端部を追加的にノブ１３８の形状としている（ワイヤー２８が通るPCB１２６cの穴よりも大きい）。

本発明の範囲内での変形が、本技術の分野における通常の知識を有する者によりすぐに達成される可能性がある。したがって、この発明は以上に例示された特定の実施形態に制限されるものではない。

さらに、本明細書に記載したいかなる従来技術の参照も、その従来技術の参照が通常の一般的知識の一部を形成し、或いは形成されていることを意味するものではない。

本発明をより明瞭に確認するため、ここに好ましい実施形態を例として添付図に示す。
図１Aは、本発明の好ましい実施形態による、深度すなわちZ軸方向により結腸鏡の焦点面をコントロールするためのZ軸制御装置を備える結腸鏡挿入部の模式図である。 図１Bは、本発明の選択的な好ましい実施形態による、深度すなわちZ軸方向により結腸鏡の焦点面をコントロールするためのZ軸制御装置を備える結腸鏡挿入部の模式図である。 図１Cは、本発明のさらにいっそう好ましい実施形態による、深度すなわちZ軸方向により結腸鏡の焦点面をコントロールするためのZ軸制御装置を備える結腸鏡挿入部の模式図である。 図２Aは、図１AのZ軸制御装置の光学位置センサーの模式図である。 図２Bは、図２Aの光学位置センサーに関する、出力アナログ電圧の変化とZ軸動作距離の変化の実測関係を示したものである。 図２Cは、図１AのZ軸制御装置の選択的に好ましい実施形態による静電容量位置センサーの模式図である。 図３Aは、図１Aの光学位置センサーをもつZ軸制御装置を有する結腸鏡の模式的な回路図である。 図３Bは、本発明の選択的なより好ましい実施形態による容量性位置センサーをもつZ軸制御装置を有する結腸鏡の模式的な回路図である。 図４は、図１AのZ軸制御装置の比例・積分・微分制御ループのフローチャートである。 図５Aは、図１AのZ軸制御装置のドライバーに入力される方形波電圧の模式図である。 図５Bは、深さ調整後の図１AのZ軸制御装置のドライバーに入力される方形波電圧の模式図である。 図６は、図１AのZ軸制御装置のニチノールワイヤー２８とX-Y走査機構に対するスプリングと光学位置センサーの配置の模式図である。 図７Aは、図１AのZ軸制御装置のニチノールワイヤーの取付け部と前方PCBの模式図である。 図７Bは、図１AのZ軸制御装置置のニチノールワイヤーと前方PCBの間の選択的な取付け形式の模式図である。

符号の説明

１０ 結腸鏡挿入部
１２ Z軸方向
１８ ハウジング
２０ X-Y走査機構
２２ 対物光学トレイン部
２４ Z軸制御装置
２６ Z軸アクチュエーター
２８ 形状記憶合金ニチノールワイヤー
３０ ボーデンケーブル（Bowden Cable）
３２ 位置センサー
３４ 光ファイバー
３７ 点状観察領域
３８ 焦点面
４４ コイルスプリング
４６ 光学位置センサー
４８ 発光ダイオード（LED）
５０ 検出ダイオード
６６ 光ファイバーバンドル
７０ ２重線コイル容量性センサー
８０ ハンドピース
８２ 制御基板
８６ 変換器
８８ アナログ電圧信号
９０ アンプ
９２ アナログデジタル変換器
９４ デジタル信号
９６ マイクロコントローラー
１００ 外部調整部
１０６ 深度コントロールボタン
１１０ ホームポジションスイッチ
１１８ 方形波パターン
１２６a 後方のPCB
１２６c 前方のPCB
１２６b フレキシブルPCB

Claims (33)

1. 軸に沿って位置を制御するための位置制御装置であって、
   前記軸に沿って膨張・収縮するように配置できる形状記憶合金を備えた、前記軸に沿って伸張・収縮することができる伸張性部材と、
   前記形状記憶合金の温度を制御するための加熱手段と、
   前記加熱手段を制御するためのものであって、位置の変化に応答して動作するフィードバック機構とを有し、
   前記位置は前記加熱手段によって制御可能であり、前記フィードバック機構によって一定に保たれる、位置制御装置。
2. 前記軸が深度、すなわちZ軸である、請求項１に記載の装置。
3. 前記形状記憶合金の膨張或いは収縮に抗して作用するバイアス手段を有する、請求項１に記載の装置。
4. 前記バイアス手段が前記形状記憶合金の収縮に抗して作用する、請求項３に記載の装置。
5. 前記バイアス手段がスプリングである請求項３に記載の装置。
6. 前記フィードバック機構が、装置の位置を感知するためのフィードバックセンサーを有し、前記形状記憶合金に加えられる熱を加減するために前記加熱手段に送られる出力を供給する、請求項１に記載の装置。
7. 前記フィードバック機構が複数のフィードバックセンサーを含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記加熱手段が前記形状記憶合金を加熱するための電流電源を備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記電流電源が、前記形状記憶合金に電流を流すことによって前記形状記憶合金を加熱するよう構成されている、請求項８に記載の装置。
10. 電流がパルス幅変調電流である、請求項８に記載の装置。
11. パルス幅変調電流のデューティ比を変えることにより、前記電流の平均値を変化させて前記加熱手段を制御することが可能な、請求項１０に記載の装置。
12. 前記フィードバック機構が、静電容量センサー、可変抵抗センサー、磁気ホールセンサー、誘導センサー、或いは光学センサーを備える、請求項１に記載の装置。
13. 前記フィードバック機構が２重線コイル容量性センサーを備える容量性センサーを有し、２重線コイル容量性センサーのコイル間隔が前記装置の位置によって変化して、前記センサーの出力を変化させる、請求項１に記載の装置。
14. 前記フィードバック機構が、赤色パルス光を射出する発光ダイオードと位相固定増幅検出ダイオードを含む光学センサーを備える、請求項１に記載の装置。
15. さらに前記形状記憶合金を前記装置に固定するための長尺部材を備え、前記長尺部材は縦方向には十分に堅く、横方向には可撓性である、請求項１に記載の装置。
16. 前記長尺部材がボーデンケーブルからなる、請求項１５に記載の装置。
17. 前記伸張性部材が、複数の同様な伸張性部材の一つである、請求項１に記載の装置。
18. 位置が変化するときに間隔が変化する、前記装置の２つの部分の間に配置され、取付けられ、前記間隔が変化するにつれて撓曲するフレキシブルプリント回路基板をさらに備える、請求項１に記載の装置。
19. 軸方向に所望のホームポジションを設定するホーム調整機構をさらに備え、以降の位置調整はホームポジションに対して行われる、請求項１に記載の装置。
20. 照射光を通すための光ファイバーと、
    観察領域に前記照射光を合焦させるための集光装置と、
    観察領域の位置を制御するための請求項１に記載の位置制御装置、を備える内視鏡。
21. 前記位置は、射出開孔の移動、前記集光装置の移動、或いは前記射出開孔と前記集光装置両方の移動により調節可能であり、前記移動は前記位置制御装置によって制御可能である、請求項２０に記載の内視鏡。
22. 前記内視鏡は前記射出開孔が組み込まれたX-Y走査機構を有し、前記X-Y走査機構の位置が前記位置制御装置によって調節できる、請求項２０に記載の内視鏡。
23. 前記伸張性部材が、複数の同様な伸張性部材の一つである、請求項２０に記載の内視鏡。
24. 前記内視鏡が共焦点内視鏡である、請求項２０に記載の内視鏡。
25. 前記内視鏡が内視顕微鏡である、請求項２０に記載の内視鏡。
26. 観察領域の位置を制御するための、請求項１に記載の位置制御装置を備える、顕微鏡。
27. 請求項１に記載の位置制御装置を備える、結腸鏡。
28. 軸に沿った位置の位置決め制御を与える方法であって、
    前記軸に沿って膨張・収縮するように配置できる形状記憶合金を備え、前記軸に沿って伸張・収縮することができる伸張性部材を用い、
    加熱手段によって前記形状記憶合金の長さを制御し、
    位置の変化に応答するフィードバック信号を提供し、前記位置を一定に保つために前記フィードバック信号に応じて前記加熱手段を制御するものであって、
    前記位置は、前記加熱手段によって制御可能であり、前記フィードバック機構によって一定に保たれる、方法。
29. 前記軸が深度或いはZ軸である、請求項２８に記載の方法。
30. さらに、バイアス手段を用いて、前記形状記憶合金の膨張或いは収縮に抗する力を加える、請求項２８に記載の方法。
31. 前記バイアス手段がスプリングである、請求項３０に記載の方法。
32. 前記バイアス手段が前記形状記憶合金の収縮に抗して作用する、請求項３０に記載の方法。
33. ある部位の内視鏡検査あるいは結腸鏡検査を行う方法であって、
    光学ヘッドを前記部位に位置させること、と
    前記内視鏡検査或いは結腸鏡検査の観察領域の少なくとも一部分を、形状記憶合金によって位置制御すること、
    を含む、方法。

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