JP2009261494A - 超音波操作装置および微細管内検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】
作動子の回転および／または摺動）を自在に行うことができる超音波操作装置および微細管内検査システム又はカメラのオートフォーカス装置において、作動子の駆動トルクの調節を可能にする。
【解決手段】
作動子孔Ｈを有する１つまたは複数のステータの各ステータを複数の部分から構成することにより、作動子孔の径の調節を容易にし、また作動子の直動トルクを調節するためには作動子の軸方向に組み合わせることにより、ステータを構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、作動子孔を有するステータと、柱状の作動子とから構成された超音波操作装
置およびこの超音波操作装置を利用した微細管内検査システムに関し、具体的には作動子
の回転および／またはた摺動（作動子の軸方向への移動）を自在に行うことができる前記超音波操作装
置および前記微細管内検査システムに関する。

超音波モータは、構造が比較的簡単であるとともに、コイルが無いことから小型化に適
している。一般的な超音波モータ１０８は、図６に示すように、リング状のステータ１
０８１と、円板状のロータ１０８２とから構成されており、ステータ１０８１とロータ１
０８２とは押圧接触され、ロータ１０８２にはステータ１０８１の表面から周期的振動（
進行波φ）が伝えられ、これによりロータ１０８２は回転する（回転方向γ）。

超音波駆動装置としてはまた、特開平１０−２１０７７６号公報に、内部が空洞の円柱状のステータとその内部に挿通される作動子を有し、ステータの外面に圧電素子を貼り付けて、その振動により前記作動子を回転または直動方向に駆動する超音波駆動装置が開示されている。

同様の技術としてはまた、公開実用平成２−８３６９５号公報や特開平３−１９８６７２号公報に円柱状のステータを有した超音波駆動装置が開示されている。さらには、ステータを角柱として構成した従来例としては特開昭６３−２２０７８１号公報に開示されている。

特開平１０−２１０７７６号公報 公開実用平成２−８３６９５号公報 特開平３−１９８６７２号公報 特開昭６３−２２０７８１号公報

ところが、図６に示す超音波モータは、図示しない押圧接触の機構を設けなくてはならないこと、平面視したときの面積が大きい円板状であること等から、カテーテルのような細さが要求される用途には適さない。さらにはカメラのオートフォーカスやズームのモータとして小型化が必要とされるところにも適さない。

また、特許文献１，２又は３に記載の超音波モータではステータを内部が空洞の円柱に構成するため、その外部表面に貼り付ける圧電素子もその外径に沿った形状としなければならず、製造が複雑であるという問題があった。さらにはこのような形状のまま小型化することは製造上多くの問題が生じることになる。あるいは圧電素子としてセラミックを焼き固めて内部が空洞の円柱のステータを作成しなければならず、製造工程がさらに複雑になるといった問題も生じる。

一方、特許文献４には、外形が多角形のステータが記載されているが、この場合はステータの空洞の形状も多角形であり、作動子に回転動作を与えることはできない構造となっている。

このように、図６に示す従来公知の構成では駆動力を大きくするためには平面視したときの面積が大きくなり（ステータ１０８１やロータ１０８２の径を大きくなり）、カテーテルのような細さが要求される用途には適さない。一方、カテーテルのような用途では、マイクロリニアモータが内視鏡等を摺動するために利用される。しかしマイクロリニアモータではコイルを使用せざるを得ず、リニアモータ部分の大きさが大きくなる。また特許文献１から３に開示される構成では円柱状のセラミック製のステータが必要となるが、小型化したときのもろさが問題となり、やはりカテーテルの用途には不向きとなる。

なお、カテーテル治療で最も多いのは血栓治療であり、この治療ではカテーテルの先端から血栓に溶解薬をかけて血栓を除去する。しかし、石灰化の進んだ血栓や凝固した血栓などは、溶解薬では除去することができないことから、アテレクトミーカテーテルが開発されている。
アテレクトミーカテーテルは、トルク伝達用のワイヤーによりカテーテル先端の回転刃
にトルクを伝達し、この回転刃により石灰化の進んだ血栓や凝固した血栓を粉砕・除去す
る装置であるが、トルク伝達がワイヤーにより行われるため、脳血管のような細く複雑な
血管内での使用は難しい。また、大動脈などにおける使用でも、蛇行が激しい部位では使用が困難とされている。

このため、特許文献１，２，３及び４に開示の技術ではこれら、カテーテル用途やカメラ用途には使用することができないという問題があった。

アテレクトミーカテーテル先端を、トルク伝達用のワイヤーを使わず回転させることが
できれば、細く複雑な脳血管内での使用も可能になる。たとえば、小型超音波操作装置を
カテーテルの先端に設ける技術も種々開発されているが、従来のものは構造が複雑であり、簡単な構成で血管内で使用できる程度にフレキシブルのものは提供されていない。
また、アテレクトミーカテーテルに、回転刃付きのマイクロアクチュエータを応用する
ことも知られているが、従来、この種のマイクロアクチュエータは大型であり、かつ実用
的トルクを発生できるものは提供されていない。

本発明者らは、以上の問題を解決するため、簡単な構造を有するステータを有する超音波操作装置を提案した（特願２００６−２５９７８８）。この提案では、極めて簡単な構造のステータにより、作動子を回転又は直動方向に選択的に駆動し得る超音波操作装置を実現している。

この我々の提案に係る、超音波操作装置は、図７（A）、（B）及び図８（A）、（B）に示すように、ステータ１１１は一つの部材から構成され、この部材に作動子が挿入される作動子孔（H）が設けられている構成となっている。

しかしながら、我々のこの提案に係る特願２００６−２５９７８８に記載のステータでは、作動子の駆動トルクを向上させるためには、ステータと作動子との摩擦を最適に設定することが必要で、このためにはステータの空洞部の径と作動子との径の設定をミクロン単位で設定しなければならず、その精度合わせが課題として認識されていた。そこで本発明者らは鋭意、研究を重ねた結果、本発明に到達した。

すなわち、本発明は上記の問題を解決するために提案されたものであって、本発明の目的は具体的にはステータを複数の部品で構成することにより、回転や直動の駆動出力を向上させた超音波操作装置を提供することにある。

本発明の超音波操作装置は、作動子孔を有する１つまたは複数のステータと前記作動子孔に挿通される柱状作動子と前記ステータに前記作動子を回転および／または摺動するための超音波発生素子とを備える超音波操作装置とから構成され、かつ前記ステータを複数の部分から構成することにより前記作動子の駆動を効率よく行なうことを特徴とする。

本発明の超音波操作装置は作動子が回転するときは回転モータとして動作し、また作動子が摺動するときはリニアモータとして動作することができる。
本発明の超音波操作装置では、ある超音波発生素子は、作動子を回転させる第１周波数
帯域の超音波を発生するとともに、作動子を（軸方向に）摺動させる第２周波数帯域の超
音波を発生するようにできる。
また、本発明の超音波操作装置では、ある超音波発生素子は、第１周波数帯域の超音波か第２周波数帯域の超音波の何れかを発生するようにできる。すなわち、この場合には、
一つの超音波発生素子が第１周波数帯域の超音波の発生と、第２周波数帯域の超音波の発
生とに共用されることはない。

本発明の超音波操作装置では、複数のステータを含むときは、これらステータは直線状に配置されていてもよいし、曲線状に配置されていてもよい。ステータが直線状に配置されていている場合に、作動子は剛性を有していてもよい。ステータが曲線状に配置されているときは、作動子は、撓んだ状態のまま回転できるような柔軟材料により構成し、あるい屈曲した状態のまま回転できるような機構を構成することで、後述するように微細管内で動作させることも可能となる。

本発明の超音波操作装置では、前記作動子は摺動（前記ステータに対して軸方向に移動
）できるように構成した場合において、前記ステータに備えられた前記超音波発生素子は
、前記作動子を回転させる第１周波数帯域の超音波および前記作動子を軸方向に移動させ
る第２周波数帯域の超音波を、同時にまたは時間を異ならせて発生するようにできる。

この場合には、超音波発生素子は、作動子を回転させるときには第１周波数帯域の超音
波を発生し、摺動（軸方向に移動）させるときには第２周波数帯域の超音波を発生し、作
動子を回転させつつ作動子を軸方向に移動させるときには、第１周波数帯域の超音波と第
２周波数帯域の超音波とを同時に発生する。すなわち、超音波発生素子を第１周波数帯域
の超音波の発生と、第２周波数帯域の超音波の発生とに共用することができる。

本発明の超音波操作装置では、前記１つまたは複数のステータを金属材料、又はプラスチック材料等、適宜選択して構成し、前記作動子孔の軸方向に垂直な断面の外周輪郭を多角形とし、これら多角形側面に前記超音波発生素子を取り付けることができる。

ステータの中心軸方向に垂直な断面の外周輪郭を円形とすることもできるが、当該断面
の外周輪郭を多角形とした方が作動子の回転トルクを効率よく発生させることができる。
本発明の超音波操作装置では、作動子先端に観察装置および／または処理装置を取り付
けることができる。観察装置は、カメラ・光ファイバーコリメータであり、処理装置はレ
ーザ発射装置・薬剤噴出装置・回転刃等を取り付けることができる。

本発明の微細管内検査システムは、作動子先端に観察装置および／または処理装置を取り付けた超音波操作装置を微小管内検査ロボットとして使用するものであって、前記超音波操作装置と、前記超音波発生素子にエネルギーを供給する電源装置と、前記超音波発生素子を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明の請求項１記載の超音波操作装置によれば、作動子の回転および／または摺動（軸方向への移動）を自在に行うことができるとともに、ステータを複数の部品から構成しているため、作動子との接触圧を調整することが可能になり、作動子の駆動効率を向上させることができる。また作動子の軸方向に比較的薄い構造のステータを必要に応じて複数組み合わせることにより、摺動方向への駆動力の微細な調節も可能になる。

本発明の請求項３記載の超音波操作装置によれば、超音波発生素子を平面構成とできるので、製造が簡単でそのため小型化にも適しているという効果を奏することができる。

また本発明の請求項４記載の微細管内検査システムによれば、カテーテルのように極めて細い管内に使用できるという効果を奏することができる。

また、本発明の超音波操作装置は、回転モータとして使用することができるので、この場合にはロータとして機能する作動子の先端に刃，ミラー等の回転機能部材（回転により機能を奏する部材）を取り付けることができる。また、本発明の超音波操作装置は、リニアモータのように使用することができ、この場合には作動子は回転しない形状（たとえば角柱、楕円柱）または回転を拘束された機構とすることができるので、この機構を撮像装置の焦点調節や、シリンジのピストンの駆動（薬液排出や血液等の吸引）に使用することができる。

また、複数のステータに１つの作動子を挿通した構成とすることで、さらに駆動力を高めることができるのは上述したとおりであるが、駆動力を増加させる必要が無ければ、ステータの数を少なくさせることができ、充分な電力を確保できない場合にも対応することが可能となる。

また、ステータを作動子の軸方向に離間的に複数個配置できるので超音波操作装置全体を撓ませることもでき、これをカテーテル用途として使用することができる。

図１（Ａ），（Ｂ）は本発明の超音波操作装置を示す説明図である。図１（Ａ）におい
て、超音波操作装置１は、作動子孔Ｈを有するステータ１１と作動子孔Ｈに挿通される柱
状作動子１２とから構成され、ステータ１１に作動子１２を回転するための超音波発生素
子（ここでは圧電素子）１３が備えられている。
この超音波操作装置１では、ステータ１１は部品１１aと,１１ｂ及び１１ｃとから構成されている。場合によっては部品１１ｃは部品１１aまたは部品１１ｂと一体的に構成されていてもよい。部品１１aと部品１１ｂとを部品１１ｃを介して組みあわせることにより、その中心に作動子が挿入される作動子孔Hが形成される。この部品の構成材料としては金属材料（鉄，ステンレス，アルミニウム，銅，等）が一般に考慮されるが、必ずしも金属である必要はなく、プラスチックでも使用は可能である。このようにして組み合わされたステータ１１の作動子孔Ｈの軸方向に垂直な断面の外周輪郭は、四角形をなし、これら四角形側面に超音波発生素子１３が取り付けられている。

図１（Ａ）では、２側面しか見えていないが、ステータ１１の４側面にそれぞれ超音波
発生素子１３が取り付けられている。これら４つの超音波発生素子１３は９０°ずつ位相
がずれた超音波を発生し、作動子孔Ｈの内面に進行波を発生させる。

なお、ステータ１１の２側面（隣接する２側面でもよいし対向する２側面でもよい）に
超音波発生素子１３を取り付けることもできるし、１側面または３側面に超音波発生素子
１３を取り付けることもできる（ただし、作動子孔Ｈの内面に進行波を発生させる必要がある）。また図１（A）では超音波発生素子１３は部品１１aと１１ｂに渡って１枚でとりつけられているが、これは部品１１a と１１ｂとでそれぞれ独立して取り付けられても良い。

図１（Ａ）の超音波操作装置１では、４側面の超音波発生素子１３からそれぞれ超音波
を発生させることにより作動子孔Ｈの内面に発生する周方向の進行波により作動子１２が回転する。

図１（Ｂ）は図１（A）の構成とほぼ同じであるが、部分１１aがさらに二つの部分から構成されている点が違っている。この図１（B）に示す例では１つの側面に作動子の摺動方向に複数（図１（Ｂ）では２つ）の超音波発生素子１３ｃ，１３ｄが取り付けられている。これら超音波発生素子１３ｃ，１３ｄから位相が同じか位相がずれた超音波を発生させることで、制御機能が高い（すなわち、発生トルクが大きく、あるいは微回動制御ができる）超音波操作装置１が実現できる。特に、摺動方向への制御機能が向上する。

図２は本発明の超音波操作装置の別の構成を示すものである。すなわちステータは部品１１aと１１ｂ及び１１ｃとからなり、部品１１a、部品１１ｂはそれぞれ単独でもステータとしての機能を有する構成とされているが、通常のステータよりも作動子の摺動方向に薄く構成されている。そして図２の場合は作動子の軸方向に組み合わされた構成となっている。この構成により、駆動力の制御が部品１１aの数を増減することで可能とすることができる。

次にこのように構成した超音波操作装置の動作について説明する。
図１（A）において、超音波操作装置１は、作動子孔Ｈを有するステータ１１と作動子孔Ｈに挿通される柱状作動子１２とから構成され、ステータ１１に作動子１２を回転するための超音波発生素子１３が備えられている。

図１（Ａ）の超音波操作装置１では、４側面の超音波発生素子１３からそれぞれ超音波を発生させることにより作動子孔Ｈの内面に回転方向の進行波を発生させることができ、それにより作動子１２が回転する。図１（A）に示すように、一つの側面に一つの超音波発生素子１３を貼り付け、これら超音波発生素子１３のそれぞれに９０度位相が異なる電圧を印加することにより、作動子１２を回転させることができる。またこの印加電圧の位相を逆転すれば、作動子１２を反対方向に回転させることができる。

一方、図１（B）には１つの側面に複数（図１（Ｂ）では２つ）の超音波発生素子１３ｃ，１３ｄが取り付けられているので、これら超音波発生素子１３ｃ，１３ｄから位相が同じか位相がずれた超音波を発生させることで、制御性能が高い（すなわち、摺動力が大きく、あるいは微摺動制御ができる）超音波操作装置１が実現できる。なお、図１（A）（B）図２では作動子孔Ｈは円形であり、作動子１２は円柱状であるが、作動子孔Ｈが摺動のみ
を行う（回転をしない）のであれば、作動子孔Ｈは円形でなくてもよく（たとえば楕円）
、したがって作動子１２は円柱状でなくても（たとえば楕円柱であっても）よい。

なお、図１（Ａ）では回転を行っているが周波数を変えるだけで摺動もできる。また図１（B）では摺動を行なっているが、周波数を代えるだけで回転も可能となる。
また、図２においても周波数を変えるだけで回転も摺動も可能である。
図１（Ａ），（Ｂ）、及び図２では、ステータとして、金属部１４ｍｍ×１４ｍｍ、厚み１０ｍｍ、作動子孔Ｈの径１０ｍｍ、材質Ｃ５１９１（リン青銅）、超音波発生素子が取り付けられる面の表面粗さＲａ＝１．６のものを用いた。超音波発生素子として、富士セラッミク社の圧電素子（Ｚ０．６Ｔ１０×１０Ｓ−Ｗ 材料Ｃ８２）を使用した。接着剤として、エポキシ樹脂硬化剤を用いた。また、動作子としてアルミニウムの径５ｍｍの棒を使用した。

図１（Ａ），（Ｂ）の例では、超音波操作装置は、たとえば７４ｋＨｚの周波数で、最
大トルク２ｍＮｍ、最大回転数１００ｒｐｍで動作できる。
図１（Ａ），（Ｂ）の例では、超音波操作装置は、たとえば８４．５ｋＨｚの周波数で、
最大０．３Ｎの力で動作できる。

図３は本発明の超音波操作装置の一実施形態を示す説明図である。図３において、超音
波操作装置２は、内周面進行波型であり、ステータ群３と作動子４とからなる。ステータ
群３は、作動子孔Ｈを有する複数のステータ３１〜３５からなり、ステータ３１〜３５の
各作動子孔Ｈには作動子４が装着される。
ステータは、本実施形態では５個（符号３１〜３５）としているが、２個、３個または
６個以上としてもよい。ステータ３１〜３５は、図１（Ａ），（Ｂ）および図２で説明したステータ１１と同じ構造にでき、作動子孔Ｈの中心軸Ｌ方向に垂直な断面の外周輪郭が正方形をなす金属材料（鉄，ステンレス，アルミニウム，銅，等）からなり、４側面にはそれぞれ超音波発生素子（５１〜５４：５３，５４は図示されていない）が取り付けられている。なお、本実施形態でも超音波発生素子５１〜５４は、図１および図２の場合と同様圧電素子である。

また、超音波操作装置２では、１つの作動子４に対して５つのステータ５１〜５５が使
用されているので駆動トルクが格段に大きくなっている。
超音波発生素子５１〜５４は、作動子４を回転させる第１周波数帯域Ｂ１の超音波と、
作動子を軸方向に摺動させる第２周波数帯域Ｂ２の超音波を発生させることができる。

図３では、超音波発生素子５１〜５４には、図示しない電源から、９０°ずつ位相がず
れた高周波電圧が加えられる。高周波電圧が超音波発生素子５１〜５４に加える周波数が
第１周波数帯域Ｂ１のとき（すなわち、超音波発生素子５１〜５４は第１周波数帯域Ｂ１
の超音波を発生するときは）、作動子４は回転する。また、高周波電圧が超音波発生素子
５１〜５４に加える周波数が第２周波数帯域Ｂ２のとき（すなわち、超音波発生素子５１
〜５４は第２周波数帯域Ｂ２の超音波を発生するときは）、作動子４は摺動する。
なお、図３の超音波操作装置１では、作動子４が回転かつ摺動できるように構成したが
、回転はするが摺動できないように構成できるし、摺動はするが回転できないように構成
することもできる。

図４は、微小管内検査ロボットとして使用する微細管内検査用の超音波操作装置１を示
す図である。図４では、作動子３は可撓性であり、ステータ３１〜３５は曲線状に配置で
きる（超音波操作装置１自体をカーブさせる）ことができる。また、作動子４はステータ
３１〜３５に対して軸方向に摺動できるように構成されている。さらに、図４では、作動
子４の先端には機能部材として回転刃を取り付けることができる。機能部材として、回転
刃のほか、血栓除去カッターを取り付けることができるし、超小型ＣＣＤカメラや光ファ
イバーのコリメータレンズ、血管内エコー法（ＩＶＵＳ）における反射板を取り付けるこ
ともできる。
また、作動子４とステータ３１〜３５とは、作動子４の先端を除き伸縮性チューブ（本
実施形態ではシリコン樹脂チューブ）６により被覆されている。ステータ３１〜３５は伸
縮性チューブ５に拘束されて配置され、作動子４の先端の回転刃（ＲＢ）４１は可撓性チ
ューブ５の先端から露出している。

ステータ３１〜３５の作動子孔Ｈには、可撓性の作動子４が挿通されており、ステータ
３１〜３５の超音波発生素子５１〜５４が第１周波数帯域Ｂ１の超音波を発生すると、作
動子４は回転トルクを得て回転することができる。シリコンチューブ６と作動子４は可撓
性を有するので、超音波装置１全体としては自由に曲がりつつ、作動子４を回転駆動力することができる。また、図４の超音波装置１は、ステータ３１〜３５に第２周波数帯域Ｂ２の高周波電圧を印加することで、作動子を摺動できる。すなわち、作動子４の先端に設けた回転刃４１を突き出し、引き込むことができる。

図４の超音波装置１は、直径１ｍｍ程度まで小型化することが可能であり、主に脳梗塞
治療向けの微小管内検査ロボットとして有効である。
図４の超音波装置１では、ステータ３１〜３５の形状をそれぞれ異ならせることにより、駆動周波数を異ならせることができる。同一のライン（電線）をステータ３１〜３５の
超音波発生素子の接続ラインを共用し、印加電圧の周波数を変えることでステータ３１〜
３５を独立に制御できる。

図５（Ａ）は本発明の微細管内検査システムの一実施形態を示す説明図である。
図５（Ａ）の微細管内検査システム７では、図４に示した超音波操作装置１（微小管内
検査ロボット）と、超音波発生素子にエネルギーを供給する電源装置７１と、超音波発生
素子（図５（Ａ）には示さない）を制御する制御装置７２と、超音波操作装置１の位置を
検出する位置センサ７３を備えており、ＭＲＩシステムと同時に使用することができる。
なお、図５（Ａ）に示す微細管内検査システム７では、作動子４の先端に回転刃４１に
代えて、他の機能部を取り付けることができる。図５（Ｂ）に、作動子４の先端に超音波
回転ミラー８１とセンサ８２とが設けられた超音波撮像装置８の例を示す。

本発明の動作子が回転する超音波操作装置の一実施形態を示す説明図であり、（Ａ）はステータの一側面に１つの超音波発生素子が取り付けられた例を示す図、（Ｂ）はステータの一側面に作動子の軸方向に２つの超音波発生素子が取り付けられた例を示す図である。 本発明の動作子が回転する超音波操作装置の他の実施形態を示す説明図であり、ステータの部品が（A）に比較して薄く構成され、それを二個作動子の軸方向に組み合わせた例を図である。 本発明の超音波操作装置の一実施形態を示す説明図である。 本発明の応用例を示す図であり、微小管内検査ロボットとして使用する微細管内検査用の超音波操作装置を示す図である。 （Ａ）は本発明の微細管内検査システムの一実施形態を示す説明図、（Ｂ）は作動子の先端には超音波回転ミラーとセンサとが設けられた超音波撮像装置を示す図である。 本発明の微細管内検査システムの一実施形態を示す説明図である。 従来例の構成を示す図である。 （A)、（B）は本件出願人の先の出願の提案に係る超音波操作装置の例を示す図である。 本件出願人の先の出願の提案に係る超音波操作装置の例を示す図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 超音波操作装置
３ ステータ群
４，１２，１１２ 作動子
６ 伸縮性チューブ
１１，１１a、１１ｂ、１１ｃ ステータ及びステータ部分
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ 超音波発生素子
１１１ ステータ
１１３ａ，１１３ｂ 超音波発生素子
３１〜３５ステータ
４１ 回転刃
４２ スクリュー
４３ 内視鏡
７１ 電源装置
７２ 制御装置
７３ 位置センサ
Ｆ 光ファイバー
Ｈ 作動子孔

Claims (4)

1. 作動子孔を有する１つまたは複数のステータと前記作動子孔に挿通される柱状作動子 と前記ステータに前記作動子を回転および／または摺動するための超音波発生素子とを備える超音波操作装置において、前記一つのステータが少なくとも二つの部分から構成されることを特徴とする超音波操作装置。
2. 前記一つのステータは前記少なくとも二つの部分を組み合わせて構成されることを特徴とする請求項１に記載の超音波操作装置。
3. 前記一つのステータは、前記作動子孔の軸方向に垂直な断面の外周輪郭が多角形をなし、これら多角形側面に前記超音波発生素子が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波操作装置。
4. 請求項３に記載の超音波操作装置を微小管内検査ロボットとして使用する微細管内検査
   システムであって、前記超音波操作装置と前記超音波発生素子にエネルギーを供給する電源装置と前記各超音波発生素子を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする微細管内検査システム。