JP2015100725A - 超音波モーターの制御方法、及び注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング部の性能に依存することなく駆動電圧が出力されない待機期間を短くすることにより、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制して、一定の注入速度を維持する。【解決手段】超音波モーター３の制御方法においては、制御ユニット５１から駆動信号生成ユニット５０４へ入力される設定速度信号に基づいて、超音波モーター３を駆動する駆動電圧を生成するための駆動信号を駆動信号生成ユニット５０４によって生成し、駆動信号生成ユニット５０４によって、駆動電圧を生成する駆動電圧生成ユニット５２へ駆動信号を出力し、駆動電圧を出力する出力期間に続く待機期間においては、設定速度信号に基づいて、駆動信号生成ユニット５０４が駆動信号を生成せずに待機する。【選択図】図３

Description

本発明は、低速で回転する超音波モーターの制御方法、及び超音波モーターを備えた薬液の注入装置に関する。

従来、造影剤等の薬液を注入する注入装置には、超音波モーターと、該超音波モーターによって薬液を送り出すように駆動される駆動機構とを備えた注入装置があった。薬液の注入装置には、所望の時間、一定の薬液注入速度を維持することが求められる。そのため、例えば、短い注入時間で薬液を注入する場合には、超音波モーターを高速で回転させて高速で注入する。そして、長い注入時間で薬液を注入する場合には、超音波モーターを低速で回転させて低速で注入する。

超音波モーターを低速で回転させる方法としては、基本信号生成部とスイッチング部とを設け、基本信号生成部から入力される基本信号をスイッチング部を介して間欠的に出力する制御方法があった（特許文献１）。この制御方法においては、パルス信号生成部が設けられており、スイッチング部は、パルス信号生成部から出力されたパルス信号のオン時間のみ基本信号を出力する。これにより、スイッチング部を介して出力される基本信号は、間欠的に出力される。

また、基本信号を間欠的に出力する方法としては、基本信号生成部とスイッチング部とを設け、スイッチング部が基本信号生成部を停止させる制御方法も考えられる。この制御方法においては、所定の時間の間、スイッチング部が基本信号生成部に基本信号の出力を停止させ、その後にスイッチング部が出力の停止を解除する。これにより、基本信号生成部から出力される基本信号は、間欠的に出力される。

特開２００７−２４４１８１号公報

これらの制御方法においては、超音波モーターに駆動電圧が出力される期間と、超音波モーターに駆動電圧が出力されない期間とが存在する。これにより、超音波モーターの停止と回転とが繰り返される結果、両期間を合わせた期間の平均回転速度を低くすることができる。これらの制御方法は、超音波モーターによって駆動される被駆動部が、所定の平均速度を保って一定の距離を進む場合に用いることができる。

一方、これらの制御方法を薬液の注入装置に適用する場合、駆動電圧が出力されない待機期間が長いと薬液の注入が一時的に停止してしまう恐れがある。しかし、注入装置においては、所望の時間の間、注入を停止せずに一定の注入速度を維持することが求められている。そのため、非常に短い待機期間を設ける必要があり、非常に短い待機期間を実現するためにはスイッチング部が高速でオンオフする必要がある。しかし、スイッチング速度はスイッチング部の性能に依存するため限界がある。そのため、非常に短い待機期間を設けることは困難であった。

さらに、非常に低い速度で超音波モーターを回転させる場合、すなわち、注入速度が非常に低い場合は、超音波モーターが停止しやすく回転し難い。そのため、超音波モーターに駆動電圧が入力されてから実際に回転が開始される迄の時間が長くなり、この時間も待機期間に付加されてしまう。その結果、待機期間が長いと超音波モーターの回転速度の変動が生じてしまい、一定の注入速度を維持することがさらに困難になってしまう。

上記課題を解決するため、本発明の一例としての超音波モーターの制御方法は、制御ユニットから駆動信号生成ユニットへ入力される設定速度信号に基づいて、超音波モーターを駆動する駆動電圧を生成するための駆動信号を前記駆動信号生成ユニットによって生成し、前記駆動信号生成ユニットによって、前記駆動電圧を生成する駆動電圧生成ユニットへ前記駆動信号を出力し、前記駆動電圧を出力する出力期間に続く待機期間においては、前記設定速度信号に基づいて、前記駆動信号生成ユニットが前記駆動信号を生成せずに待機する、ことを特徴とする。

また、本発明の他の例としての注入装置は、薬液を注入するための注入装置であって、超音波モーターと、前記薬液を送り出すように、前記超音波モーターによって駆動される駆動機構と、前記超音波モーターを駆動する駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記超音波モーターへ出力する駆動電圧生成ユニットと、前記駆動電圧を生成するための駆動信号を生成し、前記駆動信号を前記駆動電圧生成ユニットへ出力する駆動信号生成ユニットと、前記駆動信号生成ユニットへ設定速度信号を出力し、前記駆動信号生成ユニットを制御する制御ユニットとを備え、前記設定速度信号に基づいて、前記駆動信号生成ユニットは、前記駆動電圧が出力される出力期間において前記駆動信号を生成すると共に、前記出力期間に続く待機期間においては前記駆動信号を生成せずに待機する、ことを特徴とする。

これにより、入力される設定速度信号に基づいて、所望の長さになるまで待機期間を短くすることができる。そのため、スイッチング部の性能に依存することなく待機期間を短くすることができる。これにより、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制できるので、一定の注入速度を維持することができる。

本発明のさらなる特徴は、添付図面を参照して例示的に示した以下の実施形態の説明から明らかになる。

第１実施形態に係る注入装置を説明する概略ブロック図である。 第１実施形態に係る注入装置の制御装置を説明する概略ブロック図である。 第１実施形態における回転速度と駆動電圧の関係を示すグラフである。 第２実施形態における回転速度と駆動電圧の関係を示すグラフである。 第３実施形態に係る注入装置を説明する概略断面図である。

以下、本発明を実施するための例示的な実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態で説明する寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は任意であり、本発明が適用される装置の構成又は様々な条件に応じて変更できる。また、特別な記載がない限り、本発明の範囲は、以下に具体的に記載された実施形態に限定されるものではない。

［第１実施形態］
図１に示すように、薬液を注入するための注入装置１は、超音波モーター３と、超音波モーター３が正転するときに薬液を送り出すように、超音波モーター３によって駆動される駆動機構４と、超音波モーター３を制御する制御装置５とを備える。そして、駆動機構４及び超音波モーター３は、注入装置１の注入ヘッド２のフレーム２１内に格納されている。このフレーム２１は、２つのシリンジ９１を保持するために２つのシリンジホルダー９２を有する。さらに、注入装置１は、薬液の注入状況等が表示されるディスプレイを含むコンソール６を有している。このコンソール６は制御装置５に接続されており、制御装置５は注入ヘッド２に有線接続又は無線接続されている。なお、注入ヘッド２、制御装置５及びコンソール６のそれぞれは、互いに有線接続又は無線接続することができる。

注入装置１の電源又はバッテリーは、注入ヘッド２、制御装置５、又はコンソール６のいずれかに設けることができ、またこれらとは別に設けることもできる。また、注入ヘッド２と制御装置５は、キャスタースタンド（不図示）と一体的に構成することができる。また、それぞれをばらばらに設け、キャスタースタンドに搭載することもできる。なお、ハンドスイッチ等の遠隔操作装置を用いて、注入ヘッド２を遠隔操作して薬液注入をスタート又はストップさせることもできる。

コンソール６は、ディスプレイとしてのタッチパネルを備えると共に、ハンドスイッチに有線又は無線接続されている。そして、制御装置５には、動作パターン（注入プロトコル）のデータ、及び薬液のデータ等が予め記憶されている。患者に薬液を注入する場合、オペレーターは、タッチパネルを操作して、注入速度、注入量、注入時間、体重、身長、体表面積、心拍数、心拍出量などの患者の身体的データ、及び薬液の種類のデータ等を入力する。そして、制御装置５は、入力されたデータと予め記憶されているデータに応じて、最適な注入条件を算出する。その後、制御装置５は、算出された注入条件に基づいて、患者に注入する薬液の量及び注入プロトコルを決定する。

この注入装置１は、撮像装置（不図示）に有線又は無線接続されている。そして、薬液の注入時及び画像の撮影時には、撮像装置と注入装置１との間で各種データが送受信される。このような撮像装置としては、例えば、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）装置、ＣＴ（Computed Tomography）装置、アンギオ撮像装置、ＰＥＴ（Positron Emission Tomography）装置、ＳＰＥＣＴ（Single Photon Emission Computed Tomography）装置、ＣＴアンギオ装置、ＭＲアンギオ装置、超音波診断装置、血管撮像装置等の各種医療用撮像装置がある。

制御装置５は、薬液の量及び注入プロトコルを決定すると、所定のデータ又はグラフなどをタッチパネルに表示させる。これにより、オペレーターは、表示されたデータ又はグラフなどを確認することができる。なお、動作パターン（注入プロトコル）のデータ及び薬液のデータ等は、外部の記憶媒体から入力することもできる。

制御装置５は、超音波モーター３に接続されており、超音波モーター３にはエンコーダー３９が接続されている。そして、エンコーダー３９は、超音波モーター３の回転速度に対応する周波数のパルス信号を制御装置５に送信している。なお、フレーム２１内においてシリンジホルダー９２が位置する側を前側とした場合に、超音波モーター３は後側部分に配置されている。また、駆動機構４は、シリンジホルダー９２と超音波モーター３との間に配置されている。そして、この駆動機構４は、超音波モーター３のシャフト３５に接続された伝達機構４１と、伝達機構４１に接続されたボールネジ軸４１１と、ボールネジ軸４１１に取り付けられたボールネジナット４１２と、ボールネジナット４１２に接続されたアクチュエーター４１３とを備える。

ボールネジナット４１２は、ボールネジ軸４１１の中間部分に螺合されている。そして、伝達機構４１は、超音波モーター３からの回転をボールネジ軸４１１に伝達する。また、伝達機構４１は、シャフト３５に接続されたピニオンギアと、ボールネジ軸４１１に接続されたスクリューギアとを有している。そのため、超音波モーター３のシャフト３５の回転は、ピニオンギア及びスクリューギアを介してボールネジ軸４１１に伝達される。これにより、ボールネジ軸４１１は、伝達された回転に従って回転する。そして、ボールネジナット４１２は、ボールネジ軸４１１の回転に伴い前進方向（前側方向）又は後進方向（後側方向）に摺動する。その結果、ボールネジナット４１２の摺動に伴い、アクチュエーター４１３が前進又は後進する。すなわち、シャフト３５が正転するとアクチュエーター４１３が前進し、シャフト３５が逆転するとアクチュエーター４１３が後進する。

シリンジ９１には、シリンジ９１内において摺動可能であるピストン９３が取り付けられている。そして、シリンジ９１は、ピストン９３のロッドがアクチュエーター４１３の先端に当接するように搭載される。これにより、シリンジ９１が搭載された状態でボールネジナット４１２が前進方向に摺動すると、アクチュエーター４１３がピストン９３を前進方向に押すことになる。そして、ピストン９３が前進するとシリンジ９１内の薬液が押し出され、シリンジ９１の先端に接続される不図示のカテーテル等を介して患者の体内に注入される。また、ボールネジナット４１２が後進方向に摺動すると、アクチュエーター４１３がピストン９３を後進方向に引くことになる。

なお、薬液が充填されたシリンジ９１は、プレフィルシリンジであってもよい。また、薬液は、手動でシリンジ９１に充填されてもよく、注入装置１や充填器でシリンジ９１に充填されてもよい。さらに、シリンジ９１には、ＲＦＩＤやバーコードといったデーターキャリアを設けることができる。このデーターキャリアには、充填された薬液の情報等が記録されている。そして、注入装置１は、注入ヘッド２を介してデーターキャリアから記録された情報を読み取り、薬液の注入圧力等を制御することができる。例えば、制御装置５は、読み取った薬液の情報（ヨード量等）に基づいて、体重当たりの最適な注入量を計算してコンソール６のタッチパネルに表示させることができる。

薬液を注入する場合、オペレーターは注入装置１の電源をオンにし、シリンジ９１をシリンジホルダー９２に搭載する。その後、オペレーターは、コンソール６のタッチパネルに表示された注入ボタンを押す。また、注入ヘッド２に操作パネルが設けられている場合には、オペレーターは該操作パネルの注入ボタンを押すこともできる。さらに、オペレーターは、ハンドスイッチのボタンを押して注入を開始することもできる。なお、オペレーターは、シリンジ９１をシリンジホルダー９２に搭載した後に、注入装置１の電源をオンしてもよい。

注入ボタンが押されると、制御装置５は超音波モーター３に駆動電圧として正転信号を送る。この正転信号に応じて超音波モーター３が駆動し、シャフト３５が正転する。シャフト３５が正転すると、エンコーダー３９は回転を検出して制御装置５にパルス信号を送る。注入が終了しシリンジ９１を外す場合、ピストン９３を後進させるために、制御装置５は超音波モーター３に駆動電圧として逆転信号を送る。この逆転信号に応じて超音波モーター３が駆動し、シャフト３５が逆転する。なお、超音波モーター３に送信される駆動電圧は交流であり、位相が異なる２種類の駆動電圧のうち一方が他方に対して遅れている場合を正転信号としたときに、他方が一方に対して遅れている場合が逆転信号となる。

制御装置５はメモリ部に予め注入プロトコルを記憶しており、薬液の注入は注入プロトコルに従って自動的に行われる。この注入プロトコルには、例えば、注入時間、注入速度、注入量及び注入圧力リミット値が設定されている。そして、注入プロトコルの内容はコンソール６に表示されるので、オペレーターは注入プロトコルの内容を確認することができる。また、制御装置５は、タイマーを利用して注入時間を制御すると共に、薬液の注入圧力等の注入状況を監視している。なお、制御装置５に注入プロトコルが記憶された記憶媒体を接続して、記憶媒体から読み込んだ注入プロトコルに従って薬液の注入行うこともできる。

注入ヘッド２及び制御装置５は、検査室内に配置できるように非磁性体材料を用いて構成されている。具体的には、ステンレス、アルミニウム、プラスチック、真鍮、銅、セラッミックス等を用いて構成されている。さらに、操作室に配置されるコンソール６も、非磁性体材料を用いて構成すれば検査室内に配置できる。また、超音波モーター３も非磁性体材料を用いて構成されている。具体的には、弾性体の材料はリン青銅であり、シャフト３５、ネジ及びスペーサの材料は真鍮であり、ケース、ベース及びローターの材料はアルミニウムであり、ブッシュの材料はフッ素樹脂である。これにより、ＭＲＩ装置等の磁気を利用する機器の近傍で注入装置１を使用することができる。ただし、ＭＲＩ装置から十分に離して使用する場合、磁気シールド処理を施した場合、又は他の撮像装置の近傍で使用する場合には、磁性体材料を用いて注入ヘッド２及び制御装置５を構成することもできる。

図２に示すように、制御装置５は、超音波モーター３を制御する制御部５０と、コンソール６及び超音波モーター３に電力を供給する電源５５とを有する。制御部５０のメインＣＰＵ（制御ユニット）５１は、ワンチップマイコンからなり、予めメモリ部（不図示）に記憶されたプログラムに応じて所定の演算、制御、判別などの処理動作を実行する。なお、メモリ部は、メインＣＰＵ（Central Processing Unit）が動作するためのシステムワークメモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラム又はシステムソフトウェア等を格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、又はハードディスクドライブ等を備える。

制御装置５にはコンソール６が接続されている。そして、制御装置５のメインＣＰＵ５１は、コンソール６と信号の送受信を行う。このコンソール６から注入ヘッド２に装着されたシリンジ９１の識別データが入力されると、メインＣＰＵ５１はメモリ部に識別データを記憶させる。また、メインＣＰＵ５１は、メモリ部に記憶されたプログラムに基づいて、超音波モーター３を制御する。

メインＣＰＵ５１は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）５６との間で信号の送受信を行う。このＦＰＧＡ５６は、速度判定位相制御ユニット５０１と、駆動信号生成ユニット５０４と、実速度検出ユニット５０５とを有する。そして、制御部５０においては、速度判定位相制御ユニット５０１、積分回路５０２、ＶＣＯ(Voltage Controlled Oscillator)５０３、駆動信号生成ユニット５０４、ドライブ回路（駆動電圧生成ユニット）５２、が順番に接続されている。このドライブ回路５２は、超音波モーター３に接続されている。そして、超音波モーター３のローターには、超音波モーター３の回転速度に対応するパルス信号を出力するエンコーダー３９が接続されている。このエンコーダー３９は、実速度検出ユニット５０５にパルス信号を出力する。

オペレーターがコンソール６を操作して薬液の注入条件を設定すると、注入を開始するための指令信号がコンソール６からメインＣＰＵ５１に送信される。そして、指令信号を受信したメインＣＰＵ５１は、駆動信号生成ユニット５０４へ設定速度信号を出力し、該駆動信号生成ユニット５０４を制御する。この設定速度信号に基づいて、駆動信号生成ユニット５０４は、駆動電圧を生成するための駆動信号としてのsin生成信号、-sin生成信号、cos生成信号及び-cos生成信号と、位相転移信号とを生成する。そして、駆動信号生成ユニット５０４は、該駆動信号及び位相転移信号をドライブ回路５２へ出力する。さらに、駆動信号等を受信したドライブ回路５２は、超音波モーター３を駆動する駆動電圧としてのＡＣ(Alternating Current)電圧（sin波、-sin波、cos波、-cos波）を生成して、超音波モーター３へ出力する。

超音波モーター３に接続されたエンコーダー３９は、超音波モーター３の回転を検出して実速度検出ユニット５０５にパルス信号を送る。実速度検出ユニット５０５は、実速度を判定し、検出速度信号を速度判定位相制御ユニット５０１に送信する。また、速度判定位相制御ユニット５０１は、圧力リミット信号、設定速度信号をメインＣＰＵ５１から受信する。そして、速度判定位相制御ユニット５０１は、検出速度信号、圧力リミット信号及び設定速度信号に基づいて、実速度を設定速度に一致させるように電圧を発生させる。積分回路５０２は、速度判定位相制御ユニット５０１が発生させた電圧を積分する。そして、ＶＣＯ５０３は、積分された駆動電圧を対応する周波数の信号に変換する。

駆動信号生成ユニット５０４は、ＶＣＯ５０３から受信した信号を４相の駆動信号に変換し、駆動信号（sin生成信号、-sin生成信号、cos生成信号、-cos生成信号）を生成する。そして、ドライブ回路５２は、駆動信号生成ユニット５０４から受信した駆動信号及び位相転移信号に基づき、駆動電圧を生成する。なお、ＶＣＯ５０３からは、速度判定位相制御ユニット５０１にも信号が送信され、フィードバック制御に利用される。これにより、制御部５０は、設定された速度で回転するように超音波モーター３を制御することができる。また、メインＣＰＵ５１は、電源制御信号を電源５５に送信し、供給される電力を制御する。そして、電源５５からは、コンソール６と、制御部５０（メインＣＰＵ５１、ＦＰＧＡ５６、ドライブ回路５２）と、超音波モーター３とに電力が供給される。

［速度制御］
以下、図３を参照して、本実施形態の速度制御について説明する。図３においては、ドライブ回路５２が出力する駆動電圧の変化を概略的に上段に示し、超音波モーター３の回転速度を下段に示しており、横軸は時間を表している。また、図面左から右に延在する矢印により駆動電圧の一波形周期の長さを表している。なお、本実施形態においては、一例として、高速、中速、低速、超低速の４段階の回転速度について説明する。

メインＣＰＵ５１は、予めメモリ部に記憶されたデータテーブルを用いることにより回転速度を設定又は演算し、設定又は演算された回転速度に応じた設定速度信号を駆動信号生成ユニット５０４へ入力する。そして、入力された設定速度信号に基づいて、駆動信号生成ユニット５０４は、超音波モーター３を駆動する駆動電圧を生成するための駆動信号を生成する。その後、駆動信号生成ユニット５０４は、駆動電圧を生成するドライブ回路５２へ駆動信号を出力する。さらに、ドライブ回路５２は、駆動信号に応じた駆動電圧を生成及び出力する。これにより、超音波モーター３を所望の速度で回転させることができる。なお、メインＣＰＵ５１は、オペレーターが入力した注入速度に応じた設定速度信号を駆動信号生成ユニット５０４に送信してもよい。

第１実施形態においては、高速モード、中速モード、低速モード、超低速モードの４つのモードを設けている。そして、薬液の注入速度は、高速モード、中速モード、低速モード、超低速モードの順に低くなる。そのために、メインＣＰＵ５１は、高速モード、中速モード、低速モード、超低速モードの順に駆動電圧のパルス幅が段階的に広くなるように（周波数が低くなるように）、駆動信号生成ユニット５０４に駆動信号を生成させる。なお、例えば、20ml用のシリンジを使用する場合、高速モードは100.0rpm以上240.0rpm以下（4.2ml/sec以上10.0ml/sec以下）の範囲に対応し、中速モードは30.0rpm以上100.0rpm未満（1.3ml/sec以上4.1ml/sec以下）の範囲に対応し、低速モードは10.0rpm以上30.0rpm未満（0.4ml/sec以上1.2ml/sec以下）の範囲に対応し、超低速モードは10.0rpm未満（0.3ml/sec以下）の範囲に対応する。

さらに、超低速モードの場合、メインＣＰＵ５１は、ドライブ回路５２が駆動電圧を出力する出力期間ｔ１、ｔ３の後に、駆動電圧を出力しない待機期間ｔ２、ｔ４が設けられるように、駆動信号生成ユニット５０４を制御する。すなわち、駆動電圧を出力する出力期間においては、駆動信号生成ユニット５０４が設定速度信号に基づいて駆動信号を生成する。そして、出力期間に続く待機期間においては、設定速度信号に基づいて、駆動信号生成ユニット５０４が駆動信号を生成せずに待機する。

この結果、駆動信号生成ユニット５０４は、待機期間ｔ２、ｔ４においては、駆動信号を生成及び出力しない。これにより、待機期間ｔ２、ｔ４の間は、ドライブ回路５２が駆動電圧を生成及び出力しない。そのため、超低速モードにおいては、低速モードよりも、回転速度が低くなる。なお、図３においては、説明の便宜のため、出力されない待機期間ｔ２、ｔ４の駆動電圧を点線で示している。

このように本実施形態の駆動信号生成ユニット５０４は、スイッチング部等から入力される停止信号に基づいて待機するのではなく、入力される設定速度信号に基づいて所定の時間の間待機する。そのため、スイッチング部の性能に依存することなく、所望の長さになるまで待機期間を短くすることができる。これにより、超低速モードであっても、超音波モーター３の回転速度の変動を抑制できるので、一定の注入速度を維持することができる。

さらに、待機期間ｔ２、ｔ４は、駆動電圧の所定数の波形周期に相当することが好ましい。すなわち、待機期間ｔ２、ｔ４が駆動電圧の所定数の波形周期と一致するように、メインＣＰＵ５１が駆動信号生成ユニット５０４に駆動信号を生成させることが好ましい。例えば、本実施形態においては、出力期間ｔ１、ｔ３及び待機期間ｔ２、ｔ４の長さは、いずれも一波形周期に一致する時間である。これにより、所望の周波数の駆動電圧を容易且つ確実に得ることができる。例えば、人間の可聴周波数（例えば20kH）以上の周波数が望まれる場合、超音波モーター３の仕様上の駆動電圧が44kHzだとすると、出力する駆動電圧の周期の数を二分の一に設定する。これにより、駆動電圧の周波数は、44kHzの二分の一である22kHとなり、可聴周波数よりも大きくなる。

なお、超音波モーター３の駆動電圧の周波数は44kHzには限られず、例えば30〜50kHzの範囲の周波数であってもよい。また、待機期間ｔ２、ｔ４は、駆動電圧の一波形周期に相当することがより好ましい。すなわち、待機期間ｔ２、ｔ４が駆動電圧の一波形周期と一致するように、メインＣＰＵ５１が駆動信号生成ユニット５０４に駆動信号を生成させることがより好ましい。これにより、待機時間を短くすることができるので、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制できる。そのため、一定の注入速度を維持することができる。ただし、注入速度を一定に維持することができる場合には、待機期間を二以上の波形周期と一致させることもできる。

さらに、出力期間ｔ１、ｔ３が駆動電圧の一波形周期に相当することがより好ましい。すなわち、一波形周期に相当する出力期間ｔ１、ｔ３と一波形周期に相当する待機期間ｔ２、ｔ４とが交互に繰り返されるように、メインＣＰＵ５１が駆動信号生成ユニット５０４に駆動信号を生成させることがより好ましい。これにより、一波形周期分の出力期間ｔ１、一波形周期分の待機期間ｔ２、一波形周期分の出力期間ｔ３及び一波形周期分の待機期間ｔ４が繰り返される。そして、待機期間が連続することがなく、一定の周期で駆動電圧が超音波モーター３に印加される。そのため、超音波モーター３が停止しやすい超低速モードであっても、安定的に超音波モーターを回転させることができる。その結果、注入速度を一定に維持することができる。

ただし、注入速度を一定に維持することができる場合には、二以上の波形周期に相当する出力期間又は待機期間を連続させることもできる。例えば、二波形周期に一致する出力期間と二波形周期に一致する待機期間とを交互に繰り返すことができる。また、二波形周期に一致する出力期間と一波形周期に一致する待機期間とを交互に繰り返すことができる。さらに、一波形周期に一致する出力期間を二回続けた後に、一波形周期に一致する待機期間を一回又は二回続けることもできる。

また、待機期間ｔ２、ｔ４の長さは、出力期間ｔ１、ｔ３の長さと等しいことがより好ましい。これにより、駆動電圧が超音波モーター３に印加される期間と、駆動電圧が印加されない期間とが同じ間隔で繰り返される。そのため、超音波モーター３が停止しやすい超低速モードであっても、安定的に超音波モーターを回転させることができる。その結果、注入速度を一定に維持することができる。

第１実施形態の注入装置によれば、入力される設定速度信号に基づいて、所望の長さになるまで待機期間を短くすることができる。そのため、スイッチング部の性能に依存することなく待機期間を短くすることができる。これにより、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制できるので、一定の注入速度を維持することができる。

［第２実施形態］
図４を参照して、第２実施形態について説明する。図３と同様に、図４においては、ドライブ回路５２が出力する駆動電圧の変化を概略的に上段に示し、超音波モーター３の回転速度を下段に示しており、横軸は時間を表している。また、図面左から右に延在する矢印により駆動電圧の一波形周期の長さを表している。なお、第２実施形態は、速度制御の方法が第１実施形態とは異なるので、以下ではこの相違について説明する。また、図４においても、説明の便宜のため、出力されない待機期間ｔ２、ｔ４の駆動電圧を点線で示している。

第１実施形態の超低速モードにおいては、駆動電圧を出力する出力期間ｔ１、ｔ３における駆動電圧の波形が正弦波となるように駆動信号を生成していた。一方、第２実施形態の超低速モードにおいては、駆動電圧を出力しない待機期間ｔ２、ｔ４が設けられることに加えて、出力期間ｔ１、ｔ３における駆動電圧の波形の位相を正弦波の位相からずらしている。すなわち、駆動電圧が、第１の位相の駆動電圧としてのsin波及び-sin波と、第２の位相の駆動電圧としてのcos波及び-cos波とを含み、第１の位相と第２の位相との位相差が９０度からずれるように駆動信号が生成される。

具体的には、メインＣＰＵ５１は、第１実施形態と比較してsin波及び-sin波の出力のタイミングをずらして遅く又は早くなるように、駆動信号生成ユニット５０４に駆動信号を生成させる。そのため、駆動信号生成ユニット５０４は、メインＣＰＵから受信した設定速度信号を用いて位相のズレ量を定める。そして、該ズレ量に応じた分だけ、sin波及び-sin波の位相と、cos波及び-cos波の位相との位相差が９０度からずれるように、駆動信号生成ユニット５０４が駆動信号を生成する。これにより、位相差が９０度ではなくなる結果、超音波モーター３の回転速度が低くなり、注入速度も低くなる。なお、sin波及び-sin波の出力のタイミングをずらすことに代えて、cos波及び-cos波の出力のタイミングをずらしてもよい。

さらに、第２実施形態においては、出力期間ｔ１、ｔ３及び待機期間ｔ２、ｔ４が駆動電圧の一波形周期に相当すると共に、一波形周期の出力期間と一波形周期の待機期間とが交互に繰り返されることがより好ましい。これにより、駆動電圧の出力期間において一波形周期単位で位相差のズレ量を定めることができる。そのため、複数の波形周期に対してズレ量を定める場合と比較して、波形周期毎の定めたズレ量と実際のズレ量との相違が小さくなる。その結果、注入速度の細かい制御を容易且つ確実に行うことができる。

このような第２実施形態の注入装置によっても、入力される設定速度信号に基づいて、所望の長さになるまで待機期間を短くすることができる。そのため、スイッチング部の性能に依存することなく待機期間を短くすることができる。これにより、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制できるので、一定の注入速度を維持することができる。さらに、第２実施形態の注入装置によれば、第１実施形態と比較して、待機期間を設けて注入速度を低下させることに加えて、さらに駆動電圧の位相差を設定することにより注入速度をさらに細かく制御することができる。

［第３実施形態］
図５を参照して第３実施形態について説明する。図５は、薬液の注入装置の一例としての、携帯型の注入装置３０１の概略断面図である。第３実施形態の超音波モーター３１７は、第１又は第２実施形態で説明した制御方法に従って制御される。この注入装置３０１は、輸液又は抗癌剤等の薬液を長時間に渡って低い注入速度で注入する。

なお、第３実施形態の説明においては、第１実施形態との相違点について説明し、第１実施形態で説明した構成要素については同じ参照番号を付し、その説明を省略する。特に説明した場合を除き、同じ参照符号を付した構成要素は略同一の動作及び機能を奏し、その作用効果も略同一である。

注入装置３０１は、シリンジ３２１のプランジャー３２２を進退させるために本体３１０内で摺動する摺動部３１６を備えている。また、本体３１０内部には、駆動部として超音波モーター３１７が設けられ、摺動部３１６を介してプランジャー３２２に接続されている。超音波モーター３１７にはプーリー及びベルトを備えたプーリー部３７１が接続されており、このプーリー及びベルトを介して超音波モーター３１７が摺動部３１６に回転力を加える。

摺動部３１６は、ボールネジ又はすべりネジと螺合するネジナットを含み、超音波モーター３１７からの回転力により本体３１０内を摺動する。すなわち、摺動部３１６は、超音波モーター３１７からの回転力により軸受に支持されたネジ軸が回転することにより摺動する。また、摺動部３１６は装着部３１１を介してプランジャー３２２に接続されている。そして、摺動部３１６が本体３１０内を摺動することに伴い、プランジャー３２２が前進又は後進する。

摺動部３１６は、軸受に回転可能に支持されたボールネジ軸と、ボールネジ軸の中間部に螺合されたボールネジナットとを含む。そして、ボールネジナットが、本体３１０に摺動可能に取り付けられたプランジャーフック（装着部）３１１と係合する。超音波モーター３１７の回転軸の回転は、プーリーとベルト（プーリー部３７１）を介して、ボールネジ軸に伝達される。これにより、ボールネジ軸が伝達された回転力に従って回転し、ボールネジ軸の回転に伴いボールネジナットが摺動する。

ボールネジナットが摺動すると、プランジャーフック３１１を介してプランジャー３２２が前進又は後進する。すなわち、シリンジ３２１に対してプランジャー３２２が出し入れされる。そして、プランジャー３２２が後進すると、不図示の薬液バッグからシリンジ３２１内に薬液が流入する。一方、プランジャー３２２が前進すると、シリンジ３２１内の薬液がチューブへと流出し、カテーテルを介して使用者に注入される。この前進と後進の動作を繰り返すことにより、薬液を長時間連続して使用者に注入することができる。

注入装置３０１の本体３１０は、超音波モーター３１７を制御するために、上述した制御部５０（不図示）を備えている。そして、超低速モードの場合、駆動信号生成ユニット５０４は、駆動電圧を出力する出力期間ｔ１、ｔ３に続く待機期間ｔ２、ｔ４においては、設定速度信号に基づいて、駆動信号を生成せずに待機する。なお、第３実施形態においても、待機期間は、一波形周期と一致していることがより好ましい。また、一波形周期に相当する出力期間と一波形周期に相当する待機期間とが交互に繰り返されることがより好ましい。

第３実施形態の注入装置によっても、入力される設定速度信号に基づいて、所望の長さになるまで待機期間を短くすることができる。そのため、スイッチング部の性能に依存することなく待機期間を短くすることができる。これにより、注入速度が非常に低い場合であっても、超音波モーターの回転速度の変動を抑制できるので、一定の注入速度を維持することができる。なお、第３実施形態においても、第２実施形態と同様に、駆動電圧の第１の位相と第２の位相との位相差が９０度からずれるように、駆動信号を生成することができる。

以上、各実施形態を参照して本発明について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明に反しない範囲で変更された発明、及び本発明と均等な発明も本発明に含まれる。また、上述の各実施形態及び各変形例は、本発明に反しない範囲で適宜組み合わせることができる。

なお、上記実施形態において超音波モーター３の回転速度のモードは４段階には限定されず、３段階以下又は５段階以上のモードを設けることもできる。また、各モードに対応する注入速度の範囲内において、所望の回転速度となるように、出力する駆動電圧の電圧値又は周波数を変化させるができる。これにより、各モードにおいて、所望の注入速度を達成するように超音波モーターの回転速度を制御することができる。

また、上記実施形態においては、超音波モーターと制御部とが別に設けられていたが、本発明はこれに限定されない。注入装置が、超音波モーター３と制御部５０とが一体的に設けられた駆動装置を備え、該駆動装置によって駆動機構４を駆動することもできる。さらに、駆動信号生成ユニット５０４とドライブ回路５２とを一体的に設けることにより駆動電圧生成部を構成することもできる。

１：注入装置、２：注入ヘッド、３：超音波モーター、４：駆動機構、５：制御装置、６：コンソール、２１：フレーム、３５：シャフト、３９：エンコーダー、４１：伝達機構、５０：制御部、５１：メインＣＰＵ、５２：ドライブ回路、５５：電源、５６：ＦＰＧＡ、９１：シリンジ、９２：シリンジホルダー、９３：ピストン、３０１：注入装置、３１０：本体、３１１：装着部、３１６：摺動部、３１７：超音波モーター、３２１：シリンジ、３２２：プランジャー、３７１：プーリー部、４１１：ボールネジ軸、４１２：ボールネジナット、４１３：アクチュエーター、５０１：速度判定位相制御ユニット、５０２：積分回路、５０３：ＶＣＯ、５０４：駆動信号生成ユニット、５０５：実速度検出ユニット

Claims (6)

1. 制御ユニットから駆動信号生成ユニットへ入力される設定速度信号に基づいて、超音波モーターを駆動する駆動電圧を生成するための駆動信号を前記駆動信号生成ユニットによって生成し、
   前記駆動信号生成ユニットによって、前記駆動電圧を生成する駆動電圧生成ユニットへ前記駆動信号を出力し、
   前記駆動電圧を出力する出力期間に続く待機期間においては、前記設定速度信号に基づいて、前記駆動信号生成ユニットが前記駆動信号を生成せずに待機する、超音波モーターの制御方法。
2. 前記待機期間が前記駆動電圧の所定数の波形周期に相当するように、前記駆動信号生成ユニットが待機する、請求項１に記載の超音波モーターの制御方法。
3. 前記待機期間が前記駆動電圧の一波形周期に相当するように、前記駆動信号生成ユニットが待機する、請求項２に記載の超音波モーターの制御方法。
4. 前記出力期間が前記駆動電圧の一波形周期に相当するように、前記駆動信号を生成する、請求項３に記載の超音波モーターの制御方法。
5. 前記駆動電圧は、第１の位相と第２の位相とを含み、
   前記第１の位相と前記第２の位相との位相差が９０度からずれるように、前記駆動信号を生成する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波モーターの制御方法。
6. 薬液を注入するための注入装置であって、
   超音波モーターと、
   前記薬液を送り出すように、前記超音波モーターによって駆動される駆動機構と、
   前記超音波モーターを駆動する駆動電圧を生成し、前記駆動電圧を前記超音波モーターへ出力する駆動電圧生成ユニットと、
   前記駆動電圧を生成するための駆動信号を生成し、前記駆動信号を前記駆動電圧生成ユニットへ出力する駆動信号生成ユニットと、
   前記駆動信号生成ユニットへ設定速度信号を出力し、前記駆動信号生成ユニットを制御する制御ユニットとを備え、
   前記設定速度信号に基づいて、前記駆動信号生成ユニットは、前記駆動電圧が出力される出力期間において前記駆動信号を生成すると共に、前記出力期間に続く待機期間においては前記駆動信号を生成せずに待機する、注入装置。

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