JP6280633B2 - 摩擦駆動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、摩擦によって作動子を駆動する摩擦駆動アクチュエータに関する。

従来から超音波等の振動を用いた超音波アクチュエータ（摩擦駆動アクチュエータ）が様々な用途に用いられている。例えば、ピエゾ素子等を高周波で振動させ、摩擦力により作動子（対象物）を駆動する超音波アクチュエータがある。このような超音波アクチュエータは、フォーカス調整のためにカメラレンズを駆動するために多用されている。

特許文献１、２には、シャフト（作動子）を２自由度（直動および回転）で駆動する、進行波を利用したアクチュエータが開示されている。

国際公開第ＷＯ２００８／０３８８１７号（２００８年４月３日公開） 日本国公開特許公報「特開２０１３−１８３５６３号（２０１３年９月１２日）」

特許文献１、２の技術では、円柱形のシャフトは、進行波振動を生じるステータに設けられた円形の貫通穴に挿入されている。そのため、シャフトの全周とステータの貫通穴とを超音波振動の振幅より小さい誤差で面接触させる必要がある。それゆえ、シャフトとステータとには高い加工精度が求められる。また、高い精度で面接触させる必要があるため、このようなアクチュエータは、シャフトに付着した固体または液体等の汚れに弱い。

例えば硬性内視鏡等を超音波アクチュエータで駆動することを想定すると、硬性内視鏡の挿入部（シャフト）に血液等が付着することが考えられる。これによって、超音波アクチュエータが動作しないことが考えられる。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、付着物等の汚れに耐性のある摩擦駆動アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る摩擦駆動アクチュエータは、柱状の作動子を駆動する摩擦駆動アクチュエータであって、先端に突起部を有する柱状の振動体と、上記振動体における１つの側面に設けられる、第１振動発生素子および第２振動発生素子とを備え、上記振動体は、上記突起部を介して上記作動子の側面に押し当てられることを特徴としている。

本発明の一態様によれば、付着物等の汚れがある場合でも、適切に作動子を駆動することができる。

本発明の一実施形態に係る医療装置の概略構成を示す模式図である。 上記医療装置の挿入部搬送ユニットの概略構成を示す斜視図である。 上記医療装置の超音波アクチュエータの概略構成を示す斜視図である。 上記超音波アクチュエータの超音波振動子の概略構成を示す斜視図である。 上記超音波振動子と、それに供給される電圧とを示す分解斜視図である。 交代電圧および上記超音波振動子の時間変化を示す図である。 振動体の伸縮振動モードを示す斜視図である。 振動体の３次の曲げ振動モードを示す斜視図である。 振動体の運動の様子を示す側面図である。 本発明の他の実施形態に係る医療装置の概略構成を示す模式図である。 上記医療装置の空圧式屈曲アクチュエータの構成を示す側面図である。 上記医療装置の空圧式屈曲アクチュエータの構成を示す側面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る医療装置の概略構成を示す模式図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る挿入部搬送ユニットの概略構成を示す模式図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る医療装置の概略構成を示す模式図である。

〔実施形態１〕
（医療装置の概要）
図１は、本発明の実施の形態に係る医療装置１の概略構成を示す模式図である。本実施形態は、本発明適用の一例として、手術台４００の上に寝ている患者５１０の腹部５１１の腹腔内に硬性内視鏡２００の挿入部（シースチューブ）２０１が挿入され、ここから得られた画像に基づき施術者５００が施術を施す状況を想定している。

図１において、医療装置１は、挿入部搬送ユニット１００、フレキシブルアーム（アクチュエータ固定部）１０１、スタンド（アクチュエータ固定部）１０２、手術用ポート１０３、コントローラユニット（制御装置）１３０、および硬性内視鏡２００を備えている。なお、挿入部搬送ユニット１００、およびコントローラユニット１３０の詳細については、後述する。医療装置１は、硬性内視鏡２００の位置を調整するものである。

フレキシブルアーム１０１は、その一端に挿入部搬送ユニット１００を支持・固定するものであり、手で曲げることで所望の形状にすることができる。すなわち、フレキシブルアーム１０１は施術者５００の所望する位置に挿入部搬送ユニット１００を配置かつ固定するものである。

スタンド１０２は、フレキシブルアーム１０１の他端を固定することで、手術台４００の上に寝ている患者５１０側にフレキシブルアーム１０１を固定するものである。スタンド１０２は、手術台４００に設置（固定）される。

手術用ポート１０３は、医療器具を患者５１０の腹腔内に挿入するための貫通口を有する医療器具であり、患者５１０の腹部５１１表面に配置される。なお、手術用ポート１０３の使用は術式によっては必須ではなく、本実施形態の必須の構成要素ではない。

本実施形態では、医療器具の一例として、円柱形（棒状）の挿入部２０１を有する硬性内視鏡２００を使用しているが、これに限定されるものではない。硬性内視鏡２００の代わりに、患者５１０の体内に医療器具を挿入するための棒状（柱状）の挿入部を有する医療器具を使用することができる。例えば、柱状の挿入部の先端に鉗子等の手術器具が設けられたもの、または、挿入部を兼ねる柱状のカテーテル等を医療器具として使用することができる。

（挿入部搬送ユニットの構成）
図２は、挿入部搬送ユニット１００の概略構成を示す斜視図である。図２に示すように、挿入部搬送ユニット１００は、アクチュエータ保持部（アクチュエータ固定部）１０９および超音波アクチュエータ（アクチュエータ、摩擦駆動アクチュエータ）１１０を備える。

アクチュエータ保持部１０９は、超音波アクチュエータ１１０を保持する中空の筐体であり、その側面にはフレキシブルアーム１０１の一端が固定されている。アクチュエータ保持部１０９、フレキシブルアーム１０１、およびスタンド１０２は、超音波アクチュエータ１１０を手術部位の近傍に固定するためのアクチュエータ固定部を構成する。

図３は、超音波アクチュエータ１１０の概略構成を示す斜視図である。図３に示すように、超音波アクチュエータ１１０は、筐体１１１、筐体１１２、筐体１１１の内面に設けられたステー１１３、ステー１１３を介して筐体１１１に固定された超音波振動子（摩擦駆動素子）１１４、および、筐体１１２の内面に固定された２つのボールベアリング（摺動体）１１５を備える。筐体１１１と筐体１１２とは、開閉可能に結合されている。超音波アクチュエータ１１０は、アクチュエータ保持部１０９によって体腔内の手術部位に対する位置が固定された状態で、硬性内視鏡２００の挿入部２０１を当該手術部位近傍まで搬送するものである。

筐体１１１と筐体１１２とは、予圧用バネ（復元部）１１６によって互いに閉じられる方向に復元力が及ぼされている。筐体１１１と筐体１１２とは、互いに閉じられたとき、環状の筐体を構成する。筐体１１１と筐体１１２とが互いに閉じられたとき、予圧用バネ１１６の復元力によって超音波振動子１１４および２つのボールベアリング１１５が挿入部２０１の側面に押し付けられる。すなわち、硬性内視鏡２００は、超音波振動子１１４および２つのボールベアリング１１５によって、挿入部２０１の軸方向に垂直な方向に保持される（図２）。なお、筐体１１１と筐体１１２とが互いに開かれたとき、超音波振動子１１４とボールベアリング１１５との距離が離れるので、挿入部２０１は、超音波振動子１１４から解放される。

ここで、２つのボールベアリング１１５は、硬性内視鏡２００の側面にそれぞれ点接触する。したがって、突起部４５および２つのボールベアリング１１５の各接触部における弾性変形も考慮すれば、硬性内視鏡２００の保持には挿入部２０１の軸方向に垂直な方向に、最低で２個所の拘束が必要となる。例えば、硬性内視鏡２００の別の個所を、アクチュエータ保持部１０９の内面に３つのボールベアリング１１５を新たに設けることで保持する等の方法が考えられる。ここでは、説明の簡便のため、アクチュエータ保持部１０９の内面に設けられた３つのボールベアリングについては図示しない。

（超音波振動子の構成）
図４は、超音波振動子１１４の概略構成を示す斜視図である。図４に示すように、超音波振動子１１４は、ステー１１３、振動体４０、突起部４５、圧電素子４１〜４４、上部電極４１ａ〜４４ａ、および下部電極４１ｂ〜４４ｂを備える。

ステー（保持部）１１３は、棒状の部材であり、先端部には超音波振動子１１４の回転を防止するためのキー４８が設けられている。

振動体４０は、ステンレス製の中空角柱であり、断面形状は略正方形である。中空部（空洞）は、柱状の振動体４０の軸に沿って延びており、振動体４０を貫通している。また、中空部を規定する振動体４０の内側面には、狭窄部４６が形成されている。振動体４０の内側面は、第１空洞と、第１空洞より径が狭い第２空洞とを規定する。

狭窄部４６は、振動体４０における第２空洞を規定する。狭窄部４６には、振動体４０の回転を防止するために、ステー１１３の先端部と対応する形状のキー溝が設けられている。当該キー溝にキー４８を嵌合することで、振動体４０は、ステー１１３を介して筐体１１１に固定される。この嵌合部（狭窄部４６）は、後述する２つの振動（定在波振動）の節に対応する位置にあるため、これらの振動を阻害しない。

なお、本実施形態では、狭窄部４６は、振動体４０の中空部中央付近に設けられているが、振動体４０を筐体１１１に固定できる位置にあればよく、これに限定されるものではない。

突起部４５は、振動体４０の先端面に設けられた円錐台形状の部材であり、その端面は挿入部２０１の側面に線接触する。なお、ここでは突起部４５は、一例として、円錐台底面の直径１．８ｍｍ、上面の直径０．８ｍｍ、円錐台の高さ０．５ｍｍの真鍮製である。ただし、突起部４５の形状および材質は上記に限定されない。また、突起部４５の端面を凸曲面にし、突起部４５と挿入部２０１とを点接触させてもよい。

柱状の振動体４０の先端は、突起部４５を介して柱状の挿入部２０１（作動子）の側面に押し当てられる。柱状の振動体４０の軸（長手方向）と、柱状の挿入部２０１の軸（長手方向）とは、直交する。なお、突起部４５を省略して振動体４０の先端を直接挿入部２０１に接触させてもよい。

圧電素子４１〜４４は、電圧を加えると応力変化を生ずる性質を有する板状の素子であり、振動体４０の各側面に設置（固定）されている。圧電素子４１〜４４の材質は、セラミックスまたは水晶等である。

上部電極４１ａ〜４４ａおよび下部電極４１ｂ〜４４ｂは、圧電素子４１〜４４の振動体４０に対する設置面とは反対側の面に設置（固定）されている。面状の上部電極４１ａ〜４４ａは、圧電素子４１〜４４の上半分（狭窄部４６より突起部４５側）を覆うように設けられている。面状の下部電極４１ｂ〜４４ｂは、圧電素子４１〜４４の下半分を覆うように設けられている。１つの圧電素子に設けられた上部電極および下部電極は、振動体４０の軸（長手方向）に沿って並ぶように配置されている。１つの圧電素子に設けられた上部電極および下部電極は、互いに導通しないよう分けられている。

電極（電極４１ａ〜４４ａまたは下部電極４１ｂ〜４４ｂ）に電圧を供給することで、圧電素子４１〜４４における該電極に対応する部分が伸縮する。これにより、圧電素子４１〜４４は振動する。例えば１つの圧電素子４１における上部電極４１ａに対応する部分と、下部電極４１ｂに対応する部分とは、異なる振動を生じる。そのため、上部電極４１ａと圧電素子４１における該上部電極４１ａに対応する部分とが第１振動発生素子に対応し、下部電極４１ｂと圧電素子４１における該下部電極４１ｂに対応する部分とが別の第２振動発生素子に対応する。なお、圧電素子は、上部電極および下部電極に対応するよう分かれていてもよい。

なお、各電極および後述のコントローラユニット１３０等への配線については、防水処理が施されていることが望ましい。そして、超音波振動子１１４の変形がｐｐｍレベルと微小であるため、一般的な防水コーティング手法の適用が可能である。

（コントローラユニットの構成）
図１に示すように、コントローラユニット１３０は、指示入力部１３１、駆動信号生成部（電圧供給部、動作指示部）１３２、およびこれらに電力を供給するバッテリー１３３を備える。コントローラユニット１３０は、スタンド１０２およびフレキシブルアーム１０１を経由するケーブルによって、挿入部搬送ユニット１００と着脱可能に接続されている。

指示入力部１３１は、操作者（ユーザ）の指示を入力するための入力装置であり、例えばジョイスティック等の入力装置である。例えば、操作者は、ジョイスティックを手動によって前後左右に傾斜させることで、硬性内視鏡２００の挿入部２０１を搬送（変位または回転）する指示を入力する。指示入力部１３１は、入力された操作者の指示を駆動信号生成部１３２に出力する。入力された操作者の指示は、例えば挿入部２０１の移動方向および移動速度を指定する。

駆動信号生成部１３２は、入力された操作者の指示に基づいて、圧電素子４１〜４４に所望の振動を励起させるための駆動信号を生成し、該圧電素子に印加するものである。駆動信号は交代電圧である。駆動信号生成部１３２は、移動方向に応じて２つの駆動信号の位相差を決定する。駆動信号生成部１３２は、移動速度に応じて駆動信号の電圧の振幅または駆動信号のデューティ比を決定する。

入力された操作者の指示が挿入部２０１の前進または後退を示す場合、駆動信号生成部１３２は、互いに対向する圧電素子４２および４４の電極に供給する駆動信号を生成する。入力された操作者の指示が挿入部２０１の回転を示す場合、駆動信号生成部１３２は、互いに対向する圧電素子４１および４３の電極に供給する駆動信号を生成する。

（超音波振動子の搬送原理）
次に、超音波振動子１１４の搬送原理について、図５〜図９を参照しながら、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、超音波振動子１１４の突起部４５側を上側、ステー１１３側を下側とする。

図５は、超音波振動子１１４と、それに供給される電圧とを示す分解斜視図である。なお、図５では、説明の簡略のため、圧電素子４１・４３の図示を省略している。駆動信号生成部１３２は、圧電素子４１〜４４の２つの電極のそれぞれに、互いに位相の異なる交代電圧を供給する。駆動信号生成部１３２は、ステー１１３の電圧を基準電圧（ここでは０Ｖ）に固定する。ステー１１３、キー４８、および振動体４０は導電体であるので、振動体４０は０Ｖに固定される。

各圧電素子上の上部電極には、対向する圧電素子上の下部電極と共通の駆動信号が供給される。例えば、圧電素子４２の上部電極４２ａおよび圧電素子４４の下部電極４４ｂには共通の交代電圧Ｖａが供給される。圧電素子４２の上部電極４２ａに対応する部分は、印加される電圧Ｖａに応じて変形（伸縮）する。

圧電素子４２の下部電極４２ｂおよび圧電素子４４の上部電極４４ａには共通の交代電圧Ｖｂが供給される。圧電素子４２の下部電極４２ｂに対応する部分は、印加される電圧Ｖｂに応じて変形（伸縮）する。

図６は、交代電圧Ｖａ、Ｖｂおよび超音波振動子１１４の時間変化を示す図である。図６の上側には、各期間Ｔ１〜Ｔ４に対応する超音波振動子１１４の状態を示す。図６において、圧電素子４２・４４の中の（＋）、（−）は、各極性の電圧が印加される電極に対応する部分を表す。図７は、振動体４０の伸縮振動モードＬ１を示す斜視図である。図８は、振動体４０の３次の曲げ振動モードＢ３を示す斜視図である。図７、図８において、濃淡が濃い（黒い）箇所は振動体４０における変形が小さい箇所を表し、濃淡が淡い（白い）箇所は振動体４０における変形が大きい箇所を表す。図７、８に示すように振動体４０の中央部は、振動の節に対応する。図９は、振動体４０の運動の様子を示す側面図である。

図６に示すように、ＶａおよびＶｂは位相が９０°異なる±２４Ｖの交代電圧である。圧電素子４２・４４に正極性の電圧が印加されているとき、圧電素子４２・４４は振動体４０の軸に沿った方向（挿入部２０１に対する方向）に伸長される。圧電素子４２・４４に負極性の電圧が印加されているとき、圧電素子４２・４４は振動体４０の軸に沿った方向に圧縮される。圧電素子４２・４４は振動体４０に貼り付けられているので、振動体４０における圧電素子４２・４４に対応する部分（圧電素子が貼り付けられた部分）も、同様に伸長／圧縮される。この結果、２つの交代電圧Ｖａ・Ｖｂが同じ極性である期間Ｔ１・Ｔ３では、振動体４０の伸縮振動モードＬ１（図７）が励起される。２つの交代電圧Ｖａ・Ｖｂが異なる極性である期間Ｔ２・Ｔ４では、振動体４０の３次の曲げ振動モードＢ３（図８）が励起される。四角柱である振動体４０のアスペクト比（幅：高さ）が１：４であれば、伸縮振動モードＬ１および３次の曲げ振動モードＢ３の共振周波数が概ね一致する。

同じ周波数で伸縮振動モードＬ１と３次の曲げ振動モードＢ３とが励起されることにより、１周期（期間Ｔ１〜Ｔ４）の間に図６に示すように振動体４０が変形する。各振動モードにおいて励起される振動は、節の位置が変化しない定在波振動である。振動体４０の狭窄部４６は、定在波振動の節に対応する箇所（上部電極と下部電極との間に対応する箇所）に位置する。

具体的には、期間Ｔ１において、振動体４０は伸長される。突起部４５は、挿入部２０１側に変位（直動）する。期間Ｔ２において、振動体４０は曲げられる。突起部４５は、圧電素子４２側に変位する。期間Ｔ３において、振動体４０は圧縮される。突起部４５は、挿入部２０１から離れる方向に変位する。期間Ｔ４において、振動体４０は期間Ｔ２とは逆側に曲げられる。突起部４５は、圧電素子４４側に変位する。

その結果、図９に矢印で示すように、振動体４０の先端に配置された突起部４５が楕円運動をする。突起部４５の端面は、予圧用バネ１１６によって挿入部２０１の側面に押し付けられている。そのため、圧電素子４２・４４の組に交代電圧Ｖａ・Ｖｂを与えられると、硬性内視鏡２００の挿入部２０１は、突起部４５との摩擦により、患者体内方向に沿って搬送される。交代電圧ＶａおよびＶｂの位相差の符号が逆であれば、挿入部２０１は反対方向に搬送される。また、挿入部２０１の軸の円周方向に沿って配置される圧電素子４１・４３に交代電圧Ｖａ・Ｖｂが与えられると、挿入部２０１はその軸を中心に回転させられる。このように、単一の超音波振動子１１４は、２つの方向（変位（直動）方向および回転方向）の搬送を選択的に行うことができる。

２つの交代電圧Ｖａ・Ｖｂの位相差は、移動方向（回転方向）を決定し、２つの交代電圧Ｖａ・Ｖｂの電圧の振幅（またはデューティ比）は、移動速度（回転速度）を決定する。このように、駆動信号生成部１３２によって生成される駆動信号（交代電圧）によって、操作者の指示を硬性内視鏡２００の動作として反映することができる。

なお、本実施形態では、２つの圧電素子を対向させることで伸縮振動モードＬ１および３次の曲げ振動モードＢ３を励起させているが、例えば圧電素子４１および４２のみを使用して同様の振動を励起させてもよい。ただし、本実施形態の構成は対称性が良いので、伸縮振動モードＬ１および３次の曲げ振動モードＢ３以外の不要な振動が励起されにくい。そのため、本実施形態では、エネルギー効率を高くすることができる。

（実施例）
一実施例として、振動体４０として、一辺が２ｍｍの正方形断面を有し、高さは８ｍｍであるステンレス製の中空の四角柱を使用した。中空部は直径１．６ｍｍの円柱状であり、中空部の軸と四角柱の軸とは一致する。また、圧電素子４１〜４４として、厚さ０．２ｍｍ、短辺２ｍｍ、長辺８ｍｍの矩形の市販のハード系ＰＺＴ（ＰＺＴ−５Ｈ：鉛−ジルコニウム−チタン）を使用した。

その結果、伸縮振動モードＬ１および３次の曲げ振動モードＢ３の共振周波数が共に約２８０ｋＨｚで一致した。これにより、超音波振動子１１４に共振が励振され、挿入部２０１の搬送（変位および回転）を実現することができた。

（効果）
本実施形態の医療装置１は、医療器具である硬性内視鏡２００の挿入部２０１を、挿入部２０１の軸方向に変位および軸周りに回転させることができる。硬性内視鏡２００は、挿入部２０１の一側面方向を見ることができるため、医療装置１を使用することにより、体腔内の任意の箇所を硬性内視鏡２００の視野に収めることができる。これにより、操作者（または施術者）は、硬性内視鏡２００を介して体腔内の任意の箇所を見ることができる。

また、医療装置１は、挿入部搬送ユニット１００、およびフレキシブルアーム１０１によって、超音波アクチュエータ１１０の位置を固定している。硬性内視鏡２００の挿入部２０１は、超音波アクチュエータ１１０によって、超音波アクチュエータ１１０に対して２軸に駆動される。そのため、医療装置１の占有空間を小さくすることができる。よって、医療装置１は、従来の医療用ロボットシステムに比べて、施術者５００の作業空間を大幅に広く確保することが可能となる。

なお、例えば作動子の周囲をステータで囲む従来の超音波アクチュエータでは、ステータの貫通穴が作動子の全周と接触するために、作動子およびステータを高い精度で加工する必要がある。また、複数のローラーで作動子を搬送する別の従来のアクチュエータでは、作動子に汚れ（血液等）が付着した場合に複数のローラー間で摩擦力が不均一となる可能性がある。作動子に伝達される力が不均一になるので、予期せぬ動作をしてしまう可能性がある。

本実施形態の超音波アクチュエータ１１０は、単一の超音波振動子１１４の先端（突起部４５）を作動子である挿入部２０１の側面に１方向から押し当てる構成である。そのため、超音波アクチュエータ１１０では、加工の公差を大きく設定することができる。それゆえ、超音波アクチュエータ１１０は、容易に加工および組み立てを行うことができる。また、超音波振動子１１４が挿入部２０１の側面に１方向から押し当てられるので、挿入部２０１に汚れが付着している場合であっても、動作不良を起こしにくい。

（変形例）
なお、本実施形態では、患者５１０の治療部位（手術用ポート１０３の位置）の近傍に配されたアクチュエータにより医療器具（硬性内視鏡２００）を駆動することで、従来のロボットアームまたは内視鏡操作助手等が配置されていたスペースを削減する。本実施形態における各構成要素は、術式との適合性または技術進展に応じて、適宜置き換えることができる。

例えば、本実施形態では、アクチュエータとして超音波振動子を用いた超音波モータを使用しているが、空気圧、電磁力等によって駆動するアクチュエータを使用することも可能である。

また、コントローラユニットについても、指示入力部１３１はジョイスティックに限定されない。例えば、絶対位置を画面上でポイントすることで指示し、これに従って算出された各部位の位置に基づいて操作を行う半自動コントローラ等も適用可能である。

さらに、摩擦力の差異が機能実現に影響を及ぼさない程度であれば、ボールベアリング１１５をフッ素樹脂パッドなどの摺動体で置き換える構成も可能である。もちろん、摺動体の個数、配置、および形状などについても、挿入部２０１の搬送に支障のない限り本実施形態に限定されるものではない。

なお、振動体４０は、四角柱に限らず、少なくとも１つの側面（平面）を有する柱状の形状であってよい。柱状の振動体の軸（長手方向）に沿って並ぶように、１つの側面に複数の振動発生素子が設けられていればよい。

超音波アクチュエータの搬送力として利用される振動モード、振動モードを励起するための電極形状、および印加電圧パターンも、搬送される医療器具の種類に応じて適宜変形可能であり、本実施形態に限定されるものではない。

なお、超音波アクチュエータ１１０は、医療器具の挿入部の他に、柱状の任意の作動子を搬送（変位または回転）するために用いることもできる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図１０〜１２に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施形態１にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

（医療装置の概要）
図１０は、本実施形態に係る医療装置２の概略構成を示す模式図である。図１０に示すように、本実施形態に係る医療装置２は、医療器具として空圧式屈曲アクチュエータ６１０を用いる点、および、空圧式屈曲アクチュエータ６１０を屈曲させるエアポンプ（屈曲駆動装置）６３０を備える点で、実施形態１に係る医療装置１と異なる。また、本実施形態に係る医療装置２は、コントローラユニット１３０が超音波アクチュエータのみならず、エアポンプ６３０にも動作指示を与える点でも、実施形態１に係る医療装置１と異なる。

（挿入部の構成）
図１１に示すように、本実施形態における空圧式屈曲アクチュエータ６１０は、中空円筒形状で膨張可能なチューブ６１１、カメラ２１０、および、挿入部としてのパイプ６２０を備える。

チューブ６１１の一端にはカメラ２１０が固定されている。チューブ６１１の他端には、中空円筒形状のパイプ６２０が連通接続されている。チューブ６１１は、弾性体であるが、チューブ６１１の一部の壁面（図１１における下側）は、他の壁面より剛性の高い非伸縮部６１２を有する。チューブ６１１の素材には、例えばシリコーン等が用いられる。

カメラ２１０は、チューブ６１１の中を通る信号線２１１を介して、図示しない映像出力装置に撮影された手術部位付近の映像を伝送する。

パイプ６２０の素材には、空気が供給されても屈曲しないよう、硬質な材料、例えばアクリル樹脂等が用いられる。また、パイプ６２０は、その中空部に信号線２１１が通されることから、空気供給流路のみならず信号線格納筐体としての役割も有している。

非伸縮部６１２の伸縮性は、チューブ６１１の他の部分よりも低ければよく、非伸縮部６１２の反対側ではチューブ６１１を膨張させるとともに、非伸縮部６１２側ではチューブ６１１を膨張させない程度であればよい。

非伸縮部６１２の素材として、例えばグラスファイバまたはポリアミド繊維等の非伸縮性糸が用いられてもよいし、チューブ６１１と同じ素材のシリコーンを用いてもよい。

（チューブの屈曲原理）
チューブ６１１は、パイプ６２０を介してエアポンプ６３０より空気の供給を受け、その空気の圧力上昇に応じ、チューブ６１１の非伸縮部６１２側と反対側は膨張する。一方、非伸縮部６１２側は膨張しないため、図１２に示すように、チューブ６１１は非伸縮部６１２側へ屈曲する。

（効果）
以上のように、本実施形態によれば、パイプ６２０（挿入部）の軸方向およびその軸を中心とする回転方向に加え、チューブ６１１の屈曲方向にも、カメラ２１０による視野を確保することが可能になる。

したがって、施術者５００は、体腔内の手術部位をより多くの方向から観察することが可能となることから、手術部位観察においてより好適な角度を選択することができる。

（変形例）
なお、本実施形態では、チューブ６１１本体に非伸縮部６１２を設ける場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本実施形態はこれに限定されるものではなく、非伸縮部６１２を信号線２１１で兼用してもよい。さらに、非伸縮部６１２と兼用される信号線２１１は、チューブ６１１の内側ではなく外側に固定させてもよい。

〔実施形態３〕
本発明のさらに他の実施形態について、図１３に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施形態１、２にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

（医療装置の概要）
図１３は、本実施形態に係る医療装置３の概略構成を示す模式図である。図１３に示すように、本実施形態に係る医療装置３は、コントローラユニットが無線コントローラユニット１４０である点で、実施形態１、２に係る医療装置と異なる。

（無線コントローラユニットの構成）
図１３に示すように、無線コントローラユニット１４０は、ユニット本体１４５と動作指示ユニット１４６とを備えている。

ユニット本体１４５は、指示入力部１４１、指示入力部１４１の前後左右方向の操作量に対応した信号を送信する送信部１４７、およびこれらに電力を供給する第１バッテリー（電池）１４３を備えている。

動作指示ユニット１４６は、受信部１４８、動作指示部１４２、第２バッテリー（電池）１４４を備える。受信部１４８は、送信部１４７より送信された信号を受信する。動作指示部１４２は、受信部１４８が受信した信号に応じて駆動信号を生成し、駆動信号を挿入部搬送ユニット１００に供給する。第２バッテリー１４４は、受信部１４８および動作指示部１４２に電力を供給する。

また、動作指示ユニット１４６は、手術台４００に設置（固定）されるとともに、上端面にはフレキシブルアーム１０１の一端が固定されている。すなわち、動作指示ユニット１４６は、実施形態１、２におけるスタンド（アクチュエータ固定部）１０２の役割も兼ねる。

動作指示部１４２は、図示しない操作者による指示入力部１４１の操作に応じて、交代電圧に対応する駆動信号を生成し、上部電極および下部電極に該駆動信号を送信する。これにより、無線通信による超音波アクチュエータ１１０への動作指示が可能となる。

なお、無線コントローラユニット１４０は、ユニット本体１４５と動作指示ユニット１４６との間に、施術者５００等の障害物が介在する場合がある。また、無線通信電波は、操作者が免許なしで自由に使用できる帯域である必要がある。さらに、消費電力の観点も考慮すれば、無線通信手段は、無線通信機器間に障害物があっても利用可能であり、免許なしで自由に使用できる帯域の電波が使用され、かつ低消費電力であるＢＴ（Bluetooth（登録商標）：ブルートゥース）等が望ましい。

（効果）
以上のように、本実施形態によれば、無線通信により超音波アクチュエータへの動作指示が行われるため、施術者５００の作業空間をより広く確保することが可能となる。したがって、施術者５００はより円滑に医療処置を行うことができる。

なお、上記効果は、実施形態１、２のいずれの医療器具（挿入部）を用いる場合でも、実現可能であることは言うまでもない。

（変形例）
本実施形態では、指示入力部１４１等の操作部から入力された信号を、ユニット本体１４５により直接動作指示ユニット１４６へ送信している。しかしながら、操作者が指示入力部１４１に与えた情報を、無線通信によって超音波アクチュエータの動作に反映させることが本実施形態に係る医療装置３の本質であるため、これが実現される構成であれば、その無線通信形態を問わない。

〔実施形態４〕
本発明のさらに他の実施形態について、図１４に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、前記実施形態１から３にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１４は、本実施形態に係る挿入部搬送ユニット１０７の概略構成を示す模式図である。図１４に示すように、本実施形態に係る挿入部搬送ユニット１０７は、アクチュエータ保持部１０９としてトロッカー（トロカール）７００を用いている点が、実施形態１から３に係る挿入部搬送ユニット１００と異なる。

（トロッカーの構成）
トロッカー７００は、患者の体腔内に手術器具を挿入するための医療器具であり、硬性内視鏡を利用した手術等において一般的に用いられる。また、トロッカー７００は、図１４に示すように、筒状のトロッカー筐体７０１および中空の針部７０２を備えている。

トロッカー筐体７０１は、超音波アクチュエータ１１０を内蔵できる程度のスペースが確保されている中空の筐体である。トロッカー筐体７０１は、超音波アクチュエータ１１０を保持する。

針部７０２は、硬性内視鏡等の挿入部２０１を貫通させることができる程度の中空部を有する円筒型の部材であり、その外径は、手術用ポート１０３の貫通口１０３ａの直径より小さい。また、針部７０２の一端は、トロッカー筐体７０１の一端と連通接続されている。針部７０２は、貫通口１０３ａから手術用ポート１０３に挿入されることで、手術用ポート１０３に対して固定される。なお、医療装置３は、トロッカー７００を手術用ポート１０３に固定する固定部を別途備えてもよい。例えばトロッカー７００および手術用ポート１０３に、対応する係合部を設けてもよい。

ここで、トロッカー筐体７０１の側面には外部端子７１０が設置されている。コントローラユニットと挿入部搬送ユニット１０７とは、外部端子７１０を通じて電気的に接続される。

なお、トロッカー７００は、超音波アクチュエータ１１０を内蔵できる程度のスペースがトロッカー筐体７０１に確保されていれば、医療現場において一般的に用いられているものが適用可能である。

（効果）
以上のように、本実施形態によれば、手術用ポート１０３に対してトロッカー７００を固定することで、トロッカー筐体７０１に内蔵された超音波アクチュエータ１１０の手術部位に対する位置が固定される。したがって、フレキシブルアーム１０１およびスタンド１０２を用いる必要がなくなり、施術者５００の作業空間をより広く確保することが可能となる。これにより、施術者５００はより円滑に医療処置を行うことができる。

なお、上記効果は、実施形態１、２のいずれの医療器具（挿入部）を用いる場合でも、実現可能であることは言うまでもない。

（変形例）
本実施形態に係る挿入部搬送ユニット１０７の重要な特徴は、手術部位の近傍に配置されたトロッカー７００に超音波アクチュエータ１１０が固定される点である。したがって、例えば、トロッカー筐体７０１に超音波アクチュエータ１１０が内蔵されている必要はなく、トロッカー筐体７０１の一端に超音波アクチュエータ１１０を設置する等の構成であってもよい。

また、必ずしも手術用ポート１０３を用いる必要はなく、手術用ポート１０３は省略することもできる。

〔実施形態５〕
本発明のさらに他の実施形態について、図１５に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施形態１から４にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。

図１５は、本実施形態に係る医療装置４の概略構成を示す模式図である。医療装置４は、ユニット本体１４５および動作指示ユニット１４６を備える。図１５に示すように、本実施形態に係る挿入部搬送ユニット１０８は、動作指示ユニット１４６が、その側面に設けられたコネクタ７３０によってトロッカー筐体７０１の側面に接続される点で、実施形態４に係る挿入部搬送ユニット１０７と異なる。

動作指示ユニット１４６は、無線コントローラユニットのユニット本体１４５から無線によって受信した指示に基づいて、トロッカー７００に備えられた超音波アクチュエータ１１０を駆動する。

コネクタ７３０および動作指示ユニット１４６は、トロッカー７００に対して着脱可能である。

（効果）
以上のように、本実施形態によれば、高温に弱い半導体部品を搭載する動作指示ユニット１４６が取り外し可能である。そのため、トロッカー７００単体に対して、滅菌処理、特にオートクレーブ減菌（高圧蒸気減菌）等の高温を用いる滅菌処理を行うことが可能となる。したがって、トロッカー７００の殺菌・洗浄をより確実に行うことができる。

また、動作指示ユニット１４６に耐熱性を考慮する必要がなくなるため、一般的な半導体部品等が利用可能となり、動作指示ユニット１４６を安価に製造することができる。

さらに、無線通信により超音波アクチュエータ１１０への動作指示が行われることから、本実施形態でも、実施形態３と同様の効果を得ることができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る摩擦駆動アクチュエータ（超音波アクチュエータ１１０）は、柱状の作動子（挿入部２０１）を駆動する摩擦駆動アクチュエータであって、先端に突起部を有する柱状の振動体（４０）と、上記振動体における１つの側面に設けられる、第１振動発生素子（圧電素子４１〜４４、上部電極４１ａ〜４４ａ）および第２振動発生素子（圧電素子４１〜４４、下部電極４１ｂ〜４４ｂ）とを備え、上記振動体は、上記突起部を介して上記作動子の側面に押し当てられている。

上記の構成によれば、柱状の振動体が、当該振動体の先端に設けられた突起部を介して、柱状の作動子の側面に押し当てられる。そして、振動体の側面に設けられた第１振動発生素子および第２振動発生素子が振動体を振動させる。振動体が振動することによる振動体の先端の運動により、振動体は作動子を摩擦駆動する。振動体は突起部を介して作動子の側面に押し当てられているため、固体または液体等が浸入しても、振動体は作動子を摩擦駆動することができる。よって、上記摩擦駆動アクチュエータは、付着物等の汚れがある場合でも、適切に作動子を駆動することができる。また、突起部が作動子の側面に接触することにより、接触面積が少なくなるので、付着物等への耐性をより高めることができる。

本発明の態様２に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様１において、上記振動体は、第１側面、第２側面、第３側面、および第４側面を有し、上記第１側面と上記第２側面とは互いに対向し、上記第３側面と上記第４側面とは互いに対向し、上記第１側面と上記第３側面とは互いに垂直であり、上記第１側面、上記第２側面、上記第３側面、および上記第４側面のそれぞれには、複数の振動発生素子が貼り付けられている。

上記の構成によれば、対向する２つの側面に設けられた複数の振動発生素子によって振動体に励起される振動によって、対向する２つの側面が並ぶ方向へ作動子を駆動（直動または回転）することができる。第１側面と第３側面とは垂直であるので、上記摩擦駆動アクチュエータは、異なる２方向に選択的に作動子を駆動することができる。

本発明の態様３に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様１において、上記第１振動発生素子および上記第２振動発生素子は、上記振動体の１つの側面において上記振動体の長手方向に沿って並ぶように配置される。

上記の構成によれば、第１振動発生素子および第２振動発生素子によって、振動体に異なる２つの振動モードを励起することができる。それゆえ、上記摩擦駆動アクチュエータは、異なる２つの振動モードによって、効率的に作動子を駆動させることができる。

本発明の態様４に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様３において、上記振動体は、互いに対向する第１側面および第２側面を有し、上記第２側面に設けられる第３振動発生素子および第４振動発生素子を備え、上記第１側面には、上記第１振動発生素子および上記第２振動発生素子が貼り付けられており、上記第２側面には、上記第３振動発生素子および上記第４振動発生素子が上記振動体の長手方向に沿って並ぶように貼り付けられている。

上記の構成によれば、互いに対向する第１側面および第２側面のそれぞれに、２つずつの振動発生素子が貼り付けられている。そして各側面に設けられた２つの振動発生素子は、振動体の長手方向に沿って並ぶように配置されている。これにより、効率的に所望の振動モードを励起することができるため、効率的に作動子を駆動させることができる。

本発明の態様５に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様４において、各振動発生素子は、圧電素子（４１〜４４）と該圧電素子上に設けられる面状の電極（上部電極４１ａ〜４４ａ、下部電極４１ｂ〜４４ｂ）とを含み、上記第１振動発生素子は、上記第２振動発生素子より上記作動子側に配置され、上記第３振動発生素子は、上記第４振動発生素子より上記作動子側に配置され、上記第１振動発生素子の上記電極と上記第４振動発生素子の上記電極とに、第１交代電圧（Ｖａ）を供給し、上記第２振動発生素子の上記電極と上記第３振動発生素子の上記電極とに、上記第１交代電圧とは位相が異なる第２交代電圧（Ｖｂ）を供給する電圧供給部（駆動信号生成部１３２）を備える。

上記の構成によれば、振動体を側面視した場合に、互いに対角に位置する振動発生素子の対は、同じ交代電圧によって振動させられる。そして、１つの側面に設けられた２つの振動発生素子には、互いに位相が異なる交代電圧が供給される。これにより、振動体の先端が楕円運動するような振動モードを振動体に励起することができる。それゆえ、効率的に作動子を駆動させることができる。

本発明の態様６に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様４または５において、上記第１振動発生素子および上記第２振動発生素子は、柱状の上記振動体の軸に沿った方向に伸縮することにより、上記振動体を振動させる。

上記の構成によれば、第１振動発生素子および第２振動発生素子の伸縮により、柱状の振動体の軸方向に沿った振動モードと、振動体の先端を作動子の軸方向に沿って変位させる振動モードとを、振動体に励起することができる。それゆえ、効率的に作動子を駆動させることができる。

本発明の態様７に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様１から６のいずれかにおいて、上記作動子の側面に対して摺動する摺動体を備え、上記作動子は、上記摺動体および上記振動体によって保持される。

本発明の態様８に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様１から７のいずれかにおいて、柱状の上記振動体の内側面は、上記振動体の軸に沿った空洞を規定している。

上記の構成によれば、空洞に応じて振動体の共振周波数を設定することができる。それゆえ、例えば２つの振動モードの共振周波数を容易に一致させることができる。

本発明の態様９に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様７において、上記振動体が固定された第１筐体と、上記摺動体が固定された第２筐体とを備え、上記第１筐体および上記第２筐体が互いに閉じられたとき、上記振動体は上記作動子の側面に押し当てられ、上記第１筐体および上記第２筐体が互いに開かれたとき、上記作動子は解放される。

上記の構成によれば、作動子を摩擦駆動アクチュエータに対して容易に着脱することができる。それゆえ、作動子を交換する、または作動子を洗浄するのが容易になる。

本発明の態様１０に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様９において、上記第１筐体および上記第２筐体が互いに閉じられる方向に復元力を加える復元部を備える。

上記の構成によれば、復元部の復元力によって、第１筐体および第２筐体を閉じ、振動体を作動子の側面に押し当てることができる。

本発明の態様１１に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様８において、上記振動体の内側面は、第１空洞と、上記第１空洞より径が狭い第２空洞とを規定する。

本発明の態様１２に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様１１において、上記第２空洞は、上記第１振動発生素子および上記第２振動発生素子の間に対応する位置にある。

上記の構成によれば、振動体に励起される振動の節は、第１振動発生素子および第２振動発生素子の間に対応する位置にある。そのため、振動体において径が狭い第２空洞は、振動の節に対応する位置にある。それゆえ、第２空洞は振動体の振動を阻害しない。

本発明の態様１３に係る摩擦駆動アクチュエータでは、上記態様１２において、第１筐体と、上記第１筐体に固定された保持部とを備え、上記振動体の上記第２空洞に対応する内側面と、上記保持部とは、互いに嵌合するキーおよびキー溝によって固定される。

上記の構成によれば、互いに嵌合するキーおよびキー溝によって保持部と振動体とが固定される。振動体の上記第２空洞に対応する内側面は、振動の節に対応する位置にあるので、振動体の振動を阻害することなく振動体を第１筐体に固定することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

本発明は、医療装置において利用可能であり、特に、体腔鏡手術等の内視鏡カメラ・マニピュレータ・鉗子等を備える医療装置において好適に利用することができる。

１〜４ 医療装置
４０ 振動体
４１〜４４ 圧電素子（振動発生素子）
４１ａ〜４４ａ 上部電極（振動発生素子）
４１ｂ〜４４ｂ 下部電極（振動発生素子）
４５ 突起部
４６ 狭窄部
４８ キー
１００、１０７、１０８ 挿入部搬送ユニット
１０１ フレキシブルアーム（アクチュエータ固定部）
１０２ スタンド（アクチュエータ固定部）
１０３ 手術用ポート
１０９ アクチュエータ保持部（アクチュエータ固定部）
１１０ 超音波アクチュエータ（アクチュエータ、摩擦駆動アクチュエータ）
１１１、１１２ 筐体（第１筐体、第２筐体）
１１３ ステー（保持部）
１１４ 超音波振動子（摩擦駆動素子）
１１５ ボールベアリング（摺動体）
１１６ 予圧用バネ（復元部）
１３０ コントローラユニット（制御装置）
１３１、１４１ 指示入力部
１３２ 駆動信号生成部（電圧供給部、動作指示部）
１３３、１４３、１４４ バッテリー（電池）
１４０ 無線コントローラユニット（制御装置）
１４２ 動作指示部
１４５ ユニット本体
１４６ 動作指示ユニット（アクチュエータ固定部）
１４７ 送信部
１４８ 受信部
２００ 硬性内視鏡
２０１ 挿入部（作動子）
６１０ 空圧式屈曲アクチュエータ
６２０ パイプ（挿入部、作動子）
６３０ エアポンプ（屈曲駆動装置）
７００ トロッカー（アクチュエータ固定部）

Claims (10)

1. 柱状の作動子を駆動する摩擦駆動アクチュエータであって、
   先端に突起部を有する柱状の振動体と、
   上記振動体における１つの側面に設けられる、第１振動発生素子および第２振動発生素子とを備え、
   上記振動体は、上記突起部を介して上記作動子の側面に押し当てられているとともに、
   互いに対向する第１側面および第２側面を有し、
   上記第２側面に設けられる第３振動発生素子および第４振動発生素子を備え、
   上記第１側面には、上記第１振動発生素子および上記第２振動発生素子が貼り付けられており、
   上記第２側面には、上記第３振動発生素子および上記第４振動発生素子が上記振動体の長手方向に沿って並ぶように貼り付けられており、
   上記第１振動発生素子および上記第２振動発生素子は、上記振動体の１つの側面において上記振動体の長手方向に沿って並ぶように配置されており、
   各振動発生素子は、圧電素子と該圧電素子上に設けられる面状の電極とを含み、
   上記第１振動発生素子は、上記第２振動発生素子より上記作動子側に配置され、
   上記第３振動発生素子は、上記第４振動発生素子より上記作動子側に配置され、
   上記第１振動発生素子の上記電極と上記第４振動発生素子の上記電極とに、第１交代電圧を供給し、上記第２振動発生素子の上記電極と上記第３振動発生素子の上記電極とに、上記第１交代電圧とは位相が異なる第２交代電圧を供給する電圧供給部を備えることを特徴とする摩擦駆動アクチュエータ。
2. 上記振動体は、第３側面、および第４側面を有し、
   上記第３側面と上記第４側面とは互いに対向し、
   上記第１側面と上記第３側面とは互いに垂直であり、
   上記第３側面、および上記第４側面のそれぞれには、複数の振動発生素子が貼り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦駆動アクチュエータ。
3. 上記第１振動発生素子および上記第２振動発生素子は、柱状の上記振動体の軸に沿った方向に伸縮することにより、上記振動体を振動させることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦駆動アクチュエータ。
4. 上記作動子の側面に対して摺動する摺動体を備え、
   上記作動子は、上記摺動体および上記振動体によって保持されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の摩擦駆動アクチュエータ。
5. 柱状の上記振動体の内側面は、上記振動体の軸に沿った空洞を規定していることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の摩擦駆動アクチュエータ。
6. 柱状の作動子を駆動する摩擦駆動アクチュエータであって、
   先端に突起部を有する柱状の振動体と、
   上記振動体における１つの側面に設けられる、第１振動発生素子および第２振動発生素子と、
   上記作動子の側面に対して摺動する摺動体と、
   上記振動体が固定された第１筐体と、
   上記摺動体が固定された第２筐体とを備え、
   上記振動体は、上記突起部を介して上記作動子の側面に押し当てられており、
   上記作動子は、上記摺動体および上記振動体によって保持されており、
   上記第１筐体および上記第２筐体が互いに閉じられたとき、上記振動体は上記作動子の側面に押し当てられ、
   上記第１筐体および上記第２筐体が互いに開かれたとき、上記作動子は解放されることを特徴とする摩擦駆動アクチュエータ。
7. 上記第１筐体および上記第２筐体が互いに閉じられる方向に復元力を加える復元部を備えることを特徴とする請求項６に記載の摩擦駆動アクチュエータ。
8. 柱状の作動子を駆動する摩擦駆動アクチュエータであって、
   先端に突起部を有する柱状の振動体と、
   上記振動体における１つの側面に設けられる、第１振動発生素子および第２振動発生素子とを備え、
   上記振動体は、上記突起部を介して上記作動子の側面に押し当てられており、
   柱状の上記振動体の内側面は、上記振動体の軸に沿った空洞を規定しており、
   上記振動体の内側面は、第１空洞と、上記第１空洞より径が狭い第２空洞とを規定することを特徴とする摩擦駆動アクチュエータ。
9. 上記第２空洞は、上記第１振動発生素子および上記第２振動発生素子の間に対応する位置にあることを特徴とする請求項８に記載の摩擦駆動アクチュエータ。
10. 第１筐体と、
    上記第１筐体に固定された保持部とを備え、
    上記振動体の上記第２空洞に対応する内側面と、上記保持部とは、互いに嵌合するキーおよびキー溝によって固定されることを特徴とする請求項９に記載の摩擦駆動アクチュエータ。