JP7162326B2 - 力センサおよび力センサを備える手術器具 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 平成２９年１０月２０日、日本コンピュータ外科学会誌、第１９巻第４号、２６２－２６３頁で公開。

特許法第３０条第２項適用 平成２９年１０月２８日、第２６回日本コンピュータ外科学会大会 名古屋大学 東山キャンパス 豊田講堂・シンポジオン（愛知県名古屋市千草区不老町）で公開。

本発明は、手術器具に印加される力を検出する力センサ、および該力センサを備える手術器具に関するものである。

従来、脳下垂体に対する治療として、経鼻的下垂体手術が知られている。経鼻的下垂体手術では、内視鏡および鉗子などの手術器具を鼻孔から挿入し、脳に到達させて下垂体の治療を行う。このとき、手術器具に加わる力および鉗子の把持力などの手術の状況を、医師による感覚ではなく、定量化および可視化することが望ましい。また、近年、経鼻的下垂体手術にロボットツールを導入することで、狭所での高自由度動作、手指の振戦の除去および動作倍率の変更等による、より高精度な手術が可能になっている。ロボットツールを導入する場合には、手術中の器具同士の接触または対象組織との接触による力覚欠如による安全性低下を防ぐため、微細な反力を提示し、高精度な手術を実現することが期待される。

上記の課題に対し、従来、手術器具に力センサを設けることが提案されている。例えば、特許文献１には、圧電効果を利用した圧力センサを手術用ロボットに用いることが記載されている。また、特許文献２には、ロボット手術システムの力センサとして、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）を用いることが提案されている。

特開２０１５－１００６７７号公報 特開２０１２－１５７７４４号公報

手術器具の力センサとして、圧電効果を利用した圧力センサを用いる場合、電気メスまたはＭＲＩなどの電磁ノイズの影響を受け、手術器具に加えられる力を精度よく測定することができなくなってしまう。また、ＦＢＧを力センサに用いる場合、ＦＢＧセンサの取り付けが煩雑であるとともに、高精度に波長測定を行うために高機能な測定器が必要になる。

そこで、本発明は、電磁ノイズに強く、簡便に手術器具に加えられる力を測定することができる力センサおよび該力センサを備える手術器具を提供することを目的とする。

本発明に係る力センサは、受圧部および光ファイバ部からなる光ファイバ圧力センサと、受圧部に予備圧縮力を加えて接触する伝達部材と、光ファイバ圧力センサと伝達部材とを保持する保持部と、からなり、受圧部に予備圧縮力が加えられた状態を基準として、光ファイバ部の先端と、受圧部において圧力によってたわむ部分との距離であるギャップ長の変化を検出することで、測定対象に加わる圧縮力及び引張力を検出する。

以上のように、本発明によれば、光ファイバ圧力センサと伝達部材とを用いることで、電磁ノイズの影響を受けることなく、力センサに印加される圧力を高精度に測定することができる。また、伝達部材が受圧部に予備圧縮力を加えて接触した状態で保持されることで、母材に加わる圧縮力だけでなく引張力も検出することができる。

実施の形態１における力センサの外観図である。 実施の形態１における力センサの保持部周辺を示す斜視図である。 実施の形態１における光ファイバ圧力センサの構造を示す図である。 光ファイバ圧力センサを用いた圧力測定システムの概略構成図である。 実施の形態１における力センサの構造を示す図である。 実施の形態１における力センサの動作を説明する図である。 実施の形態１における力センサの動作を説明する図である。 実施の形態１における力センサの試験装置の概略構成図である。 図８の試験装置による試験結果を示すグラフである。 実施の形態１の力センサを備える手術器具の概略構成図である。 鉗子の根元部の拡大斜視図である。 鉗子の先端部の拡大斜視図である。 把持力を測定するための力センサの取り付け例を示す図である。 実施の形態２における力センサの保持部周辺を示す斜視図である。 実施の形態３における力センサの保持部周辺を示す斜視図である。 実施の形態４における力センサの保持部周辺を示す斜視図である。 実施の形態５における力センサの保持部周辺を示す斜視図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る力センサ１について説明する。図１は、実施の形態１における力センサ１の外観図である。力センサ１は、印加される力を測定するものであり、極細径で長尺の線形状を有している。図１に示すように、力センサ１は、光ファイバ圧力センサ５と、伝達部材６と、光ファイバ圧力センサ５と伝達部材６とを保持する保持部７と、を備える。

図２は、本実施の形態における力センサ１の保持部７周辺を示す斜視図である。図２に示すように、光ファイバ圧力センサ５は、受圧部５１と光ファイバ部５２とを備え、受圧部５１に対向して、伝達部材６が配置される。伝達部材６は、光ファイバ圧力センサ５の直径と略同じ直径（例えば１２０μｍ）を有し、金属などの硬質の線材で構成される。本実施の形態の伝達部材６は、超硬ピンである。また、伝達部材６は、光ファイバ圧力センサ５の受圧部５１と同軸上において、受圧部５１を圧縮するように、受圧部５１に接触して配置される。保持部７は、例えば可撓性を有する樹脂からなる円筒部材であり、光ファイバ圧力センサ５と伝達部材６との接触部分を覆って保持する。保持部７は、例えばポリイミドチューブである。

図３は、本実施の形態における光ファイバ圧力センサ５の構造を示す図である。図３に示すように、光ファイバ圧力センサ５の光ファイバ部５２は、クラッド径１２５μｍ、コア径５０μｍのグレーデッドインデックスマルチモードの光ファイバ５２１と、光ファイバ５２１の先端に形成されるクロム（Ｃｒ）薄膜のハーフミラー５２２とからなる。受圧部５１は、直径１２０μｍの円筒形状を有するセンサチップであり、光ファイバ部５２の端面に接合される。受圧部５１は、圧力によってたわむダイヤフラム部５１１およびスペーサ部５１４と、アルミ（Ａｌ）の全反射ミラー５１２と、全反射ミラー５１２を平坦化させて支えるメサ部５１３と、受圧部５１の先端に設けられたシリコンロッド５１５とを備え、ファブリ・ペロー型の干渉計を構成する。

光ファイバ圧力センサ５の製造段階において、受圧部５１を含むセンサチップは、ダイヤフラム部５１１保護するためのシリコンロッド５１５を備えている。そして、光ファイバ圧力センサ５を血圧測定などに用いる場合には、ダイヤフラム部５１１およびスペーサ部５１４が直接外部からの力を受けるよう、シリコンロッド５１５が除去される。これに対し、本実施の形態では、シリコンロッド５１５を除去することなく、受圧部材として、伝達部材６とダイヤフラム部５１１との間に配置させる。これにより、超硬ピンからなる伝達部材６を用いた力の検出が可能となっている。

図４は、光ファイバ圧力センサ５を用いた圧力測定システム１００の概略構成図である。図４に示すように、圧力測定システム１００は、力センサ１に含まれる光ファイバ圧力センサ５と、光源５０１と、ファイバ結合器５０２と、分光計５０３と、ＰＣなどの端末装置５０４とからなる。圧力測定システム１００では、光源５０１から光ファイバ圧力センサ５へ白色光が供給される。光ファイバ圧力センサ５に供給された光は、ハーフミラー５２２と全反射ミラー５１２との間で多重反射を行う。そして、伝達部材６からの圧力に応じて受圧面であるダイヤフラム部５１１およびスペーサ部５１４がたわみ、ハーフミラー５２２と全反射ミラー５１２間の距離、すなわち図３に示すギャップ長Ｄが変化する。これにより、両ミラーからの反射光の光路差が変化する。光ファイバ圧力センサ５からの反射光は、ファイバ結合器５０２を通って分光計５０３に送られ、分光計５０３によって反射光の光路差の変化を光学的に検知される。そして、端末装置５０４において、分光結果に応じた圧力が算出され、測定結果の表示または警告音の出力などが行われる。

図５は、本実施の形態における力センサ１の構造を示す図である。図５に示すように、本実施の形態の力センサ１では、伝達部材６によって受圧部５１に予備圧縮力を加えた状態で、光ファイバ圧力センサ５と伝達部材６とが保持部７によって保持される。一例として、伝達部材６は、受圧部５１における初期のギャップ長Ｄから約１４０ｎｍ～１５０ｎｍ短くなるよう、受圧部５１に予備圧縮力を加える。そして、力センサ１によって、予備圧縮力が加えられた状態を基準としてギャップ長Ｄの変化を検出することで、圧縮力だけでなく引張力を検出することができる。

また、図５に示すように伝達部材６の先端６１は、受圧部５１側に凸状となる曲面である。先端６１の曲率Ｒは、伝達部材６の直径に応じて設定され、本実施の形態の場合は、１２０μｍである。先端６１を曲面形状とすることで、伝達部材６は受圧部５１と点接触する。これにより、伝達部材６が光ファイバ圧力センサ５の軸方向以外の方向から受圧部５１を押圧した場合にも、ハーフミラー５２２と全反射ミラー５１２との間の平行度を保つことができ、測定精度の低下を抑制することができる。

図６および図７は、本実施の形態における力センサ１の動作を説明する図である。図６は、力センサ１に圧縮力が加えられた状態を示し、図７は力センサ１に引張力が加えられた状態を示す。図６および図７に示すように、力センサ１は、固定材６５によって母材６０に取り付けられる。母材６０は、力センサ１が取り付けられる手術器具である。固定材６５としては、例えば低融点ガラスが用いられる。低融点ガラスは、低熱膨張性および低粘弾性を有する。また、ステンレスおよびポリイミド被膜を有する光ファイバに対し、高い接着強度を有する。本実施の形態では、伝達部材６および光ファイバ圧力センサ５の２か所に固定材６５が塗布される。

図６に示すように、母材６０に対して圧縮力が加えられると、母材６０の変形に応じて伝達部材６が受圧部５１に圧縮力を伝達し、ギャップ長Ｄが小さくなる。また、図７に示すように、母材６０に対し引張方向の力が加えられると、母材６０の変形に応じて伝達部材６が受圧部５１から離れる方向に移動し、ギャップ長Ｄが大きくなる。このように、予備圧縮力が加えられた初期状態のギャップ長Ｄからのギャップ長Ｄの変化量に基づいて、母材６０に加えられた力を測定することができる。また、図５に示すように伝達部材６によって受圧部５１を予め圧縮しておくことで、引張方向に加えられる力を負（マイナス）の値として検出することができる。さらに、母材６０に対し曲げ方向の力が加えられた場合も、ギャップ長Ｄが変化する。そのため、複数の力センサ１を用いることで、母材６０に対する曲げ方向の力の向きおよび大きさを測定することができる。

図８は、本実施の形態における力センサ１の試験装置の概略構成図である。力センサ１の試験を行うために、まず、力センサ１を母材６０に取り付ける。母材６０は、手術器具に相当するものであり、一例として、直径約１．０ｍｍ、長さ約５０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）の棒材が用いられる。力センサ１の母材６０への取り付けは、低融点ガラスまたは接着剤等で行われる。

そして、母材６０の片端をステージ７０に固定する。母材６０の自由端は、ワイヤ８０を介してフォースゲージ９０に取り付ける。フォースゲージ９０は、図示しない可動式ステージに取り付けられ、ワイヤ８０を介して母材６０に対して上方向の荷重を加える。このとき、母材６０の固定方法の一例として、ステージ７０から母材６０の自由端端部までの距離Ｌ_１を約４０ｍｍとし、ステージ７０から荷重が加えられる位置までの距離Ｌ_２を約３０ｍｍとする。または、光ファイバ圧力センサ５の受圧部５１から２５ｍｍの位置を固定し、自由端側の受圧部５１から１４ｍｍの位置に荷重を加えてもよい。

ここで、図８に示すように、力センサ１を母材６０の下側に取り付けることで、母材６０に対して引張方向に加わる力を測定することができる。また、力センサ１を母材６０の上側に取り付けることで、母材６０に対して圧縮方向に加わる力を測定することができる。

図９は、図８の試験装置による試験結果を示すグラフである。具体的には、図９は、母材６０の自由端に±１Ｎの荷重を加えた際の力センサ１の出力とフォースゲージ９０の印加荷重とを示すグラフである。図９のグラフにおいて、縦軸は力センサ１の出力を示し、横軸は印加荷重を示す。また、グラフ中の実線は、０Ｎから－１Ｎの荷重（引張荷重）を加えたときの出力変化を示し、破線は－１Ｎの荷重を加えた状態から０Ｎへ戻した時の出力変化を示す。また、グラフ中の一点鎖線は、０Ｎから１Ｎの荷重（圧縮荷重）を加えたときの出力変化を示し、二点鎖線は１Ｎの荷重を加えた状態から０Ｎへ戻した時の出力変化を示す。

図９に示すように、フォースゲージ９０によって、±１Ｎの圧縮荷重および引張荷重を加えた場合、力センサ１によって、印加された荷重に対応する出力結果を得ることができた。また、正方向（圧縮）および負方向（引張）の両方において、略線形の出力変化を得ることができた。よって、本実施の形態の力センサ１において、±１Ｎの測定レンジを満たすことが確認できた。

上記のように、本実施の形態の力センサ１によれば、光ファイバ圧力センサ５を用いて圧力を測定することで、電磁ノイズの影響を受けることなく、精度の高い力測定を行うことができる。また、電気を利用するセンサの場合に生じ得る、漏電または感電の心配もない。また、光ファイバ圧力センサ５の受圧部５１に対し、伝達部材６によって予備圧縮力を加えることで、引張力および圧縮力の両方を測定することができる。

また、本実施の形態の力センサ１では、ＦＢＧを用いる場合に比べて、力センサ１の取り付けが容易であるとともに、母材６０の材質および形状、または伝達部材６による初期の予備圧縮力を調整することで、用途に応じて力センサ１の測定レンジおよび分解能を容易に変更できる。また、測定器である分光計５０３および端末装置５０４における波長測定も簡便ですむ。さらに、伝達部材６を硬質部材で構成する、もしくは硬質部材であるシリコンロッド５１５を構成することで、ＦＢＧに比べて温度変化の影響を低減することができる。

図１０は、本実施の形態の力センサ１を備える手術器具２００の概略構成図である。本実施の形態では、手術器具２００は、経鼻的下垂体手術用の鉗子である。なお、手術器具２００は、医師により操作されるもの、または手術用ロボットの一部として用いられるもの、の何れであってもよい。本実施の形態では、手術器具２００の根元部２１０と、先端部２２０とに力センサ１が取り付けられる。

図１１は、手術器具２００の根元部２１０の拡大斜視図である。図１１に示すように、根元部２１０は、アーム２３０を支持する支持部２１１を有する。支持部２１１は、円筒形状を有し、支持部２１１の外周に、３個の力センサ１が取り付けられる。力センサ１は、低融点ガラスまたは接着剤などの固定材によって、支持部２１１に取り付けられる。また、力センサ１は、支持部２１１の外周において１２０°間隔で配置され、３個の力センサ１の出力に基づいて、根元部２１０に加わる３軸方向（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）の力が測定される。

手術器具２００の根元部２１０に複数の力センサ１を配置することで、手術器具２００の根元部２１０に加わる力を検出することができる。これにより、手術中における手術器具２００同士の接触、または鼻腔内の骨または生体組織との接触を検出できる。そして、予期せぬ接触を検出した場合には、警告音の出力、またはロボットの停止などの対応をとることで、手術中の安全性を確保することができる。

図１２は、手術器具２００の先端部２２０の拡大斜視図である。図１２に示すように、手術器具２００の先端部２２０は、把持部２２１および支持部２２２からなる。把持部２２１は、生体組織を把持するものであり、支持部２２２は、把持部２２１を支持するものである。支持部２２２には３個の力センサ１が取り付けられる。なお、支持部２２２の背面側に配置される力センサについては、図１２に図示されていない。力センサ１は、それぞれ１２０°間隔で配置され、３個の力センサ１の出力に基づいて、先端部２２０の３軸方向（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）に加わる力が測定される。

また、把持部２２１には、把持力（Ｆｇａ、Ｆｇｂ）を測定するための力センサ１が取り付けられる。図１３は、把持力を測定するための力センサ１の取り付け例を示す図である。図１３の例では、把持部２２１は、基部２２３が手術器具２００の軸方向へ移動することにより開閉される構成となっている。そのため、力センサ１を、把持部２２１の上下にそれぞれ対応する基部２２３に取り付けることで、基部２２３の移動に応じた把持力を検出することができる。

手術器具２００の先端部２２０に複数の力センサ１を取り付けることで、手術器具２００の先端部２２０に加わる力および把持力を検出することができる。これにより、把持部２２１によって把持される生体組織にかかる圧力を把握することができ、生体組織の損傷または圧迫を減少させることができる。また、把持力を定量化することで、より繊細で直感的な手術を行うことができるとともに、把持される生体組織の剛性も把握することができる。

なお、上記実施の形態では、手術器具２００の根元部２１０および先端部２２０の両方に力センサ１を設ける構成としたが、力センサ１を根元部２１０または先端部２２０の何れか一方に設けてもよい。または、手術器具２００の根元部２１０または先端部２２０以外の部分に力センサ１を設ける構成としてもよい。さらに、手術器具２００上の力センサ１の取付位置は、図１１～図１３の例に限定されるものではなく、任意の場所に取り付けることができる。本実施の形態の力センサ１は小型であるため、術野を妨げることなく、手術器具２００の任意の場所に取り付け可能であり、手術器具２００の大きさを変更する必要もない。また、手術器具２００に取り付ける力センサ１の数も上記の例に限定されるものではなく、根元部２１０または先端部２２０に２個以下もしくは４個以上の力センサ１を設ける構成としてもよい。また、手術器具２００は経鼻的下垂体手術用の鉗子に限定されるものではなく、その他の手術器具に力センサ１を備えてもよい。

実施の形態２．
図１４は、実施の形態２における力センサ１Ａの保持部周辺を示す斜視図である。実施の形態２の力センサ１Ａは、保持部の構成において、実施の形態１と相違する。詳しくは、図１４に示すように、力センサ１Ａは、光ファイバ圧力センサ５と、伝達部材６と、光ファイバ圧力センサ５と伝達部材６とを保持する保持部７Ａとからなる。光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態の保持部７Ａは、下側保持部７１と上側保持部７２とからなる。下側保持部７１および上側保持部７２は、厚さ１ｍｍ以下の薄板であり、箔材も含む。例示すればステンレス箔材などが挙がる。一例として、下側保持部７１および上側保持部７２の長手方向の長さは約２０ｍｍ、短手方向の長さは約１０ｍｍである。下側保持部７１には、長手方向に貫通する横溝７１１と、横溝７１１と直交する方向に２か所設けられる縦溝７１２が形成される。また横溝７１１の幅は光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の幅よりも若干大きく形成される。光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６は、下側保持部７１の横溝７１１に配置され、縦溝７１２に流入される固定材７１３によって保持される。固定材７１３は、例えば低融点ガラスである。

力センサ１Ａの製造方法としては、まず光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６を下側保持部７１の横溝７１１に嵌め込む。そして、マイクロステージ等で伝達部材６を光ファイバ圧力センサ５に向かって押圧し、受圧部５１を圧縮した状態で、縦溝７１２に固定材７１３を塗布する。そして、ヒーターを用いて固定材７１３を３００℃に加熱して凝固され、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６を保持する。そして、上側保持部７２にて下側保持部７１の上面を塞ぐことで、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の接触部分を封止する。

本実施の形態の力センサ１Ａにおいても、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。さらに、本実施の形態では、力センサ１Ａの保持部７Ａを薄板で構成することで、力センサ１Ａを手術器具２００に粘着剤または低融点ガラスなどで容易に貼り付けることができる。また、下側保持部７１に横溝７１１を形成して光ファイバ圧力センサ５を嵌め込むことで、光ファイバ圧力センサ５の長手方向が規制される。これにより、光ファイバ圧力センサ５に対し圧縮方向の力が加わった場合に、光ファイバ圧力センサ５が湾曲してしまうことを抑制できる。

実施の形態３．
図１５は、実施の形態３における力センサ１Ｂの保持部周辺を示す斜視図である。実施の形態３の力センサ１Ｂは、保持部の構成において、実施の形態１と相違する。詳しくは、図１５に示すように、力センサ１Ｂは、光ファイバ圧力センサ５と、伝達部材６と、光ファイバ圧力センサ５と伝達部材６とを保持する保持部７Ｂとからなる。光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態の保持部７Ｂは、下側保持部７３と上側保持部７４とからなる。下側保持部７３および上側保持部７４は、厚さ１ｍｍ以下の薄板であり、箔材も含む。例示すればステンレス箔材などが挙がる。一例として、下側保持部７３および上側保持部７４の長手方向の長さは約２０ｍｍ、短手方向の長さは約１０ｍｍである。下側保持部７３には、長手方向に貫通するＶ溝７３１が形成される。また、上側保持部７４にも、長手方向に貫通するＶ溝７４１が形成される。

光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６は、下側保持部７３と上側保持部７４に形成されたＶ溝７３１および７４１内に配置される。そして、伝達部材６を光ファイバ圧力センサ５に向かって押圧し、受圧部５１を圧縮した状態で、下側保持部７３のＶ溝７３１および上側保持部７４のＶ溝７４１に上下から挟み込まれて保持される。最後に、低融点ガラスなどの固定材によって、Ｖ溝７３１およびＶ溝７４１の両端が封止される。

本実施の形態の力センサ１Ｂにおいても、実施の形態１および実施の形態２と同様の効果を奏することができる。さらに、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６をＶ溝７３１で保持することで、位置決めおよび保持が容易となる。また、保持部７ＢのＶ溝７３１、７４１を封止することで、光ファイバ圧力センサ５と伝達部材６との接触部分を密閉することができる。これにより、ゴミまたは液体の侵入を防ぎ、滅菌を容易にする。なお、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の保持部７Ｂへの固定は、Ｖ溝７３１およびＶ溝７４１の両端を封止することに限定されるものではない。例えば、下側保持部７３にＶ溝７３１に加え、実施の形態２のような縦溝を２箇所形成して、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６を縦溝に塗布した粘着剤または低融点ガラスなどの固定材で固定してもよい。

実施の形態４．
図１６は、実施の形態４における力センサ１Ｃの保持部周辺を示す斜視図である。実施の形態４の力センサ１Ｃは、保持部の構成において、実施の形態１と相違する。詳しくは、図１６に示すように、力センサ１Ｃは、光ファイバ圧力センサ５と、伝達部材６と、光ファイバ圧力センサ５と伝達部材６とを保持する保持部７Ｃとからなる。光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態の保持部７Ｃは、下側保持部７５と、上側保持部７６と、カバー７７とからなる。下側保持部７５および上側保持部７６は、厚さ１ｍｍ以下の薄板であり、箔材も含む。例示すればステンレス箔材などが挙がる。一例として、下側保持部７５の長手方向の長さは約２０ｍｍ、短手方向の長さは約１０ｍｍである。下側保持部７５には、長手方向に貫通するＶ溝７５１が形成される。また、下側保持部７５の長手方向の中央部には、凹部７５２が形成される。上側保持部７６には、長手方向に貫通するＶ溝７６１が形成される。本実施の形態では、下側保持部７５の凹部７５２を挟んで配置される２個の上側保持部７６を備える。カバー７７は、下側保持部７５の凹部７５２を覆うものであり、ポリマーなどの薄くて柔らかい材料で形成される。

光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６は、下側保持部７５および上側保持部７６のＶ溝７５１および７６１内に配置される。また、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６は、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の接触部分が凹部７５２に位置するように配置される。そして、伝達部材６を光ファイバ圧力センサ５に向かって押圧し、受圧部５１を圧縮した状態で、下側保持部７３のＶ溝７３１および上側保持部７４のＶ溝７４１に上下から挟み込まれ、低融点ガラスまたは接着剤などの固定材によって、固定される。固定箇所は、Ｖ溝７５１およびＶ溝７６１内、またはＶ溝７５１およびＶ溝７６１の両端の何れであってもよい。最後に、カバー７７によって凹部７５２、すなわち光ファイバ圧力センサ５と伝達部材６との接触部分を覆い、封止する。

本実施の形態の力センサ１Ｃにおいても、実施の形態１～３と同様の効果を奏することができる。また、本実施の形態では、カバー７７によって光ファイバ圧力センサ５と伝達部材６との接触部分を密閉する。これにより、ゴミまたは液体の侵入を防ぎ、滅菌を容易にする。

実施の形態５．
図１７は、実施の形態５における力センサ１Ｄの保持部周辺を示す斜視図である。実施の形態５の力センサ１Ｄは、保持部の構成において、実施の形態１と相違する。詳しくは、図１７に示すように、力センサ１Ｄは、光ファイバ圧力センサ５と、伝達部材６と、光ファイバ圧力センサ５と伝達部材６とを保持する保持部７Ｄとからなる。光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の構成は実施の形態１と同様である。

本実施の形態の保持部７Ｄは、下側保持部７８と、上側保持部７９とからなる。下側保持部７８および上側保持部７９は、厚さ１ｍｍ以下の薄板であり、箔材も含む。例示すればステンレス箔材などが挙がる。一例として、下側保持部７８の厚さは０．４ｍｍ、上側保持部７９の厚さは０．１ｍｍであり、力センサ１Ｄの厚みは約０．５ｍｍである。また、下側保持部７８および上側保持部７９の長手方向の長さは約３ｍｍ、短手方向の長さは約２ｍｍである。

下側保持部７８には、長手方向に貫通するＶ溝７８１と、Ｖ溝７８１と直交する方向に２か所設けられる縦溝７８２が形成される。光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６は、下側保持部７８のＶ溝７８１に配置される。そして、伝達部材６を光ファイバ圧力センサ５に向かって押圧し、受圧部５１を圧縮した状態で、縦溝７８２に固定材７８３を流入し、保持する。固定材７８３は、例えば低融点ガラスである。そして、上側保持部７９によって下側保持部７８の上面を塞ぐことで、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の接触部分を封止する。

また、下側保持部７８の長手方向の中央部には、２か所の切欠き７８４が形成される。そして、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の接触部分は、切欠き７８４により形成されるくびれ部分に配置される。一例として、下側保持部７８の長手方向における切欠き７８４の長さは０．４ｍｍであり、下側保持部７８の短手方向における切欠き７８４の長さは０．５ｍｍである。上側保持部７９の長手方向の中央部にも、２か所の切欠き７９４が形成される。切欠き７９４の形状および大きさは、切欠き７８４と同じである。

本実施の形態の力センサ１Ｄにおいても、実施の形態１～４と同様の効果を奏することができる。また、本実施の形態では、保持部７Ｄに切欠き７８４、７９４を設けることで、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６の接触部分における保持部７Ｄを薄肉化することができる。これにより、光ファイバ圧力センサ５および伝達部材６へ力が伝達しやすくなり、力センサ１Ｄの感度を向上させることができる。また、温度変化による保持部７Ｄの膨張および収縮の影響を低減することもできる。

以上が本発明の実施の形態の説明であるが、本発明は、上記実施の形態の構成に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で様々な変形または組み合わせが可能である。例えば、光ファイバ圧力センサ５の構成は、上記実施の形態に限定されるものではなく、異なる構成の光ファイバ圧力センサを用いてもよい。具体例として、上記実施の形態では、光ファイバ圧力センサ５の受圧部５１がシリコンロッド５１５を備える構成としたが、これに限定されるものではなく、シリコンロッド５１５を除去してもよい。またはシリコンロッド５１５の替りに弾性材料からなる受圧部材を備えてもよい。

また、上記実施の形態では、光ファイバ圧力センサ５の受圧部５１を圧縮する伝達部材６として、超硬ピンを用いる構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、実施の形態２のような保持部７Ａの横溝７１１に光ファイバ圧力センサ５を埋め込み、受圧部５１側に低融点ガラスなどの固定材を塗布してもよい。この場合、固定材が伝達部材６となり、母材６０の変形に応じて光ファイバ圧力センサ５の受圧部５１を圧縮または引張することで、力を検知することができる。

また、実施の形態１では、母材６０に対し、伝達部材６と光ファイバ圧力センサ５との２か所を固定材６５により固定する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、保持部７であるポリイミドチューブの長辺を固定材６５で固定してもよい。これにより、圧縮方向への光ファイバ圧力センサ５の湾曲を抑制することができる。

また、実施の形態２～５において、保持部７Ａ～７Ｄに加えて、実施の形態１の保持部７として用いられたポリイミドチューブを用いてもよい。また、保持部７Ａ～７Ｄの上面または底面を手術器具２００の形状に対応する形状としてもよい。例えば、手術器具２００の曲面に力センサ１を貼りつける場合は、保持部７Ａ～７Ｄの上面または底面に凹となる曲面を形成してもよい。これにより、手術器具２００への取り付けが容易となる。また、保持部７Ａ～７Ｄは、ステンレス箔材などの金属箔材に限定されるものではなく、樹脂を用いて形成してもよい。さらに、保持部７Ａ～７Ｄにおける下側保持部および上側保持部の厚みは１ｍｍ以下に限定されるものではなく、力センサ１の用途に応じて、圧力測定に影響を及ぼさない範囲で１ｍｍ以上としてもよい。

また、上記実施の形態の力センサ１は、ＦＢＧに比べて温度の影響を小さくできるものであるが、ある程度の影響は受ける。そこで、温度の影響を補償する構成を備えてもよい。具体的には、力センサ１に温度センサを熱的に緊密に接触させて取り付け、温度を測定する。そして、予め測定した力センサ１の温度特性に基づき、測定した温度に対応する補償値を求める。そして、力センサ１の出力に補償値を加算することで、力センサ１に加えられる力を正確に求めることができる。この場合に用いる温度センサとして、熱電対または電磁ノイズの影響を受けにくい光ファイバ型のセンサの何れを用いてもよい。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 力センサ、５ 光ファイバ圧力センサ、６ 伝達部材、７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ 保持部、５１ 受圧部、５２ 光ファイバ部、６０ 母材、６１ 先端、６５ 固定材、７０ ステージ、７１、７３、７５、７８ 下側保持部、７２、７４、７６、７９ 上側保持部、７７ カバー、８０ ワイヤ、９０ フォースゲージ、１００ 圧力測定システム、２００ 手術器具、２１０ 根元部、２１１ 支持部、２２０ 先端部、２２１ 把持部、２２２ 支持部、２２３ 基部、５０１ 光源、５０２ ファイバ結合器、５０３ 分光計、５０４ 端末装置、５１１ ダイヤフラム部、５１２ 全反射ミラー、５１３ メサ部、５１４ スペーサ部、５１５ シリコンロッド、５２１ 光ファイバ、５２２ ハーフミラー、７１１ 横溝、７１２、７８２ 縦溝、７１３、７８３ 固定材、７３１、７４１、７５１、７６１、７８１ Ｖ溝、７５２ 凹部、７８４、７９４ 切欠き。

Claims (12)

1. 受圧部および光ファイバ部からなる光ファイバ圧力センサと、
   前記受圧部に予備圧縮力を加えて接触する伝達部材と、
   前記光ファイバ圧力センサと前記伝達部材とを保持する保持部と、からなり、
   前記受圧部に前記予備圧縮力が加えられた状態を基準として、前記光ファイバ部の先端と、前記受圧部において圧力によってたわむ部分との距離であるギャップ長の変化を検出することで、 測定対象に加わる圧縮力及び引張力を検出することを特徴とする力センサ。
2. 前記伝達部材は、硬質の線材からなることを特徴とする請求項１に記載の力センサ。
3. 前記受圧部に接触する前記伝達部材の面は凸状の曲面であることを特徴とする請求項１または２に記載の力センサ。
4. 前記保持部は、前記光ファイバ圧力センサと前記伝達部材との接触部分を覆う円筒部材である請求項１～３の何れか一項に記載の力センサ。
5. 前記保持部は、前記光ファイバ圧力センサおよび前記伝達部材が嵌め込まれる溝を有する薄板であることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の力センサ。
6. 前記保持部は、下側保持部および上側保持部からなり、
   前記下側保持部および前記上側保持部には、それぞれＶ溝が形成され、
   前記光ファイバ圧力センサおよび前記伝達部材は、前記下側保持部および前記上側保持部に形成される前記Ｖ溝内に配置されることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の力センサ。
7. 前記保持部は、カバーを含み、
   前記下側保持部には、さらに凹部が形成され、
   前記光ファイバ圧力センサおよび前記伝達部材は、前記光ファイバ圧力センサおよび前記伝達部材の接触部分が前記凹部に位置するよう配置され、
   前記カバーによって前記凹部が覆われることを特徴とする請求項６に記載の力センサ。
8. 前記保持部は、下側保持部および上側保持部からなり、
   前記下側保持部には、溝および切欠きが形成され、
   前記光ファイバ圧力センサおよび前記伝達部材は、前記下側保持部に形成される前記溝内に配置され、前記光ファイバ圧力センサおよび前記伝達部材の接触部分は、前記切欠きにより形成されるくびれ部分に配置されることを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の力センサ。
9. 前記受圧部は、
   圧力によってたわむダイヤフラム部およびスペーサ部と、
   前記ダイヤフラム部と前記伝達部材との間に配置される受圧部材とを含むことを特徴とする請求項１～８の何れか一項に記載の力センサ。
10. 把持部を有する先端部、および根元部からなる手術器具であって、
    前記先端部または前記根元部の何れか一方に設けられた請求項１～９の何れか一項に記載の力センサ、を備えることを特徴とする手術器具。
11. 少なくとも３個の前記力センサを備え、
    前記少なくとも３個の力センサは、前記根元部または前記先端部に加わる３軸方向の力を検出することを特徴とする請求項１０に記載の手術器具。
12. 前記把持部に前記力センサを設けることを特徴とする請求項１０または１１に記載の手術器具。

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