内視鏡保持装置
【課題】 内視鏡にかかる触圧をより広い範囲で検出し、しかも検出感度の調整が容易な触覚センサを備えた内視鏡保持装置を提供する。
【解決手段】内視鏡保持装置の内視鏡保持部２３は、内視鏡の本体部２を保持するための円孔５４が貫通形成されており一端部にネジ山が設けられているホルダー５３と、ホルダー５３の内側に装着されており内視鏡の本体部２に加わる触圧をセンシングする触覚センサと、ホルダーのネジ山に螺合されて触覚センサを圧縮してセンサ感度を調整することのできるセンサ特性調整部材６０とを備えている。本発明の内視鏡保持装置の触覚センサは、複数のセンサ素子５７，５８を含む。
【解決手段】内視鏡保持装置の内視鏡保持部２３は、内視鏡の本体部２を保持するための円孔５４が貫通形成されており一端部にネジ山が設けられているホルダー５３と、ホルダー５３の内側に装着されており内視鏡の本体部２に加わる触圧をセンシングする触覚センサと、ホルダーのネジ山に螺合されて触覚センサを圧縮してセンサ感度を調整することのできるセンサ特性調整部材６０とを備えている。本発明の内視鏡保持装置の触覚センサは、複数のセンサ素子５７，５８を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡が患者の体に与える圧力を検知するための触覚センサを備えた内視鏡保持装置に関する。特に、従来よりも検出できる圧力の範囲が広く、且つ感度調整が容易な触覚センサを備えた内視鏡保持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内視鏡は医療分野及び工業分野で広く用いられるようになっている。特に医療分野では、腹腔、胸腔（以下、体腔という）等体内の深い部位であってもリアルタイムで観察画像が得られ、且つ侵襲が小さいために盛んに利用されている。内視鏡は、先端に固定されたＣＣＤ等の撮像素子によって患者の体内の観察画像を得ることのできる本体部と、得られた観察画像を表示する表示部を備えたものが一般的に使用されている。
【０００３】
内視鏡を用いた手術では、患者に麻酔を施して小さな穴をあけ、そこから体内に内視鏡の本体部を挿入してその位置と角度を調整し、撮像素子によって観察部位の画像を表示部に映し出す。執刀医は表示部の画像を視認しながら内視鏡の視野範囲内に鉗子等の器具を挿入して手術を行う。
【０００４】
手術中に最も必要な観察画像を迅速に得るための一つの方法として、執刀医自身が内視鏡の位置と角度を調整して画像を得る方法がある。しかしその場合には、内視鏡と鉗子等の手術具との持ち替えが必要となり、迅速な手術の妨げとなる恐れがある。又、手で内視鏡を保持した場合にはその位置と角度の精密な制御が困難となり、観察画像の位置ずれや手ぶれが発生して必要な観察部位の鮮明な観察画像が得られない恐れがある。このため、機械的に内視鏡を保持する装置が種々開発されている。
【０００５】
本発明者らは、内視鏡保持装置について既に提案を行っている（特許文献１）。特許文献１の内視鏡保持装置は、内視鏡が体腔に挿入される部位を中心として左右方向に移動可能な第１保持部と、体腔に挿入される部位を中心として上下方向に移動可能な第２保持部と、体腔に挿入される部位を通過点として斜め前後方向に移動可能な第３保持部とを備えている。内視鏡は第３保持部に保持される。以上の構成により、特許文献１の内視鏡保持装置は、内視鏡を左右方向、上下方向、斜め前後方向に移動可能に保持することができる。
【０００６】
また発明者らは、特許文献２において、内視鏡が体腔に挿入される部位に加わる圧力と、内視鏡の端部の臓器への接触とを検知することができるように、第３保持部がコイル状炭素繊維を含む触覚センサを介して内視鏡を保持する内視鏡保持装置の構成を提案している。
【０００７】
更に発明者らは、特許文献３において、触覚センサに対して予め圧力を付加して該触覚センサを調整するセンサ特性調整部材を設けることにより、触覚センサに付加を与えて検出のゼロ点調整を行うことにより、センサの感度が高い領域・範囲でセンシングすることを可能にする技術を開示している。
【特許文献１】特開２００４−１２９９５６号公報
【特許文献２】特開２００８−１７９０３号公報
【特許文献３】特願２００８−７５４４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
触覚センサを設けた内視鏡保持装置は、内視鏡が患者の体の内部に接触した場合の圧力が正確に検出可能となる。本発明者らは、このような内視鏡保持装置の優れた特性を一層向上させることを目的として、感度調整が更に容易で且つより広い圧力範囲が検出可能な触覚センサを備えた内視鏡保持装置を提供することを解決すべき課題として本発明をなすに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の内視鏡保持装置は、内視鏡を保持するための円孔が貫通形成されて一端部にネジ山が設けられているホルダーと、ホルダーの内側に装着されて内視鏡に加わる触圧をセンシングする触覚センサと、ホルダーのネジ山に螺合されて触覚センサを圧縮してセンサ感度を調整することのできるセンサ特性調整部材とを備えている。本発明の内視鏡保持装置は、触覚センサが複数のセンサ素子を含むことを特徴とする。その結果、本発明の内視鏡保持装置は、好ましい特性を有するセンサ素子を複数自由に選択して用いることが可能となり、触覚センサ全体としての感度や圧力範囲の設定が容易となる。
【００１０】
本発明の内視鏡保持装置の触覚センサは、少なくとも１つのセンサ素子が、コイル状炭素繊維を含有することを特徴とする。コイル状炭素繊維は、その螺旋構造によってインダクタンス（Ｌ）成分と、キャパシタンス（Ｃ）成分と、レジスタンス（Ｒ）成分とを有しＬＣＲ共振回路として作用することができるため、センサ素子にかかる微小な圧力の変化を信号として出力することのできる高感度なセンサ素子を構成することができる。
【００１１】
本発明の内視鏡保持装置の触覚センサは、断面が円形に形成された環状のセンサ素子と、断面が四角形に形成された環状のセンサ素子とを複数個配置されて成ることを特徴とする。断面が円形に形成された環状のセンサ素子と、断面が四角形に形成された環状のセンサ素子とから成る触覚センサは、単一のセンサ素子で構成される触覚センサと比較するとセンサ特性調整部材によって圧力を与えられた場合により変形しやすいために、そのセンサ特性の感度調整をより容易に行うことができる。
【００１２】
本発明の内視鏡保持装置の触覚センサは、センサ素子の検出感度が互いに異なることを特徴とする。本発明の触覚センサは、そこに含まれる複数のセンサ素子の特性を全て備えることが可能であり、より広い範囲で高精度に触圧を検出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の内視鏡保持装置は、触覚センサが複数のセンサ素子を備えている。このような構成の触覚センサは、複数のセンサ素子を組み合わせていることにより、センサ検出範囲と検出感度とを非常に容易に調整することができる。その結果、わずかな圧力の変化を見逃すことなく、内視鏡が内臓諸器官に対して損傷を及ぼすような接触を引き起こす前に、内視鏡の動きを制御することができる。
【００１４】
本発明の内視鏡保持装置は、断面が円形に形成された環状のセンサ素子と断面が四角形に形成された環状のセンサ素子とから成る触覚センサを備えた構成によって、センサ特性調整部材によって圧力を与えられた場合により変形しやすくなっている。その結果、検出感度を一層容易に調整することが可能となり、センサごとのばらつきが少なく品質が安定している内視鏡保持装置を従来よりも容易に得ることができる。
【００１５】
本発明の内視鏡保持装置の触覚センサは、検出感度が異なる複数のセンサ素子を備えることにより、全体としてより広い圧力範囲でより高精度に触圧を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態である内視鏡保持装置１０を、添付図面に基づいて具体的に説明する。図１に内視鏡保持装置１０の斜視図を示す。内視鏡保持装置１０は、第１保持部２０と、第２保持部２１と、第３保持部２２とを備えている。内視鏡の本体部２は、第３保持部２２のホルダー５３に保持される。ホルダー５３と内視鏡の本体部２との間に触覚センサが配置され、内視鏡の本体部に加わる触圧をセンシングする。
【００１７】
内視鏡保持装置１０は、多関節のアーム３に取り付けられている。アーム３は、手術台４の側部に一端が固定されており、内視鏡保持装置１０を手術台４に対して縦横及び垂直方向に移動させることができる。アーム３と、内視鏡保持装置１０の第１保持部２０と、第２保持部２１と、第３保持部２２とは、図示されない制御手段によって指定された移動経路を通って移動し、指定された位置姿勢で停止することができる。
【００１８】
内視鏡保持装置１０の第１保持部２０は、アーム３の先端に枢着ピン２４によって回転可能な状態で配置されている。第１保持部２０は、アーム３によって略水平に支持された円弧角が略１００°の第１円弧板２５と、この第１円弧板２５の内周部に設けられている第１レール２６に案内されて移動を行なう第１スライダ２７とから構成されている。ここで第１円弧板２５は、アーム３によって略水平に保持された状態で、内視鏡の本体部２の患者の体腔への挿入位置が、その円弧の中心位置となるように移動される。第１スライダ２７は、第１円弧板２５上を移動することにより、水平面上の円弧を描く左右方向の動きを行なうことができる。
【００１９】
内視鏡保持装置１０の第２保持部２１は、第１保持部２０の第１スライダ２７の上面に配置されている。第２保持部２１は、第１円弧板２５に対して垂直となるように第１スライダ２７上に固定されている円弧角が略１００°の第２円弧板３３と、第２円弧板３３の内周部に設けられている第２レール３５に案内されて上下方向の円弧移動を行なう第２スライダ３４とを備えている。第２保持装置は第１スライダ２７の移動に伴って移動することができる。第２スライダ３４は、第２円弧板３３上を移動することにより、第１円弧板２５に対して垂直な面上で円弧を描く上下方向の動きを行なうことができる。
【００２０】
内視鏡保持装置１０の第３保持部２２の分解斜視図を図２に示す。第３保持部２２は、リニアスライダ４５とナックル部５０とホルダー５３とを備えている。リニアスライダ４５は、第２スライダ３４に突設された一対の保持ピン４３が挿通されるガイド孔４４を有しており、第２スライダ３４に対してスライド可能な状態で保持されている。
【００２１】
図２に示すように、リニアスライダ４５の底面には直線状ラック４６が設けられ、ピニオンギア４８が噛合している。リニアスライダ４５は、一対の保持ピン４３によって第２スライダ３４に支持された状態で、図示されない制御手段によってピニオンギア４８の回転が制御されることによって、第２保持部２１に対して斜め前後方向に移動することができる。尚、ここでいう斜め前とは、水平面に対してリニアスライダ４５がなす角度で第２円弧板３３の中心方向に向かう方向のことであって、図１の状態の内視鏡保持装置１０においては矢印Ａで示される方向である。このような斜め前の方向は、通常、手術台４に横臥した状態の患者の体内に内視鏡の本体部２がより深く挿入される方向であり、また斜め後ろの方向とは患者の体内から内視鏡を取り出す方向である。
【００２２】
リニアスライダ４５の前端部には、リニアスライダ４５に対して垂直に支持軸４９が設けられている。逆コの字状をなすナックル部５０が、支持軸４９に対して回転可能に支持されている。ナックル部５０の開口側の両端部には、支持軸４９と垂直となる同一の軸上に上下一対となる雌ねじ孔５１が形成されている。ねじ孔５１に一対のボールプランジャー５２が螺入される。ボールプランジャー５２は、その先端のボールで六面体状の外形形状を有するホルダー５３を回転可能に支持する。
【００２３】
内視鏡の本体部２は、ホルダー５３の内側に保持される。ホルダー５３の上面と下面の中央部には円錐状の支持穴５８が穿設されており、そこにナックル部５０に螺合されたボールプランジャー５２が挿入されることで、ホルダー５３と内視鏡の本体部２は第３保持部２２のナックル部５０に回転可能な状態で支持される。
【００２４】
すなわち、ホルダー５３と内視鏡の本体部２は支持軸４９とボールプランジャー５２を軸としてこの両方の軸に対して回転可能に保持されており、内視鏡の本体部２が斜め前後方向以外の外力を受けたときには、その外力に追従して回転することができる。
【００２５】
以上のような構成を有する内視鏡保持装置１０は、制御手段によって制御された第１保持部２０、第２保持部２１及び第３保持部２２の各動きを合成した動きが、水平方向の円弧運動（図１における左右方向の円弧運動）、垂直方向の円弧運動（図１における上下方向の円弧運動）及びリニアスライダ４５と略平行な直線運動（図１における斜め前後方向の運動）の合成運動として、内視鏡の本体部２に与えられる。内視鏡保持装置１０の左右方向、上下方向又は斜め前後方向のいずれかの方向の運動が指定された経路に対してずれを生じていた場合、特に保持された内視鏡の本体部２が斜め前方即ち患者の体内に侵入する方向に移動している際には、内視鏡の本体部２と患者の組織とが強く接触して内視鏡の本体部２に意図されない大きな圧力が加わる場合がある。このとき内視鏡の本体部２に加わる様々な方向からの圧力（即ち触圧）をセンシングするために、本実施の形態においては、内視鏡を保持するホルダー５３の内側に触覚センサが配置されている。
【００２６】
以下に於いては、内視鏡保持装置１０の第３保持部２２の中で、ナックル部５０の先端に配置されて内視鏡の本体部２を直接保持する部分を内視鏡保持部２３と称する。内視鏡保持部２３は、パイプサポート５５と、触覚センサと、センサ特性調整部材６０と、ホルダー５３とを備えることが好ましい。内視鏡の本体部２を保持した状態の内視鏡保持部２３の断面図を図３に示す。又、内視鏡保持部２３の分解斜視図を図４に示す。
【００２７】
触覚センサとして、１又は２以上の断面が円形に形成された環状のセンサ素子５７（以下、Ｏリング状素子５７とも言う）と１又は２以上の断面が四角形に形成された環状のセンサ素子５８（以下、角断面リング状素子５８とも言う）が互いの側面を接するように配置されて用いられることが好ましい。又、Ｏリング状素子５７と、角断面リング状素子５８とは互いの検出感度が異なっていることが好ましい。
【００２８】
ホルダー５３の中心部には円孔５４が貫通形成されている。パイプサポート５５は、断面がＴ字状で中心に内視鏡の本体部２を挿通して保持することのできる貫通孔５７が形成されている。パイプサポート５５の外周には、１又は２以上のＯリング状素子５７と１又は２以上の角断面リング状素子５８とが装着される。パイプサポート５５と、１又は２以上のＯリング状素子５７と１又は２以上の角断面リング状素子５８とは、ホルダー５３の円孔５４の内部に配置される。
【００２９】
１又は２以上のＯリング状素子５７と、１又は２以上の角断面リング状素子５８のうち少なくとも一つのセンサ素子が、コイル状炭素繊維がマトリクスとしての樹脂又はゴムに分散されて形成されていることが好ましい。コイル状炭素繊維を用いない他のセンサ素子については、既知の圧電素子を適用することができるが、あらゆる方向の触圧を高感度に検出するためには、少なくとも一つのセンサ素子が、コイル状炭素繊維がマトリクスとしての樹脂又はゴムに分散されて形成されていることが好ましい。
【００３０】
センサ素子のうちの少なくとも一つを構成するマトリクスの硬さは、ＪＩＳ Ａ硬度（ＪＩＳ Ｋ６３０１）で１０〜１００が好ましい。ＪＩＳ Ａ硬度で１０未満の場合には、マトリクスが軟らかくなり過ぎて、ノイズの検出が大きくなって好ましくない。一方、ＪＩＳ Ａ硬度が１００を越える場合には、マトリクスが硬くなり過ぎて、触圧の伝播性が悪く、検知感度が低下する。マトリクスは誘電体であって静電容量（Ｃ）を有し、コンデンサとして作用する。
【００３１】
マトリクスを構成する樹脂としては、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、スチレンと熱可塑性エラストマーとの共重合樹脂等が用いられる。ゴムとしては、シリコーンゴム、ウレタンゴム等が用いられる。マトリクスの硬さはセンサ素子の感度を向上させる上で重要であり、マトリクスとして弾性力の優れたシリコーン樹脂、シリコーンゴム等を用いた場合には、微小な触圧でも伸縮してその触圧を高感度で検知することができる。一方、硬いシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、スチレンと熱可塑性エラストマーとの共重合樹脂等を用いた場合には、大きな触圧でないと伸縮せず、センサ素子の感度は低いが、幅広い触圧範囲を検知することができる。これらの特性を生かして、それぞれのＯリング状素子５７と角断面リング状素子５８を異なるマトリクス樹脂で形成することにより、一層幅広い触圧範囲を検知することができる。
【００３２】
マトリクスに分散させるコイル状炭素繊維としては、１本の炭素繊維で螺旋構造を形成するものや、２本の炭素繊維で二重螺旋構造を形成するもののうち、一方又は両方を組み合わせて使用することができる。コイル状炭素繊維は、コイルの直径が２０ｎｍ〜１００μｍであり、コイルの長さは１０ｎｍ〜５０ｍｍである。コイルの直径が２０ｎｍ未満のコイル状炭素繊維は、製造が困難である。又、コイルの直径が１００μｍを超えるコイル状炭素繊維も、同様に製造が困難である。またコイル長さが１０ｎｍ未満であるとインダクタンス成分としての機能を充分に発揮し難くなる。一方、コイル長さは５０ｍｍを超えて形成しても良く、センサの厚みに合わせて適当な長さに裁断すればよい。さらに、コイル状炭素繊維の直径は好ましくは１ｎｍ〜１０μｍである。繊維の直径が１ｎｍ未満では、コイル状炭素繊維の製造が困難であり、１０μｍを超えると、コイルの直径を前記範囲に設定することが困難になるからである。なお繊維は断面が真円のものに限らず、楕円形、矩形、不定形になっていてもよい。また、コイル状炭素繊維は、どのような製法で製造されたものであってもよい。
【００３３】
コイル状炭素繊維は伸縮性（弾力性）があり、その伸縮により電気特性であるインダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）及び電気抵抗（Ｒ）が変化するため、それらの変化量に基づいて触圧を検知することができる。一例を挙げると、コイル状炭素繊維を伸ばすとインダクタンス、静電容量及び電気抵抗が増加し、収縮させるとインダクタンス、静電容量及び電気抵抗が減少する場合がある。そして、コイル状炭素繊維を伸長もしくは収縮させた後元の長さに戻すと、インダクタンス、静電容量及び電気抵抗は元の値まで再現性良く戻る。マトリクス中に分散しているコイル状炭素繊維に対してマトリクスの外部から触圧が加わったとき、まずマトリクスが伸縮し、次いでコイル状炭素繊維が伸縮するため、マトリクスを介してコイル状炭素繊維に加わる触圧に基づいてインダクタンス、静電容量及び電気抵抗の値が変化する。
【００３４】
マトリクスにコイル状炭素繊維を分散させる方法としては、マトリクス前駆体としてのシリコーン樹脂にコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、脱泡し、鋳型に充填して成形する方法や、ポリスチレンや熱可塑性エラストマーのペレットを加熱溶融し、それにコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、鋳型に流し込み、加圧成形する方法などがある。
【００３５】
マトリクスが誘電体により形成されて静電容量成分を有するものであるときには、各センサ素子の相互間に存在するマトリクスはコンデンサとして作用する。そして、コイル状炭素繊維が周囲のマトリクスを介して互いに接続されることにより、複合共振回路である電気的等価回路として構成されて、センサ素子全部が一つのＬＣＲ共振回路として作用することができる。
【００３６】
１又は２以上のＯリング状素子５７と１又は２以上の角断面リング状素子５８とで構成される触覚センサには、図示されない１対の電極が接続されている。電極は、図示されないセンサ本体部と接続されている。触覚センサに加わる触圧の微小な変化により、触覚センサのインダクタンス、静電容量及び電気抵抗が変化し、その変化によりセンサ出力信号が変化する。センサ出力信号の変化は、電極を介してセンサ本体部に入力される。センサ本体部は、基準信号を発振する発振回路と、検知手段及び信号調整手段としての移相部と、検知手段としての検波部とを備えており、センサ出力信号の変化は、検波部における直交検波により検知され、インダクタンス、静電容量及び電気抵抗の変化傾向や変化量が求められる。Ｏリング状素子５７と角断面リング状素子５８のうちの少なくとも１つがコイル状炭素繊維を含むことにより、いずれの方向から受けた微小な圧力をも高感度に検知可能に構成することができる。
【００３７】
１又は２以上のＯリング状素子５７と１又は２以上の角断面リング状素子５８のうち、２以上のセンサ素子について、コイル状炭素繊維がマトリクスとしての樹脂又はゴムに分散されて形成されている場合には、マトリクスの種類若しくは硬度、又はコイル状炭素繊維の種類若しくは含有量を調整することで、センサ素子としての検出感度が互いに異なるように構成することが好ましい。これにより、触覚センサ全体としてより広い圧力範囲の触圧を検出することが可能となる。
【００３８】
ホルダー５３の一端部の内側にはネジ山が設けられており、センサ特性調整部材６０と調節ネジ固定用ナット６１とを、ホルダー５３のこのネジ山に螺合させることで、触覚センサに接するように配置されたセンサ圧縮板６２を触覚センサ側に加圧することができる。加圧されたセンサ圧縮板６２は、装着された全てのＯリング状素子５７と角断面リング状素子５８に圧縮力を加える。ここで加えられる圧縮力は、ホルダー５３に対するセンサ特性調整部材６０の位置を調整することによって、精度高く調整することができる。
【００３９】
センサ特性調整部材６０，調節ネジ固定用ナット６１，及びセンサ圧縮板６２は、共にポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂などの汎用プラスチックの他、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィンなどのエンジニアプラスチックから成形することができ、特にネジ部などの耐性を考慮してポリアセタールなどのエンジニアプラスチックが好ましい。
【００４０】
センサ特性調整部材６０は図３に示すような螺合によって接続する場合、接続部分に使用されるネジ部の長さは５〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。この長さが短すぎると簡単に外れたり、斜めに螺合されるなどの不都合があり、一方長すぎると固定するまでに何回転も必要となって操作性に劣るからである。またセンサ圧縮板６２の厚さは１〜５ｍｍ程度であることが好ましい。厚みが薄すぎると取扱に不便なだけでなく容易に変形して触覚センサに均一な圧力を作用させることが困難になり、厚みが厚すぎるとセンサ調整部材を接続するためにネジ部の長さを確保するのが難しくなるからである。
【００４１】
ホルダー５３に対するセンサ特性調整部材６０の位置を調整し、装着されている全てのＯリング状素子５７と角断面リング状素子５８に圧縮力を加えることで、センサの感度が高い領域・範囲でセンシングするための調整を容易且つ高精度に行うことができる。すなわち、検知感度・検知幅・検知速度・定量性等の初期特性に潜在的なばらつきがあるＯリング状素子５７と角断面リング状素子５８に対して、これらをホルダー５３内に配置する際にセンサ特性調整部材６０によって圧縮力を加えることで、これらのセンサ素子の特性のばらつきの調整を行うことが可能となる。
【００４２】
触覚センサが、１又は２以上のＯリング状素子５７と１又は２以上の角断面リング状素子５８とで構成されている場合には、ホルダー５３内の円孔５４内には図３に示すように互いのセンサ素子との間に部分的に隙間が形成される。このためセンサ素子が隙間なく装着されている場合と比較すると、センサ特性調整部材６０によって圧縮された場合に、より圧縮が容易となっている。このため、本実施形態の触覚センサは、所望の検出感度となるような調整を非常に容易に行うことができる。
【００４３】
複数のＯリング状素子５７と角断面リング状素子５８の検出感度が互いに異なるように構成されることにより、触覚センサとしてより広い圧力範囲で触圧をセンシングすることが可能となる。その結果、わずかな触圧の変化を見逃すことがなく、内視鏡が内臓諸器官に対して損傷を及ぼすような接触を引き起こす前に、内視鏡の動きを制御することができる。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例１〜３及び比較例により、前記実施形態をさらに具体的に説明する。
【００４５】
（実施例１）本実施例の内視鏡保持装置１０の触覚センサには、２個のＯリング状素子５７と１個の角断面リング状素子５８とが用いられている。Ｏリング状素子５７と角断面リング状素子５８とは、図３に示すように、内視鏡保持部２３のパイプサポート５５の外周に交互に装着されて、ホルダー５３の円孔５４の内部に配置されている。
【００４６】
本実施例で用いられる２個のＯリング状素子５７は、同一の構成で同一寸法に形成されている。すなわちＯリング状素子５７は、マトリクスとしてシリコーン樹脂の一種である二液型ＲＴＶゴム（商品名：ＫＥ１０３；信越化学工業製）の中に５．０重量％のコイル状炭素繊維が分散されて構成されている。コイル状炭素繊維としては、コイルの長さが９０μｍ以下、コイルの直径が平均５μｍ程度のものが使用されている。そしてＯリング状素子５７は、内径が１４ｍｍ、外径が１８ｍｍであって、その断面が直径が２ｍｍの円形となるように形成されている。
【００４７】
本実施例で用いられる１個の角断面リング状素子５８の断面図を図５に示す。角断面リング状素子はリングの内径が１４ｍｍであって、その断面が一辺２ｍｍの正方形に形成されている。角断面リング状素子５８は、Ｏリング状素子５７と同様に、マトリクス６５としての二液型ＲＴＶゴムの中に５．０重量％のコイル状炭素繊維６６が分散されて構成されている。コイル状炭素繊維６６は、コイルの長さが９０μｍ以下、コイルの直径が平均５μｍ程度のものが使用されている。尚、図５に示すコイル状炭素繊維６５は、その分散状態と形状の理解を容易にするために、その大きさを誇張して描かれている。
【００４８】
触覚センサの検出感度と検出範囲とを測定するために、内視鏡保持部２３に保持されている内視鏡の本体部２の先端に荷重をかけて、触覚センサの出力電圧を測定した。本実施例の触覚センサは、センサ特性調整部材６０によって圧縮前の素子体積に対する圧縮後の素子体積の比率が０．９となるように予め圧縮されている。又、内視鏡の本体部２は、内視鏡保持部２３のボールプランジャー５２で定義される回転軸から内視鏡の先端までの距離が２００ｍｍとなるように保持されている。
【００４９】
上記の如く保持された内視鏡の本体部２の先端に、１００ｇｆの上向きの荷重をかけた場合に、触覚センサの出力電圧は３．３Ｖであった。又、触覚センサの出力電圧で表される検出範囲は、０〜２０．０Ｖであった。尚、本実施例における検出範囲の最大値は、触覚センサが接続されているセンサ本体部における信号処理回路の出力電圧範囲の上限値に相当する値であり、信号処理回路の構成を変更してその出力電圧範囲を広くすることによって、２０．０Ｖよりも広い範囲の検出が可能となる。
【００５０】
（実施例２）本実施例における内視鏡保持装置の触覚センサには、３個の角断面リング状素子が用いられている。このうちの２個は、実施例１の角断面リング状素子５８と同一の構成を有している。残る１個の角断面リング状素子は、外形形状は他の角断面リング状素子と同一であるが、その組成が異なっている。即ちこの角断面リング状素子は、マトリクスとしての二液型ＲＴＶゴムの中に１０．０重量％のコイル状炭素繊維が分散されて構成されている。コイル状炭素繊維の含有量が１０．０重量％となっていることによって、この角断面リング状素子は、他の角断面リング状素子と比較して、検出感度が高くなっている。３個の角断面リング状素子は、内視鏡保持部２３のパイプサポート５５の外周に互いの側面が接するように装着されて、ホルダー５３の円孔５４の内部に配置されている。触覚センサ以外の内視鏡保持装置の構成については実施例１と同一であり、重複説明を割愛する。
【００５１】
本実施例では、実施例１と同様の圧縮比率となるようにセンサ特性調整部材６０によって触覚センサを圧縮した状態で、触覚センサの検出感度と検出範囲とを測定している。内視鏡の本体部２の先端に１００ｇｆの上向きの荷重をかけた場合の触覚センサの出力電圧は２．４Ｖであった。又、触覚センサの出力電圧で表される検出範囲は、０〜１４．０Ｖであった。
【００５２】
（実施例３）本実施例における内視鏡保持装置の触覚センサには、３個のＯリング状素子５７が用いられている。Ｏリング状素子５７は、内視鏡保持部２３のパイプサポート５５の外周に互いの側面が接するように装着されて、ホルダー５３の円孔５４の内部に配置されている。本実施例では、実施例１と同様の圧縮比率で触覚センサの検出感度と検出範囲とを測定している。内視鏡の本体部２の先端に１００ｇｆの上向きの荷重をかけた場合の触覚センサの出力電圧は３．１Ｖであった。又、触覚センサの出力電圧で表される検出範囲は、０〜２０．０Ｖであった。尚、本実施例における検出範囲の最大値は、触覚センサが接続されているセンサ本体部における信号処理回路の出力電圧範囲の上限値に相当する値であり、信号処理回路の構成を変更してその出力電圧範囲を広くすることによって、２０．０Ｖよりも広い範囲の検出が可能となる。
【００５３】
（比較例）比較例の内視鏡保持装置の内視鏡保持部７１の構成を、図６に示す。比較例の触覚センサは、パイプサポート５５の外周に配置された１個の円筒状のセンサ素子７０で構成されている。このセンサ素子７０は内径１４ｍｍ、外径１８ｍｍ、長さ６ｍｍの円筒形のセンサ素子であって、マトリクスとしての二液型ＲＴＶゴム（商品名：ＫＥ１０３；信越化学工業製）の中にコイル状炭素繊維を５．０重量％添加して形成されている。添加されているコイル状炭素繊維のコイルの長さは９０μｍ以下であって、コイルの直径は平均５μｍ程度である。
【００５４】
比較例の触覚センサを構成するセンサ素子７０の検出感度と検出範囲との測定を行った。最初に、センサ特性調整部材６０によるセンサ素子７０の圧縮を行わない状態で測定を行った。内視鏡の本体部２の先端に１００ｇｆの上向きの荷重をかけた場合の触覚センサの出力電圧は１．３Ｖであった。又、触覚センサの出力電圧で表される検出範囲は、０〜７．４Ｖであった。次に、センサ特性調整部材６０によってセンサ素子７０を、圧縮前の素子体積に対する圧縮後の素子体積の比率が０．９となるように圧縮して、検出感度と検出範囲とを測定した。内視鏡の本体部２の先端に１００ｇｆの上向きの荷重をかけた場合の触覚センサの出力電圧は１．８Ｖであった。又、触覚センサの出力電圧で表される検出範囲は、０〜１０．２Ｖであった。
【００５５】
実施例１〜３と比較例に示した内視鏡保持装置のセンサ素子の検出感度と検出範囲とを図７に示す。尚、図中の圧縮率とは、センサ特性調整部材６０によって触覚センサを圧縮する前の体積を基準として圧縮後の体積の比率を求めた値であり、触覚センサが全く圧縮されていない場合にその値は１．０となっている。それぞれの実施例と比較例の検出感度と検出範囲の測定結果から明らかであるように、触覚センサがＯリング状素子と角断面リング状素子とで構成されている実施例１の場合には、同一の荷重に対するセンサの出力電圧が最も高くなり、従って微小な荷重でも検出が可能で高い検出感度を有すると同時に、センサの検出範囲が最も広くなっている。又、触覚センサが複数の角断面リング状素子で構成されている実施例２の場合には、その中の１つの角断面リング状素子のコイル状炭素繊維の添加量を増加させたことにより、比較例よりも高い検出感度を有すると同時に、センサの検出範囲が広くなっている。更に、複数のＯリング状素子で触覚センサを構成した実施例３の場合、実施例１と比較して検出感度はやや低くなるものの、非常に広い検出範囲を得ることが可能となっている。
【００５６】
以上、発明を実施するための最良の形態と実施例に基づいて、本発明に係る内視鏡保持装置の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、実施例１〜３の触覚センサは、マトリクスとしての樹脂にコイル状炭素繊維を５．０重量％又は１０．０％添加して形成されているが、コイル状炭素繊維の添加量を適切に調整してより検出感度を向上させることが可能である。
【００５７】
また例えば、触覚センサは、内視鏡とパイプサポートとの間に装着することも、あるいは他の部分、例えばボールプランジャー５２によるホルダー５３の支持部や、ナックル部５０の支持部に装着することもできる。さらに触覚センサを複数箇所に設けて検知感度を高めることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る内視鏡保持装置の特に触覚センサの構成は、工業用ロボットアーム、内視鏡以外の医療機器、その他工業用制御機器やヒューマノイドロボット等の分野で、圧力をセンシングしてその動作を制御する必要のある各種機器に適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の内視鏡保持装置１０の斜視図である。
【図２】本発明の内視鏡保持装置１０の第３保持部とそこに保持される内視鏡の本体部２を示す斜視図である。
【図３】本発明の内視鏡保持装置１０の内視鏡保持部２３の部分側断面図である。
【図４】本発明の内視鏡保持装置１０の内視鏡保持部２３の分解斜視図である。
【図５】本発明の内視鏡保持装置１０の角断面リング状素子５８の断面図である。
【図６】比較例の内視鏡保持装置の内視鏡保持部７１の部分側断面図である。
【図７】実施例と比較例の触覚センサの検出感度と検出範囲を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
２ 内視鏡の本体部
３ アーム
４ 手術台
１０ 内視鏡保持装置
２０ 第１保持部
２１ 第２保持部
２２ 第３保持部
２３，７１ 内視鏡保持部
２４ 枢着ピン
２５ 第１円弧板
２６ 第１レール
２７ 第１スライダ
３３ 第２円弧板
３４ 第２スライダ
３５ 第２レール
４３ 保持ピン
４４ ガイド孔
４５ リニアスライダ
４６ 直線状ラック
４８ ピニオンギア
４９ 支持軸
５０ ナックル部
５２ ボールプランジャー
５３ ホルダー
５４ 円孔
５７ 断面が円形に形成された環状のセンサ素子（Ｏリング状素子）
５８ 断面が四角形に形成された環状のセンサ素子（角断面リング状素子）
６０ センサ特性調整部材
６１ 調節ネジ固定用ナット
６２ センサ圧縮板
６５ マトリクス
６６ コイル状炭素繊維
７０ センサ素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡が患者の体に与える圧力を検知するための触覚センサを備えた内視鏡保持装置に関する。特に、従来よりも検出できる圧力の範囲が広く、且つ感度調整が容易な触覚センサを備えた内視鏡保持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、内視鏡は医療分野及び工業分野で広く用いられるようになっている。特に医療分野では、腹腔、胸腔（以下、体腔という）等体内の深い部位であってもリアルタイムで観察画像が得られ、且つ侵襲が小さいために盛んに利用されている。内視鏡は、先端に固定されたＣＣＤ等の撮像素子によって患者の体内の観察画像を得ることのできる本体部と、得られた観察画像を表示する表示部を備えたものが一般的に使用されている。
【０００３】
内視鏡を用いた手術では、患者に麻酔を施して小さな穴をあけ、そこから体内に内視鏡の本体部を挿入してその位置と角度を調整し、撮像素子によって観察部位の画像を表示部に映し出す。執刀医は表示部の画像を視認しながら内視鏡の視野範囲内に鉗子等の器具を挿入して手術を行う。
【０００４】
手術中に最も必要な観察画像を迅速に得るための一つの方法として、執刀医自身が内視鏡の位置と角度を調整して画像を得る方法がある。しかしその場合には、内視鏡と鉗子等の手術具との持ち替えが必要となり、迅速な手術の妨げとなる恐れがある。又、手で内視鏡を保持した場合にはその位置と角度の精密な制御が困難となり、観察画像の位置ずれや手ぶれが発生して必要な観察部位の鮮明な観察画像が得られない恐れがある。このため、機械的に内視鏡を保持する装置が種々開発されている。
【０００５】
本発明者らは、内視鏡保持装置について既に提案を行っている（特許文献１）。特許文献１の内視鏡保持装置は、内視鏡が体腔に挿入される部位を中心として左右方向に移動可能な第１保持部と、体腔に挿入される部位を中心として上下方向に移動可能な第２保持部と、体腔に挿入される部位を通過点として斜め前後方向に移動可能な第３保持部とを備えている。内視鏡は第３保持部に保持される。以上の構成により、特許文献１の内視鏡保持装置は、内視鏡を左右方向、上下方向、斜め前後方向に移動可能に保持することができる。
【０００６】
また発明者らは、特許文献２において、内視鏡が体腔に挿入される部位に加わる圧力と、内視鏡の端部の臓器への接触とを検知することができるように、第３保持部がコイル状炭素繊維を含む触覚センサを介して内視鏡を保持する内視鏡保持装置の構成を提案している。
【０００７】
更に発明者らは、特許文献３において、触覚センサに対して予め圧力を付加して該触覚センサを調整するセンサ特性調整部材を設けることにより、触覚センサに付加を与えて検出のゼロ点調整を行うことにより、センサの感度が高い領域・範囲でセンシングすることを可能にする技術を開示している。
【特許文献１】特開２００４−１２９９５６号公報
【特許文献２】特開２００８−１７９０３号公報
【特許文献３】特願２００８−７５４４４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
触覚センサを設けた内視鏡保持装置は、内視鏡が患者の体の内部に接触した場合の圧力が正確に検出可能となる。本発明者らは、このような内視鏡保持装置の優れた特性を一層向上させることを目的として、感度調整が更に容易で且つより広い圧力範囲が検出可能な触覚センサを備えた内視鏡保持装置を提供することを解決すべき課題として本発明をなすに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の内視鏡保持装置は、内視鏡を保持するための円孔が貫通形成されて一端部にネジ山が設けられているホルダーと、ホルダーの内側に装着されて内視鏡に加わる触圧をセンシングする触覚センサと、ホルダーのネジ山に螺合されて触覚センサを圧縮してセンサ感度を調整することのできるセンサ特性調整部材とを備えている。本発明の内視鏡保持装置は、触覚センサが複数のセンサ素子を含むことを特徴とする。その結果、本発明の内視鏡保持装置は、好ましい特性を有するセンサ素子を複数自由に選択して用いることが可能となり、触覚センサ全体としての感度や圧力範囲の設定が容易となる。
【００１０】
本発明の内視鏡保持装置の触覚センサは、少なくとも１つのセンサ素子が、コイル状炭素繊維を含有することを特徴とする。コイル状炭素繊維は、その螺旋構造によってインダクタンス（Ｌ）成分と、キャパシタンス（Ｃ）成分と、レジスタンス（Ｒ）成分とを有しＬＣＲ共振回路として作用することができるため、センサ素子にかかる微小な圧力の変化を信号として出力することのできる高感度なセンサ素子を構成することができる。
【００１１】
本発明の内視鏡保持装置の触覚センサは、断面が円形に形成された環状のセンサ素子と、断面が四角形に形成された環状のセンサ素子とを複数個配置されて成ることを特徴とする。断面が円形に形成された環状のセンサ素子と、断面が四角形に形成された環状のセンサ素子とから成る触覚センサは、単一のセンサ素子で構成される触覚センサと比較するとセンサ特性調整部材によって圧力を与えられた場合により変形しやすいために、そのセンサ特性の感度調整をより容易に行うことができる。
【００１２】
本発明の内視鏡保持装置の触覚センサは、センサ素子の検出感度が互いに異なることを特徴とする。本発明の触覚センサは、そこに含まれる複数のセンサ素子の特性を全て備えることが可能であり、より広い範囲で高精度に触圧を検出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の内視鏡保持装置は、触覚センサが複数のセンサ素子を備えている。このような構成の触覚センサは、複数のセンサ素子を組み合わせていることにより、センサ検出範囲と検出感度とを非常に容易に調整することができる。その結果、わずかな圧力の変化を見逃すことなく、内視鏡が内臓諸器官に対して損傷を及ぼすような接触を引き起こす前に、内視鏡の動きを制御することができる。
【００１４】
本発明の内視鏡保持装置は、断面が円形に形成された環状のセンサ素子と断面が四角形に形成された環状のセンサ素子とから成る触覚センサを備えた構成によって、センサ特性調整部材によって圧力を与えられた場合により変形しやすくなっている。その結果、検出感度を一層容易に調整することが可能となり、センサごとのばらつきが少なく品質が安定している内視鏡保持装置を従来よりも容易に得ることができる。
【００１５】
本発明の内視鏡保持装置の触覚センサは、検出感度が異なる複数のセンサ素子を備えることにより、全体としてより広い圧力範囲でより高精度に触圧を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態である内視鏡保持装置１０を、添付図面に基づいて具体的に説明する。図１に内視鏡保持装置１０の斜視図を示す。内視鏡保持装置１０は、第１保持部２０と、第２保持部２１と、第３保持部２２とを備えている。内視鏡の本体部２は、第３保持部２２のホルダー５３に保持される。ホルダー５３と内視鏡の本体部２との間に触覚センサが配置され、内視鏡の本体部に加わる触圧をセンシングする。
【００１７】
内視鏡保持装置１０は、多関節のアーム３に取り付けられている。アーム３は、手術台４の側部に一端が固定されており、内視鏡保持装置１０を手術台４に対して縦横及び垂直方向に移動させることができる。アーム３と、内視鏡保持装置１０の第１保持部２０と、第２保持部２１と、第３保持部２２とは、図示されない制御手段によって指定された移動経路を通って移動し、指定された位置姿勢で停止することができる。
【００１８】
内視鏡保持装置１０の第１保持部２０は、アーム３の先端に枢着ピン２４によって回転可能な状態で配置されている。第１保持部２０は、アーム３によって略水平に支持された円弧角が略１００°の第１円弧板２５と、この第１円弧板２５の内周部に設けられている第１レール２６に案内されて移動を行なう第１スライダ２７とから構成されている。ここで第１円弧板２５は、アーム３によって略水平に保持された状態で、内視鏡の本体部２の患者の体腔への挿入位置が、その円弧の中心位置となるように移動される。第１スライダ２７は、第１円弧板２５上を移動することにより、水平面上の円弧を描く左右方向の動きを行なうことができる。
【００１９】
内視鏡保持装置１０の第２保持部２１は、第１保持部２０の第１スライダ２７の上面に配置されている。第２保持部２１は、第１円弧板２５に対して垂直となるように第１スライダ２７上に固定されている円弧角が略１００°の第２円弧板３３と、第２円弧板３３の内周部に設けられている第２レール３５に案内されて上下方向の円弧移動を行なう第２スライダ３４とを備えている。第２保持装置は第１スライダ２７の移動に伴って移動することができる。第２スライダ３４は、第２円弧板３３上を移動することにより、第１円弧板２５に対して垂直な面上で円弧を描く上下方向の動きを行なうことができる。
【００２０】
内視鏡保持装置１０の第３保持部２２の分解斜視図を図２に示す。第３保持部２２は、リニアスライダ４５とナックル部５０とホルダー５３とを備えている。リニアスライダ４５は、第２スライダ３４に突設された一対の保持ピン４３が挿通されるガイド孔４４を有しており、第２スライダ３４に対してスライド可能な状態で保持されている。
【００２１】
図２に示すように、リニアスライダ４５の底面には直線状ラック４６が設けられ、ピニオンギア４８が噛合している。リニアスライダ４５は、一対の保持ピン４３によって第２スライダ３４に支持された状態で、図示されない制御手段によってピニオンギア４８の回転が制御されることによって、第２保持部２１に対して斜め前後方向に移動することができる。尚、ここでいう斜め前とは、水平面に対してリニアスライダ４５がなす角度で第２円弧板３３の中心方向に向かう方向のことであって、図１の状態の内視鏡保持装置１０においては矢印Ａで示される方向である。このような斜め前の方向は、通常、手術台４に横臥した状態の患者の体内に内視鏡の本体部２がより深く挿入される方向であり、また斜め後ろの方向とは患者の体内から内視鏡を取り出す方向である。
【００２２】
リニアスライダ４５の前端部には、リニアスライダ４５に対して垂直に支持軸４９が設けられている。逆コの字状をなすナックル部５０が、支持軸４９に対して回転可能に支持されている。ナックル部５０の開口側の両端部には、支持軸４９と垂直となる同一の軸上に上下一対となる雌ねじ孔５１が形成されている。ねじ孔５１に一対のボールプランジャー５２が螺入される。ボールプランジャー５２は、その先端のボールで六面体状の外形形状を有するホルダー５３を回転可能に支持する。
【００２３】
内視鏡の本体部２は、ホルダー５３の内側に保持される。ホルダー５３の上面と下面の中央部には円錐状の支持穴５８が穿設されており、そこにナックル部５０に螺合されたボールプランジャー５２が挿入されることで、ホルダー５３と内視鏡の本体部２は第３保持部２２のナックル部５０に回転可能な状態で支持される。
【００２４】
すなわち、ホルダー５３と内視鏡の本体部２は支持軸４９とボールプランジャー５２を軸としてこの両方の軸に対して回転可能に保持されており、内視鏡の本体部２が斜め前後方向以外の外力を受けたときには、その外力に追従して回転することができる。
【００２５】
以上のような構成を有する内視鏡保持装置１０は、制御手段によって制御された第１保持部２０、第２保持部２１及び第３保持部２２の各動きを合成した動きが、水平方向の円弧運動（図１における左右方向の円弧運動）、垂直方向の円弧運動（図１における上下方向の円弧運動）及びリニアスライダ４５と略平行な直線運動（図１における斜め前後方向の運動）の合成運動として、内視鏡の本体部２に与えられる。内視鏡保持装置１０の左右方向、上下方向又は斜め前後方向のいずれかの方向の運動が指定された経路に対してずれを生じていた場合、特に保持された内視鏡の本体部２が斜め前方即ち患者の体内に侵入する方向に移動している際には、内視鏡の本体部２と患者の組織とが強く接触して内視鏡の本体部２に意図されない大きな圧力が加わる場合がある。このとき内視鏡の本体部２に加わる様々な方向からの圧力（即ち触圧）をセンシングするために、本実施の形態においては、内視鏡を保持するホルダー５３の内側に触覚センサが配置されている。
【００２６】
以下に於いては、内視鏡保持装置１０の第３保持部２２の中で、ナックル部５０の先端に配置されて内視鏡の本体部２を直接保持する部分を内視鏡保持部２３と称する。内視鏡保持部２３は、パイプサポート５５と、触覚センサと、センサ特性調整部材６０と、ホルダー５３とを備えることが好ましい。内視鏡の本体部２を保持した状態の内視鏡保持部２３の断面図を図３に示す。又、内視鏡保持部２３の分解斜視図を図４に示す。
【００２７】
触覚センサとして、１又は２以上の断面が円形に形成された環状のセンサ素子５７（以下、Ｏリング状素子５７とも言う）と１又は２以上の断面が四角形に形成された環状のセンサ素子５８（以下、角断面リング状素子５８とも言う）が互いの側面を接するように配置されて用いられることが好ましい。又、Ｏリング状素子５７と、角断面リング状素子５８とは互いの検出感度が異なっていることが好ましい。
【００２８】
ホルダー５３の中心部には円孔５４が貫通形成されている。パイプサポート５５は、断面がＴ字状で中心に内視鏡の本体部２を挿通して保持することのできる貫通孔５７が形成されている。パイプサポート５５の外周には、１又は２以上のＯリング状素子５７と１又は２以上の角断面リング状素子５８とが装着される。パイプサポート５５と、１又は２以上のＯリング状素子５７と１又は２以上の角断面リング状素子５８とは、ホルダー５３の円孔５４の内部に配置される。
【００２９】
１又は２以上のＯリング状素子５７と、１又は２以上の角断面リング状素子５８のうち少なくとも一つのセンサ素子が、コイル状炭素繊維がマトリクスとしての樹脂又はゴムに分散されて形成されていることが好ましい。コイル状炭素繊維を用いない他のセンサ素子については、既知の圧電素子を適用することができるが、あらゆる方向の触圧を高感度に検出するためには、少なくとも一つのセンサ素子が、コイル状炭素繊維がマトリクスとしての樹脂又はゴムに分散されて形成されていることが好ましい。
【００３０】
センサ素子のうちの少なくとも一つを構成するマトリクスの硬さは、ＪＩＳ Ａ硬度（ＪＩＳ Ｋ６３０１）で１０〜１００が好ましい。ＪＩＳ Ａ硬度で１０未満の場合には、マトリクスが軟らかくなり過ぎて、ノイズの検出が大きくなって好ましくない。一方、ＪＩＳ Ａ硬度が１００を越える場合には、マトリクスが硬くなり過ぎて、触圧の伝播性が悪く、検知感度が低下する。マトリクスは誘電体であって静電容量（Ｃ）を有し、コンデンサとして作用する。
【００３１】
マトリクスを構成する樹脂としては、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、スチレンと熱可塑性エラストマーとの共重合樹脂等が用いられる。ゴムとしては、シリコーンゴム、ウレタンゴム等が用いられる。マトリクスの硬さはセンサ素子の感度を向上させる上で重要であり、マトリクスとして弾性力の優れたシリコーン樹脂、シリコーンゴム等を用いた場合には、微小な触圧でも伸縮してその触圧を高感度で検知することができる。一方、硬いシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、スチレンと熱可塑性エラストマーとの共重合樹脂等を用いた場合には、大きな触圧でないと伸縮せず、センサ素子の感度は低いが、幅広い触圧範囲を検知することができる。これらの特性を生かして、それぞれのＯリング状素子５７と角断面リング状素子５８を異なるマトリクス樹脂で形成することにより、一層幅広い触圧範囲を検知することができる。
【００３２】
マトリクスに分散させるコイル状炭素繊維としては、１本の炭素繊維で螺旋構造を形成するものや、２本の炭素繊維で二重螺旋構造を形成するもののうち、一方又は両方を組み合わせて使用することができる。コイル状炭素繊維は、コイルの直径が２０ｎｍ〜１００μｍであり、コイルの長さは１０ｎｍ〜５０ｍｍである。コイルの直径が２０ｎｍ未満のコイル状炭素繊維は、製造が困難である。又、コイルの直径が１００μｍを超えるコイル状炭素繊維も、同様に製造が困難である。またコイル長さが１０ｎｍ未満であるとインダクタンス成分としての機能を充分に発揮し難くなる。一方、コイル長さは５０ｍｍを超えて形成しても良く、センサの厚みに合わせて適当な長さに裁断すればよい。さらに、コイル状炭素繊維の直径は好ましくは１ｎｍ〜１０μｍである。繊維の直径が１ｎｍ未満では、コイル状炭素繊維の製造が困難であり、１０μｍを超えると、コイルの直径を前記範囲に設定することが困難になるからである。なお繊維は断面が真円のものに限らず、楕円形、矩形、不定形になっていてもよい。また、コイル状炭素繊維は、どのような製法で製造されたものであってもよい。
【００３３】
コイル状炭素繊維は伸縮性（弾力性）があり、その伸縮により電気特性であるインダクタンス（Ｌ）、静電容量（Ｃ）及び電気抵抗（Ｒ）が変化するため、それらの変化量に基づいて触圧を検知することができる。一例を挙げると、コイル状炭素繊維を伸ばすとインダクタンス、静電容量及び電気抵抗が増加し、収縮させるとインダクタンス、静電容量及び電気抵抗が減少する場合がある。そして、コイル状炭素繊維を伸長もしくは収縮させた後元の長さに戻すと、インダクタンス、静電容量及び電気抵抗は元の値まで再現性良く戻る。マトリクス中に分散しているコイル状炭素繊維に対してマトリクスの外部から触圧が加わったとき、まずマトリクスが伸縮し、次いでコイル状炭素繊維が伸縮するため、マトリクスを介してコイル状炭素繊維に加わる触圧に基づいてインダクタンス、静電容量及び電気抵抗の値が変化する。
【００３４】
マトリクスにコイル状炭素繊維を分散させる方法としては、マトリクス前駆体としてのシリコーン樹脂にコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、脱泡し、鋳型に充填して成形する方法や、ポリスチレンや熱可塑性エラストマーのペレットを加熱溶融し、それにコイル状炭素繊維を添加し、撹拌して均一に分散させた後、鋳型に流し込み、加圧成形する方法などがある。
【００３５】
マトリクスが誘電体により形成されて静電容量成分を有するものであるときには、各センサ素子の相互間に存在するマトリクスはコンデンサとして作用する。そして、コイル状炭素繊維が周囲のマトリクスを介して互いに接続されることにより、複合共振回路である電気的等価回路として構成されて、センサ素子全部が一つのＬＣＲ共振回路として作用することができる。
【００３６】
１又は２以上のＯリング状素子５７と１又は２以上の角断面リング状素子５８とで構成される触覚センサには、図示されない１対の電極が接続されている。電極は、図示されないセンサ本体部と接続されている。触覚センサに加わる触圧の微小な変化により、触覚センサのインダクタンス、静電容量及び電気抵抗が変化し、その変化によりセンサ出力信号が変化する。センサ出力信号の変化は、電極を介してセンサ本体部に入力される。センサ本体部は、基準信号を発振する発振回路と、検知手段及び信号調整手段としての移相部と、検知手段としての検波部とを備えており、センサ出力信号の変化は、検波部における直交検波により検知され、インダクタンス、静電容量及び電気抵抗の変化傾向や変化量が求められる。Ｏリング状素子５７と角断面リング状素子５８のうちの少なくとも１つがコイル状炭素繊維を含むことにより、いずれの方向から受けた微小な圧力をも高感度に検知可能に構成することができる。
【００３７】
１又は２以上のＯリング状素子５７と１又は２以上の角断面リング状素子５８のうち、２以上のセンサ素子について、コイル状炭素繊維がマトリクスとしての樹脂又はゴムに分散されて形成されている場合には、マトリクスの種類若しくは硬度、又はコイル状炭素繊維の種類若しくは含有量を調整することで、センサ素子としての検出感度が互いに異なるように構成することが好ましい。これにより、触覚センサ全体としてより広い圧力範囲の触圧を検出することが可能となる。
【００３８】
ホルダー５３の一端部の内側にはネジ山が設けられており、センサ特性調整部材６０と調節ネジ固定用ナット６１とを、ホルダー５３のこのネジ山に螺合させることで、触覚センサに接するように配置されたセンサ圧縮板６２を触覚センサ側に加圧することができる。加圧されたセンサ圧縮板６２は、装着された全てのＯリング状素子５７と角断面リング状素子５８に圧縮力を加える。ここで加えられる圧縮力は、ホルダー５３に対するセンサ特性調整部材６０の位置を調整することによって、精度高く調整することができる。
【００３９】
センサ特性調整部材６０，調節ネジ固定用ナット６１，及びセンサ圧縮板６２は、共にポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂などの汎用プラスチックの他、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィンなどのエンジニアプラスチックから成形することができ、特にネジ部などの耐性を考慮してポリアセタールなどのエンジニアプラスチックが好ましい。
【００４０】
センサ特性調整部材６０は図３に示すような螺合によって接続する場合、接続部分に使用されるネジ部の長さは５〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。この長さが短すぎると簡単に外れたり、斜めに螺合されるなどの不都合があり、一方長すぎると固定するまでに何回転も必要となって操作性に劣るからである。またセンサ圧縮板６２の厚さは１〜５ｍｍ程度であることが好ましい。厚みが薄すぎると取扱に不便なだけでなく容易に変形して触覚センサに均一な圧力を作用させることが困難になり、厚みが厚すぎるとセンサ調整部材を接続するためにネジ部の長さを確保するのが難しくなるからである。
【００４１】
ホルダー５３に対するセンサ特性調整部材６０の位置を調整し、装着されている全てのＯリング状素子５７と角断面リング状素子５８に圧縮力を加えることで、センサの感度が高い領域・範囲でセンシングするための調整を容易且つ高精度に行うことができる。すなわち、検知感度・検知幅・検知速度・定量性等の初期特性に潜在的なばらつきがあるＯリング状素子５７と角断面リング状素子５８に対して、これらをホルダー５３内に配置する際にセンサ特性調整部材６０によって圧縮力を加えることで、これらのセンサ素子の特性のばらつきの調整を行うことが可能となる。
【００４２】
触覚センサが、１又は２以上のＯリング状素子５７と１又は２以上の角断面リング状素子５８とで構成されている場合には、ホルダー５３内の円孔５４内には図３に示すように互いのセンサ素子との間に部分的に隙間が形成される。このためセンサ素子が隙間なく装着されている場合と比較すると、センサ特性調整部材６０によって圧縮された場合に、より圧縮が容易となっている。このため、本実施形態の触覚センサは、所望の検出感度となるような調整を非常に容易に行うことができる。
【００４３】
複数のＯリング状素子５７と角断面リング状素子５８の検出感度が互いに異なるように構成されることにより、触覚センサとしてより広い圧力範囲で触圧をセンシングすることが可能となる。その結果、わずかな触圧の変化を見逃すことがなく、内視鏡が内臓諸器官に対して損傷を及ぼすような接触を引き起こす前に、内視鏡の動きを制御することができる。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例１〜３及び比較例により、前記実施形態をさらに具体的に説明する。
【００４５】
（実施例１）本実施例の内視鏡保持装置１０の触覚センサには、２個のＯリング状素子５７と１個の角断面リング状素子５８とが用いられている。Ｏリング状素子５７と角断面リング状素子５８とは、図３に示すように、内視鏡保持部２３のパイプサポート５５の外周に交互に装着されて、ホルダー５３の円孔５４の内部に配置されている。
【００４６】
本実施例で用いられる２個のＯリング状素子５７は、同一の構成で同一寸法に形成されている。すなわちＯリング状素子５７は、マトリクスとしてシリコーン樹脂の一種である二液型ＲＴＶゴム（商品名：ＫＥ１０３；信越化学工業製）の中に５．０重量％のコイル状炭素繊維が分散されて構成されている。コイル状炭素繊維としては、コイルの長さが９０μｍ以下、コイルの直径が平均５μｍ程度のものが使用されている。そしてＯリング状素子５７は、内径が１４ｍｍ、外径が１８ｍｍであって、その断面が直径が２ｍｍの円形となるように形成されている。
【００４７】
本実施例で用いられる１個の角断面リング状素子５８の断面図を図５に示す。角断面リング状素子はリングの内径が１４ｍｍであって、その断面が一辺２ｍｍの正方形に形成されている。角断面リング状素子５８は、Ｏリング状素子５７と同様に、マトリクス６５としての二液型ＲＴＶゴムの中に５．０重量％のコイル状炭素繊維６６が分散されて構成されている。コイル状炭素繊維６６は、コイルの長さが９０μｍ以下、コイルの直径が平均５μｍ程度のものが使用されている。尚、図５に示すコイル状炭素繊維６５は、その分散状態と形状の理解を容易にするために、その大きさを誇張して描かれている。
【００４８】
触覚センサの検出感度と検出範囲とを測定するために、内視鏡保持部２３に保持されている内視鏡の本体部２の先端に荷重をかけて、触覚センサの出力電圧を測定した。本実施例の触覚センサは、センサ特性調整部材６０によって圧縮前の素子体積に対する圧縮後の素子体積の比率が０．９となるように予め圧縮されている。又、内視鏡の本体部２は、内視鏡保持部２３のボールプランジャー５２で定義される回転軸から内視鏡の先端までの距離が２００ｍｍとなるように保持されている。
【００４９】
上記の如く保持された内視鏡の本体部２の先端に、１００ｇｆの上向きの荷重をかけた場合に、触覚センサの出力電圧は３．３Ｖであった。又、触覚センサの出力電圧で表される検出範囲は、０〜２０．０Ｖであった。尚、本実施例における検出範囲の最大値は、触覚センサが接続されているセンサ本体部における信号処理回路の出力電圧範囲の上限値に相当する値であり、信号処理回路の構成を変更してその出力電圧範囲を広くすることによって、２０．０Ｖよりも広い範囲の検出が可能となる。
【００５０】
（実施例２）本実施例における内視鏡保持装置の触覚センサには、３個の角断面リング状素子が用いられている。このうちの２個は、実施例１の角断面リング状素子５８と同一の構成を有している。残る１個の角断面リング状素子は、外形形状は他の角断面リング状素子と同一であるが、その組成が異なっている。即ちこの角断面リング状素子は、マトリクスとしての二液型ＲＴＶゴムの中に１０．０重量％のコイル状炭素繊維が分散されて構成されている。コイル状炭素繊維の含有量が１０．０重量％となっていることによって、この角断面リング状素子は、他の角断面リング状素子と比較して、検出感度が高くなっている。３個の角断面リング状素子は、内視鏡保持部２３のパイプサポート５５の外周に互いの側面が接するように装着されて、ホルダー５３の円孔５４の内部に配置されている。触覚センサ以外の内視鏡保持装置の構成については実施例１と同一であり、重複説明を割愛する。
【００５１】
本実施例では、実施例１と同様の圧縮比率となるようにセンサ特性調整部材６０によって触覚センサを圧縮した状態で、触覚センサの検出感度と検出範囲とを測定している。内視鏡の本体部２の先端に１００ｇｆの上向きの荷重をかけた場合の触覚センサの出力電圧は２．４Ｖであった。又、触覚センサの出力電圧で表される検出範囲は、０〜１４．０Ｖであった。
【００５２】
（実施例３）本実施例における内視鏡保持装置の触覚センサには、３個のＯリング状素子５７が用いられている。Ｏリング状素子５７は、内視鏡保持部２３のパイプサポート５５の外周に互いの側面が接するように装着されて、ホルダー５３の円孔５４の内部に配置されている。本実施例では、実施例１と同様の圧縮比率で触覚センサの検出感度と検出範囲とを測定している。内視鏡の本体部２の先端に１００ｇｆの上向きの荷重をかけた場合の触覚センサの出力電圧は３．１Ｖであった。又、触覚センサの出力電圧で表される検出範囲は、０〜２０．０Ｖであった。尚、本実施例における検出範囲の最大値は、触覚センサが接続されているセンサ本体部における信号処理回路の出力電圧範囲の上限値に相当する値であり、信号処理回路の構成を変更してその出力電圧範囲を広くすることによって、２０．０Ｖよりも広い範囲の検出が可能となる。
【００５３】
（比較例）比較例の内視鏡保持装置の内視鏡保持部７１の構成を、図６に示す。比較例の触覚センサは、パイプサポート５５の外周に配置された１個の円筒状のセンサ素子７０で構成されている。このセンサ素子７０は内径１４ｍｍ、外径１８ｍｍ、長さ６ｍｍの円筒形のセンサ素子であって、マトリクスとしての二液型ＲＴＶゴム（商品名：ＫＥ１０３；信越化学工業製）の中にコイル状炭素繊維を５．０重量％添加して形成されている。添加されているコイル状炭素繊維のコイルの長さは９０μｍ以下であって、コイルの直径は平均５μｍ程度である。
【００５４】
比較例の触覚センサを構成するセンサ素子７０の検出感度と検出範囲との測定を行った。最初に、センサ特性調整部材６０によるセンサ素子７０の圧縮を行わない状態で測定を行った。内視鏡の本体部２の先端に１００ｇｆの上向きの荷重をかけた場合の触覚センサの出力電圧は１．３Ｖであった。又、触覚センサの出力電圧で表される検出範囲は、０〜７．４Ｖであった。次に、センサ特性調整部材６０によってセンサ素子７０を、圧縮前の素子体積に対する圧縮後の素子体積の比率が０．９となるように圧縮して、検出感度と検出範囲とを測定した。内視鏡の本体部２の先端に１００ｇｆの上向きの荷重をかけた場合の触覚センサの出力電圧は１．８Ｖであった。又、触覚センサの出力電圧で表される検出範囲は、０〜１０．２Ｖであった。
【００５５】
実施例１〜３と比較例に示した内視鏡保持装置のセンサ素子の検出感度と検出範囲とを図７に示す。尚、図中の圧縮率とは、センサ特性調整部材６０によって触覚センサを圧縮する前の体積を基準として圧縮後の体積の比率を求めた値であり、触覚センサが全く圧縮されていない場合にその値は１．０となっている。それぞれの実施例と比較例の検出感度と検出範囲の測定結果から明らかであるように、触覚センサがＯリング状素子と角断面リング状素子とで構成されている実施例１の場合には、同一の荷重に対するセンサの出力電圧が最も高くなり、従って微小な荷重でも検出が可能で高い検出感度を有すると同時に、センサの検出範囲が最も広くなっている。又、触覚センサが複数の角断面リング状素子で構成されている実施例２の場合には、その中の１つの角断面リング状素子のコイル状炭素繊維の添加量を増加させたことにより、比較例よりも高い検出感度を有すると同時に、センサの検出範囲が広くなっている。更に、複数のＯリング状素子で触覚センサを構成した実施例３の場合、実施例１と比較して検出感度はやや低くなるものの、非常に広い検出範囲を得ることが可能となっている。
【００５６】
以上、発明を実施するための最良の形態と実施例に基づいて、本発明に係る内視鏡保持装置の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、実施例１〜３の触覚センサは、マトリクスとしての樹脂にコイル状炭素繊維を５．０重量％又は１０．０％添加して形成されているが、コイル状炭素繊維の添加量を適切に調整してより検出感度を向上させることが可能である。
【００５７】
また例えば、触覚センサは、内視鏡とパイプサポートとの間に装着することも、あるいは他の部分、例えばボールプランジャー５２によるホルダー５３の支持部や、ナックル部５０の支持部に装着することもできる。さらに触覚センサを複数箇所に設けて検知感度を高めることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る内視鏡保持装置の特に触覚センサの構成は、工業用ロボットアーム、内視鏡以外の医療機器、その他工業用制御機器やヒューマノイドロボット等の分野で、圧力をセンシングしてその動作を制御する必要のある各種機器に適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の内視鏡保持装置１０の斜視図である。
【図２】本発明の内視鏡保持装置１０の第３保持部とそこに保持される内視鏡の本体部２を示す斜視図である。
【図３】本発明の内視鏡保持装置１０の内視鏡保持部２３の部分側断面図である。
【図４】本発明の内視鏡保持装置１０の内視鏡保持部２３の分解斜視図である。
【図５】本発明の内視鏡保持装置１０の角断面リング状素子５８の断面図である。
【図６】比較例の内視鏡保持装置の内視鏡保持部７１の部分側断面図である。
【図７】実施例と比較例の触覚センサの検出感度と検出範囲を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
２ 内視鏡の本体部
３ アーム
４ 手術台
１０ 内視鏡保持装置
２０ 第１保持部
２１ 第２保持部
２２ 第３保持部
２３，７１ 内視鏡保持部
２４ 枢着ピン
２５ 第１円弧板
２６ 第１レール
２７ 第１スライダ
３３ 第２円弧板
３４ 第２スライダ
３５ 第２レール
４３ 保持ピン
４４ ガイド孔
４５ リニアスライダ
４６ 直線状ラック
４８ ピニオンギア
４９ 支持軸
５０ ナックル部
５２ ボールプランジャー
５３ ホルダー
５４ 円孔
５７ 断面が円形に形成された環状のセンサ素子（Ｏリング状素子）
５８ 断面が四角形に形成された環状のセンサ素子（角断面リング状素子）
６０ センサ特性調整部材
６１ 調節ネジ固定用ナット
６２ センサ圧縮板
６５ マトリクス
６６ コイル状炭素繊維
７０ センサ素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内視鏡を保持するための円孔が貫通形成されており、一端部にネジ山が設けられているホルダーと、
前記ホルダーの内側に装着されており、内視鏡に加わる触圧をセンシングする触覚センサと、
前記ホルダーのネジ山に螺合されて、触覚センサを圧縮してセンサ感度を調整することのできるセンサ特性調整部材とを備えており、
前記触覚センサが、複数のセンサ素子を含むことを特徴とする内視鏡保持装置。
【請求項２】
少なくとも１つの前記センサ素子が、コイル状炭素繊維を含有することを特徴とする請求項１記載の内視鏡保持装置。
【請求項３】
前記触覚センサが、断面が円形に形成された環状のセンサ素子と、断面が四角形に形成された環状のセンサ素子とを複数個配置されて成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の内視鏡保持装置。
【請求項４】
前記センサ素子の検出感度が互いに異なることを特徴とする請求項１乃至３に記載の内視鏡保持装置。
【請求項１】
内視鏡を保持するための円孔が貫通形成されており、一端部にネジ山が設けられているホルダーと、
前記ホルダーの内側に装着されており、内視鏡に加わる触圧をセンシングする触覚センサと、
前記ホルダーのネジ山に螺合されて、触覚センサを圧縮してセンサ感度を調整することのできるセンサ特性調整部材とを備えており、
前記触覚センサが、複数のセンサ素子を含むことを特徴とする内視鏡保持装置。
【請求項２】
少なくとも１つの前記センサ素子が、コイル状炭素繊維を含有することを特徴とする請求項１記載の内視鏡保持装置。
【請求項３】
前記触覚センサが、断面が円形に形成された環状のセンサ素子と、断面が四角形に形成された環状のセンサ素子とを複数個配置されて成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の内視鏡保持装置。
【請求項４】
前記センサ素子の検出感度が互いに異なることを特徴とする請求項１乃至３に記載の内視鏡保持装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１４２５７５（Ｐ２０１０−１４２５７５Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２５９８１（Ｐ２００８−３２５９８１）
【出願日】平成２０年１２月２２日（２００８．１２．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６〜２０年度、文部科学省、地域科学技術振興施策、委託研究（知的クラスター創成事業、岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【出願人】（５９３２２２８０５）アスカ株式会社 (11)
【出願人】（３９９０５４０００）シーエムシー技術開発 株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２２日（２００８．１２．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１６〜２０年度、文部科学省、地域科学技術振興施策、委託研究（知的クラスター創成事業、岐阜・大垣地域ロボティック先端医療クラスター）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０１９３９９）国立大学法人岐阜大学 (289)
【出願人】（５９３２２２８０５）アスカ株式会社 (11)
【出願人】（３９９０５４０００）シーエムシー技術開発 株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
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