(57)【要約】【課題】安全性をより向上させることを可能にする。【解決手段】アーム部を構成する複数の関節部に、通電時に前記関節部の回転軸を解放し非通電時に当該回転軸を拘束するブレーキ機構が設けられ、前記ブレーキ機構は、非通電時に前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有する、医療用支持アーム装置を提供する。【選択図】図５
2020093110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーム部を構成する複数の関節部に、通電時に前記関節部の回転軸を解放し非通電時に当該回転軸を拘束するブレーキ機構が設けられ、
前記ブレーキ機構は、非通電時に前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有する、
医療用支持アーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、医療用支持アーム装置及び医療用観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療現場においては、手術をサポートするために支持アーム装置が用いられつつある。例えば、支持アーム装置のアーム部の先端にカメラ等の術部を観察するための観察ユニットを設け、当該観察ユニットによって撮影された画像を見ながら術者が手術を行う方法が提案されている。あるいは、アーム部の先端に鉗子等の処置具を設け、当該処置具を用いて従来人手で行われていた作業を支持アーム装置に行わせる方法も提案されている。
【０００３】
ここで、各関節部にアクチュエータが設けられ駆動可能に構成される支持アーム装置では、当該アクチュエータのモータの駆動を制御することにより、アーム部の位置及び姿勢が制御されている。従って、例えば停電等によりアクチュエータへの電力の供給が遮断されると、モータを駆動させることができず、アーム部が自重によって落下する等、重大な事故につながる可能性がある。そこで、このような駆動機構を有する支持アーム装置においては、電力が遮断された場合に安全に停止することが求められている。なお、以下の説明において、単に支持アーム装置と言った場合には、特に記載のない限り、アーム部を構成する関節部の内の少なくとも１つにアクチュエータが設けられ、当該アクチュエータによってアーム部が駆動可能な支持アーム装置のことを意味するものとする。
【０００４】
例えば、工場等で用いられる産業用支持アーム装置には、励磁された場合にモータの出力軸の拘束を解除し、消磁された場合にモータの出力軸を拘束する、いわゆる無励磁作動式の電磁ブレーキをアクチュエータに設けることにより、停電等の非常時におけるアーム部の停止を実現しているものがある（例えば、特許文献１）。このような産業用支持アーム装置に用いられている技術を医療用支持アーム装置に適用することにより、より安全な医療用支持アーム装置を実現できる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３０６１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、上記特許文献１に例示されるような産業用支持アーム装置においては、電源喪失時にブレーキが作動してアーム部が固定された場合には、オペレータにより、各関節部のブレーキに再度電力を供給しこれらのブレーキを解除する作業が行われることが一般的である。従って、例えば停電等により電力の供給が不可能な場合には、電源が復旧するまではアーム部を動作させることができず、支持アーム装置を用いた作業も中断せざるを得ない。
【０００７】
しかしながら、医療用支持アーム装置においては、安全性の観点から、電力が供給されない場合であっても最低限の動作ができ、手術の継続が可能であることが求められる。手術が意図せぬタイミングで中断されれば、患者に危険を及ぼす恐れがあるからである。
【０００８】
上記事情に鑑みれば、医療用支持アーム装置においては、電力の供給が遮断された場合に安全に停止することと、電源喪失時であっても手術を継続可能であることと、を両立させることにより、安全性をより向上させる技術が求められていた。そこで、本開示では、安全性をより向上させることが可能な、新規かつ改良された医療用支持アーム装置及び医療用観察装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示によれば、アーム部を構成する複数の関節部に、通電時に前記関節部の回転軸を解放し非通電時に当該回転軸を拘束するブレーキ機構が設けられ、前記ブレーキ機構は、非通電時に前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有する、医療用支持アーム装置が提供される。
【００１０】
また、本開示によれば、複数の関節部から構成されるアーム部と、前記アーム部の先端に設けられ患者の術部を観察する観察ユニットと、を備え、複数の前記関節部に、通電時に前記関節部の回転軸を解放し非通電時に当該回転軸を拘束するブレーキ機構が設けられ、前記ブレーキ機構は、非通電時に前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有する、医療用観察装置が提供される。
【００１１】
本開示によれば、非通電時にアーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに所定の値以上の外力によって回転軸が回転可能なブレーキ力を有するブレーキ機構が、アーム部の各関節部に設けられる。従って、例えば停電等により電力の供給が途絶えた場合に、アーム部を安全に停止することができるとともに、手動によってアーム部を移動させることにより手術等の当該アーム部を用いた処理を継続して実行することが可能になる。よって、より安全性の高い医療用支持アーム装置及び医療用観察装置を提供することが可能になる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本開示によれば、安全性をより向上させることが可能になる。なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、又は上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、又は本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本開示の一実施形態に係る支持アーム装置を用いた手術の様子を示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る支持アーム装置の全体構成を示す図である。
【図３】本実施形態に係る支持アーム装置の各関節部に設けられるアクチュエータの一構成例を示す分解斜視図である。
【図４】本実施形態に係るブレーキ機構の構成を示す断面斜視図である。
【図５】本実施形態に係るブレーキ機構の動作を説明するための説明図である。
【図６】ブレーキ機構のブレーキ力の設定方法について説明するための図である。
【図７】本実施形態の一変形例に係るブレーキ機構の構成を示す断面図である。
【図８】本実施形態の他の変形例に係るブレーキ機構の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１５】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．医療用支持アーム装置に対する検討
２．支持アーム装置の構成
２−１．全体構成
２−２．アクチュエータの構成
２−３．ブレーキ機構の構成
３．ブレーキ力の設定方法の具体例
４．ブレーキ機構の変形例
４−１．油圧シリンダを用いたブレーキ
４−２．磁性流体を用いたブレーキ
５．補足
【００１６】
（１．医療用支持アーム装置に対する検討）
本開示の好適な一実施形態に係る支持アーム装置の構成について詳細に説明するに先立ち、本開示をより明確なものとするために、本実施形態に係る支持アーム装置の手術への適用例について説明するとともに、医療用支持アーム装置に求められる諸性能について説明する。
【００１７】
図１を参照して、本開示の一実施形態に係る支持アーム装置を用いた手術の様子について説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る支持アーム装置を用いた手術の様子を示す概略図である。
【００１８】
図１では、術者５２０が、例えばメス、鑷子、鉗子等の手術用の処置具５２１を使用して、手術台５３０上の患者５４０に対して手術を行っている様子が図示されている。手術台５３０の脇には本実施形態に係る支持アーム装置５１０が設けられる。支持アーム装置５１０は、基台であるベース部５１１と、ベース部５１１から延伸するアーム部５１２を備える。また、図示は省略するが、支持アーム装置５１０には、支持アーム装置５１０の動作を制御する制御装置（後述する図２に示す制御装置４３０に対応する）が備えられる。
【００１９】
アーム部５１２は、複数の関節部５１３ａ、５１３ｂ、５１３ｃと、関節部５１３ａ、５１３ｂによって連結される複数のリンク５１４ａ、５１４ｂと、アーム部５１２の先端に設けられる撮像ユニット５１５と、を有する。関節部５１３ａ〜５１３ｃには、後述する図３に示すアクチュエータ３００が設けられており、関節部５１３ａ〜５１３ｃは、当該アクチュエータ３００の駆動により所定の回転軸に対して回転可能に構成されている。アクチュエータ３００の駆動が上記制御装置によって制御されることにより、各関節部５１３ａ〜５１３ｃの回転角度が制御され、アーム部５１２の駆動が制御される。
【００２０】
なお、図１では、簡単のため、アーム部５１２の構成を簡略化して図示しているが、実際には、アーム部５１２が所望の自由度を有するように関節部５１３ａ〜５１３ｃ及びリンク５１４ａ、５１４ｂの数や配置、関節部５１３ａ〜５１３ｃの駆動軸（回転軸）の方向等が適宜設定されてよい。例えば、アーム部５１２は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。これにより、アーム部５１２の可動範囲内において撮像ユニット５１５を自由に移動させることが可能になる。
【００２１】
撮像ユニット５１５は、患者５４０の術部を観察するための観察ユニットの一例であり、例えば撮影対象の動画及び／又は静止画を撮影できるカメラ等である。撮像ユニット４２３は、撮影対象を適宜拡大して電子的に撮影する、いわゆるビデオ式の顕微鏡であり得る。観察ユニットの他の例としては、例えば、内視鏡や光学式の顕微鏡等が挙げられる。アーム部５１２の先端に、これらの患者５４０の術部を観察する観察ユニットが設けられた支持アーム装置のことを、本明細書では、観察装置とも呼称する。
【００２２】
手術を行う際には、図１に示すように、アーム部５１２の先端に設けられた撮像ユニット５１５が患者５４０の術部を撮影するように、支持アーム装置５１０によってアーム部５１２及び撮像ユニット５１５の位置及び姿勢が制御される。手術室内において、術者５２０と対向する位置には、表示装置５５０が設置されており、撮像ユニット５１５によって撮影された術部の画像は、表示装置５５０に表示される。術者５２０は、表示装置５５０に表示される術部の画像を観察しながら各種の処置を行う。
【００２３】
なお、アーム部５１２の先端に設けられる先端ユニットは、撮像ユニット５１５等の観察ユニットに限定されず、各種の医療用器具であってよい。当該医療用器具としては、上述した観察ユニットの他にも、例えば鉗子やレトラクタ等の各種の処置具が含まれ得る。従来、これらの医療用器具の操作は人手によって行われていたため、手術には多くの医療スタッフを要していたが、これらの医療用器具の操作を支持アーム装置５１０によって行うことにより、より少ない人数で手術を行うことが可能になる。
【００２４】
以上、図１を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置５１０を用いた手術の様子について説明した。図１に示す例では、支持アーム装置５１０は手術に用いられていたが、例えば先端ユニットとして内視鏡等の検査用のユニットが設けられる場合であれば、検査目的で支持アーム装置５１０が用いられてもよい。
【００２５】
ここで、以上説明したような手術や検査に用いられる医療用の支持アーム装置５１０には、高い安全性が求められる。撮像ユニット５１５に例示されるアーム部５１２の先端に取り付けられる先端ユニットは、手術中に、患者５４０の術部の近傍、又は術部に直接触れるように配置される。従って、例えばアーム部５１２の制御に不具合が生じ、先端ユニットの位置及び姿勢の制御が不安定になれば、患者に危険を及ぼす恐れがある。
【００２６】
特に、例えば停電等により電力の供給が遮断された場合には、各関節部５１３ａ〜５１３ｃに設けられるアクチュエータを駆動することができなくなるため、何ら対策を講じていなければ、アーム部５１２が自重で落下して患者５４０を傷付けてしまう等、重大な事故につながる可能性がある。そこで、支持アーム装置５１０には、電力の供給が遮断された場合に安全に停止することが求められる。
【００２７】
しかしながら、支持アーム装置５１０には、同時に、電力が供給されない場合であっても最低限の動作ができ、手術の継続が可能であることが求められる。手術が意図せぬタイミングで中断されれば、患者に危険を及ぼす恐れがあるからである。
【００２８】
このように、医療用の支持アーム装置５１０においては、電力が遮断された場合に安全に停止することと、電源喪失時であっても手術を継続可能であることと、を両立させることにより、安全性をより向上させる技術が求められていた。上記事情に鑑みて鋭意検討した結果、本発明者らは、本開示の好適な実施形態に係る支持アーム装置５１０に想到したのである。
【００２９】
詳しくは下記（２−２．アクチュエータの構成）で後述するが、本実施形態に係る支持アーム装置５１０では、各関節部５１３ａ〜５１３ｃのアクチュエータ３００に、通電時に関節部５１３ａ〜５１３ｃの回転軸を解放し非通電時に当該回転軸を拘束するブレーキ機構が設けられる。そして、当該ブレーキ機構は、非通電時にアーム部５１２の重さを支持して姿勢を保持するとともに所定の値以上の外力によって当該回転軸を動作可能なブレーキ力を有する。これにより、本実施形態に係る支持アーム装置５１０では、電力が遮断された場合に安全に停止することと、電源喪失時であっても手術を継続可能であることと、を両立させることが可能になる。
【００３０】
以下では、本実施形態に係る支持アーム装置５１０の構成について、より詳細に説明する。
【００３１】
（２．支持アーム装置の構成）
（２−１．全体構成）
図２を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置の全体構成について説明する。図２は、本実施形態に係る支持アーム装置の全体構成を示す図である。
【００３２】
図２を参照すると、支持アーム装置４００は、ベース部４１０と、アーム部４２０と、制御装置４３０と、を備える。支持アーム装置４００は、上述した図１に示す支持アーム装置５１０と同様に、手術や検査等に好適に適用され得る医療用支持アーム装置である。
【００３３】
ベース部４１０は支持アーム装置４００の基台であり、ベース部４１０からアーム部４２０が延伸される。ベース部４１０にはキャスターが設けられており、支持アーム装置４００は、当該キャスターを介して床面と接地し、当該キャスターによって床面上を移動可能に構成されている。ただし、本実施形態に係る支持アーム装置４００の構成はかかる例に限定されず、例えば、ベース部４１０が設けられず、手術室の天井又は壁面にアーム部４２０が直接取り付けられて支持アーム装置４００が構成されてもよい。例えば、天井にアーム部４２０が取り付けられる場合には、支持アーム装置４００は、アーム部４２０が天井から吊り下げられて構成されることとなる。
【００３４】
アーム部４２０は、複数の関節部４２１ａ〜４２１ｆと、関節部４２１ａ〜４２１ｆによって互いに連結される複数のリンク４２２ａ〜４２２ｃと、アーム部４２０の先端に設けられる撮像ユニット４２３と、を有する。
【００３５】
リンク４２２ａ〜４２２ｃは棒状の部材であり、リンク４２２ａの一端が関節部４２１ａを介してベース部４１０と連結され、リンク４２２ａの他端が関節部４２１ｂを介してリンク４２２ｂの一端と連結され、更に、リンク４２２ｂの他端が関節部４２１ｃ、４２１ｄを介してリンク４２２ｃの一端と連結される。更に、撮像ユニット４２３が、アーム部４２０の先端、すなわち、リンク４２２ｃの他端に、関節部４２１ｅ、４２１ｆを介して連結される。このように、ベース部４１０を支点として、複数のリンク４２２ａ〜４２２ｃの端同士が、関節部４２１ａ〜４２１ｆによって互いに連結されることにより、ベース部４１０から延伸されるアーム形状が構成される。
【００３６】
撮像ユニット４２３は、術部を観察するための観察ユニットの一例であり、例えば撮影対象の動画及び／又は静止画を撮影できるカメラ等である。撮像ユニット４２３は、上述した図１に示す撮像ユニット５１５に対応するものである。撮像ユニット４２３によって撮影された患者の術部の画像は、例えば手術室内に設けられる表示装置（図示せず）に適宜拡大されて表示され、術者は、当該表示装置に表示された患者の術部の画像を観察しながら手術を行う。撮像ユニット４２３は、いわゆるビデオ式の顕微鏡であり得る。このように、支持アーム装置４００は、アーム部４２０の先端に観察ユニットが取り付けられた、観察装置４００であり得る。上述したように、観察ユニットとしては、他に、例えば内視鏡や光学式の顕微鏡等が設けられ得る。なお、観察装置４００の中でも、アーム部４２０の先端に撮像ユニット４２３が設けられた支持アーム装置４００のことを、ビデオ顕微鏡装置４００とも呼称する。
【００３７】
ただし、アーム部４２０の先端に設けられる先端ユニットは観察ユニットに限定されず、アーム部４２０の先端には、先端ユニットとして、各種の医療用器具が取り付けられ得る。例えば、先端ユニットとして、鉗子、レトラクタ等の各種の処置具が接続されてもよい。あるいは、先端ユニットとして、内視鏡用若しくは顕微鏡用の光源、又は、例えば血管封止に用いられる手術用エナジーデバイスが接続されてもよい。
【００３８】
関節部４２１ａ〜４２１ｆには、後述する図３に示すアクチュエータ３００が設けられており、関節部４２１ａ〜４２１ｆは、当該アクチュエータ３００の駆動により所定の回転軸に対して回転可能に構成されている。アクチュエータ３００の駆動は、制御装置４３０によって制御される。各関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータ３００の駆動がそれぞれ制御されることにより、例えばアーム部４２０を伸ばしたり、縮めたり（折り畳んだり）といった、アーム部４２０の駆動が制御される。
【００３９】
ここで、本実施形態では、各関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータ３００に、通電時に関節部４２１ａ〜４２１ｆの回転軸を解放し非通電時に当該回転軸を拘束するブレーキ機構が設けられる。そして、当該ブレーキ機構のブレーキ力は、非通電時にアーム部４２０の重さを支持して姿勢を保持するとともに所定の値以上の外力によって当該回転軸が動作可能なように調整される。これにより、本実施形態に係る支持アーム装置４００では、電力が遮断された場合に安全に停止することと、電源喪失時であっても手術を継続可能であることと、を両立させることが可能になる。なお、アクチュエータ３００及びブレーキ機構の構成については、下記（２−２．アクチュエータの構成）で詳しく説明する。
【００４０】
なお、図示する例では、支持アーム装置４００は、６つの関節部４２１ａ〜４２１ｆを有し、アーム部４２０の駆動に関して６自由度が実現されている。アーム部４２０が６自由度を有するように構成されることにより、アーム部４２０の可動範囲内において撮像ユニット４２３を自由に移動させることができる。これにより、撮像ユニット４２３によって術部を様々な角度及び距離から撮影することが可能となる。ただし、アーム部４２０の構成は図示する例に限定されず、関節部４２１ａ〜４２１ｆ及びリンク４２２ａ〜４２２ｃの数や配置、関節部４２１ａ〜４２１ｆの駆動軸の方向等は、アーム部４２０が所望の自由度を有するように適宜設定されてよい。ただし、撮像ユニット４２３の位置及び姿勢の自由度を考慮して、アーム部４２０は、好適に、６自由度以上の自由度を有するように構成され得る。
【００４１】
制御装置４３０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等のプロセッサ、又はこれらのプロセッサが搭載されたマイコン等によって構成され、所定のプログラムに従った信号処理を実行することにより、支持アーム装置４００の動作を制御する。
【００４２】
支持アーム装置４００の制御方式としては、アーム部４２０の操作性を考慮して、好適に力制御が用いられる。力制御では、例えばユーザが直接アーム部４２０に触れて行う、当該アーム部４２０を移動させようとする操作に応じて、当該アーム部４２０に加えられた力の方向に当該アーム部４２０が移動するように、制御装置４３０によってアクチュエータ３００の駆動が制御され、当該アーム部４２０の動作が制御され得る。このように、力制御を用いることにより、ユーザが直接アーム部４２０に触れながら当該アーム部４２０を移動させることができるため、より容易でより直感的な操作が可能になる。なお、力制御による支持アーム装置４００の具体的な制御方法としては、各種の公知な方法が用いられてよいため、その詳細な説明は省略する。
【００４３】
ただし、支持アーム装置４００の制御方式はかかる例に限定されず、支持アーム装置４００の動作は、例えば位置制御等、他の各種の公知の制御方式によって制御されてよい。支持アーム装置４００が位置制御によって制御される場合には、支持アーム装置４００には、アーム部４２０を操作するためのコントローラ等の入力装置が設けられ得る。
【００４４】
なお、図示する例では、制御装置４３０は、ベース部４１０とケーブルを介して接続されているが、制御装置４３０と同様の機能を有する制御基板等がベース部４１０の内部に設けられてもよい。
【００４５】
以上、図２を参照して、本実施形態に係る支持アーム装置４００の概略構成について説明した。
【００４６】
ここで、本実施形態では、制御装置４３０に、アーム部４２０及び撮像ユニット４２３に対する駆動電力の供給を制御する機能（電源制御部）が設けられ得る。そして、アーム部４２０の駆動（すなわち、各関節部４２１ａ〜４２１ｆのアクチュエータ３００の駆動）と撮像ユニット４２３の駆動が電源を共有するように支持アーム装置４００が構成される場合において、その電力系統に異常又は不具合が生じた場合には、当該電源制御部は、好適に、アクチュエータ３００への電力供給をまず停止し、撮像ユニット４２３への電力供給を可能な限り継続するように、制御を行う。すなわち、支持アーム装置４００は、電力系統に異常又は不具合が生じた場合に、撮像ユニット４２３への電力の供給が優先的に行われるように設計されることが好ましい。撮像ユニット４２３への電力供給が停止された場合には、撮像ユニット４２３による術部の観察が不可能になるため、手術の継続が困難になってしまう。これに対して、本実施形態では、ブレーキ機構３７０が設けられることにより、アクチュエータ３００への電力供給が停止された場合であっても、アーム部４２０の姿勢が保持されるとともに、手動でアーム部４２０を移動させることが可能であるため、手術を継続することができる。従って、患者の安全のために手術を可能な限り継続するという観点から、上記のように撮像ユニット４２３の機能が可能な限り継続されるように支持アーム装置４００の電力系統が構成されることが好ましいのである。
【００４７】
（２−２．アクチュエータの構成）
図３を参照して、図２に示す支持アーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータの構成について説明する。図３は、本実施形態に係る支持アーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータの一構成例を示す分解斜視図である。
【００４８】
図３を参照すると、アクチュエータ３００は、モータ３１０と、減速機３２０と、入力軸エンコーダ３３０と、出力軸エンコーダ３４０と、出力軸３５０と、ハウジング３６０と、ブレーキ機構３７０と、を備える。アクチュエータ３００では、モータ３１０の回転軸の回転が減速機３２０によって所定の減速比で減速され、出力軸３５０を介して後段の他の部材に伝達されることにより、当該他の部材が駆動されることとなる。
【００４９】
なお、以下の説明では、アクチュエータの回転軸方向をｘ軸方向とも呼称する。また、当該ｘ軸方向と垂直な平面内において互いに直交する２方向を、それぞれ、ｙ軸方向及びｚ軸方向とも呼称する。
【００５０】
ハウジング３６０は、略円筒形の形状を有し、各構成部材が内部に格納される。ハウジング３６０内に各構成部材が格納された状態で、アクチュエータ３００が、上述した支持アーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに組み込まれることとなる。
【００５１】
モータ３１０は、所定の指令値（電流値）が与えられた場合に、当該指令値に対応する回転速度で回転軸を回転させることにより、駆動力を生み出す駆動機構である。モータ３１０としては、例えばブラシレスモータが用いられる。ただし、本実施形態はかかる例に限定されず、モータ３１０としては各種の公知のものが用いられてよい。
【００５２】
モータ３１０の回転軸には、減速機３２０が連結される。減速機３２０は、連結されたモータ３１０の回転軸の回転速度（すなわち、入力軸の回転速度）を、所定の減速比で減速させて出力軸３５０に伝達する。本実施形態では、減速機３２０の構成は特定のものに限定されず、減速機３２０としては各種の公知のものが用いられてよい。ただし、減速機３２０としては、例えばハーモニックドライブ（登録商標）等の、高精度に減速比が設定可能なものが用いられることが好ましい。また、減速機３２０の減速比は、アクチュエータ３００の用途に応じて適宜設定され得る。例えば、本実施形態のように、アクチュエータ３００が支持アーム装置４００の関節部４２１ａ〜４２１ｆに適用される場合であれば、１：１００程度の減速比を有する減速機３２０が好適に用いられ得る。
【００５３】
入力軸エンコーダ３３０は、入力軸の回転角度（すなわち、モータ３１０の回転角度）を検出する。出力軸エンコーダ３４０は、出力軸３５０の回転角度を検出する。入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０の構成は限定されず、入力軸エンコーダ３３０及び出力軸エンコーダ３４０としては、例えば磁気式エンコーダ、光学式エンコーダ等の各種の公知のロータリエンコーダが用いられてよい。
【００５４】
ブレーキ機構３７０は、通電時にアクチュエータ３００の回転軸を解放するとともに、非通電時にアクチュエータ３００の回転軸を拘束しその回転を停止させる機能を有する。図示する例では、ブレーキ機構３７０は入力軸エンコーダ３３０と一体的に構成されており、モータ３１０の回転軸（すなわち入力軸）を拘束することにより、アクチュエータ３００の回転を停止させるように構成されている。
【００５５】
ただし、ブレーキ機構３７０の配置は図示する例に限定されず、ブレーキ機構３７０は、入力軸エンコーダ３３０とは別個の部材として配置されてもよい。また、ブレーキ機構３７０は、必ずしも入力軸に設けられなくてもよく、出力軸３５０に設けられてもよい。ただし、アクチュエータ３００では、入力軸と出力軸３５０との間に減速機３２０が設けられており、出力軸３５０のトルクが相対的に大きくなる。従って、出力軸３５０にブレーキ機構３７０を設ける場合には、ブレーキ機構３７０にはより大きいブレーキ力が必要となるため、ブレーキ機構３７０が大型化する可能性がある。従って、図示するようにブレーキ機構３７０を入力軸に設けることにより、アクチュエータ３００、すなわち関節部４２１ａ〜４２１ｆをより小型化することが可能になる。
【００５６】
ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、電力の供給が遮断された場合に、アーム部４２０の重さを支持し、当該アーム部４２０の姿勢を保持可能に調整されている。これにより、停電等の非常時においても、アーム部４２０を安全に停止させることができる。
【００５７】
ただし、本実施形態では、併せて、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、電力が遮断されアクチュエータ３００の回転軸を拘束している場合であっても、所定の値以上の外力が負荷された場合には当該外力に従って当該回転軸が回転可能なように、調整されている。これにより、電源喪失時であっても、人手でアーム部４２０を動かすことが可能となるため、手術を継続することが可能になる。なお、ブレーキ機構３７０の具体的な構成については、下記（２−３．ブレーキ機構の構成）で詳しく説明する。
【００５８】
なお、本実施形態では、非通電時にアーム部４２０の姿勢を保持するために、全ての関節部４２１ａ〜４２１ｆにブレーキ機構３７０が設けられ得るが、その全てにおいて、上記のようなブレーキ力の調整が行われなくてもよい。例えば、関節部４２１ａ〜４２１ｆのうち、手術を継続するために必要な動作を実現可能な関節部に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０に対してのみ、上記のようなブレーキ力の調整が行われてよい。手術が始まった後には、先端ユニットの位置を大きく変化させるようにアーム部４２０を動かすことは考えにくいため、例えば、手術中に停電等によりアーム部４２０が固定された場合には、関節部４２１ａ〜４２１ｆのうち、先端ユニットの姿勢を規定し得る関節部だけが外力に応じて操作できれば十分だからである。
【００５９】
図２に示す構成例であれば、より先端側に設けられ、撮像ユニット４２３の姿勢を規定し得る関節部である、関節部４２１ｄ〜４２１ｆに設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０に対してのみ、上述したようなブレーキ力の調整が行われてよい。この場合、残りの関節部４２１ａ〜４２１ｃに設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０は、非通電時にアーム部４２０の位置及び姿勢をより強固に固定するより強いブレーキ力を有してよい。これにより、アーム部４２０に設けられるブレーキ機構３７０のうち、一部のブレーキ機構３７０のみそのブレーキ力を調整すればよく、他のブレーキ機構３７０については、ブレーキ力を詳細に設計する必要がなくなるため、アーム部４２０の設計がより容易になる。
【００６０】
また、各関節部４２１ｄ〜４２１ｆにおいて、その支持すべき先端側の構成についてバランスが取れている場合（すなわち、先端側の構成の重心がその関節部４２１ｄ〜４２１ｆの回転軸上に位置する場合）には、その関節部４２１ｄ〜４２１ｆには、ブレーキ機構３７０は必ずしも設けられなくてもよい。これは、アーム部４２０を構成するある関節部について、当該関節部が支持すべき当該関節部よりも先端側の構成が当該関節部に対してバランスが取れた状態にある場合には、当該関節部においてブレーキ力を生じさせなくても、アーム部４２０の姿勢が保持され得るからである。
【００６１】
例えば、図２に示す構成例のように、撮像ユニット４２３を支持する関節部４２１ｆにおける回転軸が、当該撮像ユニット４２３の光軸と略平行な回転軸であるようにアーム部４２０が構成される場合には、当該関節部４２１ｆには、ブレーキ機構３７０は必ずしも設けられなくてもよい。これは、一般的に、撮像ユニット４２３は円筒形状を有することが多いため、その重心は光軸上に位置することが多く、上述したように関節部４２１ｆの回転軸が撮像ユニット４２３の光軸と略平行である場合には、撮像ユニット４２３の重心が関節部４２１ｆの回転軸上に位置する可能性が高い、すなわち、関節部４２１ｆに対して撮像ユニット４２３はバランスが取れている可能性が高いからである。従って、関節部４２１ｆにブレーキ機構３７０が設けられない場合であっても、電源喪失時に撮像ユニット４２３が自重によって移動（回転）してしまう事態は生じ難いと考えられるのである。
【００６２】
以上、図３を参照して、本実施形態に係るアクチュエータ３００の全体構成について説明した。なお、アクチュエータ３００は、図示した構成以外の他の構成を更に備えてもよい。例えば、アクチュエータ３００は、モータ３１０に電流を供給することによりモータ３１０を回転駆動させるドライバ回路（ドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ））や、出力軸３５０に作用するトルクを検出するトルクセンサ等、一般的なアクチュエータが有し得る各種の部材を更に備えてもよい。特に、支持アーム装置４００の動作が力制御によって制御される場合には、アーム部４２０に作用する力を検出するために、アクチュエータ３００にはトルクセンサが好適に設けられ得る。
【００６３】
（２−３．ブレーキ機構の構成）
図４及び図５を参照して、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の構成について詳細に説明する。図４は、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の構成を示す断面斜視図である。図５は、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の動作を説明するための説明図である。なお、ブレーキ機構３７０は、いわゆる乾式多板電磁ブレーキと呼称されるものである。
【００６４】
図４では、ブレーキ機構３７０を中心軸を通る平面で切断した場合における断面斜視図を図示している。図４を参照すると、ブレーキ機構３７０は、いずれも略円板形状を有する、基材３７１と、アーマチュア３７４と、ハブ３７６と、が回転軸方向（ｘ軸方向）に重ね合わされて構成される。基材３７１、アーマチュア３７４及びハブ３７６には、その円板形状の略中心に開口部が設けられており、当該開口部にアクチュエータ３００の回転軸（図３に示す例であればモータ３１０の回転軸）が挿入される。
【００６５】
ハブ３７６は、アクチュエータ３００の回転軸に固定的に嵌合され、アクチュエータ３００の駆動に伴い当該アクチュエータ３００の回転軸とともに回転する。一方、基材３７１及びアーマチュア３７４は、アクチュエータ３００の回転軸にベアリング（図示せず）を介して接続されている。また、アーマチュア３７４は、基材３７１とハブ３７６との間で、回転軸方向に移動可能に構成されている。
【００６６】
更に、ハブ３７６の外周には、略円環形状のディスク３７５及びプレート３７７が設けられる。ハブ３７６の外周に対応する領域において、アーマチュア３７４、ディスク３７５及びプレート３７７が、回転軸方向においてこの順に積層される。
【００６７】
ハブ３７６とディスク３７５とはスプラインで結合されており、ハブ３７６及びディスク３７５は、アクチュエータ３００の回転軸とともに一体的に回転する。一方、プレート３７７は、ハブ３７６を介さず、ボルト３７８によって、基材３７１及びアーマチュア３７４と接続されている。つまり、ブレーキ機構３７０では、図示した構成のうち、ハブ３７６及びディスク３７５のみが、アクチュエータ３００の回転軸とともに回転する。
【００６８】
基材３７１の内部にはコイル３７２が設けられている。また、基材３７１とアーマチュア３７４との間は、バネ（図示せず）によって接続されている。コイル３７２に印加される電流による磁力及びバネによる復元力により、アーマチュア３７４が回転軸方向に移動し、ブレーキの解除及び起動が実現される。
【００６９】
図５を参照して、ブレーキ機構３７０の動作について詳細に説明する。図５では、簡単のため、ブレーキ機構３７０の中心軸を通る断面のうち、当該中心軸を挟んだ半分に対応する構成のみを図示している。また、図５では、図４では図示を省略していたバネ３７９を模擬的に図示している。
【００７０】
図５（ａ）は、通電時、すなわちコイル３７２に電力が供給されている場合におけるブレーキ機構３７０の様子を示している。これは、ブレーキ機構３７０によるアクチュエータ３００の回転軸の拘束が解放されている状態に対応している。
【００７１】
通電時には、図５（ａ）に示すように、コイル３７２への通電による磁力により、アーマチュア３７４が基材３７１に引き寄せられるように回転軸方向に移動する。これにより、アーマチュア３７４、ディスク３７５及びプレート３７７は、回転軸方向において互いに所定の間隔を有することとなる。アクチュエータ３００の回転軸が回転した場合には、ハブ３７６及びディスク３７５がともに回転するが、アーマチュア３７４、ディスク３７５及びプレート３７７が互いに接触していないため、ディスク３７５は空転し、アクチュエータ３００の回転に対してブレーキ力は作用しない。なお、このとき、基材３７１とアーマチュア３７４とを接続するバネ３７９は、アーマチュア３７４が基材３７１に引き寄せられることにより、圧縮された状態にある。
【００７２】
図５（ｂ）は、非通電時、すなわちコイル３７２に電力が供給されていない場合におけるブレーキ機構３７０の様子を示している。これは、ブレーキ機構３７０によってアクチュエータ３００の回転軸が拘束されている状態に対応している。
【００７３】
非通電時には、コイル３７２への通電による磁力が消失するため、図５（ｂ）に示すように、バネ３７９の復元力により、アーマチュア３７４が基材３７１から遠ざかるように回転軸方向に移動する。これにより、アーマチュア３７４によって、ディスク３７５がプレート３７７に押圧される。従って、ディスク３７５とプレート３７７との間で発生する静止摩擦力により、ディスク３７５の回転が停止され、すなわち、アクチュエータ３００の回転軸の回転が停止される。
【００７４】
ここで、上述したように、本実施形態では、ブレーキ機構３７０のブレーキ力が、非通電時に、アーム部４２０の重さを支持し当該アーム部４２０の姿勢を保持可能であるとともに、所定の値以上の外力が負荷された場合には当該外力に従って回転軸が回転するように調整されている。以上説明したように、ブレーキ機構３７０におけるブレーキ力は、ディスク３７５とプレート３７７との間で発生する静止摩擦力であるため、本実施形態では、当該静止摩擦力の大きさを規定し得る事項が調整されることにより、ブレーキ機構３７０のブレーキ力が上記の条件を満たすように調整され得る。
【００７５】
例えば、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、ディスク３７５とプレート３７７との接触面積、ディスク３７５とプレート３７７との接触面の静止摩擦係数、及び、バネ３７９の復元力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整され得る。
【００７６】
なお、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、具体的には、アーム部４２０の重さに応じた最大応力がアクチュエータ３００（すなわち関節部４２１ａ〜４２１ｆ）に作用し得る最悪姿勢においても、当該アーム部４２０の姿勢を保持可能なように決定され得る。最悪姿勢においてアクチュエータ３００に作用する力は、アーム部４２０の構造を模擬した計算モデルを用いたシミュレーションを行うことにより求めることができる。求められた力に耐え得る静止摩擦力（すなわちブレーキ力）が実現されるように、ブレーキ機構３７０の上述した各構成の具体的な設計が行われ得る。
【００７７】
また、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、アーム部４２０において当該ブレーキ機構３７０が設けられる位置に応じて変更されてもよい。例えば、アーム部４２０では、先端に近付くほど、関節部４２１ａ〜４２１ｆにおいて支持すべき構成が軽くなるため、先端側に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０では、根元側に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０に比べて、アーム部４２０の姿勢を保持するために必要なブレーキ力は小さくなる。従って、先端側に設けられるアクチュエータ３００のブレーキ機構３７０ほどブレーキ力が小さくなるように、当該ブレーキ機構３７０のブレーキ力に差が設けられてよい。このように、ブレーキ機構３７０ごとにブレーキ力をそれぞれ調整することにより、緻密なブレーキ力の設計が可能となるため、非通電時におけるアーム部４２０の挙動（アーム部４２０の停止及び手動によるアーム部４２０の移動）が、より適切に実現され得る。なお、アーム部４２０における配置位置に応じた各ブレーキ機構３７０のブレーキ力の最適値は、ブレーキ力に差を設けながら上記最悪姿勢を考慮したシミュレーションを繰り返し行うことにより求められてよい。
【００７８】
以上、図４及び図５を参照して、本実施形態に係るブレーキ機構３７０の構成について説明した。本実施形態では、支持アーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに、上述したブレーキ機構３７０が搭載される。以上説明したように、ブレーキ機構３７０は、電力の供給が停止した場合に関節部４２１ａ〜４２１ｆを固定し、アーム部４２０の姿勢を保持するように構成されている。従って、例えば停電等の非常時においても、アーム部４２０の動作を安全に停止させることができる。また、ブレーキ機構３７０は、電力の供給が途絶え、ブレーキが作動している状態であっても、所定の値以上の外力が作用した場合には関節部４２１ａ〜４２１ｆが動作可能となるように、そのブレーキ力が調整されている。従って、電源喪失時であっても手動でアーム部４２０を動作させて、手術を継続することが可能になる。このように、本実施形態によれば、支持アーム装置４００における安全性をより向上させることができる。
【００７９】
（３．ブレーキ力の設定方法の具体例）
ここで、上述したブレーキ機構３７０のブレーキ力の設定方法についてより詳細に説明する。図６は、ブレーキ機構３７０のブレーキ力の設定方法について説明するための図である。
【００８０】
上述したように、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、最悪姿勢においてもアーム部の姿勢を保持可能なように決定され得る。図６では、アーム部２０の先端から２軸目までの構成が最悪姿勢を取った状態を模擬的に図示している。図６に示す構成例では、アーム部２０の先端近傍は、先端に設けられる撮像ユニット２０１と、当該撮像ユニット２０１を光軸と略平行な回転軸（Ｏ１軸）まわりに回動可能に支持する関節部２０３と、Ｏ１軸と略平行な方向に延伸するとともに先端で関節部２０３を支持するリンク２０５と、当該リンク２０５をその延伸方向と略垂直な回転軸（Ｏ２軸）まわりに回動可能に支持する関節部２０７と、Ｏ２軸と略垂直な方向に延伸するとともに先端で関節部２０７を支持するリンク２０９と、から構成されている。図６では、関節部２０３、２０７を簡略化して図示しているが、これら関節部２０３、２０７は、図２に示す関節部４２１ａ〜４２１ｆと同様に、図３に示すアクチュエータ３００、すなわちブレーキ機構３７０を有するものである。また、撮像ユニット２０１は、図２に示す撮像ユニット４２３と同様に、ビデオ式の顕微鏡である。
【００８１】
ここでは、一例として、図６に示す構成において、２軸目の回転軸であるＯ２軸に対応する関節部２０７に設けられるブレーキ機構３７０のブレーキ力を設定する場合について説明する。関節部２０７についてのアーム部２０の最悪姿勢とは、具体的には、図６に示すように、当該関節部２０７によって支持される当該関節部２０７よりも先端側の構成（図中破線で囲って示す構成。以下、先端構成２１１と呼称する）が水平になった姿勢である。この姿勢のときに、関節部２０７に、先端構成２１１の自重を支持するための最も大きな応力が作用することとなる。
【００８２】
関節部２０７のブレーキ機構３７０のブレーキ力は、このような最悪姿勢においても非通電時にアーム部２０の姿勢を保持し得るように、すなわち先端構成２１１を支持し得るように、決定される。具体的には、先端構成２１１に作用する重力をα（Ｎ）とし、最悪姿勢における先端構成２１１の重心２１３と、関節部２０７の回転軸Ｏ２軸との間の距離をＬ（ｍ）とすると、非通電時にアーム部２０の姿勢を保持するためには、関節部２０７のブレーキ機構３７０には、α×Ｌの大きさのモーメントを支持するだけのブレーキ力が必要とされる。従って、関節部２０７のブレーキ機構３７０のブレーキ力は、当該モーメントの大きさに対してマージンを加味した値を少なくとも支持し得るように、決定される。このように、ブレーキ機構３７０のブレーキ力は、当該ブレーキ機構３７０が設けられる関節部２０７よりも先端側の構成（すなわち、先端構成２１１）の重量と、当該先端構成２１１の重心２１３と関節部２０７の回転軸Ｏ２軸との距離に応じて、決定され得る。
【００８３】
例えば、本発明者らが本実施形態で好適に想定され得る構成の一例について実際に設計を行った結果、撮像ユニット２０１の重量が３００（ｇ）〜５００（ｇ）程度であり、先端構成２１１の重心２１３と関節部２０７の回転軸Ｏ２軸との距離Ｌが約０．１（ｍ）である場合には、先端構成２１１に作用する重力αは約５．０（Ｎ）であった。この場合、関節部２０７のブレーキ機構３７０には、少なくとも、α×Ｌ＝５．０（Ｎ）×０．１（ｍ）＝０．５（Ｎ・ｍ）のモーメントを支持し得るだけのブレーキ力が求められる。従って、例えばマージン分を０．５（Ｎ・ｍ）として、関節部２０７のブレーキ機構３７０のブレーキ力は、０．５（Ｎ・ｍ）＋０．５（Ｎ・ｍ）＝１．０（Ｎ・ｍ）のモーメントを支持し得る値に設定されればよい。
【００８４】
（４．ブレーキ機構の変形例）
以上説明した実施形態では、ブレーキ機構３７０として、コイル３７２への通電による磁力及びバネ３７９による復元力を利用したものを用いていた。しかしながら、本実施形態では、ブレーキ機構３７０の具体的な構成はかかる例に限定されない。本実施形態では、非通電時にアクチュエータ３００の回転軸を拘束し、通電時に当該拘束を解放する機能を有するブレーキ機構であり、そのブレーキ力を調整可能なブレーキ機構であれば、あらゆる種類のブレーキ機構が用いられてよい。ここでは、本実施形態のいくつかの変形例として、ブレーキ機構３７０の他の構成例について説明する。
【００８５】
なお、以下に説明する各変形例に係るブレーキ機構についても、上述した実施形態でブレーキ機構３７０について説明した事項と同様の事項が、可能な範囲で適用され得る。例えば、上述した実施形態と同様に、各変形例に係るブレーキ機構のブレーキ力は、アーム部４２０において当該ブレーキ機構が設けられる位置に応じて変更されてもよい。また、全ての関節部４２１ａ〜４２１ｆにブレーキ力が調整された本変形例に係るブレーキ機構が設けられなくてもよく、手術の継続に必要な動作を実現可能な関節部（例えば先端側に設けられる関節部４２１ｄ〜４２１ｆ）に設けられるブレーキ機構についてのみ、そのブレーキ力が調整されてよい。
【００８６】
（４−１．油圧シリンダを用いたブレーキ）
図７を参照して、本実施形態の一変形例に係るブレーキ機構の構成について説明する。図７は、本実施形態の一変形例に係るブレーキ機構の構成を示す断面図である。図７では、本変形例に係るブレーキ機構を中心軸を通る平面で切断した場合における断面図を図示している。図７に示すブレーキ機構が、図４を参照して説明したブレーキ機構３７０に代えてアクチュエータ３００に搭載され、本実施形態に係る支持アーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに搭載され得る。
【００８７】
図７を参照すると、本変形例に係るブレーキ機構３８０は、回転軸３８１の外周に、ベアリング３８２を介してハウジング３８３が結合されて構成される。回転軸３８１は、アクチュエータ３００のモータ３１０の回転軸に対応するものである。
【００８８】
ハウジング３８３内には、円板形状の複数のプレート３８４と、同じく円板形状の複数のディスク３８５と、が設けられる。複数のプレート３８４及び複数のディスク３８５には、その円板形状の略中心に開口部が設けられており、当該開口部に回転軸３８１が挿入される。図示するように、複数のプレート３８４及び複数のディスク３８５は、回転軸３８１の方向に交互に重ね合わされて配置される。図７では、簡単のため、重ね合わされたプレート３８４及びディスク３８５が全て接触しているように図示しているが、実際には、プレート３８４とディスク３８５との間には、以下に説明する通電時及び非通電時の動作を実現可能なように、所定の隙間が設けられている。
【００８９】
複数のディスク３８５は、回転軸３８１に対してスプラインで結合されており、回転軸３８１とともに回転する。一方、複数のプレート３８４は、ハウジング３８３内に設けられるシリンダ３８６と固定的に接続されている。シリンダ３８６は、ハウジング３８３に設けられる開口部３８９を介して加えられる油圧によって、ハウジング３８３内を回転軸３８１方向に移動可能に構成される。
【００９０】
シリンダ３８６の回転軸３８１方向における一端側には、当該シリンダ３８６を回転軸３８１方向に押圧するプレスプレート３８７が設けられる。プレスプレート３８７は、バネ３８８によってハウジング３８３と接続されており、当該バネ３８８の復元力により、プレスプレート３８７によってシリンダ３８６が押圧され、当該シリンダ３８６が回転軸３８１方向に移動する。つまり、シリンダ３８６及び当該シリンダ３８６に接続されたプレート３８４は、油圧及びバネ３８８による復元力により、回転軸３８１方向に移動可能に構成されている。
【００９１】
ブレーキ機構３８０も、ブレーキ機構３７０と同様に、非通電時にアクチュエータ３００の回転軸を拘束し、通電時に当該拘束を解放する機能を有する。
【００９２】
通電時（すなわちブレーキ解除時）には、図示しないコンプレッサ等により加圧され、シリンダ３８６がプレスプレート３８７に向かって、当該プレスプレート３８７を押圧しながら回転軸３８１方向に移動する（図示する例ではｘ軸の正方向に移動する）。シリンダ３８６とともにプレート３８４もｘ軸の正方向に移動し、プレート３８４とディスク３８５とが互いに所定の間隔を有する状態となる。従って、回転軸３８１が回転した場合には、ディスク３８５は空転し、当該回転軸３８１の回転に対してブレーキ力が作用しない。なお、このとき、ハウジング３８３とプレスプレート３８７とを接続するバネ３８８は、シリンダ３８６によってプレスプレート３８７が押圧されることにより、圧縮された状態にある。
【００９３】
一方、非通電時（すなわちブレーキ作動時）には、加圧がなされないために、シリンダ３８６がプレスプレート３８７を押圧する力が弱まる。当該押圧力がバネ３８８の復元力よりも小さくなると、バネ３８８の復元力によってプレスプレート３８７によってシリンダ３８６が押圧され、当該シリンダ３８６がｘ軸の負方向に移動し、プレート３８４がディスク３８５に押圧される。従って、プレート３８４とディスク３８５との間に発生する静止摩擦力により、ディスク３８５の回転が停止され、すなわち、回転軸３８１の回転が停止される。
【００９４】
なお、本変形例においても、上述した実施形態と同様に、ブレーキ機構３８０のブレーキ力は、非通電時にアーム部４２０の重さを支持し当該アーム部４２０の姿勢を保持可能であるとともに所定の値以上の外力が負荷された場合には当該外力に従ってアクチュエータ３００の回転軸が回転可能であるように調整されている。以上説明したように、ブレーキ機構３８０のブレーキ力は、ディスク３８５とプレート３８４との間で発生する静止摩擦力であるため、本変形例では、当該静止摩擦力の大きさを規定し得る事項が調整されることにより、ブレーキ機構３８０のブレーキ力が上記の条件を満たすように調整され得る。
【００９５】
例えば、ブレーキ機構３８０のブレーキ力は、ディスク３８５とプレート３８４との接触面積、ディスク３８５とプレート３８４との接触面の静止摩擦係数、及び、バネ３８８の復元力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整され得る。具体的なブレーキ力は、上述した実施形態と同様に、アーム部４２０の最悪姿勢を考慮したシミュレーションによって決定されてよい。
【００９６】
以上、本実施形態の一変形例として、通電時及び非通電時におけるブレーキ動作が、油圧及びバネ３８８の復元力によって実現されるブレーキ機構３８０について説明した。
【００９７】
（４−２．磁性流体を用いたブレーキ）
図８を参照して、本実施形態の他の変形例に係るブレーキ機構の構成について説明する。図８は、本実施形態の他の変形例に係るブレーキ機構の構成を示す断面図である。図８では、本変形例に係るブレーキ機構を中心軸を通る平面で切断した場合における断面図を図示している。図８に示すブレーキ機構が、図４を参照して説明したブレーキ機構３７０に代えてアクチュエータ３００に搭載され、本実施形態に係る支持アーム装置４００の各関節部４２１ａ〜４２１ｆに搭載され得る。
【００９８】
図８を参照すると、本変形例に係るブレーキ機構３９０は、回転軸３９１と固定的に接続される円板形状のディスク３９２と、回転軸３９１方向において当該ディスク３９２と対向して設けられるヨーク部材３９３と、から構成される。回転軸３９１は、アクチュエータ３００のモータ３１０の回転軸に対応するものである。また、ヨーク部材３９３は、例えばモータ３１０のハウジング等、回転軸３９１に対して相対的に固定される部材に対して固定的に接続されている。
【００９９】
ヨーク部材３９３の内部には、コイル３９４が設けられる。また、ディスク３９２の、ヨーク部材３９３と対向する面には、同心円状に固定的に接続される２つの環状の永久磁石３９５ａ、３９５ｂが設けられる。更に、ヨーク部材３９３と永久磁石３９５ａ、３９５ｂそれぞれとの当接面間には、磁性流体３９６ａ、３９６ｂが充填される。磁性流体３９６ａ、３９６ｂは、例えば、強磁性体粉末（例えば、１０（ｎｍ）程度の微粒子）を溶液（例えば、有機溶媒）に安定に分散させたコロイド状の流体であり、磁気により連鎖し固体様又は固定状態となるものである。
【０１００】
ブレーキ機構３９０も、ブレーキ機構３７０と同様に、非通電時にアクチュエータ３００の回転軸を拘束し、通電時に当該拘束を解放する機能を有する。
【０１０１】
非通電時（すなわちブレーキ作動時）には、コイル３９４に電流が印加されず、永久磁石３９５ａから出た磁束が、磁性流体３９６ａ、ヨーク部材３９３、磁性流体３９６ｂ、永久磁石３９５ｂ及びディスク３９２をこの順に通過し再び永久磁石３９５ａに戻る磁気回路が形成される。つまり、非通電時には、磁性流体３９６ａ、３９６ｂに、後述する通電時よりも強い磁界が作用している状態となる。当該磁界により、磁性流体３９６ａ、３９６ｂが固体化されるため、固体化された当該磁性流体３９６ａ、３９６ｂによってディスク３９２とヨーク部材３９３とが接続される。従って、ディスク３９２の回転、すなわち回転軸３９１の回転が拘束され、ブレーキが作動した状態となる。
【０１０２】
一方、通電時（すなわちブレーキ解除時）には、永久磁石３９５ａ、３９５ｂによる磁界を打ち消すような磁界を生じさせるように、コイル３９４に電流が印加される。これにより、磁性流体３９６ａ、３９６ｂに印加される磁界が弱まり、磁性流体３９６ａ、３９６ｂの固体化が緩和される。従って、流体となった磁性流体３９６ａ、３９６ｂによる摩擦力は存在するものの、ディスク３９２がヨーク部材３９３に対して解放された状態となるため、回転軸３８１が回転した場合にディスク３９２が空転し、当該回転軸３９１の回転に対してブレーキ力が作用しない。
【０１０３】
なお、本変形例においても、上述した実施形態と同様に、ブレーキ機構３９０のブレーキ力は、非通電時にアーム部４２０の重さを支持し当該アーム部４２０の姿勢を保持可能であるとともに所定の値以上の外力が負荷された場合には当該外力に従ってアクチュエータ３００の回転軸が回転可能であるように調整されている。以上説明したように、ブレーキ機構３９０のブレーキ力は、固体化した磁性流体３９６ａ、３９６ｂによるディスク３９２とヨーク部材３９３との接着力（厳密には、永久磁石３９５ａ、３９５ｂを介しているため、永久磁石３９５ａ、３９５ｂとヨーク部材３９３との接着力）であるため、本変形例では、当該接着力の大きさを規定し得る事項が調整されることにより、ブレーキ機構３９０のブレーキ力が上記の条件を満たすように調整され得る。
【０１０４】
例えば、ブレーキ機構３９０のブレーキ力は、磁性流体３９６ａ、３９６ｂの材質、固体化した磁性流体３９６ａ、３９６ｂとヨーク部材３９３との接触面積、固体化した磁性流体３９６ａ、３９６ｂとディスク３９２（厳密には永久磁石３９５ａ、３９５ｂ）との接触面積、及び、永久磁石３９５ａ、３９５ｂの磁力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整され得る。具体的なブレーキ力は、上述した実施形態と同様に、アーム部４２０の最悪姿勢を考慮したシミュレーションによって決定されてよい。
【０１０５】
以上、本実施形態の他の変形例として、通電時及び非通電時におけるブレーキ動作が、磁性流体３９６ａ、３９６ｂの固体化によって実現されるブレーキ機構３９０について説明した。
【０１０６】
（５．補足）
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１０７】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的又は例示的なものであって限定的なものではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏し得る。
【０１０８】
例えば、上記実施形態では、観察ユニットがビデオ式の顕微鏡である場合について説明したが、本開示に係る技術はかかる例に限定されない。例えば、観察ユニットは内視鏡であってもよい。内視鏡はトロッカーを介して患者の体腔内に挿入されるものの、内視鏡の鏡筒とトロッカーとの間には隙間が存在し得るため、電源喪失時にアーム部の姿勢が保持されないと、内視鏡が微動し、場合によっては患者に危険を及ぼす可能性がある。本実施形態に係るブレーキ機構３７０、３８０、３９０によれば、電源喪失時にアーム部の姿勢を保持することが可能であるため、このような危険を防止することができる。このように、本実施形態に係るブレーキ機構３７０、３８０、３９０の構成及び機能は、観察ユニットが内視鏡である場合にも効果を奏するものである。
【０１０９】
また、例えば、上記実施形態で説明したように、本実施形態に係る支持アーム装置４００は、医療用途に好適に適用され得る。しかしながら、本実施形態に係る支持アーム装置４００の適用範囲は医療用に限定されず、他の分野であってもよい。例えば、以上説明したブレーキ機構３７０、３８０、３９０に係る技術が、工場等で用いられる産業用の支持アーム装置に適用されてもよい。当該技術が適用されることにより、停電等の非常時に、動作を安全に停止させつつ、手動で最低限の動作を行わせることが可能となるため、産業用途であっても、より利便性の高い支持アーム装置４００を実現することができる。また、より一般的に、複数の駆動可能な関節部を有するあらゆる装置に対して、以上説明したブレーキ機構３７０、３８０、３９０に係る技術が適用されてもよい。
【０１１０】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）アーム部を構成する複数の関節部に、通電時に前記関節部の回転軸を解放し非通電時に当該回転軸を拘束するブレーキ機構が設けられ、前記ブレーキ機構は、非通電時に前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有する、医療用支持アーム装置。
（２）前記ブレーキ力は、前記アーム部の重さに応じた最大応力が前記関節部に作用する最悪姿勢においても、前記アーム部の姿勢を保持可能なように決定される、前記（１）に記載の医療用支持アーム装置。
（３）前記ブレーキ力は、前記アーム部において前記ブレーキ機構が設けられる位置に応じて、互いに異なる値に調整される、前記（１）又は（２）に記載の医療用支持アーム装置。
（４）前記ブレーキ力は、前記アーム部の先端側に配置される前記ブレーキ機構ほど、小さい値に調整される、前記（１）〜（３）のいずれか１項に医療用支持アーム装置。
（５）非通電時に前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有するブレーキ機構は、前記複数の関節部のうち、前記アーム部の先端に設けられる先端ユニットの姿勢を規定し得る関節部にのみ設けられる、前記（１）〜（４）のいずれか１項に医療用支持アーム装置。
（６）前記ブレーキ機構は、コイルへの通電による磁力及びバネによる復元力により前記回転軸方向に移動可能に構成されるアーマチュアと、前記回転軸とともに回転するディスクと、前記ディスクを挟んで前記アーマチュアと対向して設けられるプレートと、を有し、通電時には、前記コイルへの通電による磁力により、前記アーマチュア、前記ディスク及び前記プレートが互いに所定の間隔を有するように前記アーマチュアが移動することにより、前記回転軸の拘束が解除され、非通電時には、前記バネによる復元力により、前記ディスクを前記プレートに押圧するように前記アーマチュアが移動することにより、前記回転軸が拘束される、前記（１）〜（５）のいずれか１項に医療用支持アーム装置。
（７）前記ブレーキ機構のブレーキ力は、前記ディスクと前記プレートとの接触面積、前記ディスクと前記プレートとの接触面の静止摩擦係数、及び前記バネの復元力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整される、前記（６）に医療用支持アーム装置。
（８）前記ブレーキ機構は、前記回転軸とともに回転するディスクと、前記ディスクと対向して設けられるプレートが接続され、油圧及びバネによる復元力により前記回転軸方向に移動可能に構成されるシリンダと、を有し、通電時には、油圧により、前記ディスク及び前記プレートが互いに所定の間隔を有するように前記シリンダが移動することにより、前記回転軸の拘束が解除され、非通電時には、前記バネによる復元力により、前記プレートを前記ディスクに押圧するように前記シリンダが移動することにより、前記回転軸が拘束される、前記（１）〜（５）のいずれか１項に医療用支持アーム装置。
（９）前記ブレーキ機構のブレーキ力は、前記ディスクと前記プレートとの接触面積、前記ディスクと前記プレートとの接触面の静止摩擦係数、及び前記バネの復元力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整される、前記（８）に医療用支持アーム装置。
（１０）前記ブレーキ機構は、前記回転軸とともに回転するディスクと、前記回転軸方向において前記ディスクと対向して設けられ、内部にコイルが設けられるヨーク材と、前記ディスクの前記ヨーク材と対向する面に設けられる永久磁石と、前記ヨーク材と前記永久磁石との間に設けられ、印加される磁界の強さに応じて固体化する磁性流体と、を有し、通電時には、前記コイルへの通電により、前記永久磁石による磁界を打ち消すように前記コイルから磁界を発生させることにより、前記磁性流体の固体化が緩和され、前記回転軸の拘束が解除され、非通電時には、前記永久磁石からの磁界により前記磁性流体が固体化することにより、前記ヨーク材と前記ディスクとが固体化された前記磁性流体によって接続され、前記回転軸が拘束される、前記（１）〜（５）のいずれか１項に医療用支持アーム装置。
（１１）前記ブレーキ機構のブレーキ力は、前記磁性流体の材質、固体化した前記磁性流体と前記ヨーク材との接触面積、固体化した前記磁性流体と前記永久磁石との接触面積、及び前記永久磁石の磁力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整される、前記（１０）に医療用支持アーム装置。
（１２）複数の関節部から構成されるアーム部と、前記アーム部の先端に設けられ患者の術部を観察する観察ユニットと、を備え、複数の前記関節部に、通電時に前記関節部の回転軸を解放し非通電時に当該回転軸を拘束するブレーキ機構が設けられ、前記ブレーキ機構は、非通電時に前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有する、医療用観察装置。
（１３）前記アーム部及び前記観察ユニットに対する駆動電力の供給を制御する電源制御部、を更に備え、前記電源制御部は、電力系統に異常又は不具合が生じた場合に、前記アーム部への電力の供給を遮断し、前記観察ユニットに優先的に電力を供給する、前記（１２）に記載の医療用観察装置。
【符号の説明】
【０１１１】
３００    アクチュエータ
３１０    モータ
３２０    減速機
３３０    入力軸エンコーダ
３４０    出力軸エンコーダ
３５０    出力軸
３６０    ハウジング
３７０、３８０、３９０    ブレーキ機構
４００、５１０    支持アーム装置（観察装置）
４１０、５１１    ベース部
４２０、５１２    アーム部
４２１ａ〜４２１ｆ、５１３ａ〜５１３ｃ    関節部
４２３、５１５    撮像ユニット
【図１】
2020093110.tif 000003
【図２】
2020093110.tif 000004
【図３】
2020093110.tif 000005
【図４】
2020093110.tif 000006
【図５】
2020093110.tif 000007
【図６】
2020093110.tif 000008
【図７】
2020093110.tif 000009
【図８】
2020093110.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和2年3月18日(2020.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーム部を構成する少なくとも一つの関節部に、通電時に前記少なくとも一つの関節部の回転を制御して前記アーム部の姿勢を制御するアクチュエータと、通電時に前記少なくとも一つの関節部の回転軸を解放するブレーキ機構とが設けられ、
前記ブレーキ機構は、前記アクチュエータによる制御が停止する非通電時に、前記少なくとも一つの関節部の回転軸を拘束することで前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに、所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有する、
医療用支持アーム装置。
【請求項２】
前記ブレーキ力は、前記アーム部の重さに応じた最大応力が前記少なくとも一つの関節部に作用する姿勢においても、前記アーム部の姿勢を保持可能なように決定される、
請求項１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項３】
前記ブレーキ力は、前記アーム部において前記ブレーキ機構が設けられる位置に応じて、互いに異なる値に調整される、
請求項１又は２に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項４】
前記ブレーキ力は、前記アーム部の先端側に配置される前記ブレーキ機構ほど、小さい値に調整される、
請求項３に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項５】
非通電時に前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに、所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有するブレーキ機構は、前記少なくとも一つの関節部のうち、前記アーム部の先端に設けられる先端ユニットの姿勢を規定し得る関節部にのみ設けられる、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項６】
前記ブレーキ機構は、
コイルへの通電による磁力及びバネによる復元力により前記回転軸方向に移動可能に構成されるアーマチュアと、
前記回転軸とともに回転するディスクと、
前記ディスクを挟んで前記アーマチュアと対向して設けられるプレートと、
を有し、
通電時には、前記コイルへの通電による磁力により、前記アーマチュア、前記ディスク及び前記プレートが互いに所定の間隔を有するように前記アーマチュアが移動することにより、前記回転軸の拘束が解除され、
非通電時には、前記バネによる復元力により、前記ディスクを前記プレートに押圧するように前記アーマチュアが移動することにより、前記回転軸が拘束される、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項７】
前記ブレーキ機構のブレーキ力は、前記ディスクと前記プレートとの接触面積、前記ディスクと前記プレートとの接触面の静止摩擦係数、及び前記バネの復元力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整される、
請求項６に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項８】
前記ブレーキ機構は、
前記回転軸とともに回転するディスクと、
前記ディスクと対向して設けられるプレートが接続され、油圧及びバネによる復元力により前記回転軸方向に移動可能に構成されるシリンダと、
を有し、
通電時には、油圧により、前記ディスク及び前記プレートが互いに所定の間隔を有するように前記シリンダが移動することにより、前記回転軸の拘束が解除され、
非通電時には、前記バネによる復元力により、前記プレートを前記ディスクに押圧するように前記シリンダが移動することにより、前記回転軸が拘束される、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項９】
前記ブレーキ機構のブレーキ力は、前記ディスクと前記プレートとの接触面積、前記ディスクと前記プレートとの接触面の静止摩擦係数、及び前記バネの復元力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整される、
請求項８に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１０】
前記ブレーキ機構は、
印加される磁界の強さに応じて固体化する磁性流体、
を有し、
通電時には、第１の磁界が印加されることで、前記磁性流体の固体化が緩和されて前記回転軸の拘束が解除され、
非通電時には、前記第１の磁界よりも強い第２の磁界が印加されることで、前記磁性流体が固体化することにより、前記回転軸が拘束される、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１１】
前記ブレーキ機構は、
前記回転軸とともに回転するディスクと、
前記回転軸方向において前記ディスクと対向して設けられ、内部にコイルが設けられるヨーク材と、
前記ディスクの前記ヨーク材と対向する面に設けられる永久磁石と、
を有し、
前記磁性流体は、
ヨーク材と前記永久磁石との間に設けられ、
通電時には、前記コイルへの通電により、前記永久磁石による磁界を打ち消すように前記コイルから磁界を発生させることにより、前記磁性流体の固体化が緩和され、前記回転軸の拘束が解除され、
非通電時には、前記永久磁石からの磁界により前記磁性流体が固体化することにより、前記ヨーク材と前記ディスクとが固体化された前記磁性流体によって接続され、前記回転軸が拘束される、
請求項１０に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１２】
前記ブレーキ機構のブレーキ力は、前記磁性流体の材質、固体化した前記磁性流体と前記ヨーク材との接触面積、固体化した前記磁性流体と前記永久磁石との接触面積、及び前記永久磁石の磁力、の少なくともいずれかが調整されることにより、調整される、
請求項１１に記載の医療用支持アーム装置。
【請求項１３】
アーム部を構成する少なくとも一つの関節部に、通電時に前記少なくとも一つの関節部の回転を制御して前記アーム部の姿勢を制御するアクチュエータと、通電時に前記少なくとも一つの関節部の回転軸を解放するブレーキ機構とが設けられ、
前記ブレーキ機構は、前記アクチュエータによる制御が停止する非通電時に、前記少なくとも一つの関節部の回転軸を拘束することで前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに、所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有し、
前記ブレーキ機構は、
前記回転軸とともに回転するディスクと、
前記回転軸方向において前記ディスクと対向して設けられ、内部にコイルが設けられるヨーク材と、
前記ディスクの前記ヨーク材と対向する面に設けられる永久磁石と、
前記ヨーク材と前記永久磁石との間に設けられ、印加される磁界の強さに応じて固体化する磁性流体と、
を有し、
通電時には、前記コイルへの通電により、前記永久磁石による磁界を打ち消すように前記コイルから磁界を発生させることにより、前記磁性流体の固体化が緩和され、前記回転軸の拘束が解除され、
非通電時には、前記永久磁石からの磁界により前記磁性流体が固体化することにより、前記ヨーク材と前記ディスクとが固体化された前記磁性流体によって接続され、前記回転軸が拘束される、
医療用支持アーム装置。
【請求項１４】
少なくとも一つの関節部から構成されるアーム部と、
前記アーム部の先端に設けられ患者の術部を観察する観察ユニットと、
を備え、
前記少なくとも一つの関節部に、通電時に前記少なくとも一つの関節部の回転を制御して前記アーム部の姿勢を制御するアクチュエータと、通電時に前記少なくとも一つの関節部の回転軸を解放するブレーキ機構とが設けられ、
前記ブレーキ機構は、前記アクチュエータによる制御が停止する非通電時に、前記少なくとも一つの関節部の回転軸を拘束することで前記アーム部の重さを支持して当該アーム部の姿勢を保持するとともに、所定の値以上の外力によって前記回転軸が回転可能なブレーキ力を有する、
医療用観察装置。
【請求項１５】
前記アーム部及び前記観察ユニットに対する駆動電力の供給を制御する電源制御部、を更に備え、
前記電源制御部は、電力系統に異常又は不具合が生じた場合に、前記アーム部への電力の供給を遮断し、前記観察ユニットに優先的に電力を供給する、
請求項１４に記載の医療用観察装置。
【請求項１６】
前記ブレーキ機構は、
印加される磁界の強さに応じて固体化する磁性流体、
を有し、
通電時には、第１の磁界が印加されることで、前記磁性流体の固体化が緩和され、前記回転軸の拘束が解除され、
非通電時には、前記第１の磁界よりも強い第２の磁界が印加されることで、前記磁性流体が固体化することにより、前記回転軸が拘束される、
請求項１４に記載の医療用観察装置。