(57)【要約】【課題】  振動型アクチュエータの駆動電圧には高調波成分が含まれる可能性があった。【解決手段】  本発明の振動型アクチュエータの駆動装置は、磁気シールド室内に設置された振動型アクチュエータを駆動する駆動装置であって、  前記振動型アクチュエータを駆動するための駆動波形に基づく信号が入力され、前記振動型アクチュエータに印加するための駆動電圧を出力するリニアアンプを有する。【選択図】  図１
2014003731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気シールド室内に設置された振動型アクチュエータを駆動する駆動装置であって、
前記振動型アクチュエータを駆動するための駆動波形に基づく信号が入力され、前記振動型アクチュエータに印加するための駆動電圧を出力するリニアアンプを有することを特徴とする振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項２】
前記駆動波形が入力されるフィルタをさらに有し、
前記リニアアンプには前記フィルタから出力された前記駆動波形に基づく信号が入力されることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項３】
前記フィルタはローパスフィルタであることを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項４】
前記リニアアンプは、フィルタ特性を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項５】
トランスをさらに有し、
前記トランスの１次側には前記リニアアンプが接続され、前記トランスの２次側には前記振動型アクチュエータが接続されており、
前記リニアアンプから出力された前記駆動電圧が前記トランスを介して前記振動型アクチュエータに印加されることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項６】
前記トランスの１次側に前記トランスと直列にコンデンサが接続されていることを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項７】
前記トランスの１次側に前記トランスに直列に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項８】
前記リニアアンプには、前記駆動波形に基づく信号として、正弦波が入力されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項９】
前記リニアアンプには、前記駆動波形に基づく信号として、正弦波をパルス幅変調又はパルス振幅変調したパルス信号の変調周波数成分を含むアナログ信号が入力されることを特徴とする請求項８に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項１０】
前記リニアアンプには、前記駆動波形に基づく信号として、正弦波をパルス変調したパルス信号が入力されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項１１】
前記リニアアンプには、前記駆動波形に基づく信号として、正弦波をＤ／Ａ変換した信号が入力されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ及び前記振動型アクチュエータの駆動装置と、被検者からの電磁波の受信を行う受信部と、を少なくとも前記磁気シールド室内に備え、前記駆動波形を生成する波形生成手段を前記磁気シールド室内又は室外に備えることを特徴とする医用システム。
【請求項１３】
前記波形生成手段が生成する前記駆動波形は、正弦波をパルス幅変調又はパルス振幅変調したパルス信号であり、前記パルス信号の変調周波数の整数倍の周波数が、ラーモア周波数範囲と重ならないことを特徴とする請求項１２に記載の医用システム。
【請求項１４】
前記波形生成手段が生成する前記駆動波形は正弦波をＤ／Ａ変換した信号であり、前記Ｄ／Ａ変換のサンプリング周波数の整数倍の周波数が、ラーモア周波数範囲と重ならないことを特徴とする請求項１３に記載の医用システム。
【請求項１５】
前記波形生成手段が生成する前記駆動波形は高調波を含む正弦波であり、前記高調波が、ラーモア周波数範囲と重ならないことを特徴とする請求項１２に記載の医用システム。
【請求項１６】
前記波形生成手段は前記駆動波形を光信号に変換し、
前記磁気シールド室外から前記磁気シールド室内へと前記光信号を伝達する光伝送手段と、前記光信号を受信し電気信号に変換するフォトレシーバと、をさらに備えることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の医用システム。
【請求項１７】
磁気シールド室内に設置された振動型アクチュエータを駆動する駆動装置であって、
前記振動型アクチュエータを駆動するための駆動波形に基づく信号が入力され、前記振動型アクチュエータに印加するための駆動電圧として正弦波を元に生成された波形を出力することを特徴とする振動型アクチュエータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型アクチュエータの駆動装置及びこれを用いた医用システムに関する。特に、磁気共鳴画像（ＭＲＩ：ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｉｍａｇｉｎｇ）装置や脳磁計（ＭＥＧ：Ｍａｇｎｅｔｏｅｎｃｅｐｈａｌｏｇｒａｐｈｙ）等を備えた、医用システムや、該医用システム内で動作する振動型アクチュエータの駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マニピュレータ等の医療用ロボティクス装置に関して、盛んに研究がなされている。磁気共鳴画像（ＭＲＩ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）装置を用いた医用システムはその代表例で、ＭＲ画像を見ながらマニピュレータのロボットアームの位置を制御し、的確な生検や治療を行うものである。ＭＲＩは、被検者の測定部位（被検体）に静磁場および特定の高周波磁場によって発生する電磁波を与え、これによって被検者内部で発生する核磁気共鳴現象を応用して画像化するものである。
【０００３】
ＭＲＩは強磁場を用いるため、ロボットアームの動力源として強磁性体を含んでいる電磁モータを利用することはできない。このため、動力源として、超音波モータに代表される振動型アクチュエータが適している。ただし、振動型アクチュエータの制御部の発生する高周波ノイズもＭＲ画像に影響を与えるため、制御部からのノイズも極力抑制またはシールドすることが必要となる。
【０００４】
特許文献１には、振動型アクチュエータの駆動波形のパルス幅に応じて高調波の発生量が変化する事や、パルス信号をトランスで昇圧する回路構成が示されている。この様に、通常、振動型アクチュエータは、パルス電圧の波形をインダクタ素子等でなまらせた疑似的な正弦波で駆動されている。パルス電圧を元にして波形を生成しているので、疑似的な正弦波は最低次の基本波の他に、基本波の整数倍の周波数の高調波が重畳された波形となっている。
【０００５】
また、特許文献２では、強磁場環境となるＭＲＩ装置の筒状の計測部（ボア）内に振動型アクチュエータを配置している。そして、ＭＲＩ装置の計測部から最大の距離を有する場所に振動型アクチュエータの制御部を配置し、電磁気的にシールドされた制御線で振動型アクチュエータと接続する事が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１８４７５９号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４５２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示す従来の駆動回路は、トランスの２次側のインダクタと振動型アクチュエータの制動容量とからなるフィルタ特性によって駆動波形をある程度滑らかにすることができる。つまり、高調波成分をある程度は抑制できる。しかしながら、最終出力段までスイッチング回路で構成されているため、回路出力直後の波形には原理的に高調波成分が多く重畳されてしまっている。その為ＭＲＩ装置が設置された磁気シールド室内で振動型アクチュエータを動作させると、ＭＲ画像にノイズが混入する問題があった。また、このような駆動回路は周波数応答特性が平坦でないため、振動型アクチュエータの振動振幅の変化によるインピーダンス変化によっても波形が大きく変化する。よって、駆動条件によってノイズの周波数特性が変化する可能性があった。
【０００８】
また特許文献２のように制御線をシールドしても、駆動波形の高調波のノイズを完全に除去することは困難であった。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑み、振動型アクチュエータの駆動電圧に含まれる高調波成分を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の振動型アクチュエータの駆動装置は、磁気シールド室内に設置された振動型アクチュエータを駆動する駆動装置であって、
前記振動型アクチュエータを駆動するための駆動波形に基づく信号が入力され、前記振動型アクチュエータに印加するための駆動電圧を出力するリニアアンプを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、振動型アクチュエータに印加する駆動電圧をリニアアンプで出力することで駆動電圧に含まれる高調波成分が少なくなり、高調波成分のノイズが抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態のシステム構成を示す模式図である。
【図２】振動型アクチュエータの構成例を示す模式図である。
【図３】圧電体１５の平面図である。
【図４】第１の実施形態の駆動回路の変形例を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態の変形例における各部の動作波形を模式的に示した図である。
【図６】磁気シールド室１の内外を接続する光伝送手段の例を示す模式図である。
【図７】図６の各部の動作波形を模式的に示した図である。
【図８】図７の差動増幅器の代わりにＤ／Ａ変換器を用いた例を示す図である。
【図９】光波長多重伝送を用いた光伝送手段の例を示す模式図である。
【図１０】第２の実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路を示す模式図である。
【図１１】図１０の各部の動作波形を模式的に示した図である。
【図１２】第２の実施形態の駆動回路の変形例１の例を示す模式図である。
【図１３】フォトレシーバ１１周辺の回路構成例を示す模式図である。
【図１４】図１２の回路のトランスのゲインの周波数特性を示す図である。
【図１５】第２の実施形態の駆動回路の変形例２を示す模式図である。
【図１６】図１５の回路のトランスのゲインの周波数特性を示す図である。
【図１７】図１５の回路のトランスをトロイダルとした場合のゲインの周波数特性を示す図である。
【図１８】第３の実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の振動型アクチュエータ及びその駆動装置（駆動回路）は、ＭＲＩ装置等を備えた医用システムに用いることができる。ＭＲＩ装置は、被検体にＲＦ（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）パルスを照射し、これに応じて被検体が発生する電磁波を高感度の受信コイル（ＲＦコイル）で受信する。そして、受信コイルからの受信信号に基づいて被検体のＭＲ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）画像を得る。ただし、本発明の振動型アクチュエータやその駆動装置は、上記医用システム用途に限定されるとは限らない。電磁波や磁気に関する物理量（磁束密度「テスラ［Ｔ］」、磁界強度「Ａ／ｍ」、電界強度「Ｖ／ｍ」等）を計測するための装置やシステムに用いることができる。以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１４】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態における医用システムの構成を示す模式図である。本システムはｆＭＲＩ（ｆｕｎｃｔｉｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）を行うシステムである。ｆＭＲＩはＭＲＩ装置を用いて脳や脊椎の活動による血流の変化を視覚化する手法である。本システムは振動型アクチュエータを用いてロボットアームを動かすことにより接触刺激を時系列に変化させ、これに応じた脳内の血流変化を計測している。このような刺激は、接触以外にも視覚、聴覚等様々な刺激が検討されており、特に、ＭＲＩ装置内でロボットアーム等を動かす場合には、磁気シールドにより、駆動源から発生する電磁ノイズの低減や各部材の非磁性化等が行われている。
【００１５】
（ＭＲＩ装置の基本的な構成）
まず、図１を用いて本実施形態の医用システムとしてＭＲＩ装置を備えたシステムの構成について説明する。本発明の適用できる医用システムは、磁気シールド室１内に設けられた計測部と、磁気シールド室１の外部に設けられた制御部８と、を少なくとも備える。
【００１６】
ＭＲＩ装置は装置固有の磁場強度に応じて決まるラーモア周波数と呼ばれる周波数近傍の電磁ノイズに特に敏感である。ラーモア周波数とは、被検者６の脳内の原子核の磁気双極子モーメントの歳差運動の周波数である。一般に臨床で使われているＭＲＩ装置の磁場強度０．２Ｔ〜３Ｔでは、ラーモア周波数は８．５ＭＨｚ〜１２８ＭＨｚであり、磁気シールド室内で動作する機器はこの周波数帯の電磁ノイズの発生を極力抑えなければならない。しかしながら、ＣＰＵやＦＰＧＡが用いられている制御部８は、通常１０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚ程度の外部クロックで動作するため、このクロック信号に起因する電磁ノイズはその高調波も含めると広くラーモア周波数の領域と周波数が重なってしまう。そのため、脳内で発生する微弱な磁場の変化を計測する計測部は、外来ノイズの影響を遮断する磁気シールド室１内に設置されている。
【００１７】
ＭＲＩ装置の計測部は、静磁場を発生させる超電導磁石２、３次元的な位置を特定する為に傾斜磁場を発生させる傾斜磁場発生コイル３、被検者６に対して電磁波の照射と受信を行う受信部としてのＲＦコイル４、被検者６用の寝台５、を少なくとも備える。超電導磁石２及び傾斜磁場発生コイル３はどちらも実際は円筒形状であり、図１では半分にカットした状態を示している。ＲＦコイル４は脳内のＭＲ画像計測に特化されており、寝台５に横になった被検者６の頭部を覆うよう、筒状に構成されている。ＭＲＩ装置の計測部は、磁気シールド室１の外に設けられた不図示のコントローラからの制御信号によって、様々なシーケンスの傾斜磁場の生成及び電磁波の照射を行う。そして外部のコントローラ（不図示）は、ＲＦコイル４から得られた受信信号を用いて脳内の様々な情報を取得する。この電磁波制御用のコントローラも制御部８内に含まれていても良い。
【００１８】
さらに、計測部内には、ロボットアーム７が寝台５に固定されている。ロボットアーム７は、２つの関節と基部の旋回との３自由度の運動が可能であり、被検者６に対してアーム先端の接触球を任意の位置に任意の押圧力で接触させ、被検者６に時系列の刺激を与える事が出来る。ロボットアーム７の各関節及び旋回基部には図２に示す振動型アクチュエータや、不図示の回転センサ、力センサがそれぞれ設けられている。回転センサ及び力センサの信号は光信号に変換され磁気シールド室１の外部の制御部８に光ファイバ９で伝達される。ロボットアーム７の各関節には振動型アクチュエータが配置され、各関節をダイレクトに駆動する機構となっている。そのため全体の剛性が高く、ロボットアーム７の動作は広い周波数帯域の様々な刺激を被検者６に与える事が出来る。ロボットアーム７の主要構造は、振動型アクチュエータを含め非磁性の材料で構成されており、超電導磁石２の発生する静磁場を極力乱さないように設計されている。
【００１９】
実際の計測の際は、まず被検者６にロボットアーム７の先端を手でつかんでもらい、腕を出来るだけ動かさない様にしてもらう。次にロボットアーム７で力を発生させながら力の大きさや方向のパターン等を時系列に変えて、被検者６の脳内血流の変化を計測する。このような計測を行う場合、常に力をかけ続けなければならないため、ロボットアーム７を駆動し続ける事になる。
【００２０】
制御部８は、予め設定された軌道及び押圧力で被検者６に刺激を与えるための時系列信号と、回転センサ及び力センサの情報との比較結果と、に応じて、振動型アクチュエータを駆動するための駆動信号（駆動波形）を出力する。駆動信号は、正弦波をパルス幅変調（ＰＷＭ）したパルス信号であり、このパルス幅変調されたパルス信号は、制御部８内で光信号に変換されて磁気シールド室１の内部に光伝送手段である光ファイバ１０により伝達される。
【００２１】
フォトレシーバ１１は、制御部８から出力される光信号を電気信号に変換する。ローパスフィルタ１２は、フォトレシーバ１１から出力されるパルス幅変調されたパルス信号の高調波成分をカットして滑らかな正弦波信号を出力している。そして、線形増幅器であるリニアアンプ１３は、ローパスフィルタ１２の出力する正弦波信号を線形増幅して振動型アクチュエータに印加する。
【００２２】
（振動型アクチュエータの構成）
ここで、本発明に適用可能な振動型アクチュエータの構成について説明する。図２は振動型アクチュエータの構成例を示す模式図である。本実施形態の振動型アクチュエータは、振動体と被駆動体とを備える。
【００２３】
振動体は、弾性体１４と、圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子）である圧電体１５と、を備える。弾性体１４は一方の面に櫛歯状の構造を持つリング状の構造をしており、圧電体１５は弾性体１４の他方の面に接着されている。弾性体１４の櫛歯状の突起部上面に、摩擦部材１６が接着されている。被駆動体であるロータ１７は、摩擦部材１６を介して弾性体１４に不図示の加圧手段によって加圧接触する円盤状の構造をしている。
【００２４】
振動型アクチュエータは、圧電体１５に交流電圧（駆動電圧）が印加される事で弾性体１４に振動が励起される。この振動により、ロータ１７は摩擦部材１６との間で発生する摩擦力によって弾性体１４と相対的に回転する。回転軸１８は、ロータ１７の中心に固定され、ロータ１７と一緒に回転する。本実施形態においては、この振動型アクチュエータが、ロボットアーム７の丸で示した２つの関節の回転と全体の旋回運動とを行う為に、２つの関節と、寝台５とロボットアーム７の基部との接続部と、に配置されている。
【００２５】
図３は圧電体１５の平面図である。圧電体１５は、圧電材料と、圧電材料に形成されたリング状の電極と、を備える。電極は複数の区画に分割されている。図３中の＋−の符号は各電極に対応する部分の圧電材料の分極方向を示している。また圧電体１５の裏面は全面導通の１枚の電極となっている。各電極は大きく３つのグループに分けられ、加振用電極１５−ａ、１５−ｂ、振動検出用電極１５−ｃ、グランド接続用電極１５−ｄとなっている。各グループは電気的に独立しており、グループ内では電極が不図示の導電性塗料等で接続されている。またグランド接続用電極１５−ｄは裏面に接着された弾性体１４と導電性塗料で電気的に接続されている。加振用電極１５−ａ、１５−ｂには位相の異なる交流電圧φＡ、φＢが印加され、弾性体１４にリング周上に沿って進行する進行性の振動波が形成される。
【００２６】
（振動型アクチュエータの駆動回路の基本的な構成）
次に、図１に戻り、本実施形態の振動型アクチュエータを駆動する駆動装置である駆動回路について詳細に説明する。本実施形態において、振動型アクチュエータの駆動回路は、フォトレシーバ１１とローパスフィルタ１２とリニアアンプ１３とを備える。また、駆動回路に接続され、駆動回路との間で光信号の入出力動作を行う制御部８は、駆動信号（駆動波形）を生成する波形生成手段として機能する。リニアアンプ１３はＡ級又はＡＢ級のアンプで構成され、高調波歪の少ない波形出力を行っている。
【００２７】
上述したように、本実施形態では、制御部８から出力された駆動信号は、正弦波をパルス幅変調したパルス信号であり、制御部８内で光信号に変換されて磁気シールド室１の内部に光伝送手段である光ファイバ１０により伝達される。
【００２８】
フォトレシーバ１１は、制御部８から出力される光信号を電気信号に変換する。ローパスフィルタ１２は、フォトレシーバ１１から出力されるパルス幅変調されたパルス信号の高調波成分をカットして滑らかな正弦波信号を出力している。つまり、ローパスフィルタ１２により、少なくとも正弦波をパルス幅変調したパルス信号の変調周波数以上の周波数成分をカットしている。また上記パルス信号は正弦波をＰＷＭ（パルス幅変調）した波形であるが、他のパルス変調方式を用いても良い。ΔΣ変調方式で代表されるＰＤＭ（パルス密度変調）やＰＡＭ（パルス振幅変調）を用いた波形でもフィルタを用いて高周波成分をカットすれば元の正弦波が得られる。
【００２９】
その後、線形増幅器であるリニアアンプ１３に、ローパスフィルタ１２が出力した駆動波形に基づく信号として、パルス幅変調したパルス信号の変調周波数以上の周波数成分がカットされた正弦波（アナログ信号）が入力される。リニアアンプ１３は、入力された正弦波を線形増幅して振動型アクチュエータに印加する。その為、リニアアンプ１３が原因となる高調波はほとんど無い。尚、上記ＰＤＭは周波数変調方式に近い方式なので変調周波数が無い。上記例ではパルス幅変調したパルス信号の変調周波数以上の周波数成分をカットした正弦波としたが、元の正弦波の周波数より高い周波数をカットするローパスフィルタを用いても良い。例えばＰＤＭの場合には元の正弦波の周波数の２倍以上の周波数をカットするローパスフィルタを用いることで、高周波の波形歪をカットすることが出来る。
【００３０】
ただし、ローパスフィルタの性能にも限界があるのでパルス幅変調等のパルス変調による高周波の波形歪を完全に０にする事は出来ない。一方、超電導磁石２及び傾斜磁場発生コイル３によって形成される磁場の磁束密度の大きさによって、ラーモア周波数は決まる。ラーモア周波数は、磁束密度の変化に連動するので傾斜磁場を与えると、ある周波数範囲を持つことになる。
【００３１】
本実施形態では、このラーモア周波数範囲と上記パルス幅変調の変調周波数の整数倍の周波数が重ならない様に変調周波数を選択する事で、ＭＲ画像へのノイズ混入を更に少なくする事が出来る。特に、駆動波形が、正弦波をパルス幅変調又はパルス振幅変調したパルス信号である場合、このパルス信号の変調周波数の整数倍の周波数が、ラーモア周波数範囲と重ならないことが好ましい。つまり、駆動波形に基づく信号が高調波を含む正弦波の場合、高調波がラーモア周波数範囲と重ならないように設定するとよい。
【００３２】
また、パルス幅変調によって発生する他の高調波成分が、ラーモア周波数範囲と重ならないよう振動型アクチュエータの駆動電圧の周波数を設定することもノイズ抑制に効果がある。パルス幅変調によって発生する他の高調波成分としては、例えば、駆動周波数の整数倍の周波数成分や、駆動周波数の整数倍の周波数成分とパルス幅変調周波数の整数倍の周波数成分との和及び差の周波数成分がある。
【００３３】
さらに、駆動波形が、正弦波をＤ／Ａ変換した信号である場合、Ｄ／Ａ変換のサンプリング周波数の整数倍の周波数が、ラーモア周波数範囲と重ならないことも好ましい。
【００３４】
振動型アクチュエータの速度を制御する場合、駆動周波数を制御する方式が一般的である。このように、パルス幅変調によって発生する高調波がラーモア周波数近傍となるような駆動波形の周波数範囲をあらかじめ設定しておき、この周波数範囲の外で駆動電圧の周波数を制御するよう構成すれば、ＭＲ画像へのノイズ混入を抑制出来る。またＭＲ画像において、注目する部位以外の部位におけるノイズ混入をある程度許容する場合は、上記ラーモア周波数の範囲を注目する部位近傍のラーモア周波数の範囲に狭めても良い。
【００３５】
（第１の実施形態における駆動回路の変形例１）
次に、本実施形態の駆動回路の変形例１を図４を用いて説明する。前述の基本的な構成例では、フォトレシーバ１１の出力をローパスフィルタ１２に入力し、ローパスフィルタ１２がＰＷＭ信号の変調周波数をカットしたが、本変形例では、フォトレシーバ１１がフィルタ特性も合わせ持っている。図４は、本実施形態の駆動回路の変形例を示す図である。本変形例では、フォトレシーバ１１には、正弦波をパルス幅変調したパルス信号Ｐａ、Ｐｂが光ファイバを介して入力される。本変形例のフォトレシーバ１１は、ローパスフィルタ機能を備えており、ＰＷＭ信号の変調周波数をカットして２つの位相の異なる正弦波信号Ｓａ、Ｓｂを出力している。
【００３６】
また、本変形例の駆動回路は、コンデンサを用いて帯域制限された反転型のリニアアンプ１９、２０を備えている。フォトレシーバ１１のフィルタ特性が十分でない場合、正弦波信号Ｓａ、Ｓｂ（駆動波形に基づく信号）にはまだ上記変調周波数成分の信号が残っている可能性がある。そこで、本変形例では、コンデンサを備えるリニアアンプ１９、２０でこの変調周波数成分を更に減衰させ、圧電体１５−ａ及び圧電体１５−ｂに、駆動電圧である交流電圧Ｖａ、Ｖｂを印加している。尚、フォトレシーバ１１のフィルタ特性が予め十分な周波数帯域に制限されていれば、リニアアンプ１９、２０を本変形例のようにコンデンサを用いて帯域制限する構成としなくても良い。
【００３７】
図５は、図４の各部における動作波形の歪を模式的に示した図である。信号Ｓａ、Ｓｂには、正弦波をパルス幅変調したパルス信号Ｐａ、Ｐｂの変調周波数成分の信号がまだ残っているが、圧電体１５−ａ、１５−ｂに印加される駆動電圧である交流電圧Ｖａ、Ｖｂにはほとんど含まれていないことがわかる。しかしながら、このような場合であってもＭＲ画像には微小な電磁波の影響がある可能性があるため、ラーモア周波数範囲とパルス幅変調周波数の整数倍の周波数が重ならないようにするとよい。
【００３８】
（第１の実施形態における駆動回路の変形例２）
次に、本実施形態の駆動回路の変形例２を、図６を用いて説明する。図６は、光ファイバ（光伝送手段）を用いて、磁気シールド室１の内外で信号接続している様子を示した図である。波形生成部２１は、不図示の指令手段からの周波数指令に応じた正弦波信号をパルス幅変調した４相の位相の異なるパルス信号Ｐａ、／Ｐａ、Ｐｂ、／Ｐｂを生成する。波形生成部２１、指令手段、トランスミッタ２２−２５は、図１における制御部８内に設けられている。
【００３９】
正弦波信号をパルス幅変調したパルス信号Ｐａ、Ｐｂと、／Ｐａ、／Ｐｂはそれぞれ正弦波信号の位相が反転しており、パルス信号ＰａとＰｂとはパルス幅変調前の正弦波信号の位相が９０°ずれている。トランスミッタ２２、２３、２４、２５は、それぞれパルス幅変調されたパルス信号を光信号に変換する。トランスミッタ２２、２３、２４、２５から出力された光信号はそれぞれ、光ファイバ２６、２７、２８、２９を介して磁気シールド室１の内部に伝達される。レシーバ３０、３１、３２、３３は、光ファイバ２６、２７、２８、２９から出力される光信号を電気信号に変換するレシーバであり、ＴＴＬレベルのパルス信号として出力している。
【００４０】
差動増幅器３４、３５は、それぞれレシーバ３０、３１及びレシーバ３２、３３の出力信号の差を増幅し、且つ、パルス幅変調された入力信号の変調周波数に関わる高調波成分以上の周波数をカットするフィルタ特性を有する。つまり、本変形例では差動増幅器３４がローパスフィルタとして機能する。また、本変形例では、レシーバ３０、３１と差動増幅器３４でフォトレシーバを構成している。
【００４１】
図７は、図６の各部の動作波形を模式的に示した図である。本変形例のような差動増幅器を用いた構成とすると、パルス幅変調の変調周波数成分はキャンセルされていることが分かる。そのため、比較的緩やかなフィルタ特性でも高調波歪を低減する事が出来る。ただし、図７の信号Ｓａにはパルス幅変調の変調周波数成分はキャンセルされているが、その２倍の周波数近傍の周波数成分が残っていることが示されている。この２倍の周波数成分に関しては、例えば変形例１で説明した、コンデンサを備えたリニアアンプ１９、２０を差動増幅器の出力先に接続することで低減することができる。
【００４２】
さらに、本実施形態においては、図８に示すように、図７の差動増幅器の代わりにＤ／Ａ変換器を用いてもよい。Ｄ／Ａ変換器３６、３７は２ビットのＤ／Ａ変換器である。波形生成部２１からは４相の正弦波をパルス幅変調したパルス信号の代わりに、２相の２ビットで表現された正弦波信号を出力している。各正弦波信号はＰａ０、Ｐａ１及びＰｂ０、Ｐｂ１の２ビットのパラレル信号として波形が生成され、光ファイバ２６、２７、２８、２９を介してＤ／Ａ変換器３６、３７に伝達される。Ｄ／Ａ変換器３６、３７は入力が変化すると即座に出力のアナログ信号の値を変更するよう構成されている。またＤ／Ａ変換器３６、３７内には上記正弦波信号の周波数以上の周波数成分をカットするローパスフィルタが設けられており、滑らかな波形の正弦波を出力する。また、図８で用いたＤ／Ａ変換器３６、３７はパラレル信号入力で動作するが、公知のシリアル信号入力のＤ／Ａ変換器を用いて多ビットの信号を伝達するようにしても良い。
【００４３】
（光伝送手段）
ここで、本発明に適用可能な光伝送手段について説明する。光伝送手段は、波形伝送手段であり、光に変換された光信号を伝送する手段である。光の伝送に関わる部分以外の構成については図８と同様であるので説明を省略する。図９は、光波長多重伝送を用いた光伝送手段の例を示す図である。磁気シールド室１の内外を多数の信号線で接続する事が必要な場合、光ファイバの本数が増えてしまう。そこで、本実施例では、信号毎に光の波長を変えて光を合成し、受光部で光を波長毎に分離する。これにより、１本の光ファイバで多数の信号を伝達することができる。光合成手段３８は、トランスミッタ２２及び２３からの波長の異なる光を合成して出力する。光分配手段３９は、光ファイバ２６からの出力光を波長ごとに分離して、レシーバ３０、３１に出力する。
【００４４】
また、本実施例において、リニアアンプの入力信号をウイーンブリッジ等の公知の正弦波発振器の出力を用いて生成しても良い。そうすることで、ディジタル信号を完全に排除することが出来るのでノイズに敏感なアプリケーションには有効である。リニアアンプは入力信号を理想的に増幅するため、正弦波で振動型アクチュエータを駆動する理想的な駆動回路となる。尚、ウィーンブリッジはアナログ発振器なので高周波のノイズの発生が少なく、磁気シールド室１内に配置しても良い。
【００４５】
また上記説明では磁気シールド室１の室内と室外とで信号を伝送するため、光ファイバ等の光伝送手段を用いた例を示した。しかしながら、本発明においては、光に変換してから伝送するだけでなく、そのまま電気信号を伝送する波形伝送手段を用いてもよい。またこの場合、波形生成手段が磁気シールド室内に設けられていても良い。
【００４６】
以上、説明したように、本実施形態では、振動型アクチュエータに印加するための駆動電圧をリニアアンプで出力することで、駆動電圧に含まれる高調波成分が少なくなり、高調波成分のノイズが抑制される。また、リニアアンプの出力インピーダンスが低いため振動型アクチュエータのインピーダンス特性が変化しても、振動型アクチュエータに印加する駆動電圧の波形変化が少ない。そのため、振動型アクチュエータに印加する駆動電圧に高調波成分が含まれていても、振動型アクチュエータの駆動状態の変化による高調波成分増減を抑制出来、安定した計測結果が得られる。
【００４７】
また、本実施形態のようにリニアアンプの出力を直接、振動型アクチュエータに接続する方式では、電源線からのコモンモードノイズが混入する可能性がある。しかしながら、磁気シールド室１の内部の回路用電源としてバッテリーを用いれば電源線を介して混入するノイズを無くす事が出来る。
【００４８】
このように、本実施形態の振動型アクチュエータを用いることで、ＭＲＩ装置で動画映像を計測した場合、振動型アクチュエータの動作の違いによるノイズが少ないため、ＭＲ画像のちらつき等を抑える事が出来る。これによって、ユーザーである医師が、リアルタイムに動画映像を見ながら医療行為を行い易くなる。
【００４９】
また、ＭＲ画像間の条件変化が少ないので相対比較が容易となる。そのため脳組織の機能等をＭＲ画像の変化から評価するｆＭＲＩ計測等の性能が向上する。さらに、発生するノイズを少なく出来るので、ＭＲＩ装置の近傍で振動型アクチュエータを駆動しても従来よりもノイズの少ないＭＲ画像を得る事が出来る。また、振動型アクチュエータへのシールド対策の簡素化により、医用システムをよりコンパクトに構成することが出来る。
【００５０】
また、本実施形態では医用システムであるＭＲＩ装置の稼働中に振動型アクチュエータを駆動する場合について説明したが、電磁波や磁気を計測する事を目的として磁気シールド室内に設置する装置であれば同様の効果がある。例えば、脳磁計（ＭＥＧ）等は被検者の脳内の神経の信号伝達によって流れる電流によって発生する微弱な磁場を計測する。ＭＥＧはしばしばｆＭＲＩ計測を補完する形で使用され、上述したような被検者への刺激に応じた反応を調べる目的でも使用される。従って、外部からの電磁ノイズの混入を極力遮断しなければならない事についてはＭＲＩ装置と同様であり、本実施形態を用いればノイズの少ない計測が可能となる。
【００５１】
また、本実施形態では、フィルタとして、ノイズ抑制の為にローパスフィルタ特性を各部に持たせる構成としたが、ラーモア周波数範囲を抑制するバンドストップフィルタ等を用いても良い。
【００５２】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１０は、第２の実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路を示す図である。本実施形態では、リニアアンプ１９、２０と、振動型アクチュエータの圧電体の電極１５−ａ，ｂと、の間にトランスを挿入し、グランドを絶縁する構成となっている。つまり、トランスの１次側にリニアアンプが接続され、トランスの２次側に前記振動型アクチュエータが接続されている。リニアアンプから出力された駆動電圧は、トランスを介して振動型アクチュエータに印加される。そのため、リニアアンプ１９及び２０の電源線等から混入するコモンモードノイズが振動型アクチュエータに伝わることを、ある程度遮断することが出来る。
【００５３】
図１０の駆動回路の構成は、図４の回路構成にトランス４０、４１が増えた構成となっている。ただし、フォトレシーバ１１の動作自体は図４の動作と異なっている。図４のフォトレシーバ１１はローパスフィルタ特性を有しているため、出力信号はパルス幅変調の変調周波数成分の信号が重畳した略正弦波の波形であるが、本実施形態のフォトレシーバ１１は正弦波をパルス幅変調したパルス信号Ｐａ、Ｐｂを出力している。
【００５４】
図１１は、図１０の各部の動作波形を模式的に示した図である。パルス信号Ｐａ及びパルス信号Ｐｂは、正弦波をパルス幅変調したパルス信号であり、パルス信号Ｐａ及びパルス信号Ｐｂのハイレベルとローレベルは同じ大きさ、且つ、互いに符号の異なる信号となっている。
【００５５】
コンデンサを有するリニアアンプ１９及び２０は、ローパスフィルタ特性を有しており、出力信号Ｖａ及びＶｂはパルス幅変調の変調周波数の信号が重畳された正弦波となっている。そして、トランス４０及び４１の２次側（圧電体の電極１５−ａ及び１５−ｂ側）の信号Ｄａ及びＤｂはパルス幅変調周波数成分が除去された滑らかな正弦波となっている。これは、トランス４０及びトランス４１の漏れインダクタンスと圧電体１５−ａ及び圧電体１５−ｂの制動容量とで概ね決まるローパスフィルタ特性により、パルス幅変調周波数の成分がカットされるからである。このように、トランスの漏れインダクタンスを設定する事により、フィルタ構成を単純にすることが出来る。また上記例ではフィルタを、トランス及びトランスより前段の部分に配置したが、トランスの後段にフィルタを配置しても良い。
【００５６】
（第２の実施形態の駆動回路の変形例１）
次に、本実施形態の駆動回路の変形例１を説明する。図１２は本実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の変形例を示す図である。通常、リニアアンプの出力は入力電圧を０Ｖとしても一定のオフセット電圧を持っている。その為、図１１のようにリニアアンプをトランスの１次側に接続して電流制限無しに動作させると、出力に大電流が流れ、トランスやリニアアンプの劣化につながる可能性がある。またオフセット電圧を調整してほぼ０Ｖとしたとしても、リニアアンプに供給する電源は正負両極性の電源が必要となり、装置規模が大きくなる場合がある。そのため、リニアアンプに電流制限回路を設けたり、トランスの１次側に直列に抵抗を挿入したりして、直流電流を制限することが考えられる。しかしながら、これらの方法は振動型アクチュエータの停止時に消費する電力が増える可能性がある。よって、本変形例では、消費電力を抑えつつ、電流を制限する回路構成について説明する。
【００５７】
図１２の駆動回路は、トランスの１次側にトランスと直列に接続されたコンデンサ４２、４３によってトランス４０及び４１の１次側に流れる直流電流を遮断したものである。これによりリニアアンプが単電源（電圧Ｖｃｃ）で動作可能となる。以下に、図１２の駆動回路における動作を説明する。電圧Ｖｃｃはリニアアンプ１９及び２０の電源電圧である。また電圧Ｖｃｃを抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２で分圧してコモン電圧Ｖｃｏｍが生成され、リニアアンプ１９及び２０の正極性の入力とフォトレシーバ１１の出力のコモン電圧入力に入力している。
【００５８】
図１３は、フォトレシーバ１１周辺の回路構成の例を示す図である。図１３では図１２のフォトレシーバ１１はレシーバ３０及び３１の２つのレシーバで構成され、光ファイバ１０は光ファイバ２６及び２７の２本の光ファイバで構成されている。波形生成手段からの入力信号が光ファイバ２６、２７を介して入力されるため、磁気シールド室１の外部ではグランド基準のパルス信号であっても、コモン電圧Ｖｃｏｍ基準のパルス電圧Ｐａ及びＰｂを生成出来る。
【００５９】
図１４は、図１２の回路のトランス４０の入力電圧Ｖａから出力信号Ｄａまでのゲインの周波数特性（つまり、トランスの入出力間の周波数応答特性）を示している。直流電流を遮断する目的で挿入したコンデンサ４２及び４３により、トランス４０及び４１の一次側インダクタンスとコンデンサ４２及び４３との共振によるゲインピーク１が、ゲイン特性に表れている。また、トランス４０及び４１の漏れインダクタンスと圧電体１５−ａ及び１５−ｂの制動容量との共振によるゲインピーク２もゲイン特性に表れている。Ｆ０は圧電体１５−ａ及び１５−ｂに印加する正弦波の基本周波数である。この特性は振動型アクチュエータの急激な負荷変動や駆動電圧の変化を生じさせたりした場合等の影響によって、回路特性が振動的になる事を示しており、ノイズ発生の要因となる場合がある。
【００６０】
これに対し、第１の対策として、起動停止時を含め、急な電圧印加を避けて振動型アクチュエータに印加する電圧の振幅が徐々に変化するよう、不図示のパルス幅変調波形生成部に於いて波形を生成することが考えられる。
【００６１】
また、第２の対策として、図１４のゲイン特性のピークを十分小さくするよう、回路的な工夫をすることがある。本対策を行うことで、第１の対策だけでは難しかった急激な負荷変動による影響も回避出来る。第２の対策については図１５を用いて説明する。
【００６２】
（第２の実施形態の駆動回路の変形例２）
図１５は本実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の変形例２を示す図である。図１２のトランス４１及び４２の１次側に直列に抵抗４４、４５を挿入したものである。図１６は、図１５の回路のトランス４１の入力電圧Ｖａから出力信号Ｄａまでのゲインの周波数特性（つまり、トランスの入出力間の周波数応答特性）を示している。トランス４１及び４２の１次側に直列に挿入した抵抗により、ゲインピーク１及びゲインピーク２が抑制され、図１６のようにゲイン特性が変化する。図１６より、ゲインピーク１は無くなり、ゲインピーク２も抑制されていることが分かる。また図１５では、抵抗を挿入したが、ポジスタ等他の抵抗性の素子であっても良い。
【００６３】
また、図１６でゲインピーク２が現れているのは、抵抗による減衰が不足している為である。ただし、抵抗によって大きく減衰させると効率が低下してしまうため、この点に対しては、トランスの漏れインダクタンスを少なくする対策が考えられる。トランスにトロイダルコアを使うことで、漏れインダクタンスを少なくした場合のゲイン特性を図１７に示す。図１７に示すように、漏れインダクタンスが少なくしたため、ゲインピーク２も無くなっている。
【００６４】
以上、説明したように、本実施形態においても、振動型アクチュエータに印加する駆動電圧をリニアアンプで出力することで駆動電圧に含まれる高調波成分が少なくなり、高調波成分のノイズが抑制される。さらに本実施形態においては、トランスを用いて電源からのノイズ伝達を遮断し、且つ、ノイズ発生の要因となるゲインピーク特性を抑制することができる。これにより、ＭＲＩ装置と連動した治療行為等を行うロボットアームの駆動を安定して行う事が出来る。また、リニアアンプはＤ級アンプ等のスイッチングアンプと比較して効率が悪い。そこで、トランス４０及びトランス４１の２次側インダクタンスと圧電体１５−ａ及び１５−ｂの制動容量とで決まる共振周波数を、振動型アクチュエータの共振周波数とほぼ一致させることでリニアアンプ１９及び２０の効率を高めることが出来る。例えば、圧電体の制動容量を７．８ｎＦとした場合、トランスの２次側インダクタンスを３．４ｍＨとすれば共振周波数は約３０．９ｋＨｚとなる。この周波数を振動型アクチュエータの駆動周波数又は共振周波数近傍になるようにすれば、共振周波数近傍のリニアアンプの消費電力を下げることが出来る。
【００６５】
また、本実施形態の振動型アクチュエータの駆動装置も、ＭＲＩ装置だけでなく、磁気シールド室内に設置する装置に適用すれば同様の効果がある。
【００６６】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１８は第３の実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路を示す図である。本実施形態では、磁気シールド室１の内外を光ファイバで接続し、振動型アクチュエータの駆動信号、及び、回転位置検出用のエンコーダ信号を、光信号を用いて伝達している。
【００６７】
速度制御手段４６は、不図示の指令手段からの速度指令に応じて、ロータリーエンコーダ５２の出力信号から振動型アクチュエータ５７の駆動状態である回転速度を検出し、振動型アクチュエータ５７へ印加する交流電圧の周波数、振幅、位相のいずれかを制御する。速度制御手段４６は、図１における制御部８内に設けられている。つまり、速度制御手段４６は、磁気シールド室１の外に設けられ、磁気シールド室１の内部とは光信号で接続されている。ローパスフィルタ５３、５４には、正弦波信号をパルス幅変調したパルス信号が入力され、ローパスフィルタ５３、５４でパルス幅変調による高調波成分をカットされた信号が、リニアアンプ５５、５６に入力される。リニアアンプ５５、５６が出力する交流電圧Ｖａ及びＶｂは、振動型アクチュエータ５７を構成する圧電体１５−ａ及び１５−ｂに印加される。
【００６８】
交流電圧Ｖａ及びＶｂは、速度制御手段４６で発生するパルス信号に応じて周波数、位相、電圧振幅を独立に制御することが可能である。そのため、例えば周期的に電圧振幅と位相を所定のパターンで変更する事で振動型アクチュエータ５７のリング状の弾性体に、異なる方向の進行性振動波を同時に発生させ、超低速で駆動することができる。また、進行波と定在波のバランスを変えることで力を制御する等の様々な制御手法に切り換えることも出来る。これにより、振動型アクチュエータ５７を低速から高速まで、反転動作も含めて、滑らかに駆動することが出来、微妙な力制御が必要なマニピュレータの駆動も可能となっている。
【００６９】
ロータリーエンコーダ５２は、振動型アクチュエータ５７の駆動状態である速度を検出するため速度検出手段であり、２相のアナログ正弦波信号を出力している。ロータリーエンコーダ５２からのアナログ正弦波信号はパルス幅変調器５１でパルス幅変調される。本実施形態においては、ロータリーエンコーダ５２とパルス幅変調器５１とで検出手段を構成する。トランスミッタ４９、５０は、パルス幅変調器５１の出力するパルス信号を光信号に変換するトランスミッタであり、光ファイバ４７及び４８を介して磁気シールド室１の内部から磁気シールド室１の外部のレシーバ３２及び３３に光信号を伝達している。
【００７０】
速度制御手段４６は、レシーバ３２及び３３からのパルス幅変調されたパルス信号の各パルス幅を計測し、ロータリーエンコーダ５２が出力するアナログ正弦波信号の波形を検出している。そして検出した結果を用いて、所定時間内の移動量を求め速度を算出している。そして不図示の指令手段からの速度指令とこの算出結果とを比較し、比較結果に応じて振動型アクチュエータ５７を駆動する為の交流電圧Ｖａ及びＶｂの周波数、位相、振幅を決めている。決定された交流電圧Ｖａ、Ｖｂの波形はただちにパルス幅変調され、トランスミッタ２２及び２３を介してシールド室１内の駆動回路に光信号で伝達される。そして、振動型アクチュエータ５７は回転速度と速度指令が一致するよう動作する。
【００７１】
また本実施形態では、４本の光ファイバを用いたが、光波長多重の原理を利用すれば１本の光ファイバで接続することも可能である。更に振動型アクチュエータを複数使用する場合に於いても光ファイバの本数を削減できることは当然である。
【００７２】
ここで、振動型アクチュエータの駆動信号をパルス信号として光ファイバを介して伝達する構成の効果について改めて説明する。速度制御手段４６は、ロータリーエンコーダ５２からのパルス幅変調されたパルス信号のパルス幅を計測したり、振動型アクチュエータを駆動する為の正弦波のパルス幅変調信号を生成する為に、数１０〜数１００ＭＨｚの基準クロックのカウンタを必要とする。また複数の振動型アクチュエータを連動して動作させる場合には速度制御の為の演算を高速に行う為のＣＰＵ（制御部）が必要な場合もある。これらの制御部は、最近ではＦＰＧＡ等を用いて構築されることが多い。ＭＲＩ装置にはこれら高周波のクロックによるノイズは大敵であり、特に振動型アクチュエータがＭＲＩ装置のボア内で動作する場合には、振動型アクチュエータへのノイズ混入は避けなければならない。そこで、本実施形態のように高周波のクロックで動作する部分は磁気シールド室１の外部に置き、光ファイバで各信号を磁気シールド室１の内部に伝達することで、高周波クロックによるノイズが磁気シールド室１内で発生しないと言う効果がある。
【００７３】
また、振動型アクチュエータの駆動信号及びエンコーダ信号を光ファイバで遠隔地と接続することで、複雑な波形制御であっても伝達遅延がほとんど無い為リアルタイムの制御が可能である。最近では規模が大きく演算性能の高いＦＰＧＡが低価格で入手できるため、複雑な波形制御やモデル予測等高度な演算を必要とするアプリケーションであっても、１つのＦＰＧＡで多数の処理を並行処理することが可能となっている。また光ファイバを用いることで、製品のノイズ計測を行う装置に適用する場合など、工場等のノイズの多い環境でも対応できる。そこで、多数の振動型アクチュエータの制御ユニットを１つのＦＰＧＡに集中させ、振動型アクチュエータの駆動回路のみを分散させる構成とすれば、多数の振動型アクチュエータで高度な制御を行う安価なアプリケーションが実現出来る。
【符号の説明】
【００７４】
１  磁気シールド室
２  超電導磁石
３  傾斜磁場発生コイル
４  ＲＦコイル
７  ロボットアーム
８  制御部
９、１０、２６、２７、２８、２９、４７、４８  光ファイバ
１１  フォトレシーバ
１２、５３、５４  ローパスフィルタ
１３、１９、２０、５５、５６  リニアアンプ
１５  圧電体
２１  波形生成部
２２、２３、２４、２５  トランスミッタ
３０、３１、３２、３３  レシーバ
３４、３５  差動増幅器
３６、３７  Ｄ／Ａ変換器
４０、４１  トランス
４２、４３  コンデンサ
４４、４５  抵抗
４６  速度制御手段
５２  ロータリーエンコーダ
５７  振動型アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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