(57)【要約】【課題】  振動型アクチュエータの駆動波形信号を出力する手段から振動型アクチュエータに電磁ノイズが伝わる可能性があった。【解決手段】  本発明の計測システムは、電磁波又は磁場に関する物理量を計測する計測システムであって、振動型アクチュエータと、前記振動型アクチュエータの駆動波形信号を生成するための波形生成手段と、前記駆動波形信号を受信して光信号に変換する光送信手段と、前記光信号を受信して交流電圧信号に変換する光受信手段と、前記交流電圧信号を受信して前記振動型アクチュエータに印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、を有し、前記波形生成手段と前記光送信手段とは磁気シールド室の外に配置され、前記光受信手段と前記駆動回路と前記振動型アクチュエータとは前記磁気シールド室の中に配置され、前記光送信手段と前記光受信手段との間を前記光信号が伝送されることを特徴とする。【選択図】  図１
2014000116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波又は磁場に関する物理量を計測する計測システムであって、
振動型アクチュエータと、
前記振動型アクチュエータの駆動波形信号を生成するための波形生成手段と、
前記駆動波形信号を受信して光信号に変換する光送信手段と、
前記光信号を受信して交流電圧信号に変換する光受信手段と、
前記交流電圧信号を受信して前記振動型アクチュエータに印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、を有し、
前記波形生成手段と前記光送信手段とは磁気シールド室の外に配置され、前記光受信手段と前記駆動回路と前記振動型アクチュエータとは前記磁気シールド室の中に配置され、前記光送信手段と前記光受信手段との間を前記光信号が伝送されることを特徴とする計測システム。
【請求項２】
前記波形生成手段は、前記駆動波形信号を複数生成し、
前記光送信手段は、複数の前記駆動波形信号を、前記駆動波形信号ごとに互いに異なる波長の複数の前記光信号に変換し、
前記複数の光信号を合成する光合成手段と、
合成された前記複数の光信号を波長ごとに分離する光分配手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の計測システム。
【請求項３】
前記光信号を伝送する光伝送手段をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測システム。
【請求項４】
前記波形生成手段は、パルス信号を前記駆動波形信号として出力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計測システム。
【請求項５】
前記波形生成手段は、正弦波をパルス変調したパルス信号を前記駆動波形信号として出力することを特徴とする請求項４に記載の計測システム。
【請求項６】
前記駆動回路は、ローパスフィルタを有し、
前記ローパスフィルタにより、前記パルス信号をアナログ信号に変換することを特徴とする請求項４又は５に記載の計測システム。
【請求項７】
前記駆動回路は、Ｄ／Ａ変換手段を有し、
前記Ｄ／Ａ変換手段により、前記パルス信号をアナログ信号に変換することを特徴とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の計測システム。
【請求項８】
前記磁気シールド室内に被検者からの電磁波の受信を行う受信部をさらに備え、
前記波形生成手段は、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を前記駆動波形信号として出力し、
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５乃至７のいずれか１項に記載の計測システム。
【請求項９】
電磁波又は磁場に関する物理量を計測する計測システムであって、
振動型アクチュエータと、
前記振動型アクチュエータの駆動波形信号を生成するための波形生成手段と、
前記駆動波形信号を受信して第１の光信号に変換する第１の光送信手段と、
前記第１の光信号を受信して第１の交流電圧信号に変換する第１の光受信手段と、
前記第１の交流電圧信号を受信して前記振動型アクチュエータに印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、
前記振動型アクチュエータにより駆動される被駆動体の駆動状態を検出する検出手段と、
前記検出手段から出力される検出信号を第２の光信号に変換する第２の光送信手段と、
前記第２の光信号を受信して第２の交流電圧信号に変換する第２の光受信手段と、
前記第２の交流電圧信号に基づいて、前記駆動波形信号の周波数と位相と振幅のうち少なくとも１つを制御する制御手段と、
を、有し、
前記波形生成手段と前記第１の光送信手段と前記第２の光受信手段と前記制御手段とは磁気シールド室の外に配置され、前記第１の光受信手段と前記駆動回路と前記振動型アクチュエータと前記検出手段と前記第２の光送信手段とは前記磁気シールド室の中に配置され、前記第１の光送信手段と前記第１の光受信手段との間、及び、前記第２の光送信手段と前記第２の光受信手段との間を前記光信号が伝送されることを特徴とする計測システム。
【請求項１０】
前記波形生成手段は、前記駆動波形信号を複数生成し、
前記第１の光送信手段は、複数の前記駆動波形信号を、前記駆動波形信号ごとに互いに異なる波長の複数の前記第１の光信号に変換し、
前記検出手段は、複数の前記検出信号を出力し、
前記第２の光送信手段は、前記複数の検出信号を、前記検出信号ごとに互いに異なる波長の複数の前記第２の光信号に変換し、
前記複数の第１の光信号を合成する第１の光合成手段と、
合成された前記複数の第１の光信号を波長ごとに分離する第１の光分配手段と、
前記複数の第２の光信号を合成する第２の光合成手段と、
合成された前記複数の第２の光信号を波長ごとに分離する第２の光分配手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の計測システム。
【請求項１１】
前記第１及び第２の光信号を伝送する光伝送手段を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の計測システム。
【請求項１２】
前記第１及び第２の光信号は同一の前記光伝送手段で伝送されることを特徴とする請求項１１に記載の計測システム。
【請求項１３】
前記波形生成手段は、パルス信号を前記駆動波形信号として出力することを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の計測システム。
【請求項１４】
前記波形生成手段は、正弦波をパルス変調したパルス信号を前記駆動波形信号として出力することを特徴とする請求項１３に記載の計測システム。
【請求項１５】
前記駆動回路は、ローパスフィルタを有し、
前記ローパスフィルタにより、前記パルス信号をアナログ信号に変換することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の計測システム。
【請求項１６】
前記駆動回路は、Ｄ／Ａ変換手段を有し、
前記Ｄ／Ａ変換手段により、前記パルス信号をアナログ信号に変換することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の計測システム。
【請求項１７】
前記検出手段は、前記検出信号として、正弦波をパルス変調したパルス信号を出力し、
前記第２の光送信手段は、前記検出手段から出力された前記パルス信号を前記第２の光信号に変換し、
前記第２の光受信手段は、前記第２の交流電圧信号としてパルス信号を出力し、
前記制御手段は、前記第２の交流電圧信号をもとに、前記検出信号の正弦波の波形を求め、前記駆動状態を求めることを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか１項に記載の計測システム。
【請求項１８】
前記磁気シールド室内に被検者からの電磁波の受信を行う受信部をさらに備え、
前記波形生成手段は、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を前記駆動波形信号として出力し、
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１４に記載の計測システム。
【請求項１９】
振動型アクチュエータと、
前記振動型アクチュエータの駆動波形信号を生成するための波形生成手段と、
前記駆動波形信号を受信して光信号に変換する光送信手段と、
前記光信号を受信して交流電圧信号に変換する光受信手段と、
前記交流電圧信号を受信して前記振動型アクチュエータに印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、を有することを特徴とするシステム。
【請求項２０】
振動型アクチュエータと、
前記振動型アクチュエータの駆動波形信号を生成するための波形生成手段と、
前記駆動波形信号を受信して第１の光信号に変換する第１の光送信手段と、
前記第１の光信号を受信して第１の交流電圧信号に変換する第１の光受信手段と、
前記第１の交流電圧信号を受信して前記振動型アクチュエータに印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、
前記振動型アクチュエータにより駆動される被駆動体の駆動状態を検出する検出手段と、
前記検出手段から出力される検出信号を第２の光信号に変換する第２の光送信手段と、
前記第２の光信号を受信して第２の交流電圧信号に変換する第２の光受信手段と、
前記第２の交流電圧信号に基づいて、前記駆動波形信号の周波数と位相と振幅のうち少なくとも１つを制御する制御手段と、
を、有することを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測システムに関する。特に、磁気シールド室内で電磁波や磁気に関する物理量を計測する計測システムに関するものである。
【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、これによって被検体内部で発生する核磁気共鳴現象を応用して画像化し、被検体の情報を取得する計測システムである。
【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。制御部を構成するＣＰＵやＦＰＧＡ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高周波ノイズが、駆動波形信号等を介して振動型アクチュエータに伝わり、振動型アクチュエータ周辺から電磁ノイズが発生する。
【０００４】
特許文献１には、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、磁気シールド室内の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た構成が開示されている。そして電磁気的にシールドされた制御線により振動型アクチュエータと制御部とが接続されている。
【０００５】
非特許文献１には、振動型アクチュエータの制御部と駆動回路とを磁気シールド室外に配置し、磁気シールド室内の振動型アクチュエータまでを二重にシールドした電気ケーブルで接続する構成が開示されている。そして更に、磁気シールド室の壁を通過する部分にはラインフィルタが設けられ、磁気シールド室へのノイズ侵入を防ぐ構成となっている。また、振動型アクチュエータに流れる電流による電磁ノイズを低減する為に、振動型アクチュエータをアルミケースに入れて電磁シールドを施すことが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２４５２０２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「ＭＲＩ対応小型手術ロボット基本契約成果報告書」  独立行政法人  新エネルギー・産業技術総合開発機構
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１は、シールド線で振動型アクチュエータと制御部とを接続しているが、磁気シールド室内に制御部を配置しているため、制御部からの高周波の放射ノイズがＭＲ画像に影響を与える可能性がある。また、非特許文献１は、振動型アクチュエータまでの電気ケーブルを二重シールドし、磁気シールド室内との接続ポートにラインフィルタを設けている。しかしながら、電気的に振動型アクチュエータと駆動回路及び制御部とが接続されているため、高周波ノイズを完全に遮断することは困難である。そのため、ＭＲＩ装置近傍で振動型アクチュエータを駆動すると、ＭＲ画像にノイズが混入する可能性がある。また、振動型アクチュエータの配線長が長くなると、配線による負荷容量が増え消費電力が増える可能性もある。
【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波形信号を出力する手段から振動型アクチュエータに伝わる電磁ノイズを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の計測システムは、電磁波又は磁場に関する物理量を計測する計測システムであって、
振動型アクチュエータと、
前記振動型アクチュエータの駆動波形信号を生成するための波形生成手段と、
前記駆動波形信号を受信して光信号に変換する光送信手段と、
前記光信号を受信して交流電圧信号に変換する光受信手段と、
前記交流電圧信号を受信して前記振動型アクチュエータに印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、を有し、
前記波形生成手段と前記光送信手段とは磁気シールド室の外に配置され、前記光受信手段と前記駆動回路と前記振動型アクチュエータとは前記磁気シールド室の中に配置され、前記光送信手段と前記光受信手段との間を前記光信号が伝送されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の別の計測システムは、電磁波又は磁場に関する物理量を計測する計測システムであって、
振動型アクチュエータと、
前記振動型アクチュエータの駆動波形信号を生成するための波形生成手段と、
前記駆動波形信号を受信して第１の光信号に変換する第１の光送信手段と、
前記第１の光信号を受信して第１の交流電圧信号に変換する第１の光受信手段と、
前記第１の交流電圧信号を受信して前記振動型アクチュエータに印加する駆動電圧を出力する駆動回路と、
前記振動型アクチュエータにより駆動される被駆動体の駆動状態を検出する検出手段と、
前記検出手段から出力される検出信号を第２の光信号に変換する第２の光送信手段と、
前記第２の光信号を受信して第２の交流電圧信号に変換する第２の光受信手段と、
前記第２の交流電圧信号に基づいて、前記駆動波形信号の周波数と位相と振幅のうち少なくとも１つを制御する制御手段と、
を、有し、
前記波形生成手段と前記第１の光送信手段と前記第２の光受信手段と前記制御手段とは磁気シールド室の外に配置され、前記第１の光受信手段と前記駆動回路と前記振動型アクチュエータと前記検出手段と前記第２の光送信手段とは前記磁気シールド室の中に配置され、前記第１の光送信手段と前記第１の光受信手段との間、及び、前記第２の光送信手段と前記第２の光受信手段との間を前記光信号が伝送されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の計測システムは、振動型アクチュエータを駆動する駆動波形信号を光信号で伝送することにより、電磁ノイズを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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。
【図１９】第３の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模式図である。
【図２０】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２１】第４の実施形態のシステム構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の、電磁波や磁気に関する物理量を計測する計測システムは、特に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、本発明の計測システムは、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）を計測するための計測システムであれば適用可能である。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。
【００１５】
＜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。
【００１６】
（ＭＲＩ装置の基本的な構成）
まず、図１を用いて本実施形態の計測システムとして、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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（被検体）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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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（駆動波形信号）を出力する。駆動波形信号は、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の内部に光ファイバ１０により伝達される。つまり、本実施形態においては、制御部８が、波形生成手段、且つ、光送信手段として、機能する。
【００２２】
光伝送手段である光ファイバ１０は、光に変換された光信号を伝送する手段である。光伝送手段の変形例等、詳細については、図６、９を用いて後述する。
【００２３】
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し出力する光受信手段である。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。
【００２４】
（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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
（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、ローパスフィルタ１２とリニアアンプ１３とを備える。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。
【００２９】
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波形信号は、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。
【００３０】
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（交流電圧信号であり、正弦波をパルス幅変調したパルス信号）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、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少なくともカットしている。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。
【００３１】
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、増幅された駆動電圧を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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。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。
【００３７】
（第１の実施形態の変形例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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
（第１の実施形態の変形例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相の互いに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。
【００４１】
正弦波信号をパルス幅変調した複数のパルス信号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。光送信手段であるトランスミッタ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から出力された複数の光信号はそれぞれ、光伝送手段である光ファイバ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（交流電圧信号）に変換する光受信手段であり、ＴＴＬレベルのパルス信号として出力している。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
ここで、光波長多重伝送を用いた光伝送手段について説明する。図９は、光波長多重伝送を用いた光伝送手段の例を示す模式図である。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。
【００４６】
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、本例では、信号毎に光の波長を変えて変換して、その波長の異なる光を合成して伝送する。これにより、１本の光ファイバで複数の信号を伝達することができる。
【００４７】
光送信手段であるトランスミッタ２２、２３は、駆動波形信号をそれぞれ入力して、互いに異なる波長の光信号に変換する。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、合成光信号を光ファイバ２６に出力する。光分配手段３９は、光ファイバ２６からの出力光（合成光信号）を波長ごとに分離して、レシーバ３０、３１に出力する。レシーバ３０、３１は、入力された光信号をそれぞれ電気信号に変換する。
【００４８】
また、本例ではパルス信号を光信号に変換して伝達したが、ウイーンブリッジ等の公知の正弦波発振器の出力を光信号に変換して伝達しても良い。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。但しレシーバ３０、３１の受光感度のバラつきを補正する為に振幅を個別に調整することが好ましい。また上記例では光伝送手段として光ファイバを用いて磁気シールド室１の室外から磁気シールド室１の室内に信号を伝達したが、磁気シールド室１の光を透過する不図示の窓を介して直接光信号を空間伝送しても良い。
【００４９】
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を駆動する駆動波形信号を波形生成手段から光信号で伝送することにより、波形生成手段から伝わる電磁ノイズを抑制することができる。また、駆動波形の時間的遅延及び劣化が少なく、遠隔地の振動型アクチュエータの制御であっても駆動波形のパラメータをリアルタイムに設定可能となる。
【００５０】
さらに、磁気シールド室外に高周波のクロック信号を必要とする波形生成手段等を配置することで上記クロック信号に起因する磁気ノイズが磁気シールド室内に伝わらない。そのため、ＭＲＩ装置の計測部と共に振動型アクチュエータを駆動しても、ＭＲ画像に重畳するノイズを少なく出来る。これによって、医師がリアルタイムにＭＲ画像を見ながら医療行為を行いやすくなる。また駆動電圧をシールド室外からシールド室内へ光信号で伝達することで振動型アクチュエータへ駆動電圧を伝達する電気ケーブルの長さが短縮され、回路効率が改善する。
【００５１】
また、本実施形態では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。
【００５２】
また本実施形態では、医用システムの例として、被検者に刺激を与えて被検者の脳内血流を計測するシステムの例を示したが、他の例としてはＭＲＩ中で被検者の治療や生検を行うロボットや、被検者に輸液を行うシステム等がある。これらのシステムにおいても、本提案の技術を用いれば、ＭＲ画像計測中に振動型アクチュエータが動作する場合でも良好な画像を得る事が出来る。
【００５３】
＜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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
（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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
（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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
＜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は本提案の第３の実施形態の計測システムを示す図である。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波形信号を第１の光信号を用いて伝達し、回転位置検出用のエンコーダ信号（検出信号）を、第２の光信号を用いて伝達している。
【００６８】
駆動波形信号は、第１の光送信手段としてのトランスミッタ２２、２３により、第１の光信号に変換される。光ファイバ２６、２７から出力された第１の光信号は、第１の光受信手段であるレシーバ３０、３１により電気信号（第１の交流電圧信号）に変換される。この第１の交流電圧信号は、正弦波信号をパルス幅変調したパルス信号である。
【００６９】
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。
【００７０】
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、交流電圧Ｖａ及びＶｂの振幅バランスや位相差を変更する等して、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。
【００７１】
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、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（検出信号）を第２の光信号に変換する第２の光送信手段である。
【００７２】
第２の光信号は、第２の光伝送手段である光ファイバ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に伝達される。第２の光受信手段であるレシーバー３２、３３は、光信号を受信し、電気信号（第２の交流電圧信号）に変換する。
【００７３】
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（第２の交流電圧信号）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、振動型アクチュエータの駆動状態である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。なお、本発明において、振動型アクチュエータの駆動状態としては、速度だけでなく、振動体と被駆動体の相対位置（回転位置）や、被駆動体の加速度等が挙げられる。
【００７４】
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。つまり、本実施形態では、速度制御手段４６が、駆動波形信号の周波数、位相、振幅のうち少なくとも１つを制御する制御手段としてだけではなく、駆動波形信号を生成する波形生成手段としても機能している。
【００７５】
また上記例では、ロータリーエンコーダ５２からのアナログ正弦波信号をパルス幅変調器５１でパルス幅変調したが、他のパルス変調方式を用いても良い。例えばΔΣ変調やパルス振幅変調等様々な変調方式が利用出来る。また上記例では速度制御手段４６は、パルス信号（第２の交流電圧信号）のパルス幅を計測してアナログ正弦波信号の波形を検出したが、不図示のＡ／Ｄ変換手段を用いて波形を検出しディジタルローパスフィルタを用いてアナログ波形に変換しても良い。また不図示のＡ／Ｄ変換手段の前段に不図示のアナログフィルタを挿入する方法でも同様にアナログ波形を検出出来る。
【００７６】
また本実施形態では、リニアアンプを用いて振動型アクチュエータ５７を駆動したが、ブリッジ回路等を用いたＤ級アンプ構成としても振動型アクチュエータ５７を駆動することが出来る。図１９はブリッジ回路５８を使って圧電体１５−ａに交流電圧を印加する場合の例である。速度制御手段４６から直接ブリッジ回路内のＦＥＴに駆動パルスを出力している。光ファイバ２６、２７を用いて電気的に絶縁されているので、ブリッジ回路５８のハイサイドＦＥＴへのスイッチングパルス供給も簡単な回路で実現出来る。この回路はハーフブリッジで構成したため、トランス４０の１次側はコンデンサ４２で直流をカットする構成となっている。
【００７７】
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。また、駆動波形信号が変換された光信号（第１の光信号）と、検出信号を変換された光信号（第２の光信号）とを同一の光ファイバで伝送することも可能である。
【００７８】
具体的に図２０を用いて説明する。図２０は、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２０において、第１の光送信手段であるトランスミッタ２２、２３と、第１の光合成手段３８、第１の光分配手段３９、レシーバ３０、３１については、上記第１の光信号に関する動作を説明した実施形態１の変形例２（図９）の説明と同様であるので説明を省略する。図２０において、第２の光送信手段であるトランスミッタ４９、５０はパルス幅変調器５１の出力するパルス信号（検出信号）を入力して互いに異なる波長の光信号（第２の光信号）に変換する。第２の光合成手段７２は、トランスミッタ４９及び５０からの波長の異なる光を合成し、合成光信号を光ファイバ４７に出力する。第２の光分配手段７３は、光ファイバ４７からの出力光（合成光信号）を波長ごとに分離して、レシーバ３２、３３に出力している。その他の構成は図１８と同様であるので説明を省略する。
【００７９】
ここで、振動型アクチュエータの駆動信号を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。
【００８０】
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、遠隔地の検出手段の出力信号をリアルタイムに検出可能である。状態量を制御する為に駆動波形の周波数、振幅、位相差、駆動波形等を複雑に制御するシステムであっても伝達遅延がほとんど無い。そのため波形生成手段を集中させることが出来、遠隔装置の構成を簡略化することで安価なシステムを構築することが出来る。
【００８１】
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等に集中させ、振動型アクチュエータの駆動回路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。
【００８２】
＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図２１は、１つの制御部で遠隔地の振動型アクチュエータを駆動するシステムの例を示す模式図である。制御部５９は、複数の遠隔地の振動型アクチュエータを駆動する。光ファイバ６０、６１、６２は、振動型アクチュエータを駆動する駆動波形信号を光信号として伝達する。駆動回路６３、６４、６５は、制御部５９に対して遠隔地にある振動型アクチュエータ６６、６７、６８の駆動電圧を生成し、ロータリーエンコーダ６９、７０、７１は、振動型アクチュエータ６６、６７、６８の回転速度を検出する。
【００８３】
光ファイバ６０、６１、６２は、振動型アクチュエータ６６、６７、６８の各駆動波形信号をΔΣ変調した信号を駆動回路６３、６４、６５に伝えると共に、ロータリーエンコーダ６９、７０、７１からの検出信号を制御部５９に伝えている。各光ファイバによる伝送系は実施形態１、３で説明した光波長多重伝送を用いており、本実施形態では、それぞれ複数の信号を双方向に１本の光ファイバで伝送している。
【００８４】
駆動回路６３、６４、６５では、ΔΣ変調された駆動波形信号を、ローパスフィルタを用いて滑らかなアナログ波形に変換した後に増幅し、駆動電圧として振動型アクチュエータ６６、６７、６８に印加している。なお、振動型アクチュエータの駆動波形は正弦波が一般的であるが、本発明は、正弦波に限定されない。本システムで鋸波状の波形や複数の周波数を合成する場合や、これらを切り換えて駆動する等様々な対応が可能であり、様々な波形で振動型アクチュエータを駆動することができる。
【００８５】
遠隔地の多数の振動型アクチュエータを駆動するシステムとしては、２つのシステムが考えられる。制御部を分散させてネットワークで接続して中央から指令を送るものと、制御部を中央に置き、簡単なドライバのみ分散させる方式である。それぞれ一長一短あるが、前者のシステムは、通信の為のプロトコルによる処理時間の影響や分散された制御システムが独立に制御すること等から各アクチュエータの連携が難しい。また制御部の数が増えるので全体的に高価となる傾向がある。これに対して後者のシステムは、振動型アクチュエータの駆動波形信号及びエンコーダからの検出信号を、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。そのため複数のアクチュエータ間の連携も容易である。
【００８６】
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る。多数の制御部を１つのＦＰＧＡに集中させることで高度な制御を行う安価なシステムが実現出来る。また、上記例ではΔΣ変調された駆動波形を用いたが上記交流電圧と同じ周波数の単純な矩形波でも良い。
【符号の説明】
【００８７】
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、６０、６１、６２  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  波形生成手段
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、６９、７０、７１  ロータリーエンコーダ
５７、６６、６７、６８  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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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