(57)【要約】【課題】変形し難く、取り扱いが容易な微小静電容量型位置センサ、該位置センサを使用したアクチュエータ制御システム、及び内視鏡を提供する。【解決手段】本発明の静電容量型位置センサは、筒状の第１電極と、該第１電極と同軸に固定された筒状又は柱状の第２電極とを備えている。第２電極の少なくとも一部は第１電極と接触せずに第１電極の筒内に挿抜可能である。また、測定点の位置に応じた長さだけ第２電極が第１電極の筒内に差し込まれて、測定点の位置に応じた静電容量を有するコンデンサを形成する。【選択図】図３
2011139781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準点に対する測定点の所定方向における相対位置を検出する静電容量型の位置センサであって、
前記基準点及び前記測定点の一方に対して前記所定方向に軸を向けて固定された筒状の第１電極と、
前記基準点及び前記測定点の他方に対して前記第１電極と同軸に固定された筒状又は柱状の第２電極と
を備え、
前記第２電極の少なくとも一部は前記第１電極と接触せずに該第１電極の筒内に挿抜可能であり、前記相対位置に応じた長さだけ前記第２電極が前記第１電極の筒内に挿し込まれて該相対位置に応じた静電容量を有するコンデンサが形成されることを特徴とする位置センサ。
【請求項２】
前記第１電極の内周又は前記第２電極の外周には誘電体層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の位置センサ。
【請求項３】
前記第１電極は円筒状であり、前記第２電極は円筒状又は円柱状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置センサ。
【請求項４】
前記コンデンサの静電容量に応じた電圧信号を出力する静電容量電圧変換回路を更に有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の位置センサ。
【請求項５】
前記第１電極及び前記第２電極と平行に配置され、前記測定点に対する前記測定点の移動範囲を規制するストッパを更に備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の位置センサ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の位置センサと、
前記所定方向に駆動するアクチュエータと、
前記位置センサの出力に基づいて前記アクチュエータの駆動をフィードバック制御する制御部と
を有する位置制御システム。
【請求項７】
スコープの先端に可動プローブが備えられた内視鏡装置において、
請求項６に記載の位置制御システムを備え、
前期位置制御システムにより前記可動プローブの駆動が制御される内視鏡装置。
【請求項８】
前記可動プローブは、走査型医療用プローブ、ＯＣＴプローブ、又は共焦点プローブであることを特徴とする請求項７に記載の内視鏡装置。
【請求項９】
請求項６に記載の位置制御システムを備えた共焦点顕微鏡又は走査型顕微鏡。
【請求項１０】
請求項６に記載の位置制御システムを備えたマイクロマシン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、静電容量に基づいて位置を検出する位置センサ、該位置センサを使用するアクチュエータ制御システム、及び該制御システムを有する内視鏡装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
共焦点光学系により生体組織の断層像を高倍率かつ高解像度で観察可能な、いわゆる共焦点内視鏡装置が知られている。共焦点内視鏡は、対物レンズによりレーザ光を観察部位の一点（外部集光点）に集光させ、走査手段により外部集光点を走査しながら観察部位からの戻り光を検出して走査像を形成する。照明光にレーザ光を使用するため、外部集光点におけるビームウェスト径が極めて細く、そのためμｍ単位の高い空間分解能の走査像を生成することができる。また、共焦点光学系は、外部集光点と共役な位置にピンホールを設けることにより、ピンホールを通る光のみが検出されるように構成されている。このため、外部集光点以外からの反射光や散乱光は検出されず、極めて空間分解能の高い観察像が得られる。なお、多くの共焦点内視鏡においては、共焦点光学系から検出器までの戻り光の伝送にシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）が使用され、共焦点光学系の空間光がＳＭＦに結合するコア端面がピンホールとして機能する。
【０００３】
生体組織に照射されるレーザ光の一部は、生体組織による吸収や散乱を受けて減衰しながら一定の深さまで生体組織を透過する。すなわち、表面のみならず、表面から一定の深さにある生体組織も観察することができる。従って、外部集光点を生体組織の深さ方向にも走査することで、共焦点内視鏡により３次元断層像を取得することができる。共焦点内視鏡により３次元断層像を取得するためには、共焦点光学系を深さ方向にμｍ単位で精確に移動させる機構が必要となる。このような精確な位置決め制御を実現するために、一般に位置センサを使用したフィードバック制御が行われる。特許文献１では、フィードバックセンサとして静電容量型の位置センサを使用する構成が提案されている。
【０００４】
図４は、特許文献１において提案されている二重コイルを使用した静電容量型位置センサ５８０ａの一例を示す概略図である。図４（ａ）は可動部５５０を最も固定部に接近させた状態を示し、図４（ｂ）は可動部５５０を固定部から最も離した状態を示す。位置センサ５８０ａは、図４中右側の固定部５９０に対する左側の可動部５５０の相対的な位置を決定するものである。位置センサ５８０ａは、同じサイズの２つコイル５８５ａ、５８５ｂを同軸に重ね合わせた二重コイル５８５を有している。二重コイル５８５は、伸縮軸が可動部５５０の移動方向と一致するように配置され、一端が可動部５５０に、他端が固定部５９０に固定されている。また、固定部５９０には二重コイル５８５と並んで長さＬ０のストッパ５８４が設けられている。ストッパ５８４により可動部５５０と固定部５９０との間隔ＬａがＬ０以上に規制される。二重コイルを構成する各コイル５８５ａ、５８５ｂはエナメル線等の絶縁被覆された導体から形成されており、コンデンサとして機能する。可動部５５０が固定部５９０に近接した図４（ａ）の状態と可動部５５０が固定部５９０から離れた図４（ｂ）の状態とを比較すると、近接した状態の方がコイル５８５ａと５８５ｂとの間隔が狭くなるため、二重コイル５８５の静電容量は大きくなる。二重コイル５８５の静電容量は可動部５５０と固定部５９０との間隔に対して一意に決まるため、二重コイル５８５の静電容量から固定部５９０に対する可動部５５０の相対的な位置を検知することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３２１７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の静電容量型位置センサにおいて使用される二重コイルは、極細線から形成された極めて形状が不安定な部材であるため、加工性、取扱性、静電容量の安定性等に大きな問題があった。例えば、二重コイルの静電容量は、形状に依存するため、搬送時の衝撃や、組み立て時の取り扱いによって生じる形状変化に起因する大きな誤差（静電容量の検定値との差異）を含む可能性がある。また、使用中にコイルを伸展させる負荷が加わることにより、コイルに塑性変形が生じて収縮しなくなることがある。そのため、収縮性を維持するために、コイルに収縮性のあるコーティングを塗布する必要があり、コイルの加工費を押し上げていた。また、コイルの加工や光学機器への組み込みが難しいため、コイルの加工精度や取り付け精度が低く、位置センサの性能に大きな個体差が生じていた。更に、工数が多い、歩留が低い、精密な専用治具が必要になる等の理由により、位置センサの製造に要するコストは非常に高いものとなっていた。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、変形し難く、取り扱いが容易な微小静電容量型位置センサ、該位置センサを使用したアクチュエータ制御システム、及び内視鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明により、基準点に対する測定点の所定方向における相対位置を検出する静電容量型の位置センサが提供される。本発明の位置センサは、基準点及び測定点の一方に対して所定方向に軸を向けて固定された筒状の第１電極と、基準点及び測定点の他方に対して第１電極と同軸に固定された筒状又は柱状の第２電極とを備えている。第２電極の少なくとも一部は第１電極と接触せずに第１電極の筒内に挿抜可能であり、相対位置に応じた長さだけ第２電極が第１電極の筒内に挿し込まれて相対位置に応じた静電容量を有するコンデンサが形成される。
【０００９】
上記構成の位置センサは、変形しやすい極細線から形成された二重コイルを電極に使用する従来の静電容量型位置センサと比べて、断面積が大きく剛性が高い筒状の第１電極及び筒状又は柱状の第２電極を素子部に使用しているため、素子部が格段に変形し難い。そのため、電極の取り扱い（例えば、位置センサへの電極の組み込み作業等）により電極が変形することがほとんどなく、位置センサの特性の個体差が少なく、不良率も低い。また、位置センサ使用時に電極を弾性変形させる必要がないため、電極の塑性変形も生じ難い。そのため、位置センサの使用中に電極の静電容量特性が変動することにより、位置センサの測定確度が低下するという問題も生じ難い。電極の加工性、取扱性、組込作業性の向上により、従来品よりも加工効率が大幅に改善するため、従来品より低コストで生産することが可能になる。
【００１０】
上記構成において、第１電極の内周又は第２電極の外周には誘電体層が形成されていることが好ましい。第１電極と第２電極との間に誘電体層を設けることにより、第１電極と第２電極とが接触せず、動作が安定した位置センサが実現される。誘電体層は第２電極の移動をガイドするため、第１電極が取り付けられる要素に対して第２電極が取り付けられる要素の移動方向を規制することが可能になる。そのため、例えば本発明の位置センサをアクチュエータに取り付けることにより、アクチュエータの可動部の遊びを低減し、より精確な駆動が実現される。
【００１１】
第１電極を円筒状とし、第２電極を円筒状又は円柱状としてもよい。このような形状にすると、第１電極及び第２電極に角部がなくなるため、第１電極内での第２電極のスムーズな摺動が確保される。また、円筒や円柱形状の部材は加工や取付作業が比較的に容易であり、加工費の低減にも有効である。
【００１２】
位置センサはコンデンサの静電容量に応じた電圧信号を出力する静電容量電圧変換回路を更に備えていてもよい。また、第１電極及び第２電極と平行に配置され、測定点に対する測定点の移動範囲を規制するストッパを更に備えていてもよい。
【００１３】
また、本発明により、上記構成の位置センサと、所定方向に駆動するアクチュエータと、  位置センサの出力に基づいてアクチュエータの駆動をフィードバック制御する制御部とを有する位置制御システムが提供される。
【００１４】
また、本発明によりスコープの先端に可動プローブが備えられた内視鏡装置が提供される。この内視鏡装置は上記の位置制御システムを備えており、位置制御システムにより可動プローブの駆動が制御される。この可動プローブは、走査型医療用プローブ、ＯＣＴプローブ、又は共焦点プローブであってもよい。
【００１５】
更に本発明により、上記の位置制御システムを備えた共焦点顕微鏡又は走査型顕微鏡が提供される。また、上記の位置制御システムを備えたマイクロマシンが提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、変形し難く、取り扱いが容易な微小静電容量型位置センサ、該位置センサを使用したアクチュエータ制御システム、及び内視鏡が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る位置制御システムが実装された共焦点内視鏡の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る位置制御システムが実装された共焦点内視鏡の挿入部先端の内部構造を示す概略拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る位置センサの構造を簡略化して示す断面図である。
【図４】二重コイルを使用した従来の静電容量型位置センサの構造例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る位置センサ及び位置制御システムが実装された共焦点内視鏡システム１の外観及び内部構成の一部を示す概略図である。共焦点内視鏡システム１は、スコープ１００と、スコープ１００が接続された第１プロセッサ２００及び第２プロセッサ３００と、第１プロセッサ２００及び第２プロセッサ３００にそれぞれ接続されて各プロセッサから出力されるビデオ信号に基づいて画面表示する第１モニタ２００Ｍ及び第２モニタ３００Ｍを有している。
【００１９】
スコープ１００は、可撓性のあるケーブル状の挿入部１２０を被検者の体腔内に挿入して、挿入部１２０の先端１１０に設けられた観察光学系により体腔内を観察するためのユニットである。スコープ１００には、結像光学系と共焦点光学系の２つの観察光学系が設けられている。結像光学系は、体腔内表面の生体組織を白色光源及びカラーＣＣＤイメージセンサを用いて撮像する通常観察に使用される。共焦点光学系は、レーザ光を観察部位に走査して体腔内表層の生体組織の拡大断層画像を取得する共焦点観察に使用される。スコープ１００は、先端側から長さ方向へ順に、先端部１１０、挿入部１２０、鉗子などの各種処置具を先端部１１０まで導入するための処置具挿入口１３０、術者がスコープ１００を操作する際に把持する把持部１４０、術者がスコープ１００を操作する為の各種ボタンやレバーが配置された内視鏡操作部１５０、第１プロセッサ２００に接続される第１ユニバーサルケーブル１６０、及び第２プロセッサ３００に接続される第２ユニバーサルケーブル１７０を有している。
【００２０】
第１プロセッサ２００は、共焦点観察に使用するレーザ光をスコープ１００に供給すると共に、スコープ１００の先端１１０に設けられる共焦点光学ユニット５００（後述）を制御し、共焦点光学ユニット５００により得られる観察光に基づいて共焦点観察像のビデオ信号を生成してモニタ２００Ｍに出力するユニットである。第１プロセッサ２００は、光源部２１０、画像処理部２２０、光カプラ２３０、制御部２４０、及び操作部２５０を有している。光源部２１０は共焦点観察に使用するレーザ光を出力する。光源部２１０の光出力端子と画像処理部２２０の光入力端子は、光カプラ２３０を介して共焦点光学ユニット５００の光ファイバ５２０に接続されている。光源部２１０が発生するレーザ光は、光カプラ２３０を介して光ファイバ５２０に結合され、光ファイバ５２０をスコープ１００の先端１１０まで伝搬して、先端１１０から観察部位に照射される。観察部位からの戻り光は、光ファイバ５２０をレーザ光と逆方向に伝搬して、光カプラ２３０を介して画像処理部２２０に入力される。画像処理部２２０は、共焦点光学ユニット５００から入力される観察光に基づいて共焦点観察像のビデオ信号を生成してモニタ２００Ｍに出力する。操作部２５０はユーザ操作を受け付けるための手段である。操作部２５０は、本実施形態ではフロントパネルに設けられたタッチパネルディスプレイや各種スイッチから構成されているが、別の実施形態においてはキーボードやマウスといった外部入力機器から構成されてもよい。制御部２４０は、第１プロセッサ２００及び共焦点光学ユニット５００を構成する各要素の動作を統括制御する。制御部２４０と共焦点光学ユニット５００とは複数の信号線５４６を介して接続されている。
【００２１】
第２プロセッサ３００は、通常観察時に使用される周知の電子内視鏡用プロセッサである。第２プロセッサ３００は、図示されない制御部、光源部、画像処理部、及び操作部を有している。第２プロセッサ３００は、通常観察用の白色光をスコープ１００のライトガイド（バンドルファイバ）に供給すると共に、スコープ１００の先端１１０に設けられる撮像ユニット６００を制御して撮像を行い、撮像ユニット６００が生成するアナログ画像信号に各種画像処理を行って通常観察像のビデオ信号を生成し、モニタ３００Ｍに出力するユニットである。
【００２２】
図２は、スコープ１００の挿入部先端１１０の内部構造の概略を示した拡大断面図である。ここで、図２の座標軸に示されるように、挿入部先端１１０の延長方向（図２における左方向）をＺ軸方向、Ｚ軸方向に垂直な平面内の互いに直交する方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向とする。挿入部先端１１０の最先端には、先端ブロック１１２、共焦点光学ユニット５００、撮像ユニット６００、及び図示されないライトガイド先端部が配置されている。先端ブロック１１２は外形が略円柱状の部材であり、挿入部先端１１０の延長方向（Ｚ軸方向）に延びる４つの貫通孔が形成されている。貫通孔の一つ（不図示）は鉗子チャネルの一部となる。他の３つの貫通孔には、それぞれ共焦点光学ユニット５００、撮像ユニット６００、及びライトガイド先端部（不図示）が嵌め込まれている。
【００２３】
共焦点光学ユニット５００は、大きく固定部と可動部に分かれる。固定部は先端ブロック１１２に対して固定された部分である。固定部は外形が略円柱状の中空のアセンブリーであり、円盤状のカバーガラス５３１と、略円筒状の強化枠体５１０及び枠体５５０を有している。可動部は、固定部の内部に収容される略円柱状の外形を有するアセンブリーであり、固定部の円筒状の内壁に沿って円筒軸方向に摺動可能となっている。可動部は、光ファイバ５２０、対物光学系５３０（カバーガラス５３１を除く）、Ｘ軸ドライブコイル５４１、Ｙ軸ドライブコイル５４２、磁性駆動板５４３、柔軟支持体５４４、及び金属パイプ５９０を有している。
【００２４】
光ファイバ５２０は、第１プロセッサ２００の光源部２１０が発生するレーザ光を対物光学系５３０まで伝送すると共に、対物光学系５３０が集光した観察対象からの戻り光を第１プロセッサ２００の画像処理部２２０まで伝送するための石英系シングルモードファイバであり、光源部２１０が発生するレーザ光の波長に適合したものが使用される。光ファイバ５２０の先端側端面５２０ｅから出射したレーザ光は、対物光学系５３０により外部集光点ＣＰに集光される。外部集光点ＣＰは、光ファイバ５２０の先端側端面５２０ｅ（詳細にはコアの端面）の共役点であり、カバーガラス５３１の外表面直近に配置されている。共焦点内視鏡観察時には、カバーガラス５３１を生体組織Ｓの表面に密着させるため、外部集光点ＣＰは生体組織Ｓ内に位置する。生体組織Ｓに照射されたレーザ光の一部は、生体組織Ｓにより反射・散乱されて、対物光学系５３０へ戻り、先端側端面５２０ｅに集光され、光ファイバ５２０に結合される。このとき、外部集光点ＣＰ以外の場所でもレーザ光に曝された生体組織Ｓが反射・散乱光を発生するが、光ファイバの先端側端面５２０ｅには、共役点である外部集光点ＣＰからの光のみが集光する。光ファイバ５２０はコア径が数μｍと小さいため、先端側端面５２０ｅの共役点である外部集光点ＣＰ以外からの光はほとんど光ファイバ５２０に結合することができない。従って、共焦点光学ユニット５００により、実質的に外部集光点ＣＰにおいて反射・散乱されたレーザ光のみが収集される。
【００２５】
先端側端面５２０ｅにおいて光ファイバ５２０に結合した戻り光は、光ファイバ５２０を伝搬して第１プロセッサ２００に入力される。戻り光は光カプラ２３０によって分岐され、第１プロセッサ２００の画像処理部２２０に入力される。そして、画像処理部２２０に内蔵された図示されない受光部が、入力された戻り光の強度を検出して、受光強度を示す信号を出力する。例えば、ある時刻ｔにおいて受光部が検出した戻り光の強度を、その時刻ｔにおける外部集光点ＣＰの位置（Ｘ（ｔ），Ｙ（ｔ），Ｚ（ｔ））に対応する画素値に割り当てることにより３次元断層像データが生成される。
【００２６】
光ファイバ５２０の先端部には、珪素鋼等の磁性材から形成された細長い磁性駆動板５４３が、接着により取り付けられている。また、磁性駆動板５４３は、柔軟支持体により金属パイプ５９０に取り付けられている。磁性駆動板５４３は、Ｘ軸ドライブコイル５４１及びＹ軸ドライブコイル５４２が発生する磁界により、それぞれＸ軸及びＹ軸方向に屈曲するように構成されている。柔軟支持体５４４は、ゴム等の柔らかい材料から形成された部材であり、Ｙ軸ドライブコイル５４２による磁性駆動板５４３のＹ軸方向の変形による光ファイバ先端５２０ｅのＹ軸方向への変位を阻害しないように磁性駆動板５４３及び光ファイバを柔軟に支持する。本実施形態においては、光ファイバ５２０の不要な振動を抑えるため、振動吸収作用を有するソルボセインにより柔軟支持体５４４が形成されている。Ｘ軸ドライブコイル５４１及びＹ軸ドライブコイル５４２には、信号線５４６を介して第１プロセッサ２００の制御部２４０から駆動電流が供給され、それぞれ磁性駆動板５４３をＸ軸及びＹ軸方向に屈曲させる磁界を発生する。光ファイバ５２０は磁性駆動板５４３の先端（図２における左端）から０〜数ｍｍ突出した位置で切断され、先端側端面５２０ｅが形成されている。各Ｘ軸ドライブコイル５４１及びＹ軸ドライブコイル５４２は、駆動電流が供給されると、それぞれＸ方向及びＹ方向に光ファイバ５２０の先端側端面５２０ｅを移動させる。これにより、上記の各ドライブコイルの駆動に伴って、外部集光点ＣＰがＸ−Ｙ面内を２次元走査する。すなわち、本実施形態においては、Ｘ軸ドライブコイル５４１、Ｙ軸ドライブコイル５４２、磁性駆動板５４３及び柔軟支持体５４４、及び各ドライブコイルに駆動電流を供給する制御部２４０からＸＹ軸走査手段が構成されている。本実施形態のＸＹ軸走査手段は、上記のように磁気コイルの発生する磁界により磁性板を屈曲させることで、磁性板に固定された光ファイバ５２０の先端を駆動して外部集光点ＣＰを走査するものであり、詳細は特開２００８−５１４９７０に説明されている。しかしながら、本発明の実施形態に適用可能なＸＹ軸走査手段はこの構成に限定されず、例えば圧電素子により光ファイバを屈曲させる機構等、様々な種類の微小走査手段を適用することができる。
【００２７】
また、枠体５５０及び金属パイプ５９０は、それぞれ基端（図２における右端）に円筒軸と垂直な壁５５０ａ及び壁５９０ａを有している。壁５５０ａと壁５９０ａとは、それぞれ伸縮軸をＺ軸方向に向けて並列配置された圧縮コイルバネ５６０及び形状記憶合金５７０により連結されている。形状記憶合金５７０は、常温下で外力が加えられると変形し、一定温度以上に加熱されると記憶している形状に復元する機能を有している。具体的には、形状記憶合金５７０は加熱によりＺ軸方向に縮むように形成及び配置されている。また、圧縮コイルバネ５６０は、自然長から圧縮された状態で取り付けられている。つまり、圧縮コイルバネ５６０は、枠体５５０を常にＺ軸方向（カバーガラス５３１に近づく方向）に付勢する。
【００２８】
形状記憶合金５７０は、信号線５４６により制御部２４０と接続されている。制御部２４０から信号線５４６を介して形状記憶合金５７０に駆動電流が供給されると、形状記憶合金５７０はジュール熱を発生して、発生した熱によりＺ軸方向に収縮して記憶している形状に戻ろうとする。加熱時の形状記憶合金５７０の収縮力は、圧縮コイルバネ５６０の反発力よりも大きくなるよう設計されている。そのため、形状記憶合金５７０が収縮すると、枠体５５０はカバーガラス５３１から離れる方向（Ｚ軸負の方向）にスライドする。これにより、外部集光点ＣＰの位置がＺ軸方向に微小距離移動する。外部集光点ＣＰの移動距離、すなわち共焦点光学ユニット５００の可動部の移動距離は、形状記憶合金５７０に流す駆動電流により制御することができる。すなわち、本実施形態においては、形状記憶合金５７０、圧縮コイルバネ５６０、及び形状記憶合金５７０に駆動電流を供給する制御部２４０からＺ軸走査手段が構成されている。このＺ軸走査手段により、共焦点光学ユニット５００の共焦点光学系が搭載された可動部を固定部に対してＺ軸方向に走査することで、外部集光点ＣＰをＺ軸方向に走査することが可能となっている。
【００２９】
上述のように、ドライブコイル及び磁性駆動板によりＸ−Ｙ面内の走査を、形状記憶合金５７０及び圧縮コイルバネ５６０によりＺ軸方向の走査を行いながら、光ファイバ５２０に結合される戻り光の強度を検出することにより、３次元走査画像が生成される。精確な３次元走査画像を得るためには、各軸方向の走査を高い位置精度で行う必要がある。Ｚ軸方向の走査に採用される形状記憶合金５７０の変形を使用した駆動システムは、極めて簡単な構造であるため組み立てが容易かつ故障率が低いという優れた特徴を有しているが、単体では位置再現性が低いという欠点がある。そのため、共焦点光学ユニット５００においては、固定部に対する可動部のＺ軸方向の位置を測定する位置センサ５８０が設けられ、位置センサ５８０が検出した位置情報を用いたＺ軸走査のフィードバック制御が行われる。このフィードバック制御により精確なＺ軸走査が実現される。
【００３０】
次に、本発明の実施形態に係る位置センサ５８０及び位置制御システムについて詳細に説明する。図３は、本発明の実施形態に係る静電容量型位置センサ５８０の概略構造を示す断面図である。図３（ａ）は可動部５５０が原点（最も固定部に接近する位置）にある状態を示し、図３（ｂ）は可動部５５０が原点からＺ軸方向に一定距離移動した状態を示す。位置センサ５８０は、金属パイプ（固定部）の壁５９０ａに取り付けられた円筒状の外筒５８１及び棒状のストッパ５８４と、枠体（可動部）の壁５５０ａに取り付けられた円筒状の内筒５８３を有している。外筒５８１及び内筒５８３は銅やアルミニウム等の導体から形成され、ストッパ５８４は銅やステンレス鋼等の構造材から形成される。ストッパ５８４は、壁５９０ａの表面からＺ軸方向に長さＬ０だけ突出しており、可動部の壁５５０ａと固定部の壁５９０ａとの間隔がＬ０より狭くならないように可動部の移動範囲を規制する。ストッパ５８４の長さＬ０は、可動部が固定部に接近し過ぎて内筒５８３及び外筒５８１が壁５５０ａと壁５９０ａとに押し潰されないような長さに設定される。具体的には、ストッパ５８４の長さＬ０は、内筒５８３及び外筒５８１が壁５５０ａ又は壁５９０ａからＺ軸方向に突出する長さよりも若干長く設定されている。また、本実施形態においては、外筒５８１の内周に誘電体から形成された円筒状の誘電体層５８２が略全長に亘って設けられている。誘電体層５８２には市販の広範な絶縁材料を使用することができるが、加工性や耐熱性の観点から、ＰＰＯ（Ｐｏｌｙ  Ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ  Ｏｘｉｄｅ）、ＰＯＭ（Ｐｏｌｙ  Ｏｘｙ  Ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＥＥＫ（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ  Ｅｔｈｅｒ  Ｋｅｔｏｎｅ）、ＰＥＫ（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ  Ｋｅｔｏｎｅ）等のプラスチックが適している。他の種類のプラスチックや、各種セラミックス、ガラス材料から誘電体層５８２を形成してもよい。誘電体層５８２の内径は内筒５８３の外径よりも僅かに大きく形成されており、誘電体層５８２の孔に内筒５８３が差し込まれたときに内筒５８３が誘電体層５８２内を隙間無くスムーズに摺動できるようになっている。外筒５８１、内筒５８３、及びストッパ５８４は、それぞれ壁５９０ａ又は５５０ａに垂直に設けられた取付穴に根元部が差し込まれ、半田、接着剤、あるいは圧入により各壁に固定されている。これにより、外筒５８１、内筒５８３、及びストッパ５８４は、延長方向をＺ軸方向に向け、互いに平行に配置されている。また、外筒５８１及び内筒５８３が固定される取付穴は、それぞれ壁５５０ａ及び壁５９０ａの互いに対向する位置に精確に形成されている。そのため、外筒５８１及び内筒５８３は同軸に配置される。更に、外筒５８１が壁５９０ａから突出する長さと、内筒５８３が壁５５０ａから突出する長さの合計は、可動部の壁５５０ａが固定部の壁５９０ａから最も離れたときの両壁の間隔よりも長くなっている。このため、内筒５８３の先端部は外筒５８１の筒内に常に収容された状態となる。言い換えれば、外筒５８１と内筒５８３は常に一部が重なり合った状態となる。枠体５５０（可動部）がＺ軸方向に移動すると、内筒５８３の先端部は外筒５８１の内周に設けられた誘電体層５８���の筒内を内壁に沿って移動する。すなわち、外筒５８１は内筒５８３の移動方向を規制するガイドとしても機能する。これにより、内筒５８３が固定された可動部は、外筒５８１の軸方向に正確に移動する。また、枠体５５０（可動部）が壁５９０ａ（固定部）に近接すると、内筒５８３は外筒５８１内に深く差し込まれ、外筒５８１と内筒５８３が重なり合った部分の面積が広くなる。また、壁５５０ａ（可動部）が壁５９０ａ（固定部）から離れると、内筒５８３が外筒５８１内から引き出され、外筒５８１と内筒５８３が重なり合った部分の面積が狭くなる。
【００３１】
外筒５８１と内筒５８３が重なり合った部分において、導体である外筒５８１と内筒５８３は誘電体層５８２を介して互いに近接して対向することになる。すなわち、外筒５８１と内筒５８３が重なり合った部分は、一種のコンデンサを形成する。このコンデンサの静電容量は、外筒５８１と内筒５８３が重なり合った部分の面積に比例するが、この面積は内筒５８３が外筒５８１内に貫入した長さＬに比例する。従って、コンデンサの静電容量は外筒５８１と内筒５８３とのＺ軸方向の重なり長Ｌに比例した大きさとなる。具体的には、コンデンサの静電容量Ｃは次の式（１）で表される。
【数１】
2011139781.tif 000003
ここで、ａとｂはそれぞれ誘電体層５８２の内径と外径であり、εは誘電体層５８２を構成する誘電体の誘電率である。
【００３２】
位置センサの外筒５８１及び内筒５８３は信号線５４６を介して第１プロセッサ２００の制御部２４０に設けられた周知の静電容量電圧変換回路（不図示）に接続されている。静電容量電圧変換回路は、静電容量又は静電容量の変化量に応じた大きさの電圧を出力する回路である。制御部２４０は、静電容量電圧変換回路の出力電圧に基づいて位置センサの静電容量Ｃを決定し、上記の式（１）から外筒５８１と内筒５８３の重なり長Ｌの測定値を算出し、この重なり長Ｌの測定値に基づいて固定部に対する可動部の相対位置の測定値が決定される。具体的には、図３（ｂ）に示されるように、固定部上に設定された基準点Ｒに対する可動部上に設定された測定点ＭのＺ軸方向の相対位置Ｄｚが決定される。そして、制御部２４０は、固定部に対する可動部の相対位置Ｄｚの測定値と目標値との差分が０になるよう形状記憶合金５７０に供給する駆動電流を調整するフィードバック制御を行う。すなわち、本実施形態においては、位置センサ５８０、Ｚ軸走査手段、及びフィードバック制御を司る制御部２４０により、共焦点光学ユニット５００の可動部のＺ軸位置を制御する位置制御システムが構成されている。なお、本実施形態においては、位置センサ５８０の基準点Ｒは外筒５８１の中心軸（鎖線）が固定部の壁５９０ａの可動部側表面と交差する位置に、測定点Ｍは内筒５８３の中心軸（鎖線）が可動部の壁５５０ａの固定部側表面と交差する位置に、それぞれ設定されている。また、外筒５８１と内筒５８３との重なり長Ｌと、基準点Ｒと測定点Ｍとの距離Ｄｚとの関係は予め別の測定方法により決定され、制御部２４０に設けられたメモリに記録されている。
【００３３】
以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において以下に例示するような様々な変形が可能である。
【００３４】
上記の実施形態においては、固定部に外筒５８１が設けられ、可動部に内筒５８３が設けられている。しかしながら、本発明はこの構成に限定されず、別の実施形態においては固定部に内筒５８３が設けられ、可動部に外筒５８１が設けられてもよい。ストッパ５８４を可動部に設けてもよい。しかしながら、可動部は軽量であることが望ましいため、上記実施形態の配置が最適である。
【００３５】
上記の実施形態においては、外筒５８１の内周に固体の誘電体層５８２が形成されているが、固体の誘電体層５８２を設けずに外筒５８１と内筒５８３との間に形成される空気層を誘電体層としてもよい。また、誘電体層５８２は内筒５８３の外周に形成してもよい。
【００３６】
上記の実施形態においては、円筒形に形成された外筒５８１及び内筒５８３が使用されているが、本発明の外筒及び内筒はこの形状に限定されない。別の実施形態においては、例えば楕円筒形や四角筒形に形成された外筒及び内筒が使用されてもよい。また、内筒５８３に替えて内部が充実した円柱や角柱部材を使用してもよい。内筒（又は柱状部材）外周の横断面が外筒内周の横断面に対応する形状で、外筒内周の横断面よりも小寸法となるように各部材が形成されていればよい。また、内筒（又は柱状部材）外周の横断面の寸法は外筒内周の横断面よりも小さくなっている。
【００３７】
上記の実施形態においては位置センサ５８０の外筒５８１、誘電体層５８２及び内筒５８３は空気中に配置されているが、別の実施形態ではこれら要素の周囲を誘電体層と略同じ誘電率に調整された例えばシリコーンオイル等の絶縁油で満たしてもよい。位置センサを絶縁油で満たすことにより、誘電体層の厚さの不均一による誤差が低減される。
【００３８】
上記の実施形態においては、位置センサ５８０は１対の外筒５８１と内筒５８３から構成されているが、複数対の外筒５８１と内筒５８３からなるコンデンサを並列又は直列に接続した構成にしてもよい。
【００３９】
上記の実施形態においては、ストッパ５８４は可動部の移動方向（Ｚ軸方向）に長手方向を向けた棒状部材が使用されているが、ストッパの形状はこれに限定されない。ストッパは、位置センサ５８０を保護するために、可動部の壁５５０ａと固定部の壁５９０ａが一定間隔Ｌ０以下に接近しないように可動部の移動を規制することができれば、各部の機能を阻害しない限り任意の構成にすることができる。例えば、外筒５８１の側壁の一部を内側に突出させたものもストッパとして機能する。
【００４０】
上記の実施形態においては、位置制御システムのフィードバック制御を第１プロセッサ２００内に配置された制御部２４０が直接行っている。しかしながら、別の実施形態においては、位置制御システムのフィードバック制御を司る位置制御手段をスコープ１００内（例えば把持部１４０内）に設け、制御部２４０の統括制御下で位置制御手段が位置制御システムのフィードバック制御を行うようにしてもよい。
【００４１】
上記の実施形態は、本発明に係る位置センサ及び位置制御システムを共焦点内視鏡に適用した例であるが、本発明が適用される装置は共焦点内視鏡に限定されず、精密な位置制御が必要な様々な用途に適用される。例えば、国際公開第２００７／０８４９１５号パンフレットにあるような走査型医療用プローブや、特開２００７−０５４３３３号公報にあるようなＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）プローブ等の各種プローブ型内視鏡におけるプローブの位置制御システムに適用することができる。また、共焦点顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ： Scanning Tunneling Microscope）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）に代表される走査型プローブ顕微鏡等のプローブの位置制御システムとして使用することができる。その他にも、マイクロマシン全般に適用される汎用のマイクロアクチュエータの駆動制御システムに適用することができる。
【００４２】
上記の実施形態は、本発明に係る位置センサ及び位置制御システムをＺ軸位置制御システムに適用した例であるが、別の実施形態では例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の全ての軸方向の位置制御に本発明に係る位置センサ及び位置制御システムが適用されてもよい。更に別の実施形態においては、各軸周りの角度制御を含めた６軸の位置制御に本発明に係る位置センサ及び位置制御システムが適用されてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１        共焦点内視鏡システム
１００    スコープ
１２０    挿入部
１１０    先端
１１２    先端ブロック
１３０    処置具挿入口
１４０    把持部
１５０    内視鏡操作部
１６０    第１ユニバーサルケーブル
１７０    第２ユニバーサルケーブル
２００    第１プロセッサ
２１０    光源部
２２０    画像処理部
２３０    光カプラ
２４０    制御部
２５０    操作部
２００Ｍ  第１モニタ
３００    第２プロセッサ
３００Ｍ  第２モニタ
５００    共焦点光学ユニット
５１０    強化枠体
５２０    光ファイバ
５２０ｅ  先端側端面
５３０    対物光学系
５３１    カバーガラス
５４１    Ｘ軸ドライブコイル
５４２    Ｙ軸ドライブコイル
５４３    磁性駆動板
５４４    柔軟支持体
５４６    信号線
５５０    枠体
５５０ａ  壁
５８０    静電容量型位置センサ
５８１    外筒
５８２    誘電体層
５８３    内筒
５８４    ストッパ
５８５    二重コイル
５９０    金属パイプ
５９０ｂ  壁
６００    撮像ユニット
【図１】
2011139781.tif 000004
【図２】
2011139781.tif 000005
【図３】
2011139781.tif 000006
【図４】
2011139781.tif 000007