JP4288349B2

JP4288349B2 - 超音波モータとこれを用いた穿刺システム

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Publication number: JP4288349B2
Application number: JP2003426049A
Authority: JP
Inventors: 幹也田中; 正人岡; 俊任沖; 裕治若佐
Original assignee: Yamaguchi University NUC
Current assignee: Yamaguchi University NUC
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: JP2005185072A

Description

本発明は、ＭＲＩ装置対応の穿刺システムとその穿刺システムを駆動する超音波モータに関する。

一般に、検体の頭部を穿刺して行う手術方法に定位脳手術がある。定位脳手術とは、固定した検体の頭部をＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置やＣＴ（コンピューター断層撮影）装置を用いて撮影して手術目標を事前に定め、その後、この手術目標に従って低侵襲で脳深部のごく一部にある病変に対して穿刺針を正確に挿入する方法であり、高血圧性脳内出血の治療法の１つである穿頭血腫吸引術やパーキンソン病治療のＤＢＳ（脳深部刺激療法）等に用いられている。

しかしながら、ＭＲＩ装置は静磁場中に置かれた検体に対して特定周波数の電磁場を与えて検体内の水素原子核を励起させ、この励起された水素原子核が元の状態に戻る間に生じる特定周波数のＭＲ信号（核磁気共鳴信号）を検出してコンピュータで処理することにより検体の断層像を得るものであるため、ＭＲＩ装置を作動させた状態で断層像を見ながら手術を行うことは困難であるという課題があった。

このような課題に対処するため、いくつかの発明及び考案が開示されている。
例えば、特許文献１には、「処置器具」という名称で、ＭＲ像（核磁気共鳴像）を見ながら外科手術を行うことのできる処置器具に関する発明が開示されている。

以下、図７（ａ）を参照しながら、特許文献１に開示された技術について説明する。
特許文献１の発明である処置器具は図７（ａ）に示すようにオープンマグネット型ＭＲＩ装置の静磁場発生用磁石２４を構成する一対のマグネット２４ａ，２４ｂ間に形成される空間２７内で用いられ、処置器具の一つに図７（ａ）に示すような定位脳手術装置１１がある。これはオープンマグネット型ＭＲＩ装置の手術台２８に固設された基台２１上に固定される固定環１２と、これに回転可能に取り付けられた円弧状のアーム１７とから構成され、固定環１２には患者２２の頭部２３を固定するための複数の固定ピン１４が、アーム１７には処置用プローブや内視鏡等の処置器具２０を保持した保持具１９がスリット１８に沿って移動可能に具備されている。また、固定環１２内部にはオープンマグネット型ＭＲＩ装置からのＭＲ信号を検出するためのＭＲ信号検出コイル１３が埋設されており、これはチューナー１５に設けられたコネクタ１６及び信号伝送ケーブル２６を介してオープンマグネット型ＭＲＩ装置側のコネクタ２５に接続されている。なお、処置器具２０は磁界中においてほとんどあるいは全く磁化を示さずＭＲＩにほとんど歪みを起こさない材料から構成されているものとする。
このような構造より、オープンマグネット型ＭＲＩ装置の静磁場中に固定環１２で頭部２３を固定された患者２２に対してＲＦコイルを用いて特定周波数の高周波磁場を与えることによって頭部２３から発生されるＭＲ信号を固定環１２内部のＭＲ信号検出コイル１３で検知し、頭部２３の断層像を得ることが可能である。またこれにより、得られた断層像から患者２２頭部２３の処置すべき患部の位置を決めて患部に向って処置器具２０を挿入することにより外科的処置を行うことができる。したがって、患部に最も近い位置にＭＲ信号検出コイル１３を置く構造とすることで手術全体のシステムの簡素化が可能となる。

特許文献２には、「外科手術支援装置」という名称で、手術操作において手術器具の位置及び手術過程を画面上にリアルタイムに表示することのできる外科手術支援装置に関する発明が開示されている。

以下、特許文献２を引用しながら、特許文献２に開示された技術について説明する。
特許文献２の外科手術支援装置は被検体の断層像の画像データを記憶させておく画像記憶手段と、被検体が横たわっている手術台の一の端部に設けられ３次元の傾斜磁場を発生させる磁気ソースと、被検体に手術を施すための手術器具と、手術器具に具備され手術器具の３次元位置を検出する磁気センサと、画像記憶手段に記憶された所定の画像に磁気センサから得られた手術器具先端部の位置情報を演算合成して画面上に表示する実空間座標値検出手段、画像空間座標値変換手段、画像選択手段、画像合成手段及び表示手段とから構成されている。また、手術器具先端部の位置情報の演算手段には手術器具の挿入領域を算出する挿入領域演算手段やこの挿入領域演算手段で算出された手術領域の画像上の位置の画素値を別の画素値に置き換える画素値置換手段が設けられており、手術履歴画像を表示できるようになっている。したがって、あらかじめ被検体の断層像を画像記憶手段に収集記憶させておき、磁気センサによって手術器具の位置を検出して算出しこの手術器具の位置情報をもとに記憶させておいた断層像に手術器具の位置を合成表示することによって断層像を見ながらリアルタイムで手術を行うことができる。また、手術履歴画像を得ることができるという点においては手術操作を行った組織とそうでない組織を区別することができ、手術を効率よくかつ安全に行うことができる。

特許文献３には、「手術装置」という名称で、ＭＲＩ装置計測領域に手術台を設けかつ内視鏡や超音波スキャナ等を用いて局所的な画像をモニタしながら遠隔操作で手術を行うことのできる手術装置に関する発明が開示されている。

以下、特許文献３を引用しながら、特許文献３に開示された技術について説明する。
ＭＲＩ装置を使用しながらマニピュレータによる遠隔手術を行うことのできる特許文献３の手術装置は、術具を支持する操作マニピュレータと、これを操作する操作入力手段と、術具の作業領域を局所的に観察するための映像手段、例えば、ＭＲＩ装置、内視鏡及び超音波スキャナ等とこれらの検出結果より得られる画像を表示するモニタ等と、検体を載せる手術台とから構成されている。そして、操作マニピュレータ及びＭＲＩ装置は手術台の長手方向に対してスライド可能な構造となっており、処置あるいは撮影する患部位置に応じて移動できる構造となっている。また、操作入力手段には触覚や力を検出する手段が設けられており術具が患部組織から受ける力や感触がフィードバックされて医師等の操作入力者に伝わるとともに、モニタ上の映像を必要に応じてＭＲ画像、内視鏡画像あるいは超音波スキャナ画像に切り替えることが可能である。さらには、危機管理制御装置を設けてＭＲＩ装置による計測中に操作マニピュレータ、内視鏡及び超音波スキャナを電気的に停止状態（機械的ロック状態）にして動作しないように制御してＭＲＩ装置により発生する磁場の影響を回避する工夫がなされており、安全性の高い手術を行うことができるようにしている。

また、ＭＲＩ装置ではその動作原理に磁界を利用しているため、ＭＲＩ装置使用下で手術を行えるシステムの駆動手段としては磁界を発生せず、しかも、ＭＲＩ装置によって発生される磁場の影響を受けない超音波モータを用いたアクチュエータが好適とされている。
超音波モータに関する発明には、例えば、特許文献４に「超音波モータ」という名称で、構造が簡易で安価な振動特性にばらつきの少ない超音波モータが開示されている。

以下、図７（ｂ）乃至（ｄ）を参照しながら、特許文献４に開示された技術について説明する。
図７（ｂ）に示すように超音波モータ２９は振動の節の部分を支持リング３３で支持したパイプ状圧電楕円運動振動子３０と、このパイプ状圧電楕円運動振動子３０の中空部を貫通し両端部がねじ切られている軸と、パイプ状圧電楕円運動振動子３０の両端部に具備されるカップ状ローター３２と、軸の両端に螺合されたねじ３１とで構成され、カップ状ローター３２は軸の両端部にねじ３１を螺着させることによってパイプ状圧電楕円運動振動子３０の両端部に圧接された構造となっている。また、パイプ状圧電楕円運動振動子３０の周表面にはパイプ状圧電楕円運動振動子３０の長手方向と平行に４つ分割電極３４〜３６が施されている（４つの分割電極のうち１つは図示せず）。そして、このような構造の超音波モータ２９は、分割電極３４，３６を接続して一つのプラス端子とし残りの分割電極３５と図示していない分割電極を接続してマイナス端子として第１の交流電圧を印加すると図７（ｃ）に示すようにパイプ状圧電楕円運動振動子３０の中央部が下側あるいは上側に膨らむように屈曲する。すなわち、パイプ状圧電楕円運動振動子３０が上下方向に屈曲振動する（以下、第１の屈曲振動と呼ぶ。）。また、分割電極３５，３６を接続してマイナス端子とし分割電極３４と図示していない分割電極を接続してプラス端子として第２の交流電圧を印加すると図７（ｃ）におけるパイプ状圧電楕円運動振動子３０の振動方向と垂直な方向、つまり、左右方向にパイプ状圧電楕円運動振動子３０が屈曲振動する（以下、第２の屈曲振動と呼ぶ。）。
したがって、このような駆動原理により第１及び第２の交流電圧の位相を変え第１及び第２の屈曲振動の位相をずらすことによって、図７（ｄ）に示すようにパイプ状圧電楕円運動振動子３０を円運動または楕円運動させることができる。そして、これによりパイプ状圧電楕円運動振動子３０の円運動または楕円運動による回転力が両端部のカップ状ローター３２に伝達され、さらに、カップ状ローター３２がパイプ状圧電楕円運動振動子３０内部に貫通している軸と一緒に回転することによって超音波モータ２９を駆動させることができる。なお、カップ状ローター３２はねじ３１でパイプ状圧電楕円運動振動子３０に圧接されているため自動的に位置決めされベアリングを用いなくても安定に回転する。つまり、振動特性のばらつきが少ない超音波モータを得ることができる。

特開平９−９４２３３号公報特開２００３−１５３８７６号公報特開平１０−１４６３４１号公報特開平２−１６４２８５号公報

しかしながら、上述の従来の技術においては、例えば特許文献１に開示された発明においては、ＭＲ画像に歪みを発生させることなく穿刺針等の処置器具を患者の頭部に挿入することができるものの、処置器具の挿入操作は手動操作でありコンピュータ制御による遠隔操作に比べて誤動作を生じる可能性があるという課題があった。

また、特許文献２に開示された発明においては、手術器具に磁気センサを具備することによって磁気センサからの手術器具の位置情報をもとにあらかじめ記憶されていたＭＲ画像にこれを合成して被検体内の手術器具の位置をＭＲ画像上でリアルタイムで観察しながら手術を行うことができるとともに手術操作の過程を画像で追跡することができるものの、手術器具の位置情報を合成するＭＲ画像（断層像）は手術前にあらかじめ撮影されたものを使用しているため手術時の被検体の位置情報との間に誤差が含まれる可能性があるという課題があった。

特許文献３に開示された発明においては、ＭＲＩ装置、内視鏡あるいは超音波スキャナ等を用いて得られた患者の局所的な画像を見ながらマニピュレータを用いた遠隔操作により手術を行うことができるものの、ＭＲＩ装置使用中にはマニピュレータ、内視鏡及び超音波スキャナは停止された状態になっているためＭＲＩ装置による計測と手術操作を並行して行うことができないという課題があった。

特許文献４に開示された発明においては、簡単な構造で安価な超音波モータが提供されているものの、これはパイプ状圧電楕円運動振動子の周方向に励振する構造であるため高い精度を要求される穿刺手術には適していないという課題があった。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、ＭＲＩ装置により発生する磁場の影響を受けにくく高い精度で正確な位置に穿刺することのできる穿刺システムとこれに用いる超音波モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である超音波モータは、弾性振動体に着接された圧電素子を超音波振動させることによって弾性振動体に進行波を発生させ、かつ、これに動体を圧着させることによって弾性振動体と動体との間に発生した摩擦力を駆動力として作動する超音波モータにおいて、螺旋状の第１の山部と第１の谷部と第１の側面部を備える雄ネジ部と、この雄ネジ部に螺合し螺旋状の第２の山部と第２の谷部と第２の側面部を備える雌ネジ部とを有し、圧電素子が着接された弾性振動体を第１の山部、第１の谷部あるいは第１の側面部の表面に設け、雌ネジ部を動体とするものである。
上記構成の超音波モータにおいては、一般的な超音波の原理により圧電素子が着接された弾性振動体表面に動体を加圧し圧電素子に２つの異なる位相の電圧をかけることによって弾性振動体表面に進行波を発生させ、進行波の進行方向と逆方向に動体を移動させるという作用を有する。
圧電素子が着接された弾性振動体を雄ネジ部の第１の山部あるいは第１の谷部に螺旋状に配設しこれに雌ネジ部を螺合圧着させて圧電素子に２つの異なる位相の電圧を印加することにより、雄ネジ部の第１の山部、第１の谷部あるいは第１の側面部表面に進行波を発生させ、この進行波の進行方向と逆方向に雌ネジ部の第２の谷部、第２の山部あるいは第２の側面部を移動させるという作用を有する。

また、請求項２に記載の発明である超音波モータは、弾性振動体に着接された圧電素子を超音波振動させることによって弾性振動体に進行波を発生させ、かつ、これに動体を圧着させることによって弾性振動体と動体との間に発生した摩擦力を駆動力として駆動する超音波モータにおいて、螺旋状の第１の山部と第１の谷部と第１の側面部を備える雄ネジ部と、この雄ネジ部に螺合し螺旋状の第２の山部と第２の谷部と第２の側面部を備える雌ネジ部とを有し、前記圧電素子が着接された弾性振動体を前記第２の山部、第２の谷部あるいは第２の側面部の表面に設け、前記雄ネジ部を前記動体とするものである。
上記構成の超音波モータにおいては、請求項１の雌ネジ部と雄ネジ部の機能が逆になった構造であり雌ネジ部が弾性振動体として作用し雄ネジ部が動体として作用するものである。すなわち、第２の山部、第２の谷部あるいは第２の側面部に弾性振動体及び圧電素子が配設された雌ネジ部の圧電素子に２つの異なる位相の電圧を印加することによって雌ネジ部の第２の山部、第２の谷部あるいは第２の側面部に進行波を起こし雌ネジ部の第２の山部、第２の谷部あるいは第２の側面部に螺合する雄ネジ部の第１の谷部、第１の山部あるいは第１の側面部を進行波の進行方向と逆の方向に移動させるという作用を有する。

また、請求項３に記載の発明である穿刺システムは、請求項１又は請求項２に記載の超音波モータの動体先端部に非磁性体の穿刺針を取設したものである。
上記構成の穿刺システムにおいては、請求項１又は請求項２に記載の超音波モータの動体の移動により、ＭＲＩ装置の発生磁場内において検体に対して穿刺針を挿入あるいは抜出可能とするという作用を有する。

本発明の請求項１に記載の超音波モータにおいては、動体である雌ネジ部を螺旋状に回転させ雄ネジ部に対して挿脱可能とすることができる。

また、本発明の請求項２に記載の超音波モータにおいては、請求項１に記載の超音波モータとは反対に動体である雄ネジ部を雌ネジ部に対して螺入出させることができる。

本発明の請求項３に記載の穿刺システムにおいては、ＭＲＩ装置使用下で遠隔操作により穿刺操作を行うことができる。また、請求項１及び請求項２に記載の超音波モータは特許文献４の超音波モータのように上下あるいは左右に大きく励振せず発生した回転運動が螺旋構造により効率よく穿刺針を水平移動させる駆動力へと変換される構造であるため、精度よく穿刺操作を行うことができる。

ＭＲＩ装置使用下でもＭＲＩ画像の乱れや他の装置の操作不良を生じることなく利用できる穿刺システムとこれに用いる超音波モータを提供するという目的を、複雑な構造とすることなく実現した。本発明の最良の実施の形態に係る実施例について説明する前に、まず進行波型超音波モータの駆動原理について説明する。

進行波型超音波モータは下部に圧電素子が貼り付けられたリング状の弾性振動体（ステータ）と、これの上部表面に加圧接触させたリング状の動体（ロータ）とから構成され、弾性振動体に貼付された圧電素子は交互に分極されている。そのため、圧電素子（Ａ）に電圧（ｓｉｎ波）を印加させ、さらに同時に他の圧電素子（Ｂ）に電圧（ｃｏｓ波）を印加させると、たわみ進行波がつくりだされる。そして、これによりステータ表面上の質点が進行波の進行方向と反対方向に楕円運動を行う。よって、このように楕円運動をおこなっているステータ表面にロータを加圧接触させると摩擦によってロータがステータの進行波の進行方向と反対方向に移動する。すなわち、ロータが進行波の進行方向と逆の方向に回転する。これが進行波型超音波モータの駆動原理であり、本発明の超音波モータはこのような進行波型超音波モータを応用したものである。

以下に、本発明の最良の実施の形態に係る超音波モータの実施例１を図１及び図２に基づき説明する。

図１（ａ）は本発明の実施の形態に係る実施例１の超音波モータの概念図であり、図１（ｂ）は実施例１の超音波モータのロータを示す概念図であり、図１（ｃ）は実施例１の超音波モータのステータを示す概念図であり、図１（ｄ）は図１（ｃ）中符号Ｃで示される方向への矢視概念図である。

本発明の超音波モータは図１（ａ）に示すように雄ネジ３とこれに螺合する雌ネジ４から構成され、実施例１の超音波モータ１ａでは雄ネジ３が進行波型超音波モータのステータ５ａとして機能する。ロータ２ａである雌ネジ４は図１（ｂ）に示すように内周面に谷部４ａと山部４ｂが螺旋状に形成されている。また、図１（ｃ）に示すように雌ネジ４に螺合する雄ネジ３周面には雌ネジ４の谷部４ａ及び山部４ｂとそれぞれ螺合する山部３ｂ及び谷部３ａが形成されている。側面部３ｃ表面には、下面に圧電素子６ａを貼り付けたステータ５ａが側面部３ｃ表面と略同一面を形成するように埋設されている。そのため、雌ネジ４に雄ネジ３を螺入する際あるいは雌ネジ４から雄ネジ３を螺出させる際に雄ネジ３側面部３ｃのステータ５ａが雌ネジ４の側面部４ｃに常に圧着された状態となる。

また、雄ネジ３の山部３ｂは雄ネジ３周面に螺旋状に形成されているため、側面部３ｃに埋設されるステータ５ａ及び圧電素子６ａも螺旋状に形成される構造である。よって、雄ネジ３を長手方向から見ると図１（ｄ）に示すように交互に分極した圧電素子６ａとこれとλ／４及び３λ／４の間隔をおいて圧電素子６ｂがリング状に配置される構造となる。したがって、圧電素子６ａ，６ｂにそれぞれ交流電圧Ｅ_２，Ｅ_１を印加すると進行波型超音波モータの原理に基づいてステータ５ａ表面に進行波が発生して雄ネジ３に螺合する雌ネジ４がロータ２ａとして進行波の進行方向と逆方向に回転する。図１（ｂ）では回転方向を矢印Ｂとして図示している。ロータ２ａである雌ネジ４の回転はステータ５ａ表面に発生する進行波の方向によって右回転または左回転のいずれも可能である。

図２は図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。図２において、図１（ａ）に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。

前述したとおり、ロータ２ａである雌ネジ４は雄ネジ３との螺合によって、その側面部４ｃは雄ネジ３の側面部３ｃに埋設されたステータ５ａに圧着されており、ステータ５ａに着接された圧電素子６ａ，６ｂに交流電圧をかけて振動させるとロータ２ａである雌ネジ４が雄ネジ３の山部３ｂが形成する螺旋構造に沿って螺旋を描きながら図２中符号Ｄで示す方向に進行する。これにより、雄ネジ３を下方へと移動させ雌ネジ４内に螺入させることができる。一方、雄ネジ３を雌ネジ４から矢印Ｄで示す方向へ螺出させたい場合には電圧の位相差の関係を逆にして逆方向の進行波を発生させれば矢印Ｄで示す方向と逆方向に雌ネジ４を移動させることができ、雄ネジ３を矢印Ｄで示す方向へと螺出させることができる。

図３（ａ）は本発明の実施例２に係る超音波モータのステータを示す概念図であり、図３（ｂ）は実施例２の超音波モータのロータを示す概念図であり、図３（ｃ）は本発明の実施例３に係る超音波モータのロータを示す概念図であり、図３（ｄ）は実施例３の超音波モータのステータを示す概念図であり、図３（ｅ）は本発明の実施例４に係る超音波モータのロータを示す概念図であり、図３（ｆ）は実施例４の超音波モータのステータを示す概念図である。図３において図１に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。

実施例２の超音波モータは図１（ａ）に示す実施例１の超音波モータと同様にステータである雄ネジ３に対して雌ネジ４がロータとして移動する構造であるが、図３（ａ）に示すように実施例２の雄ネジ３は側面部３ｃではなく谷部３ａにステータ５ｂ及びこれに着接される圧電素子６ｃを埋設している。図３（ｂ）に示す実施例２のロータ２ｂである雌ネジ４は図１（ｂ）の雌ネジ４と同様の構造であり、図１（ｂ）の矢印Ｂと同様に矢印Ｅで示される方向へ回転する。

また、実施例３及び実施例４の超音波モータは実施例１及び実施例２の超音波モータとは逆に雌ネジ４ではなく雄ネジ３がロータとして機能し回転する構造となっている。
特に、実施例３の超音波モータでは図３（ｄ）に示すように雌ネジ４の側面部４ｃに圧電素子６ｄを具備したステータ５ｃが埋設される構造、実施例４の超音波モータでは図３（ｆ）に示すように雌ネジ４の山部４ｂにステータ５ｄが埋設される構造となっている。符号６ｅはステータ５ｃに着接される圧電素子である。実施例３及び実施例４のロータは図３（ｃ）及び（ｅ）に示すように同構造の雄ネジ３である。符号Ｆ，Ｇは雄ネジ３が回転する方向を表現するものである。

ここで、図４を用いて実施例２乃至４の超音波モータの圧電素子、ステータ及びロータの位置と超音波モータを駆動させたときの雄ネジ３及び雌ネジ４の動きについて説明する。

図４（ａ）は実施例２の超音波モータの概略断面図であり、図４（ｂ）は実施例３の超音波モータの概略断面図であり、図４（ｃ）は実施例４の超音波モータの概略断面図である。図４において図３に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。

図４（ａ）に示す実施例２の超音波モータ１ｂでは、螺旋状に谷部３ａに圧電素子６ｃ，６ｆ及びステータ５ｂが埋設された雄ネジ３が雌ネジ４に螺着されている。したがって、雌ネジ４の山部４ｂはロータ２ｂとして雄ネジ３谷部３ａに加圧接触している。そのため、図１（ｄ）に示す圧電素子６ａ，６ｂと同様に圧電素子６ｃ，６ｆに交流電圧を印加させて異なる位相で同波長の波を発生させるとステータ５ｂ表面に進行波が発生して雌ネジ４の山部４ｂが進行波と反対方向に回転する。そして、これにより実施例１と同様に雌ネジ４が図４（ａ）に示すとおり符号Ｈで示す方向へと螺動する。言い換えると、雌ネジ４と螺合している雄ネジ３を下方へと移動させることができる。雄ネジ３を矢印Ｈで示す方向へ移動させたい場合には実施例１と同様に印加電圧の位相差の関係を逆にすれば可能である。

図４（ｂ）に示す実施例３の超音波モータ１ｃでは圧電素子６ｇ，６ｄ及びステータ５ｃが埋設された雌ネジ４側面部４ｃと雄ネジ３の側面部３ｃが螺着している。よって、圧電素子６ｇ，６ｄに交流電圧をかけて雌ネジ４の側面部４表面のステータ５ｃに進行波を発生させることでこれと接触している雄ネジ３の側面部３ｃを進行波と逆方向に移動させて雌ネジ４に対して雄ネジ３を矢印Ｉで示す方向へと螺動させることができる。
図４（ｃ）に示す実施例４の超音波モータ１ｄにおいては圧電素子６ｈ，６ｅ及びステータ５ｄが雌ネジ４の山部４ｂに埋設されている。そのため、実施例３と同様に圧電素子６ｈ，６ｅの振動によりステータ５ｄ上に進行波を発生させることでロータ２ｄである雄ネジ３を回転させて矢印Ｊで示す方向に雄ネジ３を移動させることができる。また、超音波モータ１ｃ，１ｄの雄ネジ３を矢印Ｉ，Ｊと反対の方向に螺動させたい場合には圧電素子６ｇ，６ｄ，６ｈ，６ｅにかける印加電圧の位相差の関係を逆にするとよい。

図５（ａ）は実施例５の超音波モータの概略断面図であり、図５（ｂ）は実施例６の超音波モータの概略断面図である。

図５（ａ）の実施例５の超音波モータ１ｅは実施例１及び実施例２と同様に雌ネジ４がロータ２ｅとなるものであり、図４（ａ）に示す実施例２とは逆に雄ネジ３の山部３ｂにステータ５ｅ及び圧電素子６ｉ，６ｊを埋設する構造である。このような構造においては圧電素子６ｉ，６ｊに交流電圧を加えることにより、実施例２と同様に矢印Ｋの方向へ雌ネジ４を移動させ矢印Ｋと逆方向に雄ネジ３を螺出させることができる。雄ネジ３を矢印Ｋの方向に螺出させる場合には印加電圧の方向を逆にすることにより可能となる。超音波モータ１ｅの駆動原理については実施例１及び実施例２と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図５（ｂ）に示す実施例６の超音波モータ１ｆは図４（ｃ）に示す実施例４とほぼ同じ構造であり、圧電素子及びステータが雌ネジ４の山部４ｂではなく谷部４ａに設けられている点が異なる。超音波モータ１ｆの駆動原理については図４（ｃ）の実施例４と同様に、圧電素子６ｋ，６ｌに交流電圧を印加して異位相同波長の波を発生させることによってステータ５ｆ上に進行波をつくりだし、ステータ５ｆが埋設された雌ネジ４谷部４ａと雄ネジ３山部３ｂとの摩擦により雄ネジ３を矢印Ｌの方向へ移動させるものである。雄ネジ３を下方へ移動させるためには印加電圧の位相差の関係を逆にするとよい。

最後に、実施例１乃至実施例６の超音波モータを用いた穿刺システムについて図６を用いて説明する。

図６は本発明の実施の形態に係る超音波モータを用いた穿刺システムの概念図である。

図６に示す穿刺システムはＭＲＩ装置の発生磁場内で使用できるものであり、手術台９に設置されたマニピュレータ７を用いて検体１０の頭部１０ａに非磁性体の穿刺針８を挿入あるいは引抜する穿刺操作を行うものである。また、マニピュレータ７は超音波モータ１ｆ，１ｇの駆動によりロータ２ｈ，２ｉを矢印ＰあるいはＱ，矢印ＲあるいはＳの方向へ移動させてロータ２ｈ，２ｉの露出長さを変えることにより、アーム７ａとアーム７ｂ及びアーム７ｂとアーム７ｃとの角度及びアーム７ａ〜７ｃの全長を変えることができ、遠隔操作によって穿刺針８の位置を調整することができるとともに、ＭＲＩ画像を観察しながら穿刺針８を挿入すべき位置に正確に位置させることができる。加えて、穿刺針８の挿入及び引抜操作は超音波モータ１ｅを駆動させてロータ２ｇを矢印Ｍで示す方向へ螺出させたり、あるいは、矢印Ｎで示す方向へ移動させて超音波モータ１ｅの雌ネジ内に螺入させたりすることによって穿刺針８を検体１０頭部１０ａに対して挿入あるいは引抜させることができる。本発明に用いている進行波型超音波モータは生じた螺旋運動がそのまま穿刺針８をスライドさせる駆動力となるため、このようなシステムを用いることによってＭＲＩ装置による検体１０の患部の断層像をリアルタイムで取得しながら高精度で穿刺操作を遠隔で行うことができる。
言うまでもないが、穿刺針８だけでなくこの穿刺システムに用いられるその他の部材、アーム７ａ〜７ｃ、超音波モータ１ｇ〜１ｉ、ロータ２ｇ〜２ｉ及び手術台９はＭＲＩ装置によって発生される強い静磁場の影響を受けにくい材料のものを使用するものとする。なお、超音波モータ１ｇ〜１ｉは図１乃至図５を用いて説明した実施例１乃至実施例６の超音波モータ１ａ〜１ｆのいずれかに相当するものであり、ロータ２ｇ〜２ｉはそれらの超音波モータに付随するロータ２ａ〜２ｆのいずれかに相当するものである。

ＭＲＩ装置使用下でＭＲＩ画像やＭＲＩ装置周辺の装置に不具合を生じることなく穿刺操作を行うことができるとともに、遠隔操作による定位脳手術を行うのに適用できる。

（ａ）は本発明の実施の形態に係る実施例１の超音波モータの概念図であり、（ｂ）は実施例１の超音波モータのロータを示す概念図であり、（ｃ）は実施例１の超音波モータのステータを示す概念図であり、（ｄ）は（ｃ）中符号Ｂで示される方向への矢視概念図である。図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。（ａ）は本発明の実施の形態に係る実施例２の超音波モータのステータを示す概念図であり、（ｂ）は実施例２の超音波モータのロータを示す概念図であり、（ｃ）は本発明の実施の形態に係る実施例３の超音波モータのロータを示す概念図であり、（ｄ）は実施例３の超音波モータのステータを示す概念図であり、（ｅ）は本発明の実施の形態に係る実施例４の超音波モータのロータを示す概念図であり、（ｆ）は実施例４の超音波モータのステータを示す概念図である。（ａ）は実施例２の超音波モータの概略断面図であり、（ｂ）は実施例３の超音波モータの概略断面図であり、（ｃ）は実施例４の超音波モータの概略断面図である。（ａ）は実施例５の超音波モータの概略断面図であり、（ｂ）は実施例６の超音波モータの概略断面図である。本発明の実施の形態に係る超音波モータを用いた穿刺システムの概念図である。（ａ）従来技術に係る処置器具の概念図であり、（ｂ）乃至（ｄ）は従来技術に係る超音波モータの概念図である。

符号の説明

１ａ〜１ｉ…超音波モータ２ａ〜２ｉ…ロータ３…雄ネジ３ａ…谷部３ｂ…山部３ｃ…側面部４…雌ネジ４ａ…谷部４ｂ…山部４ｃ…側面部５ａ〜５ｆ…ステータ６ａ〜６ｌ…圧電素子７…マニピュレータ７ａ〜７ｃ…アーム８…穿刺針９…手術台１０…検体１０ａ…頭部１１…定位脳手術装置１２…固定環１３…ＭＲ信号検出コイル１４…固定ピン１５…チューナー１６…コネクタ１７…アーム１８…スリット１９…保持具２０…処置器具２１…基台２２…患者２３…頭部２４…静磁場発生用磁石２４ａ，２４ｂ…マグネット２５…コネクタ２６…信号伝送ケーブル２７…空間２８…手術台２９…超音波モータ３０…パイプ状圧電楕円運動振動子３１…ねじ３２…カップ状ローター３３…支持リング３４，３５，３６…分割電極Ｅ_１，Ｅ_２…交流電圧

Claims

弾性振動体に着接された圧電素子を超音波振動させることによって前記弾性振動体に進行波を発生させ、かつ、これに動体を圧着させることによって前記弾性振動体と前記動体との間に発生した摩擦力を駆動力として作動する超音波モータにおいて、螺旋状の第１の山部と第１の谷部と第１の側面部を備える雄ネジ部と、この雄ネジ部に螺合し螺旋状の第２の山部と第２の谷部と第２の側面部を備える雌ネジ部とを有し、前記圧電素子が着接された弾性振動体を前記第１の山部、第１の谷部あるいは第１の側面部の表面に設け、前記雌ネジ部を前記動体とすることを特徴とする超音波モータ。
弾性振動体に着接された圧電素子を超音波振動させることによって前記弾性振動体に進行波を発生させ、かつ、これに動体を圧着させることによって前記弾性振動体と前記動体との間に発生した摩擦力を駆動力として作動する超音波モータにおいて、螺旋状の第１の山部と第１の谷部と第１の側面部を備える雄ネジ部と、この雄ネジ部に螺合し螺旋状の第２の山部と第２の谷部と第２の側面部を備える雌ネジ部とを有し、前記圧電素子が着接された弾性振動体を前記第２の山部、第２の谷部あるいは第２の側面部の表面に設け、前記雄ネジ部を前記動体とすることを特徴とする超音波モータ。
請求項１又は請求項２に記載の超音波モータの前記動体先端部に非磁性体の穿刺針を取設したことを特徴とする穿刺システム。