JP5284837B2 - 光学式エンコーダ及び線状動力伝達部材の変位検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤ等の線状動力伝達部材の長手方向への変位を検出する光学式エンコーダ及びその光学式エンコーダを用いた線状動力伝達部材の変位検出方法に関する。

一般に、内視鏡及びマニピュレータ等の操作システムでは、ワイヤ等の線状動力伝達部材によって動作部を屈曲させる駆動機構が用いられている。これらの操作システムは、内視鏡やマニピュレータの動作を正確に制御するために動作部の屈曲角度を検出する検出手段を設ける必要がある。

特許文献１には、光ファイバを用いたエンコーダが開示されている。このエンコーダでは、光源から光ファイバを介して対象物である回転体に光を入射し、回転体から光ファイバへの光の反射量を検出する。これにより、回転体の回転位置と回転方向を検出するようになっている。

特許文献２には、内視鏡の屈曲角度を検出する光ファイバ式の検出センサが開示されている。この検出センサでは、光ファイバに複数の光吸収部が形成されていて、光吸収部で吸収される光量が検出される。光吸収部で吸収される光量は内視鏡の動作部の屈曲角度によって変化するため、光吸収部で吸収される光量を検出することにより、内視鏡の動作部の屈曲角度が検出されるようになっている。

特開２０００−１８９７１号公報 特許第４００５３１８号公報

例えば医療用マニピュレータ等の外径寸法が１０ｍｍ以下の処置装置の操作システムの場合、従来のポテンショメータ及びエンコーダ等の角度センサを細径のマニピュレータの動作部に配置することは困難である。

また、角度センサの小型化を図り、角度センサを動作部に配置できたとしても、マニピュレータが多自由度で複数の関節部を有する場合、それぞれの関節部に対応する動作部について屈曲角度を検出するための角度センサを設ける必要がある。このため、角度センサの数が多くなり、それぞれの角度センサに接続される配線の数も多くなる。多くの配線を細径のマニピュレータの内部の隙間に挿通することは困難である。

医療用マニピュレータはワイヤの長手方向への移動によって動作を行うワイヤ駆動機構であるが、上記特許文献１のエンコーダは回転体の回転位置と回転情報を検出するのであって、ワイヤ等の線状動力伝達部材の変位を検出するものではない。

上記特許文献２の検出センサでは、屈曲角度によって変化する光吸収部で吸収される光量を検出し、検出した光量から屈曲角度を算出している。このため、光源から出射される光量のばらつき等の影響を大きく受けてしまう。

本発明は上記課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、小型化及び構成の単純化を実現するとともに、線状動力伝達部材の変位の検出精度が高いエンコーダ及び線状動力伝達部材の変位検出方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のある態様の光学式エンコーダは、長手方向に移動する線状動力伝達部材と、前記線状動力伝達部材の外周面に固定されるとともに、前記線状動力伝達部材と一体に長手方向に移動可能で、反射率の異なる２種類の反射部が長手方向に所定のパターンで配置されるスリット部を備え、前記線状動力伝達部材と一体で湾曲可能な反射体と、光を出射する光源と、前記光源から前記スリット部へ光を導くとともに、前記スリット部から反射する反射光が導光される線状光伝送体と、前記線状動力伝達部材及び前記反射体を長手方向に移動可能に保持するとともに、前記線状動力伝達部材の前記長手方向に対して垂直な方向から前記スリット部に対して垂直に光を入射し、かつ、前記スリット部からの反射光が向かう入反射通路が内部に形成される保持部材であって、前記光入反射通路を通して前記スリット部へ光を入射可能で、かつ、前記光入反射通路を通った前記スリット部からの反射光を導光可能な位置で前記線状光伝送体を保持する保持部材と、前記線状光伝送体から導光される前記スリット部での反射光を受光し、前記反射体の変位と光量を示す電気信号を検出する受光素子と、前記電気信号を所定の閾値のパルス信号に変換する信号処理手段と、前記パルス信号のパルス数から前記反射体の長手方向への変位を算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の別のある態様の線状動力伝達部材の変位検出方法は、線状動力伝達部材と一体に長手方向に移動可能な状態で保持部材によって保持されるとともに、前記線状動力伝達部材と一体で湾曲可能な反射体に設けられる、反射率の異なる２種類の反射部を長手方向に所定のパターンで配置したスリット部に、光源から線状光伝送体を介して光を入射する工程であって、前記線状光伝送体によって導光された光を、前記線状動力伝達部材の前記長手方向に対して垂直な方向から前記スリット部に対して垂直に前記保持部材の内部の光入反射通路を通して、前記スリット部に入射することを含む工程と、前記スリット部で反射する反射光を前記線状光伝送体へ導光し、受光素子で受光する工程であって、前記スリット部からの反射光が前記光入反射通路に向かい、前記光入反射通路を通った反射光が前記線状光伝送体により導光されることを含む工程と、前記受光素子で前記反射体の変位と光量を示す電気信号を検出する工程と、信号処理手段で前記電気信号を所定の閾値のパルス信号に変換する工程と、算出手段で前記パルス信号のパルス数から前記反射体の長手方向への変位を算出する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、小型化及び構成の単純化を実現するとともに、線状動力伝達部材の変位の検出精度が高いエンコーダ及び線状動力伝達部材の変位検出方法を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学式エンコーダを備えるマニピュレータの屈曲操作システムを示すブロック図。 図２は、第１の実施形態に係るエンコーダリング部の構成を示す斜視図。 図３は、第１の実施形態に係るエンコーダヘッド部の構成を示す斜視図。 図４は、第１の実施形態に係るエンコーダヘッド部の構成を示す縦断面図。 図５は、図４のＶ―Ｖ線断面図。 図６は、第１の実施形態に係るエンコーダスリット部の構成を示す斜視図。 図７は、第１の実施形態に係るエンコーダスリット部の構成を示す横断面図。 図８は、図７を、（Ａ）は矢印Ａの方向から見た図、（Ｂ）は矢印Ｂの方向から見た図、（Ｃ）は矢印Ｚの方向から見た図。 図９は、第１の実施形態に係る光学式エンコーダの作用を示すフローチャート。 図１０は、第１の実施形態に係る受光素子で検出される、（Ａ）は第１のスリット部の電気信号を示すグラフ、（Ｂ）は第２のスリット部の電気信号を示すグラフ、（Ｃ）は第３のスリット部の電気信号を示すグラフ。 図１１の、（Ａ）は図１０（Ａ）の電気信号のパルス信号を示すグラフ、（Ｂ）は図１０（Ｂ）の電気信号のパルス信号を示すグラフ、（Ｃ）は図１０（Ｃ）の電気信号のパルス信号を示すグラフ。 図１２は、第１の実施形態に係るマニピュレータの動作部の、（Ａ）は屈曲させていない状態を示す縦断面図、（Ｂ）は屈曲させた状態を示す縦断面図。 図１３は、第１の実施形態の第１の変形例に係るエンコーダスリット部の構成を示す斜視図。 図１４は、第１の実施形態の第１の変形例に係るエンコーダスリット部の構成を示す縦断面図。 図１５は、第１の実施形態の第２の変形例に係るエンコーダスリット部の構成を示す斜視図。 図１６は、第１の実施形態の第２の変形例に係るエンコーダヘッド部の構成を示す横断面図。 図１７は、第１の実施形態の第３の変形例に係るエンコーダスリット部の構成を示す斜視図。 図１８は、第１の実施形態の第３の変形例に係るエンコーダヘッド部の構成を示す横断面図。 図１９は、第１の実施形態の第４の変形例に係るエンコーダヘッド部の構成を示す縦断面図。 図２０は、第１の実施形態の第５の変形例に係るエンコーダヘッド部の構成を示す縦断面図。 図２１は、第１の実施形態の第６の変形例に係るエンコーダヘッド部の構成を示す横断面図。

本発明の第１の実施形態について図１乃至図１２（Ａ）（Ｂ）を参照して説明する。

図１は、本実施形態の光学式エンコーダを備えるマニピュレータ１の屈曲操作システムを示す図である。図１に示すように、マニピュレータ１は、細長い管状部２と、管状部２の先端側に設けられる動作部３と、を有する。マニピュレータ１の管状部２の内部には線状動力伝達部材である４本のワイヤ５が挿通され、動作部３に接続されている。４本のワイヤ５のうち２本のワイヤ５が動作部３の上部及び下部に接続される。これら２本のワイヤ５が上下方向の屈曲動作に用いられる。他の２本のワイヤ５は動作部３の左部及び右部に接続される。これら２本のワイヤ５が左右方向の屈曲動作に用いられる。ワイヤ５の基端部は、マニピュレータ１の外部に設けられる駆動手段１１に接続されている。駆動手段１１は回転型モータとプーリとの組み合わせ又はリニア型モータ等であり、ワイヤ５はそれぞれのモータに接続されるか、又は、上下用と左右用のワイヤ５がそれぞれ一体化されてプーリに巻かれている。駆動手段１１は、コンピュータ等の制御手段１２に接続されている。制御手段１２は、ジョイスティック又はハンドル等の操作手段１３、及び、ディスプレイ等の画像表示手段１４に接続されている。画像表示手段１４には、マニピュレータの先端に設けられるカメラ（図示しない）等の画像が表示される。

動作部３を屈曲させる際には、術者は画像表示手段１４に表示される画像を見ながら、動作部３を屈曲させる方向へと操作手段１３を操作する。操作手段１３に入力された信号は、制御手段１２に送られる。制御手段１２では、動作部３の動作に対応するように所定の計算が行われ、動作部３を駆動する駆動手段１１のモータの変位が算出される。算出された駆動手段１１のモータの変位は、信号として駆動手段１１へ送られる。駆動手段１１では、制御手段１２からの信号がモータを駆動する電流信号へと変換されて、モータが駆動される。駆動手段１１のモータが駆動することにより、動作部３に接続されるワイヤ５が先端側に押出し動作又は基端側に引張り動作される。例えば、マニピュレータ１の動作部３を上方向に屈曲させる場合には、動作部３の上部に接続されるワイヤ５が基端側へ引張り動作され、動作部３の下部に接続されるワイヤ５が先端側に押出し動作される。以上のようにして、マニピュレータ１の動作部３の屈曲角度が上下方向及び左右方向に変化するようになっている。

図１に示すように、マニピュレータ１の管状部２の内部の動作部３の近傍には、光学式エンコーダを構成する円柱形状のエンコーダリング部２０が配設されている。図２は、エンコーダリング部２０の構成を示す図である。図２に示すように、エンコーダリング部２０には、エンコーダリング部２０を長手方向に貫通する円柱形状のスロット部２３がワイヤ５に対応する数（本実施形態では４つ）だけ設けられている。４つのスロット部２３は、互いにエンコーダリング部２０の周方向について略９０°離れた位置に略同心状に配設されている。それぞれのスロット部２３には、エンコーダヘッド部２１が固定された状態で収納されている。エンコーダヘッド部２１で、それぞれのワイヤ５の変位量、変位の移動方向及び基準位置からの移動量を検出するようになっている。

図３乃至図５は、１つのエンコーダヘッド部２１の構成を示す図である。図３乃至図５に示すように、エンコーダヘッド部２１の軸中心には、エンコーダヘッド部２１を長手方向に貫通する円柱形状の中心孔３１が形成されている。ワイヤ５の外周面には、反射体である円筒状のエンコーダスリット部３２が長手方向に一定の長さを有して固定されている。すなわち、エンコーダスリット部３２には、ワイヤ５が内周面に固定される状態で挿通されている。中心孔３１には、ワイヤ５及びエンコーダスリット部３２が長手方向に往復移動自在に挿通されている。エンコーダヘッド部２１の中心孔３１では、エンコーダヘッド部２１に対してワイヤ５とエンコーダスリット部３２とが一体に長手方向に移動可能となっている。このような構成にすることにより、ワイヤ５及びエンコーダスリット部３２が、保持部材であるエンコーダヘッド部２１によって長手方向に移動可能に保持される。

図６乃至図８（Ａ）〜（Ｃ）はエンコーダスリット部３２の構成を示す図である。図７において２点鎖線で示すように、エンコーダスリット部３２の円周は１２０°ごとに３つの読取り領域に３分割されている。３つの分割部分には、図５、図７に示されるようにそれぞれ第１のスリット部４０Ａ、第２のスリット部４０Ｂ、第３のスリット部４０Ｚが形成されている。すなわち、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚは、エンコーダスリット部３２の外周面に軸回り方向について隣接するスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚと１２０°の位相差を有して形成されている。

図８（Ａ）は第１のスリット部４０Ａを示し、図８（Ｂ）は第２のスリット部４０Ｂを示す。図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、第１のスリット部４０Ａ、第２のスリット部４０Ｂには、反射率の異なる２種類の反射部４１Ａ、４１Ｂが長手方向に所定のパターンで配置されるＡ相、Ｂ相が形成されている。２種類の反射部４１Ａ、４１Ｂのうち、反射率が高い一方を第１の反射部４１Ａとし、他方を第２の反射部４１Ｂとする。第１のスリット部４０Ａでは、第１の反射部４１Ａと第２の反射部４１Ｂとがエンコーダスリット部３２の長手方向に沿って一定の幅で交互に並んで配置されている。第２のスリット部４０Ｂでは、第１の反射部４１Ａと第２の反射部４１Ｂとがエンコーダスリット部３２の長手方向に沿って第１のスリット部４０Ａと同一の幅で、かつ、第１のスリット部４０Ａとは長手方向に所定の距離だけずらして交互に配置されている。第２のスリット部４０Ｂでの反射部４１Ａ、４１Ｂの配置を第１のスリット部４０Ａと長手方向に所定の距離だけずらすことにより、後述する光学手段１６の受光素子で検出される第２のスリット部４０Ｂからの電気信号と第１のスリット部４０Ａからの電気信号とが９０°の位相差を有するようになっている。

図８（Ｃ）は、第３のスリット部４０Ｚを示す。図８（Ｃ）に示すように、第３のスリット部４０Ｚでは、基準位置４２を境界として一方側に第１の反射部４１Ａが、他方側に第２の反射部４１Ｂが配置されるＺ相が形成されている。

スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚは、例えばエンコーダスリット部３２の外周面にレーザー加工、切削、フォトリソグラフ、コーティング剤塗布、レーザー印刷等によって加工する部分と、加工しない部分と、を設けることにより、形成される。これにより、加工した部分では光が散乱するため光ファイバ２２への反射率の低い第２の反射部４１Ｂとなり、加工しない部分が光ファイバ２２への反射率が高い第１の反射部４１Ａとなる。また、エンコーダスリット部３２の外周面にプリント等でプリントする部分と、プリントしない部分と、を設けることにより、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚを形成してもよい。この場合、プリントした部分が光ファイバ２２への反射率の低い第２の反射部４１Ｂとなり、プリントしない部分が光ファイバ２２への反射率が高い第１の反射部４１Ａとなる。

なお、エンコーダスリット部３２は、ＳＵＳパイプ等の柔軟性のある部材で形成されていることが好ましい。これにより、ワイヤ５が湾曲した際に、エンコーダスリット部３２もワイヤと一体に湾曲可能となる。

図３に示すように、エンコーダヘッド部２１の基端面には、中心孔３１の周囲に３つの光ファイバ用穴３５が形成されている。３つの光ファイバ用穴３５は、中心孔３１から略同心状に、軸回り方向についてそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚと対応する位置に配設されている。図４に示すように、光ファイバ用穴３５は、エンコーダヘッド部２１の基端面から長手方向に沿って中心孔３１と平行に形成されている。また、図５に示すように、エンコーダヘッド部２１には、透光部として光ファイバ用穴３５の先端部から中心孔３１まで貫通する光入反射孔３７がそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに対して垂直に形成されている。光ファイバ用穴３５と光入反射孔３７との間には、光路変換部材であるプリズム３６が設けられている。それぞれの光ファイバ用穴３５には、エンコーダスリット部３２のそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに光を導く線状光伝送体である光ファイバ２２が、ワイヤ５と平行に挿入されている。すなわち、光ファイバ２２は保持部材であるエンコーダヘッド部２１によって、ワイヤ５と離れた位置でワイヤ５と平行に保持されている。

光ファイバ２２の基端部は、マニピュレータ１の外部のエンコーダ信号処理部１５に接続されている。エンコーダ信号処理部１５は、光源、レンズ、受光素子等の光学素子等によって光ファイバ２２への光の入射及びエンコーダヘッド部２１からの反射光の受光を行う光学手段１６と、信号処理回路等の信号処理手段１７と、を有する。

このような構成にすることにより、光学手段１６の光源から出射した光は、光ファイバ２２によってプリズム３６に導かれる。プリズム３６は例えば図示されるようにスリット部３２とそれぞれの光ファイバ２２に対して平行に対面するように互いに９０°の角度を有して形成された入出射面と、これら入出射面を通過する光ビームが往復する光路を形成するための反射面とを有する。そして、プリズム３６で９０°曲げられ、光入反射孔３７からそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに入射する。スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚで反射した反射光は、光入反射孔３７を通り、プリズム３６で９０°曲げられることにより、光ファイバ２２へ導光される。そして、光ファイバ２２を通り、光学手段１６の受光素子で受光される。すなわち、光ファイバ２２はエンコーダヘッド部２１によって、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚへの光の入射、及び、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚからの反射光の導光が可能な位置で保持されている。この際、光入反射孔３７がそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに対して垂直に形成されているため、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに入射された入射光は、光入反射孔３７に向かって反射するようになっている。

光学手段１６の受光素子で受光された反射光は、電気信号に変換される。受光素子で変換された電気信号は、信号処理手段１７に送られる。信号処理手段１７では、波形処理や信号のパルス化等の信号処理が行われる。信号処理手段１７からのエンコーダ出力信号は、制御手段１２に送られる。制御手段１２に設けられる算出手段（図示しない）では、ワイヤ５の変位量、変位の移動方向及び基準位置からの移動量が算出される。算出された情報に基づいて目標変位と実際の変位との差が計算され、駆動手段１１のモータが駆動制御されるようになっている。

次に、本実施形態の光学式エンコーダの作用について説明する。図９は、光学式エンコーダの作用を示す図である。図９に示すように、光学式エンコーダでは、光学手段１６の光源から出射した光は、光ファイバ２２によってプリズム３６に導かれる。そして、プリズム３６で９０°曲げられ、光入反射孔３７からそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに入射する（ステップＳ１０１）。スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚで反射した反射光は、光入反射孔３７を通り、プリズム３６で９０°曲げられることにより、光ファイバ２２へ導光される。そして、光ファイバ２２を通り、光学手段１６の受光素子で受光される（ステップＳ１０２）。

また、マニピュレータ１の動作部３の屈曲角度を変化させる場合、線状動力伝達部材であるワイヤ５を長手方向に移動させることにより行われる。この際、ワイヤ５の外周面に固定される反射体であるエンコーダスリット部３２もワイヤ５と一体に長手方向に移動する。エンコーダスリット部３２には、反射率の異なる２種類の反射部４１Ａ、４１Ｂが設けられているため、第１の反射部４１Ａと第２の反射部４１Ｂとで同一の光量の光を入射しても、光学手段１６の受光素子で受光する光量が異なる。したがって、エンコーダスリット部３２の長手方向の移動により、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示すようなエンコーダスリット部３２の変位と光量を示した波形の電気信号が検出される（ステップＳ１０３）。ここで、図１０（Ａ）は、第１のスリット部４０Ａから検出された波形である。図１０（Ｂ）は、第２のスリット部４０Ｂから検出される波形であり、第１のスリット部４０Ａから検出される波形と９０°の位相差を有する。図１０（Ｃ）は、第３のスリット部４０Ｚから検出される波形である。なお、ワイヤ５及びエンコーダスリット部３２は保持部材であるエンコーダヘッド部２１で保持されているため、光学手段１６の光源からスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚまでの光路長は、エンコーダスリット部３２の長手方向についての変位に関係なく略一定である。これにより、安定した検出が可能となっている。

変位と光量を示した波形信号は、受光素子から信号処理手段１７へ送られる。信号処理手段１７では、信号の波形処理及びパルス化等の信号処理が行われる。信号処理により図１０（Ａ）〜（Ｃ）の波形は、図１１（Ａ）〜（Ｃ）に示すような閾値がｔ１のパルス信号に変換され（ステップＳ１０４）、制御手段１２の算出手段へ送られる。そして、第１のスリット部４０Ａからのパルス信号のパルス数及び既知の第１のスリット部４０Ａの第１の反射部４１Ａと第２の反射部４１Ｂの寸法から、エンコーダスリット部３２の変位量が算出される（ステップＳ１０５）。また、第１のスリット部４０Ａからのパルス信号のパルス数及び第２のスリット部４０Ｂからのパルス信号のパルス数から、エンコーダスリット部３２の変位の移動方向が算出される（ステップＳ１０５）。さらに、第３のスリット部４０Ｚからのパルス信号のパルス数から基準位置からの移動量が算出される（ステップＳ１０５）。ワイヤ５は、エンコーダスリット部３２と一体に長手方向に移動するため、この移動によりエンコーダスリット部３２の長手方向への変位量、変位の移動方向、基準位置からの移動量が、ワイヤ５の長手方向への変位量、変位の移動方向、基準位置からの移動量となる。

そして、算出されるワイヤ５の変位量から動作部３の屈曲変位すなわち屈曲角度を算出する。ワイヤ５の変位量から動作部３の屈曲角度を算出する方法は様々であるが、１つの方法は実際にワイヤ５の変位量を変化させて動作部３の屈曲角度を測定して、その関係式を導くか、もしくはテーブルを作成しておいて、光ファイバーエンコーダーによってワイヤの移動量が検出されたときにその関係式もしくはテーブルにあてはめて動作部３の屈曲角度を算出する。

別の方法について図１２を用いて説明する。図１２（Ａ）（Ｂ）は、マニピュレータ１の動作部３を示す断面図である。図１２（Ａ）に示すように、動作部３の先端付近には、ワイヤ５が取付けられるワイヤ取付け位置Ｐ１がある。動作部３には、ワイヤ５を引張り動作した際に屈曲する部分の最も基端側である屈曲開始位置Ｐ２がある。ワイヤ取付け位置Ｐ１と屈曲開始位置Ｐ２の間の中心軸線Ｃ上の長さをＬとする。また、中心軸線Ｃからワイヤ取付け位置Ｐ１までの径方向の長さをｒとする。図１（Ｂ）に示すように、一方のワイヤ５をΔｘの長さだけ引張り動作し、他方のワイヤ５をΔｘだけ押出し動作した際に、屈曲している部分の曲率がどの位置においても同じである場合は、Ｌの長さは図１２（Ａ）に示される屈曲していない場合と変わらない。この際、屈曲開始位置Ｐ２とワイヤ取付け位置Ｐ１の間の角度θに対するワイヤ５の移動量Δｘの関係は、θ＝Δｘ／ｒで求めることができる。

なお、ここでは上下の屈曲または左右の屈曲のどちらか一方の場合を説明したが、上下左右が同時に屈曲している場合でも上式は成り立つ。

そこで、上記構成の光学式エンコーダでは以下の効果を奏する。すなわち、光学式エンコーダでは、反射率の異なる２種類の反射部４１Ａ、４１Ｂが長手方向に所定のパターンで配置されるスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに光を入射し（ステップＳ１０１）、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚで反射した反射光を受光素子で受光する（ステップＳ１０２）。第１の反射部４１Ａと第２の反射部４１Ｂとでは光ファイバ２２へ導光される光量が異なるため、エンコーダスリット部３２がワイヤ５と一体に長手方向へ移動すると、光学手段１６の受光素子でエンコーダスリット部３２の変位と光量を示した波形の電気信号が検出される（ステップＳ１０３）。そして、信号処理手段１７により特定の閾値のパルス信号に変換され（ステップＳ１０４）、制御手段１２の算出手段により検出されたパルス信号のパルス数及び既知のエンコーダスリット部３２の第１の反射部４１Ａと第２の反射部４１Ｂの寸法から、エンコーダスリット部３２の変位量、変位の移動方向及び基準位置からの移動量が算出される（ステップＳ１０５）。ワイヤ５はエンコーダスリット部３２と一体に長手方向へ移動するため、エンコーダスリット部３２の変位量、変位の移動方向及び基準位置からの移動量からワイヤ５の長手方向への変位を正確に検出することができる。

また、光学式エンコーダでは、光ファイバ２２によって光をスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに導くため、光学式エンコーダは小型化される。これにより、マニピュレータ、内視鏡等の先端部の細径の管状内に、エンコーダスリット部３２を保持するエンコーダヘッド部２１を収納することができる。

また、エンコーダヘッド部２１に電気部品が設けられていないため、電気部品に接続される複数の配線を設ける必要がなくなり、検出の際に電気ノイズの影響が小さくなる。これにより、光学式エンコーダの構成の単純化を実現でき、容易に滅菌、洗浄等を行うことができる。

さらに、光学式エンコーダでは、保持部材であるエンコーダヘッド部２１によって、光ファイバ２２がワイヤ５と平行に保持され、光ファイバ２２の先端と光入反射孔３７との間にはプリズム３６が設けられている。光源から出射した光は、光ファイバ２２によってプリズム３６に導かれる。そして、プリズム３６で９０°曲げられ、光入反射孔３７からそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに入射する。スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚで反射した反射光は、光入反射孔３７を通り、プリズム３６で９０°曲げられることにより、光ファイバ２２へ導光される。そして、光ファイバ２２を通り、光学手段１６の受光素子で受光される。プリズム３６を設けることにより、光ファイバ２２がスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚへの光の入射、及び、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚからの反射光の導光が可能な位置に、湾曲することなく配置される。これにより、エンコーダヘッド部２１をより小型化することができる。この際、光入反射孔３７がそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ，４０Ｚに対して垂直に形成されているため、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに入射された入射光は、光入反射孔３７に向かって反射するようになっている。このため、検出精度を向上させることができる。

次に、本発明の第１の実施形態の第１乃至第３の変形例について、図１３乃至図１８を参照して説明する。第１乃至第３の変形例では第１の実施形態の構成を次の通り変形したものである。なお、第１の実施形態と同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。

図１３及び図１４は、第１の変形例のエンコーダスリット部６１の構成を示す図である。図１３及び図１４に示すように、エンコーダスリット部６１は円筒状に形成されている。エンコーダスリット部６１には、ワイヤ５が挿通されず、エンコーダスリット部６１の両端にワイヤ５が固定されている。

図１５は、第２の変形例のエンコーダスリット部６２の構成を示す図である。図１５に示すように、エンコーダスリット部６２は四角柱状に形成されている。エンコーダスリット部６２には、エンコーダスリット部６２を長手方向に貫通するワイヤ挿通孔６３が形成され、ワイヤ挿通孔６３にはワイヤ５が固定された状態で挿通されている。エンコーダスリット部６２の長手方向に対して平行な４つの面のうちのいずれか３つ面には、Ａ相、Ｂ相、Ｚ相のスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚが形成されている。

図１６は、エンコーダスリット部６２を保持するエンコーダヘッド部６４の構成を示す図である。図１６に示すように、エンコーダヘッド部６４の軸中心には、四角柱状の中心孔６５が形成され、中心孔６５にはエンコーダスリット部６２及びワイヤ５が挿通されている。エンコーダヘッド部６４には、エンコーダヘッド部２１と同様に、３つの光ファイバ用穴３５と、プリズム３６と、光入反射孔３７と、が設けられている。光ファイバ用穴３５は、軸回り方向についてそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚと対応する位置に配設され、光ファイバ２２がワイヤ５と平行に挿入されている。光入反射孔３７は、エンコーダスリット部６２のそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚが形成される３つの面に対して垂直に形成されている。このような構成にすることにより、エンコーダスリット部６２のスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚが形成される面に対して垂直に光が入射される。

図１７は、第３の変形例のエンコーダスリット部６６の構成を示す図である。図１７に示すように、エンコーダスリット部６６は三角柱状に形成されている。エンコーダスリット部６６には、エンコーダスリット部６６を長手方向に貫通するワイヤ挿通孔６７が形成され、ワイヤ挿通孔６７にはワイヤ５が固定された状態で挿通されている。エンコーダスリット部６６の長手方向に対して平行な３つの面には、Ａ相、Ｂ相、Ｚ相のスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚが形成されている。

図１８は、エンコーダスリット部６６を保持するエンコーダヘッド部６８の構成を示す図である。図１８に示すように、エンコーダヘッド部６８の軸中心には、三角柱状の中心孔６９が形成され、中心孔６９にはエンコーダスリット部６６及びワイヤ５が挿通されている。エンコーダヘッド部６８には、エンコーダヘッド部２１と同様に、３つの光ファイバ用穴３５と、プリズム３６と、光入反射孔３７と、が設けられている。光ファイバ用穴３５は、軸回り方向についてそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚと対応する位置に配設され、光ファイバ２２がワイヤ５と平行に挿入されている。光入反射孔３７は、エンコーダスリット部６２のそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚが形成される３つの面に対して垂直に形成されている。このような構成にすることにより、エンコーダスリット部６２のスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚが形成される面に対して垂直に光が入射される。

以上、第１乃至第３の変形例で示すように、本実施形態では、保持部材であるエンコーダヘッド部でワイヤ５及びエンコーダスリット部が保持され、ワイヤ５とエンコーダヘッド部が一体に長手方向に移動可能な構成であればよい。

次に、本発明の第１の実施形態の第４及び第５の変形例について、図１９及び図２０を参照して説明する。第４の変形例では第１の実施形態の構成を次の通り変形したものである。なお、第１の実施形態と同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。

図１９は、第４の変形例のエンコーダヘッド部７１の構成を示す図である。図１９に示すように、エンコーダヘッド部７１では光路変換部材としてミラー７２が用いられている。光学手段１６の光源から出射した光は、光ファイバ２２によってミラー７２に導かれる。そして、ミラー７２で９０°曲げられ、光入反射孔３７からそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに入射する。スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚで反射した反射光は、光入反射孔３７を通り、ミラー７２で９０°曲げられることにより、光ファイバ２２へ導光される。そして、光ファイバ２２を通り、光学手段１６の受光素子で受光される。すなわち、光ファイバ２２はエンコーダヘッド部７１によって、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚへの光の入射、及び、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚからの反射光の導光が可能な位置で保持されている。この際、光入反射孔３７がそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに対して垂直に形成されているため、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに入射された入射光は、光入反射孔３７に向かって反射するようになっている。

図２０は、第５の変形例のエンコーダヘッド部７３の構成を示す図である。図２０に示すように、エンコーダヘッド部７３では、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに光を導く光ファイバ７４が、エンコーダヘッド部７３の基端面から、光ファイバ用穴３５を通り、光ファイバ用穴３５の先端部で湾曲され、光入反射孔３７まで挿入されている。光ファイバ７４は、エンコーダヘッド部７３によって光ファイバ用穴３５でワイヤ５と平行に保持される被保持部７５と、光入反射孔３７にスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに対して垂直に挿入される光入反射部７６と、被保持部７５と光入反射部７６との間に設けられる湾曲部７７と、を有する。光ファイバ７４の湾曲部７７は、管内で光の光路の変換可能な光路変換部となっている。光学手段１６の光源から出射した光は、光ファイバ７４の被保持部７５を通り、湾曲部７７に導かれる。そして、湾曲部７７で光路が変換され、光入反射部７６からそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに入射する。スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚで反射した反射光は、光入反射部７６を通り、湾曲部７７で光路が変換されることにより、被保持部７５へ導光される。そして、光学手段１６の受光素子で受光される。すなわち、光ファイバ７４はエンコーダヘッド部７３によって、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚへの光の入射、及び、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚからの反射光の導光が可能な位置で保持されている。

このような構成にすることにより、光入反射部７６がそれぞれのスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに対して垂直に形成されているため、スリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに入射された入射光は、光入反射部７６に向かって反射される。また、プリズム３６、ミラー７２等の光路変換部材を用いないため、光路変換部材での光量の減衰を防止される。このため、検出精度を向上させることができる。

次に、本発明の第１の実施形態の第６の変形例について図２１を参照して説明する。第６の変形例では第１の実施形態の構成を次の通り変更したものである。なお、第１の実施形態と同一の部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。

図２１は、第６の変形例のエンコーダヘッド部８０の構成を示す図である。図２１に示すように、エンコーダヘッド部８０の軸中心には、円柱形状のエンコーダスリット部用孔８１が形成され、エンコーダスリット部用孔８１にはエンコーダスリット部８２及びワイヤ５が挿通されている。エンコーダスリット部８２には、外周面から外側に向けて突出した３つの突出部８３が設けられている。突出部８３の長手方向に対し垂直な断面で切断した断面形状は、四角形状になっている。エンコーダヘッド部８０のエンコーダスリット部用孔８１には、エンコーダスリット部８２の突出部８３と対応する形状の３つの溝部８４が、軸回り方向について突出部８３と対応する位置に形成されている。係合部である突出部８３が被係合部である溝部８４と係合することにより、エンコーダスリット部８２及びワイヤ５のエンコーダヘッド部８０に対する軸回り方向への移動を規制することができる。この際、長手方向についてはエンコーダスリット部８２及びワイヤ５がエンコーダヘッド部８０に対して移動可能となっている。

なお、本実施形態では、３つの突出部８３が設けられているが、突出部８３はエンコーダスリット部８２の外周面に１つ以上形成されていればよい。また、突出部８３の長手方向に対し垂直な断面で切断した断面形状は、四角形状に限るものではなく、例えば三角形状等でもよい。
なお、前述した実施形態では、エンコーダスリット部３２に３種類のスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚが形成されているが、１種類又は２種類のスリット部のみが形成されている構成でもよく、逆に４種類以上としてもよい。この場合、１種類又は２種類、若しくは４種類以上のスリット部のパルス信号を用いてワイヤ５の長手方向への変位の算出を行ってもよい。また、円筒状のエンコーダスリット部３２においてスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚに相当する部分で、かつ、それぞれの光入反射孔３７へ反射光を導光可能な領域に相当する円周部分のみを部分的に切削して、第２及び第３の変形例と同様に、長手方向に沿って光入反射孔３７に対し垂直な平面を形成してもよい。

また、前述した実施形態では、第２のスリット部４０Ｂから検出される電気信号と第１のスリット部４０Ａから検出される電気信号との位相差が９０°となるように、第１のスリット部４０Ａと第２のスリット部４０Ｂでは、第１の反射部４１Ａと第２の反射部４１Ｂの長手方向についての配置パターンが異なるが、第１のスリット部４０Ａと第２のスリット部４０Ｂで、第１の反射部４１Ａと第２の反射部４１Ｂの長手方向についての配置パターンを同一にして、スリット部４０Ａ、４０Ｂに光を入射する光入反射孔３７を長手方向にずらして配置してもよい。

また、光入反射孔３７に光をスリット部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｚへの入射光を平行にする凸レンズ、ボールレンズ等の光学手段を配置してもよい。

さらに、本実施形態では光学式エンコーダを用いたマニピュレータ１について説明したが、線状動力伝達部材の長手方向への変位の検出する場合であれば、これに限るものではない。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形ができることは勿論である。

１…マニピュレータ、 ２…管状部、 ３…動作部、 ５…ワイヤ、 １１…駆動手段、 １２…制御手段、 １５…エンコーダ信号処理部、 １６…光学手段、 １７…信号処理手段、 ２０…エンコーダリング部、 ２１…エンコーダヘッド部、 ２２…光ファイバ、 ３２…エンコーダスリット部、 ３６…プリズム、 ３７…光入反射孔、 ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｚ…スリット部、 ４１Ａ，４１Ｂ…反射部。

Claims (6)

1. 長手方向に移動する線状動力伝達部材と、
   前記線状動力伝達部材の外周面に固定されるとともに、前記線状動力伝達部材と一体に長手方向に移動可能で、反射率の異なる２種類の反射部が長手方向に所定のパターンで配置されるスリット部を備え、前記線状動力伝達部材と一体で湾曲可能な反射体と、
   光を出射する光源と、
   前記光源から前記スリット部へ光を導くとともに、前記スリット部から反射する反射光が導光される線状光伝送体と、
   前記線状動力伝達部材及び前記反射体を長手方向に移動可能に保持するとともに、前記線状動力伝達部材の前記長手方向に対して垂直な方向から前記スリット部に対して垂直に光を入射し、かつ、前記スリット部からの反射光が向かう入反射通路が内部に形成される保持部材であって、前記光入反射通路を通して前記スリット部へ光を入射可能で、かつ、前記光入反射通路を通った前記スリット部からの反射光を導光可能な位置で前記線状光伝送体を保持する保持部材と、
   前記線状光伝送体から導光される前記スリット部での反射光を受光し、前記反射体の変位と光量を示す電気信号を検出する受光素子と、
   前記電気信号を所定の閾値のパルス信号に変換する信号処理手段と、
   前記パルス信号のパルス数から前記反射体の長手方向への変位を算出する算出手段と、
   を備えることを特徴とする光学式エンコーダ。
2. 前記反射体には、外周面の周方向に沿って複数の種類の前記スリット部が並設され、
   それぞれの前記スリット部は、２種類の前記反射部の長手方向についての配置パターンが異なる状態に設定されるとともに、
   それぞれの前記スリット部に対して前記線状光伝送体及び前記光入反射通路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 複数の種類の前記スリット部は、
   ２種類の前記反射部が、長手方向に沿って一定の幅で交互に配置される第１のスリット部と、
   ２種類の前記反射部が、長手方向に沿って前記第１のスリット部と同一の幅で、かつ、前記第１のスリット部とは長手方向に所定の距離だけずらして交互に配置される第２のスリット部と、
   所定の基準位置を境界として先端側に２種類の前記反射部の一方が、基端側に他方が配置される第３のスリット部と、
   であることを特徴とする請求項２に記載の光学式エンコーダ。
4. 前記反射体には、外周面の周方向の一部に凹部又は凸部の少なくともいずれか一方の係合部が設けられ、
   前記保持部材には、前記係合部と係合するとともに、前記反射体の軸回り方向への移動を規制する被係合部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
5. 前記保持部材は、軸心部に配設され、前記反射体が挿入される中心孔と、前記反射体の前記スリット部に対して垂直に形成され、前記光入反射通路が設けられる透光部と、を備えるとともに、
   前記線状光伝送体は前記保持部材によって前記線状動力伝達部材と平行に保持され、
   前記線状光伝送体の先端と前記透光部との間には、光の光路を変換する光路変換部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学式エンコーダ。
6. 線状動力伝達部材と一体に長手方向に移動可能な状態で保持部材によって保持されるとともに、前記線状動力伝達部材と一体で湾曲可能な反射体に設けられる、反射率の異なる２種類の反射部を長手方向に所定のパターンで配置したスリット部に、光源から線状光伝送体を介して光を入射する工程であって、前記線状光伝送体によって導光された光を、前記線状動力伝達部材の前記長手方向に対して垂直な方向から前記スリット部に対して垂直に前記保持部材の内部の光入反射通路を通して、前記スリット部に入射することを含む工程と、
   前記スリット部で反射する反射光を前記線状光伝送体へ導光し、受光素子で受光する工程であって、前記スリット部からの反射光が前記光入反射通路に向かい、前記光入反射通路を通った反射光が前記線状光伝送体により導光されることを含む工程と、
   前記受光素子で前記反射体の変位と光量を示す電気信号を検出する工程と、
   信号処理手段で前記電気信号を所定の閾値のパルス信号に変換する工程と、
   算出手段で前記パルス信号のパルス数から前記反射体の長手方向への変位を算出する工程と、
   を備えることを特徴とする線状動力伝達部材の変位検出方法。

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