JP2006258160A - Radial slide bearing mechanism and rotary shaft - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ラジアルすべり軸受機構およびその回転軸に関し、特に、医療用マニピュレータなどに好適な、潤滑剤が供給されないラジアルすべり軸受機構およびその回転軸に関する。 The present invention relates to a radial sliding bearing mechanism and its rotating shaft, and more particularly to a radial sliding bearing mechanism suitable for medical manipulators and the like to which no lubricant is supplied and its rotating shaft.
軸受の摩耗・焼き付きやそれに伴うカジリを防ぐためのものとして、以下のような技術が知られている。すなわち、焼き付きを防ぐために、集中荷重を受けにくくするためにセラミック軸受端部にテーパを設ける技術(特許文献1参照)、耐焼き付き性を向上するために、セラミックススリーブに凹部を形成し摺動部の温度上昇を防ぐ技術(特許文献2参照)、ドライ運転に耐えられるように摺動性を向上させるために、緩衝部材として金属製スリーブを取り付ける技術(特許文献3参照)などが知られている。これらの従来技術は、通常は油やグリースなどの潤滑剤が供給される状態で使用する上で摺動性・潤滑性を向上させる手段であって、摩耗自体を抑える働きをもっており、摩耗粉が大量に発生しないようにしている。 The following techniques are known as means for preventing wear and seizure of the bearing and galling associated therewith. That is, in order to prevent seizure, a technique of providing a taper at the end of the ceramic bearing to make it difficult to receive concentrated load (see Patent Document 1), and in order to improve seizure resistance, a concave portion is formed in the ceramic sleeve to form a sliding portion. In order to improve the slidability so as to withstand dry operation (see Patent Document 2), a technique for attaching a metal sleeve as a buffer member (see Patent Document 3), and the like are known. . These conventional techniques are means for improving the slidability and lubricity when used in a state where a lubricant such as oil or grease is normally supplied, and have a function of suppressing wear itself. It is designed not to occur in large quantities.
しかし、上記従来技術では、潤滑剤が供給されない状態で使用する、摩耗が発生しやすい環境において、摩耗粉の詰まりによるカジリを防ぐということは考慮されていない。したがって、周囲への潤滑油の漏洩を避けるために、潤滑剤が供給されない状態で使用できることが必要であるようなもの、例えば医療用マニピュレータ(たとえば特許文献4参照)の軸受には適用できない。
潤滑剤(油、グリース、固体潤滑材など)が使えない環境下において、摩耗しても容易に焼き付かない組み合わせのセラミックス軸受(たとえば、ステンレス鋼軸と酸化ジルコニウム軸受の組み合わせ)が使用されるとき、摩耗は起きても凝着は起きず、摩耗粉が微小な隙間に詰まってカジリを起こすことがある。 When a ceramic bearing combination (for example, a combination of a stainless steel shaft and a zirconium oxide bearing) is used in an environment where lubricant (oil, grease, solid lubricant, etc.) cannot be used, even if worn Even if wear occurs, adhesion does not occur, and wear powder may clog the minute gaps and cause galling.
本発明はかかる課題を解決するためのものであって、潤滑剤が供給されない状態で用いられるラジアルすべり軸受機構で、摩耗粉が摺動部に溜まることで発生するカジリや焼き付きを防止または抑制することを目的とする。 The present invention is to solve such problems, and is a radial sliding bearing mechanism used in a state where no lubricant is supplied, and prevents or suppresses galling and seizure that occur when wear powder accumulates in the sliding portion. For the purpose.
上記目的を達成するために、本発明に係るラジアルすべり軸受機構は、回転軸と、前記回転軸の少なくとも一部と対向し、潤滑剤を供給されない状態で前記回転軸を摺動可能に半径方向に支持する、前記回転軸よりも硬い材料の軸受と、を有するラジアルすべり軸受機構において、前記回転軸の、前記軸受に対向する位置に、前記回転軸の周方向に延びるくぼみが設けられていること、を特徴とする。 In order to achieve the above object, a radial plain bearing mechanism according to the present invention is opposed to a rotating shaft and at least a part of the rotating shaft, and is slidable in the radial direction so that the rotating shaft can be slid without being supplied with a lubricant. And a bearing made of a material harder than the rotating shaft, and a recess extending in the circumferential direction of the rotating shaft is provided at a position of the rotating shaft facing the bearing. It is characterized by this.
また、本発明に係る回転軸は、セラミックス製ラジアルすべり軸受によって潤滑剤が供給されない状態で半径方向に回転支持される金属製の回転軸であって、前記ラジアルすべり軸受の、前記軸受に対向する位置に周方向に延びるくぼみを有すること、を特徴とする。 The rotating shaft according to the present invention is a metallic rotating shaft that is rotatably supported in a radial direction in a state where no lubricant is supplied by the ceramic radial slide bearing, and is opposed to the bearing of the radial slide bearing. It has the hollow extended in the circumferential direction in a position, It is characterized by the above-mentioned.
本発明によれば、潤滑剤が供給されないラジアルすべり軸受機構で、軸受と軸との間に発生する摩耗粉が最小隙間である摺動部に溜まらずに、くぼみに脱落しやすくなるので、カジリや焼き付きを防止または抑制することができる。 According to the present invention, in a radial sliding bearing mechanism to which no lubricant is supplied, wear powder generated between the bearing and the shaft does not collect in the sliding portion, which is the smallest gap, and easily falls off into the recess. And seizure can be prevented or suppressed.
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。図1は本発明に係る潤滑剤が供給されないラジアルすべり軸受機構の一実施形態を示す模式的縦断面図であって、たとえば手術用マニピュレータ先端部の軸受機構として適用されるものである。また、図2は、図1の回転軸のみを取り出したときの斜視図である。回転軸1が、潤滑剤が供給されないラジアルすべり軸受2によって回転可能に半径方向に支持されている。回転軸1はたとえばステンレス鋼などの金属製の軸であり、軸受2はたとえば窒化ケイ素やジルコニアセラミックスなどのセラミックス製であって、回転軸1よりも硬い材料からできている。回転軸1と軸受2は円筒形状の摺動部3で対向し摺動するようになっている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing an embodiment of a radial sliding bearing mechanism to which a lubricant according to the present invention is not supplied. For example, the radial sliding bearing mechanism is applied as a bearing mechanism of a surgical manipulator tip. FIG. 2 is a perspective view when only the rotating shaft of FIG. 1 is taken out. A rotating
回転軸1の軸方向に対する軸受2の端部4に対向する位置の回転軸1側には、円周方向(回転軸1の軸方向に直交する方向)に延びるくぼみ(溝)5が、回転軸1を一周して形成されている。このくぼみ5によって、軸受2の端部4と回転軸1とが直接接触しないようになっている。
A recess (groove) 5 extending in the circumferential direction (a direction orthogonal to the axial direction of the rotating shaft 1) is rotated on the rotating
このような構成で回転軸1が回転すると、回転軸1と軸受2の摺動によって、軸受2よりも比較的柔らかい回転軸1が削られ、摩耗粉6が発生する。特に、潤滑剤が供給されない状態では摩耗粉6が多く発生する。その際に摩耗粉6がくぼみ5内に入るので、摩耗粉6による回転軸1のさらなる摩耗が抑制され、摩耗粉に起因する焼き付きやカジリが抑制される。
When the rotating
軸受2の端部4が回転軸1に接触する場合は特にこの位置で摩耗が発生しやすいので、この位置にくぼみ5を設けることは、摩耗を抑制することになり、さらに、摩耗粉6をくぼみ5に取り入れる上で好ましい。
When the
なお、くぼみ(溝)を形成する加工は、セラミックスなどの硬い材料に対して施すのは困難であるが、本実施形態のように回転軸1に対して施すのは比較的容易である。
It should be noted that the process of forming the recess (groove) is difficult to apply to a hard material such as ceramics, but is relatively easy to apply to the rotating
図3は、本発明に係るラジアルすべり軸受機構を備える手術用マニピュレータの一例の模式的斜視断面図である。また図4は、その作業部の一例の縦断面図である。また、図5はそのラジアルすべり軸受機構付近を拡大して示す縦断面図である。ここで、図1、図2と共通の部分には共通の符号を付して示す。 FIG. 3 is a schematic perspective sectional view of an example of a surgical manipulator provided with a radial sliding bearing mechanism according to the present invention. FIG. 4 is a longitudinal sectional view of an example of the working unit. FIG. 5 is an enlarged longitudinal sectional view showing the vicinity of the radial plain bearing mechanism. Here, parts common to those in FIGS. 1 and 2 are denoted by common reference numerals.
マニピュレータ100は、患者の体内へ挿入される作業部(マニピュレータ先端部)10と、この作業部10にワイヤ131を介して動力を与えるモータを有する駆動部120と、作業部10と駆動部120を連結する中空軸であってその中空部内にワイヤ131がある連結部30とを備える。マニピュレータ100は更に、駆動部120に固定され、術者の操作に基づいて、駆動部120のモータに与える電力を制御する操作司令部140を備える。このような構成のマニピュレータ100の作業部10は、患者の体内の汚染を避けるために、油などの潤滑剤は用いないことが多い。
The
図6ないし図9は、本発明の第1の実施の形態による医療用マニピュレータの作業部10の構成例を示した図である。図6および図7はグリッパ14a、14bの開状態を、図8および図9はグリッパ14a、14bの閉状態を示している。
6 to 9 are diagrams showing a configuration example of the
連結部30に対して回転自在に支持、すなわち第1の回転軸211に対して回転自在に支持された回転部材50は、プーリ11pと結合されており、駆動部120の駆動力がワイヤ11wにより伝達されることで、プーリ11pが回転させられ、第1の回転軸211が駆動される。プーリ12p、13pは、回転部材50に対して回転自在に支持されており、かつ、それぞれ傘歯車またはフェイスギヤ51a、52aに固定されている。したがって、駆動部120の駆動力がワイヤ12w、13wにより伝達されることで、傘歯車またはフェイスギヤ51b、52bを回転させることができる。傘歯車またはフェイスギヤ51b、52bは、回転部材50の第1の回転軸211と直交する方向、すなわち、第2の回転軸12に対して回転自在に支持されている。すなわち、回転軸12上に2つの回転軸12a、12bが配置されている。
The rotating
グリッパ(作業リンク)14a、14bの下端(駆動側)は、回転軸12a、12bに対して平行方向(回転軸55a、55b)および直交方向(回転軸56a、56b)に回転自在となるように連結部材53、54に対して支持されており、かつ、グリッパ14a、14bは、互いに回転軸57に対して回転自在に結合されている。連結部材53はフェイスギヤ51bと共に回転軸12に対して回転し、連結部材54はフェイスギヤ52bと共に回転軸12に対して回転する。したがって、駆動部120を駆動することで、グリッパ14a、14bを駆動することが可能である。
The lower ends (driving side) of the grippers (work links) 14a, 14b are rotatable in parallel directions (rotating shafts 55a, 55b) and orthogonal directions (rotating
同様に回転軸12a、12bを同方向に回転させるように制御することにより、第2の回転軸12の回転動作を、すなわち、グリッパ14a、14bのロール動作を、回転軸12a、12bを逆方向に回転させるように制御することにより、グリッパ14a、14bの開閉動作を行うことが可能である。グリッパ14a、14bの、回転軸57に対する先端側の長さの比率を大きくすることで、グリッパの開閉量を大きくすることができる。
Similarly, by controlling the
このような構成の作業部10の詳細な構造を示した図4においては、ステンレス鋼製の回転軸1がセラミックス製の軸受2で回転支持されている。図5に示す例では、回転軸1の両端に各2個の軸受2が軸方向に並列配置されている。軸受2はそれぞれが中空円筒状であって、全体が筒状の軸受ホルダ11によって保持されている。各軸受2の端部4に対向する回転軸1の外周面には円周方向に延びるくぼみ5が形成されている。
In FIG. 4 showing the detailed structure of the working
このような構成とすることにより、図1および図2によって説明したように、回転軸1が回転すると、回転軸1と軸受2の摺動によって摩耗粉6が発生するが、摩耗粉6がくぼみ5内に入るので摩耗粉6による回転軸1のさらなる摩耗が抑制され、摩耗粉に起因する焼き付きやカジリが抑制される。
With this configuration, as described with reference to FIGS. 1 and 2, when the
次に、図4および図5に示す構造の手術用マニピュレータを用いた耐久試験の結果について説明する。ただし、ここに示す試験に用いた装置は、軸受2を回転軸1の両端に一個ずつ配置した点で図5とは異なる。回転軸1の直径は、くぼみ5のない部分で1.6mmとし、くぼみ5のある部分で1.54mmとした。また、1個の軸受2の軸方向の幅は1.5mmとした。そして、マニピュレータ先端部10に15.4Nの負荷を与え、動作範囲は、マニピュレータ先端部10の+90度〜−90度のロール軸のみで、動作速度は180度/2sec(0.5Hz)として、図示しない電動モータで駆動した。
Next, the results of an endurance test using the surgical manipulator having the structure shown in FIGS. 4 and 5 will be described. However, the apparatus used for the test shown here differs from FIG. 5 in that the
図10は、このときの電動モータの電流変化を示すグラフである。この図に示すように、本発明の実施例によれば少なくとも4400秒まで特に変化はなく、マニピュレータは正常に動作した。これと比較するために、図11は、回転軸1のくぼみがない場合で、その他の条件をすべて図10と同じとした場合の試験結果を示す。図11(従来技術)では、約3700secから電動モータにかかる負荷の増加に伴って電流値が増加しはじめ、約4100secでカジリ(焼き付き)の影響によってワイヤの破断が生じ、電動モータにかかる負荷が極端に減少したために電流値が減少した。このように、本発明の実施例によれば、カジリが起こりにくいことがわかる。
FIG. 10 is a graph showing the current change of the electric motor at this time. As shown in this figure, according to the embodiment of the present invention, there was no particular change until at least 4400 seconds, and the manipulator operated normally. For comparison with this, FIG. 11 shows a test result in the case where there is no depression of the
また、他の耐久試験で、試験後の摺動面の目視観察によっても、本発明の実施例によれば、摺動が滑らかであって、摩耗やカジリ(焼き付き)が起こりにくいことが確認できた。 Also, in other endurance tests, visual observation of the sliding surface after the test also confirmed that according to the examples of the present invention, the sliding is smooth and wear and scuffing (burn-in) are unlikely to occur. It was.
なお、通常の手術用マニピュレータは最大連続使用時間が通常1昼夜以内であり、1回の手術ごとに洗浄してくぼみ5内の摩耗粉6を取り除くことによって再使用することもできる。
Note that a normal surgical manipulator usually has a maximum continuous use time within one day and night, and can be reused by cleaning it after each operation and removing the
図12は、図1および図2に示した実施形態の変形例を示す。すなわち、図2に示した例では、くぼみ(溝)5が回転軸1の円周に沿って一周しているが、図12の例ではくぼみ5が回転軸1の円周の一部にのみ形成されている。このような構造であっても、摩耗粉をくぼみ5に逃がすことができ、前記実施形態の効果と同様の効果を得ることができる。
FIG. 12 shows a modification of the embodiment shown in FIGS. That is, in the example shown in FIG. 2, the recess (groove) 5 makes a round along the circumference of the
1…回転軸
2…軸受
3…摺動部
4…軸受の端部
5…くぼみ(溝)
6…摩耗粉
10…マニピュレータ先端部
11…軸受ホルダ
DESCRIPTION OF
6 ... Wear
Claims (6)
前記回転軸の少なくとも一部と対向し、潤滑剤を供給されない状態で前記回転軸を摺動可能に半径方向に支持する、前記回転軸よりも硬い材料の軸受と、
を有するラジアルすべり軸受機構において、
前記回転軸の、前記軸受に対向する位置にくぼみが設けられていること、
を特徴とするラジアルすべり軸受機構。 A rotation axis;
A bearing made of a material harder than the rotating shaft, which faces at least a part of the rotating shaft and supports the rotating shaft in a radial direction so as to be slidable without being supplied with a lubricant;
In a radial plain bearing mechanism having
A recess is provided at a position of the rotating shaft facing the bearing;
A radial plain bearing mechanism characterized by
前記くぼみは、前記複数個の軸受の、前記回転軸の軸方向に対するそれぞれの端部に対向して設けられていること、を特徴とする請求項2に記載のラジアルすべり軸受機構。 A plurality of the bearings are disposed in the axial direction of the rotary shaft,
The radial sliding bearing mechanism according to claim 2, wherein the recess is provided to face each end of the plurality of bearings with respect to the axial direction of the rotating shaft.
前記ラジアルすべり軸受の、前記軸受に対向する位置に周方向に延びるくぼみを有すること、を特徴とする回転軸。 A rotating shaft made of metal that is rotatably supported in a radial direction in a state where no lubricant is supplied by a radial slide bearing made of ceramics,
A rotating shaft having a recess extending in a circumferential direction at a position facing the bearing of the radial slide bearing.
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