JP2008023089A - 湾曲機構 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単かつ安価で、製造容易な構成としつつ、細径で湾曲長の短い湾曲機構を提供する。
【解決手段】第１湾曲部１０３〜第４湾曲部１０６はコイルバネ１０７で構成され、第１湾曲部１０３の前方チューブ１０１側に前方リンク部材１０８が、第４湾曲部１０６の後方チューブ１０２側に後方リンク部材１０９が配置され、第１湾曲部１０３と第２湾曲部１０４の間に第１中間リンク部材１１０が、第２湾曲部１０４と第３湾曲部１０５の間に第２中間リンク部材１１１が、第３湾曲部１０５と第４湾曲部１０６の間に第３中間リンク部材１１２が配置される。第１アクチュエータ１１３は、チューブ部材１１４とＳＭＡワイヤ１１５からなり、これが駆動されて前方リンク部材１０８とチューブ部材１１４の間の距離が短くなると、第１湾曲部１０３は湾曲される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、湾曲機構に関する。より詳しくは、細径で湾曲長を短くすることができる湾曲機構に関し、例えば、医療用のカテーテル、内視鏡などの湾曲機構として適用可能な湾曲機構に関する。

従来、内視鏡と併用して用いられるカテーテルは能動的な湾曲機構を有しないのが普通であるが、難挿入部位に用いる場合などは能動的な湾曲機構が挿入性の向上の点で有用である場合がある。また、内視鏡自体の湾曲機構は一般的にはワイヤによる牽引が用いられるが、制御性などの観点からこれを電動化する試みも見られる。このような技術としては、例えば、特許文献１に開示されており、これについて図６を用いて説明する。

図６の（ａ）及び（ｂ）は、形状記憶合金を利用した形状記憶合金アクチュエータを示しており、このものは、図に示したように、長尺物１の屈曲部位２の一方の端部に糸状部材３の一端が固定され、屈曲部位２の他方の端部に糸状物３の長さを変化させるように動作するアクチュエータ４が取り付けられている。アクチュエータ４はガイド部材５と形状記憶部材１０とを有し、ガイド部材５は長尺物１の軸方向に沿って固定されている。ガイド部材５は形状記憶部材１０の動作をガイドし、形状記憶部材１０は変形状態から復帰状態となるときにはガイド部材５に沿って伸びる。形状記憶部材１０の第一端部８ａはガイド部材５に対して不動であり、第二端部８ｂはガイド部材５に対して可動であり、糸状部材３の他端が形状記憶部材１０の第二端部８ｂに接続されていることによって湾曲機構を構成している。

特開平１０−２１６２３８号公報

前述の従来技術では、ガイド部材５の中に糸状部材３と形状記憶部材１０である形状記憶合金コイルを納める必要があるため、細径化に限界があり、細径のカテーテルに適用することは困難である。加えて、屈曲部位２が湾曲するためには長尺物１のガイド部材５の側を収縮させ、その反対側を伸張させなければならないが、湾曲長を短くすると長尺物１に対する歪みが大きくなるために形状記憶合金コイルでは発生力が不足して、必然的に屈曲部位２の長さを長くしなければならなくなる。

特に、基本的に一つの形状記憶合金アクチュエータでは、一つの方向にしか湾曲させることができないので、二方向に湾曲させるためには二つの形状記憶合金アクチュエータを要すると共に、二方向に湾曲させるには大きな湾曲長を確保しなければならない。このように、従来の方法では径が小さく、湾曲長が短い能動湾曲機構を実現することは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単かつ安価な構成でありながら、細径で湾曲長の短い湾曲機構を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、コイルバネと、前記コイルバネの軸方向に沿って配置された、伸縮が制御可能なワイヤ状部材を湾曲可能なチューブ部材に内挿して、ワイヤ状部材の一端とチューブ部材の一端を結合させたアクチュエータを備え、前記チューブ部材の他端が前記コイルバネの第１の部位もしくは第１の部位に結合された部材に対して固定されていることと、前記ワイヤ状部材の他端が前記コイルバネの前記第１の部位とは軸方向に異なる第２の部位もしくは第２の部位に結合された部材に対して結合されていることと、前記ワイヤ状部材の伸縮に伴い、前記コイルバネの第１の部位と第２の部位の間隔を変化させることによって前記コイルバネを湾曲させることを特徴とする湾曲機構を提供する。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記アクチュエータが前記コイルバネに沿って複数配置され、各々の前記アクチュエータの前記チューブ部材の他端及びワイヤ状部材の他端が固定もしくは結合された部位が前記コイルバネの周方向に異なることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記複数のアクチュエータの前記チューブ部材の他端及びワイヤ状部材の他端が固定もしくは結合された部位が前記コイルバネの軸に鉛直な面内近傍に存在することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記ワイヤ状部材が形状記憶合金であって、前記形状記憶合金に対する制御可能な加熱手段を有し、その温度を制御することによって形状記憶合金の伸縮を制御することが望ましい。

本発明は、簡単かつ安価で、製造容易な構成としつつ、細径で湾曲長の短い湾曲機構を提供することができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる湾曲機構の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明の実施例１について図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本実施例の湾曲機構の斜視図を示している。前方チューブ１０１と後方チューブ１０２の間に第１湾曲部１０３、第２湾曲部１０４、第３湾曲部１０５、第４湾曲部１０６が配置されている。第１乃至第４湾曲部１０３、１０４、１０５、１０６は一体のコイルバネ１０７で構成され、第１湾曲部１０３の前方チューブ１０１側には前方リンク部材１０８が、第４湾曲部１０６の後方チューブ１０２側には後方リンク部材１０９がそれぞれ配置され、第１湾曲部１０３と第２湾曲部１０４の間には第１中間リンク部材１１０が、第２湾曲部１０４と第３湾曲部１０５の間には第２中間リンク部材１１１が、第３湾曲部１０５と第４湾曲部１０６の間には第３中間リンク部材１１２がそれぞれ配置されている。

なお、本実施例の湾曲機構をカテーテルの先端部湾曲に用いる場合は、後方チューブは長く、柔軟な構造であり、必要に応じて、湾曲機構部分に外皮として柔軟なチューブを被着することができる。

本実施例のマニピュレータにおいては、第１湾曲部１０３乃至第４湾曲部１０６はそれぞれ独立に駆動することが可能である。ここで、第１湾曲部１０３の拡大図を図２に示し、これを用いてその動作について説明する。

第１湾曲部には湾曲のための第１アクチュエータ１１３が組み付けられている。第１アクチュエータ１１３は絶縁性のチューブ部材１１４とそれに内挿された形状記憶合金ワイヤ（以後、ＳＭＡワイヤとする）１１５からなり、チューブ部材１１４はその先端部が第１中間リンク部材１１０のチューブ取り付け部１１６に接着等によって固定されている。また、ＳＭＡワイヤ１１５の先端は前方リンク部材１０８の突出部１１７に形成された貫通孔に挿入され、貫通した部位よりも先端側にカシメ部材１１８が取り付けられている。ここでカシメ部材１１８の径は突出部１１７の貫通孔よりも大きいものとする。

ここで第１アクチュエータ１１３が駆動され、カシメ部材１１８とチューブ部材１１４の間の距離が短くなると、前方リンク部材１０８と第１中間リンク部材１１０の間のコイルバネ１０７が、当該コイルバネ１０７の軸方向（長手方向）中心を挟んでカシメ部材１１８及びチューブ部材１１４の反対側で引っ張られることになり、結果としてコイルバネ１０７はチューブ取り付け部１１６付近を基点として突出部１１７の突出方向に湾曲することになる。

次に、第１のアクチュエータ１１３の動作について図３を用いて説明する。チューブ部材１１４に挿入されたＳＭＡワイヤ１１５はチューブ部材１１４の先端側では摺動可能であるが、チューブ部材１１４の後端部１１４ｂにおいて固定されている。

ここで、特に図示しないが、ＳＭＡワイヤ１１５の両端に細径の配線が取り付けられており、そこに所定の電流を流すことによって加熱すると、ＳＭＡワイヤ１１５が収縮して、ＳＭＡワイヤ１１５の先端近傍に取り付けたカシメ部材１１８と、チューブ取り付け部１１８に固定されたチューブ部材１１４の先端部１１４ａの間の距離が短くなる。このような構成のアクチュエータでは、実際に変位を発生させるカシメ部材１１８とチューブ部材１１４の先端部１１４ａの距離よりも、ＳＭＡワイヤ１１５の長さを長くすることができるので、十分に大きな変位を得ることが可能となる。また、アクチュエータの構成としてはＳＭＡワイヤ１１５をチューブ部材１１４に通しただけの単純な構造であり、非常に細い径で大きな力を発生させることが可能である。

このため、ＳＭＡワイヤ１１５の両端に取り付けた細径の配線に電流を流すと、第１湾曲部１０３はコイルバネ１０７の軸方向（長手方向）中心を中立軸としてチューブ取り付け部１１６と突出部１１７の方向に湾曲し、ＳＭＡワイヤ１１５の両端に取り付けた細径の配線に電流を流すことを停止すると、コイルバネ１０７の弾性によってＳＭＡワイヤ１１５が引き延ばされ、結果として第１湾曲部１０３は直線形状となる。また、ＳＭＡワイヤ１１５に流す電流を適正な値に制御することによって、第１湾曲部１０３を所定の湾曲角に制御することも可能である。

第２湾曲部１０４、第３湾曲部１０５、第４湾曲部１０６も同様な構成となっており、各々の湾曲部１０４、１０５、１０６にアクチュエータ１１３と同様な構成のアクチュエータが配置されている。ここで、４つのアクチュエータはコイルバネ１０７の周方向に９０度ずつ異なる部位に配置されていることから、各々のアクチュエータを独立に制御することによって後方チューブ１０２に対して前方チューブ１０１を任意の方向に湾曲させることが可能である。

このように、本実施例の湾曲機構では、湾曲部をコイルバネで構成し、その外周に非常に径が細く、なおかつ十分な変位量が得られるアクチュエータを配置することになるので、結果として細径で湾曲長の小さな湾曲機構を、簡単かつ安価で、製造容易な構成として提供することができる。更に４つの湾曲部の動作が完全に独立していることから制御が容易である利点も有する。加えて、４つのアクチュエータを同時に収縮させることによって、後方チューブ１０２に対して前方チューブ１０１の方向をほぼ並行に保った上で前方チューブ１０１をコイルバネ１０７の軸方向に変位させることも可能である。このような動作は通常のアングルワイヤを用いた湾曲機構では困難である。

本発明の実施例２について図４を用いて説明する。なお、実施例２の湾曲機構の全体的な構成は、実施例１で説明したものと略同様で、図４で示される部分が異なっている。図４に示すように、前方リンク部材２０１と後方リンク部材２０２の間に位置する湾曲部はコイルバネ２０３で構成されており、その外周にはアクチュエータ２０４が配置されている。

本実施例に係るアクチュエータ２０４はチューブ部材２０５とそれに内挿されたＳＭＡワイヤ２０６で構成され、チューブ部材２０５の先端部は後方リンク部材２０２のチューブ取り付け部２０８において接着等によって固定され、ＳＭＡワイヤ２０６の先端は前方リンク部材２０１の突出部２０９に形成された貫通孔に挿入され、貫通した部位よりも前方でカシメ部材２０７が取り付けられている。ここでカシメ部材２０７の径は突出部２０９の貫通孔よりも大きいものとする。

ここでアクチュエータ２０４が駆動され、カシメ部材２０７とチューブ部材２０５の間の距離が短くなると、前方リンク部材２０１と後方リンク部材２０２の間のコイルバネ２０３が、当該コイルバネ２０３の軸方向（長手方向）中心を挟んでカシメ部材２０７及びチューブ部材２０５の反対側で引っ張られることになり、結果としてコイルバネ２０３はチューブ取り付け部２０８付近を基点として突出部２０９の突出方向に湾曲することになる。

ここでは一つのアクチュエータについてのみ説明・付番したが、図４から判るように前方リンク部材２０１と後方リンク部材２０１の間にはコイルバネ２０３の周方向に９０度ずつ異なる部位に４つのアクチュエータが配置されている。これら４つのアクチュエータは互いに独立して駆動することが可能で、特定のアクチュエータを駆動することによって、後方リンク部材２０２に対して前方リンク部材２０１をコイルバネ２０３の軸方向中心を中立軸として当該アクチュエータが配置されている方向に湾曲させることが可能である。また、隣り合う２つのアクチュエータを所定の変位量に制御することで任意の方向に湾曲させることもできる。更に４つのアクチュエータを同時に駆動することで、前方リンク部材２０１を後方リンク部材２０２に対して、コイルバネ２０３の軸方向に変位させることも可能である。

このように、本実施例の湾曲機構では、湾曲部をコイルバネで構成し、その外周に非常に径が細く、なおかつ十分な変位量が得られるアクチュエータを複数配置することになるので、結果として細径で湾曲長の小さな湾曲機構を、簡単かつ安価で、製造容易な構成として提供することができる。加えて、４つのアクチュエータを同時に収縮させることによって、湾曲部の軸方向に変位させることも可能である。このような動作は通常のアングルワイヤを用いた湾曲機構では困難である。

本発明の実施例３について図５を用いて説明する。
実施例３に係る湾曲機構は、図５に示すように、前方チューブ３１０と後方チューブ３２０の間に、軸方向単位長さ当りの巻き数が比較的多い（即ち、バネピッチが比較的小さい）密部３０３ａと、軸方向単位長さ当りの巻き数が比較的少ない（即ち、バネピッチが比較的大きい）粗部３０３ｂと、を交互に備えるコイルバネ３０３が配設され、該コイルバネ３０３の外周にアクチュエータ３０４が配置されている。なお、前記密部３０３ａは、所定の負荷が作用するまで各巻線が軸方向において相互に密着するように構成されることができる。

本実施例に係るアクチュエータ３０４は、チューブ部材３０５とそれに内挿されたＳＭＡワイヤ３０６で構成され、チューブ部材３０５の先端部は密部３０３ａ’に接着等によって固定され、ＳＭＡワイヤ３０６の先端はカシメ部材３０７により密部３０３ａに属する少なくとも一条の巻き線に取り付けられている。

即ち、本実施例においては、実施例１や実施例２において説明した各リンク部材が省略され、これらの代わりとして、コイルバネ３０３に設けた密部（図５において、３０３ａ、３０３ａ’など）を利用する構成となっている。

ここでアクチュエータ３０４が駆動され、カシメ部材３０７とチューブ部材３０５の間の距離が短くなると、前記密部３０３ａと前記密部３０３ａ’の間のコイルバネ３０３の粗部３０３ｂが、当該コイルバネ３０３の軸方向（長手方向）中心を挟んでカシメ部材３０７及びチューブ部材３０５の反対側で引っ張られることになり、結果としてコイルバネ３０３はチューブ部材３０５の密部３０３ａ’への取り付け部付近を基点としてカシメ部材３０７の方向に湾曲することになる。

ここでは一つのアクチュエータについてのみ説明・付番したが、図５から判るように複数の密部及び粗部が交互に備えられ、例えば、コイルバネ３０３の周方向に９０度ずつ異なる部位に４つのアクチュエータを配置することができる。これら４つのアクチュエータは互いに独立して駆動することが可能で、特定のアクチュエータを駆動することによって、コイルバネ３０３の軸方向中心を中立軸として当該アクチュエータが配置されている方向に湾曲させることが可能である。また、隣り合う２つのアクチュエータを所定の変位量に制御することで任意の方向に湾曲させることもできる。更に４つのアクチュエータを同時に駆動することで、前記密部３０３ａを前記密部３０３ａ’に対して、コイルバネ３０３の軸方向に変位させることも可能である。

このように、本実施例の湾曲機構では、湾曲部をコイルバネで構成し、その外周に非常に径が細く、なおかつ十分な変位量が得られるアクチュエータを複数配置することになるので、結果として細径で湾曲長の小さな湾曲機構を、簡単かつ安価で、製造容易な構成として提供することができる。加えて、４つのアクチュエータを同時に収縮させることによって、湾曲部の軸方向に変位させることも可能である。このような動作は通常のアングルワイヤを用いた湾曲機構では困難である。

上記各実施例では、コイルバネを用いて説明したが、本発明はコイルバネに限定されるものではなく、所定の復元力を有するゴム、シリコン、その他の樹脂などからなる他の弾性体を用いることができる。その際には、中空の円柱、角柱、その他の適宜の断面形状を有する弾性体とすることができる。また、上記各実施例では、アクチュエータを構成するワイヤ状部材として、加熱により収縮するタイプのものを用いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、加熱により伸張するタイプのものをワイヤ状部材として用いることができる。

また、本発明を例えばカテーテルに応用する場合を考える。カテーテルは、内部に内蔵物が比較的少ない。このため、挿入が困難な部位へカテーテルを挿入するとき、先端部を縮めることができることは好ましい。

以上のように、本発明にかかる湾曲機構は、細径で短い湾曲長が要求される湾曲機構として有用であり、特に、医療用のカテーテル、内視鏡などに用いられる湾曲機構に適している。

本発明の実施例１に係る湾曲機構の斜視図である。 同上実施例に係る湾曲機構を構成する第１湾曲部の拡大図である。 同上実施例に係るアクチュエータを説明するための図である。 本発明の実施例２に係る湾曲機構を説明するための図である。 発明の実施例３の湾曲機構の先端部近傍の拡大図である。 従来の湾曲機構を説明するための図である。

符号の説明

１０７、２０３、３０３ コイルバネ
１０８、２０１ 前方リンク部材
１０９、２０２ 後方リンク部材
１１０、１１１、１１２ 中間リンク部材
１１３、２０４、３０４ アクチュエータ
１１４、２０５、３０５ チューブ部材
１１５、２０６、３０６ 形状記憶合金ワイヤ（本発明のワイヤ状部材に相当）
１１６、２０８ チューブ取り付け部
１１７、２０９ 突出部
１１８、２０７、３０７ カシメ部材

Claims (4)

1. コイルバネと、
   前記コイルバネの軸方向に沿って配置された、伸縮が制御可能なワイヤ状部材を湾曲可能なチューブ部材に内挿して、ワイヤ状部材の一端とチューブ部材の一端を結合させたアクチュエータを備え、
   前記チューブ部材の他端が前記コイルバネの第１の部位もしくは第１の部位に結合された部材に対して固定されていることと、
   前記ワイヤ状部材の他端が前記コイルバネの前記第１の部位とは軸方向に異なる第２の部位もしくは第２の部位に結合された部材に対して結合されていることと、
   前記ワイヤ状部材の伸縮に伴い、前記コイルバネの第１の部位と第２の部位の間隔を変化させることによって前記コイルバネを湾曲させることを特徴とする湾曲機構。
2. 前記アクチュエータが前記コイルバネに沿って複数配置され、各々の前記アクチュエータの前記チューブ部材の他端及びワイヤ状部材の他端が固定もしくは結合された部位が前記コイルバネの周方向に異なることを特徴とする請求項１に記載の湾曲機構。
3. 前記複数のアクチュエータの前記チューブ部材の他端及びワイヤ状部材の他端が固定もしくは結合された部位が前記コイルバネの軸に鉛直な面内近傍に存在することを特徴とする請求項２に記載の湾曲機構。
4. 前記ワイヤ状部材が形状記憶合金であって、前記形状記憶合金に対する制御可能な加熱手段を有し、その温度を制御することによって形状記憶合金の伸縮を制御することを特徴とする請求項１に記載の湾曲機構。
   

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