JP2009222163A - フレキシブルロータ及びフレキシブルアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】最小曲げ半径を小さくすると共に曲がった状態でも駆動力の伝達効率が低下することを防止し、または抑制する。
【解決手段】外部から駆動力が伝達される複数の被駆動部材６と、この複数の被駆動部材６を略直線状に並べて隣り合う被駆動部材６を互いに連結するコイルばね７から構成されている。このコイルばね７は、可撓性を有する部材により形成されている。そして、複数の被駆動部材６の表面部に外部から駆動力が伝達されることで、複数の被駆動部材６とコイルばね７が一体となって、コイルばね７の軸方向周りに回転可能とし、且つコイルばね７の軸方向に沿って移動可能とした。これにより、最小曲げ半径を小さくすると共に曲がった状態でも駆動力の伝達効率が低下することを防止し、または抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸が曲がった状態でも外部からの駆動力が伝達されて軸方向周りに回転し、且つ軸方向に移動することができるフレキシブルロータ及びこのフレキシブルロータを備えたフレキシブルアクチュエータに関するものである。

従来、軸が曲がった状態でも駆動力を伝達する技術としては、例えば、複数の部材から構成されたフレキシブルカップリングや、フレキシブルジョイント等が挙げられる。フレキシブルカップリング及びフレキシブルジョイントは、それぞれ複数の部材から構成されている。フレキシブルカップリングとしては、例えば特許文献１に記載されているようなものがある。また、フレキシブルジョイントとしては、例えば特許文献２に記載されているようなものがある。

また、軸が曲がった状態でも駆動力を伝達する他の技術としては、回転子として柔軟な材料で形成されたワイヤを使用し、ワイヤの軸方向の一端に設置されたモータによってワイヤを回転させる技術もある。この技術は、特に血管内治療における有効な技術とされている。
特開２００４−１４４１６７号公報 特開平８−１２１４５６号公報

しかしながら、フレキシブルカップリングやフレキシブルジョイントは、複数の部材を金属や樹脂をそのまま若しくは加工した複数の部材から構成されていたため、最小曲げ半径が大きく、多方向に自在に曲げることが難しい、という問題があった。

また、最小曲げ半径を小さくするために、回転子として柔軟な材料で形成されたワイヤを使用し、ワイヤの軸方向の一端に設置されたモータによってワイヤを回転させる方法が考えられる。しかしながら、この方法では、モータでワイヤを回転駆動する場合、ワイヤがその柔軟性によってねじれたり、駆動力がワイヤの弾性に吸収されたりすることで、伝達効率が低下していた。その結果、駆動力をワイヤの軸方向の一端から他端まで伝達することが難しい、という問題があった。更に、ワイヤが湾曲部で座屈して駆動力が伝達されなくなる、という不具合もあった。

このように、従来の技術では、駆動力の伝達効率と最小曲げ半径は、トレードオフの関係にあったため、駆動力の伝達効率を低下させずに最小曲げ半径を小さくすることが求められていた。

本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、最小曲げ半径を小さくすると共に曲がった状態でも駆動力の伝達効率が低下することを防止し、または抑制することができるフレキシブルロータ及びこのフレキシブルロータを備えたフレキシブルアクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のフレキシブルロータは、外部から駆動力が伝達される複数の被駆動部材と、複数の被駆動部材を略直線状に並べて隣り合う被駆動部材を互いに連結し、且つ可撓性を有する部材により形成された軸部材と、から構成されている。そして、複数の被駆動部材の表面部に外部から駆動力が伝達されることで、複数の被駆動部材と軸部材が一体となって、軸部材の軸方向周りに回転可能とし、且つ軸部材の軸方向に移動可能とした。

また、本発明のフレキシブルアクチュエータは、駆動力を発生する駆動力発生部と、駆動力発生部から発生される駆動力により回転及び移動するフレキシブルロータとから構成されている。フレキシブルロータとしては、上述した通りのフレキシブルロータが用いられる。そして、駆動力発生部は、複数の被駆動部材の表面部に接触するステータと、このステータを振動させる振動素子とからなる。

本発明のフレキシブルロータ及びフレキシブルアクチュエータによれば、多方向に曲げることが可能であると共に、曲げた状態でも軸方向周りに回転し、且つ軸方向に沿って移動することができる。更に、最小曲げ半径を小さくできると共に、曲がった状態でも伝達効率が低下することを防止し、または抑制することができる。

以下、本発明のフレキシブルロータ及びフレキシブルアクチュエータの実施形態例について、図１〜図９を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、本発明は、以下の形態に限定されるものではない。

まず、図１及び図２を参照して本発明のフレキシブルアクチュエータについて説明する。図１は本発明のフレキシブルアクチュエータを示す斜視図、図２はフレキシブルアクチュエータから外装体を外した状態を示す斜視図である。

この図１及び図２に示す、本発明の実施の形態例（以下、「本例」という。）であるフレキシブルアクチュエータ１０は、外装体１と、複数（本例では、７個）の駆動力発生部２と、多方向に曲げることができるフレキシブルロータ３から構成されている。フレキシブルアクチュエータ１０は、軸方向の先端に例えば撮像装置や切除器具等の各種の動作部材を取り付けることができる取付部１１が設けられている。そして、このフレキシブルアクチュエータ１０は、例えば、超音波血管内視鏡（ＩＶＵＳ）、カテーテル、災害支援用ロボット（例えば、ヘビ型ロボット、魚型ロボット）等の柔軟性が求められている装置のアクチュエータに適用されるものである。外装体１は、柔軟性に優れた材質で形成されており、内部に駆動力発生部２とフレキシブルロータ３を収納している。

なお、本例では、フレキシブルアクチュエータ１０に備えた駆動力発生部２の数を７個としているが、駆動力発生部２の数は、６個以下、あるいは８個以上用いてもよいことは、言うまでもない。フレキシブルアクチュエータ１０の長さや用途に応じて、駆動力発生部２の数は、適宜設定されるものである。

次に、図３を参照して駆動力発生部について説明する。図３は駆動力発生部を示す斜視図である。
この図３に示すように、駆動力発生部２は、ステータ４と、振動素子５から構成されている。ステータ４は、略直方体をなしており、その略中心を通るように挿通孔４ａが設けられている。ステータ４の材質としては、例えば、リン青銅（Ｃ５１９１）等の金属を挙げることができるが、その他の金属を用いることができることは勿論のこと、金属以外にも硬質プラスチックのような非金属等を用いることもできる。また、駆動力を向上させるために、挿通孔４ａの内壁に複数の突起を設けてもよい。そして、このステータ４における挿通孔４ａが設けられた２つの側面部を除いた残りの４つの側面部には、４つの振動素子５が接着剤等の固定方法によって取り付けられている。

振動素子５は、板状の圧電素子である。この振動素子５には、図示しないフレキシブル配線を介して図示しない圧電素子駆動電源と電気的に接続されている。そして、振動素子５に圧電素子駆動電源から超音波領域の交流電圧が印加されると、振動素子５の電歪現象によって微小振動が発生する。振動素子５によって発生した微小振動は、ステータ４に伝達される。すると、ステータ４の挿通孔４ａの表面にたわみ振動や伸縮振動等の表面波振動が発生する。このような構成を有する複数の駆動力発生部２には、ステータ４の挿通孔４ａにフレキシブルロータ３が回転及び移動可能に挿通されている（図２参照）。そして、このステータ４の挿通孔４ａの表面に発生する表面波振動が、フレキシブルロータ３の駆動力となる。

なお、本例では、ステータ４における挿通孔４ａが設けられた２つの側面部を除いた残りの４つの側面部全てに振動素子５を取り付けた例を説明した。しかしながら、振動素子５は、ステータ４における挿通孔４ａが設けられた２つの側面部を除いた残りの４つの側面部のうちの３つの側面部、あるいは２つの側面部だけに取り付けてもよい。更に、ステータ４の形状を直方体として説明したが、例えば、ステータ４を六角柱状や円柱状等に形成してもよい。

更に、本例では、振動素子５を接着剤によりステータ４の側面部に貼り付けた例を説明したが、振動素子５の取り付け方法は、その他の取り付け方法を用いてもよい。例えば、ステータ４の側面部に圧電皮膜を直接生成したり、圧電材料をステータ４の側面部に直接塗布してもよい。これらの方法によれば、振動素子とステータの接着面が劣化することを防止し、または抑制することができる。

次に、図４及び図５を参照して本発明のフレキシブルロータについて説明する。図４は本例のフレキシブルロータを示す斜視図、図５はフレキシブルロータに係る被駆動部材を示す斜視図である。

図４に示すように、フレキシブルロータ３は、略球状に形成された複数（本例では、１０個）の被駆動部材６と、複数の被駆動部材６を連結する軸部材の一具体例を示すコイルばね７から構成されている。図５Ａに示すように、被駆動部材６は、球状をなしており、その直径がステータ４の挿通孔４ａの直径と略等しくなるように設定されている。また、被駆動部材６には、略中心を通るように貫通孔６ａが設けられている。そして、この被駆動部材６の貫通孔６ａに、コイルばね７が挿通されると共に固定されている。

また、被駆動部材６は、駆動力発生部５からの駆動力を減衰させないために、少なくとも駆動力発生部５と接触する表面部の剛性が高く設定されている。そのため、被駆動部材６の材質としては、例えばステンレス鋼等の剛性の高い金属が好適であるが、その他の金属を用いることができることは勿論である。更に、被駆動部材６は、金属以外にもエンジニアリングプラスチック等の樹脂やガラス等の剛性の高い材質を用いてもよい。

なお、本例では、フレキシブルロータ３に用いた被駆動部材６の数を１０個としているが、被駆動部材６の数は、フレキシブルロータ３の長さや用途等に応じて適宜設定されるものであり、９個以下、あるいは１１個以上用いてもよい、ことは言うまでもない。

コイルばね７は、棒状をなしており、被駆動部材６に設けた貫通孔６ａの直径と略等しい外径を有している。コイルばね７は、可撓性を有しており、多方向に曲げることが可能である。そして、このコイルばね７は、複数の被駆動部材６に設けた貫通孔６ａに挿通されて、複数の被駆動部材６を直線状に並べて隣り合う被駆動部材６を互いに連結している。そして、コイルばね７は、複数の被駆動部材６の貫通孔６ａに挿通された状態で、接着剤等の固定方法によって被駆動部材６に固定されている。これにより、外部から駆動力が伝達されると、複数の被駆動部材６とコイルばね７が一体となって、コイルばね７の軸方向周りに回転し、且つ軸方向に沿って移動する。

なお、本例では、軸部材の一具体例としてコイルばねを用いた例を説明したが、軸部材には、例えば、シリコンチューブ等の各種可撓性を有する部材が適用できるものである。特に、コイルばねによれば、回転方向に対しての剛性が高いため、フレキシブルに曲がった状態でも駆動力が極めて減衰し難く、軸部材の部材として好適である。

なお、本例では、被駆動部材６を球状の形成した例を説明したが、被駆動部材６は、例えば、図５Ｂ及び図９に示す第２の実施の形態に係る被駆動部材６Ａのように、樽型状に形成してもよい。また、被駆動部材の形状は、半球、楕円球、円盤等のように軸方向と略直交する方向の断面形状が略円形状に形成されていれば、その目的を達成することができるものである。

また、本例では、被駆動部材６を球状に形成し、ステータ４の挿通孔４ａと接触する面を曲面状に形成している。そのため、フレキシブルロータ３を曲げた状態で軸方向に移動させた際に、ステータ４の挿通孔４ａの角部に被駆動部材６が引っ掛かることを防止することができる。これにより、本例のフレキシブルロータ３によれば、曲げた状態でも滑らかにステータ４の挿通孔４ａを通って、軸方向へ移動することができる。

なお、本例では、軸部材であるコイルばね７を被駆動部材６の貫通孔６ａに挿通させて、複数の被駆動部材６を連結した例を説明したが、その他の方法で軸部材を用いて複数の被駆動部材６を連結してもよい。例えば、隣り合う被駆動部材６の間に軸部材を配置し、軸部材の軸方向の両端に被駆動部材６を固定することで、複数の被駆動部材６における隣り合う被駆動部材６を互いに連結してもよい。

更に、本例では、被駆動部材６と軸部材であるコイルばね７を接着剤によって固定する方法を説明したが、例えば、溶接やその他各種の固定方法で被駆動部材６とコイルばね７を固定してもよいことは、言うまでもない。

本例のフレキシブルロータ３は、構成要素が球状に形成された複数の被駆動部材６と、この複数の被駆動部材６を連結するコイルばね７だけである。その結果、従来のフレキシブルカップリングやフレキシブルジョイントと比較して、その部品点数が極めて少ないため、低コストで製造することができる。更に、本例のフレキシブルロータ３は、従来のフレキシブルカップリングやフレキシブルジョイントと比較して、簡単な構造であるため、小型化（細径化）しやすく、マイクロロボットやマイクロ医療等の分野での使用が可能である。また、ワイヤのように湾曲部で座屈するおそれがないため、確実に駆動力を伝達することができる。

このような構成を有するフレキシブルアクチュエータ１０は、例えば、次のようにして組み立てることができる。まず、図４に示すように、複数の被駆動部材６の貫通孔６ａに、コイルばね７を挿通させる。そして、この複数の被駆動部材６とコイルばね７を接着剤等の固定方法により固定する。すると、複数の被駆動部材６が、略直線状に並べられて、且つコイルばね７により隣り合う被駆動部材６が互いに連結される。これにより、複数の被駆動部材６とコイルばね７からなるフレキシブルロータ３が組み立てられる。

次に、ステータ４における挿通孔４ａが形成された側面部を除く残りの側面部に接着剤等の固定方法によって、振動素子５を取り付ける。なお、振動素子５には、予めフレキシブル配線が接続されており、図示しない圧電素子駆動電源と電気的に接続されている。これにより、ステータ４と振動素子５とからなる駆動力発生部２が形成される。

次に、図２に示すように、駆動力発生部２を複数用意し、この複数の駆動力発生部２におけるそれぞれのステータ４の挿通孔４ａに、フレキシブルロータ３を挿通する。これにより、フレキシブルロータ３が、複数の駆動力発生部に回転及び移動可能に支持される。このとき、ステータ４の挿通孔４ａの内壁に被駆動部材６の表面部が接触している。そのため、駆動力発生部２に駆動力（振動）が発生すると、その駆動力は、ステータ４の挿通孔４ａから被駆動部材６に伝達される。次に、図１に示すように、複数の駆動力発生部２とフレキシブルロータ３を外装体１に収納する。このようにして、フレキシブルアクチュエータ１０の組み立てが完了する。なお、フレキシブルアクチュエータ１０の組み立ては、上述したものに限定されるものではなく、その他各種の方法で組み立ててもよい、ことは言うまでもない。

次に、図６を参照して、本例のフレキシブルロータ３を曲げる前と曲げた後の状態について説明する。図６Ａはフレキシブルロータ３を曲げる前の状態を示す説明図、図６Ｂ及び図６Ｃは曲げた状態を示す説明図である。

この図６Ａに示すように、フレキシブルロータ３は、複数の被駆動部材６の間を、可撓性を有するコイルばね７によって直線状に連結されている。そのため、図６Ｂに示すように、コイルばね７は、多方向に且つフレキシブルに曲げることができるため、フレキシブルロータ３を多方向に且つフレキシブルに曲げることが可能である。更に、コイルばね７は、曲がるだけでなく軸方向に伸縮する。その結果、図６Ｃに示すように、コイルばね７が、フレキシブルに曲がり、且つ伸びることにより、フレキシブルロータ３の最小曲げ半径を極めて小さくすることができる。

次に、図７〜図８を参照して、本例のフレキシブルアクチュエータ１０の動作について説明する。図７はフレキシブルロータを軸方向に移動させた状態を示す説明図、図８はフレキシブルロータを回転させた状態を示す説明図である。

図７Ａ及び図８Ａに示すように、フレキシブルロータ３は、ステータ４の挿通孔４ａに挿通されて、回転及び移動可能に支持されている。そして、複数の被駆動部材６の表面部と挿通孔４ａの内壁が接触している。ここで、上記したように、駆動力発生部２の振動素子５に超音波領域の交流電圧が印加されると、振動素子５の電歪現象によって微小振動が発生する。この微小振動がステータ４に伝達されると、図７Ｂに示すように、挿通孔４ａの表面には、軸方向に流れる表面波振動が発生する。そして、挿通孔４ａに発生した軸方向に流れる表面波振動が、複数の被駆動部材６に伝達される。これにより、フレキシブルロータ３が軸方向に移動する。

また、ステータ４の側面部に取り付けられた４つの振動素子５に、それぞれ９０°ずつ位相のずれた超音波を発生させる。すると、図８Ｂに示すように、挿通孔４ａの表面には、回転する方向に流れる表面波振動が発生する。そして、挿通孔４ａに発生した回転する方向に流れる表面波振動が、複数の被駆動部材６に伝達される。これにより、フレキシブルロータ３が軸方向周りに回転する。

このように、駆動力発生部２の４つの振動素子５に印加させる交流電圧の大きさ及び位相を変化させることにより、ステータ４の挿通孔４ａの内壁に発生する表面波振動の方向を変化させることができる。その結果、駆動力発生部２におけるステータ４の挿通孔４ａに回転及び移動可能に挿通しているフレキシブルロータ３を自在に回転し、且つ軸方向に移動させることができる。

なお、ステータ４の挿通孔４ａに接触する被駆動部材６を比較的剛性の高い材質で形成している。そのため、ステータ４の挿通孔４ａに発生した表面波振動が、被駆動部材６によって減衰することを防止し、または抑制することができる。その結果、駆動力発生部２からの駆動力を減衰することを防止し、または抑制することにより、フレキシブルロータ３における駆動力の伝達効率を向上させることができる。

このように、本例のフレキシブルロータ３は、多方向に自由に曲がることができるだけでなく、曲がった状態でも駆動力の伝達効率が極めて減少し難い。その結果、複雑に曲がりくねった場所でも、駆動力さえあれば入っていくことができ、フレキシブルロータ３の先端に撮像装置や切除器具を取り付けて各種作業を行うことが可能である。

なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施の形態例では、駆動力発生部として、圧電素子を用いた例を説明したが、駆動力発生部は、電磁モータや空圧モータなどを用いてもよい。

本発明のフレキシブルアクチュエータの第１の実施の形態を示す斜視図である。 本発明のフレキシブルアクチュエータの第１の実施の形態から外装体を外した状態を示す斜視図である。 本発明のフレキシブルアクチュエータの第１の実施の形態に係る駆動力発生部を示す視図である。 本発明のフレキシブルロータの第１の実施の形態を示す斜視図である。 本発明のフレキシブルロータに係る被駆動部材を示すもので、図５Ａは第１の実施の形態を示す斜視図、図５Ｂは第２の実施の形態を示す斜視図である。 本発明のフレキシブルロータを曲げた状態を説明するもので、図６Ａは曲げる前の状態を示す平面図、図６Ｂは曲げた状態を示す平面図、図６Ｃは図６Ｂから更に曲げた状態を示す平面図である。 本発明のフレキシブルアクチュエータの動作を軸方向に断面して説明するもので、図７Ａは動作させる前の状態を示す断面図、図７Ｂは動作させた状態を示す断面図である。 本発明のフレキシブルアクチュエータの動作を軸方向と直交する方向に断面して説明するもので、図８Ａは動作させる前の状態を示す断面図、図８Ｂは動作させた状態を示す断面図である。 本発明のフレキシブルロータの第２の実施の形態を示す斜視図である。

符号の説明

１…外装体、 ２…駆動力発生部、 ３…フレキシブルロータ、 ４…ステータ、４ａ…挿通孔、 ５…振動素子、 ６，６Ａ…被駆動部材、 ６ａ…貫通孔、 ７…コイルばね（軸部材）、 １０…フレキシブルアクチュエータ

Claims (7)

1. 外部から駆動力が伝達される複数の被駆動部材と、
   前記複数の被駆動部材を略直線状に並べて隣り合う被駆動部材を互いに連結し、且つ可撓性を有する部材により形成された軸部材と、から構成され、
   前記複数の被駆動部材の表面部に外部から前記駆動力が伝達されることで、前記複数の被駆動部材と前記軸部材が一体となって、前記軸部材の軸方向周りに回転可能とし、且つ前記軸部材の軸方向に沿って移動可能とした
   ことを特徴とするフレキシブルロータ。
2. 前記複数の被駆動部材には、貫通孔が設けられており、前記貫通孔に前記軸部材が挿通され、且つ固定されることで前記複数の被駆動部材が連結されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルロータ。
3. 前記複数の被駆動部材は、前記軸部材の軸方向と略直交する方向における断面形状が略円形状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のフレキシブルロータ。
4. 前記複数の被駆動部材は、略球状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のフレキシブルロータ。
5. 前記軸部材は、コイルばねからなる
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフレキシブルロータ。
6. 駆動力を発生する駆動力発生部と、前記駆動力発生部から発生される前記駆動力により回転及び移動するフレキシブルロータとから構成されるフレキシブルアクチュエータであって、
   前記フレキシブルロータは、
   前記駆動力発生部から駆動力が伝達される複数の被駆動部材と、
   前記複数の被駆動部材を略直線状に並べて隣り合う被駆動部材を互いに連結し、且つ可撓性を有する部材により形成された軸部材と、から構成され、
   前記複数の被駆動部材の表面部に前記駆動力発生部から前記駆動力が伝達されることで、前記複数の被駆動部材と前記軸部材が一体となって、前記軸部材の軸方向周りに回転可能とし、且つ前記軸部材の軸方向に移動可能とし、
   前記駆動力発生部は、
   前記複数の被駆動部材の表面部に接触するステータと、
   前記ステータを振動させる振動素子とからなる
   ことを特徴とするフレキシブルアクチュエータ。
7. 前記ステータは、挿通孔を有し、
   前記フレキシブルロータは、前記ステータの前記挿通孔に挿通されている
   ことを特徴とする請求項６に記載のフレキシブルアクチュエータ。

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