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

フレキシブルロータ及びフレキシブルアクチュエータ Download PDF

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【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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