JP2011241970A - ステッピング・アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な機構で、電磁気力を使用せずに高精度にステップ動作を行うことができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータは従動部材と３つ以上の駆動部材により構成される。第１駆動部材が押圧されると第１スライド面と第１被スライド面が接触しながら、第１駆動部材の頂部は従動部材の谷部と一致するまで動作する。それに伴い、従動部材は回転運動を行い、隣り合う頂部の間隔の構成される駆動部材の数で割った量だけ回転運動を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、医用工学におけるＭＲＩ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）などの高磁場環境下での手術用ロボットの動力源や、電磁波による影響を受けやすい評価研究環境において使用できるステッピング・アクチュエータに関する。

ＭＲＩは、放射能被曝の危険性がなく、多様な可視化機能を有する医用画像撮像法として普及している。近年、ＭＲＩの開口部を大きくしたタイプのＯｐｅｎＭＲＩが登場したことで、手術中のＭＲＩ画像を取得することが可能となった。これにより、ＭＲＩによって患部を可視化しながら手術を行うことで、精確な手術を実現する、ＭＲＩ誘導下手術が提案されてきている。

ＭＲＩ誘導下手術のためのシステムを実現するためには、以下に示すＭＲ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙと呼ばれる３つの制約条件（課題）を満たす必要がある。

１）ＭＲＩの発する磁場環境の影響でシステムが安全上の問題を呈さない（ＭＲＩの静磁場磁石に引き寄せられてしまわないことなど）。
２）ＭＲＩの発する磁場や電磁波にシステムの動作が阻害されない。
３）システムがＭＲＩの取得画像にノイズやゆがみなどの悪影響を及ぼさない。

この制約条件に対し、システムを構築時に特に問題となるのがアクチュエータ部である。通常の電磁気力を利用した電気モータ（整流子電動機や同期電動機など）は、ＭＲＩの発する強磁場により動作することができない。

そのため、強磁場中でも動作が可能な非磁性超音波モータが多く用いられてきた。しかしながら、動力源となる電流に起因する電磁波がＭＲＩ画像に悪影響を及ぼすという問題がある。また、精確で再現性のある位置決めが困難である。そこで、水圧や空圧等の流体圧を用いたステッピングモータが近年報告されている。しかし、非特許文献１や非特許文献２などに代表される流体圧式のステッピングモータは動作機構が複雑であるため、多くの部品を必要とし、メンテナンス性や実用性に欠けるという問題点がある。さらに非特許文献２のステッピングモータは高磁場環境下での使用を目的としておらず非磁性化が行われていない。また、より簡便な機構で動作を実現した非特許文献３のステッピングモータも提案されているが、その機構では回転精度および回転速度、回転トルクが他の物に比べ劣ってしまうため、構造の簡単さと性能とを両立した流体圧を用いたステッピングモータが存在しない。

Dan Stoianovici, et.al.,A New Type of Motor: Pneumatic Step Motor, IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL.12, NO.1:98-106, FEBRUARY 2007 Kazuo Uzuki, et.al.,Comparative Assessment of Several NutationMotor Types, IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL.14, NO. 1:82-92, FEBRUARY 2009 櫨田知樹，他：空圧式鋸歯回転アクチュエータを用いたＭＲＩ画像誘導下穿刺術支援マニピュレータの基礎開発，J JSCAS, vol.10, no.3:337-338,JANUARY 2008

本発明は、ＭＲＩ等に代表される高磁場かつ電磁波を嫌う環境下で用いることを目標とした、非磁性の流体圧式ステッピング・アクチュエータを提供することを目的とする。さらに、小型化が可能で部品点数が少なくメンテナンス性に優れた動作機構を考案し、性能と製作の容易さを両立した新たな流体圧式ステッピング・アクチュエータを提供することを目的としている。

下記の本発明の構成により、上記目的を実現するステッピング・アクチュエータが提供される。

（１）複数の駆動部材と従動部材を備え、前記複数の駆動部材は中間ハウジングのそれぞれの収納部に収められ、前記従動部材は上部ハウジングに収められ、
前記駆動部材は複数で且つ同一数の傾斜した第１スライド面と第２スライド面を備え、隣合った第一スライド面と第２スライド面により頂部又は谷部が形成され、
前記従動部材は複数で且つ同一数の傾斜した第１被スライド面と第２被スライド面を備え、隣合った第一被スライド面と第２被スライド面により頂部又は谷部が形成され、
前記第１スライド面と前記第１被スライド面は同一の方向に傾斜し、且つ前記第２スライド面と前記第２被スライド面は同一の方向に傾斜し、前記駆動部材における隣接する頂部の間隔と、前記従動部材における隣接する谷部の間隔は同一であり、
前記第１駆動部材が流体圧により前記従動部材の方向に押されることにより、前記従動部材の第１被スライド面が前記第１駆動部材の第１スライド面上をスライドし、前記従動部材の谷部と前記第１駆動部材の頂部がかみ合うまで、前記従動部材が回転され、
この流体圧による駆動部材の前記従動部材方向への押し込みを、前記第１駆動部材から前記第２駆動部材、前記第２駆動部材から前記第３駆動部材、前記第３駆動部材から前記第１駆動部材へと順次行うことにより従動部材は同一方向に回転されることを特徴とする、ステッピング・アクチュエータ。

（２）前記複数の駆動部材の数の増減により、前記従動部材の回転量が調整されることを特徴とする前記（１）に記載のステッピング・アクチュエータ。
（３）前記第１駆動部材に次いで前記第２駆動部材を押し込むと、前記従動部材の回転に伴い、前記第１駆動部材の第１スライド面が前記従動部材第１被スライド面上をスライドすることで、自動的に第１駆動部材が押し戻されることを特徴とする、前記（１）又は（２）に記載のステッピング・アクチュエータ。

本発明によれば、電磁気力を使用せず、流体圧のみで動作し、回転精度・回転速度の高いステッピング・アクチュエータを、製作が容易な部品のみで、少ない構成部品により提供することが可能になる。

本発明によるステッピング・アクチュエータの原理的な構成を示す説明図 ステッピング・アクチュエータの動作を説明するための説明図 ステッピング・アクチュエータの斜視図 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図 ステッピング・アクチュエータの分解斜視図 中間ハウジングの正面図 従動部材の斜め下方からの斜視図 駆動部材の斜視図

以下、本発明によるステッピング・アクチュエータついて、添付の図面に基づいて説明する。

まず、本実施形態に係るステッピング・アクチュエータの動作原理を図に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施例のステッピング・アクチュエータでは、第１駆動部材２、第２駆動部材３、第３駆動部材４及び従動部材１を備えている。

第１駆動部材〜第３駆動部材は、中間ハウジング６の第１収納部６１〜第３収納部６３に１つずつ収められており（図６参照）、直動方向のみに動作が限定されている。従動部材１は上部ハウジンング５に収められており（図５参照）、回転動作のみを行うことができる。

それぞれの駆動部材２〜４は複数で且つ同一数の傾斜した第１スライド面２１、３１、４１と第２スライド面２２、３２、４２を備え、隣合った第一スライド面と第２スライド面により頂部又は谷部が形成されている。同様に、従動部材１は複数で且つ同一数の傾斜した第１被スライド面１１と第２被スライド面１２を備え、隣合った第一被スライド面１１と第２被スライド面１２により頂部又は谷部が形成される。

第１スライド面（２１、３１又は４１）と前記第１被スライド面１１は同一の方向に傾斜し、且つ前記第２スライド面（２２、３２又は４２）と前記第２被スライド面１２は同一の方向に傾斜し、駆動部材（２〜３）における隣接する頂部の間隔と、前記従動部材における隣接する谷部の間隔は同一であり、駆動部材と従動部材がかみ合うように構成されている。

第３駆動部材４と従動部材１が完全にかみ合った状態である図２（ａ）の状態において、第１ピストン８１（図５参照）が第１チューブ接続部７１（図３参照）を通って送られる流体圧により押し込まれると、第１ピストン８１は中間ハウジング６の第１ピストン通路６４（図６参照）を通って、第１駆動部材２の押圧面を従動部材１の方へと押し込む。

この駆動部材とピストンとは一体化して構成することも可能である。

第１駆動部材２が押し込まれると、図２（ｂ）に示すように第１駆動部材２の第２スライド面２２と従動部材の第２被スライド面１２（図１参照）が接触する。さらに、第１駆動部材２が押し込まれると第１駆動部材２の第２スライド面２２に従動部材の第２スライド面１２が沿うように、従動部材１が回転を始め、従動部材の谷部と第１駆動部材の頂部が一致するまで、つまり、従動部材１と第１駆動部材２が完全にかみ合うまで従動部材１が右回転する（図２（ｃ）参照）。

また同様に、図２（ａ）の状態から第２ピストン８２により第２駆動部材３を押し込むと、それに伴い従動部材は左回転することになる。このように、押し込むピストンを切り変えることで、回転方向の切り替えが可能となる。ただし、以降では右回転に限って説明することとする。

第１チューブ接続部７１に流体圧が送られているときに、第２チューブ接続部７２および第３チューブ接続部７３には流体圧は送られておらず、そのため、従動部材の回転に伴い、第２駆動部材３および第３駆動部材４は従動部材１の第１被スライド面１１を沿うように押し戻されることになる。

ここで、第２駆動部材３は押し戻されることで従動部材１と完全に離れることとなる（図２（ｃ）参照）。

次に、今度は第２チューブ接続部７２に対して流体圧が送り込まれると、先ほどと同様に従動部材１の第２被スライド面と第２駆動部材３の第２スライド面３２が接触し（図２（ｄ）参照）、さらに押し込むことで従動部材１の谷部と第２駆動部材３の頂部が一致するまで従動部材は右回転することになる（図２（ｅ）参照）。

この第１駆動部材２と従動部材１が完全にかみ合った状態から（図２（ｃ））から、第２駆動部材３と従動部材１が完全にかみ合う状態（図２（ｅ））までの、従動部材の回転における変位量を１ステップ分の回転量とみなす事が出来る。

前述のように、駆動部材の頂部と従動部材の谷部がかみ合うように構成されているので、従動部材１と駆動部材（２、３又は４）の歯先の間隔（隣り合う頂部の間隔）はともに一致しており、前記従動部材が持つ歯の数をＴ、この歯先の間隔をＤ度とするとＤ＝３６０／Ｔが成り立つ。また、本ステッピング・アクチュエータは前記従動部材１つと前記駆動部材３つ以上から構成される。前記駆動部材の数をＮ（整数Ｎ≧３）とし、隣り合う前記駆動部材がＤ／Ｎ度の間隔を隔てて、中間ハウジング内の収納部に配置される。この時点で前記駆動部材が持つ歯の数は（Ｔ−１）／Ｎとなる。これにより、全ての前記駆動部材が順番に押し込まれ一巡した時点で、前記従動部材はＤ度分回転することになる。よって、前記駆動部材が１回押し込まれるごとに前記従動部材が回転する変位量はＤ／Ｎ度となり、これが１ステップ分の変位量であるとみなせる。

よって、上記の関係を満たすために、第１駆動部材２と第２駆動部材３および第３駆動部材４では、中間ハウジング内において歯先間隔（駆動部材における隣り合う頂部の間隔）の３分の１の間隔をずらして配置されることになり（図６参照）、１ステップの回転量は歯先間隔の３分の１となる。

この１ステップ分の回転量は３つの駆動部材を用いた場合、歯先間隔の３分の１となり、Ｎ（Ｎ≧３）個の駆動部材を用いた場合は１ステップ分の回転量を歯先間隔のＮ分の１とすることができる。

例えばＴ＝１０、Ｎ＝３の場合、図１のように前記駆動部材の歯数は３つとなり、３つの前記駆動部材が前記中間ハウジング内に１２度の間隔を空けて配置される。前記第１駆動部材の次に前記第２駆動部材を押し込んだ際の前記従動部材の回転する変位量は、１２度となり、これが１ステップ分の変位量であるとみなせる。

よって、構成する駆動部材の数を増やすことで、回転の精度を高めることができる。当然、駆動部材および従動部材の歯数を増やすことでも回転精度向上を実現可能である。

よって、歯先の間隔を小さくする（Ｔを大きくする）ことで、さらに回転精度を高めることができる。また、構成される駆動部材の数を増やす（Ｎを大きくする）事でも、回転精度を高めることが可能である。

図２（ｅ）の状態から、さらに第３駆動部材４を押し込むと図２（ｆ）に示すように、第１駆動部材２が従動部材１から完全に離れ、第２駆動部材３は従動部材１の回転に伴い、完全にかみ合っていた状態から押し戻されることになる。この図２（ｆ）の状態が図２（ａ）の状態と同じであり、一連の第１駆動部材２から第３駆動部材４までの流体圧により押し込み動作を繰り返すことで従動部材１の同一方向への回転を実現している。

また、駆動部材と従動部材が完全にかみ合った状態で、停止することができ、保持トルクを発生することができる。

本発明によれば、駆動部材の押し込み動作を、第１駆動部材、第２駆動部材、第３駆動部材、の順番に繰り返せば従動部材は時計回りに回転し、第３駆動部材、第２駆動部材、第１駆動部材、の順番に繰り返せば従動部材は反時計回りに回転する。つまり、駆動部材の押し込む順番を切り替えることで、従動部材の回転方向を切り替えることできる。

さらに、駆動部材の押し込み動作は流体圧によって実現可能であり、ＭＲＩ環境下において使用した場合であっても、ＭＲＩ機器の動作に影響を及ぼしにくいという利点がある。

かつ、その際の押し込み動作における駆動部材の変位量は、駆動部材の頂部が従動部材の頂部より下にある状態（初期状態）から、駆動部材の頂部が従動部材の谷部に完全にかみ合うまで（完了状態）である。この初期状態の駆動部材の頂部と従動部材の頂部との隙間の距離を最小にすることで、駆動部材の変位量を必要最小限に抑えることができる。これにより、高速な動作が可能である。

また、完全に駆動部材と従動部材が完全にかみ合うため、回転におけるバックラッシがほとんどない。

前記第１駆動部材の次に前記第２駆動部材を押し込むと、前記従動部材の回転に伴い、前記第１駆動部材の第１スライド面が前記従動部材第１被スライド面上をスライドすることで、第１駆動部材が押し戻される。そのため、前記駆動部材を流体圧の正圧のみで順番に押し込むだけで、前記従動部材の回転動作を実現することが可能である。

このように、駆動部材の押し戻される動作は従動部材の回転に伴い行われることで、駆動部材の押し戻される量は最小に抑えられる。

また、駆動部材の押し戻し動作は従動部材の回転に伴い行われ、駆動部材には押し込み動作の駆動力のみを与えれば良い。これにより、流体圧を用いた場合、動力源として正圧を発生する装置（コンプレッサーなど）のみでシステムの構築が可能となる。もちろん、駆動部材に負圧を与えることで、押し戻し動作を実現することも可能である。

既存の空気圧式アクチュエータは低速・高精度で再現性のある動作が困難である。これは主に空気の圧縮性やアクチュエータの動作原理に起因するものである。また、既存の流体圧式のステッピング・アクチュエータはその機構が複雑であり構成部品が多いことからメンテナンス性や実用性が悪く、簡素な機構の場合は回転精度・回転速度が損なわれるなどの問題があった。本アクチュエータはこれらの問題を解決するものであり、従来不可能であった分野に対しても応用可能な流体圧アクチュエータということで産業上の利用価値は高いと考えられる。構造が単純であるため実用化の障壁は低く、今後広く用いられる可能性がある。

１ 従動部材
１１ 第１被スライド面
１２ 第２被スライド面
１３ 頂部
１４ 谷部
２ 第１駆動部材
２１ 第１スライド面
２２ 第２スライド面
２３ 頂部
２４ 谷部
２５ 押圧面
３ 第２駆動部材
３１ 第１スライド面
３２ 第２スライド面
３３ 頂部
３４ 谷部
３５ 押圧面
４ 第３駆動部材
４１ 第１スライド面
４２ 第２スライド面
４３ 頂部
４４ 谷部
４５ 押圧面
５ 上部ハウジング
６ 中間ハウジング
６１ 第１収納部
６２ 第２収納部
６３ 第３収納部
６４ 第１ピストン通路
６５ 第２ピストン通路
６６ 第３ピストン通路
７ 下部ハウジング
７１ 第１チューブ接続部
７２ 第２チューブ接続部
７３ 第３チューブ接続部
８１ 第１ピストン
８２ 第２ピストン
８３ 第３ピストン
９ 回転軸

Claims (3)

1. 複数の駆動部材と従動部材を備え、前記複数の駆動部材は中間ハウジングのそれぞれの収納部に収められ、前記従動部材は上部ハウジングに収められ、
   前記駆動部材は複数で且つ同一数の傾斜した第１スライド面と第２スライド面を備え、隣合った第一スライド面と第２スライド面により頂部又は谷部が形成され、
   前記従動部材は複数で且つ同一数の傾斜した第１被スライド面と第２被スライド面を備え、隣合った第一被スライド面と第２被スライド面により頂部又は谷部が形成され、
   前記第１スライド面と前記第１被スライド面は同一の方向に傾斜し、且つ前記第２スライド面と前記第２被スライド面は同一の方向に傾斜し、前記駆動部材における隣接する頂部の間隔と、前記従動部材における隣接する谷部の間隔は同一であり、
   前記第１駆動部材が流体圧により前記従動部材の方向に押されることにより、前記従動部材の第１被スライド面が前記第１駆動部材の第１スライド面上をスライドし、前記従動部材の谷部と前記第１駆動部材の頂部がかみ合うまで、前記従動部材が回転され、
   この流体圧による駆動部材の前記従動部材方向への押し込みを、前記第１駆動部材から前記第２駆動部材、前記第２駆動部材から前記第３駆動部材、前記第３駆動部材から前記第１駆動部材へと順次行うことにより従動部材は同一方向に回転されることを特徴とする、ステッピング・アクチュエータ。
2. 前記複数の駆動部材の数の増減により、前記従動部材の回転量が調整されることを特徴とする請求項１に記載のステッピング・アクチュエータ。
3. 前記第１駆動部材に次いで前記第２駆動部材を押し込むと、前記従動部材の回転に伴い、前記第１駆動部材の第１スライド面が前記従動部材第１被スライド面上をスライドすることで、自動的に第１駆動部材が押し戻されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のステッピング・アクチュエータ。

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