JP5256463B2

JP5256463B2 - Flexible actuator

Info

Publication number: JP5256463B2
Application number: JP2008068392A
Authority: JP
Inventors: 茂樹遠山; 智昭真下
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULUTURE & TECHNOLOGY
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION TOKYO UNIVERSITY OF AGRICULUTURE & TECHNOLOGY
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2028-03-17
Also published as: JP2009222163A

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。 The present invention relates to a flexible actuator with a flexible rotor driving force from the outside even when the shaft is bent is transmitted to rotate around the axial direction, Ru can and move axially.

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。 Conventionally, as a technique for transmitting a driving force even when a shaft is bent, for example, a flexible coupling composed of a plurality of members, a flexible joint, and the like can be given. Each of the flexible coupling and the flexible joint is composed of a plurality of members. As a flexible coupling, there exists a thing as described in patent document 1, for example. Moreover, as a flexible joint, there exists a thing as described in patent document 2, for example.

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 As another technique for transmitting the driving force even when the shaft is bent, a wire formed of a flexible material is used as a rotor, and the wire is rotated by a motor installed at one end in the axial direction of the wire. There is also technology. This technique is regarded as an effective technique particularly in endovascular treatment.
JP 2004-144167 A JP-A-8-112456

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。 However, since the flexible coupling and the flexible joint are composed of a plurality of members made of metal or resin as they are or processed, there is a problem that the minimum bending radius is large and it is difficult to bend freely in multiple directions. there were.

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。 In order to reduce the minimum bending radius, a method of using a wire formed of a flexible material as a rotor and rotating the wire by a motor installed at one end in the axial direction of the wire can be considered. However, in this method, when the wire is rotationally driven by a motor, the transmission efficiency is reduced because the wire is twisted due to its flexibility or the driving force is absorbed by the elasticity of the wire. As a result, there is a problem that it is difficult to transmit the driving force from one end of the wire in the axial direction to the other end. Further, there is a problem that the driving force is not transmitted because the wire is buckled at the curved portion.

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。 As described above, in the conventional technique, the transmission efficiency of the driving force and the minimum bending radius are in a trade-off relationship, and therefore, it is required to reduce the minimum bending radius without reducing the transmission efficiency of the driving force. .

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。 An object of the present invention, in consideration of the above problems, with the minimum bend flexible rotors that can be prevented or suppressed that the transmission efficiency of the driving force at bent state decreases with decreasing the radius It is to provide a flexible actuator.

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は、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、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駆動力発生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。
そして、駆動力発生部は、フレキシブルロータが挿通する挿通孔を有し、複数の被駆動部材の表面部に接触するステータと、ステータの側面部に設けられ、ステータを振動させる複数の振動素子とからなる。
フレキシブルロータを前記軸方向周りに回転させる際、複数の振動素子に発生させる超音波の位相をそれぞれ変化させる。 In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a flexible actuator of the present invention includes a driving force generator that generates a driving force, and a flexible rotor that rotates and moves by the driving force generated from the driving force generator. It consists of and. The flexible rotor is a flexible member that connects a plurality of driven members to which a driving force is transmitted from a driving force generation unit and a plurality of driven members arranged in a substantially straight line to connect adjacent driven members to each other. And a shaft member formed by The driving force is transmitted from the driving force generation unit to the surface portions of the plurality of driven members, so that the plurality of driven members and the shaft member are integrated and rotatable around the axial direction of the shaft member, The shaft member is movable in the axial direction.
The driving force generator includes an insertion hole through which the flexible rotor is inserted, and a stator that contacts the surface portion of the plurality of driven members, and a plurality of vibration elements that are provided on the side surface portion of the stator and vibrate the stator. Consists of.
When the flexible rotor is rotated around the axial direction, the phases of ultrasonic waves generated by the plurality of vibration elements are respectively changed.

本発明の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。 According to the flexible actuator of the present invention , it is possible to bend in multiple directions, and even in a bent state, it can rotate around the axial direction and move along the axial direction. Further, the minimum bending radius can be reduced, and the transmission efficiency can be prevented or suppressed from being lowered even in a bent state.

以下、本発明の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。 Hereinafter, embodiments of the flexible actuator of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common member in each figure. The present invention is not limited to the following form.

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。 First, the flexible actuator of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view showing a flexible actuator of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing a state where an exterior body is removed from the flexible actuator.

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。 The flexible actuator 10 which is an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “this example”) shown in FIGS. 1 and 2 includes an exterior body 1 and a plurality (seven in this example) of driving force. The generator 2 and the flexible rotor 3 that can be bent in multiple directions. The flexible actuator 10 is provided with an attachment portion 11 to which various operation members such as an imaging device and a cutting tool can be attached at the tip in the axial direction. The flexible actuator 10 is, for example, an actuator for an apparatus requiring flexibility such as an ultrasonic blood vessel endoscope (IVUS), a catheter, a disaster support robot (for example, a snake robot, a fish robot), or the like. Applicable. The exterior body 1 is formed of a material excellent in flexibility, and houses the driving force generation unit 2 and the flexible rotor 3 therein.

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。 In this example, the number of driving force generation units 2 provided in the flexible actuator 10 is seven, but the number of driving force generation units 2 may be 6 or less, or 8 or more. Needless to say. The number of the driving force generators 2 is appropriately set according to the length and usage of the flexible actuator 10.

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。 Next, the driving force generator will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a perspective view showing a driving force generator.
As shown in FIG. 3, the driving force generator 2 includes a stator 4 and a vibration element 5. The stator 4 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and an insertion hole 4a is provided so as to pass through the approximate center thereof. Examples of the material of the stator 4 include metals such as phosphor bronze (C5191), but it is possible to use other metals as well as non-metals such as hard plastics. It can also be used. In order to improve the driving force, a plurality of protrusions may be provided on the inner wall of the insertion hole 4a. Then, the four vibration elements 5 are attached to the remaining four side surfaces except the two side surfaces provided with the insertion holes 4a in the stator 4 by a fixing method such as an adhesive.

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。 The vibration element 5 is a plate-like piezoelectric element. The vibration element 5 is electrically connected to a piezoelectric element driving power source (not shown) via a flexible wiring (not shown). When an alternating voltage in the ultrasonic region is applied to the vibration element 5 from the piezoelectric element driving power source, minute vibrations are generated by the electrostriction phenomenon of the vibration element 5. The minute vibration generated by the vibration element 5 is transmitted to the stator 4. Then, surface wave vibration such as flexural vibration and expansion / contraction vibration is generated on the surface of the insertion hole 4 a of the stator 4. In the plurality of driving force generators 2 having such a configuration, the flexible rotor 3 is inserted into the insertion hole 4a of the stator 4 so as to be rotatable and movable (see FIG. 2). The surface wave vibration generated on the surface of the insertion hole 4 a of the stator 4 becomes the driving force of the flexible rotor 3.

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。 In addition, in this example, the example which attached the vibration element 5 to all the remaining four side parts except the two side parts in which the insertion hole 4a in the stator 4 was provided was demonstrated. However, the vibration element 5 may be attached to three side surfaces of the remaining four side surfaces except for the two side surfaces provided with the insertion holes 4 a in the stator 4, or only to the two side surfaces. Furthermore, although the shape of the stator 4 has been described as a rectangular parallelepiped, for example, the stator 4 may be formed in a hexagonal column shape, a cylindrical shape, or the like.

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。 Further, in this example, the example in which the vibration element 5 is attached to the side surface portion of the stator 4 with an adhesive has been described. However, other attachment methods may be used as the attachment method of the vibration element 5. For example, a piezoelectric film may be directly generated on the side surface portion of the stator 4 or a piezoelectric material may be directly applied to the side surface portion of the stator 4. According to these methods, it is possible to prevent or suppress the deterioration of the bonding surface between the vibration element and the stator.

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。 Next, the flexible rotor of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a perspective view showing a flexible rotor of this example, and FIG. 5 is a perspective view showing a driven member related to the flexible rotor.

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。 As illustrated in FIG. 4, the flexible rotor 3 includes a specific example of a plurality of (in this example, 10) driven members 6 formed in a substantially spherical shape and a shaft member that connects the plurality of driven members 6. The coil spring 7 shown in FIG. As shown in FIG. 5A, the driven member 6 has a spherical shape and is set so that its diameter is substantially equal to the diameter of the insertion hole 4 a of the stator 4. Further, the driven member 6 is provided with a through hole 6a so as to pass through substantially the center. A coil spring 7 is inserted and fixed in the through hole 6 a of the driven member 6.

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。 In addition, the driven member 6 is set to have a high rigidity at least on the surface portion in contact with the driving force generator 5 so as not to attenuate the driving force from the driving force generator 5. Therefore, as the material of the driven member 6, for example, a highly rigid metal such as stainless steel is suitable, but it is needless to say that other metals can be used. Furthermore, the driven member 6 may be made of a highly rigid material such as a resin such as engineering plastic or glass in addition to a metal.

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。 In this example, the number of driven members 6 used in the flexible rotor 3 is 10. However, the number of driven members 6 is appropriately set according to the length, usage, and the like of the flexible rotor 3. Of course, 9 or less, or 11 or more may be used.

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。 The coil spring 7 has a rod shape and has an outer diameter substantially equal to the diameter of the through hole 6 a provided in the driven member 6. The coil spring 7 has flexibility and can be bent in multiple directions. The coil spring 7 is inserted into through holes 6 a provided in the plurality of driven members 6, and the adjacent driven members 6 are connected to each other by arranging the plurality of driven members 6 in a straight line. The coil spring 7 is fixed to the driven member 6 by a fixing method such as an adhesive while being inserted through the through holes 6a of the plurality of driven members 6. Thus, when a driving force is transmitted from the outside, the plurality of driven members 6 and the coil spring 7 are integrated, rotate around the axial direction of the coil spring 7, and move along the axial direction.

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。 In this example, a coil spring is used as a specific example of the shaft member, but various flexible members such as a silicon tube can be applied to the shaft member. In particular, the coil spring has high rigidity with respect to the rotation direction, so that the driving force is hardly attenuated even in a flexibly bent state, and is suitable as a member of the shaft member.

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。 In addition, although the example which formed the to-be-driven member 6 in spherical shape was demonstrated in this example, the to-be-driven member 6 is like the to-be-driven member 6A which concerns on 2nd Embodiment shown to FIG. 5B and FIG. 9, for example. Alternatively, it may be formed in a barrel shape. In addition, the shape of the driven member can achieve its purpose if the cross-sectional shape in a direction substantially orthogonal to the axial direction is formed in a substantially circular shape such as a hemisphere, an elliptical sphere, a disk, or the like. is there.

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。 In this example, the driven member 6 is formed in a spherical shape, and the surface that contacts the insertion hole 4a of the stator 4 is formed in a curved surface. Therefore, when the flexible rotor 3 is bent and moved in the axial direction, the driven member 6 can be prevented from being caught at the corner of the insertion hole 4 a of the stator 4. Thereby, according to the flexible rotor 3 of this example, it can move to the axial direction smoothly through the insertion hole 4a of the stator 4 even in the bent state.

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。 In this example, the example in which the plurality of driven members 6 are connected by inserting the coil spring 7 as a shaft member through the through hole 6a of the driven member 6 has been described, but the shaft member is used in other methods. A plurality of driven members 6 may be connected. For example, by arranging a shaft member between adjacent driven members 6 and fixing the driven members 6 to both ends of the shaft member in the axial direction, the adjacent driven members 6 in the plurality of driven members 6 are mutually connected. You may connect.

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。 Furthermore, in this example, the method of fixing the driven member 6 and the coil spring 7 that is the shaft member with the adhesive has been described. For example, the driven member 6 and the coil spring 7 are fixed by welding or other various fixing methods. Needless to say, you can.

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。 The flexible rotor 3 of this example includes only a plurality of driven members 6 whose components are formed in a spherical shape and a coil spring 7 that connects the plurality of driven members 6. As a result, compared with conventional flexible couplings and flexible joints, the number of parts is extremely small, so that it can be manufactured at low cost. Furthermore, since the flexible rotor 3 of this example has a simple structure compared to conventional flexible couplings and flexible joints, it is easy to reduce the size (thinner diameter), and in the field of micro robots and micro medicines. Can be used. Moreover, since there is no possibility of buckling at the bending portion unlike a wire, the driving force can be transmitted reliably.

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。 The flexible actuator 10 having such a configuration can be assembled as follows, for example. First, as shown in FIG. 4, the coil spring 7 is inserted through the through holes 6 a of the plurality of driven members 6. The plurality of driven members 6 and the coil spring 7 are fixed by a fixing method such as an adhesive. Then, the plurality of driven members 6 are arranged in a substantially straight line, and the adjacent driven members 6 are connected to each other by the coil spring 7. Thereby, the flexible rotor 3 composed of the plurality of driven members 6 and the coil springs 7 is assembled.

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。 Next, the vibration element 5 is attached to the remaining side surface portions other than the side surface portion where the insertion hole 4a is formed in the stator 4 by a fixing method such as an adhesive. Note that a flexible wiring is connected to the vibration element 5 in advance and is electrically connected to a piezoelectric element driving power source (not shown). As a result, the driving force generator 2 composed of the stator 4 and the vibration element 5 is formed.

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。 Next, as shown in FIG. 2, a plurality of driving force generators 2 are prepared, and the flexible rotor 3 is inserted into the insertion holes 4 a of the respective stators 4 in the plurality of driving force generators 2. Thereby, the flexible rotor 3 is rotatably supported by the plurality of driving force generation units. At this time, the surface portion of the driven member 6 is in contact with the inner wall of the insertion hole 4 a of the stator 4. Therefore, when a driving force (vibration) is generated in the driving force generator 2, the driving force is transmitted from the insertion hole 4 a of the stator 4 to the driven member 6. Next, as shown in FIG. 1, the plurality of driving force generation units 2 and the flexible rotor 3 are accommodated in the exterior body 1. In this way, the assembly of the flexible actuator 10 is completed. Needless to say, the assembly of the flexible actuator 10 is not limited to that described above, and may be assembled by various other methods.

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。 Next, with reference to FIG. 6, the state before and after bending the flexible rotor 3 of this example is demonstrated. 6A is an explanatory view showing a state before the flexible rotor 3 is bent, and FIGS. 6B and 6C are explanatory views showing a bent state.

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。 As shown in FIG. 6A, the flexible rotor 3 is linearly connected between a plurality of driven members 6 by a coil spring 7 having flexibility. Therefore, as shown in FIG. 6B, since the coil spring 7 can be bent in multiple directions and flexibly, the flexible rotor 3 can be bent in multiple directions and flexibly. Furthermore, the coil spring 7 not only bends but also expands and contracts in the axial direction. As a result, as shown in FIG. 6C, the minimum bending radius of the flexible rotor 3 can be made extremely small when the coil spring 7 bends flexibly and extends.

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。 Next, with reference to FIGS. 7-8, operation | movement of the flexible actuator 10 of this example is demonstrated. FIG. 7 is an explanatory view showing a state where the flexible rotor is moved in the axial direction, and FIG. 8 is an explanatory view showing a state where the flexible rotor is rotated.

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。 As shown in FIGS. 7A and 8A, the flexible rotor 3 is inserted into the insertion hole 4a of the stator 4 and supported so as to be rotatable and movable. And the surface part of the some driven member 6 and the inner wall of the penetration hole 4a are contacting. Here, as described above, when an AC voltage in the ultrasonic region is applied to the vibration element 5 of the driving force generation unit 2, minute vibrations are generated due to the electrostriction phenomenon of the vibration element 5. When this minute vibration is transmitted to the stator 4, as shown in FIG. 7B, surface wave vibration flowing in the axial direction is generated on the surface of the insertion hole 4a. Then, the surface wave vibration generated in the insertion hole 4 a and flowing in the axial direction is transmitted to the plurality of driven members 6. Thereby, the flexible rotor 3 moves in the axial direction.

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。 In addition, ultrasonic waves whose phases are shifted by 90 ° are generated in the four vibration elements 5 attached to the side surface portion of the stator 4. Then, as shown in FIG. 8B, surface wave vibrations flowing in the rotating direction are generated on the surface of the insertion hole 4a. Then, the surface wave vibration generated in the insertion hole 4 a and flowing in the rotating direction is transmitted to the plurality of driven members 6. Thereby, the flexible rotor 3 rotates around the axial direction.

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。 In this way, the direction of the surface wave vibration generated on the inner wall of the insertion hole 4a of the stator 4 is changed by changing the magnitude and phase of the AC voltage applied to the four vibration elements 5 of the driving force generator 2. be able to. As a result, the flexible rotor 3 inserted through the insertion hole 4a of the stator 4 in the driving force generator 2 so as to be rotatable and movable can be freely rotated and moved in the axial direction.

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。 The driven member 6 that comes into contact with the insertion hole 4a of the stator 4 is made of a relatively rigid material. Therefore, the surface wave vibration generated in the insertion hole 4 a of the stator 4 can be prevented or suppressed from being attenuated by the driven member 6. As a result, it is possible to improve the transmission efficiency of the driving force in the flexible rotor 3 by preventing or suppressing the damping of the driving force from the driving force generator 2.

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。 Thus, the flexible rotor 3 of this example can bend freely in many directions, and the driving force transmission efficiency is hardly reduced even in a bent state. As a result, even a complicated and winding place can be entered as long as there is a driving force, and various operations can be performed by attaching an imaging device and a cutting tool to the tip of the flexible rotor 3.

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。 The present invention is not limited to the embodiment described above and shown in the drawings, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention described in the claims. For example, in the embodiment described above, an example in which a piezoelectric element is used as the driving force generation unit has been described. However, the driving force generation unit may use an electromagnetic motor, a pneumatic motor, or the like.

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。It is a perspective view which shows 1st Embodiment of the flexible actuator of this invention. 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。It is a perspective view which shows the state which removed the exterior body from 1st Embodiment of the flexible actuator of this invention. 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。It is a perspective view which shows the drive force generation part which concerns on 1st Embodiment of the flexible actuator of this invention. 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。It is a perspective view which shows 1st Embodiment of the flexible rotor of this invention. 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。FIG. 5A is a perspective view showing the first embodiment, and FIG. 5B is a perspective view showing the second embodiment, showing a driven member according to the flexible rotor of the present invention. 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。FIG. 6A is a plan view showing a state before bending, FIG. 6B is a plan view showing the bent state, and FIG. 6C shows a further bent state from FIG. 6B. It is a top view. 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。FIG. 7A is a cross-sectional view showing a state before operation, and FIG. 7B is a cross-sectional view showing a state in which the flexible actuator of the present invention is operated. 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。FIG. 8A is a cross-sectional view showing a state before operation, and FIG. 8B is a cross-sectional view showing a state in which the flexible actuator of the present invention is operated. 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。It is a perspective view which shows 2nd Embodiment of the flexible rotor of this invention.

Explanation of symbols

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Exterior body, 2 ... Driving force generation part, 3 ... Flexible rotor, 4 ... Stator, 4a ... Insertion hole, 5 ... Vibration element, 6, 6A ... Driven member, 6a ... Through-hole, 7 ... Coil spring (shaft) Member), 10 ... flexible actuator

Claims

A flexible actuator comprising a driving force generating unit that generates a driving force and a flexible rotor that rotates and moves by the driving force generated from the driving force generating unit,
The flexible rotor is
A plurality of driven members to which a driving force is transmitted from the driving force generation unit;
A plurality of driven members arranged in a substantially straight line to connect adjacent driven members to each other and a shaft member formed by a flexible member;
The driving force is transmitted from the driving force generation unit to the surface portions of the plurality of driven members, so that the plurality of driven members and the shaft member are integrated with each other around the axial direction of the shaft member. It is possible to rotate and move in the axial direction of the shaft member,
The driving force generator is
A stator having an insertion hole through which the flexible rotor is inserted, and being in contact with the surface portions of the plurality of driven members;
Provided on the side portion of the stator, and a plurality of vibrating elements to vibrate the stator consists,
A flexible actuator characterized in that when rotating the flexible rotor around the axial direction, phases of ultrasonic waves generated in the plurality of vibration elements are respectively changed .

The stator is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape,
The plurality of vibration elements are provided on the remaining four side portions excluding the two side portions provided with the insertion holes in the stator,
When rotating the flexible rotor around the axial direction, ultrasonic waves that are each 90 degrees out of phase are generated on the four side surfaces.
The flexible actuator according to claim 1.

The shaft member is formed of a coil spring and can be expanded and contracted in the axial direction.
The flexible actuator according to claim 1 or 2.