JP5384860B2 - 精密回転伝達機構および光走査プローブ - Google Patents

Description

本発明は、精密回転伝達機構およびそれを用いる光走査プローブに関する。

生体組織等の測定対象を切断せずに断層画像を取得する方法として、ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）計測を利用する方法がある。このＯＣＴ計測は、光干渉計測の一種であり、光源から射出された光を測定光と参照光との２つに分け、測定光と参照光との光路長が光源のコヒーレンス長以内の範囲で一致したときにのみ光干渉が検出されることを利用した計測方法である。

ＯＣＴ計測を用いて断層画像を得る光断層画像化装置において、被検体内に挿入して測定対象に測定光を走査するための光走査プローブが用いられている。このＯＣＴ用の光走査プローブは、例えば、フレキシブルシャフトを回転させることにより、フレキシブルシャフトに接続部材を介して固定されたレンズやミラーと光ファイバとを回転させる機構を有しており、内視鏡の鉗子口に挿入され、被検体内でラジアルスキャンすることにより、体内の断層像の情報を得る。

このフレキシブルシャフトは、可撓性を有する中空の部材であり、一般に、巻き方向の異なるコイルバネを２層（二重）にしたものが用いられている（例えば、特許文献１および２参照。）。しかし、２層コイルバネでは、先端での回転追従性が十分とは言えず、プローブの先端部分に配置されたレンズ等の回転速度変動が大きくなる場合がある。また、２層コイルバネは、一方向での回転トルク伝達性しか持たず、他方向の回転に対してはトルク伝達性が大幅に低下する。これに対し、特許文献３では、コイルバネを三重巻きにすることで、フレキシブルシャフトの先端部まで、回転・進退運動を追従性良く伝達させることが提案されている。

特開平６−２０５７７５号公報 特開平６−０９０９５４号公報 特開２００１−０７９００７号公報

しかし、本発明者が検討したところ、３層コイルバネであっても、一方の回転方向では最適なトルク伝達性を発揮するが、逆方向の回転に対してはトルク伝達性が低下する傾向が見られた。これは、最外層のコイルバネの巻き方向と逆方向の回転では、最外層のコイルの巻きが緩む方向となるため、最外層のコイル径が広がって、プローブのシース内面に接触し、フレキシブルシャフトのスムーズな回転を妨げるためと考えられた。また、最外層のコイルがシース内面に接触することにより、シース内面を傷付ける可能性があった。さらに、従来の２層コイルバネや３層コイルバネでは、回転の振動による自励振動が発生した場合に、それを抑えることができないという問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、ＯＣＴプローブシステムにおいて、フレキシブルシャフトの両方向の回転について、その軸方向の変位を抑制または低減できるとともに、シース内面との接触を防止することができ、良好なトルク伝達性を発揮することができる精密回転伝達機構および光走査プローブを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、回転駆動源に接続されて回転力を伝達する回転伝達機構であって、最外層の第１コイルバネと第１コイルバネの内径にほぼ等しい外径の第２コイルバネと第２コイルバネの内径にほぼ等しい外径の第３コイルバネを有し且つこれら第１コイルバネ、第２コイルバネおよび第３コイルバネの巻き方向を交互に異ならせた３層のコイルと、前記３層のコイルの軸方向の１箇所または複数箇所に嵌められて前記３層のコイルと共に回転し、それ自体の弾性によって、最外層の前記第１コイルバネの全周を内周側へ押さえ付けるように前記第１コイルバネに対し内周側への締め付け力を発揮して前記第１コイルバネの外側への広がりを抑制する弾性体の第１のバンドとを有することを特徴とする精密回転伝達機構を提供する。
なお、互いに巻き方向が異なると共にそれぞれ前記３層のコイルの各コイルバネよりも線径が大きい外コイルバネおよび内コイルバネを有し且つ前記３層のコイルの先端側に接続された２層のコイルをさらに有することが好ましい。この場合、前記２層のコイルの軸方向の１箇所または複数箇所に嵌められて前記２層のコイルと共に回転し、前記外コイルバネの全周を内周側へ押さえ付けて前記外コイルバネの外側への広がりを抑制する弾性体の第２のバンドをさらに有することもできる。

また、本発明は、被検体内に挿入されて測定対象を光走査する光走査プローブであって、先端が封じられた長尺なシースと、前記シースに挿入され、基端が回転駆動源に接続された回転伝達機構と、前記回転伝達機構の中央を貫通する光ファイバと、前記回転伝達機構の先端に固定されるとともに、光ファイバの先端に固定された光走査部材とを有し、前記回転伝達機構が、最外層の第１コイルバネと第１コイルバネの内径にほぼ等しい外径の第２コイルバネと第２コイルバネの内径にほぼ等しい外径の第３コイルバネを有し且つこれら第１コイルバネ、第２コイルバネおよび第３コイルバネの巻き方向を交互に異ならせた３層のコイルと、前記３層のコイルの軸方向の１箇所または複数箇所に嵌められて前記３層のコイルと共に回転し、それ自体の弾性によって、最外層の前記第１コイルバネの全周を内周側へ押さえ付けるように前記第１コイルバネに対し内周側への締め付け力を発揮して前記第１コイルバネの外側への広がりを抑制する弾性体の第１のバンドとを有することを特徴とする光走査プローブを提供する。

ここで、前記回転伝達機構は、互いに巻き方向が異なると共にそれぞれ前記３層のコイルの各コイルバネよりも線径が大きい外コイルバネおよび内コイルバネを有し且つ前記３層のコイルの先端側に接続された２層のコイルを有するのが好ましい。この場合、前記２層のコイルの軸方向の１箇所または複数箇所に嵌められて前記２層のコイルと共に回転し、前記外コイルバネの全周を内周側へ押さえ付けて前記外コイルバネの外側への広がりを抑制する弾性体の第２のバンドをさらに有することもできる。

本発明の精密回転伝達機構および光走査プローブによれば、３層のコイルと、その最外層のコイルを内周側へ押さえ付ける弾性体のバンドとを有する構成としたことにより、フレキシブルシャフトの両方向の回転について、その軸方向の変位を抑制または低減できるとともに、最外層のコイルが緩む方向の回転においても、フレキシブルシャフトがシース内面と接触するのを防止することができ、良好なトルク伝達性を発揮することができる。さらに、本発明によれば、上記構成により、回転の振動による自励振動が発生した場合にも、それを減衰させることができる。

また、本発明の一態様によれば、回転伝達機構の先端部分に、コイルの線径が大きい２層のコイルを配したことにより、先端部分での曲げ剛性を確保でき、先端振れを抑えることができる。

本発明に係る精密回転伝達機構および光走査プローブを、添付の図面に示す好適実施例に基づいて、以下に詳細に説明する。

図１は、ＯＣＴ装置に用いられる光走査プローブ１０の概略構成を示す部分断面図である。図１において、紙面右側が、被検体に挿入される先端側であり、紙面左側が、装置本体に接続される基端側である。図１には、光走査プローブ１０の先端側の一部のみを示してある。

光走査プローブ１０は、円筒状のシース（外筒）１２と、シース１２の先端を塞ぐキャップ１４と、シース１２に挿入され、外部に設けられた回転駆動源（図示しない。）からの回転力をシース１２の先端まで伝達する回転伝達機構１６と、回転伝達機構１６の先端に取り付けられた第１スリーブ１８と、第１スリーブ１８に嵌合する第２スリーブ２０と、シース１２の先端に配置され、第２スリーブ２０に保持された、光走査部材である半球レンズ２２と、シース１２を挿通し、先端が半球レンズ２２に接続された光ファイバ２８とを有している。

半球レンズ２２の基端部（ロッドレンズの部分）および光ファイバ２８は、それぞれ第１フェルール２４および第２フェルール２６に保持されており、第１フェルール２４および第２フェルール２６が接触した状態で第２スリーブ２０に保持されることで、半球レンズ２２と光ファイバ２８とが光学的に接続されている。光ファイバ２８の第２フェルール２６に保持される部分以外の部分は、被覆材３０で覆われている。

回転伝達機構１６は、巻き方向を隣同士で互いに異ならせた３層のコイル３２，３４，３６と、３層のコイルの外側に嵌められた弾性体のバンド３８とを有している。３層のコイルは、最外層の第１コイルバネ３２と、第１コイルバネ３２の内径にほぼ等しい外径の第２コイルバネ３４と、第２コイルバネ３４の内径にほぼ等しい外径の第３コイルバネ３６とを重ねたものであり、第３コイルバネ３６の内周部分を光ファイバ２８が貫通している。この回転伝達機構１６と光ファイバ２８が、シース１２とともに光走査プローブ１０の基端部まで延在している。

回転伝達機構１６の基端部は、図示しない回転駆動源に接続されており、その回転駆動源によって基端部が回転駆動されると、その回転力を回転伝達機構１６の先端まで伝達する。回転伝達機構１６の先端が回転すると、回転伝達機構１６の先端に固定された第１スリーブ１８と、第１スリーブ１８に嵌合する第２スリーブ２０と、第２スリーブ２０に保持される半球レンズ２２および光ファイバ２８とが、一体的に回転する。

図２は、回転伝達機構１６の模式的な断面図である。バンド３８は、筒状であり、所定の間隔で複数配置されている。バンド３８は、ゴムなどの弾性材料で形成された弾性体で、第１コイルバネ３２の外周面を内周側へ押さえ付ける。すなわちバンド３８は、第１コイルバネ３２に対して内周側への締め付け力を発揮する。

バンド３８の幅（回転伝達機構１６の軸方向の長さ）は、あまり長いと、回転伝達機構１６が曲がり難くなり、光走査プローブ１０のフレキシブル性を低下させる可能性があるため、光走査プローブ１０の曲げ半径の１／８倍程度までとするのが好ましい。また、バンド３８の幅は、第１コイルバネ３２を押さえ付ける作用を効果的に発揮させるために、第１コイルバネ３２の芯線の４倍程度かそれ以上とするのが好ましい。例えば、光走査プローブ１０の曲げ半径が３２ｍｍ、第１コイルバネ３２の芯線が０．２５ｍｍのとき、バンド３８の幅Ｂは、１ｍｍ＜Ｂ＜４ｍｍとするのが好ましい。

バンド３８の配置間隔は、回転伝達機構１６の曲げに対するフレキシブル性を妨げないように決めればよい。バンド３８の幅が短いものを、密な間隔で多数配置してもよい。バンド３８は、１つでも効果を発揮するが、回転伝達機構１６の全長にわたって複数配置するのが好ましい。

次に、回転伝達機構１６の作用効果について説明する。図３（Ａ）および（Ｂ）は、回転伝達機構１６の、バンド３８がある部分の模式的な断面図であり、（Ａ）は回転伝達機構１６が図中反時計回り（Counter Clock Wise、以下、ＣＣＷともいう。）に回転するときの様子を、（Ｂ）は、時計回り（Clock Wise、以下、ＣＷともいう。）に回転するときの様子を示している。

本実施形態では、回転伝達機構１６の第１コイルバネ３２と第３コイルバネ３６は、反時計回りに巻かれたコイルであり、第２コイルバネ３４は、時計回りに巻かれたコイルである。そのため、図３（Ａ）に示すように、回転伝達機構１６が反時計回り（ＣＣＷ）に回転するときは、第１コイルバネ３２と第３コイルバネ３６は内側へわずかに締まる傾向となり、第２コイルバネ３４は外側へわずかに緩む傾向となる。それにより、第１コイルバネ３２と第２コイルバネ３４が、互いに締め付け合うように作用し、回転力を高効率で伝達するとともに、剛性を発揮する。

一方、図３（Ｂ）に示すように、回転伝達機構１６が時計回り（ＣＷ）に回転するときは、第１コイルバネ３２と第３コイルバネ３６は、外側へわずかに緩む傾向となり、第２コイルバネ３４は、内側へわずかに締まる傾向となる。そのため、第２コイルバネ３４と第３コイルバネ３６が、互いに締め付け合うように作用し、回転力を高効率で伝達するとともに、剛性を発揮する。

このように、回転伝達機構１６は、時計回り、反時計回りの両方において、回転力を効率良く伝達することができる。また、何れの回転方向においても、３つのコイルバネのうち、隣り合う２つのコイルバネの間で締め付け合う作用が生じることにより、回転伝達機構１６の軸方向の変位を抑制または低減することができる。

しかし、図３（Ｂ）に示す状態のとき、第１コイルバネ３２は、外側へ緩む傾向にあるため、そのままでは、コイル径が広がって、シース１２の内面に接触する可能性がある。第１コイルバネ３２がシース１２の内壁に接触すると、回転伝達機構１６の回転に対して負荷変動が発生してしまい、トルク伝達性が低下する。また、接触により、シース１２の内面を傷付けてしまう可能性もある。

これに対し、回転伝達機構１６は、第１コイルバネ３２の外周面を押さえ付けるバンド３８を備えている。バンド３８は、それ自体の弾性によって、第１コイルバネ３２の全周を略均等に内側へ付勢する。したがって、図３（Ｂ）に示すように第１コイルバネ３２が外側へ広がる傾向となっても、バンド３８によって広がりが抑えられる。言い換えれば、バンド３８は、第１コイルバネ３２が外周側へ広がることによるシース１２との接触を防ぐ機能を有する。それにより、回転伝達機構１６は、何れの回転方向においても、最外層の第１コイルバネ３２が回転伝達機構１６の内面に接触することなく、スムーズに回転でき、良好なトルク伝達性を発揮することができる。

バンド３８は、その外周面が、シース１２の内面との摩擦係数が小さいものを用いることで、シース１２の内面との滑り性を良化する働きも有する。従来の光走査プローブでは、特に、シースが湾曲している部分では、コイルバネがシースの内面に接触することがあるが、本発明の光走査プローブ１０では、第１コイルバネ３２ではなくバンド３８がシース１２に接触することで、回転伝達機構１６とシース１２との間の滑り性を良化できる。

また、バンド３８は、ゴム等の弾性材料で構成されているため、回転伝達機構１６の回転の振動により自励振動が発生した場合でも、それを減衰させることができ、すなわち減衰機構として機能することができる。

図４は、回転伝達機構の構成の違いによる周波数に対する速度変動の様子を示すグラフである。光走査プローブにおける回転伝達機構の回転速度範囲に対応する、周波数１０Hz〜２０Hzの範囲において、回転伝達機構として２層のコイルバネを用いたものと３層のコイルバネを用いたものとでは、３層のコイルバネの方が速度変動が小さいが、回転伝達機構を上述の回転伝達機構１６のように３層のコイルバネとバンドで構成した場合は、バンドを有さず３層のコイルバネだけとした場合よりも、速度変動をさらに小さく抑えられることが分かる。

なお、回転伝達機構１６を構成するコイルバネを１層、２層または４層以上とした場合でも、バンド３８を設けることにより最外層のコイルバネの巻き方向と反対方向の回転時にもコイルバネの半径方向の広がりを抑制することができ、バンド３８を設けない場合よりも回転トルクの伝達性が良好になる。

また、コイルバネを４層以上とした場合にも、上記３層の場合と同様に、回転伝達機構１６の軸方向の変位を抑制または低減することができるとともに、何れの回転方向においても、最外層の第１コイルバネ３２が回転伝達機構１６の内面に接触することなく、スムーズに回転でき、良好なトルク伝達性を発揮することができるが、４層以上とした場合には、層の数の増加に伴い柔軟性が低下する点を考慮する必要がある。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。
上述の実施形態では、光走査プローブ１０の先端部分の速度変動を低減するために、３層コイルバネを用いて回転伝達機構１６を構成した。しかし、光走査プローブ１０は、径が３ｍｍ程度、あるいはそれ以下と、非常に小さいため、シース１２の内部に装填される回転伝達機構１６の径は非常に小さく、３層コイルバネの各コイルは、芯体（線径）が細い分、コイルバネの曲げ剛性が弱くなる。そのため、回転伝達機構１６を回転させたときに、先端部分の振れが発生する場合がある。そこで、本実施形態では、３層コイルバネを使用して従来の２層コイルバネより回転速度変動を抑えることに加え、先端部分については、２層コイルバネとしてコイルの線径を太くし、コイルバネの剛性を大きくして、曲げ剛性の低下により発生する先端振れを抑える構成とする。

図５は、光走査プローブ４０を挿通させた内視鏡５４の先端部分の模式的な断面図である。図５は、光走査プローブ４０による測定時のように、内視鏡５４の鉗子口５６の蓋５８を開いて、光走査プローブ４０の先端を鉗子口５６から突出させた状態を示している。内視鏡５４の先端部分には、鉗子口５６（鉗子チャンネル）以外にも、対物レンズおよびＣＣＤ等を備える撮像部６０や、図示しない送気送水ノズル、照明装置（ライトガイド）が設けられている。

光走査プローブ４０は、シース４２の先端内部に配置された半球レンズ４４と、図示しない回転駆動源からの回転力を伝達して半球レンズ４４を回転させる回転伝達機構４６とを有している。この光走査プローブ４０は、回転伝達機構４６の構成が上述の光走査プローブ１０の回転伝達機構１６と異なるが、他の構成は上述の光走査プローブ１０と同様である。

回転伝達機構４６は、３層コイル４８と、２層コイル５０と、３層コイル４８と２層コイル５０とを接続する接続部５２とを有している。２層コイル５０は、３層コイル４８の先端側に、光走査プローブ４０の先端から長さＬの位置まで配置されている。この長さＬは、光走査プローブ４０の使用時における、内視鏡５４からの光走査プローブ４０の突出量とほぼ同じにすればよく、例えば、Ｌ＝３０〜５０ｍｍとすればよい。

図６は、回転伝達機構４６の模式的な断面図である。回転伝達機構４６のメインの部分である３層コイル４８は、上述の回転伝達機構１６における３層コイルと同様のものであり、外側から順に、第１コイルバネ３２、第２コイルバネ３４、第３コイルバネ３６が、巻き方向を隣同士で互いに異ならせて組み合わされている。また、第１コイルバネ３２の外側には、所々にバンド３８が嵌められている。

一方、３層コイル４８の先端側の２層コイル５０は、互いに巻き方向の異なる２つのコイルバネである外コイルバネ６２および内コイルバネ６４と、外コイルバネ６２の外側に嵌められたバンド３８とを有している。外コイルバネ６２および内コイルバネ６４には、３層コイル４８の第１〜第３コイルバネ３２〜３６の各コイルバネよりも線径が大きいものが用いられる。また、外コイルバネ６２の外径は、第１コイルバネ３２の外径とほぼ等しくしてあり、その外側に嵌めるバンド３８は、同様の寸法のものを用いることができる。

バンド３８は、上述の回転伝達機構１６におけるバンド３８と同様のもので、第１コイルバネ３２または外コイルバネ６２を内周側へ押さえ付ける。接続部５２は、ＹＡＧ溶接等により、３層コイル４８と２層コイル５０とを固定的に接続するものであり、３層コイル４８の回転力は、そのまま２層コイル５０に伝わって、それらが回転伝達機構４６として一体的に回転する。

このように、本実施形態では、上述の実施形態と同様の３層コイルバネとバンドから成る構成によって、軸方向の変位を抑制または低減でき、回転方向の変動を小さくできるのに加え、回転伝達機構４６の先端部分を２層コイル５０とし、各コイルバネ６２，６４に線径の大きいコイルバネを用いることで、回転伝達機構４６の先端部分の曲げ剛性を大きくして、先端振れを抑制することができる。

さらに、２層コイル５０にもバンド３８を嵌めることで、図４に示して説明したように、速度変動を小さくすることができるとともに、外コイルバネ６２の巻き方向と逆向きの回転についても、回転トルクを比較的効率よく伝達することができる。

以上、本発明の精密回転伝達機構および光走査プローブについて詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよい。

本発明の光走査プローブの概略構成を示す部分断面図である。 本発明の回転伝達機構の模式的な断面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、回転伝達機構の、バンドがある部分の模式的な断面図である。 回転伝達機構の構成の違いによる周波数に対する速度変動の様子を示すグラフである。 光走査プローブを挿通させた内視鏡の先端部分の模式的な断面図である。 本発明の他の実施形態である回転伝達機構の模式的な断面図である。

符号の説明

１０、４０ 光走査プローブ
１２、４２ シース
１４ キャップ
１６、４６ 回転伝達機構
１８ 第１スリーブ
２０ 第２スリーブ
２２、４４ 半球レンズ
２４ 第１フェルール
２６ 第２フェルール
２８ 光ファイバ
３０ 被覆材
３２ 第１コイルバネ
３４ 第２コイルバネ
３６ 第３コイルバネ
３８ バンド
４８ ３層コイル
５０ ２層コイル
５２ 接続部
５４ 内視鏡
５６ 鉗子口
５８ 蓋
６０ 撮像部
６２ 外コイルバネ
６４ 内コイルバネ

Claims (6)

1. 回転駆動源に接続されて回転力を伝達する回転伝達機構であって、
   最外層の第１コイルバネと第１コイルバネの内径にほぼ等しい外径の第２コイルバネと第２コイルバネの内径にほぼ等しい外径の第３コイルバネを有し且つこれら第１コイルバネ、第２コイルバネおよび第３コイルバネの巻き方向を交互に異ならせた３層のコイルと、
   前記３層のコイルの軸方向の１箇所または複数箇所に嵌められて前記３層のコイルと共に回転し、それ自体の弾性によって、最外層の前記第１コイルバネの全周を内周側へ押さえ付けるように前記第１コイルバネに対し内周側への締め付け力を発揮して前記第１コイルバネの外側への広がりを抑制する弾性体の第１のバンドとを有することを特徴とする精密回転伝達機構。
2. 互いに巻き方向が異なると共にそれぞれ前記３層のコイルの各コイルバネよりも線径が大きい外コイルバネおよび内コイルバネを有し且つ前記３層のコイルの先端側に接続された２層のコイルをさらに有する請求項１に記載の精密回転伝達機構。
3. 前記２層のコイルの軸方向の１箇所または複数箇所に嵌められて前記２層のコイルと共に回転し、前記外コイルバネの全周を内周側へ押さえ付けて前記外コイルバネの外側への広がりを抑制する弾性体の第２のバンドをさらに有する請求項２に記載の精密回転伝達機構。
4. 被検体内に挿入されて測定対象を光走査する光走査プローブであって、
   先端が封じられた長尺なシースと、
   前記シースに挿入され、基端が回転駆動源に接続された回転伝達機構と、
   前記回転伝達機構の中央を貫通する光ファイバと、
   前記回転伝達機構の先端に固定されるとともに、光ファイバの先端に固定された光走査部材とを有し、
   前記回転伝達機構が、
   最外層の第１コイルバネと第１コイルバネの内径にほぼ等しい外径の第２コイルバネと第２コイルバネの内径にほぼ等しい外径の第３コイルバネを有し且つこれら第１コイルバネ、第２コイルバネおよび第３コイルバネの巻き方向を交互に異ならせた３層のコイルと、
   前記３層のコイルの軸方向の１箇所または複数箇所に嵌められて前記３層のコイルと共に回転し、それ自体の弾性によって、最外層の前記第１コイルバネの全周を内周側へ押さえ付けるように前記第１コイルバネに対し内周側への締め付け力を発揮して前記第１コイルバネの外側への広がりを抑制する弾性体の第１のバンドとを有することを特徴とする光走査プローブ。
5. 前記回転伝達機構は、互いに巻き方向が異なると共にそれぞれ前記３層のコイルの各コイルバネよりも線径が大きい外コイルバネおよび内コイルバネを有し且つ前記３層のコイルの先端側に接続された２層のコイルを有する請求項４に記載の光走査プローブ。
6. 前記２層のコイルの軸方向の１箇所または複数箇所に嵌められて前記２層のコイルと共に回転し、前記外コイルバネの全周を内周側へ押さえ付けて前記外コイルバネの外側への広がりを抑制する弾性体の第２のバンドをさらに有する請求項５に記載の光走査プローブ。

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