JP5977659B2

JP5977659B2 - 医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造

Info

Publication number: JP5977659B2
Application number: JP2012267252A
Authority: JP
Inventors: 土居　正雄; 正雄土居; 雄介中田
Original assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Current assignee: Mitaka Kohki Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: JP2014113199A

Description

本発明は医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造に関するものである。

医療分野では手術顕微鏡等の重量物を任意の空中位置に吊り下げて支持するバランシングスタンドが使用されている。手術顕微鏡やその付属機器等の重量物を横アームの一端側に支持し、そして他端側に設けられたカウンタウェイトによりバランスを調整するようにした構造である。横アームは中間部に水平回動軸が設けられ、この水平回動軸を中心に土台となる縦アームに対して回転自在に支持されている。

水平回動軸にはクラッチ手段が設けられており、通常時は回転がロックされている。横アームを回動させて一端側に支持された重量物を任意の高さ位置に移動させる場合は、クラッチ手段を解放して横アームを回動させる。水平回動軸を中心とした横アームの両側の重量バランスが均衡していれば、横アームを移動させた後に手を離しても、あたかも無重力状態にいるように停止し、その位置で手術顕微鏡の向きなどを自由に変化させることができる。手術顕微鏡の位置及び向きが最適に調整された後は、水平軸に設けられたクラッチ手段を再びロックしてその状態を維持する。

水平回動軸を中心とした重量バランスは、水平回動軸の回転角度を検出するエンコーダと、そのエンコーダからの信号を受けてカウンタウェイトを制御するコンピュータとから構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−５２６７９号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、エンコーダとコンピュータの組み合わせによりバランス調整するため、装置が大型になり、制御も複雑になる。特に横アームが多関節で回転角度を検出する水平回動軸の数が多い場合は更に複雑になる。

本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、エンコーダとコンピュータを使用せず且つ水平回動軸ごとに独立した調整が可能な医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造を提供することを目的としている。

請求項１記載の医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造は、第１アーム、該第１アームに位置固定された水平回動軸のまわりに回動自在に支持される第２アームであって、その一端に重量物が支持され、その他端には該水平回動軸のまわりに重量バランスを均衡させる調整手段が設けられたものとを具備する医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造であって、前記水平回動軸を介して前記第２アームに位置固定されるレバーと、前記水平回動軸に回動自在に支持される回転プレートと、前記レバー又は回転プレートのいずれか一方側に設けられる係合部と、該係合部を所定のクリアランスを介して挟持するように他方側に設けられる一対の挟持部と、前記一対の挟持部又は係合部のいずれか一方側に設けられ、両者の当接状態を検出して調整手段が重量バランスを均衡させるための信号を出力する接触検出器と、前記第２アームに固定され、回転プレートの一部と係合して回転プレートをロック自在なクラッチ手段と、前記レバー又は回転プレートのいずれか一方に設けられ、前記クリアランスを小さくする方向へ可動自在な拘束部材と、を設け、通常時には接触検出器が不感知状態となり且つ拘束部材が可動して前記クリアランスを無くし、回転プレートがレバーに追従回転可能な状態となり、バランス調整時には接触検出器が感知状態となり且つ可動部材が前記クリアランスを確保した状態となり、クラッチ手段が回転プレートをロックし、係合部がクリアランス内で移動して接触検出器を作動させて調整手段に信号を出力することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、調整手段が、前記第２アームの他端側に設けられたカウンタウェイトを移動自在にした構造であることを特徴とする請求項１記載の医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造。

請求項３記載の発明は、前記接触検出器は前記係合部が前記一対の挟持部の一方に近接した状態、前記一対の挟持部の他方に近接した状態、およびいずれにも近接していない状態を検出して重量バランスを均衡させるための均衡情報信号を出力することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記接触検出器は前記一対の挟持部に設けられた一対のスイッチであることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、エンコーダとコンピュータを利用せずに単にオンオフするだけのスイッチを利用した構造のため、装置全体の小型化を図ることができ、バランス調整も容易である。各水平回動軸ごとに独立した調整が可能なため、制御する回動軸の数が増えても相互に連携する必要がなく、各軸が独立してバランス調整することにより全体のバランス調整が可能である。

通常時は可動部材が挟持部と係合部とのクリアランスを無くすため、第２アームの操作回転に応じて、レバーと回転プレートも係合した状態で自由に追従回転して、第２アームの回転を邪魔しない。バランスが調整された状態では、第２アームは第１アームに対して水平回動軸を中心に軽い力で回転し、手を離してもその位置で停止する。止めた状態をクラッチ手段によりロックしても良い。クラッチ手段によりロックされた状態ではクリアランスがないため第２アームががたつくことはない。従ってクラッチ手段によりロックすれば、バランシングスタンドの保管や輸送の際にも他方のアームがしっかりと固定される。

第２アームのバランスが不均衡になった場合は、クラッチ手段で回転プレートをロックし、可動部材を可動させて係合部と挟持部との間にクリアランスを発生させる。するとクリアランス内で係合部が移動可能となりバランスがずれた方のスイッチを作動させて、バランスの不均衡状態を検出することができる。バランスの不均衡状態が検出されると、スイッチから調整手段にバランスを均衡させるための信号が出力され、不均衡状態が是正される。調整手段でバランスの調整が行われた後には再度通常時の状態に戻される。

請求項２記載の発明によれば、調整手段が移動自在なカウンタウェイトのため、構造が簡単である。

請求項３記載の発明によれば、接触検出器が３つの均衡情報信号を出力するだけで調整手段を制御するため構造がシンプルで安定性および信頼性の高い制御を実現することができる。

請求項４記載の発明によれば、一対のスイッチにより調整手段を制御することができるので迅速なフィードバック制御を行うことができ制御系をコンパクトに構成することができる。

本発明の第１実施形態に係るバランシングスタンドを示す側面図。レバー及び回転プレートを示す正面図。レバー及び回転プレートを示す斜視図。レバー及び回転プレートの構造を示す一部断面の正面図。図４中矢示ＳＡ−ＳＡ線に沿う断面図。図５のレバー及び回転プレート部分を示す拡大断面図。可動部材によりクリアランスをゼロにした状態を示す図２相当の正面図。レバー及び回転プレートが自由に回転する状態を示す図７相当の正面図。係合部が一対の挟持部間で相対回動してスイッチを作動させる状態を示す係合部及び挟持部の断面図。第２実施形態に係るレバーと回転プレートのクリアランスゼロ状態を示す正面図。クリアランスを確保した状態を示す図１０相当の正面図。第３実施形態に係るレバーと回転プレートのクリアランスゼロ状態を示す正面図。クリアランスを確保した状態を示す図１２相当の正面図。第４実施形態に係るレバーと回転プレートのクリアランスゼロ状態を示す正面図。クリアランスを確保した状態を示す図１４相当の正面図。第５実施形態に係るレバーと回転プレートのクリアランスゼロ状態を示す正面図。クリアランスを確保した状態を示す図１６相当の正面図。

図１〜図９は、本発明の第１実施形態を示す図である。

図１はバランシングスタンドを示す図である。符号１は基準となる縦アーム（第１アーム）であり重力方向と一定の位置関係にある部位、典型的にはフロアなどに固定されている。この縦アーム１の上端には、横アーム（第２アーム）２の中間部が回動自在に支持されている。横アーム２には水平回動軸３が一体形成され、その水平回動軸３がベアリング４を介して縦アーム１の上部を貫通している。したがって、水平回動軸３の主軸は縦アーム１に対して水平方向に位置固定され、横アーム２は水平回動軸３のまわりに回転自在に支持される。

横アーム２の一端には「重量物」としての手術顕微鏡５、側視鏡６、カメラ７が吊り下げ支持されている。側視鏡６とカメラ７は、手術顕微鏡５に対して着脱自在に取付けられており、これらを取り外すことにより、「重量物」としての重さが変化する。

横アーム２の他端にはモータ８により移動自在なカウンタウェイト９が設けられている。このモータ８とカウンタウェイト９により、「調整手段」が構成されている。

横アーム２の水平回動軸３が貫通している縦アーム１の上部はカバー１０（図５参照）にて覆われている。このカバー５の内部には、回転プレート１１がベアリング４を介して水平回動軸３に対して回転自在に取り付けられている。

回転プレート１１を貫通した水平回動軸３の先端にはレバー１２が固定され、水平回動軸３と一体的に回動する。したがって、レバー１２は水平回動軸３を介して横アーム２に位置固定されており、レバー１２の姿勢（角度）は横アーム２の姿勢を反映する。

レバー１２には横アーム２を水平にした状態で下方へ突出する係合部１３が一体形成されている。一方、回転プレート１１の係合部１３に対応する両側位置には、係合部１３を所定のクリアランスＣを設けた状態で挟持する一対の挟持部１４が形成されている。なおクリアランスＣはレバー１２および係合部１３に対する回転プレート１１の回動範囲（実質的クリアランス）に対応し、後述する可動部材１５により移動が束縛された場合にはクリアランスＣはゼロとなる。

また回転プレート１１の一方の挟持部１４にはレバー１２および係合部１３と回転プレート１１との相対移動を拘束する拘束部材としての可動部材１５が突出自在に設けられている。この可動部材１５は回転プレート１１の側部に固定されたモータ１６により回転するネジ１７と螺合し、ネジ１７の回転により挟持部１４から対向する係合部１３側（クリアランスＣ側）へ出没自在である。

更に両挟持部１４には接触検出器としての一対のスイッチＳ１、Ｓ２が設けられている。スイッチＳ１、Ｓ２はクリアランスＣ側に向けて突出する検知部（たとえば押しボタン）を有している。検知部の移動や変形を検出する。スイッチＳ１、Ｓ２は検知部の移動量等が所定値を越えたときにＯＮまたはＯＦＦすることによりレバー１２との接触状態を検出しその信号を出力する。すなわちバランス調整時には、接触検出器はスイッチＳ１が接触状態を検出する第１の非均衡状態と、スイッチＳ２が接触状態を検出する第２の非均衡状態と、いずれのスイッチも接触状態を検出しない均衡状態の３つの状態に応じた均衡情報信号を出力する。スイッチＳ１、Ｓ２は制御部１８を介して前記カウンタウェイト９のモータ８に接続されている。制御部１８は接触検出器からの均衡情報信号に基づいてモータ８を駆動し均衡状態をフィードバック制御する。

尚、回転プレート１１の裏側には水平回動軸３の貫通部周辺に沿って円形のフランジ１９が形成され、縦アーム１側にはそのフランジ１９を必要時に挟んで水平回動軸３のまわりの回動をロックするクラッチ２０が固定されている。このフランジ１９とクラッチ２０により「クラッチ手段」が構成されている。

次に作用を説明する。

通常時はクラッチ２０は解放され、回転プレート１１は自由に回転する。その状態で、図７及び図８に示すように、可動部材１５は突出状態とされ、レバー１２の係合部１３は反対側の挟持部１４に押し付けられた状態となって、実質的なクリアランスＣが小さくなってゼロとなり、回転プレート１１は横アーム２（水平回動軸３）と一体となったレバー１２に追従回転自在となる。スイッチＳ１、Ｓ２は不感知状態となっているため、押されてもモータ８は作動しない。すなわち、スイッチＳ１，Ｓ２の開閉状態にかかわらず制御部１８はモータ８の制御情報として感知しない状態（不感知状態）となっている。

ドクターが手術顕微鏡５の上下位置を変更するために、横アーム２を回転させる場合は、手術顕微鏡５の図示せぬボタンを押してクラッチ２０をフリーにする。そして手術顕微鏡５を手で持ちながら横アーム２を自由に回転させる。重量バランスが保たれているため回転操作も軽い力で行うことができる。

ドクターが必要な位置で手術顕微鏡５から手を離しても、横アーム２は重量バランスが保たれているため、その空中位置で停止する。手術顕微鏡５の図示せぬボタンから指を離すことにより、クラッチ２０が回転プレート１１のフランジ１９をロックし、横アーム２のその位置はその状態で固定される。

クラッチ２０がロックされた状態では、レバー１２と回転プレート１１との間の実質的クリアランスＣもゼロになっているため、縦アーム１に対して横アーム２がロックされるため全く回転しない。尚、バランシングスタンドを保管したり輸送したりする場合も、このようにクラッチ２０をロックして実質的クリアランスＣはゼロにされる。

次に手術顕微鏡５側で側視鏡６やカメラ７の着脱により重量が変化する場合はバランス調整を行う必要がある。

重量物の重量［ｋｇ］が変更される前は重量バランスが実現している。その状態でクラッチ２０をロックしてカメラ７等の着脱を行う。すると水平回動軸３のまわりの重量バランスがくずれるため水平アーム２にトルクが発生して回動しようとする。

その場合は、クラッチ２０をロックした状態で、バランス調整のための図示せぬボタンを押すと可動部材１５が後退して、係合部１３と両挟持部１４との間にクリアランスＣが確保される。クリアランスＣが確保されると、係合部１３はクリアランスＣ内で自由に移動することができる。さらに接触検出器のスイッチＳ１、Ｓ２の開閉状態が制御部１８でモータ８の制御情報として感知可能な状態（感知状態）となる。

そして横アーム２の水平回動軸３を中心としたバランス状態が不均衡な場合は、横アーム２がいずれか一方側へ回転する。横アーム２が回転すると水平回動軸３と共にレバー１２も回転する。回転プレート１１の挟持部１４はクラッチ２０により固定されて回転しないため、レバー１２の係合部１３はクリアランスＣ内を相対的に移動し、バランスがずれた方のスイッチＳ１、Ｓ２を押す。バランスの非均衡状態（第１または第２の非均衡状態）が検出されると接触検出器から非均衡状態の信号が出力される。制御部１８は均衡情報信号としての非平衡状態の信号を検知するとカウンタウェイト９のモータ８に信号を出力し、カウンタウェイト９の位置を不均衡が是正される方向へ移動させるようにフィードバックする。バランスが均衡状態となると、係合部１３がスイッチＳ１、Ｓ２を押さなくなるため均衡状態の信号が制御部１８に出力されるので、カウンタウェイト９はその位置で停止して、横アーム２は水平回動軸３を中心としたバランス均衡状態に戻る。いずれかの非均衡状態がわずかにでも発生すると水平回動軸３のまわりのトルクが発生して水平アーム２が回動するため確実に接触検出器で検出することができる。

その後、クラッチ２０が再度フリーとなって可動部材１５が突出し、係合部１３と挟持部１４との間の実質的クリアランスＣがゼロにされた状態となり、再度通常使用状態に戻る。

この実施形態によれば、エンコーダやコンピュータを使用せず、単にスイッチＳ１、Ｓ２だけで３つの均衡情報を検出して横アーム２の水平回動軸３を中心としたバランス調整が行えるため、バランシングスタンド全体の小型化を図ることができる。またバランス調整の制御も容易であり迅速かつ高い安定性および信頼性のあるバランス調整が実現される。

仮に横アームが多関節構造で複数の水平回動軸を持つ場合も、水平回動軸３を中心としたバランス調整を水平回動軸３個々に独立して行えるため、個々が独立してバランス調整することにより、全体の調整も図ることができる。

（第２実施形態）
次に他の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は前記実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

図１０及び図１１は、本願発明の第２実施形態を示す図である。

この実施形態では、拘束部材としてレバー１２に回転する可動部材２１を設け、それをモータ２２により回転させる構造にした。可動部材２１は係合部１３に沿った状態と、係合部１３に対して直角になる状態の２つの状態が得られる。

クリアランスＣを無くして係合部１３の移動を拘束する場合は可動部材２１を係合部１３の主軸に対して直角状態（図１０）にして、クリアランスＣを確保する場合は可動部材１５を係合部１３の主軸に沿った状態（図１１）にする。このように可動部材２１はレバー１２に設けた回転式のものであっても良い。

（第３実施形態）
図１２及び図１３は、本願発明の第３実施形態を示す図である。

この実施形態では、挟持部２３に形成されたテーパ状の斜面２３ａに当接するテーパ状の可動部材（拘束部材）２４を係合部１３に設けた。この可動部材２４はレバー１２に固定されたモータ２５で回転するネジ２６と螺合しており、ネジ２６の回転によりスライドして、テーパ状の斜面２３ａに対して接離自在となっている。すなわち、テーパー状の斜面２３ａ（法線方向）に直交しない方向に可動部材２４と挟持部２３が相対移動するためクリアランスＣを自在に変更することができる。従って、可動部材２４が挟持部２３の斜面２３ａに当接した場合（図１２）はクリアランスＣはゼロとなって係合部１３の移動が拘束され、可動部材２４が挟持部２３の斜面２３ａから離れた場合（図１３）はクリアランスＣが確保される。このように可動部材２４はレバー１２側に設けたスライド式のものであっても良い。

（第４実施形態）
図１４及び図１５は、本願発明の第４実施形態を示す図である。

この実施形態では、レバー２７の係合部２８を挟持する挟持部２９を一体構造とし、これをを拘束部材としての可動部材３０とした。可動部材３０はネジ３１とモータ３２により回転プレート１１側に設けられ、スライドすることにより係合部２８に対して接離自在となる。挟持部２９はテーパ状の斜面２９ａを有し、そこにスイッチＳ１、Ｓ２も設けられている。係合部２８のスイッチＳ１、Ｓ２に対応する部分はストレート形状になっている。テーパー状の斜面２９ａ（法線方向）に直交しない方向に可動部材３０と係合部２８が相対移動するためクリアランスＣを自在に変更することができる。

従って、挟持部２９が係合部２８に当接した場合（図１４）はクリアランスＣはゼロとなって係合部１３の移動が拘束され、挟持部２９４が係合部２８から離れた場合（図１５）はクリアランスＣが確保される。このように可動部材３０は挟持部２９と一体にして、回転プレート１１側に設けても良い。

（第５実施形態）
図１６及び図１７は、本願発明の第５実施形態を示す図である。

この実施形態では、挟持部３３をレバー３４側に設け、係合部３５を回転プレート１１側に設けて、その係合部３５をネジ３６とモータ３７によりスライド自在とし、それ自体を拘束部材としての可動部材３８とした。挟持部３３はテーパ状の斜面３３ａを有し、そこにスイッチＳ１、Ｓ２も設けられている。係合部３５のスイッチＳ１、Ｓ２に対応する部分はストレート形状になっている。テーパー状の斜面３３ａ（法線方向）に直交しない方向に可動部材３８と挟持部３３が相対移動するためクリアランスＣを自在に変更することができる。

従って、係合部３５が挟持部３３に当接した場合（図１６）はクリアランスＣはゼロとなり、係合部３５が挟持部３３から離れた場合（図１７）はクリアランスＣが確保される。このように可動部材３８は係合部３５と一体にして、回転プレート１１側に設けても良い。

以上の各実施形態では、スイッチＳ１、Ｓ２を２つ設ける例を示したが、１つでもレバー１２の回転方向を検出可能な構造のものは、それを１つだけ設けるようにしても良い。

１縦アーム（第１アーム）
２横アーム（第２アーム）
３水平回動軸
５手術顕微鏡（重量物）
６側視鏡（重量物）
７カメラ（重量物）
８モータ（調整手段）
９カウンタウェイト（調整手段）
１１回転プレート
１２、２７、３４レバー
１３、２８、３５係合部
１４、２３、２９、３３挟持部
１５、２１、２４、３０、３８可動部材
１９フランジ（クラッチ手段）
２０クラッチ（クラッチ手段）
Ｃクリアランス
Ｓ１、Ｓ２スイッチ（接触検出器）

Claims

第１アームと、
該第１アームに位置固定された水平回動軸のまわりに回動自在に支持される第２アームであって、その一端に重量物が支持され、その他端には該水平回動軸のまわりに重量バランスを均衡させる調整手段が設けられたものとを具備する医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造であって、
前記水平回動軸を介して前記第２アームに位置固定されるレバーと、
前記水平回動軸に回動自在に支持される回転プレートと、
前記レバー又は回転プレートのいずれか一方側に設けられる係合部と、該係合部を所定のクリアランスを介して挟持するように他方側に設けられる一対の挟持部と、
前記一対の挟持部又は係合部のいずれか一方側に設けられ、両者の当接状態を検出して調整手段が重量バランスを均衡させるための信号を出力する接触検出器と、
前記第２アームに固定され、回転プレートの一部と係合して回転プレートをロック自在なクラッチ手段と、
前記レバー又は回転プレートのいずれか一方に設けられ、前記クリアランスを小さくする方向へ可動自在な拘束部材と、を設け、
通常時には接触検出器が不感知状態となり且つ拘束部材が可動して前記クリアランスを無くし、回転プレートがレバーに追従回転可能な状態となり、
バランス調整時には接触検出器が感知状態となり且つ拘束部材が前記クリアランスを確保した状態となり、クラッチ手段が回転プレートをロックし、係合部がクリアランス内で移動して接触検出器を作動させて調整手段に信号を出力することを特徴とする医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造。
調整手段が、前記第２アームの他端側に設けられたカウンタウェイトを移動自在にした構造であることを特徴とする請求項１記載の医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造。
前記接触検出器は前記係合部が前記一対の挟持部の一方に近接した状態、前記一対の挟持部の他方に近接した状態、およびいずれにも近接していない状態を検出して重量バランスを均衡させるための均衡情報信号を出力することを特徴とする請求項１または２記載の医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造。
前記接触検出器は前記一対の挟持部に設けられた一対のスイッチであることを特徴とする請求項３記載の医療用バランシングスタンドの自動バランス調整構造。