JP6913246B2 - 剛性可変装置および内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、形状記憶合金を利用した剛性可変装置および内視鏡に関する。

例えば国際公開ＷＯ２０１６／１７４７４１号に開示されているように、形状記憶合金を利用した剛性可変装置として、細長い形状記憶部材と、当該形状記憶部材とは別体の加熱コイルを設け、加熱コイルで形状記憶部材を加熱することで剛性を高める方式が提案されている。

国際公開ＷＯ２０１６／１７４７４１号に開示されている剛性可変装置では、細長い形状記憶部材を加熱した状態における剛性を高くするためには、形状記憶部材を太くする必要がある。形状記憶部材を太くした場合、剛性が高まる温度にまで加熱された形状記憶部材を、剛性が低下する温度にまで冷却する時間が長くなってしまう。すなわち、国際公開ＷＯ２０１６／１７４７４１号に開示されている剛性可変装置では、剛性を高めた状態において高い剛性を得ることと、剛性を高めた状態から剛性を下げた状態への切り替わりを短時間で達成することと、の両立が困難である。

本発明は、上述した課題を解決するものであって、剛性を高めたときに高い剛性を得られることと、短時間で剛性を下げられることとを両立可能な剛性可変装置および内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の一態様による剛性可変装置は、細長の本体部と、前記本体部において、前記本体部の長軸に沿って隙間を有して配列された金属製の金属製の複数の高剛性部と、前記本体部において、隣り合う前記高剛性部の間に架け渡され、前記長軸に直交する方向に離間した複数の形状記憶合金ワイヤを含む低剛性部と、を含む。

また、本発明の一態様による内視鏡は、被検体内に導入される挿入部と、前記剛性可変装置と、を含む。

剛性可変装置の構成を示す図である。 図１のII-II断面図である。 内視鏡の構成を示す図である。

以下に、本発明の好ましい形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、構成要素毎に縮尺を異ならせてあるものであり、本発明は、これらの図に記載された構成要素の数量、構成要素の形状、構成要素の大きさの比率、および各構成要素の相対的な位置関係のみに限定されるものではない。

以下に、本発明の実施形態の一例を説明する。図１に示す剛性可変装置１は、本体部２および通電部３を含む。本体部２は、長軸Ｌに沿って細長な形状である。剛性可変装置１は、本体部２の長軸Ｌを曲げる方向の力の入力に対する剛性を変化させることができる。ここで、剛性とは、細長である本体部２の曲げ変形のしにくさを示す。剛性は、本体部２の長軸Ｌに沿う方向に所定の長さの区間を、所定の曲率だけ曲げるのに必要となる力で表される。したがって、剛性が高いほど、本体部２の曲げ方向の変形が起こりにくい。

本体部２は、複数の高剛性部１０と、低剛性部１１と、を含む。複数の高剛性部１０は、長軸Ｌに沿って１列に配列されている。隣り合う一対の高剛性部１０において、互いに対向する部位を端部１０ａと称する。

隣り合う一対の高剛性部１０の向かい合う端部１０ａの間には、隙間が設けられている。そして、隣り合う一対の高剛性部１０の間に設けられた隙間には、低剛性部１１が配置されている。

すなわち、低剛性部１１の長軸Ｌに沿う方向の両側には、一対の高剛性部１０の端部１０ａが配置されている。低剛性部１１は、この隣り合う一対の高剛性部１０の端部１０ａの双方に固定されている。したがって、本体部２は、高剛性部１０と低剛性部１１とが、長軸Ｌに沿う方向に交互に連結されて構成されている。

なお、本体部２に含まれる高剛性部１０および低剛性部１１の数は特に限定されない。本実施形態では一例として、５つの高剛性部１０と４つの低剛性部１１を図１に示しているが、高剛性部１０および低剛性部１１は、図１に示す本実施形態よりも多くてもよいし少なくてもよい。

なお、高剛性部１０および低剛性部１１の名称における「高剛性」および「低剛性」との語は、詳しくは後述するが、両者の剛性の相対的な差を表すために用いられている。したがって、これらの語によって高剛性部１０および低剛性部１１の剛性の絶対的な値が限定されることはない。

高剛性部１０は、金属製である。高剛性部１０の形状は特に限定されないが、高剛性部１０は柱状である。本実施形態では一例として、高剛性部１０は、円柱状であり、長軸Ｌに沿う方向から見た場合に円形となる姿勢で配置されている。

低剛性部１１は、複数の形状記憶合金ワイヤ（以下ではＳＭＡワイヤと称する）１２を含む。ＳＭＡワイヤ１２は、形状記憶合金製の線状の部材である。また、ＳＭＡワイヤ１２が記憶している形状は、直線形状である。形状記憶合金は、公知の技術であるため詳細な説明を省略するが、所定の温度Ｔを境に相変化を起こし、弾性係数が変化する。本実施形態のＳＭＡワイヤ１２は、室温を超える所定の温度Ｔで相変化を起こし、所定の温度Ｔ以上である場合の弾性係数が、所定の温度Ｔ未満である場合の弾性係数よりも高い。また、ＳＭＡワイヤ１２は、所定の温度Ｔ以上である場合に超弾性を示す。

複数のＳＭＡワイヤ１２は、後述する通電部３に電気的に接続されている。複数のＳＭＡワイヤ１２は、通電加熱により相変化を起こす所定の温度Ｔを超える温度まで発熱する。

複数のＳＭＡワイヤ１２は、互いに離間した状態で隣り合う一対の高剛性部１０の端部１０ａの間に架け渡されている。個々のＳＭＡワイヤ１２は、一対の高剛性部１０の双方に固定されている。

ＳＭＡワイヤ１２と高剛性部１０とを固定する方法は特に限定されない。本実施形態では一例として、ＳＭＡワイヤ１２と高剛性部１０とは、導電性接着剤により固定されている。なお、ＳＭＡワイヤ１２と高剛性部１０との固定は、例えばカシメや半田付け等によって行われてもよい。

個々のＳＭＡワイヤ１２は、温度が所定の温度Ｔ以上であり直線形状である場合に長手方向が本体部２の長軸Ｌと略平行となるように配置されている。低剛性部１１に含まれる複数のＳＭＡワイヤ１２は、全て高剛性部１０よりも細い。複数のＳＭＡワイヤ１２は、温度が所定の温度Ｔ以上であり直線形状である場合に、互いに離間するよう配置されている。すなわち、複数のＳＭＡワイヤ１２は、長軸Ｌに直交する方向に離間して配置されている。

低剛性部１１に含まれる複数のＳＭＡワイヤ１２の数は特に限定されず、２本以上であればよい。本実施形態では一例として、図２に示すように、低剛性部１１は、５本のＳＭＡワイヤ１２を含む。

複数のＳＭＡワイヤ１２の配置は特に限定されない。本実施形態では一例として、長軸Ｌに直交する断面において、円柱状である高剛性部１０の中心軸上に１本のＳＭＡワイヤ１２が配置されており、残りの４本のＳＭＡワイヤ１２は、高剛性部１０の中心軸周りに周方向に等間隔（９０度）で配置されている。

本体部２が含む複数の低剛性部１１は、それぞれ異なるＳＭＡワイヤ１２を有していてもよいし、同一のＳＭＡワイヤ１２を共有していてもよい。例えば、本実施形態であれば、複数の低剛性部１１のそれぞれが独立して５本のＳＭＡワイヤ１２を有していてもよい。

また例えば、複数の低剛性部１１のうちの少なくとも２つの低剛性部１１が共通の５本のＳＭＡワイヤ１２によって構成されてもよい。この場合、５本のＳＭＡワイヤ１２は、２つの低剛性部１１に挟まれている高剛性部１０を貫通する。

本実施形態では一例として、本体部２に含まれる全ての低剛性部１１が、共通の５本のＳＭＡワイヤ１２によって構成されている。すなわち本実施形態の本体部２では、５本のＳＭＡワイヤ１２が長軸Ｌに平行に延在し、かつ長軸Ｌに直交する方向に離間して配置されており、複数の高剛性部１０が長軸Ｌに沿う方向に離間した状態で５本のＳＭＡワイヤ１２に固定されている。

前述のように、本実施形態のＳＭＡワイヤ１２は、金属製の高剛性部１０に導電性接着剤により固定されている。したがって、５本のＳＭＡワイヤ１２は、高剛性部１０を介して電気的に接続されている。

通電部３は、ＳＭＡワイヤ１２への通電の有無を切り替える。なお、通電部３は、使用者または他の電子機器からの指示に基づいて通電の有無を切り替えるスイッチングの機能のみを有していればよく、電源は備えていてもいなくてもよい。通電部３の動作により通電が行われるＳＭＡワイヤ１２は、通電加熱により所定の温度Ｔ以上となる。

本体部２が備える複数の低剛性部１１のうちの個々の低剛性部１１に着目した場合、通電部３は、個々の低剛性部１１に含まれる全てのＳＭＡワイヤ１２への通電の有無を一括で切り替えることが望ましい。例えば本実施形態であれば、通電部３は、個々の低剛性部１１に含まれる５本のＳＭＡワイヤ１２への通電の有無を一括で切り替えることが望ましい。

なお、通電部３は、複数の低剛性部１１のうちの全ての低剛性部１１に含まれるＳＭＡワイヤ１２への通電を一括して切り替える構成のみを有していてもよいし、複数の低剛性部１１のうちの選択された一部の低剛性部１１に含まれるＳＭＡワイヤ１２への通電を切り替える構成をさらに有していてもよい。

図示する本実施形態では一例として、通電部３は、複数の高剛性部１０に電気的に接続されており、複数の高剛性部１０を介してＳＭＡワイヤ１２に電気的に接続されている。通電部３は、ＳＭＡワイヤ１２に通電する区間を変更することができる。

以上に説明した構成を有する剛性可変装置１では、複数のＳＭＡワイヤ１２に通電が行われていない場合には、ＳＭＡワイヤ１２の温度は所定の温度Ｔ未満となり、ＳＭＡワイヤ１２の弾性係数は低い状態となる。また、剛性可変装置１では、複数のＳＭＡワイヤ１２に通電が行われている場合には、ＳＭＡワイヤ１２の温度は所定の温度Ｔ以上となり、ＳＭＡワイヤ１２の弾性係数は高い状態となる。

したがって、本実施形態の剛性可変装置１では、長軸Ｌに沿って交互に連結されている高剛性部１０および低剛性部１１のうちの、低剛性部１１の剛性が変化する。

高剛性部１０は、金属製の柱状の部材であることから、本体部２の長軸Ｌを曲げる方向の力が入力された場合であっても、ほぼ剛体としてふるまう。

低剛性部１１は、複数のＳＭＡワイヤ１２によって構成されていることから、ＳＭＡワイヤ１２の弾性係数が高い状態であっても、本体部２の長軸Ｌを曲げる方向の力が入力された場合に、曲げ方向に弾性変形する。したがって、本実施形態の剛性可変装置１は、複数のＳＭＡワイヤ１２への通電の有無の切り替わりに応じて本体部２の剛性が変化する。

本体部２は、複数の高剛性部１０を複数のＳＭＡワイヤ１２により連結する構成を有していることから、本体部２の全体の剛性は、本体部２と同じ長さかつ同じ本数のＳＭＡワイヤを束ねたものよりも高い。

ここで、本実施形態の低剛性部１１は、隣り合う一対の高剛性部１０の間に、長軸Ｌに直交する方向に離間して架け渡された複数のＳＭＡワイヤ１２により構成されている。すなわち、ＳＭＡワイヤ１２は、隣り合う一対の高剛性部１０に両端が固定された梁となる。このような構成を有する低剛性部１１は、隣り合う一対の高剛性部１０を連結する個々の梁（ＳＭＡワイヤ１２）が細い場合であっても、複数の梁を長軸Ｌに直交する方向に離間させていることから、高い剛性を有している。

したがって、本実施形態の剛性可変装置１は、ＳＭＡワイヤ１２を所定の温度Ｔ以上に通電加熱して本体部２の剛性を高めた際に、高い剛性を得ることができる。

また、本実施形態の低剛性部１１は、細径の複数のＳＭＡワイヤ１２により構成されていることから、例えば一対の高剛性部１０の間に大径の単一の形状記憶合金部材を架け渡した場合よりも、ＳＭＡワイヤ１２の所定角度における曲げ応力が小さくなるため、曲げ方向に弾性変形可能な角度が大きい。すなわち、低剛性部１１は、本体部２が大きな曲率で曲げ方向に変形した場合であっても、永久ひずみや破断が発生しにくい。

また、本実施形態では、低剛性部１１を構成する複数のＳＭＡワイヤ１２は、線状の部材であり熱容量が小さい。したがって、ＳＭＡワイヤ１２を所定の温度Ｔ以上である状態から所定の温度未満に冷却するために必要な時間はわずかである。よって、本実施形態の剛性可変装置１は、本体部２の剛性を高めた状態から剛性を下げた状態への切り替わりを短時間で行うことができる。

以上に説明したように、本実施形態の剛性可変装置１は、本体部２の剛性を高めたときに高い剛性を得られることと、短時間で剛性を下げられることとを両立可能である。

また、本実施形態の剛性可変装置１は、細径の複数のＳＭＡワイヤ１２により構成されていることから、例えば一対の高剛性部１０の間に大径の単一の形状記憶合金部材を架け渡した場合よりも、加熱に要する電力が小さい。したがって、ＳＭＡワイヤ１２への通電によりＳＭＡワイヤ１２を所定の温度Ｔ以上に加熱することが容易になるため、ＳＭＡワイヤ１２を加熱するためのヒーターを不要にすることができる。

図３に、剛性可変装置１を備える内視鏡１００を示す。内視鏡１００は、人体等の被検体内に導入可能な細長で可撓性を有する挿入部１０２を有し、挿入部１０２に被検体内を観察するための構成を有する。なお、内視鏡１００の挿入部１０２が導入される被検体は、人体に限らず、他の生体であってもよいし、機械や建造物等の人工物であってもよい。

本実施形態の内視鏡１００は、挿入部１０２と、挿入部１０２の基端に位置する操作部１０３と、操作部１０３から延出するユニバーサルコード１０４とで主に構成されている。

挿入部１０２は、先端に配設される先端部１０８、先端部１０８の基端側に配設される湾曲自在な湾曲部１０９、及び湾曲部１０９の基端側と操作部１０３の先端側とを接続する可撓性を有する可撓管部１１０が連設されて構成されている。

先端部１０８には、被検体内を観察するための構成等が配設されている。例えば、先端部１０８には、対物レンズ及び撮像素子を含み光学的に被検体内を観察するための撮像ユニットが配設されている。また、先端部１０８には、図示しないが、撮像ユニットの被写体を照明する光を出射する照明光出射部も設けられている。なお、先端部１０８には、超音波を用いて音響的に被検体内を観察するための超音波振動子が配設されていてもよい。

挿入部１０２のうちの、曲げ変形可能な部位である湾曲部１０９および可撓管部１１０の少なくとも一方の内部には、剛性可変装置１の本体部２が挿入されている。図示する本実施形態では一例として、本体部２は、可撓管部１１０内に配置されている。

挿入部１０２の基端に配設された操作部１０３には、湾曲部１０９の湾曲を操作するためのアングル操作ノブ１０６が設けられている。ユニバーサルコード１０４の基端部には図示しない外部装置に接続可能に構成された内視鏡コネクタ１０５が設けられている。内視鏡コネクタ１０５が接続される外部装置は、先端部１０８に設けられた撮像ユニットを制御するカメラコントロールユニット等を備える。

また、操作部１０３には、剛性可変装置１の通電部３と、通電部３を制御するための剛性変更スイッチ１２０が設けられている。剛性変更スイッチ１２０は、通電部３によるＳＭＡワイヤ１２への通電の有無の切り替え動作を制御する。

通電部３は、操作部１０３無いに配置されている。通電部３は、ユニバーサルコード１０４内に挿通された電気ケーブルを介して内視鏡コネクタ１０５に設けられた電気接点に電気的に接続されている。剛性可変装置１のＳＭＡワイヤ１２を通電加熱するための電力は、内視鏡コネクタ１０５が接続される外部装置から供給される。なお、内視鏡１００は、剛性可変装置１のＳＭＡワイヤ１２を通電加熱するための電力を供給する電池を備えていてもよい。

以上に説明した構成を有する内視鏡１００は、使用者による剛性変更スイッチ１２０の操作に応じて、可撓性を有する細長な挿入部１０２の剛性を変化させることができる。

前述のように、本実施形態の剛性可変装置１は、本体部２の剛性を高めたときに高い剛性を得られることと、短時間で剛性を下げられることとを両立可能であるから、内視鏡１００は、挿入部１０２の剛性の変更幅を大きくすることと、剛性の変更に必要な時間の短縮と、を両立することができる。

本発明は、前述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う剛性可変装置および内視鏡もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

Claims (6)

1. 細長の本体部と、
   前記本体部において、前記本体部の長軸に沿って隙間を有して配列された金属製の金属製の複数の高剛性部と、
   前記本体部において、隣り合う前記高剛性部の間に架け渡され、前記長軸に直交する方向に離間した複数の形状記憶合金ワイヤを含む低剛性部と、
   を含むことを特徴とする剛性可変装置。
2. 前記複数の形状記憶合金ワイヤへの通電の有無を切り替え可能な通電部をさらに有し、
   前記形状記憶合金ワイヤは、前記通電によって加熱されることを特徴とする請求項１に記載の剛性可変装置。
3. 前記高剛性部を３つ以上有し、前記低剛性部を２つ以上有することを特徴とする請求項１に記載の剛性可変装置。
4. 複数の前記低剛性部において、同一の前記複数の形状記憶合金ワイヤを共有することを特徴とする請求項３に記載の剛性可変装置。
5. 前記通電部は、複数の前記高剛性部に電気的に接続され、複数の前記高剛性部を介して前記形状記憶合金ワイヤに電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の剛性可変装置。
6. 被検体内に導入される挿入部と、
   請求項１に記載の剛性可変装置と、
   を含むことを特徴とする内視鏡。

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