JPS60858B2 - 多関節反射鏡式マニピユレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 高出力Ｃ０２レーザ装置と多関節反射鏡式マニピュレー
タとを結合させた、いわゆるレーザメス装檀は近年、医
学界において実用イ○段階に達し「非常な注目をあつめ
てきている。

多関節マニピュレータは、第１図にその概略を示すよう
に反射ミラーを含んだ関節部５Ａ〜５８の端部に、中空
アームＩＡ〜ＩＦの端部をベアリング等の軸受けを介し
て、前記関節部が中空アームに対して回転自在になるよ
うに連結され、前記関節部の池端部に他の中空アームの
端部が固定的に連結される。

そして最終段の関節部に固定され０た中空管の先端部に
レーザ光を集光するレンズ２を具備させたものである。
明らかなように、これによって、レーザ発生装置より発
生したレーザ光を任意の方向に自在に伝達させ、所定の
手術を可能にすることができる。図中の３はしーザ共振
器夕を収納するハウジング、４は電源およびレーザ発振
制御部である。なお、レーザ装置と前記多関節反射鏡式
マニピュレータの結合方法は公知であるので説明は省略
する。前述のような従来の多関節反射鏡式マニピュレ０
ータにおいては、後述の説明からも明らかなように、あ
る１つの中空アームの両端の関節部に配置された反射ミ
ラー相互間の相対角度は、操作時において一定の固定角
度には維持されず、従って反射ミラーへの入射光軸と前
記反射ミラーの回転軸夕とが一致していない場合には、
このズレが生じた関節部の反射ミラーの回転によって、
レーザ光の反射光髄はあたかもコマ運動のような芯ブレ
を生じる。

そしてこの芯ブレは、それＬ汎蜂のレーザ光線の伝達距
離が長くなるにつれて拡大する性質のものである。この
ような状態が生じると前記反射ミラーおよびそれ以降の
反射ミラーの調整では修正がきかず、最終的には中空ア
ームの内壁にレーザ光線があたり、以後レーザ光線が伝
達されなくなる事態に至るものである。従って、多関節
反射鏡式マニピュレータの製作にあたっては、入射光軸
と反射ミラーの回転軸とが常に正確に一致するように、
多関節部において轍調整がなされていなければならず、
また使用時Ｚのショックや経時変化によって光軸が狂っ
た場合にも、簡単に再調整ができるような構造でなけれ
ばならない。

それ故、多関節反射鏡式マニピュレータの構成において
、最も重要な部分は前記反射ミラーの固定および調整機
構であるということができる。第２図に、従来の多関節
反射鏡式マニピュレー外こ使用される反射ミラーの調整
機構を示す。

ほぼ直交する入射光軸Ｌおよび出射光軸Ｌをそれぞれ含
む２つの閉口と、これら光軸によって決まる面内におい
て、これら光軸とほぼ等角で傾斜する第３の鞠Ｌ３を含
む第３の関口とを有する関節部ハウジング５５の前記第
３開□に反射ミラー取付板５４を固着する。５１，５２
は前記固着のための押ねじおよび引ねじである。

各ねじは、第３図に示すように、取付板５４の外周緑に
、ほぼ６０ｏの間隔で１つおきに設けられる。６は周知
の回転自在機構、５３は取付板５４の内面に固着された
反射ミラーである。

当業者には良く知られているように、押ねじ５１および
５２を適宜に前進後退させることによって、反射ミラー
５３の傾斜角度および前後微動の調節を行ない、これに
よってミラー５３の回転軸Ｌ４と入射光軸Ｌ，とが完全
に一致し、かつ入射および出射光軸Ｌ，，−の交点がミ
ラー５３の鏡面上に位置するようにするのが普通である
。第２図に示した従来の関節部の構成では、レーザ光照
射に起因する反射ミラー５３の温度上昇によって反射ミ
ラー取付板５４が加熱されたとき、反射ミラー取付板５
４よりの放出熱は前記押ネジ５１と引きネジ５２を介し
てハウジング５に伝達されるかト鶴射熱として直接大気
中に伝達されるかのいずれかである。

このような熱伝達過程において、前記反射ミラー取付板
５４が熱歪みを受け、又は周囲温度の変動による前記取
付板５４の変形によって反射ミラー５３の取付角度が狂
うことがいよいよ経験される。さらに、反射ミラー取付
板５４は押しネジ５１と引きネジ５２の微妙なバランス
によって調整固定されているため、外部からのショック
によって容易に変形を受け、反射ミラー５３の取付角度
や位置が狂わせられることもまた、しばいまであった。
実際に従来の多関節反射鏡式マニピュレータでは、反射
ミラー５３の角度調整をする際に、反射ミラー取付板５
４と関節部ハウジング５５の間隔がゼロになるように、
押しネジ５１を設定した場合には、ミラー５３の角度調
整は不可能になる。

このため、前記間隔は反射ミラー５３の前後移動調整を
必要としない場合でも一定の値を持つことが必要である
。この事実は、機械加工精度をいかに上げても、反射ミ
ラー５３に関しては角度調整および前後移動調節の両者
を行なわなければならないことを意味している。そして
、前記角度調整と前後移動調整は相互に関連しており、
他方と無関係に一方のみを単独に調整することができな
いという欠点を生じていた。前記のような理由によって
、多関節反射鏡式マニピュレータの使用者は反射ミラー
の調整をいまいま行なわれなければならず、又、その調
整が極めて困難で、熟練を要するため、長時間の調整時
間が必要となり、実用上多くの問題をかかえていた。

他方、多関節反射鏡式マニピュレータを作製する側でも
、過度に長い調整時間がかかるばかりか、調整不能にお
ちいる場合も生じる程にむずかしい方式であるとされて
いた。本発明は前記のような欠点を解消した反射ミラー
の取付け、調整機構を備えた多関節反射鏡式マニピュレ
ータに関するもので、以下第４図に基づいて詳細に説明
する。

図において、第２図と同一符号は同一または同等部分を
あらわす。関節部ハウジング５５の１機開□部には、中
空出射光アームＢが固定的に連結され、またハウジング
５５の他端開口部には、回転自在機構６を介して、回転
機構部６によるミラーの回転軸Ｌと入射光軸Ｌ，とが一
致するように中空の入射光アームＡが連結されている。
ここで入射光アームＡの中心軸線は入射光軸Ｌ，と一致
しているものとする。中空アームＡとＢの中心軸線Ｌ，
，Ｌが交わる交点を通り、前記各中心軸線と同一平面内
にあって、これと互いにほぼ４５０の煩斜となす軸Ｌ３
を中心にして、ミラー保持器１４が関節部ハウジング５
５に対して球状すべり面１５によって摺動接触するよう
に配置される。‐−方前記ミラー保持器１４の内部には
、先端部に反射ミラー５３を固定した反射ミラー支持軸
１６が、ミラー保持器１４に対して前後にスムースに摺
動できるように、前後すべり面１７を介して摺動自在に
鼓挿される。

そして、ミラー保持器Ｉ Ｊ４とミラー支持軸１６の境
界面にばね等の弾性物体１９を介装する。弾性物体１９
の１端はミラー保持器１４の内部の１端で、また前記弾
性物体１９の池端はミラー支持軸１６の外面の一端でそ
れぞれ保持される。これにより、前後移動用様付ナＺッ
ト２０の前進後退に応じて反射ミラー５３が軸Ｌ３上を
前後に移動できるようになる。但し、反射ミラー支持軸
１６とミラー保持器１４はスベリキ−（図示せず）によ
って相互には回転できない機構を有する。
２関節部ハウジング５５の外端には
調整ネジ取付ナット２１がねじ込み固定され、前記調整
ネジ取付ナット２１内に設定した複数の調整ネジ５２に
よって」ミラー保持器１４がハウジング５５に対して固
定されている。したがって各調節ネジ５２２を前進後退
させることによって、球面すべり面１５を介してミラー
保持器１４の角度（すなわち、軸−の向き）がハウジン
グ５５（すなわち、入射および出射光軸Ｌ，，Ｌ〉に対
して変化する。前述のように、今、入射光軸Ｌ，と中空
アーム３Ａの中心軸および反射ミラー５３の回転軸Ｌが
一致しており、反射ミラー５３の取付け角度および前後
位置が禾調整の場合を考える。このときは、第４図に点
線で示したように、反射ミラー５３の角度ズレに起因す
る角度調整誤差Ｑと、中空３アーム中心軸Ｌ，Ｌの交点
上に前記反射ミラー５３の表面が一致していないために
生じる前後調整誤差８を生じる。さて、本発明のマニピ
ュレータの調整に際しては、まず反射ミラー５３の角度
調節を行なう。

角４度調整誤差〇は、反射光路９と中空出射光アームＢ
の中心軸Ｌ２との間隔６が、反射ミラー５３よりの距離
に関係なく一定になるように、調整ネジ５２をまわして
ミラー５３の傾きを調整することによって除去すること
ができる。その後で前記間隔６が許容値より大きい場合
には（例えば１側以上）、前後移動用押付ナット２０を
まわして、反射ミラー支持軸１６一従って反射ミラー５
３を軸Ｌ３にそって前進後退させ、反射ミラー５３の前
後微動調整を行なう。この調整は反射光軸９と中空出射
光アームＢの中心軸Ｌが一致すれば完了する。このとき
、反射ミラー５３は図中に仮想線５３Ａで示した正規位
置にある。以下後続のすべての関節部について同様の調
節をくり返すことによって、多関節反射鏡式マニピュレ
ータの光学調整が完了する。

以上のように、本発明の多関節マニピュレータに用いら
れる反射ミラーの角度調整はＬ反射ミラー５３の前後移
動調整と独立に行なうことができるので、その調整がき
わめて簡単になる。

さらに、球状すべり面１５には熱伝導の高いグリス状の
ものを塗布することができ、また両者の接触面積を広く
できるため、レーザ光の照射によって反射ミラー５３内
で発生した熱は熱伝導の形でハウジング５５へすみやか
に伝達され、かつ、支持軸１６からミラー保持器１４を
経てハウジング５５への熱の伝達が非対称または不均一
にならないために、ミラー支持軸１６は熱ひずみを受け
ることがなくなる。本発明者の実験によれば、反射ミラ
ー保持器１４がハウジング５５と球面接触しているため
、反射ミラー５３は長時間安定に所定の角度および位置
に保持されることが確認された。この理由は前記のごと
く熱伝達特性が良いこと、仮に調整ネジ５２の中の１つ
にゆるみが生じても、これと対向する他の調整ネジが動
かなければ、角度ズレが生じないという球面接触方式の
特性からくるものである。なお、以上の説明からも明ら
かなように、本発明においては反射ミラー５３の角度調
整がミラー５３の前後位置に全く影響を与えないので、
関節部ハウジング５５、ミラー保持器１４、ミラー支持
軸１６、前後移動用押付ナット２０、中空アームＡ，Ｂ
の機械加工精度、取付け精度等を所定の許容値内に抑え
てお仇よ、無調整状態で前後調整誤差６をほとんどゼロ
にすることができ、ミラー支持軸１６、前後調整用押付
ナット２０、前後すべり面１７等を省略して、反射ミラ
ー５３を保持器１４に直接固着することもできる。

また、これらのミラー前後調整機構を、マニピュレータ
を構成する複数の関節部の１部のもののみに具備させ、
残りのものには具備させないようにすることもできる。
以上詳述したように本発明によれば、光軸調整が容易で
、かつ、機械的ショックや熱的影響から生じる反射ミラ
ーの調整角度の狂いのない多関節反射鏡式マニピュレー
タを得ることができ、従って、特にレーザメス装置に使
用する場合、使用者の保守上のトラブルが生じない利点
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用される多関節反射鏡式マニピュレ
ータの概略構成を示す模式図、第２図は従来の関節部の
断面図、第３図は反射ミラー取付板の平面図、第４図は
本発明の１実施例の断面図である。 Ａ，Ｂ・・・・・・中空アーム、Ｌ，，Ｌ２・・・・・
・光軸、６・・・・・・回転自在機構、１４・・・・・
・ミラー保持器、１５・・・・・・球状すべり面、１６
・・・・・・反射ミラー支持軸、１７・・・・・・前後
すべり面、５３・…・・反射ミラー、５５・・・・・・
関節部ハウジング。 第１図 第３図 第２図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 反射ミラーを含んだ複数の関節部と、前記関節部を
   介して互いに連結され、その内部にレーザ光通路を有す
   る複数の中空アームとよりなり、前記関節部の少なくと
   も１端は回転自在機構を介して第１中空アームの端部と
   連結され、これによつて、入射レーザ光を任意の位置に
   伝達するようにした多関節反射鏡式マニピユレータにお
   いて、前記関節部がほぼ直交する軸上にあつて、第１お
   よび第２中空アームと連結される２つの開口と、前記２
   軸によつて決まる平面内にあり、前記２軸の交点を通る
   軸上にある第３の開口とを備え、第３の開口には反射ミ
   ラーを保持するミラー取付機構が、関節部ハウジングに
   対して球状すべり面を介して摺動自在に固着され、これ
   によつて反射ミラーの角度調節が行なわれることを特徴
   とする多関節反射鏡式マニピユレータ。 ２ 少なくとも１つの関節部におけるミラー取付機構が
   、関節部ハウジングに対する球状すべり面を備えたミラ
   ー保持器と、ミラー保持器に対する前後すべり面を有し
   、先端に反射ミラーを固定されたミラー支持軸とを具備
   し、これによつて反射ミラーの角度調節とは独立にその
   前後位置調節が行なわれることを特徴とする第１項記載
   の多関節反射鏡式マニピユレータ。