KR20110059756A

KR20110059756A - 원격 조작형 액츄에이터

Info

Publication number: KR20110059756A
Application number: KR1020117007861A
Authority: KR
Inventors: 히로시 이소베; 다카요시 오자키; 요시타카 나가노; 유키히로 니시오
Original assignee: 엔티엔 가부시키가이샤
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-06-03
Also published as: EP2364652A4; US8511195B2; WO2010041397A1; EP2364652A1; US20110179894A1; EP2364652B1; KR101287985B1

Abstract

본 발명은, 가늘고 긴 파이프부의 선단(先端)에 설치된 공구의 자세를 원격 조작으로 변경할 수 있어, 파이프부의 강성(剛性)이 높은 원격 조작형 액츄에이터를 제공한다. 파이프부로서의 가늘고 긴 형상의 스핀들 가이드부(3)와, 그 선단(先端)에 자세 변경 가능하게 장착된 선단 부재(2)와, 스핀들 가이드부(3)의 기단(基端)이 결합된 구동부 하우징을 포함한다. 선단 부재(2)는, 공구(1)를 유지하는 스핀들(13)을 회전 가능하게 지지한다. 스핀들 가이드부(3)는, 외곽 파이프(25)와 회전축(22)과 가이드 파이프(30)를 가지고, 가이드 파이프(30) 내에, 선단 부재(2)의 자세를 변경시키는 자세 조작 부재(31)가 삽통(揷通)된다. 외곽 파이프(25)의 중공(中空) 구멍(24)은, 중심부의 원형 구멍부(24a)와, 이 원형 구멍부(24a)로부터 외경측으로 오목한 홈형부(24b)로 된다. 원형 구멍부(24a)에 회전축(22)을 배치하고, 또한 홈형부(24b)에 가이드 파이프(30)를 배치한다.

Description

원격 조작형 액츄에이터{REMOTELY OPERATED ACTUATOR}

본 출원은, 2008년 10월 8일자 일본 특허출원 2008-261339, 2008년 10월 10일자 일본 특허출원 2008-264437, 일본 특허출원 2008-264438, 및 2009년 1월 23일자 일본 특허출원 2009-013009의 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 인용한다.

본 발명은, 공구의 자세를 원격 조작으로 변경 가능하며, 의료용, 기계 가공 등의 용도로 사용되는 원격 조작형 액츄에이터에 관한 것이다.

의료용으로서 뼈의 가공에 이용되거나 기계 가공용으로서 드릴 가공이나 절삭 가공에 사용되거나 하는 원격 조작형 액츄에이터가 있다. 원격 조작형 액츄에이터는, 직선 형상이나 만곡 형상을 한 가늘고 긴 파이프부의 선단(先端)에 설치한 공구를 원격 조작으로 제어한다. 그러나, 종래의 원격 조작용 액츄에이터는, 공구의 회전만을 원격 조작으로 제어하는 것이었기 때문에, 의료용의 경우, 복잡한 형상의 가공이나 외부로부터는 잘 보이지 않는 개소의 가공이 어려웠다. 또한, 드릴 가공에서는, 직선뿐아니고, 만곡형의 가공이 가능할 것이 요구된다. 또한, 절삭 가공에서는, 홈 내부가 후미진 개소의 가공이 가능할 것이 요구된다. 이하, 의료용을 예로 들어, 원격 조작형 액츄에이터의 종래 기술과 과제에 대하여 설명한다.

정형 외과 분야에 있어서, 뼈의 노화 등에 의해 마모되어 사용할 수 없게 된 관절을 새롭게 인공 관절로 바꾸는 인공 관절 치환 수술이 있다. 이 수술에서는, 환자의 생체(生體)뼈를 인공 관절이 삽입 가능하도록 가공할 필요가 있지만, 그 가공에는, 수술 후의 생체뼈와 인공 관절과의 접착 강도를 높이기 위하여, 인공 관절의 형상에 맞추어 생체뼈를 양호한 정밀도로 가공하는 것이 요구된다.

예를 들면, 고관절(coxa)의 인공 관절 치환 수술에서는, 대퇴골(大腿骨)의 뼈의 중심에 있는 골강부(骨腔部)에 인공 관절 삽입용의 구멍을 형성한다. 인공 관절과 뼈와의 접촉 강도를 유지하려면 양자의 접촉 면적을 크게 취할 필요가 있고, 이를 위해 인공 관절 삽입용의 구멍은, 뼈의 안쪽까지 연장된 가늘고 긴 형상으로 가공된다. 이와 같은 뼈의 절삭 가공에 사용되는 의료용 액츄에이터로서, 가늘고 긴 파이프부의 선단에 공구를 회전 가능하게 설치하고, 파이프부의 기단(基端) 측에 설치한 모터 등의 회전 구동원의 구동에 의해, 파이프부의 내부에 배치한 회전축을 통하여 공구를 회전시키는 구성의 것이 있다(예를 들면, 특허 문헌 1). 이 종류의 의료용 액츄에이터는, 외부로 노출된 회전 부분은 선단의 공구뿐이므로, 공구를 뼈의 안쪽까지 삽입할 수 있다.

인공 관절 치환 수술에서는, 피부 절개나 근육의 절단을 수반한다. 즉, 인체에 상처를 내지 않으면 안된다. 그 상처를 최소한으로 억제하기 위해서는, 상기 파이프부는 곧지 않고, 적당히 만곡되어 있는 편이 양호한 경우가 있다. 이와 같은 상황에 대응하기 위한 것으로서, 다음과 같은 종래 기술이 있다. 예를 들면, 특허 문헌 2는, 파이프부의 중간부를 2개소에서 만곡시켜, 파이프부의 선단측의 축심 위치와 기단측의 축심 위치를 어긋나게 한 것이다. 이와 같이 파이프부의 축심 위치가 선단측과 기단측이 어긋나 있는 것은, 그 밖에도 알려져 있다. 또한, 특허 문헌 3은, 파이프부를 180° 회전시킨 것이다.

일본공개특허 제2007-301149호 공보 미국 특허 제4,466,429호 명세서 미국 특허 제4,265,231호 명세서 일본공개특허 제2001-017446호 공보

생체뼈의 인공 관절 삽입용 구멍에 인공 관절을 끼워넣은 상태에서, 생체뼈와 인공 관절과의 사이에 넓은 간극이 있으면, 수술 후의 접착 시간이 길어지므로, 상기 간극은 가능한 한 좁은 것이 바람직하다. 또한, 생체뼈와 인공 관절의 접촉면이 평활한 것도 중요하며, 따라서 인공 관절 삽입용 구멍의 가공에는 높은 정밀도가 요구된다. 그러나, 파이프부가 어떠한 형상이든지, 공구의 동작 범위는 파이프부의 형상의 제약을 받으므로, 피부 절개나 근육의 절단을 가능한 한 작게 하면서, 생체뼈와 인공 관절과의 사이의 간극을 좁고 또한 양자의 접촉면이 평활하게 되도록 인공 관절 삽입용 구멍을 가공하는 것은 어렵다.

일반적으로, 인공 관절 치환 수술이 행해지는 환자의 뼈는, 노화 등에 의해 강도가 약해져 있는 경우가 많고, 뼈 그 자체가 변형되어 있는 경우도 있다. 따라서, 통상 생각하는 것 이상으로, 인공 관절 삽입용 구멍의 가공은 어렵다.

그래서, 본 출원인은, 인공 관절 삽입용 구멍의 가공을 비교적 용이하고 또한 양호한 정밀도로 행할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하여, 공구의 자세를 원격 조작으로 변경 가능하게 하는 것을 시도했다. 공구의 자세가 변경 가능하면, 파이프부의 형상에 관계없이, 공구를 적정한 자세로 유지할 수 있기 때문이다. 그러나, 공구는 가늘고 긴 파이프부의 선단에 설치되어 있으므로, 공구의 자세를 변경시키는 기구를 설치하는 데 있어서 제약이 많아, 이를 극복하기 위한 연구가 필요하다. 또한, 가공 시에는, 공구 및 피가공물 외에, 액츄에이터의 회전 부분도 발열하기 때문에, 이들 발열 개소를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위한 냉각 수단을 설치하는 경우, 냉각액이 기계 부분에 악영향을 주지 않도록 할 필요가 있다. 또한, 파이프부가 만곡 형상을 가지는 것도 예상되고, 이 경우라도 정확하게 자세 변경 동작을 하게 할 것이 요구된다. 또한, 의료용 액츄에이터의 소형 경량화, 에너지 절약화를 도모하기 위해, 자세 변경용 구동원은 가능한 한 소형의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 의료 분야에서 사용하는 의료용 액츄에이터에 대하여는, 인체에 있어 바람직하지 않은 윤활제의 사용이나 코팅을 행하지 않고, 공구의 원활한 자세 변경이 가능할 것이 요구된다. 그리고, 가늘고 긴 파이프부를 가지고 있지 않은 의료용 액츄에이터에서는, 손으로 잡는 부분에 대하여 공구가 설치된 부분이 자세 변경 가능한 경우가 있지만(예를 들면, 특허 문헌 4), 원격 조작으로 공구의 자세를 변경시키는 것은 제안되어 있지 않다.

가늘고 긴 파이프부의 선단에 공구를 설치한 원격 조작형 액츄에이터에서는, 공구 등에 외력이 작용한 경우, 가늘고 긴 파이프부가 휘는 것에 의해, 공구의 위치가 어긋나는 것으로 생각된다. 공구의 위치가 어긋나면, 정확한 가공이나 정확한 공구의 자세를 컨트롤할 수 없다. 또한, 파이프부가 쉽게 휘면 절삭력이 피가공물에 대하여 수직으로 작용하기 어려워, 절삭성이 악화된다. 이들 이유에서, 파이프부가 충분한 강성(剛性)을 가질 것이 요구된다.

본 발명은, 가늘고 긴 파이프부의 선단에 설치된 공구의 자세를 원격 조작으로 변경할 수 있어, 파이프부로서의 스핀들 가이드부의 강성이 높고, 조립성이 양호하며, 기계 부분에 악영향을 주지 않고, 가공 시에 발열하는 개소를 효율적으로 냉각시킬 수 있어, 파이프부로서의 스핀들 가이드부가 만곡된 상태라도 정확하게 자세 변경될 수 있게 하여, 소형의 자세 변경용 구동원을 사용 가능하고, 또한 공구의 원활한 자세 변경이 가능한 원격 조작형 액츄에이터를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

본 발명에 관한 원격 조작형 액츄에이터는, 가늘고 긴 형상의 스핀들 가이드부와, 이 스핀들 가이드부의 선단에 선단 부재 연결부를 통하여 자세 변경 가능하게 장착된 선단 부재와, 상기 스핀들 가이드부의 기단이 결합된 구동부 하우징을 포함하고, 상기 선단 부재는, 공구를 유지하는 스핀들을 회전 가능하게 지지하고, 상기 스핀들 가이드부는, 이 스핀들 가이드부의 외곽으로 되는 중공(中空)의 외곽 파이프와, 이 외곽 파이프의 양단에 관통한 중공 구멍 내에 설치되어 상기 구동부 하우징 내의 공구 회전용 구동원의 회전을 상기 스핀들에 전달하는 회전축과, 상기 중공 구멍 내에 설치되어 양단에 관통한 가이드공을 가지는 가이드 파이프를 가지고, 선단이 상기 선단 부재에 접촉하여 진퇴(進退) 동작함으로써 상기 선단 부재를 자세 변경시키는 1개 또는 복수 개의 자세 조작 부재를 상기 가이드 파이프 내에 진퇴 가능하게 삽통(揷通)하고, 상기 자세 조작 부재를 진퇴시키는 자세 변경용 구동원을 상기 구동부 하우징 내에 설치하고, 상기 중공 구멍은, 중심부의 원형 구멍부와, 이 원형 구멍부로부터 외경측으로 오목한 홈형부로 이루어지고, 상기 원형 구멍부에 상기 회전축을 배치하고, 또한 상기 홈형부에 상기 가이드 파이프를 배치하였다.

이 구성에 의하면, 선단 부재에 설치한 공구의 회전에 의해, 뼈 등의 절삭이 행해진다. 이 경우에, 자세 변경용 구동원에 의해 1개 또는 복수 개의 자세 조작 부재를 진퇴시키면, 이 자세 조작 부재의 선단이 선단 부재에 대하여 작용함으로써, 스핀들 가이드부의 선단에 선단 부재 연결부를 통하여 자세 변경 가능하게 장착된 선단 부재의 자세가 변경된다. 자세 변경용 구동원은, 스핀들 가이드부의 기단측의 구동부 하우징 내에 형성되어 있고, 상기 선단 부재의 자세 변경은 원격 조작으로 행해진다. 자세 조작 부재는 중공의 가이드 파이프 내에 삽통되어 있으므로, 자세 조작 부재가 길이 방향과 교차하는 방향으로 위치가 어긋나지 않아, 항상 선단 부재에 대하여 적절하게 작용할 수 있어, 선단 부재의 자세 변경 동작이 정확하게 행해진다.

외곽 파이프의 중공 구멍은, 중심부의 원형 구멍부와, 이 원형 구멍부로부터 외경측으로 오목한 홈형부로 되므로, 외곽 파이프의 홈형부 이외의 개소의 두꺼운 부분을 두껍게 할 수 있다. 이로써, 스핀들 가이드부의 강성(단면 2차 모멘트)이 높아져, 선단 부재의 위치 결정 정밀도가 향상되고, 또한 절삭성이 향상된다. 예를 들면, 외곽 파이프의 단면 2차 모멘트가, 같은 외경의 중실(中實) 샤프트의 1/2 이상으로 된다. 또한, 홈형부에 가이드 파이프를 배치한 것에 의해, 가이드 파이프의 원주 방향의 위치 결정을 용이하게 행할 수 있으므로, 조립성이 양호하다.

본 발명에 있어서, 상기 자세 조작 부재는, 상기 가이드 파이프의 길이 방향을 따라 일렬로 배열된 복수 개의 힘 전달 부재, 또는 상기 가이드 파이프의 길이 방향을 따른 와이어로 이루어지는 것으로 할 수 있다.

어느 경우에도, 자세 변경용 구동원으로 자세 조작 부재를 진퇴시킬 수 있다. 또한, 자세 조작 부재는 전체적으로 가요성(可撓性)을 가지며, 스핀들 가이드부의 휨에 추종할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 가이드 파이프 및 이 가이드 파이프 내에 삽통된 자세 조작 부재를 2개소 또는 3개소에 설치하고, 상기 자세 변경용 구동원을 각각의 자세 조작 부재에 대하여 개별적으로 설치하고, 상기 2개소 또는 3개소의 자세 조작 부재의 상기 선단 부재에 대한 작용력의 균형에 의해 상기 선단 부재의 자세를 변경하고, 유지시켜도 된다. 2개 또는 3개의 자세 조작 부재로 선단 부재에 가압되므로, 1개의 자세 조작 부재만으로 가압되는 경우와 비교하여, 선단 부재의 자세 안정성을 높일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 스핀들 가이드부 내의 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 복수 개의 롤링 베어링을 설치하는 경우, 인접하는 롤링 베어링 사이에, 이들 롤링 베어링에 대하여 예압(豫壓)을 부여하는 스프링 요소(要素)를 설치하는 것이 바람직하다.

가공의 마무리를 양호하게 하기 위해서는, 스핀들을 고속 회전시켜 가공하는 것이 바람직하다. 스핀들을 고속 회전시키면, 공구에 작용하는 절삭 저항을 저감시키는 효과도 있다. 스핀들은 와이어 등으로 이루어지는 가는 회전축을 통하여 회전력이 전달되므로, 스핀들의 고속 회전을 실현시키기 위해, 회전축을 지지하는 롤링 베어링에 예압을 인가하여 두는 것이 필요하다. 이 예압을 위한 스프링 요소를 인접하는 롤링 베어링 사이에 설치하면, 스핀들 가이드부의 직경을 크게 하지 않고도 스프링 요소를 설치할 수 있다.

또한, 상기 스핀들 가이드부 내의 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 롤링 베어링을 설치한 경우, 이 롤링 베어링의 외경면을 상기 가이드 파이프로 지지하게 할 수 있다.

가이드 파이프를 이용함으로써, 여분의 부재를 사용하지 않고 롤링 베어링의 외경면을 지지할 수 있다.

상기 스핀들 가이드부 내의 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링을 설치하는 경우, 상기 외곽 파이프의 내부를 통과하는 냉각액에 의해 상기 베어링을 냉각시키는 냉각 수단을 설치해도 된다.

공구를 회전시키는 스핀들, 회전축 등의 회전하는 부재는, 회전 마찰에 의해 발열한다. 이에 의해 베어링이 가열된다. 냉각 수단을 설치하면, 베어링이나 상기 발열 개소를 냉각액에 의해 냉각시킬 수 있다. 외곽 파이프의 내부에 냉각액을 통과시키면, 냉각액 공급용의 관을 별도로 설치할 필요가 없어, 스핀들 가이드부를 간소화 및 소경화(小徑化)할 수 있다.

또한, 상기 냉각액에 의해 베어링을 윤활하는 효과도 얻어진다. 냉각액을 베어링의 윤활에 겸용하게 하면, 베어링에 일반적으로 사용되고 있는 그리스 등을 사용하지 않아도 되고, 또한 별도로 윤활 장치를 설치하지 않아도 된다.

또한, 상기 외곽 파이프의 내부를 통과하는 냉각액, 또는 외부로부터 공급되는 냉각액에 의해 상기 공구를 냉각시키는 냉각 수단을 설치해도 된다.

가공 시에는, 공구 및 피가공물이 발열한다. 냉각 수단을 설치하면, 공구 및 피가공물을 냉각액에 의해 냉각시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 냉각액을, 상기 스핀들 가이드부의 기단 근방에 설치된 냉각액 주입공으로부터 내부에 주입하고, 상기 스핀들 가이드부 및 선단 부재의 내부를 통하여 선단측으로 보내어, 상기 선단 부재로부터 상기 공구를 향해 토출시키는 냉각 수단을 설치하고, 또한 상기 스핀들 가이드부 내로부터 상기 구동부 하우징 내로의 상기 냉각액의 침입을 저지하는 실링(sealing) 수단을 설치해도 된다.

가공 시에는, 공구 및 피가공물이 발열하는 것 외에, 회전축, 스핀들 등의 회전하는 부재가 회전 마찰에 의해 발열한다. 냉각 수단을 설치함으로써, 스핀들 가이드부 및 선단 부재의 내부를 통하여 선단측으로 보내지는 냉각액에 의해 회전축, 스핀들 등이 냉각되어 선단 부재로부터 토출시키는 냉각액에 의해 공구 및 피가공물이 냉각된다. 스핀들 가이드부 및 선단 부재의 내부에 냉각액을 통과시킨 것에 의해, 냉각액 공급용의 관을 스핀들 가이드부 및 선단 부재의 외부에 설치하지 않아도 되므로, 스핀들 가이드부 및 선단 부재를 간소화 및 소경화할 수 있다.

또한, 실링 수단을 설치하였으므로, 스핀들 가이드부 내로부터 구동부 하우징 내로의 냉각액의 침입을 저지할 수 있어, 구동부 하우징 내의 공구 회전용 구동원 및 자세 변경용 구동원을 포함하는 기구의 고장이 쉽게 생기지 않아, 저수명화를 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 실링 수단은, 상기 냉각액 주입공보다 기단측의 위치에서 상기 회전축을 지지하는 미끄럼 베어링으로 할 수 있다.

미끄럼 베어링은 회전축에 접촉하여 지지하므로, 롤링 베어링과 비교하여, 베어링과 회전축과의 회전부의 간극이 작다. 그러므로, 냉각액 주입공보다 기단측에 위치하는 베어링을 미끄럼 베어링으로 함으로써, 이것을 실링 부재와 겸용할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 실링 수단은, 상기 구동부 하우징에 설치되어 상기 스핀들 가이드부의 기단으로 스핀들 가이드부의 내부와 연통되는 차폐(遮蔽) 공간을 가지고, 이 차폐 공간의 압력을 대기압보다 높게 해도 된다.

선단 부재의 냉각액 토출부는 대기압이므로, 차폐 공간의 압력을 대기압보다 높게 함으로써, 스핀들 가이드부 내의 냉각액이 선단 부재 측으로 흐르게 되어, 스핀들 가이드부 내의 냉각액이 구동부 하우징 내로 침입하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 가이드공의 내면과 상기 자세 조작 부재와의 사이에, 양자 사이의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감 수단을 설치해도 된다.

마찰 저감 수단을 설치하였으므로, 가이드공의 내면과 자세 조작 부재와의 사이에서 발생하는 마찰력을 저감시킬 수 있다. 이로써, 자세 변경용 구동원으로부터 자세 조작 부재에 주어진 힘이 선단 부재에 원활하게 전달되게 되어, 선단 부재의 자세 변경이 정확하게 행해진다. 또한, 스핀들 가이드부가 만곡되어 있는 경우라도, 자세 조작 부재에 주어진 힘이 정확하게 선단 부재에 전달되어, 선단 부재의 자세 변경이 정확하게 행해진다. 또한, 상기 마찰력이 저감되는 것에 의해, 자세 변경용 구동원을 소형화할 수 있는 동시에, 소비 에너지가 저하된다.

본 발명에 있어서, 상기 마찰 저감 수단은, 상기 가이드공의 내면 및 상기 자세 조작 부재의 표면 중 적어도 한쪽에 코팅된 코팅층으로 할 수 있다. 또는, 상기 마찰 저감 수단은, 상기 가이드공 내에 존재하는 윤활용의 유체(流體)라도 된다.

어느 쪽이라도, 가이드공의 내면과 자세 조작 부재와의 사이의 마찰력이 저감된다.

마찰 저감 수단이 윤활용의 유체인 경우, 상기 윤활용의 유체로서, 예를 들면, 물 또는 생리 식염수를 사용할 수 있다.

이 원격 조작형 액츄에이터가 의료용이며, 선단 부재를 생체 내에 삽입하여 가공을 행하는 경우, 윤활용의 유체가 물 또는 생리 식염수이면, 윤활용의 유체가 생체에 악영향을 주지 않는다.

본 발명에 있어서, 상기 선단 부재와 상기 자세 조작 부재의 접촉점에서의 접선에 대하여 수직인 수직선과 상기 회전축의 중심선이 이루는 각도를 α로 한 경우, 상기 각도 α는, 0°〈α〈45°인 것이 바람직하다.

선단 부재의 자세 조작 부재와의 접촉면이 자세 조작 부재의 진퇴 방향과 수직, 즉 선단 부재와 상기 자세 조작 부재의 접촉점에서의 접선에 대하여 수직인 수직선과 상기 회전축의 중심선이 이루는 각도 α= 0°이면, 선단 부재와 자세 조작 부재와의 사이에 미끄러짐이 생기지 않으므로, 선단 부재가 헤드스윙(headswing) 동작할 수 없다. 그러나, α〉0°이면, 자세 조작 부재에 대하여 선단 부재가 미끄러지면서 헤드스윙 동작하는 것이 가능하며, 선단 부재를 원활하게 자세 변경할 수 있다. 그러므로, 인체에 있어 바람직하지 않은 윤활제의 사용이나 코팅을 행하지 않아도 되므로, 의료 분야에서 사용하는 의료용 액츄에이터에 적절하다. 각도 α가 45°이상이면, 자세 조작 부재가 선단 부재에 가하는 힘을 축 방향력과 직경 방향력으로 분할한 경우에, 축 방향력보다 직경 방향력 쪽이 커지므로, 선단 부재에 구동력을 충분히 전달할 수 없다. 또한, 직경 방향력이 커지면, 자세 조작 부재와 그 안내면이 되는 상기 가이드공의 내면 사이에서 생기는 마찰력도 커지므로, 큰 구동력을 필요로 한다.

본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로부터, 보다 명료하게 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 실시예 및 도면은 단순한 도시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하기 위해 사용되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에 있어서, 복수 개의 도면에서의 동일한 부호는, 동일 또는 상당하는 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2의 (A)는 상기 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 II-II선 단면도, (C)는 선단 부재와 회전축과의 연결 구조를 나타낸 도면, (D)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 3의 (A)는 상기 원격 조작형 액츄에이터의 공구 회전용 구동 기구 및 자세 변경용 구동 기구의 측면도에 제어계를 조합하여 나타낸 도면, (B)는 그 III-III선 단면도이다.
도 4는 도 1의 원격 조작형 액츄에이터에 냉각 수단을 설치한 경우의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 5의 (A)는 본 발명의 제2 실시예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 평면도이다.
도 6의 (A)는 본 발명의 제3 실시예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 평면도이다.
도 7의 (A)는 본 발명의 제4 실시예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 VII-VII선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 8의 (A)는 본 발명의 제5 실시예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 VIII-VIII선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 9의 (A)는 본 발명의 제6 실시예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 IX-IX선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 10의 (A)는 본 발명의 제7 실시예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 X-X선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 11의 (A)는 본 발명의 제8 실시예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XI-XI선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 12는 도 9의 (A)~(C), 도 10의 (A)~(C), 및 도 11의 (A)~(C)에 나타낸 원격 조작형 액츄에이터의 공구 회전용 구동 기구 및 자세 변경용 구동 기구의 정면도이다.
도 13은 자세 변경용 구동 기구의 구성이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 공구 회전용 구동 기구 및 자세 변경용 구동 기구의 파단 측면도이다.
도 14는 상기 원격 조작형 액츄에이터의 자세 조작 부재와 구동부 하우징의 연결부의 확대도이다.
도 15는 스핀들 가이드부의 형상이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 제1 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 17의 (A)는 상기 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재, 스핀들 가이드부, 및 구동부 하우징의 일부의 단면도, (B)는 그 XVII-XVII선 단면도, (C)는 선단 부재와 회전축과의 연결 구조를 나타낸 도면, (D)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 18은 상기 원격 조작형 액츄에이터의 공구 회전용 구동 기구 및 자세 변경용 구동 기구의 측면도에 제어계를 조합하여 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 제2 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 스핀들 가이드부와 구동부 하우징과의 결합부의 단면도이다.
도 20은 실링 수단이 상이한 구성을 나타낸 스핀들 가이드부 및 구동부 하우징의 일부의 단면도이다.
도 21은 실링 수단의 또 다른 상이한 구성을 나타낸 스핀들 가이드부 및 구동부 하우징의 일부의 단면도이다.
도 22의 (A)는 본 발명의 제3 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXII-XXII선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 23의 (A)는 본 발명의 제4 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXIII-XXIII선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 24의 (A)는 본 발명의 제5 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXIV-XXIV선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 25의 (A)는 본 발명의 제6 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXV-XXV선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 26의 (A)는 본 발명의 제7 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXVI-XXVI선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 27의 (A)는 본 발명의 제9 실시예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재, 스핀들 가이드부, 및 구동부 하우징의 일부의 단면도, (B)는 그 XXVII-XXVII선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 28은 도 24 내지 도 27에 나타낸 각각의 원격 조작형 액츄에이터의 공구 회전용 구동 기구 및 자세 변경용 구동 기구의 측면도이다.
도 29는 자세 변경용 구동 기구의 구성이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 공구 회전용 구동 기구 및 자세 변경용 구동 기구의 파단 측면도이다.
도 30은 상기 원격 조작형 액츄에이터의 자세 조작 부재와 구동부 하우징의 연결부의 확대도이다.
도 31은 스핀들 가이드부의 형상이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 개략인 구성을 나타낸 도면이다.
도 32의 (A)는 제8 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXXII-XXXII선 단면도, (C)는 선단 부재와 회전축과의 연결 구조를 나타낸 도면, (D)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 33은 도 32의 XXXIII부의 확대도이다.
도 34는 도 33과 마찰 저감 수단이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 단면의 부분도이다.
도 35는 도 33 및 도 34와 마찰 저감 수단이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 단면의 부분도이다.
도 36은 도 25의 XXXVI부의 확대도이다.
도 37은 도 36과 마찰 저감 수단이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 단면의 부분도이다.
도 38은 도 36 및 도 37과 마찰 저감 수단이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 단면의 부분도이다.
도 39는 도 26의 XXXIX부의 확대도이다.
도 40은 도 39와 마찰 저감 수단이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 단면의 부분도이다.
도 41은 도 39 및 도 40과 마찰 저감 수단이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 단면의 부분도이다.
도 42는 본 발명의 제9 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터로서, (A)는 상기 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXXXII-XXXXII선 단면도, (C)는 선단 부재와 회전축과의 연결 구조를 나타낸 도면이다.
도 43은 선단 부재와 자세 조작 부재의 접촉점에 작용하는 힘을 나타낸 설명도이다.
도 44는 선단 부재의 접촉면의 형상이 상이한 원격 조작형 액츄에이터의 부분 단면도로서, (A), (B), (C)는 각각 선단 부재의 자세가 상이한 상태를 나타낸다.
도 45의 (A)는 본 발명의 제10 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXXXV-XXXXV선 단면도이다.
도 46의 (A)는 본 발명의 제11 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXXXVI-XXXXVI선 단면도이다.
도 47의 (A)는 본 발명의 제12 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXXXVII-XXXXVII선 단면도, (C)는 선단 부재의 하우징을 기단측으로부터 본 도면이다.
도 48의 (A)는 본 발명의 제10 실시예에 관한 원격 조작형 액츄에이터의 선단 부재 및 스핀들 가이드부의 단면도, (B)는 그 XXXXVIII-XXXXVIII선 단면도이다.

본 발명의 제1 실시예를 도 1 내지 도 3의 (A), (B)를 참조하여 설명한다. 도 1에 있어서, 이 원격 조작형 액츄에이터는, 회전식의 공구(1)를 유지하는 선단 부재(2)와, 이 선단 부재(2)가 선단에 자세 변경 가능하게 장착된 가늘고 긴 형상의 스핀들 가이드부(3)와, 이 스핀들 가이드부(3)의 기단이 결합된 구동부 하우징(4a)과, 이 구동부 하우징(4a) 내의 공구 회전용 구동 기구(4b) 및 자세 변경용 구동 기구(4c)를 제어하는 컨트롤러(5)를 구비한다. 구동부 하우징(4a)은, 내장된 공구 회전용 구동 기구(4b) 및 자세 변경용 구동 기구(4c)와 함께 구동부(4)를 구성한다.

도 2의 (A)~(D)에 나타낸 바와 같이, 선단 부재(2)는, 대략 원통형의 하우징(11)의 내부에, 한쌍의 베어링(12)에 의해 스핀들(13)이 회전 가능하게 지지되어 있다. 스핀들(13)은, 선단측이 개구된 통형이며, 중공부에 공구(1)의 생크(shank)(1a)가 끼워맞춤 상태로 삽입되고, 회전방지핀(14)에 의해 생크(1a)가 회전 불가능하게 결합된다. 이 선단 부재(2)는, 선단 부재 연결부(15)를 통하여 스핀들 가이드부(3)의 선단에 장착된다. 선단 부재 연결부(15)는, 선단 부재(2)를 자세 변경 가능하게 지지하는 수단이며, 구면(球面) 베어링으로 이루어진다. 구체적으로는, 선단 부재 연결부(15)는, 하우징(11)의 기단의 내경 축경부로 이루어지는 피안내부(11a)와, 스핀들 가이드부(3)의 선단에 고정된 이탈 방지 부재(21)의 콜러형부(collar type portion))로 이루어지는 안내부(21a)로 구성된다. 피안내부(11a)와 안내부(21a)가 서로 접하는 각 안내면 F1, F2는, 스핀들(13)의 중심선 CL 상에 곡률 중심 O가 위치하고, 기단측으로 갈수록 직경이 작은 구면으로 되어 있다. 이로써, 스핀들 가이드부(3)에 대하여 선단 부재(2)가 이탈이 방지되는 동시에, 자세 변경 가능하게 지지된다. 이 예는, 곡률 중심 O를 통과하는 X축 주위에 선단 부재(2)가 자세 변경되는 구성이므로, 안내면 F1, F2가, 점 O를 통과하는 X축을 축심으로 하는 원통면이라도 된다.

스핀들 가이드부(3)는, 구동부 하우징(4a) 내의 공구 회전용 구동원(41)[도 3의 (A), (B)]의 회전력을 상기 스핀들(13)에 전달하는 회전축(22)을 가진다. 이 예에서는, 회전축(22)은 와이어로 되어, 어느 정도의 탄성 변형이 가능하다. 와이어의 재질로서는, 예를 들면, 금속, 수지, 유리 섬유 등이 사용된다. 와이어는 단선(單線)이라도, 트위스트선이라도 된다. 도 2의 (C)에 나타낸 바와 같이, 스핀들(13)과 회전축(22)은, 자유로운 조인트 등의 조인트(23)를 통하여 회전 전달 가능하게 접속되어 있다. 조인트(23)는, 스핀들(13)의 폐색(閉塞)한 기단에 형성된 홈(13a)과, 회전축(22)의 선단에 형성되어 상기 홈(13a)에 걸어맞추는 돌기(22a)로 구성된다. 상기 홈(13a)과 돌기(22a)와의 연결 개소의 중심은, 상기 안내면 F1, F2의 곡률 중심 O와 동일한 위치이다. 회전축(22)과 돌기(22a)는 별도의 부재로서 구성해도 된다.

스핀들 가이드부(3)는, 이 스핀들 가이드부(3)의 외곽으로 되는 외곽 파이프(25)를 가진다. 외곽 파이프(25)는 양단이 관통된 중공형이며, 그 중공 구멍(24)은, 중심부의 원형 구멍부(24a)와, 이 원형 구멍부(24a)의 외주에서의 서로 180°의 위상을 이루는 주위 방향 위치로부터 외경측으로 오목한 2개의 홈형부(24b)로 된다. 홈형부(24b)의 선단의 주위벽은, 단면(斷面)이 반원형이다. 예를 들면, 외곽 파이프(25)의 외경은 8~10mm, 홈형부(24) 이외의 개소의 내경은 3~5mm이다. 또한, 외곽 파이프(25)의 재질로서는, 스테인레스, 티탄 등이 적합하다.

외곽 파이프(25)를 상기 단면 형상으로 했으므로, 외곽 파이프(25)의 홈형부(24b) 이외의 개소의 두꺼운 부분 t를 두껍게 할 수 있다. 이로써, 외곽 파이프(25)의 단면(斷面) 2차 모멘트를, 같은 외경의 중실 샤프트의 1/2 이상으로 할 수 있다. 예를 들면, 스테인레스 재료로 이루어지는 외경 8mm의 중실 샤프트의 경우, 단면 2차 모멘트는 약 200mm⁴이다.

상기 중공 구멍(24)의 원형 구멍부(24a)에는, 상기 회전축(22)이 배치된다. 회전축(22)은, 각각 축 방향으로 이격되어 배치된 복수 개의 롤링 베어링(26)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 각각의 롤링 베어링(26) 사이에는, 이들 롤링 베어링(26)에 예압을 발생시키기 위한 스프링 요소(27A, 27B)가 설치되어 있다. 스프링 요소(27A, 27B)는, 예를 들면, 압축 코일 스프링이다. 롤링 베어링(26)의 내륜에 예압을 발생시키는 내륜용 스프링 요소(27A)와, 외륜에 예압을 발생시키는 외륜용 스프링 요소(27B)가 있고, 이들은 교호적(交互的)으로 배치되어 있다. 상기 이탈 방지 부재(21)는, 고정핀(28)에 의해 외곽 파이프(25)의 파이프 엔드부(25a)에 고정되고, 그 선단 내주부에서 롤링 베어링(29)을 통하여 회전축(22)의 선단부를 회전 가능하게 지지하고 있다. 파이프 엔드부(25a)는, 외곽 파이프(25)와 별도의 부재로 하고, 용접 등에 의해 결합시켜도 된다.

상기 중공 구멍(24)의 한쪽[도 2의 (B)에서의 위쪽]의 홈형부(24b)에는, 양단이 관통된 중공의 가이드 파이프(30)가 설치된다. 그리고, 이 가이드 파이프(30)의 내경 구멍인 가이드공(30a) 내에 자세 조작 부재(31)가 진퇴 가능하게 삽통되어 있다. 이 예에서는, 자세 조작 부재(31)는 와이어이다. 자세 조작 부재(31)의 선단은 구면형이며, 그 구면형의 선단이, 하우징(11)의 기단면에 형성된 직경 방향의 홈부(11b)의 저면에 맞닿아 있다. 도 2의 (D)에 나타낸 바와 같이, 홈부(11b) 및 자세 조작 부재(31)는 회전 방지 기구(37)를 구성하고, 홈부(11b)에 삽입된 자세 조작 부재(31)의 선단부가 홈부(11b)의 측면에 접촉되는 것에 의해, 선단 부재(2)가 스핀들 가이드부(3)에 대하여 선단 부재(2)의 중심선 CL 주위로 회전하는 것을 방지하고 있다.

상기 자세 조작 부재(31)가 위치하는 주위 방향 위치에 대해 180°의 위상의 위치에는, 선단 부재(2)의 하우징(11)의 기단면과 스핀들 가이드부(3)의 외곽 파이프(25)의 선단면과의 사이에, 예를 들면, 압축 코일 스프링으로 이루어지는 복원용 탄성 부재(32)가 설치되어 있다. 이 복원용 탄성 부재(32)는, 선단 부재(2)를 소정 자세측으로 가압하는 작용을 한다.

상기 중공 구멍(24)의 다른 한쪽[도 2의 (B)에서의 아래쪽]의 홈형부(24b)에는, 중실의 보강 샤프트(34)가 배치되어 있다. 보강 샤프트(34)는, 스핀들 가이드부(3)의 강성을 확보하기 위한 것이다. 가이드 파이프(30)와 보강 샤프트(34)는 동일 피치의 원 C 상에 위치하고, 이들 가이드 파이프(30) 및 보강 샤프트(34)와 롤링 베어링(26)의 외경면을 지지하고 있다.

도 3의 (A), (B)는, 구동부 하우징(4a) 내의 공구 회전용 구동 기구(4b) 및 자세 변경용 구동 기구(4c)를 나타낸다. 공구 회전용 구동 기구(4b)는, 컨트롤러(5)에 의해 제어되는 공구 회전용 구동원(41)을 구비한다. 공구 회전용 구동원(41)은, 예를 들면, 전동 모터이며, 그 출력축(41a)이 상기 회전축(22)의 기단에 결합되어 있다. 자세 변경용 구동 기구(4c)는, 컨트롤러(5)에 의해 제어되는 자세 변경용 구동원(42)을 구비한다. 자세 변경용 구동원(42)는, 예를 들면, 전동 리니어 액츄에이터이며, 도 3의 (A)의 좌우 방향으로 이동하는 출력 로드(42a)의 동작이, 증력(增力) 전달 기구(43)를 통하여 상기 자세 조작 부재(31)에 전달된다. 증력 전달 기구(43)는, 지지축(43a) 주위로 회동 가능한 레버(43b)를 가지고, 이 레버(43b)에서의 지지축(43a)으로부터의 거리가 긴 작용점 P1에 출력 로드(42a)의 힘이 작용하여, 지지축(43a)으로부터의 거리가 짧은 역점(力点) P2에서 자세 조작 부재(31)에 힘을 부여하는 구성이며, 자세 변경용 구동원(42)의 출력이 증력되어 자세 조작 부재(31)에 전달된다. 증력 전달 기구(43)를 설치하면, 작은 출력의 리니어 액츄에이터라도 자세 조작 부재(31)에 큰 힘을 부여하는 것이 가능하므로, 리니어 액츄에이터의 소형화가 가능하게 된다. 그리고, 회전축(22)은, 레버(43b)에 형성된 개구부(44)를 관통하고 있다. 그리고, 리니어 액츄에이터 등을 설치하는 대신에, 수동에 의해 선단 부재(2)의 자세를 원격 조작해도 된다. 또한, 공구 회전용 구동원(41) 또는 자세 변경용 구동원(42)의 양쪽 또는 어느 한쪽을 구동부 하우징(4a) 밖에 설치해도 된다.

자세 변경용 구동 기구(4c)에는, 자세 변경용 구동원(42)의 동작량을 검출하는 동작량 검출기(45)가 설치되어 있다. 이 동작량 검출기(45)의 검출값은, 자세 검출 수단(46)에 출력된다. 자세 검출 수단(46)은, 동작량 검출기(45)의 출력에 의해, 선단 부재(2)의 X축[도 2의 (B)] 회전의 경사이동 자세를 검출한다. 자세 검출 수단(46)은, 상기 경사이동 자세와 동작량 검출기(45)의 출력 신호와의 관계를 연산식 또는 테이블 등에 의해 설정한 관계 설정 수단(도시하지 않음)을 가지고, 입력된 출력 신호로부터 상기 관계 설정 수단을 사용하여 경사이동 자세를 검출한다. 이 자세 검출 수단(46)은, 컨트롤러(5)에 설치된 것이어도, 또는 외부의 제어 장치에 설치된 것이어도 된다.

또한, 자세 변경용 구동 기구(4c)에는, 전동 액츄에이터인 자세 변경용 구동원(42)에 공급되는 전력량을 검출하는 공급 전력계(47)가 설치되어 있다. 이 공급 전력계(47)의 검출값은, 하중 검출 수단(48)에 출력된다. 하중 검출 수단(48)은, 공급 전력계(47)의 출력에 의해, 선단 부재(2)에 작용하는 하중을 검출한다. 하중 검출 수단(48)은, 상기 하중과 공급 전력계(47)의 출력 신호와의 관계를 연산식 또는 테이블 등에 의해 설정한 관계 설정 수단(도시하지 않음)을 가지고, 입력된 출력 신호로부터 상기 관계 설정 수단을 사용하여 하중을 검출한다. 이 하중 검출 수단(48)은, 컨트롤러(5)에 설치된 것이어도, 또는 외부의 제어 장치에 설치된 것이어도 된다.

컨트롤러(5)는, 상기 자세 검출 수단(46) 및 하중 검출 수단(48)의 검출값에 기초하여, 공구 회전용 구동원(41) 및 자세 변경용 구동원(42)을 제어한다.

이 원격 조작형 액츄에이터의 동작을 설명한다.

공구 회전용 구동원(41)을 구동시키면, 그 회전력이 회전축(22)을 통하여 스핀들(13)에 전달되어, 스핀들(13)과 함께 공구(1)가 회전한다. 공구(1)를 회전시켜 뼈 등을 절삭 가공할 때 선단 부재(2)에 작용하는 하중은, 공급 전력계(47)의 검출값으로부터, 하중 검출 수단(48)에 의해 검출된다. 이와 같이 검출되는 하중의 값에 따라 원격 조작형 액츄에이터 전체의 이송량이나 후기 선단 부재(2)의 자세 변경을 제어함으로써, 선단 부재(2)에 작용하는 하중을 적절하게 유지한 상태에서 뼈의 절삭 가공을 행할 수 있다.

사용 시에는, 자세 변경용 구동원(42)을 구동시켜, 원격 조작으로 선단 부재(2)의 자세 변경을 행한다. 예를 들면, 자세 변경용 구동원(42)에 의해 자세 조작 부재(31)를 선단측으로 진출시키면, 자세 조작 부재(31)에 의해 선단 부재(2)의 하우징(11)이 가압되고, 선단 부재(2)는 도 2의 (A)에 있어서 선단측이 하향으로 되는 측으로 안내면 F1, F2를 따라 자세가 변경된다. 반대로, 자세 변경용 구동원(42)에 의해 자세 조작 부재(31)를 후퇴시키면, 복원용 탄성 부재(32)의 탄성 반발력에 의해 선단 부재(2)의 하우징(11)이 되밀어내져, 선단 부재(2)는 도 2의 (A)에 있어서 선단측이 상방향으로 되는 측으로 안내면 F1, F2를 따라 자세가 변경된다. 그 때, 선단 부재 연결부(15)에는, 자세 조작 부재(31)의 압력, 복원용 탄성 부재(32)의 탄성 반발력, 및 이탈 방지 부재(21)로부터의 반력(反力)이 작용하고 있고, 이들 작용력의 균형에 의해 선단 부재(2)의 자세가 결정된다. 선단 부재(2)의 자세는, 동작량 검출기(45)의 검출값으로부터, 자세 검출 수단(46)에 의해 검출된다. 그러므로, 원격 조작으로 선단 부재(2)의 자세를 적절하게 제어할 수 있다.

또한, 선단 부재(2)가 스핀들 가이드부(3)에 대하여 선단 부재(2)의 중심선 CL 주위로 회전하는 것을 방지하는 회전 방지 기구(37)가 설치되어 있으므로, 자세 조작 부재(31)의 진퇴를 제어하는 자세 변경용 구동 기구(4c)나 그 제어 장치의 고장 등에 의해 공구(1)를 유지하는 선단 부재(2)가 제어 불가능하게 된 경우라도, 선단 부재(2)가 중심선 CL 주위로 회전하여 가공 개소의 주위를 손상시키거나 선단 부재(2) 자체가 파손되거나 하는 것을 방지할 수 있다.

자세 조작 부재(31)는 가이드 파이프(30)의 가이드공(30a)에 삽통되어 있으므로, 자세 조작 부재(31)가 길이 방향과 교차하는 방향으로 위치가 어긋나지 않으므로, 항상 선단 부재(2)에 대하여 적절하게 작용할 수 있어, 선단 부재(2)의 자세 변경 동작이 정확하게 행해진다. 또한, 자세 조작 부재(31)는 와이어로 이루어지고 가요성을 가지므로, 스핀들 가이드부(3)가 만곡된 상태라도 선단 부재(2)의 자세 변경 동작이 확실하게 행해진다. 또한, 스핀들(13)과 회전축(22)과의 연결 개소의 중심이 안내면 F1, F2의 곡률 중심 O와 동일 위치이므로, 선단 부재(2)의 자세 변경에 의해 회전축(22)에 대하여 푸시풀(push-pull)하는 힘이 걸리지 않아, 선단 부재(2)가 원활하게 자세 변경할 수 있다.

이 원격 조작형 액츄에이터는, 예를 들면, 인공 관절 치환 수술에 있어서 뼈의 수강부(髓腔部)를 깎는 데 사용되는 것이며, 시술 시에는, 선단 부재(2)의 전부 또는 일부가 환자의 체내에 삽입하여 사용된다. 그러므로, 상기한 바와 같이, 선단 부재(2)의 자세를 원격 조작으로 변경할 수 있으면, 항상 공구(1)를 적정한 자세로 유지한 상태에서 뼈의 가공을 행할 수 있어, 인공 관절 삽입용 구멍을 양호한 정밀도로 마무리할 수 있다.

가늘고 긴 형상인 스핀들 가이드부(3)는, 외곽 파이프(25)의 중심부에 회전축(22)을 설치하고, 이 회전축(22)의 주위에, 자세 조작 부재(31)를 수용한 가이드 파이프(30)와 보강 샤프트(34)를 서로 180°의 위상을 이루는 주위 방향 위치에 배치한 것에 의해, 회전축(22), 가이드 파이프(30), 및 보강 샤프트(34)를 양호한 밸런스로 설치할 수 있다.

외곽 파이프(25)의 홈형부(24b) 이외의 개소의 두꺼운 부분이 두꺼우므로, 스핀들 가이드부(3)의 강성(단면 2차 모멘트)이 높다 그러므로, 선단 부재(2)의 위치 결정 정밀도가 향상되고, 또한 절삭성이 향상된다. 또한, 홈형부(24b)에 가이드 파이프(30) 및 보강 샤프트(34)를 각각 배치한 것에 의해, 가이드 파이프(30) 및 보강 샤프트(34)의 원주 방향의 위치 결정을 용이하게 행할 수 있으므로, 조립성이 양호하다.

회전축(22)을 지지하는 롤링 베어링(26)의 외경면을, 가이드 파이프(30)와 보강 샤프트(34)로 지지하도록 하였으므로, 여분의 부재를 사용하지 않고 롤링 베어링(26)의 외경면(外徑面)을 지지할 수 있다. 또한, 스프링 요소(27A, 27B)에 의해 롤링 베어링(26)에 예압이 인가되어 있으므로, 와이어로 이루어지는 회전축(22)을 고속 회전시키는 것이 가능하다. 그러므로, 스핀들(13)을 고속 회전시켜 가공할 수 있어, 가공의 마무리를 양호하게 할 수 있으므로, 공구(1)에 작용하는 절삭 저항이 저감된다. 스프링 요소(27A, 27B)는 인접하는 롤링 베어링(26) 사이에 형성되어 있으므로, 스핀들 가이드부(3)의 직경을 크게 하지 않고 스프링 요소(27A, 27B)를 형성할 수 있다.

스핀들 가이드부(3)의 강성을 보다 높이기 위해서는, 도 5의 (A), (B)에 나타낸 제2 실시예 또는 도 6의 (A), (B)에 나타낸 제3 실시예와 같이, 파이프 고정부(65)에 의해, 외곽 파이프(25)와 가이드 파이프(30)를 고정하면 된다. 도 5의 (A), (B)의 파이프 고정부(65)는, 외곽 파이프(25)의 주위벽에 내외로 연통되는 개구부(66)를 형성하고, 외곽 파이프(25)에서의 상기 개구부(66)의 주위와 가이드 파이프(30)를 납땜 또는 용접(67)에 의해 고정한 것이다. 도 6의 (A), (B)의 파이프 고정부(65)는, 외곽 파이프(25)의 외경면 측으로부터 레이저 용접(68)에 의해 외곽 파이프(25)와 가이드 파이프(30)를 고정한 것이다. 어느 쪽의 파이프 고정부(65)도, 외곽 파이프(25)와 가이드 파이프(30)를 비교적 용이하게, 또한 견고하게 고정할 수 있다. 특히, 전자에 비해 후자는, 외곽 파이프(25)에 개구부(66)를 형성하지 않아도 되므로, 보다 한층 스핀들 가이드부(3)의 강성을 높일 수 있고, 또한 조립성이 향상된다.

그리고, 도시는 생략하지만, 외곽 파이프(25)와 보강 샤프트(34)를 상기한 바와 동일한 방법으로 고정시켜도, 스핀들 가이드부(3)의 강성을 높일 수 있다.

이 원격 조작형 액츄에이터는, 스핀들 가이드부(3)가 중공형인 것을 이용하여, 공구(1) 등을 냉각시키는 냉각 수단(50)을 도 4와 같이 설치할 수 있다. 즉, 냉각 수단(50)은, 구동부 하우징(4a)의 외부에 설치한 냉각액 공급 장치(51)와, 이 냉각액 공급 장치(51)로부터 구동부 하우징(4a), 스핀들 가이드부(3), 및 선단 부재(2)의 내부를 통하여 공구(1)에 냉각액을 안내하는 냉각액 공급관(52)으로 이루어지고, 냉각액 공급관(52)에서의 스핀들 가이드부(3)를 통과하는 부분(52a)은 외곽 파이프(25) 자체가 냉각액 공급관(52)이며, 외곽 파이프(25)의 내부를 냉각액이 통과하도록 되어 있다. 공구(1)까지 안내된 냉각액은, 공구(1)의 외주로 토출된다. 이와 같은 냉각 수단(50)을 설치하면, 냉각액에 의해, 공구(1), 피가공물, 스핀들(13), 회전축(22), 베어링(26, 29) 등의 발열 개소를 냉각시킬 수 있다. 외곽 파이프(25) 내에 냉각액을 통과시키기 위해, 냉각액 공급용의 관을 별도로 설치할 필요가 없어, 스핀들 가이드부(3)를 간소화 및 소경화할 수 있다. 또한, 상기 냉각액을 롤링 베어링(26, 29)의 윤활에 겸용해도 된다. 그러면, 베어링에 일반적으로 사용되고 있는 그리스 등을 사용하지 않아도 되고, 또한 별도로 윤활 장치를 설치하지 않아도 된다. 그리고, 공구(1)까지 안내된 냉각액을 공구(1)의 외주로 토출시키지 않고, 냉각액 공급 장치(51)로 되돌리는 순환형의 구성으로 해도 된다. 또한, 외곽 파이프(25) 내에 통과시키는 냉각액의 유량이 적은 경우에는, 또한 외부로부터 냉각액을 공급하고, 공구(1)나 피가공물을 냉각시켜도 된다.

상기 냉각액은, 물 또는 생리 식염수인 것이 바람직하다. 냉각액이 물 또는 생리 식염수이면, 선단 부재(2)를 생체 내에 삽입하여 가공을 행하는 경우에 냉각액이 생체에 악영향을 주지 않기 때문이다. 냉각액을 물 또는 생리 식염수로 하는 경우, 냉각액과 접하는 부품의 재질은, 내부식성이 우수한 스테인레스인 것이 바람직하다. 이 원격 조작형 액츄에이터를 구성하는 다른 부품도, 스테인레스제라도 된다.

상기 각각의 실시예에서는, 자세 조작 부재(31)가 하우징(11)을 가압함으로써 선단 부재(2)의 자세 변경을 행하지만, 도 7의 (A)~(C)에 나타낸 제4 실시예와 같이, 와이어로 이루어지는 자세 조작 부재(31)의 선단과 하우징(11)을 연결 부재(31a)로 연결하고, 자세 변경용 구동원(도시하지 않음)에 의해 자세 조작 부재(31)를 기단측으로 후퇴시킴으로써, 자세 조작 부재(31)가 하우징(11)을 당겨 선단 부재(2)의 자세 변경을 행하도록 해도 된다. 이 경우, 복원용 탄성 부재(32)는 인장(引張) 코일 스프링으로 한다.

도 8의 (A)~(C)는 제5 실시예를 나타낸다. 이 원격 조작형 액츄에이터는, 도 1 내지 도 3의 (A), (B)의 제1 실시예에서의 보강 샤프트(34) 대신에 가이드 파이프(30)를 설치하고, 그 가이드 파이프(30)의 내경 구멍인 가이드공(30a) 내에 자세 조작 부재(31)가 진퇴 가능하게 삽통되어 있다. 즉, 2세트의 가이드 파이프(30) 및 자세 조작 부재(31)가, 서로 180°의 위상에 있는 주위 방향 위치에 배치되어 있다. 복원용 탄성 부재(32)는 설치되어 있지 않다. 안내면 F1, F2는, 곡률 중심이 점 O인 구면, 또는 점 O를 통과하는 X축을 축심으로 하는 원통면이다.

구동부(4)(도시하지 않음)에는, 2개의 자세 조작 부재(31)를 각각 개별적으로 진퇴 조작시키는 2개의 자세 변경용 구동원(42)(도시하지 않음)이 형성되어 있고, 이들 2개의 자세 변경용 구동원(42)을 서로 역방향으로 구동함으로써 선단 부재(2)의 자세 변경을 행한다. 예를 들면, 도 8의 (A)에서의 위쪽의 자세 조작 부재(31)를 선단측으로 진출시키고, 또한 아래쪽의 자세 조작 부재(31)를 후퇴시키면, 위쪽의 자세 조작 부재(31)에 의해 선단 부재(2)의 하우징(11)이 가압되는 것에 의해, 선단 부재(2)는 도 8의 (A)에 있어서 선단측이 하향으로 되는 측으로 안내면 F1, F2를 따라 자세가 변경된다. 반대로, 양 자세 조작 부재(31)를 반대로 진퇴시키면, 아래쪽의 자세 조작 부재(31)에 의해 선단 부재(2)의 하우징(11)이 가압되는 것에 의해, 선단 부재(2)는 도 8의 (A)에 있어서 선단측이 상방향으로 되는 측으로 안내면 F1, F2를 따라 자세가 변경된다. 그 때, 선단 부재 연결부(15)에는, 상하 2개의 자세 조작 부재(31)의 압력, 및 이탈 방지 부재(21)로부터의 반력이 작용하고 있고, 이들 작용력의 균형에 의해 선단 부재(2)의 자세가 결정된다. 이 구성에서는, 2개의 자세 조작 부재(31)와 선단 부재(2)의 하우징(11)에 가압되므로 1개의 자세 조작 부재(31)만으로 가압되는 상기 실시예와 비교하여, 선단 부재(2)의 자세 안정성을 높일 수 있다.

도 9의 (A)~(C)는 제6 실시예를 나타낸다. 이 원격 조작형 액츄에이터는, 외곽 파이프(25)의 중공 구멍(24)이, 중심부의 원형 구멍부(24a)와, 이 원형 구멍부(24a)의 외주에서의 서로 120°의 위상을 이루는 주위 방향 위치로부터 외경측으로 오목한 3개의 홈형부(24b)로 된다. 그리고, 각각의 홈형부(24b)에 가이드 파이프(30)를 설치하고, 그 가이드 파이프(30)의 내경 구멍인 가이드공(30a) 내에 자세 조작 부재(31)가 진퇴 가능하게 삽통되어 있다. 이 예에서는, 각각의 자세 조작 부재(31)는, 와이어(31a)와, 이 와이어(31a)의 선단측에 설치한 기둥형 핀(31c)으로 이루어진다. 기둥형 핀(31c)의 선단은 구면형이며, 그 구면형의 선단이, 하우징(11)의 기단면에 형성된 직경 방향의 홈부(11b)의 저면에 맞닿아 있다. 복원용 탄성 부재(32)는 설치되어 있지 않다. 안내면 F1, F2는 곡률 중심이 점 O인 구면이며, 선단 부재(2)는 임의 방향으로 경사이동 가능하다.

구동부(4)에는, 3개의 자세 조작 부재(31)[31U, 31L, 31R]를 각각 개별적으로 진퇴 조작시키는 3개의 자세 변경용 구동원(42)[42U, 42L, 42R)(도 12)이 설치되어 있고, 이들 3개의 자세 변경용 구동원(42)을 서로 연계시켜 구동함으로써 선단 부재(2)의 자세 변경을 행한다.

예를 들면, 도 9의 (A)~(C)에서의 위쪽의 하나의 자세 조작 부재(31U)를 선단측으로 진출시키고, 또한 다른 2개의 자세 조작 부재(31L, 31R)를 후퇴시키면, 위쪽의 자세 조작 부재(31U)에 의해 선단 부재(2)의 하우징(11)이 가압되는 것에 의해, 선단 부재(2)는 도 9의 (A)에 있어서 선단측이 하향으로 되는 측으로 안내면 F1, F2를 따라 자세가 변경된다. 이 때, 각각의 자세 조작 부재(31)의 진퇴량이 적절하게 되도록, 각각의 자세 변경용 구동원(42)이 제어된다. 각각의 자세 조작 부재(31)를 반대로 진퇴시키면, 좌우의 자세 조작 부재(31L, 31R)에 의해 선단 부재(2)의 하우징(11)이 가압되는 것에 의해, 선단 부재(2)는 도 9의 (A)에 있어서 선단측이 상방향으로 되는 측으로 안내면 F1, F2를 따라 자세가 변경된다.

또한, 위쪽의 자세 조작 부재(31U)가 정지된 상태에서, 좌측의 자세 조작 부재(31L)를 선단측으로 진출시키고, 또한 우측의 자세 조작 부재(31R)를 후퇴시키면, 좌측의 자세 조작 부재(31L)에 의해 선단 부재(2)의 하우징(11)이 가압되는 것에 의해, 선단 부재(2)는 우측을 향하고, 즉 도 9의 (A)에 있어서 지면의 배면측 방향으로 되는 측으로 안내면 F1, F2를 따라 자세가 변경된다. 좌우의 자세 조작 부재(31L, 31R)를 반대로 진퇴시키면, 우측의 자세 조작 부재(31R)에 의해 선단 부재(2)의 하우징(11)이 가압되는 것에 의해, 선단 부재(2)는 좌측 방향으로 되는 측으로 안내면 F1, F2를 따라 자세가 변경된다.

이와 같이 자세 조작 부재(31)를 원주 방향의 3개소에 설치함으로써, 선단 부재(2)를 상하 좌우의 2축(X축, Y축)의 방향으로 자세를 변경할 수 있다. 그 때, 선단 부재 연결부(15)에는, 3개의 자세 조작 부재(31)의 압력, 및 이탈 방지 부재(21)로부터의 반력이 작용하고 있고, 이들 작용력의 균형에 의해 선단 부재(2)의 자세가 결정된다. 이 구성에서는, 3개의 자세 조작 부재(31)에 의해 선단 부재(2)의 하우징(11)에 가압되므로, 보다 선단 부재(2)의 자세 안정성을 높일 수 있다. 자세 조작 부재(31)의 수를 보다 늘리면, 선단 부재(2)의 자세 안정성을 더 한층 높일 수 있다.

자세 조작 부재(31)는, 도 10의 (A)~(C)에 나타낸 제7 실시예 및 도 11의 (A)~(C)에 나타낸 제8 실시예와 같이, 가이드공(30a)의 길이 방향으로 간극없이 배열된 복수 개의 힘 전달 부재로 구성해도 된다. 도 10의 (A)~(C)의 예는, 복수 개의 힘 전달 부재가 볼(31d)이며, 그 볼(31d)이 배열된 선단측에 기둥형 핀(31c)이 설치되어 있다. 도 11의 (A)~(C)의 예는, 복수 개의 힘 전달 부재가 원기둥 등의 기둥형체(31e)이며, 그 기둥형체(31e)가 배열된 선단측에 기둥형 핀(31c)이 설치되어 있다. 기둥형 핀(31c)은 상기한 것과 동일한 것이며, 그 구면형의 선단이, 하우징(11)의 기단면에 형성된 직경 방향의 홈부(11b)의 저면에 맞닿아 있다.

이와 같이, 자세 조작 부재(31)가 복수 개의 힘 전달 부재(31d, 31e)로 구성되어 있는 경우에는, 자세 조작 부재(31)의 선단에서 선단 부재(2)를 가압하는 측으로 동작함으로써 선단 부재(2)를 자세 변경시킨다. 자세 조작 부재(31)가 복수 개의 힘 전달 부재(31d, 31e)로 구성되어 있어도, 선단 부재(2)에 대하여 확실하게 작용하게 할 수가 있다. 힘 전달 부재(31d, 31e)는 가이드공(30a) 내에 배열되어 있으므로, 자세 조작 부재(31)가 길이 방향과 교차하는 방향으로 위치가 어긋나지 않아, 항상 선단 부재(2)에 대하여 적절하게 작용할 수 있어, 선단 부재(2)의 자세 변경 동작이 정확하게 행해진다. 또한, 각각의 힘 전달 부재(31d, 31e)는 강체(剛體)라도, 자세 조작 부재(31) 전체에서는 가요성이므로, 만곡 형상의 스핀들 가이드부(3)에 설치되는 경우라도 선단 부재(2)의 자세 변경 동작이 확실하게 행해진다.

도 10의 (A)~(C) 및 도 11의 (A)~(C)는, 자세 조작 부재(31)를 서로 120°의 위상에 있는 3개소의 주위 방향 위치에 설치한 예를 나타내고 있지만, 자세 조작 부재(31)를 서로 180°의 위상에 있는 2개소의 주위 방향 위치에 설치한 경우나, 주위 방향의 1개소에 설치한 자세 조작 부재(31)와 이에 대응하는 복원용 탄성 부재(32)를 조합한 경우에도, 복수 개의 힘 전달 부재(31d, 31e)로 구성한 자세 조작 부재(31)를 적용할 수 있다.

도 9의 (A)~(C), 도 10의 (A)~(C), 및 도 11의 (A)~(C)와 같이 자세 조작 부재(31)가 주위 방향의 3개소에 설치되어 있는 경우, 자세 변경 구동 기구(4c)를 예를 들면, 도 12와 같이 구성할 수 있다. 즉, 각각의 자세 조작 부재(31)[31U, 31L, 31R]를 각각 개별적으로 진퇴 조작시키는 3개의 자세 변경용 구동원(42)[42U, 42L, 42R]을 좌우 병렬로 배치하고, 또한 각각의 자세 변경용 구동원(42)에 대응하는 레버(43b)[43bU, 43bL, 43bR]를 공통의 지지축(43a) 주위로 회동(回動) 가능하게 설치하고, 각 레버(43b)에서의 지지축(43a)으로부터의 거리가 긴 작용점 P1(P1U, P1L, P1R)에 각각의 자세 변경용 구동원(42)의 출력 로드(42a)[42aU, 42aL, 42aR]의 힘이 작용하고, 지지축(43a)으로부터의 거리가 짧은 역점 P2(P2U, P2L, P2R)에서 자세 조작 부재(31)에 힘을 부여하는 구성으로 하고 있다. 이로써, 각각의 자세 변경용 구동원(42)의 출력이 증력되어 대응하는 자세 조작 부재(31)에 전달되게 할 수 있다. 그리고, 회전축(22)은, 위쪽의 자세 조작 부재(31U)용의 레버(43bU)에 형성된 개구부(44)를 관통하고 있다.

도 13은 자세 변경용 구동 기구(4c)의 구성이 상이한 공구 회전용 구동 기구(4b) 및 자세 변경용 구동 기구(4c)의 파단(破斷) 측면도, 도 14는 그 자세 조작 부재(31)와 구동부 하우징(4a)의 연결부의 확대도이다. 이 예에서는, 와이어로 이루어지는 자세 조작 부재(31)의 기단에 수나사부(36a)가 형성되어 있고, 이 수나사부(36a)는, 구동부 하우징(4a)에 형성된 암나사부(36b)와 나사 결합되어 있다. 이들 수나사부(36a)와 암나사부(36b)로 나사 기구(36)를 구성하고 있다. 자세 변경용 구동원(42)의 구동에 의해 자세 조작 부재(31)의 기단을 회전시킴으로써, 나사 기구(36)의 작용으로 자세 조작 부재(31)가 진퇴한다.

자세 변경용 구동 기구(4c)는, 예를 들면, 전동 로터리 액츄에이터로 이루어지는 자세 변경용 구동원(42)의 출력축(42a)의 회전이 감속 회전 전달 기구(49)를 통하여 상기 자세 조작 부재(31)의 기단에 감속되어 전달된다. 감속 회전 전달 기구(49)는, 자세 변경용 구동원(42)의 출력축(42a)에 장착된 원형 평(平)기어(49a)와, 구동부 하우징(4a)에 고정된 지지 부재(60)에 회전 가능하게 지지되고 상기 원형 평기어(49a)와 서로 맞물리는 부채꼴 평기어(49b)로 이루어지고, 이 부채꼴 평기어(49b)의 회전 중심축 상에 설치한 회전 슬라이드 이동부(62)에 의해, 부채꼴 평기어(49b)로부터 자세 조작 부재(31)의 기단측 연장부(63)에 회전을 전달한다. 원형 평기어(49a)보다 부채꼴 평기어(49b) 쪽이, 피치의 원 직경이 크고, 출력축(42a)의 회전이 감속되어 자세 조작 부재(31)의 기단에 전달된다. 감속 회전 전달 기구(49)를 설치하면, 고속 회전하는 소형의 로터리 액츄에이터라도 자세 조작 부재(31)의 기단을 저속으로 회전시키는 것이 가능하므로, 자세 변경용 구동원(42)으로서 소형의 로터리 액츄에이터를 사용하는 것이 가능하게 된다. 공구 회전용 구동 기구(4b)는, 상기와 동일한 구성이다.

상기 각각의 실시예는 스핀들 가이드부(3)가 직선 형상이지만, 본 발명의 원격 조작형 액츄에이터는, 자세 조작 부재(31)가 가요성이며, 스핀들 가이드부(3)가 만곡된 상태라도 선단 부재(2)의 자세 변경 동작이 확실하게 행해지므로, 도 15와 같이 스핀들 가이드부(3)를 초기 상태에서 만곡 형상으로 해도 된다. 또는, 스핀들 가이드부(3)의 일부분만을 만곡 형상으로 해도 된다. 스핀들 가이드부(3)가 만곡 형상이면, 직선 형상에서는 도달하기 어려운 뼈의 안쪽까지 선단 부재(2)를 삽입하는 것이 가능해져, 인공 관절 치환 수술에서의 인공 관절 삽입용 구멍의 가공을 양호한 정밀도로 마무리하는 것이 가능하게 된다.

스핀들 가이드부(3)를 만곡 형상으로 하는 경우, 외곽 파이프(25), 가이드 파이프(30), 및 보강 샤프트(34)를 만곡 형상으로 할 필요가 있다. 또한, 회전축(22)은 쉽게 변형될 수 있는 재질을 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들면, 형상 기억 합금이 적합하다.

다음에, 원형 구멍부(24a)와 홈형부(24b)를 가지는 중공 구멍(24)을 구비하고 있지 않은, 제1 내지 제7 응용예에 대하여 설명한다.

전술한 각각의 실시예에서는, 스핀들 가이드부(3)의 외곽으로 되는 외곽 파이프(25)는 중공형이며, 그 중공 구멍(24)은, 중심부의 원형 구멍부(24a)와, 이 원형 구멍부(24a)의 외주에, 주위 방향 위치로부터 외경측으로 오목한 홈형부(24b)를 가지고 있었다. 이에 대하여, 이하의 제1 내지 제7 응용예에서는 외곽 파이프(25)는 중공형이지만, 상기 원형 구멍부(24a)나 홈형부(24b)를 구비하고 있지 않고, 이 외곽 파이프(25)의 중심에 상기 회전축(22)이 위치한다. 외곽 파이프(25)의 내경면과 회전축(22) 사이에는, 상기 가이드 파이프(30) 또는 복수 개의 보강 샤프트(34)가 동일 피치의 원 C 상에 배치되어 있다. 가이드 파이프(30)와 보강 샤프트(34)의 배열 간격은 등간격으로 되어 있다. 가이드 파이프(30) 및 보강 샤프트(34)는, 외곽 파이프(25)의 내경면 및 상기 롤링 베어링(26)의 외경면에 접하고 있다. 이로써, 롤링 베어링(26)의 외경면을 지지하고 있다.

제1 내지 제7 응용예는, 냉각액을, 상기 스핀들 가이드부(3)의 기단 근방에 형성된 냉각액 주입공(75)으로부터 내부에 주입하고, 상기 스핀들 가이드부(3) 및 선단 부재(2)의 내부를 통하여 선단측으로 보내어, 상기 선단 부재(2)로부터 상기 공구(1)를 향해 토출시키는 냉각 수단(50)을 가지고 있다.

그리고, 제1 내지 제7 응용예에 있어서, 상기 각각의 실시예와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 제1 응용예를 도 16~도 18을 참조하여 설명한다. 이 제1 응용예는, 도 1~도 3의 (A), (B)에 나타낸 제1 실시예에 대응하는 것이다.

도 16에 나타낸 바와 같이, 냉각 수단(50)은, 원격 조작형 액츄에이터의 외부에 설치한 냉각액 공급 장치(51)와, 이 냉각액 공급 장치(51)로부터 공급되는 냉각액을 스핀들 가이드부(3) 및 선단 부재(2)의 내부를 통해 선단측에 안내하는 냉각액 공급관(52)으로 이루어지고, 선단 부재(2)의 선단으로부터 공구(1)를 향해 축 방향으로 냉각액을 토출시킨다. 냉각액 공급관(52)은, 냉각액 공급 장치(1)로부터 스핀들 가이드부(3)까지의 외측 부분(52a)과, 스핀들 가이드부(3) 및 선단 부재(2)의 내부를 통과하는 내측 부분(52b)으로 되어, 내측 부분(52b)에서는, 스핀들 가이드부(3)의 외곽 파이프(25)[도 17의 (A)~(D)] 및 선단 부재(2)의 하우징(11)[도 17의 (A)~(D)]이 냉각액 공급관(52)으로 되어 있다.

도 17의 (A)에 나타낸 바와 같이, 스핀들 가이드부(3)는, 그 기단부를 구동부 하우징(4a)의 선단측의 측판(70)에 삽입하여, 구동부 하우징(4a)와 결합되어 있다. 구동부 하우징(4a)의 측판(70)에는, 스핀들 가이드부(3)의 축심과 동축(同軸) 상의 베어링 결합공(71), 및 상기 가이드공(30a)에 이어지는 연장 가이드공(72)이 형성되어 있다. 그리고, 베어링 결합공(71)에 미끄럼 베어링(84)이 끼워맞추어지고, 이 미끄럼 베어링(84)에 의해 회전축(22)이 지지되어 있다. 연장 가이드공(72)에는, 상기 기둥형 핀(31c)이 삽통되어 있다.

또한, 구동부 하우징(4a)의 측판(70) 및 기판(74)에는, 스핀들 가이드부(3) 내와 외부를 연통시키는 냉각액 주입공(75)이 형성되고, 이 냉각액 주입공(75)의 외부 측단에 관 조인트(76)를 통하여 냉각액 공급관(52)의 외측 부분(52a)이 결합되어 있다. 상기 미끄럼 베어링(84)은, 냉각액 주입공(75)보다 기단측에 위치하고 있다. 미끄럼 베어링(84)은, 스핀들 가이드부(3) 내로부터 구동부 하우징(4a) 내로의 냉각액의 침입을 저지하는 실링 수단(S)이다.

도 18은 구동부 하우징(4a) 내의 공구 회전용 구동 기구(4b) 및 자세 변경용 구동 기구(4c)를 나타낸다. 도 18은 도 3에 대응하는 것으로서, 냉각 수단(50)인 냉각액 공급 장치(51)의 유무를 제외하면, 그 외의 구성은 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

이 원격 조작형 액츄에이터의 동작은 상기 제1 실시예와 기본적으로 마찬가지이며, 상이한 점에 대하여만 설명한다.

가늘고 긴 형상인 스핀들 가이드부(3)에는, 회전축(22) 및 자세 조작 부재(31)를 보호 상태로 설치할 필요가 있지만, 외곽 파이프(25)의 중심부에 회전축(22)을 설치하고, 외곽 파이프(25)로 회전축(22)과의 사이에, 자세 조작 부재(31)를 수용한 가이드 파이프(30)와 보강 샤프트(34)를 원주 방향으로 배열하여 배치한 구성으로 한 것에 의해, 회전축(22) 및 자세 조작 부재(31)를 보호하고, 또한 내부를 중공으로 하여 경량화를 도모하면서 강성을 확보할 수 있다. 또한, 전체의 밸런스도 양호해진다.

냉각 수단(50)에 의해, 냉각액 공급 장치(51)으로부터 공급되는 냉각액이, 냉각액 주입공(75)으로부터 스핀들 가이드부(3) 내에 들어가, 스핀들 가이드부(3) 및 선단 부재(2)의 내부를 통하여 선단측으로 보내져, 선단 부재(2)의 선단으로부터 축 방향으로 공구(1)를 향해 토출된다. 상세하게는, 스핀들 가이드부(3)의 내부에서는, 외곽 파이프(25) 내의 회전축(22)와 가이드 파이프(30)와 보강 샤프트(34)와의 사이의 중공부, 및 롤링 베어링(26)의 내륜과 외륜 사이의 간극을 냉각액이 흐른다. 스핀들 가이드부(3)로부터 선단 부재(2)에 있어서는, 이탈 방지 부재(21)와 회전축(22)과의 사이의 간극, 및 롤링 베어링(29)의 내륜과 외륜 사이의 간극을 냉각액이 흐른다. 선단 부재(2)의 내부에서는, 베어링(12)의 내륜과 외륜 사이의 간극을 냉각액이 흐른다.

냉각액이 스핀들 가이드부(3) 및 선단 부재(2)의 내부를 통과할 때, 회전축(22), 롤링 베어링(26, 29), 및 스핀들(13)을 냉각시킨다. 이들 회전하는 부재는, 회전 마찰에 의해 발열한다. 또한, 선단 부재(2)로부터 토출되는 냉각액에 의해, 공구(1) 및 피가공물이 냉각된다. 이와 같이, 스핀들 가이드부(3) 및 선단 부재(2)의 내부에 냉각액을 통과시킨 것에 의해, 냉각액 공급용의 관을 외부에 설치하지 않아도 되므로, 스핀들 가이드부(3) 및 선단 부재(2)를 간소화 및 소경화할 수 있다.

그리고, 상기 냉각액을 롤링 베어링(26, 29)의 윤활에 겸용해도 된다. 그러면, 베어링에 일반적으로 사용되고 있는 그리스 등을 사용하지 않아도 되고, 또한 별도로 윤활 장치를 설치하지 않아도 된다.

일반적으로, 미끄럼 베어링은 회전축을 접촉 상태로 지지하므로, 롤링 베어링과 비교하여, 베어링과 회전축과의 회전부의 간극이 작다. 그러므로, 냉각액 주입공(75)보다 기단측에서 회전축(22)을 지지하는 베어링을 미끄럼 베어링(84)으로 함으로써, 스핀들 가이드부(3) 내로부터 구동부 하우징(4a) 내로의 냉각액의 침입을 저지할 수 있다. 즉, 미끄럼 베어링(84)을 실링 수단(S)으로 겸용할 수 있다. 실링 수단(S)을 설치함으로써, 구동부 하우징(4a) 내의 공구 회전용 구동 기구(4b) 및 자세 변경용 구동 기구(4c)에 고장이 쉽게 생기지 않아, 저수명화를 방지할 수 있다.

상기 제1 응용예에서는, 구동부 하우징(4a)의 측판(70) 내에 삽입된 스핀들 가이드부(3)의 기단부에 냉각액 주입공(75)이 형성되어 있지만, 스핀들 가이드부(3)의 측판(70)으로부터 노출되어 있는 개소에 냉각액 주입공(75)을 형성해도 된다. 이 경우, 냉각액 주입공(75)에 대한 냉각액 공급관(52)의 외측 부분(52a)의 장착이 불안정해지는 것을 방지하기 위해, 도 19에 나타낸 제2 응용예와 같이, 플랜지 부재(77)를 사용하여 스핀들 가이드부(3)의 근원부를 측판(70)에 고정하고, 이 플랜지부(77)에 냉각액 주입공(75)을 형성하는 것이 바람직하다.

도 20은 실링 수단(S)의 상이한 구성을 나타낸다. 이 실링 수단(S)은, 구동부 하우징(4a)에, 상기 베어링 결합공(71)을 통하여 스핀들 가이드부(3) 내와 연통되는 차폐 공간(78)을 설치하고, 이 차폐 공간(78)과 외부의 압력 발생 수단(79)을 관 조인트(80)를 통하여 접속하고, 압력 발생 수단(79)의 작용으로 차폐 공간(78)의 압력을 대기압보다 높게 한 것이다. 압력 발생 수단(79)으로서는, 예를 들면, 에어 펌프를 사용할 수 있다. 베어링 결합공(71)에 끼워맞추어져 회전축(22)을 지지하는 베어링은, 롤링 베어링(26)으로 되어 있다.

이 구성의 실링 수단(S)에 의하면, 선단 부재(2)의 냉각액 토출부의 압력은 대기압이므로, 차폐 공간(78)의 압력을 대기압보다 높게 함으로써, 스핀들 가이드부(3) 내의 냉각액이 선단 부재(2) 측으로 흐르게 되어, 스핀들 가이드부(3) 내의 냉각액이 구동부 하우징(4a) 내로 침입하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 차폐 공간(78)을 완전히 밀봉 상태, 즉 전혀 공기의 누출이 없는 상태로 할 수 있으면, 압력 발생 수단(79)을 형성하지 않아도 된다.

도 21과 같이, 차폐 공간(78)의 양쪽에서 회전축(22)을 지지하는 베어링을 미끄럼 베어링(84)으로 하면, 차폐 공간(78)의 압력을 쉽게 상승시킬 수 있어, 스핀들 가이드부(3) 내로부터 구동부 하우징(4a) 내로의 냉각액의 침입을 보다 한층 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 응용예에서는, 자세 조작 부재(31)가 하우징(11)을 가압함으로써 선단 부재(2)의 자세 변경을 행하지만, 도 7에 나타낸 제4 실시예에 대응하는, 도 22의 (A)~(C)에 나타낸 제3 응용예와 같이, 와이어로 이루어지는 자세 조작 부재(31)의 선단과 하우징(11)을 연결 부재(31b)로 연결하고, 자세 변경용 구동원(도시하지 않음)에 의해 자세 조작 부재(31)를 기단측으로 후퇴시킴으로써, 자세 조작 부재(31)가 하우징(11)을 당겨서 선단 부재(2)의 자세 변경을 행하도록 해도 된다.

도 23은 제4 응용예를, 도 24는 제5 응용예를 각각 나타낸다. 제4 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터는 도 8에 나타낸 제5 실시예에 대응하고, 제5 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터는 도 9에 나타낸 제6 실시예에 대응하는 것이다. 상기 제1 응용예에서는, 자세 조작 부재(31)는 1개소에 설치하였으나, 제4 및 제5 응용예와 같이, 2개소 또는 3개소에 설치해도 된다.

자세 조작 부재(31)는, 도 10 및 도 11에 나타낸 제7 및 제8 실시예 대응하는, 도 25 및 도 26에 나타낸 제6 및 제7 응용예와 같이 가이드공(30a)의 길이 방향으로 간극없이 배열된 복수 개의 힘 전달 부재(31d, 31e)로 구성해도 된다.

도 27은 외곽 파이프(25)의 단면 형상이 상이한 제9 실시예를 나타낸다. 이 제9 실시예는, 도 9에 나타낸 제6 실시예에 대응하는 것이며, 동일 부분에는 동일한 부호를 부여하고 있다.

제9 실시예의 경우, 홈형부(24b)에 가이드 파이프(30)를 각각 배치한 것에 의해, 가이드 파이프(30)의 원주 방향의 위치 결정을 용이하게 행할 수 있으므로, 조립성이 양호하다. 또한, 외곽 파이프(25)의 홈형부(24b) 이외의 개소에 두께가 두꺼운 개소가 있으므로, 이 두꺼운 개소에 냉각액 주입공(75)을 개방함으로써, 상기 플랜지 부재(77) 등과 같은 보강용의 다른 부재를 사용하지 않고 스핀들 가이드부(3)에 냉각액 주입공(75)을 형성할 수 있다.

도 24 내지 도 27의 제5 ~ 제7 응용예 및 제9 실시예와 같이 자세 조작 부재(31)가 주위 방향의 3개소에 설치되어 있는 경우, 자세 변경 구동 기구(4c)를 예를 들면, 도 3의 (A)에 대응하는 도 28과 같이 구성할 수 있다. 도 3의 (A)의 설명은 그대로 도 28에 적용할 수 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 29는 자세 변경용 구동 기구(4c)의 구성이 상이한 실시예의 공구 회전용 구동 기구(4b) 및 자세 변경용 구동 기구(4c)의 파단 측면도, 도 30은 그 자세 조작 부재(31)과 구동부 하우징(4a)의 연결부의 확대도이다. 도 29는 도 13에, 도 30은 도 14에 각각 대응하는 것으로서, 냉각 수단(50)인 냉각액 공급 장치(51)의 유무를 제외하면, 그 외의 구성은 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 상기 제1 ~ 제7 응용예 및 제9 실시예에 있어서 도, 제1 ~ 제8 실시예의 도 15와 마찬가지로, 도 31과 같이 스핀들 가이드부(3)를 초기 상태로 만곡 형상으로 해도 된다. 또는, 스핀들 가이드부(3)의 일부분만을 만곡 형상으로 해도 된다.

그리고, 상기 제1 ~ 제7 응용예 및 제9 실시예에서 설명한 냉각 수단(50), 즉 냉각액을, 상기 스핀들 가이드부(3)의 기단 근방에 설치된 냉각액 주입공(75)으로부터 내부에 주입하고, 상기 스핀들 가이드부(3) 및 선단 부재(2)의 내부를 통하여 선단측으로 보내어, 상기 선단 부재(2)로부터 상기 공구(1)를 향해 토출시키는 냉각 수단(50)은, 도 4에 나타낸 제1 실시예에서 채용한 냉각 수단(50) 대신에 도입 가능하다.

다음에, 원형 구멍부(24a)와 홈형부(24b)를 가지는 중공 구멍(24)을 구비하고 있지 않은, 제8 응용예에 대하여, 도 32 및 도 33을 참조하여 설명한다.

이 제8 응용예는, 상기 가이드공(30a)의 내면과 자세 조작 부재(31)와의 사이에, 양자 사이의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감 수단을 설치하고 있다. 그리고, 이 응용예에 있어서, 상기 각각의 실시예와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 32의 (A)의 XXXIII부의 확대도인 도 33에 나타낸 바와 같이, 가이드공(30a)의 내면에는, 가이드공(30a)의 내면과 자세 조작 부재(31)와의 사이의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감 수단으로서, 코팅층(81)이 형성되어 있다. 이 코팅층(81)은, 예를 들면, 수지 등의 재료로 이루어진다.

또한, 가이드공(30a)의 내면에 마찰 저감 수단으로서의 코팅층(81)이 형성되어 있으므로, 가이드공(30a)의 내면과 자세 조작 부재(31)와의 사이에서 발생하는 마찰력을 저감시킬 수 있다. 이로써, 자세 변경용 구동원(42)으로부터 자세 조작 부재(31)에 주어졌던 힘이 선단 부재(2)에 원활하게 전달되게 되어, 선단 부재(2)의 자세 변경이 정확하게 행해진다. 또한, 스핀들 가이드부(3)가 만곡되어 있는 경우라도, 자세 조작 부재(31)에 주어졌던 힘이 정확하게 선단 부재(2)에 전달되어, 선단 부재(2)의 자세 변경이 정확하게 행해진다. 또한, 상기 마찰력이 저감되는 것에 의해, 자세 변경용 구동원(42)을 소형화할 수 있는 동시에, 소비 전력을 저감할 수 있다.

상기 제8 응용예는, 마찰 저감 수단으로서, 가이드공(30a)의 내면에 코팅층(81)이 형성되어 있지만(도 33), 도 34와 같이, 자세 조작 부재(31)의 표면에 코팅층(82)을 형성하고, 이것을 마찰 저감 수단으로 해도 된다. 이 경우, 코팅층(82)은, 대향하는 가이드 파이프(30)와의 마찰력을 저감시키는 것으로 한다.

또한, 도 35와 같이, 가이드공(30a) 내에 윤활용의 유체(83)를 존재시켜, 이것을 마찰 저감 수단으로 해도 된다. 이 경우, 윤활용의 유체(83)는, 가이드공(30a)의 내면과 자세 조작 부재(31)와의 사이에 존재하므로, 가이드 파이프(30)와 자세 조작 부재(31)와의 마찰력을 저감시키는 것을 사용한다. 윤활용의 유체(83)로서, 물 또는 생리 식염수를 바람직하게 사용할 수 있다. 물 또는 생리 식염수이면, 이 원격 조작형 액츄에이터가 의료용이며, 선단 부재(2)를 생체 내에 삽입하여 가공을 행하는 경우에, 윤활용의 유체(83)가 생체에 악영향을 주지 않는다.

도 22의 (A)~(C), 도 23의 (A)~(C), 및 도 24의 (A)~(C)의 제3, 제4 및 제5 응용예에 관한 원격 조작형 액츄에이터에 대해서도, 가이드공(30a)의 내면과 자세 조작 부재(31)와의 사이에, 도 33, 도 34, 및 도 35 중 어느 하나의 마찰 저감 수단을 설치할 수 있다. 이로써, 상기한 바와 동일한 작용 효과가 얻어진다.

도 25의 (A)~(C)의 제6 응용예의 경우, 가이드공(30a)의 내면과 자세 조작 부재(31)와의 사이에, 도 36, 도 37, 및 도 38 중 어느 하나의 마찰 저감 수단을 설치할 수 있다. 또한, 도 26의 (A)~(C)의 제7 응용예의 경우, 가이드공(30a)의 내면과 자세 조작 부재(31)와의 사이에, 도 39, 도 40, 및 도 41 중 어느 하나의 마찰 저감 수단을 설치한다. 도 36 및 도 39는 가이드공(30a)의 내면에 코팅층(81)을 형성한 것이다. 도 37 및 도 40은 자세 조작 부재(31)를 구성하는 힘 전달 부재(31d, 31e)의 표면에 코팅층(82)을 형성한 것이다. 도 38 및 도 41은 가이드공(30a) 내에 윤활용의 유체(83)를 존재하게 한 것이다. 이와 같은 마찰 저감 수단을 설치함으로써, 상기한 바와 동일한 작용 효과가 얻어진다.

그리고, 전술한 제1 ~제8 실시예에 있어서도 상기 마찰 저감 수단을 설치할 수 있고, 이와 같은 마찰 저감 수단을 설치함으로써 상기 제8 응용예와 동일한 작용 효과가 얻어진다.

다음에, 원형 구멍부(24a)와 홈형부(24b)를 가지는 중공 구멍(24)을 구비하고 있지 않은, 제9 내지 제12 응용예에 대하여 설명한다.

제9 내지 제12 응용예에서는, 선단 부재(2)와 자세 조작 부재(31)의 접촉점에서의 접선에 대하여 수직인 수직선과 회전축(22)의 중심선이 이루는 각도를 α로 한 경우, 각도 α가 일정한 조건일 때, 가늘고 긴 파이프부의 선단에 설치된 공구(1)의 자세를 원격 조작으로 변경할 수 있고, 또한 윤활제의 사용이나 코팅을 행하지 않고 공구(1)의 원활한 자세 변경할 수 있도록 하고 있다. 그리고, 제9 내지 제12 응용예에 있어서, 상기 각각의 실시예와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하여 그 상세한 설명은 생략한다.

제9 응용예를 도 42를 참조하여 설명한다.

도 42에 있어서, 하우징(11)의 기단면(11c)은 외경측으로 갈수록 스핀들 가이드부(3) 및 자세 조작 부재(31) 측에 가까운 경사면이며, 선단 부재(2)와 자세 조작 부재(31)의 접촉점 P에서의 접선에 대하여 수직인 수직선 PL과 회전축(22)의 중심선 CL2가 이루는 각도를 α로 한 경우, 항상 α〉O°로 되어 있다. 이 응용예의 경우, 하우징(11)의 기단면(11c)은, 단면(斷面) 형상이 직선형이다. 기단면(11c)이 자세 조작 부재(31)의 중심선과 직교하지 않는 평면이면, 항상 α〉O°의 관계가 유지된다. 단면 형상이 직선형이면, 가공이 비교적 간단하므로, 제조 비용을 저감할 수 있다. 구동부 하우징(4a) 측의 기둥형 핀(31c)의 선단도 구면형이며, 상기 레버(43b)(도 3)의 측면에 맞닿아 있다. 기둥형 핀(31c)을 생략하고, 1개의 와이어(31a)만으로 자세 조작 부재(31)를 구성해도 된다.

이 원격 조작형 액츄에이터의 동작은, 기본적으로는 상기 각각의 실시예의 경우와 마찬가지이며, 상세한 설명은 생략하지만, 특히, 이 응용예의 경우, 자세 조작 부재(31)는, 회전축(22)의 중심선 CL2로부터 편심(偏心)되어 위치하고, 그 선단이 선단 부재(2)의 하우징(11)의 기단면(11c)에 접촉한 상태로 회전축(22)의 중심선 CL2와 평행한 방향으로 진퇴한다. 그리고, 자세 조작 부재(31)의 선단이 선단 부재(2)의 접촉면인 하우징(11)의 기단면(11c)을 누름으로써, 선단 부재(2)가 곡률 중심 O를 중심으로 헤드스윙 동작하여 자세가 변경된다. 이 때, 하우징(11)의 기단면(11c)이 자세 조작 부재(31)의 진퇴 방향과 수직, 즉 선단 부재(2)와 자세 조작 부재(31)의 접촉점 P에서의 접선에 대하여 수직인 수직선 PL과 회전축(22)의 중심선 CL2가 이루는 각도가 α= O°이면, 선단 부재(2)와 자세 조작 부재(31)와의 사이에 미끄러짐이 생기지 않으므로, 선단 부재(2)가 헤드스윙 동작을 할 수 없다. 그러나, α〉0°이면, 선단 부재(2)와 자세 조작 부재(31)와의 사이의 마찰, 및 선단 부재 연결부(15)에 작용하는 마찰보다 우세하여, 자세 조작 부재(31)에 대하여 선단 부재(2)가 미끄러지면서 헤드스윙 동작하는 것이 가능하므로, 선단 부재(2)를 원활하게 자세 변경할 수 있다. 그러므로, 윤활제의 사용이나 코팅을 행하지 않아도 된다.

도 43은 선단 부재(2)와 자세 조작 부재(31)의 접촉점 P에 작용하는 힘을 나타낸 설명도이다. 자세 조작 부재(31)가 선단 부재(2)를 누르는 힘을 F, 선단 부재(2)와 자세 조작 부재(31)의 접촉부의 정마찰(靜摩擦) 계수를 μ으로 한 경우, 정지 마찰력의 최대값은 μFcos(α), 접선 방향의 힘은 Fsin(α)으로 각각 표현된다. 선단 부재(2)와 자세 조작 부재(31)의 접촉점 P에서 미끄러짐이 생기는 것은, μFcos(α)〈 Fsin(α)의 관계에 있을 때이므로, μ〈 tan(α)로 하면 선단 부재(2)가 자세 변경 가능하다. 미리 정마찰 계수 μ를 측정하여 두면, 선단 부재(2)의 자세 변경 동작 가능한 각도 α의 값이 구해진다. 예를 들면, μ= 0.3의 경우, α〉16.7°이다. 일반적으로, 정(靜)마찰력은 동(動)마찰력보다 크기 때문에, 정마찰력보다 우세하게 동작할 수도 있고, 동마찰력보다 우세하게 동작할 수도 있다. 0〈μ〈1이므로, 상기 관계는 모든 마찰면에 대응한다.

또한, 회전축(22)의 중심선 CL2와, 안내면 F1, F2의 곡률 중심 O와 접촉점 P를 연결하는 선이 이루는 각도를 θ, 곡률 중심 O와 접촉점 P 사이의 거리를 r로 한 경우, 곡률 중심 O 주위에 rFcos(α)sin(α＋θ)의 토크가 작용한다. 이 토크는, (α＋θ)가 90°에 가까울수록 커진다. θ= 90°이외의 경우, α= 0°의 토크와, 0°〈α〈45°의 토크를 비교하면, 0°〈α〈45°의 토크 쪽이 크다.

각도 α가 45° 이상이면, 자세 조작 부재(31)가 선단 부재(2)에 주어지는 힘을 축 방향력과 직경 방향력으로 분해한 경우에, 축 방향력보다 직경 방향력 쪽이 커지므로, 선단 부재(2)에 구동력을 충분히 전달할 수 없다. 또한, 직경 방향력이 커지면, 자세 조작 부재(31)와 그 안내면인 가이드 파이프(30)의 가이드공(30a)의 내면 과의 사이에서 생기는 마찰력도 커지므로, 큰 구동력을 필요로 한다. 따라서, 계산 상, 상기 각도 α가, 0°〈α〈45°인 것이 바람직하다. 실제로는, 정마찰 계수 μ가 0.7 이상으로 되는 경우는 적기 때문에, 0°〈α〈35°범위로 설정하면, 충분하다.

선단 부재(2)의 자세 조작 부재(31)와의 접촉면인 하우징(11)의 기단면(11c)의 단면 형상은, 도 44에 나타낸 바와 같은 자세 조작 부재(31) 측으로 볼록해지는 원호형으로 해도 된다. 이 경우, 원호의 중심이 자세 조작 부재(31)의 중심선 상에 존재하지 않으면, 항상 α〈 0°의 관계가 유지된다. 기단면(11c)의 단면 형상을 원호형으로 함으로써, 도 44의 (A), (B), (C)에 각각 나타낸 바와 같이, 선단 부재(2)가 어떠한 자세로 되어도, 각도 α가 거의 일정하도록 설계할 수 있다. (A)는 선단 부재(2)의 회동 각도 β= 0°상태, (B)는 β= 10°상태, (C)는 β= -10°의 상태를 각각 나타낸다. 어느 상태도 각도 α가 거의 일정하다. 그러므로, 선단 부재(2)의 자세와 관계없이 선단 부재(2)의 원활한 동작을 실현할 수 있다.

도 45는 제10 응용예를 나타낸다. 이 원격 조작형 액츄에이터는, 외곽 파이프(25) 내의 서로 180°의 위상에 있는 주위 방향 위치에 2개의 가이드 파이프(30)를 설치하고, 그 가이드 파이프(30)의 내경 구멍인 가이드공(30a) 내에 상기한 바와 동일한 자세 조작 부재(31)가 진퇴 가능하게 삽통하고 있다. 2개의 가이드 파이프(30) 사이에는, 가이드 파이프(30)와 동일 피치의 원 C 상에 복수 개의 보강 샤프트(34)가 배치되어 있다. 복원용 탄성 부재(32)는 설치되어 있지 않다. 안내면 F1, F2는, 곡률 중심이 점 O인 구면, 또는 점 O를 통과하는 X축을 축심으로 하는 원통면이다. 이 응용예는, 전술한 도 8에 나타낸 제5 실시예에 대응하는 것으로, 상세한 설명은 생략한다.

도 46은 제11 응용예를 나타낸다. 이 원격 조작형 액츄에이터는, 외곽 파이프(25) 내의 서로 120°의 위상에 있는 주위 방향 위치에 3개의 가이드 파이프(30)를 설치하고, 그 가이드 파이프(30)의 내경 구멍인 가이드공(30a) 내에 상기한 바와 동일한 자세 조작 부재(31)가 진퇴 가능하게 삽통하고 있다. 3개의 가이드 파이프(30) 사이에는, 가이드 파이프(30)와 동일 피치의 원 C 상에 복수 개의 보강 샤프트(34)가 배치되어 있다. 복원용 탄성 부재(32)는 설치되어 있지 않다. 안내면 F1, F2는 곡률 중심이 점 O인 구면이며, 선단 부재(2)는 임의 방향으로 경사이동 가능하다. 이 응용예는, 전술 도 9에 나타낸 제6 실시예에 대응하는 것이며, 상세한 설명은 생략한다.

도 47은 제12 응용예를 나타낸다. 이 응용예는, 선단 부재(2)의 하우징(11)의 기단면(11c)[도 42의 (C)]에 직경 방향의 홈부(11b)[도 47의 (C)]를 형성하고, 이 홈부(11b)의 저면에, 자세 조작 부재(31)의 구면형을 한 선단을 맞닿게 하고 있다. 홈부(11b) 및 자세 조작 부재(31)로 회전 방지 기구(37)를 구성하고, 홈부(11b)에 삽입된 자세 조작 부재(31)의 선단부가 홈부(11b)의 측면에 닿음으로써, 선단 부재(2)가 스핀들 가이드부(3)에 대하여 스핀들(13)의 중심선 C11 주위로 회전하는 것을 방지하고 있다. 이 응용예는, 전술한 도 2에 나타낸 제1 실시예에 대응하는 것이며, 상세한 설명은 생략한다.

도 48은 제10 실시예를 나타낸다. 이 원격 조작형 액츄에이터의 스핀들 가이드부(3)는, 외곽 파이프(25)의 중공 구멍(24)이, 중심부의 원형 구멍부(24a)와, 이 원형 구멍부(24a)의 외주에서의 서로 120°의 위상을 이루는 주위 방향 위치로부터 외경측으로 오목한 3개의 홈형부(24b)로 된다. 홈형부(24b)의 선단의 주위벽은, 단면 반원형이다. 그리고, 원형 구멍부(24a)에 회전축(22)과 롤링 베어링(26)이 수용되고, 각각의 홈형부(24b)에 자세 조작 부재(31)가 수용되어 있다.

이 제10 실시예는, 자세 조작 부재(31)를 서로 120°의 위상에 있는 3개소의 주위 방향 위치에 설치한 예이지만, 자세 조작 부재(31)를 서로 180°의 위상에 있는 2개소의 주위 방향 위치에 설치한 구성이나, 주위 방향의 1개소에 설치한 자세 조작 부재(31)와 이에 대응하는 복원용 탄성 부재(32)를 조합한 구성에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 자세 조작 부재(31)를 주위 방향의 1개소에 설치한 구성에 있어서, 도 48의 외곽 파이프(25)와 마찬가지로 중공 구멍(24)의 홈형부(24b)를 주위 방향의 3개소에 설치하고, 1개의 홈형부(24b)에는 자세 조작 부재(31)를 수용하고, 다른 홈형부(24b)에는 보강 샤프트(34)(도 2 등을 참조)를 수용해도 된다.

상기 각각의 실시예 및 각각의 응용예는, 선단 부재(2)의 회전 방지 기구(37)가 설치되어 있지만, 회전 방지 기구(37)는 설치하지 않아도 된다.

또한, 가이드 파이프(30) 및 자세 조작 부재(31)가 주위 방향의 복수 개소에 설치되어 있는 경우에도, 파이프 고정부(65)에 의해, 외곽 파이프(25)와 각 가이드 파이프(30)를 고정시켜도 된다. 이로써, 스핀들 가이드부(3)의 강성을 더욱 높이는 것이 가능하다.

상기 제10 실시예 및 제8 ~ 제 12 응용예는 스핀들 가이드부(3)가 직선 형상이지만, 본 발명의 원격 조작형 액츄에이터는, 자세 조작 부재(31)가 가요성이며, 스핀들 가이드부(3)가 만곡된 상태라도, 선단 부재(2)의 자세 변경 동작이 확실하게 행해지므로, 도 15나 도 31과 같이 스핀들 가이드부(3)를 초기 상태에서 만곡 형상으로 해도 된다. 또는, 스핀들 가이드부(3)의 일부분만을 만곡 형상으로 해도 된다. 스핀들 가이드부(3)가 만곡 형상이면, 직선 형상에서는 도달하기 어려운 뼈의 안쪽까지 선단 부재(2)를 삽입하는 것이 가능해지므로, 인공 관절 치환 수술에서의 인공 관절 삽입용 구멍의 가공을 양호한 정밀도로 마무리하는 것이 가능하게 된다.

이상, 의료용의 원격 조작형 액츄에이터에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 그 이외의 용도의 원격 조작형 액츄에이터에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 기계 가공용으로 한 경우, 만곡형을 한 구멍의 드릴 가공이나, 홈 내부가 후미진 개소의 절삭 가공이 가능하게 된다.

이상 설명한 본 발명의 실시예에 있어서 요건으로 한 원형 구멍부(24a)와 홈형부(24b)를 가지는 중공 구멍(24)을 포함하지 않는 응용 태양에 대하여 이하에 나타낸다.

[태양 1]

태양 1에 관한 원격 조작형 액츄에이터는, 가늘고 긴 형상의 스핀들 가이드부와, 이 스핀들 가이드부의 선단에 선단 부재 연결부를 통하여 자세 변경 가능하게 장착된 선단 부재와, 상기 스핀들 가이드부의 기단이 결합된 구동부 하우징을 포함하고,

상기 선단 부재는, 공구를 유지하는 스핀들을 회전 가능하게 지지하고, 상기 스핀들 가이드부는, 상기 구동부 하우징 내에 설치된 공구 회전용 구동원의 회전을 상기 스핀들에 전달하는 회전축과, 양단에 관통한 가이드공을 내부에 가지고, 선단이 상기 선단 부재에 접촉하여 진퇴 동작함으로써 상기 선단 부재를 자세 변경시키는 자세 조작 부재를 상기 가이드공 내에 진퇴 가능하게 삽통하고, 상기 자세 조작 부재를 진퇴시키는 자세 변경용 구동원을 상기 구동부 하우징 내에 설치하고,

냉각액을, 상기 스핀들 가이드부의 기단 근방에 설치된 냉각액 주입공으로부터 내부에 주입하고, 상기 스핀들 가이드부 및 선단 부재의 내부를 통하여 선단측으로 보내어, 상기 선단 부재로부터 상기 공구를 향해 토출시키는 냉각 수단을 설치하고, 또한 상기 스핀들 가이드부 내로부터 상기 구동부 하우징 내로의 상기 냉각액의 침입을 저지하는 실링 수단을 설치하였다.

[태양 2]

태양 1에 있어서, 상기 스핀들 가이드부 내의 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 복수 개의 롤링 베어링을 설치하고, 인접하는 롤링 베어링 사이에, 이들 롤링 베어링에 대하여 예압을 부여하는 스프링 요소를 설치하였다.

[태양 3]

태양 1에 있어서, 상기 냉각액은, 물 또는 생리 식염수이다.

[태양 4]

태양 4에 관한 원격 조작형 액츄에이터는, 가늘고 긴 형상의 스핀들 가이드부와, 이 스핀들 가이드부의 선단에 선단 부재 연결부를 통하여 자세 변경 가능하게 장착된 선단 부재와, 상기 스핀들 가이드부의 기단이 결합된 구동부 하우징을 포함하고,

상기 선단 부재는, 공구를 유지하는 스핀들을 회전 가능하게 지지하고, 상기 스핀들 가이드부는, 상기 구동부 하우징 내에 설치된 공구 회전용 구동원의 회전을 상기 스핀들에 전달하는 회전축과, 양단에 관통한 가이드공을 내부에 가지고, 선단이 상기 선단 부재에 접촉하여 진퇴 동작함으로써 상기 선단 부재를 자세 변경시키는 가요성의 자세 조작 부재를 상기 가이드공 내에 진퇴 가능하게 삽통하고, 상기 자세 조작 부재를 진퇴시키는 자세 변경용 구동원을 상기 구동부 하우징 내에 설치하고,

상기 가이드공의 내면과 상기 자세 조작 부재와의 사이에, 양자 사이의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감 수단을 설치하였다.

[태양 5]

태양 4에 있어서, 상기 자세 변경용 구동원의 동작량을 검출하는 동작량 검출기를 설치하고, 이 동작량 검출기의 검출값으로부터 상기 선단 부재의 자세를 검출하는 자세 검출 수단을 설치하였다.

[태양 6]

태양 4에 있어서, 상기 스핀들 가이드부 내의 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 복수 개의 롤링 베어링을 설치하고, 인접하는 롤링 베어링 사이에, 이들 롤링 베어링에 대하여 예압을 부여하는 스프링 요소를 설치하였다.

[태양 7]

태양 7에 관한 원격 조작형 액츄에이터는, 가늘고 긴 형상의 스핀들 가이드부와, 이 스핀들 가이드부의 선단에 선단 부재 연결부를 통하여 자세 변경 가능하게 장착된 선단 부재와, 상기 스핀들 가이드부의 기단이 결합된 구동부 하우징을 포함하고,

상기 선단 부재와 상기 자세 조작 부재의 접촉점에서의 접선에 대하여 수직인 수직선과 상기 회전축의 중심선이 이루는 각도를 α로 한 경우, α〉0°이다.

[태양 8]

태양 7에 있어서, 상기 선단 부재는, 통형의 하우징과, 이 하우징의 내주에 배치된 상기 스핀들과, 상기 하우징에 대하여 상기 스핀들을 회전 가능하게 지지하는 베어링을 구비하고, 상기 선단 부재의 자세가 중립 상태에 있을 때, 상기 스핀들의 중심선과 상기 회전축의 중심선의 연장선 상에 위치하고, 또한 상기 자세 조작 부재는, 상기 회전축의 중심선으로부터 편심되어 위치하고, 그 선단이 상기 선단 부재의 하우징의 단면에 접촉된 상태로 상기 회전축의 중심선과 평행한 방향으로 진퇴하는 것이며, 상기 하우징의 단면은 외경측으로 갈수록 자세 조작 부재 측에 가까운 경사면으로 되어 있다.

[태양 9]

태양 7에 있어서, 상기 선단 부재와 상기 자세 조작 부재의 접촉부의 정마찰 계수를 μ로 한 경우, 이 정마찰 계수 μ과 상기 각도 α와의 사이에, μ〈 tan(α)의 관계가 성립된다.

[태양 10]

태양 7에 있어서, 상기 선단 부재의 상기 자세 조작 부재와의 접촉면의 단면 형상이 직선형이다.

[태양 11]

태양 7에 있어서, 상기 선단 부재의 상기 자세 조작 부재와의 접촉면의 단면 형상이 자세 조작 부재 측으로 볼록해지는 원호형이다.

전술한 바와 같이, 도면을 참조하면서 바람직한 실시예를 설명하였으나, 당업자이면, 본건 명세서를 보고, 자명한 범위 내에서 각종의 변경 및 수정을 용이하게 상정할 수 있을 것이다. 따라서, 그와 같은 변경 및 수정은, 첨부한 특허청구의 범위로부터 정해지는 본 발명의 범위 내의 것으로 해석된다.

1: 공구
2: 선단 부재
3: 스핀들 가이드부
4a: 구동부 하우징
5: 컨트롤러
13: 스핀들
15: 선단 부재 연결부
22: 회전축
24: 중공 구멍
24a: 원형 구멍부
24b: 홈형부
25: 외곽 파이프
26, 29: 롤링 베어링
27A, 27B: 스프링 요소
30: 가이드 파이프
30a: 가이드공
31: 자세 조작 부재
32: 복원용 탄성 부재
34: 보강 샤프트
41: 공구 회전용 구동원
42: 자세 변경용 구동원
50: 냉각 수단
65: 파이프 고정부
66: 개구
67: 납땜 또는 용접
68: 레이저 용접
75: 냉각액 주입공
78: 차폐 공간
81: 가이드 파이프의 코팅층(마찰 저감 수단)
82: 자세 조작 부재의 코팅층(마찰 저감 수단)
83: 윤활용의 유체(마찰 저감 수단)
84: 미끄럼 베어링
C11: 스핀들의 중심선
CL2: 회전축의 중심선
P: 접촉점
PL: 수직선
S: 실링 수단

Claims

가늘고 긴 형상의 스핀들 가이드부와, 상기 스핀들 가이드부의 선단에 선단 부재 연결부를 통하여 자세 변경 가능하게 장착된 선단(先端) 부재와, 상기 스핀들 가이드부의 기단(基端)이 결합된 구동부 하우징을 포함하고,
상기 선단 부재는, 공구를 유지하는 스핀들을 회전 가능하게 지지하고,
상기 스핀들 가이드부는, 상기 스핀들, 상기 스핀들 외곽으로 되는 중공(中空)의 외곽 파이프와, 상기 외곽 파이프의 양단에 관통한 중공 구멍 내에 설치되어 상기 구동부 하우징 내의 공구 회전용 구동원의 회전을 상기 스핀들에 전달하는 회전축과, 상기 중공 구멍 내에 설치되어 양단에 관통한 가이드공을 가지는 가이드 파이프를 가지고,
선단이 상기 선단 부재에 접촉하여 진퇴 동작함으로써 상기 선단 부재를 자세 변경시키는 1개 또는 복수 개의 자세 조작 부재를 상기 가이드 파이프 내에 진퇴(進退) 가능하게 삽통(揷通)하고,
상기 자세 조작 부재를 진퇴시키는 자세 변경용 구동원을 상기 구동부 하우징 내에 설치하고,
상기 중공 구멍은, 중심부의 원형 구멍부와, 상기 원형 구멍부로부터 외경측으로 오목한 홈형부로 이루어지고, 상기 원형 구멍부에 상기 회전축을 배치하고, 또한 상기 홈형부에 상기 가이드 파이프를 배치한, 원격 조작형 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 외곽 파이프의 단면(斷面) 2차 모멘트는, 같은 외경의 중실(中實) 샤프트의 1/2 이상인, 원격 조작형 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 자세 조작 부재는, 상기 가이드 파이프의 길이 방향을 따라 일렬로 배열된 복수 개의 힘 전달 부재, 또는 상기 가이드 파이프의 길이 방향을 따른 와이어로 이루어지는, 원격 조작형 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 가이드 파이프 및 상기 가이드 파이프 내에 삽통된 자세 조작 부재를 2개소 또는 3개소에 설치하고, 상기 자세 변경용 구동원을 각각의 자세 조작 부재에 대하여 개별적으로 설치하고, 상기 2개소 또는 3개소의 자세 조작 부재의 상기 선단 부재에 대한 작용력의 균형에 의해 상기 선단 부재의 자세를 변경하고, 유지시키도록 한, 원격 조작형 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 스핀들 가이드부 내의 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 복수 개의 롤링 베어링을 설치하고, 인접하는 롤링 베어링 사이에, 이들 롤링 베어링에 대하여 예압(豫壓)을 부여하는 스프링 요소(要素)를 설치한, 원격 조작형 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 스핀들 가이드부 내의 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 롤링 베어링을 설치하고, 상기 롤링 베어링의 외경면(外徑面)을 상기 가이드 파이프로 지지하도록 한, 원격 조작형 액츄에이터.
제5항에 있어서,
상기 외곽 파이프의 내부를 통과하는 냉각액에 의해 상기 베어링을 냉각시키는 냉각 수단을 설치한, 원격 조작형 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 외곽 파이프의 내부를 통과하는 냉각액, 또는 외부로부터 공급되는 냉각액에 의해 상기 공구를 냉각시키는 냉각 수단을 설치한, 원격 조작형 액츄에이터.
제1항에 있어서,
냉각액을, 상기 스핀들 가이드부의 기단 근방에 형성된 냉각액 주입공으로부터 내부에 주입하고, 상기 스핀들 가이드부 및 선단 부재의 내부를 통하여 선단측으로 보내어, 상기 선단 부재로부터 상기 공구를 향해 토출시키는 냉각 수단을 설치하고, 또한 상기 스핀들 가이드부 내로부터 상기 구동부 하우징 내로의 상기 냉각액의 침입을 저지하는 실링(sealing) 수단을 설치한, 원격 조작형 액츄에이터.
제9항에 있어서,
상기 실링 수단은, 상기 냉각액 주입공보다 기단측의 위치에서 상기 회전축을 지지하는 미끄럼 베어링인, 원격 조작형 액츄에이터.
제9항에 있어서,
상기 실링 수단은, 상기 구동부 하우징에 설치되어 상기 스핀들 가이드부의 기단으로 스핀들 가이드부의 내부와 연통되는 차폐(遮蔽) 공간을 가지고, 상기 차폐 공간의 압력을 대기압보다 높게 한, 원격 조작형 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 가이드공의 내면과 상기 자세 조작 부재와의 사이에, 양자 사이의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감 수단을 설치한, 원격 조작형 액츄에이터.
제12항에 있어서,
상기 마찰 저감 수단은, 상기 가이드공의 내면 및 상기 자세 조작 부재의 표면 중 적어도 한쪽에 코팅된 코팅층인, 원격 조작형 액츄에이터.
제13항에 있어서,
상기 마찰 저감 수단은, 상기 가이드공 내에 존재하는 윤활용의 유체(流體)인, 원격 조작형 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 선단 부재와 상기 자세 조작 부재의 접촉점에서의 접선에 대하여 수직인 수직선과 상기 회전축의 중심선이 이루는 각도를 α로 한 경우, 상기 각도 α가, 0°〈α〈45°인, 원격 조작형 액츄에이터.