JP3839927B2

JP3839927B2 - 形状記憶合金駆動素子及びそれを用いた能動鉗子

Info

Publication number: JP3839927B2
Application number: JP24676397A
Authority: JP
Inventors: 仁彦中村; 顕介大沼; 清山内; 明久古川
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1997-09-11
Filing date: 1997-09-11
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2017-09-11
Also published as: JPH1176252A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，加熱冷却によって可逆的に作動する，形状記憶合金を用いた駆動素子，及び人体に用いる能動鉗子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＴｉＮｉ合金をはじめとする形状記憶合金は、マルテンサイト変態の逆変態に付随して顕著な形状記憶効果及び超弾性を示すことは、良く知られている。なかでもＴｉＮｉ合金は、生活環境温度近傍で優れた機能を持つことから、例えば、電子レンジダンパー、エアコン風向制御、炊飯器蒸気調節弁などの家電用アクチュエータ、建築用の換気口、携帯電話アンテナ、眼鏡フレームなど幅広い分野で使用されている。また、医療分野への応用の試みは合金開発当初からなされ、これまでに、歯列矯正線、人口歯根、血管拡張コイル、カテーテルガイドワイヤー等が実用化されている。
【０００３】
形状記憶合金（ＳＭＡ）をアクチュエータとして用いる場合，ＳＭＡ素子をマルテンサイト相（Ｍ相）で外部応力で変形させ，これを加熱によって形状を回復させる。このときのＳＭＡ素子はオーステナイト相（Ａ相）である。
【０００４】
しかし、温度変化に対するＳＭＡ素子の可逆形状変化は、小さいため、Ｍ相へ冷却時にバイアスによる外部応力負荷が必要である。
【０００５】
バイアスの種類はステンレス，ピアノ線などの通常ばね，或いは形状・作動温度の異なる他の形状記憶ばねなどがある。また，ＳＭＡ素子の加熱は，素子直接通電による抵抗加熱方式と素子の周囲を加熱して，間接的に素子を加熱する外部加熱方式に大別できる。
【０００６】
前者の具体例は、自動車用フォグランプカバーがある。ＳＭＡ素子とステンレス製のバイアスばねとの組み合わせで、バイアスばねの力でカバーは閉じられているが、使用時には、ＳＭＡ素子が通電によって加熱されてカバーを開く。カバーが閉じるのは、ＳＭＡ素子が自然冷却でＭ相となった時再びカバーは閉じる。
【０００７】
また、腹腔鏡下外科手術は、腹部に約１０ｍｍに開けた穴を通して内視鏡・鉗子類を挿入して、体外からこれを操作して行う方法である。鉗子は体内挿入時には、ストレート形状で、臓器摘出作業時には、任意のアングル形状を取ることが望ましい。すでに、手動操作で屈曲伸縮する鉗子は、実用化されているが、アクチュエータによる能動的に動作させる鉗子としては、本発明者らが提案した能動鉗子がある。後者の具体例として挙げられる。この能動鉗子は、作動温度が１０℃のパイプと５０℃のパイプとを異形状に記憶させ、合金パイプにポンプで温水・冷水を流すことで、強制加熱・冷却し、鉗子を作動させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし，前者の場合，駆動素子の応答性に難点を残している。作動後の放冷によるＳＭＡ素子の冷却速度は，通電による加熱の速さに比べ僅かに遅い。ＳＭＡ素子の素線径を小さくすることで，応答性は改善されるが，ＳＭＡ素子の形状回復力が弱くなる。
【０００９】
一方，後者の場合，素子の加熱・冷却に大量の流水を必要とするためエネルギーロスが大きく，駆動素子の大きさに比較して，温度制御機構部は大きくなる。
【００１０】
そこで，本発明の技術的課題は，これらの問題を解決した新規な温度制御機構を持つ駆動素子とそれを用いた能動鉗子とを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
一般に，熱の拡散はフーリエの熱伝導法則に従い，伝導熱量の大きさは物質の熱伝導率に比例するが，良導性の銅でも熱伝導率の値は常温でたかだか４００Ｗ／ｍＫ程度である。
【００１２】
しかし、本発明によれば、パイプ内に液体を入れ、その液柱を振動によって往復流動を起こさせて熱伝導率を高める新規なシステムによって、ＳＭＡ素子の温度制御を容易にした駆動素子が提供できる。即ち、本発明によれば、形状記憶合金部材で構成され、前記形状記憶合金部材の少なくとも一部に接する液体の温度を変えることで可逆的に作動する駆動素子において、第１のパイプ内に前記液体を入れ、前記形状記憶合金部材は前記第１のパイプを構成するか、もしくは前記第１のパイプ内に配置され、前記第１のパイプの一端部に、前記液体の温度を制御することで前記形状記憶合金部材全体を温度制御する制御手段及び前記液体を加振する加震手段とが設けられ、前記第１のパイプの他端部には、前記液体を貯めるための袋が設けられ、前記加震手段で生じた振動によって前記液体の往復流動を起こさせ、前記形状記憶合金部材全体を加熱冷却することで、当該駆動素子の可逆的な駆動を制御するように構成したことを特徴とする形状記憶合金駆動素子が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、前記形状記憶合金駆動素子において、前記形状記憶合金部材が形状記憶合金パイプであることを特徴とする形状記憶合金駆動素子が得られる。即ち、本発明によれば、形状記憶合金素子の加熱・冷却に循環水のような往復流路を必要とせず、閉じた片道の流路で駆動可能な素子を提供できる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、前記形状記憶合金駆動素子を先端部に備え、前記先端部が自在に屈曲可能に構成されていることを特徴とする能動鉗子が得られる。即ち、本発明においては、腹腔鏡下外科手術などに用いる鉗子であって、その鉗子角度が自由に変化できる能動鉗子を提供できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１の実施の形態による形状記憶合金駆動素子の概略構成を示す部分斜視図である。図１を参照すると，形状記憶合金駆動素子５は，所望する温度において円弧形状となるように形状記憶処理が施された形状記憶合金からなる第１のパイプ１と，第１のパイプ１の内側に挿入された第１のパイプ１よりも径が小さく所望する温度において直線形状となるように形状記憶処理が施された形状記憶合金からなる第２のパイプ２とを備えて構成されている。第１のパイプ１と第２のパイプ２との間には，流体が通過するための流体通過口３が形成されている。また，第２のパイプ２には，鉗子の末端部等を駆動するためのシャフト７が挿入される。
【００１７】
図１の形状記憶合金駆動素子５は具体的には，次のように製造されている。
【００１８】
図１の形状記憶合金駆動素子５は具体的には、次のように製造されている。
高周波真空溶解Ｔｉ−Ｎｉ合金インゴットから、外径及び内径が夫々φ４×φ３ｍｍの第１のパイプ１及び外径及び内径が夫々φ２．６×φ２．２ｍｍの第２のパイプ２を作製した。第１のパイプ１は円弧形状に５０℃で形状回復する処理を行った。第２のパイプ２は、直線形状に１０℃で形状回復する処理を行った。
【００１９】
図１に示すように，常温（約２０℃）では，第１のパイプ１はＭ相で，第２のパイプ２はＡ相で，第２のパイプ２の弾性の方が強いために駆動素子５は直線形状に近い形状を為している。一方，５０℃以上に加熱すると，第１のパイプ１及び第２のパイプ２のいずれもＡ相のため，第１のパイプ１の形状回復の方が強いために，駆動素子５はアングル形状を取る。このアングルは，第１のパイプ１の形状記憶処理する際の形状に応じて任意に設定することができるとともに，形状回復する際に，長さ方向の伸縮を含むものも構成することも可能である。
【００２０】
図２は図１の形状記憶合金駆動素子５を用いた能動鉗子を示す正面図である。図２を参照すると、能動鉗子１０は、支点を中心に開閉動作を行う取っ手１１と、取っ手１１の一方の一端に支持部材を介して取り付けられた温度制御手段としての温度制御装置１５と、温度制御装置１５の下端に設けられた加震手段としての加震装置１６と、温度制御装置１５の他端に設けられた形状記憶合金駆動素子５と、形状記憶合金駆動素子５の先端に設けられたバルーン（袋）１４と、更にバルーン１４よりも末端に設けられた刃部１３を備えている。他方の取っ手１１の先端に、取り付けられたシャフト１２は、温度制御装置１５を通り、形状記憶合金駆動素子５の第２のパイプ２内部を通って、刃部１３に至っている。従って、刃部１３は、取っ手１１の開閉動作によって、所定の開閉動作を行う。
【００２１】
また，温度制御装置１５及び加震装置１６内の液体は，形状記憶合金駆動素子５の第１のパイプ１と第２のパイプ２との間に供給されるように構成されており，これらの第１のパイプ１と第２のパイプ２との熱交換を行い，形状記憶合金駆動素子５は流体の温度に応じた作動を行う。
【００２２】
また，過剰の供給液体は，第１のパイプ１の先端部に設けられたバルーン１４に貯えられるように構成されている。
【００２３】
能動鉗子１０の手元に設置した加震装置１６によって生じた鉗子内の作動流体の往復運動によって，温度制御装置１５と液体，形状記憶合金パイプとの熱交換を促進させる。鉗子先端部のバルーン１４は，液体の往復流動を吸収させるためのものである。ここで加震装置１６は，定周波数で管内液体を動かすことができるものであれば良く，具体的には，モータ駆動あるいは，セラミックス振動子によっても良い。また，温度制御装置１５は，ヒータ加熱，サーモモジュール（ペルチェ効果素子）などを選ぶことができる。さらに，先端のバルーン１４は，ラテックスなどのゴムを使ったものが好ましい。
【００２４】
図１の駆動素子に，１０Ｈｚの周波数で１ｃｃの液体を往復流動させた結果，駆動素子の実効熱伝導率は，１５００Ｗ／ｍＫが得られた。これに対して，水の熱伝導率は，０．６Ｗ／ｍｋ，銅の場合は，４００Ｗ／ｍＫである。
【００２５】
また，１０℃および５０℃の温度変化に対し，図２の能動鉗子１０は，直線と円弧形状を可逆的に得られた。
【００２６】
図３（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２及び第３の実施の形態による形状記憶合金駆動素子の概略構成を夫々示す部分斜視図であり，図１の形状記憶合金駆動素子５の変形例を夫々示している。
【００２７】
図３（ａ）を参照すると，本発明の第２の実施の形態による形状記憶合金駆動素子６は，図１の第１のパイプ１と同様の第１のパイプ１と，他材フレキシブルチューブからなる第２のパイプ４とを備えて構成されている。他材フレキシブルチューブは，金属，樹脂，もしくは，それらの複合材料からなる。この形状記憶合金駆動素子６も形状記憶合金駆動素子５と同様に，第１のパイプ１と第２のパイプ４との間に液体を供給することによって，形状記憶合金駆動素子６に屈曲もしくは伸縮動作を行わせるものである。
【００２８】
図３（ｂ）を参照すると，本発明の第３の実施の形態による形状記憶合金駆動素子７は，ポリマーチューブからなる第１のパイプ８と図１の第２のパイプ１と同様の第２のパイプ２とを備えて構成されている。この形状記憶合金駆動素子７も形状記憶合金駆動素子５及び６と同様に，第１のパイプ８と第２のパイプ２との間に液体を供給することによって，第２のパイプ２を屈曲もしくは伸縮動作を行わせ，形状記憶合金駆動素子７に屈曲もしくは伸縮動作を行わせるものである。
【００２９】
図４は本発明の第４の実施の形態による形状記憶合金駆動素子を示す部分斜視図である。図４を参照すると，第４の実施の形態による形状記憶合金駆動素子１７は，形状記憶ばね１９とバイアスばね１８を設けた物で，ロッド２０に直結されている第１のパイプはロッドの動きを拘束しないように構成されている。この形状記憶合金駆動素子１７も前述の形状記憶合金駆動素子５，６，及び７と同様に，第１のパイプ１内に液体を供給することによって，ロッド２０は伸縮するように作動させる構成を有する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明によれば，新規な温度制御機構を持つ駆動素子とそれを用いた能動鉗子とを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による形状記憶合金駆動素子の概略構成を示す部分斜視図である。
【図２】図２は図１の形状記憶合金駆動素子を用いた能動鉗子を示す正面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２及び第３の実施の形態による形状記憶合金駆動素子の概略構成を夫々示す部分斜視図である。
【図４】図４は本発明の第４の実施の形態による形状記憶合金駆動素子を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１，８第１のパイプ
２，４第２のパイプ
３流体通過口
５，６，７，１７形状記憶合金駆動素子
１０能動鉗子
１１取っ手
１２シャフト
１３刃部
１４バルーン
１５温度制御装置
１６加震装置
１８バイアスばね
１９形状記憶合金ばね
２０ロッド

Claims

形状記憶合金部材で構成され、前記形状記憶合金部材の少なくとも一部に接する液体の温度を変えることで可逆的に作動する駆動素子において、第１のパイプ内に前記液体を入れ、前記形状記憶合金部材は前記第１のパイプを構成するか、もしくは前記第１のパイプ内に配置され、前記第１のパイプの一端部に、前記液体の温度を制御することで前記形状記憶合金部材全体を温度制御する制御手段及び前記液体を加振する加震手段とが設けられ、前記第１のパイプの他端部には、前記液体を貯めるための袋が設けられ、前記加震手段で生じた振動によって前記液体の往復流動を起こさせ、前記形状記憶合金部材全体を加熱冷却することで、当該駆動素子の可逆的な駆動を制御するように構成したことを特徴とする形状記憶合金駆動素子。
請求項１の形状記憶合金駆動素子において、前記形状記憶合金部材が形状記憶合金パイプであることを特徴とする形状記憶合金駆動素子。
請求項２記載の形状記憶合金駆動素子を先端部に備え、前記先端部が自在に屈曲可能に構成されていることを特徴とする能動鉗子。