JPH06209945A - 多自由度可撓管装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、複数の各関節に設けられた複数のア
クチュエ―タを少ない配線で独立に制御し、滑らかな動
きを可能とする小型で多自由度の可撓管装置を提供する
ことを目的とする。 【構成】可撓管内に設けられた複数の湾曲操作用アクチ
ュエ―タＡ₁ …と、このアクチュエ―タＡ₁ …をそれぞ
れ駆動する複数の駆動手段４…とからなる多自由度可撓
管装置において、前記可撓管内に設けられた１本のアナ
ログ制御信号を伝送する制御信号ライン８と１本の同期
信号ライン７と、前記制御信号ライン８により送信され
るアナログ制御信号を選択的に前記駆動手段４…に入力
する複数の選択手段とを具備した多自由度可撓管。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複雑な管路内に挿入し
てその管路内の修理や手術等の処置を行う多自由度可撓
管装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から長尺な挿入部を管路内に挿入し
て、その管路内の観察または修理や患部の手術等の処置
を行ったりする内視鏡や処置具が知られている。しか
し、これを複雑な管路内に挿入して使用する場合には長
尺な挿入部の挿入が一段と困難になる。そこで、複雑な
管路内に挿入する場合に適するように、その長尺な挿入
部を複数に分け、各部分を形状記憶合金（ＳＭＡ）で湾
曲駆動するようにした多自由度マニピュレ―タが提案さ
れている（特開昭63−136014号公報を参照）。この中に
は、多関節のマニピュレ―タの各々のアクチュエ―タを
独立に制御し、さらに、フィ―ドバック制御する方式が
示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような構
造の多関節マニピュレ―タを大幅に小型化・多機能化す
る上で、多くの問題点があった。まず、関節の数が多く
なると、それらを独立に制御するためには、多関節マニ
ピュレ―タの根元部分で、多くの配線が必要となる。ま
た、各関節の変位を正確に制御するために各関節にセン
サ―を組み込んでフィ―ドバック制御を行うとすれば、
それらに必要な配線数は更に増大する。

【０００４】そこで、図５で示されるような方式の内視
鏡が提案されている。この内視鏡の挿入部における湾曲
部２０は、２方向にのみ湾曲するタイプのものであり、
図５（ａ）で示すように５つの関節駒２１を直列に連結
したものである。隣接する関節駒２１同士はピン２２に
よって枢着されている。この枢着した連結部には交互に
上下に位置してＶ字形の切欠き部２３が設けられ、この
ため、各関節駒２１は図５に示すような６角形の断面形
状を有する。

【０００５】そして、各Ｖ字形の切欠き部２３にはＶ字
形で板状の形状記憶合金（ＳＭＡ）からなる駆動部材２
４が嵌め込まれ、それは関節駒２１に固定されている。
この形状記憶合金からなる駆動部材２４は折り畳まれた
形状を記憶しており、加熱されると、この折り畳まれた
記憶形状になる。この各駆動部材２４は後述する駆動回
路によって選択的に通電されるヒーターによって加熱さ
れる。

【０００６】各関節駒２１には５つの駆動回路Ｄ₁ ，Ｄ
₂ ，Ｄ₃ ，Ｄ₄ ，Ｄ₅ が設けられている。各駆動回路Ｄ
₁ ，Ｄ₂ ，Ｄ₃ …は図５（ｂ）に示すように構成されて
いる。内視鏡の挿入部には手元側から電源ライン２５，
制御信号ライン２６，クロックライン２７及びＧＮＤラ
イン２８が延設される。また、各駆動回路Ｄ₁ ，…はＤ
フリップフロップ（ＤＦＦ）２９を有し、このデータ入
力端子Ｄには制御信号が入力され、クロック入力端子Ｃ
Ｋにはクロック信号が入力される。Ｄフリップフロップ
２９の出力端子Ｑの出力がスイッチ用トランジスタ（Ｆ
ＥＴ）３０に入力され、その出力が高レベルとなったと
き、スイッチ用トランジスタ３０がオンし、電源ライン
２５とＧＮＤライン２８との間に接続されている前記駆
動部材加熱用のヒ―タ３１に通電するようになってい
る。

【０００７】次に、図５（ｃ）のタイムチャ―トを用い
て、この内視鏡の湾曲部２０の湾曲動作を説明する。こ
こでは一定の単位時間（１００msec）の周期毎にその関
節の数に等しいクロック信号を送信する。この時、クロ
ック信号が送信される時間は１msecで、この時間内で湾
曲動作させる関節を選択する。残りの９９msecは駆動部
材２４（アクチュエ―タ）の動きを保持する時間に費や
される。

【０００８】今、例えば手元側から数えて第２，第３番
目の関節部分の駆動部材２４を作用させてその関節部分
を屈曲させたい場合、図５（ｃ）で示すような５つのク
ロック信号に同期して対応した時間にパルスの信号を送
信する。すると、１番手元側のＤフリップフロップ２９
は５つのクロック信号が入力された後、その出力Ｑ₅は
Ｌレベルとなり、これに対応したスイッチ用トランジス
タ（ＦＥＴ）３０はオフのままで１番手元側のヒ―タ３
１は加熱されない。よって、第１番目の関節部分の駆動
部材２４は動作しないので、その関節部分は屈曲しな
い。

【０００９】次の駆動回路Ｄ₂ のＤフリップフロップ２
９はＱ₅ の出力が入力され、同様に信号がシフトしてい
き、選択時間後にはＬレベルとなり、第２番目の関節部
分の駆動部材２４は動作しないので、その関節部分は屈
曲しない。３番目，４番目の駆動回路Ｄ₃ ，Ｄ₄ におけ
るＤフリップフロップ２９は、選択時間後、Ｈレベルと
なり、スイッチ用トランジスタ３０がオンとなり、これ
に対応した各ヒ―タ―３１により駆動部材２４を加熱
し、その３番目の関節部分を下側に屈曲し、４番目の関
節部分を上側に屈曲させる。このように制御信号のパル
スを適宜選択することにより、任意の関節を屈曲動作さ
せることができる。したがって、湾曲部２０を全体的に
見て任意の状態で上下に湾曲することができる。

【００１０】なお、選択時間内において、一瞬、スイッ
チ用トランジスタ（ＦＥＴ）３０がオンしてヒ―タ３１
が通電されるが、熱の応答性が低いため、これは実際上
問題とはならない。

【００１１】この方式によれば、全てディジタルで制御
できることから、回路の構成が簡単になる。特に、チッ
プ化して超小型化することには有利である。また、動き
を滑らかにさせたい場合には、単位時間をもっと短かく
すれば、ある程度のスム―ズな動作ができる。しかし、
この方式の例ではパルス信号で、オン／オフ制御しかで
きず、滑らかな動きを実現することが困難であった。

【００１２】また、ＵＳＰ第3,712,481 号明細書ではア
ナログ信号を複数のモジュ―ルに送信するようにしてい
るものが提案されているが、この方式ではアナログ信号
を送信する制御信号線はモジュ―ルの数だけ必要であ
り、細径化が難かしい。この点で、細径化が極力求めら
れる内視鏡の分野では問題である。

【００１３】本発明はこのような問題を解決するため、
複数の各関節に設けられた複数のアクチュエ―タを少な
い配線で独立に制御し、滑らかな動きを可能とする小型
で多自由度の可撓管装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は、可
撓管内に設けられた複数の湾曲操作用アクチュエ―タ
と、このアクチュエ―タをそれぞれ駆動する複数の駆動
手段とからなる多自由度可撓管装置において、前記可撓
管内に設けられた１本のアナログ制御信号を伝送する制
御信号線と１本の同期信号線と、前記制御信号線により
送信されるアナログ制御信号を選択的に前記駆動手段に
入力する複数の選択手段とを具備したものである。これ
によれば、複数のアクチュエ―タを少ない配線で独立に
制御し、かつ、滑らかな動きを可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１およ
び図２に第１の実施例を示す。図１（ａ）は、内視鏡の
挿入部の先端部付近に構成される湾曲部１を示してお
り、この湾曲部１は、ｎ個の関節駒２を連結してなる。
隣接する２つの関節駒２の間には軸方向に伸縮する方向
性の形状記憶合金（ＳＭＡ）製ワイヤ３からなる湾曲操
作用アクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃ …Ａ_n がそれぞれ
架設されている。各ワイヤ３が架設される位置は各関節
部毎交互に上下に互い違いである。ワイヤ３の各端は対
応する関節駒２に取着されている。さらに、各関節駒２
の内部にはそれぞれのアクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃
…Ａ_n を操作する駆動回路４がそれぞれ設けられてい
る。

【００１６】図１（ｂ）はそのアクチュエ―タＡ₁ ，Ａ
₂ ，Ａ₃ …Ａ_n と駆動回路Ｄ₁ ，Ｄ₂ ，Ｄ₃ …Ｄ_n の結
線図を示す。先端側から数えて第１番目の関節駒２と第
２番目の関節駒２との間に設けられたアクチュエ―タＡ
₁ は、その一端を手元側から延びている共通のＧＮＤラ
イン５に接続され、他端は駆動回路Ｄ₁ に接続されてい
る。駆動回路Ｄ₁ はアクチュエ―タＡ₁ にエネルギ―を
供給する電源ライン６と、一定の周期で送られてくるク
ロック信号ライン７及びアクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ ，Ａ
₃ …Ａ_n の動作を制御する制御信号ライン８に接続され
ている。アクチュエ―タＡ₂ 〜Ａ_n も同様に接続されて
いる。つまり、ＧＮＤライン５、電源ライン６、クロッ
ク信号ライン７及び制御信号ライン８は共通に用いられ
る。

【００１７】図１（ｃ）は駆動回路Ｄ₁ …Ｄ_n の具体的
な構成を示している。特に、駆動回路Ｄ₁ はサンプルホ
―ルド回路１０₁ のみで構成されているが、他の駆動回
路Ｄ₂ …Ｄ_n はサンプルホ―ルド回路１０₂ 〜１０_n と
遅延回路１１₂ 〜１１_n とで構成されている。このた
め、アクチュエ―タＡ₂ 〜Ａ_n にはクロック信号がＬの
間は制御信号の値がそのまま現れ、クロック信号がＨの
ときはその直前の値をホールドした値が現れる。

【００１８】クロック信号ライン７を通じて送信される
クロック信号は、図２で示されるように一定の周期Ｔで
パルス幅ｔのパルスを繰り返す。この場合、周期Ｔはア
クチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ …Ａ_n の数ｎとパルス幅ｔの積
『ｎｔ』よりも大きく設定してある。これは１本の制御
信号ラインに複数のアクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ …Ａ_nの
制御情報を時分割でデ―タを送るためである。同じく図
２で示すように制御信号は一定時間ｔ毎に電圧が変化す
るアナログ信号であり、それぞれの電圧値Ｖ₁₁，Ｖ₂₁，
Ｖ₃₁…Ｖ_n1で前述した各アクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ …Ａ
_n の動作を制御する。

【００１９】内視鏡の手元側から１本の制御信号ライン
８に乗った時分割された信号は、湾曲部１に設けられた
駆動回路Ｄ₁ ，Ｄ₂ …Ｄ_n に送られる。駆動回路Ｄ₁ で
はクロック信号のパルスがＨの時に制御信号がサンプル
ホ―ルドされ、次のクロック信号のパルスでサンプルホ
―ルドされるまで、この時の制御信号の電圧値Ｖ₁₁が保
持される。そして、クロック信号の一定周期Ｔの間、ア
クチュエ―タＡ₁ には電圧値Ｖ₁₁が印加され、この電圧
値Ｖ₁₁に応じてそのアクチュエ―タＡ₁ が収縮し、第１
番目の関節が屈曲する。

【００２０】アクチュエ―タＡ₂ に接続されている駆動
回路Ｄ₂ は遅延量ｔの遅延回路１１₂ とサンプルホ―ル
ド回路１０₂ からなり、入力されたクロック信号はその
遅延回路１１₂ により時間ｔだけ遅延され、サンプルホ
―ルド回路１０₂ に入力される。すると、時分割された
制御信号の電圧値Ｖ₂₁を保持する。そして、一定時間Ｔ
の間保持して次のクロック信号で新しい電圧値Ｖ₂₂を保
持する。この電圧値に対応して第２番目の関節が屈曲動
作する。このように、アクチュエ―タＡ_n も同様に（ｎ
−１）ｔ時間遅延されたクロック信号によりサンプルホ
―ルドされ、保持される電圧Ｖ_n1がアクチュエ―タＡ_n
に印加される。そして、アクチュエ―タＡ_n が湾曲動作
する。この場合の制御信号は一定の電圧としたが、必ず
しも一定でなく変化していてもよい。例えば、応答性を
高めるため、その最初に大きめの電圧入れた後小さくし
てもよい。そうすればクロック信号が入力された時間
は、このアナログ信号の変化に応じてアクチュエ―タＡ
₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃ …Ａ_n が動作する。

【００２１】しかして、前記構成によれば、電源ライン
６、クロック信号ライン７、制御信号ライン８及びＧＮ
Ｄライン５の計４本のラインのみで、複数のアクチュエ
―タＡ₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃ …Ａ_n を独立に動作させることが
可能である。よって、内視鏡の挿入部の細径化が可能と
なる。

【００２２】図３は第２の実施例を示す。この実施例で
は、図３（ａ）に示すように内視鏡の湾曲部１５は上下
左右の４方向に湾曲可能なように各関節駒１２を連結し
ている。すなわち、各関節駒１２の間にはその枢着部分
を屈曲する状態でそれぞれアクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ ，
Ａ₃ …Ａ_n を構成する軸方向に伸縮する方向性の形状記
憶合金製ワイヤ３を設けている。これらの他の点は前述
した第１の実施例と同様であり、それらの具体的な構成
の説明を省略する。

【００２３】特に、アクチュエ―タ（ＳＭＡ）Ａ₁ ，Ａ
₂ ，Ａ₃ …と駆動回路Ｄ₁ ，Ｄ₂ …及び駆動回路Ｄ₁ ，
Ｄ₂ …の構成は、図３（ｂ）で示すようになっている。
すなわち、駆動回路Ｄ₁ はサンプルホ―ルド回路１０₁
のみで構成されているが、他の駆動回路Ｄ₂ …Ｄ_n はサ
ンプルホ―ルド回路１０₂ 〜１０_n と遅延回路１１₂〜
１１_n とを有している。そして、サンプルホ―ルド回路
１０₁ ，１０₂ 〜１０_n は内視鏡の手元側から送信され
る制御信号をサンプルホ―ルドする。

【００２４】このサンプリングのタイミングを決定する
のがクロック信号で、このクロック信号が直接にサンプ
ルホ―ルド回路１０₁ に入力し、また、遅延回路１１₂
〜１１_n を通して他のサンプルホ―ルド回路１０₂ 〜１
０_n に入力される。サンプルホ―ルド回路１０₁ ，１０
₂ 〜１０_n でサンプルホ―ルドされたアナログ信号は、
ＰＷＭ発生回路１６₁ ，１６₂ 〜１６_n に入力され、こ
れはアナログ信号の電圧値に対応したパルス幅の信号を
出力する。ここで、各遅延回路１１₂ 〜１１_nの遅延量
ｔは一定に設定されている。

【００２５】また、各アクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃
…Ａ_n は、それぞれスイッチング素ＳＷ₁ …ＳＷ_n1をそ
れぞれ介してＧＮＤライン５と電源ライン６との間に接
続されている。つまり、各アクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ ，
Ａ₃ …Ａ_n にはそれぞれのスイッチング素ＳＷ₁ …ＳＷ
_n1を介して通電される。前記各スイッチング素ＳＷ₁…
は例えばパワ―ＦＥＴあるいはトランジスタによりな
り、後述するようにアクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃ …
Ａ_n に供給する電力を制御する。

【００２６】次に、この実施例の作用を説明する。前述
した第１の実施例と同様に各駆動回路Ｄ₁ ，Ｄ₂ …で
は、基準となるクロック信号が遅延されて、一本の制御
信号ライン８上で送信される時分割された信号をサンプ
ルホ―ルドして、アクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ …Ａ_n を駆
動する。つまり、一定時間（Ｔ）間隔で、クロック信号
が入力され、それに応じて制御信号（アナログ信号）の
値がサンプリングされ、Ｔの間、その値が保持される
（ａ₁ 〜ａ₃ ）。そして、この信号がＰＷＭ発生回路１
６₁ ，１６₂ 〜１６_n に入力され、アナログ信号（ａ₁
〜ａ₃ ）に対応してＰＷＭ発生回路１６₁ ，１６₂ 〜１
６_n の出力のパルス幅が設定されてスイッチング素ＳＷ
₁ …を操作し、アクチュエ―タＡ₁ ，Ａ₂ ，Ａ₃ …Ａ_n
に供給する通電量が連続的に制御できる。

【００２７】この実施例ではサンプルホ―ルドされたア
ナログ信号を一旦、ＰＷＭ回路１６₁ ，１６₂ 〜１６_n
によりディジタルに変換して、パルス駆動とする点に特
徴がある。しかして、この構成によれば、遅延回路１１
₂ 〜１１_n による遅延量が『ｔ』で一定であり、小型化
が可能であり、内視鏡の細径化ができる。また、アクチ
ュエ―タ（ＳＭＡ）をパルス駆動することによりアナロ
グ駆動に比べ応答性が向上する。

【００２８】なお、前述した各実施例おいてはアクチュ
エ―タとして形状記憶合金（ＳＭＡ）を用いたが、ケモ
メカニカルアクチュエ―タ，水素吸蔵合金アクチュエ―
タ，圧電アクチュエ―タ等、小型のアクチュエ―タであ
れば、特にそれに限定されることはない。また、内視鏡
について示したが、カテ―テルやガイドワイヤ及びマニ
ュピレ―タ等の可撓管であってもよい。さらに、本発明
の実施例では１本の制御信号線と１本の同期信号線のみ
を利用しているが、湾曲操作用アクチュエ―タの数がか
なり多くなる場合等には複数設けても本発明による実質
的な作用効果が得られる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、多
自由度を有する可撓管装置でも、例えば４本の信号線の
みで独立に複数のアクチュエ―タを制御でき、可撓管の
細径化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は第１の実施例に係る内視鏡の挿入部の
先端部付近を概略的に示す説明図、（ｂ）はそのアクチ
ュエ―タと駆動回路の説明図、（ｃ）は駆動回路の具体
的な構成を示す回路図。

【図２】第１の実施例の回路の動作を示す波形図。

【図３】（ａ）は第２の実施例に係る内視鏡の挿入部の
先端部付近を概略的に示す説明図、（ｂ）はそのアクチ
ュエ―タと駆動回路の説明図。

【図４】第２の実施例の回路の動作を示す波形図。

【図５】（ａ）は従前に提案された内視鏡の挿入部の先
端部付近を概略的に示す説明図、（ｂ）はそのアクチュ
エ―タと駆動回路の説明図、（ｃ）はその実施例の回路
の動作を示す波形図。

【符号の説明】

１…湾曲部、２…関節駒、Ａ₁ 〜Ａ_n …湾曲操作用アク
チュエ―タ、Ｄ₁ 〜Ｄ_n …駆動回路、４…駆動回路、５
…ＧＮＤライン、６…電源ライン、７…クロック信号ラ
イン（同期信号線）、８…制御信号ライン（制御信号
線）、１１₂ 〜１１_n …遅延回路、１０₁ 〜１０_n …サ
ンプルホ―ルド回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可撓管内に設けられた複数の湾曲操作用ア
   クチュエ―タと、このアクチュエ―タをそれぞれ駆動す
   る複数の駆動手段とからなる多自由度可撓管装置におい
   て、 前記可撓管内に設けられた１本のアナログ制御信号を伝
   送する制御信号線と１本の同期信号線と、前記制御信号
   線により送信されるアナログ制御信号を選択的に前記駆
   動手段に入力する複数の選択手段とを具備したことを特
   徴とする多自由度可撓管装置。