JPH06312384A

JPH06312384A - 自走装置

Info

Publication number: JPH06312384A
Application number: JP5101374A
Authority: JP
Inventors: Koichi Umeyama; 広一梅山; Ichiro Takahashi; 一朗高橋; Masami Hamada; 雅巳浜田; Keiichi Arai; 敬一荒井; Yutaka Tatsuno; 裕龍野; Kenji Yoshino; 謙二吉野; Yasuhiro Ueda; 康弘植田; Sakae Takehata; 栄竹端
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-04-27
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1994-11-08

Abstract

(57)【要約】【構成】軸方向へ伸縮可能な圧電素子５と、この圧電素
子５の軸方向の一端に取り付けられ静止部材から摩擦力
を受ける移動体４と、圧電素子５に印加する駆動電圧を
制御して圧電素子５がその軸方向へ伸縮するときの圧電
素子の慣性力と移動体４の受ける摩擦力を利用して移動
体４を移動させる走行動作の制御手段とを具備した自走
装置１。【効果】構成部品数が減少して小形化し、曲りくねった
管路中でも走行容易となると共に、耐衝撃性に優れ、使
用寿命が延長する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子（電歪素子を
含む）の伸縮動作を利用して自走する自走装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の自走装置として、例えば、特開
平４−１７６７７０号公報に示すようなものが提案され
ている。これは、配管の内面に対して摺動可能に摩擦係
合される移動体に、圧電素子の伸縮軸方向の一端を固定
し、この圧電素子の伸縮軸方向の他端に慣性体を固定し
た構成になっている。

【０００３】この自走装置を動作する場合、圧電素子を
急激に伸長または収縮させたときの慣性体に生じる慣性
作用の結果生じる慣性力が移動体に加わることにより、
移動体を静止部位の面に対して摺動させて自走装置を僅
かづつ移動させる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の自走
装置にあっては、その圧電素子の伸縮軸方向の一端に移
動体を固定し、この圧電素子の伸縮軸方向の他端に慣性
体を固定する構成になっているので、構成部品数が増
え、自走装置全体が大型化し、これを利用する機器の設
計上問題となりやすい。また、加工や組み立てのコスト
が大きくなるという問題があった。

【０００５】更に、自走装置が外部から機械的な衝撃を
受けた際、慣性体に生じる慣性力が過大な衝撃として圧
電素子に加わり、圧電素子にダメージを与える虞れがあ
る。本発明は上記事情に着目してなされたもので、その
目的とするところは、構成部品数を減らし、加工、組み
立てのコストを低減することができるとともに、自走装
置全体を小形化し、曲りくねった移動路でも容易に走行
でき、外部から機械的な衝撃を受けた際に圧電素子が破
損しにくい自走装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の自走装置は、軸
方向へ伸縮可能な圧電素子と、この圧電素子の軸方向の
一端に取り付けられ静止部材から摩擦力を受ける移動体
と、前記圧電素子に印加する駆動電圧を制御して前記圧
電素子がその軸方向へ伸縮するときの前記圧電素子の慣
性力と移動体の受ける摩擦力を利用して前記移動体を移
動させる走行動作の制御手段とを具備したことを特徴と
する。

【０００７】

【作用】制御手段を通じて圧電素子に駆動電圧が印加さ
れると、この圧電素子が伸縮動作し、この圧電素子の伸
縮動作によって移動体に衝撃力が与えられ、この移動体
を静止部材に対して移動させる。

【０００８】

【実施例】本発明の概念的な第１の実施例の構成とその
動作について、図１から図３を参照して説明する。本実
施例の自走装置１は、内視鏡のチャンネル２の内部にお
いてブラシ３の走行を案内するためのものである。

【０００９】この自走装置１は、静止部材としてのチャ
ンネル２の内面に摩擦係合してこの内面から摩擦力を受
ける移動体４と、一端をこの移動体４に取り付けられた
軸方向に伸縮可能な積層型圧電素子（ＰＺＴ）５とから
なる移動アクチュエータ６を備える。

【００１０】積層型圧電素子５はその伸縮軸方向の一端
が移動体４に固定されている。また、この積層型圧電素
子５の積層した各圧電素材には並列に電極が接続されて
いる。この一方の電極を接続するリード線および他方の
電極を接続するリード線は互いに束ねられて、リード線
束７として積層型圧電素子５の後端側からチャンネル２
の内部を通じて後方へ導かれている。このリード線束７
は図示しない駆動電源に接続され、制御手段によって積
層型圧電素子５に対する印加電圧を制御するようになっ
ている。

【００１１】チャンネル２の内面を洗浄するブラシ３
は、この移動アクチュエータ６の先端側に配置された移
動体４の先端に設けられており、この移動アクチュエー
タ６が自走装置１を往復運動することにより、ブラシ３
もチャンネル２内を往復運動し、チャンネル２の内面を
洗浄することができるようになっている。

【００１２】次に、上記構成の自走装置１における移動
アクチュエータ６の動作について説明する。まず、図２
（Ａ）で示す波形の第１の駆動電圧を印加する場合につ
いて説明する。この場合、移動アクチュエータ６は図３
（Ａ）のａ，ｂ，ａの手順で動作する。

【００１３】最初に、図３（Ａ）１に示すように、移動
体４はチャンネル２の内周面と摩擦係合した状態で静止
している。そして、この状態で、図２（Ａ）で示す波形
の駆動電圧を印加すると、その波形のａ領域では圧電素
子５はゆっくり縮み、ｂ領域では急激に伸びるというサ
イクルを繰り返す。

【００１４】すなわち、駆動波形のａ領域で、圧電素子
５はゆっくりと縮むため、この場合、移動体４はチャン
ネル２の内周面に摩擦力で保持された状態を維持する。
また、駆動波形のｂ領域では、圧電素子５が急激に伸び
るため、次の理由によって移動体４には図３中の左方向
へ移動体４を押圧する衝撃力が発生する。つまり、圧電
素子５自身の質量に伴う慣性力が発生し、移動体４はこ
の圧電素子５からの衝撃力によって図４中の左方向へ微
小量移動する。この場合、圧電素子５の自重と移動体４
の質量Ｍとの両者により決まる重心を不動点として図３
（Ａ）のｂに示すように図中左方向へ微小量移動する。
この後のａ領域では、圧電素子５は、ゆっくりと縮む。
これを繰り返すことにより上記重心位置を図中左方向へ
微小量づつ移動する。

【００１５】一方、図２（Ｂ）で示す波形の第２の駆動
電圧を印加する場合には図３（Ｂ）のｃ，ｄ，ｃの手順
で動作する。この駆動波形でのｃ領域では圧電素子５が
ゆっくり伸び、ｄ領域では急激に縮み、この伸縮サイク
ルをくり返す。そして、駆動波形のｃ領域で圧電素子５
がゆっくり伸びる場合には移動体４は図３（Ｂ）のｃに
示すようにチャンネル２の内面との接触面に作用する摩
擦力により、静止したままの状態を保持する。

【００１６】さらに、駆動波形のｄ領域で圧電素子５が
急激に縮むが、この場合にはその圧電素子５の急激な収
縮動作によって移動体４を図３（Ｂ）中で右方向に引っ
張る衝撃力が発生するため、移動体４はこの圧電素子５
からの衝撃力によって圧電素子５の自重と移動体４の質
量Ｍとにより決まる重心を不動点として図３（Ｂ）のｄ
に示すように図中右方向に移動する。

【００１７】したがって、この移動アクチュエータ６の
ユニットとしての動作は、圧電素子５に図２の（Ａ）の
波形の第１の駆動電圧が印加される場合には移動体４が
図３中で左方向に移動し、自走装置１がチャンネル２内
を先端方向に移動する（図１）。また、圧電素子５に図
２の（Ｂ）の波形の第２の駆動電圧を印加する場合には
移動体４が図３中で右方向へ移動し、自走装置１がチャ
ンネル２内を後方に戻る（図１）。

【００１８】ここで、自走装置１を駆動する移動アクチ
ュエータ６を移動体４と圧電素子５のみとによって構成
し、従来の移動アクチュエータで使用されていた慣性体
を設けること省略したから、従来の移動アクチュエータ
に比べてその構成部品数を減らし、加工、組み立てのコ
ストを低減することができるとともに、自走装置１の全
体的な構成を小形化することができる。したがって、こ
れを適用する機器への組み込みが容易であり、また、外
部から機械的な衝撃を受けた際に過大な衝撃が少なく圧
電素子５が破損しにくい。

【００１９】このため、自走装置１の軸方向寸法を短く
することができ、内視鏡チャンネル２の屈曲部の通過が
容易となり、ブラシ３による洗浄効率が増大する。な
お、圧電素子５に印加する駆動電圧の波形としては、図
４や図５で示すような波形の駆動電圧でも駆動可能であ
る。図４（ａ）の駆動波形の電圧を圧電素子４に印加し
た場合には電圧の時間微分値が不連続に反転する点（圧
電素子５の運動が伸び方向から急に縮み方向に変わる
点）Ｐで、移動体４が左方向に滑る。このときのステッ
プ移動量は通常数μｍ以下程度になる。図４（ｂ）の駆
動波形の電圧を圧電素子５に印加した場合には電圧の時
間微分値が不連続に反転する点（圧電素子５の運動が縮
み方向から急に伸び方向に変わる点）Ｐで、移動体４が
右方向に滑る。駆動波形の他の点では滑らない。

【００２０】図５で示すような波形でも、上述の図２で
示した場合のものと同様に駆動可能であるが、（ａ）で
示す波形では左方向へ移動し、（ｂ）で示す波形では右
方向へ移動する。

【００２１】次に、図７を参照して本発明の概念的な第
２の実施例の構成とその動作について説明する。この第
２の実施例は前述したリード線束７を省略した例であ
る。この実施例における移動アクチュエータ１２は、上
述のチャンネル２の内周面に摩擦係合する円管体８内
に、バッテリー９と駆動回路１０と接続部１１とからな
る内装ユニットを気密あるいは液密状態に配置して移動
体を構成し、積層型圧電素子５の一端をこの内装ユニッ
トの接続部１１を介して取り付けてある。この積層型圧
電素子５は、各圧電素材を軸方向に伸縮可能とする例え
ばエポキシ樹脂等の好適な弾性材からなる密封材１３に
より円管８内に密封してあり、各圧電素材の電極を並列
に接続する図示しないリード線は接続部１１で制御手段
としての駆動回路１０およびバッテリーに接続される。
この制御手段の作動は、自走装置１に配置したスイッチ
で制御してもよく、あるいは、超音波等を用いて遠隔的
に制御してもよい。したがって、上記第１の実施例にお
けるリード線束７は不要となる。

【００２２】本実施例では、積層型圧電素子５は円管８
内に密封されているが、この密封材１３が弾性を有する
ため、この圧電素子５は上記第１の実施例に関連して説
明したと同様な伸縮動作を行い、この圧電素子５の伸縮
動作を通じて移動アクチュエータ１２が同様に走行す
る。

【００２３】この実施例の場合、上述のように慣性体を
省略したことにより、従来の移動アクチュエータよりも
コストの低減および小形化が可能であることに加え、移
動アクチュエータ１２の全体が円管８内に密封されるた
め、密閉性を保つと同時に耐衝撃性が更に大きく向上す
る。

【００２４】図７は第３の実施例による自走装置１５を
示し、この実施例では複数の移動アクチュエータ１６を
直列状に接続してある。この移動アクチュエータ１６の
移動体１７および圧電素子１８は上記第１の実施例と同
様に形成され、それぞれリード線束１９を介して直列状
に接続される。ただし、各移動体１７はその周部にブラ
シ３ａを有し、このブラシ３ａを介してチャンネル２の
内面に摩擦係合する。

【００２５】本実施例では、先端側の３つの移動アクチ
ュエータ１６と、後端側の２つの移動アクチュエータ１
６とがその向きを逆向きに接続してある。最後端側の移
動アクチュエータ１６の移動体１７からは、後方にリー
ド線束１９を延長し、このリード線束１９を介して各圧
電素子１８が図示しない駆動電源に接続され、制御手段
によって各圧電素子５に対する印加電圧が制御される。
この場合、先端側の３つの移動アクチュエータ１６の圧
電素子１８には例えば図２（Ａ）で示す波形の駆動電圧
を印加するときは、後端側の２つの移動アクチュエータ
１６の圧電素子には例えば図２（Ｂ）に示す波形の駆動
電圧を印加し、各移動アクチュエータ１６がチャンネル
２内を同じ方向に移動するようにする。

【００２６】このような複数の移動アクチュエータ１６
を備える自走装置１５にあっては、各移動アクチュエー
タ１６が小型化されるため、内視鏡チャンネル２あるい
は他の配管が曲りくねったものであっても、その内部を
走行することが可能である。また、ブラシ３ａの数が増
加するため、洗浄効率が良好となる。

【００２７】図８は第４の実施例を示す。この実施例の
自走装置２０は管路２ａの内部において内視鏡の挿入部
２３の走行を案内するためのものである。すなわち、こ
の自走装置２０の移動アクチュエータ２２は移動体とし
ての前端部材２４とこの前端部材２４に一端を接続した
中空な積層型圧電素子（ＰＺＴ）２５とで構成してな
り、前端部材２４と圧電素子２５とには直視型内視鏡の
挿入部２３を通せる挿通孔２６，２７が形成されてい
る。前端部材２４の挿通孔２６は内視鏡の挿入部２３を
密に通せる小さな径で形成され、圧電素子２５の挿通孔
２７は内視鏡の挿入部２３を緩く通せる大きな径で形成
されている。また、前端部材２４にはその挿通孔２６に
通した挿入部２３を締め付けて固定する止めねじ２８が
取り付けられている。そして、内視鏡の挿入部２３は図
８で示すように中空な積層型圧電素子２７の挿通孔２７
を通して前端部材２４の挿通孔２６内に挿通され、前端
部材２４に止めねじ２８で固定されている。直視観察を
行う挿入部２３の先端部２３ａは前端部材４の前端面か
ら露出して前方を向いている。

【００２８】中空な積層型圧電素子２５の外周にはその
圧電素材を保護するためのコイル３０が巻装されてい
る。また、積層型圧電素子２５の電極２５ａには電圧印
加用のリード線３１が接続されており、このリード線３
１は内視鏡の挿入部２３に沿って管路２ａ内を後方へ導
かれている。リード線３１は挿入部２３の外周に止め具
３２を使用して止められている。このようにしてリード
線３１は図示しない駆動電源に接続され、制御手段によ
って積層型圧電素子２５に対する印加電圧を制御するよ
うになっている。

【００２９】また、この自走装置２０の前端部材２４は
その外径が積層型圧電素子２５よりも大きく形成され、
この前端部材２４が管路２ａの内面に接触して摩擦力を
受け、積層型圧電素子２５の後端側は管路２ａの内面に
接触しないようになっている。なお、図８では前端部２
４のと管路２ａの内面との間の一部が接触してないが、
前端部材２４が管路２ａの内面から摩擦力を受けること
ができるものであればどのような形状でもよく、図８に
示すように一部に隙間を有してもよく、あるいは、図１
に示すようにその全周にわたって接触してもよい。

【００３０】この実施例における自走装置２０の移動ア
クチュエータ２２は、上記図２から図５を参照して説明
した移動アクチュエータ６と同様に動作する。そして、
この自走装置２０が管路２ａ内を移動すると、この前端
部材２３に固定された内視鏡の挿入部２３も管路２ａに
沿って移動される。

【００３１】図９は本発明の第５の実施例を示し、この
実施例は磁気により移動体３４と管路２ａの内面との間
に作用する摩擦力を大きくした例である。この実施例は
前端側に中空構造の積層型圧電素子３５を配置し、後端
側に移動体３４を配置したものである。この移動体３４
および中空な積層型圧電素子３５には前述したように内
視鏡の挿入部２３を挿通し、この挿入部２３は移動体３
４に例えば図示しない止めねじ等によって固定される。
さらに、移動体３４は、磁性体から形成されている（必
ずしも磁性体で形成する必要はない。）。

【００３２】移動体３４の内部にはその軸中心のまわり
に同心的に電磁コイル３６が配置してあり、これによっ
て移動体３４は電磁石として構成されている。電磁コイ
ル３６に通じるリード線３７と前述したように積層型圧
電素子３５の電極３５ａに通じる電圧印加用のリード線
３１とはまとめられて止め具３２を使用して挿入部２３
の外周に止められている。電圧印加用のリード線３１は
移動体３４内に形成した導通孔３８を通じて後方へ案内
されている。

【００３３】この実施例では移動体３４を電磁石として
構成する。そして、前述したように走行動作を行なわせ
る際、電磁コイル３６を励磁して移動体３４を管路２ａ
の内面に磁気的に吸着させる動作を行うようにする。し
たがって、移動体３４の管路２ａの内面に対する摩擦力
を大きくできるから、動作の安定を図ることができる。
管路２ａの壁面に対する摩擦力を高め得るから、その
分、移動体３４の質量を小さくすることができる。ま
た、走行速度および走行力を高めることもできる。さら
に、走行させる管路が水平でない場合、例えば垂直な管
路や傾く管路でも容易にその内面に沿って移動させるこ
とができる。その他は上記の実施例と同様である。

【００３４】なお、この実施例において電磁石を構成す
る代わりにその移動体の部材を永久磁石で構成してもよ
い。もっとも、電磁石で構成した場合にはその移動体を
静止させておくべき工程のみにその電磁石を励磁して静
止力を高めるように制御してもよい。

【００３５】図１０は本発明の第６の実施例を示すもの
である。この第６の実施例は上記第５の実施例における
摩擦力を高めるための電磁石の代わりにバルーン３９
を、移動体３４の外周に設けたものである。バルーン３
９の内部は移動体３４の内部に形成した供給路４０と排
出路４１とに通じており、供給路４０には供給チューブ
４２、排出路４１には排出チューブ４３が接続されてい
る。供給チューブ４２および排出チューブ４３は止め具
３２によって電圧印加用のリード線３１とともに挿入部
２３の外周上に止められている。

【００３６】しかして、供給チューブ４２を通じて加圧
流体をバルーン３９に供給することによってそのバルー
ン３９を膨脹し、走行する管路２ａの内面に押し当てる
ようにする。これによって管路２ａの内面に対する摩擦
力を高めることができる。この実施例は、管路２ａが磁
性材料で形成されている場合はもちろんのこと、さら
に、非磁性材料で形成された管路内をも走行することが
できる。

【００３７】図１１は、本発明の第７の実施例による自
走装置を示す。この自走装置は、胃あるいは十二指腸等
の任意の部位へ移動可能な医療用カプセル５０として形
成されている。

【００３８】医療用カプセル５０は、体腔２ｂの内面に
係合する移動体としてのカプセル本体５２と、このカプ
セル本体５２の内側に突出した固定部５４にそれぞれの
一端を取り付けられた軸方向に伸縮可能な積層型圧電素
子５５ａ，５５ｂとからなる移動アクチュエータ５６
ａ，５６ｂを備える。これらの積層型圧電素子５５ａ，
５５ｂの後端側からは各圧電素材の電極に接続されたリ
ード線束５１ａ，５１ｂが延長され、これらのリード線
束５１ａ，５１ｂは絶縁コード５１としてカプセル本体
５２から後方に導かれ、図示しない駆動電源に接続さ
れ、制御手段によって積層型圧電素子５に対する印加電
圧を制御するようになっている。

【００３９】本実施例では、カプセル本体５２の先端部
にｐＨ検出部５３を配置してあり、このｐＨ検出部５３
に電気的に接続されたアンプ５７とテレメトリー部５８
と電源５９とがカプセル本体５２内に収容されており、
テレメトリー部５８を通じて外部と情報を送受信する。
カプセル本体５２は全体が密閉構造に形成されており、
ｐＨ検出部５３の配設部位および絶縁コード５１の導出
部位も密封してある。

【００４０】この医療用カプセル５０は上述の実施例と
同様に動作する２つの移動アキュムレータ５６ａ，５６
ｂを備えることにより、これらの移動アキュムレータ５
６ａ，５６ｂを個々に駆動することにより任意の方向に
走行させることができる。例えば、移動アキュムレータ
５６ａ，５６ｂを同時に同方向に同速度で動作するよう
に駆動すると、この医療用カプセル５０が直進し、一方
のみあるいは互いに逆方向に駆動すると回転する。な
お、本実施例では移動アキュムレータを２つ設けたが、
必要に応じて３あるいは４以上設けてもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上明らかなように、本発明の自走装置
によれば、構成部品数が減少し、加工、組み立てのコス
トを低減することができるとともに、自走装置全体の構
造を小形化し、曲りくねった移動路でも容易に走行でき
ると共に、外部から機械的な衝撃を受けた際に圧電素子
が破損しにくく、使用寿命を延長することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の自走装置の概略的な断
面図である。

【図２】圧電素子に印加する駆動電圧の波形図である。

【図３】移動アクチュエータによる原理的な走行動作を
示す説明図である

【図４】圧電素子に印加する駆動電圧の他の波形図であ
る。

【図５】圧電素子に印加する駆動電圧の更に他の波形図
である。

【図６】第２の実施例による自走装置の概略図である。

【図７】第３の実施例の自走装置の説明図である

【図８】第４の実施例による自走装置の一部を断面で示
す説明図である。

【図９】第５の実施例による自走装置の部分断面図であ
る。

【図１０】第６の実施例による自走装置の部分断面図で
ある。

【図１１】第７の実施例による自走装置の説明図であ
る。

【符号の説明】

１…自走装置、２…チャンネル、３…ブラシ、４…移動
体、５…圧電素子、６…移動アキュムレータ、７…リー
ド線束。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者荒井敬一東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者龍野裕東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者吉野謙二東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者植田康弘東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者竹端栄東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸方向へ伸縮可能な圧電素子と、この圧
電素子の軸方向の一端に取り付けられ静止部材から摩擦
力を受ける移動体と、前記圧電素子に印加する駆動電圧
を制御して前記圧電素子がその軸方向へ伸縮するときの
前記圧電素子の慣性力と移動体の受ける摩擦力を利用し
て前記移動体を移動させる走行動作の制御手段とを具備
したことを特徴とする自走装置。