JPH0654796A - 多自由度湾曲管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】可撓管の外径を細くしたまま、多自由度の可撓
管を容易に構成することができ、また軽量化の多自由度
可撓管を提供することにある。 【構成】少なくとも先端部に複数の湾屈曲部１３を有す
る可撓管１０と、この可撓管１０に設けられ前記湾屈曲
部１３を作動するフィルム状の静電型アクチュエータ１
４とからなり、静電型アクチュエータ１４に駆動電圧を
印加し、移動子１６ａと固定子１６ｂを静電気力により
駆動させて湾屈曲部１３を屈曲させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばカテーテル、内
視鏡、レーザプローブ等のような多自由度可撓管に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば、医療用のカテーテルや内視鏡等
の可撓管、ガス配管等の工業用管路の点検・修理を行う
工業用内視鏡の可撓管は、複数の屈曲部を有する多自由
度可撓管によって構成されている。

【０００３】そして、特に細径の可撓管においては、可
撓管の屈曲部の内部に温度変化に応じて長さが収縮・伸
張する線状の形状記憶合金からなる湾曲操作ワイヤを配
設したものが知られている。

【０００４】この可撓管は、可撓管の手元側において湾
曲操作ワイヤに通電加熱することによって可撓管の屈曲
部を屈曲または湾曲して可撓管の先端部を目的部位に導
くことができるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、生体内
の深部に挿入する内視鏡や長い管路に挿入する工業用内
視鏡は可撓管の長さが長くなり、長尺化するに伴って屈
曲部の自重が大きくなり、自重によって垂れ下がってし
まい、可撓管の根元側の屈曲部を所望の屈曲量に屈曲さ
せることができない。

【０００６】そこで、従来においては、可撓管の根元側
における線状の形状記憶合金からなる湾曲操作ワイヤを
太くして大出力が得られるようにしているが、湾曲操作
ワイヤを太くすると、それに伴って可撓管の外径が太く
なるという不都合がある。

【０００７】本発明は、前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、可撓管の外径を細く保
ったまま、可撓管の自重に影響されることなく、湾屈曲
部を所望量に湾屈曲できる多自由度可撓管を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するするために、少なくとも先端部に複数の湾屈曲部
を有する可撓管と、この可撓管に設けられ前記湾屈曲部
を作動する静電型アクチュエータとから構成したことに
ある。

【０００９】

【作用】可撓管の湾屈曲部を湾曲させる場合には、湾曲
方向に位置する静電型アクチュエータを、固定子／移動
子重畳面積が大きくなるように駆動させ、同時に、湾曲
方向とは反対側に設けられている静電型アクチュエータ
を、固定子／移動子重畳面積が小さくなるように駆動さ
せると、湾屈曲部が所望量に湾屈曲される。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の各実施例を図面に基づいて
説明する。

【００１１】図１および図２は第１の実施例を示す。図
２は、例えばガス配管等の工業用管路Ｐ内に挿入される
工業用内視鏡１の使用状態を示す。工業用内視鏡１の挿
入部１ａの先端面には１つの照明窓２と２つの観察窓３
が設けられている。

【００１２】さらに、工業用内視鏡１の挿入部１ａの先
端面には多自由度可撓管としての配管内作業用の３本の
多自由度マニピュレータ４ａ，４ｂ，４ｃの基端部がそ
れぞれ固定されている。これらマニピュレータ４ａ，４
ｂ，４ｃはフレキシブルに湾曲する多関節構造になって
いる。

【００１３】第１のマニピュレータ４ａの先端部には照
明装置およびＣＣＤ等の観察装置５が設けられており、
この第１のマニピュレータ４ａによって工業用管路Ｐ内
の補修部Ｑを近接かつ直視して作業部拡大内視システム
部が構成されている。

【００１４】第２のマニピュレータ４ｂの先端部にはマ
イクログリッパ６が設けられている。このマイクログリ
ッパ６は溶接用材料等の作業ツール７を把持しながら補
修部Ｑに近接させるツール搬送部が構成されている。

【００１５】第３のマニピュレータ４ｃの先端部にはレ
ーザ光等の出射部や、グラインダ等の研削作業部８が設
けられている。この第３のマニピュレータ４ｃによって
工業用管路Ｐ内の補修部Ｑに近接し、レーザ光等による
溶接や、グラインダを用いての研削等の補修作業を行う
作業部が構成されている。

【００１６】なお、３本のマニピュレータ４ａ，４ｂ，
４ｃの外周面の色を変えることにより、３本のマニピュ
レータ４ａ，４ｂ，４ｃを識別し易くしたり、或いは各
マニピュレータ４ａ，４ｂ，４ｃに識別用の特有の形状
の突起部をそれぞれ形成することにより、観察窓３によ
って各マニピュレータ４ａ，４ｂ，４ｃ，を目視した際
に簡単に各マニピュレータ４ａ，４ｂ，４ｃの機能を判
断できる構成にしてもよい。

【００１７】第１〜第３のマニピュレータ４ａ，４ｂ，
４ｃは、基本的に同一構造であるため、その１つである
第１のマニピュレータ４ａについて説明すると、図１に
示すように構成されている。

【００１８】図１の（ａ）（ｂ）は本発明による多自由
度可撓管１０の断面を示すものであり、複数個の管状部
材１１が、例えばゴム製の蛇腹等のような可撓性連結部
材１２で連結され、複数の湾屈曲部１３が設けられてい
る。

【００１９】各管状部材１１の連結部、すなわち各湾屈
曲部１３の内部の湾曲方向にはフィルム状の静電型アク
チュエータ１４が設けられている。この静電型アクチュ
エータ１４は支持部材１１ａにより管状部材１１の端部
内壁に固定されている。また、各静電型アクチュエータ
１４には図示しない駆動回路から３相の駆動電圧を供給
するための電線１５が接続されている。

【００２０】以上のように構成された多自由度可撓管１
０は、各管状部材１１間の湾屈曲部１３に設けられた静
電型アクチュエータ１４のフィルム状の移動子１６ａと
固定子１６ｂが、静電気力により駆動される。この静電
型アクチュエータ１４の原理は、例えば「工業材料」１
９９２年６月号（Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．８）の１０１〜
１０６頁に記載されている。

【００２１】したがって、多自由度可撓管１０の湾屈曲
部１３を一方向に湾曲させる場合には、図１の（ｃ）に
示されるように、湾曲方向に位置する静電型アクチュエ
ータ１４ａを、固定子／移動子重畳面積が大きくなるよ
うに駆動させる。同時に、湾曲方向とは反対側に設けら
れている静電型アクチュエータ１４ｂを、固定子／移動
子重畳面積が小さくなるように駆動させる。

【００２２】したがって、本実施例によれば、薄いフィ
ルム状の静電型アクチュエータ１４が各湾屈曲部１３の
湾曲方向に設けられているため、多自由度可撓管１０の
外径を細くしたまま、多自由度の可撓管を容易に構成す
ることができる。静電型アクチュエータ１４の自重は軽
量であるため、多数設けても可撓管の重量はさほど大き
くはならない。また、アクチュエータの発生力も駆動電
圧により制御可能であるため、可撓管に必要とされる力
量に応じて湾曲力量を調節できる。さらに、駆動周波数
を制御することにより湾曲速度が制御でき、従来の形状
記憶合金のように大電流を流さなくとも高速に、しかも
最適な速度で湾曲をかけられるという効果をも有する。

【００２３】図３は第２の実施例を示す。この実施例
は、多自由度可撓管１０の湾屈曲部１３の湾曲方向それ
ぞれに積層型の静電型アクチュエータ１７，１８を設け
た構成である。積層型の静電型アクチュエータ１７，１
８は、その両端部がヒンジ部材１９によって対向する管
状部材１１の内壁端部に固定されている。

【００２４】この実施例の湾曲作用は第１の実施例と同
一であり、その効果は、湾曲による静電型アクチュエー
タ１７，１８のベンディングがなく、いかなる状態でも
静電型アクチュエータ１７，１８を常に適正な状態で駆
動することが可能である。また、アクチュエータが積層
構造であるため、さらに大きな湾曲力量を発生すること
が可能である。

【００２５】図４および図５は第３の実施例の多自由度
可撓管としてのマニピュレータ２０を示す。このマニピ
ュレータ２０には湾屈曲部としての複数の関節体２１が
設けられ、先端部にはグラインダ２０ａが設けられてい
る。各関節体２１の接続部の対向する面には例えば半周
に亘って２個の対向電極２２ａ，２２ｂが設けられてい
る。

【００２６】各関節体２１の一方の対向電極２２ａは導
線２３に共通に接続され、電源２５のプラス側端子に接
続されている。他方の対向電極２２ｂも同様に導線２４
に共通に接続され電源２５のマイナス端子に接続されて
いる。

【００２７】対向電極２２ａと２２ｂは間隔ｄはマニピ
ュレータ２０の先端側程小さく、ｄ1 ＜ｄ2 ＜ｄ3 ＜ｄ
4 …ｄn-1 ＜ｄn となっている。各電極表面は絶縁膜に
よりコーティングされており対向電極２２ａ，２２ｂが
短絡することがないように形成されている。

【００２８】このマニピュレータ２０を動作させるには
電源２５により湾曲方向に位置する対向電極２２ａ，２
２ｂに高電圧を印加することによって、対向電極２２
ａ，２２ｂの間隔ｄが変化して関節体２１が湾曲動作す
る。

【００２９】対向電極２２ａ，２２ｂの間隔ｄがマニピ
ュレータ２０の先端側程小さいことから電源２５の電圧
を徐々に上げていくと、先端側の関節体２１から湾曲を
始め最後に手元側の関節体２１が湾曲をする。これを利
用して、印加電圧を設定すればマニピュレータ２０をコ
ントロールすることができる。

【００３０】このように２本の導線２３，２４により複
数の関節体２１を制御することにより、導線数を減らす
ことができマニピュレータ２０の細径化、小型化が可能
となる。

【００３１】図６は第４の実施例のマニピュレータ２０
の電極部を示す。可撓性を有する各関節体２１の手元側
の端面の円周を４等分した位置に電極２６ａ，２６ｂ，
２６ｃ，２６ｄが設けられている。これら電極２６ａ，
２６ｂ，２６ｃ，２６ｄは隣接する関節体２１の手元側
端面の各電極（図示しない）と導線２７…により電源
（図示しない）のプラス側に接続されている。

【００３２】また、同様に各関節体２１の先端側の端面
にも同様に各電極２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄが設
けられ、これら電極２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄは
隣接する関節体２１の先端側端面の各電極（図示しな
い）と導線２９…により電源（図示しない）のマイナス
側に接続されている。

【００３３】そして、電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２
６ｄおよび２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄに選択的に
電圧を印加することにより、各関節体２１を４方向に選
択的に湾曲させることができる。

【００３４】なお、図示しないが、関節体２１の手元側
（あるいは先端側）端面の電極を共通にして１つにする
ことも可能であり、このようにすれは、導線の数を減ら
すことができる。

【００３５】図７は第５の実施例のマニピュレータ２０
の電極部を示す。可撓性を有する関節体２１の端面を放
射状に４等分し、各エリアに蛇行状に湾曲した電極３０
を設けたものである。このように構成することにより可
撓性を損なうことなく実現できる。

【００３６】図８は第６の実施例のマニピュレータ２０
の電極部を示す。各関節体２１の端面に、ある１方向に
対応した位置だけに電極３１を設け、これら電極３１が
９０゜づつずらしたものである。

【００３７】図９は第７の実施例のマイクログリッパ構
造を示す。マニピュレータ４０の先端部に取付けられた
マイクログリッパ４１は、枢支ピン４１ａを支点として
回動する絶縁材（例えばセラミック）からなる１対の可
動部材４２ａ，４２ｂから形成されている。

【００３８】可動部材４２ａ，４２ｂには櫛形の電極４
３ａ，４３ｂが設けられ、互いの櫛形形状の各片が噛み
合っている。さらに、可動部材４２ａ，４２ｂは複数の
絶縁材が積層されており、それぞれに電極４３ａ，４３
ｂが設けられている。それぞれの電極４３ａ，４３ｂに
はマニピュレータ４０内に挿通された導線４４により高
圧電源（図示しない）に接続されており、電極４３ａ，
４３ｂ間に高電圧が印加される。

【００３９】高圧電源により電極４３ａ，４３ｂ間に異
極性の電圧と同極性の電圧が印加すると、静電気力によ
り吸引力または反発力が生じ、可動部材４２ａ，４２ｂ
が枢支ピン４１ａを支点として回動して開閉動作する。
この開閉動作により作業ツールを把持することができ
る。

【００４０】また、前述のように可動部材４２ａ，４２
ｂおよび電極４３ａ，４３ｂを積層化することにより、
一枚の部材よりも発生力量をアップすることができ、確
実な把持が可能である。

【００４１】図１０は第８の実施例のマイクログリッパ
を示す。櫛形の可動部材４５ａ，４５ｂのそれぞれに櫛
形の電極４６ａと４６ｂを設けた３組の可動部からな
り、これら可動部の一方の可動部材４５ａは第１の枢支
軸４７ａに固定され、他方の可動部材４５ｂは第２の枢
支軸４７ｂに固定されている。

【００４２】したがって、第７の実施例と同様に、高圧
電源により電極４６ａ，４６ｂ間に異極性の電圧と同極
性の電圧が印加すると、静電気力により吸引力または反
発力が生じ、可動部材４５ａ，４５ｂが第１および第２
の枢支軸４７ａ，４７ｂを支点として回動して開閉動作
する。この開閉動作により作業ツールを把持することが
できる。

【００４３】このように３組の可動部を立体的に構成す
ることにより、更に発生力量を増大させることができ
る。また、櫛形部の数を増やして発生力量を増大するこ
とも可能である。

【００４４】図１１は第９の実施例のマイクログリッパ
５０を示す。多自由度湾曲管５１の先端部にはグリッパ
本体５２が設けられている。グリッパ本体５２は肉厚の
把持部５２ａと薄肉の梁部５２ｂおよび肉厚の梁連結部
５２ｃが一体の磁性材料によって構成されている。

【００４５】さらに、梁連結部５２ｃにはソレノイドコ
イル５３が設けられている。このマイクログリッパ５０
は、ソレノイドコイル５３に通電することにより、磁性
材料からなるグリッパ本体５２に閉磁路が形成される。
したがって、対向する把持部５２ａには逆極性の磁極が
生じ、その磁力により把持部５２ａ同士が引き合い、そ
れぞれの梁連結部５２ｃを屈曲させて把持部５２ａ同士
が閉じる。

【００４６】このようにして、ソレノイドコイル５３の
通電を制御することによりマイクログリッパ５０の開閉
動作を制御することができる。この構成によるマイクロ
グリッパ５０は構造が極めて簡単であるため、容易に小
型化できるという効果がある。

【００４７】図１２および図１３は第１０の実施例のマ
イクログリッパを示す。マニピュレータ６０の先端部に
取付けられたマイクログリッパ６１は、枢支ピン６１ａ
を支点として回動する絶縁材（例えばセラミック）から
なる１対の櫛形の可動部材６２ａ，６２ｂから形成され
ている。

【００４８】一方の可動部材６２ｂの櫛形部には３相の
電極６３が設けられている。この３相の電極６３の電圧
を図１３に示すように印加すると、可動部材６２ａ，６
２ｂの櫛形部の噛み合い部が進退してマイクログリッパ
６１が開閉動作する。

【００４９】すなわち、図１３の（ａ）のように電極６
３に電圧を印加すると、平衡状態になるまで抵抗体６４
内に電流が流れ、抵抗体６４と絶縁体６５の境界に電荷
が誘導される。この電荷は、（ｂ）の点線で示すよう
な、境界面に対する電極６３の鏡像の位置において仮想
的な電荷で置き換えることができる。

【００５０】この充電操作の後に印加電圧を（ｃ）のよ
うに切り替えると、電極６３内の電荷は瞬時に移動する
が、抵抗体に誘導された鏡像電荷は抵抗値が高いためす
ぐに移動できない。そして、（ｄ）のように印加電圧を
加えると、可動部材６２ａが図面上、右方向へ移動す
る。この動作を順次繰り返すことにより、マイクログリ
ッパ６１を任意の位置に開閉できる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
可撓管の湾屈曲部を静電型アクチュエータにより湾曲動
作を行うため、可撓管の外径を細くしたまま、多自由度
の可撓管を容易に構成することができる。また、静電型
アクチュエータの自重は軽量であるため、多数設けても
軽量な多自由度可撓管を実現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の多自由度可撓管を示
し、（ａ）は縦断側面図、（ｂ）は横断面図、（ｃ）は
湾曲した時の一部切欠した側面図。

【図２】同実施例の多自由度可撓管の応用例を示す斜視
図。

【図３】本発明の第２の実施例の多自由度可撓管の湾曲
した時の一部切欠した側面図。

【図４】本発明の第３の実施例のマニピュレータを示す
概略的構成図。

【図５】同実施例の電極部を示す正面図。

【図６】本発明の第４の実施例のマニピュレータを示す
概略的構成図。

【図７】本発明の第５の実施例のマニピュレータの電極
部を示す正面図。

【図８】本発明の第６の実施例のマニピュレータの電極
部を示す概略的構成図。

【図９】本発明の第７の実施例のマイクログリッパを示
す斜視図。

【図１０】本発明の第８の実施例のマイクログリッパの
可動部の構成図。

【図１１】本発明の第９の実施例のマイクログリッパを
示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図。

【図１２】本発明の第１０の実施例のマイクログリッパ
の斜視図。

【図１３】同実施例の作用説明図。

【符号の説明】

１０…多自由度可撓管、１３…湾屈曲部、１４…静電型
アクチュエータ。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｂ 23/24 Ａ 7132−2Ｋ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも先端部に複数の湾屈曲部を有
   する可撓管と、この可撓管に設けられ前記湾屈曲部を作
   動する静電型アクチュエータとを具備したことを特徴と
   する多自由度可撓管。