JP6568951B2 - 硬度可変アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、可撓性部材の硬度を変更するための硬度可変アクチュエータに関する。

日本国特許第３１２２６７３号は、挿入部の軟性部の硬度を変更し得る内視鏡を開示している。この内視鏡では、可撓性部材（たとえばコイルパイプ）の両端部が内視鏡の所定位置に固定されており、この可撓性部材には可撓性調整部材（たとえばコイルパイプに挿通された可撓性調整ワイヤ）が分離体を介して固定されている。可撓性部材と可撓性調整部材は、軟性部に沿って操作部にまで延び、かつ軟性部のほぼ全体にわたって延びている。可撓性調整部材を引っ張ることによって、可撓性部材が圧縮されて硬くなり、これにより、軟性部の硬度が変更される。

可撓性部材と可撓性調整部材は軟性部のほぼ全体にわたって延びているため、このような機構を駆動するには、非常に大きな力を必要とする。この機構の電動化を図った場合、大型の動力源が必要とされ、その構成は、大がかりなものとなる。

日本国特許第３１４２９２８号は、形状記憶合金を用いた可撓管用硬度可変装置を開示している。この硬度可変装置は、可撓管内に配設されるコイルと、このコイルの内側に配設される電気的絶縁性チューブと、この電気的絶縁性チューブ内にその軸方向に延びて配置される形状記憶合金製ワイヤと、この形状記憶合金製ワイヤを通電する通電加熱手段を備えている。

形状記憶合金製ワイヤは、低温時には、その長さが伸長し、高温時には、収縮する性質を有している。形状記憶合金製ワイヤは、コイルの両端に設けられた固定部を通って延出しており、その両端にかしめ部材が固定されている。形状記憶合金製ワイヤは、低温時には弛み、高温時には、かしめ部材が固定部に係合して突っ張るように配されている。

形状記憶合金製ワイヤは、通電加熱手段によって加熱された高温時には収縮してコイルを硬くする。一方、通電のない低温には、形状記憶合金製ワイヤは伸長してコイルを柔らかくする。

この硬度可変装置は、シンプルな構成であるため小型に構成され得るが、形状記憶合金製ワイヤの収縮時には、形状記憶合金製ワイヤの両端が拘束され、形状記憶合金製ワイヤに負荷がかかるため、その耐久性に難がある。

本発明の目的は、可撓性部材に装着され、可撓性部材に異なる硬度を提供し得る、シンプルな構成で耐久性のある硬度可変アクチュエータを提供することである。

この目的のため、硬度可変アクチュエータは、一端と他端を有し、前記一端と前記他端との少なくとも一方が自由端となるように可撓性部材内の空間に少ないすき間をもって配置され、加熱されることで硬度が高まる形状記憶部材を備えている。硬度可変アクチュエータはさらに、前記形状記憶部材の長手軸方向に沿って前記形状記憶部材の外周を囲うように配置され、電流の供給を受けることで発熱し、前記形状記憶部材を加熱する加熱部材と、前記加熱部材の外周側に配置されることで前記加熱部材を物理的に保護し、前記加熱部材と電気的に接続された導電部材を備えている。

図１は、第一実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。 図２は、第二実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。 図３は、第三実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。 図４は、第四実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。 図５は、第五実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。

［第一実施形態］
図１は、第一実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図１に示されるように、硬度可変アクチュエータ１０は、異なる硬度状態を取り得ることにより可撓性部材に異なる硬度を提供する機能を有しており、第一の相と第二の相の間で相が移り変わり得る形状記憶部材２０と、形状記憶部材２０に第一の相と第二の相の間の相の移り変わりを引き起こさせる誘起部材３０と、誘起部材３０と電気的に接続された導電部材７０を備えている。形状記憶部材２０は、少なくとも一つの自由端をもって可撓性部材に配される。

形状記憶部材２０は、第一の相にあるときは、外力に従って容易に変形し得る軟質状態を取り、すなわち低い弾性係数を示し、したがって、可撓性部材に比較的低い硬度を提供する。また、形状記憶部材２０は、第二の相にあるときは、外力に抗してあらかじめ記憶している記憶形状を取る傾向を示す硬質状態を取り、すなわち高い弾性係数を示し、したがって、可撓性部材に比較的高い硬度を提供する。記憶形状は、これに限らないが、たとえば直線状であってよい。

ここにおいて、外力とは、形状記憶部材２０を変形させ得る力を意味しており、重力も外力の一部と考える。

誘起部材３０は、熱を発する性能を有している。形状記憶部材２０は、誘起部材３０の加熱に対して、第一の相から第二の相に相が移り変わる性質を有している。

形状記憶部材２０は、たとえば形状記憶合金から構成されていてよい。形状記憶合金は、これに限らないが、たとえばＮｉＴｉを含む合金であってよい。また、形状記憶部材２０は、これに限らず、形状記憶ポリマー、形状記憶ゲル、形状記憶セラミックなど、他の材料から構成されていてもよい。

形状記憶部材２０を構成する形状記憶合金は、たとえば、マルテンサイト相とオーステナイト相の間で相が移り変わるものであってよい。その形状記憶合金は、マルテンサイト相時には、外力に対して比較的容易に塑性変形する。つまり、その形状記憶合金は、マルテンサイト相時には低い弾性係数を示す。一方、その形状記憶合金は、オーステナイト相時には、外力に抵抗して容易には変形しない。さらに大きな外力のために変形しても、その大きな外力がなくなれば、超弾性を示して、記憶している形状に戻る。つまり、その形状記憶合金は、オーステナイト相時には高い弾性係数を示す。

誘起部材３０は、導電性材料から構成されており、電流の供給に対して熱を発する性質を有している。誘起部材３０は、たとえば電熱線、つまり電気抵抗の大きい導電性部材で構成されてよい。

形状記憶部材２０は、細長い外観形状を有している。誘起部材３０は、ワイヤ状の部材で構成されており、形状記憶部材２０の外側周囲に配置されている。誘起部材３０は、形状記憶部材２０から適度なすき間をおいて、形状記憶部材２０の長手軸に沿って、形状記憶部材２０の周囲を螺旋状に延びている。このような構成のおかげで、誘起部材３０によって発せられる熱は、形状記憶部材２０に効率良く伝達される。

導電部材７０は、誘起部材３０とは対照的に、電気抵抗の小さい導電性部材で構成されてよい。導電部材７０は、ワイヤ状の部材で構成されており、誘起部材３０の外側周囲に配置されている。導電部材７０は、誘起部材３０から適度なすき間をおいて、形状記憶部材２０の長手軸に沿って、誘起部材３０の周囲を螺旋状に延びている。このようなレイアウトにより、導電部材７０は、誘起部材３０を物理的に良好に保護している。

形状記憶部材２０は、導電性材料から構成されていてよい。たとえば、形状記憶部材２０の周囲には絶縁膜４２が設けられている。絶縁膜４２は、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間の短絡を防止する働きをする。絶縁膜４２は、少なくとも誘起部材３０に面する部分を覆って設けられている。図１には、形状記憶部材２０の外周面を部分的に覆って設けられている形態が描かれているが、これに限らず、形状記憶部材２０の外周面の全体を覆って設けられていてもよく、また、形状記憶部材２０の全体を覆って設けられていてもよい。

誘起部材３０の周囲には絶縁膜４４が設けられている。絶縁膜４４は、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間の短絡と、誘起部材３０の隣接する部分間の短絡を防止する働きをする。

形状記憶部材２０は第一の端２２と第二の端２４を有しており、誘起部材３０は、形状記憶部材２０の第一の端２２の側に位置する第一の端３２と、形状記憶部材２０の第二の端２４の側に位置する第二の端３４を有している。導電部材７０は、形状記憶部材２０の第一の端２２の側に位置する第一の端７２と、形状記憶部材２０の第二の端２４の側に位置する第二の端７４を有している。

誘起部材３０の第一の端３２と導電部材７０の第一の端７２は、接続部７６を介して互いに電気的に接続されている。接続部７６は、例えば配線で構成され得るが、これに限定されることはなく、電気的接続を取り得る構造体であればよく、例えば、かしめ、溶接、ロウ付け、ハンダ付け、導電性接着剤などで構成されてもよい。

誘起部材３０の第二の端３４は、配線６４を介して制御部５０に電気的に接続されている。導電部材７０の第二の端７４は、配線６２を介して制御部５０に電気的に接続されている。

制御部５０は、一つの電源５２と一つのスイッチ５４を含んでいる。スイッチ５４の一端は配線６４と接続されており、スイッチ５４の他端は電源５２と接続されている。また電源５２には配線６２が接続されている。制御部５０は、スイッチ５４のオンすなわち閉じ動作に応じて、誘起部材３０に電流を供給し、また、スイッチ５４のオフすなわち開き動作に応じて、誘起部材３０に対する電流の供給を停止する。誘起部材３０は、電流の供給に応じて熱を発する。

上述された硬度可変アクチュエータ１０は、形状記憶部材２０の両端が何ら拘束されることなく、可撓性部材に装着される。たとえば、硬度可変アクチュエータ１０は、形状記憶部材２０の一端または両端が自由端であるように、可撓性部材の限られた空間内に少ないすき間をもって配置される。

ここにおいて、限られた空間とは、硬度可変アクチュエータ１０をちょうど収容し得る空間を意味している。したがって、硬度可変アクチュエータ１０と可撓性部材の一方の変形は、わずかであっても、他方に接触して外力を与え得る。

たとえば、可撓性部材は、硬度可変アクチュエータ１０の外径よりもわずかに大きい内径をもつチューブであり、このチューブの内部に硬度可変アクチュエータ１０が配置されてよい。これに限らず、可撓性部材は、硬度可変アクチュエータ１０よりもわずかに大きい空間を有してさえいればよい。

形状記憶部材２０が第一の相にあるとき、硬度可変アクチュエータ１０は、比較的低い硬度を可撓性部材に提供し、可撓性部材に作用する外力すなわち形状記憶部材２０を変形させ得る力に従って容易に変形する。

また、形状記憶部材２０が第二の相にあるとき、硬度可変アクチュエータ１０は、比較的高い硬度を可撓性部材に提供し、可撓性部材に作用する外力すなわち形状記憶部材２０を変形させ得る力に抗して記憶形状に戻る傾向を示す。

たとえば制御部５０によって形状記憶部材２０の相が第一の相と第二の相の間で切り換えられることによって、可撓性部材の硬度が切り換えられる。

硬度の切り換えに加えて、可撓性部材に外力が作用している状況下においては、硬度可変アクチュエータ１０は、可撓性部材の形状を切り換える双方向アクチュエータとしても機能する。また、可撓性部材に外力が作用しておらず、形状記憶部材２０の相が第二の相に切り換えられる前の第一の相において可撓性部材が変形されている状況下においては、可撓性部材の形状を元に戻す単一方向アクチュエータとしても機能する。

［第二実施形態］
図２は、第二実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図２において、図１に示された部材と同一の参照符号が付された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略される。以下、相違部分に重点をおいて説明される。つまり、以下の説明で触れられない部分は、第一実施形態と同様である。

図２に示されるように、硬度可変アクチュエータ１０Ａは、細長い形状記憶部材２０と、複数の誘起部材３０を備えている。図２に示された硬度可変アクチュエータ１０Ａは、二つの誘起部材３０を備えているが、これに限定されることなく、さらに多くの誘起部材３０を備えていてもよい。複数の誘起部材３０は、形状記憶部材２０の長手軸に沿って間隔を置いて配置されている。各誘起部材３０は、形状記憶部材２０から適度なすき間をおいて、形状記憶部材２０の長手軸に沿って、形状記憶部材２０の周囲を螺旋状に延びている。このような構成のおかげで、誘起部材３０によって発せられる熱は、形状記憶部材２０に効率良く伝達される。

複数の誘起部材３０は、同一構造体であってよい。しかし、これに限定されることなく、複数の誘起部材３０は、複数の異なる構造体を含んでいてもよい。異なる構造体は、たとえば、異なる長さや異なる太さや異なるピッチを有していてもよく、また、異なる材料で作られていてもよい。つまり、複数の誘起部材３０は、すべてまたはいくつかが、同じ特性を有していてもよいし、異なる特性を有していてもよい。

硬度可変アクチュエータ１０Ａはさらに、複数の誘起部材３０の外側周囲に配置された外側配線８０を有している。外側配線８０は、帯状に形づくられており、複数本の導電部材８２と、導電部材８２を支持している細長い絶縁層８４を有している。導電部材８２の本数は、例えば誘起部材３０の個数と同じであってよいが、これに限定されることなく、誘起部材３０の個数よりも多くてもよい。導電部材８２は、絶縁層８４の長手方向に延びている。導電部材８２は、例えば絶縁層８４の内部に埋め込まれている。外側配線８０は、複数の誘起部材３０の外側周囲に螺旋状に延びている。このようなレイアウトにより、外側配線８０は、誘起部材３０を物理的に良好に保護している。

各誘起部材３０は、形状記憶部材２０の第一の端２２の側に位置する第一の端３２と、形状記憶部材２０の第二の端２４の側に位置する第二の端３４を有している。

形状記憶部材２０も導電性を有している。複数の誘起部材３０の第一の端３２は共に、接続部６６を介して形状記憶部材２０に電気的に接続されている。接続部６６は、例えば配線で構成され得るが、これに限定されることはなく、電気的接続を取り得る構造体であればよく、例えば、かしめ、溶接、ロウ付け、ハンダ付け、導電性接着剤などで構成されてもよい。形状記憶部材２０は、第二の端２４の側において、配線６２を介して制御部５０に電気的に接続されている。

複数の誘起部材３０の第二の端３４は、それぞれ、接続部８６を介して外側配線８０の複数の導電部材８２と電気的に接続されている。複数の導電部材８２は、それぞれ、複数の配線６４を介して制御部５０に電気的に接続されている。

制御部５０は、一つの電源５２と複数のスイッチ５４を含んでいる。複数のスイッチ５４の一端はそれぞれ配線６４と接続されており、それらの他端は共通して電源５２と接続されている。また電源５２には配線６２が接続されている。制御部５０は、それぞれのスイッチ５４のオンすなわち閉じ動作に応じて、対応の誘起部材３０に電流を独立して供給し、また、それぞれのスイッチ５４のオフすなわち開き動作に応じて、対応の誘起部材３０に対する電流の供給を独立して停止する。誘起部材３０は、電流の供給に応じて熱を発する。

本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ａの装着の仕方は、第一実施形態の硬度可変アクチュエータ１０と同様である。また、本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ａでは、複数の誘起部材３０が、それぞれのスイッチ５４のオンオフによって独立に動作される。各誘起部材３０によるアクチュエータ動作は、第一実施形態と同様である。

［第三実施形態］
図３は、第三実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図３において、図１に示された部材と同一の参照符号が付された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略される。以下、相違部分に重点をおいて説明される。つまり、以下の説明で触れられない部分は、第一実施形態と同様である。

図３に示されるように、硬度可変アクチュエータ１０Ｂは、細長い形状記憶部材２０と、形状記憶部材２０の外側周囲に螺旋状に延びている誘起部材３０と、誘起部材３０の外側周囲に配置された外側配線９０を備えている。

外側配線９０は、帯状またはシート状に形づくられており、一本の導電部材９２と、導電部材９２を支持している細長い絶縁層９４を有している。導電部材９２は、形状記憶部材２０の軸に平行に延びている。導電部材９２は、例えば絶縁層９４の内部に埋め込まれている。外側配線９０は、誘起部材３０の外側周囲に包囲するように配置されている。図３では、外側配線９０の互いに向かい合う一対の縁は、離されて描かれているが、互いに接合されていてもよい。このようなレイアウトにより、外側配線９０は、誘起部材３０を物理的に良好に保護されている。

誘起部材３０は、形状記憶部材２０の第一の端２２の側に位置する第一の端３２と、形状記憶部材２０の第二の端２４の側に位置する第二の端３４を有している。

誘起部材３０の第一の端３２は、接続部９６を介して外側配線９０の導電部材９２に電気的に接続されている。接続部９６は、例えば配線で構成され得るが、これに限定されることはなく、電気的接続を取り得る構造体であればよく、例えば、かしめ、溶接、ロウ付け、ハンダ付け、導電性接着剤などで構成されてもよい。

誘起部材３０の第二の端３４は、配線６２を介して制御部５０に電気的に接続されている。

導電部材９２は、形状記憶部材２０の第二の端２４の側において、配線６４を介して制御部５０に電気的に接続されている。

制御部５０は、一つの電源５２と一つのスイッチ５４を含んでいる。電源５２とスイッチ５４は直列に接続されている。スイッチ５４は配線６４と接続されており、電源５２は配線６２と接続されている。

本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｂの装着の仕方および動作は、第一実施形態と同様である。

［第四実施形態］
図４は、第四実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図４において、図１に示された部材と同一の参照符号が付された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略される。以下、相違部分に重点をおいて説明される。つまり、以下の説明で触れられない部分は、第一実施形態と同様である。

本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｃは、第一実施形態の硬度可変アクチュエータ１０と比較すると、導電部材７０の周囲には絶縁膜４６が設けられている点において相違している。

すなわち、本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｃは、図４に示されるように、細長い形状記憶部材２０と、形状記憶部材２０の外側周囲に配置された誘起部材３０と、誘起部材３０の外側周囲に配置された導電部材７０を備えている。誘起部材３０と導電部材７０は、接続部７６を介して電気的に接続されている。誘起部材３０は、形状記憶部材２０の長手軸に沿って、形状記憶部材２０の周囲を螺旋状に延びている。導電部材７０は、形状記憶部材２０の長手軸に沿って、誘起部材３０の周囲を螺旋状に延びている。

導電部材７０の周囲には絶縁膜４６が設けられている。絶縁膜４６は、誘起部材３０と導電部材７０の間の短絡と、導電部材７０の隣接する部分間の短絡を防止する働きをする。

導電部材７０と絶縁膜４６は、ワイヤ状に形づくられた外側配線を構成している。この外側配線は、誘起部材３０の外側周囲に配置されている。導電部材７０は、誘起部材３０から適度なすき間をおいて、形状記憶部材２０の長手軸に沿って、誘起部材３０の周囲を螺旋状に延びている。このようなレイアウトにより、外側配線は、誘起部材３０を物理的に良好に保護している。

［第五実施形態］
図５は、第五実施形態による硬度可変アクチュエータを示している。図５において、図２に示された部材と同一の参照符号が付された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略される。以下、相違部分に重点をおいて説明される。つまり、以下の説明で触れられない部分は、第二実施形態と同様である。

図５に示されるように、本実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ｄは、第二実施形態の硬度可変アクチュエータ１０Ａとの比較において、形状記憶部材２０の第二の端２４の側において、外側配線８０が延長されており、延長された外側配線８０に冷却装置１００が接続されている。

冷却装置１００は、外側配線８０の導電部材８２を冷やす機能を有している。冷却装置１００は、たとえば、ペルチェ素子、放熱フィン、ファン、送水管などで構成されてよい。

外側配線８０の導電部材８２は、形状記憶部材２０の加熱を目的としていないため、誘起部材３０とは対照的に、電気抵抗の小さい導電性部材で構成されてよい。電気抵抗の小さい導電性部材は、一般に、高い熱伝導性を有している。このため、導電部材８２は、冷却装置１００の放熱作用や冷却作用に対して良好に冷える。冷却装置１００によって冷やされた導電部材８２は、今度は誘起部材３０と形状記憶部材２０を冷やす。つまり、外側配線８０は、導電部材８２の熱伝導性のために、誘起部材３０と形状記憶部材２０の冷却に寄与する。これは、形状記憶部材２０が軟質状態に戻るまでに要する時間の短縮に貢献する。

Claims (9)

1. 一端と他端を有し、前記一端と前記他端との少なくとも一方が自由端となるように可撓性部材内の空間に少ないすき間をもって配置され、加熱されることで硬度が高まる形状記憶部材と、
   前記形状記憶部材の長手軸方向に沿って前記形状記憶部材の外周を囲うように配置され、電流の供給を受けることで発熱し、前記形状記憶部材を加熱する加熱部材と、
   前記加熱部材の外周側に配置されることで前記加熱部材を物理的に保護し、前記加熱部材と電気的に接続された導電部材を備えている、硬度可変アクチュエータ。
2. 前記導電部材と、前記導電部材の周囲に設けられた絶縁層から構成された外側配線を有している、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
3. 前記外側配線は、帯状に形づくられている、請求項２に記載の硬度可変アクチュエータ。
4. 前記外側配線は、前記加熱部材の外側周囲を包囲するように配置されている、請求項３に記載の硬度可変アクチュエータ。
5. 前記外側配線は、螺旋状に延びている、請求項３に記載の硬度可変アクチュエータ。
6. 前記外側配線は、前記導電部材の熱伝導性のために、前記形状記憶部材および前記加熱部材の冷却に寄与する、請求項２に記載の硬度可変アクチュエータ。
7. 前記外側配線は、ワイヤ状に形づくられている、請求項２に記載の硬度可変アクチュエータ。
8. 前記加熱部材を含む複数の加熱部材を有している、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
9. 前記外側配線は、前記導電部材を含む複数の導電部材を有している、請求項２に記載の硬度可変アクチュエータ。

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