JP2023049956A - 屈曲構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構造により軸方向で部分的に曲げ剛性を変化させた屈曲構造体を提供する。【解決手段】内コイル部3及び外コイル部5を備え、外コイル部5の隣接巻部15a、17a、19a間に内コイル部3の対応する巻部7a、9aが嵌合し、全体として曲げ剛性に応じた屈曲及び伸展が可能であり、内コイル部3及び外コイル部5の少なくとも一方の軸方向の荷重に対する撓み量を部分的に変化させることにより、曲げ剛性を軸方向で部分的に変化させた。【選択図】 図2
Description
本発明は、ロボット等の関節機能部に供される屈曲構造体に関する。
従来の屈曲構造体としては、例えば特許文献1のように、用途等に応じて軸方向で部分的に曲げ剛性を変化させるものがある。
特許文献1の屈曲構造体は、内視鏡の可撓管であり、コイルパイプと芯材とを備えた剛性可変装置を有する。剛性可変装置は、コイルパイプが屈曲する際の芯材の引張応力を高めることによって、可撓管の曲げ剛性を部分的に向上させる。
かかる屈曲構造体では、コイルパイプと芯材とを協働させる必要があるため、軸方向で部分的に剛性を向上させることはできても、構造が複雑になるという問題があった。
解決しようとする問題点は、軸方向で部分的に剛性を変化させる構造が複雑であった点である。
本発明は、内コイル部及び外コイル部を備え、前記外コイル部の隣接巻部間に前記内コイル部の対応する巻部が嵌合し全体として曲げ剛性に応じた屈曲及び伸展が可能であり、前記内コイル部及び前記外コイル部の少なくとも一方の軸方向の荷重に対する撓み量を部分的に変化させることにより、前記曲げ剛性を前記軸方向で部分的に変化させた屈曲構造体を提供する。
本発明によれば、簡単な構造により軸方向で部分的に曲げ剛性を変化させることができる。
簡単な構造により軸方向で部分的に曲げ剛性を変化させるという目的を、屈曲構造体を構成する内コイル部及び外コイル部の少なくとも一方において、軸方向の荷重に対する撓み量を部分的に変化させることにより実現した。
すなわち、屈曲構造体(1)は、内コイル部(3)及び外コイル部(5)を備え、外コイル部(5)の隣接巻部(15a、17a、19a)間に内コイル部(3)の対応する巻部(7a、9a)が嵌合し、全体として曲げ剛性に応じた屈曲及び伸展が可能となっている。
この屈曲構造体(1)は、内コイル部(3)及び外コイル部(5)の少なくとも一方の軸方向の荷重に対する撓み量を部分的に変化させることにより、曲げ剛性が軸方向で部分的に変化している。
内コイル部(3)及び外コイル部(5)の少なくとも一方は、部分的にピッチが軸方向に拡げられた本体コイル部(7)と、本体コイル部(7)の拡げられたピッチ内に巻部(9a)が位置する一又は複数の副コイル部(9)とを備えた構成としてもよい。この場合、副コイル部(9)は、本体コイル部(7)の拡げられたピッチと同一ピッチとしてもよい。ただし、副コイル部(9)のピッチは、本体コイル部(7)の拡げられたピッチと同一である必要はない。
内コイル部(3)及び外コイル部(5)の少なくとも一方は、部分的にピッチが軸方向に狭く形成され、外コイル部(5)の隣接巻部(15a)間への内コイル部(3)の巻部(23a)の嵌合により、狭く形成されたピッチが拡げられて初張力が付与される構成としてもよい。
内コイル部(3)及び外コイル部(5)の少なくとも一方は、相対的に柔らかい材質の軟コイル部(25)と、相対的に硬い材質の硬コイル部(27)とを備えた構成としてもよい。
内コイル部(3)及び外コイル部(5)の少なくとも一方は、相対的に巻部(29a)の線径が小径の小径コイル部(29)と、相対的に巻部(31a)の線径が大径の大径コイル部(31)とを備えた構成としてもよい。
図1は、本発明の実施例1に係る屈曲構造体を示す断面図、図2は、屈曲構造体の巻部断面を示す概略断面図である。
屈曲構造体1は、マニピュレーター、ロボット、アクチュエーター等の医療用や産業用等の各種の機器の関節機能部に適用されるものであり、屈曲・伸展動作によって両側に結合された機器側の部材を相対的に変位可能とする。
本実施例の屈曲構造体1は、内コイル部3及び外コイル部5を備え、軸方向で部分的に剛性が変化するように構成されている。軸方向とは、屈曲構造体1の軸心に沿った方向を意味し、厳格に解する必要はなく、軸心に対して僅かに傾斜した方向も含む。
本実施例の屈曲構造体1では、内コイル部3及び外コイル部5の双方において、軸方向の荷重に対する撓み量を部分的に変化させることにより、部分的に曲げ剛性が変化している。
なお、屈曲構造体1の曲げ剛性を部分的に変化させるには、内コイル部3及び外コイル部5の少なくとも一方において、軸方向の荷重に対する撓み量を部分的に変化させればよい。
この屈曲構造体1は、全体として曲げ剛性に応じた屈曲及び伸展が可能となっており、相対的に曲げ剛性が高い部分が屈曲し難くなっている。
図3(A)及び(B)は、屈曲構造体1の内コイル部3の巻部断面を示す概略断面図であり、図3(A)は本体コイル部7、図3(B)は副コイル部9である。
内コイル部3は、図2及び図3のように、本体コイル部7と、副コイル部9とを備えている。
本体コイル部7は、金属や樹脂等の弾性を有する不等ピッチコイルばねであり、軸方向の一側が小ピッチ部11、同他側が大ピッチ部13となっている。
小ピッチ部11は、相対的に小さい一定のピッチを有し、大ピッチ部13は、相対的に大きい一定のピッチを有する。従って、本体コイル部7は、第ピッチ部13において、部分的にピッチが軸方向に拡げられた構成となっている。なお、ピッチは、本体コイル部7の隣接する巻部7a間の軸方向の隙間である。
本体コイル部7は、巻部7aの断面形状が円形であり、線径が一定となっている。なお、本体コイル部7の材質、巻部7aの断面形状や線径等は、適宜のものを採用すればよい。
本体コイル部7の中心径は、小ピッチ部11及び大ピッチ部13で一定になっている。ただし、本体コイル部7の中心径は、軸方向で変化させることも可能である。
副コイル部9は、金属や樹脂等の弾性を有するコイルばねである。副コイル部9は、本体コイル部7の拡げられたピッチ、つまり大ピッチ部13と同一ピッチとなっている。副コイル部9の中心径は、本体コイル部7と同一である。
この副コイル部9は、巻部9aが本体コイル部7の大ピッチ部13のピッチ内に位置している。副コイル部9の巻部9aの位置は、本体コイル部7の隣接巻部7a間の中間である。
これにより、内コイル部3の他側である副コイル部9と大ピッチ部13との組み合わせ部分は、小ピッチ部11と同一のピッチを有する。すなわち、内コイル部3は、全体として一定のピッチを有する。
また、内コイル部3は、副コイル部9及び大ピッチ部13のピッチがそれぞれ拡がっていることにより、軸方向の一側よりも軸方向の他側での荷重に対する撓み量が小さくなっている。これにより、内コイル部3は、曲げ剛性が向上している。
なお、副コイル部9と大ピッチ部13との組み合わせは、小ピッチ部11と同一のピッチを有する必要はないので、小ピッチ部11よりも小さいピッチであってもよい。
図4(A)~(C)は、図2の屈曲構造体の外コイル部の巻部断面を示す概略断面図であり、図4(A)は本体コイル部、図4(B)及び(C)は副コイル部である。
外コイル部5は、図2及び図4のように、本体コイル部15と、副コイル部17、19とを備えている。
本体コイル部15は、金属や樹脂等の弾性を有するコイルばねである。本体コイル部15は、内コイル部3の小ピッチ部11と同一のピッチを有し、巻部15aの断面形状が円形であり、線径が一定となっている。なお、本体コイル部15の材質、巻部15aの断面形状や線径等は、適宜のものを採用すればよい。
本体コイル部15は、中心径が内コイル部3よりも大きく形成されており、内コイル部3の小ピッチ部11の外側に螺合されている。これにより、本体コイル部15の巻部15aが、内コイル部3の小ピッチ部11の巻部7a間に嵌合する。
副コイル部17、19は、金属や樹脂等の弾性を有するコイルばねである。副コイル部17、19は、内コイル部3の本体コイル部7の大ピッチ部13と同一ピッチとなっている。副コイル部17、19の中心径は、外コイル部5の本体コイル部15と同一である。
これら副コイル部17、19は、内コイル部3の他側である大ピッチ部13と副コイル部9との組み合わせ部分の外側に螺合されている。これら副コイル部17、19の巻部17a、19aは、それぞれ内コイル部3の巻部7a、9a間に嵌合している。
副コイル部17、19は、それらの組合せによって本体コイル部15と同一のピッチを有する。従って、外コイル部5は、全体として一定のピッチを有する。
また、外コイル部5は、副コイル部17、19の2条で形成されることにより、軸方向の一側よりも軸方向の他側での荷重に対する撓み量が小さくなっている。これにより、外コイル部5の副コイル部17、19に相当する箇所は、本体コイル部15に相当する箇所に対して曲げ剛性が向上している。
なお、副コイル部17、19は、本体コイル部15と同一のピッチを有する必要はないので、本体コイル部15よりも小さいピッチであってもよい。
また、外コイル部5と内コイル部3の構成は逆にしてもよい。内コイル部3及び外コイル部5の少なくとも一方において、軸方向の荷重に対する撓み量を部分的に変化させればよいので、外コイル部5又は内コイル部3を軸方向の一側から他側まで連続する等ピッチのコイルばね等によって構成してもよい。
かかる外コイル部5が全体として内コイル部3の外側に螺合していることにより、簡単な構造で軸方向の一部の曲げ剛性を変化させることができる。
また、外コイル部5と内コイル部3との螺合により、外コイル部5の一側の巻部15a間及び他側の巻部17a、19a間に内コイル部3の対応する巻部7a又は9aが嵌合している。
この構造により、屈曲構造体1は、軸方向の圧縮に耐え得るものとなっている。また、屈曲構造体1は、屈曲時において、屈曲の内側で外コイル部5の隣接する巻部15a、17a、及び19a間の隙間が小さくなり、屈曲の外側で外コイル部5の隣接する巻部15a、17a、及び19a間の隙間が大きくなる。従って、屈曲時の外コイル部5の軸心における長さが直状時と比較して変化しないようになっている。
このため、屈曲構造体1は、その内周側にプッシュプルケーブル等の可撓部材を軸方向で移動可能にガイドするように用いる場合、可撓部材の経路長を一定に保つことができる。
また、本実施例の屈曲構造体1は、軸方向の一側の曲げ剛性が相対的に低く、軸方向の他側の曲げ剛性が相対的に高いので、例えば内視鏡に適用するような場合に挿入性を高めることができる。
なお、本実施例では、屈曲構造体1の一部分である他側の剛性を向上させたのみであるが、軸方向の複数個所において剛性を向上させてもよい。
図5は、本発明の実施例2に係る屈曲構造体の巻部断面を示す概略断面図、図6は、屈曲構造体の内コイル部の巻部断面を示す概略断面図、図7は、屈曲構造体の外コイル部の巻部断面を示す概略断面図である。なお、実施例2では、基本構成が実施例1と共通するため、対応する構成に同符号を付して重複した説明を省略する。
実施例2では、内コイル部3のピッチが部分的に狭く形成されたものである。すなわち、内コイル部3は、軸方向の一側の一側コイル部21と軸方向の他側の他側コイル部23とを備えたコイルばねで構成したものである。外コイル部5は、軸方向の一側から他側にわたって等ピッチのコイルばねからなる。その他は、実施例1と同一である。
内コイル部3の一側コイル部21は、等ピッチのコイルばねからなり、外コイル部5と同一ピッチとなっている。他側コイル部23は、密着コイルばねからなり、軸方向で隣接する巻部23aが相互に密着している。つまり、他側コイル部23は、ピッチが狭く形成されている。一側コイル部21と他側コイル部23とは、一体に連続している。
なお、他側コイル部23は、一側コイル部21よりもピッチが狭ければ、密着コイルばねでなくてもよい。また、一側コイル部21のピッチは、外コイル部5のピッチよりも小さくしてもよい。逆に、外コイル部5のピッチを内コイル部3の一側コイル部21のピッチより小さくしてもよい。また、外コイル部5と内コイル部3の構成は逆にしてもよい。また、軸方向複数個所においてピッチを狭くしてもよい。
この屈曲構造体1では、内コイル部3と外コイル部5とが螺合し、外コイル部5の巻部15a間へ内コイル部3の巻部23aが嵌合することにより、内コイル部3の他側コイル部23の巻部23a間の狭く形成されたピッチが拡げられる。これにより、外コイル部5の巻部15a間に内コイル部3の巻部23aが付勢により相対的に高い摩擦力をもって密着する。
この結果、屈曲構造体1の他側は、初張力が付与され、曲げ剛性が向上する。従って、本実施例でも、簡単な構造で軸方向の一部の曲げ剛性を変化させることができる。
なお、実施例1の構造でも、実施例2のように、内コイル部3等のピッチを小さくしてもよいことは上記のとおりである。
図8は、本発明の実施例3に係る屈曲構造体の巻部断面を示す概略断面図、図9(A)及び(B)は、屈曲構造体の内コイル部の巻部断面を示す概略断面図であり、図9(A)は軟コイル部、図9(B)は硬コイル部である。なお、実施例3では、基本構成が実施例1と共通するため、対応する構成に同符号を付して重複した説明を省略する。
実施例3では、内コイル部3を軸方向の一側の軟コイル部25と軸方向の他側の硬コイル部27とを備えたコイルばねで構成したものである。
軟コイル部25及び硬コイル部27は、等ピッチのコイルばねであるが、材質が異なる。すなわち、軟コイル部25は、相対的に柔らかい材質からなり、硬コイル部27は、相対的に硬い材質からなる。
この材質の違いにより、硬コイル部27は、軟コイル部25よりも軸方向の荷重に対する撓み量が小さい。
外コイル部5は、軸方向の一側から他側にわたって等ピッチのコイルばねからなる。その他は、実施例1と同一である。
従って、本実施例でも、内コイル部3と外コイル部5とが螺合することにより、簡単な構造で軸方向の一部の曲げ剛性を変化させることができる。
なお、軟コイル部25を軸方向の他側に設け、硬コイル部27を軸方向の一側に設けてもよい。また、外コイル部5と内コイル部3の構成は逆にしてもよい。また、外コイル部5と内コイル部3の双方に、軟コイル部及び硬コイル部を設けてもよい。さらに、軸方向複数個所に軟コイル部及び硬コイル部の一方又は双方を設けてもよい。
また、実施例1において、実施例3と同様に、副コイル部9、17、19等を硬コイル部としてもよい。また、実施例2においても、他側コイル部23を硬コイル部として、一側コイル部21に溶接等によって結合することも可能である。
図10は、本発明の実施例4に係る屈曲構造体の巻部断面を示す概略断面図、図11(A)及び(B)は、屈曲構造体の内コイル部の巻部断面を示す概略断面図であり、図11(A)は小径コイル部、図11(B)は大径コイル部である。なお、実施例4では、基本構成が実施例1と共通するため、対応する構成に同符号を付して重複した説明を省略する。
実施例4では、内コイル部3を軸方向の一側の小径コイル部29と軸方向の他側の大径コイル部31とを備えたコイルばねで構成したものである。
小径コイル部29及び大径コイル部31は、等ピッチのコイルばねであるが、巻部29a、31aの線径が異なる。すなわち、小径コイル部29は、相対的に巻部29aの線径が小径であり、大径コイル部31は、相対的に巻部31aの線径が大径である。
この線径の違いにより、大径コイル部31は、小径コイル部29よりも軸方向の荷重に対する撓み量が小さい。外コイル部5は、軸方向の一側から他側にわたって等ピッチのコイルばねからなる。その他は、実施例1と同一である。
従って、本実施例でも、内コイル部3と外コイル部5とが螺合することにより、簡単な構造で軸方向の一部の曲げ剛性を変化させることができる。
なお、小径コイル部29を軸方向の他側に設け、大径コイル部31を軸方向の一側に設けてもよい。また、外コイル部5と内コイル部3の構成は逆にしてもよい。また、外コイル部5と内コイル部3の双方に、小径コイル部及び大径コイル部を設けてもよい。さらに、軸方向複数個所に小径コイル部及び大径コイル部の一方又は双方を設けてもよい。
また、実施例1において、実施例3と同様に、副コイル部9、17、19等を大径コイル部としてもよい。また、実施例2において、他側コイル部23を硬コイル部として、一側コイル部21に溶接等によって結合することも可能である。さらに、実施例3において、硬コイル部27をさらに大径コイル部としてもよい。
その他、実施例1~4の構造を適宜組み合わせて、屈曲構造体1の剛性を軸方向で変化させることが可能である。
1 屈曲構造体
3 内コイル部
5 外コイル部
7 本体コイル部(内コイル部)
7a、9a 巻部
9 副コイル部(内コイル部)
11 小ピッチ部
13 大ピッチ部
15 本体コイル部
15a、17a、19a巻部
17、19 副コイル部(外コイル部)
25 軟コイル部
27 硬コイル部
29 小径コイル部
31 大径コイル部
3 内コイル部
5 外コイル部
7 本体コイル部(内コイル部)
7a、9a 巻部
9 副コイル部(内コイル部)
11 小ピッチ部
13 大ピッチ部
15 本体コイル部
15a、17a、19a巻部
17、19 副コイル部(外コイル部)
25 軟コイル部
27 硬コイル部
29 小径コイル部
31 大径コイル部
Claims (6)
- 内コイル部及び外コイル部を備え、
前記外コイル部の隣接巻部間に前記内コイル部の対応する巻部が嵌合し全体として曲げ剛性に応じた屈曲及び伸展が可能であり、
前記内コイル部及び前記外コイル部の少なくとも一方の軸方向の荷重に対する撓み量を部分的に変化させることにより、前記曲げ剛性を前記軸方向で部分的に変化させた、
屈曲構造体。 - 請求項1記載の屈曲構造体であって、
前記内コイル部及び前記外コイル部の少なくとも一方は、部分的にピッチが前記軸方向に拡げられた本体コイル部と、前記本体コイル部の前記拡げられたピッチ内に巻部が位置する一又は複数の副コイル部とを備えた、
屈曲構造体。 - 請求項2記載の屈曲構造体であって、
前記副コイル部は、前記本体コイル部の前記拡げられたピッチと同一ピッチである、
屈曲構造体。 - 請求項1~3の何れか一項に記載の屈曲構造体であって、
前記内コイル部及び前記外コイル部の少なくとも一方は、部分的にピッチが前記軸方向に狭く形成され、前記外コイル部の隣接巻部間への前記内コイル部の巻部の嵌合により前記狭く形成されたピッチが拡げられて初張力が付与される、
屈曲構造体。 - 請求項1~4の何れか一項に記載の屈曲構造体であって、
前記内コイル部及び前記外コイル部の少なくとも一方は、相対的に柔らかい材質の軟コイル部と、相対的に硬い材質の硬コイル部とを備えた、
屈曲構造体。 - 請求項1~5の何れか一項に記載の屈曲構造体であって、
前記内コイル部及び前記外コイル部の少なくとも一方は、相対的に前記巻部の線径が小径の小径コイル部と、相対的に前記巻部の線径が大径の大径コイル部とを備えた、
屈曲構造体。
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