JP6095055B2 - Linear drive device and long tool - Google Patents
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Description
本発明は、直線動作を行う直線駆動装置、及び、この直線駆動装置によって動作する可動部を備えている長尺ツールに関する。 The present invention relates to a linear drive device that performs a linear motion, and a long tool including a movable part that is operated by the linear drive device.
人体内部を観察することを目的とした医療機器として内視鏡が知られている。内視鏡は、先端部にＣＣＤ等の撮像部を備えている他に、体内組織の採取、切除、摘出などの各種処置を行うための処置具も備えることができる。処置具は、内視鏡の先端部に設けられる鉗子等の処置部材と、この処置部材を一端部に接続した操作ワイヤと、この操作ワイヤを被覆するシースと、操作ワイヤの他端部に接続した操作部とを有している。
医師は、ＣＣＤ等の撮像部によって撮像された映像を確認しながら、前記操作部を操作することにより操作ワイヤを引っ張り、これにより鉗子等の処置部材を動作させ、各種処置を行うことができる。
An endoscope is known as a medical device intended to observe the inside of a human body. In addition to having an imaging unit such as a CCD at the distal end, the endoscope can also include a treatment tool for performing various treatments such as collection, excision, and extraction of a body tissue. The treatment tool is connected to a treatment member such as forceps provided at the distal end portion of the endoscope, an operation wire connecting the treatment member to one end, a sheath covering the operation wire, and the other end of the operation wire. And an operation unit.
The doctor can perform various treatments by pulling the operation wire by operating the operation unit while confirming the image picked up by the image pickup unit such as a CCD, thereby operating a treatment member such as forceps.
また、内視鏡は、体腔の形状等に合わせて先端部をワイヤ駆動等により湾曲させることが可能であるが、前記シースは内視鏡とともに湾曲するだけで、自立的に曲がることはできなかった。そこで、本願の発明者は、内視鏡内に設けられた処置具のシース（長尺部材）を曲げることができる曲げ駆動装置を提案している（特許文献１参照）。 In addition, the endoscope can be bent by wire driving or the like in accordance with the shape of the body cavity or the like, but the sheath can only be bent together with the endoscope and cannot bend independently. It was. Therefore, the inventor of the present application has proposed a bending drive device that can bend a sheath (elongate member) of a treatment instrument provided in an endoscope (see Patent Document 1).
特許文献１に記載の曲げ駆動装置は、エア等の流体を供給することによって膨張するバルーン（バルーン駆動部）を備えている。このバルーンは、エア圧の変化により膨張・収縮することができ、シース（長尺部材）のうち曲げたい方向と反対側の側面を、膨張することによって押すと、シース（長尺部材）は自立的に曲げ動作を行うことが可能となる。このように、流体によって駆動するバルーン駆動部によって、曲げ動作を出力する曲げ駆動装置が提供されている。 The bending drive device described in Patent Document 1 includes a balloon (balloon drive unit) that is inflated by supplying a fluid such as air. This balloon can be inflated and deflated by a change in air pressure. When the side of the sheath (long member) opposite to the direction to be bent is pushed by inflating, the sheath (long member) is self-supporting. Therefore, it is possible to perform a bending operation. As described above, a bending driving device that outputs a bending operation by a balloon driving unit driven by a fluid is provided.
そこで本発明では、バルーン駆動部によって直線動作を行うことが可能となる直線駆動装置を提供すること、及び、このような直線駆動装置によって動作する可動部を備えている長尺ツールを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a linear drive device that can perform a linear motion using a balloon drive unit, and a long tool including a movable unit that is operated by such a linear drive device. With the goal.
（１）本発明の直線駆動装置は、流体が供給されることにより膨張するバルーン駆動部と、このバルーン駆動部の膨張動作を直線方向の動作として出力する変換部とを備え、前記バルーン駆動部は、前記直線方向に平行な面に沿って設けられるベース部、前記ベース部の一方側に設けられ当該ベース部との間に供給された流体の圧力によって表面積を広げつつ伸びて膨張する第一膜体、及び、前記ベース部の他方側に設けられ当該ベース部との間に供給された流体の圧力によって表面積を広げつつ伸びて膨張する第二膜体を有し、前記ベース部、前記第一膜体及び前記第二膜体によって積層体が構成され、前記変換部は、前記バルーン駆動部の膨張動作に追従して変形可能である非伸縮性の部材により前記第一膜体側と前記第二膜体側とから前記バルーン駆動部を包囲して構成されたパンタグラフ機構を備え、前記非伸縮性の部材の前記直線方向一方側の先端部は、前記直線方向に変位自在及び自由に曲がり変形することができる自由端であり、かつ、前記直線方向他方側の基端部は、前記積層体に対して変位は拘束されているが自由に曲がり変形することができる固定端であり、前記バルーン駆動部の膨張動作により前記基端部に対して前記先端部が前記直線方向に接近する短縮動作が得られ、この短縮動作を前記直線方向の動作として出力することを特徴とする。 (1) The linear drive device of the present invention includes a balloon drive unit that is inflated when a fluid is supplied, and a conversion unit that outputs an expansion operation of the balloon drive unit as a linear operation. Is a base part provided along a plane parallel to the linear direction, and a first part that expands and expands while expanding the surface area by the pressure of a fluid provided between the base part and one side of the base part. A film body, and a second film body that is provided on the other side of the base portion and expands and expands by expanding the surface area by the pressure of fluid supplied between the base body portion, the base portion, the first portion A laminated body is constituted by the one film body and the second film body, and the conversion section is formed on the first film body side and the first by the non-stretchable member that can be deformed following the expansion operation of the balloon driving section . From the bilayer side Comprises a pantograph mechanism configured to surround the serial balloon driver, the said linear direction one side of the distal end portion of the inextensible member, a free end which can be deformed bending freely and free displaced in the linear direction And the base end portion on the other side in the linear direction is a fixed end that can be freely bent and deformed while being restrained from displacement with respect to the laminated body. A shortening operation in which the distal end portion approaches the linear direction with respect to the base end portion is obtained, and the shortening operation is output as an operation in the linear direction .
本発明によれば、流体が供給されて第一膜体及び第二膜体が膨張することにより、変換部を、ベース部が設けられている面（仮想面）に直交する方向に拡大させると、変換部はその面に平行な方向、つまり前記直線方向に沿って短縮動作する。このため、この変換部のうち前記直線方向の一方側の端部を固定端とすれば、他方側の端部は一方側の端部（固定端）へと接近する動作が得られ、この動作を直線方向の動作として出力することが可能となる。 According to the present invention, when the fluid is supplied and the first film body and the second film body expand, the conversion unit is expanded in a direction perpendicular to the surface (virtual surface) on which the base unit is provided. The conversion unit shortens along a direction parallel to the surface, that is, the linear direction. For this reason, if one end portion in the linear direction of the conversion portion is a fixed end, the other end portion can be moved closer to the one end portion (fixed end). Can be output as a linear motion.
（２）また、前記変換部は、前記第一膜体を覆う第一シート体及び前記第二膜体を覆う第二シート体を前記非伸縮性の部材として有し、これら第一シート体及び第二シート体の前記直線方向の端部同士は結合されており、これら第一シート体及び第二シート体は、非伸縮性であるが柔軟性を有しているのが好ましい。
この場合、バルーン駆動部に流体が供給されない状態では、全体として薄い構造となる。そして、バルーン駆動部に流体が供給されると、第一シート体及び第二シート体は、膨張する第一膜体及び第二膜体に追従して変形し、ベース部が設けられている面（仮想面）に直交する方向に拡大すると、この面に平行な方向、つまり前記直線方向に短縮動作することができる。
(2) Moreover, the said conversion part has the 1st sheet body which covers said 1st film body, and the 2nd sheet body which covers said 2nd film body as said non-stretchable member , These 1st sheet bodies and The ends of the second sheet body in the linear direction are joined to each other, and these first sheet body and second sheet body are preferably non-stretchable but have flexibility.
In this case, in a state where no fluid is supplied to the balloon driving unit, the overall structure is thin. When the fluid is supplied to the balloon driving unit, the first sheet body and the second sheet body are deformed following the expanding first film body and second film body, and the surface on which the base portion is provided. When enlarged in a direction orthogonal to the (virtual plane), it is possible to perform a shortening operation in a direction parallel to the plane, that is, the linear direction.
（３）また、前記直線方向に沿って複数の前記変換部が連結した状態で並んで設けられており、これら変換部それぞれに対して前記バルーン駆動部が設けられているのが好ましい。
これにより、複数の変換部及び複数のバルーン駆動部が直列的に並んだ直線駆動装置が得られる。そして、複数のバルーン駆動部を同時に駆動させた場合、複数の変換部が直線方向に沿って同時に機能することができ、全体として、出力が大きくストロークの大きい直線方向の動作を得ることが可能となる。
(3) Moreover, it is preferable that the said several conversion part is provided along with the said linearly connected state along the said linear direction, and the said balloon drive part is provided with respect to each of these conversion parts.
Thereby, the linear drive device with which the some conversion part and the some balloon drive part were located in a line was obtained. When a plurality of balloon driving units are driven at the same time, the plurality of conversion units can function simultaneously along the linear direction, and as a whole, it is possible to obtain a linear operation with a large output and a large stroke. Become.
（４）また、前記直線駆動装置は、前記面に平行な方向に沿って短縮動作する前記変換部の一部が、前記積層体の一部に、前記直線方向から当接することで、当該変換部の更なる短縮動作を制限するストッパ部を有しているのが好ましい。
この場合、短縮動作する変換部の一部が、積層体の一部に、前記直線方向から当接することで、この変換部の更なる短縮動作が制限されることにより、直線駆動装置による直線方向の動作のストロークエンドを規定することができる。つまり、このストロークエンドまで、変換部は直線方向に沿って短縮動作することができる。
(4) In addition, the linear drive apparatus, part of the conversion unit to reduce operating along a direction parallel to the surface, a portion of the laminate, by abutting from the straight direction, the conversion It is preferable to have a stopper portion that restricts further shortening operation of the portion.
In this case, a part of the conversion unit that performs the shortening operation comes into contact with a part of the laminated body from the linear direction, and further shortening operation of the conversion unit is limited, so that the linear direction by the linear driving device is reduced. The stroke end of the operation can be defined. That is, the conversion unit can perform a shortening operation along the linear direction up to the stroke end.
（５）また、本発明の長尺ツールは、動作可能な可動部を一端側に有しかつこの可動部から他端側に変形自在な軟性部を有している長尺体と、前記長尺体に組み込まれ前記可動部を動作させる駆動機構部とを備え、前記駆動機構部は、張力が付与されることにより当該可動部を動作させる操作ワイヤと、直線方向の動作を行って前記操作ワイヤを引っ張るアクチュエータとを有し、前記アクチュエータが、前記（１）〜（４）のいずれか一つの直線駆動装置であり、当該直線駆動装置が出力する前記直線方向の動作によって前記操作ワイヤを引っ張ることを特徴とする。
本発明によれば、前記（１）〜（４）のいずれか一つの直線駆動装置の短縮動作により操作ワイヤが引っ張られ、長尺体の可動部を動作させることが可能となる。
(5) Moreover, the long tool of this invention has the movable part which has an operation | movement movable part in the one end side, and has a flexible part which can deform | transform from this movable part to the other end side, The said long A drive mechanism unit that is incorporated in a scale body and operates the movable unit, and the drive mechanism unit performs an operation in a linear direction with an operation wire that operates the movable unit when tension is applied. An actuator that pulls the wire, and the actuator is any one of the linear drive devices of (1) to (4), and the operation wire is pulled by the operation in the linear direction output by the linear drive device. It is characterized by that.
According to the present invention, the operation wire is pulled by the shortening operation of any one of (1) to (4), and the movable part of the long body can be operated.
本発明の直線駆動装置によれば、流体が供給されることにより膨張するバルーン駆動部によって直線動作を行うことが可能となる。
本発明の長尺ツールによれば、前記直線駆動装置の短縮動作により操作ワイヤが引っ張られ、長尺体の可動部を動作させることが可能となる。
According to the linear drive device of the present invention, it is possible to perform a linear operation by the balloon drive unit that expands when a fluid is supplied.
According to the long tool of the present invention, the operation wire is pulled by the shortening operation of the linear drive device, and the movable part of the long body can be operated.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〔１． 直線駆動装置について〕
図１は、本発明の直線駆動装置のモデル図であり、（Ａ）は駆動前の状態（自然状態）、（Ｂ）は駆動途中の状態、（Ｃ）はストロークエンドまで駆動した状態を示している。この直線駆動装置１２は、エア（流体）が供給されることにより膨張するバルーン駆動部２０と、このバルーン駆動部２０の膨張動作を直線方向の動作として出力する変換部３０とを備えている。図１の場合、バルーン駆動部２０が膨張する方向は上下方向であり、変換部３０により出力される直線方向の動作は、左右方向の直線的な動作である。膨張する方向をＺ方向とし、出力される動作の直線方向をＸ方向とする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[1. About linear drive unit
1A and 1B are model diagrams of a linear drive device according to the present invention, where FIG. 1A shows a state before driving (natural state), FIG. 1B shows a state in the middle of driving, and FIG. ing. The linear drive device 12 includes a balloon drive unit 20 that expands when air (fluid) is supplied, and a conversion unit 30 that outputs the expansion operation of the balloon drive unit 20 as a linear operation. In the case of FIG. 1, the direction in which the balloon driving unit 20 inflates is the vertical direction, and the linear operation output by the conversion unit 30 is a linear operation in the horizontal direction. The direction of expansion is the Z direction, and the linear direction of the output motion is the X direction.
図２は、バルーン駆動部２０を説明するモデル図であり、説明を容易にするために図１に示す直線駆動装置１２から変換部３０を除いて示している。また、図３は、変換部３０を説明するモデル図であり、説明を容易にするために図１に示す直線駆動装置１２からバルーン駆動部２０を除いて示している。 FIG. 2 is a model diagram for explaining the balloon driving unit 20 and shows the linear driving device 12 shown in FIG. 1 with the conversion unit 30 removed for ease of explanation. FIG. 3 is a model diagram for explaining the conversion unit 30 and shows the linear drive device 12 shown in FIG. 1 excluding the balloon drive unit 20 for easy explanation.
図１と図２に示すように、バルーン駆動部２０は、直線方向（Ｘ方向）に平行な面（仮想面）に沿って設けられる薄板状のベース部２１と、このベース部２１の一方側（一面２２側）に設けられている第一膜体２４と、このベース部２１の他方側（他面２３側）に設けられている第二膜体２５とを有している。なお、一面２２及び他面２３は、前記仮想面と平行な面である。 As shown in FIGS. 1 and 2, the balloon driving unit 20 includes a thin plate-like base portion 21 provided along a plane (virtual plane) parallel to the linear direction (X direction), and one side of the base portion 21. It has the 1st film body 24 provided in (one surface 22 side), and the 2nd film body 25 provided in the other side (other surface 23 side) of this base part 21. FIG. The one surface 22 and the other surface 23 are surfaces parallel to the virtual surface.
第一膜体２４は、ベース部２１の一面２２側に積層状として設けられており、ベース部２１の全周縁部と第一膜体２４の全周縁部との間は接合されて密封状態となり、ベース部２１の全周縁部を除く中央部と第一膜体２４の全周縁部を除く中央部とは接合されておらず、これら中央部の間には隙間が形成される。
これと同様に、第二膜体２５は、ベース部２１の他面２３側に積層状として設けられており、ベース部２１の全周縁部と第二膜体２５の全周縁部との間は接合されて密封状態となり、ベース部２１の全周縁部を除く中央部と第二膜体２５の全周縁部を除く中央部とは接合されておらず、これら中央部の間には隙間が形成される。
The first film body 24 is provided in a laminated form on the one surface 22 side of the base portion 21, and the entire peripheral edge portion of the base portion 21 and the entire peripheral edge portion of the first film body 24 are joined and sealed. The central portion excluding the entire peripheral edge portion of the base portion 21 and the central portion excluding the entire peripheral edge portion of the first film body 24 are not joined, and a gap is formed between these central portions.
Similarly, the second film body 25 is provided in a laminated form on the other surface 23 side of the base portion 21, and a gap between the entire peripheral edge portion of the base portion 21 and the entire peripheral edge portion of the second film body 25 is provided. The central portion excluding the entire peripheral edge portion of the base portion 21 and the central portion excluding the entire peripheral edge portion of the second film body 25 are not bonded, and a gap is formed between these central portions. Is done.
第一膜体２４及び第二膜体２５それぞれは、弾性変形に基づく伸縮が可能な薄膜部材からなり、本実施形態では、ジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）の薄膜部材からなる。また、ベース部２１を、ＰＤＭＳとしてもよいが、膜体２４，２５に比べて伸縮しない構成である必要がある。そのために、ベース部２１は膜体２４，２５に比べて厚く、ベース部２１の剛性は膜体２４，２５それぞれの剛性よりも充分に高くしており、ベース部２１は変形しない（変形しにくい）。なお、ベース部２１は、膜体２４，２５と異なる材質、特に伸縮性の乏しい材質であってもよく、ポリイミドフィルムとすることができる。 Each of the first film body 24 and the second film body 25 is made of a thin film member capable of expanding and contracting based on elastic deformation, and in the present embodiment, made of a thin film member of dimethylpolysiloxane (PDMS). The base portion 21 may be PDMS, but the base portion 21 needs to have a configuration that does not expand and contract as compared with the film bodies 24 and 25. Therefore, the base part 21 is thicker than the film bodies 24 and 25, and the rigidity of the base part 21 is sufficiently higher than the rigidity of each of the film bodies 24 and 25, and the base part 21 is not deformed (not easily deformed). ). The base portion 21 may be made of a material different from the film bodies 24 and 25, particularly a material having poor stretchability, and may be a polyimide film.
第一膜体２４及び第二膜体２５は伸縮可能であることから、第一膜体２４は、ベース部２１との間に供給されたエアＡの圧力によって、表面積を広げつつ伸びて膨張することができる。また、第二膜体２５も、ベース部２１との間に供給されたエアの圧力によって、表面積を広げつつ伸びて膨張することができる。第一膜体２４及び第二膜体２５の膨張方向は、ベース部２１の面２２，２３に直交する方向、つまり、Ｘ方向に直交するＺ方向である。 Since the first film body 24 and the second film body 25 can expand and contract, the first film body 24 expands and expands while expanding the surface area by the pressure of air A supplied between the first film body 24 and the second film body 25. be able to. Further, the second film body 25 can also expand and expand while expanding the surface area by the pressure of air supplied between the second film body 25 and the base portion 21. The expansion direction of the first film body 24 and the second film body 25 is a direction orthogonal to the surfaces 22 and 23 of the base portion 21, that is, a Z direction orthogonal to the X direction.
なお、第一膜体２４及び第二膜体２５のＸ方向の膨張は、ベース部２１により規制されている。つまり、この直線駆動装置１２は、エアが供給されることにより一方向（Ｚ方向）両側に膨張するバルーン駆動部２０と、このバルーン駆動部２０の膨張動作をその膨張の方向とは異なる直線方向（Ｘ方向）の動作として出力する変換部３０とを備えたものである。 Note that the expansion in the X direction of the first film body 24 and the second film body 25 is regulated by the base portion 21. That is, the linear drive device 12 includes a balloon drive unit 20 that inflates in one direction (Z direction) when air is supplied, and a linear direction in which the inflation operation of the balloon drive unit 20 is different from the inflation direction. And a conversion unit 30 that outputs an operation in the (X direction).
ベース部２１、第一膜体２４及び第二膜体２５からなる積層体２６の基端部２６ｂに、エアが流れるチューブ２７が接続されており、チューブ２７を通じてエアＡがベース部２１と第一膜体２４との間及びベース部２１と第二膜体２５との間に供給される。このエアＡの圧力の変化により、第一膜体２４及び第二膜体２５は膨張・収縮することができる。なお、収縮は、膨張した（伸びた）第一膜体２４及び第二膜体２５の復元力に基づく。 A tube 27 through which air flows is connected to a base end portion 26 b of a laminate 26 composed of the base portion 21, the first film body 24, and the second film body 25, and the air A is connected to the base portion 21 and the first through the tube 27. It is supplied between the film body 24 and between the base portion 21 and the second film body 25. By the change in the pressure of the air A, the first film body 24 and the second film body 25 can expand and contract. The contraction is based on the restoring force of the expanded (extended) first film body 24 and second film body 25.
図１と図３に示すように、本実施形態に係る変換部３０は、第一膜体２４を覆う第一シート体３４と、第二膜体２５を覆う第二シート体３５とを有している。これら第一シート体３４と第二シート体３５との間に、バルーン駆動部２０（積層体２６）が設けられている。
図３において、第一シート体３４及び第二シート体３５それぞれの直線方向（Ｘ方向）の端部同士は結合されている。つまり、第一シート体３４の先端部３４ａと第二シート体３５の先端部３５ａとは接合されており、第一シート体３４の基端部３４ｂと第二シート体３５の基端部３５ｂとは、積層体２６の基端部２６ｂを間に挟んで連結されている。なお、シート体３４，３５のうち、先端部３４ａ，３５ａ及び基端部３４ｂ，３５ｂ以外の領域（先端部と基端部との間の領域）は接合されていない。
As shown in FIGS. 1 and 3, the conversion unit 30 according to this embodiment includes a first sheet body 34 that covers the first film body 24 and a second sheet body 35 that covers the second film body 25. ing. Between the first sheet body 34 and the second sheet body 35, the balloon driving unit 20 (laminated body 26) is provided.
In FIG. 3, the ends of the first sheet body 34 and the second sheet body 35 in the linear direction (X direction) are joined together. That is, the front end part 34 a of the first sheet body 34 and the front end part 35 a of the second sheet body 35 are joined, and the base end part 34 b of the first sheet body 34 and the base end part 35 b of the second sheet body 35 are joined. Are connected with the base end portion 26b of the stacked body 26 interposed therebetween. In the sheet bodies 34 and 35, regions other than the distal end portions 34a and 35a and the proximal end portions 34b and 35b (regions between the distal end portion and the proximal end portion) are not joined.
図１において、第一シート体３４の基端部３４ｂ及び第二シート体３５の基端部３５ｂは、積層体２６の基端部２６ｂに連結されており、この基端部２６ｂに対して基端部３４ｂ，３５ｂの変位は拘束されている。図１に示すように、この部分（３４ｂ，３５ｂ）を固定端として扱う。なお、基端部３４ｂ，３５ｂの曲げは拘束されておらず自由に曲がることができる（図１（Ｃ）参照）。
これに対して、第一シート体３４の先端部３４ａ及び第二シート体３５の先端部３５ａは、積層体２６の先端部２６ａに連結されておらず、この先端部２６ａに対して先端部３４ａ，３５ａは、Ｘ方向に所定範囲について変位自在であり、この部分（３４ａ，３５ａ）を自由端として扱う。また、先端部３４ａ，３５ａでは、曲げが拘束されておらず自由に曲がることができる（図１（Ｃ）参照）。
In FIG. 1, the base end part 34b of the 1st sheet | seat body 34 and the base end part 35b of the 2nd sheet | seat body 35 are connected with the base end part 26b of the laminated body 26, and are based on this base end part 26b. The displacement of the end portions 34b and 35b is restricted. As shown in FIG. 1, this part (34b, 35b) is treated as a fixed end. The bending of the base end portions 34b and 35b is not restricted and can be bent freely (see FIG. 1C).
On the other hand, the distal end portion 34a of the first sheet body 34 and the distal end portion 35a of the second sheet body 35 are not connected to the distal end portion 26a of the laminated body 26, and the distal end portion 34a is connected to the distal end portion 26a. , 35a can be displaced within a predetermined range in the X direction, and this portion (34a, 35a) is treated as a free end. Moreover, in the front-end | tip parts 34a and 35a, bending is not restrained and it can bend freely (refer FIG.1 (C)).
これら第一シート体３４及び第二シート体３５は、非伸縮性であるが柔軟性を有している。なお、本発明における「非伸縮性」とは、第一膜体２４及び第二膜体２５に比べて伸縮性が低いことを言う。つまり、本発明の直線駆動装置１２において使用されるエアの圧力によれば、第一膜体２４及び第二膜体２５は表面積を広げつつ伸びて膨張するのに対して、第一シート体３４及び第二シート体３５は、膨張する膜体２４，２５の形状に追従して変形するが、これら膜体２４，２５から受ける力（膨張力）によって表面積を広げることなく、図３（Ａ）に示す状態から図３（Ｃ）に示す状態に変化する。
なお、本実施形態では、第一シート体３４及び第二シート体３５それぞれは、ポリイミドのフィルムからなる。
The first sheet body 34 and the second sheet body 35 are non-stretchable but have flexibility. The “non-stretchability” in the present invention means that the stretchability is lower than that of the first film body 24 and the second film body 25. That is, according to the pressure of air used in the linear drive device 12 of the present invention, the first film body 24 and the second film body 25 expand and expand while expanding the surface area, whereas the first sheet body 34. The second sheet 35 is deformed following the shape of the expanding film bodies 24 and 25, but the surface area is not increased by the force (expanding force) received from these film bodies 24 and 25, as shown in FIG. The state shown in FIG. 3 changes to the state shown in FIG.
In the present embodiment, each of the first sheet body 34 and the second sheet body 35 is made of a polyimide film.
このように、本実施形態の変換部３０は、Ｘ方向の両端部が連結された第一シート体３４と第二シート体３５とからなり、その先端部３４ａ，３５ａでは自由に変位及び曲がり変形することができ、かつ、その基端部３４ｂ，３５ｂでは積層体２６に対して変位は拘束されているが自由に曲がり変形することができる。
また、図２（Ｃ）に示すように、第一膜体２４の膨張した姿は、中央が最も高くなる山型であり、図３（Ｃ）に示すように、第一シート体３４のうち、この山型の頂部２８が当接する部分（第一の途中部３４ｃ）において、第一シート体３４は方向を変えて折れ曲がり変形する。これと同様に、第二膜体２５の膨張した姿は、中央が最も高くなる山型であり、第二シート体３５のうち、この山型の頂部２９が当接する部分（第二の途中部３５ｃ）において、第二シート体３５は方向を変えて折れ曲がる。
そして、第一シート体３４及び第二シート体３５は伸びないことから、先端部３４ａ，３５ａから途中部３４ｃ，３５ｃまでの長さは変化せず、基端部３４ｂ，３５ｂから途中部３４ｃ，３５ｃまでの長さは変化しない。
これにより、本実施形態の変換部３０は、先端部３４ａ，３５ａ、基端部３４ｂ，３５ｂ、第一の途中部３４ｃ及び第二の途中部３５ｃの四カ所を節点とするパンタグラフ機構を備えていると言える。
Thus, the conversion part 30 of this embodiment consists of the 1st sheet | seat body 34 and the 2nd sheet | seat body 35 with which the both ends of the X direction were connected, and the displacement and bending deformation | transformation are free at the front-end | tip parts 34a and 35a. In addition, the base end portions 34b and 35b of the laminated body 26 are restrained from displacement, but can be freely bent and deformed.
Further, as shown in FIG. 2C, the expanded state of the first film body 24 is a mountain shape having the highest center, and as shown in FIG. In the portion (first intermediate portion 34c) where the mountain-shaped top portion 28 abuts, the first sheet body 34 changes its direction and is bent and deformed. Similarly, the expanded form of the second film body 25 is a mountain shape having the highest center, and a portion of the second sheet body 35 with which the top portion 29 of the mountain shape abuts (second intermediate portion). In 35c), the second sheet body 35 changes its direction and bends.
And since the 1st sheet | seat body 34 and the 2nd sheet | seat body 35 do not extend, the length from the front-end | tip parts 34a and 35a to the middle parts 34c and 35c does not change, and the middle part 34c, from the base end parts 34b and 35b, The length up to 35c does not change.
Thereby, the conversion part 30 of this embodiment is provided with the pantograph mechanism which makes the node the four places of the front-end | tip parts 34a and 35a, the base end parts 34b and 35b, the 1st middle part 34c, and the 2nd middle part 35c. I can say that.
以上より、変換部３０は、第一膜体２４側と第二膜体２５側とからバルーン駆動部２０（積層体２６）を包囲して設けられた構成であり、また、第一膜体２４及び第二膜体２５の膨張動作に追従して変形可能であり、そして、変換部３０は、この膨張動作によりベース部２１の面２２に直交する方向（Ｚ方向）に拡大すると、この面２２に平行な方向（Ｘ方向）に短縮動作することができる（図３（Ｂ）（Ｃ）参照）。
このような変換部３０及びバルーン駆動部２０を備えた直線駆動装置１２の実際の動作の様子を、図４に示す。図４（Ａ）が短縮動作する前の状態であり、（Ｂ）が短縮動作した状態である。
As described above, the conversion unit 30 is configured to surround the balloon driving unit 20 (laminated body 26) from the first film body 24 side and the second film body 25 side, and the first film body 24 is provided. The second film body 25 can be deformed following the expansion operation of the second film body 25. When the conversion portion 30 expands in a direction (Z direction) perpendicular to the surface 22 of the base portion 21 by the expansion operation, the surface 22 Can be shortened in a direction (X direction) parallel to (see FIGS. 3B and 3C).
FIG. 4 shows the actual operation of the linear drive device 12 including the conversion unit 30 and the balloon drive unit 20. FIG. 4A shows the state before the shortening operation, and FIG. 4B shows the state after the shortening operation.
図１（Ａ）に示すように、バルーン駆動部２０に加圧エアＡが供給されない状態では、ベース部２１のＺ方向の両側に第一膜体２４及び第二膜体２５が層状となって設けられた状態にあり、全体として薄く柔軟な構造である。しかし、図１（Ｂ）（Ｃ）に示すように、バルーン駆動部２０に加圧エアＡが供給され第一膜体２４及び第二膜体２５が膨張することにより、変換部３０（シート体３４，３５）をベース部２１の面２２に直交する方向（Ｚ方向）に拡大させると、その変換部３０は、その面２２に平行な方向（Ｘ方向）に、つまり直線方向に沿って短縮動作する。
このため、シート体３４，３５の基端部３４ｂ，３５ｂを、固定端とすることで、他方側の先端部３４ａ，３５ａは、基端部３４ｂ，３５ｂ（固定端）へとＸ方向に沿って接近する動作が得られる。つまり、この動作を直線方向の動作（線形収縮運動）として出力することが可能となる。
As shown in FIG. 1A, in a state where the pressurized air A is not supplied to the balloon driving unit 20, the first film body 24 and the second film body 25 are layered on both sides of the base portion 21 in the Z direction. It is in a provided state and has a thin and flexible structure as a whole. However, as shown in FIGS. 1B and 1C, when the pressurized air A is supplied to the balloon driving unit 20 and the first film body 24 and the second film body 25 expand, the conversion unit 30 (sheet body) 34, 35) is expanded in a direction (Z direction) perpendicular to the surface 22 of the base portion 21, the conversion portion 30 shortens in a direction parallel to the surface 22 (X direction), that is, along the linear direction. Operate.
For this reason, by making the base end portions 34b and 35b of the sheet bodies 34 and 35 into fixed ends, the other end portions 34a and 35a extend along the X direction to the base end portions 34b and 35b (fixed ends). To get close to each other. That is, this operation can be output as a linear motion (linear contraction motion).
ここで、前記特許文献１（特開２０１１−３２６号公報）に記載のエアが供給されて膨張するバルーン駆動部９０は、曲げ運動（図５の矢印ｒ）を行うことができる。そこで、このようなバルーン駆動部９０を、図５に示すように、２つ連結することにより、直線方向の動作を出力可能な直線駆動装置（比較例）とすることが考えられる。この比較例の場合、一対のバルーン駆動部９０は「膨張→曲げ→線形収縮」というステップにより、直線方向（Ｘ方向）の動作を出力する。 Here, the balloon driving unit 90 that is inflated by being supplied with air described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-326) can perform a bending motion (arrow r in FIG. 5). Accordingly, it is conceivable to connect two such balloon driving units 90 as shown in FIG. 5 to provide a linear driving device (comparative example) that can output linear motion. In the case of this comparative example, the pair of balloon driving units 90 outputs an operation in the linear direction (X direction) by the step of “expansion → bending → linear contraction”.
これに対して、本実施形態の直線駆動装置１２の場合、バルーン駆動部２０と、前記のようなパンタグラフ構造を備えた変換部３０とによって、「膨張→線形収縮」というステップにより、直線方向（Ｘ方向）の動作を出力する。つまり、本実施形態に係る変換部３０によれば、バルーン駆動部２０の膨張動作を直接的に直線方向（Ｘ方向）の収縮動作に変換して出力することが可能となる。このため、直線駆動装置１２は、小型ではあるが効率がよく、比較例に比べて出力密度の高い直線型アクチュエータとなる。 On the other hand, in the case of the linear drive device 12 of the present embodiment, the step of “expansion → linear contraction” is performed by the balloon drive unit 20 and the conversion unit 30 having the pantograph structure as described above. Operation in the X direction) is output. That is, according to the conversion unit 30 according to the present embodiment, the inflation operation of the balloon drive unit 20 can be directly converted into a contraction operation in the linear direction (X direction) and output. For this reason, the linear drive device 12 is small but efficient, and becomes a linear actuator having a higher output density than the comparative example.
例えば、直線駆動装置１２を、縦６ｍｍ×横６ｍｍ×厚さ４００μｍの大きさで成形することができ（図４参照）、この場合、バルーン駆動部２０（エア室）は縦５ｍｍ×横５ｍｍとなり、８０キロパスカルの加圧エアＡをバルーン駆動部２０に供給することで、１．２ニュートンのＸ方向の力を出力することが可能となる。 For example, the linear drive device 12 can be formed in a size of 6 mm in length × 6 mm in width × 400 μm in thickness (see FIG. 4). In this case, the balloon drive unit 20 (air chamber) is 5 mm in length × 5 mm in width. By supplying 80 kilopascals of pressurized air A to the balloon drive unit 20, it is possible to output a force in the X direction of 1.2 Newtons.
このような直線駆動装置１２は、ＰＤＭＳによりバルーン駆動部２０を作成し、これを二枚のポリイミドフィルムからなる第一シート体３４及び第二シート体３５によって挟むことで構成される。バルーン駆動部２０は、エポキシ樹脂（ＳＵ−８）の型によるＰＤＭＳの成型技術（ＭＥＭＳ技術）を用いて作成される。
なお、本実施形態では、ベース部２１は１枚の板状部材からなるが、２枚の板状部材を積層して１枚のベース部としてもよい。
そして、第一膜体２４及び第二膜体２５は、同じ材質、同じ厚さからなり、同じ圧力のエアによって対称に膨張動作する。
Such a linear drive device 12 is configured by creating a balloon drive unit 20 by PDMS and sandwiching the balloon drive unit 20 between a first sheet body 34 and a second sheet body 35 made of two polyimide films. The balloon driving unit 20 is created using a PDMS molding technique (MEMS technique) using an epoxy resin (SU-8) mold.
In the present embodiment, the base portion 21 is composed of a single plate-like member, but two plate-like members may be laminated to form a single base portion.
And the 1st film body 24 and the 2nd film body 25 consist of the same material and the same thickness, and expand | swell symmetrically with the air of the same pressure.
図６は、本実施形態の直線駆動装置１２の機能を説明する説明図であり、特に変換部３０によるパンタグラフ構造のメカニズムを示している。変換部３０は、Ｚ方向の膨張動作をＸ方向の収縮動作に変換することができる。図６によれば、変換部３０により出力されるＸ方向の力（収縮力）Ｆｘは、次の式（１）のとおりになる。また、変換部３０から出力されるＸ方向の変位ΔＸは、次の式（２）のとおりになる。 FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the function of the linear drive device 12 of the present embodiment, and particularly shows the mechanism of the pantograph structure by the conversion unit 30. The conversion unit 30 can convert the expansion operation in the Z direction into the contraction operation in the X direction. According to FIG. 6, the force (contraction force) Fx in the X direction output from the conversion unit 30 is represented by the following equation (1). Further, the displacement ΔX in the X direction output from the conversion unit 30 is expressed by the following equation (2).
なお、Ｆｚは、膨張するバルーン駆動部２０から出力されるＺ方向の推力である。また、ｂは、膨張するバルーン駆動部２０の節点（途中部３４ｃ，３５ｃ）のＺ方向の変位である。Ｃは、収縮動作時の節点（先端部３４ａ，３５ａ）から節点（基端部３４ｂ、３５ｂ）までのＸ方向の長さである。Ｘ０は、節点（先端部３４ａ，３５ａ）から節点（途中部３４ｃ，３５ｃ）までの長さであり、ａは、節点（基端部３４ｂ，３５ｂ）から節点（途中部３４ｃ，３５ｃ）までの長さである。θ１は、Ｘ方向の直線と、節点（先端部３４ａ，３５ａ）と節点（途中部３４ｃ，３５ｃ）とを結ぶ直線との成す角度であり、θ２は、Ｘ方向の直線と、節点（基端部３４ｂ，３５ｂ）と節点（途中部３４ｃ，３５ｃ）とを結ぶ直線との成す角度である。図６ではθ１＝θ２＝θである。 Note that Fz is a thrust in the Z direction output from the inflating balloon driving unit 20. Further, b is the displacement in the Z direction of the nodes (intermediate portions 34c, 35c) of the balloon driving unit 20 that expands. C is the length in the X direction from the nodes (tip portions 34a, 35a) to the nodes (base ends 34b, 35b) during the contraction operation. X 0 is a length from the node (tip 34a, 35a) the nodal point (the middle portion 34c, 35c), a is the nodal point (the base end portion 34b, 35b) from the node (middle portion 34c, 35c) Is the length of θ 1 is an angle formed by a straight line in the X direction and a straight line connecting the nodes (tip portions 34a and 35a) and the nodes (intermediate portions 34c and 35c), and θ 2 is a straight line in the X direction and a node ( This is an angle formed by a straight line connecting the base end portions 34b and 35b) and the nodes (intermediate portions 34c and 35c). In FIG. 6, θ 1 = θ 2 = θ.
前記式（１）によれば、バルーン駆動部２０を膨張させてθ＝４５°の時に、Ｘ方向の力（収縮力）Ｆｘは最大となる。つまり、バルーン駆動部２０を更に膨張させてθ＝４５°を越えさせても、それ以上の力Ｆｘを出力することができない。
そこで、この最大の力（収縮力）Ｆｘを出力させるために、直線駆動装置１２は、θ＝４５°でＸ方向の収縮のストロークエンドとさせるストッパ部を備えている。つまり、θ＝４５°でＺ方向からＸ方向への力の変換が最大の効率により実行され、このストロークエンドは、ストッパ部による「力伝達の最大効率地点」であると言える。
また、前記式（２）によれば、前記角度θを大きくする程、変換部３０から出力されるＸ方向の変位ΔＸを大きくすることができる。しかし、前記ストッパ部を備えている場合、Ｘ方向の収縮ストロークは、そのストッパ部による前記「力伝達の最大効率地点」で制限される。
According to the equation (1), when the balloon driving unit 20 is inflated and θ = 45 °, the force (contracting force) Fx in the X direction is maximized. In other words, even if the balloon driving unit 20 is further inflated to exceed θ = 45 °, no more force Fx can be output.
Therefore, in order to output the maximum force (contraction force) Fx, the linear drive device 12 is provided with a stopper portion that makes the stroke end of contraction in the X direction at θ = 45 °. That is, the conversion of force from the Z direction to the X direction is executed with the maximum efficiency at θ = 45 °, and this stroke end can be said to be the “maximum efficiency point of force transmission” by the stopper portion.
Further, according to the equation (2), as the angle θ is increased, the displacement ΔX in the X direction output from the conversion unit 30 can be increased. However, when the stopper portion is provided, the contraction stroke in the X direction is limited at the “maximum efficiency point of force transmission” by the stopper portion.
すなわち、図１において、変換部３０が直線方向（Ｘ方向）に短縮動作すると、この変換部３０の一部である先端部３４ａ，３５ａが、積層体２６の一部である先端部２６ａに接近し、やがて、Ｘ方向から当接する（図１（Ｃ）参照）。これにより、変換部３０の更なる短縮動作は制限され、変換部３０の一部である先端部３４ａ，３５ａが、Ｘ方向へそれ以上変位することができなくなる。
すなわち、積層体２６の先端部２６ａは、変換部３０のＸ方向の収縮動作を制限するストッパ部として機能する。
That is, in FIG. 1, when the conversion portion 30 is shortened in the linear direction (X direction), the tip portions 34 a and 35 a that are a part of the conversion portion 30 approach the tip portion 26 a that is a part of the stacked body 26. Eventually, it comes into contact with the X direction (see FIG. 1C). Thereby, the further shortening operation | movement of the conversion part 30 is restrict | limited, and the front-end | tip parts 34a and 35a which are a part of conversion part 30 cannot displace any more to a X direction.
That is, the front end portion 26 a of the stacked body 26 functions as a stopper portion that restricts the contraction operation of the conversion portion 30 in the X direction.
そこで、本実施形態の直線駆動装置１２では、θ＝４５°となる状態でストッパ部によって変換部３０のＸ方向の収縮動作を制限するように、積層体２６の先端部２６ａと、変換部３０の節点（先端部３４ａ，３５ａ）との間隔を、所定の値に設定すればよい。厳密には、積層体２６の先端部２６ａと、先端部３４ａ，３５ａのうちの先端部２６ａに当接する内側部分との間隔を、所定の値に設定すればよい。
これにより、直線駆動装置１２による直線方向（Ｘ方向）の動作のストロークエンドを規定することができる。つまり、このストロークエンドまで、変換部３０は直線方向（Ｘ方向）に沿って短縮動作することができる。
なお、ストッパ部によるストロークエンドの位置は、θ＝４５°の状態が得られる位置とする以外にも、他の位置であってもよい。
Therefore, in the linear drive device 12 of the present embodiment, the tip end portion 26a of the stacked body 26 and the conversion portion 30 are configured so that the stopper portion limits the contraction operation in the X direction of the conversion portion 30 in a state where θ = 45 °. What is necessary is just to set the space | interval with the nodal point (tip part 34a, 35a) to a predetermined value. Strictly speaking, the interval between the front end portion 26a of the laminated body 26 and the inner portion of the front end portions 34a and 35a that contacts the front end portion 26a may be set to a predetermined value.
Thereby, the stroke end of the operation | movement of the linear direction (X direction) by the linear drive device 12 can be prescribed | regulated. That is, until this stroke end, the conversion unit 30 can perform a shortening operation along the linear direction (X direction).
In addition, the position of the stroke end by the stopper portion may be other than the position where the state of θ = 45 ° is obtained.
〔２． 他の形態〕
前記実施形態では、直線駆動装置１２が一つのバルーン駆動部２０及び一つの変換部３０を有している場合について説明したが、図７（Ｂ）に示すように、複数（４つ）のバルーン駆動部２０及び複数（４つ）の変換部３０を有していてもよい。なお、図７（Ａ）は、直線駆動装置１２の分解斜視図であり、図７（Ｂ）は、その組み立て図である。
[2. Other forms]
In the embodiment, the case where the linear drive device 12 has one balloon drive unit 20 and one conversion unit 30 has been described. However, as shown in FIG. 7B, a plurality of (four) balloons are used. The drive unit 20 and a plurality of (four) conversion units 30 may be included. 7A is an exploded perspective view of the linear drive device 12, and FIG. 7B is an assembly view thereof.
図７の場合、直線方向（Ｘ方向）に沿って複数のバルーン駆動部２０が並んで設けられており、さらに、直線方向（Ｘ方向）に沿って複数の変換部３０が並んで設けられている。そして、バルーン駆動部２０同士は直接連結されていないのに対して、隣り合う変換部３０同士は連結されている。つまり、一つの変換部３０の基端部が、その隣りの変換部３０の先端部と連結されている。そして、これら変換部３０それぞれに対してバルーン駆動部２０が設けられている。なお、本実施形態では、各変換部３０の第一シート体は、他の変換部３０の第一シート体と共通する一枚の帯状のシート体３４からなり、各変換部３０の第二シート体は、他の変換部３０の第二シート体と共通する一枚の帯状のシート体３５からなる。 In the case of FIG. 7, a plurality of balloon driving units 20 are provided side by side along the linear direction (X direction), and a plurality of conversion units 30 are provided side by side along the linear direction (X direction). Yes. And although the balloon drive parts 20 are not directly connected, the adjacent conversion parts 30 are connected. That is, the base end portion of one conversion unit 30 is connected to the distal end portion of the adjacent conversion unit 30. A balloon driving unit 20 is provided for each of the conversion units 30. In the present embodiment, the first sheet body of each conversion unit 30 is composed of a single strip-shaped sheet body 34 common to the first sheet bodies of the other conversion units 30, and the second sheet of each conversion unit 30. The body is composed of a single belt-like sheet body 35 common to the second sheet body of the other conversion unit 30.
これにより、複数の変換部３０を直列的に接続した直線駆動装置１２が得られる。そして、図８に示すように、複数のバルーン駆動部２０全てを同時に膨張させると、複数の変換部３０が直線方向に沿って同時に機能することができ、全体として、出力が大きくストロークの大きい直線方向の動作を得ることが可能となる。 Thereby, the linear drive device 12 which connected the some conversion part 30 in series is obtained. As shown in FIG. 8, when all of the plurality of balloon driving units 20 are inflated simultaneously, the plurality of conversion units 30 can function simultaneously along the linear direction, and as a whole, the output is a straight line with a large output and a large stroke. Directional motion can be obtained.
単体の変換部３０ではＸ方向の収縮動作の最大ストロークがΔｘであっても、図８に示す直列接続型の直線駆動装置１２によれば、このΔｘに変換部３０の数（ｎ）を乗じた総ストローク（Δｘ×ｎ）を得ることができる。なお、図７の場合、ｎ＝４である。
また、単体の変換部３０によるＸ方向の力（収縮力）がＦｘであっても、直列接続型の直線駆動装置１２によれば、このＦｘに変換部３０の数（ｎ）を乗じた総出力（Ｆｘ×ｎ）を得ることができる。
In the single converter 30, even if the maximum stroke of the contraction operation in the X direction is Δx, according to the serial connection type linear drive device 12 shown in FIG. 8, Δx is multiplied by the number (n) of the converters 30. The total stroke (Δx × n) can be obtained. In the case of FIG. 7, n = 4.
Even if the force (contraction force) in the X direction by the single conversion unit 30 is Fx, according to the serial connection type linear drive device 12, the total obtained by multiplying Fx by the number (n) of the conversion units 30 is used. An output (Fx × n) can be obtained.
〔３． 長尺ツールについて〕
図１に示す単体の変換部３０及び単体のバルーン駆動部２０を有する直線駆動装置１２を、長尺ツールに適用してもよいが、図７に示す直列接続型の直線駆動装置１２を長尺ツールに適用することが可能である。図９は、直線駆動装置が適用されている長尺ツールの概略図であり、本実施形態の長尺ツールはファイバスコープであり、特に医療用の内視鏡１である。
[3. (About long tools)
Although the linear drive device 12 having the single conversion unit 30 and the single balloon drive unit 20 shown in FIG. 1 may be applied to a long tool, the serial connection type linear drive device 12 shown in FIG. It can be applied to tools. FIG. 9 is a schematic view of a long tool to which a linear drive device is applied. The long tool of the present embodiment is a fiberscope, and particularly a medical endoscope 1.
この内視鏡１は、ユーザ（医師）が操作する操作部２と、この操作部２から延び（体腔内の）挿入経路に沿って変形する挿入部３とを備えている。挿入部３は、長尺体からなり、その先部３ａ側に、湾曲動作可能な可動部５を有していると共に、この可動部５と操作部２との間に変形自在な軟性部６を有している。そして、この内視鏡１は、可動部５を湾曲動作させる駆動機構部４を備えている。駆動機構部４の駆動、つまり、可動部５の湾曲動作は、ユーザによる操作部２の操作に基づく。 The endoscope 1 includes an operation unit 2 operated by a user (doctor) and an insertion unit 3 extending from the operation unit 2 and deforming along an insertion path (inside the body cavity). The insertion portion 3 is formed of an elongated body, and has a movable portion 5 that can be bent on the tip portion 3a side, and a flexible portion 6 that is freely deformable between the movable portion 5 and the operation portion 2. have. The endoscope 1 includes a drive mechanism unit 4 that causes the movable unit 5 to bend. The drive of the drive mechanism unit 4, that is, the bending operation of the movable unit 5, is based on the operation of the operation unit 2 by the user.
挿入部３の大部分は、挿入経路に沿って自由に曲がる軟性部６であり、この軟性部６の基部６ａが操作部２と連結されている。軟性部６の先部６ｂには、可動部５が連結されており、可動部５の先端には硬質部８が設けられている。硬質部８（図１０参照）には、ライト８ａ、ノズル８ｂ、レンズ８ｃ及び鉗子等の処置具を挿通させる開口８ｄ等が設けられている。また、操作部２からはケーブル９（図９参照）が延びて設けられており、レンズ８ｃによって写された被写体の画像のデータは、このケーブル９を通じてモニタ（図示せず）に出力される。 Most of the insertion portion 3 is a flexible portion 6 that bends freely along the insertion path, and a base portion 6 a of the flexible portion 6 is connected to the operation portion 2. A movable portion 5 is connected to the tip portion 6 b of the flexible portion 6, and a hard portion 8 is provided at the tip of the movable portion 5. The hard portion 8 (see FIG. 10) is provided with an opening 8d through which a treatment instrument such as a light 8a, a nozzle 8b, a lens 8c, and forceps is inserted. Further, a cable 9 (see FIG. 9) extends from the operation unit 2, and data of the subject image captured by the lens 8c is output to a monitor (not shown) through the cable 9.
可動部５は、先部３ａを所望の方向へ向けるために、図１０に示すように、複数の節輪５ａが設けられており、これら節輪５ａによって湾曲動作が可能となる。これら節輪５ａの径方向外側には、チューブ状の被覆部材５ｂが設けられている。なお、可動部５を湾曲動作可能とするための構成は、節輪５ａによるもの以外であってもよく、従来知られている他の構成を採用することができる。軟性部６は、ゴム製等の筒部材７を有しており、この筒部材７及び節輪５ａの中心側に、光ファイバー（図示せず）等が設けられる。 As shown in FIG. 10, the movable part 5 is provided with a plurality of node rings 5a in order to orient the tip part 3a in a desired direction, and a bending operation can be performed by these node rings 5a. A tubular covering member 5b is provided on the outer side in the radial direction of these node rings 5a. In addition, the structure for enabling the movable portion 5 to bend may be other than that of the node ring 5a, and other conventionally known structures may be employed. The soft part 6 has a cylindrical member 7 made of rubber or the like, and an optical fiber (not shown) or the like is provided on the central side of the cylindrical member 7 and the node ring 5a.
駆動機構部４は、操作ワイヤ１１と、この操作ワイヤ１１を引っ張るアクチュエータとを有している。本実施形態のアクチュエータは、エアを作動媒体とする直線駆動装置１２であり、特に直列接続型の直線駆動装置１２（図７参照）が採用されている。
直線駆動装置１２が短縮動作する直線方向を、直線状とした操作ワイヤ１１の長手方向と一致させて、この直線駆動装置１２を内視鏡１内に設けている。直線駆動装置１２の基端部１２ｂは内視鏡本体（筒部材７）に固定されており、この基端部１２ｂは操作ワイヤ１１の長手方向に変位不能の状態とされている。
本実施形態では、直線駆動装置１２は、挿入部３のうち、可動部５よりも操作部２側にある途中部であって可動部５の近傍に組み込まれている。つまり、直線駆動装置１２は、軟性部６の先部６ｂ側にのみ設けられている。
The drive mechanism unit 4 includes an operation wire 11 and an actuator that pulls the operation wire 11. The actuator of this embodiment is a linear drive device 12 using air as a working medium, and in particular, a serial connection type linear drive device 12 (see FIG. 7) is employed.
The linear drive device 12 is provided in the endoscope 1 so that the linear direction in which the linear drive device 12 shortens coincides with the longitudinal direction of the operation wire 11 that is linear. The base end portion 12 b of the linear drive device 12 is fixed to the endoscope body (tubular member 7), and the base end portion 12 b is in a state in which it cannot be displaced in the longitudinal direction of the operation wire 11.
In the present embodiment, the linear drive device 12 is incorporated in the vicinity of the movable unit 5 in the middle of the insertion unit 3 on the operation unit 2 side of the movable unit 5. That is, the linear drive device 12 is provided only on the front portion 6 b side of the flexible portion 6.
さらに、駆動機構部４は、直線駆動装置１２にエアを供給する流路を有しており、本実施形態の流路は、チューブ１３からなる。このチューブ１３が、図１に示すチューブ２７に相当する。このチューブ１３は、軟性部６に追従して変形可能な（フレキシブルな）材料からなる。チューブ１３は、直線駆動装置１２から操作部２側まで、軟性部６に沿って組み込まれており、操作部２側に設けられているポンプ２６によって吐出されたエアが、チューブ１３内を流れ、そのエアが直線駆動装置１２に供給される。 Furthermore, the drive mechanism unit 4 has a flow path for supplying air to the linear drive device 12, and the flow path of the present embodiment includes a tube 13. This tube 13 corresponds to the tube 27 shown in FIG. The tube 13 is made of a material that can be deformed (flexible) following the soft portion 6. The tube 13 is incorporated along the flexible portion 6 from the linear drive device 12 to the operation unit 2 side, and the air discharged by the pump 26 provided on the operation unit 2 side flows through the tube 13. The air is supplied to the linear drive device 12.
可動部５は、様々な自由度で湾曲することができ、このために、操作ワイヤ１１とこの操作ワイヤ１１を操作する直線駆動装置１２とからなるユニットが、断面円形の挿入部３の周方向に複数配設されている。各ユニットは周方向に等間隔で設けられており、本実施形態では、４つのユニットが９０度間隔で配設されており、可動部５は、上下の二方向と左右の二方向とに湾曲することができる。 The movable portion 5 can be bent with various degrees of freedom. For this reason, a unit including the operation wire 11 and the linear drive device 12 for operating the operation wire 11 is arranged in the circumferential direction of the insertion portion 3 having a circular cross section. A plurality are provided. Each unit is provided at equal intervals in the circumferential direction. In this embodiment, four units are arranged at intervals of 90 degrees, and the movable portion 5 is curved in two directions, upper and lower, and left and right. can do.
操作ワイヤ１１は、金属製のワイヤからなり、主に可動部５に組み込まれており、その端部１１ａが先端側の節輪５ａに連結固定され、操作ワイヤ１１は可動部５の長手方向に沿って設けられている。操作ワイヤ１１は、可動部５に組み込まれている本体ワイヤ部１５と、この本体ワイヤ部１５から延長して軟性部６の一部に（長手方向に沿って）組み込まれている連結ワイヤ部１６とを有している。連結ワイヤ部１６は、直線駆動装置１２の先端に連結されている。直線駆動装置１２は直列接続型であることから、最も可動部５側に配置されている変換部３０（第一シート体３４、第二シート体３５）の先端部３４ａ，３５ａが、直列接続型の直線駆動装置１２の先端となる。
そして、エアが供給されることにより直線駆動装置１２が直線方向の短縮動作を行うことで、操作ワイヤ１１に張力が付与され、これにより可動部５を湾曲動作させることができる。
The operation wire 11 is made of a metal wire and is mainly incorporated in the movable portion 5, and its end portion 11 a is connected and fixed to the node ring 5 a on the distal end side, and the operation wire 11 extends in the longitudinal direction of the movable portion 5. It is provided along. The operation wire 11 includes a main body wire portion 15 incorporated in the movable portion 5 and a connecting wire portion 16 extending from the main body wire portion 15 and incorporated in a part of the flexible portion 6 (along the longitudinal direction). And have. The connecting wire portion 16 is connected to the tip of the linear drive device 12. Since the linear drive device 12 is a series connection type, the tip portions 34a and 35a of the conversion unit 30 (first sheet body 34, second sheet body 35) arranged closest to the movable part 5 are connected in series. This is the tip of the linear drive device 12.
Then, when the air is supplied, the linear drive device 12 performs a shortening operation in the linear direction, whereby tension is applied to the operation wire 11, and thereby the movable portion 5 can be bent.
以上のように、本実施形態の内視鏡１（長尺ツール）は、湾曲動作可能な可動部５を一端側に有しかつ変形自在な軟性部６を可動部５から他端側に有している長尺体である挿入部３と、可動部５を動作させる駆動機構部４とを備えている。駆動機構部４は、可動部５に組み込まれ張力が付与されることにより可動部５を動作させる操作ワイヤ１１と、挿入部３のうち可動部５の近傍に組み込まれエアを作動媒体として一方向の直線動作を行って操作ワイヤ１１を引っ張るアクチュエータとを有している。そして、このアクチュエータが、前記直線駆動装置１２からなり、この直線駆動装置１２が出力する直線方向（Ｘ方向）の動作によって操作ワイヤ１１を引っ張る。
また、駆動機構４は、更に、この直線駆動装置１２から他端側まで軟性部６に沿って設けられ直線駆動装置１２にエアを供給する流路としてチューブ１３を有しており、このチューブ１３は、軟性部６に追従して変形可能である。
As described above, the endoscope 1 (long tool) of the present embodiment has the movable portion 5 that can be bent on one end side and the flexible portion 6 that can be deformed on the other end side from the movable portion 5. The insertion unit 3 is a long body, and the drive mechanism unit 4 that operates the movable unit 5 is provided. The drive mechanism unit 4 is incorporated in the movable unit 5 and applied with tension to operate the movable unit 5. The drive mechanism unit 4 is incorporated in the vicinity of the movable unit 5 in the insertion unit 3 and uses air as a working medium in one direction. And an actuator that pulls the operation wire 11 by performing the linear motion. The actuator is composed of the linear drive device 12, and pulls the operation wire 11 by an operation in the linear direction (X direction) output by the linear drive device 12.
The drive mechanism 4 further includes a tube 13 as a flow path that is provided along the flexible portion 6 from the linear drive device 12 to the other end side and supplies air to the linear drive device 12. Is deformable following the soft part 6.
このような構成を備えた内視鏡１によれば、操作ワイヤ１１を引っ張る直線駆動装置１２は、挿入部３のうち可動部５の近傍に組み込まれている。そして、直線駆動装置１２から操作部２側へはチューブ１３が組み込まれており、このチューブ１３を通じてエアを直線駆動装置１２に供給することで、直線駆動装置１２は短縮動作し、操作ワイヤ１１を引っ張って、可動部５を湾曲動作させる。
そして、可動部５の近傍に組み込まれている直線駆動装置１２から操作部２側まで軟性部６に沿ってチューブ１３が組み込まれており、しかも、このチューブ１３は、軟性部６に追従して変形可能である。このため、軟性部６において、従来の内視鏡において必要であった剛性を有する可動部を湾曲動作させるための長い操作ワイヤを削減することができ、操作ワイヤの剛性により可撓性（軟性）が低下するのを抑えることが可能となる。
According to the endoscope 1 having such a configuration, the linear drive device 12 that pulls the operation wire 11 is incorporated in the vicinity of the movable portion 5 in the insertion portion 3. A tube 13 is incorporated from the linear drive device 12 to the operation unit 2 side. By supplying air to the linear drive device 12 through the tube 13, the linear drive device 12 is shortened, and the operation wire 11 is The movable part 5 is bent and pulled.
And the tube 13 is incorporated along the soft part 6 from the linear drive device 12 incorporated in the vicinity of the movable part 5 to the operation part 2 side, and this tube 13 follows the soft part 6. It can be deformed. For this reason, in the soft part 6, the long operation wire for carrying out the bending operation | movement of the movable part which has the rigidity required in the conventional endoscope can be reduced, and flexibility (softness) is attained by the rigidity of the operation wire. Can be suppressed.
図１１は、内視鏡１の模型に対して直線駆動装置１２を適用し、操作ワイヤ１１を引っ張ることで、可動部５を湾曲させる動作を行った様子を示している。図１１（Ａ）は、バルーン駆動部の膨張前であり、操作ワイヤ１１を引っ張る前の状態であり、（Ｂ）が、バルーン駆動部２０が膨張し、操作ワイヤ１１を引っ張った状態である。この図１１に示すように、本発明の直線駆動装置１２によれば、内視鏡１の可動部５を湾曲動作させるだけの出力と変位を得ることができる。 FIG. 11 shows a state in which the linear drive device 12 is applied to the model of the endoscope 1 and the operation of bending the movable portion 5 by pulling the operation wire 11 is performed. FIG. 11A shows a state before the balloon drive unit is inflated and before the operation wire 11 is pulled. FIG. 11B shows a state in which the balloon drive unit 20 is inflated and the operation wire 11 is pulled. As shown in FIG. 11, according to the linear drive device 12 of the present invention, it is possible to obtain an output and displacement sufficient to cause the movable portion 5 of the endoscope 1 to bend.
なお、直線駆動装置１２は、図１１のように可動部５を曲げ動作させるためのアクチュエータとして用いられるのみならず、可動部５に設けられる鉗子を動作させるためのアクチュエータとしても用いられる。
すなわち、図１２は、内視鏡の可動部に設けられる鉗子１０の開閉動作を直線駆動装置１２に行わせた様子を示している。この鉗子１０は操作ワイヤ１８と接続されており、操作ワイヤ１１が引っ張られると、鉗子１０は閉じ（図１２（Ｂ）参照）、操作ワイヤ１１の引っ張りを解除すると、鉗子１０は開く（図１２（Ａ）参照）。この操作ワイヤ１１の引っ張りを、本発明の直線駆動装置１２により行っている。
図１２に示すように、本発明の直線駆動装置１２によれば、鉗子１０を開閉動作させるだけの出力と変位を得ることができる。
The linear drive device 12 is used not only as an actuator for bending the movable portion 5 as shown in FIG. 11 but also as an actuator for operating forceps provided on the movable portion 5.
That is, FIG. 12 shows a state in which the linear driving device 12 performs the opening / closing operation of the forceps 10 provided in the movable part of the endoscope. The forceps 10 is connected to the operation wire 18, and when the operation wire 11 is pulled, the forceps 10 is closed (see FIG. 12B), and when the pull of the operation wire 11 is released, the forceps 10 is opened (FIG. 12). (See (A)). The operation wire 11 is pulled by the linear drive device 12 of the present invention.
As shown in FIG. 12, according to the linear drive device 12 of the present invention, it is possible to obtain an output and displacement sufficient to open and close the forceps 10.
また、内視鏡１では、挿入部３の断面形状を小さくする（細くする）のが好ましいことから、この挿入部３に組み込む直線駆動装置１２を小型化している。直線駆動装置１２のバルーン駆動部２０を小型化すると、直線駆動装置１２による操作ワイヤ１１を引っ張る力が弱くなる。しかし、本実施形態では、単一の操作ワイヤ１１を、直列接続型の直線駆動装置１２が引っ張る構成としている。このため、バルーン駆動部２０それぞれを小型化しても、可動部５を湾曲動作させるために必要となる大きな操作力を発生させることが可能となる。 Further, in the endoscope 1, since it is preferable to reduce (thinnize) the cross-sectional shape of the insertion portion 3, the linear drive device 12 incorporated in the insertion portion 3 is downsized. When the balloon drive unit 20 of the linear drive device 12 is downsized, the force pulling the operation wire 11 by the linear drive device 12 is weakened. However, in this embodiment, the single operation wire 11 is configured to be pulled by the serial connection type linear drive device 12. For this reason, even if each of the balloon drive units 20 is reduced in size, it is possible to generate a large operating force necessary for bending the movable unit 5.
また、バルーン駆動部２０が、柔軟性を有するＰＤＭＳ製の薄い部材からなり、変換部３０が柔軟性を有するポリイミド製のフィルムからなるため、バルーン駆動部２０に流体がエアされない状態では、全体として薄く柔軟な構造となる。このため、直線駆動装置１２を内視鏡１の軟性部６内に設置しても、軟性部６の柔軟性を低下させない。
また、バルーン駆動部２０は、エアを作動媒体としていることで、人体に対して低侵襲であり、電気的なエネルギを可動部に供給していないことから、例えば発火のおそれもなく、特に医療用の装置として安全である。
In addition, since the balloon driving unit 20 is made of a thin PDMS member having flexibility and the conversion unit 30 is made of a polyimide film having flexibility, the balloon driving unit 20 as a whole is in a state where no fluid is aired. Thin and flexible structure. For this reason, even if the linear drive device 12 is installed in the flexible part 6 of the endoscope 1, the flexibility of the flexible part 6 is not lowered.
Further, since the balloon drive unit 20 uses air as a working medium, it is minimally invasive to the human body and does not supply electrical energy to the movable part. It is safe as a device for use.
また、本発明の長尺ツールは、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。本発明の長尺ツールは、医療用である内視鏡以外に、工業用のファイバスコープであってもよく、又は、人が侵入困難である災害現場に向かう災害救助ロボットに組み込まれるファイバスコープであってもよい。
また、本発明の直線駆動装置１２は、長尺ツールに適用するのみならず、他の装置に組み込み可能である。例えば、ロボットのアーム、ロボットハンド、マニピュレータ等に適用可能である。
作動媒体をエアとして説明したが、作動媒体は他の流体であってもよく、例えば水とすることができる。
In addition, the long tool of the present invention is not limited to the illustrated form, and may be of other forms within the scope of the present invention. The long tool of the present invention may be an industrial fiberscope in addition to a medical endoscope, or a fiberscope incorporated in a disaster rescue robot heading to a disaster site where it is difficult for a person to enter. There may be.
Moreover, the linear drive device 12 of the present invention can be incorporated not only in a long tool but also in other devices. For example, the present invention can be applied to robot arms, robot hands, manipulators, and the like.
Although the working medium has been described as air, the working medium may be other fluids, for example water.
また、前記実施形態では、変換部３０を、一対のシート体３４，３５によって構成したフレキシブルなパンタグラフ構造としたが、これ以外に、複数本の剛性の高いリンクアームを菱形に連結して構成したメカニカルなパンタグラフ構造であってもよい。
そして、図１（Ｃ）で説明したように、バルーン駆動部２０の膜体２４，２５が山型に膨張した際に、膜体２４，２５の頂部２８，２９が、シート体３４，３５のＸ方向の中央部に当接してシート体３４，３５をＺ方向に拡大させる場合について説明したが、変換部３０を、複数本のリンクアームを組み合わせて構成したメカニカルなパンタグラフ構造とした場合、膜体２４，２５の頂部２８，２９が当接する位置は、Ｘ方向の中央部よりも、固定端側であってもよい。この場合、バルーン駆動部２０によるＺ方向の小さな膨張量で、Ｘ方向に大きな変位を出力させることが可能となる。
Moreover, in the said embodiment, although the conversion part 30 was made into the flexible pantograph structure comprised by a pair of sheet | seat bodies 34 and 35, it comprised by connecting the multiple rigid link arms to a rhombus besides this. A mechanical pantograph structure may be used.
1C, when the film bodies 24 and 25 of the balloon driving unit 20 expand in a mountain shape, the top portions 28 and 29 of the film bodies 24 and 25 become the sheet bodies 34 and 35, respectively. The case where the sheet bodies 34 and 35 are expanded in the Z direction by contacting the central portion in the X direction has been described. However, when the conversion unit 30 has a mechanical pantograph structure configured by combining a plurality of link arms, The position where the top portions 28 and 29 of the bodies 24 and 25 abut may be on the fixed end side with respect to the central portion in the X direction. In this case, it is possible to output a large displacement in the X direction with a small amount of expansion in the Z direction by the balloon driving unit 20.
１：内視鏡（長尺ツール） ３：挿入部（長尺体） ４：駆動機構部
５：可動部 ６：軟性部 １１：操作ワイヤ
１２：直線駆動装置 ２０：バルーン駆動部 ２１： ベース部
２２：一面 ２３：他面 ２４：第一膜体 ２５：第二膜体
２６：積層体 ２６ａ：先端部（ストッパ部） ２６ｂ：基端部
３０：変換部 ３４：第一シート体 ３４ａ：先端部 ３４ｂ：基端部
３５：第二シート体 ３５ａ：先端部 ３５ｂ：基端部 Ａ：エア（流体）
1: Endoscope (long tool) 3: Insertion section (long body) 4: Drive mechanism section 5: Movable section 6: Flexible section 11: Operation wire 12: Linear drive device 20: Balloon drive section 21: Base section 22: One side 23: Other side 24: First film body 25: Second film body 26: Laminate body 26a: Front end part (stopper part) 26b: Base end part 30: Conversion part 34: First sheet body 34a: Front end part 34b: Base end portion 35: Second sheet body 35a: Tip end portion 35b: Base end portion A: Air (fluid)
Claims (5)
前記バルーン駆動部は、前記直線方向に平行な面に沿って設けられるベース部、前記ベース部の一方側に設けられ当該ベース部との間に供給された流体の圧力によって表面積を広げつつ伸びて膨張する第一膜体、及び、前記ベース部の他方側に設けられ当該ベース部との間に供給された流体の圧力によって表面積を広げつつ伸びて膨張する第二膜体を有し、
前記ベース部、前記第一膜体及び前記第二膜体によって積層体が構成され、
前記変換部は、前記バルーン駆動部の膨張動作に追従して変形可能である非伸縮性の部材により前記第一膜体側と前記第二膜体側とから前記バルーン駆動部を包囲して構成されたパンタグラフ機構を備え、
前記非伸縮性の部材の前記直線方向一方側の先端部は、前記直線方向に変位自在及び自由に曲がり変形することができる自由端であり、かつ、前記直線方向他方側の基端部は、前記積層体に対して変位は拘束されているが自由に曲がり変形することができる固定端であり、
前記バルーン駆動部の膨張動作により前記基端部に対して前記先端部が前記直線方向に接近する短縮動作が得られ、この短縮動作を前記直線方向の動作として出力することを特徴とする直線駆動装置。 A balloon driving unit that inflates when supplied with a fluid, and a conversion unit that outputs the expansion operation of the balloon driving unit as a linear motion.
The balloon driving unit extends while expanding a surface area by a base portion provided along a plane parallel to the linear direction and a pressure of a fluid provided between the base portion and one side of the base portion. A first film body that expands, and a second film body that is provided on the other side of the base portion and expands and expands while expanding the surface area by the pressure of fluid supplied between the base portion,
A laminate is constituted by the base part, the first film body, and the second film body,
The conversion unit is configured to surround the balloon driving unit from the first film body side and the second film body side by a non-stretchable member that can be deformed following the inflation operation of the balloon driving unit . With a pantograph mechanism,
The distal end of the non-stretchable member on one side in the linear direction is a free end that can be freely displaced and deformed in the linear direction, and the base end on the other side in the linear direction is Displacement is restrained with respect to the laminate, but it is a fixed end that can freely bend and deform,
A linear drive characterized in that a shortening operation in which the distal end portion approaches the linear direction with respect to the base end portion is obtained by an inflating operation of the balloon driving unit, and the shortening operation is output as an operation in the linear direction. apparatus.
これら第一シート体及び第二シート体の前記直線方向の端部同士は結合されており、これら第一シート体及び第二シート体は、非伸縮性であるが柔軟性を有している請求項１に記載の直線駆動装置。 The converter has a first sheet covering the first film body and a second sheet covering the second film body as the non-stretchable member .
The ends of the first sheet body and the second sheet body in the linear direction are joined to each other, and the first sheet body and the second sheet body are non-stretchable but have flexibility. Item 2. The linear drive device according to item 1.
前記駆動機構部は、張力が付与されることにより当該可動部を動作させる操作ワイヤと、直線方向の動作を行って前記操作ワイヤを引っ張るアクチュエータと、を有し、
前記アクチュエータが、請求項１〜４のいずれか一項に記載の直線駆動装置であり、当該直線駆動装置が出力する前記直線方向の動作によって前記操作ワイヤを引っ張ることを特徴とする長尺ツール。 A long body having an operable movable portion on one end side and a flexible portion that is deformable from the movable portion to the other end side, and a drive mechanism that is incorporated in the long body and operates the movable portion And comprising
The drive mechanism unit includes an operation wire that operates the movable unit when tension is applied, and an actuator that performs an operation in a linear direction to pull the operation wire.
The said actuator is a linear drive device as described in any one of Claims 1-4, The said operation wire is pulled by the operation | movement of the said linear direction which the said linear drive device outputs, The elongate tool characterized by the above-mentioned.
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