(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓管に設けられた複数の湾曲操作用アクチュエータを有する多自由度可撓管装置において、
前記可撓管内に設けられた前記湾曲操作用アクチュエータの複数に対して個別の駆動電気量の設定を行う電気量情報を１つの信号線により伝送する制御信号伝送手段と、
前記制御信号伝送手段により伝送される前記電気量情報を各湾曲操作用アクチュエータに対応させるための基準信号を伝送する基準信号伝送手段と、
前記基準信号伝送手段により伝送される基準信号を基に、前記湾曲操作用アクチュエータの複数のそれぞれに対応する電気量情報を前記電気量情報より選択し選択した電気量情報に応じた駆動電気量で該湾曲操作用アクチュエータの複数を個別に駆動する複数の駆動手段と、
を具備したことを特徴とする多自由度可撓管装置。
【請求項２】
前記複数の駆動手段は、
前記基準信号よりそれぞれ順次遅延した遅延信号を生成する遅延信号生成手段を有し、
該順次遅延した遅延信号により前記湾曲操作用アクチュエータの複数のそれぞれに対応する電気量情報を前記電気量情報より選択し選択した電気量情報に応じた駆動電気量で該湾曲操作用アクチュエータの複数を個別に駆動する
ことを特徴とする請求項１記載の多自由度可撓管装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複雑な管路内に挿入してその管路内の修理や手術等の処置を行う多自由度可撓管装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から長尺な挿入部を管路内に挿入して、その管路内の観察または修理や患部の手術等の処置を行ったりする内視鏡や処置具が知られている。しかし、これを複雑な管路内に挿入して使用する場合には長尺な挿入部の挿入が一段と困難になる。そこで、複雑な管路内に挿入する場合に適するように、その長尺な挿入部を複数に分け、各部分を形状記憶合金（ＳＭＡ）で湾曲駆動するようにした多自由度マニピュレ―タが提案されている（特開昭63−136014号公報を参照）。この中には、多関節のマニピュレ―タの各々のアクチュエ―タを独立に制御し、さらに、フィ―ドバック制御する方式が示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような構造の多関節マニピュレ―タを大幅に小型化・多機能化する上で、多くの問題点があった。まず、関節の数が多くなると、それらを独立に制御するためには、多関節マニピュレ―タの根元部分で、多くの配線が必要となる。また、各関節の変位を正確に制御するために各関節にセンサ―を組み込んでフィ―ドバック制御を行うとすれば、それらに必要な配線数は更に増大する。
【０００４】
そこで、図５で示されるような方式の内視鏡が提案されている。この内視鏡の挿入部における湾曲部２０は、２方向にのみ湾曲するタイプのものであり、図５（ａ）で示すように５つの関節駒２１を直列に連結したものである。隣接する関節駒２１同士はピン２２によって枢着されている。この枢着した連結部には交互に上下に位置してＶ字形の切欠き部２３が設けられ、このため、各関節駒２１は図５に示すような６角形の断面形状を有する。
【０００５】
そして、各Ｖ字形の切欠き部２３にはＶ字形で板状の形状記憶合金（ＳＭＡ）からなる駆動部材２４が嵌め込まれ、それは関節駒２１に固定されている。この形状記憶合金からなる駆動部材２４は折り畳まれた形状を記憶しており、加熱されると、この折り畳まれた記憶形状になる。この各駆動部材２４は後述する駆動回路によって選択的に通電されるヒーターによって加熱される。
【０００６】
各関節駒２１には５つの駆動回路Ｄ1 ，Ｄ2 ，Ｄ3 ，Ｄ4 ，Ｄ5 が設けられている。各駆動回路Ｄ1 ，Ｄ2 ，Ｄ3 …は図５（ｂ）に示すように構成されている。内視鏡の挿入部には手元側から電源ライン２５，制御信号ライン２６，クロックライン２７及びＧＮＤライン２８が延設される。また、各駆動回路Ｄ1 ，…はＤフリップフロップ（ＤＦＦ）２９を有し、このデータ入力端子Ｄには制御信号が入力され、クロック入力端子ＣＫにはクロック信号が入力される。Ｄフリップフロップ２９の出力端子Ｑの出力がスイッチ用トランジスタ（ＦＥＴ）３０に入力され、その出力が高レベルとなったとき、スイッチ用トランジスタ３０がオンし、電源ライン２５とＧＮＤライン２８との間に接続されている前記駆動部材加熱用のヒ―タ３１に通電するようになっている。
【０００７】
次に、図５（ｃ）のタイムチャ―トを用いて、この内視鏡の湾曲部２０の湾曲動作を説明する。ここでは一定の単位時間（１００msec）の周期毎にその関節の数に等しいクロック信号を送信する。この時、クロック信号が送信される時間は１msecで、この時間内で湾曲動作させる関節を選択する。残りの９９msecは駆動部材２４（アクチュエ―タ）の動きを保持する時間に費やされる。
【０００８】
今、例えば手元側から数えて第２，第３番目の関節部分の駆動部材２４を作用させてその関節部分を屈曲させたい場合、図５（ｃ）で示すような５つのクロック信号に同期して対応した時間にパルスの信号を送信する。すると、１番手元側のＤフリップフロップ２９は５つのクロック信号が入力された後、その出力Ｑ5 はＬレベルとなり、これに対応したスイッチ用トランジスタ（ＦＥＴ）３０はオフのままで１番手元側のヒ―タ３１は加熱されない。よって、第１番目の関節部分の駆動部材２４は動作しないので、その関節部分は屈曲しない。
【０００９】
次の駆動回路Ｄ2 のＤフリップフロップ２９はＱ5 の出力が入力され、同様に信号がシフトしていき、選択時間後にはＬレベルとなり、第２番目の関節部分の駆動部材２４は動作しないので、その関節部分は屈曲しない。３番目，４番目の駆動回路Ｄ3 ，Ｄ4 におけるＤフリップフロップ２９は、選択時間後、Ｈレベルとなり、スイッチ用トランジスタ３０がオンとなり、これに対応した各ヒ―タ―３１により駆動部材２４を加熱し、その３番目の関節部分を下側に屈曲し、４番目の関節部分を上側に屈曲させる。このように制御信号のパルスを適宜選択することにより、任意の関節を屈曲動作させることができる。したがって、湾曲部２０を全体的に見て任意の状態で上下に湾曲することができる。
【００１０】
なお、選択時間内において、一瞬、スイッチ用トランジスタ（ＦＥＴ）３０がオンしてヒ―タ３１が通電されるが、熱の応答性が低いため、これは実際上問題とはならない。
【００１１】
この方式によれば、全てディジタルで制御できることから、回路の構成が簡単になる。特に、チップ化して超小型化することには有利である。また、動きを滑らかにさせたい場合には、単位時間をもっと短かくすれば、ある程度のスム―ズな動作ができる。しかし、この方式の例ではパルス信号で、オン／オフ制御しかできず、滑らかな動きを実現することが困難であった。
【００１２】
また、ＵＳＰ第3,712,481 号明細書ではアナログ信号を複数のモジュ―ルに送信するようにしているものが提案されているが、この方式ではアナログ信号を送信する制御信号線はモジュ―ルの数だけ必要であり、細径化が難かしい。この点で、細径化が極力求められる内視鏡の分野では問題である。
【００１３】
本発明はこのような問題を解決するため、複数の各関節に設けられた複数のアクチュエ―タを少ない配線で独立に制御し、滑らかな動きを可能とする小型で多自由度の可撓管装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段および作用】  本願の第1の発明は、可撓管に設けられた複数の湾曲操作用アクチュエータを有する多自由度可撓管装置において、前記可撓管内に設けられた前記湾曲操作用アクチュエータの複数に対して個別の駆動電気量の設定を行う電気量情報を１つの信号線により伝送する制御信号伝送手段と、 前記制御信号伝送手段により伝送される前記電気量情報を各湾曲操作用アクチュエータに対応させるための基準信号を伝送する基準信号伝送手段と、前記基準信号伝送手段により伝送される基準信号を基に、前記湾曲操作用アクチュエータの複数のそれぞれに対応する電気量情報を前記電気量情報より選択し選択した電気量情報に応じた駆動電気量で該湾曲操作用アクチュエータの複数を個別に駆動する複数の駆動手段と、を具備したことを特徴とする多自由度可撓管装置である。
また本願の第２の発明は、前記第１の発明において、前記複数の駆動手段は、  前記基準信号よりそれぞれ順次遅延した遅延信号を生成する遅延信号生成手段を有し、該順次遅延した遅延信号により前記湾曲操作用アクチュエータの複数のそれぞれに対応する電気量情報を前記電気量情報より選択し選択した電気量情報に応じた駆動電気量で該湾曲操作用アクチュエータの複数を個別に駆動することを特徴とするものである。
本発明によれば、多自由度を有する可撓管装置でも少ない信号線で独立に複数のアクチュエータの駆動手段を選択した駆動電気量で駆動することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
図１および図２に第１の実施例を示す。図１（ａ）は、内視鏡の挿入部の先端部付近に構成される湾曲部１を示しており、この湾曲部１は、ｎ個の関節駒２を連結してなる。隣接する２つの関節駒２の間には軸方向に伸縮する方向性の形状記憶合金（ＳＭＡ）製ワイヤ３からなる湾曲操作用アクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn がそれぞれ架設されている。各ワイヤ３が架設される位置は各関節部毎交互に上下に互い違いである。ワイヤ３の各端は対応する関節駒２に取着されている。さらに、各関節駒２の内部にはそれぞれのアクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn を操作する駆動回路４がそれぞれ設けられている。
【００１６】
図１（ｂ）はそのアクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn と駆動回路Ｄ1 ，Ｄ2 ，Ｄ3 …Ｄn の結線図を示す。先端側から数えて第１番目の関節駒２と第２番目の関節駒２との間に設けられたアクチュエ―タＡ1 は、その一端を手元側から延びている共通のＧＮＤライン５に接続され、他端は駆動回路Ｄ1 に接続されている。駆動回路Ｄ1 はアクチュエ―タＡ1 にエネルギ―を供給する電源ライン６と、一定の周期で送られてくるクロック信号ライン７及びアクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn の動作を制御する制御信号ライン８に接続されている。アクチュエ―タＡ2 〜Ａn も同様に接続されている。つまり、ＧＮＤライン５、電源ライン６、クロック信号ライン７及び制御信号ライン８は共通に用いられる。
【００１７】
図１（ｃ）は駆動回路Ｄ1 …Ｄn の具体的な構成を示している。特に、駆動回路Ｄ1 はサンプルホ―ルド回路１０1 のみで構成されているが、他の駆動回路Ｄ2 …Ｄn はサンプルホ―ルド回路１０2 〜１０n と遅延回路１１2 〜１１n とで構成されている。このため、アクチュエ―タＡ2 〜Ａn にはクロック信号がＬの間は制御信号の値がそのまま現れ、クロック信号がＨのときはその直前の値をホールドした値が現れる。
【００１８】
クロック信号ライン７を通じて送信されるクロック信号は、図２で示されるように一定の周期Ｔでパルス幅ｔのパルスを繰り返す。この場合、周期Ｔはアクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 …Ａn の数ｎとパルス幅ｔの積『ｎｔ』よりも大きく設定してある。これは１本の制御信号ラインに複数のアクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 …Ａn の制御情報を時分割でデ―タを送るためである。同じく図２で示すように制御信号は一定時間ｔ毎に電圧が変化するアナログ信号であり、それぞれの電圧値Ｖ11，Ｖ21，Ｖ31…Ｖn1で前述した各アクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 …Ａn の動作を制御する。
【００１９】
内視鏡の手元側から１本の制御信号ライン８に乗った時分割された信号は、湾曲部１に設けられた駆動回路Ｄ1 ，Ｄ2 …Ｄn に送られる。駆動回路Ｄ1 ではクロック信号のパルスがＨの時に制御信号がサンプルホ―ルドされ、次のクロック信号のパルスでサンプルホ―ルドされるまで、この時の制御信号の電圧値Ｖ11が保持される。そして、クロック信号の一定周期Ｔの間、アクチュエ―タＡ1 には電圧値Ｖ11が印加され、この電圧値Ｖ11に応じてそのアクチュエ―タＡ1 が収縮し、第１番目の関節が屈曲する。
【００２０】
アクチュエ―タＡ2 に接続されている駆動回路Ｄ2 は遅延量ｔの遅延回路１１2 とサンプルホ―ルド回路１０2 からなり、入力されたクロック信号はその遅延回路１１2 により時間ｔだけ遅延され、サンプルホ―ルド回路１０2 に入力される。すると、時分割された制御信号の電圧値Ｖ21を保持する。そして、一定時間Ｔの間保持して次のクロック信号で新しい電圧値Ｖ22を保持する。この電圧値に対応して第２番目の関節が屈曲動作する。このように、アクチュエ―タＡn も同様に（ｎ−１）ｔ時間遅延されたクロック信号によりサンプルホ―ルドされ、保持される電圧Ｖn1がアクチュエ―タＡn に印加される。そして、アクチュエ―タＡn が湾曲動作する。この場合の制御信号は一定の電圧としたが、必ずしも一定でなく変化していてもよい。例えば、応答性を高めるため、その最初に大きめの電圧入れた後小さくしてもよい。そうすればクロック信号が入力された時間は、このアナログ信号の変化に応じてアクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn が動作する。
【００２１】
しかして、前記構成によれば、電源ライン６、クロック信号ライン７、制御信号ライン８及びＧＮＤライン５の計４本のラインのみで、複数のアクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn を独立に動作させることが可能である。よって、内視鏡の挿入部の細径化が可能となる。
【００２２】
図３は第２の実施例を示す。この実施例では、図３（ａ）に示すように内視鏡の湾曲部１５は上下左右の４方向に湾曲可能なように各関節駒１２を連結している。すなわち、各関節駒１２の間にはその枢着部分を屈曲する状態でそれぞれアクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn を構成する軸方向に伸縮する方向性の形状記憶合金製ワイヤ３を設けている。これらの他の点は前述した第１の実施例と同様であり、それらの具体的な構成の説明を省略する。
【００２３】
特に、アクチュエ―タ（ＳＭＡ）Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …と駆動回路Ｄ1 ，Ｄ2 …及び駆動回路Ｄ1 ，Ｄ2 …の構成は、図３（ｂ）で示すようになっている。すなわち、駆動回路Ｄ1 はサンプルホ―ルド回路１０1 のみで構成されているが、他の駆動回路Ｄ2 …Ｄn はサンプルホ―ルド回路１０2 〜１０n と遅延回路１１2 〜１１n とを有している。そして、サンプルホ―ルド回路１０1 ，１０2 〜１０n は内視鏡の手元側から送信される制御信号をサンプルホ―ルドする。
【００２４】
このサンプリングのタイミングを決定するのがクロック信号で、このクロック信号が直接にサンプルホ―ルド回路１０1 に入力し、また、遅延回路１１2 〜１１n を通して他のサンプルホ―ルド回路１０2 〜１０n に入力される。サンプルホ―ルド回路１０1 ，１０2 〜１０n でサンプルホ―ルドされたアナログ信号は、ＰＷＭ発生回路１６1 ，１６2 〜１６n に入力され、これはアナログ信号の電圧値に対応したパルス幅の信号を出力する。ここで、各遅延回路１１2 〜１１n の遅延量ｔは一定に設定されている。
【００２５】
また、各アクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn は、それぞれスイッチング素ＳＷ1 …ＳＷn1をそれぞれ介してＧＮＤライン５と電源ライン６との間に接続されている。つまり、各アクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn にはそれぞれのスイッチング素ＳＷ1 …ＳＷn1を介して通電される。前記各スイッチング素ＳＷ1 …は例えばパワ―ＦＥＴあるいはトランジスタによりなり、後述するようにアクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn に供給する電力を制御する。
【００２６】
次に、この実施例の作用を説明する。前述した第１の実施例と同様に各駆動回路Ｄ1 ，Ｄ2 …では、基準となるクロック信号が遅延されて、一本の制御信号ライン８上で送信される時分割された信号をサンプルホ―ルドして、アクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 …Ａn を駆動する。つまり、一定時間（Ｔ）間隔で、クロック信号が入力され、それに応じて制御信号（アナログ信号）の値がサンプリングされ、Ｔの間、その値が保持される（ａ1 〜ａ3 ）。そして、この信号がＰＷＭ発生回路１６1 ，１６2 〜１６n に入力され、アナログ信号（ａ1 〜ａ3 ）に対応してＰＷＭ発生回路１６1 ，１６2 〜１６n の出力のパルス幅が設定されてスイッチング素ＳＷ1 …を操作し、アクチュエ―タＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 …Ａn に供給する通電量が連続的に制御できる。
【００２７】
この実施例ではサンプルホ―ルドされたアナログ信号を一旦、ＰＷＭ回路１６1 ，１６2 〜１６n によりディジタルに変換して、パルス駆動とする点に特徴がある。しかして、この構成によれば、遅延回路１１2 〜１１n による遅延量が『ｔ』で一定であり、小型化が可能であり、内視鏡の細径化ができる。また、アクチュエ―タ（ＳＭＡ）をパルス駆動することによりアナログ駆動に比べ応答性が向上する。
【００２８】
なお、前述した各実施例おいてはアクチュエ―タとして形状記憶合金（ＳＭＡ）を用いたが、ケモメカニカルアクチュエ―タ，水素吸蔵合金アクチュエ―タ，圧電アクチュエ―タ等、小型のアクチュエ―タであれば、特にそれに限定されることはない。また、内視鏡について示したが、カテ―テルやガイドワイヤ及びマニュピレ―タ等の可撓管であってもよい。さらに、本発明の実施例では１本の制御信号線と１本の同期信号線のみを利用しているが、湾曲操作用アクチュエ―タの数がかなり多くなる場合等には複数設けても本発明による実質的な作用効果が得られる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、多自由度を有する可撓管装置でも、例えば４本の信号線のみで独立に複数のアクチュエ―タを制御でき、可撓管の細径化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の実施例に係る内視鏡の挿入部の先端部付近を概略的に示す説明図、（ｂ）はそのアクチュエ―タと駆動回路の説明図、（ｃ）は駆動回路の具体的な構成を示す回路図。
【図２】第１の実施例の回路の動作を示す波形図。
【図３】（ａ）は第２の実施例に係る内視鏡の挿入部の先端部付近を概略的に示す説明図、（ｂ）はそのアクチュエ―タと駆動回路の説明図。
【図４】第２の実施例の回路の動作を示す波形図。
【図５】（ａ）は従前に提案された内視鏡の挿入部の先端部付近を概略的に示す説明図、（ｂ）はそのアクチュエ―タと駆動回路の説明図、（ｃ）はその実施例の回路の動作を示す波形図。
【符号の説明】
１…湾曲部、２…関節駒、Ａ1 〜Ａn …湾曲操作用アクチュエ―タ、Ｄ1 〜Ｄn …駆動回路、４…駆動回路、５…ＧＮＤライン、６…電源ライン、７…クロック信号ライン（同期信号線）、８…制御信号ライン（制御信号線）、１１2 〜１１n …遅延回路、１０1 〜１０n …サンプルホ―ルド回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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