(57)【要約】  可撓性部材に異なる硬度を提供し得る硬度可変アクチュエータ（１０）は、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）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前記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、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、したがって、可撓性部材に比較的高い硬度を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性部材に異なる硬度を提供し得る硬度可変アクチュエータであり、
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を備えており、前記形状記憶部材は、前記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、したがって、前記可撓性部材に比較的低い硬度を提供し、前記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、したがって、前記可撓性部材に比較的高い硬度を提供し、さらに、
前記形状記憶部材に前記第一の相と前記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を備えており、前記形状記憶部材は、少なくとも一つの自由端をもって前記可撓性部材に配される、硬度可変アクチュエータ。
【請求項２】
前記誘起部材は、熱を発する性能を有しており、前記形状記憶部材は、前記誘起部材の加熱に対して、前記第一の相から前記第二の相に相が移り変わる性質を有している、請求項１に記載の硬度可変アクチュエータ。
【請求項３】
前記形状記憶部材と前記誘起部材はいずれも、導電性材料から主に構成されており、前記硬度可変アクチュエータは、前記形状記憶部材と前記誘起部材の間の短絡を防止する絶縁部材をさらに備えている、請求項１または２に記載の硬度可変アクチュエータ。
【請求項４】
前記形状記憶部材は、ワイヤ状であり、前記誘起部材は、前記形状記憶部材の近くに配されている、請求項１ないし３のいずれかひとつに記載の硬度可変アクチュエータ。
【請求項５】
前記誘起部材は、コイル状であり、前記形状記憶部材は、前記誘起部材の内側を通って延びている、請求項４に記載の硬度可変アクチュエータ。
【請求項６】
前記形状記憶部材は、パイプ状である、請求項１ないし３のいずれかひとつに記載の硬度可変アクチュエータ。
【請求項７】
前記誘起部材は、前記形状記憶部材の内側を通って延びている、請求項６に記載の硬度可変アクチュエータ。
【請求項８】
前記形状記憶部材は、ＮｉＴｉを含む合金から主に構成されている、請求項１ないし７のいずれかひとつに記載の硬度可変アクチュエータ。
【請求項９】
前記誘起部材は、それを通って流れる電流の供給に対して熱を発する性質を有している、請求項１ないし８のいずれかひとつに記載の硬度可変アクチュエータ。
【請求項１０】
前記記憶形状は直線状である、請求項１ないし９のいずれかひとつに記載の硬度可変アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の目的は、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。
【０００９】
この目的のため、硬度可変アクチュエータは、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と、形状記憶部材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を備えている。形状記憶部材は、少なくとも一つの自由端をもって前記可撓性部材に配される。形状記憶部材は、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、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、したがって、可撓性部材に比較的高い硬度を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、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】図２は、別の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】図３は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、駆動回路のスイッチの切り換えに従って形状記憶部材の硬度状態が変更される様子を示している。
【図４】図４は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、形状記憶部材の自由端近くに外力が、形状記憶部材の中心軸に垂直な方向に作用している状況において、駆動回路のスイッチの切り換えに従って形状記憶部材の硬度状態が変更される様子を示している。
【図５】図５は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、形状記憶部材の自由端に外力が、形状記憶部材の中心軸に平行な方向に作用している状況において、駆動回路のスイッチの切り換えに従って形状記憶部材の硬度状態が変更される様子を示している。
【図６】図６は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、駆動回路のスイッチがオフ状態にあり、形状記憶部材が軟質状態にある状況において、外力の有無が切り換えられる様子を示している。
【図７】図７は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、曲げられた形状記憶部材の硬度状態が、駆動回路のスイッチの切り換えに従って軟質状態から硬質状態に変更される様子を示している。
【図８】図８は、硬度可変アクチュエータの動作を説明するための図であり、駆動回路のスイッチがオン状態にあり、形状記憶部材が硬質状態にある状況において、外力の有無が切り換えられる様子を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
〔構成例〕
図１は、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る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を備えている。さらに、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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
形状記憶部材２０は、たとえば形状記憶合金から主に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、他の材料から主に構成されていてもよい。
【００１６】
ここにおいて、ある部材が、ある材料から主に構成されているとは、その部材全体が、その材料で作られていること、またこれに加えて、その部材が、その材料で作られた部材に加えて、他の材料で作られた部材を有していることを意味している。
【００１７】
形状記憶部材２０を主に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。
【００１８】
誘起部材３０は、たとえばヒーターで構成されていてよい。つまり、誘起部材３０は、それを通って流れる電流の供給に対して熱を発する性質を有していてよい。また、誘起部材３０は、熱を発する性能を有していればよく、ヒーターに限らず、撮像素子、ライトガイド、そのほかの素子や部材等で構成されていてもよい。さらには、誘起部材３０は、化学反応的に熱を発する構造体で構成されていてもよい。
【００１９】
形状記憶部材２０は、導電性材料から主に構成されていてよい。たとえば、形状記憶部材２０は、導電性材料たとえば形状記憶合金で作られた本体２２と、本体２２の周囲に設けられた絶縁膜２４を有している。絶縁膜２４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２４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、本体２２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、本体２２の外周面の全体を覆って設けられていてもよく、また、本体２２全体を覆って設けられていてもよい。
【００２０】
誘起部材３０は、導電性材料から主に構成されていてよい。たとえば、誘起部材３０は、導電性材料の本体３２と、本体３２の周囲に設けられた絶縁膜３４を有している。絶縁膜３４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の本体３２の隣接する部分間の短絡を防止する働きをする。
【００２１】
硬度可変アクチュエータ１０は、形状記憶部材２０と誘起部材３０の間の短絡を防止する絶縁部材を備えている。形状記憶部材２０の絶縁膜２４と誘起部材３０の絶縁膜３４が、この絶縁部材に当たる。誘起部材３０の絶縁膜３４が確実な短絡防止機能を提供するならば、形状記憶部材２０の絶縁膜２４は省略されてもよい。
【００２２】
誘起部材３０の本体３２は、電熱線、つまり電気抵抗の大きい導電性部材であってよい。本体３２すなわち電熱線の両端は、電源４２とスイッチ４４を含む駆動回路４０に接続される。駆動回路４０は、スイッチ４４のオンすなわち閉じ動作に応じて、誘起部材３０を通って流れる電流を誘起部材３０に供給し、また、スイッチ４４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。
【００２３】
形状記憶部材２０は、ワイヤ状であってよい。誘起部材３０は、形状記憶部材２０の近くに配されている。誘起部材３０は、コイル状であってよく、形状記憶部材２０は、コイル状の誘起部材３０の内側を通って延びていてよい。このような配置のおかげで、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。
【００２４】
〔別の構成例〕
図２は、別の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に示されるように、硬度可変アクチュエータ１０Ａは、硬度可変アクチュエータ１０と同様、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２０Ａと、形状記憶部材２０Ａ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３０Ａを備えている。
【００２５】
形状記憶部材２０Ａの諸特性は、形状記憶部材２０と同様である。また、誘起部材３０Ａの諸特性は、誘起部材３０と同様である。
【００２６】
形状記憶部材２０Ａは、パイプ状である。また、誘起部材３０Ａは、容易に変形可能なワイヤ状であり、形状記憶部材２０Ａの内側を通って延びている。このような配置のおかげで、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。また、形状記憶部材２０Ａの弾性係数は径方向寸法に依存するため、パイプ状の形状記憶部材２０Ａは、中実構造のものと比較して、同じ体積の条件下において、高い弾性係数を示し、したがって、高い硬度を提供する。
【００２７】
〔硬度可変アクチュエータ単体の動作説明〕
以下、図３〜図８を参照して、前述の硬度可変アクチュエータの動作について説明する。便宜上、形状記憶部材２０の一端が固定されているものとして説明する。また、形状記憶部材２０の記憶形状は直線形状であるとする。図３〜図８において、軟質状態である形状記憶部材２０が左上がりのハッチングで示され、硬質状態である形状記憶部材２０が右上がりのハッチングで示されている。図３〜図８には、代表的に図１の硬度可変アクチュエータ１０が描かれているが、図２の硬度可変アクチュエータ１０Ａの動作もこれと同様である。
【００２８】
図３は、駆動回路４０のスイッチ４４の切り換えに従って形状記憶部材２０の硬度状態が変更される様子を示している。
【００２９】
図３の左側では、駆動回路４０のスイッチ４４がオフ状態にあり、すなわち開いており、形状記憶部材２０は、弾性係数が低い軟質状態である第一の相にある。
【００３０】
図３の右側に示されるように、駆動回路４０のスイッチ４４がオン状態に切り換えられる、すなわち閉じられると、誘起部材３０に電流が流れ、誘起部材３０が熱を発する。その結果、形状記憶部材２０は、弾性係数が高い硬質状態である第二の相に移り変わる。
【００３１】
図４は、形状記憶部材２０の自由端近くに外力Ｆ１が、形状記憶部材２０の中心軸に垂直な方向に作用している状況において、駆動回路４０のスイッチ４４の切り換えに従って形状記憶部材２０の硬度状態が変更される様子を示している。この外力Ｆ１は、形状記憶部材２０が記憶形状に戻ろうとする復元力よりも小さいものである。
【００３２】
図４の左側では、駆動回路４０のスイッチ４４がオフ状態にあり、形状記憶部材２０は、軟質状態である第一の相にある。第一の相では、形状記憶部材２０は、外力Ｆ１に従って容易に変形する状態にある。形状記憶部材２０は、外力Ｆ１によって曲げられている。
【００３３】
図４の右側に示されるように、駆動回路４０のスイッチ４４がオン状態に切り換えられると、誘起部材３０が熱を発し、形状記憶部材２０は、硬質状態である第二の相に移り変わる。この第二の相では、形状記憶部材２０は記憶形状を取る傾向を示す。すなわち、形状記憶部材２０が、記憶形状と異なる形状にあれば、形状記憶部材２０は、記憶形状に戻ろうとする。外力Ｆ１は、形状記憶部材２０の復元力よりも小さいため、形状記憶部材２０は、外力Ｆ１に逆らって記憶形状すなわち直線形状に戻る。
【００３４】
図５は、形状記憶部材２０の自由端に外力Ｆ２が、形状記憶部材２０の中心軸に平行な方向に作用している状況において、駆動回路４０のスイッチ４４の切り換えに従って形状記憶部材２０の硬度状態が変更される様子を示している。この外力Ｆ２は、形状記憶部材２０が記憶形状に戻ろうとする復元力よりも小さいものである。
【００３５】
図５の左側では、駆動回路４０のスイッチ４４がオフ状態にあり、形状記憶部材２０は、軟質状態である第一の相にある。第一の相では、形状記憶部材２０は、外力Ｆ２に従って容易に変形する状態にある。形状記憶部材２０は、外力Ｆ２によって圧縮されている。すなわち、形状記憶部材２０は、曲がりを伴って、その長さすなわち中心軸に沿った寸法が低減されている。
【００３６】
図５の右側に示されるように、駆動回路４０のスイッチ４４がオン状態に切り換えられると、誘起部材３０が熱を発し、形状記憶部材２０は、硬質状態である第二の相に移り変わる。この第二の相では、形状記憶部材２０は記憶形状を取る傾向を示す。外力Ｆ２は、形状記憶部材２０の復元力よりも小さいため、形状記憶部材２０は、外力Ｆ２に逆らって記憶形状すなわち直線状の元の長さに戻る。
【００３７】
図６は、駆動回路４０のスイッチ４４がオフ状態にあり、形状記憶部材２０が軟質状態である第一の相にある状況において、外力の有無が切り換えられる様子を示している。第一の相では、形状記憶部材２０は、外力に従って容易に変形する状態にある。
【００３８】
図６の左側では、形状記憶部材２０の自由端近くに外力Ｆ１が、形状記憶部材２０の中心軸に垂直な方向に作用している。形状記憶部材２０は、外力Ｆ１によって曲げられている。
【００３９】
図６の右側では、それまで形状記憶部材２０に作用していた外力Ｆ１が取り除かれている。形状記憶部材２０は、外力Ｆ１が取り除かれたのちも、曲げられたままにある。
【００４０】
図７は、曲げられた形状記憶部材２０の硬度状態が、駆動回路４０のスイッチ４４の切り換えに従って軟質状態から硬質状態に変更される様子を示している。
【００４１】
図７の左側は、図６の右側と同じ状態、すなわち、形状記憶部材２０は、外力Ｆ１によって曲げられたのちに外力Ｆ１が取り除かれ、曲げられたままにある様子を示している。
【００４２】
図７の右側に示されるように、駆動回路４０のスイッチ４４がオン状態に切り換えられると、誘起部材３０が熱を発し、形状記憶部材２０は、硬質状態である第二の相に移り変わる。この第二の相では、形状記憶部材２０は記憶形状を取る傾向を示すため、形状記憶部材２０は記憶形状すなわち直線形状に戻る。
【００４３】
図８は、駆動回路４０のスイッチ４４がオン状態にあり、形状記憶部材２０が、硬質状態である第二の相にある状況において、外力の有無が切り換えられる様子を示している。この第二の相では、形状記憶部材２０は記憶形状を取る傾向を示す。
【００４４】
図８の左側では、形状記憶部材２０の自由端近くに外力Ｆ３が、形状記憶部材２０の中心軸に垂直な方向に作用している様子を示している。この外力Ｆ３は、形状記憶部材２０が記憶形状に戻ろうとする復元力よりも大きいものである。このため、形状記憶部材２０は外力Ｆ３に抗して記憶形状に戻ろうとするものの、外力Ｆ３は形状記憶部材２０の復元力を超えて大きいため、形状記憶部材２０は外力Ｆ３によって曲げられている。
【００４５】
図８の右側では、それまで形状記憶部材２０に作用していた外力Ｆ３が取り除かれている。形状記憶部材２０の復元力よりも大きい外力Ｆ３が取り除かれたため、形状記憶部材２０は記憶形状すなわち直線形状に戻っている。
【００４６】
〔硬度可変アクチュエータの装着の仕方と動作の説明〕
上述された硬度可変アクチュエータ１０，１０Ａは、形状記憶部材２０，２０Ａ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１０，１０Ａは、形状記憶部材２０，２０Ａ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。
【００４７】
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１０，１０Ａ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１０，１０Ａ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。
【００４８】
たとえば、可撓性部材は、硬度可変アクチュエータ１０，１０Ａ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１０，１０Ａ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１０，１０Ａよりもわずかに大きい空間を有してさえいればよい。
【００４９】
形状記憶部材２０，２０Ａが第一の相にあるとき、硬度可変アクチュエータ１０，１０Ａ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２０，２０Ａを変形させ得る力に従って容易に変形する。
【００５０】
また、形状記憶部材２０，２０Ａが第二の相にあるとき、硬度可変アクチュエータ１０，１０Ａ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２０，２０Ａを変形させ得る力に抗して記憶形状に戻る傾向を示す。
【００５１】
たとえば駆動回路４０によって形状記憶部材２０，２０Ａ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。
【００５２】
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１０，１０Ａ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２０，２０Ａ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。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2016121060.tif 000011
2016121060.tif 000012
2016121060.tif 000013
2016121060.tif 000014