JP6936395B2 - 剛性可変装置および内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、形状記憶合金を利用した剛性可変装置および内視鏡に関する。

例えば国際公開ＷＯ２０１６／１７４７４１号に開示されているように、形状記憶合金を利用した剛性可変装置として、細長い形状記憶部材と、当該形状記憶部材とは別体の加熱コイルを設け、加熱コイルで形状記憶部材を加熱することで剛性を高める方式が提案されている。

国際公開ＷＯ２０１６／１７４７４１号に開示されている剛性可変装置では、細長い形状記憶部材を加熱した状態における剛性を高くするためには、形状記憶部材を太くする必要がある。形状記憶部材を太くした場合、剛性が高まる温度にまで加熱された形状記憶部材を、剛性が低下する温度にまで冷却する時間が長くなってしまう。すなわち、国際公開ＷＯ２０１６／１７４７４１号に開示されている剛性可変装置では、剛性を高めた状態において高い剛性を得ることと、剛性を高めた状態から剛性を下げた状態への切り替わりを短時間で達成することと、の両立が困難である。

本発明は、上述した課題を解決するものであって、剛性を高めたときに高い剛性を得られることと、短時間で剛性を下げられることとを両立可能な剛性可変装置および内視鏡を提供することを目的とする。

本発明の一態様による剛性可変装置は、細長の本体部と、前記本体部において、前記本体部の長軸に沿う方向に離間して配列された金属製の複数の高剛性部と、前記本体部において、隣り合う前記高剛性部の間に架け渡され、前記長軸に平行な軸周りに線材が巻回され、加熱されることで剛性が高まる形状記憶合金コイルを含む低剛性部と、を含む。

また、本発明の一態様による内視鏡は、被検体内に導入される挿入部と、前記剛性可変装置と、を含む。

剛性可変装置の構成を示す図である。 内視鏡の構成を示す図である。

以下に、本発明の好ましい形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、構成要素毎に縮尺を異ならせてあるものであり、本発明は、これらの図に記載された構成要素の数量、構成要素の形状、構成要素の大きさの比率、および各構成要素の相対的な位置関係のみに限定されるものではない。

以下に、本発明の実施形態の一例を説明する。図１に示す剛性可変装置１は、本体部２および通電部３を含む。本体部２は、長軸Ｌに沿って細長な形状である。剛性可変装置１は、本体部２の長軸Ｌを曲げる方向の力の入力に対する剛性を変化させることができる。ここで、剛性とは、細長である本体部２の曲げ変形のしにくさを示す。剛性は、本体部２の長軸Ｌに沿う方向に所定の長さの区間を、所定の曲率だけ曲げるのに必要となる力で表される。したがって、剛性が高いほど、本体部２の曲げ方向の変形が起こりにくい。

本体部２は、複数の高剛性部１０と、複数の低剛性部１１と、を含む。複数の高剛性部１０は、長軸Ｌに沿って１列に配列されている。隣り合う一対の高剛性部１０において、互いに対向する部位を端部１０ａと称する。

隣り合う一対の高剛性部１０の向かい合う端部１０ａの間には、隙間が設けられている。そして、隣り合う一対の高剛性部１０の間に設けられた隙間には、低剛性部１１が配置されている。

すなわち、低剛性部１１の長軸Ｌに沿う方向の両側には、一対の高剛性部１０の端部１０ａが配置されている。低剛性部１１は、この隣り合う一対の高剛性部１０の端部１０ａの双方に固定されている。したがって、本体部２は、高剛性部１０と低剛性部１１とが、長軸Ｌに沿う方向に交互に連結されて構成されている。

なお、本体部２に含まれる高剛性部１０および低剛性部１１の数は特に限定されない。本実施形態では一例として、５つの高剛性部１０と４つの低剛性部１１を図１に示しているが、高剛性部１０および低剛性部１１は、図１に示す本実施形態よりも多くてもよいし少なくてもよい。

なお、高剛性部１０および低剛性部１１の名称における「高剛性」および「低剛性」との語は、詳しくは後述するが、両者の剛性の相対的な差を表すために用いられている。したがって、これらの語によって高剛性部１０および低剛性部１１の剛性の絶対的な値が限定されることはない。

高剛性部１０は、金属製であり導電性を有する。高剛性部１０の形状は特に限定されないが、高剛性部１０は柱状である。本実施形態では一例として、高剛性部１０は、円柱状であり、長軸Ｌに沿う方向から見た場合に円形となる姿勢で配置されている。なお、高剛性部１０は、金属以外の材料を含んでいてもよい。例えば、高剛性部１０は、金属製の粒子を含む導電性接着剤を硬化させることにより形成されてもよい。

低剛性部１１は、形状記憶合金コイル（以下ではＳＭＡコイルと称する）１２を含む。ＳＭＡコイル１２は、形状記憶合金製の１つまたは複数の線材を長軸Ｌに平行な軸周りに螺旋状に巻回したものである。すなわち、ＳＭＡコイル１２は、単一の螺旋形状に限られず、２重螺旋形状や３重螺旋形状等であってもよい。

ＳＭＡコイル１２は、隣り合う一対の高剛性部１０の端部１０ａの間に架け渡されている。またＳＭＡコイル１２は、一対の高剛性部１０の双方に固定されている。ＳＭＡコイル１２と高剛性部１０とを固定する方法は特に限定されない。本実施形態では一例として、ＳＭＡコイル１２と高剛性部１０とは、導電性接着剤により固定されている。なお、ＳＭＡコイル１２と高剛性部１０との固定は、例えばカシメや半田付け等によって行われてもよい。

形状記憶合金は、公知の技術であるため詳細な説明を省略するが、所定の温度Ｔを境に相変化を起こし、弾性係数が変化する。本実施形態のＳＭＡコイル１２は、室温を超える所定の温度Ｔで相変化を起こし、所定の温度Ｔ以上である場合の弾性係数が、所定の温度Ｔ未満である場合の弾性係数よりも高い。また、ＳＭＡコイル１２は、所定の温度Ｔ以上である場合に超弾性を示す。

また、ＳＭＡコイル１２が記憶している形状は、直線状の軸周りに線材を巻回した形状である。すなわち、ＳＭＡコイル１２は、温度が所定の温度Ｔ以上であり、かつ外力が加えられていない場合には、図１に示すように、本体部２の長軸Ｌに平行な直線を中心軸とした形状となる。

ＳＭＡコイル１２は、後述する通電部３に電気的に接続されている。ＳＭＡコイル１２は、通電加熱により相変化を起こす所定の温度Ｔを超える温度まで発熱する。

本体部２が含む複数の低剛性部１１は、それぞれが異なるＳＭＡコイル１２を有していてもよいし、同一のＳＭＡコイル１２を共有していてもよい。例えば、本実施形態であれば、複数の低剛性部１１のそれぞれが独立して固有のＳＭＡコイル１２を有していてもよい。

また例えば、複数の低剛性部１１のうちの少なくとも２つの低剛性部１１が共通のＳＭＡコイル１２によって構成されてもよい。この場合、ＳＭＡコイル１２は、２つの低剛性部１１に挟まれている高剛性部１０を貫通する。

通電部３は、ＳＭＡコイル１２への通電の有無を切り替える。なお、通電部３は、使用者または他の電子機器からの指示に基づいて通電の有無を切り替えるスイッチングの機能のみを有していればよく、電源は備えていてもいなくてもよい。通電部３の動作により通電が行われるＳＭＡコイル１２は、通電加熱により所定の温度Ｔ以上となる。

なお、通電部３は、複数の低剛性部１１のうちの全ての低剛性部１１に含まれるＳＭＡコイル１２への通電を一括して切り替える構成のみを有していてもよいし、複数の低剛性部１１のうちの選択された一部の低剛性部１１に含まれるＳＭＡコイル１２への通電を切り替える構成をさらに有していてもよい。

図示する本実施形態では一例として、通電部３は、複数の高剛性部１０に電気的に接続されており、複数の高剛性部１０を介して複数のＳＭＡコイル１２に電気的に接続されている。通電部３は、複数のＳＭＡコイル１２のうちから通電ものを選択することができる。

以上に説明した構成を有する剛性可変装置１では、ＳＭＡコイル１２に通電が行われていない場合には、ＳＭＡコイル１２の温度は所定の温度Ｔ未満となり、ＳＭＡコイル１２の弾性係数は低い状態となる。また、剛性可変装置１では、ＳＭＡコイル１２に通電が行われている場合には、ＳＭＡコイル１２の温度は所定の温度Ｔ以上となり、ＳＭＡコイル１２の弾性係数は高い状態となる。

したがって、本実施形態の剛性可変装置１では、長軸Ｌに沿って交互に連結されている高剛性部１０および低剛性部１１のうちの、低剛性部１１の剛性が変化する。

高剛性部１０は、金属製の柱状の部材であることから、本体部２の長軸Ｌを曲げる方向の力が入力された場合であっても、ほぼ剛体としてふるまう。

低剛性部１１は、ＳＭＡコイル１２によって構成されていることから、ＳＭＡコイル１２の弾性係数が高い状態であっても、本体部２の長軸Ｌを曲げる方向の力が入力された場合に、曲げ方向に弾性変形する。したがって、本実施形態の剛性可変装置１は、複数のＳＭＡコイル１２への通電の有無の切り替わりに応じて本体部２の剛性が変化する。

本体部２は、複数の高剛性部１０を複数のＳＭＡコイル１２により連結する構成を有していることから、本体部２の全体の剛性は、本体部２と同じ長さのＳＭＡコイル単体よりも高い。

ここで、本実施形態の低剛性部１１を構成するＳＭＡコイル１２は、線材が長軸Ｌに平行な軸周りに巻回された形状を有している。よって、本体部２が曲げ方向に変形した場合、ＳＭＡコイル１２の線材はねじり方向に弾性変形する。したがって、ＳＭＡコイル１２は、一対の高剛性部１０の間に直線状のＳＭＡワイヤを架け渡した場合よりも、曲げ方向に弾性変形可能な角度が大きい。すなわち、ＳＭＡコイル１２は、本体部２が大きな曲率で曲げ方向に変形した場合であっても、塑性変形を起こしにくい。言い換えれば、ＳＭＡコイル１２は、曲がり癖が付きにくい。

また、本実施形態の低剛性部１１は、ＳＭＡコイル１２が細径であることから、例えば一対の高剛性部１０の間に大径の直線状の形状記憶合金部材を架け渡した場合よりも、ＳＭＡコイル１２の所定角度における曲げ応力が小さくなるため、曲げ方向に弾性変形可能な角度が大きい。すなわち、ＳＭＡコイル１２が細径であることによっても、低剛性部１１は、本体部２が大きな曲率で曲げ方向に変形した場合であっても、永久ひずみや破断が発生しにくい効果を発揮する。

また、ＳＭＡコイル１２を構成する線材の長さは、一対の高剛性部１０の間に直線状の形状記憶合金部材を長軸Ｌに平行に架け渡した場合よりも長い。このため、ＳＭＡコイル１２は、電気抵抗が高く、通電加熱による温度上昇が容易である。

また、本実施形態では、低剛性部１１を構成するＳＭＡコイル１２は、線状の部材からなるため熱容量が小さい。したがって、ＳＭＡコイル１２を所定の温度Ｔ以上である状態から所定の温度未満に冷却するために必要な時間はわずかである。よって、本実施形態の剛性可変装置１は、本体部２の剛性を高めた状態から剛性を下げた状態への切り替わりを短時間で行うことができる。

以上に説明したように、本実施形態の剛性可変装置１は、本体部２の剛性を高めたときに高い剛性を得られることと、短時間で剛性を下げられることとを両立可能である。

また、本実施形態の剛性可変装置１は、細径のＳＭＡコイル１２により構成されていることから、例えば一対の高剛性部１０の間に大径の直線状の形状記憶合金部材を架け渡した場合よりも、加熱に要する電力が小さい。したがってＳＭＡコイル１２への通電によりＳＭＡコイル１２を所定の温度Ｔ以上に加熱することが容易になるため、ＳＭＡコイル１２を加熱するためのヒーターを不要にすることができる。

図２に、剛性可変装置１を備える内視鏡１００を示す。内視鏡１００は、人体等の被検体内に導入可能な細長で可撓性を有する挿入部１０２を有し、挿入部１０２に被検体内を観察するための構成を有する。なお、内視鏡１００の挿入部１０２が導入される被検体は、人体に限らず、他の生体であってもよいし、機械や建造物等の人工物であってもよい。

本実施形態の内視鏡１００は、挿入部１０２と、挿入部１０２の基端に位置する操作部１０３と、操作部１０３から延出するユニバーサルコード１０４とで主に構成されている。

挿入部１０２は、先端に配設される先端部１０８、先端部１０８の基端側に配設される湾曲自在な湾曲部１０９、及び湾曲部１０９の基端側と操作部１０３の先端側とを接続する可撓性を有する可撓管部１１０が連設されて構成されている。

先端部１０８には、被検体内を観察するための構成等が配設されている。例えば、先端部１０８には、対物レンズ及び撮像素子を含み光学的に被検体内を観察するための撮像ユニットが配設されている。また、先端部１０８には、図示しないが、撮像ユニットの被写体を照明する光を出射する照明光出射部も設けられている。なお、先端部１０８には、超音波を用いて音響的に被検体内を観察するための超音波振動子が配設されていてもよい。

挿入部１０２のうちの、曲げ変形可能な部位である湾曲部１０９および可撓管部１１０の少なくとも一方の内部には、剛性可変装置１の本体部２が挿入されている。図示する本実施形態では一例として、本体部２は、可撓管部１１０内に配置されている。

挿入部１０２の基端に配設された操作部１０３には、湾曲部１０９の湾曲を操作するためのアングル操作ノブ１０６が設けられている。ユニバーサルコード１０４の基端部には図示しない外部装置に接続可能に構成された内視鏡コネクタ１０５が設けられている。内視鏡コネクタ１０５が接続される外部装置は、先端部１０８に設けられた撮像ユニットを制御するカメラコントロールユニット等を備える。

また、操作部１０３には、剛性可変装置１の通電部３と、通電部３を制御するための剛性変更スイッチ１２０が設けられている。剛性変更スイッチ１２０は、通電部３によるＳＭＡコイル１２への通電の有無の切り替え動作を制御する。

通電部３は、操作部１０３無いに配置されている。通電部３は、ユニバーサルコード１０４内に挿通された電気ケーブルを介して内視鏡コネクタ１０５に設けられた電気接点に電気的に接続されている。剛性可変装置１のＳＭＡコイル１２を通電加熱するための電力は、内視鏡コネクタ１０５が接続される外部装置から供給される。なお、内視鏡１００は、剛性可変装置１のＳＭＡコイル１２を通電加熱するための電力を供給する電池を備えていてもよい。

以上に説明した構成を有する内視鏡１００は、使用者による剛性変更スイッチ１２０の操作に応じて、可撓性を有する細長な挿入部１０２の剛性を変化させることができる。

前述のように、本実施形態の剛性可変装置１は、本体部２の剛性を高めたときに高い剛性を得られることと、短時間で剛性を下げられることとを両立可能であるから、内視鏡１００は、挿入部１０２の剛性の変更幅を大きくすることと、剛性の変更に必要な時間の短縮と、を両立することができる。

本発明は、前述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う剛性可変装置および内視鏡もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

Claims (6)

1. 細長の本体部と、
   前記本体部において、前記本体部の長軸に沿う方向に離間して配列された金属製の複数の高剛性部と、
   前記本体部において、隣り合う前記高剛性部の間に架け渡され、前記長軸に平行な軸周りに線材が巻回され、加熱されることで剛性が高まる形状記憶合金コイルを含む低剛性部と、
   を含むことを特徴とする剛性可変装置。
2. 前記形状記憶合金コイルへの通電の有無を切り替え可能な通電部をさらに具備し、
   前記形状記憶合金コイルは、前記通電によって加熱されることを特徴とする請求項１に記載の剛性可変装置。
3. 前記高剛性部を３つ以上有し、前記低剛性部を２つ以上有することを特徴とする請求項１に記載の剛性可変装置。
4. 複数の前記低剛性部において、同一の前記形状記憶合金コイルを共有することを特徴とする請求項２に記載の剛性可変装置。
5. 前記通電部は、複数の前記高剛性部に電気的に接続され、複数の前記高剛性部を介して前記形状記憶合金コイルに電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の剛性可変装置。
6. 被検体内に導入される挿入部と、
   請求項１に記載の剛性可変装置と、
   を含むことを特徴とする内視鏡。

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