JP5834074B2 - 手術器具用の電磁アクチュエータ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、手術器具または医療器具用、特に内視鏡用の電磁アクチュエータであって、前記アクチュエータが固定子と可動要素とを備え、前記可動要素が、少なくとも部分的に常磁性材料および／または強磁性材料を有し、かつ、電磁場を印加することにより第１の位置から第２の位置へと移動され得る、電磁アクチュエータに関する。

ドイツ特許公報ＤＥ１９６１８３５５Ｃ２は、遠位側に対物レンズが配置された、対物レンズの像が画像送信機によって近位端に伝達される内視鏡であって、焦点を合わせるために、かつ／または焦点距離を変更するために、マイクロドライブ（登録商標）を用いて光軸の方向に移動可能な、レンズ群などの少なくとも１つの光学素子を備えた内視鏡を開示している。前記マイクロドライブは、回転対称性であり、かつ軸方向に移動可能な少なくとも１つのスリーブを有し、前記スリーブは、レンズ、より詳細には、可動レンズ群からなる光学素子を包囲し、収容する。前記スリーブは永久磁石材料からなり、コイル配列により生成される磁場内で移動可能である。スリーブを移動および保持するために、永久電磁場が生成される。

ドイツ特許公報ＤＥ１２５３４０７Ｂは、体腔部を観察するための遠位側発光照明装置と、画像送信機とを備えた内視鏡を開示しており、画像送信機によって、照らし出された像が軸方向に調整可能な対物レンズを用いて記録され、接眼レンズまたはカメラに供給される。前記対物レンズは、アーマチャとして機能する対物レンズ取付部の電磁的な影響によって、少なくとも２つの画像鮮明度設定のために、画像送信機の遠位端に対してある設定から別の設定に調整することが可能である。ここで、その２つの設定のうち少なくとも１つは、永久的に印加された電磁場により引き起こされ、もう１つの設定はばねの効果によりもたらされる。

本発明の目的は、電力を用いずに、可動要素を所定の位置に保持することを可能にする電磁アクチュエータについて詳細に説明することであり、前記アクチュエータの可動要素は、低電力で移動させられる。

この目的は、請求項１の要旨により達成される。本発明の更なる展開が、従属項の要旨となっている。
本発明の目的は、手術器具または医療器具用、特に内視鏡用の電磁アクチュエータであって、前記電磁アクチュエータが固定子および可動要素を備え、前記可動要素は、少なくとも部分的に常磁性材料および／または強磁性材料を有し、電磁場を印加することにより第１の位置から第２の位置に移動されることができ、前記可動要素は、永久磁場により第１の位置に保持されているか、または保持されることになり、第２の位置への移動後は永久磁場により第２の位置に保持されているか、または保持されることになるアクチュエータによって達成される。

永久磁場を用いることにより、電力を用いずに可動要素を、特に順々に、第１の位置および第２の位置に保持することができ、したがって本システムに追加的な電力を導入しなくてもよい。

特に好適な実施形態において、固定子は、互いに反発し合うように分極した２つの永久磁石を備える。本発明の範囲内において、互いに反発し合うように分極したとは、具体的には、向かい合って配設された２つの永久磁石の極同士が反発すること、すなわち、同じ極同士が互いに近接することである。この結果、可動要素が電力なしで第１の位置および／または第２の位置に保持されることが、非常に簡単になされる。ここで、可動要素は、永久磁石を備えておらず、代わりに常磁性材料および／または強磁性材料のみからなり、場合によっては非磁性材料が追加されていることが好ましく、磁場を増大させる効果がより大きいため、強磁性材料が望ましい。

電磁場を生成するために、好適には永久磁石間に配置されたコイルが設けられていることが望ましい。このような構成を用いることにより、比較的弱い電磁場を用いた場合であっても、可動要素を移動させることが可能である。電磁アクチュエータの移動中、より詳細には切替え中において、２つの永久磁石の永久磁場とコイルの電磁場が相互に作用する。その結果、電磁場によって永久磁石が消磁されないようにすることが可能である。

好ましくは、第１および第２の位置を定める２つの停止部が設けられる。これら停止部によって、可動要素は、対応する端部位置または中間位置へと移動することができるが、停止部を超えて移動することはできない。可動要素が停止部に接触すると、好適には、力、具体的には非消散性の力が、停止部の方向に向かって可動要素に作用する。そうすることにより、好ましくは、可動要素が準安定位置の方向に引っ張られるが、停止部があるため、可動要素は準安定位置に完全に到達することはできない。このように、それぞれの位置において、すなわち可動要素が第１の位置にある場合は第１の位置において、また可動要素が第２の位置にある場合においても、各停止部の方向に磁力が働くため、可動要素は停止部において定められた位置で保持される。これにより、良好に定められた位置決めが行われる。

停止部の代わりに、停止部を設けずに、永久磁石による永久磁場と可動要素の材料との相互作用のエネルギーが最小となる領域に第１の位置、または第２の位置を設けることも可能である。しかしながら、停止部を備えた変形例は、位置が定められるため非常に好ましい。

常磁性材料および／または強磁性材料が固定子の永久磁石間に配置されている場合、第１の位置から第２の位置へ、またはその逆への可動要素の移動を可能にするためには、電磁場のための電力が非常に低くても十分である。ここで、常磁性材料および／または強磁性材料は、具体的には固定子の一部である。

好ましくは、コイルは、具体的には固定子の永久磁石ならびに常磁性材料および／または強磁性材料によって、外側に向かって囲まれている。
可動要素と固定子の両方において常磁性材料および／または強磁性材料が配置されているため、弱い磁気帰還路がコイルのために形成されており、これによって、コイルを流れる電流が小さい段階においても既に強い磁場とともに高い電力密度を達成することができる。

可動要素は、管内に、長手軸方向に移動可能に取り付けられていることが望ましい。長手軸方向への移動は、管の長手軸に沿ったものである。管は円筒状であることが好ましい。長手軸を中心として対称性を有する磁場、より詳細には回転対称性の磁場を発生させることが望ましい。その結果、特に可動要素、コイル、および永久磁石が、断面において、具体的には長手軸に対する横断面において環状であるため、可動要素に均一な力が作用し、よって低電力での移動が可能である。コイルを介した１００ミリ秒未満かつ５００ミリアンペア未満の短い電気的スイッチングインパルスであれば、可動要素の移動処理、または第１の位置から第２の位置への、またはその逆の切替え処理を行うには十分である。

手術器具または医療器具、特に内視鏡は、本発明による電磁アクチュエータを備えていることが望ましい。
本発明は、本発明の全体的な企図を限定することなく、図面を参照し、例示的な実施形態に基づいて以下に説明される。それにより、文中においてより詳細には説明されていない、本発明に基づく全ての詳細の開示に関連して、明確に図面に言及する。

本発明によるアクチュエータを備えた内視鏡の一部分における概略三次元断面図である。 図１に基づく概略拡大断面図である。 本発明によるアクチュエータの、別の実施形態の概略断面図である。 概略的な磁束が表示された、図３の実施形態の概略断面図である。 概略的な磁束が表示された、図３の実施形態の概略断面図である。

以下の図面において、同一または類似の種類の要素、もしくはそれに対応する部分には同一の符号が付されているため、対応する重複した説明が省かれ得る。
図１は、本発明によるアクチュエータを備えた内視鏡の一部分の概略三次元断面図である。アクチュエータは、図示されていない内視鏡のシャフト内に配置することができる。内視鏡のシャフトは、図１のアクチュエータの周囲に同軸状に、より詳細にはガイド管１１の遠位端１８の外径よりやや大きい直径を有して同軸状に配置される。

ガイド管１１は金属またはプラスチックで構成することができ、本件の場合は管が非磁性材料で構成されることが重要であり、可動要素１０の半径方向の案内手段として機能する。可動要素１０は、例えば、固定保持要素１２内に挿入されて適切に保持されるレンズ１４および１５を追加的に有する対物レンズの構成要素である、レンズ１３を有していてもよい。固定保持要素１２は、ガイド管１１内に固定され、あるいは取り付けられて、停止部１６を形成する。遠位端側の更なる停止部１７もまた、ガイド管１１の内側に向いたカラーにより形成される。図１に示されるこの例示的な実施形態は、軸方向に移動可能な要素１０が設けられた回転対称性の構造である。可動要素１０は、図１に示されているように、近位位置から図１の左側に向かって停止部１７まで遠位位置へと押し出され得る。可動要素１０は、一種のスリーブとして構成され、具体的には例えば強磁性材料などの軟磁性材料から成るか、あるいは軟磁性材料を含む。

強磁性材料および／または常磁性材料に加えて、可動要素１０はまた、ガイド管１１の内壁側に配置される表面上に減摩性コーティングを有していてもよい。
図２は、図１の拡大断面図であり、各要素の形状がより明確に示されている。可動要素１０は、遠位ポールシュー２７および近位ポールシュー２８を有している。これらのシューは、環状に構成されるとともに電磁アクチュエータの長手軸を中心として回転対称に配置されている永久磁石２０および２１、ならびに磁場と相互に作用し合う。常磁性材料または強磁性材料で構成される第１の中間部２２および第２の中間部２３は、永久磁石２０、２１間に設けられ、ポールシューを有するか、またはポールシューとして構成されている。第１の中間部２２および第２の中間部２３はまた、一体的に形成されて単一の中間部を形成していてもよい。更に、外側に向かっては第１の中間部２２と第２の中間部２３とに囲まれ、内側に向かっては、ガイド管１１に遮断されていることを別にすれば、可動要素１０の常磁性材料および/または強磁性材料により囲まれているコイル２４が設けられている。その結果、電磁場の非常に強力な増大が達成される。電磁アクチュエータの固定子１９は、実質的に２つの永久磁石２０および２１と、２つの中間部２２および２３と、コイル２４とにより構成されている。

可動要素１０が構成されている、より詳細には含んでいる材料は、例えばＳｔ３７またはＣ４５ｋとすることができる。可動要素の外面形状は、二重アーマチャを表している。これにより、２つのポールシュー、すなわち遠位ポールシュー２７および近位ポールシュー２８が存在する。ポールシューの外側は、更に、ガイド管１１と可動要素１０との間の摺動対のための滑り面として機能する。可動要素の内面形状は、軸方向において対称であることが好ましい。しかしながら、例えばレンズ１３の取付用のショルダ部を一体化するために、特定の領域において非対称であってもよい。可動要素は艶消しの黒色であることが好ましい。

固定子１９は、実質的に、同一の材料、より詳細には同一の磁石および磁力と、対応する同一の寸法とを有する、２つの均質な永久磁石を備える。更に、コイル２４が設けられ、また磁場を強化し集中させるための磁束ガイドとして機能する２つの強磁性の構成要素、より詳細には中間部２２および２３が設けられている。中間部２２および２３は、固定子の長手軸方向断面において馬蹄形様の形状を有し、ポールシューのような対称性を有する構造で実施されている。可動要素１０と固定子１９の両方が軸方向において対称性を有するように構成されていることが望ましい。永久磁石２０および２１は、互いに反発し合うように分極されて、それぞれ取り付けられ、または配置されている。

電磁アクチュエータは、４つの異なる状態で存在しうる。第１の状態は、図１および２に示された状態であり、可動要素１０が安定的な近位位置に位置している。ここでは、永久磁石により生じる力が、近位停止部１６に対して押し付けるように可動要素に作用する。また、可動要素は、図１および２に示されていない安定的な遠位位置に位置していてもよい。その場合、永久磁石により生じる力は、遠位停止部１７に対して押し付けるように可動要素１０に作用する。

第３の状態は、アクチュエータが可動要素を遠位位置から移動させる状態である。その場合、コイルおよび永久磁石により生じる力が、可動要素１０を近位方向に移動させる。逆に、第４の状態は、アクチュエータが可動要素１０を近位位置から移動させる状態と定義される。この場合、コイルおよび永久磁石により生じる力は、可動要素１０が遠位方向に押されるようになっている。

この機能については、以下でより詳細に説明される。
図３〜５は、電磁アクチュエータの概略断面図を示しており、各要素および特徴が概略的に示されている。図３において、コイル２４には電流が流れておらず、換言すれば、コイルは磁場を生成していない。固定子は、図１および２に対応するように、断面が馬蹄形に形成された強磁性材料から構成される中間部２２、２３および２３’を備える。中間部２２、２３および２３’は、共通要素として、つまり一体的に製造されてもよい。

Ｓ磁極は、符号２５により概略的に示され、Ｎ磁極は符号２６により概略的に示されている。第１の中間部、または第１の中間要素は符号２２により示され、第２の中間部、または第２の中間要素はポールシューとして構成され、符号２３および２３’にて示されている。それに対応して、可動要素１０の強磁性体部分を示す要素１０、２７、および２８もまた一体的に構成されていてもよい。遠位ポールシューは、符号２７にて示され、近位ポールシューは、符号２８にて示されている。

この場合、可動要素の保持力は２つの永久磁石の永久磁場によってのみ生成される。磁石２０および２１の配置によって、固定子のポールシュー２３および２３’の両方に同じ磁極が位置している。磁束は、磁気抵抗が最も小さな経路に沿って流れようとする。空気との関連で、用いられる強磁性材料の磁気抵抗がはるかに小さいため、システム全体が空隙を最小化しようとする。これはリラクタンスと呼ばれる。これにより、軟磁性の、より詳細には強磁性の材料で構成されることが好ましいポールシューが重なり、その結果、運動、あるいは力が生じる。

図３において力３１により示されているように、近位停止要素３０に向かう近位方向への保持力を得るため、以下の条件が与えられる必要がある。遠位永久磁石２０の遠位端に対する可動要素の遠位ポールシュー２７よりも、近位永久磁石２１の近位端に対する可動要素１０の近位ポールシュー２８の方が、より近くに配置されなくてはならない。したがって、ａがｂよりも大きくなければならない。更に、可動要素１０の近位ポールシュー２８は、アーマチャの近位ポールシュー２３を超えて近位側に延びていなければならない。すなわち、ｃはゼロより大きくなければならない。Ｃ＝０の場合、システムは磁気、またはエネルギーにおいて最小の状態になるであろう。すると、もはや発生する力３１がないであろう。エネルギーが最小となる方向への対応する力は、この位置から移動する際にのみ発生することになる。その結果、非離散的な位置決めを生じさせるであろう。これが、対応する停止部を有する実施形態が好適である理由である。

可動要素１０は、最小の磁気抵抗、より詳細にはシステムの最も好ましいエネルギー状態が可動要素１０を用いて実現され得るように、２つの磁石２０および２１のための磁気帰還路を形成する。可動要素の位置に応じて、ひいては停止要素２９または３０の位置に応じて、さまざまな保持力を実現することができる。図示された例においては、電磁アクチュエータは、停止部、例えば近位停止要素３０における可動要素１０の位置が、最も好ましいエネルギー状態に対応しないように構成されている。それにより、電磁アクチュエータは、更に、抵抗が最も小さい位置へと可動要素を引きつけようとし、この結果として保持力（リラクタンス）が発生する。

さて、可動要素１０を近位位置から遠位位置へと移動させるために、コイル２４に電圧が印加される。その結果、全体としての磁場を生じさせることができ、その磁場が近位方向に向かう保持力よりも大きな遠位方向へ向かう力を生じさせる。これは、図４および５に示されている。遠位方向への力は、変位力３４と称される。コイル２４に電圧を印加することにより、遠位永久磁石２０およびコイルの磁場の総和から対応する磁場が生じるが、これは図４および図５の左側のＮ磁極２６およびＳ磁極２５によって、図式的に示されている。理想的な場合には、コイルが、遠位永久磁石２０の磁束に対応する磁束を発生させる。それにより、磁場が近位の第２中間部２３、または固定子のポールシューに向かって強化される。大まかに見ると、遠位永久磁石２０およびコイルは、近位永久磁石２１よりも強い、理想的には２倍の磁場強度を有する大きな連続的な磁石を形成する。その結果、図４および５に示されている、対応する磁束３２および３３が生じ、遠位端に向かって、対応する変位力３４が生じる。３つの磁気要素（２つの永久磁石２０および２１とコイル２４）の相互作用によって、可動要素１０がその近位位置から遠位位置へと移動させられる。

図示された構成を用いると、コイルの磁束が永久磁石の磁束を完全に打ち消す必要が無い。その結果、コイルの磁場が永久磁石を消磁するおそれが低減する。コイルを強磁性材料で包囲することにより、非常に高い効率性を実現することができる。これにより、必要な切替え電流、ひいては内視鏡の遠位領域において回避すべき、発生し得る熱が最低限に抑えられる。

電磁アクチュエータは、光学システムを有する内視鏡とともに用いられることが好ましい。より詳細には、レンズが長手軸３５に沿って長手軸方向に移動できるように、レンズが電磁アクチュエータによって移動され得る。その結果、焦点を合わせる、つまり対物レンズの焦点距離を変化させることができる。レンズの代わりに、またはレンズに加えて、鏡が設けられていてもよく、鏡により、内視鏡の遠位領域における視野方向を操作者のために変更することができる。本発明による解決策によって、より少ない空間要求でより安価な構成を実現することが可能であり、例えばレンズに与えられる管腔が非常にわずかしか減少しないため、その結果として、高明度の対物レンズ、ひいては高明度の内視鏡を実施することができる。

図面のみから読み取れる特徴を含む、特定された特徴の全て、および他の特徴と組み合わせて開示されている個々の特徴は、本発明にとって重要なものとして個々に、または組み合わせて考慮される。本発明による実施形態は、個々の特徴または幾つかの特徴の組み合わせを通じて実現することができる。

１０ 可動要素
１１ ガイド管
１２ 固定保持要素
１３ レンズ
１４ レンズ
１５ レンズ
１６ 停止部
１７ 停止部
１８ 遠位端
１９ 固定子
２０ 永久磁石
２１ 永久磁石
２２ 第１中間部
２３、２３’ 第２中間部
２４ コイル
２５ Ｓ磁極
２６ Ｎ磁極
２７ 遠位ポールシュー
２８ 近位ポールシュー
２９ 遠位停止要素
３０ 近位停止要素
３１ 力
３２ 磁束
３３ 磁束
３４ 変位力
３５ 長手軸
ａ 距離
ｂ 距離
ｃ 距離

Claims (8)

1. 手術器具または医療器具用の電磁アクチュエータであって、前記アクチュエータは、非磁性材料で構成される管（１１）と、前記管（１１）の外面に配置される固定子（１９）であって、互いに反発し合うように分極された２つの永久磁石（２０、２１）、及び電磁場を生成するためのコイル（２４）を備える固定子（１９）と、少なくとも部分的に常磁性材料および／または強磁性材料を有し、かつ電磁場を印加することにより、前記管（１１）内部において第１の位置から第２の位置へ前記管（１１）の長手軸方向に移動させることができる可動要素（１０）とを備え、前記可動要素（１０）が永久磁場によって前記第１の位置に保持されているか、または保持されることになり、かつ、前記第２の位置への移動後は、永久磁場によって該第２の位置に保持されているか、または保持されることになり、前記アクチュエータはさらに、前記管（１１）の内面に設けられる、前記第１の位置および前記第２の位置を定めるための２つの停止部（１６、１７）を備えることを特徴とする、電磁アクチュエータ。
2. 前記可動要素（１０）が前記停止部（１６、１７）に接触すると、前記停止部（１６、１７）の方向に向かって、力（３１）が前記可動要素に作用することを特徴とする、請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記コイル（２４）が前記永久磁石（２０、２１）の間に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記固定子（１９）の前記永久磁石（２０，２１）の間に常磁性材料および／または強磁性材料が配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記コイル（２４）が、外側に向かっては前記永久磁石（２０，２１）と前記常磁性材料および／または強磁性材料（２２、２３、２３’）とによって囲まれていることを特徴とする、請求項４に記載の電磁アクチュエータ。
6. 前記可動要素（１０）、前記コイル（２４）および前記永久磁石（２０、２１）が環状の断面形状を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータを備えた手術器具または医療器具、特に内視鏡。
8. 前記可動要素（１０）によりレンズまたは鏡が保持される、請求項７に記載の手術器具または医療器具。

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