JP2006186139A - 磁界発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルの寿命を延ばすことができ、医療用として十分に強い磁界を発生可能な磁界発生装置を提供する。
【解決手段】１対の第１コイル１１、１対の第２コイル１２および１対の第３コイル１３の各対が互いに平行に配置されて、対ごとに同一の中心軸線を有し、各中心軸線はそれぞれ直交している。第２コイル１２は、第１コイル１１の内側に絶縁して組み合わせて配置され、第３コイル１３は、第２コイル１２の内側に絶縁して組み合わせて配置されている。ケーシング１４が、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３を覆い、第１コイル１１の内側にその中心軸線方向に伸びる貫通孔１４ａを有している。冷却部材１５が、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３を冷却可能に、ケーシング１４の内部に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内視鏡などの検査器具の誘導、試料への磁気の影響の検査・試験、基礎的な材料の磁気的特性の測定等に使用される磁界発生装置に関する。

近年、医療の現場にはＭＲＩなどの強い磁気を利用する装置が導入され、重要な役割を果たしている。また、新たな医療への磁気応用として、医療器具を磁気誘導する装置が提案され、開発が行われている（例えば、特許文献１または２参照）。そのための装置として、３軸の空芯平行配置コイルを使用することが期待されている。３軸空芯平行配置コイルは、あらゆる方向の磁界や磁界の勾配が比較的空間的に均一であり、時間的な応答性が速く、制御が容易であり、作業領域へのアクセスが容易である等の利点を有している。このため、医療用の磁気誘導装置だけでなく、比較的磁場が大きな環境で使用される装置に対する磁気の影響を検査するための装置や、新たに磁気を応用した装置に使用するための材料を開発するにあたりその材料の特性を調査するための装置等への応用も期待されている。

このような３軸空芯平行配置コイルを利用した磁界発生装置として、本発明者らの製作によるものがある（例えば、非特許文献１または２参照）。また、３軸の空芯平行配置コイルとして、カラー陰極線管の評価や調整を行うために使用されるもの（特許文献３参照）や、精密な磁気測定における磁気遮蔽等に用いられる磁気シールドルームを覆うように設けられた磁気遮蔽装置（特許文献４参照）もある。他に医療用の磁気誘導装置として、使用者への利便性を高めることを目的として、平行配置コイルを分割または開閉可能に構成したものもある（特許文献５参照）。

特開２００１−１７９７００号公報 特開２００４−１０５２４７号公報 仙道雅彦、外３名，「大腸内視鏡誘導補助用磁気アクチュエータの試作」，日本応用磁気学会誌，社団法人日本応用磁気学会，２００３年，第２７巻，第３号，ｐ．１３８−１４１ 千葉淳、外６名，「磁気アクチュエータによる大腸内視鏡誘導と腸内観察」，日本応用磁気学会誌，社団法人日本応用磁気学会，２００４年，第２８巻，第３号，ｐ．４３３−４３６ 特開２００３−１４１９９９号公報 特許第２８６４０９５号公報 特開２００３−２６００２６号公報

しかしながら、非特許文献１，２および特許文献３、４、５記載の３軸空芯平行配置コイルを利用した磁界発生装置は、各コイルに電流を流すと、コイルの発熱によりコイルの線材の絶縁被覆が劣化しやすいため、コイルの寿命が短いという課題があった。また、特許文献３、４に記載の３軸の平行配置空芯コイルは、広く利用されてはいるが、発生磁界が地磁気程度であり、平行配置のコイルの間隔が大きいために、医療用の磁気誘導装置として期待されるような大きな磁界を発生させることが困難であるという課題があった。特許文献５記載の医療用の磁気誘導装置は、開閉機構を備えるという構造上の問題のために、医療用の磁気誘導装置に必要とするのに十分な磁界を発生させることが困難であるという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、コイルの寿命を延ばすことができ、医療用として十分に強い磁界を発生可能な磁界発生装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る磁界発生装置は、電源に接続されて磁界を発生させる１対の第１コイルと１対の第２コイルと１対の第３コイルとケーシングと冷却部材とを有し、前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルの各対は互いに平行に配置されて対ごとに同一の中心軸線を有し、各中心軸線はそれぞれ直交しており、前記第２コイルは前記第１コイルの内側に絶縁して組み合わせて配置され、前記第３コイルは前記第２コイルの内側に絶縁して組み合わせて配置され、前記ケーシングは前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルを覆い、前記第１コイルの内側にその中心軸線方向に伸びる貫通孔を有し、前記冷却部材は前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルを冷却可能に前記ケーシングの内部に設けられていることを、特徴とする。

本発明に係る磁界発生装置は、例えば、対象物の内部に挿入された内視鏡などの被誘導物を誘導する、試料への磁気の影響を検査・試験する、基礎的な材料の磁気的物性を測定するなどの目的で使用される。なお、対象物は、人、動物、試料、その他いかなる物であってもよい。本発明に係る磁界発生装置では、まず、被誘導物、試料、材料、その他の対象物を、貫通孔から１対の第１コイル、１対の第２コイルおよび１対の第３コイルの内側に配置し、各コイルにより磁界を発生させる。このとき、冷却部材が各コイルを冷却するため、各コイルの線材の絶縁被覆が発熱により劣化するのを防ぐことができ、冷却しない場合と比べて各コイルの寿命を延ばすことができる。また、各コイルの線材の絶縁被覆が発熱により劣化しないため、各コイルに比較的大きな電流を通電させることができ、医療用として十分に強い磁界を発生させることができる。

こうして、本発明に係る磁界発生装置は、発生した磁界により、被誘導物の誘導、試料への磁気の影響の検査・試験、材料の磁気的物性の測定などを行うことができる。また、ケーシングが第１コイル、第２コイルおよび第３コイルを覆っているため、外観がシンプルかつスマートとなっている。

第２コイルが第１コイルの内側に絶縁して組み合わせて配置され、第３コイルが第２コイルの内側に絶縁して組み合わせて配置されているため、各コイル間隔を必要最小限に効率よく収めるとともに、各コイルを互いに強固に連結することができる。このため、冷却部材による冷却効率を高めるとともに、各コイル間に働く強い磁気的な吸引力や反発に耐えうる十分な機械的強度を保つことができる。

また、第１コイル、第２コイルおよび第３コイルは、それぞれヘルムホルツコイル、もしくはヘルムホルツコイルに近い配置を成すことができる。強い磁界を発生させるためには、大きな電流を流せるだけの断面積をもつ線材を多くのターン数で巻いてコイルを形成しなければならないため、コイルの幅がコイル間隔と比較して無視し得ない大きさとなる。そのような場合でも、各コイルがヘルムホルツコイルの配置を成す構成では、大きくかつ均一な磁界を発生させることができる。また、各コイルの間隔内で均一な磁界を発生させることができるため、発生させる磁界の制御が容易で、操作性が良好である。

本発明に係る磁界発生装置で、前記ケーシングは断熱性および気密性を有して前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイルおよび前記冷却部材を内部に収納し、前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルは超伝導体から成り、前記冷却部材は前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルが超伝導性を示す温度までそれらを冷却可能であり、前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイルおよび前記冷却部材を前記ケーシングから隔てて前記ケーシングの内部で支持する断熱性の支持材と、前記ケーシングの内部の真空度を高める真空装置とを有していてもよい。

この各コイルが超伝導体から成る構成では、ケーシングが断熱性および気密性を有し、真空装置によりケーシングの内部の真空度を高めることができるため、冷却部材による冷却効率が良い。このため、第１コイル、第２コイルおよび第３コイルが超伝導性を示す温度まで、それらを効率的に冷却することができる。また、断熱性の支持材により第１コイル、第２コイル、第３コイルおよび冷却部材をケーシングから隔てて支持することができるため、さらに冷却効率を高めることができる。

本発明に係る磁界発生装置は、前記ケーシングは全体が直方体の６面にそれぞれ貫通孔を形成した外形を有し、その外形の角部および辺部が直径１ｃｍ以上の丸みを有していてもよい。この構成では、外形の形状がシンプルで凹凸が少ないため、清潔に保ちやすく衛生的である。また、直方体の６面に貫通孔を形成しているため、開放的であり、人を対象物として、対象物の体内に挿入した内視鏡などを誘導するために使用される場合、対象物に対して圧迫感を与えにくく不安感を減らすことができる。ケーシングの外形の角部および辺部が丸みを有しているため、角張っている場合に比べて、角でけがをしにくく、取り扱うときの安全性が高い。

本発明によれば、コイルの寿命を延ばすことができ、医療用として十分に強い磁界を発生可能な磁界発生装置を提供することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図４は、本発明の第１の実施の形態の磁界発生装置を示している。
図１乃至図３に示すように、磁界発生装置１０は、１対の第１コイル１１と１対の第２コイル１２と１対の第３コイル１３とケーシング１４と冷却部材１５と支持材１６と支持用台１７とを有している。

図１および図３に示すように、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３は、比較的大きい断面積を有する線材を多くのターン数で矩形状に巻いて形成され、電源に接続されて磁界を発生するようになっている。第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３は、径が互いに異なり、第１コイル１１、第２コイル１２、第３コイル１３の順に径が小さくなっている。第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３の各対は、互いに平行に配置されて対ごとに同一の中心軸線を有し、各中心軸線はそれぞれ直交している。第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３は、最も大径の第１コイル１１の内側に第２コイル１２が絶縁して組み合わされて配置され、第２コイル１２の内側に最も小径の第３コイル１３が絶縁して組み合わされて配置されている。各コイル１１，１２，１３は、互いに交差する位置で、アングル材や角材などの連結部材（図示せず）で連結されている。第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３は、各コイル１１，１２，１３の間隔がコイル直径の概ね半分になるよう配置され、それぞれヘルムホルツコイルに近い配置を成している。

図２に示すように、ケーシング１４は、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３を覆っている。ケーシング１４は、全体が直方体の６面にそれぞれ貫通孔１４ａを形成した外形を有している。各貫通孔１４ａは、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３の内側に、それぞれの中心軸線方向に伸びるよう形成されている。ケーシング１４は、その外形の角部および辺部が直径１ｃｍ以上の丸みを有している。

図１に示すように、冷却部材１５は、循環冷却パイプ２０と循環水冷却装置２１とを有している。循環冷却パイプ２０は、環状で、冷媒として水道水が内部に封入されている。循環冷却パイプ２０は、ケーシング１４の外部から内部に入り、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３に接して循環した後、再びケーシング１４の外部に戻るよう配置されている。循環冷却パイプ２０は、ケーシング１４の内部への入口および出口付近に、接続バルブ２０ａを有している。循環水冷却装置２１は、ケーシング１４の外部で循環冷却パイプ２０に接続され、循環冷却パイプ２０の内部の冷媒を冷却可能に構成されている。

図１に示すように、支持材１６は、アルミニウム製またはベークライト製である。第１支持材３１は、第１コイル１１、第２コイル１２、第３コイル１３および循環冷却パイプ２０をケーシング１４の内壁から隔ててケーシング１４の内部で支持している。

図２に示すように、支持用台１７は、平面形状がケーシング１４と同じ大きさの矩形状を成し、ケーシング１４を支持可能にケーシング１４の下部に設けられている。支持用台１７は、下部の４隅にキャスター２２を有し、移動可能になっている。また、支持用台１７は、設置位置で固定可能に、下部の３箇所にジャッキ２３を有している。

なお、具体的な一例では、各コイル１１，１２，１３は、発生磁界が１６７〜１９１Ｏｅ（エルステッド）、通電電流が１００Ａ、発生磁界周波数がＤＣ〜２Ｈｚである。最も大径の第１コイル１１は、大きさが１０００ｍｍ×１０００ｍｍである。貫通孔１４ａは、大きさが４００ｍｍ×４００ｍｍまたは４３０ｍｍ×４３０ｍｍである。冷却部材１５は、１分あたり最大２４リットルの冷媒を循環可能である。

次に、作用について説明する。
磁界発生装置１０は、例えば、対象物の内部に挿入された内視鏡などの被誘導物を誘導する、試料への磁気の影響を検査・試験する、基礎的な材料の磁気的物性を測定するなどの目的で使用される。磁界発生装置１０では、まず、被誘導物、試料、材料などを、貫通孔１４ａから第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３の内側に配置し、各コイル１１，１２，１３により磁界を発生させる。このとき、冷却部材１５が各コイル１１，１２，１３を冷却するため、各コイル１１，１２，１３の線材の絶縁被覆が発熱により劣化するのを防ぐことができ、冷却しない場合と比べて各コイル１１，１２，１３の寿命を延ばすことができる。また、各コイル１１，１２，１３の線材の絶縁被覆が発熱により劣化しないため、各コイル１１，１２，１３に比較的大きな電流を通電させることができ、医療用として十分に強い磁界を発生させることができる。
こうして、磁界発生装置１０は、発生した磁界により、被誘導物の誘導、試料への磁気の影響の検査・試験、材料の磁気的物性の測定などを行うことができる。

磁界発生装置１０は、各コイル１１，１２，１３が組み合わせて連結されているため、冷却部材１５による冷却効率を高めるとともに、各コイル１１，１２，１３間に働く強い磁気的な吸引力や反発に耐えうる十分な機械的強度を保つことができる。また、各コイル１１，１２，１３が大きな電流を流せるだけの断面積をもつ線材を多くのターン数で巻いて形成され、ヘルムホルツコイルに近い配置を成しているため、大きくかつ均一な磁界を発生させることができる。また、各コイル１１，１２，１３の間隔内で均一な磁界を発生させることができるため、発生させる磁界の制御が容易で、操作性が良好である。

また、磁界発生装置１０は、外形の形状がシンプルかつスマートで凹凸が少ないため、清潔に保ちやすく衛生的である。ケーシング１４の外形の角部および辺部が丸みを有しているため、角張っている場合に比べて、角でけがをしにくく、取り扱うときの安全性が高い。

図４に示すように、磁界発生装置１０は、具体的な一例として、人を対象物としたとき、対象物１の体内に挿入した内視鏡２を誘導するために使用される。磁界発生装置１０は、各コイル１１，１２，１３が寝台３に横たわった対象物１を取り囲むよう配置される。このとき、直方体の６面に貫通孔１４ａを形成しているため、開放的であり、対象物１に対して圧迫感を与えにくく不安感を減らすことができる。また、対象物１の体内に挿入された内視鏡２は、磁性体を有し、磁性体が受ける磁界により様々な方向に移動可能に構成されている。この状態で、各コイル１１，１２，１３により磁界を発生させ、その磁界を制御することにより、対象物１の体内に挿入した内視鏡２を誘導することができる。

磁界発生装置１０は、各コイル１１，１２，１３に接するよう設けられた熱伝導性の銅板を有し、循環冷却パイプ２０がその銅板に接合されていてもよい。この構成では、循環冷却パイプ２０により冷却された銅板を介して各コイル１１，１２，１３を冷却するため、銅板が各コイル１１，１２，１３に接する面積を大きくすることにより冷却効率を高めることができる。

図５は、本発明の第２の実施の形態の磁界発生装置を示している。
図５に示すように、磁界発生装置３０は、１対の第１コイル１１と１対の第２コイル１２と１対の第３コイル１３とケーシング１４と冷却部材１５と第１支持材３１と第２支持材３２と真空装置３３と支持用台１７とを有している。
なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態と同一の部材には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図５に示すように、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３は、超伝導体から成る。
図５に示すように、ケーシング１４は、断熱性および気密性を有し、ラジエーションシールド４０と、その外側を覆う真空容器４１との二重構造から成る。ラジエーションシールド４０は、各コイル１１，１２，１３が発生する電磁波の放射を防ぐため、銅などの熱伝導率の高い材料に、電磁波の反射率が高くなるよう金属メッキなどの表面処理を施して形成されている。ラジエーションシールド４０は、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３を覆っている。真空容器４１は、アルミニウム材またはステンレス材を溶接により接合したフレーム材に、気密性を高めるためのＯリングやメタルシールを介して板材をネジ止め等により取り付けて形成されている。なお、真空容器４１のフレーム材やラジエーションシールド４０は、渦電流の発生を防止するため、チタン合金などの電気抵抗の大きい材料から成ってもよい。

図５に示すように、冷却部材１５は、循環冷却パイプ２０と循環圧縮装置４２と冷却装置４３とを有している。循環冷却パイプ２０は、環状で、冷媒として液体ヘリウムまたは液体窒素が内部に封入されている。循環冷却パイプ２０は、ケーシング１４の外部からラジエーションシールド４０の内部に入り、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３に接して循環した後、真空容器４１との境界にあたるラジエーションシールド４０の内壁に沿って循環し、再びケーシング１４の外部に戻るよう配置されている。

循環圧縮装置４２は、ケーシング１４の外部で循環冷却パイプ２０に接続され、循環冷却パイプ２０の内部の冷媒を圧縮して循環させるよう構成されている。冷却装置４３は、ケーシング１４の外部で循環冷却パイプ２０に接続され、循環冷却パイプ２０の内部の冷媒を任意の温度まで冷却可能に構成されている。冷却部材１５は、第１コイル１１、第２コイル１２および第３コイル１３が超伝導性を示す温度までそれらを冷却可能になっている。

図５に示すように、第１支持材３１および第２支持材３２は、断熱性および熱絶縁性が高いＦＲＰ（繊維強化プラスチック）製である。第１支持材３１は、第１コイル１１、第２コイル１２、第３コイル１３および循環冷却パイプ２０をラジエーションシールド４０の内壁から隔ててラジエーションシールド４０の内部で支持している。第２支持材３２は、ラジエーションシールド４０の外壁と真空容器４１の内壁との隙間を維持するよう、その隙間に渡して取り付けられている。

図５に示すように、真空装置３３は、真空ポンプから成り、真空容器４１に接続されてケーシング１４の外部に設けられている。真空装置３３は、真空容器４１の内部の空気を排出して、真空度を高めるよう構成されている。
なお、具体的な一例では、各コイル１１，１２，１３は、超伝導性を示す温度が−２００度程度である。

次に、作用について説明する。
磁界発生装置３０では、各コイル１１，１２，１３により磁界を発生させるとき、真空装置３３により真空容器４１の内部の真空度を高め、冷却部材１５により各コイル１１，１２，１３が超伝導性を示す温度までそれらを冷却する。このとき、ケーシング１４が断熱性および気密性を有し、真空装置３３により真空容器４１の内部の真空度を高めるため、冷却部材１５による冷却効率が良い。このため、各コイル１１，１２，１３が超伝導性を示す温度まで、それらを効率的に冷却することができる。また、断熱性の第１支持材３１により各コイル１１，１２，１３および循環冷却パイプ２０をラジエーションシールド４０の内壁から隔てて支持することができるため、さらに冷却効率を高めることができる。第２支持材３２により、真空容器４１の内部の真空度が高まったとき真空容器４１が変形するのを防ぐことができる。

こうして、磁界発生装置３０は、さらに強い磁界を発生させることができる。
なお、磁界発生装置３０では、真空容器４１を設けずに、ケーシング１４の内部の空気を真空装置３３により排出して、ケーシング１４の内部の真空度を高めるようにしてもよい。

本発明の第１の実施の形態の磁界発生装置の縦断面図である。 図１に示す磁界発生装置の（ａ）正面図、（ｂ）右側面図である。 図１に示す磁界発生装置の第１コイル、第２コイルおよび第３コイルを示す（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）右側面図である。 図１に示す磁界発生装置の対象物の体内に挿入した内視鏡を誘導するために使用される場合の使用状態を示す（ａ）側面図、（ｂ）正面図である。 本発明の第２の実施の形態の磁界発生装置の縦断面図である。

符号の説明

１ 対象物
２ 内視鏡
３ 寝台
１０ 磁界発生装置
１１ 第１コイル
１２ 第２コイル
１３ 第３コイル
１４ ケーシング
１４ａ 貫通孔
１５ 冷却部材
１６ 支持材
１７ 支持用台
２０ 循環冷却パイプ
２１ 循環水冷却装置

Claims (3)

1. 電源に接続されて磁界を発生させる１対の第１コイルと１対の第２コイルと１対の第３コイルとケーシングと冷却部材とを有し、
   前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルの各対は互いに平行に配置されて対ごとに同一の中心軸線を有し、各中心軸線はそれぞれ直交しており、前記第２コイルは前記第１コイルの内側に絶縁して組み合わせて配置され、前記第３コイルは前記第２コイルの内側に絶縁して組み合わせて配置され、
   前記ケーシングは前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルを覆い、前記第１コイルの内側にその中心軸線方向に伸びる貫通孔を有し、
   前記冷却部材は前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルを冷却可能に前記ケーシングの内部に設けられていることを、
   特徴とする磁界発生装置。
2. 前記ケーシングは断熱性および気密性を有して前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイルおよび前記冷却部材を内部に収納し、
   前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルは超伝導体から成り、
   前記冷却部材は前記第１コイル、前記第２コイルおよび前記第３コイルが超伝導性を示す温度までそれらを冷却可能であり、
   前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイルおよび前記冷却部材を前記ケーシングから隔てて前記ケーシングの内部で支持する断熱性の支持材と、
   前記ケーシングの内部の真空度を高める真空装置とを有することを、
   特徴とする請求項１記載の磁界発生装置。
3. 前記ケーシングは全体が直方体の６面にそれぞれ貫通孔を形成した外形を有し、その外形の角部および辺部が直径１ｃｍ以上の丸みを有していることを、
   特徴とする請求項１または２記載の磁界発生装置。

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