JP2016503187A - 外科用器具のための電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は、外科用あるいは医療器具の電磁アクチュエータに関し、該アクチュエータは固定子（１９）と、可動要素（１０）とを備え、可動要素（１０）は常磁性及び／又は強磁性材料を少なくとも部分的に含み、かつ電磁界を印加することによって第１の位置から第２の位置へと移動可能である。可動要素（１０）は、該可動要素が長手方向に移動可能であるように、管（１１）内に支持される。本発明は、管（１１）が強磁性材料で構成されていることを特徴とする。

Description

発明の詳細な説明

本発明は外科用器具又は医療器具、具体的には内視鏡、のための電磁アクチュエータに関し、該アクチュエータは、固定子と、常磁性及び／又は強磁性材料を少なくとも部分的に含み、かつ、電磁界を印加することによって第１の位置から第２の位置へと移動可能である可動要素とを備え、該可動要素は、該可動要素が長手方向に移動可能であるように管内に支持される。本発明は更に、管の製造方法に関する。

遠位側に配置された対物レンズを有する内視鏡が、独国特許公報第１９６ １８ ３５５号明細書から公知となっている。該内視鏡の写像は、転送装置によって近位側の端部へと転送される。該内視鏡はレンズ群のような少なくとも１つの光学要素を有する。レンズ群は、焦点合わせを行うために、かつ／あるいは、マイクロスラスタによって焦点距離を変更するために、光軸の方向に変位可能である。該マイクロスラスタは、回転対称であり軸方向に移動可動な少なくとも１つのスリーブを有しており、該スリーブはレンズ又は可動レンズ群の光学要素を取り囲み、受容する。該スリーブは永久磁石材料で形成されており、かつ、コイル配列によって発生する磁界の中を移動可能である。該スリーブを移動させ、保持するために、電磁界が連続的に発生させられる。

観察される内臓の腔部分に対して遠位側に光を照射する装置を有する内視鏡が、独国特許公報第１ ２５３ ４０７号明細書から公知となっている。該内視鏡は、軸方向に調節可能な対物レンズを介して照らし出された像を捉え、その像を接眼レンズ又はカメラに向ける。対物レンズは、アンカーとして機能する対物レンズの取付台の電磁的な操作により、画像伝達装置の遠位端に対して１つの位置から別の位置へと、少なくとも２つの画像鮮明度設定間で調節可能である。これによって、該２つの位置の少なくとも一方は永久的に存在する電磁界によって、他方の位置はバネの効果によって引き起こされる。

独国特許出願公開第１０ ２０１１ ００６ ８１４号には、外科用器具又は医療器具のための電磁アクチュエータが開示されており、該アクチュエータは、固定子と、常磁性又は強磁性材料を少なくとも部分的に含み、電磁界を印加することによって第１の位置から第２の位置へと移動可能な可動要素とを備える。さらに、管が設けられており、可動要素が長手方向に移動可能であるように、該可動要素が管内に支持されている。

本発明の目的は、可動要素を無動力で所定の位置に保持することを可能にし、低動力かつ効率的にアクチュエータの可動要素を移動させることを可能にする電磁アクチュエータを記載することである。

この目的は請求項１の発明主題によって解決される。本発明の更なる発展例は、従属請求項の発明主題である。
当該目的は、外科用器具又は医療器具、特に内視鏡の電磁アクチュエータにより解決され、該アクチュエータは、固定子と、常磁性及び／又は強磁性材料を少なくとも部分的に含み、かつ、電磁界を印加することによって第１の位置から第２の位置へと移動可能である可動要素とを備え、可動要素は、該可動要素が長手方向に移動可能であるように管内に支持されており、該管は強磁性材料を含んでいることを特徴とする。

強磁性材料を備える管を使用することによって、透磁率は、空隙と比較して、あるいは強磁性材料を含まない従来技術の管と比較して、増加する。よって、電磁アクチュエータの保持力及び切替力は、従来技術のものと比較して、変わっている。具体的には、透磁率を増加させることによって、コイルが駆動すると電磁界を発生させるために設けられた、コイルの周囲の磁気回路が良好に閉じられ、よってコイルによって発生した電磁界、特に磁束は増加する。よって切替力は増加し、特に電磁アクチュエータの効率が上昇する。本発明の枠組み内において、強磁性材料は具体的にはフェリ磁性材料である。

管の透磁率は少なくとも部分的に１．２〜２００の間にあることが好ましく、特に２〜２００の間、特に５〜２０の間にあることが好ましい。２〜１００の範囲も適宜提供される。

管の透磁率は、少なくとも管の複数の部分において、下限が１．２であることが好ましい。下限は２であることが好ましい。更に下限は３、４あるいは５であることが好ましい。前記管の透磁率の上限は、少なくとも管の複数の部分において、２００であることが好ましく、特に１００であることが好ましい。特に上限は４０、３０、２５あるいは１２であることが好ましい。透磁率の範囲は、１．２〜１００、１．２〜４０、２〜３０、４〜２５、あるいは５〜１２であることが特に好ましい。

管のあるいは管の複数の部分の材料は、このような透磁率を有する合金であってもよい。該材料は、フェライト材料、例えばニッケル−鉄化合物、であってもよい。更に、そして特に好ましいことに、管は、強磁性粒子が充填されたプラスチックを含んでいてもよい。この変形例は特に好ましい。なぜならば、この変形例を生み出すことは容易であり、ロータと比較すると、あるいは可動要素と比較すると、より少ない抵抗を有しており、可動要素を小さな力で移動させることが既に可能であるからである。透磁率は、管全体に均一に分布されていることが好ましい。

変形例は、前記管は軸方向に複数の領域を有し、該複数の領域の透磁率が互いに異なることが特に好ましい。よって磁束線は所望の様態に設定することが可能である。前記管の中間領域に隣接する少なくとも１つの領域が、該中間領域よりも高い透磁率を有する場合、磁束の短絡が効果的に防止され、それによって効率が相当に上がる。

前記管の少なくとも１つの領域は、異方性の透磁率を有する。これによって、具体的には、管に接して、あるいは管付近に配置された磁石のＳ極及びＮ極を管が磁気的に短絡することを防ぐ。特に、管の半径方向における磁束が、軸方向における磁束よりも高い実施形態が好ましい。

前記管は周方向において複数の領域を有し、該領域の透磁率は、周方向において隣接する領域の透磁率とは異なる。よって可動要素は、長手方向の移動が実行されたときに管の中で回転しないように、あるいはわずかしか回転しないようにされてもよい。例えば、２つ、４つ、あるいはそれより多い数の領域が周方向において互いに隣接して配置されていてもよく、隣接する領域同士の透磁率は、互いに異なる。

本発明による電磁アクチュエータは、前記可動要素は永久磁界によって第１の位置に保持される、あるいは保持されるようになり、第２の位置へ移動した後、永久磁界によって第２の位置に保持される、あるいは保持されるようになるように更に発展されていることが好ましい。

永久磁界を用いることによって、可動要素を、具体的には連続的に、無動力の様態で第１及び第２の位置の両方において保持することが可能であるため、それ以上の動力をシステムにもたらす必要がない。

固定子が、極性が反対にされた２つの永久磁石を含んでいる実施の形態は特に好ましい。本発明の枠組みにおいて、極性が反対にされるということは、具体的には、２つの永久磁石の極が互いに反発するように互いに対して配置されている、すなわち同じ極が互いに隣接するように配置されているということである。よって、第１及び／又は第２の位置において可動要素を無動力で保持することを可能にするのは、特に容易なことである。よって、可動要素は永久磁石を全く含んでおらず、むしろ常磁性及び／又は強磁性材料、ならびに、該当する場合は付加的に非磁性材料のみで構成されることが好ましい。該強磁性材料は、磁界強化効果がより大きいため、好ましい。

電磁界を発生させるために、コイルが前記永久磁石の間に好適に設けられていることが好ましい。この配置によって、比較的小さな電磁界であっても、可動要素を移動させることが可能になる。電磁アクチュエータの移動中あるいは切替中、２つの永久磁石の永久磁界及びコイルの電磁界は共に作用する。よって、永久磁石が電磁界によって消磁されないようにすることが可能となる。

前記第１及び前記第２の位置を決定する２つのストッパが設けられていることが好ましい。ストッパによって、可動要素は終端位置あるいは中間位置に入り、可動要素はこれらの位置を超えて通過することはできない。前記可動要素を一方のストッパに接して配置すると、具体的には消滅しない力が前記可動要素に対して該ストッパの方向に作用することが好ましい。よって、可動要素は準安定位置の方向に引き寄せられることが好ましいが、ストッパがあるため、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。この点に関し、磁力は各位置において作用しており、すなわち、可動要素が第１の位置にある場合には、第１の位置において、可動要素が第２の位置にある場合には、可動要素が所定の様態でストッパに接して保持されるように、対応するストッパの方向に作用している。その結果として、非常にはっきりと定義された位置が生じる。

ストッパを設ける代わりに、ストッパを設けないことも可能であり、永久磁石を用いることにより発生した永久磁界と可動要素の材料との共働作用によってエネルギー的に最小の領域において、第１あるいは第２の位置を使用可能にすることも可能である。しかしながら、ストッパを有する変形例には定義される位置があるため、好ましいことは明白である。

常磁性及び／又は強磁性材料が、前記固定子の前記永久磁石の間に配置されている場合、可動要素が第１の位置から第２の位置、あるいはその逆に移動するには、電磁界のためには非常に小さな電力で十分である。よって、常磁性及び／又は強磁性材料は、固定子の特定の部分に存在する。

コイルは、固定子の永久磁石と、具体的には常磁性及び／又は強磁性材料とによって外側が囲まれていることが好ましい。
常磁性及び／又は強磁性材料を配置することにより、可動要素及び固定子の両方において、磁束誘導がコイルについて発生するため、コイルを通っている小さな磁流あるいは磁束を用いて、高磁界、したがって高出力密度を既に獲得することが可能である。

本発明による可動要素の長手方向の移動は、管の長手軸に沿っていることが好ましい。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的、具体的には回転対称の磁界が発生することが好ましい。これにより、また、特に可動要素、コイル、管及び／又は永久磁石は、断面が環状であるということによって、すなわち具体的には長手軸を横断する断面において、一定の力が可動要素に作用するため、わずかな作用力で移動が可能となる。可動要素の第１の位置から第２の位置への、あるいはその逆の、移動の過程又は切替の過程には、１００ミリ秒未満かつ５００ミリアンペア未満のコイルを流れる短い電気スイッチングインパルスで十分である。

外科用器具又は医療器具、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好ましい。
更に、本発明の目的は、特に電磁アクチュエータにおいて使用するための管の製造方法によって解決され、該方法は、少なくとも１つの磁石が配置されている金型を供給する工程と、成形化合物を前記金型に導入する工程であって、少なくとも金型の、少なくとも１つの磁石が配置されている領域において、成形化合物が強磁性粒子を有する、工程と、安定した管を形成するために、成形化合物を硬化させる工程とを含む方法によって解決される。

強磁性粒子が磁界によって整列された後、管を金型から取り外した後でも、強磁性粒子がその整列を維持するように、成形化合物の硬化が金型の中で起こることが好ましい。特に、これによって金型において完全に硬化されることが好ましい。金型の中には少なくとも２つの領域が設けられることが好ましく、第１の領域には、強磁性粒子を有する成形化合物が導入され、第２の領域には、強磁性粒子を含まない成形化合物が導入される。強磁性粒子を整列させる磁界は、金型の中に配置された磁石によって第１の領域に提供されることが好ましい。成形化合物が金型の中の強磁性粒子を含まない金型の中間領域に導入され、強磁性粒子を有する成形化合物がこの中間領域に隣接するこれらの領域の少なくとも２つに導入されることが好ましい。

強磁性粒子は非球面状、特に長尺状であることが好ましい。これによって、作動中、あるいは本発明による電磁アクチュエータに管を取り付けた後に、管の異方性の透磁率を確保する磁気針の一種が生じる。

本発明は、本発明の概念を限定することなく、図を参照した例示的な実施形態を用いて、以下で説明されている。該説明において、我々は、文中ではあまり詳細には説明されていない本発明の全ての詳細に関しては、特に図面を参照している。

本発明によるアクチュエータを有する内視鏡の一部の概略的な三次元の断面図である。 図１の概略的な断面拡大図である。 本発明によるアクチュエータの別の実施の形態の概略的な断面図である。 図３の実施の形態の概略的な断面図に、磁束を概略的に示した図である。 図３の実施の形態の概略的な断面図に、磁束を概略的に示した図である。 本発明によるアクチュエータの一部の概略的な断面図である。 本発明による管の概略的な上面図である。 金型の概略的な断面図である。 図９は、本発明による管の概略図である。 図１０は、透磁率に対してプロットされる力に関する線図である。

以下の図面において、同一あるいは類似する種類の要素及び／あるいは部品には、これらについて再度説明することを省くために、同一の符号が付されている。
図１は、本発明によるアクチュエータを有する内視鏡の一部の概略的な三次元の断面図である。アクチュエータは内視鏡のシャフト（図示なし）内に配置されていてもよい。図１において、内視鏡のシャフトは、アクチュエータの周りに同軸状に配置される。すなわち、内視鏡のシャフトは、摺動管１１の遠位端１８の外径よりも多少大きな直径を有している。

摺動管１１は、強磁性材料を含んでおり、可動要素１０の半径方向のガイドとして機能する。可動要素１０は、例えば対物レンズの一部であるレンズ１３を有していてもよく、該対物レンズは、固定保持要素１２に挿入されて保持されているレンズ１４及び１５も有する。固定保持要素１２は摺動管１１内に固定され、あるいは取り付けられており、ストッパ１６を形成する。遠位端方向における付加的なストッパ１７も、内向きカラーを介して摺動管１１によって形成される。図１によるこの例示的な実施形態は、軸方向に移動可能な要素１０が備えられる、回転対称な構造を有している。軸方向可動要素１０は、図１に示されるように、近位側の位置から左側のストッパ１７に向かって、遠位側の位置まで移動可能である。可動要素１０は、具体的には軟磁性材料、例えば強磁性材料、で作製されているか、あるいはこの材料を有する、スリーブの一種として構成される。

強磁性及び／あるいは常磁性の材料を含むことに加え、可動要素１０は、摺動管１１の内壁側に配置された表面に、摩擦低減コーティングを有していてもよい。
本発明によると、管１１、すなわち摺動管は、１より大きく、しかも特に好ましくは１．５〜２００の間の範囲の、特に更に好ましくは２〜１００の間の、特に好ましくは５〜２０の間の透磁率を有する。該管はこの透磁率の合金を有する材料で作製されていてもよく、あるいは該材料を含んでいてもよい。このような透磁率を有するセラミックが提供されてもよく、あるいは粒子（例えば強磁性粒子）が導入されたセラミックが提供されてもよい。よって、本発明によると、プラスチックが、強磁性粒子が導入された摺動管１１又は管１１として提供されてもよい。

図２は、図１の拡大断面図であり、それぞれの要素の形状を明確に認識することが可能である。可動要素１０は遠位側磁極片２７と近位側磁極片２８とを有する。これらは磁界及び永久磁石２０及び２１と共に作用し、永久磁石２０及び２１は、リング状に構成され、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る。常磁性あるいは強磁性材料で作製され、磁極片と共に、あるいは磁極片として構成された、第１の中間部分２２及び第２の中間部分２３が、永久磁石２０及び２１の間に設けられている。第１の中間部分２２及び第２の中間部分２３は、一体的であってもよく、すなわち単一の中間部分を形成していてもよい。更に、コイル２４が設けられており、コイル２４は、外側は第１の中間部分２２と第２の中間部分２３とに囲まれ、内側は、摺動管１１により中断されていることを除けば、可動要素１０の常磁性及び／又は強磁性材料によりこれも囲まれている。よって、電磁界が非常に強く強化されるようになっている。電磁アクチュエータの固定子１９は、主に２つの永久磁石リング２０及び２１と、２つの中間部分２２及び２３と、コイル２４とで構成されている。

可動要素１０が作製され得る材料、あるいは可動要素１０が有する材料は、例えばＳｔ−３７あるいはＣ−４５ｋであってもよい。可動要素の外側の輪郭線は、ダブルアンカーを示している。よって、２つの磁極片、すなわち遠位側磁極片２７及び近位側磁極片２８、が得られる。その上、磁極片の外面は、摺動管１１と可動要素１０とが摺動して組み合わさるための摺動面として機能する。可動要素の内側の輪郭線は、軸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を取り付けるための肩部を統合するために、ある程度対称形から逸脱することも可能である。可動要素は、艶消しの黒色に構成されていることが好ましい。

固定子１９は主に、同一の材料あるいは同一の磁気強度及び磁化強度ならびに同一の寸法を有する、２つの類似した永久磁石を含んでいる。更に、コイル２４が、磁界を強化及び集中させるための磁束誘導装置として機能する２つの永久磁石要素あるいは中間部分２２及び２３と共に設けられる。中間部分２２及び２３は、固定子の長尺方向断面において蹄鉄状の、磁極片のような対称的な構成になっている。可動要素１０及び固定子１９は両方とも、軸対称の構造になっていることが好ましい。永久磁石２０及び２１は極性が反対にされているか、あるいは係合した様態で取り付けられる。

電磁アクチュエータは、４つの異なる状態で存在し得る。第１の状態は、図１及び２に示された状態であり、可動要素１０が安定的な近位側の位置に配置されている。その結果生じる永久磁石の力は、可動要素に作用して近位側のストッパ１６を押圧する。更に、可動要素は、図１及び図２には図示されていない、安定的な遠位側の位置に配置されてもよい。その結果生じる永久磁石の力は、可動要素１０に作用して遠位側のストッパ１７を押圧する。

第３の状態は、アクチュエータが可動要素を遠位側の位置から移動させる状態である。その結果生じるコイル及び永久磁石の力が、可動要素１０を近位側の方向に移動させる。反対に第４の状態は、アクチュエータが可動要素１０を近位側の位置から移動させる状態であると定義される。その結果生じるコイル及び永久磁石の力は、可動要素１０を遠位側の方向に移動させる。

機能性については以下でより詳細に説明される。
電磁アクチュエータの概略的な断面図が図３〜５に示されており、それぞれの要素ならびに特徴が概略的に示されている。図３において、コイル２４は電力がない状態であり、すなわち磁界を発生させていない。図１及び２のように、固定子は、断面が蹄鉄状に構成され、強磁性材料で作製された中間部分２２、２３及び２３’を含んでいる。中間部分２２、２３及び２３’は１つの共通片、すなわち一体部として製造されていてもよい。

符号２５は概略的にＳ極を示しており、符号２６は概略的にＮ極を示している。符号２２は第１の中間部分あるいは要素を示しており、符号２３及び２３’はそれぞれ第２の中間部分あるいは磁極片として構成された要素を示している。同様に要素１０、２７及び２８は、可動要素１０の強磁性体部分を示しているが、これは、結合した一体部分であってもよい。符号２７は遠位側磁極片、符号２８は近位側磁極片を示している。

この場合、可動要素の保持力は、２つの永久磁石による永久磁界を介してのみ生じる。係合した磁石２０及び２１を用いることにより、同一の磁極片が固定子の磁極片２３及び２３’の両方の上に配置されている。磁束は最も低い磁気抵抗の経路を辿ろうとする。空気と比較とすると、使用されている強磁性材料の磁気抵抗はかなり低く、そのため、システム全体で空隙を最小限にしようとしている。これはリラクタンスと呼ばれる。好ましくは軟磁性材料又は強磁性材料で作製されている磁極片が重ね合わされ、それによって移動が起こり、あるいは力が得られる。

図３に示されているように、力３１によって近位側ストッパ要素３０側に向かう近位側の方向への保持力を獲得するためには、以下の条件が与えられるべきである。遠位側の永久磁石２０の遠位端に対する可動要素の遠位側磁極片２７の位置よりも、近位側永久磁石２１の近位端に対する可動要素１０の近位側磁極片２８の位置の方が近くなるように配置される必要がある。したがってａがｂより大きくなければならない。さらに、可動要素１０の近位側磁極片２８は、アンカーの近位側磁極片２３を超えて近位方向に突出している必要がある。したがって、ｃは０より大きくなければならない。ｃが０であったら、該システムは磁気的あるいはエネルギー的に最小のものとなるであろう。その場合、結果として生じる力３１は、もはや存在しないであろう。エネルギー的に最小の方向への力は、この位置から出て移動する場合にのみ生じるであろう。このことは、非離散的な位置決めにつながり、これがこのようなストッパを有する実施形態が好ましい理由である。

該システムの磁気抵抗が最も低い状態、あるいはエネルギー的に最も有益な状態が可動要素１０によって獲得可能となるように、可動要素１０は両方の磁石２０及び２１のための帰磁路を形成する。可動要素の位置に応じて、すなわちストッパ要素２９あるいは３０の位置にも応じて、様々な保持力が得られる。図示の例において、電磁アクチュエータは、ストッパに接する、すなわち例えば近位側ストッパ要素３０に接する、可動要素１０の位置が、エネルギー的に最も有益な状態とは対応しないように構成されている。よって、電磁アクチュエータは可動要素を抵抗が最も低い位置に引き寄せ続け、それによって生じる保持力（リラクタンス）が生じる。

可動要素１０を近位側の位置から遠位側の位置へと移動させるために、コイル２４に電流が供給される。これにより遠位方向の力を発生させる全体の磁界が発生させられてもよく、この力は近位方向の保持力よりも大きい。このことは図４及び５に示されている。遠位方向の力は、移動力３４として明記されている。コイル２４に電流を供給することによって、磁界は遠位側の永久磁石２０及びコイルの磁界の総和となり、このことはＮ極２６及びＳ極２５として図４及び図５の左側に概略的に示されている。コイルは、理想的には遠位側の永久磁石２０に対応する磁束を発生させる。よって、磁界は近位側の第２の中間部分２３あるいは固定子の極極片に向かって強くなる。遠位側の永久磁石２０及びコイルは、抽象的にいえば大型の結合した磁石を形成し、該磁石は、概略的には近位側の永久磁石２１よりも大きな、理想的には２倍の磁界の強さを有する。よって、図４及び５に示された対応する磁流あるいは磁束３２及び３３、ならびに遠位端側への対応する移動力３４が生じる。３つの磁性要素（両方の永久磁石２０及び２１とコイル２４）の共働作用によって、可動要素１０は近位側の位置から遠位側の位置へと移動させられる。

図示される構造を用いることによって、コイルの磁束が永久磁石の磁束を完全に消滅させる必要がない。よって、コイルの磁界が永久磁石を消磁する可能性が減少している。コイルを強磁性材料で取り囲むことによって、非常に高い効率が得られる。このことによって、内視鏡の遠位側の領域において避けるべき、必要とされる切替電流及び潜在的な加熱が最小となる。

最新技術による電磁アクチュエータの場合、例えばガイド管又は管などの、可動要素の案内部が用いられており、案内部は例えばステンレス鋼、セラミック、あるいはプラスチックなどで作製され、透磁率（μ_ｒ）１あるいは約１を有し、磁界が空気と同様に作用する。特に、顕著に小型化されたリラクタンスアクチュエータとも呼ばれる電磁アクチュエータの場合、効率を可能な限り高く維持することが重要である。これは、小型化をすると、力は４乗にまで減少するからである。このことから、例えば、磁石と可動要素との間の空隙を減らしてもよい。しかしながら、ガイド管又は管を用いることを踏まえて、最小限の厚みが必要とされる。よって、空隙を際限なく減らすことは不可能であり、効率を最適に上げることは不可能である。本発明によると、ガイド管又は管の透磁率は、「空隙」を減らすために上げられる。

これに関して、図１０は、管１１の透磁率μ_ｒに対する力を示す線図を示している。縦軸はナノメートル中の力Ｆを示している。横軸は透磁率μ_ｒを示している。曲線６１は、残留磁気０．３Ｔの複数の永久磁石を使用している場合に、終端位置にあるときの本発明によるアクチュエータの保持力を示している。符号６３は点線により、コイルの電流密度（Ｓｐｕｌｅｎｄｕｒｃｈｆｌｕｔｕｎｇ）１００Ａ／ｍｍ^２及び永久磁石の残留磁気０．３テスラの場合に、終端位置にある時のこのアクチュエータの切替力を示している。それに対応して、曲線６２は、残留磁気０．５Ｔの複数の永久磁石を使用している場合に、終端位置にあるときのアクチュエータの保持力を示しており、曲線６４は、コイルの電流密度１００Ａ／ｍｍ^２、複数の永久磁石あるいは１つの永久磁石の残留磁気が０．５Ｔの場合に、アクチュエータが終端位置にある時の切替力を示している。よって図１０は、本発明による双安定の電磁アクチュエータの保持力、及び切替力に及ぼす管１１の透磁率の影響を示している。これらの曲線は、有限要素法シミュレーションを用いて割り出された。

保持力は透磁率約２までは上昇し、その後低下して、透磁率約６において初期値未満に低下するということがわかる。より大きな効果が、切替力について見られる。切替を行うためには、切替力は負である必要がある。これは、コイルの周囲の磁気回路は、管１１を介する透磁率によってより良好に閉じられ、これにより、コイルが発生させる磁束が増加するからである。０．５Ｔの永久磁石を用いる場合、すなわち曲線６１及び６３の場合、切替力が正であるため、アクチュエータは透磁率１において機能していないということが目立っている。切替力は、空隙における透磁率が上昇しているときにのみ負になる。両方の電磁アクチュエータは、曲線６３及び６４の交差する地点において、すなわち透磁率が約５のときに、同一の切替力に達する。しかしながら、残留磁気０．５Ｔでは、保持力は３倍近く高い。透磁率が約２０になるまでは、残留磁気０．５Ｔの電磁アクチュエータは、残留磁気０．３Ｔの電磁アクチュエータの絶対最大保持力よりも、高い保持力に達する。しかしながら、この領域における切替力は４倍よりも大きい。

摺動要素とも呼ばれる管１１について、材料は機械加工された状態に作製されてもよく、好ましくは冷間成形されてもよい。とりわけ、ローラバニシングあるいは深絞り加工がここでは考慮される。具体的には、冷間成形された管が好ましい。ＥＭＣシールドで使用される材料も使用してもよい。これには、例えばニッケルフェライトなどのフェライトが考えられる。

代替案として、例えば強磁性粒子が充填されたプラスチック製の管が製造されてもよい。プラスチックに強磁性粒子を充填するレベルによって、管の透磁率が良好に設定され得る。例えば、２〜１００の透磁率が問題なく設定可能となる。製造中、注入された未加工材料は、機械仕上げされてもよく、あるいは射出成形の製造工程が用いられてもよい。

図６は、本発明によるアクチュエータの一部の特に好ましい実施形態を、断面図で示している。具体的には管１１と、それぞれＳ極２５及びＮ極２６を備える磁石２０、２１の一部とが、管１１の中での位置がより良好に示されるように図示されている。図４の実施形態によると、管１１は、互いに長手方向に連なるように配置される、複数の部分に分割されている。よって、管は、例えば透磁率が１あるいは約１である、中間領域４１が設けられるように構成されてもよい。この中間領域４１は２つの管領域４０及び４２に隣接しており、該管領域４０及び４２は、例えば２〜１００、あるいは４〜６０、あるいは６〜４０、あるいは８〜４０の増大した透磁率、あるいは２〜１００の範囲の別の透磁率を有する。点線で示されるように、これらの管領域４０及び４２は磁石２０及び２１の領域に位置していてもよく、好ましくは、これらの磁石からわずかにずれている。端部領域４４がその後両側に接続されてもよく、端部領域４４において管は透磁率１あるいは約１を有する。しかしながら、端部領域４４はより高い透磁率を有していてもよく、具体的には領域４０及び４２の透磁率を有していてもよい。この実施形態は、磁石２０及び２１の間の管を介して、可動要素１０を保持し可動要素１０を切替えるための磁束が消失することを防ぐ。よって、磁束は管１１によって束ねられ、すなわち管１１を通って半径方向に束ねられる。

このような管を製造するために、例えば射出成形、具体的には図８の概略的な断面図で示されるような金型を用いてもよい。金型５０は、ゲートマークとして使用される、ここでは３つの開口部５１、５１’及び５１’’を有することが示されている。金型５０は外殻、内管を有し、全ての面を覆う。管状であり、そこから管１１が形成される中空のスペースがこれらの要素の間に構成されている。金型５０の軸方向の端部領域には、具体的には前面からわずかに間隔をあけて、磁石５２、５３及び５４が右側に、５２’、５３’及び５４’が左側に設けられ、これらの磁石が、射出成形中に成形化合物中の強磁性粒子を確実に磁化することを可能にする。例えば、強磁性粒子６０を有する成形化合物５９が開口部５１に導入され、同様に強磁性粒子６０を有する成形化合物５９が開口部５１’’にも導入される。具体的には強磁性粒子を全く含まない成形化合物５８が、中間の開口部５１’に導入される。このようにして、複数の領域を有する管が製造されてもよく、そのような管が図９に概略的に示されている。ここでは管１１は概略的な断面図で示されており、領域４０、４１及び４２がこの管の下方に拡大詳細図で示されている。整列した強磁性粒子６０が左及び右の領域、すなわち領域４０及び４２の拡大詳細図に示されており、強磁性粒子を含んでいないプラスチックが、領域４１の拡大詳細図に示されている。これによって非常に効率のよい製造工程となる。

強磁性粒子６０は、成形化合物５８及び５９の導入後、磁石５２、５３及び５４あるいは５２’、５３’及び５４’の力線に従って自己整列する。当該成形化合物、あるいは例えば二成分ポリエステルあるいはエポキシ樹脂などのプラスチックであり得る成形化合物が硬化した後、領域４０及び４２の透磁率は維持される。

本発明によるアクチュエータの更なる発展例では、図７の上面図に概略的に示されるとおり、管１１は、周方向において、隣り合って異なる透磁率を有する部分あるいは領域に分割される。この上面図は周方向に、増大した透磁率を有する３つの領域、すなわち右側に４３、４５及び４７と、透磁率が１あるいは約１である２つの領域４４及び４６とを示している。増大した透磁率を有する別の領域は、覆い隠されているため、図７では見えない。この例示的な実施形態において、領域の構造には管１１の左側に、増大した透磁率を有する領域４３’、４５’及び４７’と、透磁率が約１である４４’及び４６’とが設けられる。周方向における領域の構造は、可動要素が長手方向に移動している際に回転することを防ぐ機能も果たす。可動要素は、可動要素の周方向に構成された磁極片２７及び２８を有していてもよい。これらの磁極片２７，２８は、周方向に構成された管１１の領域と磁気的に係合する。

磁石５２、５２’、５３、５３’、５４、５４’を金型５０の中に設けることによって、好ましくは非球面形状に、具体的には長尺状に構成された強磁性粒子は、管１１の製造中に整列される。製造された摺動管１１では、製造中に金型５０の磁石の有効範囲に存在した領域に、異方性の透磁率が生じる。よってアクチュエータの摺動管１１は、軸方向においてよりも、半径方向において、より高い磁束を許容する部分を有することになる。領域２５及び２６を備える磁石と、磁極片２３及び２３’とを通る磁界の磁束の短絡が避けられ、あるいは減らせる。強磁性粒子の整列によって、磁束の軸方向においてよりも、磁束の半径方向において磁化率が上昇する。

電磁アクチュエータは、光学系を有する内視鏡において用いられることが好ましい。具体的には、レンズが長手軸３５に沿って長手方向に移動可能であるように、レンズが電磁アクチュエータと共に移動されてもよい。よって対物レンズの焦点合わせ、あるいは焦点距離移動が可能となる。レンズの代わりに、あるいはレンズに加えて、ミラーが備えられていてもよく、該ミラーによって内視鏡の遠位側領域におけるオペレータの視野方向を変更することができる。本発明による解決方法を用いることによって、わずかな構築努力とわずかな空間要件とで、例えばレンズのために利用可能な内腔をほんのわずかに縮小させて、非常に明るい対物レンズ、ひいては明るい内視鏡が実現可能になる。

図面から把握されるものも含め、挙げられた単独の特徴及び他の特徴と組み合わせて開示されている個々の特徴の全ては、単独で、及び組合せで、本発明の本質的なものとして考慮される。本発明による実施形態は、個々の特徴、あるいはいくつかの特徴の組合せによって実現可能である。

１０…可動要素、１１…摺動管、１２…固定保持要素、１３…レンズ、１４…レンズ、１５…レンズ、１６…ストッパ、１７…ストッパ、１８…遠位端、１９…固定子、２０…永久磁石、２１…永久磁石、２２…第１の中間部分、２３、２３’…第２の中間部分、２４…コイル、２５…Ｓ極、２６…Ｎ極、２７…遠位側磁極片、２８…近位側磁極片、２９…遠位側ストッパ要素、３０…近位側ストッパ要素、３１…力、３２…磁束、３３…磁束、３４…移動力、３５…長手軸、４０、４１、４２…管領域、４３、４３’、４４、４４’…管領域、４５、４５’、４６、４６’…管領域、４７、４７’…管領域、５０…金型、 ５１、５１’、５１’’…開口部、５２、５２’…磁石、５３、５３’…磁石、５４、５４’…磁石、５８…成形化合物、５９…強磁性粒子を有する成形化合物、６０…強磁性粒子、６１…保持力、６２…保持力、６３…切替力、６４…切替力、ａ…距離、ｂ…距離、ｃ…距離

Claims (17)

1. 外科用又は医療器具、特に内視鏡、の電磁アクチュエータであって、該アクチュエータは固定子（１９）と、可動要素（１０）とを備え、前記可動要素（１０）は、常磁性及び／又は強磁性材料を少なくとも部分的に含み、かつ、電磁界を印加することによって第１の位置から第２の位置へと移動可能であり、前記可動要素（１０）は、該可動要素が長手方向に移動可能であるように管（１１）内に支持されており、前記管（１１）は強磁性材料を含むことを特徴とする、電磁アクチュエータ。
2. 前記管（１１）の透磁率は、少なくとも複数の部分において、下限が１．２あるいは２、３、４又は５であり、上限が２００、１００、４０、３０、２５あるいは１２の範囲であ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. 前記管（１１）は、強磁性粒子が充填されたプラスチックを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の電磁アクチュエータ。
4. 前記管（１１）は軸方向において領域（４０、４１、４２）を有し、該領域（４０、４１、４２）の透磁率は互いに異なることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
5. 前記管（１１）の中間領域（４１）に隣接する少なくとも１つの領域（４０、４２）は、該中間領域（４１）よりも高い透磁率を有す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. 前記管（１１）の少なくとも１つの領域（４０、４２）は、異方性の透磁率を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
7. 前記管（１１）は周方向において領域（４３、４３’、４４、４４’、４５、４５’、４６、４６’、４７、４７’）を有し、該領域の透磁率は、周方向において隣接する領域の透磁率とは異なることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
8. 前記可動要素（１０）は永久磁界によって第１の位置に保持される、あるいは保持されるようになり、第２の位置へ移動した後、永久磁界によって第２の位置に保持される、あるいは保持されるようになることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
9. 前記固定子（１９）は、極性が逆にされた２つの永久磁石（２０、２１）を含むことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
10. 電磁界を発生させるために、コイル（２４）が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
11. 前記コイル（２４）は、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１０に記載の電磁アクチュエータ。
12. 前記第１及び前記第２の位置を決定する、２つのストッパ（１６、１７）が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
13. 前記可動要素（１０）を一方のストッパ（１６、１７）に接して配置すると、力（３１）が前記可動要素に対して該ストッパ（１６、１７）の方向に作用することを特徴とする、請求項１２に記載の電磁アクチュエータ。
14. 常磁性及び／又は強磁性材料が、前記固定子（１９）の前記永久磁石（２０、２１）の間に配置されていることを特徴とする、請求項９乃至１３のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
15. 前記可動要素（１０）、前記コイル（２４）、前記管（１１）及び／又は前記永久磁石（２０、２１）は、断面が環状であることを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータ。
16. 請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータを有する、外科用あるいは医療器具、特に内視鏡。
17. 特に電磁アクチュエータにおいて使用するための管（１１）の製造方法であって、
    少なくとも１つの磁石（５２〜５４’）が配置されている金型（５０）を供給する工程と、
    成形化合物（５８、５９）を前記金型（５０）に導入する工程であって、少なくとも金型（５０）の、少なくとも１つの磁石（５２−５４’）が配置されている領域において、成形化合物（５９）が強磁性粒子を有する、工程と、
    安定した管（１１）を形成するために、前記成形化合物（５８、５９）を硬化させる工程と
    を含む方法。
    

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