(57)【要約】【課題】低コストで製造され、構造体のｚ方向軸において当該軸に垂直なｘ−ｙ方向においてよりも５〜２０倍高い感度を有する光学式力検出要素を開示すること。【解決手段】一体式の構造体が、３つのノッチを含み、それら全てのノッチは、間に２つのブレード部を形成することにより、同一の方向からパンチ様に作られる。当該構造体が、ｚ軸に平行なチャネルの内部に固定された３つの光ファイバを含み、当該光ファイバは、底面から入って頂面またはその近傍に達し、光ファイバを有するチャネルは当該構造体内において第１のノッチだけを横切って他の２つのノッチを迂回し、全ての光ファイバは当該第１のノッチ内にファブリペロー干渉空間を有する。【選択図】図４
2013160756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つの直行する方向ｘ、ｙ及びｚで力Ｆを測定するための、微細手術用機器のための光学式力検出要素において、
一体式のシリンダ構造体（１）を備え、当該構造体は、ｘ−ｙ平面に広がる底面（３）と、ｚ方向の軸と、当該ｚ方向の軸を囲む円筒状表面（４）と、前記底面（３）の反対側にあり測定されるべき力Ｆを吸収して伝達することに適した頂面（５）と、を有しており、
前記構造体は、３つのパンチ様ノッチ（６）を有しており、当該ノッチは全てｙ方向に平行で前記ｚ軸に沿って離間しており、第１及び第２のノッチ（６）の間と当該第２及び第３のノッチ（６）の間にｘ−ｙ平面に平行な２つのブレード部（７）を形成しており、
前記構造体は、更に、３つのチャネル（８）を含んでおり、当該チャネルは、前記円筒状表面（４）に対して開放または閉鎖されており、前記ｚ方向の軸に平行で前記底面（３）から前記頂面（５）まで延びており、当該構造体（２）内において前記第２及び第３のノッチ（６）を迂回しながら前記第１のノッチ（６）を横切っており、
当該力検出要素は、更に、３つの光ファイバ（９）を備え、当該光ファイバの各々は、前記３つのチャネルの１つに固定されており、
前記光ファイバは全て、前記底面（３）から前記構造体（２）に入り、前記第１のノッチを横切って前記頂面（５）またはその近傍まで延びていて、前記第１のノッチ（６）内で分断されており、前記光ファイバの各々に、ファブリペロー干渉空間（１３）を規定することによって、２つの表面（１０，１２）が形成されている
ことを特徴とする光学式力検出要素。
【請求項２】
前記チャネル（８）は、前記構造体（２）の当該チャネルの全長に渡って、前記円筒状表面（４）に対して開放されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光学式力検出要素。
【請求項３】
前記光ファイバ（９）は、前記チャネル（８）内に接着剤によって固定されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学式力検出要素。
【請求項４】
前記構造体（２）は、チタン、セラミック、ポリマー、ステンレス鋼、または非腐食性金属である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項５】
前記ノッチ（６）は、中央のｘ−ｚ平面に対して鏡映対称であり、
当該ノッチは、中心のｙ軸に対して１８０°の回転対称性を有している
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項６】
前記構造体（２）は、温度検知装置（１４）を含んでいる
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項７】
ニュートラルな位置において、分断された各光ファイバ（９）の前記２つの表面（１０，１２）の間の各ファブリペロー干渉空間（１３）の間隙は、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項８】
前記第１のノッチ（６）は、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍというｚ方向における幅ｗを有している
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項９】
前記第１のノッチ（６）は、前記光ファイバ（９）と光ファイバ分離区画部（１１）の端部（１０、１２）を保護する機械的ストッパ（１５）を含んでいる
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項１０】
前記構造体（２）は、０．５ｍｍ〜４ｍｍというｘ−ｙ方向の外径を有している
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項１１】
前記構造体（２）は、０．０２ｍｍ〜０．４ｍｍというブレード部の厚さを有している
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項１２】
前記光ファイバ（９）及び／または光ファイバの分離区画部（１１）の端面（１０，１２）は、半反射性被覆剤で被覆されている
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項１３】
前記構造体（２）の熱膨張率（ＴＣＥ）は、前記光ファイバ（９）及び／または光ファイバの分離区画部（１１）のＴＣＥと同じである
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項１４】
光ファイバの分離区画部の熱膨張率（ＴＣＥ）は、前記構造体（２）のＴＣＥと同じである
ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項１５】
前記頂面（５）は、シャフト（１７）を取り付けるための接合部（１６）を含んでいる
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項１６】
前記ｚ方向の軸に沿った中心貫通穴を備えている
ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の光学式力検出要素。
【請求項１７】
ハウジング（１８）に取り付けられた請求項１乃至１６のいずれかに記載の光学式力検出要素（１）と、前記光ファイバ（９）を含みコネクタ（２０）を有するケーブル（１９）と、を備えた微細手術用機器において、
長尺状のシャフト（１７）が、前記頂面（５）に取り付けられており、当該シャフトは、前記ハウジング（１８）の外部に達しており、成形された先端部（２１）を有している
ことを特徴とする微細手術用機器。
【請求項１８】
請求項１乃至１６のいずれかに記載の光学式力検出要素（１）を製造する方法において、
０°に剥かれ或いは磨かれた光ファイバ端部（１０）を有している３つの連続した単一光ファイバ（９）が、前記構造体（２）の開放され或いは閉鎖された前記チャネル（８）に、前記底面（３）から挿入され、前記第１のノッチ（６）に達し、
０°に剥かれ或いは磨かれた光ファイバ端部（１２）を有している光ファイバの３つの分離区画部（１１）が、前記チャネル（８）に、前記頂面（５）から挿入されて前記第１のノッチ（６）に達し、
前記光ファイバ（９）と前記光ファイバの分離区画部（１１）は、前記ファイバ端面（１０，１２）が互いに対して平行な状態で、当該光ファイバ端部（１０，１２）の間に前記ファブリペロー干渉空間を規定することによって、前記第１のノッチ（６）の両側で前記構造体（２）に固定される
ことを特徴とする光学式力検出要素を製造する方法。
【請求項１９】
請求項１乃至１６のいずれかに記載の光学式力検出要素（１）を製造する方法において、
３つの連続した単一光ファイバ（９）が、前記ノッチ（６）を有する前記構造体（２）の開放され或いは閉鎖された前記チャネル（８）に、前記底面（３）から挿入され、前記第１のノッチ（６）を通り、前記頂面（５）またはその近傍に達し、
前記３つの連続した光ファイバ（９）は、先に、前記第１のノッチ（６）の両側で前記構造体（２）に固定され、
その後、前記光ファイバ（９）は、前記第１のノッチ（６）の領域で、好ましくはレーザーマイクロマシニングによって切断されて、前記ファブリペロー干渉空間（１３）が規定され、前記連続した光ファイバ（９）は、前記光ファイバ（９）と光ファイバの分離区画部（１１）とに分離される
ことを特徴とする光学式力検出要素を製造する方法。
【請求項２０】
３つのノッチ（６）は全て、放電加工（ＥＭＤ）によって、前記構造体（１）に対して前記ｘ−ｚ平面で移動運動を行いながら、ｙ方向にカットされる、
ことを特徴とする請求項１８または１９に記載の光学式力検出要素を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３つの直交する方向ｘ、ｙ及びｚで力Fを測定するための、微細手術用機器のための光学式力検出要素に関する。当該要素は、一体式のシリンダ構造体を備え、当該構造体は、ｘ−ｙ平面に広がる底面（３）と、ｚ方向の軸と、当該ｚ方向の軸を囲む円筒状表面と、前記底面の反対側にあり測定されるべき力を吸収して伝達することに適した頂面とを有する。
【背景技術】
【０００２】
低侵襲な微細手術及び治療の分野において、器具またはツールの先端部に作用する接触力に関する体内フィードバック情報は、処置の結果を改善するために執刀医によって要求される重要なパラメータである。しばしば、アクセスが制限された状況は、前記器具と治療されている組織あるいは臓器との間の相互作用力の感覚に影響を及ぼし、対象の力が人間の知覚の閾値より低い。
【０００３】
本発明が適用される具体的事例は、鼓膜形成術において耳小骨連鎖の可動性を評価するために、中耳の外科的処置中に行われる触診に関する。耳小骨の可動性に関する知識は、外科的処置に関する決定や、聴力レベルの向上の経過（予後）にとって重要である。例えば、アブミ骨の可動性を評価するための微細手術用ツールに加えられる典型的な接触力は、１０ｍＮより低く、これは操作者の触覚感度の閾値より低い。
【０００４】
そのような中耳用３次元力検出ツールは、今日まで知られていない。報告されている唯一の器具は、「”An apparatus for diagnostics of ossicular chain mobility in humans” by Takuji Koike et al, International Journal of Audiology 2006; 45: 121-128」に記載されているように、アブミ骨の評価のためのツールであるが、１つの軸方向でしか測定することができない。
【０００５】
本発明が適用される他の具体的事例は、網膜の微細手術のための微小力検出ツールに関する。網膜の微細手術は、網膜組織のデリケートな処置が要求され、ツール−組織間の接触力は、しばしば、人間の知覚の閾値より低い。網膜の外科的処置中の微細手術用器具の先端での典型的な接触力は、７．５ｍＮより低い。
【０００６】
そのような網膜の外科的処置用３次元力検出ツールは、今日まで知られていない。横向き２方向の微小力をファイバブラッググレーティング技術を用いて測定する器具が、「”A sub-millimetri, 0.25mN resolution fully integrated fibre-optic force sensing tool for retinal microsurgery” by Iulian Iordachita et al, published online 15. April 2009 by International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery (Int J CARS)」で報告されている。
【０００７】
したがって、微細手術用機器またはツールの先端部と診察または治療されるべき組織または臓器との間の、３次元の接触力を検出しモニタリングする方法を提供することが望ましいであろう。
【０００８】
光ファイバ測定技術を用いてカテーテルの先端部の接触力を測定する、カテーテル適用技術のための公知の機構が報告されている。この機構では、力検出要素は前記先端部の近くに位置している。
【０００９】
カテーテル適用技術に使用されるそのような微細手術用機器のための一体式のシリンダ構造体を含む力検出要素は、周知である。３次元の力が当該構造体の先端部に作用することにより、当該構造体は、当該構造体の一組のノッチによって決まる予め決まった態様で変形される。これらノッチは、複数の弾力的な領域を規定し、ｘ、ｙ及び／またはｚ方向のいくつかに前記構造体を曲がりやすくする。前記構造体に組み込まれた光ファイバは、前記構造体の個々の部品の変位の量を測定することを可能にする。変位の量は、前記先端部に適用される力に比例する。当該光ファイバは、当該構造体に、当該構造体の底部から入り、チャネル内を案内され、当該構造体のノッチの１つまで延びている。当該光ファイバから出る光は、当該光ファイバの端部に対向する前記構造体の表面によって、逆反射される。逆反射された光は、再び当該光ファイバに入り、当該光ファイバの端部と当該光が反射された表面との間の距離を決定するために評価される。
【００１０】
カテーテルの先端部の接触力を測定するための公知の機構は、米国特許公開公報ＵＳ２００８／０００９７５０号に記載されている。この機構は、設計が大変複雑で、製造中に回転させる必要がある一体式の構造体に関する。さらに、当該構造体は、０．５ｍｍの壁厚と５ｍｍの最外径とを有する筒状体である。そのような構造体のサイズを小さくすることは、製造上の理由や機械的安定性の観点から、不可能である。
【００１１】
米国特許公開公報ＵＳ２００９／０１７７０９５号には、中央軸に沿って互いから離間した３つの同一ノッチを有する同様の筒状構造体が示されている。各ノッチは、ある側部からの切込によって作られていて、この側部は他の２つの側部から１２０°回転した位置にある。当該３つのノッチの各々では、光ファイバの端部に対向する前記構造体までの距離を測定する為に、１つの光ファイバがその端部を有する。前記光ファイバのいくつかが、その目的地に達するまで他のノッチを横切ることは、必然である。当該光ファイバを固定することは、必須である。この構造体は、一つ一つのノッチを製造している間は、回転される必要がない。しかし、依然として、前記ノッチをカット作業の合間に回転させなければならない。要求される精度で製造するには、相変わらず大変高価である。さらに、当該構造体は、軸方向において堅く、径方向において可撓性であるため、当該構造体に近い先端部に作用する力を検出することにだけ適している。
【００１２】
さらに他の構造体が、国際公開ＷＯ２００９１１４９５５号公報に開示されている。この構造体は、ｘ−ｙ平面、ｘ−ｚ平面またはｙ−ｚ平面のいずれかでブレード部を規定している平面でカットすることにより作られ、必要とされる可撓性の領域が規定されている。さらに、３つの光ファイバが、適用されている力を判定するために、ノッチにおける間隙の大きさを判定する。この構造体は、より小さく作ることが可能であり、２．５ｍｍより小さく、１．７ｍｍと２ｍｍとの間の直径を有する。残念なことに、この構造体は、ｚ方向には大変大きく、複雑であり、７つのノッチを含んでいる。同一の出願に示されている他の変形例は、長さ方向においてより小さく、２つまたは４つの切込しか含まないが、軸に垂直な方向において大変曲がりやすく設計されている。
【００１３】
これらの構造体は、製造するにはシンプルであるが、上述の目的、すなわち中耳の外科的処置や網膜の微細手術、のために用いることはできない。そのようなツールは、先端部を有するセンサ構造体の前方において長くて細いシャフトを含み、ｚ軸に垂直な方向（ｘまたはｙ方向）において遠くに位置する先端部に作用する力は、同じ方向ではあるが前記構造体の近くで作用する力より、慣性モーメントのために５〜２０倍強いという効果を前記構造体にもたらす。
【００１４】
さらに、感染のリスクを減らすために医療用器具を使い捨てにすることが、ますます一般的になっている。したがって、前記構造体は、低いコストで製造されるべくできる限りシンプルでなければならない。
【００１５】
公知の全ての構造体は、カテーテルと共に用いられ、したがって、横方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、及び、軸方向の力Ｆｚのために設計されているが、横方向の力は、可撓性の領域に近い前記構造体の頂部に適用され、当該可撓性の領域に対して前記構造体の直径ｄの３倍より離れた場所では適用されない。
【００１６】
これらの構造体は、外科的処置で使用されることが不可能である。外科的処置においては、横方向の力は、当該構造体の可撓性の領域に対して距離が遠く離れた場所で適用され、当該距離Ｄは、当該構造体の直径ｄの２０倍にまで達する。公知の構造体は、当該構造体を寸法決めし直すことによっても外科的処置への適用には適合され得ない、ということが既に示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
解決されるべき課題は、本発明の技術分野の欄で説明されたような微細手術用器具のための光学式力検出要素であって、低コストで製造され、構造体のｚ方向軸において当該軸に垂直なｘ−ｙ方向においてよりも５〜２０倍高い感度を有する光学式力検出要素を開示することである。さらなる課題は、中耳の外科的処置または網膜の微細手術のための微細手術用器具、及び、前記力検出要素を製造するための方法を開示することである。当該力検出要素の精度は、高くなければならず、製造コストは、低くなければならない。さらに、当該力検出要素は、小さな直径ｄを有さなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記問題は、当該問題に関する特許請求の範囲に記載の特徴によって解決される。
【００１９】
本発明の基本的な考えは、一体式の構造体が、３つのノッチを含み、それら全てのノッチは、間に２つのブレード部を形成することにより、同一の方向からパンチ様に作られること、及び、当該構造体が、ｚ軸に平行なチャネルの内部に固定された３つの光ファイバを含み、当該光ファイバは、底面から入って頂面またはその近傍に達し、光ファイバを有するチャネルは当該構造体内において第１のノッチだけを横切って他の２つのノッチを迂回し、全ての光ファイバは当該第１のノッチ内にファブリペロー干渉空間を有すること、である。
【００２０】
前記３つのノッチは、好ましくは、ワイヤEDM（Electrical Discharge Machining：放電加工）によって作られる。前記構造体の当該ノッチは、パンチ様に設計されているので、当該構造体は、全てのノッチを機械加工する全工程において回転される必要がない。これにより、前記構造体の精度が増し、製造コストが低くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、評価ユニットに接続された本発明に係る微細手術用器具の概略図である。
【図２】図２は、本発明に係る微細手術用器具を縦に切断した図である。
【図３】図３は、本発明に係る光学式力検出要素の斜視図である。
【図４】図４は、好適な実施の形態における本発明に係る光学式力検出要素を縦に切断した図である。
【図５】図５は、図４の光学式力検出要素の断面図である。
【図６ａ】図６ａは、好適な変形例の光ファイバを有するチャネルを示す図である。
【図６ｂ】図６ｂは、好適な変形例の光ファイバを有するチャネルを示す図である。
【図６ｃ】図６ｃは、好適な変形例の光ファイバを有するチャネルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
添付の図面は、本発明の好適な実施の形態を示す。
【００２３】
本発明は、添付の図面を参照して説明される。図１は、本発明による微細手術用機器２２の概略図を示している。当該機器２２は、コネクタ２０を有するケーブル１９内の光ファイバ９を介して、評価ユニット２３に接続されている。当該評価ユニット２３は、例えば、ファブリペロー干渉空間のギャップ長を読み取るためのＷＬＩシグナルコンディショナと、力ベクトルの計算を行うためのマイクロプロセッサまたはコンピュータと、から構成されているオプトエレクトロニクスユニットである。微細手術用機器２２は、執刀医によって手で扱われてもよいし、光学式力検出要素１を含むハウジング１８上に設けられた自動ロボットシステムによって制御されてもよい。微細手術用機器２２は、さらに、先端部２１を有する長くて細いシャフト１７を含み、当該シャフト１７は、ハウジング１８内の光学式力検出要素１に取り付けられている。力検出要素１の中心とシャフト１７の先端部２１との間の総距離は、長さＤである。使用中、３次元の力Ｆｘｙｚが、先端部２１に適用され、光学式力検出要素１で記録される。測定された情報は、ケーブル１９内の光ファイバ９を通り、コネクタ２０を経由して評価ユニット２３に伝達される。
【００２４】
図２に示されているように、力検出要素１は、細長いシャフト１７の後方のハウジング１８内に位置している。シャフト１７は、ハウジング１８の外部に達している。力検出要素１は、接続部１６を含み、当該接続部１６において、シャフト１７がしっかりと担持されている。力検出要素１の底面３は、ハウジング１８にしっかりと固定されているが、力検出要素１及びシャフト１７の残りの部分は、自由なままであり、先端部２１に適用される力Ｆの大きさや方向に応じて変形する。力検出要素は、シャフトの先端部２１における３次元の接触力Ｆを測定するために用いられる。先端部２１は、真っ直ぐに形成されてもよいし、４５°の角度のフック形状に形成されてもよいし、外科的処置に適した他のいかなる形状に形成されてもよい。力検出要素１は、例えば執刀医の指によって加えられる横方向の力から十分に保護され、且つ、力検出要素をより容易に液体や外部の塵から密閉するように、ハウジング１８の内部に取り付けられている。
【００２５】
可撓性の結合部２４が、ハウジング１８とシャフト１７との間に取り付けられていて、力検出要素１と当該力検出要素１に固定された光ファイバ９とを気密にシールしている。結合部２４は、ゴム製の詰め物（Ｏリング）やベローズ形状の要素であってよく、金属や合成ゴム材料で作られ得る。可撓性結合部２４によってシャフト１７に加えられる力は、先端部接触力Ｆと比較して、小さいはずである。
【００２６】
ハウジングの他方の端部、すなわち、結合部２４の反対側では、光ファイバ９はハウジングを出てケーブル１９内部に続いている。
【００２７】
図３及び図４では、本発明に係る光学式力検出要素１が、異なる視点で示されている。当該力検出要素１は、一体式のシリンダ構造体２を含み、当該構造体２は、ｘ−ｙ平面に広がる底面３と、ｚ方向の軸と、当該ｚ軸を囲む円筒状表面４と、前記底面３の反対側にあり測定されるべき力Ｆを吸収して伝達することに適した頂面５と、を有する。当該頂面５は、好ましくは、シャフト１７を支持する接合部１６を含む。典型的には、構造体２は、０．５ｍｍ〜４ｍｍのｘ−ｙ方向の外径ｄを有し、１つの貫通孔を含むように機械加工されてもよいし、または含まないように機械加工されてもよい。
【００２８】
この構造は、３つのパンチ様ノッチ６を特徴とし、全てのノッチは、ｙ方向に平行である。これらのノッチは、ｚ軸に沿って離間しており、ちょうど２つのブレード部７をｘ−ｙ平面に平行に形成している。第１のブレード部７は、第１及び第２のノッチ６の間にあり、第２のブレード部７は、第２及び第３のノッチ６の間にある。全てのノッチ６は、パンチ様であり平行であるため、ｘ−ｚ平面に伸び構造体２をｙ方向に貫いて進むパンチによって作られたように見える。典型的には、ブレード部７は、０．０２ｍｍ〜０．４ｍｍというｚ方向の厚さを有する。
【００２９】
好適な実施の形態では、ノッチ６は、中央のｘ−ｚ平面に対して鏡映対称であり、当該ノッチは、中心のｙ軸に対して１８０°の回転対称性を有している。
【００３０】
第１及び第３のノッチ６は、ｘ方向及び−ｘ方向に形成された長い開口部であり、当該開口部は、互いに対して平行であり、好ましくはｘ方向及び−ｘ方向に同一の長さを有し、互いに重複し、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍというｚ方向に同一の幅ｗを有する。第２のノッチ６は、構造体２の中心に位置する貫通孔である。ｘ方向において、第２のノッチ６は、好ましくは、第１及び第３のノッチの重複した領域に渡って伸びているが、ｚ方向については、第２のノッチは、２つの薄いブレード部７だけを残して、第１及び第３のノッチ６の間のほぼ全領域に渡って伸びている。好ましくは、重複した領域と、従って第２のノッチ６のｘ方向の幅とは、構造体２の直径ｄの少なくとも３分の１である。第１及び第３のノッチ６の延長にあるｘ方向の残りの構造体は、比較的薄く、横方向の力がシャフトの先端部２１に適用されたとき、ｘ方向及びｙ方向に曲がることを可能にする。前記２つの平行な薄いブレード部７は、構造体２をｚ方向において可撓性にし、ｘ方向及びｙ方向において曲がりにくくしている。先端部２１におけるｘ方向及びｙ方向の力Ｆｙｘの作用が、構造体にかかるてこの力によって増幅され、力Ｆｚは増幅されないことを考慮すると、３つの全ての方向において、構造体の変形という形での効果は比較可能（同程度の大きさ）である。
【００３１】
構造体２は、さらに３つのチャネル８を含み、当該チャネル８は、円筒状表面４に対して開放または閉鎖されており、ｚ軸に平行である。これらのチャネルは、底面３から頂面５またはその近傍まで伸びており、第１のノッチだけを横切り、構造体２内の他の２つのノッチ６を迂回する。力検出要素１は、さらに、３つの光ファイバ９を含み、それぞれの光ファイバは３つのチャネル８の１つに固定されている。これらの光ファイバ９の全ては、構造体２に底面３から入り、第１のノッチ６を横切って、頂面５またはその近傍で終わるが、第１のノッチ６内で分断されて光ファイバの分離区画部１１を規定する。分離された位置では、光ファイバ９と光ファイバの分離区画部１１とは、ファブリペロー干渉空間１３を規定することによって、２つの平行な面１０、１２を形成している。２つの面１０、１２は、ファイバの端部を剥くこと、磨くこと或いはレーザーで切断されることにより０°に得られる。チャネル８は、空間１３を形成すべく光ファイバ９と光ファイバの分離区画部１１とを正確に整列させる役割を果たす。第１のノッチ６は、本願図面に示されているように、底面３に最も近いノッチであってもよいし、構造体２の頂面５に最も近いノッチであってもよい。
【００３２】
光ファイバ９及び光ファイバの分離区画部１１は、ファブリペロー空間の両側において、好ましくは接着剤によって、チャネル８の内部に固定されている。
【００３３】
特に力Ｆが力検出要素に対して遠く離れた場所で適用されるとき、当該力Ｆの３つの直交するｘ、ｙ、ｚ方向の成分を測定するためのそのような力検出要素１は、微細手術用機器２２に適している。
【００３４】
好ましくは、構造体２は、チタン、セラミック、ポリマー、ステンレス鋼、または非腐食性金属である。さらに、構造体２の熱膨張率（ＴＣＥ）は、温度変化に対する感度を低くすべく、光ファイバ９及び／または光ファイバの分離区画部１１のＴＣＥに可能な限り近くするべきである。市場に出ている光ファイバは、温度感受性を低くすべく非常に低いＴＣＥを有する石英ガラス材料で作られているため、光ファイバの分離区画部１１は、構造体材料のＴＣＥに近いＴＣＥを有する異なる材料で作られ得る。所望であれば、構造体２は、また、補正が必要な場合に備えて温度をモニタリングすべく温度検知装置１４を含んでいてもよい。
【００３５】
光変換を向上させるため、ファブリペロー干渉空間にある各々の光ファイバの２つの面１０、１２は、半反射性被覆材で被覆されていてもよい。
【００３６】
干渉空間１３の長さは、シャフトの先端部に加えられる力によって可撓性の構造体が弾性変形する際に変化する。ニュートラルな位置では、光ファイバ９の表面１０と光ファイバの分離区画部１１の表面１２との間の各ファブリペロー干渉空間１３のギャップは、典型的には、０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍである。
【００３７】
干渉空間１３の長さは、光干渉法を用いて測定され、特には、シグナルコンディショナ、例えばカナダの会社ＦＩＳＯ製のもの、を用いるいわゆる白色光干渉法（ＷＬＩ）を用いて測定される。最終的に、シャフトの先端部に加えられる力は、周知の校正手順に基づいて計算され、その場合、力ベクトルの大きさ及び方向は、光ファイバ空間の３つの長さと校正行列とから計算される。
【００３８】
過負荷がもたらす２つの光ファイバの端部の機械的接触による光ファイバの端部１０、１２の破損を防ぐために、第１のノッチ６は機械的ストッパ１５を含んでいてもよい。
【００３９】
軸方向の力Ｆｚが構造体２に適用されるとき、２つのブレード部７は曲がって構造体の平行な軸方向の変形をもたらし、これにより、全ての３つのファブリペロー干渉空間は長さが等しく変化する。他方、先端部２１と構造体２との間の距離が比較的長いため、横方向の力Ｆｘｙがシャフト１７の先端部２１に適用されたとき、慣性モーメントまたはトルクが大きいので、構造体全体は、２つのブレード部７の位置、及び、第１及び第３の横方向ノッチ６によってもたらされる２つの屈曲部分の位置で横方向に曲がり易い。この場合、この３つの空間は、その位置、及び、適用された横方向の力の方向に依存して、異なる変化を起こす。
【００４０】
本実施の形態の構造体２は、検出要素１の中心から長い距離Ｄ離れた位置で適用される力に適している。Ｄを先端部２１と検出要素１の中心との間の距離とし、ｄを構造体２の直径とすると、比Ｒ＝Ｄ／ｄは典型的には５と２０の間である。
【００４１】
本発明の主な利点は、本発明に係る要素１は容易に製造され得ること、当該要素１は長さ及び直径ｄにおいて寸法が小さくされ得ること、当該要素１は貫通孔を伴ってまたは伴わないで製造され得ること、当該要素１は先端部２１に対して遠く離れた位置に取り付けられ得ること、及び、光ファイバ９及び光ファイバの分離区画部１１は第１のノッチ６を有する可撓性の領域を除いて溝又は孔の全長に沿って構造体２に固定されているため、当該要素１は熱膨張に対して非常に小さな影響しか示さないこと、である。シリンダ構造体２の底面３及びシリンダ構造体のいかなる断面も、円形、四角形または他のいかなる形状をも有し得る。
【００４２】
図５に示されているように、構造体が中心部のｘ−ｙ平面でカットされることにより、光ファイバを有する３つのチャネル８が、構造体２の内部に第２のノッチの隣に見て取れる。適用される力による個々の間隙長さの効果的な変化は、構造体２内部における各々のチャネル８の位置を選択することにより、最適化され得る。
【００４３】
図６ａ、図６ｂ及び図６ｃに示されているように、光ファイバ９は様々な種類のチャネル８に固定され得る。図６ａでは、チャネルは閉鎖されていて、構造体２の円筒状表面４に平行な閉鎖貫通孔であるが、図６ｂ及び図６ｃでは、チャネル８は円筒状表面４に対して開放されている。光ファイバは、図６ｂに示されている横方向ギャップ貫通孔内に設置されていてもよいし、図６ｃに示されているような開放された横方向の溝に設置されていてもよい。開放された横方向の溝の利点は、組立中に光ファイバがチャネル８に簡単に挿入されること、及び製造工程が簡単であること、である。
【００４４】
光ファイバ９と光ファイバの分離区画部１１は、例えばエポキシまたはＵＶ硬化性接着剤を用いて、チャネル８の内部に固定されている。これらは、適切な位置に、ろう付けまたは機械的に固定されていてもよい。
【００４５】
光学式力検出要素１は、典型的な微細手術用機器２２のハンドル部内に適合させ、細長いシャフト１７の末端２１に適用される接触力Ｆを正確に測定するために十分なほど小さく製造されることが可能であり、典型的な外径ｄは１ｍｍと４ｍｍとの間である。
【００４６】
微細手術用機器２２の典型的なシャフト１７の長さは、約４０ｍｍであり、この長さは検出要素１と接触力Ｆが適用されるシャフト１７の先端部２１との間の実際の距離に一致している。
【００４７】
手持ちタイプの微細手術用機器２２の場合、ハンドルは典型的には長さが１０ｃｍ〜１５ｃｍであり、直径ｄが５ｍｍである。これらの寸法により、操作者は快適に且つ正確にツールを手に持つことができ、更に、中耳の外科的処置や網膜の微細手術の場合のように、アクセスの難しい小さな開口部の中で顕微鏡を用いて処置をする際、ツールのシャフト及び先端部の視認性も良好である。
【００４８】
本発明の構造体２の主な利点は、構造体２は一方向にのみ機械加工され、これにより製造が簡単で廉価になることである。円筒状の構造体である必要は無い。光ファイバは、構造体２の表面またはその近傍にのみ固定され得るのではなく、構造体２のプロファイル（外形）の内側にも固定され得る。
【００４９】
可撓性の構造体２は、好ましくは、旋削（旋盤加工）または放電加工（ＥＤＭ）またはこれらの組み合わせによって製造される。構造体２は、レーザーによるカットまたはのこ挽きまたはこれらの組み合わせによっても加工され得る。この構造体は、金属材料、セラミック又は高分子であってよい。好ましくは、チタンまたはステンレス鋼が選択される。
【００５０】
光学式力検出要素１を製造するために、０°に剥かれ或いは磨かれた光ファイバ端部１０を有している３つの光ファイバ９は、構造体２の開放されまたは閉鎖されているチャネル８に底面３から挿入され、第１のノッチ６に達し、及び、０°に剥かれ或いは磨かれた光ファイバ端部１２を有している光ファイバの３つの分離区画部１１は、チャネル８に頂面５から挿入され、第１のノッチ６に達する。６つの光ファイバ９、１１は、構造体２に第１のノッチ６の両側で固定されて、ファブリペロー干渉空間１３を互いに平行な光ファイバ端部表面１０、１２で規定している。
【００５１】
他の実施の形態において、光学式力検出要素１を製造するために、３つの単一の連続した光ファイバ９は、ノッチ６を有する構造体２の開放されまたは閉鎖されているチャネル８に底面３から挿入され、第１のノッチ６を通って頂面５またはその近傍に達する。３つの連続した光ファイバ９は、構造体２に第１のノッチ６の両側で固定される。その後、光ファイバ９は、第１のノッチ６の領域内でレーザーによってカットされ、ファブリペロー干渉空間１３を規定し、連続した光ファイバ９を光ファイバ９と光ファイバの分離区画部１１とに分離する。
【００５２】
典型的には、例えばＦＩＳＯシグナルコンディショナを用いて白色光干渉法を利用してファブリペロー干渉計の空間長１３を測定する場合、可撓性の構造体２は、空間１３の変形の大きさが、先端部での任意の方向の最大適用力Ｆに対して、１ミクロンから１０ミクロンのオーダーとなるように、設計されている。最大適用力Ｆは、ツールが何に適用されるのかに依存し、中耳の外科的処置における触診行為に対しては１Ｎのオーダーであり、網膜の外科的処置に対しては０．１Ｎのオーダーであろう。
【符号の説明】
【００５３】
１  光学式力検出要素
２  構造体、一体式の、円筒形の
３  底面
４  円筒状表面
５  頂面
６  ノッチ
７  ブレード部
８  チャネル
９  光ファイバ
１０  光ファイバの表面
１１  光ファイバの分離区画部
１２  光ファイバの分離区画部の表面
１３  ファブリペロー干渉空間、距離、ギャップ
１４  温度検知装置
１５  機械的ストッパ
１６  接合部
１７  シャフト
１８  ハウジング
１９  ケーブル
２０  コネクタ
２１  シャフトの先端部
２２  微細手術用機器
２３  評価ユニット
２４  可撓性結合部
Ｆ  力
ｗ  第１のノッチの幅
Ｄ  構造体の中心からシャフトの先端部までの距離
ｄ  外径
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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