WO2015135814A2 - Bistabiler elektromagnetischer aktuator und chirurgisches instrument - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a bistable electromagnetic actuator, in particular for a surgical instrument, comprising a stator arranged outside a tube and a rotor mounted longitudinally slidably in the tube, which at least partially comprises a paramagnetic and / or ferromagnetic material and reversibly between by applying an electromagnetic field a first position and a second position is displaceable, the stator having two, in particular oppositely axially poled, ring permanent magnet, a coil for generating the electromagnetic field and a return element with two Statorpol marn, and a surgical instrument.
  • Bistable electromagnetic actuators include a rotor held in one of two extreme positions in a permanent magnetic field and moved from one stable position to the other stable position by switching an electromagnetic field. tion can be transferred. Thus, for example, switches can be actuated. In the case of surgical instruments, in particular endoscopes, these small-sized actuators can be used, for example, to change a focus or a magnification of an optical system or to change a viewing direction. This is done by an optical component is moved by the actuator, wherein the optical component is in or on the rotor of the actuator.
  • DE 1 0 2008 042 701 A1 discloses a linear motor for optical systems, for example endoscopes.
  • the motor has a stator with two permanent magnets, which are magnetically interconnected in the same direction poled with a return element. A coil is placed between the magnets. On the side next to each magnet is still a pole piece magnetically connected to the return element.
  • the rotor of the motor comprises a yoke of soft magnetic material, which is in magnetic engagement with the permanent magnet of the stator. By energizing the coil, the rotor can be displaced out of a rest position in the longitudinal direction.
  • the rotor according to DE 1 0 2008 042 701 A1 consists of a rohrformigen soft magnetic element, so that due to the resulting friction of rohrformigen rotor on the pipe, a high force must be expended to move the rotor from one position to the other position. Furthermore, the linear motor according to DE 1 0 2008 042 701 A1 has a comparatively large construction.
  • Permanent ring magnets which can also be referred to as permanent magnet rings, for example magnetic materials such as NdFeB or SmCo. These magnetic materials are brittle and therefore very sensitive to me mechanical loads. In endoscopes, it is also desirable to provide the smallest possible magnets and small outer diameter. As a result, the production of the ring permanent magnets is very expensive. In addition, the ring permanent magnets are very susceptible to damage during installation and must also be specially protected when installed in order to avoid damage.
  • annular permanent magnets which have only a small deviation from each other, since otherwise the actuator may be subject to too great a deviation from the symmetry, as a result of which malfunctions or malfunctions of the actuator may occur. For example, a smaller holding force may arise on one side in one of the bistable positions than in the other bistable position, which may not be desirable.
  • customary annular permanent magnets ie which are produced, for example, by sintering and then ground to size, are paired in order, for example, to install magnets with the same dimensions and magnetic properties in an endoscope.
  • a bistable electromagnetic actuator in particular for a surgical instrument, comprising a stator arranged outside a tube and a rotor mounted longitudinally displaceably in the tube, which at least partially comprises a paramagnetic and / or ferromagnetic material and reversibly displaceable by applying an electromagnetic field between a first position and a second position, wherein the stator two, in particular oppositely axially poled, ring permanent magnet, a coil for generating the electromagnetic field and a return element with two stator pole pieces, in which the ring permanent magnets comprise magnetic particles embedded in a plastic matrix.
  • ring permanent magnets comprising hard magnetic particles embedded in a plastic matrix
  • the ring permanent magnets preferably consist of hard magnetic particles embedded in a plastic matrix.
  • the ring permanent magnets which are manufactured in a batch, for example by means of an injection molding process, are manufactured only with very small structural deviations, since these were produced with the same process parameters.
  • annular permanent magnets which are made of a compound of a polymeric material and magnetic particles, have better mechanical properties. These are less brittle than corresponding magnets from the solid material.
  • the magnets can also be produced very efficiently and inexpensively in large quantities by means of an appropriate injection molding technique.
  • the hard magnetic particles are for example NdFeB or SmCo.
  • the plastic matrix is For example, from a polymer.
  • the plastic matrix may comprise or consist of polyphenylene sulfide (PPS), for example. This is a high temperature resistant thermoplastic material.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • a polyamide for example a polyamide 1 2, can be used.
  • the ring permanent magnets are manufactured in an injection molding process.
  • the ring permanent magnets can in this case be injected with any desired geometries, for example, and then additionally magnetized.
  • the bistable electromagnetic actuator can be manufactured with a very small diameter, since a supply of the at least one coil wire around the annular permanent magnet, näml I either from the outside or inside of the coil wire to the coil, is avoided.
  • both Statorpol violet have a longitudinally axial direction of the stator pole passing through the recess or passage.
  • both annular permanent magnets and / or both Statorpol violet have provided a recess or passage for at least one coil wire of the coil, the recess or passage in the longitudinal axial direction in alignment with the respective recess or implementation of the further annular permanent magnet and / or the other stator pole piece.
  • the outer diameter of the ring permanent magnets is less than or equal to 5 mm.
  • the outer diameter is preferably less than 3 mm and particularly preferably less than 2.5 mm.
  • the wall thickness of the ring permanent magnets, d .h. in the radial and / or axial direction, is preferably less than 0.6 mm, in particular preferably less than 0.4 mm and more preferably less than 0.3 mm.
  • the annular permanent magnets are each arranged on one side of the coil.
  • the return element with the stator pole shoes preferably surrounds the coil and the stator pole shoes are located on both sides of the coil between the coil and the ring permanent arranged magnet, wherein the rotor has two rotor pole pieces, wherein an axial width of the stator pole pieces is smaller than an axial width of the rotor pole pieces.
  • the coil current and the power dissipation in the coil can be kept low by the efficiency of the coil is increased.
  • the preferred geometry is based on the fact that the return element with the stator pole no longer encloses both the coil and the ring magnets, as shown in DE 1 0 2008 042 701 A1, but only the coil, while the ring magnets are arranged outside the stator pole shoes.
  • preferably axially magnetized magnetic rings are used, as no radially arranged soft iron of the return element is necessary over this. For this reason, the stator can be realized in a smaller radial space.
  • the rotor Since the rotor itself has rotor pole pieces, it has a central radial taper, so that at its ends in each case a pole piece is formed. Thus, the runner touches the pipe only in the places of the pole shoes and not over the entire surface. Thus, the friction between the rotor and the tube in which the rotor is arranged is reduced. This increases the efficiency of the shifting, since less frictional resistance has to be overcome. In addition, this reduces the negative influence of, for example, dimensional errors or deflections due to the reduced fit on two small contact surfaces or support lines. Overall, this leads to a good efficiency of the coil or of the actuator and to a good balance of holding force and switching force.
  • stator pole pieces When the axial width of the stator pole pieces is smaller than an axial stroke of the actuator between the first position and the second position, large differences between the holding force and the switching force can be realized.
  • the rotor with the rotor pole pieces on an overall length in the axial direction which is greater than the outer distance of the Statorpol mort in the axial direction.
  • a distance of the axial center planes of the rotor pole pieces is greater than a distance of the axial center planes of the stator pole pieces. Due to these advantageous features, the balance between the holding force and the switching force can be set well and the shifting force increased.
  • stator pole shoes preferably have an identical axial width with one another and / or the rotor pole shoes have an equal axial width and / or the stator and / or the rotor are symmetrical about a plane of symmetry
  • a symmetrical structure of the actuator according to the invention is in the axial direction Implemented so that prevail in the two end positions or in the first position and the second position, the same holding forces and the same switching forces are used to change the position of the rotor in the actuator. It is also possible for only individual ones of the geometric dimensions mentioned to be symmetrical in each case. For example, if the actuator is permanently loaded in use from one side, it may be advantageous to have the actuator fully symmetrical in axial direction Breaking direction and realize in one position a higher holding force and / or switching force, as in a different position.
  • the rotor abuts against a stop in the first and / or second position.
  • the stop is preferably arranged in each case so that the force generated by the Pernnanentnagneten force on the rotor in this position, the runner pushes or pulls further in the direction of the stop on which the rotor abuts.
  • the rotor pole piece arranged at the end position at least partly covers the stator pole piece opposite thereto in the axial direction, a center plane of the rotor pole piece arranged at the end position being in the axial direction towards the end position via a center plane the stator pole shoe opposite it is arranged outside.
  • a center plane of the rotor pole piece arranged at the end position being in the axial direction towards the end position via a center plane the stator pole shoe opposite it is arranged outside.
  • those rotor pole piece or stator pole piece which is arranged closer to the current end position in the axial direction.
  • these may be the distal pole pieces of the stator and rotor in the distal end position. These are opposite each other.
  • In the proximal end position these are the proximal pole pieces of the stator and rotor. These are also opposite.
  • Fig. 1 is a schematic cross-sectional view through an actuator according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a ring perma mag- nets
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of another
  • Fig. 4 is a schematic sectional view of yet another annular permanent magnet.
  • a bistable electromagnetic actuator 1 according to the invention is shown in cross-section.
  • the actuator 1 is substantially rotationally symmetrical about the central axis 4 and only one half of the actuator 1 is shown. Reflection on the central axis 4 results in the complete cut through the actuator 1.
  • the actuator 1 will be described as if it were in a surgical instrument, in an endoscope having a distal end and a proximal end.
  • the direction of distal is shown in FIGS. 1 to 3 to the right, the direction of proximal to the left, shown.
  • a stator 1 0 Radially outside a tube 2, a stator 1 0 is arranged, which has two ring magnets 1 2, 14, which are for example magnetized axially in opposite directions, so that in FIG. 1 the south poles of the magnets face each other.
  • the ring magnet 1 2 when integrated into an endoscope, the ring magnet 1 2 is a distal ring magnet and the ring magnet 14 is a proximal ring magnet.
  • a cyl indian coil 1 6 is arranged symmetrically, wherein radially outside the coil 1 6 a likewise cylindrical yoke element 1 8 is arranged from a soft magnetic material which closes radially outwardly with the ring magnet 1 2, 14 flush.
  • the return element 118 opens distally into a distal stator pole shoe 20 and proximally into a proximal stator pole shoe 22.
  • the return element 18 and stator pole shoes 20, 22 can be formed integrally or from different parts, which are all magnetically soft.
  • the distal and proximal pole pieces 20, 22 are arranged between the coil 16 and the distal and proximal ring magnets 1 2, 14. Overall, results in a flush radial outer end surface.
  • the stator 1 0 according to FIG. 1 is symmetrical about a symmetry plane 24 in the axial direction.
  • the actuator 1 according to FIG. 1 has radially inside the tube 2 a rotor 30, which, in particular in its entirety, consists of a soft magnetic material.
  • This rotor 30 is tapered in the middle and opens into a distal rotor pole piece 32 and into a proximal rotor pole piece 34, the distal rotor pole piece 32 substantially opposite the distal stator pole piece 20 and the proximal rotor pole piece 34 is substantially opposite the proximal stator pole piece 22.
  • the rotor 30 is tapered in the middle so that it leaves a gap 36 to the tube 2.
  • the rotor 30 is symmetrical in the axial direction about a plane of symmetry 38.
  • the movement thereof is determined by a distal stop 44 and a proximal stop 46. borders.
  • the axial bewegl I is arranged in the tube 2, the stops 44, 46 are fixed in the axial direction.
  • Fig. 1 shows a situation in which the rotor 30 is held in a first position 6 by the permanent magnets 1 2, 14, in which the rotor 30 bears against the distal stop 44.
  • the second position would be that in which the runner 30 abuts the proximal stop 46.
  • the coil 16 is energized and the electromagnetic field generated by the coil 16 penetrates through the return element 18 and the stator pole shoes 20, 22 and through the tube 2 in the pole pieces 32, 34 of the rotor 30, in addition to the permanent magnetic fields of the ring permanent magnets 1 2, 14.
  • This magnetic field generated by the coil 1 6 in this case is oriented so that the magnetic field generated by the ring magnet 14th is generated, supported and counteracts the magnetic field generated by the ring magnet 1 2. Since in the in Figs.
  • the proximal rotor pole piece 34 of the proximal stator pole piece 22 is completely covered, a very efficient magnetic flux is realized here and a large switching force is exerted on the rotor 30.
  • the holding force exerted by the distal ring magnet 1 2 is reduced.
  • the bistable electromagnetic actuator according to the invention now has ring magnets 1 2 and 14, which comprise hard magnetic particles embedded in a plastic matrix. This is the manufacture of the ring permanent magnets very simple, inexpensive and substantially identical possible.
  • a recess or leadthrough 40 is indicated schematically in the case of the proximal ring permanent magnet or in the case of the proximal ring magnet 14, through which a coil wire 42 is led to the coil 16.
  • the distal ring magnet 1 2 can also have a corresponding recess or passage 40, which, however, is not shown.
  • This recess or passage 40 may be arranged at a location in the ring magnet 1 2 or 14, so that the symmetry about the axis 4 with respect to the recess or passage 40 is broken.
  • a corresponding passage 40 through which the coil wire 42 is guided in the exemplary embodiment according to FIG. 1 and the proximal Statorpolschuh 22 a corresponding passage 40 through which the coil wire 42 is guided. In this way, the diameter of the bistable electromagnetic actuator can be kept very small and also the coil wire 42 are guided protected to the coil.
  • Fig. 2 schematically shows a sectional view through a proximal ring magnet 14. A recess 41 is shown such that the ring magnet material is completely missing in a region. Coil wires 42 and 43 can then be passed through this area.
  • FIG. 3 another schematic sectional view through a ring magnet 14 is shown.
  • the recess 41 is made significantly smaller here.
  • Fig. 4 shows a further schematic sectional view through a ring magnet 14 in which a bushing 40 is provided.
  • This implementation may already be provided during injection molding or afterwards I am bored.
  • both ring magnets 1 2 and 14 are provided with the same recesses 41 or a same passage 40. It is also a corresponding implementation or a corresponding recess 41 in one o or two Statorpol mortn 20, 22 is provided.
  • ring magnets In the production of ring magnets by injection molding, comprising hard magnetic particles embedded in a plastic matrix, only a very small deviation in the size of the respective ring magnets is to be expected within a solder. Deviations can in principle only arise from the shrinkage behavior of the material after injection, wherein the shrinkage behavior of a solder is essentially the same. In addition, the shrinkage of the mixture of plastic matrix and hard magnetic particles is reduced because even magnetic particles are present and in itself only the plastic matrix shrinks during curing.
  • Corresponding ring permanent magnets consisting of a plastic matrix and hard magnetic particles were produced, which for example have an outer diameter of 2.26 mm, an inner diameter of 1.7 mm and a width of 0.35 mm. There are deviations from magnet to magnet of maximum 5 ⁇ been found. For magnets that are made purely from hard magnetic material such as NdFeB or SmCo, the deviations are approximately 20 ⁇ with correspondingly large ring magnet.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen bistabilen elektromagnetischen Aktuator (1), insbesondere für ein chirurgisches Instrument, umfassend einen außerhalb eines Rohres (2) angeordneten Stator (10) und einen im Rohr (2) längsaxial verschiebbar gelagerten Läufer (30), der wenigstens teilweise ein paramagnetisches und/oder ferromagnetisches Material aufweist und durch Beaufschlagung mit einem elektromagnetischen Feld reversibel zwischen einer ersten Position (6) in eine zweite Position (8) verschiebbar ist, wobei der Stator (10) zwei, insbesonderegegensinnig axial gepolte, Ringpermanentmagneten (12, 14), eine Spule (16) zur Erzeugung des elektromagnetischen Felds und ein Rückschlusselement(18) mit zwei Statorpolschuhen (20, 22) aufweist, sowie ein chirurgisches Instrument. Der erfindungsgemäße Aktuator (1) zeichnet sich dadurch aus, dass die Ringpermanentmagnete (12,14) hartmagnetische Partikel umfassen, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind.

Description

Bistabiler elektromagnetischer Aktuator und chirurgisches Instrument
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen bistabilen elektromagnetischen Aktuator, insbesondere für ein chirurgisches Instrument, umfassend einen außerhalb eines Rohres angeordneten Stator und einen im Rohr längsaxial verschiebbar gelagerten Läufer, der wenigstens teilweise ein paramagnetisches und/oder ferromagnetisches Material aufweist und durch Beaufschlagung mit einem elektromagnetischen Feld reversibel zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position verschiebbar ist, wobei der Stator zwei, insbesondere gegensinnig axial gepolte, Ringpermanentmagneten, eine Spule zur Erzeugung des elektromagnetischen Felds und ein Rückschlusselement mit zwei Statorpolschuhen aufweist, sowie ein chirurgisches Instrument.
Bistabile elektromagnetische Aktuatoren weisen einen Läufer auf, der in einem Permanentmagnetfeld in einer von zwei extremen Positionen gehalten werden und durch Schaltung eines elektromagnetischen Feldes aus einer stabilen Position in die andere stabile Posi- tion überführt werden können . Damit können beispielsweise Schalter betätigt werden . In dem Fall von chirurgischen Instrumenten, insbesondere Endoskopen, können diese kleinbauenden Aktuatoren dazu verwendet werden, beispielsweise einen Fokus oder eine Vergrößerung eines optischen Systems zu verändern oder eine Blickrichtung zu verändern . Dies geschieht, indem ein optisches Bauteil durch den Aktuator verschoben wird, wobei sich das optische Bauteil im oder am Läufer des Aktuators befindet.
Aus DE 1 0 2008 042 701 A1 ist ein Linearmotor für optische Systeme, beispielsweise Endoskope, bekannt. Der Motor hat einen Stator mit zwei Permanentmagneten, die gleichsinnig gepolt mit einem Rückschlusselement magnetisch miteinander verbunden sind . Eine Spule ist zwischen den Magneten angeordnet. Seitlich neben jedem Magnet ist noch ein Polschuh mit dem Rückschlusselement magnetisch verbunden . Der Läufer des Motors umfasst ein Joch aus weichmagnetischem Material , welches im magnetischen Eingriff mit dem Permanentmagneten des Stators steht. Durch Beaufschlagung der Spule mit Strom kann der Läufer aus einer Ruhelage heraus in Längsrichtung verschoben werden .
Der Läufer gemäß DE 1 0 2008 042 701 A1 besteht aus einem rohrformigen weichmagnetischen Element, so dass aufgrund der resultierenden Reibung des rohrformigen Läufers an dem Rohr eine hohe Kraft aufgewendet werden muss, um den Läufer aus einer Position in die andere Position zu verschieben . Weiterhin ist der Linearmotor gemäß DE 1 0 2008 042 701 A1 vergleichsweise großbauend .
Übl iche Aktuatoren verwenden Ringpermanentmagnete, die auch als Permanentmagnetringe bezeichnet werden können, beispielsweise aus Magnetwerkstoffen wie NdFeB oder SmCo. Diese Magnetwerkstoffe sind spröde und daher sehr empfindl ich gegenüber mechanischen Belastungen . Bei Endoskopen ist es zudem gewünscht, möglichst kleine Magnete und kleine Außendurchmesser vorzusehen . Hierdurch wird die Fertigung der Ringpermanentmagnete sehr aufwändig . Zudem sind die Ringpermanentmagnete bei der Montage sehr anfäll ig gegenüber Beschädigungen und müssen auch im verbauten Zustand besonders geschützt werden, um Beschädigungen zu vermeiden .
Zudem ist es wichtig, zwei Ringpermanentmagnete zu verwenden, die maßl ich nur eine geringe Abweichung zueinander haben, da ansonsten im Aktuator eine zu große Abweichung von der Symmetrie entstehen kann, wodurch beispielsweise Fehlfunktionen oder Schlechtfunktionen des Aktuators entstehen können . Beispielsweise kann auf der einen Seite in einer der bistabilen Positionen eine kleinere Haltekraft entstehen als in der anderen bistabilen Position, was nicht gewünscht sein kann . Dieses kann dadurch vermieden werden, dass übliche Ringpermanentmagnete, d ie beispielsweise durch Sintern hergestellt werden und anschließend auf Maß geschliffen werden, paarig sortiert werden, um möglichst Magnete mit gleichen Maßen und gleichen magnetischen Eigenschaften in einem Endoskop beispielsweise zu verbauen .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kleinbauenden bistabilen elektromagnetischen Aktuator und ein chirurgisches Instrument mit einem entsprechend bistabilen elektromagnetischen Aktuator zur Verfügung zu stellen, der bei günstiger Fertigung symmetrische Kräfte in beiden bistabilen Positionen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen bistabilen elektromagnetischen Aktuator, insbesondere für ein chirurgisches Instrument, umfassend einen außerhalb eines Rohres angeordneten Stator und einen im Rohr längsaxial verschiebbar gelagerten Läufer, der wenigstens teilweise ein paramagnetisches und/oder ferromagnetisches Material aufweist und durch Beaufschlagung mit einem elektromagnetischen Feld reversibel zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position verschiebbar ist, wobei der Stator zwei, insbesondere gegensinnig axial gepolte, Ringpermanentmagneten, eine Spule zur Erzeugung des elektromagnetischen Felds und ein Rückschlusselement mit zwei Statorpolschuhen aufweist, gelöst, indem die Ringpermanentmagnete magnetische Partikel umfassen, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind .
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Ringpermanentmagneten, die hartmagnetische Partikel umfassen, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind, ist eine sehr genaue Fertigung von Ringpermanentmagneten möglich . Vorzugsweise bestehen die Ringpermanentmagnete aus in einer Kunststoffmatrix eingebetteten hartmagnetischen Partikeln .
Insbesondere werden die Ringpermanentmagnete, die in einer Charge beispielsweise mit einem Spritzgussverfahren gefertigt sind, nur mit sehr geringen baulichen Abweichungen gefertigt, da diese mit gleichen Prozessparametern hergestellt wurden . Damit sind innerhalb eines Lots von gefertigten Ringpermanentmagneten nahezu identische Ringpermanentmagnete herstellbar. Zudem haben derartige Ringpermanentmagnete, die aus einem Compound aus einem Polymermaterial und Magnetpartikel hergestellt werden, bessere mechanische Eigenschaften . Diese sind nämlich weniger spröde als entsprechende Magnete aus dem Vollmaterial .
Zudem können die Magnete auch durch eine entsprechende Spritzgusstechnik sehr effizient und preisgünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden . Die hartmagnetischen Partikel sind beispielsweise aus NdFeB oder SmCo. Zudem ist die Kunststoffmatrix bei- spielsweise aus einem Polymer. Die Kunststoffmatrix kann beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS) aufweisen bzw. aus diesem bestehen . Hierbei handelt es sich um einen hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff. Als Alternative kann ein Polyamid, beispielsweise ein Polyamid 1 2, Verwendung finden.
Vorzugsweise werden die Ringpermanentmagnete in einem Spritzgussverfahren hergestellt. Die Ringpermanentmagnete können hierbei mit beliebigen Geometrien beispielsweise gespritzt werden und anschließend zudem noch magnetisiert werden .
Besonders bevorzugt ist es, wenn in wenigstens einem Ringpermanentmagneten eine in längsaxialer Richtung das Ringmaterial durchsetzende Aussparung oder Durchführung für wenigstens einen Spulendraht der Spule vorgesehen ist. Hierdurch kann der bistabile elektromagnetische Aktuator mit einem sehr geringen Durchmesser gefertigt werden, da eine Zuführung des wenigstens einen Spulendrahtes um den Ringpermanentmagneten herum, näml ich entweder von außen oder von innen des Spulendrahtes zur Spule, vermieden wird .
Insbesondere ist es mit dieser Ausgestaltung des bistabilen elektromagnetischen Aktuators bei Verwendung von zwei Ringpermanentmagneten, die jeweils eine in längsaxialer Richtung das Ringmaterial durchsetzende Aussparung oder Durchführung für wenigstens einen Spulendraht der Spule aufweisen, wieder möglich, eine sehr symmetrische Ausgestaltung der Ringpermanentmagnete vorzusehen . Die Schwächung der Magneten ist dann nämlich symmetrisch vorgesehen . Hierbei muss allerdings nur eine Aussparung o- der Durchführung bei einem Magneten dazu dienen, einen Spulendraht der Spule aufzunehmen . Es ist nicht notwendig, dass auch beim anderen Ringpermanentmagneten die Aussparung oder Durch- führung mit einem Spulendraht der Spule versehen ist.
Ferner vorzugsweise ist in wenigstens einem Statorpolschuh eine in längsaxialer Richtung des Statorpolschuhs durchsetzende Aussparung oder Durchführung für wenigstens einen Spulendraht der Spule vorgesehen . Hierdurch kann der Spulendraht der Spule sowohl durch einen Statorpolschuh aus auch durch einen Ringpermanentmagneten hindurchgeführt werden . Vorzugsweise haben beide Statorpolschuhe eine in längsaxialer Richtung den Statorpolschuh durchsetzende Aussparung oder Durchführung .
Besonders bevorzugt ist es, wenn bei den Ausführungsformen, bei denen beide Ringpermanentmagnete und/oder beide Statorpolschuhe eine Aussparung oder Durchführung für wenigstens einen Spulendraht der Spule vorgesehen haben, die Aussparung oder Durchführung in längsaxialer Richtung fluchtend zu der jeweil igen Aussparung oder Durchführung des weiteren Ringpermanentmagneten und/oder des weiteren Statorpolschuhs ist.
Vorzugsweise ist der Außendurchmesser der Ringpermanentmagnete kleiner oder gleich 5 mm. Insbesondere vorzugsweise ist der Außendurchmesser kleiner als 3 mm und besonders vorzugsweise kleiner als 2,5 mm. Die Wandstärke der Ringpermanentmagneten, d .h . in radialer und/oder in axialer Richtung, ist vorzugsweise weniger als 0,6 mm, insbesondere vorzugsweise weniger als 0,4 mm und ferner insbesondere vorzugsweise weniger als 0,3 mm . Vorzugsweise sind die Ringpermanentmagnete jeweils auf einer Seite der Spule angeordnet.
Ferner vorzugsweise umschließt das Rückschlusselement mit den Statorpolschuhen die Spule und die Statorpolschuhe sind auf beiden Seiten der Spule zwischen der Spule und den Ringpermanent- magneten angeordnet, wobei der Läufer zwei Läuferpolschuhe aufweist, wobei eine axiale Breite der Statorpolschuhe kleiner ist als eine axiale Breite der Läuferpolschuhe.
Hierbei können der Spulenstrom und die Verlustleistung in der Spule gering gehalten werden, indem der Wirkungsgrad der Spule erhöht wird . Dies wird durch die Geometrie der Aktuatorenelemente erzielt. Die bevorzugte Geometrie beruht darauf, dass das Rückschlusselement mit dem Statorpolschuh nicht mehr, wie in DE 1 0 2008 042 701 A1 gezeigt, sowohl die Spule als auch die Ringmagnete umschließt, sondern nur noch die Spule, während die Ringmagnete außerhalb der Statorpolschuhe angeordnet sind . Dazu werden vorzugsweise axial magnetisierte Magnetringe verwendet, da über diese kein radial angeordnetes Weicheisen des Rückschlusselements notwendig ist. Aus diesem Grund kann der Stator in einem kleineren radialen Bauraum realisiert werden . Da die Statorpolschuhe zwischen den Permanentmagneten und der Spule angeordnet sind, ergibt sich ein höherer Spulenwirkungsgrad, da die Polschuhe direkt mit dem Rückschluss verbunden sind . Dadurch kann die axiale Länge des Stators und damit auch die axiale Länge des Läufers verkleinert werden .
Da der Läufer selbst Läuferpolschuhe aufweist, weist er eine zentrale radiale Verjüngung auf, so dass an dessen Enden jeweils ein Polschuh ausgebildet ist. Damit berührt der Läufer das Rohr nur noch an den Stellen der Polschuhe und nicht mehr ganzflächig . So wird die Reibung zwischen Läufer und dem Rohr, in dem der Läufer angeordnet ist, vermindert. Dies erhöht die Effizienz des Schaltens, da weniger Reibungswiderstand überwunden werden muss. Außerdem wird hierdurch der negative Einfluss von beispielsweise Gradheitsfehlern oder Verbiegungen durch die auf zwei kleine Auflageflächen bzw. Auflagelinien verringerte Passung reduziert. Dies führt insgesamt zu einem guten Wirkungsgrad der Spule bzw. des Aktuators und zu einer guten Balance aus Haltekraft und Schaltkraft.
Wenn die axiale Breite der Statorpolschuhe kleiner ist als ein axialer Hub des Aktuators zwischen der ersten Position und der zweiten Position, lassen sich große Unterschiede zwischen der Haltekraft und der Schaltkraft real isieren .
Vorteilhafterweise weist der Läufer mit den Läuferpolschuhen eine Gesamtlänge in axialer Richtung auf, die größer ist als der äußere Abstand der Statorpolschuhe in axialer Richtung . Ebenfalls vorzugsweise ist ein Abstand der axialen Mittenebenen der Läuferpolschuhe größer als ein Abstand der axialen Mittenebenen der Statorpolschuhe. Durch diese vorteilhaften Merkmale lässt sich d ie Balance zwischen Haltekraft und Schaltkraft gut einstellen und die Schaltkraft erhöhen .
Wenn vorzugsweise die Statorpolschuhe untereinander eine gleiche axiale Breite aufweisen und/oder die Läuferpolschuhe untereinander eine gleiche axiale Breite aufweisen und/oder der Stator und/oder der Läufer jeweils symmetrisch um eine Symmetrieebene ausgebildet ist oder sind, ist ein symmetrischer Aufbau des erfindungsgemäßen Aktuators in axialer Richtung realisiert, so dass in den beiden Endpositionen bzw. in der ersten Position und der zweiten Position die gleichen Haltekräfte herrschen und die gleichen Schaltkräfte aufgewendet werden, um die Position des Läufers im Aktuator zu ändern . Es können auch nur einzelne der genannten geometrischen Maße jeweils symmetrisch ausgeführt sein . Wenn der Aktuator im Betrieb beispielsweise von einer Seite dauerbelastet ist, kann es vorteilhaft sein, die vollständige Symmetrie des Aktuators in axialer Richtung zu durchbrechen und in einer Position eine höhere Haltekraft und/oder Schaltkraft zu realisieren, als in einer anderen Position .
Vorzugsweise liegt der Läufer in der ersten und/oder zweiten Position an einem Anschlag an . Der Anschlag ist vorzugsweise jeweils so angeordnet, dass die von den Pernnanentnnagneten erzeugte Kraft auf den Läufer in dieser Position den Läufer weiter in Richtung auf den Anschlag drückt oder zieht, an dem der Läufer anliegt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung überdeckt in einer Endposition, insbesondere der ersten oder zweiten Position, der an der Endposition angeordnete Läuferpolschuh den ihm gegenüberliegenden Statorpolschuh in axialer Richtung wenigstens teilweise, wobei eine Mittenebene des an der Endposition angeordneten Läuferpolschuhs in axialer Richtung zur Endposition hin über eine Mittenebene des ihm gegenüberliegenden Statorpolschuhs hinaus angeordnet ist. Dies betrifft denjenigen Läuferpolschuh bzw. Statorpolschuh, der in axialer Richtung näher an der momentanen Endposition angeordnet ist. Im Falle eines Endoskops mögen dies in der distalen Endposition die distalen Polschuhe von Stator und Läufer sein . Diese liegen sich gegenüber. In der proximalen Endposition sind dies die proximalen Polschuhe von Stator und Läufer. Auch diese liegen sich gegenüber.
Ebenfalls vorzugsweise überdeckt in einer Endposition der nicht an der Endposition angeordnete Läuferpolschuh den ihm gegenüberliegenden Statorpolschuh in axialer Richtung vollständig, wobei eine Mittenebene des nicht an der Endposition angeordneten Läuferpolschuhs in axialer Richtung zur Endposition h in über eine Mittenebene des ihm gegenüberliegenden Statorpolschuhs hinaus angeordnet ist. Am Beispiel des Endoskops sind dies beispielsweise in der dis- talen Endposition des Läufers die proximalen Polschuhe von Läufer und Stator, und umgekehrt.
Diese beiden Situationen einzeln oder zusammen genommen bedeuten, dass eine sehr stabile und hohe Haltekraft bei geringem Aufwand an Bestromung der Spule in der jeweil igen Endposition realisiert wird, aufgrund der hierfür günstigen magnetischen Kraftflussführung . Außerdem wird hierdurch die Schaltkraft, die auf den Läufer wirkt, stark erhöht.
Schl ießl ich wird die Erfindung durch ein chirurgisches Instrument, insbesondere Endoskop, mit einem erfindungsgemäßen, zuvor beschriebenen bistabilen elektromagnetischen Aktuator gelöst. Da der Aktuator sehr klein gebaut werden kann, kann dieser auch in ein Endoskop mit einem engen Endoskopschaft implementiert werden .
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtl ich . Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen .
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird . Es zeigen:
Fig . 1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Aktuator,
Fig . 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ringperma- nentmagneten,
Fig . 3 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren
Ringpermanentmagneten und
Fig . 4 eine schematische Schnittdarstellung noch eines weiteren Ringpermanentmagneten .
In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
In Fig . 1 ist ein erfindungsgemäßer bistabiler elektromagnetischer Aktuator 1 im Querschnitt dargestellt. Der Aktuator 1 ist im Wesentlichen um die zentrale Achse 4 rotationssymmetrisch und es ist nur eine Hälfte des Aktuators 1 dargestellt. Durch Spiegelung an der zentralen Achse 4 ergibt sich der vollständige Schnitt durch den Aktuator 1 .
Im Folgenden wird der Aktuator 1 so beschrieben, als wäre er in einem chirurgischen Instrument, näml ich in einem Endoskop mit einem distalen Ende und einem proximalen Ende. Die Richtung nach distal ist in den Fig . 1 bis 3 nach rechts, die Richtung nach proximal nach links, dargestellt.
Radial außerhalb eines Rohres 2 ist ein Stator 1 0 angeordnet, der zwei Ringmagneten 1 2, 14 aufweist, die beispielsweise axial gegensinnig magnetisiert sind, so dass in Fig . 1 die Südpole der Magneten einander gegenüberliegen . Dabei ist bei einer Integration in ein Endoskop der Ringmagnet 1 2 ein distaler Ringmagnet und der Ringmagnet 14 ein proximaler Ringmagnet. Zwischen den Ringmagneten 1 2 und 14 ist eine zyl indrische Spule 1 6 symmetrisch angeordnet, wobei radial außerhalb der Spule 1 6 ein ebenfalls zylindrisches Rückschlusselement 1 8 aus einem weichmagnetischen Material angeordnet ist, das radial außen mit den Ringmagneten 1 2, 14 bündig schließt. Das Rückschlusselement 1 8 mündet distal in einen distalen Statorpolschuh 20 und proximal in einen proximalen Statorpolschuh 22. Rückschlusselement 1 8 und Statorpolschuhe 20, 22 können einstückig oder aus verschiedenen Teilen, die alle weichmagnetisch sind, ausgebildet sein . Die distalen und proximalen Polschuhe 20, 22 sind zwischen der Spule 1 6 und den distalen und proximalen Ringmagneten 1 2, 14 angeordnet. Insgesamt ergibt sich eine bündige radiale äußere Abschlussfläche. Der Stator 1 0 gemäß Fig . 1 ist um eine Symmetrieebene 24 in axialer Richtung symmetrisch .
Der Aktuator 1 gemäß Fig . 1 weist radial innerhalb des Rohrs 2 einen Läufer 30 auf, der, insbesondere zur Gänze, aus einem weichmagnetischen Material besteht. Dieser Läufer 30 ist in der Mitte verjüngt und mündet in einen distalen Läuferpolschuh 32 und in einen proximalen Läuferpolschuh 34, wobei der distale Läuferpolschuh 32 im Wesentlichen dem distalen Statorpolschuh 20 gegenüberliegt und der proximale Läuferpolschuh 34 im Wesentl ichen dem proximalen Statorpolschuh 22 gegenüberliegt. Der Läufer 30 ist in der Mitte verjüngt, so dass er einen Spalt 36 zum Rohr 2 offenlässt. Da der Läufer 30 das Rohr 2 ledigl ich mit den Innenflächen der Polschuhe 32, 34 berührt, ist einerseits die Reibung vermindert und andererseits eine verkippungssichere Anordnung des Läufers 30 im Rohr 2 gewährleistet. Der Läufer 30 ist in axialer Richtung um eine Symmetrieebene 38 symmetrisch .
Distal und proximal des Läufers 30 ist dessen Bewegung durch einen distalen Anschlag 44 und einen proximalen Anschlag 46 be- grenzt. Im Gegensatz zum Läufer 30, der axial bewegl ich im Rohr 2 angeordnet ist, sind die Anschläge 44, 46 in axialer Richtung fixiert.
In Fig . 1 ist eine Situation dargestellt, in der der Läufer 30 in einer ersten Position 6 durch die Permanentmagneten 1 2, 14 gehalten wird, in der der Läufer 30 am distalen Anschlag 44 anliegt. Die zweite Position wäre diejenige, in der der Läufer 30 am proximalen Anschlag 46 anl iegt.
Ist nun ein Positionswechsel aus der ersten Position 6 in die zweite Position 8 durch den Läufer 30 gewünscht, so wird die Spule 16 bestromt und das durch die Spule 16 elektromagnetisch erzeugte Magnetfeld dringt durch das Rückschlusselement 1 8 und d ie Statorpolschuhe 20, 22 sowie durch das Rohr 2 in die Polschuhe 32, 34 des Läufers 30, zusätzlich zu den permanenten Magnetfeldern der Ringpermanentmagneten 1 2, 14. Dieses durch die Spule 1 6 erzeugte Magnetfeld ist in diesem Fall so orientiert, dass es das Magnetfeld, das durch den Ringmagneten 14 erzeugt wird, unterstützt und dem durch den Ringmagneten 1 2 erzeugten Magnetfeld entgegenwirkt. Da in der in den Fig . 1 bis 3 gezeigten Geometrie der proximale Läuferpolschuh 34 der proximalen Statorpolschuh 22 vollständig überdeckt, ist hier ein sehr effizienter Magnetfluss realisiert und es wird eine große Schaltkraft auf den Läufer 30 ausgeübt. Gleichzeitig wird die Haltekraft, die durch den distalen Ringmagneten 1 2 ausgeübt wird, vermindert. Nach dem Schalten, also nach dem Erreichen der zweiten Position 8 durch den Läufer 30, wird die Bestromung der Spule 1 6 unterbrochen und es übernimmt die Haltekraft des Permanentmagnetfeldes des Ringmagneten 14.
Der erfindungsgemäße bistabile elektromagnetische Aktuator weist nun Ringmagnete 1 2 und 14 auf, die hartmagnetische Partikel umfassen, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind . Hierdurch ist die Fertigung der Ringpermanentmagnete sehr einfach, kostengünstig und im Wesentlichen identisch möglich . In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig . 1 ist beim proximalen Ringpermanentmagneten bzw. beim proximalen Ringmagneten 14 eine Aussparung bzw. Durchführung 40 schematisch angedeutet, durch die ein Spulendraht 42 zur Spule 1 6 geführt wird . Entsprechend kann aus Symmetriegründen der distale Ringmagnet 1 2 auch eine entsprechende Aussparung oder Durchführung 40 aufweisen, die allerdings nicht dargestellt ist. Diese Aussparung bzw. Durchführung 40 kann an einer Stelle im Ringmagneten 1 2 bzw. 14 angeordnet sein, so dass die Symmetrie um die Achse 4 bezüglich der Aussparung bzw. Durchführung 40 gebrochen ist. Zudem hat in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig . 1 auch der proximale Statorpolschuh 22 eine entsprechende Durchführung 40, durch die der Spulendraht 42 geführt wird . Hierdurch kann der Durchmesser des bistabilen elektromagnetischen Aktuators sehr klein gehalten werden und zudem der Spulendraht 42 geschützt zur Spule geführt werden .
Fig . 2 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung durch einen proximalen Ringmagneten 14. Es ist eine Aussparung 41 derart dargestellt, dass das Ringmagnetmaterial vollständig in einem Bereich fehlt. Durch diesen Bereich können dann Spulendrähte 42 und 43 geführt werden .
In Fig . 3 ist eine weitere schematische Schnittdarstellung durch einen Ringmagneten 14 gezeigt. Die Aussparung 41 ist hier deutlich kleiner ausgeführt. Es ist noch Magnetmaterial um die Aussparung herum, jedenfalls von außen herum, vorgesehen .
Fig . 4 zeigt eine weitere schematische Schnittdarstellung durch einen Ringmagneten 14, in der eine Durchführung 40 vorgesehen ist. Diese Durchführung kann schon beim Spritzgießen vorgesehen sein oder nachträgl ich gebohrt werden . Vorzugsweise sind beide Ring- magnete 1 2 und 14 mit gleichen Aussparungen 41 bzw. einer gleichen Durchführung 40 versehen . Es ist auch eine entsprechende Durchführung oder eine entsprechende Aussparung 41 in einem o- der beiden Statorpolschuhen 20, 22 vorgesehen .
Bei der Fertigung von Ringmagneten im Spitzgussverfahren, umfassend hartmagnetische Partikel, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind, ist innerhalb eines Lots nur eine sehr geringe Abweichung der Größe der jeweil igen Ringmagnete zu erwarten . Abweichungen können an sich nur durch das Schrumpfverhalten des Materials nach dem Spritzen entstehen, wobei das Schrumpfverhalten eines Lots im Wesentlichen gleich ist. Zudem wird das Schrumpfen des Gemisches aus Kunststoffmatrix und hartmagnetischen Partikeln verringert, da eben auch Magnetpartikel vorhanden sind und an sich nur die Kunststoffmatrix beim Aushärten schrumpft. Es wurden entsprechende Ringpermanentmagnete, die aus einer Kunststoffmatrix und hartmagnetischen Partikeln bestehen, gefertigt, die beispielsweise einen Außendurchmesser von 2,26 mm, einen Innendurchmesser von 1 ,7 mm und eine Breite von 0,35 mm aufweisen . Es sind Abweichungen von Magnet zu Magnet von maximal 5 μιτι festgestellt worden . Bei Magneten, die rein aus hartmagnetischem Material wie NdFeB oder SmCo hergestellt sind, sind die Abweichungen ungefähr bei 20 μιτι bei entsprechend großen Ringmagneten .
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentl ich angesehen . Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein . Bezugszeichenliste
1 Aktuator
2 Rohr
4 zentrale Achse
6 erste Position
8 zweite Position
1 0 Stator
1 2 distaler Ringmagnet
14 proximaler Ringmagnet
1 6 Spule
1 8 Rückschlusselement
20 distaler Statorpolschuh
22 proximaler Statorpolschuh
24 Symmetrieebene des Stators
30 Läufer
32 distaler Läuferpolschuh
34 proximaler Läuferpolschuh
36 Spalt
38 Symmetrieebene des Läufers
40 Durchführung
41 Aussparung
42, 43 Spulendraht
44 distaler Anschlag
46 proximaler Anschlag

Claims

Bistabiler elektromagnetischer Aktuator und chirurgisches Instrument
Patentansprüche
1 . Bistabiler elektromagnetischer Aktuator (1 ), insbesondere für ein chirurgisches Instrument, umfassend einen außerhalb eines Rohres (2) angeordneten Stator (1 0) und einen im Rohr (2) längsaxial verschiebbar gelagerten Läufer (30), der wenigstens teilweise ein paramagnetisches und/oder ferromag- netisches Material aufweist und durch Beaufschlagung mit einem elektromagnetischen Feld reversibel zwischen einer ersten Position (6) und einer zweiten Position (8) verschiebbar ist, wobei der Stator (1 0) zwei, insbesondere gegensinnig axial gepolte, Ringpermanentmagneten (1 2, 14), eine Spule (1 6) zur Erzeugung des elektromagnetischen Felds und ein Rückschlusselement (1 8) mit zwei Statorpolschuhen (20, 22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringpermanentmagnete (1 2, 14) hartmagnetische Partikel umfassen, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind . Bistabiler elektromagnetischer Aktuator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ringpermanentmagnete (1 2, 14) in einem Spritzgussverfahren hergestellt sind .
Bistabiler elektromagnetischer Aktuator (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Ringpermanentmagneten (1 2, 14) eine in längsaxialer Richtung das Ringmaterial durchsetzende Aussparung (41 ) oder Durchführung (40) für wenigstens einen Spulendraht (42, 43) der Spule (1 6) vorgesehen ist.
Bistabiler elektromagnetischer Aktuator (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Statorpolschuh (20,22) eine in längsaxialer Richtung den Statorpolschuh (20, 22) durchsetzende Aussparung (41 ) oder Durchführung (40) für wenigstens einen Spulendraht (42, 43) der Spule (1 6) vorgesehen ist.
Bistabiler elektromagneteischer Aktuator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Ringpermanentmagnete (1 2, 14) kleiner o- der gleich 5 mm ist.
Bistabiler elektromagnetischer Aktuator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringpermanentmagnete (1 2, 14) jeweils auf einer Seite der Spule 1 6) angeordnet sind
Bistabiler elektromagnetischer Aktuator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlusselement (1 8) mit den Statorpolschuhen (20, 22) die Spule (1 6) umschließt und die Statorpolschuhe (20, 22) auf beiden Seiten der Spule (1 6) zwischen der Spule (1 6) und den Ringpermanentmagneten (1 2, 14) angeordnet sind, wobei der Läufer (30) zwei Läuferpolschuhe (32, 34) aufweist, wobei eine axiale Breite der Statorpolschuhe (20, 22) kleiner ist als eine axiale Breite der Läuferpolschuhe (32, 34).
8. Bistabiler elektromagnetischer Aktuator (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Breite der Statorpolschuhe (20, 22) kleiner ist als ein axialer Hub des Aktuators (1 ) zwischen der ersten Position (6) und der zweiten Position (8).
9. Bistabiler elektromagnetischer Aktuator (1 ) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (30) mit den Läuferpolschuhen (32, 34) eine Gesamtlänge in axialer Richtung aufweist, die größer ist als der äußere Abstand der Statorpolschuhe (20, 22) in axialer Richtung .
1 0. Bistabiler elektromagnetischer Aktuator (1 ) nach einem der An- sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (30) in der ersten und/oder zweiten Position (6, 8) an einem Anschlag (44, 46) anliegt.
1 1 . Chirurgisches Instrument, insbesondere Endoskop, mit einem bistabilen elektromagnetischen Aktuator (1 ) nach einem der
Ansprüche 1 bis 1 0.
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