Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator für ein chirurgisches oder medizinisches Instrument, insbesondere Endoskop, wobei der Aktuator einen Stator und ein verschiebbares Element aufweist, das wenigstens teilweise ein paramagnetisches und/oder ferromagnetisches Material aufweist und durch Beaufschlagung mit einem elektromagnetischen Feld von einer ersten Position in eine zweite Position verschiebbar ist, wobei das verschiebbare Element in einem Rohr längsaxial verschiebbar gelagert ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Rohres.

Aus DE 196 18 355 C2 ist ein Endoskop mit einem distal angeordneten Objektiv bekannt, dessen Bild ein Bildweiterleiter zum proximalen Ende weiterleitet und das wenigstens ein optisches Element wie eine Linsengruppe aufweist, das in Richtung der optischen Achse zur Fokussierung und/oder zur Veränderung der Brennweite durch einen Mikroantrieb verschiebbar ist, wobei der Mikroantrieb

BESTÄTIGUNGSKOPIE wenigstens eine rotationssymmetrische axial bewegliche Hülse aufweist, die die Linsen bzw. das optische Element der bewegbaren Linsengruppe umgibt und aufnimmt, und wobei die Hülse aus einem permanent magnetischen Material besteht, und in einem Magnetfeld beweglich ist, das von einer Spulenanordnung erzeugt wird. Um die Hülse zu bewegen und zu halten, wird dauernd ein elektromagnetisches Feld erzeugt.

Aus DE 1 253 407 B ist ein Endoskop mit einer distal ausstrahlenden Beleuchtungseinrichtung für einen zu beobachtenden Körperhöhlenteil und einem Bildleiter bekannt, von dem das beleuchtete Bild über ein in axialer Richtung einstellbares Objektiv aufgenommen und einem Okular oder einer Kamera zugeleitet wird , wobei das Objektiv für mindestens zwei Bildschärfeneinstellungen durch elektromagnetische Beeinflussung einer als Anker dienenden Objektivfassung von einer Stellung in eine andere Stellung gegenüber dem distalen Ende eines Bildleiters verstellbar ist. Hierbei wird wenigstens eine der beiden Stellungen durch ein permanent anliegendes elektromagnetisches Feld hervorgerufen und die andere Stellung durch die Wirkung einer Feder.

DE 10 201 006 814 A1 offenbart einen elektromagnetischen Aktuator für ein chirurgisches oder medizinisches Instrument, wobei der Aktuator einen Stator und ein verschiebbares Element aufweist, das wenigstens teilweise ein paramagnetisches oder ferromagnetisches Material aufweist und durch Beaufschlagung mit einem elektromagnetischen Feld von einer ersten Position in eine zweite Position verschiebbar ist. Zudem ist ein Rohr vorgesehen, in dem das verschiebbare Element längsaxial verschiebbar gelagert ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektromagnetischen Aktuator anzugeben, mittels dem ein leistungsloses Halten des verschiebbaren Elements in definierten Positionen möglich ist, wobei das Verschieben des verschiebbaren Elements des Aktuators bei geringer Leistung und mit gutem Wirkungsgrad ermöglicht sein soll.

Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Aufgabe wird durch einen elektromagnetischen Aktuator für ein chirurgisches oder medizinisches Instrument, insbesondere ein Endoskop, gelöst, wobei der Aktuator einen Stator und ein verschiebbares Element aufweist, das wenigstens teilweise ein paramagnetisches und/oder ferromagnetisches Material aufweist und durch Beaufschlagung mit einem elektromagnetischen Feld von einer ersten Position in eine zweite Position verschiebbar ist, wobei das verschiebbare Element in einem Rohr längsaxial verschiebbar gelagert ist, wobei das Rohr ein ferromagnetisches Material umfasst.

Durch Verwendung eines Rohres, das ein ferromagnetisches Material umfasst, wird die Permeabilität im Vergleich zu einem Luftspalt oder im Vergleich zu einem Rohr, das, wie dieses im Stand der Technik ist, kein ferromagnetisches Material enthält, erhöht. Hierdurch werden die Halte- und Schaltkräfte des elektromagnetischen Aktuators im Vergleich zum Stand der Technik verändert. Insbesondere wird durch Erhöhen der Permeabilität der magnetische Kreis um eine zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes vorgesehene Spule bei Aktivierung der Spule besser geschlossen, wodurch das von der Spule erzeugte elektromagnetische Feld und insbesondere der magnetische Fluss erhöht wird. Hierdurch wird die Schaltkraft erhöht und insbesondere der Wirkungsgrad des elektromagnetischen Aktuators vergrößert. Unter einem ferromagnetischen Mate- rial wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein ferrimagneti- sches Material verstanden.

Vorzugsweise liegt die Permeabilität des Rohrs wenigstens abschnittsweise zwischen 1 ,2 und 200, insbesondere zwischen 2 und 200, insbesondere vorzugsweise zwischen 5 und 20. Es könnte auch sinnvollerweise ein Bereich von 2 bis 100 vorgesehen sein.

Vorzugsweise liegt die Permeabilität des Rohres wenigstens abschnittsweise in einem Bereich, dessen untere Grenze 1 ,2 ist. Vorzugsweise ist die untere Grenze 2. Ferner vorzugsweise ist die untere Grenze 3, 4 oder 5. Die obere Grenze der Permeabilität des Rohres, die wenigstens abschnittsweise vorliegt, ist vorzugsweise 200, insbesondere vorzugsweise 100. Insbesondere vorzugsweise ist die obere Grenze 40, 30, 25 oder 12. Besonders bevorzugt sind Bereiche für die Permeabilität von 1 ,2 bis 100, 1 ,2 bis 40, 2 bis 30, 4 bis 25 oder 5 bis12.

Das Material des Rohres oder von Abschnitten des Rohres kann eine Metalllegierung sein, die eine entsprechende Permeabilität aufweist. Es kann auch ein Ferritmaterial sein, beispielsweise eine Nickel-Eisen-Verbindung. Zudem und besonders bevorzugt kann das Rohr einen mit ferromagnetischen Partikeln gefüllten Kunststoff umfassen. Diese Variante ist besonders bevorzugt, da diese Variante einfach zu fertigen ist und zudem einen geringen Widerstand gegenüber dem Läufer bzw. gegenüber dem verschiebbaren Element aufweist, so dass schon mit geringen Kräften ein Verschieben des verschiebbaren Elements ermöglicht wird. Vorzugsweise ist die Permeabilität über das ganze Rohr verteilt gleich hoch.

Besonders bevorzugt ist die Variante, in der das Rohr in axialer Richtung Bereiche aufweist, deren Permeabilität unterschiedlich zu- einander ist. Hierdurch können die Magnetflusslinien auf gewünschte Weise eingestellt werden. Wenn wenigstens ein zu einem mittleren Bereich des Rohrs benachbarter Bereich eine höhere Permeabilität als der mittlere Bereich aufweist, wird ein magnetischer Kurz- schluss effizient verhindert, wodurch der Wirkungsgrad deutlich erhöht wird.

Vorzugsweise weist wenigstens ein Bereich des Rohrs eine anisotrope Permeabilität auf. Hierdurch wird insbesondere verhindert, dass das Rohr einen magnetischen Südpol und einen magnetischen Nordpol eines Magneten, der an dem Rohr bzw. in der Nähe des Rohres angeordnet ist, magnetisch kurzschließt. Insbesondere ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Magnetfluss in radialer Richtung des Rohres höher ist als in axialer Richtung.

Vorzugsweise umfasst das Rohr in Umfangsrichtung Bereiche, deren Permeabilität unterschiedlich zu dem jeweils in Umfangsrichtung benachbarten Bereich ist. Hierdurch kann das verschiebbare Element dazu veranlasst werden, sich in dem Rohr nicht oder nur geringfügig bei einer ausgeführten längsaxialen Verschiebung zu drehen. Es können beispielsweise zwei, vier oder mehr Bereiche in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sein, wobei die Permeabilität benachbarter Bereiche unterschiedlich zueinander ist.

Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße elektromagnetische Aktua- tor dadurch weitergebildet, dass das verschiebbare Element in der ersten Position durch ein Permanentmagnetfeld gehalten wird oder ist und nach Verschieben in die zweite Position in der zweiten Position durch ein Permanentmagnetfeld gehalten wird oder ist.

Durch Verwendung eines Permanentmagnetfeldes ist es möglich, das verschiebbare Element, insbesondere nacheinander, leistungs- los sowohl in der ersten als auch der zweiten Position zu halten, so dass keine weitere Leistung in das System eingebracht werden muss.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, in der der Stator zwei Permanentmagneten umfasst, die gegensätzlich zueinander gepolt sind. Im Rahmen der Erfindung bedeutet gegensätzlich zueinander gepolt insbesondere, dass die zueinander angeordneten Pole der zwei Permanentmagnete sich abstoßen, also die gleichen Pole benachbart zueinander sind. Hierdurch ist es besonders einfach, ein leistungsloses Halten des verschiebbaren Elements in der ersten und/oder der zweiten Position zu ermöglichen. Das verschiebbare Element umfasst hierbei vorzugsweise keinen Permanentmagneten, sondern besteht ausschließlich aus einem paramagnetischen und/oder einem ferromagnetischen Material und gegebenenfalls zusätzlich aus einem nicht magnetischen Material, wobei das ferro- magnetische Material aufgrund der größeren magnetfeldverstärkenden Wirkung bevorzugt ist.

Vorzugsweise ist zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes eine Spule vorgesehen, die vorzugsweise zwischen den Permanentmagneten angeordnet ist. Durch diese Anordnung ist es möglich, auch mit einem relativ kleinen elektromagnetischen Feld das verschiebbare Element zu verschieben. Beim Verschieben bzw. Schalten des elektromagnetischen Aktuators wirken das Permanentmagnetfeld der beiden Permanentmagneten und das elektromagnetische Feld der Spule zusammen. Hierdurch ist es ermöglicht, dass die Permanentmagneten durch das elektromagnetische Feld nicht entmagnetisiert werden.

Vorzugsweise sind zwei Anschläge vorgesehen, die die erste und die zweite Position definieren. Durch die Anschläge kommt das ver- schiebbare Element in entsprechende Endpositionen oder Zwischenpositionen, über die das verschiebbare Element nicht hinausgelangen kann. Vorzugsweise wirkt beim Anliegen des verschiebbaren Elements an einen Anschlag eine, insbesondere nicht verschwindende, Kraft in Richtung des Anschlags auf das verschiebbare Element. Hierbei wird vorzugsweise das verschiebbare Element in Richtung einer metastabilen Position gezogen, in die das verschiebbare Element allerdings aufgrund der Anschläge nicht ganz gelangen kann. Es wirkt insofern in den jeweiligen Positionen, also in der ersten Position, in dem Fall, in dem das verschiebbare Element in der ersten Position anliegt und auch in dem Fall, in dem das verschiebbare Element in der zweiten Position anliegt, eine magnetische Kraft in Richtung des jeweiligen Anschlags, so dass das verschiebbare Element definiert am Anschlag gehalten wird. Hierdurch ergibt sich eine sehr definierte Position.

Anstelle des Anschlags wäre es auch möglich, keinen Anschlag vorzusehen und eine erste bzw. zweite Position im Bereich eines energetischen Minimums des Zusammenwirkens des Permanentmagnetfeldes durch die Permanentmagneten und des Materials des verschiebbaren Elements zu ermöglichen. Die Variante mit den Anschlägen ist allerdings aufgrund der definierten Positionen deutlich bevorzugt.

Wenn zwischen dem Permanentmagneten des Stators ein paramagnetisches und/oder ferromagnetisches Material angeordnet ist, ist eine besonders kleine Leistung für das elektromagnetische Feld ausreichend, um ein Verschieben des verschiebbaren Elements von einer ersten Position in eine zweite Position oder umgekehrt zu ermöglichen. Das paramagnetische und/oder ferromagnetische Material ist hierbei insbesondere Teil des Stators. Vorzugsweise ist die Spule von den Permanentmagneten und dem paramagnetischen und/oder ferromagnetischen Material, insbesondere des Stators, nach außen hin umschlossen.

Durch die Anordnung eines paramagnetischen und/oder ferromagnetischen Materials, sowohl im verschiebbaren Element als auch im Stator, wird ein weichmagnetischer Rückschluss für die Spule erzeugt, wodurch schon bei kleinen Strömen durch die Spule hohe Magnetfelder und damit hohe Leistungsdichten erzielt werden können.

Die längsaxiale Verschiebung des verschiebbaren Elements gemäß der Erfindung ist vorzugsweise entlang der Längsachse des Rohrs. Vorzugsweise ist das Rohr zylinderförmig. Es wird vorzugsweise ein um die Längsachse symmetrisches, insbesondere rotationssymmetrisches, Magnetfeld erzeugt. Hierdurch und insbesondere durch die Maßnahme, dass das verschiebbare Element, die Spule, das Rohr und/oder die Permanentmagneten im Schnitt ringförmig sind, und zwar insbesondere im Schnitt quer zur Längsachse, wirken gleichmäßige Kräfte auf das verschiebbare Element, so dass ein Verschieben mit einer geringen Leistung möglich ist. Für den Verschiebevorgang des verschiebbaren Elements bzw. den Schaltvorgang von einer ersten Position in eine zweite Position oder umgekehrt, reicht ein kurzer elektrischer Schaltimpuls durch die Spule von weniger als 100 Millisekunden und weniger als 500 Milliampere.

Vorzugsweise ist ein chirurgisches oder medizinisches Instrument, insbesondere ein Endoskop, mit einem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuator versehen.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen eines Rohres, insbesondere zur Verwendung in einem elektromagneti- sehen Aktuator, mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst:

Vorsehen einer Gussform, in der wenigstens ein Magnet angeordnet ist,

Einbringen einer Gussmasse in die Gussform, wobei wenigstens in dem Bereich, in dem der wenigstens eine Magnet angeordnet ist, die Gussmasse ferromagnetische Partikel aufweist und

Aushärten der Gussmasse zur Ausbildung eines stabilen Rohrs.

Vorzugsweise geschieht das Aushärten der Gussmasse in der Gussform, damit die ferromagnetischen Partikel nach deren durch das Magnetfeld vorgesehenen Ausrichtung auch nach Entfernen des Rohres aus der Gussform deren Ausrichtung beibehalten. Hierbei wird insbesondere vorzugsweise ein vollständiges Aushärten in der Gussform vorgesehen. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Bereiche in der Gussform vorgesehen, wobei in einem ersten Bereich Gussmasse mit ferromagnetischen Partikeln eingebracht wird und in einem zweiten Bereich Gussmasse ohne ferromagnetische Partikel eingebracht wird. Vorzugsweise ist in dem ersten Bereich ein die ferromagnetischen Partikel ausrichtendes Magnetfeld durch einen in der Gussform angeordneten Magneten vorgesehen. Vorzugsweise wird in einem mittleren Bereich der Gussform eine Gussmasse in die Gussform eingebracht, die keine ferromagnetischen Partikel aufweist und in wenigstens zwei diesen mittleren Bereich umgrenzenden Bereichen die Gussmasse mit ferromagnetischen Partikeln eingebracht.

Die ferromagnetischen Partikel sind vorzugsweise asphärisch und insbesondere länglich. Hierdurch ergeben sich eine Art magnetisier- te Nadeln, die für eine anisotrope Permeabilität des Rohres im Betrieb bzw. nach Einbau des Rohres in einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuator sorgt.

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, dreidimensionale Schnittdarstellung durch einen Teil eines Endoskops mit einem erfindungsgemäßen Aktuator,

Fig. 2 eine schematische Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 1 ,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer anderen

Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktuators,

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung der Ausführungsform aus Fig. 3 mit einer schematischen Flussdarstellung,

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung der Ausführungsform aus Fig. 3 mit einer schematischen Flussdarstellung,

Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen Aktuators,

Fig. 7 eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemä- ßes Rohr,

Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung einer Gussform,

Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Rohrs und

Fig. 10 ein Diagramm der Kraft, aufgetragen über eine Permeabilität.

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente bzw. entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer entsprechenden erneuten Vorstellung abgesehen wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische, dreidimensionale Schnittdarstellung durch einen Teil eines Endoskops mit einem erfindungsgemäßen Aktuator. Der Aktuator kann in einem nicht dargestellten Schaft eines Endoskops angeordnet sein. Der Schaft des Endoskops wäre in Fig. 1 koaxial um den Aktuator angeordnet, und zwar koaxial mit einem Durchmesser, der etwas größer ist als der Außendurchmesser des distalen Endes 18 des Gleitrohrs 1 1 .

Das Gleitrohr 1 1 umfasst ein ferromagnetisches Material und dient als radiale Führung des verschiebbaren Elements 10. Das verschiebbare Element 10 kann beispielsweise eine Linse 13 aufweisen, die Bestandteil eines Objektivs ist, das außerdem noch Linsen 14 und 15 aufweist, die in einem fixierten Halteelement 12 eingebracht sind und entsprechend gehalten sind. Das fixierte Halteelement 12 ist in dem Gleitrohr 1 1 fixiert bzw. angebracht und definiert einen Anschlag 16. Der weitere Anschlag 17 zum distalen Ende wird auch durch das Gleitrohr 1 1 durch einen Kragen nach innen defi- niert. Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 handelt es sich um einen rotationssymmetrischen Aufbau, bei dem ein axial verschiebbares Element 10 vorgesehen ist. Das verschiebbare Element 10 kann aus einer, wie in Fig. 1 dargestellten, proximalen Position in Fig. 1 nach links an den Anschlag 17 verschoben werden in eine distale Position. Das verschiebbare Element 10 ist als eine Art Hülse ausgebildet, die insbesondere aus einem weichmagnetischen Material, wie z.B. einem ferromagnetischen Material, besteht bzw. dieses Material aufweist.

Außer aus ferromagnetischem und/oder paramagnetischem Material kann das verschiebbare Element 10 noch eine Reibung vermindernde Beschichtung auf der Oberfläche aufweisen, die zur Innenwand des Gleitrohrs 1 1 angeordnet ist.

Das Rohr 1 1 bzw. Gleitrohr weist somit erfindungsgemäß eine Permeabilität auf, die größer als 1 ist und insbesondere vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1 ,5 und 200, insbesondere weiter vorzugsweise zwischen 2 und 100, und besonders bevorzugt zwischen 5 und 20, liegt. Das Rohr kann aus einem Material bestehen oder ein Material umfassen, das eine entsprechende Legierung aufweist, die diese Permeabilität hat. Es kann auch eine Keramik vorgesehen sein mit einer derartigen Permeabilität oder eine Keramik, in die Partikel, beispielsweise ferromagnetische Partikel, eingebracht sind. Entsprechend kann erfindungsgemäß auch ein Kunststoff als Gleitrohr 1 1 bzw. Rohr 1 1 vorgesehen sein, in das ferromagnetische Partikel eingebracht sind.

In Fig. 2 ist eine Ausschnittsvergrößerung aus Fig. 1 dargestellt, bei der die Form der jeweiligen Elemente deutlicher erkennbar ist. Das verschiebbare Element 10 weist einen distalen Polschuh 27 und einen proximalen Polschuh 28 auf. Diese wirken mit dem Magnetfeld und den Permanentmagneten 20 und 21 , die als Ringe ausbildet sind und rotationssymmetrisch um die Längsachse des elektromagnetischen Aktuators angeordnet sind, zusammen. Zwischen den Permanentmagneten 20 und 21 sind ein erstes Zwischenteil 22 und ein zweites Zwischenteil 23 aus paramagnetischem oder ferromag- netischem Material vorgesehen, die auch mit Polschuhen oder als Polschuhe ausgebildet sind. Das erste Zwischenteil 22 und das zweite Zwischenteil 23 können auch einstückig sein, also ein einziges Zwischenteil bilden. Ferner ist eine Spule 24 vorgesehen, die nach außen hin durch das erste Zwischenteil 22 und das zweite Zwischenteil 23 umschlossen ist und nach innen bis auf die Unterbrechung durch das Gleitrohr 1 1 auch von paramagnetischem und/oder ferromagnetischem Material des verschiebbaren Elements 10 umgeben ist. Hierdurch wird eine sehr große Verstärkung des elektromagnetischen Feldes erzielt. Der Stator 19 des elektromagnetischen Aktuators besteht im Wesentlichen aus den beiden Permanentmagnetringen 20 und 21 , den beiden Zwischenteilen 22 und 23 und der Spule 24.

Das Material, aus dem das verschiebbare Element 10 bestehen kann bzw. das dieses aufweist, kann beispielsweise St-37 oder C- 45k sein. Die Außenkontur des verschiebbaren Elements stellt einen Doppelanker dar. Hierdurch entstehen zwei Polschuhe, nämlich ein distaler Polschuh 27 und ein proximaler Polschuh 28. Die Außenseiten der Polschuhe dienen darüber hinaus als Gleitflächen für die Gleitpaarung zwischen dem Gleitrohr 1 1 und dem verschiebbaren Element 10. Die Innenkontur des verschiebbaren Elements ist vorzugsweise achsensymmetrisch. Von der Symmetrie kann jedoch in gewissen Grenzen abgewichen werden, um beispielsweise eine Schulter zur Montage einer Linse 13 zu integrieren. Vorzugsweise ist das verschiebbare Element schwarz matt ausgeführt. Der Stator 19 umfasst im Wesentlichen zwei gleichartige Permanentmagneten, die das gleiche Material bzw. die gleiche Magnet- und Magnetisierungsstärke und entsprechend die gleichen Dimensionen haben. Ferner ist eine Spule 24 vorgesehen sowie zwei ferro- magnetische Bauteile bzw. Zwischenteile 22 und 23, die als magnetische Flussführung zur Verstärkung und Fokussierung von Magnetfeldern dienen. Die Zwischenteile 22 und 23 sind hufeisenförmig in einem Schnitt längsaxial durch den Stator und in einer polschuharti- gen symmetrischen Ausführung realisiert. Sowohl das verschiebbare Element 10 als auch der Stator 19 sind vorzugsweise achsensymmetrisch aufgebaut. Die Permanentmagneten 20 und 21 sind gegensätzlich zueinander gepolt bzw. angestellt montiert.

Der elektromagnetische Aktuator kann in vier verschiedenen Zuständen vorliegen. Der erste Zustand ist der in Fig. 1 und 2 dargestellte Zustand, bei dem sich das verschiebbare Element 10 in der stabilen proximalen Position befindet. Hierbei wirkt die resultierende Kraft der Permanentmagneten auf das verschiebbare Element gegen den proximalen Anschlag 16. Ferner kann sich das verschiebbare Element in einer stabilen distalen Position befinden, die nicht in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die resultierende Kraft der Permanentmagneten wirkt dann auf das verschiebbare Element 10 gegen den distalen Anschlag 17.

Der dritte Zustand ist der, dass der Aktuator das verschiebbare Element aus der distalen Position herausbewegt. Die resultierende Kraft der Spule und der Permanentmagneten bewegt das verschiebbare Element 10 dann in proximale Richtung. Umgekehrt ist der vierte Zustand definiert, in der der Aktuator das verschiebbare Element 10 aus der proximalen Position herausbewegt. Hierbei ist die resultierende Kraft der Spule und der Permanentmagneten so, dass das verschiebbare Element 10 in distale Richtung verschoben wird.

Die Funktionsweise wird im Folgenden näher erläutert.

In den Fig. 3 bis 5 sind schematische Schnittdarstellungen durch einen elektromagnetischen Aktuator gezeigt, wobei die jeweiligen Elemente und Merkmale schematisch angedeutet sind. In Fig. 3 ist die Spule 24 stromlos, d.h. diese erzeugt kein Magnetfeld. Der Stator umfasst entsprechend wie in Fig. 1 und 2 aus einem ferromagne- tischen Material bestehende Zwischenteile 22, 23 und 23', die im Schnitt hufeisenförmig ausgebildet sind. Die Zwischenteile 22, 23 und 23' können als ein gemeinsames Stück, also einstückig, gefertigt sein.

Mit 25 ist schematisch ein magnetischer Südpol dargestellt und mit 26 ein schematischer magnetischer Nordpol. Mit 22 ist ein erstes Zwischenteil bzw. Bauteil dargestellt und mit 23 sowie 23' jeweils ein zweites Zwischenteil bzw. Bauteil, die als Polschuhe ausgebildet sind. Entsprechend können auch die Elemente 10, 27 und 28, die die ferromagnetischen Teile des verschiebbaren Elements 10 darstellen sollen, gemeinsam einstückig sein. 27 bezeichnet den distalen Polschuh und 28 den proximalen Polschuh.

Die Haltekräfte des verschiebbaren Elements werden in diesem Fall nur von den beiden Permanentmagneten durch ein Permanentmagnetfeld erzeugt. Durch die angestellten Magnete 20 und 21 befindet sich an beiden Polschuhen 23 und 23' des Stators der gleiche magnetische Pol. Der magnetische Fluss ist bestrebt, den Weg des geringsten magnetischen Widerstandes zu gehen. Im Verhältnis zur Luft ist der magnetische Widerstand von dem verwendeten ferromagnetischen Material weitaus geringer, so dass das System insgesamt versucht, die Luftspalte zu minimieren. Dieses wird als Reluk- tanz bezeichnet. Hierdurch werden die Polschuhe, die vorzugsweise aus weichmagnetischem bzw. ferromagnetischem Material bestehen , in Überdeckung gebracht, wodurch eine Bewegung bzw. eine Kraft realisiert wird.

Um eine Haltekraft in proximale Richtung, wie in Fig. 3 durch die Kraft 31 angedeutet ist, an das proximale Anschlagelement 30 zu erreichen, sollte folgendes gegeben sein. Der proximale Polschuh 28 des verschiebbaren Elements 10 muss näher zum proximalen Ende des proximalen Permanentmagnets 21 positioniert sein als der distale Polschuh 27 des verschiebbaren Elements zum distalen Ende des distalen Permanentmagnets 20. Damit muss a größer als b sein. Zudem muss der proximale Polschuh 28 des verschiebbaren Elements 10 proximal über den proximalen Polschuh 23 des Ankers hinausragen, c muss also größer als N ull sein. Wenn c = 0 wäre, wäre das System im magnetischen bzw. im energetischen Minimum. Dann wäre keine resultierende Kraft 31 mehr vorhanden . Eine entsprechende Kraft in Richtung des energetischen Minimums würde nur bei einer Verschiebung aus dieser Position heraus entstehen . Dieses führt zu einer nicht diskreten Positionierung, weswegen die Ausführungsform mit entsprechendem Anschlag bevorzugt ist.

Das verschiebbare Element 10 bildet für beide Magneten 20 und 21 den magnetischen Rückschluss, so dass der geringste magnetische Widerstand bzw. der energetisch günstigste Zustand des Systems über das verschiebbare Element 10 erreicht werden kann. Abhängig von der Position des verschiebbaren Elements, also auch abhängig von der Lage der Anschlagelemente 29 bzw. 30, können somit unterschiedliche Haltekräfte realisiert werden . In dem dargestellten Beispiel ist der elektromagnetische Aktuator so ausgelegt, dass die Position des verschiebbaren Elements 1 0 am Anschlag, also beispielsweise am proximalen Anschlagelement 30, nicht dem energe- tisch günstigsten Zustand entspricht. Dadurch wird der elektromagnetische Aktuator weiterhin versuchen, das verschiebbare Element in die Position des geringsten Widerstands zu ziehen, wodurch die resultierende Haltekraft (Reluktanz) hervorgeht.

Um nun das verschiebbare Element 10 von der proximalen Position in die distale Position zu verschieben, wird die Spule 24 bestromt. Hierdurch kann ein Gesamtmagnetfeld erzeugt werden, das eine Kraft in distale Richtung erzeugt, die größer ist als die Haltekraft in proximaler Richtung. Dieses ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Die Kraft in distale Richtung ist als Verschiebekraft 34 angegeben. Durch Bestromung der Spule 24 ergibt sich ein entsprechendes Magnetfeld in der Summation des Magnetfeldes des distalen Permanentmagnets 20 und der Spule, das schematisch durch einen magnetischen Nordpol 26 und einen magnetischen Südpol 25 auf der linken Seite der Fig. 4 und der Fig. 5 angedeutet ist. Im Idealfall erzeugt die Spule einen magnetischen Fluss, der dem des distalen Permanentmagnets 20 entspricht. Dadurch wird das Magnetfeld hin zum proximalen zweiten Zwischenteil 23 bzw. Statorpolschuh verstärkt. Der distale Permanentmagnet 20 und die Spule bilden, abstrahiert betrachtet, einen großen zusammenhängenden Magneten, der schematisch eine größere, idealerweise doppelte, Feldstärke als der proximale Permanentmagnet 21 aufweist. Hierdurch ergeben sich entsprechende magnetische Flüsse 32 und 33, die in den Fig. 4 und 5 dargestellt sind, und eine entsprechende Verschiebekraft 34 zum distalen Ende hin. Durch das Zusammenwirken der drei magnetischen Bauteile (beide Permanentmagnete 20 und 21 sowie der Spule 24) wird das verschiebbare Element 10 aus seiner proximalen Position zu seiner distalen Position bewegt.

Durch den dargestellten Aufbau ist es nicht notwendig, dass der magnetische Fluss der Spule den magnetischen Fluss eines Per- manentmagnets vollständig auslöscht. Hierdurch wird die Gefahr, dass das Magnetfeld der Spule die Permanentmagnete entmagnetisiert, verringert. Durch das Umgeben der Spule durch ferromagneti- sches Material ist ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielbar. Dies minimiert den notwendigen Schaltstrom und damit eine möglicherweise auftretende Erwärmung, die bei einem Endoskop im distalen Bereich vermieden werden soll.

Bei elektromagnetischen Aktuatoren gemäß dem Stand der Technik werden entsprechende Führungen eines verschiebbaren Elements verwendet, beispielsweise ein Führungsrohr oder ein Rohr, das beispielsweise aus Edelstahl, einer Keramik oder Kunststoff besteht und eine Permeabilität μ _Γ von 1 bzw. ungefähr 1 besitzt und sich somit für magnetische Felder ähnlich wie Luft verhält. Insbesondere bei stark miniaturisierten elektromagnetischen Aktuatoren, die auch als Reluktanzaktuatoren bezeichnet werden können, ist es wichtig, den Wirkungsgrad möglichst hoch zu halten, da bei der Miniaturisierung die Kräfte mit der vierten Potenz abnehmen. Hierzu könnte beispielsweise der Luftspalt zwischen den Magneten und dem verschiebbaren Element verringert werden. Es ist allerdings aufgrund der Verwendung eines Führungsrohres bzw. Rohres eine Mindestdicke erforderlich. Damit kann der Luftspalt nicht unendlich weit reduziert werden und der Wirkungsgrad nicht optimal erhöht werden. Erfindungsgemäß wird nun die Permeabilität des Führungsrohrs bzw. des Rohrs erhöht, um den„Luftspalt" zu verkleinern.

Hierzu ist in Fig. 10 ein Diagramm gezeigt, das eine Kraft über der Permeabilität μ _Γ des Rohres 1 zeigt. Die Ordinate zeigt die Kraft F in Nrn. Die Abszisse zeigt die Permeabilität μ _Γ . Die Kurve 61 zeigt die Haltekraft des erfindungsgemäßen Aktuators in einer Endposition bei Verwendung von Permanentmagneten mit einer Remanenz von 0,3 T. In gestrichelt ist mit der Bezugsziffer 63 die Schaltkraft dieses Aktuators in Endposition bei einer Spulendurchflutung von 100 A/mm ² und einer Remanenz des Permanentmagneten von 0,3 Tesla dargestellt. Entsprechend ist die Kurve 62 die Haltekraft des Aktuators in der Endposition bei Verwendung von Permanentmagneten mit einer Remanenz von 0,5 T und die Kurve 64 die Schaltkraft des Aktuators in Endposition bei einer Spulendurchflutung von 100 A/mm ² mit einer Remanenz der Permanentmagneten oder des Permanentmagneten von 0,5 T. Damit zeigt die Fig. 10 den Einfluss der Permeabilität des Rohres 1 auf die Halte- und Schaltkräfte eines bistabilen elektromagnetischen Aktuators gemäß der Erfindung. Diese Kurven sind durch eine FEM-Simulation ermittelt worden.

Es ist zu erkennen, dass die Haltekräfte bis zu einer Permeabilität von ca. 2 ansteigen und danach wieder abfallen und ungefähr bei einer Permeabilität von 6 unter den Startwert fallen. Bei den Schaltkräften ist ein größerer Effekt zu erkennen. Zum Schalten muss die Schaltkraft negativ sein. Dies resultiert daraus, dass durch die Permeabilität über das Rohr 1 1 der magnetische Kreis um die Spule besser geschlossen und dadurch der von der Spule erzeugte magnetische Fluss erhöht wird. Bei der Verwendung von Permanentmagneten mit 0,5 T, d.h. bei den Kurven 61 und 63, fällt auf, das der Aktuator bei einer Permeabilität von 1 nicht funktionsfähig ist, da die Schaltkraft positiv ist. Erst bei einer Erhöhung der Permeabilität im Luftspalt wird die Schaltkraft negativ. Beim Schnittpunkt der Kurven 63 und 64, d.h. bei einer Permeabilität von ungefähr 5, erreichen beide elektromagnetischen Aktuatoren die gleiche Schaltkraft. Die Haltekraft ist bei einer Remanenz von 0,5 T jedoch fast dreimal so hoch. Bis zu einer Permeabilität von ungefähr 20 erreicht der elektromagnetische Aktuator mit einer Remanenz von 0,5 T eine höhere Haltekraft als das absolute Maximum der Haltekraft des elektromagnetischen Aktuators mit einer Remanenz von 0,3 T. Die Schaltkraft ist in diesem Bereich jedoch über viermal so groß. Mit Hilfe des Rohres 1 1 , das auch als Gleitelement bezeichnet werden kann, können die Materialien entsprechend spanend hergestellt und bevorzugt kalt verformt werden. Hierbei kommt insbesondere ein Rollieren oder Tiefziehen infrage. Insbesondere ist ein kaltgezogenes Rohr vorzuziehen. Es könnten auch Materialien verwendet werden, die in der EMV-Abschirmung angewendet werden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Ferrite, wie beispielsweise Ni- ckelferrite.

Als Alternative könnte ein Kunststoffrohr gefertigt werden, das beispielsweise mit ferromagnetischen Partikeln gefüllt ist. Durch den Füllgrad des Kunststoffs mit ferromagnetischen Partikeln kann die Permeabilität des Rohres gut eingestellt werden. Beispielsweise könnten Permeabilitäten zwischen 2 und 100 ohne Probleme eingestellt werden. Bei der Herstellung können gespritzte Rohlinge spanend nachbearbeitet werden oder ein Spritzgussherstellverfahren verwendet werden.

Fig. 6 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines Teils eines erfindungsgemäßen Aktuators in Schnittdarstellung, wobei insbesondere das Rohr 1 1 und ein Teil der Magneten 20, 21 dargestellt sind, umfassend entsprechend einen magnetischen Südpol 25 und einen magnetischen Nordpol 26, um die Position in dem Rohr 1 1 entsprechend besser darzustellen. Gemäß der Ausführungsform in Fig. 4 ist das Rohr 1 1 in verschiedene Abschnitte unterteilt, die längsaxial hintereinander angeordnet sind. So kann das Rohr beispielsweise so ausgebildet sein, dass ein mittlerer Bereich 41 vorgesehen ist, der beispielsweise eine Permeabilität von 1 oder ungefähr 1 aufweist. Dieser mittlere Bereich 41 ist benachbart zu zwei Rohrbereichen 40 und 42, die eine erhöhte Permeabilität von beispielsweise 2 bis 100 oder von 4 bis 60 oder von 6 bis 40 oder von 8 bis 40 oder einer anderen Permeabilität in dem Bereich von 2 bis 100 aufweisen. Diese Rohrbereiche 40 und 42 können, wie durch die Strichelung angedeutet ist, im Bereich der Magneten 20 und 21 und vorzugsweise etwas versetzt von diesen Magneten liegen. Es kann sich dann ein Endbereich 44 zu beiden Seiten anschließen, bei dem das Rohr eine Permeabilität von 1 oder ungefähr 1 aufweist. Die Endbereiche 44 können allerdings auch eine entsprechend höhere Permeabilität aufweisen und insbesondere eine Permeabilität aufweisen, die in den Bereichen 40 und 42 vorliegen. Durch diese Ausführungsform wird verhindert, dass magnetischer Fluss durch das Rohr zwischen den Magneten 20 und 21 für das Halten des verschiebbaren Elements 10 und zum Schalten des verschiebbaren Elements 10 verloren geht. Hierdurch wird der magnetische Fluss entsprechend durch das Rohr 1 1 gebündelt, und zwar in radialer Richtung durch das Rohr 1 1 .

Um ein entsprechendes Rohr zu fertigen, kann beispielsweise ein Injektionsspritzgießen verwendet werden, insbesondere mit einer Gussform, wie sie in Fig. 8 in schematischer Schnittdarstellung dargestellt ist. Hier ist die Gussform 50 dargestellt, die drei Öffnungen 51 , 51 ' und 51 " aufweist, die als Angussstellen Verwendung finden. Die Gussform 50 weist einen äußeren Mantel, ein innenliegendes Rohr und an allen Seiten Deckel auf. Zwischen diesen Elementen ist ein Hohlraum ausgebildet, der rohrförmig ist und aus dem dann das Rohr 1 1 gebildet wird. In axialer Richtung in den Endbereichen der Gussform 50, insbesondere etwas beabstandet zu den Stirnflächen, sind entsprechende Magnete 52, 53 und 54 auf der rechten Seite und 52', 53' und 54' auf der linken Seite vorgesehen, die für eine Magnetisierung beispielsweise von ferromagnetischen Partikeln in einer Angussmasse beim Spritzgießen sorgen können. In die Öffnung 51 wird beispielsweise die Gussmasse 59 mit ferromagnetischen Partikeln 60 und entsprechend in die Öffnung 51 " auch eine Gussmasse 59 mit ferromagnetischen Partikeln 60 eingebracht. In die Mitte wird in die Öffnung 51 ' eine Gussmasse 58 eingebracht, die insbesondere keine ferromagnetischen Partikel aufweist. Auf diese Weise kann ein entsprechendes Rohr mit unterschiedlichen Bereichen hergestellt werden, das in Fig. 9 schematisch dargestellt ist. Hier ist das Rohr 1 1 in einer schematischen Schnittdarstellung und entsprechende Bereiche 40, 41 und 42 unterhalb dieses Rohres in vergrößerter Darstellung gezeigt. In den Bereichen links und rechts, d.h. in der vergrößerten Darstellung zu den Bereichen 40 und 42, sind die ausgerichteten ferromagnetischen Partikel 60 dargestellt und in der vergrößerten Darstellung des Bereichs 41 ist der Kunststoff, der keine ferromagnetischen Partikel enthält, dargestellt. Hierdurch ist ein sehr effizientes Fertigungsverfahren gegeben.

Nach Einbringen der Gussmassen 58 und 59 richten sich die ferromagnetischen Partikel 60 nach den Feldlinien der Magneten 52, 53 und 54 bzw. 52', 53' und 54' aus. Nach Aushärten der Gussmassen bzw. der Gussmasse, die beispielsweise ein Kunststoff sein kann, wie beispielsweise ein zweikomponentiges Polyester- oder Epoxidharz, bleibt die entsprechende Permeabilität der Bereiche 40 und 42 bestehen.

Eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Aktuators ist dadurch gegeben, dass das Rohr 1 1 , wie schematisch in einer Draufsicht in Fig. 7 dargestellt, in Umfangsrichtung in Abschnitte bzw. Bereiche aufgeteilt ist, die benachbart unterschiedliche Permeabilitäten aufweisen. Diese Draufsicht zeigt in Umfangsrichtung drei mit erhöhter Permeabilität vorgesehene Bereiche, und zwar auf der rechten Seite 43, 45 und 47 und zwei Bereiche 44 und 46, die eine Permeabilität von 1 bzw. ungefähr 1 haben. Ein weiterer Bereich mit erhöhter Permeabilität ist in Fig. 7 nicht zu erkennen, da dieser verdeckt ist. Entsprechend ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Bereichsstruk- turierung auch auf der linken Seite des Rohres 1 1 mit den Bereichen 43', 45' und 47' vorgesehen, die eine erhöhte Permeabilität aufweisen und 44' und 46', die eine Permeabilität von ungefähr 1 aufweisen. Die Strukturierung der Bereiche in Umfangsrichtung dient dazu zu verhindern, dass das verschiebbare Element beim längsaxialen Verschieben auch eine Drehung erfährt. Das verschiebbare Element kann dann auch entsprechende Polschuhe 27 und 28 aufweisen, die auch in Umfangsrichtung des verschiebbaren Elements strukturiert sind. Diese sind dann im magnetischen Eingriff mit den in Umfangsrichtung strukturierten Bereichen des Rohres 1 1 .

Durch das Vorsehen von Magneten 52, 52', 53, 53', 54, 54' in der Gussform 50 werden die ferromagnetischen Partikel, die vorzugsweise asphärisch, insbesondere länglich ausgebildet sind, bei der Herstellung des Rohres 1 1 ausgerichtet. Hierdurch ergibt sich bei dem gefertigten Gleitrohr 1 1 eine anisotrope Permeabilität in den Bereichen, die im Wirkbereich der Magneten der Gussform 50 bei der Herstellung gewesen sind. Hierdurch wird erreicht, dass das Gleitrohr 1 1 im Aktuator Abschnitte aufweist, die in radialer Richtung einen höheren Magnetfluss zulassen als in axialer Richtung. Hierdurch wird ein magnetischer Kurzschluss der Magnetfelder, die durch die Magneten, umfassend die Bereiche 25 und 26, sowie durch die Polschuhe 23 und 23' führen, vermieden oder reduziert. Durch die Ausrichtung der ferromagnetischen Partikel wird somit in radialer Richtung der Magnetfluss die Suszeptibilität im Vergleich zur axialen Richtung erhöht.

Der elektromagnetische Aktuator wird vorzugsweise bei Endoskopen verwendet, die ein optisches System aufweisen. Insbesondere kann mit dem elektromagnetischen Aktuator eine Linse verschoben werden, so dass diese längsaxial entlang der Längsachse 35 verschoben werden kann. Hierdurch ist eine Fokussierung oder eine Verschiebung der Brennweite des Objektivs ermöglicht. Anstelle oder zusätzlich zu der Linse kann auch ein Spiegel vorgesehen sein, mittels dessen die Blickrichtung eines Operateurs im distalen Bereich des Endoskops verändert werden kann. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist ein geringer Bauaufwand mit geringem Platzbedarf realisierbar, so dass das Lumen, das beispielsweise für Linsen zur Verfügung steht, nur wenig reduziert wird, so dass sehr leuchtstarke Objektive und damit auch leuchtstarke Endoskope realisierbar sind.

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 erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein.

Bezuqszeichenliste

10 verschiebbares Element

1 1 Gleitrohr

12 fixiertes Halteelement

1 3 Linse

14 Linse

15 Linse

16 Anschlag

17 Anschlag

1 8 distales Ende

19 Stator

20 Permanentmagnet

21 Permanentmagnet

22 1 . Zwischenteil

23, 23' 2. Zwischenteil

24 Spule

25 magnetischer Südpol

26 magnetischer Nordpol

27 distaler Polschuh

28 proximaler Polschuh

29 distales Anschlagelement

30 proximales Anschlagelement

31 Kraft

32 magnetischer Fluss

33 magnetischer Fluss

34 Verschiebekraft

35 Längsachse

40, 41 , 42 Rohrbereich

43, 43', 44, 44' Rohrbereich

45, 45', 46, 46' Rohrbereich , 47' Rohrbereich

50 Gussform

51 " Öffnung

, 52' Magnet

, 53' Magnet

, 54' Magnet

58 Gussmasse

59 Gussmasse mit ferromagnetischen Partikeln

60 ferromagnetisches Partikel

61 Haltekraft

62 Haltekraft

63 Schaltkraft

64 Schaltkraft

a Abstand

b Abstand

c Abstand