雙穩(wěn)態(tài)電磁致動(dòng)器和外科器械的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】雙穩(wěn)態(tài)電磁致動(dòng)器和外科器械
[0001]本發(fā)明涉及一種尤其用于外科器械的雙穩(wěn)態(tài)電磁致動(dòng)器，該雙穩(wěn)態(tài)電磁致動(dòng)器包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子布置在管的外部，所述轉(zhuǎn)子安裝在所述管中，從而能夠沿縱向方向軸向移位，所述轉(zhuǎn)子至少部分地由永磁性材料和/或鐵磁性材料制成并且能夠通過(guò)施加電磁場(chǎng)而在第一位置和第二位置之間可逆地移動(dòng)，其中所述定子設(shè)置有:沿相反方向被軸向極化的兩個(gè)環(huán)形永磁體；用于產(chǎn)生電磁場(chǎng)的線(xiàn)圈；以及具有兩個(gè)定子極靴的磁性回路元件，本發(fā)明還涉及一種外科器械。
[0002]雙穩(wěn)態(tài)電磁致動(dòng)器具有轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子在兩個(gè)極限位置中的一個(gè)位置中保持在永磁場(chǎng)中，并且能夠通過(guò)切換電磁場(chǎng)而從一個(gè)穩(wěn)定位置轉(zhuǎn)移到另一穩(wěn)定位置。這允許例如致動(dòng)開(kāi)關(guān)。在外科器械尤其是內(nèi)窺鏡的情況下，這些小型致動(dòng)器能夠例如用于改變光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)或放大或者用于改變視向。這通過(guò)借助致動(dòng)器移動(dòng)光學(xué)部件來(lái)進(jìn)行上述改變，所述光學(xué)部件位于致動(dòng)器的轉(zhuǎn)子或該轉(zhuǎn)子上。
[0003]從DE 10 2008 042 701 Al已知用于諸如內(nèi)窺鏡的光學(xué)系統(tǒng)的線(xiàn)性馬達(dá)。該馬達(dá)具有定子，該定子具有兩個(gè)永磁體，這兩個(gè)永磁體被沿相同方向極化并且借助磁性回路元件而彼此磁性地連接。在磁體之間布置有線(xiàn)圈。在鄰接每個(gè)磁體的一側(cè)上，極靴磁性連接到磁性回路元件。馬達(dá)的轉(zhuǎn)子包括由軟磁性材料構(gòu)成的軛，該軛與定子的永磁體磁性接合。當(dāng)向線(xiàn)圈施加電流時(shí)，轉(zhuǎn)子能夠沿縱向方向從靜止位置移出。
[0004]根據(jù)DE 10 2008 042 701 Al所述的轉(zhuǎn)子包括管狀的軟磁性元件，從而在管狀轉(zhuǎn)子在管上形成摩擦的情況下，必須化費(fèi)大的力來(lái)將轉(zhuǎn)子從一個(gè)位置移動(dòng)到另一位置。此外，根據(jù)DE 10 2008 042 701 Al的線(xiàn)性馬達(dá)的尺寸相當(dāng)大。
[0005]因而，本發(fā)明的目的在于提供一種小型的雙穩(wěn)態(tài)電磁致動(dòng)器和具有相應(yīng)的雙穩(wěn)態(tài)電磁致動(dòng)器的外科器械，其中能夠在具有小設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子上施加較大的移位力。
[0006]該目的通過(guò)尤其用于外科器械的雙穩(wěn)態(tài)電磁致動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該致動(dòng)器包括定子和轉(zhuǎn)子，所述定子布置在管的外側(cè)，所述轉(zhuǎn)子安裝在所述管中從而能夠沿縱向方向軸向移位，所述轉(zhuǎn)子至少部分地由永磁性和/或鐵磁性材料構(gòu)成，并且該轉(zhuǎn)子能夠通過(guò)施加電磁場(chǎng)而在第一位置和第二位置之間可逆地運(yùn)動(dòng)，其中所述定子設(shè)置有:兩個(gè)環(huán)形永磁體，這兩個(gè)環(huán)形永磁體沿相反方向被軸向極化；用于產(chǎn)生電磁場(chǎng)的線(xiàn)圈；以及具有兩個(gè)定子極靴的磁性回路元件，其中具有所述定子極靴的所述磁性回路元件封閉所述線(xiàn)圈，并且所述定子極靴在所述線(xiàn)圈和所述環(huán)形永磁體之間布置在所述線(xiàn)圈的兩側(cè)，其中所述轉(zhuǎn)子具有兩個(gè)轉(zhuǎn)子極靴，其中所述定子極靴的軸向?qū)挾缺人鲛D(zhuǎn)子極靴的軸向?qū)挾刃　?br>[0007]根據(jù)本發(fā)明的致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的，即，通過(guò)提高線(xiàn)圈的效率而能夠使線(xiàn)圈電流和線(xiàn)圈中的電力浪費(fèi)最小化。這通過(guò)致動(dòng)器元件的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的幾何形狀基于以下事實(shí)，即:磁性回路元件不再如DE 10 2008 042 701 Al中所公開(kāi)的那樣利用定子極靴既封閉線(xiàn)圈又封閉環(huán)形磁體，而是僅封閉線(xiàn)圈，而且環(huán)形磁體布置在定子極靴的外側(cè)。軸向磁化的磁環(huán)被用于此，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用這些磁環(huán)不必徑向地布置磁性回路元件的軟鐵。為此，定子能夠在較小的徑向配置空間中實(shí)現(xiàn)。由于定子極靴布置在永磁體和線(xiàn)圈之間，因此這提高了線(xiàn)圈效率，因?yàn)闃O靴直接連接到磁性回路。這能夠減小定子的軸向長(zhǎng)度并且因此還減小轉(zhuǎn)子的軸向長(zhǎng)度。
[0008]由于轉(zhuǎn)子自身具有轉(zhuǎn)子極靴，因此其具有中心徑向縮減部，使得極靴形成在其每個(gè)端部上。因而，轉(zhuǎn)子僅在極靴的位置處接觸管，而不是接觸整個(gè)表面。轉(zhuǎn)子和其中定位有所述轉(zhuǎn)子的管之間的摩擦由此減小。這提高了切換效率，這是因?yàn)楸仨氁朔哪Σ磷枇Ω?。另外，例如筆直度誤差或彎曲的負(fù)面影響通過(guò)在兩個(gè)小接觸表面或者相應(yīng)的接觸線(xiàn)上的較小配合而減小。
[0009]總之，這產(chǎn)生了有利的線(xiàn)圈或者相應(yīng)的致動(dòng)器效率，以及有利的保持力和切換力的平衡。
[0010]當(dāng)定子極靴的軸向?qū)挾刃∮谥聞?dòng)器在第一位置和第二位置之間軸向行程時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)保持力和切換力之間的顯著差別。
[0011]有利地，具有轉(zhuǎn)子極靴的轉(zhuǎn)子在軸向方向上的總長(zhǎng)度大于定子極靴在軸向方向上的外部距離。還優(yōu)選的是，轉(zhuǎn)子極靴的軸向中平面之間的距離大于定子極靴的軸向中平面之間的距離。通過(guò)這些有利特征，保持力和切換力之間的平衡能夠被有利地調(diào)整，并且能夠增大切換力。
[0012]當(dāng)定子極靴優(yōu)選地彼此之間具有相等的軸向?qū)挾龋?或轉(zhuǎn)子極靴彼此之間具有相等的軸向?qū)挾?，?或定子和/或所述轉(zhuǎn)子穿過(guò)對(duì)稱(chēng)平面被對(duì)稱(chēng)地形成時(shí)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的致動(dòng)器在軸向方向上的對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，使得在兩個(gè)最終位置或者分別在第一位置和第二位置相同的保持力占主導(dǎo)，并且被施加相等的切換力以改變轉(zhuǎn)子在致動(dòng)器中的位置。另外，僅一些所述的幾何尺寸能夠被對(duì)稱(chēng)地實(shí)現(xiàn)。如果致動(dòng)器受到例如來(lái)自一側(cè)的連續(xù)負(fù)載，則能夠有利地阻斷致動(dòng)器沿軸向方向的總體對(duì)稱(chēng)，并且在一個(gè)位置實(shí)現(xiàn)比在另一個(gè)位置大的保持力和/或切換力。
[0013]轉(zhuǎn)子在第一和/或第二位置中抵靠止動(dòng)件定位。該止動(dòng)件優(yōu)選地布置成使得在該位置處因永磁體而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的力進(jìn)一步朝向供轉(zhuǎn)子抵靠的止動(dòng)件擠壓或者牽拉所述轉(zhuǎn)子。
[0014]在一個(gè)有利的改進(jìn)中，在最終位置尤其是第一和/或第二位置，布置在最終位置處的轉(zhuǎn)子極靴在軸向方向上至少部分地覆蓋與轉(zhuǎn)子極靴相對(duì)的定子極靴，其中，布置在最終位置的轉(zhuǎn)子極靴的中平面朝向最終位置在軸向方向上超過(guò)與轉(zhuǎn)子極靴相對(duì)的定子極靴的中平面。這涉及在軸向方向上布置成更靠近瞬時(shí)最終位置的轉(zhuǎn)子極靴或相應(yīng)的定子極靴。在內(nèi)窺鏡的情況下，這將是在遠(yuǎn)端位置中的定子和轉(zhuǎn)子的遠(yuǎn)側(cè)極靴。這些極靴彼此相對(duì)地定位。在近端位置，這些極靴是定子和轉(zhuǎn)子的近側(cè)極靴。這些極靴也彼此相對(duì)地定位。
[0015]在最終位置，未布置在所述最終位置中的所述轉(zhuǎn)子極極靴在軸向方向上有利地完全覆蓋與轉(zhuǎn)子極靴相對(duì)的定子極靴，其中，未布置在所述最終位置的轉(zhuǎn)子極靴的中平面朝向最終位置在軸向方向上超過(guò)與轉(zhuǎn)子極靴相對(duì)的定子極靴的中平面。以?xún)?nèi)窺鏡為例，這些極靴例如是轉(zhuǎn)子和定子的近側(cè)極靴，并且反之在轉(zhuǎn)子的遠(yuǎn)端位置，這些極靴是轉(zhuǎn)子和定子的遠(yuǎn)側(cè)極靴。
[0016]這兩種情況單獨(dú)地或一起地意味著由于為此有利的磁通的引導(dǎo)，而通過(guò)在相應(yīng)最終位置向線(xiàn)圈施加小電流來(lái)實(shí)現(xiàn)非常穩(wěn)定且強(qiáng)健的保持力。此外，這較強(qiáng)地增大了作用在轉(zhuǎn)子上的切換力。
[0017]最后，本發(fā)明通過(guò)具有根據(jù)本發(fā)明上述的雙穩(wěn)態(tài)電磁致動(dòng)器的外科器械尤其是內(nèi)窺鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于該致動(dòng)器能夠被非常小地構(gòu)成，因此其能夠以具有窄內(nèi)窺鏡軸的內(nèi)窺鏡來(lái)實(shí)施。
[0018]與權(quán)利要求書(shū)和所包含的附圖一起，從根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的說(shuō)明將清楚本發(fā)明的其它特征。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)的特征或者幾個(gè)特征的組合。
[0019]以下參照附圖基于示例性實(shí)施方式在不限制本發(fā)明的基本意圖的情況下描述本發(fā)明，借此參照關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的公開(kāi)的所有細(xì)節(jié)的附圖，這些所有細(xì)節(jié)在本文中將不再更詳細(xì)地說(shuō)明。在附圖中:
[0020]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的致動(dòng)器的示意性剖視圖；
[0021]圖2示出了根據(jù)圖1的致動(dòng)器的遠(yuǎn)側(cè)部分的剖面圖；
[0022]圖3示出了與傳統(tǒng)致動(dòng)器相比，根據(jù)圖1和圖4的致動(dòng)器的近側(cè)部分、取決于轉(zhuǎn)子位置的保持力和根據(jù)本發(fā)明的致動(dòng)器的切換力的示意性圖示；
[0023]圖4示出了與已知致動(dòng)器相比用于根據(jù)本發(fā)明的致動(dòng)器的保持力和切換力的力/路徑圖。
[0024]在附圖中，相同或相似類(lèi)型的元件和/或部件被提供有相同的附圖標(biāo)記從而能夠省略相應(yīng)的重復(fù)介紹。
[0025]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)電磁致動(dòng)器I的剖視圖。該致動(dòng)器繞中心軸線(xiàn)4大致旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)，并且僅致動(dòng)器I的一半被示出。通過(guò)中心軸線(xiàn)4進(jìn)行鏡像產(chǎn)生致動(dòng)器I的整個(gè)截面。
[0026]下面，將描述當(dāng)位于外科器械(即具有遠(yuǎn)端和近端的內(nèi)窺鏡)中時(shí)的致動(dòng)器I。該遠(yuǎn)側(cè)方向在圖1至圖3中是向左方向，近側(cè)方向是向右方向。
[0027]定子10徑向布置在管2的外側(cè)并且具有兩個(gè)環(huán)形磁體12、14，這兩個(gè)環(huán)形磁體沿相反方向被軸向磁化，使得這些磁體的南極在圖1中彼此相反。當(dāng)被整合在內(nèi)窺鏡中時(shí)，環(huán)形磁體12是遠(yuǎn)側(cè)環(huán)形磁體，環(huán)形磁體14是近側(cè)環(huán)形磁體。
[0028]柱形線(xiàn)圈16對(duì)稱(chēng)地布置在環(huán)形磁體12和14之間，其中也呈柱形的磁體回路元件18布置在線(xiàn)圈16的徑向外側(cè)并且由軟磁性材料構(gòu)成，該磁體回路元件在徑向外側(cè)與環(huán)形磁體12、14齊平地閉合。磁性回路元件18在遠(yuǎn)側(cè)終止在遠(yuǎn)側(cè)定子極靴20中并且在近側(cè)終止在近側(cè)定子極靴22中。磁性回路元件18和定子極靴20、22能夠被設(shè)計(jì)成單個(gè)部件或者由都為軟磁性的不同部件構(gòu)成。遠(yuǎn)側(cè)極靴20和近側(cè)極靴22布置在線(xiàn)圈16和遠(yuǎn)側(cè)與近側(cè)環(huán)形磁體12、14之間?？傊@產(chǎn)生了齊平的徑向外側(cè)終止表面。根據(jù)圖1的定子10沿穿過(guò)對(duì)稱(chēng)平面24的軸向方向?qū)ΨQ(chēng)。
[0029]根據(jù)圖1的致動(dòng)器I具有位于管2的徑向內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)子30，轉(zhuǎn)子尤其由軟磁性材料構(gòu)成。該轉(zhuǎn)子30在中部變細(xì)并且終止在遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)子極靴32和近側(cè)轉(zhuǎn)子極靴34中，其中遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)子極靴32基本上與遠(yuǎn)側(cè)定子極靴20相對(duì)，并且近側(cè)轉(zhuǎn)子極靴34基本上與近側(cè)定子極靴22相對(duì)。轉(zhuǎn)子30在中間變細(xì)從而其朝向管2離開(kāi)一間隙36。由于轉(zhuǎn)子30僅以極靴32、34的內(nèi)表面接觸管2，因此減少了摩擦，并且確保轉(zhuǎn)子30在管2中的非翻轉(zhuǎn)布置。轉(zhuǎn)子30沿軸向方向關(guān)于對(duì)稱(chēng)平面38對(duì)稱(chēng)。
[0030]轉(zhuǎn)子32向其遠(yuǎn)側(cè)和近側(cè)的運(yùn)動(dòng)由遠(yuǎn)側(cè)止動(dòng)件44和近側(cè)止動(dòng)件46限制。與布置成在管2中可軸向運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子30相比，止動(dòng)件44、46沿軸向方向固定。
[0031]圖1示出了其中轉(zhuǎn)子30由永磁體12、14保持在第一位置6，其中轉(zhuǎn)子30抵靠遠(yuǎn)側(cè)止動(dòng)件45定位。第二位置8將是轉(zhuǎn)子30抵靠近側(cè)止動(dòng)件46定位的位置。
[0032]圖2和圖3示出了圖1的致動(dòng)器I的幾何形狀的附加細(xì)節(jié)。圖2示出了遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)子極靴32的軸向?qū)挾缺冗h(yuǎn)側(cè)定子極靴20的軸向?qū)挾却蟆Ｆ溥€示出了在其中轉(zhuǎn)子30抵靠遠(yuǎn)側(cè)止動(dòng)件45定位的第一位置6，在遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)子極靴32和遠(yuǎn)側(cè)定子極靴20仍然存在部分重疊。在很大程度上，遠(yuǎn)側(cè)轉(zhuǎn)子極靴32在該位置6疊蓋遠(yuǎn)側(cè)環(huán)形磁體12。