Aufgabe
der Erfindung ist es, eine besonders kompakte Einrichtung zur Positionseinstellung
längs einer
Achse anzugeben.
Ferner
ist es Aufgabe der Erfindung, einen z- oder Tiefenbetätiger anzugeben,
der in Richtung der z-Achse einstellbar ist, jedoch in lateraler
Richtungen eine gewisse Flexibilität aufweist.
Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zur Positionseinstellung
längs einer
Achse vorgesehen, mit:
einem längs der Achse dehn- und zusammenziehbaren
Element, das eine Formgedächtnislegierung
enthält,
die zum Dehnen und Zusammenziehen des Elementes positionierbar ist,
einem
Heizmittel zum Einstellen der Temperatur der Formgedächtnislegierung
und
einem Rückkopplungsmechanismus
zum Regeln des Heizmittels in Abhängigkeit von Schwankungen der einzustellenden
Position,
wobei die Position durch das Heizmittel einstellbar und
durch den Rückkopplungsmechanismus
stabilisierbar ist.
In
einer Ausführungsform
ist die Achse durch die Tiefe oder z-Achse gegeben (in diesem Fall
kann die Einrichtung auch als Tiefeneinstelleinrichtung oder z-Betätiger bezeichnet
werden).
Vorzugsweise
enthält
die Einrichtung ein Vorspannmittel, das entweder dem Dehnen oder
Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung
entgegenwirkt. Vorzugsweise wirkt sie dem Zusammenziehen entgegen.
Vorteilhaft
ist das Vorspannmittel eine Feder, noch besser eine Schraubenfeder.
Es kann jedoch auch ein Element aus Gummi oder einem anderen federnden Material
enthalten, das beispielsweise komprimiert wird, wenn sich die Formgedächtnislegierung
zusammenzieht.
Schwankungen
in der Länge
der Formgedächtnislegierung,
die bei Änderung
der Umgebungstemperatur auftreten, werden mittels des Rückkopplungsmechanismus
so korrigiert, dass die Einrichtung ihre gewünschte Länge behält, nachdem diese einmal eingestellt
worden ist. Beispiele für
geeignete Formgedächtnislegierungen
sind Tinol und Nitinol.
Vorzugsweise
enthält
der Rückkopplungsmechanismus
einen Rückkopplungssensor,
der die Position der Einrichtung erfasst und an das Heizmittel ein
Signal ausgibt, über
das die auf die Formgedächtnislegierung
angewandte Wärme
geändert
wird.
In
einem Ausführungsbeispiel
enthält
der Rückkopplungsmechanismus
mehrere Rückkopplungssensoren.
Dadurch ist eine noch genauere Positionsmessung möglich. Außerdem kann,
wenn der zu messende Abstand nicht gleichförmig ist (wie z.B. beim Biegen
der Einrichtung) der Biegegrad gemessen werden, so dass man den
geeigneten Positionswert erhält.
Vorzugsweise
enthält
das Heizmittel eine Quelle für
elektrischen Strom zum Erwärmen
der Formgedächtnislegierung,
indem der elektrische Strom durch die Formgedächtnislegierung geschickt wird.
Das Heizmittel kann jedoch auch in einer geeigneten anderen Ausführungsform
ausgebildet sein, z.B. als Mechanismus zum Erwärmen und Zirkulieren eines
Fluids (z.B. Luft, ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit) um die Formgedächtnislegierung
herum oder an dieser vorbei. In einer anderen Ausführungsform
könnte
das Heizmittel eine Heizvorrichtung umfassen, die mit der Formgedächtnislegierung
in Berührung
oder auf andere Weise in thermischer Verbindung steht (z.B. ein
oder mehrere elektrisch gespeiste Heizelemente, die so betrieben
werden, dass sie Wärme
auf die Formgedächtnislegierung
abstrahlen, oder die über
einen thermisch leitenden Verbinder mit der Formgedächtnislegierung
gekoppelt sind).
Vorzugsweise
ist der elektrische Strom ein pulsbreitenmodulierter Strom. Das
Heizmittel ist vorzugsweise so ansteuerbar, dass der Betriebszyklus des
pulsbreitenmodulierten Stroms und damit dessen Mittelwert variiert
werden können.
Durch Ändern des
Mittelwertes des Stroms können
das Erwärmen
und damit die Länge
der Formgedächtnislegierung
eingestellt werden.
Der
Rückkopplungsmechanismus
enthält beispielsweise
einen kapazitiven Sensor, einen Sensor mit variablem Widerstand,
einen magnetischen Hall-Sensor, einen induktiven Sensor oder einen
optischen Sensor. In einer Ausführungsform
enthält
der Rückkopplungsmechanismus
einen kapazitiven Sensor mit Doppeldrahtspule, wobei die räumliche
Trennung zwischen den beiden Spulen entsprechend der Position der
Einrichtung variiert, wodurch wiederum das Ausgangssignal des Sensors
variiert. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält der Rückkopplungsmechanismus
einen optischen Sensor mit einer gepulsten roten Leuchtdiode (LED)
und eine phasenverriegelte, verstärkende (PIN) Erfassungsdiode.
Vorzugsweise
enthält
die Einrichtung ein langgestrecktes Element, um die Formgedächtnislegierung
an der Einrichtung zu befestigen, wobei dieses Element longitudinal
weitgehend starr und lateral flexibel ist. Vorteilhaft enthält das langgestreckte
Element einen Bowdenzug.
Die
Erfindung sieht ferner ein Endoskop vor, mit:
einem Lichtleiter
für Beleuchtungslicht,
einem
Kondensorelement zum Fokussieren des Beleuchtungslichtes auf ein
Betrachtungsfeld, und
die oben beschriebene Positionseinstelleinrichtung, die
dazu dient, die Position des Betrachtungsfeldes einzustellen.
Dabei
kann die Position durch Bewegung einer Austrittsöffnung, durch Bewegung des
Kondensorelementes oder durch Bewegung sowohl der Austrittsöffnung als
auch das Kondensorelementes eingestellt werden, wobei die jeweilige
Bewegung durch die Positionseinstelleinrichtung steuerbar ist.
Vorzugsweise
enthält
das Endoskop einen x-y-Abtastmechanismus, der die genannte Austrittsöffnung enthält und dessen
Position durch die Positionseinstelleinrichtung einstellbar ist.
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist das dehn- und zusammenziehbare Element eines von mehreren gleichen
Elementen.
So
können
mehrere solcher aus der Formgedächtnislegierung
bestehender Elemente vorgesehen sein. Dadurch kann der für die einzelnen
Elemente benötigte
Erwärmungsbereich
reduziert werden. Außerdem
ist es so möglich,
die Kraft, die für
die Änderung
der z-Position benötigt
wird, gleichmäßiger zu
verteilen. Außerdem
können
die Elemente unterschiedlich beheizt werden, um so eine Vorrichtung
zu biegen, in der die besagte Einrichtung enthalten ist. Dient beispielsweise
die Einrichtung dazu, die z-Position eines x-y-Abtastmechanismus
einzustellen, so kann der x-y-Mechanismus in einem Winkel zu der Einrichtung
orientiert werden, indem beispielsweise drei getrennt voneinander
ansteuerbare Elemente gleichmäßig um den
Umfang der Einrichtung herum angeordnet werden.
Das
Endoskop kann ein konfokales Endoskop und/oder Endomikroskop sein.
Die
Erfindung sieht ferner ein Mikroskop (z.B: ein konfokales Mikroskop)
vor, das eine wie oben beschriebene Positionseinstelleinrichtung
enthält,
durch die die Position eines Betrachtungsfeldes des Mikroskops eingestellt
werden kann.
Außerdem sieht
die Erfindung ein Kolonoskop vor, das ebenfalls konfokal sein kann
und eine wie oben beschriebene Positionseinstelleinrichtung enthält.
In
einer Ausführungsform
enthält
die Einrichtung eine flexible gedruckte Leiterplatte (PCB), die zwischen
zwei Teilen der Einrichtung befestigt ist, deren räumliche
Trennung voneinander mit Änderung der
Position variiert, so dass die Leiterplatte mit Änderung dieser räumlichen
Trennung gebogen wird. Diese erfindungsgemäße Lösung kann auch in anderen Anwendungen
eingesetzt werden, in denen die räumliche Trennung zweier Komponenten
voneinander variiert und in denen eine elektrische Verbindung zwischen
diesen beiden Komponenten erforderlich oder erwünscht ist.
Vorzugsweise
enthält
die Einrichtung einen Mechanismus zum Einstellen einer gewünschten
Ruheposition in Richtung der Achse (z.B. z-Richtung) derart, dass
die anschließende
Positionseinstellung auf diese Ruheposition bezogen ist.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Einstellen einer
Position längs
einer Achse vorgesehen, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen
eines längs
der Achse dehn- und zusammenziehbaren Elementes, das eine Formgedächtnislegierung
enthält,
die zum Dehnen und Zusammenziehen des Elementes positionierbar ist,
Einstellen
der Länge
der Formgedächtnislegierung über ein
Heizmittel und Erzeugen eines Rückkopplungssignals
als Reaktion auf Schwankungen der einzustellenden Position und Regeln
des Heizmittels mit dem Rückkopplungssignal
zur Stabilisierung der Position,
wobei die Position durch das
Heizmittel einstellbar und durch das Rückkopplungssignal stabilisierbar
ist.
Die
Achse kann durch die Tiefe oder z-Achse gegeben sein.
Vorzugsweise
sieht das Verfahren vor, dem Dehnen oder Zusammenziehen der Formgedächtnislegierung
mit einem Vorspannmittel entgegenzuwirken, z.B. mit einer Feder.
Vorzugsweise wird dabei dem Zusammenziehen entgegengewirkt.
Die
Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Endoskopie oder Kolonoskopie
vor, mit folgenden Schritten:
Anordnen eines optischen Kopfes
an einer zu untersuchenden Stelle und Einstellen der Position eines auf
die Endoskopie oder Kolonoskopie bezogenen Betrachtungsfeldes zumindest
teilweise mittels einer Formgedächtnislegierung.
Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert.
Darin
zeigen:
1A eine schematische Darstellung
eines Kolonoskop-Einführteils
mit einer Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebene
des Kolonoskops in Tiefen- oder z-Richtung nach einem Ausführungsbeispiel,
1B eine schematische Darstellung
eines Kolonoskop-Einführteils
mit einer Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebene
des Kolonoskops in Tiefen- oder z-Richtung nach einem alternativen
Ausführungsbeispiel,
1C einen Kolonoskop-Einführteil mit
einer Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebene des
Kolonoskops in Tiefen- oder z-Richtung
nach einem weiteren Ausführungsbeispiel,
2A eine schematische Darstellung
eines optischen Positionssensors der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A,
2B der gemessene Zusammenhang zwischen
der Änderung
der analogen Ausgangsspannung und der Änderung des auf die z-Betätigung bezogenen
Abstandes für
den optischen Positionssensor nach 2A,
2C eine schematische Darstellung
eines kapazitiven Positionssensors nach einem alternativen Ausführungsbeispiel
der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A,
3A ein schematisches Schaltbild
des Kolonoskops, das die mit dem optischen Sensor ausgestattete
Tiefeneinstelleinrichtung enthält,
3B ein schematisches Schaltbild
eines Kolonoskops, das die mit dem kapazitiven Positionssensor ausgestattete
Tiefeneinstelleinrichtung nach einem alternativen Ausführungsbeispiel
enthält,
4 ein Flussdiagramm eines
Proportional-Integral-Differential-Regelkreises der Tiefeneinstelleinrichtung
nach 1A,
5A eine schematische Darstellung
der Rechteckspannung, die dem Treiber der Tiefeneinstelleinrichtung
nach 1A zugeführt wird,
5B eine schematische Darstellung
der Rechteckspannung, die dem Treiber der Tiefeneinstelleinrichtung
nach 1A auf die Tiefeneinstellung
folgend zugeführt
wird,
6 eine schematische Darstellung,
welche die Anordnung einer Feder und eines optischen Positionssensors
bezüglich
eines Nitinol-Drahtes und
eines x-y-Abtastmechanismus der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A zeigt,
7A eine schematische Darstellung,
welche die Anbringung des Nitinol-Drahtes an einer Leiterplatte der Tiefeneinstelleinrichtung
nach 1A zeigt, und
7B eine schematische Darstellung,
die eine alternative Anbringung des Nitinol-Drahtes an der Leiterplatte
der Tiefeneinstelleinrichtung nach 1A zeigt.
1 zeigt eine schematische
Darstellung eines Kolonoskop-Einführteils 10, der mit
einer z- oder Tiefeneinstelleinrichtung zum Einstellen der Brennebene
des Kolonoskop-Einführteils 10 in
Tiefen- oder z-Richtung 12 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ausgestattet ist. Der Kolonoskop-Einführteil 10 bildet denjenigen
Teil eines Kolonoskops, der im Gebrauch in das Kolon eingeführt wird.
In 1A sind die übrigen Teile
des Kolonoskops, z.B. ein Handgriff, Steuerelemente, etc. nicht dargestellt.
Der
Kolonoskop-Einführteil 10 hat
einen vergleichsweise starren vorderen Abschnitt 14 und
einen vergleichsweise flexiblen hinteren Abschnitt 16. Der
vordere Abschnitt 14 umfasst im Wesentlichen ein äußeres, rohrförmiges Gehäuse 18 mit
einem x-y-Abtastmechanismus 20 und einer Objektivoptik 22.
In 1A ist die Optik 22 stellvertretend
durch zwei Linsen dargestellt. Es ist jedoch darauf hinzuweisen,
dass die Optik 22 auch nur eine einzige Linse umfassen
kann. Typischerweise ist sie jedoch komplizierter aufgebaut und
enthält
mehrere optische Elemente, die jeweils als konvexe Linse, konkave Linse
oder als planares Element ausgebildet sind.
Der
hintere Abschnitt 16 enthält die Hauptkomponenten einer
z- oder Tiefeneinstelleinrichtung 24, nämlich einen z-Betätiger 26,
der einen nach hinten verlaufenden Draht 28 aus der Formgedächtnislegierung
Nitinol, ein langgestrecktes Element in Form eines Bowdenzugs 30 und
einen Positionssensor 32 enthält. Der Bowdenzug 30 ist
mit seinem einen Ende an dem hinteren Ende des Nitinol-Drahtes 28 und
mit seinem anderen Ende am hinteren Ende des Gehäuses 18 angebracht.
Ein
Lichtleiter (optische Faser) 34, der sowohl Beleuchtungslicht 36,
typischerweise Laserlicht, zu einem punktförmigen Betrachtungsfeld 37 auf dem
oder inner halb des Kolons überträgt, als
auch das von diesem punktförmigen
Betrachtungsfeld 37 in Form von Reflexions- oder Fluoreszenzlicht
zu Erfassungszwecken zurückführt, befindet
sich auf der zentralen Längsachse
des Kolonoskop-Einführteils 10 und
erstreckt sich lediglich bis zum vorderen Ende des x-y-Abtastmechanismus 20 nach
vorn. Schließlich
sind noch eine Laserquelle und ein Detektor (nicht gezeigt) über einen
Strahlteiler (ebenfalls nicht gezeigt) an den Lichtleiter 34 gekoppelt,
um das Beleuchtungslicht und das von dem Betrachtungsfeld 37 ausgesendete
Licht voneinander zu trennen. Die Optik 22 enthält Linsen,
die dazu dienen, das aus der Austrittsöffnung des Austrittsendes des
Lichtleiters 34 austretende Beleuchtungslicht auf das punktförmige Betrachtungsfeld 37 zu
fokussieren und das zurückkehrende
Licht einzusammeln und zurück
in den Lichtleiter 34 zu fokussieren.
Der
Kolonoskop-Einführteil 10 arbeitet
konfokal, wobei die Austrittsöffnung
des Lichtleiters 34 als Raumfilter wirkt, wodurch die Schärfentiefe
des Kolonoskops auf eine wohl definierte Brennebene 38 entweder
auf oder unterhalb der Oberfläche
des zu untersuchenden Gewebes eingeschränkt ist. Jedoch ist der x-y-Abtastmechanismus 20 innerhalb
des Gehäuses 18 längs der
z-Richtung vor und zurück
verschiebbar, d.h. auf das vordere Ende des Gehäuses 18 zu und von
diesem weg bewegbar. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Optik 22 im
Normalbetrieb relativ zu dem externen Gehäuse 18 feststehend.
Demzufolge ist der x-y-Abtastmechanismus 20 auf
die Objektivoptik 22 zu und von dieser weg verschiebbar, wodurch
die Lage der Brennebene 38 variierbar ist. In einem anderen
Ausführungsbeispiel
ist jedoch der x-y-Abtastmechanismus 20 zusammen mit einer
ausgewählten
hinteren Untereinheit der die Optik 22 bildenden optischen
Elemente verschiebbar, während das
bzw. die übrigen
optischen Elemente relativ zu dem Gehäuse 18 feststehend
bleiben. In einer Ausführungsform
dieses Ausführungsbeispiels
bleibt lediglich das am weitesten vorn angeordnete optische Element
ortsfest, während
die anderen Elemente bewegt werden. Diese Ausführungsform ist in 1B, in der die gezeigten
Linsen jeweils wie oben beschrieben lediglich stellvertretend für ein oder
mehrere optische Elemente gezeigt sind, schematisch mit 10' angedeutet.
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist der x-y-Abtastmechanismus 20 zusammen mit allen optischen
Elementen der Optik 22 verschiebbar, so dass am Ende des
Gehäuses 18 zwischen
dem letzten, d.h. dem am weitesten vorn angeordneten optischen Element
und der Probe ein rohrförmiger
Raum 19 mit variabler Abmessung in z-Richtung erzeugt wird.
In diesem rohrförmigen
Raum 19 kann die Probe zum Teil hineinragen, was zu einer
Erhöhung
der Gewebsstabilität
und zu einer Vereinfachung der Bildaufnahme führt. Dieses mit dem rohrförmigen Raum 19 versehene
Ausführungsbeispiel
ist in 1C, in der die
gezeigten Linsen jeweils für
ein oder mehrere optische Elemente stehen (vergl. oben), schematisch
mit 10'' angedeutet.
In
jedem dieser Ausführungsbeispiele
kann das untersuchte Sichtfeld (Abbildungsbereich) also bis zu einem
gewissen Grad (über
den Bereich 40 von etwa 300 μm in z-Richtung) eingestellt
werden, ohne eine Grobeinstellung der Position des Kolonoskop-Einführteils 10 vornehmen
zu müssen.
Die Tiefeneinstelleinrichtung 24 bewirkt also eine Verschiebung
und damit eine Repositionierung sowohl des x-y-Abtastmechanismus 20 als
auch der Brennebene 38 relativ zu dem Kolonoskop-Einführteil 10 und
der betrachteten Probe.
Der
durch Bewegen der Brennebene 38 tatsächlich verfügbare Positionsbereich reicht
von einer Position unmittelbar hinter des am weitesten vorn angeordneten
optischen Elementes der Optik 22 bis zu einer Position,
die sich etwa 300 μm
vor dem letzten optischen Elemente befindet.
Der
Lichtleiter 34 ist fest an dem x-y-Abtastmechanismus 20 angebracht,
wenn ein Austrittsende 35 des Lichtleiters 34 durch
den Abtastmechanismus 20 in x-y-Richtung bewegt wird. Dadurch ist sichergestellt,
dass durch Vorschieben und Zurückziehen
des x-y-Abtastmechanismus 20 mittels der Tiefeneinstelleinrichtung 24 auch
das Austrittsende 35 des Lichtleiters 34 vorgeschoben
oder zurückgezogen
wird, wodurch wiederum auch die Brennebene 38 in z-Richtung
entsprechend vorgeschoben und zurückgezogen wird. Indem der x-y-Abtastmechanismus 20 und
das Austrittsende 35 über
einen Bereich von 300 μm
bewegt werden, wird der Lichtleiter 34 in dem Bereich hinter
dem x-y-Abtastmechanismus 20 unter Zugspannung gesetzt
oder gedehnt. Jedoch ist in diesem Bereich, der bis über 1 m
aus dem Endoskopkopf heraus reicht, der Lichtleiter 34 von
einer nicht gezeigten Hülle
ummantelt, in der er sich ausreichend bewegen kann, um den vorstehend
beschriebenen Effekt zu ermöglichen.
Eine solche Bewegung ist unter allen Umständen als normal anzusehen und tritt
beispielsweise auch dann auf, wenn das Kolonoskop betätigt wird,
um es für
eine Kolonuntersuchung geeignet zu platzieren.
Um
die vorwärts
und rückwärts gerichtete z-Betätigung zu
erreichen, ist das vordere Ende 42 des Nitinol-Drahtes 28 am
hinteren Teil des x-y-Abtastmechanismus 20 angebracht.
Ein Erwärmen
des Nitinol-Drahtes 28 führt dazu, dass sich dieser
zusammenzieht und so den x-y-Abtastmechanismus 20 nach
hinten zieht. Lässt
man den Nitinol-Draht 28 abkühlen, so dehnt er sich aus
und schiebt mit Unterstützung
einer Schraubenfeder 44, die zwischen dem Gehäuse 18 und
dem hinteren Teil des x-y-Abtastmechanismus 20 angeordnet
ist, letzteren nach vorn. Die Feder 44 ist in den 1A, 1B und 1C lediglich schematisch
dargestellt. Sie wird jedoch zusammen mit den sie umgebenden Komponenten
später
genauer beschrieben.
Wie
oben erläutert,
bewegt sich die Brennebene 38 des Kolonoskop-Einführteils 10 mit
der Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20 in z-Richtung 12.
Zur Anbringung des Nitinol-Drahtes an dem Bowdenzug 30 oder
dem hinteren Teil des x-y-Abtastmechanismus 20 kann
eine beliebige geeignete Technik angewandt werden. So kann der Draht 28 mittels
Crimpen angebracht werden. Alternativ können die Endabschnitte des
Nitinol-Drahtes 28 verbreitert und in gekerbte Abschnitte
des angrenzenden Materials (d.h. des Bowdenzugs 30 oder
des hinteren Teils des x-y-Abtastmechanismus 20) gesteckt (geschlitzt)
werden. Eine andere Lösung
besteht darin, den Nitinol-Draht 28 durch in dem angrenzenden Material
vorgebohrte Löcher
zu stecken und dann den Draht 28 umzubiegen oder ihn unter
einem Winkel relativ zu der Zugkraft auszurichten, die auf den Anbrin gungspunkt
ausgeübt
wird. Um bei dieser Lösung
für eine
noch zuverlässigere
Anbringung zu sorgen, kann der Draht 28 zusätzlich gecrimpt
werden.
Temperaturschwankungen
innerhalb der Tiefeneinstelleinrichtung 24 führen jedoch
dazu, dass die Länge
des Nitinol-Drahtes 28 variiert, selbst wenn dessen Temperatur
theoretisch konstant gehalten wird. Unkontrolliert führt dies
zu unerwünschten
Positionsschwankungen der Brennebene 38. Die Wirkung der
Tiefeneinstelleinrichtung 24 ist deshalb über einen
Rückkopplungsmechanismus
stabilisiert, der im Wesentlichen den Positionssensor 32 enthält. Der Positionssensor 32 erfasst
die Position des x-y-Abtastmechanismus 20 relativ zum Gehäuse 18 und
liefert ein variierendes Ausgangssignal, das ein Maß für die Position
der Brennebene 38 ist. Dieses Signal kann genutzt werden,
um unerwünschte
Längenschwankungen
des Nitinol-Drahtes 28 und das damit einhergehende Auswandern
der Position der Brennebene 38 zu korrigieren. Die gewünschte Positionsstabilität der einmal
eingestellten Brennebene 38 liegt in der Größenordnung
von 10 μm.
Außerdem
minimiert diese Rückkopplung
die Größe des Positionsdriftes
infolge einer Biegebewegung des Kolonoskops (in dessen flexiblem
Abschnitt 16 oder zwischen diesem Abschnitt und dem nicht
gezeigten Handgriff).
Der
Rückkopplungsmechanismus
weist eine möglichst
kurze Ansprechzeit zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Operateur
eine neue z-Position oder Tiefe einstellt, und dem Zeitpunkt auf,
zu dem diese Position erreicht wird. Diese Ansprechzeit beinhaltet
die Ansprechzeit der Schaltungsanordnung (vergl. 3A und 3B)
sowie des Nitinol-Drahtes 28 selbst, wenn einmal ein Heizstrom
damit beginnt, durch den Nitinol-Draht 28 zu fließen. Erstere
Ansprechzeit liegt vorzugsweise zwischen 5 und 100 ms. Zieht sich
der Draht 28 durch die Erwärmung zusammen, so hängt letztere
Ansprechzeit von der Rate der Temperaturänderung innerhalb des Nitinol-Drahtes 28 und
dem mechanischen Widerstand des x-y-Abtastmechanismus 20 (auch
entgegen der Feder 44) ab. Dehnt sich der Draht 28 infolge
einer Abkühlung
aus, so hängt
letztere Ansprechzeit von der Rate der von dem Draht 28 ausgehenden
Wärmeabfuhr
und der Wirkung des Drahtes 28 entgegen der Feder 44 ab.
Es hat sich herausgestellt, dass in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine Einstellung ausgehend von dem einen z- oder Tiefengrenzwert
zu dem anderen Grenzwert in 10 s möglich ist.
Der
durch den Draht 28 fließende Heizstrom sollte minimiert
werden, um so die Betriebstemperatur möglichst klein zu halten. Dies
ist vorteilhaft für
die Sicherheit des Patienten. Außerdem kann dadurch die Wärme, die
beim Abkühlen
des Drahtes 28 abgeführt
werden muss, minimiert werden.
Der
Positionssensor 32 dieses Ausführungsbeispiels ist ein optischer
Sensor, der in 2A allgemein
mit 46 bezeichnet ist. Der optische Positionssensor 46 enthält eine
gepulste rote Leuchtdiode (LED) 48 und eine phasenverriegelte,
verstärkende Erfassungsdiode
(PIN) 50. Das von der LED 48 abgegebene gepulste
Licht 52 wird mittels einer nicht gezeigten Fokussierlinse
in ein Paar Lichtleiter (optische Fasern) 54 fokussiert.
Wie mit dem Bezugszeichen 56 angedeutet, wird dieses Licht
aus den mit dem Bezugszeichen 58 bezeichneten überstehenden
fernen Enden der beiden Lichtleiter 54 ausgegeben und auf
eine Rückfläche 60 des
x-y-Abtastmechanismus 20 gerichtet.
Wie mit dem Bezugszeichen 62 angedeutet, wird dann das
an der Rückfläche 60 reflektierte
Licht von einem zweiten Paar Lichtleiter 64 gesammelt.
Das erste und das zweite Paar Lichtleiter 54, 64 bilden
zusammen ein Lichtleiterbündel 66.
Das zweite Paar Lichtleiter 64 überträgt das reflektierte Licht 62 zu
der Erfassungsdiode 50. Das erste und das zweite Paar Lichtleiter 54, 64 sind
innerhalb des Lichtleiterbündels 66 derart
in einer gekreuzten Konfiguration angeordnet, dass sich das erste
Paar 54 in einer Ebene befindet, die im rechten Winkel
zu der durch das zweite Paar 64 definierten Ebene liegt.
Dadurch wird die Messgenauigkeit maximiert.
Die
Intensität
des von der Erfassungsdiode 50 in dem optischen Positionssensor 46 erfassten Lichtes
variiert mit dem Abstand 68 zwischen der Fläche 60 und
dem Ende des Lichtleiterbündels 66.
Der Abstand 68 variiert mit der Position des x-y-Abtastmechanismus 20 und
gibt deshalb die Länge
des Nitinol-Drahtes 28 an. So wird die Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20 in
dem Gehäuse 18 von der
Erfassungsdiode 50 erfasst, die die mechanische Verschiebung
(mittels eines nicht gezeigten Wandlers) in ein analoges Spannungssignal
O (V) wandelt. Dieses Signal gibt demnach die mechanische Verschiebung
an.
Der
Zusammenhang zwischen dem analogen Spannungssignal O (V) und der
mechanischen Verschiebung wurde in einer sechs Tests umfassenden
Serie gemessen. In 2B ist
das analoge Spannungssignal O (V) als Funktion der Verschiebung
d (μm) aufgetragen.
Die den einzelnen Tests entsprechenden Kurven sind jeweils mit einer
Testziffer bezeichnet, die in 2B rechts
des Graphen angegeben sind. Über
einen Bereich von 400 bis 650 μm
der mechanischen Verschiebung folgt das analoge Spannungssignal
etwa einem linearen Zusammenhang, der in den sechs Tests genau reproduziert wurde.
Es
können
unterschiedliche Typen von Positionssensoren verwendet werden, um
für die
gewünschte
Rückkopplung
zu sorgen, so lange ihre körperlichen
Abmessungen den körperlichen
Beschränkungen
des Kolonoskop-Einführteils 10 genügen.
In 2C enthält der Positionssensor 32 in einer
alternativen Ausführungsform
einen kapazitiven Sensor 70 mit Doppeldrahtspule, dessen
Spulen 72a, 72b in ihrer räumlichen Trennung voneinander in
Abhängigkeit
der Länge
des Sensors 70 variieren. Die beiden Spulen 72a, 72b sind
nicht zusammengeschaltet und weisen deshalb eine Kapazität auf, die zunimmt,
wenn die beiden Spulen 72a, 72b näher zueinander
hingezogen werden, d.h. wenn sich der Sensor 70 zusammenzieht.
Der Sensor 70 ist in der z-Richtung 12 ausgerichtet,
so dass Positionsänderungen
des x-y-Abtastmechanismus 20 (relativ zu dem Gehäuse 18)
zu solchen Variationen in der räumlichen
Trennung der Spulen 72a, 72b führen. Dies tritt dann auf,
wenn sich der Nitinol-Draht 28 zusammenzieht und so den
x-y-Abtastmechanismus 20 nach
hinten zieht, wodurch der Sensor 70 zusammengedrückt wird,
oder wenn sich der Nitinol-Draht 28 ausdehnt, so dass der
x-y-Abtastmechanismus 20 von
der Feder 44 nach vorn gedrückt wird, wodurch sich der
Sensor 70 ausdehnt. Der x-y-Abtastmechanismus 20 wird
so durch die Tiefenseinstelleinrichtung 24 dem Gehäuse 18 angenähert. Die
Bewegung des x-y- Abtastmechanismus 20 in
dem Gehäuse 18 wird
demnach von dem kapazitiven Positionssensor 70 erfasst,
der die mechanische Verschiebung (mittels eines nicht gezeigten
Wandlers) in ein analoges Spannungssignal wandelt, das wiederum
ein Maß für diese
mechanische Verschiebung ist.
Der
kapazitive Positionssensor 70 sorgt so für eine kapazitive Änderung
in Abhängigkeit
der Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20.
3A ist ein schematisches
Schaltbild des Kolonoskops, dessen Einführteil 10 und Tiefeneinstelleinrichtung 24 in 1 gezeigt sind. Wie oben erläutert, bildet
der Einführteil 10 eine
Komponente des Kolonoskops, das zudem einen Handgriff 80 und eine
Controller- oder Steuerkarte 82 umfasst. Jede dieser drei
Komponenten (Einführteil 10,
Handgriff 80 und Steuerkarte 82) hat ihre eigene
unabhängige Gleichstromversorgung
(in 3A nicht gezeigt).
Der
Handgriff 80 enthält
die Erfassungsdiode 50, die wie oben beschrieben die Änderung
des von dem Positionssensor 32 ausgegebenen Signals erfasst
und in ein analoges Spannungssignal 88 wandelt, das ein
Maß für die mechanische
Verschiebung des x-y-Abtastmechanismus 20 ist. Die Erfassungsdiode 50 gibt
auf die Erfassung von variierenden Lichtintensitäten hin direkt ein analoges
Spannungssignal 88 aus. Der Änderungsbereich des ausgegebenen
Spannungssignals 88 ist größer als 600 mV.
Die
Erfassungsdiode 50 ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem Handgriff 80 angeordnet.
Sie und die LED 48 können
jedoch im Grunde überall
in dem System angeordnet sein. Dies liegt daran, dass die Länge der
gekreuzten Konfiguration der Lichtleiterpaare 54, 64 nicht
kritisch für
die Genauigkeit des optischen Positionssensors 32 ist.
So könnten
beispielsweise die LED 48 und die Erfassungsdiode 50 so
klein ausgebildet werden, dass sie direkt auf der Oberfläche einer
der in dem Einführteil 10 vorhandenen
gedruckten Leiterplatten angeordnet werden könnten. In dieser Ausführungsform
wären die
gekreuzten Lichtleiterpaare 54, 64 nicht erforderlich. Statt
dessen könnte
das von der LED 48 abgegebene Licht direkt an der Rückfläche 60 des
x-y-Abtastmechanismus 20 reflektiert und anschließend von
der Erfassungsdiode 50 erfasst werden.
In 3B ist eine alternative
Ausführungsform
gezeigt, in der der Positionssensor 32 den mit der Doppeldrahtspule
arbeitenden kapazitiven Sensor 70 enthält und der Handgriff 80 einen
Wandler 86 enthält,
der einen Demodulator mit seinen eigenen Anregungs- und Demodulationsschaltungen
aufweist (an Stelle der Erfassungsdiode 50).
Vorteilhaft
wird der Wandler 86 so nah wie möglich an dem kapazitiven Positionssensor 32 angeordnet,
da jede zusätzliche
Länge des
von dem kapazitiven Positionssensor 32 zu dem Wandler 86 führenden
elektrischen Kabels zu einer zusätzlichen
Kapazität
führt.
Dadurch nehmen die gemessenen Änderungen
der Kapazität
des Sensors 32 prozentual ab.
In
einem Test wurde die Kapazität
des kapazitiven Positionssensors 32 gemessen und herausgefunden,
dass sie im vollständig
gedehnten Zustand 110 pf und im komprimierten Zustand 140 pf
beträgt. Es
ergab sich also ein Kapazitätsbereich
von 24 % (d.h. 140 – 110
= 30 pf) um den Mittelwert (d.h. (140 + 110/2) = 125 pf). Ein Prozentbereich
dieser Größenordnung
sollte deshalb erhalten werden, wenn der Wandler 86 an
den Sensor 32 angrenzend angeordnet wird. Eine Kapazitätsänderung
in der Größenordnung
von 24 % sollte leicht oberhalb des Hintergrundrauschens erfasst
und über
das Ausgangssignal 88 dem Rückkopplungs- oder Regelkreis
zugeführt
werden können.
Jedoch
liegen in dem in 3B gezeigten Ausführungsbeispiel
in dem Kolonoskop-Einführteil 10 Raumbeschränkungen
derart vor, dass der Wandler 86 nicht so einfach in dem
Einführteil 10 angeordnet
werden kann. Die nächstmögliche geeignete
Position für
den Wandler 86 liegt in dem Handgriff 80. Der
Wandler 86 befindet sich deshalb in dem Handgriff 80,
wie in 3B gezeigt ist.
Zwischen
dem kapazitiven Positionssensor 70 und dem Wandler 86 wird
ein kapazitätsarmes, elektrisches
Kabel 84 mit einer Länge
von etwa 2 m verwendet. Das Kabel 84 hat eine gemessene
Kapazität
von 130 pf/m. Die prozentuale Änderung,
die der in dem Handgriff 80 angeordnete Wandler 86 misst, liegt
demnach bei 30/(125 + 2 × 130)
= ~ 8 %.
Würde der
Wandler 86 auf der Steuerkarte 82 angeordnet werden,
so wäre
ein noch längeres Kabel
zwischen dem Wandler 86 und dem Positionssensor 32 erforderlich.
Eine von dem Wandler 86 erfasste geringere prozentuale Änderung
der Kapazität bedeutet
letztlich, dass die Genauigkeit des Positionsrückkopplungsmechanismus und/oder
dessen Iterationsgeschwindigkeit bis zu einem gewissen Grad beeinträchtigt würden.
Der
Wandler 86 steuert über
ein Wechselstromsignal eine Wechselstrom-Halbbrücke an, in der ein Arm einen
Festkondensator enthält.
(In diesem Ausführungsbeispiel
ist der andere Arm letztlich durch die beiden Spulen 72a, 72b des
kapazitiven Positionssensors 70 gebildet.) Die mechanische
Verschiebung des xy-Abtastmechanismus 20 führt dazu, dass
sich in dem Positionssensor 32 die Amplitude des Wechselstromsignals ändert (infolge
einer Impedanzänderung).
Der Wandler 86 vergleicht das von dem Positionssensor 32 ausgegebene
Signal mit dem Anregungssignal und demoduliert die Differenz zwischen
diesen Signalen in eine Gleichspannung. Der Änderungsbereich des von dem
Wandler 86 ausgegebenen Spannungssignals 88 ist
größer als
200 mV. Die Null-Offsetspannung des Wandlers 86 ist einstellbar,
um eine Anpassung an den speziellen Positionssensor 32 vorzunehmen.
Wie
oben erläutert,
wird das Signal der Erfassungsdiode 50 (vergl. 3A) oder des Wandlers 86 (vergl. 3B) als analoges Spannungssignal 88 ausgegeben.
Dieses Signal wird der Steuerkarte 82 zugeführt, wo
es zunächst
von einem Verstärker 90 skaliert
und anschließend
von einem Analog/Digital-Wandler (ADC) 92 in ein digitales
Datensignal 94 zur Weiterverarbeitung gewandelt wird.
Der
Verstärker 90 enthält einen
rauscharmen Operationsverstärker,
ein Tiefpassfilter und ein digitales Potentiometer. Das von dem
Wandler 86 zugeführte
Signal hat eine maximale Amplitude (Amplitudenspanne) von typischerweise
200 mV. Die maximale Amplitude des ausgegebenen Signals wird typischerweise
zwischen 1 und 4 Volt eingestellt.
Eine
auf der Steuerkarte 82 angeordnete Mikrosteuerung 96 sammelt
das von dem A/D-Wandler 92 ausgegebene digitale Signal
und berechnet die zum Ansteuern eines ebenfalls auf der Steuerkarte 82 angeordneten
Treibers 98 erforderlichen Signale, um den Tiefen- oder
z-Betätiger 26 in
später
genauer beschriebener Weise anzutreiben. Der Treiber 98 leitet
grob gesprochen einen pulsbreitenmodulierten Strom durch den Draht 28,
um diesen zu erwärmen und
so dessen Länge
zu variieren. Die Erwärmung wird
gesteuert, indem der Arbeitszyklus des modulierten Stroms variiert
wird, wodurch sich der Mittelwert des Stroms und damit die Heizwirkung
auf den Draht 28 ändern.
Der
A/D-Wandler 92 ist ein mit 12 Bit arbeitender, serieller
Analog/Digital-Wandler,
der das analoge Signal aus dem Verstärker 90 in ein digitales
Signal 94 wandelt. Er ist an die Mikrosteuerung 96 angeschlossen
und wird von dieser gesteuert, während er
wiederum die transformierten Signale von dem Positionssensor 32 empfängt.
Der
Verstärkungsfaktor
des Verstärkers 90 kann über die
Mikrosteuerung 96 oder einen externen Einstellanschluss 100 so
justiert werden, dass die analoge Ausgangsspannung des Verstärkers 90 auf
Vollaussteuerung eingestellt wird. Es können auch eine auf den Wandler 86 führende Offset-Einstellung 102 und
eine auf den Verstärker 90 führende Verstärkungsfaktoreinstellung 104 verwendet
werden, um das System (entsprechend seinen Eigenschaften, insbesondere
entsprechend der Empfindlichkeit des Sensors 28) auf einen
geeigneten Bereich für
den A/D-Wandler 92 einzustellen.
Der
Handgriff 80 hat ferner zwei Tiefeneinstelltasten 106,
die Impulssignale an die Mikrosteuerung 96 senden, um für den x-y-Abtastmechanismus 20 eine
bestimmte Tiefen- oder z-Position einzustellen. Diese Tasten 106,
von denen eine der Tiefenvergrößerung und
die andere der Tiefenverringerung dient, haben jeweils eine Standspannung
von 5 Volt auf Leiterbahnen 108, die an die Mikrosteuerung 96 angeschlossen
sind. Die Mikrosteuerung 96 überwacht die Spannung. Drückt der
Operateur eine der Tiefeneinstelltasten 106, so fällt die
Spannung auf der jeweiligen Leitung 108 von 5 V auf 0 ab.
Um es dem Operateur zu ermöglichen,
das System einzustellen, überwacht
die Mikrosteuerung 96 die Tiefeneinstelltasten 106 entweder
daraufhin, wie oft die Tasten gedrückt werden, oder auf die Dauer
eines länger
anhaltenden Tastendrucks hin. Eine Zeitdauer von 100 ms eines länger anhaltenden
Tastendrucks wird wie ein einzelner diskreter Tastendruck behandelt.
Die Mikrosteuerung 96 komplettiert die Aufgaben der Datenerfassung,
der Datenberechung und der Stromsteuerung. Das von dem A/D-Wandler 92 ausgegebene
digitale 12 Bit-Signal und das von den Tiefeneinstelltasten 106 ausgegebene
Schaltsignal werden in Echtzeit abgetastet, und die Mikrosteuerung 96 berechnet
die Werte, die zum Steuern des Treibers 98 und damit des
Nitinol-Drahtes 28 verwendet werden, nach dem Verfahren
der Proportional-Integral-Differential-Regelung
(PID), wobei Kp der Proportionalkoeffizient,
Ki der Integralkoeffizient und Kd der Differentialkoeffizient ist (vergl. 4).
In
dem in 4 gezeigten Verfahren
der PID-Regelung bezeichnet Z(n) das von dem Positionssensor 32 gemessene
Positionsausgangssignal, S(N) das auf die gewünschte oder Soll-Position bezogene
Signal, das der Operateur über
die Tiefeneinstelltasten 106 eingibt, E(n) das zusammengesetzte Fehlersignal
und T die Steuer- oder Regelperiode. V(n) ist das Zwischen-Regelausgangssignal.
Skalierung 1 und Skalierung 2 reskalieren V(n).
PWM ist das pulsbreitenmodulierte Ausgangssignal, durch das die
Erwärmung
des Drahtes 28 moduliert wird. In dieser speziellen Implementierung
der PID-Schaltung und des Regelverfahrens wird das aus der laufenden
Iteration E(n) stammende Fehlersignal weiter mit aus früheren Iterationen
E(n-2) oder E(n-1) stammenden Fehlersignalen modifiziert. In ähnlicher
Weise wird das Zwischenausgangssignal der laufenden Iteration V(n)
weiter mit V(n-2) modifiziert.
Die
Parameter Kp, Ki und
Kd sind voreingestellt und über den
Einstellanschluss 100 justierbar. Der laufende Wert wird
in pulsbreitenmodulierter Form oder kurz PWM-Form ausgegeben. Die
Regelperiode ist im Bereich von 5 ms bis 100 ms einstellbar.
Das
System bildet so einen geschlossenen digitalen Regelkreis, um den
x-y-Abtastmechanismus 20 in
eine gewünschte
z-Position zu bewegen oder ihn in einer bestimmten z-Position zu
halten. Durch den Positionssensor 32 und den z-Betätiger 26,
die nach dem Verfahren der PID-Regelung arbeiten, erhält man ein
stabiles Betriebsverhalten.
Es
ist möglich,
den x-y-Abtastmechanismus 20 in einer Ruhe- oder Ausgangsposition
einzustellen, in der beispielsweise die Brennebene unmittelbar außerhalb
des letzten in der Objektivoptik 22 enthaltenen optischen
Elementes angeordnet ist. Weitere Einstellungen sind dann auf diese
Ausgangsposition bezogen, und zwei Auslesewerte (nicht gezeigt) geben
die z-Position relativ zu dieser Ausgangsposition bzw. die absolute
z-Position an, d.h. die Position relativ zur äußeren Fläche des am weitesten vorn angeordneten
optischen Elementes in der Optik 22. Ein Ausgangspositionsschalter 110 liefert
der Mikrosteuerung 96 ein Signal, das angibt, wo sich die
Ausgangsposition befindet. Die Ausgangsposition kann auch als Halteposition
dienen, um zu vermeiden, dass sich die Brennebene weiter nach hinten
bewegt als unmittelbar innerhalb des am weitesten vorn angeordneten
optischen Elementes der Objektivoptik 22. Um den unterschiedlichen
Anforderungen und Eigenschaften unterschiedlicher Positionssensoren und
z-Betätiger
(z.B. hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit) gerecht zu werden, umfasst
die Mikrosteuerung 96 die oben erwähnte Offset-Einstellung 102,
die oben erwähnte
Verstärkungsfaktoreinstellung 104 und
eine Treiberstromeinstellung 112, um eine Einstellung der
jeweiligen Komponente zu ermöglichen.
Der
Nitinol-Draht 28 bildet das Schlüsselelement des z-Betätigers 26.
Er besteht aus der Formgedächtnislegierung
Nitinol, die sich bei Erwärmung in
ihrer Länge
zusammenzieht und sich bei Abkühlung
auf ihre vorherige Länge
ausdehnt.
Aufgrund
seiner geringen Größe und seiner guten
funktionellen Reproduzierbarkeit ermöglicht es der Nitinol-Draht 28,
die Bewegung des x-y-Abtastmechanismus 20 in dem Kolonoskop-Einführteil 10 mit
guter Genauigkeit zu steuern, insbesondere unter Verwendung des
Positionssensors 32, durch den eine Rückkopplung auf die Position
des x-y-Abtastmechanismus 20 geschaffen wird. Wie oben
erläutert,
wird durch den Nitinol-Draht 28 ein pulsbreitenmodulierter
(PWM) Rechteckstrom geleitet, um den Nitinol-Draht 28 zusammenzuziehen
und auszudehnen. Die Erwärmung
und damit die Länge
des Drahtes 28 sind hauptsächlich durch den Mittelwert
des PWM-Stroms bestimmt. Die Mikrosteuerung 96 stellt den
Betriebszyklus der laufenden Impulse ein, um die verschiedenen Mittelwerte
des PWM-Stroms und damit die gewünschte
Temperatur und Länge
zu erhalten. Der Treiber 98 erfasst Spannungen im Bereich von
0 bis 5 V und wandelt typischerweise die PWM-Spannung in einen Rechteckimpulsstrom
im Bereich von 0 bis 350 mA, der in den Nitinol-Draht 28 geschickt
wird, um ihn darin in Wärme
umzuwandeln.
Der
Treiber 98 ist ein Spannungs/Strom-Wandler, der den PWM-Strom
liefert, um den z-Betätiger 26 durch
die selektive Erwärmung
des Drahtes 28 anzutreiben. Er arbeitet im Schaltbetrieb.
Der aktuelle Wert im EIN-Zustand kann über ein digitales Potentiometer
eingestellt werden, das über
den Einstellanschluss 100 oder die Mikrosteuerung 96 angesteuert
wird.
5A zeigt in einer schematischen
Darstellung eine dem Treiber 98 zugeführte Rechteckspannung 114,
die auf eine über
eine entsprechende Einstelltaste erfolgte Eingabe des Operateurs
hin erzeugt wird, mit der er angibt, dass er die Brennebene 38 relativ
nahe an ein nicht gezeigtes Deckglas des Kolonoskop-Einführteils 10 heran
verschieben will, indem der Nitinol-Draht 28 verkürzt wird.
Die mit 116 bezeichnete Impulsbreite der Rechteckspannung 114 ist
relativ groß,
so dass an den Treiber 98 eine relativ hohe mittlere Spannung
angelegt wird, um einen vergleichsweise großen mittleren Strom durch den Nitinol-Draht 28 zu
schicken.
Wie
in 5B gezeigt, spricht
die Mikrosteuerung 96, wenn der Operateur die entsprechende Tiefeneinstelltaste 106 drückt, auf
den resultierenden Spannungsabfall an und stellt ein neues, mit 118 bezeichnetes
Rechteckmuster so ein, dass die mit 120 bezeichnete Impulsbreite
abnimmt und damit dem Treiber 98 eine entsprechend geringere
mittlere Spannung zugeführt
wird. Infolgedessen fließt
ein kleinerer Strom durch den Nitinol-Draht 28.
Wird
die andere Tiefeneinstelltaste 106 gedrückt, so ergibt sich gerade
der umgekehrte Ablauf.
In
den beschriebenen Ausführungsbeispielen
liegt die Wirkung des Positionssensors 32 darin, dass das
Rechteckmuster kontinuierlich moduliert wird, indem der Mikrosteuerung 96 das
gewandelte digitale Signal zugeführt
wird. Diese Modulation erfolgt in der Weise, dass die Breiten 116, 120 der Rechteckimpulse
konstant um kleine Beträge
um die gewünschte,
durch die Tiefeneinstelltasten 106 festgelegte Breite herum
variiert werden, um so unerwünschte
Variationen in der Position der Brennebene 38 zu korrigieren.
Die
Anordnung der Feder 44 und des optischen Positionssensors 32 relativ
zu dem Nitinol-Draht 28 und dem x-y-Abtastmechanismus 20 ergibt
sich noch deutlicher aus 6.
Wie in 6 gezeigt, befindet
sich die Feder 44 in einem vor dem z-Betätiger 26 liegenden
Zwischenraum 122 (der im Nichtgebrauch etwa 1,3 mm beträgt). Sowohl
der Bowdenzug 30 (in dem der größte Teil des Nitinol-Drahtes 28 untergebracht
ist) als auch das hintere Gehäuse 124 des
Positionssensors 32 sind von einer Schrumpfhülle umhüllt, welche
für die
mechanische Stabilisierung und die elektrische Isolierung dieser
Komponenten sorgt.
Die
in dem Einführteil 10 vorgesehene
elektrische Schaltungsanordnung befindet sich in dem Zwischenraum 122 auf
drei gedruckten Leiterplatten 126a, 126b und 126c.
Die hintere Leiterplatte 126a befindet sich am vorderen
Ende des z-Betätigers 26, während sich
die vordere Leiterplatte 126c am hinteren Ende des x-y-Abtastmechanismus 20 befindet. Die
Größe des Zwischenraums 122 ändert sich
im Gebrauch (wenn sich der Nitinol-Draht 28 zusammenzieht
und dehnt), so dass die dritte Leiterplatte 126b flexibel
ausgebildet, in einem Bogen zwischen den beiden anderen Leiterplatten 126a, 126c angeordnet
und mit diesen verbunden ist. Die flexible Leiterplatte 126b ist
fest an den beiden anderen Leiterplatten 126a, 126c angebracht,
so dass über
alle drei Leiterplatten 126a, 126b, 126c für eine elektrische Verbindung
gesorgt ist. So kann die Verwendung von Drahtverbindungen, die im
Gebrauch leichter brechen können
und bei denen sich die Lötverbindungen durchbiegen,
vermieden werden.
In 6 sind ferner eine Kabelleitung 128, eine
externe Schaltungsanordnung für
einen x-Sensor 130 sowie in Rückanschlag in Form eines mechanischen
Stiftes 132 gezeigt. Der Stift 132 bildet die rückwärtige Bewegungsgrenze
für den
x-y-Abtastmechanismus 20,
wenn sich der Nitinol-Draht 28 in seinem am stärksten zusammengezogenen
Zustand befindet. Zusätzlich
kann eine Stromabschaltung oder -überwachung vorgesehen werden,
die keine weitere Erwärmung
des Nitinol-Drahtes 28 zulässt, wenn der x-y-Abtastmechanismus 20 einmal
gegen den Stift 132 in Anlage gekommen ist. Andernfalls besteht
die Gefahr, dass sich der Nitinol-Draht 28 selbst aus einem
seiner Verankerungspunkte herauszieht.
Die
Feder 44 drückt
gegen die hintere Leiterplatte 126a und die vordere Leiterplatte 126c.
Dabei bildet die hintere Leiterplatte 126a zugleich die
Anbringfläche
für den
Bowdenzug 30. Der Lichtleiter 34 ist so weit nach
vorn hin in einer Hülle
eingeschlossen, wie der x-y-Abtastmechanismus 20 nach hinten ragt.
Diese Hülle
ist vorzugsweise gegen die hintere und die vordere Leiterplatte 126a, 126c abgedichtet, um
so einen Widerstand gegen den Eintritt von Staub, Mikroben und anderer
Verunreinigungen zu bilden.
Der
Nitinol-Draht 28 ist mit seinem vorderen Ende an der vorderen
Leiterplatte 126c angebracht. Wird der Nitinol-Draht 28
im Gebrauch wiederholt gedehnt und zusammengezogen, so wird der
Anbringungspunkt an der Leiterplatte 126c einer mechanischen
Beanspruchung ausgesetzt, die dazu führen kann, dass sich die Anbringung
löst. Wie
in 7A gezeigt, ist deshalb
in diesem Ausführungsbeispiel der
Nitinol-Draht 28 an seinem vorderen Ende zu einem Haken 134 geformt
und zweimal durch die vordere Leiterplatte 126c geführt. Optional,
aber vorzugsweise ist ein Lot 136 (oder alternativ ein
Klebstoff) auf dem Ende des Hakens 134 aufgebracht, das
eine nach vorn weisende Haltekappe bildet, die den Nitinol-Draht 28 an
der Leiterplatte 126c festhält.
In 7B ist eine alternative
Ausführungsform
gezeigt, in der der Nitinol-Draht 28 an seinem vorderen
Ende zusätzlich
zu einem Knopf 138 geformt ist. Der Knopf 138 ist
größer als
das in der Leiterplatte 126c ausgebildete Loch, durch das
der Draht 28 geführt
ist. Durch diese Ausgestaltung besteht noch weniger die Gefahr,
dass sich der Haken 134 von der Leiterplatte 126c löst.
Es
ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist.
Es
wird darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Beschreibung die
Bezugnahmen auf den Stand der Technik nicht dahingehend zu interpretieren
sind, dass dieser Stand der Technik dem allgemeinen Fachwissen zuzurechnen
ist.