DE102006010145A1

DE102006010145A1 - Optokopplervorrichtung und Verfahren zur Fertigung dessen

Info

Publication number: DE102006010145A1
Application number: DE102006010145A
Authority: DE
Inventors: Peter Selig
Original assignee: Erbe Elecktromedizin GmbH
Current assignee: Erbe Elecktromedizin GmbH
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-08-09
Also published as: JP2009524460A; WO2007085345A3; US20090016673A1; WO2007085345A2; EP1982359A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Optokopplervorrichtung zur Übertragung eines Signals von einem Eingangsstromkreis zu einem Ausgangsstromkreis. Hierbei umfasst die Optokopplervorrichtung ein mit dem Eingangsstromkreis verbundenes Sendeelement zur Abgabe eines Signals, ein mit dem Ausgangsstromkreis verbundenes Empfangselement zum Empfangen des Lichtsignals und mindestens eine Platine zur Bildung mindestens des Eingangs- oder des Ausgangsstromkreises. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Sendeelement und dem Empfangselement die Platine zur elektrischen Isolierung des Ausgangsstromkreises und des Eingangsstromkreises gegeneinander vorgesehen. Das Lichtsignal wird durch die Platine hindurch von dem Sendeelement zum Empfangselement übertragen. Da handelsübliche Platinen bzw. Leiterplatten üblicherweise eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen, ist der so entstehende Optokoppler zur galvanischen Trennung von sehr hohen Spanmnungen, wie sie häufig bie elektromedizinischen Geräten vorkommen, geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung sowie ein Verfahren zur Fertigung dessen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 10.
Bei elektronischen Geräten ganz allgemein ist es häufig notwendig, Baugruppen elektrisch voneinander zu isolieren, aber trotzdem Daten oder Signale zwischen diesen auszutauschen. Für elektromedizinische Geräte, insbesondere für Hochfrequenz-Chirurgiegeräte, gibt es hohe Isolierungsanforderungen zwischen den einzelnen Baugruppen bzw. Stromkreisen der Baugruppen zu erfüllen. Es geht in diesen Anwendungen nämlich nicht nur darum, eine fehlerfreie Funktion der Geräte zu gewährleisten, sondern auch um die Sicherheit des jeweiligen Patienten. So werden beispielsweise bei der elektrischen Koagulation von Gewebe nicht unerhebliche Ströme und Spannungen freigesetzt, die vom behandelnden Chirurgen zu jedem Zeitpunkt sicher kontrollierbar sein müssen.

Für den Zweck der elektrischen Entkopplung sind aus dem Stand der Technik so genannte Optokoppler bekannt, die einen Eingangsstromkreis mittels optischer Signale an einen Ausgangsstromkreis anschließen. Während eine galvanische Trennung zwischen dem Eingangsstromkreis und dem Ausgangsstromkreis vorliegt, werden die Signale vom Eingangsstromkreis mittels eines lichtemittierenden Bauelementes ausgesendet, von einem lichtempfangenden Bauelement aufgenommen und entsprechend im Ausgangsstromkreis umgewandelt.

Da die Medizintechnik, wie bereits gesagt, sehr hohe Sicherheitsanforderungen an die dort verwendeten Geräte stellt, werden hier große mechanische Abstände der elektrischen Leiterbahnen, also des Eingangsstromkreises zu dem Ausgangsstromkreis, sowie eine große Spannungsfestigkeit der entsprechenden Vorrichtung gefordert. Diese Anforderungen, die beispielsweise bei der Spannungsfestigkeit eine sichere Isolierung von Spannungen mit mehreren Kilovolt (KV) beinhalten, erfordern spezielle Optokoppler.

Die Fertigung dieser speziellen Ausführungsformen der Optokoppler ist aufwendig und kostenintensiv. Außerdem verfügen sie häufig nicht über Standardabmessungen und lassen sich so nur schwierig in einem automatischen Fertigungsprozess verwenden. Weiterhin sind diese Optokoppler sehr empfindlich und können im Lötprozess sowie beim Setzen leicht beschädigt werden. Eine aufwendige und teure Qualitätskontrolle ist daher nötig.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektromedizinisches Gerät mit einem Optokoppler bereit zu stellen, der eine sichere Isolierung von Ein- und Ausgangsströmen gewährleistet, wobei sich das elektromedizinische Gerät einfach und kostengünstig, bevorzugt vollautomatisch, fertigen lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektromedizinisches Gerät nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Fertigung eines elektromedizinischen Geräts nach Anspruch 10 gelöst.

Insbesondere wird die Aufgabe durch ein elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung zur Übertragung eines Signals von einem Eingangsstromkreis zu einem Ausgangsstromkreis, umfassend ein mit dem Eingangsstromkreis verbundenes Sendeelement zur Abgabe eines Lichtsignals, ein mit dem Ausgangsstromkreis verbundenes Empfangselement zum Empfangen des Lichtsignals und mindestens einer Platine zur Bildung mindestens des Eingangs- oder des Ausgangsstromkreises, dadurch gelöst, dass zwischen dem Sendeelement und dem Empfangselement die Platine zur elektrischen Isolierung des Ausgangsstromkreises und des Eingangsstromkreises gegeneinander vorgesehen ist.

Ein wesentlicher Punkt der Erfindung besteht also darin, dass die Platine, die üblicherweise eine hohe Spannungsfestigkeit besitzt, dazu verwendet wird, einzelne Stromkreise gegeneinander zu isolieren. Die nicht elektrische Kopplung erfolgt wie bei handelsüblichen Optokopplern über das Emittieren und Empfangen von Lichtsignalen.

Die erfindungsgemäße Optokopplervorrichtung kann also aus handelsüblichen Bauteilen hergestellt werden. Diese Standardbauteile lassen sich zum einen kostengünstig erwerben, zum anderen leicht mittels handelsüblichen Bestückungsmaschinen auf die Platine bzw. Leiterplatte aufbringen.

Der mechanische Abstand zwischen den Stromkreisen lässt sich mittels der Dicke der Platine variieren. Da Platinen mit diversen Dicken handelsübliche Produkte sind, lässt sich so auf kostengünstige Weise für jede Anwendung über die Variationen der Dicke eine geeignete Spannungsfestigkeit erzielen.

Es ist zwar denkbar, Eingangsstromkreis und Ausgangsstromkreis und dazugehörige Schaltungen auf mehreren getrennten Platinen vorzusehen und diese dann zueinander so anzuordnen, dass das Empfangselement das Lichtsignal des Sendeelements empfängt. Es könnte beispielsweise auf einer Oberfläche einer ersten Platine das Sendeelement mit dem Eingangsstromkreis und auf einer Oberfläche einer zweiten Platine das Empfangselement mit dem Ausgangsstromkreis angeordnet werden. Nach der Fertigung der beiden Platinen werden diese zueinander so platziert, dass Sende- und Empfangselement durch die beiden Platinen getrennt werden und Lichtsignale austauschen. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn genau eine Platine mit einer ersten Platinenoberfläche und einer zweiten Platinenoberfläche zwischen dem Sendeelement und dem Empfangselement vorgesehen ist, wobei vorzugsweise der Eingangsstromkreis mit dem Sendeelement auf der ersten Platinenoberfläche und der Ausgangsstromkreis mit dem Empfangselement auf der zweiten Platinenoberfläche gebildet sind. Das Empfangselement sowie das Sendeelement werden also wechselseitig auf den Platinenoberflächen so angebracht, dass das vom Sendeelement emittierte Lichtsignal durch die Platine zum Empfangselement gelangt. Ein sicheres Übertragen des Lichtsignals wird so gewährleistet und ein aufwendiges Anordnen mehrerer Platinen zueinander entfällt.

Bevorzugt umfassen das Sendeelement und/oder das Empfangselement mindestens ein SMD-(Surface Mounted Device)-Bauelement. Die so genannten „oberflächenmontierten Bauelemente" besitzen keine Drahtanschlüsse, die üblicherweise durch die Platine hindurchragen. Sie werden direkt auf die Oberfläche der Leiterplatine gelötet. Diese Bestückung der Platinen ist zu bevorzugen, da so eine strikte mechanische Trennung zwischen dem Eingangsstromkreis und dem Ausgangsstromkreis durch die Platine gewährleistet wird. Somit kann die Optokopplervorrichtung des elektromedizinischen Geräts selbst bei einer hohen Packdichte von Bauelementen auf den jeweiligen Oberflächen der Platine eine hohe Spannungsfestigkeit und einen ausreichenden Abstand zwischen dem Ausgangsstromkreis und dem Eingangsstromkreis gewährleisten.

Vorzugsweise sind auf der mindestens einen Platine eine erste Vielzahl von SMD-Bauelementen zur Bildung einer ersten Schaltung, umfassend den Eingangsstromkreis, und/oder eine zweite Vielzahl von SMD-Bauelementen zur Bildung einer zweiten Schaltung, umfassend den Ausgangsstromkreis, vorgesehen. Die Packdichte und die Sicherheit bzw. Spannungsfestigkeit der Platine lässt sich so weiter erhöhen.

Vorzugsweise umfassen das Sendeelement und das Empfangselement jeweils eine optisch aktive Seite und sind derart angeordnet, dass sich die optisch aktiven Seiten unter Zwischenlage der Platine gegenüber liegen. Die häufig quaderförmig ausgebildeten Sende- und Empfangselemente sind also derartig ausgebildet, dass nur eine Seite des Quaders optisch aktiv ist, d.h. dass nur eine Seite zum Senden bzw. zum Empfangen des Lichtsignals geeignet ist. Die anderen Seiten sind optisch blind. Ordnet man das Sendeelement und das Empfangselement so an, dass die jeweilige optisch aktive Seite die Platinenoberfläche direkt oder indirekt kontaktiert, so sind das Sendeelement und das Empfangselement gegenüber ihrer Umwelt abgeschirmt. Weder kann das Empfangselement durch äußere Lichtquellen gestört werden, noch wirkt das von dem Sendeelement emittierte Lichtsignal störend auf seine Umgebung.

Vorzugsweise umfasst das Sendeelement eine Leuchtdiode.

Vorzugsweise umfasst das Empfangselement eine Fotodiode, einen Fototransistor oder einen Fototrysistor.

Erfindungsgemäß kann nur ein Abschnitt der mindestens einen Platine lichtdurchlässig sein und ist so angeordnet, dass das von dem Sendeelement emittierte Licht durch diesen lichtdurchlässigen Abschnitt zum Empfangselement gelangt. Vorzugsweise ist jedoch die mindestens eine Platine insgesamt aus lichtdurchlässigem Material, insbesondere aus epoxidharzhaltigem Material gefertigt. Ist die gesamte Platine lichtdurchlässig, so entfällt das eventuell aufwendige Vorsehen eines einzelnen lichtdurchlässigen Abschnitts. Vorzugsweise handelt es sich bei den verwendeten Platinen um so genannte FR4-Platinen. Diese werden aus einer Mischung von Glasfasergeweben und Epoxidharz hergestellt und weisen zusätzlich zu ihrer Lichtdurchlässigkeit ein hohe Feuerresistenz auf.

Vorzugsweise hat die mindestens eine Platine eine hohe Spannungsfestigkeit, insbesondere ca. 40 Kilovolt (KV) pro Millimeter (mm) auf. Somit kann das elektromedizinische Gerät bereits mit geringen Platinendicken eine hohe und ausreichende Spannungsfestigkeit sicherstellen.

Die oben aufgeführte Aufgabenstellung wird des Weiteren durch ein Verfahren zur Fertigung eines elektromedizinischen Geräts mit einer Optokopplervorrichtung gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– Bereitstellen mindestens eines optisch durchlässigen Abschnitts auf einer Platine,
– Aufbringen eines optischen Sendeelements auf einer ersten Platinenoberfläche der Platine,
– Aufbringen eines optischen Empfangselements auf einer zweiten Platinenoberfläche der Platine, wobei das Sendeelement und das Empfangselement derart aufgebracht werden, dass das Empfangselement Lichtsignale des Sendeelements durch den optisch durchlässigen Abschnitt empfängt.

Der zentrale Gedanke des Verfahrens besteht also ähnlich wie bei der Vorrichtung darin, dass durch das geschickte Aufbringen von Standardbauelementen auf eine Platine ein Optokoppler für ein elektromedizinisches Gerät geschaffen wird, der hohe Anforderungen hinsichtlich der Spannungsfestigkeit erfüllt. Hierbei werden das Sendeelement und das Empfangselement vorzugsweise sich gegenüberliegend auf jeweils einer Seite der Platine angebracht. Die von dem Sendeelement ausgesandten Lichtsignale durchdringen die Platine und werden von dem Empfangselement empfangen.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Aufbringen einer Vielzahl von elektrischen Bauelementen, insbesondere SMD-Bauelementen, und von Leiterbahnen auf den Platinenoberflächen zur Bildung von mit dem Sendeelement und dem Empfangselement verbundenen Schaltungen. Das Verwenden der SMD-Bauelemente macht die maschinelle Fertigung besonders einfach und bietet zusätzlich Sicherheit hinsichtlich der Spannungsfestigkeit des entstehenden Optokopplers, da die einzelnen SMD-Bauelemente durch die Platine mechanisch vollständig voneinander getrennt sind. Leiterbahnen und Bauelemente können effizient mittels herkömmlicher Verfahren auf den gegenüberliegenden Seiten der Platine erstellt werden und entsprechende galvanisch getrennte Schaltungen für das elektromedizinische Gerät bilden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das mittels Abbildungen näher erläutert wird. Hierbei zeigen:
1 den schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Optokopplervorrichtung;
2 ein Blockdiagramm mit einer Sende- und Empfangseinheit; und
3a und 3b eine schematische Darstellung einer Ober- bzw. Unterseite einer mit Bauelementen bestückten Platine.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile die selben Bezugsziffern verwendet.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein Gerät für die Hochfrequenz-Chirurgie, bei der mittels hochfrequenten Wechselströmen Gewebe geschnitten bzw. koaguliert wird. Zur Steuerung dieses hochfrequenten Wechselstroms ist ein Steuerstromkreis bzw. Eingangsstromkreis vorgesehen, der den Wechselstrom bzw. Ausgangsstromkreis so steuert, dass für jede Anwendung eine geeignete Stromstärke und Frequenz vorliegt. Um eine sichere Funktionalität des Hochfrequenz-Chirurgiegeräts zu gewährleisten, müssen der Ausgangsstromkreis und der Eingangsstromkreis galvanisch voneinander getrennt sein. Dies wird durch eine erfindungsgemäße Optokopplervorrichtung, wie sie in den 3a und 3b gezeigt wird, erzielt. Die 3a und 3b enthalten eine Draufsicht auf eine erste Platinenoberfläche 51 bzw. zweite Platinenoberfläche 52 einer Platine 50. In der schematischen Darstellung der
3a sind eine Vielzahl von elektrischen Bauelementen 5 durch Leiterbahnen 3 miteinander verbunden. Bei den elektronischen Bauelementen 5 handelt es sich um SMD-Bauelemente (Surface Mounted Devices), die beispielsweise mittels eines Reflow-Verfahrens auf die Platine 50 aufgelötet sind.
Ebenfalls an die Leiterbahnen 3 angeschlossen und als SMD-Bauelement ausgeführt, ist das Sendeelement 10.
Auf der anderen Seite der Platine 50, nämlich auf der zweiten Platinenoberfläche 52, befindet sich ein Empfangselement 11 (vgl. 3b), das dem Sendeelement 10 gegenüber liegt. Dieses Empfangselement ist mittels Leiterbahnen 3 mit einer Vielzahl von Bauelementen 5, die ebenfalls SMD-Bauelemente sind, verbunden.
Die Vielzahl von elektrischen Bauelementen der ersten Platinenoberfläche 51 und der zweiten Platinenoberfläche 52 bilden unter anderem eine Ansteuervorrichtung 30 bzw. eine Empfangsvorrichtung 40 (vgl. 2). Diese Ansteuervorrichtung 40 umfasst einen Eingangsstromkreis, der mit dem Sendeelement 10 verbunden ist. Wie in 2 gezeigt, werden gemäß dem Eingangsstromkreis Lichtsignale 1 von der Sendeeinheit abgegeben. Diese Lichtsignale 1 werden von dem Empfangselement 11 empfangen, von der Empfangsvorrichtung 40 verarbeitet und in einen Ausgangsstromkreis umgewandelt. Die Lichtsignale können sowohl analog als auch digital codiert sein.
Erfindungsgemäß werden diese Lichtsignale durch die transparente Platine 50 übertragen. Dies zeigt der Teilquerschnitt der 1 durch die Platine 50. Wie bereits beschrieben, stehen sich in diesem Querschnitt das Sendeelement 10 und das Empfangselement 12 gegenüber. Sie sind jeweils auf der ersten Platinenoberfläche 51 und der zweiten Platinenoberfläche 52 befestigt. Für den Anschluss an den Eingangsstromkreis bzw. Ausgangsstromkreis sind jeweils zwei Leitungsbahnen 3 an den Seiten des Sende- und Empfangselement 10, 11 vorgesehen.
Das Sendeelement 10, das eine Leuchtdiode ist, weist genau eine optisch aktive Seite 20 auf. Diese erste optisch aktive Seite 20 ist einer zweiten optisch aktiven Seite 21 des Empfangselements 11 gegenüber gelegen. Auch das Empfangselement 11 weist lediglich die eine optisch aktive Seite 21 auf. Die optisch aktiven Seiten 20, 21 sind jeweils direkt an der ersten Platinenoberfläche 51 und der zweiten Platinenoberfläche 52 angeordnet und gewährleisten eine sichere Übertragung der Lichtsignale 1 durch die Platine 50. Des weiteren sind die optisch aktiven Seiten 20, 21 durch das direkte Kontaktieren mit der Platine 50 gegen äußere Einflüsse abgeschirmt.

1: Lichtsignal
3: Leiterbahn
5: elektrische Bauelemente
10: Sendeelement
11: Empfangselement
20, 21: optische aktive Seite
30: Ansteuervorrichtung
40: Empfangsvorrichtung
50: Platine
51: erste Platinenoberfläche
52: zweite Platinenoberfläche
60: Leiterbahn

Claims

Elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung zur Übertragung eines Signals von einem Eingangsstromkreis zu einem Ausgangsstromkreis, umfassend ein mit dem Eingangsstromkreis verbundenes Sendeelement (10) zur Abgabe eines Lichtsignals (1), ein mit dem Ausgangsstromkreis verbundenes Empfangselement (11) zum Empfangen des Lichtsignals (1), und mindestens eine Platine zur Bildung mindestens des Eingangs- oder des Ausgangsstromkreises dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sendeelement (10) und dem Empfangselement (11) die Platine (50) zur elektrischen Isolierung des Ausgangsstromkreises und des Eingangsstromkreises gegeneinander vorgesehen ist.
Elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass genau eine Platine (50) mit einer ersten Platinenoberfläche (51) und einer zweiten Platinenoberfläche (52) zwischen dem Sendeelement (10) und dem Empfangselement (11) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise der Eingangsstromkreis mit dem Sendeelement auf der ersten Platinenoberfläche (51) und der Ausgangsstromkreislauf auf der zweiten Platinenoberfläche (52) gebildet sind.
Elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendeelement (10) und/oder das Empfangselement (11) mindestens ein SMD-Bauelement umfassen/umfasst.
Elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der mindestens einen Platine (50) eine erste Vielzahl von SMD-Bauelemente zur Bildung einer ersten Schaltung, umfassend den Eingangsstromkreis, und/oder eine zweite Vielzahl von SMD-Bauelemente zur Bildung einer zweiten Schaltung, umfassend den Ausgangsstromkreis, vorgesehen sind/ist.
Elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendeelement (10) und das Empfangselement (11) jeweils eine optisch aktive Seite (20, 21) umfassen und derart angeordnet sind, dass sich die optisch aktiven Seite (20, 21) unter Zwischenlage der Platine gegenüber liegen.
Elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendelement (10) ein Leuchtdiode umfasst.
Elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangselement (11) eine Fotodiode, einen Fototransistor oder einen Fototrysistor umfasst.
Elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Platine (50) insgesamt aus lichtdurchlässigem Material, insbesondere aus epoxiharzhaltigem Material gefertigt ist.
Elektromedizinisches Gerät mit einer Optokopplervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Platine eine hohe Spannungsfestigkeit, insbesondere ca. 40 KV/mm pro mm aufweist.
Verfahren zur Fertigung eines elektromedizinisches Geräts insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Optokopplervorrichtung, umfassend die Schritte Bereitstellen mindestens eines optisch durchlässigen Abschnitts auf einer Platine (50), Aufbringen eines optischen Sendeelements (10) auf einer ersten Platinenoberfläche (51) der Platine (50), Aufbringen eines optischen Empfangselements (11) auf einer zweiten Platinenoberfläche (52) der Platine (50), wobei das Sendeelement (10) und das Empfangselement (11) derart aufgebracht werden, dass das Empfangselement (11) Lichtsignale (1) des Sendeelements (10) durch den optisch durchlässigen Abschnitt empfängt.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Aufbringen einer Vielzahl von elektrischen Bauelementen (5), insbesondere SMD-Bauelemente, und von Leiterbahnen (3) auf den Platinenoberflächen (51, 52) zur Bildung von mit dem Sendeelement (10) und dem Empfangselement (11) verbundenen Schaltungen.