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Die Erfindung betrifft ein Instrument nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Instruments.
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Bei solch einem Instrument kann es sich insbesondere um ein medizinisches Instrument, z. B. in Form eines Endoskops, einer auf ein Endoskop aufsteckbaren Endoskopkamera oder eines Otoskops handeln, das z. B. im Rahmen einer medizinischen Untersuchung oder einer minimal-invasiven chirurgischen Operation eingesetzt wird.
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Ein solches Instrument weist einen Schaft und ein an dem Schaft angeordnetes, linear zu verstellendes Verstellelement auf. Weiterhin ist ein Stellantrieb vorgesehen, der ausgebildet ist, das Verstellelement zu verstellen. Der Stellantrieb weist einen ortsfest am Schaft angeordneten Stator und einen relativ zum Stator linear entlang einer Längsachse verstellbaren Läufer auf.
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Aus der
DE 10 2008 042 701 A1 ist ein Linearmotor für optische Systeme bekannt, der beispielsweise zum Verstellen einer optischen Linse an einem Endoskop zum Einsatz kommen kann. Der Linearmotor weist einen eine Spule tragenden Stator und einen aus einem weichmagnetischen (ferromagnetischen) Material gefertigten Läufer auf. Der Läufer steht in magnetischem Eingriff mit Permanentmagneten am Stator, wobei durch Bestromung der Spule des Stators der Läufer aus einer Ruhelage heraus in Längsrichtung verschoben werden kann.
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Zum Einsatz beispielsweise in medizinischen Instrumenten wie Endoskopen oder Otoskopen besteht ein Bedarf für miniaturisierbare Linearmotoren zum Verstellen von optischen Elementen wie Linsen oder dergleichen, um bei einem optischen System in Form einer optischen Aufnahmeeinheit die Schärfentiefe, die Fokuseinstellung oder eine Zoomeinstellung verändern zu können. Es besteht hierbei grundsätzlich das Bedürfnis, solche Linearmotoren einfach, kostengünstig und zuverlässig aufzubauen, so dass sie leicht zu montieren sind, eine lange Lebensdauer aufweisen und kostengünstig verfügbar sind. Des Weiteren besteht insbesondere bei medizinischen Instrumenten ein Bedarf für eine leichte und zuverlässige Sterilisierung. Linearmotoren, die einen Permanentmagneten aufweisen, können diesbezüglich von Nachteil sein, weil die Verwendung von Permanentmagneten zum einen die Kosten der Fertigung und der Montage des Linearmotors vergrößern kann und zum anderen beispielsweise eine Dampfdruck-Sterilisierung unter Verwendung eines Autoklaven nicht verwendet werden kann, weil im Rahmen eines Autoklavierprozesses erhöhte Temperaturen größer als z. B. 100° C zum Einsatz kommen, die bei Permanentmagneten zu einer Entmagnetisierung führen können.
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Bei dem Linearmotor der
DE 10 2008 038 926 A1 weist ein Läufer einen Permanentmagneten auf, der unter Wirkung eines von einer elektrischen Spule an einem Stator erzeugten magnetischen Feldes verstellt werden kann.
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Aus der
DE 103 23 629 A1 ist ein Wanderfeld-Linearmotor bekannt, bei dem mehrere elektrische Spulen an einem Stator ein Wanderfeld erzeugen, dem ein mit einem Permanentmagneten ausgestatteter Läufer nachfolgt, so dass durch Verstellen des Läufers eine optische Linse verstellt werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Instrument sowie ein Verfahren zum Betreiben des Instruments zur Verfügung zu stellen, die einen einfach aufgebauten, leicht zu montierenden und kostengünstig herstellbaren Stellantrieb in Form eines Linearmotors verwenden und zudem eine einfache Sterilisierung beispielsweise unter Verwendung eines Autoklaven ermöglichen können.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach ist der Stellantrieb als Reluktanzmotor ausgebildet, bei dem der Läufer mindestens einen aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Wirkabschnitt und der Stator mindestens eine elektrische Spule zum Erzeugen einer auf den Läufer wirkenden Reluktanzkraft aufweist.
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Erfindungsgemäß ist der Stellantrieb als Reluktanzmotor ausgebildet. Das Verstellen des zumindest abschnittsweise aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Läufers erfolgt somit aufgrund von Reluktanzkräften, die eine oder mehrere Spulen am Stator erzeugen. Der Stellantrieb weist insgesamt keine Permanentmagnete auf, so dass weder der Läufer noch der Stator einen Permanentmagneten tragen.
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Bei einem Reluktanzmotor wird eine Bewegung des Läufers dadurch bewirkt, dass der ferromagnetisch (weichmagnetisch) ausgebildete Läufer bei Anlegen eines magnetischen Feldes eine Stellung minimaler Reluktanz einzunehmen versucht. In dieser Stellung ist der magnetische Widerstand minimal, so dass der Läufer magnetisch in einer (quasi-)stabilen Stellung gehalten wird. Wird das magnetische Feld durch Variation der Bestromung der elektrischen Spule verändert, so folgt der Läufer dem Feld nach und strebt wiederum in eine Stellung minimaler Reluktanz.
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Dadurch, dass der Stellantrieb keine Permanentmagnete aufweist, wird beispielsweise eine einfache Sterilisierung des gesamten Instruments oder des Schaftes, an dem der Stellantrieb angeordnet ist, in einem Autoklaven unter Dampfdruck möglich. Insbesondere kann ein Autoklav, wie üblich, bei Temperaturen höher als 100° C betrieben werden, ohne dass die Gefahr einer Zerstörung von Bauteilen des Stellantriebs besteht (wie oben geschildert, besteht bei Verwendung von Permanentmagneten die Gefahr, dass es zu einer Entmagnetisierung bei erhöhten Temperaturen kommt).
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Der Stellantrieb weist z. B. zwei elektrische Spulen auf, die entlang der Längsachse axial zueinander versetzt sind und unabhängig voneinander bestromt werden können. Zum Verstellen des Läufers werden die Spulen dann derart bestromt, dass jede der Spulen eine Reluktanzkraft an dem Läufer bewirkt und der Läufer in Abhängigkeit von den wirkenden Reluktanzkräften verstellt wird.
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Grundsätzlich sind zwei unterschiedliche Bauformen des Stellantriebs denkbar und möglich und können abhängig von der gewünschten Funktion des Stellantriebs Verwendung finden.
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Einerseits kann der Stellantrieb ausgebildet sein, eine stufenlose Verstellung des Läufers relativ zu dem Stator zu ermöglichen. Eine solche stufenlose Verstellbarkeit kann beispielsweise bei einem Einsatz an medizinischen Instrumenten zum Verstellen einer optischen Linse eines optischen Systems vorteilhaft sein, weil durch stufenlose Einstellung der Position der Linse beispielsweise eine Schärfentiefe oder eine Fokusstellung in genauer Weise verändert werden kann.
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Andererseits ist auch denkbar und möglich, den Stellantrieb für einen geschalteten Betrieb auszulegen, bei dem der Läufer binär zwischen zwei Endpositionen verstellt werden kann. Bei einem solchen Betrieb ist der Stellantrieb ausgelegt, den Läufer zwischen seinen Endpositionen zu schalten, so dass der Läufer keine (stabilen) Zwischenpositionen einnehmen kann.
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In jedem Fall kann der Läufer in einem aus einem nichtmagnetischen Material gefertigten Gleitrohr linear verstellbar geführt sein. Das Gleitrohr kann hierbei gleichzeitig als Spulenträger dienen, auf den eine oder mehrere elektrische Spulen gewickelt sind. Die elektrischen Spulen erstrecken sich hierbei mit ihren Wicklungen um das Gleitrohr in Umfangsrichtung um eine Verstellrichtung, entlang derer der Läufer im Inneren des Gleitrohrs linear verstellbar geführt ist. Die Spule kann hierbei das Gleitrohr zumindest abschnittsweise umfänglich umgeben.
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Der Stellantrieb kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung einen oder zwei Anschläge zum Bereitstellen von Endpositionen für den Läufer aufweisen. Zwischen den Anschlägen kann der Läufer somit verstellt werden, wobei insbesondere bei Ausgestaltung des Stellantriebs für einen geschalteten Betrieb die Anschläge aus einem ferromagnetischen Material gefertigt sein können, so dass der Läufer bei Erreichen einer Endposition aufgrund von magnetischen Remanenzen an dem Anschlag haftend in der eingestellten Endposition gehalten wird, auch wenn die elektrische(n) Spule(n) nicht mehr bestromt wird (werden) und der Stellantrieb somit in einem energielosen Betriebszustand ist. Dies hat den Vorteil, dass ein Bestromen zum Halten des Läufers in einer Endposition nicht unbedingt erforderlich ist, so dass Energie nur zum Verstellen des Läufers, nicht aber zum stabilen Halten des Läufers in einer Endposition aufgewendet werden muss. Alternativ ist es natürlich auch möglich, den Läufer bei Bedarf durch eine (ggf. geringere) Spulenbestromung im Anschlag zu halten.
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Insbesondere wenn der Stellantrieb für einen stufenlosen Betrieb ausgelegt ist, kann der Läufer zwei aus einem ferromagnetischen Material gefertigte, entlang der Längsachse axial zueinander versetzte Wirkabschnitte aufweisen. Die Wirkabschnitte sind hierbei durch einen aus einem nichtmagnetischen Material gefertigten Trennabschnitt axial voneinander beabstandet und jeweils einer elektrischen Spule zugeordnet derart, dass die Spulen im Betrieb eine Reluktanzkraft im Wesentlichen an dem ihr zugeordneten Wirkabschnitt bewirken. Diesem liegt der Gedanke zugrunde, dass im Betrieb eines stufenlosen Stellantriebs jeweils eine Spule vorzugsweise eine Reluktanzkraft auf einen ihr zugeordneten ferromagnetischen Wirkabschnitt des Läufers bewirken soll, wobei die Reluktanzkräfte, die an den Wirkabschnitten angreifen, entgegengesetzt zueinander gerichtet sind und der Läufer abhängig von einer resultierenden Reluktanzkraft so weit verstellt wird, bis sich ein Gleichgewicht der Reluktanzkräfte einstellt. Durch Variation der Bestromung der Spulen kann der Läufer dann variabel und stufenlos verstellt werden, wobei der Läufer immer die (stabile) Stellung einnimmt, die einem Gleichgewicht der durch die Spulen bewirkten Reluktanzkräfte entspricht.
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Grundsätzlich werden die elektrischen Spulen durch Anlegen einer Gleichspannung bestromt. Zusätzlich kann es aber vorteilhaft sein, an eine oder an mehrere der elektrischen Spulen des Stators eine hochfrequente elektrische Wechselspannung (beispielsweise im kHz-Bereich) anzulegen, so dass eine Bestromung mittels einer Gleichspannung und – überlagert – mittels einer Wechselspannung erfolgt. Durch Anlegen einer solchen zusätzlichen Wechselspannung kann erreicht werden, dass der Läufer minimale Bewegungen um eine eingestellte Stellung herum ausführt, um auf diese Weise einen so genannten „Stick-Slip-Effekt“ aufgrund von Haftreibung in einer eingestellten Position zu verhindern.
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Eine Bestromung der elektrischen Spulen zum Verstellen des Läufers zwischen unterschiedlichen Positionen und zum Halten in einer bestimmten, eingestellten Position kann grundsätzlich auch ausschließlich mit einem Wechselstrom erfolgen, ohne dass ein Gleichstrom eingespeist wird.
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In weiterer Ausgestaltung kann der Stellantrieb eine aus einem ferromagnetischen Material gefertigte, äußere Hülse aufweisen, die sowohl die mindestens eine elektrische Spule als auch ein eventuell vorhandenes Gleitrohr und den darin geführten Läufer einfasst. Mittels einer solchen aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Hülse kann der Stellantrieb nach außen magnetisch geschirmt werden, wobei gleichzeitig der Wirkungsgrad des Motors durch Bereitstellung der Hülse, die einen magnetischen Rückschluss darstellt, erhöht werden kann. Zudem ermöglicht das Einfassen in einer äußeren Hülse eine kompakte Bauform des Stellantriebs, die eine einfache Montage an dem Schaft des Instruments möglich macht.
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Das Verstellelement kann beispielsweise durch eine optische Linse einer optischen Aufnahmeeinheit ausgebildet sein, wobei vorgesehen sein kann, den Stellantrieb durch manuelle Betätigung eines Betätigungselements zu betreiben und somit eine manuelle Einstellung beispielsweise der Schärfentiefen oder eines Zooms zu ermöglichen. Ebenso ist denkbar, den Stellantrieb mittels einer Autofokus-Betätigungseinheit anzusteuern, mittels derer die Aufnahmeeinheit in selbsttätiger Weise fokussiert werden kann.
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Das Instrument kann insbesondere als medizinisches Instrument Verwendung finden und dabei beispielsweise als Endoskop ausgebildet sein. Ein solches Endoskop kann in an sich bekannter Weise zur Durchführung diagnostischer Untersuchungen oder auch im Rahmen von minimal-invasiven chirurgischen Eingriffen Verwendung finden. Bei einem Einsatz an solchen medizinischen Instrumenten kann ein Stellantrieb der hier beschriebenen Art grundsätzlich nicht nur zum Verstellen optischer Elemente wie Linsen verwendet werden, sondern beispielsweise auch zum Antreiben von Werkzeugen wie Zangen, Klammern oder dergleichen.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Betreiben eines Instruments mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
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Zu Vorteilen und vorteilhaften Ausgestaltungen eines solchen Verfahrens soll auf das vorangehend Ausgeführte verwiesen werden, das auf das Verfahren in analoger Weise zutrifft.
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Mit dem bereitgestellten Instrument unter Verwendung eines Stellantriebs der anspruchsgemäßen Art wird die Möglichkeit einer Miniaturisierung geschaffen, die insbesondere bei einem Einsatz an medizinischen Instrumenten wie Endoskopen oder Otoskopen vorteilhaft ist. Mittels eines Stellantriebs der beschriebenen Art können auf kleinstem Bauraum unterschiedliche Elemente eines optischen Systems z.B. an einem Schaftende eines Endoskops mit hoher Präzision verstellt werden, so dass z.B. Linsen, Prismen oder Blenden in feiner Weise eingestellt werden können.
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Dadurch, dass der Stellantrieb keine Permanentmagnete aufweist, kann zum einen insbesondere in Radialrichtung (bezogen auf den längserstreckten Schaft des Instruments) Bauraum eingespart werden. Dies ist insbesondere bei Endoskopen von Bedeutung, bei denen ein Schaftdurchmesser nicht beliebig groß gewählt werden kann. Zum zweiten ermöglicht die permanentmagnetfreie Ausgestaltung des Stellantriebs eine Sterilisierung mittels Autoklavieren unter Gasdruck bei erhöhten Temperaturen. Zum dritten ergeben sich geringe Fertigungskosten, weil Materialkosten für Permanentmagneten entfallen.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines medizinischen Instruments in Form eines Endoskops;
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2 eine vergrößerte Ansicht eines Schaftendes eines Schafts eines Endoskops;
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3 eine schematische Ansicht einer optischen Aufnahmeeinheit an einem Schaftende eines Endoskops;
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4A, 4B schematische Ansichten eines ersten Ausführungsbeispiels eines Stellantriebs zum Verstellen eines Verstellelements eines Instruments;
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5A, 5B schematische Ansichten eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Stellantriebs; und
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6 eine schematische Ansicht eines geringfügig gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 5A, 5B modifizierten Ausführungsbeispiels eines Stellantriebs.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein (medizinisches) Instrument 1 in Form eines Endoskops, das einen Schaft 11 mit einem Schaftende 110 aufweist, der beispielsweise in die Speiseröhre oder den Darm eines Patienten eingeführt werden kann und dazu zumindest abschnittsweise flexibel ausgestaltet ist. Der Schaft 11 ist mit einem Griffstück 10 verbunden, das ein Betätigungselement 100 aufweist, über das ein an dem Schaftende 110 angeordnetes Werkzeug 111 in Form z. B. einer Zange oder einer Klemme betätigt werden kann. Mit dem Griffstück 10 ist weiterhin eine Zuleitung 12 verbunden, über die beispielsweise elektrische Leiter oder Lichtleiter hin zu dem Griffstück 10 und in den Schaft 11 geführt werden.
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Selbstverständlich kann das Endoskop auch mit einem starren Schaft 11 ausgeführt sein, wie beispielsweise bei in minimal-invasiven Eingriffen zum Betrachten eines Bauchraums eingesetzten Endoskopen.
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Bei herkömmlichen Endoskopen können am Schaftende 110 neben einem Werkzeug 111 Einrichtungen vorgesehen sein, die einerseits zur Beleuchtung eines Bereichs um das Schaftende 110 und zum anderen zur Aufnahme und Übertragung von Bildern aus dem Bereich des Schaftendes 110 dienen sollen. Wie in der vergrößerten Ansicht gemäß 2 dargestellt, können hierzu am Schaftende 110 Öffnungen 112, 113 als Lichtauslass bzw. als Lichteinlass vorgesehen sein, über die Licht abgestrahlt bzw. Licht aufgenommen werden kann, um den Bereich um das Schaftende 110 zu beleuchten bzw. Bilder aus dem Bereich des Schaftendes 110 aufzunehmen.
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3 zeigt in einer schematischen Ansicht ein optisches System in Form einer Aufnahmeeinheit 2 am Schaftende 110 des Schafts 11 des Endoskops. Die Aufnahmeeinheit 2 weist einen Bildaufnehmer 23 in Form beispielsweise eines elektronischen CCD-Chips sowie eine optische Linse 21 zur Strahlbündelung und Strahlformung auf. Zur Aufnahme von Bildern tritt Licht über die Öffnung 112 (die als Blendenöffnung ausgestaltet sein kann) in das Schaftende ein, durchdringt die Linse 21 und wird über diese hin zum Bildaufnehmer 20 geleitet, der das Licht in elektronische Signale wandelt, die dann über eine Leitung 22 hin zum Griffstück 10 und über die Zuleitung 12 zu einer Steuer- und Auswerteeinrichtung geleitet werden können.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei der „Linse“ 21 nicht notwendigerweise um eine einzelne Linse handeln muss, sondern auch ein System aus mehreren Linsen oder Gruppen von Linsen oder anderen optischen Elmenten wie Prismen eines optischen Systems, das insgesamt verstellt werden kann oder bei dem einzelne Elemente verstellbar ausgeführt sind.
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Bei herkömmlichen optischen Systemen an Schaftenden 110 von Endoskopen sind optische Elemente, wie die Linse 21, eine Blende und der Bildaufnehmer 20 in der Regel feststehend angeordnet. Bei solchen optischen Systemen sind die Schärfentiefe, der Zoom und der Fokus voreingestellt. Dabei ist eine Blendenöffnung üblicherweise klein zu wählen, um eine hohe Schärfentiefe im Bild zu erreichen, was jedoch zu einer Reduzierung des eingefangenen Lichts und damit zu dunklen Bildern führt.
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Um den Fokus und die Schärfentiefe variabel einstellen zu können und auf diese Weise die Verwendung einer vergrößerten Blendenöffnung zu ermöglichen, sind bei der Anordnung gemäß 3 optische Elemente, insbesondere die Linse 21 und/oder der Bildaufnehmer 20 entlang einer Verstellrichtung V bewegbar ausgeführt, so dass der Abstand des Bildaufnehmers 20 und der Linse 21 zueinander und zu der (Blenden-)Öffnung 112 variiert werden kann.
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Hierzu ist ein Stellantrieb 3 vorgesehen, von dem ein erstes Ausführungsbeispiel in 4A und 4B dargestellt ist.
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Der Stellantrieb 3 weist einen feststehend am Schaftende 110 angeordneten Stator 35 auf, der im Wesentlichen durch ein aus einem nichtmagnetischen Material gefertigtes, entlang einer Längsachse L erstrecktes Gleitrohr 31 und umfänglich um das Gleitrohr 31 gewickelte elektrische Spulen 32, 33 gebildet ist. In dem Gleitrohr 31 ist ein aus einem ferromagnetischen Material gefertigter Läufer 30 entlang der Verstellrichtung V verstellbar, wobei ein Verstellweg des Läufers 30 entlang der Längsachse L beidseits durch Anschläge 310, 311 begrenzt ist.
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Die Elemente des Stellantriebs 3 sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längsachse L ausgeführt. Entsprechend ist das Gleitrohr 31 sowie auch der Läufer 30 zylindrisch ausgestaltet, und die Spulen 32, 33 sind zylindrisch um das Gleitrohr 31 gewickelt. Die Anschläge 310, 311 können als Ringe ausgebildet sein und sind innerhalb oder an einer äußeren Kante des Gleitrohrs 31 an dessen Innenwandung befestigt.
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An dem Läufer 30 ist die Linse 21 (oder eine Linsengruppe) befestigt derart, dass durch Verstellen des Läufers 30 entlang der Verstellrichtung V die Linse 21 verstellt werden kann, um auf diese Weise z.B. den Fokus der Aufnahmeeinheit 2 gemäß 3 zu verstellen. Die Linse 21 liegt an einem mit einem Wirkabschnitt 302 verbundenen Anlageabschnitt 301 an und ist über diesen gegenüber dem Läufer 30 abgestützt, wobei die Linse 21 in geeigneter Weise mit dem Läufer 30 verbunden, beispielsweise verklebt sein kann. Der Anlageabschnitt 301 weist eine zentrale Öffnung 300 auf, durch die Licht hin zur Linse 21 gelangen und den Stellantrieb 3 entlang der Längsachse L ungehindert durchtreten kann.
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Der Stellantrieb 3 ist als linearer Reluktanzmotor ausgestaltet. In diesem Sinne weist der Stellantrieb 3 keine Permanentmagneten auf, sondern bewirkt ein Verstellen des Läufers 30 allein durch Erzeugen von Reluktanzkräften am Läufer 30 infolge von durch die Spulen 32, 33 erzeugten magnetischen Feldern.
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Der Stellantrieb 3 des Ausführungsbeispiels gemäß 4A und 4B ist hierbei als geschalteter Schrittmotor ausgestaltet, bei dem der Läufer 30 zwischen zwei stabilen Endpositionen hin und her geschaltet werden kann, ohne beim Schalten stabile Zwischenpositionen zwischen den Endpositionen einzunehmen. 4A zeigt den Stellantrieb 3 hierbei mit dem Läufer 30 in einer ersten Endposition in Anlage mit dem in 4A links dargestellten Anschlag 310. 4B zeigt den Stellantrieb 3 mit dem Läufer 30 in einer zweiten Endposition in Anlage mit dem in 4B rechts dargestellten Anschlag 311.
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Die Funktionsweise des Stellantriebs 3 ist wie folgt.
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Werden die Spulen 32, 33 bestromt, so erzeugt jede Spule 32, 33 ein magnetisches Feld und entsprechend eine Reluktanzkraft an dem Läufer 30. Wird beispielsweise ausgehend von dem in 4A dargestellten Zustand die Spule 33 durch Anlegen einer Spannung bestromt, die Spule 32 hingegen nicht, so wird an dem Läufer 30 eine Reluktanzkraft FR2 erzeugt, die den Läufer 30 entlang der Längsachse L hin zu der Spule 33 zieht, so dass der Läufer 30 von der in 4A dargestellten Stellung in die in 4B dargestellte Stellung überführt wird und in Anlage mit dem Anschlag 311 gelangt. Wird ausgehend vom Zustand gemäß 4B die Spule 32 bestromt, die Spule 33 hingegen nicht, so wird eine entgegengesetzt gerichtete Reluktanzkraft FR1 erzeugt, die den Läufer 30 zurück in Anlage mit dem Anschlag 310 führt.
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Durch unterschiedliches, abwechselndes Bestromen der Spulen 32, 33 kann der Läufer 30 somit zwischen den in 4A und 4B dargestellten Endpositionen hin- und hergeschaltet werden. Stabile Zwischenstellungen existieren – zumindest bei abwechselndem Bestromen der Spulen 32, 33 – nicht, so dass sich eine einem Schrittschaltmotor ähnliche Funktionsweise ergibt.
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Der Verstellweg des Läufers 30 ist beidseits durch die Anschläge 310, 311 begrenzt, wobei nicht notwendigerweise in der jeweiligen Endposition die Reluktanzkraft auf den Läufer 30 Null ist. Vorteilhafterweise kann in der Endposition vielmehr die Reluktanzkraft FR1, FR2 gerade nicht Null sein, so dass beispielsweise in der in 4B dargestellten Stellung bei Bestromung der Spule 33 (immer noch) einer Reluktanzkraft FR2 in Richtung des Anschlags 311 wirkt und in der Endposition der Läufer 30 somit gegen den Anschlag 311 gedrückt wird und damit in Richtung des Anschlags 311 vorgespannt ist. Gleiches gilt bei umgekehrtem Verstellen in Richtung des Anschlags 310.
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Die Anschläge 310, 311 können aus einem ferromagnetischen (weichmagnetischen) Material gefertigt sein, so dass aufgrund einer magnetischen Remanenz auch dann der Läufer 30 in seiner gerade eingestellten Endposition gehalten wird, wenn die Spulen 32, 33 nicht (mehr) bestromt werden und der Stellantrieb 3 somit energielos ist, weil sich aufgrund der Remanenz im Läufer 30 und im Anschlag 310, 311 eine magnetische Haftung des Läufers 30 an dem Anschlag 310, 311, an dem er gerade anliegt, ergibt.
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Soll der Läufer 30 umgeschaltet werden, muss die magnetische Remanenz erst überwunden werden, um den Läufer 30 aus der Endposition, die er gerade einnimmt, herausbewegen zu können, so dass die Reluktanzkraft FR1, FR2 zumindest die aufgrund der magnetischen Remanenz wirkende Anziehungskraft überwinden muss, um den Läufer 30 aus einer Endposition herausbewegen zu können.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel eines Stellantriebs 3 zeigen 5A und 5B. Bauteile gleicher Funktion sollen hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden, soweit dies zweckdienlich ist.
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Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 4A und 4B ist der Stellantrieb 3 des Ausführungsbeispiels gemäß 5A und 5B als stufenloser Antrieb ausgestaltet, bei dem der Läufer 30 stufenlos zwischen zwei Endpositionen bewegt werden kann. Der Läufer 30 weist hierzu zwei ringförmig ausgebildete Wirkabschnitte 303, 304 auf, die jeweils aus einem ferromagnetischen Material gefertigt und in axialer Richtung entlang der Längsachse L über einen nicht magnetischen Trennabschnitt 305 voneinander beabstandet sind. Wiederum ist an dem Läufer 30 eine optische Linse 21 (oder Linsengruppe) beispielsweise mittels Kleben befestigt, so dass durch Verstellen des Läufers 30 die optische Linse 21 beispielsweise zum Einstellen des Fokus oder zur Änderung einer Zoom-Einstellung bewegt werden kann.
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Die Funktionsweise des stufenlosen Stellantriebs 3 gemäß 5A und 5B ist wie folgt.
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Wird ausgehend von der in 5A dargestellten Stellung des Läufers 30 jeweils eine Spannung an die Spule 32 und die Spule 33 angelegt derart, dass der sich in der Spule 33 einstellende Strom größer als der Strom der Spule 32 ist, so bewirkt die Spule 33 an dem Läufer 30 eine Reluktanzkraft FR2, die eine von der Spule 32 an dem Läufer 30 bewirkte Reluktanzkraft FR1 übersteigt, wie dies in 5B veranschaulicht ist (angenommen ist hier, dass die Spulen 32, 33 in ihrer Wicklungsanzahl und Wicklungsform gleich ausgestaltet sind, so dass ein gleicher Stromfluss zu einem gleichen magnetischen Feld an den Spulen 32, 33 führt). Die durch die Spule 33 bewirkte Reluktanzkraft FR2 wirkt hierbei in Richtung der Spule 33 (in 5A nach rechts), während die durch die Spule 32 bewirkte Reluktanzkraft FR1 genau entgegen gesetzt wirkt (in 5A nach links). Weil die Reluktanzkraft FR2 der Spule 33 jedoch die Reluktanzkraft FR1 der Spule 32 übersteigt, ergibt sich eine resultierende Kraft auf den Läufer 30, infolge derer der Läufer 30 in Richtung der Spule 33 und somit in 5A nach rechts entlang der Längsachse L bewegt wird, wie dies in 5B veranschaulicht ist.
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Infolge der auf den Läufer 30 wirkenden Reluktanzkräfte FR1, FR2 wird der Läufer 30 soweit entlang der Längsachse L bewegt, bis sich ein Gleichgewicht der Reluktanzkräfte FR1, FR2 einstellt: FR1 = FR2.
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Befinden sich die Reluktanzkräfte FR1, FR2 im Gleichgewicht, so nimmt der Läufer 30 eine stabile Stellung ein und wird in dieser gehalten, wobei durch Variation der Spulenströme die Stellung des Läufers 30 in beliebiger Weise stufenlos verstellt werden kann.
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Die Spulen 32, 33 können in gleichgerichteter Weise bestromt werden, so dass beide ein im Gleitrohr 31 entlang der Verstellrichtung V gleichgerichtetes Magnetfeld erzeugen. Die Verstellung des Läufers 30 erfolgt hierbei durch Einspeisen eines im Betrag unterschiedlichen Stroms, so dass abhängig vom Gleichgewicht der sich ergebenden Reluktanzkräfte sich die Position des Läufers 30 einstellt.
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Denkbar und möglich ist aber auch, die Spulen 32, 33 in unterschiedlich gerichteter Weise zu bestromen (beispielsweise –1 A in der einen Spule, +1 A in der anderen Spule).
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Die Verstellgeschwindigkeit hängt z.B. auch von der Größe des angelegten Stroms und der sich ergebenden Differenz der Reluktanzkräfte ab. Durch Steuerung des Stroms beispielsweise mittels einer mit den Spulen 32, 33 verbundenen und die Spulen 32, 33 speisenden elektronischen Steuereinheit kann dann die Verstellgeschwindigkeit vorgegeben und variiert werden, wobei auch eine Regelung anhand der Verstellposition und Verstellgeschwindigkeit unter Verwendung geeigneter Positions- und Geschwindigkeitssensoren denkbar und möglich ist.
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Grundsätzlich werden an die Spulen 32, 33 zum Steuern und Verstellen des Läufers 30 Gleichspannungen angelegt, wobei durch die Differenz der Gleichspannungen und die sich daraus ergebende Differenz der Spulenströme die Läuferposition 30 in feinfühliger Weise eingestellt werden kann.
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Zusätzlich ist auch denkbar, an eine oder an beide der Spulen 32, 33 eine hochfrequente Wechselspannung (z.B. im kHz-Bereich) anzulegen, um auf diese Weise einen so genannten „Stick-Slip“-Effekt zu vermeiden, infolge dessen es aufgrund Haftreibung zu einem Haften des Läufers 30 in einer gerade eingestellten Position kommen könnte. Infolge einer die Gleichspannung überlagernden, zusätzlich aufgeschalteten Wechselspannung ergibt sich eine minimale Bewegung des Läufers 30 um seine gerade eingestellte Position, so dass Haftungseffekte an dem Gleitrohr 31 vermieden werden können.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5A und 5B weist der Läufer 30 zwei axial voneinander getrennte Wirkabschnitte 303, 304 aus einem ferromagnetischen Material auf. Jeder dieser Wirkabschnitte 303, 304 ist hierbei einer Spule 32, 33 zugeordnet derart, dass die Spule 32 vorzugsweise eine Reluktanzkraft FR1 auf den einen Wirkabschnitt 303 und die Spule 33 vorzugsweise eine Reluktanzkraft FR2 auf den anderen Wirkabschnitt 304 bewirkt. Hierzu kann die axiale Trennung zwischen den Spulen 32, 33 und den Wirkabschnitten 303, 304 auch deutlicher als schematisch in 5A und 5B dargestellt, ausgeführt sein. (Selbstverständlich ist physikalisch nicht zu vermeiden, dass die Spulen 32, 33 auch eine Reluktanzkraft auf den jeweils anderen Wirkabschnitt 303, 304 ausüben. Die Reluktanzkraft FR1, FR2 auf dem zugeordneten Wirkabschnitt 303, 304 übersteigt hierbei aber die Reluktanzkraft auf den jeweils nicht zugeordneten Wirkabschnitt, so dass letztere näherungsweise als vernachlässigbar angesehen werden kann.)
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Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5A und 5B können Anschläge 310, 311 der in 4A und 4B dargestellten Art vorgesehen sein. Vorteilhafterweise sind die Anschläge 310, 311 hierbei aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt, um ein Haften in einer Endposition zu vermeiden und eine variable Verstellbarkeit des Läufers 30 auch aus Endpositionen heraus zu gewährleisten.
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In einer Weiterbildung, dargestellt in 6, kann an dem Stellantrieb 3 zusätzlich ein die Spulen 32, 33 außen umgebendes Hüllrohr 34 vorgesehen sein, das vorteilhafterweise aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist. Mittels des Hüllrohrs 34 wird der Stellantrieb 3 nach außen hin magnetisch abgeschirmt, so dass das magnetische Feld der Spulen 32, 33 nicht nach außen dringen kann oder zumindest in einem Außenraum außerhalb der Hülse 34 abgeschwächt ist. Durch Verwenden der Hülse 34 kann auch der Wirkungsgrad des Stellantriebs 3 erhöht werden, indem ein magnetischer Rückschluss und eine Bündelung des Magnetflusses geschaffen wird.
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Als weiterer Vorteil bei Vorsehen des Hüllrohres 34 ergibt sich ein kompakter Aufbau des Stellantriebs 3, der eine einfache Montage an einem Endoskop oder Otoskop oder einem anderen Instrument ermöglicht.
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Ein Hüllrohr der in 6 dargestellten Art kann selbstverständlich auch bei einem Stellantrieb 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 4A und 4B zum Einsatz kommen.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 4A, 4B und 5A, 5B sind jeweils zwei Spulen 32, 33 vorgesehen. Denkbar sind auch Bauformen eines Stellantriebs 3, der nur eine Spule aufweist, wobei in diesem Fall der Läufer 30 beispielsweise über eine mechanische Feder in Richtung einer Endposition vorgespannt sein kann und aufgrund des von der einen Spule erzeugten magnetischen Feldes aus dieser Endposition ausgelenkt wird. Ist der Stellantrieb 3 als Schrittschaltmotor ausgestaltet, so wird aufgrund der Wirkung des magnetischen Feldes der einen Spule der Läufer 30 in die andere Endposition umgeschaltet, wobei bei Abschalten des magnetischen Feldes der Läufer 30 aufgrund der rückstellenden Federkraft der mechanischen Feder in die andere Endposition zurückgestellt wird. Ist der Stellantrieb 3 als stufenloser Linearmotor ausgestaltet, so kann durch Regeln des Spulenstroms die lineare Position des Läufers 30 entgegen der Federkraft in feinfühliger Weise eingestellt werden, wobei der Läufer 30 gerade die Stellung einnehmen wird, in der sich ein Gleichgewicht zwischen der durch die magnetische Spule bewirkten Reluktanzkraft und der rückstellenden Federkraft der mechanischen Feder ergibt.
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Dadurch, dass der Stellantrieb als Reluktanzmotor ohne die Verwendung von Permanentmagneten ausgestaltet ist, kann das Instrument insgesamt in einfacher Weise unter Verwendung eines Autoklaven sterilisiert werden, ohne dass bei dem Sterilisiervorgang und den dabei auftretenden erhöhten Temperaturen die Gefahr einer Zerstörung von Bauteilen des Stellantriebs 3 besteht.
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Die Wirkabschnitte 302, 303, 304 des Läufers 30 sind aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise einer Nickel-Eisen- oder einer Kobalt-Eisen-Legierung gefertigt.
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Der Stellantrieb 3 kann in vorteilhafter Weise zum Verstellen eines optischen Elementes der Aufnahmeeinheit 2 des optischen Systems gemäß 3 zum Einsatz kommen. Die Feineinstellung der optischen Linse 21 mittels des Stellantriebs 3 kann hierbei mittels einer Autofokus-Betätigungseinheit 23 erfolgen, die den Stellantrieb 3 steuert und den Fokus in automatischer Weise so vorgibt, dass ein im Sichtfeld des optischen Systems befindliches Organ oder anderes Objekt in fokussierter Weise abgebildet werden kann.
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Der Einsatz eines Stellantriebs 3 der hier beschriebenen Art ist grundsätzlich nicht auf medizinische Instrumente beschränkt. Grundsätzlich kann ein solcher Stellantrieb auch bei einem anderen Instrument beispielsweise im Bereich der technischen Endoskopie zum Einsatz kommen.
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Die Anwendung solcher Stellantriebe ist aber besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit medizinischen Instrumenten. Stellantriebe der hier beschriebenen Art können hierbei insbesondere bei Endoskopen mit optischen Systemen für eine dreidimensionale Aufnahme von Bildern geeignet sein, bei denen zwei Linsensysteme unabhängig voneinander in feinfühliger Weise eingestellt und fokussiert werden.
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Neben Endoskopen können auch Otoskope solche Stellantriebe verwenden, die zur Untersuchungen von Hals-, Nasen- oder Ohröffnungen dienen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Medizinisches Instrument
- 10
- Griffstück
- 100
- Betätigungselement
- 11
- Schaft
- 110
- Schaftende
- 111
- Werkzeug
- 112, 113
- Öffnung
- 12
- Zuleitung
- 2
- Aufnahmeeinheit
- 20
- Bildaufnehmer
- 21
- Linse
- 22
- Leitung
- 23
- Autofokusbetätigungseinheit
- 3
- Stellantrieb
- 30
- Läufer
- 300
- Öffnung
- 301
- Anlageabschnitt
- 302–304
- Wirkabschnitt
- 305
- Trennabschnitt
- 31
- Gleitrohr
- 310, 311
- Anschlag
- 32, 33
- Spule
- 34
- Hülse
- 35
- Stator
- FR1, FR2
- Reluktanzkraft
- L
- Längsachse
- V
- Verstellrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008042701 A1 [0004]
- DE 102008038926 A1 [0006, 0007]
- DE 10323629 A1 [0006, 0008]
