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Die Erfindung betrifft einen rotatorischen Elektro-Schritt-Motor mit einem Stator mit einer Anzahl von drei oder mehr Spulen, die in einer im Wesentlichen kreisförmigen Konfiguration um eine zentrale Motorachse herum angeordnet sind, und einem permanentmagnetischen Läufer, der innerhalb der Spulenkonfiguration um die zentrale Motorachse drehbar angeordnet ist, eine Verwendung desselben und ein Endoskop.
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Rotatorische Elektro-Schritt-Motoren weisen einen permanentmagnetischen Läufer auf, der einem Stabmagneten entspricht und vorteilhaft mit Polschuhen an seinen Enden versehen ist. Der Läufer ist radial im Motor ausgerichtet und in axialer Richtung des Stabmagneten magnetisiert. Der Läufer dreht sich um seinen Schwerpunkt, wobei der Drehpunkt des Läufers der Motorachse entspricht.
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Im Stator des Motors befinden sich mehrere Spulen, beispielsweise drei, vier oder mehr, wobei häufig eine gerade Anzahl von Spulen eingesetzt wird. Die Spulen sind in radialer Richtung ausgerichtet auf einen weichmagnetischen Kern gewickelt, über den auch ein magnetischer Rückschluss in eine Richtung zu den anderen Spulen erfolgt. Die Spulen sind also im Stator über das Weicheisen magnetisch miteinander verbunden. Ein zweiter magnetischer „Rückschluss“ wird über den permanentmagnetischen Läufer und dessen Magnetisierung erzeugt.
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Ein Vorteil eines solchen Systems ist, dass der Läufer keine elektrische Kontaktierung benötigt, wie sie bei anderen rotatorischen Elektromotoren notwendig ist.
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Entsprechende rotatorische Elektro-Schritt-Motoren werden im Vollschrittbetrieb, Halbschrittbetrieb oder auch Mikroschrittbetrieb betrieben, wobei beispielsweise ein Vollschrittbetrieb mit vier Spulen zwei Schritte hat, ein Halbschrittbetrieb mit vier Spulen vier Schritte und ein Mikroschrittbetrieb mit einer geeigneten Ansteuerung sehr kleine Schritte ermöglicht.
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Bekannte rotatorische Elektro-Schritt-Motoren benötigen einen geringen axialen Bauraum, jedoch einen großen radialen Bauraum. Damit sind sie für die Anwendung in Endoskopen wenig geeignet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, rotatorische Elektro-Schritt-Motoren zur Verfügung zu stellen, die für den Einsatz in Endoskopen geeignet sind.
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Diese Aufgabe wird durch einen rotatorischen Elektro-Schritt-Motor mit einem Stator mit einer Anzahl von drei oder mehr Spulen, die in einer im Wesentlichen kreisförmigen Konfiguration um eine zentrale Motorachse herum angeordnet sind, und einem permanentmagnetischen Läufer, der innerhalb der Spulenkonfiguration um die zentrale Motorachse drehbar angeordnet ist, dadurch gelöst, dass der Läufer hohlzylindrisch ausgebildet ist und wenigstens zwei in axialer Richtung angeordnete stabförmige Permanentmagneten aufweist, die rotationsfest miteinander in einer rohrähnlichen Konfiguration mit freiem inneren Volumen verbunden sind.
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Abweichend von den bekannten rotatorischen Elektro-Schritt-Motoren ist der Läufer nicht mehr ein einzelner Stabmagnet, der radial ausgerichtet ist, sondern umfasst wenigstens zwei parallel zueinander axial ausgerichtete Stabmagneten. Damit wird der in radialer Richtung notwendige Bauraum verkleinert. Weiterhin weist die hohlzylindrische Ausbildung des Läufers mit einer rohrähnlichen Konfiguration mit freiem inneren Volumen Platz auf für die Durchführung von in Endoskopen notwendigen Funktionseinheiten wie bei Optikdurchführungen etc.
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Die Grundfunktion bleibt ähnlich, da auch im Läufer des erfindungsgemäßen Elektro-Schritt-Motors permanentmagnetisches Material angeordnet ist und im Stator auch weiterhin Spulen positioniert werden. Die elektrische Ansteuerung ist daher die gleiche, wie sie bei bekannten Elektro-Schritt-Motoren bereits vorhanden ist.
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Vorzugsweise weisen die wenigstens zwei stabförmigen Permanentmagnete jeweils an ihren beiden Enden weichmagnetische Polschuhe auf. Hierdurch werden der magnetische Fluss und die Genauigkeit der Einstellung des Elektro-Schritt-Motors verbessert.
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Die weichmagnetischen Polschuhe der stabförmigen Permanentmagnete des Läufers sind vorzugsweise ringabschnittsförmig ausgebildet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei stabförmigen Permanentmagnete im Läufer in einer Konfiguration mit geradzahliger Rotationssymmetrie an um 180° oder, bei einer Anzahl von n > 2 von Permanentmagneten, um 360°/n zueinander versetzten Positionen angeordnet sind und jeweils abwechselnd gegensätzlich zueinander gepolt sind. Eine höhere Anzahl von Permanentmagneten erlaubt eine feinere Winkelabstufung in den Ganzschritten der Steuerung des rotatorischen Elektro-Schritt-Motors.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Spulen im Stator jeweils axial ausgerichtete Spulenachsen aufweisen. Damit sind die Spulen im Stator ebenfalls in axialer Richtung verbaut, was die radiale Baugröße klein hält.
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Vorzugsweise sind die Spulen des Stators jeweils um einen weichmagnetischen Kern gewickelt, wobei besonders bevorzugt die weichmagnetischen Kerne der Spulen des Stators jeweils als Zylinder mit beidseitig angeordneten weichmagnetischen Polschuhen ausgebildet sind.
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Vorzugsweise umfasst die rohrähnliche Konfiguration der stabförmigen Permanentmagnete des Läufers ein durchgängiges oder als Gittergeflecht ausgebildetes Rohr, an dessen Innenseite oder Außenseite die stabförmigen Permanentmagnete und/oder deren Polschuhe befestigt, insbesondere geklebt, sind und/oder in das die stabförmigen Permanentmagnete und/oder deren Polschuhe eingelassen sind. Ein solches Rohr ergibt eine besonders stabile und verwindungssteife Ausführung des Läufers. Alternativ oder zusätzlich ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die rohrähnliche Konfiguration der stabförmigen Permanentmagnete des Läufers wenigstens zwei an den Enden und/oder Polschuhen der stabförmigen Permanentmagnete angeordnete Ringe umfasst, an deren Innen- oder Außenseite die stabförmigen Permanentmagnete und/oder Polschuhe befestigt, insbesondere geklebt sind, oder in die die stabförmigen Permanentmagnete und/oder deren Polschuhe eingelassen sind.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in gleicher Weise auch durch eine Verwendung eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen rotatorischen Elektro-Schritt-Motors in einem Endoskop mit einem längserstreckten Schaft gelöst, sowie durch ein Endoskop mit einem längserstreckten Schaft, in den in einem sistellen Bereich des Schafts ein zuvor beschriebener, erfindungsgemäßer rotatorischer Elektro-Schritt-Motor mit hohlzylindrischem Läufer angeordnet ist. Mit der erfindungsgemäßen Verwendung und dem erfindungsgemäßen Endoskop sind die gleichen Eigenschaften, Vorteile und Merkmale verbunden wie mit dem erfindungsgemäßen rotatorischen Elektro-Schritt-Motor, auf den sie sich beziehen.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
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1a), b) zwei schematische Darstellungen eines bekannten rotatorischen Elektro-Schritt-Motors,
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2a), b) schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen Elektro-Schritt-Motors,
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung durch den erfindungsgemäßen Elektro-Schritt-Motor gemäß 2 und
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4 eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Videoendoskops.
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In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
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In 1a) und 1b) ist ein bekannter rotatorischer Elektro-Schritt-Motor 100 dargestellt, der sich zwischen 1a) und 1b) lediglich in der Bestromung und im Zustand der Position des Läufers unterscheidet. Ein Stator 110 weist vier Spulen 112, nämlich L1, L2, L3 und L4, auf, die jeweils auf einen Kern 114 aufgewickelt sind, der nach innen einen Polschuh 116 aufweist. Eine Ansteuerung 118 mit Eingängen A, A\ sowie B und B\ ist dergestalt geschaltet, dass die Spulen L1 und L3 sowie die Spulen L2 und L4 jeweils zueinander gegenphasig gleichzeitig bestromt werden.
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Im Zentrum ist ein als axial magnetisierter Stabmagnet 122 ausgerichteter Läufer 120 mit angedeuteten Polschuhen angeordnet, der um die zentrale Achse (läuft in die Bildebene hinein) des Elektro-Schritt-Motors 1 rotierbar ist. Zwischen den Polschuhen des Stabmagneten 122 und den Polschuhen 116 der Spulen 114 befindet sich ein Luftspalt bzw. Spalt 130.
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In 1a) ist ein Betriebszustand wiedergegeben, in dem nur die Spulen L1 und L3 bestromt sind und somit einen magnetischen Nordpol N (L1) und einen magnetischen Südpol S (L3) darstellen. Hierin richtet sich der Stabmagnet 122 des Läufers 120 entsprechend aus, dass sein Nordpol N zum Südpol S an der Spule L3 weist und der Südpol S des Stabmagneten 122 zum magnetischen Nordpol N an der Spule L1.
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In der 1b) ist gezeigt, wie zusätzlich die Spulen L2 und L4 so bestromt sind, dass die Spule L2 als Südpol S und die Spule L4 als magnetischer Nordpol N zusätzlich magnetisiert ist. In diesem Fall richtet sich der Stabmagnet 122 des Läufers 120 in einer um 45° gedrehten Anordnung aus. Durch verschieden starke Anregungen der Spulenpaare L1 und L3 einerseits und L2 und L4 andererseits lassen sich sehr kleine Winkelschritte auf diese Weise realisieren.
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In einem Endoskop ist der rotatorische Elektro-Schritt-Motor 100 gemäß 1 nur mit Nachteilen einzubauen. So erfordert die radiale Ausrichtung der Spulen eine große radiale Bauform. Zusätzlich ist der Innenraum des Schaftes, in dem der Elektro-Schritt-Motor 100 einzuordnen ist, durch den Läufer 120 blockiert.
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2a), 2b) zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines rotatorischen Elektro-Schritt-Motors 1 in den gleichen Anregungs- und Winkelstellungen, wie dies in 1a) und 1b) gezeigt ist. Im Unterschied zu dem Elektro-Schritt-Motor 100 gemäß 1 weist der Elektro-Schritt-Motor 1 gemäß 2 einen Läufer 20 auf, der zwei als Stabmagnete ausgebildete Permanentmagnete aufweist. Diese sind allerdings axial angeordnet und gegensätzlich zueinander gepolt, so dass der Stabmagnet 22 I mit seiner in 2a) dargestellten Frontseite einen magnetischen Nordpol bildet und der andere Stabmagnet 22 II einen magnetischen Südpol S. Die beiden Stabmagnete 22 I und 22 II sind durch einen Ring 26 miteinander verbunden und bilden somit eine mechanische Einheit, die sich gemeinsam im Inneren des Stators 10 mit vier Spulen 12, nämlich L1, L2, L3, L4, dreht, wobei die Motorachse die gemeinsame Achse ist, um die Rotor 20 und Stator 10 konzentrisch angeordnet sind. Zwischen der Außenfläche des Rotors 20 und der Innenfläche des Stators 10 befindet sich wiederum ein Luftspalt 30.
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In 3 ist eine seitliche Querschnittsdarstellung durch den erfindungsgemäßen rotatorischen Elektro-Schritt-Motor 1 gemäß 2 gezeigt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Stabmagneten 22 I und 22 II gegensätzlich zueinander gepolt sind und axial, parallel zur zentralen Motorachse 50 in umgekehrter Polung zueinander ange ordnet sind. Beide Stabmagneten 22 I und 22 II weisen an ihren axialen Enden jeweils weichmagnetische Polschuhe 24 auf, die, wie in 2a) und 2b) dargestellt, von der Frontseite her eine ringabschnittförmige Form haben können.
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Radial nach außen ist jenseits eines Luftspalts 30, der auch durch ein Innenrohr ausgefüllt sein kann, im Querschnitt jeweils eine Spule 12, beispielsweise L1 und L3, zu sehen, die gegensätzlich zueinander bestromt sind, was sich in der magnetischen Polung des weichmagnetischen Kerns im oberen und im unteren Teil der 3 ausdrückt. Beispielhaft sei an der oben dargestellten Spule 12 erläutert, dass mit der momentanen Bestromung sich ein Magnetfeld ausbildet, das rein schematisch auf der linken Seite der 3 den magnetischen Südpol und auf der rechten Seite den magnetischen Nordpol hat. Dies zieht den Stabmagneten 22 I an, dessen magnetische Polung genau umgekehrt ist. Im der unteren Hälfte der 3 sind die Verhältnisse umgekehrt.
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Da auch die Wicklung und Ausrichtung der Kerne 14 der Spule 12 axial ausgerichtet ist, ergibt sich eine in radialer Richtung kleine Bauform. Außerdem ergibt sich ein freies inneres Volumen 40, das für die Durchführung von Spülkanälen, Greifwerkzeugen, elektrischen Verbindungen oder optischen Umkehrsystemen oder Lichtleitfasern etc. verwendbar ist.
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Das hier gezeigte Beispiel mit zwei Permanentmagneten und vier Spulen ist nicht abschließend zu betrachten. Es können auch abweichende Anzahlen von Spulen und Stabmagneten verwendet werden, die je nach Anforderungen der Verwendung passend ausgesucht werden.
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4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Endoskops 61 mit einem proximalen Handgriff 62 und einem starren Endoskopschaft 63. An der distalen Spitze 64 des Endoskopschafts 63 ist ein Sichtfenster 65 angeordnet, hinter dem ein distaler Abschnitt 6 des Endoskopschafts angeordnet ist, der eine nicht dargestellte Prismeneinheit und eine nicht dargestellte Bildsensoreinheit aufweist.
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Das Sichtfenster 65 an der distalen Spitze 64 ist gekrümmt und asymmetrisch ausgeführt, um einen variablen seitlichen Blickwinkel zu ermöglichen. Eine Änderung der Blickrichtung, also eine Änderung des azimutalen Winkels um die Längsachse des Endoskopschafts 63 herum, kann beispielsweise durch eine Drehung des Handgriffs 62 um die zentrale Rotationsachse bzw. Längsachse des Endoskopschafts 63 bewirkt werden. Das Hüllrohr des Endoskopschafts 63 ist mit dem Handgriff 62 verbunden. Auch die nicht dargestellte Prismeneinheit an der distalen Spitze 64 rotiert mit der Drehung des Handgriffs 62 mit.
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Der Handgriff 62 weist ein als Drehrad 67 ausgebildetes erstes Bedienelement und ein als Schiebeschalter 68 ausgebildetes zweites Bedienelement auf.
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Ferner sind drei Positionen 69', 69'', 69''' dargestellt, an denen ein erfindungsgemäßer rotatorischer Elektro-Schritt-Motor 1 angeordnet sein kann. Die Position 69' bezeichnet eine Stelle im Bereich der distalen Spitze 64 des Endoskopschafts 63, die Position 69'' eine Stelle im proximalen Bereich des Endoskopschafts 63. Eine Position zwischen diesen beiden Extremen im Endoskopschaft 63 ist ebenfalls im Rahmen der Erfindung möglich. Ferner kann der erfindungsgemäße rotatorische Elektro-Schritt-Motor 1 auch im Handgriff 62 angeordnet sein, beispielsweise auf der Höhe der Position 69''' im Zentrum des Handgriffs, aber auch davor oder dahinter. Zur Steuerung des erfindungsgemäßen rotatorischen Elektro-Schritt-Motors 1 kann beispielsweise der Schiebeschalter 68 betätigt werden.
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Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotatorischer Elektro-Schritt-Motor
- 10
- Stator
- 12
- Spule
- 14
- weichmagnetischer Kern
- 16
- Polschuh
- 20
- Läufer
- 22I, 22II
- Stabmagnet
- 24
- Polschuh
- 26, 26'
- Ring
- 30
- Spalt
- 40
- freies inneres Volumen
- 50
- zentrale Motorachse
- 61
- Endoskop
- 62
- Handgriff
- 63
- Endoskopschaft
- 64
- distale Spitze
- 65
- Sichtfenster
- 66
- distaler Abschnitt
- 67
- Drehrad
- 68
- Schiebeschalter
- 69'
- distale Position eines Elektro-Schritt-Motors
- 69''
- proximale Position eines Elektro-Schritt-Motors
- 69'''
- Position eines Elektro-Schritt-Motors im Handgriff
- 100
- Rotatorischer Elektro-Schritt-Motor
- 110
- Stator
- 112
- Spule
- 114
- Kern
- 116
- Polschuh
- 118
- Ansteuerung
- 120
- Läufer
- 122
- Stabmagnet
- 130
- Spalt
