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Die Erfindung betrifft Antriebsmittel für eine Mikronadelvorrichtung in Stiftform.
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Mikronadelvorrichtungen dienen der physikalischen Hautbehandlung. Dabei werden feine Nadeln von 0,1 bis ca. 0,5 mm Durchmesser in die obere Schicht der Haut (Epidermis) eingestochen, um winzige Verletzungen zu erzeugen, die so gering sind, daß sie keine Narben bilden. Dies stimuliert die Hautregeneration, was eine Hautverbesserung bei Narben, Pigmentstörungen, Falten und ähnlichen Hautproblemen bewirkt. Durch die erzeugten Mikroverletzungen werden u.a. hauteigene Wachstumsfaktoren freigesetzt, Kollagenfasern und Blutgefäße neu gebildet und die Zuwanderung von Fibroblasten initiiert. Für die Erzeugung dieser Mikroverletzungen sind Nadelwalzen und Nadelstempel bekannt, bei denen eine Vielzahl von Nadeln manuell großflächig auf und in die Haut gebracht werden können. Mikronadelvorrichtungen können jedoch auch wie Tätowiervorrichtungen ausgestaltet sein, da auch diese dazu dienen, Nadeln in die Haut einzubringen. Dort wird jedoch gleichzeitig ein Farbstoff in die Haut eingebracht, der, wenn in die unter der Epidermis liegende Dermis eingebracht, eine dauerhafte Tätowierung ergibt, und wenn nur in die Epidermis eingebracht, ein mit der Zeit ausbleichendes Permanent-Makeup darstellt. Bei einer Mikronadelbehandlung werden die Nadeln ebenfalls nur in die Epidermis eingestochen, wobei die Einstechtiefe darüber bestimmt, ob es sich um eine kosmetische Behandlung (bis 0,5 mm) handelt oder um eine medizinische (über 0,5 mm).
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Ein Problem der Mikronadelbehandlung besteht darin, daß diese Behandlung schmerzhaft ist. Je schneller eingestochen wird, desto geringer ist die Schmerzbelastung. Die Haut ist in den unterschiedlichen Körperregionen unterschiedlich dick, so ist die Haut im Gesicht und an den Händen grundsätzlich dünner. Sie kann aber auch unterschiedlich fest sein, wie beispielsweise bei Narbengewebe, das mehr Widerstand leistet, als die unversehrte Umgebungshaut. Deshalb ist es bei Mikronadelvorrichtungen eine Herausforderung, die Parameter der Arbeitsweise, wie Präzision, Störungsfreiheit, Einstichtiefe und Einstichgeschwindigkeit zu optimieren.
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Antriebsmittel für eine Mikronadelvorrichtung werden zum Beispiel in der
WO 2012/077943 A2 beschrieben. Dabei wird die Rotationsbewegung aus einem querliegenden Antrieb über einen auf der Antriebswelle laufenden Exzenter in eine Hubbewegung für den Nadelschaft umgesetzt, was die klassische L-Form der Mikronadelvorrichtung bedingt. Soll die Mikronadelvorrichtung dagegen in einer Stiftform (Pen) ausgeführt sein, muß die Rotationsbewegung in der Ausrichtung der Antriebsachse umgesetzt werden.
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Aus der
DE 20 2006 014 148 U1 sind Antriebsmittel für eine Mikronadelvorrichtung in Stiftform bekannt, bei denen die lineare Kraftübertragung von Rotations- in Hubbewegung mit Hilfe einer Taumelscheibe bewirkt wird. Diese Taumelscheibe ist mit einer sich mit der Antriebsachse drehenden Unwuchtbuchse verbunden, durch eine Kugellagerung jedoch von der Drehbewegung entkoppelt, so daß ein in eine Ausnehmung auf der Taumelscheibe eingreifender Pleuel während der Drehbewegung der Unwuchtbuchse in Hubbewegung versetzt wird, mit der der Nadelschaft angetrieben wird. Die Verstellung des Hubs erfolgt durch Verstellung des Pleueleingriffs.
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Aus der
CN 202236855 U sind Antriebsmittel für ein Augenbrauentätowiergerät in Stiftform bekannt.
3 offenbart, daß ein Exzenter in ein zur Drehachse im rechten Winkel verschiebbares Element eingreift, wobei das verschiebbare Element seinerseits in ein Schwenkelement eingreift, das schwenkbar gelagert und über ein Gelenk mit einem abgewinkelten Ende eines Nadelschafts derart verbunden ist, daß, wenn im Betrieb der Exzenter das verschiebbare Element hin- und herbewegt, mit der Schiebebewegung das Schwenkelement um seine Schwenkachse geschwenkt wird, wodurch der Nadelschaft in eine Hubbewegung versetzt wird. Die Konstruktion dieser Wirkverbindung ist wegen der vielen Bauteile aufwendig zu fertigen und im Betrieb durch die Verschiebebewegung reibungsintensiv. Reibungen bedeuten Energie- und Materialverschleiß, was die Störanfälligkeit erhöht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, Antriebsmittel für eine Mikronadelvorrichtung in Stiftform bereitzustellen, die einfacher zu fertigen und verschleißärmer im Betrieb ist.
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Dies wird für Antriebsmittel einer Mikronadelvorrichtung nach dem zuvor genannten Stand der Technik dadurch erreicht, daß die Wirkverbindung so ausgebildet ist, daß Schwenkelement und Exzenter ineinandergreifend ausgebildet und angeordnet sind, wobei der Eingriff in beide Schwenkrichtungen je einen formschlüssigen Anschlag bildet, der im Betrieb zu jedem Zeitpunkt einen sicheren Anschlag in beide Schwenkrichtungen gewährleistet.
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Es spielt dabei keine Rolle, ob der Exzenter als „male“ in das Schwenkelement eingreift oder das Schwenkelement als „male“ in den Exzenter. Entscheidend ist nur, daß der Eingriff so gestaltet ist, daß zu jedem Zeitpunkt in jede Schwenkrichtung ein sicherer Anschlag gewährleistet bleibt. Hierdurch wird die Rotationsbewegung im Betrieb direkt vom sich drehenden Exzenter auf das mit dem Nadelschaft verbundene Schwenkelement übertragen. Diese Ausgestaltung kommt gegenüber dem Stand der Technik mit einem Element weniger aus und erzeugt während des Bewegungsablaufs deutlich weniger Reibung, da das Hin- und Herbewegen eines Schiebeelements mit entsprechenden Reibungsflächen entfällt. Hier wird die Kraft ausschließlich durch Rotations- und Schwenkbewegung übertragen. Dies führt zu einem kontrollierten, störungsfreien Bewegungsablauf, der in eine präzise Hubbewegung in beide Bewegungsrichtungen umgesetzt werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß Schwenkelement und Nadelschaft über ein Pleuel verbunden sind, wobei die Verbindungen zum Pleuel als Schwenkgelenke ausgestaltet sind, so daß im Betrieb der Nadelschaft während der Hubbewegung linear führbar ist. Die Schwenkgelenke bewirken, daß die Auslenkung des Schwenkelements nicht am Nadelschaft ankommt, so daß eine störungsfreie Linearbewegung für den Nadelschaft erzielt wird, die sich einfach durch das umgebende Gehäuse führen läßt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Eingriffs sieht vor, daß der Exzenter in das Schwenkelement eingreift. Dies läßt sich besonders einfach realisieren, weil Exzenter üblicherweise als massiver Körper ausgebildet sind. Das Schwenkelement ist dann vorteilhafterweise im wesentlichen U-förmig ausgestaltet, in das der Exzenter als radialsymmetrischer Zylinder eingreift. Die Anschläge werden durch die U-Schenkel gebildet, die in Schwenkrichtung angeordnet sind. Der Abstand der U-Schenkel entspricht dabei dem Durchmesser des Exzenters, so daß zu jedem Zeitpunkt und in jede der Schwenkrichtungen, die den beiden Hubbewegungsrichtungen entsprechen, ein sicherer Eingriff besteht. Dadurch wird die Nadelbewegung in beide Richtung präzise geführt.
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Eine alternative Ausführungsform sieht vor, daß das Schwenkelement in den Exzenter eingreift, wobei der Exzenter zweckmäßigerweise als Hohlzylinder ausgebildet ist, um einen stets sicheren Anschlag zu gewährleisten.
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Vorteilhafterweise sind die Berührungsflächen von Exzenter und Schwenkelement im Bereich der Anschläge als Gleitpaarung ausgebildet, so daß Reibungskräfte und damit Störungen im Bewegungsablauf sowie auch Verschleiß minimiert werden. Eine Gleitpaarung wird dadurch bewirkt, daß für die korrespondierenden Berührungsflächen Materialien verwendet werden, die selbstschmierende Eigenschaften aufweisen. Hierfür können zum Beispiel Kunststoffe, Metalle oder Keramik verwendet werden.
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Eine bevorzugte Anordnung sieht vor, daß die Schwenkachse beabstandet zur Verlängerung der Rotationsachse angeordnet ist. Dies erlaubt, den Nadelschaft oder den mit dem Nadelschaft verbundenen Pleuel in Verlängerung der Rotationsachse zu führen. Dies erleichtert die Führung der Hubbewegung und sorgt für eine besonders besonders vorteilhafte Verteilung der Kräfte.
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Eine alternative Anordnung sieht vor, daß die Schwenkachse in Verlängerung der Rotationsachse angeordnet ist. Dadurch wird der Pleuel seitlich geführt.
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Eine vorteilhafte Weiterentwicklung sieht vor, die Versorgungsspannung für den Antrieb mit Pulsweitenmodulation (PWM) zu steuern. Dabei wird bei gleichbleibender Frequenz und gleichbleibender Amplitude ein Spannungsimpuls gesendet, dessen Pulsbreite, auch Pulsweite genannt, variabel, das heißt steuerbar ist. Jeder übermittelte Spannungsimpuls wird gemäß seiner Pulsbreite unmittelbar in Antriebsleistung umgesetzt, was eine hervorragende Kontrollierbarkeit der Motordrehzahl und damit der Stichfrequenz bewirkt. Dies erlaubt eine besonders präzise Regulierung der Motordrehzahl und damit auch eine besonders feine Abstufung in der Steuerung. Da die anliegende Spannung vollständig in Drehbewegung umgesetzt wird, verringert sich dabei auch der Energieverbrauch, denn es muß von der Vorrichtung keine permanent anliegende Eingangsspannung heruntergeregelt werden, sondern es liegt immer nur so viel Spannung an, wie tatsächlich für den Antrieb benötigt und in Leistung umgesetzt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß ein Steuermodul für die Pulsweitenmodulation mit dem Antrieb verbindbar ist, mittels dessen der Sollwert der Motordrehzahl festlegbar ist, und daß ein Sensor zur Erfassung der Ist-Drehzahl des Antriebs vorgesehen ist, der so ausgebildet und eingerichtet ist, daß er im Betrieb die Ist-Drehzahl kontinuierlich an das Steuermodul übermittelt, und daß das Steuermodul ein Regelmodul aufweist, das so ausgebildet und eingerichtet ist, daß es im Betrieb die Ist-Drehzahl kontinuierlich mit dem Sollwert abgleicht und durch Anpassung der Pulsbreite der an den Antrieb übermittelten Spannungsimpulse die Motordrehzahl konstant auf dem Sollwert hält. Hierbei erfaßt der Sensor im Betrieb kontinuierlich die tatsächliche Drehzahl und übermittelt sie an das Steuermodul, das den Wert mit dem eingegebenen Sollwert abgleicht. In Abhängigkeit zu einer ermittelten Differenz paßt dann das Regelmodul die Pulsweite der an den Antrieb übermittelten Spannungspulse so an, daß eine gegenüber dem Sollwert verminderte oder erhöhte Drehzahl wieder auf den Sollwert gebracht wird. Durch die unmittelbare Wirksamkeit dieser Pulsanpassung auf die Antriebsleistung wird der Motor auch bei unterschiedlichen Stechwiderständen der Haut bei konstanter Drehzahl gehalten und somit eine kontinuierliche Stichfrequenz erzielt, unabhängig davon, wie dick und/oder dicht die gerade bearbeitete Hautstelle ist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1a, 1b, 1c das erfinderischen Prinzip im Überblick anhand einer Ausführungsvariante,
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2a, 2b verschiedene Ausgestaltungsformen im Detail,
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3a, 3b weitere Ausgestaltungsformen im Detail und
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4 eine Prinzipskizze für die Steuerung mittels Pulsweitenmodulation
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Die 1a, 1b, 1c zeigen das erfinderische Prinzip anhand der Ausführungsform, daß der Exzenter 2 in ein U-förmig gestaltetes Schwenkelement 5 eingreift. Der Rotationsantrieb 1 mit einer Rotationsachse 1a ist auf einer Seite mit einem Sensor 12 verbunden. Auf der anderen Seite ist mit der Antriebswelle ein Exzenter 2 verbunden. Das Schwenkelement 5 ist auf einer ortsfesten Schwenkachse 4 gelagert und so angeordnet, daß der Exzenter 2 in das Schwenkelement 5 eingreift und die beiden U-Schenkel für den Exzenter Anschläge 8a, 8b in beide Schwenkrichtungen 7a, 7b bilden. In dieser Ausführungsform ist das Schwenkelement 5 über ein Schwenkgelenk 6 mit dem Pleuel 3 verbunden, das seinerseits über Schwenkgelenk 11 mit dem Nadelschaft 10 verbunden ist. Der Nadelschaft 10 dient dazu, das nicht dargestellte Nadelmodul aufzunehmen, das aus hygienischen Gründen ein Einmalartikel ist und daher lösbar mit dem Nadelschaft verbunden wird, um nach jeder Nutzung ausgewechselt werden zu können. Der sichere Eingriff des Exzenters 2 in das Schwenkelement 5 wird dadurch sichergestellt, daß der Durchmesser des Exzenters 2 zumindest im Bereich der Anschläge 8a, 8b dem Abstand zwischen den U-Schenkeln entspricht. Andere Ausgestaltungen des Schwenkelements sind natürlich möglich, es kommt nur darauf an, daß sichere Anschläge 8a, 8b für den Exzenter 2 in die beiden Schwenkrichtungen 7a, 7b ausgebildet sind.
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In 1a befindet sich der Exzenter 2 in der Stellung, in der der exzentrische Teil des Exzenters 2 gerade in Blickrichtung zeigt, so daß das Schwenkelement 5 in seiner Mittelstellung zwischen den beiden Schwenkrichtungen 7a und 7b steht.
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In 1b lenkt der Exzenter 2 das Schwenkelement 5 um die Schwenkachse 4 in Schwenkrichtung 7a, wodurch der Pleuel 3 und mit ihm zusammen der Nadelschaft 10 in Richtung des Exzenters 2 werden. Dies entspricht der Hubbewegungsrichtung 9a, mit der die nicht dargestellte Nadel am Nadelschaft 10 aus der Haut herausgezogen wird.
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In 1c wird das Schwenkelement 5 vom Exzenter 2 in die andere Schwenkrichtung 7b ausgelenkt, wodurch der Pleuel 3 und mit ihm zusammen der Nadelschaft 10 vom Exzenter 2 wegbewegt wird, was der Hubbewegungsrichtung 9b entspricht, mit der die nicht dargestellte Nadel am Nadelschaft 10 in die Haut hineingestochen wird. Durch die Verschwenkung des Schwenkelements 5 wird der Pleuel 3 während der auf ihn ausgeübten Hubbewegung in die Richtungen 9a, 9b geringfügig in die Schwenkrichtungen 7a, 7b mit ausgelenkt. Diese Auslenkung wird durch das Schwenkgelenk 11, mit dem der Pleuel mit dem Nadelschaft 10 verbunden ist, aufgefangen, so daß der Nadelschaft ohne jede Auslenkung linear im Gehäuse (nicht dargestellt) geführt werden kann.
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2a, 2b zeigen zwei Varianten der Ausführungsform, bei denen die Schwenkachse 4 beabstandet zur verlängerten Rotationsachse 1a angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist das Schwenkelement 5 über Schwenkgelenk 6 mit einem Pleuel 3 verbunden, der in Verlängerung der Rotationsachse 1a angeordnet ist. In dieser Ausführungsform wäre es auch möglich, den Nadelschaft 10 direkt über Schwenkgelenk 6 mit dem Schwenkelement 5 zu verbinden, vorteilhaft ist jedoch die Verbindung über ein Pleuel, um eine ungestörte Linearbewegung des Nadeschafts zu ermöglichen. In 2a ist der Exzenter als „male“ ausgebildet, das heißt, er greift in das Schwenkelement ein. In 2b ist der Exzenter 2 als „female“ ausgebildet, so daß das Schwenkelement 5 in den Exzenter 2 eingreift. Besonders vorteilhaft hierfür ist die Ausbildung des Exzenters 2 als Hohlzylinder, wie er in der Figur angedeutet ist, es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen denkbar, die sicherstellen, daß der Eingriff in jeder Stellung sicher gewährleistet ist.
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3a, 3b zeigen zwei Varianten einer anderen Ausführungsform, bei die Schwenkachse 4 in Verlängerung der Rotationsachse 1a angeordnet ist. In 3a ist, wie in 2a, der Exzenter 2 als „male“ ausgebildet, der in das Schwenkelement 5 eingreift, während in 3b der Exzenter 2 als „female“ ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform ist die Anordnung eines Pleuels 3 zwischen Schwenkelement 5 und Nadelschaft 10 erforderlich, um eine gute Linearführung des hier nicht dargestellten Nadelschafts 10 zu erzielen. Die Führung des hier nicht dargestellten Nadelschafts erfolgt durch das nicht dargestellte Gehäuse, das den Nadelschaft 10 vollständig umgibt.
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4 zeigt eine Prinzipskizze im Überblick für die Steuerung mittels Pulsweitenmodulation der Steuerspannung. Dargestellt ist eine Mikronadelvorrichtung 21, darin angedeutet die in den in den 1a bis 1c dargestellten Elemente, wobei zwischen dem Sensor 12 und einem Steuermodul 22 eine Verbindung 24, hier als Kabel angedeutet, besteht, so daß zum einen die im Steuermodul 22 vorgegebenen Soll-Werte für die Drehzahl zum Antrieb 1 übermittelt, als auch die vom Sensor 12 ermittelten Drehzahl-Ist-Werte von diesem an das Steuermodul 22 übermittelt werden können. Im Steuermodul 22 ist ein Regler 23 angeordnet, der einen Abgleich zwischen Soll-Wert und Ist-Wert vornehmen und dabei ermittelte Werte und oder Abweichungen entweder anzeigen oder in eine automatische Regelung umsetzen kann. An der Nadelaustrittsöffnung 21a treten nur die nicht dargestellten Nadeln aus, die als Nadelmodul mit dem Nadelschaft verbunden sind. Der Überstand der Nadeln über die Nadelaustrittsöffnung 21a bei der Hubbewegungsrichtung stellt die Stichtiefe beziehungsweise den Stechhub dar.
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Sämtliche dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung des erfinderischen Prinzips und sollen nicht als Beschränkung auf die dargestellten Beispiele verstanden werden. Weitere Ausführungsformen, die im Umfang des beanspruchten Gegenstands liegen, sind vom Erfindungsgedanken selbstverständlich mit umfaßt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotationsantrieb
- 1a
- Rotationsachse
- 2
- Exzenter
- 3
- Pleuel
- 4
- Schwenkachse
- 5
- Schwenkelement
- 6
- Schwenkgelenk
- 7a, 7b
- Pfeile: Schwenkrichtungen
- 8a, 8b
- Anschläge
- 9a, 9b
- Pfeile: Hubbewegungsrichtungen
- 10
- Nadelschaft
- 11
- Schwenkgelenk
- 12
- Sensor
- 21
- Mikronadelvorrichtung
- 21a
- Nadelaustrittsöffnung
- 22
- Steuermodul
- 23
- Regelmodul
- 24
- Verbindung (Kabel)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/077943 A2 [0004]
- DE 202006014148 U1 [0005]
- CN 202236855 U [0006]
