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Die Erfindung betrifft ein Endoskop mit zwei gegeneinander drehbaren Funktionseinheiten und mit einem elektrischen Verbindungselement durch welches die beiden Funktionseinheiten elektrisch miteinander verbunden oder verbindbar sind.
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Um beispielsweise Videoendoskopen Funktionen wie mechanische Zoom- oder Fokuseinstellung oder mechanische Bildhorizontaufrichtung zu verleihen, müssen bestimmte Komponenten des Endoskops drehbar gelagert sein. Falls diese Komponenten auch elektronische Anbindungen oder Platinen umfassen oder kontaktieren, müssen auch die jeweiligen elektronischen Verbindungen zwischen gegeneinander verdrehbaren Komponenten oder Funktionseinheiten sichergestellt werden. Hierbei besteht eine Herausforderung darin, ein elektrisches Verbindungselement zu schaffen, das ein möglichst widerstandsfreies Verdrehen von mittels der Verbindung elektrisch miteinander verbundenen Funktionseinheiten erlaubt und gleichzeitig die elektronische Signalweiterleitung zwischen den Funktionseinheiten nicht beeinträchtigt.
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Zur Weiterleitung elektrischer Signale zwischen zueinander drehbar gelagerten Komponenten eines Endoskops werden im Stand der Technik häufig Schleifkontakte, insbesondere Rotationsschleifkontakte, oder flexible Federkontakte verwendet. Derartige Kontakte unterliegen jedoch einem Verschleiß und sind störanfällig. Darüber hinaus erzeugen solche Kontakte eine hohe elektrische Impedanz und Kapazität an den Kontaktstellen, die sich zudem bei Bewegung der Komponenten ändern. Damit sind solche Kontakte allenfalls für niederfrequente oder frequenzunabhängige elektrische Signale tauglich. Für Signale mit Frequenzen im MHz- bis GHz-Bereich, wie sie insbesondere eingesetzt werden, um eine hohe Datenübertragungsrate zu ermöglichen, sind derartige Kontakte dagegen ungeeignet. Dies ist beispielsweise bei Videoendoskopen oder Kameraköpfen der Fall.
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Die
DE 10 2012 206 963 A1 betrifft ein Endoskop mit einem an oder in einer Halterung drehbar gelagerten Halter mit einer Digitalkamera, wobei die Halterung radial drehbar so angeordnet ist, dass die Dreh-achsen der Halterung und des Halters senkrecht zueinander angeordnet sind. Das Endoskop weist einen Übertragungsmechanismus, welcher an oder in einem rohr-förmigen Trägerelement der Halterung zum Schwenken des Halters mit der Digital-kamera, auf. Ferner weist das Endoskop einen Antriebsmechanismus mit einem ersten rotatorischen und ringförmigen Antrieb für das rohrförmige Trägerelement und damit der Halterung und einem zweiten Antrieb für den Halter auf, wobei sich das Anschlusskabel für die Digitalkamera im Inneren des Endoskops befindet.
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Aus der
DE 195 25 686 A1 ist eine Vorrichtung zur Signalübertragung zwischen zwei Endstellen bekannt, die beispielsweise zur Übertragung eines Signals zum Auslösen eines Airbags für Kraftfahrzeuge verwendbar ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Verbindung zwischen zwei gegeneinander drehbaren Funktionseinheiten eines Endoskops zu schaffen und dabei eine möglichst hohe Qualität der Signalübertragung auch bei Verwendung hoher Signalfrequenzen sicherzustellen. Vorzugsweise sollen hierfür verfügbare Technologien für Elektronikkomponenten zum Einsatz kommen. Weitere Ziele sind eine einfache Herstellbarkeit sowie hohe Langlebigkeit der Verbindung.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß bei einem Endoskop die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Endoskop der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das elektrische Verbindungselement, zumindest in einem flexiblen Abschnitt, in eine Wicklung gelegt ist.
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Durch Ausnutzung der Wicklung ist es zunächst möglich, dem Verbindungselement einen rotatorischen Freiheitsgrad einzuräumen. Damit wird eine Verdrehung der Funktionseinheiten gegeneinander ermöglicht, bei Aufrechterhaltung einer elektrischen Verbindung. Zudem treten anders als bei herkömmlichen Schleifkontakten keine zusätzlichen Impedanzen oder Kapazitäten in der Signalkette auf. Auch eine relative Bewegung der Funktionseinheiten gegeneinander wirkt sich bei dem erfindungsgemäßen Verbindungselement nicht negativ auf die Qualität der Signalübertragung aus.
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Mit der Erfindung können somit insbesondere Live-Bilddaten eines Videoendoskops störungsfrei übertragen werden und zwar unter Ausnutzung von Datenübertragungsraten, wie sie sonst nur mit herkömmlichen starren Platinen möglich sind, die gerade keine rotatorischen Freiheitsgrade aufweisen.
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Erfindungsgemäß kann die Aufgabe auch durch weitere vorteilhafte Ausführungen der Unteransprüche gelöst werden.
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So kann das Verbindungselement, insbesondere ausschließlich, von den beiden Funktionseinheiten gehalten sein. Somit kann der flexible Abschnitt, der die Wicklung ausbildet, insbesondere freitragend angeordnet sein. Durch die freitragende Konstruktion der Wicklung kann auf eine zusätzliche (Dreh-)Lagerung des Verbindungselements verzichtet werden. Beispielsweise kann dadurch die Ausbildung von Kugellagern innerhalb eines Gehäuses des Endoskops zur Lagerung der elektronischen Verbindung nicht mehr erforderlich sein.
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Damit wird es unter anderem möglich, das Endoskopgehäuse hermetisch auszubilden und elektrisch von der Verbindung zu isolieren, was in vielen medizinischen Anwendungen von Endoskopen erforderlich ist. Beispielsweise können mittels eines erfindungsgemäßen Verbindungselements ein hochfrequentes Videosignal, eine Spannungsversorgung, Steuersignale und eine elektrische Schirmung übertragen werden.
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So sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Wicklung bandförmig ausgebildet ist. Dadurch ist eine kontrollierte Verformung der Wicklung bei Verdrehen der beiden Funktionseinheiten gegeneinander möglich ohne dass sich dabei einzelne Windungen der Wicklung miteinander verhaken.
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Im Sinne der Erfindung ist es ferner von großem Vorteil, wenn die Wicklung selbst formstabil ist. Denn in diesem Fall kann eine einmal durch Wickeln hergestellte Form der Wicklung dauerhaft beibehalten werden, was ein reproduzierbares Auf- und Abwickeln ermöglicht.
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Eine besonders verlässliche, reproduzierbare und platzsparende Verformung der Wicklung lässt sich gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erzielen, wenn die Wicklung spiralförmig, vorzugsweise in Form einer ebenen Spirale, ausgebildet ist. Weist die Spirale mehrere Windungen auf, so kann das Verbindungselement einen rotatorischen Verstellbereich von +/-180° oder mehr aufweisen. Bei einer hohen Anzahl Windungen sind sogar mehr als +/- 360° realisierbar. Je nach verfügbarem Bauraum können dabei gemäß der Erfindung verschiedenste Spiralformen zur Anwendung kommen; beispielsweise können archimedische, logarithmische oder fermatsche SpiralFormen verwendet werden. Mit letzter Spiralform ist es beispielsweise möglich, starre Abschnitte des Verbindungselements, die nicht gewickelt sind, jeweils dezentral in Bezug auf das Zentrum der Spirale anzuordnen.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Schleifkontakten bieten solche Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verbindungselements den Vorteil, dass die elektronische Verbindung nahezu frei von Materialermüdung ausgestaltet werden kann. Denn die Anordnung des flexiblen Abschnitts in Form einer Spirale ermöglicht die Vermeidung plastischer Verformungen, sodass die rotatorische Beweglichkeit alleine aufgrund elastischer Verformung erzielt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine besonders kompakte Bauform dadurch erzielt werden, wenn die beiden Funktionseinheiten zueinander um eine gemeinsame Drehachse verdrehbar sind, die mit einer zentralen Wickelachse der Wicklung zusammenfällt.
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Eine weitere Ausgestaltung schlägt vor, dass der flexible Abschnitt, vorzugsweise quer zur zuvor beschriebenen Drehachse, elastisch verformbar ist. Damit ist es insbesondere möglich, durch die Wicklung eine Vorspannung zu erzeugen. Weiter stellt die elastische Verformbarkeit sicher, dass die Wicklung ständig geführt und definiert positioniert bleibt. Ferner kann eine Materialermüdung, wie sie bei plastischen Verformungen auftritt, vermieden werden.
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Aufgrund der elastischen und insbesondere reversiblen Verformbarkeit des flexiblen Abschnitts ergibt sich auch eine Rückstellkraft, die das elektrische Verbindungselement auf die beiden Funktionseinheiten ausübt.
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In bestimmten Ausführungsformen kann an dem Endoskop eine manuelle Betätigungseinheit, beispielsweise in Form eines Drehgriffs, vorgesehen sein, mit welcher die zweite Funktionseinheit gegenüber der ersten Funktionseinheit verstellbar oder verdrehbar ist. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Betätigungseinheit mit einer Eigenreibung ausgebildet ist, welche größer ist als die von dem elektrischen Verbindungselement eingebrachte Rückstellkraft. Denn auf diese Weise kann vermieden werden, dass sich die zweite Funktionseinheit relativ zu der ersten Funktionseinheit ungewollt verstellt.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Wicklung in Form einer, vorzugsweise bandförmigen, Spiralfeder ausgebildet. Diese Spiralfeder kann insbesondere derart ausgebildet werden, dass bei Verdrehen der beiden Funktionseinheiten gegeneinander die Spiralfeder eine reversible, elastische Verformung des Verbindungselements aus einer Ruhelage heraus ermöglicht. Hierbei kann die Spiralfeder bei Verformung aus der Ruhelage heraus eine Rückstellkraft erzeugen. In der Ruhelage, die als Mittenposition genutzt werden kann, übt die Wicklung und damit die Spiralfeder dagegen gerade keine oder eine nur sehr geringe Rückstellkraft aus.
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Um eine möglichst stabile Positionierung sowie einen einfachen Einbau des Verbindungselements zu ermöglichen sieht eine weitere Ausgestaltung vor, dass das Verbindungselement einen ersten starren Abschnitt und einen zweiten starren Abschnitt aufweist. Somit kann der flexible Abschnitt insbesondere ein mittlerer flexibler Abschnitt sein. Der flexible Abschnitt kann somit die beiden starren Abschnitte miteinander verbinden. Hierbei ist es bevorzugt, wenn diese Verbindung frei von Verbindungssteckern ausgebildet ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der erste und/oder der zweite starre Abschnitt den mittleren flexiblen Abschnitt in Richtung der Drehachse, vorzugsweise mindestens um eine Breite des mittleren flexiblen Abschnitts, überragt/überragen. Hierbei ist es bevorzugt, wenn sich die beiden starren Bereiche nur im Bereich des mittleren flexiblen Abschnitts überdecken. Durch diese Ausgestaltungen werden einerseits jeweils stabile Übergänge zwischen dem flexiblen und den starren Bereichen geschaffen, von denen ausgehend eine ebene spiralförmige Wicklung reproduzierbar auf- und abwickelbar ist. Zum anderen können auf den starren, die Wicklung überragenden Bereichen des Verbindungselements elektronische Bauelemente angeordnet werden, um komplexe Signalübertragungen sowie Steuer- und Regelungsschleifen zu ermöglichen.
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Um dabei eine möglichst widerstandsfreie und platzsparende ebene Wicklung zu ermöglichen ist es ferner von Vorteil, wenn der mittlere flexible Abschnitt jeweils die beiden starren Abschnitte in Richtung der Wicklung, also insbesondere quer zur Drehachse, kontaktiert. Hierbei ist die Wickelrichtung quer zur Drehachse orientiert.
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Durch Verwendung industriell erprobter Flex-Platinen-Technologie lässt sich das Verbindungselement besonders einfach und kostengünstig herstellen. Das Verbindungselement kann also einstückig, vorzugsweise aus einer mehrlagigen Platine, gefertigt sein. Hierbei kann der flexible Abschnitt in vorteilhafter Weise durch eine Materialschwächung oder durch einfaches Weglassen von Material, insbesondere von einzelnen Lagen der Platine, gebildet sein.
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Eine weitere Verbesserung lässt sich erzielen, wenn an mindestens einem Übergang zwischen einem starren Abschnitt und dem mittleren flexiblen Abschnitt ein Keil ausgebildet ist, der auftretende Biegekräfte an dem Übergang ableitet. Bei Verwendung einer Platine kann ein solcher Keil in einfacher Weise aus Klebstoff gebildet werden. Durch das Ableiten der Biegekräfte werden Spannungsspitzen an den Übergängen zwischen dem flexiblen und den starren Abschnitten vermieden. Damit können Lebensdauern von beispielsweise über 40.000 Lastwechseln mit Drehungen um +/- 100° an der Wicklung erzielt werden.
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Werden herkömmliche Platinen zur Herstellung des Verbindungselements verwendet, so ist es für eine ausreichende Flexibilität vorteilhaft, wenn die Anzahl an Lagen der Platine im mittleren flexiblen Abschnitt um mindestens zwei geringer ist als die Anzahl an Lagen in den beiden starren Abschnitten.
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Ferner kann zur Erzielung einer einheitlichen elektrischen Impedanz des Verbindungselements eine zur Schirmung genutzte metallisierte Lage der Platine im Bereich des mittleren flexiblen Abschnitts nicht wie üblich als Vollmetallisierung, sondern in Form eines löchrigen Gitters ausgebildet sein.
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In den starren Bereichen kann die Platine Aussteifungen aufweisen, beispielsweise durch Lagen von FR-4 Material. Auch bei einem derartigen Aufbau ist es jedoch möglich, dass die Leiterbahnen der Leiterplatte ungehindert, also insbesondere unverändert und/oder übergangsfrei, vom starren Bereich in den flexiblen Bereich verlaufen.
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Bezüglich der Ausgestaltung von Leiterbahnen auf der Platine sind gemäß der Erfindung solche Leiterbahnen vorzuziehen, die auf einzelne Lagen der Platine aufgepresst sind. Denn anders als aufgalvanisierte Leiterbahnen ermüden diese weniger schnell bei elastischen Verformungen des flexiblen Abschnitts der Platine.
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Gemäß einer spezifischen Ausgestaltung des Endoskops kann vorgesehen sein, dass der erste starre Abschnitt des Verbindungselements drehfest mit einem Gehäuse des Endoskops verbunden ist. Hierbei kann der zweite starre Abschnitt drehfest mit einem inneren Koppelelement verbunden sein, das im Innern des Gehäuses angeordnet ist. Wie zuvor beschrieben kann das Endoskop ein äußeres Betätigungselement aufweisen, das als Koppelement dient und mit dem Drehmomente auf das innere Koppelement von außen übertragbar sind. Somit ist eine Ausgestaltung beschrieben, bei der ein inneres Koppelelement, das von außen betätigbar ist, mittels eines erfindungsgemäßen Verbindungselements mit einem relativ zu dem inneren Koppelelement drehbar angeordneten Gehäuse des Endoskops elektrisch verbunden ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die Wicklung mindestens zwei vollständige Windungen ausbildet. Denn je höher die Anzahl der Windungen, desto homogener ist die Rückstellkraft des Verbindungselements über den rotatorischen Verstellbereich. Durch die Anzahl an Windungen lässt sich zudem die Federkonstante der Spiralfeder einstellen. Diese beeinflusst unter anderem die Langlebigkeit des Verbindungselements. Eine zu hohe Windungszahl sollte jedoch aus Gründen der Platzersparnis vermieden werden, da für einen vorgegebenen Drehwinkel die Änderung des Durchmessers der Wicklung umso größer ausfällt, je mehr Windungen die Wicklung aufweist.
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Besonders kompakt lässt sich die Wicklung insbesondere dann gestalten, wenn die Wicklung (und die damit entstehende bereits zuvor beschriebene Spiralfeder) in Form einer archimedischen Spirale ausgebildet ist. Die Spirale kann somit insbesondere derart ausgestaltet werden, dass ein Radius der Spiralfeder mit zunehmendem Winkel linear oder zumindest monoton zunimmt. Bei einer linearen Zunahme ist dabei von Vorteil, dass die Windungen äquidistant zueinander anordenbar sind, was eine kompakte Bauform erlaubt.
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Es kann somit insbesondere vorgesehen sein, dass Windungen der Wicklung, also insbesondere die zuvor beschriebenen mehr als zwei Windungen, in einer Ruhelage voneinander beabstandet sind. Hierbei übt die Wicklung und damit das Verbindungselement in der Ruhelage gerade keine Rückstellkraft aus. Von Vorteil ist bei dieser Ausgestaltung, dass sich die Wicklung, ausgehend von der Ruhelage als Mittenposition, in beiden Richtungssinnen verdrehen lässt. Damit wird ein großer rotatorischer Verstellbereich möglich. Dies gilt insbesondere bei Ausbildung der Wicklung in Form einer Spirale.
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Die zuvor beschriebenen Wicklungen und Spiralfedern lassen sich dann besonders einfach fertigen, wenn die Wicklung aus einem ebenen Schnitt gewickelt ist. Somit können herkömmliche, zweidimensionale, flache Platinen zur Fertigung des Verbindungselements verwendet werden.
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Weist das Endoskop ein hermetisches Gehäuse auf, so kann das elektrische Verbindungselement auch von dem Gehäuse elektrisch isoliert und im Innern des Gehäuses angeordnet sein. Hierzu kann insbesondere ein starrer Abschnitt des Verbindungselements von einer elektrischen Durchführung, insbesondere von Steckkontakten, gehalten sein. Eine solche elektrische Durchführung kann zum Beispiel als Glasdurchführung an dem Gehäuse des Endoskops ausgestaltet sein. Wird die Durchführung dabei mittig in Bezug auf einen Querschnitt des Gehäuses angeordnet, lässt sich eine besonders kompakte Bauform erzielen. Somit ist es mit der Erfindung insbesondere möglich, einen sogenannten „virtual ground“ im Endoskop, insbesondere in der Endoskopspitze, zur Verfügung zu stellen, der von einer Schirmung des Gehäuses elektrisch getrennt ist.
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Gemäß der Erfindung ist es von Vorteil, wenn das Verbindungselement nur jeweils im Bereich der beiden starren Abschnitte gehalten ist. Denn damit kann der der mittlere flexible Abschnitt freistehend ausgebildet werden. Dies vermeidet Reibung und ermöglicht eine einfache Montage. Zudem für eine miniaturisierte Bauform, wie sie in Endoskopen notwendig ist, eine freitragende Ausgestaltung der Wicklung von großem Vorteil, da anders als bei bekannten makroskopischen Kabeltrommeln oder ähnlichem, keine weiteren Teile montiert werden müssen.
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Eine besonders kompakte und miniaturisierte Anordnung der Wicklung lässt sich erzielen, wenn der erste oder der zweite starre Abschnitt in einem Drehzentrum der Wicklung, also insbesondere in einem Drehzentrum der Spiralfeder, angeordnet ist. Hierbei kann insbesondere dieser im Zentrum der Wicklung angeordnete starre Abschnitt im Bereich der Wicklung freistehend angeordnet sein.
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Um eine Miniaturisierung und einfache Montage eines erfindungsgemäßen Verbindungselements zu ermöglichen ist es vorteilhaft, wenn die Wicklung selbsttätig ohne Hilfsmittel, durch Verdrehen der beiden Funktionseinheiten gegeneinander, auf- und abwickelbar ist. Zu diesem Zweck schlägt eine weitere Ausgestaltung vor, dass Zwischenräume zwischen einzelnen Windungen der Wicklung, vorzugsweise entlang der gesamten Länge der Wicklung, frei gehalten sind.
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Die Wicklung kann somit insbesondere trägerlos, also insbesondere kernfrei und/oder freitragend, angeordnet sein. Hierbei ist es vorzuziehen, wenn die Wicklung in radialer Richtung frei von Berührungen mit anderen Körpern und nur aufgrund ihrer eigenen Formstabilität in einer Spiralform gehalten ist. Zu diesem Zweck kann in dem Endoskop ein Aufnahmeraum ausgebildet sein, der die Wicklung sowohl beim Auf- als auch beim Abwickeln in radialer Richtung berührungsfrei aufnimmt. Um ein möglichst widerstandsfreies Verdrehen des Verbindungselements zu ermöglichen, kann die Wicklung somit derart ausgestaltet sein, dass, vorzugsweise über einen gesamten rotatorischen Verstellbereich der Spiralfeder, die Wicklung in radialer Richtung frei beweglich und/oder kontaktfrei gehalten ist.
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Um dagegen ein unkontrolliertes Aufwickeln oder ein Verkippen der Wicklung in axialer Richtung zu vermeiden, schlägt schließlich eine weitere bevorzugte Ausgestaltung vor, dass entweder die erste und/oder die zweite Funktionseinheit mindestens eine axiale Anschlagsfläche bereitstellt, die die Bewegung der Wicklung, beim Verdrehen der Funktionseinheiten gegeneinander, axial begrenzt.
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Die Erfindung ist insbesondere auf sogenannte Chip-in-tip-Endoskope anwendbar, die typischerweise einen gegenüber einem Endoskopgehäuse drehbar angeordneten Bildsensor aufweisen. Folglich kann die erste Funktionseinheit des Endoskops beispielsweise ein Endoskopgehäuse, einen Endoskopschaft sowie eine darin angeordnete bildgebende Optik aufweisen. Die erste Funktionseinheit kann ferner einen Schirmungsanschluss aufweisen, welcher eine Koaxialschirmung eines Anschlusskabels mit einem Gehäuse des Endoskops verbindet.
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Die zweite Funktionseinheit kann dagegen drehfest mit einem Bildsensor verbunden sein, der der bildgebenden Optik nachgelagert ist. Falls die Optik eine Abwinkelung des Sichtfeldes realisiert, kann durch ein Verdrehen dieser Optik das Blickfeld des Endoskops verändert werden.
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Die drehbare Lagerung des Bildsensors stellt dabei sicher, dass der Bildsensor seine Raumlage (und damit die Horizontlage) nicht ändern muss, sodass der vom Benutzer des Endoskops wahrgenommene Bildhorizont auch bei Änderung des Blickfelds der Endoskopspitze aufrechterhalten werden kann. Hierfür kann beispielsweise mittels eines äußeren Drehrads, das an dem Endoskopgehäuse ausgebildet ist, der Bildsensor gegenüber dem Endoskopgehäuse und damit gegenüber der Optik verdreht werden.
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Bei einem solchen Endoskop ist es typischerweise erforderlich, dass elektrische Leitungen, die über ein Kabel an das Endoskopgehäuse von einer Kamerakontrolleinheit zugeführt werden, elektrisch mit dem Bildsensor verbunden werden. Mittels der Erfindung kann dabei sichergestellt werden, dass Signale sicher von der Kamerakontrolleinheit an den drehbar angeordneten Bildsensor als auch in umgekehrter Richtung übertragen werden können. Dies gilt selbst dann, wenn hohe Signalfrequenzen für die Übertragung genutzt werden. Um diese Funktionalität realisieren zu können schlägt daher eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass die zweite Funktionseinheit einen Bildsensor und die erste Funktionseinheit eine dem Bildsensor zugeordnete objektseitige Optik trägt.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verbindungselement in wenigstens einem Endabschnitt eine elektronische Schaltung trägt. Somit ist ein elektrischer Anschluss an eine elektronische Schaltung, beispielsweise eine Anpassungsschaltung und/oder eine Signalverarbeitungsschaltung, bereits vor einer Endmontage und/oder steckerfrei herstellbar. Dies vereinfacht die Endmontage. Dieser Endabschnitt ist bevorzugt der bereits erwähnte starre Abschnitt, insbesondere bei einem einstückigen Verbindungselement, zum Beispiel gefertigt aus einer Platine. Bevorzugt ist in jedem der beiden Endabschnitte des Verbindungselements, insbesondere in jedem der bereits beschriebenen starren Abschnitte, jeweils eine elektronische Schaltung ausgebildet. Denn so kann die Gesamtfläche des Verbindungselements optimal ausgenutzt werden. Die Platzierung einer elektronischen Schaltung auf einem Endabschnitt des Verbindungselements hat zudem den Vorteil, dass die Wicklung nicht durch Komponenten mechanisch beeinträchtigt wird und dass eine unweigerlich aufgrund der Wicklung entstehende elektrische Induktivität durch entsprechende elektrisch kapazitive Elemente kompensiert werden kann.
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Weitere Anwendungen der Erfindungen betreffen Endoskope bei denen mittels äußeren Drehringen oder dergleichen eine Fokus- oder Zoomeinstellung ermöglicht wird. Auch hierbei können Funktionseinheiten im Innern des Endoskops, beispielsweise eine einstellbare Optik mit Beleuchtungs-LEDs, die gegenüber einem Gehäuse des Endoskops als weiterer Funktionseinheit verdreht werden, mittels eines erfindungsgemäßen Verbindungselements elektrisch kontaktiert werden.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen des jeweiligen Ausführungsbeispiels. Insbesondere können somit Ausbildungen der Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der allgemeinen Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen gewonnen werden.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines erfindungsgemäßen Endoskops mit weiteren angeschlossenen Einheiten,
- 2 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Endoskop im Bereich des Handgriffs, der die Anordnung eines erfindungsgemäßen elektrischen Verbindungselements offenbart,
- 3 eine perspektivische Ansicht einer vereinzelten Platine aus der ein erfindungsgemäßen elektrisches Verbindungselement durch Aufwickeln herstellbar ist,
- 4 die Platine aus 3, nach dem Aufwickeln des mittleren flexiblen Abschnitts zu einer Spiralfeder,
- 5 Querschnittsansichten verschiedener Ausgestaltungsmöglichkeiten der Platine aus 3 und 4,
- 6 eine perspektivische Frontalansicht auf einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Verbindungselement im Bereich der Spiralfeder,
- 7 eine schematische Illustration der Veränderung des Außenumfangs der Spiralfeder aus 6, je nach Verdrehung des Verbindungselements.
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Die 1 zeigt ein im Ganzen mit 1 bezeichnetes Endoskop mit einem Handgriff 27, einem Drehrad 16 und mit einem Endoskopschaft 29. In der Endoskopspitze 30 befindet sich ein Bildsensor, der mit dem in 2 mit 32 bezeichneten Kühlkörper verbunden ist. Dieser Kühlkörper 32 ist gegenüber dem Endoskopgehäuse 15 drehbar gelagert. Mit dem Drehrad 16, das mit dem Kühlkörper 32 im Innern des Endoskops 1 gekoppelt ist, lässt sich der Bildsensor gegenüber dem Gehäuse 15 und dem damit starr verbundenen Endoskopschaft 29 verdrehen. Das Drehrad 16 und der Kühlkörper 32 stellen somit ein äußeres beziehungsweise inneres Koppelelement dar.
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In der Endoskopspitze 30 befindet sich zudem eine abbildende Optik, die ihrerseits drehfest mit dem Endoskopschaft 29 und damit mit dem Gehäuse 15 verbunden ist. Mittels eines Kamerakabels 28 werden Videosignale von dem Bildsensor des Endoskops 1 an eine Kamerakontrolleinheit 25 übertragen, die die Bilder an einen Monitor 26 weiter gibt.
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Wird das Endoskopgehäuse 15 und damit die abbildende Optik verdreht, so ändert sich bei dem Endoskop 1 in 1 die Blickrichtung. Dabei kann mittels des Drehrads 16 der Bildsensor in seiner aktuellen Raumlage festgehalten werden, sodass für den Betrachter der Bildhorizont erhalten bleibt.
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Wie die 2 zeigt, ist der Handgriff 27 drehfest mit dem Gehäuse 15 verbunden, das zusammen mit der abbildenden Optik des Endoskops 1 eine erste Funktionseinheit 2a ausbildet. Eine zweite Funktionseinheit 2b wird durch den Kühlkörper 32 und den mit ihm thermisch und mechanisch verbundenen und in der Endoskopspitze 30 (und in 2 nicht dargestellten) angeordneten Bildsensor gebildet. Die zweite Funktionseinheit 2b ist somit innerhalb des Endoskopgehäuses 15 angeordnet und dabei drehbar gegenüber der ersten Funktionseinheit 2a gelagert.
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Der Bildsensor des Endoskops 1 ist elektrisch mit einem zweiten starren Abschnitt 6 einer Platine 11 verbunden, wie in 2 gut zu erkennen ist. Mittels eines flexiblen mittleren Abschnitts 4 der Platine 11 (Vgl. auch 3), der in Form einer Spiralfeder 10 aufgewickelt ist, ist dabei der zweite starre Abschnitt 6 mit einem ersten starren Abschnitt 5 elektrisch verbunden. Während der zweite starre Abschnitt 6 drehfest mit dem Kühlkörper 32 verbunden ist, ist der erste starre Abschnitt 5 von einer elektrischen Durchführung 19 gehalten, genauer von Steckkontakten 31 der elektrischen Durchführung 19, die elektrisch von dem Gehäuse 15 isoliert sind. Die Durchführung 19 ist dabei mittig in Bezug auf einen Querschnitt des Endoskopgehäuses 15 am proximalen Ende des Endoskops 1 in dem Endoskopgehäuse 15 ausgebildet. Daher ist der erste starre Abschnitt 5 somit drehfest mit dem Gehäuse 15 und damit mit der ersten Funktionseinheit 2a verbunden. Somit dreht sich der erste starre Abschnitt 5 mit dem Endoskopgehäuse 15 beziehungsweise mit dem Handgriff 27.
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Aufgrund der Durchführung 19 ist einerseits das Gehäuse 15 insgesamt hermetisch abgeschlossen und andererseits ist das Verbindungselement 3 von dem Gehäuse 15 elektrisch isoliert angeordnet. Damit kann mit Hilfe eines der Steckkontakte 31 in 2 ein „virtual ground“ in das Innere des Endoskops 1 und von dort mit Hilfe des Verbindungselements 3 bis in die Endoskopspitze 30 geführt werden.
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Wie die 3 zeigt, besteht die Platine 11 aus 2 aus den beiden starren Abschnitten 5 und 6 sowie dem mittleren flexiblen Abschnitt 4. Die Platine 11 bildet somit ein elektrisches Verbindungselement 3 aus, mit dem Videosignale von dem Bildsensor bis zu den in 2 mit 31 bezeichneten Steckkontakten weitergeleitet werden können. Diese Steckkontakte 31 dienen dem Anschluss des Kamerakabels 28 aus 1.
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Auf den beiden Endabschnitten 33 der Platine 11, die bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel identisch sind mit den beiden starren Abschnitten 5 und 6, sind jeweils elektronische Schaltungen 34 angeordnet, während der mittlere Abschnitt 4 frei von elektronischen Bauteilen gehalten ist. Letzteres ist vorteilhaft, um einerseits eine gleichmäßige Elastizität des mittleren Abschnitts 4 sicherzustellen und andererseits ein möglichst enges Wickeln des mittleren Abschnitts 4 zu ermöglichen. Die elektronische Schaltung 34 auf dem zweiten starren Abschnitt 6 dient dabei der Ansteuerung und Regelung des Bildsensors des Endoskops 1. Wie in 3 zu erkennen ist, können dabei elektronische Komponenten sowohl auf Ober- wie Unterseiten der Endabschnitte 33 platziert werden.
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Anhand der 3 wird ersichtlich, dass durch Aufrollen oder Aufwickeln des mittleren Abschnitts 4 der Platine 11 aus 3 um die in 4 mit 9 bezeichnete Wickelachse eine spiralförmige Wicklung 7 hergestellt ist. Diese Wicklung 7 verleiht dem Verbindungselement 3 einen rotatorischen Freiheitsgrad. Mit anderen Worten können sich die beiden Funktionseinheiten 2a und 2b und die mit Ihnen fest verbundenen starren Abschnitte 5 und 6 der Platine 11 gegeneinander um die in 2 mit 8 bezeichnete Drehachse verdrehen, ohne dass dabei die elektrische Verbindung zwischen dem Bildsensor und den Steckkontakten 31 beeinträchtigt wird. Hierzu ist es günstig, wenn die Wickelachse 9 des Verbindungselements 3, wie in 2 gezeigt, gerade mit der Drehachse 8 zusammenfällt.
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Wie in den 3 und 4 noch gut zu erkennen ist, können auf dem erfindungsgemäßen Verbindungselement 3 elektronische Komponenten angeordnet werden, sodass komplexe elektronische Funktionen von dem Verbindungselement 3 übernommen werden können. Hierbei ist es jedoch von großem Vorteil, wenn der mittlere flexible Abschnitt 4 lediglich Leiterbahnen und Schirmungen aufweist jedoch keine elektronischen Bauteile. Denn damit kann eine hohe Flexibilität und Elastizität des mittleren Abschnitts 4 als Voraussetzung für eine leichte Verdrehbarkeit sichergestellt werden.
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Wie aus der Zusammenschau der 3 und 4 ersichtlich ist, ist die Wicklung 7 aus einem ebenen Schnitt gewickelt und spiralförmig. Aufgrund ihrer Bandform und der Elastizität des mittleren flexiblen Abschnitts 4 der Platine 11 aus 3, ist die Wicklung 7 zudem formstabil. Dies ermöglicht die in den 2, 4 und 6 erkennbare, freitragende Anordnung der durch die Wicklung 7 gebildeten Spiralfeder 10.
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Aufgrund der elastischen Verformbarkeit des mittleren Abschnitts 4 kann sich das Verbindungselement 3 insgesamt reversibel und elastisch verformen, wobei die beiden starren Abschnitte 5 und 6 hierbei gerade nicht verformt werden. Durch geeignete Wahl des Querschnitts des mittleren Abschnitts 4 sowie der Anzahl an Windungen 17 der Wicklung 7 kann dabei eine rückstellende Federkraft eingestellt werden, die die Spiralfeder 10 bei Auslenkung aus ihrer Ruhelage 18 auf die beiden Funktionseinheiten 2a und 2b ausübt.
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Wie in den 6 und 7 erläutert, verändert sich der Umfang 24 der Spiralfeder 10, sobald die beiden Funktionseinheiten gegeneinander verdreht werden: In Ihrer Ruhelage 18, dargestellt in der mittleren Abbildung der 7, übt die Spiralfeder keine oder eine nur sehr geringe Rückstellkraft aus. Wird bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel dagegen der erste starre Abschnitt 5 wie in der linken Abbildung in 7 dargestellt gegen den zweiten starren Abschnitt 6 verdreht, so verringert sich der Umfang 24. Entsprechend vergrößert sich der Umfang 24 der Spiralfeder 10, wenn der erste starre Abschnitt 5 wie in der rechten Abbildung der 7 illustriert verdreht wird.
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Damit sich die Spiralfeder 10 beim Auf- und Abwickeln möglichst widerstandsfrei bewegen kann, ist in dem Endoskop 1 ein Aufnahmeraum 22 (Vgl. 2) vorgesehen, der die Wicklung 7 in radialer Richtung berührungsfrei aufnimmt. In axialer Richtung sind dagegen zwei Anschlagsflächen 23 an dem Kühlkörper 32 ausgebildet, die die Bewegung der Spiralfeder 10, beim Verdrehen der Funktionseinheiten 2a und 2b gegeneinander, axial begrenzen (Vgl. 2).
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbindungselement 3 sind die Übergänge 12 zwischen dem mittleren flexiblen Abschnitt 4 und den beiden starren Abschnitten 5 und 6 der Platine 11 gerade so angeordnet, dass der mittlere Abschnitt 4 in Richtung der Wicklung 7 ausgerichtet ist und somit quer zur Drehachse 8 verläuft. Dies ermöglicht die platzsparende Ausbildung der ebenen Spiralfeder 10, wie in 4 gezeigt.
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In 3 ist ferner zu erkennen, dass die beiden starren Abschnitte 5 und 6 den mittleren Abschnitt 4 in beiden Richtungen jeweils um mehr als die Breite des mittleren Abschnitts 4 überragen. Diese überragenden Bereiche der beiden starren Abschnitte 5 und 6 ragen somit aus der Spiralfeder 10 heraus, wie in 4 gezeigt. Dies ermöglicht eine Befestigung des Verbindungselements 3 zu beiden Seiten der Spiralfeder 10 und damit eine freitragende Anordnung der Spiralfeder 10. Dagegen ist in 4 und 2 gut zu erkennen, dass die Bereiche der starren Abschnitte 5 und 6, die mit der Wicklung 7 überlappen freistehend angeordnet sind.
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Die 5 zeigt mehrere mögliche Ausgestaltungen der Platine 11 aus den 3 und 4. Die Platine 11 besteht aus mehreren Lagen 14. Um die gewünschte Flexibilität und Elastizität des mittleren Abschnitts 4 zu erreichen, sind in diesem Bereich einzelne der Lagen 14 vollständig weggelassen. Wie die einzelnen Abbildungen der 5 zeigen, können dabei sowohl innere als auch äußere Lagen 14 in dem mittleren Abschnitt 4 weggelassen werden. Bei allen in 5 gezeigten Varianten ist zudem im mittleren Abschnitt 4 die Anzahl der Lagen um mindestens zwei verringert, im Vergleich zu den beiden starren Bereichen 5 und 6.
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Wie durch das Bezugszeichen 13 in den 3, 4 und 6 angedeutet, kann an den Übergängen 12 zwischen dem mittleren flexiblen Abschnitt 4 und den starren Abschnitten 5, 6 jeweils ein Keil 13 ausgebildet werden, um die beim Auf- und Abwickeln des mittleren Abschnitts 4 auftretenden Biegekräfte besser ableiten zu können. Aus dem gleichen Grund ist der erste starre Abschnitt 5 des Verbindungselement 3 bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel im Zentrum der Spiralfeder 10 angeordnet.
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Ebenfalls zu erkennen ist in 6, dass die Spiralfeder 10 die Form einer archimedischen Spirale aufweist: die mindestens zwei Windungen 17 der Spirale sind in der in 6 dargestellten Ruhelage 18 äquidistant voneinander beabstandet, wobei mit zunehmenden Drehwinkel die radiale Position einer Windung 17 linear zunimmt und wobei die Zwischenräume 21 zwischen den Windungen 17 frei gehalten sind. Mit anderen Worten wird der mittlere Abschnitt 4 also gerade nicht auf einen Wickelkörper aufgewickelt, sondern ist freitragend angeordnet. Diese Ausgestaltungen der Spiralfeder sind insgesamt günstig, um viele Windungen auf engem Raum unterzubringen und eine möglichst einfache Montage zu ermöglichen.
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Zusammenfassend wird durch die Erfindung eine hochfrequente Datenübertragung zwischen drehbar zueinander gelagerten Funktionseinheiten 2a, 2b eines Endoskops 1 ermöglicht, wobei dabei die Funktionseinheiten 2a, 2b insbesondere elektrisch voneinander isoliert ausgebildet sein können. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein elektrisches Verbindungselement 3 vor, welches in einem mittleren flexiblen Abschnitt 4 quer zur Übertragungsrichtung aufgerollt ist und mit seinen jeweiligen Endabschnitten 33 an den Funktionseinheiten 2a, 2b befestigt ist. Damit kann auch bei Verdrehung der Funktionseinheiten 2a, 2b gegeneinander eine ununterbrochene elektrische Verbindung mit gleichbleibender Qualität der Signalübertragung erzielt werden. Durch das Aufrollen des mittleren Abschnitts 4 zu einer Wicklung 7, die bevorzugt freitragend ausgestaltet ist, wird auf sehr einfache Weise ein langzeitstabiler rotatorischer Freiheitsgrad für das Verbindungselement 3 geschaffen, der komplexe mechanische Einstellfunktionen in dem Endoskop 1 ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Endoskop
- 2a
- erste Funktionseinheit
- 2b
- zweite Funktionseinheit
- 3
- Verbindungselement
- 4
- (mittlerer) Abschnitt (gewickelt)
- 5
- erster starrer Abschnitt
- 6
- zweiter starrer Abschnitt
- 7
- Wicklungen
- 8
- Drehachse
- 9
- Wickelachse
- 10
- Spiralfeder
- 11
- Platine
- 12
- Übergang
- 13
- Keil
- 14
- Lage (von 11)
- 15
- Gehäuse
- 16
- Drehrad (äußeres Koppelelement)
- 17
- Windung
- 18
- Ruhelage
- 19
- elektrische Durchführung
- 20
- Drehzentrum
- 21
- Zwischenräume
- 22
- Aufnahmeraum
- 23
- axiale Anschlagsfläche
- 24
- Umfang (von 7, 10)
- 25
- Kamerakontrolleinheit
- 26
- Monitor
- 27
- Handgriff
- 28
- Kamerakabel
- 29
- Endoskopschaft
- 30
- Endoskopspitze
- 31
- Steckkontakte
- 32
- Kühlkörper
- 33
- Endabschnitt
- 34
- elektronische Schaltung
