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Die Erfindung betrifft einen Reluktanzantrieb für kosmetische Handgeräte zum Einstechen von Permanent Make-up (PMU) und kleinen Tätowierungen (Tattoos) in menschliche Haut.
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Hintergrund
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In kosmetischen Handgeräten für das Anbringen von PMU werden spitze Stechmittel, vorzugsweise Nadeln, eingesetzt, um vorzugsweise flüssige Farben in die Gesichtshaut einzustechen, wo diese dann eine längere Zeit verbleiben sollen.
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Beim PMU beträgt die erforderliche Einbringtiefe der Farben in die Gesichtshaut 0,1-0,3mm. Die Farben müssen durch die obere Hornschicht der Epidermis hindurch in die obere lebende Hautschicht (Dermis) eingebracht werden, um eine längere Haltbarkeit aufzuweisen, da die Hornschicht innerhalb von 4 Wochen vom Organismus erneuert wird.
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Die flüssigen Farben werden durch ein hin- und hergehendes Stechmittel, welches sich in der jeweils eingefahrenen Stellung aus einem Depot mit Farbe benetzt und diese beim Ausfahren in die Haut mit seiner Spitze einsticht. Die Einstechtiefe muss vom Anwender bestimmt werden, der durch Beobachtung von Hautreaktionen erkennt, ob die Spitze des Stechmittels die obere Schicht der lebenden Dermis erreicht oder nicht.
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Die Antriebe für PMU-Handgeräte teilen sich in 2 Kategorien ein: Antriebe, welche die erforderliche hin- und hergehende axiale Bewegung für die Stechmittel mittels Linearmotoren direkt erzeugen (Direktantriebe) und Antriebe, die aus einer rotatorischen Bewegung, also durch rotierende Motoren und Wandlung mittels Getriebe eine hin- und hergehende Bewegung erzeugen (Getriebeantriebe).
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Direktantriebe wenden zur Generierung der linearen Schwingbewegung bevorzugt das elektromagnetische Prinzip des Tauchankers an, während Getriebeantriebe zur Umsetzung der rotatorischen in eine lineare Bewegung eine Vielzahl von Getriebegattungen verwenden. Allen am Markt befindlichen Antrieben ist gemeinsam, dass die resultierende Hin- und Herbewegung eine periodische sinusförmige Kurvenform aufweist, die durch die Schwingungsgesetze der Physik vorgegeben ist.
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Die Amplitude (Hub) der Antriebe liegt trotz der geringen erforderlichen Einstechtiefe von nur 0,1 bis 0,3mm bei nahezu allen am Markt befindlichen PMU-Handgeräten bei ungefähr 2mm. Der Grund für den im Vergleich zur geringen Arbeitstiefe recht großen Hub liegt darin begründet, dass das Stechmittel für jede Stechbewegung erneut mit Farbe benetzt werden muss, weil die Farbe bei jedem Einstich in die Haut teilweise in der Haut verbleibt und zudem beim Eindringen in die Haut von der Spitze des Stechmittels abgestreift wird. Eine Benetzung ist nur mit einem Zurückziehen der Stechmittelspitze in ein Farbdepot möglich, welches sich nicht zu nahe an der Gerätespitze befinden darf, damit der Anwender noch mit ausreichend Abstand zur Haut arbeiten kann.
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Die Haut ist ein elastisches Gewebe mit einem die Elastizität erhöhenden hohen Anteil an eingelagerten Flüssigkeiten, die gesamtheitlich auch als Lymphe bezeichnet werden. Trifft ein Stechmittel mit einer bestimmten Geschwindigkeit und Spitzengeometrie auf eine Haut, so dellt sich diese entsprechend ihres Durchdringungswiderstands und ihrer Elastizität zunächst ein, um ab einer, für jede Hauteigenschaft und Hautregion unterschiedlichen Kraft von der Nadelspitze durchstochen zu werden. Der jeweilige Durchdringungswiderstand und die jeweilige Elastizität der Haut ist durch die Hauteigenschaften des zu Behandelnden und die jeweilige Hautregion vorgegeben und individuell sehr unterschiedlich. Der Anwender wählt den Arbeitswinkel, die Nadelgeometrie, die Verfahrgeschwindigkeit und die Einstechtiefe, was viel Erfahrung bedarf. Der Antrieb muss die für die Bandbreite der individuellen Hauteigenschaften geeigneten Antriebseigenschaften bereitstellen. Bedeutende Eigenschaften des Antriebs sind die Einstechgeschwindigkeit, die Eigenvibrationen des Antriebs/Handgeräts, die Verweildauer der Nadelspitze pro Einstich in der Haut, eine geringe Eigenerwärmung des Handgeräts und ein möglichst geringes Geräuschniveau. Eine hohe Einstechgeschwindigkeit der Nadel sorgt für gleichmäßige Tiefe der Stiche mit geringen Eindellungen der Haut, konsistente Pigmentierung und senkt Schmerzen, die aufgrund zu tiefen Einstichs auftreten würden. Geringe axiale Eigenvibrationen haben die gleichen positiven Effekte wie eine schnelle Einstechgeschwindigkeit, solange die Einstechgeschwindigkeit groß genug ist, um zu große Eindellungen zu vermeiden, geringe radiale Eigenvibrationen sorgen für homogene Linien ohne seitliche Wellenlinien. Eine kurze Verweildauer der Nadelspitze in der Haut schont die Haut und senkt Schmerzen. Ein geringes Geräuschniveau schont die Nerven des Anwenders und der Endkunden und eine geringe Eigenerwärmung des Geräts erlaubt längere Anwendungssitzungen.
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Die bekannten Antriebe/Handgeräte, wie sie in [6] und [7] kurz beschrieben sind, stellen in Bezug auf die Einstechgeschwindigkeit nur ungenügende Eigenschaften zur Verfügung. Die periodischen sinusförmigen Weg-Zeitverläufe der Antriebe mit einem Hub von beispielsweise 2mm weisen bei einer Einstechtiefe von 0,1-0,3mm nur noch eine minimale Einstechgeschwindigkeit auf, da der Antrieb und somit das Stechmittel sich schon kurz vor dem Umkehrpunkt der periodischen sinusförmigen Schwingung befinden, also weitgehend abgebremst sind. Die zu geringe Einstechgeschwindigkeit führt aufgrund des Eindringwiderstands zu großen Eindellungen der Haut bis diese durchstochen werden kann. Der Anwender muss deshalb das Stechmittel durch sogenanntes Vorhalten tiefer halten, als gestochen werden soll, so dass durch die in ihrer jeweiligen individuellen Eigenfrequenz flatternde Hautpartie partiell zu tief oder zu flach durchstochen wird, je nachdem in welcher vertikalen Ebene sich die flatternde Haut beim nächsten Einstich gerade befindet. Da üblicherweise mit 50-200Hz (Durchschnitt 100Hz) gestochen (pigmentiert) wird, ist weder ideale Pigmentiertiefe in der oberen Dermis (0,1-0,3mm), gleichmäßiger Farbeintrag in der Tiefe, gleichmäßige Farbintensität im Verlauf des pigmentierten Strichs noch hautschonendes oder schmerzarmes Pigmentieren möglich.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Antriebe/Handgeräte ist die durch deren sinusförmigen Kurvenverlauf bei jedem Hub entstehende relative lange Verweilzeit der ausgefahrenen Nadel in der Haut. Da der Anwender das Handgerät stets seitwärts bewegt, um Linien zu pigmentieren, ist eine möglichst kurze Verweilzeit der ausgefahrenen Nadel in der Haut vorteilhaft, um die Haut durch die Seitwärtsbewegung des Handgerätes nicht mit ausgefahrener Nadel aufzureißen oder aufzuschlitzen, zudem erhöht eine längere Verweilzeit der Nadel in der Haut das Schmerzempfinden.
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Die bekannten Antriebe/Handgeräte weisen noch weitere Nachteile auf. Die für Handgeräte vorteilhaften, weil geräuscharmen axial schwingenden Direktantriebe mit weichmagnetischem Tauchanker, haben prinzipbedingt eine verhältnismäßig große bewegte Masse in Bezug auf die Gesamtmasse des Handgeräts. Aufgrund der großen Beschleunigungskräfte bei 50-200Hz Arbeitsfrequenz treten axiale Vibrationen im Handgerät auf, die bei bekannten Geräten in der Größenordnung von 1mm liegen. Bei Einstechtiefen von nur 0,1-0,3mm sind solche Vibrationsamplituden des Handgerätes ein Ausschlusskriterium für das Pigmentieren, da sich die Tiefenvariationen in hautzerstörerischen Größenordnungen bewegen. Getriebeantriebe mit rotierenden Motoren weisen kleinere, jedoch für das PMU immer noch zu große axiale Vibrationsamplituden von bis zu 0,5mm auf, jedoch kommen bei diesen Antrieben noch weitere durch das Getriebe erzeugte radiale Vibrationskomponenten hinzu, die beim Pigmentieren wellenförmige Linien entsprechend ihrer radialen Vibrationsamplitude erzeugen, die nachträglich nur mit Qualitätsabstrichen kaschiert werden können.
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Weitere Nachteile der bekannten Antriebe/Handgeräte sind die zur Erzeugung einer möglichst hohen Einstechgeschwindigkeit erforderlichen hohen Frequenzen von bis zu 200Hz, die bei den üblichen Verfahrgeschwindigkeiten Wunden in Furchenform erzeugen, weil sich die einzelnen Einstiche überlappen. Um die erforderliche Einstechgeschwindigkeit zu erreichen, müsste die Arbeitsfrequenz hautzerstörerischen hoch sein, ist die Frequenz niedrig genug, um Einzelstiche zu ermöglichen, kann nicht in konstanter sowie in medizinisch und kosmetisch richtiger Tiefe pigmentiert werden, weil die Haut flattert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antrieb für kosmetische Handgeräte zu schaffen, welcher die Nachteile des Stands der Technik für das Einstechen von PMU und kleinen Tattoos nicht aufweist.
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Mit der Erfindung ist ein Reluktanzantrieb für kosmetische Handgeräte zum Einstechen von PMU und kleinen Tattoos nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 geschaffen, mit
- - einem Gehäuse 1, das gebildet ist, den Reluktanzantrieb aufzunehmen,
- - einem Stator, gebildet aus den beiden Spulen 5 und 5', die eingerichtet sind, durch ihren Stromfluss einen magnetischen Fluss in den beiden Ankerhälften 4 und 4' zu bewirken,
- - zwei weichmagnetischen Ankerhälften 4 und 4', die schwenkbar um den Drehpunkt 9 gebildet sind, um sich gegenseitig durch die aus dem magnetischen Fluss entstehenden Magnetkräfte anzuziehen,
- - einer Rückstellfeder 8, die den Drehpunkt 9 bildet, die mit den Ankerhälften 4 und 4' symmetrisch koppelt und die mittels eines Lagerbocks 6 über seitliche Laschen mit dem Gehäuse 1 verbunden ist,
wobei der Reluktanzantrieb für kosmetische Handgeräte eingerichtet ist, die radialen gegenläufigen Hin- und Herbewegungen der beiden Ankerhälften 4 und 4' mittels der beiden Hebel 2 und 2' in einen größeren axialen Bewegungshub der Schubstange 15, die in dem Axialgleitlager 14 geführt ist und die das Stechmittel 16 zum Einstechen von Substanzen in die Haut antreibt, zu übersetzen.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die beiden Spalte 10 und 11, gebildet durch die beiden Ankerhälften 4 und 4' am Drehpunkt 9 der Feder 8, derart bemessen sind, dass in der Ruhestellung des Antriebs (stromlose Spulen) das Öffnungsmaß des Arbeitsluftspalts 12 durch den geschlossenen Luftspalt 11 begrenzt wird und in der Arbeitsendstellung des Antriebs (maximaler Spulenstrom) das Schließmaß des Arbeitsluftspalts 12 durch den geschlossenen Luftspalt 10 begrenzt wird, derart, dass das Schließmaß des Arbeitsluftspalts 12 beim höchsten Spulenstrom nicht zu Null werden kann, die beiden Ankerhälften 4 und 4' also niemals in physischen Kontakt miteinander kommen können und auf diese Weise die Geräuschemission des Reluktanzantriebs sehr gering gehalten wird, ohne das Prinzip der überproportionalen Reluktanzverminderung im Luftspalt 12 während der Annäherung der beiden Anker 4 und 4' wesentlich zu beeinträchtigen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Spulen 5 und 5' nicht auf die Anker 4 und 4' aufgewickelt, sondern freitragend ausgeführt sind und von den beweglichen Ankern 4 und 4' in keinem Betriebszustand berührt werden können, so dass bei gleichen Magnetkräften eine wesentlich größere Beschleunigung der Anker 4 und 4' bewirkt wird, als wenn die Anker mit den Spulen bewickelt wären und folglich eine entsprechend größere Einstechgeschwindigkeit des Stechmittels 16 erreicht wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Stromfluss in den Spulen 5 und 5' spätestens bei Erreichen des geringstmöglichen Schließmaßes des Arbeitsluftspalts 12 abgeschaltet wird, dadurch die magnetischen Anzugkräfte der Anker 4 und 4' entfallen und die dann alleinige Kraft der Rückstellfeder 8 eine sofortige Rückstellung der Anker 4 und 4' in die Ruhestellung zur Folge hat, was zu kürzeren Verweilzeiten der Stechmittelspitze in der Haut, zur Reduktion der elektrischen Verlustleistung und einer damit einhergehenden geringeren Erwärmung des Antriebs führt.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mittels eines während der Arbeitsbewegung veränderbaren Stromverlaufs in den Spulen 5 und 5' die Dynamik des Antriebs verändert wird, was veränderbare Einstechgeschwindigkeiten des Stechmittels in die Haut ermöglicht.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die lineare Blattfeder 8 auch durch andere mechanische oder magnetische Federn, beispielsweise auch mit degressiver Kennlinienauslegung, erfolgen kann, um die Einstechgeschwindigkeit weiter zu erhöhen und den Wirkungsgrad des Reluktanzantriebs zu verbessern.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für ein kosmetisches Handgerät zum Einstechen von PMU näher erläutert, hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reluktanzantriebs für kosmetische Handgeräte in Ruhestellung mit stromlosen Spulen.
- 2 eine schematische Darstellung des gleichen Reluktanzantriebs in Arbeitsendstellung mit bestromten Spulen. Hinweis: zur Verbesserung der Übersichtlichkeit sind in 2 nur die Größen nummeriert, die sich gegenüber 1 verändert haben.
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1 zeigt schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Reluktanzantriebs für Kosmetikgeräte in Ruhestellung ohne elektrische Ansteuerung der Spulen 5 und 5'. Die beiden Ankerhälften 4 und 4' sind in ihre Ruheposition mittels der Rückstellfeder 8 zurückgestellt, der Spalt 11 ist geschlossen und die Öffnungsweite des Arbeitsluftspalts 12 ist maximal. Wird an die Spulen 5 und 5' eine Spannung angelegt, so baut sich in diesen ein exponentiell ansteigender Strom auf, der eine ansteigende magnetische Feldstärke in den Spulen erzeugt, die ihrerseits einen ansteigenden magnetischen Fluss in den beiden Ankern aus magnetisierbarem Material entstehen lässt und der eine anziehende magnetische Kraft zwischen den beiden Ankern 4 und 4', die sich im Arbeitsluftspalt 12 konzentriert, aufbaut. Die Reluktanz (magnetischer Widerstand) im Luftspalt 12 ist im Einschaltzeitpunkt verhältnismäßig hoch und die elektromagnetische Kraft relativ gering. Nähern sich die beiden Ankerhälften 4 und 4' durch die magnetische Kraft einander an, so verringert sich die Spaltgröße fortlaufend, die Reluktanz nimmt stetig ab und die magnetische Anziehungskraft zwischen den beiden Ankerhälften steigt stetig, was eine überproportional ansteigende Beschleunigung und damit eine überproportional ansteigende Geschwindigkeit nach sich zieht. Die wegübersetzende Umsetzung der radialen in eine axiale Bewegung über reibungsarme Gelenke 3, 3' und 13 mittels der Hebel 2 und 2' auf die Schubstange 15 und auf das Stechelement 16 führt zu einer Weg-Zeit-Kennlinie mit ansteigender Geschwindigkeit, so dass die gewünschte schnelle Einstechgeschwindigkeit insbesondere am Ende des Gesamthubs im Einstechbereich von 0,1-0,3mm erzielt wird. Verändert man den Spulenstrom während des Arbeitshubs in seiner Größe und/oder seinem Verlauf, so lassen sich unterschiedliche Einstechprofile erzeugen, die für den Gegenstand der Erfindung insbesondere für eine Veränderbarkeit der Einstechgeschwindigkeit in die Haut von Bedeutung sind. Die lineare Rückstellfeder 8, beispielhaft ausgeführt als Blattfeder, greift an beiden Ankern 4 und 4' symmetrisch an und bildet den Drehpunkt 9 für die Kippbewegung der beiden Ankerhälften. Die symmetrische gestaltete Rückstellfeder 8 bewirkt auch eine symmetrische Arbeitsbewegung wodurch sich die beiden Ankerhälften 4 und 4' in Bezug auf den Arbeitsluftspalt 12 ebenfalls symmetrisch anziehen und sich ihre Kräfte dadurch ausgleichen, was zu sehr geringen radialen Vibrationen des Antriebs führt, selbst wenn die beiden Anker stark beschleunigt werden. Nach der Wegübersetzung und Umsetzung der radialen in eine axiale Bewegung durch die Hebel 2 und 2' wirken in Axialrichtung nur noch die kleinen bewegten Massen der Hebel 2 und 2', der Schubstange 15 und des Stechmittels 16, so dass die axialen Vibrationen unbedeutend bleiben.
Zur Steigerung der Ankerbeschleunigung und -geschwindigkeit können alternativ auch mechanische oder magnetische Federn, beispielsweise mit degressiver Federkennlinie verwendet werden, die eine Erhöhung der Einstechgeschwindigkeit erlauben. Die durch eine degressive Federkennlinie bewirkte Verlangsamung der Rückstellbewegung der beiden Anker spielt für das Einstechen von Substanzen in die Haut keine Rolle.
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2 zeigt den Reluktanzantrieb in Arbeitsendstellung mit bestromten Spulen. Zur Vermeidung des Aufeinanderschlagens der beiden Ankerhälften 4a und 4'a im Arbeitsluftspalt 12a ist der Luftspalt 10a derart bemessen, dass dieser bereits vollständig geschlossen ist, bevor die beiden Ankerhälften 4a und 4'a den Arbeitsluftspalt 12a vollständig schließen, so dass eine Geräuschentwicklung nur im Luftspalt 10a stattfindet, die jedoch aufgrund der sehr geringen Auftreffgeschwindigkeit wesentlich kleiner ausfällt, als wenn die beiden Anker 4a und 4'a im Arbeitsluftspalt 12a aufeinanderschlagen würden. Das Abschalten des Spulenstroms spätestens zum Zeitpunkt des Schließens des Luftspalts 10a führt zu einer raschen Rückstellung der beiden Anker und entsprechend kurzer Verweilzeit des Stechmittels 16 in der Haut und aufgrund des kurzen Stromflusses auch zu geringerer elektrischer Verlustleistung mit entsprechend geringerer Erwärmung des Antriebs und folglich auch des Handgeräts.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
