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Die
Erfindung betrifft ein Stativ gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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Ein
derartiges Stativ ist aus der
DE 1 489 340 A bekannt. Dort ist eine Haltevorrichtung
für einen Haartrockner
oder eine Lampe beschrieben, die als ein erstes Stativteil einen
schwenkbaren Haupthaltearm und als zweiten Stativteil eine Doppelarmanordnung
umfasst. Die Doppelarmanordnung besteht aus zwei Gelenkarmen, welche
die Lampe bzw. den Haartrockner tragen. In der Haltevorrichtung
ist ein erster und ein zweiter Energiespeicher vorgesehen, die jeweils
eine Schraubenfeder enthalten. Diese Schraubenfedern sind jeweils
in einem Gehäuse
geführt,
das in einem Widerlagerpunkt an dem Haupthaltearm ausgelenkt ist.
Eine jede Schraubenfeder der Energiespeicher wirkt auf eine Stange,
die über
ein Gelenk mit den Armen der Doppelgelenkanordnung verbunden ist.
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In
der
DE 37 39 080 A1 ist
ein Stativ mit einem Energiespeicheroffenbart, welcher dazu dient, das
Drehmoment einer an dem Schwenkarm des Stativs angeordneten Nutzlast
zu kompensieren.
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Dabei
umfasst der Energiespeicher ein an einem Angriffspunkt am Schwenkarm
angelenktes Seil, welches durch eine über der Schwenkachse angeordnete
Umlenkrolle zu einer Zugfeder umgelenkt wird. Dadurch übt der Energiespeicher
auf den Angriffspunkt am Schwenkarm eine Kraft aus, welche auf denjenigen
Punkt des Umlenkrollenumfangs gerichtet ist, an dem der vom Angriffspunkt
kommende gerade Seilabschnitt den Umlenkrollenumfang berührt.
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Dieser
als Widerlagerpunkt bezeichnete Berührungspunkt wandert abhängig von
der Schwenkstellung des Schwenkarms auf dem Umlenkrollenumfang,
weil die Umlenkrolle einen Durchmesser ungleich Null aufweist. Dadurch
kann mit diesem Stativ nur ein angenäherter und kein exakter Gewichtsausgleich
erreicht werden.
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Die
Theorie entsprechender Stative ist auch in dem Aufsatz "Gewichtsausgleich
an feinmechanischen Geräten" von H. Hilpert in
FEINGERÄTETECHNIK
14. Jg., Heft 2/1965 zu finden (siehe Bild 7 auf Seite 63 dieses
Aufsatzes). In diesem Aufsatz von H. Hilpert ist im ersten Absatz
der linken Spalte von Seite 63 dargelegt, dass beim bekannten Stativ in
Folge der endlichen Umlenkrollenkrümmung, das heißt durch
die Verschiebung des Widerlagerpunkts bzw. eine zusätzliche
Seilaufwicklung oder Seilabwicklung beim Verschwenken des Schwenkarms,
nur ein angenäherter
Gewichtsausgleich erreicht werden kann.
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Aus
der
DD 221 571 A1 ist
ein Stativ bekannt, welches entsprechend den Prinzipien in dem Aufsatz
von H. Hilpert aufgebaut ist. Aber auch bei diesem Stativ wandert
der Widerlagerpunkt in Abhängigkeit
von der jeweiligen Stellung des Schwenkarms, da das Umlenkelement,
welches das eine Zugfeder mit dem Schwenkarm verbindende Seil umlenkt,
von einer Schrägfläche mit
endlicher Krümmung
gebildet ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Stativ für Gewichtsausgleich bereitzustellen,
das ein geringes Eigengewicht aufweist und reibungsarm bewegt werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Stativ mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Wenn
nämlich
bei einem festen Angriffspunkt am Schwenkarm die Schwenkachse und
der Widerlagerpunkt eine Vertikalebene definieren und der Widerlagerpunkt
bei einer Verschwenkung des Schwenkarms raumfest relativ zum ersten
Stativteil ist und der Energiespeicher über ein am Angriffspunkt angelenktes
Seil auf den Schwenkarm einwirkt, wobei eine das Seil zum Angriffspunkt
umlenkende Seilrolle um den am Außenumfang der Seilrolle liegenden
Widerlagerpunkt schwenkbar gelagert ist, können die Gewichtsvorteile eines
Seils und die reibungsarme Rollenumlenkung eines Seils mit einem
in sehr guter Näherung
raumfesten Widerlagerpunkt und damit in sehr guter Näherung exakten
Gewichtsausgleich kombiniert werden. Anders als aus dem Stand der
Technik bekannte Stative, die eine Umlenkrollemit endlichem Durchmesser
aufweisen, ermöglicht
ein solches Stativ einen exakten bzw. nahezu exakten Gewichtsausgleich.
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In
vorteilhafter Weise umfasst der Energiespeicher eine als Zugfeder
geschaltete Druckfeder (Anspruch 2). Dadurch kann ein Bruch der
Energiespeicherfeder nicht zu einer unkontrollierten Abwärtsbewegung
des Schwenkarms führen.
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Wenn
der Energiespeicher im ersten Stativteil aufgenommen ist, ist der
Energiespeicher besonders platzsparend und ohne Beeinträchtigung
der Handhabbarkeit bzw. der Verstellmöglichkeiten des Stativs untergebracht.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst der Energiespeicher eine Druckfeder, welche sich zwischen
einem relativ zum ersten Stativteil festen Ringanschlag und einem
verschiebbaren, mit dem Seil verbundenen Kolben abstützt (Anspruch 3).Durch
diese Massnahme kann für
den Energiespeicher das grosse Angebot geeigneter Druckfedern genutzt
werden.
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Wenn
entsprechend Anspruch 4 der Angriffspunkt an einem Gleitstück angeordnet
ist, welches in einer die Schwenkachse orthogonal schneidenden Längsnut des
Schwenkarms verschiebbar ist, kann der Gewichtsausgleich auch bei
einer Gewichtsänderung
des vom Stativ zu tragenden Geräts
durch einfaches Verschieben des Gleitstücks wieder hergestellt werden.
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Zu
diesem Zweck ist es besonders vorteilhaft, das Gleitstück in eine
Spiralnut eingreifen zu lassen, welche um eine zur Schwenkachse
orthogonale Drehachse drehbar ist (Anspruch 5). Durch Drehen der
Spiralnut wird das Gleitstück
in seiner Längsnut
verschoben und damit der Angriffspunkt geändert.
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Wenn
entsprechend Anspruch 6 die Spiralnut als archimedische Spirale
ausgebildet ist, ist die Verschiebung des Angriffspunkts stets proportional zu
dem Drehwinkel, um den die Spiralnut gedreht wird.
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Bei
dem Stativ kann entsprechend Anspruch 8 ein weiterer Energiespeicher
vorgesehen sein, der über
eine an einem Angriffspunkt angelenkte Zugstange auf einen ersten
weiteren Stativteil einwirkt.
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Wenn
entsprechend Anspruch 9 der weitere Energiespeicher dabei eine Zylinder-Kolben-Anordnung
umfasst, welche um eine einen weiteren Widerlagerpunkt enthaltende
Drehachse drehbar an einem zweiten weiteren Stativteil angelenkt
ist, kann die relativ zum zweiten weiteren Stativteil feste Lage
des Widerlagerpunkts exakt und weitestgehend spiel frei verwirklicht
werden.
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Im
Hinblick auf die grosse Auswahl verfügbarer Druckfedern stützt sich
innerhalb der Zylinder-Kolben-Anordnung eine Druckfeder zwischen
einem mit der Zugstange verbundenen Kolben und einer Hohlzylinderstirnfläche ab (Anspruch
10).
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Wenn
entsprechend Anspruch 11 die Zylinder-Kolben-Anordnung seitlich
neben dem ersten weiteren Stativteil angeordnet ist und das kolbenferne
Ende der Zugstange über
eine Querstange am Angriffspunkt angelenkt ist, wird der Schwenkbereich des
ersten weiteren Stativteils durch den Energiespeicher nicht eingeschränkt. Eine
weitere vorteilhafe Ausgestaltung des Gegenstandes nach Anspruch 1
ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 7.
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Das
im folgenden beschriebene Stativ ist im Hinblick auf den Gewichtsausgleich
in seiner Gesamtheit eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Das
Zusammenwirken der Energiespeicheranordnung mit den übrigen Komponenten,
insbesondere Ausgleichsgewichten, Gelenkparallelogrammen, Seilparallelogramm,
der Linear/Schwenkeinheit, etc., dieses beschriebenen Stativs ist
ein besonders vorteilhafter Aspekt der Erfindung.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Zeichnungen
erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Seitenansicht eines erfindungsgemässen Stativs;
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2 eine
in Richtung des Pfeils II von 1 gesehene,
teilweise geschnittene Detailansicht des Stativs;
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3 eine
in Richtung des Pfeils III von 2 gesehene,
teilweise geschnittene Detailansicht des Stativs;
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4 eine 1 entsprechende
Detailansicht des geräteseitigen
Stativabschnitts;
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5 eine
in Richtung der Pfeile V von 4 gesehene,
entlang der Linie V-V von 4 verlaufende
Schnittdarstellung, welche einen Energiespeicher des Stativs zeigt;
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6 eine 5 entsprechende
Schnittdarstellung, welche den Energiespeicher von 5 in einer
anderen Stellung des Stativs zeigt;
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7 eine
in Richtung des Pfeils VII von 5 gesehene,
entlang der Linie VII-VII von 5 verlaufende
Schnittdarstellung des Energiespeichers;
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8 eine
in Richtung des Pfeils VIII von 4 gesehene
Seitenansicht, welche eine Linearschlitten/Schwenkeinheit im Detail
zeigt;
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9 eine
in Richtung des Pfeils IX von 4 gesehene,
entlang der Linie IX-IX von 4 verlaufende
Schnittdarstellung der Linearschlitten/Schwenkeinheit von 4 bzw. 9;
und
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10 eine
in Richtung des Pfeils X von 9 gesehene
Seitenansicht der Linearschlitten/Schwenkeinheit mit aus der Vertikalen
verschwenktem Schwenkelement.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Stativs
schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Das mit 1 bezeichnete
Stativ trägt als
Gerät ein
Operationsmikroskop 3, welches frei bewegbar sein soll.
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Das
Stativ 1 umfaßt
ein Basisteil 7, welches auf einem mittels Rollen 4 verschiebbaren
Fußteil 5 um
eine vertikale Drehachse A1 drehbar gelagert ist. An dem Basisteil 7 ist
ein Schwenkarm 9 angelenkt, welcher um eine orthogonal
zur Zeichenebene von 1 verlaufende Schwenkachse A2
schwenkbar ist.
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An
dem oberen Ende des Schwenkarms 9 ist ein Tragarm 11 angelenkt,
welcher relativ zum Schwenkarm 9 um eine zur Schwenkachse
A2 parallele Drehachse A3 schwenkbar ist. Ein Verbindungsstück 22 ist
am geräteseitigen
Ende des Tragarms 11 um eine zur Drehachse A3 parallele
Drehachse A3' derart
angelenkt, daß das
Verbindungsstück 22,
wie im weiteren dargelegt, seine Ausrichtung stets beibehält. Ferner
ist zwischen dem Verbindungsstück 22 und
einem Gerätearm 13 ein
einachsiges Drehgelenk 24 angeordnet, welches die Drehbarkeit
des Gerätearms 13 um
eine Drehachse A6 erlaubt.
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Am
geräteseitigen
Ende des Gerätearms 13 ist
ein Halterungsarm 15 um eine Drehachse A5 verschwenkbar
angelenkt. Die Drehachse A5 liegt in der Zeichenebene von 1 und
muß sich
mit der stets vertikalen Drehachse A6 im allgemeinen nicht schneiden.
Der Gerätearm 13 ist
aus Platzgründen abgeknickt
und weist an seinem halterungsarmseitigen Ende ein Drehgelenk 14 auf,
welches die Drehung des Halterungsarms 15 um die Drehachse
A5 ermöglicht.
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An
dem geräteseitigen
Ende des Halterungsarms 15 ist über eine Verstellvorrichtung 16 das
Operationsmikroskop 3 um die Drehachse A4 verschwenkbar
angebracht. Die Drehachse A4 verläuft in der Stellung des Stativs 1 gemäß 1 orthogonal zur
Zeichenebene von 1, wobei der Halterungsarm 15 derart
ausgebildet ist, daß sich
die Drehachsen A4 und A5 orthogonal schneiden.
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Die
freie Bewegbarkeit des Operationsmikroskops 3 bedeutet,
daß bei
einer Bewegung des Operationsmikroskops 3 allenfalls Trägheitsmomente und/oder
Lagerreibungen nicht jedoch Gewichtskräfte bzw. Gewichtsdrehmomente überwunden
werden müssen,
d.h. das Stativ 1 muß sich
bezüglich
jeder seiner Dreh- bzw.
Schwenkachsen in einem indifferenten Gleichgewicht befinden. Dies
ist erfüllt,
wenn der Schwerpunkt der zu verschwenkenden Massen auf der jeweiligen
Schwenkachse liegt, d.h. dann, wenn das Stativ um diese Schwenkachse
ausbalanciert ist.
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Bei
nicht auf der Schwenkachse liegendem Massenschwerpunkt kann als
Alternative ein Energiespeicher vorgesehen werden, welcher die bei
einer Verschwenkung um die jeweilige Schwenkachse durch eine Änderung
der Höhenlage
der bewegten Masse im Schwerefeld der Erde frei werdende bzw. aufzubringende
Gravitationsenergie speichert bzw. liefert und dadurch das Drehmoment
des Schwerpunkts um die Schwenkachse ausgleicht.
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Das
Stativ 1 macht, wie es im folgenden beschrieben wird, von
beiden Möglichkeiten
Gebrauch, wobei der Schwenkachse A2 und der Drehachse A5 jeweils
ein Energiespeicher zugeordnet ist und wobei das Stativ 1 um
die Drehachsen A3 und A4 auszubalancieren ist. Bei den Drehachsen
A1 und A6 ist es nicht notwendig, den Schwerpunkt der jeweiligen
bewegten Massen in die Drehachsen selbst zu legen, da bei einer
Drehung um die stets vertikal ausgerichteten Drehachsen A1 und A6
Gravitationsenergie weder frei wird noch aufgewendet werden muß.
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Zunächst wird
der Gewichtsausgleich des Stativs 1 um die Drehachse A3
beschrieben.
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Mittels
eines einachsigen Drehgelenks 33 ist ein zum Schwenkarm 9 paralleler
Parallelogrammarm 35 an dem gerätefernen Ende des Tragarms 11 angelenkt.
Ferner ist eine Verbindungsstange 37 über ein einachsiges Drehgelenk 39 am
tragarmfernen Ende des Schwenkarms 9 und über ein
einachsiges Drehgelenk 41 am tragarmfernen Ende des Parallelogrammarms 35 angelenkt.
Dabei sind die Drehachsen der Gelenke 33, 39 und 41 parallel
zur Drehachse A3 und es ist sowohl der Abstand zwischen der Drehachse
A3 und der Drehachse des Gelenks 33 gleich dem Abstand
zwischen den Drehachsen der Gelenke 39 und 41 als
auch der Abstand zwischen der Drehachse A3 und der Drehachse des
Gelenks 39 gleich dem Abstand zwischen den Drehachsen der
Gelenke 33 und 41. Schwenkarm 9, Parallelogrammarm 35,
Tragarm 11 und Verbindungsstange 37 bilden also
ein Gelenkparallelogramm.
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Auf
der Verbindungsstange 37 bzw. dem Parallelogrammarm 35 ist
jeweils ein Ausgleichsgewicht 43 bzw. 44 verschiebbar
angeordnet, um das Stativ 1 bezüglich seiner Drehachse A3 auszubalancieren.
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Dazu
ist es lediglich notwendig, das verschiebbare Ausgleichsgewicht 43 bzw. 44 so
zu dimensionieren bzw. anzuordnen, daß das Gelenkparallelogramm
wie in 1 dargestellt stabil und offen ist, d.h. eine
von Null verschiedene Fläche
einschließt.
Dann ist das Stativ 1 bezüglich der Drehachse A3 in dem
gewünschten
indifferenten Gleichgewicht.
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Bei
einer Gewichtsveränderung
des Operationsmikroskops 3, z.B. infolge des Einsatzes
von Operationsmikroskopzubehör,
kann die Ausbalancierung bezüglich
der Drehachse A3 durch entsprechendes Verschieben der Ausgleichsgewichte 43 und 44 wiederhergestellt
werden.
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Im
folgenden wird der Gewichtsausgleich des Stativs 1 um die
Schwenkachse A2 erläutert.
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Aufgrund
der Ausgleichsgewichte 43 und 44 sowie des weiteren
Gelenkparallelogramms wirken die Massen von Operationsmikroskop 3,
Halterungsarm 15, Gerätearm 13 und
Tragarm 11 bezüglich
der Schwenkachse A2 und des Schwenkarms 9 so, als ob auf
dem Schwenkarm 9 oder in Verlängerung des Schwenkarms 9 eine
verringerte "effektive
Masse" säße.
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Zum
Ausgleich des durch die verringerte "effektive Masse" auf den Schwenkarm 9 um die Schwenkachse
A2 ausgeübten
Restdrehmoments, d.h. zum Gewichtsausgleich um die Schwenkachse A2,
ist der Energiespeicher 45 vorgesehen. Der Energiespeicher 45 ist
bei 47 an dem Schwenkarm 9 und bei 49 an
dem Basisteil 7 des Stativs 1 angelenkt. Die bei
einer Verschwenkung des Schwenkarms 9 um die Schwenkachse
A2 durch die Änderung
der Höhenlage
der "effektiven
Masse" im Schwerefeld
der Erde frei werdende bzw. aufzubringende Energie wird vom Energiespeicher 45 gespeichert
bzw. geliefert.
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Durch
den Energiespeicher 45 kann also die Masse der Ausgleichsgewichte 43 und 44 relativ
gering gehalten werden bzw. auf weitere Ausgleichsgewichte verzichtet
werden, da die Ausgleichsgewichte 43 und 44 das
gewünschte
indifferente Gleichgewicht nur bezüglich der Drehachse A3 herstellen
müssen und
da hierzu durch die relativ große
Entfernung der Ausgleichsgewichte 43 und 44 von
der Drehachse A3 günstige
Hebelverhältnisse
vorliegen. Aufgrund des Energiespeichers 45 können also
die bei einer Verlagerung des Operationsmikroskopes 3 zu überwindenden
Trägheitskräfte relativ
gering sein.
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Die
prinzipielle Funktionsweise eines derartigen Energiespeichers ist
in dem Aufsatz "Gewichtsausgleich
an feinmechanischen Geräten" von H. Hilpert in
Heft 2/1965 der Zeitschrift FEINGERÄTETECHNIK, 14.Jg. erläutert. Im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stativ sind insbesondere die
in Bild 6 und in Bild 7 dieses Aufsatzes dargestellten Energiespeicher-Anordnungen
von Interesse.
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Der
Energiespeicher 45 übt
eine bei 47 auf den Schwenkarm 9 einwirkende Kraft
in Richtung auf den Widerlagerpunkt 49 aus, welche dem
durch die "effektive
Masse" auf den Schwenkarm 9 um
die Schwenkachse A2 ausgeübten
Drehmoment entgegenwirkt, um den Schwenkarm 9 und damit
das gesamte Stativ bezüglich
der Schwenkachse A2 in einem indifferenten Gleichgewicht zu halten.
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Durch
ein derartiges indifferentes Gleichgewicht kann das Operationsmikroskop 3 an
jeder Stelle des durch die Beweglichkeit um die Schwenkachse A2
zugänglichen
Arbeitsraums kräftefrei
positioniert werden. Dabei ist dann jeder Punkt eines möglichen Verschiebungsweg
des Operationsmikroskops 3 ein Gleichgewichtspunkt, in
welchem die auf das Operationsmikroskop 3 einwirkende resultierende
Kraft verschwindet. Bei einer Verlagerung des Operationsmikroskops 3 müssen dann
allenfalls die durch die zu bewegenden Massen bedingten Trägheitskräfte überwunden
werden.
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Wie
es aus dem bereits zitierten Aufsatz "Gewichtsausgleich an feinmechanischen
Geräten" hervorgeht, ist
es für
das Gleichgewicht um die Schwenkachse A2 erforderlich, daß die Schwenkachse
A2 und der Widerlagerpunkt 49 vertikal über- bzw. untereinander liegen,
d.h., durch die Schwenkachse A2 und den Widerlagerpunkt 49 muß eine Vertikalebene 50 definiert
sein.
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Die
in dem genannten Zeitschriftenartikel offenbarten Energiespeicher-Anordnungen
erfüllen diese
Vertikalitätsebenen-Bedingung jedoch
nur für eine
einzige Schwenkstellung des entsprechenden Schwenkarms, wobei der
Widerlagerpunkt im übrigen
Schwenkbereich aus der Vertikalebene auswandert und dadurch zu einem
schwenkwinkelabhängigen
Restdrehmoment auf den Schwenkarm führt. Im Gegensatz zu diesen
bekannten Stativen bleibt der Widerlagerpunkt 49 des erfindungsgemäßen Stativs bei
einer Verschwenkung des Schwenkarms 9 bezüglich des
Basisteils 7 raumfest und bildet deshalb mit der Schwenkachse
A2 stets die Vertikalebene 50. Das erfindungsgemäße Stativ
ist also in jeder Stellung des Schwenkarms 9 exakt im Gleichgewicht.
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2 zeigt
den Energiespeicher 45 in einer in Richtung des Pfeils
II von 1 gesehenen, teilweise geschnittenen Detailansicht
bei einer Stellung des Stativs 1 mit vertikalem Schwenkarm 9.
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Der
Energiespeicher 45 umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 53,
welches um eine zur Schwenkachse A2 parallele Drehachse 57 drehbar
angeordnet ist. Dazu greifen zwei Achszapfen 55 in fest
mit dem Stativbasisteil 7 verbundene Halterungswangen 59 ein.
In das zylindrische Gehäuse 53 ragt
eine Zugstange 61, an deren kolbenartig ausgebildetem Ende 63 sich
eine Druckfeder 65 mit ihrem einen Ende abstützt. Mit
ihrem anderen Ende stützt
sich die Druckfeder 65 an der kolbenfernen Stirnfläche 67 des
zylindrischen Gehäuses 53 ab.
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Die
Zugstange 61 ist außerhalb
des zylindrischen Gehäuses 53 mit
einer Querstange 69 verbunden. Die Querstange 69 ist
an der Zugstange 61 über ein
Drehlager 71 und an dem Schwenkarm 9 über ein Drehlager 73 bzw.
die in 1 lediglich schematisch dargestellte Anlenkung 47 angelenkt.
Der Widerlagerpunkt 49 befindet sich also im Schnittpunkt
der Drehachse 57 des Energiespeichergehäuses 53 mit der Ebene
des den Schwenkarm 9 und den Parallelogrammarm 35 umfassenden
Gelenkparallelogramms.
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In 2 ist
ferner ein Schwenklager 77 zu erkennen, über welches
der Schwenkarm 9 an einem Achszapfen 79 des Stativbasisteils 7 um
die Schwenkachse A2 schwenkbar gelagert ist.
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Die
Wirkungsweise des Energiespeichers 45 ist anhand von 3 zu
erkennen. 3 ist eine Seitenansicht der
Detaildarstellung von 2 in Richtung des Pfeils III
von 2, wobei der Energiespeicher 45 geschnitten
dargestellt ist. Dabei unterscheidet sich die in 3 dargestellte
Situation jedoch insofern von 2, als der
Schwenkarm 9 in 2 vertikal ausgerichtet ist
und in 3 aus seiner Vertikalstellung in eine Schrägstellung
geschwenkt ist.
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In
der in 2 dargestellten Stellung des Schwenkarms 9 wirkt
auf den Schwenkarm 9 kein Drehmoment ein, da der Schwerpunkt
der auf den Schwenkarm 9 lastenden "effektiven Masse" genau vertikal über der Schwenkachse A2 liegt.
Deshalb nimmt die Druckfeder 65 in der Stativstellung gemäß 2 den
gesamte Raum innerhalb des Energiespeichergehäuses 53 ein.
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Bei
der in 3 dargestellten Stellung des Schwenkarms 9 führt die "effektive Masse" zu einem Drehmoment,
welches den Schwenkarm 9 um die Schwenkachse A2 entgegen
der Uhrzeigerrichtung zu verdrehen versucht. In dieser Stellung
gemäß 3 ist
aber auch die Zugstange 61 gegenüber ihrer Position gemäß 2 aus
dem Energiespeichergehäuse 53 unter
Komprimierung der Druckfeder 65 herausgezogen. Dem Drehmoment
der "effektiven Masse" wirkt also die durch
die Komprimierung der Druckfeder 65 erzeugte Federkraft
entgegen und hält den
Schwenkarm 9 im Gleichgewicht.
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Die
Federkraft greift im Bereich der Anlenkung 47 am Schwenkarm 9 an
und ist auf den Widerlagerpunkt 49 gerichtet, welcher auf
der Drehachse 57 des Energiespeichergehäuses 53 liegt, da
die in 3 gestrichelt dargestellte Längsachse 61a der Zugstange 61 die
Drehachse 57 schneidet und die Richtung der auf den Schwenkarm 9 ausgeübten Federkraft
parallel zur Zugstangenlängsachse 61a ist. Dabei
ist aufgrund der Kraftübertragung
vermittels der in 2 dargestellten Querstange 69 die
Verbindungslinie zwischen dem Kraftangriffspunkt im Bereich der
Anlenkung 47 und dem Widerlagerpunkt 49 parallel
zur Zugstange 61.
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Da
der Widerlagerpunkt 49 auf der Drehachse 57 des
Energiespeichergehäuses 53 liegt
und die Drehachse 57 bei einer Schwenkbewegung des Schwenkarms 9 um
die Drehachse A2 raumfest bleibt, ist die in den 1 und 3 gestrichelt
dargestellte, den Widerlagerpunkt 49 und die Schwenkachse
A2 enthaltende Ebene 50 immer vertikal.
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Aus
dem genannten Aufsatz von H. Hilpert kann für jeden gegebenen Anwendungsfall
die Federkonstante der Druckfeder 65 auf die spezielle
Stativkonfiguration und insbesondere auf den konkret gewählten Kraftangriffspunkt 47 am
Schwenkarm 9 angepasst werden. Siehe dazu insbesondere
die Formeln (15) und (22) auf den Seiten 62 und 63 in dem
genannten Aufsatz.
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Für den Gewichtsausgleich
um die Drehachse A5 ist ein im Gerätearm 13 angeordneter,
in 4 angedeuteter, weiterer Energiespeicher 95 vorgesehen,
welcher ebenfalls nach dem in dem Aufsatz von H. Hilpert dargelegten
Prinzip arbeitet und ebenfalls die Nachteile der in diesem Aufsatz
beschriebenen Energiespeicher vermeidet.
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Aufbau
und Funktionsweise dieses weiteren Energiespeichers 95,
von dem in 4 ein Einstellelement 97 zu
sehen ist, werden anhand der 5, 6 und 7 erläutert.
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5 ist
eine Schnittansicht eines Teils des im Gerätearm 13 angeordneten
Energiespeichers 95 gesehen in Richtung der Pfeile V von 4.
Deshalb ist die Drehachse A5 relativ zur Zeichenebene von 5 orthogonal.
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6 ist
eine 5 entsprechende Schnittansicht und zeigt den Energiespeicher 95 in
einer anderen Drehstellung des Halterungsarms 15 um die Drehachse
A5.
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Ein
parallel zur Drehachse A4 angeordneter Hebelarm 99 ist
mit dem Halterungsarm 15 fest verbundenen und ist deshalb
zusammen mit dem Halterungsarm 15 um die Drehachse A5 verschwenkbar, wobei
der Hebelarm 99 orthogonal zur Drehachse A5 ist und diese
schneidet.
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Da,
wie es im folgenden erläutert
wird, der Schwerpunkt des Operationsmikroskops 3 auf der Drehachse
A4 liegt und sich die Drehachsen A4 und A5 orthogonal schneiden,
wirkt das vom Operationsmikroskop 3 auf den Halterungsarm 15 ausgeübte Drehmoment
so, als ob das Operationsmikroskop 3 auf dem Hebelarm 99 oder
in Verlängerung
des Hebelarms 99 angeordnet wäre, wobei der Abstand zwischen
dem Schnittpunkt der Drehachsen A4 und A5 und dem Schwerpunkt des
Operationsmikroskops 3 mit der Hebellänge 1 aus dem genannten
Aufsatz von H. Hilpert gleichzusetzen ist.
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Deshalb
kann das Stativ 1 bezüglich
des vom Operationsmikroskop 3 um die Drehachse A5 ausgeübten Drehmoments
durch den am Hebelarm 99 angreifenden Energiespeicher 95 ausbalanciert werden.
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Dazu
ist zwischen dem Hebelarm 99 und einem im Inneren des zylindrischen
Gerätearms 13 verschiebbar
aufgenommenen Kolben 101 ein Seil 103 gespannt,
welches von einer Seilrolle 105 aus der Längsachse
des Gerätearms 13 zu
einem Angriffspunkt 107 am Hebelarm 99 umgelenkt
wird. Zwischen dem Kolben 101 und einem halterungsarmseitigen
Ringanschlag 109 im Inneren des Gerätearms 13 stützt sich
eine schraubenförmige
Druckfeder 111 ab.
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Die
Druckfeder 111 wird bei einer Verschwenkung des Halterungsarms 15 um
die Drehachse A5 in die Stellung gemäß 6 komprimiert, da
durch die an die Verschwenkung des Halterungsarms 15 gekoppelte
Drehung des Hebelarms 99 um die Drehachse A5 der Kolben 101 über das
Seil 103 zur Drehachse A5 hin gezogen wird. Die dadurch
auf den Hebel 99 und damit den Halterungsarm 15 ausgeübte Federkraft
greift im Angriffspunkt 107 an und ist auf einen Widerlagerpunkt 113 am
Umfang der Seilrolle 105 gerichtet. Diese Federkraft soll
das von den Massen des Halterungsarms 15, der Verstellvorrichtung 16 und
des Operationsmikroskops 3 auf den Halterungsarm 15 um
die Drehachse A5 ausgeübte Drehmoment
kompensieren und bezüglich
der Drehung um die Drehachse A5 ein indifferentes Gleichgewicht
herstellen.
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Die
Seilrolle 105 ist wippenartig derart gelagert, daß sie sich
frei um den Widerlagerpunkt 113 drehen kann, wobei die
mit einem Verschwenken des Halterungsarms 15 einhergehende
Lageänderung des
Mittelpunkts 115 der Seilrolle 105 durch den Doppelpfeil 117 angedeutet
ist. Dadurch bleibt der Widerlagerpunkt 113 auch bei einer
Verschwenkung des Halterungsarms 15 bzw. des Hebelarms 99 um
die Drehachse A5 raumfest.
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Da
die Zeichenebene von 4 eine Vertikalebene ist und
sowohl die Drehachse A5 als auch die Längsachse des Gerätearms 13 enthält und der Widerlagerpunkt 113 auf
dieser Längsachse
des Gerätearms 13 angeordnet
ist, definiert der Widerlagerpunkt 113 zusammen mit der
Schwenkachse A5 des Halterungsarms 15 eine Vertikalebene.
Die Längsachse
des Halterungsarms 13 ist in 4 durch
die Verbindungslinie der Pfeilspitzen der beiden Pfeile V festgelegt.
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Aufgrund
der erläuterten
wippenartigen Lagerung der Seilrolle 105 im Widerlagerpunkt 113 ist gewährleistet,
daß der
Mittelpunkt 115 der Seilrolle 105 bei einer Verschwenkung
des Halterungsarms 15 derart ausgelenkt wird, daß der Widerlagerpunkt 113 raumfest
bleibt und die durch den Widerlagerpunkt 113 und die Schwenkachse
A5 definierte Ebene stets eine Vertikalebene ist.
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Damit
ist, wie es bereits im Zusammenhang mit dem Energiespeicher 45 beschrieben
wurde, der Halterungsarm 15 in jeder seiner Schwenkstellungen im
indifferenten Gleichgewicht, falls sich der Schwerpunkt der Massen
des Halterungsarms 15, der Verstellvorrichtung 16 und
des Operationsmikroskops 3 auf der zum Hebelarm 99 parallelen
Drehachse A4 befindet.
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Um
auch beim Anbringen von Zusatzkomponenten am Operationsmikroskop 3 ein
Gleichgewicht um die Drehachse A5 zu erhalten, ist der Angriffspunkt 107 des
Seils 103 entlang des Hebelarms 99 verschiebbar.
Damit ist die im Aufsatz von H. Hilpert prinzipiell in Bild 7 dargestellte
Energiespeicher-Anordnung
verwirklicht.
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Zu
diesem Zweck ist der Angriffspunkt 107 an einem Gleitstück 121 angeordnet,
welches in einer die Drehachse A5 orthogonal schneidenden Längsnut 119 des
Hebelarms 99 verschiebbar geführt ist. Das Gleitstück 121 greift
mit einem Zapfen 123 in eine Spiralnut 125 einer
mit dem Hebelarm 99 um die Drehachse A5 verschwenkbaren
archimedischen Spirale 127 ein. Die archimedische Spirale 127 liegt
in einer zum Hebelarm 99 und zur Drehachse A5 parallelen
Ebene. Durch den fest mit der archimedischen Spirale 127 verbundenen
Drehknopf 97 kann die archimedische Spirale 127 relativ
zum Hebelarm 99 um eine die Drehachse A5 orthogonal schneidende
Drehachse 98 gedreht werden und damit der Abstand des entlang
des Hebelarms 99 geführten
Federkraftangriffspunkts 107 von der Schwenkachse A5 eingestellt
werden. Da die Führungsnut 125,
in welche der Zapfen 123 eingreift, eine archimedische Spirale
ist, ist die Abstandsänderung
stets proportional zu dem Drehwinkel des Drehknopfs 97.
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Anstelle
der archimedischen Spirale 127 bzw. 125 kann das
Gleitstück 121 aber
auch mit Hilfe einer Schraubspindel verstellt werden, welche parallel
zum Hebelarm 99 anzuordnen wäre, und vom Drehknopf 97 aus über ein
Kegelradgetriebe verstellbar wäre.
Der Drehknopf 97 sollte relativ zum Hebelarm 99 wie
in 5 dargestellt angeordnet sein, um nicht durch
Anschlag an den Enden des Schlitzes 129 im Gerätearm 13 den
Schwenkbereich des Halterungsarms 15 einzuschränken.
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In 7 ist
die wippenartige Lagerung der Seilrolle 105 detaillierter
dargestellt. Dabei ist 7 eine Schnittansicht gesehen in
Richtung der Pfeile VII von 5.
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Die
Seilrolle 105 ist um eine durch ihren Mittelpunkt 115 verlaufende
Drehachse 137 drehbar an einem Trägerteil 131 gelagert.
Das Trägerteil 131 ist mittels
eines Drehlagers 133 um eine den Widerlagerpunkt 113 schneidende
Drehachse 135 drehbar an dem Ringanschlag 109 des
Gerätearms 13 gelagert.
Dadurch ist die Seilrolle 105 um die Drehachse 135 drehbar
im Widerlagerpunkt 113 wippenartig gelagert, wobei der
Widerlagerpunkt 113 in der Mitte des endlichen Querschnitts
des Seils 103 und auf der Drehachse 135 angeordnet
ist.
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Auch
für den
Energiespeicher 95 können
aus dem genannten Aufsatz von H. Hilpert für jeden gegebenen Anwendungsfall
die geeignete Federkonstante der Druckfeder 111 und die
Lage des Kraftangriffspunkts 107 am Hebelarm 99 ohne
weiteres bestimmt werden, siehe dazu insbesondere die Formeln (15)
und (22) auf den Seiten 62 und 63 in diesem Aufsatz. Wobei
der Energiespeicher 95 die Möglichkeit bietet, bei einer
geeignet gewählten
mittleren Federkonstante den jeweiligen Gewichtsausgleich durch
Ausprobieren, d.h. durch geeignetes Verschieben des Kraftangriffspunkts 107,
herzustellen.
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Zu 1 zurückkommend
wird im folgenden erläutert,
warum die Drehachse A6 stets vertikal ausgerichtet ist und damit
auf einen der Drehachse A6 zugeordneten Energiespeicher bzw. auf
eine Einjustierung des Schwerpunkts der um die Drehachse A6 verschwenkten
Massen auf die Drehachse A6 verzichtet werden kann.
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Zentrisch
zur Drehachse A3 ist am oberen Ende des Schwenkarms 9 eine
fest mit einem stets horizontal ausgerichteten Horizontalarm 23 verbundene
Umlenkrolle 17 gelagert. Am gerätearmseitigen Ende des Tragarms 11 ist
eine weitere relativ zum Tragarm 11 drehbare Umlenkrolle 19 zentrisch
um eine zur Drehachse A3 parallele Drehachse A3' gelagert, wobei ein geschlossener Seilzug 21 schlupffrei um
die Umlenkrollen 17 und 19 herum verläuft. Dabei ist an der Umlenkrolle 19 das
Verbindungsstück 22 drehfest
angeordnet.
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Der
an der Umlenkrolle 17 unverdrehbar angeordnete Horizontalarm 23 ist über ein
einachsiges Drehgelenk 25 mit einem Ende einer Parallelogrammstange 27 verbunden,
wobei die Parallelogrammstange 27 an ihrem anderen Ende über ein einachsiges
Drehgelenk 29 an dem Basisteil 7 des Stativs 1 angelenkt
ist. Dabei verlaufen die Drehachsen der Gelenke 25 und 29 parallel
zur Drehachse A2 bzw. A3.
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Der
zwischen den Drehachsen A2 und A3 gelegene Abschnitt des Schwenkarms 9 bildet
zusammen mit der Parallelogrammstange 27 sowie dem Horizontalarm 23 und
der gedachten, und deshalb in 1 gestrichelt
dargestellten Verbindungslinie 31 zwischen der Schwenkachse
A2 und dem Gelenk 29 ein Gelenkparallelogramm. Es ist also
der Abstand zwischen der Schwenkachse A2 und der Drehachse A3 gleich
dem Abstand zwischen der Drehachse des Drehgelenks 25 und
der Drehachse des Drehgelenks 29. Ferner ist der Abstand
zwischen der Schwenkachse A2 und der Drehachse des Gelenks 29 gleich
dem Abstand zwischen der Drehachse A3 und der Drehachse des Gelenks 25.
Da sich zudem die horizontale Lage der gestrichelt dargestellten
Verbindungslinie 31 bei einer Verschwenkung des Stativs 1 um
die Achsen A1 bis A6 nicht ändert,
ist der Horizontalarm 23 unabhängig von der jeweiligen Stellung
des Schwenkarms 9 stets horizontal ausgerichtet.
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Bei
einer Verschwenkung des Tragarms 11 um die Drehachse A3
oder bei einer Verschwenkung des Schwenkarms 9 um die Schwenkachse
A2 drehen sich die Umlenkrollen 17 und 19 gegenüber dem Tragarm 11 stets
so, daß die
Orientierung der Umlenkrollen 17 und 19 relativ
zur Vertikalrichtung konstant bleibt, da ja der Horizontalarm 23 fest
mit der Umlenkrolle 17 verbunden ist und die Umlenkrolle 17 über den
ein Seilparallelogramm bildenden, geschlossenen Seilzug 21 mit
der Umlenkrolle 19 gekoppelt ist.
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Da
der Gerätearm 13 über das
Verbindungsstück 22 fest
mit der Umlenkrolle 19 verbunden ist, bleibt auch seine
Orientierung relativ zur Vertikalrichtung immer konstant. Deshalb
bleibt die Drehachse A6 selbst bei einer Verschwenkung des Schwenkarms 9 oder
des Tragarms 11 stets vertikal ausgerichtet.
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In 4 ist
der den vorderen Abschnitt des Tragarms 11, den Gerätearm 13,
den Halterungsarm 15 und das Operationsmikroskop 3 umfassende
Bereich des Stativs 1 dargestellt.
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In 4 ist
zu erkennen, daß der
geschlossene Seilzug 21 im Bereich der Umlenkrollen 17 und 19 als
biegbares Seil 81 und zwischen den Rollen 17 und 19 als
starrer Stangenabschnitt 83 bzw. 85 ausgebildet
ist. Die Seilabschnitte 81 umgreifen die Umlenkrollen 17 und 19 schlupffrei
und sind derart dimensioniert, daß über den gesamten Schwenkbereich
des Tragarms 11 eine Berührung zwischen den starren
Stangenabschnitten 83 und 85 und den Umlenkrollen 17 bzw. 19 vermieden
wird.
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Durch
eine derartige Ausgestaltung des die Umlenkrollen 17 und 19 sowie
den geschlossenen Seilzug 21 umfassenden Seilparallelogramms
können
unter Beibehaltung des Gewichtsvorteils eines Seilparallelogramms
gegenüber
einem Gestängeparallelogramm
die durch ein Seil bedingten, hystereseartigen Seildehnungseffekte
weitgehend minimiert werden. Dadurch kann das geringe Gewicht eines Seilzugs
mit der hohen Steifigkeit eines Gestänges kombiniert werden. Ohne
die Seilparallelogrammzugstangen 83 und 85 wäre zur Unterdrückung dieser
hystereseartigen Dehnungseffekte eine sehr hohe Seilvorspannung
erforderlich, welche die Lager der Umlenkrollen 17 und 19 übermäßig belasten
würde.
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Im
folgenden wird der Gewichtsausgleich des Stativs 1 um die
Drehachse A4 erläutert.
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Dazu
wird mittels der zwischen den Halterungsarm 15 und das
Operationsmikroskop 3 geschalteten Verstellvorrichtung 16 der
Schwerpunkt des Operationsmikroskops 3 auf die Drehachse
A4 gebracht und damit das Stativ 1 um die Drehachse A4
ausbalanciert.
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8 zeigt
die Verstellvorrichtung 16 in einer Seitenansicht gesehen
in Richtung des Pfeils VIII von 4.
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Die
Verstellvorrichtung 16 ist als Linearschlitten/Schwenk-Einheit ausgebildet,
welche einen Linearschlitten 139 und ein Schwenkelement 141 umfaßt. Der
Linearschlitten 139 ist in Richtung des Doppelpfeils 143 an
einem um die Drehachse A4 verschwenkbaren Basisteil 145 der
Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 verschiebbar. Auf dem
Linearschlitten 139 und deshalb mit diesem in Richtung des
Doppelpfeils 143 verschiebbar ist das Schwenkelement 141 um
eine Schwenkachse 147 verschwenkbar angeordnet. An dem
Schwenkelement 141 ist dann das Operationsmikroskop 3 fest
angeordnet. Da das Basisteil 145 am Halterungsarm 15 um
die Drehachse A4 drehbar angelenkt ist, kann das Operationsmikroskop 3 zusammen
mit der Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 auch um die Drehachse
A4 gedreht werden.
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In 8 ist
ferner ein Drehknopf 149 zum Verschieben des Linearschlittens 139 und
ein weiterer Drehknopf 151 zum Verschwenken des Schwenkelements 141 um
die Schwenkachse 147 zu sehen. Der Drehknopf 151 wirkt
dazu auf ein auf dem Schwenkelement 141 ausgebildetes Schneckenrad 153 mit
Schrägverzahnung
ein.
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9 zeigt
die Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 in einer die Drehachsen
A4 und 147 umfassenden Schnittdarstellung entlang der durch
die Pfeile IX in 4 festgelegten Schnittlinie.
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In 9 ist
zu erkennen, daß mit
dem Drehknopf 149 eine Schraubspindel 155 um eine
in der Zeichenebene von 9 liegende Drehachse 156 verdreht
werden kann. Die Schraubspindel 155 durchsetzt eine Gewindebohrung 158 des
Linearschlittens 139, welcher in der Ausnehmung 157 des
Basisteils 145 in Richtung des Doppelpfeils 143 aus 8 verschiebbar
geführt
ist. Durch Drehen am Drehknopf 149 kann der Linearschlitten 139 und
damit das Operationsmikroskop 3 also relativ zur 9 nach
oben oder nach unten bewegt werden.
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An
dem Linearschlitten 139 ist eine weitere Schraubspindel 159 drehbar
um eine orthogonal zur Zeichenebene von 9 verlaufende
Drehachse 161 angeordnet. Die weitere Schraubspindel 159 kämmt dabei
mit dem Schräggewinde
des Schneckenrads 153 des Schwenkelements 141.
Da das Schneckenrad 153 über das Drehlager 163 relativ zum
Linearschlitten 139 um die Drehachse 147 verdrehbar
ist, kann das Schwenkelement 141 und damit das Operationsmikroskop 3 durch
eine Drehung der Schraubspindel 159 verschwenkt werden.
Eine derartige Drehung der Schraubspindel 159 wird durch
den in 8 zu sehenden, fest mit der Schraubspindel 159 verbundenen
Drehknopf 151 bewirkt.
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In 9 ist
ferner das die Drehung der Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 um
die Drehachse A4 ermöglichende
Drehlager 165 zu sehen.
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10 ist
eine in Richtung des Pfeils X von 9 gesehene
Draufsicht auf die Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 mit
aus der Vertikalen verschwenktem Schwenkelement 141.
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In 10 ist
der die Schraubspindel 159 aufnehmende Abschnitt 167 des
Linearschlittens 139 deutlich zu erkennen und es sind am
Schwenkelement 141 ausgebildete Befestigungslöcher 169 zu erkennen,
mit deren Hilfe das in 10 aus Darstellungsgründen nicht
eingezeichnete Operationsmikroskop am Schwenkelement 141 befestigt
ist. Die Drehachse A4 verläuft
genauso wie die Drehachse 147 orthogonal zur Zeichenebene
von 10. Es ist zu beachten, daß um die Drehachse 147 lediglich das
Schwenkelement 141, um die Drehachse A4 jedoch die gesamte
in 10 dargestellte Linearschlitten/Schwenkeinheit 16 verschwenkbar
ist.