DE2234398A1

DE2234398A1 - Servomotorantrieb fuer roentgenzielgeraet

Info

Publication number: DE2234398A1
Application number: DE2234398A
Authority: DE
Inventors: Kurt Gieschen; Wolfgang Hecker
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1972-07-13
Filing date: 1972-07-13
Publication date: 1974-01-31
Also published as: FR2192792B1; JPS5735449B2; NL7309535A; DE2234398C2; FR2192792A1; SE415225B; CA992223A; US3866048A; JPS4946693A; IT991710B; GB1433340A

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH., Hamburg 1, Steindamm 94,

ⁿ Servomotorantrieb für Röntgenzielgerät"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Servomotorantrieb zur Bewegung eines Röntgenzielgerätes.

Es ist bereits ein Servomotorantrieb zur Bewegung eines Röntgenzielgerätes bekannt mit einem Wandler zur Umwandlung der vom Benutzer aufgebrachten Kraft in eine proportionale elektrische Spannung (deutsche Patentanmeldung M 25 099). Die Spannung dient dabei zur Drehzahlsteuerung, so daß die Geschwindigkeit des Zielgerätes von der vom Benutzer auf einen am Zielgerät angebrachten, in Bewegungsrichtung verschiebbaren Handgriff ausgeübten Kraft abhängt. Übt der Benutzer auf diesen Handgriff eine konstante Kraft aus, dann springt die Geschwindigkeit des Zielgerätes nahezu ruckartig von Null auf einen bestimmten Wert. Die Beschleunigung ist zu Beginn also sehr groß, und daher hat der\Benutzer zunächst das Gefühl, eine sehr kleine Masse zu bewegen. Bleibt die vom Benutzer aufgebrachte Kraft danach weiterhin konstant, dann ändert sich die Geschwindigkeit nicht. Die Beschleunigung, ist dann praktisch Null, so daß der Benutzer dann das Gefühl hat, eine sehr große Masse zu bewegen. Dieses Bewegungsverhalten ist für den Benutzer unangenehm, weil er lediglich den Eindruck hat, das Zielgerät mit dem Handgriff zu steuern.

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Bei einem anderen bekannten Servomotorantrieb (DT-AS 1 566 II9) mit einem Wandler zur Umwandlung der vom Benutzer aufgebrachten Kraft in eine elektrische Spannung, die den Motorantrieb derart steuert, daß die Beschleunigung des Zielgerätes durch den Motorantrieb proportional der vom Benutzer aufgebrachten Kraft ist, wird dieser Nachteil vermieden. Die Proportionalität zwischen der Beschleunigung des Zielgerätes und der vom Be- ·' nutzer ausgeübten kraft wird dabei mittels einer Steuerkulisse erzielt, die an dem Handgriff angebracht ist, mit dem der Benutzer das Gerät verschiebt, und die bei dieser Verschiebung die Dämpfungsklappe, eines Oszillators verschiebt, dessen Ausgangsspannung gleichgerichtet wird und eine zwischen dem Motorantrieb und dem Geräteteil angebrachte Magnetkupplung steuert. Hierzu müssen die Form der Steuerkulisse, die elektrische Auslegung des Oszillators und die Kennlinie der Magnetkupplung so bemessen sein, daß sich der gewünschte, lineare Zusammenhang" ergibt. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß es Schwierigkeiten -bereitet, bei den vorhandenen Toleranzen dieser Bauelemente die angegebene Bemessung zu erreichen. Insbesondere ist es schwierig, nachträglich das Verhältnis der vom Benutzer aufgebrachten Kraft zu der durch den Motor aufgebrachten Kraft zu verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motorantrieb dieser Art so auszubilden, daß trotz der vorhandenen Fertigungsstreuungen stets ein linearer Zusammenhang zwischen der vom Benutzer aufgebrachten Kraft und der vom Motorantrieb gelieferten Kraft besteht und daß das Verhältnis dieser beiden Kräfte auch nachträglich verändert werden kann, ohne daß der lineare Zusammenhang zwischen den beiden Kräften beeinflußt wird. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Wandler so bemessen ist, daß der Wandler eine der Kraft des Benutzers wenigstens annähernd proportionale Spannung liefert, daß diese Spannung einem Integrator zugeführt wird, dessen Ausgangs-

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spannung proportional dem zeitlichen Integral dieser Spannung ist, und daß die Drehzahl des Motors proportional zur Ausgangsspannung' des Integrators regelbar ist.

Gemäß einer weiteren Ausbildung wird als Wandlerelement ein piezoelektrischer Kristall benutzt.

Im allgemeinen müssen für einen solchen-Motorantrieb zur Registrierung der vom Benutzer aufgebrachten Kraft, die in zwei entgegengesetzten Richtungen wirken kann, zwei Wandler vorgesehen werden. Man kommt jedoch mit einem Wandler aus, wenn in Weiterbildung der Erfindung der Wandler mechanisch vorgespannt ist und die vom Benutzer auf den Handgriff ausgeübte Kraft eine Verringerung oder Vergrößerung der Vorspannung bewirkt. Dabei müssen in der Regel geeignete Mittel vorgesehen sein, damit der Spannungsnullpunkt der mechanischen Vorspannung zugeordnet wird. Wie später gezeigt.wird, ergibt sich diese Zuordnung bei Verwendung von piezoelektrischen Wandlerelementen von selbst.

Es kann erwünscht, sein, die Verschiebung des Röntgenzielgerätes auch in zwei oder gar drei zueinander senkrechten Richtungen mit Unterstützung eines Servomotors auszuführen. Die hierfür erforderlichen Motorantriebe werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch gesteuert, daß jedem Motorantrieb mindestens ein Wandler zugeordnet ist, der derart im» Zielgerät angeordnet ist, .daß die Drehzahl des Motorantriebes beeinflußt wird, wenn die vom Benutzer auf einen Handgriff ausgeübte Kraft eine Komponente in der Wirkungsrichtung des Motorantriebes aufweist.

In der Regel sind bei der Bewegung eines Röntgenzielgerätes in den drei zueinander senkrechten Richtungen (längs, quer und in Kompressionsrichtung) unterschiedliche Massen zu beschleunigen; so ist z.B. bei einer Bewegung des Zielgerätes in Kompressionsrichtung nur das die Masse des Zielgerätes

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und eines etwaigen für das Zielgerät- vorgesehenen Gegengewichtes zu bewegen, während bei einer Bewegung in Längsrichtung auch der Röhrenwagen und das diesem zugeordnete Gegengewicht bewegt werden müssen. Der Arzt möchte aber bei Ai^endung einer bestimmten Kraft in jeder Richtung jeweils die gleiche Beschleunigung erreichen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist daher die Schaltungsanordnung zur Integration der Spannung am Ausgang des Wandlers derart bemessen, daß der bei einer vorgegebenen Kraft sich ergebende Sollwert bzw. die sich dabei ergebende Drehzahl für jeden der drei Motorantriebe gleich ist.

Die Erfindung und weitere sich bei ihrer Anwendung ergebende Vorteile werden nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Röntgenzielgerät mit Servoantrieb für die Längsverschiebung,

Fig. 2 die Anordnung eines Wandlers, der Kräfte in zwei • einander entgegengesetzte!Richtungen aufnehmen kann,

Fig. 3 eine bei piezoelektrischen Wandlern anwendbare Schaltung zur Erzeugung einer der aufgebrachten Kraft proportionalen Spannung und zur Integration dieser Spannung.

Fig. 1 zeigt ein Röntgenzielgerät, das am Handgriff 2 in der gewünschten Richtung bewegt wird, wobei, falls die Bewegung in der Längsrichtung erfolgt, ein Wandler 8 mehr oder weniger ■belastet wird. Dabei ist zur Unterstützung der Bewegung des Zielgerätes in Längsrichtung ein Motor J> vorgesehen, dessen Antriebskraft auf ein Ritzel 5 und eine mit diesem verbundene Antriebskette 6 einwirkt, an der das Zielgerät befestigt ist. Die Drehzahl des Motors 3 wird durch eine Drehzahlregelung auf einen Sollwert gebracht, wozu eine elektrische Spannung verwendet wird, die der zu erreichenden Soll-Drehzahl proportional und von der Kraft auf den Handgriff 2 sowie deren Dauer abhängig

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ist. Die Umsetzung dieser"Spannung in eine hierzu proportionale Drehzahl ist an sich bekannt (vergl. DT-AS 1.936 915, Pig. 2); sie soll daher hier' nicht näher erläutert werden»

Pi-g. 2 zeigt die Anordnung eines piezoelektrischen Wandlerelementes 8 (z.B. aus Bariumtitanat), das Kräfte in zwei einander entgegengesetzten Richtungen aufnehmen kann« Ein piezoelektrisches Wandlerelement hat gegenüber mit Federn versehenen Wandlern, die bei den bekannten Motorantrleben für Röntgenuntersuchungsgeräte verwendet werden,, den Vorteil, daß der Handgriff, auf den die Kraft des Benutzers einwirkt, relativ zum Zielgerät •nicht verschoben wird. Der Piezokristall 8 ist zwischen zwei Stegen 10 und 13 eingespannt, wobei der Steg 13 fest mit dem Zielgerät und der Steg 10 über einen Stift 9 mit dem Handgriff 2 verbunden ist. Die Stege 10 und 13 werden mittels einer Schraube 11 gegen den Piezokristall 8 sowie einen Stift 12 gedrückt, der ein stärkeres Verkanten der Stege gegeneinander verhindern soll. Wenn auf den Handgriff 2 eine nach unten gerichtete Kraft wirkt, verringert sich der Druck auf den Kristall 8, während bei nach oben gerichteter Kraft der Druck auf den Kristall 8 vergrößert wird. Zwischen den Änderungen der Kraft auf den Handgriff 2 und der Änderung der Oberflächenladung auf dem Kristall 8 besteht bekanntlich eine lineare Beziehung.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild einer Schaltung zur Erzeugung einer Spannung für die Drehzahlregelung des Motors 3 aus den Ladungsänderungen am Kristall 8. Die Elektroden des Kristalls 8 sind über einen Widerstand 14 von 56 kOhm mit dem hochohmigen, mit Feldeffekttransistoren bestückten Eingang eines Operationsverstärkers verbunden, dessen Ausgang über einen Kondensator 15 von 100 nFmit dem Eingang verbunden ist. Die Ladung am Kristall 8 wird entsprechend der durch den Widerstand 14 und die Kristallkapazität 15 gegebenen Zeitkonstanten abgebaut, und der dabei fließende Strom lädt den Kondensator 15 auf, so daß. die Spannung an diesem Kondensator bzw. - weil die Spannung

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am Eingang des Verstärkers ΐβ wegen hoher Verstärkung nahezu Null ist - die Spannung am Ausgang des Verstärkers ΐβ proportional der vorher auf dem Kristall 8 gespeicherten Ladung ist. Ändert sich der Druck auf den Kristall und damit die Ladung, so ändert sich die Spannung am Ausgang des Verstärkers 16 entsprechend. Da diese Spannung der Summe aller Ladungsänderungen proportional ■ist und da die Ladungsänderung proportional der Kraftänderung ist, ist die Spannung am Ausgang des Verstärkers l6 proportional zu der auf den Handgriff 2 einwirkenden Kraft. Diese Spannung wird einer Integrationsstufe zugeführt, die aus einem Operationsverstärker besteht, dessen Ausgang über einen Kondensator 18 von 1,5 ⁿP fflik dem Eingang des Operationsverstärkers 17 verbunden ist, der außerdem über einen einstellbaren Widerstand 19 von ca. 100 kOhm mit dem Ausgang des Verstärkers 16 verbunden ist. Die Spannung am Ausgang der Integrierstufe ist dem zeitlichen Integral der Spannung am Ausgang der des LadungsVerstärkers und damit dem zeitlichen Integral der Kraft auf den Handgriff 2 proportional. Die Drehzahl des Motors j5 wird in bekannter Weise (DT-AS 1 936 915) auf einen zu der Spannung am Ausgang der Integrierstufe (17,18,19) jeweils proportionalen Wert gebracht.

Das Verhältnis der vom Benutzer aufgebrachten Kraft zur Servounterstützung kann mittels des einstellbaren Widerstandes 19 eingestellt werden. Je größer dieser Widerstand nämlich ist, um so geringer ist die Spannung am Ausgang der Integrierstufe und um so weniger' ändert sieh die Drehzahl des Motors. Statt des einstellbaren Widerstandes 19 der Integrierstufe könnte auch am Ausgang dieser Stufe ein Potentiometer vorgesehen werden, von dessen verstellbarem Abgriff die Spannung zur Regelung der"Drehzahl des Motors 3 abgenommen wird. Zur Umschaltung der Drehrichtung des Motors 5 kann die Polaritätsänderung der Spannung am Ausgang der Integrierstufe benutzt werden.

Dem Kondensator 15 ist ein Schalter 20 parallel geschaltet,

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der den Kondensator 15 kurzschließt, wenn der Benutzer den Handgriff 2 losläßt. Zu diesem Zweck könnte der Handgriff 2 beispielsweise als Drehgriff ausgebildet sein, der nach dem Loslassen in eine Ruhestellung zurückspringt und dabei den Schalter 20 schließt. Durch die Entladung des Kondensators 15 in den Pausen wird eine Nullpunktdrift des Ladungsverstärkers unterbunden, so daß die Spannung an seinem Ausgang stets Null ist, wenn .keine Kraft auf den Handgriff 2 einwirkt.

Wenn der Benutzer den Handgriff 2 losläßt, bevor das Zielgerät zum Stehen gekommen ist, wird zwar die Spannung am Ausgang des Ladungsverstärkers (17,18,19) zu Null, jedoch behält die Spannung am Ausgang des Integrators 17,18,19 ihren Wert bei, d.h. der Motor bzw. das Zielgerät laufen mit konstanter Geschwindigkeit weiter. Der Bewegungsverlauf des Zielgerätes ist also der eines beschleunigten, reibungslos geführten Körpers. Um Reibung einzuführen, d.h. um das Zielgerät nach dem Loslassen des Handgriffs nicht unbegrenzt weiterlaufen zu lassen, kann dem Kondensator 18 ein nicht näher dargestellter Widerstand parallelgeschaltet werden, der den Kondensator entlädt, so daß der Sollwert und damit die Drehzahl auf Null zurückgeht. Noch zweckmäßiger ist es, dem Kondensator 18 einen Schalter parallelzuschalten, der diesen - ebenso wie der Schalter 20 den Kondensator 15 - nach dem Loslassen des Handgriffs 2 kurzschließt.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Servomotorantriebes liegt darin, daß die Beschleunigung des Röntgenzielgerätes ausschließlich von der Kraft abhängt, mit der der Benutzer auf den Handgriff 2 einwirkt. Es könnte daher z.B. auf ein Gegengewicht für das Zielgerät und den damit verbundenen, in der Zeichnung nicht näher dargestellten Röhrenwagen verzichtet werden, ohne daß der Benutzer beim Aufwärtsbewegen des Zielgerätes grössere Kräfte aufwenden muß als beim Abwärtsbewegen (in diesem Fall müßte der Antrieb über ein selbsthemmendes Getriebe erfolgen,

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das verhindert, daß das Zielgerät nach unten fährt, wenn der Handgriff losgelassen wird).

Diese Eigenschaft des.erfindungsgemäßen Servomotorantriebs erleichtert außerdem den Einsatz von entsprechenden Servomotorantrieben für die beiden anderen Richtungen (Querrichtung und Kompressionsrichtung). Es braucht dann lediglich dafür gesorgt zu werden, daß die Proportionalitätsfaktoren^ zwischen der Kraft auf den Handgriff und der Spannung am Ausgang des Ladungsverstärkers l6 sowie zwischen dem zeitlichen Integral dieser Spannung und der Spannung am Ausgang der Integrierstufe 17 bei allen Motorantrieben gleich sind. Der Arzt hat dann das Gefühl, als ob er in jeder Richtung die gleiche Masse beschleunigt, obwohl wegen der unterschiedlichen Gewichtsausgleichsysteme für die verschiedenen Bewegungsrichtungen unterschiedliche Massen beschleunigt werden. Die zusätzlichen Wandler für diese Antriebe könnten entsprechend dem Wandler für den Antrieb in Längsrichtung gemäß Fig.' 2 angeordnet werden derart, daß die Drehzahl des zugeordneten Motors beeinflußt wird, wenn die vom Benutzer aufgebrachte Kraft, eine Komponente in der Wirkungsrichtung des zugeordneten Motorantriebes aufweist.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Servomotorantrieb zur Bewegung eines Röntgenzielgerätes mit einem Wandler zur Umwandlung der vom Benutzer aufgebrachten . Kraft in eine elektrische Spannung, die den Motorantrieb derart steuert, daß die vom Motor auf das Zielgerät ausgeübte Kraft und damit die Beschleunigung des Zielgerätes durch den Motorantrieb proportional der vom Benutzer aufgebrachten Kraft ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (8.....16) eine der Kraft des Benutzers wenigstens annähernd proportionale Spannung liefert, daß diese Spannung einem

Integrator (17 · 19) zugeführt wird, dessen Ausgangs-

spannung proportional dem zeitlichen Integral dieser Spannung ist, und daß die Drehzahl des Motors (3) proportional zur Ausgangsspannung des Integrators (17*18,19) regelbar ist.
2. Motorantrieb nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (8 ... l6) einen piezoelektrischen Kristall (8) enthält.
3. Servomotorantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kraft aufnehmende Wandlerelement (8) mechanisch vorgespannt und so angeordnet ist, daß die vom Benutzer auf einen Handgriff (2) ausgeübte Kraft eine Verringerung oder Vergrösserung der Vorspannung bewirkt.
4. Röntgenzielgerät mit mindestens zwei Servomotorantrieben nach Anspruch 1 zur Verschiebung des Röntgenzielgerätes in mindestens zwei zueinander senkrechten Richtungen, dadurch .gekennzeichnet, daß jedem Servomotorantrieb mindestens ein Wandlerelement (8) zugeordnet ist, das derart angeordnet ist, daß die Drehzahl des zugeordneten Motorantriebes beeinflußt wird, wenn die vom Benutzer aufgebrachte Kraft eine Komponente in der Wirkungsrichtung des Motorantriebes aufweist.

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5. Röntgenzielgerät nach Anspruch 4,-dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungen (17*18,19) zur Integration der Spannungen vom Ausgang der Wandler (8 ..... ΐβ) so bemessen sind, daß die bei einer vorgegebenen Kraft auf den Handgriff (2) sich ergebende Drehzahl für alle Motorantriebe gleich ist.

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