Kleinstschrittmotoren bringen Schärfe ins Bild

In Medizin und Industrie ist der Trend zum Arbeiten an immer kleineren Objekten unverkennbar, bei der minimal invasiven Chirurgie oder Dentaltechnik ebenso wie in der industriellen Mikrotechnik. Das menschliche Auge schafft es nur unter hoher Anstrengung, die kleinen Strukturen aufzulösen. Lupen mit ihrer eindimensionalen Sicht sind oft problematisch und unhandliche stationäre Stereo-Mikroskope nicht anwendbar – gerade im medizinischen Bereich. Ein neuartiges Mikroskop revolutioniert nun die Arbeit an feinsten Strukturen; es wird wie eine Brille getragen. Kleinste Schrittmotoren steuern Vergrößerung und Schärfe für jedes Auge. Ein kristallklarer 3D-Blick erlaubt ermüdungsfreie Operationen an kleinsten Gefäßen ebenso wie die Untersuchung oder Montage von Mikrostrukturen.

Das Arbeiten mit Lupen und Mikroskopen schränkt die Bewegungsfreiheit stark ein; bei Lupen liegt der Abstand zum Objekt fest und Mikroskope sind unhandlich und groß. Hinzu kommt bei beiden Lösungen ein sehr eingeschränktes Sichtfeld.
Gerade in der Medizin, bei der es bekanntlich aus biologischen Gründen keine "genormten" technischen Größen und Abstände gibt, ist dies sehr nachteilig. Abhilfe schaffen jetzt moderne kopfgetragene Operationsmikroskope- sogennante "Varioscope®"-des High tech Unternehmens Life Optics® aus Österreich, mit ihnen hat der Benutzer uneingeschränkte Bewegungsfreiheit.
Sie haben – wie moderne Kameras – eine automatische Scharfstellung. Der Nutzer muss nicht wie bei Lupen einen festen Abstand einhalten. Dank zweier unabhängiger Linsensysteme ist auch ein dreidimensionales Sichtfeld garantiert.

In der Praxis

Stufenlose Zoomfunktion, automatische Scharfstellung und Parallaxenausgleich der kopfgetragene Operationsmikroskope erfordern eine komplexe Mechanik zur Verstellung der Optik. Um dennoch eine kleine, leichte und zuverlässige Lösung anzubieten, arbeitet Life Optics® mit FAULHABER PRECIstep zusammen, dem Spezialisten für Kleinstschrittmotoren innerhalb der FAULHABER-Gruppe. Die technischen Daten der Mikroskopbrillen bestätigen das gefundene Konzept:
In der Grundversion als Varioscope AF3 kann sich der Betrachter in einem Arbeitsabstand von 300 bis 600 mm frei bewegen. Die mit dem Fuß zu bedienende Zoomfunktion stellt stufenlos eine Vergrößerung von 3,6 bis 7,2 ein. Das Sichtfeld beträgt dabei 30 bis 144 mm, der variable Pupillenabstand erlaubt die individuelle Einstellung auf den jeweiligen Benutzer. Im Varioscope® M5 steht ein ausbaufähiges modulares optisches System bereit. Wechselbare Okulare erweitern den Vergrößerungsbereich, die integrierte Beleuchtung verhindert, dass man sich selbst im Licht steht. Eine erweiterte Einstellungsmöglichkeit für individuelle Augendaten erleichtert den Einsatz. Mit einer optionalen Kamera lässt sich das Arbeitsfeld genau aus der Perspektive des arbeitenden Benutzers aufzeichnen. Für die unterschiedlichsten Anforderungen entstand so ein skalierbares optimales System, das dank durchdachtem Aufbau schnell von einem zum anderen Arbeitsplatz transportiert werden kann.

Das Varioscope® AF3 in der Anwendung
Präzision auf kleinstem Bauraum

Das Herz der Mechanik

Möglich wird diese komplexe und dennoch tragbare Ausstattung durch den Einsatz moderner Kleinstschrittmotoren. Im Gegensatz zu Gleichstrommotoren bewegen sich Schrittmotoren pro Impuls immer um einen konstruktiv festgelegten Drehwinkel weiter; die ausgegebene Anzahl an Digitalimpulsen entspricht also immer einer definierten Drehbewegung. Auf zusätzliche Weg- oder Winkelsensoren kann man daher verzichten. Der Antrieb baut kleiner und leichter, die Steuerung wird einfacher. Das Varioscope® benötigt pro Auge jeweils zwei Motoren.
Der AM 1020 mit 10 mm Durchmesser für die Fokuseinstellung und der AM 0820 mit 8 mm Durchmesser für den Zoom. Der Fokusantrieb arbeitet praktisch ständig, da er jede Kopfbewegung kompensieren muss.
Optische Systeme in dieser Größe sind Präzisionsinstrumente und stellen besonders hohe Ansprüche an die absolute Genauigkeit der Positionierung. Das Problem der Spielungenauigkeiten der Mechanik löste FAULHABER PRECIstep durch den Einsatz einer Spindel mit feinster Verzahnung. Mit 0,2 mm Steigung erlaubt sie in Verbindung mit den eingebauten Motoren eine Auflösung von beachtlichen 10 µm. Sowohl Fokus als auch Zoom werden bei hoher Auflösung absolut spiel- und ruckfrei eingestellt. Aus diesem Grund sind die Spindelwellen noch zusätzlich feinpoliert, ein Verfahren, welches normalerweise nur bei Präzisionsuhren angewendet wird. In Verbindung mit einem speziellen Schmiermittel sinkt so die Reibung enorm und damit das Losbrechmoment aus dem Stillstand. Eine zusätzliche Vorspannung der Präzisionskugellager durch Tellerfedern gestattet die völlig spielfreie Bewegung bei Drehmomenten bis zu 1 N, ein Wert, der in der Praxis nie auftritt

Genügsame Kraftzwerge

Schrittmotoren eignen sich für viele, auch hochdynamische Positionieraufgaben. Selbst die Zwerge können dank ausgesuchter Materialien in einem Schritt bis auf 1200 U/min beschleunigen und das ohne Überschwingen. Möglich wird dies durch hochwertige NdFeB-Magnete mit höchster Temperaturfestigkeit. So verkraften die Motoren problemlos tagelangen Dauerbetrieb mit 70 °C Gehäusetemperatur. Die Spule kann dabei 120 °C und der Magnet bis zu 100 °C erreichen – ohne jede Einschränkung bei Lebensdauer und Wirkungsgrad. Ein spezielles temperatur- und alterungsstabiles Schmiermittel unterstützt diese Eigenschaften. Selbst bei Weltraumeinsätzen sind solche Standardmotoren schon mitgeflogen, in der Zertifizierung wurde der Einsatz bei 4 °K gefordert. Auch Langzeitstillstand über Monate (bis zu erreichten sieben Jahren) mit dann präziser kleinster Schrittweite ist möglich. Ein oft gefragter Vorteil der Motörchen ist der Einsatz mit echten 3 V Betriebsspannung. Herkömmliche DC-Motoren benötigen für die Sensorik dagegen mindestens 5 V Steuerspannung. Die Minis gibt es für Betriebsspannungen bis 12 V.
Kleinste Strukturen zu erkennen und aufzulösen ist heute wichtiger denn je. Moderne Mikromechanik mit Kleinstschrittmotoren erlaubt tragbare Mikroskope mit freier Beweglichkeit für den Benutzer. Dank kompakter Ausführung ist der gewohnte scharfe dreidimensionale Durchblick auch bei Bewegung gesichert. Das Auge des Betrachters arbeitet ermüdungsfrei. So entstehen in der Medizin wie in der Technik neue ungeahnte Möglichkeiten und es wird ein wichtiger Beitrag zur Qualitätssicherung geleistet.

Das Varioscope® AF3