Präzisionsantriebe für Endoskope

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Physik Instrumente (PI) SE & Co. KG

Kleine Piezomotoren und Voice-Coil-Antriebe beispielsweise könnten sich hier ein neues Einsatzgebiet erschließen. Physik Instrumente, ein Spezialist für kleine, meist piezobasierte Präzisionsantriebe, hat auch miniaturisierte lineare Direktantriebe im Programm, die für den Einsatz in modernen Mikroskopen gute Voraussetzungen bieten (Bild 1).

Kleine Piezomotoren oder Voice-Coil-Antriebe

Interessante Lösungsansätze bieten beispielsweise Piezo-Ultraschallantriebe. Die Direktantriebe, die es in unterschiedlichen Bauformen gibt, verzichten zugunsten der Kosten und der Zuverlässigkeit auf mechanische Komponenten klassischer Motor-Spindel-Antriebssysteme wie Kupplung oder Getriebe. Unabhängig von der Bauform ist das Funktionsprinzip immer gleich: Schwingungen mit Ultraschallfrequenzen eines piezokeramischen Aktuators werden entlang eines bewegten Läufers in lineare Bewegung umgewandelt und treiben so den beweglichen Teil eines mechanischen Aufbaus an, auf dem dann die Linse befestigt ist.

Insgesamt ergibt sich so eine gleichmäßige Bewegung mit theoretisch unbegrenztem Stellbereich. Das Resultat sind leichte Antriebe, die sich für Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 100 mm/s eignen und ungeregelt mit einer Bewegungsauflösung von ca. 100 nm arbeiten.

Piezobasierte Trägheitsantriebe sind dank ihrer geringen Abmessungen und ihres günstigen Preis-/Leistungsverhältnisses ebenfalls für den Endoskop-Einsatz geradezu prädestiniert. Sie nutzen den Stick-Slip-Effekt für ebenfalls unbegrenzte Stellwege mit einer Auflösung von wenigen Nanometern. Ein piezoelektrischer Aktor dehnt sich aus und nimmt einen bewegten Läufer mit. Im zweiten Teil eines Bewegungszyklus kontrahiert der Aktor so schnell, dass er am bewegten Teil entlanggleitet, da dieser aufgrund seiner Trägheit der Bewegung des Aktors nicht folgen kann, also auf seiner Position verharrt. Die elektrische Ansteuerung ist einfach und erinnert an eine Sägezahnspannung.

Schließlich sind für die Realisierung einer optischen Fokus- und Zoomfunktion auch magnetische Antriebslösungen denkbar, wie die Voice-Coil-Antriebe. Diese Linearantriebe, die auch als Tauchspulenantriebe bezeichnet werden, arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip wie Lautsprecher. Für die in Endoskopen erforderlichen Stellwege zwischen einigen Millimetern und Zentimetern sind sie, da ausgesprochen kleine Bauformen realisierbar sind, ebenfalls gut geeignet. Aufgrund dieser Möglichkeiten in Sachen Antriebstechnik darf man gespannt sein, welche davon in Chip-on-the-Tip-Endoskopen der nächsten Generation zu besserer Bildqualität und Tiefenschärfe beitragen werden.

Physik Instrumente (PI)

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