用于平衡显微镜的平衡设备和方法与流程

本发明本质上涉及一种用于平衡显微镜的平衡设备和方法，因此，涉及显微镜支架领域，特别是用于手术显微镜的支架。

背景技术：

用于显微镜的支架在现有技术中是已知的，其中支架用于在相对于待观察物体的某一位置处支撑和平衡显微镜，该位置是操作者(例如外科医生)所期望的位置。平衡在使用显微镜时起着非常重要的作用，因为它允许显微镜保持其位置和/或方向，而无需操作者将显微镜支撑或保持在所期望的位置。通常，显微镜支架包括a-平衡滑动件和b-平衡滑动件，以及c-平衡设备和d-平衡设备，用于围绕几个旋转轴线平衡显微镜。平衡设备可以是机动化的并且可以适于实现显微镜的自动平衡，而不需要与操作者进行任何交互。当被平衡时，显微镜也可以通过制动器锁定在其位置和/或方向上，制动器可以适合作为电磁制动器，以防止显微镜的任何无意的运动。例如，可能需要操作者释放制动器以将显微镜移动到不同位置和/或方向。

为了使显微镜相对于旋转轴线平衡，精确确定平衡设备相对于平衡点的位置和/或方向是必要的，其中平衡设备将与附接部件(例如显微镜)和可能的其他平衡设备保持在一起。换句话说，必须精确地确定平衡设备和附接部件相对于旋转轴线的质心位置，因为当显微镜的质心沿旋转轴线定位时显微镜将仅相对于旋转轴线被平衡。

常规地，平衡设备包括杠杆，该杠杆在预定范围内相对于平衡设备围绕旋转轴线可移动，其中预定范围通常仅延伸几十微米。当达到平衡点时，即当显微镜相对于旋转轴线平衡时，没有扭矩或仅有可忽略的扭矩，其不足以克服平衡设备的反作用摩擦力，并且因此杠杆不会相对于平衡设备的其他部件(例如平衡配重)发生移动。通常，当杠杆布置在杠杆可以相对于平衡配重移动的范围的中间时，达到平衡点。为了精确地确定杠杆在其运动范围内的位置，使用至少一个电容式传感器，其能够根据杠杆的位置输出电信号。例如，当杠杆布置在平衡点的一侧时，电容式传感器可以输出+5v的电压，并且当杠杆布置在平衡点的另一侧时，电容式传感器可以输出0v的电压，其中相对于平衡点的不同位置导致杠杆与电容式传感器的不同距离。由此，可以自动调节平衡设备以允许平衡设备达到平衡点，从而平衡显微镜。通常，用于显微镜的支架针对每个旋转轴线需要至少一个电容式传感器，显微镜将围绕该旋转轴线被平衡。

因此，这种常规技术和常规的平衡设备具有需要大量电容式传感器的缺点。由于电容式传感器非常昂贵并且易损坏，因此电容式传感器通常对平衡设备和显微镜支架的制造和维护成本具有重大影响。

因此，本发明的客观技术问题是提供一种用于平衡显微镜的方法和平衡设备，其具有很高或足够的精度并且在制造和维护平衡设备方面需要低成本。

技术实现要素：

上述技术问题通过具有相应的独立权利要求的特征的平衡设备、用于平衡显微镜的方法和用于显微镜的支架来解决。优选实施例是从属权利要求的主题。

在一个方面，本发明涉及一种用于相对于旋转轴线平衡显微镜的平衡设备。平衡设备包括围绕旋转轴线布置并固定到该旋转轴线的平衡配重，使得平衡配重围绕旋转轴线可旋转，其中平衡配重的质心布置成与旋转轴线分开。平衡设备还包括用于指示作用在平衡设备和/或平衡配重上的扭矩的杠杆，其中杠杆围绕旋转轴线布置并固定到该旋转轴线，以围绕旋转轴线可旋转，其中杠杆在平衡配重内延伸并且通过扭矩在预定范围内相对于平衡配重可移动，并且其中杠杆的电位被设定为预定的第一电位值。平衡设备还包括至少一个止动元件，其相对于平衡配重是不动的并且形成杠杆范围的至少一个端点，其中当杠杆布置在该范围的至少一个端点处时止动元件和杠杆电接触，并且其中当杠杆与至少一个端点分开时杠杆和止动元件彼此电隔离。此外，平衡设备包括控制装置，该控制装置被配置为至少当杠杆与至少一个端点分开时将止动元件的电位设定为与第一电位值不同的预定的第二电位值，以便观察止动元件和/或杠杆的电位并且当止动元件的电位偏离预定的第二电位值时和/或当杠杆的电位偏离预定的第一电位值时指示杠杆布置在第一端点处。

在另一方面，本发明涉及一种用于显微镜的支架，其包括至少一个根据本发明的用于平衡显微镜的平衡设备。

在另一方面，本发明涉及一种用于相对于旋转轴线平衡显微镜的方法。该方法包括：提供围绕旋转轴线布置并固定到该旋转轴线的平衡配重，使得平衡配重围绕旋转轴线可旋转，其中平衡配重的质心布置成与旋转轴线分开(步骤a)。该方法还包括：提供用于指示作用在平衡设备和/或平衡配重上的扭矩的杠杆，其中杠杆围绕旋转轴线布置并固定到该旋转轴线，以围绕旋转轴线可旋转，其中杠杆在平衡配重内延伸并且通过扭矩在预定范围内相对于平衡配重可移动(步骤b)；并且将杠杆的电位设定为预定的第一电位值(步骤c)。在步骤d)中，提供至少一个止动元件，其相对于平衡配重是不动的并且形成杠杆的范围的至少一个端点，其中当杠杆布置在该范围的至少一个端点处时止动元件和杠杆电接触，并且其中当杠杆与至少一个端点分开时杠杆和止动元件彼此电隔离。至少当杠杆与至少一个端点分开时，止动元件的电位被设定为与第一电位值不同的预定的第二电位值(步骤e)。该方法还包括观察止动元件和/或杠杆的电位，并且当止动元件的电位偏离预定的第二电位值时和/或当杠杆的电位偏离预定的第一电位值时指示杠杆布置在第一端点处(步骤f)。

平衡设备的质心与旋转轴线分开布置对于平衡显微镜而言可能是必需的，显微镜也可以具有与旋转轴线分开布置的质心。通过布置平衡设备和/或平衡配重可以平衡显微镜，使得显微镜、平衡设备以及与显微镜和平衡设备连接的后续的其他部件的组件的共同质心沿着旋转轴线布置。

杠杆可以基本上附接至平衡配重，这意味着杠杆仅可以在很小的范围内相对于平衡配重可移动，从而杠杆可移动的范围仅延伸几微米和/或毫弧度(millirad)。该范围可以对应于角度范围和/或平移运动的范围。优选地，止动元件垂直于或几乎垂直于杠杆布置，使得杠杆的运动导致杠杆相对于止动元件的平移运动，从而当相对于平衡配重进行运动时，杠杆增加或减小与止动元件的距离。

止动元件可以适于在第一停止点处机械地阻止杠杆相对于平衡配重的运动。换句话说，止动元件可以用作杠杆的闩锁或止动件，从而形成杠杆的第一端点。杠杆的范围可以由一个或多个另外的端点限制，这些端点可以例如由平衡配重的相应结构形成。

止动元件与杠杆电接触意味着当建立电接触时可以在杠杆和止动元件之间交换电荷。止动元件与杠杆电隔离意味着当彼此电隔离时杠杆和止动元件之间不会直接和间接地交换电荷。

控制装置被配置为设定止动元件的电位，这意味着控制装置可以向止动元件施加电压，以便分别向止动元件添加电荷或从止动元件撤销电荷。控制装置被配置成观察止动元件的电位，这意味着止动元件的电位可以被确定，优选地由控制装置测量。优选地，设定和/或观察止动元件的电位可以连续地和/或以重复的方式进行。最优选地，设定和观察止动元件的电位是在不同的时间点进行的，即在特定的时间点设定或观察电位。最优选地，设定和观察电位分别能够以交替的方式进行。

本发明提供的优点是，能够以低制造成本提供平衡设备，因为不需要昂贵的电容式传感器。因此，与包括使用电容式传感器的平衡设备的传统支架相比，能够以较低成本提供平衡设备和/或包括一个或多个这种平衡设备的显微镜支架。

另外，本发明提供的优点是，支架和/或平衡设备的维护成本可以降低，因为一个或多个平衡设备没有配备电容式传感器，电容式传感器可能会导致故障和/或可能需要更换或修理。

此外，本发明提供的优点是，可以便于平衡设备和/或支架的设置过程和/或对准过程，因为不需要电容式传感器的“教导”。由此，可以进一步降低制造成本和/或维护成本。

优选地，平衡设备可以适于作为用于显微镜支架的a-平衡滑动件和/或b-平衡滑动件和/或c-平衡设备和/或d-平衡设备。换句话说，平衡设备可以用于相对于任何旋转轴线平衡显微镜，显微镜需要围绕旋转轴线被平衡。因此，最优选地，支架包括几个平衡设备，其用于相对于几个不同的旋转轴线平衡显微镜。

优选地，控制装置包括控制单元，该控制单元电连接到止动元件以设定和观察止动单元的电位。控制单元可以包括与显微镜的平衡或与其他任务相关的其他功能。

优选地，第一电位值和第二电位值中的一个等于地电位，并且其中第一电位和第二电位中的另一个偏离地电位至少1v，优选至少2v，更优选3v，再更优选至少4v，最优选至少5v，并且其中第一电位和第二电位中的另一个偏离地电位不超过20v，优选不超过15v，最优选不超过10v。换句话说，杠杆和止动元件中的一个可以接地，其中杠杆和止动元件中的另一个保持在比地电位更高或更低的电位。这允许当止动元件与杠杆电接触时可靠地检测止动元件的电位变化。

可选地，止动元件可以被构造为止动螺钉，其中止动螺钉是可调节的，以改变杠杆范围的第一端点的位置。这允许精确调节杠杆相对于平衡配重可以移动的范围。优选地，杠杆的范围确定从第一端点到第二端点的最大距离，其延伸至少5μm，优选至少10μm，更优选至少20μm，最优选至少30μm和/或延伸不超过100μm，优选不超过75μm，更优选不超过50μm，最优选不超过40μm。

优选地，至少一个止动元件是形成杠杆的范围的第一端点的第一止动元件，并且平衡设备还包括至少一个第二止动元件，其相对于平衡配重是不动的并且形成杠杆的范围的第二端点，其中当杠杆布置在该范围的第二端点处时第二止动元件与杠杆电接触，并且其中当杠杆与第二端点分开时杠杆与第二止动元件彼此电隔离。更优选地，控制装置还被配置为至少当杠杆与第二端点分开时将第二止动元件的电位设定为与第一电位值不同的预定的第三电位值，以便观察第二止动元件的电位并且当第二止动元件的电位偏离预定的第三电位值时指示杠杆布置在第二端点处。最优选地，第三电位等于第二电位。这允许不仅在杠杆可以移动的范围的第一端点处而且在第二端点处确定杠杆的位置。与仅在一个端点(第一端点)处确定位置的其他实施例相比，这可以允许平衡设备的更快和/或更便利和/或更有效的平衡。

优选地，止动元件相对于平衡配重电隔离。这允许止动元件和杠杆的可靠的电隔离，以确保止动元件的指示止动件到达第一端点的电位仅在杠杆确实机械接触且电接触止动元件时出现。

优选地，平衡设备是机动的和/或适于相对于旋转轴线自动地平衡显微镜。这允许平衡配重的自动调节，即自动平衡，这可选地通过控制单元实现。

优选地，用于平衡显微镜的方法还包括以下步骤：如果杠杆尚未与止动元件电接触，则围绕旋转轴线旋转平衡配重和杠杆，使得杠杆与止动元件电接触(步骤g)，并且使平衡配重和杠杆沿着与步骤g)相反的方向以预定的幅度旋转，使得杠杆布置在预定范围内的预定位置(步骤h)。这允许平衡配重和/或显微镜的可靠且有效的自动平衡，而不需要电容式传感器。

根据说明书和附图，本发明的其他优点和实施例将变得显而易见。

应当注意，在不脱离本发明的范围的情况下，前面提到的特征和将在下面进一步描述的特征不仅可用于分别指出的组合，而且可用于其他组合或单独使用。

附图说明

在下文中，将参考附图详细说明本发明的优选实施例，但是本发明不限于这些优选实施例。

在附图中：

图1a至图1d示出了根据优选实施例的支撑显微镜的示例性支架。

图2以立体图示意性地示出了现有技术中已知的常规的平衡设备。

图3a和图3b以立体图(图3a)和剖视图(图3b)示出了图2的常规的平衡设备。

图4a和图4b示意性地描绘了根据本发明优选实施例的平衡设备。

图5以示意性剖视图示出了参考图4a和图4b讨论的根据优选实施例的平衡设备。

具体实施方式

图1a至图1d示出了支撑显微镜12的示例性支架10，其中支架10包括几个平衡设备14，每个平衡设备用于相对于特定的旋转轴线平衡显微镜12。图1a显示了用于相对于旋转轴线1000a平衡显微镜的平衡设备14a，其中平衡设备14a被构造为a-平衡滑动件。图1b示出了被构造为b-平衡滑动件的平衡设备14b，其也适于围绕旋转轴线1000a以不同的方向平衡显微镜12。平衡设备14a和14b，即a-平衡滑动件和b-平衡滑动件，可以一起形成a/b平衡单元。图1c示出了用于围绕旋转轴线1000c平衡显微镜12的平衡设备14c，其中平衡设备14c可以适于作为c-平衡设备。图1d描绘了整个支架10，以及特别是用于沿着d轴线1000d平衡显微镜12和支架10的平衡设备14d，其中平衡设备14d适于作为d-平衡设备。

图2以立体图示意性地示出了现有技术中已知的常规的平衡设备140。该平衡设备包括平衡配重16，其可以由大的或块状的金属形成并且容纳平衡设备的其他部件。平衡设备140还包括杠杆18，其适于安装到沿旋转轴线1000延伸的轴(未示出)，平衡设备140适于通过平衡配重16围绕旋转轴线1000平衡显微镜12。杠杆18附接至该轴和/或平衡配重16，以便相对于平衡配重16在小范围内、特别是在小角度范围内可移动。在一侧，杠杆18可以移动的范围受到阻挡元件20的限制，阻挡元件20可以机械地阻碍杠杆18在朝向阻挡元件20的方向上的进一步运动。阻挡元件20机械地固定至平衡配重16，并且可以是可调节的，以便允许调节杠杆18可移动的范围，因此，阻挡元件20形成杠杆18的范围的第一端点。另一个端点由平衡配重16自身的相应的阻挡结构24形成，阻挡结构阻碍了杠杆18在另一个方向上的进一步运动。阻挡元件20由支撑元件22保持，支撑元件可以单独地附接至平衡配重16。支撑元件22还支撑电容式传感器26，电容式传感器26附接在支撑元件的通孔中，使得电容式传感器26的感应表面28面向杠杆18，并且允许电容式传感器26根据杠杆18距感应表面28的距离来输出电信号。平衡配重16还容纳传感器板30，该传感器板30与电容式传感器26通信并且可以包括计算单元，该计算单元用于评估由电容式传感器26提供的信号并且最终将关于平衡的信息提供给支架的控制单元(未示出)。阻挡元件20附接至平衡配重16，以便提供仅约30至40μm的间距，在其中杠杆可以相对于平衡配重移动。当杠杆18位于由止动元件20限定的第一端点处时，即当杠杆18最靠近电容式传感器26时，电容式传感器26附接至平衡配重16，以便与杠杆18间隔开约200μm。

图3a和图3b以立体图(图3a)和剖视图(图3b)示出了图2的常规平衡设备140。平衡设备140适于作为a-平衡滑动件，并且可以有助于围绕a-平衡旋转轴线1000a平衡显微镜12。平衡设备140可以附接至b-平衡滑动件140b。

图4a和图4b示意性地描绘了根据本发明优选实施例的平衡设备14。在一些方面和特征上，该平衡设备14类似于先前讨论的常规平衡设备140。为此，同样存在于常规平衡设备140中的部件用相同的附图标记表示。然而，根据本发明的该优选实施例的平衡设备14与常规平衡设备140的不同之处尤其在于它不包括电容式传感器。支撑元件22支撑止动元件32，止动元件32适于作为止动螺钉并且延伸穿过支撑元件22中的通孔。止动元件32由支撑元件22固定，以便形成杠杆18可以移动的范围的第一端点。止动元件32是至少部分地导电的，并且特别是具有面向杠杆18的导电表面。杠杆18通过接触元件34电接地，接触元件34附接至(导电的)杠杆18的表面并且可以连接至具有地电位的导电元件。止动元件32通过另一个连接元件36连接，由此，使得止动元件32达到高于或低于地电位的电位，优选+5v(相对于地电位)，以在杠杆18和止动元件之间建立电压，只要杠杆18不与止动元件32接触。平衡设备经过特别地适配，使得止动元件32与杠杆电隔离并且可选地与具有地电位的其他部件(例如平衡配重16)电隔离，只要杠杆18不与止动元件32接触。例如，支撑元件22可以至少部分地由电绝缘材料形成，以确保止动元件32与地电位的良好电隔离。这允许可靠地将止动元件32的电位设定为偏离地电位的期望电压。例如，止动元件32可以通过接触元件36连接到控制单元(未示出)，该控制单元可以将止动元件32的电位设定为期望的第一电位值，例如+5v，并且观察止动元件32的电位。

当杠杆18布置在第一端点并且由此接触止动螺钉32时，处于第二电位值(即处于地电位)的杠杆18与处于第一电位值的止动元件32之间电接触，电荷将在杠杆18和止动元件32之间流动，并且止动元件32的电位将改变。通过经由连接元件36连接到止动元件32的控制单元可以观察这种电位上的变化，即可以例如测量这种变化，并且由此控制单元可以检测到杠杆18处于与止动元件32的机械(和电气)接触中。因此，控制单元检测到杠杆18布置在第一端点处。因此，可以开始平衡过程，以从杠杆18处于第一端点时的位置开始移动平衡设备14，使得杠杆18移动远离第一端点并到达期望的平衡点，该平衡点优选地位于杠杆18可以移动的范围的中间。使平衡设备和显微镜平衡所必需的运动取决于系统以及显微镜和平衡设备的具体重量和惯性矩，因此，所需的运动可以由支架10和/或显微镜12的制造商预先确定。所需的运动可以例如包括在围绕相应的旋转轴线1000的方向上推动平衡设备14，使得可以到达平衡点，并且杠杆18到达在其运动范围的两个端点之间的间距中的预定平衡点。

平衡设备14到达平衡点所需的预定运动可能需要给平衡设备14定向，其中杠杆18基本上与止动元件32接触，而没有会将杠杆压靠在止动元件32上的额外的扭矩。然而，假如杠杆18通过一定的扭矩压靠在止动元件32上，则平衡过程可以包括平衡设备14在减小该扭矩的方向上的步进运动，优选地使用非常小的步伐，直到达到杠杆18解除与止动元件32接触的点。在这个非常特定的点，平衡设备14再次布置成使得杠杆18与止动元件32之间没有扭矩。通过选择足够小的步长，从杠杆18与止动元件32接触但不被压向止动元件32的点的偏离可以实现为足够小以实现用于充分平衡的足够的精度。

图5以示意性剖视图示出了根据另一个优选实施例的平衡设备14a，其中平衡设备被构造为a-平衡设备14a并且与另外的b-平衡设备14b连接。根据该优选实施例，阻挡结构24的电位也由控制单元确定和/或控制和/或设定。阻挡结构24，特别是阻挡结构24的表面(当到达第二端点时该表面可以与杠杆18接触)与平衡配重电隔离，并且当不与杠杆接触时，阻挡结构的电位可以由控制单元保持在与第一电位值不同(即与杠杆18的电位值不同)的第三电位值。第三电位值可以与在第一端点处的止动螺钉32的第二电位值相同或不同。形成第二端点的阻挡结构24也可以被称为另外的止动元件或第二止动元件和/或也可以被构造为止动螺钉。

当保持在第一电位值(可以是地电位)的杠杆18开始与阻挡结构24电接触时，阻挡结构24的电位将至少在短时间内改变，由此杠杆18的位置可以确定为第二端点。

基于该优选实施例的用于使平衡设备平衡的方法可以包括：通过确定止动螺钉32和/或阻挡结构24和/或杠杆18的电位来确定杠杆被布置在第一端点处还是在第二端点处。如果确定杠杆18不在第一或第二端点处，则平衡设备围绕旋转轴线移动，直到杠杆18到达第一或第二端点。然后，平衡设备14向相反方向移动，直到到达另一个端点，其中测量将杠杆从一个端点移动到另一个端点所需的时间。然后停止平衡设备，例如通过停止马达。

最后，为了到达平衡点，平衡设备14以相同的功率和/或速度再次在相反的方向上移动(到现在相对的端点)，但是仅持续一段时间，该持续时间等于先前测量的、杠杆18从一个端点到相对端点所需的持续时间的大约一半。由此，可以到达平衡点，该平衡点可以位于杠杆18可以移动的范围的中间。移动平衡设备14以到达平衡点的持续时间可以变化和/或修改和/或操纵，以优化可能具有不同惯性矩的不同平衡设备和/或系统的平衡点。

参考标记

10(显微镜)支架

12显微镜

14、14a、14b、14c、14d平衡设备

140(常规)平衡设备

16平衡配重

18杠杆

20阻挡元件

22支撑元件

24阻挡结构

26电容式传感器

28感应表面

30传感器板

32止动元件

34接触元件(用于杠杆)

36接触元件(用于止动元件)

1000、1000a、1000c、1000d旋转轴线