[01] Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb für Pigmentiergeräte.

Hintergrund und Stand der Technik

[02] Pigmentiergeräte sind anwendungsspezifisch ausgebildete Tätowiergeräte für das Anbringen von dauerhaftem Make-up, auch Permanent Make-up (PMU) genannt. Diese sind als Handgeräte ausgeführt um feine Tätowierungen vorwiegend in Gesichtshaut einzustechen. Für das Anbringen von PMU werden spitze Stechmittel, vorzugsweise Nadeln, verwendet, um flüssige Farben vorwiegend in Linienform in die Gesichtshaut einzustechen, wo diese dann eine längere Zeit verbleiben sollen.

[03] Beim PMU, wie auch beim Tätowieren, müssen die Farben durch die Epidermis hindurch (oberste Hautschicht) in die obere Schicht der lebenden Dermis eingebracht werden, um eine längere Haltbarkeit aufzuweisen, da die Epidermis stetig innerhalb von ungefähr 4 Wochen vom Organismus erneuert wird. Aus der Dicke der Epidermis von 0,05-0, 2mm und einer Einbringtiefe der Farben in die lebende Dermis von 0,05mm bis 0,1 mm resultiert die gesamte Einstechtiefe in die Haut, die demnach ungefähr 0, 1 mm- 0,3mm beträgt.

[04] Die flüssigen Farben werden durch ein hin- und hergehendes Stechmittel eingebracht, dessen Spitze sich in der jeweils eingefahrenen Stellung aus einem Farbdepot benetzt und welche die Farbe beim Ausfahren in die Haut einsticht. Die Einstechtiefe in die Haut muss vom Anwender bestimmt werden, der durch Beobachtung der Nadelspitze und der Haut erkennt, ob diese die lebende Dermis erreicht.

[05] Für das Einstechen der Farben ist eine hin- und hergehende Nadelbewegung erforderlich, die streng axial ohne radiale Komponenten verlaufen muss. Um das Stechmittel anzutreiben, werden in

Pigmentiergeräten hauptsächlich drehende Motoren eingesetzt, deren rotierende Bewegung mit einer Vielzahl verschiedener Getriebearten in die axiale Hin- und Herbewegung umgesetzt wird. Am Markt gibt es auch Linearmotoren auf Basis des elektromagnetischen T auchankerprinzips, die auf ein Getriebe verzichten können.

[06] Allen am Markt befindlichen Antrieben für Pigmentiergeräte ist gemeinsam, dass deren resultierende Hin- und Herbewegung eine periodische, nahezu harmonische sinusförmige Kurvenform aufweist, die den physikalischen Schwingungsgesetzen folgt und deren maximale Bewegungsgeschwindigkeit, die für das Pigmentieren zur Verfügung steht, direkt vom Antriebshub und dessen Wiederholfrequenz abhängt.

[07] Der Hub der Antriebe des Stands der Technik liegt trotz der geringen erforderlichen Einstechtiefen bei ungefähr 2mm. Der Grund für den im Vergleich zu den geringen Einstechtiefen recht großen Hub liegt darin begründet, dass für jede Stech beweg ung eine erneute Benetzung der Stechmittelspitze in einem Farbdepot erforderlich ist, welches nur in der eingefahrenen Stellung des Stechmittels erreicht werden kann und das Farbdepot sich nicht zu nahe an der Gerätespitze befinden darf, damit der Anwender noch mit ausreichend Abstand des Farbdepots zur Haut arbeiten kann.

[08] Die Haut ist ein elastisches Gewebe. Trifft ein Stechmittel auf eine Haut, so dellt sich diese in Abhängigkeit von der Einstechgeschwindigkeit entsprechend ihres Durchdringungswiderstands und ihrer Elastizität zunächst ein, um ab einer, für jede Hauteigenschaft und Hautregion individuellen Energie von der Nadelspitze durchstochen zu werden. Der Antrieb muss geeignete Eigenschaften in Bezug auf die Bandbreite der individuell vorkommenden Hauteigenschaften bereitstellen, um die Farben in die vorgegebene Tiefe der federnden Haut einzustechen. Bedeutende Eigenschaften des Antriebs sind seine Eigenvibrationen die sich direkt auf die Nadel übertragen, seine reproduzierbare Einstechgeschwindigkeit und die Wiederholfrequenz der Stechbewegung. Geringe axiale Eigenvibrationen gestatten es dem Anwender, die Einstechtiefe von 0,1 -0, 3mm während der Pigmentierung von Hand anzugehen und diese aufrecht zu erhalten, geringe radiale Eigenvibrationen sorgen für Linien ohne seitliches Verwackeln. Eine hohe Einstechgeschwind igkeit ermöglicht geringe Eindellungen der Haut und damit eine manuell besser konstant zu haltende Stechtiefe, welche die Qualität der Pigmentierung verbessert. Eine geringe Wiederholfrequenz schont die Haut, indem in Bezug auf die Verfahrgeschwindigkeit nur so viele aneinandergereihte Stiche gesetzt werden, wie für optisch geschlossen wirkende Linien erforderlich sind.

[09] Die bekannten Antriebe/Handgeräte haben eine Gesamtmasse von durchschnittlich 80g und arbeiten in einem Frequenzband von 50-200Hz, wobei in der Praxis meist eine Frequenz um die 100Hz gewählt wird. Bei 100Hz, einem Hub von 2mm und den unvermeidlichen bewegten Massen des

Getriebes oder Tauchankers treten erhebliche Beschleunigungskräfte auf, die sich in unerwünschten Axial- und/oder Radialvibrationen des leichten Handgeräts auswirken. Messungen haben gezeigt, dass die Vibrationsamplituden bekannter PMU-Geräte im Mittel mehr als 0,5mm betragen. Bei Ein stechtiefen von nur 0,1-0, 3mm sind solche Vibrationsamplituden für exaktes Arbeiten in der Tiefe und/oder in Bezug auf eine seitliche Konstanz für die Pigmentierqualität und die Hautschonung abträglich. Zudem wirken die axialen Vibrationen entgegen der Einstechgeschwindigkeit und verkleinern diese erheblich.

[10] Die bekannten Antriebe/Handgeräte, stellen in Bezug auf die Einstechgeschwindigkeit ungenügende Eigenschaften zur Verfügung. Die periodischen nahezu harmonischen sinusförmigen Weg-Zeitverläufe weisen bei einer Einstechtiefe von 0,1-0, 3mm nur noch minimale Einstechgeschwindigkeiten auf, da das Stechmittel sich schon kurz vor dem Umkehrpunkt der sinusförmigen Schwingung befindet und weitgehend abgebremst ist. Die zu geringe E instechgeschwi nd ig keit führt aufgrund des

Eindringwiderstands zu großen Eindellungen der Haut bis diese durchstochen werden kann. Der Anwender muss deshalb das Stechmittel durch sogenanntes Vorhalten tiefer führen, als gestochen werden soll, so dass durch die in ihrer jeweiligen individuellen Eigenfrequenz flatternde Hautpartie partiell zu tief oder zu flach durchstochen wird, je nachdem in welcher vertikalen Ebene sich die nicht synchron zur Einstechfrequenz flatternde Haut beim nächsten Einstich gerade befindet. Ein gleichmäßiger Farbeintrag in der Tiefe, gleichmäßige Farbintensität im Verlauf der pigmentierten Linie, sowie hautschonendes und schmerzarmes Pigmentieren sind aufgrund der Asynchronität zwischen

Hautfrequenz und Stechfrequenz nur unzureichend möglich.

[11] Für kleine Hauteindellungen ist eine möglichst schnelle Einstechgeschwindigkert erforderlich, die beim Stand der Technik nur durch Einstellen hoher Frequenzen möglich ist. Eine hohe Frequenz steht jedoch im Widerspruch zu den ansteigenden Vibrationen. Hohe Frequenzen stehen zusätzlich im

Widerspruch zu der Notwendigkeit, die Stechfrequenz für hautschonendes Pigmentieren zu senken. Bereits bei 50Hz Stechfrequenz und den üblichen Verfahrgeschwindigkeiten werden Hautwunden in Furchenform erzeugt, weil sich die einzelnen Einstiche stark überlappen. Es bleibt dem Anwender also nur ein Kompromiss, der sich in der praktischen Anwendung einer Stechfrequenz von ungefähr 100Hz eingespielt hat, die jedoch zu Vibrationen der Handgeräte von mehr als 0,5mm und für irreversible Hautschäden verantwortlich ist. Zusammenfassung der Erfindung

[12] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Linearantrieb für Pigmentiergeräte zu schaffen, der gegenüber dem Stand der Technik geringere Vibrationen aufweist und bei kleinen Stechfrequenzen gleichzeitig höhere Einstechgeschwindigkeiten bereitstellt.

[13] Mit der Erfindung ist ein Linearantrieb für Pigmentiergeräte nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 geschaffen, mit

- einem Stator 1 und einem in diesem vorgesehenen und definiert versetzt gebildeten Luftspalt 7,

- einer elektrischen Spule 2 innerhalb des Stators 1 , die eingerichtet ist, mittels ihrer Bestromung eine Konzentration des magnetischen Flusses 9 im Luftspalt 7 zu bewirken,

- einem Anker 5, der ausgebildet ist, gleitende Axialbewegungen im Stator 1 auszuführen,

- und einem Permanentmagneten 6, der unlösbar mit dem Anker 5 verbunden ist,

wobei der Linearantrieb für Pigmentiergeräte vorgesehen und ausgebildet ist, den Anker 5 als Reaktion auf eine Bestromung der Spule 2 und dem sich im Luftspalt 7 konzentrierenden elektromagnetischen Feld 9 hauptsächlich mittels magnetischer Abstoßung auf den Magneten 6 aus einer stromlos stabilen Ruheposition in eine stromlos instabile ausgefahrene Position zu bewegen und die Dicke des Anschlags 3 derart bemessen ist, dass die magnetische Anzugskraft des Dauermagneten 6 auf den Stator 1 durch Bestromen der Spule 2 erst kurz vor Erreichen der maximalen elektromagnetischen Gegenkraft, also des maximalen Betriebsstroms, überwunden wird und die dann im Dauermagneten 6 bis zum Ablösezeitpunkt gespeicherte Energie schlagartig frei wird und den Anker 5 mit hoher Beschleunigung aus dem Stator 1 ausfährt.

[14] Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Steuerung der Ausfahrgeschwindigkeit des Ankers 5 mittels der Einschaltzeit des Stroms in der Spule 2 bewirkt werden kann und die Einschaltzeit stets zeitlich während der induktiven Anstiegsflanke des Spulenstroms beendet wird.

[15] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine unharmonische periodische Schwingung des Ankers 5 dadurch bewirkt wird, dass die Spule 2 stets vor Erreichen der ausgefahrenen Position des Ankers 5 stromlos geschaltet wird, so dass die stromlose Einfahrbewegung des Ankers 5 weitgehend konstant ist und unabhängig von der stromsteuerbaren Ausfahrbewegung des Ankers 5 werden kann.

[16] Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die stromlose Weg-Zeitkennlinie der Einfahrbewegung des Ankers 5, hervorgerufen durch die dauermagnetische Kraft-Wegkennlinie der magnetischen Anziehungskräfte 10 zwischen dem Magneten 6 und dem Stator 2, durch Gestaltung der Statorgeometrie 1 und dessen magnetisch wirksame Masse derart ausgebildet wird, dass die Einfahrzeit des Ankers 5 System bezogen minimalisiert werden kann.

[17] Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der engen Zusammenlegung der Betriebsfrequenz mit der Eigenfrequenz des Linearantriebs eine Minimierung der Antriebsvibrationen und gleichzeitig eine Minimierung der Ausfahrzeit bewirkt werden kann. Ausführungsbeispiel der Erfindung

[18] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Linearantriebs für Pigmentiergeräte sowie anhand der Zeichnungen, hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Linearantriebs für Pigmentiergeräte in Ruhestellung mit stromloser Spule 2.

Fig. 2 eine vergrößerte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen versetzten Luftspalts des Linearantriebs für Pigmentiergeräte zum Zeitpunkt des Einschaltens des Stroms in der Spule 2. Fig. 3 eine schematische Darstellung des Linearantriebs für Pigmentiergeräte nach Fig. 1 , zum

Zeitpunkt des Umkehrpunkts der Ausfahrbewegung mit stromloser Spule 2.

[19] Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Linearantriebs für Pigmentiergeräte in Ruheposition ohne elektrische Ansteuerung der Spule 2. Der Dauermagnet 6, der fest mit dem Anker 5 verbunden ist, liegt durch seine magnetischen Anziehungskräfte zum ferromagnetischen Stator 1 am Anschlag 3 an. Die Dicke des Anschlags 3 ist derart bemessen, dass der Dauermagnet 6 in der Ruheposition eine axial mittige Position zur Öffnung des Stators 1 einnimmt und dass die magnetische Anzugskraft des Dauermagneten 6 auf den Stator 1 durch Bestromen der Spule 2 erst kurz vor Erreichen des maximalen Betriebsstroms überwunden wird und daher eine Energiespeicherung im Dauermagneten 6 stattfindet, die für einen vorteilhaften Betrieb des Linearantriebs für Pigmentiergeräte genutzt wird. Der Anschlag 4 verhindert ein Herausfallen des Ankers 5 aus dem Stator 1 und begrenzt den Hub des Linearantriebs

[20] Fig. 2 zeigt eine vergrößerte schematische Darstellung des erfindungsgemäßen versetzten

Luftspalts zum Zeitpunkt des Einschaltens des Stroms in der Spule 2, welcher aufgrund der Induktivität der Spule 2 exponentiell ansteigt und ein ebenfalls exponentiell ansteigendes magnetisches Feld 9 im Luftspalt 7 hervorruft. Aufgrund der vorgesehenen und definiert ausgebildeten versetzten Anordnung des Luftspalts 7 durchflutet das elektromagnetische Feld 9 den Dauermagneten 6 in einer für die Erzeugung einer wirkungsgradstarken Abstoßungskraft günstigen Weise und erzeugt wegen der Konzentration des größten Teils der magnetischen Energie im Luftspalt 7 unter Berücksichtigung der in [19] beschriebenen Energiespeicherung im Dauermagneten 6 für ein nahezu schlagartiges Abstoßen des Dauermagneten 6 durch die elektromag netische Kraft 9, so dass der Dauermagnet 6 zusammen mit dem Anker 5 ähnlich dem bekannten Knackfroscheffekt mit hoher Beschleunigung bis zum Anschlag 4 ausgefahren wird, was zu den vorteilhaften hohen Einstechgeschwindigkeiten führt. Die Summe der bewegten Massen von Anker 5, Magnet 6 und Stechmittel 8 liegt bei wenigen Gramm, so dass der Anker 5 bereits bei geringen Kräften eine hohe Beschleunigung erfährt und trotz des kleinen Hubs von beispielsweise 2mm hohe Geschwindigkeiten erreicht und sich die kleine Gesamtmasse vorteilhaft auf die Vibrationen des

Gesamtsystems auswirkt. Die beim Ausfahren bremsende Kraftkomponente 10, die durch die

Anziehungskraft des Dauermagneten 6 auf den ferromagnetischen Stator 1 ausgeübt wird, ist degressiv ausgelegt, so dass diese bremsende Kraft mit der Entfernung des Magneten 6 zum Stator 1

überproportional abnimmt, was eine wesentlich höhere Endgeschwindigkeit des Ankers 5 beim seinem Auftreffen auf den Anschlag 4 bewirkt, als bei den sinusförmigen Antrieben des Stands der Technik. Die Variation der Geschwindigkeit einer Ausfahrbewegung wird über die Einschaltzeit der Spule gesteuert, die jedoch entgegen dem Stand der Technik stets zeitlich innerhalb der induktiven

Anstiegsflanke des Spulenstroms beendet wird, mit dem Vorteil, den gesamten Einstellbereich bereits während der kurzen Anstiegsflanke steuern zu können. Auf diese Weise kann die Ausfahrgeschwindigkeit und die Stechfrequenz werksseitig vorteilhaft für das Pigmentieren vorgegeben und vom Anwender am Pigmentiergerät eingestellt werden.

[21] Fig. 2 zeigt den Linearantrieb entsprechend Fig. 1 zum Zeitpunkt des Umkehrpunkts mit stromloser Spule 2, also zu dem Zeitpunkt, an dem der Anker gerade seine Bewegungsrichtung geändert hat, um in die Ruheposition zurückzukehren. Die eingerichtete degressive Kennlinie des Verlaufs der

permanentmagnetischen Rückholkraft 10 hat sich beim Ausfahren vorteilhaft auf eine über dem Weg geringer werdende Minderung der Ausfahrgeschwindigkeit des Ankers 5 ausgewirkt. Beim Einfahren des Ankers 5 wirkt die vorher degressive bremsende Kraft 10 nun progressiv beschleunigend auf den Anker 5 und bewirkt eine von der vorangegangenen Ausfahrkennlinie unbeeinflusste Rücklaufzeit des Ankers 5 in die Ruheposition, so dass auch bei periodischer Ansteuerung eine vorteilhafte unharmonische

Schwingung erzeugt wird. Für eine vorteilhaft schnelle Rückfah rbeweg u ng des Ankers 5 in seine Ruheposition, kann die magnetische Kraft-Weg Kennlinie zwischen dem Dauermagneten 6 und dem Stator 2 mittels dessen geometrischer Formgebung und seiner ferromagnetischen Masse erfolgen.

[22] Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten

Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.