CN103575563B - 具有线性压电致动器的切片机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于切制薄片的切片机（10），包括：样品架（12）、切割单元（16）、以及在所述样品架（12）和所述切割单元（16）之间产生进给移动并用于设定所述样品的切片厚度的驱动单元。所述驱动单元（22）包括用于产生进给移动的线性压电致动器（50）。

Description

具有线性压电致动器的切片机
技术领域
本发明涉及一种切制薄片的切片机，包括用于接纳待切片样品的样品架和用切割样品的切割单元。还提供了为设定薄片厚度而产生样品架和切割单元之间的进给移动的驱动单元。
背景技术
为了执行切片操作，将样品（例如组织样品）夹持在样品架上，该样品架由驱动单元驱动，使之相对于切割单元往复移动而切割样品。在这样的往复移动后（即从该样品上切下薄片后），样品架和切割单元之间的距离须按下一薄片的厚度减少。这种大体上水平方向的运动称为“进给移动”。进给移动和往复移动彼此正交，往复移动是垂直的，而进给移动是水平的。
已知切片机的进给移动，通过自由转动杆和/或螺杆-螺母系以统纯机械方式实现。还知有采用步进马达和螺杆-螺母系统以机电方式实现进给的切片机。文献DE 102008016165 B5记载的切片机包括用于彼此相对地移动样品架和切割单元的线性马达。
已知切片机的缺点是分辨率受限，即薄片的最小可调节厚度受到螺杆-螺母系统的螺距和步进马达的最小步进分辨率的限制。为了能够实现很小的步进以获得非常薄的切片，必需（尤其是）采用具有昂贵的螺杆-螺母组件的非常复杂的设计。这类设计还要求高成本的复杂的轴承布置，并且涉及高的间隔和重量要求。而且，高分辨率的螺杆-螺母组件的这类昂贵设计存在如下缺点：它们不允许样品架相对于切割单元快速运动，因此在样品更换过程中在所谓的切片机粗进模式下进给只能很缓慢地进行。
在专利公布DE 38 20 085 C1、DD 33 313 A1、DE 19 22 739 U、US 5,282,404A、US 4,377,958 A和DE 10 2009 006 386 B4描述的切片机中，（被切）对象架与压电元件刚性连接，对象架的进给移动通过压电元件的长度变化实现。
另一些切片机见诸于文献DE 199 11 163 C1,DE 10 2010 046 498 B3,DE 10218 927 C1,DE 102 10 408 B4,DE 101 54 843 A1和DE 36 03 278 C1。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于切制薄片的切片机，它允许高精度切制很薄的切片，并使进给移动能够被精确控制。
此目的通过具有权利要求1所述特征的切片机实现。在从属权利要求中描述了一些有利的改进。
根据本发明，驱动单元包括用于产生进给移动的线性压电致动器。该线性压电致动器包括一个固定的定件和经由至少一个压电元件连接到所述定件的动件。压电元件被适配成能够相对于所述定件直线地移动动件。这里，压电元件被固定地装于定件上，并且动件可相对于所述压电元件移动。此类线性压电致动器的优点是它们具有几纳米的分辨率，这使得它可以取得几个纳米的步进。因此，可以实现比已知切片机和螺杆-螺母系统高得多的分辨率。这使得（尤其是）免除昂贵的螺杆-螺母系统和相应的轴承布置成为可能。
由于此类线性压电致动器被设计成直接驱动，所需元件数量显著减少，从而使轻量且节省空间的切片机设计成为可能。这使得能够获得设计紧凑的非常精密的切片机，特别是可以免除步进马达和相应的离合器。
此外，线性压电致动器不仅允许非常精确的小步进给移动，也可以实现高速移动，以使（例如在样品更换过程中）样品架和切割单元可快速地相互移开或靠近，使样品更换尽可能快地完成。
可用于压电元件的材料实例包括（特别是）压电陶瓷或压电晶体。
此外，设置控制单元是有利的，控制单元将压电元件激励成使得动件根据预定顺序直线移动。如此，样品架和切割单元之间的进给移动便可以简单的方式实现非常精确的控制。特别是，所述控制单元将线性压电致动器控制成：每次往复移动完成薄片的切制时，线性压电致动器相对于所述切割单元将样品架移动预定距离，该距离特别对应于薄片的所需厚度。
在一个特别优选的实施例中，切割单元是静止的，样品架通过驱动单元相对于切割单元移动。在本发明的另一实施例中，可以是样品架静止，而切割单元相对于样品架移动。或者，也可以将切割单元和样品架装配成均可移动。
样品架特别地固定连接于线性压电致动器的动件上，从而在动件移动时，样品架也随之移动，于是实现进给移动。
样品架优选地附装在滑座上，而所述滑座安装在导向构件上，使其可在导向构件的纵向轴线方向上移动。线性压电致动器的动件安装在滑座上，线性压电致动器的定件安装在导向构件上。因此，当动件相对于所述定件移动时，滑座就相对于所述导向构件移动，从而移动安装在滑座上的样品架。这为进给移动提供了简单、可靠的导引。
在本发明的替代实施例中，可以将定件安装在滑座上，动件安装在导向构件上。在这两个实施例中，导向构件可优选地采用轨道形式，使滑座的可靠导引得以实现。
在一个特别优选的实施例中，导向构件安装在可以通过另一驱动单元移动的另一滑座上。该另一滑座可以通过另一驱动单元特别是这样移动：该另一驱动单元可以使样品架相对于切割单元往复移动来切割待切片样品。为此，特别是将另一滑座附装在另一轨道上或不同地构造成的另一导向构件上，并且一个轨道的纵向轴线特别是与另一轨道的纵向轴线彼此正交，从而使往复移动和进给移动也彼此正交。
另一驱动单元特别地采用电动机形式，由编码器检测到的手轮的旋转运动通过该电动机转换成相应的往复移动。或者，也可以设置手轮和另一滑座之间的纯机械连接来产生往复移动。
同样有利的是，设置用于检测线性压电致动器行程的传感器。于是有可能精确地跟踪动件相对于定件的瞬时位置，即当前通过的距离。与由步进马达实现的驱动不同，这种传感器是必要的，因为行程不能简单地通过计数定义的步进[数]检测到。
传感器特别地包括连接于导向构件的线性编码器和设置在滑座上的标度。使用线性编码器来计数标度的步进，从而能够测定通过的距离。标度的形式可以是（例如）设置在滑座上的刻度或尺子。作为另一种选择，线性编码器可以安装在滑座上，线性标度可以设置在导向构件上。
同样有利的是设置用于控制线性压电致动器的控制单元。在薄片被切制后，该控制单元控制线性压电致动器而使得线性压电致动器以预先设定的距离进给移动。因此，每当薄片已从样品切下，样品架就被推进所述预定距离，于是可从该样品上切下新的薄片，所述薄片的厚度对应于所述预设距离。
在一个特别优选的实施例中，切片机包括可以用来设置该预设距离的操作者控制单元。因此，可以容易地将切片厚度与要被切片的样品相适配。在操作控制（单元）可以用来（例如）从大量可能的预定切片厚度选择所需的切片厚度。或者，也可以自由地输入所需的切片厚度。
除此之外或作为另一种选择，操作者控制单元也可以用来设置样品架与切制元件彼此相对移动的速度。这使得有可能（例如）选择高速来进行样品更换，而选择低速用于切制过程中样品的实际进给移动。
操作者控制单元尤其可以由用户手动操作。或者，也可以用与切片机相连的计算机来经由数据链接设置预定的距离和/或速度。
附图说明
根据以下描述的示例性实施例（并结合附图）本发明的其它特征和优点将变得显见，其中：
图1是切片机的示意透视图；
图2是图1的切片机的另一示意透视图；
图3是图1和2所示的切片机的示意透视图；
图4是关于图3的细节的另一示意透视图；
图5是关于图3和4所示细节的另一示意透视图；
图6是图3至5所示细节的侧视图；
图7是图3至6所示细节的侧视图；
图8是图3至7所示细节的另一局部剖视图。
具体实施方式
图1和图2分别是示意性透视图，以很简化的形式描绘了切片机10，仅示出了本发明必需的构件。例如，为看到内部构件而省略了壳体。
切片机10包括样品架12，其包括用于保持待切片样品的卡盘14。切片机10还具有切割单元16，其包括刀片夹持器18以及被夹在刀片夹持器18中的切割样品用的刀片20。
此外，切片机10包括具有手柄34的手轮32。手轮32的旋转运动由旋转编码器（未示出）检测。控制单元（也未示出）根据所检测到的手轮32的旋转运动来控制驱动单元22，使得样品架12以双箭头P1所指方向相对于静止切割单元16往复移动，从而通过与刀片20接触将样品切成薄片。每次往复动作产生一个薄片。
在一个替代实施例中，手轮32也可以被机械联接于样品架12，因此无需用于往复移动的驱动单元22（具体而言无需电动机），代之以通过转动手轮32纯机械地进行往复移动。
薄片切下后，样品架12须沿箭头P2的方向朝切割单元16水平移动，从而可在下一往复动作时从样品切割新的薄片。这种线性运动被称为“进给移动”或“进给”。每次往复动作后用样品架12在箭头P2的方向移动通过的距离来特别设置薄片的厚度。因此，可能的进给移动步距越小，可切制的薄片就越薄。
根据本发明，进给移动由具有线性压电致动器的驱动单元实现。该驱动单元详细示出于图3至图8。图3至图5分别是示意透视图，图6是侧视图，图7和图8是剖视图。
样品架12固定安装在由轨道式导向构件42支承的滑座40上，使其在双箭头P3的方向上水平移动。该导向构件42又被附装在另一滑座44上，该滑座可由驱动单元22在双箭头P1方向上垂直移动，从而进行切割样品的往复移动。因此，该另一滑座44的往复移动使导向构件42相应地上下移动，使得导向构件42进而是滑座40和样品架12执行相应的往复移动。
线性压电致动器50包括定件52和通过至少一个压电元件54连接于定件52的动件56。该压电元件54能够使动件56相对于定件52沿双箭头P3的方向直线移动。
定件52连接于导向构件42，而动件56被装在滑座40上，使得当动件56由压电元件54相对于定件52移动时，滑座40进而是样品架12也相对于导向构件42在双箭头P3的方向上移动，从而作进给移动。
这里，压电元件54被设置成相对于定件52静止。压电元件54在被适当通电时改变形状，使得动件56通过其与压电元件54的接触在双箭头P3的方向上直线移动。
可用的线性压电致动器的实例是PiezoMotor Uppsala公司制造的“Piezo LEGSCaliper 20N”压电马达或“Piezo LEGS LT2010A”压电马达。
与公知的切片机相比，其中进给移动是通过螺杆-螺母系统以纯机械方式和/或通过步进马达和相应的螺杆-螺母系统以机电方式实现的，使用线性致动器具有使几纳米的步长得以实现的优点。这达到了非常高的分辨率，从而可以一方面产生非常薄的切片，另一方面实现所需的高精确厚度。
线性压电致动器50的另一优点是，它作为直接驱动器工作，不需要电动机、离合器和附加的支承元件，从而有可能实现简单、低成本且节省空间的设计。因此（具体而言）切片机10可以被制造得紧凑、轻便。
另外，线性压电致动器50允许大行程，并使滑座40能够相对于导向构件42高速移动。因此，当切片机10在所谓的粗略进给模式（例如，在样品更换过程）中，可以在短时间行走较大距离，从而使快速样品更换成为可能。
此外，提供了操作者控制单元（图中未示出），可以用来设置速度。所述操作者控制单元尤其可以用于在粗略进给和精细进给模式之间作出选择。这些模式各有与之关联的不同的预设速度，粗略进给的速度设定显著高于精细进给。
此外，操作者控制单元也可以特别用来设定所需的切片厚度。所述控制单元于是这样控制线性压电致动器50：在每次往复动作后，使动件56向切割单元16移动所需的切片厚度，从而移动样品通过相应的距离。
可用于压电元件54的材料的实例包括压电陶瓷或压电晶体。
线性编码器60安装在导向构件42上。线性标度62设置在滑座40的相应位置上。该标度可以由线性编码器60读取。因此，可以简单地检测到导向构件42和滑座40之间的相对距离，这使进给移动能够以受控方式被控制和/或调节。
线性标度具体而言为刻度和/或标尺的形式。
在本发明的替代实施例中，定件52可安装在滑座40上而动件56可安装在导向构件42上。
此外，作为另一种选择，样品架12可以是固定的，而切割单元16可以由具有线性压电致动器50的相应的驱动单元相对于样品架移动。

Claims (13)

1.一种切制薄片的切片机，包括：
样品架(12)，其用于接纳待切片的样品，
切割单元(16)，其用于切割样品，以及
驱动单元，其产生所述样品架(12)和所述切割单元(16)之间的进给移动，用于设定样品切片的厚度，
其特征在于，所述驱动单元包括产生所述进给移动的线性压电致动器(50)；
所述线性压电致动器(50)包括定件(52)和通过至少一个压电元件(54)连接于所述定件(52)的动件(56)；
所述压电元件(54)适于能相对于所述定件(52)直线移动所述动件(56)；
所述压电元件(54)连接于所述定件(52)；
所述动件(56)能相对于所述压电元件(54)由压电元件(54)直线移动，
所述压电元件(54)在被通电时改变形状，使得所述动件(56)通过其与所述压电元件(54)的接触而直线移动。
2.如权利要求1所述的切片机(10)，其特征在于，
所述压电元件(54)包括压电陶瓷和/或压电晶体。
3.如权利要求1所述的切片机(10)，其特征在于，
具有控制单元，所述控制单元给压电元件(54)通电，使得动件(56)根据预先设置的动作顺序直线移动。
4.如权利要求1所述的切片机(10)，其特征在于，
所述切割单元(16)是静止的，所述样品架(12)能由所述驱动单元驱动而相对于所述切割单元(16)移动。
5.如权利要求4所述的切片机(10)，其特征在于，
所述样品架(12)固定连接于所述线性压电致动器(50)的动件(56)。
6.如权利要求4所述的切片机(10)，其特征在于，
所述样品架(12)附装在滑座(40)上；
所述滑座(40)装在导向构件(42)上，使得所述滑座在所述导向构件(42)的纵向轴线方向上移动；
所述动件(56)装在所述滑座(40)上；
所述定件(52)装在所述导向构件(42)上。
7.如权利要求4所述的切片机(10)，其特征在于，
所述样品架(12)装在滑座(40)上；
所述滑座(40)装在导向构件(42)上，使得所述滑座在所述导向构件(42)的纵向轴线方向上移动；
所述动件(56)装在所述导向构件(42)上；
所述定件(52)装在所述滑座(40)上。
8.如权利要求6或7所述的切片机(10)，其特征在于，
所述导向构件(42)具有轨道的形式。
9.如权利要求6或7所述的切片机(10)，其特征在于，
所述导向构件(42)装在另一滑座(44)上，所述滑座能由另一驱动单元(22)驱动而移动；
所述另一滑座(44)能由所述另一驱动单元(22)驱动而移动，使得所述另一驱动单元(22)能导致所述样品架(12)相对于所述切割单元(16)往复移动来切割待切片的所述样品。
10.如权利要求1所述的切片机(10)，其特征在于，
具有传感器(60，62)来检测所述线性压电致动器(50)的行程。
11.如权利要求6或7所述的切片机(10)，其特征在于，
具有传感器(60，62)来检测所述线性压电致动器(50)的行程，所述传感器包括装在所述导向构件(42)上的线性编码器(60)和设置在所述滑座(40)上的标度(62)。
12.如权利要求1或2所述的切片机(10)，其特征在于，
所述切片机(10)包括控制单元，所述控制单元用于控制所述线性压电致动器(50)；其中，在薄片切下后，所述控制单元控制所述线性压电致动器(50)，使得所述线性压电致动器(50)执行通过预定距离的进给移动。
13.如权利要求12所述的切片机(10)，其特征在于，
所述切片机(10)包括操作者控制单元，所述操作者控制单元允许设置所述样品架(12)和所述切割单元(16)相对于彼此移动的预设距离和/或速度。
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