CN104729874B - 一种高精度振动切片机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度振动切片机，包括底座、单自由度振动结构、电磁力驱动结构、刀片调节架和刀片，所述单自由度振动结构由两个薄片状的弹簧钢片、振动端构成，两个薄片状的弹簧钢片一端分别固定于底座两侧上，另一端通过振动端相连，能进行单自由度振动；所述电磁力驱动结构的两块永磁体固定于振动端上，电磁力驱动结构的线圈骨架并固定于底座上，所述刀片调节架的弹性结构体固定在振动端上，刀片固定在刀片调节架上，刀片调节架并能精密调节刀片的角度。本发明结构简单，并可有效控制刀片振动过程中Z向误差，提高振动切片的精度，减小切片过程中样本组织损伤。

Description

一种高精度振动切片机

技术领域

本发明涉及研究和医疗设备，具体地说是指一种对组织样本进行切片的高精度振动切片机。

背景技术

在现代生物研究和医学检查中，常常需要使用切片机将生物组织制作成一定厚度的薄切片，以便进行染色、成像等进一步的处理和观察。振动切片机是一种广泛应用的切片机类型，其利用一定的装置驱动刀片沿刀刃方向(Y方向)往复振动，以撕裂柔软的生物组织,同时刀片沿X方向进刀，实现切片过程，可将新鲜的活体组织或固定过的组织切成数十微米至数百微米的薄切片。为适应不同的生物组织，通常刀片振动幅值、刀片角度和切片速度等参数为可调节的。由于刀片在沿Y向往复振动的过程中，会产生Z方向上的误差，若误差过大，会导致样本组织切片损伤严重。因此，为保证良好的切片效果，减少样本组织在切片过程中的损伤，应减小刀片振动过程中的Z向误差。

中国专利CN101500767中描述一种基于偏心轮和导轨结构的振动切片机，通过电机带动偏心轮旋转，从而驱动刀片沿导轨往复振动，实现对样本组织的振动切片，但其刀片振动幅值无法调节，同时没有控制Z向误差的机构，并且在长时间使用过程中导轨易发生磨损而导致严重的Z向误差。美国专利US6041686描述了另一种基于偏心轮和导轨结构的振动切片机，通过特殊设计的偏心轮结构，可调节刀片振动幅值，但调节范围有限，仅能选取几个固定值，同时没有控制Z向误差的机构，并且在长时间使用过程中导轨发生磨损，会导致严重的Z向误差。美国专利US6651538描述了一种基于弹簧片结构、采用电磁力驱动的振动切片机，避免了长时间使用过程中的导轨磨损，但其利用的是电磁铁与永磁铁间的相互作用力作为驱动力，难以保证驱动力的方向与刀片振动方向一致，同时没有控制Z向误差的机构，无法减小刀片振动过程中的Z向误差，影响对样本组织的切片效果。

综上所述，现存的振动切片机的刀片振动结构落后，同时缺少对刀片进行微调的装置，不能保证刀刃方向与振动方向一致，易产生严重的Z向误差，导致切片过程中样本组织损伤严重，并影响切片质量。这些问题在实际应用中限制了此类方法的发展和应用，因此发展一种高精度的振动切片机很有必要。

发明内容

本发明提供一种高精度的振动切片机，目的在于克服现有技术中振动切片机Z向误差严重，影响切片质量的缺点。

一种高精度振动切片机，其特征在于：包括底座、单自由度振动结构、电磁力驱动结构、刀片调节架和刀片，所述单自由度振动结构由两个薄片状的弹簧钢片、振动端构成，两个薄片状的弹簧钢片一端分别固定于底座两侧上，另一端通过振动端相连，能进行单自由度振动；所述电磁力驱动结构的两块永磁体固定于振动端上，电磁力驱动结构的线圈骨架并固定于底座上，所述刀片调节架的弹性结构体固定在振动端上，刀片固定在刀片调节架上，刀片调节架并能精密调节刀片的角度。

所述的弹簧钢片制作材料为碳素弹簧钢或合金弹簧钢，通过改变弹簧钢片的尺寸，可控制单自由度振动结构的固有振动频率。

所述电磁力驱动结构包括线圈、两块永磁铁、驱动电路和线圈骨架，两块永磁体固定于振动端上，线圈绕制在线圈骨架上，线圈骨架并固定于底座上，两块永磁铁之间形成均匀磁场，线圈的一边位于磁场中，驱动电路驱动线圈中产生周期性的电流，在磁场的作用下形成周期性的驱动力，驱动力方向与单自由度振动结构的振动方向一致，驱动单自由度振动结构往复振动。

所述线圈采用漆包铜线绕制而成。

所述的刀片调节架包括弹性结构体、微调螺钉、刀片夹具，弹性结构体固定于振动端上；微调螺钉固定在弹性结构体的侧面，刀片夹具固定在弹性结构体上，旋松螺钉后即可调节刀片的俯仰角。

所述弹性结构体的上半部分设有一缺口，将一螺钉旋松后，通过此缺口和调节微调螺钉，推动弹性结构体产生一定的形变，从而调节刀片的滚动角。

所述的微调螺钉为微型精密调节螺钉或微型差分调节螺钉，通过微调螺钉调节刀片角度，保证刀刃方向与单自由度振动结构的振动方向一致，从而减小Z向误差。

有益效果：

1.单自由度振动结构和电磁力驱动结构相结合，形成结构简单、性能稳定的刀片振动装置，避免了机械磨损。

2.通过刀片调节架精密调节刀片的角度，保证刀刃方向与振动方向一致，有效的降低刀片振动过程中的Z向误差，提高振动切片的精度，减小切片过程中样本组织损伤。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2a为本发明的电磁力驱动结构示意图。

图2b为本发明的电磁力驱动方向示意图。

图3a为本发明的刀片调节架示意图。

图3b为本发明的刀片调节方向意图。

图4为本发明的刀片Z向误差幅值测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1、图2a、图2b、图3a、图3b所示，本发明包括底座1、单自由度振动结构、电磁力驱动结构、刀片调节架和刀片11，所述单自由度振动结构由两个薄片状的弹簧钢片2、振动端7构成，两个薄片状的弹簧钢片2一端分别固定于底座1两侧上，另一端通过振动端7相连，振动端7形成一个单自由度振动系统，可沿Y向往复振动，通过改变弹簧钢片2的尺寸可改变单自由度振动系统的固有振动频率；所述电磁力驱动结构包括线圈3、两块永磁铁5、驱动电路和线圈骨架4，两块永磁体5固定于振动端7上，线圈3绕制在线圈骨架4上，线圈骨架4并固定于底座1上，两块永磁铁5之间形成均匀磁场，线圈3的一边位于磁场中，驱动电路驱动线圈3中产生周期性的电流，在磁场的作用下形成周期性的驱动力，驱动力方向与单自由度振动结构的振动方向一致，驱动单自由度振动结构往复振动，所述的刀片调节架包括弹性结构体8、微调螺钉9、刀片夹具10，弹性结构体8固定于振动端7上；微调螺钉9固定在弹性结构体8的侧面，刀片夹具10固定在弹性结构体8上，刀片固定在刀片夹具10上，旋松螺钉后即可调节刀片的俯仰角，刀片调节架并能精密调节刀片的滚动角，刀片调节架可随振动端7一起沿Y向往复振动。

如图2a、图2b所示，线圈3绕制在线圈骨架4上，两块永磁体5之间形成沿方向B12的均匀磁场6，线圈3的一边位于磁场中，驱动电路驱动线圈中产生沿方向I13的周期性电流，通电的线圈3与磁场6之间产生沿方向F14的周期性驱动力，周期性驱动力的方向F14与振动方向Y向平行，驱动单自由度振动结构往复振动。

如图3a、图3b所示，弹性结构体8通过三个螺钉(15、16、17)固定在振动端7上，微调螺钉9固定在弹性结构体8的侧面，刀片夹具10通过另一螺钉19固定在弹性结构体8上，刀片11通过刀片夹具10固定在弹性结构体8上，旋松螺钉19后即可调节刀片的俯仰角。弹性结构体8的上半部分设有一缺口18，将一螺钉17旋松后，通过此缺口18和调节微调螺钉9，可推动弹性结构体8产生一定的形变，从而调节刀片11的滚动角，再将螺钉17旋紧即可固定刀片11。图3b中的20、22为两种刀片滚动角不平行于振动方向23的状态，在这两种状态下刀片11在沿振动方向23振动过程中会导致严重的Z向误差，经过调节后即可得到与振动方向23平行的刀片滚动角状态21。

图4本发明的刀片Z向误差幅值测量结果图。当刀片11的Y向振幅为1mm时，未调节刀片11滚动角前，所测量的Z向误差如图4中的28线，可看出在刀片在Y向往复振动过程中，刀片Z向误差严重，超过8μm。通过刀片调节架8调节刀片11滚动角后，所测量的Z向误差为如图4中的29线，明显减小，控制在1μm以内。

本发明的高精度振动切片机的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、所述驱动电路驱动线圈产生周期性的电流，线圈在永磁铁所形成磁场的作用下形成周期性的驱动力，驱动单自由度振动结构往复振动，刀片随之一起振动。通过改变电流的大小，即可控制驱动力的大小，从而改变刀片的Y向振动幅值。

步骤2、调节所述微调螺钉，从而改变所述刀片的滚动角，并测量调节后刀片振动过程中的Z向误差大小，重复该步骤，直至所述刀片的Z向误差减小至要求的范围内。

实施例

底座为铝制加工件，弹簧钢片由碳素弹簧钢制成，弹性模量为200kN mm^-2，外形尺寸为95×50×1.6mm，振动端为铝制加工件，单自由度振动系统的固有振动频率为80Hz。线圈由漆包铜线绕制而成，导线直径为0.35mm，共1100圈，电阻值为32Ω。线圈骨架为铝制加工件。永磁铁的尺寸为20×30×10mm，剩磁强度为1.4T。该电磁力驱动结构产生的驱动力为46N/A。微调螺钉采用Newport公司生产的规格为170TPI的微调螺钉，灵敏度为0.4μm。弹性结构体和刀片夹具为不锈钢加工件。刀片采用Electron Microscopy Sciences公司的氧化锆刀片。

Claims (5)

1.一种高精度振动切片机，其特征在于：包括底座、单自由度振动结构、电磁力驱动结构、刀片调节架和刀片，所述单自由度振动结构由两个薄片状的弹簧钢片、振动端构成，两个薄片状的弹簧钢片一端分别固定于底座两侧上，另一端通过振动端相连，能进行单自由度振动；所述电磁力驱动结构的两块永磁体固定于振动端上，电磁力驱动结构的线圈骨架并固定于底座上，所述刀片调节架的弹性结构体固定在振动端上，刀片固定在刀片调节架上，刀片调节架并能精密调节刀片的角度；

所述电磁力驱动结构包括线圈、两块永磁铁、驱动电路和线圈骨架，两块永磁体固定于振动端上，线圈绕制在线圈骨架上，线圈骨架并固定于底座上，两块永磁铁之间形成均匀磁场，线圈的一边位于磁场中，驱动电路驱动线圈中产生周期性的电流，在磁场的作用下形成周期性的驱动力，驱动力方向与单自由度振动结构的振动方向一致，驱动单自由度振动结构往复振动；

所述的刀片调节架包括弹性结构体、微调螺钉、刀片夹具，弹性结构体固定于振动端上；微调螺钉固定在弹性结构体的侧面，刀片夹具固定在弹性结构体上，旋松螺钉后即可调节刀片的俯仰角。

2.根据权利要求1所述的高精度振动切片机，其特征在于：所述的弹簧钢片制作材料为碳素弹簧钢或合金弹簧钢。

3.根据权利要求1所述的高精度振动切片机，其特征在于：所述线圈采用漆包铜线绕制而成。

4.根据权利要求1所述的高精度振动切片机，其特征在于：所述弹性结构体的上半部分设有一缺口，通过此缺口和调节微调螺钉，推动弹性结构体产生一定的形变，从而调节刀片的滚动角。

5.根据权利要求1所述的高精度振动切片机，其特征在于：所述的微调螺钉为微型精密调节螺钉或微型差分调节螺钉。