DE102008005165A1 - Piezomotorized Z-drive for adjusting e.g. microscope table, of microscope, has piezo motors in form of piezo crystals, provided in support, where each motor has legs that are separately controllable by control device - Google Patents

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Abstract

The drive has a support (1) arranged fixedly at a stand, where a set of piezo motors (5, 6) in form of piezo crystals is provided in the support and each motor includes a set of legs (7-10). The legs are separately controllable by a control device (11). A part of the legs are controlled so that the part of legs fixedly stays in effective connection with a microscope table and/or with a turret carrier (2) of a microscope and another part of the legs is adjusted in relation to the former part in a direction corresponding to feed motion and magnitude corresponding to the feed motion.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezomotorischen Z-Trieb für Mikroskope, insbesondere für einen, einen Objektivrevolver tragenden, am Mikroskopstativ verschiebbar gelagerten Schlitten zur schnellen und hoch präzisen Positionierung von im Objektivrevolver eingesetzten Objektiven.The Invention relates to a piezomotor Z-drive for microscopes, in particular for a person carrying a nosepiece, on the microscope stand slidably mounted carriage for fast and high-precision positioning of lenses used in the nosepiece Objective.

Eine häufige Anwendung in der Mikroskopie ist eine schnelle Stapelaufnahme von einer Probe oder einem Objekt, bei welcher in einer schnellen zeitlichen Folge Aufnahmen in verschiedenen z-Ebenen gemacht werden, wobei die z-Richtung die Richtung der optischen Achse des Mikroskopstrahlenganges ist. Aus diesen Aufnahmen kann dann z. B. ein 3D-Modell des zu untersuchenden Objektes oder der Probe berechnet und dargestellt werden. Eine solche Stapelaufnahme, bei der durch eine Verschiebung des Objektivs oder, bei feststehendem Objektiv, durch Verschiebung des Objekttisches die Fokusklage in der Probe bis auf wenige 1o Nanometer genau eingestellt werden muss, kann grundsätzlich von einem normalen, durch einen Schrittmotor angetriebenen Z-Trieb des Mikroskops durchgeführt werden, wobei allerdings die Verstellgeschwindigkeit sehr gering ist. Des Weiteren können die Schrittweite und auch ihre Reproduzierbarkeit nicht mit der erforderlichen Genauigkeit realisiert werden.A Frequent application in microscopy is fast Pile shot of a sample or object in which a fast temporal sequence recordings in different z-planes be made, with the z-direction the direction of the optical Axis of the microscope beam path is. From these shots can then z. B. a 3D model of the object to be examined or the sample calculated and presented. Such a pile recording, at by a shift of the lens or, with a fixed Objectively, by shifting the stage the focus suit in the sample has to be adjusted exactly down to a few 10 nanometers, can be basically from a normal, through a stepper motor driven Z-drive of the microscope are performed, wherein However, the adjustment speed is very low. Furthermore can the step size and also their reproducibility can not be realized with the required accuracy.

Um eine schnellere und präzisere Verstellung eines Objektivs während einer Stapelaufnahme zu erreichen, werden derzeit zusätzlich zum motorischen Z-Trieb piezo-getriebene Aktoren eingesetzt, welche jedoch auch erhebliche Nachteile aufweisen.Around a faster and more precise adjustment of a lens to achieve during a batch capture, are currently in addition to the motor Z-drive piezo-actuated actuators used, which, however, also have significant disadvantages.

So ist in DE 102 41 290 A1 eine Piezo-Objektivverstellung für ein Auge eines Objektivrevolvers eines Mikroskops vorgesehen, in welches dann ein Objektiv eingeschraubt wird. Da der Piezo im Allgemeinen eine breite Bauform besitzt, müssen aus Platzgründen die benachbarten Augen frei bleiben, so dass für ein Objektiv drei Augen benötigt werden. Nachteile bilden zudem störende Kabel und eine Vergrößerung der Tubuslänge, weil der Abstand zwischen Objektiv und Tubuslinse wird durch den dazwischen angeordneten Piezo vergrößert wird. Bei dem Einsatz von DIC-Prismen (digital interference contrast-Prismen) werden diese bei einer Verstellung des Objektivs nicht mitbewegt, da sie üblicherweise im Objektivrevolver angeordnet sind. Bei dem in dieser Schrift offenbarten Verfahren und einer Vorrichtung zur optischen Untersuchung eines Objektes wird in der Vorrichtung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Bildes des Objektes mit einem Objektiv und einem Objekttisch zur Aufnahme des Objektes ein Piezoaktor zur Einstellung des Abstandes zwischen Objektiv und Objektivrevolver bzw. Mikroskopstativ vorgesehen. Dabei kann das Objektiv durch den Piezoaktor verstellt werden. Aus einer Serie von in unterschiedlichen Z-Ebenen aufgenommenen Einzelbildern kann dann ein dreidimensionales Bild des Objektes hergestellt werden. Mit dieser Vorrichtung sind jedoch nur kleine Verstellwege realisierbar, so dass, um größere Verstellungen vornehmen zu können, zusätzliche Verstelltriebe notwendig sind.So is in DE 102 41 290 A1 a piezo lens adjustment provided for an eye of a nosepiece of a microscope, in which then a lens is screwed. Since the piezo generally has a wide design, the space between the neighboring eyes must remain free, so that three lenses are needed for a lens. Disadvantages also make troublesome cables and an increase in the tube length, because the distance between the lens and tube lens is increased by the interposed piezo. When using DIC prisms (digital interference contrast prisms) they are not moved with an adjustment of the lens, since they are usually arranged in the objective turret. In the method disclosed in this document and a device for optically examining an object, a piezoactuator for adjusting the distance between the objective and the objective turret or microscope stand is provided in the apparatus for producing a three-dimensional image of the object with an objective and a stage for receiving the object , In this case, the lens can be adjusted by the piezoelectric actuator. A three-dimensional image of the object can then be produced from a series of individual images recorded in different Z-planes. With this device, however, only small adjustment paths can be realized, so that in order to make larger adjustments, additional adjustment drives are necessary.

Aus US 7,180,662 ist eine Piezoanordnung für einen angetriebenen Scanning-Tisch bekannt. Dabei wird in den Probentisch ein Piezo-getriebener Tischeinsatz integriert, der die Probe aufnimmt und in Z-Richtung anstelle des Objektivs verstellt wird. Hierbei können störende Schwingungen auftreten, da die Piezoantriebe an mehreren Stellen (Ecken) des Tischeinsatzes angreifen und deren Bewegung schnell zu einer Resonanzbildung führen kann. Dadurch wird die Betrachtung der Proben negativ beeinflusst.Out US 7,180,662 a piezo arrangement for a driven scanning table is known. In this case, a piezo-driven table insert is integrated into the sample table, which receives the sample and is adjusted in the Z direction instead of the objective. This disturbing vibrations can occur because the piezoelectric actuators attack at several points (corners) of the table insert and their movement can quickly lead to a resonance formation. This negatively affects the viewing of the samples.

Aus der EP 1 234 346 B1 sind piezoelektrische Antriebe für piezoelektrische Resonatoren bekannt. Gemäß einer Ausführungsform sind die Resonatoren an einer ringförmigen Haltevorrichtung angeordnet, parallel geschaltet und arbeiten je nach Ansteuerung als funktionell unabhängige Antriebe. Sie stehen mit einer Welle in Wirkverbindung und greifen am Umfang an dieser an. Durch Veränderung der Anregungsfrequenz wird auf die Bewegungsrichtung Einfluss genommen. Die Verstellgeschwindigkeit kann durch eine Veränderung der Amplitude der anregenden Schwingung variiert werden. Je nach Ausbildung und Ansteuerung der Resonatoren ist neben einer axialen Verstellung auch eine Rotation der angetriebenen Welle möglich. Die Resonatoren sind über ein an ihnen angeordnetes federndes Element mit der Haltevorrichtung verbunden.From the EP 1 234 346 B1 piezoelectric drives for piezoelectric resonators are known. According to one embodiment, the resonators are arranged on an annular holding device, connected in parallel and operate depending on the control as a functionally independent drives. They are in operative connection with a shaft and attack at the periphery of this. By changing the excitation frequency, the movement direction is influenced. The adjustment speed can be varied by changing the amplitude of the exciting vibration. Depending on the design and control of the resonators in addition to an axial adjustment and a rotation of the driven shaft is possible. The resonators are connected to the holding device via a resilient element arranged on them.

So liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen piezoelektrischen Z-Trieb für Mikroskope zu schaffen, mit welchem eine schnelle und hochpräzise, reproduzierbare Verstellung und Positionierung eines in Richtung der optischen Achse des Mikroskopstrahlenganges (Z-Richtung) verstellbaren Tisches oder Revolverträgers ohne zusätzliche Z-Triebe über einen großen Verstellbereich realisiert werden kann.So the invention is based on the object, a piezoelectric Z-shoot for creating microscopes with which a fast and high-precision, reproducible adjustment and positioning of a in the direction of the optical axis of the microscope beam path (Z-direction) adjustable table or turret carrier without additional Z-drives realized over a large adjustment range can be.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen piezoelektrischen Z-Trieb für Mikroskope gelöst, welcher mit den im Hauptanspruch dargelegten Mitteln realisiert ist. In einem weiteren Anspruch sind Einzelheiten der Erfindung offenbart.According to the invention this task by a piezoelectric Z-drive for Microscopes solved, which with the means set out in the main claim is realized. In another claim, details of Invention disclosed.

Um eine hochpräzise Verstellung der betreffenden Mikroskopteile oder Baugruppen, beispielsweise eines Mikroskoptisches oder eines Revolverträgers, sowohl zur Realisierung einer Grob- als auch einer Feinverstellung zu erreichen, ist es günstig, wenn ein erster Teil der Beine des mindestens einen Piezomotors derart angesteuert ist, dass dieser erste Teil fest mit dem Mikroskoptisch und/oder mit dem Revolverträger des Mikroskops in Wirkverbindung steht und dass ein zweiter Teil der Beine des mindestens einen Piezomotors in eine dem Vorschub entsprechende Richtung und um einen dem jeweiligen Vorschub entsprechenden Betrag gegenüber dem ersten Teil der Beine verstellt ist.In order to achieve a high-precision adjustment of the relevant microscope parts or assemblies, for example a microscope stage or a turret carrier, both for the realization of a coarse and a fine adjustment, it is advantageous if a first part of the legs of the at least one Piezo motor is controlled such that this first part is firmly in operative connection with the microscope stage and / or with the turret carrier of the microscope and that a second part of the legs of the at least one piezoelectric motor in a direction corresponding to the feed and by an amount corresponding to the respective feed the first part of the legs is displaced.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigenThe Invention will hereinafter be an embodiment be explained in more detail. In the drawing show

1 stark vereinfacht den Aufbau eines erfindungsgemäßen piezomotorischen Z-Triebs für Mikroskope und 1 greatly simplifies the construction of a piezomotor Z-drive according to the invention for microscopes and

2 den Bewegungszyklus des Piezomotors. 2 the movement cycle of the piezo motor.

Der in 1 vereinfacht dargestellte, piezomotorische Z-Trieb, welcher insbesondere als Antriebsvorrichtung für die Verschiebung und Positionierung eines Objekttisches oder eines, einen Objektivrevolver tragenden Revolverträgers eines Mikroskops geeignet ist, umfasst eine mit einem Mikroskopstativ (nicht dargestellt) fest verbundene Halterung 1, an welcher als bewegliches bzw. verstellbares Element oder als bewegliche bzw. verstellbare Baugruppe ein, einen Objektivrevolver tragender Revolverträger 2 oder ein Objekttisch in Lagern 3; 4 in Richtung der optischen Achse des Mikroskopstrahlenganges (Z-Richtung) verstellbar gelagert ist, wobei als Lager 3; 4 geeignete Gleit- oder Wälzlager vorgesehen werden können. An der stativfesten Halterung 1 ist mindestens ein, im Ausführungsbeispiel sind zwei Piezomotoren 5 und 6 in Form von piezoelektrischen Kristallen angeordnet, welche mehrere Beine 7 bis 10 umfassen. Die Piezomotoren 5; 6 stehen mit einer Ansteuereinrichtung 11 in Verbindung und werden durch diese geeignet angesteuert in der Weise, dass der Revolverträger 2 oder der zu verstellende Objekttisch in Richtung der optischen Achse des Mikroskopstrahlenganges hochgenau verschoben und mit einer hohen Präzision positioniert werden kann.The in 1 simplified, piezomotor Z-drive, which is particularly suitable as a drive device for the displacement and positioning of a stage or a, an objective turret-carrying turret carrier of a microscope, comprising a with a microscope stand (not shown) firmly connected bracket 1 , on which as a movable or adjustable element or as a movable or adjustable assembly a, a nosepiece carrying turret carrier 2 or a stage in warehouses 3 ; 4 is mounted adjustably in the direction of the optical axis of the microscope beam path (Z-direction), wherein as a bearing 3 ; 4 suitable sliding or rolling bearings can be provided. On the tripod holder 1 is at least one, in the embodiment, two piezo motors 5 and 6 arranged in the form of piezoelectric crystals, which have several legs 7 to 10 include. The piezomotors 5 ; 6 stand with a drive device 11 in connection and are controlled by this suitable in the way that the revolver carrier 2 or the object table to be adjusted in the direction of the optical axis of the microscope beam path can be moved with high precision and positioned with high precision.

Ein derart gestalteter Piezomotor 5; 6 besteht also aus einem Piezokristall mit vier Beinen 7 bis 10, wobei ein jedes der Beine 7 bis 10 elektrisch derart durch eine Ansteuereinrichtung 11 angesteuert werden kann, dass diese Beine 7 bis 10 sich in ihrer Länge ändern und sich auch krümmen oder verbiegen können. Um eine Verstellung z. B. des Revolverträgers 2 in gewünschter Weise realisieren zu können, erfolgt die Ansteuerung aller vier Beine 7 bis 10 eines Piezomotors 5; 6 so, dass immer zwei Beine 7; 9 oder 8; 10 fest mit dem zu bewegenden Element oder mit der zu bewegenden Baugruppe (Revolverträger 2) in Wirkverbindung stehen, während sich die jeweils anderen zwei Beine 8; 10 oder 7; 9 für den Vorschub in die entsprechende Richtung bewegen. Dadurch wird der Schlupf minimiert und das zu bewegende Element wird jederzeit mit einem konstanten Druck auf die Lager 4 gepresst. Insbesondere ist diese Antriebsvorrichtung in der Lage, den Revolverträger 2 oder einen Objekttisch im spannungs- und stromlosen Zustand der Piezomotoren entgegen der Schwerkraft in einer festen Position zu halten, da die Piezomotoren eine starke Haltekraft ausüben.Such a designed piezo motor 5 ; 6 consists of a piezocrystal with four legs 7 to 10 , each one of the legs 7 to 10 electrically such by a drive device 11 can be controlled that these legs 7 to 10 can change in length and also bend or bend. To an adjustment z. B. the Revolverträgers 2 To realize in the desired manner, the control of all four legs takes place 7 to 10 a piezo motor 5 ; 6 so that always two legs 7 ; 9 or 8th ; 10 firmly with the element to be moved or with the assembly to be moved (turret carrier 2 ) are in operative connection while the other two legs 8th ; 10 or 7 ; 9 move in the appropriate direction for the feed. This minimizes slippage and keeps the moving element at a constant pressure on the bearings at all times 4 pressed. In particular, this drive device is capable of the turret carrier 2 or to hold a stage in the voltage and currentless state of the piezomotors against gravity in a fixed position, since the piezo motors exert a strong holding force.

Die 2a bis 2c zeigen Phasen des Bewegungszyklus eines derartigen Piezomotors 5 oder 6. So sind beispielsweise in einer ersten Phase (2a) die Beine 7 und 9 des Piezomotors 5 oder 6 in Verfahrrichtung oder Verschieberichtung (Pfeil 12) des Revolverträgers 2 gekrümmt oder gebogen und kontaktieren diesen, während die Beine 8 und 10 gerade und verkürzt sind und den Revolverträger nicht kontaktieren.The 2a to 2c show phases of the movement cycle of such a piezoelectric motor 5 or 6 , For example, in a first phase ( 2a ) the legs 7 and 9 of the piezo motor 5 or 6 in the direction of travel or displacement direction (arrow 12 ) of the revolver carrier 2 curved or bent and contact this while the legs 8th and 10 straight and shortened and do not contact the revolver carrier.

In einer zweiten Phase (2b) werden dann die geraden Beine 8 und 10 des Piezomotors 5 oder 6 mit dem zu bewegenden Revolverträger 2 in Kontakt gebracht und dann in Verfahrrichtung gekrümmt, wobei sie eine Verschiebung des Revolverträgers 2 in Richtung des Pfeils 12 relativ zur, die Piezomotoren 5; 6 tragenden Halterung 1 erzeugen. Die Beine 7 und 9 sind dabei gerade und verkürzt und stehen mit dem Revolverträger 2 nicht im Kontakt.In a second phase ( 2 B ) then become the straight legs 8th and 10 of the piezo motor 5 or 6 with the revolver carrier to be moved 2 brought into contact and then curved in the direction of travel, where it is a displacement of the Revolverträgers 2 in the direction of the arrow 12 relative to, the piezomotors 5 ; 6 carrying bracket 1 produce. The legs 7 and 9 are straight and shortened and stand with the revolver carrier 2 not in contact.

In einer dritten Phase (2c) wird dann der Zustand der ersten Phase wieder hergestellt. Die Beine 7 und 9 werden in gerader Form mit dem Revolverträger 2 in Kontakt gebracht und in Verfahrrichtung gekrümmt und bewirken so eine Verschiebung des Revolverträgers 2. Die Beine 8 und 10 sind dabei gerade und gekürzt und kontaktieren nicht den Revolverträger 2.In a third phase ( 2c ) then the state of the first phase is restored. The legs 7 and 9 become in straight form with the revolver carrier 2 brought into contact and curved in the direction of travel and thus cause a displacement of the turret carrier 2 , The legs 8th and 10 are straight and shortened and do not contact the gunman 2 ,

Mit diesem Piezotrieb wird eine hochgenaue Verstellung des Revolverträgers 2 in Richtung der optischen Achse des Mikroskopstrahlenganges über den gesamten Verfahrbereich erreicht, so dass auf einen gesonderten Z-Trieb für eine Grobverstellung verzichtet werden kann.With this piezoelectric drive is a highly accurate adjustment of the turret carrier 2 achieved in the direction of the optical axis of the microscope beam path over the entire travel range, so that can be dispensed with a separate Z-drive for a coarse adjustment.

Mit dem erfindungsgemäßen Z-Trieb ist eine einzige Antriebseinheit geschaffen, mit der die Funktion einer Grob- und auch einer Feinverstellung für Revolverträger, Mikroskoptische oder andere zu verschiebende und zu positionierende Teile oder Baugruppen an Mikroskopen realisiert werden kann.With The Z-shoot according to the invention is a single Drive unit created with the function of a coarse and also a fine adjustment for revolver carriers, Microscopic or other to be moved and positioned Parts or assemblies can be realized on microscopes.

11
Halterungbracket
22
Revolverträgerrevolver carrier
33
Lagercamp
44
Lagercamp
55
PiezomotorpiezoMotor
66
PiezomotorpiezoMotor
77
Beinleg
88th
Beinleg
99
Beinleg
1010
Beinleg
1111
Ansteuereinrichtungdriving
1212
Pfeilarrow

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10241290 A1 [0004] - DE 10241290 A1 [0004]
  • - US 7180662 [0005] - US 7180662 [0005]
  • - EP 1234346 B1 [0006] - EP 1234346 B1 [0006]

Claims (2)

Piezomotorischer Z-Trieb für Mikroskope mit einem am Mikroskopstativ in Richtung der optischen Achse des Mikroskopstrahlenganges (Z-Richtung) verstellbaren Mikroskoptisch oder Revolverträger, welcher durch eine piezoelektrische Antriebsvorrichtung verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Z-Trieb eine am Stativ fest angeordnete Halterung (1) umfasst, an welcher mindestens ein mehrere Beine (7 bis 10) umfassender Piezomotor (5; 6) in Form eines Piezokristalls vorgesehen ist, wobei jedes Bein (7 bis 10) durch eine Ansteuereinrichtung (11) separat ansteuerbar ist.Piezo-motive Z-drive for microscopes with a microscope stage or revolver support which can be adjusted by a piezoelectric drive device on the microscope stand in the direction of the optical axis of the microscope beam path (Z direction), characterized in that the Z drive has a holder fixedly arranged on the stand ( 1 ), on which at least one several legs ( 7 to 10 ) comprehensive piezomotor ( 5 ; 6 ) is provided in the form of a piezocrystal, each leg ( 7 to 10 ) by a drive device ( 11 ) is separately controllable. Piezomotorischer Z-Trieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil der Beine (7 bis 10) des mindestens einen Piezomotors (5 oder 6) derart angesteuert ist, dass dieser erste Teil fest mit dem Mikroskoptisch und/oder mit dem Revolverträger (2) des Mikroskops in Wirkverbindung steht und dass ein zweiter Teil der Beine des mindestens einen Piezomotors (5 oder 6) in eine dem Vorschub entsprechende Richtung und um einen dem jeweiligen Vorschub entsprechenden Betrag gegenüber dem ersten Teil der Beine verstellt ist.Piezomotor Z-drive according to claim 1, characterized in that a first part of the legs ( 7 to 10 ) of the at least one piezoelectric motor ( 5 or 6 ) is driven such that this first part fixed to the microscope stage and / or with the revolver carrier ( 2 ) of the microscope is in operative connection and that a second part of the legs of the at least one piezoelectric motor ( 5 or 6 ) is adjusted in a direction corresponding to the feed and by an amount corresponding to the respective feed with respect to the first part of the legs.
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