DE102008021993A1

DE102008021993A1 - Einrichtung zur Positionserkennung drehbarer Bauelemente in Mikroskopsystemen

Info

Publication number: DE102008021993A1
Application number: DE102008021993A
Authority: DE
Inventors: Nico Presser; Gunter MÖHLER
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH; Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2008-05-02
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2009-11-05

Abstract

Um eine Einrichtung zur Positionserkennung drehbarer Bauelemente, wie Filterräder, Shutter oder dergleichen in Mikroskopsystemen zu schaffen, mittels der kostengünstig eine kontaktlose Positionserkennung der drehbar gelagerten Bauelemente mit geringem Auswerteaufwand sowie einer ausreichenden Messgenauigkeit ermöglicht wird, die einen platzsparenden und ökonomischen Aufbau und keinen mechanischen Verschleiß aufweist, wobei nach Zuschaltung der Betriebsspannung die Einrichtung sofort einsatzbereit ist, wird vorgeschlagen, dass ein um eine Drehachse (4) drehbares Bauelement (2) an seinem Drehteil (3) einen Magneten (6) aufweist, wobei sich der Magnet (6) zur Positionserkennung des drehbaren Bauelementes (2) über einem im Mikroskopsystem ortsfest angeordneten Sensor (7) bewegt, und wobei nach einer Detektion des Drehwinkels des Drehteils (3) mittels des Sensors (7) eine Bestimmung des Drehwinkels in einer mit dem Sensor (7) verbundenen Auswerteeinrichtung (8) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Positionserkennung drehbarer Bauelemente, wie Filterräder, Shutter oder dergleichen in Mikroskopsystemen, umfassend ein um eine Drehachse drehbares Bauelement und einen in Drehrichtung zum drehbaren Bauelement angeordneten Magneten, in dessen permanentmagnetischen Feld ein magnetisch sensitiver Sensor zur Detektion des Drehwinkels vorgesehen ist, sowie Mittel zur Auswertung des Drehwinkels.
Eine Positionierung drehbar gelagerter Bauelemente in Mikroskopsystemen erfolgt derzeitig in der Praxis durch mechanische, optische, elektrische oder magnetische Abgriffe entlang eines beliebigen äußeren Radius des drehbar gelagerten Bauelementes. So wird beispielsweise in der DE 41 07 071 A1 eine Einrichtung zur Positionserkennung eines bewegten und mit einer ferromagnetischen Ablenkstruktur versehenen Objektes, insbesondere einer rotationssymmetrischen Wechseleinrichtung für optische Glieder beschrieben, mit einem in einem permanentmagnetischen Feld angeordneten ortsfesten magnetoresistiven Sensor, bei der die Ablenkstruktur innerhalb eines definierten Bewegungsbereiches des Objektes als kontinuierliches Strukturelement mit in gleicher Bewegungsrichtung stets einsinniger Neigung stetig steigend oder stufig ausgebildet ist. Bei dieser ferromagnetischen Detektion der Position eines drehbar gelagerten Bauteils steht sowohl der Magnet als auch der Sensor fest und eine ferromagnetische Struktur wird daran vorbei geleitet. Eine Einrichtung zur Drehwinkelerfassung eines konstruktiven Elementes, z. B. einer Welle, auf der ein speziell aus zwei symmetrischen Teilen ausgebildeter sich mitdrehender Gebermagnet befestigt ist, und die Drehung der Welle mit dem Magneten über einen Feldwinkelsensor außerhalb der Achse erfasst wird, und bei welcher der vom Sensor erfasste Winkel möglichst linear über eine gesamte Umdrehung des Drehelementes den mechanischen Winkel wiederspiegelt, wird in der DE 10 2006 020 700 A1 beschrieben. Anordnungen mit speziell ausgebildeten Sensoren zur Erfassung eines Drehwinkels mechanischer Bauelemente, mit mindestens einem ortsfesten magnetempfindlichen Sensor, mittels dem magnetische Feldlinien detektierbar sind und daraus ein elektrisches Ausgangssignal erzeugbar ist, sind beispielsweise aus der DE 201 21 295 U1 bekannt, indem mindestens ein Sensor in einem Sensorkopf vorgesehen ist, der in einem ortsfesten Sensorfuß befestigt ist, wobei die Sensoranordnung eine Rändelgeometrie aufweist, mittels der eine Anpassung des Drehzahlsensors in einem Modul in axialer Richtung erreichbar ist und aus DE 198 13 569 A1 ein Drehwinkelsensor, der einen einer drehenden Welle benachbarten Magneten aufweist, ein als Hall-Element ausgebildetes Sensorelement, das im Verlauf der Flusslinien des Magneten angeordnet ist, sowie eine zwischen Magneten und Sensorelement auf der Welle angeordnete Schnecke, deren Erhebungen bei Drehung der Welle sich an dem Sensorelement vorbeibewegen und in Abhängigkeit von der Lage der Erhebungen sich unterschiedliche Induktionsstärken am Sensorelement einstellen. Aus der DE 10 2004 050 586 A1 ist weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Drehwinkelerfassung eines drehbaren Elementes mit einem magnetoresistiven und einem nach dem Hallprinzip arbeiteten Sensorelement bekannt, wobei durch die Kombination beider Sensorsignale Drehwinkel zwischen 0° und 360° erfassbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Positionserkennung drehbarer Bauelemente in Mikroskopsystemen zu schaffen, mittels der kostengünstig eine kontaktlose Positionserkennung der drehbar gelagerten Bauelemente mit technisch einfachen Mitteln und geringem Auswerteaufwand ermöglicht sowie eine ausreichende Messgenauigkeit gewährleistet wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Einrichtung zur Positionserkennung drehbarer Bauelemente in Mikroskopsystemen vor, bei der ein um eine Drehachse drehbares Bauelement an seinem Drehteil einen Magneten aufweist, wobei sich der Magnet zur Positionserkennung des drehbaren Bauelementes über einem im Mikroskopsystem ortsfest angeordneten Sensor bewegt, und wobei nach einer Detektion des Drehwinkels des Drehteils mittels des Sensors eine Bestimmung des Drehwinkels in einer mit dem Sensor verbundenen Auswerteeinrichtung vorgesehen ist.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das drehbare Bauelement an einem insbesondere zylinderförmig ausgebildeten, gelagerten Drehteil, das sich um die Drehachse dreht, angeordnet ist, wobei der als Permanentmagnet ausgebildete Magnet an einem unteren Ende des Drehteils angeordnet ist. Der Magnet ist dabei zentrisch auf einer Stirnseite des Drehteils so befestigt, dass eine konstante Ausrichtung des magnetischen Feldes im Magnet entsteht, wobei der Sensor ortsfest im Mikroskopsystem mit einem Luftspalt direkt unterhalb des Magneten in der Drehachse angeordnet ist, so dass der Sensor immer gut von den magnetischen Feldlinien des Magneten durchdringbar ist. Die Ausbildung des verwendeten Sensors ist dabei abhängig vom Einsatzgebiet, dem zur Verfügung stehenden Platz im Mikroskopsystem, der benötigten Genauigkeit und den Anschlussbedingen der Auswerteeinrichtung. Vorteilhaft ist deshalb eine möglichst kleine Bauform, beispielsweise in Form eines integrierten Schaltkreises. Der Magnet selbst ist auf der Stirnseite des Drehteils sowohl durch eine stoff-, form-, oder kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise mittels einer Kleb- oder Steckverbindung befestigbar. Unter bestimmten Vorrausetzungen ist als Variante das zylinderförmig ausgebildete, gelagerte Drehteil selbst aus einem magnetischen Werkstoff ausgebildet.
Durch Anordnen des Magneten am Ende des Drehteils des drehbaren Bauelementes wird der Drehwinkel mit Hilfe des im Mikroskopsystem ortsfest angeordneten magnetisch sensitiven Sensors und der elektronischen Auswerteeinrichtung berührungslos ohne Anfangsinitialisierung ermittelt. Damit entfallen technologisch komplizierte Ablenkstrukturen. Mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Einrichtung wird ein platzsparender und ökonomischer Aufbau am und im Mikroskopsystem gewährleistet und durch die berührungslose Antastung besitzt die Einrichtung zur Positionserkennung im wesentlichen keinen mechanischen Verschleiß.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird darin gesehen, dass aufgrund der konstanten Ausrichtung des magnetischen Feldes im Magneten bei bekannter Orientierung des Magneten an der Drehachse und bekannter Lage des magnetisch sensitiven Sensors im Mikroskopsystem der Drehwinkel ohne Initialisierung des Messsystems feststellbar ist. Die Einrichtung zur Positionserkennung ist nach Zuschalten der Betriebsspannung sofort einsatzbereit. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Einrichtung zur Positionserkennung in der Lage ist, Positionsveränderungen im inaktiven Zustand des Messsystems nach dessen Reaktivierung sofort zu erkennen und die exakte Position zu ermitteln.
Desweiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass für die kontaktlose Positionierung von mehreren drehbaren Bauelementen ein Sensor pro Drehachse vorgesehen ist, und dass zur Auswertung des Drehwinkels am Sensor verschiedene analoge und digitale Ausgangssignale vorgesehen sind. Das garantiert ein Maximum an Flexibilität der Einrichtung zur Positionserkennung. Neben analogen Ausgangssignalen sind verschiedene digitale Kodierungsmöglichkeiten des Drehwinkels, wie paralleler Digitalwert, seriell kodierter Digitalwert, PWM-Signal und dergleichen vorgesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Einrichtung zur Positionserkennung in perspektivischer Ansicht;
2 die Einrichtung schematisch in Draufsicht;
3 ein Diagramm zur Darstellung der Auswertung von unterschiedlichen Ausgangssignalen des Sensors.
In 1 ist eine Einrichtung 1 zur Positionserkennung in perspektivischer Ansicht dargestellt. Ein drehbares Bauelement 2 eines Mikroskopsystems, z. B. ein Filterrad, ein Shutter oder dergleichen ist auf einem zylinderförmig ausgebildeten, gelagerten Drehteil 3, beispielsweise einer Welle befestigt und dreht sich um eine Drehachse 4. An einem unteren Ende 5 des zylinderförmig ausgebildeten, gelagerten Drehteils 3 ist an einer Stirnseite 9 ein einteilig als Permanentmagnet ausgebildeter Magnet 6 zur Positionserkennung des drehbaren Bauelementes 2 mit einem geringen Luftspalt über einem im Mikroskopsystem ortsfest angeordneten Sensors 7 angeordnet, so dass der Drehwinkel des Bauelementes 2 mittels es magnetisch sensitiven Sensors 7 erfasst und in Verbindung mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung 8 ermittelt wird. Der ortsfeste Sensor 7 kann an beliebiger Stelle im Mikroskopsystem unter der Bedingung angeordnet werden, dass er immer gut von den magnetischen Feldlinien des Magneten 6 durchdrungen wird. Als Sensor 7 ist beispielsweise ein integrierter Schaltkreis vorgesehen, der sich aufgrund seiner kleinen Bauform besser von den magnetischen Feldlinien des Magneten 6 durchdringen lässt und in seinem Verhalten reproduzierbarer ist. Der Magnet 6 ist mit einer nicht näher dargestellten stoff-, form- oder kraftschlüssigen Verbindung auf der Stirnseite 9 des Drehteils 3 befestigbar. Als Variante kann das zylinderförmig ausgebildete, gelagerte Drehteil 3 selbst aus einem magnetischen Werkstoff bestehen, unter der Voraussetzung, dass eine Nord-Süd-Ausrichtung der magnetischen Feldlinien am Ende der Drehachse 4 über dem Sensor 7 erfolgt. Zwischen dem Magneten 6 und dem magnetisch sensitiven Sensor 7 besteht ein Luftspalt in Abhängigkeit vom eingesetzten Sensor 7, wobei der Luftspalt möglichst gering ist.
Aufgrund der konstanten Ausrichtung des magnetischen Feldes im Magnet 6 kann der Drehwinkel bei bekannter Orientierung des Magneten 6 zu der Drehachse 4 und bekannter Lage des magnetisch sensitiven Sensors 7 im Mikroskopsystem ohne Initialisierung der Einrichtung 1 zur Positionserkennung festgestellt werden.
2 zeigt die Anordnung von Magnet 6 und magnetisch sensitiven Sensor 7 zur Drehachse 4.
Zur Ermittlung des Drehwinkels des drehbaren Bauelementes 2 stehen am magnetisch sensitiven Sensor 7 verschiedene analoge und digitale Ausgangssignale zur Verfügung, um ein Maximum an Flexibilität zu garantieren. Wie im Diagramm in 3 dargestellt, sind neben den analogen Ausgangssignalen verschiedene digitale Kodierungsmöglichkeiten des Drehwinkels, wie paralleler Digitalwert, seriell kodierter Digitalwert, oder dergleichen Auswertemöglichen vorgesehen. Beispielsweise für ein analoges Ausgangssignal wählt man für einen Drehwinkel von 0° bis 360° die Kodierung in einer linearen Ausgangsspannung zwischen 0 V und 5 V. Die Vielzahl der Möglichkeiten, den gemessenen Drehwinkel für die weitere Verarbeitung bereit zustellen, hängt dabei vom konkreten Anwendungsfall und dem vorhandenen Mikroskopsystem ab.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das Ausführungsbeispiel, sondern ist in der Art und Anordnung des Magneten und des Sensors variabel.

1: Einrichtung zur Positionserkennung
2: drehbares Bauelement
3: zylinderförmig ausgebildetes, gelagertes Drehteil
4: Drehachse
5: unteres Ende des Drehteils
6: Magnet
7: Sensor
8: Auswerteeinrichtung
9: Stirnseite des Drehteils

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4107071 A1 [0002]
- DE 102006020700 A1 [0002]
- DE 20121295 U1 [0002]
- DE 19813569 A1 [0002]
- DE 102004050586 A1 [0002]

Claims

Einrichtung zur Positionserkennung drehbarer Bauelemente in Mikroskopsystemen, umfassend ein um eine Drehachse drehbares Bauelement und einen in Drehrichtung zum drehbaren Bauelement angeordneten Magneten, in dessen permanentmagnetischen Feld ein magnetisch sensitiver Sensor zur Detektion des Drehwinkels vorgesehen ist, sowie Mittel zur Auswertung des Drehwinkels, dadurch gekennzeichnet, dass ein um eine Drehachse (4) drehbares Bauelement (2) an seinem Drehteil (3) einen Magneten (6) aufweist, wobei sich der Magnet (6) zur Positionserkennung des drehbaren Bauelementes (2) über einem im Mikroskopsystem ortsfest angeordneten Sensor (7) bewegt, und wobei nach einer Detektion des Drehwinkels des Drehteils (3) mittels des Sensors (7) eine Bestimmung des Drehwinkels in einer mit dem Sensor (7) verbundenen Auswerteeinrichtung (8) vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Bauelement (2) an dem insbesondere zylinderförmig ausgebildeten, gelagerten Drehteil (3), das sich um die Drehachse (4) dreht, angeordnet ist, wobei der als Permanentmagnet ausgebildete Magnet (6) an einem unteren Ende (5) des Drehteils (3) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (6) zentrisch auf einer Stirnseite (9) des Drehteils (3) so befestigt ist, dass eine konstante Ausrichtung des magnetischen Feldes im Magneten (6) entsteht.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (6) auf der Stirnseite (9) des Drehteils (3) durch eine stoffschlüssige Verbindung gehalten ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (6) auf der Stirnseite (9) des Drehteils (3) durch eine form- oder kraftschlüssige Verbindung gehalten ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehteil (3) vorzugsweise aus magnetischem Material ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der als magnetisch sensitiv ausgebildete Sensor (7) ortsfest im Mikroskopsystem direkt unterhalb des Magneten (6) in der Drehachse (4) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) insbesondere als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Magneten (6) und dem Sensor (7) ein geringer Luftspalt vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des magnetisch sensitiven und ortsfesten Sensors (7) eine kontaktlose Detektion des Drehwinkels des Drehteils (3) vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel ohne Initialisierung des Messsystems durch eine konstante Ausrichtung des magnetischen Feldes im Magneten (6) bei bekannter Orientierung des Magneten (6) an dem Drehteil (3) und bekannter Lage des magnetisch sensitiven Sensors (7) im Mikroskopsystem feststellbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Positionsveränderungen im inaktiven Zustand des Messsystems nach dessen Reaktivierung sofort erkennbar und die exakte Position des Messsystems ermittelbar ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die kontaktlose Positionierung von mehreren drehbaren Bauelementen (2) ein Sensor (7) pro Drehachse (4) vorgesehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung des Drehwinkels am Sensor (7) verschiedene analoge und digitale Ausgangssignale zur Ermittlung des Drehwinkels durch die Auswerteeinrichtung (8) vorgesehen sind.