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Die
Erfindung betrifft ein Positioniersystem zur Positionierung eines
Objekts relativ zu einer technischen Einrichtung, insbesondere einem
Beobachtungs-, Mess- oder Bearbeitungssystem oder dergleichen, mit
einer Objektträgervorrichtung
zur Aufnahme des zu positionierenden Objekts und einer Positioniervorrichtung
zur Positionierung der Objektträgervorrichtung,
wobei die Positioniervorrichtung eine Antriebseinrichtung zum Antrieb
der Objektträgervorrichtung
aufweist, wobei die Antriebseinrichtung zwei Linearmotore aufweist,
die so angeordnet sind, dass eine Positionierung der Objektträgervorrichtung
in zwei Achsen möglich
ist, und wobei die Positioniervorrichtung eine Messeinrichtung aufweist.
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Positioniersysteme
zur Positionierung von Objekten, welche in zwei Achsen bewegbar
sind, sind hinlänglich
bekannt, und werden regelmäßig auch
als Kreuztisch oder XY-Tisch bezeichnet. Ein Kreuztisch weist zwei
in einem rechten Winkel zueinander angeordnete Führungen auf, die eine zur Aufnahme
eines zu positionierenden Objektes vorgesehene Objektträgervorrichtung
mit einer Positioniervorrichtung verbinden. So werden Kreuztische
unter anderem auch in der Mikroskopie und bei Messsystemen eingesetzt,
wobei hier besonders hohe Anforderungen an eine Genauigkeit gestellt
werden. Ein Objekt bzw. ein Probenträger mit einer Probe wird dann
gegenüber
einem Mikroskopobjektiv oder einem Messfühler mittels des Kreuztisches
zur Beobachtung bzw. Messung in eine oder mehrere Positionen bewegt.
Um den hohen Genauigkeitsanforderungen gerecht zu werden, verfügen die
aus dem Stand der Technik bekannten Kreuztische regelmäßig über mechanische
Stellantriebe, die beispielsweise als ein Spindeltrieb, als Zahnstange
mit einem Ritzel, als Seilzug oder als Zahnriementrieb ausgebildet
sind. Um eine Automatisierung der Positionieraufgaben zu ermöglichen,
ist es auch bekannt diese Antriebe mit einem Elektromotor in Art
eines Rotationsmotors auszustatten. Darüber hinaus sind auch elektromotorische
Antriebe bekannt, die als Linearmotor ausgebildet sind und eine
direkte Umsetzung einer Motorbewegung in eine translatorische Bewegung
ermöglichen.
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Neben
der Bewegung des zu positionierenden Objekts ist eine Bestimmung
dessen tatsächlicher
Position besonders wichtig, insbesondere wenn Messungen durchgeführt oder
wiederholt bestimmte Positionen eingestellt werden sollen. Üblicherweise werden
daher die vorbeschriebenen Positioniersysteme mit ergänzenden
Messeinrichtungen ausgestattet die eine vergleichsweise genaue Positionsbestimmung
erlauben. Die Messeinrichtungen sind jedoch regelmäßig als
inkrementelle Messeinrichtung ausgebildet, das heißt, in der
Regel nach dem Einschalten der Messanlage muss ein Nullpunkt des Messsystems
bzw. eines Koordinatensystems des Kreuztisches zur Referenzierung
der Messeinrichtung angefahren bzw. definiert werden. Ausgehend vom
Nullpunkt erfolgt dann eine Zählung
von Skaleneinheiten zur Bestimmung einer Position bzw. Länge.
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Bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Positioniersystemen ist
es nachteilig, dass die Antriebseinrichtungen als ein Anbauteil
am Kreuztisch angeordnet sind. Insbesondere ein Gewicht von im Bereich
einer Außenkante
des Kreuztisches angeordneten Elektromotoren bewirkt eine einseitige
Gewichtsbelastung, welche zu einer Gewichtsschwerpunktsverlagerung
des Kreuztisches führt.
Eine Halterung des Positioniersystems wird so mit einem unerwünschten
Drehmoment belastet, welches eine Messgenauigkeit des Positioniersystems
nachteilig beeinflusst. Dies ist besonders dann der Fall, wenn Rotationsmotore
zum Einsatz kommen, den Kreuztisch seitlich überragen oder auch unterhalb
des Kreuztisches an diesem angeflanscht sind. Rotationsmotore weisen
darüber
hinaus den Nachteil auf, dass durch eine notwendige Umsetzung einer
Rotationsbewegung in eine translatorische Bewegung mechanische Bauteile
Geräusche
und Vibrationen erzeugen, die sich ebenfalls nachteilig auf ein
Messergebnis auswirken können.
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Insbesondere
bei der Verwendung eines Positioniersystems zusammen mit einem Mikroskop
ist es wichtig, dass eine Bauhöhe
des Positioniersystems möglichst
niedrig ist, da das Positioniersystem an handelsüblichen Mikroskopen verwendbar
sein soll, welche aufgrund Ihres Aufbaus nur wenig Raum für die Anordnung
eines Positioniersystems zulassen. Insbesondere bei der Durchlichtmikroskopie müssen optische
Komponenten des Mikroskops an ein Objekt von beiden Seiten sehr
nah heranbewegt werden können.
Daher ist es wünschenswert
einen Kreuztisch möglichst
dünn auszubilden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kreuztische erreichen dies
dadurch, dass die Antriebseinrichtung und/oder die Messeinrichtung
am Rande einer flächigen,
und vergleichsweise dünnen
Objektträgervorrichtung
angeordnet ist. Jedoch führt
diese Anordnung zu dem zuvor beschriebenen Nachteil der Gewichtsverteilung
mit dem entsprechenden negativen Einfluss auf die Messergebnisse.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Positioniersystem
mit erhöhter
Genauigkeit vorzuschlagen, welches mit einfachen Mitteln herstellbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Positioniersystem mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Positioniersystem zur
Positionierung eines Objekts relativ zu einer technischen Einrichtung,
insbesondere einem Beobachtungs-, Mess- oder Bearbeitungssystem
oder dergleichen, weist eine Objektträgervorrichtung zur Aufnahme
des zu positionierenden Objekts und eine Positioniervorrichtung
zur Positionierung der Objektträgervorrichtung
auf, wobei die Positioniervorrichtung eine Antriebseinrichtung zum
Antrieb der Objektträgervorrichtung
aufweist, wobei die Antriebseinrichtung zwei Linearmotore aufweist,
die so angeordnet sind, dass eine Positionierung der Objektträgervorrichtung
in zwei Achsen möglich
ist, wobei die Positioniervorrichtung eine Messeinrichtung aufweist,
und wobei die Antriebseinrichtung und die Messeinrichtung zwischenliegend
einer referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung und der
Objektträgervorrichtung angeordnet
sind.
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Insbesondere
die Verwendung eines Linearmotors als elektromotorischer Antrieb
ermöglicht
die Ausbildung eines besonders flachen Positioniersystems. Die referenzierende
Basis der Positioniervorrichtung ist gegenüber der technischen Einrichtung unbewegt
bzw. wird an dieser fest fixiert, wobei mittels der zwei Linearmotore
die Objektträgervorrichtung
mit dem Objekt in einer X-Achse und einer Y-Achse in Art eines Kreuztisches
zueinander bewegbar ist. Da die Antriebseinrichtung und die Messeinrichtung
unmittelbar zwischen der referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung
und der Objektträgervorrichtung
angeordnet sind, ergibt sich eine Gewichtsverteilung des Positioniersystems,
bei der ein Gewichtsschwerpunkt vergleichsweise nahe, relativ zu
einem Flächenschwerpunkt
der Objektträgervorrichtung
angeordnet ist. Dadurch wird eine erhöhte Messgenauigkeit erzielt,
da auf die referenzierende Basis der Positioniervorrichtung bzw.
die zwischen der referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung
und der Objektträgervorrichtung
angeordnete Messeinrichtung kein durch Gewichtskräfte ungünstig wirkendes
Drehmoment ausgeübt
wird. Auch die Anordnung der Messeinrichtung in Schwerpunktsnähe bzw.
in Nähe
der Verbindung zwischen Objektträgervorrichtung
und Positioniervorrichtung begünstigt
besonders genaue Messergebnisse, da im Vergleich zu einer an einem
Rand einer Objektträgervorrichtung
angeordneten Messeinrichtung, drehmomentbedingte Kippbewegungen
kaum über
einen langen Abstand der Messeinrichtung zu einem Drehmittelpunkt
der Objektträgervorrichtung
verstärkt werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn mittels der Messeinrichtung ein Absolutwert
einer unbestimmten Position der Objektträgervorrichtung relativ zu der
referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung unmittelbar bestimmbar
ist. Dies hat gegenüber
den bekannten, inkrementellen Messeinrichtungen den Vorteil, dass
nicht erst ein Nullpunkt von der Objektträgervorrichtung angefahren bzw.
ein Referenzpunkt eines Koordinatensystems bestimmt werden muss, bevor
durch eine inkrementelle Zählung
von Skaleneinheiten ein absoluter Messwert berechenbar ist. So kann
das Positioniersystem nach dem Einschalten unmittelbar einen absoluten
Messwert einer Position eines Objektes liefern. Insbesondere beim
Einsatz des Positioniersystems zur Automatisierung von Abläufen ist
eine Zeitersparnis erzielbar, da auf ein Anfahren des Referenzpunktes
nach dem Einschalten verzichtet werden kann.
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In
einer Ausführungsform
kann die Messeinrichtung eine magnetische Messeinrichtung sein. Magnetische
Messeinrichtungen können
gegenüber optischen
Messeinrichtungen bei vergleichbaren Genauigkeitsanforderungen günstiger
hergestellt werden, wobei auch eine Bauform der magnetischen Messeinrichtung
gegenüber
einer optischen Messeinrichtung kleiner ist. Insbesondere eine Verwendung
von Glasmaßstäben und
Linsen sowie notwendige optische Wege stehen einer Miniaturisierung
optischer Messeinrichtungen entgegen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Messeinrichtung zwei Messeinheiten umfassen. So kann eine
erste Messeinheit einer X-Achse und eine zweite Messeinheit einer
Y-Achse zugeordnet sein. Durch eine Auswertung einer jeweiligen
Position der Messeinheit ist dann einfach eine Objektposition bestimmbar.
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Auch
kann eine Messeinheit eine Sensoreinheit und einen Maßstab aufweisen,
die relativ zueinander bewegbar sind. Dann kann der Maßstab oder alternativ
die Sensoreinheit mit der referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung
verbunden sein, wobei die Sensoreinheit bzw. der Maßstab mit
der Objektträgervorrichtung
verbunden ist, so dass bei einer Bewegung der Objektträgervorrichtung
eine Relativbewegung zwischen Sensoreinheit und Maßstab erfolgen
kann. Die Messeinheit kann dann auch besonders einfach zwischen
der referenzierenden Basis und der Objektträgervorrichtung angeordnet werden.
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Weist
der Maßstab
mehrere magnetische Spuren auf, kann jede der Spuren von einem Sensor abgetastet
werden, wobei eine der Spuren eine präzise Anordnung von magnetischen
Polen zur Bereitstellung von Skaleneinheiten als inkrementeller
Maßstab
und die eine oder mehrere weitere Spuren gegenüber der ersten Spur phasenverschobene
magnetische Pole aufweisen können,
die eine Bestimmung einer absoluten Position ermöglichen. Somit kann ohne eine
vorherige Nullpunktdefinition eine unmittelbare Berechnung einer
Absolutposition erfolgen. Beispielsweise können drei magnetische Spuren
ausgebildet sein.
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Da
das Positioniersystem aufgrund der Linearführungen und Linearmotoren eine
von außen
auf das Positioniersystem wirkenden Kraft in Richtung einer Achse
keinen großen
Widerstand entgegensetzen kann, ist es besonders vorteilhaft, wenn
die Objektträgervorrichtung
mittels einer Fixiereinrichtung der Positioniervorrichtung arretierbar
ist. Eine Fixiereinrichtung kann dann im Transportfall oder bei
einer Betriebsunterbrechung die Objektträgervorrichtung relativ zur
referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung fixieren, so dass
unerwünschte
Bewegungen der Objektträgervorrichtung
und gegebenenfalls eine Beschädigung
des Positioniersystems vermieden werden kann. So kann auch nach
einer Betriebspause eine Beobachtung bzw. Messung eines Objekts
unterbrechungsfrei, ausgehend von der letzten Position, fortgesetzt
werden.
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Weiter
kann die Fixiereinrichtung einen Elektromagneten aufweisen, der
in zwei stabile Endlagen bringbar ist. In einer Endlage kann sich
die Objektträgervorrichtung
relativ zur referenzierenden Basis in den dafür vorgesehenen Grenzen frei
bewegen und in der anderen Endlage können die beweglichen Bauteile
der Positioniervorrichtung bzw. der Objektträgervorrichtung kraft- oder
formschlüssig
fixiert werden. Der Elektromagnet bzw. die Fixiereinrichtung kann
bei einem Ausschalten oder Einschalten des Positioniersystems durch
beispielsweise einen kurzzeitigen Spannungsimpuls einfach betätigt werden.
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In
einer Ausführungsform
kann in der Positioniervorrichtung eine Steuereinrichtung zur Steuerung
der Positioniervorrichtung integriert sein. Die Steuereinrichtung
kann beispielsweise die Linearmotoren ansteuern und die Messeinrichtung
auswerten, wobei die Steuereinrichtung vorzugsweise auf die Kombination
der Linearmotoren mit der Messeinrichtung abgestimmt ist. Neben
der unmittelbaren Integration der Steuereinrichtung in der Positioniervorrichtung
ist auch eine Anordnung der Steuereinrichtung außerhalb der Positioniervorrichtung
denkbar, wobei dann die Steuereinrichtung über Mittel zum Austausch von
Daten mit der Positioniervorrichtung verbunden sein kann.
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Auch
kann es wünschenswert
sein, kraftbegrenzt ein Objekt zu positionieren, um Beschädigungen
am Objekt, an der technischen Einrichtung oder am Positioniersystem
zu vermeiden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn eine von der Antriebseinrichtung
ausgeübte
Kraft mittels der Steuereinrichtung begrenzbar ist. Im Fall von
Linearmotoren kann dies besonders einfach durch eine Begrenzung
eines Motorstroms mittels der Steuereinrichtung erfolgen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
können Verbindungskabel
der Antriebseinrichtung, der Messeinrichtung und der Steuereinrichtung
starr angeordnet sein. Diese Ausführungsform kann insbesondere
durch die Integration der Antriebseinrichtung und der Messeinrichtung
zwischenliegend der referenzierenden Basis der Positioniervorrichtung
und der Objektträgervorrichtung
realisiert werden. So müssen
keine Kabel flexibel zur Antriebseinrichtung bzw. Messeinrichtung
geführt
werden und mit einer Objektträgervorrichtung
bewegbar verbunden sein. Die Kabel können dann auch nicht durch
sich wiederholende Bewegungen beansprucht werden und eine Verfälschung
eines Messergebnisses durch in den Kabeln wirkende Kräfte kann
vermieden werden.
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Die
Positioniervorrichtung kann so ausgebildet sein, dass eine Positionsauswertung
durch die Messeinrichtung oder durch die Steuereinrichtung erfolgen
kann. So kann eine unmittelbare Bestimmung einer Absolutposition
in der Messeinrichtung selbst oder in der Steuereinrichtung, beispielsweise
durch eine Software, einfach erfolgen.
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In
einer Endlage der Objektträgervorrichtung kann
ein Objekt von dem Positioniersystem automatisch handhabbar sein.
So kann die Objektträgervorrichtung
in der Endlage beispielsweise mit dem Objekt automatisch bestückt werden.
Dies ist besonders einfach dann realisierbar, wenn in der betreffenden Endlage
auf das Anfahren eines Nullpunktes zur inkrementellen Messwertbestimmung
verzichtet werden kann.
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Umfasst
die Objektträgervorrichtung
einen Mikroskoptisch, kann das Positioniersystem vorteilhaft an
einem Mikroskop eingesetzt werden.
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Umfasst
die Objektträgervorrichtung
weiter einen Probenhalter, können
zu beobachtende oder zu messende Proben bzw. Objekte in einer definierten
Position relativ zu dem Mikroskoptisch der Objektträgervorrichtung
einfach positioniert werden.
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Ist
der Probenhalter unmittelbar an einen Linearmotor der Antriebseinrichtung
gekoppelt, kann der Probenhalter bzw. das Objekt in Richtung einer Achse
auf dem Mikroskoptisch bewegt werden. Dies vereinfacht die Ausbildung
von Führungen
der Positioniervorrichtung.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
eines Positioniersystems in einer Draufsicht;
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2 das
Positioniersystem in einer Unteransicht ohne eine Basisplatte;
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3 das
Positioniersystem in einer Draufsicht ohne eine Objektträgervorrichtung;
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4 das
Positioniersystem in einer perspektivischen Darstellung ohne eine
Objektträgervorrichtung;
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5 das
Positioniersystem in einer Seitenansicht entlang einer Linie V-V
aus 1.
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Eine
Zusammenschau der 1 bis 5 zeigt
ein Positioniersystem 10 mit einem Probenträger 11 welcher
ein hier nicht dargestelltes Objekt bzw. eine Probe zur möglichen
Beobachtung bzw. Vermessung mit einem Durchlichtmikroskop aufnimmt.
Das Positioniersystem 10 ist aus einer Positioniervorrichtung 12 und
einer Objektträgervorrichtung 13 gebildet.
Die Objektträgervorrichtung 13 weist
einen Mikroskoptisch 14 und einen Probenhalter 15 auf,
wobei der Probenhalter 15 in Art einer Zange mit einem
beweglichen Schenkel 16 und einem starren Schenkel 17 ausgebildet
ist. Zwei Anlageflächen 18 und 19 des
Schenkels 17 bilden eine definierte Aufnahme für den Probenträger 11 aus. Der
Mikroskoptisch 14 ist entlang einer X-Achse und der Probenhalter 15 entlang
einer Y-Achse in einem Winkel von 90° relativ zueinander bewegbar.
Weiter ist im Mikroskoptisch 14 eine Durchgangsöffnung 20 vorgesehen,
um eine Beleuchtung bzw. Beobachtung der Probe zu ermöglichen.
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Die
Positioniervorrichtung 12 umfasst zwei Linearmotore 21 und 22,
welche zusammen eine Antriebseinrichtung ausbilden. Weiter ist eine
Messeinrichtung 23 vorgesehen, die im Wesentlichen von
einem Magnet streifen 24 und einem Sensorkopf 25 ausgebildet
wird. Eine Basisplatte 26 bildet eine referenzierende Basis
der Positioniervorrichtung 12 aus, wobei die Basisplatte 26 eine
Durchgangsöffnung 27 für Beleuchtungs- bzw. Beobachtungseinrichtungen eines
Mikroskops und nicht näher
dargestellte Befestigungseinrichtungen zur ortsfesten Montage des
Positioniersystems 10 an dem Mikroskop aufweist.
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Weiter
sind zwei Linearführungen 28 und 29 zur
Verbindung und Längsbewegung
des Mikroskoptisches 14 mit der Positioniervorrichtung 12 sowie eine
Linearführung 30 zur
Verbindung und Längsbewegung
des Probenhalters 15 vorgesehen. Eine Bewegung kann mittels
der Linearmotore 21 und 22 erfolgen, wobei jeder
der Linearmotore 21 und 22 über eine zwischenliegende Spule 35 bzw. 36,
eine obere Magnetanordnung 31 bzw. 32 und untere
Magnetanordnungen 33 bzw. 34 verfügt. Die
von der Messeinrichtung 23 ausgegebenen Messsignale werden
in einer Steuereinrichtung 37, welche im Positioniersystem 10 integriert
ist, erfasst. Mittels der Steuereinrichtung 37 erfolgt
ebenfalls eine Steuerung der Linearmotore 21 und 22 sowie
eines bistabilen Elektromagneten 38, welcher zusammen mit
einer Bremsstange 39 eine Fixiereinrichtung ausbildet.
Insbesondere durch die Integration der Linearmotore 21 und 22 zusammen
mit der Messeinrichtung 23 zwischenliegend dem Mikroskoptisch 14 und
der Basisplatte 26 wird eine besonders kompakte und flache
Ausführungsform
des Positioniersystems 10 möglich, bei dem schon alleine
durch die Anordnung der Linearmotore 21 und 22 für eine ausgeglichene
Gewichtsverteilung, selbst in einer Endlage der Objektträgervorrichtung 13,
gesorgt ist.