DE102014005445B3

DE102014005445B3 - Mikrotom und Verfahren zum Betrieb eines Mikrotoms

Info

Publication number: DE102014005445B3
Application number: DE102014005445.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2034-04-12
Also published as: US20170115189A1; WO2015154738A1

Abstract

Bei einem Mikrotom (1) zur Herstellung von Dünnschnitten für die Histologie besteht im Einrichtbetrieb bei der Grobtriebzustellung die Gefahr von Kollisionen zwischen der Probe (9) und der Schneidekante (7). Es ist Aufgabe der Erfindung die Kollisionskraft einer solchen Kollision so zu begrenzen, dass sie in einem zulässigen Bereich liegt und damit Schäden vermieden werden und das Mikrotom (1) dadurch im Einrichtbetrieb eigensicher ist. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung unter Anwendung der gleichen Mittel Verfahren zu verwirklichen, die eine Auflösung von Kollisionen und eine automatische Annäherung zwischen Probe (9) und Schneidekante (7) ermöglichen. Die Abstützkraft der in der Zustelleinrichtung (12) wirkenden verknüpften Zustellmittel (18) wird begrenzt, indem die sonst übliche Verschraubung der verknüpften Zustellmittel (18) an der Zustelleinrichtung (12) beispielsweise durch eine Anfederung oder durch eine mit Magnetkraft wirkende Verbindung ersetzt wird. Dadurch heben die verknüpften Zustellmittel (18) bei Überschreitung der Abstützkraft im Falle einer Kollision von ihrer Anlagefläche ab und erfahren eine Verschiebung (30). Damit wird die Kollisionskraft auf die Abstützkraft begrenzt. Eine zusätzliche Abschaltung des elektromotorischen Zustellantriebs und ein daran geknüpftes Verfahren zur Auflösung einer eingetretenen Kollision über die elektrische Steuerung (11), ist die Basis für ein weiteres Verfahren zur automatischen Annäherung zwischen Probe (9) und Schneidekante (7), das durch Verwendung der gleichen Mittel ebenfalls eigensicher ist. Das erfindungsgemäße Mikrotom (1) eignet sich besonders in der histologischen Routine wo Zuverlässigkeit und Sicherheit in der Anwendung eine bedeutende Rolle spielen. Die Eigensicherheit in der Zustellbewegung (14) während des Einrichtbetriebes vermeidet Schäden an Proben (9) und Schneidewerkzeugen (6) und schützt die Bedienperson im Falle von Bedienungsfehlern. Die automatische Annäherung erlaubt schnelle und ergonomische Einrichtvorgänge.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromotorisch zustellendes Mikrotom, das zur Erhöhung der Arbeitssicherheit und Schadensvermeidung, Mittel aufweist, die Kraftwirkungen bei unkontrollierten Kollisionen zwischen Probe und Schneidekante zu begrenzen und das Mikrotom dadurch eigensicher wird. Zudem weist die Erfindung Mittel auf, die zusätzlich eine Abschaltung des elektromotorischen Antriebs bei einer Kollision herbeiführen und ermöglicht mit den gleichen Mitteln ein Verfahren, das eine daraus abgeleitete automatische Annäherung zwischen Probe und Schneidekante darstellt.
Mikrotome sind Schneidegeräte die vorwiegend in der Histologie, Biologie, medizinischen Forschung aber auch in der Materialkunde und der Qualitätssicherung zur Herstellung dünner Schnitte von Proben dienen. Diese Schnitte werden dann mikroskopischen, vorwiegend lichtmikrospischen Untersuchungsmethoden zugeführt.
Die Herstellung von Dünnschnitten geschieht bei allen Mikrotomtypen im Schneidebetrieb durch eine Relativbewegung einer eingespannten Probe entlang eines linearen oder gekrümmten Schneideweges an der Schneidekante eines Schneidewerkzeuges. Die Schnittdicke des entstehenden Dünnschnittes entspricht dabei im Wesentlichen dem Zustellwert der zuvor vorgenommenen Zustellbewegung einer Zustelleinrichtung zwischen Probe und Schneidwerkzeug relativ zueinander und im Allgemeinen, jedoch nicht zwingend, senkrecht zur Schneidebewegung. Die Zustellung kann entweder als Zustellung der Probe über den Probenhalter oder als Zustellung des Schneidewerkzeuges über den Messerträger erfolgen.
Gebräuchliche Mikrotome werden in ihrer Bauart unterschieden in Schaukelmikrotome mit Messerträgerzustellung, Schlittenmikrotome mit Messerträgerzustellung oder Probenzustellung, Scheibenmikrotome mit Messerträgerzustellung und Rotationsmikrotome mit Messerträgerzustellung oder Probenzustellung. Mikrotome, die in Mikrotom-Kryostaten zur Erzeugung von Gefrierschnitten eingesetzt werden, nennt man Kryostat-Mikrotome. Sie sind grundsätzlich ebenso nach den genannten Bauarten und Zustellungsarten unterschieden. Es ist festzuhalten, dass grundsätzlich jeder Mikrotomtyp sowohl mit Messerträger- als auch mit Probenzustellung darstellbar ist.
Dabei weist die Zustelleinrichtung bei allen genannten Mikrotomen im Stand der Technik einen Führungskörper auf, der entweder mit einem Grundkörper des jeweiligen Mikrotoms fest verbunden ist oder mit einem Trägerteil, das sich entlang der Schneidebahn des Mikrotoms geführt bewegt. Mit welchem der genannten Teile die Zustelleinrichtung verbunden ist, hängt davon ab welcher Mikrotomtyp vorliegt und ob eine Messerträgerzustellung oder eine Probenzustellung vorhanden ist. Die Verbindung des Führungskörpers mit dem Grundkörper oder dem Trägerteil des Mikrotoms kann durch Verschraubung, Verklebung oder sonstige Verbindungstechniken ausgeführt sein, oder aber durch einstückige Ausführung mit dem Grundkörper oder dem Trägerteil.
Die Zustelleinrichtung besteht dabei immer aus dem Führungskörper, einem daran oder darin beweglichen Führungselement und untereinander verknüpften Zustellmitteln. Die verknüpften Zustellmittel können sich z. B. zusammensetzen aus einer Spindel mit Mutter, einer Spindellagerung mit Lagerelementen, einem Lagergehäuse und einem Antriebselement für die Zustellbewegung. Andere Formen von verknüpften Zustellmitteln können z. B. Zahnstangenantriebe, Schneckengetriebeanordnungen oder Seilzugkomponenten beinhalten. Allen Formen von verknüpften Zustellmitteln im Stand der Technik ist gemeinsam, dass mindestens ein Funktionsteil dieser verknüpften Zustellmittel mit dem Führungskörper fest verbunden ist, z. B. durch Verschraubung oder mit diesem einstückig ausgeführt ist und mindestens ein weiteres Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel das bewegliche Führungselement in Bewegung versetzt, wenn das Antriebselement angesteuert wird.
Soll nun eine Probe einem ersten Anschneiden und der dann erfolgenden sukzessiven weiteren Erzeugung von Dünnschnitten unterworfen werden, ist zunächst die Schwierigkeit zu überwinden, die auf Grund der Verschiedenheit der Probenabmessungen unbekannte Distanz zwischen eingespannter Probe und Schneidekante zu vermindern. Diesen Vorgang im Einrichtbetrieb des Mikrotoms, der in einem Routinelabor durchaus 80–120 mal an einem Arbeitstag vorkommt, nennt man Annäherung. Dabei befindet sich idealerweise die Probenmitte in einem gewissen Abstand der Schneidekante des Schneidewerkzeuges gegenüber auf etwa gleicher Höhe. Über die Zustelleinrichtung des Mikrotoms wird dann eine sogenannte Grobtriebbewegung durchgeführt die den Abstand zwischen Probe und Schneidekante soweit verringert, dass ein anschließendes Anschneiden, das sogenannte Trimm-Schneiden der Probe, sicher und anwendungsgerecht vorgenommen werden kann.
Es sei hier erwähnt, dass daneben zusätzlich bei den meisten Mikrotomen, unabhängig davon ob es sich um eine Messerträgerzustellung oder eine Probenzustellung handelt, die Möglichkeit besteht, z. B. den Messerträger von seinem Unterteil durch Öffnen von Klemmhebeln zu lösen und manuell eine Verschiebung zur Probe hin, bis zur Berührung, vorzunehmen und danach die Klemmhebel wieder festzuziehen. Die gleiche Prozedur ist auch mit Probenhalterungen möglich, falls sie mit lösbaren Klemmmechanismen ausgestattet sind. Diese Form der Annäherung zwischen Probe und Schneidekante ist äußerst unergonomisch und wird in der Folge nicht weiter berücksichtigt.
Sicherheitseinrichtungen zur Vermeidung von Zerstörungen von Bauteilen am Mikrotom bei der Zustellbewegung gehören bei mechanisch wirkenden Zustellsystemen zum Stand der Technik. In der WO 95/14 219 A1 ist ein rein mechanisch wirkendes Mikrotom beschrieben, bei dem der manuell betätigte Grobtrieb bei Erreichen des Endanschlages der Zustellung durch eine Rutschkupplung gesichert ist und bei dem das mechanische Mikrometerwerk einen Schutz vor innerer Zerstörung bei Erreichen des Endanschlags aufweist.
In der WO 2004/029 587 A1 ist ebenfalls ein mechanisch zustellendes Mikrotom mit manuellem Grobtrieb benannt, bei dem das Grobtriebhandrad eine Rutschkupplung aufweist, die Zerstörungen auf Grund eines Blockierens zwischen Grobtrieb und Zustellspindel vermeiden soll.
Weiter sind im Stand der Technik Lösungen für Zustellsysteme mit Spindeln bekannt, die durch Verwendung von Federpaketen die gewünschte Spielfreiheit der Zustellsysteme ermöglichen. Die DE 34 04 098 C2 beschreibt ein Mikrotom mit mechanischer Zustellung über eine Spindel und mit einem mechanisch wirkenden Rückzug, der über eine angefederte Spindellagerung eingreift.
In der DE 37 27 975 C2 ist ein Mikrotom mit mechanischer Zustellung über eine Spindel beschrieben, das zur Vermeidung von Spiel zwischen der Spindel und den zusammenwirkenden geteilten Muttern sowie in den Spindel- und Mutterlagerstellen jeweils Anfederungen aufweist.
In der DE 34 04 097 C1 ist ein Mikrotom mit einer elektromotorischen Grobtrieb-Zustelleinrichtung in Überlagerung zu einer rein mechanischen Feinzustellung der Schnittdicke beschrieben. Die DE 29612938U1 beschreibt ein Mikrotom das zur Grob- und Feinzustellung vorzugsweise einen Schrittmotor verwendet. Im Stand der Technik haben sich generell bei allen Mikrotomtypen Zustellsysteme mit Schrittmotorantrieb durchgesetzt.
Mit Mikrotomen dieser Art ist es möglich durch eine entsprechende Bedienfunktion eines Schalters oder einer Tastatur die oben genannte Grobtriebbewegung zur Überbrückung des Abstandes zwischen Probe und Schneidekante vor dem Anschneiden auszuführen und zwar durch einen Start und einen Stop der Bedienfunktion, bei gleichzeitiger genauer Beobachtung des sich verringernden Abstandes zwischen Probe und Schneidekante. Dabei besteht die Schwierigkeit einerseits so nah als möglich mit der Probe an die Schneidekante unter Sicht heranzufahren, andererseits aber eine Kollision zwischen Probe und Schneidekante möglichst zu vermeiden, da dies zu Beschädigungen sowohl der Schneidekante als auch der Probe führen kann. Das Bedürfnis so nah als möglich heranzufahren resultiert aus dem Umstand, dass typische, gewünschte Schnittdicken beim Trimm-Schneiden unterhalb 30 μm liegen und daher ein unmittelbares Anschneiden nach der Annäherung nur stattfindet, wenn die Annäherung zwischen Probe und Schneidekante bereits in diesem Bereich liegt. Zur besseren Beobachtbarkeit des Spaltes zwischen Probenoberfläche und Schneidekante werden daher auch optische Hilfsmittel wie Stereomikroskope und Lupen, teilweise mit zusätzlichen Beleuchtungseinrichtungen eingesetzt.
Dies ist aufwändig und unergonomisch und garantiert keine sichere Kollisionsvermeidung, da die rohe Probenoberfläche auch Unebenheiten aufweist. Zudem besteht immer die Gefahr der Fehlbedienung mit entsprechenden Schäden an Probe und/oder Schneidekante. Bei grober Fehlbedienung oder bei einem ersten Versagen eines technischen Mittels besteht auch zu einem gewissen Grad die Gefahr von Verletzungen, z. B. Quetschungen an den Fingern der Bedienperson.
Um die fehlerbehaftete und zeitraubende manuell gesteuerte Probenannäherung durch den Grobtrieb zu vermeiden wurden automatisierte Annäherungen eingeführt. Aus der DE 42 05 256 C2 ist ein Mikrotom bekannt, das über eine elektromotorische Zustelleinrichtung für die Grob- und die Schnittdickenzustellung verfügt und eine automatische Annäherung aufweist. Mit dieser Einrichtung, die an der Rückseite des Messerträgers angebracht ist und bei der die Probe am Ende ihrer Schneidebahn positioniert ist, lässt sich die Gefahr und die Schwierigkeit die mit einer manuell bedienten Annäherung unter Sicht verbunden ist vermeiden. Allerdings zeigt sich in der Praxis eine, auf Grund der Lage im Bereich der Schnitterzeugung, erhebliche Beeinträchtigung der Funktion durch Verschmutzungen durch Schnittabfälle. Dies führt zu Ausfällen und entsprechenden Aufwendungen um die ordnungsgemäße Funktion wieder herzustellen.
Die DE10258553B4 beschreibt eine Einrichtung zur automatischen Annäherung mittels einer Lichtschranke. Der Einbauort dieser Vorrichtung ist ebenfalls im Bereich zwischen Messerträger und Probenhalter und daher Funktionseinschränkungen durch Verschmutzungen ausgesetzt.
In der DE19911173C2 wird eine automatische Annäherung mittels eines druckempfindlichen Sensors beschrieben, der in einer bestimmten Referenz zur Schneidekante steht. Auch dort ist der Einbauort des Sensors im verschmutzungsträchtigen Bereich zwischen Messerträger und Probenhalter mit entsprechenden Nachteilen für die Genauigkeit der Messungen und der Funktionstüchtigkeit.
Die DE 10 2007 023 457 B4 schlägt ein Verfahren zur automatischen Annäherung mittels einer Lichtschranke als Lichtband vor um einen Referenzwert in Bezug auf die Schneidekante zu gewinnen. Auch dabei ist jedoch der Einbauort der optischen Mittel im Zwischenraum zwischen Messerträger und Probenhalter angeordnet und damit mit den gleichen obengenannten Nachteilen behaftet.
Die EP 2 503 315 A2 schließlich beschreibt ein Mikrotom mit einer elektromotorischen Zustelleinrichtung und einer damit verbundenen Probenorientierungsmessung und daraus abgeleiteter Korrekturmöglichkeit der Probenorientierung und nachfolgender automatischer Annäherung. Allerdings befindet sich der Einbauort des Systems ebenfalls an der Rückseite des Messerträgers und ist grundsätzlich den gleichen Verschmutzungsproblemen durch Schnittabfälle beim Schneidevorgang ausgesetzt, obwohl eigens dafür eine mechanische Schutzeinrichtung vorgesehen ist, die wiederum das System entsprechend aufwendig macht.
Die DE 195 281 80 C2 beschreibt ein Verfahren zur automatischen Annäherung durch Leitfähigkeitsmessung bei Berührung zwischen Probe und Schneidkante. Dies setzt jedoch eine brauchbare Mindestleitfähigkeit des Proben- und Einbettmediums voraus. Diese Bedingungen sind jedoch nur bei Gefrierschnitten in Mikrotom-Kryostaten gegeben. In der Praxis wird die Bewertung der Leitfähigkeitsmessung und damit zusammenhängende Abschaltkriterien für die Zustellbewegung noch mit Temperaturtabellen abgeglichen, um eine möglichst sichere Funktionalität zu erreichen. Für Proben in Paraffineinbettung oder Kunststoffeinbettung ist dieses Verfahren wegen mangelnder Mindestleitfähigkeit nicht anwendbar.
Alle genannten Verfahren und Vorrichtungen zur Annäherung zwischen Probe und Schneidekante, sowohl die unter manueller Bedienung, wie auch die mit automatischer Annäherung haben den Nachteil, dass sie keine hohe Funktionssicherheit gewähren und dabei keine Eigensicherheit aufweisen. Dies bedeutet, dass bei einem Versagen durch die Bedienperson, wie auch bei einem ersten Versagen der verwendeten technischen Mittel, eine unkontrollierte Kollision zwischen Probe und gegenüberliegendem Anfahrpunkt stattfinden kann. Dies ist besonders schädlich weil die antreibende elektromotorische Kraft der Zustelleinrichtung weiter wirkt, bis entweder durch manuelles Eingreifen oder die Zerstörung eines technischen Bauteils der Vorgang zu Ende kommt. Die dabei auftretenden Kräfte können erheblich sein, besonders, wenn wie meist gebräuchlich, innerhalb der Zustelleinrichtung die Zustellung durch einen motorischen Antrieb über Spindel und Spindelmutter mit Feingewindesteigungen bewirkt wird. Die Betriebsparameter des Mikrotoms werden dadurch erheblich überschritten. Dabei ist die Gefahr der Schädigung der Probe und/oder der Schneidekante in hohem Maße gegeben. Zudem besteht die Gefahr der Schädigung von Komponenten des Mikrotoms.
Bei grober Fehlbedienung oder bei einem ersten Versagen eines technischen Mittels besteht zusätzlich auch zu einem gewissen Grad die Gefahr von Verletzungen, z. B. Quetschungen an den Fingern der Bedienperson.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung ein Mikrotom mit einer elektromotorisch betriebenen Zustelleinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb dieses Mikrotoms mit dieser Zustelleinrichtung anzugeben, das mit hoher Zuverlässigkeit, sowohl manuell bediente wie auch automatisierte Zustellvorgänge im Einrichtbetrieb zur Annäherung zwischen Probe und Schneidekante ermöglicht und dabei eine Eigensicherheit aufweist, indem bei Überschreitung einer festgelegten Kollisionskraft, zwischen Probe und einem gegenüberliegenden Kollisionspunkt, Mittel wirken, die eine Begrenzung der Kollisionskraft zur Folge haben. Es ist weitere Aufgabe der Erfindung, obwohl Mittel wirken die bei Überschreitung der festgelegten Kollisionskraft Eigensicherheit ergeben, bei Kollision zudem eine Abschaltung des antreibenden elektromotorischen Antriebs herbeizuführen und daran Verfahrensschritte anzuschließen, die eine Aufhebung der Kollisionssituation bewirken, um im störungsfreien Betrieb eine schnelle und ergonomische Funktionalität der Annäherung zwischen Probe und Schneidekante zu bieten. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung die Verfahrensschritte weiter zu entwickeln um damit eine automatische Annäherung zwischen Probe und Schneidekante unter Anwendung der gleichen Mittel zu verwirklichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrotom mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, die Ansprüche 2 bis 9 beschreiben Ausgestaltungen des Mikrotoms nach Anspruch 1. Die Ansprüche 10 und 11 beschreiben Verfahren zum Betrieb eines Mikrotoms nach Anspruch 1.
Die Lösung der Aufgabe geht von der Analyse der im Schneidevorgang wirkenden Kräfte und ihrer Richtungen aus. In Abwandlung des für spanende Vorgänge beschriebenen Kräftediagramms im Orthogonalprozess nach Merchant (Zerspantechnik: Prozesse, Werkzeuge, Technologien von Eberhard Paucksch et al.), kann gezeigt werden und konnte durch praktische Messungen untermauert werden, dass unter normalen Schneidebedingungen beim Mikrotomschnitt eine Schubkraft entgegen der Vorschubrichtung besteht, die ihre Ursache in den Scher- und Reibvorgängen der Schnittentstehung hat. Dieser Schubkraft wird im Stand der Technik durch eine spielfreie Lagerung der Zustellmittel und insbesondere einer festen Verbindung, im Allgemeinen einer Verschraubung, z. B. des Lagerkörpers der Zustellmittel mit dem Führungskörper der Zustelleinrichtung begegnet, da nur bei entsprechender Spielfreiheit und Steifigkeit des Gesamtsystems überhaupt Schnittergebnisse im Mikrometer-Dickenbereich möglich sind.
Diese, im Stand der Technik bestehende, feste Verbindung zwischen mindestens einem Funktionsteil der miteinander verknüpften Zustellmittel und dem in der Zustellachse unbeweglichen Führungskörper der Zustelleinrichtung nimmt die Abstützkraft auf, die sich als Reactio zur genannten Schubkraft einstellt. Dadurch ist ein Ausweichen der verknüpften Zustellmittel auf Grund der im Schneidevorgang entstehenden Schubkraft vermieden und die zugestellte Schnittdicke kann zuverlässig ausgeführt werden.
Die hinreichende Abstützkraft zur Erzielung guter Schnittergebnisse ist jedoch keineswegs groß im Vergleich zur aufgebrachten Schneidekraft. Messungen haben ergeben, dass sich die Werte der Schubkraft die gegen die Vorschubrichtung wirkt, je nach verwendetem Schneidewerkzeug und je nach Konsistenz der Probe und der Probeneinbettungsmaterialien, im Bereich von 10–40% der aufgewendeten Schneidekraft bewegen. Als Ergebnis dieser Analyse ergibt sich somit, dass eine Abstützkraft in Zustellrichtung von ca. 50% der aufgewendeten Schneidekraft im normalen Anwendungsfall ausreicht um trotzdem sichere und gute Schnittergebnisse zu erzielen. Ausgenommen davon sind natürlich erhöhte Schubkräfte die im Schneidebetrieb bei unzulässigen Betriebsparametern auftreten können, beispielsweise bei Kollisionen in der Schneidebahn im Schneidebetrieb. Zur hinreichenden Abstützkraft in Zustellrichtung hinzu kommen noch Reibungskräfte als Reaktionskräfte der Zustellbewegung, z. B. der linearen Führung des Führungselements im Führungskörper.
Die Aufgabe wird nun dadurch gelöst, dass die im Stand der Technik in Zustellrichtung bestehende starre und feste Verbindung zwischen dem in Zustellrichtung unbeweglichen Führungskörper der Zustelleinrichtung und den verknüpften Zustellmitteln, die üblicherweise durch eine Verschraubung ausgeführt ist, erfindungsgemäß durch eine Verbindung ersetzt wird, die lediglich bis zu einem definierten Grenzwert einer Abstützkraft als steife Verbindung mit aufeinanderliegenden Anlageflächen wirkt und bei Überschreitung dieses Grenzwertes eine Nachgiebigkeit entgegen der Zustellrichtung bietet.
Dies wiederum eröffnet die Möglichkeit, die im Einrichtbetrieb bei einer Kollision zwischen der Probe und einem gegenüberliegenden Bereich des Messerträgers auftretende Kraft auf einen solchen Grenzwert der Abstützkraft in Zustellrichtung festzulegen. Erfindungsgemäß wird dies gelöst, indem sich sowohl am Führungskörper als auch an mindestens einem Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel je eine Anlagefläche befindet, wobei die Anlageflächen mit einer definierten Kraft beaufschlagt sind, die dem festgelegten Grenzwert einer bei Kollision zwischen der Probe und der Schneidkante, oder einem Berührungspunkt am Messerträger, entstehenden und zugelassenen Kraft nach dem Betrag gleich ist aber entgegen wirkt.
Dadurch ist gewährleistet, dass bei einem fortgesetzten Zustellantrieb nach eingetretener Kollision, z. B. durch Fehlbedienung oder durch ein Versagen der zur Abschaltung führenden technischen Mittel, sich bei Überschreitung dieses festgelegten Grenzwertes der Abstützkraft, die verknüpften Zustellmittel von der Anlagefläche am Führungskörper abheben und bei weiter fortgesetztem Zustellantrieb und weiter bestehender Kollision eine Verschiebung der verknüpften Zustellmittel in Gegenrichtung zur Zustellrichtung stattfindet.
Bei der Festlegung des Grenzwertes ist zu beachten, dass je nach Einbaulage der Zustelleinrichtung die Gewichtskraft der verknüpften Zustellmittel zusätzlich zu berücksichtigen ist. Folglich ist bei einem vertikalen Einbau der Zustelleinrichtung mit vertikal verlaufender Zustellachse eine Addition der Gewichtskraft der verknüpften Zustellmittel vorzunehmen, wenn de Zustellrichtung aufwärts gerichtet ist und eine Subtraktion der Gewichtskraft der verknüpften Zustellmittel vorzunehmen, wenn die Zustellrichtung abwärts gerichtet ist. Bei Einbausituationen der Zustelleinrichtung, die weder horizontal noch vertikal sind, ist eine entsprechende anteilige, trigonometrisch zu ermittelnde, Gewichtskraft der verknüpften Zustellmittel zu berücksichtigen.
Der Vorgang der Verschiebung der verknüpften Zustellmittel wird bei sinnvoller Dimensionierung und Ausgestaltung durch ein selbsttätiges Auskoppeln von im Bewegungsprozess relevanten Bauteilen beendet, z. B. indem sich das Ende einer Zustellspindel aus der Zustellmutter herausdreht und damit den Verschiebeweg begrenzt.
Ein Mikrotom dieser Ausgestaltung ist eigensicher in Bezug auf auftretende Kollisionskräfte, da bei eingetretener Kollision und Überschreitung der als Grenzwert ausgelegten Abstützkraft in Zustellrichtung keine Erhöhung der Kollisionskraft über die im Verschiebeweg der verknüpften Zustellmittel bestimmende Kraft hinaus stattfindet.
Eine weiterentwickelte Ausgestaltung besteht darin, das erfindungsgemäße Mikrotom mit zwei umschaltbaren Grenzwerten der Abstützkraft auszustatten. Diese Lösung berücksichtigt, dass die obenerwähnte Schubkraft entgegen der Zustellrichtung lediglich direkt beim Schneidevorgang besteht. Befindet sich das Mikrotom jedoch im Betriebszustand des Einrichtvorgangs, so liegt diese Schubkraft gar nicht an und muss folglich bei der Bestimmung des Grenzwertes der Abstützkraft auch nicht berücksichtigt werden. In diesem Betriebszustand reicht ein Grenzwert aus, der oberhalb der Reaktionskräfte die aus der Reibung bei der Grobtriebzustellbewegung resultieren, liegt.
Dieser wesentlich geringere Grenzwert der Abstützkraft ermöglicht im Betriebszustand des Einrichtvorgangs eine noch schonendere und noch gefahrlosere Annäherung zwischen Probe und Schneidekante. Allerdings muss eine Umschaltmöglichkeit auf einen höheren Grenzwert der Abstützkraft für den Betriebszustand des Schneidevorgangs bestehen, da dann zusätzlich die im Schneidevorgang entstehende Schubkraft als Gegenkraft zu berücksichtigen ist, da ansonsten keine zuverlässige Schnitterzeugung gegeben ist, weil dann auftretende Schubkräfte im Bereich der Abstützkraft liegen und es dadurch bei der Schnitterzeugung zu einem Abheben der Anlageflächen zwischen verknüpften Zustellmitteln und dem Führungskörper kommen kann. Für die Umschaltung der Grenzwerte gibt es je nachdem mit welchen technischen Mitteln die Abstützkraft erzeugt wird zahlreiche Möglichkeiten, z. B. bei rein mechanischen Lösungen über einen mechanischen Bedienhebel, bei einer rein elektrischen Lösung über die Aktivierung von Aktuatoren über die elektrische Steuerung oder bei pneumatischen oder hydraulischen Lösungen durch das direkte Bedienen von Ventilen, oder bei komplexeren Lösungen, das elektrische Ansteuern von elektrischen Pneumatik- oder Hydraulikventilen, ebenfalls über die elektrische Steuerung.
Die Abstützkraft zwischen dem Führungskörper und dem daran anliegenden Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel und die im Verschiebeweg bestimmende Kraft kann z. B. durch Druck- oder Zugfedern aufgebracht werden, wobei sich jeweils ein Ansatzpunkt der Kraft am Führungskörper befindet und jeweils ein Ansatzpunkt am gegenüberliegenden Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel. Die Verwendung von Druck- oder Zugfedern als krafterzeugende Mittel haben den relativen Nachteil, dass die Kraft über den Verschiebeweg, selbst bei der Verwendung sehr langer Federn, nicht konstant ist, sondern bis zum Auskoppeln ansteigt. Hierbei ist zu beachten, dass die Dimensionierung dies berücksichtigen muss, sodass die Endkraft im Verschiebeweg noch eine akzeptable Kollisionskraft in Bezug auf die Vermeidung von Schäden an Probe oder Schneidekante darstellt.
Vorteilhafter ist daher, die Abstützkraft an den Anlageflächen durch Magnetkraft von Dauer- oder Elektromagneten als krafterzeugende Mittel aufzubringen. Dabei befindet sich ebenfalls jeweils ein Ansatzpunkt der Kraft am Führungskörper und jeweils ein Ansatzpunkt am gegenüberliegenden Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel. Bedingt durch die Abnahme der Magnetkraft bei wachsender Distanz zwischen Magnet und ferromagnetischem Anker, oder auch zwischen zwei Magneten, nimmt folglich die Kraft nach der Überschreitung des Grenzwertes mit zunehmendem Verschiebeweg ab und damit auch die Kollisionskraft sobald eine Verschiebung einsetzt. Eine Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft kann hierbei beispielsweise erfolgen, indem ein Aktuator die ferromagnetischen Anker auf zwei verschiedenen Abstandspositionen zu den Magneten positioniert.
Andere entsprechend analoge Anordnungen sind ebenfalls möglich; so kann die Umschaltung der Abstandspositionen bei dem dem Führungskörper zugeordneten Teil oder bei dem dem Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel zugeordneten Teil stattfinden, wobei die einzelnen Teile alle Magnete sein können oder Magnete kombiniert mit ferromagnetischen Ankern oder anderen geeigneten Ankermaterialien. Sind die Magnete als Elektromagnete ausgeführt, so besteht die einfachste Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft durch elektrische Umschaltung des Spulentroms.
Weitere Ausführungsformen von krafterzeugenden Mitteln können z. B. durch kleine Pneumatik- oder Hydraulikaktoren, von denen Pneumatik- oder Hydraulikzylinder am gebräuchlichsten sind, dargestellt werden, wobei auch dort je ein Ansatzpunkt der aufgebrachten Kraft am Führungskörper und je ein Ansatzpunkt am gegenüberliegenden Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel vorhanden sein muss. Eine Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft kann beispielsweise durch Umschaltung des angewendeten Drucks der verwendeten Pneumatik- oder Hydraulikaktoren erfolgen. Eine konstante Kraft im Verschiebeweg kann beispielsweise durch auf einen entsprechenden Druck eingestellte Überdruckventile erreicht werden.
Die Vielzahl der Möglichkeiten krafterzeugende Mittel zur Erzeugung der Abstützkraft einzusetzen und Umschaltmöglichkeiten der Grenzwerte der Abstützkraft anzuwenden und im Verschiebeweg eine gleichbleibende, fallende oder höchstens soweit steigende Abstützkraft zu erreichen, dass die gleichgroße Kollisionskraft noch keinen Schaden bewirkt ist mit den genannten krafterzeugenden Mitteln noch nicht erschöpft. Die Erfindung umfasst auch diese weiteren Möglichkeiten, soweit sie die genannten Kriterien erfüllen und die aufgebrachte Kraft je einen Ansatzpunkt am Führungskörper und je ein Ansatzpunkt am gegenüberliegenden Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel aufweist.
Bei Überschreitung des zutreffenden Grenzwertes der Abstützkraft und einsetzender Verschiebung können die verknüpften Zustellmittel durch Reibungskräfte zu einer Verdrehung um die Zustellachse neigen, insbesondere wenn rotatorisch wirkende Zustellmittel, wie z. B. Spindel und Mutter im Eingriff sind. Bei nicht rotatorisch wirkenden Zustellmitteln müssen ebenfalls Maßnahmen getroffen werden, die, vor allem auch abhängig von der Einbaulage der jeweiligen Zustelleinrichtung, Kraftkomponenten z. B. der Gravitationskraft kompensieren, die nicht in Zustellrichtung oder Zustellgegenrichtung wirken, um im Verschiebevorgang die verknüpften Zustellmittel auf der Zustellachse zu halten und zu führen. Dies ist notwendig im Hinblick auf eine fortgesetzte Funktionalität nach erfolgter und daraufhin wieder aufgehobener Kollision.
Allgemein ist daher für alle Ausführungen von verknüpften Zustellmitteln erfindungsgemäß eine Verschiebewegführung vorhanden, die während des Verschiebevorgangs die verknüpften Zustellmittel auf der Zustellachse führt und gegen Verdrehung sichert. Dies kann z. B. bei rotatorisch wirkenden Zustellmitteln einfach durch einen am Führungskörper parallel beabstandet zur Zustellachse fest angebrachten Führungsstift als Verdrehschutz erreicht werden, der sich geführt in einer Bohrung eines Funktionsteils der verknüpften Zustellmittel in Zustellrichtung und Zustellgegenrichtung bewegen kann, da z. B. eine in der Zustellachse liegende Spindel dafür sorgt, dass sich die verknüpften Zustellmittel insgesamt auf der Zustellachse bewegen.
Bei nicht rotatorisch wirkenden verknüpften Zustellmitteln werden für die Verschiebewegführung beispielsweise mindestens zwei Führungsstifte benötigt um die Wirkung zu erzielen oder aber weitere bekannte Führungselemente eingesetzt, die sowohl eine geradlinige Führung als auch einen Verdrehschutz bieten. Bei Verwendung von Pneumatik- oder Hydraulikzylindern als krafterzeugende Mittel, können diese die Verschiebewegführung in integrierter Form beinhalten, da sie außer der Krafterzeugung auch eine Führung umfassen.
Die weitere Ausgestaltung des Mikrotoms besteht darin, dass bei eingetretener Kollision und einem daraus folgenden Abheben der Anlageflächen zwischen Führungskörper und den verknüpften Zustellmitteln, dieser Zustand durch Schaltmittel detektiert wird und über die elektrische Steuerung eine Abschaltung des die Zustellung antreibenden Elektromotors bewirkt wird.
Dabei ist zu beachten, dass einerseits eine möglichst unmittelbare Detektion des Abhebens der Anlageflächen stattfindet und dies andererseits zudem mit einer hohen Reproduzierbarkeit geschieht, da die jeweilige Abschaltposition für die weiteren Verfahrensschritte in die Genauigkeit der Verfahren eingeht. Zielsetzung ist dabei eine Reproduzierbarkeit der jeweiligen Abschaltposition zu erreichen, deren Varianz deutlich unterhalb der beim ersten Anschneiden typischerweise gewählten Schnittdicken, von beispielsweise 30 μm, liegt. Die detektierenden Schaltmittel können dabei im einfachsten Fall durch einen Mikroschalter, der von einer Auslösefahne betätigt wird realisiert sein. Diese Lösung ist jedoch vergleichsweise ungenau. Die Verwendung von Lichtschranken, Foliendrucksensoren, Dehnungsmessstreifen oder Piezowandlern stellen Alternativen als detektierende Schaltmittel dar, die je nach Güte und konkreter Anwendung die geforderte schnelle Ansprechbarkeit wie auch die gewünschte hohe Reproduzierbarkeit erfüllen können.
Allerdings können die Oberflächen von z. B. Foliendrucksensoren oder Dehnungsmessstreifen nicht direkt als Anlageflächen am Führungskörper oder an den verknüpften Zustellmitteln angewendet werden, da sie nicht die hinreichende Steifigkeit aufweisen und daher im Schneidebetrieb des Mikrotoms bei sich unter Belastung ändernder Schubkraft Schnittdickenschwankungen ergeben. Bei Piezowandlern, besonders aus kristallinem Material, reicht die gegebene Steifigkeit von beispielsweise 1 μm Auslenkung bei beispielsweise 20 N Abstützkraft eines ausgewählten Produktes aus, um direkt mit den beiden aktiven Flächen, zum einen eine Anlagefläche zwischen Führungskörper und verknüpften Zustellmitteln zu bilden und zum anderen mit der Gegenfläche entweder am Führungskörper oder an einem Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel befestigt zu sein und damit die Funktion als detektierendes Schaltmittel zu erfüllen.
Eine weitere und ökonomischere Variante detektierender Schaltmittel besteht darin, die im Aufbau ohnehin unerlässlichen Funktionsteile, lediglich durch entsprechende Materialwahl und Ausgestaltung als Schaltmittel darzustellen. Dazu können z. B. die aufeinanderliegenden Anlageflächen des Führungskörpers einerseits und eines Funktionsteils der verknüpften Zustellmittel andererseits, als zwei aufeinanderliegende Kontakte angesehen werden, die sich bei einer Kollision und nachfolgend einsetzender Verschiebung trennen und damit ein Signal an die elektrische Steuerung melden. Dazu ist es allerdings notwendig, dass die beiden Anlageflächen nach der Trennung verschiedene elektrische Potenziale annehmen können. Dies kann z. B. erreicht werden indem der Führungskörper oder ein Teil des Führungskörpers aus elektrisch nichtleitendem Material besteht und darin zur Bildung einer Kontakt- und Anlagefläche ein leitender Ring oder ein oder mehrere leitende Stifte eingesetzt sind. Die gleiche Möglichkeit besteht natürlich umgekehrt auch darin, das mit der Kontaktbildung vorgesehene Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel aus nichtleitendem Material zu wählen und in dieses Material zur Bildung einer Anlage- und Kontaktfläche einen leitfähigen Ring oder einen oder mehrere leitfähige Stifte einzusetzen. Die Notwendigkeit eines der beiden Aufnahmeteile der Kontaktflächen aus nichtleitenden Material zu wählen besteht, da üblicherweise alle weiteren verwendeten Materialien der Zustelleinrichtung aus Metallen bestehen und daher über die sie verbindenden Führungen, Gelenke oder Lager auch nach einsetzender Verschiebung und Trennung der Kontaktflächen weiter eine elektrische Verbindung über andere Verbindungen besteht.
Die weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird durch Verfahren zum Betrieb einen Mikrotoms mit einer Abfolge von Verfahrensschritten, die durch die elektrische Steuerung ausgelöst werden, erreicht. Dazu wird bei der, durch das detektierende Schaltmittel ausgelösten Abschaltung des Elektromotors, die zu diesem Zeitpunkt in der elektrischen Steuerung mitgeführte Zustellposition, in Bezug auf eine beim Einschalten des Mikrotoms festgestellte Initialisierungsposition, festgehalten und abgespeichert. Unmittelbar danach wird der Elektromotor erneut, aber in Gegenrichtung angesteuert und führt eine in der elektrischen Steuerung festgelegte Bewegung durch, die zu einer sicheren Auflösung der Kollision führt.
Die Lösung der Aufgabe besteht somit darin, mit den beschriebenen bisherigen Lösungsteilen, durch weitere Verfahrenschritte eine automatische Annäherung zwischen Probe und Schneidekante zu gestalten. Dazu prüft die elektrische Steuerung ob über das Bedienfeld die Durchführung einer automatischen Annäherung angefordert wurde. Als nächstes überprüft die Steuerung die Position des Trägerteils. Die dazu notwendigen Informationen sind im Allgemeinen in der Steuerung vorhanden, da im normalen Anwendungsbetrieb ebenfalls Informationen über Schneidebahnanfang und Schneidebahnende gebraucht werden. Befindet sich das über den Schneideantrieb bewegte Trägerteil am Schneidebahnende, wird eine Zustellbewegung gestartet, die bis zur diesbezüglich beabsichtigten Kollision zwischen Probe und Messerträgerkörper jenseits der Schneidekante fortdauert. Zweckmäßigerweise befindet sich dazu am Messerträgerkörper eine ebene Fläche die senkrecht zur Zustellrichtung liegt und die sich in Bezug auf die Schneidekante um einen gewissen Abstand zurückversetzt am Messerträger befindet.
Bei dann eingetretener Kollision findet über die beschriebenen Mittel die Abschaltung des Elektromotors statt. Der Abstand in Zustellrichtung zwischen der Kollisionsfläche am Messerträgerkörper und der Schneidekante ist als Messerträgerreferenzwert bekannt und ist in der elektrischen Steuerung gespeichert. Zudem ist in der Steuerung ein Sicherheitsrückzugwert abgelegt. Beide Werte werden addiert und die resultierende Bewegungsgröße wird nach Ansteuerung des Elektromotors in die Gegenrichtung zur Zustellrichtung ausgeführt. Dadurch ist die Kollision aufgehoben und die Probe befindet sich um den Sicherheitsrückzugswert vor der Schneidekante. Der Vorgang der automatischen Annäherung wird abgeschlossen, sobald die elektrische Steuerung die Position des über den Schneideantrieb bewegten Trägerteils in der Schneidbahnanfangsstellung erkennt und daraufhin den Elektromotor in Zustellrichtung ansteuert und nun die Bewegungsgröße, die dem Sicherheitsrückzugwert entspricht, ausführt und damit diesen Sicherheitsabstand aufhebt. Nun befindet sich die Probe in Anschnittstellung in Bezug auf die Zustellposition wie auch in Bezug auf die Schneidebahn.
Die beschriebene Lösung für die Gestaltung der Zustelleinrichtung des Mikrotoms und die dazu passenden Verfahrensschritte lassen sich für alle eingangs genannten Mikrotomtypen, auch in Kryostat-Mikrotom-Ausführung umsetzen und zwar unabhängig davon, ob der jeweilige Mikrotomtyp in Bezug auf die Zustellung eine Messerträgerzustellung oder eine Probenzustellung aufweist.
Als Elektromotoren zum Antrieb der Zustelleinrichtung können alle Motortypen angewendet werden, die über die Steuerung eine Richtungsumkehr gestatten, insbesondere auch Linearmotoren. Dabei ist je nach Motortyp, bei Anwendung der beschriebenen Verfahren, eine zusätzliche Positionsmesseinrichtung zur Messung der jeweiligen Zustellposition notwendig, die ihrerseits mit der elektrischen Steuerung in Verbindung steht. Die Anwendung von Schrittmotoren ermöglicht eine ökonomisch günstige Lösung, da hierbei auf eine Positionsrückmeldung verzichtet werden kann.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Mikrotoms sowie der Verfahren zum Betrieb eines derartigen Mikrotoms ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibungen. Es zeigen im Einzelnen 1a bis 5b Mikrotome jeweils ohne Gehäuse entsprechend dem Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen jedoch mit grundsätzlich gleichartigen Zustelleinrichtungen, 6a und 6b Darstellungen der Kraftwirkungen im Schneidebetrieb und bei Kollision im Einrichtbetrieb. Die 7a bis 9c zeigen erfindungsgemäße Lösungen des Mikrotoms und die 10a bis 11k erläutern die erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des erfindungsgemäßen Mikrotoms. Bei den Figuren wurde zugunsten der Einfachheit auf die Darstellung von Befestigungsmitteln von miteinander verbundenen Körpern verzichtet, soweit die Art der Befestigung für die Erfindung ohne Bedeutung ist.
1a Ein Schaukelmikrotom mit Messerträgerzustellung nach dem Stand der Technik
1b Einen Längsschnitt durch ein Schaukelmikrotom mit Messerträgerzustellung nach dem Stand der Technik
2 Ein Schlittenmikrotom mit Probenzustellung nach dem Stand der Technik
3 Ein Scheibenmikrotom mit Messerträgerzustellung nach dem Stand der Technik
4a Ein Rotationsmikrotom mit Messerträgerzustelllung nach dem Stand der Technik
4b Ein Längsschnitt durch ein Rotationsmikrotom mit Messerträgerzustellung nach dem Stand der Technik
5a Ein Rotationsmikrotom mit Probenzustellung nach dem Stand der Technik
5b Ein Längsschnitt durch ein Rotationsmikrotom mit Probenzustellung nach dem Stand der Technik
6a Eine schematische Darstellung der Kraftwirkungen beim Schneidevorgang
6b Eine schematische Darstellung der Kraftwirkungen bei einer Kollision zwischen Schneidekante und Probe bei einem erfindungsgemäßen Mikrotom
7a Ein erfindungsgemäßes Mikrotom mit Probenzustellung
7b Ein erfindungsgemäßes Mikrotom mit Probenzustellung nach eingetretener Kollision
7c Eine Explosions-Darstellung einer Zustelleinrichtung des erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Federn zur Erzeugung der Abstützkraft
7d Eine Explosions-Darstellung einer Zustelleinrichtung eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft
7e Einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikrotom mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft
7f Einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikrotom mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft nach eingetretener Kollision
7g Eine Explosions-Darstellung einer Zustelleinrichtung eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft und mit einer Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft
7h Eine Rückansicht der Zustelleinrichtung eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft und Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft, in einer ersten Umschaltstellung
7i Einen Längsschnitt durch eine Zustelleinrichtung eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft und Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft, in einer ersten Umschaltstellung
7j Eine Rückansicht der Zustelleinrichtung eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft und Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft, in einer zweiten Umschaltstellung
7k Einen Längsschnitt durch eine Zustelleinrichtung eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft und Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft, in einer zweiten Umschaltstellung
8a Einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikrotom mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft und einem Piezosensor als detektierendes Schaltmittel
8b Einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch eine Zustelleinrichtung eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft und einem Piezosensor als detektierendes Schaltmittel
9a Einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikrotom mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft und mit integrierten detektierenden Schaltmitteln
9b Eine Explosions-Darstellung einer Zustelleinrichtung eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft und mit integrierten detektierenden Schaltmitteln
9c Einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch eine Zustelleinrichtung eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten zur Erzeugung der Abstützkraft und mit integrierten detektierenden Schaltmitteln
10a Ein Ablaufdiagramm einer Routine in der elektrischen Steuerung des erfindungsgemäßen Mikrotoms zur Überwachung der Abschaltfunktion bei einsetzender Verschiebung nach einer Kollision und zur Auflösung der Kollision
10b Das erfindungsgemäße Mikrotom vor einem Einrichtvorgang
10c Das erfindungsgemäße Mikrotom bei einer eingetretenen Kollision bei einem Einrichtvorgang
10d Eine Ausschnittvergrößerung von Schneidekante und Probe bei bestehender Kollision
10e Das erfindungsgemäße Mikrotom nach der Auflösung einer Kollision
10f Eine Ausschnittvergrößerung von Schneidekante und Probe nach aufgelöster Kollision
11a Ein Ablaufdiagramm einer Routine in der elektrischen Steuerung des erfindungsgemäßen Mikrotoms zur Durchführung einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante und Probe
11b Ein erfindungsgemäßes Mikrotom in der Stellung Schneidebahnende vor dem Start einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante und Probe
11c Eine Ausschnittvergrößerung von Schneidekante und Probe vor dem Start einer automatischen Annäherung
11d Ein erfindungsgemäßes Mikrotom in der Stellung Schneidebahnende bei einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante und Probe bei Kollision mit der Messerträgerreferenzfläche
11e Eine Ausschnittvergrößerung von Schneidekante und Probe bei einer automatischen Annäherung im Zustand der Kollision mit der Messerträgerreferenzfläche
11f Ein erfindungsgemäßes Mikrotom in der Stellung Schneidebahnende bei einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante und Probe nach Auflösung der Kollision mit der Messerträgerreferenzfläche
11g Eine Ausschnittvergrößerung von Schneidekante und Probe bei einer automatischen Annäherung nach aufgelöster Kollision mit der Messerträgerreferenzfläche
11h Ein erfindungsgemäßes Mikrotom in der Stellung Schneidebahnanfang bei einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante und Probe im Zustand mit Sicherheitsrückzug
11i Eine Ausschnittvergrößerung von Schneidekante und Probe bei einer automatischen Annäherung im Zustand mit Sicherheitsrückzug
11j Ein erfindungsgemäßes Mikrotom in der Stellung Schneidebahnanfang nach Beendigung einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante und Probe
11k Eine Ausschnittvergrößerung von Schneidekante und Probe nach Beendigung einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante und Probe
1a zeigt eine perspektivische Ansicht eines Schaukelmikrotoms mit Messerträgerzustellung entsprechend dem Stand der Technik. Der Grundkörper 2 des Mikrotoms 1 trägt das Trägerteil 4, das als Schaukelarm in der Schaukelarmlagerung 3c gelagert ist. Am Messerträger 5 ist das Schneidewerkzeug 6 befestigt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist hier, wie in allen weiteren Darstellungen, die Ausführung eines sogenannten Magnetmesserträgers gezeigt, der das Schneidewerkzeug 6 durch, hier nicht gezeigte, eingelassene Dauermagnete in seiner Position fixiert. Der Messerträger 5 selbst ist hier, wie in allen weiteren Darstellungen, zur Vereinfachung einstückig dargestellt. In der Praxis gebräuchlich sind Messerträger, z. B. die aus einem Support, einem Messerträgerunterteil mit der Möglichkeit zur Positionseinstellung und einem Messerträgeroberteil mit der Möglichkeit zur Freiwinkeleinstellung bestehen. Da diese Eigenschaften die Erfindung nicht berühren sind sie weggelassen und der Messerträger 5 ist vereinfacht dargestellt. Gegenüber der Schneidekante 7 des Schneidewerkzeuges 6 befindet sich der am Trägerteil 4 befestigte Probenhalter 8 mit der daran befestigten Probe 9. Auch der Probenhalter 8 ist hier, wie in allen weiteren Darstellungen, zur Vereinfachung einstückig dargestellt. In der Praxis gebräuchlich sind Probenhalter, die z. B. Einstellmöglichkeiten zur Probenorientierung aufweisen und die Aufnahme von Zwischenelementen zur konkreten Anpassung an die Probenform und Probengröße ermöglichen. Da diese Eigenschaften die Erfindung nicht berühren sind sie weggelassen und der Probenhalter 8 ist vereinfacht dargestellt. Der Antrieb der Schneidebewegung 10 dient der Schnitterzeugung des Mikrotoms 1. Zur Annäherung zwischen Probe 9 und Schneidekante 7 dient die Zustelleinrichtung 12, die den Messerträger 5 in Richtung der mit Doppelpfeil 14 bezeichneten Zustellbewegung hin und her bewegen kann.
1b zeigt einen Längsschnitt durch das Schaukelmikrotom von 1a. Hier ist eine Zustelleinrichtung 12 entsprechend dem Stand der Technik mit ihren Hauptelementen dargestellt. Der Führungskörper 15 ist in diesem Beispiel fest mit dem Grundkörper 2 verbunden. Im Führungskörper 15 bewegt sich entlang der linearen Führung 13 das Führungselement 16, das in diesem Beispiel fest mit dem Messerträger 5 verbunden ist. Die verknüpften Zustellmittel 18 sind mit einem der Funktionsteile fest mit dem Führungskörper 15 verbunden. Dabei kann diese feste Verbindung, wie hier dargestellt, über Befestigungsschrauben 25 erfolgen oder indem das entsprechende Funktionsteil einstückig mit dem Führungskörper 15 ausgeführt ist. Die hier dargestellten verknüpften Zustellmittel 18 umfassen eine Spindel, eine Spindellagerung mit ihren Elementen und ein Kuppelelement zum Elektromotor, sowie den Elektromotor 18a selbst und dessen Befestigungselemente. Weitere Ausführungen von Zustellmitteln können in der Form von Zahnstangenantrieben, Hebelanordnungen oder Seilzuganordnungen vorliegen.
Allen Ausführungen gemeinsam ist das Vorhandensein eines Funktionsteils, das beispielsweise als Einbau, Anbau und Lagerstelle der anderen verknüpften Zustellmittel 18 dient und das eine feste Verbindung zum Führungskörper 15 aufweist. 1b zeigt auch wie der Antrieb der Schneidebewegung 10 das Trägerteil 4 und damit den Probenhalter 8 und die Probe 9 um das Schaukelarmlager 3c auf einem Kreisbahnsegment bewegt, wie durch den Doppelpfeil 3 dargestellt, der die Schneidebahn beschreibt. Der Schneideantrieb des Mikrotoms ist hier exemplarisch gezeigt. Bei allen weiteren Darstellungen der anderen Mikrotomtypen wird auf die Darstellung des Schneideantriebes verzichtet, da er für den Gegenstand der Erfindung ohne Belang ist. Dargestellt wird lediglich jeweils die Schneidebahn. Die elektrische Steuerung 11 mit dem Bedienfeld 31 steht mindestens mit dem Elektromotor 18a in Verbindung. Diese elektrische Verbindung ist hier nicht dargestellt. Bei einer Aktivierung des Elektromotors 18a in Zustellrichtung durch die elektrische Steuerung 11 bewirken die weiteren verknüpften Zustellmittel 18 eine Bewegung des mit dem Führungselement 16 verbundenen Messerträgers 5 und damit der Schneidekante 7 auf die Probe 9 zu. Findet durch Fehlbedienung oder durch ein erstes Versagen eines technischen Mittels nicht rechtzeitig eine Abschaltung statt, kommt es zur unkontrollierten Kollision zwischen Schneidekante 7 und Probe 9 mit Schadensfolgen.
2 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Schlittenmikrotom mit Probenzustellung entsprechend dem Stand der Technik. Am Grundkörper 2 des Mikrotoms 1 ist die Schneideführung 3b befestigt, entlang der das Trägerteil 4 in Richtung des Doppelpfeils 3 auf der Schneidebahn bewegt werden kann. Verbunden mit dem Trägerteil 4 ist der Messerträger 5 an dem das Schneidewerkzeug 6, das die Schneidekante 7 aufweist, befestigt ist. Die Zustelleinrichtung 12 ist in diesem Beispiel über den Führungsträger 15 seitlich mit dem Grundkörper 2 verbunden. Das bewegliche Führungselement 16 der Zustelleinrichtung 12, kann in Richtung des Doppelpfeils 14 die Zustellbewegung ausführen. Am oberen Ende des Führungselements 16 ist der Probenhalter 8, der die Probe 9 trägt, befestigt. Die elektrische Steuerung 11 mit dem Bedienfeld 31 steht mindestens mit dem Elektromotor 18a in Verbindung. Diese elektrische Verbindung ist hier nicht dargestellt. Bei einer Aktivierung des Elektromotors 18a in Zustellrichtung durch die elektrische Steuerung 11 bewirken die weiteren verknüpften Zustellmittel 18 eine Bewegung des mit dem Führungselement 16 verbundenen Probenträgers 8 und der Probe 9 auf die Schneidekante 7 zu. Findet durch Fehlbedienung oder durch ein erstes Versagen eines technischen Mittels nicht rechtzeitig eine Abschaltung statt, kommt es zur unkontrollierten Kollision zwischen Schneidekante 7 und Probe 9 mit Schadensfolgen.
3 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Scheibenmikrotom mit Messerträgerzustellung entsprechend dem Stand der Technik. Am Grundkörper 2 des Mikrotoms 1 ist das Scheibenlager 3a befestigt, um das sich das Trägerteil 4 in Gestalt einer Scheibe in Richtung des Doppelpfeils 3 auf der kreisförmigen Schneidebahn bewegen kann. Verbunden mit dem Trägerteil 4 ist der Probenhalter 8 an dem die Probe 9 befestigt ist. Die Zustelleinrichtung 12 ist in diesem Beispiel über den Führungsträger 15 seitlich mit dem Grundkörper 2 verbunden. Das bewegliche Führungselement 16 der Zustelleinrichtung 12, kann in Richtung des Doppelpfeils 14 die Zustellbewegung ausführen. Das Führungselement 16 trägt am oberen Ende den Messerträger 5, an dem das Schneidewerkzeug 6 befestigt ist, das die Schneidekante 7 aufweist. Die elektrische Steuerung 11 mit dem Bedienfeld 31 steht mindestens mit dem Elektromotor 18a in Verbindung. Diese elektrische Verbindung ist hier nicht dargestellt. Bei einer Aktivierung des Elektromotors 18a in Zustellrichtung durch die elektrische Steuerung 11 bewirken die weiteren verknüpften Zustellmittel 18 eine Bewegung des mit dem Führungselement 16 verbundenen Messerträgers 5 und damit der Schneidekante 7 auf die Probe 9 zu. Findet durch Fehlbedienung oder durch ein erstes Versagen eines technischen Mittels nicht rechtzeitig eine Abschaltung statt, kommt es zur unkontrollierten Kollision zwischen Schneidekante 7 und Probe 9 mit Schadensfolgen.
4a zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotationsmikrotoms mit Messerträgerzustellung entsprechend dem Stand der Technik. Auf dem Grundkörper 2 des Mikrotoms 1 ist die Schneideführung 3b befestigt, in der das Trägerteil 4, entlang der mit dem Doppelpfeil 3 gekennzeichneten Schneidebahn, bewegbar ist. Das Trägerteil 4 trägt den Probenhalter 8 mit der daran befestigten Probe 9. Der Messerträger 5 ist mit der Zustelleinrichtung 12 verbunden. Am Messerträger 5 ist das Schneidewerkzeug 6 befestigt, das die Schneidekante 7 aufweist. Zur Annäherung zwischen Probe 9 und Schneidekante 7 dient die Zustelleinrichtung 12, die den Messerträger 5 in Richtung der mit Doppelpfeil 14 bezeichneten Zustellbewegung hin und her bewegen kann. Die elektrische Steuerung 11 mit dem Bedienfeld 31 steht mit der Zustelleinrichtung 12 in elektrischer Verbindung. Diese Verbindung ist der Einfachheit halber hier nicht dargestellt.
4b zeigt einen Längsschnitt durch das Rotationsmikrotom von 4a. Dargestellt ist eine Zustelleinrichtung 12 entsprechend dem Stand der Technik mit ihren Hauptelementen. Der Führungskörper 15 ist in diesem Beispiel fest mit dem Grundkörper 2 verbunden. Im Führungskörper 15 bewegt sich entlang der linearen Führung 13 das Führungselement 16, das fest mit dem Messerträger 5 verbunden ist. Die verknüpften Zustellmittel 18 sind mit einem der Funktionsteile fest mit dem Führungskörper 15 verbunden. Dabei kann diese feste Verbindung, wie hier dargestellt, über Befestigungsschrauben 25 erfolgen oder indem das entsprechende Funktionsteil einstückig mit dem Führungskörper 15 ausgeführt ist. Die hier dargestellten verknüpften Zustellmittel 18 umfassen eine Spindel, eine Spindellagerung mit ihren Elementen und ein Kuppelelement zum Elektromotor 18a, sowie den Elektromotor 18a selbst und dessen Befestigungselemente. Weitere Ausführungen von Zustellmitteln können in der Form von Zahnstangenantrieben, Hebelanordnungen oder Seilzuganordnungen vorliegen. Allen Ausführungen gemeinsam ist das Vorhandensein eines Funktionsteils, das beispielsweise als Einbau, Anbau und Lagerstelle der anderen verknüpften Zustellmittel 18 dient und das eine feste Verbindung zum Führungskörper 15 aufweist. Die elektrische Steuerung 11 mit dem Bedienfeld 31 steht mindestens mit dem Elektromotor 18a in Verbindung. Diese elektrische Verbindung ist hier nicht dargestellt. Bei einer Aktivierung des Elektromotors 18a in Zustellrichtung durch die elektrische Steuerung 11 bewirken die weiteren verknüpften Zustellmittel 18 eine Bewegung des mit dem Führungselement 16 verbundenen Messerträgers 5 und damit der Schneidekante 7 auf die Probe 9 zu. Findet durch Fehlbedienung oder durch ein erstes Versagen eines technischen Mittels nicht rechtzeitig eine Abschaltung statt, kommt es zur unkontrollierten Kollision zwischen Schneidekante 7 und Probe 9 mit Schadensfolgen.
5a zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotationsmikrotoms mit Probenzustellung entsprechend dem Stand der Technik. Auf dem Grundkörper 2 des Mikrotoms 1 ist die Schneideführung 3b befestigt, in der das Trägerteil 4, entlang der mit dem Doppelpfeil 3 gekennzeichneten Schneidebahn, bewegbar ist. Der Messerträger 5 ist mit dem Grundkörper 2 fest verbunden. Am Messerträger 5 ist das Schneidewerkzeug 6 befestigt, das die Schneidekante 7 aufweist. Das Trägerteil 4 nimmt die Zustelleinrichtung 12 auf, die an ihrem vordern Ende den Probenhalter 8 trägt mit der daran befestigten Probe 9. Zur Annäherung zwischen Probe 9 und Schneidekante 7 dient die Zustelleinrichtung 12, die den Probenhalter 8 mit Probe 9, durch die verknüpften Zustellmittel 18, in Richtung der mit Doppelpfeil 14 bezeichneten Zustellbewegung hin und her bewegen kann. Die elektrische Steuerung 11 mit dem Bedienfeld 31 steht mit dem Elektromotor 18a der Zustelleinrichtung 12 in elektrischer Verbindung. Diese Verbindung ist der Einfachheit halber hier nicht dargestellt.
5b zeigt einen Längsschnitt durch das Rotationsmikrotom von 5a. Dargestellt ist eine Zustelleinrichtung 12 entsprechend dem Stand der Technik mit ihren Hauptelementen. Der Führungskörper 15 ist in diesem Beispiel fest mit dem auf der Schneidebahn 3 beweglichen Trägerteil 4 verbunden. Im Führungskörper 15 bewegt sich entlang der linearen Führung 13 das Führungselement 16, das fest mit dem Probenträger 8 verbunden ist, an dem die Probe 9 befestigt ist. Die verknüpften Zustellmittel 18 sind mit einem der Funktionsteile, in diesem Beispiel mit dem Spindellager 21 fest mit dem Führungskörper 15 verbunden. Dabei kann diese feste Verbindung, wie hier dargestellt, über Befestigungsschrauben 25 erfolgen oder indem das entsprechende Funktionsteil, hier das Spindellager 21, einstückig mit dem Führungskörper 15 ausgeführt ist. Die hier dargestellten verknüpften Zustellmittel 18 umfassen eine Spindel 19 mit einem Spindelflansch 20, ein Spindellager 21, eine Lagerscheibe 22, eine Spindellagermutter 23 und eine Wellenkupplung 24 zum Elektromotor 18a, sowie den Elektromotor 18a selbst und dessen Montagestützen 26. Weitere Ausführungen von Zustellmitteln können in der Form von Zahnstangenantrieben, Hebelanordnungen oder Seilzuganordnungen vorliegen. Allen Ausführungen gemeinsam ist das Vorhandensein eines Funktionsteils, das beispielsweise als Einbau, Anbau und Lagerstelle der anderen verknüpften Zustellmittel 18 dient und das eine feste Verbindung zum Führungskörper 15 aufweist. Die elektrische Steuerung 11 mit dem Bedienfeld 31 steht mindestens mit dem Elektromotor 18a in Verbindung. Diese elektrische Verbindung ist hier nicht dargestellt. Bei einer Aktivierung des Elektromotors 18a in Zustellrichtung durch die elektrische Steuerung 11, bewirken die weiteren verknüpften Zustellmittel 18 eine Bewegung, des mit dem Führungselement 16 verbundenen Probenträgers 8 mit daran befestigter Probe 9, auf die Schneidekante 7 zu. Findet durch Fehlbedienung oder durch ein erstes Versagen eines technischen Mittels nicht rechtzeitig eine Abschaltung statt, kommt es zur unkontrollierten Kollision zwischen Schneidekante 7 und Probe 9 mit Schadensfolgen.
6a zeigt eine schematische Darstellung der Kraftwirkungen beim Schneideprozess, abgeleitet aus dem in der Literatur für spanende Prozesse bekannten Orthogonalprozess nach Merchant. Dargestellt ist wie das Schneidewerkzeug mit seinem Keilwinkel b unter dem Freiwinkel a mit einer Zustelldicke h in das Probenmaterial eindringt und dabei auf dem Rücken des Schneidewerkzeuges unter dem Schnittwinkel c ein Schnitt mit der Schnittdicke i abgleitet. Maßgeblich für den Dickenunterschied zwischen Zustelldicke h und tatsächlicher Schnittdicke i sind Stauchungen des Schnittes durch Scher- und Reibwiderstände bei der Schnittentstehung, die in der Kräftezerlegung durch den Scherwinkel d und den Reibungswinkel e gekennzeichnet sind. Die auf das Probenmaterial wirkende Aktivkraft F_a muss sowohl die Scher- wie auch die Reibwiderstände überwinden. Im Einzelnen sind F_d die Scherkraft in der Scherebene und F_dN die Schernormalkraft senkrecht dazu. F_R ist die Schnittflächenreibungskraft und F_N die Normalkraft senkrecht dazu. Die Aktivkraft F_a zerlegt sich in ihre Komponenten, die Schnittkraft F_c entgegen der Schneiderichtung und senkrecht dazu die Schubkraft F_s entgegen der Vorschubrichtung. Diese Schubkraft F_s gilt es mindestens abzustützen um im Schneidevorgang ein Ausweichen des Probenmaterials entgegen der Vorschubrichtung, oder bei Umkehrung der Verhältnisse ein Ausweichen des Schneidewerkzeugs zu vermeiden und damit die Voraussetzung für eine anwendungsgerechte Schnittentstehung zu schaffen.
6b zeigt eine schematische Darstellung der Kraftwirkungen im Einrichtbetrieb bei einer eingetretenen Kollision zwischen Schneidekante 7 und Probe 9 ohne Abschaltung des Elektromotors 18a und darauf hin erfolgter Verschiebung 30 der verknüpften Zustellmittel 18 in der Zustellachse 17 entlang der Verschiebewegführung 47. Dabei ist die Kollisionskraft F_K dem Betrag nach gleich groß wie der Grenzwert der Abstützkraft F_G jedoch entgegengerichtet. Dabei ist die Kraft F_G so gewählt, dass sie zwar größer ist als die Schubkraft F_S aus 6a, die im Schneidebetrieb auftritt, um einen anwendungsgerechten Schneidebetrieb sicherzustellen, jedoch klein genug, um damit die Kollisionskraft F_K auf Werte zu begrenzen, die möglichst keine Schadensfolgen aufweisen. Beispielsweise kann F_G = 1,5 × F_S gewählt werden. Im Falle eines umschaltbaren Grenzwertes der Abstützkraft F_G, je nachdem ob Schneidebetrieb oder Einrichtbetrieb vorliegt, kann die nur im Schneidebetrieb auftretende Schubkraft F_S aus 6a unberücksichtigt bleiben. Dadurch kann für den Einrichtbetrieb ein sehr kleiner Wert für F_G festgelegt werden, der lediglich größer als die Summe der inneren Reibkräfte der verknüpften Zustellmittel 18 untereinander und der Reibkraft der Führung zwischen Führungskörper 15 und dem Führungselement 16 sein muss. Die Darstellung zeigt F_K ist dem Betrag nach begrenzt auf F_G und damit eigensicher in Bezug auf Vermeidung einer Kollisionskraft die höher ist als der festgelegte Grenzwert der Abstützkraft F_G.
7a zeigt ein erfindungsgemäßes Mikrotom 1 mit Probenzustellung ohne Gehäuseteile in einer perspektivischen Ansicht im Schneidebetrieb oder im Einrichtbetrieb. Am Grundkörper 2 ist die Schneideführung 3b befestigt, an der sich entlang der Schneidebahn 3 das Trägerteil 4 bewegen kann. Der Messerträger 5 ist mit dem Grundkörper 2 verbunden und trägt das Schneidewerkzeug 6 mit der Schneidekante 7. Die Zustelleinrichtung 12 ist über seinen Führungskörper 15 fest mit dem Trägerteil 4 verbunden. Am Führungselement 16 der Zustelleinrichtung 12, das die mit Doppelpfeil 14 gekennzeichnete Zustellbewegung ausführen kann, befindet sich der Probenträger 8 mit daran befestigter Probe 9. Die verknüpften Zustellmittel 18 liegen mit einer definierten Kraft am Führungskörper 15 an. Die elektrische Steuerung 11, mit ihrem Bedienfeld 31, ist über das Motorkabel 46 mit dem Elektromotor 18a, der Teil der verknüpften Zustellmittel 18 ist, mit der Zustelleinrichtung 12 verbunden.
7b zeigt das Mikrotom 1 aus 7a in einer leicht gedrehten Ansicht nach einer eingetretenen Kollision im Einrichtbetrieb. Eine durch Fehlbedienung oder erstes Versagen hervorgerufene unkontrollierte Zustellbewegung 14 führt zu einer Kollision zwischen Probe 9 und Schneidekante 7. Bei fortgesetztem Betrieb des Elektromotors 18a setzt bei Überschreitung des Grenzwertes der Abstützkraft eine Verschiebung 30 der verknüpften Zustellmittel 18, weg vom Führungskörper 15, entlang der Verschiebewegführung 47 ein.
7c zeigt eine Explosions-Darstellung einer Zustelleinrichtung 12 des erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Federn 28 als Teil der krafterzeugenden Mittel 32 zur Erzeugung der Abstützkraft. Die Teile der Zustelleinrichtung 12 sind: das Führungselement 16, der Führungskörper 15, die Verschiebewegführung 47, die krafterzeugenden Mittel 32 und die verknüpften Zustellmittel 18, die ihrerseits in diesem Ausführungsbeispiel bestehen aus: dem Elektromotor 18a, der Spindel 19, dem Spindellager 21, der Lagerscheibe 22, der Spindellagermutter 23, der Wellenkupplung 24 und den Montagestützen 26. Zu den krafterzeugenden Mitteln 32 zählen in diesem Beispiel die Federn 28, die Federhülsen 27 und die Federstützen 29. Im zusammengebauten Zustand sind die Federstützen 29 im Führungskörper 15 eingeschraubt und damit ortsfest bei einer Verschiebung. Die Federn 28 stützen sich einerseits am Kopf der Federstützen 29 ab und andererseits am Boden der Sacklochbohrungen am Spindellager 21. Dadurch wird das Spindellager 21 mit der definierten Kraft der vorgespannten Federn 28 an den Führungskörper 15 angedrückt. Die Federhülsen 27 dienen lediglich der besseren Führung der Federn 28 und sind mit dem Spindellager 21 verbunden.
7d zeigt eine Explosions-Darstellung einer Zustelleinrichtung 12 eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten 34, die hier als Dauermagnete dargestellt sind, als Teil der krafterzeugenden Mittel 32 zur Erzeugung der Abstützkraft. Die Teile der Zustelleinrichtung 12 sind: das Führungselement 16, der Führungskörper 15, die Verschiebewegführung 47, die krafterzeugenden Mittel 32 und die verknüpften Zustellmittel 18, die ihrerseits in diesem Ausführungsbeispiel bestehen aus: dem Elektromotor 18a, der Spindel 19, dem Spindellager 21, der Lagerscheibe 22, der Spindellagermutter 23, der Wellenkupplung 24 und den Montagestützen 26. Zu den krafterzeugenden Mitteln 32 zählen in diesem Beispiel die Magneten 34 mit den ferromagnetischen Ankern 33 und den Positionierschrauben 48. Im zusammengebauten Zustand sind die Magnete 34 im Führungskörper 15 befestigt z. B. durch Einkleben und damit ortsfest bei einer Verschiebung. Die ferromagnetischen Anker 33 werden im Spindellager 21 von den Positionierschrauben 48 in Position gehalten. Durch die Magnetkraft, die zwischen den Magneten 34 und den ferromagnetischen Ankern 33 wirkt, wird das Spindellager 21 mit definierter Kraft an den Führungskörper 15 angedrückt.
7e zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikrotom 1, im Schneidebetrieb oder im Einrichtbetrieb, mit Magneten 34 als Teil der krafterzeugenden Mittel 32 zur Erzeugung der Abstützkraft. Der Grundkörper 2 ist mit der Schneideführung 3b fest verbunden, an der sich das Trägerteil 4 entlang der mit Doppelpfeil 3 gekennzeichneten Schneidebahn bewegen kann. Ebenfalls mit dem Grundkörper 2 ist der Messerträger 5 verbunden, der das Schneidewerkzeug 6 mit der Schneidekante 7 trägt. Die Zustelleinrichtung 12, die der in 7d dargestellten Ausführung entspricht, ist über den Führungskörper 15 fest mit dem Trägerteil 4 verbunden. Das Führungselement 16, das entlang der linearen Führung 13 die mit Doppelpfeil 14 gekennzeichnete Zustellbewegung ausführt, trägt die Probenhalterung 8 mit der daran befestigten Probe 9. Die verknüpften Zustellmittel 18, bestehend aus der Spindel 19 mit Spindelflansch 20, dem Spindellager 21, der Lagerscheibe 22 und der Spindellagermutter 23, der Wellenkupplung 24, den Montagestützen 26 und dem Elektromotor 18a, liegen über das Spindellager 21 mit der Abstützkraft am Führungskörper 15 an. Die krafterzeugenden Mittel 32, bestehend aus den Magneten 34, den ferromagnetischen Ankern 33 und den Positionierschrauben 48 bestimmen über ihre Eigenschaften und Einstellungen den Wert der Abstützkraft. Die Verschiebewegführung 47 ist in dem dargestellten Betriebszustand unbewegt, da die verknüpften Zustellmittel 18 mit der Abstützkraft der krafterzeugenden Mittel 32 am Führungskörper 15 anliegen. Bei einer Ansteuerung des Elektromotors 18a über das Motorkabel 46 durch die elektrische Steuerung 11 mit Bedienfeld 31 wird über die Spindel 19 und das im Führungselement 16 befindliche Muttergewinde die Zustellbewegung 14 ausgeführt.
7f zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikrotom 1 im Einrichtbetrieb nach eingetretener Kollision mit Magneten 34 als Teil der krafterzeugenden Mittel 32 zur Erzeugung der Abstützkraft. Der Grundkörper 2 ist mit der Schneideführung 3b fest verbunden, an der sich das Trägerteil 4 entlang der mit Doppelpfeil 3 gekennzeichneten Schneidebahn bewegen kann. Ebenfalls mit dem Grundkörper 2 ist der Messerträger 5 verbunden, der das Schneidewerkzeug 6 mit der Schneidekante 7 trägt. Die Zustelleinrichtung 12 ist über den Führungskörper 15 fest mit dem Trägerteil 4 verbunden. Das Führungselement 16, das entlang der linearen Führung 13 die mit Doppelpfeil 14 gekennzeichnete Zustellbewegung ausführt, trägt die Probenhalterung 8 mit der daran befestigten Probe 9, die in dieser Darstellung die Schneidekante 7 durch Kollision berührt. Die verknüpften Zustellmittel 18, bestehend aus der Spindel 19 mit Spindelflansch 20, dem Spindellager 21, der Lagerscheibe 22 und der Spindellagermutter 23, der Wellenkupplung 24, den Montagestützen 26 und dem Elektromotor 18a, sind in dem gezeigten Betriebszustand um die mit Pfeil 30 gekennzeichnete Verschiebung entlang der Verschiebewegführung 47 verschoben. Die krafterzeugenden Mittel 32, bestehend aus den Magneten 34, den ferromagnetischen Ankern 33 und den Positionierschrauben 48 bestimmen über ihre Eigenschaften und Einstellungen auch während der Verschiebung 30 die im Verschiebeweg bestehende Kraft zwischen dem Führungskörper 15 und den verknüpften Zustellmitteln 18 und damit die im Verschiebeweg anstehende Kollisionskraft. Dabei sind die Magnete 34 ortsfest am Führungskörper 15 befestigt, während sich die ferromagnetischen Anker 33, die über die Positionierschrauben 48 im Spindellager 21 gehalten werden, mit der Verschiebung 30 mitbewegen. Bei einer fortgesetzten Ansteuerung des Elektromotors 18a über das Motorkabel 46 durch die elektrische Steuerung 11 mit Bedienfeld 31 wird über die Spindel 19 und das im Führungselement 16 befindliche Muttergewinde, bei bestehender Kollision zwischen Probe und Schneidekante, die Verschiebung 30 weiter ausgeführt. Dabei bewegen sich die verknüpften Zustellmittel weiter entlang der Verschiebewegführung 47 bis z. B. durch ein Herausdrehen des Spindelendes aus dem Muttergewinde der Bewegungsvorgang endet. Dabei nimmt, in diesem Beispiel, die im Verschiebeweg bestehende Magnetkraft zwischen Führungskörper 15 und den verknüpften Zustellmitteln 18 beständig ab und damit auch die Kollisionskraft während der Verschiebung 30 im Verschiebeweg.
7g zeigt eine Explosions-Darstellung einer Zustelleinrichtung 12 eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten 34, die hier als Dauermagnete dargestellt sind, als Teil der krafterzeugenden Mittel 32 zur Erzeugung der Abstützkraft und zusätzlich mit Umschaltmitteln 49 zur Umschaltung der Abstützkraft. Die Teile der Zustelleinrichtung 12 sind: das Führungselement 16, der Führungskörper 15, die Verschiebewegführung 47, die krafterzeugenden Mittel 32 und die verknüpften Zustellmittel 18, die ihrerseits in diesem Ausführungsbeispiel bestehen aus: dem Elektromotor 18a, der Spindel 19, dem Spindellager 21, der Lagerscheibe 22, der Spindellagermutter 23, der Wellenkupplung 24 und den Montagestützen 26. Zu den krafterzeugenden Mitteln zählen in diesem Beispiel die Magneten 34 mit den ferromagnetischen Ankern 33 und den Positionierschrauben 48. Im zusammengebauten Zustand sind die Magnete 34 im Führungskörper 15 befestigt z. B. durch Einkleben und damit ortsfest bei einer Verschiebung. Die ferromagnetischen Anker 33 werden im Spindellager 21 von den Positionierschrauben 48 in Position gehalten, wobei sich die Positionierschrauben 48 am Segmentring 51, der seinerseits am Spindellager 21 anliegt, abstützen. Durch die Magnetkraft, die zwischen den Magneten 34 und den ferromagnetischen Ankern 33 wirkt, wird das Spindellager 21 mit definierter Kraft an den Führungskörper 15 angedrückt. Der Segmentring weist in diesem Beispiel 3 um 120° versetzte Segmente auf, die auf einer Seite jeweils gleiche schraubenartige Dickenzunahmen aufweisen, während die Gegenseite eine ebene Anlagefläche darstellt. Die drei genannten Segmente sind mit Schlitzen durchbrochen, durch die im zusammengebauten Funktionszustand die Positionierschrauben 48, die die ferromagnetischen Anker 33 halten, hindurchgreifen und sich mit ihrem Kopf an den schraubenartigen Segmentflächen abstützen. Durch ein Verdrehen des Segmentrings 51 werden dadurch die ferromagnetischen Anker 33 entsprechend der Dickenzunahme oder Dickenabnahme an der Stelle an der die Positionierschrauben 48 durch die Schlitze hindurchgreifen axial hin oder her bewegt und damit die Magnetkraft, die zwischen dem Führungskörper 15 und den verknüpften Zustellmitteln 18 als Abstützkraft wirkt, verändert. In dem dargestellten Beispiel ist der Segmentring 51 von einem Ritzel 52, das von einem Aktuator 53 angetrieben wird, verdrehbar und bewirkt damit eine Umschaltung der Abstützkraft.
7h zeigt eine Rückansicht der Zustelleinrichtung 12 eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft, entsprechend der Darstellung in 7g, in einer ersten Umschaltstellung. Die Stellmittel 50 bestehend aus dem Segmentring 51 und dem Ritzel 52 sind miteinander im Eingriff. Die Positionierschrauben 48 ragen durch die Schlitze am Segmentring 51 und stützen sich mit ihrem Kopf am dünnen Bereich des jeweiligen sich schraubenartig verdickenden Segments ab.
7i zeigt einen Längsschnitt durch eine Zustelleinrichtung 12 eines erfindungsgemäßen Mikrotoms, entsprechend der Darstellung in 7g, mit Magneten 34, ferromagnetischen Ankern 33 und Positionierschrauben 48 zur Erzeugung der Abstützkraft zwischen dem Führungskörper 15 und dem Spindellager 21 und einer Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft, in einer ersten Umschaltstellung. Der Kopf der Positionierschraube 48 liegt dabei am dünneren Bereich des entsprechenden Segments des Segmentrings 51 an, wodurch der Luftspalt zwischen dem Magneten 34 und dem ferromagnetischen Anker 33 einen diese Umschaltstellung kennzeichnenden geringen Wert aufweist, dem eine erhöhte Abstützkraft entspricht.
7j zeigt eine Rückansicht der Zustelleinrichtung 12 eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft, entsprechend der Darstellung in 7g, in einer zweiten Umschaltstellung. Die Stellmittel 50 bestehend aus dem Segmentring 51 und dem Ritzel 52 sind miteinander im Eingriff. Gegenüber der Darstellung in 7h ist das Ritzel 52 um 45° im Uhrzeigersinn gedreht. Dadurch ist der Segmentring 51, bei der dargestellten Verzahnung, um ebenfalls 45° im Gegenuhrzeigersinn gedreht. Die Positionierschrauben 48 ragen durch die Schlitze am Segmentring 51 und stützen sich mit ihrem Kopf jetzt am dickeren Bereich des jeweiligen sich schraubenartig verdickenden Segments ab.
7k zeigt einen Längsschnitt durch eine Zustelleinrichtung 12 eines erfindungsgemäßen Mikrotoms, entsprechend der Darstellung in 7g, mit Magneten 34, ferromagnetischen Ankern 33 und Positionierschrauben 48 zur Erzeugung der Abstützkraft zwischen dem Führungskörper 15 und dem Spindellager 21 und einer Umschaltung der Grenzwerte der Abstützkraft, in einer zweiten Umschaltstellung. Der Kopf der Positionierschraube 48 liegt dabei am dickeren Bereich des entsprechenden Segments des Segmentrings 51 an, wodurch der Luftspalt zwischen dem Magneten 34 und dem ferromagnetischen Anker 33 einen diese Umschaltstellung kennzeichnenden größeren Wert aufweist, dem eine erniedrigte Abstützkraft entspricht.
8a zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikrotom 1 im Schneidebetrieb oder im Einrichtbetrieb, mit Magneten 34 als Teil der krafterzeugenden Mittel 32 zur Erzeugung der Abstützkraft und einem Piezosensor 36 als detektierendes Schaltmittel 35. Der Grundkörper 2 ist mit der Schneideführung 3b fest verbunden, an der sich das Trägerteil 4 entlang der mit Doppelpfeil 3 gekennzeichneten Schneidebahn bewegen kann. Ebenfalls mit dem Grundkörper 2 ist der Messerträger 5 verbunden, der das Schneidewerkzeug 6 mit der Schneidekante 7 trägt. Die Zustelleinrichtung 12, die auf der in 7d dargestellten Ausführung aufbaut, ist über den Führungskörper 15 fest mit dem Trägerteil 4 verbunden. Das Führungselement 16, das entlang der linearen Führung 13 die mit Doppelpfeil 14 gekennzeichnete Zustellbewegung ausführt, trägt die Probenhalterung 8 mit der daran befestigten Probe 9. Die verknüpften Zustellmittel 18 liegen mit der Abstützkraft am Führungskörper 15 an. Die krafterzeugenden Mittel 32 bestimmen über ihre Eigenschaften und Einstellungen den Wert der Abstützkraft. Die Verschiebewegführung 47 ist in dem dargestellten Betriebszustand unbewegt, da die verknüpften Zustellmittel 18 mit der Abstützkraft der krafterzeugenden Mittel 32 am Führungskörper 15 anliegen. Bei einer Ansteuerung des Elektromotors 18a über das Motorkabel 46 durch die elektrische Steuerung 11 mit Bedienfeld 31 wird die Zustellbewegung 14 ausgeführt. Eine Detailansicht ist in 8b dargestellt.
8b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch eine Zustelleinrichtung 12 eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten 34 zur Erzeugung der Abstützkraft und einem Piezosensor 36 als detektierendes Schaltmittel 35. Die Zustelleinrichtung 12, die auf der in 7d dargestellten Ausführung aufbaut, ist über den Führungskörper 15 fest mit dem Trägerteil 4 verbunden. Die verknüpften Zustellmittel 18, bestehend aus der Spindel 19 mit Spindelflansch 20, dem Spindellager 21, der Lagerscheibe 22 und der Spindellagermutter 23, der Wellenkupplung 24, den Montagestützen 26 und dem Elektromotor 18a, liegen über den zu den detektierenden Schaltmitteln 35 zugehörigen Piezosensor 36, der mit einer seiner aktiven Flächen am Spindellager 21 befestigt ist, mit der gegenüberliegenden aktiven Fläche am Führungskörper 15 an. Die krafterzeugenden Mittel 32, bestehend aus den Magneten 34, den ferromagnetischen Ankern 33 und den Positionierschrauben 48 bestimmen über ihre Eigenschaften und Einstellungen den Wert der Abstützkraft. Die Verschiebewegführung 47 ist in dem dargestellten Betriebszustand unbewegt, da die verknüpften Zustellmittel 18 mit der Abstützkraft der krafterzeugenden Mittel 32 am Führungskörper 15 anliegen. Bei einer Ansteuerung des Elektromotors 18a über das Motorkabel 46 durch die elektrische Steuerung 11 mit Bedienfeld 31 wird über die Spindel 19 und das im Führungselement 16 befindliche Muttergewinde die Zustellbewegung ausgeführt. Im Falle einer Kollision und Überschreitung der Abstützkraft verschieben sich die verknüpften Zustellmittel 18 insgesamt entlang der Verschiebewegführung 47. Diese einsetzende Verschiebung wird bei ungestörter Funktion, bei der die zusätzlich bestehende Eigensicherheit keine Anwendung findet, unmittelbar von dem in diesem Beispiel dargestellten Piezosensor 36 detektiert und über das ebenfalls zu den detektierenden Schaltmitteln zugehörige Sensorkabel 37 an die elektrische Steuerung 11 gemeldet, worauf die elektrische Steuerung 11 den Elektromotor 18a abschaltet.
9a zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikrotom 1 im Schneidebetrieb oder im Einrichtbetrieb, mit Magneten 34 als Teil der krafterzeugenden Mittel 32 zur Erzeugung der Abstützkraft und mit integrierten detektierenden Schaltmitteln 35. Der Grundkörper 2 ist mit der Schneideführung 3b fest verbunden, an der sich das Trägerteil 4 entlang der mit Doppelpfeil 3 gekennzeichneten Schneidebahn bewegen kann. Ebenfalls mit dem Grundkörper 2 ist der Messerträger 5 verbunden, der das Schneidewerkzeug 6 mit der Schneidekante 7 trägt. Die Zustelleinrichtung 12, die auf der in 7d dargestellten Ausführung aufbaut, ist über den Führungskörper 15, der aus dem Führungskörperhauptteil 15a und dem Führungskörperisolierteil 15b besteht, fest mit dem Trägerteil 4 verbunden. Das Führungselement 16, das entlang der linearen Führung 13 die mit Doppelpfeil 14 gekennzeichnete Zustellbewegung ausführt, trägt die Probenhalterung 8 mit der daran befestigten Probe 9. Die verknüpften Zustellmittel 18 liegen mit der Abstützkraft am Führungskörperisolierteil 15b an. Die krafterzeugenden Mittel 32 bestimmen über ihre Eigenschaften und Einstellungen den Wert der Abstützkraft. Die Verschiebewegführung 47 ist in dem dargestellten Betriebszustand unbewegt, da die verknüpften Zustellmittel 18 mit der Abstützkraft der krafterzeugenden Mittel 32 am Führungskörper 15 anliegen. Bei einer Ansteuerung des Elektromotors 18a über das Motorkabel 46 durch die elektrische Steuerung 11 mit Bedienfeld 31 wird die Zustellbewegung 14 ausgeführt. Zum besseren Verständnis ist in 9b eine Explosions-Darstellung dieser Zustelleinrichtung 12 gezeigt und in 9c eine Detailansicht dargestellt.
9b zeigt eine Explosions-Darstellung einer Zustelleinrichtung 12 eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten 34, die hier als Dauermagnete dargestellt sind, als Teil der krafterzeugenden Mittel 32 zur Erzeugung der Abstützkraft und mit integrierten detektierenden Schaltmitteln 35. Die Teile der Zustelleinrichtung 12 sind: das Führungselement 16, der Führungskörper 15, der aus dem Führungskörperhauptteil 15a und dem Führungskörperisolierteil 15b besteht, die Verschiebewegführung 47, die krafterzeugenden Mittel 32 und die verknüpften Zustellmittel 18, die ihrerseits in diesem Ausführungsbeispiel bestehen aus: dem Elektromotor 18a, der Spindel 19, dem Spindellager 21, der Lagerscheibe 22, der Spindellagermutter 23, der Wellenkupplung 24 und den Montagestützen 26. Zu den krafterzeugenden Mitteln 32 zählen in diesem Beispiel die Magneten 34 mit den ferromagnetischen Ankern 33 und den Positionierschrauben 48. Zu den detektierenden Schaltmitteln 35 zählen in diesem Beispiel der Kontaktring 39, die Kontaktschraube F 54 und die Kontaktschraube Z 55, sowie die hier nicht dargestellten elektrischen Verbindungen von den Kontaktschrauben zur elektrischen Steuerung. Im zusammengebauten Zustand sind die Magnete 34 im Führungskörper 15, in diesem Beispiel im Führungskörperisolierteil 15b, befestigt z. B. durch Einkleben und damit ortsfest bei einer Verschiebung. Die ferromagnetischen Anker 33 werden im Spindellager 21 von den Positionierschrauben 48 in Position gehalten. Durch die Magnetkraft, die zwischen den Magneten 34 und den ferromagnetischen Ankern 33 wirkt, wird das Spindellager 21 mit definierter Kraft an den Führungskörper 15, in diesem Beispiel an den im Führungskörperisolierteil 15b eingelegten Kontaktring 39, angedrückt. Das Führungskörperisolierteil 15b besteht aus einem elektrisch nichtleitenden Material hoher Steifigkeit z. B. einem diesbezüglich geeigneten Kunststoff oder einer technischen Keramik. Der Kontaktring 39 besteht aus Kupfer oder Messing oder einem anderen geeigneten Kontaktmaterial. Zur elektrischen Kontaktierung, der hier nicht dargestellten elektrischen Verbindung zur elektrischen Steuerung, dienen die Kontaktschraube F 54 zur Kontaktierung des Kontaktrings 39 über ein Anschlussgewinde und die Kontaktschraube Z 55 zur Kontaktierung des leitfähigen Spindellagers 21, ebenfalls über ein dort befindliches Anschlussgewinde. Die Doppelfunktion des Kontaktrings 39 und des Spindellagers 21, einerseits als Anlagefläche der Abstützkraft und gleichzeitig als elektrische Kontaktfläche zur Detektion einer einsetzenden Verschiebung der verknüpften Zustellmittel 18, ist in 9c ersichtlich.
9c zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch eine Zustelleinrichtung 12 eines erfindungsgemäßen Mikrotoms mit Magneten 34 zur Erzeugung der Abstützkraft und mit integrierten detektierenden Schaltmitteln 35. Die Zustelleinrichtung 12, die auf der in 7d dargestellten Ausführung aufbaut, ist über das Führungskörperhauptteil 15a fest mit dem Trägerteil 4 verbunden. Beide Teile, sowie auch das Führungselement 16 sind in dem hier dargestellten vergrößerten Ausschnitt nur teilweise sichtbar. Die verknüpften Zustellmittel 18, bestehend aus der Spindel 19 mit Spindelflansch 20, dem Spindellager 21, der Lagerscheibe 22, der Spindellagermutter 23, der Wellenkupplung 24, den Montagestützen 26 und dem Elektromotor 18a, liegen über das Spindellager 21 am Kontaktring 39, der zu den detektierenden Schaltmitteln 35 zählt und in das Führungsträgerisolierteil 15b eingesetzt ist, mit der Abstützkraft an. Die krafterzeugenden Mittel 32, bestehend aus den Magneten 34, den ferromagnetischen Ankern 33 und den Positionierschrauben 48 bestimmen über ihre Eigenschaften und Einstellungen den Wert der Abstützkraft. Die Verschiebewegführung 47 ist in dem dargestellten Betriebszustand unbewegt, da die verknüpften Zustellmittel 18 mit der Abstützkraft der krafterzeugenden Mittel 32 am Führungskörper 15 anliegen. Bei einer Ansteuerung des Elektromotors 18a über das Motorkabel 46 durch die elektrische Steuerung 11 mit Bedienfeld 31 wird über die Spindel 19 und das im Führungselement 16 befindliche Muttergewinde die Zustellbewegung ausgeführt. Im Falle einer Kollision und Überschreitung der Abstützkraft verschieben sich die verknüpften Zustellmittel 18 insgesamt entlang der Verschiebewegführung 47. Diese einsetzende Verschiebung wird bei ungestörter Funktion, bei der die zusätzlich bestehende Eigensicherheit keine Anwendung findet, unmittelbar von den in diesem Beispiel dargestellten integrierten Schaltmitteln 35 detektiert. Die detektierenden Schaltmittel in diesem Beispiel bestehen aus dem Kontaktring 39, der darin eingeschraubten Kontaktschraube F 54, der Kontaktschraube Z 55, die das aus leitfähigem Material bestehende Spindellager 21 kontaktiert und den beiden elektrischen Verbindungen 45, die die Verbindung zwischen den Kontaktschrauben 54,55 und der elektrischen Steuerung 11 herstellen. Bei einsetzender Verschiebung aufgrund einer Überschreitung der Abstützkraft hebt das Spindellager 21 mit seiner Anlagefläche von der Anlagefläche am Kontaktring 39 ab. Dadurch öffnet sich ein beispielsweise bestehender Detektionsstromkreis, der von der elektrischen Steuerung gespeist wird und der Kontaktring 39 und das Spindellager 21 nehmen verschiedene elektrische Potenziale an, die als Signal der einsetzenden Verschiebung ausgewertet werden. Auf dieses Signal schaltet die elektrische Steuerung über das Motorkabel 46 den Elektromotor 18a ab.
10a zeigt ein Ablaufdiagramm einer Routine in der elektrischen Steuerung 11 des erfindungsgemäßen Mikrotoms 1 zur Überwachung der Abschaltfunktion bei einsetzender Verschiebung 30 nach einer Kollision und zur anschließenden Auflösung der Kollision. Die Überwachung ist permanent während des gesamten Betriebes des Mikrotoms 1. Im Schritt S1 des Ablaufdiagramms wird abgefragt ob über die detektierenden Schaltmittel 35 eine Verschiebung 30 der verknüpften Zustellmittel 18 nach einer eingetretenen Kollision gemeldet wird. Tritt eine Verschiebung ein so wird im Schritt S2 der antreibende Elektromotor 18a der Zustelleinrichtung 12 abgeschaltet. Um nun die noch fortbestehende Kollision aufzulösen und das Mikrotom 1 wieder in einen nutzbaren Betriebszustand zu versetzen, wird in Schritt S3 der Elektromotor 18a in Gegenrichtung zur Zustellrichtung 14a angesteuert um über die Zustelleinrichtung 12 die Wegstrecke die dem Sicherheitsrückzug 42 entspricht zurückzulegen. Damit befindet sich die Probe 9 um den Sicherheitsrückzug 42 vor der Schneidekante 7 und das Mikrotom 1 ist wieder bereit für Anwendungen.
10b zeigt das erfindungsgemäße Mikrotom 1 vor einem Einrichtvorgang ohne automatische Annäherung mit Abstand zwischen Schneidekante 7 und Probe 9.
10c zeigt das erfindungsgemäße Mikrotom 1 bei einer eingetretenen Kollision bei einem Einrichtvorgang beispielsweise nach einer Fehlbedienung oder durch ein erstes Versagen eines technischen Mittels und nach vorgenommener Abschaltung des antreibenden Elektromotors 18a nach einem Signal der detektierenden Schaltmittel 35, entsprechend nach Schritt S1 und S2 des Ablaufdiagramms in 10a.
10d zeigt eine Ausschnittvergrößerung von Schneidekante 7 und Probe 9 bei einer bestehenden Kollision nach 10c. Ersichtlich liegt die Schneidekante 7 an der Probe 9 an.
10e zeigt das erfindungsgemäße Mikrotom 1 nach der Auflösung einer Kollision entsprechend dem Schritt S3 im Ablaufdiagramm 10a
10f zeigt eine Ausschnittvergrößerung von Schneidekante 7 und Probe 9 nach aufgelöster Kollision und Durchführung des Sicherheitsrückzugs 42 entgegen der Zustellrichtung 14a.
11a zeigt ein Ablaufdiagramm einer Routine in der elektrischen Steuerung 11 des erfindungsgemäßen Mikrotoms 1 zur Durchführung einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante 7 und Probe 9. Nach dem Start einer automatischen Annäherung über das Bedienfeld 31 der elektrischen Steuerung 11 wird zunächst im Schritt S4 des Ablaufdiagramms geprüft, ob sich die Probe 9 bzw. bei Ausführungen mit bewegtem Messerträger der Messerträger 5, in der Schneidebahnendstellung 43 befindet. Dies ist die Voraussetzung dafür, dass sich die Probe 9 und die Messerträgerreferenzfläche 41 beabstandet gegenüber stehen. Dann wird in Schritt S5 der Elektromotor 18a gestartet bis die Probe 9 mit der Messerträgerreferenzfläche 41 kollidiert und die dadurch einsetzende Verschiebung 30 unmittelbar von den detektierenden Schaltmitteln 35 an die elektrische Steuerung 11 gemeldet wird. Folglich wird in Schritt S7 der Elektromotor 18a abgeschaltet. Im Schritt S8 wird in der elektrischen Steuerung der addierte Wert des Sicherheitsrückzugs 42 und des Messerträgerreferenzabstandes 38 zur Verfügung gestellt, wobei der Messerträgerreferenzabstand 38 diejenige Distanz darstellt, um die die Messerträgerreferenzfläche 41 von der Schneidekante 7 in Zustellrichtung 14a zurückversetzt ist. Nun wird im Schritt S9 der Elektromotor gestartet und der addierte Wert in Gegenrichtung zur Zustellrichtung 14a ausgeführt. Damit befindet sich die Probe 9 um den Sicherheitsrückzug 42 vor der Schneidekante 7. Im Schritt S10 wird der Elektromotor 18a nach erfolgter Ausführung gestoppt. Nun muss die Probe 9, oder bei Ausführungen mit bewegtem Messerträger der Messerträger 5, in die Schneidebahnanfangstellung 44 verbracht werden. Bei Mikrotomen mit manuellem Schneideantrieb muss dies natürlich auch von Hand erledigt werden. Bei Mikrotomen mit motorisiertem Schneideantrieb kann eine entsprechende Sequenz als Verzweigung in das Ablaufdiagramm für die elektrische Steuerung eingebaut werden. Im Schritt 11 des vorliegenden Ablaufdiagramms wird lediglich überprüft, dass sich das Mikrotom 1 nun in seiner Schneidebahnanfangstellung 44 befindet. Ist dies der Fall, wird in Schritt 12 der Elektromotor 18a erneut gestartet um den Betrag des Sicherheitsrückzuges 42 in Zustellrichtung 14a auszuführen, d. h. den Sicherheitsrückzugswert 42 aufzugeben. Nach Ausführung wird im Schritt S13 der Elektromotor 18a wieder gestoppt. Nun befindet sich die Probe 9 in Anschnittstellung, das heißt in Zustellrichtung 14a in gleicher Position wie die Schneidekante 7 und in Schneiderichtung vor der Schneidkante 7. Damit ist die automatische Annäherung abgeschlossen.
11b zeigt ein erfindungsgemäßes Mikrotom 1 in der Schneidebahnendstellung 43 vor dem Start einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante 7 und Probe 9.
11c zeigt eine Ausschnittvergrößerung von Schneidekante 7 und Probe 9 vor dem Start einer automatischen Annäherung gemäß 11b. Dabei befindet sich die Messerträgerreferenzfläche 41 beabstandet gegenüber der Probe 9. Dies ist unabhängig davon, ob es sich, wie im dargestellten Beispiel um eine Probenzustellung handelt oder eine Messerträgerzustellung und auch unabhängig davon ob, wie im vorliegenden Beispiel die Probe 9 entlang der Schneidebahn 3 bewegt wird oder der Messerträger 5 mit dem Schneidewerkzeug 6.
11d zeigt ein erfindungsgemäßes Mikrotom 1 in der Schneidebahnendstellung 43 bei einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante 7 und Probe 9 bei Kollision mit der Messerträgerreferenzfläche 41.
11e zeigt eine Ausschnittvergrößerung von 11d mit Schneidekante 7 und Probe 9 bei einer automatischen Annäherung im Zustand der Kollision mit der Messerträgerreferenzfläche 41 und erfindungsgemäßer Abschaltung des Elektromotors 18a nach eingetretener Kollision, beginnender Verschiebung 30 und unmittelbarer Detektion durch die detektierenden Schaltmittel 35. In diesem Zustand liegt die Probe 9 an der Messerträgerreferenzfläche 41 an.
11f zeigt ein erfindungsgemäßes Mikrotom 1 in der Schneidebahnendstellung 43 bei einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante 7 und Probe 9 nach Auflösung der Kollision mit der Messerträgerreferenzfläche 41.
11g zeigt eine Ausschnittvergrößerung von 11f mit Schneidekante 7 und Probe 9 bei einer automatischen Annäherung nach aufgelöster Kollision mit der Messerträgerreferenzfläche 41. Dabei sind der Messerträgerreferenzabstand 38 zwischen Messerträgerreferenzfläche 41 und Schneidekante 7 dargestellt, wie auch der Sicherheitsrückzug 42, der einen Sicherheitsabstand zwischen Probe 9 und Schneidekante 7 repräsentiert. Bei der Auflösung der vorher bestehenden Kollision werden die Probe 9, oder bei anderen Ausführungsformen die Schneidekante 7, um die Summe von Messerträgerreferenzabstand 38 und Sicherheitsrückzug 42 entgegen der Zustellrichtung 14a bewegt.
11h zeigt ein erfindungsgemäßes Mikrotom 1 das sich jetzt im nächsten Schritt der automatischen Annäherung in der Schneidebahnanfangstellung 44 befindet wobei zwischen Probe 9 und Schneidekante 7 noch der Sicherheitsrückzug 42 besteht.
11i zeigt eine Ausschnittvergrößerung von 11h mit Schneidekante 7 und Probe 9 bei einer automatischen Annäherung im Zustand mit Sicherheitsrückzug 42.
11j zeigt ein erfindungsgemäßes Mikrotom 1 in der Schneidebahnanfangstellung 44 nach Beendigung einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante 7 und Probe 9 bei aufgegebenem Sicherheitsrückzug 42.
11k zeigt eine Ausschnittvergrößerung von 11j mit Schneidekante 7 und Probe 9 nach Beendigung einer automatischen Annäherung zwischen Schneidekante 7 und Probe 9, wobei sich in diesem Beispiel die Probe 9 in der Schneidebahnanfangstellung 44 befindet und in Bezug auf die Zustellrichtung 14a in der gleichen Ebene wie die Schneidekante 7 und damit in der Anschnittstellung.
Das erfindungsgemäße Mikrotom und die damit durchführbaren erfindungsgemäßen Verfahren erhöhen in erheblichem Maße die Sicherheit beim Einrichtbetrieb an Mikrotomen auch in der Ausführung als Kryostat-Mikrotome. Die Eigensicherheit in Bezug auf unzulässige Kollisionskräfte verhindert Schäden an Proben und Schneidewerkzeugen und vermindert die Verletzungsgefahr bei Bedienfehlern. Die zusätzliche Abschaltung des Zustellantriebs, trotz vorliegender Eigensicherheit, bei detektierter Kollision, ermöglicht im technisch ungestörten Betrieb ein effizientes Arbeiten und legt die Grundlage für das darauf basierende Verfahren einer automatischen Annäherung. Die automatische Annäherung ist zudem weitgehend frei von Verschmutzungsproblematiken im Bereich zwischen Messerträger und Probe, da lediglich die abgeschattete Messerträgerreferenzfläche verschmutzungsfrei zu halten ist und keine sonstigen zusätzlichen bewegten Teile oder optische Einrichtungen benötigt werden. Zudem ist natürlich auch die automatische Annäherung im Versagensfall eigensicher.
Bezugszeichenliste

1: Mikrotom
2: Grundkörper
3: Doppelpfeil Schneidebahn
3a: Scheibenlager
3b: Schneidebahnführung
3c: Schaukelarmlager
4: Trägerteil
5: Messerträger
6: Schneidewerkzeug
7: Schneidekante
8: Probenhalterung
9: Probe
10: Antrieb Schneidebewegung
11: elektrische Steuerung
12: Zustelleinrichtung
13: lineare Führung
14: Doppelpfeil Zustellbewegung
14a: Pfeil Zustellrichtung
15: Führungskörper
15a: Führungskörper Hauptteil
15b: Führungskörper Isolierteil
16: Führungselement
17: Zustellachse
18: verknüpfte Zustellmittel
18a: Elektromotor
19: Spindel
20: Spindelflansch
21: Spindellager
22: Lagerscheibe
23: Spindellagermutter
24: Wellenkupplung
25: Befestigungsschraube
26: Montagestütze
27: Federhülse
28: Feder
29: Federstütze
30: Pfeil Verschiebung
31: Bedienfeld
32: krafterzeugende Mittel
33: ferromagnetischer Anker
34: Magnet
35: detektierende Schaltmittel
36: Piezosensor
37: Sensorkabel
38: Messerträgerreferenzabstand
39: Kontaktring
41: Messerträgerreferenzfläche
42: Sicherheitsrückzug
43: Schneidebahnendstellung
44: Schneidebahnanfangstellung
45: Elektrische Verbindung
46: Motorkabel
47: Verschiebewegführung
48: Positionierschrauben
49: Umschaltmittel
50: Stellmittel
51: Segmentring
52: Ritzel
53: Aktuator
54: Kontaktschraube F
55: Kontaktschraube Z
56: Verschraubung Isolierteil
a: Freiwinkel
b: Keilwinkel
c: Schnittwinkel
d: Scherwinkel
e: Reibungswinkel
h: Zustelldicke
i: Schnittdicke
F_a: Aktivkraft
F_d: Scherkraft
F_dN: Schernormalkraft
F_R: Schnittflächenreibungskraft
F_N: Normalkraft
F_c: Schnittkraft
F_s: Schubkraft
F_K: Kollisionskraft
F_G: Grenzwert der Abstützkraft
S1–S13: Schritte in Ablaufdiagrammen

Claims

Mikrotom (1) mit einem Grundkörper (2), einem entlang einer Schneidebahn (3) bewegtem Trägerteil (4), einem Messerträger (5) mit einem Schneidewerkzeug (6) und einer Schneidekante (7), einer Probenhalterung (8) und einer dünnzuschneidenden Probe (9), einem manuellen oder motorischen Antrieb der Schneidebewegung zum Schneidebetrieb, einer elektrischen Steuerung (11) und einer Zustelleinrichtung (12) zur Annäherung zwischen dünnzuschneidender Probe (9) und Schneidekante (7) relativ zueinander im Einrichtbetrieb, wobei die Zustelleinrichtung (12) umfasst, eine lineare Führung (13) zur gerichteten Zustellbewegung (14) zwischen Probe (9) und Schneidekante (7) mit einem Führungskörper (15), der mit dem Grundkörper (2) oder mit dem Trägerteil (4) fest verbunden ist oder mit dem Grundkörper (2) oder dem Trägerteil (4) einstückig ausgeführt ist, und einem dazu in Richtung der Zustellbewegung (14) beweglichen Führungselement (16), miteinander verknüpfte Zustellmittel (18) die einen Elektromotor (18a) enthalten, der im aktivierten Zustand über die mit ihm verknüpften Zustellmittel (18) eine Bewegung des beweglichen Führungselements (16) bewirkt, indem sich die verknüpften Zustellmittel (18) mit mindestens einem ihrer Funktionsteile am Führungskörper (15) der Zustelleinrichtung (12) abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützkraft in Zustellrichtung (14a) einen Grenzwert darstellt und dass bei Überschreitung dieses Grenzwertes, im Falle einer durch die Zustellbewegung (14) im Einrichtbetrieb herbeigeführten Kollision zwischen Probe (9) und Schneidekante (7) oder einer Messerträgerreferenzfläche (41), eine Verschiebung (30) der verknüpften Zustellmittel (18) in Gegenrichtung zur Zustellrichtung (14a) weg vom Führungskörper (15) entlang einer Verschiebewegführung (47) stattfindet, wobei mindestens ein Teil der krafterzeugenden Mittel (32) ortsfest am Führungskörper (15) verbleibt und mindestens ein weiteres Teil der krafterzeugenden Mittel (32) mit mindestens einem Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel (18) verbunden ist und damit die gleiche Verschiebung (30) wie die verknüpften Zustellmittel (18) erfährt und dass das Mikrotom (1) dadurch eigensicher bezüglich auftretender Kollisionskräfte im Einrichtbetrieb ist, da keine Erhöhung der Kollisionskraft über die während der Verschiebung (30) bestimmende Kraft hinaus stattfindet, und dass der Grenzwert der Abstützkraft und die während der Verschiebung (30) bestimmende Kraft so gewählt sind, dass sie zugelassene Betriebsparameter des Mikrotoms (1) darstellen.
Mikrotom (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert der Abstützkraft oberhalb der im Schneidebetrieb sich in Gegenrichtung der Zustellrichtung (14a) ergebenden Schubkraft (F_S) festgelegt ist und unterhalb einer Kraft, die im Kollisionsfall zu einem Schaden an der Probe (9) oder der Schneidekante (7) führt, und zusätzlich in Abhängigkeit von der Einbaulage der Zustelleinrichtung (12) die Gewichtskraft der verknüpften Zustellmittel (18) berücksichtigt.
Mikrotom (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert der Abstützkraft vom Betriebszustand des Mikrotoms (1) abhängt, wobei im Schneidebetrieb der Grenzwert der Abstützkraft oberhalb der im Schneidebetrieb sich in Gegenrichtung der Zustellrichtung (14a) ergebenden Schubkraft (F_S) festgelegt ist und unterhalb einer Kraft die im Kollisionsfall zu einem Schaden an der Probe (9) oder der Schneidekante (7) führt, wobei im Einrichtbetrieb, zur erhöhten Sicherheit, ein reduzierter Grenzwert der Abstützkraft unterhalb der im Schneidebetrieb wirkenden Schubkraft (F_S) angewendet wird, und wobei Umschaltmittel (49) vorhanden sind, die eine Erhöhung und eine Verminderung der Abstützkraft bewirken können, und zusätzlich in Abhängigkeit von der Einbaulage der Zustelleinrichtung (12) die Gewichtskraft der verknüpften Zustellmittel (18) berücksichtigt wird.
Mikrotom (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützkraft durch ein oder mehrere Federn (28), deren Federkraft zwischen den verknüpften Zustellmitteln (18) und dem Führungskörper (15) wirken, aufgebracht wird.
Mikrotom (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützkraft durch ein oder mehrere Magnete (34), deren Magnetkraft zwischen den verknüpften Zustellmitteln (18) und dem Führungskörper (15) wirken, aufgebracht wird und wobei die Magnete (34) sowohl Dauermagnete als auch Elektromagnete sein können.
Mikrotom (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei Kollision auftretende Verschiebung (30) der verknüpften Zustellmittel (18) auf detektierende Schaltmittel (35) wirkt, die ihrerseits über die elektrische Steuerung (11) eine Abschaltung des Elektromotors (18a), zumindest in die die Kollision auslösende Zustellrichtung (14a), bewirken.
Mikrotom (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskörper (15) oder ein Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel (18) Ausnehmungen aufweist, in die ein oder mehrere Piezosensoren (36) als detektierende Schaltmittel (35) zur Detektion einer Verschiebung eingesetzt werden und eine der aktiven Flächen der Piezosensoren (36) direkt als Anlagefläche der Abstützkraft zwischen Führungskörper (15) und den verknüpften Zustellmitteln (18) dient.
Mikrotom (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskörper (15) aus einem elektrischen Nichtleiter besteht oder zweiteilig ist, bei dem mindestens ein Teil aus einem Nichtleiter besteht und bei dem die von der Abstützkraft beaufschlagte Anlagefläche aus einem daraus hervorstehenden eingelegten leitfähigen Kontaktring (39) oder aus mindestens einem leitfähigen Stift besteht, wobei der leitfähige Kontaktring (39) oder der leitfähige Stift kontaktiert ist und mit der elektrischen Steuerung (11) verbunden ist und wobei die verknüpften Zustellmittel (18) mindestens ein elektrisch leitfähiges Teil enthalten das ebenfalls kontaktiert ist und mit der elektrischen Steuerung (11) in Verbindung steht, mit der Maßgabe, dass die Anlagefläche zwischen dem Kontaktring (39) oder dem leitfähigen Stift und dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Teil der verknüpften Zustellmittel (18) einen Kontakt bildet, der bei Eintritt einer Verschiebung (30) öffnet und über die elektrische Steuerung (11) zu einer Abschaltung des Elektromotors (18a), zumindest in die die Kollision auslösende Zustellrichtung (14a), führt.
Mikrotom (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionsteil der verknüpften Zustellmittel (18) aus einem elektrischen Nichtleiter besteht oder zweiteilig ist, bei dem mindestens ein Teil aus einem Nichtleiter besteht und bei dem die von der Abstützkraft beaufschlagte Anlagefläche aus einem daraus hervorstehenden eingelegten leitfähigen Kontaktring (39) oder aus mindestens einem leitfähigen Stift besteht, wobei der leitfähige Kontaktring (39) oder der leitfähige Stift kontaktiert ist und mit der elektrischen Steuerung (11) verbunden ist und wobei der Führungskörper (15) elektrisch leitfähig ist und ebenfalls kontaktiert ist und mit der elektrischen Steuerung (11) in Verbindung steht, mit der Maßgabe, dass die Anlagefläche zwischen dem Kontaktring (39) oder dem leitfähigen Stift und dem elektrisch leitfähigen Führungskörper (15) einen Kontakt bildet, der bei Eintritt einer Verschiebung (30) öffnet und über die elektrische Steuerung (11) zu einer Abschaltung des Elektromotors (18a), zumindest in die die Kollision auslösende Zustellrichtung (14a), führt.
Verfahren zum Betrieb eines Mikrotoms (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer auftretenden Kollision zwischen Probe (9) und Schneidekante (7) oder einer anderen im Zustellweg befindlichen Körperfläche des Messerträgers und dementsprechender, durch eine Verschiebung (30) der verknüpften Zustellmittel (18) ausgelöster detektierender Schaltmittel (35), die elektrische Steuerung (11) den Elektromotor (18a) abschaltet und je nach gewählter Voreinstellung der elektrischen Steuerung (11), anschließend, automatisch oder manuell ausgelöst, den Elektromotor (18a) so ansteuert, dass eine Wegstrecke in Gegenrichtung zur Zustellrichtung (14a) zurückgelegt wird, die eine Aufhebung der Kollisionssituation herbeiführt und damit die ausgelösten detektierenden Schaltmittel (35) in ihre Ausgangslage zurückstellt.
Verfahren zum Betrieb eines Mikrotoms (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Bedienbefehl über das Bedienfeld (31) die elektrische Steuerung (11) folgende Sequenz ausführt, die zu einer automatischen Annäherung zwischen Probe (9) und Schneidekante (7) führt: – Überprüfung: Trägerteil (4) befindet sich in Schneidebahnendstellung (43), wobei sich die Probe (9) der Messerträgerreferenzfläche (41) beabstandet gegenüber befindet – Aktivierung des Elektromotors (18a) in Zustellrichtung (14a) bis zur Kollision – Detektion einer Kollision zwischen Probe (9) und Messerträger (5) an der Messerträgerreferenzfläche (41) bei einsetzender Verschiebung (30) durch Auswertung des ausgelösten detektierenden Schaltmittels (35) und Abschaltung des Elektromotors (18a) – Aktivierung des Elektromotors (18a) in die Gegenrichtung zur Zustellrichtung (14a) für eine Wegstrecke, die dem Abstand in Zustellrichtung (14a) zwischen Schneidekante (7) und Messerträgerreferenzfläche (41) zuzüglich eines Sicherheitsrückzugs (42) entspricht – Überprüfung: Trägerteil (4) befindet sich in Schneidebahnanfangsstellung (44) – Aktivierung des Elektromotors (18a) in Zustellrichtung (14a) um eine Wegstrecke, die dem Betrag des Sicherheitsrückzugs (42) entspricht.