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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit der optische
Bauteile exakt in Strahlengänge
positioniert werden können,
wobei die Positionierung reproduzierbar ist und dadurch automatisch erfolgen
kann.
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Zum
Einschwenken oder Verstellen von Elementen in optischen Strahlengängen sind
verschiedene motorische Verfahren bekannt. Eine Möglichkeit
besteht in der Drehung eines Revolver- oder Filterrades.
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Um
die angefahrene Position im ausgeschalteten Zustand des Stellmotors
exakt zu fixieren, ist ein Rastmechanismus erforderlich. Soll jederzeit
eine exakte Positionserkennung möglich
sein, muss die momentane Position durch einen absoluten Sensor erfasst
werden.
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In
der Regel sind mechanische Übertragungselemente
vorhanden. Direktantriebe für
eine größere Anzahl
von Elementen sind nur als aufwendige Sonderlösungen bekannt, ebenso sind
absolute Positionssensorelemente aufwendig. In der Gesamtheit der
gewünschten
Funktion sind die bekannten Lösungen
aufwendig und kostenintensiv.
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Nach
dem Stand der Technik sind zahlreiche Lösungen zu motorisch bewegten
Filterrädern
oder Objektivrevolvern bekannt. Die
DE 36 30 632 A1 beschreibt beispielsweise
einen motorisch bewegten Objektivrevolver für Mikroskope. Der Objektivrevolver
besitzt dabei eine Einrichtung zur Indexierung der Revolverstellung,
die aus, einen digitalen Code bildenden Dauermagneten besteht. Zur
Erkennung des Codes sind im feststehenden Teil des Revolvers Magnetfeld-Sensoren vorgesehen.
Von einem Stellmotor wird der Objektivrevolver gedreht, bis die
gewünschte
Stellung, die durch den jeweiligen magnetischen Code lokalisiert
wird, erreicht ist. Die Schaltstellungen des Revolvers werden von
Raststellungen definiert. Beim Erreichen dieser Raststellungen werden
federgela gerte Kugeln in dazu am Umfang des Revolvers vorhandene
V-Nuten gedrückt
und verhindern so ein Weiterdrehen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lösung zur
Verfügung
zu stellen, die bei vorzugsweiser Verwendung von Standardserienprodukten
eine hohe Funktionalität
aller Baugruppen bei einer einfachen und kostengünstigen Konstruktion gewährleistet.
Die Lösung
soll dabei über
keine mechanischen Übersetzungs-
und/oder Kupplungselemente verfügen
und einfach und sicher gesteuert werden können, wobei die einzelnen Raststellungen eindeutig
sowie erkenn- und reproduzierbar sein sollen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
vorgeschlagene Vorrichtung zum exakten positionieren optischer Bauteile
in optischen Strahlengängen
besteht aus einem Stellmotor, einer berührungslosen magnetischen Rastvorrichtung,
einer Steuereinheit, Positionserkennungselementen und diversen optischen
Bauteilen, die auf einem Revolver- oder Filterrad angeordnet sind, wobei
das Revolver- oder Filterrad mit dem Motor starr verbunden ist und
sich um dessen Drehachse bewegt. Als Stellmotor wird ein sensorgeführter Außenläufer-Brushless-Motor
mit dreiphasiger Statorwicklung in Flachbauform verwendet, der drei
Positionssensoren (Hallsensoren) enthält.
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Die
vorgeschlagene Vorrichtung ist überall dort
einsetzbar, wo Bauteile, die auf einer Art Revolver- oder Filterrad
angeordnet sind, wahlweise exakt zu positionieren sind. Insbesondere
ist die Vorrichtung zum exakten Positionieren optischer Bauteile
in Strahlengängen
vorgesehen, bei denen "gedrängte" Platzverhältnisse
herrschen.
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Weiterhin
ist die vorgeschlagene technische Lösung aber auch überall dort
anwendbar, wo optische oder mechanische Elemente ohne mechanische
Abnutzung der Führung
oder des Antriebes spielfrei und genau in definierte, sich wiederholende Positionen
zu bewegen bzw. zu positionieren sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Dazu zeigen
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1:
die erfindungsgemäße Vorrichtung
in Zweifachausführung
in zwei Seitenansichten,
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2:
in den zwei Schnittdarstellungen A-A und B-B und
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3:
das Ansteuerschema für
einen Maxon-Flachmotor vom Typ EC32.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum exakten positionieren optischer Bauteile in optischen Strahlengängen besteht
aus einem Stellmotor, einer berührungslosen
magnetischen Rastvorrichtung, einer Steuereinheit, Positionserkennungselementen und
diversen optischen Bauteilen, die auf einem Revolver- oder Filterrad angeordnet
sind, wobei das Revolver- oder Filterrad mit dem Motor starr verbunden ist
und sich um dessen Drehachse bewegt. Als Stellmotor wird ein sensorgeführter Außenläufer-Brushless-Motor
in Flachbauform verwendet. Der sensorgeführte Außenläufer-Brushless-Motor in Flachbauform
ist hierbei mit seiner Lagerung zentrales Halteelement.
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Die
Raststellungen zur exakten Fixierung des Revolver- oder Filterrades
werden durch ferritische Elemente realisiert, die über den
Umfang gleichmäßig, massenausgleichend
verteilt angeordnet sind, sowie über
vier Permanentmagnete, welche in ihrer speziellen Anordnung die
ferritischen Elemente magnetisch durchfluten. Die im Stellmotor
vorhandenen Hallsensoren werden dabei als Positionserkennungselemente
verwendet. Zusätzlich
sind auf dem Umfang des Revolver- oder Filterrades zwei binär kodierte
Spuren vorhanden, die von zwei Sensoren zur Unterscheidung der Viertelkreise
detektiert werden. Als Sensoren werden hierbei optische Reflexkoppler
verwendet.
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Die
im Stellmotor ursprünglich
zu dessen Steuerung vorhandenen Hallsensoren werden in das Positionserkennungssystem
einbezogen. Dazu ist es nötig,
den normalen Ansteuermodus des Stellmotors zu verlassen. Die Steuerung
des Stellmotors erfolgt über
zusätzlich
vorhandene Zeit- und/oder Zählglieder,
in Verbindung mit den Positionserkennungselementen.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kann die vorgeschlagene
Vorrichtung zum exakten positionieren optischer Bauteile zwei- oder
mehrfach im Strahlengang angeordnet sein. Dazu zeigen die 1 und 2 die
erfindungsgemäße Vorrichtung in
Zweifachausführung
in zwei Seitenansichten und zwei Schnittdarstellungen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Zweifachausführung
ist die Antriebseinheit 1 des Stellmotors mit dem Revolver-
oder Filterrad 2, auf dem diverse, in den Strahlengang 3 einzubringende optische
Bauteile 4 angeordnet sind, fest verbunden.
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Zur
exakten Fixierung in den jeweiligen Raststellungen verfügt zum einen
das Revolver- oder Filterrad über
ferritische Elemente 5, die über den Umfang verteilt angeordnet
sind. Zum anderen sind magnetische Elemente 6 an einem
feststehenden Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhanden,
die sich beim Erreichen einer Raststellung mit ferritische Elementen 5 des
Revolver- oder Filterrades
in Kraftwirkung befinden und das Revolver- oder Filterrad 2 exakt
positionieren und halten. Als magnetische Elemente 6 werden
vorzugsweise Permanentmagnete verwendet, die so angeordnet und orientiert
sind, dass eine maximale Kraftwirkung erzielt wird. Die Steuerung
des Stellmotors zur Einbringung der auf dem Revolver- oder Filterrad 2 angeordneten
optischen Bauteile 4 in den Strahlengang 3 erfolgt
durch die Steuereinheit 7.
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Die
Anzahl der Raststellungen ist hierbei von der Polzahl und den Statorwicklungen
des Stellmotors abhängig,
wobei mit 2 Pohlpaaren und einer dreiphasigen Statorwicklung standardmäßig 6 eindeutige,
erkenn- und reproduzierbare Raststellungen erreicht werden können. Die
Anzahl der Raststellungen kann durch Änderung des Bestromungsschemas
von zwei auf drei Wicklungen und die damit bewirkte Einführung von
Zwischenschritten verdoppelt werden, so dass mit 2 Pohlpaaren und
einer dreiphasigen Statorwicklung 12 eindeutige, erkenn- und reproduzierbare
Raststellungen erreicht werden.
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Um
die im Stellmotor vorhandenen Hallsensoren zur Positionserkennung
zu nutzen, ist es erforderlich den normalen Ansteuermodus des Stellmotors
zu verlassen. Einfache sensorgeführte
Brushless-Motoren für
Blockkommutierung benutzen die Positionssensoren dazu um 6 mal pro
Zyklus (jeweils 60° elektrisch)
ihre Wicklungen umzupolen. Dabei stehen funktionsbedingt die Umschaltpunkte
der Sensoren immer genau im eingeschwungenen Zustand einer Bestromungsphase,
so dass die Nutzung als statische Positionskontrolle nicht möglich ist. Deswegen
werden die Raststellungen mittig zwischen den Umschaltpunkten der
Sensoren angeordnet und es wird ein Bestromungsschema benutzt, das
12 mal pro Zyklus (alle 30° elektrisch)
wechselt und quasi einen Zwischenschritt enthält. Dadurch sind im statischen
Betrieb exakte Positionsangaben möglich. An jedem dieser Punkte
kann nun eine Rast wirksam werden, um die eingestellte Position
zu fixieren.
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Da
die magnetische Rast reibungsfrei arbeitet ist zum Verstellen nur
ein kurzer Beschleunigungsimpuls (der natürlich auch die Rast überwindet) nötig und
bei Erreichen der Position ein entsprechender Bremsimpuls. Der Beschleunigungs- und Bremsimpuls
kann mit Zeit- oder Zählgliedern
im Zusammenwirken mit den als Positionssensoren genutzten Hallsensoren
gesteuert werden.
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Bei
richtiger Dimensionierung ist eine saubere Schrittbewegung von Raststellung
zu Raststellung ohne störendes
Einpendeln oder Nachpendeln (durch Kraftwirkung der Magnete) zu
erreichen. Auf diese Weise sind 6 Rasten je Zyk lus (alle 60° elektrisch)
mit eindeutiger Positionserkennung möglich. Bei Motoren mit höherer Polzahl
sind soviel mal mehr Rasten möglich
wie Zyklen je Umdrehung. Für
eine eindeutige Positionserkennung sind dann allerdings zusätzliche
Sensoren nötig.
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In
einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Motor mit 8 Pohlpaaren
verwendet, von dessen standardmäßig 24 Schritten
nur 12 eindeutige, erkenn- und
reproduzierbare Raststellungen verwendet werden.
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Bei
der praktischen Ausführung
mit einem EC 32 Flachmotor der Firma „Maxon" ist das in 3 gezeigte
Ansteuerschema erforderlich. Das Schema zeigt vom äußeren Kreis
nach innen gelesen:
- – den Drehwinkel,
- – die
Nummer der Rastposition,
- – den
Logikpegel der motorinternen Positionssensoren,
- – die
Ruhelagen, wenn alle 3 Wicklungen bestromt werden und Zwischenschritte
erzeugt werden,
- – die
Ruhelagen, wenn nur 2 Wicklungen bestromt werden und nur die Standardschritte
erzeugt werden und
- – die
zusätzliche
Positionserkennung zur Unterscheidung der Viertelkreise.
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Der
verwendete Motor hat folgende Belegung:
Pin 1 3.5 ... 20 VDC
Pin
2 Hall-Sensor RA
Pin 3 Hall-Sensor RB
Pin 4 Hall-Sensor
RC
Pin 5 Masse
Pin 6 Motorwicklung W3
Pin 7 Motorwicklung
W2
Pin 8 Motorwicklung W1
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Pro
Umdrehung werden hierbei vier elektrische Zyklen (jeweils innerhalb
von 90° Drehwinkel) durchlaufen.
Es wurde nur die Hälfte
der möglichen Rasten
von 24 ausgenutzt. Dementsprechend werden im Funktionsablauf die
Zwischenzustände
der Bestromung genutzt. Ein Wechsel zwischen den eindeutigen, erkenn-
und reproduzierbaren Raststellungen erfolgt durch entsprechende
Beschleunigungs- und Bremsimpulse.
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Um
beispielsweise einen Schritt von Raststellung 1 nach 2 im Uhrzeigersinn
auszuführen,
wird der Stellmotor zuerst mit einen Startimpuls beschleunigt, der
ein 15° vorauseilendes
Magnetfeld erzeugt. Dazu werden alle 3 Wicklungen gemäß der Ruhelage bei
30° bestromt.
Wenn die motorinternen Positionssensoren umschalten, d. h. der graue
Bereich der Raststellung 1 wird verlassen, wird die Bestromung abgeschaltet.
Der Stellmotor dreht sich auf Grund der Massenträgheit weiter, bis die Positionssensoren
erneut umschalten, d. h. wenn der graue Bereich der Raststellung
2 erreicht ist. Im Umschaltmoment der Sensoren werden die Wicklungen
wieder gemäß der Ruhelage
bei 30° bestromt
und der Motor wird abgebremst.
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Von
der Steuereinheit wird die Bestromungsdauer beim Start erfasst um
die Dauer der Bremsphase entsprechend festzulegen. Zusammen mit
einer genauen Justierung der Raststellung in der Mitte der Sensor-Umschaltpunkte
ergibt sich ein minimiertes Nachpendeln in der Raststellung 2. Reibungsverluste
können
durch etwas erhöhten
Startstrom ausgeglichen werden. Durch Erhöhung des Stromes bei Start-
und Bremsimpuls soweit es die Motorspezifikation erlaubt, wird das
erzeugte Drehmoment vergrößert, die
Reibungsverluste haben weniger Einfluss und die Schrittdauer wird
verkürzt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verfügt die Vorrichtung zum exakten
positionieren optischer Bauteile in optischen Strahlengängen über ortsfest
angeordnete Prüfeinheit,
die die optischen Parameter der auf dem Revolver- oder Filterrad angeordneten optischen
Bauteile überprüft.
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Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung
wird eine Lösung
zur Verfügung
gestellt, die bei Verwendung von Standardserienprodukten eine hohe
Funktionalität
aller Baugruppen sowie hohe Langzeitstabilität bei einer einfachen und kostengünstige Konstruktion
gewährleistet.
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Die
verwendeten elektronisch kommutierten EC-Flachmotoren der Firma „Maxon" zeichnen sich speziell
durch ein günstiges
Drehmomentverhalten, hohe Leistung, einen extrem großen Drehzahlbereich
und durch eine hohe Lebensdauer aus. Die kompakten und äußerst leistungsstarken
und als Außenläufer konzipierten
Motoren ermöglichen
den Einsatz bei "gedrängten" Platzverhältnissen,
decken einen Leistungsbereich bis 90 Watt ab und laufen sehr leise.