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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 federgelagerte Kugeln in dazu am Umfang des Revolvers vorhandene V-Nuten gedrückt und verhindern so ein Weiterdrehen.
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Eine weitere Lösung zu einem motorbetriebenen Farbrad und farbsequentiellen Anzeigegerät wird in der
US 2002/0003704 A1 beschrieben. Bei dieser Lösung soll die Position des Farbrades auch bei hohen Drehzahlen genau erfasst werden. Die dazu verwendeten Hall-Sensoren liefern Impulssignale über magnetoelektrische Umwandlungseinrichtungen an die Steuereinheit. Die Hauptaufgabe ist bei derartigen Lösungen ist darin zu sehen, die Drehzahl des Motors in sehr kleinen Schritten variieren bzw. konstant halten zu können.
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Eine Lösung bei der die Aufgabe darin zu sehen ist, optionale Ziele sicher und schnell positionieren zu können, wird mit dem in der
JP 5 281 457 A beschrieben, motorbetriebenes Schaltgerät vorgeschlagen. Die zu positionierenden Ziele sind auf einem Revolver angeordnet, der von einem Motor angetrieben wird. Um das jeweilige Ziel an der Referenzposition zu positionieren verfügt die Lösung über entsprechende Sensoren, die entsprechende Motor-Stoppsignale ausgeben. Eine elektronische Steuerschaltung liefert die für die Bewegung bzw. das Anhalten erforderlichen Steuerimpulse für den Motor. Dabei ist der Motor in der Lage, extrem kurze Bewegungsschritte auszuführen.
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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, bürstenloser Außenläufer-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, bürstenloser Außenläufer-Motor in Flachbauform verwendet. Der sensorgeführte, bürstenlose Außenläufer-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, bürstenlose 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 Zyklus (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 kostengünstigen 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.