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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Positioniereinrichtung für ein Testelement
und ein Verfahren zur Positionierung eines Testelementes in einem Analysegerät.
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Zur
Analyse von Proben, beispielsweise Körperflüssigkeiten wie Blut oder Urin,
werden häufig Testelement-Analysesysteme
verwendet, bei denen sich die zu analysierenden Proben auf einem
Testelement befinden und gegebenenfalls mit einer oder mehreren
Reagenzien auf dem Testelement reagieren, bevor sie analysiert werden.
Die optische, insbesondere photometrische Auswertung von Testelementen
stellt eines der gebräuchlichsten
Verfahren zur schnellen Bestimmung der Konzentration von Analyten
in Proben dar. Photometrische Auswertungen werden allgemein im Bereich
der Analytik, der Umweltanalytik und vor allem im Bereich der medizinischen
Diagnostik eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Blutglukosediagnostik
aus Kapillarblut besitzen Testelemente, die photometrisch ausgewertet werden,
einen großen
Stellenwert.
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Es
gibt verschiedene Formen von Testelementen. Bekannt sind zum Beispiel
im Wesentlichen quadratische Blättchen,
die auch als Slides bezeichnet werden, in deren Mitte sich ein mehrschichtiges Testfeld
befindet. Diagnostische Testelemente, die streifenförmig ausgebildet
sind, werden als Teststreifen bezeichnet. Im Stand der Technik sind
Testelemente umfassend beschrieben, beispielsweise in den Dokumenten
DE-A 197 53 847, EP-A 0 821 233, EP-A 0 821 234 oder WO 97/02487.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Testelemente beliebiger Form.
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Die
Positionierung der Testelemente in dem Testelement-Analysesystem
ist sowohl für
die Genauigkeit der Analyse als auch für die Einfachheit der Handhabung
von großer
Bedeutung. Ein Ziel bei der Durchführung analytischer Tests ist
es, die eingesetzten Probenmengen zu reduzieren, beziehungsweise
eine zuverlässige
Analyse durchzuführen, auch
wenn nur geringe Probenmengen vorhanden sind. Im Bereich der Blutzuckeranalyse
muss dem Menschen ein Blutstropfen aus einem Körperteil entnommen werden,
wobei es für
ihn angenehmer ist, wenn die für
den Test notwendige Blutmenge möglichst
gering ist. Mit der Reduktion der Probenmengen ist eine Verkleinerung
der Testelemente und insbesondere der auf den Testelementen befindlichen Nachweiszonen
verbunden. Um eine exakte Analyse der Probe zu gewährleisten,
ist eine präzise
Positionierung der Nachweiszone in dem Testelement-Analysegerät notwendig.
Eine falsche räumliche
Ausrichtung des Testelementes führt
unmittelbar zu einer Verkleinerung der effektiven Messfläche und
kann dadurch zu einem Messfehler führen.
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Im
Stand der Technik ist eine Vielzahl von Positioniereinrichtungen
für Testelemente
bekannt. Aus der EP-B 0 618 443 ist ein Teststreifen-Analysesystem
bekannt, bei dem eine Positionierung der Nachweiszonen des Testelementes
sowohl lateral als auch vertikal zur Messoptik erfolgt, indem eine quer
zu seiner Längsachse
und parallel zu seiner Oberfläche
orientierte Biegeachse für
die Positionierung genutzt wird. Weitere Positioniereinrichtungen für Testelemente
sind zum Beispiel den Dokumenten DE-A 38 44 103 oder EP-A 0 319
922 zu entnehmen.
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Diese
beispielhaft genannten Positioniereinrichtungen aus dem Stand der
Technik sind ohne weiteres geeignet zur Positionierung und anschließenden zuverlässigen Analyse
von Testelementen mit Nachweiszonen, die eine Größe von 5mm × 5mm übersteigen. Wird die Nachweiszone
in ihrer lateralen Ausdehnung demgegenüber aber verkleinert, ist die
Positionierung der Testelemente mit Hilfe dieser Positioniereinrichtungen
aus dem Stand der Technik nicht ausreichend präzise.
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Eine
Positioniereinrichtung für
Testelemente aus dem Stand der Technik, die eine verlässliche Auswertung
von Testelementen mit kleineren Nachweiszonen erlaubt, ist aus dem
Dokument WO 00/19185 bekannt. Zur Halterung des Testelementes in
der Auswerteposition besitzt diese Positioniereinrichtung einen
verschiebbar gelagerten Zapfen mit einem nach unten konisch zulaufenden
Ende. Bei geeigneter Positionierung befindet sich die Spitze des Zapfens
in einer Ausnehmung des Testelementes, so dass das Testelement in
Richtung seiner Längsachse fixiert
und positioniert wird. Der Zapfen kann auch dazu dienen, die Anwesenheit
eines Testelementes beziehungsweise dessen Positionierung elektrisch zu
signalisieren. Hierzu wird der Zapfen elektrisch leitfähig ausgeführt und
auf der ihm gegenüberliegenden
Seite der Vorrichtung ein Kontakt vorgesehen. Ohne ein Testelement
wird der Zapfen mittels einer Feder gegen den Kontakt gedrückt und
ein elektrischer Kontakt zwischen diesen beiden Elementen hergestellt.
Wird nun ein Testelement einge schoben, so schiebt es sich zunächst zwischen
Zapfen und Kontakt, so dass der elektrische Kontakt aufgehoben wird.
Beim Weiterschieben greift jedoch der Zapfen durch die Nut des Testelementes
hindurch und der elektrische Kontakt schließt sich erneut. Nachteilig
ist bei dieser Positioniereinrichtung, dass sie aufwendig in der
Herstellung ist, da viele elektrische Kontaktstellen benötigt werden,
die durch komplexe Oberflächenbeschichtung
hergestellt werden. Ferner übernehmen
mehrere Bestandteile der Positioniereinrichtung (zum Beispiel der
Zapfen) sowohl elektrische als auch mechanische Funktionen, so dass
an ihr Material sehr unterschiedliche Anforderungen gestellt werden.
Beispielsweise müssen
aus Metall und Kunststoff kombinierte Teile verwendet werden. Ein weiterer
großer
Nachteil dieser aus WO 00/19185 bekannten Positioniereinrichtung
ist, dass der Kontakt, gegen den der Zapfen gedrückt wird, schnell durch die
Probe verschmutzt werden kann. Die Probe, die sich auf dem Testelement
befindet, kann zum Beispiel durch die Ausnehmung des Testelementes
auf den Kontakt gelangen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, die genannten Nachteile
des Standes der Technik zu vermeiden und eine Positioniereinrichtung
für Testelemente,
ein Testelement-Analysesystem
und ein Verfahren zur Positionierung von Testelementen bereitzustellen,
die eine verlässliche
Auswertung von Testelementen mit kleinen Nachweiszonen erlauben.
Ferner soll eine funktionale Trennung zwischen Mechanik und Elektrik
in der Positioniereinrichtung ermöglicht werden. Dabei soll zum
elektrischen Signalisieren der Positionierung des Testelementes
eine toleranzarme Übertragung
der Schaltfunktion auf eine entfernt liegende Platine erfolgen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Positioniereinrichtung für
ein Testelement, umfassend
- – eine Auflagefläche für das Testelement,
- – eine
auf der Auflagefläche
oder auf einer Referenzoberfläche
des auf der Auflagefläche
liegenden Testelementes aufsitzende, als Referenz dienende erste
Schalterkomponente und
- – eine
parallel zu der ersten Schalterkomponente angeordnete, auf dem eine
positionsspezifische Oberflächengestaltung
aufweisenden Testelement aufsitzende zweite Schalterkomponente,
die je nach Oberflächengestaltung
des Testelementes senkrecht zur Auflagefläche auslenkbar ist,
wobei
die Schaltposition eines Schalters von der Auslenkung der zweiten
Schalterkomponente relativ zu der ersten Schalterkomponente abhängt.
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Der
Schalter dient dazu, die Positionierung des Testelementes elektrisch
zu signalisieren. Dabei hängt
die Schaltposition von der Auslenkung der zweiten Schalterkomponente
relativ zu der ersten Schalterkomponente ab. Die erste Schalterkomponente
dient als Referenz. Sie sitzt während
des Positioniervorganges entweder auf der Auflagefläche für das Testelement
neben dem Testelement auf, oder auf einer Referenzoberfläche des
auf der Auflagefläche
liegenden Testelementes. Die Ebene, auf der die erste Schalterkomponente
aufsitzt (Auflagefläche oder
Referenzoberfläche)
dient als Referenzebene, zu der geschaltet wird.
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Die
zweite Schalterkomponente ist parallel zu der ersten Schalterkomponente
angeordnet. Sie sitzt auf der Oberfläche des Testelementes auf und wird
durch die Oberflächengestaltung
des Testelementes relativ zu der ersten Schalterkomponente ausgelenkt.
Die beiden Schalterkomponenten sind präzise gefertigt und aufeinander
abgestimmt.
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Die
Oberflächengestaltung
des Testelementes ist positionsspezifisch, d.h. an einer bestimmten Position
erfährt
die zweite Schalterkomponente eine definierte Auslenkung. Somit
können
die Oberflächengestaltung
des Testelementes und die Anordnung der Schalterkomponenten beispielsweise
derart gewählt
sein, dass bei mindestens einer Position des Testelementes (zum
Beispiel der Analyseposition) der Schalter durch die Auslenkung
der zweiten relativ zu der ersten Schalterkomponente geschlossen
ist und dadurch das präzise
Erreichen der gewünschten
Testelementposition elektrisch signalisiert wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das Testelement eine positionsspezifische
Oberflächengestaltung
auf, die eine Probenaufnahmeposition und eine Probenanalyseposition
kennzeichnet. Die Probenaufnahmeposition ist diejenige Position
des Testelementes, in der die Probe, beispielsweise ein Blutstropfen,
aus der Fingerbeere eines Diabetikers auf das Testelement aufgebracht
wird. Bei einer manuellen Übertragung der
Probe auf das Testelement kann die Probenaufnahmeposition zum Beispiel
so gewählt
sein, dass das Testelement aus einem Testelement-Analysesystem ausreichend
weit hinausragt, damit die Probe problemlos übertragen werden kann, um in
die Nachweiszone zu gelangen. Bei einem integrierten Testelement-Analysesystem,
das neben einem Analysegerät
auch ein System zur automatischen Entnahme der Probe umfasst, wird
die Probenaufnahmeposition so gewählt, dass die Probe präzise in
die Nachweiszone des Testelementes transportiert wird.
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Damit
die Probe in die Nachweiszone gelangt, muss sie sowohl bei der manuellen
als auch bei der automatischen Entnahme entweder direkt auf die
Nachweiszone aufgegeben wer den oder in die Nachweiszone hineintransportiert
werden. Letzteres ist insbesondere bei Kapillarspalt-Testelementen
der Fall, bei denen die Probe (zum Beispiel Blut aus der Fingerbeere)
an den Kapillarspalt herangeführt
wird und durch diesen der Nachweiszone zugeführt wird. Es sind auch Ausführungsformen
denkbar, bei denen eine feste Probe, beispielsweise durch Reiben
eines Flieses an einem Gegenstand, auf das Flies aufgebracht wird,
und die Probe darauf folgend mittels eines Hilfsfluides aus dem
Flies zur Nachweiszone transportiert wird, wie dies beispielsweise
bei einigen Drogenschnelltests der Fall ist. Weiterhin gibt es Chromatographie-Teststreifen,
bei denen die Probe über
saugfähige
Materialien in die Nachweiszone hineingebracht wird.
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Die
Probenanalyseposition ist diejenige Position des Testelementes,
in der die Analyse der in der Nachweiszone vorhandenen Probe stattfindet. Bei
einigen Testelement-Analysesystemen
können die
Probenaufnahmeposition und die Probenanalyseposition übereinstimmen.
Dies hat den Vorteil, dass die Position des Testelementes nach der
Probenaufnahme nicht mehr verändert
werden muss. Meist ist es jedoch vorteilhaft, wenn es sich um zwei verschiedene
Positionen des Testelementes handelt. So kann beispielsweise ein
Kapillarspalt-Testelement eine kürzere
Kapillare enthalten, wenn die Nachweiszone nach der Probenaufnahme
noch in eine Messposition in dem Analysegerät bewegt wird, und die Probe
daher einen kürzeren
Weg in der Kapillare bis zur Nachweiszone zurücklegen muss.
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Die
Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Positionierung
eines Testelementes in einem Analysesystem mit folgenden Verfahrensschritten:
- – Veränderung
der Position eines Testelementes in dem Analysesystem auf einer
Auflagefläche
unter einer federnd gelagerten zweiten Schalterkomponente hindurch,
bis die zweite Schalterkomponente in einer definierten Testelementposition
aufgrund der Oberflächengestaltung
des Testelementes eine definierte Auslenkung relativ zu einer auf
der Auflagefläche
oder einer Referenzoberfläche
auf dem Testelement aufsitzenden ersten Schalterkomponente erfährt und
- – Schließen eines
elektrischen Schalters aufgrund der definierten Auslenkung der zweiten
relativ zu der ersten Schalterkomponente.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
liegt das Testelement auf einer Auflagefläche. Die Veränderung
der Position des Testelementes erfolgt entweder manuell durch einen
Menschen, der das Analysegerät
bedient, oder automatisch, beispielsweise durch ein mittels einer
Antriebseinheit bewegtes Stößel. Das
Testelement gleitet dabei unter einer federnd gelagerten zweiten
Schalterkomponente hindurch. Hierbei wird die zweite Schalterkomponente durch
die Oberflächengestaltung
des Testelementes relativ zu der ersten Schalterkomponente ausgelenkt,
die auf der Auflagefläche
des Testelementes oder auf einer Referenzoberfläche auf dem Testelement aufsitzt.
Die Oberflächengestaltung
(zum Beispiel Erhebungen oder Vertiefungen) ist wiederum positionsspezifisch,
so dass das Erreichen mindestens einer bestimmten Position anhand
der aufgrund dieser Oberflächengestaltung
erfolgten Auslenkung der zweiten Schalterkomponente relativ zu der
ersten Schalterkomponente erkannt und bei geschlossenem Schalter
per elektrischem Signal an das Testelement-Analysesystem rückgemeldet
wird.
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Die
Veränderung
der Position des Testelements kann in dem Analysesystem beispielsweise mit
Hilfe eines automatischen Vorschubs erfolgen und der Vorschub bei
einer bestimmten Position des elektrischen Schalters oder nach einer
bestimmten Abfolge von Positionen des elektrischen Schalters abgeschaltet
werden. Eine Abfolge von Positionen des elektrischen Schalters kann
dabei ein geöffneter Schalter
vor dem Einschieben eines Testelements sein, ein geschlossener Schalter
beim Einschieben und ein erneut geöffneter Schalter beim Erreichen der
Messposition. Der automatische Vorschub wird nach dieser Abfolge
von Positionen, also bei Erreichen der Messposition, abgeschaltet,
sodass das Testelement in dieser Messposition verbleibt. Die Veränderung
der Position des Testelements kann in dem Analysesystem aber auch
manuell erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung fixiert die zweite Schalterkomponente
das Testelement in einer Position, in der der elektrische Schalter
geschlossen ist. Durch dieses Fixieren wird sichergestellt, dass
das Testelement seine Position während
der Probenaufnahme oder der Probenanalyse nicht verändert, selbst
bei Erschütterungen
des Analysesystems. Dabei bedeutet Fixieren ein Anpressen des Testelementes
an seine Auflagefläche
mit einer definierten Kraft und/oder ein gegebenenfalls formschlüssiges Eingreifen
der zweiten Schalterkomponente in eine Vertiefung oder Öffnung in
dem Testelement, wodurch eine genaue Ausrichtung und ein Festhalten
des Testelementes erreicht werden.
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Mit
Hilfe des Schalters wird das Testelement mindestens in einer Position
in dem Analysesystem positioniert. In einer bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird das Testelement in dem Analysesystem
aus einem Vorratsbehältnis
hinausgeschoben, in einer Probenaufnahmeposition positioniert, in
einer Analyseposition positioniert und gegebenenfalls in ein Aufbewahrungsbehältnis bewegt. Testelemente
werden üblicherweise
in einem Vorratsbehältnis
verpackt, um sie vor schädlichen
Umwelteinflüssen
wie Licht, Feuchtigkeit oder mechanischer Einwirkung zu schützen oder
unter sterilen Bedingungen aufzubewahren. Die Testelemente können manuell
oder vorzugsweise durch eine mechanische Vorrichtung aus dem Vorratsbehältnis entnommen
werden, wobei die in dem Vorratsbehältnis in ungeöffneten
Kammern verbleibenden Testelemente durch eine Einzelversiegelung
mittels einer Folie weiterhin geschützt sind. Die Entnahme der
Testelemente erfolgt zum Beispiel durch Hinausschieben aus der Kammer
mit Hilfe eines Stößels. Vorratsbehältnisse für analytische
Verbrauchsmittel und die entsprechenden Vorrichtungen zum Entnehmen
der Verbrauchsmittel sind im Stand der Technik umfangreich beschrieben
und dem Fachmann in einer Vielzahl von Ausführungsformen geläufig. In
diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf folgende Dokumente verwiesen:
EP-A 0 622 119, EP-A 0 732 590, EP-A 0 738 666,
US 5,489,414 ,
US 5,510,266 ,
US 5,720,924 ,
US 5,632,410 sowie DE-A 19854316 und EP-A
1 022 565.
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Die
Vorratsbehältnisse,
die auch als Magazine bezeichnet werden, sind zumeist für den Einsatz in
Messgeräten,
insbesondere in kompakten Messgeräten konzipiert.
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Die
Entnahme eines Testelementes ist in vielen Ausführungsformen automatisiert,
beispielsweise um Fehlbedienungen auszuschließen oder um die Bedienungsfreundlichkeit
zu erhöhen.
In diesen Fällen
wird der die Entnahme eines Testelementes bewirkende Stößel mittels
einer Antriebseinheit, die einen elektrischen Antriebsmotor und
eventuell ein Getriebe umfasst, bewegt. Beispiele konventioneller manueller,
motorischer und automatisierter Vorrichtungen zum Entnehmen von
Testelementen aus Vorratsbehältnissen
sind in den oben genannten Dokumenten beschrieben.
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Nach
der Entnahme des Testelementes aus dem Vorratsbehältnis wird
es vorzugsweise mittels einer erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung
beziehungsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren in der Probenaufnahmeposition
positioniert. Nach erfolgter Probenaufnahme wird das Testelement
erfindungsgemäß in der
Analyseposition positioniert, falls die Probenaufnahmeposition und
die Analyseposition voneinander abweichen. Im Anschluss an die Analyse
der Probe wird das Testelement entweder aus dem Testelement-Analysesystem ausgestoßen und
muss dann einzeln aufbewahrt oder entsorgt werden, oder es wird
in ein Aufbewahrungsbehältnis
in dem Testelement-Analysesystem bewegt. Eine weitere mögliche Position,
in der das Testelement gemäß der vorliegenden
Erfindung positioniert werden kann, ist eine Position, in der ein
als optische Referenz ausgeprägter
Teil des Testelements über
der Optik positioniert wird, der dazu dient, die Qualifizierung
der Nachweiszone bezüglich
Alterung zu ermöglichen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Testelement-Analysesystem
umfassend Testelemente und ein Analysegerät, wobei die Testelemente eine
definierte positionsspezifische Oberflächengestaltung aufweisen und
das Analysegerät
eine erfindungsgemäße Positioniereinrichtung enthält, um ein
Testelement in mindestens einer bestimmten Position zu positionieren.
Das Analysegerät
ist dabei zum Beispiel ein Gerät
zur photometrischen Auswertung von Testelementen. Vorzugsweise weist
das erfindungsgemäße Testelement-Analysegerät mindestens
eine erfindungsgemäße Positioniereinrichtung
auf, um ein Testelement in einer Probenaufnahmeposition und in einer
Analyseposition zu positionieren. In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Testelement-Analysesystem
ein System zur Entnahme von Körperflüssigkeit
aus einem Körperteil.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Körperflüssigkeits-Entnahmesystemen bekannt, beispielsweise aus
WO 01/89383. Sie dienen zum Beispiel dazu, Kapillarblut aus der
Fingerbeere oder Blut oder interstitielle Flüssigkeit aus anderen Körperteilen
zu gewinnen. Die so gewonnene Körperflüssigkeit
wird auf das Testelement aufgebracht, um in einem Analysegerät analysiert
zu werden, zum Beispiel auf ihren Glukosegehalt.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Testelement-Analysesystem ein
Vorratsbehältnis
für Testelemente
und eine Entnahmevorrichtung zur automatischen Entnahme mindestens
eines Testelementes aus dem Vorratsbehältnis. Vorzugsweise ist das
erfindungsgemäße Testelement-Analysesystem
ein integriertes System, mit dem eine Probenentnahme (zum Beispiel
Perforation der Haut und Aufnahme von Blut auf ein Testelement, das
aus einem Vorratsbehältnis
entnommen und zur Probenaufnahmeposition transportiert und dort
positioniert wird) und eine Probenanalyse (zum Beispiel Transport
und Positionierung des Testelementes mit Probe in der Analyseposition,
Messung und Auswertung der relevanten Größen, Anzeigen des Analyseergebnisses)
voll automatisch erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das erfindungsgemäße Testelement-Analysesystem
zur Analyse von Glukose im Blut verwendet.
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung
für ein Testelement,
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2 eine perspektivische Darstellung
eines Details aus 1,
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3 einen Ausschnitt aus einer
weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung
für ein
Testelement,
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4 eine schematische Darstellung
einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung
für ein
Testelement und
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5 eine schematische Darstellung
einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung
für ein
Testelement.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung
für Testelemente.
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In
dieser bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die erste Schalterkomponente ein
auf der Auflagefläche
aufsitzender Stift und die zweite Schalterkomponente ein verschiebbar
gelagerter Zapfen mit einem dem Testelement zugewandten konisch
zulaufenden Ende, und das Testelement weist als positionsspezifische
Oberflächengestaltung
mindestens eine das konisch zulaufende Ende des Zapfens aufnehmende
Ausnehmung auf.
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Das
Testelement 1, beispielsweise ein Teststreifen, befindet
sich auf einer Auflagefläche 2.
Der als erste Schalterkomponente 3 dienende Stift sitzt mit
seinem einen Ende auf der Auflagefläche 2 auf. Die Funktion
der zweiten Schalterkomponente 4 übernimmt ein verschiebbar gelagerter
Zapfen mit einem dem Testelement 1 zugewandten, konisch
zulaufenden Ende 5. Die erste Schalterkomponente 3 und
die zweite Schalterkomponente 4 sind parallel zueinander
angeordnet (in 1 hintereinander). Die
zweite Schalterkomponente 4 ist senkrecht zur Auflagefläche 2 auslenkbar.
Das Testelement 1 weist mindestens eine Ausnehmung 6 auf,
die das konisch zulaufende Ende 5 der zweiten Schalterkomponente 4 aufnehmen
kann. Diese Ausnehmung 6 ist eine positionsspezifische
Oberflächengestaltung
des Testelementes 1, d.h. die Ausnehmung 6 ist
an einer bestimmten Position des Testelementes 1 angeordnet, so
dass sich das Testelement 1 in einer gewünschten Position,
zum Beispiel in einem Testelement-Analysesystem befindet, sobald
die Ausnehmung 6 das konisch zulaufende Ende 5 der
zweiten Schalterkomponente 4 aufnimmt. Zur Positionierung
des Testelementes 1 in dieser gewünschten Position wird die Position
des Testelementes 1 manuell oder automatisch verändert und
dabei unter der federnd gelagerten zweiten Schal terkomponente 4 hindurchgeschoben, bis
sich die zweite Schalterkomponente 4 über der Ausnehmung 6 befindet
und in sie hinein ausgelenkt wird.
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Durch
diese Auslenkung der zweiten Schalterkomponente 4 relativ
zu der als Referenz dienenden und auf der Auflagefläche 2 aufsitzenden
ersten Schalterkomponente 3 wird ein Schalter geschlossen,
wodurch die gewünschte
Positionierung des Testelementes 1 signalisiert wird.
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Bei
der in 1 dargestellten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung bestimmt die erste Schalterkomponente 3 die
Auslenkung einer Federplatte, die ihrerseits eine Kontaktfeder anhebt,
und die zweite Schalterkomponente 3 überträgt ihre Auslenkung auf diese
Kontaktfeder, wobei ein elektrischer Schalter geschlossen ist, wenn
sich die Kontaktfeder 8 und die Federplatte 7 berühren. Eine
maximale Genauigkeit der Positionierung ist gegeben, wenn die Berührungspunkte
der ersten und der zweiten Schalterkomponenten 3, 4 auf
den Schaltelementen Kontaktfeder 8 und Federplatte 7 sehr
klein sind und sich auf einer Linie befinden, die parallel zu den Federdrehachsen
angeordnet ist.
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Die
Federplatte 7 und die Kontaktfeder 8 sind im Wesentlichen
parallel zu der Auflagefläche 2 des Testelementes 1 angeordnet.
Die erste Schalterkomponente 3 überträgt mechanisch die Referenzebene, zu
der geschaltet werden soll (in der vorliegenden Ausführungsform
die Ebene der Auflagefläche 2)
auf die Federplatte 7. Die zweite Schalterkomponente 4 wirkt
mit ihrem dem Testelement 1 abgewandten Ende auf die Kontaktfeder 8.
Dazu greift die zweite Schalterkomponente 4 durch eine Öffnung 9 in
der Federplatte 7 hindurch. Wenn das konisch zulaufende
Ende 5 der zweiten Schalterkomponente 4 auf die Position
der Ausnehmung 6 im Testelement 1 trifft, wird
die zweite Schalterkomponente 4 durch die Feder 10 und
auch durch die Federplatte 7 zum Testelement 1 hin
ausgelenkt, wobei sie durch die Führungshülse 11 geführt wird.
Dadurch nähert
sich eine auf dem durch die Öffnung 9 in
der Federplatte 7 hindurchgreifenden Ende der zweiten Schalterkomponente 4 aufsitzende
Kontaktschneide 12 der Kontaktfeder 8 der Oberfläche 13 in
der Federplatte 7. Sobald die Kontaktschneide 12 der
Kontaktfeder 8 die Oberfläche 13 der Federplatte 7 berührt, wird
ein elektrischer Stromkreis geschlossen und das Erreichen einer
bestimmten Testelementposition detektiert. Der elektrische Schalter
wird folglich erfindungsgemäß geschlossen,
indem ein elektrischer Kontakt zwischen einer durch die erste Schalterkomponente ausgelenkten
Federplatte und einer durch die zweite Schalterkomponente ausgelenkten
Kontaktfeder hergestellt wird.
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Die
zweite Schalterkomponente 4 fixiert das Testelement 1,
wenn sie in die Ausnehmung im Testelement 1 eingreift,
so dass das Testelement 1 mit einer definierten Kraft in
dieser Position gehalten wird. Ferner wird das Testelement 1 durch
das exakte Ineinandergreifen von konischem Ende 5 und z.B.
runder Ausnehmung 6 sehr genau ausgerichtet, da das konische
Ende 5 die Ausnehmung 6 um die Symmetrieachse
der zweiten Schalterkomponente 4 zentriert, wenn es in
die Ausnehmung 6 hineingedrückt wird.
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Die
Längen
der ersten Schalterkomponente 3 und der zweiten Schalterkomponente 4 sind
bei der vorliegenden Erfindung präzise gefertigt. Dadurch wird
die Toleranzkette zwischen dem mechanischen Bewegungsvorgang und
der elektrischen Schaltfunktion so klein wie möglich gehalten und eine minimale Hysterese
ermöglicht.
Wenn die zum Beispiel als Stift ausgeführte erste Schalterkomponente 3 auf
einer Auflagefläche 2 eines
Spritzgussteiles aufliegt, kann selbst mit preiswerter Spritzgusstechnik
ein Hochpräzisionsschalter
für die
Serienproduktion realisiert werden. Der Aufsatzpunkt der ersten
Schalterkomponente 3 kann zusätzlich zur Trimmung des Schaltpunktes
verwendet werden, um Teile aus mehreren Nestern zu homogenisieren.
Die erste Schalterkomponente 3 bewirkt eine Vorspannung
der Federplatte 7, wodurch der Abstand zu der darüberliegenden Kontaktfeder 8 beeinflusst
wird.
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2 zeigt eine perspektivische
Darstellung eines Ausschnitts aus 1.
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In
dem Ausschnitt ist das Zusammenwirken der beiden Schalterkomponenten 3, 4 mit
der Federplatte 7 und der Kontaktfeder 8 dargestellt.
Das Niveau der Federplatte 7 wird durch die erste Schalterkomponente 3 bestimmt,
auf deren Ende sie aufliegt. Dabei kann das Ende der ersten Schalterkomponente 3 beispielsweise
als ringförmiges
Ende 14 mit zwei Erhebungen ausgebildet sein, das die Öffnung 9 umgibt
(siehe 1), so dass die
Federplatte 7 auf den Erhebungen, die sich auf einer Linie
mit Schalterkomponente 4 und parallel zu den Federdrehachsen
befindet, aufliegt.
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Die
zweite Schalterkomponente 4 greift durch die Öffnung 9 in
der Federplatte 7 hindurch und hebt je nach Auslenkung
der zweiten Schalterkomponente 4 die Kontaktfeder 8 an
beziehungsweise senkt sie ab. Wenn die Kontaktschneide 12 der
Kontaktfeder 8 von der Oberfläche der Federplatte 7 abgehoben
ist und diese folglich nicht berührt,
befindet sich der durch die Federplatte 7 und die Kontaktfeder 8 gebildete
Schalter in einer geöffneten
Schalterposition. Wenn die Kontaktschneide 12 auf der Oberfläche der
Federplatte 7 aufliegt, ist der Schalter geschlossen.
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3 zeigt einen Ausschnitt
aus einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung
für Testelemente.
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Bei
dieser bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die erste Schalterkomponente 3 ein
auf einer Referenzoberfläche
des Testelementes 1 aufsitzender hohler Zapfen mit einem
konisch zulaufenden, dem Testelement 1 zugewandten und
eine Öffnung
aufweisenden Ende und die zweite Schalterkomponente 4 ein
Stift mit einer kugelförmigen
Spitze, wobei der Stift in dem Zapfen federnd gelagert ist und die
kugelförmige
Spitze im ausgefederten Zustand teilweise durch die Öffnung über das
konisch zulaufende Ende des Zapfens hinausragt und im eingefederten
Zustand vollständig
in den Zapfen eingedrückt
ist.
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Die
erste Schalterkomponente 3 ist dabei als hohler Zapfen 22 ausgebildet,
der ein konisch zulaufendes Ende 15 mit einer Öffnung 16 aufweist.
Im Inneren der ersten Schalterkomponente 3 befindet sich eine
Längsbohrung 17,
die in einen in dem konisch zulaufenden Ende 15 enthaltenen
Hohlraum 18 mündet,
an den sich wiederum die Öffnung 16 anschließt. Die
Längsbohrung 17 und
der Hohlraum 18 nehmen die zweite Schalterkomponente 4 auf.
Die zweite Schalterkomponente 4 ist dabei ein Stift 19 mit
einer kugelförmigen
Spitze 20, der in der Längsbohrung 17 über die
Feder 21 federnd gelagert und entlang der Symmetrieachse
der Längsbohrung 17 auslenkbar ist.
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Im
ausgefederten Zustand, wie in 3 dargestellt,
ragt ein Teil der kugelförmigen
Spitze 20 der zweiten Schalterkomponente 4 durch
die Öffnung 16 über das
konisch zulaufende Ende 15 der ersten Schalterkomponente 3 hinaus.
Dies ist der Fall, wenn die Oberflächengestaltung des Testelementes 1 ein Ausfedern
erlaubt, beispielsweise aufgrund einer Vertiefung 23, in
die die zweite Schalterkomponente 4 ausgelenkt wird, während die
erste Schalterkomponente 3 auf einer höher gelegenen Grundfläche des Testelementes 1 aufsitzt.
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Im
eingefederten Zustand ist die kugelförmige Spitze 20 vollständig in
das konisch zulaufende Ende 15 der ersten Schalterkomponente 3 eingedrückt. Dies
ist beispielsweise der Fall, wenn sowohl das konisch zulaufende
Ende 15 als auch die kugelförmige Spitze auf einer ebenen
Grundfläche
des Testelementes 1 aufsitzen.
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Durch
die nichtlineare Beziehung zwischen einer horizontalen Bewegung
der Vertiefung während des
Positioniervorgangs und der senkrechten Auslenkung der zweiten Schalterkomponente 4 ergibt sich
eine hohe Schaltempfindlichkeit.
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Ein
Eintauchen des konisch zulaufenden Endes 15 in eine entsprechende
Vertiefung in dem Testelement 1 bewirkt bei dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Zentrieren des Testelements, wohingegen
ein Eintauchen der kugelförmigen
Spitze 20 zur Positionierung dient. Wesentlich für diese
Funktionen ist, dass die Kraft, mit der die kugelförmige Spitze 20 nach
unten gedrückt
wird, wesentlich geringer als die Kraft ist, mit der die erste Schalterkomponente 3 nach
unten gedrückt
wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Oberflächengestaltung des Testelementes 1 eine
je nach Position des Testelementes 1 die Auslenkung des
Stiftes beeinflussende Kontur. Vorzugsweise ist die Kontur als eine
auf der Oberfläche
des Testelementes 1 in Breite und Tiefe variierende Rinne
ausgebildet. Ein breiter, tiefer Abschnitt der Rinne bewirkt dabei
ein weites Ausfedern der zweiten Schalterkomponente 4,
während
ein schmaler, flacher Abschnitt der Rinne nur ein geringes Ausfedern
erlaubt. Aufgrund der Ausfederweite (in Abhängigkeit von der Auslenkung
der zweiten Schalterkomponente 4 relativ zu der ersten
Schalterkomponente 3) kann eine bestimmte Position des Testelementes 1 detektiert
werden.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung
für Testelemente.
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Diese
Positioniereinrichtung umfasst die beiden in 3 dargestellten Schalterkomponenten 3, 4,
die als hohler Zapfen 22 mit konisch zulaufendem Ende 15 und
als Stift 19 mit kugelförmiger
Spitze 20 ausgeführt
sind. Weiterhin umfasst die in 4 dargestellte
Positioniereinrichtung eine Federplatte 7 und eine Kontaktfeder 8,
die wie bereits bezüglich 1 und 2 erläutert,
zusammenwirken. Dabei liegen die Federplatte 7 auf dem
dem Testelement 1 abgewandten Ende des Zapfens 22 und
die Kontaktschneide 12 der Kontaktfeder auf dem durch die Öffnung 9 in
der Federplatte 7 hindurchgreifenden Ende des Stiftes 19 auf.
Dadurch ergibt sich ein Differenzhalter, dessen Schaltposition sich
aus der Differenz der Auslenkungen der beiden auf der Oberfläche des Testelementes 1 gleitenden
Schalterkomponenten 3, 4 ergibt.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Positioniereinrichtung
für Testelemente.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist die erste Schalterkomponente 3 ein neben der Auflagefläche 2 für das Testelement 1 angeordneter
Absatz 24 und die zweite Schalterkomponente 4 ein
verschiebbar gelagerter Zapfen mit einem dem Testelement 1 zugewandten
konisch zulaufenden Ende 5 Das Testelement 1 weist
als positionsspezifische Oberflächengestaltung
mindestens eine das konisch zulaufende Ende 5 des Zapfens
aufnehmende Ausnehmung 6 auf. Der Absatz 24 ist
dabei quaderförmig
ausgebildet. Denkbar wäre
z.B. auch eine Der Absatz 24 ist dabei quaderförmig ausgebildet.
Denkbar wäre
z.B. auch eine stufenförmige
Ausbildung des Absatzes 24. In dieser Ausführungsform
sind der Absatz 24 und die Auflagefläche 2 für das Testelement 1 einstückig gefertigt.
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Die
zweite Schalterkomponente 4 ist in Richtung der eingezeichneten
Pfeile 26 verschiebbar gelagert und sie wird durch die
Feder 10 zum Testelement 1 hin ausgelenkt. Der
elektrische Schalter ist geöffnet,
sobald die Kontaktfeder 8 durch den seitlichen Vorsprung 25 der
zweiten Schalterkomponente von der Federplatte 7 in Richtung
der Auflagefläche 2 des
Testelements abgehoben wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn
das konisch zulaufende Ende 5 des Zapfens in eine Ausnehmung 6 des
Testelements eingreift, wie in 5 dargestellt,
oder wenn sich kein Testelement 1 auf der Auflagefläche 2 befindet.
Die Federplatte 7 und die Kontaktfeder 8 bilden
Kontakte, die beispielsweise als Blechbiegeteile ausgeführt sind,
und die elektrisch an einen (nicht dargestellten) Microcontroller
zur Signalauswertung angeschlossen sind.
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- 1
- Testelement
- 2
- Auflagefläche
- 3
- erste
Schalterkomponente
- 4
- zweite
Schalterkomponente
- 5
- konisch
zulaufendes Ende der zweiten Schalterkomponente
- 6
- Ausnehmung
im Testelement
- 7
- Federplatte
- 8
- Kontaktfeder
- 9
- Öffnung in
der Federplatte
- 10
- Feder
- 11
- Führungshülse
- 12
- Kontaktschneide
der Kontaktfeder
- 13
- Oberfläche der
Federplatte
- 14
- ringförmiges Ende
der ersten Schalterkomponente
- 15
- konisch
zulaufendes Ende der ersten Schalterkomponente
- 16
- Öffnung im
konisch zulaufenden Ende des Zapfens
- 17
- Längsbohrung
- 18
- Hohlraum
- 19
- Stift
- 20
- kugelförmige Spitze
- 21
- Feder
- 22
- Zapfen
- 23
- Vertiefung
- 24
- Absatz
- 25
- Vorsprung
- 26
- Pfeile