DE10107402A1

DE10107402A1 - Piezoelektrischer paralleler Mikrogreifer

Info

Publication number: DE10107402A1
Application number: DE2001107402
Authority: DE
Inventors: Ruben Keoschkerjan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-08-29

Abstract

Die Vielfalt der Montageaufgaben in der Mikrosystemtechnik fördert die Entwicklung neuer Systeme des Mikrohandlings. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Präzision der Montagetechniken ist die Erhöhung der Funktionalität solcher Mikrosysteme von Bedeutung. DOLLAR A Der Einsatz von Mikrogreifern mit paralleler Greifbackenbewegung ermöglicht einen sicheren Greifprozess und ein zusätzliches Positionieren des gegriffenen Objektes. DOLLAR A Der Mikrogreifer besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten Parallelführungen (1, 2) mit den Festkörpergelenken (3, 4, 5, 6 und 7, 8, 9, 10). Die Übertragung der Bewegung vom Piezoaktuator (11) wird über zwei Hebelgetriebe (13, 14) realisiert. Der Piezoaktuator (11) ist dabei mit einem freien Ende an der Basis (12) fest fixiert und mit dem anderen an die Übersetzungsgetriebe (13, 14) angekoppelt. Das Übersetzungsgetriebe ermöglicht eine Vergrößerung des Stellweges vom Piezoaktuator (11) sowie eine Änderung der Bewegungsrichtung. DOLLAR A Diese transformierte Bewegung wird von den Hebelgetrieben (13, 14) an die Parallelführungen (1, 2) weitergeleitet, die eine parallele Bewegung der Greiferbacken (25, 26) gewährleisten.

Description

Die Vielfalt der Montageaufgaben in der Mikrosystemtechnik, Mikrooptik und Mikroelektronik fördert die Entwicklung neuer Systeme des Mikrohandlings wie Mikropositioniersysteme und Mikrogreifer. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Präzision der Montagetechniken ist die Erhöhung der Funktionalität solcher Mikrosysteme von Bedeutung.

Die Erfindung gehört zu Systemen des Mikrohandling und zwar zu piezoelektrisch angetriebenen Mikrogreifern und kann insbesondere für das Bewegen oder Positionieren von Bauteilen der Mikrooptik, Mikroelektronik und Mikromechanik verwendet werden. Es sind verschiedene piezoelektrische Mikrogreifer bekannt. Einige davon sind in den Patentschriften DE 195 23 229 A1 und DE 196 48 165 A1 beschrieben worden. Diese Mikrogreifer sind mittels Technologien der Mikrosystemtechnik aus einkristallinem Silizium und fotosensitivem Glas hergestellt worden. Die beiden Mikrogreifer bestehen aus den kinematischen Strukturen mit integrierten Festkörpergelenken. Das Antreiben der Mikrogreifer wird durch einen monomorphen rechteckigen Piezoelement realisiert. Bei elektrischer Ansteuerung findet die Ausdehnung oder Stauchung des Piezoelementes statt. Diese Längenänderung des Piezoelementes wird durch die Verformung der Festkörpergelenke weiter an die Greifbacken weitergeleitet. Die Kinematik der obengenannten Mikrogreifstrukturen definiert die rotatorische Bewegung der Greifbacken, die zum Greifen von Mikrobauteilen eingesetzt wird.

Während des Greifens herrschen in der Kontaktstelle die Reaktionskräfte zwischen den Greifbacken (25, 26) und der gegriffenen Oberfläche (28). Beim Greifen der kurvenförmigen bzw. runden Mikrobauteile wie z. B. Mikrolinsen kommen im Kontakt Reaktionskräfte zustande, welche senkrecht zu der Kontaktfläche gerichtet sind (Fig. 3). Die X-Komponente der Reaktionskraft ermöglicht das Halten des gegriffenen Objektes (28) zwischen den Greifbacken (25, 26). Die Y-Komponente, die parallel zu der Längsachse des Mikrogreifers gerichtet ist, führt dazu, daß das gegriffene Objekt (28) aus den Greifbacken (25, 26) heraus gedrängt wird. Um diesen negativen Effekt zu vermeiden und ein sicheres Greifen zu gewährleisten, muß der Greifprozess ohne Y-Komponente der Reaktionskraft durchgeführt werden. Dies zu erreichen erfordert der Greifermechanismus die parallele Bewegung der beiden Greifbacken (25, 26) (Fig. 4).

Der Erfindung liegt eine Aufgabe zugrunde, einen Mikrogreifer für das Handhaben von Mikrobauteilen insbesondere runder Form zu entwickeln, der eine parallele Bewegung der Greifbacken realisiert und gleichzeitig ein zusätzliches Positionieren ermöglicht. Außerdem ist das Gleichgewicht des gegriffenen Objektes gesichert. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die kinematische Struktur des Mikgrogreifers jeweils aus einer Parellelführung mit Festkörpergelenken besteht. Die Übertragung der Bewegung vom Piezoaktuator wird über zwei Übersetzungsgetriebe realisiert. Der Piezoaktuator ist dabei mit einem freien Ende an der Basis fest fixiert und mit dem anderen an das Übersetzungsgetriebe gekoppelt. Das Übersetzungsgetriebe ermöglicht eine Vergrößerung des Stellweges vom Piezoaktuator sowie eine Änderung der Bewegungsrichtung.

Die Einzelelemente des vorgeschlagenen Mikrogreifers sind bekannt, aber ihre Anordnung zeigt neue Eigenschaften, die sich von den Charakteristiken der bekannten technischen Lösungen wesentlich unterscheiden und das Erreichen der Erfindungsziele gewährleisten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert.

In den zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Mikrogreifers, der paralles Greifen und Positionieren in einer Richtung ermöglicht. Der Mikrogreifer weist zwei identische Parallelführungen 1 und 2 mit Festkörpergelenken 3, 4, 5, 6 und 7, 8, 9, 10 auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Die beiden Parallelführungen werden von einem Piezoelement 2 in Bewegung gesetzt. Die Hebel jeder Parallelführung besitzen eine im Vergleich zu den Festkörpergelenken hohe Biegesteifigkeit, so daß die Hebel bei der Kraftübertragung keine Deformation erfahren. Das Piezoelement 2 ist mit einem Ende an einer Basis 12 fixiert und mit dem anderen Ende an den zwei Hebelgetrieben 13 und 14 angekoppelt. Jedes Hebelgetriebe besteht aus einem waagerechten 17 (18) und einem senkrechten 19 (20) Teil, die zueinander rechtwinklig angeordnet sind. Die Hebelgetriebe 13 und 14 sind über zwei Festkörpergelenke 15 und 16 an der Basis 12 beweglich befestigt, so daß die rotatorische Bewegung der Hebelgetriebe möglich ist. Die Kraft- und Bewegungsübertragung vom Piezoelement 2 zu den Hebelgetrieben 13 und 14 ist durch die Kontaktierungen K₁ und K₂ mit Kraftschluß mit den waagerechten Teilen 17 und 18 realisiert worden. Die Hebelgetriebe 13 und 14 sind mit den Parallelführungen 1 und 2 über Festkörpergelenke 21 und 22 gekoppelt. Die speziell geformten Ausgangshebel 23 und 24 jeder Parallelführung 1 und 2 bilden die Greifbacken 25 und 26 des Mikrogreifers.

Im folgendem wird die Funktionsweise des Mikrogreifers erläutert.

Bei elektrischer Ansteuerung erfährt das Piezoelement 1 eine Längenänderung. Im betrachteten Fall ist dabei eine Ausdehnung des Piezoelementes 1 erforderlich. Die relativ geringe Ausdehnung des Piezoelementes 1 (ca 2. . .5 µm) wird über die Kraftschlußkontakte K₁ und K₂ an die Hebelgetriebe 13 und 14 übertragen, in denen eine Wegübersetzung stattfindet. Die Hebelgetriebe 13 und 14 rotieren um die Festkörpergelenke 15 und 16 und leiten die Ausdehnung vom Piezoelement 1 über die Festkörpergelenke 21 und 22 an die Parallelführungen 1 und 2 weiter. Die einzelnen Schenkel der beiden Parallelführungen 1 und 2 werden dabei um die Festkörpergelenke 5, 6 und 9, 10 gedreht. Infolge dessen bewegen sich beide Greifbacken 25 und 26 parallel zueinander und ein Objekt wird an den diametral gegenüberliegenden Stellen (Fig. 4) gegriffen. Die Hebelgetriebe 13 und 14 und die Parallelführungen 1 und 2 können so konstruiert werden, daß eine ca. 100-fache Vergrößerung der Ausdehnung des Piezoelementes 1 an den Greifbacken 25 und 26 möglich ist.

Für das weitere Loslassen des gegriffenen Objektes wird dadurch erreicht, daß die Ansteuerspannung am Piezoelement 1 auf Null gesetzt wird und das Auseinandergehen der Greifbacken 25 und 26 durch die elastische Eigenschaften der Festkörpergelenke gewährleistet wird.

Fig. 2 zeigt eine weitere Konstruktion des Mikrogreifers, wobei hier zwei monomorphe Piezoelemente als Aktoren eingesetzt sind. Diese Konstruktion besitzt gegenüber eines Greifers die erweiterte Eigenschaft des Positionierens. Für das Greifen wird das notwendige zueinander Bewegen der Greiferbacken 25 und 26 dadurch erreicht, daß die Piezoelemente 11 und 27 mit gleicher Spannung angesteuert werden. Für das weitere Positionieren des gegriffenen Objektes muß z. B. das Piezoelement 11 mit einer zusätzlichen positiven Spannung angesteuert und das Piezoelement 27 mit der gleichen negativen Spannung versorgt werden.

Der Mikrogreifer wird mittels Technologien der Mikrosystemtechnik aus fotosensitivem Glas hergestellt. Dadurch ist es möglich den Mikrogreifer zu miniaturisieren und beliebig geometrisch gestalten.

Die vorgeschlagene kinematische Anordnung des Mikrogreifers ermöglicht den Einsatz anderer Piezoaktuatoren z. B. Piezostapel statt der minomorphen Piezoelemente mit dem Ziel, größere Greifwege und Kräfte erreichen zu können. Die nutzbare Deformation läßt sich durch Stapeln und elektrische Parallelschaltung von einzelnen kleinen Piezoplatten vergrößern, wobei die Gesamtdeformation eine einfache Summation der Deformationen der Enzelelemente ist. Wegen ihrer hohen Steifigkeit können die Piezostapel dabei relativ große Kräfte erzeugen.

Claims

1. Mikrogreifer für das Mikrohandling bestehend aus einer mittels Technologien der Mikrotechnik aus fotosensitivem Glas hergestellten kinematischen Struktur, die innerseits aus Festkörpergelenken und zwei Abtriebselementen, die die Greifbacken bilden, besteht und piezoelektrisch angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrogreiferstruktur zwei identische Parallelführungen (1, 2) mit den Festkörpergelenken (3, 4, 5, 6 und 7, 8, 9, 10) aufweist, welche parallel zueinander angeordnet sind, und zwei Hebelgetriebe (13, 14), die an einer Basis (12) über die Festkörpergelenke (15, 16) fixiert und über die Festkörpergelenke (21, 22) an die Parallelführungen (1, 2) angekoppelt sind, so daß eine Längenänderung des Piezoelementes (11), hervorgerufen beim Anlegen einer elektrischen Spannung, über die Kraftschlußkontakte (K₁, K₂) an die Hebelgetriebe (13, 14) übertragen, die diese Längenänderung an die Parallelführungen (1, 2) derart weiterleiten, daß sich die Greifbacken (25, 26) parallel zueinander bewegen.

2. Mikrogreifer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Parallelführungen (1, 2) derart angeordnet sind, daß Greifen mit paralleler Backenbewegung gewährleistet ist.

3. Mikrogreifer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Piezoelemente (1, 2) als Aktuatoren für das Positionieren in die kinematische Struktur integriert sind, so daß Positionieren des gegriffenen Objektes möglich ist.

4. Mikrogreifer nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezostapel als Aktuatoren in die kinematische Struktur integriert sind, so daß größere Greifwege und Kräfte gewährleistet werden.