-
Die
Erfindung betrifft einen Mikromanipulator, wie er in der Biologie,
der Medizin, der Herstellung/Untersuchung integrierter Halbleiterschaltungen und
bei anderen Mikroarbeitsgänge
benötigenden
industriellen Anwendungen verwendbar ist, spezieller einen Mikromanipulator,
mit dem Mikroarbeitsgänge genau
und einfach ausgeführt
werden können,
wie das Positionieren, Transportieren, Schneiden und Verbinden sehr
kleiner Objekte, oder der für
die Anwendung bei einem genauen Positioniermechanismus für einen
Probenmontagetisch oder dergleichen geeignet ist.
-
In
der JP 10-138177 A ist ein Beispiel eines für Mikroarbeitsgänge unter
einem Mikroskop geeigneten 3-DOF(three-degree-of-freedom = drei
Freiheitsgrade)-Mikromanipulators beschrieben.
-
Der
obige Stand der Technik betrifft einen 3-DOF-Mikromanipulator, der
dahingehend entwickelt wurde, dass Nachdruck auf die Tatsache gelegt wurde,
dass während
Mikroarbeitsgängen
unter einem Mikroskop parallele 3-DOF-Mikroarbeitsgänge in den
drei zueinander rechtwinkligen Achsenrichtungen den Hauptbetrieb
eines Mikromanipulators darstellen. Es sind drei Kopplungsmechanismen
vorhanden, um die Basis und das End-Stellorgan des Mikromanipulators zu
verbinden, um eine genaue 3-DOF-Positionierungskontrolle des End-Stellorgans zu
realisieren.
-
Die
obigen Kopplungsmechanismen verfügen über Drehgelenke
(rotierendes Paar) und Parallelogramm-Gelenke (im Folgenden auch:
Prismengelenke). Diese Gelenke sind als RRPP-Mechanismus (R und
P stehen für
Drehgelenk bzw. Prismengelenk), RPRP-Mechanismus, PRPR-Mechanismus und RPPR-
Mechanismus zu einem 4-DOF-Kopplungsmechanismus kombiniert. Drei
derartige 4-DOF-Kopplungsmechanismen
sind parallel angebracht, um es zu ermöglichen, dass das End-Stellorgan
mit drei Freiheitsgraden arbeitet. Auch sind die Biege(flexiblen)scharnierabschnitte
der Drehgelenke und die verbindenden Kopplungsabschnitte der Prismengelenke
an den beiden Enden jedes Abschnitts verschmälert ausgebildet, um dafür zu sorgen,
dass die Drehgelenke und die Prismengelenke ihren vorgesehenen Zwecken
genügen.
-
Beim
oben beschriebenen Stand der Technik bestehen die Vorteile, dass
die Biegegelenkabschnitte oder dergleichen keine Kugelgelenke oder
dergleichen benötigen
und dass eine Vereinfachung von Komponenten, und selbst der Mechanismen,
erzielt werden kann. Jedoch sind keine detaillierten Verfahren dazu
vorgeschlagen, wie die flexible Konstruktion zum Bilden der Kopplungsmechanismen
des Mikromanipulators billig und mit kleineren Abmessungen hergestellt
werden können,
welcher Typ von Material für
die Konstruktion verwendet werden sollte oder welches Layout der
Stellglieder verwendet werden sollte, um einen Antriebsmechanismus
für die
Konstruktion zu bilden. Es ist die Verwendung piezoelektrischer
Elemente in den Antriebsmechanismen für jede Kopplung vorgeschlagen.
-
Ein
weiterer Mikromanipulator herkömmlicher
Bauart wird in
EP 0
625 410 A1 beschrieben.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen 3-DOF-Mikromanipulator
zu schaffen, mit dem ein sehr kleines Objekt ergriffen werden kann
und Mikroarbeitsgänge
genau und einfach ausgeführt
werden können,
oder der bei einem genauen Tisch-Positioniermechanismus
oder dergleichen verwendet werden kann und einfache und hochgenaue
Positionierung ermöglicht.
-
Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikromanipulator zu schaffen,
mit dem eine parallele 3-DOF-Kontrolle seines End-Stellorgans unter Verwendung
von drei Kopplungsmechanismen in drei Achsenrichtungen ausgeführt werden
kann, wobei die Kopplungsmechanismen durch Schneiden und Umlegen
mittels einer Presse oder dergleichen hergestellt werden können und
der Mikromanipulator selbst mit den kleinstmöglichen Abmessungen zu den
niedrigsten Kosten auf einfache Weise hergestellt werden kann.
-
Diese
Aufgaben sind durch die Mikromanipulatoren gemäß dem beigefügten unabhängigen Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand
abhängiger
Ansprüche.
-
Durch
Verwenden einer erfindungsgemäßen Konstruktion
ist es möglich,
Kopplungsmechanismen zu realisieren, die mit einer flexiblen Metallplatte
hergestellt werden können
und jeweils mit z. B. drei flexiblen Scharnierabschnitten versehen
sein können, die
als Drehgelenke R anzusehen sind, wenn das Ausmaß der Auslenkung derselben
sehr gering ist, und mit einem Parallelogramm-Kopplungsabschnitt, der
als Prismengelenk P angesehen werden kann, wenn das Ausmaß der Auslenkung
desselben sehr klein ist.
-
Wenn
ein Satz von 4-DOF-Kopplungsmechanismen durch Kombinieren von Prismengelenken (P)
und Drehgelenken (R) aufzubauen ist, ist dies dadurch möglich, dass
entweder eine Konfigura tion unter Verwendung von drei R-Gelenken
und einem P-Gelenk oder eine Konfiguration unter Verwendung von
zwei R-Gelenken und zwei P-Gelenken verwendet wird. Gemäß der Erfindung
kann ein Satz von 4-DOF-Kopplungsmechanismen, der es ermöglicht, eine
Endplatte, sogar ein End-Stellorgan, mit drei Freiheitsgraden in
drei Achsenrichtungen zu bewegen, dadurch realisiert werden, dass
ein dünnes Blech
als Metallplatte zugeschnitten wird, das dann durch ein piezoelektrisches
Element nach oben gedrückt
wird, nachdem es in die Form einer dreistückigen Parallelanordnung umgelegt
und stereografisch aufgebaut wurde. Selbst wenn die Ausrichtung
zwischen den Scharnierabschnitten der Drehgelenke und den als Kopplungselemente
der Prismengelenke verwendeten Scharnierabschnitte zu ändern ist,
kann insbesondere die gewünschte
Orientierung leicht durch Umlegen des Plattenmaterials realisiert
werden. Der Abschnitt der Beschreibung zu den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung beschreibt unter Bezugnahme auf die 4 und 5 Einzelheiten zu diesem Realisierungsverfahren.
-
Der
oben skizzierte Satz von drei Kopplungsmechanismen kann dadurch
aufgebaut werden, dass eine Metallplatte aus Blech durch Schneiden
(Stanzen) und Umlegen (Biegen) zu einer einzelnen Einheit hergestellt
wird, oder dass eine Metallplatte auf dieselbe Art zu einer oberen
und einer unteren Platte, die voneinander unabhängig sind, hergestellt wird und
diese zusammengebaut werden. Die Verwendung eines Vereinigungs-Presswerkzeugs für Metallbleche
ermöglicht
es nicht nur, Mikro-Kopplungsmechanismen herzustellen, sondern unter
Verwendung der Mikroarbeitsgänge
des so realisierten Manipulators eine Mikromaschine zusammenzubauen.
Der erfindungsgemäße Mikromanipulator
kann auch durch Mikroverarbeitung auf Grundlage der aktuellen Fotoätztechnik
hergestellt werden.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren ver anschaulichten
Ausführungsformen
näher beschrieben.
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Mikromanipulators gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
-
2 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen
von Betriebsprinzipien eines für
den Mikromanipulator der ersten Ausführungsform verwendeten Kopplungsmechanismus.
-
3 ist
eine Abwicklung der drei für
den Mikromanipulator der ersten Ausführungsform verwendeten Kopplungsmechanismen.
-
4 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen
der Betriebsprinzipien der Elemente eines Drehgelenkpaars R und
eines Prismengelenkpaars P.
-
5 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen
der Betriebsprinzipien der Elemente der Drehgelenk R und der Prismengelenke
P bei der ersten Ausführungsform.
-
6 ist eine Schnittansicht, die den Mechanismus
zum Antreiben eines bei der ersten Ausführungsform verwendeten Kopplungsmechanismus und
auch eine Teildraufsicht des Schnitts A desselben zeigt.
-
7 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Kopplungsmechanismen eines
Mikromanipulators gemäß einer
zweiten, von der Erfindung nicht umfassten Ausführungsform zeigt.
-
Der
in der 1 dargestellte Mikromanipulator 1 wird
im Allgemeinen unabhängig
verwendet, oder dadurch, dass mehrere oder verschiedene Manipulatorelemente
kombiniert werden. Wenn der Mikromanipulator unter Verwendung mehrerer
oder verschiedener Manipulatorelemente (von denen jedes mit einer
Nadel versehen ist) verwendet wird, kann eine Nadel 4 mit einer
Essstäbchen-artigen
Bewegung arbeiten und durch Mikroarbeitsgänge ein sehr kleines Objekt
aufnehmen und transportieren.
-
Der
Mikromanipulator 1 verfügt über Folgendes:
eine Basis 2 aus einem zylindrischen Körper, der ein Stellglied (z.
B. das in der 6 dargestellte piezoelektrische
Element 61 enthält);
ein End-Stellorgan 3 mit der Nadel 4; und drei
Kopplungsmechanismen 6 zum Verbinden der Basis 2 und
des End-Stellorgans 3.
-
Die
zu dieser Ausführungsform
gehörenden drei
Kopplungsmechanismen 6 werden dadurch hergestellt, dass
eine flexible, dünne
Platte (wie ein Federmaterial aus Phosphorbronze) zu einer einzelnen Einheit
bearbeitet wird. Eine bewegliche Platte 6a zum Installieren
des End-Stellorgans 3 ist an der Oberseite der Kopplungsmechanismen 6 vorhanden, und
drei plattenförmige
Armabschnitte 6',
die die Haupteinheit eines Kopplungselements bilden, sind so angeordnet,
dass sie in drei Richtungen unter einem Winkelintervall von 120° um die Achse
der beweglichen Platte 6a (End-Stellorgan 3),
um mit dieser einstückig
zusammenzuarbeiten, zeigen.
-
In
der Abwicklungsansicht gemäß der 3 sind
die drei Armabschnitte 6' in
verschiedenen Richtungen ausgerichtet. Wenn sie jedoch zusammengebaut
sind, ist jeder Armabschnitt 6' an seiner mittleren Position 6d zu
V-Form umgelegt, wobei ein Ende des Armabschnitts mit dem beweglichen
Plattenabschnitt 6a verbunden ist und das andere Ende 6g in
der Nähe
der Mitte der Oberseite der Basis 2 befestigt ist. Bei
dieser Ausführungsform
sind die Enden 6g der drei Armabschnitte 6' mit einem Winkel
von 120° an der
Spitze zugeschnitten, damit sie einander ohne Toleranz gegenüberstehen
können.
-
Die
drei Armabschnitte 6' werden
in umgelegter Form in den jeweiligen Mittelpositionen an der Basis 2 installiert.
Wenn die Armabschnitte angebaut sind, sind sie daher ausgehend von
den Positionen des End-Stellorgans 3 (beweglicher Plattenabschnitt 6a)
und der Basis 2 in drei Richtungen ausgerichtet, wie es
in der 1 dargestellt ist. Auch sind die Armabschnitte 6' plattenförmig, und
sie sind um die Achse des End-Stellorgans 3 (bewegliche
Platte 6a) herum verteilt.
-
Nachfolgend
werden die Betriebsprinzipien von Drehgelenken R und Prismengelenken
P, wie sie an jedem Armabschnitt 6' ausgebildet sind, unter Verwendung
der 4 und 5 erläutert.
-
Die
Drehgelenke R können
z. B., wie es in der 4a dargestellt ist, dadurch
hergestellt werden, dass ein Paar von Gelenkelementen 19 mittels dünner Abschnitte
(Einschnürungen) 23 verbunden wird.
D. h., dass dann, wenn die Auslenkung des in der 4a dargestellten
Bogenscharniers sehr klein ist, dieser Scharnierabschnitt als Drehgelenk
(rotierendes Paar) R mit einem Freiheitsgrad angesehen werden kann.
-
Wie
es in der 4b dargestellt ist, kann die flexible
Konstruktion (Parallelogrammverbindung) zum Realisieren eines Prismengelenks
P dadurch hergestellt werden, dass ein Paar paralleler Gelenkelemente
(Ober- und Unterseite) 20 über jeweilige dünne Abschnitte
(Einschnürungen) 22 mittels
eines Paars verbindender Kopplungsabschnitte (linke und rechte Seite) 21 verbunden
werden. D. h., dass, obwohl die Form einer derartigen Konstruktion,
wie sie in der 4b dargestellt ist, wenn die
Auslenkung erheblich ist, einer Kreisbahn mit den unteren Scharnieren
(dünnen
Abschnitten) 22 als Zentrum folgt, die Konstruktion, wenn
die Auslenkung sehr klein ist, als Drehgelenk P mit einem Freiheitsgrad
angesehen werden kann.
-
Wenn
drei Kopplungsmechanismen dazu verwendet werden, einen 3-DOF-Parallelmechanismus
zu konstruieren, kann durch die Kombination dieser R- und P-Gelenke
ein paralleler 3-DOF-Betrieb realisiert werden. Wenn dieser Mechanismus hergestellt
wird, ist jedoch die Verarbeitung schwierig, da Scharniere erforderlich
sind, die in mindestens zwei Richtungen ausgerichtet sind.
-
Hierbei
ist es durch Einschneiden eines Schlitzes 25 in ein dünnes Blech
einer Metallplatte 24, wie es in der 5a dargestellt
ist, möglich,
an den beiden Enden des Schlitzes 25 ein Scharnier (schmaler
Abschnitt) 23 auszubilden und auf einfache Weise Drehgelenke
R herzustellen.
-
Auch
ist es durch Kombinieren eines Biegeprozesses mit einem Schneidprozess
für ein
dünnes Blech
einer Metallplatte 24, wie in der 5b dargestellt,
möglich,
die Richtungen der Scharniere (Einschnürungen) 22 zu ändern und
auf einfache Weise ein Prismengelenk P herzustellen, das dem in
der 4b dargestellten entspricht. Gemäß der 5a ist
es möglich,
Einschnürungen 22 dadurch
herzustellen und ihre Richtungen zu ändern, dass quadratische Löcher 30 (die
Ecken dieser Löcher
werden in der Form von Schlitzen 28 eingeschnitten) und
kleine Schlitze 29 (die in der Querrichtung der Schlitze 28 angeordnet
sind) in ein dünnes
Blech einer Metallplatte eingeschnitten werden und die seitlichen
Plattenabschnitte 27 derselben umgebogen werden. Das Paar
der seitlichen Plattenabschnitte 27 wirkt als verbindende
Kopplungsabschnitte (entsprechend den in der 4 dargestellten
verbindenden Kopplungsabschnitten 21), die ein Paar von
Gelenken 26 verbinden (entsprechend dem in der 4 dargestellten Paar von Gelenken 20).
-
Bei
dieser Ausführungsform
sind die in den 5a und 5b dargestellten
Kopplungselemente (Drehgelenke R und Prismen gelenke P) kombiniert,
um Kopplungsmechanismen 6 zu bilden. Eine Abwicklung der
Kopplungsmechanismen ist dergestalt, wie es in der 3 dargestellt
ist, und eine Zusammenbauansicht der Kopplungsmechanismen ist in
der 1 dargestellt.
-
Bei
dieser Ausführungsform,
wie sie in den 1 und 3 dargestellt
ist, sind Querschlitze 7 und 9 an den beiden Enden
in der Längsrichtung
jedes plattenförmigen
Armabschnitts 6',
die in drei Richtungen ausgerichtet sind, ausgebildet. Ein Querschlitz 8 ist
auch in der mittleren Position jedes derartigen Armabschnitts ausgebildet.
Nachdem die Schlitze 7, 8 und 9 hergestellt
wurden, wird jeder Armabschnitt an der Position der Schlitze 7 und 8 umgelegt.
Durch Herstellen dieser Schlitze auf diese Art bilden Sektionen 7', 8' und 9', die über eine
erhebliche Verringerung der Plattenweite verfügen, Scharniere 6b, 6d bzw. 6f,
um so insgesamt drei Drehgelenke R zu bilden, die denen der 5a entsprechen.
Die Schlitze können
verschiedene Formen einnehmen, und tatsächliche Formen sind nicht auf
diejenigen beschränkt,
die bei dieser Ausführungsform dargestellt
sind.
-
Zwischen
einem Längsende
des Armabschnitts 6' (bei
dieser Ausführungsform
das Ende auf der mit der beweglichen Platte 6a verbundenen
Seite) und dem mittleren Abschnitt 6d sind quadratische
Löcher 10 (mit
kerbenartigen Schlitzen 10',
die sich an den Ecken in der Querrichtung erstrecken) und Schlitze 11 ausgebildet.
Die Kerben 10' und
die Schlitze 11 entsprechen den Schlitzen, die in der 5b mit
den Zahlen 28 bzw. 29 gekennzeichnet sind, und
zwischen den Schlitzen 10' und
den Schlitzen 11 sind Scharniere 22 ausgebildet.
-
Wie
es in der 3 dargestellt ist, sind seitliche
Plattenabschnitte 12 am linken und rechten Querende jedes
Armabschnitts 6' ausgebildet.
Diese seitlichen Plattenabschnitte 12 werden an den Positionen
der gestrichelten Linien H in der 3 umgelegt,
und sie entsprechen den verbindenden Kopplungsabschnitten 27 in
der 5b. Die kerbförmigen Schlitze 10' erstrecken
sich so, dass sie die Falzlinien H schneiden. Die seitlichen Plattenabschnitte 12 können umgelegt
werden, um die Richtungen der Scharniere 22 zu ändern.
-
Die
Zahl 13 entspricht dem in der 5b dargestellten
Paar von Gelenken 26. D. h., dass ein Paar seitlicher Plattenabschnitte
(verbindender Kopplungsabschnitte) 12 und ein Paar von
Gelenken 13 eine Parallelogrammverbindung 6c bildet.
Die Parallelogrammverbindung 6c kann, wenn die Auslenkung
sehr klein ist, als Prismengelenk P angesehen werden.
-
Wenn
die Kopplungsmechanismen mittels einer flexiblen Platte (dünne Platte)
hergestellt werden, verfügt
jeder Kopplungsmechanismus 6 der oben beschriebenen Konfiguration über drei
Drehgelenke R und ein Prismengelenk P. Die 2 ist
ein schematisches Diagramm, das eine Kombination von Drehgelenken
R und Prismengelenken P gemäß dieser
Ausführungsform
zeigt, wobei die 2a den Gelenkmechanismus zeigt,
wenn die Kopplungsmechanismen der 1 von der
Seite her gesehen werden und die 2b den
Gelenkmechanismus zeigt, wenn die Kopplungsmechanismen von vorne
gesehen werden.
-
Wie
es in der 2 dargestellt ist, können bei
dieser Ausführungsform
der Endplatte 6a durch 3-DOF-Bewegungen in drei Achsen
zugewiesen werden, dass drei Kopplungsmechanismen (von denen jeder
als RPRR-Mechanismus wirkt) aufgebaut werden und auf den unteren
Teil jedes derartigen Kopplungsmechanismus mittels eines piezoelektrischen Bauteils
Druck ausgeübt
wird.
-
Als
Nächstes
wird der Antriebsmechanismus für
den Manipulator (Kopplungsmechanismen) bei dieser Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die 6 beschrieben.
-
Wie
es in der 6 dargestellt ist, wird
beispielsweise ein piezoelektrisches Bauteil als Stellglied 61 zum
Antreiben des Manipulators verwendet. Entsprechend der Anzahl von
Kopplungsmechanismen 6 sind drei piezoelektrische Bauteile 61 vorhanden.
Die piezoelektrischen Bauteile 61 sind in der Basis (zylindrischer
Körper) 2 mit
einem Intervall von 120° um
die Achse herum angeordnet.
-
D.
h., dass die piezoelektrischen Bauteile 61 an Positionen
angeordnet sind, die jeweils einem Kopplungsmechanismus (Armabschnitt 6') entsprechen.
Die Basis 2 ist mit Löchern 2b versehen,
die in der Achsenrichtung so ausgerichtet sind, dass sie an der
Rückseite
des Arms 6' positioniert
sind, und jedes piezoelektrische Bauteil 61 ist in ein
jeweiliges Loch 2b eingesetzt. Auch sind zusätzlich zu
den Löchern 2b Zuleitungs-Herausführnuten 2c,
wie es in der 6b dargestellt ist, für die piezoelektrischen
Bauteile 61 ausgebildet.
-
Jedes
piezoelektrische Bauteil 61 verfügt über ein Ende (oberes Ende),
das an der Rückseite 60 der
Unterseite 6e des Armabschnitts 6' gehalten ist. Das andere Ende
(unteres Ende) des piezoelektrischen Bauteils 61 wird durch
eine Basisplatte 2a gehalten und durch eine Schraube 31 so
vorbelastet, dass an der Kontaktfläche zwischen ihm und der Halteseite 60 keine
Toleranz auftritt.
-
Jedes
Gelenk ist so aufgebaut, dass dann, wenn die drei piezoelektrischen
Bauteile 61 expandiert/komprimiert werden oder das Ausmaß der Expansion/Kompression
für jedes
derselben entsprechend einem speziellen Steuersignal variiert wird,
die Halteseite 60 des Kopplungsmechanismus 6 Druck ausübt, um das
Gelenk anzutreiben.
-
Um
zu gewährleisten,
dass das Wärmegleichgewicht
der Basis 25 selbst im Fall einer Wärmeausdehnung aufgrund der
Wärme der
piezoelektrischen Bauteile 61 aufrechterhalten bleibt,
ist es wünschenswert,
dass die Basis 25 aus einem Material besteht, dessen linearer
Expansionskoeffizient ungefähr
derselbe wie der eines piezoelektrischen Bauteils 61 ist,
d. h. dicht bei diesem liegt.
-
Beim
Mikromanipulator 1 gemäß dieser
Ausführungsform
bildet jeder der drei Kopplungsmechanismen 6 einen RPRR-Mechanismus,
wie in der 2 dargestellt, die symmetrisch
zwischen der Basis 2 und dem End-Stellorgan 3 mit
einem Intervall von 120° um
die Mittelachse des Mikromanipulators 1 herum angeordnet
sind. Für
das piezoelektrische Bauteil 61 wird z. B. ein solches
vom Laminattyp verwendet.
-
Die
Zahlen 32 und 32' kennzeichnen
Zuleitungsdrähte,
die dem Stellglied 61 eine Spannung zuführen. Das als Stellglied 61 verwendete
piezoelektrische Bauteil reagiert sehr schnell, weist eine kleine
Auslenkung auf und sorgt für
eine hohe Ausgangskraft. Bei einer Steuerung alleine auf Grundlage
von Ansteuerspannungen ist es jedoch schwierig, das piezoelektrische
Bauteil genau zu positionieren, da es eine extrem große Hysterese
aufweist. Aus diesem Grund ist eine Regelung auf Grundlage einer Messung
der Auslenkung wünschenswert,
und in diesem Fall sind besonders kompakte Messeinrichtungen für die Auslenkung
und ein Servoantriebssystem erforderlich.
-
Als
Messeinrichtung für
die Auslenkung kann ein Dehnungsmesser (der Dehnungsmesser ist in dieser
Figur nicht dargestellt) direkt am Stellglied 61 in der
Richtung dessen Expansion/Kompression angebracht werden. Wie es
durch die Zahl 33 gekennzeichnet ist, kann als Servosystem
für die
piezoelektrischen Bauteile eine Software-Servoeinrichtung unter
Verwendung eines Computers oder eine analoge Servoeinrich tung unter
Verwendung eines Operationsverstärkers
verwendet werden.
-
Befehlssignale
von einer Servosystem-Steuerschaltung 33 werden über die
Zuleitungsdrähte 32 und 32' an die Stellglieder
(piezoelektrische Bauteile) 61 geliefert.
-
Die
drei Stellglieder 61 werden so betrieben, dass sie die
Halteseiten 60, die die Kontaktabschnitte bilden, gegen
die Kopplungsmechanismen 6 drücken und so das End-Stellorgan 3 über den
erforderlichen Weg verstellen, um Mikroarbeitsgänge zu realisieren. Diese Mikroarbeitsgänge werden
dadurch bewerkstelligt, dass, nach dem Erfassen des Ausmaßes der Auslenkung
jedes Stellglieds 61 mittels des Dehnungsmessers und einem
Berechnen der aktuellen Position der Nadel (Fingerstück) 4 aus
dem erfassten Ausmaß der
Auslenkung unter Verwendung der Servosteuerschaltung 33,
berechnete Positionsdaten zurückgeführt werden,
dann diese Daten mit den erforderlichen Positionssolldaten verglichen
werden und eine Servoansteuerung des Stellglieds 61 erfolgt,
bis keine Abweichung mehr vorliegt.
-
Obwohl
durch die Zufuhr von Spannung zu einem piezoelektrischen Bauteil 61 Wärme in diesem erzeugt
wird und es sich durch Wärme
ausdehnt, wird, da die Wärme
in die zylindrische Basis 2 fließt, die thermische Stabilisierung
beschleunigt, wodurch eine Wärmeausdehnung
unterdrückt
wird. Daher wird eine Wärmedrift
nicht notwendigerweise auf die Nadel 4 übertragen. Da die Nadel 4 nicht
anfällig
für Schwingungen
oder thermische Drift ist, ist die Technik von Mikroarbeitsgängen verbessert,
was zu Verbesserungen bei der Mikroelektronik, der Biotechnologie
und der medizinischen Versorgung beitragen kann.
-
Ein
Doppelmanipulator kann durch hergestellt werden, dass der 3-DOF-Manipulator
der 1 zu Zweifingerform konfiguriert wird. Die Verwendung einer
beliebigen Anzahl derartiger 3-DOF-Manipulatoren ermöglicht auch
die Anwendung von Mikroarbeitsgängen,
wie eines Positionierens, Handhabens, Schneidens und Verbindens,
sehr kleiner Objekte sowie die Anwendung bei einem genauen Tisch-Positioniermechanismus.
-
Außerdem ist
bei dieser Ausführungsform, da
der Manipulator durch Schneiden und Umlegen einer dünnen Platte
unter Verwendung einer einfache Presse hergestellt werden kann,
die Bearbeitung vereinfacht, und die Herstellkosten können gesenkt
werden. Ferner kann für
eine einfache, kompakte Herstellung gesorgt werden, und die Größe des Manipulators
kann verringert werden.
-
Obwohl
bei dieser Ausführungsform
als Stellglieder 61 piezoelektrische Bauteile verwendet sind,
besteht keine Beschränkung
hierauf, sondern es ist die Verwendung anderer Bauteile möglich, wie piezoelektrischer
Bauteile vom Bimorphtyp. Der Manipulator kann in ähnlicher
Weise dadurch betrieben werden, dass piezoelektrische Bauteile vom
Bimorphtyp an den Elementen 6e der Armabschnitte 6' angebracht
werden und die Verbindungen nach oben gedrückt werden.
-
Die 7 ist
eine perspektivische Ansicht, die nur die Kopplungsmechanismen 6 eines
Manipulators gemäß einer
anderen Ausführungsform
zeigt, die von der Erfindung nicht umfasst ist. Da der Aufbau anderer
Teile als der Kopplungsmechanismen derselbe wie bei der Ausführungsform
der 1 ist, müssen
diese weder beschrieben werden, noch sind sie in einer Figur dargestellt.
-
Obwohl
bei der vorigen (ersten) Ausführungsform
alle drei Kopplungsmechanismen 6 aus einer einzelnen zugeschnittenen
und umgelegten Platte bestehen, bestehen bei den drei Kopplungsmechanismen 6 dieser
(zweiten) Ausführungsform
aus Platten 40 und 41, die nach Aufteilung in
eine obere und eine untere Sektion hergestellt wurden. Die Armabschnitte 6' erstrecken
sich ausgehend von den Zentren der oberen Platte 40 und
der unteren Platte 41 in drei Richtungen, und die obere
Platte 40 und die untere Platte 41 bilden die
obere Hälfte
bzw. die untere Hälfte
der drei Kopplungsmechanismen 6. Die obere Platte 40 und
die untere Platte 41 verfügen an der Mittelposition des
gesamten Armabschnitts 6' (der
gesamte Armabschnitt der oberen und der unteren Platte) über ein
Schraubenloch (Verbindungsloch) 48, und sie sind unter
Verwendung von Schrauben (in der Figur nicht dargestellt) verbunden.
-
Bei
dieser Ausführungsform
sind die Kopplungsmechanismen 6 unter Verwendung von Schrauben 49 an
der Basis 2 (in der Figur nicht dargestellt) befestigt.
-
Nachfolgend
wird der Armabschnitt 6' jedes der
Kopplungsmechanismen beschrieben, wie er vorhanden ist, wenn die
obere Platte 40 und die untere Platte 41 verbunden
sind. Für
jeden Armabschnitt 6' dieser
Ausführungsform
sind, wie bei der Ausführungsform
der 1, die Scharnierabschnitte 6b, 6d und 6f,
die als Drehgelenke R betrachtet werden können, in der Längsrichtung
an den beiden Enden jedes Armabschnitts 6' (durch die Zahlen 43 und 45 gekennzeichnete
Positionen, anders gesagt, ein Ende, das der beweglichen Platte 6a zugewandt
ist und ein Ende, das der Anbringungsseite der Basis 2 zugewandt
ist) und an der mittleren Position (durch die Zahl 44 gekennzeichnete
Position) des Armabschnitts 6' ausgebildet. Eine Parallelogrammverbindung 6c,
die als Prismengelenk P betrachtet werden kann, ist auch zwischen
dem Längsende 43 und
dem mittleren Abschnitt 44 ausgebildet.
-
Bei
dieser Ausführungsform
bestehen die Scharnierabschnitte 6b, 6d und 6f,
die die Drehgelenke R bilden, aus dünnen Ab schnitten (z. B. im Querschnitt
V-förmigen
Gräben),
die sich in der Querrichtung des Armabschnitts 6' erstrecken,
anstatt aus den in der 1 dargestellten Schlitzen.
-
Auch
sind bei der als Prismengelenk P wirkenden Parallelogrammverbindung 6c die
Gelenke 13 eines einzelnen Paars über Scharnierabschnitte (Einschnürungen) 46 und 47 mittels
eines verbindenden Kopplungsabschnitts 12 verbunden.
-
Die
obige Konstruktion sorgt für ähnliche Konstruktionen
wie beim in der 1 dargestellten Mikromanipulator,
und sie ermöglicht
es, ein eine genaue Positionskontrolle ausführendes 3-DOF-End-Stellorgan
mit drei Kopplungsmechanismen zu realisieren.
-
Bei
den oben beschriebenen Ausführungsformen
können
die Kopplungsmechanismen 6 dadurch hergestellt werden,
dass die Ätztechnologie zur
Mikroverarbeitung von Halbleitern (z. B. Fotoätzen) verwendet wird, anstatt
dass ein Schneid- und Umlegeverfahren unter Verwendung einer Presse verwendet
wird. Wenn das erstere Verfahren verwendet wird, werden die Kopplungsmechanismen
aus einem Material wie Silicium hergestellt.
-
Wie
oben dargelegt, ermöglicht
es die Verwendung eines 3-DOF-Mikromanipulators gemäß der Erfindung,
eine genaue Positionierungssteuerung eines 3-DOF-End-Stellorgans
mittels dreier Kopplungsmechanismen dadurch zu realisieren, dass
die Eigenschaft genutzt wird, dass paralleler 3-DOF-Betrieb der
Hauptbetriebsvorgang bei Mikroarbeitsgängen ist.
-
Hierdurch
kann ein einfach betreibbarer Mikromanipulator billig erhalten werden,
mit dem eine genaue Positionierung ausgeführt werden kann.
-
Gemäß der Erfindung
können
auch Mikro-Kopplungsmechanismen hergestellt werden, wenn als Herstellverfahren
ein integrales Herstellverfahren für Metallblech verwendet wird,
das einfache Bearbeitung und billige Herstellung ermöglicht.
Außerdem
kann eine Mikromaschine zusammengebaut werden. Ferner ist eine Anwendung
als Mikroauslenkungsmechanismus für Drehgelenke und direkt wirkende
Gelenke möglich.