DE1478850C3 - Manipuliervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Manipuliervorrichtung zum genauen Anordnen eines Gegenstandes in bezug auf eine feste Konstruktion, mit einem ersten Stellglied, welches gegenüber der festen Konstruktion durch Betätigung einer ersten Einstelleinrichtung bewegbar ist, einem zweiten Stellglied, welches gegenüber dem ersten Stellglied durch Betätigung einer zweiten Einstelleinrichtung bewegbar ist und einem auf dem Seitenstellglied angeordneten, den Gegenstand tragenden Manipulierarm. Die Erfindung ist insbesondere bei sogenannten Mikromanipulatoren zum Manipulieren von Gegenständen in Elektronenmikroskopen oder in Elektronenbeugungskameras anwendbar.

Mikromanipulatoren der eingangs geschilderten Art sind z. B. aus der US-PS 30 51 026 und aus Seiten 53 bis 55 des Buches von Dr. Ludwig Otto »Der Mikromanipulator und seine Hilfsgeräte«, VEB Verlag Technik, Berlin 1954, bekannt. Die in Elektronenbeugungskameras oder in Elektronenmikroskopen an der Stelle der Elektronenbeugung mit hoher Auflösung vorgesehenen bekannten Vorrichtungen zum Manipulieren der Gegenstände werden mit Hilfe von Zahnrädern und Gewinden betätigt, die in der evakuierten Kammer des Gerätes angeordnet sind. Nach dem oben erwähnten Fachbuch werden z. B. Einstellmittel bestehend aus Zahnstange und Ritzel, eine Führung und einem Zapfen und einem Hebelsystem verwendet. Derartige Manipuliervorrichtungen haben einen ziemlich komplizierten Aufbau und sind mit mehreren Vakuumdichtungen versehen. Sie leiden im allgemeinen unter einer beträchtlichen mechanischen Hysterese, so daß es schwierig ist, einen Gegenstand genau anzuordnen. Auch die bekannte Vorrichtung nach US-PS 30 51 026 verlangt viele drehbare und gleitende Teile, welche eine erhebliche Reibung mit sich bringen.

Eine Anzahl von Schwierigkeiten ist auch darauf zurückzuführen, daß ein großer Teil des Mechanismus in der evakuierten Kammer angeordnet ist. Einerseits darf sich in dieser Kammer kein öl oder Fett befinden, so daß der Mechanismus nicht geschmiert werden kann. Andererseits sind aber die Reibungskräfte im Vakuum viel größer, so daß die durch Zahnräder und Gewinde usw. betätigten Manipuliervorrichtungen gewöhnlich sehr streng gehen. Wenn Gegenstände auf einem anderen Niveau in der Kammer untersucht werden sollen, muß die Manipuliervorrichtung entfernt werden, damit der in der Kammer angeordnete Mechanismus nicht das Beugungsbild stört. Die ganze Manipuliervorrichtung wird dann herausgezogen, und die in der Kammerwand vorhandene Öffnung, in der die Vorrichtung montiert war, wird abgedeckt. Durch dieses Herausnehmen wird aber das in der Kammer vorhandene Vakuum vernichtet. Das Wiederherstellen des Vakuums erfordert eine beträchtliche Zeit, beispeilsweise mehrere Stunden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine die geschilderten Nachteile vermeidende Manipuliervorrichtung zu schaffen, die also genau reproduzierbare Bewegungen .erzeugt und so angebracht.-werderTk-ann, daß sich die Verstelleinrichtung außerhalb der Kammer befindet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe derart gelöst, daß das erste Stellglied ein an der festen Konstruktion durch ein biegsames Blatt montierter und um eine in dem Blatt liegende Achse schwenkbarer Arm ist, daß das zweite Stellglied ein am Arm durch parallele elastische Blätter angehängter Hebel ist, welcher durch Biegen der Blätter zwangläufig auf einer geraden, zur Achse etwa senkrecht stehenden Bahn bewegbar ist, und daß der Manipulierarm sich in der Richtung dieser geraden Bahn vom Hebel von einer Seite der Achse bis zur anderen erstreckt, auf welcher er den Gegenstand trägt. Vorzugsweise erstreckt sich der Manipulierarm

durch eine in einer öffnung einer Vakuumkammerwand an dem Schnittpunkt der Achse und Bahn angeordnete Vakuumdichtung.

Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Manipuliervorrichtung einerseits in ihrem Aufbau viel einfaeher ist als die eingangs erwähnten bekannten Typen und andererseits den bekannten Vorrichtungen in der Funktion überlegen ist, indem sie genaue reproduzierbare Bewegungen mit sehr kleiner Hysterese erzeugen kann. Infolge der Verwendung der biegsamen Blätter ist die Manipuliervorrichtung leichter zu verstellen als vormals. Die wenigen in der Vakuumkammer der Kamera oder des Mikroskops anzuordnenden Bestandteile der erfindungsgemäßen Manipuliervorrichtung können auf Grund ihrer einfachen Form leicht hergestellt werden, während die üblichen Manipuliervorrichtungen viele, sehr genau zu bearbeitende bewegliche Teile brauchen. Ferner befindet sich mit der erfindungsgemäßen Manipuliervorrichtung in der Kammer kein volumenöser Mechanismus, der den Elektronenstrahl stören könnte. So braucht die Vorrichtung auch nicht entfernt zu werden, wenn ein Gegenstand auf einem anderen Niveau in einem Elektronenmikroskop untersucht werden soll.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsge-

f>5 mäßen Manipuliervorrichtung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Teilansicht eines mit der erfindungsgemäßen Manipuliervorric.htung ausgestatteten Elektro-

nenmikroskops,

F i g. 2 im vergrößerten Maßstab einen Querschnitt längs der Linie 2-2 der F i g. 1,

F i g. 3 einen Querschnitt nach der Linie 3-3 in F i g. 2,

F i g. 4 bis 7 Querschnitte nach den Linien 4-4 bzw. 5-5 bzw. 6-6 bzw. 7-7 in F i g. 3,

F i g. 8 einen Querschnitt nach der Linie 8-8 in F i g. 1 ■ im vergrößerten Maßstab,

F i g. 9 einen der F i g. 8 entsprechenden Querschnitt, aber mit dem Kolben einer Koibenanordnung in einer anderen Stellung und

Fig. 10 eine schaubildliche Darstellung einer Tragstange, welche einen Teil der Manipuliervorrichtung bildet und zum Tragen eines Untersuchsgegenstandes dient.

Die Zeichnungen zeigen einen Teil einer Säule 11 eines Elektronenmikroskops. Die Säule 11 hat im Innern eine Kammer 12, die im Gebrauch des Mikroskops mit Hilfe einer nicht gezeigten Vakuumpumpe evakuiert wird. Der dargestellte Teil der Säule 11 befindet sich auf dem Niveau, auf dem die Elektronenbeugung eine hohe Auflösung hat. Auf diesem Niveau ist die Wand der Kammer 12 mit einer Stirnplatte 13 und zwei Seitenplatten 14, 16 versehen. Die Seitenplatte 14 trägt eine Kolbenanordnung 18. Die Seitenplatte 16 bildet einen Teil einer erfindungsgemäßen Manipuliervorrichtung 17.

An der Außenseite der Platte 16 ist mit Schrauben 21 ein Befestigungsblock 19 angebracht, der einen sich vertikal erstreckenden Absatz besitzt. In dem Absatz ist mit Hilfe einer Klemmplatte 23 und von zwei Schrauben 24 eine vertikale Blattfeder 22 festgeklemmt. Die Blattfeder 22 ragt von der Platte 16 senkrecht nach außen vor und ist an ihrem äußeren Ende in einem sich vertikal erstreckenden Absatz festgeklemmt, der in dem vertieften inneren Ende 26 eines im Querschnitt rechteckigen Trägers 27 ausgebildet ist, der sich horizontal auswärts erstreckt. Da der horizontale Träger 27 auf der Platte 16 mit Hilfe der Blattfeder 22 montiert ist, kann er verschwenkt werden, wenn die Blattfeder 22 um eine sie durchsetzende, vertikale Achse elastich verschwenkt wird.

Eine mit einem Flansch 25 versehene Stange 28 ist mit Hilfe von Schrauben 29 so an der Platte 16 befestigt, daß sich die Stange 28 von der Platte nach außen zur einen Seite des Trägers 27 und etwas unter denselben erstreckt. Eine spangebend auf ein bestimmtes Pro-. fil abgearbeitete Platte 31 ist durch Festziehen einer Klemmschraube 32 an dem äußeren Ende der Stange 28 festgeklemmt. Wie am besten aus der F i g. 7 ersichtlich ist, hat die Platte 31 zwei aufwärtsgerichtete Teile 33, 34, zwischen denen sich das äußere Ende des Trägers 27 erstreckt. In einen Teil 33 der Platte 31 ist eine horizontale Einstellschraube 36 eingeschraubt, die an ihrem Ende mit einer Rubinkugel 37 versehen ist, die an einem Saphireinsatz 38 angreift, der im Bereich des äußeren Endes des Trägers in dessen eine Seite eingelassen ist. Eine steife Druckschraubenfeder 39 erstreckt sich in Vertiefungen des Trägers 27 und des Teils 34 der Platte 31 und erzeugt eine starke Belastungskraft, die das äußere Ende des Trägers 27 gegen die Rubinkugel 37 am Ende der Einstellschraube 36 drückt. Das Gewinde der Einstellschraube 36 hat eine sehr kleine Steigung und ermöglicht es, dem horizontalen Träger 27 kleine, ft5 aber genau reproduzierende Schwenkbewegungen zu erteilen.
Der Träger 27 trägt zwei vertikal abwärtsgerichtete Blattfedern 41, die in der Längsrichtung des Trägers 27 im Abstand voneinander angeordnet sind und sich in ihrer Breite quer zu dem Träger erstrecken, so daß sie in der Längsrichtung des Trägers biegsam sind. Die unteren Enden der Blattfedern 41 tragen einen unteren horizontalen Träger 42 von rechteckigem Querschnitt. Dieser Träger ist an seinem äußeren Ende mit einem aufwärtsgerichteten Pfosten 43 ausgebildet Die Blattfedern 41 und die Träger 27 und 42 bilden ein Parallelogramm. Durch Biegen der Federn 41 ist der Träger 42 daher längs einer im wesentlichen geradlinigen Bahn bewegbar, die senkrecht ist zu der Achse, um welche die beiden Träger durch Biegen der Blattfeder 22 verschwenkbar sind. In die Profilplatte 31 ist eine Längseinstellschraube 44 eingeschraubt, die an ihrem inneren Ende mit einer Rubinkugel 46 versehen ist, die an einem Saphiereinsatz 47 in der Außenfläche des Pfostens 43 angreift. Wie nachstehend genauer erläutert wird, übt eine Druckschraubenfeder 48 auf den Träger 42 eine auswärtsgerichtete Kraft aus, so daß der Einsatz 47 fest gegen die Rubinkugel 46 gedrückt wird.

Die obere Fläche des Trägers 42 ist mit einer Längsnut 49 versehen, die einen Manipulierarm 51 aufnimmt. Die Blattfedern 41 und der Pfosten 43 sind mit öffnungen 55 und 60 versehen, durch die sich der Arm 51 erstreckt. Durch eine öffnung 50 in derPlatte 16 tritt der Arm 51 in die evakuierte Kammer 12 ein. Er ist in der Nut 49 verschiebbar, kann aber in jeder gewünschten Stellung durch eine U-Klemme 65 festgeklemmt werden, die eine Gewindespindel 52 besitzt, welche am einen Ende in ein Innengewinde eines Knopfes 53 eingeschraubt und am andere Ende mit einer öse 54 versehen ist, durch die sich der Arm 51 erstreckt.

In der öffnung 50 der Platte 16 sitzt ein Gehäuse 56. Dieses hat einen gelochten Flansch, der mit Hilfe von Befestigungsschrauben 57 an der Platte 16 befestigt werden kann. Die öffnung 50 in der Platte 16 ist von einem Absatz umgeben, in dem ein Dichtungsring 59 sitzt, so daß die Verbindung zwischen Gehäuse und Platte dicht abgeschlossen ist. Das Gehäuse enthält eine Vakuumdichtung, die an dem Arm 51 angreift. Die Vakuumdichtung ist von der allgemein als »Wilson«- Dichtung bekannten Art Sie besitzt eine flache Ringscheibe 58 aus Gummi, die an ihrem Außenumfang zwischen einer Hohlschraube 61 und einem Klemmring 62 eingespannt ist. Der Innendurchmesser der Ringscheibe 58 ist beträchtlich kleiner als der Durchmesser des Arms 51. In der Nähe des Arms wird der Gummi daher verformt und aus der Ebene der Ringscheibe herausgebogen. Zur Hochdruckseite der Dichtung hin wird diese durch eine konische Fläche aufrechterhalten, die in das Gehäuse 56 hineingearbeitet worden ist. Die Bohrung des Gehäuses 56 ist bei 63 so verjüngt, daß der Innenumfang der Ringscheibe 58 an der konischen Fläche abgestützt ist. Die Ringscheibe 58 ist so angeordnet, daß sie den Arm 51 an dessen Schnittpunkt mit der vertikalen Achse berührt, um welche die Träger 27, 42 durch Biegen der Feder 22 verschwenkt sind. Die Dichtung gestattet eine Verschwenkung des Arms 51 in einer horizontalen Ebene um die genannte vertikale Achse und eine Längsverschiebung des Arms durch die Dichtung. Während der Bewegung des Arms 51 wird der Innenrand der Ringscheibe durch den atmosphärischen Druck und die Elastizität der Gummischeibe 58 satt gegen den Arm 51 gedruckt, so daß selbst bei einer sehr schnellen Dreh- oder hin- und hergehenden Längsbewegung des Arms 51 keine Luft an der Dichtung vorbeigelangen kann.

Das Gehäuse 56 durchsetzt die öffnung 50 und ragt in Form einer Rohrhülse 64 in die evakuierte Kammer 12 hinein. Der Manipulierarm 51 durchsetzt die Hülse 64 und ist an seinem inneren Ende mit einem kleinen Ring 66 versehen, auf dem ein zu untersuchender Gegenstand montiert werden kann. Die Druckfeder 48 greift an der Außenfläche der Hohlschraube 61 und dem inneren Ende des Trägers 42 an und erzeugt eine starke Belastungskraft, die den Träger 42 nach außen drückt und den Saphireinsatz 47 in fe.ner Anlage an der Rubinkugel 46 der Stellschraube 44 hält.

Zum Anordnen eines Gegenstandes in der Kammer 12 wird der Gegenstand auf dem Ring 66 montiert. Bei gelöster U-KIemme 65 wird der Arm 51 in der Nut 49 verschoben, bis das innere Ende des Arms durch die »Wilson«-Dichtung hindurchgetreten ist und sich annähernd an der richtigen Stelle in der Kammer befindet. Durch Festziehen der U-Klemme 65 wird dann der Arm 51 an dem Träger 42 festgeklemmt. Mit Hilfe der Einstellschraube 36 können jetzt die Träger 27, 42 um die vertikale Biegeachse der Feder 22 verschwenkt werden, wodurch der Gegenstand der sich auf dem Ring 66 an der Spitze des Arms 51 befindet, in einer Richtung sehr fein verstellt wird. Mit Hilfe der Einstellschraube 44 kann das Objekt in einer zweiten, zu der ersten senkrechten Richtung sehr fein eingestellt werden. Die Belastungsfeder 39 und 48 erzeugen starke Belastungskräfte, so daß ein Totgang vermieden wird.

Die Manipuliervorrichtung braucht nicht entfernt zu werden, wenn ein Objekt auf einem anderen Niveau in dem Elektronenmikroskop untersucht werden soll. Es ist nur notwendig, den Manipulierarm 51 in die Hülse 64 zurückzuziehen. Es genügt eine einzige Vakuumschleuse, und die Konstruktion gestattet ferner die Schaffung einer sehr einfachen Luftschleuse, so daß Objekte herausgenommen und eingeführt werden können, ohne daß das Vakuum in der Kammer 12 beträchtlich verringert wird. Eine derartige Luftschleuse hat in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Form einer Kolbenanordnung 18, die auf der Platte 14 montiert ist.

Die Kolbenanordnung 18 besitzt ein geflanschtes Gehäuse 71, das mit Hilfe von Klemmschrauben 73 in einer öffnung 72 der Platte 14 befestigt ist. Die Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Platte ist mit einem O-Ring 74 abgedichtet. Das Gehäuse 71 ragt in die Kammer 12 in Form einer Hülse 76 vor, in die sich eine Kolbenstange 77 erstreckt. Mit dem inneren Ende der Kolbenstange 77 ist ein Kolben 80 verbunden, und zwar mittels eines Anlenkbolzens 85. Dieser Bolzen 85 ist bei 87 abgefaßt und ist mit einem O-Ring 88 versehen. Das äußere Ende der Kolbenstange 77 wird von einem Manipulierknopf 86 gebildet. Eine Vakuumdichtung nach Art einer »Wilson«-Dichtung greift dichtend an der Kolbenstange 77 an. Diese Dichtung besitzt eine Ringscheibe 78 aus Gummi, die an ihrem Außenumfang zwischen einem Klemmring 79 und einer Hohlschraube 81 eingespannt ist. Von der Schraube 81 erstreckt sich ein ziemlich langer Stutzen 82, der mit einem Schlitz 83 versehen ist, in den ein Stift 84 der Kolbenstange 77 eingreift.

Die Hülse 76 fluchtet axial mit der Hülse 64. Während der Untersuchung eines Gegenstandes sind die Kolbenstange 77 und der Kolben 80 in die in F i g. 8 gezeigte Stellung zurückgezogen. Zum Herausnehmen des Objektes wird der Manipulierarm 51 so in die Hülse 64 zurückgezogen, daß die Gummischeibe 58 noch an der Hülse 64 anliegt. Ferner werden die Kolbenstange 77 und der Kolben 80 in die in F i g. 9 gezeigte Stellung geschoben, so daß das innere Ende des Kolbens 80 in die Hülse 64 eintritt und der O-Ring 88 an der Innenwandung dieser Hülse angreift. Die Fase 87 führt das -Ende des Kolbens 80 in die HülseTyf hinein. Der Kolben 80 ist um den Anlenkbolzen 85 verschwenkbar, so daß jeder Fluchtfehler zwischen dem Kolben und der Hülse 64 korrigiert wird. Der O-Ring 88 sitzt dicht an der Innenwandung der Hülse, so daß eine zweite Dichtung vorhanden ist. Dann wird der Arm 51 zurückgezogen, wodurch die von der Ringscheibe 58 gebildete Dichtung aufgehoben ist. Die Kammer 12 bleibt jedoch evakuiert, weil sie durch die Anlage des Kolbens 80 an der Hülse 64 abgedichtet ist. Der Manipulierarm 51 kann dann durch die Gummischeibe 58 hindurchgeschoben werden. Durch Zurückziehen der Kolbenstange 77 und des Kolbens 80 wird die in F i g. 8 gezeigte Stellung wiederhergestellt. Die beim Zurückziehen des Arms 51 in die Hülse 64 eingetretene Luft tritt jetzt in die evakuierte Kammer 12 ein. Diese sehr kleine Luftmenge kann durch die Vakuumpumpe des Mikroskops sehr schnell entfernt werden. Die bei den üblichen Manipuliervorrichtungen vorgesehenen Luftschleusen gestatten einen Eintritt von viel größeren Luftmengen in die Kammer.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Manipuliervorrichtung zum genauen Anordnen eines Gegenstandes in bezug auf eine feste Konstruktion, mit einem ersten Stellglied, welches gegenüber der festen Konstruktion durch Betätigung eines ersten Einstellmittels bewegbar ist, einem zweiten Stellglied, welches gegenüber dem ersten Stellglied duch Betätigung eines zweiten Einstelimittels bewegbar ist, und einem auf dem zweiten Stellglied angeordneten, den Gegenstand tragenden Manipulierarm, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Steilglied ein an der festen Konstruktion (16) durch ein biegsames Blatt (22) montierter und um eine in dem Blatt liegende Achse schwenkbarer Arm (27) ist, daß das zweite Stellglied ein am Arm (27) durch parallele elastische Blätter (41) angehängter Hebel (42) ist, welcher durch Biegen der Blätter (41) zwangläufig auf einer geraden, zur Achse etwa senkrecht stehenden Bahn bewegbar ist, und daß der Manipulierarm (51) sich in der Richtung dieser geraden Bahn vom Hebel (42) von einer Seite der Achse bis zur anderen erstreckt, auf welcher er den Gegenstand trägt.

2. Manipuliervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Manipulierarm (51) durch eine in einer öffnung (50) einer Vakuumkammerwand (16) an dem Schnittpunkt der Achse und Bahn angeordnete Vakuumdichtung (58) erstreckt.