DE1925152A1

DE1925152A1 - Mikromanipulator

Info

Publication number: DE1925152A1
Application number: DE19691925152
Authority: DE
Inventors: Jira Thomas J
Original assignee: JIRA THOMAS J
Current assignee: JIRA THOMAS J
Priority date: 1969-05-16
Filing date: 1969-05-16
Publication date: 1970-11-19

Description

MikromaniPulator Die Erfindung betrifft einen Mikromanipulator, durch den die Handsteuerbewegungen eines Bedieners in-kleinerem Maßstab dupliziert werden, um gewünschte Bewegungen eines Werkzeugs zu bewirken, Es sind bereits Mikromanipulatoren bekannt, die die Handsteuerbewegungen mechanisch untersetzen, nämlich entweder durch ein Gestänge mit Schrauben und Gleitstücken oder durch eine Hydraulikeinheit mit Schußkolbentrieben.
Das Untersetzungsverhältnis der Werkzeugbewegungen derartiger Manipulatoren ist relativ klein, so daß die Werkzeug bewegungen bestenfalls im Bereich von 50 - 100 /u liegen.
Außer Schwierigkeiten bei der Bearbeitung der Einzeltoilo mit en erforderlichen engen Toleranzen tritt bei den Gostängemanipulatoren der schwerwiegende Nachteil auf, daß infolge eines reibungsbedingten Losrutschens die Anfangsbewegungen des Werkzeugs groß und ruckartig sind0 Ferner werden Schwingungen von der Bedienerhand zum Werkzeug übertragen. Die Schubkolbentriebmanipulatoren arbeiten zwar ruckfrei, aber die unterschiedliche Wärmeausdehnung bei sich ändernden Druckverhältnissen ebenso wie eine Kolbenreibung und mögliche Leckverluste beeinträchtigen ihre Genauigkeit, da unter anderem ein schwankendes Untersetzungsverhältnis auftritt.
Für die genaue Bewegung von Werkzeugen in der Größenordnung von 1 /u (Mikron) sind bereits Manipulatoren entwickelt worden, die die Wärmeausdehnung von erwärmten Drähten ausnutzen. Bei derartigen Manipulatoren treten Jedoch Querkopplungen und Axisprechverzögerungen auf.
Es sind ferner sehr empfindliche Nanipulatoren mit großen Untersetzungsverhältnis entwickelt worden, die piezo-elektrische Kristalle verwenden. Diese Manipulatoren haben zwar eine hohe Empfindlichkeit, jedoch auch gegen Störschwingungen, was zu Filterschwierigkeiten führt.
Außerdem ist eine ruckfreie Positionierung schwierig, Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Mikromanipulator anzugeben, durch den ein Bediener eine gut ansprechbare, ruckfreie, lineare, genaue, stabile und schwingungsfreie Positionierung eines Werkzeugs im Submikronbereich vornehmen kann. Der Manipulator soll insbesondere zur Positionierung eines Werkzeugs wie einer feinen Glasnadel zur Bearbeitung von ObJekten unter mikroskopischer Beobachtung geeignet sein. Die mit dem Manipulator erreichbare Ansprechbarkeit soll insbesondere ein schnelles Zerschneiden von' Objekten ermöglichen.
Der Manipulator gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Werkzeugpositionierkopf mit einem Gehäuse, das drei starr untereinander verbundene Ärine entlang den Koordinatenachsen eines dreidimensionalen orthogonalen Koordinatensystems umgibt, die eine in den Gehäuse bewegliche orthogonale Armeinheit bilden, und mit einem jedem Arm zugeordneten Solenoidpaar, um die Armeinheit als Ganzes gegen die Kraft elastischer Membranen bei selektiver Erregung der Solenoide zu bewegen0 Das Werkzeug ist an einem der Arme als dessen Verlängerung befestigt.
Zur Einspeisung selektiver Signale in die Solenoide sid vorzugsweise vorhanden: 1. ein Handsteuerhebel, der dreikomponentige Eingangsspannungen proportional zu seiner Verschiebung erzeugt, und 2. eine Steuerschaltung, um geeignete Eingangssignale fiir die Solenoide zu erzeugen, um die Bewegungen des Werkzeugs im Submikronbereich vorzunehmen.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine vergrößerte, vereinfachte isometrische Ansicht eines Ausftlhrungsbeispiels des Werkzeugpositionierkopfs gemäß der Erfindung, wobei das Gehäuse der Übersichtlichkeit wegen vollständig weggelassen ist; i. 2 einen vergrößerten Grundriß des Ausführungsbei spiels von Fig. 1; Fig. 3 ein Schaltbild der Steuerschaltung zur Erregung des Werkzeugpositionierkopfes; Fig. 4 a - d Schaltbilder von Ausführungsbeispielen von Rückkopplungsschaltungen für den Werkzeugpositionierkopf; Fig. 5 und 6 einen vergrößerten Grund- und Aufriß eines anderen Ausführungsbeispiels des Werkzeugpositionierkopfes; Fig. 7 eine isometrische Ansicht eines bevorzugten Handsteuerhebels zur Einspeisung geeigneter Eingangs signale in die Steuerschaltung von Fig a - d; und 8 eine schematische Ansicht des Manipulators gemäß der Erfindung als auf dem Objektträger eines Mikroskope montiert.
Aufbau des bevorzugten Ausführungsbeispiele des Werkzeugspositionierkopfes In Fig. 1 und 2 ist ein Werkzeugspositionierkopf H geder Erfindung mit einem massiven Gehäuse oder Block 1 (nicht abgebildet in Fig. 1) zurn Beispiel aus Aluminium oder einem anderen unmagnetischen Werkstoff gezeigt. Auf den drei Hauptachsen X, Y und Z eines orthogonalen dreidimensionalen Koordinatensystems hat das Gehäuse 1 drei zueinander senkrecht gebohrte Löcher die in sechs nach außen mündenden Senkungen enden.
In jedem Bohrloch an jeder Seite der Mitte des Gehäu ses 1 sind Paare gegenüberliegenden, axialer Hohlkerne 5 b (-auf der X-Achse) 6 a, b (auf der Y-Achse) und 7 a, l (auf der Z-Achse) eingeschraubt. Ein gröberer Abschnitt jedes Kerns ist jeweils von einem Solenoid 8 a, 8 b (auf der X-Achse) 9 a, 9 b (auf der Y-Achse) und 10 a, 10 b (auf der Z-Achse) umgeben, das jeweils in eine der sechs Senkungen eingesetzt ist0 Auf der X-, Y und Z-Achse- verlaufen unmagnetische Arme 11, 12 bzw. 13, die als -starre einheit durch einen magnetisierbaren Anker 14 zusainmenge halten werden, der sich in der Mitte des Gehäuses 1 an der Schnittstelle der drei Bohrlöcher befindet. Die Senkungen sind durch elastische Membranen 15 a, 19 b (senkrecht zui Arm 11 verlaufend und an diesem angreifend), 16 a, 16 b (senkrecht zum Arm 12 verlaufen und an diesem angreifend) und 17 a, 17 b (senkrecht zum Arm 13 verlaufend und an diesem angreifend) verschlossen0 Die Enden der Arme 11, 12 und 13 verlaufen durch die entsprechenden Membranen, an denen der betreffende Arm angreift, und sind an ihnen befestigt0 So wird der Arm 11 an beiden Enden durch die Membranen 15 a und 15 b, der Arm 12 durch die Membranen 16 a und 16 b und der Arm 13 durch die Membranen 17 a und 17 b gehalten. Diese Membranen dienen als Aufhängung und elastische Rückstelleinrichtung für den Anker 14, was noch erläutert werden wird. Jede Membran wirkt elastisch Kräften entgegen, die nicht nur senkrecht zu ihrer Ebene, sondern in ihrer Ebene selbst auftreten.
An einem Ende eines willkürlich gewählten Armes, hier des Armes 119 ist zum Beispiel durch ein Magnetspannfutter 18 axial gesichert ein gestrecktes Werkzeug 19 mit einem Arbeitsende 20. Die Membran 15 a, die das werkzeughaltende Ende des Armes 11 an einer Lagerstelle 21 trägt, kann eine geringere Elastizität als die anderen fünf Membranen zumindest in den in ihrer Ebene liegenden Richtungen haben.
Wenn daher die starre Einheit, die durch die Arme 11, 12 und 13, den Anker 14 und das Werkzeug 19 gebildet wird, als Einheit durch entlang der'Z- -oder Y-Achse einwirkende Kräfte (wie noch erläutert werden soll) bewegt wird, gibt die Membran 15 a weniger nach als die anderen Membranen, so daß dir starre Einheit anstelle einer ausschließlich linearen Bewegung eine- Überlagerung von linearer und Schwenkbewegung um die Lagerwelle 21 in der XZ-Ebene (bei Ausübung einer Kraft in Z-Richtung) oder in der Ebene (bei Ausübung einer Kraft in Y-Richtung) ausführt.
Arbeitsweise des Werkzeugpositionierkopfes Dar eben beschriebene Werkzeugpositionierkopf arbeitet folgendermaßen Wenn das Werkzeug 19, 20 entlang seiner eigenen Achse (X-Achse) in Pfeilrichtung 22 bewegt werden soll, werden Signale in die (nicht abgebildeten) Anschlüsse der Solenoide 8 a und 8 b eingespeist. Der in den Kernen 5 a und 5 b erzeugte Induktionsfluß führt zu einer Anziehung des Ankers 14, so daß dieser entlang der X-Achse verschoben wird. Infolgedessen bewegt sich die gesamte Arm- und Ankereinheit entlang der X-Achse. Dieser Verschiebung wirken elastische Kräfte entgegen, die durch Deformation aller Membranen in X-Richtung erzeugt werden. So deformiert der Arm 11 die Membranen 15 a und 15 b senkrecht zu ihrer Ebene ne, während der Arm 12 die Membranen 16 a und 16 b und der Arm 13 die Membranen 17 a und 17 b in einer Richtung deformiert, die in der Ebene der entsprechenden Membranen liegt. Der Richtungssinn und der Betrag der Verschiebung entlang der X-Achse der Arm- und Ankereinheit, der Lagerstelle 21 und des Werkzeugs 19, 20 hängen von dem Vorzeichen und dem Betrag der Ströme, die in die Solenoide 8 a und 8 b eingespeist werden, und von der Elastizität der Membranen ab. Wenn diese Signale aufhören, verursacht die Rückstellkraftresultierende der Membranen eine Rückstellung der Arm- und Ankereinheit und des Werkzeugs 19, 20 in ihre Ausgangs- oder Ruhestellung.
Falls das Werkzeug 19, 20 auf einem Bogen in der XY-Ebene bewegt werden soll, wie durch den Pfeil 23 angedeutet ist, werden Signale in die (nicht abvgebildeten3 4nschlüsse der Solenoide 9 a und 9 b eingespeist. Der in den Kernen 6 a und 6 b erzeugte Induktionsfluß führt zu einer Anziehung des Ankers 14 entlang der T-Achse Infolge der kleineren Elastizität und damit der größeren Gegenkraft der Membran 15 a wird die starre Arm und Ankereinheit ict linear - wie für den eben geschilderten Fall verschobell - sondern um die Lagerstelle 21 in oder parallel ZU der Ebene verschwenkt. Dieser Verschiebung auf einem Bogen wirlien die Membranen entgegen, die wiederum sämtlich deformiert werden. So deformiert der Arm 11 die Membran 15 a bogenförmig, wenn er um die Lagerstelle 21 verschwenkt wird, und auch die Membran 15 b im wesentlichen in ihrer Ebene. Der Arm 12 deformiert die Membranen 16 a und 16 b im wesentlichen senkrecht zu ihrer Ebene und der~Arm 13 die Membranen 17 a und 17 b ausschließlich in ihrer Ebene.
Der Richtungssinn und der Betrag der Verschiebung auf einem Bogen der Arm- und Ankereinheit in der XY-Ebene um die Lagerstelle 21 hängen von dem Vorzeichen und dem Betrag der in die Solenoide 9 a und 9 b eingespeisten Ströme und der Elastizität der Membranen ab.
Wenn schließlich das Werkzeug 19, 20 aüf einem Bogen in der XZ-Ebene wie durch den Pfeil 24 angedeutet bewegt werden soll, werden Signale in die (nicht abgebildeten) Anschlüsse e der Solenoide 10 a und 10 b eingespeist. Der in den Kernen 7 a und 7 b erzeugte Induktionsfluß führt zu einer Anziehung des Ankers 14 entlang der Z-Achse. Infolgedessen wird die Arm- und Ankereinheit um die Lagerstelle 27 in oder parallel zu der XZ-Ebene verschwenkt.
Dieser Verschiebung auf einem Bogen wirken die Membranen entgegen,'die durch die Arnte 11, 12 und 13 deformiert werden. So deformiert der Arm 11 die Membranen 15 a und 15 b in gleicher Weise, wie vorher für die Bewegung in der XY-Ebene beschrieben wurde. Der Arm 12 deformiert die Membranen 16 a und 16 b ausschließlich in ihrer Ebene-und der Arm 13 die Membranen 17 a und 17 b im wesentlichen senkrecht zu ihrer Ebene. Auch hier hängen der Richtungssinn und der Betrag der Verschiebung auf- -einen Bogen der Ar -und Ankereinheit in der XY-Ebene um die Lagerstelle 21 von dem Vorzeichen und dem Betrag der in die Solenoide 10 a und 10 b eingespeisten Ströme und der Elastizität der Membranen ab.
Es ist ersichtlich, daß jeder elementaren Bewegung der Arm-, Anker- und Werkzeugeinheit die Resultierende der Kräfte aller Membranen entgegenwirkt. Daraus folgt, daÇ trotz der Abbildung und Beschreibung, von sechs Membranen, deren Anzahl beträchtlich verringert werden kann, mehrere Armenden frei schweben können. Theoretisch reicht die Verwendung der Membran 15 a, die die Lagerstelle 21 enthält, aus, da die Membran - wie oben beschrieben - jeder Bewegung der starren Armeinheit entgegenwirkt. Es hat sich jedocli bei der praktischen Erprobung herausgestellt, daß, je größer die Anzahl der verwendeten Membranen ist, um so sicherer und genauer die Positionierung vorgenommen werden kann.
Es ist ferner ersichtlich, daß durch gleichzeitiges Einspeisen geeigneter Spannungen in die Solenoide 8a, 8b, 9a, 9b, 10a und 10b eine resultierende Bewegung des Werkneues 19, 20 erhalten werden kann, die aus Bewegungskomponenten entlang den Pfeilen 22, 23 und 24 zusammengesetzt ist. Durch Steuern der Solenoide 9a, 9b, l()a und 10b kann daher das Werkzeugende 20 zu irgendeinem von unendlich vielen Punkten auf einer Kugelfläche bewegt werden, während die Steuerung der Solenoide 8 a und 8 b eine Verschiebung des Werkzeugendes 20 linear zu irgendeiner von unendlich vielen parallelen Kügelflächen verursacht.
Es ist ersichtlich, daß die weniger elastische oder steifere Membran nicht notwendigerweise diejenige sein muß, durch die der willkürlich gewählte Werkzeughaltearm gelagert ist. Die Arm- un' Ankereinheit kann also auch um eiiie Stelle schwenkbar gemacht t werden, die nicht notwendigerweise auf der Achse des Werkzeughaltearms liegt Alle Membranen können ferner die gleiche Elastizität aufweisen. Wenn also sechs derartige Membranen verwendet werden, bewirken die Kräfte, die in Richtung einer oder gleichzeitig verschiedener der X-, Y- und Z-Achse erzeugt werden, daß die Arm- und Ankereinheit im wesentlichen linear ohne Verschwenken verschoben wird. Zur elastischen Aufhängung der Arme 11, 12 und 13 können anstelle der Membranen auch andere elastische Halterungen verwendet werden, ohne daß die durch die Erfindung erreichten Vorteile verlorengehen.
Aufbau der Steuerschaltung In Fig. 3 ist das Schaltbild einer einfachen Steuerschaltung gezeigt durch die Ströme in die Solenoide 8 a und 8 b (X-Achse), 9 a und 9 b (Y-Achse) und 10 a und 10 b (Z-Achse) eingespeist werden können.
Die Steuerschaltung hat drei manuell betätigbare i-iauptpotentiorneter 25, 26 und 27, die der X-, Y- bzw. Z-Achse zugeordnet sind. Jedes Potentiometer ist an den positiven oder ilegativen Pol einer Gleichspannungsquelle 28 angeschlossen. Der Schleifer jedes Potentiometers ist mit einer noch zu beschreibenden iuechanlscheii Steuerung verbunden.
Die Potentiometer 25, 26 und 27 sind jeweils an eine Verstärkereinheit 29, 30 bzw. 31 angeschlossen, Die der X-Achse zugeordneten Solenoide 8 a und 8 b, die der Y-Achse zugeordneten Solenolde 9 a und 9 b und die der Z-Achse zugeordneten Solenoicle 10 a und 10 b bilde L Reihe geschaltete Paare, die jeweils Teil einer entsprechenden Vorspannungsschaltung 32, 33 bzw0 34 sind0 Jede Vorspannungsschaltung hat zwei Gl eichrich terdioden 35a, 35b, 36a, 36b, 37a bzw, 37bo Die Dioden in Jeder Vorspannungsschaltung sind mit entgegengesetzter Polarität mit denjenigen Anschluß der Solenoide verbunden, der zu deren jeweils ligem, geerdetem Verbindungspunkt entgegengesetzt liegt.
Die Dioden in jeder Vorspannungsschaltung sind über in Reihe geschaltete Widerstände 38 a und 38 b (Schaltung 32), 39 a und 39 b (Schaltung 33) bzw. 40 a und 40 b (Schaltung 34) verbunden, Eine Gleichvorspannung mit entgegengesetztem Vorzeichen wird von einer Vorspannungsquelle 28 a in jede Vorspannungsschaltung zu den Dioden über Widerstände 41a, 41b, 42a, 42b, 43a bzw. 43b eingespeist0 Der Ausgangsanschluß der Verstärkereinheit 29 ist mit der Vorspannungsschaltung 32 zwischen den Widerständen 38 a und 38 b verbunden, der Ausgangsanschluß der Verstärkereinheit 30 mit der Vorspannungsschaltung 33 zwischen den Widerständen 39 a und 39 b und der Ausgangsanschluß der Verstärkereinheit mit der Vorspannungsschaltung 34 zwischen den Widerständen 40 a und 40 b. Es ist ersichtlich, daß die hier beschriebenen Vorspannungsschaltungen 32 bis 34 nur Ausführungsbeispiele darstellen und daher durch andere Vorspannungsschaltungen ersetzt werden können.
Zur Einstellung des Manipulators in die Ruhestellung wird die Spannungsquelle 28 mit den Potentiometern 25 bis 27 nnd die Vorspannungsquelle 28 mit den Vorspannungsschaltungen 32 - 34 durch Schließen eines geeigneten Schalters (nicht abgebildet) verbunden Für diese Ausgangs- oder Ruhestellung wird durch den Schleifer der Potentiometer 25 - 27 die an diesen anliegende Spannung jeweils gleichmäßig aufgeteilty so daß kein Ausgangsgignal an den Anschlüssen der Verstärkereinheiten auftritt. Die in die Vorspannungsschal tungen eingespeisten Vorspannungen verursachen in diesen einen Stromfluß Infolge der Symmetrie der Elemente in jeder der Vorspannungsschaltungen 32 - 34 ist der Stromfluß in jedem paarbildenden Solenoid 8 a und 8 b (Schaltung 32), 9 a und 9 b (Schaltung 33) sowie 10 a und 10 b (Schaltung 34) in der Ruhestellung gleich. nie Solenoide jedes Paares sind so ausgerichtet, daß die erzeugten Magnetfelder entgegengesetzt gerichtet sind, so daL der Anker 14 in der Ruhestellung drei Paaren von Kräftell ausgesetzt ist, die entlang der X-, Y bzw. Z-Achse verlaufen, Die Resultierende dieser Kräfte ist Null, so dal; der Anker iiicht verschoben wird. Eine Justierung zur genaues Nullagepositionierung des Ankers kann durch Drehen (les geeigneten Kerns oder mehrerer Kerne vorgenommen werden, so daß durch Änderung ihres Abstands vom Anker die durch das Magnetfeld ausgeübte Kräfte auf diesen geändert werden.
Wenn Jetzt zum Beispiel das Werkzeug 19, 20 nach oben in der XY-Ebene bewegt werden soll (nach oben wie durch den Pfeil 23 angedeutet), wird das Ruhestellungsgleichge weicht gestört, indem der durch die Solenoide 9 a und 9 b auf der Y-Achse fließende Strom ungleich gemacht wird. Zu diesem Zweck wird der Schleifer des Potentiometers 26, der den solenoiden 9 a und 9 b zugeordnet ist, eo bewegt, daß ein positives Potential an der Vers'tärkereinheit 30 angelet ird. Entsprechend wird ein positives Signal durch die Verstärkereinheit 3Q in die Vorspannungsschaltung 33 eingespeist. Dieses Signal macht den Stromfluß durch die Solenoide 9 a und 9 b ungleich, indem der Strom durch das Solenoid 9 b erhöht und durch das Solenoid 9 a um den gleichen Betrag verringert wird. Das durch das Solenoid 9 b erzeugte resultierende Magnetfeld übt eine stärkere Anziehungskraft auf den Anker 14 als das Solenoid 9 a aus.
Infolgedessen wird die Arm- und Ankereinheit nach unten um die Lagerstelle 21 in und parallel zu der-XY-Ebene verschwenkt, so daß das Werkzeugende 20 auf einem nach oben gerichteten Bogen in der gleichen ebene bewegt wird.
Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Erhöhung des Stroms durch eines der Solenoid, die das Paar 9 a iind 9 b bilden, von einer Verringerung des Stroms um den gleichen Betrag durch das andere Solenoid des gleichen Paares begleitet ist und daher zu zwei ungleichen magnetischen Kräften führt, die auf den Anker 14 in Richtung der Y-Achse Init entgegengeset7tem Richtungssinn einwirken. Die Ausübung zweier entgegengesetzter Kräfte, die durch uiigleiclie Komponenten gebildet werden, gewährleistet, daß die resultierende magnetische Verschiebungskraft in Y-Richtung im wesentlichen linear entlang der Y-Achse und nicht exporientiell auftritt, wie es der Fall wäre, wenn das Solenoid 9 b allein erregt würde. Da die entgegengesetzte Rückstellkraft der Membranen 15a, 15b, 16a, 16b, 17a und 17b ebenialls linear ist, ist die Ansprechbarkeit der Arni-, Anker und Werkzeugeiiiheit auf die Steuersignale im wesentlichen für die ganze Bahn des Ankers 14 konstant, die dieser von seiner Mittelstellung zum Kern 6 b durchlaufen kann. Es ist ersichtlich, daß der Betrag dieser Verschiebung vom Betrag der in die Vorspannungsschaltung 33 eingespeisten Spannung abhängt, Der Betrag dieser Spannung ist seinerseits ei ne Funktion des Abstandes, um den der schleifer des I'otentiometers 26 aus seiner Mittel- oder Abgleichstellung verschoben worden ist. Daraus folgt, daß eine Verschiebung des Schleifers des Potentiometers 26 in der entgegengesetzten Richtung zu einem entgegengesetzten oder negativen Signal am Ausgangsanschluß der Verstärkereinheit 30 führt.
In diesem Fall bewegt sich das Werkzeugende 2() in der XY-Ebene nach unten.
Es ist ferner ersichtlich, daß die Verschiebung des Schleifers der Potentiometer 26 und 27 bewirkt, daß die zugehörigen Verstärkereinheiten 29 und 31 und Vorspannungsschaltungen 32 und 34 in ähnlicher Weise arbeiten, so daß eine entsprechende Bewegung des Werkzeugendes 20 entlang der X-Achse (Pfeil 22) oder in der XY-Ebene (Pfeil 24) stattfindet Um (1ie Empfindlichkeit des Manipulators, d. h. das Verhältnis der Bewegung der Potentiometerschleifer zu der entsprechenden Bewegung des Werkzeugs, zu ändern, können St;ellwiderstände 41s - 46 und entsprechencle Begrenzungswiderstände 47 - 49 verwendet; t werden, die in Reihe vor jeder zugehörigen Verstärkereinheit 29 - 31 geschaltet; sind. Zum Beispiel werden durch Erhöhung des Widerstands 46 durch entsprechende Verstellung des zugehörigen Schleiferse die in die Verstärkereinheit 31 eingespeisten Signale stärker, wenn die Stellung des Schleifers auf dem Potentiometer 27 gleich bleibt. Daher kann jetzt bei gleichem Betrag tler Handverschiebungen dieses Schleifers eine größere Bewegung des Werkzeugs 19 in der XZ-Ebene erreicht werden.
Zur weitereii Verbesserung der Linearität der auf der gesamten möglichen Bewegungsbahn des Ankers ausgeübten magnetischen Kraft können entweder die Potentiometer 25 - 27 oder die Verstärker 29 - 30 oder beide nichtlinear arbeiten, um ein allmählich schwächer werdendes Signal zu erzeugen, wenn der Anker sich irgendeinem der Kerne bei zunehmender Verschiebung der entsprechenden Schleifer der Potentiometer 25 - 27 weiter nähert.
Die in Fig 3 abgebildete Steuerschaltung kann weitere Elemente aufweisen, die erlauben, daß das Werkzeug 19, 20 unabhängig von der Bedienung der Potentiometer 25 - 27 oder zusammen damit Bewegungen ausführt, die keine I)upllzip ring der Handbewegung s ind. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, eiiie Probe zu durchstechen, Zu diesem Zweck hat das Werkzeugende 20 eine Impulsartige Bewegung in +X-Richtung auszuführen. Daher muß eine relativ hohe Spannung piö tzl icii in die Vorspanllunss s chal; tung 32 eingespeist werden, die der X-Achse zugeordnet ist. Zu diesem Zweck kann eine relativ hohe Gleichspannung plötzlich in die Verstärkereinhe Lt; 29 Liber einen Widerstand 50 durch Schließen eines Schalters 51 eingespeist werden. Es ist ferner möglich, das Werkzeug 20 zu Schwingungen in einer Richtung anzuregen, indem eine Wechsel spannung (mit einer Frequenz von beispielsweise 60 IIz) direkt in die entsprechende Vorspannungsschaltung eingespeist wird. Wenn zum Beispiel die Wechselspannung in die Vorspannungsschaltung 34 (Z-Achse) eingespeist werden soll, wird ein Schalter 54 geschlossen.
Ein Stellwiderstand 57 bestimmt den Betrag der Schwingungen des Werkzeugs 21, während ein Stellwiderstand 60 zur Einstellung der Symmetrie der Schwingungen um die Ruhelage dient. Wenn also der Schalter 54 geschlossen ist, schwingt das Werkzeug 20 auf einer Dogenbahn in der XZ-Ebene (entlang~dem Pfeil 24). Wenn jetzt das Potentiometer 27 verstellt wird, wird das Werkzeug 20 in der XZ-Ebene vorgeschoben, so daß ein zu untersuchendes Objekt zersägt wird. Ähnlich können Schwingungen des Werkzeugendes 20 entlang den Pfeilen 22 und 23 erregt werden, indem die X- und Y-Schaltungen mit entsprechenden Schneidschaltern 52 und 53 ebenso wie mit Stellwiderständen 55 und 56 zur Amplitudeneinstellung und mit Stellwiderständen 58 und 59 zur Symmetrieeinstellung versehen werden.
Ausbau der Rückkopplunsschaltun Zur Erzeugung von Werkzeugbewegungen, die noch genauer den Steuersignalen entsprechen, ist jede der der X-, Y-bzw. Z-Achse zugeordneten Schaltungen, die anhand von Fig. 3 beschrieben wurden, mit einer Rückkopplungsschaltung versehen, die jetzt anhand von Fig. 4 a - d beschrieben werden soll0 Ein Gleichspannungsriickkopplungssignal, dessen Betrag eine Funktion des Betrags der Verschiebung' der Arm-, Anker und Werkzeugeinhelt ist und deren Vorzeichen zu dem des durch eines der Potentlometer 25 - 27 erzeugten Eingangssignal entgegengesetzt ist, wird zusammen mit dem Eingangssignal in den Eingangsanschluß der entsprechenden Verstärkereinheit 89 - 92 eingespeist. Das Rückkopplungssignal wird praktisch verwendet, um die Lage des Werkzeuge mit dem Steuersignal von den Potentiometer zu vergleichen.
In Fig. 4 a ist schematisch eine Rückkopplungsschaldie abgebildet, die zum Beispiel der X-Achse zugeordnet ist. l)ic Rückkopplungsschaltung hat einen Fühler G1, der die Schwingungen des Arms 11 entlang der X-Aclise in ein Signal umsetzt, dessen Betrag proportional zu der Bewegung des Arms 11 ist. Das Rückkopplungssignal wird in den Verstärker 29 über einen Rückkopplungswiderstand 62 an seinem Verbindungspunkt mit dem Eingangswiderstand 47 eingespeist.
ES ist ersichtlich, daß die Empfindlichkeit der Korrektur von dem Wert des Widerstands 62 abhängt, so daß die korri--ierte Verschiebung des Arms 11 für ein gegebenes Signal proportional zum Verhältnis der Widerstände 62 und 47 ist l)er Fühler 61 kann verschiedenen Aufbau haben. Gemäß Fig. g. 4 b kann er beispielsweise ein Kondensator 63 mit veränderlicher Kapazität sein, von dein eine bewegliche Platte am Arm 11 und eine ortsfeste Platte am Gehäuse 1 befestigt ist. Ein Werkzeugpositionierkopf mit einem derartigen Kondensator soll später beschrieben werden. Der Kondensator 63 kann in einem scharf abgestimmten Filterkreis verwendet werden, uni die Amplitude eines Festfrequenzoszillators zu ändern. Die Amplitudenschwankungen werden dann erfaßt, in ein variierendes Gleichspannungssignal umgesetzt und verstärkt.
Gemäß Fig 4 c kann ein Kondensator 63 verwendet werden, um die Frequenz eines hochstabilen Oszillators zu ändern. Die Frequenzänderung wird durch eine Frequenzmeßschaltung erfaßt und anschließend in ein Gleichspannungssignal proportional zur Frequenzänderung umgesetzt.
Bei einer dritten Art des Fühlers ist der Kondensator 63 durch einen druckempfindlichen Widerstand 64 (Figo 4 d) ersetzt, dessen Druck und damit dessen Widerstand durch eine Kraft proportional zur Verschiebung der Arm-, Anker-und Werkzeugeinheit geändert werden. Der Widerstand 64 bildet einen Zweig einer abgeglichenen Brückenschaltung 65, die das erforderliche Gleichspannungsausgangssignal erzeugt.
Es ist ersichtlich, daß die der Y- und Z-Achse zugeordneten Steuerschaltungen mit ähnlichen Rückkopplungsschaltungen versehen sein können0 Aufbau eines anderen Ausführungsbeispiels des Werkzeugpositionierkopfes In Fig. 5 und 6 ist ein anderes Ausffihrungsbeispiél des Werkzeugpositionierkopfes gemäß der Erfindung abgebildet, der insbesondere einen Kondensator mit veränderlicher Kapazität wie anhand von Fig. 4 b und 4 c beschrieben aufweisen kann. Dieses Ausführungsbeispiel hat anstelle eines einzigen Ankers sechs Ankerstücke 141a, 141b; 142 a, 142b; 143a und 143b, die an Armen 110, 120 bzw. 130 befestigt sind und mit Kernen 50a, 50b; 60a, 60b;'70a bzw0 70b zusammenwirken, Die Arme 110, 120 und 130 sind starr aneinander durch einen unmagnetischen Halter 140 befestigt, der sich in der Mitte des Gehäused 1 befindet. Jeder Kern ist von einem Solenoid 80a, 80b; 90a, 90b; 100a bzw. 100b umgeben. Jeder Arm 110, 120 bzw. 130 verläuft senkrecht durch eine flexible Membran 150a, iSOb; 160a, 160b; 170a bzw.
170b, die jeweils tief im Innern des Gehäuses 1 befestigt sind, und ist mit diesen verklebt oder anderweitig fest verbunden.
Ähnlich wie beim Werkzeugpositionierkopf gemäß Fig. 1 und 2 ist an einem Ende des willkürlich gewählten Arms 110 ein magnetisches Spannfutter 18 befestigt, damit das längliche Werkzeug 19 hält, Der Aufbau und die Funk-tion der in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Membranen sind -die gleichen wie für das erste Ausführungsbeispiel.
Die Arme 110, 120 und 130 tragen einen Kondensator 66a, b, 67a, b bzw. 68a, b, der jeweils Teil einer Rückkopp lungsschaltung gemäß Fig. 4 a - 4 d ist. Jeder Kondensator hat eine bewegliche Platte 66a, 67a bzwo 68a, die an einem freien nde des Arms 110, 120 bzw. 130 befestigt ist. Am Gehäuse 1 in der Nähe der beweglichen Platten sind Platten 66b, 67b bzw. 68b befestigt. Es ist ersichtlich, daß eine Verschiebung' der Armeinheit 110, 120, 130 zu einer Änderung des Abstands zwischen den beiden Platten dieser Kondensatoren führt, die normalerweise senkrecht zur Verschiebungsrichtung angeordnet sind. Infolgedessen ändert sich die Kapazität des entsprechenden Kondensators in Abhängigkeit von der Verschiebung der Armeinheit in dieser Richtung. Wie oben beschrieben (Fig. 4 a - 4 d), wird ein entsprechendes Vergleichs signal auf diese Weise erzeugt und in die entsprechende Verstärkereinheit eingespeist Das in Fig. 5 und 6 abgebildete Ausführungsbeispiel arbeitet in gleicher Weise wie das erste Ausführungsbeispiel, bis auf die Ausnahme, daß jedes Solenoid auf ein eigenes Ankerstück in einer einzigen Richtung einwirkt, während der alleinige, mittig angeordnete Anker 14 des ersten Ausführungsbeispiels entlang der X-, Y- oder Z-Achse oder mehreren Achsen verschiebbar und dem von allen Solenoiden erzeugten Magnetfeld ausgesetzt ist.
bs ist ersichtlich, daß derartige Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität, , wie sie in Fig 5 und 6 abgebildet sind, auch in einem Werkzeugpositionierkopf gemäß Fig.
und 2 eingebaut werden können. Umgekehr-t kann der Werkzeugpositionierkopf von Fig. 5 und 6 auch ohiie die Kondensatoren verwendet werden. Es ist ferner ersictltlichr daß anstelle der Kondensatoren Druckfühler (wie in Fig. 4 d beschrieben) oder veränderliche Induktivitäten verwendet werden können Ausbau der IIandsteuereinrichtun In Fig. 7 ist eine typische Handsteuereinrichtung gezeigt, wie sie zur Erzeugung der Eingangsspannungen für die Verstärkereinheiten 29 - 31 verwendet werden kann. Mit einer Grundplatte 71 ihres Gehäuses ist ein Bügel 72 verbunden, an dem das Potentiometer 26 befestigt ist. Die Stummelwelle des Potentiometers 26 ist durch einen Bügel 73 drehbar, der das Potentiometer 27 trägt. Die Stummelwelle des Potentiometers 27 ist durch einen Bügel 74 drehbar, der das Potentiometer 25 trägt, Die Stummelwelle des Potentioesters 25 verläuft axial, um einen Steue-vlebel 75 zu bilden, der einerseits durch die Stummelwelle des Potentiotneters 26 auf einem Bogen, angedeutet durch einen Pfeil 23', und durch die Stummelwelle des Potentiometers 27 auf einem Bogen, angedeutet durch einen Pfeil 24>, verschwenkbar ist.
Andererseits kann der Steuerhebel 75, der von der Stummelwelle des Potentiometers 25 getragen ist, um seine eigene Achse in Pfeilrichtung 22' gedreht werden. Eine Drehung des Steuerhebels 75 tun seine eigene Achse (in Pfeilrichtung 22') verstellt also das Potentiometer 25 (Werkzeugbewegung in X-Richtung oder Pfeilrichtung 22), ein Verschwenken des Steuerhebels 75 in Pfeilrichtung 23? das Potentiometer 26 (Werkzeugbewegung in der X?-Ebene in PfeilE richt-ung 23) und ein Verschwenken des Steuerhebels 75 in Pfeilrichtung 24' das Potentiometer 27 (Werkzeugbewegung in der XZ-Ebene in Pfeilrichtung 24).
harze Beschreibung einer bevorzugten Anwendung der Erfindung In Fig. 6 ist schematisch eine bevorzugte Anwendung des Submikronmanipulators erläutert. Es ist ersichtlich, das zwei Manipulatoren verwendet werden, um gleichzeitig das gleiche Objekt zu bearbeiten, wobei jeder Manipulator für sich einen Kopf, ein Werkzeug, eine Steuerschaltung und einen Steuerhebel hat. Die Werkzeugpositionierköpfe sind auf dem Objektträger eines Mikroskops so montiert, daß die daran befestigten Werkzeuge 19 im Beobachtungsfeld des Mikroskops in der Nähe eines Objekthalters (nicht abgebildet) und gegeneinander geneigt sind. Die Halterung der Köpfe kann eine Grobjustiereinrichtung (nicht abgebildet) zur Bewegung der Köpfe in eine richtige Lage aufweisen, RUS der das entsprechende Werkzeug in der oben beschriebenen Woise positioniert werden kann.

Claims

Patentansprüche

Submikromanipulator mit einem Werkzeugpositionierkopf, g e k e n n z e i c 11 n e t durch folgende Teile des Positionierkopfes t (A) ein Gehäuse (1); (B) eine in dem Gehäuse beweglich angeordnete Armeinheit (11 - 13); (C) eine in dem Gehäuse angeordnete Elektromagneteinheit (8a, b; 9a, b; 10a, b), durch deren Erregung die Armeinheit auslenkbar ist; und (D) eine in dem Gehäuse sicher gelagerte elastische Einrichtung (15a, b; 16a, b; 17a, b), die die Armeinheit hält, mit dieser fest verbunden ist, durch diese bei deren Verschiebung durch die Elektromagneteinheit deformierbar ist sowie diese in eine Ruhestellung gegen die Ablenkkraft der Elektromagneteinheit drückt (Fig. 1, 2).
2. Manipulator iiach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Armeinheit aus drei Arealen (11 - 13) besteht, die aufeinander senkrecht stehen, mittig verbunden sind und entlang der X-, Y- und 7-Achse eines dreidimensionalen othogonalen Koordinatensystems verlaufen, und daß das Werkzeug (19, 20) an dem ein Ende des einen Arms (11) befestigt ist (Fig. 1).
3. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichret, dan die elastische Einrichtung m4 ridestens ein elastisches Glied (15 a) für den krm (11) aufweist, mit dem das eu@ (19, 20) verbunden ist (Fig. 1, 2)
4. Manipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einrichtung mehrere elastische Glieder (15a, b; 16a, b; 17a, b) aufweist, die jeweils an einem Ende von mindestens einem der Arme (11 - 13) fest gesichert und jeweils mindestens in der Richtung des zugehörigen Arms elastisch deformierbar sind (Fig. 1, 2).
5. Nanipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Elektromagneteinheit (8a, b; 9a, b; 10a, b) eine Ablenkkraft auf die Armeinheit (11 - 13) entlang der X-, Y- und Z-Achse ausübbar ist (Fig. 1, 2).
6, Manipulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnot, daß die Elektromagne teinheit (A) mindestens ein Solenoid (8a, b; 9a, b; 10am b) in dem Gehäuse (1) gleichachsig auf jeder Koordinatenachse (X, Y, Z) und (B) eine Ankereinheit; (14) hat, die starr an der Armeinheit (11 - 13) befestigt und zusammen mit der Armeinheit durch Erregung irgendeines der Solenoide verschiebbar ist (Fig. 1, 2).
7. Manipulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankereinheit durch einen einzelnen Anker (14) gebildet ist, der an der Armeinheit (1 1 - 13) all der Verbindungsstelle der drei Arme befestigt und durch Erregung irgendeines der Solenoide (8a, b; 9a, b; 10a, b) verschiebbar ist (Fig. 1, 2).
8. Manipulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankereinheit durch mehrere Ankerstücke (141a, b; 142a, b; 143a, b) gebildet ist, von denen mindestens eines an jedem Arm (110, 120, 130) befestigt und eines jedem Solenoid (80a, b; 90a, b; 100a, b) zugeordnet ist und daß jedes Ankerstiick zusammen-mit der Armeinheit allein in Abhängigkeit von dem zugehörigen Solenoid verschiebbar ist (Fig. 6, 7).
9. Manipulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeic-h net, daß die elastischen Glieder (15a, b; 16a, b; 17a, b) im wesentlichen gleiche Elastizitätseigenschaften haben, so daß die Armeinheit (11 - 13) linear verschiebbar ist, wenn auf sie Kräfte i Richtung der Koordinatenachsen (X, Y, Z) einwirken (Fig. 1, 2).
10. Manipulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eine elastische Glied (15 a), einen größeren elastischen Widerstand zumindest gegen Kräfte senkrecht zu dem zugehörigen Arm (11) als die anderen elastischen Glieder (15b; 16a, b; 17a, b) gegen Kräfte senkrecht zu den zugehörigen Armen hat, und daß die Armeinheit (11 bis 14) bei Ausübung von Kräften in Richtung des größeren elastischen Widerstands um die Lagerstelle (21) des Arms im elastischen Glied mit dem größeren elastischen Widerstand verschwenkbar ist (Fig. 1, 2) Ii.
Manipulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuerschaltung zur Erregung der Elektromagneteinheit (8a, b; 9a, b; 10a, b) mit (A) einer Vorspannungsschaltung (32 - 34) zur Erregung der Elektromagneteinheit, um durch diese auf die Armeinheit (11 - 13) mindestens ein Paar von Kraften auszuüben, die jeweils durch entgegen setzt gerichtete Komponenten gleichen Betrags gebildet sind und so eine verschwindende resultierende Kraft erzeugen und mit (B) einem Steuersignalgenerator (25 - 27, 29 - 31), um gleichzeitig, den Betrag der Komponenten so zu ändern, daß eine nicht verschwindende resultierende Kraft entsteht, um die Armeinheit gegen die Kraft der elastischen Einrichtung (15a, b; 16a, b; 17a, b) zu verschieben (Fig. 1 - 3).
12-. Manipulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Steuersignalgenerator (25 - 27, 29 - 31) zur Erregung der Elektromagneteinheit (8a, b; 9a, b; 10a, b) zur Versciiiehung der Armeinheit (11 - 13) gegen die Kraft der elastischen Einrichtung (15a, b; 16a, b; 17a, b), und durch eiiie von der Verschiebung der Armeinheit (11 - 13) abhängige Rückkoplungsschaltung (61, 62) zur Abwandlung des vom Signal generator in die Elektromagneteinheit eingespeisten Eingangssignals (Fig. 1 - 3, 4a).
13. Manipulator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkoplungsschaltung in dem Gehäuse (1) eineil die LaGe der Arneinheit (11 - 13) erfassenden Fühler (oi) hat (Fig. 4 a).
14. Manipulator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehler mindestens ein ortsfestes Glied (66b, 67b, 68b), das an dem Gehäuse (1) befestigt ist, und ein bewegliches Glied (66a, 67a, 68a) hat, das an der Armeinheit (110, 120, 130) befestigt ist, und daß das Ausgangssignal der Rückkoplungsschaltung von der gegenseitigen lage des beweglichen und ortsfesten Gliedes abhängt (Fig.

3, 6).
15. Manipulator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß die Glieder ortsfeste Platten (66b, 67b, 68b) und bewegliche Platteii (66a, 67a, 68a) eines Kondensators sind (Fig. 5, 6).
16. Manipulator nac Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Glieder jeweils Membranen (13ja, b; 16a, b; 17a, b) sind (Fig. 1, 7).

L e e r s e i t e