DE19611730A1 - Gelenkverbindungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gelenk­ verbindungsvorrichtung. Insbesondere bezieht sich die vorlie­ gende Erfindung auf eine vereinfachte Struktur einer Gelenk­ verbindungsvorrichtung, die eine Rückwirkungskraft verwendet die durch einen Trägheitskörper erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung ist für eine Gelenkverbindungsvorrichtung geeignet, um eine sehr kleine Bewegung in der Größenordnung eines Mi­ krometers oder eines Nanometers zu bewirken, die geeigneter­ weise als Mikrohand verwendet werden kann.

Bei einer Manipuliervorrichtung, wie zum Beispiel einem Industrieroboter ist eine Gelenkverbindungsvorrichtung vorge­ sehen, um ein flexibles Handhaben zahlreicher Objekte, die zu manipulieren sind, umzusetzen. Industriebereiche, in denen die Steuerung einer Bewegung in der Größenordnung von Mikro­ metern oder Nanometern eines Objekts von geringer Größe er­ forderlich ist, sind zum Beispiel Halbleiterprozesse, wie zum Beispiel eine Positioniervorrichtung eines Wafers, die Bio­ chemie oder medizinische Bereiche, wie zum Beispiel das Schneiden einer Zelle oder eine Zellinjektion oder eine feine medizinische Operation, und die Produktion von Telekommunika­ tionssatelliten, zum Beispiel das Positionieren einer An­ tenne.

Die japanische Patentanmeldung Nr. 59-175990 offenbart eine Gelenkverbindungsvorrichtung, bei der ein Antriebsmecha­ nismus mit einem Antriebsmotor und einem Getriebezug verwen­ det wird. Dieser Typ von Gelenkverbindungsvorrichtung hat je­ doch den Nachteil, daß der Motor sowie der Getriebezug groß sind, was es schwierig gestaltet, daß dieser Typ von Gelenk­ verbindungsvorrichtung auf dem Gebiet der Mikroverarbeitung, die zunehmend an Bedeutung gewinnt, verwendet wird.

Im Hinblick auf das Vorstehende wurden zahlreiche Versu­ che unternommen, Gelenkverbindungsvorrichtungen mit einfacher Struktur sowie verringerter Größe zu erhalten. Zum Beispiel wird eine Gelenkverbindungsvorrichtung vorgeschlagen, bei der ein kugelförmiger Rotor vorgesehen ist, der eine Außenum­ fangsfläche hat, die mit einem Ultraschallantriebsstator in Berührung steht, so daß eine Translationswelle erzeugt wird, die verursacht, daß der Rotor reibungsgetrieben wird, wobei die Vorrichtung durch einen Vortrag der Japanese Robot Academy Nr. 1136, November 1990, veröffentlicht wurde. Dieser Typ von Vorrichtung hat jedoch den Nachteil einer kurzen Le­ bensdauer, was durch den kontinuierlichen Reibungskontakt be­ dingt ist, der zwischen dem Stator und dem Rotor auftritt, was verursacht, daß die Teile schnell verschleißen.

Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 6- 17076 offenbart eine Gelenkverbindungsvorrichtung mit einem Parallelverbindungsmechanismus mit sechs Freiheitsgraden, der sechs Verbindungen hat, von denen jede eine Teleskopwirkung eines piezoelektrischen Elementes verwendet, was an einem En­ de des Gelenkverbindungsmechanismus eine Bewegung mit sechs Freiheitsgraden gestattet. Dieser Typ von Mechanismus ist wünschenswert, da eine Feinbewegung in der Größenordnung eines Mikrometers einfach erhalten werden kann. Es besteht jedoch der Nachteil, daß der Betrag der Bewegung sehr be­ grenzt ist.

Im Hinblick darauf schlägt die ungeprüfte japanische Pa­ tentveröffentlichung Nr. 2-180578, um einen vergrößerten Hub des Gelenkverbindungsmechanismus zu erhalten, eine verbes­ serte Gelenkverbindungsvorrichtung vor, bei der eine Stoß­ kraft durch eine schnelle Bewegung von Trägheitskörpern er­ zeugt wird, was verursacht, daß ein Arm, der an der Gelenk­ verbindungsvorrichtung montiert ist, durch eine Trägheit der Trägheitskörper bedingt bewegt wird. Der Nachteil bei dieser Vorrichtung besteht jedoch durch die Tatsache bedingt, daß eine Vielzahl von Trägheitsbetätigungsmechanismen an einem einzigen Arm montiert sind, in ihrer komplizierten Struktur von großen Ausmaßen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gelenkverbindungsmechanismus mit vereinfachter Struktur von geringer Größe vorzusehen, wobei eine Verringerung der Genauigkeit durch Verschleiß weniger wahrscheinlich ist und ein Prozeß zum Zusammenbauen der Vorrichtung keinen erhöhten Arbeitsaufwand erforderlich macht.

Darüber hinaus soll die vorliegende Erfindung eine Ge­ lenkverbindungsvorrichtung vorsehen, die dazu in der Lage ist, eine Feinbewegung einerseits zu erhalten, während ande­ rerseits eine relativ grobe Bewegung gestattet wird, indem eine Bewegung, wie zum Beispiel eine Neigung oder eine Rota­ tion, verwendet wird.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Bewegungselement, das bezüglich einem Halteelement drehbar ist, in Bezug auf einen Trägheitskörper relativ beweglich; eine Betätigungseinrichtung ist zwischen dem Bewegungselement und dem Trägheitskörper angeordnet. Die Betätigungseinrich­ tung verursacht, daß das Bewegungselement und der Trägheits­ körper relativ zueinander bewegt werden. Durch die Trägheit des Trägheitskörpers bedingt wird eine Rückwirkungskraft im Bewegungselement erzeugt, die eine Reibungskraft zwischen dem Bewegungselement und dem Halteelement übersteigt, wodurch eine Drehung des Bewegungselements verursacht wird.

Die Relativbewegung zwischen dem Bewegungselement und dem Trägheitskörper, die durch die Trägheit des Trägheitselements bedingt ist, kann den Verschleiß von Teilen verringern, wo­ durch die einfache Verringerung der Genauigkeit verhindert wird und der Zusammenbau effektiver vorgenommen werden kann. Darüber hinaus ist die Struktur vereinfacht und klein.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung erzeugt die Betätigungseinrichtung, die zwi­ schen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement angeordnet ist, eine Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement in eine Richtung, so daß eine Rückwir­ kungskraft, die durch die Trägheit des Trägheitskörpers auf das Bewegungselement ausgeübt wird, eine Reibungskraft zwi­ schen dem Bewegungselement und einer Reibungsfläche des Hal­ teelements übersteigt, und die Relativbewegung in entgegenge­ setzte Richtung, so daß eine Rückwirkungskraft, die im Bewe­ gungselement durch eine Trägheit des Trägheitskörpers erzeugt wird, die Reibungskraft nicht übersteigt.

Durch die unterschiedlichen Werte der Rückwirkungskräfte im Bewegungselement zwischen der Vorwärts- und Rückwärtsrich­ tung für die Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement bedingt wird ein gewünschter Betrag der Bewegung des Bewegungselements unabhängig von einem begrenz­ ten Betrag der Bewegung der Betätigungseinrichtung erhalten, während eine vereinfachte Struktur der Gelenkverbindungsvor­ richtung aufrechterhalten wird, wodurch die Kosten für ihre Herstellung verringert werden.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Krümmungsbewegungsgenerator zwischen einem Rotations­ element und einem Trägheitskörper vorgesehen, um eine Rela­ tivbewegung zwischen diesen zu erzeugen. Die Relativbewegung ist so gestaltet, daß eine graduelle Krümmungsbewegung des Krümmungsbewegungsgenerators verursacht, daß der Trägheits­ körper einer Feinbewegung ausgesetzt wird, und daß eine schnelle Krümmungsbewegung des Krümmungsbewegungsgenerators verursacht, daß durch die Trägheit des Trägheitskörpers be­ dingt eine Trägheitsrückwirkungskraft im Bewegungselement er­ zeugt wird, wodurch verursacht wird, daß das Bewegungselement bezüglich der Berührungsfläche des Halteelements entgegen der Reibungskraft gleitfähig bewegt wird, was bewirkt, daß der Trägheitskörper einer Grobbewegung ausgesetzt wird.

In der vorliegenden Erfindung wird eine gewünschte Grob­ bewegung erhalten, während ein Krümmungsbewegungsgenerator mit begrenzter Bewegungsausdehnung verwendet wird, während die Möglichkeit der Feineinstellung aufrechterhalten wird. Somit wird verhindert, daß die Struktur groß und kompliziert ist; die Produktionskosten können verringert werden.

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht ei­ ner Gelenkverbindungsvorrichtung des ersten Ausführungsbei­ spiels der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht der Gelenkverbindungsvor­ richtung in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Wellenform eines Antriebssignals der Gelenkverbindungsvorrichtung in Fig. 1.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht der Gelenkverbindungsvor­ richtung des ersten Ausführungsbeispiels in Betrieb.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht der Gelenkverbindungsvor­ richtung im zweiten Ausführungsbeispiel an einer Linie V-V in Fig. 6.

Fig. 6 ist eine Ansicht entlang eines Pfeils A in Fig. 5.

Fig. 7 ist eine Schnittansicht der Gelenkverbindungsvor­ richtung im zweiten Ausführungsbeispiel in Betrieb.

Fig. 8 ist eine Schnittansicht einer Gelenkverbindungs­ vorrichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel.

Fig. 9 ist eine Schnittansicht der Gelenkverbindungsvor­ richtung im dritten Ausführungsbeispiel in Betrieb.

Fig. 10 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Gelenkverbindungsvorrichtung in einem vierten Ausfüh­ rungsbeispiel entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht der Gelenkver­ bindungsvorrichtung im vierten Ausführungsbeispiel.

Fig. 12 ist eine Seitenansicht einer piezoelektrischen Einheit in einer Betätigungseinrichtung im vierten Ausfüh­ rungsbeispiel.

Fig. 13A ist eine Draufsicht eines piezoelektrischen Ele­ mentes in der piezoelektrischen Einheit in der Betätigungs­ einrichtung im vierten Ausführungsbeispiel.

Fig. 13B gleicht Fig. 13A, zeigt jedoch die piezoelektri­ sche Einheit in Betrieb.

Fig. 14A ist eine Schnittansicht des piezoelektrischen Elements in Fig. 13A.

Fig. 14B ist die gleiche wie Fig. 14A, zeigt jedoch die piezoelektrische Einheit in Betrieb.

Fig. 15A zeigt eine Seitenansicht der Betätigungseinrich­ tung im vierten Ausführungsbeispiel.

Fig. 15B ist die gleiche wie Fig. 15A, zeigt jedoch die Betätigungseinrichtung, wenn diese einer Krümmungsbewegung ausgesetzt ist.

Fig. 15C ist die gleiche wie Fig. 15A, zeigt jedoch die Betätigungseinrichtung, wenn diese einer Längsbewegung ausge­ setzt ist.

Fig. 16A zeigt eine Seitenansicht der Gelenkverbindungs­ vorrichtung im vierten Ausführungsbeispiel, zeigt jedoch eine Betätigungseinrichtung, die einer Krümmungsbewegung in einem Feinbewegungsmodus ausgesetzt ist.

Fig. 16B zeigt eine Seitenansicht der Gelenkverbindungs­ vorrichtung im vierten Ausführungsbeispiel, zeigt jedoch die Betätigungseinrichtung, wenn diese einer axialen Längsbewe­ gung im Feinbewegungsmodus ausgesetzt ist.

Fig. 17A zeigt eine Seitenansicht der Gelenkverbindungs­ vorrichtung im vierten Ausführungsbeispiel, zeigt jedoch einen Zustand, in dem die Betätigungseinrichtung in einem Grobbewegungsmodus abgeschaltet ist.

Fig. 17B zeigt eine Seitenansicht der Gelenkverbindungs­ vorrichtung im vierten Ausführungsbeispiel, zeigt jedoch einen Zustand, in dem die Betätigungseinrichtung einer Krüm­ mungsbewegung während einer schnellen Bewegungsperiode im Grobbewegungsmodus ausgesetzt ist.

Fig. 17C zeigt eine Seitenansicht der Gelenkverbindungs­ vorrichtung im vierten Ausführungsbeispiel zeigt jedoch einen Zustand, in dem die Betätigungseinrichtung während einer Periode mit langsamer Bewegung im Grobbewegungsmodus begradigt ist.

Fig. 18 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Gelenk­ verbindungsvorrichtung in einem fünften Ausführungsbeispiel.

Fig. 19A zeigt eine Seitenansicht der Gelenkverbindungs­ vorrichtung im fünften Ausführungsbeispiel, zeigt jedoch eine Betätigungseinrichtung, wenn sich diese in einem abgeschalte­ ten Zustand befindet.

Fig. 19B zeigt eine Seitenansicht der Gelenkverbindungs­ vorrichtung im fünften Ausführungsbeispiel, zeigt jedoch die Betätigungseinrichtung, wenn diese einer Krümmungsbewegung im Feinbewegungsmodus ausgesetzt ist.

Fig. 20A zeigt eine Seitenansicht der Gelenkverbindungs­ vorrichtung im fünften Ausführungsbeispiel, zeigt jedoch einen Zustand, in dem die Betätigungseinrichtung in einem Grobbewegungsmodus abgeschaltet ist.

Fig. 20B zeigt eine Seitenansicht der Gelenkverbindungs­ vorrichtung im fünften Ausführungsbeispiel, zeigt jedoch einen Zustand, in dem die Betätigungseinrichtung während einer Periode schneller Bewegung im Grobbewegungsmodus einer Krümmungsbewegung ausgesetzt ist.

Fig. 20C zeigt eine Seitenansicht der Gelenkverbindungs­ vorrichtung im fünften Ausführungsbeispiel, zeigt jedoch einen Zustand, in dem die Betätigungseinrichtung während einer Periode langsamer Bewegung im Grobbewegungsmodus begra­ digt ist.

Fig. 21 ist eine schematische Seitenansicht einer Gelenk­ verbindungsvorrichtung in einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 22 ist eine Seitenansicht eines Manipulators in einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Fig. 23 ist eine schematische perspektivische Ansicht ei­ nes Manipulators in einem achten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung.

Fig. 24 ist eine zerlegte perspektivische Ansicht einer Fluidbetätigungseinrichtung im Manipulator in Fig. 23.

Nun wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen be­ schrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel

In Fig. 1 weist eine Gelenkverbindungsvorrichtung ein Grundelement 1 in Form eines stabförmigen Armes auf, der ortsfest ist oder mit einem ortsfesten Element (nicht ge­ zeigt) verbunden ist. Das Grundelement 1 ist an seinem Ende mit einem Halteelementabschnitt 11 versehen, der als eine Schale in Kugelform ausgebildet ist, die eine Öffnung 12 an einer Position, die zum Grundelement 1 entgegengesetzt liegt, hat.

In der Schale 11 ist ein Bewegungselement 2 angeordnet, mit dem ein stabförmiger Arm (oder Finger) 3 in einer solchen Weise fest verbunden ist, daß sich der Finger 3 über die Öff­ nung 12 hinaus nach außen erstreckt. Ein Werkzeug (nicht ge­ zeigt) ist mit dem Arm 3 verbunden, um ein Werkstück (nicht gezeigt) zu bearbeiten. Wie es im Querschnitt der Gelenkver­ bindungsvorrichtung in Fig. 2 gezeigt ist, ist das Bewegungs­ element 2 als kreisförmige Scheibe ausgebildet. Der Halteele­ mentabschnitt 11 hat eine Innenfläche 11a, die Teil einer Vollkugel ist. Das Bewegungselement 2 als kreisförmige Scheibe befindet sich an einer Durchmesserebene der Kugel. Anders ausgedrückt hat das Bewegungselement 2 in Form einer kreisförmigen Scheibe einen Mittelpunkt, der mit dem des Hal­ teelementes 11 zusammenfällt. Somit ist eine Außenumfangsflä­ che des Bewegungselements 2 mit einer Innenkugelfläche 11a des Halteelements in Gleitberührung. Als Ergebnis wird eine Reibungskraft zwischen dem Bewegungselement 2 und dem Halte­ element 11 erzeugt.

Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, erstreckt sich ein Stütz­ element 4 einstückig von einer Endfläche 2a des Bewegungsele­ ments 2 entfernt vom Arm 3 entlang einer Linie H, die zur Ebene des Rotationselements 2 quer verläuft. Das Stützelement 4 ist als eine Platte gestaltet, die einen bestimmten Grad an Elastizität aufweist; das Stützelement 4 ist an seinem ersten Ende mit dem Bewegungselement 2 fest verbunden. Statt die Elastizität im Stützelement 4 vorzusehen, kann es möglich sein, die Konstruktion so vorzunehmen, daß das Bewegungsele­ ment 2 eine Elastizität hat, die gestattet, daß das Element 2 und 4 unter der Wirkung der Trägheitskraft relativ bewegt wird. An einem zweiten Ende entfernt vom Bewegungselement 2 ist das Stützelement 4 in einem rechten Winkel gekrümmt, so daß ein L-förmiger Stützflächenabschnitt 41 ausgebildet wird, mit dem ein Trägheitselement 5 mit gewünschtem Gewicht fest verbunden ist. Eine Baugruppe aus gestapelten Piezoelementen (ein Krümmungsbewegungsgenerator) 63, die als Schwenkwinkel­ änderungseinrichtung arbeitet, ist zwischen dem Bewegungsele­ ment 2 und dem Stützplattenabschnitt 41 angeordnet. Die Bau­ gruppe 63 besteht aus einer Vielzahl von piezoelektrischen Platten in gestapeltem Zustand und ist mit der Treiberschal­ tung 7 elektrisch verbunden. Die Treiberschaltung 7 gibt in einer Weise, die nachstehend erläutert wird, ein elektrisches Signal 7a aus, das bewirkt, daß sich der Stapel in einer Längsrichtung, d. h. in der Stapelrichtung, ausdehnt oder zu­ sammenzieht.

Fig. 3 stellt eine Wellenform, d. h. die Zeit über der Spannung, des Antriebssignals 7a von der Treiberschaltung 7 dar. Wie es Fig. 3 einfach entnommen werden kann setzt sich das Treibersignal 7a aus einer Dreieckswelle mit vorbestimm­ tem Zyklus T zusammen. Und zwar setzt sich ein kompletter Zy­ klus T aus einer ersten (oder vorderen) Periode T₁, bei der der Wert der elektrischen Spannung mit großer Steigung schnell wächst, und aus einer zweiten (oder hinteren) Periode T₂, bei der sich der Wert der elektrischen Spannung mit ge­ ringer Neigung langsam verringert, zusammen. Somit wird eine Verlängerung oder ein Zusammenziehen des Stapels 63, das im wesentlichen zu einer Änderung des elektrischen Stromes über der Wellenform proportional ist, erhalten. Anders ausgedrückt ist der piezoelektrische Stapel 63 während der Periode T₁ einer schnellen Ausdehnung und während der Periode T₂ einem langsamen Zusammenziehen ausgesetzt.

Fig. 4 zeigt die Gelenkverbindungsvorrichtung, wenn sich der piezoelektrische Stapel 63 im verlängerten Zustand befin­ det. Und zwar drückt das Verlängern des piezoelektrischen Stapels 63 das Stützelement 4, damit sich dieses in positive Richtung (entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig. 4) hin und her bewegt. Gemäß Vorbeschreibung wird die Verlängerung des pie­ zoelektrischen Stapels 63 sehr schnell vorgenommen, was ver­ ursacht, daß eine sehr hohe Winkelbeschleunigung in der An­ fangsstufe der Verlängerung erzeugt wird, wie es durch Ab­ schnitte B in Fig. 3 gezeigt ist. Als Ergebnis wird eine große Rückwirkungskraft, die von der Trägheitsmasse des Träg­ heitskörpers 5 abhängt, im Bewegungselement 2 über das Stütz­ element 4 erzeugt. Durch die Tatsache bedingt, daß die Träg­ heitsrückwirkungskraft größer als die stationäre Reibungs­ kraft ist, wird eine Selbstdrehbewegung des Bewegungselements 2 im Uhrzeigersinn, wie es durch einen Pfeil in Fig. 4 ge­ zeigt ist, entgegengesetzt zu der des Stützelements 4 mit einem Winkel θ bezüglich der Linie H begonnen. Und zwar wird das Stützelement um eine Position elastisch gebogen, an der das erste Ende des Stützelements 4 mit dem Bewegungselement 2 verbunden ist. Die Reibungskraft der Bewegungskraft ist nach dem Beginn der Selbstdrehbewegung klein; daher verursacht die Rückwirkungskraft, wenn diese klein ist, daß das Bewegungs­ element 2 seine Bewegung fortführt, so daß eine Selbstdrehung mit einem Winkel, der im wesentlichen gleich dem Hin- und Herbewegungswinkel θ ist, schließlich erhalten wird. Somit führt der Arm 3, der mit dem Bewegungselement 2 fest verbun­ den ist, die Drehbewegung mit dem gleichen Winkel aus. Es ist festzuhalten, daß während dieses Vorgangs der Trägheitskörper 5 im wesentlichen stationär gehalten wird.

Nach dem Beenden der Ausdehnung schließt sich die Phase T₂ des Betriebssignals in Fig. 3 an, die das Zusammenziehen des piezoelektrischen Stapels 63 in langsamer Weise bewirkt. In diesem Fall übersteigt eine Rückwirkungskraft, die im Ro­ tationskörper 2 während der Rückbewegung des Stützelements erzeugt wird, nicht die Reibungskraft zwischen dem Bewegungs­ element 2 und dem Halteelement 11, was verursacht, daß das Bewegungselement 2 im wesentlichen stationär gehalten wird, während der Trägheitskörper 5 im Uhrzeigersinn in Fig. 4 be­ wegt wird.

Kurz gesagt bewirkt das Anlegen des Antriebssignals mit einem sich zyklisch ändernden Spannungspegel an dem pie­ zoelektrischen Stapel, daß sich das Bewegungselement 2 dis­ kontinuierlich im Halteelementabschnitt 11 mit einem Zyklus selbst dreht, der mit dem des Antriebssignals 7a identisch ist, wodurch verursacht wird, daß sich der Arm 3 diskontinu­ ierlich dreht. Somit wird ein Arbeitselement (Werkzeug), das mit dem Arm 3 verbunden ist, ebenfalls entsprechend bewegt.

Bei der Gelenkverbindungsvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung wird die Drehbewegung des Arms 3 durch eine Rückwirkungskraft erzeugt, die vom Trägheitskörper 5 aus wirkt. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung beim Ver­ gleich mit dem Stand der Technik, bei dem ein elektrischer Motor sowie ein Getriebemechanismus verwenden werden, daß die Struktur vereinfacht ist und andererseits die Größe verrin­ gert ist. Ferner liegen beim Antriebsmechanismus keine Pro­ bleme bezüglich Abrieb vor; der erforderliche Genauigkeits­ grad ist nicht zu hoch, was den Zusammenbauprozeß einfach ge­ staltet.

Zweites Ausführungsbeispiel

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein zweites Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung. Das Bewegungselement 2, das im Halteelementabschnitt 11 gespeichert ist, ist aus einer elastisch flexiblen kreisförmigen Scheibe ausgebildet, die aus einem bestimmten Metallmaterial mit relativ kleiner Dicke gefertigt ist. Mit der Innenseitenwand des Bewegungselements 2 ist eine piezoelektrische kreisförmige Scheibe 61 verbun­ den, die aus einem Material, wie zum Beispiel PZT, ausgebil­ det ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei mit gleichen Winkeln beabstandete Schwenkwinkeländerungseinrichtungen 6A, 6B und 6C vorgesehen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Diese Schwenkwinkeländerungseinrichtungen 6A, 6B und 6C bestehen aus drei winklig beabstandeten bogenförmigen Elektrodenplat­ ten 62A, 62B bzw. 62C, die durch Drucken auf die Innenfläche der piezoelektrischen Scheibe 61 ausgebildet sind. Wie es in Fig. 5 gezeigt ist, ist das Stützelement 4 in rechtwinkliger Beziehung auf einem mittleren Plattenteil 6a der piezoelek­ trischen Betätigungseinrichtung angeordnet. Mit einem Ende des Stützelements 4 ist ein Trägheitskörper 5 in Kugelform fest verbunden. Eine Treiberschaltung ähnlich der, die unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel im Hinblick auf Fig. 2 erläutert wurde, ist mit jeder der Elektroden 62A, 62B und 62C verbunden, an die ein Antriebssignal ähnlich dem, wie es unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert wurde, auswählend angelegt wird. Schließlich dient in diesem Ausführungsbei­ spiel das Bewegungselement ebenfalls als Erdungselektrode.

Nun wird der Betrieb des zweiten Ausführungsbeispiels er­ läutert. Und zwar stellt Fig. 7 einen Zustand dar, in dem ein Antriebssignal an die Elektrode 62A angelegt ist, während die Elektroden 62B und 62C abgeschaltet sind. Durch das schnelle Anlegen der elektrischen Spannung während der Periode T₁ in Fig. 3 bedingt ist die piezoelektrische Platte 61 einem schnellen Zusammenziehen ihres Durchmessers an einem Ab­ schnitt ausgesetzt, der zwischen der Elektrodenplatte 62A und der Wandfläche 2a des Bewegungselements 2 schichtweise ange­ ordnet ist. Als Ergebnis wird die Wand 2a des Bewegungsele­ ments 2 an dem Abschnitt einer Krümmung in axial auswärts ge­ richteter Richtung ausgesetzt. Durch ein solches Krümmen be­ dingt wird der mittlere Plattenabschnitt 6a der Betätigungs­ einrichtung, der als Montagefläche des Stützelements 4 dient, gedrückt, so daß sich dieser in einer Richtung zu der Elek­ trodenplatte 62A hin neigt, damit das Stützelement 4 eben­ falls gedrückt wird, damit dieses in diese Richtung (im Uhr­ zeigersinn in Fig. 7) schwenkt. Als Ergebnis wird durch die Trägheit des Trägheitskörpers 5 bedingt im Bewegungselement 2 eine Rückwirkungskraft erzeugt, wodurch verursacht wird, daß sich das Bewegungselement 2 in eine Richtung (entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig. 7) dreht, die zu der Richtung entgegen­ gesetzt ist, in der das Stützelement 4 schwenkt. Als Ergebnis wird eine Drehbewegung des Armelements 3 erhalten.

Bei der Struktur dieses zweiten Ausführungsbeispiels ge­ stattet die Struktur der Schwenkwinkeländerungseinrichtung 6A bis 6C, daß das Stützelement 4 in einer Vielzahl (3) von Durchmesserebenen schwingt. Anders ausgedrückt kann eine Drehbewegung des Armelements in jeder der verschiedenen Durchmesserebenen erhalten werden.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel gestattet eine Erhöhung der Anzahl der Teilungen der Elektroden, daß die mögliche An­ zahl der Richtungen der Bewegung des Arms 3 auf eine Anzahl von mehr als 3 erhöht wird. Bei einer solchen erweiterten un­ terteilten Struktur gestattet eine geeignete Einstellung der Spannung des Antriebssignals, das an die jeweiligen Elektro­ den angelegt ist, die sich benachbart zueinander befinden, daß sich der Plattenabschnitt 2a des Bewegungselements 2 in eine gewünschte Richtung biegt, um das Schwenken des Stütz­ elements 4 zu gestatten. Als Ergebnis kann das Armelement 3 in eine gewünschte Richtung gedreht werden.

Ferner ist es bei diesem Ausführungsbeispiel möglich, eine Schaltung vorzusehen, die einen Spannungspegel und ein Ausgabezeitverhalten von Antriebssignalen, die Treiberschal­ tungen zugeführt werden, die mit den jeweiligen Elektroden verbunden sind, in einer solchen Weise steuert, daß das Stützelement 4 um einen vorbestimmten festen Betrag in der Durchmesserebene geschwenkt wird, während in aufeinanderfol­ gender Weise ein Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden, die zueinander benachbart sind, gesteuert wird. Durch eine solche aufeinander folgende Steuerung des Anlegens der elektrischen Spannung bedingt ist es möglich, daß sich in Umfangsrichtung des Bewegungselementes 2 das Stützelement 4 in positiver Richtung schnell und in negativer Richtung lang­ sam bewegt. Als Ergebnis wird das Bewegungselement 2 gedreht, während die Neigung von diesem unverändert ist, wodurch ge­ stattet wird, daß sich das Armelement 3 um seine eigene Achse selbst dreht.

Drittes Ausführungsbeispiel

In Fig. 8 ist eine Schwenkwinkeländerungseinrichtung 6 aus einer Vielzahl von Metallplatten 64A bis 64H mit U-förmi­ gem Querschnitt aufgebaut, wobei mit jeder von diesen ein piezoelektrisches Plattenelement 61 verbunden ist (befestigt ist). Die Metallplatten 64A bis 64H mit den piezoelektrischen Elementen 61 sind in einer solchen Weise gestapelt, daß die piezoelektrischen Elemente 61 zwischen den benachbarten Plat­ ten zueinander zeigen. Eine solche Struktur der piezoelektri­ schen Elemente 61 an der Metallplatte wird gewöhnlich unimor­ phe Struktur genannt.

In diesem Ausführungsbeispiel sind die Metallplatten, die zueinander benachbart sind, mittels Verbindungsstücken 64-1 miteinander verbunden. Ein Stützelement 4 ist mit einem Mit­ telabschnitt einer Außenflächenwand des Krümmungsbewegungsge­ nerators verbunden. Ein Trägheitskörper 5 wird durch das Stützelement 4 gestützt. Somit arbeiten die Metallplatten 64A bis 64H als Stütze des Trägheitskörpers 5, während gestattet wird, daß das Bewegungselement 2 und der Trägheitskörper 5 miteinander schwenken.

Das Anlegen eines Spannungsantriebssignals an Elektroden (nicht gezeigt), die an den piezoelektrischen Platten 61 aus­ gebildet sind, verursacht, daß sich ihr Durchmesser schnell zusammenzieht, was ein Krümmen der Metallplatten 64A bis 64H (zueinander hin) bewirkt, wie es in Fig. 9 gezeigt ist. Durch die Tatsache bedingt, daß die Metallplatten 64A bis 64H an den Punkten 64-1 miteinander verbunden sind, werden die Ver­ schiebungen der Metallplatten 64A bis 64H addiert, so daß der Montageabschnitt 6a des Stützelements 4 stark geneigt wird, wodurch verursacht wird, daß das Stützelement 4 zum Schwenken gedrückt wird. Somit erzeugt die Trägheit des Trägheitskör­ pers 5 eine Rückwirkungskraft im Bewegungselement, was verur­ sacht, daß das Bewegungselement 2 einer Selbstdrehbewegung ausgesetzt wird, wodurch das Drehen des Armelements 3 verur­ sacht wird. Mit diesem Ausführungsbeispiel können ebenfalls Vorteile erhalten werden, wie diese unter Bezugnahme auf das erste und zweite Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Dar­ über hinaus wird durch die starre Struktur piezoelektrischer Elemente bedingt ein erhöhter Betrag der Verschiebung der Krümmungsbewegungsgeneratoreinrichtung erhalten.

In den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen wird, damit eine Selbstdrehbewegung des Bewegungselements erhalten wird, ein Spannungspegel des Antriebssignals 7a zum Betätigen des piezoelektrischen Elements bei einer ersten Periode T₁ verglichen mit einer späteren T₂ in einen Zyklus T des Si­ gnals steil erhöht. Statt dessen kann ein steiler Anstieg zu einer späteren Periode bezüglich einer vorderen Periode in einem Zyklus des Betriebssignals erhalten werden, um eine Selbstdrehbewegung des Bewegungselements 2 zu erhalten.

Darüber hinaus muß die Wellenform des Antriebssignals 7a nicht notwendigerweise Dreiecksform haben. Zum Beispiel kann die Verringerung des Spannungspegels entlang einer quadrati­ schen Kurve vorgenommen werden, die einen gleichmäßigen Grad an Beschleunigung hervorrufen kann. Anders ausgedrückt kann jede Steuerung verwendet werden, solange eine Steuerung der Rückwirkungskraft im Bewegungselement ausgeführt werden kann, so daß die Rückwirkungskraft periodisch eine statische Rei­ bungskraft des Bewegungselements 2 übersteigt. Darüber hinaus muß das Bewegungselement nicht notwendigerweise diskontinu­ ierlich gedreht werden. Wenn eine einzelne Drehbewegung des Bewegungselements 2 ausreichend ist, muß das Antriebssignal 7a nicht notwendigerweise zyklisch sein.

Darüber hinaus muß, wenn die Drehbewegung des Bewegungs­ elements in einer Ebene ausgeführt wird, das Halteelement 11 nicht notwendigerweise Kugelform haben, das heißt, daß das Halteelement 11 ausreichend ist, wenn dieses in der Drehebene einen bogenartigen Querschnitt hat.

Schließlich kann das Stützelement 4 an einer Seite des Bewegungselements 2 benachbart zum Arm 3 montiert sein. Und zwar kann in diesem Fall der Arm als Trägheitskörper arbei­ ten, was bei seiner vereinfachten Struktur stark vorteilhaft ist. Ferner ist eine Struktur ebenfalls möglich, bei der das Stützelement 4 selbst als Trägheitskörper arbeitet.

Viertes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 10 bis 17 zeigen ein viertes Ausführungsbei­ spiel einer Verbindungsvorrichtung der vorliegenden Erfin­ dung. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Fähig­ keit zur Auswahl der Bewegung zwischen einer Feinbewegung und einer Grobbewegung. Fig. 10 zeigt eine Anwendung der vorlie­ genden Erfindung auf einen Mikromanipulator, der aufweist: eine Gelenkverbindungsvorrichtung (Finger) 100, ein Finger­ element 102 an einem Ende der Gelenkverbindungseinrichtung 100, einen Arm 103 zum Stützen der Gelenkverbindungsvorrich­ tung 100, einen Ständer 105 zum drehbaren Stützen des Armes 103 um einen Stift 104 und eine Grundelementplatte 106 zum Stützen des Ständers 105, so daß sich dieser vertikal er­ streckt. Ein Werkstück 107, das der Bearbeitung durch den Ma­ nipulator ausgesetzt werden soll, ist an der Grundelement­ platte 106 montiert.

Die Gelenkverbindungsvorrichtung 100 besteht aus einem Krümmungsbewegungsgenerator, der eine Betätigungseinrichtung 110 (einen Stapel piezoelektrischer Elemente), eine Gelenk­ verbindungseinheit 120 und einen Trägheitskörper 130 auf­ weist. Der Krümmungsbewegungsgenerator 110 hat ein Ende, das mit dem Trägheitskörper 130 in Verbindung steht, mit dem das Fingerelement 102 verbunden ist. Das Fingerelement 102 ist insbesondere als ein Werkzeug ausgebildet, daß das Werkstück bearbeitet, wie z. B. eine Mikronadel, eine Mikroklinge oder eine Mikrokapillare.

Die Gelenkverbindungseinheit 120 besteht aus einem Bewe­ gungselement 121 mit kugelartiger Gestalt und einem Halteele­ ment (Gehäuse) 122, in dem das Bewegungselement 121 unter Reibungskraft gehalten wird. Vom kugelförmigen Bewegungsele­ ment 121 erstreckt sich ein Stützelement 121b mit einem be­ stimmten Grad an Steifigkeit nach außen. Ein Flanschabschnitt 121c mit dem gleichen Grad an Steifigkeit wie der des Stab­ elements 121b ist mit einem Ende des Stützelements 121b ent­ fernt vom kugelförmigen Bewegungselement 121 fest verbunden. Die Betätigungseinrichtung oder der Generator 110 als ein Stapel piezoelektrischer Elemente ist an einem Ende entfernt vom Finger 102 mit dem Flanschabschnitt 121 fest verbunden.

In Fig. 10 ist das Halteelement 122 der Gelenkverbin­ dungsvorrichtung 100 mit einer Aussparung 122-1 versehen, in der das kugelförmige Bewegungselement 121 aufgenommen ist. Und zwar hat der Halteabschnitt 122 eine Innenfläche 122a, die mit dem kugelförmigen Bewegungselement 121 in Reibungs­ kontakt steht. Die Gelenkverbindungsvorrichtung 100 ist wei­ ter mit einer Druckplatte oder einem Bremselement 122b, die/das mit dem Bewegungselement 121 in Berührung steht, und einer Feder 122c versehen, die eine Kraft erzeugt, die das Bewegungselement 121 in Gleitkontakt mit der Oberfläche 122a drückt. Der Kontakt des Bewegungselements 121 mit der Gleit­ fläche 122a durch die Feder 122c erzeugt eine Reibungskraft zwischen dem Bewegungselement 121 und der Oberfläche 122a des Elements 122. Eine Einstellschraube 122d ist am Ende des Hal­ teelements 122 vorgesehen, was eine Einstellung der Verschie­ bung der Feder 122c gestattet, wodurch die Reibungskraft (Bremskraft) zwischen dem Bewegungselement 122 und der Gleit­ fläche 122a eingestellt wird.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 10 wird das Bewegungsele­ ment 121 mit kugelförmiger Gestalt, das sich mit der kugel­ förmigen Fläche 122a der Halteeinrichtung 122 in Gleitberüh­ rung befindet, zum Erhalten einer Bewegung der Gelenkverbin­ dungseinheit 120 mit zwei Freiheitsgraden, das heißt einer Bewegung sowohl in X- als auch in Y-Richtung, verwendet. Es wird auf Fig. 11 verwiesen. Wenn jedoch nur eine mehrdirek­ tionale Bewegung in X- oder Y-Richtung (Freiheitsgrad der Be­ wegung ist 1) notwendig ist, kann statt des kugelförmigen Elements 121 ein kreisförmiges zylindrisches Gleitelement verwendet werden.

Ähnlich dem Ausführungsbeispiel in Fig. 8 besteht der Krümmungsbewegungsgenerator 110 aus einem Stapel einer Viel­ zahl von piezoelektrischen Einheiten 111 von denen jede aus einer piezo-unimorphen oder piezo-bimorphen Einheit ausgebil­ det ist. Und zwar weist, wie es in Fig. 12 gezeigt ist, jede piezoelektrische Einheit 111 piezoelektrische Elementeinheit 111-1, die aus piezo-unimorphem oder piezo-bimorphem Material gefertigt sind, Metallstützplatten 111b, auf denen piezoelek­ trische Elemente 111-1 ausgebildet sind, Abstandselemente 112, die die Stützplatten 111b miteinander verbinden, und Elektroden 111ca, 111cb und 111cc auf den piezoelektrischen Elementen 111-1 auf, die zu den Grundelementplatten 111b ent­ gegengesetzt liegen. Die piezoelektrischen Elemente 111-1 in der Einheit 111 sowie die Elektroden 111ca, 111cb und 111cc sind so angeordnet, daß diese zueinander weisen. Wie es in Fig. 13A gezeigt ist, bilden die Elektroden 111ca, 111cb und 111cc auf jedem der piezoelektrischen Elemente 111-1 einen Vollkreisschlitz entlang drei mit gleichen Winkeln beabstan­ deten Linien. Anders ausgedrückt bildet jede der Elektroden 111ca, 111cb und 111cc die Form eines Fächers mit einer Win­ kelausdehnung von im wesentlichen 120°. Und zwar kann das piezoelektrische Element 111-1 nur an 3 in Umfangsrichtung beabstandeten Positionen elektrisch geladen werden.

Das piezoelektrische Element 111-1 hält seine flache Form, wie diese in Fig. 14A gezeigt ist, im nicht erregten Zustand aufrecht. Wenn eine Spannungsdifferenz E zwischen der Metallgrundelementplatte 111b und zumindest einer der Elek­ troden 111ca, 111cb und 111cc erzeugt wird, wird ein Ab­ schnitt des piezoelektrischen Elementes 111-1, der der erreg­ ten Elektrode entspricht, quer zur Ebene des piezoelektri­ schen Elementes 111-1 verschoben. Und zwar wird z. B. eine solche Spannungsdifferenz E zwischen die Grundelementplatte 111b und die Elektrode 111ca, wie es in Fig. 13B gezeigt ist, angelegt; der Abschnitt des piezoelektrischen Elementes 111-1 wird in Querrichtung verschoben, das heißt, das piezoelektri­ sche Element wird konvex, wie es in Fig. 14B gezeigt ist. An­ ders ausgedrückt wird eine axial symmetrische Verformung des piezoelektrischen Elementes erhalten. Im Gegensatz dazu wird, wenn die gleiche Spannungsdifferenz zwischen die Metallgrund­ elementplatte 111b und jede der Elektroden 111ca, 111cb und 111cc angelegt wird, eine axial symmetrische Verformung des piezoelektrischen Elementes erhalten.

Wie es in Fig. 12 gezeigt ist, sind bei jeder der pie­ zoelektrischen Einheiten 111 die piezoelektrischen Elemente 111-1 zueinanderweisend angeordnet, während die piezoelektri­ schen Elemente 111-1 mittels den Abstandselementen 112, die aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sind, miteinander verbunden sind.

Wie es in Fig. 15A gezeigt ist, sind bei der gestapelten Struktur 110 die piezoelektrischen Einheiten 111 gestapelt, während Abstandselemente 113, die aus elektrisch isolierendem Material gefertigt sind, zwischen den piezoelektrischen Ein­ heiten 111 angeordnet sind, die zueinander benachbart sind. Darüber hinaus ist der gestapelte Zustand der piezoelektri­ schen Einheiten 100 ein solcher, bei dem die Abschnitte der piezoelektrischen Elemente 111-1, die axial asymmetrischer Verformung ausgesetzt sind, entlang der Axialrichtung ausge­ richtet sind. Anders ausgedrückt sind zwischen den piezoelek­ trischen Elementen 111-1, die zueinander benachbart sind, die Elektroden 111ca, 111cb und 111cc axial ausgerichtet angeord­ net.

In einem nicht erregten Zustand befindet sich der Stapel 110 der piezoelektrischen Einheiten 111 in einem geraden und zusammengezogenen Zustand. Ein Auftreten einer Differenz der elektrischen Spannung zwischen der Metallplatte 111b und den Elektroden 111ca, 111cb bzw. 111cc in jeder der Einheiten verursacht, daß die piezoelektrischen Elemente 111-1 asymme­ trisch verschoben werden (nach außen konvex gestaltet) und zwar an Orten, die den erregten Elektroden entsprechen. Sol­ che asymmetrischen Verschiebungen der piezoelektrischen Ele­ mente zwischen den Einheiten 111 werden durch die Tatsache summiert, daß die Einheiten 111 mittels Verbindungselementen 113 miteinander verbunden sind und daß die Elektroden 111ca, 111cb oder 111cc, die zwischen den Einheiten 111 im Stapel 110 axial ausgerichtet sind, erregt sind. Als Ergebnis wird eine Krümmungsbewegung des Stapels 110 in eine Richtung, die durch einen Pfeil X oder Y in Fig. 15B gezeigt ist, erhalten. Im Gegensatz dazu werden, wenn die gleiche Spannungsdifferenz zwischen die Metallgrundelementplatten 111b und alle Elektro­ den 111ca, 111cb und 111cc angelegt wird, alle piezoelektri­ schen Elemente 111-1 zwischen dem Stapel 110 der Einheiten 111 axial und symmetrisch verschoben oder konvex gestaltet, wobei eine Summierung auftritt. Als Ergebnis wird eine Ver­ längerung des Stapels 110 der Einheiten 111 in Axialrichtung Z erhalten, wie es in Fig. 15C gezeigt ist.

Es wird nun der Betrieb der Gelenkverbindungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die bei­ liegenden Zeichnungen erläutert. Wenn eine feinstufige Mani­ pulation notwendig ist, wird ein Antriebssignal, dessen Span­ nung allmählich verändert wird, an ausgewählte piezo-unimor­ phe Elemente angelegt, was verursacht, daß der Stapel (Krümmungsbewegungsgenerator) 110 langsam gebogen wird, wie es in Fig. 15B gezeigt ist. Der Trägheitskörper 130 (Fig. 10) am Ende des Stapels der piezoelektrischen Elemente kann einer solchen Krümmungsbewegung folgen, die langsam auftritt, so daß die langsame Bewegung des Trägheitskörpers 130 in eine Richtung erhalten wird, wie diese durch einen Pfeil in Fig. 16A gezeigt ist, die zur Achse Z des Stapels 110 quer ver­ läuft und die Richtung X oder Y in Fig. 15B entspricht. An­ ders ausgedrückt wird eine Feinbewegung des Trägheitskörpers 130, die in einem gestatteten Bereich der Biegebewegung des Stapels 110 der piezoelektrischen Elemente 111 liegt, erhal­ ten.

Wenn eine Feinmanipulation in Axialrichtung Z notwendig ist, wird der Stapel 110 der piezoelektrischen Elemente 111 in eine Axialrichtung ausgedehnt oder zusammengezogen, wie es in Fig. 15C gezeigt ist. In diesem Fall verursacht die Line­ arbewegung des Stapels 110, daß sich der Trägheitskörper 130 ebenfalls in diese Richtung bewegt. Eine solche Verlänge­ rungs- oder Zusammenziehbewegung in Axialrichtung Z kann ebenfalls ausgeführt werden, wenn eine schnelle Manipulation notwendig ist.

Es ist festzuhalten, daß eine Relativpositionsänderung zwischen dem Bewegungselement 121 und dem Stützelement 122 während einer solchen Feinmanipulation mit geringer Geschwin­ digkeit nicht auftritt. Darüber hinaus ist eine Maximallänge der Bewegung des Trägheitskörpers 130 im gestatteten Bereich der Krümmungsbewegung des Stapels der piezoelektrischen Ele­ mente 111 begrenzt. Und zwar kann eine Feinbewegung des Träg­ heitskörpers 130 in der Größenordnung eines Mikrometers oder eines Nanometers erhalten werden.

Wenn es erforderlich ist, daß der Trägheitskörper 130 we­ sentlich schneller bewegt wird, daß heißt, wenn eine Grobbe­ wegung, die die Grenze der durch das Krümmen der Betätigungs­ einrichtung 110 erzeugten Bewegung übersteigt, notwendig ist, hat ein Signal, das an die Betätigungseinrichtung 110 ange­ legt wird, in einem Zyklus eine Differenz zwischen einer An­ stiegsperiode T₁ und einer Abfallperiode T₂, wie es in Fig. 3 bezüglich dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Während der Periode, in der eine Spannung mit einem sich schnell än­ dernden Wert an den Stapel 110 der piezoelektrischen Einhei­ ten angelegt wird, wird eine Krümmungsbewegung des Stapels von einem Ruhezustand, wie dieser in Fig. 17A gezeigt ist, zu einem Biegezustand wie dieser in Fig. 17B gezeigt ist, erhal­ ten. Eine solche Krümmungsbewegung des Stapels 110 tritt sehr schnell auf, so daß der Trägheitskörper 130 am Ende des Sta­ pels 110 durch die Trägheit des Trägheitskörpers 130 bedingt nicht sofort der schnellen Bewegung des Endes des Stapels 110 folgen kann, was verursacht, daß es wahrscheinlich ist, daß der Körper 130 an einem Ort, an dem sich der Körper 130 zu Anfang befunden hat, wie es in Fig. 17B gezeigt ist, ver­ bleibt. Als Ergebnis tritt eine beliebige beträchtliche Bewe­ gung des Trägheitskörpers nicht auf oder die Bewegung ist sehr gering, was verursacht, daß eine Rückwirkungskraft im Bewegungselement 121 erzeugt wird, die dieses zur Drehung drängt. Wenn diese Rückwirkungskraft größer als eine Rei­ bungskraft zwischen der Außenfläche des Bewegungselementes 121 und der Innenfläche des Gehäuses 122 ist, tritt eine Gleitbewegung des Bewegungselementes 121 bezüglich dem Ge­ häuse 122 auf, das heißt, daß das Bewegungselement 121 im Ge­ häuse 120 gedreht wird. Als Ergebnis wird der piezoelektri­ sche Stapel 110 an seinem Fußabschnitt gebogen, an dem der Stapel 110 mit dem Verbindungselement verbunden ist, wie es in Fig. 17B gezeigt ist.

Dann wird in der zweiten Periode T₂ im Zyklus T des Be­ triebssignals, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, in der die elek­ trische Spannung, die an den Stapel 110 angelegt wird, lang­ sam verringert wird, der Stapel langsam in seinen geraden Zu­ stand zurückgeführt. Durch die Bewegung mit langsamer Ge­ schwindigkeit des Stapels 110 bedingt kann der Trägheitskör­ per 130 der Bewegung des Endes des Stapels 110 nicht folgen, so daß verhindert wird, daß das Bewegungselement 121 bezüg­ lich dem Halteelement 120 gedreht wird. Als Ergebnis wird der Trägheitskörper 130 auf der Achse des Stapels 110 posi­ tioniert, wie es in Fig. 17C gezeigt wird. Da sich das Bewe­ gungselement 120 an einem Ort befindet, der bezüglich der Ur­ sprungsposition, die in Fig. 17A gezeigt ist, gedreht ist, wird die Linie, entlang der sich der Stapel 110 nun ausdehnt, bezüglich der Richtung, entlang der sich der Stapel 100 ur­ sprünglich ausgerichtet hat, geneigt. Kurz gesagt wird von der Ursprungsposition, wie diese in Fig. 17A gezeigt ist, ein Betrag einer Bewegung in eine Richtung x oder y erhalten.

Ein Wiederholen des vorstehend genannten Schrittes in den Fig. 17A bis 17C verursacht, daß die Bewegung des Krümmens des Stapels 110 summiert oder gesammelt wird, wodurch eine Bewegung des Trägheitskörpers 130 erhalten wird, die größer als eine Bewegung ist, die durch eine einzelne Krümmungsbewe­ gung der Betätigungseinrichtung 110 erhalten wird. Somit wird eine Grobbewegung zu einer gewünschten Position möglich.

Ferner kann eine aufeinanderfolgende Erregung des Stabes 110 der piezoelektrischen Elemente in der Reihenfolge der Elektroden 111ca, 111cb und 111cc verwendet werden. In diesem Fall wird eine Oszillationsbewegung des Stabes 110 erhalten, wodurch verursacht wird, daß der Trägheitskörper 130 einer Rotationsbewegung um eine Achse unterworfen wird, die von der Achse des Trägheitskörpers 130 einwärts beabstandet ist.

Im vorstehenden Ausführungsbeispiel wird in einem Zyklus T des Betriebssignals in Fig. 3 das Einrichten in der ersten Halbperiode schnell ausgeführt, während das Reduzieren in der zweiten Halbperiode langsam ausgeführt wird, wodurch eine Differenz zwischen der Einrichtzeit und der Reduzierzeit er­ halten wird. Statt eines solchen Betriebes kann jedoch das Einrichten langsam ausgeführt werden, während das Reduzieren schnell vollzogen wird, um eine ähnliche Wirkung zu erhalten.

Es ist jedoch festzuhalten, daß die Länge der Bewegung des Trägheitskörpers 130 pro Grobbewegung der Betätigungsein­ richtung von zahlreichen Faktoren abhängt, wie zum Beispiel einem Abstand zwischen dem Ende des Trägheitskörpers 130 und der Gelenkverbindungseinheit 120, einer Größe der Schwingung des Trägheitskörpers 130, einem Gewicht des Trägheitskörpers 130 und einem Reibungszustand zwischen dem Bewegungselement 121 und dem Halteelement 122 in der Gelenkverbindungseinrich­ tung 120. Somit werden diese Faktoren in geeigneter Weise ausgewählt, so daß eine gewünschte Länge der Bewegung in einem Grobbewegungsmodus erhalten wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel des Mikromanipulators, der mit einem Arbeitselement (Finger) 102 am Ende des Trägheits­ körpers versehen ist, ist das Arbeitselement 102 einer Bewe­ gung unterworfen, die mit der des Trägheitskörpers 130 iden­ tisch ist. Und zwar wird während einer langsamen Krümmungs­ bewegung der Betätigungseinrichtung 110 (Stapel piezoelektri­ scher Elemente) eine Fein- oder Mikrobewegung des Arbeitsele­ mentes 102 erhalten. Im Gegensatz dazu wird während einer schnellen Krümmungsbewegung eine Grobbewegung des Arbeitsele­ mentes 102 erhalten, die außerhalb des Bereiches der Krüm­ mungsbewegung der Betätigungseinrichtung 110 liegt.

Kurz gesagt wird entsprechend diesem Ausführungsbeispiel eine genaue Positionierung des Arbeitselementes 100, wie zum Beispiel einer Mikronadel, einer Mikroschneideinrichtung oder einer Mikrokapillare bezüglich dem Werkstück 107 erhalten. Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel der Krümmungsbewe­ gungsgenerator als ein Stapel der piezoelektrischen Elemente aufgebaut, was eine Vereinfachung der Konstruktion und eine kompaktere Gestaltung von dieser sowie eine Verringerung des Gewichts gestattet. Ferner kann die elektrische Schaltung zum Betätigen der Betätigungseinrichtung 110 ebenfalls verein­ facht werden.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Fig. 18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mi­ kromanipulators entsprechend der vorliegenden Erfindung. Das Ausführungsbeispiel ist, um eine Krümmungsbewegung zu erhal­ ten, durch eine Betätigungseinrichtung 110A vom herkömmlichen Typ eines Stapels piezoelektrischer Elemente gekennzeichnet, wobei eine teleskopische Bewegung nur ausgeführt werden kann. Die lineare teleskopische Betätigungseinrichtung 110A ist aus einem Stapel plattenförmiger piezoelektrischer Elemente ge­ bildet, von denen jedes an beiden Seiten Elektroden hat, an die elektrische Spannung angelegt wird, obwohl ein detail­ lierte Darstellung nicht erfolgt. Das Anlegen von elektri­ scher Spannung verursacht, daß sich die piezoelektrischen Elemente in eine Richtung der Dicke der Elemente verlängern. Wie es in Fig. 18 gezeigt ist, werden drei solche Betäti­ 432rgungseinrichtungen 110A verwendet, so daß diese mit einem Winkel von 120° zueinander beabstandet sind, wodurch ein Krümmungsbewegungsgenerator in diesem Ausführungsbeispiel er­ halten wird. Wie es in Fig. 18 gezeigt ist, erstrecken sich Betätigungseinrichtungen 110A vom Flanschelement 121c paral­ lel zueinander und senkrecht zur Ebene des Flansches 121c. Jede Betätigungseinrichtung 110A hat an ihrem Ende entfernt vom Flanschelement 121c Gelenkelemente 141, die am platten­ förmigen Hebelelement 142 mittels Hülsenabschnitten 142-1, die sich an der Position des Elementes 142, die von seiner Mittelachse beabstandet ist, befinden, gelenkig gelagert sind. Als Ergebnis dieser Anordnung wird eine relative ge­ neigte Bewegung des plattenförmigen Hebelelements 142 bezüg­ lich den Betätigungseinrichtungen 110A gestattet. Eine ge­ streckte Feder 143 ist entlang der Mittelachse angeordnet und hat ein erstes Ende, das mit dem Flanschelement 121c verbun­ den ist, und ein zweites Ende, das mit dem Hebelelement 142 verbunden ist. Als Ergebnis wird eine voreingestellte Last, die der Streckkraft der Feder entspricht, in der Betätigungs­ einrichtung 110A erzeugt.

Der Trägheitskörper 130 ist mit dem Hebelelement 142 ver­ bunden. Als Ergebnis wirken die Krümmungsbewegungsgenerato­ ren, die durch die drei Betätigungseinrichtungen 110A, den Trägheitskörper 130 und das Gelenkverbindungssegment 120 ge­ bildet sind, miteinander zusammen, um einen Manipulator zu bilden.

Beim Betrieb der Gelenkverbindungsvorrichtung 100 ent­ sprechend diesem Ausführungsbeispiel wird/werden von den drei Betätigungseinrichtungen 110A eine oder zwei der Betätigungs­ einrichtungen 110A mit einem Signal einer elektrischen Span­ nung gespeist, was verursacht, daß sich diese verlän­ gert/verlängern, während die verbleibende Betätigungseinrich­ tung oder die verbleibenden Betätigungseinrichtungen nicht verlängert wird/werden. Anders ausgedrückt wird/werden von den drei Positionen, die sich von der Mittelachse beabstandet befinden, eine Position oder zwei Positionen der Kraft ausge­ setzt, die an der Betätigungseinrichtung oder den Betäti­ gungseinrichtungen bei Erregung erzeugt wird. Als Ergebnis einer solchen positionierten Verteilung der Ausdehnungskraft wird eine Neigung des Hebelelements 42 erzeugt. Und zwar wird der Trägheitskörper 130 von einer geraden Position, wie diese in Fig. 19A gezeigt ist, zu einer geneigten Position, wie diese in Fig. 19B gezeigt ist, in Richtung x oder y bewegt.

Da der Betrag der Verlängerung oder des Zusammenziehens der piezoelektrischen Betätigungseinrichtungen 110A gewöhn­ lich ungefähr ein Vielfaches von 10 mm beträgt, verursacht selbst die Verwendung einer Verstärkungseinrichtung, die die Gelenkelemente 141 und dem plattenförmigen Hebel 142 auf­ weist, daß ein Betrag der Bewegung des Trägheitskörpers 130 höchstens ungefähr ein Vielfaches von 100 mm beträgt. Somit gestattet ein kontrolliertes und langsames Anlegen von elek­ trischer Spannung an die Betätigungseinrichtungen 110A das Ausführen einer Mikromanipulation.

Wenn ferner ein Dreieckswellensignal, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, an ein oder zwei der Betätigungseinrichtung 110A (ein Stapel oder Stapel von piezoelektrischen Elementen) an­ gelegt wird, verursacht ein schneller Anstieg des Spannungs­ pegels während der Periode T₁, daß sich die Betätigungsein­ richtung/die Betätigungseinrichtungen 110A plötzlich verlän­ gert/verlängern. Durch die große Trägheit des Trägheitskör­ pers 130 ist es wahrscheinlich, daß der Trägheitskörper 130 seine eigene Position, das heißt die Position des Hebels 142, aufrechterhält, so daß eine Rückwirkungskraft im Bewegungs­ körper 121 im Halteelement 121 erzeugt wird und die Reibungs­ kraft zwischen den Teilen 121 und 122 überwindet, was gestat­ tet, daß sich die Kugel 121a von einer Position, wie dies in Fig. 20A gezeigt ist, in eine Position, wie dies in Fig. 20B gezeigt ist, dreht.

Eine allmähliche Verringerung des Spannungspegels während der zweiten Halbperiode T₂ des Antriebssignals in Fig. 3 ge­ stattet, daß die Betätigungseinrichtung/die Betätigungsein­ richtungen 110A zusammengezogen wird/werden, während gestat­ tet wird, daß der Trägheitskörper 130 sowie das Arbeitswerk­ zeug 102 der Bewegung des Endes der Betätigungseinrich­ tung/der Enden der Betätigungseinrichtungen 110A folgen, wie es in Fig. 20C gezeigt ist. Anders ausgedrückt wird verhin­ dert, daß das Bewegungselement 121 im Halteelement 122 bewegt wird, während der Trägheitskörper 130 sowie das Arbeitswerk­ zeug 102 entlang der Gelenkverbindungsvorrichtung 100 posi­ tioniert werden. Kurz gesagt wird eine grobe oder große Bewe­ gung des Trägheitskörpers von der neutralen Position in die x- oder y-Richtung erhalten.

Das Anlegen des dreieckförmigen Signals in Fig. 3 verur­ sacht, daß eine Wiederholung der vorstehend genannten schnel­ len und langsamen Bewegung auftritt, was gestattet, daß der Trägheitskörper sich über den Betrag der Krümmungsbewegung der Betätigungseinrichtung 110A hinaus bewegt und zu einer gewünschten Sollposition grob bewegt wird.

In diesem Ausführungsbeispiel verursacht das aufeinander­ folgende Anlegen des elektrischen Signals an die drei Betäti­ gungseinrichtungen 110A in der Reihenfolge des Umfangs, daß die Gelenkverbindungsvorrichtung 100, das heißt der Träg­ heitskörper 130, einer Oszillationsbewegung ausgesetzt wird.

Ferner verursacht ein gleichzeitiges Anlegen des Span­ nungssignals an alle der drei Betätigungseinrichtungen 110A, daß sich diese gleichzeitig verlängern, wodurch verursacht wird, daß sich der Trägheitskörper 130 axial bewegt.

Kurz gesagt gestattet ein Mikromanipulator, der mit dem Finger 102 am Ende des Krümmungsbewegungsmanipulators 110 versehen ist, daß der Finger 102 auswählend einer Feinbewe­ gung oder einer Grobbewegung ausgesetzt wird.

Im vorstehend erläuterten fünften Ausführungsbeispiel werden, um eine Krümmungsbewegung in X- oder Y-Richtung sowie eine Verlängerungsbewegung in Z-Richtung zu erhalten, drei piezoelektrische Betätigungseinrichtungen 110A verwendet. Wenn jedoch nur eine Krümmungsbewegung in X- oder Y-Richtung erforderlich ist, ist eine einzelne piezoelektrische Betäti­ gungseinrichtung ausreichend. Wenn ferner eine Krümmungsbewe­ gung in eine X- oder Y-Richtung und eine Verlängerungsbewe­ gung in die Z-Richtung notwendig sind, sind zwei piezoelek­ trische Betätigungseinrichtungen ausreichend. Im letzten Fall ist jedoch eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung, die nur die Axialverlängerung bewirkt, notwendig, während sich die andere Betätigungseinrichtung an einer Position beabstan­ det von der Mittelachse befindet, was es gestattet, daß sich der plattenförmige Hebel 142 neigt.

Im fünften Ausführungsbeispiel kann der Krümmungsbewe­ gungsgenerator 110 der Gelenkverbindungsvorrichtung 100 aus der gestapelten Betätigungseinrichtung bestehen, wie diese unter Bezugnahme auf das vierte Ausführungsbeispiel erläutert wurde. Und zwar besteht in diesem Fall die Betätigungsein­ richtung wie in den Fig. 11 und 12 aus einem Stapel pie­ zoelektrischer Einheiten 111, von denen jede aus piezo-uni­ morphen oder piezo-bimorphen Elemente besteht. Im Unterschied zum vierten Ausführungsbeispiel ist jedoch jede der Betäti­ gungseinrichtungen 110A im fünften Ausführungsbeispielen in Fig. 18 nur der axialen Verlängerungsbewegung ausgesetzt, das heißt jegliche Krümmungsbewegung ist für jede der Betäti­ gungseinrichtungen nicht notwendig. Somit ist die bezüglich des Winkels unterteilte Struktur der Elektroden, wie diese unter Bezugnahme auf die Fig. 13A und 13B erläutert wurde, nicht notwendig. Anders ausgedrückt würde nur eine Elektrode an einer Seitenfläche des piezoelektrischen Elementes ange­ ordnet sein.

Schließlich kann in diesem fünften Ausführungsbeispiel die Funktion des plattenförmigen Hebels in den Trägheitskör­ per 130 aufgenommen werden.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Fig. 21 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel ist durch eine erste und zweite Gelenkverbindungsvorrichtung 200 und 300 gekennzeichnet, die miteinander in Reihe verbunden sind. Und zwar hat die Gelenkverbindungsvorrichtung 200 der ersten Stufe die gleiche Struktur wie das vierte Ausführungsbeispiel in Fig. 10. Anders ausgedrückt hat die Gelenkverbindungsvor­ richtung 200 der ersten Stufe eine Struktur, die der der Ge­ lenkverbindungsvorrichtung 100 im vierten Ausführungsbeispiel ähnlich ist, und besteht aus einem Krümmungsbewegungsgenera­ tor, der eine Betätigungseinrichtung 110 als einen Stapel piezoelektrischer Elemente 111, eine Gelenkverbindungseinheit 120 und einen Trägheitskörper 130 aufweist. Die Gelenkverbin­ dungsvorrichtung 300 der zweiten Stufe besteht aus einem Krümmungsbewegungsgenerator, der eine Betätigungseinrichtung 110 als einen Stapel piezoelektrischer Elemente 111 und eine Gelenkverbindungseinheit 120 aufweist. Der Krümmungsbewe­ gungsgenerator der Gelenkverbindungsvorrichtung 300 der zwei­ ten Stufe ist mit der Gelenkverbindungseinheit 120 der Ge­ lenkverbindungsvorrichtung 200 der ersten Stufe verbunden.

Bei der Struktur des sechsten Ausführungsbeispiels kann jede der Gelenkverbindungsvorrichtungen 200 und 300 sowohl die Feinbewegung durch die Krümmungsbewegung als auch die Grobbewegung durch Rotation bewirken. Als Ergebnis kann ein stark erhöhter Betrag der Bewegung des Trägheitskörpers 130 am unteren Ende im Vergleich zu der Struktur erhalten werden, bei der nur eine Gelenkverbindungsvorrichtung vorgesehen ist. Als Ergebnis kann das Fingerelement 102 am Trägheitskörper 130 einen breiten Bereich der Bewegung erhalten, wodurch eine genaue Positionierung erhalten wird.

Bei der Struktur in Fig. 21 hat die Gelenkverbindungsvor­ richtung 200 der ersten Stufe einen Trägheitskörper der Ge­ lenkverbindungsvorrichtung 300 der zweiten Stufe. Anders aus­ gedrückt ist das Vorsehen eines getrennten Trägheitskörpers eliminiert. Ein getrennter Trägheitskörper kann jedoch eben­ falls bei der Gelenkverbindungsvorrichtung 300 der zweiten Stufe vorgesehen werden.

Ferner sind bei der Struktur in Fig. 21 eine Drehbewegung sowie eine Krümmungsbewegung für jede der Gelenkverbindungs­ vorrichtungen 200 und 300 möglich. Somit ist es möglich, daß die Gelenkverbindungsvorrichtung 200 der ersten Stufe als ein Finger ausgebildet wird, während die Gelenkverbindungsvor­ richtung 300 der zweiten Stufe als ein Handgelenkmechanismus ausgebildet wird.

Siebtes Ausführungsbeispiel

Fig. 22 zeigt einen Mikromanipulator des siebten Ausfüh­ rungsbeispiels. Dieses Ausführungsbeispiel ist durch das Vor­ sehen von Gelenkverbindungsvorrichtungen gekennzeichnet, die teilweise parallel und die ebenfalls teilweise in Reihe ange­ ordnet sind. Und zwar weist die Gelenkverbindungsvorrichtung ein Paar von Betätigungseinrichtungen 110 als ein Stapel par­ allel angeordneter piezoelektrischer Elemente auf, die mit einem Gelenkverbindungssegment 120 verbunden sind, der ein Halteelement 122 und ein Paar von Bewegungselementen 121 auf­ weist, die mit den parallel angeordneten Betätigungseinrich­ tungen 110 verbunden sind. Jede der Betätigungseinrichtungen 110 ist mit einem entsprechenden Trägheitskörper 130 und einem entsprechenden Finger 102 verbunden. Anders ausgedrückt ist in diesem Ausführungsbeispiel das Halteelement 102 beiden Betätigungseinrichtungen 110, die parallel angeordnet sind, gemeinsam.

Im siebten Ausführungsbeispiel wird der Handgelenk-Ge­ lenkverbindungsmechanismus 300 als ein Gelenkverbindungsme­ chanismus aufgefaßt, der als Krümmungsbewegungsgenerator auf­ gebaut ist, der aus einer gestapelten Betätigungseinrichtung 110 ähnlich dem Ausführungsbeispiel besteht. Diese Struktur gestattet, daß sowohl eine Fein- als auch eine Grobbewegung erhalten wird und eine Rotations- und eine Krümmungsbewegung möglich sind. Ferner sind für jeden der Finger 102 durch das Vorsehen des Krümmungsbewegungsgenerators, der den Stapel der Bewegungseinrichtungen 110 aufweist, bedingt sowohl die Fein­ als auch die Grobbewegung sowie eine Rotations- und eine Drehbewegung möglich.

Kurz gesagt wirken entsprechend dem Manipulator beim siebten Ausführungsbeispiel die Bewegung des Handgelenk-Ge­ lenkverbindungsmechanismus 300 und der Finger 102 zusammen, so daß eine Fein- und eine Grobbewegung erhalten werden, die es gestatten, daß ein kleines Werkstück 107 bearbeitet wird. Anders ausgedrückt kann der Mechanismus als Mikrohandmecha­ nismus verwendet werden.

Achtes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 23 und 24 zeigen einen Mikromanipulator des ach­ ten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zum ersten bis sieb­ ten Ausführungsbeispiel, bei denen der Krümmungsbewegungsge­ nerator durch die Betätigungseinrichtung 110 oder 110A als Stapel piezoelektrischer Elemente gebildet ist, weist der Krümmungsbewegungsgenerator im achten Ausführungsbeispiel eine biegsame Betätigungseinrichtung 400 auf, bei der eine Krümmungsbewegung durch das Anlegen eines Drucks eines Gases oder einer Flüssigkeit erzeugt wird. Die biegsame Betäti­ gungseinrichtung 400 weist ein biegsames Rohr 401 auf, das aus einem Material gefertigt ist, wie zum Beispiel Silikon­ gummi. In gut bekannter Weise ist ein Metalldraht mit Schrau­ benform, der nicht gezeigt ist, im Rohr 401 angeordnet, so daß eine axiale Ausdehnung des Rohres 401 erhalten wird, wäh­ rend einer Radialausdehnung des Rohres begrenzt ist. Ein Raum im biegsamen Rohr 401 ist in eine Vielzahl von z. B. drei Kam­ mern 402, 403 und 404 unterteilt. Endkappen 405 und 406 sind an den Enden des Rohres 401 jeweils vorgesehen. Die Endkappen 406 an dem Ende benachbart zum Grundelement 103 sind mit Kom­ munikationslöchern 407 versehen, mit denen biegsame Schläuche 408 verbunden sind. Diese biegsamen Schläuche 408 sind mit Drucksteuerventilen (nicht gezeigt) verbunden. Diese Druck­ steuerventile werden auswählend gesteuert, um das Einführen des Gas- oder Flüssigkeitsdrucks über die biegsamen Schläuche 408 zu steuern. Ein sich ergebender Druckanstieg bei einer oder zwei der Kammern 402, 403 und 404 verursacht, daß sich die entsprechende Kammer oder die entsprechenden Kammern axial ausdehnt/ausdehnen, so daß eine Krümmungsbewegung des biegsamen Rohrs 401 zur Kammer oder zu den Kammern hin, die nicht der Axialverlängerung unterworfen ist/sind, erhalten wird.

Im achten Ausführungsbeispiel sind, wie es in Fig. 23 ge­ zeigt ist, am freien Ende der biegsamen Betätigungseinrich­ tung 400 ein Trägheitskörper 130 sowie ein Finger 102 verbun­ den, während am unteren Ende der Betätigungseinrichtung 400 die Gelenkverbindungseinheit 120 verbunden ist. Als Ergebnis können ähnlich zu jedem der vorhergehenden Ausführungsbei­ spiele eine Mikrobewegung sowie eine Grobbewegung auswählend erhalten werden. Und zwar verursacht eine allmähliche Ände­ rung des Drucks, der an die Betätigungseinrichtung 400 ange­ legt ist, daß sich diese langsam krümmt, wodurch eine Feinbe­ wegung des Fingers 102 (Arbeitselement) erhalten wird. Im Ge­ gensatz dazu verursacht eine schnelle Änderung des Druckes, daß die biegsame Betätigungseinrichtung 400 durch die Betäti­ gung der Gelenkverbindungseinheit 120 bedingt einer Grobbewe­ gung ausgesetzt wird, wodurch ein erhöhter Bereich an Bewe­ gung des Fingers 102 erhalten wird.

Ein Bewegungselement ist somit in einem Halteelement mit einer kugelförmigen inneren Fläche drehbar und gleitfähig an­ geordnet. Ein Trägheitskörper ist mit dem Bewegungselement über ein Stützelement verbunden. An einem Ort, der zum Träg­ heitskörper entgegengesetzt liegt, erstreckt sich ein Arm, so daß dieser über eine Öffnung des Halteelements nach außen ge­ richtet ist. Eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung ist zwischen dem Rotationselement und dem Stützelement angeord­ net. Eine Verlängerung der Betätigungseinrichtung verursacht, daß eine relative Schwenkbewegung zwischen dem Trägheitskör­ per und dem Bewegungselement in eine Richtung auftritt, so daß eine Rückwirkungskraft durch die Trägheit des Trägheits­ körpers bedingt im Bewegungselement die Reibungskraft zwi­ schen dem Bewegungselement und dem Halteelement übersteigt, was gestattet, daß das Bewegungselement bezüglich dem Halte­ element verschoben wird. Ein Zusammenziehen der Betätigungs­ einrichtung verursacht, daß eine Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement in entgegengesetzte Richtung auftritt, so daß seine Rückwirkungskraft im Bewe­ gungselement die Reibungskraft nicht übersteigt, was gestat­ tet, daß der Trägheitskörper der Betätigungseinrichtung folgt. Ein Wiederholen des Verlängerns und des Zusammenzie­ hens gestattet, daß ein Bewegung des Bewegungselementes auf­ tritt, so daß diese die Grenze der Krümmungsbewegung der Be­ tätigungseinrichtung überschreitet.

Claims (24)

1. Gelenkverbindungsvorrichtung, die aufweist
einen Trägheitskörper (5),
ein ortsfestes Halteelement (11), das eine Berührungsfläche (11a) mit einem vorbestimmten Profil festlegt,
ein Bewegungselement (2), das bezüglich dem Halteelement drehbar ist und das sich mit der Berührungsfläche des ortsfe­ sten Elements in Reibungsberührung befindet, so daß das Bewe­ gungselement bezüglich dem Halteelement gleitfähig drehbar ist,
eine Einrichtung (4) zum Stützen des Trägheitskörpers bezüg­ lich dem Bewegungselement, während gestattet wird, daß zwi­ schen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement eine Rela­ tivbewegung auftritt, und
eine Betätigungseinrichtung (6), die zwischen dem Bewegungs­ element und dem Trägheitskörper angeordnet ist, um die Rela­ tivbewegung zu erzeugen, damit verursacht wird, daß das Hal­ teelement und das Bewegungselement relativ gedreht werden, wenn eine Rückwirkungskraft, die im Bewegungselement durch die Trägheit des Trägheitskörpers erzeugt wird, die Reibungs­ kraft überwindet.

2. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stützeinrichtung und die Betätigungseinrichtung zwischen dem Bewegungselement und dem Trägheitskörper getrennt angeordnet sind.

3. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stützeinrichtung und die Betätigungseinrichtung zwischen dem Bewegungselement und dem Trägheitskörper einstückig angeord­ net sind.

4. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Betätigungseinrichtung einen Stapel piezoelektrischer Elemen­ te aufweist.

5. Gelenkverbindungsvorrichtung, die aufweist:
einen Trägheitskörper (5),
ein ortsfestes Halteelement (11), das eine Berührungsfläche mit einer vorbestimmten Krümmung festlegt,
ein Bewegungselement (2), das bezüglich dem Halteelement drehbar ist und das sich mit der Berührungsfläche des ortsfe­ sten Elementes in Reibungsberührung befindet, so daß das Be­ wegungselement bezüglich dem Halteelement gleitfähig drehbar ist,
einer Einrichtung (4) zum Stützen des Trägheitskörpers bezüg­ lich dem Bewegungselement, während gestattet wird, daß eine Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewe­ gungselement auftritt, und
eine Betätigungseinrichtung (6), die zwischen dem Bewegungs­ element und dem Trägheitskörper angeordnet ist, um die Rela­ tivbewegung zu erzeugen,
wobei die Betätigungseinrichtung die Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement in eine Richtung erzeugt, so daß eine Rückwirkungskraft, die im Bewegungsele­ ment durch eine Trägheit des Trägheitskörpers erzeugt wird, die Reibungskraft zwischen dem Bewegungselement und der Be­ rührungsfläche des ortsfesten Elementes übersteigt,
wobei die Betätigungseinrichtung die Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement in die entgegen­ gesetzte Richtung erzeugt, so daß eine Rückwirkungskraft, die im Bewegungselement durch eine Trägheit des Trägheitskörpers erzeugt wird, die Reibungskraft nicht übersteigt.

6. Gelenkverbindungsvorrichtung, die aufweist:
einen Trägheitskörper (5),
ein ortsfestes Halteelement (11), das eine Berührungsfläche mit einer vorbestimmten Krümmung festlegt,
ein Bewegungselement (2), das bezüglich dem Halteelement drehbar ist und das sich mit der Berührungsfläche des ortsfe­ sten Elementes in Reibungsberührung befindet, so daß das Be­ wegungselement bezüglich dem Halteelement gleitfähig drehbar ist, und
eine Betätigungseinrichtung (6), die zwischen dem Bewegungs­ element und dem Trägheitskörper angeordnet ist, um den Träg­ heitskörper bezüglich dem Bewegungselement zu stützen, wäh­ rend eine Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement erzeugt wird,
wobei die Betätigungseinrichtung die Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement in eine Richtung erzeugt, so daß eine Rückwirkungskraft, die im Bewegungsele­ ment durch eine Trägheit des Trägheitskörpers erzeugt wird, die Reibungskraft zwischen dem Bewegungselement und der Be­ rührungsfläche des ortsfesten Elementes übersteigt,
wobei die Betätigungseinrichtung die Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement in die entgegen­ gesetzte Richtung erzeugt, so daß eine Rückwirkungskraft, die im Bewegungselement durch eine Trägheit des Trägheitskörpers erzeugt wird, die Reibungskraft nicht übersteigt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Halteelement (11) eine teilweise geöffnete kugelförmige Gestalt bildet, das Be­ wegungselement (2) eine Platte bildet, die sich zur Achse der Vorrichtung quer erstreckt und einen Außenumfang in Berührung mit der Berührungsfläche des Halteelementes hat, und die Win­ kelverschiebungerzeugungseinrichtung eine Vielzahl von wink­ lig beabstandeten Erzeugungseinrichtungen (6A, 6B, 6C) auf­ weist, die in der Ebene entlang der Umfangsrichtung angeord­ net sind, wobei die winklig beabstandeten Erzeugungseinrich­ tungen (6A, 6B, 6C) auswählend betätigt werden, so daß eine örtlich begrenzte Verschiebung des Bewegungselementes quer zur Ebene erzeugt wird, wodurch eine Relativ-Rotationsbewe­ gung zwischen dem Bewegungselement und dem Halteelement er­ halten wird.

8. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Betätigungseinrichtung (6) ein biegsames Stützelement (4) aufweist, das ein erstes Ende, das mit dem Bewegungselement (2) verbunden ist, und ein zweites Ende, das einen in Quer­ richtung vorstehenden Abschnitt (41) definiert, hat, wobei die Betätigungseinrichtung zwischen dem vorstehenden Ab­ schnitt und dem Bewegungselement angeordnet ist, um ein aus­ wählendes axiales Verlängern und Zusammenziehen zu erhalten, wodurch verursacht wird, daß sich der Trägheitskörper und das Bewegungselement relativ drehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Betäti­ gungseinrichtung einen Stapel piezoelektrischer Einheiten aufweist, der dem axialen Verlängern oder Zusammenziehen durch Anlegen einer elektrischen Spannung ausgesetzt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Betäti­ gungseinrichtung angeordnet ist, um auf das Bewegungselement zu wirken, so daß ein Verlängern oder Zusammenziehen der Er­ zeugungseinrichtung verursacht, daß ein Neigen des Bewegungs­ elements bezüglich der Achse der Vorrichtung auftritt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Betäti­ gungseinrichtung eine piezoelektrische Betätigungseinrichtung aufweist, wobei ein Anlegen einer elektrischen Spannung ver­ ursacht, daß der Generator einem Verlängern oder Zusammenzie­ hen ausgesetzt ist, wodurch die Relativbewegung erhalten wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die piezoelek­ trische Winkelverschiebungerzeugungseinrichtung ein pie­ zoelektrisches Element (61) in Plattenform und zumindest eine Elektrodenplatte (64A-64H) an einer Seite des piezoelektri­ schen Elementes aufweist, wobei ein Anlegen der elektrischen Spannung verursacht, daß das piezoelektrische Element ver­ formt wird.

13. Gelenkverbindungsvorrichtung, die aufweist:
einen Trägheitskörper,
ein ortsfestes Halteelement, das eine Berührungsfläche mit einer vorbestimmten Krümmung festlegt,
ein Bewegungselement, das bezüglich dem Halteelement drehbar ist und mit der Berührungsfläche des ortsfesten Ele­ mentes in Reibungsberührung steht, so daß das Bewegungsele­ ment bezüglich dem Halteelement gleitfähig drehbar ist,
wobei das Bewegungselement aus einem federnden Material ausgebildet ist und an seiner einen Seite, die zum Trägheits­ körper weist, eine Oberfläche ausbildet, die sich zur Axial­ richtung der Gelenkverbindungsvorrichtung quer erstreckt, und
eine Betätigungseinrichtung, die zwischen dem Bewegungs­ element und dem Trägheitskörper angeordnet ist, um den Träg­ heitskörper bezüglich dem Bewegungselement zu stützen, wäh­ rend eine Relativbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement erzeugt wird,
wobei die Betätigungseinrichtung eine Vielzahl von in Um­ fangsrichtung beabstandeten Betätigungssegmenten aufweist, um zwischen dem Trägheitskörper und Abschnitten des Stützele­ ments entlang einer Vielzahl von Ebenen, die zur Oberfläche des Bewegungselements quer verlaufen, eine örtlich begrenzte Bewegung zu erzeugen,
wobei die in Umfangsrichtung benachbarten Betätigungsseg­ mente betätigt werden, so daß ein festgelegter Betrag an Ortsverschiebung zwischen den benachbarten Betätigungssegmen­ ten in einer Umfangsrichtung aufeinanderfolgend auftritt, so daß eine Rückwirkungskraft, die im Bewegungselement durch eine Trägheit des Trägheitskörpers erzeugt wird, die Rei­ bungskraft zwischen dem Bewegungselement und der Berührungs­ fläche des ortsfesten Elementes übersteigt,
wobei die in Umfangsrichtung benachbarten Betätigungsseg­ mente betätigt werden, so daß ein festgelegter Betrag an Ortsverschiebung zwischen den benachbarten Betätigungssegmen­ ten in entgegengesetzter Umfangsrichtung aufeinanderfolgend auftritt, damit eine Rückwirkungskraft, die im Bewegungsele­ ment durch eine Trägheit des Trägheitskörpers erzeugt wird, die Reibungskraft zwischen dem Bewegungselement und der Be­ rührungsfläche des ortsfesten Elementes nicht übersteigt.

14. Gelenkverbindungsvorrichtung (100), die aufweist:
ein ortsfestes Halteelement (122), das eine Berührungs­ fläche mit einer vorbestimmten Krümmung festlegt,
ein Bewegungselement (121), das bezüglich dem Halteele­ ment drehbar ist und das mit dem ortsfesten Element in Berüh­ rung steht, während eine vorbestimmte Reibungskraft zwischen dem ortsfesten Element und dem Bewegungselement vorgesehen wird, so daß das Bewegungselement bezüglich dem Halteelement gleitfähig gedreht wird,
einen Trägheitskörper (130), der mit dem Bewegungselement verbunden ist, während gestattet wird, daß eine Relativbewe­ gung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement auftritt, und
einen Krümmungsbewegungsgenerator (110, 400), der zwi­ schen dem Bewegungselement und dem Trägheitskörper angeordnet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Halteelement und dem Bewegungselement zu erzeugen,
wobei die Relativbewegung so ausgeführt wird, daß eine allmähliche Krümmungsbewegung des Krümmungsbewegungsgenera­ tors verursacht, daß der Trägheitskörper einer Feinbewegung unterworfen wird, und eine schnelle Krümmungsbewegung des Krümmungsbewegungsgenerators verursacht, daß durch die Träg­ heit des Trägheitskörpers eine Trägheitsrückwirkungskraft im Bewegungselement erzeugt wird, wodurch bewirkt wird, daß das Bewegungselement bezüglich der Berührungsflächen des Halte­ elements entgegen der Reibungskraft gleitfähig bewegt wird, was verursacht, daß der Trägheitskörper einer Grobbewegung ausgesetzt wird.

15. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Krümmungsbewegungsgenerator (110) von einem Typ ist, der dazu in der Lage ist, sowohl Krümmungsbewegung als auch Verlängerungsbewegung, die in gewünschter Weise ausgewählt werden, zu erhalten.

16. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Krümmungsbewegungsgenerator (110) eine Betätigungs­ einrichtung als einen Stapel piezoelektrischer Elemente (111) aufweist, die eine Elektrode vom unterteilten Typ aufweisen, um eine axial asymmetrische Verformung zu erzeugen.

17. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 14, bei der Krümmungsbewegungsgenerator (400) eine biegsame Betäti­ gungseinrichtung aufweist, die eine Vielzahl von Kammern (402, 403, 404) hat, in die ein Druckfluid auswählend einge­ führt wird, so daß eine gewünschte Krümmungsbewegung erhalten wird.

18. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Krümmungsbewegungsgenerator (110) zumindest eine Be­ tätigungseinrichtung (110A), die als ein Stapel piezoelektri­ scher Elemente aufgebaut ist, wobei die Betätigungseinrich­ tung einer Verlängerung ausgesetzt ist, wenn an diese ein Spannungssignal angelegt wird, und einen Hebelmechanismus (140) zum Umformen der Verlängerungsbewegung in eine Krüm­ mungsbewegung aufweist, wobei die Betätigungseinrichtung be­ züglich einer Mittelachse der Vorrichtung in versetzter An­ ordnung vorgesehen ist.

19. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 14, die ferner eine Bremsvorrichtung (122b) aufweist, die die Rei­ bungskraft zwischen dem Bewegungselement und dem Halteelement steuert.

20. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Krümmungsbewegungsgenerator eine Vielzahl von Betäti­ gungseinrichtungen aufweist, die miteinander verbunden sind.

21. Gelenkverbindungsvorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Vielzahl von Betätigungseinrichtungen (110) parallel miteinander verbunden sind.

22. Gelenkverbindungsvorrichtungen nach Anspruch 20, bei der die Vielzahl von Betätigungseinrichtungen in Reihe miteinander verbunden sind.

23. Mikromanipulator, der aufweist:
einen Finger (102), der ein Werkstück bearbeitet, und
eine Gelenkverbindungsvorrichtung (100),
wobei die Gelenkverbindungseinrichtung aufweist:
ein ortsfestes Halteelement (122), das eine Berührungs­ fläche mit einer vorbestimmten Krümmung festlegt,
ein Bewegungselement (121), das bezüglich dem Halteele­ ment drehbar ist und das mit dem ortsfesten Element in Berüh­ rung steht, während eine vorbestimmte Reibungskraft zwischen dem ortsfesten Element und dem Bewegungselement vorgesehen wird, so daß das Bewegungselement bezüglich dem Halteelement gleitfähig drehbar ist,
einen Trägheitskörper (130), der mit dem Bewegungselement verbunden ist, während gestattet wird, daß eine Relativbewe­ gung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungselement auftritt, und
einen Krümmungsbewegungsgenerator (110), der zwischen dem Bewegungselement und dem Trägheitskörper angeordnet ist, um zwischen dem Halteelement und dem Bewegungselement eine Rela­ tivbewegung zu erzeugen,
wobei die Relativbewegung so gestaltet ist, daß eine all­ mähliche Krümmungsbewegung des Krümmungsbewegungsgenerators verursacht, daß der Trägheitskörper einer Feinbewegung ausge­ setzt wird, und eine schnelle Krümmungsbewegung des Krüm­ mungsbewegungsgenerators verursacht, daß durch die Trägheit des Trägheitskörpers bedingt eine Trägheitsrückwirkungskraft im Bewegungselement erzeugt wird, wodurch bewirkt wird, daß das Bewegungselement bezüglich der Berührungsfläche des Hal­ teelementes entgegen der Reibungskraft gleitfähig bewegt wird, was verursacht, daß der Trägheitskörper einer Grobbewe­ gung ausgesetzt wird.

24. Mikromanipulator nach Anspruch 23, der ferner ein Handgelenkmechanismus (300) aufweist, der zwischen einem Grundelement des Manipulators der Gelenkverbindungsvorrich­ tung (100) angeordnet ist, wobei der Handgelenkmechanismus aufweist:
ein ortsfestes Halteelement (122), das eine Berührungs­ fläche mit einer vorbestimmten Krümmung festlegt,
ein Bewegungselement (121), das bezüglich dem Halteele­ ment drehbar ist und das mit dem ortsfesten Element in Berüh­ rung steht, während eine vorbestimmte Reibungskraft zwischen dem ortsfesten Element und dem Bewegungselement vorgesehen wird, so daß das Bewegungselement bezüglich dem Halteelement gleitfähig drehbar ist,
einen Trägheitskörper (130), der mit dem Bewegungselement in Verbindung steht, während gestattet wird, daß eine Rela­ tivbewegung zwischen dem Trägheitskörper und dem Bewegungs­ element auftritt, und
einen Krümmungsbewegungsgenerator (110), der zwischen dem Bewegungselement und dem Trägheitskörper angeordnet ist, um eine Relativbewegung zwischen dem Halteelement und dem Bewe­ gungselement zu erzeugen,
wobei die Relativbewegung so gestaltet ist, daß eine all­ mähliche Krümmungsbewegung des Krümmungsbewegungsgenerators verursacht, daß der Trägheitskörper einer Feinbewegung ausge­ setzt wird, und eine schnelle Krümmungsbewegung des Krüm­ mungsbewegungsgenerators verursacht, daß eine Trägheitsrück­ wirkungskraft im Bewegungselement durch die Trägheit des Trägheitskörpers bedingt erzeugt wird, wodurch bewirkt wird, daß das Bewegungselement bezüglich der Berührungsfläche des Halteelements entgegen der Reibungskraft gleitfähig bewegt wird, was verursacht, daß der Trägheitskörper einer Grobbewe­ gung ausgesetzt wird,
wobei der Krümmungsbewegungsgenerator mit dem Bewegungs­ element der Gelenkverbindungsvorrichtung verbunden ist.