DE19628766C2 - Mikrofluidischer Schwenkaktor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikrofluidischen Schwenkaktor im Submillimeterbereich mit hydr./pneum. Antrieb für zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene und um eine Schwenkachse gegenseitig bewegliche Bauteile, wie z. B. für zwei Armglieder eines Gelenkarmes im Mikromaßstab.

Mikrosysteme sind im allgemeinen dadurch definiert, daß ihre wesentlichen Bestandteile Abmessungen im Mikrometermaßstab, d. h. im Submillimeterbereich aufweisen. Herzstück eines Mi­ krosystemes, in welchem Kräfte auftreten, ist die krafterzeu­ gende Komponente, der Aktor. Trotz kleinster Bauweise werden bei Mikrosystemen relativ große Kräfte benötigt, wobei auch die gewünschten Steilwege verglichen zu den Bauteilabmessungen groß sein sollten. Die Erfindung befaßt sich dabei speziell mit einem hydraulisch-/pneumatischen Schwenkaktor zur Erzeugung von Rotationsbewegungen und Kräften. Schwenkaktoren dieser Art in den genannten Größenordnungen sind außer in der Natur bisher nicht bekannt geworden. Aktoren im Millimeter- und Submillimeterbereich werden z. B. als mechanische Stellglieder in der Mikroelektronik und -optik oder zur Manipulation kleiner Objekte z. B. bei der Mikrorobotik benötigt.

Die DE 23 45 856 B2 offenbart einen Schwenkaktor mit fluidischem Antrieb für zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene und um eine Schwenkachse gegenseitig bewegliche Bauteile, vorzugsweise Armglieder, wobei zwischen den einander gegenüberliegenden beiden Stirnflächen der Bauteile ein ausdehnbarer Hohlraum mit variablem Volumen angeordnet ist, der mindestens teilweise an die Stirnflächen angrenzt. Die Schwenkachse des die beiden Bauteile verbindenden Gelenkes ist senkrecht oder geneigt zur Mittelachse der Bauteile gerichtet und liegt seitlich versetzt neben dem Hohlraum. Der Hohlraum ist mit mindestens einem Fluidkanal als Zu- und Abfluss verbunden, mittels welchem er durch ein hydraulisches oder pneumatisches Druckmittel beauf­ schlag- und damit ausdehnbar ist. Bei dem Schwenkaktor sind jedoch u. A. der Hohlraum und die Fluidzuführungen als separate, relativ kompliziert eingesetzte Bauteile ausgebildet, was eine Miniaturisierung zu einem Mikroaktor praktisch ausschließt.

Ausgehend davon ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mikroaktor zur Erzeugung von Schwenkbewegungen mit hohem Drehmoment anzugeben, der in der Lage ist, gleichzeitig hohe Kräfte und große Stellwege in eng begrenzter Umgebung zu er­ zeugen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführt sind. Vorteilhafte Aasgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 angeführt.

Bei dem erfindungsgemäßen Schwenkaktor wird somit durch Druckbeaufschlagung ein Drehmoment erzeugt und dadurch eine Streckbewegung verursacht. Die erforderliche Volumenänderung und der Druckanstieg im Hohlraum werden durch dichte Ummante­ lung mit einer weichen und biegeelastischen Gelenkkapsel er­ möglicht, wobei die Rückstellung durch den Antagonisten er­ folgt.

Die Erfindung stellt erstmals einen Schwenkaktor vor, mit wel­ chem durch das hydraulisch-/pneumatische Antriebsprinzip hohe Kräfte bei großen Schwenkwinkeln erzeugt werden können. Das Konstruktionsprinzip ist durch eine hohe Funktionsdichte ge­ kennzeichnet, wodurch das Bauvolumen sehr kompakt gehalten und eine hohe Miniaturisierbarkeit erzielt werden kann. Dabei kön­ nen durch die Verwendung eines geeigneten Materials zur Um­ mantelung in besonders vorteilhafter Weise gleichzeitig Dicht­ funktion und Antagonismus realisiert werden. Durch die Kombi­ nation von mehreren Schwenkaktoren können neben Stell- und Positionierfunktionen weitere Funktionen, wie z. B. Greif- oder Spreizfunktionen erzielt werden.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen:

die Fig. 1 eine schematische Darstellung des Schwenkaktors im Schnitt,

die Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel,

die Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel und

die Fig. 4 bis 6 verschiedene Ausführungen des Gelenkes.

Die Basiseinheit des Schwenkaktor für zwei Bauteile besteht gemäß der Fig. 1 beispielsweise aus zwei Armgliedern 1 und 2 eines Gelenkarmes bestimmten Durchmesseres im Submilli­ meterbereich, die an ihren einander gegenüberliegenden Enden 6 und 7 durch ein vorzugsweise formschlüssiges Mikrogelenk 3 miteinander verbunden und um die Schwenkachse des Gelenkes 3 gegenseitig verschwenkbar sind. Die Stirnflächen 4 und 5 der Enden 6 und 7 sind dabei so geformt, bei dem Ausführungsbei­ spiel nach der Fig. 1 lediglich abgewinkelt, daß sie ein gegenseitiges Abwinkeln der Armglieder 1 und 2 ermöglichen. Unter den Stirnflächen 4 und 5 ist jeweils die Fläche zu ver­ stehen, die durch die äußere Umrandung der Bauteile (1, 2) bestimmt wird. In bis 180° gestreckter Position derselben wird dadurch zwischen den Stirnflächen ein dreidimensionaler Hohlraum 8 mit von der Winkelstellung abhängigem, variablem Volumen gebildet. Der Hohlraum 8 ist nach außen bzw. gegenüber dem Bereich außerhalb des Gelenkbereiches durch eine Gelenkkapsel 11 abge­ dichtet und an einen, durch den Gelenkarm 1 geführten Fluidka­ nal 10 angeschlossen, mittels welchem er durch ein hydrauli­ sches oder pneumatisches Druckmittel beaufschlagt und damit ausgedehnt werden kann. Der Kanal 10 ist dazu an ein nicht dargestelltes Leitungssystem gekoppelt und mit anderen Fluidkomponenten zur Druckversorgung verbunden.

Die Schwenkachse des die beiden Armglieder 1 und 2 verbinden­ den Mikrogelenkes 3 ist senkrecht oder geneigt zur Mittelachse 9 der Armglieder 1 und 2 gerichtet und seitlich versetzt neben dem Hohlraum 8 angeordnet. Dieses, dezentral nahe der Mantel­ fläche der Armglieder 1 und 2 liegende Gelenk 3 weist im Ver­ hältnis zur gesamten Einheit kleine Abmessungen auf und, kann als Drehgelenk mit Bolzen und Bohrung nach der Fig. 6, als elastisches Biegeelement nach der Fig. 5 oder als modifizier­ tes, formschlüssiges Drehgelenk nach der Fig. 4 ausgebildet sein, bei welchem zwei Flanken aufeinander abrollen, die je­ weils Bestandteil eines der beiden Armglieder 1 und 2 sind. Je nach Ausführung des Gelenkes erfolgt eine Bewegung oder Verschwenkung der Armglieder 1 und 2 um eine durch das Gelenk festgelegte Achse, so daß diese einen Winkelbereich von 0° bis 180° gegeneinander einnehmen können.

Da sich die Armglieder relativ zueinander bewegen, entsteht Reibung an den Berührungspunkten in dem Gelenk. Das Auftreten von Gleitreibung, wie es bei klassischen Drehgelenken der Fall ist, sollte jedoch bei Mikrobauteilen aufgrund der hohen Reibungsmomente und der daraus resultierenden Materialbean­ spruchung vermieden werden. Durch das in der Fig. 4 darge­ stellte, modifizierte Drehgelenk wird erreicht, daß die Ge­ lenkkonturen in jeder Stellung aufeinander abrollen und die Reibung im Gelenk auf reine Rollreibung reduziert wird. Da der Hohlraum 8 mit einem Fluid gefüllt ist, wird sich aufgrund der Kapillarkräfte ein Flüssigkeitsfilm zwischen den abrollenden Flanken aufbauen. Damit kann mit Fluid- bzw. Mischreibung in der Grenzfläche gerechnet werden, was die Reibungsmomente re­ duziert und den Bewegungsablauf unterstützt. Bei einem rein elastischen Biegegelenk nach der Fig. 5 können Reibungseffekte vernachlässigt werden, da die Bewegung auf einer elastischen Verformung des Gelenkmateriales beruht.

Das Volumen des Hohlraumes 8 variiert entsprechend der Winkelstellung des Gelenkes 3 zwischen zwei Extremwerten. Durch die Volumenänderung des seitlich zum Gelenk 3 versetzten Hohlraumes und dem dadurch auf die Bauteile 1 und 2 ausgeübten Druck wird ein Drehmoment erzeugt, das die Streckbewegung z. B von Armgliedern als Bauteile 1 und 2 gegeneinander bewirkt. Zur Abdichtung des Hohlraumes 8 ist dieser von einer Gelenk­ kapsel 11 mantelförmig umschlossen. Sie besteht beispielsweise aus einer elastischen Hülle wie einem Schlauch, die ähnlich einem Blasebalg strukturiert ist, so daß große Volumenänderun­ gen erzielt werden können.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Gelenkaktors mit antagonistischem Rückstellmechanismus in gestreckter Stellung dargestellt. Dabei entsprechen gleiche Positionsziffern denen in der Fig. 1. Zum Unterschied zu der dort dargestellten Aus­ führung weist der Aktor einen weiterführenden Kanal 12 im zweiten Bauteil 2 auf, über welchen weitere, nicht darge­ stellte Gelenkaktoren im Verlauf z. B. eines längeren Gelen­ karmes mit mehreren Freiheitsgraden mit dem Druckmittel ver­ sorgt werden können. Weiterhin ist im Bereich des Hohlraumes 8 seitlich versetzt zu der Schwenkachse des Gelenkes 3 ein die beiden Stirnflächen 4 und 5 miteinander verbindender Antago­ nist 13 angebracht.

In dem Maße, wie die an den Bauteilen 1 und 2 angreifenden Kräfte durch die Volumenänderung des Hohlraumes 8 die Gelenk­ streckung bewirken, versucht der Antagonist 13 das Gelenk zu beugen. Dessen Lage bleibt solange stabil, solange sich die Momente von Druck und Antagonist im Gleichgewicht befinden. Durch externe Drucksteuerung über die Leitung 10 kann diese Gleichgewichtsstellung variiert werden.

Das antagonistische Wirkungsprinzip kann, wie in der Fig. 2 dargestellt, durch den Antagonisten 13 in Form eines elasti­ schen Bandes als auch durch eine elastische Gelenkapsel 11 selbst, wie in der Fig. 1, als auch durch die symmetrische An­ ordnung zweier Hohlräume 14 und 15 mit dazwischenliegendem Ge­ lenk verwirklicht werden, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist.

In der Fig. 3 sind drei Armglieder 19, 20, 21 dargestellt, die mittels Gelenken 16 schwenkbar hintereinander angeordnet sind. Hier besteht der ausdehnbare Hohlraum zwischen jeweils zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen 17 und 18 der Arm­ glieder aus zwei Teilhohlräumen 14 und 15, wobei die Schwenkachse des jeweils zwei Armglieder verbindenden Gelenkes 16 ebenfalls senkrecht oder geneigt zur Mittelachse 22 der Armglieder gerichtet, seitlich neben jedem Hohlraum 14 und 15 versetzt und zwischen beiden Hohlräumen 14 und 15 angeordnet ist. Die Hohlräume 14, 15 und das Gelenk 16 liegen innerhalb einer als Begrenzung und Abdichtung liegenden Gelenkkapsel 25 und sind an mindestens jeweils einen Fluidkanal 23 und 24 angeschlossen, mittels welchem sie durch ein hydraulisches oder pneumatisches Druckmittel unabhängig voneinander beauf­ schlag- und damit ausdehnbar sind. Die Fluidkanäle 23 und 24 können dabei durch alle Armglieder 19, 20, 21 hindurchgehen und alle Teilräume 14 sowie 15 jeweils miteinander verbinden.

An der, der Schwenkachse 16 gegenüberliegenden Seite der Hohl­ räume 14 und 15 ist auch hier jeweils ein beide Stirnflächen 17 und 18 miteinander verbindender Antagonist angeordnet. Bei der dargestellten Ausführung kann die antagonistische Wirkung einerseits von der Gelenkkapsel 25 aus elastischem Material, die zur Abdichtung der Teilräume 14 und 15 über die Armglieder 19, 20, 21 im Bereich der Gelenke 16 gezogen ist und anderer­ seits von dem Zusammenwirken der Teilhohlräume 14 und 15 er­ zeugt werden.

Bei der Ausführung nach der Fig. 3 entstehen somit durch die dem Gelenk 16 zugewandten, jeweils spiegelbildlich zueinander gerichteten Konturen 17 und 18 die zwei Teilhohlräume 14 und 15, die symmetrisch zur Längsachse 22 liegen. Die Bewegung er­ folgt wie bei den Fig. 1 und 2 ebenfalls durch das Verschieben eines Fluidvolumens aus oder in die Teilhohlräume 14 und 15. Hierbei wird eine antagonistische Wirkung erzielt, die aus der Druckwirkung der gegenübenliegenden Teilkammer resultiert, so­ fern diese wieder mit dem Fluid unter Druck beaufschlagt wird. Dieser Vorgang kann über das Öffnen und Schließen von Ventilen gesteuert werden.

Die Funktion des Gelenkaktors ist nun wie folgt:
Eine Änderung der Winkelstellung der Armglieder 1 und 2 ist aufgrund der asymmetrischen Gelenkanordnung mit einer Volumenveränderung des Hohlraumes 8 verbunden. Soll eine Bewegung des Gelenkes erfolgen, muß ein Volumenstrom zu oder aus diesem gewährleistet sein. Durch einen von außen angelegten Druck wird über die Kanäle 10 oder 12 dazu ein zusätzliches Fluidvolumen in den Hohlraum 8 gepreßt (entsprechend in die Hohlräume 14 und 15 der Fig. 3). Die vom Fluid auf Gelenkarme als Bauteile 1, 2 oder 19, 20, 21 ausgeübten Druckkräfte wei­ sen in ihrer Richtung senkrecht zur Oberfläche und erzeugen an einem beweglichen Gelenkarm ein Drehmoment. Dies führt zu ei­ ner gegenseitigen Streckung der Gelenkarme und zu einer Volumenzunahme im den Hohlräumen 8, bzw. 14 und 15. Dadurch ist der Schwenkaktor in der Lage, mechanische Arbeit zu lei­ sten, z. B. bei der Manipulation äußerer Objekte.

Eine Volumenabnahme, ausgelöst durch eine an den Armgliedern angreifende Kraft entpricht einer Verkleinerung des einge­ schlossenen Winkels und damit einer Gelenkbeugung. Dabei fin­ det eine Verdrängung des Flüssigkeitsvolumens aus dem Hohlraum in das sich anschließende Leitungssystem statt, ein Vorgang, der fluidische Leistung erzeugt. Damit kann eine Rotationsbe­ wegung in Form eines Volumenstroms oder einer Druckerhöhung detektiert werden.

Bezugszeichenliste

1

Armglied

2

Armglied

4

Stirngelenk

4

Stirnfläche

5

Stirnfläche

6

Ende

7

Ende

8

Hohlraum

9

Mittelachse

10

Kanal

11

Gelenkkapsel

12

Kanal

13

Antagonist

14

Teilhohlraum

15

Teilhohlraum

16

Gelenk

17

Stirnfläche

18

Stirnfläche

19

Armglied

20

Armglied

21

Armglied

22

Mittelachse

23

Fluidkanal

24

Fluidkanal

25

Gelenkkapsel

Claims (10)

1. Mikrofluidischer Schwenkaktor im Submillimeterbereich mit hydr./pneum. Antrieb für zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene und um eine Schwenkachse gegenseitig bewegliche Bauteile (1, 2), wobei

• a) zwischen den einander gegenüberliegenden beiden Stirnflächen (4, 5) der Bauteile (1, 2) ein ausdehn­ barer Hohlraum (8) mit variablem Volumen angeordnet ist, der mindestens teilweise an die Stirnflächen (4, 5) angrenzt,
• b) die Schwenkachse des die beiden Bauteile (1, 2) ver­ bindenden Gelenkes (3) senkrecht oder geneigt zur Mittelachse (9) der Bauteile (1, 2) gerichtet ist und seitlich versetzt neben dem Hohlraum (8) liegt,
• c) der Hohlraum (8) mit mindestens einem Fluidkanal als Zu- und Abfluss verbunden ist, mittels welchem er durch ein hydraulisches oder pneumatisches Druckmit­ tel beaufschlag- und damit ausdehnbar ist,
• d) die Bauteile Armglieder des mikrofluidischen Schwenkaktors sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

• a) der ausdehnbare Hohlraum (8) nur durch die Stirnflächen (4, 5) sowie eine Gelenk­ kapsel (11), welche als biegeelastische Hülle dich­ tend über die Enden der Bauteile (1, 2) aufgeschoben ist, umschlossen ist,
• b) das Gelenk (3) innerhalb des Hohlraumes (8) angeord­ net ist, sowie
• c) der Fluidkanal oder die Fluidkanäle (10, 12) inte­ graler Bestandteil der Bauteile (1, 2) ist bzw. sind und mindestens eine der Stirnflächen (4, 5) durch­ stoßen.

2. Mikrofluidischer Schwenkaktor nach Anspruch 1, gekennzeich­ net dadurch, dass die Fluidkanäle als Bohrungen oder Aus­ sparungen ausgeführt sind.

3. Mikrofluidischer Schwenkaktor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass der ausdehnbare Hohlraum (8) zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Bauteile (19, 20, 21) aus zwei Teilhohlräumen (14, 15) besteht, wobei

• a) die Schwenkachse des die Bauteile (19, 20, 21) ver­ bindenden Gelenkes (16) ebenfalls senkrecht oder ge­ neigt zur Mittelachse (22) der Bauteile (19, 20, 21) gerichtet, seitlich neben jedem der Teilhohlräume (14, 15) versetzt und zwischen diesen angeordnet ist, sowie
• b) die Teilhohlräume (14, 15) an jeweils einen separaten Fluidkanal (23, 24) angeschlossen sind.

4. Mikrofluidischer Schwenkaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass seitlich zu der Schwenkachse in Richtung zum Hohlraum (8) bzw. den Höhlräumen (14, 15) versetzt ein die jeweils beiden Stirnflächen (4, 5, 17, 18) miteinander verbindendes und antagonistische Rückstellkräfte zwischen ihnen bewirkendes Element (11, 13) (Antagonist) angeordnet ist.

5. Mikrofluidischer Schwenkaktor nach Anspruch 4, gekenn­ zeichnet dadurch, dass der Antagonist (13) sowie das Gelenk (3) innerhalb der als Begrenzung für den Hohlraum (8) bzw. als Dichtung dienenden Gelenkkapsel (11) liegt, die jeweils über die Enden (6, 7) der Bauteile (1, 2) ragt.

6. Mikrofluidischer Schwenkaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Gelenkkapsel (11, 25) aus einer weichen, biegeelastischen Hülle wie einem Schlauch besteht, die den Hohlraum (8, 14, 15) umschließt.

7. Mikrofluidischer Schwenkaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Gelenkkapsel (11, 25) selbst den Antagonisten bildet.

8. Mikrofluidischer Schwenkaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Gelenk (3, 16) ein formschlüssiges Gelenk ist.

9. Mikrofluidischer Schwenkaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Gelenk (3, 16) ein formschlüssiges Drehgelenk ist, bei welchem zwei Flanken aufeinander abrollen, die jeweils Bestandteil eines der beiden Bauteile (1, 2) sind.

10. Mikrofluidischer Schwenkaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Gelenk (3, 16) ein elastisches Biegegelenk ist.