DE19818417A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entnahme von Mikrokörpern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ent­ nahme von im Schacht eines Magazins übereinandergestapelten Mikrokörpern mittels eines Sauggreifers, wie z. B. von Ku­ geln, plättchen- oder zylinderförmigen Körpern im Mikromaß­ stab, zur Bereitstellung für die Montage von Mikrosystemen, wobei der Schacht einen größeren Querschnitt als den der Mikrokörper aufweist und eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens mit einem Magazinkörper, der einen inneren Schacht mit größerem Querschnitt als der der Mikrokörper zum Übereinanderstapeln von diesen aufweist.

Zur Montage von Mikrokörpern, z. B. von Kugellinsen oder plättchenförmigen Wellenlängenfiltern aus Glas, sowie ande­ ren zylindrischen Mikrokörpern müssen diese einem Magazin entnommen, zum Montageort gebracht und dort genau positio­ niert abgesetzt bzw. eingepreßt werden. Dazu bedient man sich eines Sauggreifers, der an seiner Greifspitze eine dem Mikrokörper angepaßte Ausnehmung aufweist, die an einen Saugkanal angeschlossen ist, durch welchen die Kugel in die Ausnehmung eingesaugt und dort zentriert festgehalten wird.

Aus der DE 195 33 171 A1 sind ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Entnahme von Teilen mit geringen Abmessungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt, wel­ ches sich nur für Teile in Kugelform eignet. Bei dem Ver­ fahren werden die Teile von oben in einen leicht zur Verti­ kale geneigten Schacht größeren Durchmessers eingefüllt und übereinandergestapelt. Die Entnahme der durch die Schwer­ kraft abwärts rutschenden Teile erfolgt auf einer seitli­ chen Fläche am unteren Ende des Schachtes mit einem Kapil­ larengreifer ohne besondere Sogwirkung. Nach der Entnahme eines Teiles von der Fläche rutscht das nächste automatisch nach. Die laufende Entnahme beruht demnach auf der Schwer­ kraftförderung. Dies kann zu einem Verklemmen der Teile im Magazin führen. Außerdem kann es bei einem solchen Verfah­ ren und der Vorrichtung zur Kollision mit einem an der Entnahmeposition schon wieder bereitgestellten, neuen Teil kommen, wenn vom vorangegangenen Handhabungsvorgang noch ein Teil am Greifer hängengeblieben ist. Dies wiederum kann zu Schäden am Greifer, an der Vorrichtung oder an der Zu­ führeinrichtung führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Verfah­ ren und ein Magazin zur Entnahme und Bereitstellung von Mi­ krokörpern für den genannten Zweck zu schaffen, aus welchem diese durch den beschriebenen Greifer leicht entnommen wer­ den können, welches leicht befüllbar ist und welches si­ cherstellt, daß nur dann ein neuer Mikrokörper aus dem Ma­ gazin entnommen werden kann, wenn am Greifer kein Teil mehr z. B. durch elektrostatische Aufladung oder Adhäsion hängen­ geblieben ist. Es sollte zur Entnahme der Mikrokörper eine geringe Anforderung an die Positioniergenauigkeit des Grei­ farms aufweisen sowie einfach und preiswert herzustellen sein.

Zur Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens schlägt die vorliegende Erfindung die Merkmale vor, die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführt sind. Be­ züglich der Vorrichtung werden die Merkmale der weiteren Ansprüche vorgeschlagen.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit dem zugehörigen Magazin als dafür geeignete Vorrichtung zeichnet sich vor allem da­ durch aus, daß die Schwerkraft bei dem Vereinzelungs- und Zuführverfahren keine Rolle mehr spielt, der Sauggreifer nicht mehr mit dem zu greifenden Objekt im Magazin in Be­ rührung kommt und dieses durch die sich einstellende Strö­ mung aus dem Magazin zum Greifer transportiert wird. Die Vereinzelung erfolgt am oberen Schachtende. Der Sauggreifer fährt dicht über die obere Schachtöffnung in die Entnahme­ position. Beim Einschalten des Vakuums am Greifer bildet sich im Schacht ausgehend von der unteren Schachtöffnung in Richtung Greifer eine Luftströmung aus. Diese Luftströmung reißt bei jedem Entnahmevorgang das oberste Teil mit sich zum Greifer. Dabei wird das Teil in der Strömung und am Greifer zentriert. Das Magazin ist sehr einfach im Aufbau und mit geringen Kosten herstellbar. Dabei ist es leicht skalierbar, d. h. durch Erhöhung der Anzahl der Schächte läßt sich die Kapazität des Magazins beliebig erhöhen. Durch den Einfülltrichter ist es sehr leicht zu füllen, bei der Entnahme ergibt sich prinzipbedingt die gewünschte Ver­ einzelung der Mikrokörper. Das Magazin stellt nur geringe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit des Greiferfüh­ rungssystemes, da sich die Mikrokörper in der Strömung zen­ trieren. Das Magazin bewirkt eine Eigensicherheit beim Greifvorgang, da kein unmittelbarer Kontakt zwischen Grei­ fer und Magazin besteht. Wenn ein Mikrokörper vom vorherge­ henden Greifvorgang noch am Greifer hängengeblieben ist, besteht keine Kollisionsgefahr mit dem Magazin, da in die­ sem Fall die Ansaugöffnung des Greifers verschlossen ist und kein neuer Körper mehr angesaugt werden kann. Außerdem ist die Entnahmeposition für den Greifer am Magazin immer frei. Dies bedeutet Eigensicherheit bei der Entnahme.

Einzelheiten des Verfahrens werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 2 näher erläutert. Es zeigen: die

Fig. 1 das Verfahren anhand eines Prinzipschnittes durch Magazin in einer ersten Ausführung für Kugelkörper und die

Fig. 2 eine weitere Ausführung des Magazins plättchen­ förmige Mikrokörper.

Die Erfindung besteht in einem neuen Verfahren zur Verein­ zelung und Entnahme von übereinandergestapelten Mikrokör­ pern 1 mittels eines Sauggreifers 8 aus dem Schacht 3 eines Magazins 2. Unter Mikrokörpern sind z. B. Kugeln, Zylinder, Würfel oder Körper mit beliebiger Geometrie zu verstehen. Sie weisen jeweils etwa gleiche Abmessungen im Mikromaßstab auf und sollen auf Mikrostrukturkörpern montiert werden. Der Schacht 3 des Magazins 2 besitzt dabei einen etwas größeren Querschnitt als der der Mikrokörper 1. Nach dem neuen Verfahren wird nun der Greifer 8 mit seiner Saugöffnung 9 über die obere Entnahmeöffnung 12 des Magazinschachtes 3 mit den Mikrokörpern 1 gebracht und dabei oder danach wird durch Aufbringen eines Unterdruckes in der Saugöffnung 9 des Greifers 8 zwischen den Mikrokörpern 1 und der Innen­ wand des Schachtes 3 eine von unteren Zuluftöffnungen 6 zum Schacht 3 zu der Entnahmeöffnung 12 gerichtete Strömung 10 im Schacht 3 erzeugt. Diese transportiert die Mikrokörper 1 nach oben zum Greifer 8 hin, wodurch dann der oberste Mi­ krokörper 1 durch Ansaugen an die Saugöffnung 9 des Grei­ fers 8 entnommen werden kann. Wesentlich ist somit bei dem Verfahren, daß das Förderprinzip eine Strömungs- und keine Schwerkraftförderung ist. Durch die Strömung 10 werden so­ mit die Vereinzelung, die Zentrierung im Magazinschacht, die Zentrierung am Greifer sowie die Zuführung der Mikro­ teile zum Greifer erzielt.

In der Fig. 1 ist als Vorrichtung für das Verfahren ein Magazinkörper 2 zur Bereitstellung von Kugeln 1 wie z. B. Kugellinsen aus Glas 1 von 900 µm Durchmesser dargestellt. Der Magazinkörper 2 weist einen inneren, vertikalen oder gegen die Vertikale geneigten kreiszylindrischen Schacht 3 etwas größeren Durchmessers als der der Kugeln 1 auf und dient zum Übereinanderstapeln von diesen. Zweckmäßig ist dabei, daß der Durchmesser des Schachtes 3 etwa 10% größer ist, als der Durchmesser der Kugelkörper 1. Bei anders als Kugeln ausgebildeten Mikrokörpern ist der Schachtquer­ schnitt der Außenkontur der Mikrokörper mit etwas größerem Maß angepaßt. Die Neigung des Schachtes gegen die Verti­ kale darf jedoch nicht so groß sein, daß die Kugeln 1 aus ihm herausrollen oder andere Mikrokörper herausrutschen. Bei der beispielhaften Ausführung nach der Fig. 1 ist die Umgebung des oberen Endes vom Schacht 3 an der Entnahmeöff­ nung 12 trichterförmig durch einen Einfülltrichter 4 im Ma­ gazinkörper 2 ausgebildet, wobei das untere Ende 11 des Schachtes 3 stirnseitig so ausgebildet ist, daß die Kugeln 1 nicht nach unten herausfallen können. In diesem Bereich des Schachtes 3 sind Zuluftöffnungen 6 in die Umgebung vor­ handen. Diese Zuluftöffnungen 6 führen von bzw. nach außen zu einer hohlraumartigen Erweiterung 5 am unteren Ende 11 des Schachtes 3, wobei der gebildete Hohlraum 5 eine etwas geringere Höhe als der Durchmesser der Kugelkörper 1 auf­ weist, damit die Kugeln nicht aus dem Schacht 3 in ihn rol­ len und nicht mehr aus ihm entnommen werden können. Bei der in der Fig. 1 beispielhaft dargestellten Ausführung be­ sitzt der Hohlraum 5 flachzylindrische Form, wobei die Zu­ luftbohrungen 6 radial nach außen in die Umgebung führen. Nach einer besonderen Ausgestaltung führt der Schacht 3 führt durch den Magazinkörper 2 ganz hindurch in den Hohl­ raum 5, wobei dieser an der dem Schacht 3 abgewendeten Sei­ te mittels einer Grundplatte 7 verschlossen ist. In dem Ma­ gazinkörper 2 können auch mehrere, in der Fig. 1 nicht mehr dargestellte Schächte 3 vorgesehen werden, die entwe­ der jeder einen Hohlraum 5 mit Bohrungen 6 für sich, oder alle zusammen einen Hohlraum 5 gemeinsam aufweisen.

Zum Beladen des Magazins gemäß der Fig. 1 werden nun die Kugeln 1 über den Einfülltrichter 4 in den Magazinschacht 3, der zum Beispiel für Kugellinsen von 900 µm Durchmesser einen Durchmesser von ungefähr 1 mm aufweist, gefüllt. Be­ dingt durch die Schwerkraft stapeln sich die Kugeln 1 beim Beladen automatisch übereinander und werden am unteren Schachtende im Bereich des Hohlraumes 5 durch die Begren­ zung der festen Grundplatte 7 gehalten. Zur Entnahme der Kugeln 1 aus dem Magazinschacht 3 fährt ein Sauggreifer 8 an einem nicht dargestellten Greifarm mit seiner Saugöff­ nung 9 dicht über den Einfülltrichter über dem Magazin­ schacht 3. Beim Einschalten des Saugvorganges wird die Luft aus dem Schacht 3 abgesaugt und strömt von der Zuluftboh­ rung 6 und dem Hohlraum 5 zwischen den Kugeln und der Wan­ dung des Schachtes 3 in Richtung Entnahmeöffnung 12. Die resultierende Strömung 10 reißt dabei die oberste Kugel 1 im Schacht 3 durch die Öffnung 12 mit sich an die Saugöff­ nung 9 des Greifers 8. Dabei zentriert sich die Kugel 1 durch die Führung im Schacht 3 und die der Form angepaßte Saugöffnung 9 des Greifers 8 selbsttätig. Auf diese Weise saugt der Greifer 8 immer eine Kugel 1 aus dem Schacht 3 an, wobei in diesen am anderen Ende Zuluft aus den Zu­ luftöffnungen 6 von unten nachströmt. Durch die jeweils an­ gesaugten Kugeln 1 wird die Ansaugöffnung des Greifers vollkommen geschlossen, so daß kein weiterer Saugeffekt vorhanden ist und die restlichen Kugeln 1 des Magazins wie­ der auf ihre frühere Position in den Schacht 3 zurückfal­ len. Auf diese Weise saugt der Greifer immer nur eine Kugel an.

In der Fig. 2 ist ein Magazin zur Bereitstellung von plättchenförmigen Mikroteilen, wie z. B. Wellenlängenfiltern 13 aus Glas dargestellt, das ebenfalls nach dem Verfahren arbeitet. Die Funktion ist dieselbe wie die des Magazins nach der Fig. 1 für die Kugellinsen 1. Das Magazin weist ei­ nen Magazinkörper 15 auf, in welchem ein Schacht 14 ver­ läuft. Der Schacht 14 beginnt horizontal an der Seite des Magazinkörpers 15 mit einer Öffnung am Schachtende 16 und führt bogenförmig vertikal zu der oberen Entnahmeöffnung 17 des Schachtes 14. Dabei ist wichtig daß lediglich das obere Schachtende vertikal ausgebildet ist. Auch hier wird durch die Saugöffnung 9 des Greifers 8 eine Strömung 10 vom Schachtende 16 zur oberen Entnahmeöffnung 17 erzeugt. Die Strömung 10 vereinzelt die Mikroteile 13 und transportiert sie zum Greifer 8.

Die spezielle Ausführung nach der Fig. 2 zeigt das Magazin mit einem geteilten Magazinkörper 15, bei dem ein reines Magazinelement 19 an ein Umlenkteil 18 angesetzt ist, so daß der Kanal 14 durch beide führt. Im Umlenkteil 18 wird der Kanal 14 in vertikale Richtung umgelenkt, während er im Magazinelement 19 im wesentlichen horizontal verläuft. Das Magazinelement 19 ist dabei als Stabmagazin ausgebildet, kann getrennt entnommen und außerhalb der Maschine, in der das Magazin eingesetzt ist, befüllt werden. Das Umlenkteil 18 kann dann fest an der Maschine verbleiben.

Bezugszeichenliste

1

Mikrokörper, Kugellinsen

2

Magazinkörper

3

Magazinschacht

4

Einfülltrichter

5

Hohlraum

6

Zuluftöffnung

7

Grundplatte

8

Greifer

9

Saugöffnung

10

Strömung

11

unteres Ende

12

Entnahmeöffnung

13

Mikrokörper, Plättchen

14

Schacht

15

Magazinkörper

16

Schachtende

17

Entnahmeöffnung am Schacht

14

18

Umlenkteil

19

Magazinelement

Claims (8)

1. Verfahren zur Entnahme von im Schacht eines Magazins übereinandergestapelten Mikrokörpern mittels eines Sauggreifers, wie z. B. von Kugeln, plättchen- oder zy­ linderförmigen Körpern im Mikromaßstab, zur Bereit­ stellung für die Montage von Mikrosystemen, wobei der Schacht einen größeren Querschnitt als der der Mikro­ körper aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Greifer (8) mit seiner Saugöffnung (9) über die obere Entnahmeöffnung (12) des Schachtes (3) mit den Mikrokörpern (1) gebracht wird und durch Aufbringen ei­ nes Unterdruckes in der Saugöffnung (9) des Greifers (8) zwischen den Mikrokörpern (1) und der Innenwand des Schachtes (3) durch den Greifer (8) eine von unteren Zuluftöffnungen (6) am Schacht (3) zu der Entnahmeöff­ nung (12) gerichtete Strömung (10) im Schacht (3) zum Transport der Mikrokörper (1) nach oben zum Greifer (8) hin aufgebracht und dadurch der oberste Mikrokörper (1) durch Ansaugen an die Saugöffnung (9) entnommen wird.

2. Vorrichtung zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Magazinkörper, der einen inneren Schacht mit größerem Querschnitt als der der Mikrokörper zum Übereinanderstapeln von diesen aufweist, gekennzeich­ net durch die folgenden Merkmale:

• a) Der Schacht (3) des Magazinkörpers (2) weist eine obere Entnahmeöffnung (12) auf, wobei das untere En­ de (11) des Schachtes (3) gegen einen Austritt der Mikrokörper verschlossen oder gesichert ist und da­ bei in diesem Bereich des Schachtes hinter den Mi­ krokörpern (1) Zuluftöffnungen (6) in die Umgebung vorhanden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• a) die Zuluftöffnungen (6) führen zu einer hohlraumar­ tigen Erweiterung (5) am unteren Ende des Schachtes (3), wobei der gebildete Hohlraum (5) eine geringere Höhe als der Durchmesser der Kugelkörper (1) auf­ weist,
• b) der Hohlraum (5) besitzt flachzylindrische Form, wo­ bei die Zuluftöffnungen (6) radial nach außen in die Umgebung führen,
• c) der Schacht (3) führt durch den Magazinkörper (2) hindurch in den Hohlraum (5), wobei dieser an der Schacht (3) abgewendeten Seite mittels einer Grundplatte (7) verschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• a) die Umgebung des oberen Endes vom Schacht (3) an der Entnahmeöffnung (12) ist trichterförmig durch einen Einfülltrichter (4) im Magazinkörper (2) ausgebil­ det.

5. Vorrichtung zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Magazinkörper, der einen inneren Schacht mit größerem Querschnitt als der der Mikrokörper zum Übereinanderstapeln von diesen aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) das Magazin weist einen Magazinkörper (15) auf, in welchem ein Schacht (14) verläuft, der etwa horizon­ tal an der Seite des Magazinkörpers (15) mit einer Öffnung an Schachtende (16) beginnt und bogenförmig einen vertikalen Teil übergeht, der zu der oberen Entnahmeöffnung (17) am Schachtende führt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

• a) der Magazinkörper (15) ist geteilt, wobei ein Maga­ zinelement (19) an ein Umlenkteil (18) angesetzt ist und der Schacht (14) durch beide hindurch führt,
• b) in dem Umlenkteil (18) ist der Schacht (14) in ver­ tikaler Richtung nach oben umgelenkt, während er im Magazinelement (19) im wesentlichen horizontal ver­ läuft.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, gekenn­ zeichnet durch die weiteren Merkmale:

• a) das Schachtende (16) ist gegen einen Austritt der Mikrokörper verschlossen oder gesichert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Schachtes (3, 14) bei kugelförmigen Mikrokörpern etwa 10% größer ist, als der Durchmesser der Mikrokörper (1, 13).