DE3611140C2 - Für eine Glaselektrode oder dergleichen geeigneter Manipulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikromanipulator, insbesondere für eine Glaselektrode,
mit Einstellmechanismen für Grobeinstellungen in den x-, y- und z-Richtungen, wobei Gleitelemente mittels Betätigungs­ knöpfen entlang von Basisgliedern bewegbar sind,
mit einer Einstellvorrichtung für Feinbewegungen in den x-, y-Richtungen, wobei über einen kippbaren Betätigungs­ hebel die Feinbewegung in x- und y-Richtung einleitbar ist, und
mit einem Feinbewegungsabschnitt für die z-Richtung, wobei mittels eines am Betätigungshebel angeordneten Drehknopfes ein Kolben in einem Hydraulikzylinder bewegbar ist, der über eine Leitung mit einer Zylinder/Kolbenanordnung zur Betäti­ gung dieses Feinbewegungsabschnittes verbunden ist.

Einen derartigen Mikromanipulator zeigt das ältere, nicht vor­ veröffentlichte Patent DE 35 41 082 desselben Erfinders.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompaktere Bau­ weise und eine einfachere Bedienungsmöglichkeit zu erzielen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Patentansprüche 1 und 2.

Gegenüber der Ausführung nach dem älteren Patent ergibt sich durch die konstruktive Zusammenfassung der einzelnen Einstell­ möglichkeiten in x-, y- und z-Richtung hinsichtlich der Grob- und Feineinstellung eine wesentlich kompaktere Bauweise. Durch den Direktantrieb können die hydraulischen Leitungen und Antrie­ be in x- und y-Richtung vermieden werden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsge­ mäßen Mikromanipulators dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des gesamten Manipula­ tors;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht eines we­ sentlichen Teils des Manipulators;

Fig. 3 eine Vorderansicht des Manipulators, wobei ein wesentlicher Teil im Schnitt dargestellt ist;

Fig. 4 eine Ansicht des Aufbaus eines wesentlichen Teils des Manipulators.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Manipulator beschrieben, der für eine Glaselektrode oder dgl. gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung geeignet ist. In Fig. 1 ist mit 1 ein Grobbewegungsmecha­ nismus bezeichnet, der dazu dient, eine Glaselektrode in Höhenrichtung (im folgenden als "Z-Koordinatenachse" bezeichnet) grob zu bewegen. Mit dem Bezugzeichen 2 ist ein Grobbewegungsmechanismus bezeichnet, der dazu dient, die Glaselektrode in Längsrichtung (im folgenden als Y- Koordinatenachse bezeichnet) zu bewegen. Mit 3 ist schließlich ein Grobbewegungsmechanismus bezeichnet, der dazu dient, die Glaselektrode in der seitlichen Richtung (im folgenden als X-Koordinatenachse bezeichnet) zu bewe­ gen. Mit 4 ist die Glaselektrode bezeichnet. Der Z-Koordi­ natenachsen-Grobbewegungsmechanismus 1 ist derart aufge­ baut, daß sein Gleitelement 9 an einem Ständer 5 befe­ stigt ist. Die Z-, Y- und X-Achsengrobbewegungmechanis­ men 1, 2 und 3 werden durch Basisglieder 6, 7 und 8 und Gleitelemente 9 bzw. 10 bzw. 11 gebildet. Es ist bekannt, daß dann, wenn die Betätigungsknöpfe 12 bzw. 14 gedreht werden, die Gleitelemente 9 bzw. 11 dazu veranlaßt wer­ den, bezüglich ihrer entsprechenden Basisglieder in Z- bzw. X-Achsenrichtungen sich zu bewegen, und zwar durch Zusammenarbeit eines Ritzels 15 und einer Zahnstange 17, die miteinander in Eingriff stehen und ferner durch Zu­ sammenarbeit eines Ritzels 16 und einer Zahnstange 18, die miteinander in Eingriff stehen. Es ist ebenfalls bereits bekannt, daß das Gleitelement 10 zum Gleiten veranlaßt wird, und zwar über eine Blattfeder 20 durch Drücken gegen eine Druckstange 19. Der Druckvorgang wird durch Drehung eines Betätigungsknopfes 13 hervorgerufen. Durch die entsprechenden Gleitbewegungen der Gleitele­ mente 9, 10 und 11 wird die an einer Befestigungsbasis 21 befestigte Elektrode 4 in den X-, Y- und Z-Axialrich­ tungen grob bewegt.

Gemäß der Erfindung ist ein X-Y-Z-Achsenfeinbewegungsmecha­ nismus 22 zwischen dem Z-Achsengrobbewegungsmechanismus 1 und dem Y-Achsengrobbewegungsmechanismus 2 angeordnet. Ferner ist ein Druckaufnahmefeinbewegungsabschnitt 23 zwischen der Befestigungsbasis 21 und dem X-Achsengrob­ bewegungsmechanismus 3 angeordnet, und zwar betätigt durch den X-Y-Z-Achsenfeinbewegungsmechanismus 22. Der X-Y-Z-Achsenfeinbewegungsmechanismus 22 weist einen X-Y-Achsenfeinbewegungsmechanismus 22a auf, der eine Hebelwirkung ausnutzt und einen Z-Achsenfeinbewegungsme­ chanismus 22b, der unter Verwendung eines Hydraulikzylin­ ders arbeitet. Wie sich aus den Fig. 2 und 3 ergibt, weist der X-Y-Achsenfeinbewegungsmechanismus 22a ein X-Y- Achsenfeinbewegungsbasisglied 24 auf, und zwar befestigt am Basisglied 6 des Z-Achsengrobbewegungsmechanismus 1; das X-Y-Achsenfeinbewegungsbasisglied 24 ist mit einem X-Achsenfeinbewegungsgleitelement 25 gleitend in X-Ach­ senrichtung angeordnet. Das X-Achsenfeinbewegungsgleit­ element 25 ist mit einem Y-Achsenfeinbewegungsgleitele­ ment 26 gleitend in Y-Achsenrichtung angeordnet. Eine geeignete Anzahl von Stahlkugeln 27 sitzt zwischen dem X-Y-Achsenfeinbewegungsbasisglied 24 und dem X-Achsen­ feinbewegungsgleitelement 25 und auch zwischen diesem Gleitelement und dem Y-Achsenfeinbewegungsgleitelement 26. Ein kleiner sphärischer Körper (Kugelkörper) 29 hängt von der Unterseite des X-Y-Achsenfeinbewegungsbasisglieds 24 herab, und zwar über eine Tragstange 28. Eine Aufnahme­ bohrung 31 eines großen sphärischen Körpers (Kugelkörpers) 30 ist drehbar über dem kleinen Kugelkörper 29 angepaßt. Der große Kugelkörper 30 ist drehbar innerhalb einer Hül­ se 32 gelagert, und zwar eingeschraubt in das Y-Achsen­ feinbewegungsgleitelement 26. Mit der Hülse 32 ist ein Haltering 34 verschraubt, und zwar über einen Schlupfring 33 aus einem synthetischen Harz, um so zu verhindern, daß der große Kugelkörper 30 aus der Hülse 32 herausge­ zogen wird. Ein Betätigungshebel 35 ist an dem großen Kugelkörper 30 in der Weise befestigt, daß der erstere von dem letzteren herabhängt oder sich nach unten erstreckt. Die in Verbindung mit der Hülse 32 ausgeführte Wirkung ist die folgende. Wenn die Schraubgröße der Hülse 32, gemessen bezüglich des Y-Achsenfeinbewegungsgleitelements 26 eingestellt wird, so wird der Abstand zwischen der Mitte des kleinen Kugelkörpers 29 und der Mitte des gro­ ßen Kugelkörpers 30 verändert, wodurch es möglich ist, die Größen der entsprechenden Gleitbewegungen des X- Achsenfeinbewegungsgleitelements 25 bzw. des Y-Achsen­ feinbewegungsgleitelements 26, gemessen bezüglich der Kippgröße des Betätigungshebels 35, frei zu verändern. Innerhalb des Betätigungshebels 35 ist der Z-Achsenfein­ bewegungsmechanismus 22b des Hydraulikzylindersystems angeordnet. Im einzelnen weist der Z-Achsenfeinbewegungs­ mechanismus 22b einen Hydraulikzylinder 36 auf, wie dies in Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Der Hydraulikzylinder 36 ist in den Betätigungshebel 35 eingepaßt. Alternativ ist er daran beispielsweise mittels Einstellschrauben befestigt. Andererseits ist der Betätigungsknopf 37 an einen unteren Endteil des Betätigungshebels 35 angeschraubt und dieser Knopf 37 ist mit einem Kolben 38 ausgestattet. Der Hy­ draulikzylinder 36 wird durch einen Zylinderkörper 39 gebildet, und zwar innen ausgebildet mit einer Hydraulik­ kammer und eine Membran 42 ist zwischen dem Zylinder­ körper 39 und einem zylindrischen Gehäuse 40 mittels eines Schraubrings 41 festgeklemmt. Der Zylinderkörper 39 ist mit einer Verbindungsöffnung 43 ausgestattet, die mit­ tels eines Rohrs 44 verbunden ist mit einem Druckaufnahme­ feinbewegungsabschnitt 23. Der Abschnitt 23 ist wie folgt aufgebaut. Wie man in Fig. 1, 3 und 4 erkennt, ist ein Basisglied 45 an der Befestigungsbasis 21 befestigt. Das Glied 45 ist daran befestigt, und zwar mit einem Gleit­ element 47 gleitend in der Z-Achsenrichtung mit Stahl­ kugeln 46 dazwischen angeordnet. Das Gleitelement 47 hat einen hohlen Kolben 48 an seinem unteren Endteil und zwischen diesem Kolben 48 und dem Basisglied 45 ist eine Rückholfeder 49 positioniert. Eine Federhaltestange 50 erstreckt sich vom Basisglied 45 nach unten und ist in die Rückholfeder 49 eingesetzt. Mit dem unteren Ende des Basisglieds 45 ist ein ringartiger Bügel 51 befestigt, an dem mittels Einstellschrauben 53 ein Hydraulikzylinder 52 befestigt ist, und zwar mit einem Aufbau ähnlich dem­ jenigen des oben erwähnten Zylinders 36. Das heißt also, der Hydraulikzylinder 52 wird durch einen Zylinderkörper 54 gebildet, und zwar mit einer Hydraulikkammer, einer Membran 56 und einem Schraubring. Der Zylinderkörper 54 besitzt eine Verbindungsöffnung 57, mit der die Verbin­ dungsöffnung 43 des Hydraulikzylinders 36 mittels eines Rohrs 44 in Verbindung steht. Wasser oder Siliconöl ist zwischen den Hydraulikzylindern 36 und 52 abgedichtet. Das Gleitelement 47 ist an dem Gleitelement 11 des X-Ach­ sengrobbewegungsmechanismus 3 befestigt. Das Basisglied 8 des X-Achsengrobbewegungsmechanismus 3 ist am Gleit­ element 10 des Y-Achsengrobbewegungsmechanismus 2 befe­ stigt. Das Basisglied 7 des Y-Achsengrobbewegungsmechanis­ mus 2 ist an einer Seite mit einem Ende des Y-Achsenfein­ bewegungsgleitelements 26 befestigt, und zwar mittels eines Bügels 58 und Einstellschrauben 61 und 62.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Bezugszeichen 59 und 60 in Fig. 4 Ventile gleicher Konstruktion bezeichnen, die beispielsweise zur Freigabe von Luft verwendet werden.

Bei Betrieb des Manipulators zur Verwendung mit einer Glaselektrode oder dgl. werden die entsprechenden Betäti­ gungsknöpfe 12, 13 und 14 der Z- bzw. Y- bzw. X-Achsengrob­ bewegungsmechanismen 1 bzw. 2 bzw. 3 verdreht. Dies be­ wirkt eine Gleitbewegung zwischen einem der Basisglieder 6, 7 und 8 und einem entsprechenden der Gleitelemente 9, 10 und 11. Durch diesen Vorgang wird die an der Befesti­ gungsbasis 21 befestigte Glaselektrode grob bezüglich einer vorbestimmten Position positioniert. Wenn darauf­ hin der Betätigungshebel 35 in einer Richtung gekippt wird, in der die Glaselektrode 4 bewegt werden soll, so werden die X-Achsenfeinbewegungsgleitelemente 25 und die Y-Achsenfeinbewegungsgleitelemente 26 dazu veranlaßt, bezüglich der X-Y-Achsen eine Feinbewegung des Basis­ glieds 24 auszuführen, um so konform zu sein mit der Rich­ tung und der Größe, um die der Betätigungshebel 35 bewegt wird. Infolgedessen wird die Glaselektrode 4 feinbewegt, und zwar über Bügel 58, X-Achsengrobbewegungsmechanismus 3, Druckaufnahmefeinbewegungsabschnitt 23 und Befestigungs­ basis 21 in den Gleitrichtungen, und auch in einer ent­ sprechenden Beziehung hinsichtlich der Gleitgrößen der X- und Y-Achsenfeinbewegungsgleitelemente 25 und 26. Diese Feinbewegung wird in den X-Achsen- und Y-Achsenrichtungen vorgenommen. Durch Drehen des Betätigungsknopfes 37 er­ scheint oder verschwindet der Kolben 38 bezüglich des Hydraulikzylinders 36. Dies ruft eine Veränderung der Kraft hervor, mit der der Kolben 38 gegen die Membran 42 drückt. Dies wiederum bewirkt eine Unterdrucksetzung oder Ent-Unterdrucksetzung der Hydraulikkammer innerhalb des Zylinderkörpers 39.

Die Druckveränderung der Hydraulikkammer innerhalb des Zylinderkörpers 39 wird über das Rohr 44 zu dem Hydraulik­ zylinder 52 des Druckaufnahmefeinbewegungsabschnitts 23 übertragen, um dadurch den Druck der Hydraulikkammer in­ nerhalb des Hydraulikzylinders 52 zu variieren. Wenn das Innere des Hydraulikzylinders 36 (Hydraulikkammer) unter Druck gesetzt wird, so wird der Druck des Hydraulikzylin­ ders 52 (Hydraulikkammer) ansteigen, wodurch die Membran 55 gegen den Kolben 48 drückt. Infolgedessen wird das Basisglied 45 bezüglich des Gleitelements 47 abgesenkt und infolgedessen kann auch ein Herabfallen, d. h. eine Herabbewegung der Glaselektrode 4 stattfinden. Wenn umge­ kehrt das Innere (Hydraulikkammer) des Hydraulikzylinders 36 druckmäßig verringert wird, so wird der Druck in dem Hydraulikzylinder 52 (Hydraulikkammer) entsprechend in seinem Niveau abnehmen. Infolgedessen wird das Basisglied 45 bezüglich des Gleitelements 47 angehoben, und zwar durch Aufnahme der elastischen Druckkraft der Rückholfe­ der 49, so daß die Glaselektrode 4 ebenfalls angehoben wird. Auf diese Weise kann durch die Betätigung des Be­ tätigungshebels 35 allein die Glaselektrode 4 in X-, Y- und Z-Axialrichtung in irgendeine gewünschte Position feinbewegt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung für eine Glas­ elektrode 4 beschränkt, sondern kann auch bei verschiede­ nen physikochemischen Instrumenten ebenfalls eingesetzt werden.

Claims (2)

1. Mikromanipulator, insbesondere für eine Glaselektrode,

• - mit Einstellmechanismen (1, 2, 3) für Grobeinstellungen in den x-, y- und z-Richtungen, wobei Gleitelemente (9, 10, 11) mittels Betätigungsknöpfen (12, 13, 14) entlang von Basis­ gliedern (6, 7, 8) bewegbar sind,
• - mit einer Einstellvorrichtung (22) für Feinbewegungen in den x-, y-Richtungen, wobei über einen kippbaren Betäti­ gungshebel (35) die Feinbewegung in x- und y-Richtungen einleitbar ist, und
• - mit einem Feinbewegungsabschnitt (23) für die Z-Richtung, wobei mittels eines am Betätigungshebel (35) angeordneten Drehknopfes (37) ein Kolben (38) in einem Hydraulikzylinder (39) bewegbar ist, der über eine Leitung (44) mit einer Zy­ linder/Kolbenanordnung zur Betätigung dieses Feinbewegungs­ abschnitts (23) verbunden ist,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß an dem Einstellmechanismus (1) für die Grobeinstellung in z-Richtung die Einstellvorrichtung (22) für die Feinbewe­ gungen in den x-, y-Richtungen angeordnet und mit diesem bewegbar ist,
• - daß sich der Betätigungshebel (35) für die Feinbewegungen von der Einstellvorrichtung (22) für die Feinbewegungen in den x-, y-Richtungen nach unten erstreckt,
• - daß auf der Einstellvorrichtung (22) für die Feinbewegungen in x-, y-Richtungen der Einstellmechanismus (2, 3) für die Grobeinstellungen in den x-, y-Richtungen angeordnet und mit diesem bewegbar ist,
• - daß der Feinbewegungsabschnitt (23) für die z-Richtung an dem Einstellmechanismus (2, 3) für die Grobeinstellung in den x-, y-Richtungen angeordnet und mit diesem bewegbar ist.

2. Mikromanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung (22) für die Feinbewegungen in den x-, y-Richtungen umfaßt:

• - ein Basisglied (24), das einen nach unten weisenden kleinen Kugelkörper (29) aufweist und gegenüber einem x-Achsenfein­ bewegungsgleitelement (25) bewegbar ist,
• - ein y-Achsenfeinbewegungsgleitelement (26), das gegenüber dem x-Achsenfeinbewegungsgleitelement (25)bewegbar ist und über einen Bügel (58) mit den Einstellmechanismen (2, 3) für die Grobeinstellung in den x-, y-Richtungen verbunden ist, und
• - einen großen Kugelkörper (30), der in einer Aufnahmebohrung (31) den kleinen Kugelkörper(29) aufnimmt, in dem y-Achsen­ feinbewegungsgleitelement (26) drehbar gelagert ist und mit dem Betätigungshebel (35) verbunden ist.