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Einrichtung zum Ausführen kleinster Bewegungen, insbesondere Mikromanipulator
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Ausführen kleinster Bewegungen,
bei der ein einseitig eingespanntes elastisch deformierbares Glied vorgesehen ist,
dessen geringfügige Bewegung, Torsion oder Verbiegen in der Nähe des eingespannten
Endes durch dem freien Ende aufgeizwungene Bewegungen gesteuert wird. Eine solche
Einrichtung kann insbesondere als Mikromanipulator, beispielsweise für Licht- und
Ele@ktronenmikroskope, verwendet werden. Es ist möglich, mit der erfindungsgemäßen
Einrichtung beispielsweise Verkleinerungsverhältnisse von i : 2ooo bis i : ioooo
zu erzielen, so daß ,mit .der Einrichtung Bewegungen ausgeführt werden, die nur
mit Hilfe von Elektronenmikroskopen wahrnehmbar gemacht werden können. Die Fig.
i bis 3 zeigen. Ausführungsbeispiele der Einrichtung gemäß der Erfindung in zum
Teil schematischer Darstellung.
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Die Mikrornanipulatorspitze i ist mittels der schwenkbar und kraftschlüssig
gelagerten Verbindungsstücke 2 mit zwei bei q. eingespannten Stäben 3 verbunden.
Erzwingt man durch äußere Kräfte beispielsweise eine Bewegung des freien Endes 5
des einen Stabes, so daß er bis in die gestrichelt angedeutete Lage verbogen wird,
so führt der Punkt, in dem das VembindungsstäbchZn.2 angreift, nur eine äußerst
kleine Bewegung aus. Das Übersetzungsverhältnis ist um Größenordnungen kleiner als
bei einer Hebelübersetzung. Bei dem Ausführungsabe nspiel sind die freien Enden
der deformiarbaren Stäbe 3 beispielsweise mittels einer
Schnur 7
mit einem Stift 8 verbunden, so daß eine Bewegung dieses Stiftes eine entsprechende
Auslenkung des Endes. 5 der beiden defo@rmierbaren Stäbe 3 gegen die Kraft der Federn
6 bewirkt. Außerordentlich stark verkleinert führt die Mikromanipulatorspitze i
eine entsprechende Bewegung aus. Beim Umfahren einer geschlossenen Linie mittels
des Stiftes .8 bewegt sich die Mikromanipulatorspitze i ebenfalls längs einer geschlossenen
Linie. Die beiden Figuren sind einander nicht genau ähnlich. Die Verzerrung spielt
jedoch für die meisten Anordnungen keine Rolle, zumal die Zuordnung der den Stellungen
des Stiftes 8 entspreche:n;den Stellungen der Mikrom.anipulaturspitze i eindeutig
ist.
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Es ist zweckmäßig, das elastisch deformierbare Glied derart auszubilden;
daß der Biegungsmodul in der Ebene, in der die, Bewegung erfolgen soll, erheblich
geringer isst als in einer dazu senkrechten Richtung. Man kann beispielsweise flache
Stäbe oder Blattfedern als elastisches Glied benutzen. Um ein möglichst großes Übersetzungsverhältnis
zu bekommen, ist es unter Umständen zweckmäßig, das elastische Glied derart zu formieren,
daß der Biegungsmodu@l vom eingespannten Ende zum freien Ende hin abnimmt. Dieses
Ziel erreicht man beispiels.«-eisei dadurch, daß men das zu deformierende Band am
eingespannten Ende breiter als am freien Ende ausführt, oder .dadurch, daß man die
Dicke am eingespannten Ende größer wählt als am freien Ende. Man kann jedoch auch
das elastische Glied örtlich aus derart verschiedenem Werkstoff -herstollen, daß
das gleiche Ergebnis erzielt wird, indem man beispielsweise für das der Einspannstella
nahe Ende einen Werkstoff mit hohem, für das freie Ende jedoch einen Werkstuff mit
niedrigerem Elastizitätsmodulwählt. Auch durch auf die Umgebung .des eingespannten
Endes beschränkte Maßnahmen zurErhöhung der Steifigkeit des elastischen Gliedes,
beispielsweise durch umgebördelte Kanten oder T-förmiges. Profil, kann. man unter
B.Eibehaltung der Abmessungen der Lage der Angriffspunkte das Verkleinerungsverhältnis
heraufsetzen.
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Bei dem J#.usführungsbespiel sind zwei kongruente elastische Glieder
spiegelbildlich zu einer zur Arbeitsebene senkrechten Ebene angeordnet und über
parallel zur Arbeitsebene nachgiebige oder schwenkbare, vorzugsweise spiegelsymmetrische
Glieder 2 miteinander bzw. mit der Spitze i des Mikromanipulators krafitschlüss.ig
verbunden. In analoger Weise sind', auch die beiden freien Enden 5 der elastischen
Glieder 3 über parallel zur Arbeitsebene nachgiebige, schwenkbare, vorzugsweise
spiegelsymmetrisch angeordnete Glieder 7 miteinander bzw. mit dem Bedienungsstift
8 der Einrichtungen verbunden.
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Es ist zweckmäßig, Mittel zur Dämpfung der Bewegung des elastischen
Gliedes vorzusehen, die mindestens an der Stelle wirksam sind, an der die Bewegung
über die Verbindungsstäbchen 2 auf die Spitze des Mikromanipulators übertragen wird.
Besonders. bewährt hat sich eine Hebelkombination, wie in Fig. 2 angedeutet ist,
bei der zunächst durch einen vergleichsweise steifen Hebel g die Bewegung i : 2o
verkleinert und durch das elastische, vorzugsweise relativ kurze Glied 3 eine weitere
Veirkleinenung von i : iora erzielt wurde. Bei einer solchen Anordnung tritt keine
unerwiirnschte Bewegung der Mikromanipulatorspitze dadurch ein, daß das elastisch
deformierbare Glied 3 nach jeder Bewegung seines. freien Endes schwach gedämpfte
Schwingungen ausführt, deren Amplitude um so größer ist, je länger das, elastisch
deformierbare Glied ist. Auf das übersetzungs.verhältnis braucht der Satz des äußeren
Teiles des elastisch deform,ierbare@n Gliedes durch einen steiferen Hebel g kennen
ins Gewicht fallenden Einfluß zu haben.
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Es ist unter Umständen zweckmäßig, die Einrichtung gemäß der Erfindung
so auszubilden, d:aß die Mikromanipulatorspitze i drei dimensionale Bewegungen,
ausführen kann. Fig. 3 zeigt ein. Ausführungsbeispiel für eine- solche Einrichtung
gemäß der Erfindung, bei der die Spitze io des Mikro,-manipulators auf der Unterlage
i i, beispielsweise einer Glasplatte, hin und her bewegt werden kann. Die Anordnung
ist dabei so getroffen, daß die wirksame Spitze; io des Mikromanipulators in der
Ruhestellung in geringem Abstand von der Arbeitsebene gehalten wird. Entsprechend
der geringfügigen Bewegung, die das elastische Glied 13 in der Nähe seines bei 1q.
eingespannten Endes ausführt, wenn man auf sein freies Ende einwirkt, bewegt sich
die, wirksame Spitze io des Mikroman,ipulatoirs, die mit dem elastischen Glied 13
durch das Stäbchen 12 verbunden ist. Durch das auf der Spitze 1& angebrachte,
aus den Hebeln 15, 17, dem Kopplungsglied i8 und der Feder i9 bestehenden Hebelsystem
wird die Vertikalbewegung des mit dieselm System über die Schnur 20 Verbundenen
Stiftes 21 auf das freie Ende des eingespannten Gliedes. 13 derart übertragen, daß
durch Senken des Stiftes 21 die wirksame Spitze io des Manipulators nach abwärts
bewegt wird. Durch entsprechende Lägerung der Arbeitsfläche i i, beispielsweiGe
mit Hilfe deis durch die Schraube 2,4 verbiegbaren Halters 23, kann. ,man erreichen,
daß die wirksame Spitze io gerade dann dein für das Arbeiten des Manipulators richtigen
Druck auf die Oberfläche des. Plättchens i i ausübt, wenn die Spitze -des :Stiftes
21 die Fläche, 22 gerade berührt. Mit dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Einrichtung kann man insbesondere auch nicht zusammenhängende Zeichen in einer Ebene
setzen. Diese Möglichkeit ist besonders wichtig, wenn ,d:ie Einrichtung benutzt
werden soll, um in Präparaten für elektrfonenmikroskopische Untersuchungen zum Wiederauffinden
einzelner Teile des Objektes geeignete Marken zu setzen.
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Zur Vergrößerung des Übersetzungsverhältnisses können mehrere Einrichtungen
der geschilderten Art hintereinandergeschalteit werden. Es ist unter Umständen auch
vorteilhaft, zu diesem Zweck eine Hebelkombination, z. B.. nach Art eines Storch-,Schnabels,
vorzusehen, so @daß .den freien Endender elastisch deformierbaren Glieder 3 nur
eine Odem Übersetzungsverhältnis. der vorgeschalteten Hebelkombination
entsprechend
verkleinerte Bewegung aufgezwungen wird. Man kann die Einrichtung auch mit Vorteil
zum Herstellen optischer Beugungsgitter verwenden, falls als wirksame Spitze io
eine Substanz verwendet wird, die es gestattet, Striche von o,o5 bis o,i tc einwandfrei
zu zeichnen.