FI115572B - Micromanipulator for the positioning/localization of operating instrument includes actuator implemented as linear motor to produce axial direction of motion for the micromanipulator and located on same longitudinal axis as bender - Google Patents

Micromanipulator for the positioning/localization of operating instrument includes actuator implemented as linear motor to produce axial direction of motion for the micromanipulator and located on same longitudinal axis as bender Download PDF

Info

Publication number
FI115572B
FI115572B FI20021613A FI20021613A FI115572B FI 115572 B FI115572 B FI 115572B FI 20021613 A FI20021613 A FI 20021613A FI 20021613 A FI20021613 A FI 20021613A FI 115572 B FI115572 B FI 115572B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
micromanipulator
piezoelectric
control device
axial direction
motor
Prior art date
Application number
FI20021613A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI20021613A0 (en
FI20021613A (en
Inventor
Pasi Kallio
Marek Novotny
Original Assignee
Chip Man Technologies Ltd Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chip Man Technologies Ltd Oy filed Critical Chip Man Technologies Ltd Oy
Publication of FI20021613A0 publication Critical patent/FI20021613A0/en
Priority to FI20021613A priority Critical patent/FI115572B/en
Priority to US10/497,857 priority patent/US7141914B2/en
Priority to DE60229980T priority patent/DE60229980D1/en
Priority to EP02781360A priority patent/EP1455990B1/en
Priority to PCT/FI2002/000964 priority patent/WO2003049908A1/en
Priority to AU2002349073A priority patent/AU2002349073A1/en
Priority to CA002469041A priority patent/CA2469041A1/en
Priority to JP2003550949A priority patent/JP2005511333A/en
Priority to AT02781360T priority patent/ATE414593T1/en
Publication of FI20021613A publication Critical patent/FI20021613A/en
Application granted granted Critical
Publication of FI115572B publication Critical patent/FI115572B/en

Links

Abstract

Micromanipulator for the positioning/localization of an operating instrument includes an actuator implemented as a linear motor to produce an axial direction of motion for the micromanipulator and located on the same longitudinal axis as a bender coupled with it. Micromanipulator for the positioning/localization of an operating instrument (1) with it includes electrical actuators (2) for controlling movement of the instrument in a single- or multi-axial system of coordinates, e.g. in the direction of an x-, y-, and/or z-axis, and for providing an elongated structure for the micromanipulator. At least one of the actuators enabling the positioning/localization of the operating instrument to provide at least one of its desired directions of motion, is implemented as a piezoelectric bender. The actuator producing an axial direction of motion for the micromanipulator and located on the same longitudinal axis as a bender (2'a) coupled with it is implemented as a linear motor (2'b).

Description

115572115572

Ohjausjärjestely mikromanipulaattorin yhteydessäControl arrangement with micromanipulator

Keksinnön kohteena on ohjausjärjestely mikromanipu-5 laattorin yhteydessä, joka mikromanipulaattori on tarkoitettu siihen yhdistetyn operointivälineen ase-mointia/paikannusta varten, mikä tapahtuu ohjaamalla sen liikettä mikromanipulaattorissa olevien sähköisten toimilaitteiden välityksellä yksi- tai useampiakseli-10 sessa koordinaatistossa, kuten x-, y- ja/tai z-akselin suunnassa. Erityisesti mikromanipulaattorin oleellisesti pitkänomaisen rakenteen mahdollistamiseksi yksi tai useampi operointivälineen asemointia tai paikannusta mahdollistava toimilaite, sen ainakin yhden 15 halutun liikesuunnan toteuttamiseksi, on järjestetty pietsosähköisellä toimilaitteella, kuten yhdellä tai I useammalla pietsosähköisellä taipujalla (Piezoelectric I Bender) ja/tai pietsosähköisellä pinotoimilaitteella (Piezoelectric Stack Actuator).The present invention relates to a control arrangement in connection with a micromanipulator 5 for positioning / positioning the associated operating means by controlling its motion via electrical actuators in the micromanipulator in one or more axis coordinates such as x, / or in the z-axis direction. Specifically, to provide a substantially elongated structure of the micromanipulator, one or more actuators for positioning or positioning the operating means, to accomplish at least one of its 15 desired directions of movement, are provided by a piezoelectric actuator, such as one or more piezoelectric ).

2020

Edellä esitetyn tyyppisiä mikromanipulaattoreita käytetään tänä päivänä tyypillisesti esimerkiksi mikro-: skooppikäytössä, jolloin mikromanipulaattoriin kytke- tyn operointivälineen haluttu toimintaulottuvuus on 25 tyypillisesti välillä 0,5 pm - 10 mm. Tänä päivänä ·;·: käytetyt ratkaisut perustuvat mikromanipulaattorin ·/·/ kaikkien haluttujen liikesuuntien osalta pääosin hyd- .· ·. raulisesti tai sähkömoottorein toteutettuihin ratkai suihin. Eräs tämäntyyppinen ratkaisu on löydettävissä 30 esim. japanilaisesta patenttijulkaisusta 832 3656, missä yhteydessä sovelletuissa sähkömoottoreissa on niiden tuottama suoraviivainen liike välitetty rootto-rin pyörimisliikkeestä riittävän taajanousuista hammaspyörä-hammastanko -järjestelyä käyttämällä.Today, micromanipulators of the type described above are typically used, for example, in microscopic use, wherein the desired operating dimension of the operating means coupled to the micromanipulator is typically between 0.5 µm and 10 mm. Today, ·; ·: The solutions used are based on the micromanipulator · / · / for all desired directions of movement. · · ·. solutions implemented by rollers or electric motors. One solution of this type can be found, for example, in Japanese Patent Publication No. 832 3656, wherein the applied electric motors are provided with a linear motion produced by the rotational motion of the rotor by means of a sufficiently frequency-inclined gear-tooth bar arrangement.

35 Toisaalta tekniikan tasosta on löydettävissä myös ratkaisuja, joissa hyödynnetään pietsosähköisiä, ult-raäänitaajuudella toimivia moottoreita, jotka tuotta- 2 115572 vat värähtelyaaltoa pietsosähköistä materiaalia sähköisesti aktivoitaessa.35 On the other hand, prior art solutions can also be found utilizing piezoelectric motors operating on ultrasonic frequency, which produce a vibration wave when electrically activating the piezoelectric material.

Em. JP 8323656 patenttijulkaisussa kuvatun tyyppisten, 5 periaatteessa sangen tavanomaiseen tekniikkaan perus tuvien ratkaisujen haitta on siinä, että niistä ei ole mahdollista muodostaa usean laitteen käytön kannalta riittävän pienikokoisia kokonaisuuksia. Toisaalta jälkimmäisenä mainitun tyyppisten pietsosähköisten 10 ultraäänitaajuudella toimivien sähkömoottorien haitta na on tänä päivänä erityisesti niiden tuottaman liikkeen hallinta riittävän tarkasti, minkä vuoksi nykyisellään erityisen tarkoissa toimenpiteissä ei ole mahdollista vielä hyödyntää kyseisen tyyppisiä ratkai-15 suja riittävän luotettavasti erityisesti kuormanmuu- | tostilanteissa.Em. The disadvantage of solutions of the type described in JP 8323656, which are based on a very conventional technique, is that it is not possible to form them into entities of sufficient size for the use of several devices. On the other hand, the latter types of piezoelectric ultrasonic electric motors today have the disadvantage of controlling the motion produced by them, in particular, which makes it impossible to utilize these types of solutions with sufficient precision, especially in the case of load modifications. situa- tions.

Nykyisen mikromanipulaattoritekniikan sangen kehittymättömän tason vuoksi onkin tilanne tänä päivänä se, 20 että erityisesti esim. mikroskooppikäytössä on mahdol lista käyttää operoinnissa samanaikaisesti yleensä korkeintaan kahta mikromanipulaattoria, jotka on si-jV joitettu vastakkaisille puolille operointikohtaa.Indeed, due to the relatively undeveloped state of current micromanipulator technology, it is possible today, particularly in microscope use, to operate simultaneously up to two micromanipulators generally located on opposite sides of the operating site.

·;· : Tästä syystä operoitaessa erilaisilla injektoitavilla : 25 väliaineilla tai käytettäessä mikromanipulaattorissa eri työvaiheissa erilaisia operointivälineitä, kuten .·. : pipettejä tai neuloja, on toimenpiteen vaihtuessa aina • ·, purettava laitekantaa tarvittaessa sitä lisäksi puh distamalla, ennen kuin uusi kulloiseenkin toimenpitee-30 seen seuraavaksi tarvittava väliaine tai operointivä- line on asennettavissa paikalleen. Näin ollen mikro-manipulaattorien käyttöön perustuva operointi on tänä päivänä sangen työlästä ja tarpeettoman tehotonta, koska työskentelyssä ei ole mahdollista tilaongelman 35 takia hyödyntää riittävää määrää samanaikaisesti käy tettäviä mikromanipulaattoreita.For this reason, when operating with different injectable media: 25 or using different operating tools, such as. : If pipettes or needles are to be changed, the • • instrument must be disassembled with additional cleaning, if necessary, before a new medium or operating device for the next procedure can be installed. Therefore, operation based on the use of micro-manipulators is today quite laborious and unnecessarily inefficient, since due to the space problem 35, it is not possible to utilize a sufficient number of simultaneous micromanipulators.

3 1155723, 115572

Toisaalta suomalaisessa patenttihakemuksessa 20012410, "Mikromanipulaattori", on esitetty edellä mainittuun tekniikan tasoon verrattuna merkittävästi kehitelty ratkaisu, jossa erityisesti mikromanipulaattorin 5 oleellisesti pitkänomaisen rakenteen mahdollistamisek si yksi tai useampi operointivälineen asemoin-tia/paikannusta mahdollistava toimilaite, sen ainakin yhden halutun liikesuunnan toteuttamiseksi, on järjestetty pietsosähköisellä taipujalla. Kuvissa 1 ja 2 on j 10 esitetty edullisina esimerkkeinä kaksi tällaista vaih- ! toehdoista mikromanipulaattorikonstruktiota.On the other hand, Finnish patent application 20012410, "Micromanipulator", discloses a significantly improved solution compared to the above-mentioned prior art, in which, in order to enable the substantially elongated structure of piezoelectric bender. In Figures 1 and 2, two such alternatives are shown as preferred examples. conditions for micromanipulator construction.

Edellä mainitun ratkaisun mahdollistaman pitkänomaisen rakenteen ansiosta on ensinnäkin mahdollista sijoittaa I 15 riittävä määrä mikromanipulaattoreita esim. mikro- i skooppityöskentelyssä käytettäväksi siten, että kaikki kyseessä olevassa prosessissa tarvittavat väliaineet ja operointivälineet ovat ennalta valmiiksi paikalleen asennettuina kussakin radiaalisuunnassa operointikoh-20 teeseen valmiiksi kohdistetussa mikromanipulaattoris- sa. Eräs keskeinen merkitys on myös siinä, että kysei-! sen tyyppisen mikromanipulaattorin yhteydessä ei edel- • V lytetä välttämättä yhtä suurta määrää tarkkaa mikrome- v: kaniikkaa erilaisissa sähkömoottorirakenteissa kuin :25 nykyisissä ratkaisuissa, koska suurin osa mikromanipu- • laattorilla tuotetuista liikkeistä on mahdollista : tuottaa pietsosähköisiä materiaaleja hyödyntämällä, ,· ·. jolloin niiden tuottamaa taipumaa tai venymää on mah dollista seurata sinänsä olemassa olevaa tekniikkaa 30 soveltamalla erityisesti mikromanipulaattorin jatkuvan feedback-ohjauksen mahdollistavalla tavalla.Due to the elongated structure provided by the above solution, firstly, it is possible to place a sufficient number of micromanipulators for use in, e.g., microscopic work such that . Another key aspect is that! this type of micromanipulator does not necessarily require the same amount of exact micromanipulation in electric motor designs as: 25 in current solutions, because most micromanipulator movements are possible: • to produce piezoelectric materials, ·. whereby the deflection or elongation produced by them can be followed by the existing technique 30, in particular by applying a micromanipulator in a manner that enables continuous feedback control.

*· ‘ Tässä yhteydessä on kuitenkin nähty edelleen tarvetta ·... olevan kehittää erityisesti kyseisen tyyppisellä mik- 35 romanipulaattori 11a tuotetun aksiaalisuuntaisen liik- keen tarkkuutta, mikä ei ole sinällään toteutettavissa kyseisen tyyppisen mikromanipulaattorin ohjauksessa 4 115572 tyydyttävästi pelkästään tavanomaista liikkeenohjaus-mekaniikkaa ja -automatiikkaa käyttämällä.* · 'However, in this context, there is still a need · ... to improve the accuracy of the axial motion produced specifically for this type of micromanipulator 11a, which in itself is not feasible to control this type of micromanipulator 4 115572 satisfactorily with conventional motion control mechanics and using automation.

Nyt esillä olevan keksinnön mukaisen ohjausjärjestelyn 5 tarkoituksena on saada aikaan ratkaiseva parannus erityisesti edellä esitettyyn ongelmaan ja siten kohottaa oleellisesti alalla vaikuttavaa tekniikan tasoa. Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle ohjausjärjestelylle mikromanipulaattorin 10 yhteydessä on pääasiassa tunnusomaista se, että eri tyisesti mikromanipulaattorilla tuotetun aksiaalisuun-taisen liikkeen stabiloimiseksi tarkoitettuun ohjaus-järjestelyyn kuuluu oleellisesti aksiaalisuuntaan järjestetty vierintälaakeroitu luistijärjestely.The purpose of the control arrangement 5 according to the present invention is to provide a decisive improvement in particular on the above problem and thus to raise substantially the state of the art. To accomplish this purpose, the control arrangement according to the invention in conjunction with the micromanipulator 10 is characterized in that the control arrangement, particularly for stabilizing the axial movement produced by the micromanipulator, comprises a substantially axially-oriented rolling slide arrangement.

1515

Keksinnön mukaisen ohjausjärjestelyn tärkeimpinä etuina mainittakoon erityisesti sen mahdollistama parannus mikromanipulaattorin liiketarkkuudessa sekä sen toimintaperiaatteen ja sen mahdollistamien mikromanipu-20 laattorikonstruktioiden yksinkertaisuus, mikä on puo lestaan erityisesti keksinnössä hyödynnettyjen piet-sosähköisten toimilaitteiden ansiota. Keksinnön mukai-, nen vierintälaakeroitu luistijärjestely, kuten esim.The main advantages of the control arrangement according to the invention are, in particular, the improvement in the precision of the micromanipulator that it provides, as well as the simplicity of its operation and micromanipulator construction, which is due in particular to the Piet electric actuators utilized in the invention. A roller bearing slide arrangement according to the invention, such as e.g.

kuula- tai rullalaakeroitu aksiaalilaakeri mahdollis-: : · 25 taa edelleen mikromanipulaattorin edullisesti pit- ·;·: känomaisen rakenteen, jossa erityisesti sen pituus- suuntainen liike on hallittavissa merkittävästi kaik-.· · kia olemassa olevia aikaisempia ratkaisuja paremmin.The ball or roller bearing axial bearing enables: · 25 to further provide an advantageously long ·; ·: conical structure in which its longitudinal movement, in particular, is significantly better controlled than all prior art solutions.

Erityisesti verrattaessa tavanomaisin ohjausjärjeste-30 lyin ja esim. pietsosähköisillä taipujilla toteutettua mikromanipulaattoria keksinnön mukaisella ohjausjärjestelyllä varustettuun vastaavaan, on esim. kuvissa ‘ 7a ja 7b esitettyjen taulukkojen pohjalta selvästi nähtävissä, että aksiaalisuuntaisen liikkeen tarkkuus 35 on keksinnön ansiosta parantunut moninkertaisesti.In particular, when comparing a micromanipulator implemented with conventional control systems 30 and e.g. piezoelectric benders with a control arrangement according to the invention, it can be clearly seen from the tables shown in Figures 7a and 7b that the accuracy of the axial movement 35

Alkuperäisen konstruktion mukaisessa mikromanipulaat-torissa on maksimi liiketarkkuusvaihtelu maksimissaan ·· noin 60 pm, kun se nyt esillä olevan keksinnön ansios- 5 115572 ta on mahdollista saada supistettua maksimissaan noin 5 pm:iin. Keksinnön mukaisella ohjausjärjestelyllä on näin ollen mahdollisuus toteuttaa entistäkin tarkempi mikromanipulaattorin asemointi, millä on keskeinen 5 merkitys erityisesti tarkkaa operointia edellyttävissä toimenpiteissä.The micromanipulator of the original construction has a maximum movement accuracy variation of maximum noin about 60 µm when it is possible to reduce the maximum to about 5 µm by the present invention. The control arrangement according to the invention thus has the possibility to provide even more precise positioning of the micromanipulator, which is of central importance especially in operations requiring precise operation.

Keksinnön mukaisen ohjausjärjestelyn edullisia sovellutuksia on esitetty siihen kohdistuvissa epäitsenäi-10 sissä patenttivaatimuksissa.Advantageous applications of the control arrangement according to the invention are disclosed in the dependent claims.

Seuraavassa selityksessä keksintöä havainnollistetaan yksityiskohtaisesti samalla oheisiin piirustuksiin viittaamalla, joissa ! 15 ! kuvassa 1 on esitetty erään, erityisesti suomalaisen patenttihakemuksen numero 20012410 mukaisen, pietsosähköisiin toimilaitteisiin perustuvan 20 mikromanipulaattorin yleisperiaatetta, kuvassa 2 ; on esitetty edelleen erästä, kuvassa 1 esi tettyyn nähden vaihtoehtoista mikromanipu-: · 25 laattoria perspektiivikuvantona, : kuvassa 3 on esitetty räjäytyskuvantona erästä edullista osakokoonpanoa, keksinnön mukaisella 30 ohjausjärjestelyllä varustetusta mikro- manipulaattorista, ‘ kuvissa 4a ja 4b on esitetty erästä edullista keksinnön mu- 35 kaisella ohjausjärjestelyllä varustettua mikromanipulaattoria aksiaalisuuntaisissa ääriasennoissaan, 6 115572 kuvissa 5a ja 5b on esitetty keksinnön mukaiseen ohjausjärjestelyyn kuuluvan vierintälaakeroidun luistijärjestelyn kaksi erilaista toteutus-5 vaihtoehtoa, kuvassa 6 on esitetty keksinnön mukaiseen ohjausjärjestelyyn soveltuvan, rullalaakeroidulla 10 luistilla varustetun aksiaalilaakerin (Cros sed Roller Bearing) yleistä toimintaperiaatetta ja kuvissa 7a ja 7b 15 on esitetty ilman keksinnön mukaista ohjaus- järjestelyä varustetun mikromanipulaattorin aksiaalisuuntaista liiketarkkuutta (kuva 7a) ja toisaalta keksinnön mukaisella ohjausjärjestelyllä varustetun mikromanipulaattorin 20 aksiaalisuuntaista liiketarkkuutta (kuva 7b) .In the following description, the invention will be illustrated in detail with reference to the accompanying drawings, in which! 15! Figure 1 illustrates the general principle of a 20 micromanipulator based on piezoelectric actuators, in particular in Finnish Patent Application No. 20012410, Figure 2; Fig. 3 is an exploded view of a preferred subassembly of a micro-manipulator having a control arrangement according to the invention; Figures 4a and 4b show a preferred embodiment of the invention. Figs. 5a and 5b show two different embodiments of a roller bearing skid arrangement of the control arrangement according to the invention; 7a and 7b 15 show axial motion accuracy of a micromanipulator without control arrangement according to the invention (Fig. 7a) and axial motion accuracy of a micromanipulator 20 with a control arrangement according to the invention (Fig. 7b).

Keksinnön kohteena on ohjausjärjestely mikro-manipulaattorin yhteydessä, joka mikromanipulaattori on ; 25 tarkoitettu siihen yhdistetyn operointivälineen 1 asemointia/paikannusta varten, mikä tapahtuu ohjaamal-: la sen liikettä mikromanipulaattorissa olevien säh köisten toimilaitteiden 2 välityksellä yksi- tai useampiakselisessa koordinaatiostossa, kuten x-, y-30 ja/tai z-akselin suunnassa. Erityisesti mikromanipu laattorin oleellisesti pitkänomaisen rakenteen mahdollistamiseksi yksi tai useampi operointivälineen 1 '· ’ asemointia tai paikannusta mahdollistava toimilaite 2; 2' , sen ainakin yhden halutun liikesuunnan toteuttami-35 seksi, on järjestetty esim. kuvissa 1 ja 2 esitetyllä, sinänsä suomalaisesta patenttihakemuksesta 20012410 tunnetulla periaatteella yhdellä tai useammalla piet-sosähköisellä toimilaitteella, kuten pietsosähköisellä 7 115572 taipujalla 2'a (Piezoelectric Bender) ja/tai piet-sosähköisellä pinotoimilaitteella 2'b (Piezoelectric Stack Actuator). Erityisesti mikromanipulaattorilla tuotetun aksiaalisuuntaisen x liikkeen stabiloimiseksi 5 tarkoitettuun ohjausjärjestelyyn kuuluu oleellisesti aksiaalisuuntaan järjestetty vierintälaakeroitu luis-tijärjestely L.The invention relates to a control arrangement in connection with a micro-manipulator which is a micro-manipulator; 25 for positioning / positioning the associated operating means 1 by controlling its motion through electrical actuators 2 in the micromanipulator in a single or multiple axis co-ordination such as x, y-30 and / or z-axis. In particular, one or more actuators 2 for positioning or positioning the operating means 1 '·', in order to provide a substantially elongated structure of the stator; 2 ', in order to realize at least one desired direction of movement, is provided, for example, by the principle known per se from Finnish Patent Application 20012410 shown in Figures 1 and 2 by one or more piezoelectric actuators such as piezoelectric bender 2'a and Piezoelectric Bender / or with a piezoelectric Stack Actuator 2'b. Specifically, the control arrangement 5 for stabilizing the axial x motion produced by the micromanipulator includes a substantially axially arranged rolling bearing sliding arrangement L.

Edullisena keksinnön sovellutuksena on mikromanipu-10 laattorin aksiaalisuuntaisen liikkeen x tuottava, kuten esim. kuvassa 3 esitetyn mukaisesti siihen kytketyn pietsosähköisen taipujan 2'a kanssa samalla pituusakselilla x oleva toimilaite järjestetty sähkö-moottorilla 2'b, josta välitetty aksiaalisuuntainen 15 liike on järjestetty hienosäädettäväksi pietsosähköi- sellä pinotoimilaitteella 2'c (Piezoelectric Stack Actuator). Sähkömoottorin 2'b aksiaalisuuntaisen x karan pään 2' bp ja pinotoimilaitteen 2'c väliin on järjestetty ainakin kohdistuselin K, kuten kuula tai 20 vastaava, kyseisten osien välissä vaikuttavan voiman kohdistamiseksi hallitusti pistekosketusperiaatteella. Erityisesti kuvassa 3 esitetyssä sovellutuksessa on moottorin karan pään yhteyteen järjestetty välirunko VR, mikä muuntaa aksiaalimoottorin karan pyörimisliik-; 25 keen aksiaalisuuntaiseksi liikkeeksi. Tällaisessa ratkaisussa edellä mainittu kuula K on sijoitettu . siinä olevaan vastinpintaan siten, että se välittää pistekosketuksen pinotoimilaitteelle 2'c edelleen edullisena sovellutuksena silikonilevyn SL välityksel-30 lä.In a preferred embodiment of the invention, the actuator of the micromanipal 10 generating axial movement x, such as, for example, as shown in Figure 3, is actuated by an electric motor 2'b of the same longitudinal axis x as the piezoelectric bender 2'a connected thereto. - with the Stack Actuator 2'c (Piezoelectric Stack Actuator). At least an alignment member K, such as a ball or the like, is disposed between the axial direction x spindle end 2 'bp of the electric motor 2'b to provide a controlled point-to-point application of a force acting between said parts. In particular, in the embodiment shown in Fig. 3, an intermediate frame VR is provided at the motor shaft end, which modifies the rotational movement of the axial motor shaft; 25 axial motion. In such a solution, the aforementioned ball K is placed. to the mating surface therein so as to provide point contact with the stacking actuator 2'c as a preferred application via a silicone plate SL.

Edelleen kuvassa 3 viitenumeroilla SH merkityt osat on tarkoitettu erityisesti jousen S kiinnitystä varten. Edelleen viitenumeroilla MH merkityt komponentit ovat 35 sähkömoottorin 2'b pitimiä, jotka kiinnitetään toi siinsa ruuvilukitusti. Viitenumerolla SP merkitty osa on puolestaan silikonilevy, minkä tarkoituksena on vähentää välirungon VR liikekitkaa. Viitekirjaimella 8 115572 R on merkitty mikromanipulaattorin pohjalevyä ja vii-tekirjäimillä BH siihen kiinteästi kiinnitettyä tukirunkoa, jonka avulla sähkömoottorin karan radiaalilaa-keri BB on tuettu paikalleen. Osat TRI ja TR2 ovat 5 puolestaan esimerkiksi kuvissa 4a ja 4b esitetyn tyyp pisessä ratkaisussa käytetyn pietsosähköisen taipujan 2'a kiinnitystä varten tarkoitetut asennuslevyt.Further, the parts designated by the reference numerals SH in Figure 3 are intended specifically for mounting the spring S. Further, the components designated by the reference numerals MH are holders of the electric motor 2'b, which are bolted together. The part designated by the reference number SP, in turn, is a silicone plate, which is intended to reduce the frictional motion of the intermediate body VR. Reference numeral 8 115572 R denotes the base plate of a micromanipulator and the reference frame BH a support frame fixed thereto, by means of which the radial bearing BB of the electric motor spindle is supported. The parts TR1 and TR2, in turn, are mounting plates for mounting, for example, the piezoelectric bender 2'a used in the type of solution shown in Figures 4a and 4b.

Keksinnön mukaisen ohjausjärjestelyn edullisena sovel-10 lutuksena siihen kuuluu edelleen mekaaniset joustoeli- met s, kuten yksi tai useampi jousi-, joustopolymee-ri-, silikonivaimennin ja/tai vastaava erityisesti hitausvoimien, kitkan, välyksien ja/tai vastaavien vaikutusten eliminoimiseksi. Kuvissa 4a ja 4b esitetyn 15 tyyppisessä ratkaisussa on hyödynnetty kuvassa 3 esi tetystä jousiratkaisusta poiketen joustopolymeerivai-menninta, minkä sijoitusta ei kuvista 4a ja 4b kuitenkaan selvästi näy. Kuvien 4a ja 4b mukainen konstruktio poikkeaa myös joiltakin muilta osin kuvassa 3 20 esitetystä sovellutuksesta, jolloin siinä on mm. hyö dynnetty seurantaelimiä 3 aksiaaliliikkeen x tai sähkömoottorin karan kiertymän seuraamiseksi esimerkiksi j siirtymä- tai kiertymäanturin, kuten LVDT-, PSD-, * optosähköisen lineaarisen tai kiertymä (rotary) encor- 25 derin, Hall-anturin ja/tai vastaavan toimesta.As a preferred embodiment of the control arrangement according to the invention, it further comprises mechanical elastic members such as one or more spring, elastic polymer, silicone dampers and / or the like in particular to eliminate the effects of inertia, friction, play and / or the like. The type 15 solution shown in Figures 4a and 4b utilizes a flexible polymeric dampener, unlike the spring arrangement shown in Fig. 3, however, the position of which is not clearly shown in Figs. The construction of Figures 4a and 4b also differs in some other respects from the embodiment shown in Figure 3 20, where utilized tracking means 3 for tracking axial movement x or rotation of an electric motor spindle, for example, by a j shift or rotation sensor such as an LVDT, PSD, * optoelectronic linear or rotary encoder, a Hall sensor and / or the like.

Erityisen edullisena sovellutuksena on vierintälaake-roitu luistijärjestely L toteutettu kuulalaakeroidulla luistilla varustetulla aksiaalilaakerilla LI (Ball 30 Bearing Slide), mitä on esimerkinomaisesti kuvattu kuvassa 5a. Toisaalta vierintälaakeroitu luistijärjes-tely L on toteutettavissa esim. myös kuvassa 5b esitetyn mukaisella rullalaakeroidulla luistilla varustetulla aksiaalilaakerilla L2 (Crossed Roller Bearing).In a particularly preferred embodiment, the roller bearing slider assembly L is implemented with a ball bearing slider axial bearing LI (Ball 30 Bearing Slide), exemplified in Figure 5a. On the other hand, the roller-mounted skid arrangement L can also be implemented, for example, with an axial bearing L2 (Crossed Roller Bearing) with a roller bearing slide as shown in Fig. 5b.

35 ‘ Erityisen edullisena sovellutuksena on mikromanipu- laattoriin kuuluva sähkömoottori 2'b askel- tai puls-simoottori, jolloin mahdollistetaan erityisesti kuvan 9 115572 3 mukainen yksinkertaistettu mikromanipulaattorikon-struktio, jossa ei tarvita ns. feedback-asema-antu-rointia.35 'A particularly preferred embodiment is a stepper motor or pulse motor 2'b of the micromanipulator, in particular allowing a simplified micromanipulator structure according to FIG. feedback-position detectors embedded in polymerization.

5 Keksinnön mukaisen ohjausjärjestelyn yhteydessä on mahdollista käyttää vaihtoehtoisesti mikromanipulaat-torin moottorina myöskin esim. pietsosähköisillä elementeillä toteutettua moottoria (Piezoelectric Motor) tai sitten edelleen vaihtoehtoisesti esimerkiksi mag-10 neettisesta muistimateriaalista valmistettua moottoria (Magnetic Shape Memory Material). Edellä kuvatun tyyppisiä moottoreita ei oheisissa piirustuksissa ole kuvattu.In the control arrangement according to the invention, it is also possible to use, for example, a piezoelectric motor, for example, as a motor for a micromanipulator, or alternatively, for example, a motor made of magnetic 10 magnetic memory material. Motors of the type described above are not described in the accompanying drawings.

15 Erityisesti suomalaisessa patenttihakemuksessa 20012410 esitetyn mukaisesti, on myös kukin mikro-manipulaattoriin kuuluva pietsosähköinen taipuja 2'a varustettavissa esimerkiksi kuvassa 2 esitetyllä periaatteella seurantaelimillä 3, kuten venymäanturein 3a 20 tai vastaavin, erityisesti palautetiedon saamiseksi ko. taipujan liikkeestä. Toisaalta tämä palaute mahdollistaa myös mikromanipulaattorin jatkotoimisen feedback-ohjauksen, minkä ansiosta on mahdollista eliminoida pietsosähköisen materiaalin sähköisten 25 ominaisuuksien (mm. hystereesis-ilmiö) muuttumista ajan funktiona.In particular, as disclosed in Finnish Patent Application 20012410, each piezoelectric bend 2'a belonging to a micro-manipulator may be provided with, for example, the principle shown in Fig. 2 with tracking members 3, such as elongation sensors 3a 20 or the like, bending motion. On the other hand, this feedback also enables further feedback control of the micromanipulator, which makes it possible to eliminate the change in the electrical properties of the piezoelectric material (including the hysteresis phenomenon) as a function of time.

Erityisesti kuvassa 2 esitetyn mukaisessa ratkaisussa on sähkömoottorin 2'b tuottamaa aksiaalisuuntaista 30 liikettä seuraavat seurantaelimet 3; 3b sijoitettu oleellisesti samalle pituusakselille x ja operointivä-linettä 1 vastakkaiselle puolelle sähkömoottoria 2'b.In particular, the arrangement shown in Fig. 2 has tracking means 3 for tracking axial movement 30 generated by the electric motor 2'b; 3b disposed on substantially the same longitudinal axis x and opposed to the operating gap 1 on the electric motor 2'b.

’ Sähkömoottorin 2'b karalaippaan 2'bl on kytketty ope- rontivälinettä 1 vastakkaiselle puolelle moottorirun-35 gon 2'b2 läpi kulkeva liukujohdejärjestely 2'b3 aksi- aalisuuntaisen seurantaelimen 3; 3b anturiapurunkoa 3bl varten. Erityisesti kuvissa 3 ja 4a, 4b esitetyn *·· mukaisia, keksinnön mukaisella ohjaus järjestelyllä 10 115572 varustettuja mikromanipulaattoreita kuvassa 2 esitettyyn ratkaisuun verrattaessa, on nähtävissä, että keksintö mahdollistaa äärimmäisen yksinkertaisesti toteutetun mikromanipulaattorin aksiaalisuuntaisen 5 liikkeen stabiloinnin, mikä on toteutettu mikromanipu laattorin runkoon kiinteästi kuuluvien runko-osien ja siihen kuuluvien liikkuvien komponenttien keskinäisellä vierintälaakeroidulla luistijärjestelyllä.A slider assembly 2'b3 extending axially through the motor housing 2'b2 is connected to the opposed flange 2'b of the electric motor 2'b on the opposite flange of the opener means 1; 3b for sensor body 3bl. Specifically, when comparing the micromanipulators of the invention with the control arrangement 10115572 shown in Figures 3 and 4a, 4b with the control arrangement 10 115572 of the present invention, by means of a roller-skid arrangement between the body members and the movable components thereof.

10 On selvää, että keksintö ei rajoitu edellä esitettyi hin tai selitettyihin sovellutuksiin, vaan sitä voidaan keksinnön perusajatuksen puitteissa muunnella kulloistenkin tarpeiden ja käyttösovellutusten mukaisesti. Ensinnäkin on luonnollisesti selvää, että mik-15 romanipulaattoriin kytkettävä operointiväline voi esitetystä injektioneulasta poiketen olla esim. mikä tahansa ko. operointiin soveltuva mekaaninen toimilaite, kuten tarrain tai vastaava, joka on kiinnitetty soveltuvin järjestelyin esim. pietsosähköisen 20 pinotoimilaitteen tai taipujan päähän. Osassa esite tyistä sovellutuksista kaikki osien väliset kytkennät on järjestetty niiden väleissä olevin apurungoin, mutta tässä yhteydessä on luonnollisesti mahdollista hyödyntää myös osittain purettavissa olevia kiinnitys-25 järjestelyjä siten, että esim. pietsosähköinen pino- toimilaite tai pietsosähköiset taipujat ovat vaihdettavissa. Luonnollisesti on selvää, että esim. kulloinkin käytettävän operointivälineen yhteydessä käytettävä prosessiväliaine on mahdollista johtaa sinänsä 30 tunnetuin tekniikoin sen yhteyteen, joten tähän osioon ei tässä hakemuksessa sinänsä epäoleellisena seikkana ole puututtu.It will be understood that the invention is not limited to the foregoing or described embodiments, but may be modified within the scope of the present invention according to the particular needs and applications. First, of course, it is obvious that the operating device to be connected to the mik-15 gangulator may, unlike the injection needle shown, be e.g. a mechanical actuator suitable for operation, such as a gripper or the like, attached by suitable arrangements to, for example, a piezoelectric stacking actuator 20 or a bending head. In some of the embodiments shown, all interconnections between the parts are arranged with subframes therebetween, but in this context it is of course also possible to utilize partially disassembled mounting arrangements such as a piezoelectric stacker or piezoelectric benders. It will, of course, be understood that, for example, the process medium used in conjunction with the operating device used can be guided to it by techniques known per se, so that this section is not addressed as an irrelevant aspect of this application.

I ·I ·

Claims (8)

1. Styranordning i samband med en mikromanipula- tor, vilken mikromanipulator är avsedd att place-5 ra/lokalisera ett i saraband med densararaa förenat ope- rationsverktyg (1) genom att styra dess rörelse med hjälp av i mikroraanipulatorn befintliga elektriska organ (2) i ett koordinatsystem med en eller flera axlar, säsom längs en x-, y- och/eller z-axel, varvid 10 särskilt för att möjliggöra mikromanipulatorns väsent- ligen längformiga struktur en eller flera organ (2; 2’), som möjliggör operationsverktygets (1) placering eller lokalisering, för att utföra ätminstone en dess önskade rörelseriktning, är anordnad genom ett pie-15 zoelektriskt organ, säsom en piezoelektrisk böjare (2’a) (Piezoelectric Bender) och/eller ett piezoelekt-riskt stackorgan (2'b) (Piezoelectric Stack Actuator), kännetecknad därav, att tili styranordningen, som är avsedd särskilt att stabilisera den genom mikromanipu-20 latorn utförda axialriktade (x) rörelsen, hör en vä- sentligen i axialriktningen (x) anordnad rulllagrad slidanordning (L). I i1. A control device in connection with a micromanipulator, which micromanipulator is intended to position / locate a saraband with its associated operative tool (1) by controlling its movement by means of electrical means (2) present in the micromanipulator. in a coordinate system with one or more axes, such as along an x, y and / or z axis, in particular to enable the substantially long-shaped structure of the micromanipulator one or more means (2; 2 ') which allows the operating tool (1) location or location, to perform at least one of its desired directions of movement, is provided by a piezoelectric bend (2'a) (Piezoelectric Bender) and / or a piezoelectric stacking means (2 '). b) (Piezoelectric Stack Actuator), characterized in that the control device, which is intended specifically to stabilize the axially directed (x) movement carried out by the micromanipulator, roller bearing (L) arranged laterally in the axial direction (x). I i '·' · 2. Styranordning enligt patentkravet 1 i samband ‘ 2 5 med en mikromanipulator, varvid ett, säsom i samma : längdaxel (x) av en med densamma sammankopplade pie- ; zoelektrisk böjare (2a'2) befintligt organ, som utför . mikromanipulatorns axialriktade rörelseriktning (x) , är anordnat med en elmotor (2’b), varvid den axialrik-30 tade rörelsen, som har förmedlats genom densamma, är ' anordnad finreglerbar med ett piezoelektriskt stackor- '( gan (2’c) (Piezoelectric Stack Actuator) , kännetecknad '·’ · därav, att mellan elmotorens (2’b) axialriktade spin- : dels ända (2'bp) och det piezoelektriska stackorganet ,··, 35 (2'c) är anordnat ätminstone ett riktningsdon (K), . säsom en kula eller motsvarande, för att rikta styr- kan, som verkar mellan de ovannämnda delarna, pä ett kontrollerat sätt enligt punktkontaktprincip. 115572A control device according to claim 1 in connection with a micromanipulator, wherein one, as in the same: longitudinal axis (x) of a pie- connected to the same; zoelectric bend (2a'2) existing member performing. The axial direction of travel of the micromanipulator (x) is provided with an electric motor (2'b), the axial direction of motion, which is mediated through it, is 'arranged finely adjustable with a piezoelectric stack' (gauge (2'c)). Piezoelectric Stack Actuator), characterized in that between the axial direction of the electric motor (2'b), the end (2'bp) of the electric motor and the piezoelectric stacking means, ··, 35 (2'c), is provided with at least one directional means. (K), such as a ball or equivalent, to direct the force acting between the aforementioned parts in a controlled manner according to the point contact principle. 3. Styranordning enligt patentkravet 1 eller 2, kannetecknad därav, att till densamma hör mekaniskt fjädrande organ (s), säsom en eller flera fjäder, elastiska polymer-, silikondämpare och/eller motsva- 5 rande, för att eliminera inverkan särskilt av tröghetskraft, friktion, spelrum och/eller motsvaran-de.Control device according to claim 1 or 2, characterized in that mechanically resilient member (s), such as one or more springs, resilient polymer, silicone dampers and / or the like, to eliminate the effect of inertia in particular, friction, clearance and / or equivalent. 4. Styranordning enligt nägot av de ovanstäende 10 patentkraven 1-3, kännetecknad därav, att den rull- lagrade slidanordningen (L) har förverkligats genom ett med en kullagrad slid utrustat axiallager (Ball Bearing Slide) (Li).Control device according to any of the above claims 1-3, characterized in that the roller bearing slide device (L) has been realized by a ball bearing slide bearing (Li) equipped with a ball bearing slide. 5. Styranordning enligt nägot av de ovanstäende patentkraven 1-4, kännetecknad därav, att den rull-lagrade slidanordningen (L) har förverkligats genom ett med en rulllagrad slid utrustat axiallager (Crossed Roller Bearing) (L2). 20Control device according to any of the above claims 1-4, characterized in that the roller-bearing slide device (L) has been realized through a roller bearing roller bearing (L2) equipped with a roller-bearing slide. 20 6. Styranordning enligt nägot av de ovanstäende patentkraven 1-5, kännetecknad därav, att den tili ' mikromanipulatorn hörande elmotorn (2'b) är en steg- *· j eller pulsmotor. 25Control device according to any of the above claims 1-5, characterized in that the electric motor (2'b) of the micromanipulator is a stepping or pulse motor. 25 7. Styranordning enligt nägot av de ovanstäende • patentkraven 1-5, kännetecknad därav, att den tili mikromanipulatorn hörande motorn är en motor, som har ; förverkligats genom piezoelektriska element (Pie- 30 zoelectric Motor). « 1Control device according to any of the above claims 1 - 5, characterized in that the motor belonging to the micromanipulator is a motor having; made by piezoelectric elements (Piezoelectric Motor). «1 8. Styranordning enligt nägot av de ovanstäende ... ! patentkraven 1-5, kännetecknad därav, att den tili ,,, ; mikromanipulatorn hörande motorn har tillverkats av y 35 magnetiskt minnesmaterial (Magnetic Shape Memory Mate- * t * rial) . » »8. Control device according to some of the above ...! Claims 1 to 5, characterized in that it relates to; The micromanipulator associated with the motor has been made of magnetic magnetic material (Magnetic Shape Memory Mate material *). »»
FI20021613A 2001-12-07 2002-09-10 Micromanipulator for the positioning/localization of operating instrument includes actuator implemented as linear motor to produce axial direction of motion for the micromanipulator and located on same longitudinal axis as bender FI115572B (en)

Priority Applications (9)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20021613A FI115572B (en) 2002-09-10 2002-09-10 Micromanipulator for the positioning/localization of operating instrument includes actuator implemented as linear motor to produce axial direction of motion for the micromanipulator and located on same longitudinal axis as bender
PCT/FI2002/000964 WO2003049908A1 (en) 2001-12-07 2002-11-29 Micromanupulator including piezoelectric benders
DE60229980T DE60229980D1 (en) 2001-12-07 2002-11-29 MICROMANIPULATOR WITH PIEZOELECTRIC BENDING DEVICES
EP02781360A EP1455990B1 (en) 2001-12-07 2002-11-29 Micromanupulator including piezoelectric benders
US10/497,857 US7141914B2 (en) 2001-12-07 2002-11-29 Micromanipulator including piezoelectric benders
AU2002349073A AU2002349073A1 (en) 2001-12-07 2002-11-29 Micromanupulator including piezoelectric benders
CA002469041A CA2469041A1 (en) 2001-12-07 2002-11-29 Micromanipulator including piezoelectric benders
JP2003550949A JP2005511333A (en) 2001-12-07 2002-11-29 Micromanipulator including piezoelectric bender
AT02781360T ATE414593T1 (en) 2001-12-07 2002-11-29 MICROMANIPULATOR WITH PIEZOELECTRIC BENDING DEVICES

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20021613 2002-09-10
FI20021613A FI115572B (en) 2002-09-10 2002-09-10 Micromanipulator for the positioning/localization of operating instrument includes actuator implemented as linear motor to produce axial direction of motion for the micromanipulator and located on same longitudinal axis as bender

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20021613A0 FI20021613A0 (en) 2002-09-10
FI20021613A FI20021613A (en) 2004-03-11
FI115572B true FI115572B (en) 2005-05-31

Family

ID=8564557

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20021613A FI115572B (en) 2001-12-07 2002-09-10 Micromanipulator for the positioning/localization of operating instrument includes actuator implemented as linear motor to produce axial direction of motion for the micromanipulator and located on same longitudinal axis as bender

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI115572B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
FI20021613A0 (en) 2002-09-10
FI20021613A (en) 2004-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5786654A (en) Movable stage utilizing electromechanical transducer
KR100388348B1 (en) Electromechanical Positioning Unit
EP1455990B1 (en) Micromanupulator including piezoelectric benders
CN103429400B (en) The active operation apparatus and method of contact operation
US5229679A (en) Microdrive apparatus
Liu et al. A flexure-based long-stroke fast tool servo for diamond turning
KR101464019B1 (en) Electromechanical motor, especially piezoelectric microstepper drive
EP1637277A1 (en) Parallel kinematics machine with elastic joints
Breguet et al. Applications of piezo-actuated micro-robots in micro-biology and material science
KR100396020B1 (en) Ultra-precision positioning system
Pan et al. A review of stick–slip nanopositioning actuators
KR100396021B1 (en) Ultra-precision moving apparatus
FI115572B (en) Micromanipulator for the positioning/localization of operating instrument includes actuator implemented as linear motor to produce axial direction of motion for the micromanipulator and located on same longitudinal axis as bender
CN2365816Y (en) Creeping piezoelectric/electrostrictive micro-feeding positioning apparatus
Bergander et al. Development of miniature manipulators for applications in biology and nanotechnologies
KR101081456B1 (en) Nanostage using Piezoelectric Actuator
JP3884288B2 (en) Micro displacement device
EP2870690B1 (en) A wobble motor with a solid state actuator
US8857052B2 (en) Method of forming a flexure assembly
KR101957244B1 (en) Precision positioning device
JPS61159349A (en) Minute distance moving device
CN1206865A (en) Creeping type piezoelectric/electrostrictive microfeed positioner
KR19990070384A (en) 6-axis precision positioning mechanism
KR20090044080A (en) Microminiature actuator module
JP2001260095A (en) Micromanipulator and actuator

Legal Events

Date Code Title Description
PC Transfer of assignment of patent

Owner name: OY CHIP-MAN TECHNOLOGIES LTD

FG Patent granted

Ref document number: 115572

Country of ref document: FI

MM Patent lapsed