DE10110310A1 - Manipulator und Verfahren zum Betrieb eines Manipulators im Submikro-bereich - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Manipulator, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Manipulators, zur Manipulation von beliebigen Gegenständen im Mikro und/oder im Submikro-Bereich, wobei an dem zu verstellenden Element mindestens drei Minipulatorstangen ansetzen, die in ihrer axialen Richtung von jeweils einer Stelleinheit beaufschlagt sind, und dass jede Manipulatorstange der Gestalt von der Stelleinheit in axialer Richtung beaufschlagt wird, dass eine gesteuerte Durchbiegung der Minipulatorstange erfolgt. Bevorzugt wird hierbei, dass jede der drei Minipulatorstangen auch drehbar ausgebildet ist, so dass ein Sechs-Achsen-Manipulator gebildet wird. Das Verfahren zum Betrieb des Manipulators dient zur optischen Ausrichtung und Befestigung von insbesondere quaderförmigen Anzeigeelementen auf optischen Ablenkelementen zur Herstellung digitaler Belichtungen, wobei eine räumliche Justage der Anzeigeelemente um mindestens drei Verschiebeachsen vorgesehen ist und mindestens eine geeignete Bohrung am Anzeigeelement und/oder am Anzeigeelementhalter zunächst mit einem flüssigen oder pasteusen Befestigungsmittel aufgefüllt wird, danach mindestens ein zugeordneter Positionsstift am Anzeigeelement und/oder am Anzeigeelementhalter die jeweilige passende Bohrung eingeführt wird, anschließend die räumliche Justage des Anzeigeelementes mittels des Manipulators durchgeführt wird und danach das flüssige oder pasteuse Befestigungsmittel derart in die feste Phase überführt wird, ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Manipulator sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Manipulators nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich darauf, dass ein Anzeigeelement, insbesondere ein LCD-Anzeigeelement an einer Halterung in besonders genauer Weise befestigt wird, nämlich im Submikro-Bereich.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. Es können beliebige Gegenstände im Mikro und im Submikro-Bereich mit einem derartigen Manipulator manipuliert und gegebenenfalls auch montiert werden.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel und dessen Beschreibung ist also auf keinen Fall beschränkend für die Art und Ausbildung, sowie für den Betrieb des Manipulators gedacht.

Nach dem Stand der Technik werden derartige Manipulationen für kleine Gegenstände mit Hilfe von zueinander bewegbaren Schlitteneinheiten bewerkstelligt.

Hierbei ist es bekannt, jeweils einen Schlitten in einer Raumachse bewegbar auszugestalten, wobei zum Beispiel ein 3-Schlitten-System für die Bewegung des Manipulators in drei verschiedenen Raumachsen vorgesehen ist. Läßt sich diese Drei-Schlitten-Anordnung noch in einer Drehachse drehen, sind insgesamt vier Raumachsen damit manipulierbar.

Ebenso gibt es Schlittenantriebe, die insgesamt sechs Achsenverstellungen ermöglichen, wobei also in drei Raumachsen die Schlitten jeweils zueinander verschiebbar sind, während jedem Schlitten noch eine zusätzliche Drehung zugeordnet werden kann.

Dieses Verstellprinzip wird als Sechs-Achsen-Verstellprinzip nachfolgend bezeichnet.

Die Erfindung geht bevorzugt von einem derartigen Sechs-Achsen-Manipulator aus, und hat sich zum Ziel gesetzt, die Verstellung im Mikro und im Submikro-Bereich wesentlich genauer, spielfreier, schneller und insbesondere auch relativ temperaturunabhängiger zu gestalten.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass an dem zu verstellenden Gegenstand insgesamt mindestens drei Manipulatorstangen ansetzen, die in ihrer axialen Richtung von jeweils einer Stelleinheit beaufschlagt sind, und dass jede Manipulatorstange derart von der Stelleinheit in axialer Richtung beaufschlagt wird, dass eine gesteuerte Durchbiegung der Manipulatorstange erfolgt.

Kern der vorliegenden Erfindung ist also, dass relativ starre Stangen verwendet werden, die fest an ihrem einen Ende an dem zu verstellenden Gegenstand oder einem zwischengeschalteten Greifer angreifen und die ihrem gegenüberliegenden Ende jeweils mit einer Stelleinheit verbunden sind, welche Stelleinheit die Manipulatorstange mindestens in axialer Richtung vorspannt und mit einer axialen Vorspannungskraft versieht.

Es werden also insgesamt sechs Translationsbewegungen in unterschiedlichen Achsen und Raumrichtungen auf das zu verstellende Element ausgeübt, welches damit frei im Raum verkippbar, drehbar und bewegbar ist.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anordnung von insgesamt sechs Manipulatorstangen die im gegenseitigen Abstand und in unterschiedlichen Raumrichtungen an den zu verstellenden Element angreifen, beschränkt.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Anzahl der Manipulatorstangen wesentlich verringert ist und dass jeder Manipulatorstange noch zusätzlich zu ihrer axialen Längsverstellung auch noch eine Drehbewegung zugeordnet wird.

Eine Drehbewegung kann also unmittelbar von der Steileinheit ausgeübt werden, die in dem ersten Ausführungsbeispiel nur der rein translatorischen Stellbewegung dient, während im zweiten Ausführungsbeispiel diese Stelleinheit sowohl eine translatorische Längsbewegung als auch zusätzlich eine Drehbewegung ausführen kann.

Im letztgenannten Ausführungsbeispiel, bei dem der translatorischen Stelleinheit noch zusätzlich eine Drehbewegung zugeordnet wird, sind anstatt der vorher genannten drei nun sechs Manipulatorstangen vorgesehen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, welches sich darauf bezieht, dass ein LCD-Anzeigeelement mittels eines Manipulators an einem optischen Ablenkelement befestigt wird und die Befestigung in der Weise fixiert wird, dass sie im justiertem Zustand unveränderlich bleibt.

Insbesondere wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, welches sich darauf bezieht, dass an einem derartigen optischen Ablenkelement (z. B. einem Farbteilewürfel, einem Penta-Prisma oder allgemein einem Prisma) insgesamt drei derartige Anzeigeelemente montiert werden.

In der WO/22658 (Philips) wird ein derartiges Penta-Prisma beschrieben, welches mit LCD-Anzeigeelementen arbeitet, die hochgenau an den unterschiedlichen Flächen dieses Penta-Prismas montiert werden müssen.

Bisher gelang diese hochgenaue Montage nicht in ausreichendem Maße, so dass es zu unzuträglichen optischen Farbsäumen kam, die bei dem Verfahren nach vorliegenden Erfindung vermieden werden.

Die Erfindung bezieht sich also nicht nur auf die Ausbildung eines Manipulators zur Montage derartiger Anzeigeelemente an einem derartigen optischen Ablenkelement, sondern darüber hinaus auch noch auf ein Verfahren, mit dem es gelingt, den Manipulator, insbesondere die Stelleinheiten, so zu regeln, dass mit Sicherheit optische Verzerrungen, insbesondere optische Farbsäume vermieden werden.

Dadurch werden die Justage- und Kalibrierzeiten wesentlich vermindert.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Ausrichtung und Befestigung von Anzeigeelementen auf optischen Ablenkelementen zur Herstellung von digitalen Projektoren beziehungsweise allgemein zur digitalen Belichtung. Bei der Projektion von Farbbildern mittels R(Rot)-, G(Grün)- und B­ (Blau)-Zellen in Form von Durchlicht-LCDs, von reflektierenden LCDs, von LCOS (Liquid Crystal on Silicon) und von DMDs (digital micromirror-devices; eingetragene TM trade mark der Firma Texas Instruments) müssen diese auf den optischen Ablenkelementen beziehungsweise Farbteilerwürfel, wie Prismen, dem Penta-Prisma und dergleichen Elementen und zu den Lichtquellen und diversen Linsen exakt justiert und fixiert werden.

Die Vorrichtung und das Verfahren zur optischen Ausrichtung wird durch ein Sechs- Achsen-Manipulationsgestänge realisiert, wobei jedes Gestänge mit einer Stelleneinheit gekoppelt ist. Die Manipulationsgestänge sind derart dimensioniert, dass spielfrei Zug- und Druckbewegungen an den jeweils angekoppelten Punkten auf den Anzeigeelementgreifern ausgeübt werden können und durch eine geeignete Wahl der Gestänge-Länge und des Gestänge-Durchmessers eine räumliche Justage um drei Verschiebeachsen und drei Drehachsen möglich sind und die Gestänge seitliche Verbiegungen spielfrei ermöglichen.

Weiters wird ein Verfahren zur klebetechnischen Fixierung von jeweils typisch vier dünnen Positionsstiften in entsprechend großen Bohrungen in den vier Ecken der Anzeigeelementhalter derart ausgeführt, dass ein geeigneter Kleber vorab in die Bohrungen appliziert wird und nach dem Positionieren und Justieren der Anzeigeelemente zu den optischen Ablenkelementen mittels UV-Licht rasch ausgehärtet und damit bleibend befestigt wird. Derart können insbesondere thermische Ausdehnungsunterschiede und mechanisch bewirkte kleinste Verschiebungen ohne Beschädigung der verbundenen Elemente und ohne Dejustierung ausgeglichen werden. Neben der hohen Präzision und Fehlerfreiheit wird eine extrem kurze Zykluszeit für den Zusammenbau benötigt und wird damit eine hohe Effizienz in der Fertigung erreicht.

Das Verfahren zur Regelung des Manipulatorgestänges ist nachfolgend beschrieben:
Erfindungsgemäß werden die Anzeigeelemente in Anzeigehaltern mit Klebstoffbohrungen in dem äußeren Bereich, meist den vier Ecken, in einem Anzeigeelementgreifer zu dem optischen Ablenkelement geführt und dann mittels eines spielfreien Sechs-Achsen-Manipulationsgestänges computergesteuert und unter Verwendung eines CCD-Elementes 4 optische Einheiten mit extrem hoher Auflösung auf vorgegebene geometrische Merkmale eingestellt.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass mit relativ dünnen Manipulatorstangen von 1,5 mm eine Auslenkung von etwa 1 mm erreicht wird, durch Ansteuerung der entsprechenden Stelleinheit und dass hierbei eine relativ geringe Masse bewegt wird, so dass eine spielfreie Einstellung des einzustellenden Elementes gegeben ist, insbesondere auch dadurch, dass die Manipulatorstangen jeweils federbelastet gegen die jeweilige Stelleinheit vorgespannt werden.

Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist also, dass eine definierte Durchbiegung von einzelnen Manipulatorstangen stattfindet.

Es ist verständlich, wenn an dem zu verstellenden Gegenstand in unterschiedlichen Raumachsen die starren Manipulatorstangen ansetzen und lediglich eine einzige Manipulatorstange in ihrer Längsachse vorgespannt wird, dass dann der zu verstellende Gegenstand mit einer entsprechenden Vorspannungskraft derart kippt oder ausgelenkt wird, dass sich die übrigen, nicht verstellten und nicht beaufschlagten Manipulatorstangen unwillkürlich verbiegen. Es kommt also zu einer Verbiegung im Sinne eines Biegestabes, wobei die anderen Stelleinheiten noch nicht einmal mit einer Stellkraft beaufschlagt werden müssen.

Die Länge der Stäbe ist hierbei so groß bezüglich der Verstellbewegung der jeweiligen Stelleinheit gewählt, dass die Längenverkürzung des Stabes bei der Durchbiegung praktisch vernachlässigbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert, welche lediglich einen Ausführungsweg darstellen. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisiert ein Ausführungsbeispiel für ein Sechs-Achsen- Manipulatorgestänge;

Fig. 2 schematisiert die Verbiegung von 2 Manipulatorstangen bei Verschiebung des Anzeigeelementgreifers;

Fig. 3 die Montage von 3 Anzeigeelementen an einem optischen Ablenkelement;

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung nach Fig. 3 mit Darstellung der Klebe- Fixierung;

Fig. 5 die Draufsicht auf einen Manipulator nach der Erfindung;

Fig. 6 die um 90 Grad gedrehte Seitenansicht des Manipulators nach Fig. 5;

Fig. 7 schematisiert die Darstellung des Regelverfahrens zur Ansteuerung des Manipulatorgestänges.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein LCD-Anzeigeelement 1 in einem Anzeigeelementhalter 3 befestigt ist, der als Rahmen dieses Anzeigeelement 1 umkreist und befestigt.

In diesem Anzeigeelementhalter 3 sind beispielsweise die Zuführkabel für die elektrische Ansteuerung des Anzeigeelements 1 enthalten.

Teil des Manipulators ist nun ein sogenannter Anzeigeelementgreifer 2, in dem der Anzeigeelementhalter 3 mit dem darin befestigten Anzeigeelement 1 aufgenommen ist.

Wichtig ist nun, dass der Anzeigeelementgreifer 2 mittels des Sechs-Achsen- Manipulatorgestänges in jeder beliebigen Raumrichtung verdrehbar und verschiebbar ausgebildet ist, um demzufolge den Anzeigeelementhalter 3 mit dem darin befindlichen Anzeigeelement 1 in einer beliebigen Raumachse auszurichten und gemäß den Fig. 3 und 4 an einem optischen Ablenkelement 8 zu befestigen.

In der Fig. 1 ist mit der Angabe der Achsen X-Y-Z angegeben, dass also dieses Anzeigeelement 1 in den 3 Raumachsen in beliebiger Weise verschiebbar und verdrehbar ausgebildet ist.

Genauer gesagt wird also der Anzeigeelementgreifer 2 in diesen Raumachsen verstellt, wobei gemäß der Zeichnung insgesamt 6 Manipulationsstangen 4 vorhanden sind, die fest mit ihrem jeweiligen Ende an dem Anzeigeelementgreifer 2 angreifen.

Es handelt sich hierbei um eine lösbare Klemmverbindung, die während des Betriebes des Manipulators aufrechterhalten bleibt.

Zur Verschiebung in jeder beliebigen Raumachse und zur Verdrehung des Anzeigeelementgreifers 2 dienen jeweils der jeweiligen Manipulatorstange 4 zugeordnete Stelleinheiten 5a-5f.

Die Manipulatorstangen 4a, 4b sind parallel und im gegenseitigen Abstand in der Z- Achse ausgerichtet, während die Manipulatorstangen 4d, 4e und 4f in der X-Achse in unterschiedlichen Abständen zueinander parallel ausgerichtet sind, während die Manipulatorstange 4c in der Y-Achse ausgerichtet ist.

Wie angegeben, setzt am freien hinteren Ende jeder Manipulatorstange 4a-4f jeweils 1 Stelleinheit 5a-5f an.

Die Stelleinheit wird nachfolgend anhand der Fig. 5 und 6 noch näher erläutert. Es mag zur Erläuterung der schematisierten Zeichnung ausreichen, dass die Stelleinheit 5 in der Lage ist, eine Verstellbewegung in den Pfeilrichtungen 11 auszuführen. Insbesondere wird diese Verstellbewegung durch ein piezoelektrisches Kraftelement bewirkt, welches einen Verstellweg in den Pfeilrichtungen 11 um einen Bewegungsspielraum von zum Beispiel 1 mm ausführt.

Anhand der Fig. 2 wird das Verstellprinzip näher erläutert.

Wird beispielsweise die Manipulatorstange 4c in ihrer Längsrichtung von der Stelleinheit 5c beaufschlagt (in Pfeilrichtung 11 nach rechts) werden die Manipulatorstangen 4a und 4b aus ihrer unverbogenen Grundstellung verbogen und gelangen in die durchgebogene Stellung 4a und 4b.

Die mit der Durchbiegung verbundene Längenverkürzung der Manipulatorstangen 4a und 4b bleibt hierbei unberücksichtigt.

Das eine Ende jeder Manipulatorstange ist hierbei in einer Aufnahme 6 am zu verstellenden Anzeigeelementgreifer 2 eingelassen.

Selbstverständlich verbiegen sich auch alle anderen Manipulatorstangen, insbesondere die Manipulatorstangen 4d, 4e und 4f, wenn die Manipulatorstange 4c in ihrer Längsrichtung verstellt wird.

Die Art und das Ausmaß der Verstellung wird anhand der Regeleinrichtung nach Fig. 7 später erläutert. Es mag deshalb bei der Erläuterung der Fig. 3 und 4 genügen, dass festgestellt wird, dass insgesamt 3 derartige Anzeigeelemente 1a, 1b und 1c justiergenau und lagenrichtig an den äußeren Flächen eines optischen Ablenkelementes 8 befestigt werden.

Wie diese lagengenaue Positionierung erfolgt, wird später noch erläutert.

Wichtig ist jedoch, wenn eine lagengenaue Positionierung erreicht wird, dass diese Positionierung sozusagen über einen aushärtbaren Klebstoff eingefroren wird.

Hierzu sind folgende mechanische Elemente erforderlich:
Das optische Ablenkelement 8, zum Beispiel ein Farbteilerwürfel weist an seinen Aussenkanten einen Rahmen 12 auf, an dem nach außen gerichtete Positionsstifte 7 angeordnet sind.

Der Rahmen 12 ist also fest mit den Positionsstiften 7 verbunden und umgreift fest das optische Ablenkelement 8.

Die jeweiligen Positionsstifte 7 greifen durch zugeordnete Bohrungen im Bereich der Anzeigeelementenhalter 3 hindurch, wie dies in Fig. 3 schematisiert dargestellt ist.

Die Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Eckbereiches nach Fig. 3, wo erkennbar ist, dass der Positionsstift 7 fest an dem Anzeigeelementhalter 3 befestigt ist und durch eine Klebstoffbohrung 9 hindurchgreift, die in dem Anzeigeelementhalter 3 ausgebildet ist.

Mit dem Begriff "Klebstoffbohrung" wird verstanden, dass es sich um eine nach außen gerichtete Prägung handelt, die einen radial nach außen gerichteten Kragen ausbildet, so dass diese Bohrung mit dem daran angeformten Kragen sehr leicht durch einen Klebstoff 10 ausgefüllt werden kann, der aufgrund von Kapillarwirkung dort festgehalten wird.

Das Verfahren zur Positionierung der jeweiligen Anzeigeelementenhalter 3 mit den daran befindlichen Anzeigeelementen 1 besteht nun darin, dass man zunächst das Manipulatorgestänge so ansteuert, dass diese lagenrichtig und justagegenau an dem optischen Ablenkelement 8 positioniert werden, so dass jeweils ein Anzeigeelementhalter 3, nämlich 3a, 3b und 3c, lagengenau am Außenumfang des optischen Ablenkelementes 8 positioniert wird und hier die jeweiligen Positionsstifte 7 durch die zugeordneten Klebstoffbohrungen 9 im jeweiligen Anzeigeelementhalter 3a, 3b, 3c hindurch greifen.

Es wird hierbei vorausgesetzt, dass die Klebstoffbohrungen 9 bereits schon mit dem Klebstoff 10 gefüllt sind. Sobald also diese lagenrichtige und genaue Justierung erreicht wurde, wird der Klebstoff 10 ausgehärtet.

Dies erfolgt bevorzugt unter Einwirkung von UV-Licht. Es können jedoch auch andere Aushärtemechanismen verwendet werden, wie zum Beispiel Wärme oder Mikrowellen. Es kann natürlich auch ein anderes Fixierelement verwendet werden, wie zum Beispiel ein aushärtendes Lötzinn, welches vorher entsprechend flüssig ausgebildet war und im übrigen kann auch eine Laserverschweißung oder eine Ultraschallverschweißung des ehemaligen Positionsstiftes 7 in der Klebstoffbohrung 9 erfolgen.

Aus den Fig. 5 und 6 ergeben sich weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Manipulators.

Hierbei zeigen die Fig. 5 und 6 nicht nur eine Ausrichtung der Manipulationsstangen 4a-4f in gerader Richtung, sondern in einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 und 6 ist auch eine Umlenkeinrichtung dargestellt, mit der es gelingt, aus einer gerade ausgerichteten Manipulationsstange 4a eine senkrecht hierzu wirksame Manipulationsstange 24 auszulenken.

Es wird also neben der Längsbewegung von Manipulationsstangen 4 auch eine Ausführungsform beschrieben, bei der es gelingt, aus einer Längsbewegung an der Manipulationsstange 4a eine hierzu senkrechte Bewegung einer daran angeschlossenen Manipulationsstange 24 zu ermöglichen.

Dies erfolgt mit einer Federumlenkeinrichtung 23, die nachfolgend im einzelnen anhand der Fig. 5 und 6 erläutert wird.

Wenn diese Federumlenkeinrichtung 23 entfällt (wie dies bei den Stelleinheiten 5b und 5c der Fall ist), dann reicht dies aus, die entsprechenden Manipulationsstangen 4b und 4c in gerader Richtung anzutreiben.

Anhand der Stelleinheit 5a wird jedoch erläutert, dass die Längsbewegung der Manipulationsstange 4a in ein entsprechende Querbewegung an der Manipulatorstange 24 umgesetzt wird.

Anhand der Fig. 4 wird noch angefügt, dass die Klebstoffbohrungen 9 so ausgebildet sind, dass ein seitliches Ausweichen (Bewegungsspiel 13) möglich ist, solange der Klebstoff 10 noch nicht ausgehärtet ist.

Das heißt, der Klebstoff 10 muß im nicht ausgehärtetem Zustand ein genügendes Bewegungsspiel 13 der Positionsstifte 7 in dem jeweiligen Anzeigeelementenhalter 3 ermöglichen.

Die Stelleinheit 5a weist an ihrem Ende eine handbetätigbare Drehspindel 14 auf, mit dem diese auch handbetätigt verstellbar ist.

An ihrem vorderen Ende sind die Stelleinheiten 5a, 5b und 5c in einer Halterung 15 gehalten, in welcher der Stellkopf 16 angeordnet ist.

Die Halterung 15 ihrerseits ist an einem U-förmig profilierten Manipulator-Rahmen 18 befestigt.

Der jeweilige Stellkopf 16 der jeweiligen Stelleinheit greift also in eine zugeordnete Ausnehmung im Manipulator-Rahmen 18 ein und trägt an seinem vorderen freien Ende eine Kugel 17, die fest mit dem vorderen Ende einer Hülse 19 verbunden ist, die verschiebbar in dem U-förmig ausgebildeten Manipulator-Rahmen 18 angeordnet ist.

Wichtig ist, dass die Hülse 19 federbelastet gegen die Kugel 17 vorgespannt ist und einer entsprechenden Stellbewegung der Stelleinheit 5a entgegenwirkt.

Auf diese Weise wird also eine spielfreie Einstellung der Manipulatorstange 4a ermöglicht.

Zur spielfreien Verschiebungsführung der Hülse 19 ist ein Federblatt 34 vorgesehen, welches an seinem oberen Ende bei Position 35 rahmenfest eingespannt ist und welches mit seinem unteren Ende (Federende 37) die Hülse 19 trägt, mit dem Ziel, dass die Hülse in ihrer Aufnahmebohrung im Rahmen nicht anschlägt.

Es ist also eine federgelagerte, freischwingende Halterung des Endes der Hülse 19 gegeben, so dass die Feder in den Verstellrichtungen 36 ausweichen kann.

Das andere Ende der Hülse 19 (das rechte Ende in Fig. 5) ist frei in einer Aufnahmebohrung im rechten Rahmenschenkel des Manipulator-Rahmens 18 verschiebbar.

Dieses Ende ist fest mit dem einen Ende der Manipulatorstange 4a verbunden, deren anderes Ende fest über eine Aufnahmebohrung 29 an einer Federumlenkeinrichtung 23 ansetzt.

Es wird nun nachfolgend eine spielfreie Vorspannung der Hülse 19 und der Manipulationsstange 4a in Längsrichtung beschrieben. Hierzu dient die Feder 20, die mit ihrem einen Federende 21 an der Manipulationsstange 4a befestigt ist, wobei das Federende 21' die vorgespannte Funktionsstellung darstellt.

Das andere Federende 22 der Feder 20 greift hierbei am Rahmen 18 an.

Damit ist die gesamte Manipulatorstange 4a federvorbelastet gegen die Kugel 17 gepresst.

Die Federumlenkeinrichtung 23 hat nun die Aufgabe die Verstellbewegung der Manipulatorstange 4a in Pfeilrichtung 32 umzusetzen in eine senkrecht hierzu gehende Verstellbewegung 33. Hierzu dient die Manipulatorstange 24, die in einer gegenüber der Manipulatorstange 4a senkrechten Position in der Federumlenkeinrichtung 23 eingespannt ist.

Die Federumlenkeinrichtung 23 besteht aus zwei senkrecht zueinander angeordneten Federn 25, 26, 27, wobei die Federn 26, 27 je einen Teil einer zusammenhängenden Feder bilden.

Es handelt sich also um eine Kreuzfeder, wobei die Federenden dieser Kreuzfeder jeweils mit zugeordneten Schrauben an dem Rahmenteil 31 des Manipulator- Rahmens 18 befestigt sind.

Die jeweiligen anderen Enden und senkrecht zueinander ausgerichteten Enden sind an der Federumlenkeinrichtung 23 befestigt.

Es handelt sich also um ein freischwingendes Teil, welches lediglich über die genannten Federn 25-27 an dem Rahmenteil 31 befestigt ist und an dessen einem Ende das Ende der Manipulatorstange 4a angreift, während an dem senkrecht hierzu bestehenden Ende das eine Ende der Manipulatorstange 24 angreift, deren anderes Ende fest mit dem zu verstellenden Anzeigeelementenhalter 3 verbunden ist.

Der Halter 28 ist Teil der Federumlenkeinrichtung 23, wobei diese über einen Leerraum 30 freischwebend vor dem Rahmen 18 angeordnet ist.

Die senkrecht zueinander angeordneten Federn 25-27 sollen also die Federumlenkeinrichtung 23 spielfrei schwebend vor dem Rahmenteil 31 halten und einen definierten Drehpunkt für die Federumlenkeinrichtung 23 bilden.

Diese Federn 25-27 erbringen also eine elastische Verformung der Federn bei der Auslenkung der Manipulatorstange 4a in Pfeilrichtung 23, so dass die Federumlenkeinrichtung 23 in Pfeilrichtung 23 umschwenkt und sich die Manipulatorstange 24 in Pfeilrichtung 33 verschiebt.

Die anderen Stelleinheiten 5b und 5c weisen die genannte Federumlenkeinrichtung 23 nicht auf. Hier wird sofort die genannte spielfreie Vorbelastung der Manipulatorstangen 4b und 4c vorgesehen, die auch fest mit dem Anzeigeelementenhalter 3 verbunden sind.

Die Anordnung der Federumlenkeinrichtung 23 ist also aus Platzgründen, um zu ermöglichen, dass die Stelleinheiten 5a-5c in einer Ebene und parallel zueinander angeordnet werden können.

Bei genügendem Platz ist diese Federumlenkeinrichtung 23 nicht erforderlich: es könnte dann beispielsweise die Stelleinheit 5a unmittelbar in der Richtung der Manipulatorstange 24 auf den Anzeigeelementenhalter 3 wirken.

Anhand der Fig. 7 wird nun das Verfahren zur Ansteuerung und zur Regelung der Ansteuerungsbewegung des Manipulatorgestänges nach den Fig. 1-5 näher erläutert.

Wichtig hierbei ist, dass vor dem Anzeigeelement 1 eine Lichtquelle 38 angeordnet ist, die bevorzugt ein diffuses Lichtbündel im Durchlichtbetrieb auf das Anzeigeelement lenkt, welches einen bestimmten Lichtanteil durchläßt.

Das Anzeigeelement 1 wird in Bezug auf das Objektiv 40 focussiert.

Das von der Lichtquelle 38 ausgestrahlte Lichtbündel tritt also durch das Anzeigeelement 1 hindurch und trifft dort auf die matrixartig angeordneten Bildpunkte, wobei in an sich bekannter Weise das Durchlichtfenster des Anzeigeelementes durch Leiterbahnen begrenzt ist.

Nach dem Durchtritt des Lichtbündels durch das Anzeigeelement 1 durchtritt dieses das optische Ablenkelement 8, welches entsprechend durchstrahlt wird. Der optische Strahl 39, der das Ablenkelement 8 durchsetzt, tritt in das Objektiv 40 ein und wird auf einer Ebene 42 scharf abgebildet.

In dieser Ebene 42 sind nun eine Reihe von CCD-Elementen 43-46 angeordnet, wobei jedes CCD-Element aus einer CCD-Matrix besteht.

Es wird anhand der schematisierten Zeichnung in Fig. 7 nur dargestellt, wie die Eckpunkte die das Objektiv 40 verlassenden Strahlenbündel 47 in der Ebene 42 abgebildet werden.

Hierbei ist die Ebene 42 im Abstand 41 vor der Austrittsebene des Objektivs angeordnet.

Jedes CCD-Element 43-46 weist eine Vielzahl von Einzelelementen auf, zum Beispiel 2 Millionen Bildelementen, so dass das hieraus abgeleitete Bildschirmbild nun insgesamt eine etwa 1000fache Vergrößerung eines LCD-Bildpunktes des Anzeigeelementes 1 im Vergleich zu einem entsprechenden auf dem Bildschirm sichtbaren Bildpunkt auf den CCD-Element 43-46 abbildet.

Hierdurch wird also eine 1000fach empfindlichere Abbildung eines Bildpunktes am Anzeigeelement 1 auf eine Ebene 42 bewirkt.

Diese 1000fache Vergrößerung wird nun für die spielfreie Ansteuerung des Manipulatorgestänges verwendet.

Zur Durchführung der Regelung wird nun folgendes ausgeführt:
Zuerst wird also das grüne Element focusiert und eingerichtet, das heißt, es wird in der X-, Y-Ebene eingerichtet und in eine Z-Richtung focussiert.

Unter dem Begriff "grünes" Element wird verstanden ein Anzeigeelement 1, welches nur für die Abbildung der grünen Farbe verantwortlich ist.

Aus Vereinfachungsgründen ist in Fig. 7 nicht dargestellt, dass an den senkrecht hierzu stehenden Kanten zu dem Anzeigeelement 1 noch weitere Anzeigeelemente 1a, 1b angeordnet sind, von denen das eine für die Abbildung der roten Farbe und das andere gegenüber liegende zur Abbildung der blauen Farbe vorgesehen ist.

Alle vorgesehen 3 Anzeigeelemente 1a, 1b und 1c sind also senkrecht zueinander an unterschiedlichen Flächen des Ablenkelementes 8 angeordnet.

Der Einfachheit halber wird jedoch nur ein einziges Anzeigeelement 1 beschrieben, obwohl die anderen Anzeigeelemente in der gleichen Weise funktionieren, wie das Anzeigeelement für die Erzeugung der grünen Farbe.

Es wird eine schwarzweiß Abbildung der einzelnen Bildpunkte des Anzeigeelementes 1 in der Ebene 42 erzeugt. Auf dem hierzu zur Abbildung verwendeten Bildschirm sind Referenzmarkierungen angebracht, so dass deutlich ersichtlich ist, wenn ein rahmenseitig angeordneter Bildpunkt auf dem Anzeigeelement 1 die Referenzmarkierung auf den Bildschirm nicht trifft. Es wird danach dann das senkrecht hierzu stehende und an der senkrechten Fläche des Ablenkelementes 8 ansetzende für die rot Abbildung zuständige Anzeigeelement focussiert und danach wird der Bildpunkt des roten Anzeigeelementes zu den Bildpunkt des grünen Anzeigeelementes konvergiert. Dies erfolgt durch die entsprechende Beeinflussung des Manipulationsgestänges.

Es wird dann das für die Abbildung der blauen Farbe zuständige Anzeigeelement 1c focusiert und mit den anderen Bildpunkten des grünen Anzeigeelementes 1a und des roten Anzeigeelementes 1b ebenfalls konvergiert.

Dies erfolgt voll automatisch über ein entsprechendes digitales Programm, so dass also durch die Abweichung der Referenzmarkierung an Bildschirm und durch die automatische Erkennung der roten, grünen und blauen Bildpunkte und deren Differenz zur Referenzmarkierung das Manipulatorgestänge vollautomatisch angesteuert wird.

Genauer gesagt kommt es auf die Differenz zwischen den einzelnen Bildpunkten der verschiedenen Farben an, und es wird die Differenz zwischen den Bildpunkten grün- rot und grün-blau gemessen.

Aufgrund dieser Abweichungen wird der Manipulator gesteuert.

Die vorher genannte Abweichung zwischen der Referenzmarkierung und der für die Grünabbildung zuständigen Bildpunkt wird nur beim ersten mal ausgeglichen.

Mit der Ausrichtung des für die Grünabbildung zuständigen Anzeigeelementes und dessen Bildpunkte an der Referenzmarkierung wird also eine Grobjustage erreicht. Sobald diese Grobjustage durch entsprechende Ansteuerung des Manipulatorgestänges hergestellt wurde, wird der gegenseitige Abstand der Bildpunkte von rot und blau so manipuliert, dass die Differenz verschwindet.

Die Bildpunkte werden also zueinander konvergiert.

Im einzelnen wird das Verfahren wie folgt durchgeführt:

Wichtig bei dem gesamten Einstellverfahren ist also, dass man mit einem Manipulator arbeitet, bei dem allein nur sehr dünne Manipulatorstangen verbogen werden, so dass also die jeweilige Längsverstellung an der Manipulatorstange eine Verbiegung der übrigen im Winkel hierzu angeordneten Manipulatorstangen bedingt.

Im übrigen ist es nicht lösungsnotwendig, dass gemäß Fig. 1 die Manipulatorstangen genau im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Sie können auch winklig zueinander stehen, das heißt also ein Winkel von mehr oder weniger als 90 Grad zueinander einnehmen, was lediglich einen Einfluß auf das Softwareprogramm hat, welches die Stelleinheiten 5 ansteuert.

Der Begriff "Stelleinheit" wird auch weit verstanden. Es wurde zwar im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische Längsverstellung beschrieben; es können jedoch beliebige andere in Längsrichtung verstellbare Einheiten verwendet werden, wie zum Beispiel mechanische Schraubenspindeln, kapazitive Verstellungen, induktive Verstellungen und dergleichen mehr.

Ebenso können von der Temperatur abhängige Stellelemente verwendet werden, bei denen die Stellbewegung durch eine Änderung der Temperatur in der Stelleinheit erreicht wird.

Die Erfindung betrifft also zusammenfassend einen Manipulator, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Manipulators, zur Manipulation von beliebigen Gegenständen im Mikro und/oder im Submikro-Bereich, wobei an dem zu verstellenden Element mindestens drei Manipulatorstangen ansetzen, die in ihrer axialen Richtung von jeweils einer Stelleinheit beaufschlagt sind, und dass jede Manipulatorstange der Gestalt von der Stelleinheit in axialer Richtung beaufschlagt wird, dass eine gesteuerte Durchbiegung der Manipulatorstange erfolgt. Bevorzugt wird hierbei, dass jede der drei Manipulatorstangen auch drehbar ausgebildet ist, so dass ein Sechs-Achsen-Manipulator gebildet wird. Das Verfahren zum Betrieb des Manipulators dient zur optischen Ausrichtung und Befestigung von insbesondere quaderförmigen Anzeigeelementen auf optischen Ablenkelementen zur Herstellung digitaler Belichtungen, wobei eine räumliche Justage der Anzeigeelemente um mindestens drei Verschiebeachsen vorgesehen ist und mindestens eine geeignete Bohrung am Anzeigeelement und/oder am Anzeigeelementhalter zunächst mit einem flüssigen oder pasteusen Befestigungsmittel aufgefüllt wird, danach mindestens ein zugeordneter Positionsstift am Anzeigeelement und/oder am Anzeigeelementhalter die jeweilige passende Bohrung eingeführt wird, anschließend die räumliche Justage des Anzeigeelementes mittels des Manipulators durchgeführt wird und danach das flüssige oder pasteuse Befestigungsmittel derart in die feste Phase überführt wird, dass das justierte Anzeigeelement im wesentlichen in seiner Position verbleibt. Vorteil der Erfindung ist eine wesentlich genauere, spielfreiere, schnellere und insbesondere auch relativ von der Temperatur unabhängigere Verstellung von beliebigen Gegenständen im Mikro- und im Submikro-Bereich.

Zeichnungslegende

1

Anzeigeelement

2

Anzeigeelementgreifer

3

Anzeigeelementhalter

3

a,

3

b,

3

c

4

Manipulationsstange

4

a-

4

f

5

Stelleinheit

5

a-

5

f

6

Aufnahme

7

Positionsstift

8

Optisches Ablenkelement (Farbteilerwürfel, Penta-Prisma, Prisma)

9

Klebstoffbohrung

10

Klebstoff

11

Pfeilrichtung

12

Rahmen

13

Bewegungsspiel

14

Drehspindel

15

Halterung

16

Stellkopf

17

Kugel

18

Manipulator-Rahmen

19

Hülse

20

Feder

21

Federende

21

'

22

Federende

23

Federumlenkeinrichtung

24

Manipulatorstange

25

Feder

26

Teilfeder

27

Teilfeder

28

Halter

29

Aufnahmebohrung

30

Leerraum

31

Rahmenteil

32

Verstellbewegung

33

Verstellbewegung

34

Federblatt

35

Position

36

Verstellrichtung

37

Federende

38

Lichtquelle

39

Optischer Strahl

40

Objektiv

41

Abstand

42

Ebene

43

CCD-Element

44

CCD-Element

45

CCD-Element

46

CCD-Element

47

Strahlbündel

Claims (15)

1. Manipulator zur Manipulation von beliebigen Gegenständen im Mikro- und/oder im Submikro-Bereich, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zu verstellenden Gegenstand (1) mindestens drei Manipulatorstangen (4) ansetzen, die in ihrer axialen Richtung von jeweils einer Stelleinheit (5) beaufschlagt sind, und dass jede Manipulatorstange (4) derart von der Stelleinheit (5) in axialer Richtung beaufschlagt wird, dass eine gesteuerte Durchbiegung der Manipulatorstange (4) erfolgt.

2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulatorstangen (4) im Wesentlichen axial starr ausgebildet sind, jedoch seitliche Verbiegungen in radialer Richtung spielfrei und elastisch ermöglichen.

3. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Manipulatorstangen (4) fest mit einem Ende direkt an dem zu verstellenden Gegenstand (1) oder an mindestens einem zwischengeschalteten Anzeigenelementgreifer (2) angreifen und mit ihrem gegenüberliegenden Ende jeweils mit der Stelleinheit (5) verbunden sind, welche die Manipulatorstange (4) mindestens in axialer Richtung vorspannt und mit einer axialen Vorspannungskraft versieht.

4. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Manipulatorstangen (4) drehbar über die Stelleinheit (5) ausgebildet ist.

5. Manipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine zusätzliche Manipulatorstange vorgesehen ist, welche drehbar über eine zusätzliche Stelleinheit ausgebildet ist.

6. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren zur optischen Ausrichtung und Befestigung von insbesondere quaderförmigen Anzeigeelementen (1) auf optischen Ablenkelementen (8) zur Herstellung digitaler Belichtungen dient, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Justage der Anzeigeelemente (1) in mindestens drei Verschiebeachsen vorgesehen ist.

7. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Justage der Anzeigeelemente (1) um zusätzlich mindestens drei Drehachsen vorgesehen ist.

8. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Ausrichtung und Befestigung der Anzeigeelemente (1) derart erfolgt, dass mindestens eine geeignete Bohrung (9) am Anzeigeelement (1) und/oder am Anzeigeelementhalter (3) zunächst mit einem flüssigen oder pasteusen Befestigungsmittel (10) aufgefüllt wird, danach mindestens ein zugeordneter Positionsstift (7) am Anzeigeelement (1) und/oder am Anzeigeelementhalter (3) die jeweilige passende Bohrung (9) eingeführt wird, anschließend die räumliche Justage des Anzeigeelementes (1) mittels des Manipulators durchgeführt wird und danach das flüssige oder pasteuse Befestigungsmittel (10) derart in die feste Phase überführt wird, dass das justierte Anzeigeelement (1) im wesentlichen in seiner räumlichen Position verbleibt.

9. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Positionsstifte (7) und mindestens zwei zugeordnete Bohrungen (9) vorhanden sind.

10. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier Positionsstifte (7) und mindestens vier zugeordnete Bohrungen (9) vorhanden sind, welche in den jeweiligen vier Ecken des quaderförmigen Anzeigeelements (1) bzw. des Anzeigeelementhalters (3) angeordnet sind.

11. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsstifte (7) am Anzeigeelement (1) und die zugeordneten Bohrungen (9) am Anzeigeelementhalter (3) vorgesehen sind.

12. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige oder pasteuse Befestigungsmittel (10) einen Klebstoff und/oder Kunststoff und/oder mindestens ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt wie Quecksilber oder Zinn beinhaltet.

13. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige oder pasteuse Befestigungsmittel (10) mittels UV-Licht oder andere energiereiche Strahlung, Wärme, Kälte, oder aber chemisch ausgehärtet wird.

14. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der axialen Verschiebungen der Manipulatorstangen (4) im mm-Bereich liegen und zwischen etwa 0 bis 5 mm beträgt.

15. Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Verdrehungen der Manipulatorstangen (4) im Winkelminuten-Bereich liegen und zwischen etwa 0 bis 300 Winkelminuten beträgt.