DE10237881A1 - Mikromanipulator - Google Patents

Abstract

Es wird ein 3-DOF-Mikromanipulator angegeben, der einfach betreibbar ist und mit dem eine genaue Positionierung ausgeführt werden kann, wobei die Kopplungsmechanismen (6) des Mikromanipulators, dessen Hauptbetrieb ein paralleler 3-DOF-Betrieb ist, durch Schneiden, Umlegen und Formen eines Blechs einer Metallplatte hergestellt werden. DOLLAR A Eine Basis (2) und ein End-Stellorgan (3) sind über drei Kopplungsmechanismen (6) verbunden. Die drei Kopplungsmechanismen werden durch Schneiden und Umlegen eines flexiblen Plattenmaterials hergestellt und sie sind mit plattenförmigen Armabschnitten versehen, die sich jeweils in der axialen Umfangsrichtung des End-Stellorgans erstrecken, wobei Scharnierabschnitte in der Längsrichtung jedes Armabschnitts ausgebildet sind, um als Drehgelenke (R) zu wirken. Außerdem ist ein Scharnierabschnitt an der mittleren Position jedes Armabschnitts ausgebildet, um als Drehgelenk (R) zu wirken. Auch ist zwischen einem Längsende eines Armabschnitts und dessen mittlerem Abschnitt eine Parallelogrammkopplung vorhanden, die als Prismengelenkpaar (P) wirkt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Mikromanipulator, wie er in der Biologie, der Medizin, der Herstellung/Untersuchung integrierter Halbleiterschaltungen und bei anderen Mikroarbeitsgänge benötigenden industriellen Anwendungen verwendbar ist, spezieller einen Mikromanipulator, mit dem Mikroarbeitsgänge genau und einfach ausgeführt werden können, wie das Positionieren, Transportieren, Schneiden und Verbinden sehr kleiner Objekte, oder der für die Anwendung bei einem genauen Positioniermechanismus für einen Probenmontagetisch oder dergleichen geeignet ist.
• In der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsveröffentlichung Nr. Hei 10-138177 (veröffentlicht 1998) ist ein Beispiel eines für Mikroarbeitsgänge unter einem Mikroskop geeigneten 3-DOF(three-degree-of-freedom = drei Freiheitsgrade)-Mikromanipulators beschrieben.
• Der obige Stand der Technik betrifft einen 3-DOF-Mikromanipulator, der dahingehend entwickelt wurde, dass Nachdruck auf die Tatsache gelegt wurde, dass während Mikroarbeitsgängen unter einem Mikroskop parallele 3-DOF-Mikroarbeitsgänge in den drei zueinander rechtwinkligen Achsenrichtungen den Hauptbetrieb eines Mikromanipulators darstellen. Es sind drei Kopplungsmechanismen vorhanden, um die Basis und das End-Stellorgan des Mikromanipulators zu verbinden, um eine genaue 3-DOF-Positionierungskontrolle des End-Stellorgans zu realisieren.
• Die obigen Kopplungsmechanismen verfügen über Drehgelenke (rotierendes Paar) und Prismengelenke. Diese Gelenke sind als RRPP-Mechanismus (R und P stehen für Drehgelenk bzw. Prismengelenk), RPRP-Mechanismus, PRPR-Mechanismus und RPPR- Mechanismus zu einem 4-DOF-Kopplungsmechanismus kombiniert. Drei derartige 4-DOP-Kopplungsmechanismen sind parallel angebracht, um es zu ermöglichen, dass das End-Stellorgan mit drei Freiheitsgraden arbeitet. Auch sind die Biege(flexiblen)scharnierabschnitte der Drehgelenke und die verbindenden Kopplungsabschnitte der Prismengelenke an den beiden Enden jedes Abschnitts verschmälert ausgebildet, um dafür zu sorgen, dass die Drehgelenke und die Prismengelenke ihren vorgesehenen Zwecken genügen.
• Beim oben beschriebenen Stand der Technik bestehen die Vorteile, dass die Biegegelenkabschnitte oder dergleichen keine Kugelgelenke oder dergleichen benötigen und dass eine Vereinfachung von Komponenten, und selbst der Mechanismen, erzielt werden kann. Jedoch sind keine detaillierten Verfahren dazu vorgeschlagen, wie die flexible Konstruktion zum Bilden der Kopplungsmechanismen des Mikromanipulators billig und mit kleineren Abmessungen hergestellt werden können, welcher Typ von Material für die Konstruktion verwendet werden sollte oder welches Layout der Stellglieder verwendet werden sollte, um einen Antriebsmechanismus für die Konstruktion zu bilden. Es ist die Verwendung piezoelektrischer Elemente in den Antriebsmechanismen für jede Kopplung vorgeschlagen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen 3-DOF-Mikromanipulator zu schaffen, mit dem ein sehr kleines Objekt ergriffen werden kann und Mikroarbeitsgänge genau und einfach ausgeführt werden können, oder der bei einem genauen Tisch- Positioniermechanismus oder dergleichen verwendet werden kann und einfache und hochgenaue Positionierung ermöglicht.
• Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikromanipulator zu schaffen, mit dem eine parallele 3-DOF-Kontrolle seines End-Stellorgans unter Verwendung von drei Kopplungsmechanismen in drei Achsenrichtungen ausgeführt werden kann, wobei die Kopplungsmechanismen durch Schneiden und Umlegen mittels einer Presse oder dergleichen hergestellt werden können und der Mikromanipulator selbst mit den kleinstmöglichen Abmessungen zu den niedrigsten Kosten auf einfache Weise hergestellt werden kann.
• Diese Aufgaben sind durch die Mikromanipulatoren gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen 1 bis 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
• Durch Verwenden einer erfindungsgemäßen Konstruktion ist es möglich, Kopplungsmechanismen zu realisieren, die mit einer flexiblen Metallplatte hergestellt werden können und jeweils mit z. B. drei flexiblen Scharnierabschnitten versehen sein können, die als Drehgelenke R anzusehen sind, wenn das Ausmaß der Auslenkung derselben sehr gering ist, und mit einem Parallelogramm-Kopplungsabschnitt, der als Prismengelenk P angesehen werden kann, wenn das Ausmaß der Auslenkung desselben sehr klein ist.
• Wenn ein Satz von 4-DOF-Kopplungsmechanismen durch Kombinieren von Prismengelenken (P) und Drehgelenken (R) aufzubauen ist, ist dies dadurch möglich, dass entweder eine Konfiguration unter Verwendung von drei R-Gelenken und einem P-Gelenk oder eine Konfiguration unter Verwendung von zwei R-Gelenken und zwei P-Gelenken verwendet wird. Gemäß der Erfindung kann ein Satz von 4-DOF-Kopplungsmechanismen, der es ermöglicht, eine Endplatte, sogar ein End-Stellorgan, mit drei Freiheitsgraden in drei Achsenrichtungen zu bewegen, dadurch realisiert werden, dass ein dünnes Blech als Metallplatte zugeschnitten wird, das dann durch ein piezoelektrisches Element nach oben gedrückt wird, nachdem es in die Form einer dreistückigen Parallelanordnung umgelegt und stereografisch aufgebaut wurde. Selbst wenn die Ausrichtung zwischen den Scharnierabschnitten der Drehgelenke und den als Kopplungselemente der Prismengelenke verwendeten Scharnierabschnitte zu ändern ist, kann insbesondere die gewünschte Orientierung leicht durch Umlegen des Plattenmaterials realisiert werden. Der Abschnitt der Beschreibung zu den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschreibt unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 Einzelheiten zu diesem Realisierungsverfahren.
• Der oben skizzierte Satz von drei Kopplungsmechanismen kann dadurch aufgebaut werden, dass eine Metallplatte aus Blech durch Schneiden (Stanzen) und Umlegen (Biegen) zu einer einzelnen Einheit hergestellt wird, oder dass eine Metallplatte auf dieselbe Art zu einer oberen und einer unteren Platte, die voneinander unabhängig sind, hergestellt wird und diese zusammengebaut werden. Die Verwendung eines Vereinigungs- Presswerkzeugs für Metallbleche ermöglicht es nicht nur, Mikro-Kopplungsmechanismen herzustellen, sondern unter Verwendung der Mikroarbeitsgänge des so realisierten Manipulators eine Mikromaschine zusammenzubauen. Der erfindungsgemäße Mikromanipulator kann auch durch Mikroverarbeitung auf Grundlage der aktuellen Fotoätztechnik hergestellt werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsformen näher beschrieben.
• Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Mikromanipulators gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
• Fig. 2 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen von Betriebsprinzipien eines für den Mikromanipulator der ersten Ausführungsform verwendeten Kopplungsmechanismus.
• Fig. 3 ist eine Abwicklung der drei für den Mikromanipulator der ersten Ausführungsform verwendeten Kopplungsmechanismen.
• Fig. 4 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Betriebsprinzipien der Elemente eines Drehgelenkpaars R und eines Prismengelenkpaars P.
• Fig. 5 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Betriebsprinzipien der Elemente der Drehgelenk R und der Prismengelenke P bei der ersten Ausführungsform.
• Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die den Mechanismus zum Antreiben eines bei der ersten Ausführungsform verwendeten Kopplungsmechanismus und auch eine Teildraufsicht des Schnitts A desselben zeigt.
• Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die die Kopplungsmechanismen eines Mikromanipulators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
• Der in der Fig. 1 dargestellte Mikromanipulator 1 wird im Allgemeinen unabhängig verwendet, oder dadurch, dass mehrere oder verschiedene Manipulatorelemente kombiniert werden. Wenn der Mikromanipulator unter Verwendung mehrerer oder verschiedener Manipulatorelemente (von denen jedes mit einer Nadel versehen ist) verwendet wird, kann eine Nadel 4 mit einer Essstäbchen-artigen Bewegung arbeiten und durch Mikroarbeitsgänge ein sehr kleines Objekt aufnehmen und transportieren.
• Der Mikromanipulator 1 verfügt über Folgendes: eine Basis 2 aus einem zylindrischen Körper, der ein Stellglied (z. B. das in der Fig. 6 dargestellte piezoelektrische Element 61 enthält); ein End-Stellorgan 3 mit der Nadel 4; und drei Kopplungsmechanismen 6 zum Verbinden der Basis 2 und des End-Stellorgans 3.
• Die zu dieser Ausführungsform gehörenden drei Kopplungsmechanismen 6 werden dadurch hergestellt, dass eine flexible, dünne Platte (wie ein Federmaterial aus Phosphorbronze) zu einer einzelnen Einheit bearbeitet wird. Eine bewegliche Platte 6a zum Installieren des End-Stellorgans 3 ist an der Oberseite der Kopplungsmechanismen 6 vorhanden, und drei plattenförmige Armabschnitte 6', die die Haupteinheit eines Kopplungselements bilden, sind so angeordnet, dass sie in drei Richtungen unter einem Winkelintervall von 120° um die Achse der beweglichen Platte 6a (End-Stellorgan 3), um mit dieser einstückig zusammenzuarbeiten, zeigen.
• In der Entwicklungsansicht gemäß der Fig. 3 sind die drei Armabschnitte 6' in verschiedenen Richtungen ausgerichtet. Wenn sie jedoch zusammengebaut sind, ist jeder Armabschnitt 6' an seiner mittleren Position 6d zu V-Form umgelegt, wobei ein Ende des Armabschnitts mit dem beweglichen Plattenabschnitt 6a verbunden ist und das andere Ende 6g in der Nähe der Mitte der Oberseite der Basis 2 befestigt ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Enden 6g der drei Armabschnitte 6' mit einem Winkel von 120° an der Spitze zugeschnitten, damit sie einander ohne Toleranz gegenüberstehen können.
• Die drei Armabschnitte 6' werden in umgelegter Form in den jeweiligen Mittelpositionen an der Basis 2 installiert. Wenn die Armabschnitte angebaut sind, sind sie daher ausgehend von den Positionen des End-Stellorgans 3 (beweglicher Plattenabschnitt 6a) und der Basis 2 in drei Richtungen ausgerichtet, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Auch sind die Armabschnitte 6' plattenförmig, und sie sind um die Achse des End-Stellorgans 3 (bewegliche Platte 6a) herum verteilt.
• Nachfolgend werden die Betriebsprinzipien von Drehgelenken R und Prismengelenken P, wie sie an jedem Armabschnitt 6' ausgebildet sind, unter Verwendung der Fig. 4 und 5 erläutert.
• Die Drehgelenke R können z. B., wie es in der Fig. 4a dargestellt ist, dadurch hergestellt werden, dass ein Paar von Gelenkelementen 19 mittels dünner Abschnitte (Einschnürungen) 23 verbunden wird. D. h., dass dann, wenn die Auslenkung des in der Fig. 4a dargestellten Bogenscharniers sehr klein ist, dieser Scharnierabschnitt als Drehgelenk (rotierendes Paar) R mit einem Freiheitsgrad angesehen werden kann.
• Wie es in der Fig. 4b dargestellt ist, kann die flexible Konstruktion (Parallelogrammverbindung) zum Realisieren eines Prismengelenks P dadurch hergestellt werden, dass ein Paar paralleler Gelenkelemente (Ober- und Unterseite) 20 über jeweilige dünne Abschnitte (Einschnürungen) 22 mittels eines Paars verbindender Kopplungsabschnitte (linke und rechte Seite) 21 verbunden werden. D. h., dass, obwohl die Form einer derartigen Konstruktion, wie sie in der Fig. 4b dargestellt ist, wenn die Auslenkung erheblich ist, einer Kreisbahn mit den unteren Scharnieren (dünnen Abschnitten) 22 als Zentrum folgt, die Konstruktion, wenn die Auslenkung sehr klein ist, als Drehgelenk P mit einem Freiheitsgrad angesehen werden kann.
• Wenn drei Kopplungsmechanismen dazu verwendet werden, einen 3-DOF-Parallelmechanismus zu konstruieren, kann durch die Kombination dieser R- und P-Gelenke ein paralleler 3-DOF-Betrieb realisiert werden. Wenn dieser Mechanismus hergestellt wird, ist jedoch die Verarbeitung schwierig, da Scharniere erforderlich sind, die in mindestens zwei Richtungen ausgerichtet sind.
• Hierbei ist es durch Einschneiden eines Schlitzes 25 in ein dünnes Blech einer Metallplatte 24, wie es in der Fig. 5a dargestellt ist, möglich, an den beiden Enden des Schlitzes 25 ein Scharnier (schmaler Abschnitt) 23 auszubilden und auf einfache Weise Drehgelenke R herzustellen.
• Auch ist es durch Kombinieren eines Biegeprozesses mit einem Schneidprozess für ein dünnes Blech einer Metallplatte 24, wie in der Fig. 5b dargestellt, möglich, die Richtungen der Scharniere (Einschnürungen) 22 zu ändern und auf einfache Weise ein Prismengelenk P herzustellen, das dem in der Fig. 4b dargestellten entspricht. Gemäß der Fig. 5a ist es möglich, Einschnürungen 22 dadurch herzustellen und ihre Richtungen zu ändern, dass quadratische Löcher 30 (die Ecken dieser Löcher werden in der Form von Schlitzen 28 eingeschnitten) und kleine Schlitze 29 (die in der Querrichtung der Schlitze 28 angeordnet sind) in ein dünnes Blech einer Metallplatte eingeschnitten werden und die seitlichen Plattenabschnitte 27 derselben umgebogen werden. Das Paar der seitlichen Plattenabschnitte 27 wirkt als verbindende Kopplungsabschnitte (entsprechend den in der Fig. 4 dargestellten verbindenden Kopplungsabschnitten 21), die ein Paar von Gelenken 26 verbinden (entsprechend dem in der Fig. 4 dargestellten Paar von Gelenken 20).
• Bei dieser Ausführungsform sind die in den Fig. 5a und 5b dargestellten Kopplungselemente (Drehgelenke R und Prismengelenke P) kombiniert, um Kopplungsmechanismen 6 zu bilden. Eine Abwicklung der Kopplungsmechanismen ist dergestalt, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, und eine Zusammenbauansicht der Kopplungsmechanismen ist in der Fig. 1 dargestellt.
• Bei dieser Ausführungsform, wie sie in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist, sind Querschlitze 7 und 9 an den beiden Enden in der Längsrichtung jedes plattenförmigen Armabschnitts 6', die in drei Richtungen ausgerichtet sind, ausgebildet. Ein Querschlitz 8 ist auch in der mittleren Position jedes derartigen Armabschnitts ausgebildet. Nachdem die Schlitze 7, 8 und 9 hergestellt wurden, wird jeder Armabschnitt an der Position der Schlitze 7 und 8 umgelegt. Durch Herstellen dieser Schlitze auf diese Art bilden Sektionen 7', 8' und 9', die über eine erhebliche Verringerung der Plattenweite verfügen, Scharniere 6b, 6d bzw. 6f, um so insgesamt drei Drehgelenke R zu bilden, die denen der Fig. 5a entsprechen. Die Schlitze können verschiedene Formen einnehmen, und tatsächliche Formen sind nicht auf diejenigen beschränkt, die bei dieser Ausführungsform dargestellt sind.
• Zwischen einem Längsende des Armabschnitts 6' (bei dieser Ausführungsform das Ende auf der mit der beweglichen Platte 6a verbundenen Seite) und dem mittleren Abschnitt 6d sind quadratische Löcher 10 (mit kerbenartigen Schlitzen 10', die sich an den Ecken in der Querrichtung erstrecken) und Schlitze 11 ausgebildet. Die Kerben 10' und die Schlitze 11 entsprechen den Schlitzen, die in der Fig. 5b mit den Zahlen 28 bzw. 29 gekennzeichnet sind, und zwischen den Schlitzen 10' und den Schlitzen 11 sind Scharniere 22 ausgebildet.
• Wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, sind seitliche Plattenabschnitte 12 am linken und rechten Querende jedes Armabschnitts 6' ausgebildet. Diese seitlichen Plattenabschnitte 12 werden an den Positionen der gestrichelten Linien H in der Fig. 3 umgelegt, und sie entsprechen den verbindenden Kopplungsabschnitten 27 in der Fig. 5b. Die kerbförmigen Schlitze 10' erstrecken sich so, dass sie die Falzlinien H schneiden. Die seitlichen Plattenabschnitte 12 können umgelegt werden, um die Richtungen der Scharniere 22 zu ändern.
• Die Zahl 13 entspricht dem in der Fig. 5b dargestellten Paar von Gelenken 26. D. h., dass ein Paar seitlicher Plattenabschnitte (verbindender Kopplungsabschnitte) 12 und ein Paar von Gelenken 13 eine Parallelogrammverbindung 6c bildet. Die Parallelogrammverbindung 6c kann, wenn die Auslenkung sehr klein ist, als Prismengelenk P angesehen werden.
• Wenn die Kopplungsmechanismen mittels einer flexiblen Platte (dünne Platte) hergestellt werden, verfügt jeder Kopplungsmechanismus 6 der oben beschriebenen Konfiguration über drei Drehgelenke R und ein Prismengelenk P. Die Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Kombination von Drehgelenken R und Prismengelenken P gemäß dieser Ausführungsform zeigt, wobei die Fig. 2a den Gelenkmechanismus zeigt, wenn die Kopplungsmechanismen der Fig. 1 von der Seite her gesehen werden und die Fig. 2b den Gelenkmechanismus zeigt, wenn die Kopplungsmechanismen von vorne gesehen werden.
• Wie es in der Fig. 2 dargestellt ist, können bei dieser Ausführungsform der Endplatte 6a durch 3-DOF-Bewegungen in drei Achsen zugewiesen werden, dass drei Kopplungsmechanismen (von denen jeder als RPRR-Mechanismus wirkt) aufgebaut werden und auf den unteren Teil jedes derartigen Kopplungsmechanismus mittels eines piezoelektrischen Bauteils Druck ausgeübt wird.
• Als Nächstes wird der Antriebsmechanismus für den Manipulator (Kopplungsmechanismen) bei dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 6 beschrieben.
• Wie es in der Fig. 6 dargestellt ist, wird beispielsweise ein piezoelektrisches Bauteil als Stellglied 61 zum Antreiben des Manipulators verwendet. Entsprechend der Anzahl von Kopplungsmechanismen 6 sind drei piezoelektrische Bauteile 61 vorhanden. Die piezoelektrischen Bauteile 61 sind in der Basis (zylindrischer Körper) 2 mit einem Intervall von 120° um die Achse herum angeordnet.
• D. h., dass die piezoelektrischen Bauteile 61 an Positionen angeordnet sind, die jeweils einem Kopplungsmechanismus (Armabschnitt 6') entsprechen. Die Basis 2 ist mit Löchern 2b versehen, die in der Achsenrichtung so ausgerichtet sind, dass sie an der Rückseite des Arms 6' positioniert sind, und jedes piezoelektrische Bauteil 61 ist in ein jeweiliges Loch 2b eingesetzt. Auch sind zusätzlich zu den Löchern 2b Zuleitungs-Herausführnuten 2c, wie es in der Fig. 6b dargestellt ist, für die piezoelektrischen Bauteile 61 ausgebildet.
• Jedes piezoelektrische Bauteil 61 verfügt über ein Ende (oberes Ende), das an der Rückseite 60 der Unterseite 6e des Armabschnitts 6' gehalten ist. Das andere Ende (unteres Ende) des piezoelektrischen Bauteils 61 wird durch eine Basisplatte 2a gehalten und durch eine Schraube 31 so vorbelastet, dass an der Kontaktfläche zwischen ihm und der Halteseite 60 keine Toleranz auftritt.
• Jedes Gelenk ist so aufgebaut, dass dann, wenn die drei piezoelektrischen Bauteile 61 expandiert/komprimiert werden oder das Ausmaß der Expansion/Kompression für jedes derselben entsprechend einem speziellen Steuersignal variiert wird, die Halteseite 60 des Kopplungsmechanismus 6 Druck ausübt, um das Gelenk anzutreiben.
• Um zu gewährleisten, dass das Wärmegleichgewicht der Basis 25 selbst im Fall einer Wärmeausdehnung aufgrund der Wärme der piezoelektrischen Bauteile 61 aufrechterhalten bleibt, ist es wünschenswert, dass die Basis 25 aus einem Material besteht, dessen linearer Expansionskoeffizient ungefähr derselbe wie der eines piezoelektrischen Bauteils 61 ist, d. h. dicht bei diesem liegt.
• Beim Mikromanipulator 1 gemäß dieser Ausführungsform bildet jeder der drei Kopplungsmechanismen 6 einen RPRR-Mechanismus, wie in der Fig. 2 dargestellt, die symmetrisch zwischen der Basis 2 und dem End-Stellorgan 3 mit einem Intervall von 120° um die Mittelachse des Mikromanipulators 1 herum angeordnet sind. Für das piezoelektrische Bauteil 61 wird z. B. ein solches vom Laminattyp verwendet.
• Die Zahlen 32 und 32' kennzeichnen Zuleitungsdrähte, die dem Stellglied 61 eine Spannung zuführen. Das als Stellglied 61 verwendete piezoelektrische Bauteil reagiert sehr schnell, weist eine kleine Auslenkung auf und sorgt für eine hohe Ausgangskraft. Bei einer Steuerung alleine auf Grundlage von Ansteuerspannungen ist es jedoch schwierig, das piezoelektrische Bauteil genau zu positionieren, da es eine extrem große Hysterese aufweist. Aus diesem Grund ist eine Regelung auf Grundlage einer Messung dar Auslenkung wünschenswert, und in diesem Fall sind besonders kompakte Messeinrichtungen für die Auslenkung und ein Servoantriebssystem erforderlich.
• Als Messeinrichtung für die Auslenkung kann ein Dehnungsmesser (der Dehnungsmesser ist in dieser Figur nicht dargestellt) direkt am Stellglied 61 in der Richtung dessen Expansion/Kompression angebracht werden. Wie es durch die Zahl 33 gekennzeichnet ist, kann als Servosystem für die piezoelektrischen Bauteile eine Software-Servoeinrichtung unter Verwendung eines Computers oder eine analoge Servoeinrichtung unter Verwendung eines Operationsverstärkers verwendet werden.
• Befehlssignale von einer Servosystem-Steuerschaltung 33 werden über die Zuleitungsdrähte 32 und 32' an die Stellglieder (piezoelektrische Bauteile) 61 geliefert.
• Die drei Stellglieder 61 werden so betrieben, dass sie die Halteseiten 60, die die Kontaktabschnitte bilden, gegen die Kopplungsmechanismen 6 drücken und so das End-Stellorgan 3 über den erforderlichen Weg verstellen, um Mikroarbeitsgänge zu realisieren. Diese Mikroarbeitsgänge werden dadurch bewerkstelligt, dass, nach dem Erfassen des Ausmaßes der Auslenkung jedes Stellglieds 61 mittels des Dehnungsmessers und einem Berechnen der aktuellen Position der Nadel (Fingerstück) 4 aus dem erfassten Ausmaß der Auslenkung unter Verwendung der Servosteuerschaltung 33, berechnete Positionsdaten zurückgeführt werden, dann diese Daten mit den erforderlichen Positionssolldaten verglichen werden und eine Servoansteuerung des Stellglieds 61 erfolgt, bis keine Abweichung mehr vorliegt.
• Obwohl durch die Zufuhr von Spannung zu einem piezoelektrischen Bauteil 61 Wärme in diesem erzeugt wird und es sich durch Wärme ausdehnt, wird, da die Wärme in die zylindrische Basis 2 fließt, die thermische Stabilisierung beschleunigt, wodurch eine Wärmeausdehnung unterdrückt wird. Daher wird eine Wärmedrift nicht notwendigerweise auf die Nadel 4 übertragen. Da die Nadel 4 nicht anfällig für Schwingungen oder thermische Drift ist, ist die Technik von Mikroarbeitsgängen verbessert, was zu Verbesserungen bei der Mikroelektronik, der Biotechnologie und der medizinischen Versorgung beitragen kann.
• Ein Doppelmanipulator kann durch hergestellt werden, dass der 3-DOF-Manipulator der Fig. 1 zu Zweifingerform konfiguriert wird. Die Verwendung einer beliebigen Anzahl derartiger 3-DOF-Manipulatoren ermöglicht auch die Anwendung von Mikroarbeitsgängen, wie eines Positionierens, Handhabens, Schneidens und Verbindens, sehr kleiner Objekte sowie die Anwendung bei einem genauen Tisch-Positioniermechanismus.
• Außerdem ist bei dieser Ausführungsform, da der Manipulator durch Schneiden und Umlegen einer dünnen Platte unter Verwendung einer einfache Presse hergestellt werden kann, die Bearbeitung vereinfacht, und die Herstellkosten können gesenkt werden. Ferner kann für eine einfache, kompakte Herstellung gesorgt werden, und die Größe des Manipulators kann verringert werden.
• Obwohl bei dieser Ausführungsform als Stellglieder 61 piezoelektrische Bauteile verwendet sind, besteht keine Beschränkung hierauf, sondern es ist die Verwendung anderer Bauteile möglich, wie piezoelektrischer Bauteile vom Bimorphtyp. Der Manipulator kann in ähnlicher Weise dadurch betrieben werden, dass piezoelektrische Bauteile vom Bimorphtyp an den Elementen 6e der Armabschnitte 6' angebracht werden und die Verbindungen nach oben gedrückt werden.
• Die Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die nur die Kopplungsmechanismen 6 eines Manipulators gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt. Da der Aufbau anderer Teile als der Kopplungsmechanismen derselbe wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist, müssen diese weder beschrieben werden, noch sind sie in einer Figur dargestellt.
• Obwohl bei der vorigen (ersten) Ausführungsform alle drei Kopplungsmechanismen 6 aus einer einzelnen zugeschnittenen und umgelegten Platte bestehen, bestehen bei den drei Kopplungsmechanismen 6 dieser (zweiten) Ausführungsform aus Platten 40 und 41, die nach Aufteilung in eine obere und eine untere Sektion hergestellt wurden. Die Armabschnitte 6' erstrecken sich ausgehend von den Zentren der oberen Platte 40 und der unteren Platte 41 in drei Richtungen, und die obere Platte 40 und die untere Platte 41 bilden die obere Hälfte bzw. die untere Hälfte der drei Kopplungsmechanismen 6. Die obere Platte 40 und die untere Platte 41 verfügen an der Mittelposition des gesamten Armabschnitts 6' (der gesamte Armabschnitt der oberen und der unteren Platte) über ein Schraubenloch (Verbindungsloch) 48, und sie sind unter Verwendung von Schrauben (in der Figur nicht dargestellt) verbunden.
• Bei dieser Ausführungsform sind die Kopplungsmechanismen 6 unter Verwendung von Schrauben 49 an der Basis 2 (in der Figur nicht dargestellt) befestigt.
• Nachfolgend wird der Armabschnitt 6' jedes der Kopplungsmechanismen beschrieben, wie er vorhanden ist, wenn die obere Platte 40 und die untere Platte 41 verbunden sind. Für jeden Armabschnitt 6' dieser Ausführungsform sind, wie bei der Ausführungsform der Fig. 1, die Scharnierabschnitte 6b, 6d und 6f, die als Drehgelenke R betrachtet werden können, in der Längsrichtung an den beiden Enden jedes Armabschnitts 6' (durch die Zahlen 43 und 45 gekennzeichnete Positionen, anders gesagt, ein Ende, das der beweglichen Platte 6a zugewandt ist und ein Ende, das der Anbringungsseite der Basis 2 zugewandt ist) und an der mittleren Position (durch die Zahl 44 gekennzeichnete Position) des Armabschnitts 6' ausgebildet. Eine Parallelogrammverbindung 6c, die als Prismengelenk P betrachtet werden kann, ist auch zwischen dem Längsende 43 und dem mittleren Abschnitt 44 ausgebildet.
• Bei dieser Ausführungsform bestehen die Scharnierabschnitte 6b, 6d und 6f, die die Drehgelenke R bilden, aus dünnen Abschnitten (z. B. im Querschnitt V-förmigen Gräben), die sich in der Querrichtung des Armabschnitts 6' erstrecken, anstatt aus den in der Fig. 1 dargestellten Schlitzen.
• Auch sind bei der als Prismengelenk P wirkenden Parallelogrammverbindung 6c die Gelenke 13 eines einzelnen Paars über Scharnierabschnitte (Einschnürungen) 46 und 47 mittels eines verbindenden Kopplungsabschnitts 12 verbunden.
• Die obige Konstruktion sorgt für ähnliche Konstruktionen wie beim in der Fig. 1 dargestellten Mikromanipulator, und sie ermöglicht es, ein eine genaue Positionskontrolle ausführendes 3-DOF-End-Stellorgan mit drei Kopplungsmechanismen zu realisieren.
• Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen können die Kopplungsmechanismen 6 dadurch hergestellt werden, dass die Ätztechnologie zur Mikroverarbeitung von Halbleitern (z. B. Fotoätzen) verwendet wird, anstatt dass ein Schneid- und Umlegeverfahren unter Verwendung einer Presse verwendet wird. Wenn das erstere Verfahren verwendet wird, werden die Kopplungsmechanismen aus einem Material wie Silicium hergestellt.
• Wie oben dargelegt, ermöglicht es die Verwendung eines 3-DOF-Mikromanipulators gemäß der Erfindung, eine genaue Positionierungssteuerung eines 3-DOF-End-Stellorgans mittels dreier Kopplungsmechanismen dadurch zu realisieren, dass die Eigenschaft genutzt wird, dass paralleler 3-DOF-Betrieb der Hauptbetriebsvorgang bei Mikroarbeitsgängen ist.
• Hierdurch kann ein einfach betreibbarer Mikromanipulator billig erhalten werden, mit dem eine genaue Positionierung ausgeführt werden kann.
• Gemäß der Erfindung können auch Mikro-Kopplungsmechanismen hergestellt werden, wenn als Herstellverfahren ein integrales Herstellverfahren für Metallblech verwendet wird, das einfache Bearbeitung und billige Herstellung ermöglicht. Außerdem kann eine Mikromaschine zusammengebaut werden. Ferner ist eine Anwendung als Mikroauslenkungsmechanismus für Drehgelenke und direkt wirkende Gelenke möglich.

Claims (9)

1. Mikromanipulator mit drei Kopplungsmechanismen (6) zum Verbinden seiner Basis (2) und seines End-Stellorgans (3) und zum Ausführen paralleler Betriebsvorgänge mit drei Freiheitsgraden, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kopplungsmechanismen durch Schneiden und Umlegen eines Blechs einer flexiblen Metallplatte zu einer einzelnen Einheit hergestellt sind.

2. Mikromanipulator mit drei Kopplungsmechanismen (6) zum Verbinden seiner Basis (2) und seines End-Stellorgans (3), dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kopplungsmechanismen durch Verarbeiten eines Blechs einer flexiblen Metallplatte hergestellt sind und sie mit Folgendem versehen sind:
plattenförmigen Armabschnitten, die sich in der axialen Umfangsrichtung des End-Stellorgans (3) erstrecken;
Biegescharnierabschnitten, die zwischen den beiden Enden und der mittleren Position jedes Armabschnitts in dessen Längsrichtung positioniert sind und als Drehgelenke (R) angesehen werden können, wenn das Ausmaß ihrer Auslenkung sehr klein ist; und
Kopplungselementen, die zwischen einem Ende und der mittleren Position in der Längsrichtung jedes Armabschnitts ausgebildet sind, und die als Prismengelenk (P) angesehen werden können, wenn das Ausmaß ihrer Auslenkung sehr klein ist.

3. Mikromanipulator mit drei Kopplungsmechanismen (6) zum Verbinden seiner Basis (2) und seines End-Stellorgans (3), dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kopplungsmechanismen durch Verarbeiten eines Blechs einer flexiblen Metallplatte hergestellt sind und sie drei Drehgelenke (R) und ein Prismengelenk (P) aufweisen.

4. Mikromanipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegescharnierabschnitte, die Drehgelenke (R) bilden können, mit Schlitzen oder dünnwandigen Abschnitten in der Querrichtung jedes Armabschnitts ausgebildet sind und das Kopplungselement, das ein Prismengelenk (P) bilden kann, einen Parallelogramm-Kopplungsabschnitt aufweist.

5. Mikromanipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kopplungsmechanismus durch entweder Schneiden und Umlegen oder durch Mikroätzen einer Metallplatte hergestellt wird, die mit den Biegescharnierabschnitten, die zu Drehgelenken (R) werden können, und mit dem Kopplungselement, das zu einem Prismengelenkpaar (P) werden kann, auszubilden ist.

6. Mikromanipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kopplungsmechanismen (6) durch Schneiden und Umlegen eines Metallplattenblechs zu einer einzelnen Einheit hergestellt sind.

7. Mikromanipulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Kopplungsmechanismen (6) durch Verarbeiten einer Metallplatte zu einer unabhängigen oberen und unteren Platte (40, 41) hergestellt sind, die jeweils über einen Armabschnitt verfügen, wobei sich die Armabschnitte in drei Richtungen ausgehend von der jeweiligen Mitte erstrecken und wobei die obere und die untere Platte ferner die obere bzw. untere Hälfte der drei Kopplungsmechanismen bilden und beide Platten verbunden sind.

8. Mikromanipulator nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Basis (2) piezoelektrische Elemente vorhanden sind, die für die Antriebskraft für die drei Kopplungsmechanismen (6) sorgen.

9. Mikromanipulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Elemente so vorbelastet werden, dass an den Kontaktflächen derselben hinsichtlich der drei Kopplungsmechanismen (6) keine Toleranzen vorhanden sind.