DE19500368A1

DE19500368A1 - Mikroaktuator

Info

Publication number: DE19500368A1
Application number: DE1995100368
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof Dr Ing Affeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-09
Filing date: 1995-01-09
Publication date: 1995-05-24

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroaktuator für die Handhabung kleiner, in ihrer Größe im Mikrobereich liegender Bauteile oder Werkzeuge.

Ein Mikroaktuator hat die Aufgabe, kleine Objekte zu bewegen, zu greifen, zu positionieren, zu verbinden oder zu lösen.

Es sind zahlreiche Mikroaktuatoren bekannt, bei denen die Bewegung im Raum durch makroskopische Bauelemente erfolgt. Diese bewirken eine Bewegung im Mikrobereich in den drei Raumachsen. Dies geschieht bei spielsweise durch Piezokristalle, die durch Anlegen eines Potentials eine Längenänderung erfahren, die man zum Positionieren nutzt. Es sind jedoch im Vergleich zum Objekt sehr große Bauelemente, so daß damit räumlich beengte Arbeitsbereiche, beispielsweise im menschlichen Körper, nicht erschlossen werden können.

Weiterhin sind Mikroaktuatoren bekannt, bei denen das aktive Bewegungselement ein Bimetall ist, das durch gezielte Erhitzung aktiviert werden kann. Ein mikromechanischer Manipulator dieser Art ist der DE 38 41 557 A1 zu entnehmen. Diese Mikroaktuatoren haben zwar kleine Abmessungen, es lassen sich jedoch komplexe Bewegungen nur schwer realisieren.

Weiterhin sind Mikroaktuatoren bekannt, bei denen das aktive Bewegungselement ein Piezokristall ist, das durch das Anlegen eines elektri schen Potential aktiviert wird. Durch eine Kombination verschiedener Kristalle zu einem Bauelement kann man auch komplexe Bewegungen bewirken. Eine solche Einrichtung geht beispielsweise aus der DE 36 10 540 A1 hervor. Jedoch ist es den Piezokristallen eigen, daß sie nur eine geringe Dehnung erlauben und daß somit die Bewegung des Aktuators im Vergleich zu seiner Größe nur klein ist.

Allen diesen Mikroaktuatoren ist gemeinsam, daß sie aus vielen diskreten Bauelementen aufgebaut sind und keine integralen Sensoren enthalten, welche für die Handhabung von Bedeutung sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben erwähnten Nachteile der bisherigen Lösungen zu vermeiden und Mikroaktuatoren vorzuschlagen, welche neben ihrer Miniaturisierung Sensoren und Mittel zur Signalübertragung aufweisen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß druckbeaufschlagbare Hohlfasern mit anisotropen elastischen und/oder elektrischen und/oder opti schen Eigenschaften vorgeschlagen werden.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Wird der Hohlraum einer derartigen, nach der Erfindung gestalteten Hohlfaser mit einem Druck beaufschlagt, so krümmt oder dreht sie sich, je nach ihrer Auslegung. Fasern mit optischen Eigenschaften ermöglichen die Erfassung der Dehnung an jeder gewünschten Stelle, die Fortleitung von Signalen auf optischem Wege und weiterhin die Bildung von Annäherungssensoren. Fasern mit piezoelektrischen Eigenschaften gestat ten ebenfalls die Erfassung von Dehnungen. Elektrisch leitende Fasern ermöglichen die Fortleitung von elektrischen Signalen. Mit mehrlumigen Hohlfasern können ferner hydraulische Signale oder Energiepulse übertra gen werden. Auch können durch diese Lumina Fluide wie beispielsweise Kleber fortgeleitet und appliziert werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß man mit dem Grundbauteil, der Hohlfaser mit anisotropen Eigenschaften, die für einen Mikroaktuator wichtigen Funktionen, wie die Übertragung von Kräften,

Übertragung von Biegemomenten,
Übertragung von Torsionsmomenten,
Bewegung eines Endpunktes in ein oder zwei Achsen,
Bewegung eines Endpunktes um die Längsachse,
Messung der Bewegung an charakteristischen Punkten,
Übertragung von Sensorsignalen,
Leitung von Fluiden,
in überraschender Weise alle in einem einzigen Bauelement realisieren kann. Durch die Integration vieler Funktionen kann erreicht werden, daß komplexe Bewegungen, wie sie im Makrobereich bei der Robotik auftreten, nach der Erfindung nunmehr auch im Mikrobereich durchgeführt werden können.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Hierbei zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Mikroaktuator in schematischer und vergrößerter Darstellung;

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch einen Mikroaktuator zur Veranschaulichung seiner Biegefunktion;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Mikroaktuators mit drei integrierten Hohlfasern in schemati scher und vergrößerter Darstellung;

Fig. 4 eine noch andere Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt, in der Darstellung ähnlich wie Fig. 1;

Fig. 5 die Ausbildungsform eines Mikroaktuators mit Sensor im Längsschnitt in schematischer Darstellung;

Fig. 6 zwei miteinander verknüpfte Lichtleitfasern, und

Fig. 7 eine noch andere Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt, in der Darstellung ähnlich wie Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Ausbildung des Grundbauelementes, der Hohlfaser 1 mit anisotropen elastischen und/oder elektrischen und/oder optischen Eigenschaften. Die Wandung der Hohlfaser 1 hat einen niedrigen Elastizitätsmodul und eine hohe Bruchdehnung, die so bemessen sind, daß die Hohlfaser 1 sich beim Einwirken eines Druckes im Hohlraum 2 dehnen kann. Jedoch wird die Dehnung der Hohlfaser 1 in axialer Richtung in einem Bereich durch das zugsteife und biegeweiche Element 3 so behindert, daß es zu einer Krümmung der Biegelinie der Hohlfaser 1 kommt. Die Dehnung der Hohlfaser 1 in radialer Richtung wird durch die zugsteifen ringförmigen oder schraubenfederförmigen Elemente 4 behindert.

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Hohlfaser 1 in drucklosem Zustand und unter Einwirken eines Druckes, der zur gewünschten Krümmung führt. Die Größe der Krümmung hängt von der Dehnung und damit vom Druck ab.

Dieser Druck wird vorzugsweise durch eine Flüssigkeit aufgebracht, kann aber auch durch ein Gas bewirkt werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausbildung der Erfindung. Hier sind drei Hohlfasern zu einem Element vereinigt um eine Krümmung in mehr als einer Achse zu erreichen. Der Endpunkt überstreicht dabei eine Fläche, die einer Kugelfläche nahekommt.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildung der Erfindung. Hier ist die Hohlfaser mit Lichtleitfasern 5 ausgerüstet. Sie sind vorzugsweise schraubenförmig oder parallel zur Hohlfaserlängsachse ganz an der Peripherie der Hohlfaser ange bracht. Ihre Aufgabe ist die Fortleitung von Lichtsignalen, aber auch die Funktion als Sensor.

Fig. 5 zeigt eine Ausbildung eines solchen Sensors. Die Lichtleitfaser 5 ist an einer Stelle durchtrennt. Da die Faser ganz außen an der Hohlfaser ange bracht ist, entfernen sich die Schnittflächen 6 und 7 bei einer Krümmung ein wenig voneinander. An der Schnittfläche 6 wird das Licht ausgekoppelt, auf der anderen Schnittfläche 7 wieder eingekoppelt. Das übertragene Licht wird damit durch die Krümmung moduliert und letztere kann somit gemessen werden. Die geschnittene Lichtleitfaser wirkt somit als Krümmungssensor.

Fig. 6 zeigt zwei Lichtleitfasern 5, die vorzugsweise dicht nebeneinander angeordnet werden. Dadurch kann die Übertragung von Licht von einer Lichtleitfaser zur daneben liegenden erreicht werden. Durch eine kurze Wärmeeinwirkung, beispielsweise durch einen Laserstrahl, können die bei den Enden der Lichtleitfasern zu einer Kugel 8 zusammengeschmolzen wer den, die damit das Licht von einer zur anderen übertreten läßt. Eine solche Umlenkung des Lichts ist für einen Krümmungssensor wichtig, wenn eine Lichtleitfaser für die Hinleitung des Lichts und die danebenliegende für die Rückleitung verwendet werden soll.

Die Faser 5 kann auch aus einem piezoelektrischem Material bestehen und in der gezeichneten Anordnung eine Dehnung detektieren. In diesem Falle erfolgt die Fortleitung der Signale durch elektrisch leitende parallel laufende Fasern.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausbildung der Erfindung. Hier ist die Hohlfaser mit kleinen Kanälen 9 und einer Lichtabsorptionsschicht 10 ausgerüstet. Die kleinen Kanäle 9 dienen zur Fortleitung des Druckes, der an einer bestimm ten Stelle der Hohlfaser auf den Hohlraum 2 wirken soll. Diese dafür erfor derliche Verbindung mit dem Hohlraum 2 kann so geschaffen werden, daß ein kurzer Laserimpuls 11 von außen auf die Lichtabsorptionsschicht 10 gerichtet wird, die durch die stärkere Lichtabsorption aufschmilzt und so die Verbindung ermöglicht.

Claims

1. Mikroaktuator für die Bewegung und Handhabung kleiner, in ihrer Größe im Mikrobereich liegender Bauteile oder Werkzeuge gekenn zeichnet durch druckbeaufschlagbare Hohlfasern (1) mit anisotro pen elastischen und/oder elektrischen und/oder optischen Eigenschaften.

2. Mikroaktuator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfaser (1) aus einem Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul eine periphere Einlagerung (3) aus einem biege weichen und dehnsteifem Material enthält, die im wesentlichen paral lel zur Längsachse der Hohlfaser (1) verläuft.

3. Mikroaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfaser aus einem Material mit einem niedrigen Elastizitätsmodul eine radiale Umhüllung (4) aus einem biegewei chen und dehnsteifen Material aufweist.

4. Mikroaktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Umhüllung (4) die Hohlfaser (1) umschlingt.

5. Mikroaktuator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (4) aus diskreten Ringelementen besteht, so daß die Hohlfaser (1) radial dehnsteif verstärkt ist, aber parallel zur Längsachse der Hohlfaser (1) ganz oder partiell dehnweich bleibt.

6. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hohlfasern (1) zu einer Hohlfaser mit mehreren Lumina zusammengefaßt sind (Fig. 3).

7. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß ein dehnsteifes Element die Hohlfaser (1) schrauben- oder schraubenfederförmig umhüllt, so daß bei Druckbelastung des Hohlraums der Hohlfaser eine Torsion derselben erfolgt.

8. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildung von Sensoren oder die Fortleitung von Signalen Lichtleiter (5) in die Hohlfaser integriert sind.

9. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildung von Sensoren oder für die Fortleitung von Signalen elektrische Leiter in die Hohlfaser (1) inte griert sind.

10. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildung von Dehnungssensoren piezo elektrische Leiter in die Hohlfaser (1) integriert sind.

11. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Zuleitungen (9) für die Druckbeaufschlagung in die Faser integriert sind.

12. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfaser partiell durch eingelagerte Farbstoffe (10) in ihrer Lichtabsorption verändert ist.

13. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß als Basismaterial ein Thermoplast verwendet wird.