DE19500368A1

DE19500368A1 - Micromanipulator based on hollow fibre for small components or tools

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

Abstract

The wall of the hollow fibre (1) has a low modulus of elasticity and a high breaking elongation chosen so that it can be dilated by pressure in its central cavity (2). Expansion in the axial direction is prevented in places by stretch-resistant but pliable elements (3) while radial expansion is contained by stretch-resistant rings or helices (4). An alternative embodiment has three hollow fibres combined into one structure for capability of curvature in more than one direction according to liq. or gas pressure distribution.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikroaktuator für die Handhabung kleiner, in ihrer Größe im Mikrobereich liegender Bauteile oder Werkzeuge.The invention relates to a micro actuator for handling small, in their size in the micro range of components or tools.

Ein Mikroaktuator hat die Aufgabe, kleine Objekte zu bewegen, zu greifen, zu positionieren, zu verbinden oder zu lösen.A micro actuator has the task of moving, gripping small objects, to position, connect or detach.

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.Numerous microactuators are known in which the movement in the Space is made through macroscopic components. These cause one Movement in the micro range in the three spatial axes. This happens at for example by piezo crystals, which by applying a potential Learn length change that you use for positioning. However, there are Compared to the object very large components, so that spatial cramped work areas, for example in the human body, are not can be developed.

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.Microactuators are also known in which the active Movement element is a bimetal, which is activated by targeted heating can be. A micromechanical manipulator of this type is the DE 38 41 557 A1. These micro actuators have small ones Dimensions, however, complex movements are difficult realize.

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.Microactuators are also known in which the active Movement element is a piezo crystal, which by applying an electri potential is activated. Through a combination of different Crystals for a component can also be complex movements cause. Such a device is known for example from DE 36 10 540 A1 forth. However, it is peculiar to the piezo crystals that they are only a small one Allow stretching and thus the movement of the actuator in comparison to its size is only small.

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.All these microactuators have in common that they consist of many discrete Components are constructed and do not contain integral sensors, which are important for handling.

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.The invention has for its object the disadvantages mentioned above avoid previous solutions and propose microactuators, which in addition to their miniaturization sensors and means for Have signal transmission.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß druckbeaufschlagbare Hohlfasern mit anisotropen elastischen und/oder elektrischen und/oder opti schen Eigenschaften vorgeschlagen werden.The solution to this problem is that pressurizable Hollow fibers with anisotropic elastic and / or electrical and / or opti properties are proposed.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further features of the invention can be found in the subclaims.

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.If the cavity of such, designed according to the invention Pressurized hollow fiber, it bends or rotates, depending according to their interpretation. Fibers with optical properties enable that Detection of the stretch at any desired location, the forwarding of Signals optically and the formation of Proximity sensors. Fibers with piezoelectric properties allowed also required the detection of strains. Electrically conductive fibers enable the transmission of electrical signals. With multi-lumen Hollow fibers can also transmit hydraulic signals or energy pulses be. Fluids such as, for example, can also be passed through these lumens Glue forwarded and applied.

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,The advantages achieved by the invention are in particular that one with the basic component, the hollow fiber with anisotropic properties, the functions important for a micro actuator, such as the Transfer of forces,

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.Transmission of bending moments,
Transmission of torsional moments,
Movement of an end point in one or two axes,
Movement of an end point around the longitudinal axis,
Measurement of movement at characteristic points,
Transmission of sensor signals,
Management of fluids,
can surprisingly realize all in a single component. By integrating many functions it can be achieved that complex movements, such as those that occur in robotics in the macro range, can now also be carried out in the micro range according to the invention.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the drawing.

Hierbei zeigenShow here

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Mikroaktuator in schematischer und vergrößerter Darstellung; Figure 1 shows a cross section through a microactuator in a schematic and enlarged view.

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch einen Mikroaktuator zur Veranschaulichung seiner Biegefunktion;2 shows a partial longitudinal section of a microactuator for illustration of its bending function.

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Mikroaktuators mit drei integrierten Hohlfasern in schemati scher und vergrößerter Darstellung; Figure 3 shows a cross section through a further embodiment of a microactuator with three integrated hollow fibers in schematic and enlarged representation.

Fig. 4 eine noch andere Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt, in der Darstellung ähnlich wie Fig. 1; FIG. 4 shows yet another embodiment of the invention in cross section, in the illustration similar to FIG. 1;

Fig. 5 die Ausbildungsform eines Mikroaktuators mit Sensor im Längsschnitt in schematischer Darstellung; Figure 5 shows the embodiment of a microactuator with sensor in longitudinal section in a schematic representation.

Fig. 6 zwei miteinander verknüpfte Lichtleitfasern, und Fig. 6 two interconnected optical fibers, and

Fig. 7 eine noch andere Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt, in der Darstellung ähnlich wie Fig. 1. Fig. 7 shows a still another embodiment of the invention in cross-section, similar in representation to 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. 1 shows an embodiment of the basic component, the hollow fiber 1 with anisotropic elastic and / or electrical and / or optical properties. The wall of the hollow fiber 1 has a low modulus of elasticity and a high elongation at break, which are dimensioned such that the hollow fiber 1 can expand in the cavity 2 when subjected to pressure. However, the stretching of the hollow fiber 1 in the axial direction is hindered in an area by the tensile and flexible element 3 in such a way that the bending line of the hollow fiber 1 is curved. The expansion of the hollow fiber 1 in the radial direction is hampered by the rigid ring-shaped or helical elements 4 .

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. Fig. 2 shows a side view of the hollow fiber 1 in the depressurized state and under the action of a pressure which leads to the desired curvature. The size of the curvature depends on the elongation and thus on the pressure.

Dieser Druck wird vorzugsweise durch eine Flüssigkeit aufgebracht, kann aber auch durch ein Gas bewirkt werden.This pressure is preferably applied by a liquid but can also be caused by a gas.

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. 3 shows a further embodiment of the invention. Here three hollow fibers are combined to one element in order to achieve a curvature in more than one axis. The end point sweeps over a surface that comes close to a spherical surface.

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. 4 shows a further embodiment of the invention. Here the hollow fiber is equipped with optical fibers 5 . They are preferably helical or parallel to the hollow fiber longitudinal axis all the way around the periphery of the hollow fiber. Your task is the transmission of light signals, but also the function as a 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. 5 shows an embodiment of such a sensor. The optical fiber 5 is severed at one point. Since the fiber is placed on the outside of the hollow fiber, the cut surfaces 6 and 7 move away from each other a little with a curvature. The light is coupled out at the cut surface 6 and coupled in again at the other cut surface 7 . The transmitted light is thus modulated by the curvature and the latter can thus be measured. The cut optical fiber thus acts as a curvature sensor.

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. Fig. 6 shows two optical fibers 5 which are preferably arranged close together. This enables the transmission of light from an optical fiber to the adjacent one. By a short heat, for example by a laser beam, the melted together at the ends of the optical fibers to a ball 8 who can thus pass the light from one to the other. Such a deflection of the light is important for a curvature sensor if one optical fiber is to be used for the forwarding of the light and the adjacent one for the return.

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. The fiber 5 can also consist of a piezoelectric material and can detect an elongation in the arrangement shown. In this case, the signals are forwarded by electrically conductive fibers running in parallel.

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. Fig. 4 shows a further embodiment of the invention. Here the hollow fiber is equipped with small channels 9 and a light absorption layer 10 . The small channels 9 are used to transmit the pressure that is to act on the cavity 2 at a specific point on the hollow fiber. This necessary connection with the cavity 2 can be created so that a short laser pulse 11 is directed from the outside onto the light absorption layer 10 , which melts due to the stronger light absorption and thus enables the connection.

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.1. Micro actuator for the movement and handling of small, in the size in the micro range lying components or tools characterized by pressurizable hollow fibers ( 1 ) with anisotropic pen elastic and / or electrical and / or optical properties.

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.2. Microactuator according to claim 1, characterized in that the hollow fiber ( 1 ) made of a material with a low modulus of elasticity contains a peripheral insert ( 3 ) made of a flexible and flexible material that is substantially parallel to the longitudinal axis of the hollow fiber ( 1 ) .

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.3. Microactuator according to claim 1 or 2, characterized in that the hollow fiber made of a material with a low modulus of elasticity has a radial sheath ( 4 ) made of a flexible and rigid material.

4. Mikroaktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Umhüllung (4) die Hohlfaser (1) umschlingt.4. Micro actuator according to claim 3, characterized in that the radial sheath ( 4 ) wraps around the hollow fiber ( 1 ).

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.5. Microactuator according to claim 3 or 4, characterized in that the sheath ( 4 ) consists of discrete ring elements, so that the hollow fiber ( 1 ) is reinforced radially rigid, but remains completely or partially flexible parallel to the longitudinal axis of the hollow fiber ( 1 ).

6. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hohlfasern (1) zu einer Hohlfaser mit mehreren Lumina zusammengefaßt sind (Fig. 3).6. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of hollow fibers ( 1 ) are combined to form a hollow fiber with a plurality of lumens ( 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. 7. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that an expansion-resistant element envelops the hollow fiber ( 1 ) helically or helically, so that the hollow fiber is subjected to a torsion when the cavity is subjected to pressure.

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.8. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that light guides ( 5 ) are integrated into the hollow fiber for the formation of sensors or the transmission of signals.

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.9. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that electrical conductors are integrated into the hollow fiber ( 1 ) for the formation of sensors or for the transmission of signals.

10. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildung von Dehnungssensoren piezo elektrische Leiter in die Hohlfaser (1) integriert sind.10. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that piezoelectric conductors are integrated into the hollow fiber ( 1 ) for the formation of strain sensors.

11. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Zuleitungen (9) für die Druckbeaufschlagung in die Faser integriert sind.11. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that supply lines ( 9 ) for the pressurization are integrated into the fiber.

12. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfaser partiell durch eingelagerte Farbstoffe (10) in ihrer Lichtabsorption verändert ist.12. Microactuator according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow fiber is partially changed in its light absorption by embedded dyes ( 10 ).

13. Mikroaktuator nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß als Basismaterial ein Thermoplast verwendet wird.13. Microactuator according to one of the preceding claims characterized in that a thermoplastic is used as the base material becomes.