DE3933296C2 - Mikromanipulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Bewegen einer Antriebskraft eines getriebenen Teils in der Größenordnung von Mikrometer oder Nano­ meter. Insbesondere betrifft die Erfindung ei­ ne Mikroantriebsvorrichtung, die bei einer Arbeitsantriebs­ einrichtung für einen Mikromanipulator eingesetzt werden kann, welcher in der Biotechnologie, für eine Positionier­ einrichtung zum Bewirken einer Positionierung zwischen ei­ nem manipulierten Gegenstand und einem Miniaturinstrument zur Manipulation und einem Roboter oder einer Gelenkeinrich­ tung Anwendung finden kann, welche feine Bewegungen ausführt.

Eine Vorrichtung zum Bewirken einer feinen Bewegung mit Hilfe einer Stoßkraft unter Verwendung eines piezoelek­ trischen Elements (oder eines elektrostriktiven Elements (dielektrisches Element)) wurde von dem Erfinder der vor­ liegenden Anmeldung vorgeschlagen und ist in der offenge­ legten japanischen Patentanmeldung (KOKAI) No. 63-2 99 785 angegeben.

Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 die allgemeinen Einzelheiten hinsichtlich des Aufbaus und der Arbeitsweise dieser Vorrichtung zum Bewirken einer feinen Bewegung beschrieben.

Die Vorrichtung zum Bewirken einer feinen Bewegung weist ein bewegliches Teil 2, ein Trägheitsteil 3 und ein piezo­ elektrisches/elektrostriktives Element 4 auf, welches die Elemente 2 und 3 miteinander verknüpft und das derart aus­ gelegt ist, daß das bewegliche Teil auf eine Basis gesetzt und dort mittels der Reibungskraft gehalten ist.

Wenn man eine Spannung an das piezoelektrische/elektrostrik­ tive Element 4 anlegt, wird das Trägheitselement 3 beschleu­ nigt, und die Reaktion hiervon wird genutzt, um eine Bewe­ gung des beweglichen Elements 2 zu bewirken. Hierdurch wer­ den feine Bewegungen in der Größenordnung von 10 nm bis 10 µm mit Hilfe einer einfachen Einrichtung ermöglicht.

Das Bewegungsprinzip wird nachstehend erläutert: Wenn das be­ wegliche Element 2 in Richtung nach links (+) in Fig. 3 be­ wegt wird, bewegt sich zuerst das piezoelektrische/elektro­ striktive Element 4, das im zusammengedrückten Zustand in Fig. 3(a) gezeigt ist, plötzlich, wie dies in Fig. 3(b) ge­ zeigt ist, und das bewegliche Element 2 und das Trägheitsele­ ment 3 bewegen sich voneinander weg. Wenn dann das piezoelek­ trische/elektrostriktive Element 4 langsam zurückgezogen wird, wie dies in Fig. 3(c) gezeigt ist und dann plötzlich anhält, wenn es zu der Ausgangslänge zurückkehrt, wie dies in Fig. 3(d) gezeigt ist, beaufschlagt das Trägheitselement 3 das beweg­ liche Element 2 mit einem Stoß. Als Folge hiervon wird das bewegliche Element 2 in Richtung nach links bewegt, wie dies in Fig. 3(e) gezeigt ist. Wenn das bewegliche Teil 2 in Fig. 4 in Richtung nach rechts (-) bewegt wird, zieht sich zuerst das piezoelektrische/elektrostriktive Element 4, das sich in dem gedehnten Zustand entsprechend Fig. 4(a) befindet, plötzlich zusammen, wie dies in Fig. 4(b) gezeigt ist. Wenn dies der Fall ist, bewegen sich das bewegliche Teil 2 und das Träg­ heitselement 3 in Richtung aufeinander zu. Wenn dann ent­ sprechend Fig. 4(c) das piezoelektrische/elektrostriktive Element 4 langsam zurückgezogen wird, wie dies in Fig. 4(c) gezeigt ist und dann plötzlich anhält, wenn es seine Ausgangs­ länge wieder erreicht, wie dies in Fig. 4(d) gezeigt ist, wird das bewegliche Teil 2 nach rechts bewegt, wie dies in Fig. 4(e) gezeigt ist.

Obgleich ein getriebenes Teil bei dieser zum Stand der Technik gehörenden Auslegungsform bewegt (oder gedreht) werden kann, ist eine beträchtliche Findigkeit erforderlich, eine solche Ein­ richtung auf einem Anwendungsgebiet einzusetzen, bei dem eine Mikroantriebssteuerung erforderlich ist, wie dies beispielswei­ se bei Mikromanipulatoren typisch ist.

Bei üblichen Mikromanipulatoren, welche äußerst feine Arbeiten ausführen, werden mit hydraulischem Druck arbeitende oder mit einer elektromagnetischen Kraft oder einem Antriebsmotor ar­ beitende Einrichtungen als Arbeitsantriebseinrichtungen zur Bewegung einer feinen Glasnadel relativ zu einer Zelle und als eine Positioniereinrichtung zur Erzielung einer Positionierung zwischen einem manipulierten Gegenstand und einem Miniaturin­ strument zur Manipulation eingesetzt. Die Arbeitsantriebsein­ richtungen und die Positioniereinrichtungen für Mikromanipula­ toren haben daher in der üblichen Bauform große Abmessungen.

Ferner wird das vergleichsweise grobe Arbeiten der Arbeitsan­ triebseinrichtung eines Mikromanipulators, das Feinarbeiten des Miniaturinstruments zur Manipulation und das Arbeiten der Positioniereinrichtung für die Positionierung zwischen dem Gegenstand und dem Miniaturinstrument gesondert gesteuert, und es werden hierzu gesonderte Antriebssysteme verwendet. Aus diesem Grunde hat nicht nur die Vorrichtung große Abmessungen, sondern sie hat auch einen komplizierten Aufbau.

Zusätzlich gibt es bei diesen auszuführenden Arbeitsgängen auch noch solche, welche in Abhängigkeit von einem menschlichen Eingreifen gesteuert werden und man daher eine erfahrene Bedienungsperson zur Steuerung benötigt.

Aus der GB 14 68 890 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der ein Gegenstand entlang einer Oberfläche bewegt werden kann. Diese Vorrichtung weist ein bewegliches Teil auf, das von elektrischen Magnetspulen angezogen wird und beim Aufprall auf die Magnetspule einen solchen Schlag bewirkt, daß der Gegenstand unter Überwindung der Reibkraft auf der Oberfläche in Längsrichtung verschoben wird.

Aus der DE-GM 79 24 781 ist ein Stufen-Mikromanipulator bekannt, der für eine Grob-, Mittel- und Feinbewegung drei Bewegungsstufen aufweist. Die erste Bewegungsstufe ist ein neigbarer Zahntrieb mit Feststellvorrichtung, die zweite Bewegungsstufe wird von einer entweder von Hand oder mittels Schrittmotor betätigbaren Mikrometerspindel und die dritte Bewegungsstufe von einem auswechselbaren Piezoantrieb gebildet.

Die DE 32 10 466 A1 offenbart eine Vorrichtung, bei der Gelenkarme mit einem kugelförmigen Ende in einer als Pfanne ausgebildeten Halterung schwenkbar und drehbar gehalten werden. Dabei erfolgt die winkelmäßige Einstellung des Gelenkarms in bezug auf die Halterung entweder durch im Bereich der Pfanne angeordnete Elektromagneten und eine gezielte Magnetfeldwanderung zur Positionierung eines im Kugelendteil angeordneten Eisenkerns oder durch am Gelenkarm angeordnete Schubeinrichtungen, wobei im letzteren Fall das Kugelgelenk nur Lagerfunktionen zu übernehmen hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikromanipulator bereitzustellen, mit dem eine äußerst genaue Steuerung eines Arbeitsganges bei einer kompakten und einfachen Auslegung möglich ist.

Ferner soll nach der Erfindung eine Mikroantriebsvorrichtung angegeben werden, mittels der die Position, die Richtung und der Winkel eines Gegenstands oder Instruments frei mikrogesteuert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Mikromanipulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Nach der Erfindung ist hierzu die Auslegung derart getroffen, daß ein Miniaturinstrument zur Manipulation an einem bewegbaren Teil angebracht ist, das mittels eines Tragteils beweglich gelagert ist, das mit einem Hauptkörper eines Mikromanipulators fest verbunden ist und das ein Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element und ein Trägheitselement aufweist, das fest mit dem Element verbunden ist, wobei diese Teile an dem bewegbaren Teil angebracht sind. Wenn man ein elektrisches Feld an das piezoelektrische/ elektrostriktive Element zur Bewegung desselben anlegt, wird das bewegliche Teil angetrieben, um eine Manipulation vorzunehmen.

Das bewegliche Teil ist auf dem Tragteil gelagert, das an dem distalen Ende einer Positioniereinrichtung zur Erzielung einer Positionierung zwischen einem manipulierten Gegenstand und einem Miniaturinstrument zur Manipulation angebracht ist und die Positionierung wird zwischen dem manipulierten Gegenstand und dem Miniaturinstrument zur Manipulation mittels einer Arbeitsweise erzielt, die ähnlich der zuvor beschriebenen ist.

Das bewegliche Teil kann frei um 360° mittels Reibung gedreht werden und es ist auf dem Tragteil gelagert, das an einem Arm angebracht ist, der sich um 360° um seine Achse drehen kann. Wenn man die Bewegung des Mikroantriebskraft-Erzeugungsteils steuert, können die Position, die Richtung und der Winkel wunschgemäß verändert werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung erge­ ben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Aus­ führungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht zur Verdeutlichung einer üblichen Vorrichtung zum Bewirken einer feinen Bewegung,

Fig. 2 eine Draufsicht zur Verdeutlichung der üblichen Vorrichtung zum Bewirken einer feinen Bewegung,

Fig. 3(a)∼(e) und Fig. 4(a)∼(e) Ansichten zur Beschreibung des Bewegungsprinzips der üblichen Vorrichtung zum Bewirken einer feinen Bewegung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Mikromanipula­ tors, der gemäß einer ersten bevorzugten Ausfüh­ rungsform nach der Erfindung ausgelegt ist,

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Mikromanipulator, der gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ausgelegt ist,

Fig. 7 eine Schnittansicht längs der Linie A-A in Fig. 6,

Fig. 8 eine Schnittansicht längs der Linie B-B in Fig. 6,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Mikromanipula­ tors, der gemäß einer dritten bevorzugten Ausfüh­ rungsform nach der Erfindung ausgelegt ist,

Fig. 10 eine Schnittansicht längs der Linie C-C in Fig. 9,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht eines Mikromanipula­ tors zur Verdeutlichung einer vierten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 12 eine Schnittansicht längs der Linie D-D in Fig. 11,

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Mikromanipula­ tors zur Verdeutlichung einer fünften bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 14 eine Schnittansicht längs der Linie E-E in Fig. 13,

Fig. 15 eine Seitenansicht eines Mikromanipulators zur Verdeutlichung einer sechsten bevorzugten Ausführungs­ form nach der Erfindung,

Fig. 16 eine Vorderansicht des Mikromanipulators gemäß der sechsten bevorzugten Ausführungsform nach der Er­ findung,

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht einer Gelenkeinrich­ tung des Mikromanipulators, die gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung aus­ gelegt ist,

Fig. 18(a) eine Schnittansicht eines Gelenkteils, welches ei­ ne erste bevorzugte Ausführungsform einer Gelenk­ einrichtung nach Fig. 17 verdeutlicht,

Fig. 18(b) eine Schnittansicht eines Gelenkteils, das eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Gelenkeinrichtung nach Fig. 17 verdeutlicht,

Fig. 19 eine Draufsicht zur Verdeutlichung des Zustands, in dem die Mikroantriebskraft-Erzeugungsteile an einem Arm einer Gelenkeinrichtung nach Fig. 17 angebracht sind,

Fig. 20 eine perspektivische Ansicht einer Gelenkein­ richtung des Mikromanipulators gemäß der zwei­ ten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfin­ dung,

Fig. 21 eine Draufsicht zur Verdeutlichung eines Bei­ spiels der Anordnung der Mikroantriebskraft- Erzeugungsteile, die an einem Arm der Gelenkein­ richtung nach Fig. 20 angebracht sind,

Fig. 22 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung einer Anordnung einer Mehrgelenkeinrichtung eines Mikromanipulators nach der Erfindung, und

Fig. 23 eine perspektivische Teilansicht der Mehrgelenk­ einrichtung nach Fig. 22.

Bevorzugte Ausführungsformen nach der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung nachstehend näher erläutert.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, umfaßt ein Mikromanipulator gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ein Tragteil 11, das derart ausgelegt ist, daß es eine Durch­ gangsöffnung hat, in der ein bewegliches Teil 12 mittels einer Reibfläche 15 beweglich gelagert ist. Das bewegliche Teil 12 hat einen distalen Endabschnitt, an den ein Miniaturinstrument 13 zur Manipulation frei lösbar mittels eines Halters 16 an­ gebracht ist. Ein Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil 14 ist an einem hinteren Endabschnitt des beweglichen Teils 12 vorgesehen. Insbesondere ist ein Trägheitselement 14a mit dem hinteren End­ abschnitt des beweglichen Teils 12 über ein piezoelektrisches/ elektrostriktives Element 14b verbunden. Die Reibfläche 15 be­ steht aus einem Metall, einem keramischen Werkstoff, Harz, Kautschuk o.dgl. Ein elektrisches Feld wird an das piezoelektri­ sche/elektrostriktive Element 14b des Mikroantriebskraft-Erzeu­ gungsteil 14 angelegt, um dasselbe zu bewegen, wodurch das be­ wegliche Teil 12 einen Mikroantrieb unter Nutzung dieser kineti­ schen Energie, der Trägheitswirkung des Trägheitselements 14a und der Reaktionskraft, die auf das bewegliche Teil 12 wirkt, ausführt. Somit wird ein Gegenstand durch das Miniaturinstru­ ment 13 zur Manipulation beaufschlagt, das an dem beweglichen Teil 12 fest angebracht ist.

Die Bewegungsgröße des beweglichen Teils 12 wird durch die Än­ derung des Werts der an dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element 14b angelegten Spannung gesteuert, wobei sich sowohl ein vergleichsweise grobes Arbeiten, das für die Bewegung zweck­ mäßig ist, als auch ein feines Arbeiten, das zur Manipulation geeignet ist, mit Hilfe des einzigen Mikroantriebskraft-Erzeu­ gungsteils erzielen lassen. Auf diese Weise läßt sich der Auf­ bau des üblichen Mikromanipulators vereinfachen und dieser er­ hält hierdurch eine kompaktere Auslegung.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 6∼8 erläutert.

Wie in den Fig. 6∼8 gezeigt ist, weist ein Tragteil 21 zwei Platten auf, die übereinander angeordnet sind. Die beiden Platten sind mit Hilfe von vier Schrauben 29 federnd nachgie­ big angeordnet, welchen jeweils eine Spiralfeder 27 zugeordnet ist, welche mit Hilfe einer Stellschraube 28 an einem Ende festgehalten ist. Eine zylindrisch ausgebildete Durchgangsöff­ nung wird somit an dem Mittelteil des zusammengesetzten Trag­ teils 21 ausgebildet, und ein zylindrisches, bewegliches Teil 22 ist in der Durchgangsöffnung aufgenommen. Insbesondere ist das bewegliche Teil 22 über die Reibfläche 25 der Durchgangs­ öffnung beweglich gelagert. Das bewegliche Teil 22 hat einen di­ stalen Endabschnitt, an dem ein Miniaturinstrument 23 zur Mani­ pulation lösbar mit Hilfe eines Halters 30 angebracht ist. Das bewegliche Teil 22 hat auch einen hinteren Endabschnitt, der mit einem Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil 24 versehen ist. Somit ist ein Trägheitselement 24a mit dem hinteren Endab­ schnitt des beweglichen Teils 22 über ein piezoelektrisches/ elektrostriktives Element 24b verbunden.

Die wesentlichen Merkmale bei dieser bevorzugten Ausführungs­ form sind darin zu sehen, daß die Länge des Kontaktabschnitts zwischen dem beweglichen Teil 22 und der Reibfläche 25 kleiner als die Länge des Tragteils 21 ist, und das Mikroantriebskraft- Erzeugungsteil 24 in dem Tragteil 21 aufgenommen ist, und daß das Tragteil 21 in obere und untere Hälften unterteilt ist, wobei der Teil der oberen Hälfte mit Spiralfedern 27 versehen ist, mittels welchen die Reibungskraft einstellbar ist.

Eine dritte bevorzugte Ausführungskraft nach der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 erläutert.

Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform weist ein Tragteil 31 einen Permanentmagneten auf, dessen obere Fläche mit einer Reibfläche 35 versehen ist, die einen Permanentmagneten auf­ weist, der eine dreieckförmige Nut hat. Ein bewegliches Teil 42, das einen magnetischen Körper aufweist, der einen viereck­ förmigen Querschnitt hat, ist auf der Reibfläche 35 angeordnet.

Insbesondere ist das bewegliche Teil 32 in innigem Kontakt mit der Reibfläche 35 mittels einer magnetischen Anzugskraft gehalten und ist auf diese Weise auf dem Tragteil 31 gela­ gert. Das bewegliche Teil 32 hat einen distalen Endabschnitt, an dem ein Miniaturinstrument 33 zur Manipulation lösbar mit Hilfe eines Halters 36 angebracht ist. Das bewegliche Teil 32 hat auch einen hinteren Endabschnitt, der mit einem Mikro­ antriebskraft-Erzeugungsteil 34 versehen ist. Hierzu ist ein Trägheitselement 34a mit dem hinteren Endabschnitt des bewegli­ chen Teils 32 über ein piezoelektrisches/elektrostriktives Ele­ ment 34b verbunden. Infolge der Antriebskraft, die von dem pie­ zoelektrischen/elektrostriktiven Element 34b geliefert wird, läßt sich das bewegliche Teil 32 dadurch bewegen, daß die Rei­ bungskraft der Reibfläche 35 überwunden wird, die durch die magnetische Anzugskraft erzeugt wird.

Diese bevorzugte Ausführungsform ermöglicht, daß man eine äu­ ßerst vereinfache Trageinrichtung für ein bewegliches Teil bereitstellen kann.

Auch ist es möglich, die Auslegung derart zu treffen, daß so­ wohl das bewegliche Teil 32 als auch das Tragteil 31 Permanent­ magnete sind und einander anziehen.

Eine vierte bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12 erläutert.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist eine obere Fläche eines Tragteils 41 mit einer Reibfläche 45 versehen, die eine Ausnehmung in Form eines halben Kreiszylinders hat. Ein be­ wegliches Teil 42, das einen kreisförmigen Querschnitt hat, ist auf der Reibfläche 45 angeordnet. Das bewegliche Teil 42 ist mittels Krafteinwirkung durch die freien Enden von Blattfe­ dern 46 festgehalten, deren Basisabschnitte fest mit den bei­ den Seiten der oberen Fläche des Tragteils 41 über Befestigungs­ einrichtungen 47 verbunden ist. Das bewegliche Teil 42 ist somit federnd nachgiebig auf dem Tragteil 41 gelagert. Ins­ besondere ist das bewegliche Teil 42 über die Reibfläche 45 beweglich gelagert. Das bewegliche Teil 42 hat einen distalen Endabschnitt, an dem ein Miniaturinstrument 43 zur Manipula­ tion lösbar mit Hilfe eines Halters 48 angebracht ist. Das be­ wegliche Teil 42 hat auch einen hinteren Endabschnitt, der mit einem Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil 44 versehen ist. Hierzu ist ein Trägheitselement 44a mit dem hinteren Endabschnitt des beweglichen Teils 42 über ein piezoelektrisches/elektrostrikti­ ves Element 44b verbunden. Die Reibungskraft läßt sich in Ab­ hängigkeit von der Anzahl der Blattfedern 46 und der Federkraft der Blattfedern 46 einstellen und verändern. Durch geeignete Wahl der Federkraft der Blattfedern 46 kann man eine genaue Reibungskraft erhalten.

Auch ermöglicht diese bevorzugte Ausführungsform, eine äußerst vereinfachte Trageinrichtung für ein bewegliches Teil bereitzu­ stellen.

Eine fünfte bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 13 und 14 erläutert.

Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist eine obere Fläche eines Tragteils 51 mit einer Reibfläche 55 versehen, die eine Ausnehmung in Form eines Dreiecks hat. Ein bewegliches Teil 52, dessen untere Fläche so ausgebildet ist, daß dort ein Vor­ sprung mit einem dreieckförmigen Querschnitt gebildet wird, ist hierauf gelegt, wobei der Querschnitt entsprechend der Reibfläche 55 gewählt ist. Ein Rahmen 56 ist auf der oberen Fläche des Tragteils 51 vorgesehen, und der Rahmen 56 lagert Schubstangen 58. Die Schubstangen 58 werden gegen die drei Flächen des beweglichen Teils 52 durch die Kraft der Spiral­ federn 57 gedrückt, die um diese angeordnet sind, so daß auf diese Weise das bewegliche Teil 52 gelagert ist. Das bewegliche Teil 52 hat einen distalen Endabschnitt, an dem ein Minia­ turinstrument 53 zur Manipulation lösbar mit Hilfe eines Halters 59 angebracht ist. Das bewegliche Teil 52 hat auch einen hinteren Endabschnitt, der mit einem Mikroantriebs­ kraft-Erzeugungsteil 54 versehen ist. Hierzu ist ein Träg­ heitsteil 54a mit dem hinteren Endabschnitt des beweglichen Teils 52 über ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element 54b verbunden. Die Reibungskraft läßt sich in Abhängigkeit von der Anzahl der Spiralfedern 57 und der Federkraft der Spi­ ralfedern 57 entsprechend einstellen.

Bei den vorstehend beschriebenen dritten bis fünften bevor­ zugten Ausführungsformen nach der Erfindung ist eine Tragein­ richtung für ein bewegliches Teil derart ausgelegt, daß man ein als offenes Teil ausgelegtes Tragteil vorsieht.

Eine sechste bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 15 und 16 beschrieben.

Wie in den Fig. 15 und 16 gezeigt ist, ist ein Dreharm 66, der ein bewegliches Teil 62 trägt, mit einem Gelenkarm 68 verbun­ den, der mehrere Freiheitsgrade hat, und es ist eine Spiralfe­ der 67 vorgesehen, die um denselben angeordnet ist. Der Dreh­ arm 66 führt eine Drehbewegung um eine Drehwelle 71 aus, die mittels einer Reibungskraft unter Ausnutzung der Federkraft der Spiralfeder 67 gehalten ist. Der Gelenkarm 68, der mehrere Freiheitsgrade hat, hat einen sphärischen Körper 69, der am unteren Teil vorgesehen ist. Der sphärische Körper 69 ist in innigem Kontakt mit einer Basis 61 über eine Reibungsfläche 65 und er ist dort mittels der Reibungskraft festgehalten. Wie in den Fig. 6 bis 8 gezeigt ist, weist der Dreharm 66 zwei Platten auf, die übereinander angeordnet sind, wobei die Plat­ ten federnd nachgiebig zusammen mittels Spiralfedern angeord­ net sind, die am Bolzen 75 angeordnet und an einem Ende fest­ gelegt sind. Ein zylindrisch ausgebildetes, bewegliches Teil 62 ist in dem Mittelabschnitt zwischen den Platten aufgenom­ men. Wie ferner aus den Fig. 7 und 8 zu ersehen ist, ist der hintere Endabschnitt des beweglichen Teils 62 mit einem Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil versehen, das ein piezo­ elektrisches/elektrostriktives Element und ein Trägheits­ element aufweist, das mit dem hinteren Endabschnitt über das piezoelektrische/elektrostriktive Element verbunden ist. Die­ se Teile können in dem Tragteil aufgenommen sein.

Ein Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil 64 ist auf dem Dreharm 66 und auf dem Gelenkarm 68 vorgesehen, der mehrere Freiheits­ grade hat. Das Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil 64, das an dem Gelenkarm 68 angebracht ist, ist an einer exzentrischen Position bezüglich der Mittelachse des Arms 68 angeordnet.

Wenn man ein elektrisches Feld an ein piezoelektrisches/elektro­ striktives Element 64b des Mikroantriebskraft-Erzeugungsteils 64 anlegt, um eine Bewegung zu erzeugen, werden der Dreharm 66 und der Gelenkarm 68, der mehrere Freiheitsgrade der Bewe­ gung hat, durch den Mikroantrieb unter Ausnutzung der kineti­ schen Energie, der Trägheitswirkung des Trägheitselements 64a und der Reaktionskraft oder Reibungskraft, die auf das beweg­ liche Teil 62 wirkt, angetrieben. Hierdurch wird ermöglicht, den Positioniervorgang zwischen einem Gegenstand und einem Mi­ niaturinstrument 63 zur Manipulation zu steuern. Eine übliche Einrichtung, wie eine Mikropipette, eine Mikronadel oder eine Mikroschere können als Miniaturinstrument 63 zur Manipulation eingesetzt werden.

Somit ist der Mikromanipulator nach der Erfindung kleiner und einfacher als die üblichen Bauformen ausgelegt, und er kann in effektiver Weise auf dem Gebiet der Biotechnologie beispiels­ weise zum Einspritzen von sehr kleinen Materialmengen in eine Zelle, zum Entfernen eines Kerns aus einer Zelle oder zum Ein­ bringen eines Kerns unter Verwendung eines Miniaturinstru­ ments zur Manipulation verwendet werden.

Ferner kann die Positioniereinrichtung nach der Erfindung als Antriebseinrichtung für eine Präzisionspositioniereinrichtung ähnlich einer arbeitenden Hand eingesetzt werden.

Wie zuvorstehend detailliert beschrieben worden ist, bietet die Erfindung folgende Vorteile:

• 1) Ein Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil, das die Stoßkraft nutzt, ist an einer Arbeitsantriebseinrichtung an­ gebracht. Somit läßt sich das vergleichsweise grobe Arbeiten der Arbeitsantriebseinrichtung und das feine Arbeiten eines Miniaturinstruments zur Manipulation mittels einer einzigen Antriebseinrichtung steuern.
• Ferner läßt sich die Auslegung der Arbeitsantriebseinrichtung hinsichtlich den Abmessungen verkleinern und hinsichtlich des Aufbaus vereinfachen. Hierdurch erhält man eine verbesserte Betreibbarkeit. Ferner lassen sich die Herstellungskosten der Vorrichtung senken und man erhält eine bessere Betriebszuver­ lässigkeit.
• 2) Ein Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil unter Aus­ nutzung der Stoßkraft ist an einer Arbeitsantriebseinrich­ tung und einer Positioniereinrichtung zur Erzielung einer Po­ sitionierung zwischen einem manipulierten Gegenstand und einem Miniaturinstrument zur Manipulation angebracht. Somit kann die Steuerung des Arbeitens des Mikromanipulators ins­ gesamt durch die Steuerung der Spannung erfolgen, die an dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element anliegt.
• Folglich läßt sich die Auslegung des Mikromanipulators hin­ sichtlich den Abmessungen verkleinern und hinsichtlich des Aufbaus vereinfachen. Ferner lassen sich die Herstellungs­ kosten des Mikromanipulators herabsetzen, und man erhält eine verbesserte Betriebszuverlässigkeit.
• 3) Eine Steuerung in der Größenordnung von Nanometern wird mit Hilfe der Antriebssteuerung und der Positionier­ steuerung ermöglicht, wozu ein Mikroantriebskraft-Erzeugungs­ teil unter Ausnutzung einer Stoßkraft eingesetzt wird. Da man hierbei im Hinblick auf die Arbeitsbedingungen mehr Freiheits­ grade als bei üblichen Einrichtungen erreichen kann und keine Teile vorgesehen sind, die hinsichtlich der Steuerung von dem menschlichen Eingreifen abhängig sind, wie dies beim Stand der Technik erforderlich ist, kann die Vorrichtung einfach auch von unerfahrenen Bedienungspersonen gesteuert werden.
• 4) Da der Aufbau der Antriebseinrichtung vereinfacht ist, lassen sich Teile, wie ein Dreharm oder eine Pipette, frei kombinieren, und Änderungen im Hinblick auf die Auslegung sind jederzeit möglich.

Eine Gelenkeinrichtung des Mikromanipulators nach der Erfin­ dung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Fig. 17 bis 19 erläutert.

Wie in den Fig. 17 bis 19 gezeigt ist, hat ein Arm 81 einen viereckförmigen Querschnitt und umfaßt einen Gelenkabschnitt 82. Wie in Fig. 18(a) gezeigt ist, weist der letztgenannte einen sphärischen Körper 83 und ein Tragteil 84 auf, das der­ art ausgelegt ist, daß es eine konkave Fläche 85 hat, die den sphärischen Körper 83 aufnimmt. Eine Feder 89, die eine Rei­ bungskraft auf den sphärischen Körper 83 aufbringt, ist in dem Gelenkabschnitt 82 vorgesehen und drückt den sphärischen Körper 83 mittels eines Federsitzes 90 nach oben. Die Feder­ kraft der Feder 89 läßt sich frei mit Hilfe einer Schraube 91 einstellen. Somit läßt sich die Reibungskraft des sphärischen Körpers 83 frei wählbar einstellen. Es kann hierbei eine Auslegung getroffen werden, bei der die elektromagnetische Kraft oder die elektrostatische Kraft genutzt wird, um die Reibungskraft zu steuern bzw. zu regeln.

Die speziellen Einzelheiten des Aufbaus des Gelenkabschnitts 82 sind keinen Beschränkungen unterworfen. Wie in Fig. 18(b) gezeigt ist, kann eine konische Fläche 85′ anstelle der kon­ kaven Fläche 85 vorgesehen sein, und der sphärische Körper 83 kann mit dieser unter Bildung einer Reibfläche zusammen­ arbeiten. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß der Aufbau des Gelenkabschnittes 82 derart getroffen sein kann, daß seine Reibungskraft eine Reibung über eine Richtung von 360° hinweg erzeugen kann.

Ferner ist ein Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil 86, das ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element 87 (siehe Fig. 19) und ein Trägheitselement 88 aufweist, horizontal an dem Arm 81 angebracht. Wie in Fig. 19 gezeigt ist, ist das Mikroantriebs­ kraft-Erzeugungsteil 86 an jedem der vier Seitenflächen des Arms 81 angebracht und an einer Stelle exzentrisch bezüglich der Mittelachse des Arms 81 angeordnet.

Die Arbeitsweise der Gelenkeinrichtung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 19 näher beschrieben.

Wenn zuerst eine Bewegung in +-Richtung (siehe Fig. 3) einem Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil 86A und dieselbe Bewegungs­ größe in --Richtung (siehe Fig. 4) einem Mikroantriebskraft- Erzeugungsteil 86C erteilt wird, entwickelt der Arm 81 eine Antriebskraft in Richtung des Pfeils y, so daß der Arm 81 in y-Richtung geschwenkt bzw. gekippt wird. Wenn die Bewegung in +-Richtung einem Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil 86B und dieselbe Bewegungsgröße in --Richtung einem Mikroantriebskraft- Erzeugungsteil 86D erteilt wird, entwickelt der Arm 81 eine Antriebskraft in Richtung des Pfeils x, so daß der Arm 81 in x-Richtung geschwenkt bzw. gekippt wird.

Wenn dann jedem Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil 86A, 86C eine Bewegung in +-Richtung erteilt wird, entwickelt der Arm 81 eine Antriebskraft in Richtung des Pfeils R, so daß der Arm 81 in R-Richtung gedreht wird. Wenn ferner den jeweiligen Mikroantriebskraft-Erzeugungsteilen 86B, 86D eine Bewegung in +-Richtung erteilt wird, ergibt sich die gleiche Drehbewegung.

Bei den vorstehend genannten Beaufschlagungen handelt es sich um den Grundbetrieb. Der Arm kann so gesteuert werden, daß er in eine beliebige Richtung weist oder um einen beliebigen Schwenk­ winkel bewegt wird, indem in entsprechender Weise Positionen ge­ wählt werden, an denen die Mikroantriebskraft-Erzeugungsteile angebracht sind, die Antriebskräfte derselben gewählt werden, die Wirkrichtungen dieser Kräfte gewählt werden und die an­ liegenden Spannungen an den piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen gewählt werden. Durch eine geeignete Steuerung der angelegten Spannungsmuster und der resultierenden Kräfte las­ sen sich diese Bewegungsabläufe verwirklichen.

Zusätzlich läßt sich die Größe der Armbewegung in der Größen­ ordnung von Mikrometern bis Nanometern dadurch steuern, daß das Spannungsmuster oder die Spannungsimpulsrate der an den piezoelektrischen/elektrostriktiven Elementen angelegten Span­ nung gehindert wird.

Anstatt daß der Arm 81 die viereckförmige Gestalt bei der vor­ anstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform hat, läßt sich ein Arm 92 einsetzen, der im Querschnitt eine gleichsei­ tige Dreiecksgestalt hat, wie dies in den Fig. 20 und 21 ge­ zeigt ist. Ein Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil 86 ist an je­ der der drei Seitenflächen des Arms 92 angebracht. In diesem Fall sind die Mikroantriebskraft-Erzeugungsteile 86 ebenfalls an exzentrischen Positionen bezüglich der Mittelachse des Arms 92 angeordnet.

Wie in den Fig. 22 und 23 gezeigt ist, läßt sich die vorste­ hend beschriebene Gelenkeinrichtung als eine Mehrgelenkein­ richtung in zwei Stufen auslegen.

Hierbei wird der Arm 81 derart gelagert, daß er sich frei an einer Stelle des Gelenkabschnittes 81 schwenken und kippen kann, und das freie Ende des Arms 81 hat eine Mehrzahl von Mi­ kroantriebskraft-Erzeugungsteilen 86, die daran angebracht sind. Somit läßt sich eine feine Gelenkbewegung des Arms 81 um den Gelenkabschnitt 82 verwirklichen, auf den die Reibungs­ kraft einwirkt. Insbesondere ist das Mikroantriebskraft-Erzeu­ gungsteil 81 an den jeweiligen vier Seiten des Arms 81 ange­ bracht, und es wird eine Spannung nach Maßgabe einer vorbe­ stimmten Abfolge von den Antriebsverstärkern 93 an die piezo­ elektrischen/elektrostriktiven Elemente 87 zum Antreiben der­ selben angelegt, so daß der Arm 81 mikrogesteuert wird. Die Steuersignale, die von einem Rechner 95 ausgegeben werden, wer­ den den Antriebsverstärkern 93 über D/A-Wandler 94 zugeleitet.

Somit läßt sich eine große Vielfältigkeit von Gelenkarbeits­ gängen schnell und genau in einem Mikromanipulator o. dgl. realisieren, und man erhält eine bessere Arbeitseffizienz.

Die Erfindung läßt sich auch zur Steuerung der Lage einer Pro­ benunterlage in einem Mikroskop verwenden. Zusätzlich kann bei einem Anwendungsfall, bei dem eine optische Achse hin­ sichtlich ihrer Orientierung durch ein Prisma oder einen Spie­ gel geändert werden soll, eine solche Einrichtung an einem Arm angebracht werden, so daß man eine äußerst präzise Steu­ erung des Prismas oder Spiegels erhält.

Da ferner ein Arm lediglich dadurch angetrieben werden kann, daß ein Mikroantriebskraft-Erzeugungsteil angebracht wird, bei welchem ein piezoelektrisches/elektrostriktives Element vorgesehen ist und dieses Teil an dem Arm angebracht ist, läßt sich die Gesamtauslegung der Vorrichtung verkleinern. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß die Erfin­ dung insbesondere auf den Gebieten der elektronischen In­ strumente, der biotechnologischen und optischen Anlagen zweckmäßig ist, bei denen starke Verkleinerungen erforder­ lich sind.

Claims (12)

1. Mikromanipulator mit:

• (a) einem festen Tragteil (11; 21; 31; 41; 51; 61; 66; 84),
• (b) einem beweglichen Teil (12; 22; 32; 42; 52; 68; 69; 66; 81; 83), das beweglich auf dem Tragteil reibend gelagert ist,
• (c) einem Miniaturinstrument (13; 23; 33; 43; 53; 63) zur Mikromanipulation, das an dem beweglichen Teil angebracht ist, und
• (d) einem längsgestreckten piezoelektrischen/elektrostriktiven Element (14b; 24b; 34b; 44b; 54b; 64b; 87), das mit einem Ende an dem beweglichen Teil befestigt ist,

gekennzeichnet durch

• (e) ein Trägheitselement (14a; 24a; 34a; 44a; 54a; 64a; 88), das an dem anderen Ende des piezoelektrischen/ elektrostriktiven Elements, das dem beweglichen Teil gegenüberliegt, angeordnet ist, wobei das Trägheitselement ohne das Tragteil zu berühren von dem piezoelektrischen/elektrostriktiven Element getragen wird; und
• (f) eine Federeinrichtung (15; 27, 28, 29; 46; 56, 57, 58; 74, 75; 89, 90, 91) zum Aufbringen einer bestimmten Reibkraft zwischen dem beweglichen Teil und dem Tragteil.

2. Mikromanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung (15; 27, 28, 29; 46; 56, 57, 58; 74, 75; 89, 90, 91) derart ausgebildet ist, daß die Reibkraft zwischen dem beweglichen Teil und dem Tragteil einstellbar ist.

3. Mikromanipulator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische/elektrostriktive Element (14b; 24b, 34b; 44b; 54b; 64b; 87)

4. Mikromanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Tragteil (11; 21; 31; 41; 51; 66) einen sich in einer Richtung des Tragteils erstreckenden geraden Kanal (15; 25; 35; 45; 55) aufweist, in dem das bewegliche Teil (12; 22; 32; 42; 52; 62) verschiebbar angeordnet ist.

5. Mikromanipulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das längsgestreckte piezoelektrische/ elektrostriktive Element (14b; 24b; 34b; 44b; 54b) entlang einer Längsachse parallel zu dem begrenzten geraden Kanal erstreckt.

6. Mikromanipulator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der begrenzte gerade Kanal ein sich durch das Tragteil (11) erstreckendes Durchgangsloch (15) ist.

7. Mikromanipulator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der begrenzte gerade Kanal eine Nut (35; 45; 55) ist, die in einer Oberfläche des Tragteils (31; 41; 51) ausgebildet ist, wobei die Form der Nut im Querschnitt einem Abschnitt des beweglichen Teils (32; 42; 52) entspricht.

8. Mikromanipulator nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch zwei Tragteile (21; 66), die so aneinander angeordnet sind, daß ihre Nuten einander gegenüberliegen, wobei die beiden Nuten zusammen ein Durchgangsloch bilden, das sich zwischen den aneinander befestigten Tragteilen erstreckt.

9. Mikromanipulator nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung (27, 28, 29; 46; 56, 57, 58; 74, 75) das bewegliche Teil (22; 42; 52; 62) in den Kanal drückt.

10. Mikromanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil ein Arm (68, 69; 81, 83) ist, der an einem Ende in dem festen Tragteil (61; 84) in eine beliebige Richtung schwenkbar gelagert ist.

11. Mikromanipulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil ein Arm (68, 69; 81, 83) ist, der um seine Mittelachse drehbar in dem Tragteil (61; 84) gelagert ist, wobei das piezoelektrische/elektrostriktive Element (64b; 87) an dem Arm exzentrisch bezüglich dessen Mittelachse angeordnet ist.