Микроманипулятор

 

МИКРОМАНИПУЛЯТОР, содержащий корпус, устройство крепления микройиструмента, термоуправляемые устройства перемещения микроинструмеита в трех взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых совпадает с направлением оси микроинструмента , отличающийся тем, что, с целью повышения точности микроперемещений, термоуправляемые устройства перемещения микроинструмента по каждой из координат выполнены в виде двухпоследовательно соединенных между собой трубок, коэффициенты теплового расширения которых относятся как 1:50, причем на каждой из трубок расположены тепло вой исполнительный элемент и термочувствительный элемент.,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(Я) В 25,1 7/00

3(р" ГЛ()% :. "ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 .: 6м)

ВИЫ.:и ."Ы Ь

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ! (21) 3401479/28-13 (22) 16.02.82 (46 ) 15. 07. 84. Бюл. В 26 (72) Е.В. Межбурд, В. И. Горячев и Ф. В. Горячев (71) Специальное конструкторское бюро биологического приборостроения

AH СССР (53) 578. 085. 23(088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 410773, кл. A .61 N 31/00, 1972.

2;. Патент США Р 2857808, кл.88-40, 1958., (54) (57) МИКРОМАНИПУЛЯТОР, содержащий корпус, устройство крепления микроинструмента, термоуправляемые

„„SU„„ 2669 А устройства перемещения микроинструмента в трех взаимно перпендикулярных направлениях, одно иэ которых совпадает с направлением оси микроинструмента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности микроперемещений, термоуправляемые устройства перемещения микроинструмента по каждой из координат выполнены в виде двух последовательно соединенных между собой трубок, коэффициенты теплового расширения ко- торых относятся как 1:50, причем на каждой из трубок расположены тепло вой исполнительный элемент и термочувствительный элемент. е

1102669

Изобретение относится к микроманипуляторам, обеспечивающим малые перемещения, и может быть использовано в устройствах, предназначенных для различных микроэлектродных и цитологических исследований клеток и тканей, а также в других областях науки и техники, где требуются незначительные, но точные перемещения инструмента.

Известен микроманипулятор; пред- 10 назначенный для введения микроэлектрода в биологическую ткань, содержащий корпус, устройство крепления микроэлектрода и устройство перемещения микроэлектрода, действие кото- 15 рого основано на использовании обратного пьезоэффекта (1 ).

Недостатком указанного микроманипулятора является то, что микроэлектрод может перемещаться только по 20 одной координате, вследствие чего микроманипулятор имеет ограниченные функциональные воэможности.

Наиболее близким к изобретению является микроманипулятор, содержащий корпус, устройство крепления микроинструмента, термоуправляемые устройства перемещения микроинструмента в трех взаимоперпендикулярных направлениях (2 . 30

Каждое из термоуправляемых устройств выполнено в виде двух параллельно расположенных электропроводных стержней, связанных с корпусом и устройством крепления микроинструмента. Электрический ток, проходя через стержни, изменяет их длину за счет теплового расширения. Тем самым обеспечивается перемещение микроинструмента в нужном направ- 40 лении. Конструкция микроманипулятора и отсутствие точного задания и поддержание температуры стержней обеспечивают точность микроперемещений не лучше 1 мкм в диапазоне 1-400 мкм.

Такая точность микроперемещений не позволяет производить целенаправленные операции с микрообъектами, имеющими размеры порядка 1-5 мкм и меньше.

Целью изобретения является повышение точности микроперемещений.

Указанная цель достигается тем, что в микроманипуляторе, содержащем корпус, устройство крепления микроинструмента, термоуправляемые устройства перемещения микроинструмента в трех взаимно перпендикулярных направлениях, одно иэ которых совпадает с направлением оси микроинструмента, термоуправляемые устройства перемещения микроинструмента по каждой из 60 координат выполнены в виде двух последовательно соединенных между собой трубок, коэффициенты теплового расширения которых относятся как

1в50, причем на каждой из трубок 65 расположены тепловой исполнительный элемент и термочувствительный элемент.

Такое выполнение термоуправляемых устройств перемещения микроинструмента, а также снабжение. их тепловым исполнительным и термочувствительным элементами обеспечивает повышение точности микроманипулятора и расширение диапазона микроперемещений.

На фиг. 1 изображен предлагаемый микроманипулятор, вид сбоку; на фиг. 2 — то же, вид сверху; на фиг.3то же, вид сзади; на фиг. 4 — устройство крепления микроинструмента с компенсатором тепловых линейных расширений; на фиг. 5 — кинематиче- ская схема перемещения микроманипулятора.

Микроманипулятор содержит корпус 1, устройство 2 крепления микроинструмента, термоуправляемые устройства перемещения микроинструмента в трех взаимно перпендикулярных направлениях: устройство 3 осевого (продольного ) перемещения микроинструмента (см.фиг.1), устройство 4 вертикального перемещения микроинструмента (cM. иг. 1) и устройство 5 горизонтального перемещения.микроинструмента (см.фиг.2 ). Каждое из устройств (см. фиг. 1 и 2) представляет собой последовательно соединенные между собой трубки 6 и 7, коэффициенты тепловых линейных расширений которых относятся как 1:50, например, из алю-. миния и кварца, при этом трубка б выполнена из алюминия, а трубка 7 из кварца. На каждой из трубок 6 и 7 расположены тепловой исполнительный элемент 8 и термочувствительный элемент 9. Термочувствительный элемент 9 соединен с входом устройства

10 задания и поддержания температуры трубки, выход устройства 10 соединен с тепловым исполнительным элементом

8, например; нагревателем.

Каждое термоуправляемое устройство связано с соответствующей микро" . метрической подачей 11.

Термоуправляемое устройство 3 осевого (продольного ) перемещения микроинструмента закреплено в корпусе 1 микроманипулятора (см.фиг.1). Связь устройства 3 осевого перемещения с микрометрической подачей 11 осуществлена посредством штока 12. К одному концу штока 12 через пьезоэлемент 13 консольно прикреплена трубка б, дру" гой конец штока 12 через тепловыравнивающую шайбу 14 связан с.микрометрической подачей 11. Иежцу тепловыравнивающей шайбой 14 и корпусом 1 расположена возвратная пружина 15 °

Пьезоэлемент 13 посредством электродов 16 связан с системой 17 управ-.ления пьезоэлементом. Трубка 7 уст1102669 омеднена и на ней расположены пленочный нагреватель и термочувствительный элемент, связанные с регулятором температуры корпуса (эти элементы не указаны), обеспечивающие при необходимости поддержание требуемой температурь корпуса 1 с точностью 0,1 град.

Иикро анипулятор работает следующим образом.

Микрометрической подачей 11 вручную либо от внешнего управляемого привода обеспечивают диапазон перемещений микроинструмента от 10 мкм до 8 мм с точностью вывода и установки микроинструмента относительно микрообъекта до 5-10 мкм. Далее устройством 10 задания и поддержания температуры трубки с помощью теплового исполнительного элемента 8 и тер мочувствительного элемента 9 изменя-ют температуру трубок 6 и 7 вручную либо автоматически по заданной программе. Трубка 6 выполнена, например, иэ алюминия длиной 25 мм. Изменение температуры трубки на 20 град. дает изменение ее длины на 12 мкм. Изменение ее температуры при ручном задании на 0,1 град. дает изменение длины трубки на 0,06 мкм. Поддержание заданной температуры трубки 6 в стационарном режиме до 0,001 град. обеспечивает точность установки микро.инструмента до 6 10 4 мкм. Для более малых перемещений изменяют температуру трубки 7; Трубка 7 выполнена, например, из кварца длиной 25 мм.

Изменение температуры трубки 7 на

6 град. дает изменение длины трубки 7 на 0,06 мкм. Изменение ее температуры при ручном задании на 0,1 град. дает изменение длины трубки на

1,.1 10 > Мкм. Коэффициент линейного расширения трубки 7 в 50 раз меньше коэффициента линейного расширения трубки Ь, что обеспечивает перекрытие верхнего предела диапазона микроперемещений трубки 7 с нижним пределом диапазона микроперемещений трубки 6. Верхний предел диапазона перемещений трубки 6 обеспечивает перекрытие нижнего предела диапазона перемещений микрометрической подачи 11. Последовательно соединенные трубки 6 и 7 одним концом связаны с неподвижно фиксированной s заданном положении микрометрической подачей

11. Другой конец последовательно соединенных трубок 6 и 7 упирается в подвижный элемент микроманипулятора, поэтому при тепловом расширении трубок 6 и 7 изменение их длины будет происходить только в одном направлении - в направлении подвижного элемента, который придет в движение и будет перемещать связанные с ним элементы. Таким образом, обеспечивается перемещение микроинструмента в ройства 3 осевого перемещения соединена с устройств.. м 2 крепления микроинструмента, на котором закреплен микроинструмент 18. Для устранения люфта при перемещении шток 12 прижимается планкой 19, подпружиненной 5 пружиной 20.

Корпус 1 микроманипулятора с закрепленным в нем устройством 3 осевого перемещения через безлюфтовые шарниры 21 (см. фиг. 2 и 3) соединен (О с подвижной рамкой 22 (см. фиг. 1,2 и 3).

Термоуправляемое устройство 4 вертикальнога перемещения установлено между кронштейном 23, прикрепленным неподвижно к корпусу 1, и кронштей- 1$ ном 24, прикрепленным неподвижно к рамке 22. Возвратная пружина 25 закреплена между планкой 2Ь, прикрепленной к подвижной рамке 22, и корпусом 1.

Л:тройство 4 вертикального перемещения закрыто тепловыравнивающим экраном 27.

Подвижная рамка 22 через безлюфтовые шарниры 28 (см. фиг. 1,3) соединена с неподвижной рамкой 29. 25

Термоуправляемое устройство 5 гориз онт аль ного перемещения у становлено между кронштейном 30, прикрепленным неподвижно к рамке 22, и кронштейном 31, прикрепленным неподвижно 3ц . к рамке 29. Возвратная пружина 32 закреплена между планкой 33, прикрепленной неподвижно к рамке 22, и планкой 34, прикрепленной неподвижно к рамке 29. Устройство 5 горизонтального перемещения закрыто тепловыравнивающим экраном 35.

Трубки 6 и 7 и пьезоэлемент 13 соединяются между собой и с другими конструктивными элементами микроманипулятора через теплоизопятор 36. Не- 4О подвижная рамка 29 прикреплена, например, к предметному столику микроскопа (не указан!.

Устройство 2 крепления микроинструмен га (см. фиг. 4 ) содержит втул- 45 ку 37, закрепленный на втулке 37 компенсатор 38 теплового линейного расширения и стержень 39. Втулка 37 через теплоиэолятор 36 соединена с трубкой 7 устройства 3 осевого пере- 5Q мещения. На стержень 39 крепится микроинструмент 18, изготовленный, напри мер, из стекла.

Конструктивные элементы микроманипулятора, такие как корпус, 55 шток, микрометрические .подачи, рамки, кронштейны, планки, корпус устройства крепления микроинструмента, стержень и др., кроме специально оговоренных по материалу (трубки, Я) пьезоэлемент, пружины, теплоизоляторы, компенсатор, микроинструмент ), выполнены из инвара или ковара.

Для лучшего температурного выравнивания внешняя поверхность корпуса 16у

1102669 к2 @ диапазоне от 1,1 10 мкм до 8 мм с минимальным шагом 1 1 .10 мкм при ручном задании и точностью задания положения в стационарном режиме до

6-10-4 мкм

Перемещение микроинструмента в трех взаимно перпендикулярных направлениях осуществляется следующим образом (см. фиг. 5 J.

Осевое перемещение микроинструмента обеспечивается устройством 3 30 осевого перемещения. Перемещение устройства 4 вертикального перемещения через кронштейн 23 передается корпусу 1. При этом корпус 1 вращается в шарнирах 21 закрепленных на рам- 15 ке 22. Обратный ход корпуса 1 обеспечивает пружина 25, одним концом упирающаяся в корпус 1, а другимв планку 26, неподвижно закрепленйую на рамке 22. Таким образом обеепечи- 2п вается вертикальное перемещение микроинструмента.

Перемещение устройства 5 горизонтального перемещения через кронштейн

30 передается рамке 22. При этом рам-75 ка 22 вместе с корпусом 1 вращается в шарнирах 28, закрепленных на неподвижной рамке .29. Обратный ход рам1 ки 22 вместе с корпусом 1 обеспечивает пружина 32, одним концом упирающаяся в планку 33, а другим — в планку 34. Таким образом обеспечивается горизонтальное перемещение микроинструмента.

С помощью системы 17 управления пьезоэлементом подается изменение напряжения на электроды 16, за счет обратного пьезоэффекта будут происходить микроиэменения размеров пьезоэлемента 13, что приводит к микроперемещению связанных с пьезоэлементом 13 трубок 6 и 7 устройства 2 крепления микроинструмента и микроинструмента 18. Эти микроперемещения в зависимости от поступающего сигнала могут быть скачкообразными, одиночными возвратно-поступательными, возвратно-поступательными с различной частотой (вплоть до ультразвуковой ) и амплитудой.

Предлагаемый микроманипулятор может быть применен в микробиологических исследованиях для точного введения микроинструмента в объект и точного поддержания положения микроинструмента относительно объекта.

1102669

37 д

Составитель N. Синев

Редактор М.Бандура Техред Л. Коцюбняк

Корректор И. Муска .

Филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4

Заказ 4887/9 Тираж 1033, Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета CCCP

° по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5