DE10118456A1

DE10118456A1 - Antriebssystem

Info

Publication number: DE10118456A1
Application number: DE2001118456
Authority: DE
Inventors: Hubert Holderer
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2002-10-17

Abstract

Ein Antriebssystem arbeitet nach dem Inchworm-Prinzip als Linearantrieb. Insbesondere dient es als Verstellmechanismus für optische Elemente in optischen Systemen. Es weist zwei relativ zu einem Führungselement (2) bewegbare Abschnitte (4) auf, welche über eine linear längenveränderliches Element (6) miteinander verbunden sind. Jeder der Abschnitte (4) weist jeweils wenigstens eine Klemmeinrichtung (5) auf. Die Klemmeinrichtungen (5) klemmen die Abschnitte (4) in unbetätigtem Zustand ortsfest zu dem Führungselement (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, welches nach dem Inchworm-Prinzip als Linearantrieb arbeitet, nach der im Ober begriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Unter dem Inchworm-Prinzip versteht man ein Prinzip, welches dem biologischen Vorbild einer Raupe abgeschaut wurde. Ein der artiger Inchworm-Antrieb besteht dabei im allgemeinen aus zwei Abschnitten, welche über ein längenveränderliches Element mit einander verbunden sind. Jeder der beiden Abschnitte weist da bei Einrichtungen auf, durch welche er in der Lage ist, sich auf einem Führungselement, beispielsweise auf einer Schiene oder in einem Rohr, festzuklemmen. Der Antrieb erfolgt nun da durch, daß eine der Klemmeinrichtungen den einen Abschnitt klemmt, während das längenveränderliche Element den anderen Ab schnitt in linearer Richtung vorwärts bewegt. Dann wird der so eben bewegte Abschnitt über seine Klemmeinrichtungen geklemmt, während der bisher geklemmte Abschnitt gelöst wird. Durch ein Zusammenziehen des linear längenveränderlichen Elements wird dieser soeben gelöste Abschnitt nun in Richtung des jetzt klem menden Abschnitts gezogen. Dieser Ablauf kann sich dann belie big oft wiederholen. So entsteht eine Bewegung, welche an die Fortbewegung einer Raupe erinnert. Ein derartiges Antriebssy stem wird daher auch als Antriebsmechanismus des Gleit- Kriechtyps bezeichnet.

Aus der DE 39 32 449 C2 ist ein derartiger Inchworm-Antrieb be kannt, welcher sowohl als Klemmechanismus als auch als längen veränderliches Element Piezoelemente bzw. Piezostacks einsetzt.

Aus der US 5,332,942 ist ein weiterer Inchworm-Antrieb bekannt, welcher mittels Linearmotoren bzw. Piezoaktuatoren arbeitet.

Die US 5,337,732 zeigt außerdem, daß mehrere inchwormartige Elemente zu einer Funktionskette zusammengesetzt werden können.

Diese kann dann als endoskopischer Operationsroboter beispiels weise durch Adern oder dergleichen kriechen. Durch die Vielzahl der Elemente ist dabei ein sicheres Klemmen gewährleistet, auch wenn hier das Führungselement (die Ader) keine gleichmäßige, lineare Ausbildung aufweist und dem Inchworm nicht in allen Be reichen ein sauberes Klemmen erlaubt.

Derartige Antriebe, insbesondere solche, welche unter Verwen dung eines Piezoelements arbeiten, ermöglichen dabei einen sehr günstigen Linearantrieb, wenn an diesen sehr hohe Anforderungen hinsichtlich seiner Stellgenauigkeit in jedem der Einzelhübe und hinsichtlich der insgesamt zurücklegbaren Wegstrecke ge stellt werden. Wenn einer der Abschnitte über seine Klemmein richtung geklemmt ist, kann über den Hub des linear längenver änderlichen Elements eine sehr exakte Positionierung innerhalb dieses Hubs erreicht werden. Müssen größere Wegstrecken zurück gelegt werden, so kann dies ebenfalls mit hoher Genauigkeit er folgen, da sich viele dieser genauen Hübe in der oben beschrie benen Art aneinanderreihen lassen.

Bei der Verwendung von Piezoaktuatoren ist dabei eine besonders hohe Genauigkeit zu erzielen, diese weisen jedoch den gravie renden Nachteil einer sehr eingeschränkten Lebensdauer auf.

Außerdem sind derartige Inchworm-Antriebe, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, derzeit nicht in der Lage, ohne eine Beaufschlagung mit Strom oder eine mechanische Einflußnah me selbsttätig in ihrem Gehäuse oder an ihrem Führungselement zu klemmen. Diese fehlende Selbsthemmung läßt sich beispiels weise bei Piezoaktuatoren über eine dauerhafte Bestromung der Piezoelemente kompensieren, dies wirkt sich jedoch wiederum sehr nachteilig auf die Lebensdauer dieser Piezoelemente und damit der Antriebseinrichtung an sich aus.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen einfachen, hoch genau und sehr effektiv arbeitenden Inchworm-Antrieb zu schaf fen, welcher in neutralem Betriebszustand über eine Selbsthem mung verfügt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 beschriebene Antriebssystem gelöst.

Dadurch, daß die Klemmeinrichtungen der jeweiligen Abschnitte in der Art betätigbar sind, daß sie in unbetätigtem Zustand ortsfest zu dem Führungselement klemmen und sich erst bei einer Betätigung, beispielsweise mittels eines über Druck betätigba ren Kolbens, eines Piezoelements oder dergleichen, aus ihrem klemmenden Zustand lösen, wird, immer wenn die Klemmeinrichtun gen nicht betätigt sind, eine Selbsthemmung des Inchworm- Antriebs erreicht. Damit kann beispielsweise beim Ausfall von Strom, Spannung oder von entsprechenden Aggregaten erreicht werden, daß der als Linearantrieb verwendete Inchworm und das von ihm anzutreibende Bauelement ortsfest verharren, so daß keine ungewollten Bewegungen auftreten können, welche zu einer Schädigung benachbarter Komponenten oder dergleichen führen könnten.

In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Klemmeinrichtungen dabei durch Beaufschlagung mit Druck be tätigbar und die Abschnitte klemmen in drucklosem Zustand orts fest zu dem Führungselement.

Durch die Verwendung von Druck, in einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung in Form eines Fluids, also bei spielsweise mittels Druckluft oder unter Druck stehender Hy draulikflüssigkeit, wird erreicht, daß der Inchworm in sehr einfacher und hinsichtlich seiner Lebensdauer lange anhaltenden Weise betrieben werden kann. Dabei erreicht der Inchworm Ver hältnisse zwischen der zu erzielenden Auflösung und dem zu er zielenden Hub in der Größenordnung von 1 : 10.000, da sich, wie eingangs bereits beschrieben, viele der durch das längenverän derliche Element sehr exakt realisierbaren Hübe aneinander an reihen lassen.

In einer weiteren besonders günstigen Ausführungsform der Er findung ist dabei auch das längenveränderliche Element mittels Druck betätigbar, so daß lediglich ein Antriebsmedium, bei spielsweise die Druckluft bei einem pneumatisch angetriebenen Inchworm, zur Verwendung kommen muß.

Ein derartiger pneumatisch angetriebener Inchworm weist darüber hinaus den Vorteil auf, daß die erforderlichen Faltenbälge und Membrane, sofern diese aus einem entsprechenden Material wie beispielsweise Federstahl oder entsprechenden Titanlegierungen, wie Ti₆V₄, ausgeführt sind, sehr beständig gegenüber gegebenen falls vorliegenden Strahlungen, Gasen oder dergleichen reali siert werden kann.

Die bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Antriebssystems ist dabei die Verwendung als Verstellmechanismus für optische Elemente bzw. Manipulator in optischen Abbildungssystemen bzw. Objektiven, insbesondere für die Halbleiter-Lithographie. Da hier durch entsprechende Gasatmosphären und mit zum Teil sehr aggressiven Strahlungen, wie beispielsweise Strahlung im Wel lenlängenbereich des UV-Lichts, gearbeitet wird, ist eine der artige Resistenz des als Linearmanipulator einsetzbaren In chworms gegen Strahlung und dergleichen ein besonderer Vorteil.

Außerdem kann der entsprechende Linearantrieb selbstverständ lich, bedingt durch seine kompakte Bauweise, auch über in der Art einer sanft geschwungenen Kurvenbahn verlaufende Führungs elemente geführt werden. Damit lassen sich beispielsweise "lineare" Bewegungen auf Kreissegmentabschnitten mit einem ent sprechend großen Durchmesser realisieren, so daß der Inchworm durch die Kurvenlage nicht klemmt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der Zeichnung nachfol gend dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig. 1 ein pneumatisch betätigbarer Inchworm in einem Gehäu se als Führungselement;

Fig. 2 einen pneumatisch klemmbaren Inchworm mit einem Pie zostack als längenveränderliches Element; und

Fig. 3 einen in einer vergleichbaren Art zu Fig. 2 ausge führten Inchworm mit einer Stange bzw. Schiene als Führungselement.

Fig. 1 zeigt einen Inchworm 1, welcher in einem hier als rohr artiges Gehäuse ausgebildeten Führungselement 2 linear beweg lich angeordnet ist. Der Inchworm 1 dient dabei als lineares Antriebssystem, welches seine Linearbewegung gemäß dem Pfeil A über ein Befestigungselement 3 an ein hier nicht dargestelltes Bauelement außerhalb des Führungselements 2 überträgt. Das Be festigungselement 3 ist dabei an einem Abschnitt 4 des In chworms 1 angeordnet, welcher außerdem über eine Klemmeinrich tung 5 verfügt.

Ein zweiter vergleichbarer Abschnitt 4, welcher ebenfalls über eine Klemmeinrichtung 5 verfügt, ist am anderen Ende des In chworms 1 angeordnet und über ein linear längenveränderliches Element 6 mit dem anderen Abschnitt 4 verbunden. Das linear längenveränderliche Element 6 kann dabei, wie in Fig. 1 darge stellt, mittels Druck betätigbar sein, es ist jedoch auch ein andersartig betätigbares längenveränderliches Element 6 denk bar. Das längenveränderliche Element 6 könnte beispielsweise, wie in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt, als Piezoelement bzw. Piezostack ausgebildet sein, es sind jedoch auch Spindelantrie be oder andersartige linear wirksame Antriebseinrichtungen denkbar.

Die Klemmeinrichtungen 5 in Fig. 1 bestehen dabei aus einer Druckkammer 7 mit einer Membran 8. Wird nun beispielsweise die Druckkammer 7, welche im Bereich des Abschnitts 4 mit dem Befe stigungselement 3 angeordnet ist, über eine Leitung 9 mit Druck p₁ beaufschlagt, so wird sich die Membran 8 in linearer Rich tung bewegen und die gestrichelt angedeutete Position 8' ein nehmen. Die Druckkammer 7 wird dadurch in radialer Richtung in ihrem Durchmesser verringert, so daß der genannte Abschnitt 4 nicht mehr in dem Führungselement 2 klemmt.

Wird nun über eine Leitung 10 ein Druck p₃ auf das linear län genveränderliche Element 6 in Fig. 1 aufgebracht, so wird sich der Abschnitt 4 mit der verformten Membran 3' linear in Rich tung des Pfeils B bewegen. Durch ein Ablassen des Drucks p₁ aus der Druckkammer 7 kann erreicht werden, daß der betroffene Ab schnitt 4 des Inchworms 1 wieder klemmt.

Wird nun im Bereich der Druckkammer 7 des anderen Abschnitts 4 ein Druck p₂ aufgebaut, wird sich dessen Membran 8 in der glei chen, hier nicht dargestellten Art verformen. Der betroffene Abschnitt 4 wird also durch seine Klemmeinrichtung 5 nicht mehr in dem Führungselement 2 gehalten. Wird daraufhin der Druck p₃ aus dem Bereich des linear längenveränderlichen Elements 6 ab gelassen, bewegt sich auch der jetzt mit dem Druck p₂ beauf schlagte Abschnitt 4 in Richtung des Pfeils B. Durch ein Ablas sen des Drucks p₂ kann auch dieser Abschnitt wieder in dem Füh rungselement 2 geklemmt werden und der Vorgang kann von vorn beginnen. Damit läßt sich die eingangs bereits ausführlich be schriebene Bewegung des Inchworms 1 realisieren.

Besonders günstig ist dabei, daß im Bereich eines Hubs, also wenn eine der Druckkammern 7 drucklos ist und damit in dem Füh rungselement 2 klemmt, eine sehr hohe Genauigkeit der Bewegung des freien Abschnitts 4 des Inchworms 1 in beide mögliche Rich tungen erzielen, welche lediglich durch die Ventile, welche den Druck p₃ für das linear längenveränderliche Element 6 bereit stellen, eine Begrenzung findet.

Fig. 2 zeigt nun einen vergleichbaren Aufbau, wie in Fig. 1 beschrieben. Als einziger Unterschied ist das linear längenver änderliche Element 6 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 als Piezoelement bzw. Piezostack ausgebildet. Dementsprechend wird es zu seiner Betätigung nicht mit Druck, sondern mit Span nung U bzw. Strom I beaufschlagt. Zur Unterstützung der Klemm wirkung der Klemmeinrichtung 5 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist dort jeweils ein Federelement, hier ein federnder Ring 11, in die jeweilige Druckkammer 7 integriert. Dieser fe dernde Ring 11 unterstützt das Anpressen der Seiten der Druck kammern 7 an das Führungselement 2 in radialer Richtung. Bei einer Beaufschlagung mit Druck der jeweiligen Druckkammern 7 wird der federnde Ring 11 durch die Wandungen der Druckkammer 7 zusammengepreßt und die Membran 8 kann die gestrichelt angedeu tete Position 8' einnehmen. Der entsprechende Abschnitt 4 wird durch eine Beaufschlagung seiner Druckkammer 7 mit Druck aus seiner in dem Führungselement 2 klemmenden Position gelöst und kann mittels des hier über einen Piezostack linear längenverän derlichen Elements 6 bewegt werden.

Fig. 3 zeigt eine prinzipmäßig angedeutete Ausführungsform ei nes Inchworms 1, welcher auf einem hier in der Art einer Stange bzw. Schiene ausgebildeten Führungselement 2 gemäß dem Pfeil A linear bewegbar ist.

Als längenveränderliches Element 6 wurde hier ein Piezostack prinzipmäßig angedeutet, es ist jedoch auch hier die Verwendung eines andersartig funktionierenden längenveränderlichen Ele ments 6 denkbar. Ebenso ist der Aufbau gemäß Fig. 3 nur als prinzipmäßige Andeutung zu verstehen, da sich selbstverständ lich Genauigkeiten hinsichtlich der linearen Bewegung A durch einen symmetrischen Aufbau von mehreren längenveränderlichen Elementen 6 um das Führungselement 2 verbessern ließe.

Als Klemmeinrichtungen 5 sind hier pneumatische bzw. hydrauli sche Zylinder vorgesehen, die durch den Druck p₁ bzw. p₂ je weils gegen eine Feder 12 betätigbar sind, wenn die jeweilige Druckkammer 7 mit Druck beaufschlagt wird. Auch hier ist der Aufbau der Klemmeinrichtungen 5 in der Art ausgeführt, daß die se, hier durch die Kraft der Feder 12, in drucklosem Zustand den jeweiligen Abschnitt 4 auf dem Führungselement 2 klemmen. Durch eine Beaufschlagung mit dem Druck p₁ bzw. p₂ wird diese Klemmung entgegen der Kraft der jeweiligen Feder 12 aufgehoben, so lange die durch den Druck in der Druckkammer 7 erzeugte Kraft größer als die Kraft der jeweiligen Feder 12 ist. Ansonsten orientiert sich das Funktionsprinzip an den obigen Ausfüh rungen.

Claims

1. Antriebssystem, welches nach dem Inchworm-Prinzip als Line arantrieb arbeitet, insbesondere als Verstellmechanismus für optische Elemente in optischen Systemen, mit relativ zu einem Führungselement bewegbaren Abschnitten, welche über ein linear längenveränderliches Element miteinander verbun den sind, wobei jeder der Abschnitte jeweils wenigstens ei ne Klemmeinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtungen (5) die Abschnitte (4) in unbetätig tem Zustand ortsfest zu dem Führungselement (2) klemmen.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtungen (5) durch Beaufschlagung mit Druck (p₁, p₂) betätigbar sind und die Abschnitte (4) in drucklosem Zustand ortsfest zu dem Führungselement (2) klemmen.

3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das längenveränderliche Element (6) als mittels eines Piezoelements betätigbares längenveränderliches Ele ment (6) ausgebildet ist.

4. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das längenveränderliche Element (6) als mittels Druck betätigbares längenveränderliches Element (6) ausge bildet ist.

5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement (2) als Stange, Schiene oder dergleichen ausgebildet ist.

6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement (2) als ein die beiden Abschnitte (4) und das längenveränderliche Element (6) zumindest teilweise umgebendes Gehäuse ausgebildet ist.

7. Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtungen (5) als Druckkammern (7) ausgebildet sind, bei welchen sich bei Beaufschlagung mit Druck zumin dest ein Teilbereich (Membran 8) in linearer Richtung aus dehnt, wobei dadurch die Ausdehnung der Druckkammern (7) in radialer Richtung abnimmt.

8. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung mit Druck durch ein Fluid erfolgt.

9. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich wenigstens einer der Klemmeinrichtungen (5) ein Befestigungselement (3) zur Übertragung der Bewegung (A) auf ein zu bewegendes Bauteil angeordnet ist.