DE3932449A1

DE3932449A1 - Antriebsmechanismus

Info

Publication number: DE3932449A1
Application number: DE3932449A
Authority: DE
Inventors: Masaru Ohtsuka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-09-29
Filing date: 1989-09-28
Publication date: 1990-04-26
Anticipated expiration: 2009-09-29
Also published as: US5034647A; DE3932449C2; JPH0295180A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antriebsmechanismus, insbesondere auf einen Antriebsmechanismus von sogenannten Gleit-Kriechtyp, wie er in der Tierwelt von Raupenarten an gewendet wird (inchworm type). Ein derartiger Antriebs mechanismus kann bei einer Feinpositionierungsvorrichtung verwendet werden, die in verschiedenen Vorrichtungen, bei spielsweise einer Belichtungsvorrichtung zur Herstellung von Halbleiterbauteilen, Anwendung finden kann.

Die Fig. 3A und 3B zeigen ein Beispiel eines derartigen Antriebsmechanismus herkömmlicher Bauart, wobei Fig. 3A eine Aufsicht und Fig. 3B eine ausschnittsweise Schnittdar stellung einer Klemmvorrichtung 3 bzw. 3′ zeigen. Wie in Fig. 3B dargestellt ist, weist die Klemmvorrichtung 3 bzw. 3′ eine elektrostriktive Vorrichtung 4 bzw. 4′ und einen Hebelmechanismus 30 bzw. 30′ auf. Infolge einer Ausdehnung bzw. einer Zusammenziehung der elektrostriktiven Vorrich tung 4 bzw. 4′ wird ein bewegbares Element 1, 1′ gegen ein ortsfestes Teil 21, 21′ gepreßt, wodurch es festgeklemmt wird.

Die bewegbaren Elemente 1 und 1′ werden in nachstehend be schriebener Weise angetrieben. Beispielsweise soll angenom men werden, daß die bewegbaren Elemente 1 und 1′ gemäß Fig. 3A in Uhrzeigerrichtung bzw. im Uhrzeigersinn angetrieben werden sollen.

In einem Zustand, in dem die Klemmvorrichtung 3 wirkt bzw. klemmt, wird eine ausdehnbare und zusammenziehbare Vorrich tung 5 zusammengezogen, während eine andere ausdehnbare und zusammenziehbare Vorrichtung 5′ ausgedehnt wird. Dadurch wird das bewegbare Element 1′ im Uhrzeigersinn angetrieben, während das bewegbare Element 1 fixiert ist. In diesem Zu stand wird dann die Klemmvorrichtung 3′ aktiviert, um das bewegbare Element 1′ unbewegbar zu halten, und die Klemm vorrichtung 3 wird deaktiviert. Dann wird die ausdehnbare und zusammenziehbare Vorrichtung 5 ausgedehnt, während die ausdehnbare und zusammenziehbare Vorrichtung 5′ zusammenge zogen wird. Als Folge davon wird das bewegbare Element 1 im Uhrzeigersinn angetrieben. Weiterhin wird die zuerst akti vierte Klemmvorrichtung 3 nochmals aktiviert, während die andere Klemmvorrichtung 3′ deaktiviert wird. Mittels Wie derholung dieser Vorgänge weden die bewegbaren Elemente 1 und 1′ angetrieben. Die bewegbaren Elemente 1 und 1′ können in ähnlicher Weise in entgegengesetzter Richtung angetrie ben werden.

Die Klemmung erfolgt dabei dadurch, daß jedes bewegbare Element 1 und 1′ mit einer großen Kraft gegen das ortsfeste Teil 21 bzw. 21′ gepreßt wird. Dies hat den Nachteil zur Folge, daß eine geringe Verformung oder Verzerrung des be wegbaren Elementes oder alternativ dazu eine Schrägstellung eines auf dem bewegbaren Element zu seiner Positionierung angeordneten Werkstückes auftreten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsme chanismus der genannten Art zu schaffen, bei dem ein beweg bares Element im wesentlichen ohne Verformung oder Verzer rung oder eine Schrägstellung eines auf dem bewegbaren Ele ment zu seiner Positionierung angeordneten Werkstückes an getrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Antriebsmechanismus gemäß der Erfindung weist eine Klemmvorrichtung zur Klemmung eines bewegbaren Elementes auf, wobei die Klemmvorrichtung eine Vielzahl von Hebelele menten umfaßt, die schwenkbar sind und von entgegengesetz ten Seiten gegen das bewegbare Element gepreßt werden kön nen, um dieses festzuklemmen.

Mit diesem Aufbau kann das bewegbare Element mittels der Hebelelemente, die zwecks Pressens gegen entgegengesetzte Seiten des bewegbaren Elementes schwenkbar sind, erfaßt und festgeklemmt werden. Auf diese Weise wird keine über mäßige Kraft auf das bewegbare Element ausgeübt, wenn die Abstände auf den entgegengesetzten Seitem des bewegbaren Elementes auf einen gleichen Wert eingestellt sind. Als Folge davon tritt eine Schrägstellung oder Verzerrung des bewegbaren Elementes nicht auf.

Die Einstellung der Abstände auf den entgegengesetzten Sei ten des bewegbaren Elementes ist nicht immer notwendig, d.h. die Klemmvorrichtung kann von einer Lagerbasis mit ei ner geringen Festigkeit in Klemmrichtung und mit einer ho hen Festigkeit in einer zur Klemmrichtung senkrechten Rich tung, beispielsweise mittels der Verwendung einer Blattfe dervorrichtung oder einer Kupplungsvorrichtung mit einem elastischen Gelenk, gehalten werden. In diesem Fall ist das mittels der Klemmvorrichtung festgeklemmte bewegbare Ele ment in Richtung senkrecht zur Klemmrichtung fest gehalten, während es in der Klemmrichtung nachgiebig gehalten ist. Auf diese Weise können die oben beschriebenen Wirkungen er zielt werden, ohne daß die Notwendigkeit einer hochpräzisen Einstellung der Höhe der Klemmvorrichtung besteht.

Weitere Anwendungen und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten

Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B einen Antriebsmechanismus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei in Fig. 1A eine teilweise geschnitten dargestellte Draufsicht und in Fig. 1B eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenansicht dargestellt ist,

Fig. 2A und 2B einen Antriebsmechanismus gemäß einem zwei ten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei in Fig. 2A eine teilweise geschnitten dargestellte Draufsicht und in Fig. 2B eine teilweise geschnitten dargestellte Seitenan sicht dargestellt ist, und

Fig. 3A und 3B einen herkömmlichen Antriebsmechanismus, wo bei in Fig. 3A eine Draufsicht und in Fig. 3B eine aus schnittsweise Schnittdarstellung gezeigt sind.

In den Fig. 1A und 1B ist ein Antriebsmechanismus gemäß ei nem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bewegbare Elemente 1 und 2 sind über vier Blattfedern 11 miteinander verbunden. Die Blattfedern 11 sind zwischen den bewegbaren Elementen 1 und 2 vorgesehen und in Umfangsrich tung, d.h. in R-Richtung, in regelmäßigen Abständen ange ordnet. Die Blattfedern 11 sind einstückig mit den bewegba ren Elementen 1 und 2 ausgebildet und können in Umfangs richtung elastisch verformt werden. Mittels einer Klemmvor richtung 3 bzw. 3′ können die bewegbaren Elemente 1 und 2 jeweils festgeklemmt werden. Die Klemmvorrichtungen 3 und 3′ sind mittels elektrostriktiver Vorrichtungen 4 und 4′, die in Z-Richtung ausdehnbar und zusammenziehbar sind, be tätigbar, d.h. aktivierbar und deaktivierbar. Eine weitere elektrostriktive bzw. ausdehnbare und zusammenziehbare Vor richtung 5 dient zur Erzielung einer in Umfangsrichtung verlaufenden relativen Verschiebung zwischen den bewegbaren Elementen 1 und 2. Eine Lagervorrichtung 6 hält die beweg baren Elemente 1 und 2 an einem ortsfesten Teil 7, das an einer Lagerbasis 9 gehalten ist. Die Lagervorrichtung 6 weist einen inneren Laufring auf, der mit dem ortsfesten Teil 7 in Kontakt steht. Ortsfeste Tische 8 und 8′ dienen dazu, die Klemmvorrichtungen 3 und 3′ an der Lagerbasis 9 zu befestigen. Mittels der Lagervorrichtung 6 können die bewegbaren Elemente 1 und 2 in Umfangsrichtung relativ zu der Lagerbasis 9 frei drehen.

Im folgenden werden die strukturellen Einzelheiten der Klemmvorrichtungen 3 und 3′ beschrieben. Da die Klemmvor richtungen 3 und 3′ jeweils den gleichen Aufbau aufweisen, werden die folgenden Erläuterungen nur unter Bezug auf die Klemmvorrichtung 3 vorgenommen, während die Klemmvorrich tung 3′ nicht zusätzlich erläutert wird, wobei die Bauteile der Klemmvorrichtung 3′ Bezugszeichen aufweisen, die aus den Bezugzeichen der entsprechenden Bauteile der Klemmvor richtung 3 unter Hinzufügung eines Strichindex gebildet sind.

In Fig. 1B sind Hebelarme 30 a und 30 b dargestellt, die um die Y-Achse in Drehrichtung, d.h. in wy-Richtung, relativ zu einem Lagerblock 34 schwenkbar sind. Elastische Gelenke 33 a und 33 b sind einstückig mit dem Lagerblock 34 sowie den jeweiligen Hebelarmen 30 a und 30 b ausgebildet. Über die elastischen Gelenke 33 a und 33 b sind die Hebelarme 30 a und 30 b an dem Lagerblock 34 gehalten. Jeder Hebelarm 30 a bzw. 30 b weist einen Endabschnitt 31 a bzw. 31 b auf, der annä hernd im rechten Winkel in Z-Richtung derart umgebogen ist, daß das freie Ende des Endabschnitts 31 a bzw. 31 b mit der oberen bzw. unteren Oberfläche des bewegbaren Elementes 2 (im Falle der Klemmvorrichtung 3′ des bewegbaren Elementes 1) in Kontakt bringbar ist. Zwischen den anderen Endab schnitten 32 a und 32 b der Hebelarme 30 a und 30 b ist die elektrostriktive Vorrichtung 4 angeordnet. Mittels der Aus dehnung bzw. der Zusammenziehung der elektrostriktiven Vor richtung 4 können die Hebelarme 30 a und 30 b jeweils um die Achsen der elastischen Gelenke 33 a und 33 b in wy-Richtung geschwenkt werden. Befestigungselemente 35 und 36 dienen der Befestigung des Lagerblocks 34 an dem ortsfesten Tisch 8.

Im Betrieb wird an die elektrostriktive Vorrichtung 4′ eine elektrische Spannung angelegt, wodurch sie zur Ausdehnung gebracht wird. Als Folge dieser Ausdehnung werden die He belarme 30 a′ und 30 b′ der Klemmvorrichtung 3′ im Gegenuhr zeigersinn bzw. im Uhrzeigersinn verschwenkt, wodurch das bewegbare Element 1 mittels der Endabschnitte 31 a′ und 31 b′ der Hebelarme 30 a′ und 30 b′ von oben bzw. von unten festge klemmt wird. Wenn in diesem Zustand eine elektrische Span nung an die elektrostriktive Vorrichtung 5 angelegt wird, wird das bewegbare Element 2 in Umfangsrichtung, d.h. in R- Richtung, etwas verschoben, wobei die Blattfedern 11 als Führung dienen. Anschließend wird an die elektrostriktive Vorrichtung 4 eine elektrische Spannung angelegt, um sie zur Ausdehnung zu bringen. Als Folge dieser Ausdehnung wer den die Hebelarme 30 a und 30 b der Klemmvorrichtung 3 im Uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn verschwenkt, wo durch das bewegbare Element 2 mittels der freien Endab schnitte 31 a und 31 b der Hebelarme 30 a und 30 b festgeklemmt wird. Danach wird die Zuführung der elektrischen Spannung zu der elektrostriktiven Vorrichtung 4′, die noch aktiviert ist, unterbrochen, wodurch die elektrostriktive Vorrichtung 4′ zusammengezogen und die Klemmwirkung der Klemmvorrich tung 3′ aufgehoben wird. Wenn anschließend die Zuführung der elektrischen Spannung zu der elektrostriktiven Vorrich tung 5 ebenfalls unterbrochen wird, wird das bewegbare Ele ment 1 in Umfangsrichtung, d.h. in R-Richtung, etwas ver schoben, wobei die Lagervorrichtung 6 als Führung dient. Dann wird wiederum eine elektrische Spannung an die elek trostriktive Vorrichtung 4′ gelegt, um die Klemmvorrichtung 3′ zu aktivieren, so daß diese in genannter Weise das be wegbare Element 1 festklemmt. Danach wird die Zuführung der elektrischen Spannung zu der elektrostriktiven Vorrichtung 4 unterbrochen, wodurch diese zusammengezogen und die Klemmwirkung der Klemmvorrichtung 3 aufgehoben wird. Somit ist wiederum der Ausgangszustand des Klemmsystems erreicht. Durch Ablauf der oben genannten Vorgänge wurden die beweg baren Elemente 1 und 2 um ein geringes Maß drehend verscho ben. Dementsprechend können die bewegbaren Elemente 1 und 2 durch Wiederholung der oben genannten Vorgänge in einer Richtung verdreht werden. Für eine Verdrehung in die entge gengesetzte Richtung ist lediglich die zeitliche Abfolge der Zuführung der elektrischen Spannung zu den Klemmvor richtungen 3 und 3′ umzukehren.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispiel wirken die Klemm vorrichtungen 3 und 3′ derart, daß sie die bewegbaren Ele mente 1 bzw. 2 in vertikaler Richtung zwischen sich ein klemmen. Wenn die Höhe des ortsfesten Tisches 8 bzw. 8′ einstellbar ist, so daß die Abstände zwischen der Klemmvor richtung 3 bzw. 3′ und dem bewegbaren Element 2 bzw. 1 im deaktivierten Zustand der Klemmvorrichtung, d.h. der Ab stand in Z-Richtung zwischen dem freien Ende 31 a bzw. 31 a′ des Hebelarms 30 a bzw. 30 a′ und der oberen Oberfläche des bewegbaren Elementes 2 bzw. 1 einerseits und der Abstand in Z-Richtung zwischen dem freien Ende 31 b bzw. 31 b′ des He belarms 30 b bzw. 30 b′ und der unteren Oberfläche des beweg baren Elementes 2 bzw. 1 andererseits im deaktivierten Zu stand der Klemmvorrichtung, gleich gemacht werden können, dann wirken bei einem Klemmvorgang in Z-Richtung gleiche Kräfte von oben und von unten auf die bewegbaren Elemente 1 und 2 ein. Dadurch ist es möglich, eine Beschädigung der bewegbaren Elemente 1 und 2 und deren Neigung relativ zu der X-Y-Ebene zu vermeiden.

Wenn die Klemmvorrichtungen 3 und 3′ derart aufgebaut sind, daß die Verschiebung der elektrostriktiven Vorrichtungen 4 bzw. 4′ über einen Hebelmechanismus mit Schwenkpunkten in Form von elastischen Gelenken 33 a, 33 b bzw. 33 a′, 33 b′ auf die klemmenden, freien Endabschnitte 31 a, 31 b bzw. 31 a′, 31 b′ übertragen wird, tritt kein Verlust an Verschiebeweg infolge Spiel auf. Somit ist dieser Aufbau hinsichtlich der Reduzierung der Baugröße vorteilhaft.

Darüber hinaus kann die Klemmvorrichtung 3 bzw. 3′ unter Verwendung separater Teile, wie sie beispielsweise mit den Bezugszeichen 34, 35 und 36 bzw. 34′, 35′ und 36′ darge stellt sind, gefertigt werden. Demgemäß kann die Feinein stellung der Abstände zwischen den freien Enden der Hebel arme der Klemmvorrichtungen 3 und 3′ und den bewegbaren Elementen 1 und 2 in günstiger Weise vorgenommen werden, indem die Dicke eines Zwischenelementes 35 bzw. 35′ ge eignet gewählt wird oder indem eine dazwischenliegende Me tallfolie verwendet wird.

In den Fig. 2A und 2B ist ein Antriebsmechanismus gemäß ei nem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, wobei Bauteile, die Bauteilen des in den Fig. 1A und 1B dargestellten Antriebsmechanismus entsprechen, mit entspre chenden Bezugszeichen versehen sind.

Gemäß den Fig. 2A und 2B weisen Klemmvorrichtungen 3 und 3′ obere Hebelarme 30 a und 30 a′ und untere Hebelarme 30 b und 30 b′ auf. Die oberen Hebelarme 30 a und 30 a′ sind je weils über elastische Gelenke 33 a bzw. 33 a′ mit Lagerele menten 34 bzw. 34′ verbunden. In ähnlicher Weise sind die unteren Hebelarme 30 b und 30 b′ jeweils über elastische Ge lenke 33 b bzw. 33 b′ mit Lagerelementen 35 bzw. 35′ verbun den. Die Lagerelemente 34 und 35 bzw. 34-und 35′ sind zu einer einstückigen Struktur zusammengefügt und werden in diesem zusammengefügten Zustand mittels paralleler Blattfe dern 10 bzw. 10′, die in Z-Richtung verformbar sind, an der Lagerbasis gehalten. Wenn jede Klemmvorrichtung 3 bzw. 3′ mittels zweier paralleler Blattfedern 10 bzw. 10′ gehalten ist, ist sie in Klemmrichtung, d.h. in Z-Richtung, relativ frei bewegbar, während sie in Drehrichtung (R-Richtung) des bewegbaren Elementes 1 bzw. 2, d.h. in einer Richtung pa rallel zu der X-Y-Ebene, mit hoher Steifigkeit gehalten ist. Auf diese Weise wird die Einstellung zur Erzielung gleicher oberer und unterer Abstände zwischen dem freien Ende jedes Hebelarms der Klemmvorrichtung 3 bzw. 3′ und dem bewegbaren Element 2 bzw. 1 überflüssig.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Mechanismus sind die Lagerele mente 34 und 35 bzw. 34′ und 35′ zu einer einstückigen Struktur zusammengefügt, die mittels zweier paralleler Blattfedern 10 bzw. 10′ gehalten ist. Die Lagerelemente 34 und 35 bzw. 34′und 35′ können aber auch voneinander ge trennt ausgebildet und mittels jeweils separaten oberen und unteren Blattfedern gehalten sein.

Eine ähnliche Lagerung kann bei Verwendung eines Kupplungs mechanismus mit einen elastischen Gelenk erreicht werden.

Bei dem beschriebenen Antriebsmechanismus werden Klemmvor richtungen mit bewegbaren Hebelarmen verwendet, die gegen entgegengesetzte Seiten eines bewegbaren Elementes gepreßt werden. Somit ist es möglich, eine unerwünschte Verformung, Verzerrung oder Schrägstellung des bewegbaren Elementes zu verhindern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Klemmvor richtung in Klemmrichtung eine geringe Festigkeit und in einer senkrecht zur Klemmrichtung verlaufenden Richtung eine hohe Festigkeit. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß der Abstand zwischen der Klemmvorrichtung und dem be wegbaren Element in einfacher Weise einstellbar ist.

Vorstehend sind nur einige Ausführungsbeispiele der Erfin dung erläutert worden. Es liegt jedoch für den Fachmann auf der Hand, daß zahlreiche Änderungen und Abwandlungen aus führbar sind, ohne den Rahmen und den Grundgedanken der Er findung zu verlassen.

Ein Antriebsmechanismus, beispielsweise zur Verwendung in einer Feinpositionierungsvorrichtung, weist zumindest zwei Klemmvorrichtungen zum Klemmen eines bewegbaren Elementes und eine ausdehnbare und zusammenziehbare Vorrichtung zum Antrieb des bewegbaren Elementes auf. Jede Klemmvorrichtung umfaßt eine Vielzahl von Hebelarmen, die jeweils einen Drehzapfen aufweisen, der von einen elastischen Gelenk ge bildet ist, und eine elektrostriktive Vorrichtung, die zwi schen Endabschnitten der Hebelarme angeordnet ist. Mittels der Aktivierung der elektrostriktiven Vorrichtung legen sich die anderen Endabschnitte der Hebelarme von entgegen gesetzten Seiten an das bewegbare Element an, um dieses festzuklemmen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Klemmvorrichtung von einer Lagerung gehalten, die in Klemmrichtung eine geringe Festigkeit und in einer zur Klemmrichtung senkrechten Richtung eine hohe Festigkeit aufweist. Auf diese Weise können unerwünschte Verformungen und Verzerrungen des bewegbaren Elementes vermieden werden, wodurch eine hochpräzise Positionierung des bewegbaren Ele mentes gewährleistet ist.

Claims

1. Antriebsmechanismus, gekennzeichnet durch
ein bewegbares Element, das einen ersten (1) und einen zweiten bewegbaren Abschnitt (2) aufweist, die über ein elastisches Element (11) miteinander verbunden sind,
eine erste Klemmvorrichtung (3′), die eine Vielzahl von be wegbaren Armen aufweist, die wahlweise gegen entgegenge setzte Seiten des ersten bewegbaren Abschnitts (1) des be wegbaren Elementes preßbar sind,
eine zweite Klemmvorrichtung (3), die eine Vielzahl von be wegbaren Armen aufweist, die wahlweise gegen entgegenge setzte Seiten des zweiten bewegbaren Abschnitts (2) des be wegbaren Elementes preßbar sind, und
ein ausdehnbares sowie zusammenziehbares Element (5), mit tels dessen eine relative Verschiebung zwischen dem ersten (1) und dem zweiten bewegbaren Abschnitt (2) des bewegbaren Elementes erzielbar ist.

2. Antriebsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Klemmvorrichtung (3′,3) eine elektro striktive Vorrichtung (4′, 4) aufweist, wobei die Verschie bung der elektrostriktiven Vorrichtung (4′, 4) über einen Hebel (30 a, 30 b, 30 a′, 30 b′), der einen Drehzapfen in Form eines elastischen Gelenkes aufweist, zu jedem bewegbaren Arm übertragbar ist.

3. Antriebsmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß jede Klemmvorrichtung (4, 4′) von einer Lagerung gehalten ist, die in Klemmrichtung bezüglich des bewegbaren Elementes eine geringe Festigkeit und in einer zur Klemmrichtung senkrechten Richtung eine hohe Festigkeit aufweist.

4. Antriebsmechanismus nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lagerung parallel zueinander verlaufende Blattfedern (10, 10′) aufweist.