CN101471613B - 压电夹持装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电夹持装置，其利用至少一个压电元件驱动一驱动元件，以驱动夹持器而达到夹持的效果。本发明的压电夹持装置利用从预应力装置施加到所述驱动元件上预应力，在有限的空间中同时限制所述驱动元件的垂直与水平的不可预期的偏移。此外，通过利用所述压电元件的多次变形，所述驱动元件可实现长驱动及高夹持力的效果。

Description

压电夹持装置

技术领域

本发明涉及一种夹持装置，具体而言，涉及一种压电夹持装置。

背景技术

微夹持器(Micro-Gripper)在微型组装系统中扮演相当重要的关键核心，其中微驱动装置更是攸关取放效果好坏的重要技术模块。而一般谈到微驱动装置或精密驱动装置，不外乎就是利用压电元件的微变形特点来实现。常见的压电元件根据材料极化方向(P)与施加电场方向(E)的不同，较常使用纵效应及横效应作为驱动的方式(即水平、垂直配置，实际上虽以纵效应及横效应作为驱动方式，但以变形的角度来看，纵、横向变化都是同时都会存在的)。

参考图1，其显示常规纵效应驱动的压电元件示意图。所述常规纵效应驱动的压电元件1的极化方向(P)及施加电场方向(E)，两者均为所述常规纵效应驱动的压电元件1的长度方向(平行设置)，通过所述极化方向(P)及所述施加电场方向(E)所产生的应力，使所述常规纵效应驱动的压电元件1产生纵向的变形(如虚线所示)，以形成纵向驱动力。

参考图2，其显示常规横效应驱动的压电元件示意图。所述常规横效应驱动的压电元件2的极化方向(P)相对于施加电场方向(E)，和所述极化方向(P)及所述施加电场方向(E)均为所述常规横效应驱动的压电元件2的宽度方向(平行设置)，通过所述极化方向(P)及所述施加电场方向(E)所产生的应力，使所述常规纵效应驱动的压电元件2产生横向的变形(如虚线所示)，以形成横向驱动力。

上述所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述常规横效应驱动的压电元件2所分别产生的纵效应及横效应，其为当外加电场(E)与极化方向(P)为平行设置时所产生的特性。然而，上述两种驱动配置方式却无法在纵效应与横效应发生的同时激发出剪切效应。因此，利用单一压电元件虽然有较高的驱动精度或微驱动效果，但其能驱动行程却仅有几十微米(μm)等级。甚至有些压电元件仅有亚微米(sub-μm)等级的驱动功效，所以对于要夹持较大尺寸(例如：100μm以上)的精微元件则有些困难。

另外，如果要增加上述所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述常规横效应驱动的压电元件2的驱动行程，需以多个压电元件堆叠才能增加驱动行程的功效。

参考图3A及图3B，其显示一种常规堆叠式压电驱动装置3，其包括所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述常规横效应驱动的压电元件2，所述常规横效应驱动的压电元件2设置于所述常规纵效应驱动的压电元件1上。图4A显示输入所述常规纵效应驱动的压电元件1的第一驱动信号；图4B显示输入所述常规横效应驱动的压电元件2的第二驱动信号。其中，所述第一驱动信号与所述第二驱动信号具有相位差。

结合参考图3A至图4B，所述常规纵效应驱动的压电元件1接收所述第一驱动信号后，即产生纵效应以进行纵向运动，而所述常规横效应驱动的压电元件2接收所述第二驱动信号后，即产生横效应以进行横向运动。通过控制具有相位差的所述第一驱动信号及所述第二驱动信号，分别驱动所述常规纵效应驱动的压电元件1及所述常规横效应驱动的压电元件2，使所述常规堆叠式压电驱动装置3产生类似长方形或椭圆形的运动轨迹，以达到推动或驱动效果。

上述所述常规堆叠式压电驱动装置3的驱动方式，是精密压电驱动器中最普遍且最方便实施的一种方式，但相对的需要用到两种压电材料，且需准确的搭配好两相的电信号(所述第一驱动信号及所述第二驱动信号)，才能产生产较佳的运动轨迹，其硬件实现上较为复杂。

因此，有必要提供一种创新且富有进步性的压电夹持装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电夹持装置，其包括：基座、夹持单元、驱动元件、至少一个压电元件及预应力装置。所述基座具有第一侧边。所述夹持单元具有第一夹持元件及第二夹持元件，所述第一夹持元件设置于所述基座的所述第一侧边，所述第二夹持元件相对于所述第一夹持元件。所述驱动元件连接所述第二夹持元件。所述压电元件设置于所述基座与所述驱动元件之间，其具有底面、侧面及两个电极，所述侧面垂直于所述驱动元件的轴向延伸方向，所述电极分别设置于所述底面及所述侧面，所述底面固设于所述基座。所述预应力装置固设于所述基座且与所述驱动元件接触，用以向所述驱动元件提供预应力，以使所述驱动元件接触所述压电元件。

本发明的压电夹持装置通过所述预应力元件施加预应力于所述驱动元件上，在有限的空间中可同时拘束所述驱动元件的垂直与水平的不可预期的偏移。再者，通过所述压电元件的多次变形，以多次驱动所述驱动元件而达到长行程的驱动效果并提升夹持力量。

附图说明

图1显示常规纵效应驱动的压电元件示意图；

图2显示常规横效应驱动的压电元件示意图；

图3A及图3B显示常规堆叠式压电驱动装置的驱动示意图；

图4A显示输入所述常规纵效应驱动的压电元件的第一驱动信号示意图；

图4B显示输入所述常规横效应驱动的压电元件的第二驱动信号示意图；

图5显示本发明第一实施例压电夹持装置的立体图；

图6显示本发明第一实施例压电夹持装置的剖面图；

图7显示本发明第一实施例的驱动元件设置于压电元件上的示意图；

图8显示本发明方波单相驱动信号的时间-电位图；

图9显示本发明锯齿波单相驱动信号的时间-电位图；

图10显示本发明弦波单相驱动信号的时间-电位图；

图11至图13显示本发明第一实施例压电夹持装置的操作示意图；

图14显示本发明在驱动元件与压电元件之间设置摩擦材料的示意图；

图15显示本发明第一种预应力元件(可弹性伸缩元件)的示意图；

图16显示本发明第二种预应力元件(轴承元件)的示意图；

图17显示本发明第二实施例压电夹持装置的立体图；

图18显示本发明第二实施例压电夹持装置的剖面图；

图19显示本发明第三实施例压电夹持装置的立体图；

图20显示本发明第三实施例压电夹持装置的剖面图；及

图21显示本发明第三实施例压电夹持装置的另一实施方面。

具体实施方式

图5显示本发明第一实施例压电夹持装置的立体图；图6显示本发明第一实施例压电夹持装置的剖面图；图7显示本发明第一实施例的驱动元件设置于压电元件上的示意图。结合参考图5、图6及图7，所述第一实施例的压电夹持装置4包括：基座41、夹持单元42、驱动元件43、至少一个压电元件44(在本实施例中为三个)及预应力装置45。所述基座41具有第一侧边411。所述夹持单元42具有第一夹持元件421及第二夹持元件422，所述第一夹持元件421设置于所述基座41的所述第一侧边411，所述第二夹持元件422相对于所述第一夹持元件421。优选地，所述夹持单元42用以夹持微型装置(例如：微型马达)的精微零组件，以便进行微型装置的组装。在本实施例中，所述基座41的所述第一侧边411具有柱体412，所述第一夹持元件421固设于所述柱体412。

所述驱动元件43连接所述第二夹持元件422。所述压电元件44设置于所述基座41与所述驱动元件43之间，每一压电元件44具有底面441、侧面442及两个电极443。其中，所述侧面442垂直于所述驱动元件43的轴向延伸方向，所述电极443分别设置于所述底面441及所述侧面442，所述底面441固设于所述基座41。

在本实施例中，所述压电元件44为正立方体。优选地，所述压电元件44可设置于载体46上。其中，所述载体46固设于所述基座41，优选地，所述载体46以螺设方式固设于所述基座41。

在本实施例中，由于所述压电元件44为正立方体，所述电极443以垂直角度设置于每一压电元件44的所述底面431及所述侧面432(即所述电极443非平行设置)，所以每一压电元件44的电场方向(E)与极化方向(P)呈四十五度差角。将单相驱动信号电连接至上述所述电极443，所述压电元件44会同时呈现纵向效应、横向效应及剪向效应。优选地，所述单相驱动信号可为方波、锯齿波或弦波(例如：正弦波或余弦波)等周期性信号，分别如图8、图9及图10所示。

图11至图13显示本发明第一实施例压电夹持装置的操作示意图。参考图11，当所述单相驱动信号(V)施予所述电极443为零电位差时，所述压电元件44仍呈原未加入所述单相驱动信号时的正立方体。结合参考图9及图12，以所述单相驱动信号为如图9的锯齿波周期性信号作为所述单相驱动信号为例，当时间为T1时，所述单相驱动信号呈正电位差，所以所述压电元件44同时呈现拉升状态的纵向效应及向左的剪向效应。结合参考图9及图13，当所述单相驱动信号在T2时间的电位差降至零时，此时所述压电元件44回复至原未加入所述单相驱动信号的结构形状。如此重复施加所述单相驱动信号于所述电极443，则所述压电元件44即会重复纵向效应及向左的剪向效应的变化，以及回复至原未加入所述单相驱动信号的结构形状。因此，当施加所述单相驱动信号即可使所述压电元件44产生二维的变形，所以适合作为压电夹持装置的动力源。

再结合参考图5、图6及图7，所述驱动元件43设置于所述压电元件44上且接触所述压电元件44。其中，所述驱动元件43具有接触面431，所述接触面431的形状配合与所述驱动元件43接触的所述压电元件44表面的形状，在本实施例中，所述接触面431为平面。优选地，所述驱动元件43为氧化铝材质，或者，在其它应用中，另外可在所述驱动元件43与所述压电元件44之间设置摩擦材料432(如图14所示)，用以增加所述驱动元件43与所述压电元件44间的摩擦力，以提升所述第一实施例的压电夹持装置4的所述夹持单元42的夹持力量。要注意的是，所述摩擦材料442还可为氧化铝材质。

所述预应力装置45固设于所述基座41且与所述驱动元件43接触，用以向所述驱动元件43提供预应力，以使所述驱动元件43接触所述压电元件44。在本实施例中，所述预应力装置45具有壳体451及至少一个预应力元件452(在本实施例中为四个)，所述壳体451固设于所述基座41，所述预应力元件452固设于所述壳体451且接触所述驱动元件43。

优选地，相对于所述基座41的表面，所述预应力元件452以非垂直角度施加预应力于所述驱动元件43上，因此，所述预应力元件452施加于所述驱动元件43上的预应力可分解为垂直方向预应力及水平方向预应力。所述垂直方向预应力可使所述驱动元件43接触所述压电元件44，而所述驱动元件43两侧的所述水平方向预应力则可平衡所述驱动元件43，其限制所述驱动元件43不会在驱动过程中过度左右偏移而影响驱动效果，以维持所述驱动元件43驱动时的线性度。

在本实施例中，所述预应力元件452为可弹性伸缩元件(如图15所示)，所述预应力元件452的内部具有弹簧453，且所述预应力元件452的端部具有滚珠454，借助所述弹簧453可伸缩的特性，以弹性地调节所述预应力元件452与所述驱动元件43间的摩擦力，使所述驱动元件43得以较平顺的移动。依据不同的应用，所述预应力元件452还可为轴承元件(如图16所示)。

在适当的预应力下，所述第一实施例的压电夹持装置4的所述压电元件44可顺利被单相驱动信号驱动，以驱动所述驱动元件43进行单轴运动，且所述预应力元件452施加于所述驱动元件43上的所述垂直方向预应力及所述水平方向预应力，在有限的空间中可同时限制所述驱动元件43的垂直与水平的不可预期的偏移。再者，在所述第一实施例中，可通过所述压电元件44的多次变形，以多次驱动所述驱动元件43而达到长行程的驱动效果。并且，通过所述压电元件44同时驱动所述驱动元件43，还可提升所述夹持单元42的夹持力量。

图17显示本发明第二实施例压电夹持装置的立体图。图18显示本发明第二实施例压电夹持装置的剖面图。结合参考图17及图18，所述第二实施例的压电夹持装置5包括：基座51、夹持单元52、驱动元件53、至少一个压电元件54(在本实施例中为三个)及预应力装置55(在本实施例中，所述预应力装置55具有两个预应力元件552)。所述第二实施例的压电夹持装置5与所述第一实施例的压电夹持装置4不同之处在于，在所述第二实施例中，所述驱动元件53具有至少一个槽道531，所述槽道531形成于所述驱动元件53的顶面，且大致平行于所述驱动元件53的轴向延伸方向，所述预应力装置55的每一预应力元件552的一端延伸地设置于所述槽道531内且接触所述驱动元件53，藉此，使所述驱动元件53接触所述压电元件54，并且，利用所述预应力元件552引导及限制所述驱动元件53，使其不会在驱动过程中过度左右偏移而影响驱动效果，以维持所述驱动元件53驱动时的线性度。

图19显示本发明第三实施例压电夹持装置的立体图。图20显示本发明第三实施例压电夹持装置的剖面图。结合参考图19及图20，所述第三实施例的压电夹持装置6包括：基座61、夹持单元62、驱动元件63、至少一个压电元件64(在本实施例中为三个)及预应力装置65。所述第三实施例的压电夹持装置6与所述第一实施例的压电夹持装置4不同之处在于，在所述第三实施例中，所述预应力装置65为轴杆，所述驱动元件63具有轴孔631，所述预应力装置65的一端固设于所述基座61的柱体612，另一端设置于所述轴孔631内且接触所述轴孔631。

参考图21，要注意的是，在其它应用中，所述基座61具有第一侧边611及第二侧边613，所述第二侧边613相对于所述第一侧边611，所述夹持单元62固设于所述基座61的所述第一侧边611，所述预应力装置65的一端固设于所述基座61的所述第二侧边613，所述预应力装置65的另一端设置于所述驱动元件63的所述轴孔631内且接触所述轴孔631。藉此，使所述驱动元件63接触所述压电元件64，并且，利用所述预应力元件65引导及限制所述驱动元件63，使其不会在驱动过程中过度左右偏移而影响驱动效果，以维持所述驱动元件63驱动时的线性度。

上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，并非限制本发明。因此所属领域的技术人员可在不脱离本发明的精神的情况下对上述实施例进行修改及变化。本发明的权利范围应如所附的权利要求书所列。

Claims (20)

1.一种压电夹持装置，其包括：

基座，其具有第一侧边；

夹持单元，其具有第一夹持元件及第二夹持元件，所述第一夹持元件设置于所述基座的所述第一侧边，所述第二夹持元件相对于所述第一夹持元件；

驱动元件，其连接所述第二夹持元件；

至少一个压电元件，其设置于所述基座与所述驱动元件之间，其具有底面、侧面及两个电极，所述侧面垂直于所述驱动元件的轴向延伸方向，所述电极分别设置于所述底面及所述侧面，所述底面固设于所述基座；及

预应力装置，其固设于所述基座且与所述驱动元件接触，用以向所述驱动元件提供预应力，以使所述驱动元件接触所述压电元件。

2.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述基座的所述第一侧边具有柱体，所述第一夹持元件固设于所述柱体。

3.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其另外包括载体，所述载体固设于所述基座，所述压电元件设置于所述载体上。

4.根据权利要求3所述的压电夹持装置，其中所述载体以螺设方式固设于所述基座。

5.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述驱动元件具有接触面，所述接触面的形状配合与所述驱动元件接触的所述压电元件表面的形状。

6.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述驱动元件为氧化铝材质。

7.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其另外包括摩擦材料，所述摩擦材料设置于所述驱动元件与所述压电元件之间。

8.根据权利要求7所述的压电夹持装置，其中所述摩擦材料为氧化铝材质。

9.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述预应力装置具有壳体及至少一个预应力元件，所述壳体固设于所述基座，所述预应力元件固设于所述壳体且接触所述驱动元件。

10.根据权利要求9所述的压电夹持装置，其中所述预应力元件为可弹性伸缩元件。

11.根据权利要求9所述的压电夹持装置，其中所述预应力元件为轴承元件。

12.根据权利要求9所述的压电夹持装置，其中所述驱动元件具有至少一个槽道，所述槽道形成于所述驱动元件的顶面且大致平行于所述驱动元件的轴向延伸方向，所述预应力元件的一端延伸地设置于所述槽道内且接触所述驱动元件。

13.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述预应力装置为轴杆，所述驱动元件具有轴孔，所述轴杆的一端固设于所述基座的所述第一侧边，另一端设置于所述轴孔内且接触所述轴孔。

14.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述预应力装置为轴杆，所述驱动元件具有轴孔，所述轴杆的一端固设于所述基座的第二侧边，所述第二侧边相对于所述第一侧边，所述轴杆的另一端设置于所述轴孔内且接触所述轴孔。

15.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述压电元件的所述电极接收单相驱动信号，以使所述压电元件产生纵向效应、横向效应及剪向效应。

16.根据权利要求15所述的压电夹持装置，其中所述单相驱动信号为方波周期性信号。

17.根据权利要求15所述的压电夹持装置，其中所述单相驱动信号为锯齿波周期性信号。

18.根据权利要求15所述的压电夹持装置，其中所述单相驱动信号为弦波周期性信号。

19.根据权利要求15所述的压电夹持装置，其中所述单相驱动信号为正弦波周期性信号。

20.根据权利要求15所述的压电夹持装置，其中所述单相驱动信号为余弦波周期性信号。

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