CN101674030A - 使用压电元件的致动器和驱动该致动器的方法 - Google Patents

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李庆雨
权宰焕
苏亨钟
金弘熙
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Abstract

提供一种使用压电元件的致动器和驱动该致动器的方法。所述致动器包括：至少一个压电单元，根据输入电压移动位移；至少一个压电传感器，感测所述至少一个压电单元的位移；误差检测器，从所述至少一个压电传感器检测误差；反馈信号产生器，对应于所述误差产生反馈信号，从而执行微镜驱动和感测。

Description

使用压电元件的致动器和驱动该致动器的方法
本申请要求于2008年9月10日提交到韩国知识产权局的第10-2008-0089328号韩国专利申请的优先权，该申请的内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明的各方面涉及一种使用压电元件的致动器和驱动该致动器的方法。
背景技术
已开发出使用全息图的信息存储技术。在使用全息图的信息存储技术中，信息以光学干涉图样的形式被存储在对光敏感的无机晶体或聚合物材料中。使用两个相干激光束来形成光学干涉图样。分别具有不同路径的参考光和信号光在其中彼此干涉的光学干涉图样引起化学或物理变化，并被记录在感光存储介质上。为了从光学干涉图样再现信息，与记录光相似的参考光被照射到记录在存储介质上的光学干涉图样上。这引起由干涉图样所致的衍射，由于衍射而恢复信号光，从干涉图样再现出信息。
使用全息图的信息存储技术包括体全息方法和微全息方法，通过体全息方法，利用体全息术将信息以页为单位记录/再现，通过微全息方法，利用微全息术将信息以单比特记录/再现。在体全息方法中，同时处理大量信息。然而，由于光学系统应当被非常精确地调节，所以难以在用于普通消费者的现有信息存储设备中普遍使用。
同时，在微全息方法中，两个聚集光彼此干涉并聚焦以形成微小的干涉图样，干涉图样在存储介质的平面上移动以形成多个记录层，记录层在存储介质的深度方向上彼此重叠，从而三维地将信息记录在存储介质上。
当利用参考光和信号光的干涉通过记录衍射图样来将数据存储在全息介质中的全息信息存储设备再现记录在全息介质上的信号或者记录新的数据时，关于参考光和信号光的每一介质精确控制入射角是非常重要的。通常，全息信息存储设备使用galvano反射镜。galvano反射镜的尺寸较大，不适合小尺寸的光学头。另外，当使用微机电系统(MEMS)反射镜时，MEMS反射镜使用静电力。因此，驱动力较小，驱动频率局限于谐振频率。这样，应用范围较小，精确度较低。
发明内容
本发明的各方面提供一种利用压电元件执行微镜驱动和感测的致动器。
本发明的各方面还提供一种利用压电元件作为传感器来驱动致动器的方法。
本发明总体构思的一方面提供一种使用压电元件的致动器，所述致动器包括：至少一个压电单元，根据输入电压移动位移；至少一个压电传感器，感测所述至少一个压电单元的位移；误差检测器，从所述至少一个压电传感器检测误差；反馈信号产生器，对应于所述误差产生反馈信号。
根据本发明的另一方面，所述误差检测器可包括锁相环(PLL)电路。
根据本发明的另一方面，所述误差检测器可根据所述至少一个压电传感器的电容测量所述至少一个压电单元的位移，将所述至少一个压电单元的位移与参考位移值比较，以检测误差。
根据本发明的另一方面，所述至少一个压电单元包括堆叠在彼此之上的多个电极层。
根据本发明的另一方面，所述致动器可包括一对压电单元和一对压电传感器，每一个压电单元面向另一个压电单元和压电传感器之一。
根据本发明的另一方面，所述致动器还可包括：铰接件，设置在压电单元和压电传感器上；支柱，设置在铰接件上，支撑微镜。
根据本发明的另一方面，铰接件可包括：杆，平行于微镜的旋转轴设置；弯曲部分，从杆延伸。
根据本发明的另一方面，所述致动器还可包括：支撑件，设置在所述至少一个压电单元、所述至少一个压电传感器与铰接件之间。
根据本发明的另一方面，所述铰接件可包括：第一板，与支撑件结合；第二板，支柱设置在第二板上，其中，铰接件的杆和弯曲部分设置在第一板和第二板之间。
根据本发明的另一方面，弯曲部分可包括：至少一个第一部分，平行于微镜的旋转轴设置；至少一个第二部分，垂直于微镜的旋转轴设置。
本发明的各方面提供一种驱动致动器的方法，所述方法包括：使压电单元移动位移；根据压电单元的位移从被互锁到该压电单元的压电传感器检测误差；利用所述误差产生反馈信号。
根据本发明的另一方面，检测误差的步骤可包括：检测压电传感器的电容。
根据本发明的另一方面，检测误差的步骤可包括：根据压电传感器的电容测量压电单元的位移值，将压电单元的测量的位移值与参考位移值比较，检测误差。
根据本发明的另一方面，检测误差的步骤可包括：根据锁相环(PLL)控制方法检测误差。
根据本发明的另一方面，铰接件设置在压电单元和压电传感器上，当压电单元移动时，铰接件使压电传感器移动。
本发明另外的方法和/和优点将在下面的描述中被部分地阐述，并且部分地从该描述将变得明显，或者可通过本发明的实践而了解。
附图说明
通过下面结合附图对实施例的描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将变得清楚并更容易理解，其中：
图1示意性地示出根据本发明总体构思的实施例的使用压电元件的致动器；
图2示出根据本发明总体构思的实施例的图1中示出的使用压电元件的致动器的微镜装置；
图3是根据本发明总体构思的实施例的沿图2的线II-II’截取的剖视图；
图4示出根据本发明总体构思的实施例的图1中所示的使用压电元件的致动器的铰接件；
图5A至图5D示出根据本发明总体构思的实施例的图1中示出的使用压电元件的致动器的压电单元的制造方法；
图6A示出根据本发明总体构思的实施例的图1中示出的使用压电元件的致动器的堆叠型压电单元；
图6B示出根据本发明总体构思的实施例的图1中示出的使用压电元件的致动器的块型压电单元；
图7A和图7B示出根据本发明总体构思的实施例的图1中示出的使用压电元件的致动器绕一个轴被驱动的情况；
图8A和图8B示出根据本发明总体构思的实施例的图1中示出的使用压电元件的致动器绕另一个轴被驱动的情况。
具体实施方式
现在将详细说明本发明的实施例，其示例示出于附图中，在附图中，相同的标号始终表示相同的部件。下面，参照附图描述实施例以解释本发明。
根据本发明总体构思的实施例的致动器使用压电元件来执行微镜驱动，并检测压电单元(piezoelectric cell)的位移。
图1示意性地示出根据本发明总体构思的实施例的使用压电元件的致动器。参照图1，根据当前实施例的致动器包括：微镜装置1，包括具有至少一个压电单元和至少一个压电传感器的压电元件10；误差检测器5，利用压电传感器的电容检测误差。图1的致动器还包括反馈信号产生器7和控制器3。反馈信号产生器7利用误差检测器5所检测到的电容来检测位移误差，控制器3控制压电单元的位移以使得位移误差可被校正。
参照图2，压电元件10用于驱动微镜50，并包括一对或多对压电单元以及一对或多对压电传感器。例如，压电元件10可包括一对压电单元和一对压电传感器，压电单元和压电传感器可关于旋转轴(参见图7A的X轴和Y轴)彼此面对。微镜装置1使用压电元件10来驱动微镜50。
图2示出微镜装置1的示例。微镜装置1包括第一压电单元10a、关于旋转轴面对第一压电单元10a的第一压电传感器10c、第二压电单元10d以及关于旋转轴面对第二压电单元10d的第二压电传感器10b。铰接件30安装在压电元件10上，支柱40设置在铰接件30上，微镜50由支柱40支撑。铰接件30根据第一压电单元10a和第二压电单元10d的位移起旋转轴的作用，以使得微镜50可倾斜。铰接件30可直接安装在压电元件10上，在压电元件10和铰接件30之间还可设置支撑单元20。以下，将描述包括支撑单元20的致动器的结构。
根据当前实施例，计算机2可包括关于与微镜50的倾斜角度对应的压电单元的参考位移的数据以及与压电传感器的电容改变值对应的压电单元的位移数据。可利用关于压电单元的参考位移值的数据通过压电传感器所检测到的电容来检查压电单元的位移误差，位移误差被反映在压电单元中，从而精确地控制微镜50。与微镜50的倾斜角度对应的压电单元的参考位移值从计算机2被输入到控制器3，与参考位移值对应的电压通过放大器4被输入到特定压电单元。输入了电压的压电单元移动一定位移，力通过铰接件30被传递给与移动位移的压电单元对应的压电传感器，以使得压电传感器沿向上或向下方向移动。例如，当电压被输入到第一压电单元10a时，第一压电单元10a移动位移，关于旋转轴面对第一压电单元10a的第一压电传感器10c被互锁并移动位移。当电压被输入到第二压电单元10d时，第二压电传感器10b被互锁并发生位移。
当第一压电传感器10c或第二压电传感器10b移动时，压电传感器的电容改变并被误差检测器5检测到。从电容检查第一压电单元10a或第二压电单元10d的位移，从而计算位移误差。反馈信号产生器7利用位移误差产生反馈信号，并将反馈信号发送给控制器3。控制器3通过将反馈信号反映在压电元件10上来控制压电元件10。
同时，作为另一个修改示例，误差检测器5可包括锁相环(PLL)电路。PLL电路包括具有预定电感L的电感器，可利用压电传感器的电容C和电感L来获得电谐振频率。可使用谐振频率作为控制变量来控制压电元件10的操作。在这种情况下，计算机2包括关于与压电单元的位移对应的谐振频率的数据。这样的控制方法被称为PLL控制方法。
作为另一个修改示例，误差检测器5可检测根据压电传感器的位移而改变的电压，并可从该电压检测误差。当机械力被施加到压电传感器时，产生电压并且该电压可被测量。在这种情况下，计算机2包括关于与压电单元的位移对应的压电传感器的电压的数据。根据当前实施例，可使用压电元件10作为传感器来检测微镜驱动期间的误差值。
接下来，将描述微镜装置1的示例。第一压电单元10a和第二压电单元10d可以彼此分离，第一压电传感器10c和第二压电传感器10b可彼此分离。可选地，如图2所示，第一压电单元10a和第二压电单元10d的主体部分可通过预定间隙13彼此分离，第一压电单元10a和第二压电单元10d以及第一压电传感器10c和第二压电传感器10b的基底侧11可彼此连接。由于上述结构，第一压电单元10a和第二压电单元10d以及第一压电传感器10c和第二压电传感器10b可稳定地固定。同时，在第一压电单元10a和第二压电单元10d中的每一个的侧面以及第一压电传感器10c和第二压电传感器10b中的每一个的侧面上设置电极15。
支撑单元20用于支撑铰接件30。支撑件20a-20d的数量与第一压电单元10a和第二压电单元10d的数量以及第一压电传感器10c和第二压电传感器10b的数量对应，支撑件20a-20d中的每一个设置在压电元件10的顶表面上。支撑单元20包括第一至第四支撑件20a、20b、20c和20d。支撑件20a、20b、20c和20d可独立地彼此分离，或者可通过设置在相邻支撑件之间的连接件27连接。连接件27由弹性材料形成，当支撑件20a、20b、20c和20d中的每一个移动时所述弹性材料不打扰相邻支撑件20a、20b、20c和20d的移动。支撑件20a、20b、20c和20d中的每一个包括形成在支撑件20a、20b、20c和20d的顶表面中的凹槽23以及形成在支撑件20a、20b、20c和20d的侧面26的突起25。每一支撑件20a、20b、20c和20d的侧面26可形成为倾斜侧面，每一支撑件20a、20b、20c和20d包括两个突起25。每一突起25防止在微镜50旋转时微镜50与压电元件10接触。另外，在突起25之间涂覆环氧树脂(epoxy)，以使支撑单元20附着到压电元件10。
被第一至第四支撑件20a、20b、20c和20d包围的中间部分形成为空腔21，空腔21提供铰接件30移动的空间。参照图3，支撑单元20的厚度大于铰接件30的厚度，铰接件30的末端由支撑单元20的凹槽23支撑，以使得铰接件30在空腔21上方浮动。支柱40设置在铰接件30上，微镜50由支柱40支撑。
图4是铰接件30的放大透视图。铰接件30包括与微镜50的旋转轴平行的杆32和从杆32延伸的弯曲部分(curved portion)33。弯曲部分33包括与微镜50的旋转轴(X轴或Y轴)平行的至少一个第一部分33a以及与微镜50的旋转轴垂直的至少一个第二部分33b。与微镜50的旋转轴平行的第一部分33a扭曲(twist)，与微镜50的旋转轴垂直的第二部分33b曲折(bend)。当铰接件30移动时，通过使用扭曲的部分和曲折的部分分散应力，从而可实现精确控制。
铰接件30包括与支撑单元20的凹槽23结合的第一板31以及支柱40设置在其上的第二板35。杆32和弯曲部分33设置在第一板31和第二板35之间。由于与现有技术相比，弯曲部分包括大量第一部分33a和大量第二部分33b，所以弯曲部分33可分散更多应力。然而，第一部分33a的数量和第二部分33b的数量需要被限制，以使得致动器的大小可被保持得较小。通过铰接件30的移动使微镜50旋转，图4的X轴或Y轴成为微镜50的旋转轴。
图5A至图5D示出制造压电元件的方法。参照图5A，制造多个成形片61。如图5B所示，内部电极层63被制造为交替堆叠在成形片61上的两种图案，并通过施加热和压力被加压，从而形成堆叠体62。如图5C所示，暴露于堆叠体62的外部的导电浆料被涂覆在内部电极层63上，从而形成电极64。然后，如图5D所示，利用划片切割(dicing)或锯切(saw cuting)将堆叠体62切割为四个单元。在这种情况下，不是将堆叠体62一直切到底，而是堆叠体62的底部66彼此连接。这样，可保持单元之间的间隙65。诸如陶瓷侧面的研磨工艺连同分离工艺一起可被添加到制造压电元件的方法中，以使压电体的大小保持恒定。
图6A示出堆叠型压电元件160，图6B示意性地示出块型(bulk type)压电元件170。在堆叠型压电元件160上交替堆叠第一电极层161和第二电极层162，在堆叠型压电元件160的两侧设置第一电极163和第二电极164。在块型压电元件170上没有堆叠电极层，在块型压电元件170的两侧设置第一电极173和第二电极174。因此，当堆叠型压电元件160检测用于检测微镜驱动误差的电容时，多对第一电极层和第二电极层之间的电容可被相加。这样，可容易地检测电容。
接下来，将描述根据本发明总体构思的实施例的致动器的驱动方法。
参照图7A和图2，当电压被施加到第一压电单元10a和第二压电单元10d之一时，根据施加的电压在第一压电单元10a和第二压电单元10d之一中发生位移，压电单元的高度改变。支撑单元20的位置根据压电单元的位移而改变，与支撑单元20结合的铰接件30变形。由于铰接件30的变形，通过铰接件30中的支柱40支撑的微镜50旋转。这里，微镜不与铰接件30直接结合，而是通过支柱40支撑，从而获得微镜50的旋转空间并且防止铰接件30的变形影响微镜50，这种影响会阻碍精确控制的实现。
现在将详细描述驱动致动器的方法。可根据第一压电单元10a和第二压电单元10d的位移来调节微镜50的倾斜角度。为了精确控制微镜50的倾斜角度，检测第一压电单元10a和第二压电单元10d的位移误差，利用位移误差校正第一压电单元10a和第二压电单元10d的位移。同时，为了保持压电元件10的平衡，可利用光电二极管从微镜50所反射的光检测的信号来调节平衡。
在图7A和图7B中，a、b、c和d表示施加到压电元件10的电压。参照图7A，当正(+)电压被施加到第一压电单元10a时，第一压电单元10a沿着向上方向移动，关于旋转轴面对第一压电单元10a的第一压电传感器10c被支撑单元20(如图2所示)和铰接件30(如图2所示)沿着向下方向加压。因此，第一压电传感器10c移动一定位移。在这种情况下，第二压电单元10d和第二压电传感器10b支撑微镜50的旋转轴，微镜50绕X轴倾斜。误差检测器5(如图1所示)可检测第一压电传感器10c的电容或者检测电压，或者利用PLL控制方法检测谐振频率。
现在将描述利用电容的误差检测。当第一压电传感器10c移动位移时，第一压电传感器10c的电容改变。例如，当图6A中所示的堆叠型压电单元160移动位移时，第一电极层161和第二电极层162之间的距离改变。然而，电容取决于第一电极层161和第二电极层162的面积以及两个层161和162之间的距离。当第一电极层和第二电极层162的面积恒定，而第一电极层161和第二电极层162之间的距离根据压电单元的位移而改变时，第一压电传感器10c的电容改变。当检测到第一压电传感器10c的电容时，可通过反向计算电容来检查压电单元的位移。
通过将压电单元的反向计算的位移值与参考位移值比较来计算压电单元的位移误差，产生用于校正位移误差的反馈信号。这里，参考位移值表示与微镜50的倾斜角度对应的压电单元的位移。参照图7B，当负(-)电压被施加到第一压电单元10a时，第一压电单元10a沿向下方向移动，关于旋转轴面对第一压电单元10a的第一压电传感器10c由于支撑单元20(如图2所示)和铰接件30(如图2所示)而沿着向上方向移动。
表1示出压电单元的强制位移、施加到压电单元的力、电容改变量以及压电传感器中发生的位移的检测示例。
[表1]
 压电单元的强制位移(μm)   0.5   1.0   1.5   2.0
  计算的力(mN)   0.855   1.71   2.56   3.42
  压电传感器中发生的位移(pm)   1.819e-2   3.64e-2   5.45e-2   7.28e-2
 电容改变量(ΔC)[pF]   0.4829e-4   0.9659e-4   1.4461e-4   1.9319e-4
参照图8A，当正(+)电压被施加到第二压电单元10d时，第二压电单元10d沿着向上方向移动，关于旋转轴面对第二压电单元10d的第二压电传感器10b被支撑单元20和铰接件30沿着向下方向加压。因此，第二压电传感器10b移动一定位移。在这种情况下，第一压电单元10a和第一压电传感器10c支撑微镜50的旋转轴，微镜50绕Y轴倾斜。参照图8B，当负(-)电压被施加到第二压电单元10d时，第二压电单元10d沿向下方向移动，关于旋转轴面对第二压电单元10d的第二压电传感器10b由于支撑单元20和铰接件30而沿着向上方向移动。误差检测器5检测由于第二压电传感器10b的位移而改变的电压、电容和谐振频率中的一个，以检测来自第二压电传感器10b的误差，反馈信号产生器7利用该误差产生反馈信号，可按照校正的倾斜角度驱动微镜50。
根据本发明总体构思的实施例，压电元件10可用作驱动微镜50的压电单元，并且用作检测压电单元的位移的传感器。因此，不需要检测压电单元的位移的附加传感器，致动器的结构可简化。同时，根据本发明总体构思的实施例的致动器可应用于例如全息信息存储设备。
尽管已经显示和描述了本发明的一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的远离和精神的情况下，可对实施例进行改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

1、一种使用压电元件的致动器，所述致动器包括：
至少一个压电单元，根据输入电压移动位移；
至少一个压电传感器，感测所述至少一个压电单元的位移；
误差检测器，从所述至少一个压电传感器检测误差；
反馈信号产生器，对应于所述误差产生反馈信号。
2、根据权利要求1所述的致动器，所述误差检测器包括锁相环电路。
3、根据权利要求1所述的致动器，其中，所述误差检测器根据所述至少一个压电传感器的电容测量所述至少一个压电单元的位移，将所述至少一个压电单元的位移与参考位移值比较，以检测误差。
4、根据权利要求1至3中的任一个所述的致动器，其中，所述至少一个压电单元包括堆叠在彼此之上的多个电极层。
5、根据权利要求1至3中的任一个所述的致动器，其中，所述致动器包括一对压电单元和一对压电传感器，每一个压电单元面向另一个压电单元和压电传感器之一。
6、根据权利要求1至3中的任一个所述的致动器，所述致动器还包括：
铰接件，设置在压电单元和压电传感器上；
支柱，设置在铰接件上，支撑微镜。
7、根据权利要求6所述的致动器，其中，铰接件包括：
杆，平行于微镜的旋转轴设置；
弯曲部分，从杆延伸。
8、根据权利要求6所述的致动器，还包括：支撑件，设置在所述至少一个压电单元、所述至少一个压电传感器与铰接件之间。
9、根据权利要求8所述的致动器，其中，所述铰接件包括：
第一板，与支撑件结合；
第二板，支柱设置在第二板上，
其中，铰接件的杆和弯曲部分设置在第一板和第二板之间。
10、根据权利要求9所述的致动器，其中，弯曲部分包括：
至少一个第一部分，平行于微镜的旋转轴设置；
至少一个第二部分，垂直于微镜的旋转轴设置。
11、一种驱动致动器的方法，所述方法包括：
使压电单元移动位移；
根据压电单元的位移从被互锁到该压电单元的压电传感器检测误差；
利用所述误差产生反馈信号。
12、根据权利要求11所述的方法，其中，检测误差的步骤包括：检测压电传感器的电容。
13、根据权利要求12所述的方法，其中，检测误差的步骤包括：根据压电传感器的电容测量压电单元的位移值，将压电单元的测量的位移值与参考位移值比较，检测误差。
14、根据权利要求11所述的方法，其中，检测误差的步骤包括：根据锁相环控制方法检测误差。
15、根据权利要求11至14中的任一个所述的方法，其中，铰接件设置在压电单元和压电传感器上，当压电单元移动时，铰接件使压电传感器移动。
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