CN101745911A - 预加应力可调节压电夹持装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预加应力可调节压电夹持装置，其中预加应力装置根据力感测单元反馈的反馈力信号，调控施加于压电单元的压电元件的预加应力，以调控所述压电单元接触夹持取放单元的摩擦力，并通过所述压电元件的多次形变，经多次驱动所述夹持取放单元，以控制所述夹持取放单元的夹持速度和夹持力，并达到长行程的致动效果，且同时保有较高的精度。

Description

预加应力可调节压电夹持装置

技术领域

本发明涉及一种夹持取放装置，明确地说涉及一种预加应力可调节压电夹持装置。

背景技术

微取放装置(Micro-Gripper)在微型组装系统中扮演相当重要的关键核心，其中微致动装置更是关系到取放效果好坏的重要技术模块。而一般谈到微致动装置或精密致动装置，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，较常使用纵效应和横效应作为致动的方式(即水平、垂直配置，实际上虽以纵效应和横效应作为致动方式，但从变形的角度来看，纵、横向变化是同时都会存在的)。然而，常规利用MEMS工艺的微取放装置会有夹持速度不够、夹持力不足和行程不长的问题存在。

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

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

上述所述常规纵效应致动的压电元件1和所述常规横效应致动的压电元件2所分别产生的纵效应和横效应，其是当外加电场(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致动精度或微致动效果，但其能致动行程却仅有几十微米(μm)等级。甚至有些压电元件仅有次微米(sub-μm)等级的致动功效，因此对于要夹持较大尺寸(例如：100μm以上)的精微元件则有困难。

另外，如果要增加上述所述常规纵效应致动的压电元件1和所述常规横效应致动的压电元件2的致动行程，需以多个压电元件堆叠才能具有增加致动行程的功效。

参考图3A和图3B，其显示一种常规堆叠式压电致动装置3，其包括所述常规纵效应致动的压电元件1和所述常规横效应致动的压电元件2，所述常规横效应致动的压电元件2设置于所述常规纵效应致动的压电元件1上。图4A显示输入所述常规纵效应致动的压电元件1的第一驱动信号；图4B显示输入所述常规横效应致动的压电元件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一相位差。

配合参考图3A到图4B，所述常规纵效应致动的压电元件1接收所述第一驱动信号后，就产生纵效应以进行纵向运动，而所述常规横效应致动的压电元件2接收所述第二驱动信号后，就产生横效应以进行横向运动，其中，图3B中的虚线部分分别表示产生形变前的所述常规纵效应致动的压电元件1和所述常规横效应致动的压电元件2。通过控制具有相位差的所述第一驱动信号和所述第二驱动信号，分别驱动所述常规纵效应致动的压电元件1和所述常规横效应致动的压电元件2，使所述常规堆叠式压电致动装置3产生类似长方形或椭圆形的运动轨迹，以达到推动或致动效果。

上述所述常规堆叠式压电致动装置3的致动方式，是精密压电致动器中最普遍且最方便实施的一个方面，但相对的需要用两个压电元件，且需准确地搭配好两相的电信号(所述第一驱动信号和所述第二驱动信号)，才能产生优选的运动轨迹，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预加应力可调节压电夹持装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种预加应力可调节压电夹持装置，其包括：基座、第一滑动结构、夹持取放单元、压电单元、力感测单元和预加应力装置。所述基座具有表面。所述第一滑动结构设置于所述表面的上方且实质上平行于所述表面。所述夹持取放单元具有第一夹持取放元件和第二夹持取放元件，所述第一夹持取放元件具有第一杆部和第一夹持部，所述第一滑动结构用以导引所述第一杆部，所述第二夹持取放元件设置于所述表面的上方且相对于所述第一夹持取放元件。所述压电单元具有至少一压电元件和至少一基板，所述压电元件具有第一侧面、第二侧面和两个电极，所述第一侧面设置于所述基板的一侧面，所述第二侧面垂直于所述第一杆部的轴向延伸方向，所述电极分别设置于所述第一侧面和所述第二侧面。所述力感测单元设置于所述基板的另一侧面。所述预加应力装置连接所述力感测单元，用以提供预加应力，使所述压电元件接触所述第一杆部。

所述预加应力装置根据所述力感测单元的反馈力信号，调控施加于所述压电元件的预加应力，以控制所述压电元件接触所述第一杆部的摩擦力，并通过所述压电元件的多次形变，以多次驱动所述第一杆部，而控制所述夹持取放单元的夹持速度和夹持力，并达到长行程的致动效果，且同时保有较高的精度。

附图说明

图1显示常规纵效应致动的压电元件示意图；

图2显示常规横效应致动的压电元件示意图；

图3A和图3B显示一种常规堆叠式压电致动装置的致动示意图；

图4A显示输入所述常规纵效应致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致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预加应力可调节压电夹持装置的立体图；

图6显示本发明第一实施例预加应力可调节压电夹持装置的俯视图；

图7显示本发明第一实施例的第一杆部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到图13显示本发明压电元件的作动示意图；

图14显示本发明预加应力可调节压电夹持装置的夹持速度-夹持力关系图；

图15显示本发明第二实施例预加应力可调节压电夹持装置的立体图；以及

图16显示本发明第三实施例预加应力可调节压电夹持装置的立体图。

具体实施方式

图5显示本发明第一实施例预加应力可调节压电夹持装置的立体图；图6显示本发明第一实施例预加应力可调节压电夹持装置的俯视图；图7显示本发明第一实施例的第一杆部设置于压电元件上的示意图。配合参考图5到图7，本发明第一实施例的所述预加应力可调节压电夹持装置4包括：基座41、第一滑动结构42、夹持取放单元43、压电单元44、力感测单元45和预加应力装置46。

在本实施例中，所述基座41具有表面411、第一柱体412和第二柱体413，所述第一柱体412和所述第二柱体413设置于所述表面411且间隔一距离。所述第一滑动结构42设置于所述第一柱体412，且实质上平行于所述表面411。优选地，所述第一滑动结构42是线性精密滑轨。

所述夹持取放单元43在所述第一柱体412与所述第二柱体413之间且具有第一夹持取放元件431和第二夹持取放元件432，所述第一夹持取放元件431具有第一杆部433和第一夹持部434。所述第一滑动结构42用以导引所述第一杆部433。所述第二夹持取放元件432设置于所述第二柱体413，位于所述表面411的上方且相对于所述第一夹持取放元件431。

其中，所述第一滑动结构42以线性精密滑轨作为所述第一夹持取放元件431的单方向运动基础，可有效提高所述预加应力可调节压电夹持装置4运作时的线性度，且可简化机构设计和装配问题，以提高所述夹持取放单元43的灵活滑动程度。

所述压电单元44具有至少一压电元件和至少一基板，在本实施例中，所述压电单元44具有两个压电元件441和一基板442，其中所述压电元件441接触所述第一杆部433，每一压电元件441具有第一侧面443、第二侧面444和两个电极445。所述第一侧面443设置于所述基板442的一侧面，所述第二侧面444垂直于所述第一杆部433的轴向延伸方向，所述电极445分别设置于所述第一侧面443和所述第二侧面444。

在本实施例中，由于所述压电元件441是正立方体，所述电极445以垂直角度设置于每一压电元件441的所述第一侧面443和所述第二侧面444(即所述电极445非平行设置)，因此每一压电元件441的电场方向(E)与极化方向(P)呈四十五度差角。将单相驱动信号电性连接到上述所述电极445，所述压电元件441会同时呈现纵向效应、横向效应和剪向效应(产生椭圆形的运动轨迹)。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和图10所示。

图11到图13显示本发明压电元件的作动示意图。以下以第一实施例预加应力可调节压电夹持装置4相应的元件符号加以说明。参考图11，当所述单相驱动信号(V)施予所述电极445为零电位差时，所述压电元件441仍呈原未加入所述单相驱动信号时的正立方体。配合参考图9和图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，因此所述压电元件441同时呈现拉升状态的纵向效应和向左的剪向效应。配合参考图9和图13，当所述单相驱动信号在T2时间的电位差降到零时，此时所述压电元件441回复到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给所述电极445，所述压电元件441就会重复纵向效应和向左的剪向效应的变化，以及回复到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就可使所述压电元件441产生二维的变形，因此适合作为预加应力可调节压电夹持装置的动力源，且预加应力可调节压电夹持装置仍保持极佳的精度。另外，利用多个压电元件的组合可增加夹持取放单元的夹持力，以改进常规利用MEMS工艺的微取放装置会有夹持力不足的问题。

再配合参考图5和图6，所述力感测单元45设置于所述压电单元44的所述基板442的另一侧面，优选地，所述力感测单元45是力规。所述预加应力装置46连接所述力感测单元45，用以提供预加应力，使所述压电元件441接触所述第一杆部433。其中，所述预加应力装置46可为气压装置、油压装置或弹簧压力装置(例如：螺旋弹簧压力装置)。

在本实施例中，所述预加应力装置46是弹簧压力装置，其具有活动弹力组461、固定座462和步进单元463。所述活动弹力组461的一侧面连接所述力感测单元45，其具有至少一弹性元件464(例如：弹簧)。所述固定座462固设于所述基座41的所述表面411，其具有至少一杆件465，所述杆件465通过所述弹性元件464，使得所述活动弹力组461可沿着所述杆件465移动。所述步进单元463设置于所述固定座462且接触所述活动弹力组461的另一侧面，利用所述步进单元463致动所述活动弹力组461，以施加预加应力给所述压电元件441，借以控制所述压电元件441接触所述第一杆部433的摩擦力。当所述压电元件441接触所述第一杆部433时，所述力感测单元45就会检测到反馈力信号。

在本实施例中，所述预加应力可调节压电夹持装置4另外包括控制单元47，所述控制单元47连接所述力感测单元45和所述预加应力装置46，用以根据所述反馈力信号控制所述预加应力装置46，借以动态地调控所述预加应力，以控制所述压电元件441接触所述第一杆部433的摩擦力，并通过所述压电元件441的多次形变，以多次驱动所述第一杆部433，而控制所述夹持取放单元43的夹持速度和夹持力，以达到长行程的致动效果。

图14显示本发明预加应力可调节压电夹持装置的夹持速度-夹持力关系图。由图14可明显得知，预加应力可调节压电夹持装置的夹持速度与夹持力密切相关，例如：在图14中，当夹持力为F1时，预加应力可调节压电夹持装置具有最大夹持速度Vmax。因此，通过调控所述预加应力以控制压电单元44接触夹持取放单元43的摩擦力，就可获得所希望达到的夹持速度和夹持力。

图15显示本发明第二实施例预加应力可调节压电夹持装置的立体图。所述预加应力可调节压电夹持装置5包括：基座51、第一滑动结构52、夹持取放单元53、压电单元54、力感测单元55、预加应力装置56和控制单元57。在所述第二实施例中，所述预加应力可调节压电夹持装置5另外包括第二滑动结构58，所述力感测单元55具有两个力感测元件551，所述压电单元54具有两个压电元件541，所述第二滑动结构58设置于所述基座51的第二柱体511。

所述第二滑动结构58实质上平行于所述基座51的表面512，所述夹持取放单元53的第二夹持取放元件531具有第二杆部532和第二夹持部533。所述第二滑动结构58用以导引所述第二杆部532。所述第二夹持部533相对于所述夹持取放单元53的第一夹持取放元件534的第一夹持部535。所述压电元件541分别接触所述第一夹持取放元件534的第一杆部536和所述第二夹持取放元件531的所述第二杆部532，所述力感测元件551分别相对于所述压电元件541。其中，所述第一滑动结构52和所述第二滑动结构58优选为线性精密滑轨。

图16显示本发明第三实施例预加应力可调节压电夹持装置的立体图。所述预加应力可调节压电夹持装置6包括：基座61、第一滑动结构62、夹持取放单元63、压电单元64、力感测单元65、预加应力装置66和控制单元67。与上述图15中的第二实施例预加应力可调节压电夹持装置5不同之处在于，所述第三实施例的所述压电单元64具有两个基板641，每一基板641设置于相对的压电元件642与力感测元件651之间，其它组成元件与第二实施例预加应力可调节压电夹持装置5相同，在此不再加以赘述。

本发明的所述预加应力装置根据所述力感测单元的反馈力信号，调控施加于所述压电元件的预加应力，以控制所述压电元件接触所述第一杆部或所述第二杆部的摩擦力，并通过所述压电元件的多次形变，以多次驱动所述第一杆部或所述第二杆部，而控制所述夹持取放单元的夹持速度和夹持力，并达到长行程的致动效果，且同时保有较高的精度。

上述实施例仅为了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在不脱离本发明的精神的情况下对上述实施例进行修改和变化。本发明的权利范围应如所附权利要求书所列。

Claims (12)

1.一种预加应力可调节压电夹持装置，其包括：

基座，其具有表面；

第一滑动结构，其设置于所述表面的上方且实质上平行于所述表面；

夹持取放单元，其具有第一夹持取放元件和第二夹持取放元件，所述第一夹持取放元件具有第一杆部和第一夹持部，所述第一滑动结构用以导引所述第一杆部，所述第二夹持取放元件设置于所述表面的上方且相对于所述第一夹持取放元件；

压电单元，其具有至少一压电元件和至少一基板，所述压电元件具有第一侧面、第二侧面和两个电极，所述第一侧面设置于所述基板的一侧面，所述第二侧面垂直于所述第一杆部的轴向延伸方向，所述电极分别设置于所述第一侧面和所述第二侧面；

力感测单元，其设置于所述基板的另一侧面；以及

预加应力装置，其连接所述力感测单元，用以提供预加应力，使所述压电元件接触所述第一杆部。

2.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述基座具有第一柱体，所述滑动结构设置于所述第一柱体。

3.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述第一滑动结构是线性精密滑轨。

4.根据权利要求2所述的压电夹持装置，其中所述基座另外包括第二柱体，所述第二夹持取放元件设置于所述第二柱体。

5.根据权利要求4所述的压电夹持装置，其另外包括第二滑动结构，所述力感测单元具有两个力感测元件，所述压电单元具有两个压电元件，所述第二滑动结构设置于所述第二柱体且实质上平行于所述表面，所述第二夹持取放元件具有第二杆部和第二夹持部，所述第二滑动结构用以导引所述第二杆部，所述第二夹持部相对于所述第一夹持部，所述压电元件分别接触所述第一杆部和所述第二杆部，所述力感测元件分别相对于所述压电元件。

6.根据权利要求5所述的压电夹持装置，其中所述压电单元具有两个基板，每一基板设置于相对的压电元件与力感测元件之间。

7.根据权利要求5所述的压电夹持装置，其中所述第一滑动结构和所述第二滑动结构是线性精密滑轨。

8.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述力感测单元是力规。

9.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其中所述预加应力装置是气压装置、油压装置或弹簧压力装置。

10.根据权利要求1所述的压电夹持装置，其另外包括控制单元，连接所述力感测单元和所述预加应力装置，用以根据所述力感测单元的反馈力信号控制所述预加应力装置，以调控所述预加应力。

11.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受单相驱动信号，以使所述压电元件产生纵向效应、横向效应和剪向效应。

12.根据权利要求11所述的压电夹持装置，其中所述单相驱动信号是方波周期性信号、锯齿波周期性信号或弦波周期性信号。

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