CN103227279A - 滑动粘附型压电致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压电致动器。该压电致动器包括：固定主体；可移动主体，布置为面对固定主体；以及多个压电元件，布置在固定主体与可移动主体之间并以剪切模式操作，每个压电元件具有固定到固定主体的一端以及接触可移动主体的另一端，其中多个压电元件的每个的极化方向彼此不同。

Description

滑动粘附型压电致动器
技术领域
本公开涉及一种通过利用压电元件的压电效应而驱动为滑动粘附型（slip-stick type）的压电致动器。
背景技术
在扫描探针显微镜（SPM）、光学设备、半导体处理设备、高精度对准仪等中，物体可以在从几毫米至几厘米的范围内移动。因而，需要能够以一步的移动距离小于几微米（例如，从几十纳米至几皮米）的水平来精确地移动物体的定位器。因此，需要发展具有简单的结构以产生物体的精细位移的致动器。
发明内容
本发明提供了一种滑动粘附型的压电致动器，其可以通过小且简单的结构而以两个维度上的自由度来移动物体。
额外的方面将在以下的描述中部分阐述，并将部分地从该描述而变得明显，或者可以通过实践给出的实施例而获知。
根据本发明的一个方面，一种压电致动器包括：固定主体；可移动主体，布置为面对固定主体；以及多个压电元件，布置在固定主体与可移动主体之间并以剪切模式操作，每个压电元件具有固定到固定主体的一端以及接触可移动主体的另一端，其中多个压电元件的每个的极化方向彼此不同。
多个压电元件的每个可以包括具有相反的极化方向的第一压电层和第二压电层。
第一和第二压电层可以彼此堆叠。
压电致动器还可以包括弹性构件，该弹性构件具有接触固定主体的一端以及将可移动主体弹性挤压抵靠多个压电元件的另一端。
磁体可以布置在可移动主体和固定主体中的至少一个上，可移动主体可以通过磁体的磁力来挤压抵靠多个压电元件。
压电致动器可以通过多个压电元件与可移动主体之间的滑动粘附操作而能够具有平移运动。
多个压电元件的数目可以为三个或更多，极化方向可以为径向方向或垂直于径向方向的方向。
可移动主体接触多个压电元件的表面可以是弯曲表面，可移动主体可以通过多个压电元件而具有倾斜运动。
压电致动器还可以包括用于在弯曲表面的切线方向上支撑多个压电元件的支撑部。
压电致动器还可以包括用于检测可移动主体的位移的位移检测单元。
位移检测单元可以包括多个电极，该多个电极布置在可移动主体和固定主体的彼此面对的表面上并用于根据可移动主体的位置的变化来检测多个电极之间的电容的变化。
根据本发明的另一个方面，一种压电致动器包括：固定主体；可移动主体，布置为面对固定主体；以及至少一个压电元件，布置在固定主体与可移动主体之间并以剪切模式操作，压电元件具有固定到固定主体的一端以及接触可移动主体的另一端，其中至少一个压电元件的每个包括第一和第二压电单元，第一压电单元的极化方向和第二压电单元的极化方向彼此不同。
第一和第二压电单元中的至少一个可以包括具有相反的极化方向的第一压电层和第二压电层。
第一和第二压电层可以彼此堆叠。
第一压电单元的极化方向和第二压电单元的极化方向可以彼此垂直。
第一和第二压电单元可以彼此堆叠。
可移动主体可以通过自身重力、弹性力和磁力中的至少一个而挤压抵靠至少一个压电元件。
可移动主体的接触至少一个压电元件的表面可以是平坦表面。
压电致动器可以通过至少一个压电元件与可移动主体之间的滑动粘附操作而能够具有平移运动和旋转运动。
可移动主体的接触至少一个压电元件的表面可以是弯曲表面，可移动主体可以通过至少一个压电元件而具有倾斜运动。
用于在弯曲表面的切线方向上支撑至少一个压电元件的支撑部可以提供在固定主体上。
压电致动器还可以包括用于检测可移动主体的位移的位移检测单元，其中位移检测单元包括布置在可移动主体和固定主体的彼此面对的表面上的多个电极。
根据本发明的另一个方面，一种压电致动器包括：固定主体；可移动主体，布置为面对固定主体；多个压电元件，布置在固定主体与可移动主体之间并以剪切模式操作，每个压电元件具有固定到固定主体的一端以及接触可移动主体的另一端，其中多个压电元件的每个的极化方向彼此不同，多个压电元件的每个包括第一压电层和第二压电层，第一压电层的极化方向和第二压电层的极化方向彼此垂直，固定主体和可移动主体中的至少一个包括贯通部。
第一压电层的极化方向和第二压电层的极化方向之一可以是径向方向或垂直于径向方向的方向。
压电致动器可以通过多个压电元件与可移动主体之间的滑动粘附操作而能够具有平移运动。
可移动主体可以通过自身重力、弹性力和磁力中的至少一个而挤压抵靠多个压电元件。
压电致动器还可以包括用于检测可移动主体的位移的位移检测单元，其中位移检测单元包括布置在可移动主体和固定主体的彼此面对的表面上的多个电极。
附图说明
这些和/或其他的方面将从以下结合附图对实施例的描述而变得明显并更易于理解，在附图中：
图1是示意地示出根据本发明实施例的允许可移动主体具有平移运动的滑动粘附型压电致动器的侧视图；
图2示出作用于剪切模式的压电元件的剪切位移；
图3是根据本发明实施例的侧视图，示出利用弹性构件将可移动主体挤压抵靠压电元件的结构；
图4是根据本发明实施例的侧视图，示出利用磁体将可移动主体挤压抵靠压电元件的结构；
图5是示出用于滑动粘附驱动的驱动信号的示例的曲线图；
图6A至图6C示出滑动粘附驱动过程；
图7是根据本发明实施例的平面图，示出图1的压电致动器中的多个压电元件的布置；
图8是根据本发明实施例的应用于图1的压电致动器的压电元件的透视图；
图9至图11示出根据本发明实施例的图1的压电致动器中的可移动主体的平移运动；
图12是根据本发明实施例的侧视图，示出允许可移动主体具有倾斜运动的滑动粘附型压电致动器；
图13是根据本发明实施例的平面图，示出图12的压电致动器中的多个压电元件的布置；
图14是根据本发明实施例的平面图，示出允许可移动主体具有旋转运动的滑动粘附型压电致动器；
图15示出根据本发明实施例在图14的压电致动器中的可移动主体的旋转运动；
图16是根据本发明实施例的侧视图，示出允许可移动主体具有平移/旋转运动的滑动粘附型压电致动器；
图17是根据本发明实施例的平面图，示出在图16的压电致动器中的多个压电元件的布置；
图18是根据本发明实施例的应用于图16的压电致动器的压电元件的透视图；
图19示出用于检测可移动主体的平移位移的位移检测单元的结构；
图20示出根据本发明实施例当可移动主体在-X方向移动时图19的位移检测单元中的电极的布置；
图21A至图21D示出根据本发明实施例在图19的位移检测单元中根据可移动主体的位置的电极的布置；
图22示出根据本发明实施例的用于检测可移动主体的旋转位移的位移检测单元的结构；
图23示出根据本发明另一实施例的用于检测可移动主体的旋转位移的位移检测单元的结构；以及
图24是滑动粘附型压电致动器的截面图，其中贯通部被提供在其中央部分中。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，其示例在附图中示出，其中相似的附图标记始终指代相似的元件。在这点上，呈现的实施例可以具有不同的形式，而不应被解释为限于这里阐述的描述。因而，以下仅通过参照附图描述了实施例，用于解释本说明书的方面。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任意和所有组合。诸如“…中的至少一个”的表述，当在一系列元件之前时，修正了元件的整个列表，而不修正该列表的单个元件。
图1是示意地示出根据本发明实施例的允许物体具有平移运动的滑动粘附型压电致动器的侧视图。图2示出作用在剪切模式的压电元件的剪切位移。图1示出固定主体10、可移动主体20以及多个压电元件30。
固定主体10和可移动主体20布置得彼此分离且彼此面对。压电元件30布置在固定主体10和可移动主体20的分别彼此面对的两个表面11和21之间。每个压电元件30包括固定到固定主体10的固定端301和摩擦接触可移动主体20的可移动端302。固定端301固定到固定主体10的表面11，而可移动端302摩擦接触可移动主体20的表面21。例如，压电元件30可以通过粘合剂粘附到固定主体10的表面11。此外，粘合剂包括例如基于环氧树脂的粘合剂或溶剂蒸发型粘合剂。
根据本实施例的压电元件30如图2所示以剪切模式运作。在图2中，虚线表示在驱动电压施加到压电元件30之前的压电元件，实线表示当驱动电压施加到压电元件30使压电元件30剪切变形之后的压电元件30。当压电元件30以剪切模式运作时压电元件30的位移ΔL可以通过施加到压电元件30的电压V和剪切模式的压电常数d15表示如下。
ΔL≈d15×V
剪切模式的压电常数d15大于横向模式的压电常数d31和纵向模式的压电常数d33。例如，对于锆钛酸铅（PZT），横向模式、纵向模式和剪切模式在室温的压电常数d31、d33和d15分别为200~700、-60~-350和300~800皮米/V，其中剪切模式的压电常数d15在它们当中最高。因此，当压电元件30以剪切模式操作时，与压电元件30以横向模式或纵向模式作用相比，可以在相对低的电压产生大的位移。
可移动主体20由于其重量而施加力到压电元件30并可以摩擦地接触可移动端302。此外，如图3所示，可以提供用于将可移动主体20挤压抵靠压电元件30的弹性构件40。弹性构件40可以例如为片簧（leaf spring），其具有固定到固定主体10的一端41和弹性接触可移动主体20的另一端42。此外，可移动主体20可以通过磁力被挤压抵靠压电元件30。参照图4，当固定主体10由磁性材料形成时，磁体50布置在可移动主体20上以通过与固定主体10的磁吸引来挤压可移动磁体20抵靠压电元件30。当磁体50布置在固定主体10上时，可移动主体20由磁性材料形成，磁体50吸引可移动主体20以挤压可移动主体20抵靠压电元件30。此外，当磁体50提供在可移动主体20和固定主体10的每一个上时，可移动主体20可以由于其间相互的磁吸引而被挤压抵靠压电元件30。
在根据本实施例的压电致动器中，可移动主体20通过压电元件30的滑动粘附运动的结合来移动。图5是示出用于驱动压电元件30的驱动信号的示例的曲线图。图5所示的驱动信号具有锯齿（sawtooth）波形。驱动信号包括电压被尖锐改变的部分S1和电压被逐渐改变的部分S2。
图6A至图6C示出当图5的驱动信号施加到压电元件30时压电元件30的运动。图6A示出不施加驱动信号的状态。在此状态下，当施加驱动信号的部分S1时，压电元件30如图2所示变形至剪切模式。如果压电元件30由于驱动信号的电压的变化引起的变形产生得足够快以克服可移动主体20的惯性和施加到可移动主体20和固定主体10的压力，则压电元件30的可移动端302在可移动主体20的表面21上滑动，因此压电元件30可以如图6B所示地变形。这样做时，可移动主体20不移动。压电元件30的可移动端302变形而在可移动主体20上滑动的部分是对应于驱动信号的部分S1的滑动部分。接下来，当驱动信号的部分S2施加到压电元件30时，压电元件30逐渐返回到它们的初始状态。由于压电元件30的可移动端302处于被挤压抵靠可移动主体20的表面21的状态，所以可移动端302返回到其初始状态并且可移动主体20在预定方向上移动。因此，如图6C所示，可移动主体20移动到图纸上的左侧。压电元件30从变形状态返回到它们的初始状态并且可移动主体20与可移动端302一起运动的部分是对应于驱动信号的部分S2的粘附部分。如上所述，当重复滑动粘附驱动时，可移动主体20可以被移动。
用于滑动粘附驱动的驱动信号的形状不限于锯齿形。驱动信号可以具有任意的形状，只要它具有急剧改变电压倾斜的部分和逐渐改变电压倾斜的部分。例如，如图5中的虚线所示的摆线波（cycloidal wave）信号、如图5中的点划线所示的限幅正弦波（clipped sinusoidal wave）信号等可以用作驱动信号。
本实施例中的压电致动器可以允许可移动主体20具有在二维平面内的平移运动。为此目的，压电元件30被径向地布置。例如，如图7所示，三个压电元件30-1、30-2和30-3关于中心点C被径向地布置。尽管在本实施例中三个压电元件30-1、30-2和30-3以120°的间隔布置在中心点C周围，但是本发明不限于此。四个或更多压电元件30可以根据需要布置。中心点C与压电元件30-1、30-2和30-3的每个之间的距离可以是不相同的。此外，三个压电元件30-1、30-2和30-3可以不必布置得对称。压电元件30的数目和布置可以被确定为使得适于可移动主体20的需要的驱动特性。在图7的实施例中，三个压电元件30-1、30-2和30-3的极化方向彼此不同。例如，三个压电元件30-1、30-2和30-3的极化方向是径向的并且三个压电元件30-1、30-2和30-3以120°的间隔布置。在以下的描述中，极化方向具有与压电元件通过剪切模式的变形方向相同的含义。
图8是根据本发明实施例应用于图1的压电致动器的压电元件30的透视图。参照图8，压电元件30可以包括堆叠的第一和第二压电层31和32。公共电极33布置在第一和第二压电层31和32之间。驱动电极35和34可以分别布置在第一压电层31的下表面和第二压电层32的上表面上。端板36和37可以分别布置在驱动电极34的上表面和驱动电极35的下表面上。第一和第二压电层31和32的极化方向彼此相反。例如，第一压电层31的极化方向可以从中心点C到外部，而第二压电层32的极化方向可以从外部到中心点C。端板37被固定到固定主体10的表面11，而端板36可以摩擦地接触可移动主体20的表面21。
压电层31和32可以通过现有技术中公知的制造工艺形成的形状而形成，例如压电材料的沉积工艺或者将膏状的压电材料烧结至预定厚度例如0.5mm至1mm并进行极化处理（poling）工艺以产生压电特性的方法。为了使压电元件30以剪切模式操作，电场可以在以下状态下施加到压电元件30，即在极化处理工艺中剪切方向上的压力被施加到压电层31和32。压电层31和32可以由体压电材料的切片形成。压电材料可以包括锆钛酸铅（PZT）、陶瓷材料、BaTiO3、PbTiO3、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3、Na2WO3、Zn2O3、Ba2NaNb5O5、Pb2KNb5O15、BiFeO3、NaNbO3、Bi4Ti3O12、Na0.5Bi0.5TiO3等。电极33、34和35可以形成为单个金属层或者形成为例如Ti层和Pt层的两个金属层。电极33、34和35可以通过将导电金属材料例如Ag-Pd膏丝网印刷到压电层31或压电层32上而形成。然而，本发明不限于形成压电层和电极的以上工艺。例如，压电层31和32可以通过切割可商业购买到的压电材料并以剪切模式极化处理成所需的期望形状而形成。此外，其中多个薄膜型压电层堆叠的压电叠层可以被用作压电层31和32。
返回参照图6A至图6C，可看到，可移动主体20在与压电元件30的极化方向相反的方向上移动。利用以上特性使可移动主体20具有在平面内的平移运动的工艺的示例描述如下。在以下的描述中，当驱动电压施加到压电元件30-1、30-2和30-3的第一压电层31时，压电元件30-1、30-2和30-3的极化方向分别为P1-1、P2-1和P3-1。此外，当驱动电压施加到压电元件30-1、30-2和30-3的第二压电层32时，压电元件30-1、30-2和30-3的极化方向分别为P1-2、P2-2和P3-2。
驱动信号被施加到压电元件30-1的第一压电层31以及压电元件30-2和30-3的第二压电层32。于是，如图9中的虚线所示，压电元件30-1、30-2和30-3在方向P1-1、P2-2和P3-2上被极化。可移动主体20通过滑动粘附操作在与方向P1-1相反的方向也就是方向P1-2上移动，如虚线所示。为了在方向P1-1上移动可移动主体20，驱动信号被施加到压电元件30-1的第二压电层32以及压电元件30-2和30-3的第一压电层31。于是，压电元件30-1、30-2和30-3在方向P1-2、P2-1和P3-1上被极化，如图9中的点划线所示。可移动主体20通过滑动粘附操作在方向P1-1上移动，如点划线所示。
参照图10，当压电元件30-1、30-2和30-3分别在方向P1-2、P2-1和P3-2上被极化时，可移动主体20如虚线所示在方向P2-2上移动。当压电元件30-1、30-2和30-3分别在方向P1-1、P2-2和P3-1上被极化时，可移动主体20如点划线所示在方向P2-1上移动。
类似地，参照图11，当压电元件30-1、30-2和30-3分别在方向P1-2、P2-2和P3-1上被极化时，可移动主体20如虚线所示在方向P3-2上移动。当压电元件30-1、30-2和30-3分别在方向P1-1、P2-1和P3-2上被极化时，可移动主体20如点划线所示在方向P3-1上移动。
如上所述，通过组合图9、图10和图11的驱动类型，可移动主体20可以具有至二维平面内的特定位置的平移运动。此外，由于压电层31和32的剪切模式下的变形量与所施加的驱动信号的电压的量成比例，所以可移动主体20可以通过组合图9、图10和图11的驱动类型使施加到压电元件30-1、30-2和30-3的每个的驱动信号的电压量不同而具有在特定方向上的平移运动。
由于利用压电现象的致动器具有以下特性：其可以由于对于每个单位电压的非常小的感生位移而被精确地驱动，它可以被控制在宽的温度范围内，在固定状态的压电元件表现出几乎像固体结构的机械特征，它能够在小的位移内产生非常强的力等，所以利用压电现象的定位装置可以应用于扫描探针显微镜（SPM）、光学设备、半导体加工设备、高精度对准仪等。由于根据本实施例的压电致动器以剪切模式操作，所以与以横向模式或纵向模式操作的情形相比，对于所施加的驱动电压的每个单位大小的位移相对较大。因此，与以横向模式或纵向模式操作的情形相比，相同的位移可以在相对低的驱动电压产生。
压电元件30可以通过切割体压电材料、压电材料的沉积工艺或者烧结膏型压电材料的工艺而被制造得具有非常小的尺寸。此外，本实施例的压电致动器可以以简单的结构实施，其中例如大约三个压电元件30-1、30-2和30-3被径向地布置，因此可以使压电致动器小型化。
在SPM中，本实施例的压电致动器可以应用到在竖直方向上的定位装置用于将探针从测试样品的表面移动到分开小于几微米的位置。此外，SPM的探针需要在水平方向上移动到另一位置，因为由探针扫描的屏幕的尺寸受到限制。因此，本实施例的压电致动器可以应用于在水平方向上的定位装置。此外，本实施例的压电致动器可以应用于透镜致动器或自动聚焦装置用于光学设备中焦距的精细调节。
压电致动器可以允许可移动主体20a具有倾斜运动。参照图12，可移动主体20a的摩擦接触压电元件30的表面22是弯曲表面。尽管表面22在图12中被示出为凸出的弯曲表面，但是本发明的范围不限于此。例如，表面22可以是凹入弯曲表面或任何其他类型的弯曲表面。压电元件30被布置为接触表面22并在表面22的切线方向上倾斜。为此目的，用于支撑压电元件30以在表面22的切线方向上倾斜的支撑部12可以被提供在压电元件30中。例如，三个压电元件30-1、30-2和30-3可以如图13所示径向地布置。压电元件30-1、30-2和30-3的极化方向可以彼此不同，例如在径向方向上。在以上结构中，可移动主体20a可以通过如图9至图11所示控制压电元件30-1、30-2和30-3的极化方向和驱动信号的电压而具有如图12所示在特定方向上的倾斜运动。因而，测角器可以通过采用具有以上结构的压电致动器而实施。具有以上结构的压电致动器可以被应用以控制反射镜的角度或者精度光学设备的光纤的方向或者在真空环境操作的光学部件。
压电致动器可以允许可移动主体20具有旋转运动。参照图14，压电元件200-1、200-2和200-3关于中心点C径向地布置。压电元件200-1、200-2和200-3的极化方向垂直于径向方向。具有以上结构的压电致动器与图8的用于平移运动的压电致动器相同，除了压电元件30-1、30-2和30-3被旋转90°布置。因此，这里省略关于压电元件200-1、200-2和200-3的具体形状的描述。
当可移动主体20将仅在一个方向上旋转时，压电元件200-1、200-2和200-3每个仅包括第一和第二压电层31和32中的一个。当可移动主体20将要在两个方向上旋转时，压电元件200-1、200-2和200-3每个包括第一和第二压电层31和32两者。在本实施例中，压电元件200-1、200-2和200-3包括第一和第二压电层31和32两者从而在两个方向上旋转可移动主体20。在以下的描述中，当驱动电压施加到压电元件200-1、200-2和200-3的每个的第一压电层31时，压电元件200-1、200-2和200-3的极化方向分别为R1-1、R2-1和R3-1。当驱动电压施加到压电元件200-1、200-2和200-3的每个的第二压电层32时，压电元件200-1、200-2和200-3的极化方向分别为R1-2、R2-2和R3-2。
参照图15，驱动信号施加到压电元件200-1、200-2和200-3的每个的第一压电层31。于是，压电元件200-1、200-2和200-3如实线所示在方向R1-1、R2-1和R3-1上被极化。结果，可移动主体20由于滑动粘附操作而在与压电元件200-1、200-2和200-3的极化方向相反的方向也就是顺时针方向上旋转。相反，当驱动信号施加到压电元件200-1、200-2和200-3的每个的第二压电层32时，压电元件200-1、200-2和200-3如虚线所示在方向R1-2、R2-2和R3-2上被极化。结果，可移动主体20在与压电元件200-1、200-2和200-3的极化方向相反的方向也就是逆时针方向上旋转。因此，根据以上结构可以实施能够旋转可移动主体20的具有非常简单结构的压电致动器。
在上述实施例中，尽管第一和第二压电层31和32每个被示出为单个压电材料层，但是本发明不限于此。可替代地，第一和第二压电层31和32每个可以是包括具有相同极化方向的多个压电材料层的多层结构。
图16和图17是根据本发明另一实施例的压电致动器的侧视图和平面图。图18是根据本发明实施例的图16和图17的压电元件300的透视图。图16和图17的压电致动器构造为允许可移动主体20具有平移运动和旋转运动。
参照图16至图18，三个压电元件300-1、300-2和300-3关于中心点C径向地布置。尽管在本实施例中三个压电元件300-1、300-2和300-3被示出为关于中心点C以120°的间隔布置，但是本发明的范围不限于此。如果需要，可以布置四个或更多压电元件300。此外，从中心点C到压电元件300-1、300-2和300-3的每个的距离不需要相同。而且，三个压电元件300-1、300-2和300-3不需要对称地布置。压电元件300的数目和布置可以被确定为使得适于可移动主体20的任何需要的驱动特性。
压电元件300具有以剪切模式操作并具有彼此垂直的极化方向的第一压电单元310和第二压电单元320堆叠的结构。第一压电单元310可以包括堆叠在彼此上的第一和第二压电层311和312。公共电极313可以布置在第一和第二压电层311和312之间。驱动电极314和315可以分别布置在第一压电层311的下表面和第二压电层312的上表面上。第二压电单元320可以包括堆叠在彼此上的第三和第四压电层321和322。公共电极323可以布置在第三和第四压电层321和322之间。驱动电极324和325可以分别布置在第三压电层321的上表面和第四压电层322的下表面上。绝缘层330可以提供在驱动电极315和325之间。端板350和340分别布置在驱动电极324的上表面和驱动电极314的下表面上。
第一压电单元310的极化方向为径向方向。此外，第一和第二压电层311和312的极化方向彼此相反。例如，第一压电层311的极化方向可以从中心点C到外部，而第二压电层312的极化方向可以从外部到中心点C。端板340被固定到固定主体10的表面11。
第一和第二压电单元310和320的极化方向彼此不同并可以垂直于径向方向，如图18所示。也就是，第二压电单元320的极化方向垂直于径向方向。第三和第四压电层321和322的极化方向彼此相反。例如，第三压电层321的极化方向关于中心点C为逆时针方向，而第四压电层322的极化方向为顺时针方向。端板350摩擦地接触可移动主体20的表面21。
可移动主体20可以通过驱动第一压电单元310而具有平移运动。详细的平移运动驱动过程与参照图9至图11描述的相同。也就是，由于压电元件300-1、300-2和300-3分别对应于图9至图11的压电元件30-1、30-2和30-3，所以这里省略对其的重复描述。
此外，可移动主体20可以通过驱动第二压电单元320而具有旋转运动。详细的旋转运动驱动过程与参照图15描述的相同。也就是，由于压电元件300-1、300-2和300-3分别对应于图15的压电元件200-1、200-2和200-3，所以这里省略对其的重复描述。
此外，当可移动主体20被图12的具有弯曲表面22的可移动主体20a替代时，可移动主体20a可以通过驱动第一压电单元310而具有倾斜运动。
根据上述结构，可以实施能够允许可移动主体20具有平移/旋转运动和倾斜运动的压电致动器。
尽管在上述实施例中第一至第四压电层311、312、321和322每个被示出为单个压电材料层，但是本发明的范围不限于此。第一至第四压电层311、312、321和322的每个可以具有以下结构，其中具有相同极化方向的多个压电材料层被堆叠。
用于检测可移动主体20的平移运动的位移的平移位移检测单元可以提供在能够允许图7的可移动主体20具有平移运动的压电致动器中。例如，平移位移检测单元可以通过基于提供在可移动主体20和固定主体10上的多个相对电极之间的电容变化的电容法来检测可移动主体20的平移运动的位移。图19示出在电容法中平移位移检测单元的示例。参照图19，第一和第二电极401和402可以提供在固定主体10上，而第三和第四电极403和404可以布置在可移动主体20上。第一和第二电极401和402可以提供在固定主体10的表面11上，而第三和第四电极403和404可以提供在可移动主体20的表面21上。例如，第一至第四电极401、402、403和404可以以字母“X”的形式布置。也就是，在具有参照位置R作为原点的平面坐标系统中，第一和第二电极401和402可以布置在第一和第三象限中，而第三和第四电极403和404可以布置在第二和第四象限中。
例如，当可移动主体20如图20所示在-X方向运动时，第二和第四电极402和404关于竖直方向彼此面对。空气例如存在于第二和第四电极402和404之间。因此，第二和第四电极402和404形成电容器。由第二和第四电极402和404形成的电容器的电容与第二和第四电极402和404的彼此面对的交叠区域的大小成比例。因此，可移动主体20在-X方向上的位移可以通过检测第二和第四电极402和404之间的电容的变化来检测。尽管没有在附图中示出，但是当可移动主体20在+X方向上运动时，第一和第三电极401和403布置得关于竖直方向彼此面对，形成电容器。因此，可移动主体20在+X方向上的位移可以通过检测第一和第三电极401与403之间的电容的变化来检测。
类似地，当可移动主体20在-Y方向上移动时，可移动主体20在-Y方向上的位移可以通过检测第二和第三电极402和403之间的电容的变化来检测。当可移动主体20在+Y方向上移动时，可移动主体20在+Y方向上的位移可以通过检测第一和第四电极401和404之间的电容的变化来检测。
参照图21A至图21D，当参考位置R如图21A所示存在于第一象限中时，第一电极401面对第三和第四电极403和404。当参考位置R如图21B所示存在于第二象限中时，第四电极404面对第一和第二电极401和402。当参考位置R如图21C所示存在于第三象限中时，第二电极402面对第三和第四电极403和404。当参考位置R如图21D所示存在于第四象限中时，第三电极403面对第一和第二电极401和402。因此，可移动主体20在特定方向上的位移可以通过检测面对的电极之间的电容的变化来检测。
第一至第四电极401、402、403和404的形状不限于图19至图21中示出的那些。考虑到压电致动器的形状和压电元件的布置，第一至第四电极401、402、403和404可以实施为具有适于检测平移运动的形状。此外，电极的数目不限于4。
具有图19的形状的平移位移检测单元可以被应用于检测压电致动器中可移动主体20的倾斜角，该压电致动器允许图12的可移动主体20具有倾斜运动。在此情形下，由于相对电极之间的距离连同彼此面对的相对电极之间的区域变化，所以考虑这些因素可以检测电容的变化。
可移动主体20的倾斜角可以基于被平移位移检测单元检测的位移来计算。在图12中，固定主体10的表面11形成为对应于可移动主体20的表面22的弯曲形状，因此相对电极之间的距离可以不改变。
用于检测可移动主体20的旋转运动的位移的电容型旋转位移检测单元可以提供在能够允许图14的可移动主体20具有旋转运动的压电致动器中。例如，参照图22，具有半圆带形的第一电极501提供在图1的固定主体10的表面11上，而具有半圆带形的第二电极502提供在与其对应的可移动主体20的表面21上。随着可移动主体20旋转，第一和第二电极501和502之间的彼此面对的区域改变。也就是，随着可移动主体20开始旋转，电容逐渐增大。当第一和第二电极501和502彼此完全重叠并且可移动主体20继续旋转时，电容逐渐减小。因此，可移动主体20的旋转位移可以通过检测第一和第二电极501和502之间的电容根据可移动主体20的旋转的变化来检测。
为了检测旋转方向，例如，第一电极501可以被分为两个。参照图23，第一电极501可以包括第一和第二划分电极501-1和501-2。
当可移动主体20在顺时针方向旋转时，第二划分电极501-2和第二电极502之间的电容首先增大。在第二划分电极501-2和第二电极502之间的电容达到最大值之后，第二划分电极501-2和第二电极502之间的最大电容被保持并且第一划分电极501-1和第二电极502之间的电容增大。在第一划分电极501-1和第二电极502之间的电容达到最大值之后，第一划分电极501-1和第二电极502之间的最大电容被保持并且第二划分电极501-2和第二电极502之间的电容减小。接下来，第一划分电极501-1和第二电极502之间的电容减小。
当可移动主体20逆时针方向旋转时，第一划分电极501-1和第二电极502之间的电容首先增大。在第一划分电极501-1和第二电极502之间的电容达到最大值之后，第一划分电极501-1和第二电极502之间的最大电容被保持并且第二划分电极501-2和第二电极502之间的电容增大。在第二划分电极501-2和第二电极502之间的电容达到最大值之后，第二划分电极501-2和第二电极502之间的最大电容被保持并且第一划分电极501-1和第二电极502之间的电容减小。接下来，第二划分电极501-2和第二电极502之间的电容减小。
表1是以上过程的总结。表1示出，可移动主体20的旋转方向和可移动主体20的旋转位移可以通过追踪电容的改变过程来看到。
[表1]
Figure BDA00002240153900151
在表1中，CW表示顺时针，CCW表示逆时针。
除了上述方法之外，位移检测单元可以通过电阻法来构造，电阻法利用根据固定主体10和可移动主体20的平移位移或旋转位移的电阻的变化。在此情形下，位移检测单元可以包括提供在固定主体10和可移动主体20的至少一个上的电阻图案以及用于连接固定主体10和电阻图案和/或可移动主体20和电阻图案的探针。随着可移动主体20移动，探针和电阻图案之间的接触位置改变。因而，连接探针和电阻图案的电路的电阻改变。因此，可移动主体20的位移可以通过检测电阻的变化来检测。此外，位移检测单元可以通过旋转的编码器或线性编码器来实施。
图24示出根据本发明另一实施例的压电致动器。参照图24，贯通部分13和23分别提供在固定主体10和可移动主体20中。贯通部分13和23可以形成为彼此连通并通过贯穿固定主体10和可移动主体20的中央部分而形成。根据上述结构，采用压电致动器的装置的其它构成元件可以移动通过贯通部分13和23。当压电致动器应用到光学设备时，光可以穿过贯通部分13和23。因此，可以改善采用压电马达的装置的设计自由度。
应当理解，这里描述的示范性实施例应当仅以描述性的含义来理解，而不是为了限制的目的。在每个实施例内的特征或方面的描述应当通常被认为可应用于其它实施例中的其它类似特征或方面。
本申请要求于2012年1月31日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0009740的权益，其公开内容通过引用整体结合于此。

Claims (27)

1.一种压电致动器，包括：
固定主体；
可移动主体，布置为面对所述固定主体；以及
多个压电元件，布置在所述固定主体与所述可移动主体之间并以剪切模式操作，每个压电元件具有固定到所述固定主体的一端以及接触所述可移动主体的另一端，
其中所述多个压电元件的每个的极化方向彼此不同。
2.如权利要求1所述的压电致动器，其中所述多个压电元件的每个包括具有相反的极化方向的第一压电层和第二压电层。
3.如权利要求2所述的压电致动器，其中所述第一和第二压电层彼此堆叠。
4.如权利要求1所述的压电致动器，还包括弹性构件，该弹性构件具有接触所述固定主体的一端以及将所述可移动主体弹性挤压抵靠所述多个压电元件的另一端。
5.如权利要求1所述的压电致动器，其中磁体布置在所述可移动主体和所述固定主体中的至少一个上，所述可移动主体通过所述磁体的磁力来挤压抵靠所述多个压电元件。
6.如权利要求1所述的压电致动器，通过所述多个压电元件与所述可移动主体之间的滑动粘附操作而能够具有平移运动。
7.如权利要求1所述的压电致动器，其中所述多个压电元件的数目为三个或更多，所述极化方向为径向方向或垂直于所述径向方向的方向。
8.如权利要求1所述的压电致动器，其中所述可移动主体的接触所述多个压电元件的表面是弯曲表面，所述可移动主体通过所述多个压电元件而具有倾斜运动。
9.如权利要求8所述的压电致动器，还包括用于在所述弯曲表面的切线方向上支撑所述多个压电元件的支撑部。
10.如权利要求1所述的压电致动器，还包括用于检测所述可移动主体的位移的位移检测单元。
11.如权利要求10所述的压电致动器，其中所述位移检测单元包括多个电极，该多个电极布置在所述可移动主体和所述固定主体的彼此面对的表面上并用于根据所述可移动主体的位置的变化来检测所述多个电极之间的电容的变化。
12.一种压电致动器，包括：
固定主体；
可移动主体，布置为面对所述固定主体；以及
至少一个压电元件，布置在所述固定主体与所述可移动主体之间并以剪切模式操作，所述压电元件具有固定到所述固定主体的一端以及接触所述可移动主体的另一端，
其中所述至少一个压电元件的每个包括第一和第二压电单元，所述第一压电单元的极化方向和所述第二压电单元的极化方向彼此不同。
13.如权利要求12所述的压电致动器，其中所述第一和第二压电单元中的至少一个包括具有相反的极化方向的第一压电层和第二压电层。
14.如权利要求13所述的压电致动器，其中所述第一和第二压电层彼此堆叠。
15.如权利要求12所述的压电致动器，其中所述第一压电单元的极化方向和所述第二压电单元的极化方向彼此垂直。
16.如权利要求15所述的压电致动器，其中所述第一和第二压电单元彼此堆叠。
17.如权利要求12所述的压电致动器，其中所述可移动主体通过自身重力、弹性力和磁力中的至少一个而挤压抵靠所述至少一个压电元件。
18.如权利要求12所述的压电致动器，其中所述可移动主体的接触所述至少一个压电元件的表面是平坦表面。
19.如权利要求12所述的压电致动器，通过所述至少一个压电元件与所述可移动主体之间的滑动粘附操作而能够具有平移运动和旋转运动。
20.如权利要求12所述的压电致动器，其中所述可移动主体的接触所述至少一个压电元件的表面是弯曲表面，所述可移动主体通过所述至少一个压电元件而具有倾斜运动。
21.如权利要求20所述的压电致动器，其中用于在所述弯曲表面的切线方向上支撑所述至少一个压电元件的支撑部被提供在所述固定主体上。
22.如权利要求12所述的压电致动器，还包括用于检测所述可移动主体的位移的位移检测单元，其中所述位移检测单元包括布置在所述可移动主体和所述固定主体的彼此面对的表面上的多个电极。
23.一种压电致动器，包括：
固定主体；
可移动主体，布置为面对所述固定主体；
多个压电元件，布置在所述固定主体与所述可移动主体之间并以剪切模式操作，每个压电元件具有固定到所述固定主体的一端以及接触所述可移动主体的另一端，
其中所述多个压电元件的每个的极化方向彼此不同，所述多个压电元件的每个包括第一压电层和第二压电层，所述第一压电层的极化方向和所述第二压电层的极化方向彼此垂直，所述固定主体和所述可移动主体中的至少一个包括贯通部。
24.如权利要求22所述的压电致动器，其中所述第一压电层的极化方向和所述第二压电层的极化方向之一是径向方向或垂直于所述径向方向的方向。
25.如权利要求23所述的压电致动器，通过所述多个压电元件与所述可移动主体之间的滑动粘附操作而能够具有平移运动。
26.如权利要求23所述的压电致动器，其中所述可移动主体通过自身重力、弹性力和磁力中的至少一个而挤压抵靠所述多个压电元件。
27.如权利要求23所述的压电致动器，还包括用于检测所述可移动主体的位移的位移检测单元，其中所述位移检测单元包括布置在所述可移动主体和所述固定主体的彼此面对的表面上的多个电极。
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