CN103296194B - 压电致动装置 - Google Patents

Abstract

一种压电致动装置包括承载体、至少一个压电单元、至少一个连动元件以及移动元件。压电单元设置于承载体，并包含至少一个压电蜂鸣片。连动元件与压电单元对应设置，连动元件的一端顶抵压电蜂鸣片。移动元件与连动元件连结。当压电蜂鸣片致动时带动连动元件移动，进而带动移动元件移动。本发明具有低成本的优点，又可达到次纳米级的致动分辨率。

Description

压电致动装置

技术领域

本发明涉及一种致动装置，特别涉及一种压电致动装置。

背景技术

纳米级（Nanometerscale）精密定位是纳米科技研发中不可或缺的技术，其应用领域相当广泛，例如可应用于扫描探针显微术（ScanningProbeMicroscopy,SPM）或原子力显微术（AtomicForceMicroscopy,AFM）、扫描式电子显微镜（ScanningElectronMicroscope,SEM）、微探针或微试管的致动调整平台、纳米级分辨率的光路架构、纳米级分辨率的微型机械手臂或光学系统的位移平台等。

以原子力显微镜为例，已知一种原子力显微镜的致动平台使用压电管（Piezoelectrictube）致动器来达到纳米级的致动分辨率，然而，虽然压电管致动器可达到纳米级的精密定位，但是其成本相当高，除了较高级的国家级实验室拥有足够经费可购置外，其它的大专院校、中级学校或一般研究机构的实验室常碍于经费的问题而无法购买，造成研究及教学上的困难。

因此，如何提供一种压电致动装置，可具有低成本的优点，又可达到次纳米级的致动分辨率，已成为重要课题之一。

发明内容

有鉴于上述课题，本发明的目的是提供一种具有低成本的优点，又可达到次纳米级的致动分辨率的压电致动装置。

为达上述目的，依据本发明的一种压电致动装置包括承载体、至少一个压电单元、至少一个连动元件以及移动元件。压电单元设置于承载体，并包含至少一个压电蜂鸣片。连动元件与压电单元对应设置，连动元件的一端顶抵压电蜂鸣片。移动元件与连动元件连结。当压电蜂鸣片致动时带动连动元件移动，进而带动移动元件移动。

在一个实施例中，当压电单元的数量为复数时，这些压电单元分别设置于承载体的相反侧。

在一个实施例中，当压电单元的数量为复数时，这些压电单元设置于承载体的同一侧。

在一个实施例中，压电蜂鸣片具有设置于承载片上的压电陶瓷片。

在一个实施例中，压电陶瓷片黏合于承载片。

在一个实施例中，承载片的材料包含不锈钢、铜、铝、镍、碳纤维或导电陶瓷。

在一个实施例中，压电陶瓷片的面积小于或等于承载片的面积。

在一个实施例中，当压电蜂鸣片的数量为复数时，这些压电蜂鸣片重迭设置。

在一个实施例中，连动元件包含螺丝、螺杆或连杆。

在一个实施例中，压电致动装置还包括壳体，承载体设置于该壳体。

在一个实施例中，压电致动装置为微调定位平台。

在一个实施例中，压电致动装置应用于扫描探针显微术、电子显微镜、微探针或微试管的纳米级致动调整平台、纳米级分辨率的光路架构、纳米级分辨率的微型机械手臂或光学系统的位移平台。

承上所述，根据本发明的压电致动装置包括承载体、至少一个压电单元、至少一个连动元件以及移动元件，其中，压电单元包含至少一个压电蜂鸣片，且当压电蜂鸣片致动时可带动连动元件移动，进而可带动移动元件移动。因此，本发明的压电致动装置具有低成本的优点，又可达到次纳米级的致动分辨率。另外，也由于使用压电蜂鸣片作为压电致动装置的致动元件，故本发明的压电致动装置也具有低电压驱动的优点，使用者若不慎触碰时也不会有危险。

附图说明

图1所示为本发明优选实施例的一种压电致动装置的剖视示意图；

图2A为压电蜂鸣片的示意图；

图2B及图2C分别为压电蜂鸣片的不同动作示意图；

图2D至图2F分别为复数个压电蜂鸣片的组合示意图；

图3A为图1的压电致动装置的承载体及致动单元的立体示意图；

图3B为不同形态的压电致动装置的承载体及致动单元的立体示意图；

图4为本发明另一实施例的压电致动装置的立体示意图；

图5A及图5B分别为本发明的压电致动装置的动作示意图；

图6为本发明另一形态的压电致动装置的示意图；

图7A及图7B分别为本发明的压电致动装置的不同应用示意图；以及

图8A及图8B分别为本发明的压电致动装置应用于原子力显微镜的实际的扫描结果示意图。

【主要元件符号说明】

1、1a、1b、1c：压电致动装置

11、21、3：承载体

111：凹槽

12、22：压电单元

121、221：压电蜂鸣片

121a：压电陶瓷片

121b：承载片

13、13a、23：连动元件

14、14a：移动元件

141：顶面

142：端

15：壳体

25：样品台

C：连接元件

H：光学元件

L：光束

O：待测物

P：扫描探针

S：间隔片

X、-X、Y、Z、-Z：方向

α、β：位移量

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明根据本发明优选实施例的一种压电致动装置，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。

请参照图1所示，其为本发明优选实施例的一种压电致动装置1的剖视示意图。本发明的压电致动装置1可为微调定位平台，并例如可作为光学元件（例如光学头）或样品的纳米级微调定位平台，且可应用于例如扫描探针显微术、电子显微镜、微探针或微试管的纳米级致动调整平台、纳米级分辨率的光路架构、纳米级分辨率的微型机械手臂或光学系统的位移平台等，在此并不加以限制其应用范围。

压电致动装置1包括承载体11、至少一个压电单元12、至少一个连动元件13以及移动元件14。

承载体11可为承载座或承载壳体，以提供压电单元12固设的地方，在此，以承载体11为承载座为例，而压电单元12设置于承载座上。

压电单元12可包含至少一个压电蜂鸣片121（PiezoelectricBuzzer）。请先参照图2A所示，压电蜂鸣片121可具有设置于承载片121b上的压电陶瓷片（PiezoelectricCeramicElement）121a。一般而言，压电陶瓷片121a经压电陶瓷材料高压极压化后印刷而成薄片状，所以厚度上大约小于0.2mm或更薄。其中，压电陶瓷片121a的面积可小于或等于承载片121b的面积，并可例如使用银胶（图未显示）将压电陶瓷片121a黏合于承载片121b，在此，以压电陶瓷片121a的面积小于承载片121b的面积为例。当例如交流电压连接至压电蜂鸣片121时，会因为压电陶瓷片121a的逆压电效应而使承载片121b产生机械变形。如图2B及图2C所示，不同极性的驱动电压可使压电蜂鸣片121产生往上或往下的翘曲，而使得压电蜂鸣片121的中央部分具有平行于方向Z的位移。利用此特性可使承载片121b产生振动，或可使承载片121b发出声响，并可例作为振动元件或喇叭（speaker）而安装于电子装置上使用。

其中，承载片121b的材料可为导电材料，并可例如为不锈钢、铜、铝、镍、碳纤维或导电陶瓷等。在此，并不加以限制。当承载片121b为压缩率较小的材料（例如为金属、合金、碳纤、陶瓷等等）而具有较高的刚性时，承载片121b因翘曲而产生形变的位移量则较小，但是因压缩率较小的材料的刚性较高，故较适合于高频上的应用，例如可应用于扫描式原子力显微镜的扫描探针。

另外，在其它的实施方式中，当压电单元12的压电蜂鸣片121为复数时，这些压电蜂鸣片121可重迭设置。在此，如图2D所示，以两个压电蜂鸣片121反置（即两个承载片121b背对背连接）而重迭为例。因此，可通过重迭设置的这些压电蜂鸣片121的形变而得到较大的结构刚性。也可如图2E所示，在两个压电蜂鸣片121之间夹置刚性较高的间隔片S，通过刚性较高的间隔片S使这些压电蜂鸣片121得到的形变位移量较小。因具有刚性较高的间隔片S使整体的刚性较强，也较适合于高频上的应用，使位移的频率提高，例如也可应用于扫描式原子力显微镜的扫描探针。

另外，在其它的实施例中，若要提供大位移的致动行程时，则可如图2F所示，将一片压电蜂鸣片221容置于承载体3内，并将两组压电蜂鸣片221及承载体3之间通过连接元件C将其串联。在此，通过两连接元件C将三组压电蜂鸣片221及承载体3迭设串联为例。通过三片压电蜂鸣片221之间的电性连接并供给相同电压给三片压电蜂鸣片221时，可使各压电蜂鸣片221获得各自的形变位移，经由三组串联就可得到数倍（例如为3倍）的致动行程而可获得大位移的致动输出。

请同时参照图1及图3A所示，其中，图3A为图1的压电致动装置1的承载体11及致动单元12的立体示意图。为了清楚说明，图3A为图1的仰视示意图，且只显示图1的承载体11及压电单元12。

在本实施例中，以压电单元12（压电蜂鸣片121）的数量为四，并且两两分别嵌入于承载体11的相反侧上的对应凹槽111内为例，而压电单元12各具有一个压电蜂鸣片121。另外，同一侧的两只压电蜂鸣片121中，一个压电蜂鸣片121的压电陶瓷片121a朝上放置，而另一个压电蜂鸣片121的压电陶瓷片121a朝下放置（承载片121b朝上）。

另外，当承载体11的面积较大时或这些压电单元12（压电蜂鸣片121）的面积较小时，也可例如图3B所示，将这些压电单元12设置于承载体11同一侧的对应凹槽111内，且可为两个压电陶瓷片121a朝上，另两个压电陶瓷片121a朝下，或者全部的压电陶瓷片121a朝上，或为其它的设置方式，在此，均不加以限定。

请再参照图1所示，连动元件13与压电单元12对应设置，且连动元件13的一端顶抵压电单元12。在此，以四个连动元件13对应四个压电单元12为例。另外，连动元件13的一端顶抵压电蜂鸣片121，并与移动元件14连结。当压电蜂鸣片121致动时，可带动连动元件13移动，进而可带动移动元件14移动。

在本实施例中，连动元件13以螺丝为例，而移动元件14以长条状（或管状）物体为例。其中，螺丝的一端顶抵压电蜂鸣片121，而螺丝的另一端穿设移动元件14的顶面141，并连接移动元件14。通过螺丝可调整移动元件14的水平情况，并可连动移动元件14。在其它的实施例中，连动元件13也可例如包含螺杆或连杆，而移动元件14也可为杆状物或平台。例如图4的另一实施方式的压电致动装置1a的立体示意图所示，连动元件13a可分别为连杆，而移动元件14a以平台为例，而连动元件13a的两端分别与压电单元12及移动元件14a连结。

请分别参照图5A及图5B所示，其分别为本发明的压电致动装置1的动作示意图。

如图5A及图5B所示，在此，只显示设置于承载体11的一侧（下侧）的两压电单元12（压电蜂鸣片121）及对应的两个连动元件13，而设置于承载体11的另一侧（上侧）的两个压电单元12（压电蜂鸣片121）并不显示。

如图5A所示，例如可供电给两个压电蜂鸣片121，并使图5A左侧的压电蜂鸣片121往上翘曲，且使图5A右侧的压电蜂鸣片121往下翘曲而分别产生形变，通过两个压电蜂鸣片121可推动两个连动元件13连动，而两个连动元件13的连动可带动移动元件14往左侧偏移而产生方向-X的位移。

另外，如图5B所示，例如可供电并使图5B左侧的压电蜂鸣片121往下翘曲，并使图5B右侧的压电蜂鸣片121往上翘曲而分别产生形变，通过连动元件13的连动可带动移动元件14往右侧偏移而产生方向X的位移。同理，也可通过设置于承载体11的另一侧（上侧）的两个压电单元12的供电控制而带动移动元件14产生方向-Y及Y的位移（图未显示），或者可通过控制供电给不同组合的这些压电单元12（压电蜂鸣片121），使得移动元件14产生X-Y平面或方向Z上的移动，在此，均不加以限制。

此外，如图5B所示，虽然图5B的压电蜂鸣片121往上翘曲而产生向上的形变位移量α相当小，但通过移动元件14的作用，可使移动元件14往右的位移量β远大于位移量α，进而放大设置于移动元件14的一端142的对象的行程。

请参照图6所示，其为本发明另一模式的压电致动装置1b的示意图。

与压电致动装置1不同的是，压电致动装置1b还可包括壳体15，而承载体11、压电单元12、连动元件13及移动元件14设置于壳体15。通过壳体15可承载及保护承载体11、压电单元12、连动元件13以及移动元件14等元件。当然，承载体11也可以和壳体15一体成型，而使得压电单元12直接设置于壳体15。

另外，请参照图7A所示，其为压电致动装置1b应用于原子力显微镜的应用示意图。

在此，压电致动装置1b作为原子力显微镜的纳米级微调定位平台。其中，在压电致动装置1b的移动元件14的一端142设置光学元件H（例如为光学头），并可发射光束L（例如激光）照射扫描探针P，以通过扫描探针P检测待测物O表面的结构状况。其中，当光束L照射扫描探针P后，光束L可被反射而被光感测元件（图未显示）接收，进而由此控制压电致动装置1b的移动元件14的移动，并使得扫描探针P的探针头与待测物O表面之间的某种交互作用维持一定值。而由光感测元件所接收并控制压电致动装置1b的移动元件14的位置的微调数据就是与待测物O表面的交互作用数据，所对应的即为待测物11的表面结构数据，由此可得到待测物O的表面结构形状。

另外，请参照图7B所示，其为压电致动装置1c的另一应用示意图。

对此，压电致动装置1c也可作为样品的纳米级微调定位平台。其中，在压电致动装置1c的移动元件14的一端142设置另一承载体21，并在承载体21上设置另一压电单元22，且设置对应的连动元件23及与连动元件23连结的样品台25。样品台25可用以置放样品（图未显示），以将其作为纳米级微调定位平台。其中，通过供电而控制压电单元22往上或往下形变而可分别使样品台25的样品产生平行方向Z的位移。

此外，请分别参照图8A及图8B所示，其分别为本发明的压电致动装置1b应用于原子力显微镜的实际扫描结果示意图。

因本发明的压电致动装置1b使用市面上常见且价格便宜的压电蜂鸣片121来作为致动元件，因此仍会有压电材料迟滞与非线性的特性，不过，可轻易地改变驱动压电蜂鸣片121的电压准位来进行校准的工作。

其中，图8A及图8B分别显示为图7A的原子力显微镜未校准前及校准后，实际应用于扫描样品的结果。在此，样品上有高度为20nm的方形台阶和1～2nm的中间台阶。由图8A及图8B的扫描图像显示，应用压电致动装置1b在原子力显微镜进行扫描时，其稳定度相当高，且可达到纳米等级的扫描分辨率。另外，图8A的扫描范围约为10.9μm，方向X和方向Y的单位长度比例约为1：0.7，使得扫描得到的方形看起来像菱形。另外，如图8B所示，提供驱动电压的校准后（例如调整驱动方向X与方向Y位移的驱动电压），即可让方向X和方向Y有相同的扫描比例，并可得到较为锐利的方形。

此外，也由于压电致动装置1b使用压电蜂鸣片121来作为致动元件，因此，设计上只需提供约±10V的电压就可达到10μm的位移行程。相较于公知的压电致动器（需要150V以上的电压）而言，所需的驱动电压相对低许多，故使用者若不慎触碰时也不会发生危险。

综上所述，本发明的压电致动装置包括承载体、至少一个压电单元、至少一个连动元件以及移动元件，其中，压电单元包含至少一个压电蜂鸣片，且当压电蜂鸣片致动时可带动连动元件移动，进而可带动移动元件移动。由此，使本发明的压电致动装置具有低成本的优点，又可达到次纳米级的致动分辨率。另外，也由于使用压电蜂鸣片作为压电致动装置的致动元件，故本发明的压电致动装置也具有低电压驱动的优点，使用者若不慎触碰时也不会有危险。

以上所述仅为举例性，而非为限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求范围中。

Claims (11)

1.一种压电致动装置，包括：

一承载体；

多个压电单元，设置于该承载体，所述压电单元各包含一个压电蜂鸣片；

多个连动元件，与所述压电单元对应设置，所述连动元件的一端顶抵所述压电蜂鸣片；以及

一移动元件，与所述连动元件连结，

其中，当对所述压电蜂鸣片施加不同极性的驱动电压时，所述多个压电蜂鸣片的其中一部分产生往上翘曲的形变，且所述多个压电蜂鸣片的其中另一部分产生往下翘曲的形变，而带动所述连动元件移动，进而带动该移动元件在平面方向上进行移动，

其中所述压电蜂鸣片具有设置于承载片上的压电陶瓷片，位于所述承载体的同一侧且分别设于不同所述压电单元的两只压电蜂鸣片中，一个所述压电蜂鸣片的所述压电陶瓷片朝上放置，而另一个所述压电蜂鸣片的所述压电陶瓷片朝下放置。

2.如权利要求1所述的压电致动装置，其中所述压电单元分别设置于该承载体的相反侧。

3.如权利要求1所述的压电致动装置，其中所述压电单元设置于该承载体的同一侧。

4.如权利要求1所述的压电致动装置，其中所述压电陶瓷片黏合于所述承载片。

5.如权利要求1所述的压电致动装置，其中所述承载片的材料包含不锈钢、铜、铝、镍、碳纤维或导电陶瓷。

6.如权利要求1所述的压电致动装置，其中所述压电陶瓷片的面积小于或等于所述承载片的面积。

7.如权利要求1所述的压电致动装置，其中当所述压电单元各包含多个压电蜂鸣片时，所述压电蜂鸣片重迭设置。

8.如权利要求1所述的压电致动装置，其中该连动元件包含螺丝、螺杆或连杆。

9.如权利要求1所述的压电致动装置，还包括：

壳体，该承载体设置于该壳体。

10.如权利要求1所述的压电致动装置，其为微调定位平台。

11.如权利要求1所述的压电致动装置，其应用于扫描探针显微镜、电子显微镜、微探针或微试管的纳米级致动调整平台、纳米级分辨率的光路架构、纳米级分辨率的微型机械手臂或光学系统的位移平台。