CN110224634A - 压电陶瓷位移驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷位移驱动器，包括弯曲位移叠堆和摆臂。弯曲位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成或多层共烧工艺直接制作而成，压电陶瓷片的表面覆盖间隔开的电极层从而形成第一组电极层和第二组电极层，运行时先向第一组电极层加电，使弯曲位移叠堆形成一定角度的弯曲，然后再向第二组电极层加电，使弯曲位移叠堆恢复竖直状态，再将第一组电极层或第二组电极层的电压降低至零，使弯曲位移叠堆再次形成一定角度的弯曲，从而使动子往复摆动或向同一方向移动。而摆臂用于放大所述弯曲位移叠堆的位移量。本发明的压电陶瓷位移驱动器具有更高的位移精度，可以做到更强的驱动力和更低的驱动电压，以及更好的环境特性和使用寿命。

Description

压电陶瓷位移驱动器

技术领域

本发明涉及集成电路装备制造领域，更具体的涉及一种高精度的压电陶瓷位移驱动器。

背景技术

近年来，随着大规模集成电路器件集成度不断提高，工件台的精度需求不断提高，尤其是在光刻机和膜厚检测中的载台以及物镜的调控等模块的运动精度，运动行程随着工件台需求的提高而逐年提升。位移驱动技术也在不断的改进，使压电陶瓷微位移驱动器得到大量的应用。现阶段，在精密驱动中主要的方式有：机械丝杠、直线电机和压电陶瓷致动器，而在纳米级的位移驱动中主要是压电陶瓷位移驱动器。现有技术中，压电陶瓷位移驱动器的驱动模式主要有以下几种：

(1)、采用多个厚度位移叠堆的组合，形成对动子的加压和驱动动作，结构复杂，造价昂贵，制作工艺复杂，不容易商业化。

(2)、利用单个叠堆内分割电极，单个叠堆的左右电极分别加入sin(wt)和COS(wt)的电场，使压电陶瓷摆动，通过多个压电陶瓷叠堆形成连续的动子的驱动力，使动子能连续快速的运动，这种结构复杂且对多个叠堆平整度要求高，且无位移精度。

(3)、利用四组厚度位移叠堆和切向位移叠堆的组合驱动中心轴步进式运动，这种叠堆在制作中切向压电叠堆在制作过程中工艺复杂，且需要有机胶体进行粘接，不能用共烧工艺实现，由于有机胶体的存在，使压电陶瓷位移驱动器在抗时间老化和在较恶劣温度和光照环境下，很容易出现失效。

(4)、利用双晶片结构弯曲摆动对动子进行驱动，结构简单但是在陶瓷厚度厚时，需要很高的电压才能驱动，而瓷片厚度薄时，驱动力弱，且由于内应力大，容易使瓷片断裂，使实际应用中使用寿命较短。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电陶瓷位移驱动器，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种压电陶瓷位移驱动器，用于驱动电机的动子运动，所述压电陶瓷位移驱动器包括弯曲位移叠堆和摆臂，所述弯曲位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成，也可以是共烧形成，其中，所述弯曲位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖间隔开的电极层从而形成第一组电极层和第二组电极层，

运行时先向所述第一组电极层加电，使所述弯曲位移叠堆形成一定角度的弯曲，然后再向第二组电极层加电，使所述弯曲位移叠堆恢复竖直状态，再将所述第一组电极层或所述第二组电极层的电压降低至零，使所述弯曲位移叠堆再次形成一定角度的弯曲，从而使动子往复摆动或向同一方向移动，以及所述摆臂用于放大所述弯曲位移叠堆的位移量。

在一个实施例中，所述压电陶瓷位移驱动器还包括厚度位移叠堆，所述厚度位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成，所述厚度位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖全电极层。

在一个实施例中，所述摆臂的一端与所述动子接触，以及所述摆臂的另一端与所述弯曲位移叠堆或厚度位移叠堆接触，所述厚度位移叠堆用于使所述动子未进行动作时所述摆臂与所述动子的分离，而在所述动子在进行动作时，使所述摆臂与所述动子接触并施加一定的压力。

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的一端连接所述弯曲位移叠堆，以及所述厚度位移叠堆的另一端连接所述摆臂。

在一个实施例中，所述弯曲位移叠堆的一端连接所述厚度位移叠堆，以及所述弯曲位移叠堆的另一端连接所述摆臂。

在一个实施例中，所述摆臂的一端连接厚度位移叠堆，以及所述摆臂的另一端连接所述弯曲位移叠堆。

在一个实施例中，所述压电陶瓷位移驱动器包括多个所述弯曲位移叠堆和/或多个所述厚度位移叠堆。

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是共烧叠堆，和/或所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是有机胶粘剂粘接叠堆，和/或所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是玻璃浆料烧结工艺形成的叠堆。

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆、弯曲位移叠堆和摆臂之间的连接是共烧连接、和/或有机胶黏剂粘接连接、和/或玻璃浆料烧结工艺连接。

在一个实施例中，所述摆臂的截面形状为矩形、三角形、半球形、倒T形和/或所述摆臂的底面为方形而顶部为圆弧形、半球形和/或倒T形；

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的电极层是完全电极的或所述电极层的边缘距离陶瓷边缘间距位于0-1mm之间；

在一个实施例中，所述弯曲位移叠堆的电极层是由分割开的两部分或多个部分的分割电极组成，其中两部分内电极的距离间隙位于0.1mm-2mm之间；

在一个实施例中，所述压电陶瓷位移驱动器的截面边长范围位于1mm-50mm之间；

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的高度位于0.1mm-100mm之间；

在一个实施例中，所述弯曲叠堆的高度可以位于0.1mm-100mm之间；

在一个实施例中，所述摆臂的高度位于0.1mm-100mm之间。

本发明的压电陶瓷位移驱动器可以对外输出切向的作用力和切向的位移，其还可以提供X、Y、Z多个自由度的位移和作用力，并可以通过一次共烧成型的制作方式制成。与现有的压电陶瓷驱动器相比，本发明有更高的位移进度，可以做到更强的驱动力和更低的驱动电压，以及更好的环境特性和使用寿命。

附图说明

图1是本发明一实施例的压电陶瓷位移驱动器截面示意图。

图2A-D是示出图1的压电陶瓷位移驱动器的动作的示意图。

图3是图1的压电陶瓷位移驱动器的电极层极化方向和电场施加状态示意图。

图4是本发明一实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。

图5是本发明一实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。

图6是本发明一实施例的弯曲位移叠堆的电极结构示意图。

图7是本发明一实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。

图8是本发明一实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况下来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

本发明的高精度压电陶瓷位移驱动器包含弯曲位移叠堆和摆臂两个模块，弯曲位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成，这些弯曲位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖间隔开的电极层从而形成第一组电极层和第二组电极层，运行时先向所述第一组电极层加电，使弯曲位移叠堆形成一定角度的弯曲，然后再向第二组电极层加电，使弯曲位移叠堆恢复竖直状态，再将第一组电极层或第二组电极层的电压降低至零，使所述弯曲位移叠堆再次形成一定角度的弯曲，从而使动子往复摆动或向同一方向移动，而摆臂用于放大弯曲位移叠堆的位移量。

在另一个实施例中，高精度压电陶瓷位移驱动器包含厚度位移叠堆、弯曲位移叠堆和摆臂三个模块。厚度位移叠堆为陶瓷表面是全电极的叠堆，弯曲位移叠堆单层瓷片表面电极为分割电极形式，先一边不加电，而另外一边电极加电，使叠堆形成一定角度的弯曲，然后另外未加电的叠堆开始加电，到叠堆两边位移一致时，叠堆回复到垂直状态，再将一边的电压降低至零，使叠堆继续向另外一边摆动，从而达到形成一定的切向位移在目的，这一个运动过程中，厚度位移叠堆可以使摆臂在未进行动作时与动子分离开，而在进行动作时，使摆臂与动子接触并施加一定的压力；同时在摆动过程中根据需要，厚度位移叠堆位移可以平衡垂直方向的位移波动；而摆臂用于放大位移量。

在具体结构上，本压电陶瓷位移驱动器结构可以是厚度位移叠堆两端分别连接弯曲位移叠堆和摆臂，也可以是弯曲位移叠堆两端分别连接厚度位移叠堆和摆臂，也可以是摆臂两端分别连接厚度位移叠堆和弯曲位移叠堆，也可以是直接弯曲位移叠堆和摆臂连接，也可以是弯曲位移叠堆和厚度位移叠堆连接；也可以有多个的弯曲位移叠堆和厚度位移叠堆和摆臂的连接。

本压电陶瓷位移驱动器结构厚度位移叠堆和弯曲位移叠堆可以是共烧叠堆，也可以是有机胶粘剂粘接叠堆，也可以是玻璃浆料烧结工艺形成的叠堆，以及厚度位移叠堆、弯曲位移叠堆和摆臂之间的连接可以是共烧的连接，也可以是有机胶黏剂粘接连接，也可以是玻璃浆料烧结工艺连接。

摆臂的形状可以是方形的，可以是三角形的，可以是底面方形而顶部是圆弧形的，可以是半球形的，可以是倒T形的。

本压电陶瓷位移驱动器的厚度位移叠堆、弯曲位移叠堆、摆臂的截面可以是方形的也可以是长方形的，也可以是圆形的，也可以是圆环形状的。

本压电陶瓷位移驱动器厚度位移叠堆的电极可以是完全电极的，也可以是电极边缘距离陶瓷边缘间距0-1mm，弯曲位移叠堆的内电极是由两部分或多个部分的分割电极组成的，两部分内电极的距离间隙在0.1mm-2mm之间。

在一个实施例中，整个压电陶瓷位移驱动器的截面边长范围在1mm-50mm，厚度位移叠堆高度可以位于0.1mm-100mm之间，弯曲叠堆的高度可以位于0.1mm-100mm之间，摆臂的高度可以位于0.1mm-100mm之间。

下面参照附图1-8对本发明的一些实施例进行详细描述。

图1是本发明第一实施例的高精度的压电陶瓷位移驱动器截面示意图。图2A-D示出图1的压电陶瓷位移驱动器的动作的示意图，图3是图1的压电陶瓷位移驱动器的电极层极化方向和电场施加状态示意图。如图1-3所示，压电陶瓷位移驱动器包括厚度位移叠堆101、弯曲位移叠堆102、摆臂103。其中厚度位移叠堆101连接底座30、摆臂103接触动子20。其中厚度位移叠堆101由10层0.5mm厚度压电陶瓷片106上下面覆着全电极层107组合而成，相邻两片压电陶瓷片106的极化方向相反，如图3a-3d所示。

弯曲位移叠堆102由10层厚度为0.5mm压电陶瓷片106堆叠组成，上下表面分别覆着分割电极108a和108b组成，同一片压电陶瓷片的两部分电极108a和108b的极化方向相同，相邻两片压电陶瓷的极化方向相反，如图3a-3d所示，分割电极108a和108b之间有一定的间隙，该间隙距离例如可以为1mm。摆臂103底面为正方形，边长为10mm，摆臂103的高度为5arctan60°。

在本发明的第一实施例中，初始状态如图2a所示，压电陶瓷位移驱动器与底座30连接，而摆臂103端面与动子20相距一定的距离，大约5um；厚度位移叠堆101和弯曲位移叠堆102均不不施加电场；第二步，对弯曲位移叠堆102的电极108a部分施加电场E，使瓷片弯曲的程度达到最大，再对厚度位移叠堆101施加电场E，使摆臂103的端点接触动子20并施加一定的压力，如图2b所示；第三步，对弯曲位移叠堆102的电极108b部分施加电场E，直到与108a部分施加的电场一致，驱动摆臂103回复到中间位置，同时推动动子20往右移动，厚度位移叠堆101施加电场E，保持摆臂103对动子20施加的压力，如图2c所示；第四步，减小向电极108a施加的电场，使弯曲位移叠堆102向右弯曲摆动，推动动子20继续向右运动，厚度位移叠101施加电场，保持摆臂对动子施加的压力，如图2d所示；第五步，去除施加在厚度位移叠堆101上的电场，使摆臂103脱离与动子20的接触，然后去除施加在弯曲位移叠堆102上的电场，使压电陶瓷位移驱动器最终回复到如图2a所示的初始状态。

在第一实施例中，可以达到的最大摆动位移的大小由压电陶瓷的性能特性和摆臂的位移放大倍率决定，本实施例中，压电陶瓷可以达到的位移大小为瓷片高度的0.1％，摆臂的放大倍率为1倍，由施加在电极106上的最大电压决定；在本实例中半摆动的最大位移量为5um，而全摆动的最大位移量为10um。

本实施例中，厚度位移叠堆可以提供的最大推力为4000牛，而弯曲位移叠堆的最大推力为1800牛，所以本压电陶瓷位移驱动器可以输出的最大驱动力不大于1800牛；实际驱动力取决于动子与摆臂的接触面的静摩擦系数和厚度位移叠堆驱动的摆臂对动子的垂直方向的推力的乘积，本实例可提供的最大推力为800牛。

图4是本发明第二实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图，如图2所示，本实施例的压电陶瓷位移驱动器包括弯曲位移叠堆102、厚度位移叠堆101以及摆臂103，其中，弯曲位移叠堆102的一端连接底座30，弯曲位移叠堆102的另一端连接了厚度位移叠堆101，厚度位移叠堆101再连接摆臂103。弯曲位移叠堆的高度为6mm，厚度位移叠堆的高度为10mm，摆臂的高度为2mm，堆叠形成弯曲位移叠堆102和厚度位移叠堆101的瓷片截面为边长为10mm的正方形。由于弯曲位移叠堆102在动作时，厚度位移叠堆101也呈现为摆臂的作用，使本发明的摆动位移放大倍率为1.3倍，所以本实施例的压电陶瓷位移驱动器的单步最大驱动位移为13um。

本实施例与第一实施例的区别在于弯曲位移叠堆与厚度位移叠堆的位置，第一实施例中弯曲位移叠堆位于厚度位移叠堆与拍动臂之间，而第二实施例中是厚度位移叠堆位于弯曲位移叠堆与摆臂之间，具体的弯曲位移叠堆102和厚度位移叠堆101的结构与第一实施例的相同，此处不再赘述。

图5是本发明第三实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图，图6是图5的弯曲位移叠堆的电极层的电极结构示意图。如图5-6所示，在本实施例中，压电陶瓷位移驱动器仍然包括厚度位移叠堆101、弯曲位移叠堆102以及摆臂104。其中厚度位移叠堆101用于连接底座、摆臂104接触动子。在实施例中，主要却别在于电极层的结构，如图6所示，电极层包括间隔开的电极层109a、109b、109c和109d。电极层109a、109b、109c和109d为扇形结构，每一个电极与另一个电极都间隔开。

运行时，弯曲位移叠堆可以通过对电极层109a和109d施加正位移电场，而对电极层109b和109c则不施加电场或施加相反方向的电场，从而使叠堆形成向左方向的摆动；或通过对电极层109b和109c施加正位移电场，而对电极层109a和109d不施加电场或施加相反方向的电场，从而形成向右方向的摆动；或通过对电极层109a和109b施加正位移电场，而对电极层109c和109d不施加电场或施加相反方向的电场，从而使叠堆形成向后(图6中朝向上方)方向的摆动；或通过对电极层109c和109d施加正位移电场，而对电极层109a和109b不施加电场或施加相反方向的电场，从而形成向前方向(图6中朝向下方)的摆动。因此，本实施例的压电陶瓷位移驱动器可以实现通过一个弯曲位移叠堆控制X和Y方向两个自由度的位移控制。

图7是本发明实施例4的结构示意图。如图7所示，压电陶瓷位移驱动器包括厚度位移叠堆101、弯曲位移叠堆102和摆臂105。其中厚度位移叠堆101和弯曲位移叠堆102的结构与第一实施例的相同，在此不再累述。如图7所示，摆臂105为圆柱状，在其上端面设有凹槽105a，动子20的下底面伸出凸出球201，凸出球201与凹槽105a配合，从而弯曲位移叠堆102的摆动提供的切向驱动力可以通过摆臂105结构传递，直接对动子20的结构201进行推动，使动子20进行动作。

在本实施例中，摆臂105对动子20的作用并不是通过静摩擦力的方式，而是通过摆臂105上的凹槽105a和动子20上的突出球201配合，从而通过弯曲位移叠堆的摆动直接驱动动子的运动，因此，本发明的压电陶瓷位移驱动器并不局限于静摩擦力的驱动方式。

图8是本发明第五实施例的压电陶瓷位移驱动器的结构示意图。如图8所示，压电陶瓷位移驱动器包括厚度位移叠堆101、弯曲位移叠堆102和摆臂106。其中厚度位移叠堆101和弯曲位移叠堆102的结构与第一实施例的相同，在此不再累述。本实施例与上述实施例的区别主要在于摆臂106的结构。在本实施例中，摆臂106为圆柱形，并在上表面上设有凸出部106a，凸出部106a与动子接触并驱动动子运动。在弯曲位移叠堆102弯曲动作时驱动摆臂106切向位移的运动，从而使摆臂能输出切向的位移和推力。本领域的技术人员可以理解，摆臂106的结构可以是如图所示的T型结构，然而，摆臂的形状也可以是别的形状的结构，而不局限于三角形，半球形，T形等。

综上，本发明的压电陶瓷位移驱动器可以对外输出切向的作用力和切向的位移，其还可以提供X、Y、Z多个自由度的位移和作用力，并可以通过一次共烧成型的制作方式制成。与现有的压电陶瓷驱动器相比，本发明有更高的位移精度，可以做到更强的驱动力和更低的驱动电压，以及更好的环境特性和使用寿命。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种压电陶瓷位移驱动器，用于驱动电机的动子运动，其特征在于，所述压电陶瓷位移驱动器包括弯曲位移叠堆和摆臂，所述弯曲位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成，其中，所述弯曲位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖间隔开的电极层从而形成第一组电极层和第二组电极层，

运行时先向所述第一组电极层加电，使所述弯曲位移叠堆形成一定角度的弯曲，然后再向第二组电极层加电，使所述弯曲位移叠堆恢复竖直状态，再将所述第一组电极层或所述第二组电极层的电压降低至零，使所述弯曲位移叠堆再次形成一定角度的弯曲，从而使动子往复摆动或向同一方向移动，其中所述摆臂用于放大所述弯曲位移叠堆的位移量。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷位移驱动器，其特征在于，所述压电陶瓷位移驱动器还包括厚度位移叠堆，所述厚度位移叠堆由多个压电陶瓷片堆叠形成，所述厚度位移叠堆的压电陶瓷片的表面覆盖全电极层。

3.根据权利要求2所述的压电陶瓷位移驱动器，其特征在于，所述摆臂的一端与所述动子接触，以及所述摆臂的另一端与所述弯曲位移叠堆或厚度位移叠堆接触，所述厚度位移叠堆用于使所述动子未进行动作时所述摆臂与所述动子的分离，而在所述动子在进行动作时，使所述摆臂与所述动子接触并施加压力。

4.根据权利要求2所述的压电陶瓷位移驱动器，其特征在于，所述厚度位移叠堆的一端连接所述弯曲位移叠堆，以及所述厚度位移叠堆的另一端连接所述摆臂。

5.根据权利要求2所述的压电陶瓷位移驱动器，其特征在于，所述弯曲位移叠堆的一端连接所述厚度位移叠堆，以及所述弯曲位移叠堆的另一端连接所述摆臂。

6.根据权利要求2所述的压电陶瓷位移驱动器，其特征在于，所述摆臂的一端连接厚度位移叠堆，以及所述摆臂的另一端连接所述弯曲位移叠堆。

7.根据权利要求2所述的压电陶瓷位移驱动器，其特征在于，所述压电陶瓷位移驱动器包括多个所述弯曲位移叠堆和/或多个所述厚度位移叠堆。

8.根据权利要求2所述的压电陶瓷位移驱动器，其特征在于，所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是共烧叠堆，和/或所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是有机胶粘剂粘接叠堆，和/或所述厚度位移叠堆和所述弯曲位移叠堆是玻璃浆料烧结工艺形成的叠堆。

9.根据权利要求2所述的压电陶瓷位移驱动器，其特征在于，所述厚度位移叠堆、弯曲位移叠堆和摆臂之间的连接是共烧连接、和/或有机胶黏剂粘接连接、和/或玻璃浆料烧结工艺连接。

10.根据权利要求2所述的压电陶瓷位移驱动器，其特征在于，所述摆臂的截面形状为矩形、三角形、半球形、倒T形和/或所述摆臂的底面为方形而顶部为圆弧形、半球形和/或倒T形；

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的电极层是完全电极的或所述电极层的边缘距离陶瓷边缘间距位于0-1mm之间；

在一个实施例中，所述弯曲位移叠堆的电极层是由分割开的两部分或多个部分的分割电极组成，其中两部分内电极的距离间隙位于0.1mm-2mm之间；

在一个实施例中，所述压电陶瓷位移驱动器的截面边长范围位于1mm-50mm之间；

在一个实施例中，所述厚度位移叠堆的高度位于0.1mm-100mm之间；

在一个实施例中，所述弯曲叠堆的高度可以位于0.1mm-100mm之间；

在一个实施例中，所述摆臂的高度位于0.1mm-100mm之间。