TW201338393A - 壓電致動裝置 - Google Patents
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Abstract
一種壓電致動裝置包括一承載體、至少一壓電單元、至少一連動元件以及一移動元件。壓電單元設置於承載體，並包含至少一壓電蜂鳴片。連動元件與壓電單元對應設置，連動元件的一端係頂抵壓電蜂鳴片。移動元件與連動元件連結。當壓電蜂鳴片致動時係帶動連動元件移動，進而帶動移動元件移動。本發明具有低成本的優點，又可達到次奈米級的致動解析度。
Description
本發明係關於一種致動裝置，特別關於一種壓電致動裝置。
奈米級(Nanometer scale)精密定位是奈米科技研發中不可或缺的技術，其應用領域相當廣泛，例如可應用於掃描探針顯微術(Scanning Probe Microscopy,SPM)或原子力顯微術(Atomic Force Microscopy,AFM)、掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)、微探針或微試管之致動調整平台、奈米級解析度的光路架構、奈米級解析度的微型機械手臂或光學系統的位移平台等。
以原子力顯微鏡為例，習知一種原子力顯微鏡的致動平台係使用壓電管(Piezoelectric tube)致動器來達到奈米級的致動解析度，然而，雖然壓電管致動器可達到奈米級的精密定位，但是其成本相當高，除了較高階的國家級實驗室擁有足夠經費可購置外，其它的大專院校、中級學校或一般研究機構的實驗室常礙於經費的問題而無法購買，造成研究及教學上的困難。
因此，如何提供一種壓電致動裝置，可具有低成本的優點，又可達到次奈米級的致動解析度，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種具有低成本的優點，又可達到次奈米級的致動解析度之壓電致動裝置。
為達上述目的，依據本發明之一種壓電致動裝置包括一承載體、至少一壓電單元、至少一連動元件以及一移動元件。壓電單元設置於承載體，並包含至少一壓電蜂鳴片。連動元件與壓電單元對應設置，連動元件的一端係頂抵壓電蜂鳴片。移動元件與連動元件連結。當壓電蜂鳴片致動時係帶動連動元件移動，進而帶動移動元件移動。
在一實施例中，當壓電單元的數量為複數時，該等壓電單元係分別設置於承載體的相反側。
在一實施例中，當壓電單元的數量為複數時，該等壓電單元係設置於承載體的同一側。
在一實施例中，壓電蜂鳴片具有一壓電陶瓷片設置於一承載片上。
在一實施例中，壓電陶瓷片係黏合於承載片。
在一實施例中，承載片的材料包含不鏽鋼、銅、鋁、鎳、碳纖維或導電陶瓷。
在一實施例中，壓電陶瓷片的面積係小於或等於承載片的面積。
在一實施例中，當壓電蜂鳴片的數量為複數時，該等壓電蜂鳴片係重疊設置。
在一實施例中，連動元件包含螺絲、螺桿或連桿。
在一實施例中，壓電致動裝置更包括一殼體，承載體係設置於殼體。
在一實施例中，壓電致動裝置係為一微調定位平台。
在一實施例中，壓電致動裝置係應用於掃描探針顯微術、電子顯微鏡、微探針或微試管之奈米級致動調整平台、奈米級解析度的光路架構、奈米級解析度的微型機械手臂或光學系統的位移平台。
承上所述，因本發明之壓電致動裝置包括一承載體、至少一壓電單元、至少一連動元件以及一移動元件，其中，壓電單元係包含至少一壓電蜂鳴片，且當壓電蜂鳴片致動時係可帶動連動元件移動，進而可帶動移動元件移動。藉此，使本發明之壓電致動裝置具有低成本的優點，又可達到次奈米級的致動解析度。另外，也由於使用壓電蜂鳴片當成壓電致動裝置之致動元件，故本發明之壓電致動裝置亦具有低電壓驅動的優點，使用者若不慎觸碰時也不會有危險。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種壓電致動裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請參照圖1所示，其為本發明較佳實施例之一種壓電致動裝置1的剖視示意圖。本發明之壓電致動裝置1係可為一微調定位平台，並例如可作為一光學元件(例如光學頭)或一樣品的奈米級微調定位平台，且可應用於例如掃描探針顯微術、電子顯微鏡、微探針或微試管之奈米級致動調整平台、奈米級解析度的光路架構、奈米級解析度的微型機械手臂或光學系統的位移平台等，於此並不加以限制其應用範圍。
壓電致動裝置1包括一承載體11、至少一壓電單元12、至少一連動元件13以及一移動元件14。
承載體11可為一承載座或一承載殼體，以提供壓電單元12固設的地方，於此，係以承載體11為承載座為例，而壓電單元12係設置於承載座上。
壓電單元12可包含至少一壓電蜂鳴片121(Piezoelectric Buzzer)。請先參照圖2A所示，壓電蜂鳴片121可具有一壓電陶瓷片(Piezoelectric Ceramic Element)121a設置於一承載片121b上。一般而言，壓電陶瓷片121a係經壓電陶瓷材料高壓極壓化後印刷而成薄片狀，所以厚度上大約小於0.2 mm或更薄。其中，壓電陶瓷片121a的面積係可小於或等於承載片121b的面積，並可例如使用銀膠(圖未顯示)將壓電陶瓷片121a黏合於承載片121b，於此，係以壓電陶瓷片121a的面積小於承載片121b的面積為例。當例如一交流電壓連接至壓電蜂鳴片121時，會因為壓電陶瓷片121a的逆壓電效應而使承載片121b產生機械變形。如圖2B及圖2C所示，不同極性的驅動電壓可使壓電蜂鳴片121產生往上或往下的翹曲，而使得壓電蜂鳴片121的中央部分具有平行於方向Z的位移。利用此特性可使承載片121b產生振動，或可使承載片121b發出聲響，並可例如當成一振動元件或一喇叭(speaker)而安裝於一電子裝置上使用。
其中，承載片121b的材料係可為導電材料，並可例如為不鏽鋼、銅、鋁、鎳、碳纖維或導電陶瓷等。於此，並不加以限制。當承載片121b為壓縮率較小的材料(例如為金屬、合金、碳纖、陶瓷等等)而具有較高的剛性時，承載片121b因翹曲而產生形變的位移量則較小，但是因壓縮率較小的材料之剛性較高，故較適合於高頻上的應用，例如可應用於掃描式原子力顯微鏡的掃描探針。
另外，在其它的實施態樣中，當壓電單元12之壓電蜂鳴片121為複數時，該等壓電蜂鳴片121係可重疊設置。於此，如圖2D所示，係以兩壓電蜂鳴片121反置(即兩承載片121b背對背連接)而重疊為例。因此，可藉由重疊設置之該等壓電蜂鳴片121之形變而得到較大的結構剛性。也可如圖2E所示，於兩壓電蜂鳴片121之間夾置一剛性較高的間隔片S，藉由剛性較高的間隔片S使該等壓電蜂鳴片121得到的形變位移量較小。因具有剛性較高的間隔片S使整體的剛性較強，也較適合於高頻上的應用，使位移的頻率提高，例如也可應用於掃描式原子力顯微鏡的掃描探針。
另外，在其它的實施例中，若要提供大位移的致動行程時，則可如圖2F所示，將一片壓電蜂鳴片221容置於一承載體3內，並將兩組壓電蜂鳴片221及承載體3之間藉由一連接元件C將其串聯。於此，係藉由兩連接元件C將三組壓電蜂鳴片221及承載體3疊設串聯為例。藉由三片壓電蜂鳴片221之間的電性連接並供給相同電壓給三片壓電蜂鳴片221時，可使各壓電蜂鳴片221獲得各自的形變位移，藉由三組串聯就可得到數倍(例如為3倍)的致動行程而可獲得大位移的致動輸出。
請同時參照圖1及圖3A所示，其中，圖3A為圖1之壓電致動裝置1的承載體11及致動單元12的立體示意圖。為了清楚說明，圖3A係為圖1之仰視示意圖，且只顯示圖1之承載體11及壓電單元12。
在本實施例中，以壓電單元12(壓電蜂鳴片121)的數量為四，並兩兩分別嵌入於承載體11的相反側上的對應凹槽111內為例，而壓電單元12各具有一個壓電蜂鳴片121。另外，同一側之兩只壓電蜂鳴片121中，係一壓電蜂鳴片121之壓電陶瓷片121a朝上放置，而另一壓電蜂鳴片121之壓電陶瓷片121a係朝下放置(承載片121b係朝上)。
另外，當承載體11的面積較大時或該等壓電單元12(壓電蜂鳴片121)的面積較小時，也可例如圖3B所示，將該等壓電單元12設置於承載體11同一側的對應凹槽111內，且可為兩個壓電陶瓷片121a朝上，另兩個壓電陶瓷片121a朝下，或者全部的壓電陶瓷片121a朝上，或為其它的設置態樣，於此，均不加以限定。
請再參照圖1所示，連動元件13係與壓電單元12對應設置，且連動元件13的一端係頂抵壓電單元12。於此，係以四個連動元件13對應四個壓電單元12為例。另外，連動元件13的一端係頂抵壓電蜂鳴片121，並與移動元件14連結。當壓電蜂鳴片121致動時，可帶動連動元件13移動，進而可帶動移動元件14移動。
在本實施例中，連動元件13係以一螺絲為例，而移動元件14係以一長條狀(或管狀)物體為例。其中，螺絲的一端係頂抵壓電蜂鳴片121，而螺絲的另一端係穿設移動元件14之一頂面141，並連接移動元件14。藉由螺絲可調整移動元件14的水平情況，並可連動移動元件14。在其它的實施例中，連動元件13也可例如包含螺桿或連桿，而移動元件14也可為一桿狀物或一平台。例如圖4之另一實施態樣之壓電致動裝置1a的立體示意圖所示，連動元件13a係可分別為一連桿，而移動元件14a係以一平台為例，而連動元件13a的兩端係分別與壓電單元12及移動元件14a連結。
請分別參照圖5A及圖5B所示，其分別為本發明之壓電致動裝置1的動作示意圖。
如圖5A及圖5B所示，於此，只顯示設置於承載體11之一側(下側)的兩壓電單元12(壓電蜂鳴片121)及對應的二連動元件13，而設置於承載體11之另一側(上側)之兩壓電單元12(壓電蜂鳴片121)並不顯示。
如圖5A所示，例如可供電給兩壓電蜂鳴片121，並使圖5A左側之壓電蜂鳴片121往上翹曲，且使圖5A右側之壓電蜂鳴片121往下翹曲而分別產生形變，藉由兩壓電蜂鳴片121可推動兩連動元件13連動，而兩連動元件13的連動可帶動移動元件14往左側偏移而產生方向-X的位移。
另外，如圖5B所示，例如可供電並使圖5B左側之壓電蜂鳴片121往下翹曲，並使圖5B右側之壓電蜂鳴片121往上翹曲而分別產生形變，藉由連動元件13的連動可帶動移動元件14往右側偏移而產生方向X的位移。同理，也可藉由設置於承載體11之另一側(上側)之兩壓電單元12的供電控制而帶動移動元件14產生方向-Y及Y的位移(圖未顯示)，或者可藉由控制供電給不同組合之該等壓電單元12(壓電蜂鳴片121)，使得移動元件14產生X-Y平面或方向Z上的移動，於此，均不加以限制。
此外，如圖5B所示，雖然圖5B之壓電蜂鳴片121往上翹曲而產生向上的形變位移量α相當小，但藉由移動元件14的作用，可使移動元件14往右的位移量β遠大於位移量α，進而放大設置於移動元件14之一端142之物件的行程。
請參照圖6所示，其為本發明另一態樣之壓電致動裝置1b的示意圖。
與壓電致動裝置1不同的是，壓電致動裝置1b更可包括一殼體15，而承載體11、壓電單元12、連動元件13及移動元件14係設置於殼體15。藉由殼體15可承載及保護承載體11、壓電單元12、連動元件13以及移動元件14等元件。當然，承載體11也可以和殼體15一體成型，而使得壓電單元12直接設置於殼體15。
另外，請參照圖7A所示，其為壓電致動裝置1b應用於一原子力顯微鏡的應用示意圖。
於此，壓電致動裝置1b係作為原子力顯微鏡之奈米級微調定位平台。其中，係於壓電致動裝置1b之移動元件14的一端142設置一光學元件H(例如為一光學頭)，並可發射光束L(例如雷射光)照射一掃描探針P，以藉由掃描探針P檢測一待測物O表面的結構狀況。其中，當光束L照射掃描探針P後，光束L可被反射而被一光感測元件(圖未顯示)接收，進而藉此控制壓電致動裝置1b之移動元件14的移動，並使得掃描探針P之探針頭與待測物O表面之間的某種交互作用維持一定值。而由光感測元件所接收並控制壓電致動裝置1b之移動元件14的位置的微調資料就是與待測物O表面的交互作用資料，所對應的即為待測物11之表面結構資料，藉此可得到待測物O的表面結構形狀。
另外，請參照圖7B所示，其為壓電致動裝置1c的另一應用示意圖。
於此，壓電致動裝置1c亦可作為一樣品的奈米級微調定位平台。其中，係於壓電致動裝置1c之移動元件14的一端142設置另一承載體21，並於承載體21上設置另一壓電單元22，且設置對應的一連動元件23及一與連動元件23連結的樣品台25。樣品台25係可用以置放一樣品(圖未顯示)，以將其作為一奈米級微調定位平台。其中，藉由供電而控制壓電單元22往上或往下形變而可分別使樣品台25之樣品產生平行方向Z的位移。
此外，請分別參照圖8A及圖8B所示，其分別為本發明之壓電致動裝置1b應用於原子力顯微鏡的實際掃描結果示意圖。
因本發明之壓電致動裝置1b係使用市面上常見且價格便宜的壓電蜂鳴片121來作為致動元件，因此仍會有壓電材料遲滯與非線性之特性，不過，可輕易地改變驅動壓電蜂鳴片121的電壓準位來進行校準的工作。
其中，圖8A及圖8B分別顯示為圖7A之原子力顯微鏡未校準前及校準後，實際應用於掃描一樣品的結果。於此，樣品上有高度為20nm的方形台階和1～2nm的中間台階。由圖8A及圖8B之掃描圖像顯示，應用壓電致動裝置1b於原子力顯微鏡進行掃描時，其穩定度相當高，且可達到奈米等級的掃描解析度。另外，圖8A的掃描範圍約為10.9μm，方向X和方向Y的單位長度比例約為1：0.7，使得掃描得到的方形看起來像菱形。另外，如圖8B所示，透過驅動電壓的校準後(例如調整驅動方向X與方向Y位移的驅動電壓)，即可讓方向X和方向Y有相同的掃描比例，並可得到較為銳利的方形。
此外，也由於壓電致動裝置1b係使用壓電蜂鳴片121來當成致動元件，因此，設計上只需提供約±10V的電壓就可達到10μm的位移行程。相較於習知的壓電致動器(需要150V以上的電壓)而言，所需的驅動電壓相對低許多，故使用者若不慎觸碰時也不會發生危險。
綜上所述，因本發明之壓電致動裝置包括一承載體、至少一壓電單元、至少一連動元件以及一移動元件，其中，壓電單元係包含至少一壓電蜂鳴片，且當壓電蜂鳴片致動時係可帶動連動元件移動，進而可帶動移動元件移動。藉此，使本發明之壓電致動裝置具有低成本的優點，又可達到次奈米級的致動解析度。另外，也由於使用壓電蜂鳴片當成壓電致動裝置之致動元件，故本發明之壓電致動裝置亦具有低電壓驅動的優點，使用者若不慎觸碰時也不會有危險。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、1a、1b、1c．．．壓電致動裝置
11、21、3．．．承載體
111．．．凹槽
12、22．．．壓電單元
121、221．．．壓電蜂鳴片
121a．．．壓電陶瓷片
121b．．．承載片
13、13a、23．．．連動元件
14、14a．．．移動元件
141．．．頂面
142．．．端
15．．．殼體
25．．．樣品台
C．．．連接元件
H．．．光學元件
L．．．光束
O．．．待測物
P．．．掃描探針
S．．．間隔片
X、-X、Y、Z、-Z．．．方向
α、β．．．位移量
圖1所示，其為本發明較佳實施例之一種壓電致動裝置的剖視示意圖；
圖2A為壓電蜂鳴片的示意圖；
圖2B及圖2C分別為壓電蜂鳴片的不同動作示意圖；
圖2D至圖2F分別為複數壓電蜂鳴片的組合示意圖；
圖3A為圖1之壓電致動裝置的承載體及致動單元的立體示意圖；
圖3B為不同態樣之壓電致動裝置的承載體及致動單元的立體示意圖；
圖4為本發明另一實施例的壓電致動裝置的立體示意圖；
圖5A及圖5B分別為本發明之壓電致動裝置的動作示意圖；
圖6為本發明另一態樣之壓電致動裝置的示意圖；
圖7A及圖7B分別為本發明之壓電致動裝置不同的應用示意圖；以及
圖8A及圖8B分別為本發明之壓電致動裝置應用於原子力顯微鏡的實際的掃描結果示意圖。
1．．．壓電致動裝置
11．．．承載體
12．．．壓電單元
121．．．壓電蜂鳴片
13．．．連動元件
14．．．移動元件
141．．．頂面
X、-X、Z、-Z．．．方向
Claims (12)
- 一種壓電致動裝置，包括：一承載體；至少一壓電單元，設置於該承載體，並包含至少一壓電蜂鳴片；至少一連動元件，與該壓電單元對應設置，該連動元件的一端係頂抵該壓電蜂鳴片；以及一移動元件，與該連動元件連結，其中，當該壓電蜂鳴片致動時係帶動該連動元件移動，進而帶動該移動元件移動。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電致動裝置，其中當該壓電單元的數量為複數時，該等壓電單元係分別設置於該承載體的相反側。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電致動裝置，其中當該壓電單元的數量為複數時，該等壓電單元係設置於該承載體的同一側。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電致動裝置，其中該壓電蜂鳴片具有一壓電陶瓷片設置於一承載片上。
- 如申請專利範圍第4項所述之壓電致動裝置，其中該壓電陶瓷片係黏合於該承載片。
- 如申請專利範圍第4項所述之壓電致動裝置，其中該承載片的材料包含不鏽鋼、銅、鋁、鎳、碳纖維或導電陶瓷。
- 如申請專利範圍第4項所述之壓電致動裝置，其中該壓電陶瓷片的面積係小於或等於該承載片的面積。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電致動裝置，其中當該壓電蜂鳴片的數量為複數時，該等壓電蜂鳴片係重疊設置。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電致動裝置，其中該連動元件包含螺絲、螺桿或連桿。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電致動裝置，更包括：一殼體，該承載體係設置於該殼體。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電致動裝置，其為一微調定位平台。
- 如申請專利範圍第1項所述之壓電致動裝置，其係應用於掃描探針顯微鏡、電子顯微鏡、微探針或微試管之奈米級致動調整平台、奈米級解析度的光路架構、奈米級解析度的微型機械手臂或光學系統的位移平台。
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