TW498397B - Long-stroke precision piezoelectric actuator - Google Patents

Description

498397 A7 五、發明說明（

I 局員 工消費 1. 發明之領域 本發明係關於一種長杆海、古A、 • 仃私鬲定位解析度之壓電驅動裝 置；該裝置利用一特殊之撓性# 私驅動裝 以及特殊之控制方式，達成精密定位之效果。 動态 2. 先前技藝之說明 壓電驅動裝置已經為微米級與奈米級精密定位系 用之驅動方式。熟知之發明如美國專利第3,9〇 3,9〇8,〇85 號（即 InehwGrm 驅動方式，1 974 年 训则虎（州年）是以兩個以上之壓電驅動器爽持： 推動固柱狀輸出軸，遂行微步進式驅動。美國專利 5,93 9,8 1 6號（1999年）以特殊積層式壓電驅動 ( Ph StaCk )逐仃微驅動之目的。該壓電驅動器由 多層經特殊極化之壓電片構成，透過 ㈣電片產生剪切變形，該累積之變形；;二:加 電驅動器推動被驅動體。 上述壓電驅動裝置皆需要多個特殊外型與製作方式之壓 片，而且控制的方法亦較繁複。以Inchw〇rm4例，除了 而要夕個特疋外型《壓電驅動器之外，因輸出軸乃位於各夾 ☆ e、lamP) <中’所以輸出袖之外型、尺寸以及精度必須 又限万、夾鉗。而其它以特製積層式壓電驅動器所製成之 置除了技制上較為繁複外，亦不易以一般標準之壓電驅 器加以製作。這些種種因素皆造成發展長行程高精密定位 統的困難。 第第 第 壓 電了 裝 系

I 4- / A7 B7 五 、發明說明（ 2 發明之概诫 《目的’為提供—使被動體達到長㈣運動、高定 ‘以單二：Γ 移解析度、可程式之運行速度、以及 了以早一命令源驅動之裝置。 供m目的，本發明揭示一種長行程壓電驅動裝置， 供驅動-被驅動體，該裝置包含兩個壓電驅動器、以及至少 訂 撓性離合單元；其中—個壓電驅動器推動該微型挽 ^ 口^ .使减性離合單元與被驅動體之間形成類似離 口為作’另-壓電驅動器則以舒張或收緒之動作，間歇 性_動被驅動體。換言之，前者決定後者是否能有效地將 力ΐ輸出至被驅動體上。該微型撓性離合單元利用撓性敛之 ，計，產生特殊機構功能，並使輸人與輸出點之間位移或力 量，產生放大或縮小之作用。被驅動體可依不同之機構安 排，作無限長之直線運動或圓周運動。 兩壓電驅動器可以由弦波或方波之電壓或電荷命令驅動。 其中，推動被驅動體之壓電驅動器所受命令的相位，落後 9 0度於微型撓性離合單元驅動器所受之命令。如此的安 排，單一輸入命令即可驅動該長行程微驅動裝置。此外，運 用適當的控制技巧，可使被動體達到長行程運動、高定位解 析度、可程式之位移解析度、以及可程式之運行速度。經回 授控制，定位精度可達10奈米（1〇 Nan〇_meters)。 圖式之簡單說明 圖1(A)顯示一根據本發明之第一較佳實施例而成之長行程 微驅動裝置1之側視示意圖； -5- 適f中國國家標準（CNS)A4規格（21G X 297公釐） 五、發明說明（3 ) 圖1(B)為沿圖1中之截面線b_b所截取之截面圖； 圖1(0為沿圖1中之截面線c_c所截取之剖斷上視圖； 圖，>、示根據本發明之第一實施例而成之微 單元之侧視圖； 圖3為圖2所示撓性離合單元之受力分析示意圖； 固4 員示根據本發明之第二實施例而成之微型撓性離合 單元之立體示意圖； 圖5為圖4所示撓性離合單元之受力分析示意圖； 圖6顯示本|明所揭驅動裝置之一裝設於一被驅動體上之 側視示意圖； 圖6(A)為圖6中之部份構造放大示意圖，顯示被驅動體之内 壁與撓性離合單元每個離合面之間存在有U 1間隙； 圖7 (A)顯示本發明所揭驅動裝置之另一按裝例之側視示意 圖； 圖7 (B)顯示本發明所揭驅動裝置之另一按裝例之側視示意 圖， 圖8為一驅動命令源與各壓電驅動器間之電路關係的方塊 7F意圖； 圖9㈧顯示各用以驅動第一與第二壓電驅動器之波形的波 形圖， - 圖9 (B)顯示在圖9㈧所示波形下被驅動體之位移情形曲線 圖， 圖1 0為一用以驅動各壓電驅動器之另一電路方塊圖； 圖1 1顯示一根據本發明之第三實施例而成之壓電驅動裝置 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -I - I I (請先閱讀背面之注意事項再填"寫本頁) 0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 498397 A7 B7 五、發明說明（ 4 之立體示意圖； 圖12㈧顯示本發明所揭壓電驅動裝置與另一種被驅動體間 之組合態樣立體示意圖；及 圖1 2 (B)為圖1 2 (A)之側視示意圖。 圖式符號之說明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 壓電驅動裝置 101 第一壓電驅動器 102 固定部 103 傳動件 104 第二壓電驅動器 1 05，20 5撓性離合單 1 10 被驅動體 111 液輪 1 12 夾持件 105a，205a受力部 105b，205b 離合塊 、 105c 連桿 105d，205d 離合面 1 05 e，205 e撓性鉸鏈 105f 受持部 205c 頂桿 205f 固定塊 603 線性滑軌 604 加工面 605,606 磁鐵 607,608 鐵材 701,702 受動體 1101 預壓器 1 102 固定座 120 1 壓電驅動裝置 1202 被驅動體 F 第二壓電驅動器施加於受力部之力 G 相位處理器 Gk 增益控制器 U 輸入命令 V 較輸入命令U落後90度之信號 X 第一方向 Y 弟一方向 z 第三方向 本紙張尺度顧中麵家標規格⑽x 297 ^ Γ4^ · — I (請先閱讀背面之注意事項再填_寫本頁) 498397 A7 B7 五、發明說明（ 0 5 d 2 0 5 2 0 5 d 間隙 受力部105a之位移距離 離合面105 d之位移距離 受力部205a之位移距離 離合面205d之位移距離 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 較佳具體實例之說明 圖1 (A)顯示一根據本發明之第一較佳實施例而成之長行程 极驅動裝置1之側視示意圖；如圖^⑻並參考圖1⑽及圖1㈡所 不’本發明所揭長行程精密壓電驅動裝置1包含：一第一壓 電驅動器101、一固定啷102、一傳動件1〇3、一第二壓電驅 動器1 04、以及一微型撓性離合單元丨〇 5，此等構件被容置 糸被驅動體1 1 0之一受驅動溝中，而被驅動體1 1 0則可為 一定位平台，或任何需要精密定位之基座，例如為光學鏡片 之基座等。 固定部102供將微驅動裝置！固定於任意機台適當位置， 而使各構件可安置於被驅動體丨丨〇之受驅動溝中。 第一壓電驅動器101在作用上用以負責實際推動一被驅動 體U0 ’其可為積層式壓電驅動器且具有兩端，該兩端在壓 電驅動器1〇1受到偏壓時，會在一第—方向χ上向外延伸， 且其中一端固定於固定部102，另一端固定於傳動件1〇3。 傳動件103呈扁長直立狀，其一端與第—壓電驅動器ι〇ι <該另一端連結，前側面設有兩組滾輪lu以及一夾持件 in。夾持件112由上下兩方向炎持第二壓電驅動器1〇4 -—裝--- (請先閱讀背面之注意事項再t寫本頁) . -8 -

五、發明說明（6 輪1 1 1用以維持微型撓性離合單元丨〇 5相對於傳動件1 〇 3之橫 向位置。 -I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第一壓私驅動器104亦為積層式壓電驅動器，其為爽持件 112由上下方向所夾持，且具有可在一第一方向X延伸之兩 端’該兩端緊密固定於微型撓性離合單元105之如下所述受 力部上。 、微型撓性離合單元1 0 5用以可舒張後緊貼被驅動體1 1 0内 土而在第一壓電驅動器1 0 1之作動下驅動被驅動體丨丨〇。 2圖2所，撓性離合單元1〇5包含：兩受力部1〇5&、兩離 合塊105b、以及四支連桿1〇5c。兩離合塊1〇诎之兩端外側 面形成有共四個力離、合面i 〇 5 d，内側面分別與四支連桿 105c之各其中一端鏈結，且形成有四個受傳動件1〇3固持之 文持邵1 0 5 f。各受持部丨〇 5 f為四個固定於傳動件丨〇 3上之滾 輪1 1 1所夾持’而能在一垂直於第一方向X之第二方向Y上移 動。四支連桿1〇。之各另一端再成對鏈結並與兩受力部 1 〇 5 a为別鏈結。各鏈結分別透過撓性鉸鏈1 〇 5 e達成。第二 壓電驅動器1 〇 4緊密置於兩受力部丨〇 5 a之間。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 藉由透過電力驅動而使第二壓電驅動器1〇4於一第一方向 X上產生伸張或收縮驅動，將可使撓性離合單元1 〇 5之各離 合面105d在一垂直於第一方向χ之第二方向γ移動，而頂緊 或離開被驅動體1 1 〇之受驅動溝内側表面，進而使傳動件 1 0 3與被驅動體1 1 〇結合在一起或分離。 圖3顯示上述微型撓性離合單元丨〇 5受第二壓電驅動器1 〇 4 驅動時之力量分析示意圖。當兩受力部1〇5&受第二壓電驅動 -9· 本紐尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公爱)------ 498397 A7

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498397 五、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 205f與頂桿205c之抵頂，離合塊2〇5]3上之離合面2〇5d會向 外分開，且其位移或力量關係，亦可以很容易地由受力部 205a與離合面205d之幾何關係估計出來為丨占2〇。占 2〇5dl = a/b 0 圖6及6㈧顯示一根據本發明之第一實施例而成之驅動裝置 裝V»又糸位汸;π軌上之被驅動體之側視圖。被驅動體1 1 〇 之内壁與撓性離合單元105每個離合面105d之間存在有2至 2 0 //m之間隙g，該間隙大小可與所用之壓電驅動器丨〇4之行 程，以及彳政型撓性離合單元丨〇 5幾何尺寸相互配合。若微型 撓性離合單tl之各離合面1〇5(1行程只有5 ，則間隙必需 在5 //m之内。被驅動體丨丨〇以線性滑軌6 〇 3運動於一精加工 面604上。可用多種不同預壓方式，減小因導軌内間隙所造 成之影響。長條狀鐵材6〇7和608固定於基座604上； 磁鐵60 5、606與鐵材607、608間之磁力可做為施加於 被驅動體上之預壓力。 圖7㈧與7 (B)分別例示兩種不同空間安排的驅動系統設計， 用來推動受動體70 1和702。圖7㈧中之微型撓性離合單元 1 0 5足輸出力方向為垂直方向；圖7⑽中微型撓性離合單元 1 0 5之輸出力方向為水平方向。圖7⑻中的安排可以減小機 構在Y方向的空間需求。 圖8表示控制該長行程微驅動裝置方法之方塊圖。該圖之 方塊G表示相位處理器；方塊Gk表示一增益控制器。輸入命 令U可為弦波或方波之電壓或電荷。當輸入命令^為正值 時’壓電驅動器104 (圖8之PZT B)使微型撓性離合單元 閲 讀 背 面 之 注 項 再 填-1I裝 頁 訂 11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 498397 A7 B7 五、發明說明（9 1 Ο 5頂緊被驅動體i i ο内壁。同時，較輸入命令u落後9 ο度 之信號V再驅動壓電驅動器1〇ι (圖8之ρζτ Α)，以推動被 撓性離合單元1 〇 5頂緊之被驅動體1 1 〇。 圖9㈧說明信號U與V之相位關係。該圖中標示虛框線之各 個區段為壓電驅動器1 Ο 1有效推動被驅動體1 1 〇之動作區 間。U與V之相位差可依機械配合間隙大小稍作調整。圖9 (Β) 表示被驅動體1 1 〇以步階方式前進。若欲使被驅動體逆向移 動’只要再將V反向180度，意即相位處理器g改為領先9〇 度’即可達成。若控制U輸入特殊之波形以及不同頻率，則 被驅動體之速度加速度特性可有豐富的變化。此長行程微驅 動裝置可以如圖8之方式作開迴路之位置控制。 又’若欲確保足夠之定位精度，可以用如圖丨〇之方式作閉 迴路之位置控制。在閉迴路位置控制的情況下，被驅動體 1 1 0的位置Y鎖近目標點X r e f時，離合單元保持撐緊鎖定被 驅動體1 1 0，再利用位置誤差值e細微地調整Gk、以及輸入 壓電驅動器1 0 1之命令V，以微調被驅動體位置，直到誤差 小於所欲定位解析度為止。 此外’可以施加適當的預壓於壓電驅動器1 〇丨上，以提弄 該壓電驅動器之特性，如圖丨丨所示之第三實施例。圖丨丨表 示一種預壓的方式。作為一預壓器之彈簧11〇1 一端繫於固 定座1 102，另一端繫於傳動件1〇3。彈簧張力使得固定部 102和1102間之壓電驅動器101承受預壓。藉此將可以使得 位移更為精確。 圖1 2㈧和1 2 (B)表示另一長行程微驅動裝置之設計。在該 -12- 裝—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 適 度 尺 張 紙 本 格 規 一 4 )A S) N (C 準 標 家 國 國 t 公 97

、發明說明（10 V*又汁中’驅動器丨2 〇 1與圖2所示之設計相同，唯被驅動體 1 2 0 2文適當之拘束，以这_ a為軸心作圓週運動。 综合上述，根據本發明之設計，透過離合單元與壓電驅動 咨<交互推動，將可以獲得一既可獲得精密且長行程的驅動 裝置。惟，習於此技藝人士，不難由以上之說明，明白本發 明之精神，並據以做出不同之變化與衍生。因此，只要不超 出本發明之精神，均應在本發明範圍之内。 " -----------·-裝--------訂· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公ΐΐ --------

Claims (1)

1. 、申請專利範圍 1'種長行程精密壓電驅動裝w、， 包含·· 置，用以驅動一被驅動體， 一固足邵，供固定於-機台上； 第壓電驅動器，具有可A + # 伸展之兩端，其中一端二:遍動而在第-方向上 升T 崎固定於該固定部上； 傳:力件’固疋於該第一壓電驅動器之另一端上， j孩第一方向上相對於該被驅動體前進； η 電驅動器’為該傳動件所固持，且具有可受電 &驅動而自由伸展之兩端；以及 訂 ::型撓性離合單元’至少具有一受力部、一離合面、 文孩傳動件所固持之受持部，該受力部連結該第 二壓電驅動器之其中一端，且在為兮^ 去 、、 且在為巧其中一端所推動 争，㈢使該離合面在一垂直於該第一方向之第二方向上 ㈣而頂緊被驅動體’以將第一壓電驅動器受：：驅動 在弟-万向之㈣及力量經由傳動件及微錢性離合單 元傳達至被驅動體。 2·如申請專利範圍第1項之裝置，其還包含—預壓器，其施 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 加預壓於該第一壓電驅動裝置之另一端上。 、万 3.如申請專利範圍第”員之裝置，其係受單—命令源所驅 &，且該命令源進入該第-壓電驅動器與第二壓電驅動器 之相位不同。 4·如申請專利範圍第3項之裝置’其中該命令源經由一閉迴 路系統控制被驅動位置，且在該被驅動體接近目授點後， -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） / 六 6. 、申請專利範圍 ^ 〇 切路系統中（一位置誤差值，微調被驅動體位 •:申'專利範園第”員之裝置，其中該撓性離合單元包 :二受力部、兩離合塊、以及四支連桿，各該離合塊具 部供Γ、’’ί各端形成有""離合面，兩端之間形成有該受持 :為该傳動件所固持；該等四支連桿之 ^離合塊之兩端鏈結，各另—端成對鏈結，並與該兩受；; Ρ刀別鏈〜，各鏈結由撓性鉸鏈所一體成型。 :申請專利範圍第”頁之裝置，其中該撓性離合單元包 離合塊、—固定塊、兩頂桿；該固定塊為該傳動件 斤固持並形成該受持部；該兩離合塊具有兩端，各其中一 端=成該離合面，各另一端相鏈結並形成該受力部，、且為 该第二壓電驅動器所連結；該兩頂桿之各其中—端與該固 定塊鏈結，各另一端呈發散狀與該兩離合 由撓性鉸鏈一體成型。 合趟〜 =請專利範圍第”員之裝置’其中該被驅動體在該驅動 裝置之驅動下，作圓周運動。 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -15 本紙張尺度刺巾關家標準（CNS)A4規格(21〇^7T5"