TWI410295B - Two - degree - of - freedom nano - level piezoelectric alignment platform mechanism - Google Patents

Description

二自由度奈米級壓電對位平台機構

本發明係關於一種二自由度奈米級壓電對位平台機構，特別是指一種二自由度奈米級壓電對位平台機構。

近年來隨工具機、各種產業機械、量測儀器的高精度化，加上超精密加工機、半導體製程裝置、電子資訊機器、原子力顯微鏡等的需要高精密定位技術儀器的發展，不論是在精密機械、半導體產業、微(奈)米科技皆朝向微小化、精密化發展，自從半導體開始到現在成熟以後，奈米的領域和技術漸漸導入，已經是現今的主流之一，微定位平台更是很多產業的重要工具之一。而微定位平台為各種精密設備中不可缺少之載具，其驅動源必須具備體積小，反應時間快，精度高的制動器，另外在動作時並不會產生高量的熱能或是摩擦的問題而減降推動的效率，故微定位平台多以壓電驅動作為其動力源。

就習知微動定位平台的技術，有分別為利用摩擦滯滑現象的摩擦驅動平台，利用夾持力的尺蠖(inchworm)式平台等類型。對利用摩擦驅動平台中，是採用慣性力與摩擦力搭配的原理，利用壓電元件使材料產生微小變形的方式與底板或軌道產生滯滑現象而達成長行程運動，而利用夾持力的尺蠖式平台中，是採用壓電陶瓷的變形，輔以具有靜電吸引力的腳座而設計出以尺蠖摩擦致滑原理製作單軸精密定位平台，雖然摩擦滯滑式平台與尺蠖式平台的優點為其具有無限長運動範圍，但是其缺點為兩者的裝配複雜，易造成組裝誤差，且操控性不易。

此外，由於過去之平台是以線切割加工而成，但是此加工方式，使得其結構上的強度稍嫌不足，再加上微定位平台有考量旋轉角之自由度θz的情況下，通常會造成其於X軸與Y軸作動時，會有互相干涉的情況發生，以致其工作精密度上會有著重大影響。有鑑於上述習知平台技術之問題缺失，亟須改善，本發明人特別從平台的設計、製造以及整個系統做一整合，並研發利用零組件的方式組合規劃的平台機構，使之具有極佳剛性，且其零組件搭配之使用壽命較為長久，相對亦能減少很多修護上和生產上的時間，有效地提升整體品質及良率。

本發明之目的即在於提供一種二自由度奈米級壓電對位平台機構，主要採用壓電致動器作為對位平台之驅動源，每個壓電致動器配合其獨立的撓性元件，以便在每個壓電致動器進行往復運動時能夠快速回復到定位。

本發明之次一目的係在於提供一種二自由度奈米級壓電對位平台機構，利用X軸與Y軸垂直相交之線性驅動元件之組合，使之無論在X軸Y軸或補正中心基準角度之作動時，不僅能有效消除X軸與Y軸之間的干涉誤差，且能在承受高負荷下依舊能保有良好的精度。

本發明之另一目的係在於提供一種二自由度奈米級壓電對位平台機構，藉由移動單元和壓電驅動單元的組成，可使平台於X軸、Y軸及中心基準角度補正之作動下，能有效的消除X軸與Y軸兩軸間之干涉誤差，可以達到微小的解析度，以提供二自由度奈米級壓電對位平台機構之實質效益。

可達成上述發明目的之二自由度奈米級壓電對位平台機構，包括有：一基板；一移動單元，為以下蓋固定於基板，該下蓋並以線性移動元件與上蓋連接，且該上蓋與下蓋之接觸面間設有一滾柱元件作滑動接觸，其中該移動單元於X軸或Y軸方向所設置之另一移動單元，其二移動單元的移動方向呈互相垂直；一壓電驅動單元，為以一下蓋固定於移動單元的上蓋，該下蓋一端所設之固定部以一壓電模組與上蓋之連接部連接，且該下蓋再以線性移動元件與上蓋連接作為滑動接觸，其中該移動單元於水平方向所設置之壓電驅動單元，其移動單元與壓電驅動單元的移動方向呈互相垂直；一工作平台，係設置於壓電驅動單元上。

請參閱圖一，本發明所提供之二自由度奈米級壓電對位平台機構，主要於上基板1與工作平台4之間設置有數組X軸與Y軸方向移動之移動單元2,2’和壓電驅動單元3,3’，其包括有：如圖二與圖三所示，該移動單元2為以下蓋22固定於基板1，該下蓋22並以線性移動元件24與上蓋21連接，且該上蓋21與下蓋22之接觸面間設有一滾柱元件23作滑動接觸；移動單元2中皆包含有：一上蓋21、一下蓋22、滾柱元件23、線性移動元件24，利用此線性移動元件24與滾柱元件23設計，可使平台在直線作動中承受高負荷之情況下，依舊能保有良好的精度。移動單元2之上蓋21與下蓋22之間包含兩組線性移動元件24，該線性移動元件24中其一固定於下蓋22，另一則固定於上蓋21，以供應壓電驅動單元3,3’之線性位移。

如圖四至圖六所示，該壓電驅動單元3,3’為以一下蓋33固定於移動單元2之上蓋21，該下蓋33一端所設之固定部331以一壓電模組31與上蓋32之連接部321連接，且該下蓋33再以線性移動元件34與上蓋32連接作為滑動接觸；其中該壓電驅動單元3,3’包含有：一壓電模組31、一上蓋32、一下蓋33、線性移動元件34。一壓電模組31包含一壓電致動器311，壓電致動器311二側係以撓性元件312所包覆其架構，該壓電模組31係位於下蓋33內，壓電模組31之固定端314以之撓性元件312固定於下蓋33固定部331，壓電模組31之移動端313以撓性元件312另一端固定於連接部321，連接部321固定於上蓋32，壓電模組31作動時推動連接部321進行對上蓋32相對方向之作動，壓電模組31上之撓性元件312以供應應力集中及壓電致動器311作動後之復歸回原點作用，藉由上工作平台4配合上述壓電驅動單元3,3’與移動單元2,2’之組合設立，即形程本發明之一種壓電二自由度奈米級對位平台機構。

再者，請參閱圖七所示，當本發明進行X軸移動之實施作動時，即啟動位於X軸方向之壓電驅動單元3中壓電模組31的壓電致動器311往X軸方向作動，驅使其壓電致動器311推動撓性元件312進而推動一連接部321，而帶動其壓電驅動單元3之上蓋32及移動單元2帶動工作平台4往X軸方向移動，位於Y軸方向的移動單元2’則不動。且當壓電致動器311受正壓電效應後往回運動，撓性元件312能使上工作平台4以較快速回到定位。

請參閱圖八所示，當本發明進行Y軸移動之實施作動時，即啟動位於Y軸之壓電驅動單元3’中壓電模組31的壓電致動器311，使其驅使其壓電致動器311推動撓性元件312進而推動一連接部321，而帶動其壓電驅動單元3’之上蓋32及移動單元2’，使得上工作平台4往Y軸方向移動，位於X軸方向移動單元2則不動。且當壓電致動器311受正壓電效應後往回運動，撓性元件312能使上工作平台4以較快速回到定位。

據此，本發明一種二自由度奈米級壓電對位平台機構，是利用數個獨立壓電驅動單元3中的壓電致動器311推動撓性元件312進而推動一連接部321以產生位移，且當壓電致動器311受正壓電效應後既會往回運動，能夠使上工作平台4快速回到定位，且利用滾柱元件23支撐整個機構元件。

並且利用四個移動單元2,2’不僅能有效達到X軸與Y軸之間的微位移運動，且能在平台4工作中承受高負荷之情況下，依舊能保有良好的精度，以達本發明之壓電二自由度奈米級對位對準平台機構的實質效益。

本發明所提供之二自由度奈米級壓電對位平台機構，與前述引證案及其他習用技術相互比較時，更具有下列之優點：

1.本發明採用以壓電驅動單元中的壓電致動器311(Piezoelectric actuators)作為獨立微動單元中之動力驅動源，可利用其具有可控制性、高頻響應特性、電能與機械能之間的高轉換率、微小化，以及不易發熱等優點，而可達到平台精密定位之功能。

2.本發明採用撓性元件在配合壓電制動器產生彈性變形時，同時推動推動連接部，並且可將應力集中，可減少壓電制動器壓電晶體以及各元件連接觸產生應力集中之問題，減少移動時所產生的自變形，更於作動後，可提供快速回歸原點之能力。

3.本發明利用壓電驅動單元及移動單元皆採以線性移動元件組之設計，使其運動為動磨擦，磨擦力較小，最小移動單位準確，熱變位小，精度安定，裝配容易，具互換性及擴充性。

4.本發明設計平台配合壓電驅動單元及移動單元各組零組件之組成規劃，可以減少很多修護上和生產上的時間，如此一來，對無論是壓電驅動單元或移動單元哪個零件如果損壞，可以針對那個零件換新的就好，不會因此就不能用，在壽命考量上以零件方式可以達到比較長久的時間，進而有效地提升產品之整個品質及良率。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1．．．基板

2,2’．．．移動單元

21．．．上蓋

22．．．下蓋

23．．．滾柱元件

24．．．線性移動元件

3,3’．．．壓電驅動單元

31．．．壓電模組

311．．．壓電致動器

312．．．撓性元件

313．．．移動端

314．．．固定端

32．．．上蓋

321．．．連接部

33．．．下蓋

331．．．固定部

34．．．線性移動元件

4．．．工作平台

圖一為本發明二自由度奈米級壓電對位平台機構之立體分解視圖；

圖二為該移動單元之立體分解視圖；

圖三為該移動單元之剖面示意圖；

圖四為該壓電驅動單元之立體分解視圖；

圖五為該壓電驅動單元之放大示意圖；

圖六為該壓電驅動單元之剖面示意圖；

圖七為該二自由度奈米級壓電對位平台機構進行X軸移動之實施作動示意圖；以及

圖八為該二自由度奈米級壓電對位平台機構進行Y軸移動之實施作動示意圖。

1．．．基板

2,2’．．．移動單元

3,3’．．．壓電驅動單元

4．．．工作平台

Claims (3)

1. 一種二自由度奈米級壓電對位平台機構，包括：一基板；一移動單元，為以下蓋固定於基板，該下蓋並以線性移動元件與上蓋連接，且該上蓋與下蓋之接觸面間設有一滾柱元件作滑動接觸，又該移動單元於X軸或Y軸方向所設置之另一移動單元，其二移動單元的移動方向呈互相垂直；一壓電驅動單元，為以一下蓋固定於移動單元的上蓋，該下蓋一端所設之固定部以一壓電模組與上蓋之連接部連接，且該下蓋再以線性移動元件與上蓋連接作為滑動接觸，又該壓電模組包含一壓電致動器，壓電致動器二側係以撓性元件所包覆其架構，該壓電模組係位於下蓋內，壓電模組之固定端以之撓性元件固定於下蓋固定部，壓電模組之移動端以撓性元件另一端固定於連接部；一工作平台，係設置於壓電驅動單元上。
2. 如申請專利範圍第1 項所述之二自由度奈米級壓電對位平台機構，其中該壓電模組作動時推動連接部進行對上蓋相對方向之作動，壓電模組上之撓性元件以供應應力集中及壓電致動器作動後之覆歸回原點作用。
3. 如申請專利範圍第1 項所述之二自由度奈米級壓電對位平台機構，其中該移動單元於水平方向所設置之壓電驅 動單元，其移動單元與壓電驅動單元的移動方向呈互相垂直。