TWI458902B - 線性致動模組 - Google Patents

Description

LINEAR ACTUATING MODULE

本發明係關於一種致動模組，特別關於一種奈米級的線性致動模組。

在表面形貌量測與光學領域中，有很多需要奈米級(Nanometer level)致動的應用，而奈米級精密定位更是奈米科技研發中不可或缺的技術，其應用領域相當廣泛，例如可應用於原子力顯微術(Atomic Force Microscopy,AFM)(或稱掃描探針顯微術)、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、奈米級解析度的反射鏡座、奈米級解析度的微型機械手臂或光學系統的位移平台等。

大多數的位移平台通常可由人為手動調整，不過，不僅容易產生誤差，也很難達到奈米級的位移。雖然市面上已有因應各種領域而開發出各式各樣不同解析度的線性致動器，但是，奈米級線性致動器的價格相當昂貴，因此，若要更換成自動化的奈米級線性致動器時，其成本增加許多。當需要使用多組奈米級線性致動器時，則所需花費的金額更是可觀。另外，市面上常見的奈米級線性致動器內部元件的設計必須要有間隙才能相對滑動，而且有間隙的地方不只一個，例如為了使移動元件可以順暢移動，則須使用餘隙較大的軸承組件(bearing assembly)來連結螺桿與馬達，因此，不僅使其間隙增加，也會使線性致動器在精密定位時具有剛性不夠高的缺點。

因此，如何提供一種線性致動模組，可具有剛性高及成本低的優點，又可達到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剛性高及成本低的優點，又可達到奈米級的致動解析度之線性致動模組。

為達上述目的，依據本發明之一種線性致動模組包括一殼體、一轉動單元以及一螺桿。殼體具有至少一導引槽位於殼體之內側。轉動單元設置於殼體，並具有至少一滑動部與導引槽對應設置。螺桿與轉動單元連接，並與殼體內之螺紋配合。轉動單元轉動時係帶動螺桿相對殼體移動，進而帶動滑動部於導引槽內移動。

在一實施例中，殼體之形狀為圓柱體、橢圓柱體或多面體。

在一實施例中，轉動單元包含一馬達。

在一實施例中，滑動部係為轉動單元之至少一凸耳。

在一實施例中，螺桿係由轉動單元之軸心凸伸而出。

在一實施例中，線性致動模組更包括一耦接元件，其分別與轉動單元及螺桿連接，轉動單元轉動時係藉由耦接元件帶動螺桿轉動。

在一實施例中，耦接元件係為一可撓性聯軸器。

在一實施例中，線性致動模組更包括一變速單元，其與轉動單元連接，轉動單元藉由變速單元改變其轉速。

在一實施例中，線性致動模組更包括一密封組件，其具有至少一緩衝元件固定於滑動部，並與導引槽對應設置，緩衝元件抵接導引槽。

在一實施例中，螺桿外表面具有與殼體內之螺紋相互配合之另一螺紋。

在一實施例中，殼體更包含一導引元件，螺桿自導引元件之一開口突出於殼體，導引元件具有螺紋。

在一實施例中，螺桿外表面具有與導引元件之螺紋配合之另一螺紋。

在一實施例中，當轉動單元轉動時帶動螺桿轉動，且螺桿係藉由該螺紋咬合導引元件之另一螺紋而相對於殼體移動。

在一實施例中，線性致動模組更包括一感測組件，其設置於殼體內，線性致動模組係藉由感測組件感測螺桿的位置。

在一實施例中，感測組件包含一電阻、一電容、一電感、一光學元件或一雷射位移量測模組。

在一實施例中，線性致動模組更包括一遮光元件，其設置於螺桿上，當螺桿轉動時，遮光元件遮斷一光線。

在一實施例中，線性致動模組係應用於原子力顯微鏡之掃描探針或樣品台的奈米級位移致動、光學顯微鏡之樣品台的奈米級位移致動、或光學系統元件之奈米級位移致動。

承上所述，因本發明之線性致動模組的殼體具有至少一導引槽位於殼體之內側，而轉動單元具有至少一滑動部與導引槽對應設置。另外，螺桿與轉動單元連接，且轉動單元轉動時可帶動螺桿相對殼體移動，進而可帶動滑動部於導引槽內移動。藉此，與習知技術相較，不僅本發明的線性致動模組具有剛性高及成本低的優點，還可達到奈米級的致動解析度。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種線性致動模組，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參照圖1A、圖1B及圖1C所示，其中，圖1A為本發明較佳實施例之一種線性致動模組1的立體示意圖，而圖1B及圖1C分別為圖1A之直線A-A及直線B_- B的剖視示意圖。本發明之線性致動模組1可應用於原子力顯微鏡之掃描探針或樣品台的奈米級位移致動、光學顯微鏡之樣品台的奈米級位移致動、或光學系統元件之奈米級位移致動，或其它需要奈米級致動的設備，於此，並不加以限制其應用範圍。

線性致動模組1包括一殼體11、一轉動單元12以及一螺桿13。

殼體11具有至少一導引槽111位於殼體11之內側。在本實施例中，殼體11的形狀係為圓柱形空心體，並具有二個導引槽111位於殼體11之內側，各導引槽111大致呈一直線，且其延伸方向實質上平行於螺桿13之長軸方向。不過，在其它的實施態樣中，殼體11的形狀也可為橢圓柱體或為多面體，且內側之導引槽111的數量也可為一個或大於二個。於此，二個導引槽111係對稱設置於圓柱形殼體11內。

轉動單元12設置於殼體11的內部。其中，轉動單元12具有至少一滑動部121與導引槽111對應設置。於此，滑動部121係為轉動單元12之至少一凸耳，例如為轉動單元12的外殼所延伸出的凸耳。在本實施例中，如圖1B及圖1C所示，滑動部121與導引槽111的數量分別為二個，且該等滑動部121係為轉動單元12之二個凸耳，而二個凸耳(即該等滑動部121)可分別對應於該等導引槽111內滑動。另外，轉動單元12更可包含一馬達122及一軸心123，其中，馬達122可例如為步進馬達、伺服馬達或其他線性馬達，以提供轉動的動力。當馬達122轉動時，位於馬達122中央的軸心123也一併轉動。

螺桿13與轉動單元12連接，並由轉動單元12之軸心123凸伸而出，且螺桿13係與殼體11內之螺紋配合。於此，螺桿13的外表面係具有與殼體11內之螺紋相互配合之另一螺紋。其中，螺桿13係為一精密螺桿(Precision screw，也可稱為精密導螺桿)，並可將馬達122之旋轉位移轉變為線性位移。在本實施例中，軸心123係與螺桿13直接連接。因此，當轉動單元12轉動時可直接帶動螺桿13轉動。

另外，殼體11更可包含一導引元件14，且螺桿13可自導引元件14之一開口O突出於殼體11。導引元件14具有螺紋，而螺桿13的外表面具有與導引元件14之螺紋相互配合之另一螺紋。在本實施例中，螺桿13係具有複數第一螺紋131，而導引元件14具有與該等第一螺紋131配合之複數第二螺紋141。於此，螺桿13係具有複數外螺牙(第一螺紋131)，而導引元件14係具有與外螺牙配合之內螺牙(第二螺紋141)。因此，當轉動單元12之馬達122轉動時可帶動螺桿13轉動，且螺桿13可藉由該等第一螺紋131咬合該等第二螺紋141而將螺桿13的轉動位移轉變成相對於殼體11的移動位移，進而可帶動轉動單元12之滑動部121於殼體11之導引槽111內移動，使螺桿13與轉動單元12可相對殼體11產生位移。特別說明的是，滑動部121與導引槽111的設置可以防止馬達122空轉，並可引導轉動單元12隨著螺桿13一起相對殼體11移動。另外，螺桿13與轉動單元12相對殼體11產生位移的方向例如圖1B所示之水平直線方向，此與馬達122轉動的方向係完全不同的。因此，藉由精密控制馬達122的轉動，可使螺桿13相對殼體11移動，並使線性致動模組1具有奈米級的致動位移(致動解析度)。

另外，為了提高線性致動模組1的剛性，線性致動模組1更可包括一密封組件15設置於滑動部121。於此，密封組件15具有至少一緩衝元件151固定於滑動部121上，並與導引槽111對應設置。其中，滑動部121為一凸耳，且具有一穿孔，緩衝元件151例如可為一O型環，而其材質例如可為橡膠，並可藉由一固定元件152(例如螺絲)穿過緩衝元件151而固定於滑動部121上。緩衝元件151的環狀外徑係大於固定元件152及滑動部121，因此，緩衝元件151可抵接於導引槽111，但仍能進行滑動。藉由緩衝元件151可填補滑動部121與導引槽111之間的間隙(讓滑動部121與導引槽111之間幾乎沒有間隙)，藉此可提高線性致動模組1的剛性。

請分別參照圖2A及圖2B所示，其分別為本發明另一態樣之線性致動模組1a、1b的示意圖。

如圖2A所示，線性致動模組1a與線性致動模組1主要的不同在於，線性致動模組1a更可包括一變速單元16，變速單元16分別與轉動單元12及螺桿13連接，且轉動單元12可藉由變速單元16改變其轉速。於此，變速單元16內可含有齒輪組，並可藉由齒輪組將馬達122輸出的轉速改變(例如減速)，以改變螺桿13的轉動速率。

如圖2B所示，線性致動模組1b與線性致動模組1a主要的不同在於，線性致動模組1b更可包括一耦接元件(coupling device)17，耦接元件17可分別與轉動單元12及螺桿13連接，且轉動單元12轉動並經由變速單元16改變其轉速後，可藉由耦接元件17帶動螺桿13轉動。於此，耦接元件17係為一可撓性聯軸器(coupling)，可撓性聯軸器具有緩和衝擊、吸收平行及偏角的位差，並可提供軸向與徑向的少量位移補償，並可防止軸心123及螺桿13的軸向誤差。藉此，與習知相較，不必使用餘隙較大的滑動聯軸器，因此，線性致動模組1b的剛性可再提高。

另外，請分別參照圖3A及圖3B所示，其分別為本發明另一態樣之線性致動模組1c、1d的示意圖。

線性致動模組1c與線性致動模組1b主要的不同在於，線性致動模組1c更可包括一感測組件18設置於殼體11內，且線性致動模組1c係可藉由感測組件18感測螺桿13的所在位置。感測組件18例如可包含一電阻、一電容、一電感、一光學元件或一雷射位移量測模組，並可使用閉迴路系統進行線性致動模組1c的精密定位，因此，可藉由感測組件18得知轉動單元12的絕對位置，進而可得知螺桿13與殼體11相對的移動位置，以進行精密定位。

在本實施例中，如圖3A所示，感測組件18例如可為一可變電阻組件，並可包含一固定件181(例如為一導體)設置於殼體11上，以及一移動件182(例如為一電阻)設置於變速單元16上，且固定件181係接觸移動件182，以得到一第一電阻值。當轉動單元12轉動而帶動螺桿13相對殼體11移動至另一位置時，可帶動滑動部121於導引槽111內移動，進而可帶動移動件182相對固定件181移動而改變阻抗而得到一第二電阻值。藉由感測組件18之第一電阻值及第二電阻值的變化，並經由計算後可得知螺桿13與殼體11相對的移動位移，藉此，可得知螺桿13的移動距離，以推算出螺桿13移動後的位置，可使線性致動模組1c具有精密定位。

另外，如圖3B所示，感測組件18例如可為一可變電容，並可包含一固定件181(例如為一金屬平板)設置於殼體11上，以及一移動件182(例如為另一金屬平板)設置於變速單元16上，且固定件181與移動件182具有一間距，藉由固定件181與移動件182重疊的部分可得到一第一電容值。當轉動單元12轉動帶動螺桿13而相對殼體11移動至另一位置時，可帶動滑動部121於導引槽111內移動，進而可帶動移動件182相對固定件181移動而改變其電容而得到一第二電容值。藉由感測組件18之第一電容值及第二電容值的變化，並經由計算後可得知螺桿13與殼體11相對的移動位移，藉此，可得知螺桿13的移動距離，以推算出螺桿13移動後的位置，可使線性致動模組1d具有精密定位。

本發明之線性致動模組1、1a、1b、1c經由實際共振頻率的量測，得到的共振頻率為2.6kHz、4kHz與7.6kHz。由於線性致動模組1、1a、1b、1c為耦合式結構，因此會有三個共振自由度，但每個自由度的共振頻率都高於2kHz，最高可達7.6kHz。然而，習知的線性致動器經由實際量測其共振頻率，可發現最高約為1.7kHz，而且容易引進其他的振動雜號。因此，本發明之線性致動模組1、1a、1b、1c具有較高共振頻率，故也具有較高的剛性。

再一提的是，線性致動模組1、1a、1b、1c也可於突出殼體11之螺桿13上安裝一遮光元件(圖未顯示)，當螺桿13轉動時，遮光元件可遮斷一光線(例如為雷射光或為X光)，因此，也可藉由控制螺桿13的轉動而將線性致動模組1、1a、1b、1c當成一光學系統的光線遮斷器。

另外，請參照圖4所示，其為本發明線性致動模組2a、2b、2c之一應用示意圖。其中，線性致動模組2a、2b、2c具有上述之線性致動模組1、1a、1b、1c的所有技術特徵，於此不再贅述。

在本實施例中，三組線性致動模組2a、2b、2c係應用於一樣品承載台3的X-Y-Z軸方向的奈米級定位。其中，線性致動模組2a可控制樣品承載台3之X軸方向的致動，線性致動模組2b可控制樣品承載台3之Y軸方向的致動，而線性致動模組2c可控制樣品承載台3之Z軸方向的致動。於此，線性致動模組2a係設置於一平台3b上，並可推動一平台3c於X軸方向的移動。線性致動模組2b係設置於一平台3a上，並可推動平台3b於Y軸方向的移動，而線性致動模組2c係設置於平台3d的內部，並可推動樣品承載台3於Z軸方向的移動。藉由分別或同時控制線性致動模組2a、2b、2c，可控制樣品承載台3於X-Y-Z軸方向之奈米級的致動定位。

綜上所述，因本發明之線性致動模組的殼體具有至少一導引槽位於殼體之內側，而轉動單元具有至少一滑動部與導引槽對應設置。另外，螺桿與轉動單元連接，且轉動單元轉動時可帶動螺桿相對殼體移動，進而可帶動滑動部於導引槽內移動。藉此，與習知技術相較，不僅本發明的線性致動模組具有剛性高及成本低的優點，還可達到奈米級的致動解析度。

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、1b1、1c、1d、2a、2b、2c．．．線性致動模組

11．．．殼體

111．．．導引槽

12．．．轉動單元

121．．．滑動部

122．．．馬達

123．．．軸心

13．．．螺桿

131．．．第一螺紋

14．．．導引元件

141．．．第二螺紋

15．．．密封組件

151．．．緩衝元件

152．．．固定元件

16．．．變速單元

17．．．耦接元件

18．．．感測組件

181．．．固定件

182．．．移動件

3．．．樣品承載台

3a、3b、3c、3d．．．平台

O．．．開口

X、Y、Z．．．方向

圖1A為本發明較佳實施例之一種線性致動模組的立體示意圖；

圖1B及圖1C分別為圖1A之直線A-A及直線B-B的剖視示意圖；

圖2A至圖3B分別為本發明不同一態樣之線性致動模組的示意圖；以及

圖4為本發明線性致動模組之一應用示意圖。

1．．．線性致動模組

11．．．殼體

111．．．導引槽

12．．．轉動單元

121．．．滑動部

122．．．馬達

123．．．軸心

13．．．螺桿

131．．．第一螺紋

14．．．導引元件

141．．．第二螺紋

15．．．密封組件

151．．．緩衝元件

152．．．固定元件

O．．．開口

Claims (17)

1. 一種線性致動模組，包括：一殼體，具有至少一導引槽位於該殼體之內側；一轉動單元，設置於該殼體，並具有至少一滑動部與該導引槽對應設置；以及一螺桿，與該轉動單元連接，並與該殼體內之螺紋配合，其中，該轉動單元轉動時係帶動該螺桿相對該殼體移動，進而帶動該滑動部於該導引槽內移動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，其中該殼體之形狀為圓柱體、橢圓柱體或多面體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，其中該轉動單元包含一馬達。
4. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，其中該滑動部係為該轉動單元之至少一凸耳。
5. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，其中該螺桿係由該轉動單元之軸心凸伸而出。
6. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，更包括：一耦接元件，分別與該轉動單元及該螺桿連接，該轉動單元轉動時係藉由該耦接元件帶動該螺桿轉動。
7. 如申請專利範圍第6項所述之線性致動模組，其中該耦接元件係為一可撓性聯軸器。
8. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，更包括：一變速單元，與該轉動單元連接，該轉動單元藉由該變速單元改變其轉速。
9. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，更包括：一密封組件，具有至少一緩衝元件固定於該滑動部，並與該導引槽對應設置，該緩衝元件抵接該導引槽。
10. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，其中該螺桿之外表面具有與該殼體內之螺紋相互配合之另一螺紋。
11. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，其中該殼體更包含一導引元件，該螺桿自該導引元件之一開口突出於該殼體，該導引元件具有該螺紋。
12. 如申請專利範圍第11項所述之線性致動模組，其中該螺桿之外表面具有與該導引元件之該螺紋配合之另一螺紋。
13. 如申請專利範圍第12項所述之線性致動模組，其中當該轉動單元轉動時帶動該螺桿轉動，且該螺桿係藉由該螺紋咬合該導引元件之另一螺紋而相對於該殼體移動。
14. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，更包括：一感測組件，設置於該殼體內，該線性致動模組係藉由該感測組件感測該螺桿的位置。
15. 如申請專利範圍第14項所述之線性致動模組，其中該感測組件包含一電阻、一電容、一電感、一光學元件或一雷射位移量測模組。
16. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，更包括：一遮光元件，設置於該螺桿上，當該螺桿轉動時，該遮光元件遮斷一光線。
17. 如申請專利範圍第1項所述之線性致動模組，其係應用於原子力顯微鏡之掃描探針或樣品台的奈米級位移致動、光學顯微鏡之樣品台的奈米級位移致動、或光學系統元件之奈米級位移致動。