TWI472471B - 多軸致動裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種致動裝置，特別關於一種多軸致動裝置。
按，奈米級精密定位是奈米科技研發中不可或缺的技術，而其應用領域相當廣泛，例如可應用於掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope,SPM)、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。
請參照圖1A所示，其為習知一種單軸致動裝置1的示意圖。單軸致動裝置1包括一壓電致動器11、一導桿12以及一移動元件13。其中，壓電致動器11與導桿12對應設置，移動元件13則可滑動地設置於導桿12上，導桿12的二端分別與二膜片F1、F2連結，壓電致動器11藉由膜片F1而與導桿12間接連結。
另外，單軸致動裝置1更可包括一框體14，而壓電致動器11、導桿12及移動元件13係設置於框體14。
請參照圖1B及圖1C所示，以說明單軸致動裝置1的動作情形。如圖1B所示，當壓電致動器11接受一驅動訊號並以極快的速度伸長時，壓電致動器11產生形變伸長並藉由膜片F1快速推動導桿12移動，此單軸致動裝置1係藉由滯-滑效應(Stick-Slip movement)進行驅動，詳情請參閱美國專利號US7,196,454B2及US5,912,527。當導桿12快速移動時，其與移動元件13之間產生滑動，但移動元件13並未被帶動而停留於原來的一第一位置P1，故使得導桿12與移動元件13之間會有一位移ΔX1。
另外，如圖1C所示，當驅動訊號控制壓電致動器11使其緩慢地回復至初始位置時，由於導桿12緩慢移動時，移動元件13滯留於導桿12上而帶著移動元件13朝左方移動至一第二位置P2，使第一位置P1與第二位置P2之間具有另一位移ΔX2。因此，單軸致動裝置1可藉由控制壓電致動器11產生滯-滑效應以控制移動元件13移動。
上述之單軸致動裝置1的優點為模組化，當需要其它不同軸向的運動時，需要於一單軸致動裝置1上堆疊控制另一軸向的另一致動裝置(於此稱為串聯)。故為了達到X-Y-Z軸的三維的運動，則需於單軸致動裝置1上再堆疊另外二個軸向的類似致動裝置，以達到X-Y-Z軸的三維運動。於此，由下而上依序稱為致動裝置Y、致動裝置X及致動裝置Z。然而，由於最底層的致動裝置Y需負載致動裝置X及致動裝置Z的重量，且致動裝置X需負載致動裝置Z的重量，因此，在X-Y-Z軸的三維運動中，致動裝置Z的剛性最低，致動裝置X次之，而致動裝置Y的剛性最高，而使得致動裝置X及致動裝置Y的解析度較易受剛性的影響而容易受到外界震動而產生振動，進而影響移動的準確度。另外，由於致動裝置X、Y、Z所承受的負載不同，故致動裝置Y的運作頻寬(即移動速度)將低於致動裝置X與致動裝置Z，而使得其運作速度受影響。
因此，如何提供一種多軸致動裝置，不僅可達到釐米級的長行程位移與次奈米級的高定位解析度，又可具有較高之系統剛性而可擁有較高之運作頻寬，以提供較高速之運動，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不僅可達到釐米級的長行程位移與次奈米級的高定位解析度，又可具有較高之系統剛性而可擁有較高之運作頻寬，以提供較高速之運動的多軸致動裝置。
為達上述目的，依據本發明之一種多軸致動裝置之一第一導桿係滑動地連接於一移動元件。一第二導桿係滑動地連接於移動元件。至少一預壓元件係與第一導桿及第二導桿接觸，並同時或分別提供一預壓力於第一導桿及第二導桿。一第一致動器係與第一導桿對應設置。一第二致動器係與第二導桿對應設置，其中，當第一致動器或第二致動器動作時，第一致動器或第二致動器產生形變，並分別帶動第一導桿或第二導桿移動，進而帶動移動元件由一第一位置移動至一第二位置。
在一實施例中，預壓元件係具有彈性、或具有磁性。
在一實施例中，第一導桿及該第二導桿的材質係包含金屬、或不鏽鋼、或合金、或碳纖維。
在一實施例中，移動元件係具有複數實質平行設置的滑槽，第一導桿及第二導桿係分別對應設置於該等滑槽。
在一實施例中，移動元件係往致動器形變方向移動。
在一實施例中，第一致動器及第二致動器係並排設置，並分別設置於第一導桿及第二導桿之一端。
在一實施例中，第一致動器及第二致動器係同時或分別被驅動。
在一實施例中，輸入第一致動器及第二致動器之驅動訊號的電壓係相同或相反。
在一實施例中，該等驅動訊號係為差動驅動訊號。
在一實施例中，第一導桿及第二導桿之長軸方向係實質上相互垂直或平行。
在一實施例中，當第一致動器與第二致動器致動方向為平行時，第一致動器與第二致動器係為差動驅動。
在一實施例中，當移動元件與第一致動器及第二致動器之間的間距愈大時，第一致動器及第二致動器之差動驅動所造成之移動元件的位移行程愈大。
在一實施例中，多軸致動裝置更包括至少一第三導桿及至少一第三致動器。第三導桿係滑動地連接於移動元件，第三導桿的長軸方向實質上係與第一導桿或第二導桿垂直或平行。第三致動器係與第三導桿對應設置，當第三致動器及第一致動器或第二致動器作動時，作用於移動元件的淨力矩不為零。
在一實施例中，多軸致動裝置更包括至少一第四致動器及至少一第四導桿，第四導桿係滑動地連接於移動元件，並實質上與第一導桿、第二導桿或第三導桿垂直或平行設置。第四致動器係與第四導桿對應設置。
在一實施例中，多軸致動裝置更包括一承載平台，其係與移動元件連接。
在一實施例中，第一致動器及第二致動器係為壓電致動器或磁力線性馬達。
承上所述，因本發明之一種多軸致動裝置之至少一第一導桿係滑動地連接於移動元件，至少一第二導桿係滑動地連接於移動元件，而至少一預壓元件係與第一導桿及第二導桿接觸，並分別提供一預壓力於第一導桿及第二導桿，使導桿與移動元件間產生摩擦力。另外，第一致動器係與第一導桿對應設置，且第二致動器係與第二導桿對應設置。藉此，第一致動器及第二致動器可藉由第一導桿與第二導桿分別滑動地連接於連接元件，而使得第一致動器及第二致動器非如習知般地串聯堆疊設置。因此，與習知相較，某一致動器並不承載另一致動器的重量，使得本發明的多軸致動裝置具有較高的系統剛性以及較高之運作頻寬，進而使多軸致動裝置可提供較高的運作速度。此外，當第一致動器或第二致動器作動時，第一致動器或第二致動器可產生形變，並分別帶動第一導桿或第二導桿移動，進而帶動移動元件由一第一位置移動至一第二位置。藉此，可藉由驅動訊號控制第一致動器及/或第二致動器的作動，進而使得移動元件達到釐米級的長行程步進、大角度變化調整、奈米級定位解析度位移，以及微米級行程的掃描，並具有次奈米級高位移掃描解析度。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種多軸致動裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請參照圖2所示，其為本發明第一實施例之一種多軸致動裝置2的示意圖。本發明之多軸致動裝置2係可應用於例如掃描探針顯微鏡、電子顯微鏡、微探針或微試管之多軸致動調整平台、奈米級解析度及多自由度的反射鏡座、奈米級解析度及多自由度的微型機械手臂或光學系統的多軸位移平台等，甚至是任何需要高定位解析度移動的二維至六維平台，即可裝設本發明的多軸致動裝置2，於此並不加以限制其應用範圍。
多軸致動裝置2係包括一移動元件21、至少一第一致動器241、至少一第二致動器242、至少一第一導桿221、至少一第二導桿222以及至少一預壓元件23。另外，多軸致動裝置2更可包括至少一第三致動器243、至少一第四致動器244、至少一第三導桿223及至少一第四導桿224。
如圖2所示，在本實施例中，多軸致動裝置2係以具有一第一致動器241、一第二致動器242、一第三致動器243、一第四致動器244、一第一導桿221、一第二導桿222、一第三導桿223及一第四導桿224為例。
其中，移動元件21係為被驅動的標的元件，其可與一承載平台26連接。承載平台26例如可承載一待觀察或待測量物品，並藉由移動元件21的移動而協助將物品定位。
導桿221～224係分別滑動地連接於移動元件21。其中，移動元件21係可具有複數實質平行設置的滑槽，而221～224係分別對應設置於該等滑槽，使得221～224可藉由該等滑槽而可滑動地連接於移動元件21。另外，第三導桿223的長軸方向實質上係與第一導桿221或第二導桿222垂直或平行，而第四導桿224實質上與第一導桿221、第二導桿222或第三導桿垂直或平行設置。在本實施例中，如圖2所示，係以第一導桿221、第二導桿222、第三導桿223及第四導桿224對應設置於移動元件21之四滑槽S1、S2、S3、S4內(其中，導桿222、224及滑槽S2、S4於圖中未顯示)，且第一導桿221及第二導桿222、第三導桿223及第四導桿224實質上平行設置於該等滑槽S1、S2、S3、S4，並且第四導桿224實質上與第一導桿221、第二導桿222或第三導桿223平行設置為例，然並不以此為限。
其中，導桿221～224的材質係可包含金屬、或不鏽鋼、或合金、或碳纖維。於此，係以質量輕、剛性高且具有彈性之碳纖維為例。另外，致動器241～244係為壓電致動器，或為磁力線性馬達。於此，係以壓電致動器為例，而其材料係可包含單晶類、薄膜、聚合物、陶瓷類、或複合材料等。其中，單晶類材料例如可為石英、電氣石(tourmaline)、羅德鹽(rochelle salts)、稀土鉭酸鹽(rare-earth tantalite,RETaO4
)或鈮酸鹽(niobate)；薄膜材料例如可為二氧化鋯(Zirconia,ZrO2
)；聚合物材料例如可為聚偏乙烯氟化物(PVDF)。陶瓷類材料例如可為鈦酸鋇(barium titanate,BaTiO3
)或鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate Titanate,PZT)；複合材料例如可為聚偏乙烯氟化物及鋯鈦酸鉛等。
另外，預壓元件23係與導桿221～224接觸。其中，預壓元件23係為具有彈性或具有磁性或導磁性的材料，例如可為橡膠、簧片、或金屬薄片，或以磁性或導磁性物質相吸以產生一力量，進而同時或分別提供一預壓力於導桿221～224，使導桿221～224與移動元件21間產生摩擦力，其中，預壓力之方向與摩擦力之方向係實質上垂直。於此，預壓元件23係為一具彈性的橡膠環，而導桿221～224係藉由預壓元件23所提供的預壓力而同時與移動元件21連接。
另外，也可設置複數預壓元件23並分別與導桿221～224接觸，複數預壓元件23可分別提供預壓力，使導桿221～224與移動元件21間於移動時可產生摩擦力。此外，在其它的實施態樣中，也可藉由具有磁性或導磁性之預壓組件(圖未顯示)分別設置於導桿221～224面向四滑槽S1～S4之側，或設置於移動元件21之四滑槽S1～S4內，並藉由預壓元件23提供磁力，使導桿221～224移動時可與移動元件21間產生摩擦力。
第一致動器241、第二致動器242、第三致動器243及第四致動器244係分別與第一導桿221、第二導桿222、第三導桿223及第四導桿224對應設置。於此，係以第一致動器241、第二致動器242、第三致動器243及第四致動器244分別相對設置並大致上位於同一平面上，並分別與第一導桿221、第二導桿222、第三導桿223及第四導桿224對應設置為例。換言之，如圖2所示，本實施例之多軸致動裝置2係具有致動器241～244以及分別與致動器241～244對應設置的導桿221～224，且致動器241、242係彼此相對而設，而致動器243、244係彼此相對而設，且致動器241～244係為並排設置，並分別設置於導桿221～224之一端，而其驅動方向為導桿221～224的長軸方向，且致動器241～244分別推動導桿221～224時，其致動的方向也實質上平行。不過，在其它的實施例中，致動器241～244可分別藉由其它的元件設置於導桿221～224的其它位置，例如設置於導桿221～224的一側、或其他接近端部的位置。另外，致動器241～244係設置於同一承載座25，承載座25可提供致動器241～244作動時的承載力。
另外，驅動訊號係分別輸入致動器241～244之兩驅動電極，而驅動電極材質例如包含銅、金、或銀等金屬或合金，且一壓電薄片係夾置於兩驅動電極之間，因此，當壓電薄片因驅動訊號而產生形變時，其對應的兩驅動電極亦可能一併產生形變。其中，當致動器241～244動作時，致動器241～244因壓電材料產生形變(壓電材料與運作是熟知的技術)，形變的結果可為壓電材料伸長或縮短。另外，由於壓電薄片之價格，較一般壓電陶瓷管來得便宜，且可隨實際需求而疊設成複數壓電薄片，故也減少了材料的成本。此外也可使用積層式壓電材料(Piezo Stack)作為致動器，此積層式壓電材料可在低電壓下輸出高位移量，因此也適合本發明實施例使用。
例如，以第一致動器241及第二致動器242，或第三致動器243及第四致動器244形變伸長為例，可分別推動第一導桿221及第二導桿222，或第三導桿223及第四導桿224移動，進而可帶動移動元件21由一第一位置P1移動至一第二位置P2。其中，第一位置P1係為第一致動器241及第二致動器242，或第三致動器243及第四致動器244未形變前，移動元件21原來的位置，而第二位置P2係為移動元件21被第一導桿221及第二導桿222，或第三導桿223及第四導桿224帶動後的新的位置。需注意的是，第一位置P1與第二位置P2的不同，可能是二位置之間具有一距離，或是二位置之間有角度上的不同。
以下，請分別參照圖3A至圖3E所示，以說明多軸致動裝置2的驅動情形。其中，圖3A至圖3E分別係為多軸致動裝置2的驅動訊號及其動作示意圖。於此，為了清楚說明多軸致動裝置2係如何驅動移動元件21，圖3A至圖3E中只顯示第一致動器241、第二致動器242、第一導桿221及第二導桿222、移動元件21及承載座25。
首先，如圖3A(a)所示，第一位置P1係為第一致動器241、第二致動器241未形變前，移動元件21原來的起始位置(高度)。
如圖3A(d)中之驅動訊號所示，驅動電壓的數值係隨著時間而增加的。當驅動訊號同時驅動第一致動器241、第二致動器242，並使第一致動器241、第二致動器242同時緩慢地產生形變(往上緩慢伸長)時，第一致動器241、第二致動器242係分別施加一向上的位移給第一導桿221及第二導桿222，且該位移的速度是緩慢的，因此，移動元件21係往第一致動器241、第二致動器242的形變方向向上移動，以隨著第一致動器241、第二致動器242及第一導桿221、第二導桿222向上移動至第二位置P2。
接著，如圖3A(e)之驅動訊號所示，當驅動訊號瞬間變化(變小)，並使第一致動器241、第二致動器242的形變同時快速地回復原狀時(往下快速縮短而回復至原狀)，移動元件21係因其慣性與導桿間產生滑動而停留於第二位置P2或略低於P2。因此，移動元件21相較於位置P1具有一向上位移ΔZ1。如此重覆上述步驟，即可累積移動元件21的Z方向位移，而形成較長行程的位移，例如可為釐米級的長行程位移。
特別說明的是，於圖3A的態樣中，也可同時對第一致動器241、第二致動器242、第三致動器243、第四致動器244提供相同的驅動訊號，一樣可控制移動元件21往上或往下的移動，並使其同樣具有一長行程的位移。因此，若使用如上述的鋸齒波驅動訊號連續地正向或反向驅動多軸致動裝置2，重覆快速移動導桿221～224，即可控制致動器241～244，使移動元件21達到往上或往下移動，並使多軸致動裝置2具有釐米級長行程位移的目的。
另外，請參照圖3B(d)之驅動訊號所示，當驅動訊號同時驅動第一致動器241、第二致動器242，並使第一致動器241、第二致動器242同時緩慢地產生形變(往上緩慢伸長)時，移動元件21係往第一致動器241、第二致動器242的形變方向向上移動，並隨著第一致動器241、第二致動器242及第一導桿221及第二導桿222由第一位置P1向上移動至第二位置P2。
不同的是，如圖3B(e)之驅動訊號所示，當驅動電壓隨時間緩慢地下降，並使第一致動器241、第二致動器242同時緩慢地縮短並回復至原狀，進而使驅動訊號的電壓反向而使得第一致動器241、第二致動器242再往下緩慢地縮短時，移動元件21係跟著第一致動器241、第二致動器242及第一導桿221、第二導桿222的下降由第二位置P2被帶動至一第三位置P3，而使移動元件21具有一位移ΔZ2。因此，使用者可藉由輸入第一致動器241、第二致動器242之驅動訊號而控制移動元件21的移動，使其由第二位置P2移動至第三位置P3，因此，移動元件21的淨位移為第一位置P1與第三位置P3之高度差(ΔZ2)，使得多軸致動裝置2具有微米級短行程的高解析度(例如為次奈米級)位移或定位。
其中，上述之快速下降或快速上升的定義為：當驅動電壓驅動致動器241、242動作時，移動元件21因慣性而與導桿221、222間產生滑動。而緩慢下降或緩慢上升的定義為：當驅動電壓驅動致動器241、242動作時，致動器241、242伸長或縮短的速度緩慢，使得移動元件21與導桿221、222間沒有產生滑動，並被導桿221、222帶動而緩慢下降/上升。
特別說明的是，於圖3B的態樣中，亦可同時對第一致動器241、第二致動器242及、第三致動器243及第四致動器244提供相同的驅動訊號，一樣可控制移動元件21移動，並使多軸致動裝置2一樣具有次奈米級的高定位解析度位移。
另外，如圖3C(b)之驅動訊號所示，為了達到大角度的偏移目的，圖3C(a)左側的第一致動器241係緩慢伸長後快速縮短，因此，可得到移動元件21相對於第一導桿221往上移動。另外，於第一致動器241動作的同時，圖3C(a)右側之第二致動器242係快速伸長後緩慢縮短，因此，可得到移動元件21相對於第二導桿222往下移動。如此，藉由兩邊差動及步進的驅動方式可以達到使移動元件21於方向X上具有大角度θ變化之目的。
另外，如圖3D(c)之驅動訊號所示，於此，驅動訊號係以同時驅動第一致動器241及第二致動器242為例。其中，輸入第一致動器241及第二致動器242之驅動訊號的電壓極性係可相同或相反，或不必然電壓極性相反，只要兩致動器241、242的輸出位移有差值即可。於此，係以驅動訊號的電壓極性相反為例，並使第一致動器241伸長，第二致動器242則縮短。當然，在其它的驅動方式中，輸入第一致動器241及第二致動器242之驅動訊號的電壓極性也可相同。另外，上述之驅動訊號係為一差動驅動訊號，而第一致動器241與第二致動器242係同時被驅動，當然，於其它的驅動方式中，第一致動器241與第二致動器242也可不必同時被驅動，且可於不同時間變化。
在本實施例中，由於輸入第一致動器241及第二致動器242之驅動訊號的電壓極性係相反，故當圖3D(a)的左側之第一致動器241緩慢地伸長(例如驅動訊號係為正電壓)時，右側之第二致動器242則緩慢地縮短(例如驅動訊號係為負電壓)，進而帶動移動元件21往右側的第二致動器242方向傾斜，並由第一位置P1往X軸的正向方向傾斜一角度θX
而至第二位置P2。由於θX
之角度非常小，因此上方待測物之運動軌跡可視為沿X軸位移ΔX之線性位移。同理，驅動另外兩個致動器243、244也可得到ΔY的線性位移，因此，這樣的位移機制可達到X與Y方向高解析位移或定位(次奈米級解析度)的目的。
另外，如圖3D(b)所示，當該等驅動訊號緩慢地下降，並使第一致動器241緩慢地縮短而回復至原狀，進而再緩慢地繼續縮短時(例如驅動訊號由正電壓變為負電壓)，且同時第二致動器242緩慢地伸長而回復至原狀，進而再緩慢地繼續伸長時(例如驅動訊號由負電壓變為正電壓)，移動元件21係被帶動由第二位置P2往X軸的負向方向傾斜一角度θ-X
而被帶動至一第三位置P3，由於θX
至θ-X
之角度非常小，因此上方待測物之運動軌跡可視為直線，如此一來，即可有位移2ΔX或甚至更多之線性位移，而達成高解析位移的目的。
因此，多軸致動裝置2不僅具有設備成本相當低廉的優點，而上述掃描機制也可取代習知昂貴的壓電陶瓷管掃瞄器(Piezoelectric ceramic tube scanner)於掃瞄探針顯微術(Scanning probe microscopy)中。
再說明的是，於相同的驅動電壓下，當移動元件21於方向Z具有不同高度時，高解析之X軸方向線性位移ΔX可放大或縮小。換言之，當移動元件21與致動器241～242之間的間距愈大時，致動器241～242之差動驅動所造成之移動元件21的左右之線性位移量也會愈大。例如圖3E(a)的致動器241～242使用圖3E(c)的差動方式驅動可得到ΔX之線性位移，若移動元件21於方向Z的高度變高時，如圖3E(b)所示，同樣使用圖3E(c)的差動方式驅動及同樣的偏擺角度下，實際的偏擺位移ΔX3將大於圖3E(a)之位移ΔX。因此，在同樣電壓之差動方式驅動下，若移動元件21於方向Z的高度較高時(即移動元件21與致動器之間的間距愈大，如圖3E(b)，可得到大於原來ΔX的位移量。因此，不同的移動元件21之高度可得到不同的差動驅動之位移行程。
因此，上述之多軸致動裝置2可成為長行程位移，並可擁有奈米級步進解析度，如圖3A所示。另外，多軸致動裝置2更可作Z方向的次奈米級位移或定位，如圖3B所示。亦可透過差動長行程位移達到大角度偏移的目的，如圖3C所示。此外，也可藉由差動方式驅動進行數十微米之X-Y軸方向的線性掃描，如圖3D、3E所示。因此本發明之多軸致動裝置2具有Z方向釐米級位移長距離步進、大角度變化調整、奈米級步進定位解析度，以及X、Y、Z軸方向之微米級掃描行程及次奈米級高位移掃描解析度。
值得一提的是，上述之驅動訊號只是舉例，使用者可依其需求對不同致動器設計不同的驅動訊號，以控制移動元件21(及承載平台26)移動至所需之長行程位移或短行程之高解析度位移。
再說明的是，當第一致動器及第二致動器的數量分別為一時，第一致動器及第二致動器係可同時被驅動，或可為差動驅動。另外，當該等第一致動器的數量為二及第二致動器的數量為一時，該等第一致動器及第二致動器其中之二係可為差動驅動。此外，當第一致動器的數量為一及該等第二致動器的數量為二時，第一致動器與該等第二致動器其中之二也可為差動驅動。換言之，當第一、第二致動器的合計的數量為2、或3、或大於3時，一樣可藉由上述之差動驅動方式驅動第一或第二致動器，使多軸致動裝置具有如圖3A至圖3E所示之驅動方式，並使多軸致動裝置具有Z方向釐米級位移長距離定位、奈米級步進定位解析度，以及X-Y平面方向之次奈米級掃描解析度。
請參照圖4所示，其為本發明第二實施例之一種多軸致動裝置3之示意圖。
多軸致動裝置3係包括一移動元件31、至少一第一導桿321、至少一第二導桿322、至少一預壓元件(以三個預壓元件33a~33c為例)、至少一第一致動器341以及至少一第二致動器342。另外，多軸致動裝置3更可包括至少一第三致動器343及至少一第三導桿323。在本實施例中，第一、第二、第三致動器的數量分別為1，而第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323均以四支為例。
第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323係分別滑動地連接於移動元件31，並分別與第一致動器341、第二致動器342及第三致動器343對應設置。在本實施例中，第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323實質上係兩兩相互垂直設置，並與移動元件31的不同表面連結，而移動元件31係以一六面體為例，然並不以此為限。移動元件31也可為其它形狀，例如其它多面體、圓柱體、角錐體或其它。因此，當第一致動器341、第二致動器342或第三致動器343動作時，其可帶動移動元件31分別於X-Y-Z軸的三維座標移動。例如第一致動器341可控制移動元件31對應於Z軸方向的移動，第二致動器342可控制移動元件31對應於Y軸方向的移動，而第三致動器343可控制移動元件31對應於X軸方向的移動。另外，兩兩第一導桿321、兩兩第二導桿322及兩兩第三導桿323係分別連接於移動元件31之相對的表面，然並不以此為限。
在本實施例中，第一致動器341、第二致動器342及第三致動器343係分別藉由三連接板C1、C2、C3設置於第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323之一端部附近，且第一致動器341、第二致動器342及第三致動器343係分別藉由連接板C1、C2、C3與第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323連接，並分別位於連接板C1、C2、C3與一承載座35之間，經驅動後，形變的第一致動器341、第二致動器342或第三致動器343，係拉開或縮短承載座35與連接板C1、C2或C3的間距，以間接帶動第一導桿321、第二導桿322或第三導桿323移動。不過，在其它的實施例中，第一致動器341、第二致動器342及第三致動器343可分別直接連接於第一導桿321、第二導桿322與第三導桿323的一端，以直接推動第一導桿321、第二導桿322與第三導桿323移動。
預壓元件係與第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323接觸。於此，係以三預壓元件33a、33b、33c分別與第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323對應。其中，預壓元件33a、33b、33c係為具彈性的簧片，並鎖合於移動元件31上，且第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323係分別藉由預壓元件33a、33b、33c所提供的預壓力而與移動元件31連接，並可滑動地連接於移動元件31，其中，預壓力之方向與摩擦力之方向係實質上垂直。另外，第一致動器341、第二致動器342及第三致動器343係設置於承載座35上。
本實施例中，多軸致動裝置3更可包括一承載平台36，承載平台36係與移動元件31連接，以承載例如一待觀察或待量測物品，並將其定位。
因第一致動器341、第二致動器342及第三致動器343的一端係分別抵接於承載座35，故當第一致動器341、或第二致動器342、或第三致動器343因驅動訊號的輸入而產生形變時，可分別帶動連接板C1、C2、C3移動，進而可帶動第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323移動。因此，與第一實施例相同，可控制移動元件31於不同軸向由一第一位置移動至一第二位置，甚至移動至一第三位置。
其中，驅動多軸致動裝置3之第一致動器341、第二致動器342及第三致動器343的驅動訊號，可參照第一實施例之圖3A及圖3B所示。因此，移動元件31可藉由輸入第一致動器341、或第二致動器342及第三致動器343之驅動訊號而分別控制於X-Y-Z軸的方向上移動。或者可同時驅動第一致動器341及/或第二致動器342及/或第三致動器343，以控制移動元件31分別於X軸方向、Y軸方向以及Z軸方向移動。
此外，多軸致動裝置3的驅動控制方式可參照第一實施例之圖3A及圖3B，於此不再贅述。
另外，請參照圖5所示，其為本發明另一態樣的多軸致動裝置3a的局部示意圖。為了清楚說明，圖5中只顯示第一致動器341、第一導桿321、連接板C1、第四致動器344、第四導桿324、連接板C1a及局部的承載座35，圖5中並未顯示移動元件31及其它元件。另外，圖5已顯示驅動訊號驅動第一致動器341而使第一致動器341產生形變(縮短)。當然，在其它驅動態樣中，驅動訊號也可只驅動第四致動器344產生形變，或者可同時驅動第一致動器341及第四致動器344，使兩者同時產生相同或不同的形變。
多軸致動裝置3a與多軸致動裝置3主要的不同在於，多軸致動裝置3a更可包括至少一第四導桿324及至少一第四致動器344，另外，對應Z軸方向之第一致動器341的第一導桿321只有二支。其中，第四導桿324係滑動地連接於移動元件31(圖未顯示)，且第四致動器344係與第四導桿324對應設置。在本實施例中，係以多軸致動裝置3a具有一第四導桿324及一第四致動器344為例，且第四導桿324及第四致動器344係設置於移動元件31的同一側，而第四導桿324於長軸方向實質上與第一導桿321平行。另外，第四導桿324係藉由另一連接板C1a與第四致動器344連接。此外，在其它的實施態樣中，第四致動器344(與第四導桿324)及第一致動器341(與第一導桿321)也可分別設置於移動元件31的兩相對側。
當驅動訊號驅動第四致動器344及或第一致動器341作動時，若作用於移動元件31的淨力矩不為零，則移動元件31可如圖3C之移動元件21一樣具有旋轉的效果。
此外，多軸致動裝置3a的其它特徵可參照多軸致動裝置3，於此不再贅述。
以下，以一實際應用例來說明，本發明之多軸致動裝置具有次奈米級的解析度。
請參照圖6A及圖6B所示，其中，圖6A為本發明之多軸致動裝置3應用於原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)，並掃描一石墨(Highly Orientated Pyrolytical Graphite,HOPG)表面的掃瞄結果示意圖，而圖6B係為圖6A中，白色直線的高度變化示意圖。圖6A及圖6B的橫軸代表石墨表面的水平位置，圖6A的縱軸代表石墨表面的垂直位置，而圖6B之縱軸代表石墨表面的高度。另外，圖6B及圖6A顯示的較深顏色代表該處石墨表面具有較深的深度，而圖6B的藍色及紅色箭頭係對應於圖6A白色直線上的藍色及紅色箭頭。特別說明的是，驅動多軸致動裝置3之致動器的驅動電壓可以軟體換算，以得到移動元件31的位移量。換言之，由於第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323係分別藉由預壓元件33a、33b、33c所提供的預壓力而與移動元件31連接，因此，第一導桿321、第二導桿322及第三導桿323與移動元件31之間的摩擦力係為已知，故可事先將不同的驅動電壓進行轉換，以得到對應的移動元件31之位移量。
如圖6B所示，經軟體計算後，藍色及紅色箭頭之間的高度差為0.354奈米(nm)，此即約等於一層石墨原子的厚度(0.3奈米)，證明本發明之多軸致動裝置3實際應用於原子力顯微鏡進行掃瞄時，已可判斷出次奈米級的斷差，因此具有次奈米級的解析度。
綜上所述，因本發明之一種多軸致動裝置之至少一第一導桿係滑動地連接於移動元件，至少一第二導桿係滑動地連接於移動元件，而至少一預壓元件係與第一導桿及第二導桿接觸，並分別提供一預壓力於第一導桿及第二導桿，使導桿與移動元件間產生摩擦力。另外，第一致動器係與第一導桿對應設置，且第二致動器係與第二導桿對應設置。藉此，第一致動器及第二致動器可藉由第一導桿與第二導桿分別滑動地連接於連接元件，而使得第一致動器及第二致動器非如習知般地串聯堆疊設置。因此，與習知相較，某一致動器並不承載另一致動器的重量，使得本發明的多軸致動裝置具有較高的系統剛性以及較高之運作頻寬，進而使多軸致動裝置可提供較高的運作速度。此外，當第一致動器或第二致動器作動時，第一致動器或第二致動器可產生形變，並分別帶動第一導桿或第二導桿移動，進而帶動移動元件由一第一位置移動至一第二位置。藉此，可藉由驅動訊號控制第一致動器及/或第二致動器的作動，進而使得移動元件達到釐米級的長行程步進、大角度變化調整、奈米級定位解析度位移，以及微米級行程的掃描，並具有次奈米級高位移掃描解析度。
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，均應包括於後附之申請專利範圍中。
1．．．單軸致動裝置
11．．．壓電致動器
12．．．導桿
13、21、31．．．移動元件
14．．．框體
2、3、3a．．．多軸致動裝置
221、321．．．第一導桿
222、322．．．第二導桿
223、323．．．第三導桿
224、324．．．第四導桿
23、33a、33b、33c．．．預壓元件
241、341．．．第一致動器
242、342．．．第二致動器
243、343．．．第三致動器
244、344．．．第四致動器
25、35．．．承載座
26、36．．．承載平台
C1、C2、C3、C1a．．．連接板
F1、F2．．．膜片
P1、P2、P3．．．位置
S1、S2、S3、S4．．．滑槽
X、Y、Z．．．座標
ΔX、ΔX1、ΔX2、ΔX3、ΔZ1、ΔZ2．．．位移
θ、θX
、θ-X
．．．角度
圖1A為習知一種單軸致動裝置的示意圖；
圖1B及圖1C分別為習知之單軸致動裝置的驅動訊號及其動作示意圖；
圖2為本發明第一實施例之一種多軸致動裝置的示意圖；
圖3A至圖3E分別係為多軸致動裝置的驅動訊號及其動作示意圖；
圖4為本發明第二實施例之一種多軸致動裝置之示意圖；
圖5為本發明第二實施例另一態樣的多軸致動裝置的局部示意圖；
圖6A為本發明之多軸致動裝置應用於掃描探針顯微鏡，並掃描一石墨表面的掃瞄結果示意圖；以及
圖6B為圖6A中，白色直線的高度變化示意圖。
2．．．多軸致動裝置
21．．．移動元件
221．．．第一導桿
223．．．第三導桿
23．．．預壓元件
241．．．第一致動器
242．．．第二致動器
243．．．第三致動器
244．．．第四致動器
25．．．承載座
26．．．承載平台
S1、S3．．．滑槽
Claims (17)
- 一種多軸致動裝置，包括：一移動元件；至少一第一導桿，係滑動地連接於該移動元件；至少一第二導桿，係滑動地連接於該移動元件；至少一預壓元件，係與該第一導桿及該第二導桿接觸，並同時或分別提供一預壓力於該第一導桿及該第二導桿；至少一第一致動器，係與該第一導桿對應設置；以及至少一第二致動器，係與該第二導桿對應設置，其中，當該第一致動器或該第二致動器動作時，該第一致動器或該第二致動器產生形變，並分別帶動該第一導桿或該第二導桿移動，進而帶動該移動元件由一第一位置移動至一第二位置。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中該預壓元件係具有彈性或具有磁性。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中該第一導桿及該第二導桿的材質係包含金屬、或不鏽鋼、或合金、或碳纖維。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中該移動元件係具有複數實質平行設置的滑槽，該第一導桿及該第二導桿係分別對應設置於該等滑槽。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中該移動元件係往該致動器形變方向移動。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中該第一致動器及該第二致動器係並排設置，並分別設置於該第一導桿及該第二導桿之一端。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中該第一致動器及該第二致動器係同時或分別被驅動。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中輸入該第一致動器及該第二致動器之驅動訊號的電壓極性係相同或相反。
- 如申請專利範圍第8項所述之多軸致動裝置，其中該等驅動訊號係為差動驅動訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中當該移動元件與該第一致動器及該第二致動器之間的間距愈大時，該第一致動器及該第二致動器之差動驅動所造成之該移動元件的位移行程愈大。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中該第一導桿及該第二導桿之長軸方向係實質上相互垂直或平行。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中當該第一致動器與該第二致動器致動方向為平行時，該第一致動器與該第二致動器係為差動驅動。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，更包括：至少一第三導桿，係滑動地連接於該移動元件，該第三導桿的長軸方向實質上係與該第一導桿或該第二導桿垂直或平行；及至少一第三致動器，係與該第三導桿對應設置，當該第三致動器及該第一致動器或該第二致動器作動時，作用於該移動元件的淨力矩不為零。
- 如申請專利範圍第13項所述之多軸致動裝置，更包括：至少一第四導桿，係滑動地連接於該移動元件，並實質上與該第一導桿、該第二導桿或該第三導桿垂直或平行設置；及至少一第四致動器，係與該第四導桿對應設置。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，更包括：一承載平台，係與該移動元件連接。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其中該第一致動器及該第二致動器係為壓電致動器或磁力線性馬達。
- 如申請專利範圍第1項所述之多軸致動裝置，其係應用於掃描探針顯微鏡、電子顯微鏡、微探針或微試管之多軸致動調整平台、奈米級解析度及多自由度的反射鏡座、奈米級解析度及多自由度的微型機械手臂或光學系統的多軸位移平台。
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