壓電夾持裝置的製作方法
2023-09-19 09:40:05
專利名稱：壓電夾持裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種夾持裝置，具體而言，涉及一種壓電夾持裝置。
背景技術：
微夾持器(Micro-Gripper)在微型組裝系統中扮演相當重要的關鍵核心，其中微驅 動裝置更是攸關取放效果好壞的重要技術模塊。而一般談到微驅動裝置或精密驅動裝置， 不外乎就是利用壓電元件的微變形特點來實現。常見的壓電元件根據材料極化方向(P) 與施加電場方向(E)的不同，較常使用縱效應及橫效應作為驅動的方式(即水平、垂直 配置，實際上雖以縱效應及橫效應作為驅動方式，但以變形的角度來看，縱、橫向變化 都是同時都會存在的)。
參考圖1，其顯示常規縱效應驅動的壓電元件示意圖。所述常規縱效應驅動的壓電 元件l的極化方向(P)及施加電場方向(E)，兩者均為所述常規縱效應驅動的壓電元 件1的長度方向(平行設置)，通過所述極化方向(P)及所述施加電場方向(E)所產 生的應力，使所述常規縱效應驅動的壓電元件1產生縱向的變形(如虛線所示)，以形 成縱向驅動力。
參考圖2，其顯示常規橫效應驅動的壓電元件示意圖。所述常規橫效應驅動的壓電 元件2的極化方向(P)相對於施加電場方向(E)，和所述極化方向(P)及所述施加電 場方向(E)均為所述常規橫效應驅動的壓電元件2的寬度方向(平行設置)，通過所述 極化方向(P)及所述施加電場方向(E)所產生的應力，使所述常規縱效應驅動的壓電 元件2產生橫向的變形(如虛線所示)，以形成橫向驅動力。
上述所述常規縱效應驅動的壓電元件1及所述常規橫效應驅動的壓電元件2所分別 產生的縱效應及橫效應，其為當外加電場(E)與極化方向(P)為平行設置時所產生的 特性。然而，上述兩種驅動配置方式卻無法在縱效應與橫效應發生的同時激發出剪切效 應。因此，利用單一壓電元件雖然有較高的驅動精度或微驅動效果，但其能驅動行程卻 僅有幾十微米(pm)等級。甚至有些壓電元件僅有亞微米(sub屮m)等級的驅動功效， 所以對於要夾持較大尺寸(例如100pm以上)的精微元件則有些困難。
另外，如果要增加上述所述常規縱效應驅動的壓電元件1及所述常規橫效應驅動的 壓電元件2的驅動行程，需以多個壓電元件堆疊才能增加驅動行程的功效。參考圖3A及圖3B，其顯示一種常規堆疊式壓電驅動裝置3,其包括所述常規縱效 應驅動的壓電元件1及所述常規橫效應驅動的壓電元件2，所述常規橫效應驅動的壓電 元件2設置於所述常規縱效應驅動的壓電元件1上。圖4A顯示輸入所述常規縱效應驅動 的壓電元件1的第一驅動信號；圖4B顯示輸入所述常規橫效應驅動的壓電元件2的第二 驅動信號。其中，所述第一驅動信號與所述第二驅動信號具有相位差。
結合參考圖3A至圖4B，所述常規縱效應驅動的壓電元件1接收所述第一驅動信號 後，即產生縱效應以進行縱向運動，而所述常規橫效應驅動的壓電元件2接收所述第二 驅動信號後，即產生橫效應以進行橫向運動。通過控制具有相位差的所述第一驅動信號 及所述第二驅動信號，分別驅動所述常規縱效應驅動的壓電元件1及所述常規橫效應驅 動的壓電元件2,使所述常規堆疊式壓電驅動裝置3產生類似長方形或橢圓形的運動軌 跡，以達到推動或驅動效果。
上述所述常規堆疊式壓電驅動裝置3的驅動方式，是精密壓電驅動器中最普遍且最 方便實施的一種方式，但相對的需要用到兩種壓電材料，且需準確的搭配好兩相的電信 號(所述第一驅動信號及所述第二驅動信號)，才能產生產較佳的運動軌跡，其硬體實 現上較為複雜。
因此，有必要提供一種創新且富有進步性的壓電夾持裝置，以解決上述問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種壓電夾持裝置，其包括基座、夾持單元、驅動元件、 至少一個壓電元件及預應力裝置。所述基座具有第一側邊。所述夾持單元具有第一夾持 元件及第二夾持元件，所述第一夾持元件設置於所述基座的所述第一側邊，所述第二夾 持元件相對於所述第一夾持元件。所述驅動元件連接所述第二夾持元件。所述壓電元件 設置於所述襯底與所述驅動元件之間，其具有底面、側面及兩個電極，所述側面垂直於 所述驅動元件的軸向延伸方向，所述電極分別設置於所述底面及所述側面，所述底面固 設於所述基座。所述預應力裝置固設於所述基座且與所述驅動元件接觸，用以向所述驅 動元件提供預應力，以使所述驅動元件接觸所述壓電元件。
本發明的壓電夾持裝置通過所述預應力元件施加預應力於所述驅動元件上，在有限 的空間中可同時拘束所述驅動元件的垂直與水平的不可預期的偏移。再者，通過所述壓 電元件的多次變形，以多次驅動所述驅動元件而達到長行程的驅動效果並提升夾持力量。
圖1顯示常規縱效應驅動的壓電元件示意圖；圖2顯示常規橫效應驅動的壓電元件示意圖3A及圖3B顯示常規堆疊式壓電驅動裝置的驅動示意圖4A顯示輸入所述常規縱效應驅動的壓電元件的第一驅動信號示意圖4B顯示輸入所述常規橫效應驅動的壓電元件的第二驅動信號示意圖5顯示本發明第一實施例壓電夾持裝置的立體圖； 圖6顯示本發明第一實施例壓電夾持裝置的剖面圖7顯示本發明第一實施例的驅動元件設置於壓電元件上的示意圖； 圖8顯示本發明方波單相驅動信號的時間-電位圖； 圖9顯示本發明鋸齒波單相驅動信號的時間-電位圖； 圖10顯示本發明弦波單相驅動信號的時間-電位圖； 圖11至圖13顯示本發明第一實施例壓電夾持裝置的操作示意圖； 圖14顯示本發明在驅動元件與壓電元件之間設置摩擦材料的示意圖； 圖15顯示本發明第一種預應力元件(可彈性伸縮元件)的示意圖； 圖16顯示本發明第二種預應力元件(軸承元件)的示意圖； 圖17顯示本發明第二實施例壓電夾持裝置的立體圖； 圖18顯示本發明第二實施例壓電夾持裝置的剖面圖； 圖19顯示本發明第三實施例壓電夾持裝置的立體圖； 圖20顯示本發明第三實施例壓電夾持裝置的剖面圖；及 圖21顯示本發明第三實施例壓電夾持裝置的另一實施方面。
具體實施例方式
圖5顯示本發明第一實施例壓電夾持裝置的立體圖；圖6顯示本發明第一實施例壓 電夾持裝置的剖面圖；圖7顯示本發明第一實施例的驅動元件設置於壓電元件上的示意 圖。結合參考圖5、圖6及圖7，所述第一實施例的壓電夾持裝置4包括基座41、夾 持單元42、驅動元件43、至少一個壓電元件44 (在本實施例中為三個)及預應力裝置 45。所述基座41具有第一側邊411。所述夾持單元42具有第一夾持元件421及第二夾持 元件422，所述第一夾持元件421設置於所述基座41的所述第一側邊411，所述第二夾 持元件422相對於所述第一夾持元件421。優選地，所述夾持單元42用以夾持微型裝置 (例如微型馬達)的精微零組件，以便進行微型裝置的組裝。在本實施例中，所述基座 41的所述第一側邊411具有柱體412，所述第一夾持元件421固設於所述柱體412。
所述驅動元件43連接所述第二夾持元件422。所述壓電元件44設置於所述襯底41與所述驅動元件43之間，每一壓電元件44具有底面441、側面442及兩個電極443。其 中，所述側面442垂直於所述驅動元件43的軸向延伸方向，所述電極443分別設置於所 述底面441及所述側面442，所述底面441固設於所述基座41。
在本實施例中，所述壓電元件44為正立方體。優選地，所述壓電元件44可設置於 載體46上。其中，所述載體46固設於所述基座41，優選地，所述載體46以螺設方式 固設於所述基座41。
在本實施例中，由於所述壓電元件44為正立方體，所述電極443以垂直角度設置於 每一壓電元件44的所述底面431及所述側面432 (即所述電極443非平行設置)，所以 每一壓電元件44的電場方向(E)與極化方向(P)呈四十五度差角。將單相驅動信號電 連接至上述所述電極443，所述壓電元件44會同時呈現縱向效應、橫向效應及剪向效應。 優選地，所述單相驅動信號可為方波、鋸齒波或弦波(例如正弦波或餘弦波)等周期 性信號，分別如圖8、圖9及圖10所示。
圖11至圖13顯示本發明第一實施例壓電夾持裝置的操作示意圖。參考圖ll，當所 述單相驅動信號(V)施予所述電極443為零電位差時，所述壓電元件44仍呈原未加入 所述單相驅動信號時的正立方體。結合參考圖9及圖12，以所述單相驅動信號為如圖9 的鋸齒波周期性信號作為所述單相驅動信號為例，當時間為T1時，所述單相驅動信號呈 正電位差，所以所述壓電元件44同時呈現拉升狀態的縱向效應及向左的剪向效應。結合 參考圖9及圖13，當所述單相驅動信號在T2時間的電位差降至零時，此時所述壓電元 件44回復至原未加入所述單相驅動信號的結構形狀。如此重複施加所述單相驅動信號於 所述電極443，則所述壓電元件44即會重複縱向效應及向左的剪向效應的變化，以及回 復至原未加入所述單相驅動信號的結構形狀。因此，當施加所述單相驅動信號即可使所 述壓電元件44產生二維的變形，所以適合作為壓電夾持裝置的動力源。
再結合參考圖5、圖6及圖7，所述驅動元件43設置於所述壓電元件44上且接觸所 述壓電元件44。其中，所述驅動元件43具有接觸面431，所述接觸面431的形狀配合與 所述驅動元件43接觸的所述壓電元件44表面的形狀，在本實施例中，所述接觸面431 為平面。優選地，所述驅動元件43為氧化鋁材質，或者，在其它應用中，另外可在所述 驅動元件43與所述壓電元件44之間設置摩擦材料432 (如圖14所示)，用以增加所述 驅動元件43與所述壓電元件44間的摩擦力，以提升所述第一實施例的壓電夾持裝置4 的所述夾持單元42的夾持力量。要注意的是，所述摩擦材料442還可為氧化鋁材質。
所述預應力裝置45固設於所述基座41且與所述驅動元件43接觸，用以向所述驅動
7元件43提供預應力，以使所述驅動元件43接觸所述壓電元件44。在本實施例中，所述 預應力裝置45具有殼體451及至少一個預應力元件452 (在本實施例中為四個)，所述 殼體451固設於所述基座41，所述預應力元件452固設於所述殼體451且接觸所述驅動 元件43。
優選地，相對於所述基座41的表面，所述預應力元件452以非垂直角度施加預應力 於所述驅動元件43上，因此，所述預應力元件452施加於所述驅動元件43上的預應力 可分解為垂直方向預應力及水平方向預應力。所述垂直方向預應力可使所述驅動元件43 接觸所述壓電元件44，而所述驅動元件43兩側的所述水平方向預應力則可平衡所述驅 動元件43，其限制所述驅動元件43不會在驅動過程中過度左右偏移而影響驅動效果， 以維持所述驅動元件43驅動時的線性度。
在本實施例中，所述預應力元件452為可彈性伸縮元件(如圖15所示)，所述預應 力元件452的內部具有彈簧453，且所述預應力元件452的端部具有滾珠454，藉助所述 彈簧453可伸縮的特性，以彈性地調節所述預應力元件452與所述驅動元件43間的摩擦 力，使所述驅動元件43得以較平順的移動。依據不同的應用，所述預應力元件452還可 為軸承元件(如圖16所示)。
在適當的預應力下，所述第一實施例的壓電夾持裝置4的所述壓電元件44可順利被 單相驅動信號驅動，以驅動所述驅動元件43進行單軸運動，且所述預應力元件452施加 於所述驅動元件43上的所述垂直方向預應力及所述水平方向預應力，在有限的空間中可 同時限制所述驅動元件43的垂直與水平的不可預期的偏移。再者，在所述第一實施例中， 可通過所述壓電元件44的多次變形，以多次驅動所述驅動元件43而達到長行程的驅動 效果。並且，通過所述壓電元件44同時驅動所述驅動元件43，還可提升所述夾持單元 42的夾持力量。
圖17顯示本發明第二實施例壓電夾持裝置的立體圖。圖18顯示本發明第二實施例 壓電夾持裝置的剖面圖。結合參考圖17及圖18，所述第二實施例的壓電夾持裝置5包 括基座51、夾持單元52、驅動元件53、至少一個壓電元件54 (在本實施例中為三個) 及預應力裝置55 (在本實施例中，所述預應力裝置55具有兩個預應力元件552)。所述 第二實施例的壓電夾持裝置5與所述第一實施例的壓電夾持裝置4不同之處在於，在所 述第二實施例中，所述驅動元件53具有至少一個槽道531，所述槽道531形成於所述驅 動元件53的頂面，且大致平行於所述驅動元件53的軸向延伸方向，所述預應力裝置55 的每一預應力元件552的一端延伸地設置於所述槽道531內且接觸所述驅動元件53，藉此，使所述驅動元件53接觸所述壓電元件54，並且，利用所述預應力元件552引導及 限制所述驅動元件53,使其不會在驅動過程中過度左右偏移而影響驅動效果，以維持所 述驅動元件53驅動時的線性度。
圖19顯示本發明第三實施例壓電夾持裝置的立體圖。圖20顯示本發明第三實施例 壓電夾持裝置的剖面圖。結合參考圖19及圖20,所述第三實施例的壓電夾持裝置6包 括基座61、夾持單元62、驅動元件63、至少一個壓電元件64 (在本實施例中為三個) 及預應力裝置65。所述第三實施例的壓電夾持裝置6與所述第一實施例的壓電夾持裝置 4不同之處在於，在所述第三實施例中，所述預應力裝置65為軸杆，所述驅動元件63 具有軸孔631，所述預應力裝置65的一端固設於所述基座61的柱體612，另一端設置於 所述軸孔631內且接觸所述軸孔631。
參考圖21，要注意的是，在其它應用中，所述基座61具有第一側邊611及第二側邊 613，所述第二側邊613相對於所述第一側邊611，所述夾持單元62固設於所述基座61 的所述第一側邊611，所述預應力裝置65的一端固設於所述基座61的所述第二側邊613， 所述預應力裝置65的另一端設置於所述驅動元件63的所述軸孔631內且接觸所述軸孔 631。藉此，使所述驅動元件63接觸所述壓電元件64，並且，利用所述預應力元件65 引導及限制所述驅動元件63,使其不會在驅動過程中過度左右偏移而影響驅動效果，以 維持所述驅動元件63驅動時的線性度。
上述實施例僅為說明本發明的原理及其功效，並非限制本發明。因此所屬領域的技 術人員可在不脫離本發明的精神的情況下對上述實施例進行修改及變化。本發明的權利 範圍應如所附的權利要求書所列。
權利要求
1. 一種壓電夾持裝置，其包括基座，其具有第一側邊；夾持單元，其具有第一夾持元件及第二夾持元件，所述第一夾持元件設置於所述基座的所述第一側邊，所述第二夾持元件相對於所述第一夾持元件；驅動元件，其連接所述第二夾持元件；至少一個壓電元件，其設置於所述襯底與所述驅動元件之間，其具有底面、側面及兩個電極，所述側面垂直於所述驅動元件的軸向延伸方向，所述電極分別設置於所述底面及所述側面，所述底面固設於所述基座；及預應力裝置，其固設於所述基座且與所述驅動元件接觸，用以向所述驅動元件提供預應力，以使所述驅動元件接觸所述壓電元件。
2 根據權利要求l所述的壓電夾持裝置，其中所述基座的所述第一側邊具有柱體，所 述第一夾持元件固設於所述柱體。
3 根據權利要求1所述的壓電夾持裝置，其另外包括載體，所述載體固設於所述基座， 所述壓電元件設置於所述載體上。
4 根據權利要求3所述的壓電夾持裝置，其中所述載體以螺設方式固設於所述基座。
5 根據權利要求1所述的壓電夾持裝置，其中所述驅動元件具有接觸面，所述接觸面 的形狀配合與所述驅動元件接觸的所述壓電元件表面的形狀。
6 根據權利要求1所述的壓電夾持裝置，其中所述驅動元件為氧化鋁材質。
7 根據權利要求1所述的壓電夾持裝置，其另外包括摩擦材料，所述摩擦材料設置於所述驅動元件與所述壓電元件之間。
8 根據權利要求7所述的壓電夾持裝置
9 根據權利要求1所述的壓電夾持裝置 應力元件，所述殼體固設於所述基座 驅動元件。
10 根據權利要求9所述的壓電夾持裝置
11 根據權利要求9所述的壓電夾持裝置
12 根據權利要求9所述的壓電夾持裝置其中所述摩擦材料為氧化鋁材質。其中所述預應力裝置具有殼體及至少一個預所述預應力元件固設於所述殼體且接觸所述其中所述預應力元件為可彈性伸縮元件。 其中所述預應力元件為軸承元件。 其中所述驅動元件具有至少一個槽道，所述 槽道形成於所述驅動元件的頂面且大致平行於所述驅動元件的軸向延伸方向，所述 預應力元件的一端延伸地設置於所述槽道內且接觸所述驅動元件。
13. 根據權利要求l所述的壓電夾持裝置，其中所述預應力裝置為軸杆，所述驅動元件 具有軸孔，所述軸杆的一端固設於所述基座的所述第一側邊，另一端設置於所述軸 孔內且接觸所述軸孔。
14. 根據權利要求l所述的壓電夾持裝置，其中所述預應力裝置為軸杆，所述驅動元件 具有軸孔，所述軸杆的一端固設於所述基座的第二側邊，所述第二側邊相對於所述 第一側邊，所述軸杆的另一端設置於所述軸孔內且接觸所述軸孔。
15. 根據權利要求l所述的壓電夾持裝置，其中所述壓電元件的所述電極接收單相驅動 信號，以使所述壓電元件產生縱向效應、橫向效應及剪向效應。
16. 根據權利要求l所述的壓電夾持裝置，其中所述單相驅動信號為方波周期性信號。
17. 根據權利要求1所述的壓電夾持裝置，其中所述單相驅動信號為鋸齒波周期性信號。
18. 根據權利要求l所述的壓電夾持裝置，其中所述單相驅動信號為弦波周期性信號。
19. 根據權利要求1所述的壓電夾持裝置，其中所述單相驅動信號為正弦波周期性信號。
20. 根據權利要求1所述的壓電夾持裝置，其中所述單相驅動信號為餘弦波周期性信號。
全文摘要
本發明涉及一種壓電夾持裝置，其利用至少一個壓電元件驅動一驅動元件，以驅動夾持器而達到夾持的效果。本發明的壓電夾持裝置利用從預應力裝置施加到所述驅動元件上預應力，在有限的空間中同時限制所述驅動元件的垂直與水平的不可預期的偏移。此外，通過利用所述壓電元件的多次變形，所述驅動元件可實現長驅動及高夾持力的效果。
文檔編號H02N2/00GK101471613SQ20071030634
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者吳永成, 林忠憲, 王聖禾, 蔡明祺, 薛博文 申請人:財團法人金屬工業研究發展中心