使用壓電元件的致動器和驅動該致動器的方法
2023-06-01 08:43:21 2
專利名稱：：使用壓電元件的致動器和驅動該致動器的方法
技術領域：
：本發明的各方面涉及一種使用壓電元件的致動器和驅動該致動器的方法。
背景技術：
：已開發出使用全息圖的信息存儲技術。在使用全息圖的信息存儲技術中，信息以光學幹涉圖樣的形式被存儲在對光敏感的無機晶體或聚合物材料中。使用兩個相干雷射束來形成光學幹涉圖樣。分別具有不同路徑的參考光和信號光在其中彼此幹涉的光學幹涉圖樣引起化學或物理變化，並被記錄在感光存儲介質上。為了從光學幹涉圖樣再現信息，與記錄光相似的參考光被照射到記錄在存儲介質上的光學幹涉圖樣上。這引起由幹涉圖樣所致的衍射，由於衍射而恢復信號光，從幹涉圖樣再現出信息。使用全息圖的信息存儲技術包括體全息方法和微全息方法，通過體全息方法，利用體全息術將信息以頁為單位記錄/再現，通過^f效全息方法，利用凝:全息術將信息以單比特記錄/再現。在體全息方法中，同時處理大量信息。然而，由於光學系統應當被非常精確地調節，所以難以在用於普通消費者的現有信息存儲設備中普遍使用。同時，在微全息方法中，兩個聚集光彼此幹涉並聚焦以形成微小的幹涉圖樣，幹涉圖樣在存儲介質的平面上移動以形成多個記錄層，記錄層在存儲介質的深度方向上彼此重疊，從而三維地將信息記錄在存儲介質上。當利用參考光和信號光的幹涉通過記錄衍射圖樣來將翁:據存儲在全息介質中的全息信息存儲設備再現記錄在全息介質上的信號或者記錄新的數據時，關於參考光和信號光的每一介質精確控制入射角是非常重要的。通常，全息信息存儲設備使用galvano反射鏡。galvano反射鏡的尺寸較大，不適合小尺寸的光學頭。另外，當使用微機電系統(MEMS)反射鏡時，MEMS反射鏡使用靜電力。因此，驅動力較小，驅動頻率局限於諧振頻率。這樣，應用範圍較小，精確度較低。
發明內容本發明的各方面提供一種利用壓電元件執行微鏡驅動和感測的致動器。本發明的各方面還提供一種利用壓電元件作為傳感器來驅動致動器的方法。本發明總體構思的一方面提供一種使用壓電元件的致動器，所述致動器包括至少一個壓電單元，#4居輸入電壓移動位移；至少一個壓電傳感器，感測所述至少一個壓電單元的位移；誤差^f全測器，乂人所述至少一個壓電傳感器檢測誤差；反饋信號產生器，對應於所述誤差產生反饋信號。根據本發明的另一方面，所述誤差檢測器可包括鎖相環(PLL)電路。根據本發明的另一方面，所述誤差檢測器可根據所述至少一個壓電傳感器的電容測量所述至少一個壓電單元的位移，將所述至少一個壓電單元的位移與參考位移值比較，以檢測誤差。根據本發明的另一方面，所述至少一個壓電單元包括堆疊在彼此之上的多個電極層。根據本發明的另一方面，所述致動器可包括一對壓電單元和一對壓電傳感器，每一個壓電單元面向另一個壓電單元和壓電傳感器之一。根據本發明的另一方面，所述致動器還可包括鉸接件，設置在壓電單元和壓電傳感器上；支柱，設置在鉸接件上，支撐糹敬鏡。根據本發明的另一方面，鉸接件可包括杆，平行於微鏡的旋轉軸設置；彎曲部分，/人杆延伸。根據本發明的另一方面，所述致動器還可包括支撐件，設置在所述至少一個壓電單元、所述至少一個壓電傳感器與鉸接件之間。根據本發明的另一方面，所述鉸接件可包括第一板，與支撐件結合；第二板，支柱設置在第二板上，其中，鉸接件的杆和彎曲部分設置在第一板和第二板之間。根據本發明的另一方面，彎曲部分可包括至少一個第一部分，平行於微鏡的旋轉軸設置；至少一個第二部分，垂直於微鏡的旋轉軸設置。本發明的各方面4是供一種驅動致動器的方法，所述方法包括使壓電單元移動位移；根據壓電單元的位移從被互鎖到該壓電單元的壓電傳感器檢測誤差；利用所述誤差產生反饋信號。根據本發明的另一方面，檢測誤差的步驟可包括檢測壓電傳感器的電容。根據本發明的另一方面，檢測誤差的步驟可包括根據壓電傳感器的電容測量壓電單元的位移值，將壓電單元的測量的位移值與參考位移值比較，檢測誤差。根據本發明的另一方面，檢測誤差的步驟可包括根據鎖相環(PLL)控制方法檢測誤差。才艮據本發明的另一方面，4交接件設置在壓電單元和壓電傳感器上，當壓電單元移動時，鉸接件使壓電傳感器移動。本發明另外的方法和/和優點將在下面的描述中被部分地闡述，並且部分地從該描述將變得明顯，或者可通過本發明的實踐而了解。通過下面結合附圖對實施例的描述，本發明的這些和/或其他方面和優點將變得清楚並更容易理解，其中圖1示意性地示出根據本發明總體構思的實施例的使用壓電元件的致動器；圖2示出根據本發明總體構思的實施例的圖1中示出的使用壓電元件的致動器的微鏡裝置；圖3是根據本發明總體構思的實施例的沿圖2的線n-n，截取的剖視圖；圖4示出根據本發明總體構思的實施例的圖1中所示的使用壓電元件的致動器的鉸接件；圖5A至圖5D示出才艮據本發明總體構思的實施例的圖1中示出的使用壓電元件的致動器的壓電單元的製造方法；圖6A示出根據本發明總體構思的實施例的圖1中示出的使用壓電元件的致動器的堆疊型壓電單元；圖6B示出根據本發明總體構思的實施例的圖1中示出的使用壓電元件6的致動器的塊型壓電單元；圖7A和圖7B示出根據本發明總體構思的實施例的圖1中示出的使用壓電元件的致動器繞一個軸被驅動的情況；圖8A和圖8B示出根據本發明總體構思的實施例的圖1中示出的使用壓電元件的致動器繞另一個軸被驅動的情況。具體實施例方式現在將詳細說明本發明的實施例，其示例示出於附圖中，在附圖中，相同的標號始終表示相同的部件。下面，參照附圖描述實施例以解釋本發明。根據本發明總體構思的實施例的致動器使用壓電元件來執行微鏡驅動，並檢測壓電單元(piezoelectriccell)的位移。圖1示意性地示出根據本發明總體構思的實施例的使用壓電元件的致動器。參照圖1，根據當前實施例的致動器包括微鏡裝置l,包括具有至少一個壓電單元和至少一個壓電傳感器的壓電元件10;誤差4全測器5，利用壓電傳感器的電容檢測誤差。圖1的致動器還包括反饋信號產生器7和控制器3。反饋信號產生器7利用誤差檢測器5所檢測到的電容來檢測位移誤差，控制器3控制壓電單元的位移以使得位移誤差可被校正。參照圖2,壓電元件10用於驅動微鏡50,並包括一對或多對壓電單元以及一對或多對壓電傳感器。例如，壓電元件IO可包括一對壓電單元和一對壓電傳感器，壓電單元和壓電傳感器可關於旋轉軸(參見圖7A的X軸和Y軸)彼此面對。微鏡裝置1使用壓電元件10來驅動孩i鏡50。圖2示出微鏡裝置1的示例。微鏡裝置1包括第一壓電單元10a、關於旋轉軸面對第一壓電單元10a的第一壓電傳感器10c、第二壓電單元10d以及關於旋轉軸面對第二壓電單元10d的第二壓電傳感器10b。鉸接件30安裝在壓電元件10上，支柱40設置在鉸接件30上，孩i鏡50由支柱40支撐。鉸接件30根據第一壓電單元10a和第二壓電單元10d的位移起;^走轉軸的作用，以使得微鏡50可傾斜。鉸接件30可直接安裝在壓電元件10上，在壓電元件10和鉸接件30之間還可設置支撐單元20。以下，將描述包括支撐單元20的致動器的結構。根據當前實施例，計算機2可包括關於與微鏡50的傾斜角度對應的壓電移數據。可利用關於壓電單元的參考位移值的數據通過壓電傳感器所檢測到的電容來檢查壓電單元的位移誤差，位移誤差被反映在壓電單元中，從而精確地控制微鏡50。與微鏡50的傾斜角度對應的壓電單元的參考位移值從計算機2被輸入到控制器3,與參考位移值對應的電壓通過^L大器4被輸入到特定壓電單元。輸入了電壓的壓電單元移動一定位移，力通過4交接件30被傳遞給與移動位移的壓電單元對應的壓電傳感器，以使得壓電傳感器沿向上或向下方向移動。例如，當電壓被輸入到第一壓電單元10a時，第一壓電單元10a移動位移，關於旋轉軸面對第一壓電單元10a的第一壓電傳感器10c被互鎖並移動位移。當電壓被輸入到第二壓電單元10d時，第二壓電傳感器10b被互鎖並發生位移。當第一壓電傳感器10c或第二壓電傳感器10b移動時，壓電傳感器的電容改變並被誤差檢測器5檢測到。從電容4全查第一壓電單元10a或第二壓電單元10d的位移，從而計算位移誤差。反饋信號產生器7利用位移誤差產生反饋信號，並將反饋信號發送給控制器3。控制器3通過將反饋信號反映在壓電元件IO上來控制壓電元件10。同時，作為另一個修改示例，誤差檢測器5可包括鎖相環(PLL)電路。PLL電路包括具有預定電感L的電感器，可利用壓電傳感器的電容C和電感L來獲得電諧振頻率。可使用諧振頻率作為控制變量來控制壓電元件10的操作。在這種情況下，計算機2包括關於與壓電單元的位移對應的諧振頻率的數據。這樣的控制方法被稱為PLL控制方法。作為另一個修改示例，誤差檢測器5可檢測根據壓電傳感器的位移而改變的電壓，並可從該電壓檢測誤差。當機械力被施加到壓電傳感器時，產生電壓並且該電壓可被測量。在這種情況下，計算機2包括關於與壓電單元的位移對應的壓電傳感器的電壓的數據。根據當前實施例，可使用壓電元件IO作為傳感器來檢測微鏡驅動期間的誤差值。接下來，將描述微鏡裝置l的示例。第一壓電單元10a和第二壓電單元10d可以彼此分離，第一壓電傳感器10c和第二壓電傳感器10b可彼此分離。可選地，如圖2所示，第一壓電單元10a和第二壓電單元10d的主體部分可通過預定間隙134皮此分離，第一壓電單元10a和第二壓電單元10d以及第一壓電傳感器10c和第二壓電傳感器10b的基底側11可彼此連接。由於上述結構，第一壓電單元10a和第二壓電單元10d以及第一壓電傳感器10c和第二壓電傳感器10b可穩定地固定。同時，在第一壓電單元10a和第二壓電單元10d中的每一個的側面以及第一壓電傳感器10c和第二壓電傳感器10b中的每一個的側面上設置電才及15。支撐單元20用於支撐鉸接件30。支撐件20a-20d的數量與第一壓電單元10a和第二壓電單元10d的數量以及第一壓電傳感器10c和第二壓電傳感器10b的數量對應，支撐件20a-20d中的每一個設置在壓電元件10的頂表面上。支撐單元20包括第一至第四支撐件20a、20b、20c和20d。支撐件20a、20b、20c和20d可獨立地彼此分離，或者可通過設置在相鄰支撐件之間的連接件27連接。連接件27由彈性材料形成，當支撐件20a、20b、20c和20d中的每一個移動時所述彈性材料不打擾相鄰支撐件20a、20b、20c和20d的移動。支撐件20a、20b、20c和20d中的每一個包括形成在支撐件20a、20b、20c和20d的頂表面中的凹槽23以及形成在支撐件20a、20b、20c和20d的側面26的突起25。每一支撐件20a、20b、20c和20d的側面26可形成為傾斜側面，每一支撐件20a、20b、20c和20d包括兩個突起25。每一突起25防止在微鏡50旋轉時微鏡50與壓電元件10接觸。另外，在突起25之間塗覆環氧樹脂(epoxy),以使支撐單元20附著到壓電元件10。-故第一至第四支撐件20a、20b、20c和20d包圍的中間部分形成為空腔21,空腔21提供鉸接件30移動的空間。參照圖3，支撐單元20的厚度大於鉸接件30的厚度，鉸接件30的末端由支撐單元20的凹槽23支撐，以使得鉸接件30在空腔21上方浮動。支柱40設置在鉸接件30上，微鏡50由支柱40支撐。圖4是鉸接件30的放大透視圖。鉸接件30包括與微鏡50的旋轉軸平行的杆32和從杆32延伸的彎曲部分(curvedportion)33。彎曲部分33包括與微鏡50的旋轉軸(X軸或Y軸)平行的至少一個第一部分33a以及與微鏡50的旋轉軸垂直的至少一個第二部分33b。與微鏡50的旋轉軸平行的第一部分33a扭曲(twist),與微鏡50的旋轉軸垂直的第二部分33b曲折(bend)。當鉸接件30移動時，通過使用扭曲的部分和曲折的部分分散應力，從而可實現精確控制。鉸接件30包括與支撐單元20的凹槽23結合的第一板31以及支柱40設置在其上的第二板35。杆32和彎曲部分33設置在第一板31和第二板35之間。由於與現有4支術相比，彎曲部分包括大量第一部分33a和大量第二部9分33b，所以彎曲部分33可分散更多應力。然而，第一部分33a的數量和第二部分33b的數量需要被限制，以使得致動器的大小可被保持得較小。通過鉸接件30的移動使微鏡50旋轉，圖4的X軸或Y軸成為微鏡50的旋轉軸。圖5A至圖5D示出製造壓電元件的方法。參照圖5A，製造多個成形片61。如圖5B所示，內部電極層63被製造為交替堆疊在成形片61上的兩種圖案，並通過施加熱和壓力淨皮加壓，從而形成堆疊體62。如圖5C所示，暴露於堆疊體62的外部的導電漿料被塗覆在內部電極層63上，從而形成電極64。然後，如圖5D所示，利用劃片切割(dicing)或鋸切(sawcuting)將堆疊體62切割為四個單元。在這種情況下，不是將堆疊體62—直切到底，而是堆疊體62的底部66彼此連接。這樣，可保持單元之間的間隙65。諸如陶瓷側面的研磨工藝連同分離工藝一起可被添加到製造壓電元件的方法中，以使壓電體的大小保持恆定。圖6A示出堆疊型壓電元件160，圖6B示意性地示出塊型(bulktype)壓電元件170。在堆疊型壓電元件160上交替堆疊第一電極層161和第二電極層162,在堆疊型壓電元件160的兩側設置第一電極163和第二電極164。在塊型壓電元件170上沒有堆疊電極層，在塊型壓電元件170的兩側設置第一電極173和第二電極174。因此，當堆疊型壓電元件1604企測用於4企測微鏡驅動誤差的電容時，多對第一電極層和第二電才及層之間的電容可被相加。這樣，可容易地;險測電容。接下來，將描述根據本發明總體構思的實施例的致動器的驅動方法。參照圖7A和圖2，當電壓被施加到第一壓電單元10a和第二壓電單元10d之一時，才艮據施加的電壓在第一壓電單元10a和第二壓電單元10d之一中發生位移，壓電單元的高度改變。支撐單元20的位置根據壓電單元的位移而改變，與支撐單元20結合的鉸接件30變形。由於鉸接件30的變形，通過鉸接件30中的支柱40支撐的微鏡50旋轉。這裡，微鏡不與鉸接件30直接結合，而是通過支柱40支撐，從而獲得微鏡50的旋轉空間並且防止鉸接件30的變形影響微鏡50,這種影響會阻礙精確控制的實現。現在將詳細描述驅動致動器的方法。可根據第一壓電單元10a和第二壓電單元10d的位移來調節微鏡50的傾斜角度。為了精確控制微鏡50的傾斜角度，檢測第一壓電單元10a和第二壓電單元10d的位移誤差，利用位移誤差校正第一壓電單元10a和第二壓電單元10d的位移。同時，為了保持壓電元件10的平衡，可利用光電二極體從微鏡50所反射的光檢測的信號來調節平衡。在圖7A和圖7B中，a、b、c和d表示施加到壓電元件IO的電壓。參照圖7A,當正(+)電壓^皮施加到第一壓電單元10a時，第一壓電單元10a沿著向上方向移動，關於旋轉軸面對第一壓電單元10a的第一壓電傳感器10c被支撐單元20(如圖2所示)和鉸接件30(如圖2所示)沿著向下方向加壓。因此，第一壓電傳感器10c移動一定位移。在這種情況下，第二壓電單元10d和第二壓電傳感器10b支撐微鏡50的旋轉軸，微鏡50繞X軸傾斜。誤差檢測器5(如圖1所示)可檢測第一壓電傳感器10c的電容或者檢測電壓，或者利用PLL控制方法檢測諧振頻率。現在將描述利用電容的誤差檢測。當第一壓電傳感器10c移動位移時，第一壓電傳感器10c的電容改變。例如，當圖6A中所示的堆疊型壓電單元160移動位移時，第一電才及層161和第二電才及層162之間的距離改變。然而，電容取決於第一電極層161和第二電極層162的面積以及兩個層161和162之間的距離。當第一電極層和第二電極層162的面積恆定，而第一電極層161和第二電極層162之間的距離才艮據壓電單元的位移而改變時，第一壓電傳感器10c的電容改變。當檢測到第一壓電傳感器10c的電容時，可通過反向計算電容來檢查壓電單元的位移。通過將壓電單元的反向計算的位移值與參考位移值比較來計算壓電單元的位移誤差，產生用於校正位移誤差的反饋信號。這裡，參考位移值表示與微鏡50的傾斜角度對應的壓電單元的位移。參照圖7B,當負(-)電壓被施加到第一壓電單元10a時，第一壓電單元10a沿向下方向移動，關於旋轉軸面對第一壓電單元10a的第一壓電傳感器10c由於支撐單元20(如圖2所示)和鉸接件30(如圖2所示)而沿著向上方向移動。表1示出壓電單元的強制位移、施加到壓電單元的力、電容改變量以及壓電傳感器中發生的位移的檢測示例。tableseeoriginaldocumentpage11tableseeoriginaldocumentpage12參照圖8A，當正(+)電壓被施加到第二壓電單元10d時，第二壓電單元10d沿著向上方向移動，關於旋轉軸面對第二壓電單元10d的第二壓電傳感器10b被支撐單元20和鉸接件30沿著向下方向加壓。因此，第二壓電傳感器10b移動一定位移。在這種情況下，第一壓電單元10a和第一壓電傳感器10c支撐微鏡50的旋轉軸，微鏡50繞Y軸傾斜。參照圖8B,當負(-)電壓被施加到第二壓電單元10d時，第二壓電單元10d沿向下方向移動，關於旋轉軸面對第二壓電單元10d的第二壓電傳感器10b由於支撐單元20和鉸接件30而沿著向上方向移動。誤差檢測器5檢測由於第二壓電傳感器10b的位移而改變的電壓、電容和諧振頻率中的一個，以;險測來自第二壓電傳感器10b的誤差，反饋信號產生器7利用該誤差產生反饋信號，可按照校正的傾斜角度驅動微鏡50。根據本發明總體構思的實施例，壓電元件10可用作驅動微鏡50的壓電單元，並且用作檢測壓電單元的位移的傳感器。因此，不需要檢測壓電單元的位移的附加傳感器，致動器的結構可筒化。同時，根據本發明總體構思的實施例的致動器可應用於例如全息信息存儲設備。儘管已經顯示和描述了本發明的一些實施例，但是本領域技術人員應該理解，在不脫離本發明的遠離和精神的情況下，可對實施例進行改變，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。權利要求1、一種使用壓電元件的致動器，所述致動器包括至少一個壓電單元，根據輸入電壓移動位移；至少一個壓電傳感器，感測所述至少一個壓電單元的位移；誤差檢測器，從所述至少一個壓電傳感器檢測誤差；反饋信號產生器，對應於所述誤差產生反饋信號。2、根據權利要求1所述的致動器，所述誤差檢測器包括鎖相環電路。3、根據權利要求1所述的致動器，其中，所述誤差檢測器根據所述至少一個壓電傳感器的電容測量所述至少一個壓電單元的位移，將所述至少一個壓電單元的位移與參考位移值比較，以檢測誤差。4、根據權利要求1至3中的任一個所述的致動器，其中，所述至少一個壓電單元包括堆疊在彼此之上的多個電極層。5、根據權利要求1至3中的任一個所述的致動器，其中，所述致動器包括一對壓電單元和一對壓電傳感器，每一個壓電單元面向另一個壓電單元和壓電傳感器之一。6、根據權利要求1至3中的任一個所述的致動器，所述致動器還包括鉸接件，設置在壓電單元和壓電傳感器上；支柱，設置在鉸接件上，支撐微鏡。7、根據權利要求6所述的致動器，其中，鉸接件包括杆，平行於微鏡的旋轉軸設置；彎曲部分，從杆延伸。8、根據權利要求6所述的致動器，還包括支撐件，設置在所述至少一個壓電單元、所述至少一個壓電傳感器與鉸接件之間。9、根據權利要求8所述的致動器，其中，所述鉸接件包括第一板，與支撐件結合；第二板，支柱設置在第二板上，其中，鉸接件的杆和彎曲部分設置在第一板和第二板之間。10、根據權利要求9所述的致動器，其中，彎曲部分包括至少一個第一部分，平行於微鏡的旋轉軸設置；至少一個第二部分，垂直於微鏡的旋轉軸設置。11、一種驅動致動器的方法，所述方法包括使壓電單元移動位移；根據壓電單元的位移從被互鎖到該壓電單元的壓電傳感器檢測誤差；利用所述誤差產生反^t信號。12、根據權利要求11所述的方法，其中，檢測誤差的步驟包括檢測壓電傳感器的電容。13、根據權利要求12所述的方法，其中，檢測誤差的步驟包括根據壓電傳感器的電容測量壓電單元的位移值，將壓電單元的測量的位移值與參考位移值比較，糹全測誤差。14、根據權利要求11所述的方法，其中，檢測誤差的步驟包括根據鎖相環控制方法^r測誤差。15、根據權利要求11至14中的任一個所述的方法，其中，鉸接件設置在壓電單元和壓電傳感器上，當壓電單元移動時，鉸接件使壓電傳感器移動。全文摘要提供一種使用壓電元件的致動器和驅動該致動器的方法。所述致動器包括至少一個壓電單元，根據輸入電壓移動位移；至少一個壓電傳感器，感測所述至少一個壓電單元的位移；誤差檢測器，從所述至少一個壓電傳感器檢測誤差；反饋信號產生器，對應於所述誤差產生反饋信號，從而執行微鏡驅動和感測。文檔編號H02N2/00GK101674030SQ20091017308公開日2010年3月17日申請日期2009年9月10日優先權日2008年9月10日發明者權宰煥,李慶雨,蘇亨鍾,鄭永民,金弘熙申請人:三星電子株式會社