滑動粘附型壓電致動器的製作方法

2023-10-29 15:52:27

專利名稱：滑動粘附型壓電致動器的製作方法
技術領域：
本公開涉及一種通過利用壓電元件的壓電效應而驅動為滑動粘附型(slip-sticktype)的壓電致動器。
背景技術：
在掃描探針顯微鏡(SPM)、光學設備、半導體處理設備、高精度對準儀等中，物體可以在從幾毫米至幾釐米的範圍內移動。因而，需要能夠以一步的移動距離小於幾微米(例如，從幾十納米至幾皮米)的水平來精確地移動物體的定位器。因此，需要發展具有簡單的結構以產生物體的精細位移的致動器。

發明內容
本發明提供了一種滑動粘附型的壓電致動器，其可以通過小且簡單的結構而以兩個維度上的自由度來移動物體。額外的方面將在以下的描述中部分闡述，並將部分地從該描述而變得明顯，或者可以通過實踐給出的實施例而獲知。根據本發明的一個方面，一種壓電致動器包括:固定主體；可移動主體，布置為面對固定主體；以及多個壓電元件，布置在固定主體與可移動主體之間並以剪切模式操作，每個壓電元件具有固定到固定主體的一端以及接觸可移動主體的另一端，其中多個壓電元件的每個的極化方向彼此不同。多個壓電元件的每個可以包括具有相反的極化方向的第一壓電層和第二壓電層。第一和第二壓電層 可以彼此堆疊。壓電致動器還可以包括彈性構件，該彈性構件具有接觸固定主體的一端以及將可移動主體彈性擠壓抵靠多個壓電元件的另一端。磁體可以布置在可移動主體和固定主體中的至少一個上，可移動主體可以通過磁體的磁力來擠壓抵靠多個壓電兀件。壓電致動器可以通過多個壓電元件與可移動主體之間的滑動粘附操作而能夠具有平移運動。多個壓電元件的數目可以為三個或更多，極化方向可以為徑向方向或垂直於徑向方向的方向。可移動主體接觸多個壓電元件的表面可以是彎曲表面，可移動主體可以通過多個壓電元件而具有傾斜運動。壓電致動器還可以包括用於在彎曲表面的切線方向上支撐多個壓電元件的支撐部。壓電致動器還可以包括用於檢測可移動主體的位移的位移檢測單元。位移檢測單元可以包括多個電極，該多個電極布置在可移動主體和固定主體的彼此面對的表面上並用於根據可移動主體的位置的變化來檢測多個電極之間的電容的變化。
根據本發明的另一個方面，一種壓電致動器包括:固定主體；可移動主體，布置為面對固定主體；以及至少一個壓電元件，布置在固定主體與可移動主體之間並以剪切模式操作，壓電元件具有固定到固定主體的一端以及接觸可移動主體的另一端，其中至少一個壓電元件的每個包括第一和第二壓電單元，第一壓電單元的極化方向和第二壓電單元的極化方向彼此不同。第一和第二壓電單元中的至少一個可以包括具有相反的極化方向的第一壓電層和第二壓電層。第一和第二壓電層可以彼此堆疊。第一壓電單元的極化方向和第二壓電單元的極化方向可以彼此垂直。第一和第二壓電單元可以彼此堆疊。 可移動主體可以通過自身重力、彈性力和磁力中的至少一個而擠壓抵靠至少一個壓電元件。可移動主體的接觸至少一個壓電元件的表面可以是平坦表面。壓電致動器可以通過至少一個壓電元件與可移動主體之間的滑動粘附操作而能夠具有平移運動和旋轉運動。可移動主體的接觸至少一個壓電元件的表面可以是彎曲表面，可移動主體可以通過至少一個壓電元件而具有傾斜運動。用於在彎曲表面的切線方向上支撐至少一個壓電元件的支撐部可以提供在固定主體上。 壓電致動器還可以包括用於檢測可移動主體的位移的位移檢測單元，其中位移檢測單元包括布置在可移動主體和固定主體的彼此面對的表面上的多個電極。根據本發明的另一個方面，一種壓電致動器包括:固定主體；可移動主體，布置為面對固定主體；多個壓電元件，布置在固定主體與可移動主體之間並以剪切模式操作，每個壓電元件具有固定到固定主體的一端以及接觸可移動主體的另一端，其中多個壓電元件的每個的極化方向彼此不同，多個壓電元件的每個包括第一壓電層和第二壓電層，第一壓電層的極化方向和第二壓電層的極化方向彼此垂直，固定主體和可移動主體中的至少一個包括貫通部。第一壓電層的極化方向和第二壓電層的極化方向之一可以是徑向方向或垂直於徑向方向的方向。壓電致動器可以通過多個壓電元件與可移動主體之間的滑動粘附操作而能夠具有平移運動。可移動主體可以通過自身重力、彈性力和磁力中的至少一個而擠壓抵靠多個壓電元件。 壓電致動器還可以包括用於檢測可移動主體的位移的位移檢測單元，其中位移檢測單元包括布置在可移動主體和固定主體的彼此面對的表面上的多個電極。


這些和/或其他的方面將從以下結合附圖對實施例的描述而變得明顯並更易於理解，在附圖中:
圖1是示意地示出根據本發明實施例的允許可移動主體具有平移運動的滑動粘附型壓電致動器的側視圖；圖2示出作用於剪切模式的壓電元件的剪切位移；圖3是根據本發明實施例的側視圖，示出利用彈性構件將可移動主體擠壓抵靠壓電元件的結構；圖4是根據本發明實施例的側視圖，示出利用磁體將可移動主體擠壓抵靠壓電元件的結構；圖5是示出用於滑動粘附驅動的驅動信號的示例的曲線圖；圖6A至圖6C示出滑動粘附驅動過程；圖7是根據本發明實施例的平面圖，示出圖1的壓電致動器中的多個壓電元件的
布置；圖8是根據本發明實施例的應用於圖1的壓電致動器的壓電元件的透視圖；圖9至圖11示出根據本發明實施例的圖1的壓電致動器中的可移動主體的平移運動；圖12是根據本發明實施例的側視圖，示出允許可移動主體具有傾斜運動的滑動粘附型壓電致動器；圖13是根據本發明實施例的平面圖，示出圖12的壓電致動器中的多個壓電元件的布置；圖14是根據本發明實施例的平面圖，示出允許可移動主體具有旋轉運動的滑動粘附型壓電致動器；圖15示出根據本發明實施例在圖14的壓電致動器中的可移動主體的旋轉運動；圖16是根據本發明實施例的側視圖，示出允許可移動主體具有平移/旋轉運動的滑動粘附型壓電致動器；圖17是根據本發明實施例的平面圖，示出在圖16的壓電致動器中的多個壓電元件的布置；圖18是根據本發明實施例的應用於圖16的壓電致動器的壓電元件的透視圖；圖19示出用於檢測可移動主體的平移位移的位移檢測單元的結構；圖20示出根據本發明實施例當可移動主體在-X方向移動時圖19的位移檢測單元中的電極的布置；圖21A至圖21D示出根據本發明實施例在圖19的位移檢測單元中根據可移動主體的位置的電極的布置；圖22示出根據本發明實施例的用於檢測可移動主體的旋轉位移的位移檢測單元的結構；圖23示出根據本發明另一實施例的用於檢測可移動主體的旋轉位移的位移檢測單元的結構；以及 圖24是滑動粘附型壓電致動器的截面圖，其中貫通部被提供在其中央部分中。
具體實施例方式現在將詳細參照實施例，其示例在附圖中示出，其中相似的附圖標記始終指代相似的元件。在這點上，呈現的實施例可以具有不同的形式，而不應被解釋為限於這裡闡述的描述。因而，以下僅通過參照附圖描述了實施例，用於解釋本說明書的方面。如這裡所用的，術語「和/或」包括一個或多個所列相關項目的任意和所有組合。諸如「…中的至少一個」的表述，當在一系列元件之前時，修正了元件的整個列表，而不修正該列表的單個元件。圖1是示意地示出根據本發明實施例的允許物體具有平移運動的滑動粘附型壓電致動器的側視圖。圖2示出作用在剪切模式的壓電元件的剪切位移。圖1示出固定主體
10、可移動主體20以及多個壓電元件30。固定主體10和可移動主體20布置得彼此分離且彼此面對。壓電元件30布置在固定主體10和可移動主體20的分別彼此面對的兩個表面11和21之間。每個壓電元件30包括固定到固定主體10的固定端301和摩擦接觸可移動主體20的可移動端302。固定端301固定到固定主體10的表面11，而可移動端302摩擦接觸可移動主體20的表面21。例如，壓電元件30可以通過粘合劑粘附到固定主體10的表面11。此外，粘合劑包括例如基於環氧樹脂的粘合劑或溶劑蒸髮型粘合劑。根據本實施例的壓電元件30如圖2所示以剪切模式運作。在圖2中，虛線表示在驅動電壓施加到壓電元件30之前的壓電元件，實線表示當驅動電壓施加到壓電元件30使壓電元件30剪切變形之後的壓電元件30。當壓電元件30以剪切模式運作時壓電元件30的位移Λ L可以通過施加到壓電元件30的電壓V和剪切模式的壓電常數d15表示如下。AL ^ d15XV剪切模式的壓電常數d15大於橫向模式的壓電常數d31和縱向模式的壓電常數d33。例如，對於鋯鈦酸鉛(PZT)，橫向模式、縱向模式和剪切模式在室溫的壓電常數d31、d33和d15分別為20(Γ700、-6(Γ -350和300 800皮米/V，其中剪切模式的壓電常數d15在它們當中最高。因此，當壓電元件30以剪切模式操作時，與壓電元件30以橫向模式或縱向模式作用相比，可以在相對低的電壓產生大的位移。可移動主體20由於其重量而施加力到壓電元件30並可以摩擦地接觸可移動端302。此外，如圖3所示，可以提供用於將可移動主體20擠壓抵靠壓電元件30的彈性構件40。彈性構件40可以例如為片簧(leaf spring),其具有固定到固定主體10的一端41和彈性接觸可移動主體20的另一端42。此外，可移動主體20可以通過磁力被擠壓抵靠壓電元件30。參照圖4，當固定主體10由磁性材料形成時，磁體50布置在可移動主體20上以通過與固定主體10的磁吸引來擠壓可移動磁體20抵靠壓電元件30。當磁體50布置在固定主體10上時，可移動主體20由磁性材料形成，磁體50吸引可移動主體20以擠壓可移動主體20抵靠壓電元件30。此外，當磁體50提供在可移動主體20和固定主體10的每一個上時，可移動主體20可以由於其間相互的磁吸引而被擠壓抵靠壓電元件30。在根據本實施例的壓電致動器中，可移動主體20通過壓電元件30的滑動粘附運動的結合來移動。圖5是示出用於驅動壓電元件30的驅動信號的示例的曲線圖。圖5所不的驅動信號具有鋸齒(sawtooth)波形。驅動信號包括電壓被尖銳改變的部分SI和電壓被逐漸改變的部分S2。圖6A至圖6C示出當圖5的驅動信號施加到壓電元件30時壓電元件30的運動。圖6A示出不施加驅動信號的狀態。在此狀態下，當施加驅動信號的部分SI時，壓電元件30如圖2所示變形至剪切模式。如果壓電元件30由於驅動信號的電壓的變化引起的變形產生得足夠快以克服可移動主體20的慣性和施加到可移動主體20和固定主體10的壓力，則壓電元件30的可移動端302在可移動主體20的表面21上滑動，因此壓電元件30可以如圖6B所示地變形。這樣做時，可移動主體20不移動。壓電元件30的可移動端302變形而在可移動主體20上滑動的部分是對應於驅動信號的部分SI的滑動部分。接下來，當驅動信號的部分S2施加到壓電元件30時，壓電元件30逐漸返回到它們的初始狀態。由於壓電元件30的可移動端302處於被擠壓抵靠可移動主體20的表面21的狀態，所以可移動端302返回到其初始狀態並且可移動主體20在預定方向上移動。因此，如圖6C所示，可移動主體20移動到圖紙上的左側。壓電元件30從變形狀態返回到它們的初始狀態並且可移動主體20與可移動端302 —起運動的部分是對應於驅動信號的部分S2的粘附部分。如上所述，當重複滑動粘附驅動時，可移動主體20可以被移動。用於滑動粘附驅動的驅動信號的形狀不限於鋸齒形。驅動信號可以具有任意的形狀，只要它具有急劇改變電壓傾斜的部分和逐漸改變電壓傾斜的部分。例如，如圖5中的虛線所示的擺線波(cycloidal wave)信號、如圖5中的點劃線所示的限幅正弦波(clippedsinusoidal wave)信號等可以用作驅動信號。本實施例中的壓電致動器可以允許可移動主體20具有在二維平面內的平移運動。為此目的，壓電元件30被徑向地布置。例如，如圖7所示，三個壓電元件30-1、30-2和30-3關於中心點C被徑向地布置。儘管在本實施例中三個壓電元件30-1、30-2和30_3以120°的間隔布置在中心點C周圍，但是本發明不限於此。四個或更多壓電元件30可以根據需要布置。中心點C與壓電元件30-1、30-2和30-3的每個之間的距離可以是不相同的。此外，三個壓電元件30-1、30-2和30-3可以不必布置得對稱。壓電元件30的數目和布置可以被確定為使得適於可移動主體20的需要的驅動特性。在圖7的實施例中，三個壓電元件30-1、30-2和30-3的極化方向彼此不同。例如，三個壓電元件30_1、30_2和30_3的極化方向是徑向的並且三個壓電元件30-1、30-2和30-3以120°的間隔布置。在以下的描述中，極化方向具有與壓電元件通過剪切模式的變形方向相同的含義。圖8是根據本發明實 施例應用於圖1的壓電致動器的壓電元件30的透視圖。參照圖8，壓電元件30可以包括堆疊的第一和第二壓電層31和32。公共電極33布置在第一和第二壓電層31和32之間。驅動電極35和34可以分別布置在第一壓電層31的下表面和第二壓電層32的上表面上。端板36和37可以分別布置在驅動電極34的上表面和驅動電極35的下表面上。第一和第二壓電層31和32的極化方向彼此相反。例如,第一壓電層31的極化方向可以從中心點C到外部，而第二壓電層32的極化方向可以從外部到中心點Co端板37被固定到固定主體10的表面11，而端板36可以摩擦地接觸可移動主體20的表面21。壓電層31和32可以通過現有技術中公知的製造工藝形成的形狀而形成，例如壓電材料的沉積工藝或者將膏狀的壓電材料燒結至預定厚度例如0.5mm至Imm並進行極化處理(poling)工藝以產生壓電特性的方法。為了使壓電元件30以剪切模式操作，電場可以在以下狀態下施加到壓電元件30，即在極化處理工藝中剪切方向上的壓力被施加到壓電層31和32。壓電層31和32可以由體壓電材料的切片形成。壓電材料可以包括鋯鈦酸鉛(PZT )、陶瓷材料、BaT i O3、PbT i O3、KNbO3、LiNbO3、Li TaO3、Na2WO3、Zn2O3、Ba2NaNb5O5、Pb2KNb5O15、BiFeO3' NaNb03、Bi4Ti3O12' Naa5Bia5TiO3等。電極33,34和35可以形成為單個金屬層或者形成為例如Ti層和Pt層的兩個金屬層。電極33、34和35可以通過將導電金屬材料例如Ag-Pd膏絲網印刷到壓電層31或壓電層32上而形成。然而，本發明不限於形成壓電層和電極的以上工藝。例如，壓電層31和32可以通過切割可商業購買到的壓電材料並以剪切模式極化處理成所需的期望形狀而形成。此外，其中多個薄膜型壓電層堆疊的壓電疊層可以被用作壓電層31和32。返回參照圖6A至圖6C，可看到，可移動主體20在與壓電元件30的極化方向相反的方向上移動。利用以上特性使可移動主體20具有在平面內的平移運動的工藝的示例描述如下。在以下的描述中，當驅動電壓施加到壓電元件30-1、30-2和30-3的第一壓電層31時，壓電元件30-1、30-2和30-3的極化方向分別為P1_1、P2_1和P3-1。此外，當驅動電壓施加到壓電元件30-1、30-2和30-3的第二壓電層32時，壓電元件30_1、30_2和30_3的極化方向分別為PI _2、P2-2和P3-2。驅動信號被施加到壓電元件30-1的第一壓電層31以及壓電元件30-2和30_3的第二壓電層32。於是，如圖9中的虛線所示，壓電元件30-1、30-2和30_3在方向P1_1、P2_2和P3-2上被極化。可移動主體20通過滑動粘附操作在與方向Pl-1相反的方向也就是方向P1-2上移動,如虛線所示。為了在方向Pl-1上移動可移動主體20,驅動信號被施加到壓電兀件30-1的第二壓電層32以及壓電兀件30-2和30-3的第一壓電層31。於是,壓電兀件30-1,30-2和30-3在方向P1-2、P2-1和P3-1上被極化，如圖9中的點劃線所示。可移動主體20通過滑動粘附操作在方向Pl-1上移動，如點劃線所示。參照圖10，當壓電元件30-1、30-2和30-3分別在方向P1_2、P2_1和P3-2上被極化時，可移動主體20如虛線所示在方向P2-2上移動。當壓電元件30-1、30-2和30_3分別在方向P1-UP2-2和P3-1上被極化時，可移動主體20如點劃線所示在方向P2-1上移動。類似地，參照圖11，當壓電元件30-1、30-2和30-3分別在方向P1_2、P2_2和P3-1上被極化時，可移動主體20如虛線所示在方向P3-2上移動。當壓電元件30-1、30-2和30_3分別在方向P1-1、P2-1和P3-2上被極化時，可移動主體20如點劃線所示在方向P3-1上移動。 如上所述，通過組合圖9、圖10和圖11的驅動類型，可移動主體20可以具有至二維平面內的特定位置的平移運動。此外，由於壓電層31和32的剪切模式下的變形量與所施加的驅動信號的電壓的量成比例,所以可移動主體20可以通過組合圖9、圖10和圖11的驅動類型使施加到壓電元件30-1、30-2和30-3的每個的驅動信號的電壓量不同而具有在特定方向上的平移運動。由於利用壓電現象的致動器具有以下特性:其可以由於對於每個單位電壓的非常小的感生位移而被精確地驅動，它可以被控制在寬的溫度範圍內，在固定狀態的壓電元件表現出幾乎像固體結構的機械特徵，它能夠在小的位移內產生非常強的力等，所以利用壓電現象的定位裝置可以應用於掃描探針顯微鏡(SPM)、光學設備、半導體加工設備、高精度對準儀等。由於根據本實施例的壓電致動器以剪切模式操作，所以與以橫向模式或縱向模式操作的情形相比，對於所施加的驅動電壓的每個單位大小的位移相對較大。因此，與以橫向模式或縱向模式操作的情形相比，相同的位移可以在相對低的驅動電壓產生。壓電元件30可以通過切割體壓電材料、壓電材料的沉積工藝或者燒結膏型壓電材料的工藝而被製造得具有非常小的尺寸。此外，本實施例的壓電致動器可以以簡單的結構實施，其中例如大約三個壓電元件30-1、30-2和30-3被徑向地布置，因此可以使壓電致
動器小型化。在SPM中，本實施例的壓電致動器可以應用到在豎直方向上的定位裝置用於將探針從測試樣品的表面移動到分開小於幾微米的位置。此外，SPM的探針需要在水平方向上移動到另一位置，因為由探針掃描的屏幕的尺寸受到限制。因此，本實施例的壓電致動器可以應用於在水平方向上的定位裝置。此外，本實施例的壓電致動器可以應用於透鏡致動器或自動聚焦裝置用於光學設備中焦距的精細調節。壓電致動器可以允許可移動主體20a具有傾斜運動。參照圖12，可移動主體20a的摩擦接觸壓電元件30的表面22是彎曲表面。儘管表面22在圖12中被示出為凸出的彎曲表面，但是本發明的範圍不限於此。例如，表面22可以是凹入彎曲表面或任何其他類型的彎曲表面。壓電元件30被布置為接觸表面22並在表面22的切線方向上傾斜。為此目的，用於支撐壓電元件30以在表面22的切線方向上傾斜的支撐部12可以被提供在壓電元件30中。例如，三個壓電元件30-1、30-2和30-3可以如圖13所示徑向地布置。壓電元件30-1,30-2和30-3的極化方向可以彼此不同，例如在徑向方向上。在以上結構中，可移動主體20a可以通過如圖9至圖11所示控制壓電元件30-1、30-2和30_3的極化方向和驅動信號的電壓而具有如圖12所示在特定方向上的傾斜運動。因而，測角器可以通過採用具有以上結構的壓電致動器而實施。具有以上結構的壓電致動器可以被應用以控制反射鏡的角度或者精度光學設備的光纖的方向或者在真空環境操作的光學部件。壓電致動器可以允許可移動主體20具有旋轉運動。參照圖14，壓電元件200-1、200-2和200-3關於中心點C徑向地布置。壓電元件200-1、200-2和200-3的極化方向垂直於徑向方向。具有以上結構的壓電致動器與圖8的用於平移運動的壓電致動器相同，除了壓電元件30-1、30-2和30-3被旋轉90°布置。因此，這裡省略關於壓電元件200-1、200-2和200-3的具體形狀的描述。當可移動主體20將僅在一個方向上旋轉時，壓電元件200-1、200-2和200_3每個僅包括第一和第二壓電層31和32中的一個。當可移動主體20將要在兩個方向上旋轉時，壓電元件200-1、200-2和200-3每個包括第一和第二壓電層31和32兩者。在本實施例中，壓電元件200-1、200-2和200-3包括第一和第二壓電層31和32兩者從而在兩個方向上旋轉可移動主體20。在以下的描述中，當驅動電壓施加到壓電元件200-1、200-2和200-3的每個的第一壓電層31時，壓電元件200-1、200-2和200-3的極化方向分別為R1_1、R2_1和R3-1。當驅動電壓施加到壓電元件200-1、200-2和200-3的每個的第二壓電層32時，壓電元件200-1、200-2和200-3的極化方向分別為Rl-2、R2-2和R3-2。參照圖15，驅動信號施加到壓電元件200-1、200-2和200_3的每個的第一壓電層31。於是，壓電元件200-1、200-2和200-3如實線所示在方向R1_1、R2_1和R3-1上被極化。結果，可移動主體20由於滑動粘附操作而在與壓電元件200-1、200-2和200-3的極化方向相反的方向也就是順時針方向上旋轉。相反，當驅動信號施加到壓電元件200-1、200-2和200-3的每個的第二壓電層32時，壓電元件200-1、200-2和200-3如虛線所示在方向R1-2、R2-2和R3-2上被極化。結果，可移動主體20在與壓電元件200-1、200-2和200-3的極化方向相反的方向也就是逆時針方向上旋轉。因此，根據以上結構可以實施能夠旋轉可移動主體20的具有非常簡單結構的壓電致 動器。
在上述實施例中，儘管第一和第二壓電層31和32每個被示出為單個壓電材料層，但是本發明不限於此。可替代地，第一和第二壓電層31和32每個可以是包括具有相同極化方向的多個壓電材料層的多層結構。圖16和圖17是根據本發明另一實施例的壓電致動器的側視圖和平面圖。圖18是根據本發明實施例的圖16和圖17的壓電元件300的透視圖。圖16和圖17的壓電致動器構造為允許可移動主體20具有平移運動和旋轉運動。參照圖16至圖18，三個壓電元件300-1、300-2和300-3關於中心點C徑向地布置。儘管在本實 施例中三個壓電元件300-1、300-2和300-3被示出為關於中心點C以120°的間隔布置，但是本發明的範圍不限於此。如果需要，可以布置四個或更多壓電元件300。此夕卜，從中心點C到壓電元件300-1、300-2和300-3的每個的距離不需要相同。而且，三個壓電元件300-1、300-2和300-3不需要對稱地布置。壓電元件300的數目和布置可以被確定為使得適於可移動主體20的任何需要的驅動特性。壓電元件300具有以剪切模式操作並具有彼此垂直的極化方向的第一壓電單元310和第二壓電單元320堆疊的結構。第一壓電單元310可以包括堆疊在彼此上的第一和第二壓電層311和312。公共電極313可以布置在第一和第二壓電層311和312之間。驅動電極314和315可以分別布置在第一壓電層311的下表面和第二壓電層312的上表面上。第二壓電單元320可以包括堆疊在彼此上的第三和第四壓電層321和322。公共電極323可以布置在第三和第四壓電層321和322之間。驅動電極324和325可以分別布置在第三壓電層321的上表面和第四壓電層322的下表面上。絕緣層330可以提供在驅動電極315和325之間。端板350和340分別布置在驅動電極324的上表面和驅動電極314的下表面上。第一壓電單元310的極化方向為徑向方向。此外，第一和第二壓電層311和312的極化方向彼此相反。例如，第一壓電層311的極化方向可以從中心點C到外部，而第二壓電層312的極化方向可以從外部到中心點C。端板340被固定到固定主體10的表面11。第一和第二壓電單元310和320的極化方向彼此不同並可以垂直於徑向方向，如圖18所示。也就是，第二壓電單元320的極化方向垂直於徑向方向。第三和第四壓電層321和322的極化方向彼此相反。例如，第三壓電層321的極化方向關於中心點C為逆時針方向，而第四壓電層322的極化方向為順時針方向。端板350摩擦地接觸可移動主體20的表面21。可移動主體20可以通過驅動第一壓電單元310而具有平移運動。詳細的平移運動驅動過程與參照圖9至圖11描述的相同。也就是，由於壓電元件300-1、300-2和300-3分別對應於圖9至圖11的壓電元件30-1、30-2和30-3，所以這裡省略對其的重複描述。此外，可移動主體20可以通過驅動第二壓電單元320而具有旋轉運動。詳細的旋轉運動驅動過程與參照圖15描述的相同。也就是，由於壓電元件300-1、300-2和300-3分別對應於圖15的壓電元件200-1、200-2和200-3，所以這裡省略對其的重複描述。此外，當可移動主體20被圖12的具有彎曲表面22的可移動主體20a替代時，可移動主體20a可以通過驅動第一壓電單元310而具有傾斜運動。根據上述結構，可以實施能夠允許可移動主體20具有平移/旋轉運動和傾斜運動的壓電致動器。
儘管在上述實施例中第一至第四壓電層311、312、321和322每個被示出為單個壓電材料層，但是本發明的範圍不限於此。第一至第四壓電層311、312、321和322的每個可以具有以下結構，其中具有相同極化方向的多個壓電材料層被堆疊。用於檢測可移動主體20的平移運動的位移的平移位移檢測單元可以提供在能夠允許圖7的可移動主體20具有平移運動的壓電致動器中。例如，平移位移檢測單元可以通過基於提供在可移動主體20和固定主體10上的多個相對電極之間的電容變化的電容法來檢測可移動主體20的平移運動的位移。圖19示出在電容法中平移位移檢測單元的示例。參照圖19，第一和第二電極401和402可以提供在固定主體10上，而第三和第四電極403和404可以布置在可移動主體20上。第一和第二電極401和402可以提供在固定主體10的表面11上,而第三和第四電極403和404可以提供在可移動主體20的表面21上。例如，第一至第四電極401、402、403和404可以以字母「X」的形式布置。也就是，在具有參照位置R作為原點的平面坐標系統中，第一和第二電極401和402可以布置在第一和第三象限中，而第三和第四電極403和404可以布置在第二和第四象限中。例如，當可移動主體20如圖20所示在-X方向運動時,第二和第四電極402和404關於豎直方向彼此面對。空氣例如存在於第二和第四電極402和404之間。因此，第二和第四電極402和404形成電容器。由第二和第四電極402和404形成的電容器的電容與第二和第四電極402和404的彼此面對的交疊區域的大小成比例。因此，可移動主體20在-X方向上的位移可以通過檢測第二和第四電極402和404之間的電容的變化來檢測。儘管沒有在附圖中示出，但是當可移動主體20在+X方向上運動時，第一和第三電極401和403布置得關於豎直方向彼此面對，形成電容器。因此，可移動主體20在+X方向上的位移可以通過檢測第一和第三電極401與403之間的電容的變化來檢測。類似地，當可移動主體20在-Y方向上移動時，可移動主體20在-Y方向上的位移可以通過檢測第二和第三電極402和403之間的電容的變化來檢測。當可移動主體20在+Y方向上移動時,可移動主體20在+Y方向上的位移可以通過檢測第一和第四電極401和404之間的電容的變化來檢 測。參照圖21A至圖21D，當參考位置R如圖21A所示存在於第一象限中時，第一電極401面對第三和第四電極403和404。當參考位置R如圖2IB所示存在於第二象限中時，第四電極404面對第一和第二電極401和402。當參考位置R如圖21C所示存在於第三象限中時，第二電極402面對第三和第四電極403和404。當參考位置R如圖2ID所示存在於第四象限中時，第三電極403面對第一和第二電極401和402。因此，可移動主體20在特定方向上的位移可以通過檢測面對的電極之間的電容的變化來檢測。第一至第四電極401、402、403和404的形狀不限於圖19至圖21中示出的那些。考慮到壓電致動器的形狀和壓電元件的布置，第一至第四電極401、402、403和404可以實施為具有適於檢測平移運動的形狀。此外，電極的數目不限於4。具有圖19的形狀的平移位移檢測單元可以被應用於檢測壓電致動器中可移動主體20的傾斜角，該壓電致動器允許圖12的可移動主體20具有傾斜運動。在此情形下，由於相對電極之間的距離連同彼此面對的相對電極之間的區域變化，所以考慮這些因素可以檢測電容的變化。可移動主體20的傾斜角可以基於被平移位移檢測單元檢測的位移來計算。在圖12中，固定主體10的表面11形成為對應於可移動主體20的表面22的彎曲形狀，因此相對電極之間的距離可以不改變。用於檢測可移動主體20的旋轉運動的位移的電容型旋轉位移檢測單元可以提供在能夠允許圖14的可移動主體20具有旋轉運動的壓電致動器中。例如，參照圖22，具有半圓帶形的第一電極501提供在圖1的固定主體10的表面11上，而具有半圓帶形的第二電極502提供在與其對應的可移動主體20的表面21上。隨著可移動主體20旋轉，第一和第二電極501和502之間的彼此面對的區域改變。也就是，隨著可移動主體20開始旋轉，電容逐漸增大。當第一和第二電極501和502彼此完全重疊並且可移動主體20繼續旋轉時，電容逐漸減小。因此，可移動主體20的旋轉位移可以通過檢測第一和第二電極501和502之間的電容根據可移動主體20的旋轉的變化來檢測。為了檢測旋轉方向，例如,第一電極501可以被分為兩個。參照圖23,第一電極501可以包括第一和第二劃分電極501-1和501-2。當可移動主體20在順時針方向旋轉時，第二劃分電極501-2和第二電極502之間的電容首先增大。在第二劃分電極501-2和第二電極502之間的電容達到最大值之後，第二劃分電極501-2和第二電極502之間的最大電容被保持並且第一划分電極501-1和第二電極502之間的電容增大。在第一划分電極501-1和第二電極502之間的電容達到最大值之後，第一划分電極501-1和第二電極502之間的最大電容被保持並且第二劃分電極501-2和第二電極502之間的電容減小。接下來，第一划分電極501-1和第二電極502之間的電容減小。 當可移動主體20逆時針方向旋轉時，第一划分電極501-1和第二電極502之間的電容首先增大。在第一划分電極501-1和第二電極502之間的電容達到最大值之後,第一划分電極501-1和第二 電極502之間的最大電容被保持並且第二劃分電極501-2和第二電極502之間的電容增大。在第二劃分電極501-2和第二電極502之間的電容達到最大值之後，第二劃分電極501-2和第二電極502之間的最大電容被保持並且第一划分電極501-1和第二電極502之間的電容減小。接下來，第二劃分電極501-2和第二電極502之間的電容減小。表I是以上過程的總結。表I示出，可移動主體20的旋轉方向和可移動主體20的旋轉位移可以通過追蹤電容的改變過程來看到。[表 I]
權利要求
1.一種壓電致動器，包括: 固定主體； 可移動主體，布置為面對所述固定主體；以及 多個壓電元件，布置在所述固定主體與所述可移動主體之間並以剪切模式操作，每個壓電元件具有固定到所述固定主體的一端以及接觸所述可移動主體的另一端， 其中所述多個壓電元件的每個的極化方向彼此不同。
2.如權利要求1所述的壓電致動器，其中所述多個壓電元件的每個包括具有相反的極化方向的第一壓電層和第二壓電層。
3.如權利要求2所述的壓電致動器，其中所述第一和第二壓電層彼此堆疊。
4.如權利要求1所述的壓電致動器，還包括彈性構件，該彈性構件具有接觸所述固定主體的一端以及將所述可移動主體彈性擠壓抵靠所述多個壓電元件的另一端。
5.如權利要求1所述的壓電致動器，其中磁體布置在所述可移動主體和所述固定主體中的至少一個上，所述可移動主體通過所述磁體的磁力來擠壓抵靠所述多個壓電元件。
6.如權利要求1所述的壓電致動器，通過所述多個壓電元件與所述可移動主體之間的滑動粘附操作而能夠具有平移運動。
7.如權利要求1所述的壓電致動器，其中所述多個壓電元件的數目為三個或更多，所述極化方向為徑向方向或垂直於所述徑向方向的方向。
8.如權利要求1所述的壓電致動器，其中所述可移動主體的接觸所述多個壓電元件的表面是彎曲表面，所述可移動主體通過所述多個壓電元件而具有傾斜運動。
9.如權利要求8所述的壓電致動器，還包括用於在所述彎曲表面的切線方向上支撐所述多個壓電元件的支撐部。
10.如權利要求1所述的壓電致動器，還包括用於檢測所述可移動主體的位移的位移檢測單元。
11.如權利要求10所述的壓電致動器，其中所述位移檢測單元包括多個電極，該多個電極布置在所述可移動主體和所述固定主體的彼此面對的表面上並用於根據所述可移動主體的位置的變化來檢測所述多個電極之間的電容的變化。
12.—種壓電致動器,包括: 固定主體； 可移動主體，布置為面對所述固定主體；以及 至少一個壓電元件，布置在所述固定主體與所述可移動主體之間並以剪切模式操作，所述壓電元件具有固定到所述固定主體的一端以及接觸所述可移動主體的另一端， 其中所述至少一個壓電元件的每個包括第一和第二壓電單元，所述第一壓電單元的極化方向和所述第二壓電單元的極化方向彼此不同。
13.如權利要求12所述的壓電致動器，其中所述第一和第二壓電單元中的至少一個包括具有相反的極化方向的第一壓電層和第二壓電層。
14.如權利要求13所述的壓電致動器，其中所述第一和第二壓電層彼此堆疊。
15.如權利要求12所述的壓電致動器，其中所述第一壓電單元的極化方向和所述第二壓電單元的極化方向彼此垂直。
16.如權利要求15所述的壓電致動器，其中所述第一和第二壓電單元彼此堆疊。
17.如權利要求12所述的壓電致動器，其中所述可移動主體通過自身重力、彈性力和磁力中的至少一個而擠壓抵靠所述至少一個壓電元件。
18.如權利要求12所述的壓電致動器，其中所述可移動主體的接觸所述至少一個壓電元件的表面是平坦表面。
19.如權利要求12所述的壓電致動器，通過所述至少一個壓電元件與所述可移動主體之間的滑動粘附操作而能夠具有平移運動和旋轉運動。
20.如權利要求12所述的壓電致動器，其中所述可移動主體的接觸所述至少一個壓電元件的表面是彎曲表面，所述可移動主體通過所述至少一個壓電元件而具有傾斜運動。
21.如權利要求20所述的壓電致動器，其中用於在所述彎曲表面的切線方向上支撐所述至少一個壓電元件的支撐部被提供在所述固定主體上。
22.如權利要求12所述的壓電致動器，還包括用於檢測所述可移動主體的位移的位移檢測單元，其中所述位移檢測單元包括布置在所述可移動主體和所述固定主體的彼此面對的表面上的多個電極。
23.—種壓電致動器,包括: 固定主體； 可移動主體，布置為面對所述固定主體； 多個壓電元件，布置在所述固定主體與所述可移動主體之間並以剪切模式操作，每個壓電元件具有固定到所述固定主體的一端以及接觸所述可移動主體的另一端， 其中所述多個壓電元件的每 個的極化方向彼此不同，所述多個壓電元件的每個包括第一壓電層和第二壓電層，所述第一壓電層的極化方向和所述第二壓電層的極化方向彼此垂直，所述固定主體和所述可移動主體中的至少一個包括貫通部。
24.如權利要求22所述的壓電致動器，其中所述第一壓電層的極化方向和所述第二壓電層的極化方向之一是徑向方向或垂直於所述徑向方向的方向。
25.如權利要求23所述的壓電致動器，通過所述多個壓電元件與所述可移動主體之間的滑動粘附操作而能夠具有平移運動。
26.如權利要求23所述的壓電致動器，其中所述可移動主體通過自身重力、彈性力和磁力中的至少一個而擠壓抵靠所述多個壓電元件。
27.如權利要求23所述的壓電致動器，還包括用於檢測所述可移動主體的位移的位移檢測單元，其中所述位移檢測單元包括布置在所述可移動主體和所述固定主體的彼此面對的表面上的多個電極。
全文摘要
本發明提供了一種壓電致動器。該壓電致動器包括固定主體；可移動主體，布置為面對固定主體；以及多個壓電元件，布置在固定主體與可移動主體之間並以剪切模式操作，每個壓電元件具有固定到固定主體的一端以及接觸可移動主體的另一端，其中多個壓電元件的每個的極化方向彼此不同。
文檔編號H01L41/053GK103227279SQ20121038299
公開日2013年7月31日 申請日期2012年10月10日 優先權日2012年1月31日
發明者徐煥受 申請人:三星電子株式會社