專利名稱：壓電定位器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到壓電定位器，尤其是涉及到多軸壓電定位器。
背景技術(shù)：
定位器廣泛地用于生產(chǎn)線和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中來為光學(xué)部件定位。
圖1示意地表示一熟知類型的直線壓電定位器2的縱向剖面[1，2]。這種類型的定位器稱為蠕動(dòng)型定位器，它可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行一維定位。此定位器2是對(duì)中心軸Z圓周對(duì)稱的，包含可移動(dòng)部件4、固定部件6、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)8及控制器(未示出)。此定位器可使可移動(dòng)部件4沿Z軸相對(duì)于固定部件6定位。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)8包含左壓電環(huán)10、右壓電環(huán)12和壓電隔擋14?？梢苿?dòng)部件4包含一軸，可使待定位的物體與之相連。可移動(dòng)部件為左、右壓電環(huán)10和12所夾持。壓電環(huán)10、12安排成可由控制器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)而繞Z軸沿徑向擴(kuò)展和收緊，從而連續(xù)地夾緊或松開可移動(dòng)部件4。壓電隔擋14可被驅(qū)動(dòng)而平行于Z軸擴(kuò)展和收縮。左、右壓電環(huán)10、12被分別固定在壓電隔擋14的左端和右端。而壓電隔擋14的中心與固定部件6固定連接。
如圖1所示，可移動(dòng)部件4因左、右壓電環(huán)10、12的夾持而保持與固定部件6的關(guān)系。若欲使可移動(dòng)部件4向右(亦即，沿-Z方向)移動(dòng)，則控制器執(zhí)行如下次序。首先，左壓電環(huán)10膨脹，使之不再夾持可移動(dòng)部件4。其次，壓電隔擋14膨脹，膨脹量為ΔZ，使得左壓電環(huán)10左移ΔZ/2，而右壓電環(huán)12也向右移同樣的量。由于在此動(dòng)作期間，可移動(dòng)部件4為右壓電環(huán)12所夾持，故可移動(dòng)部件4也相對(duì)于固定部件6右移ΔZ/2。第三，左壓電環(huán)10松弛，使得可移動(dòng)部件4再次被壓電環(huán)10、12夾持。第四，右壓電環(huán)12膨脹，使之不再夾持可移動(dòng)部件4。第五，壓電隔擋14松弛，使之收縮ΔZ。這就使右壓電環(huán)12左移ΔZ/2，而左壓電環(huán)10右移ΔZ/2，即壓電環(huán)10、12相對(duì)于固定部件6回復(fù)到圖1所示的軸向位置。在此動(dòng)作期間，可移動(dòng)部件4因被左壓電環(huán)10夾持而再右移ΔZ/2。最后，右壓電環(huán)12松弛，使之再夾持可移動(dòng)部件4。
在執(zhí)行上述次序后，固定部件6，左、右壓電環(huán)10、12及壓電隔擋14都處于圖1所示的相對(duì)位置。然而，可移動(dòng)部件4已右移了ΔZ。如需進(jìn)一步移動(dòng)，重復(fù)此次序，使得可移動(dòng)部件4逐漸右移。使用類似的次序可實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)部件的左移，但次序中左、右壓電環(huán)的膨脹和收縮次序應(yīng)交換。
圖1所示這種壓電蠕動(dòng)型定位器是有用的裝置，因其能提供精確和高分辨率的一維定位，且比較簡(jiǎn)單、小巧和堅(jiān)固。
然而，在許多情形下，需要多軸定位，定位器需要在二維、三維或多維可調(diào)。多軸定位器機(jī)構(gòu)可大致分為兩類一類為串接型定位器機(jī)構(gòu)；另一類為并列型定位器機(jī)構(gòu)。
串接型定位器機(jī)構(gòu)包含一系列疊置的直線定位器。例如，二維(2D)串接定位器可包含上述這種類型的第一和第二線性蠕動(dòng)定位器，它們被安排得使第二直線定位器的輸入級(jí)(亦即，固定部件)裝在第一直線定位器的輸出級(jí)(亦即，可移動(dòng)部件)上。欲被定位的物體則裝在第二定位器的輸出級(jí)上。因此，第二定位器工作使物體沿一個(gè)方向移動(dòng)，而第一定位器工作使第二定位器因而也使其所攜物體一起沿另一方向移動(dòng)。已知串接型定位器存在的問題是沿不同的軸其特性會(huì)不同，且一個(gè)軸的行為依賴于其在另一個(gè)軸上的位置。這在很大程度上是由于疊置的直線定位器的負(fù)載不同。例如，在2D串接型定位器中，第二定位器承載著待定位物體，而第一定位器承載著此負(fù)載和第二定位器。這種問題隨著移動(dòng)軸的增多而越發(fā)嚴(yán)重。
并列型定位器機(jī)構(gòu)因多個(gè)軸都可以獨(dú)立定位而避免了這種問題。這是對(duì)每個(gè)軸設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使各軸并行工作來實(shí)現(xiàn)的。即，與每個(gè)不同的移動(dòng)軸相關(guān)的輸入級(jí)都裝在一起，而輸出級(jí)也同樣地裝在一起。由于不存在上述串接型定位器機(jī)構(gòu)的問題，并列型定位機(jī)構(gòu)一般優(yōu)選用于精確的多軸定位。然而，在并列型定位器中每個(gè)軸都連有的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須能適應(yīng)其他每個(gè)軸的移動(dòng)，因此并列型定位器會(huì)是十分龐大而復(fù)雜的。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明提供了一種多軸壓電定位器，包含固定部件；可移動(dòng)部件，可在一平面中相對(duì)于固定部件定位，可移動(dòng)部件包含可操作成在此平面中膨脹和收縮的壓電器件；以及第一、第二和第三可松開夾持機(jī)構(gòu)，可操作成在相應(yīng)的第一、第二和第三位置將可移動(dòng)部件選擇性地夾持到固定部件上，從而在壓電器件膨脹或收縮時(shí)通過可松開夾持機(jī)構(gòu)的選擇啟動(dòng)，可移動(dòng)部件可在該平面內(nèi)移動(dòng)，其中可松開夾持機(jī)構(gòu)各包括壓電致動(dòng)器，所述壓電致動(dòng)器可操作成沿垂直于該平面的方向?qū)梢苿?dòng)部件施加夾持力。
這就提供了較簡(jiǎn)單耐用的具有并列機(jī)構(gòu)的多軸定位器，它得益于直線壓電定位器的精確和高分辨率定位。
壓電器件可包含單一壓電元件，例如平盤，它可在其平面內(nèi)沿多個(gè)方向同時(shí)膨脹或收縮。這就提供了一種零部件較少的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。
作為選擇，壓電器件可包含多個(gè)壓電元件，例如沿矩形邊排列的四個(gè)壓電元件。在這種實(shí)例中，可配備第四個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)，四個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)被安排為分別作用在矩形相應(yīng)的四個(gè)角。這樣的安排可在平面內(nèi)沿兩個(gè)正交軸獨(dú)立定位。這四個(gè)壓電元件可在其端部連接而形成一矩形，也可通過彎件彼此連接。使用無源彎件可消除壓電元件直接相連時(shí)產(chǎn)生的界面應(yīng)力。
壓電致動(dòng)器每個(gè)都可包含裝在撓性件上的壓電元件，且安排得使壓電元件被驅(qū)動(dòng)時(shí)沿基本平行于平面的方向膨脹，因而使撓性件沿基本垂直于平面的方向收縮而去掉夾持力。這種安排所提供的壓電致動(dòng)器在松弛狀態(tài)時(shí)施加夾持力，而當(dāng)壓電元件被驅(qū)動(dòng)而膨脹時(shí)去掉夾持力。這是有益的，因?yàn)楫?dāng)壓電元件被驅(qū)動(dòng)而膨脹比其被驅(qū)動(dòng)而收縮時(shí)，工作特性常有改善。
可松開夾持機(jī)構(gòu)各自還可包含第二個(gè)壓電致動(dòng)器，與上述第一致動(dòng)器一起工作，使在保持夾持力時(shí)可移動(dòng)部件可沿垂直于平面的方向相對(duì)于固定部件移動(dòng)。這就在垂直于平面的方向上在致動(dòng)器的范圍內(nèi)提供了某種程度的定位，因而提供了一種簡(jiǎn)單的三軸定位器。
可移動(dòng)部件還可包含與壓電器件連接的載臺(tái)，它可沿垂直于平面的方向伸展，載臺(tái)具有安裝面，待定位的物體可裝在其上。這就可使待定位的物體被置于離開定位器主體處，因而避免彼此間可能發(fā)生的干擾。此安裝面可含有安裝工件的常規(guī)固定設(shè)施，如，適當(dāng)尺寸和螺紋的孔。
在某些實(shí)施方式中，載臺(tái)可包含單軸定位器。這就使得待定位的物體可沿垂直于平面的軸和平行于平面定位。載臺(tái)可包含，例如，常規(guī)的蠕動(dòng)型定位器而提供全壓電三軸定位器。作為選擇，載臺(tái)可包含任何其他類型的直線定位器。
在其他實(shí)施方式中，提供了三軸定位器，其可移動(dòng)部件含有第二壓電器件，此裝置與上述第一壓電器件在垂直于平面的方向上由可調(diào)隔擋隔開，使得上述第一和第二壓電器件的間隔可變，載臺(tái)由上述第一壓電器件和第二壓電器件可松開地夾持，致使借助于當(dāng)載臺(tái)由上述第一和第二壓電器件選擇性地夾持和松開時(shí)，改變上述第一和第二壓電器件的間隔，載臺(tái)可沿垂直于平面的方向移動(dòng)。
多軸壓電定位器可包含控制器，它可設(shè)置為按預(yù)定次序啟動(dòng)壓電器件或壓電件和可松開夾持機(jī)構(gòu)，以使可移動(dòng)部件相對(duì)于固定部件重新定位。作為選擇，控制器可設(shè)置為按照可移動(dòng)部件相對(duì)于固定部件定位時(shí)的反饋信號(hào)來啟動(dòng)壓電器件或壓電件和可松開夾持機(jī)構(gòu)。


現(xiàn)在參照附圖的實(shí)例以更好地了解本發(fā)明，并說明本發(fā)明是如何實(shí)現(xiàn)的。
圖1示意地表示一已知單軸壓電定位器的縱向剖面圖；圖2示意地表示按照本發(fā)明第一種實(shí)施方式的二軸壓電定位器的透視圖；圖3示意地表示圖2的二軸壓電定位器的縱向剖面圖；圖4A-F示意地表示圖2定位器所載物體沿水平面定位次序的實(shí)例；圖5的列表示意地表示，在執(zhí)行圖4所示次序期間圖2所示定位器的幾個(gè)元件的狀態(tài)；圖6的列表示意地表示，在沿水平面定位物體時(shí)的另一個(gè)次序?qū)嵗陂g，圖2所示定位器的幾個(gè)元件的狀態(tài)；圖7示意地表示按照本發(fā)明第二種實(shí)施方式的三軸壓電定位器的縱向剖面圖；圖8示意地表示按照本發(fā)明第三種實(shí)施方式的二軸壓電定位器的透視圖；圖9的列表示意地表示，在沿水平面定位物體時(shí)的一個(gè)次序?qū)嵗陂g，圖8所示定位器的幾個(gè)元件的狀態(tài)；圖10的列表示意地表示，在沿水平面定位物體時(shí)的另一個(gè)次序?qū)嵗陂g，圖8所示定位器的幾個(gè)元件的狀態(tài)；圖11示意地表示按照本發(fā)明第四種實(shí)施方式的三軸壓電定位器的透視圖；圖12示意地表示圖11的三軸壓電定位器的縱向剖面圖；圖13的列表示意地表示，在沿水平面定位物體時(shí)的一個(gè)次序?qū)嵗陂g，圖11所示定位器的幾個(gè)元件的狀態(tài)；圖14的列表示意地表示，在沿垂直軸定位物體時(shí)的一個(gè)次序?qū)嵗陂g，圖11所示定位器的幾個(gè)元件的狀態(tài)；圖15示意地表示可用于本發(fā)明實(shí)施方式的壓電夾持元件的縱向剖面。
具體實(shí)施例方式
圖2以透視圖示意地表示，壓電定位器16二維定位一個(gè)物體，如光學(xué)透鏡。在圖2所示的取向上，定位器16設(shè)為使物體沿xy面移動(dòng)。此壓電定位器包含固定部件20、可移動(dòng)部件22和三個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)28A-C。定位器由控制器18經(jīng)箭頭19示意表示的信號(hào)通道來驅(qū)動(dòng)。在此實(shí)例中，控制器為一適當(dāng)配置的通用計(jì)算機(jī)。在其他實(shí)例中，可優(yōu)選使用專用控制器，如現(xiàn)場(chǎng)編程門陣列(FPGA)(fieldprogrammable gate array)或?qū)Ｓ眉尚酒?ASIC)。固定部件20起基座的作用，可與一光學(xué)平臺(tái)相連?？梢苿?dòng)部件22包含形如壓電盤24的壓電器件，其中心連有形如安裝柱26的載臺(tái)。壓電盤24可由控制器18驅(qū)動(dòng)而沿xy面的徑向膨脹和收縮。壓電元件的膨脹或收縮常被稱為使用壓電元件。雖然在此實(shí)例中沒有采用，在其他實(shí)例中可對(duì)壓電盤施加預(yù)應(yīng)力，例如可在其周圍裝一金屬環(huán)，使其使用時(shí)的松弛尺寸小于其完全無約束時(shí)的自然尺寸。
安裝柱26為待定位的物體提供了上安裝面。它可包含單軸定位器以提供沿垂直于xy面的軸進(jìn)行定位。在某些情況下，可不使用安裝柱而將物體直接置于壓電盤24上。三個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)28A-C被分別置于一等邊三角形的頂點(diǎn)，在控制器18的控制下可選擇在第一(A)、第二(B)和第三(C)位置夾持壓電盤24。可松開夾持機(jī)構(gòu)28A-C被安排成在A、B和/或C任一處被夾住時(shí)，使壓電盤24被夾持的部分不會(huì)在xy面中相對(duì)于固定部件發(fā)生移動(dòng)。
圖3示意地表示圖2所示壓電定位器16的縱向剖面。圖3的剖面圖取自轉(zhuǎn)折的截面，即穿過可松開夾持機(jī)構(gòu)28A至壓電盤24的中心，然后再經(jīng)過可松開夾持機(jī)構(gòu)28B。選取這樣的多重截面是為了更易于表明壓電盤24是怎樣被支撐的。在此實(shí)例中，可松開夾持機(jī)構(gòu)28A、28B、28C是彼此一樣的，故只詳細(xì)描述可松開夾持機(jī)構(gòu)28A?？伤砷_夾持機(jī)構(gòu)28A包含剛性支柱30A、構(gòu)架34A及壓電夾件32A。剛性支柱30A和構(gòu)架34A與固定部件20相連。壓電盤24擱置在剛性支柱以及其他可松開夾持機(jī)構(gòu)的相應(yīng)剛性支柱上。壓電夾件32A與構(gòu)架34A相連，使其處于壓電盤24A之上與剛性支柱30A對(duì)準(zhǔn)。壓電夾件32A被設(shè)置為可由控制器18驅(qū)動(dòng)而沿垂直于壓電盤24的方向伸縮。在其松弛狀態(tài)下(亦即，未被使用)，壓電夾件與壓電盤接觸，在位置A處提供夾持力。當(dāng)壓電夾件32A被控制器18驅(qū)動(dòng)而收縮時(shí)，A處的夾持力消失。為防止可能對(duì)壓電夾件或壓電盤造成損傷，可松開夾持機(jī)構(gòu)28A可有一定的彈性，例如，在壓電夾件32A與構(gòu)架34A間可用彈性連接。雖然在圖2所示的定位器中壓電夾件32A與壓電盤24直接接觸，在其他實(shí)例中可使用固定在壓電夾件上的過渡件。這樣的過渡件可加工成減小與盤的接觸面積，并可用增大可松開夾持機(jī)構(gòu)與盤之間的摩擦的材料制成。
人們將會(huì)了解，可使用許多其他的可松開夾持機(jī)構(gòu)，例如，那些使用液壓件、氣動(dòng)件或其他形式致動(dòng)器者。
圖4A-F示意地表示一個(gè)實(shí)例，這是在xy面中移動(dòng)壓電盤24(因而也是安裝柱26)的步驟的次序。在執(zhí)行此實(shí)例次序中，安裝柱沿基本上平行于位置A和C的假想連線方向移動(dòng)，且從A移向C。圖4A-F的每一個(gè)都示意地表示壓電盤24及可被夾持的位置A、B、C的平面圖。在此實(shí)例中，這些位置相對(duì)于固定部件20是固定的，這樣，壓電盤相對(duì)于位置A、B、C的移動(dòng)就表示壓電盤相對(duì)于固定部件的移動(dòng)。位置A、B、C示意地表示為圓圈。實(shí)心圈表示可松開夾持機(jī)構(gòu)被設(shè)置為在此位置夾住壓電盤?？招娜t表示壓電盤在此位置未被夾持，因而可在xy面中自由移動(dòng)。
圖4A表示壓電盤24相對(duì)于位置A、B、C的起始位置。在此實(shí)例的起始狀態(tài)，壓電盤是松弛的(亦即，未對(duì)其正常使用尺寸發(fā)生膨脹或收縮)，且與三個(gè)位置A、B、C對(duì)中。可松開夾持機(jī)構(gòu)28A、28B、28C都起著在相應(yīng)的位置A、B、C夾持壓電盤的作用。此起始位置被稱為此次序的步驟S1。在第二步S2中，如圖4B示意表示的，在B和C處壓電盤24被松開(亦即，可松開夾持機(jī)構(gòu)28B、28C被控制器啟動(dòng)，去掉對(duì)壓電盤24的夾持力)。在第三步S3中，如圖4C示意表示的，壓電盤膨脹。在圖4C中可明顯地看到壓電盤24周長(zhǎng)的改變。為了做比較，在步驟S1和S2中壓電盤位置的輪廓由虛線表示。當(dāng)壓電盤在A處被夾住時(shí)，其膨脹對(duì)于其膨脹前的起始位置是非對(duì)稱的，使其中心移離位置A。在第四步S4中，如圖4D示意表示的，壓電盤仍保持膨脹，而位置C處的可松開夾持機(jī)構(gòu)被設(shè)置為夾住壓電盤，位置A處的可松開夾持機(jī)構(gòu)隨即松開。在位置A處的夾持松開前在位置C處夾住壓電盤，在此步驟的整個(gè)過程中使壓電盤保持為在一個(gè)位置或其他位置被夾住。在第五步S5中，如圖4E示意表示的，壓電盤24松弛，使之收縮為其起始尺寸。這在圖4E中表示為壓電盤周長(zhǎng)的變化。為了做比較，在步驟S3和S4中壓電盤位置的輪廓表示為虛線。當(dāng)在位置C處夾住壓電盤時(shí)，其收縮引起了從其膨脹位置的非對(duì)稱收縮，使其中心向位置C移動(dòng)。在第六步S6中，如圖4F示意表示的，在位置A和C處的可松開夾持機(jī)構(gòu)被設(shè)置為夾住壓電盤，使得壓電盤在所有三個(gè)位置都被夾住。至此次序完成，壓電盤在基本上平行于位置A和C連線的方向上作了移動(dòng)。圖4A中所示的壓電盤起始位置在圖4F中以虛線示意表示，以作比較。
圖5的列表提供了一種常規(guī)方法來表示在圖4A-F所示移動(dòng)次序期間，每個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)28A-C和壓電盤24的狀態(tài)。在S1-S6的每個(gè)步驟中，若特定的可松開夾持機(jī)構(gòu)被設(shè)置為夾住壓電盤，則在位置A、B和C處可松開夾持機(jī)構(gòu)的狀態(tài)用符號(hào)‘X’表示，而若特定的可松開夾持機(jī)構(gòu)被松開，則用符號(hào)‘O’表示。壓電盤24的狀態(tài)，當(dāng)其為松弛狀態(tài)時(shí)由符號(hào)‘-’表示，而當(dāng)其為膨脹狀態(tài)時(shí)由符號(hào)‘E’表示。
圖6的列表與圖5類似，不過它描述的是實(shí)現(xiàn)圖4A-F中所見到的類似移動(dòng)的另一種步驟次序。圖6所示次序與圖5的不同在于，在步驟S3中壓電盤被驅(qū)動(dòng)收縮而非膨脹，且對(duì)可松開夾持機(jī)構(gòu)使用了不同的驅(qū)動(dòng)次序。壓電盤24的收縮在表中由符號(hào)‘C’表示。在圖5所示的次序中，壓電盤膨脹使其自身推離A，然后松弛而將之拉向C，而在圖6的次序中，壓電盤收縮而將其自身拉向C，然后松弛而推離A。使壓電盤相對(duì)其松弛狀態(tài)膨脹而非收縮將是優(yōu)選的。為此，雖然圖6所示的次序是可能的，但圖5的次序使壓電盤膨脹是優(yōu)選的。
在這樣的次序期間，壓電盤的移動(dòng)量取決于其膨脹或收縮的幅度。可執(zhí)行一系列的多個(gè)次序以在選定的方向上接連移動(dòng)壓電盤，而使移動(dòng)距離大于單一次序中可能的距離。這可這樣來進(jìn)行，例如，重復(fù)圖5或6所示的次序，或是執(zhí)行壓電盤兼有膨脹和收縮的修改次序，以增大單次序中壓電盤的行程。使用這種技術(shù)的實(shí)例次序可包含圖5和圖6所示次序的串接，但取消圖5的步驟S5和S6以及圖6的步驟S1和S2，使得控制器18設(shè)置定位器在執(zhí)行圖5的步驟S4后直接進(jìn)入圖6步驟S3所示的狀態(tài)。與壓電盤的壓電極性(piezoeletric poling)有關(guān)，使用的收縮幅度不可能與膨脹相同。
壓電盤可沿基本上平行于位置A、B和C中任何一對(duì)的連線方向移動(dòng)。沿這些不同方向可進(jìn)行一系列不同量的移動(dòng)，以在定位器的行程范圍內(nèi)使安裝柱26移動(dòng)至所需的位置。一般說來在執(zhí)行多次序時(shí)，在每個(gè)單獨(dú)次序末尾不必在所有夾持位置夾住壓電盤。雖然圖1所示的這類定位器行程沒有基本原理上的限制，一般說來，一種典型的裝置將有約1-10cm的特性尺寸，在分辨率約10-100nm時(shí)，行程約100μm-1mm，可定位約10N的負(fù)載。
如上面所指出的，在圖5和6的次序中，壓電盤24中心的凈移動(dòng)主要是平行于A與C的連線。然而，一般說來此移動(dòng)不完全平行于這條線。這是因?yàn)橐苿?dòng)方向與壓電盤的起始位置及其膨脹和/或收縮的幅度有一些關(guān)系。因此，在某些實(shí)施方式中，定位器將包含反饋機(jī)構(gòu)來幫助定位。例如，在一種應(yīng)用中可將定位器用于一個(gè)系統(tǒng)中來使一光纖與另一部件，如另一光纖對(duì)準(zhǔn)。在這種情形下，控制器18可用常規(guī)的反饋技術(shù)驅(qū)動(dòng)定位器使光由一根光纖至另一光纖的耦合最大，這遠(yuǎn)勝于使定位器針對(duì)一絕對(duì)位置。更一般地說，可根據(jù)與可移動(dòng)部件位置有關(guān)的任何參數(shù)用反饋機(jī)構(gòu)來將可移動(dòng)部件相對(duì)固定部件定位。
圖7示意地表示按照本發(fā)明第二種實(shí)施方式的壓電定位器36的縱向剖面。定位器36的部件與第一種實(shí)施方式的定位器相同者用同樣的參考數(shù)字表示。可從第一種實(shí)施方式的相應(yīng)部件來了解這些部件，這里不再描述。圖7的定位器在可松開夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面與圖2不同。圖7的剖面圖與圖3相似取自轉(zhuǎn)折的截面，即穿過一個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)38A至壓電盤24中心然后再經(jīng)過另一個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)38B。在此實(shí)例中，可松開夾持機(jī)構(gòu)38A、38B(還有一個(gè)沒有示出)是彼此一樣的，故只詳細(xì)描述可松開夾持機(jī)構(gòu)38A。圖7的可松開夾持機(jī)構(gòu)38A使用剛性支撐件40A來代替在圖3中所見的可松開夾持機(jī)構(gòu)28A的剛性支撐件30A，在剛性支撐件40A上還裝有壓電支撐件42A?？伤砷_夾持機(jī)構(gòu)38A的其余部分與圖3的可松開夾持機(jī)構(gòu)28A相同，并可由可松開夾持機(jī)構(gòu)28A的相應(yīng)部件來了解。壓電支撐件42A被設(shè)置為由控制器18驅(qū)動(dòng)而沿垂直于壓電盤24的方向膨脹與收縮。
圖7的定位器36所支撐的物體可按與上述第一種實(shí)施方式相同的方式在平面內(nèi)移動(dòng)。在此移動(dòng)期間，每個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)所帶的壓電支撐件都保持無源狀態(tài)。然而，一旦達(dá)到所希望的位置，此壓電支撐件與每個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)所帶的壓電夾持件被一起驅(qū)動(dòng)而使壓電盤24升高或降低。在對(duì)壓電盤保持夾持力時(shí)這是可以實(shí)現(xiàn)的。例如，使所有壓電支撐件膨脹一個(gè)量Δh，并使所有壓電夾持件收縮同一個(gè)量，壓電盤就升高Δh。因此，圖7的定位器提供了沿z軸以及在xy面中的移動(dòng)。對(duì)各個(gè)不同的可松開夾持機(jī)構(gòu)施加不同的膨脹和/或收縮，也可引入一定程度的傾斜。若需要大的傾斜，可松開夾持機(jī)構(gòu)可具有一定的撓性以在保持夾持力的情況下提供傾斜。
圖8示意地表示按照本發(fā)明第三種實(shí)施方式的壓電定位器56的透視圖。此壓電定位器包含固定部件60、可移動(dòng)部件62及四個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)63A-D。定位器由控制器58經(jīng)箭頭59示意表示的信號(hào)通道來驅(qū)動(dòng)。固定部件60形成其基座，可與例如光學(xué)平臺(tái)相連?？梢苿?dòng)部件62包含四個(gè)形如無源邊角件的壓電器件64A-D，由四個(gè)壓電定位元件66A-D相連。安裝柱68與邊角件之一的64C相連。壓電定位元件66A-D可單獨(dú)由控制器58驅(qū)動(dòng)，使之沿其長(zhǎng)度方向膨脹和收縮來增大或減小與其相連的邊角件的間隔。壓電定位元件66A-D可單獨(dú)也可一起驅(qū)動(dòng)。第一對(duì)可松開夾持機(jī)構(gòu)63B、63D被安排得平行于x軸，第二對(duì)可松開夾持機(jī)構(gòu)63A、63C被安排得平行于y軸。安裝柱68用來提供上安裝面使待定位的物體可置于其上。四個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)63A-D被置于方形的四角，在控制器58的控制下來選擇夾持相應(yīng)于第一(A)、第二(B)、第三(C)和第四(D)位置處的邊角件64A-D。圖8的各個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)63A-D與本發(fā)明第一種實(shí)施方式的可松開夾持機(jī)構(gòu)相同，因而可由之來了解。也可使用與第二種實(shí)施方式相同的夾持機(jī)構(gòu)。
圖9的列表表示在使安裝柱68相對(duì)固定部件60沿平行于y方向移動(dòng)的實(shí)例次序期間，四個(gè)夾持機(jī)構(gòu)63A-D和四個(gè)壓電定位元件66A-D各自的狀態(tài)。此表類似于表5和6，并可由之來了解。
在步驟S1中，壓電定位器36處于起始狀態(tài)，所有四個(gè)夾持機(jī)構(gòu)63A-D連同其分別處于位置A、B、C、D的各自的邊角件64A-D，以及所有四個(gè)壓電定位元件66A-D都是松弛的。在步驟S2中，在C和D處的邊角件64C、64D被松開(亦即，可松開夾持機(jī)構(gòu)63C、63D被控制器58啟動(dòng)而去掉對(duì)其邊角件的夾持力)。在步驟S3中，安排在沿y軸的壓電定位元件66A、66C膨脹ΔY。這就使安裝柱68移動(dòng)相應(yīng)的量。在步驟S4中，壓電定位元件66A、66C仍保持膨脹，而在位置C和D的可松開夾持機(jī)構(gòu)被設(shè)置為夾住其各自相應(yīng)的邊角件，而在位置A和B的可松開夾持機(jī)構(gòu)隨后松開。在步驟S5中，壓電定位元件66A、66C松弛使之縮回其起始尺寸。在步驟S6中，所有四個(gè)位置A-D相應(yīng)的可松開夾持機(jī)構(gòu)都被置于夾住其各自的邊角件64A-D。至此次序完成，安裝柱68已被沿Y軸的方向移動(dòng)了ΔY?？蓤?zhí)行多個(gè)次序而使安裝柱的移動(dòng)距離大于ΔY。欲移動(dòng)較小的距離則可在圖9所示次序的步驟S3和S4中，使壓電定位元件相應(yīng)膨脹較小的量來實(shí)現(xiàn)。用類似的次序可實(shí)現(xiàn)平行于x軸的移動(dòng)。
圖10的列表表示在一使安裝柱68相對(duì)固定部件60在既不平行于x也不平行于y軸方向移動(dòng)的實(shí)例次序期間，四個(gè)夾持機(jī)構(gòu)63A-D和四個(gè)壓電定位元件66A-D各自的狀態(tài)。在此實(shí)例中，安裝柱的移動(dòng)方向平行于位置B和D間的假想線。此表類似于圖5、6和9者，并可由之來了解，這里將不再詳細(xì)描述。
雖然沿x軸排列的一對(duì)壓電定位元件66B、66D和另一對(duì)沿y軸排列的壓電定位元件66A、66C的膨脹和/或壓縮量可以是相同的，以對(duì)x和y軸提供45°的移動(dòng)，但也可以是不同的以在xy面內(nèi)提供任意方向的移動(dòng)。
使壓電定位元件66A-D膨脹不同的量可實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)部件相對(duì)固定部件繞垂直于xy面軸的某種程度的角位移。為避免在此運(yùn)動(dòng)期間壓電定位元件過度受到應(yīng)力，每個(gè)壓電定位元件與邊角件之間可有撓性連接。這種撓性連接可包括，例如，銷接合，使得壓電定位元件可在xy面內(nèi)繞銷接合轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖11示意地表示三軸壓電定位器116三維定位物體的透視圖。在圖11所示的取向上，定位器116使物體在水平的xy面內(nèi)和/或沿垂直于水平面的縱向z軸移動(dòng)。此壓電定位器116包含固定部件120、可移動(dòng)部件122以及三個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)128A-C。此定位器由控制器118經(jīng)箭頭119示意表示的信號(hào)通道來驅(qū)動(dòng)?？梢苿?dòng)部件122包含上壓電環(huán)124和下壓電環(huán)126，由三個(gè)壓電間隔元件146A-C來隔開。壓電環(huán)124、126被安排得可由控制器118單獨(dú)驅(qū)動(dòng)而沿xy面內(nèi)的徑向膨脹和收縮。壓電間隔元件146A-C被安排得可由控制器118驅(qū)動(dòng)而沿z軸膨脹和收縮，來增大或減小壓電環(huán)124、126之間的間隔。園柱狀的壓電安裝柱127穿過兩個(gè)壓電環(huán)124、126的開孔。此壓電安裝柱127包含上壓電安裝柱140和下壓電安裝柱142。這兩部分壓電安裝柱由位于中心的固定件144連在一起。上和下壓電安裝柱可由控制器118單獨(dú)驅(qū)動(dòng)而沿xy面內(nèi)的徑向膨脹和收縮。中心固定件144可使上和下壓電安裝柱140、142間相對(duì)膨脹/收縮而不致使其界面受到過度的應(yīng)力。在正常使用中，即不是重新定位時(shí)，兩部分安裝柱適當(dāng)?shù)嘏蛎浺粋€(gè)量δE，使之因摩擦而在各自的壓電環(huán)開孔內(nèi)被緊束。三個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)128A-C分設(shè)在一等邊三角形的頂點(diǎn)，以在控制器118的控制下在第一(A)、第二(B)和第三(C)位置選擇夾持可移動(dòng)部件122。夾持作用發(fā)生在上壓電環(huán)124的上表面與下壓電環(huán)126的下表面之間。壓電間隔元件146A-C一般與夾持位置A、B、C一致，當(dāng)可松開夾持機(jī)構(gòu)128A-C施加夾持力時(shí)可減小壓電環(huán)124、126可能發(fā)生的彎曲。然而，壓電間隔元件也可另行設(shè)位置。
圖12示意地表示圖11所示壓電定位器116的縱向剖面。圖12的剖面取自轉(zhuǎn)折的截面，穿過可松開夾持機(jī)構(gòu)128A至可移動(dòng)部件122中心再通過可松開夾持機(jī)構(gòu)128B。可松開夾持機(jī)構(gòu)128A、128B、128C是彼此一樣的，這里只描述可松開夾持機(jī)構(gòu)128A?？伤砷_夾持機(jī)構(gòu)128A包含構(gòu)架134A、壓電夾持元件132A，剛性支撐件150A以及壓電支撐元件152A。剛性支撐件150A和構(gòu)架134A與固定部件120相連。可移動(dòng)部件122坐落在壓電支撐元件152A上，后者又安裝在剛性支撐件150A上。壓電夾持元件132A與構(gòu)架134A相連，使之保持在可移動(dòng)部件122的上壓電環(huán)124上面而與壓電支撐元件152A縱向?qū)?zhǔn)。壓電夾持元件132A與壓電支撐元件被安排得可由控制器118單獨(dú)驅(qū)動(dòng)而平行于z軸膨脹和收縮。在其松弛狀態(tài)下，壓電夾持元件132A與可移動(dòng)部件122的上壓電環(huán)124接觸而在位置A提供夾持力。當(dāng)壓電夾持元件132A被控制器118驅(qū)動(dòng)而收縮時(shí)，A處的夾持力消失。
雖然可松開夾持機(jī)構(gòu)128A被安排得在上壓電環(huán)124的上表面與下壓電環(huán)126的下表面之間，而非在圖7的單壓電盤24上下表面間施加夾持力，可松開夾持機(jī)構(gòu)128A也能以通常與圖7的可松開夾持機(jī)構(gòu)38A-C相同的方式來工作。
圖13的列表表示在使壓電安裝柱127相對(duì)固定部件120在xy面中移動(dòng)的實(shí)例次序期間，三個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)128A-C，上、下壓電環(huán)124、126，以及上、下壓電安裝柱140、142各自的狀態(tài)。壓電支撐元件152A-C和壓電間隔元件146A-C在此移動(dòng)期間保持無源狀態(tài)。在執(zhí)行此實(shí)例次序中，壓電安裝柱127沿基本上平行于位置A與C假想連線的方向移動(dòng)，且從A移至C。此表類似于圖5、6、9和10者，可由之來了解。然而，還包含了另一種狀態(tài)，由符號(hào)δE表示。這表示上、下壓電安裝柱140、142處于其正常工作狀態(tài)-亦即，稍有膨脹使之被壓電環(huán)124、126緊束。
圖13所示的次序與圖5所示者極其接近，其操作是以十分相似的方式使可移動(dòng)部件122移動(dòng)。因此，在圖13的次序中可松開夾持機(jī)構(gòu)128A-C的操作次序相當(dāng)于圖4和5所示者，這里不再作描述。圖13所示次序與圖5所示者的主要差別在于，在圖13的步驟S3和S4中，上、下壓電環(huán)124、126同時(shí)膨脹(或收縮)，而在圖5的實(shí)施方式中只使用一個(gè)壓電盤24。為防止安裝柱127在壓電環(huán)124、126膨脹時(shí)通過壓電環(huán)的開孔下落，在圖13的步驟S3和S4中，上、下壓電安裝柱也膨脹以保持摩擦緊束。在圖13所示次序的變通中使用壓電環(huán)124、126的收縮(例如在十分相當(dāng)于圖6的次序中)，當(dāng)壓電環(huán)收縮時(shí)，上、下壓電安裝柱也可適當(dāng)?shù)厥湛s。
圖14的列表表示在使壓電安裝柱127相對(duì)固定部件120沿平行于z軸的方向移動(dòng)的實(shí)例次序期間三個(gè)壓電夾持元件132A-C、三個(gè)壓電間隔元件146A-C，以及上、下壓電安裝柱140、142各自的狀態(tài)。在此移動(dòng)期間，三個(gè)壓電夾持元件132A-C都按同樣的次序啟動(dòng)，故在此表中只有一欄。三個(gè)壓電間隔元件146A-C也是一樣。在此次序期間，壓電環(huán)124、126和壓電支撐元件152A-C保持無源狀態(tài)。在執(zhí)行此實(shí)例次序中壓電安裝柱127下移ΔZ。此表與圖5、6、9和10者相似，且使用同樣的符號(hào)。這些表的一個(gè)差別是，圖14表示壓電夾持元件是處于松弛、收縮還是膨脹狀態(tài)。而前面的各表則表示可松開夾持機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)(亦即，夾持或松開)而非實(shí)際的壓電夾持元件的狀態(tài)。這是因?yàn)樵趫D14所示的整個(gè)次序中可松開夾持機(jī)構(gòu)128A-C對(duì)可移動(dòng)部件122提供了一致的縱向夾持力。
圖14的步驟S1相當(dāng)于定位器116的起始狀態(tài)。壓電夾持元件132A-C和壓電間隔元件146A-C都是松弛的。上、下壓電安裝柱140、142稍有膨脹，如上所述，使之與壓電環(huán)124、126各自的開孔摩擦緊配。在步驟S2中，上壓電安裝柱140收縮，使得由上、下壓電安裝柱構(gòu)成的壓電安裝柱127只由下壓電環(huán)126來支撐。在步驟S3中，壓電夾持元件132A-C都收縮ΔZ，而同時(shí)壓電間隔元件146A-C都膨脹同樣的量。其效果是保持縱向夾持力來防止可移動(dòng)部件122在xy面中移動(dòng)而使上壓電環(huán)124相對(duì)固定部件120升高ΔZ。在步驟S4中，上壓電安裝柱恢復(fù)其稍有膨脹的狀態(tài)，使之再被上壓電環(huán)摩擦緊束。在步驟S5中，下壓電安裝柱142收縮使得安裝柱127現(xiàn)在只由上壓電環(huán)124支撐。在步驟S6中，壓電夾持元件132A-C和壓電間隔元件146A-C都恢復(fù)其松弛狀態(tài)。其效果是上壓電環(huán)124相對(duì)固定部件120降低ΔZ而對(duì)可移動(dòng)部件122保持縱向夾持力。因?yàn)榘惭b柱127由上壓電環(huán)支撐，在下壓電環(huán)的開孔中可自由移動(dòng)，故在此操作期間，安裝柱127也被降低ΔZ。在步驟S7中，下壓電安裝柱142恢復(fù)其稍有膨脹的狀態(tài)，使之再次被下壓電環(huán)緊束。這就是次序的終點(diǎn)。安裝柱127已下移ΔZ而其他部件則恢復(fù)其起始狀態(tài)?？蓤?zhí)行多個(gè)次序和不同幅度(亦即，不同ΔZ)的次序來提供較大范圍的移動(dòng)。應(yīng)知，可執(zhí)行許多其他的次序，例如，來實(shí)現(xiàn)上移。也可使用包含壓電夾持元件的收縮和/或膨脹的聯(lián)合的次序來增大執(zhí)行每個(gè)次序的移動(dòng)范圍。
圖15示意地表示壓電夾持元件160的縱向剖面，它可用來代替圖3所示的壓電夾持元件32A。壓電夾持元件160包含位于撓性結(jié)構(gòu)164中的壓電堆162。在此實(shí)例中，撓性結(jié)構(gòu)包含一對(duì)較硬的連桿166，其兩端由撓性部件168連接。撓性結(jié)構(gòu)164可為整體結(jié)構(gòu)也可為部件結(jié)構(gòu)。壓電堆162裝在撓性部件168之間，可使其被控制器驅(qū)動(dòng)，例如圖2所示的控制器18，而沿水平方向(圖15所示方向)膨脹和收縮。隨著壓電堆162水平地膨脹，連桿166因撓性部件168的撓性而彼此靠近。同樣，隨著壓電堆162的收縮，連桿彼此離開。因此，壓電夾持元件160可設(shè)置為在松弛狀態(tài)下在構(gòu)架與壓電盤之間(例如，圖3所示的構(gòu)架34A與壓電盤24，這里的壓電夾持元件160代替了圖3所示者)施加縱向夾持力，而當(dāng)壓電堆162被驅(qū)動(dòng)而膨脹時(shí)去掉此力。
使用圖15所示的安排，在松弛狀態(tài)(因此不需供電)，壓電夾持元件160可施加夾持力，而當(dāng)壓電堆被驅(qū)動(dòng)而膨脹時(shí)(通常比壓電堆收縮更為有效)去掉此力。這種安排實(shí)質(zhì)上是將壓電堆162的操作反過來，使其膨脹引起撓性結(jié)構(gòu)164在垂直于壓電堆膨脹方向上(亦即，圖15的縱向)產(chǎn)生收縮。這個(gè)方向就是夾持方向。適當(dāng)選擇撓性部件的形狀可實(shí)現(xiàn)機(jī)械增幅。使用如圖15所示的半園形部件，機(jī)械增幅可接近1。
應(yīng)知，圖15所示的這類器件可同樣地用于可松開夾持機(jī)構(gòu)中來代替其他壓電元件，例如，圖7所示的壓電支撐元件42A和/或圖12所示的壓電間隔元件146A可構(gòu)成類似的器件。
參考文獻(xiàn)[1]US 3902084(Burliegh Instruments Inc.)[2]US 3902085(Burliegh Instruments Inc.)
權(quán)利要求
1.一種多軸壓電定位器，包括固定部件；可在一平面中相對(duì)于固定部件定位的可移動(dòng)部件，此可移動(dòng)部件包括可操作成在該平面內(nèi)膨脹和收縮的壓電器件；以及第一、第二和第三可松開夾持機(jī)構(gòu)，可操作成在相應(yīng)的第一、第二和第三位置將可移動(dòng)部件選擇性地夾持到固定部件上，從而在壓電器件膨脹或收縮時(shí)通過可松開夾持機(jī)構(gòu)的選擇啟動(dòng)，可移動(dòng)部件可在該平面內(nèi)移動(dòng)，其中可松開夾持機(jī)構(gòu)各包括壓電致動(dòng)器，所述壓電致動(dòng)器可操作成沿垂直于該平面的方向?qū)梢苿?dòng)部件施加夾持力。
2.權(quán)利要求1的多軸壓電定位器，其中所述壓電器件由單個(gè)壓電元件組成。
3.權(quán)利要求1的多軸壓電定位器，其中所述壓電器件由多個(gè)壓電元件組成。
4.權(quán)利要求1的多軸壓電定位器，其中所述壓電器件包括排列形成矩形的邊的四個(gè)壓電元件。
5.權(quán)利要求4的多軸壓電定位器，還包括第四個(gè)可松開夾持機(jī)構(gòu)，其中所述第一、第二、第三和第四可松開夾持機(jī)構(gòu)被設(shè)置成分別作用在矩形四個(gè)角的對(duì)應(yīng)角。
6.權(quán)利要求4或5的多軸壓電定位器，還包括在矩形各角處的邊角件。
7.前面任一權(quán)利要求的多軸壓電定位器，其中所述壓電致動(dòng)器各包括安裝在撓性件中的壓電元件，并設(shè)置成使得壓電元件可被驅(qū)動(dòng)而沿基本上平行于所述平面的方向膨脹，從而引起撓性件沿基本上垂直于所述平面的方向收縮而去掉夾持力。
8.前面任一權(quán)利要求的多軸壓電定位器，其中所述可松開夾持機(jī)構(gòu)各包括配置成與所述第一壓電致動(dòng)器一起工作的另一個(gè)壓電致動(dòng)器，使得可移動(dòng)部件在保持夾持力的同時(shí)相對(duì)于固定部件沿垂直于所述平面的方向移動(dòng)。
9.前面任一權(quán)利要求的多軸壓電定位器，其中所述可移動(dòng)部件還包括載臺(tái)，它與壓電器件連接并沿垂直于所述平面的方向延伸，該載臺(tái)有一安裝面，待定位的物體可與之相連。
10.權(quán)利要求9的多軸壓電定位器，其中所述可移動(dòng)部件包括第二壓電器件，它在垂直于所述平面的方向上由可調(diào)節(jié)的隔擋與所述第一壓電器件隔開，使得所述第一壓電器件與第二壓電器件之間的間隔可變，所述載臺(tái)被所述第一和第二壓電器件固定，從而在載臺(tái)被所述第一和第二壓電器件選擇性地固定和松開時(shí)通過改變所述第一和第二壓電器件的間隔，使之沿垂直于所述平面的方向移動(dòng)。
11.權(quán)利要求9的多軸壓電定位器，其中所述載臺(tái)包括單軸定位器，使得所述安裝面的位置可沿垂直于所述平面的軸定位。
12.前面任一權(quán)利要求的多軸壓電定位器，還包括控制器，該控制器被配置成按照預(yù)定的次序啟動(dòng)壓電器件和可松開夾持機(jī)構(gòu)，從而相對(duì)于固定部件定位可移動(dòng)部件。
13.前面任一權(quán)利要求的多軸壓電定位器，還包括控制器，該控制器被配置成響應(yīng)反饋信號(hào)而啟動(dòng)壓電器件和可松開夾持機(jī)構(gòu)，從而相對(duì)于固定部件定位可移動(dòng)部件。
全文摘要
描述了多軸壓電定位器(16、36、56、116)。此定位器包含固定部件(20、60、120)，可相對(duì)于可移動(dòng)部件(22、62、122)在一平面內(nèi)移動(dòng)?？梢苿?dòng)部件包括壓電器件(24、64A－D、66A－D、124)，可在此平面內(nèi)膨脹和收縮。通過相應(yīng)的第一、第二和第三可松開夾持機(jī)構(gòu)(28A－C、34A－C、63A－D、128A－C)，可移動(dòng)部件可相對(duì)于固定部件在第一、第二和第三位置處被選擇性地夾住。因此可移動(dòng)部件可在壓電器件膨脹或收縮時(shí)通過可松開夾持機(jī)構(gòu)的選擇啟動(dòng)而在此平面內(nèi)相對(duì)于固定部件移動(dòng)。這就提供了并列機(jī)構(gòu)的多軸壓電定位器。可提供可沿垂直于此平面的方向定位的載臺(tái)而得到三軸定位器。
文檔編號(hào)H01L41/09GK1918720SQ200580004350
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2005年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月8日
發(fā)明者邁克爾·J.·狄克遜, 基思·A.·德赫斯 申請(qǐng)人:特拉波斯公司