专利名称：压电定位器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到压电定位器，尤其是涉及到多轴压电定位器。
背景技术：
定位器广泛地用于生产线和科学实验中来为光学部件定位。
图1示意地表示一熟知类型的直线压电定位器2的纵向剖面[1，2]。这种类型的定位器称为蠕动型定位器，它可对目标进行一维定位。此定位器2是对中心轴Z圆周对称的，包含可移动部件4、固定部件6、驱动机构8及控制器(未示出)。此定位器可使可移动部件4沿Z轴相对于固定部件6定位。驱动机构8包含左压电环10、右压电环12和压电隔挡14。可移动部件4包含一轴，可使待定位的物体与之相连。可移动部件为左、右压电环10和12所夹持。压电环10、12安排成可由控制器独立驱动而绕Z轴沿径向扩展和收紧，从而连续地夹紧或松开可移动部件4。压电隔挡14可被驱动而平行于Z轴扩展和收缩。左、右压电环10、12被分别固定在压电隔挡14的左端和右端。而压电隔挡14的中心与固定部件6固定连接。
如图1所示，可移动部件4因左、右压电环10、12的夹持而保持与固定部件6的关系。若欲使可移动部件4向右(亦即，沿-Z方向)移动，则控制器执行如下次序。首先，左压电环10膨胀，使之不再夹持可移动部件4。其次，压电隔挡14膨胀，膨胀量为ΔZ，使得左压电环10左移ΔZ/2，而右压电环12也向右移同样的量。由于在此动作期间，可移动部件4为右压电环12所夹持，故可移动部件4也相对于固定部件6右移ΔZ/2。第三，左压电环10松弛，使得可移动部件4再次被压电环10、12夹持。第四，右压电环12膨胀，使之不再夹持可移动部件4。第五，压电隔挡14松弛，使之收缩ΔZ。这就使右压电环12左移ΔZ/2，而左压电环10右移ΔZ/2，即压电环10、12相对于固定部件6回复到图1所示的轴向位置。在此动作期间，可移动部件4因被左压电环10夹持而再右移ΔZ/2。最后，右压电环12松弛，使之再夹持可移动部件4。
在执行上述次序后，固定部件6，左、右压电环10、12及压电隔挡14都处于图1所示的相对位置。然而，可移动部件4已右移了ΔZ。如需进一步移动，重复此次序，使得可移动部件4逐渐右移。使用类似的次序可实现可移动部件的左移，但次序中左、右压电环的膨胀和收缩次序应交换。
图1所示这种压电蠕动型定位器是有用的装置，因其能提供精确和高分辨率的一维定位，且比较简单、小巧和坚固。
然而，在许多情形下，需要多轴定位，定位器需要在二维、三维或多维可调。多轴定位器机构可大致分为两类一类为串接型定位器机构；另一类为并列型定位器机构。
串接型定位器机构包含一系列叠置的直线定位器。例如，二维(2D)串接定位器可包含上述这种类型的第一和第二线性蠕动定位器，它们被安排得使第二直线定位器的输入级(亦即，固定部件)装在第一直线定位器的输出级(亦即，可移动部件)上。欲被定位的物体则装在第二定位器的输出级上。因此，第二定位器工作使物体沿一个方向移动，而第一定位器工作使第二定位器因而也使其所携物体一起沿另一方向移动。已知串接型定位器存在的问题是沿不同的轴其特性会不同，且一个轴的行为依赖于其在另一个轴上的位置。这在很大程度上是由于叠置的直线定位器的负载不同。例如，在2D串接型定位器中，第二定位器承载着待定位物体，而第一定位器承载着此负载和第二定位器。这种问题随着移动轴的增多而越发严重。
并列型定位器机构因多个轴都可以独立定位而避免了这种问题。这是对每个轴设计驱动机构使各轴并行工作来实现的。即，与每个不同的移动轴相关的输入级都装在一起，而输出级也同样地装在一起。由于不存在上述串接型定位器机构的问题，并列型定位机构一般优选用于精确的多轴定位。然而，在并列型定位器中每个轴都连有的驱动机构必须能适应其他每个轴的移动，因此并列型定位器会是十分庞大而复杂的。
发明内容
按照本发明提供了一种多轴压电定位器，包含固定部件；可移动部件，可在一平面中相对于固定部件定位，可移动部件包含可操作成在此平面中膨胀和收缩的压电器件；以及第一、第二和第三可松开夹持机构，可操作成在相应的第一、第二和第三位置将可移动部件选择性地夹持到固定部件上，从而在压电器件膨胀或收缩时通过可松开夹持机构的选择启动，可移动部件可在该平面内移动，其中可松开夹持机构各包括压电致动器，所述压电致动器可操作成沿垂直于该平面的方向对可移动部件施加夹持力。
这就提供了较简单耐用的具有并列机构的多轴定位器，它得益于直线压电定位器的精确和高分辨率定位。
压电器件可包含单一压电元件，例如平盘，它可在其平面内沿多个方向同时膨胀或收缩。这就提供了一种零部件较少的简单结构。
作为选择，压电器件可包含多个压电元件，例如沿矩形边排列的四个压电元件。在这种实例中，可配备第四个可松开夹持机构，四个可松开夹持机构被安排为分别作用在矩形相应的四个角。这样的安排可在平面内沿两个正交轴独立定位。这四个压电元件可在其端部连接而形成一矩形，也可通过弯件彼此连接。使用无源弯件可消除压电元件直接相连时产生的界面应力。
压电致动器每个都可包含装在挠性件上的压电元件，且安排得使压电元件被驱动时沿基本平行于平面的方向膨胀，因而使挠性件沿基本垂直于平面的方向收缩而去掉夹持力。这种安排所提供的压电致动器在松弛状态时施加夹持力，而当压电元件被驱动而膨胀时去掉夹持力。这是有益的，因为当压电元件被驱动而膨胀比其被驱动而收缩时，工作特性常有改善。
可松开夹持机构各自还可包含第二个压电致动器，与上述第一致动器一起工作，使在保持夹持力时可移动部件可沿垂直于平面的方向相对于固定部件移动。这就在垂直于平面的方向上在致动器的范围内提供了某种程度的定位，因而提供了一种简单的三轴定位器。
可移动部件还可包含与压电器件连接的载台，它可沿垂直于平面的方向伸展，载台具有安装面，待定位的物体可装在其上。这就可使待定位的物体被置于离开定位器主体处，因而避免彼此间可能发生的干扰。此安装面可含有安装工件的常规固定设施，如，适当尺寸和螺纹的孔。
在某些实施方式中，载台可包含单轴定位器。这就使得待定位的物体可沿垂直于平面的轴和平行于平面定位。载台可包含，例如，常规的蠕动型定位器而提供全压电三轴定位器。作为选择，载台可包含任何其他类型的直线定位器。
在其他实施方式中，提供了三轴定位器，其可移动部件含有第二压电器件，此装置与上述第一压电器件在垂直于平面的方向上由可调隔挡隔开，使得上述第一和第二压电器件的间隔可变，载台由上述第一压电器件和第二压电器件可松开地夹持，致使借助于当载台由上述第一和第二压电器件选择性地夹持和松开时，改变上述第一和第二压电器件的间隔，载台可沿垂直于平面的方向移动。
多轴压电定位器可包含控制器，它可设置为按预定次序启动压电器件或压电件和可松开夹持机构，以使可移动部件相对于固定部件重新定位。作为选择，控制器可设置为按照可移动部件相对于固定部件定位时的反馈信号来启动压电器件或压电件和可松开夹持机构。
现在参照附图的实例以更好地了解本发明，并说明本发明是如何实现的。
图1示意地表示一已知单轴压电定位器的纵向剖面图；图2示意地表示按照本发明第一种实施方式的二轴压电定位器的透视图；图3示意地表示图2的二轴压电定位器的纵向剖面图；图4A-F示意地表示图2定位器所载物体沿水平面定位次序的实例；图5的列表示意地表示，在执行图4所示次序期间图2所示定位器的几个元件的状态；图6的列表示意地表示，在沿水平面定位物体时的另一个次序实例期间，图2所示定位器的几个元件的状态；图7示意地表示按照本发明第二种实施方式的三轴压电定位器的纵向剖面图；图8示意地表示按照本发明第三种实施方式的二轴压电定位器的透视图；图9的列表示意地表示，在沿水平面定位物体时的一个次序实例期间，图8所示定位器的几个元件的状态；图10的列表示意地表示，在沿水平面定位物体时的另一个次序实例期间，图8所示定位器的几个元件的状态；图11示意地表示按照本发明第四种实施方式的三轴压电定位器的透视图；图12示意地表示图11的三轴压电定位器的纵向剖面图；图13的列表示意地表示，在沿水平面定位物体时的一个次序实例期间，图11所示定位器的几个元件的状态；图14的列表示意地表示，在沿垂直轴定位物体时的一个次序实例期间，图11所示定位器的几个元件的状态；图15示意地表示可用于本发明实施方式的压电夹持元件的纵向剖面。
具体实施例方式
图2以透视图示意地表示，压电定位器16二维定位一个物体，如光学透镜。在图2所示的取向上，定位器16设为使物体沿xy面移动。此压电定位器包含固定部件20、可移动部件22和三个可松开夹持机构28A-C。定位器由控制器18经箭头19示意表示的信号通道来驱动。在此实例中，控制器为一适当配置的通用计算机。在其他实例中，可优选使用专用控制器，如现场编程门阵列(FPGA)(fieldprogrammable gate array)或专用集成芯片(ASIC)。固定部件20起基座的作用，可与一光学平台相连。可移动部件22包含形如压电盘24的压电器件，其中心连有形如安装柱26的载台。压电盘24可由控制器18驱动而沿xy面的径向膨胀和收缩。压电元件的膨胀或收缩常被称为使用压电元件。虽然在此实例中没有采用，在其他实例中可对压电盘施加预应力，例如可在其周围装一金属环，使其使用时的松弛尺寸小于其完全无约束时的自然尺寸。
安装柱26为待定位的物体提供了上安装面。它可包含单轴定位器以提供沿垂直于xy面的轴进行定位。在某些情况下，可不使用安装柱而将物体直接置于压电盘24上。三个可松开夹持机构28A-C被分别置于一等边三角形的顶点，在控制器18的控制下可选择在第一(A)、第二(B)和第三(C)位置夹持压电盘24。可松开夹持机构28A-C被安排成在A、B和/或C任一处被夹住时，使压电盘24被夹持的部分不会在xy面中相对于固定部件发生移动。
图3示意地表示图2所示压电定位器16的纵向剖面。图3的剖面图取自转折的截面，即穿过可松开夹持机构28A至压电盘24的中心，然后再经过可松开夹持机构28B。选取这样的多重截面是为了更易于表明压电盘24是怎样被支撑的。在此实例中，可松开夹持机构28A、28B、28C是彼此一样的，故只详细描述可松开夹持机构28A。可松开夹持机构28A包含刚性支柱30A、构架34A及压电夹件32A。刚性支柱30A和构架34A与固定部件20相连。压电盘24搁置在刚性支柱以及其他可松开夹持机构的相应刚性支柱上。压电夹件32A与构架34A相连，使其处于压电盘24A之上与刚性支柱30A对准。压电夹件32A被设置为可由控制器18驱动而沿垂直于压电盘24的方向伸缩。在其松弛状态下(亦即，未被使用)，压电夹件与压电盘接触，在位置A处提供夹持力。当压电夹件32A被控制器18驱动而收缩时，A处的夹持力消失。为防止可能对压电夹件或压电盘造成损伤，可松开夹持机构28A可有一定的弹性，例如，在压电夹件32A与构架34A间可用弹性连接。虽然在图2所示的定位器中压电夹件32A与压电盘24直接接触，在其他实例中可使用固定在压电夹件上的过渡件。这样的过渡件可加工成减小与盘的接触面积，并可用增大可松开夹持机构与盘之间的摩擦的材料制成。
人们将会了解，可使用许多其他的可松开夹持机构，例如，那些使用液压件、气动件或其他形式致动器者。
图4A-F示意地表示一个实例，这是在xy面中移动压电盘24(因而也是安装柱26)的步骤的次序。在执行此实例次序中，安装柱沿基本上平行于位置A和C的假想连线方向移动，且从A移向C。图4A-F的每一个都示意地表示压电盘24及可被夹持的位置A、B、C的平面图。在此实例中，这些位置相对于固定部件20是固定的，这样，压电盘相对于位置A、B、C的移动就表示压电盘相对于固定部件的移动。位置A、B、C示意地表示为圆圈。实心圈表示可松开夹持机构被设置为在此位置夹住压电盘。空心圈则表示压电盘在此位置未被夹持，因而可在xy面中自由移动。
图4A表示压电盘24相对于位置A、B、C的起始位置。在此实例的起始状态，压电盘是松弛的(亦即，未对其正常使用尺寸发生膨胀或收缩)，且与三个位置A、B、C对中。可松开夹持机构28A、28B、28C都起着在相应的位置A、B、C夹持压电盘的作用。此起始位置被称为此次序的步骤S1。在第二步S2中，如图4B示意表示的，在B和C处压电盘24被松开(亦即，可松开夹持机构28B、28C被控制器启动，去掉对压电盘24的夹持力)。在第三步S3中，如图4C示意表示的，压电盘膨胀。在图4C中可明显地看到压电盘24周长的改变。为了做比较，在步骤S1和S2中压电盘位置的轮廓由虚线表示。当压电盘在A处被夹住时，其膨胀对于其膨胀前的起始位置是非对称的，使其中心移离位置A。在第四步S4中，如图4D示意表示的，压电盘仍保持膨胀，而位置C处的可松开夹持机构被设置为夹住压电盘，位置A处的可松开夹持机构随即松开。在位置A处的夹持松开前在位置C处夹住压电盘，在此步骤的整个过程中使压电盘保持为在一个位置或其他位置被夹住。在第五步S5中，如图4E示意表示的，压电盘24松弛，使之收缩为其起始尺寸。这在图4E中表示为压电盘周长的变化。为了做比较，在步骤S3和S4中压电盘位置的轮廓表示为虚线。当在位置C处夹住压电盘时，其收缩引起了从其膨胀位置的非对称收缩，使其中心向位置C移动。在第六步S6中，如图4F示意表示的，在位置A和C处的可松开夹持机构被设置为夹住压电盘，使得压电盘在所有三个位置都被夹住。至此次序完成，压电盘在基本上平行于位置A和C连线的方向上作了移动。图4A中所示的压电盘起始位置在图4F中以虚线示意表示，以作比较。
图5的列表提供了一种常规方法来表示在图4A-F所示移动次序期间，每个可松开夹持机构28A-C和压电盘24的状态。在S1-S6的每个步骤中，若特定的可松开夹持机构被设置为夹住压电盘，则在位置A、B和C处可松开夹持机构的状态用符号‘X’表示，而若特定的可松开夹持机构被松开，则用符号‘O’表示。压电盘24的状态，当其为松弛状态时由符号‘-’表示，而当其为膨胀状态时由符号‘E’表示。
图6的列表与图5类似，不过它描述的是实现图4A-F中所见到的类似移动的另一种步骤次序。图6所示次序与图5的不同在于，在步骤S3中压电盘被驱动收缩而非膨胀，且对可松开夹持机构使用了不同的驱动次序。压电盘24的收缩在表中由符号‘C’表示。在图5所示的次序中，压电盘膨胀使其自身推离A，然后松弛而将之拉向C，而在图6的次序中，压电盘收缩而将其自身拉向C，然后松弛而推离A。使压电盘相对其松弛状态膨胀而非收缩将是优选的。为此，虽然图6所示的次序是可能的，但图5的次序使压电盘膨胀是优选的。
在这样的次序期间，压电盘的移动量取决于其膨胀或收缩的幅度。可执行一系列的多个次序以在选定的方向上接连移动压电盘，而使移动距离大于单一次序中可能的距离。这可这样来进行，例如，重复图5或6所示的次序，或是执行压电盘兼有膨胀和收缩的修改次序，以增大单次序中压电盘的行程。使用这种技术的实例次序可包含图5和图6所示次序的串接，但取消图5的步骤S5和S6以及图6的步骤S1和S2，使得控制器18设置定位器在执行图5的步骤S4后直接进入图6步骤S3所示的状态。与压电盘的压电极性(piezoeletric poling)有关，使用的收缩幅度不可能与膨胀相同。
压电盘可沿基本上平行于位置A、B和C中任何一对的连线方向移动。沿这些不同方向可进行一系列不同量的移动，以在定位器的行程范围内使安装柱26移动至所需的位置。一般说来在执行多次序时，在每个单独次序末尾不必在所有夹持位置夹住压电盘。虽然图1所示的这类定位器行程没有基本原理上的限制，一般说来，一种典型的装置将有约1-10cm的特性尺寸，在分辨率约10-100nm时，行程约100μm-1mm，可定位约10N的负载。
如上面所指出的，在图5和6的次序中，压电盘24中心的净移动主要是平行于A与C的连线。然而，一般说来此移动不完全平行于这条线。这是因为移动方向与压电盘的起始位置及其膨胀和/或收缩的幅度有一些关系。因此，在某些实施方式中，定位器将包含反馈机构来帮助定位。例如，在一种应用中可将定位器用于一个系统中来使一光纤与另一部件，如另一光纤对准。在这种情形下，控制器18可用常规的反馈技术驱动定位器使光由一根光纤至另一光纤的耦合最大，这远胜于使定位器针对一绝对位置。更一般地说，可根据与可移动部件位置有关的任何参数用反馈机构来将可移动部件相对固定部件定位。
图7示意地表示按照本发明第二种实施方式的压电定位器36的纵向剖面。定位器36的部件与第一种实施方式的定位器相同者用同样的参考数字表示。可从第一种实施方式的相应部件来了解这些部件，这里不再描述。图7的定位器在可松开夹持机构的设计方面与图2不同。图7的剖面图与图3相似取自转折的截面，即穿过一个可松开夹持机构38A至压电盘24中心然后再经过另一个可松开夹持机构38B。在此实例中，可松开夹持机构38A、38B(还有一个没有示出)是彼此一样的，故只详细描述可松开夹持机构38A。图7的可松开夹持机构38A使用刚性支撑件40A来代替在图3中所见的可松开夹持机构28A的刚性支撑件30A，在刚性支撑件40A上还装有压电支撑件42A。可松开夹持机构38A的其余部分与图3的可松开夹持机构28A相同，并可由可松开夹持机构28A的相应部件来了解。压电支撑件42A被设置为由控制器18驱动而沿垂直于压电盘24的方向膨胀与收缩。
图7的定位器36所支撑的物体可按与上述第一种实施方式相同的方式在平面内移动。在此移动期间，每个可松开夹持机构所带的压电支撑件都保持无源状态。然而，一旦达到所希望的位置，此压电支撑件与每个可松开夹持机构所带的压电夹持件被一起驱动而使压电盘24升高或降低。在对压电盘保持夹持力时这是可以实现的。例如，使所有压电支撑件膨胀一个量Δh，并使所有压电夹持件收缩同一个量，压电盘就升高Δh。因此，图7的定位器提供了沿z轴以及在xy面中的移动。对各个不同的可松开夹持机构施加不同的膨胀和/或收缩，也可引入一定程度的倾斜。若需要大的倾斜，可松开夹持机构可具有一定的挠性以在保持夹持力的情况下提供倾斜。
图8示意地表示按照本发明第三种实施方式的压电定位器56的透视图。此压电定位器包含固定部件60、可移动部件62及四个可松开夹持机构63A-D。定位器由控制器58经箭头59示意表示的信号通道来驱动。固定部件60形成其基座，可与例如光学平台相连。可移动部件62包含四个形如无源边角件的压电器件64A-D，由四个压电定位元件66A-D相连。安装柱68与边角件之一的64C相连。压电定位元件66A-D可单独由控制器58驱动，使之沿其长度方向膨胀和收缩来增大或减小与其相连的边角件的间隔。压电定位元件66A-D可单独也可一起驱动。第一对可松开夹持机构63B、63D被安排得平行于x轴，第二对可松开夹持机构63A、63C被安排得平行于y轴。安装柱68用来提供上安装面使待定位的物体可置于其上。四个可松开夹持机构63A-D被置于方形的四角，在控制器58的控制下来选择夹持相应于第一(A)、第二(B)、第三(C)和第四(D)位置处的边角件64A-D。图8的各个可松开夹持机构63A-D与本发明第一种实施方式的可松开夹持机构相同，因而可由之来了解。也可使用与第二种实施方式相同的夹持机构。
图9的列表表示在使安装柱68相对固定部件60沿平行于y方向移动的实例次序期间，四个夹持机构63A-D和四个压电定位元件66A-D各自的状态。此表类似于表5和6，并可由之来了解。
在步骤S1中，压电定位器36处于起始状态，所有四个夹持机构63A-D连同其分别处于位置A、B、C、D的各自的边角件64A-D，以及所有四个压电定位元件66A-D都是松弛的。在步骤S2中，在C和D处的边角件64C、64D被松开(亦即，可松开夹持机构63C、63D被控制器58启动而去掉对其边角件的夹持力)。在步骤S3中，安排在沿y轴的压电定位元件66A、66C膨胀ΔY。这就使安装柱68移动相应的量。在步骤S4中，压电定位元件66A、66C仍保持膨胀，而在位置C和D的可松开夹持机构被设置为夹住其各自相应的边角件，而在位置A和B的可松开夹持机构随后松开。在步骤S5中，压电定位元件66A、66C松弛使之缩回其起始尺寸。在步骤S6中，所有四个位置A-D相应的可松开夹持机构都被置于夹住其各自的边角件64A-D。至此次序完成，安装柱68已被沿Y轴的方向移动了ΔY。可执行多个次序而使安装柱的移动距离大于ΔY。欲移动较小的距离则可在图9所示次序的步骤S3和S4中，使压电定位元件相应膨胀较小的量来实现。用类似的次序可实现平行于x轴的移动。
图10的列表表示在一使安装柱68相对固定部件60在既不平行于x也不平行于y轴方向移动的实例次序期间，四个夹持机构63A-D和四个压电定位元件66A-D各自的状态。在此实例中，安装柱的移动方向平行于位置B和D间的假想线。此表类似于图5、6和9者，并可由之来了解，这里将不再详细描述。
虽然沿x轴排列的一对压电定位元件66B、66D和另一对沿y轴排列的压电定位元件66A、66C的膨胀和/或压缩量可以是相同的，以对x和y轴提供45°的移动，但也可以是不同的以在xy面内提供任意方向的移动。
使压电定位元件66A-D膨胀不同的量可实现可移动部件相对固定部件绕垂直于xy面轴的某种程度的角位移。为避免在此运动期间压电定位元件过度受到应力，每个压电定位元件与边角件之间可有挠性连接。这种挠性连接可包括，例如，销接合，使得压电定位元件可在xy面内绕销接合转动。
图11示意地表示三轴压电定位器116三维定位物体的透视图。在图11所示的取向上，定位器116使物体在水平的xy面内和/或沿垂直于水平面的纵向z轴移动。此压电定位器116包含固定部件120、可移动部件122以及三个可松开夹持机构128A-C。此定位器由控制器118经箭头119示意表示的信号通道来驱动。可移动部件122包含上压电环124和下压电环126，由三个压电间隔元件146A-C来隔开。压电环124、126被安排得可由控制器118单独驱动而沿xy面内的径向膨胀和收缩。压电间隔元件146A-C被安排得可由控制器118驱动而沿z轴膨胀和收缩，来增大或减小压电环124、126之间的间隔。园柱状的压电安装柱127穿过两个压电环124、126的开孔。此压电安装柱127包含上压电安装柱140和下压电安装柱142。这两部分压电安装柱由位于中心的固定件144连在一起。上和下压电安装柱可由控制器118单独驱动而沿xy面内的径向膨胀和收缩。中心固定件144可使上和下压电安装柱140、142间相对膨胀/收缩而不致使其界面受到过度的应力。在正常使用中，即不是重新定位时，两部分安装柱适当地膨胀一个量δE，使之因摩擦而在各自的压电环开孔内被紧束。三个可松开夹持机构128A-C分设在一等边三角形的顶点，以在控制器118的控制下在第一(A)、第二(B)和第三(C)位置选择夹持可移动部件122。夹持作用发生在上压电环124的上表面与下压电环126的下表面之间。压电间隔元件146A-C一般与夹持位置A、B、C一致，当可松开夹持机构128A-C施加夹持力时可减小压电环124、126可能发生的弯曲。然而，压电间隔元件也可另行设位置。
图12示意地表示图11所示压电定位器116的纵向剖面。图12的剖面取自转折的截面，穿过可松开夹持机构128A至可移动部件122中心再通过可松开夹持机构128B。可松开夹持机构128A、128B、128C是彼此一样的，这里只描述可松开夹持机构128A。可松开夹持机构128A包含构架134A、压电夹持元件132A，刚性支撑件150A以及压电支撑元件152A。刚性支撑件150A和构架134A与固定部件120相连。可移动部件122坐落在压电支撑元件152A上，后者又安装在刚性支撑件150A上。压电夹持元件132A与构架134A相连，使之保持在可移动部件122的上压电环124上面而与压电支撑元件152A纵向对准。压电夹持元件132A与压电支撑元件被安排得可由控制器118单独驱动而平行于z轴膨胀和收缩。在其松弛状态下，压电夹持元件132A与可移动部件122的上压电环124接触而在位置A提供夹持力。当压电夹持元件132A被控制器118驱动而收缩时，A处的夹持力消失。
虽然可松开夹持机构128A被安排得在上压电环124的上表面与下压电环126的下表面之间，而非在图7的单压电盘24上下表面间施加夹持力，可松开夹持机构128A也能以通常与图7的可松开夹持机构38A-C相同的方式来工作。
图13的列表表示在使压电安装柱127相对固定部件120在xy面中移动的实例次序期间，三个可松开夹持机构128A-C，上、下压电环124、126，以及上、下压电安装柱140、142各自的状态。压电支撑元件152A-C和压电间隔元件146A-C在此移动期间保持无源状态。在执行此实例次序中，压电安装柱127沿基本上平行于位置A与C假想连线的方向移动，且从A移至C。此表类似于图5、6、9和10者，可由之来了解。然而，还包含了另一种状态，由符号δE表示。这表示上、下压电安装柱140、142处于其正常工作状态-亦即，稍有膨胀使之被压电环124、126紧束。
图13所示的次序与图5所示者极其接近，其操作是以十分相似的方式使可移动部件122移动。因此，在图13的次序中可松开夹持机构128A-C的操作次序相当于图4和5所示者，这里不再作描述。图13所示次序与图5所示者的主要差别在于，在图13的步骤S3和S4中，上、下压电环124、126同时膨胀(或收缩)，而在图5的实施方式中只使用一个压电盘24。为防止安装柱127在压电环124、126膨胀时通过压电环的开孔下落，在图13的步骤S3和S4中，上、下压电安装柱也膨胀以保持摩擦紧束。在图13所示次序的变通中使用压电环124、126的收缩(例如在十分相当于图6的次序中)，当压电环收缩时，上、下压电安装柱也可适当地收缩。
图14的列表表示在使压电安装柱127相对固定部件120沿平行于z轴的方向移动的实例次序期间三个压电夹持元件132A-C、三个压电间隔元件146A-C，以及上、下压电安装柱140、142各自的状态。在此移动期间，三个压电夹持元件132A-C都按同样的次序启动，故在此表中只有一栏。三个压电间隔元件146A-C也是一样。在此次序期间，压电环124、126和压电支撑元件152A-C保持无源状态。在执行此实例次序中压电安装柱127下移ΔZ。此表与图5、6、9和10者相似，且使用同样的符号。这些表的一个差别是，图14表示压电夹持元件是处于松弛、收缩还是膨胀状态。而前面的各表则表示可松开夹持机构的工作状态(亦即，夹持或松开)而非实际的压电夹持元件的状态。这是因为在图14所示的整个次序中可松开夹持机构128A-C对可移动部件122提供了一致的纵向夹持力。
图14的步骤S1相当于定位器116的起始状态。压电夹持元件132A-C和压电间隔元件146A-C都是松弛的。上、下压电安装柱140、142稍有膨胀，如上所述，使之与压电环124、126各自的开孔摩擦紧配。在步骤S2中，上压电安装柱140收缩，使得由上、下压电安装柱构成的压电安装柱127只由下压电环126来支撑。在步骤S3中，压电夹持元件132A-C都收缩ΔZ，而同时压电间隔元件146A-C都膨胀同样的量。其效果是保持纵向夹持力来防止可移动部件122在xy面中移动而使上压电环124相对固定部件120升高ΔZ。在步骤S4中，上压电安装柱恢复其稍有膨胀的状态，使之再被上压电环摩擦紧束。在步骤S5中，下压电安装柱142收缩使得安装柱127现在只由上压电环124支撑。在步骤S6中，压电夹持元件132A-C和压电间隔元件146A-C都恢复其松弛状态。其效果是上压电环124相对固定部件120降低ΔZ而对可移动部件122保持纵向夹持力。因为安装柱127由上压电环支撑，在下压电环的开孔中可自由移动，故在此操作期间，安装柱127也被降低ΔZ。在步骤S7中，下压电安装柱142恢复其稍有膨胀的状态，使之再次被下压电环紧束。这就是次序的终点。安装柱127已下移ΔZ而其他部件则恢复其起始状态。可执行多个次序和不同幅度(亦即，不同ΔZ)的次序来提供较大范围的移动。应知，可执行许多其他的次序，例如，来实现上移。也可使用包含压电夹持元件的收缩和/或膨胀的联合的次序来增大执行每个次序的移动范围。
图15示意地表示压电夹持元件160的纵向剖面，它可用来代替图3所示的压电夹持元件32A。压电夹持元件160包含位于挠性结构164中的压电堆162。在此实例中，挠性结构包含一对较硬的连杆166，其两端由挠性部件168连接。挠性结构164可为整体结构也可为部件结构。压电堆162装在挠性部件168之间，可使其被控制器驱动，例如图2所示的控制器18，而沿水平方向(图15所示方向)膨胀和收缩。随着压电堆162水平地膨胀，连杆166因挠性部件168的挠性而彼此靠近。同样，随着压电堆162的收缩，连杆彼此离开。因此，压电夹持元件160可设置为在松弛状态下在构架与压电盘之间(例如，图3所示的构架34A与压电盘24，这里的压电夹持元件160代替了图3所示者)施加纵向夹持力，而当压电堆162被驱动而膨胀时去掉此力。
使用图15所示的安排，在松弛状态(因此不需供电)，压电夹持元件160可施加夹持力，而当压电堆被驱动而膨胀时(通常比压电堆收缩更为有效)去掉此力。这种安排实质上是将压电堆162的操作反过来，使其膨胀引起挠性结构164在垂直于压电堆膨胀方向上(亦即，图15的纵向)产生收缩。这个方向就是夹持方向。适当选择挠性部件的形状可实现机械增幅。使用如图15所示的半园形部件，机械增幅可接近1。
应知，图15所示的这类器件可同样地用于可松开夹持机构中来代替其他压电元件，例如，图7所示的压电支撑元件42A和/或图12所示的压电间隔元件146A可构成类似的器件。
参考文献[1]US 3902084(Burliegh Instruments Inc.)[2]US 3902085(Burliegh Instruments Inc.)
权利要求
1.一种多轴压电定位器，包括固定部件；可在一平面中相对于固定部件定位的可移动部件，此可移动部件包括可操作成在该平面内膨胀和收缩的压电器件；以及第一、第二和第三可松开夹持机构，可操作成在相应的第一、第二和第三位置将可移动部件选择性地夹持到固定部件上，从而在压电器件膨胀或收缩时通过可松开夹持机构的选择启动，可移动部件可在该平面内移动，其中可松开夹持机构各包括压电致动器，所述压电致动器可操作成沿垂直于该平面的方向对可移动部件施加夹持力。
2.权利要求1的多轴压电定位器，其中所述压电器件由单个压电元件组成。
3.权利要求1的多轴压电定位器，其中所述压电器件由多个压电元件组成。
4.权利要求1的多轴压电定位器，其中所述压电器件包括排列形成矩形的边的四个压电元件。
5.权利要求4的多轴压电定位器，还包括第四个可松开夹持机构，其中所述第一、第二、第三和第四可松开夹持机构被设置成分别作用在矩形四个角的对应角。
6.权利要求4或5的多轴压电定位器，还包括在矩形各角处的边角件。
7.前面任一权利要求的多轴压电定位器，其中所述压电致动器各包括安装在挠性件中的压电元件，并设置成使得压电元件可被驱动而沿基本上平行于所述平面的方向膨胀，从而引起挠性件沿基本上垂直于所述平面的方向收缩而去掉夹持力。
8.前面任一权利要求的多轴压电定位器，其中所述可松开夹持机构各包括配置成与所述第一压电致动器一起工作的另一个压电致动器，使得可移动部件在保持夹持力的同时相对于固定部件沿垂直于所述平面的方向移动。
9.前面任一权利要求的多轴压电定位器，其中所述可移动部件还包括载台，它与压电器件连接并沿垂直于所述平面的方向延伸，该载台有一安装面，待定位的物体可与之相连。
10.权利要求9的多轴压电定位器，其中所述可移动部件包括第二压电器件，它在垂直于所述平面的方向上由可调节的隔挡与所述第一压电器件隔开，使得所述第一压电器件与第二压电器件之间的间隔可变，所述载台被所述第一和第二压电器件固定，从而在载台被所述第一和第二压电器件选择性地固定和松开时通过改变所述第一和第二压电器件的间隔，使之沿垂直于所述平面的方向移动。
11.权利要求9的多轴压电定位器，其中所述载台包括单轴定位器，使得所述安装面的位置可沿垂直于所述平面的轴定位。
12.前面任一权利要求的多轴压电定位器，还包括控制器，该控制器被配置成按照预定的次序启动压电器件和可松开夹持机构，从而相对于固定部件定位可移动部件。
13.前面任一权利要求的多轴压电定位器，还包括控制器，该控制器被配置成响应反馈信号而启动压电器件和可松开夹持机构，从而相对于固定部件定位可移动部件。
全文摘要
描述了多轴压电定位器(16、36、56、116)。此定位器包含固定部件(20、60、120)，可相对于可移动部件(22、62、122)在一平面内移动。可移动部件包括压电器件(24、64A－D、66A－D、124)，可在此平面内膨胀和收缩。通过相应的第一、第二和第三可松开夹持机构(28A－C、34A－C、63A－D、128A－C)，可移动部件可相对于固定部件在第一、第二和第三位置处被选择性地夹住。因此可移动部件可在压电器件膨胀或收缩时通过可松开夹持机构的选择启动而在此平面内相对于固定部件移动。这就提供了并列机构的多轴压电定位器。可提供可沿垂直于此平面的方向定位的载台而得到三轴定位器。
文档编号H01L41/09GK1918720SQ200580004350
公开日2007年2月21日 申请日期2005年1月7日 优先权日2004年1月8日
发明者迈克尔·J.·狄克逊, 基思·A.·德赫斯 申请人:特拉波斯公司