平面式微/奈米級定位平臺之研制與分析

平面式微/奈米級定位平臺之研制與分析
本文針對平面式微/奈米級定位平臺之研制與分析，進(jìn)行解析與制作過程的
探討 ;本文首先了解基本組件機(jī)構(gòu)的特性原理，并利用Lagrange 方程式推導(dǎo)放
大機(jī)構(gòu)的方程式，以及利用田口最佳化設(shè)計的關(guān)念，設(shè)計微奈米定位平臺以不增
加制造成本，而可提高定位平臺質(zhì)量最佳化的目的，再配合ANSYS 計算機(jī)仿真分
析，可了解定位平臺在靜、動態(tài)狀況下各種不同的位移和機(jī)構(gòu)作動情況。
一.前言
近幾年，隨著光電、通訊、半導(dǎo)體、生物科技等產(chǎn)品之精密化、微小化的趨
勢，其零件精密細(xì)微，在檢查、組裝貨檢查時，所要求的定位精度極高。以精密
平臺而言，其控制致動器需相當(dāng)精準(zhǔn)，一般平臺致動器使用壓電式致動器
(piezoelectric actuator)【1】，因為壓電致動器具有以下優(yōu)點：體積小精度高、反應(yīng)
速率快、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、位移分辨率大、熱膨脹補(bǔ)償很小、產(chǎn)生推力大、不會
產(chǎn)生電磁訊號干擾、固體變位組件，沒有運動組件可增加系統(tǒng)之可靠度。本定位
平臺最大的特色為利用Scott-Russell(SR)放大特性，運用在精密微定位平臺
中，其中SR 放大機(jī)構(gòu)為位移線性放大，采用具彈性之撓性鉸鏈(flexible hinge)
來連接機(jī)構(gòu)連桿，設(shè)計出SR 機(jī)構(gòu)之精密定位平臺；本設(shè)計之微精密定位平臺設(shè)
計為稱性，可減低因溫度變化導(dǎo)致的干涉情形，且輸入端以三個壓電陶瓷致動器
作動，精密微定位平臺可得到三自由度的定位，是本精密微定位平臺之重要特色。
二.基本組件
1.壓電陶瓷致致動器
壓電性基本上是屬于機(jī)械能和電能間，能量轉(zhuǎn)換的一種現(xiàn)象。由于壓電材料
受到外力作用所產(chǎn)生的電荷是與外力的大小與方向有關(guān);當(dāng)電荷產(chǎn)生時，即形成
電場與電壓，在受到拉應(yīng)力(Tensile Stress)與壓應(yīng)力(Compressive Stress)
時，其電場與電壓的方向恰好相反。此一現(xiàn)象亦是可逆的，亦即當(dāng)壓電材料受到
不同極性的電場時，將會導(dǎo)致其長度的增減，所以壓電效應(yīng)可包括正電效應(yīng)及逆
電效應(yīng)。
（a）正壓電效應(yīng)：當(dāng)施一機(jī)械應(yīng)力于壓電材料時，材料的兩端會伴隨產(chǎn)生一個
電荷，其電荷的大小與施加應(yīng)力大小成一比例，當(dāng)施加應(yīng)力方向相反時，電荷極
性亦會變成相反。
（b）逆壓電效應(yīng)：當(dāng)一直流電場加于壓電材料之兩端，材料會產(chǎn)生一個型變，
其變形量會隨電場的大小而有所改變，但當(dāng)加入一交流電場時，材料的變形方向
也隨著電場正負(fù)變化而做縮收、拉長的交互變化;如果交流電場頻率等于材料的
自然共振頻率，此時材料會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，而導(dǎo)致壓電材料產(chǎn)生最大的變形量。