平面式微/奈米级定位平台之研制与分析

平面式微/奈米级定位平台之研制与分析
本文针对平面式微/奈米级定位平台之研制与分析，进行解析与制作过程的
探讨 ;本文首先了解基本组件机构的特性原理，并利用Lagrange 方程式推导放
大机构的方程式，以及利用田口最佳化设计的关念，设计微奈米定位平台以不增
加制造成本，而可提高定位平台质量最佳化的目的，再配合ANSYS 计算机仿真分
析，可了解定位平台在静、动态状况下各种不同的位移和机构作动情况。
一.前言
近几年，随着光电、通讯、半导体、生物科技等产品之精密化、微小化的趋
势，其零件精密细微，在检查、组装货检查时，所要求的定位精度极高。以精密
平台而言，其控制致动器需相当精准，一般平台致动器使用压电式致动器
(piezoelectric actuator)【1】，因为压电致动器具有以下优点：体积小精度高、反应
速率快、机电转换效率高、位移分辨率大、热膨胀补偿很小、产生推力大、不会
产生电磁讯号干扰、固体变位组件，没有运动组件可增加系统之可靠度。本定位
平台最大的特色为利用Scott-Russell(SR)放大特性，运用在精密微定位平台
中，其中SR 放大机构为位移线性放大，采用具弹性之挠性铰链(flexible hinge)
来连接机构连杆，设计出SR 机构之精密定位平台；本设计之微精密定位平台设
计为称性，可减低因温度变化导致的干涉情形，且输入端以三个压电陶瓷致动器
作动，精密微定位平台可得到三自由度的定位，是本精密微定位平台之重要特色。
二.基本组件
1.压电陶瓷致致动器
压电性基本上是属于机械能和电能间，能量转换的一种现象。由于压电材料
受到外力作用所产生的电荷是与外力的大小与方向有关;当电荷产生时，即形成
电场与电压，在受到拉应力(Tensile Stress)与压应力(Compressive Stress)
时，其电场与电压的方向恰好相反。此一现象亦是可逆的，亦即当压电材料受到
不同极性的电场时，将会导致其长度的增减，所以压电效应可包括正电效应及逆
电效应。
（a）正压电效应：当施一机械应力于压电材料时，材料的两端会伴随产生一个
电荷，其电荷的大小与施加应力大小成一比例，当施加应力方向相反时，电荷极
性亦会变成相反。
（b）逆压电效应：当一直流电场加于压电材料之两端，材料会产生一个型变，
其变形量会随电场的大小而有所改变，但当加入一交流电场时，材料的变形方向
也随着电场正负变化而做缩收、拉长的交互变化;如果交流电场频率等于材料的
自然共振频率，此时材料会产生共振现象，而导致压电材料产生最大的变形量。