音圈马达_.ppt

3.1前言積體電路光纖國內產業之研發方向3.2奈米定位(1/2)奈米定位技術的架構以傳統機電整合系統為基礎，其內容著重於操控奈米尺度之相關技術，亦即包含新興致動器、感測器、奈米機構設計、控制法、微弱信號處理等，另外尚包含微電腦感測實驗、精密量測實驗、感測器與資料擷取實驗、感測與影像處理技術、光電量測技術等精密感測。近幾年在奈米定位技術的研發上，已有多項具體成果。尤其，在具有奈米級驅動能力之致動器的研發上，已開發出多種壓電元件與彈性體耦合之新型致動器，包含壓電元件與氣壓缸、音圈馬達，以及彈簧等三種方式，均驗證具有奈米級驅動能力及長行程驅動範圍，能有效克服傳統壓電致動器的缺點，並兼具構造簡單，裝置建構成本低廉等優點。在奈米定位技術上的研發成果，以奈米微動平檯及各種長行程奈米級驅動器為基礎，建構多自由度奈米微動平檯，提供如半導體生產與檢查裝置、高難度之光纖對準裝置、要求高精度定位之生物科技等生產業者所需。定位系統的構成要素完全追跡控制法感測器的種類奈米定位技術上的應用實例(1/5)壓電致動器使用之具有彈性體性質的機械元件包含氣壓缸、音圈馬達(Voice-CoilMotor,VCM)，以及彈簧等。這些耦合式的致動器，除了驗證具10奈米之驅動能力外，其它共同的特點如下：但壓電陶瓷致動器仍有以下之缺點：
(A)非線性(Non-linear)：當電壓加在壓電陶瓷時，其延伸量偏離線性的誤差，依材質不同約為1%~10%。
(B)磁滯性(Hysteresis)：電壓增加及減少時，其延伸位移量之差異性，依材質不同而約有2%~15%之誤差量。
(C)潛變(Creep)：當電壓加在壓電陶瓷使它產生形變時，其延伸量會快速的反應，然後再慢慢的逼進目標值，此種現象稱為潛變。此值依材值不同與加入電壓的大小，約為初始延伸量的1%~20%。
(D)溫度變異(Thermalvariations)：壓電陶瓷的溫度延伸系數約為1x10-6至5x10-6C/deg。在開迴路的控制上，因上述之缺點，常造成定位的誤差，影響機器設備的品質。例如：穿隧掃描式顯微鏡，因為壓電陶瓷致動器非線性與磁滯的特性，使得掃描的圖形，必須經由軟體的補償，才能獲得比較真實的圖像等。為了解決以上所述壓電陶瓷之缺點，一般常見的方法如下：根據前述，在方法(A)中，NowcombandFlinn[7]應用電荷放電方式，驅動壓電陶瓷致動器以取代電壓之驅動方式，雖其磁滯現象與線性度將明顯改善，卻產生位移頻率響應大幅減低之缺點。方法(B)中，JungandKim[8]提出前向參考模式控制方法，改進穿隧掃描式顯微鏡中壓電陶瓷致動器之掃描精度，由於壓電陶瓷致動器之數學模式，僅考慮磁滯現象為局部記憶及對稱之非線性特性，故無法完整代表壓電陶瓷致動器之整體特性，仍有缺失。方法(C)中，Okazaki[9]提出兩種閉迴路控制技術，凹口濾波器(NotchFilter)之極-零點抵消控制器，及具狀態觀察器之狀態迴饋控制器。此控制器設計中，壓電陶瓷致動器僅視為簡單之質量─彈簧─阻尼系統，無考慮磁滯現象，因此在控制上此非模式化相位延遲之特性，易造成閉迴路系統之不穩定。壓電元件的特性為機械能與電能之間可以相互變換。其中壓電元件的參數包含應力(T)，應變(S)，電場(E)與電位移(D)，因不同之需要，這四個參數之間的關係可用壓電方程式來表示，參數之間的關係式分別為：奈米定位技術上的應用實例(2/5)壓電元件與氣壓缸所構成之致動器奈米定位技術上的應用實例(3/5)壓電元件與音圈馬達所構成之致動器奈米定位技術上的應用實例(4/5)壓電元件與彈簧所構成之微動檯下圖為彈性體支撐之壓電元件所構成之移動檯的模型示意圖。它包含兩部分，即驅動器及移動檯。驅動器之構造相當簡單，在壓電元件的左右兩端分別安裝打擊部及慣性體，而在慣性體之另外一側安裝彈簧，彈簧座固定在基座上。移動檯則以摩擦力固定（自重或另加摩擦力調整機構）在滑動面上，受衝擊力時可自由移動。驅動器之打擊部與移動檯在接觸狀態下，可驅動壓電元件使移動檯微動。以下圖3.6所示之單邊驅動為例，說明移動檯之作動原理：
（a）首先，驅動器之打擊部與移動檯在接觸狀態，壓電元件亦在自然的收縮長度下。
（b）以脈衝電壓驅動壓電元件，使其瞬間變形產生衝擊力，經由打擊部敲擊移動檯。移動檯受力後，克服摩擦力產生微動距離。
奈米定位技術上的應用實例(5/5)壓電元件與彈簧所構成之自走式微動檯機構之微型化轉換(Scire,F.E.,andTeague,E.C.,1978,“Piezodriven50-mmRangeStagewithSubnanometerResolution,”ReviewofScientificInstruments)(Chang,S.H.,Tseng,C.K.,andChien,H.C.,1999,