机电整合.

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42
4.2.3 壓電平台精密控制
(1)壓電材料特性 (2)壓電驅動系統的機構考量 (3)實例介紹 (4)量測系統的設計與解析度
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43
4.2.3 壓電平台精密控制
(1)壓電材料特性

壓電材料驅動器之遲滯現象
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4.2.3 壓電平台精密控制
(2)壓電驅動系統的機構考量
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單眼相機：


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4.3 數位攝影機的機電系統

相機內變焦和聚焦系統示意圖
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4.3 數位攝影機的機電系統

相機結構圖
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4.3 數位攝影機的機電系統

對焦原理
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.1 自動對焦系統

以特定區域來進行測距、進而調整對焦鏡頭形成焦 點，使相機內的影像看起來清晰的設計。
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28
4.2.2 壓電驅動原理
(4)交變電壓驅動原理

直線運動的線型馬達原理
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4.2.2 壓電驅動原理
(4)交變電壓驅動原理

圓環式行進波型超音波馬達之定子與轉子
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4.2.2 壓電驅動原理
(4)交變電壓驅動原理

超音波馬達定子上壓電陶瓷之極化排列圖
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4.2.2 壓電驅動原理
(4)交變電壓驅動原理

利用單壓電片產生屈曲彈性波之原理
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4.2.2 壓電驅動原理
(4)交變電壓驅動原理

超音波馬達兩相反流器驅動系統
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4.2.2 壓電驅動原理
(5)應用：掃瞄探針顯微鏡

掃瞄探針顯微鏡系統
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4.2.1 壓電平台之機構
(1) 撓性結構

平板式撓性結構

又可稱為平板彈簧(leaf soring)，為藉由平板受外力而造 成彈性變形，使得基座與移動台之間產生相對運動。
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4.2.1 壓電平台之機構
(1) 撓性結構

平板式撓性結構
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4.2.1 壓電平台之機構
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4.2.1 壓電平台之機構

割痕式撓性結構
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4.2.1 壓電平台之機構

割痕式撓性結構
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4.2.1 壓電平台之機構
(2) 放大器

槓桿(level)式放大器的三種基本型式
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4.2.1 壓電平台之機構
(2) 放大器

雙層結構槓桿放大器
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4.2.2 壓電驅動原理
(1)概論

正電壓效應
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4.2.2 壓電驅動原理
(1)概論

負電壓效應
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24
4.2.2 壓電驅動原理
(2)直流電壓驅動原理

原子力顯微鏡之壓電管結構
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4.2.2 壓電驅動原理
(3)脈波電壓驅動原理

4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達

夫來明左手定則
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達

美國專利5612740的音圈馬達結構圖
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4.2.1 壓電平台之機構

單軸平台自由體圖
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4.2.1 壓電平台之機構

單軸平台系統架構實際圖
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4.2.2 壓電驅動原理
(1)概論 (2)直流電壓驅動原理 (3)脈波電壓驅動原理 (4)交變電壓驅動原理 (5)應用：掃瞄探針顯微鏡
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第四章 機電整合
4.1 概述 4.2 壓電定位平台 4.3 數位攝影機的機電系統 ⊙參考文獻
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第四章 機電整合
4.1 概述


光機電的系統大都訴求小巧和精密，所以涉及到的 機電整合技術也不同於一般傳統的機電知識。 光學量測儀器已經朝向奈米等級發展，掃瞄探針顯 微鏡(SPM)就是應用於量測奈米尺度下的各種物理 和化學性質。
(5)應用：掃瞄探針顯微鏡
⑤電腦系統
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4.2.2 壓電驅動原理
(5)應用：掃瞄探針顯微鏡
⑤電腦系統
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4.2.2 壓電驅動原理
(5)應用：掃瞄探針顯微鏡 凡得瓦力圖
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4.2.2 壓電驅動原理
(5)應用：掃瞄探針顯微鏡

原子力顯微鏡操作模式示意圖
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4.2.2 壓電驅動原理
(5)應用：掃瞄探針顯微鏡
①探針感測裝置
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4.2.2 壓電驅動原理
(5)應用：掃瞄探針顯微鏡
②壓電掃瞄致動器
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4.2.2 壓電驅動原理
(5)應用：掃瞄探針顯微鏡
③下針近接裝置

由於探針與樣品必須接近到數十奈米才能有交互作用發生， 若探針和樣品接近到肉眼無法觀察控制昏距離，則必須具 備自動下針近接裝置，以免探針撞擊到樣品而受損。
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.1 自動對焦系統 4.3.2 音圈馬達 4.3.3 對焦致動器的控制 4.3.4音圈馬達的控制 4.3.5步進馬達的控制
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4.3 數位攝影機的機電系統

簡易型相機：

俗稱傻瓜相機，亦稱雙眼相機。早期的構造為鏡頭 固定不動，具全自動對焦及曝光功能。 可分為機械式與電子式。機械式為全手動裝置，鏡 頭可以自由拆換，對講究攝影技巧者是最好的入門 工具。 近年來，由於攝影技術的進步，以及對高品質攝影 作品的需求，電子式單眼相機深受攝影者的喜愛， 它具有自動捲片、對焦、曝光的功能，亦可轉換為 全手動模式，集全自動與全手動功能於一機。
微液滴連續噴射
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4.2.2 壓電驅動原理
(3)脈波電壓驅動原理

微液滴即成噴射
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4.2.2 壓電驅動原理
(4)交變電壓驅動原理

多應用於超音波馬達，而超音波馬達是一種應用超 音波的彈性振動方式以獲得驅動力，然後再利用摩 擦力帶動轉子而驅動馬達，其伸縮量大小雖然僅達 數微米(μm)程度，但因每秒之伸縮達數十萬次，每 秒可移動達數釐米(cm)。
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4.3 數位攝影機的機電系統
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達

馬達上有一組可動線圈稱作轉子部，另有一組軟磁 與永磁構成的定子部。定子部的設計以產生特殊磁 路為主要考量。

音圈馬達被用於硬碟機上的讀寫頭
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達
硬碟機上音圈馬達的磁路結構
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達
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(1) 撓性結構

雙複合平板彈簧
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4.2.1 壓電平台之機構
(1) 撓性結構

割痕式撓性結構


由兩個割痕式接腳(notch hinge)所構成；藉由割痕式接腳 的轉角彈性變形，造成基座與移動台的相對運動。 雙向式撓性結構主要由三個割痕式撓性結構所構成，其特 點是能產生兩個自由度的運動方向。
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4.2.1 壓電平台之機構
(1) 撓性結構

平板式撓性結構 割痕式撓性結構 槓桿(level) 橋型(bridge) 四連桿(four-bar)
(2) 放大器

wk.baidu.com
(3)設計範例
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4.2.1 壓電平台之機構
(1) 撓性結構

優點：
1.無磨耗、不需潤滑、高穩定性。 2.一體機構。 3.平順、連續的運動，無餘隙問題。 4.以適當的設計減低機構、系統對溫度的敏感度。 5.可利用力學原理建立力量與位移關係式，藉由已知力量或 位移量，以預測可能的位移和力量。 6.對於硬脆材料而言、疲勞或過度負載造成的破壞為急遽的 且容易預測，故具有相當高的重現性。
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2
第四章 機電整合
4.1 概述

掃瞄探針顯微鏡的系統方塊圖
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4.2 壓電定位平台
4.2.1 壓電平台之機構 4.2.2 壓電驅動原理 4.2.3 壓電平台精密控制
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4
4.2 壓電定位平台
4.2.1 壓電平台之機構

壓電平台之機構可分為撓性結構(flexural structure) 與放大器兩部分，其中撓性結構之目的，是用以使 定位平台能在有限的運動範圍中，提供高精度的定 位能力；而放大器的目的則是用以放大輸出力或運 動行程。
21
4.2.2 壓電驅動原理
(1)概論


自1880年Pierce 和Jacques Curie發現壓電現象之後，人們 陸續發現許多擁有非中心對稱的晶體材料，即它的正電荷中 心不在同一位置，使得正負電荷無法表現出中和的特性，所 以在經過適當的極化過程後這些材料將具壓電特性。 具有壓電特性的物質，當材料受力時便會因為電荷中心的不 對稱而形成電偶極和誘發電場。相對的，由介電理論可知， 電場作用下的介電質，其相鄰但帶巾不同電性的電荷將移動 不同的距離，而產生相對位移，此相對的位移使介電質內存 有電偶極和誘發電場。
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4.2.3 壓電平台精密控制
(3)實例介紹

壓電驅動器之頻率響應
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4.2.3 壓電平台精密控制
(3)實例介紹

積分回授情形下之系統開路頻率響應
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4.2.3 壓電平台精密控制
(3)實例介紹

相位調整補償器的頻率響應
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4.2.3 壓電平台精密控制
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達

美國專利4678951的音圈馬達結構圖
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達

美國專利5939804的音圈馬達結構圖
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4.3 數位攝影機的機電系統
4.3.2 音圈馬達
• 美國專利5121016的音圈馬達結構圖
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4.2.3 壓電平台精密控制
(2)壓電驅動系統的機構考量

撓性接頭示意圖
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4.2.3 壓電平台精密控制
(3)實例介紹

壓電驅動器之頻率響應 積分回授情形下之系統開路頻率響應 相位調整補償器的頻率響應 系統閉路頻率響應 精密定位系統的定位響應圖
(3)實例介紹

系統閉路頻率響應
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4.2.3 壓電平台精密控制
(3)實例介紹

精密定位系統的定位響應圖
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4.2.3 壓電平台精密控制
(4)量測系統的設計與解析度


壓電驅動器的輸出位移非常小，連原子力顯微鏡都 使用壓電驅動器來驅動掃瞄。 線性差分變壓位移感測器(LVDT)可以提供到次奈米 等級的解析度。
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4.3 數位攝影機的機電系統

4.3.1 自動對焦系統

對焦系統結構方塊圖
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4.3 數位攝影機的機電系統

4.3.1 自動對焦系統

致動器為步進馬達的對焦系統
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4.3 數位攝影機的機電系統

4.3.1 自動對焦系統

致動器為音圈馬達的對焦系統

系統加上回授控制以後可以將遲滯現象壓縮到小於 10nm的範圍
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4.2.3 壓電平台精密控制

4.2.3 壓電平台精密控制

壓電驅動器使用時經常配合回授裝置一起使用
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4.2.3 壓電平台精密控制
(2)壓電驅動系統的機構考量

壓電驅動器經常是模組化的設計，同時提供回授控 制器供使用者加上回授控制
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4.2.1 壓電平台之機構
(2) 放大器

橋型放大器結構
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4.2.1 壓電平台之機構
(2) 放大器

四連桿(four-bar) Grasshopper和scot-Russel平行運動機構
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4.2.1 壓電平台之機構

單軸平台的示意性及實體圖
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4.2.2 壓電驅動原理
(5)應用：掃瞄探針顯微鏡
④電子及控制系統

主要包含探針感測回授控制、水平掃瞄回授控制、數位系 統控制介面，壓電驅動放大電路、數位訊號處理器、高速 資料傳輸介面、振幅相位檢測模組等，目前有朝向控制系 統數位化、電子電路模組化的趨勢。
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4.2.2 壓電驅動原理