奈米定位与量测报告(压电马达)授课老师朱志良博士班级硕能源.doc

奈米定位與量測報告 (壓電馬達) 授 課 老 師 ：朱 志 良 博士 班 級 ：碩能源一甲 學 生 ：謝 竹 富 學 號 ：MA01A103 壓電材料 壓電材料介紹與應用 PZT壓電材料是由鉛(Plumbum)，Zirconate) ，Titanate)等元素所組成，其全名為Lead Zirconate Titanate。化學式為Pb(Zr-Ti)O3 極化是成為壓電材料的一個重要的程序，經過極化後，將原本雜亂的極子，使其成為規則排列的極子，而極化的電壓必須大於2000v/mm。 (二)壓電效應 壓電材料會有壓電效應，是因晶格內原子間特殊排列方式，使得材料有應力場與電場耦合的效應。 壓電效應有兩種，正壓電效應及逆壓電效應。 正壓電效應(機械能轉為電能) 當對壓電材料施以物理壓力時，材料體內之電偶極矩會 因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料表 面產生正負電荷，以保持原狀，如圖 逆壓電效應(電能轉為機械能) 當在壓電材料表面施加電場(電壓)，因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長，如圖 壓電馬達驅動原理-橢圓(圓形)運動 以累積位移達成長行程目的之壓電陶瓷馬達。其組成元件包括兩個壓電片及一個震動件。 如下圖所示 如圖 壓電陶瓷馬達 這種壓電陶瓷馬達的驅動方式為分別對兩側的壓電片輸入相位差90°的弦波訊號，壓電片會依照輸入的弦波訊號伸縮變形，由於兩側壓電片的變形不同步，如圖三所示，因此震動件便會產生固定模式的偏擺震動。在兩側的壓電片輸入相位差90°時，震動件的震動位移會形成一橢圓軌跡，利用此一橢圓軌跡的震動模式便可以用來推動移動件，如圖二中的Slider。而改變輸入弦波的相位領先或落後便可以控制震動件的震動軌跡為順時針橢圓軌跡或逆時針橢圓，進而可以改變移動件的驅動方向。 如圖 兩側壓電片的變形狀況 壓電馬達之基本架構 內含兩組共四片之壓電陶瓷，四個電極分別為A、A’、B、B’，而解如棋盤般附著在正面，每個電極大小為壓電陶瓷之四分之一上表面面積，而壓電陶瓷的下表面，整面覆蓋著單一電極，斜對角線的電極A和A’，B和B’由導線相互連接，下表面之電極則經由一個可調變共振頻率的可變電感(Turning inductor)然後再接地，在沿著馬達長邊上有高彈性係數之支撐彈簧(Support spring)來限制馬達的運動；而一個相當硬的陶瓷傳動子稱之為馬達前端(Finger tip)，則結合在壓電陶瓷馬達其短邊的中間；另一短邊的中間有一緊壓在壓電陶瓷上的預壓彈簧，如此一來，預壓彈簧變提供一壓力在馬達前端與陶瓷驅動平板(Ceramic driving plate)之間，摩擦力便會產生在馬達前端與陶瓷驅動平板之間的表面，而馬達前端即可將因壓電材料變形所產生之力量透過摩擦力使得陶瓷驅動平板移動，達到平台移動之目的。 內含兩組共四片之壓電陶瓷，四個電極分別為A、A’、B、B’，而解如棋盤般附著在正面，每個電極大小為壓電陶瓷之四分之一上表面面積，而壓電陶瓷的下表面，整面覆蓋著單一電極，斜對角線的電極A和A’，B和B’由導線相互連接，下表面之電極則經由一個可調變共振頻率的可變電感(Turning inductor)然後再接地，在沿著馬達長邊上有高彈性係數之支撐彈簧(Support spring)來限制馬達的運動；而一個相當硬的陶瓷傳動子稱之為馬達前端(Finger tip)，則結合在壓電陶瓷馬達其短邊的中間；另一短邊的中間有一緊壓在壓電陶瓷上的預壓彈簧，如此一來，預壓彈簧變提供一壓力在馬達前端與陶瓷驅動平板(Ceramic driving plate)之間，摩擦力便會產生在馬達前端與陶瓷驅動平板之間的表面，而馬達前端即可將因壓電材料變形所產生之力量透過摩擦力使得陶瓷驅動平板移動，達到平台移動之目的。 壓電馬達之應用 因壓電材料變形所產生之力量透過磨擦力使得陶瓷驅動平台移動，達到平台運動之目的，由PC中控制器所計算的控制力晶由D/A介面卡做轉換後，輸入類比訊號至壓電馬達以帶動平台的運動，並由光學尺讀取傳回Encoder介面卡計算位台量，再經PC運算下一次控制力的回授訊號，來完成一閉迴路之控制動作。 壓電陶瓷的應用在日常生活中隨處可見，例如給藥或美容用的霧化器，即是利用壓電陶瓷材料在共振頻率下帶動噴孔片震動將液體以霧化的形式噴出。又例如數位相機或手機相機中的照相模組，其中的變焦單元、影像穩定單元及除塵自潔等設備中，也可以找到以壓電陶瓷材料作為致動器的應用，尤其目前正值影像電話發展之際，及未來手機相機畫素不斷地提升，欲得到最佳影像品質，自動對焦、光學變焦與影像防手震功能都將是必