新型壓電驅(qū)動之夾持取放裝置設(shè)計與分析

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1、工程科技與教育學(xué)刊第五卷第四期民國九十七年十二月第641～653頁新型壓電驅(qū)動之夾持取放裝置設(shè)計與分析1,2211薛博文、林忠憲、黃文輝、吳永成1.財團(tuán)法人金屬工業(yè)研究發(fā)展中心智慧系統(tǒng)組2.國立成功大學(xué)機械工程研究所E-mail:pwhsueh@mail.mirdc.org.tw摘要本文主要目的為研究具高致動精度及較長行程之壓電式夾持取放裝置。傳統(tǒng)上，以壓電材料為主的致動裝置都擁有相當(dāng)高的致動或定位精度，但其行程卻因電路驅(qū)動與壓電本身極化方向之特性而受到限制。本研究採用新型壓電驅(qū)動技術(shù)，除了在電路驅(qū)

2、動方式與傳統(tǒng)有所不同外，更利用簡易之單相弦波電訊號進(jìn)行壓電振動模態(tài)之激發(fā)，在搭配硬體機構(gòu)之設(shè)計與傳動後可將壓電致動模組之行程大幅提升，同時仍兼顧其致動精度，這種壓電式夾持取放裝置將應(yīng)用於薄型馬達(dá)之自動化精微組裝系統(tǒng)中。因應(yīng)未來精微組裝系統(tǒng)性能之需求，夾持取放裝置幾乎是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，其中微致動模組更是攸關(guān)夾持取放效果良窳的重要技術(shù)模組。因此，本研究透過新型壓電驅(qū)動技術(shù)，設(shè)計與分析可兼顧高致動精度與較長行程特點之壓電式夾持取放裝置，並開發(fā)了兩組不同行程（6mm、30mm）之雛型模組，以實際薄型馬達(dá)

3、零組件進(jìn)行夾持實驗，且進(jìn)一步探討裝置之定性及定量特性，期許藉由本研究建立未來精微組裝系統(tǒng)中夾持取放裝置之關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞：壓電致動器、夾持取放裝置、薄型馬達(dá)、精微組裝1.前言在未來輕薄短小之3C產(chǎn)品需求量逐年增加的同時，如何快速地以自動化精微組裝方式穩(wěn)定的提供成品、半成品及內(nèi)部零組件便成了各家廠商與研究單位共同觀注的議題，例如微齒輪的自動化精微組裝[1][2]、精微零件之取放移載[3][4]等。綜觀這些精微組裝系統(tǒng)中，精密取放裝置（Precision-Gripper）或微取放裝置（Micro-Gri

4、pper）幾乎是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，其中微致動裝置更是攸關(guān)夾持取放效果良窳的重要技術(shù)模組。一般而言，以MEMS製程所製作的微致動夾持取放裝置雖有高精度之特點，但是致動行程卻僅有幾十微米（μm）等級，有些甚至僅有次微米（sub-μm）等級，且其所能施加的微夾持力量有限，對於要夾持尺寸100μm以上之精微元件則有困難[5][6]，例如圖1-(a)所示之裝置（行程≦7μm，最大出力僅403μN）。而一般以機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)配合氣壓式之夾持取放裝置雖有較長行程（≧10mm以上）與出力大之特點，但其致動精度與控制卻

5、較為困難[7][8]，如圖1-(b)所示（行程≧15mm，出力≧30N）。因此針對具有較長行程且高致動精度之精密夾持取放裝置，目前仍無較佳之解決方法。?2007NationalKaohsiungUniversityofAppliedSciences,ISSN1813-3851642薛博文、林忠憲、黃文輝、吳永成(a)以MEMS製程之裝置[9](b)以氣壓式夾取之裝置圖1兩種常見之夾持取放裝置實體為了同時克服精密夾持取放裝置之行程與精度問題，使用精密馬達(dá)搭配精密導(dǎo)螺桿方式發(fā)展出較長行程與高致動精度之夾

6、持取放裝置似乎是目前研究人員較佳的解決方法[10][11][12]。然而從機械傳動的角度來看，這種致動方式仍屬於間接驅(qū)動，且以導(dǎo)螺桿方式傳輸動力仍會有背隙問題影響整體定位或致動精度。本研究基於此，採用一種以單相弦波電訊號進(jìn)行壓電振動模態(tài)激發(fā)之新型壓電驅(qū)動技術(shù)，搭配硬體機構(gòu)之設(shè)計且以直接驅(qū)動方式將動力源輸出至未端夾爪，並產(chǎn)生較長行程之致動效果，同時仍保有壓電材料作為致動器時應(yīng)有的高致動精度效果。於第一章節(jié)內(nèi)詳細(xì)說明常見壓電致動方式與本研究所採用之致動方式，並闡述未來夾持載具之薄型馬達(dá)相關(guān)零組件與尺寸；

7、第二章節(jié)則針對壓電式夾持取放裝置之設(shè)計與分析進(jìn)行說明；而第三章節(jié)對於薄型馬達(dá)元件進(jìn)行夾持測試並探討TypeⅡ之夾持力特性；最後第四章針對本研究進(jìn)行結(jié)果與討論。1.1壓電致動一般談到微致動器，不外乎就是利用壓電材料微變形特點來達(dá)成，其中導(dǎo)致材料變形之壓電效應(yīng)仍根據(jù)材料極化方向P與施加電場方向E的不同所產(chǎn)生，以縱效應(yīng)而言便是極化方向P與施加電場方向E相同且平行時所產(chǎn)生，如圖2-(a)所示；橫效應(yīng)則為極化方向P與施加電場方向E相反且平行時所產(chǎn)生，如圖2-(b)所示；而剪切效應(yīng)則是極化方向P與施加電場方向E

8、相互垂直時所產(chǎn)生，如圖2-(c)所示。這些效應(yīng)其電極均為平行設(shè)置，可產(chǎn)生均勻的電場分佈，許多精密定位平臺或致動器皆是採用上述三種方式之一進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)。然而，這些驅(qū)動方式卻無法同時激發(fā)剪切效應(yīng)與橫效應(yīng)或縱效應(yīng)，造成壓電致動在應(yīng)用上產(chǎn)生了限制。(a)縱效應(yīng)(b)橫效應(yīng)(c)剪切效應(yīng)圖2壓電效應(yīng)新型壓電驅(qū)動之夾持取放裝置設(shè)計與分析643本研究所採用之新型壓電驅(qū)動技術(shù)乃根據(jù)Hsiao等[13]所提出之L型電極驅(qū)動方法為主，其概念是希望壓電材料能夠同時接受到有平行與垂直極