机电整合.ppt

2020/9/28,1,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,2020/9/28,2,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。,2020/9/28,3,第四章機電整合,4.1概述掃瞄探針顯微鏡的系統方塊圖,2020/9/28,4,4.2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,2020/9/28,5,4.2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flexuralstructure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。,2020/9/28,6,4.2.1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2放大器槓桿level橋型bridge四連桿four-bar3設計範例,2020/9/28,7,4.2.1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。,2020/9/28,8,4.2.1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leafsoring，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。,2020/9/28,9,4.2.1壓電平台之機構,1撓性結構平板式撓性結構,2020/9/28,10,4.2.1壓電平台之機構,1撓性結構雙複合平板彈簧,2020/9/28,11,4.2.1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notchhinge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。,2020/9/28,12,4.2.1壓電平台之機構,割痕式撓性結構,2020/9/28,13,4.2.1壓電平台之機構,割痕式撓性結構,2020/9/28,14,4.2.1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,2020/9/28,15,4.2.1壓電平台之機構,2放大器雙層結構槓桿放大器,2020/9/28,16,4.2.1壓電平台之機構,2放大器橋型放大器結構,2020/9/28,17,4.2.1壓電平台之機構,2放大器四連桿four-barGrasshopper和scot-Russel平行運動機構,2020/9/28,18,4.2.1壓電平台之機構,單軸平台的示意性及實體圖,2020/9/28,19,4.2.1壓電平台之機構,單軸平台自由體圖,2020/9/28,20,4.2.1壓電平台之機構,單軸平台系統架構實際圖,2020/9/28,21,4.2.2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,2020/9/28,22,4.2.2壓電驅動原理,1概論自1880年Pierce和JacquesCurie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。,2020/9/28,23,4.2.2壓電驅動原理,1概論正電壓效應,2020/9/28,24,4.2.2壓電驅動原理,1概論負電壓效應,2020/9/28,25,4.2.2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,2020/9/28,26,4.2.2壓電驅動原理,3脈波電壓驅動原理微液滴連續噴射,2020/9/28,27,4.2.2壓電驅動原理,3脈波電壓驅動原理微液滴即成噴射,2020/9/28,28,4.2.2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。,2020/9/28,29,4.2.2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,2020/9/28,30,4.2.2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,2020/9/28,31,4.2.2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,2020/9/28,32,4.2.2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,2020/9/28,33,4.2.2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,2020/9/28,34,4.2.2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,2020/9/28,35,4.2.2壓電驅動原理,5應用掃瞄探針顯微鏡①探針感測裝置,2020/9/28,36,4.2.2壓電驅動原理,5應用掃瞄探針顯微鏡②壓電掃瞄致動器,2020/9/28,37,4.2.2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。,2020/9/28,38,4.2.2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。,2020/9/28,39,4.2.2壓電驅動原理,5應用掃瞄探針顯微鏡⑤電腦系統,2020/9/28,40,4.2.2壓電驅動原理,5應用掃瞄探針顯微鏡⑤電腦系統,2020/9/28,41,4.2.2壓電驅動原理,5應用掃瞄探針顯微鏡凡得瓦力圖,2020/9/28,42,4.2.2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,2020/9/28,43,4.2.3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,2020/9/28,44,4.2.3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,2020/9/28,45,4.2.3壓電平台精密控制,2壓電驅動系統的機構考量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,2020/9/28,46,4.2.3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,2020/9/28,47,4.2.3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,2020/9/28,48,4.2.3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,2020/9/28,49,4.2.3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,2020/9/28,50,4.2.3壓電平台精密控制,3實例介紹壓電驅動器之頻率響應,2020/9/28,51,4.2.3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,2020/9/28,52,4.2.3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,2020/9/28,53,4.2.3壓電平台精密控制,3實例介紹系統閉路頻率響應,2020/9/28,54,4.2.3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,2020/9/28,55,4.2.3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。,2020/9/28,56,4.3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,2020/9/28,57,4.3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。單眼相機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。,2020/9/28,58,4.3數位攝影機的機電系統,相機內變焦和聚焦系統示意圖,2020/9/28,59,4.3數位攝影機的機電系統,相機結構圖,2020/9/28,60,4.3數位攝影機的機電系統,對焦原理,2020/9/28,61,4.3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。,2020/9/28,62,4.3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,2020/9/28,63,4.3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,2020/9/28,64,4.3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,2020/9/28,65,4.3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,2020/9/28,66,4.3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,2020/9/28,67,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達,2020/9/28,68,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達,2020/9/28,69,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達,2020/9/28,70,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達,2020/9/28,71,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達,2020/9/28,72,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達,2020/9/28,73,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達夫來明左手定則,2020/9/28,74,4.3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,2020/9/28,75,4.3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,2020/9/28,76,4.3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,2020/9/28,77,4.3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,2020/9/28,78,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達美國專利4992684的音圈馬達結構圖,2020/9/28,79,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達SONYDCRPC330的音圈馬達機械結構圖,2020/9/28,80,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達SONYDCRPC330的音圈馬達磁路結構圖,2020/9/28,81,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達用於SONYDCRPC330上的磁性尺結構,2020/9/28,82,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達四個MR元件的感測電路,2020/9/28,83,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達磁性尺輸出訊號a相位相差90度的磁性尺b相位相差180度的磁性尺,2020/9/28,84,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.2音圈馬達爪極永磁型步進馬達,2020/9/28,85,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.3對焦致動器的控制驅動器藉著供應馬達不同流向的電流，就可控制馬達加速或減速。當電力電子開關被操作在其線性區時，此類驅動器稱為線性驅動器，若操作在飽和區時，此類驅動器稱為脈波驅動器。線性驅動器較脈波驅動器容易發燙，而脈波驅動器一般借助脈寬調變法PWM來調變驅動電壓，因而常導致較大的電磁噪音。,2020/9/28,86,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.3對焦致動器的控制音圈馬達的雙極性驅動器,2020/9/28,87,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.3對焦致動器的控制M50236HP的IC腳位圖,2020/9/28,88,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.4音圈馬達的控制控制方塊圖,2020/9/28,89,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.4音圈馬達的控制音圈馬達的位移d、速度v、電流i、電磁力F、負載與時間t之響應圖,2020/9/28,90,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.5步進馬達的控制傳統對焦致動器所用的二相步進馬達，大多採開路控制，只要輸入激磁換相脈波，馬達就可以被驅動。此類馬達激磁的方法有四種1相激磁、2相激磁、1-2相激磁和微步進激磁。,2020/9/28,91,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.5步進馬達的控制步進馬達1相激磁時，角位移θ、角速度ω、角加速度α、電磁扭矩τ與時間t之響應圖,2020/9/28,92,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.5步進馬達的控制步進馬達2相激磁時，角位移θ、角速度ω、角加速度α、電磁扭矩τ與時間t之響應圖,2020/9/28,93,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.5步進馬達的控制步進馬達1-2相激磁時，角位移θ、角速度ω、角加速度α、電磁扭矩τ與時間t之響應圖,2020/9/28,94,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.5步進馬達的控制步進馬達微步進激磁時，角位移θ、角速度ω、角加速度α、電磁扭矩τ與時間t之響應圖,2020/9/28,95,4.3數位攝影機的機電系統,4.3.5步進馬達的控制步進馬達的梯形脈波驅動模式,