整體架構

高速共振平台包含致動、量測與控制三大系統，致動系統包含致動源與導引 機構，提供高速與高精度掃描；量測系統則需高動態反應，以提供近乎即時的位 移量測數據；控制系統包含開迴路與閉迴路控制，提供平台位置訊號。

2.1.1 雙軸平台結構

雙軸致動平台依架構可分為堆疊式與共平面式兩種；堆疊式的結構如 圖 2. 1(a) 所示，各軸為獨立之單元，以層層堆疊的方式，由下層單軸致動平台 帶動上層，藉此達到多軸向致動之目的。但因各層皆為獨立運作之單元，其各軸 之間的距離容易產生阿貝誤差，且也因為堆疊的結構特性，相較共平面式，堆疊 式的設計會使平台高度較高，致使剛性降低，進而影響致動時的速度與精確度。

[11]

共平面式平台結構如圖 2. 1 (b)所示，其各軸的致動與導引元件皆位於同一 平面，但致動行程易受尺寸限制、雙軸交錯干擾與重心偏離等影響。共平面式單 一平面的緊致結構，使其具有較低的阿貝誤差，和較高的雙軸剛性。為取得較佳 的掃描品質與所需的掃描速度，本研究設計以共平面式為主軸，來開發高速共振 式壓電蜂鳴片掃描平台。[12]

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(a)堆疊式 (b)共平面式 圖 2. 1 雙軸平台結構

2.1.2 致動器

致動器將輸入的能源轉換成機械能的裝置。致動器依能量來源可分為機械式、

液氣壓式、電磁式及壓電式等。奈米級的致動器除了具備奈米級且無背隙的致動 能力外，靜止時也必須具備優良穩定性與極低熱膨脹形變。

機械式致動器主要由電動馬達提供輸入扭力，透過機構的搭配，達成輸出位 移的效果。輸出扭力大小由馬達的輸入能量大小決定，減速機構則可提升位移解 析度。機械式致動器具有大行程與自鎖的特性，在沒有輸入能量的情況下受外力 影響也不容易改變原始位置，不過往復作動的狀況下，容易因加工誤差所產生的 背隙問題對機械式致動器定位精度產生十分嚴重的影響，且機械式致動的體積較 為龐大，容易受溫度影響而產生變化。

液氣壓式致動器透過變化腔體內壓力或體積產生位移輸出，出力與行程由壓 力源與腔體幾何形狀決定，液氣體種類與能量提供方式影響著致動精度，出力大、

速度快與環境適應力強為其優勢。同時腔體構造與氣體具有阻尼的效果，能夠抑 制外力所造成的位移變化，但氣體的可壓縮性與液體的熱膨脹係數都比固體為大，

Flexture

Actuator

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矩可受外部電場而朝相近方向移動，其幾何形狀發生改變，將電能轉換成機械能 的過程即為壓電材料的逆壓電效應。其中壓電形變主要受壓電形式、輸入電壓和 壓電元件幾何形狀之影響。

(a)未施加電場 (b)施加電場 圖 2. 2 逆壓電效應與材料晶格之變化 [13]

壓電效應是可逆的，當施予機械能，則有電荷變化，此即為正壓電效應，如 圖 2. 3 所示。正壓電效應中產生的電荷響應受作用力輸入方式和大小以及作用 面積有關，拉應力與壓應力所產生之電荷極化方向相反。

圖 2. 3 正壓電效應與逆壓電效應 [13]

因此本論文將壓電材料安裝在致動平台的各軸上，利用其逆壓電效應作為驅 動源，並利用正壓電效應作為致動平台位移量的感測原理，藉以達到致動與感測

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兩種功能。