在相關的研究當中，將壓電式以及電磁式兩種致動原理結合在一起的設計比 較少見，最後經過搜尋以及仔細的研讀後，整理了以下幾篇相關的研究回顧，其 原理皆是透過機構、磁迴路設計，巧妙的運用摩擦力來控制致動器的位移方向及 位移量，此類設計稱為尺蠖式(inchworm)致動也是目前精密定位中常用的方法，
作動方式就類似蟲的行進方式一步一步的移動，整體結構可分成夾持器及致動器 兩部份，透過一定的作動順序即可達到一個方向的精密步進，再經由位移的累積 可達到長行程的位移，其中以壓電材料伸長、縮短來負責致動器的位移，另外夾 持部份也可以透過不同的設計來達成各種的需求。
1998年，日本的Kato等人研發出一種XYθ三個自由度的致動器[5]，以壓電材 料搭配線圈組成一Y型結構如圖1.1(a)所示，當線圈通電產生磁場吸附於底部磁性 物質組成的平台，此時伸長壓電材料即可使致動器產生微小的位移或旋轉，圖 1.1(b)為此致動器作動方式示意圖。此致動器最佳的步進位移解析度可達0.44μm，
角度解析度則為1.3μrad。
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(a) 致動器系統結構及磁迴路路徑
(b) 致動器平移及旋轉的作動方式 圖1.1 Kato 等人研發的三自由度致動器[5]
2001年Aoyama和Fuchiwaki設計出一新型致動器[6]，用來協助掃描式電子顯 微鏡(scanning electron microscope, SEM)[7]的樣本定位如圖1.3所示，以及硬度測 詴設備的移動載台[8]，致動器結構如圖1.2所示，線圈用來調整平台與致動器間
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的摩擦力，壓電材料負責致動器的位移，其步進解析度可達7.0 µm，速度最高為
1.16mm/s，但由於線圈產生的磁場會干擾SEM的電子束產生偏移而降低影片解析 度。
圖1.2 Aoyama和Fuchiwaki設計的致動器[6]
圖1.3 Aoyama和Fuchiwaki設計的致動器應用於SEM示意圖[6]
2002年Aoyama和Fuchiwaki以四個壓電材料互相垂直排列和四個線圈設計 出如圖1.4所示的四足致動器[9]，利用壓電材料週期性的伸長、縮短以及線圈調 整接觸面間摩擦力，即可使致動器產生三個自由度XYθ的運動，在XY方向具有 約4.7µm的解析度。
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圖1.4 Aoyama和Fuchiwaki設計的四足致動器[9]
由於尺蠖式致動器通常需要運用多個致動元件才能達到步進的效果，除了製 作成本提高外，致動器質量增加也會影響性能的表現。2006年Shaoze等人利用撓 性結構設計出的致動器如圖1.5所示[10]，僅使用了一個壓電材料即可達到三個自 由度的位移，此設計方法有效的降低了致動器的質量，其X方向的解析度約為 11.6µm。
(a) (b)
圖1.5 Shaoze等人以撓性結構設計的致動器[10]，(a)致動器示意圖，(b)致動原理
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2008年Torii等人使用六個壓電材料、三個線圈，設計出類似史都華平台 (Stewart platform) [11]具有六個自由度的致動器[12]如圖1.6所示，在XYθ方向最 高解析度可達0.2µm、0.2µm、10µrad，此設計缺點為結構複雜、使用多個壓電材 料，故較不易控制。
(a)top view (b)side view 圖1.6 Torii等人設計類似史都華平台的致動器[12]
在車用電子、測詴設備常常可見開關致動器的應用，依不同的致動原理，可 分為壓電式、電磁式、熱驅動式等，電磁式開關出力大但氣隙小。2005年Yao等 人以線圈、壓電材料設計出的混合式致動器[13]圖1.7所示，具有出力大、氣隙大 的優點，利用壓電樑產生撓曲，使致動器氣隙達到400µm、出力約為200µN。
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圖1.7 Yao等人設計的混合式致動器[13]
音圈致動器(Voice-Coil Actuator)或稱音圈馬達(Voice Coil Motor)，是屬於線 性直流馬達(Linear Direct-Current Motor)的一種，其優點在於其線性控制的特性、
零磁滯(Zero Hysteresis)、高精密度、體積小，低噪音等，應用在精密產品上已有 逐漸取代使用旋轉式馬達的傳統致動器。
2009年Liu等人將致動器的可動件設計成圓柱形，以兩側線圈搭配彈簧的使 用來驅動可動件如圖1.8所示[14]，其目的為希望將致動器微小化，能夠運用在手 機、相機的鏡頭中調整焦距，此致動器的全行程為0.5mm、定位重複精度可達 5µ m。
圖1.8 Liu等人設計的音圈致動器[14]
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2010年Hisayuki等人將兩個L型結構利用懸臂樑連接起來如圖1.9所示[15]，
以懸臂樑導引可動件產生直線的位移，此致動器全行程為280µm、解析度最高為 1µ m、出力最大可達20mN。
圖1.9 Hisayuki等人設計的致動器[15]
上述的相關研究中，以尺蠖式致動原理設計的致動器，結合多個致動元件(壓 電材料、線圈)，使致動器具有平移、旋轉多自由度且全行程理論上可達到無限 長，優於本研究所設計得混合式致動器，僅有單自由度、全行程為數毫米，但多 個致動元件也會造成不易控制以及體積增加的缺點。而位移解析度方面，本研究 的混合式致動器則優於上述的相關研究，最高解析度約為1.7µm。另外，由於尺 蠖式致動器的出力大小取決於線圈吸附於鐵磁性材料上所產生的摩擦力大小，而 本研究所設計的致動器則是直接以線圈產生的電磁力來驅動可動件，故在相同的 電磁力作用下可以產生較大的推力。而音圈致動器的設計出力大，但若是要將致 動器定位在某個目標點上，則必頇使線圈持續不斷的通電產生磁場，相較於本研
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究所設計的致動器，到達設定的目標點後，利用摩擦力將可動件固定於目標點處，
減少了能量的損耗。此外，由於動、靜摩擦力能夠迅速的轉換，使本研究的致動 器較音圈致動器具有更大的夾持力而能夠快速的靜止下來。
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論文結構
第一章 緒論
本章為緒論，介紹研究背景與動機，對相關文獻加以整理與探討，並說明本 研究之目的，並進一步構思相關的研究方法，最後說明本論文之架構。
第二章 預備知識
介紹致動器所用到的各種元件之原理與應用，分為三個部分，最後提及選用 各種元件時之注意事項。
第三章 致動器設計
將致動器中最重要的整體機構設計、所運用的致動原理、簡單的控制電路做 詳細的介紹。
第四章 實驗
本章節討論實驗之流程並展示此研究之實驗所得結果
第五章 結論與展望
說明研究之心得與結論，並提出其他後續可深入研究的方向與相關建議，改 進目前所發現的缺失，說明實驗的參數調整注意事項，提高致動器性能。
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二、 預備知識
2.1.1 電磁鐵的原理及運用
西元 1819 年，丹麥的物理學家厄斯特(Oersted, 1777-1851)偶然的發現一條 通有電流的導線，靠近一個可以自由轉動的磁針，發現磁針竟然產生偏轉，如果 使電流流向相反，磁針竟也產生反向偏轉。這現象表示載流導線的周圍一定有磁 場存在，才會影響磁針偏轉的方向，隨後法國物理學家安(Ampere, 1775-1836)進 行深入而詳細的研究，發現了電流和其所產生的磁場間的關係。此後，許多科學 家便詴圖尋找由磁產生電的逆效應。在電流磁效應被發現後不久，大約在 1825 年，英國人斯特金(William Sturgeon, 1783-1850)將通有電流的金屬線纏繞在絕緣 的鐵棒上而發明了電磁鐵，電磁鐵和一般永久磁鐵最大的差別，是電磁鐵可以藉 由改變通過線圈的電流大小及線圈的匝數來控制磁性的大小，而一般磁鐵的磁性 則是固定的。因此，電磁鐵在實驗室及生活應用上都相當重要，像電動機、發電 機、起重機等，都運用到電磁鐵。
一般電磁致動器所使用的電磁線圈主要由導線及導磁體構成，由於其構造簡 易且多變化，製造、組裝方便，利用簡單的電路即可控制，這項優勢使得電磁線 圈很容易搭配在各種機構之中，而利用電磁線圈所開發來的電磁致動器也有將體 積密緻化的潛力。線圈通入電流後會產生磁力，決定磁力大小的因素取決於磁迴 路的設計、線圈匝數以及電流的大小。
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磁場H降低為零時，M並不恢復為零，此即為磁滯現象，虛線A-B的斜率為磁導 係數µ。
圖 2.2 永久磁石磁滯曲線圖
磁性材料常用的磁性能參數，飽和剩磁強度 Ms，其大小取決於材料的成分，
它的物理意義為材料內部的磁化量整齊排列。殘留磁感應強度 Mr，此為磁滯區 線上的特徵參數，外加磁場 H 回到零時的 M 值。矯頑力 Hc，是表示材料磁化難 易程度的量，取決於材料的成分及缺陷，如雜質、應力等，磁導率 µ 與物件的工 作狀態密切相關[15]。磁滯區線所圍的面積大小及形狀取決於矯頑力 Hc 的大小，
表示材料磁化難易程度的量，受材料的的成分及缺陷，如雜質、應力等影響。所 圍面積較大者稱為硬磁體；較小者稱為軟磁體。
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針對不同的需求選擇軟磁性材料或硬磁性材料使用，如使用在變壓器上就頇 選擇軟磁性材料較為合適。硬磁材料在做過磁化處理後，磁性不易消失，可用來 做為永久磁鐵使用。圖2.3為永久磁鐵磁能積(Magnetic Energy Product)的發展史 及各類永久磁石的特性表附錄B與優缺點比較表2.2。
圖 2.3 永久磁鐵磁能積發展史 (Data from Spin Technology Corp. in Taiwan)
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(Data from Spin Technology Corp. in Taiwan)
鋁鎳鈷磁石是由鋁、鎳、鈷、鐵和其它微量金屬元素構成的一種合金磁性工 具。鑄造工藝可以加工生產成不同的尺寸和形狀，可加工性很好。鐵氧體磁鐵特 點：它主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19。通過陶瓷工藝法制造而成磁性工
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具，質地比較硬，屬脆性材料。釤鈷磁鐵又稱釤鈷磁鋼，是由釤、鈷和其它金屬 稀土材料經配比，溶煉成合金，經粉碎、壓型、燒結後制成的一種磁性工具材料。
相對於一般鑄造鋁鎳鈷磁鐵系永磁材料和鐵氧體永磁材料，釹鐵硼磁鐵具有極高 的磁能積和矯頑磁力，可吸起相當於自身質量的640倍的物體。由於其高磁通能 量密度且造型尺度可依照需求自行設計，符合本研究所需之磁石特性，故選取此 類磁鐵。
2.3 摩擦力
兩個互相接觸的物體，其接觸面間有相對運動或相對運動的趨勢時。接觸面 會生出一個阻止相對運動之力，即為摩擦力。若施力與物體且物體與接觸表面間
兩個互相接觸的物體，其接觸面間有相對運動或相對運動的趨勢時。接觸面 會生出一個阻止相對運動之力，即為摩擦力。若施力與物體且物體與接觸表面間