2. 超精密定義
「精密」、「超精密」的定義
根據日本超精密定位專門委員會四年一度的問卷調查，
現階段「精密」、「超精密」定位精度的分界線，似
乎是在0.1(0.1微米)附近。另外，根據該委員會針對韓
國、美國、歐洲各國的會議報告彙整後判斷，目前在
超精密定位技術上，日本是居於領先地位。
華梵大學機電工程學系
Source：精密工學會誌，2001.2. Vol.67 3. 超精密定位技術的應用
露光裝置微動台(Stepper)、LIGA、微致動器及微感測器
半導體製程 製作
進刀機構、超鏡面研磨加工，超應材料研磨、球面加工、
超精密加工機 非球面加工、凸面加工、半導體Wafer加工、光纖波導管
OA機器(Office 硬碟機、DVD、雷射印表機(多面反射鏡、 感光滾筒)
automation)
掃描式穿透電流顯微鏡(STM) : 導體表面原子構造觀察、
掃描式探針式顯 超高精度尺寸量測
微鏡(SPM) 原子力間顯微鏡(AFM) : 非導體或導體表面精度量測、表
面加工
Source：國科會精密儀器發展中心，超精密工程技術研習 劉永田 博士2002.3.14
華梵大學機電工程學系 4. 精密定位的構成要素
致動器 AC、DC伺服馬達，線性馬達(Linear Motor)，壓電致動器
(Piezoelectric actuator)，油空壓驅動器，超磁歪元件等
(Actuator)
高導程滾珠螺桿 – 與線性馬達相抗衡之元件；直線導引滑
機械導引滑道 道 – 利用深溝滾珠軸承展開成線性滾珠導引滑道，利用樹脂
保持器；靜壓直線導引滑道 – 空氣或油，但最近為提高導引
及傳動元件 滑道的剛性，有針對以水代替油之研究
控制非線性摩擦因素對移動特性的影響(正逆向變換時的非線
性彈簧特性)。主要手法包含：強健控制法：利用干擾觀測器
控制方法 預測推力的控制法、2自由度控制、Adaptive Control；完全追
跡控制法；同時考慮定位控制與振動控制的最佳化控制法；
PID控制法；智慧型控制器
位移感測器 接觸式；非接觸式
Source：國科會精密儀器發展中心，超精密工程技術研習 劉永田 博士2002.3.14
華梵大學機電工程學系 7. 壓電效應的發現
壓電性
施應力於結晶 -> 電氣分極
–
施電場於結晶 -> 應變(逆壓電效應)
–
– 1880年居里兄弟
初期用途
測定Radium所放出的電荷(居里兄弟)
–
水深的量測(電波無法貫穿水面)
–
利用水晶之信號變換器
–
• 超音波裝置
• 音波濾波器
華梵大學機電工程學系 8. 壓電元件於機械致動器之應用
壓電元件的特點 近期的應用領域
半導體製造裝置
固體、體積小
–
信息產業相關裝置
能量轉換效率高
–
掃描是穿隧電流顯微
反應速度快
–
鏡(STM)
微小位移的可控制性
–
超音波馬達
出力大
– 彈性表面波裝置
(SAW)
霧化器
感測器
…
華梵大學機電工程學系 9. 位移放大機構 - 1
•1段式放大機構(槓桿原理) •2段式放大機構
Source：Zhenqi et al. “A Linear Piezoelectric Integrated by a Monolithic Flexural Frame”,
Journal of Mechanical Design, Sep. 1997, Vol.119, pp 414-417
華梵大學機電工程學系 10. 位移放大機構 - 2
•差動型2段式放大機構 •NEC點陣式印表機印字頭
Source：國科會精密儀器發展中心，超精密工程技術研習 劉永田 博士2002.3.14
華梵大學機電工程學系 11. 位移放大機構 - 3
•Inchworm 移動機構
(Burleigh Instru. 1975專利)
Source：國科會精密儀器發展中心， 華梵大學機電工程學系
超精密工程技術研習 劉永田 博士2002.3.14 12. 方向改變機構
Source：Zhenqi et al. “A Linear Piezoelectric Integrated by a Monolithic Flexural Frame”,
Journal of Mechanical Design, Sep. 1997, Vol.119, pp 414-417 華梵大學機電工程學系 13. 超精密 Z移動檯
Source：Chang S. H. Tseng, C. K. and Chien H. C., 1999, “An Ultra-precision XY Piezo-micropositioner – Part I: Design and Analysis”,
IEEE Trans, Ultrasonic, Ferroelectrics, and Frequency Control, 46, (4), pp. 897-905
華梵大學機電工程學系 20. 衝擊力驅動機構的特點與應用
特點
構造簡單
1.
分解能達數nm程度
2.
理論上行程無限
3.
移動檯靜止時受靜摩擦固定，無須持續通電
4.
斜面上或垂直面上均可使用
5.
應用
•
微動檯(含真空用)
1.
超小型放電加工機
2.
超精密加工機真空夾頭上微細零件的定位
3.
細胞穿刺機構
4.
掃描式穿隧電流顯微鏡
5.
6. CCD基座定位
…
華梵大學機電工程學系 22. 結語
1. 壓電元件具可操控奈/微米定位之能力，
為尖端機械技術不可或缺之元件。
2. 利用壓電元件與其他機械元件相結合，
可補足其缺點，並拓展其應用領域。
3. 新型致動器的開發，乃基於對就行致動
器的了解。
華梵大學機電工程學系
