馬達智財聯盟 Motor Intellectual Property Alliance

非接觸式超音波聲浮夾持系統之設計與分析

作者	王聖禾、蔡明祺
摘要	近年來，隨著多功能且輕薄的電子產品發展，使得零件漸浙朝向微小化，提升產品組裝的困難度，因此需發展微組裝技術。其中，微小物件之夾持是微組裝中最重要的一環，然而微小物件易因表面張力作用，使得在取放過程中附著於夾持具上，造成夾持位置的偏移，甚至因夾持力的不易控制，使夾持物件的表面產生磨損與髒污，這些問題將使產品的良率下降。有鑑於此，有人利用非接觸懸浮技術來實現非接觸式夾持系統，由於夾持具並不與物件實際接觸，克服在夾取過程中所產生的問題。其中，聲音懸浮技術具有不受漂浮物材質與形狀限制的特性，近年被廣泛地應用在光電、半導體、微機電製程、複合村料、與生物醫學等領域，由這些應用領域亦可知其發展性.。本研究係利用壓電致動器產生超音聲波，以實現非接觸式超音波夾持系統，提升傳統聲浮技術的懸浮力量及夾持穩定性，將可應用於開放空問之夾持。由於聲浮夾持系統包含超音波聲源與聲波之問的耦合，其理論分析較為複雜。因此本論文將建立壓電致動器的數學模型，描述其機電耦合的關係，並轉化成系統方塊圖，分析在高頻操作時的共振行為及其特性響應。並且類比於一般的機電馬達系統方塊圖，提出系統參數鑑別之實驗架構，建立出壓電致動器的動態模型。為了實現超音波聲浮夾持系統，本研究提出一套完整的設計流程，包含超音波聲源的設計，並由平面聲波原理求得達到共振聲場的操作條件，以達到足夠的懸浮力，之後根據近場的聲壓理論，計算出聲浮夾持系統內聲壓的分佈，藉此獲得懸浮位置與懸浮物密度等特性分析。而在之前的文獻中，由於在超音波量測上的一些限制，造成無法驗證理論分析的正確性，侷限非接觸夾持應用的發展。因此本論文也提出非接觸式量測的理論，不僅可量測出所設計的夾持系統之懸浮特性，並由實驗結果顯示，本論文所提出之設計流程與理論模型，具可行性與實用性。因此根據所提出的設計流程，實現一套傾斜式聲浮夾持系統，藉由調整壓電致動器的擺設角度與距離，可控制懸浮物的位置，達到平面的運動，並且藉由傾斜擺置的設計，可抵抗外界環境的千擾，擴展聲音懸浮技術的應用領域。
關鍵字	非接觸式夾持、聲音懸浮技術、壓電振動子、近場聲波、非接觸式聲音量測