臺灣博碩士論文加值系統

壓電致動器具有位移解析度高、運動響應快、低耗能等特性，時常被用在奈米級的精密定位。但其固有的非線性特性，會使控制系統響應變差，甚至不穩定。造成壓電致動器有非線性特性的因素有兩個：磁滯效應與潛變效應。這些因素皆相當程度地影響整個精密運動平台之控制特性。
本研究旨在了解壓電致動器應用於運動平台的定位控制問題，以達精密運動控制及抵抗外界干擾的目的。因此規劃實驗以探討Y、Z軸向之施加力及控制電壓對實際位移量之對應關係，其主要目的是應用在微精密加工時控制加工進給與定位，準確性之控制。本研究將量測值建表分析，於微定位平台誤差量測實驗時，確實掌握壓電驅動微定位平台各軸之實驗伸長量，避免因壓電致動器種種問題所產生的誤差量。整個實驗架構是利用壓電致動器作為驅動器推動撓性平台，再經由微定位儀感測器測量位移。

The piezoelectricity actuating device was developed to provide high resolution positioning function with extremely quick response and very low energy consumption. It is now the most suitable tool used for controlling and fabricating precision devices in nano-scale. However, its inherent non-linear characteristic often makes the control system responded incorrectly and even unstable. There are two major non-linear characteristic of piezoelectricity actuating devices: hysteresis effect of magnetism and creep effect. These characteristics affect considerably the accuracy of micro positioning platform used in many modern measuring and machining equipments.
This research aims at understanding the responses by those piezoelectricity actuating device under various external loads through the contacts between tools and parts in measuring and machining operations. We have performed a set of experiments by probing into exerting loads and controlling the voltage and established models of actual displacement by loading from Y , Z axial directions. The objective of this research is to find the effects of external loadings during measuring and fabricating parts on the precision of piezo type micro positioning device in order to improve the dimensional accuracy and quality of products in micro and nano scale. The experiments utilizes piezoelectricity actuating device to control the movement of an X-Y positioning platform and dynameters to measure the values of applied loads.

目 錄
一、 緒論……………………………………………………………… 1
1.1前言………………………………………………………… 1
1.2文獻回顧…………………………………………………… 2
1.2.1微定位平台…………………………………………… 3
1.2.2微量加工技術………………………………………… 5
1.3 研究動機與目的…………………………………………… 6
1.3.1研究動機……………………………………………… 6
1.3.2研究目的……………………………………………… 7
1.4論文架構…………………………………………………… 8
二、 相關理論與應用方法…………………………………………… 9
2.1壓電材料………………………………………………………9
2.1.1 壓電材料的應用領域………………………………… 11
2.1.2 壓電材料的應用分類………………………………… 11
2.1.3 壓電材料的製品分類………………………………… 12
2.1.4 一般壓電陶瓷之振動型態…………………………… 12
2.2 壓電致動器(PZT)…………………………………………… 13
2.2.1 壓電效應(piezoelectricity)…………………………16
2.2.2 磁滯效應(hysteresis) ……………………………… 19
2.2.3 潛變效應(creep) ………………………………………20
2.2.4 溫度效應…………………………………………………21
2.2.5 PZT負載下的伸長量……………………………………21
2.2.6反向偏壓（revese bias）………………………………24
2.2.7 壓電致動器疊層（stack assemblies）………………24
2.3 壓電致動器的動態特性…………………………………… 25
2.4 反應曲面法理論…………………………………………… 28
2.4.1 反應曲面法的基本概念……………………………… 28
2.4.2 反應曲面模式分析…………………………………… 28
三、 實驗設備與實驗設計………………………………………………35
3.1實驗設備………………………………………………………35
3.2實驗設計………………………………………………………42
3.2.1 品質工程（田口實驗設計法）……………………… 42
3.2.2 反應曲面法…………………………………………… 44
3.2.3 直交表法……………………………………………… 46
3.2.4 中心合成設計(CCD)……………………………………50
3.3實驗規劃………………………………………………………52
3.4實驗流程………………………………………………………56
四、 實驗結果與分析……………………………………………………58
4.1實驗結果………………………………………………………58
4.2反應曲面法建立之數學模式…………………………………63
4.2.1統計資料分析………………………………………… 63
4.2.2迴歸分析……………………………………………… 63
4.3統計檢定………………………………………………………67
4.4數學模式與實驗數值分析……………………………………68
4.5位移量圖形之探討……………………………………………75
4.5.1 Y軸向力固定時之位移量………………………………75
4.5.2 Z軸向力固定時之位移量………………………………77
4.6數學預測模式與驗證實驗……………………………………79

五、 結論與未來展望……………………………………………………81
5.1結論……………………………………………………………81
5.2未來展望………………………………………………………82
參考文獻…………………………………………………………………83

附錄一 量測實驗數據值…………………………………………………87
附錄一（a）只施加Y軸向力、改變電壓值………………………………88
附錄一（b）只施加Y軸向力、改變電壓值………………………………89

















圖目錄
圖2.1壓電材料晶格排列圖…………………………………………… 10
圖2.2壓電元素………………………………………………………… 13
圖2.3壓電致動器應力、伸長量關係圖……………………………… 17
圖2.4壓電效應………………………………………………………… 18
圖2.5正逆壓電效應…………………………………………………… 18
圖2.6 PZT的磁滯曲線………………………………………………… 20
圖2.7固定電壓時，PZT位移變化之潛變現象……………………… 21
圖2.8受靜態（固定）力磁滯曲線變化圖……………………………22
圖2.9受負載正比位移下磁滯曲線變化圖……………………………23
圖2.10 PZT在反向偏壓操作下的關係圖………………………………24
圖2.11反應曲面法執行流程圖…………………………………………34
圖3.1動力計量測系統配置流程圖…………………………………… 36
圖3.2固定基座量測座標軸…………………………………………… 37
圖3.3 磨床加工母機座標軸…………………………………………… 37
圖3.3量測實驗儀器設備實景圖……………………………………… 37
圖3.4量測實驗儀器設備實景圖……………………………………… 38
圖3.5微動平台、固定基座、動力計實景圖………………………… 39
圖3.6資料擷取系統…………………………………………………… 39
圖3.7放大器…………………………………………………………… 40
圖3.8微動平台、動力計實景圖……………………………………… 40
圖3.9微定位儀、實驗設備實景圖…………………………………… 41
圖3.10實驗步驟流程圖……………………………………………… 57
圖4.1未施加外力圖…………………………………………………… 59
圖4.2只施加Y軸向力之位移量圖…………………………………… 60
圖4.3只施加Z軸向力之位移量圖…………………………………… 61
圖4.4計算值與實驗值之比較………………………………………… 71
圖4.5施加Z軸向力、電壓影響位移量之關係
（Y軸施力5N）…………………………………………………72
圖4.6施加Z軸向力、電壓影響位移量之關係
（Y軸施力35N）…………………………………………………72
圖4.7 施加Y軸向力、電壓影響位移量之關係
（Z軸施力20N）…………………………………………………72
圖4.8 施加Y軸向力、電壓影響位移量之關係
（Z軸施力65N）…………………………………………………73
圖4.9施加Y軸向力、Z軸向力影響位移量之關係
（電壓30V）……………………………………………………73
圖4.10施加Y軸向力、Z軸向力影響位移量之關係
（電壓60V）……………………………………………………74
圖4.11施加Y軸向力、Z軸向力影響位移量之關係
（電壓90V）……………………………………………………74
圖4.12施加Y軸向力、Z軸向力影響位移量之關係
（電壓120V）………………………………………………… 74
圖4.13施加Y軸向力、Z軸向力影響位移量之關係
（電壓150V）………………………………………………… 75
圖4.14 Y軸向力固定時之位移量(電壓30V時)……………………… 76
圖4.15 Y軸向力固定時之位移量(電壓90V時)………………………76
圖4.16 Y軸向力固定時之位移量(電壓150V時)………………………76
圖4.17 Z軸向力固定時之位移量(電壓30V時)……………………… 77
圖4.18 Z軸向力固定時之位移量(電壓90V時)……………………… 77
圖4.19 Z軸向力固定時之位移量(電壓150V時)…………………… 78
















表目錄
表2.1壓電材料的種類…………………………………………………10
表2.2壓電材料的應用…………………………………………………12
表2.3壓電致動器的優缺點……………………………………………14
表2.4壓電致動器於各領域之應用……………………………………16
表2.5變異數分析表……………………………………………………31
表3.1 L27(313)直交表……………………………………………………49
表3.2 中心式合成設計…………………………………………………50
表3.3中心式合成設計組合……………………………………………51
表3.4實驗水準配置表…………………………………………………52
表3.5中心合成設計之水準與組別配置表……………………………54
表3.6中心合成設計之實際水準與組別配置表………………………55
表4.1未施加外力之位移量……………………………………………59
表4.2只施加Y軸向力之位移量………………………………………60
表4.3只施加Z軸向力之位移量………………………………………61
表4.4實驗結果…………………………………………………………62
表4.5位移量反應變數之變異分析……………………………………65
表4.6實驗數值分析表…………………………………………………69
表4.7 數值分析實驗計算值與實驗值之比較…………………………70
表4.8 驗證實驗規劃表…………………………………………………79
表4.9 數值分析實驗計算值與實驗值之比較…………………………80

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