臺灣博碩士論文加值系統

本研究宗旨在於一有限結構上設計並製作出二維壓電線性馬達，透過在壓電串聯雙晶片上設計四個壓電致動區域，其中兩個致動區域用來驅動產生x方向的行進波，另外兩個致動器區域用來驅動產生y方向的行進波。為了能成功地在有限結構中產生穩定且可控制方向的行進波，本研究的設計原理為將過去雙頻雙模態概念進行修改，以往對於雙頻雙模態定義為分別對兩致動器驅以選定的兩共振頻來激發兩共振模態進行疊合，並產生行進波。然而，由於兩共振頻不具有整數的倍數關係，其相位差是隨著時間在變化的，必然會產生往復的行進波，而造成推動物體移動的效率不理想。本研究以此為基礎，將兩輸入頻率以接近兩共振頻並具有整數倍之關係，引入多倍角的概念來進行設計，使其能產生出兩共振模態且具有固定相位差來控制行進波的走向。
為了使兩致動器輸出模態的單一化而不會產生鄰近模態而受影響，本研究設計與電極位置使得鄰近模態貢獻可在空間中消除或降低。除此之外，為了產生穩定的行進波，本研究也分析輸入的兩訊號的時間域相位差及電壓比。本研究透過理論推導、數值模擬，有限元素分析，找出行進波驅動的最佳化參數並透過實驗結果驗證理論與模擬正確性，最後透過不同荷重的實驗。由實驗驗證所開發之二維壓電線性馬達對0.43g(36mm2)載物的x方向移動速度最高可達8.5mm/s，對0.33g(9mm2)載物y方向移動速度最高可達8.2mm/s，而最高載物重量在x方向可達0.43g，而y方向可達0.33g，驗證此二維壓電馬達之驅動效能。

In this theis, the method to design and fabricate a two-dimensional piezoelectric linear motor on a finite structure is developed. The main structure was a piezoelectric serial bimorph, and four different driving electrodes designed on one of the bimorph surface for generating traveling waves. Two piezoelectric actuators were used to drive y-direction traveling wave. The other two actuators were used to drive y-direction traveling wave. In order to successfully generate a stable and controllable traveling wave on a finite structure, this research developed a new two-frequency-two-mode excited method. Two bending modes were used to activate with two input frequencies that were close to each other. The driving amplitudes were used to optimize the driving performance.
In order to minimize the influence of resonant modes that should not be excited, the location and geometry of these electrodes were designed to minimize interference. In addition, this study also analyzed phase difference and voltage ratio of two input signals to generate a stable traveling wave in both x and y directions. In conclusion, this research provided the optimal parameters of the traveling wave by theoretical derivation, numerical simulation and finite element analysis. It is also experimentally verified that the moving speed of a 0.43g object can reach 8.5mm/s in x-direction and the moving speed of a 0.33g object can reach 8.2mm/s in y-direction. The highest weight that this motor can carry is 0.43g in x-direction and 0.33g in y direction. These experimental findings verified the performance of the two-dimensional piezoelectric linear motor.

口試委員審定書 i
誌謝 ii
中文摘要 iii
ABSTRACT iv
目錄 v
圖目錄 ix
表目錄 xvi
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻回顧 1
1.2.1 壓電馬達介紹 1
1.2.2 二維壓電馬達介紹 8
1.3 論文架構 13
第2章 二維壓電馬達系統結構設計 15
2.1 設計理念 15
2.2 系統架構 16
2.3 結構設計 17
2.3.1 材料選擇 17
2.3.2 二維壓電馬達結構 19
第3章 壓電材料介紹及理論推導 24
3.1 材料介紹 24
3.1.1 起源 24
3.1.2 壓電效應 24
3.1.3 壓電材料種類 25
3.2 理論推導 26
3.2.1 壓電材料本構方程式 26
3.2.2 壓電薄板本構方程式 29
3.2.3 有效表面電極 35
3.2.4 統御方程式推導 36
3.2.5 多倍角驅動理論 45
3.3 二維壓電馬達任意位置單質點振動 46
3.4 壓電馬達電極位置設計 47
3.4.1 x方向行進波電極位置設計 49
3.4.2 y方向行進波電極位置設計 51
第4章 二維壓電馬達系統製程與開發 56
4.1 二維壓電馬達電極製備流程 56
4.2 二維壓電馬達系統架設 57
4.3 MATLAB數值模型 59
4.4 FEM模擬模型的建立與參數設定 62
第5章 數值模擬結果分析 67
5.1 x方向行進波 67
5.1.1 多倍角驅動與共振頻傳遞波型比較 69
5.1.2 不同相位差貢獻及影響 70
5.1.3 不同電壓比貢獻及影響 71
5.1.4 最佳化行進波 72
5.1.5 行進波區段與非行進波區段單質點軌跡 73
5.2 y方向行進波 74
5.2.1 多倍角驅動與共振頻傳遞波型比較 76
5.2.2 不同相位差貢獻及影響 77
5.2.3 不同電壓比貢獻及影響 78
5.2.4 最佳化行進波 79
5.2.5 行進波區段與非行進波區段質點軌跡 81
第6章 FEM模擬結果分析 82
6.1 x方向行進波 82
6.1.1 多倍角驅動與共振頻傳遞波型比較 82
6.1.2 不同相位差貢獻及影響 83
6.1.3 不同電壓比貢獻及影響 84
6.1.4 最佳化行進波 85
6.2 y方向行進波 87
6.2.1 多倍角驅動與共振頻傳遞波型比較 87
6.2.2 不同相位差貢獻及影響 88
6.2.3 不同電壓比貢獻及影響 89
6.2.4 最佳化行進波 90
第7章 二維壓電馬達實驗結果與討論 92
7.1 共振頻量測與電極位置設計驗證 92
7.2 二維壓電馬達驅動x方向行進波實驗 100
7.2.1 不同相位差貢獻及影響實驗驗證 100
7.2.2 不同電壓比貢獻及影響實驗驗證 102
7.2.3 最佳化參數載物推動實驗 104
7.3 二維壓電馬達驅動y方向行進波實驗 111
7.3.1 不同相位差貢獻及影響實驗驗證 111
7.3.2 不同電壓比貢獻及影響實驗驗證 112
7.3.3 最佳化實驗載物推動實驗 114
第8章 結論與未來展望 122
8.1 結論 122
8.2 未來展望 122
參考文獻 123

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