宋家驥臺灣大學：工程科學及海洋工程學研究所蔡明蒲Tsai, Ming-PuMing-PuTsai2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/51024在本文中，針對以雙壓電晶體型(Bimorph)致動器為振動源的輸送裝置作為驅動研究對象，透過對壓電材料基本等效電路的探討，藉以了解在達到能量轉換的關鍵點上，致動器給予訊號驅動源哪一些限制，造成必v消耗的箝制。 另外，偏壓的加入在理論上即形成驅動訊號的改變，那麼壓電致動器的工作點也應有所相對應的改變，而此一改變在壓電致動器的運作上，可以有效放寬壓電材料在電場大小的使用限制，因此本文也將透過偏壓的機制的加入，提供偏壓給壓電致動器所用。最終將製作出壓電致動器所需的驅動訊號，並搭配必v放大與升壓而成的驅動器來提供足夠的驅動能力給予壓電式輸送裝置。Feeder system whose vibration source from Bimorph actuator is diving in this thesis. The basic equivalent Model of piezoelectric material will be discussed to show the key point about energy change between electric and mechanical. Avoid the deploying of piezoelectric material, electric field have been limited in one–third coercive field traditionally. DC bias can change the work point of piezoelectric material. This skill can increase the electric voltage applied to piezoelectric material and it is really helpful to drive feeder system. The goal is to fabricate a driving circuit to provide enough driving ability for feeder system.第一章 序論 1-1研究動機 1 1-2文獻回顧 3 1-3研究方法 6 1-4文章架構 7 第二章 被驅動體運作與直流偏壓的影響 2-0前言 9 2-1被驅動體的工作原理與需求 9 2-1-1被驅動體的致動方式 9 2-1-2壓電驅動輸送裝置 11 2-1-3被驅動體所要達到的運作需求 13 2-2直流偏壓對壓電材料運用的影響 13 2-2-1線性範圍的增加 14 2-2-2壓電材料加入偏壓後運作範圍 16 2-2-3偏壓對機電轉換相關係數的影響 18 第三章 驅動效率改善與實現的討論 3-0前言 23 3-1壓電驅動輸送裝置的特性 23 3-2增加被驅動體的輸出功率 25 3-2-1諧調(tuning) 25 3-2-2匹配(matching) 27 3-1-2 規格與可行性 27 3-4結果探討 30 第四章 驅動器的規格 34 4-0前言 34 4-1 DC電源與DC偏壓源 36 4-2 AC弦波訊號 37 4-2-1訊號震盪 37 4-2-2週期脈衝鏈的調整 39 4-2-3訊號濾波 40 4-3增加輸出功率 44 4-4激發訊號與偏壓的混合 46 第五章 實體量測的結果與討論 5-0前言 49 5-1訊號產生器各階段的量測 50 5-1-1 555震盪脈衝鏈訊號 50 5-1-2 D型正反器修正後方波 50 5-1-3濾波後訊號 52 5-2壓電輸送裝置驅動比較 54 5-2-1自製訊號與市售儀器訊號推動比較 54 5-2-2偏壓下的端點位移驗證 56 5-3壓電裸片語壓電式輸送裝置整體的特性量測 57 5-3-1壓電裸片的特性量測 57 5-3-2工作頻率驗證 59 第六章 結論與展望 6-1結論 60 6-2展望 61 參考資料 62 圖形目錄 圖1-1壓電效應下電場與形變的關係 3 圖1-2電伸縮效應下電場與形變的關係 4 圖1-3驅動器的流程圖 7 圖2-1雙壓電晶體致動器的基本架構 10 圖2-2對稱型雙壓電晶體致動器 10 圖2-3非對稱型雙壓電晶體致動器 11 圖2-4非對稱型激發電源的接法 12 圖2-5壓電致動的輸送裝置示意圖 16圖2-6 Bimorph致動器與撓性板組合示意圖 13 圖2-7 PZT材料傳統的應變與電廠相對應曲線 16 圖2-8低於門檻電場下應變與電場的關係圖 18 圖2-9超過門檻電場後介電與壓電係數與電場的關係圖 19 圖2-10固定交流電場加入直流偏壓後介電、壓電係數與電場的 關係圖 20 圖2-11壓電材料在偏壓下各種材料常數的變化 21 圖3-1壓電材料的等校電路 24 圖3-2壓電材料在共振時的等效電路 25 圖3-3壓電材料並聯電感後的等效電路 26 圖3-4電路負載簡化圖 27 圖3-5壓電輸送裝置阻抗大小趨勢圖 29 圖3-6壓電輸送裝置相位趨勢圖 29 圖4-1驅動器配置構想 34 圖4-2驅動器配置電路說明 35 圖4-3 555IC非穩態震盪電路 37 圖4-4 555IC非穩態電路震盪出的訊號 38 圖4-5 D type flip-flop 的接法 39 圖4-6弦波與方波的頻譜比較 41 圖4-7模擬五階濾波後波形的頻譜 41 圖4-7二階主動式濾波器 42 圖4-8六階主動濾波器電路 43 圖4-9 六階濾波器Pspice模擬的波德大小圖 43 圖4-10功率放大器在不同頻率的最大輸出值 44 圖4-11功率放大器在不同頻率下的動態範圍 45 圖4-12交直流訊號結合架構 46 圖4-13直流端的等效電路 47 圖4-14交流端的等效電路 47 圖5-1實驗量測的架構圖 49 圖5-2 555震盪出的脈衝鏈訊號 50 圖5-3經正反器修正後的方波 51 圖5-4 未慮波前各階段的訊號比較 52 圖5-5經過二階濾波後的波型 53 圖5-6二階與四階濾波後波型的比較 53 圖5-7經過6次濾波後與市售訊號產生器的波型比較 54 圖5-8自製訊號驅動的端點位移量 55 圖5-9 HP3314A驅動的端點位移量 55 圖5-10偏壓下輸送道的水平位移 56 圖5-11壓電裸片在低頻狀態下阻抗與相位的趨勢圖 58 圖5-12壓電裸片在高頻狀態下阻抗與相位的趨勢圖 58 表格目錄 表2-1未加偏壓與加偏壓後壓電材料的驅動限制 171137896 bytesapplication/pdfen-US等效模型直流偏壓壓電致動器DC biasPiezo-actuatorMason modelthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/51024/1/ntu-93-R91525032-1.pdf