压电技术应用报告班级自控三乙组员99712060刘宇恒99712094.PPT

壓電技術應用報告 　　　　　班級：自控三乙 　　　　　組員劉宇恆 　　　　　　　邱宗偉 壓電原理 壓電原理：壓電性(piezoelectrics)是材料中一種機械能與電能互換的現象， 早在西元1880年即由居禮兄弟（Pierre Curie, 1859-1906 及Jacques Curie, 1856-1941）二位研究人員，針對石英、電氣石及羅式鹽等單晶體研究其在受到壓力作用時的響應所發現的。之後，研究人員又在鈦酸鋇、鈦酸鉛及鋯酸鉛等多種陶瓷上發現類似現象。壓電陶瓷體承受壓力時，其晶體結構會產生電荷分佈的偏極化，並在不同端具有不同的表面電荷，這種現象稱為正壓電效應，目前廣泛應用於點火器、應力偵測器、壓電觸摸開關等裝置中。反之，若在壓電陶瓷上施以電位差，可使其產生形變，並將外加的電能轉換成機械能，這種現象稱為逆壓電效應。逆壓電效應目前則廣泛應用於超音波洗淨器、魚群偵測器、超音波診斷機、蜂鳴器、平面喇叭器件、精密位移定位系統、壓電馬達、噴墨印表機噴頭等裝置中。除了上述的單一效應外，亦可將正、逆效應組合應用在濾波器、諧振器及壓電變壓器等裝置上，過去幾十年來，壓電技術已成為現代工程科技上相當重要的發展領域，特別在高精密產業中，壓電器件因具備可控制性、高頻響應特性、電能與機械能之間的高轉換率、微小化，以及不易發熱等優點，被廣泛地應用在定位控制系統上，在工程應用上，1917年法國工程師保羅蘭杰文（Paul Langevin）是第一位將壓電效應應用於實際工程檢測，他將石英晶體用於水底聲納換能器上，專門用來偵測德國潛水艇，這也是壓電材料的首項應用。 壓電材料介紹 PZT壓電材料是由鉛(Plumbum)，鋯(Zirconate) ，鈦(Titanate)等元素所組成，其全名為Lead Zirconate Titanate。化學式為Pb(Zr-Ti)O3 極化是成為壓電材料的一個重要的程序，經過極化後，將原本雜亂的極子，使其成為規則排列的極子，而極化的電壓必須大於2000v/mm。 ? 線性與旋轉式的壓電馬達，尺寸大約一隻螞蟻大小，但其堅固程度為螞蟻的 1000 倍。他的移動像螞蟻一樣，可以 用兩對腳來產生同步循序漸進移動。 動作產生的力量使用到物件移動或是馬達自己運動 壓電馬達 壓電結構 壓電馬達機械結構由驅動、夾具、軸承與預力四個子結構所組成。 本壓電馬達之動作原理是以施加壓電致動器高頻率電壓，激振壓電馬達驅動軸產生自然頻率共振，並經由摩擦方式使壓電馬達致動軸線性與旋轉運動。 壓電馬達結構複雜，以機械振動學理論分析困難，本研究應用機電耦合有限元素法模擬分析機械結構體，藉以著手設計與研製本壓電馬達各部份結構，並可由模擬分析結構體之彎曲/扭轉/伸縮共振模態與組合方式，使定子產生多自由度橢圓運動軌跡，並使動子產生線性或旋轉位移。 壓電結構 內含兩組共四片之壓電陶瓷，四個電極分別為A、A’、B、B’，而解如棋盤般附著在正面，每個電極大小為壓電陶瓷之四分之一上表面面積，而壓電陶瓷的下表面，整面覆蓋著單一電極，斜對角線的電極A和A’，B和B’由導線相互連接，下表面之電極則經由一個可調變共振頻率的可變電感(Turning inductor)然後再接地，在沿著馬達長邊上有高彈性係數之支撐彈簧(Support spring)來限制馬達的運動；而一個相當硬的陶瓷傳動子稱之為馬達前端(Finger tip)，則結合在壓電陶瓷馬達其短邊的中間；另一短邊的中間有一緊壓在壓電陶瓷上的預壓彈簧，如此一來，預壓彈簧變提供一壓力在馬達前端與陶瓷驅動平板(Ceramic driving plate)之間，摩擦力便會產生在馬達前端與陶瓷驅動平板之間的表面，而馬達前端即可將因壓電材料變形所產生。 壓電馬達之應用 因壓電材料變形所產生之力量透過磨擦力使得陶瓷驅動平台移動，達到平台運動之目的，由PC中控制器所計算的控制力晶由D/A介面卡做轉換後，輸入類比訊號至壓電馬達以帶動平台的運動，並由光學尺讀取傳回Encoder介面卡計算位台量，再經PC運算下一次控制力的回授訊號，來完成一閉迴路之控制動作。