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DC 欄位 | 值 | 語言 |
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dc.contributor.advisor | 李世光許聿翔 | zh_TW |
dc.contributor.advisor | Chih-Kung LeeYu-Hsiang Hsu | en |
dc.contributor.author | 黃郁翔 | zh_TW |
dc.contributor.author | Yu-Hsiang Huang | en |
dc.date.accessioned | 2023-03-19T22:36:33Z | - |
dc.date.available | 2023-12-26 | - |
dc.date.copyright | 2022-08-26 | - |
dc.date.issued | 2022 | - |
dc.date.submitted | 2002-01-01 | - |
dc.identifier.citation | [1] K. Uchino, "Introduction to piezoelectric actuators: Research misconceptions and rectifications," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 58, no. SG, p. SG0803, 2019. [2] T. Takano and Y. Tomikawa, "Linearly moving ultrasonic motor using a multi-mode vibrator," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 28, no. S1, p. 164, 1989. [3] 朱宗祐, "雙頻雙模態壓電馬達之最佳化設計," 國立臺灣大學應用力學所 碩士論文, 2018. [4] 林育民, "以雙頻雙模態激發之二維傳遞波產生器開發及在二維壓電馬達之應用," 國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系 碩士論文, 2019. [5] 高苑庭, "以希爾伯特轉換最佳化多方向傳遞波驅動的二維壓電平板致動器," 國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系 碩士論文, pp. 12-17, 2020. [6] H. Barth, "Ultrasonic driven motor," IBM Tech. Disclosure Bull., vol. 16, p. 2263, 1973. [7] T. Sashida and T. Kenjo, "Introduction to ultrasonic motors," 1993. [8] K. Uchino, "Piezoelectric ultrasonic motors: overview," Smart materials and structures, vol. 7, no. 3, p. 273, 1998. [9] N. W. Hagood and A. J. McFarland, "Modeling of a piezoelectric rotary ultrasonic motor," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 42, no. 2, pp. 210-224, 1995. [10] G. L. Smith, R. Q. Rudy, R. G. Polcawich, and D. L. DeVoe, "Integrated thin-film piezoelectric traveling wave ultrasonic motors," Sensors and Actuators A: Physical, vol. 188, pp. 305-311, 2012. [11] M. Kuribayashi, S. Ueha, and E. Mori, "Excitation conditions of flexural traveling waves for a reversible ultrasonic linear motor," The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 77, no. 4, pp. 1431-1435, 1985. [12] H. Hariri, Y. Bernard, and A. Razek, "A traveling wave piezoelectric beam robot," Smart Materials and Structures, vol. 23, no. 2, p. 025013, 2013. [13] 吳昇勳, "單頻雙模態及雙頻雙模態行進波壓電聲波馬達之最佳化設計," 國立臺灣大學應用力學所 碩士論文, 2017. [14] H. Hariri, Y. Bernard, and A. Razek, "2-D traveling wave driven piezoelectric plate robot for planar motion," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 23, no. 1, pp. 242-251, 2018. [15] 陳存勗, "TiOPc 光壓電致動器線性音波馬達之開發," 國立臺灣大學應用力學所 碩士論文, 2016. [16] 蘇文群, "以希爾伯特轉換設計多頻多模態壓電線性馬達," 國立臺灣大學應用力學所 碩士論文, 2020. [17] W. G. Hankel, "Uber die aktinound piezoelektrischen eigenschaften des bergkrystalles und ihre beziehung zu den thermoelektrischen," Abh. Sächs, vol. 12, p. 457, 1881. [18] M. Lippmann, "On the principle of the conservation of electricity," The London, Edinburgh and Dublin philosophical magazine and journal of science, vol. 12, no. 73, pp. 151-154, 1881. [19] E. Fukada and I. Yasuda, "On the piezoelectric effect of bone," Journal of the physical society of Japan, vol. 12, no. 10, pp. 1158-1162, 1957. [20] 吳朗, 電子陶瓷: 壓電陶瓷. 全欣資訊圖書股份有限公司,台北市, 1994. [21] 溫志偉, "以溶-凝膠法製備之層狀鋯鈦酸薄膜微結構分析及生物相容性評估," 碩士論文, 國立高雄應用科技大學機械與精密工程研究所, 2005. [22] D. Nelson, "Theory of nonlinear electroacoustics of dielectric, piezoelectric, and pyroelectric crystals," The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 63, no. 6, pp. 1738-1748, 1978. [23] 張嘉詠, "結合徑向行進波驅動於共振平台之研發," 國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系 碩士論文, 2021. [24] J. Yang, An introduction to the theory of piezoelectricity. Springer, 2005, pp. 53-60. [25] C.-K. Lee, "Theory of laminated piezoelectric plates for the design of distributed sensors/actuators. Part I: Governing equations and reciprocal relationships," The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 87, no. 3, pp. 1144-1158, 1990. [26] A. Warner, D. Berlincourt, A. Meitzler, H. Tiersten, G. Coquin, and I. Welsh, "IEEE standard on piezoelectricity (ANSI/IEEE standard 176-1987)," Technical report, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, 1988. [27] K. Graff, "Wave Motion in Elastic Solids. Courier Corporation," ed: Oxford, 1975, pp. 229-265. [28] M. Feldman, "Hilbert transform in vibration analysis," Mechanical systems and signal processing, vol. 25, no. 3, pp. 735-802, 2011. | - |
dc.identifier.uri | http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/84986 | - |
dc.description.abstract | 本研究旨在開發一種以高模態疊加產生行進波以驅動自走式二維壓電平板致動器,驅動特定壓電片使結構激發出不同模態,使其在平面上達成多方向運動之計畫目標。本研究以不鏽鋼薄板作為基板,以四塊尺寸相同之PZT作為致動器,邊界夾具以V形鋁材溝槽製作,用以卡住不鏽鋼薄板,以模擬簡支端的邊界條件,並透過理論模型求得解析解來進行數值模擬以進行最佳化之設計。本研究透過壓電片位置設計,使驅動不同壓電片組合可以產生不同方向之行進波,增加行進波方向的可能性。在驅動方法上,使用高模態疊加行進波,大幅提升速度表現,並可於結構上產生兩個波峰處來推動致動器。本研究有別於以往直接驅動在共振頻上的驅動方式,而是採用整數倍頻驅動方法,在共振頻附近選擇兩個呈整數倍關係的頻率疊加,使行進波具有週期性,提升其穩定度。本研究亦同時利用希爾伯特轉換理論進行驅動參數最佳化,並對其定量方法設計出三種成本函數,在數值模擬的部分透過調變驅動訊號間電壓比及項位差,觀察成本函數與行進波效率之間的關係,接著利用有限元素模擬驗證此分析方法其可行性。在實驗上以雷射測振儀驗證了理論與數值模擬的正確性,最後透過給予不同輸入總電壓及荷重,觀察致動器之行走軌跡及移動速度,藉此分析其驅動效率。由本研究所開發的理論模型及成本函數分析方法所開發之二維壓電平板致動器,在結構本體重量16g荷重下,在+x及-x方向上,驅動頻率選擇1855赫茲及7420赫茲,其最大速度分別可達95.5 mm/s (60Vpp)及102.92 mm/s (60Vpp);在+y及-y方向上,驅動頻率選擇1775赫茲及7100赫茲,其最大速度分別可達133.34 mm/s (60Vpp)及132.42 mm/s (50Vpp)。最後將致動器置於軌道上,在總電壓為100Vpp無外加負載情況下最大速度可達177.35 mm/s,而在70g荷重時,最高速度可達247.2 mm/s,為之前驅動方法的36倍,載重能力提升約4倍之多,驗證本研究所提出的方法具有較佳之驅動效率。 | zh_TW |
dc.description.abstract | The aim of this study is to develop a self-propelled two-dimensional piezoelectric actuator driven by traveling waves generated by the combination of high-order bending modes. The actuator structure can be excited to move in different directions by activating four different piezoelectric sheets. The base plate of this actuator is a stainless-steel sheet, and four piezoelectric sheets of identical size are attached to its surface. Aluminum fixtures with V grooves are used to simulate simply support boundary conditions. An analytical solution was developed to describe the traveling waves and assist in the design of the two-dimensional piezoelectric actuator. In addition, the Hilbert transform is used to optimize the driving parameters, and three cost functions are designed to quantify the efficiency of generated traveling waves. Applying the developed analytical solution and the cost functions, traveling waves generated by higher-order modes can be generated. The concept of the two-integer-frequency-two-mode (TIF-TM) method is adopted, and two frequencies near the resonant frequency that are in an integer multiple relationship are selected. It creates a periodic and stable traveling wave in x- or y-direction. Furthermore, the experimental findings demonstrate that the driving efficiency is significantly improved comparing to previously reported methods. For a 16g loading (the weight of the motor), the maximum traveling speed in +x and -x directions are 95.5 mm/s (60Vpp) and 102.92 mm/s (60Vpp). The maximum traveling speed in +y and -y directions are 133.34 mm/s (60Vpp) and 132.42 mm/s (50Vpp). The moving speed can reach 177.35 mm/s without applied load when placing the motor on a track. The moving speed can reach 247.2 mm/s with a 70g load. It is about 36 times faster than previous reported methods. The maximum loading is 180g, and it is about 4 times higher then previously reported methods. These results suggest that the present driving method is more efficient and advanced. | en |
dc.description.provenance | Made available in DSpace on 2023-03-19T22:36:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 U0001-2108202223414200.pdf: 16539414 bytes, checksum: 44f320cd67c5adc19aacc9b981027c8d (MD5) Previous issue date: 2022 | en |
dc.description.tableofcontents | 誌謝 i 中文摘要 ii ABSTRACT iii 目錄 iv 圖目錄 ix 表目錄 xx 第1章 緒論 1 1.1 壓電致動器產業及市場趨勢 1 1.2 研究背景與動機 2 1.3 文獻回顧 3 1.4 論文架構 10 第2章 壓電致動器之結構設計 11 2.1 設計理念 11 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 二維壓電致動器結構 19 第3章 壓電材料介紹及理論推導 20 3.1 材料介紹 20 3.1.1 起源 20 3.1.2 壓電效應 20 3.1.3 壓電材料種類 22 3.2 理論推導 23 3.2.1 壓電物性組成律方程式 23 3.2.2 壓電薄板物性方程式 27 3.2.3 有效表面電極 34 3.3 二維壓電致動器理論 35 3.3.1 統御方程式推導 35 3.3.2 整數倍頻驅動理論 46 3.3.3 相位補償方法 47 3.4 希爾伯特轉換 49 3.4.1 理論介紹 49 3.4.2 最佳化分析 51 3.4.2.1 正方向實軸半徑差最佳化分析 51 3.4.2.2 內部小圓直徑最佳化分析 58 3.4.2.3 解析訊號角度偏移量最佳化分析 60 第4章 二維壓電致動器之設計及製程 62 4.1 不鏽鋼基板結構設計 62 4.2 壓電位置設計及製程 63 4.2.1 設計方法及理論 63 4.2.2 模態共振頻率 64 4.2.3 x方向壓電片位置最佳化 66 4.2.4 y方向壓電片位置最佳化 68 4.2.5 雙方向最佳壓電片位置 70 4.3 邊界夾具設計 73 4.4 驅動支腳設計 74 4.5 輸入訊號設計 77 4.5.1 正方向實軸半徑差最佳化分析技術開發 77 4.5.2 內部小圓直徑最佳化分析技術開發 78 4.5.3 解析訊號角度偏移量最佳化分析技術開發 79 4.5.4 最佳化希爾伯特轉換分析方法 81 4.6 數值模型之建立與參數設定 85 4.7 有限元素模型之建立與參數設定 86 4.8 二維壓電致動器之實驗架設 88 第5章 數值模擬分析 89 5.1 結構模態分析 89 5.2 以希爾伯特轉換設計x方向行進波最佳驅動參數 90 5.2.1 不同相位差的貢獻與影響 90 5.2.2 不同電壓比的貢獻與影響 96 5.2.3 成本函數J1與J3最佳化參數下之行進波比較 99 5.2.4 行進波方向控制與最佳化行進波 103 5.3 以希爾伯特轉換設計y方向行進波最佳驅動參數 104 5.3.1 不同相位差的貢獻與影響 104 5.3.2 不同電壓比的貢獻與影響 110 5.3.3 成本函數J1與J3最佳化參數下之行進波比較 113 5.3.4 行進波方向控制與最佳化行進波 117 第6章 有限元素模擬分析 118 6.1 結構模態分析 118 6.2 等效材料參數 118 6.3 以希爾伯特轉換設計x方向行進波最佳驅動參數 120 6.3.1 驅動參數最佳化分析 120 6.3.2 行進波運動分析與方向控制 121 6.4 以希爾伯特轉換設計y方向行進波最佳驅動參數 123 6.4.1 驅動參數最佳化分析 123 6.4.2 行進波運動分析與方向控制 124 第7章 二維壓電致動器之實驗結果與討論 127 7.1 二維壓電致動器之共振頻量測 127 7.2 等效材料參數 129 7.3 驅動訊號相位補償分析 130 7.3.1 x方向驅動參數相位補償 130 7.3.2 y方向驅動參數相位補償 133 7.4 x方向行進波實驗驗證 135 7.4.1 不同相位差及電壓比的貢獻與影響實驗驗證 135 7.4.2 成本函數J1與J3最佳化參數下之行進波比較 137 7.4.3 最佳化行進波之實驗驗證 140 7.5 二維壓電致動器驅動x方向行進波實驗(面接觸支腳) 142 7.5.1 不同驅動電壓之移動速度比較 142 7.5.2 不同荷重之移動速度比較 153 7.6 二維壓電致動器驅動x方向行進波實驗(點接觸支腳) 165 7.6.1 不同驅動電壓之移動速度比較 165 7.6.2 不同荷重之移動速度比較 169 7.7 y方向行進波實驗驗證 173 7.7.1 不同相位差及電壓比的貢獻與影響實驗驗證 173 7.7.2 成本函數J1與J3最佳化參數下之行進波比較 175 7.7.3 最佳化行進波之實驗驗證 178 7.8 二維壓電致動器驅動y方向行進波實驗(面接觸支腳) 180 7.8.1 不同驅動電壓之移動速度比較 180 7.8.2 不同荷重之移動速度比較 189 7.9 二維壓電致動器驅動y方向行進波實驗(點接觸支腳) 200 7.9.1 不同驅動電壓之移動速度比較 200 7.9.2 不同荷重之移動速度比較 204 7.10 二維壓電致動器於單向軌道上驅動 208 7.10.1 二維壓電致動器於x方向軌道上驅動實驗 208 7.10.1.1 不同驅動電壓之移動速度比較 208 7.10.1.2 不同荷重之移動速度比較 213 7.10.2 二維壓電致動器於y方向軌道上驅動實驗 217 7.10.2.1 不同驅動電壓之移動速度比較 217 7.10.2.2 不同荷重之移動速度比較 222 7.11 二維壓電致動器之連續驅動 225 7.12 高模態驅動及低模態驅動之致動器速度及效率比較 227 第8章 結果與未來展望 229 8.1 結論 229 8.2 未來展望 230 REFERENCES 231 | - |
dc.language.iso | zh_TW | - |
dc.title | 以希爾伯特轉換成本函數分析之最佳化高模態傳遞波及其在多方向二維壓電平板致動器之應用 | zh_TW |
dc.title | Optimize High-frequency Mode Traveling Waves using Analysis of Hilbert Transform Cost Function and its Application in Multidirectional Two-dimensional Piezoelectric Plate Actuator | en |
dc.type | Thesis | - |
dc.date.schoolyear | 110-2 | - |
dc.description.degree | 碩士 | - |
dc.contributor.oralexamcommittee | 吳光鐘;宋家驥;謝志文 | zh_TW |
dc.contributor.oralexamcommittee | Kuang-Chong Wu;Chia-Chi Sung;Chih-Wen Hsieh | en |
dc.subject.keyword | 壓電致動器,行進波,整數倍頻驅動,希爾伯特轉換, | zh_TW |
dc.subject.keyword | piezoelectric actuator,traveling wave,two-integer-frequency-two-mode,Hilbert transform, | en |
dc.relation.page | 232 | - |
dc.identifier.doi | 10.6342/NTU202202623 | - |
dc.rights.note | 同意授權(限校園內公開) | - |
dc.date.accepted | 2022-08-22 | - |
dc.contributor.author-college | 工學院 | - |
dc.contributor.author-dept | 工程科學及海洋工程學系 | - |
dc.date.embargo-lift | 2024-08-22 | - |
顯示於系所單位: | 工程科學及海洋工程學系 |
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