實用壓電力學

目次
第一章 概論
11 壓電效應的發現2
12 天然壓電材料_石英的早期應用3
13 人造壓電材料的發現與發展4
14 壓電材料的特性6
15 壓電材料的種類與應用13
16 壓電材料的製成技術15
習題32
參考資料33

第二章 本構方程式
2.1 壓電材料的交互關係35
2.2 力焦電三合一交互關係式36
2.3 力電交互關係式37
2.4 主要力學、電學常數與機電耦合常數轉換關係之推導43
2.5 壓電材料的本構方程式46
2.6 電氣位移型本構方程式－張量表示法46
2.7 電氣位移型本構方程式－矩陣表示法49
2.8 函數或變數定義－應變矩陣50
2.9 應變為零時之機電邊界條件51
2.10 函數或變數定義－應力矩陣52
2.11 應力為零時之機電邊界條件53
2.12 函數或變數定義－電位移矩陣54
2.13 電位移散度－準靜電方程式54
2.14 電位移為零時之機電邊界條件55
2.15 函數或變數定義－電場矩陣56
2.16 電場為零時之機電邊界條件56
2.17 電場旋度－電場方程式58
2.18 力學常數定義－柔性常數矩陣60
2.19 力學常數定義－剛性常數矩陣62
2.20 電學常數定義－介電常數矩陣63
2.21 機電耦合常數定義－壓電應變/電荷常數矩陣64
2.22 機電耦合常數關係式－壓電應力/電荷常數矩陣66
2.23 完全以矩陣展開的本構方程式68
習題75
參考資料79

第三章 應變、位移與等效力
3.1 廣義力學應變─位移關係式81
3.2 應力與位移關係式85
3.3 平面應變問題88
3.4 平面應力問題90
3.5 等效力─應力關係式92
3.6 等效力─應變關係式95
3.7 等效力─位移關係式99
3.8 衍生性平面應力型等效力關係式104
3.9 層狀壓電結構等效力關係式112
習題118
參考資料119

第四章 致動器方程式與實務
41 簡易型致動器方程式121
42 簡易型致動器122
43 積層型致動器方程式140
44 積層型致動器142
45 模態致動器146
46 實用超音波馬達實務篇163
47 實用壓電致動器篇176
習題179
參考資料181

第五章 感測器方程式與實務
51 廣義感測器方程式184
52 平板型感測器方程式187
53 棒型(d31型)感測器方程式189
54 棒型(d33型)感測器方程式194
55 棒型壓電變壓器199
56 拱棒型(d31型)感測器方程式202
57 樑型感測器方程式205
58 拱樑型感測器方程式209
59 純剪力型感測器方程式212
510 不均勻樑型感測器214
511 楔形壓電變壓器實務篇218
512 壓電發電裝置實務篇223
513 壓電發電裝置測試系統實務篇226
習題230
參考資料231

 
圖目次
第一章 概論
圖1-1：石英原礦石與具有壓電效應的有效切割方式。2
圖1-2：(a)保羅蘭杰文(Paul Langevin, 1872-1946)與(b)羅勃威廉博伊(Robert William Boyle)所發明的(c)石英傳感器在1917年被收錄在發明與研究委員會。3
圖1-3：蘭杰文振動子(Langevin Actuator) (a)示意圖&(b)具體模型。3
圖1-4：(a)賽璐珞原料；(b)賽璐珞製成的桌球與(c)人偶。4
圖1-5：(a)壓電力學的先驅_梅森；(b)鋯鈦酸鉛的發明家_伯納德·賈菲與(c)聚偏二氟乙烯的發明家_深田榮一。6
圖1-6：壓電材料之正壓電效應_感測效應(圖左)與逆壓電效應_致動效應(圖右)。7
圖1-7：壓電材料之焦電效應。7
圖1-8：(a)常介電性與(b)反強電性材料之電場與分極關係圖。8
圖1-9：強電性材料之電場與分極關係圖。8
圖1-10：壓電材料的光電效應。10
圖1-11：壓電塑膠薄膜之製造流程圖。18
圖1-12：壓電陶瓷之製造流程圖。19
圖1-13：真空濺鍍製成技術。20
圖1-14：矽基面型模態壓電加速度規之製成技術示意圖。21
圖1-15：利用XRD測試壓電元件之特性。22
圖1-16：矽基體型模態壓電加速度規之製成技術示意圖。22
圖1-17：可利用阻抗分析儀(Agilent 4294A)量測矽基體型模態壓電加速度規之阻抗。23

第二章 本構方程式
圖2-1：壓電材料的力學、電學與熱學之間的交互關係圖。35
圖2-2：壓電材料的力焦電三合一交互關係圖。35
圖2-3：分極型交互關係式之轉換規則。44
圖2-4：電氣位移型交互關係式之轉換規則。44圖2-5：應變在幾何上之定義。50圖2-6：應力在幾何上之定義。52
圖2-7：電位移(D=0)為零時之機電變化情形。56
圖2-8：電場(E=0)為零時之機電變化情形。58
圖2-9：短軸電位示意圖。59
圖2-10：長軸電位示意圖。59

第三章 應變、位移與等效力
圖3-1：基本型式定義之曲面。82
圖3-2：三維結構等效力示意圖。93
圖3-3：平面應力結構等效力示意圖。94圖3-4：一般壓電材料在縱向施加電場(E3)時之機電耦合現象。105
圖3-5：利用旋轉與切割方式來衍生出剪力型機電耦合常數 。105
圖3-6：衍生性等效剪力 或等效集中力 之示意圖。105
圖3-7：不同旋轉切割角度之衍生應力。108
圖3-8：(a)純 剪力效應與(b)純 剪力效應之壓電陶瓷。112
圖3-9：層狀壓電結構示意圖。112

第四章 致動器方程式與實務
圖4-1：棒型(d31型)致動器。123
圖4-2：外加電場之棒型(d31型)致動器。124
圖4-3：無外加電場之棒型(d31型)致動器。126
圖4-4：棒型(d33型)壓電致動器。129
圖4-5：棒型(d33型)壓電致動器。130圖4-6：純剪力型壓電致動器實施例之一。133
圖4-7：純剪力型壓電致動器實施例之二。134
圖4-8：不同振動角頻率之最大位移。135
圖4-9：不同振動角頻率之最大應變。135
圖4-10：不同振動角頻率之最大應力。136
圖4-11：碟片型壓電結構。137
圖4-12：不同振動角頻率且r=R之位移。139
圖4-13：不同振動角頻率且r=R之應變。139
圖4-14：不同振動角頻率且r=R之應力。139
圖4-15：不同振動角頻率且r=R之電位移。140
圖4-16：積層式(三明治式)棒型(d31型)致動器。142
圖4-17：雙層式樑型致動器。144
圖4-18：樑型模態致動器。146
圖4-19：[FP0]函數之一~二次微分之物理意義與符號定義。148
圖4-20：柯契荷夫(Kirchhoff)等效力之示意圖。149
圖4-21：樑致動器之振動模態。153
圖4-22：樑懸臂式模態致動器前三種模態之電極塗佈形狀。154
圖4-23：習用d31型棒式壓電致動器。155
圖4-24：Free-Free BC’s之電極塗佈形式(A)前三模態之電極塗佈形式；(B)第一模態之電極塗佈形式；(C)第二模態之電極塗佈形式；(D)第三模態之電極塗佈形式。159
圖4-25：Clamped-Free BC’s之電極塗佈形式(A)前三模態之電極塗佈形式；(B)第一模態之電極塗佈形式；(C)第二模態之電極塗佈形式；(D)第三模態之電極塗佈形式。160
圖4-26：Clamped-Clamped BC’s之電極塗佈形式(A)前三模態之電極塗佈形式；(B)第一模態之電極塗佈形式；(C)第二模態之電極塗佈形式；(D)第三模態之電極塗佈形式。161
圖4-27：d31型棒式壓電致動器之橫向波動模態(A)兩端自由之橫向波動模態；(B)一端固定一端自由之橫向波動模態；(C)兩端固定之橫向波動模態。162
圖4-28：長軸型壓電定子的立體型橢圓形運動軌跡。163
圖4-29：短軸型壓電定子的立體型橢圓形運動軌跡。163
圖4-30：長軸I型旋轉式超音波馬達的組成與實施樣態。164
圖4-31：長軸I型旋轉式超音波馬達的剖視圖。164
圖4-32：長軸I型旋轉式超音波馬達的爆炸圖。164
圖4-33：長軸I型旋轉式超音波馬達的實體模型。164
圖4-34：不同形式的複合式壓電定子。164
圖4-35：長軸I型旋轉式超音波馬達的實驗架構。164
圖4-36：長軸II型旋轉式超音波馬達的組成與實施樣態。165
圖4-37：長軸II型旋轉式超音波馬達的實體模型。165
圖4-38：複合式壓電定子的振動模態。165
圖4-39：長軸II型旋轉式超音波馬達的實驗架構。165
圖4-40：長軸II型旋轉式超音波馬達實施樣態之一。165
圖4-41：長軸II型旋轉式超音波馬達實施樣態之二。165
圖4-42：短軸型旋轉式超音波馬達的組成。166
圖4-43：短軸型旋轉式超音波馬達的實體組成。166
圖4-44：壓電定子的實體模型。166
圖4-45：不同形式之壓電定子。166
圖4-46：短軸型旋轉式超音波馬達實施樣態之一。166
圖4-47：短軸型旋轉式超音波馬達實施樣態之二。166
圖4-48：金屬狀旋轉式超音波馬達之操作原理。167
圖4-49：金屬狀旋轉式超音波馬達之實施樣態。167
圖4-50：金屬管狀壓電定子的振動模態分析。167
圖4-51：金屬管狀壓電定子之實體模型。167
圖4-52：金屬管狀壓電定子之旋轉測試。167
圖4-53：金屬管狀壓電定子之推力測試。167
圖4-54：柱狀壓電定子的實際尺寸。168
圖4-55：柱狀旋轉式超音波馬達之操作原理。168
圖4-56：柱狀壓電定子的振動模態分析。168
圖4-57：柱狀旋轉式超音波馬達實體模型之一。168
圖4-58：柱狀旋轉式超音波馬達實體模型之二。168
圖4-59：柱狀旋轉式超音波馬達實體模型之三。168
圖4-60：拱形線性式超音波馬達實施樣態之正視圖。169
圖4-61：拱形線性式超音波馬達實施樣態之側視圖。169
圖4-62：拱形線性式超音波馬達之實體模型。169
圖4-63：拱形線性式超音波馬達正向運動之性能分析。169
圖4-64：拱形線性式超音波馬達側向運動之性能分析。169
圖4-65：拱形線性式超音波馬達不同高度之速度分析。169
圖4-66：方陣式線性式超音波馬達之實施樣態。170
圖4-67：方陣式線性式超音波馬達的振動模態分析。170
圖4-68：方陣式線性式超音波馬達之實體模型。170
圖4-69：方陣式線性式超音波馬達之實驗架構。170
圖4-70：方陣式線性式超音波馬達左向運動之性能分析。170
圖4-71：方陣式線性式超音波馬達右向運動之性能分析。170
圖4-72：蟹形線性式超音波馬達之實施樣態。171
圖4-73：蟹形線性式超音波馬達之實體模型。171
圖4-74：不同蟹形線性式超音波馬達之實體模型。171
圖4-75：蟹形線性式超音波馬達之實驗架構。171
圖4-76：蟹形線性式超音波馬達左向運動之性能分析。171
圖4-77：蟹形線性式超音波馬達右向運動之性能分析。171
圖4-78：懸吊式線性式超音波馬達實施樣態之一。172
圖4-78：懸吊式線性式超音波馬達實施樣態之二。172
圖4-79：懸吊式線性式超音波馬達之實體模型。172
圖4-80：懸吊式線性式超音波馬達之實驗架構。172
圖4-81：懸吊式線性式超音波馬達之最佳移動速度分析。172
圖4-82：懸吊式線性式超音波馬達移動時之噪音分析。172
圖4-83：壓電車I之實施樣態。173
圖4-84：壓電車I之爆炸圖。173
圖4-85：壓電車I之實體模型。173
圖4-87：不同尺寸之壓電車I實體模型。173
圖4-88：壓電車I實驗架構之一。173
圖4-89：壓電車I實驗架構之二。173
圖4-90：壓電車II之組成。174
圖4-91：壓電車II之實施樣態。174
圖4-92：壓電車II之實體模型之一。174
圖4-93：壓電車II之實體模型之二。174
圖4-94：壓電車II實驗架構之一。174
圖4-95：壓電車II實驗架構之二。174
圖4-96：壓電焊接裝置之組立圖。176
圖4-97：壓電焊接裝置之爆炸圖。176
圖4-98：多功能噴霧筆之實體模型。176
圖4-99：多功能噴霧筆之剖視圖。176
圖4-100：噴霧筆之實體模型。177
圖4-101：噴霧筆之剖視圖。177
圖4-102：霧化器之實體模型。177
圖4-103：霧化器之剖視圖。177
圖4-104：螺旋狀致動器之原型與實體模型。178
圖4-105：螺旋狀致動器之實體模型。178
圖4-106：螺旋狀致動器之另一實體模型。178
圖4-107：螺旋狀致動器的變形分析。178
圖4-108：螺旋狀致動器之實際尺寸。178
圖4-109：螺旋狀致動器應用例_光學鏡頭。178
圖4-110：螺旋狀致動器應用例_麥克風。178
圖4-111：螺旋狀致動器應用例_喇叭。178

第五章 感測器方程式與實務
圖5-1：有效電極表面之示意圖。186
圖5-2：薄殼型致動器與感測器之交互關係。186圖5-3：平板型致動器與感測器之交互關係。188
圖5-4：棒型(d31型)壓電材料之交互關係與等效電路圖。191
圖5-5：棒型(d31型)感測器之無因次化電流與振動頻率之關係圖。192
圖5-6：棒型(d31型)感測器之動態機電耦合常數之變化圖。193
圖5-7：棒型(d33型)壓電材料之交互關係與等效電路圖。196
圖5-8：棒型(d33型)感測器之無因次化電流與振動頻率之關係圖。197
圖5-9：棒型(d33型)感測器之無因次化速度與振動頻率之關係圖。198
圖5-10：棒型壓電變壓器。199
圖5-11：棒型壓電變壓器左半部之等效電路。200
圖5-12：棒型壓電變壓器右半部之等效電路。200
圖5-13：拱棒型感測器或致動器。203
圖5-14：樑型壓電感測器或致動器。207
圖5-15：無因次化位移隨振動頻率之變化圖。208
圖5-16：拱樑型壓電感測器或致動器。211
圖5-17：不均勻樑型感測器(A)上視圖與(B)前視圖。214
圖5-18：各種不同形狀壓電變壓器之實施樣態。219
圖5-19：楔形壓電變壓器之機電邊界條件。219
圖5-20：各種不同形狀壓電變壓器之實體模型。222
圖5-21：楔形壓電變壓器半波與全波模態的增益。222
圖5-22：耐壓式壓電發電裝置之爆炸圖。223
圖5-23：耐壓式壓電發電裝置之實體模型。223
圖5-24：耐壓式壓電發電裝置實施樣態之一。223
圖5-25：耐壓式壓電發電裝置實施樣態之二。223
圖5-26：按壓式壓電發電裝置之實施樣態。224
圖5-27：按壓式壓電發電裝置之實體模型與應用例。224
圖5-28：按壓式壓電發電裝置實施樣態之一。224
圖5-29：按壓式壓電發電裝置實施樣態之二。224
圖5-30：長翼式壓電發電裝置之組立圖。225
圖5-31：長翼式壓電發電裝置之爆炸圖。225
圖5-32：長翼式壓電發電裝置之實施樣態。225
圖5-33：長翼式壓電發電裝置另一實施樣態。225
圖5-34：長翼式壓電發電裝置再一實施樣態。225
圖5-35：長翼式壓電發電裝置之實體模型。225
圖5-36：離心式振動測試系統之等視圖。226
圖5-37：離心式振動測試系統之爆炸圖。226
圖5-38：離心式振動測試系統實體模型之等視圖。226
圖5-39：離心式振動測試系統之實驗架構。226
圖5-40：往復式振動測試系統之等視圖。227
圖5-41：往復式振動測試系統之爆炸圖。227
圖5-42：往復式振動測試系統實體模型之等視圖。227
圖5-43：往復式振動測試系統實體模型之側視圖。227
圖5-44：往復式振動測試系統實驗架構之一。227
圖5-45：往復式振動測試系統實驗架構之二。227
圖5-46：垂直式振動測試系統之等視圖。228
圖5-47：垂直式振動測試系統之爆炸圖。228
圖5-48：垂直式振動測試系統實體模型之等視圖。228
圖5-49：垂直式振動測試系統實體模型之側視圖。228
圖5-50：垂直式振動測試系統實驗架構之一。228
圖5-51：垂直式振動測試系統實驗架構之二。228
圖5-40：撞擊式測試系統之等視圖。229
圖5-41：撞擊式測試系統之爆炸圖。229
圖5-42：撞擊式測試系統實體模型之等視圖。229
圖5-43：撞擊式測試系統之側視圖。229
圖5-44：撞擊式測試系統實驗架構之一。229
圖5-45：撞擊式測試系統實驗架構之二。229

現職：周易專利商標事務所所長
專長：專利商標申請實務、創意思考訓練、壓電力學、工程數學、應用力學
經歷：教授、副教授、講師、專利審查委員、發明人、上市公司顧問
學歷：國立台灣大學應用力學研究所博士
證照：專利代理人(06364)
榮耀：榮獲兩次總統績學獎章、大智獎、大仁獎、發明獎牌60面以上
經驗：上市公司專利提案訓練師、專利商品化授權、專利200筆以上
著作：專利寫作攻略、專利訴訟攻防、商標申請實務、創意思考訓練等50本以上