Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.11
no.4
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pp.1229-1232
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2010
In this study, in order to develop multilayer piezoelectric transformer for high electromechanical coupling factor and mechanical quality factor. and to show the general approach to the design of inverters utilizing PT as a circuit element. The description of the piezoelectric effect is not present here and can be easily found in numerous publications as well as complex equations and formulae. What is the most important to understand is that "they are different" -one cannot just change an electromagnetic transformer (EMT) for a piezoelectric one. Several examples of PT-based circuitry will help to start and use multilayer piezoelectric transformer advantages most effectively.
This paper is concerned with the trajectory tracking and vibration suppression of a single-link flexible arm by using piezoelectric materials. The dynamics of a single flexible arm with PZT patches as sensor and actuator is derived using extended Hamilton's principle. Resulting equations show that the coupled beam dynamics including beam vibration and its rigid in-plane rotation takes place in two different time scales. By using singular perturbation theory, the system dynamics is divided into two subsystems. Then, a composite control scheme is elaborated that makes the orientation of the arm track a desired trajectory while suppressing its vibration. The proposed controller has two parts: one is a tracking controller designed for the slow (rigid) subsystem, and the other one is a stabilizing controller for the fast (flexible) subsystem. The outputs considered for the system are angular position of the hub and voltage of the sensor mounted on the structure. To avoid requiring further measurements of beam vibration and also angular velocity of the hub for the fast and slow control laws, respectively, two sliding mode observers for estimating the unknown states are also designed.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.13
no.4
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pp.1453-1459
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2012
The dual stage manipulator is composed of the voice coil motor (VCM) and piezoelectric ceramics transducer (PZT), which can produce the high precise displacement and express a well dynamic performance. However, inaccurate modeling of the dual stage will exacerbate the positioning accuracy. This paper presents an approach to model the dual stage system by using bond graph theory. And the state space equations can be derived through the bond graph straightforwardly, which can be used in computing simulations. Through designing the compensators for the dual stage system and simulating, the dual stage performs better dynamics characteristic than the single actuator system.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.15
no.10
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pp.896-901
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2002
The polarization and strain behavior of multilayer ceramic actuators fabricated by tape casting using a PNN-PZT ceramics were investigated in association with electrode size and internal layer number. Spontaneous polarization and strain decreased with increasing electrode size. In addition, the increase of internal layer number brought reduced spontaneous polarization and increased the field-induced strain. Because the actuators structure is designed to stack ceramic layer and electrode layer alternatively, the ceramic-electrode interfaces may act as a resistance to motion of domain wall. To analyze the effect of ceramic-electrode interface, the diffraction intensity ratio of (002) to (200) planes was calculated from X-ray diffraction patterns of samples subjected to a voltage of 200 V. The diffraction intensity ratio of (002) to (200) planes was decreased with increasing electrode size and internal layer number. The diffraction intensity ratio and straining behavior analyses indicate that the Polarization and strain were affected by the amount of 90°domain decreasing with increasing electrode size and internal layer number. Consequently, the change of polarization and displacement with respect to electrode size and layer number is likely to be caused by readiness of the domain wall movement around the interface.
Rhombohedral $Ba(Ti_{0.92}Zr_{0.08})O_3$ single crystals are fabricated using the cost-effective solid-state single crystal growth (SSCG) method; their dielectric and piezoelectric properties are also characterized. Measurements show that (001) $Ba(Ti_{0.92}Zr_{0.08})O_3$ single crystals have an electromechanical coupling factor ($k_{33}$) higher than 0.85, piezoelectric charge constant ($d_{33}$) of about 950 [pC/N], and piezoelectric voltage constant ($g_{33}$) higher than 40 [${\times}10^{-3}Vm/N$]. Especially the $d_{33}$ of (001) $Ba(Ti_{0.92}Zr_{0.08})O_3$ single crystals was by about six times higher than that of their ceramics. Because their electromechanical coupling factor ($k_{33}$) and piezoelectric voltage constant ($d_{33}$, $g_{33}$) are higher than those of soft PZT ceramics, it is expected that rhombohedral (001) $Ba(Ti_{0.92}Zr_{0.08})O_3$ single crystals can be used as "lead-free" piezoelectric materials in many piezoelectric applications such as actuator, sensor, and transducer.
Kim, Mun-Hyeon;Gang, Yeong-Gyu;Park, Hyeon-Cheol;Hwang, Un-Bong;Han, Gyeong-Seop
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.10
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pp.3173-3185
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1996
Multi-model vibration control of laminated composites plates for various fiver orientations has been carried out by making use of piezolectric materials(PZT) as sensors and actuators. Cantilever plate is used as a specimen to test multi-modal vibration supression under random exitation. Impulse technique is applied to determine the natural frequency, the damping ratio(.zeta.) and the modal damping(2.zeta..omega.) of the first bending and the trosion modes. Two independent controllers are implemented to control the two modes simultaneously and established digitally on the basis of the direct negative velocity feedback control with collocated sensor/actuator. Experimental results for various fiber orientations and feedback gains are compared with finite element analysis considering stiffnesses and dampings of piezoeletiric sensors, actuators and bonding layer.
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.15
no.4
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pp.44-48
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2006
Recently, demand the ultra precision product which is increasing rapidly is used extensively frontier industry field such as semi-conductor, computer, aerospace, precision machine. Ultra precision processing is the portion that is very needed to NT in the field of mechanical engineering. The latest date, together with radical advancement of electronic and photonics industry, necessity of ultra precision processing is on the increase for the manufacture of various kernel parts those are connected with these industrial fields. Specially, require motion accuracy of high resolution of nm order in stroke of hundreds millimeters according as diameter of processing object great and processing accuracy rises. In this case ,the response speed absolute delay because inertial mass of moving part is very large. Therefore, real time motion error compensation becomes very hardly. In this paper, we used ultra precision cutting unit(UPCU) to cope such problem. a UPCU is designed and tested to obtain sub-micrometer from accuracy in diamond turning of flat surfaces. The thermal growth spindle error is compensated for real time using a UPCU driven by piezoelectric actuator along with a laser encoder displacement sensor.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.34
no.1
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pp.53-58
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2017
A fine stage is developed for the 3-DOF error compensation of a linear axis in order to improve the positioning accuracy. This stage is designed as a planar parallel mechanism, and the joints are based on a flexure hinge to achieve ultra-precise positioning. Also, the effect of Abbe's offsets between the measuring and driving coordinate systems is minimized to ensure an exact error compensation. The mode shapes of the designed stage are analyzed to verify the desired 3-DOF motions, and the workspace and displacement of a piezoelectric actuator (PZT) for compensation are analyzed using forward and inverse kinematics. The 3-DOF error of a linear axis is measured and compensated by using the developed fine stage. A marked improvement is observed compared to the results obtained without error compensation. The peak-to-valley (PV) values of the positional and rotational errors are reduced by 92.6% and 91.3%, respectively.
This paper investigates the design of a perfect point load actuator based on flat triangular piezoelectric patches. Applying a difference of electric potential between the electrodes of a triangular patch leads to point loads at the tips and distributed moments along the edges of the electrodes. The previously derived analytical expressions of these forces show that they depend on two factors: the width over height (b/l) ratio of the triangle, and the ratio of the in-plane piezoelectric properties ($e_{31}/e_{32}$) of the active layer of the piezoelectric patch. In this paper, it is shown that by a proper choice of b/l and of the piezoelectric properties, the moments can be cancelled, so that if one side of the triangle is clamped, a perfect point load actuation can be achieved. This requires $e_{31}/e_{32}$ to be negative, which imposes the use of interdigitated electrodes instead of continuous ones. The design of two transducers with interdigitated electrodes for perfect point load actuation on a clamped plate is verified with finite element calculations. The first design is based on a full piezoelectric ceramic patch and shows superior actuation performance than the second design based on a piezocomposite patch with a volume fraction of fibres of 86%. The results show that both designs lead to perfect point load actuation while the use of an isotropic PZT patch with continuous electrodes gives significantly different results.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.12
no.1
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pp.97-103
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2013
A new precision positioning mechanism for stage was been developed by Displacement Magnification Device(DMD) in this paper. The DMD was composed of the beam and multilayer piezoelectric actuators. The theoretical and experimental analysis of DMD to enlarge displacement more then 50times were discussed. And the 2-axis stage by using displacement amplification apparatus was added in the new DMD, and it was able to do it through finite element analysis and experiment. As the results, the magnification of DMD can be obtained about $100{mu}m$ displacement to the 10V input voltage($1.5{mu}m$). And the about 50nm of linearity error in the $30{mu}m$ measurement range and 20times of the amplification in displacement can be measured. In addition, the experimental results are confirmed the possibility of millimeter displacement characteristics and correspond to finite element analysis results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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