臺灣博碩士論文加值系統

熱能與流體在微機電系統(MEMS)的研究與應用中為重要的課題之一，亦是有效的工作介質與原動力的來源，以積體電路製造技術所製成的熱氣泡噴墨印頭是廣為應用的產品。本文以實驗方法探討液滴由熱氣泡噴墨印頭噴出之噴射流場。
由於熱泡式墨滴噴出的速率為每秒數公尺，且墨滴的尺寸亦僅有數十微米，欲觀測這種細微液滴的變化情形，實屬不易。因此，本文建立一套高倍率光學量測系統設備，採用高倍率顯微鏡和高解析度的數位影像系統，並研製設計出可準確同步控制至1微秒的噴墨頭噴墨與閃頻照明燈閃頻的高頻電子計數放大電路，配合影像擷取卡擷取影像的程式，可攝取更為清晰且時間準確的墨滴串影像，以觀測墨滴由噴柱粒化的過程，並藉由量化的數位影像，瞭解液柱粒化的動態變化。實驗結果可供熱氣泡式噴墨印表機設計與改良的參考，並可應用本套系統於精微噴流與冷卻的動態流場觀測。
由熱泡噴墨流場的觀測結果顯示:墨滴剛噴出時，外形為具有等均勻截面的柱狀體，稍後逐漸形成頭端圓渾，尾端細長的形狀；隨著時間增加，墨滴串會自噴嘴口剝離，而頭端分離出一主液滴和衛星液滴。在定量的量測方面，墨滴剛噴出具有很高的瞬時速度，到頸縮現象發生前，墨滴串的長度隨時間呈線性地增加。根據實驗量測計算，噴柱粒化前，墨滴串頭端主要受到液柱回拉拉的表面張力作用。前端主液滴粒化後，隨後的液柱分離出的衛星液滴體積約為主液滴的一半。主液滴在剛粒化後，受到逆向空氣阻力的作用，其飛行速度將隨時間增加而減速。由數值方法預測，主液滴約在與噴柱分離後0.1秒到達終端速度，此刻的位移量約為0.03m。
接著探討熱氣泡噴墨印頭在不同操作條件對噴柱粒化過程的差異。在改變操作電壓方面：使用較大電壓，墨滴較早噴出，且主液滴分離的時刻較早；在同一時刻下，具有較長的墨滴串長度。由量化量測顯示：較大的電壓，最大瞬時速度發生的時間愈早，產生最大瞬時速度時的上升和下降斜率也愈大，而噴出的墨滴體積較小，噴柱粒化後主液滴體積也較小。在受力比較上，噴柱粒化前，使用較小的電壓，受較大的表面張力作用，墨滴頭端速度減速情形較大；噴柱粒化後，經數值方法計算，較大的電壓，主液滴的速度下降的情況較為明顯，且愈早達到終端速度，終端速度愈小，到達終端速度的位移量也較小。在改變不同的加熱時間方面：墨滴噴出的過程並無明顯的差異。而在使用不同操作頻率的比較上，發現採用較高的操作頻率時，在同一時刻下噴出墨滴的長度愈短，而且墨滴的頭端明顯較大，但在超過3kHz後，墨滴噴出便顯得相當的不穩定，因此在噴墨印表機的設計上，不宜採用太高的操作頻率來控制噴墨印頭。

第一章 緒論………………………………………………… 1
1.1 引言……………………………………………………… 1
1.2 文獻回顧與研究動機…………………………………… 2
1.3 本文內容………………………………………………… 5
第二章 噴墨工作原理及實驗設備介紹………………… 6
2.1 低壓熱氣泡式噴墨印頭及其工作原理………………… 6
2.1.1 前射式熱氣泡噴墨印頭……………………………… 7
2.1.2 前射式熱氣泡噴墨印頭的工作循環………………… 7
2.2 主要實驗設備介紹……………………………………… 9
2.2.1 閃頻觀測驅動控制電路系統………………………… 9
2.2.1-1 主要閃頻控制系統設備………….…………… 10
2.2.1-2 其他週邊設備…………………………………… 11
2.2.2 影像擷取和處理系統………………………………… 12
第三章 實驗系統設計與實驗操作方法………………… 22
3.1 程式控制發展與設計…………………………………… 22
3.1.1 程式視窗介面……………………………………… 22
3.2 閃頻驅動電路控制器發展設計……………………… 24
3.2.1 控制加熱脈波時間之電路設計………………… 25
3.2.2 控制延遲閃頻曝光時間之電路設計……………… 27
3.3 閃頻驅動電路觀測系統操作原理及測試……………… 31
3.4 實驗取像操作方法……………………………………… 33
第四章 精微噴柱粒化過程分析及量測方法....……… 56
4.1 墨滴串發展過程受力分析……………………………… 56
4.2 量測方法………………………………………………… 58
4.2.1 長度量測…………………………………………… 58
4.2.2 速度量測……………………………………………… 59
4.2.3 尺寸量測……………………………………………… 59
4.3 誤差分析………………………………………………… 61
第五章 實驗觀測結果與討論……………………………… 67
5.1 墨滴由噴柱粒化過程觀測結果與討論………………… 67
5.1.1 墨滴粒化現象觀測結果描述……………………… 67
5.1.2墨滴粒化過程各參數變化量測結果與討論………… 70
5.1.2-1長度、瞬時速度量測值隨時間的變化………… 70
5.1.2-2 墨滴尺寸隨時間的變化結果與討論…………… 72
5.1.3 由實驗觀測結果探討墨滴由噴柱粒化前、後的情況 74
5.1.3-1 噴柱粒化前………………………………………… 74
5.1.3-2 噴柱粒化後……………………………………… 77
5.2 不同操作電壓對墨滴噴出過程的影響………………… 78
5.2.1 不同操作電壓的墨滴實驗觀測外形影像比較……… 78
5.2.2 不同操作電壓墨滴粒化過程各參數變化
量測結果比較…………………………………...………… 80
5.2.2-1不同操作電壓墨滴噴出過程長度、瞬時速
度的變化比較…………………….………….……… 80
5.2.2-2 不同操作電壓尺寸及體積隨時間變化比較…….… 82
5.2.3 由各實驗參數值推估不同電壓下噴柱粒化前、
後情況比較…………………………………..…………… 85
5.3 不同加熱時間對墨滴噴出過程的影響…………………… 87
5.4 不同的操作頻率對噴墨過程的比較……………………… 87
第六章 結論與未來展望…………………………….……… 128
6.1 結論…………………………………………………………128
6.2 未來展望……………………………………………………130
附錄A………………………………………….………………..132

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