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研究生:曾昭元
研究生(外文):Chao-Yuan Tseng
論文名稱:使用電流變液之噴墨元件液滴成形探討
論文名稱(外文):Study on Droplet Ejection of An ER-Fluid-Controlled Inkjet Printhead
指導教授:李春穎李春穎引用關係
指導教授(外文):Chun-Ying Lee
學位類別:碩士
校院名稱:大葉大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:116
中文關鍵詞:電流變液電流變液閥噴墨印表頭
外文關鍵詞:Electro-Rheological FluidER Fluid ValveInkjet Printhead
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非撞擊式印表機隨著工業技術之進步,其列印品質清晰且價格低廉。印表機現今主要之技術為壓電式脈衝噴墨及熱泡式噴墨兩種,然而壓電脈衝式印表機之價格及成本較高,熱泡式有散熱及產生熱應力的一些問題。而陣列式印表機應用在高速列印上,仍要克服一些技術上的問題。更主要的問題是,此二型式之印表機皆有專利權之問題,使台灣在印表機之研發上,受到極大的限制。本論文針對此種使用流變液體閥之創新噴墨印表頭設計,加入墨水室之影響,作墨滴成形與各控制參數之關係探討,並建立其系統理論模式,以探求各參數間之關係,及將實驗與理論作驗證。控制的參數有壓電致動器之控制電壓大小及其脈衝寬度、主動側壓力室內之初始壓力、外加電流變液閥控制電場、壓電致動器之控制電壓輸入端作動頻率、壓電致動器之控制電壓訊號波形等。實驗發現噴墨的墨滴速度隨著致動器控制電壓的增加而增加現象。本系統在壓電致動器控制電壓4V輸入、脈衝寬度6.5ms 時可以產生較佳的墨滴,且沒有衛星墨滴及拖曳現象。當外加電場200V/mm時,可以藉由電流變液閥的作動,而將噴墨制止。本系統之工作頻率都是低於10 Hz以下,主要原因受限於噴墨系統結構大小的問題。如果未來能將系統結構變小,則可使噴墨之工作頻率範圍加大。

The demand for non-impact printers has grown considerably with the advent of the personal computer. At the low end, two drop-on-demand techniques predominate the market – piezoelectric impulse and thermal-bubble types. However, the high cost of piezoelectric printhead and the thermal problems encountered by thermal-bubble jet printhead restrain the use of these techniques in array-type printhead. In a new design of printhead with ER fluid acting as a working medium, the actuating element and the ER fluid valve control the ink ejection. In this thesis, the transient behavior of the ER valve printhead incorporated with ink chamber is investigated. The pattern of ink droplet ejected from the printhead is examined by using the digital optical system for visualization. A quasi-static modeling of the system based on the bulk compressibility of the fluid and the stiffness of the elastic membrane is performed. The fluid pressure in the ink chamber is investigated, both theoretically and experimentally under the following controlled parameters: the actuating voltage and frequency of the piezoelectric transducer, the controlled electric field strength of the ER value. It is found that the velocity of the ejected ink droplet is increased with the actuation voltage of the piezoelectric transducer. And the better ink droplet without satellite can be obtained with the voltage impulse of magnitude 4V, pulse width 6.5 ms. With the application of 200V/mm electric field on the ER valve, the ink ejection can be effectively stopped. Although the frequency of the ink ejection is limited to less than 10Hz, due to the dynamic resonance of the system, it is believed that the operating bandwidth can be further raised with the minimization of the dimensions of the system.

目錄
封面內頁 頁次
簽名頁
國家圖書館授權書………………………………………………. iii
大葉圖書館授權書………………………………………………. iv
中文摘要…………………………………………………………. v
英文摘要…………………………………………………………. vi
誌謝………………………………………………………………. viii
目錄………………………………………………………………. ix
圖目錄……………………………………………………………. xii
表目錄……………………………………………………………. xvi
符號說明…………………………………………………………. xvii
第一章 緒論……………………………………………………... 1
1.1 前言………………………………………………… 1
1.2 研究動機…………………………………………… 7
1.3 文獻回顧…………………………………………… 8
1.3.1 電流變液簡介……………………………….. 8
1.3.2 電流變液之動態特性……………………….. 10
1.3.3 電流變液閥…………………………………. 13
1.4 研究目的…………………………………………… 16
1.5 內容概述…………………………………………… 17
第二章 研究方法及理論………………………………………. 19
2.1 研究內容…………………………………………... 19
2.2 研究之理論模式推導……………………………... 21
2.2.1 以水為為控制流體時,輸入端位移與墨水室壓力之關係……………………………….. 21
2.2.2以電流變液為為控制流體時,輸入端位移與墨水室壓力之關係………………………….. 33
2.3 Helmholtz共振頻率……………………………… 41
2.4 利用自由落體方式計算墨滴噴射速度…………... 44
2.5 使用流體力學推導墨滴噴射速度………………... 45
第三章 噴墨元件之墨滴成形探討……………………………... 47
3.1 電流變液的配製…………………………………... 47
3.2 實驗設備的建構………………………………..…. 48
3.3 以水為工作流體之系統測試……………………... 53
3.3.1 系統整體之動態特性………………………. 53
3.3.2 噴墨速度的比較……………………………. 55
3.3.3 壓電致動器之控制電壓脈衝寬度對噴墨系統的影響…………………………………… 60
3.3.4 主動側壓力室內之初始壓力對噴墨系統的影響………………………………………… 67
3.3.5 壓電致動器之控制電壓對噴墨系統的影響. 70
3.3.6 水的體積模數 之推導……………………. 78
3.3.7 靜態下輸入端位移與墨水室壓力之關係…. 79
3.3.8 動態下輸入端位移與墨水室壓力之關係…. 80
3.4 電流變液控制之系統的動態測試………………... 83
3.4.1 系統整體之動態特性……………………… 83
3.4.2 外加電流變液閥控制電場對噴墨系統的影響……………………………………………. 84
3.4.3 壓電致動器之控制電壓對噴墨系統的影響. 88
3.4.4 輸入端作動頻率對噴墨系統的影響………. 92
3.4.5 電流變液的體積模數之推導………………. 95
3.4.6 動態下輸入端位移與墨水室壓力之關係…. 96
3.4.7 動態下電流變液複變剪力模數與外加電流變液閥控制電場之關係…………………… 100
3.5 壓電致動器之控制電壓訊號波形對噴墨系統的影響…………………………………………………… 102
第四章 結論……………………………………………………. 110
參考文獻…………………………………………………………. 113
圖目錄
頁次
圖1.1 連續式噴墨印表機構示意圖……………………………. 5
圖1.2 DOD式噴墨印表機機構示圖………………………….. 5
圖1.3 熱泡式噴墨印表頭(a)側射式(b)端射式示意圖………… 6
圖1.4 壓電式噴墨印表頭示意圖……………………………… 6
圖1.5 電流變液在不同電場下之流動特性(a)未加電場下的電流變液在電極間產生流動現象,(b)外加1kV/mm電場下的電流變液在電極間形成固體狀…………………… 10
圖1.6 電流變液理想化的物理性質…………………………… 12
圖1.7 電流變液閥的示意圖…………………………………… 14
圖1.8 電流變液噴墨印表頭機構的基本設計概念圖………… 15
圖2.1 噴墨印表頭機構示意圖………………………………… 20
圖2.2 輸入端隔膜之照相圖…………………………………… 20
圖2.3 輸出端隔膜之照相圖…………………………………… 21
圖2.4 圓形薄版于圓心處受一集中力時之變形示意圖……… 22
圖2.5 圓形薄板受一均勻負載時之變形示意圖……………… 23
圖2.6 輸入端銅質薄膜之變形示意圖………………………… 24
圖2.7 主動側壓力室之體積變化量之示意圖………………… 26
圖2.8 流體閥內流體元素之自由體圖……………………….... 33
圖2.9 噴墨壓力室示意圖……………………………………… 42
圖2.10 自由落體示意圖………………………………………… 44
圖3.1 動態測試之實驗儀器設置示意圖……………………… 49
圖3.2 噴墨系統之測試實體照相圖…………………………… 50
圖3.3 流體閥實體照相圖……………………………………… 51
圖3.4 分離電極流體閥實體圖………………………………… 51
圖3.5 0.15mm噴墨孔照相圖………………………………… 52
圖3.6 0.2 mm噴墨孔照相圖………………………………… 52
圖3.7 系統的共振頻率圖……………………………………… 54
圖3.8 壓電致動器電壓3V,脈衝寬度0.006s,主動側壓力室初始壓力20.58 kPa下之動態噴墨照相圖……………. 56
圖3.9 壓電致動器之控制電壓脈衝寬度對墨滴速度的影響… 57
圖3.10 主動側壓力室內之初始壓力對墨滴速度的影響……… 58
圖3.11 壓電致動器之控制電壓對墨滴速度的影響…………… 59
圖3.12 壓電致動器之控制電壓在不同峰值寬度之示意圖…… 61
圖3.13 壓電致動器控制電壓8V,主動側壓力室內之初始壓力16kPa,改變壓電致動器之控制電壓脈衝寬度下的噴墨照相圖(a)脈衝寬度0.005s(b) 脈衝寬度0.025s (c) 脈衝寬度0.05s…………………………………………….. 62
圖3.14 壓電致動器之控制電壓脈衝寬度與噴墨速度的之關係圖………………………………………………………… 63
圖3.15 壓電致動器之控制電壓脈衝寬度與主動側壓力室內之壓力的關係圖…….…………………………………….. 64
圖3.16 壓電致動器之控制電壓脈衝寬度與噴墨速度之關係圖.. ……………………………………………………… 65
圖3.17 壓電致動器之控制電壓脈衝寬度與主動側壓力室內之壓力的關係圖…………………………………………… 66
圖3.18 主動側壓力室內之初始壓力與噴墨速度之關係圖…… 68
圖3.19 主動側壓力室之壓力差與主動側壓力室內之壓力的關係圖……………………………………………………… 69
圖3.20 主動側壓力室內之初始壓力12.3kPa,壓電致動器控制電壓脈衝寬度0.03s,改變壓電致動器之控制電壓的噴 墨照相圖(a) 壓電致動器控制電壓7V,激振位移0.054 mm……………………………………………………….. 72
圖3.21 輸入端位移與噴墨速度之關係圖…………………….... 73
圖3.22 輸入端位移與主動側壓力室內之壓力的關係圖……… 74
圖3.23 輸入端位移與噴墨速度之關係圖……………………… 75
圖3.24 輸入端位移與主動側壓力室內之壓力的關係圖……… 76
圖3.25 壓電致動器之控制電壓與水的體積模數之關係圖….... 78
圖3.26 輸入位移與墨水室壓力之關係圖……………………… 80
圖3.27 動態下墨水室壓力下降的變化曲線………………….... 81
圖3.28 不同體積模數動態下墨水室壓力下降的變化曲線…… 82
圖3.29 系統之頻率響應圖……………………………………… 84
圖3.30 噴墨孔直徑0.15mm,壓電致動器控制電壓4V,脈衝 寬度0.065s下,改變外加電流變液閥控制電場的噴墨照相圖(a)100V/mm(b)250V/mm(c)300V/mm……… 86
圖3.31 外加電流變液閥控制電場對主動側壓力室內之壓力與墨水室壓力及噴墨速度之關係圖……………………… 88
圖3.32 輸入端位移與噴墨速度之關係圖……………………… 89
圖3.33 輸入端位移與主動側壓力室內之壓力的關係圖……… 90
圖3.34 輸入端位移與墨水室壓力之關係圖…………………… 91
圖3.35 輸入端作動頻率與噴墨速度之關係圖…….…………... 93
圖3.36 輸入端作動頻率與主動側壓力室內之壓力的關係圖… 94
圖3.37 輸入端作動頻率與墨水室壓力之關係圖……………… 94
圖3.38 壓電致動器之控制電壓與電流變液的體積模數之關係圖………………………………………………………… 96
圖3.39 壓電致動器之控制電壓3V動態下墨水室壓力下降的曲線……………………………………………………… 97
圖3.40 壓電致動器之控制電壓5V動態下墨水室壓力下降的曲線……………………………………………………… 98
圖3.41 壓電致動器之控制電壓7V動態下墨水室壓力下降的變化曲線………………………………………………... 98
圖3.42 壓電致動器之控制電壓9V動態下墨水室壓力下降的曲線……………………………………………………… 99
圖3.43 以壓電致動器之控制電壓為主軸下,外加電流變液閥控制電場與電流變液的複變剪力模數之關係圖……... 101
圖3.44 以墨水室壓力為主軸下,外加電流變液閥控制電場與電流變液的複變剪力模數之關係圖…….…………….. 102
圖3.45 壓電致動器之控制電壓3V正弦波輸入之連續噴墨圖. 104
圖3.46 壓電致動器之控制電壓7V正弦波輸入之連續噴墨圖. 105
圖3.47 壓電致動器之控制電壓3V三角波輸入之連續噴墨圖. 106
圖3.48 壓電致動器之控制電壓7V三角波輸入之連續噴墨圖. 107
圖3.49 壓電致動器之控制電壓訊號波形時輸入端位移與墨水室壓力之關係圖………….……………………………... 108
表目錄
頁次
表1. 同心圓環式流體閥的尺寸格……………………………... 51

參考文獻
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