複合式讀卡機之疲勞失效分析與可靠度評估
117
0
0
全文
(2) 複合式讀卡機之疲勞失效分析與可靠度評估 Fatigue Analysis and Reliability Assessment of Hybrid Card Reader 研 究 生: 張 耀 文. Student : Yao-Wen Chang. 指導教授: 金 大 仁 博士. Advisor : Dr.Tai-Yan Kam. 國 立 交 通 大 學. 工學院精密與自動化工程學程 碩. 士. 論. 文. A Thesis Submitted to Degree Program of Automation and Precision Engineering. College of Engineering National Chiao Tung University in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Automation and Precision Engineering April 2006 Hsinchu, Taiwan, Republic of China. 中華民國 九十五 年 四 月.
(3) 複合式讀卡機之疲勞失效分析與可靠度評估 研究生：張 耀 文. 指導教授：金 大 仁 博士. 國立交通大學工學院精密與自動化工程學程. 中 文 摘 要. 本文目的在於研究複合式讀卡機的疲勞失效模式及其效應，推斷容易引起失 效的零件，然後建立三種不同破壞準則探討零件疲勞壽命的可靠度。研究過程 中，首先瞭解複合式讀卡機之作動要點、功能及機構特色，建立作動流程與可靠 度方塊圖，藉由失效模式與效應分析探討複合式讀卡機的元件，分析低層次組件 失效對較高層次系統的影響，並推斷容易引起疲勞失效的零件，再依據零件材料 之疲勞應力，建構三種破壞準則即「疲勞應力小於工作應力振幅」 、 「安全因數小 於 1」、「工作應力點與 Goodman 失效面的距離小於 0」，並藉此建立極限狀態方 程式，再利用 first order second moment 方法計算可靠度指標β值，並研究各參數 之變異程度對零件疲勞壽命之可靠度影響。文中說明如何計算各種破壞準則的可 靠度，並分析何種破壞準則計算可得到較保守之可靠度指標β值，進一步分析零 件各設計參數對可靠度之敏感度分析，於敏感度分析結果之中，可選擇高敏感度 參數作為設計、製造、進料檢驗重點以生產高可靠度低成本之零件。 關鍵詞：複合式讀卡機、破壞準則、失效模式與效應分析、可靠度指標β值. i.
(4) Fatigue Analysis and Reliability Assessment of Hybrid Card Reader. Student：Yao-Wen Chang. Advisors：Dr.Tai-Yan Kam. Master Degree Program of Automation and Precision Engineering College of Engineering National Chiao Tung University. ABSTRACT The purpose of this paper is to study the failure of the critical components of the hybrid card reader using the failure mode and effects analysis (FMEA). In the failure analysis, three different failure criteria are used to study the fatigue life reliability of the components. In the analysis process, after reviewing the operational conditions, functions and mechanism characteristics of the hybrid card reader, the operational procedure and reliability related diagrams are constructed. The FMEA is used to analyze the components’ failure effects to study how they can affect the reliability of the system and determine which components are easier to fail. The fatigue life reliabilities of the components are computed by using the three different failure criteria, namely, stress-strength criterion, safety factor, and Goodman failure criterion. The limit state equations derived from the corresponding failure criteria are used in the reliability analysis of the components. The first order second moment method is used to calculate the reliability index β and study how the component parameters’ variances affect the fatigue life reliability of the component. The results obtained in this study can identify the failure criterion which produces the lowest reliability. In the sensitivity analysis, the effects of the component’s design parameters on fatigue reliability are investigated. The results can help identify the key factors important to the design, manufacturing and inspection of components with higher reliability and lower cost. Key Words:. hybrid card reader, FMEA, failure criteria, reliability index β ii.
(5) 誌 謝 本文承蒙指導教授金大仁博士的悉心指導與耐心教誨方能順利完 成，在此致上由衷謝意。 在這三年多的學習與研究過程中，感謝偉芬學姐、昌毅與于昇學長的 協助，以及崧任、建郎、維成、加融、慶博、欣翰學弟與實驗室所有成員 一起奮鬥與勉勵，更感謝學生任職之同亨科技股份有限公司之主管： 張 永銘總經理、劉健郎副總經理、滕萬生副總經理、孫思厚協理、蔡明相協 理等於進修期間的關懷，並能夠以公司的產品做為實驗研究對象，才使得 研究工作得以順利進行，希望以此研究成果應用於公司的設計工作、導入 可靠度觀念於產品設計，並且提供給設計驗證部門之可靠度測試參考，以 減少設計變更次數與可靠度驗證時間，使產品順利量產。 最後要感謝父母親、岳父母、辛苦的老婆 淑華、弟弟、弟媳、妹妹、 妹夫給我的支持與鼓勵，以及小兒軒銘與凱傑的乖巧用功，使能在工作之 餘能夠心無掛慮的完成學業取得學位。僅以此文獻給所有關心與愛護我的 人。. iii.
(6) 目 錄 中文摘要. ……………………………………………………………………………………………. i. 英文摘要. ……………………………………………………………………………………………. ii. 誌謝. ……………………………………………………………………………………………. iii. 目錄. ……………………………………………………………………………………………. iv. 表目錄. ……………………………………………………………………………………………. vi. 圖目錄. ……………………………………………………………………………………………. viii. 符號說明. ……………………………………………………………………………………………. x. 一、. 緒論. ……………………………………………………………………………………. 1. 1.1. 前言. ……………………………………………………………………………………. 1. 1.2. 研究背景與動機. 1.3. 文獻回顧. 1.4. 本文研究方向. 二、. …………………………………………………………………. 2. …………………………………………………………………………… 3 ………………………………………………………………………. 複合式讀卡機之介紹. ……………………………………………………………. 4 5. ……………………………………………… 5. 2.1. 卡片之規格、基本結構與特徵. 2.2. 複合式讀卡機之架構與零件組成. 2.3. 複合式讀卡機之作動流程. 2.4. 影響複合式讀卡機之主要因素. ………………………………………… 7. …………………………………………………… ……………………………………………. 7 8. 2.4.1 構造組成. …………………………………………………………………………… 8. 2.4.2 操作方式. …………………………………………………………………………… 9. 2.4.3 零件材料. …………………………………………………………………………… 10 ………………………………………………………. 10. 2.5.1 彈簧特性. ……………………………………………………………………………. 11. 2.5.2 彈簧材料. ……………………………………………………………………………. 11. 2.5. 2.6. 讀取頭裝置之回位彈簧. IC 卡讀取頭. 2.6.1 端子. …………………………………………………………………………. 12. ……………………………………………………………………………………. 12. 2.6.2 滑動磨耗. …………………………………………………………………………… 14. 2.6.3 表面處理. …………………………………………………………………………… 15. 三、. 複合式讀卡機之失效分析. ……………………………………………………. 17 17. 3.1. 失效模式與效應分析. 3.2. 失效分析. …………………………………………………………………………… 29. 3.2.1 彈簧失效. …………………………………………………………………………… 29. 3.2.2 磨損. ……………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. iv. 30.
(7) 3.2.3 疲勞與 S-N 曲線…………………………………………………………………… 31 3.2.4 鬆弛. ……………………………………………………………………………………. 3.2.5 卡片失效. ……………………………………………………………………………. 可靠度分析方法. 33. …………………………. 34. …………………………………………………………………. 35. 3.2.6 複合式讀卡機之失效的處理方式與潛在問題 四、. 32. ……………………………………………………………. 35. …………………………………………………………………………. 39. 4.1. 強度－應力干涉理論. 4.2. 力矩近似法. 4.3. 常態分佈函數. ………………………………………………………………………. 41. 力學分析. ……………………………………………………………………………. 44. 5.1. 彈簧常數. ……………………………………………………………………………. 44. 5.2. 理論計算分析……………………………………………………………………… 45. 5.3. 分析結果. 五、. 六、. ……………………………………………………………………………. 47. ………………………………………………………………. 48. ……………………………………………………………………………………. 48. 實驗與可靠度評估. 6.1. 前言. 6.2. 破壞準則. 6.3. 實驗數據與計算分析. 6.4. ……………………………………………………………………………. 48. ……………………………………………………………. 50. 可靠度分析. ………………………………………………………………………. 64. 6.5. 可靠度設計. ………………………………………………………………………. 66. 6.6. 敏感度分析. ………………………………………………………………………. 67 69. 七、. 結論與未來工作. 參考文獻. ……………………………………………………………………………………………. 71. ……………………………………………………………………………………………………. 73. 附錄. …………………………………………………………………. v.
(8) 表 目 錄 表1. ISO 7811 卡片規格表. 表2. IC 卡的端子功能. 表3. 磁條卡與 IC 卡之比較. 表4. 基座金屬電性與機械特性. 表5. 危害性指數評定類別及建議處理準則. 表6. 複合式讀卡機組件失效之嚴重等級. 表7. 複合式讀卡機零組件與編號. 表8. FMEA - 塑膠構架. 表9. FMEA - 左/右機架. 表 10. FMEA - 機架螺絲. 表 11. FMEA - 偵測桿. 表 12. FMEA - 定位銷 1. 表 13. FMEA - 壓縮彈簧. 表 14. FMEA - 微動開關 2 組合. 表 15. FMEA - 螺絲 1. 表 16. FMEA - 磁頭組合. 表 17. FMEA–圓錐螺旋彈簧. 表 18. FMEA–定位銷 2. ……………………………………………………………………… 23. 表 19. FMEA–定位銷 3. ……………………………………………………………………… 24. 表 20. FMEA–螺絲 2. 表 21. FMEA–IC 卡讀取頭組合. 表 22. FMEA–拉伸彈簧 1. 表 23. FMEA–電磁閥. 表 24. FMEA–連桿組 1. ……………………………………………………………………… 25. 表 25. FMEA–連桿組 2. ……………………………………………………………………… 26. 表 26. FMEA–連桿定位銷. 表 27. FMEA–拉伸彈簧 2. 表 28. FMEA–歸位桿. 表 29. FMEA–扣環. 表 30. FMEA–介面電路板螺絲. 表 31. FMEA–電子零件、連接器、電路板. 表 32. 複合式讀卡機 FMEA 結果-1. ………………………………………………………………. 5. ………………………………………………………………………. 6. ……………………………………………………………… …………………………………………………………. 7 14. ………………………………………. 19. ……………………………………………. 19. ………………………………………………………. 20. …………………………………………………………………… 20 …………………………………………………………………. 20. …………………………………………………………………… 21. ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………. 21 21. …………………………………………………………………… 22 …………………………………………………………. 22. ………………………………………………………………………… 22 …………………………………………………………………… ………………………………………………………………. …………………………………………………………………………. 23 23. 24. …………………………………………………………. 24. …………………………………………………………………. 25. ………………………………………………………………………. …………………………………………………………………. 25. 26. ………………………………………………………………… 26. ………………………………………………………………………. 27. ……………………………………………………………………………. 27. ………………………………………………………… …………………………………………. 27 28. ……………………………………………………… 28. vi.
(9) 表 33. 複合式讀卡機 FMEA 結果-2. 表 34. 拉伸彈簧相關參數之平均值與標準差. 表 35. IC 卡讀取頭端子相關參數之平均值與標準差. 表 36. 拉伸彈簧的三種破壞準則之β值與性能函數對設計參數之敏感度 74. 表 37. 拉伸彈簧的三種破壞準則取不同標準差之β值. 表 38. IC 卡讀取頭端子的三種破壞準則之β值與性能函數對設計參數之 敏感度. ……………………………………………………… 29 ……………………………………… ……………………………. …………………………. …………………………………………………………………………………. 表 39. IC 卡讀取頭端子的三種破壞準則取不同標準差之β值. 表 40. 可靠度 0.9999 並取不同標準差之彈簧線徑 d. 表 41. 可靠度 0.9999 並取不同標準差之彈簧平均螺旋直徑 D. 表 42. 可靠度 0.9999 並取不同標準差之 IC 卡讀取頭端子板厚 h. 表 43. 可靠度 0.9999 並取不同標準差之 IC 卡讀取頭端子懸臂長 l. 表 44. 拉伸彈簧的三種破壞準則之β值的敏感度分析. 表 45. IC 卡讀取頭端子的三種破壞準則之β值的敏感度分析. vii. 73 73 74 74. ………………. 75. ……………………………. 75. ………………. 75. …………… 76 ………. …………………………. 76 76. ……………… 76.
(10) 圖 目 錄 圖1. 磁條卡之磁條位置. 圖2. ……………………………………………………………………. 77. IC 卡的端子位置. ………………………………………………………………………. 77. 圖3. IC 卡的基本結構. ………………………………………………………………………. 77. 圖4. 卡片與複合式讀卡機. 圖5. 塑膠構架. 圖6 圖7. 左機架 右機架. 圖8. 卡片偵測裝置. 圖9. 介面電路板. 圖 10. 微動開關 2 組合. ………………………………………………………………………. 81. 圖 11. 磁卡之磁頭裝置. ………………………………………………………………………. 81. 圖 12. IC 卡之讀取頭裝置. 圖 13. 電磁閥裝置. 圖 14. 偵測桿施力於卡片的方向、卡片與微動開關 2 的接觸定點. …………………………………………………………………. 78. …………………………………………………………………………………. 79. ……………………………………………………………………………………. 79. ……………………………………………………………………………………. 79. …………………………………………………………………………. 80. ………………………………………………………………………………. 80. ……………………………………………………………………. 82. ………………………………………………………………………………. 82. …………. 83. 圖 15-1 IC 卡與讀取頭裝置之靜態連結. …………………………………………………. 83. 圖 15-2 IC 卡與讀取頭裝置之靜態連結. …………………………………………………. 84. ……………………………………………………………………. 84. 圖 16. 磁條卡與磁頭裝置. 圖 17. 複合式讀卡機之作動流程. 圖 18. 複合式讀卡機之組件爆炸圖. 圖 19. IC 卡讀取頭的端子. 圖 20. IC 卡讀取頭端子的讀卡之受力狀況. 圖 21. 複合式讀卡機之可靠度方塊圖. 圖 22. S-N 曲線. 圖 23. 交變應力之特性. 圖 24. 應力鬆弛現象. 圖 25. 應力與強度分佈之分析. 圖 26. 強度 X 與應力 Y 之分佈 －1. ……………………………………………………… 90. 圖 27. 強度 X 與應力 Y 之分佈 －2. ……………………………………………………… 91. 圖 28. 強度 X 與應力 Y 之分佈 －3. ……………………………………………………… 91. 圖 29. 強度 X 與應力 Y 之分佈 －4. ……………………………………………………… 91. 圖 30. 極限狀態方程式 g(X) = 0. 圖 31. IC 卡讀取頭端子之彈簧常數 K 值量測. …………………………………………………………. 85. ………………………………………………………. 86. ……………………………………………………………………. 86. …………………………………………… 87. …………………………………………………. 88. …………………………………………………………………………………. 89. ………………………………………………………………………. 89. …………………………………………………………………………. 89. ……………………………………………………………. 90. ………………………………………………………… 92. viii. ……………………………………. 92.
(11) 圖 32. IC 卡讀取頭端子之實驗的彈簧常數 K 值. 圖 33. IC 卡與讀取頭端子連結之後的相關位置和作用力. 圖 34. IC 卡之彈簧常數 K 值量測. 圖 35. IC 卡之實驗的彈簧常數 K 值. 圖 36. 簡支樑承受集中負荷的變位. 圖 37. 拉伸彈簧之規格. 圖 38. 疲勞剪應力與工作剪應力振幅之示意圖. 圖 39. IC 卡讀取頭端子之規格. 圖 40. 拉伸彈簧的工作應力點接近斷裂線或塑性變形線之安全因數. 圖 41. IC 卡讀取頭端子工作應力點接近斷裂線或塑性變形線之安全因數 97. 圖 42. 拉伸彈簧的工作應力點與 Goodman 失效面之距離. 圖 43. IC 卡讀取頭端子的工作應力點與 Goodman 失效面之距離. 圖 44. 拉伸彈簧之彈簧常數 K 值量測. 圖 45. 拉伸彈簧之實驗的彈簧常數 K 值. 圖 46. 拉伸彈簧的拉伸試片尺寸. 圖 47. 拉伸彈簧的拉伸試片與夾具. 圖 48. 拉伸彈簧試片的拉伸試驗曲線. 圖 49. IC 卡讀取頭端子的拉伸試片尺寸. 圖 50. IC 卡讀取頭端子的拉伸試片. 圖 51. IC 卡讀取頭端子試片的拉伸試驗曲線. 圖 52. 不同材料的疲勞限應力與抗拉強度的比值. 圖 53. 已知拉伸彈簧工作應力點，求平均剪應力為 0 之等壽命剪應力振幅 101. 圖 54. 已知 IC 卡讀取頭端子工作應力點，求平均彎曲應力為 0 之等壽命 彎曲應力振幅. …………………………………. 93. ……………………. 93. ……………………………………………………. 94. …………………………………………………. 94. ……………………………………………………. 95. ………………………………………………………………………. 95. ……………………………………. 95. …………………………………………………………. 96. ……. …………………… …………. 96 97 97. ………………………………………………… 98 ……………………………………………… 98. ……………………………………………………… …………………………………………………… ………………………………………………… ……………………………………………. ……………………………………………………. 99 99 100 100. ……………………………………… 100 ………………………………. …………………………………………………………………………. 圖 55. 拉伸彈簧的三種破壞準則取不同標準差之β值. 圖 56. IC 卡讀取頭端子的三種破壞準則取不同標準差之β值. 圖 57. 可靠度 0.9999 之彈簧線徑 d. 圖 58. 可靠度 0.9999 之彈簧平均螺旋直徑 D. 圖 59. 可靠度 0.9999 之 IC 卡讀取頭端子板厚 h. 圖 60. 可靠度 0.9999 之 IC 卡讀取頭端子懸臂長 l. …………………………. 101. 101 102. ……………… 102. ……………………………………………………. ix. 99. 103. ……………………………………… 103 …………………………………… 104 ………………………………… 104.
(12) 符號說明 RS ：. 串聯系統可靠度. U：. 應變能. B：. 負載，荷重. δ：. 變形量，拉伸量，變位. C：. 每單位接觸面積所移除的材料重量. Q：. 移除的材料重量. A：. 接觸面積. L：. 滑動距離. S：. 應力. N：. 疲勞壽命. f (t ) ：. 機率密度函數. F (t ) ：. 累積分佈函數. R(t ) ：. 可靠度函數. f X ,Y ( x, y ) ： X 與 Y 之聯合機率密度函數. F：. 失效機率. R：. 可靠度. β：. 可靠度指標. Φ(*)：. 標準常態累積分佈函數. g(X)：. 性能函數. PS ：. 可靠度. E[X]：. 期望值. Var[X]：. 變異數. σ：. 隨機變數之樣本的標準差. µ：. 隨機變數之樣本的平均值. n：. 彈簧螺旋有效圈數. d：. 彈簧線徑. D：. 彈簧之平均螺旋直徑. G：. 剪彈性係數，橫彈性係數. K：. 彈簧常數. k：. 瓦爾的應力修正係數. c：. 彈簧指數. τ：. 剪應力 x.
(13) l：. 懸臂長. E：. 楊氏係數，縱彈性係數. I：. 樑之斷面二次矩. S：. 彎曲應力. M：. 彎矩. y：. 到中立軸的距離. b：. 板寬. h：. 板厚. Sult：. 抗拉強度. Syp：. 降伏應力. Se：. 疲勞限應力. Sa：. 應力振幅. Sm：. 平均應力. τsu：. 抗剪強度. τyp：. 剪降伏強度. τe：. 疲勞限剪應力. τa：. 剪應力振幅. τm：. 平均剪應力. FS：. 安全因素. H：. 工作應力點與 Goodman 失效面的距離. xi.
(14) 一、緒論 1.1. 前言 自 1920 年第一張記錄用卡片上市至今[1]，全球已發行十億張以上的 卡片，廣泛地使用在日常生活中，而若把日常最常接觸的電話卡及停車、 乘車磁卡等等估算，其使用數量更不記其數。但是此種磁條卡只能儲存簡 單的安全碼，只要一台讀卡機，任何人都能讀取其資料，也能重編程式， 所以容易發生盜刷、側錄、偽卡氾濫的事件，其安全性甚低。 IC 卡(或稱晶片卡、智慧卡)在全世界最早是由日本人有村國孝於 1970 年發明，專利第 940548，此記載於特公昭 53-6491 號中。專利申請日為 1970 年 3 月 3 日，專利權是由申請日開始，到第二十年的 1990 年 3 月 3 日為 止[2]。IC 卡是目前所知安全性最佳的儲存媒體，就像一張裝了微型電腦 的卡片，較能防止持卡人的資料被盜用，是比磁條卡更安全的支付工具。 此因其單晶片作業系統對於儲存每一筆資料均有嚴格的存取控制，而且可 以提供加密演算，將訊息直接傳入 IC 卡中運算，密鑰完全閉鎖在晶片之 中，不會洩漏到晶片之外。但是晶片價格高昂，因而無法普及，近年來由 於晶圓代工價格逐漸下滑，使得 IC 卡的製造成本大幅降低，加上網際網 路興起帶動電子商務的發達，IC 卡具有的高保密性與安全性再度受到重 視。目前使用 IC 卡之最大問題在於資訊平台和管理系統等尚未完全普及 化，所以 IC 卡與磁條卡將會並存好一段時間。 上述兩種卡片均各需有專用之讀取裝置，而具有整合兩種卡片讀取功 能之複合式讀卡機提供了最佳的解決方案，但必須能滿足下列要求：磁條 卡採動態刷動以磁頭讀取磁條上之資料，而 IC 卡採用讀取頭與卡片之端 子做靜態連結，不致因相互滑動接觸造成摩擦磨損而減短使用壽命甚至於 無法使用。平均一張 IC 卡的使用壽命可讀取 10 萬次，在可靠耐用性上更 非磁條卡得以比擬。IC 卡接點機構設計之重點是 IC 卡插入讀卡機於接觸 時機構帶動之連接裝置，其使用壽命需達 50 萬次以上[3]。因此在機構設 計時，不可僅以一般連接器的接觸方式來思考，而必須具有所謂 Landing 的功能，才不致因磨損而無法使用。因此對複合式讀卡機做失效分析與可 靠度評估是值得研究的課題。 1.
(15) 1.2. 研究背景與動機 隨著科技發達使人類在交易支付方式，從遠古時代之貝殼，演進至錢 幣，再進入現今及未來的塑膠貨幣的盛行，均是由於金融自動化所帶來之 便利。在交易自動化的結果，將可減少處理成本，以及降低偽幣風險。只 要有人類的地方即有交易的存在，而金融交易自動化的趨勢是不可避免之 人類演進的過程。 在金融交易自動化當中，讀卡機扮演很重要的交易介面角色，舉凡自 動櫃員機(ATM)、轉帳繳款櫃員機（Kiosk） 、Point-Of-Sale（POS）機、加 油機、公用電話、數位電視機上盒等等，都可看到讀卡機的廣泛應用實例。 因此讀卡機對於塑膠貨幣之普及化佔有很重要地位。複合式讀卡機能讀取 磁條卡與 IC 卡的資料，這可以提供更多元化的附加服務，預期未來可望 逐漸蔚為市場的發展潮流。台灣 IC 卡市場發展至今，總發卡量直逼三千 萬張大關，在政府政策推動與民間商業行為雙重影響下，基礎建設正逐步 建置，而讀卡機之可靠度，將無庸置疑是整個卡片產業發展的重要因素之 一，也是讀卡機產業的核心競爭力，其研發不只是創造新產品與創新應用 模式，同時也在改善設計及保證產品的可靠性。若在產品設計初期便對未 來可能遇到的問題進行分析，設計產品較能符合各階段工程的要求，減少 後期設計變更的次數，藉此縮短研發時程增加獲利。 可靠度是產品品質的要素，因此產品可靠度的良窳將直接影響產品的 品質與競爭力。可靠度評估的重點為量化發生失效的機率，而評估過程中 最重要的工作在於元件失效機率的決定。所以必需收集許多元件的資訊， 諸如失效時間、壽命等。並分析失效原因以利採取對策，並應用合適的方 法來修正在單純環境狀況下所獲得之失效率並建立一系統性的方法來評 估複合式讀卡機的可靠度，此對於塑膠貨幣的發展有重要影響。 亞太區智慧卡協會(APSCA) 表示，2005 年的智慧卡博覽會將加入台 灣通訊、金融、交通與身份認證四大領域的智慧卡應用實際案例，象徵國 內智慧卡應用在逐步落實後，邁向應用整合的領域前進。台灣的智慧卡應 用在全球可說是相當特殊案例，進度也遠比多數國家快速，進三年來包括 健保、金融、交通與認證等應用逐漸到位，已成為全球矚目焦點。整合現 有的 IC 卡應用，透過跨產業整合，創造出更便利的 IC 卡使用環境，由此 2.
(16) 也再再顯示讀卡機的未來龐大商機。 1.3. 文獻回顧 就本文主題，在許多有關可靠度評估的書籍資料中，如：Ang & Tang[4]、Paul Kales[5]、Dhillon[6]、Charles E. Ebeling[7]，均有介紹可靠 度相關理論推導與計算方法、機率分佈、參數估計、最小平方法等，以估 計可靠度。在失效模式與效應分析方面，如 Paul Kales[5]、柯輝耀[8]、張 起明[9]均有詳細說明與實施方法，透過此縝密的分析工作，使在設計初始 階段能預防缺陷、消除潛藏之失效模式、關鍵項目與研究防制的方法，以 提高產品可靠度。在材料疲勞破壞方面，Collins [10]詳細介紹了影響 S-N 曲線、疲勞強度之諸多因素，如：料件表面狀況、腐蝕、表面處理、熱處 理、溫度等，了解這些變數後，可做為零件設計與製造之調整參數的參考。 在機械元件的設計過程之中，依據強度與應力的機率分佈以估算可靠 度；相反地，可以從外力、可靠度需求與一些已知條件，以決定元件的尺 寸。所以在設計時，可靠度扮演的角色相當於安全因數。此外，可靠度的 概念提供了元件的安全因數對於由強度與應力概念所組成的不確定事務 [11]有關的或然率關係。當應用可靠度概念設計零件時，基本數據必需已 知，這些隨機變數包括：材料的強度、應力與不同的設計因素等，上述隨 機變數經常被假設為常態分佈，這種假設是合理的，這是因為考慮的變數 是相互獨立的，致使沒有一個變數對於其他變數有很大影響力。 對於機械件的可靠度設計而言，產品越複雜、所使用的零組件越多， 可靠度越低。可靠度與產品性能一樣，應視為產品的設計參數，而且在設 計之初就必須考慮，並借助可靠度驗證以利用所有可用資料做評估與證明 產品對於可靠度需求的達成程度。疲勞壽命可靠度分析方法有很多， Avakov[12]於 Goodman Diagram 推導安全因數的表示式，以計算承受變動 應力的安全因數，但採取以實際安全因數與理論安全因數的比值來判斷是 否可靠，仍視安全因數為定值是無法符合實際需求。Mischk[13]與 May 等 [14]提出安全因數可靠度的方法，因是應用 Chebyshev 不等式，所以僅是 粗略的估計方式。Bagic[15]考慮疲勞強度減少係數，如：缺口、表面粗度、 尺寸、環境因素等，以修正 Miner’s Rule，藉由累積損傷理論與藉助 SN 曲 線做疲勞設計。Chang[16]在機械元件承受變動負荷時，提出計算疲勞壽命 3.
(17) 可靠度的多種方法，其中提及在 Goodman Diagram 中，平均應力與應力振 幅具有相同安全因數，亦即變動負荷的平均應力與應力振幅的比值相同， 並應用泰勒級數展開計算強度與應力的平均值與標準差，再利用強度－應 力干涉理論計算可靠度指標，是一個簡單且直接的方法，以取代傳統的安 全因素，而一般在固定之應力振幅下，耗時實驗收集數據建立 SN 曲線， 再利用機率分佈理論量化疲勞壽命可靠度的方式[17]是比較煩瑣。 1.4. 本文研究方向 本文旨在探討複合式讀卡機之疲勞失效分析與可靠度評估。在做失效 分析之前，首先對於複合式讀卡機的架構、零件組成、作動流程與影響功 能的主要因素做詳細瞭解，然後建立可靠度方塊圖，以顯示可靠度相關 性。然後借助失效模式與效應分析的方法以分析系統內潛藏的失效模式， 發現弱點與缺失，並找出防範與補救對策，對於失效率偏高、危害系統可 靠度最嚴重者做疲勞壽命可靠度評估。並經由實測、理論計算分析零件在 受力狀況下的變位量。在實驗與計算可靠度方面，建立實驗方法與應用不 同破壞準則，並利用 first order second moment 方法計算可靠度指標β值， 然後研究各參數之變異程度對機件疲勞壽命之可靠度影響，並分析何種破 壞準則可得到較保守之可靠度指標β值。在可靠度設計分析方面，進行擇 優設計以獲得滿足需求與使用中不發生失效之具最佳可靠度水準之零件 設計。進一步分析機件各設計參數對可靠度之敏感度分析，於敏感度分析 結果之中，可選擇高敏感度參數作為設計、製造、進料檢驗重點以生產高 可靠度低成本之機件。以可靠度的概念，並配合力學的觀念，求證壽命在 應力與強度之關係。研究流程整理如下： 複合式讀卡機之剖析. 可靠度方塊圖. 力學分析. 實驗與可靠度計算. 可靠度分析. 可靠度設計. 4. 失效模式與效應分析. 建立破壞準則. 敏感度分析.
(18) 二、複合式讀卡機之介紹 2.1. 卡片之規格、基本結構與特徵 研究複合式讀卡機之前，對於卡片之規格有必要先行了解，使得兩者 之介面連結與操作方式對於可靠度之影響才有基本認識。 根據 ISO7810 所定義之標準塑膠卡片共有三型 ID-1、ID-2 及 ID-3， 其差異僅在長寬尺寸上不同，其厚度均相同，其中目前市面上最常見為 ID-1 Type 之卡片；而日本 JIS B-9560，及我國 CNS 12821-1，均定義以 ID-1 為標準卡片。三型標準塑膠卡片之尺寸規格如表 1 所示， 表 1 ISO 7811 卡片規格表. 資料來源：ISO 7811 卡片所使用的塑膠材料在 ISO 7810 的卡片材料中有規定，考慮到印刷 著色、積層加工、磁條加工、浮印加工(熱可塑性)等，使用特性配合較佳 的 PVC(Polyvinyl chloride，聚氯乙烯)、PVCA(Polyvinyl chloride acetate， 氯乙烯醋酸乙烯共聚合樹脂)。 磁條卡即將磁性材料(簡稱磁條)黏貼於卡片上之特定位置如圖 1 所 示，系統則以特定之編碼規則，將資料讀取或儲存於該磁性材料上，在磁 條卡之磁條記錄區內，則資料經由磁頭改變線圈磁性來寫入或感應磁條卡 上之磁場信號，以達到資料存取之功能。磁條卡之記憶容量約 128 byte， 因此其磁條所記錄者，多為個人之識別資料(如編號、密碼等)，或其他較 簡單資料，但其低成本、製作方便之優點，使其能廣泛使用；但由於其不 具備任何運算能力，且記憶容量少，作離線作業較不方便，同時極易受外 部磁場(或電場)影響而破壞，使得其安全性及擴充性，較受限制。 5.
(19) IC 卡(Integrated Circuit Card)係將一個或多個具有邏輯運算處理或記 憶功能之積體電路封裝於塑膠卡片之總稱。其透過卡片上之界面端子，藉 由讀卡裝置與系統溝通，將資料存放於卡片內之記憶 IC(ROM 或 RAM)， 再以 CPU 或直接透過端子與系統交換，因此其不會如磁條卡般易受外在 磁場影響，同時由於其 IC 記憶容量有 8k、16k 及 64k bit，較磁條卡之 0.6k bit 為大，因此除一般資料存取，更可加入保護軟體，以提升資料之安全性。 在 ISO 標準中，在 IC 卡的表面或裡面規定 8 個端子，端子位置尺寸如圖 2 所示，其端子的形狀是方形，最小接觸面積要有 1.7×2.0mm。各個端子有 其特有的功能如表 2 所示。IC 卡基本結構如圖 3 所示。 表 2 IC 卡的端子功能. 資料來源：[2] IC 卡具有下列特徵： 1.具有運算功能，可以管理記憶體 2.資料可消去，也可再度寫入 3.資料的保密功能優良 磁條卡與 IC 卡之比較如表 3 所示，可知兩者因存放資料的載具不同， 使得 IC 卡可以取代磁條卡，改良了磁條卡的缺點。實際應用時，IC 卡係 由金融機構將持卡人之金融帳戶相關資料，由原本存放在磁條內改為存放 在晶片上，由於存放在晶片內之邏輯運算與基碼長度是由發卡機構於發卡 時所決定，其 IC 卡產製之驗證碼或簽章只有發卡機構知道，所以交易安 全由發卡機構與卡片 (End to End) 決定，與網路成員無關，使整個交易之 安全卻大大提升，所以 IC 卡是高科技的產品，比一般的磁條卡更安全， 6.
(20) 不易被偽造。 表 3 磁條卡與 IC 卡之比較 IC 卡. 磁條卡. 尺寸(長×寬×厚). 54mm×86mm×0.76mm. 同左. 資訊儲存媒體. IC 記憶體. 磁性體. 2000 字(使用 16k bit 記憶體時). 72 字. 8000 字(使用 64k bit 記憶體時). (約 0.58k bit 的記憶體容量). 安全功能強. 卡片容易保管. 通用性高. 價格便宜. 記憶容量. 優點. 記憶體容量大 缺點. 價格. 卡片不易保管. 安全上有缺失. 價格高. 通用性有限. 抗靜電力弱. 抗磁力弱. 高(每張成本約 100 元). 便宜(每張成本約 4 元). 資料來源：[2]. 2.2. 複合式讀卡機之架構與零件組成 手動進出型(Manual Operated Type) 複合式讀卡機如圖 4 所示，是以手 動插入 IC 卡至與讀取頭靜態相連結或插入磁條卡與磁頭做動態滑動摩 擦，之後再以手動拉出。其設計要點在於讀取卡片資料之穩定性、可靠性 等性能上，以使交易能夠快速完成。複合式讀卡機之架構如下：(1)塑膠構 架與機架(2)卡片偵測裝置(3)介面電路板(4)磁條卡之磁頭裝置(5)IC 卡之讀 取頭裝置(6)電磁閥裝置。此架構之零件組成如圖 5～圖 13 所示。. 2.3. 複合式讀卡機之作動流程 手動進出型複合式讀卡機，當卡片進入時，會滑動經過磁頭，並連帶 推動讀取頭壓接於卡片之外部連接端子面上，而到達定位時會觸動微動開 關 2 組合，告知卡片已達定位。為使卡片平順穩定推送，目前一般設計多 採一偵測桿與彈簧，直接平均施壓力於卡片邊，使卡片沿另一滑動邊做靠 7.
(21) 單邊之前後滑行之運動如圖 14 所示。IC 卡採讀取頭與卡片之外部連接端 子做靜態連結如圖 15 所示，而磁條卡則以動態刷動使磁頭讀取磁條上之 資料如圖 16 所示，因此其讀取系統大不相同。複合式讀卡機之作動流程 如圖 17 所示。 由此作動流程可知，複合式讀卡機是由獨立單元所連接而成的複雜系 統，其中任一單元的失效將會導致整個系統失效，此種組件的連接方式即 為串聯系統。此系統的可靠度受到最弱單元可靠度的限制。串聯可靠度的 計算採用乘法律。即假設一系統有 n 個組件，其在指定環境及時段內的組 件可靠度分別為 R1、 R2 …… Rn ，則其在指定環境及時段內系統操作的串聯 系統可靠度 RS [5]為 RS = R1 × R2 × … × Rn. (2-1). 上式的另一意義為「若 RS 保持不變，當組件個數 n 越多時，則各組件可靠 度 Ri 必須提高」。換句話說， 「各組件的失效機率必須相對降低」。 2.4. 影響複合式讀卡機之主要因素. 2.4.1 構造組成 複合式讀卡機之結構、材料、使用等，多為隨機因素。強度、壽命或 應力等亦具隨機性，呈一定統計分佈狀態，由大量數據統計發現材料強度 等數據多為常態分佈，疲勞壽命等數據為韋伯分佈[18]，讀卡機之失效機 率分佈與零件類型、材料種類、應力狀態及使用環境等有關。 圖 18 所示之組件爆炸圖為複合式讀卡機之構造組成的相關組合位置 之示意圖，其功能依圖內之料件編號依序列述如下： 1.塑膠構架－複合式讀卡機之主結構體，以鎖附與支撐相關零件。 2.磁頭組合(磁頭、固定架與軟排線)－讀取磁條卡資料。 3.圓錐螺旋彈簧－對磁頭裝置施加壓力。 4.螺絲 2－將磁頭裝置與圓錐螺旋彈簧定位在塑膠構架之上。 5.定位銷 3－定位磁頭裝置在塑膠構架之上。 8.
(22) 6.定位銷 2－限定磁頭固定架之組裝高度與定位磁頭裝置在塑膠構架之 上。 7.機架螺絲－鎖固左與右機架於塑膠構架之上。 8.左機架－為複合式讀卡機與其他機構鎖固連結的介面。 9.螺絲 1－將微動開關 2 組合鎖固在塑膠構架之上。 10.微動開關 2 組合－告知卡片已達讀取之定位。 11.定位銷 1－將偵測桿定位於塑膠構架之上。 12.偵測桿－觸動介面電路板之微動開關 1，以偵測是否有卡片出入。 13.壓縮彈簧－施壓力於偵測桿觸動微動開關 1，並使卡片沿另一滑動邊做 靠單邊之前後滑行之運動。 14.右機架－為複合式讀卡機與其他機構鎖固連結的介面。 15.IC 卡之讀取頭裝置－讀取 IC 卡資料，經其軟排線將資料送至相關介面 做處理。此裝置之零件分解如圖 12 所示。 16.拉伸彈簧 1－在卡片取出之同時，使 IC 卡之讀取頭裝置回位。 17.介面電路板－為連接器與信號傳輸處理之介面。 18.介面電路板螺絲－將介面電路板鎖固在塑膠構架之上。 19.電磁閥－鎖住卡片之動力來源。 20.拉伸彈簧 2－釋放卡片之動力來源，使連桿組 1 與連桿組 2 回位。 21.扣環－將歸位桿浮扣其在塑膠構架之定位柱上。 22.歸位桿－當圖 13 之電磁閥裝置無法回位時，推動此桿可使其回位。 23.連桿組 1－因電磁閥的動作而推動連桿組 2。 24.連桿定位銷－將連桿組 2 定位於塑膠構架之上。 25.連桿組 2－在讀取卡片資料時，鎖住卡片，以免資料未被讀取完畢即將 卡片取出。 2.4.2 操作方式 磁條卡藉由手之動態刷動，用滑動磨擦接觸方式使磁頭讀取磁條的資 料，因此彈簧施予磁頭之正向垂直力決定了磁條卡與磁頭之間的摩擦力與 使用壽命，因此兩者均會產生磨損，目前日本廠商所製造之磁頭在施與 400g 之負荷下，其壽命可達 50 萬次卡片刷動。 IC 卡之讀取頭裝置藉由靜態連結與卡片的 8 個端子接合，產生接觸 介面上的正向接觸力，以讀取晶片的資料，因此於設計使用時需使 IC 卡 9.
(23) 外部連接端子及讀卡機讀取頭不致因相互接觸滑動造成摩擦磨損而減短 使用壽命甚至於無法使用。在機構設計時，不可僅以一般連接器的滑動接 觸方式來思考，以免因端子磨損與接觸力不足而嚴重影響其穩定性與使用 壽命。必須具有 Landing 功能，才不致因磨損而失效，因此平均一張 IC 卡 的使用壽命可讀取高達 10 萬次。IC 卡與讀取頭裝置之連結接觸力為 0.2N ～0.6N，機構設計符合此設計規範方能通過 EMV L1 之認證，所謂 EMV. 是由 Europay 與 VISA 及 Master Card 兩大國際信用卡組織等三家公司成立 一家 EMV Co.的公司，共同制訂 IC 卡的全球共通標準（稱作 EMV Integrated Circuit Card Specifications），目的是想藉由標準制訂的力量來統一全球信 用卡的 IC 智慧卡市場。 2.4.3 零件材料 零件材料之選用，應依其材料性質及用途，在不影響成本、可製造性、 功能與可靠度等之情況下作適當決定。讀卡機失效往往與彈簧疲勞關係密 切，因為磁條卡之磁頭裝置與 IC 卡之讀取頭裝置均藉由彈簧的輔助以讀 取卡片資料。彈簧材料在生產製造過程中可能產生各種缺陷，尤其彈簧線 材或板材在拉製或沖壓成形過程之過速、斷面收縮率過大、潤滑不良、熱 處理不當、材料有裂紋、表面脫碳等影響頗大。如彈簧設計時，選擇材質 或參數不當，亦常為造成失效之主因。 一件機械產品，其主要的成本乃在材料的花費上，機械零件的失效模 式以破損、疲勞等現象居多。在設計上材料選擇的巧拙不只左右製品的良 否，也大大影響性能、經濟性；選擇材料的基本觀念是設計、製作機械零 件時，充分考慮該零件要求的性能，選擇適合零件的材料，施行適合的加 工或處理[19]。對於新產品或新設計，材料選用程序之原則如下[20]： 1.計算材料所需承受之靜態負荷與動態疲勞負荷，以決定材料所需抗拉強 度與降伏應力之最小值。 2.淘汰不適合之材料，再從各種合適之材料中，比較材料之成本、製造性、 產品製造後效能之好壞及材料之供應是否充份等，選擇最適合之材料。 2.5. 讀取頭裝置之回位彈簧 讀取頭裝置有一拉伸彈簧，其主要功能為當 IC 卡取出之同時，使讀 10.
(24) 取頭裝置立即回位。當此彈簧產生疲勞而長度增加的現象時，會使得讀取 頭裝置無法回到原位，此時彈簧增加的長度過大時會使得 IC 卡插入時造 成其上之外部連接端子與 IC 卡讀取頭端子產生提前接觸之相對滑動摩擦 而減短使用壽命甚至於無法使用，因此如何確保該拉伸彈簧的使用壽命， 是做到靜態連結以讀取資料之基本設計要求。 2.5.1 彈簧特性 大多數機械元件設計之變形量均以愈小愈佳，即應具高剛性，但彈簧 之設計要求則恰好相反，需有較大變形能力，即受負荷時，能作定量之變 形；移除負荷時，能恢復原來之形狀或位置。換言之，彈簧需具高彈性能， 直接承受軸向力，可儲存能量。在動態條件時，應考慮疲勞強度問題。彈 簧可靠度涉及彈簧各項性能要求，包括力學、物理或化學性能等，尤其耐 疲勞及抗鬆弛性能方面，繫於正確之彈簧設計、製造及選用。對於設計性 能要求高之彈簧，已從靜態強度設計進展至動態疲勞壽命設計之趨勢。. U = ∫ Bdδ. (2-2). 式中 U：應變能，即彈簧受負載後所儲存之能量 B：負載 δ：變形 由承受外力負荷的大小,可決定彈簧的強度,影響工作應力大小的因 素有: 1.加於彈簧負荷的形態 2.腐蝕效應 3.彈簧表面狀況 4.振動及衝力的效應 5.材料成分及熱處理 2.5.2 彈簧材料 一般常用之彈簧材料為琴鋼線(Music Wire)，材料為高品質高碳鋼線， 其具備之特性為韌性高、抗拉強度高、高精度之荷重特性、耐蝕性良好、 11.
(25) 加工安定性良好、尺寸精度高、能承受反覆疲勞負荷等。通常彈簧材料之 各種機械性質隨溫度上升而減少，此溫度隨材料化學成分、製造方法而 異。疲勞限度因平均應力的大小而變化。琴鋼線是用琴鋼線材施行靭化處 理(patenting)，藉由強力抽線加工，賦予良好的尺寸精度、良質的表面外觀、 提高機械性質等。靭化是將高碳鋼線在變態點以上的溫度連續加熱，在約 500℃的熔鉛等中冷卻，作成富加工性的組織。 此外，彈簧材料也採用硬質不銹鋼線，這是將不銹鋼線材用火、酸洗、 強力冷抽線作成，耐蝕性優良，也適合於耐熱性、非磁性的場合。 2.6. IC 卡讀取頭 圖 19 所示為 IC 卡讀取頭的端子與編號順序，此 8 個端子的主要功能 為讀取 IC 卡的資料，其讀取動作為在 IC 卡插入的同時，IC 卡讀取頭的滑 動部會在塑膠構架之軌道上因 IC 卡之推動而滑行，在到達定位碰觸微動 開關組合的同時，如圖 14 所示，讀取頭裝置會因軌道高度的變化而往上 移動，以與卡片之外部連接端子做靜態連結，如圖 15 所示，此設計可避 免兩者之接點端子因相對滑動而磨損，造成不利於兩者之使用壽命與可靠 度。IC 卡的插卡與取卡操作，使讀取頭的端子會產生變位量，因而端子承 受週期應力，端子的疲勞限度取決於應力振幅，應力振幅越小則疲勞壽命 越高，所以 IC 卡讀取頭與 IC 卡之間的訊號傳遞品質高低，由讀取頭端子 之疲勞壽命決定。 整個讀取頭之製程是利用塑膠射出成形模具，將利用沖壓成形的端子 嵌入 PC＋20%GF (即 Polycarbonate＋20%Glass Fiber，聚碳酸酯＋20%玻璃 纖維)的塑膠材料中。. 2.6.1 端子 IC 卡讀取頭的端子，其形狀似一旋臂樑，當卡片到達定位時，端子讀 卡之受力狀況如圖 20 所示，因有八個端子，所以類似於八個薄板彈簧的 設計，其乃用厚度 0.3mm 之磷青銅薄板材料，沖壓加工成所需形狀，而具 有彈簧作用。其特色如下：有彈簧作用而位移大者因用薄板，應力可較小， 理由是彎曲撓度一定時，板厚較小者可減少彎曲應力，其意即薄板彈簧於 12.
(26) 彎曲使用時的撓度可較大。作用於薄板彈簧的荷重與撓度的關係也可設計 成非線性，這是在彈簧彎曲中，改變用為彈簧的有效跨距，及利用板大撓 度的非線性特性。缺點是板厚的些微不同會使彈簧常數變化，設計使用上 若不注意，會引起應力集中，導致疲勞破損。薄板彈簧設計上的問題是在 選定可得必要彈簧力或撓度的形狀與推定彈簧產生最大應力的位置和大 小。 形狀似薄板彈簧的端子，其選用之材料可為銅合金，具有良好電傳導 性、耐蝕性，但是彈性係數小、耐熱性少。鈹銅在銅合金彈簧材料中，性 能最優良，除 Be 之外，也添加 Ni、Co，防止溶體化處理時結晶粒粗大化， 藉真空熔解而可得優秀者，約在 800℃進行溶體化處理，進行適當之冷間 加工。實用的彈簧用磷青銅為含 Sn 3～5.5，5.5～7，7～9%三種 Cu 合金， 為除去氧化物而易伸長起見，加入少量 P 為脫氧劑，乃古來所用之銅合金， 其機械性質因冷間壓延程度而異，要配合彈簧加工的程度而選用，彈簧加 工後的低溫退火宜約 250℃。 若讀取頭的端子與 IC 卡的端子為兩種不同的金屬或合金於接觸時， 當溫度升高，將產生熱電動，類似於低壓直流信號。因此若考慮操作信號 準位及溫度變化，端子接觸物間最好採用相同之材質。對端子而言，大氣 及電化作用之腐蝕最嚴重，大氣腐蝕依環境中污染物之含量與種類而定， 特別是氧化作用隨溫度升高而劇烈。當兩種不同材質之金屬以一種離子鹽 處方接合在一起時，將產生電化腐蝕作用，其嚴重程度依金屬與離子鹽的 電化特性而定[21]。 使用於端子(接觸點)之接觸基座金屬(Contact Base Metal)，必須有良 好的彈性，容易被精密製成，同時能耐腐蝕或能夠被電鍍。基座金屬電性 和機械特性如表 4 所示，並分述如下： 1.黃銅(Brass)是一個價格低廉、良好導電性的材料。但它不能承受過多的 置入、取出週期性的重覆使用，同時黃銅的柔靭性將隨著壽命長而降低; 在多次重壓之下，導電性將受制於晶化的產生，因為晶化降低其導電 性。黃銅也易於捲縮、焊合、鎔接、銅鋅合金銲接等。所以，黃銅適合 於許多非重要性的、低接觸力的應用上。 2.磷青銅(Phosphor-Bronze)：主要的合金為銅、錫，有良好的柔軔性， 13.
(27) 但是價格約為黃銅的二倍，其導電性約為純銅的一半。有些磷青銅合金 也有良好的柔軔性和導電性，加上良好的耐腐蝕性和銲接性，這類材料 能做出一般用途的連接器端子。 3.鈹銅(Beryllium-Copper)：除銅之外，含鈹量約 2%，有良好的機械性、電 氣特性和熱特性並且也有防腐蝕性和耐磨損性。鈹銅對於成型及硬化， 有很好的響應，同時也是任何可比較硬度的彈性合全中最好的導體。鈹 銅硬度較大，較不易彈性疲乏，比其他以銅為基礎(Copper-base)的彈性 合金中，較能承受更多的置入、取出週期性的重覆使用。然而其價格， 是這些基本連接器端子材質當中，費用最高的。 4.鎳銀(Nickel-Silver)合金其機械特性類似於磷青銅合金 ，能防止氧化，因 此不須再電鍍。鎳銀合金對於壓力的侵蝕是敏感的，但是不像黃銅會伸 長。 5.銅合金 725(Copper Alloy 725)是相當新的鎳銅合金，含有少量的錫。銲 接和一般使用情況均較鎳銀合金為隹。 表 4 基座金屬電性與機械特性. 資料來源：[21] 2.6.2 滑動磨耗 兩個接觸固體表面只要有相對滑動存在，必定會產生磨耗。材料被磨 掉的速率，視工作狀況而定。例如：負荷量、潤滑與環境。摩擦實際上是 一種切割作用(cutting action)，由疏鬆而堅硬的粒子，在兩配合面間滑動(三 14.
(28) 物體摩擦)或僅為粒子在一表面上摩擦(二物體摩擦)，亦會因一對摩擦表 面其中的一個粗糙面所引起[22]。 讀取頭裝置的讀取動作為在 IC 卡插入的同時，它會在塑膠構架之軌 道上因 IC 卡之推動而滑行，最終會因軌道高度的變化而往上移動，以與 卡片之外部連接端子做靜態連結。讀取頭滑動部與塑膠構架之材料均為 PC ＋20%GF＋少量 PTFE，其材質硬度高、耐高溫與低溫變化、射出成形尺 寸安定、耐酸鹼侵蝕、耐磨、低摩擦係數，再因讀取頭裝置之重量甚輕且 卡片施加於端子的力量甚小(20～60g)，使得施加在滑行軌道之垂直作用力 甚小，故滑動之摩擦力非常小，致使磨耗是非常微量。 2.6.3 表面處理 用表面處理法來減少接觸磨耗是非常重要的。表面可用不同方法使其 硬化，以增加耐磨耗性，或覆蓋一層耐磨耗材料，也可減少磨耗。讀取頭 端子與卡片之外部連接端子做靜態連結，對於兩者之端子表面因磨損而造 成讀取資料失效的問題不存在。讀取頭端子設計為懸臂式接觸(Cantilever Contacts)，其順從性差但成本低，為了減少讀取頭端子與 IC 卡端子於連結 時的接觸阻抗，在讀取頭端子之表面會鍍上一層金，其厚度約 5µ。電鍍常 被用於金屬端子，是為了防止磨損、腐蝕和氧化，促進金屬與金屬間的接 觸，有數種金屬被使用於電鍍金屬端子當中，如下所述。 1.金是非常好的導體和高穩定的材質，它有最低的接觸阻抗，同時有最好 的防腐蝕性。硬金電鍍常用於置入、取出次數較多的地方。重覆使用於 次數較高之所，金被注入於石墨中，僅增加極少的接觸阻抗。 2.金覆蓋銀(Gold-over-siliver)的電鍍，應用於乾電路是有益的。因為它有 低的接觸阻抗，但是對於腐蝕的抵抗性非常有限。 3.金覆蓋鎳的電鍍是最被為廣泛使用的電鍍組合，它將金電鍍於表面，而 鎳電鍍於下層，能防止基座金屬的移動並且使金的需求量減至最小。 綜合前述分析，影響複合式讀卡機可靠度之主要因素:1.構造組成:料 件運動方式、結構強度、功能。2.操作方式:(1)磁條卡:動態刷動(2)IC 卡: 15.
(29) 靜態連結。3.零件材料選用:成本、可製造性、功能、可靠度、考慮承受之 靜態負荷與動態疲勞負荷,以決定材料所需抗拉強度與降伏應力之最小 值。4.使用環境。上述四種影響因素縱使能有效控制而消弭，並不表示讀 卡機不會壞、可靠度百分之百，而僅是表示製造商生產的讀卡機擁有高品 質、高「固有可靠度」，而讀卡機在使用者的「操作可靠度」會與當初的 設計或測試評估有差異，隨著操作時間的增加而可能降低可靠度。在數理 統計上，可靠度是條件機率問題，若使用條件不同，即使是同一產品其可 靠度不盡然相同。. 16.
(30) 三、複合式讀卡機之失效分析 提高產品可靠度的不二法門乃在於設計時預防缺陷與消除失效。因 此，失效模式與效應分析(Failure Modes and Effects Analysis，FMEA)乃因 應而生。研發工程人員自初始設計階段開始，若透過縝密的分析工作，評 估、驗證系統內可能的失效模式，可使得設計及時改進，朝向最佳的設計 目標。FMEA 之目的在於設計階段中研究失效的因果關係並提供一套有效 的程序，以處理所有潛藏的失效模式、設計結構之缺陷與發現薄弱環節， 俾據以改進或防範，及時補救缺失[23]。 3.1. 失效模式與效應分析 FMEA 是分析系統內潛在之失效模式對此系統上將造成之結果與效 應，然後依其可能發生失效模式之嚴重等級加以區分，並研究其防制方法 的一種作業程序。其原理簡單，適合於設計階段使用，亦可用在製造階段 使用，較適於探討單一因素之失效模式，惟對多重失效模式同時作用或相 互影響者，FMEA 將難以分析。應用 FMEA 技術找出設計或製程階段之失 效模式並改善，是一種常用可靠度設計定性分析方法，FMEA 從產品失效 現象著手，具有系統性分析零件、組件、模組、子系統、系統等所有可能 失效模式、失效原因與後果，其目的在於確立低層次組件可能之失效模 式，探討其失效發生原因，由下向上對系統之影響，並找出設計中潛在之 薄弱環節，以採行預防性措施，謀求改進對象，提高系統可靠度。 FMEA 之失效(failure)係指產品或產品之一部分組件未能執行預定功 能之狀態或事件，亦即失效乃產品喪失規定之功能。失效模式(failure mode) 係指具體描述失效之表現樣態或故障現象。效應(effect)指對直接或間接相 關事務之影響與關聯性，分析(analysis)係指對失效之表面現象進行系統 性、結構性之科學探討方法。失效的偵察法包含目視、聽覺警示裝置、感 應查表、自動檢測裝置等方式。在失效的補救措施上，可加裝增加安全性 的並聯裝置，即替換模式。 FMEA 之實施步驟： 1.列出系統功能方塊圖或可靠度方塊圖，對每一方塊元素賦予一識別碼。 17.
數據
+7
相關文件
Promote project learning, mathematical modeling, and problem-based learning to strengthen the ability to integrate and apply knowledge and skills, and make. calculated
Numerical results are reported for some convex second-order cone programs (SOCPs) by solving the unconstrained minimization reformulation of the KKT optimality conditions,
volume suppressed mass: (TeV) 2 /M P ∼ 10 −4 eV → mm range can be experimentally tested for any number of extra dimensions - Light U(1) gauge bosons: no derivative couplings. =>
Courtesy: Ned Wright’s Cosmology Page Burles, Nolette & Turner, 1999?. Total Mass Density
• Formation of massive primordial stars as origin of objects in the early universe. • Supernova explosions might be visible to the most
Abstract We investigate some properties related to the generalized Newton method for the Fischer-Burmeister (FB) function over second-order cones, which allows us to reformulate
The difference resulted from the co- existence of two kinds of words in Buddhist scriptures a foreign words in which di- syllabic words are dominant, and most of them are the
(Another example of close harmony is the four-bar unaccompanied vocal introduction to “Paperback Writer”, a somewhat later Beatles song.) Overall, Lennon’s and McCartney’s
