筆記型電腦之無卡勾新型雙包轉軸設計

國 立 交 通 大 學

工學院精密與自動化工程學程

碩士論文

筆記型電腦之無卡勾新型雙包轉軸設計

Design of a new Leaf Type Pivot in Latchless

Portable Computer

研 究 生 : 郭 劍 平

指導教授 : 徐 瑞 坤 博士

筆記型電腦之無卡勾新型雙包轉軸設計

Design of a new Leaf Type Pivot in Latchless

Portable Computer

研 究 生: 郭 劍 平 Student : Chien-Ping Kuo

指導教授: 徐 瑞 坤 Advisor : Ray-Quan Hsu

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

June 2005

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

摘 要 本文旨在設計新型無卡勾(latchless)雙包式筆記型電腦轉軸，文中 運用摩擦、潤滑及扭轉理論，進行田口實驗並記錄轉軸扭力在不同條件下 之測試數據。實驗中比較兩種新式樣轉軸的四個主要參數，包括轉軸抗拉 強度、潤滑油黏度、轉軸與軸套干涉量及軸表面鍍層硬度對組裝後轉軸之 扭轉轉矩與扭轉次數之關係，取其最佳實驗組合進行新轉軸設計，目的在 延長樞軸壽命及提供具市場競爭力的新產品。 實驗的結果顯示以雙包結構配合盤型彈片做無卡勾扭力設計的新式 樣轉軸之壽命測試次數不僅達到設定的25,000次，還增加到42,000次；而 較低成本的雙包結構直接做凹槽定位之無卡勾扭力設計的新式樣在實驗 中的壽命測試卻只能達到8,000次，尚無法滿足業界最低要求的18,000次。

Abstract

The main purpose of this project is development a new latchless leaf type of note-book computer hinge.Experiments arranged by Taguchi method,were constructed.Four major parameters,namely, shaft tensile strength,viscosity of lubricant, shaft/bush interference and surface hardness of the shaft, were selected,twisting torque under various parameter combinations were recorded,for two types of new design.In these experiments,theory of friction and twist effect effect of lubrication were taken into consideration.The combination provided the best result was selected for the analysis and development of a better latchless hinge.

The results of the experiments show that using a leaf type structure along with a spring for a latchless hinge can easily surpass the lift test of 25,000 times,and well extendded to 42,000

times.However the lower cost fillister＇s latchless hinge can only sustained 8,000 times, which was unable to meet the lowest demands of 18,000 times.

誌 謝

最感謝妻 麗玲的支持與雙親 郭金樹、郭林錠的鼓勵，沒有他們無怨無 悔的付出，就不會有這一刻的來臨。 本文承蒙恩師 徐瑞坤教授的殷切指導與悉心斧正以及口試委員 洪景 華博士、吳志偉博士於論文內容上的指正與實驗參數及過程的諸多建議，才 得以順利完成，謹此致上最誠摯的謝意。論文研究期間盛蒙新日興 戴日南 課長及 林子郁工程師在實驗與技術上的協助，特此誌謝。 另外，也要謝謝我的七位兄弟姐妹們的相互提攜；大姐 碧蓮、二姐 碧 霞、大哥 志安、大妹 碧玉、二妹 碧英、三妹 碧雲、弟 定國，他們讓我 時時保持戒慎恐懼的心態去面對自己的未來，在這個十倍數運轉的時代中， 不讓自己進步就等於於退步。

目 錄

摘要 ……… i Abstract ……… ii 誌謝 ……… iii 目錄 ……… iv 表目錄 ……… vii 圖目錄 ……… ix 符號說明 ……… xii 轉軸一般術語 ……… xiv 第一章 緒論 ……… 1 1.1 前言 ……… 1 1.2 研究目的與動機 ……… 1 1.3 文獻探討 ……… 3 第二章 摩擦式筆記型電腦轉軸簡介 ……… 9 2.1 盤型彈片型樞軸 ……… 9 2.2 一字型樞軸 ……… 11 2.3 雙包型樞軸 ……… 13

2.4 鋅合金式樞軸 ……… 14 2.5 凸輪式樞軸 ……… 16 2.6 雙包轉軸可靠度測試曲線圖 ……… 19 第三章 雙包轉軸的設計原理 ……… 20 3.1 扭力設計原理 ……… 20 3.2 樞軸組裝程序 ……… 22 3.3 摩擦原理 ……… 25 3.4 邊界潤滑原理 ……… 31 3.5 軸表面熱處理 ……… 34 第四章 田口實驗設計法 ……… 37 4.1 品質損失函數 ……… 39 4.2 控制因子與水準的選定 ……… 41 4.3 田口實驗組合 ……… 49 第五章 實驗方法、結果、分析與檢討 ……… 56 5.1 專利迴避設計 ……… 57 5.2 基本規格訂定 ……… 59 5.3 實驗設備 ……… 61

5.4 繪圖與材料 ……… 62 5.5 田口實驗 ……… 65 5.6 田口實驗結果分析 ……… 68 5.7 問題與檢討 ……… 71 第六章 結論與未來研究方向 ……… 74 6.1 結論 ……… 74 6.2 未來研究方向 ……… 75 參考文獻 ……… 76 附錄 ……… 80 簡歷 ……… 88

表 目 錄

表2-1 轉軸共用性結構分析比較表 ……… 17 表2-2 筆記型電腦常見之轉軸問題點 ……… 18 表2-3 轉軸扭力高低對筆記型電腦之影響 ……… 18 表3-1 典型的乾摩擦µs 值 ……… 28 表3-2 無電鍍鎳膜之物理性質……… 36 表4-1 樞軸使用材料比較表……… 43 表4-2 快削鋼轉軸規格對照表 ……… 43 表4-3 不鏽鋼轉軸規格對照表 ……… 44 表4-4 轉軸軸徑與扭矩關係表 ……… 45 表4-5 12.1吋 & 14.1吋重量分析表 ……… 47 表4-6 個別參數的實驗結果 ……… 48 表4-7 實驗計劃要因配置表 ……… 50 表4-8 L9直交表 ……… 51 表4-9 變異數分析表 ……… 55 表5-1 無卡勾裝置專利迴避設計 ……… 58 表5-2 雙包專利迴避設計 ……… 58

表5-3 實驗測試規格表 ……… 60 表5-4 轉軸壽命與使用次數關係表 ……… 60 表5-5 轉軸扭力高低的決定因素 ……… 60 表5-6 實驗所須之材料需求表 ……… 65 表5-7 L9之配置與實驗數據表 ……… 67 表5-8 數據與SN比較表 ……… 68 表5-9 補助表……… 69 表5-10 變異數分析表 ……… 70 表5-11 最佳參數水準再驗證數據表 ……… 71

圖 目 錄

圖1-1 我國NB出貨成長率及市佔率 ……… 2 圖1-2 無卡勾轉軸的設計概念圖 ……… 3 圖1-3 LCD於ANSYS應力分佈圖 ……… 4 圖2-1 多種樞軸簡圖 ……… 9 圖2-2 盤型彈片型樞軸 ……… 9 圖2-3 一字型樞軸 ……… 11 圖2-4 雙包型樞軸 ……… 13 圖2-5 鋅合金式樞軸 ……… 14 圖2-6 凸輪式樞軸 ……… 16 圖2-7 轉軸壽命測試曲線圖 ……… 19 圖3-1 角度變化而產生的扭力差異圖 ……… 21 圖3-2 鋅合金結構圖 ……… 23 圖3-3 樞軸雙包注油 ……… 23 圖3-4 樞軸壓入承架 ……… 23 圖3-5 樞軸磨合旋轉 ……… 24 圖3-6 樞軸扭測 ……… 24

圖3-7 樞軸定位 ……… 24 圖3-8 樞軸壓鋅合金 ……… 24 圖3-9 樞軸全檢 ……… 24 圖3-10 摩擦種類 ……… 26 圖3-11 粗糙面乾摩擦 ……… 27 圖3-12 摩擦力與作用力關係圖 ……… 29 圖3-13 斯特賴貝克曲線 ……… 32 圖3-14 邊界潤滑面 ……… 33 圖4-1 產品之因子特性圖 ……… 41 圖4-2 轉軸之雙包結構尺寸圖 ……… 45 圖5-1 實驗流程圖 ……… 56 圖5-2 HP-100 型搖擺測試機 ……… 61 圖5-3 HP-10 扭力測試器 ……… 61

圖5-4 ENCODER MOUNT MX5030RZII 3D顯微鏡……… 62

圖5-5 Type1Auto Lock 示意圖 ……… 62

圖5-6 實驗之Type1轉軸結構圖 ……… 63

圖5-8 實驗之替代LCD鋁板尺寸圖 ……… 64 圖5-9 Type1轉軸扭力耐久測試曲線圖 ……… 66 圖5-10 Type2轉軸扭力耐久測試曲線圖 ……… 66 圖5-11 主效果圖 ……… 69 圖5-12 因子效果圖 ……… 69 圖5-13 控制因子影響程度圖 ……… 72 圖5-14 測試後轉軸表面狀況圖 ……… 73

符 號 說 明

L：長度 kg：重量 kg-cm：扭力矩 μ：摩擦系數 μs：靜摩擦系數 μk：動摩擦系數 F：摩擦力 W：為垂直負荷 P：抵抗外力 N：正向力 Fn：摩擦力 Fs：靜摩擦力 Fk：動摩擦力 V :磨耗體積 A :支撐負荷面積

l :摩擦距離 K :比例常數

α:為潤滑膜被破壞斷裂的比例 Sm：剪切強度

轉軸一般術語

1.扭力：(Torgue) 扭力計施力於軸上或旋轉臂上所產生之旋轉力謂之；力量之大小為 扭力值，一般以kg/mm 或 kg/cm 表示之。 2.靜摩擦力：(Static Torque) 物體在靜止時所承受的摩擦力。 3.動摩擦力：(Dynamic Torque) 物體在移動時所承受的摩擦力。 4.最大靜摩擦力：(Max Static Torque)

物體在移動前施以最大力使其移動者謂之。 5.回彈力：(Spring Back) 轉軸於旋轉時係以摩擦力支撐經旋轉後產生之抗扭力，故停止時有 回彈之現象，回彈角係以扭抗力之大小而定。 6.搖擺測試：(Cycle Test) 一般模擬開關LCD模组之測試角度為 0 ~ 135度，為使用者最常使 用的範圍。

第一章 緒論

1.1 前言

筆記型電腦所用的技術大部份均與桌上型相同，只不過要解決轉換 成筆記型電腦專有的零件所造成的問題，如LCD螢幕、鍵盤、電池等。而 在機構設計上也是全然不同的領域，諸如轉軸(Hinge)、卡勾(latch)、 耐摔性及空間的壓縮等都是設計上的一大挑戰，因此技術層次較桌上型 電腦為高。本文擬針對機構功能最顯著的Hinge部份做深入之研究。 使用於筆記型電腦的轉軸，其基本性能為依據LCD整個模組的重量來 設定扭力值，並可在任意角度停止的轉動摩擦機構；它是一種傳統的機 械工業，在高科技的電腦製造產業中確扮演著舉足輕重的角色；轉軸憑 借著摩擦的特性，將阻力轉變成可被應用的具體案例莫過於此。而摩擦 又分動摩擦與靜摩擦兩種，在此研究中將針對轉動瞬間的最大靜摩擦特 性做為實驗記錄的主要對象；考慮眾多型式與不同規格的轉軸，本研究 以雙包結構作為實驗對象。

1.2 研究目的與動機

早期日本廠商在筆記型電腦產品不但掌握關鍵零組件，而且在產品 設計、品質及研發能力上皆首屈一指，但隨著低價化趨勢及台灣廠商的 努力，日系業者在生產成本、研發上的優勢逐漸消失；而台灣近幾年來，

憑著優良的研發製造技術，獲得國際大廠的青睞，就連一向在自製率方 面達七、八成的日系廠商，也陸續來台下單；造就台灣在1999年一舉超 越日本成為全球第一大筆記型電腦生產王國。根據MIC與DigiTimes統計 [1]，台灣2005年產量達全球市佔率82% 。 圖1-1 我國NB出貨成長率及市佔率 有感於快速竄起的筆記型電腦市場所衍生而來的問題點諸如轉軸扭 力不足造成LCD自動合屏、轉軸處破裂、螺絲鬆動、LCD水波紋等問題， 興起本研究的動機。並期望借此研究能夠整理出適用的參數，提供廠商 因成本考量而盡可能共用已開發模具的設計參考；如 acer TM200/240/ 250/280/290、Aspire1600 系列等皆使用同一個轉軸，但是LCD模組重量 差異卻超過200g，對樞軸的壽命有絕對的影響。故以此為研究的方向， 期望提高生產品質及顧客滿意度，並以研發出新型無卡勾轉軸為最終目 的。參下圖1-2所示，無卡勾轉軸的設計概念圖。

82%

79%

76%

74%

66%

0% 20% 40% 60% 80% 100% 1Q'04 2Q'04 3Q'04 4Q'04 1Q'05

圖1-2 無卡勾轉軸的設計概念圖

1.3 文獻探討

Notebook Panel(LCD後面的保護蓋)材質不同所以強度也有很大的 差別，其中以鋁鎂合金、及鋁合金強度較強，但價格較高，所以目前大 部分仍以塑膠來當材質。由於塑膠件強度較弱，受力時較容易產生變形， 因此相對於其內的LCD 模組便面臨到強大應力的衝擊。 張志坤[2]於筆記型電腦 14.1 吋 TFT 轉軸疲勞測試 MSC/PATRAN& MARC 軟體模擬論文中模擬 LCD 受樞軸影響所產生之變形與畫面異常現 象，須降低 Panel 與 PCB 的相對運動量，或是增加 TAB 與相鄰物件的距 離來解決，如圖 1-3 所示應力分佈。

圖1-3 LCD 於ANSYS 應力分佈圖 品牌大廠宏碁(acer)之產品標準規格[3]的定義從LCD模組打開角度 為30~120度之間，必須能靜止不動且不可產生轉動異音；另嚴格管制在 搖擺 20,000次後扭力必須符合 +/- 15% 內的變化，於45~135度角靜置 時LCD模組不會自動合屏；搖擺 30,000次後扭力必須符合 +/- 20% 的變 化，且不可發生周邊損件與異音。相較於筆記型電腦剛開始量產階段， 只要求搖擺10,000次的規格有著明顯的差異。其餘如聯想、IBM、Dell、 HP、富士通等品牌及通路商並無特殊規定之要求，差異點也只有局限在 搖擺測試後自動合屏的角度上，以DELL及日系廠的0度為最嚴刻，IBM與 HP 30度居中、ACER則定義在45度靜止狀態下之LCD模組不可自動合屏； 細節部份則比照代工廠內部規範。不過近年來因為成本考量及沒有明顯 的客訴問題，相關的搖擺測試規格有逐漸往下修正的趨勢；在新日興2003

年Hinge簡介[4]中提到目前的規格大致已經修正到搖擺18,000次後必須 靜止於45度角以上不會自動合屏為基本要求。以筆記型電腦代工廠緯創 資通股份有限公司[5]規範簡要說明如下: 1. 測試程序: (1) 必須開機測試。 (2) 設定 Hinge 角度從 15~170 度,每分鐘搖擺 7 次。 (3) 測試來回搖擺 20,000 次。 (4) 在完成上述程序後測試機構及功能問題。 2 測試標準： (1) 沒有功能性問題。 (2) 沒有機構外觀異狀。 (3) 在 25,000 次測試後，靜置於 30 度角不可自動合屏。 一個可被信賴的轉軸材料必須經過重重的測試驗證，以專業製造廠 新日興[6]對材料規格於2001年所訂定之標準敘述如下： 1. 批量之扭力公差不超過 +/- 10 %。 2. 轉軸往復開關0~180度,以每分鐘搖7~12次壽命須達3萬次以上。 3. 振動頻率5~30Hz經24小時無不良情形。 4. 5公尺高度自然落下無不良情形。 5. 經 -10及700C高低溫放置96小時無不良情形且滿足樞軸之基本性

能。 6. 扭力值低於50kgf-mm者放置一年每週測試，其值不可衰減超過2%；扭 力值高於50kgf-mm者放置一年每週測試，其值不可衰減超過5%。 7. 潤滑油脂須耐ABS腐蝕，經一年放置無不良情形；且於100度(C)溫度 槽內靜置24小時未變化。 1986黃錦鐘[7]編譯之M1011軸徑計算圖表，可藉由相當彎曲力矩與 相當扭轉力矩經由圖表快速查出適用之軸徑。 另於邊界潤滑，由Striebeck[8]及Bowden[9]知摩擦面的速度V，壓力 P及潤滑油的黏度η三者間的關係，經實驗證明所得之扭力測試曲線與 Striebeck Curve線型吻合。Kato 與Marui[10]等人利用不同潤滑油於滑 軌上實驗，指出於邊界潤滑之靜摩擦特性為吸附膜厚度、吸附膜承載能 力及表面係數之函數關係。顯然潤滑油形成之邊界膜承載能力對於降低 摩擦係數有極大影響，Kato、Marui 與Hashimoto[11]以理論建立及實驗 方式，說明負載及邊界膜與摩擦係數之相依性。Marui 與Endo[12]等人， 利用滑塊於不同之潤滑油之滑軌實驗，研究Stick-Slip 之過程中，指出 具有極性添加物之潤滑油，可減少摩擦係數，然而具有較大動黏度 （kinematic viscosity）及表面張力（surface tension）之潤滑油， 將使靜動摩擦係數之差距拉大。1978 年Wilsony[13]描述金屬成形加工 過程中的摩潤模式，依潤滑油膜厚度相對於模具與工件的組合表面粗糙

度的比值及表面峰所承受的界面壓力的比例，定義出厚油膜、薄油膜、 混合油膜、邊界油膜四種不同的摩潤模式。1990 年Wilsony[14]導出在 混合潤滑模式中摩擦受到表面峰接觸和潤滑剪力流的影響，且一部份負 荷由潤滑油承擔。因此摩擦包含黏著應力、耕犁應力及液動剪應力。1994 年Wilsony[15]分析混合潤滑在低速時，液動壓力分佈及表面峰接觸情 形。 2003年陳韋全[16]在無電鍍鎳層硬化機構與耐腐蝕性質之研究中說 明無電解鎳與硬度、應力、腐蝕、鍍層膜厚、延展性、導電性與耐磨耗 性之間的關係，加上電鍍速度快及成本低的特性，有逐步取代其他電鍍 如鍍鉻、鍍銅的趨勢。 在摩擦式轉軸相關之專利部分:1922年 Peary 發表含油軸承活頁門 閂之專利[17]1， 1949年 Burdick 發表轉軸內套彈簧夾型式之專利 [18]2，1950年 Ring 發表曲線軸之摩擦機構專利[19]3，1985年 Brown 發 表棘輪式轉軸專利[20] 4，1991年 Hosoi 在美國專利發表第一篇以橢圓 形軸心磨合之筆記型電腦專用轉軸[21] 5，1994年 Katagiri 發表以螺絲 1 _附錄一 2 _附錄二 3 _附錄三 4 _附錄四 5 _附錄五

帽鎖緊之錐形套筒式轉軸應用於筆記型電腦之專利[22] 6，1996年 Lowry 發表以圓軸心搭配多種型式之單包結構專利[23] 7，1997年 Huong 發表 圓軸附油溝以螺絲由側邊鎖緊之摩擦機構專利[24] 8，1998年 Lowry 再 發表專利改良其單包結構之潤滑與製造特性[25] 9，1999年 Lu 發表鋅合 金結構之摩擦式轉軸[26] 10，2001年 Lu 再次發表鋅合金結構之油溝改良 型摩擦式轉軸[27] 11 ，2002年 Rude 發表第一篇凸輪式可適用於無latch 轉軸之專利[28]12，2003年 Lu 發表專用於筆記型電腦使用之雙包摩擦式 轉軸專利[29] 13。

田口實驗部份則參照 蘇朝墩[30] 產品穩健設計-田口品質工程方 法的介紹和應用，2002 年 鍾崑來[31] 應用田口式方法於鋼板彎曲成形 最佳參數選擇之研究，2004 年 曾重誌[32] 應用田口方法探討大平面薄 壁鎂合金 AZ91D 鑄件壓鑄製程條件之研究。 6 _附錄六 7 _附錄七 8 _附錄八 9 _附錄九 10 _附錄十 11 _附錄十一 12 _附錄十二 13 _附錄十三

第二章 摩擦式筆記型電腦轉軸簡介

轉軸之適用範圍可區分為桌上型電腦、筆記型電腦、PDA、掌上型電 腦、分離式LCD電腦等。而基本性能依顯示器模組重量設定扭力值，使顯 示器可於任意角度停止；摩擦式轉軸的類型概略敘述於以下章節。 圖2-1 多種樞軸簡圖

2.1 盤型彈片型樞軸[圖2-2]:

360度無段式、自動彈開式、兩段扭力式、固定角度式。 圖2-2 盤型彈片型樞軸

結構特性： 利用螺帽鎖附擠壓盤型彈片產生扭力。 優點： 1.可使用螺帽調整扭力，增加扭力製程良品率達95%以上。 2.同一轉軸可調整多種不同扭力，滿足不同設計之需求。 3.結構變化大，可製作多種不同功能之轉軸。 4.可利用不同螺帽顏色管制，區分左右向與不同扭力之轉軸。 缺點： 1.磨擦面積小，結構尺寸直徑需加大。 2.使用零件多，組裝工程費時。 3.使用螺帽鎖附扭力，設計時需注意防止螺帽鬆脫。 4.因此結構屬外露式架構，需注意漏油問題點。 其它： 1.螺帽可用铆合取代，縮短結構長度。 2.使用零件多，需注意組裝順序與數量。 3.使用零件多，設計時需注意產生磨擦力之介面。 4.動靜磨擦力差距大，約0.5~1.0 ㎏-㎝。

2.2 一字型樞軸[圖2-3]:

3+1式、2+1式、1+1式，360度無段式、固定角度式。 圖2-3 一字型樞軸 結構特性： 1+1型：利用有彈性之公軸與母軸干涉配合產生扭力。 優點： 1.轉軸成一字型之形狀，最省空間。 2.所有零件皆為車製品，無須再開發模具。 3.使用零件少，組裝工程簡單方便。 缺點： 1.此結構屬干涉配合，結構尺寸搭配精密度高。 2.母軸內孔真圓度會影響整圈扭力之穩定性。

3.防脫出設計須考慮能重複拆裝而不被破壞。 4.扭力搭配直通率低，重工作業需列入標準流程。 其它： 1.母軸可用沖製件取代，但結構長度會增長。 2.公軸與母軸於投線前均須篩選分類，搭配尺寸組裝。 3.公軸結構部位可依需求修改，以搭配扭力為主要需求。 1+2型：利用錐度與螺牙，迫緊有彈性之母軸與公軸配合產生扭力。 優點： 1.轉軸成一字型之形狀，最省空間。 2.所有零件皆為車製品，無須再開發模具。 3.可使用螺帽調整扭力，增加扭力製程良品率達90%以上。 缺點： 1.此結構採錐度配合，結構尺寸搭配精密度高。 2.母軸內孔加工控制不易，殘留毛邊容易影響扭力之穩定性。 3.三種零件皆為車製品，材料成本高 。 其它： 1.軸套錐度須製作檢具量測，並與母軸錐度互相搭配。

2.此結構須增加磨合次數，使扭力穩定。

2.3 雙包型樞軸[圖2-4]：

360度無段式、自動彈開式、自動落下式、固定角度式。 圖2-4 雙包型樞軸 結構特性： 利用有彈性之承架與轉軸干涉配合產生扭力。 優點： 1.結構直徑最小，可產生高扭力。 2.結構變化大，可製作多種不同功能之轉軸。 3.使用零件少，組裝工程簡單方便。 4.搖擺壽命試驗效果佳。

缺點： 1.此結構SPRING-BACK最為嚴重。 2.承架模具困難度高，開模時間長。 其它： 1.此結構屬干涉配合，固定承架搭配不同轉軸尺寸生產。 2.追加輔助承架可改善SPRING-BACK之狀況。 3.承架強度須適當搭配扭力增加板厚或寬度。 4.正反轉扭力值差距須測試至0.5kg-cm以內。

2.4 鋅合金式樞軸[圖2-5]:

360度無段式、自動彈開式、自動落下式、固定角度式。 圖2-5 鋅合金式樞軸

結構特性： 利用有彈性之管簧架與轉軸干涉配合產生扭力，再固定至鋅合金中。 優點： 1.結構可置於鋅合金內，與鋅合金形成一體。 2.鋅合金成型容易，可製作不規則同功能之轉軸。 3.使用零件少，組裝工程簡單方便。 4.搖擺壽命試驗效果佳。 缺點： 1.鋅合金材質較軟，經壽命測試後容易產生晃動。 2.鋅合金容易干涉扭力，易造成假性扭力產生。 3.鋅合金成型時有條件限制，需注意厚度狀況。 4.模具開發時間較長，修改不易。 其它： 1.此結構屬干涉配合，固定管黃架搭配不同轉軸尺寸生產。 2.管黃架尺寸要求高，穩定性很重要。 3.正反轉扭力值差距測試0.5kg-cm以內。

2.5 凸輪式樞軸[圖2-6]:

360度無段式、自動彈開式、兩段扭力式、固定角度式。 圖2-6 凸輪式樞軸 結構特性： 利用有彈簧產生之力量推擠凸輪產生扭力，並可變化凸輪形狀來產生 扭力之變化。 優點： 1.扭力值穩定，生產時只需抽測扭力即可。 2.利用凸輪形狀，便可製作多種扭力變化功能之轉軸。 3.搖擺壽命試驗效果佳，壽命可達10萬次以上。 4.轉軸共用機率高，容易推動標準化。

缺點： 1.彈簧所產生之力量低，只適合製作低扭力之轉軸。 2.結構尺寸所佔空間較大，容易造成開發瓶頸。 3.模型製作較困難，樣品尺寸需仔細確認。 綜合上述多種摩擦式轉軸結構之各種特性，歸納如下表列： Hinge共用性結構分析比較表[表2-1]，筆記型電腦常見之轉軸問題點[表 2-2]，轉軸扭力高低對筆記型電腦之影響[表2-3]，轉軸扭力高低的決定 因素[表2-4]。 表2-1 轉軸共用性結構分析比較表 適合小量生產之機種。 適合結構簡單、空間 大、大量生產之機種。 適合結構複雜之3D結 構、空間狹小、大量生 產之機種。 適合結構複雜、空間狹 小、低成本、生產量大 之機種。 適合使用時機 一般品質驗證20000次 衰減20% ,最高次數 25000~35000次 一般品質驗證20000次 衰減20% ,最高次數 30000~45000次 一般品質驗證20000次 衰減20%, 最高次數 35000~50000次 一般品質驗證20000次 衰減20%,最高次數 50000~80000次 品質驗證 測試曲線示 意圖 品質 特性 此結構為一般長度 大、高低狹小之簡單結 構使用，本結構為兩 公、母之車床件組加工 組立故成本高、易產生 漏油，適合小量生產。 此結構為一般傳統結 構，適合一般簡單空間 大之機型使用。 此結構為三D結構，適 合三度空間狹小與結 構特殊複雜之機型使 用，可於鋅合金上進行 攻牙，旋轉角度之定位 及特殊且複雜性之結 構固定等機型。 此結構為一字型結構 衍生而出，適合空間狹 小與結構複雜之機型 使用，並可節省承架鉚 接之費用，降低成本， 解決鉚釘脫落等問題。 結構特性 略圖、尺寸 一字型結構 傳統型結構 鋅合金結構 雙包結構 機種名稱

表2-2 筆記型電腦常見之轉軸問題點 表2-3 轉軸扭力高低對筆記型電腦之影響 問 題 類 型 原 因 問 題 轉 軸 類 型 LCD畫面異常 Panel結構破壞 靜置中搖晃 自動合屏 Hinge斷裂 1.LCD結構弱. 2.Panel強度差. 3.Hinge扭力大. 1.Panel強度差. 2.Hinge扭力大. 1.系統結構弱. 2.Hinge使用不 當. 1.Hinge扭力小. 2.LCD過重． 1.Hinge扭力大. 2.兩側Hinge軸 心不對稱. 全部 全部 鋅合金管簧結 構 鋅合金結構弱 最容易發生 全部

轉軸

扭

扭

力

力

設

設

定

定

較

較

低

低

之

之

影

影

響

響

轉軸

扭

扭

力

力

設

設

定

定

較

較

高

高

之

之

影

影

響

響

優點 缺點 優點 缺點 1.使用時,手感較佳. 2.LCD與系統之強 度考量較小,成本 較低/重量較輕. 1.LCD會於0度以上 自然掉落. 2.於組裝時之輸送過 程中即會掉落. 3.由於扭力較低, 於關閉LCD太用力 時,即會與上蓋強力 碰撞而損壞. 1.LCD於任何一角 度多不會掉落. 2.打開按鈕後,會 有些微彈起. 1.使用時,手感較差. 2. LCD於鎖付轉軸 之周圍必須增加 強度. 3.會有嚴重之 SPRING BACK (回彈)現象. 4.鎖付之螺絲及對 鎖之銅柱必須增 加數量或外徑.

2.6 雙包轉軸可靠度測試曲線圖

為了瞭解雙包型式轉軸扭力的可靠度，取acer TM240系列之筆記型電 腦實際測試所得到的扭轉曲線，如圖2-7所示，可以看出其分佈的模式為 一個微笑曲線；探討的重點也可預期會落在曲線的三個頂點，即最初的起 始扭力、中間區域的最低扭力與測試終了的破壞扭力。 圖2-7 轉軸壽命測試曲線圖

轉軸壽命測試曲線圖

15

16

17

18

19

20

21

22

1

2000

4000

6000

8000

₁₀₀₀₀

₁₂₀₀₀

₁₄₀₀₀

₁₆₀₀₀

₁₈₀₀₀

₂₀₀₀₀

次數 扭 力

Test 1

Test 2

第三章 雙包轉軸的設計原理

「雙包」顧名思義為兩個結構相同，能固定轉軸並使其產生夾持力的 裝置。此結構的專利權屬於新日興公司所擁有，組裝時要特別注意兩個雙 包的方向必須相反以平衡轉軸在開啟與關閉時，因為反向的關係所造成的 扭力差異。雙包轉軸的結構是以雙包緊配轉軸方式製作，摩擦面間注入潤 滑油；其活動模式類似一般低速、重負荷之同時承受扭矩與彎曲力矩的軸 承，為一種邊界潤滑的運動模式。以下章節將說明設計原理與組裝程序。

3.1 扭力設計原理

轉軸的功能主要是連結系統端與LCD模組，讓使用電腦的人能停留LCD 在任意角度而不會自動合屏或造成其他機件損傷。因此可知設計的扭力值 必須符合一定的規範，才可以控制因設計時強度結構增加所帶來的成本損 失。 下圖3-1說明扭力分佈的範圍會隨開啟角度COS(θ)的變化而產生力 矩的差異，當開啟角度為0度及180度時，樞軸承受最大扭轉應力。 計算公式如下:

這是最大的抗扭力值，當 LCD 模組開啟角度為90度時，因Cos(θ) = Cos(90) = 0 ；此位置只承受LCD模組重量而沒有力矩產生。

圖3-1 角度變化而產生的扭力差異圖[3] 舉例說明:

扭力值＝LCD模組重量 * 重心位置至轉軸距離 假設:LCD模組重量 = 0.7 kg ; LCD模組高度Ｌ = 227 mm 重心位置高度Ｌ = 2/3 LCD高度 其扭力之參考值應為： 0.73 * (22.7 * 2/3) ＝ 11.05 (kg-cm) ∵需左、右2個轉軸 ∴11.05 / 2 ＝ 5.53(kg-cm) ∵若假設耐久性測試後扭力會衰減15％ ∴5.53 * 1.15 ＝ 6.36(kg-cm) ∵若考慮轉軸設計公差(假設為 +/- 10% kg-cm ) ∴6.36 + 0.636 = 7.0(kg-cm) ∵再考慮動靜摩擦差異0.5(kg-cm) 所以最適合的設計扭力是 7.0 + 0.5 = 7.5 kg-cm.

3.2 樞軸組裝程序

以新日興公司[33]雙包轉軸為例，如下圖 3-2 所示，依序如圖 3-3 至

圖 3-9 將油注入接合部位之軸與雙包，軸壓入雙包，旋轉磨合，定位(角 度)，接著壓入鋅合金本體，套入固定夾，鎖承架(依設計)，檢查外觀等； 為樞軸的組裝製程。 圖3-2 鋅合金結構圖 圖3-3 雙包注油 圖3-4 轉軸壓入承架 3.鋅合金本體 1.雙包(管簧架) 2.軸 5.承架 4.固定夾

圖3-5 旋轉 圖3-6 扭測

圖3-7 定位 圖3-8 壓鋅合金

3.3 摩擦原理

摩擦或摩擦力是兩個固體互相滑動時產生的抵抗或抵抗力，這方面有 一個庫倫摩擦定律。庫倫摩擦定律是庫倫在1779年發表的，這個經驗定律 適用於清潔的固體表面，同時適用於有薄潤滑油的表面。 3.3.1 摩擦的種類 關於庫倫摩擦，主要的內容如下: 1.摩擦面產生的摩擦力與外規接觸面無關，與摩擦面上的垂直負荷成 正比。 2.摩擦力與滑動速度無關。 摩擦力與垂直負荷之比稱為摩擦係數(coefficient of friction)，寫成 μ。 F = μW (3-2) F為摩擦力 W為垂直負荷 摩擦現象大致分為三種，乾摩擦(dry friction)或固體摩擦(solid friction)、邊界摩擦(boundary friction)、流體摩擦(fluid friction)； 就潤滑形態而言，邊界摩擦為邊界潤滑(boundary lubrication)，流體摩

擦為流體潤滑；如圖3-10 中a、b、c所示: 圖3-10 摩擦種類 1. 乾摩擦: 表面不附著任何物質的乾淨固體與固體之間的摩擦稱為乾摩擦。實際 上在大氣中，固體的表面會產生氧化膜、吸附氣體等，因此找不到真正的 乾摩擦。往往把無潤滑物質存在的條件下之摩擦稱為乾摩擦。 為了說明乾摩擦，把重 W 的物體置於水平的粗糙面上，並施加水平 拉力，如下圖3-11a所示。接觸面的部分可視為非剛體，其餘部分仍然視 為剛體。作此物體之自由體圖，圖3-11b地板沿著接觸面施加分佈的正向 力 ∆Nn 及摩擦力 ∆Fn 於物體上。為了達成平衡，此正向力必須向上，且 與物重 W 平衡；摩擦力必須向左以抵抗外力 P 使物體向右運動。將地 板與物體的接觸面放大，即可了解正向力與摩擦力產生的原因。如圖3-11c 所示，兩不規則的接觸面及各接觸點的反作用力之合力，其分力即為摩擦 力 ∆Fn 與正向力 ∆Nn。

圖 3-11 粗糙面乾摩擦

靜摩擦力 Fs 的大小與正向力 N 的大小成正比，可表示成：

Fs = µsN (3-3)

其中比例常數 µs 稱之為靜摩擦係數 (coefficient of static friction)。

滑動中的物體其摩擦力 Fk 的大小與正向力 N 的大小成正比，可表示成

其中比例常數 µk 稱之為動摩擦係數 (coefficient of kinetic friction)。典型 的 µk 值約比表 3-1 所列的 µs 值小 25%。 除了機械式作用外，更詳細的處理摩擦力的問題，必須包括接觸面間 的溫度、密度、清潔、以及原子或分子的吸引力等。 一些典型的 µs 值 列於表 3-1，亦可在許多工程師手冊中查得。一般而言，µs 值小於 1，亦 有例外，如鋁與鋁接觸，其值 µs 大於 1，此表示摩擦力比正向力大。再 者 µs 值無單位，且僅與接觸面間之性質有關。由於接面的粗糙度、清潔 度的不同，使得 µs 呈現不同的值，故使用 µs 值時，必須充分了解造成 摩擦之確實情形。若希望得到正確的 Fs，可藉由實驗獲得兩物體間之 µs 值。 表 3-1 典型的乾摩擦 µs 值

以上對摩擦的敘述可藉由下圖 3-12 摩擦力 F 與作用力 P 之變化情形 作說明。摩擦分為三部分：在平衡時 F 為靜摩擦力，若 F 達到平衡的 最大值 Fs 時為極限靜摩擦力，開始滑動後 F 為 Fk即動摩擦力。圖中亦 顯示 P 值很大時，或物體以高速運動時，由於空氣動力的效應，則 Fk 即 µk 會略為減小。 圖 3-12 摩擦力與作用力關係圖 乾摩擦的特性可歸納成下列的乾摩擦定律： (1). 摩擦力與接觸表面相切，並作用在相對運動或有運動趨勢的反方 向。 (2). 只要正向力不致大到使物體的接觸面發生嚴重的變形，則所產生 的最大靜摩擦力 Fs與接觸面積的大小無關。

(3). 對任何兩接觸面，最大靜摩擦力的大小比動摩擦力大，但物體以 極慢的速度在另一表面上移動時，Fk 大約等於 Fs，即 µs ≈ µk。 (4). 當接觸點即將發生滑動時，最大靜摩擦力的大小與正力成正比， 即 Fs = µsN。 (5). 接觸點已產生滑動時，摩擦力的大小與正向力成正比，即 Fk = µkN。 2. 邊界摩擦: 邊界摩擦是指表面有潤滑劑等薄膜存在時的摩擦。其摩擦係數大 致為 0.01 ~ 0.1，而邊界摩擦膜的厚度一般分佈範圍在 10-7 ~ 10-9 m。 3. 流體摩擦: 流體摩擦是指在固體面間有潤滑劑等流體膜存在時的摩擦。這種 摩擦是流體膜內部的摩擦，根據牛頓黏性公式，其摩擦係數大致為 0.001 ~ 0.01。就潤滑形態而言，兩個摩擦面不接觸，是一種摩擦極小 的理想狀態。 另外，於前述乾摩擦中提及摩擦還有起動時的摩擦（靜止摩擦）

和運動時的摩擦(運動摩擦)，一般而言，前者比後者大；滑動開始的 瞬間所產生的靜止摩擦是整個摩擦運動中的最大值，也是本研究中探 討的主要對象。

3.4 邊界潤滑原理

邊界潤滑是指直接接觸的兩個面之間存在潤滑油薄膜的潤滑。液體潤 滑對兩個面之間的液體膜上產生壓力，靠該壓力支撐負荷是流體力學的分 支問題。潤滑油的物性主要是黏性與黏度的問題，當潤滑條件變的嚴格如 負荷非常大、速度非常低、油膜非常薄時，會使油膜表面出現高低不平， 兩個面之間的凸出處開始直接接觸磨擦。 3.4.1 邊界潤滑與邊界膜 液體潤滑發展為邊界潤滑的臨界點，大體能以摩擦面的速度V 、壓力 P 、潤滑油黏度η三者的函數ηV/P 的數值的減少來判斷，也可表示流體 潤滑面上的油膜厚度。判斷液體潤滑發展為邊界潤滑的公式ηV/P 與摩 擦係數的關係稱為斯特賴貝克曲線( Striebeck Curve )，其模式圖如下 圖3-13[6]所示：

圖3-13 斯特賴貝克曲線 邊界潤滑所產生的問題在於邊界層的薄潤滑油層的性質，潤滑油分子 被表面吸附後在金屬表面形成邊界層，它是液體分子在固液介面上的吸附 現象。潤滑油中被金屬面吸附的分子含有能與金屬表面強結合的極性基， 極性基與金屬表面強結合來自於極性基的靜電極性力和化學結合力，這種 分子中有極性基的化合物稱為極性化合物，分子中沒有極性基的化合物稱 為非極性化合物。 為了減少液-固界面能，在液-固界面上分子在向界面上吸附和排列， 非極性的化合物也能向固體表面的活性中心吸附。邊界膜主要是由這種潤 滑油分子的吸附所形成，而極性化合物能形成牢固的吸附分子膜。 3.4.2 邊界潤滑與摩擦

對於邊界潤滑面，Bowden 提出了如圖3-14的模型，已潤滑的金屬與 邊界潤滑面發生接觸，在施加負荷後，邊界潤滑面高低不平的凸出部分產 生接觸並支撐負荷呈現出塑性流動。由邊界潤滑面的變形，夾在兩個金屬 面之間潤滑膜受到非常高的壓力，壓力最高的接觸部位發生局部潤滑膜破 裂而產生金屬黏著。 圖3-14 邊界潤滑面 圖中支撐負荷的面積為A ，潤滑膜被破壞斷裂後形成金屬結合的面積為 αΑ (α為潤滑膜被破壞斷裂的比例)。金屬結合部分的剪切強度為Sm ， 潤滑膜的剪切強度為St ，摩擦力為F ,公式為: F = A{αSm + (1 - α)St} (3-5)

在邊界摩擦中α愈小時則St愈小、邊界摩擦愈小，邊界潤滑膜在高壓下必 需具有不容易破裂，同時又容易剪斷的特質，為一種牢固的邊界膜。 邊界潤滑膜的磨耗還要考慮到潤滑膜破裂所形成金屬結合的面積與 分子膜破裂的又成比例，邊界潤滑的黏著磨耗用變化了的霍爾姆公式如 下： V = KαAl (3-6) V :磨耗體積 A :支撐負荷面積 l :摩擦距離 K :比例常數 α:為潤滑膜被破壞斷裂的比例

3.5 軸表面熱處理

未經熱處理無電鍍鎳鍍膜硬度約有Hv400~500，若以400℃熱處理1 小時，硬度可提昇至Hv l000。然而經過400℃熱處理的鍍膜雖然有很高的 硬度，但高硬度的鍍膜通常很脆，故少用於高負荷或碰撞性組體之應用。 無電鍍鎳常以熱浴析鍍，故所得鍍膜與底材金屬常有不同的膨脹係數

(coefficient of expansion)，當冷卻至室溫，會發生應力的存在。假若 無電鍍鎳膜之膨脹係數比基材金屬(鈦、鈹)大，當冷卻時，鍍膜收縮較大 而造成伸張應力(tensile stress)。若無電鍍鍍鎳膜之膨脹係數比基材金 屬(銅、鐵、鋁)小時，鍍膜在冷卻收縮較少而造成壓縮應力(Compression stress)。因此常用膨脹係數低的材料來鍍無電鍍鎳，以減少疲勞強度 (fatigue strength)。 未經熱處理的無電鍍鎳為介穩態的相(metastable)。是一種非晶質或 微晶的狀態，故具有良好的耐腐蝕性。無電鍍鎳的特性中最大的優點為鍍 膜的厚度非常均勻。一般電鍍的厚度隨著鍍品的形狀及鍍品與陽極間接近 的狀況而定，這些變數會影響到鍍膜的最佳狀態，且可能在電鍍之後需要 再做額外的表面處理。對無電鍍鎳而言，鍍品在鍍浴的任何時段中，其鍍 著速率及所得的厚度皆相同，無論凹處或盲孔皆可和鍍品外部得到相等的 厚度，因此鍍膜厚度可以適當的控制至所需求的規格。 磷為非金屬元素，故磷含量越少越有優良的磁電性。其機械特性與玻 璃相似，具有高強度、有限的延展性和高彈性係數。鍍膜的最高張力強度 超過700MPa，可以使鍍膜忍受相當大的損壞。無電鍍鎳膜在含磷量10wt% 時，其物理性質如表3-2所示：

表3-2 無電鍍鎳膜之物理性質 組織 非結晶質 融點 890℃ 密度g/cm3 7.75 電阻 約60μΩ．Cm 硬度 鍍鎳後，約550±50Hv， 熱處理後，約1025±50Hv 比重 7.9 伸張值 3~6% 應力 壓縮應力 熱膨脹係數(22~100℃) 12 熱傳導度 4 W/m．k 彈性係數Gpa 200 均一性 良好 光澤 磷含量＞10% 除了有很高的光澤度外，並呈微淡黃色 光澤。磷含量在6-10% 呈半光澤磷含量＜6% 不光澤

第四章 田口實驗設計法

隨著科技發展，對產品性能的要求越來越高，尋求高品質及快速的生 產技術，才能符合最佳設計與經濟效益雙贏的需求。因此各種新技術陸續 被開發，其中一種「製程設計最佳化技術」，亦即穩健設計的品質工程 （Quality Engineering of Robust Design），是一種以源頭製程為導向 的工程與管理方式的設計技術，在工業先進國家許多產業之產品設計與研 發工作上，一直擔任重要角色，也是先進國家眾多優良產品設計背後原因 之一。田口實驗法由田口玄一（Genichi Taguchi）博士所提倡[31]，其 基本方法是實驗設計，屬於統計的應用；其思想方法是工程，結合統計及 工程的優點，成為一種工程分析工具，應用於工程或設計能力的提昇，因 此能在花費極少成本的考量上，達到改善產品的品質技術。 「製程設計最佳化技術」利用直交表，以少數的實驗來研究眾多的決 策變數，同時也以一個新的品質指標，稱為信號雜訊比 （Signal-To-Noise Ratio , S/N Ratio），可從顧客的角度來預測產品品質、性能和成本， 是一種符合經濟效益並能兼顧製造者與消費者雙方權益的產品，「製程設 計最佳化技術」或稱「田口實驗設計法」，深具實用價值，在工業先進國

家之產業界樂於採用。 田口方法的中心目標是應用統計方法與工程技術，探討影響製程應變 數的關鍵變數（因子）及其水準，以最少的實驗次數，兼具整個計劃的代 表性，可決定製程的最佳製造組合的因素與水準。田口也提出直交表和點 線圖，來設計有效率的實驗設計及分析；回應表和回應圖則顯示各因素的 效果強弱，來決定最佳製造組合的因素與水準。穩健性（Robustness）的 概念，田口玄一博士強調回應圖降低外在雜音因素對產品製程應變數的影 響至最低。 品質管制可分為兩種：一種是產品在製造階段所用的線上（On -Line） 品質管制，另一種是產品在設計階段所用的線外（Off -Line）品質管制， 線外品質管制是線上品質管制的源流。本研究所介紹重點將放在製程參數 設計，其目的是尋求產品與製程的生產條件之組合，其在經濟的考量下， 產品的穩健性很高。事實上，任何產品有可能必須同時被考慮一個以上的 製程應變數；如何選取最佳的組合因素來生產最好的產品，是本研究的目 的之一。

4.1 品質損失函數

傳統上，一般認為產品品質特性只要在界限範圍內即視為良品，但田 口博士認為產品品質特性應儘量保持在目標值上，若離目標值越遠，損失 越大。因此田口博士提出其著名的品質損失函數。 1950年代田口博士提出田口方法，係一種以工程角度出發的實驗計劃 法，其基本精神在於應用直交實驗的統計分析，並以訊號雜訊比(S/N Ratio)作為品質評估的指標，S/N比愈大則表示損失愈少，代表品質特性 愈好。利用直交表及S/N比的觀念，以參數設計的方法求得一參數最佳的 水準組合。 基本上，S/N比的計算方式有三種：望目特性、望小特性、望大特性。 分述如下：

4.1.1 望目特性

望目特性是指品質特性有一目標值，其品質特性是越接近目標值越 好，品質特性的理想機能是此目標值，例如壓力、速度、尺寸等。品質損 失函數可以用（4-1）式表示：

) log( 10 ) 1 log( 10 / 1 2 2 2

∑

= − = − = n i i S y y nS N S (4-1) 其中： Y 為產品品質特性值。 S 爲標準差(Standard Deviation)， Y_i 爲評估的實驗值和n 爲每組實驗的樣本數。

4.1.2 望小特性

望小特性是指其品質特性是越小越好，換句話說，品質特性的理想機 能是零，例如翹曲變形、裂紋、收縮等。假設品質特性是望小，其理想目 標值＝0，所以望小情況的品質損失函數可以用（4-2）式表示：

( )

2 1 2 log 10 1 log 10 / y y n N S n i i ⎟ =− ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − =

_∑

= (4-2)

4.1.3 望大特性

望大特性是指品質特性越大越好，換句話說，品質特性的理想機能是 無窮大，例如壽命、抗拉強度、防震等，是本研究所選定的計算方法。假 設品質特性是望大，其理想目標值m＝∞，我們可以將品質特性取倒數 （1/y），後以望小特性來處理。將代入（4-2）式，所以望大情況的品質 損失函數可以用（4-3）式表示：

⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − =

_∑

= n i i y n N S 1 2 1 1 log 10 / (4-3)

4.2 控制因子與水準的選定

控制因子的選定如下圖4-1所示，首先明確定義出產品之所有因子與 特性關係，將設計出來的信號因子與可被控制的控制因子及無法掌握之變 數的雜音因子盡可能的完全列出；隨即排除雜音因子後將控制因子對信號 因子的關係列成參數表，做為實驗的依據。

圖4-1 產品之因子特性圖 圖4-1中所列出影響轉軸壽命測試的控制因子共計11項，其中三

項＂Latch 材質、成型條件與塑膠結構“是影響Latch的參數，本研究為 無卡勾之設計，將直接刪除此三項因子。其餘9項因子“ 轉軸之材質、加 工、表面處理、潤滑油、模具、LCD重量、Spring back、Auto Lock扭力＂ 等； ＂LCD重量＂已經被設定成信號因子15kg-cm的參數； ＂模具＂尺寸 誤差量在轉軸的尺寸公差0.01mm中可以被忽略； ＂Spring back＂是一種 抗扭轉力的回彈現象，在新日興公司近年的新設計轉軸中也已經用一塊定 位板方式來解決，可參考附錄十三的零件編號20；剩餘五個控制因子之參 數將於以下章節說明。

4.2.1 軸參數

經搜集筆記型電腦產品樞軸材料最常用如下表4-1、4-2、4-3、4-4 轉軸規格所示；但並非只有這三種材質可用，僅列表做為比較與說明。 在研究動機中曾經提過轉軸的失效原因，其中與軸本身最具代表性的 項目為初始扭力大小與衰減比率；轉換出來的參數即為軸徑的大小與 軸本身材的機械強度，對於表面粗糙度部分因為有表層鍍鎳處理,所以 本實驗中不探討這個參數。

表4-1 樞軸使用材料比較表[3]

材料 SUM43(HRc50) SUS416(HRc55) SUM24(HRc45)

通稱 中碳快削鋼 不銹鋼 快削鋼 熱處理 高溫 真空 滲碳 折斷力 強 中 弱 剪斷力 中 強 弱 切削性 難 中 易 單價 中 高 低 表4-2 快削鋼轉軸規格對照表

表4-3 不鏽鋼轉軸規格對照表 UNS No. ISO 美國 AISI 日本 JIS 英國 BS 德國 WERKSTOFF DIN 法國 NF 義大利 UNI S41600 7 416 SUS416 416S21 1.4005 X12CrS13 Z11CF13 X12CrS13

種類 Grade 化學成分 Chemical composition

AISI UNSNo. C Si Mn Ni Cr Mo 其他 Other

416 _s41600 ≦0.15 ≦1.00 ≦1.25 ≦0.60 12.00~14.00 ≦0.60 S≧0.15 熱處理(℃) 機 械 的 性 質 Elongation (%) Hardness(bar) 記 號 退火 淬火 田火 N/㎜2 Yield strength N/㎜2 Tensile trength Bar Tube Reduction of area J/㎝2 Charpy Impact value HB HRC 416 800~900 徐冷或 約 750 急冷 800~900 slow cooling or approx,750 rapid cooling 950~1000 油冷 950~1000 oil quenching 700~750 急冷 700~750 rapid cooling ≧345 ≧540 ≧ 25 － ≧55 ≧98 ≧159 －

表4-4 轉軸軸徑與扭矩關係表[4] 單位：mm

材質 SUM43 SUS416 SUM24 備註

扭力5kg-cm以下 2.6 2.4 2.8 Min 扭力5~10 kg-cm 2.9 2.8 3.2 Min 扭力5~15kg-cm 3.1 3 3.4 Min 扭力15kg-cm以上 3.2 3.1 3.6 Min 轉軸的扭力來源為摩擦，全靠軸與雙包的緊密配合所產生的夾持力來 固定LCD模組；而影響摩擦力大小的因素有很多，如軸徑的大小、軸配干 涉量的大小、接合面的長度與面積、潤滑特性等等。為使本實驗之複雜度 縮小且具有連貫性，雙包結構固定不變如圖4-2所示且內孔徑為3.6 mm。 圖4-2 轉軸之雙包結構尺寸圖

4.2.2 潤滑油參數

潤滑油的特性在一般的使用場合中都是為了降低阻力，可是在本 實驗中其角色一百八十度轉彎，將原本要降低阻力的特性轉為增加阻 力。潤滑油黏滯力的不同而使得轉軸的扭力有顯著的變化，所以在本 實驗中將探討兩種業界常用且不會對塑膠起化學反應的潤滑油 Molykote 5-602014及 Krytox GPL 22615對扭力的影響程度，且定義其 參數為兩者間最顯著的黏度μ值。

4.2.3 軸表面鍍層參數

在邊界潤滑的重負荷表面摩擦，必須考慮到抗油脂的腐蝕及軸表 面的疲勞剝離現象，必須對表面實施適當的熱處理以解決腐蝕與延長 扭力變化的耐久性測試；在第三章中提到無電解鎳的被廣泛採用是因 為電鍍品質優良、製程快速、低成本；本實驗將以鍍無電解鎳為參數， 厚度3 μm，並討論有、無熱處理的差異。 14 _附錄十四 15 _附錄十五

4.2.4 Auto Lock參數

Auto Lock的設計被應用在筆記型電腦，是由小尺寸掌上型電腦開 始發展，目前已經可以廣泛應用於12.1吋的筆記型電腦，原因是小尺 寸電腦所須的轉軸扭力小，約 12kg-cm以下；業界目前設計值約為原 始扭力再加上15~25%[3]。然而本實驗是採用14.1吋的尺寸結構來設計 Auto Lock轉軸，首先面對的問題為如何設定扭力的大小！所以先將 acer TM240 與 IBM X50機器做重量分析，目的是想要知道原本設計給 LCD模組所使用的轉軸扭力到底需要增加多少！量測後得到的數據如 下表4-5所示： 表4-5 12.1吋 & 14.1吋重量分析表 機台尺寸 12.1吋 14.1吋 LCD模組重量 435 g 730 g 系統端重量 926 g 2013 g 由表4-5可知系統端重量明顯大於LCD模組重量，所以實驗比照 12.1吋方式，以增加原始扭力之比率做為實驗的參數。

4.2.5 個別參數驗證

為了瞭解個別參數的影響程度以方便進行田口實驗的組合安排，

先進行個別參數之單一實驗如表4-6所示，以決定進行田口實驗L9直交 表之參數。 表4-6 個別參數的實驗結果 由上表4-6中，可以得到以下的結論： 1. 軸干涉量： 軸干涉量愈大，初始扭力愈大；軸干涉量愈小，初始扭力愈低 且測試曲線較平滑。 2. 軸抗拉強度： 初始扭力值無明顯差異，於壽命測試後期可以看出軸強度愈高

則測試曲線變化愈小。 3. 潤滑油： 黏度愈大，初始扭力愈高；黏度於壽命測試過程中對測試曲線 的變化不大；而沒有使用潤滑油的情況下，扭力幾乎成線性下降。 4. 軸表面鍍層硬度： 為解決軸表面加工的粗糙度問題，於軸表面鍍一層無電解鎳且 厚度至少大於3μ，實驗取三個參數即無電鍍層、鍍無電解鎳硬度 Hv550、鍍無電解鎳後再熱處理硬度Hv1025。熱處理後的轉軸初始扭 力較高，且測試後期扭力有急速上昇的趨勢；而表面無鍍層之轉軸， 扭力下降的幅度太大。 5. Auto Lock： 以新轉軸設計Type2(圖5-5)為例，於實驗中看不出各參數間的 明顯變化。嘗試將參數變化的比率調昇，由15% 往上遞增後發現， 此摩擦式轉軸的結構有其上限的瓶頸約30%的變化量。 6. 不同扭力搭配：只要有一側轉軸扭力為下限，測試曲線較為平滑。

4.3 田口實驗組合

本實驗以田口L9(34)直交表望大特性方式做轉軸的耐久性測試，以 簡化實驗次數來節省實驗之成本及時間，於控制因子部分只能夠選擇四 項，內容敘述如下： 1. 要因配置表 本文將會影響轉軸特性的要因及水準分別列於下表4-7： 表4-7 實驗計劃要因配置表 水 準 控制因子 1 2 3 轉軸抗拉強度 40 kg/m㎡ 50 kg/m㎡ 60 kg/m㎡ 轉軸干涉量 0.2 mm 0.25 mm 0.15 mm 潤滑油黏度 μ= 0.04 μ= 0.11 non 軸表面硬度 Hv1025 Hv550 non 2. 直交表 直交表實驗的目的是利用所取得的實驗數據，來建構一個數學模式， 這個數學模式可以用來預測任何控制因子組合下（包含最佳的組合）的反 應值，而實驗的目的是在證實這個數學模式的合理性。任一產品品質特性 有不少變數影響其製程的結果，這些變數又分為可以被製程掌握的控制因 子，與無法掌握的雜訊因子。若雜訊因子的影響被降至最低，即為田口所

言的穩健性。因子的水準一般都設計兩個或三個水準，來涵蓋該因素的變 動範圍。實驗進行前先決定好因子及其水準，再設計兼顧時效性與經濟性 之實驗。實驗之目的在尋找影響製程品質特性之最佳因子與水準的各變數 組合。此法是將所有因子與水準的組合，考慮因子間可能有交互作用 （Interactions）的存在，進行完整的因子實驗，稱為實驗計畫（Design of Experiments）。 本文採L9直交表進行實驗，如下表4-8所示，英文字母代表選取之參 數，而第一行數字 1、2、3、…9為實驗組合，英文字母右側數字參數之 水準1~3。 表4-8 L9直交表

3. 變異數分析 變異數分析(Analysis of Variance，ANOVA)是統計上所應用的方法 之一，由於實驗數據或資料會受到各種不同的因素所影響，因此常會利用 變異數分析來探討各因素所造成的差異。利用田口方法中的S/N比，只能 做為評估各控制條件好壞的一項指標，但無法判斷各控制因子對於品質特 性的差異程度，也無法得知何種控制因子的影響程度，因此選擇利用變異 數分析來瞭解各控制因子的貢獻度，藉此得知如何改善和變換何種控制因 子，以得到最大的效益。 變異數分析主要是利用各實驗值之間的差異程度，以統計的方法加以 判斷和解釋。其內容包含了實驗數據列表和回應表、自由度、總平方和、 各因子平方和、均方(Mean Square)、貢獻度和合併誤差。 變異數分析主要是利用各實驗值之間的差異程度，以統計的方法加以 判斷和解釋。以下就本文所使用的變異數分析加以說明計算公式和步驟： 1. 實驗數據列表和回應表 在進行變異數分析時，必須延用直交表和S/N比的計算值，將 其繼續計算。 例如︰Yij( i為實驗組數，j為重覆次數)為原始的 實驗數據，求得各實驗組之S/N比ηi與整體S/N比之平均值 。

2. 自由度計算

一般而言，各因子的自由度(Degree of Freedom)為因子水準 數減一，而整體的自由度即為整體之評估數據減一。

3. 總平方和（SS_T）

總平方和也稱為總變動或是全變動(Total sum of Square， SS_T)，另外也可稱為總變異(Total Variation)。

(

)

2 1 1 2 2 1 1

∑

∑

∑

− = − ⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = − = n i n i i i n i i i T n SS η η η η (4-4) 其中n：實驗評估值的總數。 4. 均方(Mean Square) 均方即為變異數（V_factor），是各因子之變異除以各因子之自 由度。 factor factor factor f SS V = (4-5) 也就是若對於因子A，則公式如下：

A A A f SS V = (4-6) 另外，誤差項均方為Ve=SSE/fe。 5. 淨平方和（SS＇factor） 又稱為純變動，即各因子之變異數減去誤差項的變異數與各 因子自由度的乘積。 e factor factor factor SS f V SS = − × (4-7) 也就是若對於因子A，則A因子的淨平方和為： e A A A SS f V SS ' = − × (4-8) 6. 合併誤差（Error） 當使用某些直交表進行實驗情況下，會造成沒有誤差項，因 此會結合一些平方和較小的因子以進行變異數的分析。 7. 貢獻度 使用貢獻度(Contribution)來進行評估。即為各因子的純變 動佔總變動的百分比： % 100 × = T factor factor SS SS ρ (4-9) 也就是若對於因子A，則A因子的貢獻度為：

% 100 ' × = T A A SS SS ρ (4-10) 8) 本實驗設計的變異數分析表如下： 表4-9 變異數分析表

第五章 實驗方法、結果、分析與檢討

本文之研究為製作新型式無LCD Latch之轉軸，以田口方式來驗証各 因子間之關連，以有限的實驗數據模擬出接近最佳化的設計以提供一個不 需要卡勾及節省成本設計方式。 圖5-1 實驗流程圖

資料搜集

參數選定

田口實驗規劃

實驗記錄

新型無卡勾轉軸開發

結論

OK

NG

OK

NG

Finish

5.1 專利迴避設計

透過專利資訊檢索與創新性的專利迴避設計觀念，除可建立企業日後 研發設計的基本資料庫，也大幅避免侵權的法律風險，目前修正的「專利 侵害鑑定基準」即以美國相關設計規範為主要修法方向。 「專利只是排他，而不是壟斷，」對技術後進的高科技公司而言，如 何運用迴避設計布局，以擺脫技術先進者的控制與市場獨占，更因此成為 企業重要的經營策略。專利迴避設計是一項源於美國的合法競爭行為，主 要為避免侵害先前專利的申請範圍，所進行的持續創新與設計。目前美國 專利迴避設計的原則包括：刪除前專利權人申請的元件（elements）及其 功能、選擇申請範圍中較不重要的元件而以另一不同的元件取代、設計不 同於原專利中所界定的功能結構等方式，來進行迴避設計。 無卡勾裝置原始專利及新設計如下表5-1所示，以此概念設計新轉軸 圖面及樣本。另外，雙包原始專利及新設計如下表5-2所示，將以此概念 設計新轉軸圖面及樣本。

表5-1 無卡勾裝置專利迴避設計

表5-2 雙包專利迴避設計

1.刪除專利元件 15 、17、14、19 及其功能。

2.選擇專利較不重要的元件11以另一不同的元件 a + c 取代。

3.設計不同於原專利中所界定的功能結構元件21，以元件b 加油溝及防止 Spring Back 傾角與及加入元件d 防止 Spring Back 設計。

b a c d 原始專利 (US2002/0073508 A1) 新設計 1.專利已陸續到期。 2.設計不同於原專利中所界定的功能結構，以元件a、b 加止位平面並配 合 Spring Back 傾角設計約5度。 a 原始專利 (US00572293A) 新設計 b

5.2 基本條件及規格訂定

本實驗中為簡化複雜度，共假設以下幾個固定參數與規格： (1).LCD模組重量仿 acer TM250 14吋系列製作重量 730g 的鋁板代替 LCD模組。 (2).雙包尺寸與材質固定不變，僅以對手件轉軸做變化。 (3).測試溫度250C。 (4).搖擺測試機每 7次/分鐘。 (5).搖擺測試的角度為5~135度。 (6).以奇美、友達、廣輝、Hitachi、LG等LCD製造商之規格比較得知， LCD厚度介於 5.2~5.9 mm，本實驗取 5.7 mm。 (7).參考表5-4、表5-5，製定搖擺可靠度為至少25,000次。 (8).搖擺25,000次後靜置於30度角不會自動合屏。 (9).回彈角(Spring back)為5度。

表5-3 實驗測試規格表 表5-4 轉軸壽命與使用次數關係表 第一年 第二年 第三年 第四年 第五年 第六年 第七年 第八年 第九年 1次/天 365 730 1095 1460 1825 2190 2555 2920 3285 5次/天 1825 3650 5475 7300 9125 10950 12775 14600 16425 10次/天 3650 7300 10950 14600 18250 表5-5 HINGE 扭力高低的決定因素 Hinge 製造廠

acer IBM DELL 日系 代工廠

規格 品牌 +/- 10% +/- 10% +/- 10% +/- 10% +/- 10% 客戶要求 20,000次 Test 25,000 次加嚴檢驗 18,000次 18,000次 18,000次 測試後可 靜止角度 30 75~120 0 45~135 依客戶 HP +/- 10% 18,000次 30 測試後扭 力衰減率 +/- 15% +/- 15% +/- 15% +/- 15% +/- 10% 依客戶

5.3 實驗設備

本實驗使用設備有下圖5-2 HP-100型搖擺測試機每 7次/分鐘 的速 度、環溫250 C、開合角度 5~1350 C，每1000次以圖5-3 HP -10 扭力測試儀 器記錄靜摩擦扭力一次，以觀察扭力變化的曲線。 圖5-2：HP-100型搖擺測試機 圖5-3 HP - 10 扭力測試器

圖5-4：ENCODER MOUNT MX5030RZII 3D顯微鏡

5.4.繪圖與材料

新轉軸設計圖共有兩種，Type1是以最簡單經濟的方式設計，單純靠轉 軸的一個定位斜角配合雙包以-5度角設計，防止Spring Back 回彈的鬆動 現象，如下圖5-5示：

Type1簡圖如下圖5-6：

Type2如圖5-7所示，轉軸與雙包結構延用一般設計，增加定位板、盤 形彈片、平螺帽、墊片、錐形彈片等

輔助零件來達到Auto Lock的功能。

圖5-7 實驗之Type2 轉軸結構圖 實驗所需之LCD替代鋁板尺寸圖如下圖5-8：

圖5-8 實驗之替代LCD鋁板尺寸圖 定位板 1 盤形彈片 定位板 2 雙 包 轉 軸 平墊圈 平螺帽

材料的準備如下表5-6所示，左側表格為兩個Type的實驗材料明細， 右側表格為各種材料的材質說明。 表5-6 實驗所須之材料需求表

5.5 田口實驗

依據L9直交表進行組合之實驗，將兩種不同Type的轉軸分開為獨立的 兩組田口實驗，各自進行並記錄資料。實驗分成九組，以四個控制因子與 三個水準套入表4-8後，分別搜集到圖5-9、5-10及表5-7的資料。

圖5-9 Type1轉軸扭力耐久測試曲線圖

由圖5-9可以看出Type1的轉軸耐久測試於扭力衰減 +/- 15%規格內只能 達到2,000~8,000次的迴轉測試，無法符合規程要求之25,000次水準，所 得到的數據將不再進行田口分析，也說明此種型式轉軸不適用。

由圖5-10中可以看出實驗組合第五及第七組很明顯可以通過設定規格 25,000次，以下之田口實驗組合將以Type2實驗數據做進一步分析。 表5-7 L9之配置與實驗數據表 表5-7之X1、X2、Y1、Y2分別代表第一次與第二次實驗之正向與負向 扭力測試數值。為了防止因實驗減少可能發生的誤差，因此每一組合重複 做二次，總共取得36 個樣本。

5.6 田口實驗結果與分析

由實驗數據結果依據田口方法分析，引用望大特性公式4-3可求得下 表5-8的S/N比。僅實驗5、7兩組符合設計規格。 表5-8 數據與SN比較表 實驗組合 _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − =

_∑

= n i i y n N S 1 2 1 1 log 10 /

＝ -10 * log[(1/4) * (1/X12 + 1/X22 + 1/Y12 + 1/Y22)]，依序套入公式 所得到的數值即為表5-8右側欄位之S/N比值。

由表5-8計算各因子之S/N比值可以得到補助表，計算方法為將各控制 因子的相同水準之S/N比值相加後，依序列入表5-9欄位中，再將三個水準

中的最大值減去最小值後所得到的數值填入差異欄中即完成補助表。 表5-9 補助表

將補助表中各因子差異轉換成圖表後可以清楚的看出各因子的影響程度 之相互關係，如下圖5-11主效果圖及圖5-12因子效果圖所示。

圖5-12 因子效果圖

由補助表中可以判斷出因子B的影響程度最大, 但是也可以透過進一 步的變異數分析將其影響程度量化；經過計算後的變異數分析如下表 5-10。

變異數分析表可以將各參數對產品的影響程度給予量化，如表5-10 所示之B潤滑油黏度項目即可說明該項目佔總影響程度的65.44% 。 為瞭解田口分析的正確性，將最佳參數水準進行再驗證的實驗，取 實驗七的組合A3B1C3D2重新進行，得到的數據如下表5-11所示： 表5-11最佳參數水準再驗證數據表 最佳參數水準進行再驗證所得到的數據與原本實驗的結果，S/N比值 僅差距僅0.91dB，證明本次實驗結果應屬有效的實驗。

5.7 問題與檢討

由田口實驗結果分析後可以得到最佳參數組合為A3B1C3D2之實驗7。 即實驗中所得到的最佳參數分別為軸抗拉強度最大的60kg/m㎡、潤滑油黏 度最高的μ=0.11、轉軸干涉量最小的0.15mm 及軸表面硬度為鍍無電解鎳 硬度Hv550的參數組合，滿足本實驗設定的規格＂扭力誤差量 +/- 15% 及 25,000次壽命＂，實際更超出至42,000次的壽命測試。再由變異數分析後 可以清楚判定控制因子的影響程度順序如下表： 圖5-13 控制因子影響程度圖 在測試終了的同一時間將轉軸拆下做表面顯微觀查其變化後發現如 下圖5-11所示，可印證潤滑油對實驗結果之貢獻度以及熱處理後的轉軸表 面剝落的顆粒會隨硬度的增加而變大。

圖5-14 測試後轉軸表面狀況 另外，本實驗所訂定之 +/- 15%的規格是以該實驗組合的初始扭力為 依據，並非使用公稱尺寸來計算，所以會出現該最佳組合的實驗7會有超 出下限(-15%) 12.75 kgf-cm 扭力的現象；此誤差值以成本觀點來看必須 忽略且無損於品質；以轉軸特性來說，並不是非常敏感，可以將誤差量放 入初始扭力值的設計以降低成本。 Type1的實驗中，雖然說明壽命測試曲線無法符合規格，但是最佳的 實驗組合5也可以支撐到8,000次的水準，若以成本考量的觀點來看，Type1 的成本僅為Type2的三分之二，應該以產品的特性來決定所需要的規格才 是最正確的選擇。

第六章 結論與未來研究方向

6.1 結論

在實驗中所得到的結論可歸納如下： 1、 不增加成本的條件下，最佳參數組合為 A3,B1,C3,D2 的實驗七。即 實驗中所得到的最佳參數分別為軸抗拉強度最大的60kg/m㎡、潤滑 油黏度最高的μ=0.11、轉軸干涉量最小的0.15mm 及軸表面硬度為 鍍無電解鎳硬度Hv550的參數組合。 2、 本實驗扭力衰減率以起始扭力計算而非設計扭力值，若要縮小起始 扭力變異可由允差設計來縮小軸配尺寸公差，但是會增加成本。 3、 由個別因子實驗結果可以知道，藉由控制因子的局部調整也可以達 到對設計值非常接近的產品之模具及零件的共用。 4、 控制因子對產品特性的影響程度依序為潤滑油黏度>軸表面硬度>軸 徑干涉量>軸硬度。

6.2 未來研究方向

本研究為非常耗時的實驗方法，在完全沒有任何文獻可搜集資料的 情況下，必須一個個以實驗或量測方式累積數據；在有限的時間中所能搜