The Design , Fabrication and Test of PZT-Actuated Micro-Ejector with Multiple Nozzles 張琮勛、鄭江河
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ABSTRACT
The paper aims at the design, fabrication and test of a micro-ejector applied to the flush cleaning of the toilet. The micro-ejector ejects once multiple droplets of condensed cleanser diluted with water near the tube outlet. The low cost and mass production are considered under development stage. The size of cleaning module will be more compact due to the implantation of micro-ejector.
The key components of the micro-ejector include an annular PZT actuator and a nickel plate. The nickel is electroformed with multiple nozzles. The PZT actuator is attached to the nickel plate and those nozzles are arranged around the annular centre.a When PZT actuator is actuated, the extension difference between two layers make the nickel plate bend and vibrate, and impact of chamber liquid result in droplets ejection from those nozzles. The finite element software, ANSYS, will be utilized for the static and modal analysis of the composite plate. The simulating results will be verified by experiments. The testing instruments include laser vibrometer and impedence analyzer for displacement and resonant frequency measurement respectively. Also, micro-ejector prototypes for experiment are assembled to observe the droplet generation and ejection.
Keywords : micro-ejector, PZT actuator, electroforming, resonant frequency Table of Contents
目錄 封面內頁 簽名頁 授權書 iv 中文摘要 v 英文摘要 vi 誌謝 vii 目錄 viii 圖目錄 x 表目錄 xiii 第一章 問題描述 1 1.1前言 1 1.2研究動機 3 1.3文獻回顧 5 1.3.1國外目前研究情形 5 1.3.2國內目前研究情形 6 1.4研究目標與方向 9 第二章 設計分析 12 2-1壓電材料簡介 13 2.2結構設計 14 2.3結構模態分析 17 2.3.1分析模型 17 2.3.2 所使用之壓電材料表 18 2.4..分析結果 19 2.4.1靜態位移 19 2.4.2模態分析 19 第三章 製作與量測 23 3.1..光罩設計 23 3.2..壓電致動器之製程 24 3.3..元件製作與實驗雛 形組裝測試 27 3.4..噴嘴振動片之製作 28 3.4.1電鑄製程 28 3.5..實際組裝運作驗證 31 3.6..量測配置 33 3.7..液滴觀測實驗架 構 35 第四章結果與討論 37 4.1..靜態量測 37 4.2..模態分析與量測之比較 40 4.3..腔體含水量對自然共振頻率之影響 43 4.4..
陣列多孔流量測試 49 4.5..單孔噴頭之液滴觀測 62 4.6..導電線路噴射 65 第五章 結論 72 參考文獻 73 圖目錄 圖1.1聲波式霧 化器 2 圖1.2彎曲型壓電作動型態噴液裝置示意圖 3 圖1.3使用噴墨技術之微機電結構 4 圖1.4超音波霧化器之結構 8 圖1.5壓 電式超音波吸取器 9 圖1.6超音波霧化氣之實體 9 圖1.7如廁設備沖洗水流管路之預定設計 11 圖1.8如廁設備沖洗水流管路之 預定設計 11 圖2.1實驗研究流程圖 12 圖2.2噴頭結構 15 圖2.3開放式噴射器示意圖 16 圖2.4封閉式噴射器示意圖 17 圖2.5有 限元分析立體圖及網格 18 圖2.6 .ANSYS靜態位移分析圖 20 圖2.7面外位移之主要振形 21 圖2.8面外位移之次要頻率之振形 22 圖3.1陣列式多孔光罩示意圖 23 圖3.2單孔式噴嘴片之光罩示意圖 24 圖3.3壓電致動器製作流程 25 圖3.4所使用之生胚、
塊材實體圖 26 圖3.5壓電生胚製造積層壓電致動器的製作流程圖 26 圖3.6霧化器組裝示意圖 27 圖3.7 ..振動噴嘴片製程流程 圖 30 圖3.8 ..微陣列噴孔放大圖 31 圖3.9 ..高倍率顯微放大組裝對位系統 32 圖3.10圓環形壓電致動器、噴嘴振動片及組裝後 之模組 33 圖3.11 .Polytec 3D都卜勒雷射干涉儀(MSV300) 34 圖3.12驅動位移量測實驗示意圖 35 圖3.13液滴觀測系統 36 圖4.1 ..Type1靜態下驅動波形、位移與速度 38 圖4.2 ..Type1靜態位移與ANSYS之比較 38 圖4.3 ..Type2靜態下驅動波形、位 移與速度 39 圖4.4 ..Type2靜態位移與ANSYS之比較 39 圖4.5 ..量測所得前五個面外位移為主之共振振形 40 圖4.6 ..都卜勒 雷射干涉儀(MSV300)量測面外位移之頻率分佈圖 40 圖4.7 ..分析所得前四個面外位移為主之共振振形 41 圖4.8 ..非面外位移 之次要頻率之振形 42 圖4.9 ..艙體內有無水之共振頻率阻抗掃描圖 44 圖4.10艙體內有無水之共振頻率Polytec位移掃描圖 45 圖4.11艙體內有無水之共振頻率Polytec速度掃描圖 48 圖4.12噴水範圍 49 圖4.13主要共振頻率下之水量量測 52 圖4.14面外 位移共振模態比較圖 53 圖4.15第一共振頻率偏移分佈圖 54 圖4.16第二共振頻率偏移分佈圖 55 圖4.17第三共振頻率偏移分 佈圖 56 圖4.18第四共振頻率偏移分佈圖 57 圖4.19第五共振頻率偏移分佈圖 58 圖4.20固定時間下改變電壓之水量量測 60 圖4.21單孔噴頭在共振頻率下之噴水流量量測 61 圖4.22驅動波形示意圖 62 圖4.23圖4.23 T1= 3.8 T2=3.4 63 圖4.24 T1= 6.4 T2=1 63 圖4.25波形產生圖 64 圖4.26液滴飛行過程 65 圖4.27霧化器利用控制平台噴射線路示意圖 66 圖4.28液滴噴射至玻 璃基板 67 圖4.29液滴噴射至玻璃基板 67 圖4.30液滴噴射至基板示意圖 68 圖4.31頻率300Hz 速度為3cm/s 69 圖4.32頻 率300Hz高溫燒附後 69 圖4.33頻率500Hz 速度為3cm/s 70 圖4.34頻率500Hz高溫燒附後 70 圖4.35頻率1kHz ，孔徑30 ，線 寬 210速度 3cm/s 71 圖4.36頻率50kHz，孔徑30 ，速度10cm/s 71 表目錄 表1壓電噴頭之尺寸設計 15 表2前五個面外位移為 主共振頻率（ANSYS分析） 20 表3前五個面外位移之次要頻率（ANSYS分析） 21 表4水量對面外位移為主之共振頻率的 影響 46 表5加水2cc之Polytec掃頻速度位移 47 表6位移速度之比較 47 表7第一共振下左右偏移之頻率 54 表8第二共振下左右 偏移之頻率 55 表9第三共振下左右偏移之頻率 56 表10第四共振下左右偏移之頻率 57 表11第五共振下左右偏移之頻率 58
表12時間固定一分鐘，改變電壓 59 表13單孔水量測 61 REFERENCES
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