機械式光開關之熱變形分析｜國立清華大學博碩士論文庫

簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表

研究生：	曾桄洺 TSENG, KUANG-MING
論文名稱：	機械式光開關之熱變形分析 INVESTIGATION OF THERMAL DEFORMATION OF MECHANICAL OPTICAL SWITCH
指導教授：	王偉中 WANG, WEI-CHUNG
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 動力機械工程學系 Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年：	2006
畢業學年度：	94
語文別：	中文
論文頁數：	97
中文關鍵詞：	機械式1×2光開關、ANSYS熱變形、雷射位移量測系統、繼電器、翹翹板端點位移
相關次數：	點閱：1 下載：0
分享至:	分享至facebook 分享至twitter

查詢本校圖書館目錄查詢臺灣博碩士論文知識加值系統勘誤回報

本研究對機械式1×2光開關進行一系列的實驗和ANSYS熱變形的模擬，實驗方面使用雷射位移量測系統針對繼電器做探討，繼電器係光開關中最主要切換光纖訊號的元件，考慮繼電器在不同電壓、不同溫度、及高溫高濕與高溫烘烤循環作用下，對繼電器內部類似翹翹板機構之端點位移做分析。模擬分析則首先用3D繪圖軟圖Pro/E繪製光開關各元件，再一一彙入商用有限單元套裝軟體ANSYS做熱變形分析。熱負載的設定則參考業界廣泛使用的Telcordia GR-1073-CORE光開關產品之可靠度測試規範，分別給予光開關75℃及-40℃的溫度環境，假設為穩態的情況對光開關做熱變形分析，獲得光開關每個元件在溫度效應下之熱變形，藉由更改元件的材質，比較光開關各元件的最大絕對位移與最大相對位移，找出最適合的元件材質，進而提升光開關的良率。

一、簡介…………………………………………………………………1
二、文獻回顧……………………………………………………………3
三、實驗儀器與原理……………………………………………………6
    3.1原理……………………………………………………………6
    3.2規格……………………………………………………………9
四、實驗元件與架設……………………………………………………10
    4.1實驗元件……………………………………………………10
    4.2 實驗目的……………………………………………………11
    4.3實驗架設……………………………………………………12
五、實驗結果與討論……………………………………………………14
    5.1 改變電壓：電壓範圍為3.5V~6.0V，每間隔0.1V量測
一次繼電器內翹翹板機構之端點位移…………………… 14
    5.2 固定電壓為5V，量測溫度範圍為25℃~75℃，每間隔
5℃量測一次繼電器內翹翹板機構之端點位移……………14
    5.3 固定電壓為5V，在高溫高濕(85℃及RH 85％)環境下
15小時且高溫烘烤(85℃)5小時，共反覆循環7次，
每做完高溫高濕及高溫烘烤後皆量測一次繼電器內翹
翹板機構之端點位移…………………………………………15
六、光開關熱變形分析及方法…………………………………………18
    6.1 光開關Pro/E模型之建立………………………………… 18
    6.2 光開關切換訊號之作動原理……………………………… 18
    6.3光開關熱變形分析………………………………………19
七、熱變形分析結果與討論……………………………………………23
    7.1光開關熱變形結果……………………………………………23
       7.1.1 案例一~三在75℃與-40℃情況下之熱變形圖………23
       7.1.2 案例四~六在75℃與-40℃情況下之熱變形圖………24
       7.1.3 案例一~三在75℃與-40℃情況下之熱變形比較……24
       7.1.4 案例四~六在75℃與-40℃情況下之熱變形比較……25
    7.2總結……………………………………………………………26
八、結論與未來展望……………………………………………………28
九、參考文獻……………………………………………………………32





圖目錄

圖4.1  光開關之實體圖    35
圖4.2  光開關之左視圖    35
圖4.3  光開關之下視圖    36
圖4.4  光開關之前視圖    36
圖4.5  光開關之內部圖    37
圖4.6  繼電器    37
圖4.7  光開關內部元件爆炸圖    38
圖4.8  切削治具    38
圖4.9  切除上蓋之繼電器    39
圖4.10  實驗架設    39
圖4.11  電源供應器    40
圖4.12  加熱器    40
圖4.13  溫度計    41
圖4.14  繼電器翹翹板之端點位移量測點    41
圖4.15  加熱棒固定圖    42
圖4.16  溫度計量測端固定圖    42
圖4.17  烤箱    43
圖5.1  高溫高濕及高溫烘烤循環之端點位移平均值    43
圖6.1  外殼尺寸示意圖    44
圖6.2  橫桿尺寸示意圖    44
圖6.3  切削後繼電器之示意圖    45
圖6.4  切削後繼電器之塑膠外殼尺寸示意圖    45
圖6.5  切削後繼電器之底座尺寸示意圖    46
圖6.6  切削後繼電器之翹翹板尺寸    46
圖6.7  石英柱尺寸示意圖    47
圖6.8  V型槽尺寸示意圖    47
圖6.9  上蓋尺寸示意圖    48
圖6.10  下蓋尺寸示意圖    48
圖6.11  外殼與橫桿組裝圖    49
圖6.12  輸入光纖黏膠處示意圖    49
圖6.13  光開關主要元件高度示意圖    50
圖6.14  輸入光纖角度示意圖    50
圖6.15  輸入光纖切換頻道示意圖    51
圖6.16  ANSYS熱變形分析流程圖    52
圖6.17  在ANSYS中使用之光開關圖    53
圖6.18  原始外殼網格分割圖    53
圖6.19  簡化外殼網格分割圖    54
圖6.20  光開關在75℃情況下之溫度分佈圖    54
圖6.21  光開關在-40℃情況下之溫度分佈圖    55
圖6.22  邊界條件示意圖    55
圖7.1  光開關整體在75℃情況下之熱變形圖(案例一)    56
圖7.2  外殼在75℃情況下之熱變形圖(案例一)    56
圖7.3  橫桿在75℃情況下之熱變形圖(案例一)    57
圖7.4  下V型槽在75℃情況下之熱變形圖(案例一)    57
圖7.5  石英柱在75℃情況下之熱變形圖(案例一)    58
圖7.6  上V型槽在75℃情況下之熱變形圖(案例一)    58
圖7.7  光開關整體在75℃情況下之熱變形圖(案例二)    59
圖7.8  外殼在75℃情況下之熱變形圖(案例二)    59
圖7.9  橫桿在75℃情況下之熱變形圖(案例二)    60
圖7.10  下V型槽在75℃情況下之熱變形圖(案例二)    60
圖7.11  石英柱在75℃情況下之熱變形圖(案例二)    61
圖7.12  上V型槽在75℃情況下之熱變形圖(案例二)    61
圖7.13  光開關整體在75℃情況下之熱變形圖(案例三)    62
圖7.14  外殼與橫桿在75℃情況下之熱變形圖(案例三)    62
圖7.15  下V型槽在75℃情況下之熱變形圖(案例三)    63
圖7.16  石英柱在75℃情況下之熱變形圖(案例三)    63
圖7.17  上V型槽在75℃情況下之熱變形圖(案例三)    64
圖7.18  光開關整體在-40℃情況下之熱變形圖(案例一)    64
圖7.19  外殼在-40℃情況下之熱變形圖(案例一)    65
圖7.20  橫桿在-40℃情況下之熱變形圖(案例一)    65
圖7.21  下V型槽在-40℃情況下之熱變形圖(案例一)    66
圖7.22  石英柱在-40℃情況下之熱變形圖(案例一)    66
圖7.23  上V型槽在-40℃情況下之熱變形圖(案例一)    67
圖7.24  光開關整體在-40℃情況下之熱變形圖(案例二)    67
圖7.25  外殼在-40℃情況下之熱變形圖(案例二)    68
圖7.26  橫桿在-40℃情況下之熱變形圖(案例二)    68
圖7.27  下V型槽在-40℃情況下之熱變形圖(案例二)    69
圖7.28  石英柱在-40℃情況下之熱變形圖(案例二)    69
圖7.29  上V型槽在-40℃情況下之熱變形圖(案例二)    70
圖7.30  光開關整體在-40℃情況下之熱變形圖(案例三)    70
圖7.31  外殼與橫桿在-40℃情況下之熱變形圖(案例三)    71
圖7.32  下V型槽在-40℃情況下之熱變形圖(案例三)    71
圖7.33  石英柱在-40℃情況下之熱變形圖(案例三)    72
圖7.34  上V型槽在-40℃情況下之熱變形圖(案例三)    72
圖7.35  光開關整體在75℃情況下之熱變形圖(案例四)    73
圖7.36  外殼與橫桿在75℃情況下之熱變形圖(案例四)    73
圖7.37  下V型槽在75℃情況下之熱變形圖(案例四)    74
圖7.38  石英柱在75℃情況下之熱變形圖(案例四)    74
圖7.39  上V型槽在75℃情況下之熱變形圖(案例四)    75
圖7.40  光開關整體在75℃情況下之熱變形圖(案例五)    75
圖7.41  外殼與橫桿在75℃情況下之熱變形圖(案例五)    76
圖7.42  下V型槽在75℃情況下之熱變形圖(案例五)    76
圖7.43  石英柱在75℃情況下之熱變形圖(案例五)    77
圖7.44  上V型槽在75℃情況下之熱變形圖(案例五)    77
圖7.45  光開關整體在-40℃情況下之熱變形圖(案例四)    78
圖7.46  外殼與橫桿在-40℃情況下之熱變形圖(案例四)    78
圖7.47  下V型槽在-40℃情況下之熱變形圖(案例四)    79
圖7.48  石英柱在-40℃情況下之熱變形圖(案例四)    79
圖7.49  下V型槽在-40℃情況下之熱變形圖(案例四)    80
圖7.50  光開關整體在-40℃情況下之熱變形圖(案例五)    80
圖7.51  外殼與橫桿在-40℃情況下之熱變形圖(案例五)    81
圖7.52  下V型槽在-40℃情況下之熱變形圖(案例五)    81
圖7.53  石英柱在-40℃情況下之熱變形圖(案例五)    82
圖7.54  上V型槽在-40℃情況下之熱變形圖(案例五)    82
圖7.55  案例一~三在75℃情況下之熱變形比較(Ch 1)    83
圖7.56  案例一~三在75℃情況下之熱變形比較(Ch 2)    83
圖7.57  案例一~三在-40℃情況下之熱變形比較(Ch 1)    84
圖7.58  案例一~三在-40℃情況下之熱變形比較(Ch 2)    84
圖7.59  案例四~六在75℃情況下之熱變形比較(Ch 1)    85
圖7.60  案例四~六在75℃情況下之熱變形比較(Ch 2)    85
圖7.61  案例四~六在-40℃情況下之熱變形比較(Ch 1)    86
圖7.62  案例四~六在-40℃情況下之熱變形比較(Ch 2)    86
圖7.63  外殼在75℃情況下之熱變形圖(Invar)    87
圖7.64  外殼在75℃情況下之熱變形圖(Kovar)    87
圖7.65  外殼在75℃情況下之熱變形圖(Stainless)    88














表  目  錄

表4.1  繼電器接腳功能描述    89
表4.2  光開關光路切換    89
表5.1  不同電壓下繼電器內翹翹板機構之端點位移    90
表5.2  不同溫度下繼電器內翹翹板機構之端點位移    91
表5.3  高溫高濕及高溫烘烤循環下繼電器內翹翹板機構之
        端點位移    92
表6.1  光開關元件材料性質    93
表6.2  修改後繼電器塑膠外殼與V型槽尺寸    93
表6.3  熱-結構分析形式對應表    93
表6.4  更換外殼材質表    94
表6.5  外殼材質之材料性質    94
表6.6  ㄧ體成型材質表    94
表7.1  案例一~案例三在75℃情況下之熱變形值(Ch 1)    95
表7.2  案例一~案例三在75℃情況下之熱變形值(Ch 2)    95
表7.3  案例一~案例三在-40℃情況下之熱變形值(Ch 1)    95
表7.4  案例一~案例三在-40℃情況下之熱變形值(Ch 2)    96
表7.5  案例四~案例六在75℃情況下之熱變形值(Ch 1)    96
表7.6  案例四~案例六在75℃情況下之熱變形值(Ch 2)    96
表7.7  案例四~案例六在-40℃情況下之熱變形值(Ch 1)    97
表7.8  案例四~案例六在-40℃情況下之熱變形值(Ch 2)    97
表7.9  熱膨脹係數與熱變形之比值比較表    97

                                

[1] Website:http://www.itri.org.tw/chi/services/ieknews/c1101-B10-01806-0D2D-0.doc
[2] Website:http://www.pladaily.com.cn/big5/jskj/2003/01/15/20030115001160_jsrdts.html
[3] Website:http://oerc.iam.ntu.edu.tw/course/local/local1_ch3_1.pdf
[4] Website:http://www.cqinc.com.tw/grandsoft/cm/078/apr772.htm
[5] Website:http://www.itri.org.tw/chi/publication/itri_pub/pdf/127.pdf
[6] 吳智誠, “微機電雙光柵之光調制器”, 國立中央大學光電科學研究所碩士論文, 2004.
[7] “ANSYS”, Revision 5.7, Swanson Analysis Systems, Inc., Houston, PA, U.S.A., 2001
[8] “Pro/E”, Wildfire 2.0, PTC, Inc., U.S.A., 2005.
[9] K. E. Petersen, “Siliocon Torsional Scanning Mirror”, IBM J. Res. Develop., Vol. 24, pp. 631-637, 1980.
[10] H. Toshiyoshi, and H. Fujita, “Electrostatic Micro Torsion Mirrors for an Optical Switch Matrix”, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 5, No. 4, pp. 231-237, 1996.
[11] C. Marxer. and N. F. de Rooij, “Micro-Optical-Mechanical 2x2 Switch for Single-mode Fibers Based on Plasma-Etched Silicon Mirror and Electrostatic Actuation”, Journal of Lightwave Technology, Vol. 17, No. 1, pp. 2-6, 1999.
[12] J. Li, Q. X. Zhang, and A. Q. Liu, “Advanced Optical Switches Using Deep RIE Fabrication”, Sensors and Actuators, pp. 286-295, 2003.
[13] D. M. Sun, W. Dong, G. D. Wang, C. X. Liu, X. Yan, B. K. Xu, and W. Y. Chen, “Study of a 2×2 MOEMS Optical Switch with Electrostatic Actuating”, Sensors and Actuators, pp. 249-256, 2005.
[14] B. Belin, K. Y. Lan, and R. S. Muller, “Magnetically Actuated Micromirror for Fiber-Optical Switching”, Solid-State Sensors and Actuators, pp. 288-293, 1998.
[15] H. Toshiyoshi, D. Miyauchi, and H. Fujita, “Micromechanical Fiber Optic Switches Based on Electromagnetic Torsion Mirrors”, Proceedings of the IEEE/LEOS Summer Topical Meeting, Monterey, CA, USA, pp. 23-24, July 20-24, 1998.
[16] K. R. Cochran, L. Fan, and D. L. DeVoe, “High-Power Optical Microswitch Based on Direct Fiber Actuation”, Sensors and Actuators, A 119, pp. 512-519, 2005.
[17] J. U. Bu, H. G. Lee, and J. Y. Park, “MEMS Technology for Advanced Telecommunication Applications”, Sensors and Actuators, pp. 317-327.
[18] 藍志傑, “壓電致動器應用於陣列式光開關與拓樸最佳化微撓性放大機構之設計與製作”, 國立高雄應用科技大學機械與精密工程研究所論文, 2004.
[19] N. C. Tien, O. Solgaard, and M. H. Kiang, “Surface-Micromachined Mirrors for Laser-Beam Positioning”, Proceedings of the International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Vol. 2, pp. 352-355, June 25-29, 1995.
[20] 陳嘉宏, “光開關之熱變形分析與最佳化設計”, 國立台灣大學機械工程研究所碩士論文, 2004.
[21] 基恩斯用戶手冊, 雷射位移感測器LK-G系列, 基恩斯公司, 台灣, 2006.
[22] Website:http://cslin.auto.fcu.edu.tw/eleme/mea/13-3.htm
[23] 東盈光電科技股份有限公司1×2光開關之型錄, 2005.
[24] 松下電工, 台灣, 2005
[25] Website：http://www.ck.tp.edu.tw/~tech/robert/point.htm
[26] Telcordia GR-1073-CORE, 2006

全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)

簡易檢索 / 詳目顯示

相關論文