压电式喷头的驱动能效改进

压电式喷头的驱动能效改进

概述：.喷绘产业快速发展，已经能够高速度地打印高质量的画面。然而，高速打印需要有能效更高的多孔喷头。我们通过电脑模拟分析了墨水在喷头中的流向，以及墨滴形成过程。通过应用模拟结果，我们设计了激发器，墨路和喷孔的最佳形态，制作出了使用漏斗型喷孔的喷头模型。由此我们确定了此方式对喷头电压驱动能效的改进作用。

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1 引言

提高喷绘机打画速度，当然需要提高喷头喷墨速率和喷孔数量。要增加喷孔数量，喷头的结构问题还有制造问题都很重要，同样重要的是提高喷头驱动能效从而使得每点墨滴喷墨所需能量最小化，使得在喷绘过程中由于喷头温度增加而用来防止打画质量变差和滴墨不稳定所需的能量最小化。为了解决这些问题，我们通过电脑模拟，分析了喷头驱动能效的特征。

所谓压电式喷头是指通过电流垂直对压电材料施加电压，使之产生偏振的喷头。我们用限量技术模拟软件（这个软件能把喷头结构和电流场连接起来）来分析由此类压电材料组成的激发器的特征。为了分析墨水在喷头中的流向，以及墨滴从喷孔喷出过程，我们应用了限差技术模拟软件，这个软件能够分析表面液流。我们评估了用于激发器的电能，用于喷孔的弹性能量和墨滴所需的动能。我们也分析了各种因素（如激发器和喷孔道，喷空的形状，压电材料，喷头膜，墨水特点，驱动电压，波形）和驱动效能的关系。重点探讨了喷头形状和驱动效能之间的关系。

2 喷头结构和驱动能量

Fig. 1图一，喷头结构

图一是喷头结构图。当在PZT（铅镐酸盐钛酸盐）基板上机械形成凹槽时，成排的墨水通道和激发器就形成了。在压电片上面是盖板，基板前面是喷孔板，墨水从墨水通道中通过。

Fig. 2 图二，PZT激发器

Fig. 2图二显示的是激发器顺着墨水流向的右截面组合图.

给压电片通电，使PZT产生偏振，激发器扭曲，通道中的墨水受到挤压。当通道中的压力波传输到喷孔和公用墨腔当中并产生共振时，会随之导致喷孔压力变化，于是墨滴便喷出喷孔了。

Fig. 3图三，墨滴喷出过程

.图三显示的是模拟的墨滴喷出过程。图三的第一部分用驱动波形来显示低电压驱动。

当电压改变，在通道中产生压力，之后以一定的共振频率振荡，并逐步减弱。(图三第二部分).当电压往滴墨通道数量增加的方向增大时，会产生负压。当负压经过半周期后达到正压的最高值时，电压就会随着滴墨通道减少的方向变化，也就是随着初始电压升高的相反极变化。

从而正压得到加强使得墨滴喷出。

通道中压力和喷空中形成墨滴过程的时间变化模拟结果如图3（1）的下半部分所示。

Fig. 4图四共振频率和墨滴喷出的对比

对高速高品质的喷绘来说，提高墨水通道中压力共振频率非常必要

墨滴数量跟共振频率成反比，这从下面公式可知；

Vd = πr2×v/(2 ×f)

Vd: Volume of droplet表示墨滴数量

r: Radius of the nozzle表示喷孔半径

v: Velocity of droplet 墨滴速率

f: Resonance frequency 表示共振频率

.用于喷孔的压力共振频率和为喷墨提供恒定速率所需的必要压力值之间的关系的

计算结果如图四所示

当频率提高，所需喷墨压力快速提高，也就是说，驱动电压相应提高。进一步来讲，当通墨管道数量或者驱动频率增加从而提高喷绘速度和喷画质量时，产生的热量（包括驱动电路所产生的热量）也相应快速增加。

Wa=(1/2)×C×V2×A×fd×N

Wa: Total generated heat,表示所有产生的热量

C: Electrostatic capacity of the actuator, 表示激发器静电容量

V: Drive voltage 驱动电压

fd: Drive frequency 表示驱动频率

A: Waveform coefficient表示波形系数

N: Number of channels表示通道数量

产生的热量包括压电材料组成的激发器由于绝缘造成能量丢失所产生的热能，通道中电极在墨水中传导的阻抗使得墨水温度升高所产生的热能。因为激发器和墨水之间的距离非常短，墨水在很短的时间里温度就升高，使得墨水性质发生变化，从而导致墨滴速率和和墨滴数量波动，最终造成喷绘质量下降。而且，要是温度上升得很显著的话，很有可能就不能稳定喷墨。

3 喷头形状和驱动效能

3.1 激发器和墨水通道

Fig5 图五激发器位移分析

图五的左边显示的是计算得出的通过改变电压导致压电片位移的一个例示。图五的右边显示的是：激发器的柔量（位移/压力）可被计算成通过内部压力升高所产生的反压力位移。激发器的柔量跟通道中的墨水柔量之间的比率叫做柔量比（KCR）。柔量比显示了通道中压力差所造成的激发器数量变化和通道中受压的墨水的数量变化之间的比率。

给通道加压所产生的压力P可由下列公式计算出。此处, λ是一个恒定值，值的大小由通道驱动模式决定。产生压力降低，因为通道内的内部压力增加，在激发器上施加压力。

P=2×(Δx/W)×B×V/(1+λ×kcr)

Δx:表示单位电压下激发器的平均位移

V:驱动电压

W:通道宽度

B: 墨水体积模数

根据柔量比值的变化，压力波在通道中扩散的速度也会随之变化。原因是因为由于激发器的变形，通道内部压力所造成的墨量变化也频繁了，也就是说，墨水体积也明显下降了。因此，形状的变化也影响了共振频率，这点需要引起注意。

压力波扩散速度

C0=(B/ρ)1/2/(1+λ×kcr)1/2

ρ: Density of ink 墨水密度

压力波共振频率

f = C0(1 + α)/4L

α:形状因素

L:通道长度