李 勇1，孔春偉2，何繼愛2，孔全存3，趙 翔4

噴頭驅(qū)動電源是壓電噴頭的核心部件之一。針對厚度剪切型壓電噴頭致動器結(jié)構(gòu)特征，剖析了0.11～0.32 μm規(guī)模內(nèi)的致動壁位移隨驅(qū)動電壓在20～60 V規(guī)模內(nèi)近似線性增大的聯(lián)系，推導(dǎo)出致動壁15 kHz的諧振基頻數(shù)值，結(jié)合噴墨通道“三循環(huán)”驅(qū)動辦法時序，規(guī)劃了一種依據(jù)直流改換原理的開關(guān)式驅(qū)動電源，完成了32路噴墨通道分組噴發(fā)，其最大輸出電壓規(guī)?！?0 V，正負(fù)脈寬和設(shè)置時刻在15～200 μs內(nèi)在線可調(diào)，單路輸出電流大于6 mA，脈寬最大差錯小于3%。開始測驗試驗了該驅(qū)動電源的可行性。

跟著傳統(tǒng)打印、工業(yè)噴繪、生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)的蓬勃發(fā)展，剪切型壓電噴墨打印技能因其墨滴均勻性好，可控性強(qiáng)、衛(wèi)星點少等長處異軍突起，是當(dāng)今最具使用潛力的噴墨打印技能[1]。剪切型壓電噴墨打印技能中壓電噴頭結(jié)構(gòu)及驅(qū)動電源是其關(guān)鍵技能，噴頭驅(qū)動電源輸出鼓勵脈沖的幅值、頻率特性影響噴頭噴出墨滴的大小、速度及頻率[2]。因而，研發(fā)一種有用的剪切型壓電噴頭驅(qū)動電源，關(guān)于提高噴頭噴出墨滴的功能具有重要意義。

1.1 厚度剪切型壓電噴頭驅(qū)動結(jié)構(gòu)

依據(jù)剪切型壓電噴頭功能及上述剖析，以PZT-5H壓電陶瓷為基材，規(guī)劃出如圖1所示的剪切型壓電噴頭致動器結(jié)構(gòu)。壓電噴頭致動器主要由壓電陶瓷底座、壓電陶瓷致動壁、非壓電陶瓷上蓋、連接膜、焊盤、帶有噴孔的噴孔板等構(gòu)成。

圖1 剪切型壓電噴頭致動器結(jié)構(gòu)

(a)停止態(tài) (b)容積增大態(tài) (c)容積減小態(tài)

1.2 致動壁位移及諧振基頻剖析

為了確定電壓對壓電噴頭致動壁厚度剪切振蕩時位移的影響，在圖1所示噴頭致動器結(jié)構(gòu)模型的致動壁上定義如下條件及變量：致動壁上部涂覆銅電極；致動壁長l、電極高h(yuǎn)、致動壁厚w(w遠(yuǎn)小于h)，致動壁沿z方向極化，y方向施加電場，逆z方向wl面固定，順z方向wl面膠連支撐。設(shè)y方向撓度為f，則f是x、z、t的函數(shù)，可得致動壁振蕩的微分方程為：

因致動壁長度遠(yuǎn)大于電極高度，可近似認(rèn)為致動壁y方向撓度f不隨x的改變而改變，即f(x，z，t)=f(z，t)。

式(2)中U為驅(qū)動電壓，r為上蓋及連接膜等效為繃簧時的繃簧系數(shù)。將邊界條件代入式(1)，可得z=h時，致動壁位移S：

依據(jù)圖1所示剪切型壓電噴頭致動器結(jié)構(gòu)模型，設(shè)致動壁厚度剪切振蕩時，任一時刻撓度為：

由式(5)得撓度為：

致動壁動能：

依據(jù)動能與勢能聯(lián)系Umax=Tmax，解得致動壁諧振基頻：

經(jīng)過對壓電噴頭致動壁位移及諧振基頻的理論剖析，得出PZT-5H制作的致動壁，0.11～0.32 μm規(guī)模內(nèi)的致動壁位移隨驅(qū)動電壓在20～60 V規(guī)模內(nèi)近似線性增大；諧振基頻約為15 kHz。

2.1 致動壁驅(qū)動波形規(guī)劃

一般圖1所示剪切型壓電噴頭致動器某一通道噴發(fā)墨水時，相鄰?fù)ǖ酪蛑聞颖跀嚁_無法一起噴發(fā)。為處理依據(jù)同享致動壁結(jié)構(gòu)規(guī)劃的噴頭相鄰?fù)ǖ罒o法一起噴發(fā)問題，提出將通道分紅三組，選用循環(huán)替換作業(yè)的辦法，編號為1+3n的通道為A組，編號為2+3n的噴道為B組，編號為3+3n的通道為C組。某一組通道擬噴發(fā)墨滴時，該組通道施加圖3中b通道上的鼓勵脈沖，相鄰兩通道別離施加a通道，c通道上的鼓勵脈沖。

針對剪切型壓電噴頭功能、致動器結(jié)構(gòu)特征、致動壁位移在20～60 V規(guī)模內(nèi)隨驅(qū)動電壓近似線性增大聯(lián)系、致動壁15 kHz諧振基頻、噴墨通道“三循環(huán)”驅(qū)動辦法時序，規(guī)劃了一種依據(jù)直流改換原理的開關(guān)式驅(qū)動電源。該電源完成32路通道的分組噴發(fā)，其最大輸出電壓規(guī)模±60 V，正負(fù)脈寬和設(shè)置時刻在15～200 μs內(nèi)在線可調(diào)。剪切型壓電噴頭驅(qū)動電源整體框圖如圖4所示，壓電噴頭驅(qū)動電源由主控模塊、多路信號發(fā)生器模塊、功率擴(kuò)大模塊、上位機(jī)模塊等構(gòu)成。

圖4 剪切型壓電噴頭驅(qū)動電源整體框圖

功率擴(kuò)大模塊完成信號發(fā)生器生成信號的功率擴(kuò)大，當(dāng)擴(kuò)大后的鼓勵脈沖施加到噴墨通道焊盤上時，致動壁發(fā)生厚度剪切振蕩，導(dǎo)致墨水腔有規(guī)則地增大-減小，將墨水?dāng)D出噴孔。功率擴(kuò)大模塊選用MOS管構(gòu)建的全橋輸出擴(kuò)大電路，相鄰兩通道擴(kuò)大電路如圖5所示，功率擴(kuò)大電路由光電阻隔、MOS管驅(qū)動、邊緣調(diào)整、功率擴(kuò)大四部分組成[12]。

圖 5 功率擴(kuò)大電路

電路中輸入信號U1、U2滿足圖3所示時序聯(lián)系時，剪切型壓電噴頭致動壁充放電進(jìn)程如下：U1上升沿到來且U2為低電平，MOS管T2、T6導(dǎo)通，T3、T5關(guān)斷，20～60 V可調(diào)直流電源經(jīng)T2、T6對致動壁正向充電，致動壁向外運動；U1下降沿到來且U2為低電平，MOS管T3、T6導(dǎo)通，T2、T5關(guān)斷，致動壁經(jīng)T3和D4組成的回路正向放電，致動壁向內(nèi)運動。U1為低電平且U2上升沿到來，MOS管T5、T3導(dǎo)通，T6、T2關(guān)斷，20～60 V可調(diào)直流電源經(jīng)T5、T3對致動壁反向充電，致動壁持續(xù)向內(nèi)運動。U1為低電平且U2下降沿到來，MOS管T6、T3導(dǎo)通，T5、T2關(guān)斷，壓電致動壁經(jīng)T6和D2組成的回路反向放電，致動壁向外運動，并逐步康復(fù)到初始狀況。

為了檢驗依據(jù)直流改換原理規(guī)劃的剪切型壓電噴頭驅(qū)動電源的實踐功能，在噴頭驅(qū)動電源試驗設(shè)備上展開帶負(fù)載的測驗試驗。試驗設(shè)備如圖6所示，主要由噴頭驅(qū)動電源主控模塊、多路信號發(fā)生器模塊、功率擴(kuò)大模塊、可調(diào)直流電源、示波器等組成。

圖 6 壓電噴頭驅(qū)動電源設(shè)備

為了檢驗噴頭驅(qū)動電源輸出脈沖幅值的有用性，展開了脈沖頻率固守時、不同幅值波形的測驗試驗，試驗中脈沖頻率、幅值輸入值別離為：15 kHz、±20 V、±40 V、±60 V。測驗所用致動壁容值約為470 pF。圖7為實踐測驗波形，在電源帶負(fù)載狀況下，頻率為15 kHz時，幅值為±20 V、±40 V、±60 V的脈沖，其實踐幅值與理論幅值吻合度較好，無嚴(yán)重驟變；不同幅值下正脈寬、負(fù)脈寬、設(shè)置時刻一致性杰出，但存在上升沿、下降沿略有歪斜，經(jīng)過剖析，帶負(fù)載狀況下驅(qū)動電源電路的輸出電阻與致動壁構(gòu)成的回路導(dǎo)致了上升沿和下降沿略微歪斜。因而，驅(qū)動電源在15 kHz頻率下，20～60 V規(guī)模內(nèi)驅(qū)動負(fù)載時，輸出脈沖幅值無嚴(yán)重失真，有用性杰出。

(a)脈沖幅值±20 V波形

(b)脈沖幅值±40 V波形

(c)脈沖幅值±60 V波形

3.2 驅(qū)動電源脈沖頻率

±30 V、3 kHz、6 kHz、9 kHz、

4 定論

參考文獻(xiàn)

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