文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.08.037
中文引用格式： 李勇，孔春偉，何繼愛，等. 剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(8)：148-153.
英文引用格式： Li Yong，Kong Chunwei，He Jiai，et al. Design and implementation of a driving power for shear mode piezoelectric actuated inkjet head[J].Application of Electronic Technique，2016，42(8)：148-153.
0 引言
隨著傳統(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術(shù)因其墨滴均勻性好，可控性強(qiáng)、衛(wèi)星點(diǎn)少等優(yōu)點(diǎn)異軍突起，是當(dāng)今最具應(yīng)用潛力的噴墨打印技術(shù)[1]。剪切型壓電噴墨打印技術(shù)中壓電噴頭結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電源是其關(guān)鍵技術(shù)，噴頭驅(qū)動(dòng)電源輸出激勵(lì)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]。因此，研制一種有效的剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源，對(duì)于提高噴頭噴出墨滴的性能具有重要意義。
針對(duì)剪切型壓電噴頭良好的發(fā)展前景，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)及壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行了探索研究。Jürgen等[3-4]從剪切型壓電噴頭致動(dòng)壁的壓電特性出發(fā)，研究了噴頭結(jié)構(gòu)特征及制造流程。Herman等[5-6]為優(yōu)化噴頭結(jié)構(gòu)，以噴頭噴射墨水時(shí)的動(dòng)態(tài)過程為研究對(duì)象，分析了通道內(nèi)電場(chǎng)、流場(chǎng)、聲場(chǎng)等相互耦合的數(shù)學(xué)、物理模型。Guangya Liu等[7]根據(jù)壓電陶瓷的材料特性，研究了壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)電源。但上述研究均為從噴頭結(jié)構(gòu)或壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源一種角度進(jìn)行展開，缺乏兩者的關(guān)聯(lián)耦合。針對(duì)此問題，本文在分析致動(dòng)壁特性基礎(chǔ)上，結(jié)合剪切型壓電噴頭具體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種基于直流變換原理的開關(guān)式剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)噴頭結(jié)構(gòu)與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的關(guān)聯(lián)耦合。采用設(shè)計(jì)出的噴頭驅(qū)動(dòng)電源，開展了電源性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
1 壓電噴頭驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及特性分析
1.1 厚度剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
厚度剪切型壓電噴頭是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，使致動(dòng)壁產(chǎn)生厚度剪切振動(dòng)，導(dǎo)致墨水腔有規(guī)律地增大-減小，將墨水?dāng)D出噴孔的微機(jī)電裝置。通常壓電噴頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)噴頭正常工作時(shí)致動(dòng)壁振動(dòng)幅度大，噴射墨水能力強(qiáng)。通過研究分析，致動(dòng)壁處于厚度剪切振動(dòng)模式時(shí)，僅有剪切變形，模間無耦合，能量損耗少，機(jī)電轉(zhuǎn)化效率高，此時(shí)致動(dòng)壁相比其他振動(dòng)模式振動(dòng)幅度較大，噴頭噴射墨水能力較強(qiáng)[8]。噴頭致動(dòng)壁是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的元件，其制造材料的機(jī)電耦合系數(shù)是選材的重要指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)較高的電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率，選擇機(jī)電耦合系數(shù)較大的軟系壓電陶瓷PZT-5H制造壓電噴頭致動(dòng)壁。
根據(jù)剪切型壓電噴頭功能及上述分析，以PZT-5H壓電陶瓷為基材，設(shè)計(jì)出如圖1所示的剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)。壓電噴頭致動(dòng)器主要由壓電陶瓷底座、壓電陶瓷致動(dòng)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(dòng)器結(jié)構(gòu)
在圖1所示剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)中選擇單通道I為研究對(duì)象，其致動(dòng)壁產(chǎn)生厚度剪切振動(dòng)時(shí)墨水腔容積變化過程如圖2所示。當(dāng)兩側(cè)致動(dòng)壁均接0電位時(shí)，致動(dòng)壁處于靜止?fàn)顟B(tài)，墨水腔容積亦處于原始狀態(tài)，如圖2(a)所示，當(dāng)左、右致動(dòng)壁同時(shí)分別施加正、反向電場(chǎng)時(shí)，致動(dòng)壁向墨水腔外部運(yùn)動(dòng)，該過程導(dǎo)致墨水腔容積增大，內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，墨水從儲(chǔ)墨器及噴孔處流向墨水腔，如圖2(b)所示。隨后，將兩致動(dòng)壁上的電場(chǎng)同時(shí)反向，兩致動(dòng)壁向墨水腔內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，該過程導(dǎo)致墨水腔容積減小，內(nèi)部產(chǎn)生正壓，將墨水從噴孔中噴出。如圖2(c)所示。
(a)靜止態(tài) (b)容積增大態(tài) (c)容積減小態(tài)
圖2 單通道墨水腔容積變化過程
1.2 致動(dòng)壁位移及諧振基頻分析
為了分析剪切型壓電噴頭致動(dòng)壁的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)圖1中致動(dòng)壁沿3方向極化，2方向施加電場(chǎng)，使其在無外部應(yīng)力作用下做厚度剪切振動(dòng)，由d型壓電方程[9]可得應(yīng)變s23=d15 E2，式中d15為壓電應(yīng)變系數(shù)，E2為電場(chǎng)強(qiáng)度。應(yīng)變s23對(duì)應(yīng)的內(nèi)部應(yīng)力
式中
為短路彈性柔順系數(shù)。
為了確定電壓對(duì)壓電噴頭致動(dòng)壁厚度剪切振動(dòng)時(shí)位移的影響，在圖1所示噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)模型的致動(dòng)壁上定義如下條件及變量：致動(dòng)壁上部涂覆銅電極；致動(dòng)壁長(zhǎng)l、電極高h(yuǎn)、致動(dòng)壁厚w(w遠(yuǎn)小于h)，致動(dòng)壁沿z方向極化，y方向施加電場(chǎng)，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(dòng)壁振動(dòng)的微分方程為：
式(1)中，D為彎曲剛度，
E0為楊氏模量，
為泊松比，m為致動(dòng)壁位面積質(zhì)量。
因致動(dòng)壁長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于電極高度，可近似認(rèn)為致動(dòng)壁y方向撓度f不隨x的變化而變化，即f(x，z，t)=f(z，t)。
在致動(dòng)壁電極上施加動(dòng)態(tài)電場(chǎng)時(shí)，其邊界條件為：
式(2)中U為驅(qū)動(dòng)電壓，r為上蓋及連接膜等效為彈簧時(shí)的彈簧系數(shù)。將邊界條件代入式(1)，可得z=h時(shí)，致動(dòng)壁位移S：
式(3)中m=r(sinkh-sinwkh)+k3(coskh+coswkh)，n=k3(sinkh-sinwkh)-r(coskh-coswkh)，
為常數(shù)，
a2=DE為極化電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)噴頭噴射40～80 pL墨滴時(shí)，對(duì)應(yīng)的致動(dòng)壁的位移位S為0.11～0.32 μm。將表1所示的致動(dòng)壁尺寸、參數(shù)代入式(4)，可得位移為0.11 μm時(shí)，近似電壓U1=20 V；位移為0.32 μm時(shí)，近似電壓U2=60 V。因此，由式(4)可知，0.11～0.32 μm范圍內(nèi)的致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓在20～60 V范圍內(nèi)近似線性增大。
在致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓近似線性增大范圍內(nèi)，施加在涂覆銅電極的致動(dòng)壁上的激勵(lì)脈沖頻率等于致動(dòng)壁的諧振基頻時(shí)，致動(dòng)壁厚度剪切振動(dòng)的幅度最大。為得出致動(dòng)壁的諧振基頻，采用瑞利能量法[10-11]對(duì)致動(dòng)壁諧振基頻進(jìn)行近似求解。
根據(jù)圖1所示剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)模型，設(shè)致動(dòng)壁厚度剪切振動(dòng)時(shí)，任一時(shí)刻撓度為：
式(4)中q為載荷，
為角頻率，c為初始相位，v0為致動(dòng)壁本征函數(shù)。根據(jù)致動(dòng)壁結(jié)構(gòu)特征，設(shè)：
由式(5)得撓度為：
則基于式(6)，致動(dòng)壁勢(shì)能：
致動(dòng)壁動(dòng)能：
式(8)中g(shù)為重力加速度。
根據(jù)動(dòng)能與勢(shì)能關(guān)系Umax=Tmax，解得致動(dòng)壁諧振基頻：
式(9)中代入所設(shè)計(jì)致動(dòng)壁的尺寸、參數(shù)，得到致動(dòng)壁諧振基頻
為15 kHz。
通過對(duì)壓電噴頭致動(dòng)壁位移及諧振基頻的理論分析，得出PZT-5H制造的致動(dòng)壁，0.11～0.32 μm范圍內(nèi)的致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓在20～60 V范圍內(nèi)近似線性增大；諧振基頻約為15 kHz。
2 剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
2.1 致動(dòng)壁驅(qū)動(dòng)波形設(shè)計(jì)
壓電噴頭致動(dòng)器通道由平行排列的致動(dòng)壁陣列構(gòu)成，相鄰?fù)ǖ拦蚕硗恢聞?dòng)壁，驅(qū)動(dòng)電源激勵(lì)脈沖施加于通道焊盤上時(shí)，等效為電容的致動(dòng)壁其驅(qū)動(dòng)電壓為兩側(cè)通道電壓之差。分析致動(dòng)壁先向外運(yùn)動(dòng)再向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的工作特性，相鄰?fù)ǖ兰?lì)脈沖須滿足圖3所示時(shí)序關(guān)系。在tdraw階段，致動(dòng)壁向外運(yùn)動(dòng)，墨水腔容積增大，墨水從儲(chǔ)墨器和噴孔處流向噴墨通道中部。treinforce階段，致動(dòng)壁向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，墨水腔容積減小，墨水從噴墨通道噴孔中被擠出。tsetting為墨滴噴射完成后變量的設(shè)置時(shí)間。一次完整噴射的周期T由tdraw、treinforce、tsetting之和構(gòu)成。
圖3 單通道激勵(lì)脈沖時(shí)序圖
通常圖1所示剪切型壓電噴頭致動(dòng)器某一通道噴射墨水時(shí)，相鄰?fù)ǖ酪蛑聞?dòng)壁干擾無法同時(shí)噴射。為解決基于共享致動(dòng)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的噴頭相鄰?fù)ǖ罒o法同時(shí)噴射問題，提出將通道分成三組，采用循環(huán)交替工作的方法，編號(hào)為1+3n的通道為A組，編號(hào)為2+3n的噴道為B組，編號(hào)為3+3n的通道為C組。某一組通道擬噴射墨滴時(shí)，該組通道施加圖3中b通道上的激勵(lì)脈沖，相鄰兩通道分別施加a通道，c通道上的激勵(lì)脈沖。
2.2 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)
針對(duì)剪切型壓電噴頭功能、致動(dòng)器結(jié)構(gòu)特征、致動(dòng)壁位移在20～60 V范圍內(nèi)隨驅(qū)動(dòng)電壓近似線性增大關(guān)系、致動(dòng)壁15 kHz諧振基頻、噴墨通道“三循環(huán)”驅(qū)動(dòng)方式時(shí)序，設(shè)計(jì)了一種基于直流變換原理的開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源。該電源實(shí)現(xiàn)32路通道的分組噴射，其最大輸出電壓范圍±60 V，正負(fù)脈寬和設(shè)置時(shí)間在15～200 μs內(nèi)在線可調(diào)。剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源總體框圖如圖4所示，壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源由主控模塊、多路信號(hào)發(fā)生器模塊、功率放大模塊、上位機(jī)模塊等構(gòu)成。
圖4 剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源總體框圖
主控模塊采用C8051F020單片機(jī)作為核心控制器，其將上位機(jī)通過串口通訊模塊發(fā)送至下位機(jī)的含有噴墨通道信息、激勵(lì)脈沖正負(fù)脈寬與設(shè)置時(shí)間信息的協(xié)議字段進(jìn)行解析，將解析結(jié)果以控制信號(hào)和打印數(shù)據(jù)的形式傳送至多路信號(hào)發(fā)生器。多路信號(hào)發(fā)生器采用FPGA設(shè)計(jì)定制，其實(shí)現(xiàn)功率放大之前控制信號(hào)和打印數(shù)據(jù)的32路擴(kuò)展。考慮到未來噴墨通道數(shù)量的可擴(kuò)展性及信號(hào)發(fā)生器路數(shù)的可定制性，選用Altera公司高性價(jià)比EP4CE10E22C8N芯片實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)發(fā)生器。
功率放大模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器生成信號(hào)的功率放大，當(dāng)放大后的激勵(lì)脈沖施加到噴墨通道焊盤上時(shí)，致動(dòng)壁產(chǎn)生厚度剪切振動(dòng)，導(dǎo)致墨水腔有規(guī)律地增大-減小，將墨水?dāng)D出噴孔。功率放大模塊采用MOS管構(gòu)建的全橋輸出放大電路，相鄰兩通道放大電路如圖5所示，功率放大電路由光電隔離、MOS管驅(qū)動(dòng)、邊沿調(diào)整、功率放大四部分組成[12]。
圖 5 功率放大電路
光電隔離模塊輸入信號(hào)為32路信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)，其由光耦H1、H2和電阻R1、R2、R10、R11構(gòu)成。該模塊實(shí)現(xiàn)高壓電路和低壓電路的電氣隔離，有效抑制電磁干擾。光電隔離模塊輸出信號(hào)幅值較低，難以驅(qū)動(dòng)功率放大模塊的MOS管，為此，設(shè)計(jì)了MOS管驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)光電隔離模塊輸出信號(hào)進(jìn)行放大。MOS管驅(qū)動(dòng)模塊由NPN型三極管Q1、Q2和電阻R3、R4、R12、R13構(gòu)成。為實(shí)現(xiàn)MOS管輸出脈沖上升沿、下降沿陡直程度可調(diào)，設(shè)計(jì)了由電阻R5、R7、R8、R14、R16、R17構(gòu)成的邊沿調(diào)整模塊。功率放大模塊由MOS管T1～T6，電阻R6、R9、R15、R18和電容C1、C2，二極管D1～D4構(gòu)成，其實(shí)現(xiàn)脈沖的功率放大。為提高M(jìn)OS管T2、T5的柵極電壓，保證T2、T5正常導(dǎo)通，設(shè)計(jì)了由電容C1、C2，二極管D1、D3，電阻R6、R15構(gòu)成的升壓自舉電路。為保護(hù)高壓電源，設(shè)計(jì)了電阻R9、R18充當(dāng)限流電阻。為使MOS管T2和T3、T5和T6分別工作在推挽狀態(tài)下交替導(dǎo)通，設(shè)計(jì)了將功率放大電路輸入信號(hào)反向的MOS管T1、T2。為降低激勵(lì)脈沖由高變低時(shí)，殘留在致動(dòng)壁上的電荷對(duì)電路響應(yīng)速度的影響，設(shè)計(jì)了T3和D4、T6和D2構(gòu)成的正反放電回路。
電路中輸入信號(hào)U1、U2滿足圖3所示時(shí)序關(guān)系時(shí)，剪切型壓電噴頭致動(dòng)壁充放電過程如下：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(duì)致動(dòng)壁正向充電，致動(dòng)壁向外運(yùn)動(dòng)；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(dòng)壁經(jīng)T3和D4組成的回路正向放電，致動(dòng)壁向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。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(duì)致動(dòng)壁反向充電，致動(dòng)壁繼續(xù)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)壁經(jīng)T6和D2組成的回路反向放電，致動(dòng)壁向外運(yùn)動(dòng)，并逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)。
3 壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源測(cè)試實(shí)驗(yàn)
為了檢驗(yàn)基于直流變換原理設(shè)計(jì)的剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源的實(shí)際性能，在噴頭驅(qū)動(dòng)電源實(shí)驗(yàn)裝置上開展帶負(fù)載的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，主要由噴頭驅(qū)動(dòng)電源主控模塊、多路信號(hào)發(fā)生器模塊、功率放大模塊、可調(diào)直流電源、示波器等組成。
圖 6 壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源裝置
3.1 驅(qū)動(dòng)電源脈沖幅值
為了檢驗(yàn)噴頭驅(qū)動(dòng)電源輸出脈沖幅值的有效性，開展了脈沖頻率固定時(shí)、不同幅值波形的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中脈沖頻率、幅值輸入值分別為：15 kHz、±20 V、±40 V、±60 V。測(cè)試所用致動(dòng)壁容值約為470 pF。圖7為實(shí)際測(cè)試波形，在電源帶負(fù)載狀態(tài)下，頻率為15 kHz時(shí)，幅值為±20 V、±40 V、±60 V的脈沖，其實(shí)際幅值與理論幅值吻合度較好，無嚴(yán)重突變；不同幅值下正脈寬、負(fù)脈寬、設(shè)置時(shí)間一致性良好，但存在上升沿、下降沿略有傾斜，通過分析，帶負(fù)載狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)電源電路的輸出電阻與致動(dòng)壁構(gòu)成的回路導(dǎo)致了上升沿和下降沿略微傾斜。因此，驅(qū)動(dòng)電源在15 kHz頻率下，20～60 V范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，輸出脈沖幅值無嚴(yán)重失真，有效性良好。
(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
圖7 電源測(cè)試波形
3.2 驅(qū)動(dòng)電源脈沖頻率
為了檢驗(yàn)噴頭驅(qū)動(dòng)電源輸出脈沖頻率的穩(wěn)定性，開展了輸出脈沖幅值固定、頻率不同時(shí)，實(shí)際脈沖頻率對(duì)應(yīng)周期的正脈寬、負(fù)脈寬、設(shè)置時(shí)間與輸入?yún)?shù)的誤差的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中脈沖幅值、頻率輸入值分別為：
±30 V、3 kHz、6 kHz、9 kHz、
12 kHz、15 kHz。測(cè)試所用致動(dòng)壁容值約為470 pF。實(shí)驗(yàn)中構(gòu)成周期的正脈寬、負(fù)脈寬、設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度通過上位機(jī)設(shè)置。頻率設(shè)置的具體參數(shù)如表2所示。
實(shí)測(cè)波形與輸入?yún)?shù)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。在圖8中，隨著脈沖頻率在3 kHz～15 kHz逐漸增大，頻率對(duì)應(yīng)周期的正脈寬、負(fù)脈寬、設(shè)置時(shí)間與輸入?yún)?shù)的誤差逐漸增大，但增大幅度較小，在15 kHz時(shí)誤差值僅為3%。因此，驅(qū)動(dòng)電源在輸出脈沖幅值±30 V下，頻率為3 kHz～15 kHz時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源頻率穩(wěn)定性良好。
4 結(jié)論
針對(duì)剪切型壓電噴頭致動(dòng)器結(jié)構(gòu)特性，分析了0.11～0.32 μm范圍內(nèi)的致動(dòng)壁位移隨驅(qū)動(dòng)電壓在20～60 V范圍內(nèi)近似線性增大的關(guān)系，推導(dǎo)出致動(dòng)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(dòng)方式時(shí)序，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于直流變換原理的開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電源。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在15 kHz頻率下， 20～60 V范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，輸出脈沖幅值與理論幅值吻合度較好；在幅值±30 V下， 3 kHz～15 kHz范圍內(nèi)，頻率對(duì)應(yīng)周期的正脈寬、負(fù)脈寬、設(shè)置時(shí)間與輸入?yún)?shù)的誤差最大值為3%，驅(qū)動(dòng)電源頻率穩(wěn)定性良好。因此，本文設(shè)計(jì)的剪切型壓電噴頭驅(qū)動(dòng)電源具有較高的可行性。
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