CN103770467B - 压电喷墨头驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电喷墨头驱动控制方法，通过向喷墨头的压电元件施加预设频率的驱动电压，振动板变形使各压力腔室的墨水喷出，每个喷墨周期至少包括：第一时间段内，向压电元件施加不断上升的驱动电压，振动板变形，压力腔室的容积增大；第二时间段内，保持压电元件上的驱动电压不变，振动板不动，各压力腔室容积不变；第三时间段内，压电元件上的驱动电压不断降低，振动板产生与第一时间段中反方向的变形，压力腔室容积减小；第三时间段内，振动板的振动频率与压力腔室的固有频率一致，且第一时间段小于或者等于第三时间段。本发明提供的压电喷墨头驱动控制方法，能使压力腔室内的声压波与所在的腔室形成共振，增大喷墨能量，提高喷墨速度。

Description

压电喷墨头驱动控制方法

技术领域

本发明涉及打印技术，尤其涉及一种压电喷墨头驱动控制方法。

背景技术

现有技术中，压电式喷墨打印机的打印过程是通过将特定的驱动电压施加到压电元件上，致使压电元件产生应力作用在振动板上，使振动板产生形变，进而导致压力腔室压缩或者膨胀，压力腔室的膨胀和收缩导致墨水在压力腔室内的波动，当压力腔室的形变达到特定值时，墨水被从喷墨口喷出，喷射到打印介质上形成打印图像，如此重复，振动板产生周期性的振动变形，压力腔室内的墨水在压力腔室内周期性的波动并从喷墨口喷出。

随着打印效果需求的提高，打印分辨率也大大提高，对于打印机而言，提高打印分辨率最为可行的方法是提高打印头喷嘴密度。

但现有技术存在的问题是，打印头尺寸往往不能太大，因此在一定尺寸的打印头上增加喷嘴密度，就导致了单个喷嘴对应腔室尺寸减小，所以每个单元上所采用的压电材料尺寸也相对减小，这也导致了打印能量不足，单次打印不能喷射足够的墨水，所以打印速度也会大大降低。

发明内容

本发明提供一种压电喷墨头驱动控制方法，能使压力腔室内有较大的能量喷射墨水，利于提高打印速度。

本发明提供一种压电喷墨头驱动控制方法，通过向喷墨头的压电元件施加预设频率的驱动电压，以便所述喷墨头的振动板振动变形使各压力腔室的墨水喷出，每个喷墨周期至少包括连续的如下步骤：

第一时间段内，向所述压电元件施加不断上升的驱动电压，以便所述振动板变形，各所述压力腔室的容积增大；

第二时间段内，保持所述压电元件上的驱动电压不变，所述振动板保持不动，各所述压力腔室的容积不变；

第三时间段内，使施加在所述压电元件上的驱动电压不断降低，以便所述振动板产生与所述第一时间段中反方向的变形，各所述压力腔室的容积减小；

其中，所述第三时间段内，所述振动板的振动频率与所述压力腔室的固有频率一致，且所述第一时间段小于或者等于所述第三时间段。

本发明提供的压电喷墨头驱动控制方法，第三时间段内，通过控制振动板的振动频率与压力腔室的固有频率一致，使压力腔室内的声压波与所在的腔室形成共振，能够增大喷墨能量，提高喷墨速度，从而提高打印速度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的压电喷墨头驱动控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的压电喷墨头的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的压电喷墨头驱动控制方法中施加在压电喷墨头上的驱动电压的示意图（V表示的是驱动电压的波形，X表示的是振动板随驱动电压的变形）；

图4为本发明实施例提供的压电喷墨头驱动控制方法中各阶段的压力腔室的声压波示意图；

图5为本发明另一实施例提供的压电喷墨头驱动控制方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的压电喷墨头驱动控制方法中施加在压电喷墨头上的驱动电压的示意图（V表示的是驱动电压的波形，X表示的是振动板随驱动电压的变形）；

图7为本发明实施例提供的压电喷墨头驱动控制方法中各阶段的压力腔室的声压波示意图；

图8～图13为各种试验条件下，T1和T3的差值与喷孔内墨滴速度之间的关系曲线图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种压电喷墨头驱动控制方法，通过向喷墨头的压电元件施加预设频率的驱动电压，以便所述喷墨头的振动板变形使各压力腔室的墨水能够喷出，其中，如图1所示，每个喷墨周期至少包括连续的如下步骤：

101、第一时间段内，向压电元件施加不断上升的驱动电压，以便振动板变形，各压力腔室的容积增大；

102、第二时间段内，保持压电元件上的驱动电压不变，振动板保持不动，各压力腔室的容积不变；

103、第三时间段内，使施加在压电元件上的驱动电压不断降低，以便振动板产生与第一时间段中反方向的变形，各压力腔室的容积减小；

其中，第三时间段内振动板的振动频率与压力腔室的频率一致，且第一时间段小于或者等于第三时间段。

本实施例中，因振动板振动变形，压力腔室的容积压缩或者膨胀，因此压力腔室内产生声压波，声压推动墨水介质在压力腔室内不断运动，在声压到达一定程度时，可将墨水从喷孔中顶出，其中，在声压波的频率与压力腔室的固有频率一致时，本领域技术人员可以理解，压力腔室的声压波与所在的压力腔室产生共振时，声压波的波幅最大，可使墨水喷出喷孔的能量最大，能够提高喷墨速度。

下面以图2所示的压电喷墨头为例，对用本实施例提供的压电喷墨头驱动控制方法控制喷墨头进行喷墨的过程及能够达到的效果进行具体说明。

如图2所示，该喷墨头中设置有多个压力腔室1，设置在压力腔室1下方的喷嘴板2，该喷嘴板2上设置有喷墨用的喷孔3，每个压力腔室1对应设置一个喷孔3，且与对应的喷孔3连通（由于图为剖视图，图中仅示出一个压力腔室1及一个喷孔3），与各压力腔室1共同连通设置有进墨通道4，各压力腔室1上方设置有振动板5及振动板5上面的压电元件6，当对压电元件6施加驱动电压时，振动板5振动变形，压力腔室的容积发生变化，从而墨滴喷出。用本发明提供的驱动控制方法对压电元件6施加如图3所示的驱动电压，喷墨头的驱动过程为：

第一时间段T1内，向压电元件6施加不断增加的电压，压电元件6产生持续增加的应力作用到振动板5上，使振动板5发生形变,在T1时间段内，驱动电压的值上升到V1，这时，振动板5发生的最大形变为X1，且振动板5向远离喷孔3的方向移动，压力腔室1内的容积不断增大，此时，如图4所示，压力腔室1内产生一定的声压波，该声压波包括沿压力腔室1的内壁向供墨通道4传播的声压波P1及向喷孔3方向传播的声压波P2。

第二时间段T2，保持压电元件6上的驱动电压固定不变，在时间段T2内，持续对压电元件6施加电压值为V1的电压，压电元件6产生的应力持续作用在振动板5上，振动板5静止不动，保持形变X1的形变，此时，如图4所示，压力腔室1内不产生新的声压波，在第一时间段T1内产生的声压波P1继续向供墨通道4方向传播，当声压波P1到达供墨通道4位置发生反射后，声压波P1反方向传播，并且振动方向与原方向也相反，而向喷孔3方向传播的声压波P2，由于声压波P2的声压强度有限，因此声压波P2不能使墨水从喷孔3喷出。

第三时间段T3，施加在压电元件6上的电压不断下降，在T3时间段内，驱动电压从V1逐渐降低，本实施例中的驱动电压逐渐降低包括电压降低到零再继续降低到负向电压的情形，振动板5产生与第一时间段T1内反方向的变形，即振动板5向喷孔3的方向移动，使压力腔室1的容积减小。此时，如图4所示，在压力腔室1内产生新的声压波，该声压波包括向喷孔3传播的声压波P3及向供墨腔室4传播的声压波P4，由于振动板5向靠近喷孔3的方向移动，压力腔室1的容积减小，因此，声压波P3及声压波P4的振动方向与第一时间段T1内产生的声压波相反，此时，反射后的声压波P1与声压波P3的传播方向相同，两者叠加形成新的声压波P5，当声压波P5传播到喷孔3时，声压波P5将压力腔室1内的墨水从喷孔3中顶出。

本实施例中，在第三时间段内控制振动板5的振动频率与压力腔室1的固有频率一致，同时使第一时间段小于或者等于第三时间段，这样，压力腔室内产生较大的波能将墨水从喷孔中喷出，具体理由是：

如图4所示，在第三时间段T3内，声压波P3与反射回来的声压波P1传播方向相同，均是朝向喷孔3的方向传播，此时，声压波P3与声压波P1叠加形成新的声压波P5，声压波P5到达喷孔3时，可推动墨水从喷孔3中喷出。为使声压波P5的能量增大，可使声压波P5与压力腔室1的固有频率达到一致，形成共振，因此，需要使声压波P5的频率与声压波P3的频率一致，本领域技术人员可以理解，多个波的叠加所生成的新波频率与该多个波中频率低的波一致，因此，要使声压波P5的频率与声压波P3的频率一致（即与压力腔室1的共振频率一致，形成共振），则要使声压波P3的频率小于或者等于声压波P1的频率，那么叠加形成的声压波P5与压力腔室1产生共振，声压波P5的波幅增大，当声压波P5传播到喷孔3时，声压波P5有足够的能量将压力腔室1内的墨水从喷孔喷出，喷孔内墨水的速度较大，可提高打印速度。

因此，本实施中控制第一时间段T1小于或者等于第三时间段T3，使第一时间段内产生的声压波P1的频率大于或者等于第三时间段T3内产生的声压波P3的频率，那么叠加生成的声压波P5的频率与声压波P3的频率相同，同时控制第三时间段内振动板的振动频率（同声压波P3的频率）与压力腔室1的固有频率一致，可使压力腔室内有较大的能量使墨水喷出，墨水的喷墨速度较高。

本实施例中，为使声压波P5与压力腔室1的固有频率一致，在向喷墨头的压电元件6施加预设频率的驱动电压之前，还包括：获取所述压力腔室1的固有频率，其中，压力腔室1固有频率的获得可通过计算或实验得到。

本实施例中，压电喷墨头在每个喷墨周期中，驱动电压形成的波形为梯形波，即电压的上升阶段为一定斜率的直线上升状态，而电压的下降阶段为一定负斜率的直线下降状态，由此形成梯形波，当然，本发明中的驱动电压不限于梯形波，也可为正弦波等，只要驱动电压在上升阶段为不断上升的，下降阶段是不断下降的皆可。

本发明另一实施例还提供一种压电喷墨头驱动控制方法，该方法中，如图5所示，每个喷墨周期中除包括有上述实施例中的三个步骤外，还包括：

104、第四时间段内，保持压电元件上的驱动电压不变，以便振动板保持不动，各所述压力腔室的容积不变；

在经过电压下降的第三时间段T3后，压电元件上的电压值下降为V2，在第四时间段T4内，保持压电元件上的电压值V2不变，（结合图2中的喷墨头结构）振动板5静止不动，保持第三时间段T3内所产生的变形，即图6中X2的形变状态，压力腔室1的容积不变，此时，如图7所示，在压力腔室1内没有产生新的声压波，而在T3阶段内产生的声压波P4沿压力腔室1向供墨通道4传播，并在供墨通道4处发生反射向喷孔3的方向传播，并且改变原有的振动方向，同时，由于振动板5静止不动，喷孔3处的液面在第四时间段内逐渐趋于稳定。

105、第五时间段内，压电元件上的驱动电压不断上升，以便振动板产生与上述第一时间段中相同方向的变形，各压力腔室的容积增大，以使喷墨用的喷孔处的液面向喷孔内收缩。

如图6所示，在电压保持阶段（第四时间段T4）之后，再向压电元件6施加不断上升的电压，振动板5发生上述第一时间段T1中相同方向的变形，振动板5向远离喷孔3的方向移动，压力腔室1的容积增大，此时，如图7所示，在压力腔室1内产生新的向喷孔3方向传播的声压波P6，在时间段T4内反射的声压波P4与声压波P6的振动方向相同，声压波P4与声压波P6叠加形成新的声压波P7，声压波P7能使喷孔3中的墨水液面向喷孔3内收缩，至此，喷墨头完成一个喷墨周期，然后进入下一个喷墨周期，如此循环完成打印。

用本发明实施例提供的压电喷墨头驱动控制方法来控制喷墨头进行喷墨，由于压力腔室内推动墨水喷出的声压波与压力腔室产生共振，从而声压波的能量增大，墨水的喷墨速度提高，从而打印速度提高。

下面是在一定条件下通过试验得出的数据：

图8为第一种试验条件下，T1和T3的差值与喷孔内墨滴的速度之间的关系曲线图，其中，所使用的喷墨头振动板5宽度为150微米，长度为800微米，腔室高速为110微米，压电元件6中压电材料层厚度为1微米，其中振动板材料为二氧化硅，腔室为su-8环氧树脂，当驱动电压最高值为15伏时，随着T1与T3差值的增加喷孔内墨滴速度逐渐减小，尤其在T1大于T3的情况下，墨滴速度较低，而在T1小于等于T3的情况下，喷墨速度较高。

图9为第二种试验条件下，T1和T3的差值与喷孔内墨滴的速度之间的关系曲线图，其中，所使用的喷墨头与图8中的相同，不同的是，所使用的驱动电压最高值为5伏，由图中可看出，随着T1与T3差值的增加喷孔内墨滴速度逐渐减小，打印速度降低。

同样的，图10、图11、图12及图13均为各种试验条件下得到的T1和T3的差值与喷孔内墨滴的速度之间的关系曲线图，从这些试验数据均可得出，在T1大于T3的情况下，墨滴速度较低，而在T1小于等于T3的情况下，喷墨速度较高，试验数据与理论关系相符合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种压电喷墨头驱动控制方法，通过向喷墨头的压电元件施加预设频率的驱动电压，以便所述喷墨头的振动板振动变形使各压力腔室的墨水喷出，其特征在于，每个喷墨周期至少包括连续的如下步骤：

第一时间段内，向所述压电元件施加不断上升的驱动电压，以便所述振动板变形，各所述压力腔室的容积增大；

第二时间段内，保持所述压电元件上的驱动电压不变，所述振动板保持不动，各所述压力腔室的容积不变；

第三时间段内，使施加在所述压电元件上的驱动电压不断降低，以便所述振动板产生与所述第一时间段中反方向的变形，各所述压力腔室的容积减小；

其中，所述第三时间段内，所述振动板的振动频率与所述压力腔室的固有频率一致，且所述第一时间段小于所述第三时间段；

在向喷墨头的压电元件施加预设频率的驱动电压之前，还包括：获取所述压力腔室的频率；

每个所述喷墨周期中，在所述第三时间段之后，还包括：第四时间段内，保持所述压电元件上的驱动电压不变，所述振动板保持不动，各所述压力腔室的容积不变；第五时间段内，施加在所述压电元件上的驱动电压不断上升，以便所述振动板产生与所述第一时间段中相同方向的变形，各所述压力腔室的容积增大；

在每个喷墨周期，所述驱动电压的波形为梯形波。