【《压电喷墨打印头的工作原理分析》1400字】

压电喷墨打印头的工作原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u26286压电喷墨打印头的工作原理分析 1173741.1压电喷墨打印头结构 1142891.2弯曲式压电喷墨打印头的驱动原理 11.1压电喷墨打印头结构本文研究的弯曲式压电喷墨打印头结构如图2-1所示，主要由压电驱动器和流体通道构成。压电驱动器的结构组成依次为SiO2振动板、PZT（锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3）压电薄膜、铂金（Pt）电极和Parylene保护层。其中，SiO2振动板是由经过高温干氧氧化的单晶硅制成的，铂金电极则是利用溅射法制备而成，并且在它的上面利用溶胶-凝胶法生成PZT压电薄膜层；另外，出于保护Pt电极、延长打印头使用寿命的目的，在电极表面沉积了一层由Parylene形成的保护层，以避免腔室墨水与电极直接接触，采用的方法是化学气相沉积法。打印头内部流体流经的区域统称为流体通道，其主要由供墨腔室、限流部、压力腔室和喷孔四部分组成。其中，供墨腔室为墨滴的喷射提供足量的墨水，压力腔室用于产生压力使墨滴喷射，限流部将两个腔室连通，其突扩突缩和渐扩渐缩结构可以在提供充足墨水的同时又避免压力腔室内墨水回流。图2-1弯曲式压电喷墨打印头结构简图Fig.2-1Structurediagramofbendingpiezoelectricinkjetprintinghead1.2弯曲式压电喷墨打印头的驱动原理本文所研究的压电驱动器为弯曲模式，其驱动原理是基于覆盖有压电元件的一侧通道壁的整体弯曲变形。弯曲模式驱动器按压电元件的数量可以分为双压电元件驱动器和单压电元件驱动器两种。其中双压电元件驱动器由两个压电层组成，该驱动器既可以通过串联连接在同一方向上对压电层进行极化，也可以通过并联连接在相反方向上对压电层进行极化[74]。而单压电元件驱动器则仅有一个压电层。对于这两种驱动器，电场的作用方向与极化方向是一致的。在1.1节中已经知道压电驱动器是由SiO2振动板、PZT压电薄膜、铂金（Pt）电极和Parylene保护层等构成，层与层之间的伸长率差异会导致弯矩M。对于总厚度为h，长度为l和宽度为b的均质杆来说，其端部在y方向上的挠度为： （2-1）其中，Ey表示材料的杨氏弹性模量，表示面积惯性矩。利用描述层压梁弯曲的欧拉-伯努利模型可以推导出弯矩M的方程[75]。对于自由弯曲双压电元件驱动器，其长度为lp、各压电层厚度为hp时的弯矩为： （2-2）其中，Ep是压电材料的E模量。因此，以桨叶微型泵为例[76]的自由弯曲执行器的端部总挠度∆y为： （2-3）使用相同的方法，还可以推导出驱动力和共振频率的表达式[77]。对于双压电元件驱动器来说，电层之间加有厚度为hm的金属垫片，则驱动器y方向的位移总量应为：. （2-4）该公式也适用于具有可变尺寸的驱动器[78]。大多数弯曲式压电喷墨打印头的驱动器是单压电元件驱动器，由钝化膜上的单个压电层构成，其中钝化膜起保护层的作用。而驱动器的最大位移表达式将变得更加复杂，因为它包含了两个层的材料属性和尺寸： （2-5）由上式可知，材料的弹性模量和厚度比对驱动器的位移有着重要影响。总位移随材料厚度的增加而减小。在驱动电压不变的情况下，压电材料的厚度越小，相应的电场就越大。当电场达到一定强度时，即介电强度时，压电材料会退化，压电性能会降低[79]。另外，驱动器的最大驱动力会随着驱动器厚度的减小而减小。我们可以通过总位移和最大驱动力之间的平衡来定义性能，但不能给出通用的设计规则，因为这是由墨水通道的声学特性决定的。目前来看，总的趋势是通道尺寸越小，弯曲模式驱动器的厚度也就越小。以爱普生举例，其第一代弯曲式喷墨打印头