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。

.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×NWa: 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)1/2ρ: Density of ink 墨水密度压力波共振频率f = C0(1 + α)/4Lα:形状因素L:通道长度既然产生压力跟激发器位移成正比，为了使每单位施加电压后的位移增加而作出设计就非常重要了。

位移和用于墨水的弹力能量之间的关系可从下边看出E=(1/2)×B×(x/W)2×L×H×WE:施加于墨水的弹力能量x:激发器平均位移L:通道长度W:通道宽度H: 通道深度进一步地，通道中所产生的压力P和能量的关系可以下公式看出E=(1/2)×P2×L×H×W/BFig. 6电压敏感度与通道宽度对比图六：计算当通道程度（通道宽度＋激发器厚度）一定时，通道宽度变化后，电压敏感度比率和柔度比率是怎样变化的。

若通道很浅，即便通道宽度增加，柔度比率（图示虚线）变化也不大，而且电压敏感度（实线）并没有下降。

当通道深度增加，柔度比率快速上升，同时电压敏感度随着通道宽度上升而急速下降。

图七显示了通道宽度和弹力能量之间的关系，此处通道深度是一个参数，当通道深度下降，即便电压敏感度很高，弹力能力也下降了，因为通道部分区域下降了。

Fig. 7墨水弹力能力与通道宽度对比设计好激发器和通道形状非常重要，因为这样输入电能转化成墨水弹力能量的效率能够提高。

然后，必须认识到，激发器形状变化会导致抗静电能力的变化。

激发器抗静电能力与通道长度和深度成正比，而跟激发器厚度成反比。

进一步地，根据压电材料特征（压电恒定，相对绝缘恒定，弹力恒定），以及墨水（体积模数）或者喷头膜的特征，交叉可组合形状也要变化。

通道共振频率也受交叉可组合形状影响，但是，它基本跟通道长度成反比。

Fig. 8图八，通道长度与共振频率对比3.2 喷孔.当喷孔直径缩短，墨滴会变小，然而喷孔粘性阻力大幅增加，能量丢失愈加显著。

图九显示了喷孔直径和墨滴速度之间的关系，此处墨滴速度是一个参数。

如果墨滴粘度很高，此时若喷孔直径缩短，滴墨速度便会显著降低。

原因是：粘性之于速度的影响比通道交叉可组合区域跟喷孔交叉可组合区域的比率所导致的加速流动率之于速度的影响更加明显。

Fig. 9 图九喷孔直径与墨滴速度对比. 特别地，对于高粘度墨水，当喷孔阻力减少时，墨滴速度提高显著。

Fig. 10图十显示锥形喷孔变化情况下，墨滴速度的变化。

Fig. 10锥形角与墨滴速度对比当喷孔直径变小，对锥形角的影响很大。

为了减少喷孔的阻力，缩短喷孔长度也效果明显，但是这会降低喷头面板的硬度。

由于柔度的增加，通道内的压力也会降低，同时喷墨轨道波动变大。

进一步地，锥形角也不能加大，否则会影响喷墨轨道的准确性。

而且，喷孔粘性阻力会严重影响喷墨后供墨的时间和压力波的减弱，所以，必须注意喷孔的设计。

.图十一：SEM喷孔交叉组合照片为了减少能量丢失和稳定喷墨轨道，我们设计了漏斗型喷孔，如图十一左面所示。

图十二例示了锥形喷孔和漏斗型喷孔的喷孔直径改变所算出的墨滴速度。

跟传统的有一个很小的锥形角的锥形喷孔相比，更加高的墨滴速度是可以期待的。

图十二喷孔形状与墨滴速度的对比4模型喷头的特征. 根据模型的结果，我们设计了激发器和通道的形状，以便提高驱动效率。

我们试制出了与传统锥形喷孔不一样的漏斗型喷头。

该模型喷头的具体规格如表一所示Table 1 Specifications of Prototype headNozzle Funnel type Ink Droplet volume 15pl Viscosity 10mPasec Drive frequency 13kHz Surface tension 28mN/m Number of channels 512ch Density 0.89g/ cm3 Channel array density 180dpi我们应用了一种所谓三循环喷墨的喷头驱动技术。

这种方式指的是：每次喷墨时，每隔三个墨水通道喷射一次墨水，这样通过三个循环，所有通道都完成一次喷墨，因为每个激发器都是与相邻的通道共享的。

进一步来讲，需要用一种粘度相对来说较高的石油型墨水。

这种喷头每喷一滴墨所需驱动能量是0.45 μJ。

5 思考喷头驱动能量是作为电能给予激发器的，大部分的电能都被驱动电路所消耗，其余部分通过激发器的位移转化成通道中墨水的弹力能量。

这种弹力能量在通道中以压力波的形式传导，形成固定波动，随之加压给喷孔中墨水，最终喷头喷墨。

喷出墨滴所需能量包括形成墨滴表面所需能量和墨滴所需动能，同时墨水在喷孔中流动也会消耗可观的能量。

甚至墨滴喷出后，还需要消耗能量直至墨水剩余震动结束。

我们大致可以算出模型喷头的驱动能量，每个通道中的墨水弹力能量为.6 nJ，这比0.45 μJ的输入电能要小two-digit。

形成墨滴表面的能量为0.08nJ，墨滴动能为0.22nJ。

激发器，通道以及喷孔的形状基于计算模型分析最优化了，结果证明模型喷头的驱动能效比传统喷头高2倍以上。

6 结论基于计算模型对喷头驱动效率的分析，通道或者喷孔形状优化后试制出的喷头有更高的驱动效率。

如果配线部分的静电阻抗能够降低，那么驱动能效能进一步提高几倍。