一种基于压电谐振的喷墨打印电路及其实现方法与流程

1.本发明涉及喷墨设备技术领域，具体涉及一种基于压电谐振的喷墨打印电路及其实现方法。


背景技术：

2.随着技术发展，喷墨打印可用的材料非常广泛，这些用于不同功能的材料包含有电解质、导电、粘结、机械、光学、或化学等性能，以满足不同应用领域像柔性电子产品、显示元件、oled、传感器、光伏、生命科学、光学等。
3.现有的喷墨打印一般是通过压电效应，由墨水通道壁(腔体壁)的机械变形或位移引起的体积变化生成和喷射墨滴，采用固定频率、电压直接驱动方式。
4.但由于打印材料具有多样性和不确定性，现有的喷墨打印技术经电压直接驱动压电陶瓷，通过压电陶瓷的形变挤压打印材料，形成墨滴。这种方式压电陶瓷直接接触打印材料，存在兼容性差，容易堵孔，清洗难，寿命短等缺点，且现有的驱动信号采用固定频率，对压电陶瓷片一致性要求高。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种基于压电谐振的喷墨打印电路及其实现方法，采用谐振方式驱动压电陶瓷片，结构简单，易维护，且采用扫频信号，压电陶瓷片的谐振频率只要在一个频段内，均可以实现驱动。
6.为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种基于敲钟式压电陶瓷的喷墨打印电路，包括电源模块、驱动模块、信号发生模块、时钟模块和控制单元模块；所述驱动模块与信号发生模块和控制单元模块分别连接，所述信号发生模块与控制单元模块连接，所述时钟模块与信号发生模块连接，所述时钟模块为信号发生模块提供时间频率基准；其中：所述电源模块为驱动模块提供电源；所述控制单元模块发出控制信号并将控制信号发送至驱动模块；所述驱动模块包括电源驱动电路和压电陶瓷驱动电路，所述电源驱动电路接收到控制信号后控制驱动模块的电流通断；所述信号发生模块发出扫频信号并将扫频信号发送至驱动模块，所述压电陶瓷驱动电路接收到扫频信号后驱动压电陶瓷片。
7.其中，所述电源驱动电路包括漏极与压电陶瓷驱动电路连接的pmos管q5，所述pmos管q5的源极与栅极之间连接有电阻r19，且pmos管q5的源极与电源模块连接，所述pmos管q5的驱动电压由电源模块提供，所述pmos管q5的栅极通过电阻r20与三极管q1的集电极连接，所述三极管q1的基极分别与电阻r27和电阻r31的一端连接，所述电阻r31的另一端与控制单元模块连接，控制所述三极管q1的通断，所述电阻r27的另一端和三极管q1的发射极接地，所述pmos管q5的作用是控制整个驱动电源的通断。
8.其中，所述pmos管q5与压电陶瓷驱动电路之间与电容c35的一端连接，所述电容
c35的另一端接地。
9.其中，所述压电陶瓷驱动电路采用双nmos管并联方式，通过mos驱动芯片输出的高低电平控制双nmos管并驱动压电陶瓷片工作，所述mos管驱动芯片为大负载、快响应进口芯片，以适应高频驱动需求。
10.其中，所述双nmos管并联电路包括mos驱动芯片、nmos管q9和nmos管q13，mos驱动芯片的管脚通过电阻和反向二极管分别连接nmos管q9栅极和nmos管q13栅极，所述电阻和反向二极管减小电源冲击，以实现轻负载运行，所述nmos管q13的源极接地，所述nmos管q9的漏极与电源驱动电路连接，所述双nmos管的输出端连接有功率电感l3，所述功率电感l3的输出端连接压电陶瓷片。
11.其中，所述电源模块包括由dac信号控制输出电压大小的电源控制电路，所述电源控制电路包括一个运放，所述dac信号由电阻r6分压后连接运放正相端，且通过电阻r9接地，以保证在高频下，dac信号能量可以快速释放，所述电源模块输出通过电阻分压连接运放反相输入端，所述运放输出端与三极管q2基极连接，控制三极管通断，所述三极管q2集电极连接多个电解电容，以起到稳压作用，所述三极管q2耐压和功率应均能满足驱动要求。
12.其中，还包括人机界面，所述人机界面为触摸屏，所述触摸屏通过spi通讯方式和控制单元连接通讯，用于实现设备实时信息显示和参数设置。
13.其中，还包括通讯模块，所述通讯模块为自动收发无线通讯模块，所述通讯模块与控制单元模块连接，用于实现和外部控制设备的数据传输。
14.其中，所述控制单元模块和信号发生模块均采用arm芯片。
15.本发明提供一种基于压电谐振的喷墨打印电路的实现方法，包括控制电源步骤、信号发生步骤、时钟步骤、控制步骤、通讯步骤、人机交互步骤以及驱动步骤：控制电源步骤：为驱动模块产生所需电源，电源输入端子连接外部直流电源，经过保险丝进入主控板，tvs管跨接在输入电源和地之间，防止外部电源电压过高，电源经过电解电容、陶瓷电容滤波，形成具有波纹的电源，具有波纹的电源进入开关电源芯片，经过降压得到所需的多种驱动电压；信号发生步骤：接收控制单元模块发送的参数信息，信号发送模块在根据时钟模块定时产生不同波长，以此合成连续扫频信号，扫频信号经过三极管放大进入驱动电路，以增加信号稳定性和实用性；时钟步骤：采用有源压电温补晶振，得到在不同环境下，频率都基本稳定的时钟信号，为信号发生模块提供基准时钟信号；控制步骤：处理器通过异步通讯信号实时发送控制命令给信号发生模块，将扫频频率范围的参数传输给信号发生模块，arm芯片根据流水线速度产生控制信号发送至驱动模块；通讯步骤：实现和外部控制设备的数据传输，外部差分通讯信号进入通讯口，通讯口连接3组tvs管，保护通讯电路，通讯信号并联电阻，防止信号反射，通讯信号进入专用通讯电路，转换为全双工信号由专用通讯芯片处理，专用通讯芯片实时接收外部控制设备指令，完成控制动作；人机交互步骤：显示电路运行时的实时状态，通过触摸屏显示电路运行时的工作频率、占空比、控制电压、启停的信息，并通过触摸功能进入菜单设置电路运行的参数；
驱动步骤：接收扫频信号和控制信号，根据控制信号控制电路通断，驱动压电陶瓷片运动。
16.本发明上述技术方案的有益效果如下：（1）本发明采用谐振方式驱动压电陶瓷片，压电陶瓷片可以不直接接触打印材料，结构简单，容易维护；（2）本发明采用扫频信号，压电陶瓷片的谐振频率只需要在一个频段内，均可以实现驱动。
附图说明
17.图1为本发明打印电路结构框图；图2为本发明中信号发生模块中arm芯片电路图；图3为本发明中电源控制电路图；图4为本发明中驱动模块电路图；图5为本发明中控制单元模块中arm芯片及其外围电路图；图6为本发明中通讯模块电路图。
具体实施方式
18.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
19.如图1所示，本发明的实施例提供一种基于压电谐振的喷墨打印电路包括电源模块、驱动模块、信号发生模块、时钟模块、控制单元模块、通讯模块和人机界面；所述驱动模块与信号发生模块和控制单元模块分别连接，所述信号发生模块与控制单元模块连接，所述时钟模块与信号发生模块连接，所述时钟模块为信号发生模块提供时间频率基准；其中：所述电源模块为驱动模块提供电源；所述控制单元模块发出控制信号并将控制信号发送至驱动模块；所述驱动模块包括电源驱动电路和压电陶瓷驱动电路，所述电源驱动电路接收到控制信号后控制驱动模块的电流通断；所述信号发生模块发出扫频信号并将扫频信号发送至驱动模块，所述压电陶瓷驱动电路接收到扫频信号后驱动压电陶瓷片；所述时钟模块与信号发生模块连接，所述时钟模块为信号发生模块提供时间频率基准，所述时钟模块为高精度时钟发生器，所述时钟发生器内置温度补偿功能，所述时钟模块由ldo稳压芯片供电，并匹配高精度谐振电容。
20.如图2所示，所述信号发生模块主要由高性能arm芯片组成，所述arm芯片可发生一定范围内的扫频信号，且该扫频信号上限频率和下限频率均可调，并将扫频信号发生至驱动模块。
21.如图3所示，所述电源模块为驱动模块提供所述电源，所述电源模块产生的电源电压范围可用于调节喷墨打印墨滴大小，所述电源模块包括由dac信号控制输出电压大小的电源控制电路，所述电源控制电路包括一个运放，所述dac信号由电阻r6分压后连接运放正相端，且通过电阻r9接地，以保证在高频下，dac信号能量可以快速释放，所述电源模块输出
通过电阻分压连接运放反相输入端，所述运放输出端与三极管q2基极连接，控制三极管通断，所述三极管q2集电极连接多个电解电容，以起到稳压作用，所述三极管q2耐压和功率应均能满足驱动要求。
22.如图4所示，所述驱动模块包括电源驱动电路和压电陶瓷驱动电路，所述控制单元模块将控制信号发生至驱动模块，所述电源驱动电路接收到控制信号后控制电流通断，所述信号发生模块将扫频信号发生至驱动模块，所述压电陶瓷驱动电路接收到扫频信号后驱动压电陶瓷片。
23.所述电源驱动电路包括漏极与压电陶瓷驱动电路连接的pmos管q5，所述pmos管q5的源极与栅极之间连接有电阻r19，且pmos管q5的源极与电源模块连接，所述pmos管q5的驱动电压由电源模块提供，所述pmos管q5的栅极连接通过电阻r20与三极管q1的集电极，所述三极管q1的基极分别与电阻r27和电阻r31的一端连接，所述电阻r31的另一端与控制单元模块连接，控制所述三极管q1的通断，所述电阻r27的另一端和三极管q1的发射极接地，所述pmos管q5的作用是控制整个驱动电源的通断。所述pmos管q5与压电陶瓷驱动电路之间与电容c35的一端连接，所述电容c35的另一端接地。
24.所述压电陶瓷驱动电路采用双nmos管并联方式，通过mos驱动芯片输出的高低电平控制双nmos管并驱动压电陶瓷片工作，所述mos管驱动芯片为大负载、快响应进口芯片，以适应高频驱动需求。所述双nmos管并联电路包括nmos管q9和nmos管q13，mos驱动芯片的管脚通过电阻和反向二极管分别连接nmos管q9栅极和nmos管q13栅极，所述电阻和反向二极管减小电源冲击，以实现轻负载运行，所述nmos管q13的源极接地，所述nmos管q9的漏极与电源驱动电路连接，所述双nmos管的输出端连接有功率电感l3，所述功率电感l3的输出端连接压电陶瓷片，形成lc谐振方式产生正弦波驱动压电陶瓷片。
25.如图5所示，所示控制单元模块主要由arm m4芯片构成，所述控制单元与所述信号发生模块连接，提供所需参数。所述控制单元与所述信号发生模块的通讯连接采用全双工同步通讯收发模块。所述控制单元和所述人机界面通过spi方式进行连接，通过人机界面显示系统运行的实时状态。所述控制单元连接所述通讯模块，实现和外部控制设备的数据传输。所述控制单元模块和所述驱动模块相连，提供喷墨打点所述控制信号。
26.如图6所示，所述通讯模块为自动收发无线通讯模块，所述通讯模块与控制单元模块连接，用于实现和外部控制设备的数据传输。所述通讯模块接收外部差分信号a、b，所述a、b信号分别通过瞬态抑制二极管接地，所述瞬态抑制二极管，防止外部信号电压过高烧坏芯片。所述a、b信号之间可添加120ω电阻，以防止信号反射。所述a信号通过上拉电阻接到vcc，所述b信号通过下拉电阻接到gnd，以增加信号驱动能力。所述a、b信号接入专用通讯芯片u3，所述通讯芯片u3连接控制单元模块。
27.所述人机界面用于实现实时信息显示和参数设置，所述人机界面采用电容式触摸屏，所述电容式触摸屏通过spi通讯方式与控制单元模块通讯连接。
28.本发明的实施例还提供一种基于压电谐振的喷墨打印电路的实现方法，包括控制电源步骤、信号发生步骤、时钟步骤、控制步骤、通讯步骤、人机交互步骤以及驱动步骤：控制电源步骤：为驱动模块产生所需电源，电源输入端子连接外部直流电源，经过保险丝进入主控板，tvs管跨接在输入电源和地之间，防止外部电源电压过高，电源经过电解电容、陶瓷电容滤波，形成具有波纹的电源，具有波纹的电源进入开关电源芯片，经过降
压得到所需的多种驱动电压；信号发生步骤：接收控制单元模块发送的参数信息，信号发送模块在根据时钟模块定时产生不同波长，以此合成连续扫频信号，扫频信号经过三极管放大进入驱动电路，以增加信号稳定性和实用性；时钟步骤：采用有源压电温补晶振，得到在不同环境下，频率都基本稳定的时钟信号，为信号发生模块提供基准时钟信号；控制步骤：处理器通过异步通讯信号实时发送控制命令给信号发生模块，将扫频频率范围的参数传输给信号发生模块，arm芯片根据流水线速度产生控制信号发送至驱动模块；通讯步骤：实现和外部控制设备的数据传输，外部差分通讯信号进入通讯口，通讯口连接3组tvs管，保护通讯电路，通讯信号并联电阻，防止信号反射，通讯信号进入专用通讯电路，转换为全双工信号由专用通讯芯片处理，专用通讯芯片实时接收外部控制设备指令，完成控制动作；人机交互步骤：显示电路运行时的实时状态，通过触摸屏显示电路运行时的工作频率、占空比、控制电压、启停的信息，并通过触摸功能进入菜单设置电路运行的参数；驱动步骤：接收扫频信号和控制信号，根据控制信号控制电路通断，驱动压电陶瓷片运动。
29.本实施例中，现有的喷墨打印技术电压直接驱动压电陶瓷，通过压电陶瓷的形变挤压打印材料，形成墨滴，但这种方式压电陶瓷直接接触打印材料，存在兼容性差，容易堵孔，清洗难，寿命短等缺点。本发明可使压电陶瓷片可以不直接接触打印材料，用lc谐振方式产生正弦波驱动压电陶瓷片，只要压电陶瓷片的谐振频率在一个频段内，同时谐振驱动信号采用扫频信号，不同的压电陶瓷片也能实现驱动。
30.相比于单片机，arm的运行速度更快，并且拥有丰富的外设资源和引脚数量，所以本文控制单元模块和信号发生模块的设计中，核心均采用arm控制器。因此，本实施例中，由信号发生模块发出的扫频信号驱动2个nmos管，提供压电陶瓷片驱动电压，由控制单元模块发出控制信号控制1个pmos管从而控制喷墨速度，以此使用lc谐振方式产生正弦波驱动压电陶瓷片。
31.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。