[發明專利]一種用于驅動噴墨打印機噴頭的全數字功率放大器

有效

• 申請號: 201810156735.1
• 申請日: 2018-02-24
• 公開（公告）號: CN108146076B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發明（設計）人: 江澤民;韓京華
• 申請（專利權）人: 北京博源恒芯科技股份有限公司
• 主分類號: B41J2/16
• 分類號: B41J2/16;H03K7/08;H03F3/213
• 代理公司: 北京細軟智谷知識產權代理有限責任公司 11471
• 代理人: 張丹

本發明涉及用于驅動噴墨打印機噴頭的全數字功率放大器，以Zynq?Z?7010SoC為主控制器，ARM/PS接收上位機發送的噴頭驅動電壓波形數據，而后將驅動電壓波形數據傳送到FPGA/PL中的數字脈寬調節器作為參考輸入，與相應的ADC采集的VCOM反饋信號的差作為誤差信號，輸入到內部的滑模控制器，得到新的高精度PWM占空比；采用混合Σ?Δ調制器產生調制信號，通過驅動功率管放大該調制信號，利用平滑濾波器使放大后的調制信號平滑，作為噴頭驅動信號VCOM。由于本發明采用Zynq?Z?7010SoC實現全數字功率放大器，簡化了硬件電路設計，提高了系統的帶寬和穩定性；采用混合Σ?Δ調制器，在11位的PWM下開關頻率最高可以達6MHz，提高了輸出的PWM的精度，使驅動信號VCOM的紋波小，精度高，保證了噴墨打印的質量。

技術領域

本發明涉及噴墨打印機設備技術領域，具體涉及一種用于驅動噴墨打印機噴頭的全數字功率放大器。

背景技術

當對壓電晶體施加物理壓力時，材料內部正負電荷產生相對位移而被極化，導致晶體表面出現極性相反的束縛電荷，形成電場，這種由物理外力的作用而使晶體表面出現與外力成比例的電場的現象，叫做正壓電效應；反之，當壓電晶體置于外電場中，其內部正負電荷相對移位，又可導致壓電晶體發生機械變形，形變的大小正比于所加的電場強度，這種由電場作用而產生的壓電晶體表面形變現象，稱為逆壓電效應。

正是壓電陶瓷具有的正逆壓電效應，使得壓電陶瓷驅動技術在壓電噴墨打印機中得到廣泛的應用。壓電噴墨打印機的核心部件是打印頭，它是由成百上千個直徑極其微小的墨水通道組成，這些通道的數量，也就是噴墨打印機的噴孔數量，直接決定了噴墨打印機的打印精度。每個通道內部都附著壓電陶瓷或者MEMS，當打印頭的控制電路接收到驅動信號后，壓電陶瓷隨之產生伸縮使噴嘴中的墨汁噴出，在輸出介質表面形成圖案。

壓電式噴頭噴墨過程可分為以下四個階段，如圖2所示：

1、關閉狀態：非打印狀態，不施加驅動電壓，壓電陶瓷處于平衡狀態，如圖1A所示；

2、平衡狀態：施加高電壓，隔膜處于膨脹狀態，如圖1B所示；

3、充電狀態：對壓電陶瓷施加脈沖電壓時，壓電陶瓷向外延伸，使腔內墨水液面向內收縮，如圖1C所示；

4、放電狀態：去掉脈沖電壓時，壓電陶瓷又向內收縮，同時會將一滴微量的墨水通過噴嘴噴射出去，完成一次噴墨，然后恢復到平衡狀態，等待噴射下一滴墨水，如圖1D所示。

為了實現壓電式噴頭噴墨四個過程，需要在壓電陶瓷上施加相應的驅動信號，該驅動信號的電壓幅值為0～36V或者0～-36V，壓擺率SR為30～40V/us，精度±0.5V。產生壓電式噴頭驅動信號的功率放大電路按拓撲的結構不同分為模擬線性功率放大電路和PWM式數字功率放大電路。

模擬線性功率放大電路主要通過模擬運放器件實現電壓和電流放大輸出，這類放大電路主要工作在AB類，在輸出功率情況下，損耗在內部電路中，造成嚴重浪費，因此效率比較低，一般只能達到50％左右；同時大功率輸出時，需要散熱器，因此體積較大，不容易小型化。

模擬線性功率放大電路的這些缺點，使得PWM式數字功率放大電路逐漸開始應用于壓電陶瓷的驅動電路。PWM式數字功率放大電路不同于模擬線性功率放大電路，它采用切換電壓方式的同時用數字信號控制導通時間來放大信號，其輸出級的工作狀態不是完全導通就是完全截止，因此輸出器件的功耗非常小，使它的效率遠比模擬線性功率放大電路類要高，同時PWM式數字功率放大電路的效率和輸入信號的大小無關。通常在電源電壓為額定值時，PWM式數字功率放大電路的效率達80％以上，其平均效率大約要比模擬線性功率放大電路高2-3倍，同時在輸出功率一樣的情況下，PWM式數字功率放大電路的表面溫度會遠遠低于模擬線性功率放大電，因此使用時不需或者只需要一個很小的散熱器，大大減小了PWM式數字功率放大電路的體積。

在下述專利文獻中，采用PWM式數字功率放大電路實現噴墨打印機壓電陶瓷的驅動。