第09章 靜電噴墨

1、1 授課知識點o 常規(guī)靜電噴墨原理o 泰勒效益靜電噴墨技術o 墨滴飛行穩(wěn)定性o 超聲波墨霧噴射第第9章章 靜電噴墨靜電噴墨210.1靜電場墨滴噴射技術 靜電噴墨分類：、和等?？偟膩碚f，靜電噴墨還處在開發(fā)研究階段，成熟的商業(yè)靜電噴墨印刷系統(tǒng)在市場上也不多見。 工作原理：（1）電場加到墨滴噴射系統(tǒng)和印刷表面間；（2）電場力作用使墨水柱在噴嘴出口處形成彎月面，控制系統(tǒng)按二值調(diào)制信號改變電場；（3）表面張力平衡狀態(tài)破壞時，墨滴從噴嘴口噴出。 10.1.1靜電噴墨的一般描述310.1靜電場墨滴噴射技術 噴射控制：墨水從噴嘴被牽引出來是由于電場的作用，使彎月面與電場力失去平衡，為此需要控制脈沖以釋放墨滴，

2、控制脈沖通常由電信號或者供熱信號產(chǎn)生。 10.1.1靜電噴墨的一般描述410.1靜電場墨滴噴射技術 起源：大約從19世紀90年代初期年開始，人們就在討論泰勒效應為基礎的靜電噴墨技術，并研制成了按泰勒效應工作的靜電噴墨打印機和類似的設備。 泰勒效應：反映液體液柱與靜電場的交互作用，從噴嘴孔噴射出的細窄直徑的液體射流在外加電場的幫助下形成靜電場，射流直徑與噴嘴孔直徑之比大約為1:20。 10.1.2泰勒效應靜電噴墨工作原理510.1靜電場墨滴噴射技術 部件配置與噴嘴結(jié)構(gòu)簡圖：噴嘴結(jié)構(gòu)按泰勒效應設計，用于說明在泰勒效應作用下墨滴的形成機理，噴嘴形狀與注射用針筒/針尖組合類似，墨滴形成范圍處于靜電場作

3、用下。10.1.2泰勒效應靜電噴墨工作原理靜電場610.1靜電場墨滴噴射技術 泰勒效應靜電噴墨原理：（1）墨水腔體和承印材料背面均配置電極，組成電極對；（2）柵格圖像處理器根據(jù)頁面上的圖文對象類型確定轉(zhuǎn)換算法，調(diào)制成二值信號；（3）二值信號本質(zhì)上是泰勒效應靜電噴墨系統(tǒng)的成像控制信號，作用到電極對之間時形成控制脈沖；（4）控制脈沖信號作用于墨水后，將改變噴嘴出口外表面上的表面張力，空氣阻力小于液體的表面張力時，就噴射出細窄的墨水射流；10.1.2泰勒效應靜電噴墨工作原理710.1靜電場墨滴噴射技術 與其他噴墨工藝的區(qū)別：泰勒效應靜電噴墨的墨滴并非產(chǎn)出于墨滴雛形的飛行過程中，也不能象連續(xù)噴墨技術那

4、樣在噴嘴出口位置附近形成墨滴，或許只能在墨水柱到達離紙張表面一定的距離時才形成最終的墨滴。10.1.2泰勒效應靜電噴墨工作原理 泰勒效應靜電噴墨原理：（5）墨水射流形成靜電場，與空氣阻力和流體粘性力共同作用后促使射流中的墨水逐步分裂出來而形成墨滴。810.1靜電場墨滴噴射技術 墨滴噴射過程：圖中所示基于泰勒效應噴墨成像工藝的墨滴在電場中的形成過程。墨水擠出噴口不久即形成泰勒錐，其尖端產(chǎn)生細窄的墨水射流，射流到達紙面時，墨水射流與泰勒錐脫離，繼續(xù)前進的墨水流在紙面上產(chǎn)生記錄點。 技術關鍵：使用形狀合適的噴嘴出口時，如果墨水射流的直徑明顯小于噴嘴出口直徑，則可以形成泰勒錐。 10.1.3泰勒效應墨

5、滴噴射過程910.1靜電場墨滴噴射技術 泰勒效應靜電噴墨的主要優(yōu)點：即使采用直徑相對較大的噴嘴也照樣能產(chǎn)生尺寸很小的墨滴，從而可對每一個像素復制出多個色調(diào)值。按照待復制圖像產(chǎn)生的是電場作用的結(jié)果，該電場建立于紙張底面與噴嘴出口間，是電壓信號作用的結(jié)果，墨滴體積取決于控制脈沖的延時時間。 油墨選擇：通常采用熱熔油墨。 10.1.3泰勒效應墨滴噴射過程1010.1靜電場墨滴噴射技術 噴嘴陣列設計方案：以特殊的微結(jié)構(gòu)機械加工方法為基礎，可對噴嘴形狀作優(yōu)化設計。在實踐中行得通的方案是噴嘴直徑約400mm，噴嘴間距為1mm。如果將噴嘴排成幾行，且使它們交叉排列，則形成色噴嘴陣列可達到600dpi的分辨率

6、，甚至更高，成像寬度也更大。10.1.3泰勒效應墨滴噴射過程1110.1靜電場墨滴噴射技術 起源：澳大利亞學者Silverbrook在1995年時提出一種設想，其基礎是在噴墨印刷時采用特殊的噴嘴控制技術，通過熱效應作用下的粘度控制實現(xiàn)靜電噴墨成像。 10.1.4熱效應粘度控制靜電噴墨技術簡介：1210.1靜電場墨滴噴射技術10.1.4熱效應粘度控制靜電噴墨技術簡介：1310.1靜電場墨滴噴射技術10.1.4熱效應粘度控制靜電噴墨 技術簡介：墨水裝在容器內(nèi)，處于略為過度的壓力作用下；油墨容器上覆蓋一塊噴嘴板，噴嘴陣列和紙張間加有電場；在壓力和電場的共同作用下，液體表面張力在噴嘴邊沿處保持相對平衡

7、狀態(tài)；所有噴嘴均有環(huán)形加熱元件，且這些加熱元件都獨立控制；噴嘴邊沿可通過電流脈沖加熱，使表面張力發(fā)生變化，并通過控制加熱元件產(chǎn)生的熱效應控制油墨粘度，從而產(chǎn)生成像所需要的墨滴。1410.1靜電場墨滴噴射技術 LIFT按需印刷： LIFT (Liquid Ink Fault Tolerant)的縮寫，意謂液體油墨失效許可，實際上是噴嘴失效許可。 LIFT的技術基礎：利用特殊的技術和硅基材料可建立經(jīng)濟上合理、表面積大的噴嘴陣列。噴嘴數(shù)量比實際要求的記錄分辨率所需的噴嘴更多，因而部分噴嘴失效后仍能保持系統(tǒng)正常工作。10.1.4熱效應粘度控制靜電噴墨1510.1靜電場墨滴噴射技術 LIFT的工業(yè)價值：

8、實現(xiàn)密度調(diào)制復制；防止在印刷期間因個別噴嘴失效而導致印刷質(zhì)量降低，噴嘴的使用功能通過電子方式控制，必要時可整體啟用備用噴嘴。 LIFT的工藝特點：噴嘴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與其他按需噴墨打印機的噴嘴系統(tǒng)相比顯得更簡單，記錄分辨率高；無需常規(guī)按需噴墨打印機那樣復雜的墨水通道系統(tǒng)，只需一塊噴嘴板就可以了；噴嘴形狀呈彎月形，可大量生產(chǎn)，噴嘴間距約60mm。10.1.4熱效應粘度控制靜電噴墨1610.2超聲波墨霧噴射 20世紀70年代初期的超聲波靜電噴墨：設法使超聲波聚焦到墨水表面，噴射產(chǎn)生的壓力用于分離和噴射墨滴；根據(jù)這一工作原理，墨滴直徑與所加超聲波的頻率成反比，墨滴系統(tǒng)的顯著特征，在于不使用噴嘴的情況下降低墨

9、滴尺寸。 基于聲透鏡的噴墨技術：利用所謂的聲透鏡噴墨頭結(jié)構(gòu)聚焦超聲波，噴墨頭中也沒有噴嘴，超聲波頻率達到150MHz時才能獲得直徑10um的墨滴；為了能保持超聲波聚焦到墨水表面，對噴墨頭的定位精度要求很高。 聲透鏡噴墨技術的缺點：超聲波會在鏡頭和墨水的邊界表面反射，導致超聲波發(fā)射效率降低；由此可見，作為一種保護性的措施，需要在邊界表面處組成抗反射層。 10.2.1技術簡介1710.2超聲波墨霧噴射 本節(jié)介紹的技術：墨霧組成效率高，超聲波頻率降低。 超聲波噴墨公開報道：1999年，日本學者Fukumoto在國際數(shù)字印刷會議上發(fā)表 “超聲波墨霧噴射印刷”，一文提到利用超聲波效應產(chǎn)生很小“墨滴”的方

10、法。 墨霧：因“墨滴”尺寸非常小，以致于相互很難分清，被稱為“墨霧”。在尺寸上墨霧不同于墨滴，墨滴尺寸通常在10um量級，而墨霧中每一個細小“墨滴”則低于這個量級，平均直徑大約為2.5um。 優(yōu)點：如此細小的“墨滴”成像時，能在紙面上形成質(zhì)量很高的印刷圖像。成像系統(tǒng)采用的噴嘴結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生很細小的“墨滴”。 10.2.1技術簡介1810.2超聲波墨霧噴射 打印頭結(jié)構(gòu)：右圖所示，超聲波發(fā)生器與工業(yè)領域的超聲波探傷儀相同，由壓電傳感器組成。 10.2.2打印頭結(jié)構(gòu)與墨水驅(qū)動1910.2超聲波墨霧噴射墨水驅(qū)動：（1）壓電傳感器通過絕緣聚酯薄膜聯(lián)結(jié)到拋物面反射器，噴嘴板的位置在拋物面發(fā)射器的焦點上；（2）

11、壓電換能器在成像信號激勵下使電能轉(zhuǎn)換成機械能，發(fā)出超聲波；（3）墨水供應到由超聲波反射器和聚酯薄膜形成的空間，等待超聲波信號的激烈；（4）壓電傳感器驅(qū)動電極上作用高頻電壓，產(chǎn)生的超聲波傳遞到墨水，且墨水成為傳遞超聲波的媒介；10.2.2打印頭結(jié)構(gòu)與墨水驅(qū)動2010.2超聲波墨霧噴射 墨水驅(qū)動： （5）壓電換能器振動方向與壓電板垂直，使超聲波沿垂直方向傳遞到具有拋物線截面形狀的表面； （6）超聲波能量在拋物面上發(fā)生轉(zhuǎn)換、反射，并在聚焦點上集聚，由于噴嘴孔也在拋物面焦點位置附近，因而被反射的超聲波將會聚在噴嘴的出口位置； （7）會聚后得超聲波能量增大，在噴嘴出口位置發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，形成與墨水噴射方向

12、垂直的表面波； （8）與墨水噴射方向垂直的表面波向兩側(cè)傳遞，墨水沿水平方向高頻振蕩；10.2.2打印頭結(jié)構(gòu)與墨水驅(qū)動2110.2超聲波墨霧噴射 墨水驅(qū)動：（9）在噴口兩側(cè)墨水的振蕩波邊緣，墨水液體的表面張力不能繼續(xù)維持與母體的聯(lián)系，且在高密度超聲波能量的作用下，導致部分墨水與母體分裂，形成非常細小的霧狀墨滴群；（10）噴嘴口的墨霧受后面墨水的擠壓而不能保持穩(wěn)定狀態(tài)，從噴嘴出口噴射而出；（11）噴射出的墨霧經(jīng)過一定的飛行距離后，轉(zhuǎn)移到紙張表面。10.2.2打印頭結(jié)構(gòu)與墨水驅(qū)動2210.2超聲波墨霧噴射 打印頭驅(qū)動信號：分為基本信號、破裂信號和密度控制信號三種類型。 基本信號：沿時間軸等距離分布的

13、方波脈沖信號，在驅(qū)動電壓VD的作用下以周期T0為單位產(chǎn)生。 10.2.3打印頭驅(qū)動和層次控制2310.2超聲波墨霧噴射破裂信號：通過周期性的打開基本信號產(chǎn)生破裂信號，每次打開基本信號的時間長度與n個方波脈沖對應，因而n個方波脈沖信號組成一破裂信號，由此可知破裂信號的周期為nT0；破裂信號加到壓電傳感器上，以間歇的方式產(chǎn)生超聲波。10.2.3打印頭驅(qū)動和層次控制密度控制信號：由一次破裂信號噴射出的墨水數(shù)量還不足以使一個記錄點（網(wǎng)點）的光學密度達到最高值，為此需通過多個破裂信號組成一個網(wǎng)點，這就是密度控制信號；需要多少個破裂信號作用到壓電傳感器上取決于要表現(xiàn)的網(wǎng)點光學密度。2410.2超聲波墨霧噴

14、射 破裂信號的數(shù)量要求：設與產(chǎn)生最高網(wǎng)點光學密度對應的破裂信號數(shù)量為mmax，則形成符合特定要求網(wǎng)點的破裂信號數(shù)量mi應滿足0mimmax，且mmax=int（TD/ TB）；由mi個破裂信號構(gòu)成的信號序列稱為網(wǎng)點密度控制信號。 密度調(diào)制：墨霧噴射 具有隨機性，右圖的dw稱 為網(wǎng)點尺寸，一個網(wǎng)點中 包含的墨滴數(shù)量由密度控 制信號調(diào)制，形成所需的 網(wǎng)點密度。10.2.3打印頭驅(qū)動和層次控制2510.2超聲波墨霧噴射 色調(diào)等級決定因素：超聲波工藝能形成多少種色調(diào)等級取決于成像系統(tǒng)的、對墨滴噴射位置的控制能力以及對噴射墨滴數(shù)量的控制能力。 其中，與壓電換能器可激勵的超聲波頻率和強度有關；不僅取決于超

15、聲波的頻率和強度，也與墨水的黏度和表面張力特性有關；難度更高，與墨霧噴射成像系統(tǒng)能表達多少種色調(diào)等級關系最為密切。 10.2.3打印頭驅(qū)動和層次控制2610.2超聲波墨霧噴射 可實現(xiàn)的色調(diào)等級：復制出3個色調(diào)等級完全可以做到。并通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，如果能合理地調(diào)整墨霧噴射成像系統(tǒng)的技術參數(shù)，則復制出32個色調(diào)等級可以實現(xiàn)，記錄參數(shù)分辨率可達300dpi。 保障措施：為了確保成像單元尺寸擴大需明顯小于成像單元本身尺寸，需限制墨霧噴射的有效作用范圍。 10.2.3打印頭驅(qū)動和層次控制2710.2超聲波墨霧噴射 超聲波的聚焦性能：超聲波 從壓電傳感器中以間歇方式發(fā) 射后，形成超聲波表面a-b-c-d

16、并向上傳播進入墨水；當該表 面波的中心波面b-c到達b-c時， 由于拋物面的反射作用，與中 心波面相鄰的兩個波面a-b和c-d 分別轉(zhuǎn)換成波面a-b和c-d； 根據(jù)拋物面的幾何屬性，通過 拋物面反射得到的波面a-b和c-d呈球形，并聚焦到拋物面焦點上；拋物面反射器的頂部開口是平面，焦點位于該平面內(nèi)，因而從壓電傳感器直接傳播到反射器開口處（設開口直徑為D2）的平面波為自然分量，對聚焦沒有貢獻。10.2.4墨霧噴射特征2810.2超聲波墨霧噴射 聚焦特點：反射后 得超聲波沿不同的方向 傳播，以復雜的方式在 焦點會聚，但彼此互不 干涉；與通過反射聚焦 的超聲波相比，直接從 壓電傳感器傳播到焦點 的超

17、聲波能量密度極小，因而其作用可以忽略。 超聲波的平滑傳播條件：由于噴嘴定位在聚焦點上，設噴嘴的進口直徑為D3，則當該直徑在數(shù)值上小于超聲波的波長（ D3 lc）時，超聲波的波面就可以在噴嘴內(nèi)平滑地傳播，不會有任何的擾動產(chǎn)生；學者們認為，導致這一結(jié)果的原因是墨水流體具有等相位的振蕩，且在噴嘴開口彎月面得整個表面上始終保持這一特點。10.2.4墨霧噴射特征噴嘴板 噴嘴進口直徑D3D3 cc2910.2超聲波墨霧噴射 波形轉(zhuǎn)換：實現(xiàn)超聲波 墨霧噴射的關鍵問題之一， 是完成超聲波從垂直于噴嘴 開口表面的縱波轉(zhuǎn)換為橫波， 即如何從垂直于噴嘴開口表 面?zhèn)鞑マD(zhuǎn)為沿開口表面橫向 傳播。 表面波特點：右圖演示了

18、 一個存在于噴嘴彎月面上的表面波，細小的墨滴從橫波峰值點上分離出來；由于噴嘴直徑小于超聲波的波長，超聲波以其特定的速度u沿整個彎月面振蕩，相位基本上是相同的；在此條件下，彎月面的兩端由噴嘴邊緣保持著，墨水無法越過噴嘴邊緣。10.2.4墨霧噴射特征3010.2超聲波墨霧噴射 噴嘴：各噴嘴在噴嘴板 上呈交叉排列，分為兩行， 每行均包含8個噴嘴，兩行 噴嘴交叉排列成相互錯開 噴嘴中心距地一半。 噴嘴中心距：由于每 一排上相鄰噴嘴的中心距 為2.54mm，因而兩排噴嘴 作交叉排列后實際可得的 中心距為1.27mm，相當于記錄分辨率提高一倍。 噴嘴形狀：前緣呈圓錐狀，墨水進口直徑120mm，出口直徑為50mm；每一個噴嘴包含一個拋物面反射器，該反射器的墨水進口直徑為2mm，出口直徑1mm。10.2.5打印頭的實際結(jié)構(gòu)噴嘴板電極2.54mm壓電傳感器板驅(qū)動電極聚酰亞胺薄膜反射器板噴嘴板拋物面反射器3110.2超聲波墨霧噴射 電極：壓電板上