（精密仪器及机械专业论文）压电式喷墨的建模与分析.pdf

摘要 本文通过对压电式喷墨打印机喷墨过程中关键问题的研究，以探索压电式喷 墨机理，从而为进一步提高打印质量和速度提供帮助。 首先，介绍了亥姆霍兹谐振器和压电式喷墨打印机喷墨头的结构和基本原理。 然后，将喷墨头模拟成亥姆霍兹谐振器，通过研究亥姆霍兹谐振器的特征，建立 了喷墨头内液体的动力学模型，并进行了仿真计算，得出了喷墨头内液体的位移、 速度与时间的关系。最后，考虑容器壁对液体的粘性导致的能量消耗，对该动力 学模型进行了一些改进，并对改进后的模型进行了仿真和分析，使其更接近实际 情况，从而为设计制造打印机和提高打印机打印质量提供理论依据和基础的资料。 关键词：压电喷墨打印动力学模型仿真 a b s t r a c t b a s e d0 nt l l es t u d i e so ft h ep i e z o e l e c t r i ci i l l ( - j e tp n n t e ri n k - j e tp r o c e s st oe x p i o r e t 1 1 em e c h a n i s mo fp i e z o e l e c t r i ci i l l ( - j e t ，s oa st oi m p r o v e n tq u a l l t ya n ds p e e d - f i r s to fa 1 1 t h et h e s i si n 仃0 d u c e st h es 伽c n l r ea n dt h eb 商c n c l p l e so ft h e h e l r n h o l t zr e s o n a t o ra n dm ei i l l ( - j e th e a do fp i e z o e l e c t r i ci n k j e tp r i n t e r s e c o n d l y ，t l l e i n k i e th e a di si n o d e i e da sah e l n l l l o l t zr e s o n a t o r b ys t u d y i n gt h ec h a r a c t e n s t l c so t h e l m h o l t zr e s o n a t o r ，e s t a b l i s l l i n ga ni n k - j e th e a do ft l l ed y n 锄i cm o d e lo f t h el i q u i d a r e rs i m u l a t i n ga n dc a l c u l a t i i 嗨m em o ( 1 e l ，g e t t i n gm er e l a t i o n 锄o n gt h e1 1 q u l d d i s p l a c 锄e 鸭v e l o 曲觚dt i m e f i 谳l y ，t 0 b ec l o s e dt 0m ea c “脚s i t u a t l o n ，m e d y n 锄i cm o d e li si m p r o v e db yc o n s i d e r i n ge n e r g yd i s s p a t i o n 州c hi sc a 璐e d b y 也e c o n t a i n e rw a l lh i l p e d i n gl i q u i dn o w b ys i m u l a t i n ga n da n 出s i n g 也ei n l p r o v e dr n o d e l ， m em e s i sp r o v i d e sam e o r e t i c a l b a s i s 觚db a s i ci 疵胍a t i o nf o rd e s l 鲫n g ， m a n u f a c t u 血gp r i n t e j 怎a l l di m p r 0 、，i 】n gp 血tq 硼1 i 锣 k e y w o r d ：p i e z o e l e c t r i c i n k - j e tp r i n t i n g d y n a m i cm o d e l s i m u i a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：皇上l 日期j 垫孪生 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 兰及一 导师签名：二墓丝 日期兰咝：圭：堡 日期2 华 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 打印机的历史相当久远，世界上真正意义的带活动机械的打印机是公元1 4 6 3 年发明的。几百年来，与打印机相关的打印技术已经日新月异。从2 0 世纪5 0 年 代起，当打印机作为计算机系统的一种重要外围输出设备后，开始蓬勃发展，特 别是近十年打印机的发展更是迅猛，种类繁多、机型各异。 针式打印机作为一种击打式打印机最早出现在人们面前。它是利用机械和电 路驱动原理，使打印针撞击色带和打印介质，进而打印出点阵，再由点阵组成字 符或图形来完成打印任务的。打印头的结构比较复杂，大致说来，可分为打印针， 驱动线圈，定位器，激励盘等等。简单的说，打印头的工作过程是这样的：当打 印头从驱动电路获得一个电流脉冲时，电磁铁的驱动线圈就产生磁场吸引打印针 衔铁，带动打印针击打色带，在打印纸上打出一个点的图形。从结构和原理上看， 针打仅由打印机械装置和控制驱动电路两大部分组成。针打在打印过程中共有三 种机械运动，即打印头横向运动、打印纸纵向运动和打印针的击针运动，这些运 动都由软件控制驱动系统通过一些精密机械来执行。针式打印机的特点是：结构 简单、技术成熟、性能价格比好、消耗费用低。针式打印机虽然噪声较高、分辨 率较低、打印针易损坏，但近年来由于技术的发展，较大地提高了针式打印机的 打印速度、降低了打印噪声、改善了打印品质，并使针式打印机向着专用化、专 业化方向发展，使其在银行存折打印、财务发票打印、记录科学数据连续打印、 条形码打印、快速跳行打印和多份拷贝制作等应用领域具有其他类型打印机不可 取代的功能。现代针打越来越趋向于被设计成各种各样的专业类型，用以打印各 类专业性较强的报表、存折、发票、车票、卡片等输出介质。 然而，针式打印机液有一些明显存在的缺陷，就是打印速度慢、噪音大、打 印质量低。随着人们对打印机的要求提高，根据传热原理设计的热敏打印机出现 了。热敏打印机通过在淡色材料上( 通常是纸) 覆上一层透明膜，将膜加热一段时间 后变成深色( 一般是黑色，也有蓝色) ，图像是通过加热，在膜中产生化学反应而生 成的。这种化学反应是在一定的温度下进行的。高温会加速这种化学反应。当温 度低于6 0 时，膜需要经过相当长，甚至长达几年的时间才能变成深色；而当温 度为2 0 0 时，这种反映会在几微秒内完成。热敏打印机有选择地在热敏纸的确定 位置上加热，由此就产生了相应的图形。加热是由与热敏材料相接触的打印头上 的一个小电子加热器提供的。加热器排成方点或条的形式由打印机进行逻辑控制， 当被驱动时，就在热敏纸上产生一个与加热元素相应的图形。控制加热元素的同 2 压电式喷墨的建模与分析 一逻辑电路，同时也控制着进纸，因而能在整个标签或纸张上印出图形。热敏打 印技术由于其成本低，速度比较快，被广泛应用于对打印质量要求相对较低的领 域，比如p o s 机、票据打印等。 1 8 7 8 年l o r dr a y l e i 曲发现了液体流破碎成液滴的机理。1 9 5 1 年，s i e m e n s 公 司申请了第一台喷墨设备的专利，2 0 世纪6 0 年代早期，s t a n f l o r du n i v e r s i t y 的d r s 、e e t 证明了通过在喷嘴处施加压力，墨水流就会分裂成体积相似，距离相等的连 续墨滴i l j ，充电的墨水通过电极后会发生偏转，不带电的墨滴就不会发生偏转j ， 这就是我们所说的连续式喷墨的原理。1 9 7 6 年，第一台喷墨打印机在i b m 公司诞 生，采用的就是连续喷墨方式，但是效果很不理想，没有实用价值。同年西门子 公司开创了压电式墨滴控制技术技术，并于1 9 7 8 年成功量产，成为世界上第一部 具有商业价值的喷墨打印机。在1 9 7 9 年，c a l l o n 公司根据热泡理论发明了第一台 热泡式打印机，称为b u b b l e j e t 。通过放置在喷嘴边的加热器来控制液体的汽化， 使之形成气泡，通过表面张力，将墨滴从喷嘴发射出型3 1 。这种运用半导体技术加 工的打印头，可以实现很低的制造成本，并同时可以实现高密度的喷嘴的排列。 与此同时，h p 独立开发了相似的打印技术【4 】。1 9 8 4 年，h p 公司成功地实现了第一 款商业化喷墨打印机，称为m i l kj e tp 订n t e r ，h p 将这一技术命名为热泡技术，并 且实现了通过更换墨盒来解决原有的在打印头完成使用寿命后就必须更换的问 题，进一步降低了成本。从那以后，c a l l o n 和h p 不断发展他们的科技，高质量的 黑自打印及彩色喷墨打印相继出现。1 9 9 1 年第一台彩色打印机面世，同年大幅面 打印机也被推向市场，1 9 9 4 年，基于微压电技术的喷墨打印技术问世，1 9 9 6 年 l e n a r k 成功开发了第一台1 2 0 0 奉1 2 0 0 d p i 的超高分辨率彩色喷墨打印机，1 9 9 8 年， 全球第一台1 4 4 0 d p i 分辨率并具有6 色喷墨功能的打印机被e p s o n 公司推向市场， 同年，c a n o n 推出首款7 色喷墨打印的照片打印机，1 9 9 9 年e p s o n 开发出第一台不 许计算机就能打印a 4 幅面照片的打印机，2 0 0 0 年，第一台自动双面打印机在h p 出现，3 年后h p 开发第一台8 色墨水技术打印机，2 0 0 5 年全球第一台9 色墨水打 印杌在h p 诞生，从喷墨打印技术的发展不难看出，喷墨技术的日益发展使得喷墨 打印机以其成本低，体积小，噪音小和高质量的打印效果，成为了无论是家庭使 用还是商业用途的首选。但是喷墨技术还有其自身的缺陷，喷墨打印技术还需要 不断发展。目前国外对于喷墨打印技术的研究主要集中在如何提高打印质量。研 究发现，当墨滴接触到纸张的时候，会随着墨水深入到纸张内部而沿着纸纤维扩 散，通常这种扩散非常不规律，而且扩散面积过大，导致无法保证所要求的质量。 由于吸收墨水的速度很慢，导致无法在很短的时间内，吸收同一打印点上的多个 墨滴，这种由于墨滴扩散所导致的质量很差的彩色打印成为目前亟待解决的问题。 为了解决这一难题，可以通过研发新的纸张的表面材料来减少墨滴的扩散并加快 吸收速度，也可以通过采用固体墨水的技术，当融化的金属墨水接触到纸张的时 第一章绪论 候迅速凝固，减少扩散和渗透。另一种提高打印质量的方法就是对相应的伺服控 制系统的研究：为了提高喷印速度，提高喷墨头与基材的相对运动速度是很重要 的手段，但因此造成液滴的移位和变形，不容忽视：分辨率的大幅度提高及喷嘴 数量的增加，对相应伺服控制系统提出了更高的要求，以减小液滴的移位和变形。 随着时代的发展，技术的不断进步，激光打印机逐渐占据了人们的视野。激 光打印机主要分为，黑白激光打印机和彩色激光打印机两种，其基本工作原理是 相同的，它们都采用了类似复印机的静电照相技术，将打印内容转变为感光鼓上 的以像素点为单位的点阵位图图像，再转印到打印纸上形成打印内容。与复印机 惟一不同的是光源，复印机采用的是普通白色光源，而激光打印机则采用的是激 光束。在工作过程中，打印控制器中光栅位图图像数据转换为激光扫描器的激光 束信息，通过反射棱镜对感光鼓充电，感光鼓表面就形成了以正电荷表示的与打 印图像完全相同的图像信息，然后吸附碳粉盒中的碳粉颗粒，形成了感光鼓表面 的碳粉图像。而打印纸在与感光鼓接触前被一充电单元充满负电荷，当打印纸走 过感光鼓时，由于正负电荷相互吸引，感光鼓的碳粉图像就转印到打印纸上。经 过热转印单元加热使碳粉颗粒完全与纸张纤维吸附，形成了打印图像。激光打印 机以其打印速度快，打印品质高，噪音低等优点，在人们的日常工作中越来越受 到青睐，已广泛应用于现代办公中。但激光打印机多数价位不菲，而且维修配件 也十分昂贵，而且无法实现大幅面的打印( 目前实现a 3 幅面打印) ，使其应用领 域十分有限，无法取代喷墨打印的作用。 综合前文所介绍的常见4 种打印方式，针式打印机和热敏打印机由于技术的 发展，在打印质量上已经无法与喷墨和激光技术相提并论，并且因为自身特点的 限制，包括打印速度，打印质量，噪音大小等，正逐步向专门方向发展。比如针 式打印机目前主要用于票据、报表、发票等的打印，热敏打印机则更多地用于p o s 机、火车票等打印。激光打印机虽然打印质量高，速度更快，已经越来越多的应 用于办公设备，但是其成本高的特点及打印幅面的限制，导致激光打印技术始终 不能大范围的普及，无法取代目前喷墨打印机的主导地位。喷墨打印机凭借其成 本低，体积小，噪音小和高质量的打印效果，成为了无论是家庭使用还是商业用 途的首选，但是面对激光打印机的冲击，喷墨打印机还需要进一步提高打印质量、 打印速度，使其能更好的适应时代的发展。为了更好的提高喷墨打印机的打印质 量，我们就必须对喷墨技术进行进一步的了解。 1 2 国内外研究现状 喷墨打印机伴随着电子计算机的告诉发展，也发展了将近四十年，在这四十 4 压电式喷墨的建模与分析 年中，打印技术不断发展【5 】i 酬。主要的发展首先集中在对喷墨理论的分析，通过理 论分析制造新型的打印头或者通过优化打印参数来提高打印质量【7 。1 4 l ；其次是为了 提高喷印速度，提高喷墨头与基材的相对运动速度是很重要的手段，但因此造成 液滴的移位和变形，因此需要对喷墨过程中机械系统的优化，研究相应的伺服系 统，通过对高速打印过程中自车运动带来的误差进行补偿提高打印质量【1 5 】；最后 还有一方面主要集中在对打印介质，包括墨水和纸张的研究l l6 l ，因为墨滴接触到纸 张的时候，会随着墨水深入到纸张内部而沿着纸纤维扩散，通常这种扩散非常不 规律，而且扩散面积过大，导致无法保证所要求的质量，并且纸张吸收墨水的速 度很慢，导致无法在很短的时间内吸收同一打印点上的多个墨滴，造成了打印质 量尤其是彩色打印质量不高。这方面主要研究方向有开发新型的纸张表面材料和 采用固体墨水来代替普通的水基墨水。 目前的研究方向主要是喷墨头的设计及制造工艺和墨水性质两个方面。 对于喷墨头制造工艺来说，目前的研究成果表明，喷嘴头制造的空间稳定性、 精确性和均一性都对墨滴产生影响，包括产生频率、墨滴体积和黏度等方面。这 些墨滴的性质最终将影响打印的质量。所以对于喷墨头制造业来说，目前的主要 研究趋势集中在如何喷射出更小的墨滴、如何提高打印频率、如何在满足打印速 度的条件下制造更多的喷嘴以及制造成本这几方面。这些研究成果使喷墨打印机 往更小型化上发展。最终对于可靠性的要求就变得十分严格。对于热泡式打印机， h p 在其8 0 0 s 嘶e s 打印机中，采用了新型的1 9 2 个喷嘴的打印头，这种打印头实现 每秒喷射1 2 0 0 0 个墨滴，并且墨滴体积达到l o p l 。在这种新型的打印头中，墨水 可以从两个方向注入墨水腔，这种设计可以很有效的防止由于制造过程中小颗粒 的堆积和喷墨过程中物质沉淀所造成的喷嘴堵塞。c a i l o n 在b j c 一7 0 0 0 系列打印机 中采用了4 8 0 个喷嘴的打印头，这个单一喷墨头的喷嘴书在无论是家用还是小型 商业用途的打印市场中都是最高的。4 8 0 个喷孔分为六种颜色，每一种颜色8 0 个 喷孔。 但是无论打印头的制造工艺如何改进，其中最核心的一部分就是喷嘴的设计。 喷嘴的几何形状包括直径、厚度等直接影响到墨滴的体积、速度和喷射的角度( 如 图1 1 ) 。目前比较常见的制造喷嘴的方法有电铸镍和在聚酰亚安进行激光雕刻( 如 图1 2 ) 。为了达到更好的打印效果，就要使墨滴的体积越小越好，这也就导致了 喷嘴的直径越来越小。对于1 4 p l 的墨滴，喷嘴的直径大约在3 0 肌，对于l o p l 的 墨滴，喷嘴直径大约在2 0 m 。随着喷嘴直径越来越小以及降低成本的要求，激光 雕刻法越来越成为主流的喷墨头制造方法。近两年，一种新型的基于l i g a 和 m e d m 技术的显微注射技术被应用于喷墨头的制造【1 7 1 ，这种方法通过l i g a 和 m e d m 技术进行喷墨头以及喷嘴位置和排列的精确的铸模，然后通过显微注射技 术来制造喷墨头。这种方法可以降低制造成本，也可以提高所制造的喷嘴的质量。 第一章绪论 奇刁钐台 。黜，n 主翟躲m 臣彩衙 圜眭形瞻口i 睢器柱复合糯口 g e l k o p 口由 管画三器 。瑟? 隳 鳖j 雹e = | ， 辔。tttt t 口口_ 氍矗_ _ t 簟 图1 0 电铸法和檄光雕刻法制造的畸嘴 对于墨水的化学性质方面。众所周知，墨水式喷墨打印机的必不可少的组成 部分，墨水的化学性质不尽决定打印的质量，也决定了打印系统的地可靠性。已 经有很多种的打印墨水被开发出来且被应用于实际的生产生活中。水基墨水是最 常见的，当墨水接触到纸张或者其它介质时，它就会沿着介质的纤维扩散并且渗 入到介质当中。水基墨水变干主要是靠渗透和吸收，但是这个过程一般来说比较 慢，导致无法在很短的时间内吸收同一打印点上的多个墨滴，造成了打印质量尤 其是彩色打印质量不高。这时，出现了表面附着吸水层的打印纸【】q 。这种吸水层 可以很好的控制墨水的扩散并且加快吸收的速度，对于提高彩色照片打印的质量 起到很大的帮助。随后，新型的固态墨水出现了。这种墨水在常温下呈固态，在 加热后被融化，从喷嘴喷出在接触到打印介质后，墨水迅速凝固，有效防止了 6 压电式喷墨的建模与分析 墨水扩散和渗透。这种墨水的快速凝固的特性在多种打印介质上都可以保证打印 的质量，这种技术最早是在t e l e t y p e 公司在进行静电喷墨打印技术时发展起来的。 另一种非水基的墨水就是油基墨水。这种墨水目前主要应用于一些大幅面的打印 设备中。这种墨水与水基墨水相比优势在于更快的干燥时1 1 司【1 9 l 。另一种重要的变 革就是应用以色素为基础的墨水。这种墨水与添加染料的墨水相比的最大优势就 在于当暴露于光线和室外环境时颜色的持久性。但是跟带染料的墨水一样，色素 墨水也会导致微利的扩散沉积，造成喷嘴的堵塞。尽管如此，对于色素墨水化学 性质的研究和制造过程在近几年也已经有了很大的进步。 另外在对于喷墨方式的开发上，目前比较主流的研究方向就是静电喷墨【2 0 】【2 l 】 f 2 2 】和声学喷墨瞄j f 2 4 l 两种。 喷墨打印技术不断发展，使喷墨打印机不仅仅应用于家庭和简单的办公场所。 最新的科技成果使喷墨打印机在生物技术、平板显示和显微注射领域也发挥着重 要作用【2 5 。 在生物工程行业，喷墨技术可以通过高精度的微小墨滴进行l n a 合成b 6 j ；在 平板显示领域也有很广泛的应用1 2 7 1 ；显微注射技术可以用于控制喷气式发动机燃 烧舱内的物质混合【2 引。 1 3 本文的主要工作 本文的研究目标是根据现有条件，建立压电式喷墨打印机喷墨头内部液体的 动力学模型，分析该模型的合理性，进一步提高模型的实际应用性，从而对打印 机的研究提供帮助。 本文的主要工作： 1 ) 将压电式喷墨打印机喷墨头模拟成亥姆霍兹谐振器，通过研究亥姆霍兹谐 振器的相关特性，建立喷墨头内液体的动力学模型。 2 ) 对该模型进行了一些改进，加入了容器壁对液体的粘性导致的能量损耗， 使模型更符合实际情形。 3 ) 分析了喷墨头内激励泵的数目以及主供应通道泵腔中声速等参数对液体位 移和速度的影响。 文章的结构安排如下： 第一章绪论：介绍了打印机的历史以及国内外研究现状，叙述了本文的主 要工作内容。 第二章 喷墨打印原理：介绍了连续喷墨打印和按需喷墨打印，详细讲述了 目前应用广泛的压电式喷墨打印和热泡式喷墨打印。 第一章绪论 7 第三章压电式喷墨的原理及建模：介绍了亥姆霍兹谐振器和压电式喷墨头 的结构及基本原理，通过将压电式喷墨头模拟成亥姆霍兹谐振器，建立相关模型。 第四章数值计算及模型改进：求解初步建立的模型数值解，发现不足，从 而引入容器壁对液体粘性的耗能来改进模型，更能适应实际情况。 第五章仿真结果与分析：引入相关数据，对喷墨头内液体在喷嘴初始体积 增大和脉冲时间为1 5 0 肛j 突然收缩时的响应情况经行了仿真与分析，证实模型的 适用性。 第二章喷墨打印原理 9 第二章喷墨打印原理 通常所说的喷墨打印机指的是采用液态喷墨技术的打印机，具体分类如图2 1 所示。 图2 1 喷墨打印机的分类 通常所说的喷墨打印机指的是采用液态喷墨技术的打印机，具体分类如图2 1 所示。早在1 9 世纪6 0 年代，这种喷墨原理就被英国物理学家l o r dk e l i v i n 用来记 录示波器的波形。经过1 0 0 多年的发展与完善，这种喷墨原理才被应用于喷墨打 印机作为计算机系统的打印输出设备，其间喷墨技术本身得到了巨大的发展，在 喷墨原理、墨水配制等方面都有了巨大的进步。从此，喷墨打印机开始进入办公 室和家庭，并以其无噪声的工作方式、精美的输出品质和低廉的价格受到用户的 青睐。 液体喷墨打印机技术在原理上又分成两种，一种是连续喷墨方式，另一种是 按需喷墨方式。连续式喷墨主要有电荷控制和电场控制两种，使喷墨技术最早期 的形态，现在已经基本上被按需式喷墨所取代。按需式喷墨主要包括热泡式喷墨 和压电式喷墨，这两种喷墨方式是根据喷墨过程中产生气泡的方式不同来区分的。 根据最新的研究成果，也可以将喷墨技术按照墨水的类型分为固态喷墨和液态喷 墨两种。固态喷墨是美国泰克公司的专利技术，它使用的相变墨在常温下为固态， 打印时墨被加热出现液化后喷射到纸张上，并渗透其中，因此墨汁的附着性相当 好，色彩极为鲜艳。但这种打印机昂贵，一般适合于专业用户选用。 1 0 压电式喷墨的建模与分析 衡量打印机主要有几项技术指标，包括分辨率、打印速度等。分辨率就是我 们常说的d p i ，就是d o tp e ri n c h ，即每一英寸里包含的打印点数，分辨率越高打印 出来的图像越清晰，质量越高。目前主流的打印机都已经达到了1 4 4 0 d p i ，也就是 说在一英寸的范围内将有1 4 4 0 个打印点。高的分辨率对制造工艺和喷墨过程的控 制都有着很高的要求。打印速度由多方面的因素决定，包括墨滴喷射周期、自车 电机和走纸电机之间的配合。通过这两项指标不难看出，无论对于提高分辨率还 是提高打印速度，都必须以喷墨过程中墨滴的形成和喷射过程为基础，也就是说 先要明确能产生什么样的墨滴、需要多长的时间等因素，才能进一步设法提高打 印质量，包括提高分辨率和提高速度，所以了解喷墨打印的理论对于设计和提高 打印质量都是至关重要的。 下面就对连续式喷墨和按需式喷墨这两种主要的喷墨打印方式进行介绍。 2 1 连续喷墨打印 连续式喷墨技术以电荷控制型为主，这种喷墨打印的原理是利用压电驱动装置 对喷嘴内的墨水加以固定压力，使其连续喷出墨水，为进行记录，利用振荡器的 振动信号激励射流生成墨水，并对墨滴的大小和间距进行控制，通过打印信号， 对充电电极进行控制，使墨滴形成带电荷和不带电荷两种，再通过偏转电极来改 变墨滴的飞行方向，是需要打印的墨滴飞行到纸面上。不带电荷的墨滴有一个专 用的导管进行回收，过滤后重新注入墨水盒中，以便重复使用。对于偏转电极而 言，有的系统采用两队互相垂直的偏转电极，对墨滴的飞行方向进行二维偏转， 有的系统采用多维偏转电极，对墨滴飞行方向进行多维控制。 这种连续式喷墨系统能生成高速的墨水，所以打印速度很高。但是结构相对 于按需打印方式来说要复杂的多：对墨水需要加压装置，终端要有回收装置，而 且还需要对电极的电场进行控制，工作方式的效率不够高，精确度比较低，所以 目前采取这种喷墨方式的打印机已经很少见了，在一些大幅面的打印机和喷码设 备中可以见到。 墨漓生成器 充电电极 图2 2 连续喷墨打印示意图 纸 第二章喷墨打印原理 2 2 按需喷墨打印 按需喷墨方式比较简单，它仅在打印时喷射墨水( 也称为随机打印方式) ，因 而不需要过滤器和复杂的墨水循环系统。这种随机喷墨方式的驱动部分又有两种 不同的技术，一是压电式喷墨，另一种是热泡式喷墨。按需式喷墨由于结构简单， 在需要时才进行喷墨，已经基本取代了连续式喷墨技术。 喷墨打印机以其成本低，体积小，噪音小、高质量的打印效果、能够实现大 幅面打印，成为了无论是家庭使用还是商业用途的首选，是所有打印技术中应用 最广泛的。 目前主流的喷墨打印技术有两种：热泡式喷墨打印和压电式喷墨打印。下面 我就这两种喷墨打印技术进行介绍。 2 2 1 压电式喷墨技术 压电式喷墨方式完全不同于热泡式的工作原理，压电式喷墨技术是将许多小 的压电陶瓷放置到喷墨打印机的打印头喷嘴附近，利用它在电压作用下会发生形 变的原理，适时地把电压加到它的上面，压电陶瓷随之产生变形挤压喷嘴内的墨 水，使喷嘴中的墨汁喷出。压电喷墨过程可以分为三个阶段：在喷墨操作前，压 电原件先在信号的控制下微微收缩；然后原件产生一次较大的延伸，把墨滴推出 喷嘴；在墨滴马上就要飞离喷嘴的瞬间元件又会进行收缩，快速地把墨水页面从 喷嘴收缩。这样，墨滴的液面得到了精确的控制，每次喷出的墨滴也都有比较理 想的形状和飞行方向。 如图2 3 所示为压电式喷墨头的机构，图2 4 和图2 5 所示为压电式喷墨喷嘴 的结构和喷墨示意图。因为打印头的结构合理，通过控制电压大小合适加电压的 时间来有效调节墨滴的大小，从而获得较高的打印精度和打印效果。 压电式喷墨对墨滴的控制能力强，产生的墨滴没有彗尾，使打印图像更清晰， 容易实现高精度的打印，并且压电技术是利用晶体的压电特性在常温状态下将墨 水喷出，墨水特性不会发生化学变化，降低了对墨水的要求。用压电式喷墨技术 制作的喷墨打印头成本比较高，所以为了降低用户的使用成本，一般都将打印喷 头和墨盒做成分离的结构，更换墨水时不必更换打印头。 对于压电式喷墨技术来说，压电片的压电特性、对压电片施加的电压大小、 施加电压的时间、墨水黏度和喷嘴的结构都对墨滴的质量产生影响，最主要的方 面就是对施加的电压进行合理的控制。 1 2 压电式喷墨的建模与分析 当然它也有缺点，假设使用过程中喷头堵塞了，无论是疏通或更换费用都比 较高而且不易操作，搞不好整台打印机可能就报废了。目前采用压电喷墨技术的 产品主要是e p s o n ( 爱普生) 公司的喷墨打印机。 喷 喷嘴压电管 图2 3 压电式喷墨头的结构 澹器 压电管喷嘴导板 图2 4 压电式喷墨喷嘴示意图 图2 5 压电式喷墨示意图 第二章喷墨打印原理 2 2 2 热泡式喷墨技术 热泡式按需喷墨方式采用一种发热电阻，通过快速加热喷嘴中的墨水，使其 产生蒸汽泡、形成压力源，从而将喷嘴中喷射出去，如图2 6 所示。自从热泡式打 印机的诞生，热泡技术在打印质量和打印速度方面都有了明显的进步。在热泡打 印机中，电阻式加热器被施加非常短的电脉冲( 1 1 0 u s ) 用来产生很高的热流密度， 约1 0 7 1 0 8 w m 2 【l l 】，加热温度为2 7 0 【2 9 l 左右，因此，墨水很快过热并达到热极限， 形成蒸汽泡。墨水的汽化使得气泡内部产生高压( 4 5 m p a ) ，导致气泡的增长。快速 增长的气泡挤压墨水，由于喷嘴出表面张力的影响形成墨滴，随着气泡内温度降 低，压强减小，气泡开始破裂，墨滴由于惯性从喷嘴中喷射出去。当发热电阻冷 却时，气泡自行熄灭，气泡破碎时产生的吸引力就把新的墨水从储墨盒中吸到喷 头，为下一次喷墨做准备。 一件 、 气泡增长 喷最处产生 墨滴 气泡破裂，形 成墨滴 。口一射 图2 6 热泡式打印过程示意图 通过热泡式喷墨( 如图2 7 ，2 8 ) 的原理不难看出，对于热泡技术来说，影响 墨滴质量的最主要的因素就是喷嘴内气泡的产生，它将直接影响到喷射出去的墨 滴的形状、体积和速度。对于气泡的产生，加热电压、加热脉宽、液体黏度、喷 嘴的结构等都对产生气泡的特性有着比较大的影响，从而影响喷射出的墨滴的质 量。所以在设计热泡式喷墨打印头的时候，这些因素都是必须要进行考虑的，下 面将对影响热泡式打印质量的各项参数进行分析。 热泡式喷墨头的制造工艺比较成熟，其成本也很低廉，但由于喷头中的电极 始终受电解和腐蚀的影响，对使用寿命会有不少影响。所以采用这种技术的打印 喷头通常都与墨盒做在一起，更换墨盒时即同时更新打印头。这样一来用户就不 必再对喷头堵塞的问题太担心了。同时为降低使用成本，可以给墨盒加注成本低 1 4 压电式喷墨的建模与分析 一点的专业墨水，只要方法得当，可以节省不少的耗材费用。 热泡式技术的缺点是在使用过程中会加热墨水，而高温下墨水很容易发生化 学变化，性质不稳定，所以打出的色彩真实性就会受到一定程度的影响；另一方 面由于墨水是通过气泡喷出的，墨水微粒的方向性与体积大小很不好掌握，打印 线条边缘容易参差不齐，一定程度的影响了打印质量。 从目前市场上看，h p ( 惠普) 、c a n o n ( 佳能) 这两家大公司在热泡式喷墨技术竞 争很激烈，h p 称其喷墨技术是“热式”( t h e 册a 1 ) ；而c a n o n 称其喷墨技术为“气泡 式( b u b b l e ) ”。实际上，这两种技术的基本原理是相同的，都是热泡喷墨技术的再 发展。 墨水狡 溺 一r r 霞7 厂狒1 。 _ 第二章喷墨打印原理 2 3 本章小结 本章介绍了喷墨打印机的发展，并对喷墨打印机进行了分类，具体描述了压 电式喷墨和热泡式喷墨打印机的原理。 第三章压电式喷墨的原理及建模 1 7 第三章压电式喷墨的原理及建模 在建模时，将打印头模拟成一些相同的亥姆霍兹谐振器【3 0 1 ，它们都连接到一 主供应通道。主供应通道通过一软管连到墨水池，也被模拟成亥姆霍兹谐振器。 通过对亥姆霍兹谐振器特性的研究，最终建立相关模型。 3 1 亥姆霍兹谐振器 本文引用了声学理论中的亥姆霍兹谐振器，以下是对亥姆霍兹谐振器的简单 介绍： 一个空心圆球插一根短管就构成亥姆霍兹谐振器，短管可以只连到空球，如图 3 1 ( a ) 或插入球心，也可以只在空球上开一个口，如图3 1 ( b ) ，或者除一短管外更有 一个听孔，如图3 1 ( c ) ，后者是约1 5 0 年前亥姆霍兹研究语言和听觉并奠下基础的唯 一利器。亥姆霍兹谐振器可受外声场的激发并消耗其能量成为吸声体。空腔内的 振动又可以通过短管发出声波加强外面的声场。 3 1 1 亥姆霍兹谐振器的参数 o 图3 1 几种亥姆霍兹谐振器 如图3 1 所示空心圆球，体积y ( 可以是任何空心容器) 起存、放空气的作用。 如空球内原来是大气压力尸，空球的体积增加d 矿，压力就要减少卯，根据绝热变 化的规律： d vd p 一= 一一 y y p ，y 是定压比热与定容比热之比。如果体积变化是由于一个面积为s 的活塞向空球内 推动距离x ，显见d y = 一，用小写p 代替卯，可得： 压电式喷墨的建模与分析 p1p 一= 一 矿 此式与弹性的胡克定律( 应力与应变成正比) 相似，髟= 7 尸y 称为声劲，其倒数 巴= y p 称为声顺。体积变化可写做= l 出，“为体积速度，在正弦式变化的 情况x p 埘( 用电子学中习惯用法p ，“代表其实数部分c o s “) ，空心球体的声阻 抗就是： 乙2 詈2 志 ( 3 - 1 ) “，u ，oo 空心球体的声顺c 。，与电路中的电容相当。亥姆霍兹谐振器的另一元件是短管l ， 如果短管两端的压力差为p ，则根据牛顿定律，短管的声阻抗是： 乞= 旦：缈m 月 ( 3 2 ) 与电路中的电感相当，式中 为管中产生的体积速度，m 月= 叫s 2 = p s 为声 质量，等于质量除以面积平方( 牛顿定律是力与加速度之比为质量，用压力差须乘 以面积，用体积速度须除以面积，所以差一个面积平方) 。 如果短管不是太粗，管内气流由于空气的粘滞性要在管壁上受到阻力，因而产 生声阻： 凡2 去3 砒 ( 3 3 ) c l o 式中c 为声速，j 为短管直径，s 为其截面积，u 为角频率2 万厂，厂为频率， = 1 5 6 1 0 - 5 掰2 厶为空气中运动粘滞系数。代入数值，得： 凡= 骂竽枷。 如果短管直径j 是几毫米，声阻兄可达到相当大的数值。 3 1 2 亥姆霍兹谐振器的共振 共振条件也和电路中的共振相似，即容性声抗与感性声抗相等，因而共振角频 率为： 鳓2 南丢岳 c 3 q 鳓2 丽露2 j 、万 在共振时，系统中的声阻要起重要作用。短管中有声振动时，要发射声波。所发射 的声波对短管的反作用是声辐射阻抗。辐射声抗使短管的有效长度三增加，像图3 1 的情况，短管只达到空心圆球而不深入，增加值( 称为管的末端改正) 可算出是 第三章压电式喷墨的原理及建模 1 9 0 7 3 d 。而辐射声阻r 则与管内声阻共l 司作用，便曾内气体体秋速度为： 舻赤= - ( 3 - 5 ) 式中p 为在管口受到的声压。 辐射声阻可根据辐射能算出为： b 2 筹 ( 3 - 6 ) 式中是空气的特性阻抗，力= 厂是相当于振动频率的波长。 如果谐振器与大气匹配，b = 也( 一般情况，b 较小，必要时管内可加吸声 材料) 体积流速就是 材= 豪= 去等 p 7 ， 二k 。p c 兀 如果没有谐振器，在万口2 面积上的体积流速是p ( 万口2 ) ，谐振器使此值大了 4 f 倍， 以= 筹 ( 3 - 8 ) 这是速度放大倍数，口等于管口半径。波长比管径大得多，特别是在低频率。所以 亥姆霍兹谐振器极大地放大振动速度。体积速度( 3 7 ) 进入空腔就产生声压： 旷u | j 蕊a = p 南 q 哪 声压放大倍数： 铲南 ( 3 - l o ) 这个值也很大，不过比速度放大倍数4 小。声波进入谐振器后，在短管中消耗的能 量为： 2 耻杀= 丢丢 b 式中p 2 是声强，所以： 彳= 丢 ( 3 - 1 2 ) 2 万 、 帚谐振器的吸声而积。汶个信兽比谐振器的而积特另| i 早镝管口的而积大很名倍 压电式喷墨的建模与分析 尤其是在低频率。所以亥姆霍兹谐振器可以成为特别重要的吸声体。不过谐振器 的共振很尖锐，在共振频率吸声能力非常强，但频率不同吸声面积就迅速降低。所 以它适合固定频率的噪声，如变压器、电动机等的噪声。如果希望吸收频带较宽， 可在管内增加一些吸声材料，不过最大吸声面积也要随之减小。 3 2 压电式喷墨头的结构及基本原理 压电式喷墨打印头由无阀泵、主供应通道和软管组成。而无阀泵则由泵腔、 喷嘴和节流阀三部分组成( 如图3 2 ) 。每个泵腔都有自己的压电激励器，这些压 电激励器附着在泵腔上，当压电激励器受到脉冲电压作用时，会产生形交，挤压 腔体内部的液体，从而将液滴喷出。 无阀泵 图3 2 多喷嘴压电驱动喷墨头示意图 根据从试验观察到的现象，可以把一个微滴的喷射过程分为4 个阶段： 1 ) 腔体内部液体处于平衡态，喷孔处液面内凹成新月形，如图3 3 中气时刻所 示液面； 2 ) 压电驱动器在电压脉冲作用下产生形变，挤压腔体内部的液体，导致腔体 内部液体压力p ( ，) 上升，喷嘴处液体被加速到乩( r ) ； 3 ) 喷孔处压力到达最大值，如图3 中f = 时刻所示，此时液面外凸最大，成半 球形，此时，喷嘴内部一粒液滴喷出，如图3 3 中f f 时刻所示； 4 ) 压电驱动器恢复原来的形状，腔体内部产生负压，补充液体，喷嘴处液面 内凹成新月形。 第三章压电式喷墨的原理及建模 2 i 忙气时刻，处于平衡 时，液面成新月形 2 毛时刻，腔体内部 压力最大，液面成半 球形 f 毛时刻，液涌喷出 图3 3 液滴喷射过程 3 2 1 液滴形成过程的简单分析 在计算液滴的速度和尺寸时，运用了以下假定条件1 3 l j ： 1 ) 动能和表面能的相互转化形成了液滴； 2 ) 液滴形成于喷嘴中的液体通过喷嘴的前端时； 3 ) 液滴形成过程中的衰减可以忽略。 本文考虑了半月面的位移，但将半月面的曲率视为无限大，而且液忽略了半 月面的形状对粘性和惯性的影响。在这种假设下，确定了液滴形成的原理。在后 文的分析中，可以发现液滴的速度和体积与半月面的初始位置以及亥姆霍兹频率 有关。为了便于研究，在喷嘴前端定义了一个可控体积y ( 如图3 4 所示) 。 在对液滴形成过程进行分析后，可将喷嘴内液体运动规律【3 2 】简化为： h = 屹s i n f ，而= 而+ ! l ( 1 一c o s f ) ，而= 而+ 巧s i n f 衍 ( 3 1 3 ) h 其中，五是半月面( 如图3 5 所示) 的位移，h 是喷嘴内液体速度，是收缩 发生时喷嘴内最大的液体速度，是收缩发生时半月面的位移，是亥姆霍兹角 频率，而f + 是离收缩开始的时间。在收缩发生的瞬间，喷嘴内液体流速为0 ，x 1 = x o 。 诊黝 、 喷嘴 | 黝 图3 4 喷嘴前端定义的可控体积 压电式喷墨的建模与分析 图3 5 半月面的形状和相关尺寸的定义 当液体在喷嘴外且在可控体积里时，取为正。在f + = 0 时，泵腔开始收缩。 传送到可控体积内液体的动能定义如下： ， f 丁( f ) = 去扁4 卜3 。( ，t ) 衍 ( 3 1 4 ) 二 i 4 为喷嘴面积( 喷嘴是圆形，则4 = 丌砰，蜀为喷嘴半径) 。开始，一段圆柱体形 状的液体流进可控体积，圆柱体的速度即为喷嘴内液体的速度。可控体积内的液 体动能为： 乃= 丢岛4 五( f 幸) 评( f 宰) ( 3 - 1 5 ) 这段流出液体的动能转化成了表面能。由于要考虑能量交换，所以由快速脉 冲所产生的剩余表面能也要考虑进去。当流出液体动能等于液滴动能加上剩余表 面能这个条件得到满足时，液滴才可以形成： 丁o ) = 乃+ 仃d l 【而o ) 一】 ( 3 - 1 6 ) 其中，q 是喷嘴周长( 圆形喷嘴为q = 2 万砰) 。变化其中的动能表达式，然 后运用括号中的关系，就可以精确得到速度积分式： 。f v l ( f ) 【订( f 。) 一订。幸) 】防：垒墨【一( ，) 一】+ 霄( f ) ( 3 1 7 ) ；肋4 右边总为正( 0 ) ，这个方程只有当速度达到最大值时才成立。考虑到( 3 1 3 ) 中的速度表达式，可以得出f + 丌2 。计算相关方程然后整理就可以得到关于 c o s u f 的二次方程： 2 c o s 2 一- ( 3 半+ 1 ) c o s 一l 罴半“j - o ( 3 - 1 8 )【岛4 吒j 这个方程有一个有效解f = f ：。因此，液滴速度和体积分别为： 屹邓峨厶铂删钳卜毒c t s “， n 第三章压电式喷墨的原理及建模 射前，液滴速度没有那么高。这是因为在某一时间内，液滴通过一延伸丝线与喷 嘴内液体相连，致使液滴减速。当j c o 0 ( 而= o 时，半月板与喷嘴齐平) ，喷嘴内 液体通过喷嘴，进入到可控体积时： c 0 s u ，= 羔堕+ l ( 3 2 0 ) 其中，为这一过程发生的初始时间。半月面的位移可表示为： 而o ) = f s i f 西 ( 3 2 1 ) i 在液滴形成时，下面这个表达式可以表示能量守衡： i 耐 s i n 2 “帆， 出2 署邪+ ) ( 3 - 2 2 ) 式( 3 2 2 ) 仅仅在州2 o ，速度增大的这段时间内，半月面通过喷嘴前端，为了取得负根， 式( 3 2 4 ) 中要取负号。当c o s u 何 o 部分。剪切波由平面x ：o 处的谐运动产生，这与无泵阀的 实际情况相反。无泵阀的器壁固定，而液体是运动的。y z 平面按照以下方式运动： 屯 = o ) = z os i n 埘，匕 = 0 ) = z 0 u c o s 讲 ( 4 5 ) y z 平面的运动在液体中产生了标准的剪切波。速度矢量中唯一的非0 成分是 屹= 匕( x ，f ) 。运动方程【3 矗。7 1 中的唯一非o 部分可简化为： 岛鲁= 啊等 ， 岛；，2 啊i 于 竹- 6 ) u lu x 按照f 3 6 l ，这种解法可以满足在x = 0 和无限远无运动处： 匕2 弛一c 0 s 似刊砷2 偿 ( 4 - 7 ) 对于不稳定的热传导，可以定一个剪切波的渗透程度。当z = 叫圪时，匕减少到墙 速的4 3 。同时，这个速度已经改变了两次。其中的数据如下： 第四章数值计算及模型改进 3 l 绋= 1 0 0 0 堙肌3 ，7 7 = o 0 0 2 4 尸口s 石：3 5 0 0 胞，代：6 7 6 9 1 0 4 朋，三：4 6 4 p 聊 ( 4 8 ) 厶= 5 5 抛，仡= 2 - 6 8 3 1 0 5 朋一，吾= l l 以珊 在