第09章 静电喷墨

1、1 授课知识点o 常规静电喷墨原理o 泰勒效益静电喷墨技术o 墨滴飞行稳定性o 超声波墨雾喷射第第9章章 静电喷墨静电喷墨210.1静电场墨滴喷射技术 静电喷墨分类：、和等。总的来说，静电喷墨还处在开发研究阶段，成熟的商业静电喷墨印刷系统在市场上也不多见。 工作原理：（1）电场加到墨滴喷射系统和印刷表面间；（2）电场力作用使墨水柱在喷嘴出口处形成弯月面，控制系统按二值调制信号改变电场；（3）表面张力平衡状态破坏时，墨滴从喷嘴口喷出。 10.1.1静电喷墨的一般描述310.1静电场墨滴喷射技术 喷射控制：墨水从喷嘴被牵引出来是由于电场的作用，使弯月面与电场力失去平衡，为此需要控制脉冲以释放墨滴，

2、控制脉冲通常由电信号或者供热信号产生。 10.1.1静电喷墨的一般描述410.1静电场墨滴喷射技术 起源：大约从19世纪90年代初期年开始，人们就在讨论泰勒效应为基础的静电喷墨技术，并研制成了按泰勒效应工作的静电喷墨打印机和类似的设备。 泰勒效应：反映液体液柱与静电场的交互作用，从喷嘴孔喷射出的细窄直径的液体射流在外加电场的帮助下形成静电场，射流直径与喷嘴孔直径之比大约为1:20。 10.1.2泰勒效应静电喷墨工作原理510.1静电场墨滴喷射技术 部件配置与喷嘴结构简图：喷嘴结构按泰勒效应设计，用于说明在泰勒效应作用下墨滴的形成机理，喷嘴形状与注射用针筒/针尖组合类似，墨滴形成范围处于静电场作

3、用下。10.1.2泰勒效应静电喷墨工作原理静电场610.1静电场墨滴喷射技术 泰勒效应静电喷墨原理：（1）墨水腔体和承印材料背面均配置电极，组成电极对；（2）栅格图像处理器根据页面上的图文对象类型确定转换算法，调制成二值信号；（3）二值信号本质上是泰勒效应静电喷墨系统的成像控制信号，作用到电极对之间时形成控制脉冲；（4）控制脉冲信号作用于墨水后，将改变喷嘴出口外表面上的表面张力，空气阻力小于液体的表面张力时，就喷射出细窄的墨水射流；10.1.2泰勒效应静电喷墨工作原理710.1静电场墨滴喷射技术 与其他喷墨工艺的区别：泰勒效应静电喷墨的墨滴并非产出于墨滴雏形的飞行过程中，也不能象连续喷墨技术那

4、样在喷嘴出口位置附近形成墨滴，或许只能在墨水柱到达离纸张表面一定的距离时才形成最终的墨滴。10.1.2泰勒效应静电喷墨工作原理 泰勒效应静电喷墨原理：（5）墨水射流形成静电场，与空气阻力和流体粘性力共同作用后促使射流中的墨水逐步分裂出来而形成墨滴。810.1静电场墨滴喷射技术 墨滴喷射过程：图中所示基于泰勒效应喷墨成像工艺的墨滴在电场中的形成过程。墨水挤出喷口不久即形成泰勒锥，其尖端产生细窄的墨水射流，射流到达纸面时，墨水射流与泰勒锥脱离，继续前进的墨水流在纸面上产生记录点。 技术关键：使用形状合适的喷嘴出口时，如果墨水射流的直径明显小于喷嘴出口直径，则可以形成泰勒锥。 10.1.3泰勒效应墨

5、滴喷射过程910.1静电场墨滴喷射技术 泰勒效应静电喷墨的主要优点：即使采用直径相对较大的喷嘴也照样能产生尺寸很小的墨滴，从而可对每一个像素复制出多个色调值。按照待复制图像产生的是电场作用的结果，该电场建立于纸张底面与喷嘴出口间，是电压信号作用的结果，墨滴体积取决于控制脉冲的延时时间。 油墨选择：通常采用热熔油墨。 10.1.3泰勒效应墨滴喷射过程1010.1静电场墨滴喷射技术 喷嘴阵列设计方案：以特殊的微结构机械加工方法为基础，可对喷嘴形状作优化设计。在实践中行得通的方案是喷嘴直径约400mm，喷嘴间距为1mm。如果将喷嘴排成几行，且使它们交叉排列，则形成色喷嘴阵列可达到600dpi的分辨率

6、，甚至更高，成像宽度也更大。10.1.3泰勒效应墨滴喷射过程1110.1静电场墨滴喷射技术 起源：澳大利亚学者Silverbrook在1995年时提出一种设想，其基础是在喷墨印刷时采用特殊的喷嘴控制技术，通过热效应作用下的粘度控制实现静电喷墨成像。 10.1.4热效应粘度控制静电喷墨技术简介：1210.1静电场墨滴喷射技术10.1.4热效应粘度控制静电喷墨技术简介：1310.1静电场墨滴喷射技术10.1.4热效应粘度控制静电喷墨 技术简介：墨水装在容器内，处于略为过度的压力作用下；油墨容器上覆盖一块喷嘴板，喷嘴阵列和纸张间加有电场；在压力和电场的共同作用下，液体表面张力在喷嘴边沿处保持相对平衡

7、状态；所有喷嘴均有环形加热元件，且这些加热元件都独立控制；喷嘴边沿可通过电流脉冲加热，使表面张力发生变化，并通过控制加热元件产生的热效应控制油墨粘度，从而产生成像所需要的墨滴。1410.1静电场墨滴喷射技术 LIFT按需印刷： LIFT (Liquid Ink Fault Tolerant)的缩写，意谓液体油墨失效许可，实际上是喷嘴失效许可。 LIFT的技术基础：利用特殊的技术和硅基材料可建立经济上合理、表面积大的喷嘴阵列。喷嘴数量比实际要求的记录分辨率所需的喷嘴更多，因而部分喷嘴失效后仍能保持系统正常工作。10.1.4热效应粘度控制静电喷墨1510.1静电场墨滴喷射技术 LIFT的工业价值：

8、实现密度调制复制；防止在印刷期间因个别喷嘴失效而导致印刷质量降低，喷嘴的使用功能通过电子方式控制，必要时可整体启用备用喷嘴。 LIFT的工艺特点：喷嘴系统结构与其他按需喷墨打印机的喷嘴系统相比显得更简单，记录分辨率高；无需常规按需喷墨打印机那样复杂的墨水通道系统，只需一块喷嘴板就可以了；喷嘴形状呈弯月形，可大量生产，喷嘴间距约60mm。10.1.4热效应粘度控制静电喷墨1610.2超声波墨雾喷射 20世纪70年代初期的超声波静电喷墨：设法使超声波聚焦到墨水表面，喷射产生的压力用于分离和喷射墨滴；根据这一工作原理，墨滴直径与所加超声波的频率成反比，墨滴系统的显著特征，在于不使用喷嘴的情况下降低墨

9、滴尺寸。 基于声透镜的喷墨技术：利用所谓的声透镜喷墨头结构聚焦超声波，喷墨头中也没有喷嘴，超声波频率达到150MHz时才能获得直径10um的墨滴；为了能保持超声波聚焦到墨水表面，对喷墨头的定位精度要求很高。 声透镜喷墨技术的缺点：超声波会在镜头和墨水的边界表面反射，导致超声波发射效率降低；由此可见，作为一种保护性的措施，需要在边界表面处组成抗反射层。 10.2.1技术简介1710.2超声波墨雾喷射 本节介绍的技术：墨雾组成效率高，超声波频率降低。 超声波喷墨公开报道：1999年，日本学者Fukumoto在国际数字印刷会议上发表 “超声波墨雾喷射印刷”，一文提到利用超声波效应产生很小“墨滴”的方

10、法。 墨雾：因“墨滴”尺寸非常小，以致于相互很难分清，被称为“墨雾”。在尺寸上墨雾不同于墨滴，墨滴尺寸通常在10um量级，而墨雾中每一个细小“墨滴”则低于这个量级，平均直径大约为2.5um。 优点：如此细小的“墨滴”成像时，能在纸面上形成质量很高的印刷图像。成像系统采用的喷嘴结构可产生很细小的“墨滴”。 10.2.1技术简介1810.2超声波墨雾喷射 打印头结构：右图所示，超声波发生器与工业领域的超声波探伤仪相同，由压电传感器组成。 10.2.2打印头结构与墨水驱动1910.2超声波墨雾喷射墨水驱动：（1）压电传感器通过绝缘聚酯薄膜联结到抛物面反射器，喷嘴板的位置在抛物面发射器的焦点上；（2）

11、压电换能器在成像信号激励下使电能转换成机械能，发出超声波；（3）墨水供应到由超声波反射器和聚酯薄膜形成的空间，等待超声波信号的激烈；（4）压电传感器驱动电极上作用高频电压，产生的超声波传递到墨水，且墨水成为传递超声波的媒介；10.2.2打印头结构与墨水驱动2010.2超声波墨雾喷射 墨水驱动： （5）压电换能器振动方向与压电板垂直，使超声波沿垂直方向传递到具有抛物线截面形状的表面； （6）超声波能量在抛物面上发生转换、反射，并在聚焦点上集聚，由于喷嘴孔也在抛物面焦点位置附近，因而被反射的超声波将会聚在喷嘴的出口位置； （7）会聚后得超声波能量增大，在喷嘴出口位置发生波形转换，形成与墨水喷射方向

12、垂直的表面波； （8）与墨水喷射方向垂直的表面波向两侧传递，墨水沿水平方向高频振荡；10.2.2打印头结构与墨水驱动2110.2超声波墨雾喷射 墨水驱动：（9）在喷口两侧墨水的振荡波边缘，墨水液体的表面张力不能继续维持与母体的联系，且在高密度超声波能量的作用下，导致部分墨水与母体分裂，形成非常细小的雾状墨滴群；（10）喷嘴口的墨雾受后面墨水的挤压而不能保持稳定状态，从喷嘴出口喷射而出；（11）喷射出的墨雾经过一定的飞行距离后，转移到纸张表面。10.2.2打印头结构与墨水驱动2210.2超声波墨雾喷射 打印头驱动信号：分为基本信号、破裂信号和密度控制信号三种类型。 基本信号：沿时间轴等距离分布的

13、方波脉冲信号，在驱动电压VD的作用下以周期T0为单位产生。 10.2.3打印头驱动和层次控制2310.2超声波墨雾喷射破裂信号：通过周期性的打开基本信号产生破裂信号，每次打开基本信号的时间长度与n个方波脉冲对应，因而n个方波脉冲信号组成一破裂信号，由此可知破裂信号的周期为nT0；破裂信号加到压电传感器上，以间歇的方式产生超声波。10.2.3打印头驱动和层次控制密度控制信号：由一次破裂信号喷射出的墨水数量还不足以使一个记录点（网点）的光学密度达到最高值，为此需通过多个破裂信号组成一个网点，这就是密度控制信号；需要多少个破裂信号作用到压电传感器上取决于要表现的网点光学密度。2410.2超声波墨雾喷

14、射 破裂信号的数量要求：设与产生最高网点光学密度对应的破裂信号数量为mmax，则形成符合特定要求网点的破裂信号数量mi应满足0mimmax，且mmax=int（TD/ TB）；由mi个破裂信号构成的信号序列称为网点密度控制信号。 密度调制：墨雾喷射 具有随机性，右图的dw称 为网点尺寸，一个网点中 包含的墨滴数量由密度控 制信号调制，形成所需的 网点密度。10.2.3打印头驱动和层次控制2510.2超声波墨雾喷射 色调等级决定因素：超声波工艺能形成多少种色调等级取决于成像系统的、对墨滴喷射位置的控制能力以及对喷射墨滴数量的控制能力。 其中，与压电换能器可激励的超声波频率和强度有关；不仅取决于超

15、声波的频率和强度，也与墨水的黏度和表面张力特性有关；难度更高，与墨雾喷射成像系统能表达多少种色调等级关系最为密切。 10.2.3打印头驱动和层次控制2610.2超声波墨雾喷射 可实现的色调等级：复制出3个色调等级完全可以做到。并通过试验研究发现，如果能合理地调整墨雾喷射成像系统的技术参数，则复制出32个色调等级可以实现，记录参数分辨率可达300dpi。 保障措施：为了确保成像单元尺寸扩大需明显小于成像单元本身尺寸，需限制墨雾喷射的有效作用范围。 10.2.3打印头驱动和层次控制2710.2超声波墨雾喷射 超声波的聚焦性能：超声波 从压电传感器中以间歇方式发 射后，形成超声波表面a-b-c-d

16、并向上传播进入墨水；当该表 面波的中心波面b-c到达b-c时， 由于抛物面的反射作用，与中 心波面相邻的两个波面a-b和c-d 分别转换成波面a-b和c-d； 根据抛物面的几何属性，通过 抛物面反射得到的波面a-b和c-d呈球形，并聚焦到抛物面焦点上；抛物面反射器的顶部开口是平面，焦点位于该平面内，因而从压电传感器直接传播到反射器开口处（设开口直径为D2）的平面波为自然分量，对聚焦没有贡献。10.2.4墨雾喷射特征2810.2超声波墨雾喷射 聚焦特点：反射后 得超声波沿不同的方向 传播，以复杂的方式在 焦点会聚，但彼此互不 干涉；与通过反射聚焦 的超声波相比，直接从 压电传感器传播到焦点 的超

17、声波能量密度极小，因而其作用可以忽略。 超声波的平滑传播条件：由于喷嘴定位在聚焦点上，设喷嘴的进口直径为D3，则当该直径在数值上小于超声波的波长（ D3 lc）时，超声波的波面就可以在喷嘴内平滑地传播，不会有任何的扰动产生；学者们认为，导致这一结果的原因是墨水流体具有等相位的振荡，且在喷嘴开口弯月面得整个表面上始终保持这一特点。10.2.4墨雾喷射特征喷嘴板 喷嘴进口直径D3D3 cc2910.2超声波墨雾喷射 波形转换：实现超声波 墨雾喷射的关键问题之一， 是完成超声波从垂直于喷嘴 开口表面的纵波转换为横波， 即如何从垂直于喷嘴开口表 面传播转为沿开口表面横向 传播。 表面波特点：右图演示了

18、 一个存在于喷嘴弯月面上的表面波，细小的墨滴从横波峰值点上分离出来；由于喷嘴直径小于超声波的波长，超声波以其特定的速度u沿整个弯月面振荡，相位基本上是相同的；在此条件下，弯月面的两端由喷嘴边缘保持着，墨水无法越过喷嘴边缘。10.2.4墨雾喷射特征3010.2超声波墨雾喷射 喷嘴：各喷嘴在喷嘴板 上呈交叉排列，分为两行， 每行均包含8个喷嘴，两行 喷嘴交叉排列成相互错开 喷嘴中心距地一半。 喷嘴中心距：由于每 一排上相邻喷嘴的中心距 为2.54mm，因而两排喷嘴 作交叉排列后实际可得的 中心距为1.27mm，相当于记录分辨率提高一倍。 喷嘴形状：前缘呈圆锥状，墨水进口直径120mm，出口直径为50mm；每一个喷嘴包含一个抛物面反射器，该反射器的墨水进口直径为2mm，出口直径1mm。10.2.5打印头的实际结构喷嘴板电极2.54mm压电传感器板驱动电极聚酰亚胺薄膜反射器板喷嘴板抛物面反射器3110.2超声波墨雾喷射 电极：压电板上