喷墨头技术原理及发展

2020-10-29 17:07:52 jiaying_canuv 276

喷墨打印技术的主要原理分为两类（见图1）：喷墨方式可分为连续式及非连续式（或称DOD-按需式）两大类，而非连续式的打印方式又可依墨水喷出动力机构的不同，分为热发泡式（Thermal bubble）及压电式（Piezoelectric）。

图1 喷墨技术分类

喷墨的速度取决于两项主要的因素：一为墨滴频率(每秒有多少墨滴) ，另一为墨滴大小。而喷墨头的重量也会影响到速度，如重量轻的喷墨头在加速和降速上就比较容易控制。至于分辨力则与两项主要的因素有关：一为喷墨头每一管道的间隔距离，另一因素为墨滴大小。

一、CIJ（Continuous Ink-Jet）

1、单路连续喷墨 (BinaryContinuous Ink-Jet)

大都使用于高速打印需求，且承印材料广泛。该系统的主要缺点有：喷印分辨率比DOD型喷墨头低，由于它采用的是低粘度的墨水，也没有采用墨路回收装置，会造成一定程度的浪费，相应的耗材成本较高。

图2 单路连续喷墨

2、多路连续喷墨 (Multilevel ContinuousInk-Jet)

主要是带电的墨滴从喷嘴射出后，根据图像信号决定是到达承印物，还是进入回收系统内再使用。虽然大都使用在低分辨率、需要高速度的产品上，但也部分使用在中、高档的彩色数字印刷系统。该系统的主要优点有：喷印速度高，适应性广泛，系统稳定，喷墨头的使用寿命比热感式、压电式喷墨头的寿命长，而且印刷质量、化学性质稳定。但是系统维护费用较高，喷印分辨率相对较低，采用的墨水粘度在3~6cp（厘泊）之间，范围较窄。

图3 多路连续喷墨

二、DOD （Drop-On Demand）

DOD式喷墨头可满足较高质量和多功能的需求。热发泡式喷墨 (thermal ink-jet) 打印机，由于低成本、喷头寿命以及耗材等限制，大都使用于办公型打印机。但是压电式喷墨则功能多样，能用于不同的材质，所以适用于数字印刷、包装业、纺织工业和商业印刷等。

1、热发泡式喷墨 (TIJ—Thermal Ink-Jet)

热喷墨技术的工作原理是通过喷墨打印头（喷墨室的硅基底）上的电加热组件（通常是热电阻），在3微秒内急速加热到300摄氏度，使喷嘴底部的液态油墨汽化并形成气泡，该蒸汽膜将墨水和加热组件隔离，避免将喷嘴内全部墨水加热。加热信号消失后，加热陶瓷表面开始降温，但残留余热仍促使气泡在8微秒内迅速膨胀到最大，由此产生的压力压迫一定量的墨滴克服表面张力快速挤压出喷嘴。随着温度继续下降，气泡开始呈收缩状态。原挤出于喷孔外的墨水受到气泡破裂力量的牵引而形成分散墨滴，后端因墨水的收缩使墨滴开始分离，气泡消失后墨水滴与喷嘴内的墨水就完全分开，而墨水则透过连通喷墨区与储墨区的流道持续流入补充，从而完成一个喷墨的过程。每喷出一个墨滴都是上述流程协同运作的结果。

(1) 侧喷型（Side Shooter Thermal Inkjet）

1977年，Canon获得Side Shooter Thermal Jet气泡式喷墨技术专利，与此同时，惠普也发明了与之本质相同的技术，HP和Canon 都不约而同地宣称是自己的研究人员率先发明了喷墨打印技术，以此建立自己在喷墨打印领域的地位。不过“Bubble”这一概念已被佳能抢注，惠普只好将此命名为Thermal Ink-Jet。IBM将其印刷部门出售，促成了新公司Lexmark的诞生。HP于1984年生产了它的第一台商用TIJ，之后Xerox，Olivetti公司也纷纷上马生产。其他一些喷墨打印机公司则主要使用这些公司的OEM喷头。

图4 侧喷型喷头

(2) 顶喷型（Roof Shooter Thermal Inkjet）

顶部喷墨孔射出技术最早应用于HP及Lexmark 的喷墨打印机

图5 顶喷型喷头

热发泡型打印速度较快，但缺点就是墨水只经推挤就被喷出，力量较不能集中，墨点易受到惯性影响，与印字头拉扯不清，而产生不均匀或墨渣。另一个问题是，气泡式的喷墨方式，因其印字头常处于高温状况下，热会使得印字头更容易损耗，故需使用印字头与墨水匣合一的方式来降低成本。

2、压电式喷墨 (Piezoelect ink-jet)

利用压电陶瓷（大部份的材料为铅-Pb, 锆-Zr, 钽-Ta），由压晶体管施加电压使其产生形变，挤压液体产生高压而将液体喷出。供应全世界喷墨头的厂商主要有 Xaar 和 Spectra 两大家，目前以压电式 (piezo) 为主流的喷头不但应用在打印机市场，也由于其印墨选择性多样化，在不同的领域和产业上也被高度重视和采用。除了EPSON将压电式喷墨头成功商业化为高分辨率喷墨(水)打印机外，Xaar 和 Spectra将其应用于熔融的金属、高分子塑料等材料的喷射与分配，并在电子工业制造上有极大的发展潜力。

(1) 弯曲型（Bend Mode）

由一压电陶瓷片(piezoceramic)、振膜(diaphragm)、压力舱(pressure chamber)、入口管道(inlet & manifold)及喷嘴(orifice)所组成。当压电陶瓷盘承受控制电路所施加的电压，产生收缩变形，但受到振膜的牵制，因而形成侧向弯曲挤压压力舱的液体。在喷嘴处之液体因承受内外压力差而加速运动，形成速度渐增的突出液面。其后虽然作用于压电陶瓷片的电压于适当时间释放，液体压力下降，喷嘴处液滴仍因惯性缘故，克服表面张力的牵引而脱离。典型的300DPI喷墨头喷嘴直径约为50μm，一次喷出液滴量约为100pl(1pl = litter)，速度约为10m/sec。为了达到这么高的喷出速度(动压约为0.5大气压)，并克服液体之粘滞性及表面张力，压力舱内液体所承受之压力平均约为3大气压。