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MEMS：喷墨头 喷墨头的工作原理 喷墨头的现状及应用 喷墨头的发展趋势 第八组概述喷墨技术 InkJet将油墨以一定的速度从微细的喷嘴（一般直径在3050微米）喷射到承印物上，最后通过油墨与承印物的相互作用实现油墨影像的再现。喷墨打印技术主要分为连续式和间歇式两大类，连续式喷墨技术由于耗墨及结构复杂，花费高昂，现在已经很少采用。目前流行的是间歇式打印技术，它又分为“热泡式”和“压电式”两种，HP（惠普）、Canon（佳能）公司均采用热泡式结构，这两家大公司在喷墨技术上竞争很激烈，HP称其喷墨技术是“热敏式”(Thermal)；而Canon称其喷墨技术为“气泡式(Bubble)”。它是70年代末受注射器原理的启发而发明的。实际上，这两种技术的原理相同，基本原理都是利用电阻迅速加热喷墨头，使喷墨头内的墨水汽化产生气泡，气泡膨胀将墨水喷出喷嘴，墨滴将以每秒3000至6200点的速度喷射在纸上，当喷头与纸的距离很少时，便可很精确地表现在纸上，形成所需要的图案。而Epson（爱普生）使用的是另外一种技术，称之为“压电式”，这是采用多层压电结构（MACH）的技术，在存储及激发墨水喷出的气室结构及电流脉冲电阻高温引发墨水变化方面取得了很大的成功，使喷力更大，喷速更快，打印的图像更为精细，即使放大数倍仍然非常紧密而且规则，由于喷头的特殊性使得喷头的使用寿命长，可做成永久性喷头，当墨水用完后，只需要换墨水盒即可。Epson表示，加热方式在黑白打印时代还可以，到了彩色打印时候就成问题了，因为墨水在温度变化的时候化学特性会发生变化，所以色彩稳定性差，而多层压电打印就没有这个问题，喷嘴可以做得很小，而且墨水喷射的速度更快，提高了打印速度和打印精度。可见，压电式打印技术是比较先进的。喷墨成像技术分类连续喷墨以墨水的连续喷射为基础，并对墨水作偏转控制，适合于高速印刷以赫兹技术为基础的双态偏转连续喷墨技术双态偏转墨滴形成与偏转控制墨滴模型墨滴之间距离不变，只是横向尺寸增大而导致墨滴分离墨滴充电偏转控制双态偏转高速连续喷墨数字印刷系统多态偏转连续喷墨技术赋予墨滴不同的充电状态，并在不同的成像位置赋予墨滴不同的充电状态，并在不同的成像位置产生记录点产生记录点优点：优点：只用一个喷嘴就能在纸张上产生一列成像点，成像点只用一个喷嘴就能在纸张上产生一列成像点，成像点的垂直间距取决于充电装置能产生多少种充电状态以的垂直间距取决于充电装置能产生多少种充电状态以及墨滴的飞行距离及墨滴的飞行距离除了利用偏转电极使墨滴沿垂直方向偏转外，还应通过偏转控制器使一列墨滴沿水平方向偏转，实现二维方向上的印刷热喷墨成像又称气泡喷墨，为按需喷墨技术之一与连续喷墨的主要区别仅当需要成像时才喷射墨水，且墨滴的形成方法也不相同，在墨水离开喷嘴时就已经形成工作时，打印头以逐行扫描的形式记录，扫描方向与走纸方向垂直。水平成像精度由打印头上的喷嘴排列密度决定垂直成像精度则取决于走纸机构的运动精度两者通常相同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。热喷墨头的结构示意图成像工艺起泡核形成并长大、墨滴成型、起泡破灭和墨滴断裂等过程分为顶喷成像和侧喷工艺彩色喷墨打印机的典型配置是每种主色使用一个打印头，各打印头可以独立控制压电喷墨压电性某些晶体材料按施加在晶体上的机械应力成比例地产生电荷的能力，并具有可逆的性质弯曲模式压电喷墨推压模式压电喷墨收缩模式压电喷墨剪切模式通过墨水腔后壁变形产生墨滴使通道产生双向变形工作原理喷头内装有墨水，在喷头上、下两侧各装有一块压电晶体，压电晶体受打印信号的控制，产生变形，挤压喷头中的墨水，从而控制墨水的喷射。当它向外振动时，就将其他一些墨水吸入贮存箱，以补充那些已喷出的墨水。不打印时，墨水由盒体内的海棉吸附，以保证墨水不会从打印头漏出。此工作原理是EPSON的专利，目市场上采用此原理的喷墨打印机主要是EPSON公司的产品。通过压电效应，即晶体通电变形挤压喷出墨滴 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50m，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。与弯曲型类似，但是它的陶瓷片纵向平行排列，受控制电路所施加的电压推挤制动器脚，液体受压喷出。EPSON早期将多层剪力压电技术引入其喷墨头产品由陶瓷片、电级等组成，没有振膜、压力舱等结构。当压电陶瓷片承受控制电路所施加的电压，产生收缩变形，喷嘴处液体受压喷出。收缩式技术由S.L.Zoltan of Clevite公司于1970年发明，1974年获得美国专利，1977年Seimens公司将其应用于喷墨头产品PT-80。控制电路所施加的电压引起陶瓷压电管道变形收缩，管内油墨受压喷出。压电喷墨成像的其他问题交叉对话最终形成的墨滴的通道总是相邻通道侧壁弯曲变形作用的结果压电喷墨与热喷墨的区别系统控制问题压电喷墨以电能和机械能组合作用的方式工作墨滴生成频率差不多是热喷墨的4倍可用墨水各种类型，而热喷墨一般只能用水基墨水喷墨排列可在不增加喷嘴排列密度的情况下提高系统的记录分辨率热熔压电喷墨技术通常采用液体墨水四色印刷结果的获得借助于一个喷墨头实现在数字印刷方面应用，可先在卷筒纸上预印热发泡式与压电式比较Thermal-Bubble Piezoelectric受限于热传导速度 压电陶瓷反应速度快反应速度慢,打印较缓慢反应速度快，打印较迅速无法控制墨滴大小 可控制墨滴大小提升质量具高温，墨水品质较不稳定无高温，墨水品质稳定具高温,墨水盒质量较不稳定无高温,墨水盒质量稳定墨水色素较不容易寻求无高温，喷嘴较容易堵塞墨水色素较不容易寻求墨水色素较容易寻求电子驱动较为简单 电子驱动较为复杂体积较小 体积较大须更换喷头 不损伤喷头静电喷墨基本原理墨水喷射系统和承印材料间建立电场，与页面图文内容对应的数字信息产生控制脉冲，在传递到喷嘴；控制脉冲信号导致墨滴释放，并在电场的控制下喷射到承印物超声波喷墨成像特点墨滴非常细小，被称为“墨雾”超声波喷墨色调等级的建立墨滴位置随机，为“准调频加网”墨滴喷射工艺能形成多少种色调等级取决于成像系统的墨雾形成机制可形成的“墨滴”尺寸、对“墨滴”喷射位置的控制能力对“墨滴”数量的控制能力喷头组织原理多个喷头排列组合使用喷头组织原理多个喷头排列组合使用喷头组织原理喷头组织原理工作示意图喷墨印刷的特点非接触印刷方式分辨率高对承印物形状和材料无要求生产周期短多色印刷实现智能化操作成本低,幅面大喷墨印刷的应用彩票印刷商业表格印刷(可变信息)防伪印刷(加可变信息)包装印刷(加条形码)数据中心(账单)直邮产品(个性化广告)商标印刷喷墨印刷的应用喷墨印刷设备喷墨印刷设备喷墨头的发展趋势喷墨头技术的发展现状典型例子应用现状一.喷墨头技术的发展现状 喷墨头技术作为喷墨印刷的核心，近来取得了长足的进步，从整体上讲喷墨头技术在朝更小、更精确的墨点控制及更高的墨滴喷射频率方向发展，近几年来国际领先的喷墨头厂商都发布了最新的喷墨头产品，下面我们选取几家最具代表性的厂商及产品进行详细介绍。1.柯达 柯达历经多年研发最新推出的连续喷墨头Stream，虽然同样采用了连续喷墨原理，但与柯达以往的喷墨头相比还是进行了很大改进。Stream喷墨头取材于硅，采用了基于MEMS技术的制造工艺，在制造成本上具有相当的优势。目前，Stream喷墨头的分辨率达到600dpi质量控制，预计将来可达1200dpi，单个喷墨头的印刷宽度可达106mm，最高喷射频率可达400kHz。2.惠普 惠普同样是喷墨印刷技术领域的领先者，尤其在家用及办公喷墨打印、大幅面喷墨印刷方面取得了很大成功。惠普主要研发热敏喷墨印刷技术书刊印刷，近几年，惠普投资十多亿美元研发了基于MEMS技术的热敏喷墨头Edgeline，其印刷宽度为108mm，每个喷墨头包含两行共10560个喷嘴，可以喷印2种颜色RIP，分辨率达到1200dpi，每个喷嘴最高喷射频率为24kHz，适用于水性墨水。同时，惠普也在喷墨头的定位方面进行了改进，从而可实现快速更换喷墨头。目前印刷设备，Edgeline喷墨头主要应用在惠普的高速喷墨印刷设备T300和T200中。3.爱普生 爱普生喷墨头中采用了其独有的Micro Piezo（微压电）技术，喷嘴的密度可以很高纸品包装，墨滴的体积最小可达15pl，能够印刷出高分辨率的图像，单个爱普生喷墨头的印刷宽度为25mm，却包含有1440个喷嘴，主要适用于水性喷墨墨水。目前日本网屏的高速喷墨印刷机TruePress Jet 520就采用了爱普生的喷墨头。二.发展趋势上面列举的喷墨头厂商近年来都在致力于最新喷墨头技术的研发和生产，与之前的喷墨头相比，这些新产品的性能都有了很大提升，从整体上看媒体，喷墨头技术的发展呈现如下趋势。1.喷墨头技术仍将持续快速发展，相关厂商也将持续投入大量资金进行研发，喷墨头在速度、分辨率、集成度等方面的发展将超过著名的摩尔定律，可以预见在不远的将来，喷墨头的性能还将获得更大提升 2.喷墨头厂商在不断采用一些新技术包装装潢，如循环墨水技术、喷嘴冗余技术、精确定位技术等。同时，喷墨头也将向高密度、大喷头方向发展，这些都将更有利于各种高速喷墨印刷机的研发。3.目前，在印刷领域，压电喷墨技术在墨水适用性方面仍然具有一定的优势胶印，但随着柯达、惠普这样的行业巨头在喷墨头研发方面持续投入，预计连续喷墨技术、热敏喷墨技术的适用范围也将逐步扩大，今后在印刷领域，将呈现各种喷墨头技术百花齐放的局面。