噴墨打印技術(shù)是一種非接觸式圖文印刷技術(shù)，通過(guò)控制墨滴噴射到目標(biāo)承印物上實(shí)現(xiàn)印刷。噴墨打印技術(shù)總體可分為連續(xù)式和按需式兩種。按需式噴墨是指墨水只在打印需要時(shí)才噴射，它與連續(xù)式噴墨相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉且可靠性高，是現(xiàn)在較為普及的一種噴墨打印方式。
根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，按需式噴墨又分為靜電式、熱氣泡式及壓電式3種。在噴墨打印技術(shù)中，發(fā)展比較成熟且應(yīng)用廣泛的是壓電式噴墨打印技術(shù)，本文重點(diǎn)對(duì)推壓式壓電噴墨打印技術(shù)進(jìn)行分析與研究。
噴墨原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
采用推壓式噴墨時(shí)，壓電陶瓷材料加工成棒狀，壓電棒一端固定，另一端是自由端。在外電場(chǎng)作用下，壓電棒伸長(zhǎng)產(chǎn)生變形，在保持體積不變的前提下因長(zhǎng)度增加而推動(dòng)與其相連的振動(dòng)板，振動(dòng)板擠壓墨水腔中的墨水噴出墨滴。
現(xiàn)在的推壓式壓電元件多采用梳齒式壓電元件陣列，如圖 2 所示，將束狀的壓電元件陣列集成到固定板上，并通過(guò)柔性電路板與壓電元件陣列的電極相連，從而實(shí)現(xiàn)壓電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。隨著市場(chǎng)對(duì)噴墨打印頭提出高分辨率、小型化、便捷性的要求，在保證推壓驅(qū)動(dòng)力的前提下盡可能地提高分辨率是推壓式壓電噴墨的發(fā)展方向。
研究的重點(diǎn)方向
從 20 世紀(jì) 90 年代到 21 世紀(jì)初，推壓式壓電噴墨技術(shù)的研究重點(diǎn)始終在于通過(guò)對(duì)壓電元件、電極引線(xiàn)等相關(guān)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來(lái)追求小型化和高分辨率，現(xiàn)在的研究重點(diǎn)開(kāi)始偏向于對(duì)驅(qū)動(dòng)控制的改進(jìn)。
1. 壓電元件的層疊方式
壓電元件的層疊方式能夠影響振動(dòng)板的變形程度，進(jìn)而影響噴墨打印頭的噴墨特性，各壓電元件之間的相互干擾也影響著噴墨打印頭的噴墨特性。隨著市場(chǎng)對(duì)小尺寸噴墨打印頭以及高打印分辨率的需求增大，要求噴墨打印頭中的多個(gè)壓電元件能夠?qū)崿F(xiàn)高集成度布置。另外，提高噴墨打印頭的耐久性以及降低成本也是市場(chǎng)對(duì)噴墨打印頭提出的新要求。所以，如何提高壓電元件的變形程度、提高其集成度和耐久性、降低成本，這些都是壓電元件結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要方向。
壓電元件的層疊方式，從其電極的排布方式分為橫向和縱向，其中縱向又稱(chēng)為束型。橫向排布主要應(yīng)用于早期，現(xiàn)在的壓電元件多為縱向排布，其從推壓式壓電元件初期一直沿用至今，具體結(jié)構(gòu)為以 PZT 為基底，上面形成一層電極，再形成一層 PZT，兩者間隔多層層疊而成，然后將其切割成形，使其與層疊方向垂直的長(zhǎng)度方向上的端部與振動(dòng)板的一面粘接，從而通過(guò)長(zhǎng)度方向的伸縮實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)，具有較穩(wěn)定的噴射性能。
2. 壓電元件的排布方式
壓電元件的排布方式、設(shè)置位置、連接方式和壓電元件的自身結(jié)構(gòu)，直接影響著其對(duì)壓力腔室的驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)效率。早期推壓式壓電元件的排布方式是將壓電元件連接在支撐塊上進(jìn)行橫向排布，后發(fā)展為將每個(gè)壓電元件獨(dú)立制造，并獨(dú)立設(shè)置，兩端均是壓電元件的自由端，此種制造方式便于在制造期間確認(rèn)壓電元件和振動(dòng)板之間的接觸狀態(tài)，同時(shí)降低了制造成本并提高了生產(chǎn)效率;或者將壓電元件設(shè)置為與振動(dòng)板接觸的一端，即驅(qū)動(dòng)端為自由端，將各壓電元件的另一端以指定的間距排列，并通過(guò)一體成型的連接部連接在一起，以實(shí)現(xiàn)壓電元件與壓力腔的精確定位。
對(duì)于壓電元件排布方式的改進(jìn)還包括：將壓電元件以指定間距排列，并將兩列壓電元件固定在連接基板上，連接基板的長(zhǎng)度與壓電元件的長(zhǎng)度相同，從而能夠高效生產(chǎn)噴墨打印頭，使壓電元件穩(wěn)定地振動(dòng);將壓電元件設(shè)置為與液體噴射方向垂直的方向，通過(guò)從側(cè)向推壓壓力室，實(shí)現(xiàn)液體的排出，兩者設(shè)置位置均能實(shí)現(xiàn)液體的穩(wěn)定排出;在壓電元件的自由端部通過(guò)低熔點(diǎn)觸點(diǎn)與振動(dòng)板連接，以提高兩者的連接穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高噴墨打印頭的耐用性;各壓電元件獨(dú)立設(shè)置，且其兩端均是自由端，此種方式在制造期間更加容易確認(rèn)壓電元件和振動(dòng)板之間的接觸狀態(tài)，同時(shí)降低了制造成本并提高了生產(chǎn)效率。
3. 電極引線(xiàn)的改進(jìn)
通過(guò)對(duì)電極引線(xiàn)的改進(jìn)，能夠提高壓電元件與電路的穩(wěn)定性，準(zhǔn)確連接，避免短路和驅(qū)動(dòng)故障，可以提高噴墨打印頭打印的準(zhǔn)確性。例如：橫向?qū)盈B壓電元件的電極通過(guò)其單側(cè)邊引出，使得壓電元件與驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接;獨(dú)立設(shè)置的壓電元件具有兩個(gè)自由端，其中，在靠近遠(yuǎn)離壓力室的自由端位置設(shè)置有共用電極，并將各壓電元件的共用電極一體地形成;在梳齒狀壓電元件的連接基部一體地鋪設(shè)共用電極，提高了電極和壓電元件的連接穩(wěn)定性;將電極通過(guò)低熔點(diǎn)觸點(diǎn)與梳齒狀的壓電元件連接，以便兩者的穩(wěn)定連接，提高噴墨打印頭打印的準(zhǔn)確性;將橫向?qū)盈B的壓電元件設(shè)置為只在 PZT 兩側(cè)設(shè)置電極，簡(jiǎn)化了電極結(jié)構(gòu)。
4. 振動(dòng)膜的改進(jìn)
通過(guò)對(duì)振動(dòng)膜的改進(jìn)提高其粘合的密封性和穩(wěn)定性，防止振動(dòng)膜的剝離和液體的泄漏。可以在振動(dòng)板和基底上形成有機(jī)鈦酸酯膜，可防止振動(dòng)板、基體和中間層的剝離，提高耐用性和液體噴射的可靠性;或者將一鋁螯合膜形成在基板的整個(gè)區(qū)域，將另一鋁螯合膜形成在振動(dòng)板的整個(gè)區(qū)域，兩層鋁螯合膜增強(qiáng)了各疊層之間的粘合性，消除了液體泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高了液體排放的可靠性。
5. 壓電元件的組裝定位
噴墨打印頭的組裝定位主要是壓電元件的組裝定位，壓電元件組裝的精確度會(huì)直接影響對(duì)壓力室的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而影響液體的噴射性能。壓電頭驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)經(jīng)由側(cè)基部的基準(zhǔn)部和基準(zhǔn)板定位，以直接與頭結(jié)構(gòu)組裝。此種組裝方式可提高壓電元件組裝的精度，進(jìn)而提高噴墨打印頭的噴射性能?；蛘咴诟鞑糠纸雍现霸O(shè)置貫穿于每個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)件的引導(dǎo)槽，從而實(shí)現(xiàn)定位。
6. 驅(qū)動(dòng)控制
通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)不同的效果，如將開(kāi)關(guān)元件連接至電致伸縮元件的另一端子，能夠向第一極和另一極傳導(dǎo)時(shí)間變化的信號(hào)，并與該開(kāi)關(guān)元件并聯(lián)連接從而提高效率;在控制振鈴和過(guò)沖時(shí)，以高于執(zhí)行器基本模式固有頻率的速度移動(dòng)執(zhí)行器，從而達(dá)到抑制余振的目的。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)高粘度液體的噴射，液體的粘度為 1～20MPa·s;將驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)置為驅(qū)動(dòng)第二元件在第一元件之后對(duì)壓力室加壓，并且使液柱的除表面之外的部分從液面中突出，從而抑制衛(wèi)星墨滴的產(chǎn)生;將噴射脈沖設(shè)置為具有用于使液體減壓以吸引位于第二部分上的彎月面的減壓部分到第一部分，以及用于在彎月面返回第二部分之前對(duì)液體進(jìn)行加壓以噴射液體的加壓部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)彎液面的精確控制;在使用高頻放大的調(diào)制信號(hào)的液體噴射式打印機(jī)中，選擇能夠抑制發(fā)熱和損失的、具有高轉(zhuǎn)換效率的線(xiàn)圈以平滑放大調(diào)制信號(hào)，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
結(jié)語(yǔ)
噴墨打印頭是噴墨打印設(shè)備中的核心技術(shù)，其中壓電式噴墨打印頭在液滴噴出技術(shù)中應(yīng)用最為普遍，而推壓式液滴噴出技術(shù)是壓電式噴墨打印技術(shù)中很重要的一個(gè)分支，其在日常生活、電子產(chǎn)品制造、生物科技等多個(gè)行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。目前，壓電式噴墨打印的核心技術(shù)多數(shù)仍由國(guó)外公司掌握，尤其是日本企業(yè)，在噴墨打印領(lǐng)域起步早、發(fā)展快，牢牢占據(jù)了市場(chǎng)核心地位。本文對(duì)推壓式壓電噴墨打印頭的原理進(jìn)行了闡述，通過(guò)對(duì)推壓式壓電噴墨打印頭結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)的分析梳理，有助于相關(guān)從業(yè)者了解推壓式壓電噴墨打印頭的技術(shù)改進(jìn)過(guò)程以及目前的重點(diǎn)研發(fā)方向。
