推压式压电喷墨打印技术

　　喷墨打印技术是一种非接触式图文印刷技术，通过控制墨滴喷射到目标承印物上实现印刷。喷墨打印技术总体可分为连续式和按需式两种。按需式喷墨是指墨水只在打印需要时才喷射，它与连续式喷墨相比，结构简单、成本低廉且可靠性高，是现在较为普及的一种喷墨打印方式。

 

　　根据驱动方式，按需式喷墨又分为静电式、热气泡式及压电式3种。在喷墨打印技术中，发展比较成熟且应用广泛的是压电式喷墨打印技术，本文重点对推压式压电喷墨打印技术进行分析与研究。

 

　　喷墨原理及结构特点

 

　　采用推压式喷墨时，压电陶瓷材料加工成棒状，压电棒一端固定，另一端是自由端。在外电场作用下，压电棒伸长产生变形，在保持体积不变的前提下因长度增加而推动与其相连的振动板，振动板挤压墨水腔中的墨水喷出墨滴。

 

　　现在的推压式压电元件多采用梳齿式压电元件阵列，如图 2 所示，将束状的压电元件阵列集成到固定板上，并通过柔性电路板与压电元件阵列的电极相连，从而实现压电信号的驱动。随着市场对喷墨打印头提出高分辨率、小型化、便捷性的要求，在保证推压驱动力的前提下尽可能地提高分辨率是推压式压电喷墨的发展方向。

 

　　研究的重点方向

 

　　从 20 世纪 90 年代到 21 世纪初，推压式压电喷墨技术的研究重点始终在于通过对压电元件、电极引线等相关结构的改进来追求小型化和高分辨率，现在的研究重点开始偏向于对驱动控制的改进。

 

　　1. 压电元件的层叠方式

 

　　压电元件的层叠方式能够影响振动板的变形程度，进而影响喷墨打印头的喷墨特性，各压电元件之间的相互干扰也影响着喷墨打印头的喷墨特性。随着市场对小尺寸喷墨打印头以及高打印分辨率的需求增大，要求喷墨打印头中的多个压电元件能够实现高集成度布置。另外，提高喷墨打印头的耐久性以及降低成本也是市场对喷墨打印头提出的新要求。所以，如何提高压电元件的变形程度、提高其集成度和耐久性、降低成本，这些都是压电元件结构改进的主要方向。

 

　　压电元件的层叠方式，从其电极的排布方式分为横向和纵向，其中纵向又称为束型。横向排布主要应用于早期，现在的压电元件多为纵向排布，其从推压式压电元件初期一直沿用至今，具体结构为以 PZT 为基底，上面形成一层电极，再形成一层 PZT，两者间隔多层层叠而成，然后将其切割成形，使其与层叠方向垂直的长度方向上的端部与振动板的一面粘接，从而通过长度方向的伸缩实现对振动板的驱动，具有较稳定的喷射性能。

 

　　2. 压电元件的排布方式

 

　　压电元件的排布方式、设置位置、连接方式和压电元件的自身结构，直接影响着其对压力腔室的驱动方式和驱动效率。早期推压式压电元件的排布方式是将压电元件连接在支撑块上进行横向排布，后发展为将每个压电元件独立制造，并独立设置，两端均是压电元件的自由端，此种制造方式便于在制造期间确认压电元件和振动板之间的接触状态，同时降低了制造成本并提高了生产效率;或者将压电元件设置为与振动板接触的一端，即驱动端为自由端，将各压电元件的另一端以指定的间距排列，并通过一体成型的连接部连接在一起，以实现压电元件与压力腔的精确定位。

 

　　对于压电元件排布方式的改进还包括：将压电元件以指定间距排列，并将两列压电元件固定在连接基板上，连接基板的长度与压电元件的长度相同，从而能够高效生产喷墨打印头，使压电元件稳定地振动;将压电元件设置为与液体喷射方向垂直的方向，通过从侧向推压压力室，实现液体的排出，两者设置位置均能实现液体的稳定排出;在压电元件的自由端部通过低熔点触点与振动板连接，以提高两者的连接稳定性，进一步提高喷墨打印头的耐用性;各压电元件独立设置，且其两端均是自由端，此种方式在制造期间更加容易确认压电元件和振动板之间的接触状态，同时降低了制造成本并提高了生产效率。

 

　　3. 电极引线的改进

 

　　通过对电极引线的改进，能够提高压电元件与电路的稳定性，准确连接，避免短路和驱动故障，可以提高喷墨打印头打印的准确性。例如：横向层叠压电元件的电极通过其单侧边引出，使得压电元件与驱动电路实现稳定连接;独立设置的压电元件具有两个自由端，其中，在靠近远离压力室的自由端位置设置有共用电极，并将各压电元件的共用电极一体地形成;在梳齿状压电元件的连接基部一体地铺设共用电极，提高了电极和压电元件的连接稳定性;将电极通过低熔点触点与梳齿状的压电元件连接，以便两者的稳定连接，提高喷墨打印头打印的准确性;将横向层叠的压电元件设置为只在 PZT 两侧设置电极，简化了电极结构。

 

　　4. 振动膜的改进

 

　　通过对振动膜的改进提高其粘合的密封性和稳定性，防止振动膜的剥离和液体的泄漏。可以在振动板和基底上形成有机钛酸酯膜，可防止振动板、基体和中间层的剥离，提高耐用性和液体喷射的可靠性;或者将一铝螯合膜形成在基板的整个区域，将另一铝螯合膜形成在振动板的整个区域，两层铝螯合膜增强了各叠层之间的粘合性，消除了液体泄漏风险，提高了液体排放的可靠性。

 

　　5. 压电元件的组装定位

 

　　喷墨打印头的组装定位主要是压电元件的组装定位，压电元件组装的精确度会直接影响对压力室的驱动，进而影响液体的喷射性能。压电头驱动结构经由侧基部的基准部和基准板定位，以直接与头结构组装。此种组装方式可提高压电元件组装的精度，进而提高喷墨打印头的喷射性能。或者在各部分接合之前设置贯穿于每个压电驱动件的引导槽，从而实现定位。

 

　　6. 驱动控制

 

　　通过对驱动电路进行控制，可实现不同的效果，如将开关元件连接至电致伸缩元件的另一端子，能够向第一极和另一极传导时间变化的信号，并与该开关元件并联连接从而提高效率;在控制振铃和过冲时，以高于执行器基本模式固有频率的速度移动执行器，从而达到抑制余振的目的。通过控制驱动电压，实现高粘度液体的喷射，液体的粘度为 1～20MPa·s;将驱动信号设置为驱动第二元件在第一元件之后对压力室加压，并且使液柱的除表面之外的部分从液面中突出，从而抑制卫星墨滴的产生;将喷射脉冲设置为具有用于使液体减压以吸引位于第二部分上的弯月面的减压部分到第一部分，以及用于在弯月面返回第二部分之前对液体进行加压以喷射液体的加压部分，实现对弯液面的精确控制;在使用高频放大的调制信号的液体喷射式打印机中，选择能够抑制发热和损失的、具有高转换效率的线圈以平滑放大调制信号，从而产生驱动信号。

 

　　结语

 

　　喷墨打印头是喷墨打印设备中的核心技术，其中压电式喷墨打印头在液滴喷出技术中应用最为普遍，而推压式液滴喷出技术是压电式喷墨打印技术中很重要的一个分支，其在日常生活、电子产品制造、生物科技等多个行业有着广泛的应用。目前，压电式喷墨打印的核心技术多数仍由国外公司掌握，尤其是日本企业，在喷墨打印领域起步早、发展快，牢牢占据了市场核心地位。本文对推压式压电喷墨打印头的原理进行了阐述，通过对推压式压电喷墨打印头结构及驱动技术的分析梳理，有助于相关从业者了解推压式压电喷墨打印头的技术改进过程以及目前的重点研发方向。

[时间：2024-07-31  作者：吴辉 吴双岭  来源： 印刷工业]