英国Xaar公司打印头的热力特性
 
          上海永享技术部
一.概述
  通过阅读《英国Xaar公司打印头结构与工作原理简介》这篇文章,您应该已经知道了激励器是由墨水通道和两边的共享壁组成的,而且一端连接汇流管,另一端是喷嘴,当PZT立杆壁上的电极接收到驱动信号后,共享壁变形为切变形态,在墨水通道中产生的振动波使墨水喷射出去。在灰度打印时,这个过程会连续重复进行好多次,喷射出的墨滴会融合成一个可变大小的墨点。
  XaarJet打印头由固定在铝质底板上的激励器、特制的驱动芯片和控制电路组成。这种设计的优点在于控制电路和驱动芯片工作时产生的热量能够被导入铝质底板与热导管(可选)散发掉,而激励器工作时产生的热量除了大部分通过被加热的墨水排出外,其余的热量也能通过传导方式被散发掉。
  在稳定打印黑色图像的状态下,总能量消耗是c5μJ/复式墨点,或者是c1μJ/灰度墨滴,而且激励器的温度仅比环境温度高15°C。
  在实际打印图像时,暂时无需执行打印工作的通道会接收到一个“恒温”信号波形并且不喷射墨滴,这样就能够有充足的能量保持喷嘴里墨水的温度,因此喷射墨点的速度与体积始终是恒定的,并不随图像内容的变化而变化。“恒温”信号波形也能够用来在启动时对打印头加热。
  提供给驱动芯片的电压由一个闭合环路来调节,而这个闭合环路受控于激励器上的温度感应器,这样就能确保打印头始终处于良好的工作电压环境中。
 
 
二.基础
  在论述Xaar压电式打印头的热力特性之前,我们先回顾一下打印头的结构和工作原理。
  图1是标准打印头的垂直于墨水滴落方向的截面结构示意图,图2是PZT通道基本结构的截面图。两幅示意图都详细显示了墨水通道以及共享壁的结构,壁的顶部有一块被既薄且硬的粘胶层粘住的盖板,为了确保热力匹配,盖板通常也用PZT材料制成。
 

图1

 

图2
  盖板下部的底切确定了墨水通道的有效长度,通道的后部与共有的汇流管相连,而且在前部的喷嘴的作用下,墨水被大气压引入汇流管。
  共享壁上半部电极按上图所示连结至汇流管的后部,驱动信号从图1中的a、b、c点进入,结果在共享壁上形成垂直于PZT立杆方向的电场,使得壁的上半部产生切变形态变形,同时,壁的下半部也被迫跟随上半部发生相应运动,于是,通道壁就形成了尖顶V形。
  图3显示的是典型的波形图。当电压施加于通道b的电极上时(拉升段),由于通道a与c的电极没有施加电压,这就造成通道b两边的共享壁中产生电压差,于是b通道两边的共享壁就向外运动,导致通道有效范围内的墨水压力降低,随即从通道两头的汇流管端和喷嘴端处产生压缩波并向通道内运动,使得通道内的大气压力逐渐回升,当来自共享壁两端的压缩波在通道中部交叉时,在通道中心产生一个高于大气压的区域,经过一个波形周期后,压缩波通过通道的整个有效范围,其中的压力全面回升。
  此时,b通道的隔壁通道也正在进行着相反的波形运动,这就使得b通道两边的共享壁开始向内运动(“释放”段和“补充”段),从而更进一步增加了通道内的压力,这时有许多微小的振动波通过整个通道进入通道两端的汇流管和喷嘴并使得压力降至正常大气压,因此在释放/补充段之后的一个波形周期就会有一个墨滴被喷射出去。
  通常在又一个波形周期之后,通道中残留的振动波基本上都平复了,在下一轮运动发生之前会有一个可变的调整周期。
 

图3
  复式打印时,通道的有效长度和喷嘴的直径会相对大些,因此喷出的墨点也大。如果图像数据要求依次由a、b、c三个通道进行喷射 ,当某个通道正在进行喷射周期循环时,其余的通道是静止的,因此墨滴喷射的频率取决于图3所示的三个信号波形所需消耗的时间。
  灰度打印时,通道的有效长度和喷嘴的直径会减小,许多细小的墨滴(数量可变)会迅速而连续地依次从通道a、b、c中被喷射出去,而且这些连续喷射的墨滴由于速度太快以至于在喷嘴板上或飞行过程中会彼此融合,因此就能生成以像素为基础进行大小调节的墨点。墨滴喷射的频率同样取决于三个信号波形所需消耗的时间。在360dpi打印时,8级灰度是最具有代表性的。墨水先在室温状态下进入汇流管,然后沿着通道的有效长度一路前进时温度也随之上升,直至最终以墨滴形态从喷嘴喷射出去。

三.热力特性——稳定状态
  当所有的通道连续喷射时,打印头的热力特性比较简单。墨水先在环境温度状态下进入汇流管,然后在沿着通道的有效长度一路前进时温度也随之不断上升,直至最终以墨滴形态从喷嘴喷射而出,墨水喷出时的温度高于环境温度。使墨水升温的热量主要来自于通道两边的PZT立杆,而通道前部的激励器是最热的部位,因此热量也会通过PZT立杆往后传递,不过这点热量与往前流动的墨水所带来的热量相比是微不足道的。此外,激励器产生的热量也能传递到下方的铝质底盘而散发出去。总的来说,PZT立杆所散发的热量大部分通过喷射出去的墨水而被排出,还有一小部分则以传导的方式被排出。
  由于以上过程在几乎每个通道中发生,所以,除了个别特殊的通道之外不存在横向的温度变化。
  打印头在工作过程中产生的热量因墨水、环境温度和喷射频率的变化而有所不同,数量级如下:控制电路所散发的热能通常低于15mW/通道,与驱动芯片所产生的热量差不多,PZT立杆散发的热量可以直接通过测量喷射出来的墨滴的温度来确定,或者也可以间接通过计算实际的电压与频率的tand值来确定,一般是15 mW/通道。
  激励器是温度最高的部位,不过仅比环境温度高15°C。
  总的能量消耗情况是c5μJ/复式墨点,或者是c1μJ/灰度墨滴,这些数字包括了所有用来驱动激励器的电能需求。

四.热力特性——图像打印
  当实际打印图像的时候,情况会复杂得多,某一个通道也许会间歇性地喷射,而它隔壁的通道也许正在喷射或者没有喷射,这就产生了一些问题。
  当一个通道不喷射时并没有热量散失,而且墨水也不沿着通道前进,因此,这就使稳定的状态产生了一个中断,而且,如果这种状况持续下去的话,先前建立起来的温度分布情况也会发生较大变化:由于热量被传递到底板而导致通道中的温度降低,此外在某种程度上热量也会经由两边的PZT立杆、墨水被传导出去而导致温度降低。
  如果某个通道被其它不喷射的通道所围绕,这就会在其侧面形成温差,这就使得这个处于喷射状态的通道中的热量通过PZT立杆的传导和墨水的对流而丢失并进入周围不喷射的通道。此外,铝质底板虽然能够通过热传导作用保持温度的一致性,但是总的来说毕竟会由于热量的散失而造成温度下降。
  喷嘴中的墨水所发生的任何温度上的变化都会导致墨水的粘滞性发生变化,如果这种差别存在于各个通道中,这就会造成墨点喷射速度不一致,因此会出现落点误差、以及墨点体积和尺寸的变化。以上问题最终都会导致打印质量下降。
  在刚开始打印的时候,所有的部件都处于环境温度下,而且要达到稳定的打印温度状态需要一定的时间,因此,刚开始的时候喷出来的画面的质量会较差。
  在灰度打印时,如果画面上的某个区域包含有细小的墨点,则只需喷射较少的墨滴,因此产生的热量也比较少,这种情况所导致的问题与复式打印时所有通道都不喷射的情况很相似。
  Xaar公司使用一种诊断工具来估计以上这些问题所产生的效果:运用处于频闪照明下的显微镜可以观察测量墨点的喷射速度,而且可以发现喷射速度随电压变化而变化。图4是一个典型的结果示意图,从中可以看到:墨点速度与电压之间存在线性关系;施加一个初始电压后墨点从喷嘴射出,然后在喷射循环中的负压部分,空气的吸收通常决定了墨点的最大速度;如果某个通道以低负载循环喷射单个灰度墨滴,施加一个适当的电压就能产生喷射速度;如果通道以高负载循环喷射墨滴,则会产生更多的热量,喷嘴中的墨水的温度就会更高,墨水的粘滞性随之降低,墨滴的喷射速度就会因此而加快。 
 

图4
  此外,除了以上这些主要效果之外还有比较小的附加效果:由数个灰度墨滴组成的大墨点的速度比小墨点快,产生这种现象的主要原因是大墨点产生的热量更多,还有部分原因是由于每个墨滴喷射后残留下来的振动能量会影响到下一个墨滴。

五.热力特性——温度控制
  Xaar公司已经开发出一种用来控制打印实际图像时激励器中温度分布的方法,这种方法通过向不喷射墨滴的通道施加一个“恒温”信号波形来实现。
  图5显示的是某个轮到喷射墨点的活跃通道及其邻近的非活跃通道各自被施加了一个相似的信号波形,两者的区别仅仅在于施加到活跃通道的信号波形比较早而已,这导致了活跃通道壁的横断面中的信号波形中出现了2个尖峰波形,而且一个是正相波,另一个是反相波。这两个尖峰波形的持续时间都很短暂,通常只持续0.4个振动周期,不过波形的振幅仍然是正常的,这个信号波形会使PZT立杆发生运动产生一定强度的振动波穿行整个通道,不过在任何时候都不会产生足够大的正压力使墨滴喷射出去。
 

图5
  在这种情况下,PZT立杆散发的热能比正常喷射信号波形的时候少,与正常情况下传导到底板而散发掉的热能相当(不包括随喷射出的墨滴而散发的热量),因此使得通道中各处的温度分布状况很接近。特别要提到的是,如果这个通道已经喷射过墨滴的话,喷嘴处墨水的温度是保持不变的,而且这个温度决定了下一个即将喷射的墨滴的速度和体积。
  在灰度打印中,一旦某个通道有喷射的机会却暂时不喷时就会被施加一个恒温信号波形。举个例子:某个通道要喷射一个由4个小墨滴组成的中等大小的墨点,它将会接收到迅速而连续的4个正常喷射信号波形和3个恒温信号波形,与此同时,与其相邻的通道则会接收到7个待命信号波形。在此通道喷射4个墨滴时产生正常标准的热量而且大部分通过喷射出去的墨水被排出。
  举一个实际应用中的例子:先打印一根横穿半个打印头宽度的线条,紧接着再打印一根横穿整个打印头宽度的线条,如果没有恒温波形信号起作用,您就会发现第二根线条在中部发生了弯折,这是因为有一半喷嘴在打印第一根线条时未被加热,因此,只有当恒温波形信号正确发挥作用时才能打印出笔直的线条。
  此外,恒温波形信号还能够在打印之前为打印头预热,以确保整个画面最先打印的部分与后续部分的打印效果保持一致。
  即便有了良好的热量消耗和恒温波形信号,用于打印的电压范围也会随环境温度的变化而变化,这是因为温度的变化会对墨水的粘滞性产生影响。为了在不同的环境下都能产生良好的打印品质,通常都不会使用单一的电压用于打印。XaarJet打印头中整合了闭合环路来控制提供给驱动芯片的电压,而这个闭合环路则受控于激励器前部的温度感应器,因此,提供给激励器两边共享壁的电压能够适合所有的环境温度。
  电压调节功能可确保打印头自始至终处于控制范围之内,并且可随环境温度的变化而随时进行调节。此外,如果环境温度极不正常,或者打印头出现故障(例如:墨水用尽或者打印头无法喷射),电压调节功能也能提供用于安全断开的电位。

六.热力特性——温度控制
  通过PZT立杆与电极的不同排列方式,Xaar打印头中激励器的热力耗散情况可以减半。图6这幅结构示意图中显示了共享壁被分为上下相对的两半,而且覆盖在共享壁上的电极也扩展到了整个共享壁上(在此之前都是在电极仅覆盖共享壁上半部份的情况下进行热力学分析与阐述)。当电压施加到电极之上时会产生垂直与PZT立杆的电场,而且由于是施加到整个共享壁上,所以电场大于电极仅覆盖上半部的情况。在电场的作用下,共享壁的上、下两半部分同时进行切变形态运动,而不是之前所述的要靠上半部分的变形来带动下半部分的运动,因此而产生的最终结果就是只需以往一半的电压就能在通道中产生喷射墨滴所需的足够压力。
 

图6
  电压减半就意味着能量消耗减少为原来的1/4,然而共享壁上下两个部分的电容量却是电极仅覆盖上半部的情况下的两倍,因此总的来说热量耗散是减半的。
  另外还有这么一种情况,在一种叫“双端设计”的通道结构中,有2个激励器各有一端彼此相连,喷嘴就在中央连接处,喷射时是往侧面喷射的,由于两个激励器的协同作用也使得只需要一半电压就能正常工作,同样道理,电容量也加倍了,热量耗散也是减半的。
  如果以上两种可能性同时应用的话,激励器中为产生每个墨滴所需的热量耗散将是标准设计的1/4。对于宽幅打印来说,这是一个很有发展前景的设计,因为在这种情况下,激励器中热量的耗散与总能量的消耗是首要考虑因素。

2010年09月10日

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