压电打印、热敏打印和连续喷墨打印的历史(及其区别)

在这篇文章中，我们来看看今天的喷墨打印行业所基于的一些原始创新，以及它们是如何成熟为三种不同的技术的:压电、热敏和连续喷墨打印。主要目的是获得一些历史观点和熟悉所用语言，探索三种技术之间的一些差异，并可能指导您选择哪种技术适合您的应用。因为我们只是热爱喷墨，它也给了我们机会向那些开始这一不可思议旅程的人致敬。

早期喷墨技术出现

在数字时代之前，Elmqvist在1948年的美国专利申请(US2566443A)中描述了第一批“液体喷射”设备之一，从该申请中复制并修改了以下带有注释的附图。

它不是能够打印文字或图像，而是构成了一种示波器，一种记录连续变化(即模拟)测量的机器。它的工作原理是加压液体被挤压通过细管，而细管被电流驱动的环形线圈取代。

对于历史爱好者来说，有趣的是，该概念与威廉汤姆森（后来的开尔文勋爵）在 1858 年（英国专利 2147/1867）获得专利的著名墨水虹吸记录器并没有完全不同。

Elmqvist专利的关键是通过避免与记录表面接触，相对于以前的直接墨水书写，可以增加操作频率。正是这种特殊的优势使Elmqvist设备成为我们接下来将讨论的喷墨打印机的鼻祖。

最初に特許を取得した「デジタル」インクジェット装置は、Teletype社のWinston氏によるものでした。静電気の原理を利用したこの装置は、連続した微細なジェットを発生させますが、オンオフの切り替えが可能で、応答時間は約1msでした。下の特許画像では、システムの主要部分が詳しく説明されています。Elmqvistの機械と同様に、ガラス製の細いキャピラリーチューブを使用しています。

连续喷墨诞生了

让我们回到20世纪60年代末，基于连续喷墨(CIJ)原理的第一版喷墨设备出现了。顾名思义，这种方法依赖于对墨水加压以形成连续的液体流，就像埃尔奎斯特一样。这一次的主要区别是，通过传感器(或致动器)的作用，气流被分成单个的带电液滴，传感器是一种将电信号转换成机械运动的装置。这种液滴破碎显示在下图中，使用JetXpert系统记录。

很明显，要实现一个受控的模式，比如文本字符，就不需要一些液滴。在CIJ，那些不想要的被静电转移到一个收集装置(捕集器、水槽)中，而那些想要的被允许撞击印刷表面。这种选择是通过在液滴通过一组电极时对其充电，并使用来自另一组电极的1000伏电压将液滴推向侧面来实现的。在不想要的墨滴被侧向推入槽中后，墨被循环回到起点，以便再次喷射。从设计的角度来看，书写字符可以通过将单个液滴流转移到多个位置(刘易斯和布朗，美国3298030)或创建平行流(斯威特，美国3373437)来形成，如下文注释的专利图像所示。

在刘易斯和布朗的设计中，这是由压电元件实现的，压电元件由陶瓷锆钛酸铅(铅[锆(x)钛(1-x)]O3)，压电陶瓷)制成，当暴露在电下时会变形。这种变形是通过挤压玻璃纤维引起压力调制的原因。在Sweet & Cumming的阵列设计中，致动器被描述为磁致伸缩的，这意味着当被磁化时，它将改变其形状。

CIJ技术的发展速度惊人，到20世纪70年代初，世界上最著名的计算机公司如国际商用机器公司、卡西欧公司、日立公司和施乐公司的发明层出不穷。今天，CIJ系统是工业数据编码应用中使用最多的类型之一。这在很大程度上是由于在强溶剂(如甲乙酮)中可以携带有用的聚合物来产生快干油墨。墨水干得越快，打印速度就越快——这使得CIJ在高速应用中很受欢迎。这提供了工业适用性的关键优势，尤其是与CIJ打印机开发商所关注的极高可靠性相匹配时。

由于固体含量非常低，对食品安全，低沸点溶剂(如酒精)可以在高速生产线上有效去除，食品包装是CIJ的另一个重要市场。在易腐烂的产品上直接印上最佳日期，例如鸡蛋，只是CIJ使用的许多不同地方的一个例子。为了更好地比较不同的印刷技术，这些技术可以用来编码鸡蛋或其他产品，请看这篇文章。 this article.

由于其多功能性和较长的投掷距离，CIJ在21世纪继续得到应用。在越来越复杂的制造方法的支持下，柯达已经将CIJ理念发展成为最快的彩色喷墨印刷工艺之一，以满足例如报纸印刷的网速要求。我们将在未来的具体帖子中讨论CIJ和柯达流技术。

按需喷墨发展

紧随最初的CIJ发明之后，研究人员正忙着创造喷墨设备的设计，这种设备通过使用电信号谨慎地产生液滴(仅在需要时)。这些打印头通常被归为按需喷墨。多年来，实施范围相当广泛，依靠各种物理过程来喷射液滴。目前使用的最常见类型依赖于突然局部加热(热喷墨)、用致动器挤压油墨(压电喷墨)或用机械阀释放加压油墨(阀喷射)。

一个关键的优点是减少了对加压和再循环墨水的需要，潜在地使墨水供应系统更简单。由于蒸发损失，也不太需要用溶剂定量来控制粘度。国防部喷墨的流体兼容性也更广，包括电绝缘材料。

早期压电磁头到来

現在でも購入できるようなPIJ（ピエゾインクジェット）ヘッドの最初の特許は、1972年にCIJで有名なLewis & Brownと同じくClevite社に勤めていたZoltanが取得しました。Zoltanは、彼らのデザインと同様に、1本の円筒状のPZTアクチュエーターを細いチューブの端に接着したり、巻き付けたりして使用しました。下の図のように、PZTをインクに直接接触させれば、高い電圧をかけずに動作させることができますが、特許ではインクによる電極の腐食の可能性に言及しています。このようにZoltanは、今日でもプリントヘッドの設計における最大の課題の1つである「マテコン：material compatibility（材料の互換性・相性）」をこのとき既に予見していたのです。マテコンについては、現在のプリントヘッド設計についてのパートで詳しく説明します。

与CIJ的主要区别在于，压电陶瓷的电信号仅在需要跌落时才被施加。缺点是墨滴没有充电或偏转，因此需要几个致动器来形成字符打印机。用多根玻璃纤维实现这种阵列是连续发明的主题(例如，美国4288799，佳能)，但正如我们接下来将看到的，有一种更好的方法。

几年后，凯泽和西尔斯描述的硅氧烷头是第一个公开的设计，使用平面形状(平面)驱动器设计压电头。这一点非常重要，因为它允许将设备堆叠在一起，形成字符打印机，如下图所示。当然，喷嘴之间的距离有一定的限制，这取决于所用所有零件的层厚。尽管如此，单程打印的原理成为可能，从而为今天的工业喷墨打印提供了最大的增长应用空间。

实际上，Silonics设计代表了Xaar和XJ500等早期打印头的直接祖先，XJ 500也使用PZT的剪切模式致动器，但通过更先进的陶瓷加工和创新的共享壁驱动方案，以更小的间距实现了喷嘴间距。

Stemme(授权于1973年)的设计很早就解决了以更好的间距扩大喷嘴数量的问题，他描述了一系列“毛细管喷射器”，每个喷射器都有一个压电晶体来挤出墨水。Stemme的设计有几个开创性的原因:(1)它是第一个在单片(单体)设计中使用“通道”和“腔室”语言的专利，(2)像Silonics一样，它在弯曲模式中使用PZT，但最重要的是:(3)射流垂直于PZT平面形成，因此它开创了当代设计中如此流行的“屋顶”致动器结构。它甚至描述了脉冲或波形的形状，以控制空气进入喷嘴的可能性，现在这是一种众所周知的故障模式。

因此，我们已经介绍了支撑压电国防部磁头原理的一些历史发展。如果你想知道剪切模式或屋顶模式意味着什么，不要担心，我们很快会在一个压电头特定的帖子中回到一些细节。我们还将更多地讨论当前的打印头，由于它们广泛的油墨兼容性，支撑了我们今天看到的大多数工业打印应用，从交易打印(账单)到用于地板的大木板。

热泡喷头降低了成本

PIJ的主要竞争技术来的很晚，在1981年出版的佳能的两项专利中披露。由于惠普的主导地位，这一原理今天通常被称为热喷墨(TIJ)，但最初佳能创造了“起泡喷墨”品牌，因为加热机制会导致空化(气泡)。

TIJ 的原理是喷嘴附近的压力增加不是机械引起的，而是热引起的。 尽管在一项专利中提到激光是一种可能的来源，但最现实的方法是使用电阻器。 物理学告诉我们，对于电阻器，热量损失的功率与电流的平方乘以电阻成正比。 因此，足够高的电阻和适量的电流可以非常快速地产生局部加热。 参考下面的左图，我们可以看到原理是多么简单，以及与佳能第一个发明的第一个 PIJ 设计多么相似。

如果你还记得20世纪80年代早期，你会回想起个人电脑在办公室和家里变得越来越容易使用，推动了产生“硬拷贝”打印输出的需求。这推动了对经济高效的解决方案的需求。热敏打印头技术的不同之处在于，它从一开始就被设计成具有可扩展的微制造工艺。电子设备中已经使用的大规模制造工艺，如印刷电路板和硅片，可能很快就能适应制造TIJ磁头。这反过来又导致大量生产时单位成本更低。上面的右图给出了使用薄膜电路技术制作喷嘴线性阵列的第一个例子。请注意，加热垫的尺寸只有150微米，这意味着喷嘴的间距小于1毫米。

在这一点上还需要强调的是，与PIJ发明不同，它首先使用现有油墨/液体的稀释版本，热敏头的油墨是与机械部件一起开发的，因此它可以作为一个系统工作。这是因为加热器的作用依赖于要仔细选择的溶剂的特定混合物和油墨的固体含量。正如观察水壶所显示的那样，加热元件很容易被污染！当我们更详细地考虑TIJ时，我们将再次考虑这个话题。

大约与佳能同时，惠普开发了一种与之竞争的热敏打印头。高密度喷射器的制造也是本发明公开的一个重要主题，尽管下图仅显示了两个喷嘴。所声称的主要步骤是使用标准技术将头部制造成一个整体，即所谓的单片，从而避免了可能导致制造误差的复杂对准过程。

在接下来的30年里，惠普、佳能以及最近的Memjet都在继续开发基于现在所谓的硅微机电系统的磁头制造工艺。使用这种方法，惠普尤其希望主导工业印刷，使用模块化设计，强调扩展到页面范围的印刷系统。我们将回来更详细地讨论是什么使这一点成功。

valuejet打印头远远超出了墨水的范畴

当印刷量需要更大，并且印刷图案的点分辨率不需要如此高的精度时，则valvejet型装置可能非常有用。这项技术有时也被称为机械喷墨(MIJ)。

直到最近瓷砖制造技术的重新出现，大字符编码或高覆盖率纺织品印刷，如地毯，是主要的用途。这种类型的打印头通常使用加压供墨，通过相对较大的喷嘴强制供墨，喷嘴本身由机械致动器打开和关闭。因此，这些装置的作用就像一排射流阀，其输出要么是非常大的液滴，要么是定向良好的喷雾，这取决于设计。

下图显示了 Valvejet 的早期设计，美国公司 Kiki Coders 在 1980 年代中期喷墨增长的高峰期获得了专利。 该设计依赖于 PZT 致动器，该致动器弯曲以使用 PTFE 膜将球轴承密封在平面阀座上，以实现可靠的密封。 考虑到机械差异，每个通道都可以用调节螺钉进行调谐。

由于零件尺寸较大，印刷频率通常比我们已经讨论过的CIJ或其他国防部设备低得多，尽管不经常需要点。ReaJet公司宣传他们的DOD 2.0系统能够以令人印象深刻的600米/分钟的速度工作。

阀式喷射器的主要优点是，由于可以施加高压，它们能够沉积更大体积的材料，并将液滴“抛出”很远的距离。这意味着这些应用是真正的工业应用。例如，ReaJet描述了化妆品涂抹器上的微量油，以使组装更容易。
粘度范围通常比其他喷墨打印机宽得多，这是它们使用陶瓷釉等高固含量油墨的一大驱动力。然而，由于存在这种磨粒，可靠性归结于在多次驱动后重新安置阀的能力，这导致了连续的发明。我们将在另一篇文章中讨论陶瓷的应用，包括使用阀门喷射器。

总结

所以现在我们对早期的打印头设计师是如何开始的有了一种感觉。在后面的帖子中，我们将再次访问一些例子，并描述它们的设计，以及它如何与预期的应用程序相匹配。对PIJ来说，这将包括不同的几何图形与当代制造商(KM、富士、Xaar等)以及用于使它们工作的波形。对于TIJ和其他国防部类型的新进入者，如MEMjet和Tonejet也将涵盖在内。正如我们刚才所说的，我们很快还会看到阀式喷射器。