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1、Publishing Printing 200812008/1出版与印刷一、引言连续喷墨技术早于按需喷墨而发展起来，形成了 Sweet 和 Hertz两大主流技术。与按需喷墨相比，连续喷墨的工作速度高，因而有能力形成高速数字印刷系统，适合于某些要求高速输出的应用领域，例如传统印刷与数字印刷混合作业模式，为此要求喷墨印刷部分与传统印刷机的工作速度匹配。基于墨滴偏转控制的连续喷墨工艺由美国斯坦福大学的 Sweet 教授于 1964 年提出，因而有 Sweet 喷墨的说法，他首次演示了通过连续喷射的墨水射流记录电子信号、在墨滴形成位置对墨滴充电、然后由偏转电场控制墨滴是否喷射到纸面。不少研究工作者曾
2、经对偏转控制连续喷墨技术作出过贡献，但系统性的工作却由 Sweet 完成，且根据墨滴的偏转控制原理实现了这种很重要的连续喷墨工艺，因而以他的名字来命名偏转控制连续喷墨也就不奇怪了。在 Sweet 连续喷墨系统中，墨水射流被强制性地通过喷嘴口挤出后，很快就分裂成墨滴链，因为墨水射流离开喷嘴后其表面处于很不稳定的状态。早在 1878 年时 Rayleigh 就解释过这种现象，他认为墨滴形成是一种自发进行的过程，但受到机械振动的影响，例如由压电换能器产生的机械振动。显然，墨滴偏转控制连续喷墨技术需要考虑的问题还不能局限于换能器对墨滴生成的影响。墨水流从喷嘴口连续地喷射构成 Sweet 喷墨的基本特征
3、，必须加以控制才能区分参与或不参与记录的墨滴。因此，为了控制墨滴是否喷射到纸张表面，还应该考虑在墨滴形成位置上对墨滴充电，这意味着需要在墨滴形成位置上加一对电极以建立电场，才能使墨滴带有电荷。如果墨水射流有足够的导电性能，则对于墨滴的充电是可行的，也有助于保持墨滴在喷口处的势能，并在偏转电场作用下实现对墨滴偏转或不偏转的控制。二、墨滴充电为了在给定的偏转电场中获得最大的偏转量，墨滴应该被充以尽可能多的电荷，因为墨滴带电量高时偏转量大，从而能够在垂直方向产生更多的记录点，只要走纸机构有足够的精度，则输出结果越精细。但不幸的是，墨滴可携带的电荷量会受到限制。限制条件一：墨滴表面电荷产生的静电力可能
4、为表面张力抵消，导致即使墨滴带电量较高时也无法从墨水流母体分离出来。由 Rayleigh 给出的墨滴允许带电量限制条件如下：（1）式中之 0、r 和 分别表示介电常数、墨滴半径和墨滴表面张力。Sweet连续喷墨工艺姚海根（上海理工大学出版印刷与艺术设计学院数字印刷研究所，上海 200093）摘要：本文讨论喷墨印刷领域很重要的 Sweet 连续喷墨工艺，涉及墨滴充电及其历史效应、卫星墨滴与质量控制措施、相位与墨滴偏转控制、空气阻力和静电交互作用效应等。Abstract:Sweet continuous inkjet process was discussed in this paper whic
5、h plays a very important rule in inkjet area.Con-tents included in this paper are related to droplets charging and history effects,satellite droplets and quality controlling methods,phase and droplet deflection controlling,air resistance applied todroplets,and static interact effects.关键词：喷墨Sweet 连续喷
6、墨喷墨工艺Key words：inkjetSweet continuousinkjetinkjet process学科建设K n o w l e d g eS y s t e mC o n s t r u c t i o n22008/1出版与印刷Publishing Printing 200811962年，Hendricks 和 Schneider 在 表面张力和静电力作用下导电墨滴的稳定性 一文中提出 Rayleigh 公式修正算法，并由 Hendricks 和Taylor 通过实验验证。此后，不少学者分别在不同时间指出，处于高电场作用下的连续液体射流会产生明显的不稳定现象。Mansson
7、 认为，高电场作用下的连续墨水流形成的液流尖端可能发展成冠状放电。事实上，实际连续喷墨装置加到墨滴上的电荷量 Q 比式（1）给定的数值要低，因而往往观察不到冠状放电现象，无论对 Sweet 还是 Hertz连续喷墨系统均如此。限制条件二：充电墨滴静电排斥力的相互作用可能干扰墨滴链线性结构，因充电电压的作用而导致墨水分散，干扰诱导电压甚至比墨滴从射流母体分离所需的电压低，为此应限制充电电压的量值，通常应保持在低于 150 V的水平。为了准确控制充电电压产生的电荷量，有必要使墨滴形成位置的电压保持为常数，例如与接地电压相等，但仅当墨水有足够高的导电率时才能满足这一条件。设 R 为墨水流连续部分的电
8、阻，以 q 表示墨滴带电量，并分别以 Cc和 Vc代表墨滴相对于充电电极的电容和加到充电电极上的电压，则墨滴形成位置的电压 V决定于下式：（2）式中之 f 表示墨滴形成频率。由（2）可推得RCc1/f，意味着墨滴充电过程的时间常数应小于墨滴形成时间，故墨水的电阻系数需小于 500cm，该数字与喷嘴直径无关。三、墨滴充电的历史效应墨滴带电量应与偏转电极匹配，才能达到预期偏转效果。为提高连续喷墨系统的工作速度而要求产生不同的偏转强度时，还必须准确地控制充电电压，且与偏转电极的多个工作电压匹配。墨滴充电过程相当复杂，墨滴的最终带电量并非一次充电结果，而是与充电历史过程有关，存在着复杂的交互作用效应（
9、参见图 1）。研究结果表明，墨滴的最终带电量不仅与加到充电电极上的电压有关，也决定于在此之前已形成墨滴的带电数量。假定当前墨滴生成前已经有其他墨滴，例如墨滴 1、2、3 和 4 等，它们必然会与当前墨滴组成电容，标记为 C01、C02、C03和 C04等；这些电容的存在必然会作用于当前正在形成的墨滴，影响该墨滴的带电量，此现象称为墨滴充电的历史效应。墨滴充电是 Sweet 连续喷墨的关键技术之一，对墨滴喷射的控制和定位精度至关重要，涉及能否建立有效而连续的墨滴喷射过程，并将影响最终的印刷品质量。不少学者研究过墨滴充电的历史效应，例如 Fillmore 和 Buehner 等认为，墨滴在充电前由
10、于各种因素的综合性作用和干扰，充电时受到已形成墨滴带电量的影响很难避免，充电误差达到甚至超过 20%是完全有可能的；Mansson 进一步指出，如果快速改变墨滴充电装置的控制电压，则墨滴所带电荷还可能改变符号，导致带电符号相反的两个相邻墨滴合并。墨滴充电的历史效应得名于当前充电墨滴与以往墨滴的相关性，导致当前墨滴充电结果产生某种程度的畸变，影响墨滴喷射的位置精度。然而，墨滴充电历史效应对连续喷墨工艺的影响是可以降低的，例如降低控制电极充电“隧道”的内直径，且墨滴形成点置于充电“隧道”内，因为当充电“隧道”内直径小到一定程度时类似于静电屏蔽罩，从而明显降低墨滴形成位置与所有以前墨滴间的电容，但离
11、当前墨滴距离最近的墨滴除外。图 1已充电墨滴与当前墨滴（雏形）的等价充电简化电路K n o w l e d g eS y s t e mC o n s t r u c t i o n学科建设3Publishing Printing 200812008/1出版与印刷四、卫星墨滴与质量控制措施卫星墨滴对 Sweet 连续喷墨来说可能无法避免，因而对这一主题的讨论可分成下述两个方面：首先是尽量降低产生卫星墨滴的可能性，其次是卫星墨滴是否有利用价值。Sweet 喷墨工艺需解决的基本问题是，所有墨滴应该有相同的质量，以在纸面上产生同样尺寸的记录点，形成高质量的字符，使笔划均匀一致，字符边缘整齐、光洁。维
12、持连续喷墨过程的前提，在于墨水射流不仅有向前飞行的动能，且还应受到横向力的“干扰”作用，才能在喷嘴出口位置附近形成符合复制工艺要求的墨滴，为此需在喷嘴口附近设置机械振动源。若加到喷嘴上的振动频率与形成墨滴的固有频率相近，则墨滴尺寸控制在相同的质量可做到，连续喷墨印刷品质量也因此得到保证。墨滴形成过程确实能通过机械振动控制，却会带来产生卫星墨滴的副作用。由于卫星墨滴质量与主墨滴质量差异很大，且在卫星墨滴飞行期间最终将与其前面或后面的主墨滴合并，因而会严重地干扰连续喷墨过程，导致喷射到纸面上的墨滴质量不同。因此，墨水射流参数需十分仔细地调整，设法防止卫星墨滴的形成。若能够利用卫星墨滴的基本特点，则
13、有可能从不利因素转化为有利因素。考虑到卫星墨滴的质量比正常墨滴（主墨滴）小得多，因而有学者建议单独使用卫星墨滴，并据此研制成功特殊的打印机，以大直径喷嘴产生尺寸很小的墨滴，得到高分辨率打印结果；至于那些打印过程中无法避免的大墨滴，则可在飞行途中用拦截器回收。五、相位控制喷射到纸面的墨滴产生视觉标记，按需要打印的字母或数字作有规律的排列，因而墨滴喷射到纸面上的位置必须能准确地加以控制。墨滴喷射位置取决于充电过程，应该在墨滴形成瞬间使之带有特定数量的电荷，并在该瞬间促使墨滴雏形从墨水射流母体分离出来。当墨滴继续前进到偏转电极时，由于墨滴带电量的不同而产生不同程度的偏转，喷射到纸面时就有垂直位置差异
14、，若走纸机构的运动方向与墨滴偏转方向垂直，且运动精度与偏转精度相当，则字符打印就有了可靠的保证。纯粹从理论角度讨论，墨滴的充电控制表现为充电信号必须与充电工艺要求的数值准确一致，且充电信号必须准确地作用在墨滴形成的瞬间。换言之，充电信号取得其理想值并作用于墨水射流时应该与墨滴形成过程同步进行。从实际角度考虑，墨水射流的运动速度、表面张力、粘度和温度等只要稍有变化就会影响墨滴形成过程。由于墨滴形成受多种因素的制约，要求充电信号作用时间和控制墨滴形成的喷嘴机械振动的作用时间有一定程度的差异，这称为相位控制。因此，相位控制的含义是调整两者的相位差，使之与系统参数匹配。20 世纪 70 年代末期和 8
15、0 年代初期产生了两种相位控制技术，它们均成功地使用到了商业连续喷墨打印机上。1977 年 Carmichael 提出在靠近纸张的位置上安排一测量装置，通过测量墨滴的带电量确定那些偏转程度最厉害的墨滴位置；每当打印机处于静止状态时，总是有某些墨滴偏转到测量装置内，由此测量装置产生一正比于这些墨滴偏离正确位置的信号；此后，打印机利用该信号调整相位和其他设备参数。Pullent 于 1982 年则建议在充电电极的稍后部分沿墨水射流方向安装电荷探测器，半宽充电脉冲加到控制电极上，若逐步增加脉冲的时间长度，直至电荷探测器无法测量出信号为止，则得到的时间长度即为相位控制值。这种相位控制技术会增加打印机的
16、复杂性，因为探测出墨滴上很小的带电量要求灵敏度极高的电子线路。六、墨滴偏转与控制墨滴离开墨水射流母体后以一定的速度飞行，进入偏转电极的作用范围时因受到横向电场力作用而发生偏转。设偏转电极板的有效长度为L，并以 D 和 E 分别表示从偏转电极板入口到记录纸的距离和偏转电场强度，则墨滴喷射到纸面的偏转量 h 可描述为：式中之 q、m 和 u 分别是墨滴带电量（电荷数量）、质量和运动速度。墨滴从偏转电极板入口到（3）学科建设K n o w l e d g eS y s t e mC o n s t r u c t i o n42008/1出版与印刷Publishing Printing 20081记
17、录纸的距离可作为墨滴偏转后的近似飞行距离使用，因为与偏转高度相比，墨滴偏转后的飞行距离要大得多。如果对式（3）使用合理的参数，例如假定墨滴直径为 100 m，则根据连续喷墨的常用墨水密度换算成墨滴质量后可知，墨滴偏转后的飞行距离在 5 厘米到 10 厘米间时，作用于墨滴的偏转电场强度必须与空气的击穿电压接近，偏转高度在 5 毫米到 10 毫米间。分析式（3）后可以发现，墨滴的偏转量与 L和 D 成正比关系，这说明如果能增加 L 或 D 的数值，则墨滴的偏转高度 h 确实可以增加。但是，墨滴飞行时受摩擦阻力作用不可避免，因而增加电极板长度或墨滴飞行距离可能导致墨滴动能不足，飞行速度明显下降而引起
18、墨滴散射。可见，增加 D 和 L 只能对提高偏转量起一定作用，但无法明显改善。七、空气阻力空气阻力降低墨滴飞行速度，而静电交互作用使飞行墨滴的运动变得更为复杂。例如若墨滴未充电，则飞过偏转电场时不发生偏转，墨滴链有可能排列成线条状；假定墨滴链中共包含 10个墨滴，它们将彼此相随穿过空气飞行；作用在该墨滴链第一个墨滴上的空气摩擦力最大，该墨滴的运动速度首先下降，因而经过一段短暂的时间后即与其后面的墨滴合并；这种过程会重复地进行下去，直到所有墨滴组成一个墨滴才停止。如果从墨滴经过充电电极后带电，它们相互靠近但又相隔一定的距离，则墨滴在经过偏转电极时因受到电场力的作用发生而偏转，并沿不同的轨迹运动。
19、喷墨系统完全有可能受外界干扰，各墨滴的运动轨迹差异也有大有小，所以墨滴链的喷射过程将受到空气阻力和静电排斥力的组合作用，其运动状态将变得更为复杂（如图 2所示）。图 2 也表示因墨滴带电量不同而在偏转后沿不同的轨迹飞行，受到静电排斥力（细箭头）和空气阻力（粗箭头）的共同作用。静电排斥力的交互作用方式和作用结果与墨滴飞行轨迹有关，如图中的墨滴 3 发生的偏转量大，静电排斥力作用的结果使其保持独立飞行；墨滴 2 和 3 开始时也独立飞行，但由于它们的偏转量差异不大，因而飞行一段距离后在空气阻力和静电排斥力交互作用下彼此越来越靠近，空气阻力延缓墨滴飞行逐步占主导地位，以至于静电排斥力不再能保持两个墨
20、滴彼此独立地飞行，终于合并为一个墨滴。高质量喷墨不允许墨滴合并，必须采取措施使各墨滴保持在合理的距离，如以下方法：1.墨滴交叉排列法墨滴形成时根据将要打印的字符类型产生合理的墨滴序列，使墨滴两两相随并以交叉排列方式飞行到字符点阵，彼此定位在字符点阵相距较远的位置上。2.保护墨滴技术如图 3 所示，本质上是保护那些需要出现在纸面上的墨滴，拉开打印墨滴距离，为此需提高超声波换能器的振动频率，在墨滴形成位置上增加产生的墨滴数量，但无需充电，打印墨滴在飞行过程中的空气阻力和静电力交互作用现象可得以避免。3.真空法Hendricks 仔细研究墨滴飞行过程中的空气阻力提出利用抽气机建立局部真空区域，消除空
21、气阻力对飞行墨滴的影响。图 2墨滴偏转后的运动特征K n o w l e d g eS y s t e mC o n s t r u c t i o n学科建设5Publishing Printing 200812008/1出版与印刷八、静电交互作用当几个墨滴彼此靠近地空气飞行时，若已采取措施而不存在空气阻力或空气阻力可忽略不计，则即使静电排斥力也有使墨滴在飞行过程中偏转的倾向。从图 2 可以看到，充电墨滴在偏转电场作用下产生垂直偏转，墨滴在二维空间中表现出交叉排列特征，但交叉排列的墨滴彼此相距甚近，因墨滴带有同种电荷而相互排斥，这一现象称为静电力交互作用。墨滴静电交互作用也是导致墨滴在飞行过
22、程中产生合并的主要原因，可见防止墨滴合并不仅要解决好空气阻力问题，还需要采取恰当的措施避免静 电 交 互 作用。分析导致静电交互作用的本质因素后可得出结论，采用增加墨滴间距的方法同样 是 行 得 通的，因而上一节介绍的三种方法原则上均可用于防止静电交互作用。由此可见，高质量的字符打印要求避免空气阻力和静电力交互作用，为此 Sweet 连续喷墨法的研究人员和技术开发工作者们设计出了特殊的墨滴序列，更确切地说是针对不同类型的字符集合设计出特定的墨滴序列，在打印文本内容时由打印机的控制系统发出控制信号，指示喷嘴出口位置的超声波换能器改变振动频率，自动确定墨滴的充电或不充电状态，或在其他硬件的帮助下调
23、整墨滴间距，控制墨滴的飞行状态。图 3保护墨滴技术工作原理示意图为了贯彻落实中央和本市“关于推进企业软件正版化工作”有关文件精神，进一步强化印企使用正版软件的意识，推动印企使用软件正版化工作规范有序开展，帮助企业逐步建立和完善软件资产管理和经营管理体系，提升企业品牌和市场竞争能力，促进企业又好又快发展，2008 年 3 月 13 日，上海市版权局和上海市印刷行业协会联合美国 ADOBE 公司举行了“印刷企业推进软件正版化工作会议”。会议听取了上海市版权局副局长楼荣敏解读中央和本市推进企业使用正版软件有关文件的精神、政策、法规和背景报告及上海市印刷行业协会会长印德明作推进印企使用正版软件工作的动员；上海市版权局的管理人员介绍了版权保护问题；商业软件联盟（BSA）的代表强调了软件是资产的概念，指出使用合法软件、实施软件资产管理给企业带来的好处；最后，美国 ADOBE 公司的代表了介绍软件资产管理理念、经营管理体系、使用正版软件和提升企业品牌、增强市场竞争能力关系。来自上海印刷企业的百余名代表出席了这次会议。（伊洛）印刷企业推进软件正版化工作会议在沪召开!学科建设K n o w l e d g eS y s t e mC o n s t r u c t i o n6