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   Piezoelecric型 DOD打印机墨水激发原理

能量波的传导与反射

能量波的传导与反射 能量波的传导与反射 能量波的传导与反射 能量波的传导与反射当声波从一种介质传输到另外一种介质时, 经过不连续界面的能量波有多少被反射而又有多少被穿透取决于两个介质声波阻抗的差异, 当声波阻抗差大于0.1%时而假面有远大于波长时, 则一部分波在基面发生反射的同时另外一部分波在界面相邻介质中产生折射。

声波阻抗差越大则反射越强, 但若界面比波长要小, 则此时能量波会在界面表面产生散射⁽⁴⁾。

由前文所知, 墨水的挤出主要靠能量波(声波)的传导, 而声波在液体中传导时需要克服液体对其传输的阻力即声波阻抗。声波阻抗(Acoustic Impedance)Z为：

其中p为声波经过一介质时, 由震动产生的压强改变量(声压), 而u为介质流过以面积下的速度, c为声波在该介质中的速度而ρ为该介质的密度。声波阻抗单位为 Rayles。

但当传导液体置于一长管道内部时, 阻抗大小不仅仅和波速和媒介密度有关, 还和管径的尺寸有关。则此时的声波阻抗为特征声波阻抗(Characteristic Acoustic Impedance)Z₀：

A为管道横截面积而特征声波阻抗5单位为Ns/m

如第1节所述, 在喷墨印刷开始时, 压电板在电压的作用下发生形变, 使得墨水向通道内部收缩从而产生产生能量波。该能量波在经过反射后会与第二次挤出墨水时产生的能量波重叠产生放大作用并向外挤出墨水。能量波的反射效果可以用反射系数来表示R(3)：

其中ar和ai为反射波和入射波的振幅。将上式展开, 可得反射系数完整表达式为⁽³⁾：

若入射角度为0(垂直入射), 则反射系数可以变化为³：

由此可见:

当Z2?Z1时, R→1, 反射面可视为一刚性表面, 则大部分能量波将会被反射且波的相位不会发生变化；

当Z2?Z1时, R→?1, 反射面可视为一柔性表面, 则大部分能量波将会被反射但波的相位会发生180°变化；

当Z2=Z1时, R=0, 则不会发生反射；

当?1?R?1时, 部分波会发生反射且其波的相位会发生一定的变化。

考虑两种传播路径结构(如Fig 1.2.2), Fig 1.2.2 a路径结构中, 反射面可视为一刚性表面, 则大部分能量波将会被反射且波的相位不会发生变化；

若路径结构如Fig 1.2.2 b, 则能量波的反射还需考虑横截面积A2和横截面积A1之间的关系。在长管通道中, 若墨水为同一种材料, 则介质密度ρ和能量波在该介质内波速c相等, 将以下公式进行代换后有⁽²⁾：

若A2?A1, 则R→?1, 反射面可视为一柔性表面, 则大部分能量波将会被反射但波的相位会发生180°变化。

Fig 1.2.2 波的入射和反射⁽³⁾

Fig 1.2.3 两种传播路径结构

Acoustic 反射型激发

在常见的桌面打印机(Fig 1.2.4) ^(2), 其原理结构可以被Herman Wijshoff(2)简化为Fig1.2.5 所示。

Herman Wijshoff2 认为该类型喷头在喷墨时, 墨水在腔体内的运动可以简化为LongChannel 模型来解释。同时该喷墨过程存在以下4 个阶段：

压电陶瓷在伏电压向外鼓出并扩展墨水挤压腔的体积, 在该过程中从喷头向内不下产生一个内向波；

该波形在墨水挤压腔后部进行反射；

在反射波到达压电陶瓷部位时, 对压电陶瓷施加正压并压缩墨水挤压腔体积。该步骤主要目的是将反射波放大；

反射波到达喷嘴后将墨水挤出。

Fig 1.2.4 一般桌面型打印机喷头的CAD制图和结构⁽²⁾

Fig 1.2.5 桌面型打印机喷头横截面结构(2)

Fig 1.2.6 Long Channel模型和波在各个阶段波传导的过程⁽²⁾

该过程可被简化为Fig 1.2.6。

Helmholtz Resonance型激发和 Acoustic Terminator

Helmholtz Resonance

在印刷电子工业上用的打印机结构和一般商用型打印机结构不同。在印刷OLED工业中使用的打印机喷头结构如Fig 1.2.8所示。在该种结构下, 波在喷头内的传导和出墨原理可以用亥姆霍兹共鸣器(Helmholtz Resonance)模型(7) (8) 来解释。

最原始的亥姆霍兹共鸣器( Helmholtz Resonance)为一两端有瓶颈通道开口, 而中部存有腔室的器具(Fig 1.2.9)。 该器具可以在削弱其他声波的同时, 对特定频率的声波起到谐振放大效果。

理论上亥姆霍兹共鸣器为由理想刚体建立起来的一刚性腔体和一刚性通道的密闭空腔。刚性的空腔就叫做“亥姆霍兹共振腔”, 在空腔的表面开一个面积相对于空腔表面积很小的孔, 在孔上插入一根空心刚体管道, 组成的结构就称为“亥姆霍兹共鸣器”。

对于一个亥姆霍兹共鸣器而言, 当其内部空气受到外界波动的强制压缩时(无论强制力施加于空腔内的空气还是管道内的空气, 施加的外力是来自声波还是腔体振动), 管道内的空气会发生振动性的运动, 而空腔内的空气对之产生恢复力。此时该共鸣器可以视作一个弹簧, 且对施加作用的波动有共振现象, 其固有频率 fH 可以大致简化为(7)：

其中 v 为声波速度和 V 为腔体静态体积, 且此时器件固有振动波长为 λH。考虑 Closed End 的喷头结构(Fig 1.1.6), 高精度印刷DOD 喷头来说, 其亥姆霍兹频率 fH 可写为(8)：

其中 c 为波速。

Fig 1.2.8 亥姆霍兹共鸣器(Helmholtz Resonantor) ⁽⁷⁾

Fig 1.2.9 Helmholtz Resonantor 结构(9)

Fig 1.2.10 采用Helmholtz Resonantor 设计的喷头结构⁽⁸⁾

在不了解打印机喷头结构缺乏的情况下, 喷墨打印波形可以多次试验的方式摸索出来。

Sphen D. Hoath(8)认为在此类型喷头中, 其喷墨印刷波形调试的参数为：

对Unipolar 的波形：

对Bipolar 的波形：

V1 和V2 值需要在实验中进行具体调整。

Fig 1.2.11 波形调整⁽⁸⁾

Acoustic Terminator

(a) 侧压型Piezoelecric喷头结构 (b) Acoustic Terminator

Fig 1.2.12 Spectra?, Inc公司(10) (a) 喷头结构;(b) Acoustic Terminator结构

由前文得知, 压电陶瓷在激发时会产生一声波, 该声波会同时向喷头内侧和喷嘴处运动。在印刷过程中, 供墨端的墨水有可能会受到该声波的影响, 从而导致印刷的精度和可靠性下降。Spectra?, Inc公司在其Bend Mode侧压型Piezoelecric喷头中通过制作Acoustic Terminator结构的方式来消除该反向波的影响10。

入射波在通过该结构时, 首先会被分散为多个小波, 其后该残余波在Acoustic Terminator内往复反射中衰减。该结构不仅仅能避免压电陶瓷形变时产生的声波对后方供墨通道中墨水流动产生串扰, 同时也能使得连续供墨时墨水的流动更加稳定。

凭借大面积、低成本、柔性、绿色环保等突出的优势，印刷OLED成为下一代显示产业发展的方向，韩国三星、LG，德国默克、美国杜邦、日本住友化学等国际显示领域终端、器件和材料巨头均已开始在此领域布局。

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