CN101011881A - 采用压电激励器的喷墨打印头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电喷墨打印头，包括具有压力室的流动通道形成基底，形成在流动通道形成基底上并给压力室提供驱动力以喷射墨水的压电激励器，和至少形成在压电激励器上并衰减压电激励器的余振的阻尼层。

Description

采用压电激励器的喷墨打印头

技术领域

本发明涉及一种喷墨打印头，更具体而言，本发明涉及一种以压电方式喷射墨水的喷墨打印头。

背景技术

一般地，喷墨打印头通过喷射细微的打印墨滴到打印纸上所需的位置而打印预定的彩色图像。根据墨水喷射方式喷墨打印头可以分为两种：热喷墨打印头和压电喷墨打印头。热喷墨打印头利用热源在墨水中产生气泡以利用气泡的扩展力喷射墨水。压电喷墨打印头使用压电材料以利用施加到墨水的压力喷射墨水，该压力由压电材料的变形产生。

图1是示出了常规压电喷墨打印头的构造的剖面图。参照图1，流动通道形成基底10包括形成用于墨水的通道的集流腔(manifold)13、多个限流器12和多个压力室11。喷嘴基底20包括多个分别相应于压力室11的喷嘴22。提供压电激励器40设置在流动通道形成基底10的上部分中。集流腔13是从墨水储存器提供的墨水提供到每个压力室11的通道。限流器12是墨水从集流腔13通进每个压力室11的通道。压力室11填充有将被喷射的墨水并配置在集流腔13的一边或两边。压力室11由于其体积随着压电激励器40的操作而变化从而产生喷或吸墨水的压力的变化。为此，形成流动通道形成基底10的压力室11的上壁的部分作为由压电激励器40变形的振动片14。

压电激励器40包括依次堆积在形成基底10的流动通道上的下电极41、压电层42和上电极43。氧化硅层31形成在下电极41和流动通道形成基底10之间作为绝缘层。下电极41在氧化硅层的整个表面上形成以作为共用电极。压电层42形成在下电极41上以定位在压力室11上。上电极43形成在压电层42上并作为驱动电极以施加电压到压电层42。用于提供电压的柔性印刷电路50连接到上电极43。

当驱动脉冲施加到上电极43时，压电层42变形且振动片14变形，使得每个压力室11的体积改变。因此，压力室11中的墨水通过喷嘴22喷射。驱动脉冲的频率受压电层42的减震性能影响。所以，压电层42的振动需要很快地衰减掉。

图2示出在驱动电压施加到上电极43之后利用激光多普勒测速仪(laser-dopler velocimetry，LDV)的压电层42移位(displacement)的测量结果。参照图2，为了喷射墨水的压电层42的移位产生约15μs且随后压电层42的余振持续约85μs。根据以上测试的结果，当驱动脉冲的频率大于10kHz时，压电层42的移位受到由前一周期的驱动脉冲引起的余振的影响。结果，难于以固定速度喷射墨滴且喷射的墨滴的体积可能是不均匀的。而且，由于每个压力室11中的压力波不能在短时间内移除，在相邻的压力室11之间可能产生串扰(cross-talk)。

发明内容

为了解决以上和/或其它问题，本发明提供一种能迅速衰减掉压电层余振的压电喷墨打印头。

根据本发明的一个方面，压电喷墨打印头包括具有压力室的流动通道形成基底、形成在流动通道形成基底上并给压力室提供驱动力以喷射墨水的压电激励器、和至少形成在压电激励器上并衰减压电激励器的余振的阻尼层。

阻尼层形成到流动通道形成基底上部分的相应于压力室的区域。

压电喷墨打印头还包括施加驱动电压以驱动压电激励器的印刷电路，其中阻尼层形成在印刷电路和压电激励器之间的结合部分上。

阻尼层的机械损失率大于压电激励器和流动通道形成基底的机械损失率。阻尼层的杨氏模量不大于5000MPa。

阻尼层由从硅橡胶、环氧树脂、聚亚氨脂和光致抗蚀剂物质或其组合构成的组中选出的一个形成。

根据本发明的一个方面，压电喷墨打印头包括：具有压力室的流动通道形成基底；给压力室提供驱动力以喷射墨水的压电激励器；和形成在压电激励器上的阻尼层，阻尼层的机械损失率大于压电激励器和流动通道形成基底的机械损失率。

附图说明

通过参照附图详细描述其优选实施例，本发明以上和其它特点和优点将变得更明显，其中：

图1是示出常规压电喷墨打印头的构造的剖面图；

图2是示出压电层余振的曲线图；

图3是示出根据本发明实施例的压电喷墨打印头的构造的剖面图；

图4是图3的喷墨打印头的平面图；

图5是示出图3的喷墨打印头的余振衰减效果的曲线图；和

图6A到6D是示出图3的喷墨打印头的制造方法的剖面图。

具体实施方式

在附图中，相同的参考标号代表相同的构成元件。为了方便说明，图中每个构成元件的尺寸可以夸大。而且，当层被描述为存在于另一个层上时，该层可以直接接触另一层而存在或者其间可以存在第三层。将参照附图详细描述本发明的实施例。

图3是示出根据本发明实施例的喷墨打印头的构造的剖面图。图4是图3的喷墨打印头的平面图。参照图3和4，根据本发明实施例的喷墨打印头包括其中形成了墨水通道的流动通道形成基底110，和提供墨水喷射压力的压电激励器140。流动通道形成基底110包括压力室111、把墨水提供进压力室111的集流腔113、和限流器112。从墨水室111喷射墨水的喷嘴122形成在贴附到流动通道形成基底110的喷嘴基底120中。振动片114提供在压力室111上并通过压电激励器140的操作变形。墨水通道由流动通道形成基底110和喷嘴基底120限定。

压电激励器140形成在流动通道形成基底110上，并提供驱动力用于把墨水喷射到压力室111。压电激励器140包括用作共用电极的下电极141、通过施加电压而变形的压电层142和用作驱动电极的上电极143。下电极141、压电层142和上电极143依次堆积在流动通道形成基底110上。

下电极141形成在其中形成有压力室111的流动通道形成基底110上。当流动通道形成基底110由硅晶片形成时，氧化硅层131可以形成在流动通道形成基底110和下电极141之间作为绝缘层。下电极141由导电金属材料形成。下电极141可以做成单金属层或优选由Ti层和Pt层形成的双金属层。由Ti/Pt层制成的下电极141不仅用作共用电极而且用作扩散阻隔层以防止分别形成在下电极141上面和下面的压电层142和流动通道形成基底110之间的相互扩散。

压电层142形成在下电极141上并设置在相应于压力室111的位置上。压电层142可以由优选PZT(lead zirconate titanate，锆钛酸铅)陶瓷材料的压电材料形成。上电极143用作驱动电极以施加电压到压电层142。例如柔性印刷电路150的电压施加驱动电路的配线151接合到上电极143的上表面。

图3和4中所示的流动通道形成基底110、喷嘴基底120和压电激励器140的结构仅是例子。即，具有多种结构的墨水通道可以提供在压电喷墨打印头中且这样的墨水通道可以利用图3中所示的两基底110和120以外的多个基底形成。而且，压电激励器140的结构和用于连接压电激励器140与电压施加驱动电路的结构可以用多种方式改进。换言之，本发明的特点在于衰减压电层142的余振的结构方面，不是在墨水通道、压电激励器140及压电激励器140和电压施加驱动电路的连接的结构方面。

压电层142的振动需要迅速地衰减掉。为此，可以考虑主动减震方法、被动减震方法和利用体激励器的方法。

主动减震方法通过施加紧邻主驱动脉冲的辅助脉冲以喷射墨水从而在压电层142中产生与压电层142余振波相反的振动来强制衰减掉余振。换言之，辅助脉冲施加在图2的曲线图中15μs到100μs之间的一段上。根据这种方法，虽然可能较快减震，但是驱动压电激励器140的驱动电路的结构变得复杂。而且，施加辅助脉冲的时间点需要仔细检查。

被动减震方法是向振动材料增加具有大的机械损失率的材料使得被动衰减材料吸收或消耗余振能量。

体激励器涉及通过蚀刻烧结的(sintered)压电材料而制造的压电激励器。由于材料的密度高且其厚度大，因此刚度大。因此，体激励器在衰减余振方面是有效的。然而，体激励器的制造工艺是复杂的且产量低。而且，由于体激励器的移位相对小，需要高驱动电压。

参照图3，阻尼层160形成在压电激励器140上。优选的是，阻尼层160的机械损失率大于压电激励器140或流动通道形成基底110的机械损失率。机械损失率可以用多种方法表示，诸如杨氏模量和剪切模式中的损失系数，其中损失系数是剪切模量“G”的虚数部分/实数部分的正切值。在下文中，机械损失率由杨氏模量表示。当杨氏模量减小时，机械损失率增大。可以用作流动通道形成基底110的硅单晶基底的杨氏模量约是150-2000GPa。而且，形成压电层142的PZT(锆钛酸铅)具有约40-600GPa的杨氏模量。阻尼层160必须非常柔软不致限制由压电激励器140产生的非常小的力和移位来喷射墨水。因此，阻尼层160的杨氏模量与流动通道形成基底110或压电层142相比必须足够小。可以用作阻尼层160的材料的杨氏模量优选地不大于约5000MPa。阻尼层160可以由例如优选任何RTV(室温硫化)硅橡胶的硅橡胶、环氧树脂、聚亚氨脂和光致抗蚀剂物质或它们的一个或两个的组合形成。上述材料仅是例子且阻尼层160可以由多种具有足够低于流动通道形成基底110或压电层142的杨氏模量的材料形成。

阻尼层160优选地形成为覆盖至少压电激励器140的上部分。更优选地，形成阻尼层160以覆盖流动通道形成基底110相应于压力室111的全部区域。而且，阻尼层160可以形成为覆盖柔性印刷电路150与压电激励器140之间的结合部分152。当阻尼层160通过利用分注器(dispenser)或通过旋涂或喷涂形成时，它被形成在包括压电激励器140的打印头的整个上部分上。

图5示出在由硅橡胶形成的阻尼层160形成之后的阻尼效果的测试结果。阻尼层160的厚度约是2mm且硅橡胶的平均弹性系数约是5MPa。施加到压电激励器140的驱动脉冲电压是35V且施加时间是10μs。

参照图5，余振几乎在施加驱动脉冲之后的35μs时期内被衰减掉。对比图2所示的结果，注意到余振的衰减时间显著地减少了。虽然测试中阻尼层160的厚度设为2mm，但本发明不限于此。

为了稳定地喷射具有高粘度的墨水，需要增加压电层142的移位。压电层142的移位与压电层142的尺寸基本成比例。由于当压电层142的厚度增加时压电层142的移位减少，获得相同的移位需要大的驱动电压。压电层142的长度由压力室111的长度决定。因此，为了提高压电层142的尺寸，需要增加压电层142的宽度。当压电层142的厚度和长度相同时，如果仅增加压电层142的宽度，压电层142的刚度减小，这对余振的限制是不利的。根据本发明的喷墨打印头，通过形成阻尼层160，根据压电层142宽度增加的刚度的下降可以被补偿。所以，由于余振可以被有效衰减掉同时保持压电层142的高移位，可以提供能够稳定地喷射具有高粘度的墨水的喷墨打印头。

由于不需要用于主动减震的辅助脉冲，可以简化驱动电路且可以增加驱动脉冲的频率。因此，可以提供能够稳定并高速操作的喷墨打印头。而且，由于余振可以很快地衰减掉，可以改善关于驱动脉冲的喷射响应特性。可以保证墨滴的移动稳定性从而可以获得高质量打印。此外，由于相邻的压力室之间的串扰被降低，从喷嘴喷射的墨滴的速度或体积可以均一地保持，从而产生一致的打印质量。

由于阻尼层160形成到相应于流动通道形成基底110的压力室111的区域，通过压力室中的压力波传送到整个流动通道形成基底110的振动可以被吸收。此外，阻尼层160可以具有密封功能。当墨水喷出数被积累时，由于振动片114重复振动，在延伸到限流器112的阻隔壁115周围的转角部分116中存在产生微损伤(例如裂缝)的可能性。当墨水通过裂缝泄漏时，上和下电极143和141短路使得喷射可靠性可能严重降低。

根据本发明的喷墨打印头，由于阻尼层160形成到相应于流动通道形成基底110的压力室111的区域，可以防止墨水的泄漏。而且，阻尼层160可以作为包括压电激励器140的整个喷墨打印头的电子、机械和化学表面保护层。为了最大化密封和表面保护功能的效果，阻尼层160更优选地形成在包括压电激励器140的流动通道形成基底110的整个上表面上。而且，由于阻尼层160形成以覆盖柔性印刷电路150与压电激励器140之间的结合部分152，可以改善柔性印刷电路150和压电激励器140的组合的耐用性

图6A到6D是示出图3的压电喷墨打印头的制造方法的剖面图。参照图6A，制备了其中形成了压力室111、限流器112、集流腔113和振动片114的流动通道形成基底110。形成氧化硅层131作为流动通道形成基底110上表面上的绝缘层。

如图6B所示，下电极141形成在氧化硅层131上。详细地，如上所述下电极141可以由Ti层和Pt层的两金属层形成。通过淀积方法在氧化硅层131的整个表面上淀积Ti和Pt，下电极141可以形成为具有预定厚度。

如图6C所示，通过例如丝网印刷的构图方法在下电极141上涂压电材料形成压电层142为具有预定厚度。压电层142形成在相应于压力室111的位置上。虽然多种材料可以用作压电材料，优选使用PZT(锆酸钛酸铅盐)陶瓷材料。

图6D示出了其中上电极143形成在压电层142上的情况。上电极143可以通过在压电层142上丝网印刷导电金属材料而形成。在压电层142和上电极143在预定温度下烧结之后，电场施加到压电层142以进行产生压电特性的极化(poling)工艺。

接着，利用分注器或通过旋涂或喷涂，把诸如硅橡胶或环氧树脂的阻尼材料涂在压电激励器140的上部分上以形成阻尼层160。通过用掩模覆盖上电极143，阻尼层160不会形成在接合了柔性印刷电路150的配线151的位置上。然后，电压施加驱动电路，例如柔性印刷电路150的配线151，接合到上电极143的上表面，因此制造了图3所示的具有阻尼层160的压电喷墨打印头。

在柔性印刷电路150的配线151接合到上电极142之后，由上述方法可以形成阻尼层160。此时，阻尼层160优选形成到结合部分152。虽然图中没有示出，阻尼层160可以通过利用分注器或通过旋涂或喷涂把诸如硅橡胶或环氧树脂的阻尼材料涂在喷墨打印头封装到挡板(bezel)(未示出)之后所暴露的表面上而形成。

如上所述，根据本发明的压电喷墨打印头，由于压电层形成在压电激励器的上部分上，可以显著减少衰减余振的时间。因此，即使当使用高粘度的墨水时，喷墨打印头可以稳定地喷射墨水。而且，可以提高用于驱动压电激励器的驱动脉冲频率，所以可以提供能够稳定和高速操作的喷墨打印头。由于可以改善关于驱动脉冲的喷射响应特性，且可以保证墨滴的移动稳定性，所以可获得高质量的打印且可以减少相邻的压力室之间的串扰。此外，可以获得用于防止墨水泄漏的密封效果和坚固保持压电激励器与柔性印刷电路之间的组合的效果。

虽然本发明已经参照其优选实施例特别示出并描述，但本领域的技术人员将会理解的是，不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围，在形式和细节上可以作出多种变更。

Claims (11)

1.一种压电喷墨打印头，包括：

流动通道形成基底，具有压力室；

压电激励器，形成在所述流动通道形成基底上并给所述压力室提供驱动力以喷射墨水；和

阻尼层，至少形成在所述压电激励器上并衰减压电激励器的余振。

2.根据权利要求1所述的压电喷墨打印头，其中所述阻尼层形成在所述流动通道形成基底上部分的相应于所述压力室的区域上。

3.根据权利要求1所述的压电喷墨打印头，还包括施加驱动电压以驱动所述压电激励器的印刷电路，其中所述阻尼层形成在所述印刷电路和所述压电激励器之间的结合部分上。

4.根据权利要求1所述的压电喷墨打印头，其中所述阻尼层的机械损失率大于所述压电激励器和所述流动通道形成基底的机械损失率。

5.根据权利要求1所述的压电喷墨打印头，其中所述阻尼层的杨氏模量不大于5000MPa。

6.根据权利要求1所述的压电喷墨打印头，其中所述阻尼层由从硅橡胶、环氧树脂、聚亚安酯和光致抗蚀剂物质或其组合构成的组中选出的一个形成。

7.一种压电喷墨打印头，包括：

流动通道形成基底，具有压力室；

压电激励器，给所述压力室提供驱动力以喷射墨水；和

阻尼层，形成在所述压电激励器上，所述阻尼层的机械损失率大于所述压电激励器和所述流动通道形成基底的机械损失率。

8.根据权利要求7所述的压电喷墨打印头，其中所述阻尼层的杨氏模量不大于5000MPa。

9.根据权利要求8所述的压电喷墨打印头，其中所述阻尼层由从硅橡胶、环氧树脂、聚亚氨脂和光致抗蚀剂物质或其组合构成的组中选出的一个形成。

10.根据权利要求7所述的压电喷墨打印头，其中所述阻尼层形成到相应于所述压力室的区域。

11.根据权利要求10所述的压电喷墨打印头，还包括施加驱动电压以驱动所述压电激励器的印刷电路，其中所述阻尼层形成在所述印刷电路和所述压电激励器之间的结合部分上。

Images