CN103963468A - 压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备，属于喷墨打印技术领域，所述压电喷墨头包括喷头基座、流体槽板、喷嘴板、压电陶瓷驱动器和驱动电路装置，所述喷头基座包括墨水腔、墨水流入管路和墨水流出管路；所述流体槽板上开有多个流体槽并将所述墨水腔分隔成墨水流入腔和墨水流出腔；所述喷嘴板上开有多个微喷孔，每个微喷孔均与所述流体槽的凹部位置相对应；所述压电陶瓷驱动器包括多个压电陶瓷微单元，每个压电陶瓷微单元均与所述流体槽的凹部位置相对应；所述驱动电路装置与所述压电陶瓷驱动器电连接。本发明有效地解决了压电喷墨头工作效率较低；材料选择空间小，加工成本高；流体槽和/或微喷孔易堵塞的问题。

Description

压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备

技术领域

本发明涉及喷墨打印技术领域，特别是指一种压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备。

背景技术

压电喷墨头作为陶瓷喷墨打印机最核心、所占成本最高、最重要、技术含量最高的部件，国内从研发到制造均属空白，完全依赖于进口。这种压电喷墨头大多采用压电陶瓷切槽工艺，通过压电陶瓷凹槽壁的剪切变形，实现墨水的挤出动作，但由于凹槽壁的动作会影响到临近凹槽壁的喷射动作，所以现有压电喷墨头的微喷孔板一般都是按照微喷孔三个一组来设计，同组内的微喷孔分时间序列实现喷墨动作，不能同时动作，工作效率较低。

上述压电喷墨头的喷射动作，是由凹槽壁的剪切变形，挤压流体槽中的墨水完成的，压电喷墨头中的流体槽要完成储墨与喷射双重功能，实现部件结构与功能的双重复合。为使压电喷墨头具有较高的喷射性能，就需要该部件材料必须能同时满足具有较优的电学性能和压电性能，以及结构可加工性和较好的塑性变形能力，材料选择空间很小，加工成本较高。

并且，上述压电喷墨头为了更换方便和降低成本，压电喷墨头与墨盒是分离的，更换墨盒时不必更换压电喷墨头，因此压电喷墨头使用时间较长，墨腔中长期沉积下来的墨水及其杂质容易造成流体槽和/或微喷孔的堵塞，导致压电喷墨头的喷射精度下降，使用寿命缩短。所以，近年来不少创新设计都在考虑或者追求如何避免压电喷墨头的堵塞问题，以提高喷射精度和延长使用寿命，实现压电喷墨头更大规模和范围的使用。

发明内容

本发明提供一种压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备，有效地解决了压电喷墨头工作效率较低；材料选择空间小，加工成本高；流体槽和/或微喷孔易堵塞的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种压电喷墨头，包括喷头基座、流体槽板、喷嘴板、压电陶瓷驱动器和驱动电路装置，其中：

所述喷头基座的下端面上开有凹槽，所述喷嘴板盖设在所述凹槽上，形成墨水腔，所述喷头基座的上端面上设置有与所述墨水腔连通的墨水流入管路和墨水流出管路；

所述流体槽板上开有多个流体槽，所述流体槽板位于所述墨水腔内并将所述墨水腔分隔成两部分，形成墨水流入腔和墨水流出腔，所述墨水流入腔与所述墨水流入管路连通，所述墨水流出腔与所述墨水流出管路连通；

所述喷嘴板为所述压电陶瓷驱动器提供弹性物理支撑，所述喷嘴板上开有与所述流体槽数量一致的微喷孔，每个微喷孔均与所述流体槽的凹部位置相对应；

所述压电陶瓷驱动器粘结在所述喷嘴板外表面上，所述压电陶瓷驱动器包括与所述流体槽数量一致的压电陶瓷微单元，每个压电陶瓷微单元均与所述流体槽的凹部位置相对应；

所述驱动电路装置与所述压电陶瓷驱动器电连接。

进一步的，所述流体槽板为至少一块，形状为长条形，所述流体槽板间隔设置在所述墨水流入管路和墨水流出管路之间，所述墨水腔在所述墨水流入管路一侧形成所述墨水流入腔，所述墨水腔在所述墨水流出管路一侧形成所述墨水流出腔。

进一步的，所述流体槽板为相互平行的两块，形状为长条形，所述墨水腔内还设置有挡流板，所述墨水腔的一个侧壁的一部分与所述两块流体槽板以及所述挡流板在所述墨水流入管路一侧共同围成所述墨水流入腔，所述墨水腔内其余部分为所述墨水流出腔。

进一步的，所述压电陶瓷微单元为单层压电陶瓷片或双层压电陶瓷片。

进一步的，所述双层压电陶瓷片由上下两层压电陶瓷片粘结形成，上下两层压电陶瓷片是沿厚度方向极化，且极化方向相反。

进一步的，所述喷嘴板的下表面涂有第一钝化层，所述第一钝化层表面设置有与所述压电陶瓷微单元数量一致的导电通道，所述导电通道表面涂有第二钝化层，所述导电通道两端分别连接所述压电陶瓷微单元和驱动电路装置。

进一步的，所述驱动电路装置为外接柔性PCB板或集成在所述喷嘴板上。

进一步的，所述喷嘴板的材质为金属材料或非金属材料，所述金属材料为镍铁合金、不锈钢和/或铍青铜，所述非金属材料为聚四氟乙烯树脂、特氟龙膜，所述微喷孔通过激光加工制得；

所述压电陶瓷驱动器的材质为软性压电陶瓷材料或者压电应变常数d₃₃大于500的压电材料；

所述流体槽板的材质为结构陶瓷、金属材料、有机玻璃、工程塑料或半导体硅材料，所述结构陶瓷为氧化铝、氧化锆、氮化硅和/或氮化铝。

进一步的，所述喷嘴板的厚度为30μm-100μm；所述压电陶瓷微单元的厚度为100μm-300μm；所述微喷孔的直径为30μm-80μm；所述流体槽的深度小于等于500μm。

一种打印设备，所述打印设备包括权利要求1至9中任一权利要求所述的压电喷墨头。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备工作时，利用压电陶瓷面内伸缩变形将墨水从墨水腔中的压迫喷出，其中压电陶瓷驱动器的多个压电陶瓷微单元之间彼此独立，加电之后独自发生面内伸缩变形，不会影响到或受制于相邻压电陶瓷微单元的变形，彼此动作互不干扰，任何时刻任意微喷孔都可以单独工作或相邻微喷孔同时工作，这极大改善了压电喷墨头的工作效率；流体槽仅仅完成储墨功能，参与墨水的内循环，不具有喷射功能，而由另一部件压电陶瓷驱动器来完成墨水的喷射动作，因此，压电陶瓷驱动器的材质只须满足具有较优的电学性能和压电性能，而流体槽的材质只须满足具有结构可加工性和较好的塑性变形能力即可，材料选择空间大，加工成本较低；本发明中的墨水从墨盒中流出后依次经过墨水流入管路、墨水流入腔、流体槽、墨水流出腔、墨水流出管路，最后再返回墨盒，实现了墨水内循环，可以将墨水中的杂质、气泡等带出送至墨盒中，这样就避免了流体槽和/或微喷孔的堵塞。

附图说明

图1为本发明的压电喷墨头的结构示意图；

图2为本发明的压电喷墨头的一种实施方式的分解示意图；

图3为本发明的压电喷墨头的一种实施方式的组装视图；

图4为本发明的压电喷墨头的另一种实施方式的分解示意图；

图5为本发明的压电喷墨头的另一种实施方式的组装视图；

图6为图4的压电喷墨头的流体槽板的A部分的局部放大图；

图7为图4的压电喷墨头的压电陶瓷驱动器的B部分的局部放大图；

图8为本发明的压电喷墨头的单层压电陶瓷微单元的局部放大图；

图9为本发明的压电喷墨头的双层压电陶瓷微单元的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种压电喷墨头，如图1至图7所示，包括喷头基座1、流体槽板2、喷嘴板3(或3’)、压电陶瓷驱动器4和驱动电路装置(未示出)，其中：

喷头基座1的下端面上开有凹槽，喷嘴板3(或3’)盖设在凹槽上，形成墨水腔11，喷头基座1的上端面上设置有与墨水腔11连通的墨水流入管路12和墨水流出管路13，喷头基座1可以采用注塑成型，一次完成，工艺简单可靠；

流体槽板2上开有多个流体槽21，流体槽板2位于墨水腔11内并将墨水腔11分隔成两部分，形成墨水流入腔112和墨水流出腔113，墨水流入腔112与墨水流入管路12连通，墨水流出腔113与墨水流出管路13连通；

喷嘴板3为压电陶瓷驱动器4提供弹性物理支撑，喷嘴板3(或3’)上开有与流体槽21数量一致的微喷孔31(或31’)，每个微喷孔31(或31’)均与流体槽21的凹部位置相对应；

压电陶瓷驱动器4粘结在喷嘴板3(或3’)外表面上，压电陶瓷驱动器4包括与流体槽21数量一致的压电陶瓷微单元41，每个压电陶瓷微单元41均与流体槽21的凹部位置相对应；

驱动电路装置与压电陶瓷驱动器4电连接。

工作时，墨水从墨盒中流出，进入墨水流入管路12，通过墨水流入管路12进入墨水流入腔112，并经过流体槽21进入墨水流出腔113，打印时，需要某个微喷孔31(或31’)喷出墨水时，驱动电路装置产生驱动电信号，该电信号发送到压电陶瓷驱动器4与该微喷孔31(或31’)相应的压电陶瓷微单元41，压电陶瓷微单元41在电信号的作用下产生变形，挤压喷嘴板3(或3’)，喷嘴板3(或3’)具有一定的弹性，随着压电陶瓷微单元41产生相应变形，压迫流体槽21内的墨水，使其从该微喷孔31(或31’)喷出，未喷出的墨水在压力的作用下流入墨水流出腔113，最后经墨水流出管路13返回到墨盒中。

与现有技术相比，本发明的压电喷墨头的压电陶瓷驱动器4结构简单，制作时可以先将压电陶瓷驱动器4(优选长条状结构)粘结在喷嘴板3(或3’)上，再利用精密划片机，将上述整根的条状压电陶瓷驱动器4切割成梳状各自独立的压电陶瓷微单元41，且每个压电陶瓷微单元41均与流体槽21的凹部位置相对应。压电陶瓷微单元41之间彼此独立，加电之后独自变形，不会影响到或受制于相邻压电陶瓷微单元41的变形，彼此动作互不干扰，任何时刻任意微喷孔31(或31’)都可以单独工作或相邻微喷孔31(或31’)同时工作，这极大改善了压电喷墨头的工作效率；压电陶瓷微单元41的变形采用的是面内伸缩变形模式，可以对流体槽21中的墨水产生较大的变形压力，有利于增加墨滴喷射初始速度；

流体槽21仅仅完成储墨功能，参与墨水的内循环，不具有喷射功能，而由另一部件压电陶瓷驱动器4来完成墨水的喷射动作。因此，压电陶瓷驱动器4的材质只须满足具有较优的电学性能和压电性能，而流体槽21的材质只须满足具有结构可加工性和较好的塑性变形能力即可，材料选择空间大，流体槽21、压电陶瓷微单元41均可以采用高精度划片机加工制得，加工精度高，加工成本较低；

本发明中的墨水从墨盒中流出后依次经过墨水流入管路12、墨水流入腔112、流体槽21、墨水流出腔113、墨水流出管路13，最后再流入墨盒，实现了墨水内循环，可以将墨水中的杂质、气泡等带出送至墨盒中，这样就避免了流体槽21和/或微喷孔31(或31’)的堵塞，提高喷射精度和延长使用寿命。

作为本发明的一种改进，如图2及图3所示，流体槽板2为至少一块(图中所示为相互平行的两块)，形状为长条形，流体槽板2间隔设置在墨水流入管路12和墨水流出管路13之间，墨水腔11在墨水流入管路12一侧形成墨水流入腔112，墨水腔11在墨水流出管路13一侧形成墨水流出腔113。这种压电喷墨头结构简单，无需增加其他部件，加工制造方便。

作为本发明的另一种改进，如图4及图5所示，流体槽板2为相互平行的两块，形状为长条形，墨水腔11内还设置有挡流板5，墨水腔11的一个侧壁的一部分与两块流体槽板2以及挡流板5在墨水流入管路12一侧共同围成墨水流入腔112，墨水腔11内其余部分为墨水流出腔113。这种压电喷墨头的墨水在循环过程中，所有的墨水均参与流动循环，不会出现墨水腔11内的某个部分的墨水静止不流动的情况，更好的避免了流体槽21和/或微喷孔31’的堵塞，提高喷射精度和延长使用寿命。

应当理解的是，图2-5仅示出了压电喷墨头内优选的两种不同的结构形式，本领域技术人员可以在此基础上进行改进和调整，以形成更多不同的结构形式，此处不再赘述。

本发明中，如图8及图9所示，为适应不同材料制成的喷嘴板3，压电陶瓷微单元41可以为单层压电陶瓷片或双层压电陶瓷片。当喷嘴板3的制造材料弹性较好时，压电陶瓷微单元41的变形可带动喷嘴板3发生弯曲，对流体槽21产生足够的压力时，可选择单层压电陶瓷片；当喷嘴板3的制造材料弹性较差或者为非导体时，喷嘴板3不发生弯曲变形或者弯曲变形小，而不能对流体槽21产生足够的压力时，可选择双层压电陶瓷片。

压电陶瓷微单元41为双层压电陶瓷片时，为使喷嘴板3产生足够的弯曲变形，如图9所示，压电陶瓷微单元41由上层压电陶瓷片411和下层压电陶瓷片412粘结形成，上下两层压电陶瓷片是沿厚度方向极化，且极化方向相反。当压电陶微单元41收到信号驱动时，上层压电陶瓷片411和下层压电陶瓷片412产生方向相反的横向面内变形，从而压电陶瓷微单元41自身产生弯曲变形，带动喷嘴板3弯曲，对流体槽21产生压力，实现墨水喷射。

为了方便的使压电陶瓷驱动器4和驱动电路装置实现电连接，喷嘴板3的下表面涂有第一钝化层，第一钝化层表面设置有与压电陶瓷微单元41数量一致的导电通道，导电通道表面涂有第二钝化层，导电通道两端分别连接压电陶瓷微单元41和驱动电路装置。

这样，喷嘴板3的一侧与流体槽21构成腔体阵列，墨水就在该腔体阵列中循环流动，导电通道布置在喷嘴3的另一侧，分布在压电陶瓷微单元41的两侧，与压电陶瓷微单元41连接，并为其提供驱动信号。工作时压电陶瓷微单元41产生的大量热量可通过喷嘴板3和导电通道传到墨水和喷头基座处，并随着墨水的循环流动被带走，实现电路的散热，这样可以有效地减少过热的问题，压电喷墨头的工作温度比较稳定，保障压电喷墨头的工作状态。

更具体的，驱动电路装置可以为外接柔性PCB板，更方便的，可以将驱动电路装置集成在喷嘴板3上。

本发明的压电喷墨头的材料选择空间大，加工工艺简单，加工成本较低，具体的，喷嘴板3的材质可以为金属材料或非金属材料，金属材料可以为镍铁合金、不锈钢和/或铍青铜，非金属材料可以为聚四氟乙烯树脂、特氟龙膜；

微喷孔31可以通过现有技术中各种方式制得，优选通过激光加工制得，激光加工与现有的MEMS相比有以下优点：(1)MEMS生产线成本极高，而激光加工设备成本低；(2)激光加工的精度完全可以满足设计要求，MEMS加工的精度远远超过了所需，造成了浪费；(3)MEMS的工序十分复杂，而激光加工过程简单可靠。故而，激光加工满足精度的同时，降低了加工成本，简化了加工过程；

压电陶瓷驱动器4的材质可以为软性压电陶瓷材料或者压电应变常数d₃₃大于500的压电材料；

流体槽板2的材质可以为结构陶瓷、金属材料、有机玻璃、工程塑料或半导体硅材料，结构陶瓷为氧化铝、氧化锆、氮化硅和/或氮化铝。

本发明的压电喷墨头的各项部件尺寸具体可以为：喷嘴板3的厚度可以为30μm-100μm；压电陶瓷微单元41的厚度可以为100μm-300μm；微喷孔31的直径可以为30μm-80μm；流体槽21的深度可以为小于等于500μm。

另一方面，本发明提供一种打印设备，该打印设备包括上述的压电喷墨头。

与现有技术相比，本发明的打印设备的压电喷墨头的每个压电陶瓷微单元41之间彼此独立，加电之后独自变形，不会影响到或受制于相邻压电陶瓷微单元41的变形，任何时刻任意微喷孔31都可以单独工作或相邻微喷孔31同时工作，这极大改善了压电喷墨头的工作效率；流体槽21仅仅完成储墨功能，参与墨水的内循环，不具有喷射功能，而由另一部件压电陶瓷驱动器4来完成墨水的喷射动作，材料选择空间大，加工成本较低；本发明的打印设备实现了墨水内循环，可以将墨水中的杂质、气泡等带出送至墨盒中，这样就避免了流体槽21和/或微喷孔31的堵塞，提高喷射精度和延长使用寿命。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压电喷墨头，其特征在于，包括喷头基座、流体槽板、喷嘴板、压电陶瓷驱动器和驱动电路装置，其中：

所述喷头基座的下端面上开有凹槽，所述喷嘴板盖设在所述凹槽上，形成墨水腔，所述喷头基座的上端面上设置有与所述墨水腔连通的墨水流入管路和墨水流出管路；

所述流体槽板上开有多个流体槽，所述流体槽板位于所述墨水腔内并将所述墨水腔分隔成两部分，形成墨水流入腔和墨水流出腔，所述墨水流入腔与所述墨水流入管路连通，所述墨水流出腔与所述墨水流出管路连通；

所述喷嘴板为所述压电陶瓷驱动器提供弹性物理支撑，所述喷嘴板上开有与所述流体槽数量一致的微喷孔，每个微喷孔均与所述流体槽的凹部位置相对应；

所述压电陶瓷驱动器粘结在所述喷嘴板外表面上，所述压电陶瓷驱动器包括与所述流体槽数量一致的压电陶瓷微单元，每个压电陶瓷微单元均与所述流体槽的凹部位置相对应；

所述驱动电路装置与所述压电陶瓷驱动器电连接。

2.根据权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，所述流体槽板为至少一块，形状为长条形，所述流体槽板间隔设置在所述墨水流入管路和墨水流出管路之间，所述墨水腔在所述墨水流入管路一侧形成所述墨水流入腔，所述墨水腔在所述墨水流出管路一侧形成所述墨水流出腔。

3.根据权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，所述流体槽板为相互平行的两块，形状为长条形，所述墨水腔内还设置有挡流板，所述墨水腔的一个侧壁的一部分与所述两块流体槽板以及所述挡流板在所述墨水流入管路一侧共同围成所述墨水流入腔，所述墨水腔内其余部分为所述墨水流出腔。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的压电喷墨头，其特征在于，所述压电陶瓷微单元为单层压电陶瓷片或双层压电陶瓷片。

5.根据权利要求4所述的压电喷墨头，其特征在于，所述双层压电陶瓷片由上下两层压电陶瓷片粘结形成，上下两层压电陶瓷片是沿厚度方向极化，且极化方向相反。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的压电喷墨头，其特征在于，所述喷嘴板的下表面涂有第一钝化层，所述第一钝化层表面设置有与所述压电陶瓷微单元数量一致的导电通道，所述导电通道表面涂有第二钝化层，所述导电通道两端分别连接所述压电陶瓷微单元和驱动电路装置。

7.根据权利要求6所述的压电喷墨头，其特征在于，所述驱动电路装置为外接柔性PCB板或集成在所述喷嘴板上。

8.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的压电喷墨头，其特征在于，所述喷嘴板的材质为金属材料或非金属材料，所述金属材料为镍铁合金、不锈钢和/或铍青铜，所述非金属材料为聚四氟乙烯树脂、特氟龙膜，所述微喷孔通过激光加工制得；

所述压电陶瓷驱动器的材质为软性压电陶瓷材料或者压电应变常数d₃₃大于500的压电材料；

所述流体槽板的材质为结构陶瓷、金属材料、有机玻璃、工程塑料或半导体硅材料，所述结构陶瓷为氧化铝、氧化锆、氮化硅和/或氮化铝。

9.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的压电喷墨头，其特征在于，所述喷嘴板的厚度为30μm-100μm；所述压电陶瓷微单元的厚度为100μm-300μm；所述微喷孔的直径为30μm-80μm；所述流体槽的深度小于等于500μm。

10.一种打印设备，其特征在于，所述打印设备包括权利要求1至9中任一权利要求所述的压电喷墨头。