CN104708905B - 液体喷射装置和打印机 - Google Patents

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本发明提供一种液体喷射装置和打印机，包括：基板和设置在所述基板上方的喷嘴板；所述基板与所述喷嘴板之间形成有多个间隔排列的压力腔室以及与所述多个压力腔室连通的公共腔室；所述基板上还设置有与所述公共腔室连通的供墨孔；所述喷嘴板上设置有多个喷嘴，每个所述喷嘴与一个所述压力腔室连通；每个所述压力腔室内均设置有振动板和压电元件，所述压电元件设置在所述振动板上；所述压电元件的上表面覆设有保护层，所述保护层包括亲水特性区和疏水特性区，所述亲水特性区与所述喷嘴位置相对应；所述亲水特性区与液体的接触角小于90度，所述疏水特性区与液体的接触角大于90度。

Description

液体喷射装置和打印机
技术领域
本发明涉及喷墨打印技术，尤其涉及一种液体喷射装置和打印机。
背景技术
现有的打印机上的液体喷射装置主要分成两种，一种液体喷射装置是通过加热电阻作为源动力使液体喷射装置喷出墨滴。另一种液体喷射装置是通过压电元件和振动板作为源动力使液体喷射装置喷出墨滴，具体地，是通过压电元件和振动板的变形，使液体喷射装置的压力腔室的体积发生变化，从而将压力腔室中的液体从喷嘴喷出。
但是，为了提高打印机打印质量和打印速度，可以通过增大液体喷射装置的物理分辨率，需要增加液体喷射装置的压力腔室和喷嘴的数量，使得单位面积上排列的喷嘴数增加，但通过增加单位面积上的压力腔室和喷嘴的数量来提高打印质量和打印速度，当超过一定的物理分辨率后，压力腔室之间的隔壁厚度很小，使得液体喷射装置的机械强度降低，并且会增加制造成本。
发明内容
本发明提供一种液体喷射装置和打印机，用于解决现有技术中液体喷射装置机械强度低且制造成本高的技术缺陷。
本发明提供的一种液体喷射装置，包括：基板和设置在所述基板上方的喷嘴板；所述基板与所述喷嘴板之间形成有多个间隔排列的压力腔室以及与所述多个压力腔室连通的公共腔室；所述基板上还设置有与所述公共腔室连通的供墨孔；所述喷嘴板上设置有多个喷嘴，每个所述喷嘴与一个所述压力腔室连通；
每个所述压力腔室内均设置有振动板和压电元件，所述压电元件设置在所述振动板上；
所述压电元件的上表面覆设有保护层，所述保护层包括亲水特性区和疏水特性区，所述亲水特性区与所述喷嘴位置相对应；所述亲水特性区与液体的接触角小于90度，所述疏水特性区与液体的接触角大于90度。
本发明还提供一种打印机，该打印机上设置有如上所述的液体喷射装置。
本发明提供的液体喷射装置和打印机，由于保护层包括亲水特性区和疏水特性区，亲水特性区与喷嘴位置相对应；液体易于聚拢在亲水特性区，可以减少向公共腔室流动的液体，从而有更多的液体从喷嘴流出，可以减少回流到公共腔室的液体，进而减少液体再次填充到压力腔室的时间，可以缩短液体的喷射周期，提高了打印频率和打印质量，避免现有技术中通过增加压力腔室和喷嘴的数量提高打印质量而导致的机械强度降低，制造成本较高的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种液体喷射装置的俯视图；
图2为沿图1中A-C线的剖视图；
图3本发明实施例提供的一种保护层的结构示意图；
图4A-图4C为本发明实施例提供的一种液体喷射装置的液体喷射的过程图；
图5为本发明实施例提供的另一种液体喷射装置的俯视图
图6本发明实施例提供的另一种保护层的结构示意图；
图7A-图7C为本发明实施例提供的另一种液体喷射装置的液体喷射的过程图。
附图标记：
1-基板；2-喷嘴板；3-振动板；
4-压电元件；5-保护层；11-压力腔室；
12-公共腔室；13-供墨孔；21-喷嘴；
51-亲水特性区；52-疏水特性区。
具体实施方式
图1为本发明实施例提供的液体喷射装置的俯视图；图2为沿图1中A-C线的剖视图；如图1和2所示，本实施例提供的液体喷射装置，包括：基板1和设置在基板1上方的喷嘴板2；基板1与喷嘴板2之间形成有多个间隔排列的压力腔室11以及与多个压力腔室11连通的公共腔室12；基板1上还设置有与公共腔室12连通的供墨孔13；喷嘴板2上设置有多个喷嘴21，每个喷嘴21与一个压力腔室11连通。多个间隔排列的压力腔室11可以为两排平行的压力腔室11且相互交错设置，压力腔室11和公共腔室12之间可以通过液体通道连通。基板1可以为硅基板，可以通过微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，简称MEMS)一体成型加工方法，形成压力腔室11、公共腔室12、供墨孔13、喷嘴板2和喷嘴21，可以提高液体喷射装置的分辨率并且能够降低制造成本。
每个压力腔室11内均设置有振动板3和压电元件4，压电元件4设置在振动板3上。压电元件4可以包括依次层叠的下电极层、压电体层和上电极层；其中，下电极层为钛(Ti)层、铂金(Pt)层或多个钛层叠加层；压电体层为锆钛酸铅(PZT)层；上电极层为铂金(Pt)层或黄金层。振动板3的材料可以为SiO2或Si3N4或SiO2-Si3N4叠层；压电元件4的下电极层设置在振动板3的上表面，振动板3的两端与基板1搭接，形成悬梁或桥式梁结构。当然，也可以是一端支持梁即悬梁结构。振动板3通过压电元件4变形产生振动使压力腔室11和公共腔室12内的液体(墨水)流动，压力腔室11的体积变小时，压力腔室11内的液体可以通过喷嘴21喷出。
压电元件4的上表面覆设有保护层5，保护层5包括亲水特性区和疏水特性区，亲水特性区与喷嘴21位置相对应；亲水特性区与液体的接触角小于90度，疏水特性区与液体的接触角大于90度。优选地，亲水特性区到疏水特性区与液体的接触角呈梯度连续变化。
图3本发明实施例提供的一种保护层的结构示意图；如图3所示，进一步地，保护层5的亲水特性区51位于保护层5的中部，疏水特性区52位于亲水特性区51的两侧。亲水特性区51的面积可以大于或等于疏水特性区52的面积。
保护层5的材料可以为聚乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或有机氯硅烷。保护层5可以通过低温等离子体处理法形成。具体地，低温等离子体可通过直流辉光放电、射频放电或微波放电等方法激发产生，能量分布主要集中于0～10eV，对材料本体性能影响小，处理条件容易改变和控制。当采用O2，NH3，SO2射频等离子体(radiofrequencyplasmadischarge简称RFPD)刻蚀聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯或聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面，在等离子体发生器和样品间设置可移动遮板，通过遮板水平移动控制表面处理时间来获得保护层5的表面能梯度。根据基板不同位置处理时间不同，亲水或疏水化效果不同，从而形成不同大小的接触角。照射时间越长的区域亲水性越强，与液体的接触角越低。亲水特性区51与液体的接触角可以从亲水特性的24度逐渐线性变化到疏水特性区52的疏水特性的100度的接触角。
由于固体的表面能与表面的亲水特性和疏水特性有关，也就是液体与固体分子之间的相互作用强弱有关，对于亲水表面，接触角小于90度，具有较强的液固相互作用，会限制液体的滑移，而对于疏水表面恰恰相反，疏水表面滑移长度增大。所以在疏水过渡到亲水的表面，为了尽量减小表面能，达到平衡态，压力腔室11内的液体会自发地向亲水区域区51靠拢。
图4A-图4C为本发明实施例提供的一种液体喷射装置的液体喷射的过程图；为了更好地说明在压电元件4的表面设置梯度接触角的保护层对打印质量的改善，通过图4A-图4C说明本实施例提供的液体喷射装置在“拉-推-拉”模式下的液体喷射过程。
如图4A所示：当压电元件4接收到电压信号后，其瞬间的变形会给振动板3较大的应力，此时，振动板3会和压电元件4一起振动，也就是振动板3和压电元件4向远离喷嘴21的方向移动，形成“拉”这一过程，这时喷嘴板2上喷嘴21内部的液面凹向压力腔室11，形成“弯月面”。由于压电元件4表面的保护层5的中间区域为亲水特性区51，逐渐过渡到两端的疏水特性区52，液体有从疏水特性区52向亲水特性区51聚拢的趋势，即液体从保护层5的两端向中间区域流动，使得液体更容易聚集在亲水特性区51附近。这第一次“拉”的过程，使振动板3和压电元件4变形远离喷嘴21，其变形的大小正比于喷出液滴的大小。
接着，如图4B所示，对压电元件4施加跟“拉”模式相反的电压信号，振动板3会和压电元件4向靠近喷嘴21处移动，把压力腔室11内的液体向喷嘴21处挤压，并把液体排出到喷嘴板2外面，形成如图4B所示的“推”这一过程。在这个过程中，压力腔室11内的液体除了向喷嘴21外流动外，还有部分液体向公共腔室12流动，产生回流的液体。
如图4C所示，完成“推”这一过程后，紧接着对压电元件4施加跟第一次“拉”时相同的电压信号时，振动板3和压电元件4恢复原形，一部分液体向压力腔室11内移动，另外一部分液体由于惯性继续向喷嘴21外喷出，把图4b中挤压在喷嘴板2外面的液体拉断，形成液滴。液滴由于惯性作用喷射到打印介质上，这时完成单个液滴的喷射。
本实施例中，由于在压电元件4的表面的中间区域为亲水特性区51，逐渐过渡到两端的疏水特性区52，液体易于聚拢在亲水特性区51，所以向公共腔室12流动的液体将减少，从而有更多的液体从喷嘴21流出，可以减少回流到公共腔室12的液体，进而减少液体再次填充到压力腔室11的时间，可以缩短液体的喷射周期，提高了打印频率和打印质量，避免现有技术中通过增加压力腔室和喷嘴的数量提高打印质量而导致的机械强度降低，制造成本较高的问题。同时，由于有更多的液体从喷嘴21流出，可以减小压电元件4的振动位移也能达到喷出相应大小的液体，提高压电元件4的寿命，使液体喷射装置更加持久耐用。
图5为本发明实施例提供的另一种液体喷射装置的俯视图；图6本发明实施例提供的另一种保护层的结构示意图，如图5所示，在上述实施例技术方案的基础上，本实施例中，液体喷射装置还包括底板6；所板1内形成有空腔6，振动板3跨设在空腔14上部，底板6盖设在空腔14的下部，底板6可以增加基板1的机械强度。压力腔室11与公共腔室12之间设置有限流部件15。
如图6所示，亲水特性区51位于保护层5的一侧，疏水特性区52位于保护层5的另一侧。亲水特性区51与液体的接触角小于90度，疏水特性区52的接触角大于90度，亲水特性区51到疏水特性区52的接触角逐渐递增。保护层5的亲水特性区51的表面积占保护层5的表面积的1/2或大于1/2。
图7A-图7C为本发明实施例提供的另一种液体喷射装置的液体喷射的过程图。为了更好地说明在压电元件4的表面设置梯度接触角的保护层对打印质量的改善，通过图7A-图7C说明本实施例提供的液体喷射装置在“拉-推-拉”模式下的液体喷射过程。
如图7A所示：当压电元件4接收到电压信号后，其瞬间的变形会给振动板3较大的应力，此时振动板3和压电元件4一起向远离喷嘴21的方向移动，振动板3会凹向空腔14，形成“拉”这一过程，这时喷嘴板2上喷嘴21内部的液面凹向压力腔室11，形成“弯月面”。由于压电元件4表面的保护层5的一端为亲水特性区51，逐渐过渡到另一端的疏水特性区52，液体有从疏水特性区52向亲水特性区51聚拢的趋势，使得液体更容易聚集在亲水特性区51附近。这第一次“拉”的过程，使振动板3和压电元件4变形远离喷嘴21，其变形的大小正比于喷出液滴的大小。
接着，如图7B所示，对压电元件4施加跟“拉”模式相反的电压信号，振动板3会和压电元件4向靠近喷嘴21处移动，把压力腔室11内的液体向喷嘴21处挤压，并把液体排出到喷嘴板2外面，形成如图7B所示的“推”这一过程。在这个过程中，压力腔室11内的液体除了向喷嘴21外流动外，还有部分液体经过限流部件15向公共腔室12流动，产生回流的液体。
如图7C所示，完成“推”这一过程后，紧接着对压电元件4施加跟第一次“拉”时相同的电压信号时，振动板3和压电元件4恢复原形，一部分液体向压力腔室11内移动，另外一部分液体由于惯性继续向喷嘴21外喷出，把图4b中挤压在喷嘴板2外面的液体拉断，形成液滴。液滴由于惯性作用喷射到打印介质上，这时完成单个液滴的喷射。
本发明实施例还提供一种打印机，该打印机上设置有上述实施例中提供的液体喷射装置。本实施例提供的打印机的技术效果与上述实施例提供的液体喷射装置的技术效果相同，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种液体喷射装置，其特征在于，包括：基板和设置在所述基板上方的喷嘴板；所述基板与所述喷嘴板之间形成有多个间隔排列的压力腔室以及与所述多个压力腔室连通的公共腔室；所述基板上还设置有与所述公共腔室连通的供墨孔；所述喷嘴板上设置有多个喷嘴，每个所述喷嘴与一个所述压力腔室连通；
每个所述压力腔室内均设置有振动板和压电元件，所述压电元件设置在所述振动板上；
所述压电元件的上表面覆设有保护层，所述保护层包括亲水特性区和疏水特性区，所述亲水特性区与所述喷嘴位置相对应；所述亲水特性区与液体的接触角小于90度，所述疏水特性区与液体的接触角大于90度。
2.根据权利要求1所述的液体喷射装置，其特征在于，所述亲水特性区到所述疏水特性区与液体的接触角呈梯度连续变化。
3.根据权利要求1或2所述的液体喷射装置，其特征在于，所述亲水特性区位于所述保护层的中部，所述疏水特性区位于所述亲水特性区的两侧。
4.根据权利要求1或2所述的液体喷射装置，其特征在于，所述亲水特性区位于所述保护层的一侧，所述疏水特性区位于所述保护层的另一侧。
5.根据权利要求1或2所述的液体喷射装置，其特征在于，所述亲水特性区的面积大于或等于所述疏水特性区的面积。
6.根据权利要求1或2所述的液体喷射装置，其特征在于，所述保护层的材料为聚乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷或有机氯硅烷；所述保护层通过低温等离子体处理法形成。
7.根据权利要求1或2所述的液体喷射装置，其特征在于，所述多个间隔排列的压力腔室为两排平行的压力腔室且相互交错设置。
8.根据权利要求1或2所述的液体喷射装置，其特征在于，所述振动板悬设在所述压力腔室内。
9.根据权利要求8所述的液体喷射装置，其特征在于，还包括底板；所述基板内形成有空腔，所述振动板跨设在所述空腔上部，所述底板盖设在所述空腔的下部；
所述压力腔室与所述公共腔室之间设置有限流部件。
10.一种打印机，其特征在于，该打印机上设置有权利要求1-9任一所述的液体喷射装置。
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