CN104708906B - 液体喷射装置和打印机 - Google Patents
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Abstract
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；所述压电元件的宽度W2小于所述压力腔室的宽度W1，且W2/W1为0.65‑0.85。本发明中，由于压电元件的宽度W2小于压力腔室的宽度W1，且W2/W1为0.65‑0.85，使得压力腔室变形的截面积最大，能喷出最多的液体，在增大液体喷射装置的喷射频率，提高打印速度和打印质量的同时，能够保证该液体喷射装置能够正常喷射液滴。
Description
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液滴。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液滴，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。
通过压电元件作为致动器喷出液体的液体喷射装置主要又有以下两种类型。一种液体喷射装置是压电元件和振动板置于与排出液滴的喷嘴连通的压力腔室的外部，通过压电元件和振动板的变形，使得压力腔室体积发生变化，从而将压力腔室中的液体从喷嘴喷出。另一种液体喷射装置是将振动板设置在压力腔室内部，形成悬臂梁或桥式梁结构，通过向悬臂梁或桥式梁上的压电元件施加电压而使悬臂或桥式梁振动板发生振动，液体因为振动板的振动而从喷墨口喷出。
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。但是，当液体喷射装置超过一定的分辨率后，会使压力腔室、压电元件和振动板高密度地排布，从而使得压电元件和振动板的变形截面积急剧递减，进而装载液体（墨水）的压力腔室的变形体积急剧递减，可能导致由压电元件提供的动能不能突破喷嘴处的液滴的表面能，使液体喷射装置不能喷出液滴。
发明内容
本发明提供一种液体喷射装置和打印机，用于解决现有技术为提高液体喷射装置物理分辨率而导致液体喷射装置不能喷出液滴的技术缺陷。
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；所述压电元件的宽度W2小于所述压力腔室的宽度W1，且W2/W1为0.65-0.85。
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，由于压电元件的宽度W2小于压力腔室的宽度W1，且W2/W1为0.65-0.85，使得压力腔室变形的截面积最大，能喷出最多的液体，在增大液体喷射装置的喷射频率，提高打印速度和打印质量的同时，能够保证该液体喷射装置能够正常喷射液滴。
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-B线的剖视图；
图3A-图3C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示意图；
图4为沿图1中C-D线的剖视图；
图5为图4的局部放大图；
图6为本发明实施例中振动板为1.4μm时压电元件的最优宽度W2与压力腔室宽度W1的关系图；
图7为本发明实施例中振动板为1.0μm、1.4μm和2.0μm时压电元件的最优宽度W2与压力腔室宽度W1的关系图。
附图标记：
1-基板； 2-喷嘴板； 3-振动板；
4-压电元件； 5-底板； 11-压力腔室；
12-公共腔室； 13-限流通道； 14-限流部件；
15-空腔； 21-喷嘴。
具体实施方式
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-B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；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。振动板3悬设在压力腔室11内。
该液体喷射装置还包括底板5；基板1内形成有空腔15，振动板3跨设在空腔15上部，底板5盖设在空腔15的下部，在空腔15下部设置底板15可以增大基板1的机械强度。在每个压力腔室11与公共腔室12之间设置有限流通道13，限流通道13连通压力腔室11和公共腔室12；限流通道13内设置有限流部件14。基板1可以为硅基板，可以通过微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS)一体成型加工方法，形成压力腔室11、公共腔室12、限流通道13、限流部件14、喷嘴板2和喷孔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。振动板3的两端可以与基板1搭接，形成悬梁或桥式梁结构。当然，振动板3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的宽度W2小于压力腔室11的宽度W1，且W2/W1为0.65-0.85（图1中C-D线方向的宽度）。压力腔室11的宽度W1可以大于或等于50μm且小于或等于150μm；压电元件4的宽度W2可以大于或等于35μm且小于或等于120μm。优选地，W2/W1为0.70-0.80。
图3A-图3C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示意图；参考图3A-图3C，下面具体说明液体喷射装置在“拉-推-拉”模式下的喷射液体的过程。如图3A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4一起向远离喷嘴21的方向移动，此时振动板3凹向空腔15，形成“拉”这一过程，喷嘴板2上的喷嘴21内部的液面凹向压力腔室11，形成“弯月面”。第一次“拉”的过程，使振动板3和压电元件4的变形远离喷嘴21，其变形的大小正比于喷出液滴的大小。
接着，如图3B所示，对压电元件4施加与“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，将压力腔室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3B所示的“推”这一过程。在这个过程中，液体向喷嘴21外流动的同时，还有部分液体通过限流部件14处的限流通道13向公共腔室12流动，产生回流的液体。由于限流通道13的存在，所以通过限流通道13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，达到减小回流损失的液体的目的，进而减少了液体再次填充的时间，缩短了液滴的喷射周期，提高了打印频率。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滴，可以提高压电元件4的寿命，使液体喷射装置更加持久耐用。
完成“推”这一过程后，如图3C所示，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外喷出，将图3B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，完成单个液滴的喷射。
本实施例提供的液体喷射装置，由于压电元件的宽度W2小于压力腔室的宽度W1，且W2/W1为0.65-0.85，使得压力腔室11变形的截面积最大，能喷出最多的液体，在增大液体喷射装置的喷射频率，提高打印速度和打印质量的同时，能够保证该液体喷射装置能够正常喷射液滴。
图4为沿图1中C-D线的剖视图；如图4所示：进一步地，振动板3的厚度可以为1-2μm，振动板3的材料可以为SiO2或Si3N4或SiO2-Si3N4叠层。本实施例中，振动板3材料为SiO2，厚度可以为1μm的厚度，并且在SiO2上生长约0.4μm厚的氮化硅（Si3N4）薄膜，即振动板3的总厚度约1.4μm。在振动板3上生长压电元件4，压电元件4包括上电极层、压电体层和下电极层。
压电元件4的下电极层由白金(Pt)或铱(Ir)等金属材料制成，在本实例中，通过白金和铱的叠层形成约150nm厚的下电极层。压电体层由锆钛酸铅(PZT)等强介电性压电材料或在其中添加铌、镍、镁等金属或钕、铱等稀土元素的强介电体等形成。本实施例中，使用1.1μm厚的锆钛酸铅(PZT)层形成压电体层。上电极层与下电极层同样由白金(Pt)或铱(Ir)等金属材料制成，形成厚度约50nm的上电极层。综上，压电元件4的总厚度约为1μm-2μm，基本与振动板3的厚度相同。压电元件4沿C-D方向的宽度为W2，且宽度W2小于压电元件4沿A-B方向的长度数值。
压力腔室11部分由振动板3、喷嘴板2和用来区分相邻腔室的压力腔室11侧壁构成，喷嘴板2的材料和压力腔室11侧壁的材料可以相同，也可以不同。喷嘴板2可以为高分子环氧树脂材料SU-8或金属。压力腔室11沿C-D方向的宽度为W1，且宽度W1小于其本身沿A-B方向的长度数值。
图5为图4的局部放大图；如图5所示，压电元件4的宽度W2和压力腔室1的宽度W1有如下关系：压电元件4的宽度W2小于压力腔室11的宽度W1，且W2/W1为0.65到0.85。压力腔室11的宽度W1可以大于或等于50μm且小于或等于150μm；压电元件4的宽度W2可以大于或等于35μm且小于或等于120μm。优选地，W2/W1为0.70-0.80。
下面通过具体的试验数据证明本实施例提供的液体喷射装置的技术效果：
当压力腔室11的长度为700μm，振动板3的总厚度为1.4μm，其中氧化硅（SiO2）1.0μm,氮化硅（Si3N4）厚度0.4μm，压力腔室11的宽度W1为55μm为固定参数，压电元件4的长度为700μm为固定参数，压电元件4的宽度W2作为变化参数，W2的变化范围为25μm-55μm，通过模拟发现，当W2为41μm时，压力腔室11的变形体积最大。同时当压电元件4的长度分别为650μm、600μm、550μm、500μm、450μm、400μm、350μm和300μm时，把压电元件4的宽度W2作为变化参数，其变化范围为25μm-55μm，通过模拟发现压力腔室11的变形体积最大时都出现在W2为41μm时，如表1所示。
| 压电元件长度（μm） | 700 | 650 | 600 | 550 | 500 | 450 | 400 | 350 | 300 |
| 压电元件最优宽度（μm） | 41 | 41 | 41 | 41 | 41 | 41 | 41 | 41 | 41 |
表1
压电元件4的最优宽度的取值与压电元件4的长度无关。
也同时设定振动板3的总厚度为1.4μm不变，但改变氧化硅（SiO2）和氮化硅Si3N4厚度，当氧化硅为1.4μm时，氮化硅为0；当氧化硅为1.3μm时，氮化硅为0.1μm；当氧化硅为1.2μm时，氮化硅为0.2μm，直到当氧化硅为0时氮化硅为1.4μm。其他参数固定不变，通过模拟发现压力腔室11的变形体积最大时都出现在W2为41-39μm时，如表2所示。因此，当振动板3的厚度为1.4μm时，最优压电元件4的宽度W2与压力腔室11的宽度W1的比值为0.709到0.745。
表2
当压力腔室11的长度为700μm，振动板3的总厚度为1.4μm，其中氧化硅（SiO2）厚度为1.0μm,氮化硅（Si3N4）厚度为0.4μm，分别对压力腔室11的宽度W1为55μm变化到150μm，通过模拟发现压力腔室11的变形体积最大时的压电元件4的宽度W2分别为如表3所示。
| 压力腔室的宽度W1 | 55 | 60 | 65 | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 | 120 | 130 | 140 | 150 |
| 最优压电元件宽度W2 | 41 | 44 | 48 | 52 | 59 | 66 | 73 | 81 | 89 | 95 | 102 | 110 |
表3
对表3做线性数据图，图6为本发明实施例中振动板为1.4μm时压电元件的最优宽度W2与压力腔室宽度W1的关系图；如图6所示，当压力腔室11的宽度W1由55μm递增到150μm时，压电元件4的最优宽度W2呈线性递增，所以压电元件的最优宽度W2与压力腔室11的宽度W1的比值W2/W1恒定为0.74。
同理，当振动板3的总厚度为1.0μm，分别对压力腔室11的宽度W1为55μm变化到145μm，通过模拟发现压力腔室11的变形体积最大时的压电元件4的宽度W2分别为如表4所示。
表4
同理，当振动板的总厚度为2.0μm，分别对压力腔室11的宽度W1为55μm变化到145μm，通过模拟发现压力腔室11的变形体积最大时的压电元件4的宽度W2分别为如表5所示。
表5
对表5，表3，表4做线性数据图，图7为本发明实施例中振动板为1.0μm、1.4μm和2.0μm时压电元件的最优宽度W2与压力腔室宽度W1的关系图。如图7所示，振动板3的厚度分别1.0μm、1.4μm和2.0μm，当压力腔室11的宽度W1由55μm递增到150μm时，压电元件4的最优宽度W2都呈线性递增，压电元件4的最优宽度W2与压力腔室的宽度W1的比值W2/W1分别为0.70、0.74和0.79。
综上模拟实验数据可知，当压电元件4的宽度W2小于压力腔室11的宽度W1，且W2/W1为0.65到0.85，使压电元件4的宽度和压力腔室11的宽度的比值最优，从而使压力腔室11变形的截面积最大，能喷出最多的液体，在增大液体喷射装置的喷射频率，提高打印速度和打印质量的同时，能够保证该液体喷射装置能够正常喷射液滴。
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 (6)
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；所述压电元件的宽度W2小于所述压力腔室的宽度W1；
所述振动板的厚度为1.4μm，相应的，所述压电元件的宽度W2与所述压力腔室的宽度W1的比值W2/W1为0.709～0.745；
所述振动板悬设在所述压力腔室内；
所述液体喷射装置还包括底板；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。
2.根据权利要求1所述的液体喷射装置，其特征在于，所述振动板的厚度为1.4μm，相应的，所述压力腔室的宽度W1大于或等于55μm且小于或等于150μm；所述压电元件的宽度W2大于或等于41μm且小于或等于110μm。
3.根据权利要求2所述的液体喷射装置，其特征在于，所述振动板的厚度为1.4μm，相应的，所述W2/W1为0.74。
4.根据权利要求1-3任一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。
5.根据权利要求1-3任一所述的液体喷射装置，其特征在于，所述压力腔室与所述公共腔室之间设置有限流通道，所述限流通道连通所述压力腔室和公共腔室；
所述限流通道内设置有限流部件。
6.一种打印机，其特征在于，该打印机上设置有权利要求1-5任一所述的液体喷射装置。
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Effective date of registration: 20150528 Address after: 519075, Guangdong, Xiangzhou District, Zhuhai Avenue, No. 01, building 1, 3883, 2, 4, 7, 02, 04, 1, 2, 3, 5, Zhuhai Applicant after: Zhuhai Seine Printing Technology Co., Ltd. Address before: 519075 Xiangzhou, Zhuhai, Pearl Road, North District, No. 63, No. Applicant before: Zhuhai Nasida Enterprise Management Co., Ltd. |
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| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201010 Address after: Room 105-60088, No. 6, Baohua Road, Hengqin New District, Zhuhai City, Guangdong Province Patentee after: Zhuhai Sanwei Technology Co.,Ltd. Address before: 519075, Guangdong, Xiangzhou District, Zhuhai Avenue, No. 01, building 1, 3883, 2, 4, 7, 02, 04, 1, 2, 3, 5, Zhuhai Patentee before: Zhuhai Saina Printing Technology Co.,Ltd. |