CN107584885A - 喷头及其驱动方法、喷墨装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种喷头及其驱动方法、喷墨装置。该喷头包括导电层、压电材料层和喷嘴，所述压电材料层位于所述导电层与喷嘴之间，所述喷嘴与所述压力室之间连通；所述压力室加载有第一电压，以使所述压力室中的墨水加载有所述第一电压；所述导电层加载有第二电压，以使流经所述喷嘴的墨水与所述导电层之间形成电压差，所述压电材料层在所述电压差的作用下发生形变。本发明提供的喷头及其驱动方法、喷墨装置，减少了墨水堵塞喷嘴的现象，使得墨水从喷嘴中均匀滴出。

Description

喷头及其驱动方法、喷墨装置

技术领域

本发明涉及喷墨印刷技术领域，特别涉及一种喷头及其驱动方法、喷墨装置。

背景技术

在喷墨打印(Ink Jet Print，简称IJP)技术领域中，使用较为广泛的量产设备中通常采用压电元件喷墨(Drop on Demand，简称DOD)技术进行喷墨印刷，且该压电元件喷墨技术广泛应用于印刷业、生物科技与电子零件加工业。其中，IJP的工艺具有快速、低成本等优点。

而现有技术中，由于喷头的喷嘴管的管径狭窄且墨水滴的体积微小，导致墨水滴具有较高的表面能特性，从而造成墨水堵塞喷嘴和墨水从喷嘴中滴下不均匀的现象。

发明内容

本发明提供一种喷头及其驱动方法、喷墨装置，用于减少墨水堵塞喷嘴和墨水从喷嘴中滴下不均匀的现象。

为实现上述目的，本发明提供了一种喷头，该喷头包括压力室和喷嘴管，所述喷嘴管包括导电层、压电材料层和喷嘴，所述压电材料层位于所述导电层与喷嘴之间，所述喷嘴与所述压力室之间连通；

所述压力室加载有第一电压，以使所述压力室中的墨水加载有所述第一电压；

所述导电层加载有第二电压，以使流经所述喷嘴的墨水与所述导电层之间形成电压差，所述压电材料层在所述电压差的作用下发生形变。

可选地，该喷头还包括电极；

所述电极用于向所述压力室加载所述第一电压。

可选地，所述压力室的内侧设置有第一导电涂层，所述电极与所述第一导电涂层连接。

可选地，该喷头还包括墨水室和进墨口，所述进墨口与所述墨水室连通，所述压力室与所述进墨口连通，所述进墨口的内侧设置有第二导电涂层，所述第一导电涂层与所述第二导电涂层连接，所述电极通过所述第二导电涂层与所述第一导电涂层连接；

所述墨水室用于放置墨水；

所述进墨口用于将所述墨水室中的墨水输送至所述压力室中；

所述电极用于通过所述第二导电涂层向所述第一导电涂层加载第一电压，以实现向所述压力室加载第一电压。

可选地，该喷头还包括第一基板，所述压力室位于所述第一基板中，所述电极位于所述第一基板中且位于所述进墨口上。

可选地，该喷头还包括压电驱动器，所述压电驱动器位于所述第一基板上且位于所述压力室的上方；

所述压电驱动器用于运行时发生形变，通过挤压所述第一基板以挤压所述压力室；

所述压力室用于在受到挤压时将所述墨水通过连接管输送至所述喷嘴管中。

可选地，所述第一电压为恒定电压，第二电压为高频震荡波型电压；或者，第一电压为高频震荡波型电压，第二电压为恒定电压；或者，第一电压为高频震荡波型电压，第二电压为高频震荡波型电压。

可选地，该喷头还包括第二基板和第三基板，所述第一基板位于所述第二基板和所述第三基板上，所述墨水室位于所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板中；所述喷嘴管与所述压力室之间还设置有相互连通的第一连接管和第二连接管，所述第一连接管与所述压力室连通，所述第二连接管位于所述第一连接管与所述喷嘴管之间且与所述喷嘴管连通；所述第一连接管位于所述第二基板中，所述第二连接管和所述喷嘴管位于第三基板中。

为实现上述目的，本发明还提供了一种喷墨装置，该喷墨装置包括待打印结构和上述的喷头，所述待打印结构位于所述喷头的下方；

所述喷头用于在所述待打印结构上喷涂墨水。

可选地，该喷墨装置还包括电信号探针，所述电信号探针的一端接地，所述电信号探针的另一端与所述待打印结构连接。

可选地，所述待打印结构为导电基板或导电膜。

为实现上述目的，本发明还提供了一种喷头的驱动方法，所述喷头包括压力室和喷嘴管，所述喷嘴管包括导电层、压电材料层和喷嘴，所述压电材料层位于所述导电层与喷嘴之间，所述喷嘴与所述压力室之间连通；所述驱动方法包括：

压力室加载第一电压，以使所述压力室中的墨水加载有所述第一电压；

导电层加载第二电压，以使流经所述喷嘴的墨水与所述导电层之间形成电压差，所述压电材料层在所述电压差的作用下发生形变。

本发明的有益效果：

本发明所提供的喷头及其驱动方法、喷墨装置中，压力室加载有第一电压，以使压力室中的墨水加载有第一电压，导电层加载有第二电压，以使流经喷嘴的墨水与导电层之间形成电压差，压电材料层在电压差的作用下发生形变，使得压电材料层产生机械震动，从而减少了墨水堵塞喷嘴的现象，使得墨水从喷嘴中均匀滴出。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种喷头的结构示意图；

图2为图1中的喷嘴管的结构示意图；

图3为加载第一电压和第二电压的电路等效示意图；

图4为本发明实施例二提供的一种喷墨装置的结构示意图；

图5为本发明实施例三提供的一种喷头的驱动方法的流程图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的喷头及其驱动方法、喷墨装置进行详细描述。

图1为本发明实施例一提供的一种喷头的结构示意图，图2为图1中的喷嘴管的结构示意图，如图1和图2所示，该喷头包括压力室1和喷嘴管2，喷嘴管2包括导电层21、压电材料层22和喷嘴23，压电材料层22位于导电层21与喷嘴23之间，喷嘴23与压力室1之间连通。

其中，压力室1加载有第一电压，以使压力室1中的墨水加载有第一电压。也就是说，当有墨水流经加载有第一电压的压力室1时，墨水在第一电压的作用下带电。

其中，导电层21加载有第二电压，以使流经喷嘴23的墨水与导电层21之间形成电压差，压电材料层22在电压差的作用下发生形变。即带电后的墨水流经喷嘴时与导电层21之间形成电压差。

其中，电压差为第一电压与第二电压的差值。

本实施例中，优选地，导电层21的材料为金属。

本实施例中，优选地，压电材料层22的材料为压电陶瓷。由于压电陶瓷具有逆压电性，在电压差产生的外电场的作用下，压电陶瓷的内部的正负性电荷中心发生相对位移而被极化，由此位移导致压电陶瓷发生形变，从而产生机械震动，避免墨水堵塞喷嘴23。

如图2所示，图2示出了喷嘴管2的横截面，优选地，导电层21包覆在压电材料层22的外侧，压电材料层22的沿圆心轴挖通的空心部分为喷嘴23。本实施例中，压电材料层22的内侧还设置有有机涂层(图中未示出)，优选地，该有机涂层的材料为聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，简称：PTFE)。

本实施例中，该喷头还包括电极3，电极3用于向压力室1加载第一电压。

图3为加载第一电压和第二电压的等效示意图，如图3所示，本实施例中，电极3与第一电压源(图中未示出)连接，第一电压源通过电极3向压力室1加载第一电压V1，具体地，第一电压源通过电极3向压力室1内的墨水加载第一电压V1，从而使得压力室1内的墨水带电；导电层21与第二电压源(图中未示出)连接，第二电压源用于向导电层21加载第二电压V2。在实际应用中，如图3所示，当喷头在接地的待打印结构12上喷涂墨水I时，加载有第一电压V1的墨水I与待打印结构12之间存在电压差，该电压差的值为第一电压V1，通过改变第一电压V1，以改变带电墨水I的表面张力，通过控制墨水I与待打印结构12之间存在的电压差，从而控制墨水I在待打印结构12上的电润湿特性，在带电墨水I与待打印结构12之间存在的电压差产生的电场的作用下，使得墨水的表面张力减小，带电墨水I与待打印结构12接触时回弹的现象减少，并通过控制第一电压V1和第二电压V2之间的电压差，从而控制墨水I从喷嘴23滴出的流动特性，例如，控制墨水从喷嘴中滴下的速度，在第一电压V1和第二电压V2之间的电压差产生的电场的作用下，墨水I滴下的精准度得到提高。其中，待打印结构12可以为导电基板或导电膜。需要说明的是，待打印结构12接地，图中的V1仅是为了表示电极3对地电压为第一电压V1，图中的V2仅是为了表示喷嘴管2对地电压为第二电压V2，实际并不存在该V1和V2的电路连接结构。

本实施例中，优选地，压力室1的内侧设置有第一导电涂层(图中未示出)，电极3与第一导电涂层连接。其中，第一导电涂层的材料为金属，优选地，为了防止第一导电涂层与墨水产生化学反应，第一导电涂层的材料层为Ag或Pt。其中，第一导电涂层可以通过物理气相沉积法(PVD)在压力室1的内侧镀膜形成。

本实施例中，该喷头还包括墨水室4和进墨口5，进墨口5与墨水室4连通，压力室1与进墨口5连通。优选地，进墨口5的内侧设置有第二导电涂层(图中未示出)，第二导电涂层与第一导电涂层连接，使得电极3通过第二导电涂层与第一导电涂层连接。其中，电极3用于通过第二导电涂层向第一导电涂层加载第一电压，以实现向压力室1加载第一电压。

其中，墨水室4用于放置墨水。墨水采用CdSe Core-shell奈米颗粒调制，包括甲苯(Toluene)、乙醇(1-hexanol)和量子点，其中，甲苯的成分为67.9wt％，乙醇的含量为29.1wt％，量子点的固含量为3wt％。

其中，进墨口5用于将墨水室4中的墨水输送至压力室1中。

本实施例中，该喷头还包括第一基板6，压力室1位于第一基板6中，电极3位于第一基板6中且位于进墨口5上。

本实施例中，该喷头还包括压电驱动器7，压电驱动器7位于第一基板6上且位于压力室1的上方。

其中，压电驱动器7用于运行时发生形变，通过挤压第一基板6以挤压压力室1。具体地，压电驱动器7加载有第三电压，即压电驱动器7对地电压为第三电压，其中,第三电压为方波波型电压，优选地，该方波波形电压的波峰为+15V，波谷为-15V。压电驱动器7可在该第三电压产生的外电场的作用下，产生机械应力，发生形变，从而挤压第一基板6，以挤压压力室1。

其中，压力室1用于在受到挤压时将墨水通过连接管输送至喷嘴管2中。在压力作用下，压力室1内的墨水将被挤压而流进连接管中，进而流进与连接管连通的喷嘴管2中。

本实施例中，第一电压为恒定电压，第二电压为高频震荡波型电压；或者，第一电压为高频震荡波型电压，第二电压为恒定电压；或者，第一电压为高频震荡波型电压，第二电压为高频震荡波型电压。优选地，第一电压为恒定电压，其电压值为30V，从而使得墨水带电，通过第一电压控制墨水的电润湿特性。优选地，第二电压为高频震荡波型电压，第二电压源与DC 3x放大器连接，第二电压源的输入电压为30V，震荡频率为1kHz。由于压电陶瓷的逆压电性，压电陶瓷在第一电压和第二电压之间的电压差产生的外电场的作用下，产生机械震动，从而减少墨水堵塞喷嘴23的现象。

本实施例中，喷嘴管2与压力室1之间还设置有多个相互连通的连接管，压力室1通过连接管与喷嘴管2连通。也就是说，压力室1与连接管连通，连接管与喷嘴管2连通，从而使得压力室1内的墨水可以通过连接管输送至喷嘴管2。优选地，从最靠近压力室1至最远离压力室1的连接管的管径依次递减。优选地，如图1所示，喷嘴管2与压力室1之间设置有相互连通的第一连接管10和第二连接管11。

如图1所示，该喷头还包括第二基板8和第三基板9，第一基板6位于第二基板8和第三基板9上，墨水室4位于第一基板6、第二基板8和第三基板9中；第一连接管10与压力室1连通，第二连接管11位于第一连接管10与喷嘴管2之间且与喷嘴管2连通；第一连接管10位于第二基板8中，第二连接管11和喷嘴管2位于第三基板9中。其中，优选地，第一基板、第二基板和第三基板的材料均为硅。

本实施例所提供的喷头中，压力室加载有第一电压，以使压力室中的墨水加载有第一电压，导电层加载有第二电压，以使流经喷嘴的墨水与导电层之间形成电压差，压电材料层在电压差的作用下发生形变，使得压电材料层产生机械震动，从而减少了墨水堵塞喷嘴的现象，使得墨水从喷嘴中均匀滴出。需要说明的是，此处所述的均匀是指从喷嘴中滴出的墨水的体积形状均匀。在实际应用中，可以通过控制墨水与待打印结构之间存在的电压差即第一电压，以控制墨水在待打印结构上的电润湿特性，还可以通过控制第一电压与第二电压之间的电压差，以控制墨水从喷嘴滴出的流动特性。

图4为本发明实施例二提供的一种喷墨装置的结构示意图，如图4所示，该喷墨装置包括待打印结构12和上述实施例一所提供的喷头，待打印结构12位于喷头的下方。

其中，喷头用于在待打印结构12上喷涂墨水I。

优选地，该喷墨装置还包括电信号探针13，电信号探针13的一端接地，电信号探针13的另一端与待打印结构12连接，以控制待打印结构12接地。

优选地，待打印结构12为导电基板(Conductive Substrate)121或导电膜(Conductive Film)122。

本实施例中，喷墨装置还包括载台14，待打印结构12位于载台14上。

其中，载台14为扎针式载台或电阻率低于10³欧姆的纯导电载台。由于待打印结构12与接地的电信号探针13连接，使得待打印结构12接地，而喷头所滴的墨水I加载有第一电压，使得墨水I带电，因此带电墨水I与待打印结构12之间具有电压差，该电压差的值为第一电压，在该电压差产生的电场的电场线牵引的作用下，墨水I的电润湿特性提高，墨水I的表面张力减小，使得墨水I与待打印结构12接触时回弹的现象减少，同时通过控制第一电压和第二电压之间的电压差，在第一电压和第二电压之间的电压差产生的电场的作用下，控制墨水I从喷嘴中滴下的流动特性，例如，提高墨水I滴下的速度，并提高墨水I滴下的精准度。

本实施例中，关于喷头的具体描述可参见上述实施例一，此处不再具体赘述。

本实施例所提供的喷墨装置中，压力室加载有第一电压，以使压力室中的墨水加载有第一电压，导电层加载有第二电压，以使流经喷嘴的墨水与导电层之间形成电压差，压电材料层在电压差的作用下发生形变，使得压电材料层产生机械震动，从而减少了墨水堵塞喷嘴的现象，使得墨水从喷嘴中均匀滴出。在实际应用中，可以通过控制墨水与待打印结构之间存在的电压差即第一电压，以控制墨水在待打印结构上的电润湿特性，还可以通过控制第一电压与第二电压之间的电压差，以控制墨水从喷嘴滴出的流动特性。

图5为本发明实施例三提供的一种喷头的驱动方法的流程图，其中，喷头采用上述实施例一所提供的喷头，喷头的下方设置有接地的待打印结构；如图5所示，该驱动方法包括：

步骤401、压力室加载第一电压，以使压力室中的墨水加载有第一电压。

具体地，第一电压源通过电极向压力室加载第一电压，以使压力室中的墨水加载有第一电压。

其中，第一电压为恒定电压，其电压值为30V。

步骤402、导电层加载第二电压，以使流经喷嘴的墨水与导电层之间形成电压差，压电材料层在电压差的作用下发生形变。

具体地，第二电压源向导电层加载第二电压，以使流经喷嘴的墨水与导电层之间形成电压差，压电材料层在电压差的作用下发生形变。

其中，第二电压为高频震荡波型电压，第二电压源与DC 3x放大器连接，第二电压源的输入电压为30V/kHz。

优选地，压电材料层的材料为压电陶瓷。由于压电陶瓷具有逆压电性，在电压差产生的外电场的作用下，压电陶瓷的内部的正负性电荷中心发生相对位移而被极化，由此位移导致压电陶瓷发生形变，从而产生机械震动，避免墨水堵塞喷嘴。

步骤403、压电驱动器加载第三电压，以使压电驱动器发生形变，通过挤压第一基板以挤压压力室，压力室在受到挤压时将墨水通过连接管输送至喷嘴管。

其中，第三电压为方波波型电压，其波峰为15V，其波谷为-15V。压电驱动器加载的第三电压，在该第三电压产生的外电场的作用下，压电驱动器产生机械应力，发生形变，从而挤压第一基板，以挤压压力室，使得压力室内的墨水从压力室流入喷嘴管中。

需要说明的是，本实施例中，步骤401至步骤403的顺序可以根据实际情况进行相应变更，本实施例对此顺序不作任何限定。

步骤404、调整第三电压，并通过摄像头对从喷嘴中滴下的墨水进行观察。

其中，摄像头可采用电荷耦合器件(Charge-coupled Device，简称：CCD)型摄像机的摄像头，可实时观察墨水滴下的情况。

步骤405、调整第一电压和第二电压之间的电压差，以使从喷嘴管滴出的墨水的形状呈设定形状。

本实施例中，优选地，设定形状为球形。具体地，在第一电压和第二电压之间电压差的控制下，使得从喷嘴管滴出的墨水的形状呈球形，且从喷嘴管滴出至滴在待打印结构上的过程中墨水的形状始终保持完整，不会分裂成小滴墨水，即无卫星(staellite)产生。需要说明的是，设定形状还可以根据实际需要进行设定，本实施例对此设定形状不作任何限制。

至此，已完成了喷墨印刷前的开线流程。

步骤406、压电驱动器在调整后的第三电压的作用下，发生形变，通过挤压第一基板以挤压压力室，压力室在受到挤压时将墨水通过连接管输送至喷嘴管。

步骤407、压电材料层在调整后的第一电压和第二电压之间的电压差的作用下，产生机械震动，使得墨水从喷嘴管中滴下至待打印结构。

本实施例所提供的喷头的驱动方法，用于实现驱动上述实施例一所提供的喷头，关于喷头的具体描述可参见上述实施例一，此处不再具体赘述。

本实施例所提供的喷头的驱动方法中，压力室加载第一电压，以使压力室中的墨水加载有第一电压，导电层加载第二电压，以使流经喷嘴的墨水与导电层之间形成电压差，压电材料层在电压差的作用下发生形变，使得压电材料层产生机械震动，从而减少了墨水堵塞喷嘴的现象，使得墨水从喷嘴中均匀滴出。在实际应用中，可以通过控制墨水与待打印结构之间存在的电压差即第一电压，以控制墨水在待打印结构上的电润湿特性，还可以通过控制第一电压与第二电压之间的电压差，以控制墨水从喷嘴滴出的流动特性。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种喷头，其特征在于，包括压力室和喷嘴管，所述喷嘴管包括导电层、压电材料层和喷嘴，所述压电材料层位于所述导电层与喷嘴之间，所述喷嘴与所述压力室之间连通；

所述压力室加载有第一电压，以使所述压力室中的墨水加载有所述第一电压；

所述导电层加载有第二电压，以使流经所述喷嘴的墨水与所述导电层之间形成电压差，所述压电材料层在所述电压差的作用下发生形变。

2.根据权利要求1所述的喷头，其特征在于，还包括电极；

所述电极用于向所述压力室加载所述第一电压。

3.根据权利要求2所述的喷头，其特征在于，所述压力室的内侧设置有第一导电涂层，所述电极与所述第一导电涂层连接。

4.根据权利要求3所述的喷头，其特征在于，还包括墨水室和进墨口，所述进墨口与所述墨水室连通，所述压力室与所述进墨口连通，所述进墨口的内侧设置有第二导电涂层，所述第一导电涂层与所述第二导电涂层连接，所述电极通过所述第二导电涂层与所述第一导电涂层连接；

所述墨水室用于放置墨水；

所述进墨口用于将所述墨水室中的墨水输送至所述压力室中；

所述电极用于通过所述第二导电涂层向所述第一导电涂层加载第一电压，以实现向所述压力室加载第一电压。

5.根据权利要求4所述的喷头，其特征在于，还包括第一基板，所述压力室位于所述第一基板中，所述电极位于所述第一基板中且位于所述进墨口上。

6.根据权利要求5所述的喷头，其特征在于，还包括压电驱动器，所述压电驱动器位于所述第一基板上且位于所述压力室的上方；

所述压电驱动器用于运行时发生形变，通过挤压所述第一基板以挤压所述压力室；

所述压力室用于在受到挤压时将所述墨水通过连接管输送至所述喷嘴管中。

7.根据权利要求1所述的喷头，其特征在于，所述第一电压为恒定电压，第二电压为高频震荡波型电压；或者，第一电压为高频震荡波型电压，第二电压为恒定电压；或者，第一电压为高频震荡波型电压，第二电压为高频震荡波型电压。

8.根据权利要求4所述的喷头，其特征在于，还包括第二基板和第三基板，所述第一基板位于所述第二基板和所述第三基板上，所述墨水室位于所述第一基板、所述第二基板和所述第三基板中；所述喷嘴管与所述压力室之间还设置有相互连通的第一连接管和第二连接管，所述第一连接管与所述压力室连通，所述第二连接管位于所述第一连接管与所述喷嘴管之间且与所述喷嘴管连通；所述第一连接管位于所述第二基板中，所述第二连接管和所述喷嘴管位于第三基板中。

9.一种喷墨装置，其特征在于，包括待打印结构和权利要求1至9任一所述的喷头，所述待打印结构位于所述喷头的下方；

所述喷头用于在所述待打印结构上喷涂墨水。

10.根据权利要求9所述的喷墨装置，其特征在于，还包括电信号探针，所述电信号探针的一端接地，所述电信号探针的另一端与所述待打印结构连接。

11.根据权利要求10所述的喷墨装置，其特征在于，所述待打印结构为导电基板或导电膜。

12.一种喷头的驱动方法，其特征在于，所述喷头包括压力室和喷嘴管，所述喷嘴管包括导电层、压电材料层和喷嘴，所述压电材料层位于所述导电层与喷嘴之间，所述喷嘴与所述压力室之间连通；所述驱动方法包括：

压力室加载第一电压，以使所述压力室中的墨水加载有所述第一电压；

导电层加载第二电压，以使流经所述喷嘴的墨水与所述导电层之间形成电压差，所述压电材料层在所述电压差的作用下发生形变。