CN108909185B - 一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于打印喷头技术领域,涉及一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,由多个腔室组成,腔室位于基底上方;每个腔室主要由供墨通道、限流部、压力产生腔、引流部和喷嘴依次相连组成;供墨通道的另一端与墨盒相连,墨水在腔室内部流动;压力产生腔的底部设有驱动元件,驱动元件从上到下依次由绝缘层、上电极、压电元件和下电极组成。本发明采用厚膜压电陶瓷并保留喷头结构中驱动元件对应的基底部分,驱动元件处于非悬空状态,为驱动元件的变形提供足够的支撑力,进而减少了墨水对驱动元件所产生挤压力的缓冲,使挤压墨水的驱动力增大。本发明制备工艺简单,重复性好,防墨水回流效果好,成本低。
Description
技术领域
本发明属于打印喷头技术领域,涉及一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打 印喷头。
背景技术
喷墨印刷自19世纪50年代被发明后,由于其打印头不接触承接物,印刷 图像清晰等特点,使其得以快速广泛的发展。随着喷墨打印头技术的不断革新, 喷墨印刷在印刷行业中的地位越来越高。在2008年德巴鲁国际印刷与纸业展会 上,柯达、惠普、爱普生、北大方正等几十家印刷企业首次集体亮相,并纷纷 推出了各自的喷墨印刷设备。此次展会表明了喷墨印刷在商用领域逐步走向了 成熟,并已经成为一个规模型产业。据国际权威咨询机构Smithers Pira报告,全 球喷墨印刷市场在2011年已达到334亿美元,并将在2017年达到673亿美元。 同时美国市场研究机构BBC在调查报告中称,2011年全球工业喷墨印刷硬件和耗材的市场规模达到了15亿美元,并预计这一市场规模在2017年将达到74亿 美元。在这一市场的组成中,打印头市场所占的比例达到了30%。
中国喷墨印刷产业起步虽晚,但其势头十分强劲。据中国印刷协会预计, 中国喷墨印刷设备规模将在2015年达到86.6亿元。近十年来,方正,海隆等国 内知名企业纷纷推出了自主研制的喷墨印刷机,但在诸如喷墨打印头等关键零 件上仍是进口国外产品,缺乏具有自主知识产权的核心技术。在国家印刷业发 展规划中,喷墨印刷机被作为重点研发目标。并且压电喷墨打印头技术被工信 部列为关键共性技术。
在喷墨印刷设备的整体成本中,打印头成本约占10%。中国的喷墨打印头 市场一直被国外垄断,因此研究具有自主知识产权的喷墨打印头不仅能填补国 家科技空白,还可以获得可观的商业利益。
喷墨印刷技术分为连续喷墨技术和按需喷墨技术。
连续喷墨技术主要是指在喷嘴处加载一定频率的压力波,使墨水喷出后形 成连续的液滴。当需要时,使液滴带电并使其通过偏转电场沉积到承接物上。 当不需要时,直接使用回收装置回收未带电墨滴。然而,连续喷墨技术会造成 墨水的大量浪费,墨水使用成本较高,按需喷墨技术就能很好地解决这一缺点。 按需喷墨技术主要分为热泡式打印技术和压电式打印技术。热泡式打印喷头由 于墨水在高温下易发生化学变化,不稳定,墨水微粒的方向性与体积大小不好 掌握,打印线条边缘容易参差不齐,在一定程度上影响了打印质量,都是它的 不足之处。压电打印喷头技术是利用晶体加压时放电的特性,在常温状态下稳 定的将墨水喷出。对墨滴控制能力较强,还将色点缩小许多,产生的墨点也没 有慧尾,从而使打印的图像更清晰。容易实现高达1440dip的高精度打印质量。 微压电喷墨时无需加热,墨水就不会因受热而发生化学变化,故大大降低了对 墨水的要求。另外,压电式打印喷头被固定在打印机中,因此只需要更换墨盒 就可以了。热泡式喷墨打印机需要在每个墨盒中安装喷墨嘴:这样会增加墨盒 的成本。
本发明采用的是压电式按需喷墨打印技术,该打印技术共分为挤压式、推 拉式、剪切式和弯曲式四种。而本发明采用的是挤压式。挤压式压电打印头的 压电元件有足够强劲的动力输出,在保证有效驱动位移的情况下,压电元件、 压力产生腔和喷嘴可以做的尽量小。本发明的压电喷墨打印喷头,能够克服墨 滴喷射惯性,有效抑制墨水回流,墨滴喷射速度大,并且制备工艺简单,周期 短且制备成本低。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头。 本发明的目的是为了给驱动元件提供足够驱动力和支撑力,进而给压力产生 腔9中的墨水足够的挤压力,并且防止由压力产生腔9挤到喷嘴2处的墨水 回流到供墨通道11。
为实现上述目的,本发明提供如下方案:
一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,由多个腔室组成,腔室位 于基底3上,腔室设有腔室壁1以保护腔室内的部件;所述的腔室主要由供 墨通道11、限流部10、压力产生腔9、引流部8和喷嘴2依次相连组成;
所述的供墨通道11是在基底3上掏空形成的倒L型通道,供墨通道11 的另一端与墨盒相连,墨水在腔室内部流动;
所述的限流部10和引流部8为弯曲的管道结构,限流部10用于限制腔 室内的墨水流量,引流部8用于引导腔室内的墨水的流动方向;引流部8的 截面面积不小于限流部10的截面面积,使墨水流向引流部8;引流部8设有 90°的转折,防止墨水回流;
所述的压力产生腔9为长条形空腔,底部设有驱动元件,所述的驱动元 件从上到下依次由绝缘层4、上电极6、压电元件5和下电极7组成。
所述的腔室壁1的材质为硅或聚合物。
所述的压电元件5的材质为厚膜压电陶瓷,形状为四棱台或圆台。
所述的绝缘层4的材质为聚合物,厚度为0.8um-8mm。
所述的喷嘴2,形状为圆台型或圆柱型,喷嘴孔的直径为20um-60um, 喷嘴孔的高度为10um-9mm。
所述的聚合物为聚乙二醇、聚酰亚胺、SU8或聚对二甲苯。
本发明中,驱动元件中采用厚膜压电陶瓷制成的压电元件5以提供足够 的驱动力和支撑力,驱动元件处于非悬空状态;当上电极6和下电极7同时 通电时,厚膜压电陶瓷5会因为逆压电效应发生变形,进而导致绝缘层4变 形,导致压力产生腔9产生体积变化,挤压压力产生腔内的墨水。
引流部8的墨水通道的截面面积大于或等于限流部10的截面面积,进而 使墨水更倾向于流向引流部8,而引流部8有一个90度的墨水通道转折,墨 水被挤到90度转折的墨水通道后,墨水的流动方向被改变,因为喷嘴2处毛 细力迫使墨水回流时,90度转折的墨水通道阻力较大,因而有很好的防回流 效果。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1.该打印喷头可以通过一次光刻工艺制备,制备工艺简单,重复性好;
2.该打印喷头具有很好的防墨水回流效果;
3.该打印喷头的部分结构可以由聚合物制成,制备成本低。
4.该打印喷头采用厚膜压电陶瓷并保留喷头结构中驱动元件对应的基底部 分,所述驱动元件处于非悬空状态,为驱动元件的变形提供了足够的支撑力, 进而减少了墨水对驱动元件所产生挤压力的缓冲,使挤压墨水的驱动力增大。
附图说明
图1为本发明的压电喷墨打印喷头的俯视图;
图2(a)为本发明的压电喷墨打印喷头一个腔室的结构俯视图;
图2(b)为本发明的压电喷墨打印喷头一个腔室的结构剖视图;
图2(c)为本发明的压电喷墨打印喷头一个腔室内部的驱动元件示意图;
图3为本发明的压电喷墨打印喷头一个腔室的限流部结构图;
图4为本发明的压电喷墨打印喷头一个腔室的引流部结构图;
图5为本发明的压电喷墨打印喷头一个腔室的绝缘层结构图;
图6为本发明的压电喷墨打印喷头一个腔室的供墨通道结构图;
图7为本发明的压电喷墨打印喷头一个腔室的左视压力产生腔和驱动元件 剖面图;
图8为本发明的压电喷墨打印喷头一个腔室的喷嘴结构图。
图中:1腔室壁;2喷嘴;3基底;4绝缘层;5压电元件;6上电极;7下 电极;8引流部;9压力产生腔;10限流部;11供墨通道。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示,本实施例的一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,包 括多个腔室,如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示,每个腔室包括:供墨 通道11、限流部10、压力产生腔9、引流部8、喷嘴2、上电极6、压电元件 5、下电极7、绝缘层4。
如图3所示,本发明的限流部10结构尺寸为:a边的长度为50um,b 边的长度为150um,c边的长度为25um,d边的长度为50um,e边的长度为 150um,f边的长度150um,g边的长度为50um,h边的长度为100um,i边 的长度为150um,j边的长度为150um,k边的长度为25um,l边的长度为100um,e1边的长度为50um,e2边的长度为50um,e3边的长度为68um, e4边的长度为46um,e5边的长度为29um,e3边与f边所夹的圆角半径为 25um,e4边与e5边所夹的圆角半径为25um;如图6所示,压力产生腔9 的高度、限流部10的高度、引流部8的高度均等于u边的长度,即三者高度 都为50um,供墨通道11的v边的长度为300um,供墨通道11的直径为100um。
如图4所示,本发明的引流部8结构尺寸为:m边的长度为100um,n 边的长度为200um,q1边的长度为75um,q2边的长度为100um,q3边的长 度为100um,r边的长度为100um,q4边的长度为100um,q4边与q5边所 夹的圆角半径为25um,q5边的长度为68um,q6边的长度为46um,q7边的 长度为29um,q6边与q7边所夹的圆角半径为25um,n边与q5边所夹的圆 角半径为25um。
如图5所示,本发明的压力产生腔9的s边的长度为1500um,t边的长度 为300um,所述腔室的腔室壁1材料为硅或聚合物。
如图7所示,绝缘层4的长度和宽度跟压力产生腔的长度和宽度相同, 绝缘层4的厚度x为8um,上电极6、压电元件5、下电极7的长度都为1500um, 宽度都为280um,上电极6厚度为180nm,下电极7厚度为230nm,压电元 件5的厚度y为38um。
如图8所示,喷嘴2为圆锥孔,小孔直径为40um,大孔直径为60um, 高度60um。
本实施例的一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头结构,其制作工 艺简单、成本低、工艺重复性好并且容易实现。
Claims (8)
1.一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,其特征在于,该打印喷头由多个腔室组成,腔室位于基底(3)上方;所述的腔室主要由供墨通道(11)、限流部(10)、压力产生腔(9)、引流部(8)和喷嘴(2)依次相连组成;
所述的供墨通道(11)是在基底(3)上掏空形成的倒L型通道,供墨通道(11)的另一端与墨盒相连,墨水在腔室内部流动;
所述的限流部(10)和引流部(8)为弯曲的管道结构,限流部(10)用于限制腔室内的墨水流量,引流部(8)用于引导腔室内的墨水的流动方向;引流部(8)的截面面积不小于限流部(10)的截面面积,使墨水流向引流部(8);引流部(8)设有90°的转折,防止墨水回流;
所述的压力产生腔(9)由腔室壁(1)、驱动元件组成,所述的驱动元件从上到下依次由绝缘层(4)、上电极(6)、压电元件(5)和下电极(7)组成;
所述的腔室都是在所述基底上方进行制作,除了所述供墨通道(11)对应的基底部分被去除外,对基底其他部分不进行任何其他操作,驱动元件对应的基底部分保留,所述驱动元件处于非悬空状态。
2.根据权利要求1所述的一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,其特征在于,所述的引流部(8)的第一边(q4)的长度范围为0.8um-8mm,引流部(8)的第一边(q4)与引流部(8)的第二边(q5)所夹圆角半径范围为0.8um-8mm,引流部(8)的第二边(q5)的长度范围为0.8um-8mm,引流部(8)的第三边(q6)的长度范围为0.8um-8mm,引流部(8)的第四边(q7)的长度范围为0.8um-8mm,引流部(8)的第三边(q6)与引流部(8)的第四边(q7)所夹圆角半径范围为0.8um-8mm,引流部(8)的M边(m)的长度范围为0.8um-8mm,引流部(8)的N边(n)的长度范围为0.8um-8mm,引流部(8)的R边(r)的长度范围为0.8um-8mm;引流部(8)的N边(n)与引流部(8)的第二边(q5)所夹圆角半径范围为0.8um-8mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,其特征在于,所述的限流部(10)的A边(a)的长度范围为0.8um-8mm,限流部(10)的B边(b)的长度范围为0-8mm,限流部(10)的C边(c)的长度范围为0-9mm,限流部(10)的D边(d)的长度范围为0.9um-9mm,限流部(10)的E一边(e1)的长度范围为0.8um-8mm,限流部(10)的E二边(e2)与所述限流部的E三边(e3)所夹的圆角半径范围为0.8um-8mm,限流部(10)的E三边(e3)的长度范围为0.8um-8mm,限流部(10)的E四边(e4)的长度范围为0.8um-8mm,限流部(10)的E五边(e5)的长度范围为0.8um-8mm,限流部(10)的E三边(e3)与限流部(10)的F边(f)所夹的圆角半径范围为0.8um-8mm,限流部(10)的E四边(e4)与限流部(10)的E五边(e5)所夹的圆角半径范围为0.8um-8mm;限流部(10)的F边(f)的长度范围为0.8um-8mm,限流部(10)的G边(g)的长度范围为0.8um-8mm,限流部(10)的H边(h)的长度范围为0.8um-8mm,限流部(10)的I边(i)的长度范围为0.8um-8mm,限流部(10)的J边(j)的长度范围为0.8um-8mm,限流部(10)的K边(k)的长度范围为0-8mm,限流部(10)的L边(l)的长度范围为0.8um-8mm。
4.根据权利要求3所述的一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,其特征在于,所述的限流部(10)的高度范围,即限流部(10)的U边(u)的长度范围为0.8um-8mm,压力产生腔(9)的高度范围,即压力产生腔(9)的U边(u)的长度范围为0.8um-8mm,引流部(8)的高度范围,即引流部(8)的U边(u)的长度范围为0.8um-8mm。
5.根据权利要求1所述的一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,其特征在于,所述的腔室壁(1)的材质为硅或聚合物。
6.根据权利要求1所述的一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,其特征在于,所述的压电元件(5)的材质为厚膜压电陶瓷,厚度y范围为20um-500um,形状为四棱台或圆台。
7.根据权利要求1所述的一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,其特征在于,所述的绝缘层(4)的材质为聚合物,绝缘层(4)的厚度x范围为0.8um-8mm;所述的聚合物为聚乙二醇、聚酰亚胺、SU8或聚对二甲苯。
8.根据权利要求1所述的一种厚膜压电元件驱动的压电喷墨打印喷头,其特征在于,所述的供墨通道(11)的V边(v)长度范围为0.8um-8mm,供墨通道(11)的直径(w)的长度范围为0.8um-8mm。
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