CN109605938A - 自清洁高速高效喷墨式压电喷头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自清洁高速高效喷墨式压电喷头，包括喷嘴，喷嘴设有喷墨通道，喷墨通道包括连通段和喷嘴段，连通段的出墨口与喷嘴段的进墨口相连，喷嘴段的内壁设有多级梯度微纳结构，多级梯度微纳结构包括微米级结构和纳米级结构，微米级结构设于喷嘴段的内壁表面上，纳米级结构设于微米级结构上；该种自清洁高速高效喷墨式压电喷头，喷墨通道的内壁表面具有良好的疏水性，使墨水在压电喷头发生挤压过程中不产生流阻和粘滞，实现喷嘴内壁结构的自清洁作用，提高压电喷头的喷墨性能，降低压电喷头的维护频次和成本。

Description

自清洁高速高效喷墨式压电喷头

技术领域

本发明涉及一种自清洁高速高效喷墨式压电喷头。

背景技术

喷头是喷墨打印机的核心部件，墨水通过喷嘴向打印介质喷射出具有一定速度的液滴，传统的喷嘴内部结构为普通光滑面，如图1，呈现统计学意义的粗糙度，不具有表面规则微细结构，喷嘴内壁具有较高的亲水性，在喷头工作时即将喷出的液滴和喷嘴内壁之间存在一定的粘滞摩擦力，使得喷出墨水的速度和精度较低。而且在喷头部位的墨水粘度变大时会造成柔性堵塞，导致断线故障，从而影响打印机的整体性能，在清洗时又会浪费墨水，增加成本。

上述问题是在压电喷头的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种自清洁高速高效喷墨式压电喷头解决现有技术中存在的喷出墨水的速度和精度较低，而且在喷头部位的墨水粘度变大时会造成柔性堵塞，导致断线故障，从而影响打印机的整体性能，在清洗时又会浪费墨水，增加成本的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种自清洁高速高效喷墨式压电喷头，包括喷嘴，喷嘴设有喷墨通道，喷墨通道包括连通段和喷嘴段，连通段的出墨口与喷嘴段的进墨口相连，喷嘴段的内壁设有多级梯度微纳结构，多级梯度微纳结构包括微米级结构和纳米级结构，微米级结构设于喷嘴段的内壁表面上，纳米级结构设于微米级结构上。

进一步地，微米级结构包括若干微米级疏水单元，微米级疏水单元包括若干微米级乳突，每个微米级疏水单元的微米级乳突均排布在喷嘴段的内壁上，微米级疏水单元等间距或非等间距排列在喷嘴段的内壁表面上。

进一步地，纳米级结构包括若干纳米级突出结构簇，纳米级突出结构簇排布在微米级乳突的表面。

进一步地，微米级乳突采用微米级长方体、微米级圆柱体、微米级球冠或微米级圆台，纳米级突出结构簇采用纳米级长方体、纳米级圆柱体、纳米级球冠或纳米级球体。

进一步地，连通段与喷嘴段同轴设置。

进一步地，喷嘴段的内壁纵截面为弧形，喷嘴段的直径沿喷墨方向的直径缩小。

进一步地，连通段采用圆柱形连通段，且连通段的直径等于喷嘴段的最大直径。

进一步地，微米级乳突与纳米级突出结构簇采用以下任一结构：

结构一：微米级乳突采用微米级长方体，微米级长方体的宽度1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级长方体的间距1～120μm，微米级长方体在喷嘴段的内壁表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级长方体，纳米级长方体的宽度1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级长方体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突上或设于相邻的微米级乳突之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列；

结构二：微米级乳突采用微米级圆柱体，微米级圆柱体的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级圆柱体的间距1～120μm，微米级圆柱体在喷嘴段的内壁表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级长方体，纳米级长方体的宽度1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级长方体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突上或设于相邻的微米级乳突之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列；

结构三：微米级乳突采用微米级圆台，微米级圆台的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级圆台的间距1～120μm，微米级圆台在喷嘴段表面上规则排列；纳米级突出结构簇为纳米级长方体，纳米级长方体的直径1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级长方体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突上或设于相邻的微米级乳突之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列；

结构四：微米级乳突采用微米级球冠，微米级球冠的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级球冠的间距1～120μm，微米级球冠在喷嘴段表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级圆柱体，纳米级圆柱体的直径1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级圆柱体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突上或设于相邻的微米级乳突之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列；

结构五：微米级乳突采用微米级圆柱，微米级圆柱的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级圆柱的间距1～120μm，微米级圆柱在喷嘴段表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级球冠，纳米级突出结构簇的直径1～200nm、高度1～100nm，相邻纳米级突出结构簇间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突上或设于相邻的微米级乳突之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列。

本发明的有益效果是：

一、与传统的喷嘴相比，在相同的压力和喷嘴孔径下，该种自清洁高速高效喷墨式压电喷头的新型喷嘴，通过设置多级梯度微纳结构，喷出液滴的速度更高，进而可提高打印精度；而且在喷头部位的墨水粘度变大时仍然可以顺利喷出墨水，降低喷头堵塞的故障率，节省喷头清洗等维修成本。

二、该种自清洁高速高效喷墨式压电喷头，喷嘴的喷墨通道内壁表面具有多级梯度微纳结构。该多级微纳精细结构是基于仿生原理而设计和制造，在宏观上呈现出随机分布的粗糙峰和谷，而在微观上存在大量的微米级乳突，微米级乳突上又含有纳米级突出结构簇，喷嘴的喷墨通道内壁表面的多级梯度微纳结构为多层次的跨尺度精细结构，与荷叶表面微观结构类似，表面具有良好的疏水性，使墨水在压电喷头发生挤压过程中不产生流阻和粘滞，实现喷嘴内壁结构的自清洁作用，提高压电喷头的喷墨性能，降低压电喷头的维护频次和成本。

附图说明

图1是传统压电喷头的结构示意图；

图2是本发明实施例自清洁高速高效喷墨式压电喷头的结构示意图；

图3是实施例中喷嘴段的剖面三维示意图；

图4是实施例中喷嘴段的剖面示意图；

图5是喷嘴内壁表面采用微米级长方体、纳米级长方体的示意图；

图6是喷嘴内壁表面采用微米级圆柱体、纳米级长方体的示意图；

图7是喷嘴内壁表面采用微米级圆台、纳米级长方体的示意图；

图8是喷嘴内壁表面采用微米级球冠、纳米级圆柱体的示意图；

图9是喷嘴内壁表面采用微米级圆柱体、纳米级球冠的示意图；

其中：1-连通段，2-喷嘴段，3-微米级乳突，4-纳米级突出结构簇，5-传统喷嘴，6-喷嘴口，7-假想等距锥面环线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。示例实施例可以以许多不同的形式实施，并不能解释为局限于在这里提出的实施例。附图仅为说明本实施例，并不是按照比例绘制。

实施例

一种自清洁高速高效喷墨式压电喷头，如图2、图5、图6、图7、图8和图9，包括喷嘴，喷嘴设有喷墨通道，喷墨通道包括连通段1和喷嘴段2，连通段1的出墨口与喷嘴段2的进墨口相连，喷嘴段2的内壁设有多级梯度微纳结构，多级梯度微纳结构包括微米级结构和纳米级结构，微米级结构设于喷嘴段2的内壁表面上，纳米级结构设于微米级结构上。

该种自清洁高速高效喷墨式压电喷头，喷嘴的喷墨通道内壁表面具有多级梯度微纳结构。该多级微纳精细结构是基于仿生原理而设计和制造，在宏观上呈现出随机分布的粗糙峰和谷，而在微观上存在大量的微米级乳突3，微米级乳突3上又含有纳米级突出结构簇，喷嘴的喷墨通道内壁表面的多级梯度微纳结构为多层次的跨尺度精细结构，与荷叶表面微观结构类似，表面具有良好的疏水性，使墨水在压电喷头发生挤压过程中不产生流阻和粘滞，实现喷嘴内壁结构的自清洁作用，提高压电喷头的喷墨性能，降低压电喷头的维护频次和成本。

图1是传统压电喷头的结构示意图，其中传统喷嘴5的内壁为普通表面即采用普通光滑面，传统喷嘴5的端部设有喷嘴口6。与传统的喷嘴相比，在相同的压力和喷嘴孔径下，该种自清洁高速高效喷墨式压电喷头的新型喷嘴，通过设置多级梯度微纳结构，喷出液滴的速度更高，进而可提高打印精度；而且在喷头部位的墨水粘度变大时仍然可以顺利喷出墨水，降低喷头堵塞的故障率，节省喷头清洗等维修成本。

实施例中，微米级结构包括若干微米级疏水单元，微米级疏水单元包括若干微米级乳突3，每个微米级疏水单元的微米级乳突3均排布在喷嘴段2的内壁上，微米级疏水单元等间距或非等间距排列在喷嘴段2的内壁表面上。

实施例中，纳米级结构包括若干纳米级突出结构簇，纳米级突出结构簇排布在微米级乳突3的表面。微米级乳突3采用微米级长方体、微米级圆柱体、微米级球冠或微米级圆台，纳米级突出结构簇采用纳米级长方体、纳米级圆柱体、纳米级球冠或纳米级球体。

如图2，实施例中，连通段1与喷嘴段2同轴设置。喷嘴段2的内壁为一具有弧度的曲面，喷嘴段2的内壁纵截面为弧形，喷嘴段2的直径沿喷墨方向的直径缩小，相比与传统平面结构，该新型喷嘴内壁为曲面，易于墨水喷出。连通段1采用圆柱形连通段1，且连通段1的直径等于喷嘴段2的最大直径。

图3是喷嘴段2剖面三维图，喷嘴结构几何特征未按比例绘制。图4是喷嘴段2剖面图，其中喷嘴段2标有假想等距锥面环线7，两假想等距锥面环线7之间的距离等于微米级疏水单元之间的平均间距，微米级疏水单元在此环线上环形等距/非等距排列。

以下为几种不同形式的表面微结构的具体实施例，即微米级结构和纳米级结构的组合形式。实施例中微米级乳突3与纳米级突出结构簇优选采用以下任一结构：

如图5，结构一：微米级乳突3采用微米级长方体，微米级长方体的宽度1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级长方体的间距1～120μm，微米级长方体在喷嘴段2的内壁表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级长方体，纳米级长方体的宽度1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级长方体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突3上或设于相邻的微米级乳突3之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列。

如图6，结构二：微米级乳突3采用微米级圆柱体，微米级圆柱体的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级圆柱体的间距1～120μm，微米级圆柱体在喷嘴段2的内壁表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级长方体，纳米级长方体的宽度1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级长方体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突3上或设于相邻的微米级乳突3之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列。

如图7，结构三：微米级乳突3采用微米级圆台，微米级圆台的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级圆台的间距1～120μm，微米级圆台在喷嘴段2表面上规则排列；纳米级突出结构簇为纳米级长方体，纳米级长方体的直径1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级长方体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突3上或设于相邻的微米级乳突3之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列。

如图8，结构四：微米级乳突3采用微米级球冠，微米级球冠的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级球冠的间距1～120μm，微米级球冠在喷嘴段2表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级圆柱体，纳米级圆柱体的直径1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级圆柱体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突3上或设于相邻的微米级乳突3之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列。

如图9，结构五：微米级乳突3采用微米级圆柱，微米级圆柱的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级圆柱的间距1～120μm，微米级圆柱在喷嘴段2表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级球冠，纳米级突出结构簇的直径1～200nm、高度1～100nm，相邻纳米级突出结构簇间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突3上或设于相邻的微米级乳突3之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列。

图5-图9为喷嘴内壁表面不同形式的多级梯度微纳结构的结构示意图，施加特定电压信号时，在腔室压电振动板挤压作用下，流体(墨水)通过疏水壁面喷嘴时，流动阻力会显著降低。

如上所述，喷嘴喷墨时，沿喷嘴内壁流动的墨水会受到摩擦阻力，采用实施例的新型喷嘴可降低此阻力，喷出墨滴的速度会提高，打印精度相应提高。传统喷头易出现软性堵塞问题，而处理软性堵塞的手段一般是使用原装墨水多次清洗，缺点是浪费墨水，成本较高，实施例的自清洁高速高效喷墨式压电喷头，可高效防止喷口的粘附堵塞，降低喷头堵塞故障率，实现喷嘴的自清洁作用，从而会大大降低墨水的使用成本。

实施例优选采用激光微细加工、由模具表面主动设计或其他合适的方法将喷嘴的内壁加工出多级梯度微纳结构，由微米级结构和纳米级结构组合而成的微粗糙表面，其组合形式有多种，能够提高喷墨性能，并可有效提高喷嘴的自清洁作用。原理说明如下：此时具有该微粗糙结构的表面会具有较高的疏水性。墨水在此疏水表面的喷嘴内流动时，固体表面与墨水之间会产生一层空气膜，因此可以显著降低摩擦阻力，同时，墨水中的腐蚀性离子难以到达材料表面，喷嘴会更耐腐蚀；另一方面，当液体在疏水表面流动时，可以将表面的污染物或灰尘带走。因此，墨水内的微小杂质并不会在喷嘴处附着和生长，会随着墨水顺利喷出，从而使具有此种微粗糙结构的喷嘴不易发生堵塞，实现喷嘴的自清洁作用。

该种自清洁高速高效喷墨式压电喷头，具有自清洁作用和高速打印功能。其喷嘴内壁表面具有某种多层次的跨尺度精细结构即多级梯度微纳结构，使墨水在压电喷头发生挤压过程中不产生流阻和粘滞，实现喷嘴内壁结构的自清洁作用，提高压电喷头的喷墨性能，降低压电喷头的维护频次和成本。

实施例的该种自清洁高速高效喷墨式压电喷头，喷嘴设有喷墨通道，喷墨通道一端与喷墨腔室相通，另一端即为喷墨作用端，喷嘴包括喷嘴内壁的几何结构及其内壁表面的多级梯度微纳结构；多级梯度微纳结构可以通过激光精细加工或模具成型表面主动设计，实现压电喷嘴内壁疏水的功能表面。多级梯度微纳结构基于仿生学设计，能够实现压电喷嘴内壁表面的疏水功能。实施例所提供的喷嘴内壁表面具有多级梯度微纳结构的压电喷头，能够显著提高压电喷头的使用性能和工作效率，也能有效降低压电喷头的故障率。疏水功能表面实现方法多样，多级梯度微纳结构的疏水功能特点明确，实现喷嘴的自清洁作用，可显著提高喷墨性能，从而提升压电喷头的应用水平及拓展工程应用领域。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为详细和具体，但是对于本领域的普通技术人员来说，应当理解的是，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种自清洁高速高效喷墨式压电喷头，包括喷嘴，喷嘴设有喷墨通道，喷墨通道包括连通段和喷嘴段，连通段的出墨口与喷嘴段的进墨口相连，其特征在于：喷嘴段的内壁设有多级梯度微纳结构，多级梯度微纳结构包括微米级结构和纳米级结构，微米级结构设于喷嘴段的内壁表面上，纳米级结构设于微米级结构上。

2.如权利要求1所述的自清洁高速高效喷墨式压电喷头，其特征在于：微米级结构包括若干微米级疏水单元，微米级疏水单元包括若干微米级乳突，每个微米级疏水单元的微米级乳突均排布在喷嘴段的内壁上，微米级疏水单元等间距或非等间距排列在喷嘴段的内壁表面上。

3.如权利要求2所述的自清洁高速高效喷墨式压电喷头，其特征在于：纳米级结构包括若干纳米级突出结构簇，纳米级突出结构簇排布在微米级乳突的表面。

4.如权利要求3所述的自清洁高速高效喷墨式压电喷头，其特征在于：微米级乳突采用微米级长方体、微米级圆柱体、微米级球冠或微米级圆台，纳米级突出结构簇采用纳米级长方体、纳米级圆柱体、纳米级球冠或纳米级球体。

5.如权利要求1-4任一项所述的自清洁高速高效喷墨式压电喷头，其特征在于：连通段与喷嘴段同轴设置。

6.如权利要求1-4任一项所述的自清洁高速高效喷墨式压电喷头，其特征在于：喷嘴段的内壁纵截面为弧形，喷嘴段的直径沿喷墨方向的直径缩小。

7.如权利要求1-4任一项所述的自清洁高速高效喷墨式压电喷头，其特征在于：连通段采用圆柱形连通段，且连通段的直径等于喷嘴段的最大直径。

8.如权利要求3或4所述的自清洁高速高效喷墨式压电喷头，其特征在于：微米级乳突与纳米级突出结构簇采用以下任一结构：

结构一：微米级乳突采用微米级长方体，微米级长方体的宽度1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级长方体的间距1～120μm，微米级长方体在喷嘴段的内壁表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级长方体，纳米级长方体的宽度1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级长方体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突上或设于相邻的微米级乳突之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列；

结构二：微米级乳突采用微米级圆柱体，微米级圆柱体的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级圆柱体的间距1～120μm，微米级圆柱体在喷嘴段的内壁表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级长方体，纳米级长方体的宽度1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级长方体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突上或设于相邻的微米级乳突之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列；

结构三：微米级乳突采用微米级圆台，微米级圆台的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级圆台的间距1～120μm，微米级圆台在喷嘴段表面上规则排列；纳米级突出结构簇为纳米级长方体，纳米级长方体的直径1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级长方体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突上或设于相邻的微米级乳突之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列；

结构四：微米级乳突采用微米级球冠，微米级球冠的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级球冠的间距1～120μm，微米级球冠在喷嘴段表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级圆柱体，纳米级圆柱体的直径1～200nm、高度1～300nm，相邻纳米级圆柱体的间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突上或设于相邻的微米级乳突之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列；

结构五：微米级乳突采用微米级圆柱，微米级圆柱的直径1～100μm、高度1～150μm，相邻微米级圆柱的间距1～120μm，微米级圆柱在喷嘴段表面上规则排列；纳米级突出结构簇采用纳米级球冠，纳米级突出结构簇的直径1～200nm、高度1～100nm，相邻纳米级突出结构簇间距1～240nm，纳米级突出结构簇设于微米级乳突上或设于相邻的微米级乳突之间的空隙上，且纳米级突出结构簇无规则排列。