CN110696493B - 一种喷墨打印头压电振动结构 - Google Patents

一种喷墨打印头压电振动结构 Download PDF

Info

Publication number
CN110696493B
CN110696493B CN201910965027.7A CN201910965027A CN110696493B CN 110696493 B CN110696493 B CN 110696493B CN 201910965027 A CN201910965027 A CN 201910965027A CN 110696493 B CN110696493 B CN 110696493B
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoelectric
ink
area
vibrating
ink jet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910965027.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110696493A (zh
Inventor
韩梅
王力成
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Sipule Information Material Co ltd
Dalian Ruilin Digital Printing Technology Co ltd
Original Assignee
Dalian Sipule Information Material Co ltd
Dalian Ruilin Digital Printing Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Sipule Information Material Co ltd, Dalian Ruilin Digital Printing Technology Co ltd filed Critical Dalian Sipule Information Material Co ltd
Priority to CN201910965027.7A priority Critical patent/CN110696493B/zh
Publication of CN110696493A publication Critical patent/CN110696493A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110696493B publication Critical patent/CN110696493B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种喷墨打印头压电振动结构，包括振动薄板和压电元件；所述振动薄板由材料a和材料b组成，所述压电元件由顶电极、压电陶瓷、底电极、基板和铰支微区组成；所述顶电极和底电极同时通电时，压电陶瓷发生变形，进而导致所述振动薄板变形，挤压墨水，进而使墨水喷出。本发明与现有技术相比具有如下优点：1、该压电喷墨打印喷头的驱动结构制备工艺简单，重复性好；2、该压电振动结构具有很高的振动振幅和频率、使用寿命长；3、该压电振动结构可由金属、硅化物、聚合物、无机物、有机物或半导体等多层材料制成，制备成本低。

Description

一种喷墨打印头压电振动结构
技术领域
本发明属于半导体传感器执行器制造技术领域，涉及一种喷墨打印头压电振动结构，是采用微机电技术(MEMS)设计制造而成的。
背景技术
压电喷墨打印是一种数字化按需式喷墨打印技术。基于微机电系统(MEMS)技术制造的压电喷墨打印头能够以多种工作模式在不同的承印物上沉积多种墨水材料，且使用寿命长，打印精度高。随着喷墨打印头技术的不断革新，喷墨打印已从传统的图像打印领域逐渐扩展到现代社会各个领域，如柔性集成电路、生物细胞打印、新兴的3D打印技术等。压电驱动元件作为压电喷墨打印头的核心器件，其振动板的振动性能直接决定打印头墨水腔室压力变化，而根据波传导理论，腔室的压力变化最终又会影响墨滴的形成以及稳定喷射。因此研究压电振动板的振动性能是合理设计压电喷墨打印头驱动器的基础。
压电驱动打印技术具有能耗低，驱动力大，制造周期短等优点，本专利以压电振动结构为研究对象，重点研究了压电元件和振动薄板的材料性能参数和尺寸对压电喷墨打印的影响。
在压电喷墨打印头中，通过施加电压给压电陶瓷，使振动薄板产生位移和压力进而挤压腔室内的墨水，来实现墨滴喷射的按需喷墨打印。压电振动薄板主要是利用压电陶瓷的逆压电效应，即在压电陶瓷极化方向施加电压时，压电陶瓷会产生形变，且形变的大小与施加的电场大小成正相关。针对压电振动薄板和压电元件的结构，学者们做了大量研究工作。振动薄膜的柔性对其受到压电元件作用后产生形变有重要影响。大的变形有利于墨滴喷射，如增大墨滴体积。大的变形需要振动板较高的柔性，但是如果振动板柔性太高，又会降低喷墨频率。振动板的柔性和弹性不易同时提高。
以锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)形变为驱动的压电振动板的设计与研究是一个复杂的过程，至今尚未有成熟的理论设计方法。许多研究学者通过采用激光多普勒振动仪(LDV)来测量压电振动板的振幅，分析其动力学性能。Chien-ChingMa等人利用激光多普勒振动仪来研究压电陶瓷矩形板的共振特性，得到了边界完全自由和完全固定两种情况下的振幅频率响应，并运用有限元模拟方法来验证实验结果。有关压电层不同结构形式，例如介于完全自由和完全固定边界条件之间的约束条件，对压电振动板振动振幅的影响分析报道很少。
发明内容
本发明提供一种喷墨打印头压电振动结构，采用该结构能有效提高压电喷墨打印头振动元件的振动幅度和频率。
本发明采用的技术方案为：该结构包括振动薄板和压电元件；所述振动薄板由材料a和材料b组成，所述压电元件由顶电极、压电陶瓷、底电极、基板和铰支微区组成；所述底电极置于基板上，压电陶瓷置于底电极上，所述铰支微区7镶嵌在压电陶瓷4中，所述振动薄板置于压电陶瓷上，振动薄板上方为腔室；所述顶电极和底电极同时通电时，压电陶瓷发生变形，进而导致所述振动薄板变形，挤压墨水，进而使墨水从供墨通道喷出。
所述材料a包括但不限于SiO2、Si3N4、聚合物材料；所述材料b包括但不限于SiO2、Si3N4、半导体、金属材料；所述顶电极采用的材料包括但不限于Pt、Au、Ti、Cr材料；所述压电陶瓷采用的材料包括但不限于压电陶瓷和压电薄膜材料；所述底电极采用的材料包括但不限于Pt、Au、Ti、Cr材料；所述基板采用的材料包括但不限于SiO2、Si3N4材料，所述铰支微区采用的材料包括但不限于聚合物和介电材料。
所述材料a的厚度范围为1-10um，所述材料b的厚度范围为1-10um，所述顶电极的厚度范围为0.2-0.6um，所述压电陶瓷的厚度范围为1-50um，所述底电极的厚度范围为0.2-0.6um，所述基板的厚度范围为1-10um，所述铰支微区的厚度范围为1-50um。
所述铰支微区镶嵌在压电陶瓷中，其宽度范围为1-100um，长度与振动薄板长度相等。
所述材料a和材料b的厚度比范围为0.1-10。
所述铰支微区的厚度要和压电陶瓷的厚度尽可能相等。
所述压电振动结构的组成顺序从上至下依次为振动薄板、顶电极、压电陶瓷、底电极或者从下至上依次为振动薄板、底电极、压电陶瓷、顶电极。
本发明是一种具有铰支微区结构的压电陶瓷(如：锆钛酸铅压电陶瓷PZT)压电层的压电振动板，根据压电振动薄板的实际加工工艺，结合压电理论与弹性力学理论，计算振动薄板的振动幅度与铰支微区的几何结构和材料特性的关系，计算振动薄板的振动频率与材料的几何结构和材料特性的关系。采用Doppler振动测试和Comsol数值模拟方法对制作的振动薄板结构进行实验测试与模拟，得到振动薄板输出振幅与结构参数的相互影响关系。
本发明的设计理论如下：1、改变压电元件铰支微区的宽度和振动板材料a和材料b的厚度比，可调节振动薄板的柔性和弹性，从而提高压电喷墨打印头振动元件的振幅和频率。2、计算振动薄板的振动频率与材料的几何结构和材料特性的关系。在关系分析中，当压电陶瓷厚度确定，改变振动板材料a和材料b的厚度比，范围为0.1～10，可调节复合振动薄板的柔性和弹性，从而增加压电喷墨打印头驱动元件的振幅和频率。3、计算振动薄板的振动幅度与铰支微区的几何结构和材料特性的关系。在关系分析中，当压电陶瓷厚度确定，铰支微区的宽度研究范围取1.0μm-100μm时，随着铰支微区宽度增加，驱动元件的振动幅度逐渐增加。4、在压电陶瓷厚度确定的情况下，为了实现墨滴喷出时有足够大的挤压力，可通过优化铰支微区和振动板材料的几何结构，使驱动元件获取更大变形和挤压力。考虑到正压电效应和载荷方向的改变对喷墨稳定性的影响，在实际设计时，铰支微区厚度要和压电陶瓷压电晶体的厚度要尽可能相等，使得振动薄板有更大的挤压力和振幅，进而使墨水腔室有更大的挤墨压强。
本发明与现有技术相比具有如下优点：1、该压电喷墨打印喷头的驱动结构制备工艺简单，重复性好；2、该压电振动结构具有很高的振动振幅和频率、使用寿命长；3、该压电振动结构可由金属、硅化物、聚合物、无机物、有机物或半导体等多层材料制成，制备成本低。
附图说明
图1为压电喷墨打印头的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的B-B剖视图。
附图说明：1材料a；2材料b；3顶电极；4压电陶瓷；5底电极；6基板；7铰支微区；8腔室。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明压电振动结构安装在压电喷墨打印头上，其由多层材料组成，从上至下依次包括：振动薄板、顶电极3、压电陶瓷4、铰支微区7、底电极5和基板6；所述振动薄板由材料a1、材料b2组成。所述材料a1为聚合物材料PC，厚度为1um；所述材料b2为Ni，厚度为1um；所述顶电极3采用的材料为Pt，厚度为200nm；所述压电陶瓷4采用的材料为锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)，厚度为1um；所述底电极5采用的材料为Pt，厚度为200nm；所述基板6采用的材料为SiO2，厚度为1um；所述铰支微区7采用的材料为聚合物PN，厚度为1um，宽度15um。最后再利用MEMS工艺将上述各部分制成振动板结构。当所述底电极5和所述顶电极3同时施加电场时，压电陶瓷4会发生变形，进而导致所述振动薄板变形，挤压腔室8内的墨水，实现墨喷打印。由本实施例制成的喷墨打印头压电振动结构，制作工艺简单、成本低、工艺重复性好并且容易实现。

Claims (10)

1.一种喷墨打印头压电振动结构，其特征是：该压电振动结构包括振动薄板和压电元件；所述振动薄板由材料a（1）和材料b（2）组成，所述压电元件由顶电极（3）、压电陶瓷（4）、底电极（5）、基板（6）和铰支微区（7）组成；所述底电极（5）置于基板（6）上，压电陶瓷（4）置于底电极（5）上，所述铰支微区（7）镶嵌在压电陶瓷（4）中，所述振动薄板置于压电陶瓷（4）上，振动薄板上方为腔室（8）；所述顶电极（3）和底电极（5）同时通电时，压电陶瓷（4）发生变形，进而导致所述振动薄板变形，挤压腔室（8）内的墨水，进而使墨水从供墨通道喷出。
2.根据权利要求1所述的一种喷墨打印头压电振动结构，其特征是：所述材料a（1）为聚合物材料；所述材料b（2）为金属材料；所述顶电极（3）采用的材料包括Pt、Au、Ti、Cr材料；所述压电陶瓷（4）采用的材料包括压电陶瓷和压电薄膜材料；所述底电极（5）采用的材料包括Pt、Au、Ti、Cr材料；所述基板（6）采用的材料包括SiO2、Si3N4材料，所述铰支微区（7）采用的材料包括聚合物和介电材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种喷墨打印头压电振动结构，其特征是：所述材料a（1）的厚度范围为1-10um，所述材料b（2）的厚度范围为1-10um，所述顶电极（3）的厚度范围为0.2-0.6um，所述压电陶瓷（4）的厚度范围为1-50um，所述底电极（5）的厚度范围为0.2-0.6um，所述基板（6）的厚度范围为1-10um，所述铰支微区（7）的厚度范围为1-50um。
4.根据权利要求1或2所述的一种喷墨打印头压电振动结构，其特征是：所述铰支微区（7）镶嵌在压电陶瓷（4）中，其宽度范围为1-100um，长度与振动薄板长度相等。
5.根据权利要求3所述的一种喷墨打印头压电振动结构，其特征是：所述铰支微区（7）镶嵌在压电陶瓷（4）中，其宽度范围为1-100um，长度与振动薄板长度相等。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种喷墨打印头压电振动结构，其特征是：所述材料a（1）和材料b（2）的厚度比范围为0.1-10。
7.根据权利要求3所述的一种喷墨打印头压电振动结构，其特征是：所述材料a（1）和材料b（2）的厚度比范围为0.1-10。
8.根据权利要求4所述的一种喷墨打印头压电振动结构，其特征是：所述材料a（1）和材料b（2）的厚度比范围为0.1-10。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种喷墨打印头压电振动结构，其特征是：所述铰支微区（7）的厚度要和压电陶瓷（4）的厚度尽可能相等。
10.根据权利要求3所述的一种喷墨打印头压电振动结构，其特征是：所述铰支微区（7）的厚度要和压电陶瓷（4）的厚度尽可能相等。
CN201910965027.7A 2019-10-11 2019-10-11 一种喷墨打印头压电振动结构 Active CN110696493B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910965027.7A CN110696493B (zh) 2019-10-11 2019-10-11 一种喷墨打印头压电振动结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910965027.7A CN110696493B (zh) 2019-10-11 2019-10-11 一种喷墨打印头压电振动结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110696493A CN110696493A (zh) 2020-01-17
CN110696493B true CN110696493B (zh) 2020-12-15

Family

ID=69199389

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910965027.7A Active CN110696493B (zh) 2019-10-11 2019-10-11 一种喷墨打印头压电振动结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110696493B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08118630A (ja) * 1994-10-26 1996-05-14 Mita Ind Co Ltd インクジェットプリンタ用印字ヘッド及びその製造方法
JPH11112048A (ja) * 1997-10-02 1999-04-23 Seiko Epson Corp 圧電体素子、インクジェット式記録ヘッドおよびそれらの製造方法
JPH11348285A (ja) * 1998-06-10 1999-12-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd インクジェット記録装置とその製造方法
JP2001088304A (ja) * 1992-03-18 2001-04-03 Seiko Epson Corp インクジェット式印字ヘッド用インク加圧ユニット、及びインクジェット式印字ヘッド用インク加圧ユニットの製造方法
DE69818793T2 (de) * 1997-04-14 2004-09-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma Tintenstrahlkopf
JP2006051815A (ja) * 2004-07-16 2006-02-23 Fuji Photo Film Co Ltd 吐出ヘッド及び画像形成装置
CN101544114A (zh) * 2008-03-27 2009-09-30 精工爱普生株式会社 液体喷射头、液体喷射装置、以及致动器
CN102029789A (zh) * 2009-09-30 2011-04-27 精工爱普生株式会社 喷液头、喷液装置及压电元件
CN102529371B (zh) * 2010-11-16 2014-11-12 精工爱普生株式会社 液体喷射头和液体喷射装置以及压电元件
JP2017157691A (ja) * 2016-03-02 2017-09-07 セイコーエプソン株式会社 圧電デバイス、ｍｅｍｓデバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
CN109514998A (zh) * 2017-09-19 2019-03-26 精工爱普生株式会社 液体喷出头、液体喷出装置以及压电器件
CN110077114A (zh) * 2018-01-26 2019-08-02 东芝泰格有限公司 喷墨头及喷墨打印机

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7527363B2 (en) * 2004-07-16 2009-05-05 Fujifilm Corporation Discharge head of image forming apparatus with piezoelectric body for generating and sensing pressure
US20070120896A1 (en) * 2005-11-30 2007-05-31 Xerox Corporation Drop generator
US7935264B2 (en) * 2006-09-08 2011-05-03 Canon Kabushiki Kaisha Liquid discharge head and method of manufacturing the same
JP2011207098A (ja) * 2010-03-30 2011-10-20 Brother Industries Ltd インクジェットヘッド、インクジェット記録装置及びインクジェットヘッドの製造方法
JP2019067861A (ja) * 2017-09-29 2019-04-25 セイコーエプソン株式会社 圧電アクチュエーター、圧電駆動装置、ロボット、電子部品搬送装置およびプリンター

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001088304A (ja) * 1992-03-18 2001-04-03 Seiko Epson Corp インクジェット式印字ヘッド用インク加圧ユニット、及びインクジェット式印字ヘッド用インク加圧ユニットの製造方法
JPH08118630A (ja) * 1994-10-26 1996-05-14 Mita Ind Co Ltd インクジェットプリンタ用印字ヘッド及びその製造方法
DE69818793T2 (de) * 1997-04-14 2004-09-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma Tintenstrahlkopf
JPH11112048A (ja) * 1997-10-02 1999-04-23 Seiko Epson Corp 圧電体素子、インクジェット式記録ヘッドおよびそれらの製造方法
JPH11348285A (ja) * 1998-06-10 1999-12-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd インクジェット記録装置とその製造方法
JP2006051815A (ja) * 2004-07-16 2006-02-23 Fuji Photo Film Co Ltd 吐出ヘッド及び画像形成装置
CN101544114A (zh) * 2008-03-27 2009-09-30 精工爱普生株式会社 液体喷射头、液体喷射装置、以及致动器
CN102029789A (zh) * 2009-09-30 2011-04-27 精工爱普生株式会社 喷液头、喷液装置及压电元件
CN102529371B (zh) * 2010-11-16 2014-11-12 精工爱普生株式会社 液体喷射头和液体喷射装置以及压电元件
JP2017157691A (ja) * 2016-03-02 2017-09-07 セイコーエプソン株式会社 圧電デバイス、ｍｅｍｓデバイス、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
CN109514998A (zh) * 2017-09-19 2019-03-26 精工爱普生株式会社 液体喷出头、液体喷出装置以及压电器件
CN110077114A (zh) * 2018-01-26 2019-08-02 东芝泰格有限公司 喷墨头及喷墨打印机

Also Published As

Publication number Publication date
CN110696493A (zh) 2020-01-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100707606B1 (ko) 압전부재, 액체분사 헤드 및 액체분사 장치
US5790156A (en) Ferroelectric relaxor actuator for an ink-jet print head
JP3106026B2 (ja) 圧電／電歪アクチュエータ
US8899731B2 (en) Inkjet print head having two actuator membranes
US7530675B2 (en) Piezoelectric actuator device
WO2006137528A1 (ja) 液体吐出装置の駆動方法
KR20020066226A (ko) 압전 구조체, 액체 토출 헤드 및 그 제조 방법
JP2003008091A (ja) ダイアフラム型圧電アクチュエータ及びインクジェットヘッド
JP4801061B2 (ja) 液滴堆積装置
CN110696493B (zh) 一种喷墨打印头压电振动结构
JPH01171951A (ja) 整列したノズルにおけるインクジェットノズルのインク滴速度調節法
KR20080050120A (ko) 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법
JP2014503390A (ja) 圧力チャンバの圧電性アクチュエータメンブレンの操作
US20030214562A1 (en) Fluid ejection device with drop volume modulation capabilities
CN111703205B (zh) 一种压电喷墨打印喷头的驱动元件结构
JP3514407B2 (ja) インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置
JP2006229058A (ja) 圧電アクチュエータ、液滴吐出装置及び製造方法
GB2104005A (en) Ink jet printer head
US6296346B1 (en) Apparatus for jetting ink utilizing lamb wave and method for manufacturing the same
JP4594060B2 (ja) 液体吐出装置
JP2006212992A (ja) 液体噴射装置
KR101069927B1 (ko) 잉크젯 헤드
US7654651B2 (en) Liquid discharge head and manufacturing method of the same
Wang et al. Effects of the ‘spring structure’on the performance of a vibrating plate of the piezoelectric inkjet print-head
JP2000062165A (ja) インクジェット記録ヘッド及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant