CN112265376B - 一种可寻址式电流体喷墨打印头及打印方法 - Google Patents

Abstract

一种可寻址式电流体喷墨打印头及打印方法，涉及打印装置领域。该可寻址式电流体喷墨打印头包括墨盒、与墨盒连接的端口连接件、多个喷嘴及与喷嘴一一对应连接的多个压电单元，喷嘴连接于墨盒，墨盒内设有墨腔及与墨腔连通的微流道，微流道用于使墨腔的墨水压力相同的输送至各个喷嘴；端口连接件用于将墨水通入墨腔并向墨腔内墨水施加电压；每个压电单元均包括压电膜片，在外部驱动电压的作用下压电膜片会产生形变，使喷嘴处的墨水在压电膜片的形变压力和电场力的拉力共同作用下产生电流变效应喷出并沉积至待打印的基底上。本申请提供的可寻址式电流体喷墨打印头及打印方法能在低成本下实现单个或多个喷嘴高频率喷射并实现可寻址打印。

Description

一种可寻址式电流体喷墨打印头及打印方法

技术领域

本申请涉及打印装置领域，具体而言，涉及一种可寻址式电流体喷墨打印头及打印方法。

背景技术

相对于传统喷墨打印用“推”的方式挤出液滴，电流体喷印是用电场作为驱动力使用“拉”的方式将液滴\射流从喷嘴泰勒锥中拉出的方式进行打印，因而最后液滴直径大小通常比喷嘴直径小很多，电流体喷印时通过控制电压、流量、间距、气压等工艺参数，能够得到不同直径的液滴\液线。与传统的喷印技术相比，电流体喷印的液滴尺寸不在受限于喷嘴尺寸，提高了喷印分辨率，降低了喷印头的制造难度，同时，喷印头也影响着打印过程中的各项指标，其中实现阵列化电流体喷印头的喷射独立控制是进行喷印的关键环节，对喷印质量和效率具有重要的影响。

电流体喷印的喷印头按需喷墨的方式有三种：热泡式、压电型、气溶胶型。热泡式喷印头的基本原理是热胀冷缩，喷头工作时，电阻丝进行反复加热冷却，不仅会加速喷头的老化，同时对打印溶液的性质有一定的改变，会影响喷印的图案精度。气溶胶型喷印头利用气体动力学原理，气溶胶在喷印过程中多采用单喷嘴。压电式喷墨打印主要利用压电晶体的逆压电效应，当压电晶体在脉冲电压的作用下发生变形时，打印溶液随之喷出。压电式喷墨喷头有两处优点，其一是喷头在脉冲电压的驱动可到达较高频率；其二是可以通过调整脉冲波形调节喷印墨滴的体积。因此采用压电-电流体喷头可以解决电流体装备频率无法提升的问题。

阵列喷嘴可以极大提高打印效率，但是目前采用喷嘴阵列的实验装置难以实现独立可控喷射和自动化喷印，当启动喷射的喷嘴不止一个时，会产生流量分配不均的问题，严重影响打印质量，同时当喷嘴数量较多时，会导致系统结构特别复杂，不容易提高集成度，而且成本较高，不适合用于工业生产。

发明内容

本申请的目的在于提供一种可寻址式电流体喷墨打印头及打印方法，其不仅结构简单使用成本低，而且能实现单个或多个喷嘴高频率喷射并实现可寻址打印。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种可寻址式电流体喷墨打印头，其包括：

墨盒，墨盒内设有墨腔及与墨腔连通的微流道；

端口连接件，端口连接件与墨盒连接，用于将墨水通入墨腔并向墨腔内墨水施加电压；

多个喷嘴，多个喷嘴分别与墨盒连接，微流道用于使墨腔的墨水压力相同的输送至各个喷嘴；

多个压电单元，压电单元与喷嘴一一对应连接，每个压电单元均包括压电膜片，每个压电单元均包括压电膜片，在外部驱动电压的作用下压电膜片会产生形变，使喷嘴处的墨水在压电膜片的形变压力和电场力的拉力共同作用下产生电流变效应喷出并沉积至待打印的基底上。

在一些可选的实施方案中，还包括与喷嘴一一对应的多个单向阀，多个单向阀分别与微流道连接，用于使微流道内墨水单向输送至对应喷嘴。

在一些可选的实施方案中，墨盒包括主体及与主体顶面可拆卸连接的上端盖，主体和上端盖之间围合形成墨腔和微流道。

在一些可选的实施方案中，端口连接件包括与墨盒连接的下筒及与下筒连接的上筒，上筒设有空腔及分别与空腔连通的进液管和外部电极固定管，下筒设有连通空腔和墨腔的连通腔，连通腔内设有隔板及贯穿隔板的电极，电极的底部被配置成延伸至墨腔内，外部电极固定管被配置用于插入外部电极以对空腔内墨水供电，隔板上开设有多个流通孔。

在一些可选的实施方案中，上筒由透明不导电材料制成。

在一些可选的实施方案中，微流道包括与喷嘴一一对应的多条分流道，多条分流道位于同一个水平面，每条分流道均由与墨腔连通的折线段、第一直线段、S形线段和第二直线段依次连通组成，每条分流道的第一直线段和第二直线段均位于同一条直线上，相邻的第一直线段相互平行且间距相等，相邻的第二直线段相互平行且间距相等，各条分流道的折线段和第一直线段的连接转折点位于同一条直线上；每条分流道的S形线段均由两个相同半圆相切组成，各条S形线段的相切半圆的直径随着对应的连接转折点远离墨腔中心逐渐减小。

在一些可选的实施方案中，各条分流道的截面均为四角为圆角的矩形。

在一些可选的实施方案中，压电单元包括压电筒体及与压电筒体顶部连接的顶盖，压电筒体内设有分别与喷嘴和微流道连通的压电腔，压电膜片设于压电腔内，顶盖被配置成用于将电压施加于压电膜片。

在一些可选的实施方案中，压电腔包括从上至下依次布置的圆台形的第一腔体、倒置圆台形的第二腔体和圆台形的第三腔体，第一腔体和微流道连通，第三腔体和喷嘴连通。

本申请还提供了一种可寻址式电流体喷墨打印方法，包括以下步骤：

将墨水输送至各个喷嘴，观察各个喷嘴的喷口端面处墨水的初始形态，并对各个喷嘴对应的压电膜片施加直流补偿偏置电压，使各个压电膜片产生形变让各个喷嘴的喷口端面处墨水呈一致的弯月面；

对墨腔内墨水施加直流输入电压，使各个喷嘴的喷口端面处墨水的弯月面增大至稳定的半球形；

根据可寻址打印的需求，对喷嘴对应的压电膜片施加直流补偿偏置电压的同时叠加一个脉冲工作电压，使喷嘴处的墨水在对应压电膜片的压力和空间电场力的拉力共同作用下产生电流变效应，进而进行电流体喷印并沉积至待打印的基底上完成打印。

本申请的有益效果是：本实施例提供的可寻址式电流体喷墨打印头，其包括墨盒、与墨盒连接的端口连接件、多个喷嘴及与喷嘴一一对应连接的多个压电单元，喷嘴连接于墨盒，墨盒内设有墨腔及与墨腔连通的微流道，微流道用于使墨腔的墨水压力相同的输送至各个喷嘴；端口连接件用于将墨水通入墨腔并向墨腔内墨水施加电压；每个压电单元均包括压电膜片，在外部驱动电压的作用下压电膜片会产生形变，使喷嘴处的墨水在压电膜片的形变压力和电场力的拉力共同作用下产生电流变效应喷出并沉积至待打印的基底上。本实施例提供的可寻址式电流体喷墨打印头及打印方法结构简单可靠，而且能实现单个或多个喷嘴高频率喷射并实现可寻址打印。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的可寻址式电流体喷墨打印头的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的可寻址式电流体喷墨打印头的剖视图；

图3为本申请实施例提供的可寻址式电流体喷墨打印头的端口连接件的剖视图；

图4为本申请实施例提供的可寻址式电流体喷墨打印头的压电单元的剖视图；

图5为本申请实施例提供的可寻址式电流体喷墨打印头的微流道的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的可寻址式电流体喷墨打印头工作时的喷嘴状态和施加电压的对照图；

图7位本申请另一实施例提供的可寻址式电流体喷墨打印头的微流道的结构示意图。

图中：100、墨盒；110、上端盖；120、主体；130、墨腔；140、微流道；141、折线段；142、第一直线段；143、S形线段；144、第二直线段；145、连接转折点；150、阀腔；160、连接管；170、连接孔；200、端口连接件；210、上筒；220、下筒；230、空腔；240、进液管；250、外部电极固定管；260、连通腔；270、隔板；280、电极；290、流通孔；300、压电单元；310、压电筒体；320、顶盖；330、压电腔；331、第一腔体；332、第二腔体；333、第三腔体；340、压电膜片；350、压电电极孔；400、单向阀；500、喷嘴。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以下结合实施例对本申请的可寻址式电流体喷墨打印头及打印方法的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本申请实施例提供一种可寻址式电流体喷墨打印头，其包括墨盒100、端口连接件200、五个压电单元300、五个单向阀400及五个喷嘴500，压电单元300、单向阀400及喷嘴500一一对应；

墨盒100包括主体120及与主体120顶面通过四个螺栓可拆卸连接的上端盖110，主体120和上端盖110之间围合形成墨腔130、微流道140及五个用于容纳单向阀400的阀腔150，上端盖110顶面凸起形成连接管160，连接管160设有贯穿上端盖110上下表面的连接孔170，连接管160外表面设有外螺纹；微流道140包括与喷嘴500 一一对应的五条分流道，五条分流道位于同一个水平面，每条分流道均由与墨腔130连通的折线段141、第一直线段142、S形线段143 和第二直线段144依次连通组成，每条分流道的第一直线段142和第二直线段144均位于同一条直线上，相邻的第一直线段142相互平行且间距相等，相邻的第二直线段144相互平行且间距相等，各条分流道的折线段141和第一直线段142的连接转折点145位于同一条直线上；每条分流道的S形线段143均由两个相同半圆相切组成，各条S 形线段143的相切半圆的直径随着对应的连接转折点145远离墨腔 130中心逐渐减小；各条分流道的截面形状和面积均相等且为四角为圆角的矩形；五个阀腔150分别位于五条第二直线段144的中部，五个单向阀400分别卡设于五个阀腔150内并与五条第二直线段144 连通，用于使经五条第二直线段144的墨水向远离墨腔130方向单向输送。

端口连接件200包括底部与连接管160通过螺纹连接的下筒220 及与下筒220顶部连接的上筒210，上筒210内设有空腔230，上筒 210的顶部和侧部分别设有与空腔230连通的进液管240和外部电极固定管250，下筒220设有连通空腔230和连接孔170的连通腔260，连通腔260内设有隔板270及贯穿隔板270的电极280，电极280的底部被配置成延伸至墨腔130内，外部电极固定管250被配置用于插入外部电极以对空腔230内墨水和电极280供电，隔板270上开设有四个扇形的流通孔290，上筒210由透明的聚碳酸酯材料制成。

每个压电单元300均包括压电筒体310及与压电筒体310顶部通过螺纹连接的顶盖320，压电筒体310的上下两端分别贯穿至上端盖 110和主体120内，顶盖320的底部贯穿上端盖110的顶面，每个喷嘴500的顶部均贯穿至主体120内并与对应的压电筒体310的底部螺纹连接；压电筒体310内设有分别与喷嘴500和微流道140连通的压电腔330，压电腔330内设有压电膜片340，顶盖320开设有压电电极孔350，压电电极孔350的一端贯穿至压电膜片340表面，另一端贯穿出顶盖320，压电电极孔350用于插入压电电极以对压电膜片340 施加电压，压电腔330包括从上至下依次布置的圆台形的第一腔体 331、倒置圆台形的第二腔体332和圆台形的第三腔体333，第一腔体331和微流道140对应的一条第二直线段144连通，第三腔体333 和对应的喷嘴500连通；喷嘴500的底部外壁直径随着向下延伸逐渐缩小形成倒置圆台形。

结合图6所示，本实施例还提供了一种基于微流道压力驱动的可寻址式电流体喷墨打印方法，其是使用上述的可寻址式电流体喷墨打印头进行的，包括以下步骤：

将泵与进液管240连接，将一个外部电极通过外部电极固定管250插入空腔230，将五个外部压电电极分别插入五个压电电极孔350，将插入压电电极孔350中的五个外部压电电极分别与信号发生器连接。

使用泵将墨水经进液管240依次经端口连接件200的空腔230、连通腔260、流通孔290、连接孔170、连接孔170、微流道140的五条分流道、五个单向阀400、五个压电单元300的压电腔330后输送至五个喷嘴500，使用相机监控五个喷嘴500的喷口端面处墨水初始状态；

利用信号发生器对各个外部压电电极施加直流补偿偏置电压，从而向各个对应的喷嘴500内的压电膜片340施加直流补偿偏置电压使各个压电膜片340发生变形，使各个喷嘴500的喷口端面处墨水呈一致的弯月面，即图6中的T1至T2时刻之间的喷嘴500的喷口端面情况；

通过外部电极和电极280对墨腔130的墨水施加直流输入电压，使各个喷嘴500的喷口端面处墨水的弯月面增大至稳定的半球形，即图6中的T2至T4时刻之间的喷嘴500的喷口端面情况；

根据可寻址打印的需求，利用信号发生器对外部压电电极施加脉冲工作电压，从而对对应喷嘴500内的压电膜片340施加直流补偿偏置电压的同时叠加一个脉冲工作电压，使该喷嘴500处的待打印墨水在对应压电膜片340的压力和空间电场力的拉力共同作用下产生电流变效应，进而进行电流体喷印，经历射流生成、射流飞行等阶段，最后沉积至待打印的基底上，完成打印。即图6中的T4之后的喷嘴 500的喷墨情况。

本实施案例提供的可寻址式电流体喷墨打印头由墨盒100、端口连接件200及一一对应的五个压电单元300、五个单向阀400及五个喷嘴500组成，其中墨盒100内设有墨腔130及与墨腔130连通的微流道140，墨盒100与端口连接件200连接，使用者可以利用端口连接件200的进液管240将墨水经端口连接件200通入至墨腔130，并利用通过外部电极固定管250插入的外部电极对电极280供电以对墨腔130内的墨水施加直流输入电压，五个压电单元300和五个喷嘴 500分别与墨盒100连接，且五个压电单元300连通五个喷嘴500和微流道140，从而利用微流道140将墨腔130内的墨水压力相同地输送至五个喷嘴500处，并利用五个压电单元300结合相机反馈对五个喷嘴500内的压电膜片340施加各异的直流补偿偏置电压使得各喷嘴获得精确一致的弯月面。最后在可寻址的要求下，给所需喷射的喷嘴 500施加直流补偿偏置电压的同时叠加一个脉冲工作电压，使得该喷嘴500处的待打印墨水在压电膜片340的压力和空间电场力的拉力共同作用下产生电流变效应，进而进行电流体喷印，经历射流生成、射流飞行等阶段，最后沉积至待打印的基底上，完成打印。

其中，微流道140包括与喷嘴500一一对应的五条分流道，五条分流道位于同一个水平面，每条分流道均由与墨腔130连通的折线段141、第一直线段142、S形线段143和第二直线段144依次连通组成，每条分流道的第一直线段142和第二直线段144均位于同一条直线上，相邻的第一直线段142相互平行且间距相等，相邻的第二直线段144 相互平行且间距相等，各条分流道的折线段141和第一直线段142 的连接转折点145位于同一条直线上；每条分流道的S形线段143 均由两个相同半圆相切组成，各条S形线段143的相切半圆的直径随着对应的连接转折点145远离墨腔130中心逐渐减小，能够保证墨腔 130内的墨水经五条分流道流出至五个压电单元300内时的压力相同，以使五个喷嘴500的流量分配均匀，从而有效的提高打印效果；五条分流道的第二直线段144分别连接有一个单向阀400，能够通过单向阀400使五条第二直线段144的墨水单向的从墨腔130流向喷嘴500，避免墨水回流，并减少墨水流动的压力震荡和衰减；各条分流道的截面均为四角为圆角的矩形，能够缩小各条分流道输送至各个喷嘴500 的墨水的压力降差距，使其压力降大致一致；压电腔330包括从上至下依次布置的圆台形的第一腔体331、倒置圆台形的第二腔体332和圆台形的第三腔体333，能够避免压电腔330内墨水进入喷嘴500时产生涡流；端口连接件200包括下筒220及与下筒220顶部连接的透明不导电材料制成的上筒210，能够方便使用者透过上筒210观察通入的墨水的流量。

在其他可选的实施例中，喷嘴500及与之对应的压电单元300 和单向阀400的数量还可以为五至十个或十个以上。喷嘴500的排布还可为多排多列。

如图7，展示的是其中一种喷嘴呈两排五列阵列排布的流道形状图；其中501、502、503.....510分别代表十个喷嘴。和本专利方案设计的单排五列的喷嘴阵列相比较，共同点在于两者的微流道140都位于墨腔130的同一侧，且微流道140组成均采用四段式。不同的是相比于单排喷嘴500而言，采用多排多列喷嘴500的适用性更加广泛，更能适应复杂图案的打印。

在其他可选的实施例中，微流道140还可以直接与各个喷嘴500 连接，使各个压电单元300只与对应的喷嘴500连接，而不是使用各个压电单元300来连通微流道140和对应的各个喷嘴500。在其他可选的实施例中，顶盖320还可以不开设压电电极孔350，而是直接采用导电材料制作得到顶盖320并与对应的压电膜片340电连接，使用外接电源将电压通过顶盖320施加于压电膜片340。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种可寻址式电流体喷墨打印头，其特征在于，其包括：

墨盒，所述墨盒内设有墨腔及与所述墨腔连通的微流道；

端口连接件，所述端口连接件与所述墨盒连接，用于将墨水通入所述墨腔并向所述墨腔内墨水施加电压；

多个喷嘴，多个所述喷嘴分别与所述墨盒连接；所述微流道用于使所述墨腔的墨水压力相同的输送至各个所述喷嘴；

多个压电单元，所述压电单元与所述喷嘴一一对应连接，每个所述压电单元均包括压电膜片，所述压电单元用于施加电压以驱动所述压电膜片产生形变，并配合电场力使对应所述喷嘴内墨水喷出；

所述微流道包括与所述喷嘴一一对应的多条分流道，多条所述分流道位于同一个水平面，每条分流道均由与所述墨腔连通的折线段、第一直线段、S形线段和第二直线段依次连通组成，每条所述分流道的所述第一直线段和所述第二直线段均位于同一条直线上，相邻的所述第一直线段相互平行且间距相等，相邻的所述第二直线段相互平行且间距相等，各条所述分流道的所述折线段和所述第一直线段的连接转折点位于同一条直线上；每条所述分流道的所述S形线段均由两个相同半圆相切组成，各条所述S形线段的相切半圆的直径随着对应的所述连接转折点远离所述墨腔中心逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的可寻址式电流体喷墨打印头，其特征在于，还包括与所述喷嘴一一对应的多个单向阀，多个所述单向阀分别与所述微流道连接，用于使所述微流道内墨水单向输送至对应所述喷嘴。

3.根据权利要求1所述的可寻址式电流体喷墨打印头，其特征在于，所述墨盒包括主体及与所述主体顶面可拆卸连接的上端盖，所述主体和所述上端盖之间围合形成所述墨腔和所述微流道。

4.根据权利要求1所述的可寻址式电流体喷墨打印头，其特征在于，所述端口连接件包括与所述墨盒连接的下筒及与所述下筒连接的上筒，所述上筒设有空腔及分别与所述空腔连通的进液管和外部电极固定管，所述下筒设有连通所述空腔和所述墨腔的连通腔，所述连通腔内设有隔板及贯穿所述隔板的电极，所述电极的底部被配置成延伸至所述墨腔内，所述外部电极固定管被配置用于插入外部电极以对所述空腔内墨水供电，所述隔板上开设有多个流通孔。

5.根据权利要求4所述的可寻址式电流体喷墨打印头，其特征在于，所述上筒由透明不导电材料制成。

6.根据权利要求1所述的可寻址式电流体喷墨打印头，其特征在于，各条所述分流道的截面均为四角为圆角的矩形。

7.根据权利要求1所述的可寻址式电流体喷墨打印头，其特征在于，所述压电单元包括压电筒体及与所述压电筒体顶部连接的顶盖，所述压电筒体内设有分别与所述喷嘴和所述微流道连通的压电腔，所述压电膜片设于所述压电腔内，所述顶盖被配置成用于将电压施加于所述压电膜片。

8.根据权利要求7所述的可寻址式电流体喷墨打印头，其特征在于，所述压电腔包括从上至下依次布置的圆台形的第一腔体、倒置圆台形的第二腔体和圆台形的第三腔体，所述第一腔体和所述微流道连通，所述第三腔体和所述喷嘴连通。

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