CN114228341A - 一种压电喷墨头和喷墨打印设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种压电喷墨头和喷墨打印设备，涉及喷墨印染领域。该压电喷墨头包括多个喷墨单元，所述喷墨单元包括压力腔和设在压力腔侧壁上的多个独立控制的压电驱动器，所述压力腔包括多个子压力腔，所述多个子压力腔由小于子压力腔宽度的通道相连通，且相邻子压力腔的连接口呈对角线分布；所述压力腔的底部对应每个子压力腔的位置均设有一个喷嘴；所述压力腔的侧壁上对应每个子压力腔的位置均设有一个压电驱动器；所述喷墨单元上位于压力腔的两端分别设有与压力腔连通的进液口和出液口。该压电喷墨头在不降低移动速度和喷射频率的情况能喷射大小不同的墨滴，大大提高了喷墨打印效率和打印精度。

Description

一种压电喷墨头和喷墨打印设备

技术领域

本申请涉及喷墨印染领域，具体涉及一种压电喷墨头和喷墨打印设备。

背景技术

纺织印染是纺织行业重要的一个环节，国内市场每年的产值超过千亿元。传统的纺织布匹染色是靠机械设备-扎车来染色，再用水漂洗和蒸汽烘干。这样就会造成水资源的浪费以及能源的消耗。随着国家对环境的日益重视，传统的印染行业迫切需要出现新的节能环保加工方式。

喷墨印染技术是一种全新的印染方式，它摒弃了传统印染的复杂环节，直接在织物上喷印，提高了印染的精度，而且解决了传统印染占地面积大、污染严重等问题，因此具有广阔的发展前景。目前常用的喷墨印染装置分为压电喷墨头和压电雾化装置。压电喷墨头喷射的液滴尺寸是固定的，针对不同厚度布料的喷墨印染时，压电喷墨头要喷射大小不同的墨滴，需要在同一位置施加多个脉冲，把喷射出来的相同的墨滴叠加成更大的液滴，故降低了喷墨头的移动速度和喷射频率，从而造成染色效率非常低，制造成本高，且喷液量很小，无法满足印染需求。而压电雾化装置进行染色的缺点是雾化出来的液滴尺寸不一致，不能保证同一片布料颜色的一致性。

发明内容

本申请通过提供一种压电喷墨头和喷墨打印设备，解决了现有压电喷墨装置喷墨效率低、无法满足纺织印染需求的问题。本申请的压电喷墨头在不降低移动速度和喷射频率的情况能喷射大小不同的墨滴，大大提高了喷墨打印效率和打印精度。

为达到上述目的，本申请主要提供如下技术方案：

本申请实施例提供了一种压电喷墨头，包括多个喷墨单元，所述喷墨单元包括压力腔和设在压力腔侧壁上的多个可独立控制的压电驱动器，所述压力腔包括多个子压力腔，所述多个子压力腔由小于子压力腔宽度的通道相连通，且相邻子压力腔的连接口呈对角线分布；所述压力腔的底部对应每个子压力腔的位置均设有一个喷嘴；所述压力腔的侧壁上对应每个子压力腔的位置均设有一个压电驱动器；所述喷墨单元上位于压力腔的两端分别设有与压力腔连通的进液口和出液口。

优选地，每个喷墨单元中的多个喷嘴的规格尺寸不同。

优选地，每个喷墨单元中的多个喷嘴沿直线排成一列，所述多个喷墨单元排成一行，且不同喷墨单元中的喷嘴排列方向互相平行；不同喷墨单元中相同的喷嘴排成一行，且由相同喷嘴形成的行均互相平行。

优选地，每个所述喷墨单元中任意相邻喷嘴的间距相同，任意相邻喷墨单元上的相邻喷嘴之间的间距相同。

优选地，每个喷墨单元中的喷嘴的列排布方向与不同喷墨单元中相同喷嘴的行排布方向垂直。

优选地，所述压电喷墨头由多个相同的喷墨单元组成。

优选地，每个所述喷墨单元中的每个压电驱动器的电容值根据对应喷嘴的规格尺寸确定，以使不同的喷嘴获得相同的喷射频率和喷射速度。

优选地，每个所述喷墨单元中位于压力腔的两端还分别设有与进液口或出液口连通且与多个喷墨单元行排布方向平行的墨道，且相邻喷墨单元两端的墨道分别连通。

优选地，所述多个喷墨单元在垂直平面内倾斜排列，所有喷墨单元上的喷嘴的喷墨方向保持一致且与不同喷墨单元中相同喷嘴的行排布方向不垂直。

优选地，所述进液口和出液口的宽度均小于相邻子压力腔的宽度。

优选地，所述压电喷墨头由MEMS工艺制成。

优选地，所述压电喷墨头采用的MEMS工艺包括以下步骤：蚀刻出液体流路的硅片与加工出多个喷嘴的玻璃晶圆进行键合，形成包括多个相连通的子压力腔、进液口和出液口的硅玻璃片，再在硅玻璃片上粘结多个压电驱动器形成喷墨单元。

本申请实施例还提供了一种喷墨打印设备，包括上述的压电喷墨头。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例通过在压电喷墨头的每个喷墨单元中设置多个喷嘴，且每个喷嘴均对应单独的子压力腔和压电驱动器，可实现对每个喷嘴进行单独喷墨，且各个子压力腔通过小于子压力腔宽度的通道和呈对角线分布的连接口连接，可将各个子压力腔隔离开，避免各个子压力腔的喷嘴之间的扰流。通过设置多个喷嘴的规格尺寸，即可实现在不进行重复喷墨的情况时，对所需不同大小的墨滴进行灵活喷墨控制，同时提高打印精度。通过将各个子压力腔通过细窄通道连通，既方便各个子压力腔的进液和出液，同时具有过滤杂质的作用，还使设有多个喷嘴的喷墨单元加工更方便。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的喷墨单元的结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的喷墨单元中压力腔的俯视剖面图；

图3为本申请一实施例提供的压电喷墨头的喷嘴的排列示意图；

图4为本申请另一实施例提供的压电喷墨头的示意图；

图5为本申请另一实施例提供的压电喷墨头的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本申请方案的理解，下面结合说明书附图以及具体的实施方式对本申请方案进行进一步阐述，应当理解，本申请实施例是对本申请方案的解释说明，不作为对本申请保护范围的限定。

现有压电喷墨头喷射的液滴尺寸是固定的，针对不同厚度布料的喷墨印染时，压电喷墨头要喷射大小不同的墨滴，需要在同一位置施加多个脉冲，把喷射出来的相同的墨滴叠加成更大的液滴，故降低了喷墨头的移动速度和喷射频率，从而造成染色效率非常低，制造成本高，且喷液量很小，无法满足印染需求。

本申请实施例通过提供一种新的压电喷墨头，通过在一个压力腔里设置可独立控制喷墨的不同直径的多个喷嘴，可在不降低喷墨头的移动速度和喷射频率的情况下，喷射出大小不同的墨滴，从而提高了喷墨效率。

本申请实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

本申请实施例提供了一种压电喷墨头，包括多个喷墨单元，如图1所示，该喷墨单元1包括压力腔和设在压力腔侧壁上的多个可独立控制的压电驱动器3，上述压力腔包括多个子压力腔21，上述多个子压力腔由小于子压力腔宽度的通道22相连通，如图2所示，相邻子压力腔的连接口呈对角线分布；上述压力腔的底部对应每个子压力腔的位置均设有一个喷嘴4；上述压力腔的侧壁上对应每个子压力腔的位置均设有一个压电驱动器3；上述喷墨单元上位于压力腔的两端分别设有与压力腔连通的进液口51和出液口52。

本申请实施例通过在压电喷墨头的每个喷墨单元中设置多个喷嘴，且每个喷嘴均对应单独的子压力腔和单独控制的压电驱动器，可实现对每个喷嘴进行单独喷墨，且各个子压力腔通过小于子压力腔宽度的通道和呈对角线分布的连接口连接，可将各个子压力腔隔离开，避免各个子压力腔的喷嘴喷墨时的扰流，提高了喷出的墨滴体积的精度。通过将多个喷嘴的规格尺寸设置为不同，即可实现在不进行重复喷墨的情况时，对所需不同大小的墨滴进行灵活喷墨控制，同时提高打印精度。通过将各个子压力腔通过细窄通道连通，可同时控制各个子压力腔的墨水的进出，同时细窄通道具有过滤杂质的作用。该喷墨单元仅需加工一个进液口和一个出液口，使得结构加工更简化。

在本申请的一些实施例中，如图3所示，每个上述喷墨单元1中的多个喷嘴4的规格尺寸不同。通过该设置，可使喷墨单元中的各个喷嘴喷出的墨滴的体积不同，即无需再进行重复喷墨，就可满足不同体积大小的喷墨需求。具体地，多个喷嘴的形状、尺寸大小以及数量可根据实际需求进行设置，喷嘴可为圆形、扁形等任何可行的形状。具体地，多个喷嘴的规格尺寸也可为部分相同或不同，例如每连续3个喷嘴为相同喷嘴，其可实现每次喷墨打印3倍的面积，从而可提高印染效率。

在本申请的一些实施例中，如图3所示，每个喷墨单元1中的多个喷嘴4沿直线排成一列，多个喷墨单元1排成一行，且不同喷墨单元中的喷嘴排列方向互相平行；不同喷墨单元中相同的喷嘴排成一行，且由相同喷嘴形成的行均互相平行。通过该设置，可使不同喷墨单元中相同的喷嘴在喷墨时成一条直线，增加了单次的喷墨面积，从而提高印染效率。在多个喷墨单元的不同喷嘴之间进行切换时，仅需将指定喷嘴移动喷嘴之间的间距距离，即可实现采用指定的喷嘴进行喷墨打印。

在本申请的一些实施例中，每个喷墨单元中任意相邻喷嘴的间距相同，任意相邻喷墨单元上的相邻喷嘴之间的间距相同。通过该设置，可使不同喷墨单元中相同的喷嘴打印成一条直线，墨滴分布更加均匀，从而提高印染质量；同时，在对不同喷嘴进行切换时，喷嘴移动的距离为相邻喷嘴之间的间距或间距的倍数，操作更加精准，从而提高喷墨的精度。对于多个喷墨单元在进行组装时，这些设置也能保证拼接的精度。

在本申请的一些实施例中，每个喷墨单元中的喷嘴的列排布方向与不同喷墨单元中相同喷嘴的行排布方向垂直。通过该设置，可使所有喷墨单元中的喷嘴呈矩阵分布，在采用该压电喷墨头进行逐列喷墨打印时或进行对不同的喷嘴进行切换时，压电喷墨头仅需进行水平或垂直移动，从而可提高打印的可操作性以及提高打印效率。

在本申请的一些实施例中，上述压电喷墨头由多个相同的喷墨单元组成。一方面，采用相同的喷墨单元可使压电喷墨头方便组装，又可保证多个压电喷墨头拼接后各个喷嘴位置的准确性，特别是压电喷墨头在拼接方向上无限延伸后仍能保证喷墨打印成一条直线，从而提高打印精度和打印效率；另一方面，各个喷墨单元的子压力腔以及各液体流路的大小均相同，可保证分配到各喷墨单元中的液体体积相同，从而使各个喷墨单元中每次的喷射量均相同，从而提高喷墨的精度。具体地，压电喷墨头中喷墨单元的数量可根据实际需求进行设置。

在本申请的一些实施例中，每个上述喷墨单元中的每个压电驱动器的电容值根据对应喷嘴的规格尺寸确定，以使不同的喷嘴获得相同的喷射频率和喷射速度。通过该设置，可保证在采用不同的喷嘴打印不同体积的墨滴时，仍保持相同的喷射频率和喷射速度，从而提高打印的效率。

在本申请的一些实施例中，如图2所示，每个喷墨单元上位于压力腔的两端还分别设有与进液口或出液口连通且与多个喷墨单元行排布方向平行的墨道6，如图4所示，相邻喷墨单元两端的墨道6分别连通。通过该设置，压电喷墨头由多个喷墨单元组成时，方便对多个喷墨单元的墨水的输入和输出进行同时控制，同时可使压电喷墨头形成循环墨路，提高墨水的利用率。

在本申请的一些实施例中，如图5所示，上述多个喷墨单元在垂直平面内倾斜排列，所有喷墨单元上的喷嘴的喷墨方向保持一致且与不同喷墨单元中相同喷嘴的行排布方向不垂直。通过该设置，可提高喷嘴喷墨的密度，当所有喷嘴的喷墨方向垂直向下，多个喷墨单元在垂直平面内倾斜排列时，打印到织物上的墨滴的密度高于多个喷墨单元水平排列时的打印密度。

在本申请的一些实施例中，通过设置上述进液口和出液口，可使喷墨单元形成液体循环回路，优选上述进液口和出液口的宽度均小于相邻子压力腔的宽度，通过该设置，可使邻近进液口或出液口的子压力腔能形成一定的流体压力，能带走液体中的小气泡和杂质，同时在压电驱动器产生形变时能将墨水喷出，并使喷嘴喷墨时免受进液口和出液口处墨水流动的干扰。

在本申请的一些实施例中，上述压电喷墨头由MEMS工艺制成。

具体地，采用的MEMS工艺可包括以下步骤：蚀刻出液体流路的硅片与加工出多个喷嘴的玻璃晶圆进行键合，形成包括多个相连通的子压力腔、进液口和出液口的硅玻璃片，再在硅玻璃片上粘结多个压电驱动器形成喷墨单元。

具体地，先在硅片上通过干法蚀刻出液体的流路，液体的流路包括由多个子压力腔和子压力腔之间的通道组成的压力腔、进液口、出液口、压力腔两端的平行墨道；在玻璃晶圆上加工出对应子压力腔位置的多个喷嘴，一个子压力腔对应一个喷嘴，且喷嘴之间的间距相同；把各个喷嘴与各个子压力腔对准，然后把硅片和玻璃片通过阳极键合工艺键合在一起，形成封闭的结构；将压电陶瓷加工成各个可独立控制的压电驱动器，把加工好的压电驱动器粘接到硅片上面，且一个子压力腔的位置对应一个压电驱动器，即得到多个喷墨单元组成的压电喷墨头，其中各个喷墨单元互相平行，且各个喷墨单元两端的墨道分别连通。需要说明的是，通过MEMS工艺在一块硅片上加工出的喷墨单元的个数可根据具体尺寸和实际需求进行调整，一个喷墨单元中子压力腔和喷嘴的个数也可根据实际需求进行调整，所制备得到的压电喷墨头可根据实际需求进行组装。

本申请提供的压电喷墨头由MEMS工艺制成，可使压电喷墨头的结构以及液体的流路更加精细化，能实现在同一压力腔内加工出多个能单独控制喷墨的压电驱动器和喷嘴，通过设置不同大小的喷嘴，即可实现压电喷墨头上的喷嘴能喷出不同体积大小的墨滴，满足不同厚度和不同材质的布匹的印染需求；同时，MEMS工艺可实现微米级的供液结构和喷嘴，相比传统的压电陶瓷喷墨头，大大提高了喷墨的物理分辨率，且各个结构尺寸的精度可保证一致性，通过给压电驱动器不同的电压波形，把染料液滴尺寸能以皮升为数量级均匀喷洒在布料上，从而可提高印染的精度，满足纺织印染的需求。

本申请实施例还提供了包括上述压电喷墨头的喷墨打印设备。

实施例

采用以下MEMS工艺制备上述压电喷墨头：

1.把6寸或者8寸、厚度为700微米厚的硅晶圆，旋涂光刻胶正胶4620，经过前烘240秒后，经过光刻机用设计好的掩模版曝光后再后烘240秒，拿到显影液中去显影。用ICP蚀刻机，把700微米厚的硅衬底蚀刻出如图2所示的图案，深度为500微米，从而形成硅晶圆上的液体的流路结构；把经过蚀刻的晶圆片，经过后道研磨抛光设备，把表面粗糙度加工至0.2微米以下，满足键合要求；

2.选用德国肖特的6寸玻璃晶圆，研磨抛光至400微米厚，按照设计好的喷嘴图纸，采用激光打孔方式加工出不同直径的喷嘴；把经过激光加工的玻璃晶圆片，经过后道研磨抛光设备，把表面粗糙度加工至0.2微米以下，满足键合要求；

3.把硅晶圆片与玻璃晶圆片上到阳极键合设备上，对位后上电20KV，温度500度，进行键合；把键合好的硅玻璃片，分割成设计的尺寸；

4.把极化好的陶瓷压电片，用机加工方式加工成设计好的尺寸。对陶瓷压电片进行真空镀铝以形成电极，经过磨床进行四周的端面研磨，把陶瓷压电片上下表面的电极分开，形成正负电极。采用精密切割机或者激光切割机，把带有正负极的陶瓷压电片按照设计好的尺寸加工完，压电驱动器即制作完成。用涂胶机把压电驱动器涂胶EPOXYTEK 353ND，粘接在键合好的硅玻璃片的背离玻璃喷嘴的那一面上，再放进80度烤箱，用重物压住，烘干1个小时。用棉签蘸17氟硅烷擦拭玻璃喷嘴表面，然后100度烘干，即在喷嘴表面形成一层疏液层，即得到压电喷墨头。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种压电喷墨头，其特征在于，包括多个喷墨单元，所述喷墨单元包括压力腔和设在压力腔侧壁上的多个可独立控制的压电驱动器，所述压力腔包括多个子压力腔，所述多个子压力腔由小于子压力腔宽度的通道相连通，且相邻子压力腔的连接口呈对角线分布；所述压力腔的底部对应每个子压力腔的位置均设有一个喷嘴；所述压力腔的侧壁上对应每个子压力腔的位置均设有一个压电驱动器；所述喷墨单元上位于压力腔的两端分别设有与压力腔连通的进液口和出液口。

2.根据权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，每个喷墨单元中的多个喷嘴的规格尺寸不同。

3.根据权利要求2所述的压电喷墨头，其特征在于，每个喷墨单元中的多个喷嘴沿直线排成一列，所述多个喷墨单元排成一行，且不同喷墨单元中的喷嘴排列方向互相平行；不同喷墨单元中相同的喷嘴排成一行，且由相同喷嘴形成的行均互相平行。

4.根据权利要求3所述的压电喷墨头，其特征在于，每个所述喷墨单元中任意相邻喷嘴的间距相同，任意相邻喷墨单元上的相邻喷嘴之间的间距相同。

5.根据权利要求3所述的压电喷墨头，其特征在于，每个喷墨单元中的喷嘴的列排布方向与不同喷墨单元中相同喷嘴的行排布方向垂直。

6.根据权利要求3所述的压电喷墨头，其特征在于，所述压电喷墨头由多个相同的喷墨单元组成。

7.根据权利要求3所述的压电喷墨头，其特征在于，每个所述喷墨单元中的每个压电驱动器的电容值根据对应喷嘴的规格尺寸确定，以使不同的喷嘴获得相同的喷射频率和喷射速度。

8.根据权利要求3所述的压电喷墨头，其特征在于，每个所述喷墨单元中位于压力腔的两端还分别设有与进液口或出液口连通且与多个喷墨单元行排布方向平行的墨道，且相邻喷墨单元两端的墨道分别连通。

9.根据权利要求3所述的压电喷墨头，其特征在于，所述多个喷墨单元在垂直平面内倾斜排列，所有喷墨单元上的喷嘴的喷墨方向保持一致且与不同喷墨单元中相同喷嘴的行排布方向不垂直。

10.根据权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，所述进液口和出液口的宽度均小于相邻子压力腔的宽度。

11.根据权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，所述压电喷墨头由MEMS工艺制成。

12.根据权利要求11所述的压电喷墨头，其特征在于，所述压电喷墨头采用的MEMS工艺包括以下步骤：蚀刻出液体流路的硅片与加工出多个喷嘴的玻璃晶圆进行键合，形成包括多个相连通的子压力腔、进液口和出液口的硅玻璃片，再在硅玻璃片上粘结多个压电驱动器形成喷墨单元。

13.一种喷墨打印设备，其特征在于，包括权利要求1-12任一项所述的压电喷墨头。

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