CN1475348A - 喷墨打印头 - Google Patents

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Abstract

一种喷墨打印头的腔体单元，由将具有压力腔的基板、隔板、歧管板、缓冲板、盖板、以及具有喷嘴的喷嘴板层压而形成。歧管板具有穿过歧管板的歧管腔。缓冲板在远离歧管腔的一侧具有凹槽并在朝向歧管腔的一侧具有缓冲壁，该缓冲壁具有缓冲板的部分厚度。缓冲板粘接到歧管板的与基板相对的一侧，从而将缓冲壁置于与歧管腔相对的位置。盖板粘接到缓冲板上以将凹槽密封。因为缓冲板相对较厚，而缓冲壁又足够薄以吸收在墨水喷射时歧管腔中产生的压力波，所以易于加工该缓冲板。

Description

喷墨打印头
技术领域
本发明涉及一种压电喷墨打印头，其具有包括带缓冲壁的薄片的腔体单元。
背景技术
如美国专利No.5,943,079中所公布(其通过参考结合于此)，一种现有技术的随选型喷墨打印头包括一孔板、一压电片、以及一位于孔板和压电片之间的作为振动膜的振动片(弹性膜)。孔板上形成有喷嘴、与各个喷嘴相连通的压力腔、以及与压力腔相连通以向其供给墨水的墨水歧管(manifold)。压电片具有例如压电元件的能量生成部分，选择性地被驱动以在压力腔中对墨水加压，以便通过喷嘴喷出墨水。
当驱动能量生成部分时，相应的压力腔受到挤压且压力传送到相应的喷嘴，而墨水微滴从喷嘴喷出以进行打印。当压力腔受到挤压时，作用在压力腔上的压力波不仅包含朝向喷嘴的向前分量，还包含同时朝向墨水歧管的向后分量。结果，就可能在向前分量与向后分量之间发生干扰(crosstalk)。为了吸收并减小向后分量，为喷墨打印头设置一缓冲器。缓冲腔在压电片中呈凹腔，面向墨水歧管。振动片(弹性膜)延伸以使缓冲腔与振动片(弹性膜)分离。在压电片(弹性膜)一侧，在膜片的一半厚度处形成有孔(气孔)，从而使缓冲腔与大气相连通。
但是，其延伸以使缓冲腔与振动片(弹性膜)分离的振动片(弹性膜)只能用在压力腔和墨水歧管设置于孔板的同一平面的结构中。在这种结构中，能量生成部分和缓冲腔也设置在压电片的同一平面中，所以打印头在与喷嘴阵列垂直的方向上的宽度就变得较大。而且，在同一孔板上进行压力腔、墨水歧管、以及喷嘴的三维加工也较为困难且需要许多道工序。
在公开号为2001/0020968的美国专利申请的图4中公开了另一喷墨打印头，其通过参考整体结合于此。喷墨打印头的腔体单元由多层膜片，即具有压力腔的基板、具有墨水歧管的歧管板、位于基板和歧管板之间的隔板、以及具有喷嘴的喷嘴板，层压而形成。在这种结构中，可以减小打印头在与喷嘴阵列垂直的方向上的宽度，且可以容易地在各个膜片上加工压力腔、墨水歧管、以及喷嘴。然而，这种结构不能允许缓冲腔在面向歧管板中的墨水歧管形成。如果为了让压力波能振动歧管板而将歧管板的一部做得很薄，就部分降低了打印头的刚度，且墨水喷射特性将在各个喷嘴间有所变化。
发明内容
本发明针对上述问题而提出一种喷墨打印头，其足够坚固以稳定喷嘴的墨水喷射特性且具有一腔体单元，该腔体单元可有效地缓冲传到歧管腔中的墨水的压力波。
根据本发明的一个方面，一种喷墨打印头包括一腔体单元和一具有活动部分且叠在腔体单元上的致动器。该腔体单元具有排列成直线的多个喷嘴以及多个压力腔。每个压力腔与相应的喷嘴连通。该腔体单元还具有一歧管板和一缓冲板。该歧管板具有为多个压力腔供给墨水的歧管腔。歧管腔的深度基本与歧管板的厚度相等。缓冲板在面向远离歧管腔的一侧具有一凹槽，在面向歧管腔的一侧留下的缓冲壁具有缓冲板的部分厚度。在腔体单元的顶视图中该凹槽具有与歧管板中的歧管腔基本相等或较大的外形轮廓。该致动器的活动部分位于相应的压力腔处且被有选择地驱动以通过喷嘴将压力腔中的墨水喷出。
根据本发明的另一个方面，一种喷墨打印头包括一腔体单元和一具有活动部分且叠在该腔体单元上的致动器。该腔体单元具有排列成直线的多个喷嘴以及多个压力腔。每个压力腔与相应的喷嘴连通。该腔体单元还具有一歧管板和一缓冲板。该歧管板具有为多个压力腔供给墨水的歧管腔。歧管腔的深度基本与歧管板的厚度相等。该缓冲板在面向远离歧管腔的一侧具有一凹槽，在面向歧管腔的一侧留下的缓冲壁具有缓冲板的部分厚度。该缓冲板在与压力腔的相对的一侧与歧管板相粘接，使得缓冲壁面向歧管腔。该致动器的活动部分位于相应的压力腔处且被有选择地驱动以通过喷嘴将压力腔中的墨水喷出。
根据本发明的另一方面，一种喷墨打印头包括一具有活动部分的致动器以及一粘接到该致动器的腔体单元。该腔体单元具有一基板、一歧管板、一隔板、以及一缓冲板。该基板具有一沿着与基板平面平行的第一方向延伸的压力腔阵列。该压力腔面向致动器的各个活动部分。该歧管板具有沿着第一方向延伸以部分地覆盖压力腔阵列并为压力腔供给墨水的歧管腔。该隔板插在基板与歧管板之间。该缓冲板与歧管板相邻，且具有一缓冲壁，该缓冲壁通过使缓冲板在远离歧管板的一侧凹槽，从而留下缓冲板的部分厚度以覆盖歧管腔。
附图说明
将参考附图详细说明本发明的优选实施例，其中相同的零部件用相同的标号标出，且其中：
图1为根据本发明的一个实施例的压电喷墨打印头的分解透视图；
图2为该压电喷墨打印头的腔体单元的分解透视图；
图3为该腔体单元的局部放大透视图；
图4为该压电喷墨打印头的放大剖视图；
图5为该腔体单元的局部放大剖视图；以及
图6为具有腔体单元的压电喷墨打印头的放大剖视图，在腔体单元的一端形成有连通孔。
具体实施方式
将参照图1到4说明根据本发明的一个实施例的喷墨打印头1。在该喷墨打印头1中，柔软的扁平电缆40粘合在片状压电致动器8的上表面以与外部器件相连接，且压电致动器8与腔体单元7相粘合。墨水从开口在腔体单元7的下表面的喷嘴中喷出。
将参照图2和图3说明腔体单元7的结构。腔体单元7通过将七层薄片，即一喷嘴板9、一盖板10、一缓冲板11、两歧管板12，12、一隔板13、以及一基板14，层压并粘结而形成。在此实施例中，除去喷嘴板9之外的每层板10、11、12、12、13、14，都由42％的镍钢制成且具有大约50-150微米的厚度。通过电解浸蚀、激光加工、等离子喷射加工、或其他方法，在这些板中形成开口和凹槽以作为墨水通道和墨水腔，这将在以后说明。在第一方向(纵向)上以两排交错排列的形式形成多个具有很小直径(约25微米)的喷嘴15用于喷嘴板9中的墨水喷射。这些喷嘴15沿着与第一方向平行延伸的喷嘴板9的两参照线9a、9b，以非常小的间距P排列。
在腔体单元7的顶视图中，与各个喷嘴15相连通的多个压力腔16，垂直地覆盖由压电致动器8的压电元件构成的活动部分。每个压力腔16都垂直第一方向延伸且压力腔16的阵列沿着第一方向延伸。一对歧管腔12a、12a作为墨水通道形成在每一个歧管板12、12中并在喷嘴阵列的两侧延伸。在此情况下，如图3和4所示，穿过每个歧管板12、12，形成一对歧管腔12a、12a，且其具有与歧管板12的厚度基本相等的深度。将每个歧管腔12a都定形为在顶视图中部分地与压力腔阵列重叠且沿着压力腔16的阵列延伸。
缓冲板11具有向着盖板10开口的一对凹槽(缓冲腔)20、20，盖板10在缓冲板11之下，同时在缓冲板11的上侧留下薄的顶部(缓冲壁)11a。每个凹槽(缓冲腔)20在顶视图中都具有与歧管腔12a基本相同的形状。
因此，如图4所示，通过将隔板13的下表面与上歧管板12的上表面相粘接，并将下歧管板12的下表面与缓冲板11的上表面相粘接，从而将歧管腔12a、12a密封。通过将盖板10粘接到缓冲板11，从而将凹槽(缓冲腔)20、20密封。
在基板14上有多个压力腔16，使每个窄压力腔16都是狭窄的且在第二方向(横向)上延伸，第二方向即与平行于第一方向(纵向)的中心线相垂直的方向。位于图3左侧的压力腔16的末端部分16a与右参考线14a对齐，而位于右侧的压力腔16的末端部分16a与左参考线14b对齐。在左侧和右侧的压力腔16的末端部分16a交替排列，且压力腔16交替地向相反方向延伸。
压力腔16的末端部分16a通过隔板13、歧管板12、12、缓冲板11和盖板10中的小直径通孔17，与以交错形式排列的喷嘴板9中的喷嘴15相连通。通孔17具有非常小的直径并作为墨水通道。压力腔16的另一末端部分16b通过形成在隔板13的横向端的通孔18与歧管板两侧的歧管腔12a、12a相连通。如图3所示，末端部分16b和狭窄的约束部分16d是凹进的，且只在基板14的下表面上开口。末端部分16b具有与通孔18基本相同的直径。约束部分16d具有比压力腔16小的截面面积，以防止在驱动压电致动器20时墨水从压力腔16回流到歧管腔12a、12a中。
以半蚀刻或其他方法在每个压力腔16的中部相对于纵向形成细桥16c以保持相邻的压力腔16之间的狭窄的分隔壁的强度。而且，如图1所示，在最顶上的基板14的一端的供给孔19a、19a上设置有过滤器29，用以将位于喷墨打印头之上的墨盒(未示出)所供给的墨水中的外界物质去除。
如图2和图4所示，墨水通过形成在基板14和隔板13的一侧的供给孔19a、19b，并流入形成在歧管板12、12的横向侧的歧管腔12a、12a中。墨水接着通过通孔18并分流到各个压力腔16中。在墨水腔16中的墨水流经通孔17，到达喷嘴15。
与在日本专利申请公开号No.2002-36568中公开的压电致动器(通过参考结合于此)类似，如图4所示，该压电致动器8由多层压电陶瓷片21层压而形成，每层压电陶瓷片的厚度为30微米。而且，顶片22位于顶端。狭窄的单个电极(未示出)沿着压电片21的第一方向(纵向)，印制在每个最下面的片21和从最下面的片21开始数的奇数片21的上表面(宽表面)上，呈与腔体单元7的压力腔16相对应的两排。每个单独的电极都在垂直于第一方向的第二方向(横向)上延伸，直到压电片21的纵向边缘。从最下面的片21开始数的每个偶数片21的上表面(宽表面)上都形成有一与压力腔16共有的公共电极(未示出)。在此情况下，各个电极的端面和公共电极的起始部分的端面都暴露于每个压电片21的纵向边缘。
如图1所示，表面电极30印在顶片22的上表面，与各个单独的电极相对应，且表面电极31印刷成与公共电极的起始部分相对应。之后，形成侧面电极，使得每个垂直对齐的表面电极30和相应的垂直对齐的单独电极都在它们的暴露端面被电连接。类似地，形成侧面电极，使得每个垂直对齐的表面电极30和相应的垂直对齐的公共电极的起始部分都在它们的暴露端面被电连接。
如图4所示，如上所述地构造的形如板的压电致动器8被叠加并固定在腔体单元7上，使得压电致动器8的每个单独电极都位于一相应的压力腔16处。将柔软的扁平电缆40被叠加并粘合到压电致动器8的上表面，从而使柔软的扁平电缆40的各种布线图(未示出)电连接到表面电极30、31上。
在上述结构的喷墨打印头中，当驱动电压有选择地加到压电致动器8的垂直对齐的单个电极与公共电极之间时，由于在压电陶瓷片21的层压方向上的压电效应，垂直对齐的单个电极与公共电极之间的部分就变形成为一个活动部分。通过活动部分的变形，相应的压力腔16受压且压力被传递到相应的喷嘴15，并从喷嘴15喷出墨水微滴以进行打印。
当压力腔受压时，作用在压力腔16上的压力波含有朝向喷嘴15的向前分量和同时朝向歧管腔12a的向后分量。向后分量在歧管腔12a处被反射，并随着向前分量指向喷嘴15。因为歧管腔12a与压力腔16相通，所以歧管腔12a中的反射波分散到各个压力腔16。尽管反射波自身可能不能导致墨水喷出，但反射波可通过向前的压力波而影响喷射后墨水的补给，并改变在墨水腔16中的墨水量以及下次墨水喷射的喷射速度。因为这种影响的程度取决于在同样的时间内被驱动的压力腔16的数量，所以每次墨水喷射的墨水量和喷射速度都可能有所不同，结果导致打印质量下降。
歧管腔12a和缓冲腔20之间的薄顶部(缓冲壁)11a(图4)被向后分量剧烈振动，从而有效地吸收在歧管腔12a中向后分量。因此，就避免了上述的在向前分量与向后分量之间的干扰(crosstalk)。压力波的向后分量可被顶部(缓冲壁)11a的弹性振动单独吸收，或被顶部11a和缓冲腔20中的空气共同吸收。
覆盖着形成有缓冲腔20的缓冲板11的下表面的盖板10，具有一致的厚度以及足够的刚度以承受来自喷嘴帽(未示出)的压力。喷嘴帽用于在喷墨打印头处于休息位置时将位于盖板10之下的喷嘴板9压向歧管板12，同时覆盖喷嘴15。因此，盖板10依靠其刚度可防止缓冲板11和歧管板12弯曲变形。因为缓冲腔20的容量保持不变，所以墨水喷射特性就不受影响。而且，因为避免了喷嘴板9弯曲变形且喷嘴的朝向不变，所以打印质量就不会降低。优选地，如图4所示，缓冲腔20通过一小直径连通孔20a与大气相连通，该连通孔20a从缓冲腔20开始形成，开口在腔体单元7的上表面。可选择地，如图6所示，可形成连通孔20b，其开口在缓冲板11的末端部分。与大气相连通的缓冲腔20中的空气保持一恒定压力，而这使得缓冲腔20可有效地吸收压力波并防止干扰。
而且，优选地，缓冲腔20要比歧管腔12a在长度和宽度上略微大一尺寸W1，从而在顶视图中，缓冲腔20的外形轮廓就包围着歧管腔12a的外形轮廓。在这种结构中，歧管腔12a始终保持被缓冲腔20的顶部(缓冲壁)11a所包围，从而达到顶部11a的最大缓冲效果。当在墨水喷射时在歧管腔中产生的压力波作用在缓冲壁11a上时，具有薄厚度的缓冲壁11a能在顶视图中跨越整个歧管腔弹性地弯曲。而且，即使当歧管板12和缓冲腔11在粘合过程中彼此在位置上错开某个量时，歧管腔12a也能处于凹槽11a的外形轮廓之内，且不会降低缓冲作用。
在根据上述实施例的喷墨打印头中，腔体单元7由多层板层压而形成，包括彼此相邻的歧管板12和缓冲板11。歧管板12具有为压力腔16供给墨水的歧管腔12a，而缓冲板11具有与歧管腔12a对齐的缓冲壁11a。歧管腔12a具有与歧管板12的厚度相等的深度。缓冲板11从歧管腔12a的相对侧内凹，且具有缓冲板11的部分厚度的部分位于面向歧管腔12a的一侧，而在墨水喷射时，缓冲壁11a吸收并减少传送给歧管腔12a中的墨水的压力波。因此，不需要提供另外的薄振动膜。因为缓冲板11比较厚，同时缓冲壁11a又足够薄以被压力波变形，所以就容易加工缓冲板11。而且十分精确地形成歧管腔12a。
尽管在上述实施例中，两歧管板12是重叠的，但也可使用一单个的相对厚的歧管板，或者使用三个或四个相对薄的歧管板来代替之。
尽管在上述实施例中，使用了具有能驱动压力腔的活动部分的单个致动器，但也可在各个压力腔处布置单独的压电元件，或者使用其他类型的致动器。
当在以上参照具体实施例对本发明加以说明时，实施例的描述只是说明性的而不能被认为是对本发明的范围的限制。对于本领域的技术人员，可以在不背离本发明的要旨和范围的前提下作出各种其他的改动和变更。

Claims (31)

1.一种喷墨打印头，包括：
腔体单元，其包括：
多个喷嘴；
多个排列成一直线的压力腔，每个压力腔与相应的喷嘴相连通；
具有歧管腔的歧管板，该歧管腔为多个压力腔供给墨水，该歧管腔的深度基本与歧管板的厚度相等；以及
具有凹槽和缓冲壁的缓冲板，该凹槽位于面向远离歧管腔的一侧，该缓冲壁设置在面向歧管腔的一侧，该缓冲壁具有缓冲板的部分厚度，在腔体单元的顶视图中，该凹槽具有与歧管板中的歧管腔基本相等或较大的外形轮廓；以及
致动器，堆叠在腔体单元上且具有活动部分，该活动部分位于相应的压力腔处且被有选择地驱动，以将压力腔中的墨水通过喷嘴喷出。
2.根据权利要求1的喷墨打印头，其特征在于，缓冲板粘接在歧管板与压力腔相对的一侧，使得缓冲壁面向歧管腔。
3.根据权利要求1的喷墨打印头，其特征在于，腔体单元还包括粘接于缓冲板上的盖板，以将缓冲板中的凹槽密封。
4.根据权利要求3的喷墨打印头，其特征在于，喷嘴形成在喷嘴板中，并且喷嘴板粘接在盖板上。
5.根据权利要求4的喷墨打印头，其特征在于，压力腔形成在压力腔板中，且腔体单元还包括位于压力腔板与歧管板之间的隔板，隔板具有供给孔，墨水从歧管腔穿过供给孔流到压力腔。
6.根据权利要求5的喷墨打印头，其特征在于，多个压力腔通过形成在隔板、歧管板、缓冲板和盖板上的通孔与各自的喷嘴相连通。
7.根据权利要求1的喷墨打印头，其特征在于，有选择地驱动活动部分，以在压力腔中的墨水中产生压力波，部分压力波从压力腔导入歧管腔并振动缓冲壁。
8.根据权利要求5的喷墨打印头，其特征在于，缓冲板中的凹槽通过孔与大气相连通，该孔穿过歧管板、隔板和压力腔板而形成。
9.根据权利要求1的喷墨打印头，其特征在于，缓冲板中的凹槽通过在缓冲板的一端开口的孔与大气相连通。
10.根据权利要求1的喷墨打印头，其特征在于，腔体单元还包括与所述歧管板相同的第二歧管板，第二歧管板与所述歧管板相粘接。
11.一种喷墨打印头，包括：
腔体单元，包括：
多个喷嘴；
多个排列成一直线的压力腔，每个压力腔与相应的喷嘴相连通；
具有歧管腔的歧管板，该歧管腔为多个压力腔供给墨水，该歧管腔的深度基本与歧管板的厚度相等；以及
具有凹槽和缓冲壁的缓冲板，该凹槽在面向远离歧管腔的一侧，该缓冲壁设置在面向歧管腔的一侧，该缓冲壁具有缓冲板的部分厚度，该缓冲板粘接于歧管板与压力腔相对的一侧，从而使缓冲壁面向歧管腔；以及
致动器，堆叠在腔体单元上且具有活动部分，该活动部分位于相应的压力腔处且被有选择地驱动，以将压力腔中的墨水通过喷嘴喷出。
12.根据权利要求11的喷墨打印头，其特征在于，在腔体单元的顶视图中，所述凹槽具有与歧管板中的歧管腔基本相等或较大的外形轮廓。
13.根据权利要求11的喷墨打印头，其特征在于，腔体单元还包括粘接于缓冲板上的盖板，以将缓冲板中的凹槽密封。
14.根据权利要求13的喷墨打印头，其特征在于，喷嘴形成在喷嘴板中，且喷嘴板与盖板相粘接。
15.根据权利要求14的喷墨打印头，其特征在于，压力腔形成在压力腔板中，且腔体单元还包括设置在压力腔板与歧管板之间的隔板，沿歧管板的厚度方向歧管腔穿透歧管板，并且缓冲壁与面向缓冲板表面的歧管板齐平。
16.根据权利要求15的喷墨打印头，其特征在于，多个压力腔通过形成在隔板、歧管板、缓冲板和盖板上的通孔与各自的喷嘴相连通。
17.根据权利要求11的喷墨打印头，其特征在于，当有选择地驱动活动部分以在压力腔中的墨水中产生压力波时，部分压力波从压力腔导入歧管腔并振动缓冲壁。
18.根据权利要求15的喷墨打印头，其特征在于，缓冲板中的凹槽通过孔与大气相连通，该孔穿过歧管板、隔板和压力腔板而形成。
19.根据权利要求11的喷墨打印头，其特征在于，缓冲板中的凹槽通过在缓冲板的一端开口的孔与大气相连通。
20.根据权利要求11的喷墨打印头，其特征在于，腔体单元还包括与所述歧管板相同的第二歧管板，第二歧管板与所述歧管板相粘合。
21.一种喷墨打印头，包括：
具有活动部分的致动器；以及
与该致动器相粘接的腔体单元，其包括：
基板，具有沿着与基板平面平行的第一方向延伸的压力腔阵列，该压力腔面向致动器的相应活动部分；
具有歧管腔的歧管板，该歧管腔沿着第一方向延伸从而部分地覆盖压力腔阵列并向压力腔供给墨水；
位于基板与歧管板之间的隔板；以及
与歧管板相邻设置并具有缓冲壁的缓冲板，通过在远离歧管板的一侧对缓冲板开槽以留下缓冲板的部分厚度，形成覆盖歧管腔的缓冲壁。
22.根据权利要求21的喷墨打印头，其特征在于，在第一方向的长度上以及在与第一方向垂直的宽度上，该缓冲壁基本与歧管腔相等，或比歧管腔大出预定尺寸。
23.根据权利要求21的喷墨打印头，其特征在于，该歧管腔在歧管板的厚度方向上穿过歧管板，且缓冲壁与面对缓冲板表面的歧管板齐平。
24.根据权利要求21的喷墨打印头，其特征在于，腔体单元还包括喷嘴板，其具有与相应的压力腔相连通的喷嘴；以及插在该缓冲板与喷嘴板之间的盖板。
25.一种喷墨打印头，其包括：
腔体单元，其包括：
多个彼此隔开的喷嘴；
多个压力腔，每个压力腔都储存墨水并与相应的喷嘴相连通；
歧管板，位于多个压力腔之下且具有向多个压力腔供给墨水的歧管腔；以及
缓冲板，具有位于歧管腔之下的缓冲壁和位于缓冲壁之下的凹槽，该缓冲壁可吸收来自压力腔的向后的压力波；以及
致动器，堆叠在腔体单元上，并可有选择地挤压压力腔中的墨水以通过喷嘴喷出墨水。
26.根据权利要求25的喷墨打印头，其特征在于，所述凹槽具有与歧管板中的歧管腔的外形轮廓基本相同或较大的外形轮廓。
27.根据权利要求25的喷墨打印头，其特征在于，腔体单元还包括粘接到缓冲板上以将缓冲板中的凹槽密封的盖板。
28.根据权利要求25的喷墨打印头，其特征在于，通过致动器对压力腔进行的有选择的挤压，以在压力腔中的墨水中产生向后的压力波，且缓冲壁振动以吸收从压力腔传到歧管腔的向后的压力波。
29.根据权利要求25的喷墨打印头，其特征在于，歧管板包括孔，缓冲板中的凹槽通过此孔与大气相连通。
30.根据权利要求25的喷墨打印头，其特征在于，缓冲板包括在缓冲板一端开口的孔，缓冲板中的凹槽通过此孔与大气相连通。
31.根据权利要求25的喷墨打印头，其特征在于，歧管板包括至少两个相互粘接的基本相同的板。
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