CN103991288B - 压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备，属于喷墨打印技术领域，所述喷墨头包括压电陶瓷和喷嘴板，所述压电陶瓷上设置有若干条形通道壁，相邻两个所述通道壁之间形成有凹槽，所述通道壁内嵌设有金属内电极，形成压电双晶片结构，所述通道壁的外侧表面设置有外电极；所述喷嘴板盖设在所述通道壁的远端面上，所述喷嘴板和通道壁之间间隔设置有柔性密封物质，所述喷嘴板上开有与所述凹槽数量一致的喷嘴，所述喷嘴与凹槽的位置相对应。本发明中，通道壁加电变形采用的是d₃₁横向弯曲模式，能产生较大的变形量，可以对墨水通道中的墨水产生较大的变形压力，有利于大粒径墨水的喷射及喷射速度的提高。

Description

压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备

技术领域

本发明涉及喷墨打印技术领域，特别是指一种压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备。

背景技术

陶瓷喷头作为目前陶瓷喷墨打印机最核心、所占成本最高、最重要、技术含量最高的部件，国内从研发到制造均属空白，完全依赖于进口。而为了尽可能保护墨水中的色料结构，更好地增强发色效果和陶瓷砖装饰效果，一般需要加大陶瓷材料墨水的粒径，将现有的陶瓷材料墨水的平均粒径300nm，扩展使用到0.8至8微米的粒径范畴，这就需要重新设计喷头的喷射单元结构和喷射原理，以达到增大压电陶瓷致动器的变形量的目的。

现有技术中，有一种XAAR喷墨头，其墨水通道采用半导体工业的切割锯直接在压电陶瓷上切割而成，通道中间为共享壁。铝金属电极沉积在共享壁两边的上半部分，每对电极相互连接起来引到喷墨头的电路区。共享壁的极化方向平行于通道壁，因此施加电压时发生剪切形变，实现墨水的挤出动作。上盖板的材料也是压电陶瓷，固定在基座上。这种结构的喷墨头剪切变形变形量小，不利于大粒径墨水的喷射。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备，能够有效地解决喷墨头变形量小，不利于大粒径墨水的喷射的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种压电喷墨头，包括压电陶瓷和喷嘴板，所述压电陶瓷上设置有若干条形通道壁，相邻两个所述通道壁之间形成有凹槽，所述通道壁内嵌设有金属内电极，从而形成压电双晶片结构，所述通道壁的外侧表面设置有外电极，所述通道壁的极化方向垂直于所述通道壁；

所述喷嘴板盖设在所述通道壁的远端面上，所述喷嘴板和通道壁之间间隔设置有柔性密封物质，所述喷嘴板上开有与所述凹槽数量一致的喷嘴，所述喷嘴与凹槽的位置相对应。

进一步的，所述通道壁的极化方向都相同，每个所述通道壁的两侧的外电极相连通，每个所述通道壁的金属内电极和外电极共同作为该通道壁的正、负电极，相邻两个所述通道壁的金属内电极和外电极施加相反电压。

进一步的，所述通道壁的远端面上也设置有外电极，所述通道壁的远端面上的外电极与外侧表面的外电极为一体结构，所述通道壁的远端面上在所述外电极和金属内电极之间设置有绝缘层。

进一步的，每个所述通道壁在其对应的所述金属内电极两侧的极化方向相反，相邻两个所述通道壁的极化方向相反，每个所述通道壁的两侧的外电极分别作为该通道壁的正、负电极，位于每个所述凹槽的两侧的外电极施加相反电压。

进一步的，所述外电极的表面覆盖有钝化层。

进一步的，相邻所述金属内电极之间的压电陶瓷的宽度为80μm-400μm，所述通道壁的厚度为40μm-200μm，所述通道壁的高度为200μm-500μm；所述金属内电极的厚度为1μm-5μm；所述凹槽的宽度为40μm-200μm；所述喷嘴的直径为25μm-100μm。

进一步的，所述压电陶瓷由若干压电陶瓷子块与所述金属内电极低温共烧制得，所述通道壁是在所述压电陶瓷上由精密划片机经过切槽加工制得；所述喷嘴板采用微注塑成型工艺制得，所述喷嘴通过注塑成型、激光加工或精密雕刻制得。

进一步的，所述压电陶瓷的材质采用软性压电陶瓷材料或压电应变常数d₃₃大于500的压电材料；所述金属内电极的材质采用银钯合金或铜；所述外电极的材质采用铝、银、镍或金，所述外电极通过溅射法或电镀法制得；所述柔性密封物质的材质采用高分子材料，所述高分子材料为酚醛树脂；所述喷嘴板的材质采用结构陶瓷、有机玻璃、工程塑料、特氟龙或半导体硅材料，所述结构陶瓷采用氧化铝、氧化锆、氮化硅或氮化铝。

进一步的，所述绝缘层的材质采用有机高分子绝缘材料。

另一方面，提供一种打印设备，包括上述的压电喷墨头。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的压电喷墨头及包括该压电喷墨头的打印设备，通道壁内嵌设有金属内电极，从而形成压电双晶片结构，而且通道壁的极化方向垂直于通道壁，当通道壁加电时，变形采用的是d₃₁横向弯曲模式，能产生较大的变形量，可以对墨水通道中的墨水产生较大的变形压力，有利于大粒径墨水的喷射及喷射速度的提高。

附图说明

图1为本发明的压电喷墨头的一种实施方式的结构示意图；

图2为图1所示压电喷墨头的压电陶瓷的极化方式示意图；

图3为图2所示压电喷墨头的压电陶瓷经切槽加工之后的结构示意图；

图4为在图3所示压电喷墨头的通道壁上镀设绝缘层和外电极后的结构示意图；

图5为图4所示压电喷墨头的通道壁加电变形示意图；

图6为图1所示压电喷墨头工作时相邻两个墨水通道的体积变化情况示意图；

图7为本发明的压电喷墨头的另一种实施方式的结构示意图；

图8为图7所示压电喷墨头的压电陶瓷的极化方式示意图；

图9为图8所示压电喷墨头的压电陶瓷经切槽加工之后的结构示意图；

图10为在图9所示压电喷墨头的通道壁上镀设外电极后的结构示意图；

图11为图10所示压电喷墨头的通道壁加电变形示意图；

图12为图7所示压电喷墨头工作时相邻两个墨水通道的体积变化情况示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种压电喷墨头，如图1-12所示，包括压电陶瓷1、1’和喷嘴板5、5’，压电陶瓷1、1’上设置有若干条形通道壁13、13’，相邻两个通道壁13、13’之间形成有凹槽14、14’(即墨水通道)，通道壁13、13’内嵌设有金属内电极12、12’，从而形成压电双晶片结构，通道壁13、13’的外侧表面设置有外电极3、3’，通道壁13、13’的极化方向垂直于通道壁13、13’；

喷嘴板5、5’盖设在通道壁13、13’的远端面上，喷嘴板5、5’和通道壁13、13’之间间隔设置有柔性密封物质4、4’，柔性密封物质4、4’隔断相邻的凹槽14、14’，并且为通道壁13、13’变形提供缓冲空间，喷嘴板5、5’上开有与凹槽14、14’数量一致的喷嘴6、6’，喷嘴6、6’与凹槽14、14’的位置相对应。

工作时，墨水在墨水通道(即凹槽14、14’)内流动，当需要某个喷嘴6、6’动作时，可以对该喷嘴6、6’所对应的凹槽14、14’两边的通道壁13、13’加电，从而使通道壁13、13’产生变形，挤压墨水，使墨水从喷嘴6、6’喷出。

与现有技术相比，本发明的压电喷墨头，通道壁13、13’内嵌设有金属内电极12、12’，从而形成压电双晶片结构，而且通道壁13、13’的极化方向垂直于通道壁13、13’，当通道壁13、13’加电时，变形采用的是d₃₁横向弯曲模式，能产生较大的变形量，可以对墨水通道中的墨水产生较大的变形压力，有利于大粒径墨水的喷射及喷射速度的提高。

具体的，本发明可以有以下两种结构形式：

结构形式一(并联型)：

如图1-6所示，通道壁13的极化方向都相同，每个通道壁13的两侧的外电极3相连通，每个通道壁13的金属内电极12和外电极3共同作为该通道壁13的正、负电极，相邻两个通道壁13的金属内电极12和外电极3施加相反电压。

为简化制作工艺，通道壁的远端面上也可以设置有外电极，通道壁13的远端面上的外电极与外侧表面的外电极为一体结构，并且通道壁13的远端面上在外电极3和金属内电极12之间设置有绝缘层，以避免两者之间短路。

在图1-6所示的实施例中，首先，如图2所示，该压电喷墨头的压电陶瓷1可以由若干压电陶瓷子块11和金属内电极12利用低温共烧工艺制得，并对各压电陶瓷子块11进行相同方向(如图中箭头10所示)的极化处理。

然后，如图3所示，在极化后的压电陶瓷1上利用切槽加工工艺制作出呈周期性结构排列的通道壁13。压电陶瓷子块11可以粘接在一层基板(图中未示出)上面，切槽的深度小于等于压电陶瓷子块的高度，考虑到粘接的强度，建议不切透。切割后形成的相邻通道壁13可与喷嘴板形成墨水通道。

接着，如图4所示，在通道壁13外侧表面上镀设绝缘层2和外电极3，金属内电极12和外电极3分别作为通道壁13的正、负电极。电极镀制可采用物理气相沉积法或电镀法。

工作时的加电变形如图5所示，通道壁13是压电喷墨头的变形部位，其中一个通道壁13的外电极3加正电压，其金属内电极12加负电压，因为通道壁13的极化方向垂直于通道壁13，所以通道壁13变形采用的是d₃₁横向弯曲模式，能产生较大的变形量。该图中，通道壁13可视为并联型压电双晶片。

并且，如图6所示，相邻两个通道壁13的金属内电极12和外电极3施加相反电压，所以相邻两个通道壁13的变形方向相反，从而实现墨水通道的体积增大或缩小，完成墨滴喷射的过程。

结构形式二(串联型)：

如图7-12所示，每个通道壁13’在其对应的金属内电极12’两侧的极化方向相反，相邻两个通道壁13’的极化方向相反，每个通道壁13’的两侧的外电极3’分别作为该通道壁13’的正、负电极，位于每个凹槽14’的两侧的外电极3’施加相反电压。金属内电极12’成为通道壁13’“双晶片”的金属基片。

在图7-12所示的实施例中，首先，如图8所示，该压电喷墨头的压电陶瓷1’可以由若干压电陶瓷子块11’和金属内电极12’利用低温共烧工艺制得，并对相邻的压电陶瓷子块11’进行相反方向(如图中箭头10’所示)的极化处理。

然后，如图9所示，在极化后的压电陶瓷1’上利用切槽加工工艺制作出呈周期性结构排列的通道壁13’。

接着，如图10所示，在通道壁13’外侧面上镀设外电极3’，每个通道壁13’的两侧的外电极3’分别作为该通道壁13’的正、负电极。电极镀制可采用物理气相沉积法或电镀法。镀电极之后，可以采用激光切割或机械切割等方法将通道壁13’远端面和两侧面的电极断开。

工作时的加电变形如图11所示，通道壁13’是压电喷墨头的变形部位，其中一个通道壁13’两侧的外电极3’分别加正、负电压，因为通道壁13’的极化方向垂直于通道壁13’，所以通道壁13’变形采用的是d₃₁横向弯曲模式，能产生较大的变形量。该图中，通道壁13’可视为串联型压电双晶片。

并且，如图12所示，位于每个凹槽14’的两侧的外电极3’施加相反电压，所以相邻两个通道壁13’的变形方向相反，从而实现墨水通道的体积增大或缩小，完成墨滴喷射的过程。

应当理解的是，图1-12所示实施例中仅示出了压电喷墨头优选的两种不同的结构形式，本领域技术人员可以在此基础上进行改变和调整，以形成更多不同的结构形式，均属于本发明的保护范围，此处不再赘述。

在上述实施例中，外电极3、3’的表面可以覆盖有钝化层，以防止墨水对电极、压电陶瓷等的腐蚀。

本发明中，压电喷墨头各部分的尺寸优选如下：

相邻金属内电极之间的压电陶瓷12、12’的宽度(即压电陶瓷子块11、11’的宽度)为80μm-400μm，具体尺寸可以根据所需的喷头分辨率调整，总宽度则取决于喷头的打印宽度。改变压电陶瓷子块11、11’的宽度时，对应墨水通道数目就会改变，又由于墨水通道数目对应喷嘴数目，所以本发明压电喷墨头的喷嘴数目可灵活调整，能适应不同场合的工作需求，有较强的实用性。

同时，通道壁13、13’的厚度(即图1、图3-7、图9-12中示出的宽度)为40μm-200μm，通道壁13、13’的高度为200μm-500μm；金属内电极12、12’的厚度为1μm-5μm；凹槽14、14’的宽度为40μm-200μm；喷嘴6的直径为25μm-100μm。

本发明中，压电喷墨头各部分的制作工艺优选如下：

压电陶瓷1、1’由若干压电陶瓷子块11、11’与金属内电极12、12’低温共烧制得，通道壁13、13’是在压电陶瓷上1、1’由精密划片机经过切槽加工制得；压电喷墨头的通道壁13、13’的压电双晶片结构可以通过这种低温共烧和切槽加工一次性成型，这样简化了工艺流程，提高了生产效率。

喷嘴板5、5’采用微注塑成型工艺制得，喷嘴6、6’通过注塑成型、激光加工或精密雕刻制得，钝化层采用气相沉积法制得。

本发明中，压电喷墨头各部分的材质优选如下：

压电陶瓷1、1’的材质采用软性压电陶瓷材料，如商用PZT5H，或压电应变常数d₃₃大于500的压电材料；

金属内电极12、12’的材质采用银钯合金或铜等金属导电材料；

外电极3、3’的材质采用铝、银、镍或金等金属导电材料，外电极3、3’可以通过溅射法或电镀法制得；

柔性密封物质4、4’的材质采用酚醛树脂等高分子材料；

喷嘴板5、5’的材质采用结构陶瓷(氧化铝、氧化锆、氮化硅或氮化铝等)、有机玻璃、工程塑料、特氟龙或半导体硅材料等。

同时，绝缘层2、2’的材质采用聚氯乙烯等有机高分子绝缘材料。

另一方面，本发明还提供一种打印设备，包括上述的压电喷墨头，压电喷墨头的结构与上相同，此处不再赘述。

本发明的有益效果如下：

1、压电喷墨头的通道壁13、13’变形采用的是d₃₁横向弯曲模式，能产生较大的变形量，可以对墨水通道中的墨水产生较大的变形压力，有利于大粒径墨水的喷射及喷射速度的提高。

2、结构紧凑，可排布较多的喷嘴6、6’。为了提高喷墨打印的速度，一种方法就是增加喷头的喷嘴。目前市场上可以购买到的喷头的喷嘴数大多在数百至一千个左右，今后单个喷头的喷嘴数还会有所增加。本发明所述喷头的结构简单紧凑，通过调整压电陶瓷子块的厚度可以调整墨水通道的密度，从而得到相应的喷嘴数目，因此能适应不同场合的工作需求，有较强的实用性。

3、本发明采用柔性密封物质对通道壁和喷嘴板进行柔性连接。由于通道壁是压电双晶片悬臂梁，所以远端不能固定在喷嘴板上，可以采用柔性物质作为通道壁和喷嘴板的连接部分，这样既可以防止墨水通道互相连通，也不会影响压电通道壁的正常工作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种压电喷墨头，包括压电陶瓷和喷嘴板，其特征在于，所述压电陶瓷上设置有若干条形通道壁，相邻两个所述通道壁之间形成有凹槽，所述通道壁内嵌设有金属内电极，从而形成压电双晶片结构，所述通道壁的外侧表面设置有外电极，所述通道壁的极化方向垂直于所述通道壁；

所述喷嘴板盖设在所述通道壁的远端面上，所述喷嘴板和通道壁之间间隔设置有柔性密封物质，所述喷嘴板上开有与所述凹槽数量一致的喷嘴，所述喷嘴与凹槽的位置相对应；

所述通道壁的极化方向都相同，每个所述通道壁的两侧的外电极相连通，每个所述通道壁的金属内电极和外电极共同作为该通道壁的正、负电极，相邻两个所述通道壁的金属内电极和外电极施加相反电压；或者，每个所述通道壁在其对应的所述金属内电极两侧的极化方向相反，相邻两个所述通道壁的极化方向相反，每个所述通道壁的两侧的外电极分别作为该通道壁的正、负电极，位于每个所述凹槽的两侧的外电极施加相反电压。

2.根据权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，所述通道壁的远端面上也设置有外电极，所述通道壁的远端面上的外电极与外侧表面的外电极为一体结构，所述通道壁的远端面上在所述外电极和金属内电极之间设置有绝缘层。

3.根据权利要求1或2所述的压电喷墨头，其特征在于，所述外电极的表面覆盖有钝化层。

4.根据权利要求1或2所述的压电喷墨头，其特征在于，相邻所述金属内电极之间的压电陶瓷的宽度为80μm-400μm，所述通道壁的厚度为40μm-200μm，所述通道壁的高度为200μm-500μm；

所述金属内电极的厚度为1μm-5μm；

所述凹槽的宽度为40μm-200μm；

所述喷嘴的直径为25μm-100μm。

5.根据权利要求1或2所述的压电喷墨头，其特征在于，所述压电陶瓷由若干压电陶瓷子块与所述金属内电极低温共烧制得，所述通道壁是在所述压电陶瓷上由精密划片机经过切槽加工制得；

所述喷嘴板采用微注塑成型工艺制得，所述喷嘴通过注塑成型、激光加工或精密雕刻制得。

6.根据权利要求1或2所述的压电喷墨头，其特征在于，所述压电陶瓷的材质采用软性压电陶瓷材料或压电应变常数d₃₃大于500的压电材料；

所述金属内电极的材质采用银钯合金或铜；

所述外电极的材质采用铝、银、镍或金，所述外电极通过溅射法或电镀法制得；

所述柔性密封物质的材质采用高分子材料，所述高分子材料为酚醛树脂；

所述喷嘴板的材质采用结构陶瓷、有机玻璃、工程塑料、特氟龙或半导体硅材料，所述结构陶瓷采用氧化铝、氧化锆、氮化硅或氮化铝。

7.根据权利要求2所述的压电喷墨头，其特征在于，所述绝缘层的材质采用有机高分子绝缘材料。

8.一种打印设备，其特征在于，包括权利要求1至7中任一权利要求所述的压电喷墨头。