專利名稱：液體噴頭及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種液體噴頭及其制造方法，該液體噴頭適用于使用壓電體元件作為噴出墨水的驅動源的噴墨式記錄裝置。
背景技術：
作為液體噴射裝置的實例，例如，通過向與對應打印信號的噴嘴連通的壓力發生室(也稱壓力腔室或液體腔室)內的墨水施加噴出能量而使墨水從噴嘴開口噴出墨水滴的噴墨式記錄裝置，對其中設置的噴墨式記錄頭的設計和制造是完成整體裝置的關鍵之一。搭載在此噴墨式記錄裝置上的噴墨式記錄頭大致有兩種，一種是在壓力發生室內設置了發熱元件(例如由驅動信號產生焦耳熱的電阻線等)，并利用這種發熱元件產生的氣泡從噴嘴開口噴出墨水滴的記錄頭；另一種是壓電振動式記錄頭，振動板構成了壓力發生室的一部分，控制壓電元件的動作而驅動此振動板變形導致壓力發生室體積變化，由于壓力腔室中填充墨水，此時墨水滴就會從噴嘴孔中噴出而執行打印指令。利用壓電元件作為致動器，控制墨水噴出的噴液頭(也稱記錄頭)，主要有以下兩種類型，一種是壓電元件和振動板部分構成與排出墨滴相應噴嘴孔連通的壓力產生腔室，通過壓電元件和振動板的變形，使得壓力產生腔室體積發生變化，從而把墨水從噴嘴孔噴出(例如中國專利申請CN02105630.7的記載)。另外一種是在硅基板上設置噴液孔和蝕刻出壓力腔室，且壓電元件和振動板以懸臂梁的形式設置在壓力腔室內的噴液頭，執行打印時，壓電元件在施壓下產生體積變化，通過振動板引起壓力腔室體積變化，由于壓力腔室中填充墨水，此時墨水會從噴液孔中噴出而完成打印，例如日本專利申請平2-194960中記載的結構。壓電型的噴墨打印頭中，作為噴出液體或墨水的驅動源、即電氣-機械變換元件，一般使用由PZT構成的壓電元件。圖1是顯示上述后者類型的噴墨打印頭的結構的一個實施例的結構示意圖。圖1顯示了頭基臺12、共用電極(振動板)29、壓電元件32、壓力發生室33，設置有墨水噴出口13的噴嘴板35、墨水供給口 36，儲存器(reservoir) 37以及墨水容器口 38，其它組成包括未圖示的布線圖形、信號電路、墨水容器等。這種常見結構的噴墨打印頭一般是通過應用光刻技術的工序來制造。例如圖2(a)-圖2(f)簡單地示例一種具體的制造工序(以圖1中的A_A’的剖面圖來示出)，該制造過程描述如下:如圖2a所示，在表面上形成了熱氧化膜40的硅襯底(晶片)39上依次形成共用電極29、壓電體薄膜30和上電極31 ；如圖2b所示，在上電極31上形成抗蝕劑層15，并通過掩模按照預定的圖形進行曝光、顯影，對抗蝕劑層15進行圖形刻蝕；如圖2c所示，以圖形化的抗蝕劑層15作為掩模對壓電體薄膜30和上電極31進行刻蝕后，剝離抗蝕劑層15，得到壓電元件32 ；
如圖2d所示，在與形成了壓電元件32的相反的面上再次形成抗蝕劑層15，并通過掩模按照預定的圖形進行曝光、顯影，對抗蝕劑層15進行圖形刻蝕；如圖2e所示，將該圖形化抗蝕劑層15作為掩模對氧化膜40和硅晶片39進行刻蝕，形成墨水壓力腔室構造33，經剝離抗蝕劑層15，即可得到頭基臺12 ；如圖2f所示，將在對應于墨水壓力腔室33的位置上形成了墨水噴口 13的噴嘴板35通過粘接層等接合(粘接)到制造的頭基臺12的各墨水壓力腔室壁上，并按照設計要求形成布線圖形、信號電路、墨水容器等，就得到了噴墨打印頭。日本專利申請平2-1844447中公開了一種懸臂梁式的壓電噴墨頭，為了提高打印分辨率，其振動板是在切割作用下處于分離狀態時與基板相接合，即，振動板為具有一個活動端的懸臂梁結構，也稱壓電懸臂梁結構。另外，壓電橋式梁結構因為能提供更大的變形量，也在液體噴頭制作中被使用。可以理解，該振動板的設置操作需要較高的精度和牢固度。以上所述只是關于這類噴墨打印頭制造工藝的眾多現有技術的舉例，所有公開技術中都需要通過專門的處理實現振動板的設置，振動板的加工和設置，是噴墨頭生產中重要的環節之一，為了滿足打印質量的要求，尤其是獲得較高的打印分辨率，這些都對振動板的設置提出了更高的要求。近年來，隨著個人計算機的發展，噴墨打印機正在迅速地得到普及，那么，降低打印頭的成本和提高打印分辮率，已經成為打印機制造業所面臨的必不可少的課題。總之，作為噴墨打印機的核心部件，頭基臺的制造需要經過非常多的工序，仍然沿用這樣的工序，要大幅度地降低成本顯然是不容易的。另一方面，繁多的制造工序不僅影響了大批量生產的實現，也不利于保證和控制制品的質量。

發明內容
本發明提供一種液體噴頭，其中的振動板與基底為聚合物材料一體微注塑而形成，在簡化了制造工藝的同時，也利于保證大批量生產中對質量的控制。本發明還提供了所述液體噴頭的制造工藝，通過微注塑成型技術得到振動板與基底的一體結構，利于解決現有技術中該液體噴頭制造工序繁多，工藝復雜的問題。根據本發明的一個方面，提供了一種液體噴頭，至少具有:聚合物基底、聚合物振動板、壓力腔室和壓電元件，其中，所述聚合物振動板與聚合物基底為微注塑一體成型結構，該聚合物振動板上設置有壓電元件，該聚合物基底上設有供液腔；所述壓力腔室設于聚合物振動板上，并且使聚合物振動板和壓電元件位于壓力腔室內；所述壓力腔室能與供液腔相導通，并具有液體噴孔。本發明提供的該液體噴頭可以用于噴墨打印機的壓電型噴墨打印頭。本發明還提供了設置有所述液體噴頭的液體記錄裝置，尤其是噴墨式打印機。本發明還提供上述液體噴頭的制造方法，所述方法包括:將聚合物材料置于微注塑成型機，制成所述聚合物基底與聚合物振動板的一體成型結構，且聚合物基底具有供液腔；在聚合物振動板上形成壓電元件；在聚合物振動板上形成壓力腔室，該壓力腔室與供液腔相導通，并使聚合物振動板和壓電元件位于該壓力腔室內；在壓力腔室上設置噴嘴板，并使該噴嘴板上開設有液體噴孔。在本發明提供的實施方案中，振動板通過微注塑成型技術與聚合物基底成為一體結構，由于二者的一體成型而使整個液體噴頭的制造工藝被簡化，并且振動板與基底的一體結構也保證了振動板的設置強度和精度，在簡化了制造工藝、降低生產成本和生產周期的同時，提高了產品生產的質量，更適合于大批量工業化生產，以滿足市場對噴墨打印裝置，尤其是高分辮率噴墨打印機的需要。


圖1為現有技術中常見的噴墨打印頭的結構示意圖；圖2a_圖2f示例了現有技術中壓電型液體噴頭的制造工序；圖3為本發明實施例的液體噴頭的結構示意圖；圖4為本發明一個實施例中用于對振動板和聚合物基底實施微注塑成型的模具結構示意圖；圖5為本發明一個實施例脫模后的聚合物基底與振動板的結構圖；圖6為本發明另一實施例中用于對振動板和聚合物基底實施微注塑成型的模具結構示意圖；圖7為本發明另一實施例脫模后的聚合物基底與振動板的結構圖。圖中標記說明:101、101‘:定模；102、102':動模；103、103':模腔；104、104':聚合物基底；105、105':聚合物振動板;106、106':供液腔；107:供液通道；108:液體噴孔；109噴嘴板；110:壓力腔室(也稱液體容納腔)；111:上電極；112:壓電層；113:下電極；114:振動板活動端。
具體實施例方式以下結合附圖及實施例對本發明的實施方案作進一步的說明，但不能作為對本發明實施范圍的限制。如前所述，本發明提供的液體噴頭，聚合物振動板與聚合物基底為一體成型結構，其具體結構可以根據設計要求選擇相應的模具，經注塑成型。例如，可以通過模具的選擇得到懸臂梁或橋式梁結構，最終成為壓電懸臂梁結構或壓電橋式梁結構的液體噴頭，它們的具體結構和特點在本發明之前已經有記載，因此不再贅述。在一個具體實施方案中，所述聚合物振動板與聚合物基底可以是經微注塑一體成型為懸臂梁結構，并通過該聚合物振動板的活動端與聚合物基底間的供液通道使供液腔與壓力腔室相導通。或者，作為另一個具體實施方式

，所述聚合物振動板與聚合物基底還可以是經微注塑一體成型為橋式梁結構，該聚合物振動板具有能使供液腔與壓力腔室實現導通的供液通道。該聚合物振動板的作用原理與現有技術相同，所以，其結構不限于以上所述。供液腔作為儲液室同時向壓力腔室中提供墨水，位于聚合物基底上，具體是位于振動板下方，或者說聚合物振動板位于供液腔與壓力腔室之間，并且供液腔與壓力腔室通過適當的設置實現相導通。本發明的具體實施例中，供液腔也可以是在聚合物振動板與聚合物基底的微注塑成型過程中形成，即，所述供液腔為聚合物基底與振動板注塑成型時形成。微注塑成型技術是一項有著十幾年歷史的新興技術，已經可以進行重復的批量生產復雜而有精密微細結構的塑件。按照行業標準和規范定義，微注塑成型與常規注塑成型技術的區別在于，微注塑成型技術是指所成型的塑件重量以mg為計量單位，塑件幾何尺寸以um為量度單位的成型技術。與常規注塑成型技術一樣，微注塑成型技術包含微型注塑模具與微型注塑機兩部分。本發明將該技術應用到對液體噴頭的加工，解決了目前制造噴墨頭工序復雜，實現穩定和批量生產難度高的問題。對于聚合物振動板和聚合物基底的微注塑成型的具體工藝，完全可以按照目前已經有成熟的研究和應用記載來實施，包括對用于形成振動板和基底的聚合物材料選擇，微注塑成型中原材料的塑化、注塑及成型的工藝參數的確定等，對于了解液體噴射裝置和注塑成型基礎知識的人員來說，都可以通過適當的實驗摸索而確定。例如，除了常規的微注塑成型操作外，考慮到所制造的液體噴頭用于噴墨打印頭，應該選擇耐墨水腐蝕、耐高溫、具有良好的韌性和耐疲勞性且機械強度高的聚合物材料實施微注塑成型。在本發明的一個具體實施例中，所述聚合物基底和聚合物振動板是利用主鏈含炔基的聚碳硅烷材料經熱交聯反應而成，或者選擇其它可通過熱交聯反應而成型的聚碳硅烷材料、或者性質相似的材料。圖3為本發明一個具體實施例的液體噴頭的結構示意圖，如圖所示，該液體噴頭具有:聚合物基底104，聚合物振動板105，壓力腔室110 (也稱液體容納腔室)和壓電元件，可以看到，聚合物振動板105與聚合物基底104經一體注塑成型為懸臂梁結構，并同時在聚合物基底上形成供液腔106，聚合物振動板105上設置壓電元件，包括下電極113、壓電層112和上電極111，成為壓電式懸臂梁；壓力腔室110設于聚合物振動板上，且該聚合物振動板105及壓電元件均位于壓力腔室110內；聚合物振動板105的懸臂梁活動端與聚合物基底之間具有間隙，即，提供供液腔106與壓力腔室110導通的供液通道107，壓力腔室110上還設有噴嘴板109，并開設有液體噴孔108。本發明的液體噴頭可以采用標準規格的微注塑成型機(可以商購)，通過微注塑成型技術得到振動板與聚合物基底的一體結構，在此基礎上按照通常的工藝，進一步完成壓電元件、壓力腔室及噴嘴板和液體噴孔的設置，既完成了液體噴頭的制造過程。所述微注塑成型機，例如但不限于，Dr.BOY公司(德國)生產的全液壓驅動式B0Y12A/M(129-11)型微注塑成型機，其螺桿直徑為12mm，L/D為18: 1，最大注射量為
4.5cm3，合模力129KN，最大注射壓力位245MP。根據振動板和聚合物基底的結構要求，選擇或加工合適的注塑模具對于該行業技術人員也是很容易實現的。例如，圖4示意了一種用于制造所述懸臂梁結構振動板的注塑模具，由定模101和動模102構成，定模與動模合模后，形成模腔103，可以理解，注塑材料成型，脫模后，即可得到圖5所示的聚合物基底104與聚合物振動板105的一體結構，聚合物振動板105以懸臂梁形式連接于聚合物基底104上，其活動端與聚合物基底之間留有供液通道107。該微注塑成型過程可以利用成熟的UV-LIGA等MEMS (微機電系統)工藝成型。
實施例1該液體噴頭的制造工藝可以包括以下步驟:原料，選取主鏈含炔基的聚碳硅烷作為微注塑成型的材料，該聚碳硅烷的基本結
構為
權利要求
1.一種液體噴頭，至少具有:聚合物基底、聚合物振動板、壓力腔室和壓電元件，其中，所述聚合物振動板與聚合物基底為微注塑一體成型結構，該聚合物振動板上設置有壓電元件，該聚合物基底上設有供液腔；所述壓力腔室設于聚合物振動板上，并且使聚合物振動板和壓電元件位于壓力腔室內；所述壓力腔室能與供液腔相導通，并具有液體噴孔。
2.根據權利要求1所述的液體噴頭，其中，所述聚合物振動板與聚合物基底經微注塑一體成型為懸臂梁結構，并通過該聚合物振動板的活動端與聚合物基底間的供液通道使供液腔與壓力腔室相導通。
3.根據權利要求1所述的液體噴頭，其中，所述聚合物振動板與聚合物基底經微注塑一體成型為橋式梁結構，該聚合物振動板具有能使供液腔與壓力腔室實現導通的供液通道。
4.根據權利要求1-3任一項所述的液體噴頭，其中，所述聚合物基底和聚合物振動板是利用主鏈含炔基的聚碳硅烷材料經注塑而成。
5.根據權利要求1-3任一項所述的液體噴頭，其中，所述供液腔為聚合物基底與聚合物振動板微注塑成型時形成。
6.根據權利要求1-3任一項所述的液體噴頭，該液體噴頭為用于噴墨打印機的壓電型噴墨打印頭。
7.權利要求1-6任一項所述液體噴頭的制造方法，所述方法包括: 將聚合物材料置于微注塑成型機，制成所述聚合物基底與聚合物振動板的一體成型結構，且聚合物基底具有供液腔； 在聚合物振動板上形成壓電元件； 在聚合物振動板上形成壓力腔室，該壓力腔室與供液腔相導通，并使聚合物振動板和壓電元件位于該壓力腔室內； 在壓力腔室上設置噴嘴板，并使該噴嘴板上開設有液體噴孔。
8.根據權利要求7所述的制造方法，其中，采用主鏈含炔基的聚碳硅烷材料作為微注塑原料，微注塑過程中，控制微注塑成型機的料筒溫度135-150°C，微注塑壓力為30-100MPa,控制微注塑成型模具的溫度200-450°C。
9.根據權利要求7或8所述的制造方法，其中，利用溶膠-凝膠法在聚合物振動板上形成壓電元件。
10.根據權利要求7或8所述的制造方法，其中，利用光刻蝕技術在聚合物振動板上形成壓力腔室。
11.一種噴墨式記錄裝置，其中設置有權利要求1-6任一項所述的液體噴頭。
12.根據權利要求11所述的噴墨式記錄裝置，該記錄裝置為噴墨式打印機。
全文摘要
本發明提供了一種液體噴頭及其制造方法，所述液體噴頭至少具有聚合物基底、聚合物振動板、壓力腔室和壓電元件，其中，所述聚合物振動板與聚合物基底為微注塑一體成型結構，該聚合物振動板上設置有壓電元件，該聚合物基底上設有供液腔；所述壓力腔室設于聚合物振動板上，并且使聚合物振動板和壓電元件位于壓力腔室內；所述壓力腔室能與供液腔相導通，并具有液體噴孔。本發明通過微注塑成型技術得到振動板與基底的一體結構，利于解決現有技術中該液體噴頭制造工序繁多，工藝復雜的問題。
文檔編號B41J2/045GK103192603SQ20121000248
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月4日 優先權日2012年1月4日
發明者不公告發明人 申請人:珠海并洲貿易有限公司