壓電噴墨頭及包括該壓電噴墨頭的打印設備的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種壓電噴墨頭及包括該壓電噴墨頭的打印設備，屬于噴墨打印【技術領域】，所述噴墨頭包括壓電陶瓷和噴嘴板，所述壓電陶瓷上設置有若干條形通道壁，相鄰兩個所述通道壁之間形成有凹槽，所述通道壁內嵌設有金屬內電極，形成壓電雙晶片結構，所述通道壁的外側表面設置有外電極；所述噴嘴板蓋設在所述通道壁的遠端面上，所述噴嘴板和通道壁之間間隔設置有柔性密封物質，所述噴嘴板上開有與所述凹槽數量一致的噴嘴，所述噴嘴與凹槽的位置相對應。本發明中，通道壁加電變形采用的是d31橫向彎曲模式，能產生較大的變形量，可以對墨水通道中的墨水產生較大的變形壓力，有利于大粒徑墨水的噴射及噴射速度的提高。
【專利說明】壓電噴墨頭及包括該壓電噴墨頭的打印設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及噴墨打印【技術領域】，特別是指一種壓電噴墨頭及包括該壓電噴墨頭的打印設備。
【背景技術】
[0002]陶瓷噴頭作為目前陶瓷噴墨打印機最核心、所占成本最高、最重要、技術含量最高的部件，國內從研發到制造均屬空白，完全依賴于進口。而為了盡可能保護墨水中的色料結構，更好地增強發色效果和陶瓷磚裝飾效果，一般需要加大陶瓷材料墨水的粒徑，將現有的陶瓷材料墨水的平均粒徑300nm，擴展使用到0.8至8微米的粒徑范疇，這就需要重新設計噴頭的噴射單元結構和噴射原理，以達到增大壓電陶瓷致動器的變形量的目的。
[0003]現有技術中，有一種XAAR噴墨頭，其墨水通道采用半導體工業的切割鋸直接在壓電陶瓷上切割而成，通道中間為共享壁。鋁金屬電極沉積在共享壁兩邊的上半部分，每對電極相互連接起來引到噴墨頭的電路區。共享壁的極化方向平行于通道壁，因此施加電壓時發生剪切形變，實現墨水的擠出動作。上蓋板的材料也是壓電陶瓷，固定在基座上。這種結構的噴墨頭剪切變形變形量小，不利于大粒徑墨水的噴射。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種壓電噴墨頭及包括該壓電噴墨頭的打印設備，能夠有效地解決噴墨頭變形量小，不利于大粒徑墨水的噴射的問題。
[0005]為解決上述技術問題，本發明提供技術方案如下:
[0006]一方面，提供一種壓電噴墨頭，包括壓電陶瓷和噴嘴板，所述壓電陶瓷上設置有若干條形通道壁，相鄰兩個所述通道壁之間形成有凹槽，所述通道壁內嵌設有金屬內電極，從而形成壓電雙晶片結構，所述通道壁的外側表面設置有外電極，所述通道壁的極化方向垂直于所述通道壁；
[0007]所述噴嘴板蓋設在所述通道壁的遠端面上，所述噴嘴板和通道壁之間間隔設置有柔性密封物質，所述噴嘴板上開有與所述凹槽數量一致的噴嘴，所述噴嘴與凹槽的位置相對應。
[0008]進一步的，所述通道壁的極化方向都相同，每個所述通道壁的兩側的外電極相連通，每個所述通道壁的金屬內電極和外電極共同作為該通道壁的正、負電極，相鄰兩個所述通道壁的金屬內電極和外電極施加相反電壓。
[0009]進一步的，所述通道壁的遠端面上也設置有外電極，所述通道壁的遠端面上的外電極與外側表面的外電極為一體結構，所述通道壁的遠端面上在所述外電極和金屬內電極之間設置有絕緣層。
[0010]進一步的,每個所述通道壁在其對應的所述金屬內電極兩側的極化方向相反，相鄰兩個所述通道壁的極化方向相反，每個所述通道壁的兩側的外電極分別作為該通道壁的正、負電極，位于每個所述凹槽的兩側的外電極施加相反電壓。[0011 ] 進一步的，所述外電極的表面覆蓋有鈍化層。
[0012]進一步的，相鄰所述金屬內電極之間的壓電陶瓷的寬度為80 μ m-400 μ m,所述通道壁的厚度為40 μ m-200 μ m,所述通道壁的高度為200 μ m-500 μ m ;所述金屬內電極的厚度為I μ m-5 μ m ;所述凹槽的寬度為40 μ m-200 μ m ;所述噴嘴的直徑為25 μ m-100 μ m。
[0013]進一步的，所述壓電陶瓷由若干壓電陶瓷子塊與所述金屬內電極低溫共燒制得，所述通道壁是在所述壓電陶瓷上由精密劃片機經過切槽加工制得；所述噴嘴板采用微注塑成型工藝制得，所述噴嘴通過注塑成型、激光加工或精密雕刻制得。
[0014]進一步的，所述壓電陶瓷的材質采用軟性壓電陶瓷材料或壓電應變常數d33大于500的壓電材料；所述金屬內電極的材質采用銀鈀合金或銅；所述外電極的材質采用鋁、銀、鎳或金，所述外電極通過濺射法或電鍍法制得；所述柔性密封物質的材質采用高分子材料，所述高分子材料為酚醛樹脂；所述噴嘴板的材質采用結構陶瓷、有機玻璃、工程塑料、特氟龍或半導體硅材料，所述結構陶瓷采用氧化鋁、氧化鋯、氮化硅或氮化鋁。
[0015]進一步的，所述絕緣層的材質采用有機高分子絕緣材料。
[0016]另一方面，提供一種打印設備，包括上述的壓電噴墨頭。
[0017]本發明具有以下有益效果:
[0018]與現有技術相比，本發明的壓電噴墨頭及包括該壓電噴墨頭的打印設備，通道壁內嵌設有金屬內電極，從而形成壓電雙晶片結構，而且通道壁的極化方向垂直于通道壁，當通道壁加電時，變形采用的是d31橫向彎曲模式，能產生較大的變形量，可以對墨水通道中的墨水產生較大的變形壓力，有利于大粒徑墨水的噴射及噴射速度的提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的壓電噴墨頭的一種實施方式的結構示意圖；
[0020]圖2為圖1所示壓電噴墨頭的壓電陶瓷的極化方式示意圖；
[0021]圖3為圖2所示壓電噴墨頭的壓電陶瓷經切槽加工之后的結構示意圖；
[0022]圖4為在圖3所示壓電噴墨頭的通道壁上鍍設絕緣層和外電極后的結構示意圖；
[0023]圖5為圖4所示壓電噴墨頭的通道壁加電變形示意圖；
[0024]圖6為圖1所不壓電嗔墨頭工作時相鄰兩個墨水通道的體積變化情況不意圖；
[0025]圖7為本發明的壓電噴墨頭的另一種實施方式的結構示意圖；
[0026]圖8為圖7所示壓電噴墨頭的壓電陶瓷的極化方式示意圖；
[0027]圖9為圖8所示壓電噴墨頭的壓電陶瓷經切槽加工之后的結構示意圖；
[0028]圖10為在圖9所示壓電噴墨頭的通道壁上鍍設外電極后的結構示意圖；
[0029]圖11為圖10所示壓電噴墨頭的通道壁加電變形示意圖；
[0030]圖12為圖7所示壓電噴墨頭工作時相鄰兩個墨水通道的體積變化情況示意圖。
【具體實施方式】
[0031]為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
[0032]一方面，本發明提供一種壓電噴墨頭，如圖1-12所示，包括壓電陶瓷1、1’和噴嘴板5、5’，壓電陶瓷1、1’上設置有若干條形通道壁13、13’，相鄰兩個通道壁13、13’之間形成有凹槽14、14’(即墨水通道)，通道壁13、13’內嵌設有金屬內電極12、12’，從而形成壓電雙晶片結構，通道壁13、13’的外側表面設置有外電極3、3’，通道壁13、13’的極化方向垂直于通道壁13、13’ ；
[0033]噴嘴板5、5’蓋設在通道壁13、13’的遠端面上，噴嘴板5、5’和通道壁13、13’之間間隔設置有柔性密封物質4、4’，柔性密封物質4、4’隔斷相鄰的凹槽14、14’，并且為通道壁13、13’變形提供緩沖空間，噴嘴板5、5’上開有與凹槽14、14’數量一致的噴嘴6、6’，噴嘴6、6’與凹槽14、14’的位置相對應。
[0034]工作時，墨水在墨水通道(即凹槽14、14’)內流動，當需要某個噴嘴6、6’動作時，可以對該噴嘴6、6’所對應的凹槽14、14’兩邊的通道壁13、13’加電，從而使通道壁13、13’產生變形，擠壓墨水，使墨水從噴嘴6、6’噴出。
[0035]與現有技術相比，本發明的壓電噴墨頭，通道壁13、13’內嵌設有金屬內電極12、12’，從而形成壓電雙晶片結構，而且通道壁13、13’的極化方向垂直于通道壁13、13’，當通道壁13、13’加電時，變形采用的是d31橫向彎曲模式，能產生較大的變形量，可以對墨水通道中的墨水產生較大的變形壓力，有利于大粒徑墨水的噴射及噴射速度的提高。
[0036]具體的，本發明可以有以下兩種結構形式:
[0037]結構形式一(并聯型):
[0038]如圖1-6所示，通道壁13的極化方向都相同，每個通道壁13的兩側的外電極3相連通，每個通道壁13的金屬內電極12和外電極3共同作為該通道壁13的正、負電極，相鄰兩個通道壁13的金屬內電極12和外電極3施加相反電壓。
[0039]為簡化制作工藝，通道壁的遠端面上也可以設置有外電極，通道壁13的遠端面上的外電極與外側表面的外電極為一體結構，并且通道壁13的遠端面上在外電極3和金屬內電極12之間設置有絕緣層，以避免兩者之間短路。
[0040]在圖1-6所示的實施例中，首先，如圖2所示，該壓電噴墨頭的壓電陶瓷I可以由若干壓電陶瓷子塊11和金屬內電極12利用低溫共燒工藝制得，并對各壓電陶瓷子塊11進行相同方向(如圖中箭頭10所示)的極化處理。
[0041]然后，如圖3所示，在極化后的壓電陶瓷I上利用切槽加工工藝制作出呈周期性結構排列的通道壁13。壓電陶瓷子塊11可以粘接在一層基板(圖中未示出)上面，切槽的深度小于等于壓電陶瓷子塊的高度，考慮到粘接的強度，建議不切透。切割后形成的相鄰通道壁13可與噴嘴板形成墨水通道。
[0042]接著，如圖4所示，在通道壁13外側表面上鍍設絕緣層2和外電極3，金屬內電極12和外電極3分別作為通道壁13的正、負電極。電極鍍制可采用物理氣相沉積法或電鍍法。
[0043]工作時的加電變形如圖5所示，通道壁13是壓電噴墨頭的變形部位，其中一個通道壁13的外電極3加正電壓，其金屬內電極12加負電壓，因為通道壁13的極化方向垂直于通道壁13，所以通道壁13變形采用的是d31橫向彎曲模式，能產生較大的變形量。該圖中，通道壁13可視為并聯型壓電雙晶片。
[0044]并且，如圖6所示，相鄰兩個通道壁13的金屬內電極12和外電極3施加相反電壓，所以相鄰兩個通道壁13的變形方向相反，從而實現墨水通道的體積增大或縮小，完成墨滴噴射的過程。[0045]結構形式二(串聯型):
[0046]如圖7-12所示，每個通道壁13’在其對應的金屬內電極12’兩側的極化方向相反，相鄰兩個通道壁13’的極化方向相反，每個通道壁13’的兩側的外電極3’分別作為該通道壁13’的正、負電極，位于每個凹槽14’的兩側的外電極3’施加相反電壓。金屬內電極12’成為通道壁13’ “雙晶片”的金屬基片。
[0047]在圖7-12所示的實施例中，首先，如圖8所示，該壓電噴墨頭的壓電陶瓷I’可以由若干壓電陶瓷子塊11’和金屬內電極12’利用低溫共燒工藝制得，并對相鄰的壓電陶瓷子塊11’進行相反方向(如圖中箭頭10’所示)的極化處理。
[0048]然后，如圖9所示，在極化后的壓電陶瓷I’上利用切槽加工工藝制作出呈周期性結構排列的通道壁13’。
[0049]接著，如圖10所示，在通道壁13’外側面上鍍設外電極3’，每個通道壁13’的兩側的外電極3’分別作為該通道壁13’的正、負電極。電極鍍制可采用物理氣相沉積法或電鍍法。鍍電極之后，可以采用激光切割或機械切割等方法將通道壁13’遠端面和兩側面的電極斷開。
[0050]工作時的加電變形如圖11所示，通道壁13’是壓電噴墨頭的變形部位，其中一個通道壁13’兩側的外電極3’分別加正、負電壓，因為通道壁13’的極化方向垂直于通道壁13’，所以通道壁13’變形采用的是d31橫向彎曲模式，能產生較大的變形量。該圖中，通道壁13’可視為串聯型壓電雙晶片。
[0051]并且，如圖12所示，位于每個凹槽14’的兩側的外電極3’施加相反電壓，所以相鄰兩個通道壁13’的變形方向相反，從而實現墨水通道的體積增大或縮小，完成墨滴噴射的過程。
[0052]應當理解的是，圖1-12所示實施例中僅示出了壓電噴墨頭優選的兩種不同的結構形式，本領域技術人員可以在此基礎上進行改變和調整，以形成更多不同的結構形式，均屬于本發明的保護范圍，此處不再贅述。
[0053]在上述實施例中，外電極3、3 ’的表面可以覆蓋有鈍化層，以防止墨水對電極、壓電陶瓷等的腐蝕。
[0054]本發明中，壓電噴墨頭各部分的尺寸優選如下:
[0055]相鄰金屬內電極之間的壓電陶瓷12、12’的寬度(即壓電陶瓷子塊11、11’的寬度)為80 μ m-400 μ m,具體尺寸可以根據所需的噴頭分辨率調整，總寬度則取決于噴頭的打印寬度。改變壓電陶瓷子塊11、11’的寬度時，對應墨水通道數目就會改變，又由于墨水通道數目對應噴嘴數目，所以本發明壓電噴墨頭的噴嘴數目可靈活調整，能適應不同場合的工作需求，有較強的實用性。
[0056]同時，通道壁13、13’的厚度(即圖1、圖3-7、圖9_12中示出的寬度)為40μπι-200μπι，通道壁13、13’的高度為200 μ m_500 μ m ;金屬內電極12、12’的厚度為I μ m-5 μ m ;凹槽 14、14’ 的寬度為 40 μ m-200 μ m ;噴嘴 6 的直徑為 25 μ m-100 μ m。
[0057]本發明中，壓電噴墨頭各部分的制作工藝優選如下:
[0058]壓電陶瓷1、1’由若干壓電陶瓷子塊11、11’與金屬內電極12、12’低溫共燒制得，通道壁13、13’是在壓電陶瓷上1、1’由精密劃片機經過切槽加工制得；壓電噴墨頭的通道壁13、13’的壓電雙晶片結構可以通過這種低溫共燒和切槽加工一次性成型，這樣簡化了工藝流程，提高了生產效率。
[0059]噴嘴板5、5’采用微注塑成型工藝制得，噴嘴6、6’通過注塑成型、激光加工或精密雕刻制得，鈍化層采用氣相沉積法制得。
[0060]本發明中，壓電噴墨頭各部分的材質優選如下:
[0061]壓電陶瓷1、1’的材質采用軟性壓電陶瓷材料，如商用PZT5H，或壓電應變常數d33大于500的壓電材料；
[0062]金屬內電極12、12’的材質采用銀鈀合金或銅等金屬導電材料；
[0063]外電極3、3’的材質采用鋁、銀、鎳或金等金屬導電材料，外電極3、3’可以通過濺射法或電鍍法制得；
[0064]柔性密封物質4、4’的材質采用酚醛樹脂等高分子材料；
[0065]噴嘴板5、5’的材質采用結構陶瓷(氧化鋁、氧化鋯、氮化硅或氮化鋁等)、有機玻璃、工程塑料、特氟龍或半導體硅材料等。
[0066]同時，絕緣層2、2’的材質采用聚氯乙烯等有機高分子絕緣材料。
[0067]另一方面，本發明還提供一種打印設備，包括上述的壓電噴墨頭，壓電噴墨頭的結構與上相同，此處不再贅述。
[0068]本發明的有益效果如下:
[0069]1、壓電噴墨頭的通道壁13、13’變形采用的是d31橫向彎曲模式，能產生較大的變形量，可以對墨水通道中的墨水產生較大的變形壓力，有利于大粒徑墨水的噴射及噴射速度的提聞。
[0070]2、結構緊湊，可排布較多的噴嘴6、6’。為了提高噴墨打印的速度，一種方法就是增加噴頭的噴嘴。目前市場上可以購買到的噴頭的噴嘴數大多在數百至一千個左右，今后單個噴頭的噴嘴數還會有所增加。本發明所述噴頭的結構簡單緊湊，通過調整壓電陶瓷子塊的厚度可以調整墨水通道的密度，從而得到相應的噴嘴數目，因此能適應不同場合的工作需求，有較強的實用性。
[0071]3、本發明采用柔性密封物質對通道壁和噴嘴板進行柔性連接。由于通道壁是壓電雙晶片懸臂梁，所以遠端不能固定在噴嘴板上，可以采用柔性物質作為通道壁和噴嘴板的連接部分，這樣既可以防止墨水通道互相連通，也不會影響壓電通道壁的正常工作。
[0072]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種壓電噴墨頭，包括壓電陶瓷和噴嘴板，其特征在于，所述壓電陶瓷上設置有若干條形通道壁，相鄰兩個所述通道壁之間形成有凹槽，所述通道壁內嵌設有金屬內電極，從而形成壓電雙晶片結構，所述通道壁的外側表面設置有外電極，所述通道壁的極化方向垂直于所述通道壁； 所述噴嘴板蓋設在所述通道壁的遠端面上，所述噴嘴板和通道壁之間間隔設置有柔性密封物質，所述噴嘴板上開有與所述凹槽數量一致的噴嘴，所述噴嘴與凹槽的位置相對應。
2.根據權利要求1所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述通道壁的極化方向都相同，每個所述通道壁的兩側的外電極相連通，每個所述通道壁的金屬內電極和外電極共同作為該通道壁的正、負電極,相鄰兩個所述通道壁的金屬內電極和外電極施加相反電壓。
3.根據權利要求2所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述通道壁的遠端面上也設置有外電極，所述通道壁的遠端面上的外電極與外側表面的外電極為一體結構，所述通道壁的遠端面上在所述外電極和金屬內電極之間設置有絕緣層。
4.根據權利要求1所述的壓電噴墨頭，其特征在于，每個所述通道壁在其對應的所述金屬內電極兩側的極化方向相反，相鄰兩個所述通道壁的極化方向相反，每個所述通道壁的兩側的外電極分別作為該通道壁的正、負電極，位于每個所述凹槽的兩側的外電極施加相反電壓。
5.根據權利要求1至4中任一權利要求所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述外電極的表面覆蓋有鈍化層。
6.根據權利要求1至4中任一權利要求所述的壓電噴墨頭，其特征在于，相鄰所述金屬內電極之間的壓電陶瓷的寬度為80 μ m-400 μ m,所述通道壁的厚度為40 μ m-200 μ m,所述通道壁的高度為200 μ m-500 μ m ； 所述金屬內電極的厚度為I P m-5 μ m ； 所述凹槽的寬度為40 μ m-200 μ m ； 所述噴嘴的直徑為25 μ m-100 μ m。
7.根據權利要求1至4中任一權利要求所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述壓電陶瓷由若干壓電陶瓷子塊與所述金屬內電極低溫共燒制得，所述通道壁是在所述壓電陶瓷上由精密劃片機經過切槽加工制得； 所述噴嘴板采用微注塑成型工藝制得，所述噴嘴通過注塑成型、激光加工或精密雕刻制得。
8.根據權利要求1至4中任一權利要求所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述壓電陶瓷的材質采用軟性壓電陶瓷材料或壓電應變常數d33大于500的壓電材料； 所述金屬內電極的材質采用銀鈀合金或銅； 所述外電極的材質采用鋁、銀、鎳或金，所述外電極通過濺射法或電鍍法制得； 所述柔性密封物質的材質采用高分子材料，所述高分子材料為酚醛樹脂； 所述噴嘴板的材質采用結構陶瓷、有機玻璃、工程塑料、特氟龍或半導體硅材料，所述結構陶瓷采用氧化鋁、氧化鋯、氮化硅或氮化鋁。
9.根據權利要求3所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述絕緣層的材質采用有機高分子絕緣材料。
10.一種打印設備，其特征在于，包括權利要求1至9中任一權利要求所述的壓電噴墨頭。
【文檔編號】B41J2/045GK103991288SQ201410223048
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月23日 優先權日:2014年5月23日
【發明者】仲作金, 張淑蘭, 崔宏超 申請人:北京派和科技股份有限公司