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】本實用新型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】，所述壓電噴墨頭包括噴頭基座、流體槽板、噴嘴板、壓電陶瓷驅動器和驅動電路裝置，所述噴頭基座包括墨水腔、墨水流入管路和墨水流出管路；所述流體槽板上開有多個流體槽并將所述墨水腔分隔成墨水流入腔和墨水流出腔；所述噴嘴板上開有多個微噴孔，每個微噴孔均與所述流體槽的凹部位置相對應；所述壓電陶瓷驅動器包括多個壓電陶瓷微單元，每個壓電陶瓷微單元均與所述流體槽的凹部位置相對應；所述驅動電路裝置與所述壓電陶瓷驅動器電連接。本實用新型有效地解決了壓電噴墨頭工作效率較低；材料選擇空間小，加工成本高；流體槽和/或微噴孔易堵塞的問題。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及噴墨打印【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。 壓電噴墨頭及包括該壓電噴墨頭的打印設備

【背景技術】
[0002] 壓電噴墨頭作為陶瓷噴墨打印機最核心、所占成本最商、最重要、技術含量最商的 部件，國內從研發到制造均屬空白，完全依賴于進口。這種壓電噴墨頭大多采用壓電陶瓷切 槽工藝，通過壓電陶瓷凹槽壁的剪切變形，實現墨水的擠出動作，但由于凹槽壁的動作會影 響到臨近凹槽壁的噴射動作，所以現有壓電噴墨頭的微噴孔板一般都是按照微噴孔三個一 組來設計，同組內的微噴孔分時間序列實現噴墨動作，不能同時動作，工作效率較低。
[0003] 上述壓電噴墨頭的噴射動作，是由凹槽壁的剪切變形，擠壓流體槽中的墨水完成 的，壓電噴墨頭中的流體槽要完成儲墨與噴射雙重功能，實現部件結構與功能的雙重復合。 為使壓電噴墨頭具有較高的噴射性能，就需要該部件材料必須能同時滿足具有較優的電學 性能和壓電性能，以及結構可加工性和較好的塑性變形能力，材料選擇空間很小，加工成本 較聞。
[0004] 并且，上述壓電噴墨頭為了更換方便和降低成本，壓電噴墨頭與墨盒是分離的，更 換墨盒時不必更換壓電噴墨頭，因此壓電噴墨頭使用時間較長，墨腔中長期沉積下來的墨 水及其雜質容易造成流體槽和/或微噴孔的堵塞，導致壓電噴墨頭的噴射精度下降，使用 壽命縮短。所以，近年來不少創新設計都在考慮或者追求如何避免壓電噴墨頭的堵塞問題， 以提高噴射精度和延長使用壽命，實現壓電噴墨頭更大規模和范圍的使用。 實用新型內容
[0005] 本實用新型提供一種壓電噴墨頭及包括該壓電噴墨頭的打印設備，有效地解決了 壓電噴墨頭工作效率較低；材料選擇空間小，加工成本高；流體槽和/或微噴孔易堵塞的問 題。
[0006] 為解決上述技術問題，本實用新型提供技術方案如下：
[0007] -種壓電噴墨頭，包括噴頭基座、流體槽板、噴嘴板、壓電陶瓷驅動器和驅動電路 裝置，其中：
[0008] 所述噴頭基座的下端面上開有凹槽，所述噴嘴板蓋設在所述凹槽上，形成墨水腔， 所述噴頭基座的上端面上設置有與所述墨水腔連通的墨水流入管路和墨水流出管路； [0009] 所述流體槽板上開有多個流體槽，所述流體槽板位于所述墨水腔內并將所述墨水 腔分隔成兩部分，形成墨水流入腔和墨水流出腔，所述墨水流入腔與所述墨水流入管路連 通，所述墨水流出腔與所述墨水流出管路連通；
[0010] 所述噴嘴板為所述壓電陶瓷驅動器提供彈性物理支撐，所述噴嘴板上開有與所述 流體槽數量一致的微噴孔，每個微噴孔均與所述流體槽的凹部位置相對應；
[0011] 所述壓電陶瓷驅動器粘結在所述噴嘴板外表面上，所述壓電陶瓷驅動器包括與所 述流體槽數量一致的壓電陶瓷微單元，每個壓電陶瓷微單元均與所述流體槽的凹部位置相 對應；
[0012] 所述驅動電路裝置與所述壓電陶瓷驅動器電連接。
[0013] 進一步的，所述流體槽板為至少一塊，形狀為長條形，所述流體槽板間隔設置在所 述墨水流入管路和墨水流出管路之間，所述墨水腔在所述墨水流入管路一側形成所述墨水 流入腔，所述墨水腔在所述墨水流出管路一側形成所述墨水流出腔。
[0014] 進一步的，所述流體槽板為相互平行的兩塊，形狀為長條形，所述墨水腔內還設置 有擋流板，所述墨水腔的一個側壁的一部分與所述兩塊流體槽板以及所述擋流板在所述墨 水流入管路一側共同圍成所述墨水流入腔，所述墨水腔內其余部分為所述墨水流出腔。
[0015] 進一步的，所述壓電陶瓷微單元為單層壓電陶瓷片或雙層壓電陶瓷片。
[0016] 進一步的，所述雙層壓電陶瓷片由上下兩層壓電陶瓷片粘結形成，上下兩層壓電 陶瓷片是沿厚度方向極化，且極化方向相反。
[0017] 進一步的，所述噴嘴板的下表面涂有第一鈍化層，所述第一鈍化層表面設置有與 所述壓電陶瓷微單元數量一致的導電通道，所述導電通道表面涂有第二鈍化層，所述導電 通道兩端分別連接所述壓電陶瓷微單元和驅動電路裝置。
[0018] 進一步的，所述驅動電路裝置為外接柔性PCB板或集成在所述噴嘴板上。
[0019] 進一步的，所述噴嘴板的材質為金屬材料或非金屬材料，所述金屬材料為鎳鐵合 金、不銹鋼或鈹青銅，所述非金屬材料為聚四氟乙烯樹脂或特氟龍膜，所述微噴孔通過激光 加工制得；
[0020] 所述壓電陶瓷驅動器的材質為軟性壓電陶瓷材料或者壓電應變常數d33大于500 的壓電材料；
[0021] 所述流體槽板的材質為結構陶瓷、金屬材料、有機玻璃、工程塑料或半導體硅材 料，所述結構陶瓷為氧化鋁、氧化鋯、氮化硅或氮化鋁。
[0022] 進一步的，所述噴嘴板的厚度為30 μ m-100 μ m ;所述壓電陶瓷微單元的厚度為 100 μ m-300 μ m ;所述微噴孔的直徑為30 μ m-80 μ m ;所述流體槽的深度小于等于500 μ m。
[0023] -種打印設備，所述打印設備包括上述壓電噴墨頭。
[0024] 本實用新型具有以下有益效果：
[0025] 與現有技術相比，本實用新型的壓電噴墨頭及包括該壓電噴墨頭的打印設備工作 時，利用壓電陶瓷面內伸縮變形將墨水從墨水腔中的壓迫噴出，其中壓電陶瓷驅動器的多 個壓電陶瓷微單元之間彼此獨立，加電之后獨自發生面內伸縮變形，不會影響到或受制于 相鄰壓電陶瓷微單元的變形，彼此動作互不干擾，任何時刻任意微噴孔都可以單獨工作或 相鄰微噴孔同時工作，這極大改善了壓電噴墨頭的工作效率；流體槽僅僅完成儲墨功能， 參與墨水的內循環，不具有噴射功能，而由另一部件壓電陶瓷驅動器來完成墨水的噴射動 作，因此，壓電陶瓷驅動器的材質只須滿足具有較優的電學性能和壓電性能，而流體槽的材 質只須滿足具有結構可加工性和較好的塑性變形能力即可，材料選擇空間大，加工成本較 低；本實用新型中的墨水從墨盒中流出后依次經過墨水流入管路、墨水流入腔、流體槽、墨 水流出腔、墨水流出管路，最后再返回墨盒，實現了墨水內循環，可以將墨水中的雜質、氣泡 等帶出送至墨盒中，這樣就避免了流體槽和/或微噴孔的堵塞。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為本實用新型的壓電噴墨頭的結構示意圖；
[0027] 圖2為本實用新型的壓電噴墨頭的一種實施方式的分解示意圖；
[0028] 圖3為本實用新型的壓電噴墨頭的一種實施方式的組裝視圖；
[0029] 圖4為本實用新型的壓電噴墨頭的另一種實施方式的分解示意圖；
[0030] 圖5為本實用新型的壓電噴墨頭的另一種實施方式的組裝視圖；
[0031] 圖6為圖4的壓電噴墨頭的流體槽板的視圖A部分的局部放大圖；
[0032] 圖7為圖4的壓電噴墨頭的壓電陶瓷驅動器的視圖B部分的局部放大圖；
[0033] 圖8為本實用新型的壓電噴墨頭的單層壓電陶瓷微單元的局部放大圖；
[0034] 圖9為本實用新型的壓電噴墨頭的雙層壓電陶瓷微單元的局部放大圖。

【具體實施方式】
[0035] 為使本實用新型的實施例要解決的技術問題、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。
[0036] -方面，本實用新型提供一種壓電噴墨頭，如圖1至圖7所示，包括噴頭基座1、流 體槽板2、噴嘴板3 (或3'）、壓電陶瓷驅動器4和驅動電路裝置（未示出），其中：
[0037] 噴頭基座1的下端面上開有凹槽，噴嘴板3 (或3'）蓋設在凹槽上，形成墨水腔11， 嗔頭基座1的上端面上設直有與墨水腔11連通的墨水流入管路12和墨水流出管路13,嗔 頭基座1可以采用注塑成型，一次完成，工藝簡單可靠；
[0038] 流體槽板2上開有多個流體槽21，流體槽板2位于墨水腔11內并將墨水腔11分 隔成兩部分，形成墨水流入腔112和墨水流出腔113,墨水流入腔112與墨水流入管路12連 通，墨水流出腔113與墨水流出管路13連通；
[0039] 噴嘴板3為壓電陶瓷驅動器4提供彈性物理支撐，噴嘴板3 (或3'）上開有與流體 槽21數量一致的微噴孔31 (或31'），每個微噴孔31 (或31'）均與流體槽21的凹部位置 相對應；
[0040] 壓電陶瓷驅動器4粘結在噴嘴板3 (或3'）外表面上，壓電陶瓷驅動器4包括與流 體槽21數量一致的壓電陶瓷微單元41，每個壓電陶瓷微單元41均與流體槽21的凹部位置 相對應；
[0041] 驅動電路裝置與壓電陶瓷驅動器4電連接。
[0042] 工作時，墨水從墨盒中流出，進入墨水流入管路12,通過墨水流入管路12進入墨 水流入腔112,并經過流體槽21進入墨水流出腔113,打印時，需要某個微噴孔31 (或31'） 噴出墨水時，驅動電路裝置產生驅動電信號，該電信號發送到壓電陶瓷驅動器4與該微噴 孔31 (或3Γ)相應的壓電陶瓷微單元41，壓電陶瓷微單元41在電信號的作用下產生變形， 擠壓噴嘴板3(或3'），噴嘴板3(或3'）具有一定的彈性，隨著壓電陶瓷微單元41產生相 應變形，壓迫流體槽21內的墨水，使其從該微噴孔31 (或31'）噴出，未噴出的墨水在壓力 的作用下流入墨水流出腔113,最后經墨水流出管路13返回到墨盒中。
[0043] 與現有技術相比，本實用新型的壓電噴墨頭的壓電陶瓷驅動器4結構簡單，制作 時可以先將壓電陶瓷驅動器4(優選長條狀結構）粘結在噴嘴板3(或3'）上，再利用精密 劃片機，將上述整根的條狀壓電陶瓷驅動器4切割成梳狀各自獨立的壓電陶瓷微單元41， 且每個壓電陶瓷微單元41均與流體槽21的凹部位置相對應。壓電陶瓷微單元41之間彼 此獨立，加電之后獨自變形，不會影響到或受制于相鄰壓電陶瓷微單元41的變形，彼此動 作互不干擾，任何時刻任意微噴孔31 (或31'）都可以單獨工作或相鄰微噴孔31 (或31'） 同時工作，這極大改善了壓電噴墨頭的工作效率；壓電陶瓷微單元41的變形采用的是面內 伸縮變形模式，可以對流體槽21中的墨水產生較大的變形壓力，有利于增加墨滴噴射初始 速度；
[0044] 流體槽21僅僅完成儲墨功能，參與墨水的內循環，不具有噴射功能，而由另一部 件壓電陶瓷驅動器4來完成墨水的噴射動作。因此，壓電陶瓷驅動器4的材質只須滿足具 有較優的電學性能和壓電性能，而流體槽21的材質只須滿足具有結構可加工性和較好的 塑性變形能力即可，材料選擇空間大，流體槽21、壓電陶瓷微單元41均可以采用高精度劃 片機加工制得，加工精度高，加工成本較低；
[0045] 本實用新型中的墨水從墨盒中流出后依次經過墨水流入管路12、墨水流入腔 112、流體槽21、墨水流出腔113、墨水流出管路13,最后再流入墨盒，實現了墨水內循環，可 以將墨水中的雜質、氣泡等帶出送至墨盒中，這樣就避免了流體槽21和/或微噴孔31 (或 31'）的堵塞，提高噴射精度和延長使用壽命。
[0046] 作為本實用新型的一種改進，如圖2及圖3所示，流體槽板2為至少一塊（圖中所 示為相互平行的兩塊），形狀為長條形，流體槽板2間隔設置在墨水流入管路12和墨水流出 管路13之間，墨水腔11在墨水流入管路12 -側形成墨水流入腔112,墨水腔11在墨水流 出管路13-側形成墨水流出腔113。這種壓電噴墨頭結構簡單，無需增加其他部件，加工制 造方便。
[0047] 作為本實用新型的另一種改進，如圖4及圖5所示，流體槽板2為相互平行的兩 塊，形狀為長條形，墨水腔11內還設置有擋流板5,墨水腔11的一個側壁的一部分與兩塊流 體槽板2以及擋流板5在墨水流入管路12 -側共同圍成墨水流入腔112,墨水腔11內其余 部分為墨水流出腔113。這種壓電噴墨頭的墨水在循環過程中，所有的墨水均參與流動循 環，不會出現墨水腔11內的某個部分的墨水靜止不流動的情況，更好的避免了流體槽21和 /或微噴孔31'的堵塞，提高噴射精度和延長使用壽命。
[0048] 應當理解的是，圖2-5僅示出了壓電噴墨頭內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進和調整，以形成更多不同的結構形式，此處不再贅述。
[0049] 本實用新型中，如圖8及圖9所示，為適應不同材料制成的噴嘴板3,壓電陶瓷微單 元41可以為單層壓電陶瓷片或雙層壓電陶瓷片。當噴嘴板3的制造材料彈性較好時，壓電 陶瓷微單元41的變形可帶動噴嘴板3發生彎曲，對流體槽21產生足夠的壓力時，可選擇單 層壓電陶瓷片；當噴嘴板3的制造材料彈性較差或者為非導體時，噴嘴板3不發生彎曲變形 或者彎曲變形小，而不能對流體槽21產生足夠的壓力時，可選擇雙層壓電陶瓷片。
[0050] 壓電陶瓷微單元41為雙層壓電陶瓷片時，為使噴嘴板3產生足夠的彎曲變形，如 圖9所示，壓電陶瓷微單元41由上層壓電陶瓷片411和下層壓電陶瓷片412粘結形成，上 下兩層壓電陶瓷片是沿厚度方向極化，且極化方向相反。當壓電陶微單元41收到信號驅動 時，上層壓電陶瓷片411和下層壓電陶瓷片412產生方向相反的橫向面內變形，從而壓電陶 瓷微單元41自身產生彎曲變形，帶動噴嘴板3彎曲，對流體槽21產生壓力，實現墨水噴射。
[0051] 為了方便的使壓電陶瓷驅動器4和驅動電路裝置實現電連接，噴嘴板3的下表面 涂有第一鈍化層，第一鈍化層表面設置有與壓電陶瓷微單元41數量一致的導電通道，導電 通道表面涂有第二鈍化層，導電通道兩端分別連接壓電陶瓷微單元41和驅動電路裝置。
[0052] 這樣，噴嘴板3的一側與流體槽21構成腔體陣列，墨水就在該腔體陣列中循環流 動，導電通道布置在噴嘴3的另一側，分布在壓電陶瓷微單元41的兩側，與壓電陶瓷微單元 41連接，并為其提供驅動信號。工作時壓電陶瓷微單元41產生的大量熱量可通過噴嘴板 3和導電通道傳到墨水和噴頭基座處，并隨著墨水的循環流動被帶走，實現電路的散熱，這 樣可以有效地減少過熱的問題，壓電噴墨頭的工作溫度比較穩定，保障壓電噴墨頭的工作 狀態。
[0053] 更具體的，驅動電路裝置可以為外接柔性PCB板，更方便的，可以將驅動電路裝置 集成在嗔嘴板3上。
[0054] 本實用新型的壓電噴墨頭的材料選擇空間大，加工工藝簡單，加工成本較低，具體 的，噴嘴板3的材質可以為金屬材料或非金屬材料，金屬材料可以為鎳鐵合金、不銹鋼或鈹 青銅，非金屬材料可以為聚四氟乙烯樹脂或特氟龍膜；
[0055] 微噴孔31可以通過現有技術中各種方式制得，優選通過激光加工制得，激光加工 與現有的MEMS相比有以下優點：（l)MEMS生產線成本極高，而激光加工設備成本低；（2)激 光加工的精度完全可以滿足設計要求，MEMS加工的精度遠遠超過了所需，造成了浪費；（3) MEMS的工序十分復雜，而激光加工過程簡單可靠。故而，激光加工滿足精度的同時，降低了 加工成本，簡化了加工過程；
[0056] 壓電陶瓷驅動器4的材質可以為軟性壓電陶瓷材料或者壓電應變常數d33大于 500的壓電材料；
[0057] 流體槽板2的材質可以為結構陶瓷、金屬材料、有機玻璃、工程塑料或半導體硅材 料，結構陶瓷為氧化鋁、氧化鋯、氮化硅或氮化鋁。
[0058] 本實用新型的壓電噴墨頭的各項部件尺寸具體可以為：噴嘴板3的厚度可以為 30μπι-100μπι;壓電陶瓷微單元41的厚度可以為100μπι-300μπι ;微噴孔31的直徑可以為 30 μ m-80 μ m ;流體槽21的深度可以為小于等于500 μ m。
[0059] 另一方面，本實用新型提供一種打印設備，該打印設備包括上述的壓電噴墨頭。
[0060] 與現有技術相比，本實用新型的打印設備的壓電噴墨頭的每個壓電陶瓷微單元41 之間彼此獨立，加電之后獨自變形，不會影響到或受制于相鄰壓電陶瓷微單元41的變形， 任何時刻任意微噴孔31都可以單獨工作或相鄰微噴孔31同時工作，這極大改善了壓電噴 墨頭的工作效率；流體槽21僅僅完成儲墨功能，參與墨水的內循環，不具有噴射功能，而由 另一部件壓電陶瓷驅動器4來完成墨水的噴射動作，材料選擇空間大，加工成本較低；本實 用新型的打印設備實現了墨水內循環，可以將墨水中的雜質、氣泡等帶出送至墨盒中，這樣 就避免了流體槽21和/或微噴孔31的堵塞，提高噴射精度和延長使用壽命。
[0061] 以上所述是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術 人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進 和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種壓電噴墨頭，其特征在于，包括噴頭基座、流體槽板、噴嘴板、壓電陶瓷驅動器和 驅動電路裝置，其中： 所述噴頭基座的下端面上開有凹槽，所述噴嘴板蓋設在所述凹槽上，形成墨水腔，所述 噴頭基座的上端面上設置有與所述墨水腔連通的墨水流入管路和墨水流出管路； 所述流體槽板上開有多個流體槽，所述流體槽板位于所述墨水腔內并將所述墨水腔分 隔成兩部分，形成墨水流入腔和墨水流出腔，所述墨水流入腔與所述墨水流入管路連通，所 述墨水流出腔與所述墨水流出管路連通； 所述噴嘴板為所述壓電陶瓷驅動器提供彈性物理支撐，所述噴嘴板上開有與所述流體 槽數量一致的微噴孔，每個微噴孔均與所述流體槽的凹部位置相對應； 所述壓電陶瓷驅動器粘結在所述噴嘴板外表面上，所述壓電陶瓷驅動器包括與所述 流體槽數量一致的壓電陶瓷微單元，每個壓電陶瓷微單元均與所述流體槽的凹部位置相對 應； 所述驅動電路裝置與所述壓電陶瓷驅動器電連接。
2. 根據權利要求1所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述流體槽板為至少一塊，形狀為 長條形，所述流體槽板間隔設置在所述墨水流入管路和墨水流出管路之間，所述墨水腔在 所述墨水流入管路一側形成所述墨水流入腔，所述墨水腔在所述墨水流出管路一側形成所 述墨水流出腔。
3. 根據權利要求1所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述流體槽板為相互平行的兩塊， 形狀為長條形，所述墨水腔內還設置有擋流板，所述墨水腔的一個側壁的一部分與所述兩 塊流體槽板以及所述擋流板在所述墨水流入管路一側共同圍成所述墨水流入腔，所述墨水 腔內其余部分為所述墨水流出腔。
4. 根據權利要求1至3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 瓷微單元為單層壓電陶瓷片或雙層壓電陶瓷片。
5. 根據權利要求4所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述雙層壓電陶瓷片由上下兩層 壓電陶瓷片粘結形成，上下兩層壓電陶瓷片是沿厚度方向極化，且極化方向相反。
6. 根據權利要求1至3中任一權利要求所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述噴嘴板的 下表面涂有第一鈍化層，所述第一鈍化層表面設置有與所述壓電陶瓷微單元數量一致的導 電通道，所述導電通道表面涂有第二鈍化層，所述導電通道兩端分別連接所述壓電陶瓷微 單元和驅動電路裝置。
7. 根據權利要求6所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述驅動電路裝置為外接柔性PCB 板或集成在所述噴嘴板上。
8. 根據權利要求1至3中任一權利要求所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述噴嘴板的 材質為金屬材料或非金屬材料，所述金屬材料為鎳鐵合金、不銹鋼或鈹青銅，所述非金屬材 料為聚四氟乙烯樹脂或特氟龍膜，所述微噴孔通過激光加工制得； 所述壓電陶瓷驅動器的材質為軟性壓電陶瓷材料或者壓電應變常數d33大于500的壓 電材料； 所述流體槽板的材質為結構陶瓷、金屬材料、有機玻璃、工程塑料或半導體硅材料，所 述結構陶瓷為氧化鋁、氧化鋯、氮化硅或氮化鋁。
9. 根據權利要求1至3中任一權利要求所述的壓電噴墨頭，其特征在于，所述噴嘴板的 厚度為30 μ m-100 μ m ;所述壓電陶瓷微單元的厚度為100 μ m-300 μ m ;所述微噴孔的直徑 為30 μ m-80 μ m ;所述流體槽的深度小于等于500 μ m。
10. -種打印設備，其特征在于，所述打印設備包括權利要求1至9中任一權利要求所 述的壓電噴墨頭。
【文檔編號】B41J2/14GK203888374SQ201420263136
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年5月21日 優先權日:2014年5月21日
【發明者】黃大任, 崔宏超 申請人:北京派和科技股份有限公司