CN111016432A - 一种压电式打印头及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微滴喷射打印技术领域，具体涉及一种压电式打印头及其制作方法。解决了目前体材压电驱动器制作工艺复杂的问题，打印头包括驱动器与流道板；驱动器包括从上至下叠层的体材压电陶瓷层、树脂胶层与振动薄膜层；流道板顶面成型主墨道与n个尺寸相同的压力腔；主墨道沿流道板的长度方向开设，压力腔沿流道板的宽度方向开设，n个压力腔沿流道板的长度方向依次排布；n个压力腔的入口端均与主墨道连通；n个压力腔底部均开设墨水出口；振动薄膜层覆盖在n个压力腔顶部，将压力腔密封。采用体材压电陶瓷与打印头振动薄膜粘接制成打印头驱动器，加工制造简单，且易实现打印头连续喷射。

Description

一种压电式打印头及其制作方法
技术领域
本发明属于微滴喷射打印技术领域，具体涉及一种压电式打印头及其制作方法。
背景技术
微滴喷射打印技术是一种通过一定的挤压方式产生墨水腔室与外界之间的压力差，导致喷嘴内部压力大于外界压力，进而将墨水推出喷嘴产生微小墨滴的一种打印技术。一般来说，微滴喷射技术可以分为连续式和按需式，而按需式因为具有结构简单、液滴一致性好、打印精度高等特点应用较为广泛。
而根据墨滴的喷射方式，一般将喷墨打印头分为压电式喷墨打印头和热泡式喷墨打印头。压电式喷墨打印头是利用压电材料的变形产生力来喷射墨滴；热泡式喷墨打印头是通过加热使得墨水中产生气泡，通过气泡的膨胀来喷射墨滴。
在压电式喷墨打印头工作时，打印头各个驱动器驱动墨水喷射，是打印头最为核心部件，其结构的尺寸一致性，决定了打印头喷射液体的一致性。因此需要选择一种合理的驱动器结构。
目前主流的体材压电驱动器制作工艺方法为基于共晶键合的压电驱动结构制备工艺。该工艺需经过以下步骤：a.抛光待键合面，将压电陶瓷和振动薄膜的待键合面进行抛光处理，这一步非常关键，因为对于共晶键合这样精密的键合技术，表面粗糙度的高低直接决定了键合结果的好坏；b.沉积键合层，为了避免键合中间层对压电陶瓷输出特性造成太大的影响，需要尽量减小键合中间层的厚度。然而，当没有键合层时，压电陶瓷是无法与振动薄膜直接键合在一起的。c.共晶键合，完成以上步骤后，在特定温度以及压力下完成共晶键合，若选择键合温度过高时，需对压电陶瓷重新进行极化。该工艺流程方法较为复杂，若其中任意一环出现缺陷，都会导致最终键合失败，废品率较高。
发明内容
为了解决目前体材压电驱动器制作工艺复杂的问题，本发明提供一种新型的压电式打印头及其制作工艺，其加工制造简单，能有效保证列阵打印头各个驱动器加工一致性，且能减小相邻驱动器之间的串扰，实现打印头喷射液体一致性，提高打印头喷射性能。
本发明的技术解决方案是提供一种压电式打印头，其特殊之处在于：包括驱动器与流道板；
上述驱动器包括从上至下叠层的体材压电陶瓷层、树脂胶层与振动薄膜层；上述体材压电陶瓷层上开设分割槽，将体材压电陶瓷层分割为n个尺寸相同的独立体材压电陶瓷单元，其中n为大于等于1的正整数；
上述流道板顶面成型主墨道与n个尺寸相同的压力腔；上述主墨道沿流道板的长度方向开设，上述压力腔沿流道板的宽度方向开设，n个压力腔沿流道板的长度方向依次排布；n个压力腔的入口端均与主墨道连通；n个压力腔底部均开设墨水出口；
上述振动薄膜层覆盖在n个压力腔顶部，将压力腔密封，并使得每个压力腔与每个体材压电陶瓷单元一一对应且分别位于每个体材压电陶瓷单元的正下方。
进一步地，为了便于电极引线，上述体材压电陶瓷层包括位于体材压电陶瓷层下表面的下电极与位于体材压电陶瓷层上表面的上电极；上述下电极的一端经体材压电陶瓷层的侧面反置于体材压电陶瓷层的上表面，在上表面形成反置电极；上述反置电极与上电极之间开设隔离槽。
进一步地，上述树脂胶层为环氧树脂胶层。
进一步地，该压电式打印头还包括压电陶瓷分割定位标记，上述压电陶瓷分割定位标记设于流道板的上表面。
进一步地，该压电式打印头还包括设置在流道板底面的过渡板，上述过渡板上开设与各个墨水出口相通且同轴的过渡通道。
进一步地，该压电式打印头还包括设置在过渡板底部的喷嘴板，上述喷嘴板上开设与各个过渡通道相通且同轴的喷嘴，上述喷嘴的口径小于过渡通道口径。
进一步地，上述体材压电陶瓷层的厚度为20um～300um，上述振动薄膜层的厚度为10um～200um。
进一步地，为了消除相邻驱动单元的串扰，上述分割槽的槽深与材压电陶瓷层的厚度相等，将材压电陶瓷层完全切断；或分割槽的槽深比材压电陶瓷层的厚度小，使得切深余量在10um内。
进一步地，为了确保各个腔室供墨的通畅充足，该压电式打印头，还包括n个压差通道与n个限流通道，各压差通道的入口端与主墨道连通，出口端通过各限流通道与各个压力腔连通；所述压差通道的出墨口端的水平高度低于主墨道入墨口端的水平高度，确保主墨道内的墨水与各个压力腔内的墨水具有相同的液压差。
本发明还提供一种压电式打印头的制作方法，包括以下步骤：
步骤一、在流道板顶面成型主墨道、n个尺寸相同的压力腔及定位标记；
步骤二、标定定位标记与各个压力腔的位置；
步骤三、将体材压电陶瓷层粘接于振动薄膜层上，再将振动薄膜层覆盖于压力腔上；
步骤四、通过定位标记与各个压力腔的位置，确定体材压电陶瓷层上切割槽的位置，将体材压电陶瓷层切割为n个尺寸相同的独立体材压电陶瓷单元；使得分割后多个独立的压电陶瓷小单元与压力腔一一对应。
本发明的有益效果是：
1、采用体材压电陶瓷与打印头振动薄膜粘接制成打印头驱动器，加工制造简单，且易实现打印头连续喷射。
2、压电陶瓷下电极反置于上电极面，并采用隔离槽将上下电极分离，便于电极引线。
3、将压电陶瓷分割定位标记置于压力腔流道板上，有利于保证分割后的压电陶瓷与各个压力腔对准。
4、压电陶瓷分割时，将各个压力腔对应压电陶瓷完全切断(甚至可以切深至振动薄膜或者更深)或者切深余量10um内，均有利于减小相邻驱动单元的串扰。
5、主墨道和各个压力腔之间存在一定的液压差，在液压作用下促进墨水进入到各个腔室中，确保各个腔室供墨的通畅充足，有效提高打印效率。
附图说明
图1为本发明实施例打印头主视图；
图2为沿图1中N-N线的剖视图；
图3为沿图1中M-M线的剖视图；
图4为本发明实施例打印头三维结构示意图；
图中附图标记为：11-体材压电陶瓷层，12-反置电极，13-隔离槽，14-分割槽，15-树脂胶层，16-振动薄膜层，17-流道板，18-主墨道，19-压力腔，20-过渡板，21-过渡通道，22-喷嘴板，23-喷嘴，24-定位标记。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
如图1所示为本实施例打印头主视示意图，主视图为水平xy面。其主要包括驱动器、主墨道压力腔等。
结合图1至图4，驱动器主要包括体材压电陶瓷层11、反置电极12、隔离槽13、分割槽14、树脂胶层15及振动薄膜16。本实施例打印头驱动器采用体材压电陶瓷层11(包含电极厚度20um～300um)与振动薄膜层16(厚度10um～200um)通过树脂粘接成型，加工制造简单，不用采用磨削，键合等复杂工艺。本实施例采用环氧树脂胶。体材压电陶瓷层11的下电极12反置于上电极面，隔离槽13将上下电极分离，便于上下电极引线。另外采用分割槽14将压力陶瓷11分成多个独立压电陶瓷单元，其中26为上电极引线区，25为下电极引线区，每一个独立压电陶瓷小单元变形，引起对应压力腔内压力增大，实现该路墨水喷射。
图中17为流道板，在流道板上成型主墨道18、压力腔19；主墨道沿流道板的长度方向开设，压力腔沿流道板的宽度方向开设，5个压力腔沿流道板的长度方向依次排布；5个压力腔的入口端均与主墨道连通；5个压力腔底部均开设墨水出口；18为主墨道，用于提供墨水进入到压力腔19的流道；19为压力腔，位于分割后独立压电陶瓷小单元的正下方，当压电陶瓷变形引起振动薄膜16变形，导致压力腔19内压力增大，实现墨水喷射。压力腔的底部设有喷嘴板22，喷嘴板22上开设与各个压力腔19相通的喷嘴23，为了增强喷嘴板22的强度，还可以在压力腔19的底部与喷嘴板22之间增设过渡板20.
如图2中的虚线部分，为了保证各个压力腔内墨水的充足、均匀，在主墨道与压力腔之间设置压差通道与限流通道，各压差通道的入口端与主墨道连通，出口端通过各限流通道与各个压力腔连通；压差通道的出墨口端的水平高度低于主墨道入墨口端的水平高度，确保主墨道内的墨水与各个压力腔内的墨水具有相同的液压差。和传统的压电式喷墨打印头墨水流动路径相比，本实施例主墨道与各个压力腔均有一定且相同的液压差，保证各个压力腔内墨水压力均匀，且该液压差有助于推动墨水从主墨道通过压差通道、限流通道进入到压力腔中，实现供墨顺畅、充足。
为了保证分割后多个独立的压电陶瓷小单元与压力腔一一对应，需定位压力腔位置，再进行分割。然而，压电陶瓷粘接于振动薄膜上，振动薄膜盖于压力腔上，因此无法直接观测压力腔位置。本发明采用定位标记24，通过标定其与压力腔的位置，从而确定压电陶瓷切割槽位置。另外，将该定位标记24置于流道板17上，主墨道18、压力腔19、定位标记24采用一次加工成型，提高定位标记与各个压力腔位置精度，并采用该定位标记分割压电陶瓷，有利于保证分割后的压电陶瓷与各个压力腔19对准，提升打印头驱动器一致性。
为了有效减小相邻驱动器间串扰，在压电陶瓷分割时，将各个压力腔对应压电陶瓷完全切断(甚至可以切深至振动薄膜或者更深)或者切深余量10um内。
本实施例中的打印头可通过下述方法制作：
步骤一、在流道板顶面成型主墨道、n个尺寸相同的压力腔及定位标记；
步骤二、标定定位标记与各个压力腔的位置；
步骤三、将体材压电陶瓷层粘接于振动薄膜层上，再将振动薄膜层覆盖于压力腔上；
步骤四、通过定位标记与各个压力腔的位置，确定体材压电陶瓷层上切割槽的位置，将体材压电陶瓷层切割为n个尺寸相同的独立体材压电陶瓷单元；使得分割后多个独立的压电陶瓷小单元与压力腔一一对应。
凡是利用体材压电陶瓷与打印头振动薄膜粘接制成打印头驱动器，凡是采用反置电极的压电陶瓷及其分割方案，凡是采用以上压电驱动器制备方法的均属于专利保护范围。

Claims (10)

1.一种压电式打印头，其特征在于：包括驱动器与流道板；
所述驱动器包括从上至下叠层的体材压电陶瓷层、树脂胶层与振动薄膜层；所述体材压电陶瓷层上开设分割槽，将体材压电陶瓷层分割为n个尺寸相同的独立体材压电陶瓷单元，其中n为大于等于1的正整数；
所述流道板顶面成型主墨道与n个尺寸相同的压力腔；所述主墨道沿流道板的长度方向开设，所述压力腔沿流道板的宽度方向开设，n个压力腔沿流道板的长度方向依次排布；n个压力腔的入口端均与主墨道连通；n个压力腔底部均开设墨水出口；
所述振动薄膜层覆盖在n个压力腔顶部，将压力腔密封，并使得每个压力腔与每个体材压电陶瓷单元一一对应且分别位于每个体材压电陶瓷单元的正下方。
2.根据权利要求1所述的压电式打印头，其特征在于：所述体材压电陶瓷层包括位于体材压电陶瓷层下表面的下电极与位于体材压电陶瓷层上表面的上电极；所述下电极的一端经体材压电陶瓷层的侧面反置于体材压电陶瓷层的上表面，在上表面形成反置电极；所述反置电极与上电极之间开设隔离槽。
3.根据权利要求2所述的压电式打印头，其特征在于：所述树脂胶层为环氧树脂胶层。
4.根据权利要求3所述的压电式打印头，其特征在于：还包括压电陶瓷分割定位标记，所述压电陶瓷分割定位标记设于流道板的上表面。
5.根据权利要求1-4任一所述的压电式打印头，其特征在于：还包括设置在流道板底面的过渡板，所述过渡板上开设与各个墨水出口相通且同轴的过渡通道。
6.根据权利要求5所述的压电式打印头，其特征在于：还包括设置在过渡板底部的喷嘴板，所述喷嘴板上开设与各个过渡通道相通且同轴的喷嘴，所述喷嘴的口径小于过渡通道口径。
7.根据权利要求6所述的压电式打印头，其特征在于：所述体材压电陶瓷层的厚度为20um～300um，所述振动薄膜层的厚度为10um～200um。
8.根据权利要求7所述的压电式打印头，其特征在于：所述分割槽的槽深与材压电陶瓷层的厚度相等，将材压电陶瓷层完全切断；或分割槽的槽深比材压电陶瓷层的厚度小，使得切深余量在10um内。
9.根据权利要求7所述的压电式打印头，其特征在于：还包括n个压差通道与n个限流通道，各压差通道的入口端与主墨道连通，出口端通过各限流通道与各个压力腔连通；所述压差通道的出墨口端的水平高度低于主墨道入墨口端的水平高度，确保主墨道内的墨水与各个压力腔内的墨水具有相同的液压差。
10.一种压电式打印头的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在流道板顶面成型主墨道、n个尺寸相同的压力腔及定位标记；
步骤二、标定定位标记与各个压力腔的位置；
步骤三、将体材压电陶瓷层粘接于振动薄膜层上，再将振动薄膜层覆盖于压力腔上；
步骤四、通过定位标记与各个压力腔的位置，确定体材压电陶瓷层上切割槽的位置，将体材压电陶瓷层切割为n个尺寸相同的独立体材压电陶瓷单元；使得分割后多个独立的压电陶瓷小单元与压力腔一一对应。
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