CN111038105B - 一种压电式喷墨打印头 - 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喷墨打印头，解决传统的压电式喷墨打印头出现的供墨不足或供墨不均导致的打印质量差的问题。采用压差通道将主墨道和各个压力腔连通，使得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；并在压力腔与主墨道间增加曲折限流器结构，减小压力腔内液体回流，降低压力腔内压力损失，提升打印头喷射性能，同时能够减小压力腔之间的压力串扰。同时在压力腔与喷嘴板中间增加过渡通道板，即增加喷嘴板强度，当压电陶瓷变形驱动，压力腔内压力增加时，减小因喷嘴板变形而引起压力腔内压力损失，提升打印头喷射性能。

Description

一种压电式喷墨打印头
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喷墨打印头。
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，我们需要保证各个压力腔内压力均匀、互不影响，且各个压力腔供墨通畅充足，进而保证打印质量、打印速度和打印频率等，因此需要选择一种合适的墨水流动路径。
传统压电式喷墨打印头的墨水流动路径如图1所示，其中主墨道12为墨水流入到压力腔的流道，限流通道13，用于抑制压力波传递到其他腔室，压力腔14，用于在压力腔内使得墨水流入到喷孔15中，喷孔15用于将墨水喷射出去。墨水从主墨道12通过限流通道13进入到压力腔内的流道14中，然后流入喷孔15，然后将墨水喷射出去。
对于传统的压电式喷墨打印头而言，主要存在以下缺陷：
1、存在打印头的墨水不能成功通过限流通道进入到压力腔流道的现象，导致供墨不足的问题；
2、当打印头同时高频喷射时，位于主墨道上游靠近入墨口的压力腔易吸墨，而位于主墨道下游的几个腔室相比上游的几个腔室难吸墨，易发生供墨不足的现象，导致供墨不均。尤其是当压力腔排列较多，下游供墨不足现象尤为明显。对于喷墨打印头而言，供墨不足将会引起喷射液滴不一致，甚至无墨水喷射，严重影响打印质量。
3、当压电陶瓷变形驱动，压力腔内压力增加时，喷嘴板易变形使得压力腔内压力损失，导致喷墨不均，影响打印质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电式打印头，以解决传统的压电式喷墨打印头出现的供墨不足或供墨不均导致的打印质量差的问题。
经多次试验分析发现传统的压电式喷墨打印头供墨不足或不均的原因包括以下两点：
1、传统的压电式喷墨打印头主墨道与各个压力腔之间没有液压差，导致墨水从主墨道进入腔室的驱动力就会很小，导致打印头的墨水未能成功通过墨水入口进入到腔室，出现供墨不足的现象；
2、同理，由于传统的压电式喷墨打印头主墨道与各个压力腔之间没有液压差，使得墨水从主墨道进入腔室的驱动力很小，位于主墨道上游靠近入墨口的压力腔易吸墨，而位于主墨道下游的几个腔室相比上游的几个腔室难吸墨，出现供墨不均的现象；
3、压力腔内压力损失的原因，首先是传统的压电式喷墨打印头压力腔到喷孔截面突变较大，从而引起的压力局部损失；其次因喷嘴板强度较小，喷嘴板变形也会引起压力腔内压力损失。
因此通过上述分析，本发明提出以下技术方案：
一种压电式喷墨打印头，包括主墨道、n个驱动器、n个压力腔与n个限流通道，上述主墨道通过限流通道与各个压力腔连通；驱动器位于压力腔顶部；其中n为大于等于1的正整数；
其特殊之处在于：还包括n个压差通道，上述压差通道的入口端与主墨道连通，出口端与各限流通道连通；上述压差通道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压力腔各个流道内的墨水具有相同的液压差；
所述各个压力腔的底部设有过渡通道板，所述过渡通道板上开设有与各个压力腔相通的过渡通道；过渡通道板的底部设有喷嘴板，所述喷嘴板上开设有与过渡通道相通的喷嘴，所述过渡通道的内径大于喷嘴的内径。
进一步地，为了确保各个压力腔内流道供墨的畅通，上述压差通道为L型，水平段与主墨道连通，竖直段与限流通道连通。
进一步地，为了确保各个压力腔内流道供墨均匀，n个压差通道均布在主墨道的底部。
进一步地，为了减小喷射恢复阶段产生气泡，上述喷嘴为锥形喷嘴。
进一步地，上述锥形喷嘴的锥度为5°～60°。
进一步地，上述喷嘴还可以为漏斗形喷嘴或台阶递减式喷嘴。
进一步地，为了减小压力腔内液体回流，降低压力腔内压力损失，上述限流通道沿墨水流向方向依次包括相互连通的第一通道、第二通道、第三通道、第四通道与第五通道；所述第一通道、第三通道及第五通道均沿水平方向设置；所述第二通道、第三通道与第四通道构成类U型通道，其中第二通道沿竖直方向设置，第四通道倾斜设置，且与第三通道之间的夹角为钝角。
为了提升打印头喷孔密度，本发明还提供一种压电式喷墨打印头，其特殊之处在于：包括两组压电式喷墨打印头单元；
上述压电式喷墨打印头单元包括主墨道、n个驱动器、n个压力腔与n个限流通道，上述主墨道通过限流通道与各个压力腔连通；驱动器位于压力腔顶部；其中n为大于等于1的正整数；
还包括n个压差通道，上述压差通道的入口端与主墨道连通，出口端与各限流通道连通；所述压差通道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压力腔各个流道内的墨水具有相同的液压差；
上述各个压力腔的底部设有过渡通道板，上述过渡通道板上开设有与各个压力腔相通的过渡通道；过渡通道板的底部设有喷嘴板，上述喷嘴板上开设有与过渡通道相通的喷嘴，上述过渡通道的内径大于喷嘴的内径；
两组压电式喷墨打印头单元的喷嘴位于同一直线上，且两组压电式喷墨打印头单元关于该直线对称设置。
进一步地，上述压差通道为L型，水平段与主墨道连通，竖直段与限流通道连通。
进一步地，压差通道的水平段与主墨道的底部连通。
进一步地，上述喷嘴为锥形喷嘴。
进一步地，上述锥形喷嘴的锥度为5°～60°。
进一步地，上述喷嘴为漏斗形喷嘴或台阶递减式喷嘴。
进一步地，上述限流通道沿墨水流向方向依次包括相互连通的第一通道、第二通道、第三通道、第四通道与第五通道；上述第一通道、第三通道及第五通道均沿水平方向设置；上述第二通道、第三通道与第四通道构成类U型通道，其中第二通道沿竖直方向设置，第四通道倾斜设置，且与第三通道之间的夹角为钝角。
本发明的有益效果是：
1、本发明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；
2、由于是通过主墨道和各压力腔间液压差来推动墨水进入到腔室内，当各液压差相同的情况下，对于每一个腔室来说，墨水受到的压力都是相等的，有利于保证各腔室供墨均匀，提高打印质量。
3、压力腔与主墨道间增加曲折限流器结构，减小压力腔内液体回流，降低压力腔内压力损失，提升打印头喷射性能，同时能够减小压力腔之间的压力串扰。
4、压力腔与喷嘴板中间增加过渡通道板，有利于减小由压力腔到喷孔截面突变引起的局部压力损失，提升打印头喷射性能。
5、压力腔与喷嘴板中间增加过渡通道板，即增加喷嘴板强度，当压电陶瓷变形驱动，压力腔内压力增加时，减小因喷嘴板变形而引起压力腔内压力损失，提升打印头喷射性能。
6、压力腔可以均匀分布于单排喷孔两侧，且两侧压力腔对齐，有利于提升打印头喷孔密度。
7、喷孔采用倒锥形、漏斗形或者台阶式递减，一方面有利于减小喷射恢复阶段产生气泡，致使打印中断，另一方面，锥形喷孔有利于减小流体喷射流阻。
附图说明
图1a为传统的压电式喷墨打印头墨水流动路径主视示意图；
图1b为沿图1a中M-M线的剖视图；
图中附图标记为：12-主墨道，13-限流通道，14-压力腔，15-喷孔，16-驱动器；
图2为本发明实施例一中压电式喷墨打印头主视示意图；
图3为沿图2中P-P线的剖视图；
图中附图标记为：112-主墨道，113-限流通道，114-压力腔，115-过渡通道，116-喷嘴，117-压差通道，118-过渡板，119-喷嘴板；
图4a为本发明实施例二中压电式喷墨打印头主视示意图；
图4b为沿图4a中N-N线的剖视图；
图中附图标记为：112-主墨道，113-限流通道，114-压力腔，115-过渡通道，116-喷嘴，117-压差通道，118-过渡板，119-喷嘴板；
图5a为墨水在本发明锥形喷嘴中的喷射过程示意图；
图5b为墨水在传统喷嘴中的喷射过程示意图；
图6为限流通道的局部放大示意图；
图中附图标记为：1131-第一通道，1132-第二通道，1133-第三通道，1134-第四通道，1135-第五通道。
具体实施方式
本发明设计一种新的压电式喷墨打印头，主要涉及其中的墨水流动路径，通过主墨道和各个压力腔内之间的相同液压差推动墨水进入到压力腔中，实现供墨顺畅，保证各个压力腔内墨水的充足、均匀。还可以通过压力腔与主墨道间增加曲折限流器结构，减小压力腔内液体回流，降低压力腔内压力损失，提升打印头喷射性能，同时能够减小压力腔之间的压力串扰。另外，通过压力腔与喷嘴板中间增加过渡通道，有利于减小由压力腔到喷孔截面突变引起的压力局部损失，同时减小因喷嘴板变形而引起压力腔内压力损失，提升打印头喷射性能。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
实施例一
从图2及图3可以看出，本实施例压电式喷墨打印头包括主墨道112、压差通道117、限流通道113、压力腔114、过渡通道板118、过渡通道115、喷嘴板119及喷嘴116。墨水从主墨道112通过压差通道117、限流通道113进入到压力腔114中，然后通过过渡通道115流入喷嘴116，然后将墨水喷射出去。本实施例以五个压差通道117、限流通道113及压力腔114进行说明，其他实施例中对个数不进行限定。
主墨道112用于提供墨水流入到压力腔的流道，通过各压差通道117、限流通道113与各压力腔114连通，其中压差通道117为L型，五个压差通道的水平段均布在主墨道112的底端且与主墨道112连通，竖直段与限流通道连，竖直段出墨口的水平高度低于主墨道入墨口的水平高度，使得主墨道112与各个压力腔114均有一定且相同的液压差。在其他实施例中，压差通道117可以为任意形状，只要能够保证主墨道112与各个压力腔114有一定且相同的液压差即可。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112与各个压力腔114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112通过压差通道117、限流通道113进入到压力腔114中，实现供墨顺畅、充足。
限流通道113用于抑制压力波传递到其他腔室，从图6中可以看出，该限流通道113的中心轴线为折线，沿墨水的流动方向依次包括相互连通的第一通道1131、第二通道1132、第三通道1133、第四通道1134与第五通道1135；其中第一通道1131、第三通道1133及第五通道1135均沿水平方向设置；第二通道1132、第三通道1133与第四通道1134构成类U型通道，其中第二通道1132沿竖直方向设置，第四通道1134倾斜设置，且与第三通道1133之间的夹角为钝角。墨水从压差通道117经过限流通道113的曲折墨道，当压电陶瓷驱动变形时，增大墨水回流流阻，有助于减小压力腔内液体回流，降低压力腔内压力损失，同时曲折墨道有利于增大压力波衰减，减小压力腔之间的压力串扰。
过渡通道115用于减小局部压力损失，设置在位于压力腔114的过渡通道板118上，喷嘴116开设在位于过渡通道板底部的喷嘴板119上，且与过渡通道同轴。从图2可以明显看出，过渡通道115的内径大于喷嘴116的内径，减小由压力腔到喷嘴截面突变引起的压力局部损失，同时，压力腔114与喷嘴板119中间增加过渡通道板118，也有利于减小由压力腔到喷孔截面突变引起的局部压力损失，且增加过渡通道板118即增加喷嘴板119强度，当压电陶瓷变形驱动，压力腔内压力增加时，减小因喷嘴板变形而引起压力腔内压力损失，提升打印头喷射性能。
喷嘴116用于将墨水喷射出去，本实施例选用锥形喷嘴，从图5a及图5b的对比中可以看到，一方面，锥形喷嘴在喷射恢复阶段不易产生气泡，而传统喷嘴结构更易产生气泡，导致打印中断；另一方面，在出口直径相同时，锥形喷孔(锥度5°～60°)入口直径大，墨水流动流阻小，易于实现喷射。当然采用漏斗形、台阶式递减也能起到以上作用。
实施例二
从图4a与图4b可以看出，本实施例包括两组对称设置的实施例一中的压电式喷墨打印头，两组压电式喷墨打印头中的喷嘴位于同一直线上，压力腔均匀分布在喷嘴两侧，且两侧压力腔对齐，有利于提升打印头喷嘴密度。
需要说明的是，凡是利用主墨道与各个压力腔间液压差推动墨水均匀、充足进入压力腔的墨水流动方式，凡是利用曲折限流器结构减小串扰的墨水流动方式，凡是利用过渡通道减小局部压力损失的墨水流动方式均属于专利保护范围。

Claims (10)

1.一种压电式喷墨打印头，包括主墨道(112)、n个驱动器、n个压力腔(114)、n个限流通道(113)，所述主墨道(112)通过限流通道(113)与各个压力腔(114)连通；驱动器位于压力腔(114)顶部；其中n为大于等于1的正整数；
其特征在于：还包括n个压差通道(117)，各压差通道(117)的入口端与主墨道(112)连通，出口端与各限流通道(113)连通；所述压差通道(117)的出墨口端的水平高度低于主墨道(112)入墨口端的水平高度，确保主墨道(112)内的墨水与各个压力腔(114)内的墨水具有相同的液压差；
所述压力腔(114)的底部设有过渡通道板(118)，所述过渡通道板(118)上开设有与各个压力腔(114)相通的过渡通道(115),过渡通道板(118)的底部设有喷嘴板(119)，所述喷嘴板(119)上开设有与过渡通道(115)相通的喷嘴(116)，所述过渡通道(115)的内径大于喷嘴(116)的内径；所述压差通道(117)为L型，水平段与主墨道(112)连通，竖直段与限流通道(113)连通；n个压差通道(117)均布在主墨道(112)的底部。
2.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：所述喷嘴(116)为锥形喷嘴。
3.根据权利要求2所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：所述锥形喷嘴的锥度为5°～60°。
4.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：所述喷嘴(116)为漏斗形喷嘴或台阶递减式喷嘴。
5.根据权利要求1所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：所述限流通道(113)沿墨水流向方向依次包括相互连通的第一通道(1131)、第二通道(1132)、第三通道(1133)、第四通道(1134)与第五通道(1135)；所述第一通道(1131)、第三通道(1133)及第五通道(1135)均沿水平方向设置；所述第二通道(1132)、第三通道(1133)与第四通道(1134)构成类U型通道，其中第二通道(1132)沿竖直方向设置，第四通道(1134)倾斜设置，且与第三通道(1133)之间的夹角为钝角。
6.一种压电式喷墨打印头，其特征在于：包括两组压电式喷墨打印头单元；
所述压电式喷墨打印头单元包括主墨道(112)、n个驱动器、n个压力腔(114)与n个限流通道(113)，所述主墨道(112)通过限流通道(113)与各个压力腔(114)连通；驱动器位于压力腔(114)顶部；其中n为大于等于1的正整数；
还包括n个压差通道(117)，所述压差通道(117)的入口端与主墨道(112)连通，出口端与各限流通道(113)连通；所述压差通道(117)出墨口端的水平高度低于主墨道(112)入墨口端的水平高度，确保主墨道(112)内的墨水与各个压力腔(114)内的墨水具有相同的液压差；
所述各个压力腔(114)的底部设有过渡通道板(118)，所述过渡通道板(118)上开设有与各个压力腔(114)相通的过渡通道(115)；过渡通道板(118)的底部设有喷嘴板(119)，所述喷嘴板(119)上开设有与过渡通道(115)相通的喷嘴(116)，所述过渡通道(115)的内径大于喷嘴(116)的内径；
两组压电式喷墨打印头单元的喷嘴位于同一直线上，且两组压电式喷墨打印头单元关于该直线对称设置；所述压差通道(117)为L型，水平段与主墨道(112)连通，竖直段与限流通道(113)连通；压差通道(117)的水平段与主墨道(112)的底部连通。
7.根据权利要求6所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：所述喷嘴(116)为锥形喷嘴。
8.根据权利要求7所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：所述锥形喷嘴的锥度为5°～60°。
9.根据权利要求6所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：所述喷嘴(116)为漏斗形喷嘴或台阶递减式喷嘴。
10.根据权利要求8所述的压电式喷墨打印头，其特征在于：所述限流通道(113)沿墨水流向方向依次包括相互连通的第一通道(1131)、第二通道(1132)、第三通道(1133)、第四通道(1134)与第五通道(1135)；所述第一通道(1131)、第三通道(1133)及第五通道(1135)均沿水平方向设置；所述第二通道(1132)、第三通道(1133)与第四通道(1134)构成类U型通道，其中第二通道(1132)沿竖直方向设置，第四通道(1134)倾斜设置，且与第三通道(1133)之间的夹角为钝角。
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