從專利角度分析彎曲式壓電噴墨技術(shù)發(fā)展方向

章增鋒

摘要：本文介紹了彎曲式壓電噴墨技術(shù)概述，對兄弟工業(yè)株式會(huì)社的彎曲式壓電噴墨頭專利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，并對重要專利涉及的技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，重點(diǎn)梳理了噴墨頭結(jié)構(gòu)中的致動(dòng)元件結(jié)構(gòu)、流路構(gòu)件結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路與電極連接結(jié)構(gòu)在改進(jìn)時(shí)所關(guān)注的問題點(diǎn)以及對應(yīng)的解決手段。

關(guān)鍵詞：噴墨頭;彎曲式壓電;兄弟工業(yè);致動(dòng)元件;流路構(gòu)件

引言

噴墨打印頭是噴墨打印設(shè)備中的核心技術(shù)，國內(nèi)噴墨打印技術(shù)近年來發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，但是諸如噴墨打印頭等核心部件仍需進(jìn)口國外產(chǎn)品，先進(jìn)的噴墨打印頭技術(shù)目前仍由國外公司掌握，日本在彎曲式噴墨打印頭市場領(lǐng)域占據(jù)著絕對主導(dǎo)地位，技術(shù)水平較為先進(jìn)，本文選取兄弟工業(yè)株式會(huì)社這家具有一定代表性的日本打印企業(yè)，從專利角度分析彎曲式壓電噴墨打印技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，從而有助于了解彎曲式壓電噴墨技術(shù)的重點(diǎn)研發(fā)方向。

1彎曲式壓電噴墨打印技術(shù)概述

壓電式噴墨是以壓電元件為致動(dòng)元件，當(dāng)施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)壓電元件產(chǎn)生變形，引起墨水壓力室內(nèi)的壓力產(chǎn)生變化，通過該壓力變化從而使得壓力室內(nèi)的液體從噴嘴以液滴的形式噴射出去。壓電式噴墨打印技術(shù)包括擠壓式、推壓式、剪切式以及彎曲式等四種類型，幾種形式的不同之處主要體現(xiàn)在壓電材料的變形模式以及墨水腔室?guī)缀涡螤畹牟煌?，本文重點(diǎn)介紹彎曲式壓電噴墨技術(shù)。

圖1為該技術(shù)的工作原理圖，彎曲式壓電致動(dòng)器主要由壓電層/壓電薄膜、電極、振動(dòng)板構(gòu)成，當(dāng)給噴墨打印頭的壓電層/壓電薄膜加載一驅(qū)動(dòng)電壓波形，由于逆壓電效應(yīng)，壓電層/壓電薄膜產(chǎn)生變形并帶動(dòng)振動(dòng)板層產(chǎn)生變形，壓電致動(dòng)器的變形使得腔室受到擠壓，表現(xiàn)為腔室不斷地進(jìn)行膨脹和收縮的交替變換，受腔室變形產(chǎn)生的壓力變化，墨水將會(huì)從噴孔高速噴出。

2兄弟工業(yè)彎曲式壓電噴墨頭重點(diǎn)技術(shù)分析

在CNABS、DWPI、SIPOABS、VEN等主要數(shù)據(jù)庫中，采用準(zhǔn)確的F-term、CPC、IPC分類號(hào)結(jié)合關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，最終確定兄弟工業(yè)的彎曲式壓電噴墨技術(shù)相關(guān)專利989篇，通過對上述專利文獻(xiàn)的標(biāo)引和梳理，分析得到技術(shù)分支，并分別選取各技術(shù)分支在各個(gè)年代具有代表性的重要專利構(gòu)成了專利技術(shù)發(fā)展路線圖，通過對于各個(gè)年代的重要專利方案進(jìn)行分析，找出申請人對彎曲式壓電噴墨頭進(jìn)行改進(jìn)所關(guān)注的問題點(diǎn)和相應(yīng)的解決手段，其中圖中所涉及的專利均以相應(yīng)專利的申請?zhí)柺境觥?/p>

2.1技術(shù)分支

通過分析兄弟株式會(huì)社的相關(guān)專利，可以得出下圖2所示的彎曲式壓電噴墨頭的重點(diǎn)技術(shù)分解。一級(jí)分支為噴墨頭結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，二級(jí)分支中，噴墨頭結(jié)構(gòu)分為致動(dòng)元件結(jié)構(gòu)、流路構(gòu)件結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)，致動(dòng)元件的主要改進(jìn)方向包括：提高壓電結(jié)構(gòu)變位特性、提高壓電元件噴射性能等方面。流路構(gòu)件的主要改進(jìn)方向包括：減少串?dāng)_、利于流路內(nèi)氣泡排出等。電路連接結(jié)構(gòu)主要改進(jìn)方向包括：設(shè)置電路連接結(jié)構(gòu)以減少噴墨頭尺寸、提高電路連接結(jié)構(gòu)的連接可靠性和耐久性、提高噴墨性能等。驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制的主要改進(jìn)方向包括：控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)抑制噴射性能降低、防止串?dāng)_提高噴射特性。

從各個(gè)重點(diǎn)技術(shù)分支占比情況來看，噴墨頭結(jié)構(gòu)占比83%，驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制占比17%，而噴墨頭結(jié)構(gòu)中，流路構(gòu)件結(jié)構(gòu)占比39%，致動(dòng)元件結(jié)構(gòu)占比27%，之后為驅(qū)動(dòng)電路與電極連接結(jié)構(gòu)占比17%。由此看出，兄弟株式會(huì)社的彎曲式壓電噴墨頭的主要改進(jìn)方向在于噴墨頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，因此，本文重點(diǎn)分析噴墨頭結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)。

2.2 噴墨頭結(jié)構(gòu)技術(shù)

噴墨頭結(jié)構(gòu)技術(shù)方面，分為致動(dòng)元件結(jié)構(gòu)、流路構(gòu)件結(jié)構(gòu)、電路連接結(jié)構(gòu)等三方面進(jìn)行分析，通過對各個(gè)年代的專利方案進(jìn)行分析，找出在上述幾個(gè)方面申請人所關(guān)注的問題點(diǎn)和相應(yīng)的解決手段。

（1）致動(dòng)元件結(jié)構(gòu)

致動(dòng)元件主要包括壓電層、電極、振動(dòng)板，通過對位于壓電層兩側(cè)的正負(fù)電極施加電壓而使得壓電層發(fā)生彎曲變形，帶動(dòng)下方的振動(dòng)板也發(fā)生彎曲變形，從而擠壓振動(dòng)板下方的壓力腔室，使得墨滴噴出。致動(dòng)元件的變位效率能夠決定了噴墨頭的噴墨特性，各壓電元件之間的串?dāng)_也影響著噴墨頭的噴墨特性。隨著市場對小尺寸噴墨頭以及高打印分辨率的需求增大，要求噴墨頭中的多個(gè)致動(dòng)元件能夠高集成度布置。另外，提高噴墨頭的耐久性以及降低成本也是市場對噴墨頭提出的新的要求。

①提高致動(dòng)元件變位特性

兄弟株式會(huì)社早期申請主要是確保致動(dòng)元件能夠正常工作，例如1998年申請的專利JP29843698A主要通過設(shè)置壓電層之間的正負(fù)電極排布位置使得正負(fù)電極之間不會(huì)形成電氣短路，從而保證致動(dòng)元件能夠正常工作。在確保了致動(dòng)元件能夠正常工作后，其改進(jìn)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)樘岣邏弘娊Y(jié)構(gòu)的變位效率以及具有穩(wěn)定的噴墨性能，例如JP2002042054A（2002年）主要通過設(shè)置壓電層的活性層和驅(qū)動(dòng)電極的區(qū)域和厚度以提高壓電元件的變位特性。

②減少各致動(dòng)元件之間串?dāng)_

減少各致動(dòng)元件之間的串?dāng)_從而提高噴射性能是致動(dòng)元件結(jié)構(gòu)的重要改進(jìn)方向。例如， JP2003065100A（2003年）通過壓電元件中的電極位置結(jié)構(gòu)設(shè)置避免多個(gè)壓電元件之間產(chǎn)生干涉。CN200410057719（2004年），通過使焊盤部分變得更加遠(yuǎn)離另一個(gè)單獨(dú)電極，從而可以抑制串?dāng)_。從上述專利可以看出，對于抑制致動(dòng)元件之間的串?dāng)_，其主要手段是通過對電極結(jié)構(gòu)以及位置的改進(jìn)。

③提高致動(dòng)元件集成度

隨著市場對小尺寸噴墨頭以及高打印分辨率的需求增大，其改進(jìn)方向也向具有高度集成的噴射元件方向發(fā)展，例如JP2001365513A（2001年），通過提高壓電效率和面積效率，使得能夠允許減小電極尺寸，從而能夠使得壓力室緊湊化從而提高壓力室的集成度。CN02154854A（2002年）是在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行的細(xì)節(jié)改進(jìn)，其目的也是為了使得具有高集成度的壓力室。

④提高致動(dòng)元件耐久性

在滿足噴射性能的情況下，提高噴墨頭的耐久性以及降低成本也是重要改進(jìn)方向（例如JP2005179415A、JP2005179416A、JP2005345087A）。

（2）流路構(gòu)件結(jié)構(gòu)

噴墨頭中的流路構(gòu)件用于將液體從墨源向壓力室供給，再從壓力室供給到噴嘴，使得液滴從噴嘴噴出而完成噴墨動(dòng)作。由于噴墨頭中排列設(shè)置較多的噴嘴，所以對應(yīng)的有多個(gè)壓力室，為了能夠?qū)Χ鄠€(gè)壓力室同時(shí)供墨，一般在流路構(gòu)件中有共通流路作為總流路，另外還設(shè)置有多個(gè)單獨(dú)流路分別用于從共通流路供墨至每個(gè)壓力室，由于單獨(dú)流路與共通流路是互相連通的，而每個(gè)壓力室在噴墨時(shí)其壓力波會(huì)通過傳遞到單獨(dú)流路，之后再經(jīng)過單獨(dú)流路傳遞到共通流路，再由共通流路傳遞到隔壁的單獨(dú)流路，從而影響隔壁的其他壓力室的噴墨動(dòng)作，這稱為串?dāng)_問題。從墨源供給的墨液里會(huì)混雜一些氣泡，而這些氣泡匯集到壓力室以及噴嘴附近從而阻礙油墨從噴嘴正常噴射。另外，在噴墨頭小型化以及高度集成化的要求下，噴墨頭中的壓力室也要適應(yīng)于小型化以及高集成化布置。所以，對于如何克服串?dāng)_（JP2001164666A、CN03201532A、CN200710091946）、利于氣泡從流路構(gòu)件中排出（JP2002024923A、JP2002060248A、JP2006233161A）、提高流路結(jié)構(gòu)噴墨特性（CN03148441A、JP2003188610A、CN201310087524）、提高噴墨頭耐久性（CN03149096A、CN201510134981、CN201610187067）等問題是流路構(gòu)件改進(jìn)的主要方向。

（3）驅(qū)動(dòng)電路與電極連接結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)電路將電壓信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路的布線傳遞給致動(dòng)元件的電極，從而控制致動(dòng)元件工作。驅(qū)動(dòng)電路的布線與電極的連接方式以及連接穩(wěn)固程度以及耐久性，決定了噴墨頭的工作可靠性以及工作壽命。在保證驅(qū)動(dòng)電路以及與驅(qū)動(dòng)電路連接的印刷電路板的各項(xiàng)功能的情況下，如何設(shè)置電路連接結(jié)構(gòu)以減少噴墨頭尺寸（CN200610005449、JP2003187865A、JP2010207841A、JP2016069116A）、提高電路連接結(jié)構(gòu)的連接可靠性和耐久性（JP2003038779A、JP2006176399A、CN200610159599A）、設(shè)置電路連接結(jié)構(gòu)提高噴墨性能（JP2004209848A、JP2014265265A、JP2016147226A）也是驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)方向。

3結(jié)束語

從以上分析可知，兄弟工業(yè)對彎曲式壓電噴墨頭技術(shù)的主要改進(jìn)方向?yàn)閷娔^結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，噴墨頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要包括致動(dòng)元件結(jié)構(gòu)、流路構(gòu)件結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路與電極連接結(jié)構(gòu)的技術(shù)改進(jìn)，上述結(jié)構(gòu)的改進(jìn)都涉及防止串?dāng)_以提高噴射性能，所以防止串?dāng)_是噴墨頭結(jié)構(gòu)技術(shù)改進(jìn)中的重點(diǎn)方向。在噴墨頭尺寸越來越小，集成度越來越高的市場需求下，對于致動(dòng)元件結(jié)構(gòu)、流路構(gòu)件以及驅(qū)動(dòng)電路連接結(jié)構(gòu)都涉及高集成化布置的改進(jìn)。另外，在提高設(shè)備壽命方面，在致動(dòng)元件結(jié)構(gòu)、流路結(jié)構(gòu)及電路連接結(jié)構(gòu)方面都有涉及耐久性的提高。

通過對兄弟工業(yè)株式會(huì)社這家具有代表性的日本打印企業(yè)的專利技術(shù)分析，可以在一定程度上展示了彎曲式壓電噴墨打印技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)和主要改進(jìn)點(diǎn)，從而有助于了解彎曲式壓電噴墨技術(shù)的重點(diǎn)研發(fā)方向。

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