從專利角度分析彎曲式壓電噴墨技術發展方向

章增鋒

摘要：本文介紹了彎曲式壓電噴墨技術概述，對兄弟工業株式會社的彎曲式壓電噴墨頭專利文獻進行檢索，并對重要專利涉及的技術進行詳細分析，重點梳理了噴墨頭結構中的致動元件結構、流路構件結構、驅動電路與電極連接結構在改進時所關注的問題點以及對應的解決手段。

關鍵詞：噴墨頭;彎曲式壓電;兄弟工業;致動元件;流路構件

引言

噴墨打印頭是噴墨打印設備中的核心技術，國內噴墨打印技術近年來發展勢頭強勁，但是諸如噴墨打印頭等核心部件仍需進口國外產品，先進的噴墨打印頭技術目前仍由國外公司掌握，日本在彎曲式噴墨打印頭市場領域占據著絕對主導地位，技術水平較為先進，本文選取兄弟工業株式會社這家具有一定代表性的日本打印企業，從專利角度分析彎曲式壓電噴墨打印技術的發展脈絡，從而有助于了解彎曲式壓電噴墨技術的重點研發方向。

1彎曲式壓電噴墨打印技術概述

壓電式噴墨是以壓電元件為致動元件，當施加驅動信號時，由于逆壓電效應壓電元件產生變形，引起墨水壓力室內的壓力產生變化，通過該壓力變化從而使得壓力室內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在壓電材料的變形模式以及墨水腔室幾何形狀的不同，本文重點介紹彎曲式壓電噴墨技術。

圖1為該技術的工作原理圖，彎曲式壓電致動器主要由壓電層/壓電薄膜、電極、振動板構成，當給噴墨打印頭的壓電層/壓電薄膜加載一驅動電壓波形，由于逆壓電效應，壓電層/壓電薄膜產生變形并帶動振動板層產生變形，壓電致動器的變形使得腔室受到擠壓，表現為腔室不斷地進行膨脹和收縮的交替變換，受腔室變形產生的壓力變化，墨水將會從噴孔高速噴出。

2兄弟工業彎曲式壓電噴墨頭重點技術分析

在CNABS、DWPI、SIPOABS、VEN等主要數據庫中，采用準確的F-term、CPC、IPC分類號結合關鍵詞進行檢索，最終確定兄弟工業的彎曲式壓電噴墨技術相關專利989篇，通過對上述專利文獻的標引和梳理，分析得到技術分支，并分別選取各技術分支在各個年代具有代表性的重要專利構成了專利技術發展路線圖，通過對于各個年代的重要專利方案進行分析，找出申請人對彎曲式壓電噴墨頭進行改進所關注的問題點和相應的解決手段，其中圖中所涉及的專利均以相應專利的申請號示出。

2.1技術分支

通過分析兄弟株式會社的相關專利，可以得出下圖2所示的彎曲式壓電噴墨頭的重點技術分解。一級分支為噴墨頭結構、驅動信號控制，二級分支中，噴墨頭結構分為致動元件結構、流路構件結構、電路結構，致動元件的主要改進方向包括：提高壓電結構變位特性、提高壓電元件噴射性能等方面。流路構件的主要改進方向包括：減少串擾、利于流路內氣泡排出等。電路連接結構主要改進方向包括：設置電路連接結構以減少噴墨頭尺寸、提高電路連接結構的連接可靠性和耐久性、提高噴墨性能等。驅動信號控制的主要改進方向包括：控制驅動信號抑制噴射性能降低、防止串擾提高噴射特性。

從各個重點技術分支占比情況來看，噴墨頭結構占比83%，驅動信號控制占比17%，而噴墨頭結構中，流路構件結構占比39%，致動元件結構占比27%，之后為驅動電路與電極連接結構占比17%。由此看出，兄弟株式會社的彎曲式壓電噴墨頭的主要改進方向在于噴墨頭結構的改進，因此，本文重點分析噴墨頭結構的相關技術。

2.2 噴墨頭結構技術

噴墨頭結構技術方面，分為致動元件結構、流路構件結構、電路連接結構等三方面進行分析，通過對各個年代的專利方案進行分析，找出在上述幾個方面申請人所關注的問題點和相應的解決手段。

（1）致動元件結構

致動元件主要包括壓電層、電極、振動板，通過對位于壓電層兩側的正負電極施加電壓而使得壓電層發生彎曲變形，帶動下方的振動板也發生彎曲變形，從而擠壓振動板下方的壓力腔室，使得墨滴噴出。致動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擾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致動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提高致動元件變位特性

兄弟株式會社早期申請主要是確保致動元件能夠正常工作，例如1998年申請的專利JP29843698A主要通過設置壓電層之間的正負電極排布位置使得正負電極之間不會形成電氣短路，從而保證致動元件能夠正常工作。在確保了致動元件能夠正常工作后，其改進點轉變為提高壓電結構的變位效率以及具有穩定的噴墨性能，例如JP2002042054A（2002年）主要通過設置壓電層的活性層和驅動電極的區域和厚度以提高壓電元件的變位特性。

②減少各致動元件之間串擾

減少各致動元件之間的串擾從而提高噴射性能是致動元件結構的重要改進方向。例如， JP2003065100A（2003年）通過壓電元件中的電極位置結構設置避免多個壓電元件之間產生干涉。CN200410057719（2004年），通過使焊盤部分變得更加遠離另一個單獨電極，從而可以抑制串擾。從上述專利可以看出，對于抑制致動元件之間的串擾，其主要手段是通過對電極結構以及位置的改進。

③提高致動元件集成度

隨著市場對小尺寸噴墨頭以及高打印分辨率的需求增大，其改進方向也向具有高度集成的噴射元件方向發展，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）是在上述基礎上進行的細節改進，其目的也是為了使得具有高集成度的壓力室。

④提高致動元件耐久性

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方向（例如JP2005179415A、JP2005179416A、JP2005345087A）。

（2）流路構件結構

噴墨頭中的流路構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作。由于噴墨頭中排列設置較多的噴嘴，所以對應的有多個壓力室，為了能夠對多個壓力室同時供墨，一般在流路構件中有共通流路作為總流路，另外還設置有多個單獨流路分別用于從共通流路供墨至每個壓力室，由于單獨流路與共通流路是互相連通的，而每個壓力室在噴墨時其壓力波會通過傳遞到單獨流路，之后再經過單獨流路傳遞到共通流路，再由共通流路傳遞到隔壁的單獨流路，從而影響隔壁的其他壓力室的噴墨動作，這稱為串擾問題。從墨源供給的墨液里會混雜一些氣泡，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于小型化以及高集成化布置。所以，對于如何克服串擾（JP2001164666A、CN03201532A、CN200710091946）、利于氣泡從流路構件中排出（JP2002024923A、JP2002060248A、JP2006233161A）、提高流路結構噴墨特性（CN03148441A、JP2003188610A、CN201310087524）、提高噴墨頭耐久性（CN03149096A、CN201510134981、CN201610187067）等問題是流路構件改進的主要方向。

（3）驅動電路與電極連接結構

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

3結束語

從以上分析可知，兄弟工業對彎曲式壓電噴墨頭技術的主要改進方向為對噴墨頭結構的改進，噴墨頭結構的改進主要包括致動元件結構、流路構件結構、驅動電路與電極連接結構的技術改進，上述結構的改進都涉及防止串擾以提高噴射性能，所以防止串擾是噴墨頭結構技術改進中的重點方向。在噴墨頭尺寸越來越小，集成度越來越高的市場需求下，對于致動元件結構、流路構件以及驅動電路連接結構都涉及高集成化布置的改進。另外，在提高設備壽命方面，在致動元件結構、流路結構及電路連接結構方面都有涉及耐久性的提高。

通過對兄弟工業株式會社這家具有代表性的日本打印企業的專利技術分析，可以在一定程度上展示了彎曲式壓電噴墨打印技術的發展脈絡和主要改進點，從而有助于了解彎曲式壓電噴墨技術的重點研發方向。

參考文獻

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[2] 范佃龍，壓電噴墨打印頭的模擬優化與測試，碩士學位論文，大連理工大學，2016年6月;

[3] 姚海根等，噴墨印刷，印刷工業出版社。