从专利角度分析弯曲式压电喷墨技术发展方向

章增锋

摘要：本文介绍了弯曲式压电喷墨技术概述，对兄弟工业株式会社的弯曲式压电喷墨头专利文献进行检索，并对重要专利涉及的技术进行详细分析，重点梳理了喷墨头结构中的致动元件结构、流路构件结构、驱动电路与电极连接结构在改进时所关注的问题点以及对应的解决手段。

关键词：喷墨头;弯曲式压电;兄弟工业;致动元件;流路构件

引言

喷墨打印头是喷墨打印设备中的核心技术，国内喷墨打印技术近年来发展势头强劲，但是诸如喷墨打印头等核心部件仍需进口国外产品，先进的喷墨打印头技术目前仍由国外公司掌握，日本在弯曲式喷墨打印头市场领域占据着绝对主导地位，技术水平较为先进，本文选取兄弟工业株式会社这家具有一定代表性的日本打印企业，从专利角度分析弯曲式压电喷墨打印技术的发展脉络，从而有助于了解弯曲式压电喷墨技术的重点研发方向。

1弯曲式压电喷墨打印技术概述

压电式喷墨是以压电元件为致动元件，当施加驱动信号时，由于逆压电效应压电元件产生变形，引起墨水压力室内的压力产生变化，通过该压力变化从而使得压力室内的液体从喷嘴以液滴的形式喷射出去。压电式喷墨打印技术包括挤压式、推压式、剪切式以及弯曲式等四种类型，几种形式的不同之处主要体现在压电材料的变形模式以及墨水腔室几何形状的不同，本文重点介绍弯曲式压电喷墨技术。

图1为该技术的工作原理图，弯曲式压电致动器主要由压电层/压电薄膜、电极、振动板构成，当给喷墨打印头的压电层/压电薄膜加载一驱动电压波形，由于逆压电效应，压电层/压电薄膜产生变形并带动振动板层产生变形，压电致动器的变形使得腔室受到挤压，表现为腔室不断地进行膨胀和收缩的交替变换，受腔室变形产生的压力变化，墨水将会从喷孔高速喷出。

2兄弟工业弯曲式压电喷墨头重点技术分析

在CNABS、DWPI、SIPOABS、VEN等主要数据库中，采用准确的F-term、CPC、IPC分类号结合关键词进行检索，最终确定兄弟工业的弯曲式压电喷墨技术相关专利989篇，通过对上述专利文献的标引和梳理，分析得到技术分支，并分别选取各技术分支在各个年代具有代表性的重要专利构成了专利技术发展路线图，通过对于各个年代的重要专利方案进行分析，找出申请人对弯曲式压电喷墨头进行改进所关注的问题点和相应的解决手段，其中图中所涉及的专利均以相应专利的申请号示出。

2.1技术分支

通过分析兄弟株式会社的相关专利，可以得出下图2所示的弯曲式压电喷墨头的重点技术分解。一级分支为喷墨头结构、驱动信号控制，二级分支中，喷墨头结构分为致动元件结构、流路构件结构、电路结构，致动元件的主要改进方向包括：提高压电结构变位特性、提高压电元件喷射性能等方面。流路构件的主要改进方向包括：减少串扰、利于流路内气泡排出等。电路连接结构主要改进方向包括：设置电路连接结构以减少喷墨头尺寸、提高电路连接结构的连接可靠性和耐久性、提高喷墨性能等。驱动信号控制的主要改进方向包括：控制驱动信号抑制喷射性能降低、防止串扰提高喷射特性。

从各个重点技术分支占比情况来看，喷墨头结构占比83%，驱动信号控制占比17%，而喷墨头结构中，流路构件结构占比39%，致动元件结构占比27%，之后为驱动电路与电极连接结构占比17%。由此看出，兄弟株式会社的弯曲式压电喷墨头的主要改进方向在于喷墨头结构的改进，因此，本文重点分析喷墨头结构的相关技术。

2.2 喷墨头结构技术

喷墨头结构技术方面，分为致动元件结构、流路构件结构、电路连接结构等三方面进行分析，通过对各个年代的专利方案进行分析，找出在上述几个方面申请人所关注的问题点和相应的解决手段。

（1）致动元件结构

致动元件主要包括压电层、电极、振动板，通过对位于压电层两侧的正负电极施加电压而使得压电层发生弯曲变形，带动下方的振动板也发生弯曲变形，从而挤压振动板下方的压力腔室，使得墨滴喷出。致动元件的变位效率能够决定了喷墨头的喷墨特性，各压电元件之间的串扰也影响着喷墨头的喷墨特性。随着市场对小尺寸喷墨头以及高打印分辨率的需求增大，要求喷墨头中的多个致动元件能够高集成度布置。另外，提高喷墨头的耐久性以及降低成本也是市场对喷墨头提出的新的要求。

①提高致动元件变位特性

兄弟株式会社早期申请主要是确保致动元件能够正常工作，例如1998年申请的专利JP29843698A主要通过设置压电层之间的正负电极排布位置使得正负电极之间不会形成电气短路，从而保证致动元件能够正常工作。在确保了致动元件能够正常工作后，其改进点转变为提高压电结构的变位效率以及具有稳定的喷墨性能，例如JP2002042054A（2002年）主要通过设置压电层的活性层和驱动电极的区域和厚度以提高压电元件的变位特性。

②减少各致动元件之间串扰

减少各致动元件之间的串扰从而提高喷射性能是致动元件结构的重要改进方向。例如， JP2003065100A（2003年）通过压电元件中的电极位置结构设置避免多个壓电元件之间产生干涉。CN200410057719（2004年），通过使焊盘部分变得更加远离另一个单独电极，从而可以抑制串扰。从上述专利可以看出，对于抑制致动元件之间的串扰，其主要手段是通过对电极结构以及位置的改进。

③提高致动元件集成度

随着市场对小尺寸喷墨头以及高打印分辨率的需求增大，其改进方向也向具有高度集成的喷射元件方向发展，例如JP2001365513A（2001年），通过提高压电效率和面积效率，使得能够允许减小电极尺寸，从而能够使得压力室紧凑化从而提高压力室的集成度。CN02154854A（2002年）是在上述基础上进行的细节改进，其目的也是为了使得具有高集成度的压力室。

④提高致动元件耐久性

在满足喷射性能的情况下，提高喷墨头的耐久性以及降低成本也是重要改进方向（例如JP2005179415A、JP2005179416A、JP2005345087A）。

（2）流路构件结构

喷墨头中的流路构件用于将液体从墨源向压力室供给，再从压力室供给到喷嘴，使得液滴从喷嘴喷出而完成喷墨动作。由于喷墨头中排列设置较多的喷嘴，所以对应的有多个压力室，为了能够对多个压力室同时供墨，一般在流路构件中有共通流路作为总流路，另外还设置有多个单独流路分别用于从共通流路供墨至每个压力室，由于单独流路与共通流路是互相连通的，而每个压力室在喷墨时其压力波会通过传递到单独流路，之后再经过单独流路传递到共通流路，再由共通流路传递到隔壁的单独流路，从而影响隔壁的其他压力室的喷墨动作，这称为串扰问题。从墨源供给的墨液里会混杂一些气泡，而这些气泡汇集到压力室以及喷嘴附近从而阻碍油墨从喷嘴正常喷射。另外，在喷墨头小型化以及高度集成化的要求下，喷墨头中的压力室也要适应于小型化以及高集成化布置。所以，对于如何克服串扰（JP2001164666A、CN03201532A、CN200710091946）、利于气泡从流路构件中排出（JP2002024923A、JP2002060248A、JP2006233161A）、提高流路结构喷墨特性（CN03148441A、JP2003188610A、CN201310087524）、提高喷墨头耐久性（CN03149096A、CN201510134981、CN201610187067）等問题是流路构件改进的主要方向。

（3）驱动电路与电极连接结构

驱动电路将电压信号通过驱动电路的布线传递给致动元件的电极，从而控制致动元件工作。驱动电路的布线与电极的连接方式以及连接稳固程度以及耐久性，决定了喷墨头的工作可靠性以及工作寿命。在保证驱动电路以及与驱动电路连接的印刷电路板的各项功能的情况下，如何设置电路连接结构以减少喷墨头尺寸（CN200610005449、JP2003187865A、JP2010207841A、JP2016069116A）、提高电路连接结构的连接可靠性和耐久性（JP2003038779A、JP2006176399A、CN200610159599A）、设置电路连接结构提高喷墨性能（JP2004209848A、JP2014265265A、JP2016147226A）也是驱动电路的改进方向。

3结束语

从以上分析可知，兄弟工业对弯曲式压电喷墨头技术的主要改进方向为对喷墨头结构的改进，喷墨头结构的改进主要包括致动元件结构、流路构件结构、驱动电路与电极连接结构的技术改进，上述结构的改进都涉及防止串扰以提高喷射性能，所以防止串扰是喷墨头结构技术改进中的重点方向。在喷墨头尺寸越来越小，集成度越来越高的市场需求下，对于致动元件结构、流路构件以及驱动电路连接结构都涉及高集成化布置的改进。另外，在提高设备寿命方面，在致动元件结构、流路结构及电路连接结构方面都有涉及耐久性的提高。

通过对兄弟工业株式会社这家具有代表性的日本打印企业的专利技术分析，可以在一定程度上展示了弯曲式压电喷墨打印技术的发展脉络和主要改进点，从而有助于了解弯曲式压电喷墨技术的重点研发方向。

参考文献

[1] 王文强，压电式喷墨打印头振动板的设计制造与优化，硕士学位论文，大连理工大学，2017年6月;

[2] 范佃龙，压电喷墨打印头的模拟优化与测试，硕士学位论文，大连理工大学，2016年6月;

[3] 姚海根等，喷墨印刷，印刷工业出版社。