CN105983506A - 压电喷射阀及喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电喷射阀及喷射装置，属于点胶装置领域，所述压电喷射阀包括压电驱动部分，压电驱动部分包括压电陶瓷致动器和推杆，其中：压电陶瓷致动器包括固定设置的基板和从所述基板向下伸出的能够产生d₁₅剪切模式变形的第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁，第一和第二压电陶瓷悬臂梁沿所述基板长度方向排布；第一和第二压电陶瓷悬臂梁的末端连接有能够将所述第一和第二压电陶瓷悬臂梁的d₁₅剪切模式变形转换成竖直运动轨迹的柔性V形架，柔性V形架的下部固定连接所述推杆。本发明设计的压电喷射阀相对于现有技术，具有结构紧凑、尺寸较小、输出力高等特点。

Description

压电喷射阀及喷射装置

技术领域

本发明涉及点胶装置领域，特别是指一种压电喷射阀及具有该压电喷射阀的喷射装置。

背景技术

流体点胶技术是微电子封装中的一项关键技术，传统的点胶技术为接触式点胶，包括计量管式点胶、活塞式点胶和时间/压力型点胶。这种接触型点胶技术依靠点胶头引导胶液与面板接触，延时一段时间使胶液浸润面板，然后点胶头向上运动，胶液依靠和面板之间的黏性力与点胶头分离，从而在面板上形成胶点。这项点胶技术最大的特点是需要配置高精度的位移传感器，以控制点胶头下降和抬起的高度，辅助系统比较昂贵，且点胶速度受到了限制。另外，胶点的一致性比较差。随着微电子技术的发展，对点胶技术的要求也越来越高，点胶技术逐渐由接触式点胶向非接触式(喷射)点胶转变。非接触式点胶主要分为机械式喷射点胶和压电叠堆式喷射点胶。机械式喷射点胶的主要动力源是压缩空气。一个脉冲的压缩空气作用在活塞头上，压缩弹簧形成一定的位移，带动撞针抬起，然后胶液充满撞针抬起的空间，作用在活塞上的压缩空气泄掉后，在回复弹簧力的作用下，撞针向下快速运动冲击到喷嘴阀座，使胶液快速喷出形成胶滴，美国诺信公司的DJ-2100、DJ-2200、DJ-9000系列点胶头均是采用这种方式喷射点胶的。这种喷射装置较好的解决了接触式点胶的一些问题，但是由于空气的可压缩性致使胶点的一致性还不是很理想，并且工作频率比较低，一般在150Hz～200Hz。

压电叠堆式喷射点胶采用杠杆放大原理或液压放大原理将压电叠堆的微小位移进行放大，然后驱动撞针与喷嘴阀座配合实现胶液的喷射。这种采用压电叠堆喷射点胶的方式不仅实现了非接触式喷射点胶，还解决了空气动力源喷射点胶胶滴一致性不是很理想的问题，并且喷射频率最高可以达到700Hz，大大提高了喷射速度。但是压电叠堆价格昂贵，压电叠堆式喷射点胶装置的价格远远高于机械式喷射点胶装置，大大限制了压电叠堆式喷射点胶装置的应用。

发明内容

本发明提供一种压电喷射阀及喷射装置，具有结构紧凑、尺寸较小、输出力高的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种压电喷射阀，包括压电驱动部分，所述压电驱动部分包括压电陶瓷致动器和推杆，其中：所述压电陶瓷致动器包括固定设置的基板和从所述基板向下伸出的能够产生d₁₅剪切模式变形的第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁，所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁沿所述基板长度方向排布；所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的末端连接有能够将所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的d₁₅剪切模式变形转换成竖直运动轨迹的柔性V形架，所述柔性V形架的下部固定连接所述推杆。

进一步的，所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的形状均为柱形长方体，其极化方向相同，均为竖直向下；所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的相对的两个内侧面连接并接地，所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的相背的两个外侧面连接并外接电信号。

进一步的，所述外接电信号为占空比为0.5的方波信号或占空比大于0.5的方波信号。

进一步的，所述压电陶瓷致动器为陶瓷块体结构。

进一步的，所述压电喷射阀还包括带有内腔的壳体，所述压电陶瓷致动器、柔性V形架和推杆均设置在所述壳体的内部。

进一步的，所述壳体的下方连接有喷射部分，所述喷射部分具有喷射腔和喷孔，所述喷射腔内在所述喷孔的上方设有喷射杆，所述喷射杆的上端与所述推杆的下端接触，所述喷射杆上配合设置有回弹元件。

进一步的，所述回弹元件为弹簧或圆片式碟簧。

进一步的，

所述柔性V形架的下部通过推杆套筒固定连接所述推杆；所述壳体的内部设置有压电陶瓷固定座，所述基板粘接在所述压电陶瓷固定座上，所述压电陶瓷固定座通过螺钉固定在所述壳体上；所述回弹元件的上方围绕所述喷射杆设有喷射杆密封圈；所述喷射部分通过螺栓或者卡槽连接于所述壳体的下部。

进一步的，所述压电陶瓷致动器通过将整块压电陶瓷块极化后切割制得，所述柔性V形架的材料为金属材料，所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁与所述柔性V形架粘接到一起。

一种喷射装置，包括上述的压电喷射阀。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的压电喷射阀利用柔性V形架将第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的d₁₅剪切模式变形转换成竖直方向的运动轨迹，不需要共振即可获得很大的位移，压电驱动器尺寸小、结构简单；本发明的压电驱动器采用d₁₅剪切模式，由于压电常数d₁₅通常是d₃₃的两倍，是d₃₁的四倍，所以相对而言，同种情况下压电陶瓷具有更大的变形，压电驱动部分具有更高的输出力；故本发明的采用d₁₅剪切模式的压电驱动部分为喷射阀的动力和大位移输出提供了保障，可快速分配各类粘度的液体。

同时，申请人发现本发明还具有以下优点：

(1)本发明充分地利用压电陶瓷对切割形成的液滴进行加速，使得液滴获得很大的动能，可以有效地克服液滴表面张力及其与喷嘴表面的附着力。当液体断流以后，喷射液体粘住喷嘴的现象不会再发生，因此，该装置可以很好地适应对高粘度液体的喷射；

(2)本发明的驱动部分为压电陶瓷，主要结构是由一个长方体结构延伸出两个悬臂梁结构，虽然该部分全部为压电陶瓷，但是只有两个悬臂梁结构的压电陶瓷工作，长方体结构不参与工作，并且工作压电陶瓷的振动变形不受长方体结构压电陶瓷的影响，因此可以直接通过固定长方体结构部分来固定该压电驱动部分，固定方法多而简单，稳定性好，夹持固定方式不会对压电驱动器的性能产生影响；

(3)本发明的压电驱动器结构简单，加工工艺简便，第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的材质全部为压电陶瓷，不用额外粘贴压电陶瓷片，可以以较简单的工艺做到完全一致，并且第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的变形为剪切变形，变形稳定性好。

附图说明

图1为本发明的压电喷射阀的压电驱动部分的结构示意图；

图2为本发明的压电喷射阀的U型压电陶瓷的结构示意图；

图3为本发明的压电喷射阀的结构示意图；

图4为本发明的压电喷射阀的压电陶瓷致动器的加电方式和工作状态分解示意图；

图5为本发明的压电喷射阀的压电陶瓷致动器所加电信号的波形图；

图6为本发明的压电喷射阀的喷射部分的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种压电喷射阀，如图1-2所示，包括压电陶瓷驱动部分1，压电陶瓷驱动部分1包括压电陶瓷致动器12和推杆16，压电陶瓷致动器12包括基板121和位于基板121上并可以产生d₁₅剪切模式变形的第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123，第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123竖向设置并沿基板121长度方向排布；第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123的末端连接有能够将第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123的d₁₅剪切模式变形转换成竖直运动轨迹的柔性V形架17，柔性V形架17的下部固定连接有推杆16。

与现有技术相比，本发明的压电喷射阀利用柔性V形架17将第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123的d₁₅剪切模式变形转换成竖直方向的运动轨迹，不需要共振即可获得很大的位移，压电驱动器尺寸小、结构简单；此外，由于压电常数d₁₅通常是d₃₃的两倍，是d₃₁的四倍，所以相对而言，同种情况下压电陶瓷具有更大的变形，压电驱动部分有更高的输出力；故本发明的压电驱动部分为喷射阀的动力和大位移输出提供了保障，可快速分配各类粘度的液体。

具体的，柔性V形架17可以包括第一支撑脚、第二支撑脚，第一支撑脚的顶端与第一压电陶瓷悬臂梁122的末端连接，第二支撑脚的顶端与第二压电陶瓷悬臂梁123的末端连接，优选的连接方式是以环氧胶粘接，第一与第二支撑脚的底部端面连接到一起共同固定连接推杆16；柔性V形架17与推杆16间通过以下方式连接：在柔性V形架17上通过过盈配合将推杆套筒15固定住，然后再在推杆套筒15上固定安装推杆16。柔性V形架17不但可以把剪切运动转换为竖直运动，而且利用了三角放大原理，有位移放大作用且结构紧凑。

本发明的第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123的d₁₅剪切模式变形与第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123的形状、电极面位置、极化方式和加电方式有关，可以选用能够产生d₁₅剪切模式变形的各种形状、电极面位置、极化方式和加电方式的组合；优选的，第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123均加工成柱形长方体，如图4所示，压电陶瓷致动器12沿竖直向下的方向极化，将第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123相对的两个内侧面连接到一起并接地，相背的两个外侧面连接到一起并外接电信号。

工作时，当外接电信号如图5中电信号a时，此时压电陶瓷致动器12的两个工作压电陶瓷同时接入正电，压电陶瓷致动器12的左右两个工作压电陶瓷同时向外侧发生剪切变形如图4中S所示，此时，柔性V形架17的底端向上运动，当外接电信号如图5中b所示时，此时压电陶瓷致动器12的两个工作压电陶瓷同时接入负电，压电陶瓷致动器12的左右两个工作压电陶瓷同时向内侧发生剪切变形如图4中L所示，此时，柔性V形架17的底端向下运动。当给压电陶瓷致动器12加如图5所示的方波电信号时，柔性V形架17的底端就会在竖直方向上来回运动，并带动推杆16在竖直方向上往复运动。

目前已公开的采用多层压电陶瓷的点胶阀，多层压电陶瓷受到结构本身特性的限制，不建议采用收缩工作方式，收缩方式容易造成陶瓷损坏，且大电压下容易使压电陶瓷退极化，所以目前的多层压电陶瓷多数只能采用伸长工作方式。本方案压电陶瓷可以在交变电压下工作，压电陶瓷既可以伸长，也可以收缩，引起的推杆向上和向下运动，因此，本方案推杆的移动行程是双倍。

本发明有多种加电方式，优选的，压电陶瓷致动器12所加电信号为占空比为0.5的方波信号。此外，为了使推杆具有急回特性，增大效率，可以采用占空比大于0.5的方波信号或者本领域技术人员所能想到的其他方式。

进一步的，第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123外接电信号的两个侧面和接地的两个侧面被有高温银电极，增强压电陶瓷致动器12对信号的灵敏度。

本发明的压电陶瓷致动器12优选采用陶瓷块体结构。采用普通压电陶瓷，大大降低了加工成本和工艺难度，提高了压电陶瓷可靠性。而同时巧妙地利用基于压电系数d₁₅的剪切变形弥补普通压电陶瓷输出位移的不足。

作为本发明的一种改进，压电陶瓷致动器12还可以具有四个压电陶瓷悬臂梁，即：包括与第一压电陶瓷悬臂梁122和第二压电陶瓷悬臂梁123材质、结构、电极面位置、极化方向和加电方式完全相同的第三压电陶瓷悬臂梁和第四压电陶瓷悬臂梁，第一压电陶瓷悬臂梁122、第二压电陶瓷悬臂梁123、第三压电陶瓷悬臂梁和第四压电陶瓷悬臂梁呈矩形排布(此时，可以共用一个矩形基板)，第三压电陶瓷悬臂梁和第四压电陶瓷悬臂梁的末端连接有第二柔性V形架，第二柔性V形架与前文柔性V形架17的材质和结构完全相同，二者的下部连接到一起成为一体结构共同固定推杆16。

在第一压电陶瓷悬臂梁122、第二压电陶瓷悬臂梁123、第三压电陶瓷悬臂梁和第四压电陶瓷悬臂梁的共同推动下，可以为推杆16提供更大的力的输出，进而使得液滴获得很大的动能，可以有效地克服液滴表面张力及其与喷嘴22表面的附着力。当液体断流以后，喷射液体粘住喷嘴22的现象不会再发生。因此，可以很好地适应对高粘度液体的喷射。

此外本领域技术人员在此基础上，还可以任意改变压电陶瓷悬臂梁数目或延伸悬臂梁结构的长度来扩大压电陶瓷位移或力的输出。

进一步的，如图1所示，本发明的压电喷射阀包括有带内腔的壳体11，压电陶瓷致动器12、柔性V形架17和推杆均设置在壳体11内；壳体11结构可以使喷射阀装置结构更加紧凑，整体性更强，固定更方便。一种具体安装方式是：在壳体11内侧顶部通过螺钉安装有压电陶瓷固定座13，压电陶瓷致动器12的基板121粘接在压电陶瓷固定座13上，所用粘接剂可以是环氧胶。

此外，如图3所示，壳体11下部固定连接有压电喷射阀的喷射部分2，从图6中可以看出，喷射部分2包括喷射杆21、喷嘴22、密封喷射腔23、回弹元件25和密封圈(喷射杆密封圈24和供胶密封圈26)。喷射杆21位于推杆16的下方，喷射杆21的上端与推杆16的下端接触；在喷射杆21和密封喷射腔23之间配合设置有回弹元件25；喷嘴22的中间开有喷射液滴的喷孔，喷孔位于喷射杆21的正下方，喷射杆21的底端与喷孔周围的喷嘴22部分形状配合设置，使二者接触时，喷射杆21可以完全封住喷孔；在回弹元件25的上方围绕喷射杆21，在喷射杆21与密封喷射腔23之间设有喷射杆密封圈24，在密封喷射腔23与液体供应3部分间设置有供液密封圈26，两个密封圈将液体密封在密封喷射腔23中。

工作时，压电喷射阀压电驱动部分1中的推杆16快速推动喷射杆21，将密封喷射腔23内部的液体从喷嘴22的喷孔中打出去，同时压紧弹簧，然后推杆16在压电陶瓷致动器12的作用下向上运动，此时，回弹元件25再将向下运动后的喷射杆21回弹到原来位置，为下一次喷射液体做准备。在这个过程中，推杆16不需要与喷射杆21的轴心对齐，在不影响功能的前提下降低了对装配的要求，喷射杆21底端与喷嘴22配合设置可以更好的切割液滴，使液体喷出。

进一步的，回弹元件25优选是圆片式碟簧。采用圆片式碟簧可以在实现喷射杆21能够回弹归位的基础上使得尺寸更加紧凑。

优选的，柔性V形架17的下部通过推杆套筒15固定连接推杆16；壳体11的内部设置有压电陶瓷固定座13，基板121粘接在压电陶瓷固定座13上，压电陶瓷固定座13通过螺钉固定在壳体11上；基板121粘接到压电陶瓷固定座13上；回弹元件25的上方围绕喷射杆21设有喷射杆密封圈24；喷射部分2连接于壳体11的下部，喷射部分2与壳体11通过螺栓、卡槽或者过盈配合；喷嘴22通过过盈配合安装到密封喷射腔23中；供液部分3通过螺纹连接直接固定到壳体11上。

本发明所需的压电陶瓷致动器12优选通过以下方法得到：将压电陶瓷材料直接烧结成型做成一个长方体的整体，然后极化，极化后再切割成图2所示的形状。

另一方面，本发明提供一种喷射装置，包括上述的压电喷射阀，由于结构与上相同，此处不再赘述。

本发明的有益效果：

与现有技术相比：本发明的压电喷射阀利用柔性V形架将第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的d₁₅剪切模式变形转换成竖直方向的运动轨迹，不需要共振即可获得很大的位移，压电驱动器尺寸小、结构简单；本发明的压电驱动器采用d₁₅剪切模式，由于压电常数d₁₅通常是d₃₃的两倍，是d₃₁的四倍，所以相对而言，同种情况下压电陶瓷具有更大的变形，压电驱动部分具有更高的输出力；故本发明的采用d₁₅剪切模式的压电驱动部分为喷射阀的动力和大位移输出提供了保障，可快速分配各类粘度的液体。

同时，申请人发现本发明还具有以下优点：

(1)本发明充分地利用压电陶瓷对切割形成的液滴进行加速，使得液滴获得很大的动能，可以有效地克服液滴表面张力及其与喷嘴表面的附着力。当液体断流以后，喷射液体粘住喷嘴的现象不会再发生，因此，该装置可以很好地适应对高粘度液体的喷射；

(2)本发明的驱动部分为压电陶瓷，主要结构是由一个长方体结构延伸出两个悬臂梁结构，虽然该部分全部为压电陶瓷，但是只有两个悬臂梁结构的压电陶瓷工作，长方体结构不参与工作，并且工作压电陶瓷的振动变形不受长方体结构压电陶瓷的影响，因此可以直接通过固定长方体结构部分来固定该压电驱动部分，固定方法多而简单，稳定性好，夹持固定方式不会对压电驱动器的性能产生影响；

(3)本发明的压电驱动器结构简单，加工工艺简便，第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的材质全部为压电陶瓷，不用额外粘贴压电陶瓷片，可以以较简单的工艺做到完全一致，并且第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的变形为剪切变形，变形稳定性好。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压电喷射阀，包括压电驱动部分，其特征在于，所述压电驱动部分包括压电陶瓷致动器和推杆，其中：

所述压电陶瓷致动器包括固定设置的基板和从所述基板向下伸出的能够产生d₁₅剪切模式变形的第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁，所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁沿所述基板长度方向排布；

所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的末端连接有能够将所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的d₁₅剪切模式变形转换成竖直运动轨迹的柔性V形架，所述柔性V形架的下部固定连接所述推杆。

2.根据权利要求1所述的压电喷射阀，其特征在于，所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的形状均为柱形长方体，其极化方向相同，均为竖直向下；

所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的相对的两个内侧面连接并接地，所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁的相背的两个外侧面连接并外接电信号。

3.根据权利要求2所述的压电喷射阀，其特征在于，所述外接电信号为占空比为0.5的方波信号或占空比大于0.5的方波信号。

4.根据权利要求2所述的压电喷射阀，其特征在于，所述压电陶瓷致动器为陶瓷块体结构。

5.根据权利要求1-4任一所述的压电喷射阀，其特征在于，所述压电喷射阀还包括带有内腔的壳体，所述压电陶瓷致动器、柔性V形架和推杆均设置在所述壳体的内部。

6.根据权利要求5所述的压电喷射阀，其特征在于，所述壳体的下方连接有喷射部分，所述喷射部分具有喷射腔和喷孔，所述喷射腔内在所述喷孔的上方设有喷射杆，所述喷射杆的上端与所述推杆的下端接触，所述喷射杆上配合设置有回弹元件。

7.根据权利要求6所述的压电喷射阀，其特征在于，所述回弹元件为弹簧或圆片式碟簧。

8.根据权利要求5所述的压电喷射阀，其特征在于，所述柔性V形架的下部通过推杆套筒固定连接所述推杆；

所述壳体的内部设置有压电陶瓷固定座，所述基板粘接在所述压电陶瓷固定座上，所述压电陶瓷固定座通过螺钉固定在所述壳体上；

所述回弹元件的上方围绕所述喷射杆设有喷射杆密封圈；

所述喷射部分通过螺栓或者卡槽连接于所述壳体的下部。

9.根据权利要求5所述的压电喷射阀，其特征在于，所述压电陶瓷致动器通过将整块压电陶瓷块极化后切割制得，所述柔性V形架的材料为金属材料，所述第一压电陶瓷悬臂梁和第二压电陶瓷悬臂梁与所述柔性V形架粘接到一起。

10.一种喷射装置，其特征在于，包括权利要求1-9中任一所述的压电喷射阀。