CN105984216A - 压电喷头及其加工方法以及包括该喷头的喷涂设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电喷头及其加工方法以及包括该喷头的喷涂设备，属于压电陶瓷领域，所述压电喷头包括至少一个墨水槽，所述墨水槽上覆盖有柔性隔膜，形成墨水腔，所述墨水腔的一端设置有进墨口，另一端设置有喷嘴，所述柔性隔膜上对应所述墨水腔设置有采用d₃₁面内横向弯曲变形模式的压电陶瓷悬臂梁，所述压电陶瓷悬臂梁的一端靠近所述进墨口并固定，另一端靠近所述喷嘴，所述压电陶瓷悬臂梁连接有驱动电路。与现有技术相比，本发明的压电喷头输出力高、适用范围广，零部件不易磨损、寿命长。

Description

压电喷头及其加工方法以及包括该喷头的喷涂设备

技术领域

本发明涉及压电陶瓷领域，特别是指一种压电喷头及其加工方法以及包括该喷头的喷涂设备。

背景技术

喷头是喷墨打印机或点胶机最核心、所占成本最高、技术含量最高的部件，国内从研发到制造均属空白，完全依赖于进口，但是，国外的喷头结构复杂，制备工艺也非常复杂，对超精密加工设备的依赖性很强，喷头的价格昂贵；另外，国外的喷头的输出位移，输出力低，喷头适用范围有限；而且喷头的零部件易磨损，寿命短。

以爱普生压电喷头为例，如图1和图2所示，爱普生压电喷头的喷嘴板、墨腔均是采用MEMS生产工艺制成，结构和加工工艺复杂，加工设备昂贵，喷头成本高；爱普生压电喷头结构中的压电陶瓷为1微米厚的压电陶瓷薄膜，压电陶瓷薄膜受到制备工艺的限制，自身密度比较低，加电变形时不会产生大的输出位移，使输出力低，并且爱普生压电喷头的材质以半导体硅为主，硅材质刚度大，墨腔变形幅度小，使输出力进一步降低，由于输出力的降低，爱普生压电喷头只适合家庭和办公打印，不适合工业上陶瓷喷墨打印或者对于喷射力要求高的点胶打印等；爱普生压电喷头的压电陶瓷薄膜整条与墨腔基体表面粘接到一起，压电陶瓷薄膜发生变形时，会引起整个墨腔产生变形，使墨腔等零部件易磨损，寿命短。

发明内容

本发明提供一种压电喷头及其加工方法以及包括该喷头的喷涂设备，该压电喷头输出力高、适用范围广，零部件不易磨损、寿命长。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种压电喷头，包括至少一个墨水槽，所述墨水槽上覆盖有柔性隔膜，形成墨水腔，所述墨水腔的一端设置有进墨口，另一端设置有喷嘴，所述柔性隔膜上对应所述墨水腔设置有采用d31面内横向弯曲变形模式的压电陶瓷悬臂梁，所述压电陶瓷悬臂梁的一端靠近所述进墨口并固定，另一端靠近所述喷嘴，所述压电陶瓷悬臂梁连接有驱动电路。

进一步的，所述柔性隔膜上设置有支架，所述压电陶瓷悬臂梁的靠近所述进墨口的一端固定在所述支架上，另一端设置有触点，所述触点的表面粘在所述柔性隔膜上。

进一步的，所述墨水槽为一端封闭，一端开口的槽体，其中：

所述柔性隔膜及支架上位于墨水槽封闭的一端开有窗口，形成所述进墨口；

所述喷嘴设置在喷嘴板上，所述喷嘴板粘在墨水槽开口的一端的端面上。

进一步的，所述墨水槽为一端封闭，一端开口的槽体，其中：

墨水槽开口的一端的端面作为进墨口；

墨水槽封闭的一端的端面或底面上开有小孔，作为喷嘴。

进一步的，所述墨水槽为两端封闭的槽体，其中：

所述柔性隔膜及支架上位于所述墨水槽的一端开有窗口，形成所述进墨口；或者，所述墨水槽的一端的底部开有通孔，形成所述进墨口；

所述墨水槽的另一端的端面或底面上开有小孔，作为喷嘴。

进一步的，所述墨水槽为两端开口的槽体，其中：

所述墨水槽的一端的端面作为进墨口；

所述喷嘴设置在喷嘴板上，所述喷嘴板粘在所述墨水槽的另一端。

进一步的，所述压电陶瓷悬臂梁为压电双晶片结构，包括内电极，所述内电极的两个表面均设置有压电陶瓷片，每个压电陶瓷片的外表面均设置有外电极。

进一步的，所述柔性隔膜的材质为有机薄膜，包括聚乙烯或聚酰亚胺；所述支架的材质为结构陶瓷，所述墨水槽的材质为结构陶瓷或硅材料，所述喷嘴板的材质为结构陶瓷、镍铁合金、有机玻璃、工程塑料、特氟龙或半导体硅材料，所述结构陶瓷包括氧化铝、氧化锆、氮化硅或氮化铝；所述压电陶瓷片的材质为锆钛酸铅；所述内电极的材质为银钯合金、铜或银；所述外电极的材质铝、银、镍或金。

另一方面，本发明提供一种上述压电喷头的加工方法，包括：

步骤1：在块体材料上进行精密切槽加工，形成一端封闭，一端开口的墨水槽，其中，所述块体材料为结构陶瓷或硅材料；

步骤2：将柔性隔膜覆盖并粘在所述墨水槽上，形成墨水腔，其中所述柔性隔膜上位于墨水槽封闭的一端开有用于进墨的第一窗口；

步骤3：将支撑板覆盖并粘在所述柔性隔膜上，其中，所述支撑板上位于墨水槽封闭的一端开有与所述第一窗口对应的第二窗口，所述支撑板上位于墨水槽开口的一端开有用作为压电陶瓷悬臂梁动作空间的第三窗口；

步骤4：将压电陶瓷板覆盖并粘在所述支撑板上；

步骤5：将所述压电陶瓷板以及所述支撑板靠近所述喷嘴的一端进行切割，形成带有触点的压电陶瓷悬臂梁，其中所述触点由切割所述支撑板靠近所述喷嘴的一端而得到；

步骤6：将喷嘴板粘在墨水槽开口的一端的端面上。

再一方面，本发明提供一种喷涂设备，包括上述压电喷头，所述喷涂设备包括打印机、点胶机、釉料喷涂设备或电极浆料喷涂设备。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的压电喷头在工作时，墨水从进墨口流入墨水腔，通过驱动电路对压电陶瓷悬臂梁加电信号，压电陶瓷悬臂梁会发生向柔性隔膜方向的变形，挤压柔性隔膜，使柔性隔膜向墨水腔内凹陷，将墨水从喷嘴挤出。本发明的压电喷头使用压电陶瓷悬臂梁作为驱动部件，其采用d31面内横向弯曲变形，加电时变形量大，输出力高，可以对墨水槽中的墨水产生较大的变形压力，有利于增加墨滴喷射初始速度，提高喷墨打印头的工作效率，并且柔性隔膜代替了刚度大的硅材料，保证了墨水腔的变形量大，对墨水的压力高；另外压电陶瓷悬臂梁的最大位移发生在靠近喷嘴的一侧，可以在的墨水槽靠近喷嘴的位置，形成最大的墨水压力变化；由于输出量大，本发明的压电喷头不仅适用于家庭和办公打印，还适用于工业上陶瓷喷墨打印或者对于喷射力要求高的点胶打印，以及喷涂釉料或电极浆料等，适用范围广；本发明的压电陶瓷悬臂梁变形时，只会使柔性隔膜变形，墨水腔的其他部分不变形，使墨水腔不易磨损，寿命长。故本发明的压电喷头输出力高、零部件不易磨损、寿命长。

附图说明

图1为现有技术中爱普生打印机喷头的结构示意图；

图2为现有技术中爱普生打印机喷头的剖视图；

图3为本发明的压电喷头的结构示意图；

图4为本发明的压电喷头的墨水槽示意图；

图5为图3的俯视图；

图6为图5的A-A向剖视图；

图7为图5的B-B向剖视图；

图8为本发明的压电喷头的工作过程示意图；

图9为本发明中的压电陶瓷悬臂梁的结构示意图；

图10为本发明的压电喷头的加工过程示意图。

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头，如图3至图8所示，包括至少一个墨水槽1，墨水槽1上覆盖有柔性隔膜2，形成墨水腔，墨水腔的一端设置有进墨口6，另一端设置有喷嘴7，柔性隔膜2上对应墨水腔设置有采用d31面内横向弯曲变形模式的压电陶瓷悬臂梁4，压电陶瓷悬臂梁4的一端靠近进墨口6并固定，另一端靠近喷嘴7，压电陶瓷悬臂梁4连接有驱动电路。

本发明中，墨水槽可以有多种结构形式，对应着有多种加工方式，例如可以是在块体材料上开槽加工，形成墨水槽，也可以是加工好矩形的墨水槽侧壁，然后间隔一定距离粘在地板上，形成墨水槽；柔性隔膜覆盖到墨水槽，需要密封，可以采用压紧方式密封，也可以用粘贴的方式密封；在墨水腔上需要有供墨水流入的进墨口，以及将墨水喷出的喷嘴，这里所说的墨水只是为了叙述方便而为，也可以不是墨水，而是点胶水、釉料或电极浆料等黏度较大的流体等；压电陶瓷悬臂梁采用d31面内横向弯曲变形，其一端可以直接固定到墨水腔上，也可以通过增加其他机构来固定，另一端靠近喷嘴，在加电时，压电陶瓷悬臂梁变形会将喷嘴附近的墨水挤压出喷嘴。

与现有技术相比，本发明的压电喷头在工作时，墨水从进墨口流入墨水腔，通过驱动电路对压电陶瓷悬臂梁加电信号，压电陶瓷悬臂梁会发生向柔性隔膜方向的变形，挤压柔性隔膜，使柔性隔膜向墨水腔内凹陷，将墨水从喷嘴挤出。本发明的压电喷头使用压电陶瓷悬臂梁作为驱动部件，其采用d31面内横向弯曲变形，加电时变形量大，输出力高，可以对墨水槽中的墨水产生较大的变形压力，有利于增加墨滴喷射初始速度，提高喷墨打印头的工作效率，并且柔性隔膜代替了刚度大的硅材料，保证了墨水腔的变形量大，对墨水的压力高；另外压电陶瓷悬臂梁的最大位移发生在靠近喷嘴的一侧，可以在的墨水槽靠近喷嘴的位置，形成最大的墨水压力变化；由于输出量大，本发明的压电喷头不仅适用于家庭和办公打印，还适用于工业上陶瓷喷墨打印或者对于喷射力要求高的点胶打印，以及喷涂釉料或电极浆料等，适用范围广；本发明的压电陶瓷悬臂梁变形时，只会使柔性隔膜变形，墨水腔的其他部分不变形，使墨水腔不易磨损，寿命长。故本发明的压电喷头输出力高、零部件不易磨损、寿命长。

作为本发明的一种改进，如图3至图8所示，柔性隔膜上设置有支架31，压电陶瓷悬臂梁4的靠近进墨口6的一端固定在支架31上，另一端设置有触点32，触点32的表面粘在柔性隔膜2上。

支架可以方便压电陶瓷悬臂梁的固定，使用支架固定能够避免压电陶瓷悬臂梁变形时对墨水腔产生影响，如应力以及变形等；使用支架固定时，会使压电陶瓷悬臂梁未固定的一端与柔性隔膜不再接触，为此，作为补偿，在这一端上设置有触点，使触点的表面与柔性隔膜接触，触点使压电陶瓷悬臂梁与柔性隔膜充分接触，使压电陶瓷悬臂梁的变形量不会浪费；进一步的触点的表面粘在柔性隔膜上，这样，给压电陶瓷悬臂梁加交变电压，先使压电陶瓷悬臂梁向墨水腔外变形，使柔性隔膜向墨水腔外扩张，吸入墨水，然后使压电陶瓷悬臂梁向墨水腔内变形，使柔性隔膜向墨水腔内挤压，将墨水从喷嘴挤出，这样既能在压电陶瓷悬臂梁回程时使柔性隔膜的变形恢复，为下次动作做准备，又能吸入墨水。

本发明中，墨水槽可以有多种结构，对应的墨水腔也可以有多种结构，具体实施例如下：

实施例一：

墨水槽1为一端封闭，一端开口的槽体，其中：

柔性隔膜2及支架31上位于墨水槽1封闭的一端开有窗口，形成进墨口6，如图6所示，；或者，墨水槽的封闭的一端的底部开有通孔，形成进墨口；

喷嘴7设置在喷嘴板5上，喷嘴板5粘在墨水槽1开口的一端的端面上；

喷嘴设置在喷嘴板上，当喷嘴出现故障时，只需要更换喷嘴板即可，不需要更换整个压电喷头。

实施例二：

墨水槽为一端封闭，一端开口的槽体，其中：

墨水槽开口的一端的端面作为进墨口；

以开口的一端作为进墨口，不用额外的设置进墨口，简单方便；

墨水槽封闭的一端的端面或底面上开有小孔，作为喷嘴；

墨水槽封闭的一端的端面或底面上开有小孔，作为喷嘴，不需要额外的喷嘴板。

实施例三：

墨水槽为两端封闭的槽体，其中：

柔性隔膜及支架上位于墨水槽的一端开有窗口，形成进墨口；或者，墨水槽的一端的底部开有通孔，形成进墨口；

墨水槽的另一端的端面或底面上开有小孔，作为喷嘴；

墨水槽另一端的端面或底面上开有小孔，作为喷嘴，不需要额外的喷嘴板。

实施例四：

墨水槽为两端开口的槽体，其中：

墨水槽的一端的端面作为进墨口；

以开口的一端作为进墨口，不用额外的设置进墨口，简单方便；

喷嘴设置在喷嘴板上，喷嘴板粘在墨水槽的另一端；

喷嘴设置在喷嘴板上，当喷嘴出现故障时，只需要更换喷嘴板即可，不需要更换整个压电喷头。

作为本发明的另一种改进，如图9所示，压电陶瓷悬臂梁4为压电双晶片结构，包括内电极42，内电极42的两个表面均设置有压电陶瓷片41，每个压电陶瓷片41的外表面均设置有外电极。

压电双晶片结构可以为并联型，即两片压电陶瓷片41的极化方向相反，则电极引线61接交流电“+”，电极引线62、63接交流电“-”；压电双晶片结构可以为串联型，即两片压电陶瓷片的极化方向相同，则电极引线62接交流电“+”，电极引线63接交流电“-”，电极引线61接地，电压为0。由于交流幅值随时变化，“+”、“-”只作为记号。压电陶瓷悬臂梁采用压电双晶片结构，可以获得更大的变形力。

与现有技术相比，本发明的压电喷头采用不同的材质，具体的：

柔性隔膜的材质可以为有机薄膜，包括聚乙烯或聚酰亚胺等；有机薄膜的弹性模量小，在压电陶瓷悬臂梁的作用下容易产生变形，可以对墨水槽中的墨水产生较大的变形压力，有利于增加墨滴喷射初始速度，提高喷墨打印头的工作效率，已有的压电喷头的墨水槽密封采用的是有一定刚度的硅材质、陶瓷材质、金属材质等，变形小；并且有机薄膜耐腐蚀，使用范围广，寿命长；

支架的材质可以为结构陶瓷，墨水槽的材质为结构陶瓷或硅材料，喷嘴板的材质为结构陶瓷、镍铁合金、有机玻璃、工程塑料、特氟龙或半导体硅材料，结构陶瓷包括氧化铝、氧化锆、氮化硅或氮化铝；

支架、墨水槽、喷嘴板的材质可以均为刚性材料，不易变形，不易磨损，寿命更长；

压电陶瓷片的材质可以为锆钛酸铅；内电极的材质可以为银钯合金、铜或银；外电极的材质可以为铝、银、镍或金。

另一方面，本发明提供一种上述压电喷头的加工方法，如图10所示，包括：

步骤1：如图10a与图10b所示，在块体材料1’上进行精密切槽加工，形成一端封闭，一端开口的墨水槽1，其中，块体材料1’为结构陶瓷或硅材料；

本步骤中，墨水槽是通过在块体材料上进行精密切槽加工制得，工艺简单，加工方便，上述精密切槽加工可以使用划片机完成；

步骤2：如图10c所示，将柔性隔膜2覆盖并粘在墨水槽上，形成墨水腔，其中柔性隔膜上位于墨水槽1封闭的一端开有用于进墨的第一窗口；

步骤3：如图10d所示，将支撑板3覆盖并粘在柔性隔膜上，其中，支撑板3上位于墨水槽1封闭的一端开有与第一窗口对应的第二窗口，支撑板3上位于墨水槽1开口的一端开有用作为压电陶瓷悬臂梁4动作空间的第三窗口；

本步骤中，支撑板的形状可以为板状结构，开有两个窗口，一个用于进墨口，一个为压电陶瓷悬臂梁动作空间；

步骤4：如图10e所示，将压电陶瓷板4’覆盖并粘在支撑板3上；

本步骤中的压电陶瓷板是压电陶瓷悬臂梁加工之前的形态；

步骤5：如图10f所示，将压电陶瓷板4’以及支撑板3靠近喷嘴7的一端进行切割，形成带有触点32的压电陶瓷悬臂梁4以及支架31，其中触点32由切割支撑板3靠近喷嘴的一端而得到，支撑板3的剩余部分为支架31；

以往形成的压电陶瓷悬臂梁，一般是先制备好压电陶瓷悬臂梁，再与喷头其它结构部件连接，形成完成的喷头结构。本发明中的压电陶瓷悬臂梁是将整张大的压电陶瓷板，与柔性隔膜上的支撑板粘接好之后，再通过精密划片工艺加工成阵列的条状压电陶瓷悬臂梁，每条压电陶瓷悬臂梁对应一条墨水槽，工艺简单，成本低；在切割时，同时将支撑板靠近喷嘴的一端进行切割，得到触点，简单方便；

步骤6：如图10g所示，将设置有喷嘴7的喷嘴板5粘在墨水槽1开口的一端的端面上；

上述方法很容易根据实际需要，制备成不同物理分辨率的喷头结构，比如分辨率超过600dpi用于传统印刷行业的精密压电喷墨头，也可以轻易获得分辨率低于180dpi的可用于多点点胶，或釉料喷射的压电喷头结构。

故本发明的压电喷头的加工方法工艺简单，加工方便，成本低，适用范围广。

再一方面，本发明提供一种喷涂设备，包括上述压电喷头，喷涂设备包括打印机、点胶机、喷釉喷涂设备或电极浆料喷涂设备。

与上述压电喷头对应的，本发明的喷涂设备输出力高、零部件不易磨损、寿命长。

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)

1.一种压电喷头，其特征在于，包括至少一个墨水槽，所述墨水槽上覆盖有柔性隔膜，形成墨水腔，所述墨水腔的一端设置有进墨口，另一端设置有喷嘴，所述柔性隔膜上对应所述墨水腔设置有采用d₃₁面内横向弯曲变形模式的压电陶瓷悬臂梁，所述压电陶瓷悬臂梁的一端靠近所述进墨口并固定，另一端靠近所述喷嘴，所述压电陶瓷悬臂梁连接有驱动电路。

2.根据权利要求1所述的压电喷头，其特征在于，所述柔性隔膜上设置有支架，所述压电陶瓷悬臂梁的靠近所述进墨口的一端固定在所述支架上，另一端设置有触点，所述触点的表面粘在所述柔性隔膜上。

3.根据权利要求2所述的压电喷头，其特征在于，所述墨水槽为一端封闭，一端开口的槽体，其中：

所述柔性隔膜及支架上位于墨水槽封闭的一端开有窗口，形成所述进墨口；

所述喷嘴设置在喷嘴板上，所述喷嘴板粘在墨水槽开口的一端的端面上。

4.根据权利要求2所述的压电喷头，其特征在于，所述墨水槽为一端封闭，一端开口的槽体，其中：

墨水槽开口的一端的端面作为进墨口；

墨水槽封闭的一端的端面或底面上开有小孔，作为喷嘴。

5.根据权利要求2所述的压电喷头，其特征在于，所述墨水槽为两端封闭的槽体，其中：

所述柔性隔膜及支架上位于所述墨水槽的一端开有窗口，形成所述进墨口；或者，所述墨水槽的一端的底部开有通孔，形成所述进墨口；

所述墨水槽的另一端的端面或底面上开有小孔，作为喷嘴。

6.根据权利要求2所述的压电喷头，其特征在于，所述墨水槽为两端开口的槽体，其中：

所述墨水槽的一端的端面作为进墨口；

所述喷嘴设置在喷嘴板上，所述喷嘴板粘在所述墨水槽的另一端。

7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的压电喷头，其特征在于，所述压电陶瓷悬臂梁为压电双晶片结构，包括内电极，所述内电极的两个表面均设置有压电陶瓷片，每个压电陶瓷片的外表面均设置有外电极。

8.根据权利要求7所述的压电喷头，其特征在于，所述柔性隔膜的材质为有机薄膜，包括聚乙烯或聚酰亚胺；所述支架的材质为结构陶瓷，所述墨水槽的材质为结构陶瓷或硅材料，所述喷嘴板的材质为结构陶瓷、镍铁合金、有机玻璃、工程塑料、特氟龙或半导体硅材料，所述结构陶瓷包括氧化铝、氧化锆、氮化硅或氮化铝；所述压电陶瓷片的材质为锆钛酸铅；所述内电极的材质为银钯合金、铜或银；所述外电极的材质铝、银、镍或金。

9.权利要求3所述的压电喷头的加工方法，其特征在于，包括：

步骤1：在块体材料上进行精密切槽加工，形成一端封闭，一端开口的墨水槽，其中，所述块体材料为结构陶瓷或硅材料；

步骤2：将柔性隔膜覆盖并粘在所述墨水槽上，形成墨水腔，其中所述柔性隔膜上位于墨水槽封闭的一端开有用于进墨的第一窗口；

步骤3：将支撑板覆盖并粘在所述柔性隔膜上，其中，所述支撑板上位于墨水槽封闭的一端开有与所述第一窗口对应的第二窗口，所述支撑板上位于墨水槽开口的一端开有用作为压电陶瓷悬臂梁动作空间的第三窗口；

步骤4：将压电陶瓷板覆盖并粘在所述支撑板上；

步骤5：将所述压电陶瓷板以及所述支撑板靠近所述喷嘴的一端进行切割，形成带有触点的压电陶瓷悬臂梁，其中所述触点由切割所述支撑板靠近所述喷嘴的一端而得到；

步骤6：将设置有喷嘴的喷嘴板粘在墨水槽开口的一端的端面上。

10.一种喷涂设备，其特征在于，包括权利要求1-8中任一权利要求所述的压电喷头，所述喷涂设备包括打印机、点胶机、釉料喷涂设备或电极浆料喷涂设备。