CN108501533B - 用于三维快速打印微喷头的压电致动器及压电喷墨头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于三维快速打印微喷头的压电致动器及压电喷墨头，该压电致动器包括压电元件和复合材料基板，复合材料基板设有用于给独立电极单元施加电压的印刷电路，压电元件包含压电陶瓷片和内侧电极，内侧电极包括若干独立电极单元，独立电极单元均设于压电陶瓷片与复合材料基板的接触面，独立电极单元外接复合材料基板的印刷电路；该种用于三维快速打印微喷头的压电致动器，与现有技术相比，结构简单，零件数少，便于加工，满足客户需求，从而使之在压电喷墨头中具有广阔的应用前景。

Description

用于三维快速打印微喷头的压电致动器及压电喷墨头

技术领域

本发明涉及一种用于三维快速打印微喷头的压电致动器及压电喷墨头。

背景技术

一般地，喷墨打印头通过喷射细微的打印墨滴到打印纸上所需的位置而打印预定的彩色图像。根据墨水喷射方式喷墨打印头可以分为两种：热喷墨打印头和压电喷墨打印头。

热喷墨打印头利用热源在墨水中产生气泡以利用气泡的扩展力喷射墨水。压电喷墨打印头是利用压电陶瓷因施加电压而产生形变，挤压液体产生高压将液体喷出。

压电式喷墨打印头具有下列优点：压电式喷墨打印头的墨水不会因为高温汽化发生化学变化，影响墨水的颜色品质；由于不需使用反复的高热效应，故具有极佳的耐久性；压电式喷墨打印头所使用的压电陶瓷的反应速度快，可提高打印速度，而热泡式喷墨打印头则会受到热传导速度的限制。压电式喷墨打印头是通过控制电压的大小来控制压电陶瓷的变形量，进而控制墨滴的大小，可提高打印的品质。

现有技术中的压电喷墨打印头，具有多个喷墨通道及压电致动器。通过激发压电致动器，特定的喷嘴可以喷出墨滴。在现有技术中，喷墨头中所使用的压电致动器，包括振动板、压力腔室、压电材料层以及上下电极层。压电材料层，在振动板的一个表面上以薄膜的形式形成。电极，在压电材料层厚度方向上生成电场。当生成电场时，压电致动器通过利用压电材料层的变形来使振动板变形，从而对这些压力腔室中的墨水施压。

但是，现有技术中存在以下不足：喷墨打印头的结构和加工方法中存在着结构复杂、加工困难、加工成本高、合格率低等问题。

上述问题是在压电致动器的设计过程中应当予以考虑并解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于三维快速打印微喷头的压电致动器及压电喷墨头解决现有技术中存在的结构复杂、加工困难、加工成本高、合格率低等问题。

本发明的技术解决方案是：

一种用于三维快速打印微喷头的压电致动器，包括压电元件和复合材料基板，复合材料基板设有用于给独立电极单元施加电压的印刷电路，压电元件包含压电陶瓷片和内侧电极，内侧电极包括若干独立电极单元，独立电极单元均设于压电陶瓷片与复合材料基板的接触面，独立电极单元外接复合材料基板的印刷电路。

进一步地，复合材料基板采用绝缘弹性材料制成并同时作为弹性振动板，设于压电元件的内侧电极侧。

进一步地，复合材料基板与压电陶瓷片的接触面设有印刷电路。

进一步地，独立电极单元包括独立设置的正电极和若干负电极，正电极与负电极成对设置。

进一步地，独立电极单元采用左右对称、指间距均匀、等指长的叉指换能型的电极单元。

进一步地，独立电极单元中负电极、正电极由压电陶瓷片的一端向另一端交替排列。

进一步地，独立电极单元中正电极、负电极由压电陶瓷片的一端向另一端交替排列。

进一步地，压电陶瓷片采用薄片型压电材料制成。

进一步地，每个独立电极单元由复合材料基板的印刷电路单独激励。

一种压电喷墨头，包括基底、喷嘴和压电致动器，基底设有流通通道和压力腔室，流通通道连通压力腔室，喷嘴连通压力腔室，压电致动器设于基底上，压电致动器采用上述任一项所述的用于三维快速打印微喷头的压电致动器。

本发明的有益效果是：该种用于三维快速打印微喷头的压电致动器及压电喷墨头，与现有技术相比，结构简单，零件数少，便于加工，满足客户需求，从而使之在压电喷墨头中具有广阔的应用前景。该种用于三维快速打印微喷头的压电致动器，由于压电致动器中的压电陶瓷，采用单面正负独立电极，因此制造工序简单，并可降低成本，同时确保与驱动装置电连接的高可靠性。本发明的压电致动器，利用压电陶瓷的d15效应而产生形变。传统压电喷墨头的压电致动器采用d33效应，而d15模式的变形量明显大于d33模式的变形量。因此本发明的压电致动器的效率明显大于传统压电喷墨头中的压电致动器。

附图说明

图1是本发明实施例用于三维快速打印微喷头的压电致动器的结构示意图；

图2是实施例中复合材料基板的结构示意图；

图3是实施例中压电致动器中压电元件的一个工作原理图；

图4是实施例中独立电极单元的一个分布示意图；

图5是实施例中压电致动器中压电元件的另一个工作原理图；

图6是实施例中独立电极单元的另一个分布示意图；

图7是本发明实施例压电喷墨头的结构示意图。

其中：1-压电元件，2-复合材料基板， 3-压电致动器，4-基底，5-喷嘴，6-压力腔室，7-印刷电路；

11-压电陶瓷片，12-独立电极单元；

121-正电极，122-负电极。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种用于三维快速打印微喷头的压电致动器3，如图1，包括压电元件1和复合材料基板2，如图2，复合材料基板2设有用于给独立电极单元12施加电压的印刷电路7，压电元件1包含压电陶瓷片11和内侧电极，内侧电极包括若干独立电极单元12，独立电极单元12均设于压电陶瓷片11与复合材料基板2的接触面，独立电极单元12外接复合材料基板2的印刷电路7。复合材料基板2采用绝缘弹性材料制成并同时作为弹性振动板。独立电极单元12包括独立设置的正电极121和若干负电极122，正电极121与负电极122成对设置。

该种用于三维快速打印微喷头的压电致动器3，与现有技术相比，结构简单，零件数少，便于加工，满足客户需求，从而使之在压电喷墨头中具有广阔的应用前景。该种用于三维快速打印微喷头的压电致动器3，由于压电致动器3中的压电陶瓷，采用单面正负独立电极，因此制造工序简单，并可降低成本，同时确保与驱动装置电连接的高可靠性。本发明的压电致动器3，利用压电陶瓷的d15效应而产生形变。传统压电喷墨头的压电致动器3采用d33效应，而d15模式的变形量明显大于d33模式的变形量。因此实施例的压电致动器3的效率明显大于传统压电喷墨头中的压电致动器3。

实施例中，压电陶瓷片11采用薄片型压电材料制成。复合材料基板2可看作柔性电路，其带有印刷电路7，能够独立、选择地给电极施加工作电压。复合材料基板2同时作为弹性振动板用于阻止压电振动的振荡及混叠，进而提高打印质量。

实施例中，独立电极单元12采用左右对称、指间距均匀、等指长的叉指换能型的电极单元。叉指的数量可根据安装结构尺寸和喷墨功能及精度需要给予调整。独立电极单元12中正电极121、负电极122的排列次序取决于工作模态和频率，通过叉指单元的规则排列实现智能化控制功能的定制。

每个独立电极单元12由复合材料基板2的印刷电路7单独激励进而灵活地实现选择性驱动和控制。复合材料基板2同时作为弹性振动板采用绝缘体材料制成，覆盖在基底4的上表面，起密封作用。复合材料基板2随着压电陶瓷片11的变形而产生形变，以挤压墨水腔中的墨水。

实施例中，复合材料基板2上的印刷电路7连接到压电陶瓷片11表面形成的内侧电极。压电元件1受电压的影响，压电陶瓷片11发生瞬间形变，并通过此瞬间形变使复合材料基板2形变，使每个压力腔室6的体积改变。因此，压力腔室6中的墨水通过喷嘴5喷射。

实施例中，独立电极单元12的一种设置为，独立电极单元12中负电极122、正电极121由压电陶瓷片11的一端向另一端交替排列。压电致动器3的工作原理如图3和图4所示。压电致动器3中的压电元件1，利用压电陶瓷的d15效应，使压电陶瓷产生剪切变形，剪切变形量要适中，能够满足喷墨流动控制和打印速率的同步协调。压电喷墨头的工作原理是通过复合材料基板2上的印刷电路7，给压电元件1施加电压。压电元件1包括压电陶瓷和在压电陶瓷表面形成的内侧电极，内侧电极被分割成若干个均匀分布的独立电极单元12中的独立设置的正电极121与负电极122，如图4所示。当给压电陶瓷片11的独立电极单元12施加电压时，压电陶瓷片11发生如图3所示的剪切振动，即利用压电陶瓷的d15效应发生形变。压电元件1受电压的影响，利用压电陶瓷片11的d15效应产生瞬间形变，并通过此瞬间形变使复合材料基板2形变，使每个压力腔室6的体积改变。因此，压力腔室6中的墨水通过喷嘴5喷射。

实施例中，独立电极单元12的另一种设置为，独立电极单元12中正电极121、负电极122由压电陶瓷片11的一端向另一端交替排列。压电致动器3的工作原理如图5和图6所示。压电致动器3中的压电元件1，利用压电陶瓷片11的d15效应，使压电陶瓷片11产生剪切变形。压电喷墨头的工作原理是通过复合材料基板2上的印刷电路7，给压电元件1施加电压。压电陶瓷片11的单面独立电极单元12中的独立设置的正电极121与负电极122分布如图6所示。当给压电陶瓷正负独立电极施加电压时，压电陶瓷发生如图5所示的剪切振动，即利用压电陶瓷的d15效应发生形变。压电元件1受电压的影响，利用压电陶瓷片11的d15效应而产生瞬间形变，并通过此瞬间形变使复合材料基板2形变，使每个压力腔室6的体积改变。因此，压力腔室6中的墨水通过喷嘴5喷射。

一种压电喷墨头，如图7，包括基底4、喷嘴5和压电致动器3，基底4设有流通通道和压力腔室6，流通通道连通压力腔室6，喷嘴5连通压力腔室6，压力致动器3设于基底4上，压电致动器3采用上述任一项所述的用于三维快速打印微喷头的压电致动器3。

该种压电喷墨头中，压电致动器3形成在基底4上并为压力腔室6提供驱动力。基底4底部有多个分别相应于压力腔室6的喷嘴5。压电致动器3设置在基底4的上部分中，压力腔室6由于体积随着压电致动器3的操作而变化，从而产生喷或吸墨水的压力变化。该种压电喷墨头，解决喷墨打印头中的压电致动器3结构和加工方法中存在的结构复杂、加工困难、加工成本高、合格率低等问题。

实施例中，基底4设有流动通道，并具有压力腔室6。用于墨水等工作物质的储存、输运及控制。压电致动器3，坐落于所述基底4之上，并为所述压力腔室6提供驱动力，以高效喷射墨水及光敏复合材料之粉体，实现快速打印。

压电致动器3坐落在基底4上，并为压力腔室6提供驱动力以喷射墨水。压电致动器3包括压电元件1和复合材料基板2，其中压电元件1，包括压电陶瓷片11和在压电陶瓷片11表面形成的内侧电极，内侧电极被分割成多个独立电极单元12。其中复合材料基板2，带有印刷电路7，给独立电极单元12施加电压。其中复合材料基板2同时作为弹性振动板，随着压电陶瓷片11的变形而产生形变，以挤压压力腔室6中的墨水。复合材料基板2采用绝缘体材料，覆盖在所述基底4的上表面，起密封作用。

如上所述，根据实施例的压电喷墨头，由于压电致动器3中的压电陶瓷片11，采用单面的独立电极单元12，因此制造工序简单，并可降低成本，同时确保与驱动装置电连接的高可靠性。实施例的压电致动器3，利用压电陶瓷的d15效应而产生形变。传统压电喷墨头的压电致动器3采用d33效应，而d15模式的变形量明显大于d33模式的变形量。因此本发明的压电致动器3的效率明显大于传统压电喷墨头中的压电致动器3，从而使之在压电喷墨头中具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种用于三维快速打印微喷头的压电致动器，其特征在于：包括压电元件和复合材料基板，复合材料基板设有用于给独立电极单元施加电压的印刷电路，压电元件包含压电陶瓷片和内侧电极，内侧电极包括若干独立电极单元，独立电极单元均设于压电陶瓷片与复合材料基板的接触面，独立电极单元外接复合材料基板的印刷电路；复合材料基板采用绝缘弹性材料制成并同时作为弹性振动板，设于压电元件的内侧电极侧；复合材料基板与压电陶瓷片的接触面设有印刷电路；独立电极单元包括独立设置的正电极和若干负电极，正电极与负电极成对设置；每个独立电极单元由复合材料基板的印刷电路单独激励。

2.如权利要求1所述的用于三维快速打印微喷头的压电致动器，其特征在于：独立电极单元采用左右对称、指间距均匀、等指长的叉指换能型的电极单元。

3.如权利要求1所述的用于三维快速打印微喷头的压电致动器，其特征在于：独立电极单元中负电极、正电极由压电陶瓷片的一端向另一端交替排列。

4.如权利要求1所述的用于三维快速打印微喷头的压电致动器，其特征在于：独立电极单元中正电极、负电极由压电陶瓷片的一端向另一端交替排列。

5.如权利要求1所述的用于三维快速打印微喷头的压电致动器，其特征在于：压电陶瓷片采用薄片型压电材料制成。

6.一种压电喷墨头，其特征在于：包括基底、喷嘴和压电致动器，基底设有流通通道和压力腔室，流通通道连通压力腔室，喷嘴连通压力腔室，压电致动器设于基底上，压电致动器采用权利要求1-5任一项所述的用于三维快速打印微喷头的压电致动器。