CN110065305B - 一种压电喷头结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种压电喷头结构及其制造方法。该压电喷头结构，包括压电基板单元和围封部件，其中，所述压电基板单元包括:压电基板，在该压电基板的相对的两主面上分别形成的沟道；以及在该沟道的至少侧壁上形成的驱动电极,所述围封部件对该沟道的至少一部分进行围封,所述围封部件与所述沟道的侧壁和底面围合成压力腔室。根据本申请，在不降低喷嘴密度的情况下采用较厚的压电基板来制造压电喷头，从而可以减少加工时的压电基板破损，提高压电喷头制造工艺的容易性以及压电喷头的成品率、降低制造成本，并且在结构上容易实现高密度喷嘴排列，提高喷头性能和性价比。

Description

一种压电喷头结构及其制造方法

技术领域

本申请涉及喷墨打印机领域，尤其涉及一种压电喷头结构及其制造方法。

背景技术

无论是工业用途或是民用用途，喷墨机一直是非常普遍的产品。而喷墨机的关键器件是喷头。因为墨水种类的选择性比较自由、打印速度快、使用寿命长等优点，压电式喷头被广泛应用。

由于压电系数大等特性，压电陶瓷PZT(Pb(ZrTi)O₃)是压电喷头的首选材料。比如，许多压电喷头是用PZT基板加工而成的。PZT基板一般是把块状PZT切割成较厚的薄板，再经过减薄、抛光到所需要的厚度、平坦度和光洁度而成。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请的发明人通过调研发现，由于PZT材质十分脆弱，PZT基板在减薄过程中容易产生龟裂、甚至破碎，成品率较低。并且，为了做成所需器件，需要对PZT基板进行进一步加工，这样，PZT的龟裂、破碎现象更容易发生。此外，为了实现所需的器件功能，往往需要把数个加工过的PZT基板层叠起来，形成复杂的3维结构。经过加工的PZT基板更加脆弱，在搬运、层叠的过程中更容易破损。虽然增加PZT基板的厚度可以减少加工过程中的破损，使工艺变得容易，但是，对于传统的压电喷头而言，增加PZT基板的厚度往往意味着产品成本的增加、喷头变重、喷嘴密度降低，也会降低喷头产品的性价比。

本申请提供一种压电喷头结构及其制造方法，在压电基板相对的两主面上分别形成沟道，进而形成压力腔室，由此，可以在不降低喷嘴密度的情况下采用较厚的压电基板来制造压电喷头，从而可以减少加工时的压电基板破损，提高压电喷头制造工艺的容易性以及压电喷头的成品率、降低制造成本，并且在结构上容易实现高密度喷嘴排列，提高喷头性能和性价比。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种压电喷头结构，包括压电基板单元和围封部件,其中,所述压电基板单元包括:压电基板，在该压电基板的相对的两主面上分别形成的沟道；以及在该沟道的至少侧壁上形成的驱动电极,所述围封部件对该沟道的至少一部分进行围封,所述围封部件与所述沟道的侧壁和底面围合成压力腔室。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述压电喷头结构具有两个以上所述压电基板单元，两个以上的所述压电基板单元层叠而形成压力腔室阵列。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述压电基板单元两主面上的沟道相互平行。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，该沟道的所述侧壁沿着沟道的深度方向被极化。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，该沟道的所述侧壁沿着所述侧壁的厚度方向被极化,其中，所述侧壁的厚度方向与所述沟道延伸的方向和所述沟道的深度方向都垂直。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，该电极至少被设置于沟道的所述侧壁的靠近对应的所述主面的部分。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种压电喷头的制造方法，包括：

在压电基板相对的两个主面上分别形成沟道；在该沟道的侧壁上形成驱动电极；以及使用围封部件对该沟道的至少一部分进行围封,所述围封部件与所述沟道的侧壁和底面围合成压力腔室。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，在至少两个压电基板上分别形成所述沟道和所述驱动电极，所述方法还包括：将两个以上的所述压电基板层叠，形成压力腔室阵列。

本申请的有益效果在于：能够减少加工时的压电基板破损，提高压电喷头制造工艺的容易性以及压电喷头的成品率、降低制造成本，并且在结构上容易实现高密度喷嘴排列，提高喷头性能和性价比。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本申请实施例1的压电喷头结构的示意图；

图2是本申请实施例1的压电基板单元2s的示意图；

图3是本申请实施例2的压电喷头结构的压力腔室的一个截面示意图；

图4是本申请实施例3的压电喷头结构的压电基板单元的制造方法的示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

实施例1

本申请实施例1提供一种压电喷头结构。

图1是本实施例的压电喷头结构的示意图。

图1的a)是压电喷头结构的一个立体示意图，如图1的a)所示，压电喷头结构1包括压电基板2、围封在压电基板2周围的上盖3、下盖4、后挡板5和喷孔板6。压电基板2与上盖3、下盖4、后挡板5以及喷孔板6分别密接，在各自的密接界面可以分别具有一层粘着层，该粘着层可以是胶。其中，上盖3、下盖4、后挡板5和喷孔板6可以被统称为围封部件。压电基板2的材料可以是PZT，也可以是其它的压电材料。

图1的b)示出了去除上盖3、下盖4、后挡板5和喷孔板6之后的一个示意图。如图1的b)所示，压电基板2有相对的两个主面，即第一主面2a和第二主面2b，第一主面2a和第二主面2b大致相互平行。压电基板2有相对的两个端面，即第一端面2c和第二端面2d。在第一主面2a和第二主面2b上分别具有沟道7和8，在沟道7和8的侧壁7a和8a上，分别具有电极9和10。

如图1的b)所示，压电基板2，以及电极9和10构成压电基板单元2s，其中，压电基板2上形成有沟道7和8。在压电基板单元2s中，沟道7可以是一组互相大致平行的沟道，沟道的深度、宽度以及间距可以按照喷头的性能而设计。沟道的侧壁7a可以垂直于沟道的底面，也可以和沟道底面形成一定的角度。进一步说，沟道的平行于纸面的横截面可以是标准的正方形、长方形、梯形，也可以是任何容易加工和/或适于液体储存和流动的形状。比如说，沟道7是一组互相平行的沟道，各沟道的深度和宽度相同，呈周期性排列。同样，沟道8可以是一组互相大致平行的沟道，沟道的深度、宽度以及间距可以按照喷头的性能而设计。比如说，沟道8是一组互相平行的沟道，各沟道的深度和宽度相同，呈周期性排列。沟道7和沟道8在沟道深度、宽度以及间距上可以相同，也可以不同。沟道7和沟道8的延伸方向可以大致相互平行。一个特例是，沟道7和沟道8大致相互平行，在沟道深度、宽度以及间距上大致相同。

需要说明的是，沟道7和8的延伸方向可以是从压电基板2的端面2c指向端面2d的方向，沟道7和8的深度可以指沟道在与主面2a、2b垂直方向的尺寸，沟道7和8的宽度可以指沟道在与延伸方向和深度方向都垂直的尺寸。

图1的c)是上盖3和下盖4的一个示意图。如图1的c)所示，上盖3和下盖4可以是单纯的板状结构，分别与压电基板2的第一主面2a和第二主面2b密接。

图1的d)是后挡板5的一个示意图。如图1的d)所示，后挡板5可以是板状结构，具有贯通其厚度方向的通孔5a。后挡板5与压电基板2的第二端面2d密接，通孔5a的数目和位置与压电基板2的沟道7和8相对应。

图1的e)是喷孔板6的一个示意图。如图1的e)所示，喷孔板6可以是板状结构，上面具有喷孔6a。喷孔板6与压电基板2的第一端面2c密接，喷孔6a的数目和位置与压电基板2的沟道7和8相对应。喷孔6a的尺寸根据需要喷射液体的液滴大小等进行设计。

图1的f)是压电喷头结构的与沟道延伸方向垂直的断面的一个示意图。如图1的f)所示，由上盖3、下盖4、后挡板5(未图示)以及喷孔板6(未图示)围封起来的压电基板2的沟道7和8的至少一部分形成压电喷头的压力腔室7c和8c。压力腔室的内壁可以具有保护薄膜(未图示)，起到保护电极、粘着层以及压电基板2的侧壁7a和8a不受到压电喷头所要喷射液体(比如墨水、树脂、各种溶液)的侵蚀。反过来，保护薄膜可以保证所要喷射液体不因为电极、粘着层以及压电基板2的材料受到限制。

下面，利用图2对压电基板单元2s进行进一步的解释。

图2的a)是压电基板单元的与沟道延伸方向垂直的断面的一个示意图。如图2)的a)所示，在压电基板单元2s中，图1的f)所示的压力腔室7c和8c的侧壁7a和8a可以沿着沟道的深度方向(即大致平行于第一主面2a的法线的方向)被极化。侧壁7a的极化P1与侧壁8a的极化P2可以在方向、强度上大致等同，也可以不同。

图2的b)是压电基板单元的与沟道延伸方向垂直的断面的另一个示意图。如图2的b)所示，在压电基板单元2s中，图1的f)所示的压力腔室的侧壁7a和8a可以沿着侧壁的厚度方向(即大致垂直于第一主面2a法线的方向，或前述的宽度的方向)被极化。侧壁7a的极化P1与侧壁8a的极化P2可以在方向、强度上大致等同，也可以不同。

如图2的c)-e)所示，在压电基板单元2s中，用于驱动沟道侧壁7a的电极9至少存在于沟道侧壁7a的靠近主面2a的部分，比如：如图2的c)所示，电极9存在于沟道侧壁7a的上半部分；或者，如图2的d)所示，电极9存在于沟道侧壁7a的几乎整个部分；或者，如图2的e)所示，电极9存在于沟道侧壁7a的几乎整个部分，并且，还延伸到沟道7的底部。电极9由电极9a和9b组成。电极9a与9b是非连接的。各沟道侧壁7a上的电极9a(或9b)之间是可以互相连通的，也可以是互相非连通的。比如，电极9a之间互相连通，电极9b之间互相非连通。用于驱动沟道侧壁8a的电极10类同于沟道侧壁7a上的电极9。电极9和电极10可以相互独立，也可以部分连通。比如，电极9a和电极10a之间互相连通，电极9b和10之间互相非连通。

在本实施例中，电极9和/或10被通电，使压力腔室的侧壁7a和/或8a发生形变，从而对压力腔室内的液体施加压力，并使液体从喷孔板6的喷孔6a喷出。

在本实施例中，后挡板5的通孔5a是液体从液体供应室进入压力腔室的通孔。通孔5a的另一个作用是：在液体喷射时限制液体向液体供应室方向倒流，从而减小压力腔室的内压损失，使液体有效地通过喷孔6a(见图1e))喷出。通孔5a的大小可以按流体力学原理进行设计。

根据本实施例，在压电基板相对的两主面上分别形成沟道，进而形成压力腔室，由此，可以在不降低喷嘴密度的情况下采用较厚的压电基板来制造压电喷头，从而可以减少加工时的压电基板破损，提高压电喷头制造工艺的容易性以及压电喷头的成品率、降低制造成本，并且在结构上容易实现高密度喷嘴排列，提高喷头性能和性价比。

实施例2

本申请实施例2提供一种压电喷头结构，与实施例1的压电喷头结构类似，二者的区别在于，在实施例2的压电喷头结构中，具有两个以上的压电基板单元，因而具有压力腔室阵列。实施例2的压电喷头结构，除去压力腔室结构以外，可以与实施例1相同。因此，在此本实施例中只对压力腔室结构进行说明。

图3是本实施例的压电喷头结构的压力腔室的一个截面示意图。如图3所示，实施例2的压电喷头结构1包括两个以上的压电基板单元2s，压电基板单元2s通过隔板11相互层叠，从而形成阵列分布的压力腔室7c和8c。压电基板单元2s可以与实施例1相同。隔板11可以是平板形状，其材料、厚度等参数可根据压电喷头结构的性能、结构、成本、工艺等方面的要求而决定。压电基板单元2s与隔板11的密接界面可以具有一层粘着层(未图示)，该粘着层可以是胶。

构成压力腔室7c和8c的内壁的隔板部分，可以具有保护薄膜(未图示)，起到保护隔板11以及粘着层不受到压电喷头所要喷射液体(比如墨水、树脂、各种溶液)的侵蚀。反过来，保护薄膜可以保证所要喷射液体不因为保护隔板11以及粘着层的材料受到限制。

此外，在图3中，在只有两个压电基板单元2s重叠设置的情况下，最上层的保护隔板11和最下层的保护隔板11可以被替换为实施例1的上盖3和下盖4，或者，在最上层的保护隔板11的上方设置上盖3和/或在最下层的保护隔板11下方设置下盖4。

在本实施例中，阵列分布的压力腔室7c和8c的排列方式可以根据压电喷头结构的功能需求而任意设计。比如，不同层的压电基板单元2s的压力腔室7c和8c的排列都是基本相同的，但是层叠时可以将上层的压电基板单元2s相对于它下层的压电基板单元2s横向位移一个距离，使得整个压电喷头结构的所有的压电基板单元2s的压力腔室在横向的分布间距变小。这意味着在不压缩单个压电基板单元2s的压力腔室横向间距的情况下，可以使压电喷头结构整体的压力腔室(等同于喷孔)的横向密度增大。

根据本实施例，可以形成阵列分布的喷孔，进一步提高喷孔的密度和数量。

实施例3

本申请实施例3提供一种含有压电基板的压电喷头结构的制造方法。本实施例的压电喷头，比如具有实施例1-2所说明的结构。由于其它部件，比如围封在压电基板2周围的上盖3、下盖4、后挡板5和喷孔板6，都可以沿用传统工艺制造，本实施例只对压电基板单元2s进行重点说明。

图4是本实施例的压电喷头结构的压电基板单元的制造方法的一个示意图。

如图4的a)所示，首先进行压电基板2的加工。压电基板2的加工。包括压电基板2的选材、厚度调整以及表面光洁度调节。压电基板2有两个主面，即第一主面2a和第二主面2b。压电基板2的面向纸面的端面是第一端面2c，与第一端面2c相对应的背向纸面的端面是第二端面2d。压电基板2的厚度调整以及表面光洁度调节可以采用机械研磨方式进行。比如，压电基板2是PZT，厚度为100-1000微米。对于厚度调整以及表面光洁度调节完了的压电基板2，根据需要可以进行极化，也可以不进行极化。极化可以在压电基板2的第一主面2a和第二主面2b的表面分别形成电极，然后在升温的条件下在两电极间施加所定的电压对压电基板2进行厚度方向(第一主面2a或第二主面2b的法向方向)的极化。压电基板2的极化条件根据压电基板2的材料所定。

下一步，如图4的b)所示，在第一主面2a上形成沟道7，沟道7的侧壁7a可以大致垂直于第一主面2a，也可以具有一定的坡度。沟道7可以是一组互相大致平行的沟道，沟道的深度、宽度以及间距可以按照喷头的性能而设计。比如说，沟道7是一组互相平行的沟道，各沟道的深度和宽度相同，呈周期性排列。一个特例是：沟道的深度和宽度大约为100微米，周期大约为180微米。沟道7可以用成熟的晶圆切割(wafer dicing)方法形成。

下一步，如图4的c)所示，在沟道7的侧壁7a上形成用于驱动沟道侧壁7a的电极9。电极9至少存在于沟道侧壁7a的上半部分。比如，如图4的c)所示，电极9存在于沟道侧壁7a的上半部分。电极9也可以存在于沟道侧壁7a的几乎整个部分。电极9也可以存在于沟道侧壁7a的几乎整个部分，还可以延伸到沟道7的底部。每个侧壁7a上的电极9由电极9a和9b组成。电极9a与9b是非连接的。各沟道侧壁7a上的电极9a(或9b)之间是可以互相连通的，也可以是互相非连通的。电极9可以是单层的导电薄膜，也可以是多层的导电薄膜。电极9可以用成熟的金属溅射法、电镀法等方式形成。电极9a与9b可以在导电薄膜形成后经过加工而分断开来。形成电极9之后，可以根据需要利用电极9a与9b对沟道侧壁7a实施极化。这时的极化是沿着侧壁7a厚度方向的。

下一步，如图4的d)所示，在第二主面2b上形成沟道8。沟道8可以同沟道7具有类似的结构，也可以用同样的方式形成。沟道8与沟道7在沟道深度、宽度以及间距上可以相同，也可以不同。沟道8与沟道7可以大致相互平行。一个特例是，沟道7和沟道8大致相互平行，在沟道深度、宽度以及间距上大致相同。一个特例是：沟道8与沟道7的侧壁7a位置大致对应。

下一步，如图4的e)所示，在沟道8的侧壁8a上形成用于驱动沟道侧壁8a的电极10。每个侧壁8a上的电极10由电极10a和10b组成。电极10a与10b是非连接的。各沟道侧壁8a上的电极10a(或10b)之间是可以互相连通的，也可以是互相非连通的。电极10与电极9在结构上可以相同，也可以不同。电极10可以用与电极9同样的方式形成。形成电极10之后，可以根据需要利用电极10a与10b对沟道侧壁8a实施极化。这时的极化是沿着侧壁8a厚度方向的。通过图4的a)-e)的加工，就得到了压电基板单元2s。

下一步，将图1的c)所示的上盖3与压电基板单元2s的第一主面2a密接。压电基板单元2s上盖3的密接，由比如胶的粘着层来实现。可以先把胶印刷到压电基板2s的第一主面2a上，然后把上盖3与压电基板单元2s的第一主面2a对准、粘接起来。

下一步，将图1的c)所示的下盖4与压电基板单元2s的第二主面2b密接。这里的密接可以模仿上盖3与压电基板单元2s的第一主面2a的密接方式。为了便于以下步骤的进行，在下盖4与压电基板单元2s的第二主面2b密接之后，可以进行研磨，使得压电基板单元2s的端面2c和2d分别与上盖3和下盖4的相应的端面大致处于同一平面。

下一步，将图1的d)所示的后挡板5与压电基板单元2s的第二端面2d密接。这里的密接可以模仿上盖3与压电基板单元2s的第一主面2a的密接方式。这时，后挡板5的通孔5a需要对准压电基板单元2s的相对应的沟道7或8。

下一步，将图1的e)所示的喷孔板6与压电基板单元2s的第一端面2c密接。这里的密接可以模仿上盖3与压电基板单元2s的第一主面2a的密接方式。这时，喷孔板6的喷孔6a需要对准压电基板单元2s的相对应的沟道7或8。

压电喷头的其它组装步骤，可以沿用成熟的压电喷头制造工艺。

在本实施例所述的压电喷头的制造方法中，由于把两行压力腔室制造在一个压电基板的两个相对的主面上，可以采用较厚的压电基板来加工。本实施例的压电基板厚度，可以是传统方法的1.5倍以上。这样，压电基板的机械强度随着压电基板厚度的增加大大增强，搬运及加工时的破损就会大大减轻。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (7)

1.一种压电喷头的制造方法，包括：

在同一个压电基板相对的两个主面上分别形成沟道；

在该沟道的侧壁上形成驱动电极；以及

使用围封部件对该沟道的至少一部分进行围封,所述围封部件与所述沟道的侧壁和底面围合成压力腔室，

其中，

在至少两个压电基板上分别形成所述沟道和所述驱动电极，

所述方法还包括：

将两个以上的在两个主面上都形成有沟道的所述压电基板层叠，形成压力腔室阵列，

所述围封部件包括隔板，所述隔板位于层叠方向上相邻的所述压电基板之间，并且，在层叠方向上相邻的所述压电基板共用同一个隔板。

2.一种压电喷头结构，由权利要求1所述的压电喷头的制造方法制造得到，所述压电喷头结构包括压电基板单元和围封部件，

其中，所述压电基板单元包括：

压电基板，在该压电基板的相对的两主面上分别形成的沟道；以及

在该沟道的至少侧壁上形成的驱动电极，

所述围封部件对该沟道的至少一部分进行围封,所述围封部件与所述沟道的侧壁和底面围合成压力腔室。

3.如权利要求2所述的压电喷头结构，其中,

所述压电喷头结构具有两个以上所述压电基板单元，

两个以上的所述压电基板单元层叠而形成压力腔室阵列。

4.如权利要求2所述的压电喷头结构，其中，

所述压电基板单元两主面上的沟道相互平行。

5.如权利要求2-4之一所述的压电喷头结构，其中，

该沟道的所述侧壁沿着沟道的深度方向被极化。

6.如权利要求2-4之一所述的压电喷头结构，其中，

该沟道的所述侧壁沿着所述侧壁的厚度方向被极化，其中，所述侧壁的厚度方向与所述沟道延伸的方向和所述沟道的深度方向都垂直。

7.如权利要求2-4之一所述的压电喷头结构，其中，

该电极至少被设置于沟道的所述侧壁的靠近对应的所述主面的部分。

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