CN103287101B - 压电促动器及液体喷头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电促动器及液体喷头。其中压电促动器包括压电元件；所述压电元件的外表面设有绝缘保护层；所述绝缘保护层由至少两层保护膜构成，该至少两层保护膜中至少有一层是柔性保护膜，至少有一层是刚性保护膜。所述液体喷头包括：基板、与所述基板构成液体腔室的腔室壁以及设置在所述液体腔室内的压电促动器；所述基板上设有供液通道；所述腔室壁上设有喷嘴口；所述供液通道、液体腔室和喷嘴口构成液体流路；所述压电促动器处于所述液体流路上，且所述压电促动器的致动方向与所述液体流路内的液体流向相同。本发明提供的压电促动器及液体喷头，工作可靠性高，使用寿命长。

Description

压电促动器及液体喷头

技术领域

本发明涉及成像设备结构技术，尤其涉及一种压电促动器及液体喷头。

背景技术

现有利用压电元件作为促动器把墨水喷出的喷头，主要有以下两种类型，第一种类型是液体腔室的腔室壁外设有由压电元件和振动板构成的压电促动器。压电促动器发生振动，使液体腔室壁发生变形，进而液体腔室内的体积发生变化，从而把液体腔室内的墨水从液体腔室壁上设有的喷嘴口喷出。另外一种是将由压电元件和振动板构成的压电促动器以悬臂梁的形式设置在液体腔室内。

第一种类型的喷头需要液体腔室的体积发生变化，因此压电促动器所需的振动变形量就很大，液体腔室的侧壁也需要具有很好的强度和韧性。这样为了获得所需要的喷出墨滴大小，压电促动器需要一定的面积才能保证所需要的变形量，进而难以实现喷嘴口的高密度排列。

第二种类型的喷头。如图1所示，由压电元件5和振动板7构成的压电促动器采用悬臂梁的方式设置在液体腔室3内，即压电促动器的一端固定支撑，其它部分为悬空可动。这样压电促动器的变形量就可以较大，能更有效的驱动更多液体从喷嘴口中喷出。因此，这种喷头可以在较低的电压下工作，并且可以在保持喷出液体量不变的情况下，减小压电元件5的总体面积，从而实现喷嘴口的高密度排列。然而将压电元件5设置在液体腔室3内，压电元件5的外壁就需要采用绝缘保护层6覆盖，以保护压电元件5不受墨水的电腐蚀。但是，压电元件5被高频驱动后其快速的横向伸缩对绝缘保护层6产生的应力可能会导致绝缘保护层6与压电元件5脱层而引起墨水渗漏，尤其在侧壁10处，这会造成压电元件5的上下电极形成原电池而出现电短路、影响喷头的使用寿命。

发明内容

本发明提供一种压电促动器及液体喷头，以提高工作可靠性及使用寿命。

本发明的一个方面是提供一种压电促动器，包括压电元件；

所述压电元件的外表面设有绝缘保护层；

所述绝缘保护层由至少两层保护膜构成，该至少两层保护膜中至少有一层是柔性保护膜，至少有一层是刚性保护膜。

本发明的另一个方面是提供一种液体喷头，包括：基板、与所述基板构成液体腔室的腔室壁以及上述的压电促动器；其中，

所述基板上设有供液通道；

所述腔室壁上设有喷嘴口；

所述供液通道、液体腔室和喷嘴口构成液体流路；

所述压电促动器处于所述液体流路上，且所述压电促动器的致动方向与所述液体流路内的液体流向相同；所述压电促动器的一端固定在所述基板或所述腔室壁上，或者所述压电促动器的两端均固定在所述基板或所述腔室壁上。

本发明一个方面的技术效果是：本发明中所述的柔性保护膜，可有效的吸收因压电元件的形变而产生的应力，能很好的随着压电元件一起形变而不出现与压电元件脱层的现象，能更好的保护压电元件的电极不受液体环境中的墨水等液体的电腐蚀，避免液体渗漏造成压电元件的电短路而影响压电元件的使用寿命。本发明中所述的刚性保护膜，具有一定的刚性，可直接代替现有技术中压电促动器中的振动板，还又能承受所述压电元件变形时所产生的应力而不发生断裂。综述，本发明提供的所述压电促动器，其结构简单、工作可靠性高，且寿命长。

本发明另一个方面的技术效果是：采用本发明提供的压电促动器的液体喷头，易于实现喷嘴口的高密度排列，工作可靠性高。将本发明所述的液体喷头适用于打印设备，能够有效的提高打印设备的打印效果。

附图说明

图1为现有技术中液体喷头的结构示意图；

图2为本发明提供的压电促动器实施例一的结构示意图；

图3为本发明提供的压电促动器实施例二的结构示意图；

图4为本发明提供的压电促动器实施例三的结构示意图；

图5为本发明提供的液体喷头实施例一的结构示意图；

图6为本发明提供的液体喷头实施例二的结构示意图；

图7为本发明提供的液体喷头实施例二的轴测示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明提供的压电促动器实施例一的结构示意图。本实施例所述压电促动器12包括压电元件5。所述压电元件5的外表面设有绝缘保护层6。所述绝缘保护层6由至少两层保护膜构成。如图2所示，本实施例中所述的绝缘保护层6由两层保护膜601和602构成，该两层保护膜601和602中其中一层是柔性保护膜，另一层是刚性保护膜。本实施例中所述的柔性保护膜，可有效的吸收因压电元件的伸缩形变而产生的应力；能很好的随着压电元件一起形变而不出现与压电元件脱层的现象，尤其是图中所示的侧壁10处；能更好的保护压电元件的电极不受液体环境的电腐蚀，避免墨水等液体渗漏造成压电元件的电短路而影响压电元件的使用寿命。本实施例中所述的刚性保护膜，具有一定的刚性，可直接代替现有技术中压电促动器中的振动板，还可以防止柔性较高的柔性保护膜在自然状态下产生的自发形变。

这里需要说明的是：本实施例中所述柔性保护膜和所述刚性保护膜，具体哪一个在内哪一个在外无特殊限定，任意设置均可。但所述柔性保护膜因其柔性较高，可能在自然状态下产生自发形变。因此为避免所述柔性保护膜的自发形变，如图2、3和4所示，优选地，所述柔性保护膜602设置在所述压电元件5的外表面，所述刚性保护膜601设置在所述柔性保护膜602的外侧。这样所述刚性保护膜601就可以有效抑制柔性保护膜的自发变形。另外，本实施例中所述的刚性保护膜和柔性保护膜，主要是通过刚度来进行区分的。刚度是指：在保护膜的弹性范围内，保护膜所受的载荷与位移的比值。即本实施例中所述刚性保护膜的刚度大于所述柔性保护膜的刚度。在实际应用时，所述柔性保护膜的刚度取值应尽量的小，这样才能保证所述柔性保护膜随同压电元件一起发生变形，而柔性保护膜还处于弹性范围内不发生断裂。所述刚性保护膜的刚度取值应依据实际的压电元件的形变量和/或压电促动器所需的促动力大小等因素进行选定，类似于现有技术中振动板的选定，以保证所述刚性保护膜既能实现现有技术中振动板的功能，又能承受所述压电元件变形时所产生的应力而不发生断裂。

本实施例所述的压电促动器的工作原理是：当所述压电元件通电后，压电元件会发生形变，此时会使得所述压电元件外壁上的绝缘保护层也发生同样的形变。当所述压电元件断电后，压电元件恢复原状，此时由于压电元件和刚性保护膜的自身刚性，刚性保护膜和压电元件一起向之前形变方向相反的方向回弹，以恢复至初始状态。由此可知，通过不断的对所述压电元件通电和断电，所述压电促动器即可连续的产生振动；该振动即为压电促动器输出的致动力。

图2、3和4所示实施例仅示出了所述绝缘保护层由两层保护膜构成的结构。实际上，本发明所述的压电促动器的绝缘保护层还可以由两层以上的保护膜构成。若压电促动器的绝缘保护层具有两层以上的多层保护膜时，所述柔性保护膜和刚性保护膜的设置层数可依据实际的环境需求进行设置。另外，所述的两层以上的多层保护膜中除所述柔性保护膜和刚性保护膜之外，也可以包括具有绝缘隔离作用的通用保护膜。所述柔性保护膜、所述刚性保护膜和通用保护膜在上下层位置关系上无特别要求，可依据实际的设计需求和环境需求来确定。优选地，所述柔性保护膜处于所述刚性保护膜的内侧，以抑制所述柔性保护膜的自发形变。此外，在实际应用中，上述实施例中所述绝缘保护层的覆盖范围可依据压电促动器的安装需求进行设置，图3和4所示的两种情况。如图3所示，所述压电促动器12采用悬臂梁方式固定时，所述压电元件5除用于固定连接的一侧外表面外其余外表面均设有绝缘保护层6。如图4所示，所述压电促动器12采用桥梁式固定时，所述压电元件5除用于固定连接的两相对侧外表面外其余外表面均设有绝缘保护层6。

具体地，上述实施例中所述的柔性保护膜可以是具有多孔状的三维网络结构的二氧化硅SiO₂等无机绝缘材料制成的柔性保护膜。优选地，上述实施例中所述的柔性保护膜为三维网络结构的二氧化硅膜。所述三维网络结构的二氧化硅膜具有良好的柔韧性，可以充分地吸收因压电元件的伸缩而产生的应力，所以在压电元件伸缩时，该二氧化硅膜可以很好的随着压电元件一起伸缩而不出现与压电元件脱层的现象，尤其能保证如图2和3所示侧壁10处不与压电元件脱层。常规的薄膜制备方法有很多，主要有物理气相沉积法、化学气相沉积法、热氧化法和溶胶凝胶法等。前三种制备方法需要较高的制备温度(≥600℃)及高真空条件，而且所得到的薄膜致密度高，因此不适于制备多孔二氧化硅膜。相比之下，用最后一种溶胶凝胶法制备多孔二氧化硅膜则具有以下几点优越性：(1)工艺设备简单，无需真空条件；(2)工艺过程温度低；(3)可以大面积在各种不同形状、不同材料的基底上制备薄膜；(4)易制得均匀多组分薄膜，并可以有效地控制薄膜成分及微观结构等。因此，所述的具有多孔状的三维网络结构的二氧化硅膜可采用溶胶凝胶法形成。

具体地，所述的刚性保护膜可以采用机械性能良好的无机绝缘材料，如氮化硅Si₃N₄，通过常规的镀膜技术形成。优选地，上述实施例所述的刚性保护膜为氮化硅膜。所述氮化硅膜具有一定的刚量，可代替现有技术中压电促动器中的振动板，还可以防止柔性较高的柔性保护膜在自然状态下产生的自发形变。刚性保护膜可采用物理气相沉积或化学气相沉积方法在压电元件的表面形成。

进一步上，上实施例中所述的压电元件5，可以是如图3和4所示结构的压电元件。该压电元件5包括依次层叠设置的下电极501、压电体层502和上电极503。具体地：

1、所述下电极501由导电性材料构成，例如由依次层叠的钛(Ti)层，白金(Pt)层和钛层构成。这种层叠构成的下电极是为了提高白金层和压电体层502以及白金层和绝缘保护层6之间的密合性。所述下电极501可以通过电子束蒸镀或溅射法形成。

2、所述压电体层502优选由以锆钛酸铅[Pb(Zr，Ti)O₃：PZT]为主要成分的材料形成，此外也可以使用铌镁酸铅和钛酸铅的固溶体[Pb(Mg_1/3Nb_2/3)₃-PbTiO₃：PMN-PT]、锌铌酸铅和钛酸铅的固溶体[PbZn_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃：PZN-PT]等材料形成。如果压电体层502的材料由钙钛矿结构的结晶形成的话，则不限于上述材料。压电体层502的形成方法可以是传统的溶胶-凝胶法、MOD(MetalOrganicDeposition，金属有源沉积)法或水热法等。

3、所述上电极503的材料可以是白金(Pt)层或金(Au)层，可通过电子束蒸镀法或溅射法形成。

如图5所示，本发明提供的液体喷头实施例一的结构示意图。本实施例所述的液体喷头包括：基板1、与所述基板1构成液体腔室3的腔室壁8以及上述提供的任一实施例所述的压电促动器12。其中，所述基板1上设有供液通道2。所述腔室壁8上设有喷嘴口4。所述供液通道2、液体腔室3和喷嘴口4构成液体流路。所述压电促动器12处于所述液体流路上，且所述压电促动器12的振动方向ab与所述液体流路内的液体流向相同。本实施例中所述压电促动器12采用悬臂梁的方式设置在所述液体腔室3内，即所述压电促动器12的一端固定在所述基板1上或腔室壁8上。在实际应用中，上述各实施例中所述的基板通常为硅基板。

本实施例所述的液体喷头的工作原理是：当在压电促动器12两端施加电压时，压电促动器12中的压电元件会发生横向伸长或缩短。在本实施例中所述压电元件发生横向的伸长，因所述压电元件的外部设有刚性保护膜，该刚性保护膜会将该横向变形转化为纵向上的变形。压电元件瞬间的变形会给刚性保护膜一较大的应力，此时，压电促动器12朝a方向摆动。当解除压电促动器12两端施加的电压后，由于压电元件和刚性保护膜自身的刚性，压电促动器12欲恢复到初始状态，即朝b方向摆动。压电促动器12恢复所产生的压力波将处于液体腔室3内的如墨水等的液体从喷嘴口4中挤出。液体可通过供液通道2和压电促动器12悬臂端与基板1之间的间隙向所述液体腔室3内供给液体。

采用本实施例所述结构的液体喷头，可实现喷头的高密度排列，工作可靠性高。将本实施例所述的液体喷头适用于打印设备，能够有效的提高打印设备的打印效果。

如图6所示，本发明提供的液体喷头实施例二的结构示意图。图7示出了采用液体喷头实施例二排列设置的打印机用液体喷头组。实施例二所述的液体喷头的结构大致与实施例一相同，不同之处仅在于：所述压电促动器12采用桥梁式设置在所述液体腔室3内，即所述压电促动器12的两端均固定在所述基板1上或腔室壁8上。

本实施例所述液体喷头也是基于压电促动器12的振动原理实现将液体腔室3内的液体从喷嘴口4中挤出的。当压电促动器12两端施加电压后，压电促动器12的压电元件瞬间的变形。此时，压电促动器12向图6中所示的c向变形。当解除压电促动器12两端施加的电压后，压电促动器12的压电元件恢复原状，压电促动器12在自身刚性的作用下向图6中所示的d向位移。间歇性的对压电促动器12两端施加电压即可实现振动，振动产生的压力波会将处于液体腔室3内的如墨水等的液体从喷嘴口4中挤出。在如图7所示的具体应用实例中，液体可通过供液通道2和两相邻压电促动器之间的缝隙9补给到液体腔室3中。

这里需要说明的是：上述各实施例中所述压电促动器的压电元件的变形方向可通过输入电极极性的变化来决定，以使是所述压电促动器在所需的方向上致动。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种压电促动器，其特征在于，包括压电元件；

所述压电元件的外表面设有绝缘保护层；

所述绝缘保护层由至少两层保护膜构成，该至少两层保护膜中至少有一层是柔性保护膜，至少有一层是用于替代振动板的刚性保护膜；

所述的柔性保护膜为三维网络结构的二氧化硅膜；所述刚性保护膜为氮化硅膜；

所述柔性保护膜设置在所述压电元件的外表面，所述刚性保护膜设置在所述柔性保护膜的外侧。

2.根据权利要求1所述的压电促动器，其特征在于，所述柔性保护膜通过溶胶凝胶法形成。

3.根据权利要求1所述的压电促动器，其特征在于，所述压电元件包括：依次层叠的上电极、压电体层和下电极。

4.根据权利要求1所述的压电促动器，其特征在于，

所述压电促动器采用悬臂梁方式固定时，所述压电元件除用于固定连接的一侧外表面外其余外表面均设有绝缘保护层；或者，

所述压电促动器采用桥梁式固定时，所述压电元件除用于固定连接的两相对侧外表面外其余外表面均设有绝缘保护层。

5.一种液体喷头，其特征在于，包括：基板、与所述基板构成液体腔室的腔室壁以及如上述权利要求1至4中任一所述的压电促动器；其中，

所述基板上设有供液通道；

所述腔室壁上设有喷嘴口；

所述供液通道、液体腔室和喷嘴口构成液体流路；

所述压电促动器处于所述液体流路上，且所述压电促动器的致动方向与所述液体流路内的液体流向相同；所述压电促动器的一端固定在所述基板或所述腔室壁上，或者所述压电促动器的两端均固定在所述基板或所述腔室壁上。