本發(fā)明涉及電流體動力噴印設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種用于電流體噴印的壓電式集成噴頭，其能夠?qū)崿F(xiàn)高頻，高分辨率打印，且能適用于曲面等不同形狀的基板打印。

背景技術(shù)：

電流體動力噴印是通過在噴頭和基板之間施加高壓電，形成強電場，將溶液從噴頭拉出，可形成點噴，噴霧和紡絲等工藝。電流體動力噴印是通過泰勒錐進(jìn)行噴射，泰勒錐的幾何尺寸遠(yuǎn)小于噴頭的尺寸，因此可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)噴墨打印更高的分辨率。

電流體動力噴印目前有兩種工作模式，一種是在噴頭和基板之間施加之流高壓，形成連續(xù)式噴印，另一種是在噴頭和基板之間施加方波，形成按需噴印(drop-on-demand)。其中按需噴印相較于連續(xù)噴印，具有液滴大小可控，在基板上沉積出的墨滴的精度和分辨率高，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的定位，可靠性好。

現(xiàn)有的電噴印設(shè)備是通過在噴頭和基板之間直接施加高壓來進(jìn)行噴印的，這樣的方式有如下的缺點：

一是實現(xiàn)按需噴印需要交流電壓，交流電壓從零壓上升至設(shè)定值需要一定的時間，達(dá)到穩(wěn)定也需要一定的時間，從而就限制了可用于按需噴印的交流電壓的頻率，使得按需噴印無法在高頻下實現(xiàn)高分辨率的噴印。

二是電噴印從噴嘴噴射出的是帶電液滴，其體積小，從噴頭飛行至基板的這段時間內(nèi)容易受到外界電場的干擾，從而影響了定位精度。目前的電噴印設(shè)備噴頭和基板之間處于開放的狀態(tài)，無法實現(xiàn)墨滴的精度可控。

三是現(xiàn)有的電流體噴印設(shè)備所使用的基板為平面形的基板，在平面基板上施加電壓可保證電場有良好的均勻性。而在曲面上施加電壓，則電場不均勻，不可控。因此現(xiàn)有的電噴印設(shè)備無法滿足在曲面或是其他復(fù)雜形狀的基板上進(jìn)行噴射。

由于存在上述缺陷和不足，本領(lǐng)域亟需做出進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，設(shè)計一種集成噴頭，使其能夠在高頻率下實現(xiàn)穩(wěn)定、精確的液滴噴射，且能夠?qū)崿F(xiàn)在曲面或其他復(fù)雜形狀的基板上進(jìn)行噴射。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在提供一種新型的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭，通過壓電薄膜來控制噴印的頻率，實現(xiàn)高頻打印，在噴頭下方集成下電極，將原本施加于基板上的電壓施加于噴頭下方的電極，在噴嘴和下電極之間施加一個和噴嘴出的電極極性相同的電場，來提高墨滴飛行時的定位性，將噴頭和下電極之間的支撐做成空腔，便于飛濺至支撐壁上的衛(wèi)星液滴往下滑動，支撐環(huán)上設(shè)有微流道，方便氣流輔助用于通氣將飛濺至支撐壁上的液滴沖走，噴頭所需5個電極，將5個電極集成一處形成插口式，方便噴頭電極的裝拆，還具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于電流體噴印的壓電式集成噴頭，其特征在于，包括外部支架、以及在外部支架內(nèi)從上至下依次設(shè)置的壓電結(jié)構(gòu)、噴頭、下電極支撐環(huán)和下電極環(huán)，

其中，所述外部支架上端開設(shè)有一供液口，底端開設(shè)有一出液口，所述壓電結(jié)構(gòu)位于外部支架的內(nèi)部上端，所述壓電結(jié)構(gòu)包括從上至下依次設(shè)置的電極引腳、壓電上電極、壓電薄膜和壓電下電極，所述壓電結(jié)構(gòu)下方還設(shè)置有振動片，所述壓電結(jié)構(gòu)密封在一內(nèi)部支架內(nèi)，僅電極引腳和壓電下電極伸出與導(dǎo)電塊相連，

所述壓電下電極和振動片上開有一入液孔，從供液口進(jìn)入的溶液通過該入液孔流入振動片下方的噴頭內(nèi)，所述噴頭下端設(shè)置有凸出的噴嘴，所述噴嘴上部設(shè)有空腔用于容納溶液，所述壓電結(jié)構(gòu)位于所述空腔的上方，所述噴嘴正對出液口，使得整個噴印系統(tǒng)更加靈活，能夠使用復(fù)雜形狀的基板進(jìn)行打印。

所述噴頭上部設(shè)置有一上電極，所述上電極與導(dǎo)電塊連接給溶液通電，所述噴頭下方依次設(shè)置有下電極支撐環(huán)和下電極環(huán)，所述下電極支撐環(huán)和下電極環(huán)同軸套設(shè)在所述噴嘴外圍，所述上電極和下電極環(huán)均通過導(dǎo)電塊與外部電源接通。

具體地，在噴頭上方設(shè)置壓電結(jié)構(gòu)，通過壓電結(jié)構(gòu)來控制噴印的頻率，實現(xiàn)高頻打印，而在噴頭下方集成下電極，將原本施加于基板上的電壓施加于噴頭下方的電極，在噴嘴和下電極之間施加一個和噴嘴出的電極極性相同的電場，來提高墨滴飛行時的定位性，

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述振動片與噴頭之間通過支撐結(jié)構(gòu)支撐，該支撐結(jié)構(gòu)包括左肩塊和右肩塊，所述上電極設(shè)置在右肩塊和噴頭之間，所述支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置限流結(jié)構(gòu)，防止溶液在壓電結(jié)構(gòu)的作用下產(chǎn)生回流。

優(yōu)選地，所述噴嘴上部的空腔為上寬下窄的漏斗形，所述噴頭采用二氧化硅材料，使用刻蝕工藝制作而成。氣泡會對打印的過程造成致命的影響，會導(dǎo)致射流不穩(wěn)定或是溶液噴不出來，所以應(yīng)當(dāng)盡可能的避免溶液中產(chǎn)生氣泡。噴頭的上部分做成漏斗狀，方便溶液的流通并且能夠減少溶液在流入噴嘴時氣泡的產(chǎn)生。

優(yōu)選地，所述噴頭下方還設(shè)有凸出的外環(huán)，該外環(huán)的內(nèi)徑大于噴嘴的外徑，所述下電極支撐環(huán)上端為噴嘴連接環(huán)，該噴嘴連接環(huán)上部為凸臺結(jié)構(gòu)，該凸臺結(jié)構(gòu)與噴頭上凸出的外環(huán)相配合。外環(huán)與支撐環(huán)之間的配合保證了對噴頭的穩(wěn)定支撐，且保證了外環(huán)的強度，利于延長噴頭的使用壽命。

優(yōu)選地，所述下電極支撐環(huán)還包括設(shè)置在噴嘴連接環(huán)下面的矯正電極環(huán)和下電極連接環(huán)，所述矯正電極環(huán)通過導(dǎo)電塊連接導(dǎo)電線通入矯正電壓。通過矯正電極環(huán)的設(shè)置，在必要時添加矯正電壓，提高墨滴的對中性能，從而能夠提高液滴的定位精度，實現(xiàn)更為精確、精細(xì)的打印效果。

優(yōu)選地，所述下電極支撐環(huán)和下電極環(huán)的內(nèi)圓共同形成空腔，所述外環(huán)和噴嘴連接環(huán)的凸臺結(jié)合處設(shè)置有一微流道，在微流道中通入氣流，沖洗附著在支撐壁上的液滴。環(huán)形的下電極支撐環(huán)和下電極環(huán)形成的空腔內(nèi)壁，便于飛濺至支撐壁上的衛(wèi)星液滴往下滑動，實現(xiàn)支撐壁上液滴的清理。通過微流道的設(shè)置，方便氣流將飛濺至空腔內(nèi)壁上的液滴沖走，實現(xiàn)支撐壁的清洗，避免堵塞影響液滴噴射的精確度。

優(yōu)選地，所述導(dǎo)電塊分別通過導(dǎo)電線引出后集成到一處，構(gòu)成具有插拔結(jié)構(gòu)的插頭。將導(dǎo)電線集成到一處構(gòu)成插頭，可以使供電線路簡單，方便噴頭快速地實現(xiàn)拆裝。

優(yōu)選地，所述噴頭和壓電結(jié)構(gòu)之間的支撐結(jié)構(gòu)由絕緣材料構(gòu)成，優(yōu)選采用玻璃制成。

優(yōu)選地，所述上電極、矯正電極環(huán)和下電極環(huán)均采用導(dǎo)電金屬材料制成，優(yōu)選地，所述上電極采用鋁制成，所述矯正電極環(huán)和下電極環(huán)采用金制成。

優(yōu)選地，所述噴嘴連接環(huán)和下電極連接環(huán)采用絕緣材料制成，優(yōu)選地，所述噴嘴連接環(huán)采用二氧化硅制成，所述下電極連接環(huán)采用玻璃制成。

高純度的二氧化硅材料具有良好的絕緣性能，作為噴頭材料能夠起到良好的絕緣作用，而采用玻璃作為支撐材料，則能夠在保證良好的絕緣效果的同時，降低制造噴頭的成本。另外，鋁和金都具有良好的導(dǎo)電性能，將其作為電極的材料，能夠保證電壓的穩(wěn)定，有利于提高最終的打印精度。

具體地，本發(fā)明的壓電式集成噴頭的工作原理為：在噴頭上方設(shè)置有壓電結(jié)構(gòu)，噴頭的底部設(shè)置有下電極環(huán)，上電極和噴頭的上方貼合給溶液通電，壓電結(jié)構(gòu)通電之后使得溶液在噴射頭處形成彎月面，上下電極通電后，在噴頭和下電極環(huán)之間形成電場，從而使溶液在噴射頭處形成泰勒錐，最終準(zhǔn)確地噴射到基本的設(shè)定區(qū)域。必要時，還可以給矯正電極環(huán)施加一定的電壓，使矯正電極環(huán)的極性和液滴中電荷的極性相同，液滴在空腔中飛行時會受到一定的排斥力作用，從而提高液滴的定位精度。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和有益效果：

(1)本發(fā)明的壓電式集成噴頭克服了現(xiàn)有的電流體噴印設(shè)備不能進(jìn)行高頻噴射，不能實現(xiàn)高分辨率打印，不能保證較好的定位性，不能使用復(fù)雜形狀的基板進(jìn)行噴射等缺陷與不足，通過壓電結(jié)構(gòu)來控制噴印的頻率，實現(xiàn)高頻打印，在噴頭下方集成下電極，將原本施加于基板上的電壓施加于噴頭下方的電極，在噴嘴和下電極之間施加一個和噴嘴處的電極極性相同的電場，來提高墨滴飛行時的定位性，達(dá)到高頻率、高分辨率的打印效果，而且在曲面或其他形狀的基板上均能實現(xiàn)高精度的打印。

(2)本發(fā)明的壓電式集成噴頭通過在噴頭下方設(shè)置矯正電極環(huán)，在必要時添加矯正電壓，提高墨滴的對中性能，從而能夠提高液滴的定位精度，實現(xiàn)更為精確、精細(xì)的打印效果。而將噴頭和下電極之間的支撐做成空腔，便于飛濺至支撐壁上的衛(wèi)星液滴往下滑動，支撐環(huán)上設(shè)有微流道，方便氣流輔助用于通氣將飛濺至支撐壁上的液滴沖走。且本發(fā)明的壓電集成噴頭所需5個電極，將5個電極集成一處形成插口式，方便噴頭電極的裝拆。

(3)本發(fā)明的壓電式集成噴頭克服了現(xiàn)有的電噴印設(shè)備不能滿足高頻噴射的缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻高分辨率的打印，將下電極集成到噴頭端，使得整個噴印系統(tǒng)更加靈活，能夠使用復(fù)雜形狀的基板進(jìn)行打印，還具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2(a)和圖2(b)為本發(fā)明的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭的下電極支撐環(huán)的俯視圖和剖視圖。

圖3(a)和圖3(b)為本發(fā)明的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭的硅基噴頭側(cè)視圖和剖視圖。

圖4為本發(fā)明的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭的電極引線示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-下電極環(huán)，2下電極支撐環(huán)，21-下電極連接環(huán)，22-矯正電極環(huán)，23-噴嘴連接環(huán)，24-微流道，3-噴頭，31-外環(huán)，32-噴嘴，4-上電極，51、52、53、54、55-導(dǎo)電塊，61-外支架，62-內(nèi)部支架，7-壓電結(jié)構(gòu)，71-電極引腳，72-壓電上電極，73-壓電薄膜，74-壓電下電極，75-振動片，8-支撐結(jié)構(gòu)，81-右肩塊，82-左肩塊，91-供液口，92-入液口，93-出液口。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明的用于電流體噴印的壓電式集成噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其包括外部支架61、以及在外部支架61內(nèi)從上至下依次設(shè)置的壓電結(jié)構(gòu)7、噴頭3、下電極支撐環(huán)2和下電極環(huán)1，

其中，所述外部支架61上端開設(shè)有一供液口91，底端開設(shè)有一出液口93，所述壓電結(jié)構(gòu)7位于外部支架61的內(nèi)部上端，所述壓電結(jié)構(gòu)7包括從上至下依次設(shè)置的電極引腳71、壓電上電極72、壓電薄膜73和壓電下電極74，所述壓電結(jié)構(gòu)7下方還設(shè)置有振動片75，所述壓電結(jié)構(gòu)7密封在一內(nèi)部支架62內(nèi)，僅電極引腳71和壓電下電極74伸出與導(dǎo)電塊相連，

所述壓電下電極74和振動片75上開有一入液孔92，從供液口91進(jìn)入的溶液通過該入液孔92流入振動片75下方的噴頭3內(nèi)，所述噴頭3下端設(shè)置有凸出的噴嘴32，所述噴嘴32上部設(shè)有空腔用于容納溶液，所述壓電結(jié)構(gòu)7位于所述空腔的上方，所述噴嘴32正對出液口93，

所述噴頭3上部設(shè)置有一上電極4，所述上電極4與導(dǎo)電塊連接給溶液通電，所述噴頭3下方依次設(shè)置有下電極支撐環(huán)2和下電極環(huán)1，所述下電極支撐環(huán)2和下電極環(huán)1同軸套設(shè)在所述噴嘴32外圍，所述上電極4和下電極環(huán)1均通過導(dǎo)電塊與外部電源接通。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述振動片與噴頭3之間通過支撐結(jié)構(gòu)8支撐，該支撐結(jié)構(gòu)8包括左肩塊82和右肩塊81，所述上電極4設(shè)置在右肩塊81和噴頭3之間，所述支撐結(jié)構(gòu)8內(nèi)部設(shè)置限流結(jié)構(gòu)，防止溶液在壓電結(jié)構(gòu)7的作用下產(chǎn)生回流。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述噴嘴32上部的空腔為上寬下窄的梯形結(jié)構(gòu)，所述噴頭3采用二氧化硅材料，使用刻蝕工藝制作而成。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述噴頭3下方還設(shè)有凸出的外環(huán)31，該外環(huán)31的內(nèi)徑大于噴嘴32的外徑，所述下電極支撐環(huán)2上端為噴嘴連接環(huán)23，該噴嘴連接環(huán)23上部為凸臺結(jié)構(gòu)，該凸臺結(jié)構(gòu)與噴頭3上凸出的外環(huán)31相配合。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述下電極支撐環(huán)2還包括設(shè)置在噴嘴連接環(huán)23下面的矯正電極環(huán)22和下電極連接環(huán)21，所述矯正電極環(huán)22通過導(dǎo)電塊5連接導(dǎo)電線通入矯正電壓。使用噴頭打印的過程中，由于溶液的不均勻，溶液中有氣泡或是施加的電壓波動范圍較大等因素會導(dǎo)致射流飛濺，最終落至支撐壁上。下電極支撐環(huán)的內(nèi)部為空腔，可以利用下電極環(huán)形成的電場，將落在空腔內(nèi)壁上的液滴拉出空腔。

在本發(fā)明的另一個具體實施例中，所述下電極支撐環(huán)2和下電極環(huán)的內(nèi)圓共同形成空腔，所述外環(huán)31和噴嘴連接環(huán)23的凸臺結(jié)合處設(shè)置有一微流道24，在微流道24中通入氣流，沖洗附著在空腔內(nèi)壁上的液滴。

在本發(fā)明的另一個具體實施例中，所述導(dǎo)電塊分別通過導(dǎo)電線引出后集成到一處，構(gòu)成具有插拔結(jié)構(gòu)的插頭。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述噴頭3和壓電結(jié)構(gòu)7之間的支撐結(jié)構(gòu)8由絕緣材料構(gòu)成，優(yōu)選采用玻璃制成，在另一具體實施例中，右肩塊81和上電極4之間可由膠水密封。

在本發(fā)明的另一個具體實施例中，所述上電極4、矯正電極環(huán)22和下電極環(huán)1均采用導(dǎo)電金屬材料制成，優(yōu)選地，所述上電極4采用鋁(Al)制成，所述矯正電極環(huán)22和下電極環(huán)1采用金(Au)制成。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，所述噴嘴連接環(huán)23和下電極連接環(huán)21采用絕緣材料制成，優(yōu)選地，所述噴嘴連接環(huán)23采用二氧化硅制成，所述下電極連接環(huán)21采用玻璃制成。

為更好地解釋本發(fā)明，以下給出一個具體實施例：

參見圖1，一種用于電流體噴印的壓電式集成噴頭，由壓電結(jié)構(gòu)7，噴頭3，下電極支撐環(huán)2和下電極環(huán)1構(gòu)成。參見圖3(a)和圖3(b)，所述噴頭3為二氧化硅采用刻蝕工藝制作而成，噴頭3的上部分做成漏斗狀，方便溶液的流通并且能夠減少溶液在流入噴嘴32時氣泡的產(chǎn)生。氣泡會對打印的過程造成致命的影響，會導(dǎo)致射流不穩(wěn)定或是溶液噴不出來，所以應(yīng)當(dāng)盡可能的避免溶液中產(chǎn)生氣泡。噴嘴32的內(nèi)徑視工藝而定，噴嘴32的壁厚應(yīng)大于35um，一方面方便噴嘴加工，另一方面提供噴嘴15的穩(wěn)定性。噴嘴的高度略大于噴嘴的外徑。噴嘴3外環(huán)31的環(huán)厚應(yīng)略小于噴嘴32的外徑，以保證其強度。上電極4的材料為Al,主要功能是給溶液通電，上電極4和噴嘴3通過貼合在一起，上電極引出后和導(dǎo)電塊51相接，進(jìn)而可以引出導(dǎo)線。

參見圖2(a)和圖2(b)，下電極支撐環(huán)2由玻璃制成，一是玻璃相對于硅片而言容易加工，可以降低成本，另一方面是需要良好的絕緣性能。使用硅基噴頭打印的過程中，由于溶液的不均勻，溶液中有氣泡或是施加的電壓波動范圍較大等因素會導(dǎo)致射流飛濺，最終落至支撐壁上。下電極支撐環(huán)2的內(nèi)部為空腔，可以利用下電極環(huán)1形成的電場，將落在支撐壁上的液滴拉出空腔。下電極環(huán)支撐2中的矯正電極環(huán)22的極性和液滴中電荷的極性相同，液滴在空腔中飛行時會受到一定的排斥力作用，矯正電極因此可以提高液滴的定位精度。下電極支撐環(huán)2和噴嘴3相接觸的部分做有微流道24。微流道24中通入氣流，沖洗附著在支撐壁上的液滴。

參見圖4，該壓電式集成噴頭一共需要5個電極，分別是：用于提供高壓的下電極環(huán)1，用于給溶液供電的上電極4，用于矯正液滴飛行的矯正電極環(huán)22，用于給壓電結(jié)構(gòu)供電的壓電下電極74，用于給壓電結(jié)構(gòu)供電的壓電上電極72。5個電極引與相應(yīng)的導(dǎo)電塊相連接，每個導(dǎo)電塊均有導(dǎo)線與之相連，導(dǎo)支架61和內(nèi)部支架62引出后做成一體的插拔式結(jié)構(gòu)。

5個電極有著不同的供電方式。使用壓電驅(qū)動器給壓電結(jié)構(gòu)的壓電上電極72和壓電下電極74供電，壓電驅(qū)動器受PC端控制，可以設(shè)定不同頻率的和幅值的梯形波。使用可調(diào)的高壓電源給矯正電極環(huán)22和下電極環(huán)1和上電極4供電，上電極4提供正電勢，給矯正電極環(huán)22提供低于上電極4的正電勢，下電極1接地。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。