JP2005039984A - Oscillation generator and liquid ejector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動発生装置及び液体吐出装置に関し、より詳しくは例えば燃料噴射用インクジェクター、インクジェットプリンタ用印刷ヘッド、発振器、超音波モーター、超音波振動子等に用いられる圧電アクチュエータを用いた振動発生装置及び広がり振動モード、伸び振動モード、又は厚み縦振動モードを利用したアクチュエータを搭載した印刷ヘッドとして好適に用いられる液体吐出装置に関する。 The present invention relates to a vibration generator and a liquid discharge device, and more particularly, vibration generation using a piezoelectric actuator used in, for example, a fuel jet ink ejector, an inkjet printer print head, an oscillator, an ultrasonic motor, an ultrasonic vibrator, and the like. The present invention relates to a liquid ejecting apparatus suitably used as a printing head equipped with an apparatus and an actuator using a spreading vibration mode, an extension vibration mode, or a thickness longitudinal vibration mode.
従来から、圧電セラミックスを利用した製品としては、例えば圧電アクチュエータ、フィルタ、圧電共振子(発信子を含む)、超音波振動子、超音波モーター、圧電センサ、圧力ポンプ等がある。 Conventionally, products using piezoelectric ceramics include, for example, piezoelectric actuators, filters, piezoelectric resonators (including oscillators), ultrasonic vibrators, ultrasonic motors, piezoelectric sensors, pressure pumps, and the like.
これらの中でも、電気信号に対する圧電アクチュエータの応答速度が10−6秒台と非常に高速であるため、半導体製造装置のXYステージの位置決め用圧電アクチュエータやインクジェットプリンタの印刷ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ等に応用されている。 Among these, since the response speed of the piezoelectric actuator to electrical signals is as high as 10 −6 seconds, it can be used as a piezoelectric actuator for positioning an XY stage of a semiconductor manufacturing apparatus, a piezoelectric actuator used for a print head of an inkjet printer, Applied.
インクジェット方式を利用した印刷ヘッドは、PZT等のPbを含むペロブスカイト系セラミックスからなる圧電変位素子を備え、該圧電変位素子に両側から駆動電圧を印加した時の圧電変位素子の変位を利用して微小な液滴を液体吐出口から吐出させるものである。 A print head using an ink jet system includes a piezoelectric displacement element made of perovskite ceramics including Pb such as PZT, and uses a displacement of the piezoelectric displacement element when a drive voltage is applied to the piezoelectric displacement element from both sides. Liquid droplets are discharged from the liquid discharge port.
この圧電セラミックスは、圧電変位素子の変形によって内部摩擦熱や電気的発熱等により、圧電セラミック層の温度が上昇する。圧電セラミック層は温度が上昇すると、変位特性が劣化し、圧電アクチュエータによって発生する圧力も低下するという問題があった。 In this piezoelectric ceramic, the temperature of the piezoelectric ceramic layer rises due to internal frictional heat, electrical heat generation, or the like due to deformation of the piezoelectric displacement element. When the temperature of the piezoelectric ceramic layer increases, the displacement characteristics deteriorate, and the pressure generated by the piezoelectric actuator also decreases.
そこで、圧力空気を冷却し、冷却空気を圧電アクチュエータに供給して圧電アクチュエータを冷却して変位特性の劣化を防止することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Therefore, it has been proposed to cool the pressure air and supply the cooling air to the piezoelectric actuator to cool the piezoelectric actuator to prevent the deterioration of the displacement characteristics (see, for example, Patent Document 2).
また、銅等の熱伝導率の大きな金属を圧電アクチュエータに接着し、圧電アクチュエータで発生する熱を、金属を介して除去することが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
しかしながら、特許文献2に記載の圧電アクチュエータでは、圧力空気を製造する必要があり、また、冷却空気の輸送パイプの保温を含め、装置が大型化するという問題があり、プリンタや小型印刷機には不適当であった。 However, in the piezoelectric actuator described in Patent Document 2, it is necessary to produce pressurized air, and there is a problem that the apparatus is enlarged including the heat insulation of the cooling air transport pipe. It was inappropriate.
また、特許文献3に記載の圧電アクチュエータでは、熱伝導を用いて除熱するものであるが、圧電変位素子が高密度に集積された圧電アクチュエータや、発熱量の大きい圧電アクチュエータでは除熱が不足で、圧電アクチュエータの温度が上昇すると言う問題があった。 In addition, the piezoelectric actuator described in Patent Document 3 uses heat conduction to remove heat. However, a piezoelectric actuator in which piezoelectric displacement elements are integrated at a high density or a piezoelectric actuator that generates a large amount of heat is insufficient to remove heat. Thus, there is a problem that the temperature of the piezoelectric actuator rises.
従って、本発明は、十分に除熱ができ、小型化の可能な振動発生装置及び液体吐出装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a vibration generating apparatus and a liquid discharge apparatus that can sufficiently remove heat and can be reduced in size.
本発明は、圧電変位素子を冷却するために、熱電変換素子を用いた冷却手段を備え、特に圧電変位素子と同一表面に熱電変換素子を設けることによって、圧電変位素子で発熱した熱を十分に除去することができ、圧電変位素子の脱分極を防止することができるという新規な知見に基づくもので、その結果、脱分極が起こり難く、耐久性が高く、小型化の可能な振動発生装置及び液体吐出装置を提供することができる。 In order to cool the piezoelectric displacement element, the present invention is provided with a cooling means using a thermoelectric conversion element, and in particular, by providing the thermoelectric conversion element on the same surface as the piezoelectric displacement element, the heat generated by the piezoelectric displacement element is sufficiently reduced. It is based on the novel knowledge that it can be removed and the depolarization of the piezoelectric displacement element can be prevented. As a result, it is difficult to depolarize, has high durability, and can be downsized. A liquid ejecting apparatus can be provided.
即ち、本発明の振動発生装置は、圧電変位素子を用いた振動発生装置であって、該圧電変位素子を冷却するために、熱電変換素子を用いた冷却手段を具備することを特徴とするものである。 That is, the vibration generator of the present invention is a vibration generator using a piezoelectric displacement element, and includes a cooling means using a thermoelectric conversion element to cool the piezoelectric displacement element. It is.
特に、前記熱電変換素子が、前記圧電変位素子に隣接して設けられていることが好ましい。さらに、前記熱電変換素子が、前記圧電変位素子と同一表面に設けられていることが好ましい。これらにより、さらに効率の良い冷却を行うことができる。 In particular, it is preferable that the thermoelectric conversion element is provided adjacent to the piezoelectric displacement element. Furthermore, it is preferable that the thermoelectric conversion element is provided on the same surface as the piezoelectric displacement element. By these, more efficient cooling can be performed.
また、前記冷却装置が放熱板を備えていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said cooling device is equipped with the heat sink.
さらに、前記熱電変換素子が、前記圧電変位素子と接着層を介して接合されてなり、該接着層が高熱伝導性接着剤又は高熱伝導性ロウ材であることが好ましい。 Furthermore, the thermoelectric conversion element is preferably bonded to the piezoelectric displacement element via an adhesive layer, and the adhesive layer is preferably a high thermal conductive adhesive or a high thermal conductive brazing material.
さらにまた、前記圧電変位素子が、内部電極と圧電セラミック層との積層体であることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the piezoelectric displacement element is a laminated body of an internal electrode and a piezoelectric ceramic layer.
また、前記圧電変位素子が、表面個別電極と、内部電極と、該内部電極と表面個別電極とで挟持される圧電セラミック層と、で構成され、該圧電変位素子が振動板上に設けられていることが好ましい。 The piezoelectric displacement element includes a surface individual electrode, an internal electrode, and a piezoelectric ceramic layer sandwiched between the internal electrode and the surface individual electrode, and the piezoelectric displacement element is provided on the diaphragm. Preferably it is.
さらに、前記圧電変位素子の内部電極と、前記熱電変換素子の一方の電極とが同電位であることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the internal electrode of the piezoelectric displacement element and one electrode of the thermoelectric conversion element have the same potential.
また、前記圧電変位素子が、複数の変位領域を有することが好ましい。 The piezoelectric displacement element preferably has a plurality of displacement regions.
さらに、前記圧電変位素子の温度を検知する手段が備えられていることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that a means for detecting the temperature of the piezoelectric displacement element is provided.
また、本発明の液体吐出装置は、液体供給口と、液体加圧室と、液体吐出口とを具備する流路部材の表面に、上記の振動発生装置が設けられてなることを特徴とするものである。 The liquid ejection device of the present invention is characterized in that the vibration generating device is provided on the surface of a flow path member including a liquid supply port, a liquid pressurizing chamber, and a liquid ejection port. Is.
本発明の振動発生装置は、圧電変位素子を熱電変換素子が使用された冷却装置によって冷却するため、電力を供給するだけで圧電アクチュエータを効率良く冷却でき、圧電セラミック層の脱分極の発生を顕著に抑制でき、小型化も可能である。 In the vibration generator of the present invention, the piezoelectric displacement element is cooled by a cooling device using a thermoelectric conversion element, so that the piezoelectric actuator can be efficiently cooled simply by supplying electric power, and the occurrence of depolarization of the piezoelectric ceramic layer is remarkable. And can be downsized.
特に、圧電アクチュエータの表面に、圧電変位素子に隣接する位置に熱電変換モジュールを接合して設けることにより、圧電アクチュエータを直接冷却できるため、効率良い冷却が可能となる。 In particular, since the piezoelectric actuator can be directly cooled by providing a thermoelectric conversion module bonded to the surface of the piezoelectric actuator at a position adjacent to the piezoelectric displacement element, efficient cooling is possible.
また、本発明の液体吐出装置は、液体吐出特性が安定しているため、長期間再分極なしで駆動を行うことができ、特にインクジェット方式を用いたプリンタや印刷機に好適に用いることができる。 In addition, since the liquid ejection characteristics of the present invention are stable, the liquid ejection device can be driven without repolarization for a long period of time, and can be suitably used particularly for printers and printing machines using an inkjet system. .
本発明の一実施形態にかかる振動発生装置及び液体吐出装置を、図面を参照して詳細に説明する。 A vibration generator and a liquid ejection device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1(a)は本実施形態の振動発生装置及び液体吐出装置の断面図、図1(b)はその平面図である。図1(a)および(b)に示すように、この液体吐出装置は、流路部材3の上に、圧電アクチュエータ1からなる振動発生装置が設けられた構造を有する。 FIG. 1A is a cross-sectional view of the vibration generator and the liquid ejection device of the present embodiment, and FIG. 1B is a plan view thereof. As shown in FIGS. 1A and 1B, this liquid ejection device has a structure in which a vibration generating device including a piezoelectric actuator 1 is provided on a flow path member 3.
圧電アクチュエータ1は、例えば、図1(a)に示したように、振動板2の上に、共通電極5と、振動に関与する部位である圧電セラミック層4と、表面に設けられた表面個別電極6とが順次形成されている。そして、圧電セラミック層4を、共通電極5と表面個別電極6とで挟持してなる圧電変位素子7が振動板2上に複数設けられている。このような構成にすることで、圧電セラミック層4の厚みを小さくし、変位量を大きくすることが可能となる。 For example, as shown in FIG. 1A, the piezoelectric actuator 1 includes a common electrode 5, a piezoelectric ceramic layer 4 that is a part involved in vibration, and individual surfaces provided on the surface of the diaphragm 2. The electrodes 6 are sequentially formed. A plurality of piezoelectric displacement elements 7 each having a piezoelectric ceramic layer 4 sandwiched between a common electrode 5 and a surface individual electrode 6 are provided on the diaphragm 2. With such a configuration, it is possible to reduce the thickness of the piezoelectric ceramic layer 4 and increase the amount of displacement.
なお、振動板2は、圧電変位素子7を保持し、機械的な振動や衝撃から圧電変位素子7を保護するために設けることが好ましい。また、圧電セラミック層4及び共通電極5は振動基板2上に複数の圧電変位素子7にまたがって存在しているが、圧電変位素子7に含まれる圧電セラミック層4及び共通電極5は、変位領域7aの範囲で示される部分のみに相当し、圧電セラミック層4全体又は共通電極5全体を意味するものではない。 The diaphragm 2 is preferably provided to hold the piezoelectric displacement element 7 and protect the piezoelectric displacement element 7 from mechanical vibration and impact. The piezoelectric ceramic layer 4 and the common electrode 5 exist on the vibration substrate 2 across the plurality of piezoelectric displacement elements 7, but the piezoelectric ceramic layer 4 and the common electrode 5 included in the piezoelectric displacement element 7 have a displacement region. It corresponds only to the portion shown in the range 7a, and does not mean the entire piezoelectric ceramic layer 4 or the entire common electrode 5.
流路部材3には複数の液体加圧室3aが並設され、液体加圧室3aを仕切る壁として隔壁3bが形成されている。液体加圧室3aの開口部の直上に表面個別電極6が配置するように、圧電アクチュエータ1と流路部材3とが接着されている。なお、図示していないが、流路部材3には液体供給口が設けられ、この液体供給口は液体加圧室3aに接続していることは言うまでもない。
A plurality of liquid pressurizing
共通電極5と表面個別電極6との間に駆動電圧を印加すると、共通電極5と表面個別電極6とで挟持された圧電セラミック層4が変形し、圧電変位素子7が変位する。この変位に伴って、圧電変位素子7と一体化されている振動板2も圧電変位素子7と同一方向に変位し、変位領域7aが変位することとなり、その結果、液体加圧室3aの容積を変化させるため、その時に発生する圧力で液体加圧室3aの液体が液体吐出口8から吐出する。
When a driving voltage is applied between the common electrode 5 and the individual surface electrode 6, the piezoelectric ceramic layer 4 sandwiched between the common electrode 5 and the individual surface electrode 6 is deformed, and the piezoelectric displacement element 7 is displaced. With this displacement, the diaphragm 2 integrated with the piezoelectric displacement element 7 is also displaced in the same direction as the piezoelectric displacement element 7, and the displacement region 7a is displaced. As a result, the volume of the liquid pressurizing
このような複数の圧電変位素子7が、振動板2の表面に設けられてなる圧電アクチュエータ1は、各圧電変位素子7を独立して制御し、微細な領域に振動を起こすため、例えば微量のインクを特定の微細領域に吐出する印刷ヘッドに好適な構造を有している。 The piezoelectric actuator 1 in which a plurality of such piezoelectric displacement elements 7 are provided on the surface of the diaphragm 2 controls each piezoelectric displacement element 7 independently and causes vibration in a minute region. It has a structure suitable for a print head that discharges ink to a specific fine region.
しかし、圧電変位素子7の変位に伴って熱が発生し、圧電セラミック層4の温度が上昇する。圧電セラミック層4は予め分極処理が施されているが、温度の上昇によって脱分極が進み、次第に変位特性が低下する。そのため、この熱を飛散することが重要である。 However, heat is generated with the displacement of the piezoelectric displacement element 7 and the temperature of the piezoelectric ceramic layer 4 rises. The piezoelectric ceramic layer 4 has been subjected to polarization treatment in advance, but depolarization progresses as the temperature rises, and the displacement characteristics gradually deteriorate. Therefore, it is important to dissipate this heat.
本発明によれば、圧電変位素子7で発生する熱を飛散させるために、圧電変位素子7を冷却するための冷却装置を備えていることが重要である。これによって、圧電アクチュエータ1で発生した熱の影響を除去し、圧電セラミック層の脱分極を抑制することができる。従って、脱分極が起こり難く、耐久性に優れた振動発生装置を実現することができる。 According to the present invention, it is important to include a cooling device for cooling the piezoelectric displacement element 7 in order to scatter heat generated in the piezoelectric displacement element 7. As a result, the influence of heat generated in the piezoelectric actuator 1 can be removed, and depolarization of the piezoelectric ceramic layer can be suppressed. Therefore, it is possible to realize a vibration generator that is hardly depolarized and has excellent durability.
また、上記冷却装置にはペルチェ素子からなる熱電変換素子を用いることも重要である。熱電変換素子は、一方の端面が低温となり、他方の端面が高温となるため、低温となる面を圧電アクチュエータ1に当接することによって効率良く圧電変位素子7を冷却することができるとともに、熱電変換素子を用いると、振動発生装置の小型化を阻害することなく冷却を行うことができる。 It is also important to use a thermoelectric conversion element composed of a Peltier element for the cooling device. In the thermoelectric conversion element, one end face has a low temperature and the other end face has a high temperature, so that the piezoelectric displacement element 7 can be efficiently cooled by abutting the low temperature face on the piezoelectric actuator 1 and the thermoelectric conversion is performed. When the element is used, cooling can be performed without hindering the downsizing of the vibration generator.
冷却手段としては、熱電変換素子を直接圧電アクチュエータ1上に取付けても良いが、複数の熱電変換素子を一対の基板で挟持するように組み込んだ熱電モジュールとして用いることが好ましい。熱電モジュールとして用いることにより、冷却効率を高め、容易に取付けが可能で、冷却効率を高めることができる。 As a cooling means, a thermoelectric conversion element may be directly mounted on the piezoelectric actuator 1, but it is preferable to use it as a thermoelectric module in which a plurality of thermoelectric conversion elements are sandwiched between a pair of substrates. By using it as a thermoelectric module, it is possible to increase the cooling efficiency, easily mount it, and increase the cooling efficiency.
図2は、図1(b)に示された熱電変換モジュール9bを詳細に例示したものである。図2に示したように、熱電変換モジュール9bは、N型ペルチェ素子103a及びP型ペルチェ素子103bが、配線を簡単化し、小型化に適すように下部基板101の上にN型、P型、N型、P型と交互になるように載置され、且つ電気的に直列になるように配列されている。そして、下部基板101と上部基板102とによってこれらのペルチェ素子103が挟持される。
FIG. 2 illustrates the
ペルチェ素子103の配列は、上記のように直列にするのが、ペルチェ素子103を流れる電流が小さく、ジュール熱による自己発熱が小さく望ましい。ペルチェ素子103自身が大量に発熱すると、その除去のために装置が複雑になることがある。
It is desirable to arrange the
下部基板101の表面と、上部基板102の表面には各々配線導体104、105が設けられて、ペルチェ素子103を電気的に連結している。そして、N型103a及びP型103bのペルチェ素子103に、接続端子107を介して外部から電力が供給され、一方の基板(下部基板01)が冷却されて冷却面を形成するとともに、他方の基板(上部基板(102)が発熱して発熱面を形成する。
なお、図2において、上部基板102は、内部の構造を示すために、一部のみ表示を行っている。また、図2は、長尺形状の熱電モジュールを示したが、その形状は長尺形状に限らず、正方形、長方形、多角形、円形等、所望の形状にすることができるのは言うまでもない。更には、リング形状として、変位素子の外周に配置することも可能で、接続時の取扱いが容易で、冷却効率もより高めることができる。
In FIG. 2, only a part of the
特に、発熱を伴う圧電変位素子7に熱電変換素子を隣接させ、更にはこれらを同一表面に配することが好ましい。つまり、熱電変換素子10を圧電変位素子7の近くに設ければ設ける程、圧電変位素子7を容易に低温に保つことができ、脱分極を確実に抑制することができる。 In particular, it is preferable to place a thermoelectric conversion element adjacent to the piezoelectric displacement element 7 that generates heat, and to arrange them on the same surface. That is, the more the thermoelectric conversion element 10 is provided near the piezoelectric displacement element 7, the easier it is to keep the piezoelectric displacement element 7 at a low temperature and the depolarization can be reliably suppressed.
具体的には、図1に示したように圧電アクチュエータ1の表面に、熱電変換素子9が圧電変位素子7に隣接するように設けることが好ましい。また、図3に示したように、液体加圧室13aと隔壁13bとを具備する流路部材13の表面に、圧電アクチュエータ11と隣り合うように、同一平面上に設けることもできる。この時、冷却面19aを流路部材13と当接するように接合させ、高温面19bを大気と接するように配置するのは言うまでもない。
Specifically, as shown in FIG. 1, it is preferable to provide the thermoelectric conversion element 9 adjacent to the piezoelectric displacement element 7 on the surface of the piezoelectric actuator 1. Moreover, as shown in FIG. 3, it can also be provided on the same plane so as to be adjacent to the piezoelectric actuator 11 on the surface of the
このように、流路部材13の表面に熱電変換素子19を設けても、圧電変位素子17が隣接していれば、圧電アクチュエータ11に直接接合した場合と同様の効果が期待できる。
Thus, even if the
ただし、熱電変換素子19の冷却面19aが流路部材13と当接するように設けなければならず、発熱面19bを流路部材13と当接するのは好ましくない。例えば、圧電アクチュエータ11と流路部材13との間に熱電変換素子19を配置すると、印刷ヘッドの内部において冷却と発熱が起こるが、全体としては冷却量よりも発熱量が大きいため、印刷ヘッドに加わる熱応力が大きくなってクラックが発生しやすくなるとともに、流路部材13側が高温になると、インク等の液体の粘性が変化し、液体の吐出状態が変化して画質が低下することがあるためこのような配置は避けるべきである。
However, it is necessary to provide the
本発明の振動発生装置は、図1(a)、(b)に示したように、冷却装置である熱電変換モジュール9a、9bを圧電セラミック層4の表面、即ち圧電アクチュエータ1の表面に直接取付けることもできる。このように、直接冷却することで冷却効率をより高めることができる。
In the vibration generator of the present invention, as shown in FIGS. 1A and 1B, the
また、熱電変換モジュール9bのように、その形状が長尺形状で、圧電アクチュエータ1の周辺部に沿って広い面積で設けられていることが好ましい。このように、大きな面積を占有することで、冷却効率を向上できる。
Further, like the
上記の構成は、圧電変位素子7が設けられた表面と同一表面に熱電変換モジュールが形成されているため、冷却効率が高く、圧電アクチュエータ1の温度を低く保つことができ、分極されている圧電セラミック層の脱分極を抑制し、圧電変位素子の変位特性の劣化を防止することができる。また、熱電変換素子に供給する電力を低減することが可能となる。 In the above configuration, since the thermoelectric conversion module is formed on the same surface as the surface on which the piezoelectric displacement element 7 is provided, the cooling efficiency is high, the temperature of the piezoelectric actuator 1 can be kept low, and the piezoelectric piezoelectric element is polarized. Depolarization of the ceramic layer can be suppressed, and deterioration of the displacement characteristics of the piezoelectric displacement element can be prevented. In addition, the power supplied to the thermoelectric conversion element can be reduced.
熱電変換モジュール9は、圧電アクチュエータ1に当接するように接着されており、特に、圧電アクチュエータ1の表面の縁端部に設けられていることが好ましい。熱電変換モジュールは圧電アクチュエータを直接冷却するので、効率良い冷却を行うことができる。また、縁端部に設けることにより、圧電変位素子が高密度で形成されていても、液体の吐出を妨害することがなく、装置の小型化を行うこともできる。 The thermoelectric conversion module 9 is bonded so as to be in contact with the piezoelectric actuator 1, and is particularly preferably provided at the edge of the surface of the piezoelectric actuator 1. Since the thermoelectric conversion module directly cools the piezoelectric actuator, efficient cooling can be performed. Further, by providing the edge portion, even if the piezoelectric displacement elements are formed with high density, the apparatus can be downsized without obstructing the discharge of the liquid.
熱電変換素子は、常時通電されて圧電変位素子を冷却し続けても良いが、圧電変位素子又はその近傍の温度を検知し、温度が特定の温度以上になったときに熱電変換素子に通電して圧電変位素子を冷却しても良い。このように圧電変位素子の温度を検知する手段を備えていると、脱分極を防止しながら消費電力を抑制することができる。 The thermoelectric conversion element may be constantly energized to continue cooling the piezoelectric displacement element, but it detects the temperature of the piezoelectric displacement element or its vicinity and energizes the thermoelectric conversion element when the temperature exceeds a specific temperature. The piezoelectric displacement element may be cooled. Thus, when the means for detecting the temperature of the piezoelectric displacement element is provided, power consumption can be suppressed while preventing depolarization.
温度の検知手段としては、熱電対を圧電変位素子7又はその近傍に取付けても良いし、圧電アクチュエータの内部に容量を検知し、その容量の温度依存性を利用して温度を検知しても良いし、更に他の方法でも良い。 As a temperature detecting means, a thermocouple may be attached to the piezoelectric displacement element 7 or the vicinity thereof, or the capacitance is detected inside the piezoelectric actuator, and the temperature is detected using the temperature dependence of the capacitance. Good, and other methods may be used.
また、圧電アクチュエータから熱電変換モジュールに効率良く熱を伝えるため、熱電変換モジュールが、高熱伝導性接着剤又は高熱伝導性ロウ材で圧電アクチュエータに接合されていることが好ましい。具体的には、Ag等の導電性の金属粉末と、ガラス成分を含有し、400〜600℃程度で溶融するものが望ましい。例えば、Ag粉末を70〜98質量%、PbO−SiO2−B2O3からなるガラス成分を2〜30質量%とで構成することができる。或いは又、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン系樹脂、特に熱伝導率の高いシリコン系樹脂からなる薄い接着層を介して接合することも可能である。 Further, in order to efficiently transfer heat from the piezoelectric actuator to the thermoelectric conversion module, the thermoelectric conversion module is preferably joined to the piezoelectric actuator with a high heat conductive adhesive or a high heat conductive brazing material. Specifically, it is desirable to contain conductive metal powder such as Ag and a glass component and melt at about 400 to 600 ° C. For example, 70 to 98% by mass of Ag powder and 2 to 30% by mass of a glass component composed of PbO—SiO 2 —B 2 O 3 can be formed. Alternatively, the bonding can be performed through a thin adhesive layer made of an epoxy resin, a polyamide resin, a polyimide resin, a silicon resin, particularly a silicon resin having high thermal conductivity.
本発明によれば、アクチュエータ1の厚みは、表面個別電極6から振動板2までの厚み(表面個別電極6、振動板2を含む)を示すものであり、100μm以下であることが好ましい。このように薄層にすることで、大きな変位を得ることができ、また低駆動電圧で高効率の駆動を実現できる。従って、特に最近のカラープリンタの性能向上に伴う高速化及び高精度化の要求に対して、本発明においては、100μm以下の厚みにすることにより、その要求に対応することができ、アクチュエータ1及びそれを用いた印刷ヘッドの高性能化に寄与することができる。 According to the present invention, the thickness of the actuator 1 indicates the thickness from the surface individual electrode 6 to the diaphragm 2 (including the surface individual electrode 6 and the diaphragm 2), and is preferably 100 μm or less. By using such a thin layer, a large displacement can be obtained, and high-efficiency driving can be realized with a low driving voltage. Therefore, particularly in response to the demand for higher speed and higher accuracy accompanying the recent improvement in the performance of color printers, the present invention can meet the demand by setting the thickness to 100 μm or less. It can contribute to the improvement of the performance of the print head using it.
アクチュエータ1としての特性をさらに高めるため、圧電アクチュエータ1の厚みの上限値は、特に80μm以下、更には65μm以下、より好適には50μm以下が良い。また、圧電アクチュエータ1の厚みの下限値は、十分な機械的強度を有し、取扱い及び作動中の破壊を防止するため、30μm、より好適には40μmであることが好ましい。 In order to further enhance the characteristics as the actuator 1, the upper limit value of the thickness of the piezoelectric actuator 1 is particularly preferably 80 μm or less, more preferably 65 μm or less, and more preferably 50 μm or less. In addition, the lower limit value of the thickness of the piezoelectric actuator 1 is preferably 30 μm, more preferably 40 μm in order to have sufficient mechanical strength and prevent breakage during handling and operation.
熱電変換モジュールとしては、図1(a)、(b)に示したように、圧電アクチュエータ1表面の特定箇所に小型の熱電変換モジュール9aを設けても良いが、外周、即ち圧電変位素子の外側に、辺に沿ってペルチェ素子を配列した長尺状の熱電モジュール9bを用いることが好ましい。そして、図4(b)に示したように対向する2辺に熱電変換モジュールを設けることが更に好ましい。このような構成により、除熱を効率よく行うことができる。
As the thermoelectric conversion module, as shown in FIGS. 1A and 1B, a small
さらに、図4(a)、(b)に示したように、ペルチェ素子を用いた熱電変換モジュール29a、29bを、共通電極25、圧電セラミック層24、及び表面個別電極26からなる圧電変位素子27の外側に、圧電アクチュエータ21表面の外周に沿って配置することが好ましい。また、これらの熱電変換モジュール29a、29bを一体化するように、放熱板30を取付けることにより、熱電変換モジュール29から発生する熱をより効率的に除去することができる。
Further, as shown in FIGS. 4A and 4B,
図4(b)によれば、熱電変換モジュール29はリング形状の放熱板30を具備し、変位素子27を形成する表面個別電極26の外周に配列することによって、接続時の取扱いが容易で、変位領域27aが変位して熱が発生しても、より効率の高い冷却を行うことが可能である。
According to FIG. 4B, the
圧電変位素子27で発生した熱が熱電変換モジュール29で効率良く除熱されるため、圧電アクチュエータ21の一部に熱を中心部から端部の方向に移動させるための熱輸送層(図示せず)を設けていることが好ましい。
Since the heat generated by the
例えば、振動板の少なくとも一部に高熱伝導率を有する部材を設けることができ、特に圧電アクチュエータの内部に高熱伝導層として熱伝導率の高いAlN、SiC、Si3N4等のセラミックス、銅や銀を含む金属又は合金で構成し、その厚みを3μm以上、特に5μm以上、さらには10μm以上の厚みに形成することが好ましい。 For example, a member having high thermal conductivity can be provided in at least a part of the diaphragm, and in particular, ceramics such as AlN, SiC, Si 3 N 4 having high thermal conductivity as a high thermal conductive layer, copper, It is preferably made of a metal or alloy containing silver and having a thickness of 3 μm or more, particularly 5 μm or more, and more preferably 10 μm or more.
また、図5に示したように、変位量を大きくするために、複数の電極35a〜e、36a〜eに挟まれた複数の圧電セラミック層34a〜iで構成される圧電変位素子37を有する圧電アクチュエータ31が、液体加圧室33aと隔壁33bとを具備する流路部材33の上に設けられ、変位領域37aが振動する場合についても、冷却装置として、ペルチェ素子を用いた熱電変換モジュール40を、圧電変位素子37に隣接するように、圧電アクチュエータ31の表面に設けることにより、同様の効果を期待できる。
Further, as shown in FIG. 5, in order to increase the amount of displacement, a
本発明によれば、上部支持基板と下部支持基板とが、複数のペルチェ素子を挟持する構造を有し、上部支持基板が発熱するとともに、下部支持基板が冷却されるため、下部支持基板を圧電アクチュエータの表面に当接するように接合することにより、圧電アクチュエータを直接冷却することができる。従って、圧電アクチュエータを十分に冷却し、低温に維持することができるので、圧電アクチュエータの脱分極を防止することができる。また、圧電アクチュエータの小型化に対して大きな障害になることなく、信頼性の高い圧電アクチュエータを実現できる。 According to the present invention, the upper support substrate and the lower support substrate have a structure for sandwiching a plurality of Peltier elements, the upper support substrate generates heat, and the lower support substrate is cooled. The piezoelectric actuator can be directly cooled by bonding so as to contact the surface of the actuator. Therefore, since the piezoelectric actuator can be sufficiently cooled and maintained at a low temperature, depolarization of the piezoelectric actuator can be prevented. In addition, a highly reliable piezoelectric actuator can be realized without causing a major obstacle to miniaturization of the piezoelectric actuator.
本発明の液体吐出装置は、液体供給口、液体加圧室及び液体吐出口を具備する流路部材に、上記の圧力発生装置が設けられてなるものであり、インクジェット方式のプリンタや印画装置、印刷機などに好適に用いることができる。また、微量の液体を輸送・搬送・噴出する液体ポンプとしても好適に用いることができる。 A liquid discharge apparatus according to the present invention includes the above-described pressure generation device provided in a flow path member including a liquid supply port, a liquid pressurization chamber, and a liquid discharge port. An ink jet printer, a printing apparatus, It can be suitably used for a printing machine. Further, it can also be suitably used as a liquid pump that transports, conveys, and ejects a small amount of liquid.
1、11、21、31・・・圧電アクチュエータ
2、12、22、32・・・振動板
3、13、23、33・・・流路部材
3a、13a、23a、33a・・・液体加圧室
3b、13b、23b、33b・・・隔壁
4、14、24、34a〜i・・・圧電セラミック層
5、15、25・・・共通電極
6、16、26・・・表面個別電極
7、17、27、37・・・圧電変位素子
7a、17a、27a、37a・・・変位領域
8、18、28、38・・・液体吐出口
9、19、29、39・・・熱電変換モジュール
9a、9b、19a、19b、29a、29b、熱電変換モジュール
1, 11, 21, 31...
Claims (12)
A liquid characterized in that the vibration generator according to any one of claims 1 to 11 is provided on a surface of a flow path member having a liquid supply port, a liquid pressurizing chamber, and a liquid discharge port. Discharge device.
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- 2003-11-26 JP JP2003396140A patent/JP2005039984A/en active Pending
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