(57)【要約】【課題】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。【解決手段】圧電変位素子と、該圧電変位素子を冷却するための熱電変換素子を用いた冷却装置とを備えたことを特徴とし、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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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振動発生装置。
【請求項２】
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を特徴とする請求項１記載の振動発生装置。
【請求項３】
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を特徴とする請求項１又は２記載の振動発生装置。
【請求項４】
前記冷却装置が放熱板を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項５】
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を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項６】
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を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項７】
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を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項８】
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を特徴とする請求項６又は７記載の振動発生装置。
【請求項９】
前記圧電変位素子が、複数の変位領域を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項１０】
前記圧電変位素子が、同一平面に複数の変位領域を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項１１】
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を特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の振動発生装置。
【請求項１２】
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、請求項１〜１１のいずれかに記載の振動発生装置が設けられてなることを特徴とする液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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）。
【０００７】
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）。
【特許文献１】特開平１１−３４３２１号公報
【特許文献２】特開２００２−５３２０４９号公報
【特許文献３】特開２００２−５３２６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明の効果】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の振動発生装置の構造を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明の振動発生装置に用いる熱電モジュールの構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の振動発生装置の他の構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の振動発生装置の更に他の構造を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】本発明の振動発生装置の更に他の構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
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
【図１】
2005039984.tif 000003
【図２】
2005039984.tif 000004
【図３】
2005039984.tif 000005
【図４】
2005039984.tif 000006
【図５】
2005039984.tif 000007