JP2004273765A

JP2004273765A - 電歪アクチュエータおよび流体噴射装置

Info

Publication number: JP2004273765A
Application number: JP2003062532A
Authority: JP
Inventors: Shuji Yonekubo; 周二米窪; Hitoshi Yamada; 仁志山田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】本発明は、電歪アクチュエータおよび流体噴射装置に関し、厳しい環境に置かれた場合でも雰囲気内における水分等の影響を受けないようにして、環境特性を向上させることを目的とする。
【解決手段】振動板３１の一面側に圧電素子３２を設けて、その圧電素子３２の電場に応じた変形により振動板３１の駆動面３１ａを変位させる記録ヘッド１６に搭載されるアクチュエータユニット３０であって、振動板３１の一面側に圧電素子３２の収容空間３４を画成するフレキシブル回路板３３を設けるとともに、そのフレキシブル回路板３３の注入口３３ａからゲル状フッ素エラストマー３６を注入して圧電素子３２の露出表面の全面を覆う。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電歪アクチュエータおよび流体噴射装置に関し、詳しくは、環境特性に優れるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液状流体を供給する圧力室に電歪アクチュエータにより圧力変動を起こさせて、その圧力室に開口するノズルから滴状流体を吐出させ噴射する流体噴射装置が知られている。このような流体噴射装置は、例えば、インクジェット記録装置に記録ヘッドとして搭載されており、インク（流体）を圧力室に供給してノズルからインク滴として吐出・噴射させることにより記録紙に文字等の画像形成をする（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この種の流体噴射装置は、例えば、図１２に示すように、供給されるインクを貯留する圧力室１を画成するとともにその圧力室１内を外部に連通させるノズル１ａを形成されたインクユニット２と、たわみ振動により圧力室１内に圧力変動を生じさせてインク滴Ｉをノズル１ａから吐出・噴射させるアクチュエータユニット３とを備えている。
【０００４】
アクチュエータユニット３は、圧力室１の一面を画成する振動板４と、その振動板４の圧力室１の反対側に接合されている圧電素子５と、この圧電素子５を収容する空間を画成するともに圧電素子５の駆動信号を生成する回路を形成されているフレキシブル回路板６とを備えている。
【０００５】
圧電素子５は、平板形状に形成された圧電体５ａと、この圧電体５ａと振動板４との間に形成された下部電極５ｂと、圧電体５ａの外面に形成された上部電極５ｃとにより構成されており、フレキシブル回路板６からの駆動信号（電圧信号）を下部電極５ｂと上部電極５ｃとの間に印加されて電場を掛けられたときに、圧電体５ａが横方向に伸縮しようとする。
【０００６】
このとき、アクチュエータユニット３としては、圧電素子５の振動板４に固定されていない上面側だけが伸縮することになり、あたかもバイメタルのように、振動板４と共に撓んで変位することにより、圧力室１の容積を変化させることができる。例えば、圧電素子３２は、収縮方向に駆動電圧を印加されたときには、振動板４と共に下方に撓んで圧力室１を狭くする方向に変位して圧縮方向の圧力変動を発生させることにより、その圧力室１内に圧力上昇を生じさせてノズル１ａからインク滴Ｉを吐出・噴射させることができる。なお、圧電素子５への電圧の印加方向を逆向きにすることにより、圧電素子５は圧力室１内を減圧してインクを補給する。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２１１１２９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の流体噴射装置にあっては、アクチュエータユニット３の圧電素子５が振動時にフレキシブル回路板６に接触しないように、その圧電素子５の上面側に十分な空間７を確保するように不図示の支持部材にそのフレキシブル回路板６を支持させている。
【０００９】
このフレキシブル回路板６は、圧電素子５を覆うカバーとしても機能して、圧電素子５の表面に異物が付着することを防止するが、完全に外気との接触を遮断することは難しく、仮に、空間７を密閉したとしてもその空間７内には空気が残存していることから、その空間７内の雰囲気における水分等の影響をまったく受けないようにするのは困難であった。
【００１０】
すなわち、圧電素子５の表面に、異物、特にＣｌやＢｒ等のハロゲンを含む化合物が付着した場合には、周囲雰囲気の水分の影響と電圧印加の影響によって、金属が正電圧側から負電圧側に移行する現象、いわゆるマイグレーションが発生してしまうことがある。このマイグレーションが圧電素子５の表面などに発生すると、圧電体５ａから電極５ｂ、５ｃが剥離するおそれがあるとともに、次のような問題が発生する。
【００１１】
圧電素子５は、一種のコンデンサであるため、圧電素子５自体や回路中の漏れ電流等の影響により、図１３（ａ）に示すように、駆動信号Ｓ１と駆動信号Ｓ２との間で、中間電圧Ｖｍが徐々に降下する現象が生じる。このため、降下した中間電圧Ｖｍを元に戻すために、図１３（ｂ）に示すように、一定のタイミングｔで電位を強制的に戻す信号を与えることが行われている。そして、この圧電素子５が高い湿気に曝されると、結露等が起こって上部電極５ｃと下部電極５ｂとの間の抵抗値が低下して中間電圧Ｖｍの降下が激しくなる。さらに、圧電素子５の電極５ａ、５ｂ付近にＣｌやＢｒ等のハロゲンを含む化合物などの異物が付着してマイグレーションが発生すると、より顕著に電圧降下してしまう。
【００１２】
このような状態で、中間電圧Ｖｍを戻す信号を与えると、図１３（ｃ）に示すように、電位が戻る時の電圧上昇が大きくなり、インクＩを噴射させるための駆動信号Ｓ１、Ｓ２とは別に圧電素子５が大きく変位して、インク滴を吐出してしまうという誤作動が生じる。
【００１３】
このような水分やハロゲンなどは、一般の大気中にも大量に含まれて浮遊しており、それが圧電素子５に触れて付着するのをできるだけ少なくするには、フレキシブル回路板６を圧電素子５にできるだけ近接させる必要がある。
【００１４】
しかしながら、フレキシブル回路板６が圧電素子５に近接すると、装置本体の動作により振動などが生じる場合には、フレキシブル回路板６がばたついて圧電素子５に接触するおそれが生じる。フレキシブル回路板６が圧電素子５に接触するとスムーズな振動を妨げられたり、最悪の場合には破損を生じさせてしまうおそれもある。また、近年の装置の高機能・低価格・小型化に伴って、低電圧駆動可能に圧電素子５を薄型にすると、破損し易くなる。さらに、前記支持部材を導電材料により作製して圧電素子５およびフレキシブル回路板６を導通接続する場合があるが、その導通材料で圧電素子５とフレキブル回路板６との間隔を広くするにも限界がある。
【００１５】
このことから、本願出願人は、上記特許文献１において、圧電素子５をシリコンオイルなどの液状またはゲル状の絶縁性物質で覆って、空間７内の雰囲気との接触を遮断することを提案している。
【００１６】
この特許文献１に記載の発明によっては、ある程度の効果を得ることができるが、近年の耐環境性能の要求は益々高まってきており、例えば、船舶輸送を想定した温度６０℃−湿度８０％という環境内に５日間放置した後に、厳しい使用環境を考慮した温度２７℃−湿度８０％という環境下で連続駆動（インクジェット記録装置の連続印字）させる試験を行っても、異常が発生しないことが求められている。
【００１７】
そこで、本発明は、厳しい環境に置かれた場合でも雰囲気内における水分等の影響を受けないようにして、環境特性に優れる電歪アクチュエータおよび流体噴射装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する電歪アクチュエータの第１の発明は、振動板の一面側に圧電素子を設けて、該圧電素子の電場に応じた変形により該振動板の他面側を駆動面として変位させる電歪アクチュエータであって、前記圧電素子の露出表面をゲル状フッ素エラストマーにより覆ったことを特徴とするものである。
【００１９】
この発明では、圧電素子は、露出する表面（振動板との接合部分外の露出部分）をゲル状フッ素エラストマーにより覆われる。このゲル状フッ素エラストマーは、シリコンオイルなどと比較して透湿性が低い。したがって、従来よりも、周囲の雰囲気中の水分などを圧電素子まで通してしまうことを極力小さくすることができ、圧電素子の圧電体や電極が水分等により浸食などされてしまうことを防止することができる。そして、圧電素子の振動による応力による影響との相乗効果で圧電体から電極が剥離することを効果的に防止することができる。したがって、圧電体の抵抗値低下や電極の剥離を防止することができ、環境特性を向上させることができる。
【００２０】
上記課題を解決する電歪アクチュエータの第２の発明は、上記第１の発明の特定事項に加え、前記振動板の一面側に、圧電素子を収容するための収容空間として、外気に連通する開放空間または外気から遮断する密閉空間を画成する収容部材を設けたことを特徴とするものである。
【００２１】
この発明では、圧電素子は、開放空間や密閉空間内に収納される。したがって、圧電素子を覆うゲル状フッ素エラストマーと共に圧電素子を外部の緩衝から保護することができ、信頼性を向上させることができる。
【００２２】
ここで、圧電素子は、密閉空間内に収容することにより、その密閉空間内と外気との循環をなくすことができ、環境特性をより向上させることができる。また、圧電素子をゲル状フッ素エラストマーで覆う工程の前に乾燥工程を入れることにより、圧電素子とゲル状フッ素エラストマーとの間やその近傍に残存する水分等を少なくすることができ、環境特性をさらに向上させることができる。
【００２３】
上記課題を解決する電歪アクチュエータの第３の発明は、上記第１または２の発明の特定事項に加え、前記ゲル状フッ素エラストマーは、次の一般式
【化２】

で表されて繰り返し単位を有することを特徴とするものである。
【００２４】
この発明では、圧電素子は、上記一般式のゲル状フッ素エラストマーにより覆われる。このゲル状フッ素エラストマーは、シリコンオイルなどと比較して、透湿性を７／９０などと大きく低減することができる。したがって、ゲル状フッ素エラストマーの中でも、最適な状態に圧電素子を維持することができ、圧電体の抵抗値低下や電極の剥離をより効果的に防止して、環境特性を向上させることができる。
【００２５】
上記課題を解決する電歪アクチュエータの第４の発明は、上記第１から３のいずれかの発明の特定事項に加え、前記振動板の一面側の収容部材により画成される密閉空間内に、ゲル状フッ素エラストマーを充満させたことを特徴とするものである。
【００２６】
この発明では、開放空間または密閉空間内はゲル状フッ素エラストマーが充満されて、圧電素子の周囲は厚めのゲル状フッ素エラストマーにより覆われる。したがって、圧電素子をより快適な状態に維持することができ、圧電体の抵抗値低下や電極の剥離をより効果的に防止して、環境特性を向上させることができる。ここで、圧電素子は、密閉空間内に収容することにより、外気の浸入をなくすことができ、環境特性をより向上させることができる。
【００２７】
上記課題を解決する電歪アクチュエータの第５の発明は、上記第１から４のいずれかの発明の特定事項に加え、前記圧電素子は、電場に応じて変形する圧電体を振動板に接合する第１圧電体層および該第１圧電体層に接合する第２圧電体層に分割した積層構造にするとともに、当該圧電体に掛ける電場の発生用電極を第１、第２圧電体層間に形成する駆動電極、第１圧電体層と振動板との間に形成されて該駆動電極に対面する第１共通電極、および、第２圧電体層の外面で駆動電極に対面する第２共通電極により構成し、第１、第２共通電極と駆動電極との間に駆動電圧を印加する構成にしたことを特徴とするものである。
【００２８】
この発明では、振動板側から第１共通電極、第１圧電体層、駆動電極、第２圧電体層、第２共通電極と積層する微細構造に圧電素子を作製する場合にも、微細構造であるために形成され易い隙間などにもゲル状フッ素エラストマーを入り込ませることができる。したがって、ゲル状フッ素エラストマーを採用することによるメリットを得ることができ、微細であるがゆえに影響の大きい浸食や電極剥離などを効果的に防止することができる。
【００２９】
上記課題を解決する電歪アクチュエータの第６の発明は、上記第１から５のいずれかの発明の特定事項に加え、前記第１圧電体層と振動板との間に形成される隙間にゲル状フッ素エラストマーを充填したことを特徴とするものである。
【００３０】
この発明では、第１圧電体層と振動板との間に形成される隙間にもゲル状フッ素エラストマーが充填されて、周囲の雰囲気中の水分などによる影響を極力小さくすることができ、また、圧電素子の振動による応力による影響との相乗効果で電極が剥離することを効果的に防止することができる。したがって、積層構造の圧電素子においても圧電体の抵抗値低下や電極の剥離を防止することができ、環境特性を向上させることができる。
【００３１】
上記課題を解決する流体噴射装置の発明は、上記第１から６のいずれかの電歪アクチュエータを備えて、前記振動板の駆動面と共に流体を供給する空間を画成して該振動板の変位により圧力変動を生じさせる圧力室を形成する圧力室形成部材と、該圧力室形成部材の外面に開口して圧力室内の流体を該圧力室内の圧力変動に応じて噴射するノズルとを設けられたことを特徴とするものである。
【００３２】
この発明では、上記の電歪アクチュエータによる効果を得ることができ、過酷な環境負荷が加えられても、異常なく駆動することができる。したがって、環境特性を向上させることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。図１〜図５は本発明に係る電歪アクチュエータおよび液体噴射装置の第１実施形態を適用したインクジェット記録装置の一例を示す図である。
【００３４】
図１において、インクジェット記録装置１０は、３原色のカラー用インクおよびブラックインクを並列させたインクカートリッジ１１をキャリッジ１２にセットするようになっており、そのキャリッジ１２は、ガイド１３により主走査方向に案内させつつモータ１４の駆動力をベルト１５により伝達して往復運動させる。また、インクジェット記録装置１０は、キャリッジ１２下面の記録ヘッド（液体噴射装置）１６に形成されている図２に示すノズル２２ａからインクカートリッジ１１内の各色のインクを吐出（噴射）させる。
【００３５】
このインクジェット記録装置１０は、キャリッジ１２の移動する主走査方向に延在するプラテン１７上に記録紙Ｐを給紙するとともに、印刷データに応じた各色インクを記録ヘッド１６のノズル２２ａから選択的に吐出・噴射させることにより、その記録紙Ｐの記録面に文字などの画像を形成する。
【００３６】
記録ヘッド１６は、図２に示すように、ノズル２２ａの開口するノズルプレート２２を備えてインクＩの流路として機能する圧力室２１を複数画成されているインクユニット２０と、ノズルプレート２２と共に圧力室２１を画成する振動板３１の一面側（圧力室２１の背面側）に圧電素子３２を接合されているアクチュエータユニット（電歪アクチュエータ）３０とを備えている。
【００３７】
この記録ヘッド１６は、圧電素子３２をたわみ振動させて振動板３１の圧力室２１側の駆動面３１ａを変位させることにより圧力室２１の圧力発生室２１ａ内に圧力変動を生じさせるようになっており、その圧力発生室２１ａ内を圧力上昇させることにより圧力室２１内のインクＩをノズル２２ａからインク滴として吐出・噴射させる。
【００３８】
インクユニット２０は、圧力発生室２１ａに加えて、キャリッジ１２のインクカートリッジ１１に連通してインクＩの供給を受けるインク貯留室２３と、ノズル２２ａから吐出・噴射させるインクＩを待機させるノズル連通口２４と、振動板３１の駆動面３１ａの変位を直接受ける圧力発生室２１ａにインク貯留室２３およびノズル連通口２４を連通させる第１、第２インク流路２５、２６とを備えて圧力室２１が形成されている。
【００３９】
このインクユニット２０は、インク貯留室２３と第１インク流路２５との間にオリフィス２７が形成されており、圧電素子３２のたわみ振動により振動板３１が変位して圧力発生室２１ａ内に圧力変動を生じさせたときに、その圧力発生室２１ａ内のインクＩが第１インク流路２５からインク貯留室２３へと逆流してしまうことや、ノズル２２ａからノズル連通口２４内などに外気が進入してしまうことを制限している。
【００４０】
なお、インクユニット２０は、ノズルプレート２２および振動板３１の間で液密に貼り合わされる基板部材（圧力室形成部材）２８ａ〜２８ｄに貫通空間を形成することにより、基板部材２８ａによりインク貯留室２３およびノズル連通口２４を、基板部材２８ｂによりオリフィス２７および第２インク流路２６を、基板部材２８ｃにより第１、第２インク流路２５、２６を、基板部材２８ｄにより圧力発生室２１ａを画成させている。特に、オリフィス２６は、インク貯留室２３側を第１インク流路２５よりも大面積で開口するように基板部材２８ｂを穿孔してオリフィス形状に形成されている。また、ノズル２２ａは、オリフィス２７と同様に、ノズル連通口２４側をインクＩの吐出方向の外部よりも大面積で開口するようにノズルプレート２２を穿孔してオリフィス形状に形成されている。
【００４１】
ここで、基板部材２８ａ〜２８ｄや振動板３１は、アルミナや酸化ジルコニウム等のセラミックスで作製されており、例えば、圧力発生室２１ａなどの必要な貫通空間を形成したグリーンシート（未焼成のシート材）を準備して焼成することにより一体化されている。そして、圧電素子３２は、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料によって作製されており、圧力発生室２１ａよりも幅狭で長めとなるように細長ブロック形状に形成されてその両端部に掛かる（越える）ように振動板３１の一面側に接合されている。
【００４２】
アクチュエータユニット３０は、振動板３１および圧電素子３２に加えて、その圧電素子３２に送出する駆動信号を生成するフレキシブル回路板３３と、図２における上方（振動板３１の反対側）に十分な間隔を確保するようにフレキシブル回路板（収容部材）３３を振動板３１の両端部で支持して圧電素子３２を収容可能な空間３４を画成するとともにこのフレキシブル回路板３３から圧電素子３２に駆動信号を伝送可能に導通接続する支持端子３５とを備えている。
【００４３】
このアクチュエータユニット３０は、振動板３１が基板部材２８ｄに貼り付けられて圧電素子３２を収容する空間３４の圧力室２１側を液密に塞がれる一方、上方はフレキシブル回路板３３が圧電素子３２を覆うカバーとして機能して異物が無制限に空間３４内に進入してくることを制限している。
【００４４】
ここで、本実施形態の圧電素子３２は、従来技術と同様に、平板形状の圧電体３２ａと、この圧電体３２ａおよび振動板３１間の下部電極３２ｂと、圧電体３２ａ外面を覆って支持端子３５を介してフレキシブル回路板３３に導通する上部電極３２ｃとにより構成されている。この圧電素子３２は、通常、下部電極３２ｂまたは上部電極３２ｃの一方を接地電位に調整して、フレキシブル回路板３３の駆動信号（電圧信号）が電極３２ｂ、３２ｃ間に印加されて圧電体３２ａに電場を掛けられたときに、その圧電体３２ａがその電場の強さと向きに応じて横方向に伸縮しようとすることにより、振動板３１に固定されていない側が伸縮してバイメタルのようにその振動板３１と共に圧力室２１側に撓んで変位する。
【００４５】
すなわち、圧電素子３２は、電極３２ｂ、３２ｃ間への駆動電圧の印加方向やその電位差に応じて圧電体３２ａを電場と直交する方向に収縮させることができ、圧力発生室２１ａの容積を少なくするように振動板３１を変形させることができる。また、この圧電素子３２は、電極３２ｂ、３２ｃ間への電圧印加方向を逆向きにすることにより、圧電体３２ａは電界と直交する方向に伸長して圧力発生室２１ａの容積を増やすように振動板３１を変形させる。
【００４６】
この結果、アクチュエータユニット３０は、電極３２ｂ、３２ｃ間の電圧印加に応じて圧力発生室２１ａを狭くして圧縮方向の圧力変動を発生させることにより、圧力上昇させたインクＩを振動板３１の反対側のノズルプレート２２のノズル２２ａからインク滴として吐出・噴射させる。この後に、アクチュエータユニット３０は、電極３２ｂ、３２ｃ間の電圧印加を逆向きにされて圧力室２１内が減圧されたときに、オリフィス２７が圧力発生室２１ａ内のインクＩの逆流を制限することによってノズル２２ａから外気が進入することを防止しつつインクカートリッジ１１からインク貯留室２３にインクＩを吸引・補給する。なお、このアクチュエータユニット３０は、図２には２組のみ記載するが、図３に示すように、圧力発生室２１ａや圧電素子３２などを複数列配列してノズル２２ａをノズルプレート２２に並列させている。
【００４７】
そして、アクチュエータユニット３０は、圧電素子３２の収容空間３４を画成するフレキシブル回路板３３がその空間３４内に異物が無制限に進入してくることを制限するが、さらに、外気との接触を完全に遮断するために、フレキシブル回路板３３に開口する注入口３３ａから絶縁性物質３６を注入して圧電素子３２の外面が露出しないように覆っている。この絶縁性物質３６は、上記特許文献１においては、シリコンオイルなどを採用するが、本実施形態では、ゲル状のフッ素エラストマー、例えば、次の一般式
【化３】

で表されて繰り返し単位を有するゲル状のフッ素エラストマー３６を採用して、空間３４（開放空間）内の雰囲気との接触を遮断する。ここで、本実施形態では、ゲル状フッ素エラストマー３６の最適なものとして、信越化学工業株式会社製ポッティングゲル用ＳＨＩＮ−ＥＴＳＵＳＩＦＥＬ８０００シリーズＳＩＦＥＬ８０７０Ａ／Ｂを採用する。このゲル状フッ素エラストマー３６は、収容空間３４内に注入した後には、例えば、６０℃−１６時間で加熱硬化させる。
【００４８】
なお、注入口３３ａは、フレキシブル回路板３３の複数箇所に適宜の数で形成することにより、圧電素子３２の収容空間３４内にゲル状フッ素エラストマー３６を注入する作業時に、他の注入口３３ａから内部の空気を容易に逃がすことができ、圧電素子３２との間に気泡が残存し難くすることができるとともに、後述するように、この収容空間３４内にゲル状フッ素エラストマー３６を充満させる際にも、その内部に気泡が残り難くすることができる。また、この注入口３３ａは、図２に図示するように、圧電素子３２間に形成することにより、圧電素子３２およびフレキシブル回路板３３の間隔の広い箇所から狭い隙間に向かう際に毛細管現象によりゲル状フッ素エラストマー３６を行き亘らせることができ、圧電素子３２の外面を確実に覆って収容空間３４内の雰囲気との接触を遮断することができる。
【００４９】
ここで、ゲル状フッ素エラストマー３６は、温度６０℃−湿度０％で乾燥させた後に、温度６０℃−湿度８０％に設定した高温高湿槽に投入・放置して湿潤試験を行ったところ、図４に示すように、ゲル状フッ素エラストマー３６内に埋め込んだ測定端子までは、湿度７０％までの透湿に制限される結果であった。これは、ゲル状フッ素エラストマー３６は、シリコン系のゲル（フルオロシリコン）と比較すると、透湿性能（ｇ／ｍ^２・２４ｈｒ）が７／９０に低減されていることに起因するものと考えられる。
【００５０】
そこで、温度２７℃−湿度８０％という環境下でインクジェット記録装置１０を連続駆動させる印字耐久テストを行った。このテストでは、温度６０℃−湿度０％で乾燥させた後に、圧電素子３２の収容空間３４内に、ゲル状フッ素エラストマー３６を注入したアクチュエータユニット３０、シリコンゲルを注入したアクチュエータユニット、何も注入しないアクチュエータユニットで試験を行ったところ、図５に示すような結果であった。
【００５１】
詳細には、何も注入しないアクチュエータユニットでは、印字耐久テストで正常な特性を維持することはできなかったが、シリコンゲルを注入したアクチュエータユニットとゲル状フッ素エラストマー３６を注入したアクチュエータユニット３０では、何らの特性劣化も認められなかった。さらに、シリコンゲルを注入したアクチュエータユニットでは特性劣化の可能性のある、温度６０℃−湿度８０％−５日という環境内への放置後に印字耐久テストを行っても、ゲル状フッ素エラストマー３６を注入したアクチュエータユニット３０では、何らの特性劣化も認められなかった。
【００５２】
すなわち、アクチュエータユニット３０は、圧電素子３２の表面に、収容空間３４内の水分や、ＣｌやＢｒ等のハロゲンを含む化合物などの異物が浸透して付着することを効果的に制限することができ、上述従来技術で説明するような湿気の浸透や、いわゆるマイグレーションが発生して、図１３（ｃ）に示すように、インクＩを噴射させるための駆動信号Ｓ１、Ｓ２とは別に圧電素子３２が大きく振動してインク滴を吐出させてしまうという誤作動を確実に防止することができる。
【００５３】
さらに、圧電素子３２は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体３２ａが振動板３１とは焼結体として一体にならないために、駆動時に圧電体３２ａの両端部と振動板３１との間に応力集中が生じやすく、湿気の浸透などがあると、下部電極３２ｂが圧電体３２ａから剥離するなどの影響が現れ易いが、この発生も抑えることができ、駆動特性が劣化することを未然に防止することができる。
【００５４】
なお、本実施形態では、負電圧側の電極材料をＡｕとし、正電圧側の電極材料をＰｔとしており、ＡｕはＡｇ等と比べて比較的マイグレーションが発生し難い材料ではあるにも拘わらず、Ｃｌ⁻やＢｒ⁻等のハロゲンイオンと水分との相互作用により、マイグレーションが発生してしまうことがあるが、これも効果的に防止することができる。
【００５５】
この結果、アクチュエータユニット３０は、例えば、船舶輸送による耐久性を想定した温度６０℃−湿度８０％−５日という環境内に放置した後に、厳しい使用環境を考慮した温度２７℃−湿度８０％という環境下で連続駆動させる場合でも異常が発生しないという環境性能を備えることができる。
【００５６】
そして、ゲル状フッ素エラストマー３６は、シリコン系のゲル（フルオロシリコン）と同様に、振動等が加わっても圧電素子３２とフレキシブル回路板３３の隙間から流出せずにクッション効果を得ることができ、その圧電素子３２の振動を妨げることなく、フレキシブル回路板３３が直接接触してしまうことを防止しつつ圧電素子３２の破損等を確実に防止することができる。
【００５７】
ここで、ゲル状フッ素エラストマー３６は、圧電素子３２とフレキシブル回路板３３との接触を有効に防止するとともに、圧電素子３２を湿気や異物から確実に遮断するためには、厚み１μｍから１０ｍｍの間の状態で存在させるのが好ましい。特に、ゲル状フッ素エラストマー３６の厚みとしてより好適な上限値としては１ｍｍ程度で、下限値としては１０μｍであり、最適なのは１００μｍから５００μｍ程度の厚さである。例えば、圧電素子３２の厚みが１０μｍ、インクＩを吐出するときの変形量が、約０．１μｍの圧電素子３２を用いる場合には、少なくともゲル状フッ素エラストマー３６の厚みは、圧電素子３２の厚みの１０分の１以上、変形量の１０倍以上あれば、圧電振動子６の振動をほとんど阻害することがない。
【００５８】
なお、ゲル状フッ素エラストマー３６の厚みが非常に薄い、例えば、厚み０．１μｍ程度の場合には、圧電素子３２がフレキシブル回路板３３と接触してしまったときに、そのフレキシブル回路板３３の剛性の影響を受けて、圧電素子３２の振動を阻害してしまう。また、ゲル状フッ素エラストマー３６の厚みが厚い場合、例えば、厚み２０ｍｍ以上、圧電振動子６の厚みの３００倍を超える厚み、もしくは、変形量の３０００００倍を超える厚みであるような場合には、その重さの影響により、圧電素子３２の動きが鈍くなってしまう。このことから、上記条件となるようにゲル状フッ素エラストマー３６を注入するのが好ましい。
【００５９】
さらに、ゲル状フッ素エラストマー３６は、上記耐久テストで行ったように、収容空間３４内に注入して圧電素子３２を覆う前工程において、その圧電素子３２に付着する水分や、接合するための接着剤に親和する水分を飛ばすために乾燥させた後に、空間３４内に注入するのが好ましい。
【００６０】
このように本実施形態においては、振動板３１とフレキシブル回路板３３とにより画成される収容空間３４内の圧電素子３２をゲル状フッ素エラストマー３６により覆うので、従来技術のシリコン系の絶縁性物質と同様に、圧電素子３２の振動を妨げることなく、フレキシブル回路板３３が圧電素子３２に直接接触することを確実に防止することができるのに加えて、収容空間３４内の水分等が浸透することをより効果的に制限することができる。
【００６１】
このことから、圧電素子３２の電極３２ｂ、３２ｃ間の抵抗値低下を少なくして、中間電位Ｖｍを戻すための信号により圧電素子３２が振動してしまうことをなくして、インクＩが誤って吐出される誤作動を防止することができる。
【００６２】
この結果、厳しい環境に置かれた場合でも収容空間３４を含む外部の雰囲気による影響を受けないようにすることができ、環境特性に優れるインクジェット記録装置１０を提供することができる。
【００６３】
ここで、本実施形態の他の態様としては、図６に示すように、ゲル状フッ素エラストマー３６が圧電素子３２とフレキシブル回路板３３との隙間に充填されるように空間３４内に注入して充満させる。この場合には、圧電素子３２とフレキシブル回路板３３との接触や水分の浸透などをより有効に防止することができ、さらにインクジェット記録装置１０を動作させることによる振動等が加わるときでも、フレキシブル回路板３３がばたついてしまうことを抑制することができる。
【００６４】
また、圧電素子３２とフレキシブル回路板３３との間の収容空間３４は、注入口３３ａからゲル状フッ素エラストマー３６を注入した後に、その注入口３３ａを塞いで密閉空間としてもよい。この場合には、外部の雰囲気が収容空間３４内に進入することを確実に制限することができ、ゲル状フッ素エラストマー３６に与える影響を少なくして、より信頼性高く水分の浸透などによる影響をより効果的に防止することができる。
【００６５】
次に、図７〜図１１は本発明に係る電歪アクチュエータおよび液体噴射装置の第２実施形態を適用したインクジェット記録装置の一例を示す図である。なお、本実施形態では、上述実施形態と略同様に構成されているので、同様な構成には同一の符号を付して特徴部分を説明する。
【００６６】
図７において、アクチュエータユニット４０は、振動板３１の一面側（駆動面３１ａの背面側）に圧電素子４２を接合されており、圧電素子４２は、第１、第２圧電体層４３ａ、４３ｂと、駆動電極４４と、第１、第２共通電極４５ａ、４５ｂとが積層構造に作製されている。
【００６７】
第１、第２圧電体層４３ａ、４３ｂは、上述実施形態と同様に、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料を、圧力発生室２１ａよりも幅狭で長めとなるように細長ブロック形状に作製されており、第１圧電体層４３ａは振動板３１に接合して、第２圧電体層４３ｂはその第１圧電体層４３ａに接合するように分割した積層構造にされて、圧力発生室２１ａの両端部に掛かる（越える）ように振動板３１の一面側に接合されている。
【００６８】
駆動電極４４は、第１、第２圧電体層４３ａ、４３ｂの間に形成されており、図８に示すように、圧力発生室２１ａの長手方向の一端側に形成されている個別端子部４７に個々に接続されている。第１共通電極４５ａは、第１圧電体層４３ａと振動板３１との間に形成されて駆動電極４４に対面する一方、第２共通電極４５ｂは、第２圧電体層４３ｂの外面に形成されて駆動電極４４に対面するように形成されており、この第１、第２共通電極４５ａ、４５ｂは、圧力発生室２１ａの長手方向の他端側に形成されて、例えば、接地電位に調整される共通端子部４８に共通接続されている。
【００６９】
この圧電素子４２は、これら駆動電極４４および第１、第２共通電極４５ａ、４５ｂの間に、フレキシブル回路板３３から支持端子３５を介して駆動電圧を印加されるようになっており、第１、第２圧電体層４３ａ、４３ｂを伸縮させる電場が掛けられて、振動板３１の反対側をバイメタルのように伸縮させることにより、その振動板３１と共に圧力発生室２１ａ内に圧力変動を生じさせる。
【００７０】
この結果、アクチュエータユニット４０は、上述実施形態と同様に、圧力室２１内のインクＩをノズル２２ａからインク滴として吐出・噴射させるとともに、インクカートリッジ１１からインク貯留室２３にインクＩを吸引・補給することができる。
【００７１】
ただし、このアクチュエータユニット４０は、第１、第２共通電極４５ａ、４５ｂを接地電位などと一定の電位で共通にされているので、第１、第２圧電体層４３ａ、４３ｂは、分極方向を反対向きに設定されている。
【００７２】
すなわち、圧電素子４２は、駆動電極４４および第１共通電極４５ａの間と、駆動電極４４および第２共通電極４５ｂの間とでは、駆動信号の印加方向を逆向きにして反対の電場を生じさせることにより、第１、第２圧電体層４３ａ、４３ｂの伸縮方向を揃えて、その電場の強さに応じて振動板３１を大きく変位させることができる。
【００７３】
ここで、圧電素子４２は、図９に短尺の幅方向の縦断面図で示すように（図２、図６は長尺方向の縦断面図である）、第１圧電体層４３ａが第１共通電極４５ａの全幅を越えて覆うように形成するとともに、第２圧電体層４３ｂが駆動電極４４の全幅を越えて覆うように形成されており、駆動電極４４と第１共通電極４５ａは電気的絶縁物の第１、第２圧電体層４３ａ、４３ｂ内に互いに離隔する状態で埋設されている。このため、駆動電極４４と第１、第２共通電極４５ａ、４５ｂは、短絡してしまうことがない構成になっている。また、これらの各電極４４、４５ａ、４５ｂを構成する材料としては、例えば、金属単体や合金に加えて、電気絶縁性セラミックスと金属との混合物等の各種導体を選択可能であるが、焼成温度において変質等の不具合が生じないことが要求されることから、本実施形態においても、第２共通電極４５ｂにはＡｕを用い、駆動電極４４および第１共通電極４５ａにはＰｔを用いている。
【００７４】
ところで、アクチュエータユニット４０は、記録ヘッド１６の高速記録のために、より多くのインク滴Ｉを短時間で吐出させたいときには、圧電素子４２を高周波駆動させる。しかしながら、単にその高周波数駆動に耐え得るように圧電素子等の剛性を高めて、また、その圧電素子４２に印加する駆動電圧を高くするのでは、高品質な振動特性（インクＩの吐出品質）に調整・維持することは難しい。しかるに、アクチュエータユニット４０の圧電素子４２は、振動板３１を効率よく変位させることができることから、第１、第２圧電体層４３ａ、４３ｂ全体を極端に厚くすることなく、また、駆動電圧を極端に大きくする必要がない。
【００７５】
そして、このアクチュエータユニット４０は、フレキシブル回路板３３の注入口３３ａから圧電素子３２の外面が露出しないようにゲル状フッ素エラストマー３６を注入して覆うことにより、振動板３１と第１圧電体層４３ａとの間に形成される隙間Ｓにもゲル状フッ素エラストマー３６が充填されて（これは、上述第１実施形態においても同様である）、圧電素子３２の収容空間３４内の雰囲気との接触を完全に遮断している。これにより、図１０および図１１に示すように、積層微細構造で両端部領域ＷＬ、ＷＲを徐々に薄くされている場合でも、駆動時の応力集中の影響や水分の浸透などにより、第１共通電極４５ａが第１圧電体層４３ａから剥離して駆動特性が劣化することを未然に防止することができる。
【００７６】
なお、このゲル状フッ素エラストマー３６は、圧電素子３２の収容空間３４内に充満するように注入してもよく、また、この圧電素子３２の収容空間３４は、ゲル状フッ素エラストマー３６の注入後に、フレキシブル回路板３３の注入口３３ａを塞いで密閉空間としてもよい。
【００７７】
このように本実施形態においても、上述実施形態と同様の作用効果を得ることができ、圧電素子４２とフレキシブル回路板３３との接触や水分の浸透などを有効に防止することができる。したがって、圧電素子４２を採用する記録ヘッド１６でも、環境特性に優れるインクジェット記録装置１０にすることができる。
【００７８】
さらに、本実施形態では、インクジェット記録装置１０の記録ヘッド１６に適用する一例を説明するが、これに限るものではなく、液晶噴射ヘッドや色材噴射ヘッドなどの他の液体噴射ヘッド、あるいは、マイクロポンプ、発音体（スピーカ等）などの各種装置に用いられる電歪アクチュエータ、および、圧電素子にも同様に適用することができる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、振動板に接合する圧電素子をゲル状フッ素エラストマーにより覆うので、従来採用していたシリコンオイルなどよりも、より効果的に水分の浸透などを抑えることができ、周囲の雰囲気中の水分などの浸透による抵抗値低下や電極剥離等を防止することができる。
【００８０】
そして、一般式
【化４】

で表されるゲル状フッ素エラストマーを採用することにより、また、圧電素子の収容空間を密閉空間としたり、その収容空間をゲル状フッ素エラストマーで充満させることにより、水分の浸透などを極力抑えて圧電素子をより快適な状態に維持することができる。
【００８１】
この結果、厳しい環境に置かれた場合でも雰囲気内における水分等の影響を受けない、環境特性に優れる電歪アクチュエータおよび流体噴射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電歪アクチュエータおよび液体噴射装置の第１実施形態を適用したインクジェット記録装置の一例を示す図であり、その記録部を示す斜視図である。
【図２】その電歪アクチュエータを備える液体噴射装置を示す縦断面図である。
【図３】その配列を示す平面図である。
【図４】その特性試験結果示すグラフである。
【図５】その特性試験結果示す表である。
【図６】その他の態様を示す縦断面図である。
【図７】本発明に係る電歪アクチュエータおよび液体噴射装置の第１実施形態を適用したインクジェット記録装置の一例を示す図であり、その電歪アクチュエータの要部構成を示す縦断面図である。
【図８】その要部構成を示す平面図である。
【図９】その要部構成を示す縦断面図である。
【図１０】その要部構成の一部を示す縦断面図である。
【図１１】その要部構成の一部を示す縦断面図である。
【図１２】その従来技術の要部構成を示す縦断面図である。
【図１３】その従来技術における課題を説明する信号波形図である。
【符号の説明】
１０インクジェット記録装置
１１インクカートリッジ
１２キャリッジ
１６記録ヘッド
２０インクユニット
２１圧力室
２１ａ圧力発生室
２２ノズルプレート
２２ａノズル
２８ａ〜２８ｄ基板部材
３０アクチュエータユニット
３１振動板
３１ａ駆動面
３２、４２圧電素子
３２ａ圧電体
３２ｂ下部電極
３２ｃ上部電極
３３フレキシブル回路板
３３ａ注入口
３４収容空間
３６ゲル状フッ素エラストマー
４０アクチュエータユニット
４３ａ、４３ｂ圧電体層
４４駆動電極
４５ａ、４５ｂ電極
４７個別端子部
４８共通端子部

Claims

振動板の一面側に圧電素子を設けて、該圧電素子の電場に応じた変形により該振動板の他面側を駆動面として変位させる電歪アクチュエータであって、
前記圧電素子の露出表面をゲル状フッ素エラストマーにより覆ったことを特徴とする電歪アクチュエータ。
前記振動板の一面側に、圧電素子を収容するための収容空間として、外気に連通する開放空間または外気から遮断する密閉空間を画成する収容部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電歪アクチュエータ。
前記ゲル状フッ素エラストマーは、次の一般式

で表されて繰り返し単位を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電歪アクチュエータ。
前記振動板の一面側の収容部材により画成される開放空間または密閉空間内に、ゲル状フッ素エラストマーを充満させたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電歪アクチュエータ。
前記圧電素子は、電場に応じて変形する圧電体を振動板に接合する第１圧電体層および該第１圧電体層に接合する第２圧電体層に分割した積層構造にするとともに、当該圧電体に掛ける電場の発生用電極を第１、第２圧電体層間に形成する駆動電極、第１圧電体層と振動板との間に形成されて該駆動電極に対面する第１共通電極、および、第２圧電体層の外面で駆動電極に対面する第２共通電極により構成し、
第１、第２共通電極と駆動電極との間に駆動電圧を印加する構成にしたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電歪アクチュエータ。
前記第１圧電体層と振動板との間に形成される隙間にゲル状フッ素エラストマーを充填したことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電歪アクチュエータ。
上記請求項１から６のいずれかに記載の電歪アクチュエータを備えて、
前記振動板の駆動面と共に流体を供給する空間を画成して該振動板の変位により圧力変動を生じさせる圧力室を形成する圧力室形成部材と、該圧力室形成部材の外面に開口して圧力室内の流体を該圧力室内の圧力変動に応じて噴射するノズルとを設けられたことを特徴とする流体噴射装置。