JPH08172030A - 機械式コンデンサ - Google Patents

機械式コンデンサ

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JPH08172030A JP7210403A JP21040395A JPH08172030A JP H08172030 A JPH08172030 A JP H08172030A JP 7210403 A JP7210403 A JP 7210403A JP 21040395 A JP21040395 A JP 21040395A JP H08172030 A JPH08172030 A JP H08172030A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高密度で安価な音響インクジェット印刷ヘッ
ドを実現するスイッチを提供する。 【解決手段】 機械式コンデンサ１０は、固定電極２
２、ギャップ１６によって固定電極２２より離されてい
る可動電極１８、可動電極１８を固定電極２２の上方に
懸架するバネ２０を有する。機械式コンデンサ１０の容
量は、可動電極１８および固定電極２２に制御電圧を印
加することにより変化する。制御電圧が増加すると可動
電極１８が固定電極２２に接近し、機械式コンデンサ１
０の容量が増加する。制御電圧が減少すると、バネの作
用で可動電極１８が固定電極２２より遠ざかる。このた
め、機械式コンデンサ１０の容量が減少する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は機械式コンデンサ、
特に音響インクジェットエゼクタをON/OFFするスイッチ
に使われる機械式コンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１は一つの音響インクジェットエゼク
タ１００を示す。基板１０２上にチャンネル形成層１１
０が構成されている。チャンネル形成層１１０内には、
インクチャンネル１１２が形成されており、そのインク
チャンネル１１２内で、基板１０２の表面上にフレネル
レンズ１０８が設けられている。また、チャンネル形成
層１１０の最上表面１２０には開口部１２２が設けられ
ている。通常の動作中には、インクがインクチャンネル
１１２に充填され、自由インク表面１１４が構成され
る。インクチャンネル１１２から見て、基板１０２の反
対側に、二つの電極３２、１０４および圧電層１０６か
ら成る圧電装置３１が設けられる。電極３２、１０４間
に無線周波数信号（ＲＦ信号）が印加されると、圧電装
置３１は、基板１０２内に、インクチャンネル１１２に
向けられた音響エネルギーを発生し、フレネルレンズ１
０８が基板１０２からインクチャンネル１１２に入る音
響エネルギーを自由インク表面１１４上に合焦する。こ
のため、インクチャンネル１１２内のインクは、自由イ
ンク表面１１４上にインクマウンド１１６を形成し、そ
のインクマウンド１１６が最終的にインクドロップ１１
８となり、記録媒体に向け射出される。
【０００３】従来の音響インクジェット印字ヘッドにお
いては、PIN ダイオードが、ＲＦ信号を ON/OFF するこ
とによりインクの噴射を制御している。ＲＦ信号が直列
に接続されたPIN ダイオードと圧電装置に印加され、こ
の回路にあってPIN ダイオードは、圧電装置のコンデン
サスイッチの役割をなしている。PIN ダイオードへの制
御電圧を増加させることによって、PIN ダイオードの容
量がしきい値を越えると、圧電装置３１が起動し、イン
クドロップ１１８がインクチャンネル１１２より噴射さ
れる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】通常、音響インクジェ
ット印字ヘッドは、アレイ状のエゼクタ１００を有して
いる。PIN ダイオードは圧電装置３１と同じ基板上に製
造されることができないので、このPIN ダイオードは別
途製造された上で印字ヘッド基板上に置かれ、印字ヘッ
ドにワイアボンディングにより電気的に接続されてい
る。そのため従来の印字ヘッドの製造では、組立費が高
くなると同時に、手作業によるダイオード組立工程のた
めの部品空間が必要とされ、高密度のエゼクタ印字ヘッ
ドの製造が困難になっている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、PIN ダイオー
ドを機械式コンデンサに換えることにより、組立工程の
削減を図り、高密度のエゼクタを提供するものである。
機械式コンデンサは、基板、固定電極、固定電極に相対
し、電極間にギャップを形成する可動電極、およびこの
可動電極を懸架するバネ、さらにこれら２電極のうちい
ずれかの電極上に形成され、両電極の間に配置される絶
縁体から成っている。この機械式コンデンサは、多結晶
アモルファスシリコン技術への適用を容易にするもので
ある。一般の基板上に、圧電装置と並べて機械式コンデ
ンサを形成することができるため、高密度な圧電装置・
機械式コンデンサ対によるアレイ構造が実現し、手作業
の組立によらない印字ヘッドの製造が可能になる。
【０００６】本発明は、PIN ダイオードやその他の既知
の可変コンデンサ装置に代わる装置を提供するものであ
る。本発明の音響インクジェット印字ヘッドでは、圧電
装置が直列に機械式コンデンサに接続され、ＲＦ電源が
その直列の組み合わせに電力を供給している。制御電力
電源が機械式コンデンサの両端に接続され、機械式コン
デンサの容量を調整する。この制御電圧電源が、機械式
コンデンサの容量をしきい値より増加させることによっ
て音響インクジェット印字ヘッドエゼクタ１００を駆動
し、機械式コンデンサの容量をしきい値より減少させる
ことによって音響インクジェット印字ヘッドエゼクタ１
００を停止する。
【０００７】
【発明の実施の形態】図２は、機械式コンデンサ１０の
実施形態を示すもので、基板１０２の上に固定電極２２
が、また固定電極２２の上に絶縁体１４が形成されてい
る。可動電極１８は、ギャップ１６によって絶縁体１４
から分離されている。可動電極１８は、両端に取付けら
れた２つのバネ２０により、絶縁体１４の上方に懸架さ
れている。可動電極１８は、通常、固定電極２２の真上
に懸架されている。また、フィールド・リング（電場緩
衝環状帯）２６が基板１０２の上に、固定電極２２を囲
むように形成されている。可動電極１８、ギャップ１
６、絶縁体１４、バネ２０さらに固定電極２２が機械式
コンデンサ１０を構成している。機械式コンデンサ１０
の可動電極１８と固定電極２２に印加される制御電圧が
機械式コンデンサの容量を制御する。制御電圧を増す
と、可動電極１８が固定電極２２に近づき、機械式コン
デンサ１０の容量が増加する。この移動は、制御電圧が
両電極に反対の電荷を発生させるため生じる静電引力に
起因するものである。例えば、制御電圧が可動電極１８
に、固定電極２２に比べ、正の電荷をより多く発生させ
ると、この可動電極１８内の正の電荷が固定電極２２内
の負の電荷を引きつけ、バネ２０の反発力が静電引力に
等しくなるまで可動電極１８が固定電極２２の方向にバ
ネに抗して移動する。
【０００８】制御電圧が低減すると、可動電極１８およ
び固定電極２２の電荷が減り、バネ２０が可動電極１８
を固定電極２２から引き離すことにより、機械式コンデ
ンサ１０の容量が小さくなる。即ち、機械式コンデンサ
１０の最小容量は、可動電極１８と固定電極２２間の距
離が最大となる時に決まり、最大容量は、バネ２０の弾
性係数Ｋおよび絶縁体１４の誘電率、さらには可動電極
１８と固定電極２２が最接近したとき、どの程度重なり
合うかによって決まる。
【０００９】固定電極２２の上方に置かれる絶縁体１４
を二酸化硅素（ SiO2 ）で製造する際、最大容量値５pF
を実現するには、可動電極１８と固定電極２２がそれぞ
れ約１．５×１０-8ｍ2 （0.015 ｍｍ2 ）の面積を有す
ることが必要とされる。容量が最大になるときには、可
動電極１８は絶縁体１４に接触することが許される。こ
のときギャップ１６がちょうど０になる。機械式コンデ
ンサ１０は、一辺約１２０μｍの正方形としてもよい。
ギャップの幅が０．１μｍを越えると、容量が１pF以下
となる。音響インクジェット印字ヘッドエゼクタ１００
をON/OFFするには、通常１〜５pFの容量が必要とされ
る。
【００１０】図３は、機械式コンデンサ１０を備えた音
響インクジェット印字ヘッドエゼクタ１００の回路図で
ある。圧電装置３１は、機械式コンデンサ１０とノード
３６にて直列に接続されている。ＲＦ電力電源３４が直
列に接続された圧電装置３１と機械式コンデンサ１０の
両端に接続されている。容量調整手段５０は、機械式コ
ンデンサ１０のみの両端に、ノード３６を接続点として
接続されている。図６に示されるように制御電力を供給
することによって、容量調整手段５０は、機械式コンデ
ンサ１０の容量を調整する。詳細は後述する。ＲＦ電力
電源３４は、圧電装置３１および機械式コンデンサ１０
に電力を供給する。
【００１１】フィールド・リング２６は、制御電圧また
はＲＦ電圧が高すぎて、アークやその他の電気的障害が
起こる可能性のある場合に、オプションとして導入され
るものである。フィールド・リング２６の電位は、可動
電極１８と固定電極２２の電位の間に設定すればよい。
それにより可動電極１８と固定電極２２の端部に局所的
に発生しうる電界のピークを低減することができる。
【００１２】本実施形態の回路では、ＲＦ電力電源３４
が周波数約１００MHz で１５０Ｖのパルスを発生するも
のとする。この高周波動作をサポートできるように機械
式コンデンサの電極１８および２２は、高導電率の材料
で製造されることが望ましい。図８に示されるように、
機械式コンデンサ１０のアレイ９０では、ＲＦ電力電源
３４が並列に接続されたすべての圧電装置３１・機械式
コンデンサ１０対に電力を供給する一方、容量調整手段
５０は特定のエゼクタを個別に制御するために、機械式
コンデンサ１０を１つずつ制御する。
【００１３】可動電極１８は、150V/100MHz 信号には反
応しない。バネ２０のバネ定数Ｋ（機械容量Ｃ）および
可動電極１８の質量（機械的慣性（イナータンス）Ｌ）
は、機械LC回路を構成する。この回路は、ＲＦ電力電源
３４が発生する高周波静電引力に対して、機械式コンデ
ンサ１０内でローパスフィルターの機能を果たす。それ
により、ＲＦ電力電源３４からの100MHzパルスに無用に
反応することによって生じ得る、すべての物理的変位を
防ぐことができる。ＲＦ電力電源３４に反応する機械式
コンデンサ１０の動きを少なくすればするほど、バネ２
０の疲労が低減され、機械式コンデンサ１０の寿命が延
びる。同じく、電極１８および２２の頂点を、図４
（ｂ）のように丸くすることによって、あるいは図２お
よび５に示されているように、固定電極２２の回りにフ
ィールド・リング２６を取付けることによって、電気ア
ークの可能性を無くし、機械式コンデンサ１０の寿命を
さらに延ばすことができる。
【００１４】機械的構造および現行のIC組立技術との親
和性の高さゆえ、機械式コンデンサは魅力的な特徴を有
し、他の多くの技術への応用が可能である。例えば、機
械式コンデンサのスイッチは、音波伝送機器の超音波発
生の制御に使用でき、その際、２次元アレイを集積回路
として製造できることは大きな利点となる。同様に、機
械式コンデンサスイッチを、位相アレイアンテナと同様
な方法で、無線アンテナの２次元アレイの方向を定める
目的に使用することもできる。
【００１５】図６は、容量調整手段５０の構成例を示す
ものである。論理回路５２は、スイッチ５６をONするこ
とによって、音響インクジェット印字ヘッドエゼクタ１
００を起動する。スイッチ５６がONになると、DC制御電
圧源５４の出力がローパスフィルター５８に到達する。
ローパスフィルター５８は、DC制御電圧源５４の出力を
ノード３６に送り、それにより機械式コンデンサ１０の
容量がしきい値を越え、インクドロップ１１８が噴射さ
れる。論理回路５２は、スイッチ５６をOFF とすること
によって、音響インクジェット印字ヘッドエゼクタ１０
０を停止する。それにより、DC制御電圧源５４の出力が
ローパスフィルター５８およびノード３６に供給されな
くなり、機械式コンデンサ１０の容量がしきい値以下に
低下する。ローパスフィルター５８は、スイッチ５６、
論理回路５２およびDC制御電圧源５４を、ＲＦ電力電源
３４からの150V/100MHz ＲＦ電力信号が誘引しうる障害
より防御する。論理回路５２は、プリンタの外部制御部
（図示せず）から、信号ライン３８経由で指示を受け
る。外部制御部はプリント動作用に、印字ヘッドのすべ
てのエゼクタの起動を統制管理する。この際、論理回路
５２は指示を１つずつ実行することにより、複数のエゼ
クタ１００を個別に制御する。
【００１６】図７は、機械式コンデンサ１０の容量を調
節するための別の構成を示すものである。最大容量調節
コンデンサ７２が機械式コンデンサ１０と直列に接続さ
れ、最小容量調節コンデンサ７４が、直列に接続された
機械式コンデンサ１０と最大容量調節コンデンサ７２に
対して並列に接続されている。この最大容量調節コンデ
ンサ７２と最小容量調節コンデンサ７４の固定容量が機
械式コンデンサ１０の容量値の範囲の上限および下限を
設定している。
【００１７】高密度音響インクジェット印字ヘッドは、
機械式コンデンサ１０および圧電装置３１の対によるア
レイを、図８に示されているように、印字ヘッド基板１
０２上に形成して作られる。バネ２０のバネ定数Ｋの値
を数桁に渡ってて制御することにより、機械式コンデン
サ１０の制御電圧を５Ｖないし２０Ｖの範囲に保つこと
ができる。この電圧範囲は、多結晶アモルファスシリコ
ン技術により、機械式コンデンサ１０を音響インクジェ
ット印字ヘッドに組み込むのを容易にしている。さら
に、公知の微細な機械的組立技術により、可動電極１８
が図９に示されているように容易に作成され、高密音響
インクジェットプリンタエゼクタ１００の高密度アレイ
の製造にあたり、手作業のアセンブリ工程が不要とな
る。
【００１８】図９は、圧電装置３１および機械式コンデ
ンサ１０が同一基板１０２上に形成されている状態を示
すものである。圧電電極１０４が微細機械的技術により
バネ２０内に形成され、これがさらに延びて機械式コン
デンサの可動電極１８を構成する。機械式コンデンサ絶
縁体１４は、図２に示されているように、固定電極２２
の上面部ではなく、可動電極１８の底面部に形成されて
いる。基板１０２は、ガラス等の絶縁材で作られてい
る。それにより固定電極２２は、可動電極１８および圧
電電極１０４から電気的に絶縁されている。動作状態で
は、ＲＦ信号は電極２２および３２に接続され、容量調
整手段は電極２２および１０４に接続される。
【００１９】本発明は、上述の構成に限定されるもので
ない。本発明の本質を変えることなく、種々の変更を加
えることも可能である。例えば、固定電極２２を別個の
バネで懸架することによって可動にすることもできる。
また、固定電極２２を基板表面と平行でなく直角に構成
し、可動電極１８も同様に基板表面と直角に構成し、可
動電極または固定電極の少なくとも一方が基板表面に対
しほぼ平行に移動するように構成することができる。別
の可能性として、可動電極１８および固定電極２２の両
方を可動とすることもできる。図２では、可動電極１８
が固定電極２２の上方にバネ２０で懸架された位置を休
止位置としている。しかし、バネ２０により可動電極１
８を絶縁体および固定電極２２に当接させ、ギャップ１
６がほぼなくなった状態を可動電極１８の休止位置とし
てもよい。この場合は、制御電圧が可動電極および固定
電極１８、２２の両方に同符号の電荷を付加することに
より、可動電極１８が同符号の電荷に起因する反発力で
バネ２０を押し退け、ギャップ１６が拡大する。
【００２０】なお図８では、圧電装置３１と機械式コン
デンサ１０の対が２次元アレイとして並ぶ状態を説明し
たが、これは単に一直線上、または六辺形状のアレイ
（圧電装置・機械式コンデンサの対が必ず六角形の一頂
点にくる配列アレイ）等、任意の形のアレイでよい。
【００２１】
【発明の効果】以上本発明によれば、高密度かつ安価な
音響インクジェット印字ヘッド等の実現に最適な機械式
コンデンサの提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 音響インクジェットエゼクタの断面図であ
る。
【図２】 機械式コンデンサの正面図である。
【図３】 エゼクタ、ＲＦ電源および容量制限手段と組
み合わされる機械式コンデンサの回路図である。
【図４】 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ角張った角お
よび丸みをもった角からなる可動および固定電極を示す
図である。
【図５】 機械式コンデンサのフィールド・リングを示
す図である。
【図６】 容量調整手段のブロック図である。
【図７】 最大容量コンデンサおよび最小容量コンデン
サを備えた機械式コンデンサを示す図である。
【図８】 圧電装置・機械式コンデンサ対のアレイを示
す図である。
【図９】 圧電装置・機械式コンデンサ対のアレイの微
細機械技術による実施形態であるを示す図である。
【符号の説明】
１０ 機械式コンデンサ、１４ 絶縁体、１８ 可動電
極、２０ バネ、２２固定電極、２６ フィールド・リ
ング、１０２ 基板。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、 前記基板上に形成される固定電極と、 前記固定電極に対向し、前記固定電極に対して移動可能
    な可動電極と、 前記固定電極または前記可動電極の上に形成され、前記
    固定電極および前記可動電極の間に配置される絶縁体
    と、 を含むことを特徴とする機械式コンデンサ。
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