(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。【解決手段】音響インクジェットエゼクタのエゼクタ基板上に配置された圧電装置３１に、これと直列に機械式コンデンサ１０を設ける。直列に接続された圧電装置と機械式コンデンサの両端に高周波電源３４より高周波電力を供給する。機械式コンデンサの電極間に電圧を印加して電極間の距離を変更し、コンデンサの容量を調整する容量調整手段５０を設ける。機械式コンデンサを採用したことにより、組立工程が削減される。【選択図】図３
2006150982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エゼクタ基板と、このエゼクタ基板上に配置された圧電装置とを含む音響インクジェットエゼクタを制御する制御装置であって、
圧電装置と直列に接続され、エゼクタのオンオフを切り換える機械式コンデンサと、
直列に接続された圧電装置と機械式コンデンサの両端に高周波電力を供給する高周波電源と、
機械式コンデンサの容量を調整する容量調整手段と、
を有し、
機械式コンデンサの容量の調整によりエゼクタのオンオフが切り換えられる、音響インクジェットエゼクタの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の音響インクジェットエゼクタの制御装置であって、さらに、
機械式コンデンサと直列に接続された第１のコンデンサと、
直列に接続された機械式コンデンサと第１のコンデンサに対して並列に接続された第２のコンデンサと、
を含む、音響インクジェットエゼクタの制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の音響インクジェットエゼクタの制御装置であって、
前記機械式コンデンサは、
基板と、
基板上に配置された固定電極と、
固定電極に対向して支持され、これと共にコンデンサを構成する可動電極と、
固定電極と可動電極の間の、これらの一方の上に配置された絶縁体と、
を有し、
前記容量調整手段は、前記固定電極と可動電極の間に電圧を印加し、この印加された電圧に基づいた距離まで可動電極と固定電極が離れ、これにより機械式のコンデンサの容量が調整される、
音響インクジェットエゼクタの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械式コンデンサによりON/OFFされる音響インクジェットエゼクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
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１１０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１０８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１１８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】
【特許文献１】米国特許第４，７８２，３５０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
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１００を停止する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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１６、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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（0.015ｍｍ2）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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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２０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。
【００１５】
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。
【００１６】
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１００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１００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/100MHzＲＦ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。
【００１７】
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。
【００１８】
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１０２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。
【００１９】
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。
【００２０】
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１８を絶縁体および固定電極２２に当接させ、ギャップ１６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。
【００２１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】
【００２３】
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、３１  圧電装置、３４  高周波電源、５０  容量調整手段、１０２  基板。
【図１】
2006150982.tif 000003
【図２】
2006150982.tif 000004
【図３】
2006150982.tif 000005
【図４】
2006150982.tif 000006
【図５】
2006150982.tif 000007
【図６】
2006150982.tif 000008
【図７】
2006150982.tif 000009
【図８】
2006150982.tif 000010
【図９】
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