JPH02219656A - 音響インクプリンタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は音響インクプリンタに関し、特に音響インク
プリンタの集束（フォーカシング）感度を減少する方法
及び手段に関する。

（従来の技術） この発明が係わる型の音響インクプリンタはその特質上
、収束する各音響ビームをインク液のプールへと発射し
、−Ｍに各ビームの一次束つまり生来がインクの自由表
面に対してほぼ直角の入射角を成すようにした１つ以上
の液滴噴射装置を具備しており、各ビームの角度収束は
ビームがほぼインク自由表面へ収束するように選ばれて
いる。

プリントは通常、各ビームがインク自由表面に対して加
える放射線圧（音圧）を変調することによって行われる
。この変調によって各ビームの有効圧力は短い抑制され
た偏位運動を充分に高い圧力レベルとし、指令に応じて
個々のインク液滴をインク自由表面から近くの記録媒体
上へ像の形状で付着させるのに充分な速度で発射させる
のに適切な余裕を持たせて、表面張力の拘束力に打ち勝
つようになる。

従来の研究は、音響的に照明される球面集束レンズから
構成された液滴噴射装置を有する音響インクプリンタが
、比較的複雑な像の高品質プリントに充分な解像度で、
正確に位置決めされたビクセルを印字可能なことを実証
している。例えば、１９８６年１２月１９日に出願され
本出願人に譲渡されたＥｌｒｏｄ等の米国特許出願第９
４４，４９０号、第９４４．６９８号及び第９４４．７
０１号を参照のこと。また、このようなプリンタにおい
て印字するビクセルのサイズを動的に変化させる手段を
設けることによって、例えば、可変なグレイレベル像の
プリントが容易に行えることも示されている。１９８６
年１２月１９日に出願され本出願人に譲渡されたＢｌｒ
ｏｄ等の別の米国特許出願、名称「可変スポットサイズ
音響プリント」も参照のこと。

現在のところ音響レンズが音響インクプリンタの液滴噴
射装置用の好ましい集束機構であるが、それに替わるも
のとして、（１）１９８１年１２月２９日に発行された
Ｌｏｖｅｌａｄｙ等の米国特許第４．３０８．５４７号
、名称「液滴噴射装置」に記載されているような圧電シ
ェルトランスデユーサ、（２）１９８５年９月１６日に
出願された米国特許出願第７７６．２９１号の継続出願
として１９８７年１月５日に出願され本出願人に譲渡さ
れた係属中のＱｕａｔｅ等の米国特許出願第９４６．６
８２号に記載されているような同心円状の噛み合い電極
（ＩＤＴ）を有する平面形圧電トランスデユーサ、を含
め別のものも知られている。また、既存の液滴噴射装置
の技術が、（１）ラスター走査プリント用の単一噴射装
置の態様、（２）マトリックスプリント用のマトリック
ス構成噴射装置プレイ、及び（３）（ｉ）パラレル／シ
リアルプリントの複合書式用単一行、疎（ｓｐａｒｓｅ
）アレイから、（ｉｉ）通常のラインプリント用である
、ページ幅画像域内の各ビクセル位置またはアドレス毎
に個々の噴射装置が配置された（すなわち単一噴射装置
／ビクセル／ラインの）複数行、ジグザグ（スタガー）
配列、までの範囲にわたる異なる数種類のページ幅噴射
装置アレイを含め、さまざまなプリントヘッド構成を設
計するのに充分であることも明かである。さらに、実用
上の考慮因子が幾つかのプリントヘッドの構成に関する
液滴噴射装置の選択に影響を及ぼしたり、あるいはそれ
を支配することさえあるので、前記の各特許出願はここ
での概括説明を補完するものとして、参照によってここ
に包含されることも理解されよう。

音響インクプリンタによって噴射されるインク液滴のサ
イズと、それらが噴射される際の速度は、インクの経時
的な減少及び／又は蒸発によって生じるような、プリン
タのインク自由表面における微小な変化によって実質上
影響されないことが好ましい。インク自由表面の容易に
検出されるレベル変化を補償するには比較的簡単な手段
を講じ得るが、わずかな表面レベルの変化を、それらを
有効に補償するのに必要な精度で検出するのは技術的に
困難で、しかもコストがかかる。従って、インク自由表
面のわずかなレベル変化に対する音響インクプリンタの
許容度は、重要な考慮すべき因子である。

（発明が解決しようとする課題） 残念ながら従来の音響インクプリンタは、インク自由表
面のレベル変化に対する感度が過剰すぎた。例えば、イ
ンク内における音響放射線の一波長オーダーの実用焦点
深度を有する球面状の音響集束レンズが、そのようなフ
ーリンタ用に開発されている。しかし、これらのレンズ
を実施したプリンタでは、インク自由表面のわずか１／
４波長またはそれ以下のレベル変化でも、噴射される液
滴のサイズ及びそれら液滴が噴射されるときの速度に大
きく影響し易いことが判明している。研究の結果は、そ
れらプリンタの１つまたはそれより多い共振キャビティ
内での音響反射によって生じる半波共振が上記の問題の
主な原因である。

自明のごとく、インク／空気の境界面は本質上不整合で
あるため、一般に入射する音響放射線のほとんどは、音
響インクプリンタのインク自由表面で反射される。また
、インクは必然的に有限の音響キャビティ内に含まれて
いるので、反射した放射線のかなりの部分は、法的噴射
装置が音響上インクと整合しているかどうかに応じ、液
滴噴射袋′１１／インクの境界面あるいは液滴噴射装置
背後の音響的に不整合な境界面で反射された後、インク
自由表面に戻ろうとする。一般に、反射された放射線が
インク自由表面へ戻るまでにかかる往復の伝播時間は、
従来の音響インクプリンタの液滴噴射装置を駆動するの
に提案されている非常に狭いバンド（すなわち単一周波
数）である高周波（ｒｆ）　　）−ンバーストの持続時
間より短いので、インク自由表面に入射して反射した放
射線と未反応の放射線はコヒーレントに干渉する。この
干渉は強め合う増大、弱め合う消滅、または部分的な増
大と部分的な消滅となり得るが、共振の増大干渉及び反
共振の消滅干渉が生じるインク自由表面のレベルは相互
に、インク内における音響放射線のわずか１／４波長だ
け異なる。従って、こうした共振を防、止または抑制す
る適切な手段を講じないと、インク自由表面のわずか１
／４波長またはそれ以下のレベル変化でも、１つまたは
それより多い集束ビームの実効放射線圧（音圧）を著し
く変化させてしまう。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、音響インクプリンタのインク自由表面
に入射する１つまたはそれより多い音響ビームの音響パ
ワー密度に対する半波共振の影響を著しく減少し、それ
によって音響インクプリンタの集束感度を低くする手段
が提供される。この手段を達成するのに取られる方法の
一部は半波の共振と反共振を減衰させる音響ロスに依拠
する一方、他の方法では１つまたはそれより多い液滴噴
射装置を駆動するのにマルチ周波数の高周波電圧パルス
を用い、異なる周波数の半波の共振と反共振によって生
じる音響パワーの揺動（パークベージジン）が相互に中
和化するようになす。実際上、半波の共振と反共振を減
衰する音響ロスインクの使用は音響放射線の周波数成分
をそれらが中和するように選ぶことと両立可能なので、
所望であれば、上記２つの方法の組み合わせをこの発明
を実施するのに用いることもできる。

この発明の上記以外の特徴及び利点は、添付の図面を参
照して以下の詳細な説明を読み進むにつれ明らかとなろ
う。

（実施例） 次に図面、特にまず第１図を参照すると、音響インクプ
リンタ２１（関連部分のみ示す）はプリントヘッド２２
を有し、プリントヘッド２２は指令に応じて、インク液
の供給溜めつまりインク２６の自由表面２５から個々の
液滴２４を、近くの記録媒体２７上へ像の形状ですばや
く付着させるのに充分な噴射速度で噴射させる１つまた
はそれより多い液滴噴射装置２３（１つだけを示す）を
備えている。図示のとと（、液滴噴射装置２３はインク
２６内に浸漬されているが、１つまたはそれより多い液
体または固体の中間音響結合媒体（図示せず）によって
インク２６へ、それらの液滴噴射装置を音響的に結合し
てもよいことは明かであろう、また図示の実施例におい
て、記録媒体２７は動作中矢印２９で示すように、ペー
ジ幅アレイの液滴噴射装置２３によるラインプリントな
どのため、プリントヘッド２２に対してラインを横断す
る方向つまり処理方向に（不図示の手段によって）所定
の速度で前進される。しかし、異なるプリントヘッドの
構成及び異なるプリントパターンを許容するため、プリ
ントヘッド２２と記録媒体２７間の相対的な移動が必要
に応じて変更可能なのはもちろんである。

動作時、各液滴噴射装置２３は収束する音響ビーム３０
をインク２６内へと発射し、ビーム３０の一次束つまり
上京がインク自由表面２５に対してほぼ直角の入射角を
なすようにする。従来の教示に従い、各ビーム３０の角
度収束は、ビームがインク自由表面２５上にほぼ焦点を
結ぶように選択されている。また、各ビーム３０がイン
ク自由表面２５に対して加える放射線圧（音圧）は、対
応した液滴噴射装置２３に印加される画像データに従っ
て変調され、“黒”のピクセルがプリントされるべきと
きには放射線圧が一時的に液滴噴射の開始しきい圧より
高いレベルに上昇される一方、“白”のピクセルがプリ
ントされるべきときには放射線圧がそのしきい圧より下
のレベルに維持される。

図示のように、各液滴噴射装２２３は、基板３２の上面
つまり前面の小さい球面状くぼみつまり凹部によって画
成された球面状の音響集束レンズ３１を備えるのが適す
る。１つのレンズ３１しか図示してないが、例えば、−
次または二次元アレイの液滴噴射装置２３を有するペー
ジ幅のプリントヘッドが所望なら、多くのレンズを基板
３２の上面を横切りそれぞれ中心間隔を離して分散配置
できるのはもちろんである。しかし、プリントヘッドの
特定の形状に関わりなく、基板３２はシリコン、窒化シ
、リコン、シリコンカーバイド、アルミナ、サファイア
、溶融水晶及び一定のガラスなど、インク２６の音響速
度よりかなり高い音響速度を有する材料からなる。１つ
の液滴噴射装置２３を有するプリントヘッド２２でもこ
の発明が対処しようとする問題及び提供される解決策を
充分示せるので、以下説明の前略化のため、プリントヘ
ッド２２が１つだけの集束レンズ３１を有するものと仮
定する。

レンズ３１を音響照明するため、基板３２の下面つまり
背面上に被着されるかもしくはそこに密着接合された圧
電トランスデユーサ３６が、動作中両面間に印加される
パルス変調高周波電圧で励振されて振動され、音響波を
基板３２に結合する。

トランスデユーサ３６は、一対の電極３８と３９間に挟
持された酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜などの圧電膜からなるの
が適切だが、それ以外の圧電材料及びトランスデユーサ
の構成も使えることは明かであろう。そしてレンズ３１
が入射音響放射線の波面を再整形し、その音響放射線を
インク自由表面２５にほぼ焦点を結ぶ収束する音響ビー
ム３０としてインク２６内へと進める。

第２図に示すごとく、インク自由表面２５における音響
パワー密度は本質上、音響ビーム３０の集束特性のため
、インク表面レベルの関数として変化する。ここで他の
因子が存在しなければ、インク自由表面のレベルは、ビ
ーム３０が加える放射線圧力に大きい影響を及ぼすこと
なく、レンズ３１の実用焦点深度によって決まる範囲（
例えば、レンズ３１がＦ＃〜１の場合、インク２６内に
おける音響放射線の波長、λ、程度の範囲）で変化し得
る。

しかし残念ながら、第３図に示すように、従来の音響イ
ンクプリンタの集束感度を左右するものとして、これま
で認識されていなかったが一般的に半波の共振が主な因
子であった。前述したごとく、このような共振は一般的
に、インク自由表面２５に入射する音響放射線のうち前
に反射されていない成分と反射された成分との間でのコ
ヒーレントな干渉のために生じる。また、共振の増大干
渉と反共振の消滅干渉を引き起こすインク自由表面レベ
ルでの境界条件は、相互にわずか１／４波長だけ異なる
。このため、プリンタ２１　（第１図）のインク自由表
面レベルがわずか１／４波長あるいはそれ以下変化する
だけでも、音響パワーが液滴噴射装置２３からインク自
由表面２５に伝達される効率（すなわち音響結合効率）
は、噴射される液滴のサイズ及び／又はそれら液滴が噴
射される速度に顕著な影響を及ぼすほど大きく変動し易
い。

この問題に対する一つの可能な解決策は、音響インクプ
リント用に音響ロスのあるインクを用いることであり、
これによって反波共振は、生じるとしてもほとんど影響
を持たない程度に減衰される。インク２６によって生じ
る音響ロス（ｄ　８７ｍ）は粘性の高いインクはど大き
くなる傾向を持つ結果として、存寄な半波共振の振幅の
有意な減少は、水の粘性よりかなり高い絶対粘性を有す
るインクで認められており、それよりさらに高い絶対粘
性を用いれば、半波共振が音響インクプリンタの集束感
度に実質上影響を及ぼさないと思われる。半波共振の有
意な減衰が生じる特定の粘性はインク２６内における音
響路の長さ及び使用する高周波周波数に依存するが、一
般に少なくとも５〜１０センチポアズ程度の絶対粘性を
有するインクを用いれば、インク自由表面２５での音響
パワーの揺動における容易に認知可能な減少が認められ
る。但し当然ながら、音響ロスインクの使用は、半波共
振の問題に対する部分的または完全どちらの解決策とも
なる。音響ロスインクは、インク自由表面２５へと戻る
往復中に反射放射線を大幅に減衰させ、それによってイ
ンク自由表面が生じる揺動の大きさを減少させるものだ
からである。

半波共振に対する音響インクプリンタの感度を低めるた
め、単独であるいは音響ロスインクと組み合わせて使え
る別の方法は、プリンタ２１の液滴噴射装置２３をマル
チ周波数の高周波トーンバーストで駆動し、１つの周波
数成分の共振によって生じるパワー揺動が別の周波数成
分の反共振によって生じるパワー揺動を実質上相殺また
は中和化するように成すことである。すなわち、第４図
に示した二重トーンの場合を参照すると、レンズ基板３
２及びトランスデユーサ３６　（つまりプリントヘッド
２２）の共振を無視すれば、一方の周波数ｆ、が共振と
なり、他方の周波数ｆ２が反共振となるインク自由表面
レベルを、レンズ表面の中心部分（すなわちレンズ３１
の“音響中心゛）からのインク自由表面２５の変位１．
の関数として求められることが理解されよう。レンズ基
板３２の音響インピーダンスはその特性上、インク７２
６の音響インピーダンスより高いので、音響速度場はレ
ンズ／インク境界面における反射で１８０゜位相がシフ
トする。従って、インク自由表面２５がレンズ３Ｉの音
響中心から半波長の整数ｎ倍だけ変位したとき反共振が
生じるため、反共振の条件は周波数ｆ、について次の場
合に存在する：ｆ、＝ｎＶ、／２１１ 但しＶｉ＝ミニインクの音速 一方、インク自由表面２５がレンズ３１の音響中心から
１／４波長の奇数倍だけ変化したとき共振が生じるため
、共振の条件は周波数ｆｔについて次の場合に存在する
： ｆｚ　　＝ｎＶｉ　　／２１＝　　＋Ｖｔ　　／４ｆｔ
　　　　　　（２）この結果、２つの高周波周波数ｆ１
とｆｔが、インク２６内におけるそれらの周波数間隔Δ
ｆ、が次式を満たすように選ばれれば； Δ　ｒ　ｉ　＝’ｌ　ｉ　／４ｊ？ｉ　　　　　　　　
　　　　　　　　（３）上記周波数での共振と反共振に
よって生じるパワーの揺動は相互に相殺し合い、インク
自由表面レベルの微小な変化に対するプリンタ２１の感
度を減少せしめる（第５図参照）。

インク自由表面２５でのパワー密度に対する半波共振の
影響をさらに一層減少するため、高周波駆動パルスの周
波数成分をもっと多くすることもできる。例えば第６図
に示すように、ミキサー５１を用いて、１５０ＭＨｚＢ
送波などの高周波搬送波を、約２０ＭＨｚまでの周波数
を有する周期的な疑似ランダムなピットシーケンス信号
と混合し、スイッチゲートまたは変調器５３によってト
ランスデユーサ３６に印加される駆動パルスが、約１３
０ＭＨ２から約１７０ＭＨｚまでの範囲の多数の高周波
周波数で構成されるようにしてよい。疑似ランダムなピ
ットシーケンス信号は、プリンタ２１のデータ速度（す
なわちデータビットが変調器５３に印加される速度）で
周期変化し、トランスデユーサ３６に印加される駆動パ
ルスの高周波パワーが実質上−様となるようにするのが
適切である。あるいは、高周波搬送周波数を変調するの
に線形のチャープ（ｃｈ　１ｒｐ）信号も使えるが、こ
の方法は搬送波を高い速度で周波数変調しなければなら
ないという欠点を有する。さらにその他、変調されたデ
ータ、つまり実質上“白”の高周波ノイズを用いてトラ
ンスデユーサ３６を駆動することも考えられるが、その
ようなノイズの高周波パワーレベルはパルス毎に大きく
異なる可能性があるので、この方法は好ましくない。

例示した音響インクプリンタの音響結合特性をもう少し
詳しく検討すると、レンズ３１を１／４波長の音響整合
層（不図示）で被覆するなどして、プリントヘッド２２
がインク２６と音響的に整合されていなければ、プリン
トヘッド２２はインク２６と弱く結合されているだけの
共振子であることが理解されよう。また、そうした音響
整合層がプリントヘッド／インク境界面に施されていて
も、音響結合効率は周波数の関数として変化しようとす
る。第４図の二重トーンの実施例では、２つの周波数成
分子、とｆ２の振幅を必要に応じてスケール調整し、そ
れらの共振と反共振がインク自由表面２５において音響
パワーを実質上等しくかつ反対に揺動させるようにでき
る。しかし、第６図などのように広いスペクトルの高周
波源を用いた場合には、その周波数スペクトル全体にわ
たって比較的フラットな振幅を有するように、高周波源
を設計する方がより簡単である。従ってこのような実施
例では、インク液層２６の厚さつまり共振キャビティ長
さＪ、よりはるかに大きい共振キャビティ長さ１１を持
つプリントヘッド２２を用いるのが有利である。この場
合、プリントヘッド２２とインク２６内における半波共
振の周波数間隔Δｆ、とΔｆ、はそれぞれ： Δｆ、＝Ｖ、／２１゜ 及び Δｆ！　　＝Ｖｉ　　／２１２逼 従って、プリントヘッド２２とインク２６内における音
速間の差に妥当な考慮を払えば、プリントヘッドの共振
がインクの共振よりもはるかに狭い周波数間隔を有する
ように、それぞれの共振キャビティ長さ１．とｆｉを選
ぶことができる。従って、高周波源の多くの周波数成分
がインク２６の各共振の通過バンド内でレンズ３１から
インク２６への結合を行い、充分なスペクトルの周波数
でインク２６を励起することによって、個々の周波数の
半波共振及び反共振で生じる音響パワーの揺動が実質上
相互に中和し合うようにできる。

（発明の効果） 以上からこの発明は、音響インクプリンタの集束感度に
対する半波共振の影響を減少し、それによってインク自
由表面のレベル変化に対するプリンタの許容度を高める
ものであることが理解されよう。また、そのような半波
共振によって生じる望ましくない音響パワーの揺動を減
少するため半波共振の減衰を強めるか、または半波共振
によって生じる音響パワーの揺動を中和化するか、また
はそれら両方法の組合せを用いるか、いずれによっても
この発明を実施できることも理解されよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は音響インクプリンタの簡略化した部分断面図、
第２図は第１図に示したプリンタのインク自由表面にお
ける焦点スポットの中心での音響パワー密度が、半波共
振の不在時にインク自由表面のレベル変化を関数として
いかに変化するかの概略を示すグラフ、第３図は単一周
波数の半波共振が、インク自由表面のレベル変化に対す
る第１図に示したプリンタの許容度に及ぼす影響を示す
グラフ、第４図は本発明の一特徴に基づき、半波共振を
抑制するため二重周波数の高周波パルスによって駆動さ
れる音響インクプリンタの簡略化した部分断面図；第５
図はインク自由表面のレベル変化に対する第４図に示し
たプリンタの改善された許容度を示すグラフ、第６図は
半波共振をさらに一層抑制するためマルチ周波数の高周
波パルスによって駆動される音響インクプリンタの簡略
化した部分断面図；第７図はインク自由表面のレベル変
化に対する第６図に示したプリンタの最適に近い許容度
を示すグラフである。 符号の説明 ２１−音響インクプリンタ、 ２２・−・プリントヘッド・ ２３−液滴噴射装置、 ２４−・−液滴、 ２５・−インク自由表面、 ２６−インク（インク液供給溜め） ３０・−・・音響放射線（ビーム）。 ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４ ＦＩＧ、　７ ＦＩＧ、　２ １啼−一旬八一一一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 パルス変調された、収束する音響放射線をインク液の供
   給溜め内に発射し、音響放射線が前記インクの自由表面
   にほぼ焦点を結ぶようになす少なくとも１つの高周波（
   ｒｆ）励振液滴噴射装置を含むプリントヘッドを有し、
   制御されたサイズの個々のインク液滴が、指令に応じ制
   御された噴射速度で前記インク自由表面から噴射され；
   前記インクが有限長さの音響キャビティ内に含まれてお
   り、前記インク内に発射された音響放射線が前記インク
   自由表面で反射しさらにその後インク自由表面へと戻り
   、前記液滴噴射装置からの未反射の放射線とコヒーレン
   トに干渉することによって、前記インク自由表面で音響
   パワーの揺動を生ぜしめる音響インクプリンタにおいて
   ： 前記音響パワーの揺動を充分に抑制し、前記インク自由
   表面が時間を関数としたレベル変化を生じる場合でも、
   音響パワーの揺動が前記液滴のサイズまたは噴射速度に
   大きい影響を及ぼすのを防ぐ手段を備えた音響インクプ
   リンタ。