JPH10114062A - 液体の表面から液滴を発射する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 音響トーンバーストを最適に形状化すること
により、傾斜した液体表面に対する液滴発射方向の敏感
度を減少し、高品質の印刷を達成する。 【解決手段】 本発明は、液体の表面から液滴を発射す
る方法であって、音波を生成して液滴形成領域のエアイ
ンクインタフェース７における液体表面から液滴を発射
するステップと、液体の表面の方向づけに実質的に関係
のない音波伝播方向６に実質的に液滴が発射されるよう
に、最適なトーンバーストに音波を形状化するステップ
とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は音響インク印刷に関
する。詳細には、本発明は音響トーンバースト（tonebu
rst ）を形状化することにより、発射された液滴の方向
づけの誤りを減少することに関する。

【０００２】

【従来の技術】音響インク印刷では、焦点を合わせた音
波を用いて、エアインクインタフェースからインク液滴
を発射させる。従来のプリントヘッドにはイジェクタア
レイが備わっている。

【０００３】図１は、音波の波の伝播方向と液滴発射の
方向との理想的な関係を示す印刷ヘッドのイジェクタの
概略図である。ウェハ１１の両側にトランスデューサ４
及びレンズ９が配置される。ウェハ１１は好ましくはガ
ラスで形成される。薄い金属板１３は、ウェハ１１から
垂直方向に離間される。金属板１３はアパーチャ８を画
定する。アパーチャ８はレンズ９及びトランスデューサ
４に隣接配置される。金属板１３とウェハ１１の間に
は、好ましくは水性インクである液体５が置かれる。金
属板１３の水性インク５の反対側にはエアスペースが設
けられる。金属板１３のアパーチャ８にエアインクイン
タフェース７が配置される。

【０００４】イジェクタの動作では、トランスデューサ
４が水性インク５において超音波を生じる。点線は音波
の境界を示している。音波の波の伝播の方向は、矢印６
で示される。レンズ９は、エアインクインタフェース７
に音波の焦点を合わせる。アパーチャ８は、液滴形成の
領域を囲み、液体表面の位置を抑制する。

【０００５】理想的には、図１で示されるように音波は
エアインクインタフェース７に垂直な方向に伝播する。
音波により液滴１０は矢印１２で示す方向に発射され、
この方向は矢印６で示す音波の伝播方向に平行である。
故に、液滴１０はエアインクインタフェース７に垂直な
方向に発射されるのが理想的である。

【０００６】高品質の印刷を行うために、液滴１０の発
射方向は、印刷ヘッドに並ぶ全てのイジェクタに対して
同一でなければならない。非常にわずかでも方向性が違
えば、液滴は例えば用紙等の基体（図示せず）上の意図
された位置から離れた位置に到達する。

【０００７】典型的には、エアインクインタフェース７
と基体は１mmの間隙を有するように離間されている。理
想的な発射方向１２から１度ずれて発射された液滴１０
は、基体上の意図された位置から１７．５μｍ変位す
る。１２００spi （スポット／インチ）プリンタの場
合、この変位は１ピクセルの８０％を構成するものであ
る。従って、高品質の印刷を達成するために、液滴１０
の発射方向を厳密に制御しなければならない。

【０００８】液滴発射の方向づけの誤りの一般的な原因
は、図２で示されるように液滴形成領域のエアインクイ
ンタフェース７における液体表面の位置の傾斜である。
アパーチャ８に汚染物が存在することをはじめとする種
々の異常により、液体表面が傾斜する。液体が汚染物で
いっぱいになると、液体表面に傾斜が生じる。アパーチ
ャ８の非理想的な湿潤によっても、液体表面が傾斜する
おそれがある。液体５とアパーチャの壁との接触角度が
アパーチャ８の壁に沿って変化すると非理想的な湿潤が
生じ、液体メニスカスのアシメトリが生じる。液体５の
メニスカスに対する音波の不整合と、以前の液滴発射に
より生じた液体表面における表面張力波の存在とによっ
ても、音響ビームとの相互作用領域において液体表面の
位置が傾斜するおそれがある。

【０００９】高品質の印刷を達成するために音響インク
印刷における液滴発射の方向づけの誤りを減少する装置
及び方法が、産業にはない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高品
質の印刷を達成するために音響インク印刷において液滴
発射の方向づけの誤りを減少する装置及び方法を提供す
ることである。特定的には、本発明の目的は、音響トー
ンバーストを最適に形状化することにより、傾斜した液
体表面に対する液滴発射方向の敏感度を減少することで
ある。音波自体の伝播の非理想的な方向から生じる液滴
発射の方向づけの誤りを減少することも、本発明の目的
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】液体表面から液滴を発射
する方法は、音波を生成して液体表面から液滴を発射す
るステップを含む。音波が最適なトーンバーストに形状
化されると、液体表面の方向づけとは実質的に無関係
に、液滴がほぼ音波伝播の方向に発射されることにな
る。

【００１２】音波は圧電素子により生成できる。例え
ば、ガラス基板上に配置した１０μｍの薄膜を含む酸化
亜鉛圧電素子を用いることができる。スパークによって
も音波を生成することができ、この場合には放電により
液体にショック波が生成される。あるいは、音波はレー
ザによっても生成できる。

【００１３】また本発明は、レンズを用いて音波を焦点
合わせするステップを含む。好ましくは、フレネルレン
ズを用いる。しかし、球面レンズ等の他の従来のレンズ
も用いることができる。

【００１４】本発明は、液体表面の傾斜と音波の方向性
の誤りにより生じる液滴発射の方向づけの誤りを減少す
る方法である。しかし、本発明はまたこの方法を実行す
る装置も包含することを意図する。

【００１５】本発明のさらなる目的、詳細及び利点につ
いては、図面を参照しながら以下の詳細な説明を読み進
めることから明らかになるであろう。

【００１６】

【発明の実施の形態】図２は、音波の伝播の方向と液滴
発射の方向との非理想的な関係に帰結する可能性のあ
る、エアインクインタフェースにおける傾斜した液体表
面を示す印刷ヘッドのイジェクタの概略を示す。

【００１７】音波の伝播方向は矢印６により示される。
角度θは、傾斜した液体表面に垂直なライン１６と、矢
印６で示される音波伝播の方向とにより形成される角度
を示す。図１で示される理想的な状況では、液体表面は
音波の伝播の方向に垂直であり、θ＝０である。

【００１８】角度φは、矢印１８で示されるように液滴
１０が実際に発射される方向と、矢印６で示される音波
伝播の方向（矢印１２により延長される）とにより形成
される角度を示す。矢印１２はまた、理想的な液滴発射
の方向も示している。理想的には、液滴発射の方向は音
波の伝播方向に平行である。

【００１９】従来の印刷ヘッドは、１６５MHz の中心周
波数において５μｓの継続時間の音響トーンバーストを
用いて液滴を発射する。５μｓの継続時間の音響トーン
バーストを用いて、液体表面が傾斜した水及び水性イン
クを含む液体について実験を行った。５μｓのトーンバ
ーストにより、水及び水性インクは−θに略等しい角度
φで発射される。５μｓのトーンバーストの場合、液滴
は図２の矢印１８により示される方向に発射される。故
に、理想的な液滴発射方向１２のライン１６の反対側に
液滴が発射される。φの大きさは、５μｓのトーンバー
ストでθの大きさに略等しい。

【００２０】故に、従来の印刷ヘッドの音響トーンバー
ストは、液体表面の傾斜角度に匹敵する角度で液滴を誤
って方向づける。従って、液滴が１度より大きい角度で
誤って方向づけられることのないようにするために、液
体表面の傾斜を１度以内に制御しなければならない。し
かしながら、液体表面の傾斜を１度以内に制御すること
は技術的に困難である。

【００２１】理論的には、例えば０μｓに及ぶ継続時間
を有するような非常に短い音響トーンバーストに対して
は、液体表面に垂直な方向に液滴を発射するはずであ
る。故に液滴は、例えばφ＝０のような矢印１６で示さ
れる方向に発射される。

【００２２】音波は常に、その局所的な表面に垂直な方
向に運動量を移行させることにより、液体表面に沿う各
ポイントと相互作用する。運動量移行の効率は、音響ビ
ームと局所的な表面の法線との角度に依存し、この角度
は音響ビーム及び局所的表面の法線が同一直線上にある
（即ちθ＝０）場合に最大である。音響トーンバースト
が非常に短い場合には、表面は運動量移行の継続時間に
わたって実質的に動かない。液体表面は、音波がその運
動量の全てを移行させた後、大きく変形し始める。故
に、短いトーンバーストの継続時間では、液体表面はフ
ラットのままであり、全ての運動量が表面に対して垂直
に移行されると、液滴は表面に垂直に発射される。しか
し、音響トーンバーストが長くなると、液体表面はトー
ンバーストが存在する間に変形し始める。この場合に
は、ビームの方向と整合する垂線を有する変形表面の領
域にわたって、音響ビームがより効率的にその運動量を
移行するので、不均整が増す。液体表面が不均整であれ
ば、液滴は液体表面に垂直でない角度で発射される。

【００２３】上記のとおり、５μｓの継続時間のトーン
バーストは角度φ＝−θで液滴を発射する。あるいは、
０μｓに及ぶような継続時間を有する非常に短い継続時
間のトーンバーストは、φ＝θのような液体表面に垂直
な角度で液滴を発射する。従って、０〜５μｓの特定の
トーンバーストを用いれば、例えばφ＝０のような音波
伝播の継続時間で実質的に液滴を発射させることができ
る。故に、０〜５μｓのいずれかの継続時間のトーンバ
ーストにより、傾斜した液体表面に関係なく液滴を発射
できる。換言すれば、トーンバーストの継続時間の適切
な調整により、液体表面の傾斜に対する液滴発射方向の
敏感度を減少することができる。

【００２４】図３は、液滴発射角度φと２つの角度θに
対するトーンバースト長さとの関係について、水に対す
る実験データに基づいた関係を示すグラフである。各角
度θは、音波の伝播方向と傾斜した液体表面に垂直な線
により形成される。点線２０は、θ＝−５．５度の場合
の液滴発射角度φとトーンバースト長さとの関係を示
す。実線２２は、θ＝７．３度の場合のこの関係を示
す。

【００２５】線２０及び線２２の両方に対して、液滴発
射角度φは２μｓのトーンバースト継続時間で０に等し
い。故に、２μｓの継続時間の音響トーンバーストで
は、音波伝播の方向、即ち理想的な液滴発射方向に液滴
が発射される。２μｓのトーンバーストでは、液体表面
の方向性に関係のない方向に水の液滴が発射される。故
に、２μｓのトーンバーストを用いるイジェクタでは、
液体表面の方向性に対する液滴発射の敏感さがなくな
る。

【００２６】いくつかの水性インクに対して実験を行っ
たところ、線２０及び線２２と同様の曲線が生成され
た。全てのケースにおいて、最適なトーンバーストパル
ス（φ＝０）は１．５〜２．５μｓで達成される。

【００２７】図４は、エアインクインタフェースにおけ
る液体表面に関連する角度で伝播する非理想的な音響ビ
ームを示す印刷ヘッドのイジェクタの概略図である。ト
ランスデューサのレンズの損傷や非理想的な励振、並び
にシステムに存在し得る余波による干渉の影響により、
音波は非理想的に伝播する。音波自体の異常による液滴
の方向づけの誤りは修正可能である。０μｓに及ぶ継続
時間を有する音響トーンバーストを用いることにより、
液体表面に垂直な方向に液滴を発射させることができ
る。

【００２８】しかし、このように短いトーンバーストを
生成することは、技術的に実用的でない。また、液体表
面に垂直な方向に液滴を発射する正確さは、液体表面の
方向性に依存する。液体表面が傾斜している場合には、
液体表面に垂直な方向に液滴を発射させても高品質の印
刷は達成されない。

【００２９】矢印２４は、液体表面に対する角度の方向
に伝播する音波を示す。５μｓの従来の継続時間の音波
は、矢印２６により示される方向に液滴を発射する。故
に液滴は、音響ビームの傾斜よりも大きい角度で発射さ
れる。矢印２６により示される方向における液滴の発射
では、高品質印刷は生成されない。

【００３０】理想的でない音波による発射液滴の方向づ
けの誤りは、従来の５μｓに代わり２μｓの音響トーン
バーストを用いることにより改良される。２μｓの音響
トーンバーストは、矢印２８で示されるように略音伝播
方向に液滴を発射する。矢印２８で示される発射方向
は、液体表面の方向性には無関係である。矢印２８で示
される方向に液滴を発射することにより、より高品質の
印刷が達成される。

【００３１】また、音響トーンバーストの継続時間を制
御することは、高速印刷に対する印刷品質の向上を簡便
化する。典型的には、高速印刷の場合には、ほんの数十
μｓで液滴の発射が離間される。表面張力波は、液滴の
発射毎に形成される。表面張力波は、アパーチャの壁か
らアパーチャの中心に向かって戻すように反射される。

【００３２】以前の液滴発射からの表面張力波は、新た
な各液滴が形成される時にも存在する。表面張力波が液
体表面の方向性を乱すことにより、液滴発射の方向が誤
って方向づけられる。音響トーンバーストの継続時間を
制御することにより、上述のとおり静的傾斜状態に対し
て液滴の発射を最適化する方法と同じように力学的な方
向づけの誤りが減少する。

【００３３】実験により、この結論が確定した。２５０
μｍの直径を有するアパーチャを介して、一連の１０個
の液滴が基体即ち用紙に発射される。秒数が多くなる
と、各連続した液滴が離間された。音響ビームはアパー
チャの中心の±５％以内に焦点合わせされる。

【００３４】各反復率に対して、５μｓと２μｓの音響
トーンバーストを使用した。５μｓの音響トーンバース
トでは、２００μｓの反復率でかなり良好な結果が得ら
れた。しかし、５μｓのトーンバーストでは、２０μｓ
の反復率で、方向づけがかなり誤った液滴発射が生じ
た。実質的にこの方向づけの誤りは、液体表面と相互作
用する表面張力波による。

【００３５】しかし、２μｓの音響トーンバーストで
は、２００μｓと２０μｓの両方の反復率に対して高品
質の結果が得られた。故に、音響トーンバーストの継続
時間を２μｓに形状化することで、力学的な方向づけの
誤りが実質的に減少する。

【００３６】上述のデータは、最適に形状化された音響
トーンバーストを用いて液滴発射の方向づけの誤りを減
少することにより、高品質の印刷が達成できることを示
している。最適に形状化された音波を用いると、液体表
面の方向性の影響を受けない方向に液滴を発射できる。
音波を最適に形状化することで、非理想的な音波の伝播
方向から生じる液滴発射の方向づけの誤りも減少する。
最適に形状化された音波を用いる方法及び装置は、音響
印刷の品質及び強固さを向上させる。

【００３７】特定の実施形態とともに本発明を述べてき
たが、多くの変形、変更及びバリエーションが当業者に
は明らかであることは明白である。例えば、最適に形状
化された音響トーンバーストを用いて、水及び水性イン
ク以外の液体に対して液滴発射の方向づけの誤りを減少
することができる。実際、液体によっては、最適なトー
ンバースト継続時間は１．５〜２．５μｓの範囲外にあ
り得る。さらに、最適なトーンバーストは、その継続時
間にわたり特定の振幅調整を含む可能性があり、その効
果が液体表面から一滴を発射することである、より短い
一連のトーンバーストからなることもある。

【００３８】さらに、最適に形状化された音響トーンバ
ーストを用いて、印刷以外の用途に対しても液滴発射の
方向づけの誤りを減少することができる。実際、最適に
形状化されたトーンバーストを用いて、ほとんどの液滴
発射の用途において、方向づけの誤りを減少することが
できる。

【００３９】従って、上述の本発明の好適な実施の形態
は、例示であって本発明を制限するものではないことが
意図される。特許請求の範囲に規定される本発明の精神
及び範囲から逸脱することがなければ、種々の変更を行
うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】音波の伝播方向と液滴発射方向との理想的な関
係を示す印刷ヘッドのイジェクタの概略図である。

【図２】音波の伝播方向と液滴発射方向との非理想的な
関係に帰結する可能性のあるエアインクインタフェース
における傾斜した液体表面を示す印刷ヘッドのイジェク
タの概略図である。

【図３】水に対する実験データに基づいて、２つの角度
θに対する液滴発射角度φとトーンバースト長さとの関
係を示すグラフであり、各角度θは、音波の伝播方向と
傾斜した液体表面に垂直な線とにより形成される。

【図４】エアインクインタフェータにおける液体表面に
対する角度で伝播する非理想的な音響ビームを示す印刷
ヘッドのイジェクタの概略図である。

【符号の説明】

４ トランスデューサ ５ 水性インク ７ エアインクインタフェース ８ アパーチャ ９ レンズ １０ 液滴 １１ ウェハ １３ 金属板

【手続補正書】

【提出日】平成９年１１月１１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体の表面から液滴を発射する方法であ
   って、 音波を生成して液体表面から液滴を発射するステップを
   含み、 液体の表面の方向づけに実質的に関係のない音波伝播方
   向に実質的に液滴が発射されるように、最適なトーンバ
   ーストに音波を形状化するステップを含む、液体の表面
   から液滴を発射する方法。