JP2511570B2 - 音響放射体 - Google Patents
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- lens
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- ink
- lenses
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- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
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- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2/14008—Structure of acoustic ink jet print heads
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- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
- G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
- G10K11/30—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using refraction, e.g. acoustic lenses
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- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
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- Dot-Matrix Printers And Others (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は音響集光レンズに関し、より詳細には、音響
インク印刷に用いる多重個別位相フレネル音響集光レン
ズに関する。
インク印刷に用いる多重個別位相フレネル音響集光レン
ズに関する。
本発明が対象とする音響インク印刷機は一般的には一
または二以上のrf（無線周波数）音響放射体を備えてお
り、このrf音響放射体が各音響ビームにより液体インク
のプールの自由表面を照射する。これらのビームの各々
は、通常、法線方面の入射角でインクの自由表面上に焦
点が合うように照射される。そのうえ、通常、印刷は、
印刷すべき像の入力データサンプルに応じて音響放射体
のrf励起を独立にモジュレーティングすることによりな
されている。このモジュレーションにより各ビームがイ
ンクの自由表面に対して及ぼしている放射圧力を、表面
張力の抑制力を十分に上回る高いレベルまで、制御下に
おいて、かつ容易に上昇させることができる。このた
め、インクの小滴は必要なときには十分な速度をもって
インク自由表面から飛び出し、記録媒体の像形成装置に
移行することができる。音響インク印刷はノズルや小さ
な排出オリフィスなどを必要としないということから注
目を集めている。従来の小滴及び連続流れインクジェッ
ト印刷機においては信頼性や絵画素（ピクセル:PIXEL）
の配置の正確性などの問題があったが、ノズルその他を
必要としないということはこれらの問題を引き起こす原
因である機械上の問題を回避できるということを意味す
る。
または二以上のrf（無線周波数）音響放射体を備えてお
り、このrf音響放射体が各音響ビームにより液体インク
のプールの自由表面を照射する。これらのビームの各々
は、通常、法線方面の入射角でインクの自由表面上に焦
点が合うように照射される。そのうえ、通常、印刷は、
印刷すべき像の入力データサンプルに応じて音響放射体
のrf励起を独立にモジュレーティングすることによりな
されている。このモジュレーションにより各ビームがイ
ンクの自由表面に対して及ぼしている放射圧力を、表面
張力の抑制力を十分に上回る高いレベルまで、制御下に
おいて、かつ容易に上昇させることができる。このた
め、インクの小滴は必要なときには十分な速度をもって
インク自由表面から飛び出し、記録媒体の像形成装置に
移行することができる。音響インク印刷はノズルや小さ
な排出オリフィスなどを必要としないということから注
目を集めている。従来の小滴及び連続流れインクジェッ
ト印刷機においては信頼性や絵画素（ピクセル:PIXEL）
の配置の正確性などの問題があったが、ノズルその他を
必要としないということはこれらの問題を引き起こす原
因である機械上の問題を回避できるということを意味す
る。
これまで音響印刷用としていくつかの音響放射体
（「小滴エジェクタ」と呼ばれることがある）が開発さ
れてきた。より詳細に言うと、音響的に照射される音響
合焦用の球面レンズ（1989年６月14日付け発行の米国特
許第4,751,529号「音響印刷用マイクロレンズ」参
照）、圧電シェルトランスデューサ（1981年12月24日付
け発行の米国特許第4,308,547号「液体小滴エミッタ」
参照）、交互配置された電極を備える平面圧電トランス
デューサ（1987年９月29日付け発行の米国特許第4,697,
105号「ノズルのない小滴エジェクタ」参照）は既にあ
るものである。この現在の小滴エジェクタ技術は種々の
プリントヘッド構造には十分なものであると考えられて
いる。ここで、小滴エジェクタ技術とは、ラスター出力
スキャナー（ROS）用の比較的簡単な単一エジェクタか
ら、より複雑なもの、例えば一次元または二次元配列の
１ページ全体の幅にわたる幅のアレイを構成しているラ
インプリント用の小滴エジェクタに至るものまでを含
む。
（「小滴エジェクタ」と呼ばれることがある）が開発さ
れてきた。より詳細に言うと、音響的に照射される音響
合焦用の球面レンズ（1989年６月14日付け発行の米国特
許第4,751,529号「音響印刷用マイクロレンズ」参
照）、圧電シェルトランスデューサ（1981年12月24日付
け発行の米国特許第4,308,547号「液体小滴エミッタ」
参照）、交互配置された電極を備える平面圧電トランス
デューサ（1987年９月29日付け発行の米国特許第4,697,
105号「ノズルのない小滴エジェクタ」参照）は既にあ
るものである。この現在の小滴エジェクタ技術は種々の
プリントヘッド構造には十分なものであると考えられて
いる。ここで、小滴エジェクタ技術とは、ラスター出力
スキャナー（ROS）用の比較的簡単な単一エジェクタか
ら、より複雑なもの、例えば一次元または二次元配列の
１ページ全体の幅にわたる幅のアレイを構成しているラ
インプリント用の小滴エジェクタに至るものまでを含
む。
しかしながら、例えば音響インク印刷などへの応用の
ための比較的厳格な仕様に応じて、より簡単に、かつよ
り安価に製造することができる、シャープに焦点を合わ
せられる音響放射体に対する要求が依然としてある。さ
らに、正確に位置決めされた音響放射体のアレイをより
安価にすることに対する要求もある。
ための比較的厳格な仕様に応じて、より簡単に、かつよ
り安価に製造することができる、シャープに焦点を合わ
せられる音響放射体に対する要求が依然としてある。さ
らに、正確に位置決めされた音響放射体のアレイをより
安価にすることに対する要求もある。
本発明は、通常の半導体集積回路技術を用いて容易に
製造することができ、通常のレンズを使用するよりも薄
く、かつ平坦な形状にも容易に形成できる音響放射体を
提供することを課題とする。
製造することができ、通常のレンズを使用するよりも薄
く、かつ平坦な形状にも容易に形成できる音響放射体を
提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明により音響放射体
は、所定の焦点距離だけ対象表面から離れて配置された
特殊構造の音響レンズを備え、該対象表面に焦点が合わ
された音響エネルギを該対象表面に向けて放射するよう
に働く。本発明の音響放射体に使用される音響レンズ
は、半径方向に間隔をもって同軸に配置された複数の環
状の区分領域からなる。各区分領域には、音響エネルギ
の進行方向を半径方向に変化させるための階段状の位相
制御プロフィールが形成され、それぞれの区分領域にお
ける位相制御プロフィールが、音響エネルギの進行方向
を、それぞれ同じ半径方向に変化させる。
は、所定の焦点距離だけ対象表面から離れて配置された
特殊構造の音響レンズを備え、該対象表面に焦点が合わ
された音響エネルギを該対象表面に向けて放射するよう
に働く。本発明の音響放射体に使用される音響レンズ
は、半径方向に間隔をもって同軸に配置された複数の環
状の区分領域からなる。各区分領域には、音響エネルギ
の進行方向を半径方向に変化させるための階段状の位相
制御プロフィールが形成され、それぞれの区分領域にお
ける位相制御プロフィールが、音響エネルギの進行方向
を、それぞれ同じ半径方向に変化させる。
本発明の音響放射体における音響レンズは、音響フレ
ネルレンズの一種と考えることができるが、フレネルレ
ンズの個々の要素は、半径方向に間隔をもって同軸に配
置された複数の環状の区分領域として形成され、かつこ
の区分領域には、通常のフレネルレンズにおえるような
曲面ではなく、階段状の位相制御プロフィールが形成さ
れる。この構造は、たとえばエッチング技術のような半
導体集積回路技術に通路採用されている技術を使用して
容易に製造することができる。また、薄く平坦な構造に
することも容易である。
ネルレンズの一種と考えることができるが、フレネルレ
ンズの個々の要素は、半径方向に間隔をもって同軸に配
置された複数の環状の区分領域として形成され、かつこ
の区分領域には、通常のフレネルレンズにおえるような
曲面ではなく、階段状の位相制御プロフィールが形成さ
れる。この構造は、たとえばエッチング技術のような半
導体集積回路技術に通路採用されている技術を使用して
容易に製造することができる。また、薄く平坦な構造に
することも容易である。
本発明の他の特徴及び利点は図面を参照して行う以下
の説明により明らかになる。
の説明により明らかになる。
以下、実施例を参照して本発明を詳細に説明するが、
本発明はこれらの実施例に限定されるべきものではな
い。逆に、全ての修正、変更及び均等は特許請求の範囲
に記載された本発明の範囲に包含される。
本発明はこれらの実施例に限定されるべきものではな
い。逆に、全ての修正、変更及び均等は特許請求の範囲
に記載された本発明の範囲に包含される。
第１図には音響インクプリントヘッド11を示す。この
音響インクプリントヘッド11は１ページの幅全体にわた
る幅に配列された２列アレイ（部分的にのみ図示）を構
成しているほぼ同一の、かつ空間的に点在する多重個別
位相二連フレネル音響焦点レンズ12a〜12iを備えてい
る。この形式のプリントヘッドは、例えばラインプリン
ティングなどの形式のプリンティングにはよく適合する
が、本発明は他の形式のプリントヘッドにも応用でき、
ラスター出力スキャンニング（ROS）やドット・マトリ
クス・プリンティングその他の種々の異なるプリントモ
ードを実行することが可能である。
音響インクプリントヘッド11は１ページの幅全体にわた
る幅に配列された２列アレイ（部分的にのみ図示）を構
成しているほぼ同一の、かつ空間的に点在する多重個別
位相二連フレネル音響焦点レンズ12a〜12iを備えてい
る。この形式のプリントヘッドは、例えばラインプリン
ティングなどの形式のプリンティングにはよく適合する
が、本発明は他の形式のプリントヘッドにも応用でき、
ラスター出力スキャンニング（ROS）やドット・マトリ
クス・プリンティングその他の種々の異なるプリントモ
ードを実行することが可能である。
多重個別位相フレネル要素は光学に応用するものとし
て提案されたものである。スワンソン（Swanson）他の
「回析光学要素の赤外線応用（Infrared Applications
of Diffractive Optical Elements）」（Holographic O
ptis:Design and Applications,SPIE Vol.883,1988,pp
155−162）を参照されたい。ここで重要なことは、従来
光学に応用されていたフレネルレンズを音響に応用する
場合、音響に特有の考慮が必要である、ということであ
る。たとえば、レンズから対象空間に放射される際の音
響の速度変化及び伝播方向の変化を考慮する必要があ
る。より詳細に言うと、光学的な場合では放射光がガラ
スから空気へ通過するときには、通常、波面の速度はほ
ぼ33％増加する。対称的に、音響的な場合では波面がガ
ラスまたはシリコンから水性インクへ放射するときに
は、一般的には、波面の速度は約70〜84％減少する。こ
のため、平面波をレンズに入射させて音響的に正の焦点
合わせを行う場合には、平凹（一方が平らで他方が凹
状）の屈折レンズをシミュレートした多重個別位相フレ
ネルレンズが必要になる。
て提案されたものである。スワンソン（Swanson）他の
「回析光学要素の赤外線応用（Infrared Applications
of Diffractive Optical Elements）」（Holographic O
ptis:Design and Applications,SPIE Vol.883,1988,pp
155−162）を参照されたい。ここで重要なことは、従来
光学に応用されていたフレネルレンズを音響に応用する
場合、音響に特有の考慮が必要である、ということであ
る。たとえば、レンズから対象空間に放射される際の音
響の速度変化及び伝播方向の変化を考慮する必要があ
る。より詳細に言うと、光学的な場合では放射光がガラ
スから空気へ通過するときには、通常、波面の速度はほ
ぼ33％増加する。対称的に、音響的な場合では波面がガ
ラスまたはシリコンから水性インクへ放射するときに
は、一般的には、波面の速度は約70〜84％減少する。こ
のため、平面波をレンズに入射させて音響的に正の焦点
合わせを行う場合には、平凹（一方が平らで他方が凹
状）の屈折レンズをシミュレートした多重個別位相フレ
ネルレンズが必要になる。
第２図に示すように、音響インクプリントヘッド11は
音響インク印刷機13内部に組み込まれている。音響イン
ク印刷機１は液体インク16のプールの自由表面15から十
分なエジュクト速度で各インク小滴14をエジェクトさ
せ、そのインク小滴14を記録媒体17上に形成されている
像に堆積させる。この目的のため、音響インクプリント
ヘッド11は、例えば薄膜ZnOトランスデューサなどの平
面圧電トランスデューサ21を備えている。この圧電トラ
ンスデューサ21は、音響的に平坦なクォーツ、ガラスま
たはシリコン基質などの音響伝導基質22の後面上に堆積
しているか、あるいはその後面に密接して結合してい
る。音響伝導基質22の反対側の面、すなわち前面（ある
いは、好ましくは、該前面上において成長しているか、
または該前面上に堆積している音響的平坦層物質23）は
フレネルレンズ12a〜12i（第２図にはレンズ12aのみ図
示しているが、他のレンズをも表しているものとする）
の同心の位相プロフィールを形成するようにパターン化
される。より詳細には、図示したように、レンズ12a〜1
2iはエッチング可能な物質、例えばα−シリコンの層23
をパターン形成することにより形成される。層23はクォ
ーツまたはガラスその他の耐エッチング基質22の前面に
おいて成長しているものである。以下により詳細に述べ
るように、この方法の利点はエッチングが容易でない物
質、例えばガラスやクォーツなどの物質から基質22を形
成するときに設計の自由度が増すことである。これによ
って、基質22はレンズ12a〜12iの製造の間において相対
的に正のエッチ・ストップとして作用する。
音響インク印刷機13内部に組み込まれている。音響イン
ク印刷機１は液体インク16のプールの自由表面15から十
分なエジュクト速度で各インク小滴14をエジェクトさ
せ、そのインク小滴14を記録媒体17上に形成されている
像に堆積させる。この目的のため、音響インクプリント
ヘッド11は、例えば薄膜ZnOトランスデューサなどの平
面圧電トランスデューサ21を備えている。この圧電トラ
ンスデューサ21は、音響的に平坦なクォーツ、ガラスま
たはシリコン基質などの音響伝導基質22の後面上に堆積
しているか、あるいはその後面に密接して結合してい
る。音響伝導基質22の反対側の面、すなわち前面（ある
いは、好ましくは、該前面上において成長しているか、
または該前面上に堆積している音響的平坦層物質23）は
フレネルレンズ12a〜12i（第２図にはレンズ12aのみ図
示しているが、他のレンズをも表しているものとする）
の同心の位相プロフィールを形成するようにパターン化
される。より詳細には、図示したように、レンズ12a〜1
2iはエッチング可能な物質、例えばα−シリコンの層23
をパターン形成することにより形成される。層23はクォ
ーツまたはガラスその他の耐エッチング基質22の前面に
おいて成長しているものである。以下により詳細に述べ
るように、この方法の利点はエッチングが容易でない物
質、例えばガラスやクォーツなどの物質から基質22を形
成するときに設計の自由度が増すことである。これによ
って、基質22はレンズ12a〜12iの製造の間において相対
的に正のエッチ・ストップとして作用する。
作動においては、rf駆動電圧が圧電トランスデューサ
21に印可される。圧電トランスデューサ21の中心はそれ
ぞれレンズ12a〜12iと音響的に整列しており、各中心間
は空間的に隔たっている。電圧の印可によりトランスデ
ューサ21は部分的に励起され、各々の中心の回りに振動
する。これによって、長手軸方向に伝播する音響平面波
が基質22内に発生し、ほぼ直角の入射角をもってレンズ
12a〜12iを各々独立に、かつ軸方向に照射する。あるい
は、当然のことであるが、別個の圧電トランスデューサ
（図示せず）を用いてレンズ12a〜12iを照射することも
可能である。レンズ12a〜12iは（第２図のレンズ12aに
示すように）直接的に、あるいは中間単分子層または多
分子層音響結合媒体（第５図参照）を介してインク16に
音響的に結合されている。そのうえ、レンズ12a〜12iの
焦点距離は、以下に詳述するように、インク16の自由表
面15に回折によって焦点が合うようにレンズ12a〜12iに
入射する音響エネルギの多くをレンズ12a〜12iがもたら
すように選定される。
21に印可される。圧電トランスデューサ21の中心はそれ
ぞれレンズ12a〜12iと音響的に整列しており、各中心間
は空間的に隔たっている。電圧の印可によりトランスデ
ューサ21は部分的に励起され、各々の中心の回りに振動
する。これによって、長手軸方向に伝播する音響平面波
が基質22内に発生し、ほぼ直角の入射角をもってレンズ
12a〜12iを各々独立に、かつ軸方向に照射する。あるい
は、当然のことであるが、別個の圧電トランスデューサ
（図示せず）を用いてレンズ12a〜12iを照射することも
可能である。レンズ12a〜12iは（第２図のレンズ12aに
示すように）直接的に、あるいは中間単分子層または多
分子層音響結合媒体（第５図参照）を介してインク16に
音響的に結合されている。そのうえ、レンズ12a〜12iの
焦点距離は、以下に詳述するように、インク16の自由表
面15に回折によって焦点が合うようにレンズ12a〜12iに
入射する音響エネルギの多くをレンズ12a〜12iがもたら
すように選定される。
半波共鳴に対する音響インク印刷機13の感度を減少さ
せるため、トランスデューサ21が励起されるrf周波数
は、騒音あるいは擬似ランダム周波数モジュレーティン
グ信号に応じて、所定の中心周波数の回りに多少ランダ
ムにシフトされる。この周波数でモジュレートしたrfの
分数帯域幅Δf/fは20％の単位である。ここで、Δｆはr
f周波数がシフトされる範囲である。レンズ12a〜12iの
列のいくつかは周波数に依存していることは明らかであ
り、このためそれらを「ラジアン」で表し、それらを媒
体内部での音響放射の波長に標準化することが便利であ
る。この「ラジアン」によってレンズ12a〜12iは入射放
射の周波数において（あるいは、周波数でモジュレート
された場合では、中心周波数ｆにおいて）定義される。
せるため、トランスデューサ21が励起されるrf周波数
は、騒音あるいは擬似ランダム周波数モジュレーティン
グ信号に応じて、所定の中心周波数の回りに多少ランダ
ムにシフトされる。この周波数でモジュレートしたrfの
分数帯域幅Δf/fは20％の単位である。ここで、Δｆはr
f周波数がシフトされる範囲である。レンズ12a〜12iの
列のいくつかは周波数に依存していることは明らかであ
り、このためそれらを「ラジアン」で表し、それらを媒
体内部での音響放射の波長に標準化することが便利であ
る。この「ラジアン」によってレンズ12a〜12iは入射放
射の周波数において（あるいは、周波数でモジュレート
された場合では、中心周波数ｆにおいて）定義される。
レンズ12a〜12iの各々は空間的に一つしかない絵画素
位置を出力像平面内部に所定の連続順序においてアドレ
スする。このように、像形成に際しては、レンズ12a〜1
2iの各々は対応するモジュレーターを有しており、例え
ば第２図のレンズ12aはモジュレーター25aを有してい
る。これらのモジュレーターは通常、レンズとの単位で
連続的にパルスを発生し、トランスデューサ21のrf励起
をモジュレートする。この場合のモジュレートは、レン
ズ12a〜12iがアドレスするそれぞれの絵画素位置に対す
る像絵画素を順に表す入力データサンプルに応じて行わ
れる。一般的には、このモジュレージョンが実行される
データ速度は時間的に同期化（この手段は図示せず）さ
れ、これに伴ってレンズ12a〜12iは一つの絵画素から他
の絵画素へ相対的に移動する。このデータ速度はインク
16の自由表面15が「リラックス」（すなわち、実質的に
安定な状態への復帰）するのに十分であるように、連続
する絵画素位置のアドレス間のインターバルの時間が選
定される。必要であるならば、孔付き隔膜その他のもの
（図示せず）を用いてインク16の自由表面15を所定のレ
ベルに維持することの補助としてもよい。
位置を出力像平面内部に所定の連続順序においてアドレ
スする。このように、像形成に際しては、レンズ12a〜1
2iの各々は対応するモジュレーターを有しており、例え
ば第２図のレンズ12aはモジュレーター25aを有してい
る。これらのモジュレーターは通常、レンズとの単位で
連続的にパルスを発生し、トランスデューサ21のrf励起
をモジュレートする。この場合のモジュレートは、レン
ズ12a〜12iがアドレスするそれぞれの絵画素位置に対す
る像絵画素を順に表す入力データサンプルに応じて行わ
れる。一般的には、このモジュレージョンが実行される
データ速度は時間的に同期化（この手段は図示せず）さ
れ、これに伴ってレンズ12a〜12iは一つの絵画素から他
の絵画素へ相対的に移動する。このデータ速度はインク
16の自由表面15が「リラックス」（すなわち、実質的に
安定な状態への復帰）するのに十分であるように、連続
する絵画素位置のアドレス間のインターバルの時間が選
定される。必要であるならば、孔付き隔膜その他のもの
（図示せず）を用いてインク16の自由表面15を所定のレ
ベルに維持することの補助としてもよい。
トランスデューサ21に印可される駆動電圧のレンズ毎
のモジュレーションは多少独立的にレンズ12a〜12iの音
響照射をそれぞれモジュレートする。このため、放射圧
力、すなわち、それぞれレンズ12a〜12iから放射され
る。回折して焦点合わせされた音響エネルギ（すなわ
ち、＋１回折オーダ）がインク自由表面15に及ぼす圧力
に対応してモジュレートされる。十分な音響エネルギが
供給され、それらのビームの各々の放射圧力が十分に高
圧のレベルに達するまで制御下において上昇させられ
る。これにより、例えば黒と白の像の黒の絵画素を表す
データサンプルに応答してインク自由表面15からインク
の小滴をエジェクトさせる。
のモジュレーションは多少独立的にレンズ12a〜12iの音
響照射をそれぞれモジュレートする。このため、放射圧
力、すなわち、それぞれレンズ12a〜12iから放射され
る。回折して焦点合わせされた音響エネルギ（すなわ
ち、＋１回折オーダ）がインク自由表面15に及ぼす圧力
に対応してモジュレートされる。十分な音響エネルギが
供給され、それらのビームの各々の放射圧力が十分に高
圧のレベルに達するまで制御下において上昇させられ
る。これにより、例えば黒と白の像の黒の絵画素を表す
データサンプルに応答してインク自由表面15からインク
の小滴をエジェクトさせる。
次いで第３図を参照して本発明に係る多重個別位相フ
レネル音響焦点レンズをより詳細に説明すると、代表的
なレンズ12aの位相プロフィールは理論的には理想的
な、すなわち効率100％のフレネル・ゾーン・プレート
の連続位相プロフィールの量子化された近似形であるこ
とがわかる。したがって、レンズ12aの音響焦点合わせ
効率は、区分された位相レベルの数に依存して定まる。
より詳細には、前述のスワンソン他の論文において述べ
てあるように、焦点が合わされた＋１の回折オーダに回
折して入ってくる軸方向の入射放射光に対して、２相、
４相、８相及び16相の実施例ではそれぞれ約41％、81
％、95％及び99％の効率である。入射エネルギの残りは
より高い正の回折オーダ及び負の回折オーダへ回折して
進むが、０のオーダに回折して進むエネルギはない。こ
のことは、例えばレンズのアレイ（２相の実施例が隣接
するレンズ間における所望しないレベルの混信を防止す
るための特別な手段を必要とするような場合）を用いて
印刷を行うときには、少なくとも音響インク印刷機に対
しては２相の実施例が限界であることを示している。４
相、８相及び16相の実施例は、ほぼ3Xの累積的なファク
タによって、好ましくない、トラブルの多いオーダに回
折して進むエネルギの量を漸次減少させる。このため、
音響的な観点からみればそれらは好ましいものである。
レネル音響焦点レンズをより詳細に説明すると、代表的
なレンズ12aの位相プロフィールは理論的には理想的
な、すなわち効率100％のフレネル・ゾーン・プレート
の連続位相プロフィールの量子化された近似形であるこ
とがわかる。したがって、レンズ12aの音響焦点合わせ
効率は、区分された位相レベルの数に依存して定まる。
より詳細には、前述のスワンソン他の論文において述べ
てあるように、焦点が合わされた＋１の回折オーダに回
折して入ってくる軸方向の入射放射光に対して、２相、
４相、８相及び16相の実施例ではそれぞれ約41％、81
％、95％及び99％の効率である。入射エネルギの残りは
より高い正の回折オーダ及び負の回折オーダへ回折して
進むが、０のオーダに回折して進むエネルギはない。こ
のことは、例えばレンズのアレイ（２相の実施例が隣接
するレンズ間における所望しないレベルの混信を防止す
るための特別な手段を必要とするような場合）を用いて
印刷を行うときには、少なくとも音響インク印刷機に対
しては２相の実施例が限界であることを示している。４
相、８相及び16相の実施例は、ほぼ3Xの累積的なファク
タによって、好ましくない、トラブルの多いオーダに回
折して進むエネルギの量を漸次減少させる。このため、
音響的な観点からみればそれらは好ましいものである。
第３図に示すレンズ12aは４個の個別位相レベルを有
している。というのは、４相の実施例は、現在用いられ
ている半導体集積回路製造技術を用いて容易に製造する
ことができるからである。これに示したレンズ12aは長
手軸方向にほぼ8603〔m/秒〕の音速を有するα−シリコ
ン層23にパターンを付けることにより形成され、167MHz
の公称周波数を有する軸方向に入射する平面波音響放射
をもたらし、長手軸方向に1500〔m/秒〕の音速を有する
中間液体層を介して300μｍの焦点距離における＋１回
折オーダに焦点を合わせる。そのうえ、レンズ12aはf/1
のｆ数を有するようにつくられている。これらの設計パ
ラメータの観点からみると、レンズ12aの放射位相プロ
フィール及び位相ステップの各々に対応する近似的な比
較位相アドバンスwkは以下に示す通りである（単位はす
べて〔ミクロン〕である）。
している。というのは、４相の実施例は、現在用いられ
ている半導体集積回路製造技術を用いて容易に製造する
ことができるからである。これに示したレンズ12aは長
手軸方向にほぼ8603〔m/秒〕の音速を有するα−シリコ
ン層23にパターンを付けることにより形成され、167MHz
の公称周波数を有する軸方向に入射する平面波音響放射
をもたらし、長手軸方向に1500〔m/秒〕の音速を有する
中間液体層を介して300μｍの焦点距離における＋１回
折オーダに焦点を合わせる。そのうえ、レンズ12aはf/1
のｆ数を有するようにつくられている。これらの設計パ
ラメータの観点からみると、レンズ12aの放射位相プロ
フィール及び位相ステップの各々に対応する近似的な比
較位相アドバンスwkは以下に示す通りである（単位はす
べて〔ミクロン〕である）。
ここで、kkは単位のない位相ステップ・インデックス
であり、pkはレンズ12aの孔の中心からｋ番目の位相ト
ランジッションまでの半径方向距離であり、hkは下方の
基質22（第２図参照）の表面からのレンズ12aのｋ番目
の位相ステップの高さである。この表から明らかである
ように、レンズ12aの孔の範囲内においては16個のπ/2
ラジアンの位相トランジッショ（インデックスNo.0〜1
6）が存在し、これらは空間的に連続して４個の完全な
２πラジアの位相サイクルを形成している。これらの位
相トランジッションに起因して起こる＋１回折オーダの
相対的な位相変化は相対的な「位相アドバンス」wkとし
て表される。なぜならば、放射の波面の音響速度はそれ
がレンズ12aからインク16へ伝播するにつれて減少する
からである（第２図参照）。この理由によって、レンズ
12aは、＋１回折オーダに対する「位相遅延」がほぼ半
径距離pkの２乗に関数としてその孔の半径方向において
減少するように形成される。このことはレンズ12aは凹
型屈折レンズをシミュレートしたものであることを意味
している。
であり、pkはレンズ12aの孔の中心からｋ番目の位相ト
ランジッションまでの半径方向距離であり、hkは下方の
基質22（第２図参照）の表面からのレンズ12aのｋ番目
の位相ステップの高さである。この表から明らかである
ように、レンズ12aの孔の範囲内においては16個のπ/2
ラジアンの位相トランジッショ（インデックスNo.0〜1
6）が存在し、これらは空間的に連続して４個の完全な
２πラジアの位相サイクルを形成している。これらの位
相トランジッションに起因して起こる＋１回折オーダの
相対的な位相変化は相対的な「位相アドバンス」wkとし
て表される。なぜならば、放射の波面の音響速度はそれ
がレンズ12aからインク16へ伝播するにつれて減少する
からである（第２図参照）。この理由によって、レンズ
12aは、＋１回折オーダに対する「位相遅延」がほぼ半
径距離pkの２乗に関数としてその孔の半径方向において
減少するように形成される。このことはレンズ12aは凹
型屈折レンズをシミュレートしたものであることを意味
している。
レンズ12a〜12iは従来の写真平版パターンプロセスを
用いて製造することができるという利点がある。このプ
ロセスではレンズをエッチング可能な物質（例えば、ａ
−シリコン）からなる音響的に平坦な層23にエッチグ
し、層23はエッチングに対して耐性を有する基質22（例
えばクォーツやガラス基質など）の音響的に平坦な面上
において成長するか、あるいはそのような面上に堆積す
る。したがって、代表的な４相レンズ12aの最も狭い特
徴部分は約５μｍの幅であり（前掲の表のNo.15参
照）、これは明らかに標準的な大領域のマイクロ電子写
真平版パターンプロセスの分解能制限の範囲内である。
また、対応する８相レンズの最も狭い特徴部分は約2.5
μｍの幅を有しており、これも最新の写真平版の容量の
範囲内である。
用いて製造することができるという利点がある。このプ
ロセスではレンズをエッチング可能な物質（例えば、ａ
−シリコン）からなる音響的に平坦な層23にエッチグ
し、層23はエッチングに対して耐性を有する基質22（例
えばクォーツやガラス基質など）の音響的に平坦な面上
において成長するか、あるいはそのような面上に堆積す
る。したがって、代表的な４相レンズ12aの最も狭い特
徴部分は約５μｍの幅であり（前掲の表のNo.15参
照）、これは明らかに標準的な大領域のマイクロ電子写
真平版パターンプロセスの分解能制限の範囲内である。
また、対応する８相レンズの最も狭い特徴部分は約2.5
μｍの幅を有しており、これも最新の写真平版の容量の
範囲内である。
α−シリコン層23が堆積して、レンズ12a〜12iの最も
高い位相ステップの高さ（すなわち、２π（ｎ−１）/n
ラジアンの厚さ）と本質的に等しい厚さを有するａ−シ
リコンからなる音響的に平坦な層を生成している間にお
いて、α−シリコン層23の厚さを十分な精度をもって制
御することができるのであれば、それ以上のプリエッチ
・プロセスは必要がなくなる。しかしながら、最初にや
や厚めのａ−シリコンの層を基質22上に成長させ、その
後、そのａ−シリコン層を磨いて厚さを減少させ、α−
シリコン層23の所望の音響的な平坦さを得るようにした
方が簡単であることもある。
高い位相ステップの高さ（すなわち、２π（ｎ−１）/n
ラジアンの厚さ）と本質的に等しい厚さを有するａ−シ
リコンからなる音響的に平坦な層を生成している間にお
いて、α−シリコン層23の厚さを十分な精度をもって制
御することができるのであれば、それ以上のプリエッチ
・プロセスは必要がなくなる。しかしながら、最初にや
や厚めのａ−シリコンの層を基質22上に成長させ、その
後、そのａ−シリコン層を磨いて厚さを減少させ、α−
シリコン層23の所望の音響的な平坦さを得るようにした
方が簡単であることもある。
第４図を参照すると、レンズ12a〜12iの位相プロフィ
ールをａ−シリコン層23にエッチングするための一また
は二以上の写真平版エッチステップが示されている。ｎ
個の位相レベルを有するフレネルレンズ12a〜12iの位相
プロフィール定めるためには最も少ないＮバイナリ加重
振幅マスクで十分である。ここで、ｎは２を法とする整
数であり、2N＝ｎである。マルチマスクセットの各マス
クは所望のオーダでａ−シリコン層23にエッチングされ
るが、バイナリ加重マスクセットのマスクをエッチング
する深さはそれぞれのバイナリ加重によってマスクに応
じて変わる。より詳細に言うと、計数インデックス値ｉ
を用いてバイナリ加重マスクセットのマスクに最も重い
加重のマスクから最も軽い加重のマスクの順で連続番号
を付すると、マスク番号ｉに対するエッチングの深さdi
は次のように与えられる。
ールをａ−シリコン層23にエッチングするための一また
は二以上の写真平版エッチステップが示されている。ｎ
個の位相レベルを有するフレネルレンズ12a〜12iの位相
プロフィール定めるためには最も少ないＮバイナリ加重
振幅マスクで十分である。ここで、ｎは２を法とする整
数であり、2N＝ｎである。マルチマスクセットの各マス
クは所望のオーダでａ−シリコン層23にエッチングされ
るが、バイナリ加重マスクセットのマスクをエッチング
する深さはそれぞれのバイナリ加重によってマスクに応
じて変わる。より詳細に言うと、計数インデックス値ｉ
を用いてバイナリ加重マスクセットのマスクに最も重い
加重のマスクから最も軽い加重のマスクの順で連続番号
を付すると、マスク番号ｉに対するエッチングの深さdi
は次のように与えられる。
di＝2(1-i)π〔ラジアン〕 ｉ＝1,2,・・・,N 当然のことであるが、複数のマスクを用いる場合には
常にマスク整列器（図示せず）を用いて適切な精度で連
続的なマスクパターンを整列させることが必要である。
常にマスク整列器（図示せず）を用いて適切な精度で連
続的なマスクパターンを整列させることが必要である。
標準的な写真平版技術を用いて所望の位相プロフィー
ルをレンズ12a〜12iに与えるため、α−シリコン層23は
通常の紫外線感応フォトレジスト31でコーティングさ
れ、次いで第一マスク32のバイナリ振幅パターンに応じ
て紫外線に露光される。その後、露光されたフォトレジ
スト31は、例えば湿りエッチ洗浄法によって、α−シリ
コン層23から除去される。次いで、反応イオンエッチそ
の他の異方性エッチを用いて、ａ−シリコン層23の露光
領域（すなわち、未露光のフォトレジスト31でコーティ
ングされなかった領域）からマスク32のバイナリ加重に
応じた深さまで物質を除去する。異方性エッチが好まし
いのは垂直な側壁を有する位相ステップを生成し、ひい
ては、隣接する位相ステップ間においてシャープな位相
トランジッション形成するからである。
ルをレンズ12a〜12iに与えるため、α−シリコン層23は
通常の紫外線感応フォトレジスト31でコーティングさ
れ、次いで第一マスク32のバイナリ振幅パターンに応じ
て紫外線に露光される。その後、露光されたフォトレジ
スト31は、例えば湿りエッチ洗浄法によって、α−シリ
コン層23から除去される。次いで、反応イオンエッチそ
の他の異方性エッチを用いて、ａ−シリコン層23の露光
領域（すなわち、未露光のフォトレジスト31でコーティ
ングされなかった領域）からマスク32のバイナリ加重に
応じた深さまで物質を除去する。異方性エッチが好まし
いのは垂直な側壁を有する位相ステップを生成し、ひい
ては、隣接する位相ステップ間においてシャープな位相
トランジッション形成するからである。
第一マスク32のパターンがα−シリコン層23にエッチ
ングされた後、残存しているフォトレジスト31が取り除
かれる。さらにマスクパターンをα−シリコン層23に順
次エッチングするため必要な限り、前述のプロセスが繰
り返される。前述したように、バイナリ加重振幅マスク
のマルチマスクセットへのエッチング深さはマスクとマ
スクとの間に応じて変わる。しかしながら、全てのエッ
チングの累積的な深さは次に示す式で表される。
ングされた後、残存しているフォトレジスト31が取り除
かれる。さらにマスクパターンをα−シリコン層23に順
次エッチングするため必要な限り、前述のプロセスが繰
り返される。前述したように、バイナリ加重振幅マスク
のマルチマスクセットへのエッチング深さはマスクとマ
スクとの間に応じて変わる。しかしながら、全てのエッ
チングの累積的な深さは次に示す式で表される。
このため、エッチングに対する抵抗を有する基質22は
最終的なエッチングに対して有効なエッチ・ストップで
ある。
最終的なエッチングに対して有効なエッチ・ストップで
ある。
レンズ12a〜12iが行う焦点合わせは完全に回折により
行われるということは本発明の利点である。このため、
レンズ12a〜12iはそれらの位相プロフィールよりモジュ
レートされたほぼ平坦な形状を有するものとして示され
ている。平坦なレンズ形状はプリンター13（第２図参
照）その他の音響インク印刷機にとっては好適である。
これらの音響インク印刷機ではレンズ12a〜12iはインク
16と直接的に結合されている。そのようにした方がレン
ズの出力すなわち放射面を横切るインク流れを滑らか、
かつ一様に保つことが比較的容易であるからである。そ
のうえ、平坦なレンズ形状は第５図に示すプリントヘッ
ド35その他の音響インクプリントヘッドにとっても好適
である。これらの音響インクプリントヘッドはそれらに
薄い、音響を伝える平坦化層37をコーティングすること
によって平坦化される。平坦化層37は例えばポリマーか
らなり、ポリマーとしてはポリイミド、あるいはPMMAが
用いられる。レンズ36が比較的平坦な形状であることに
よって、プリントヘッド35を選択された音響結合媒体の
本質的に平坦な層37でスピンコーティングあるいはオー
バーコーティングすることが容易になる。
行われるということは本発明の利点である。このため、
レンズ12a〜12iはそれらの位相プロフィールよりモジュ
レートされたほぼ平坦な形状を有するものとして示され
ている。平坦なレンズ形状はプリンター13（第２図参
照）その他の音響インク印刷機にとっては好適である。
これらの音響インク印刷機ではレンズ12a〜12iはインク
16と直接的に結合されている。そのようにした方がレン
ズの出力すなわち放射面を横切るインク流れを滑らか、
かつ一様に保つことが比較的容易であるからである。そ
のうえ、平坦なレンズ形状は第５図に示すプリントヘッ
ド35その他の音響インクプリントヘッドにとっても好適
である。これらの音響インクプリントヘッドはそれらに
薄い、音響を伝える平坦化層37をコーティングすること
によって平坦化される。平坦化層37は例えばポリマーか
らなり、ポリマーとしてはポリイミド、あるいはPMMAが
用いられる。レンズ36が比較的平坦な形状であることに
よって、プリントヘッド35を選択された音響結合媒体の
本質的に平坦な層37でスピンコーティングあるいはオー
バーコーティングすることが容易になる。
平坦化層37などの中間音響結合媒体を用いてレンズ36
をインク16に音響的に結合させる場合（第２図参照）、
レンズ位相プロフィールを求めるときには常にその長手
軸方向の音響速度を考慮に入れなければならない。例え
ば、レンズ36がレンズ12aの構造を参照して述べたのと
同一の設計パラメータに基づいて設計される場合には、
レンズ36が薄いポリイミドの層でオーバーコーティング
されるということも併せて考えると（長手軸方向の音響
速度は2300m/秒）、前掲の表に示された各位相ステップ
高さは約1.127のファクタだけ増加させる必要がある。
プリントヘッド35のPMMAで平坦化された実施例（他の設
計パラメータは全て同一である）における対応するファ
クタは約1.203である。
をインク16に音響的に結合させる場合（第２図参照）、
レンズ位相プロフィールを求めるときには常にその長手
軸方向の音響速度を考慮に入れなければならない。例え
ば、レンズ36がレンズ12aの構造を参照して述べたのと
同一の設計パラメータに基づいて設計される場合には、
レンズ36が薄いポリイミドの層でオーバーコーティング
されるということも併せて考えると（長手軸方向の音響
速度は2300m/秒）、前掲の表に示された各位相ステップ
高さは約1.127のファクタだけ増加させる必要がある。
プリントヘッド35のPMMAで平坦化された実施例（他の設
計パラメータは全て同一である）における対応するファ
クタは約1.203である。
以上より、本発明に係る多重個別位相フレネル音響焦
点レンズは音響インク印刷機に適したものであることが
明らかである。同時に、比較的厳密な仕様に応じて経済
的な音響焦点レンズが必要とされる他の機器へ応用する
際にも適したものである。厳密な仕様の中には焦点レン
ズアレイにおけるレンズの相対的な空間的な位置決めを
制御するような仕様も含まれる。さらに、本発明の好適
な実施例において示した比較的平坦な形状の音響焦点レ
ンズは種々の形式の音響インク印刷機、すなわち、レン
ズがインクと直接的に音響的に結合しているもの、ある
いはレンズがプリントヘッド平坦化層などの中間音響結
合媒体を介してインクと間接的に音響的に結合している
ものにとって有効である。
点レンズは音響インク印刷機に適したものであることが
明らかである。同時に、比較的厳密な仕様に応じて経済
的な音響焦点レンズが必要とされる他の機器へ応用する
際にも適したものである。厳密な仕様の中には焦点レン
ズアレイにおけるレンズの相対的な空間的な位置決めを
制御するような仕様も含まれる。さらに、本発明の好適
な実施例において示した比較的平坦な形状の音響焦点レ
ンズは種々の形式の音響インク印刷機、すなわち、レン
ズがインクと直接的に音響的に結合しているもの、ある
いはレンズがプリントヘッド平坦化層などの中間音響結
合媒体を介してインクと間接的に音響的に結合している
ものにとって有効である。
第１図は、２列の４相フレネル音響焦点レンズのアレイ
を備えた、本発明に係る音響インクプリントヘッドの実
施例の部分的、かつ概略的な平面図である。 第２図は第１図の２−２線に沿って切断し、矢印方向か
ら見た概略的な、かつ拡大した断面図であって、音響イ
ンク印刷機の一例である第１図に示したプリントヘッド
のフレネルレンズの一つを示したものである。 第３図は、第２図に示したレンズの放射状プロフィール
及び近似的な周辺波面を示す概略図であり、該波面は音
響エネルギに伝わり、該波面が軸方向に伝播する音響平
面波によってほぼ直角の入射角で照射されると、該波面
は＋１回折単位で回折する。 第４図は多重個別相フレネルレンズを製造する際の好適
な過程を示す概略図である。 第５図は第２図に示したレンズを平坦化したものの実施
例の概略図である。 〔符号の説明〕 11……音響インクプリントヘッド 12a……フレネル音響レンズ 13……音響インク印刷機 14……インク小滴、15……自由表面 16……液体インク、17……記録媒体 21……平面圧電トランスデューサ 22……音響伝導基質 23……音響的平坦層物質 31……紫外線感応フォトレジスト 32……第一マスク 35……プリントヘッド、36……レンズ 37……平坦化層
を備えた、本発明に係る音響インクプリントヘッドの実
施例の部分的、かつ概略的な平面図である。 第２図は第１図の２−２線に沿って切断し、矢印方向か
ら見た概略的な、かつ拡大した断面図であって、音響イ
ンク印刷機の一例である第１図に示したプリントヘッド
のフレネルレンズの一つを示したものである。 第３図は、第２図に示したレンズの放射状プロフィール
及び近似的な周辺波面を示す概略図であり、該波面は音
響エネルギに伝わり、該波面が軸方向に伝播する音響平
面波によってほぼ直角の入射角で照射されると、該波面
は＋１回折単位で回折する。 第４図は多重個別相フレネルレンズを製造する際の好適
な過程を示す概略図である。 第５図は第２図に示したレンズを平坦化したものの実施
例の概略図である。 〔符号の説明〕 11……音響インクプリントヘッド 12a……フレネル音響レンズ 13……音響インク印刷機 14……インク小滴、15……自由表面 16……液体インク、17……記録媒体 21……平面圧電トランスデューサ 22……音響伝導基質 23……音響的平坦層物質 31……紫外線感応フォトレジスト 32……第一マスク 35……プリントヘッド、36……レンズ 37……平坦化層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーブル ハディミオグル アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94301 パロ アルト ホーソーン ア ベニュー 164 (56)参考文献 特開 昭63−162253（ＪＰ，Ａ) 特公 昭51−14241（ＪＰ，Ｂ１)
Claims (1)
- 【請求項１】所定の焦点距離だけ対象表面から離れて配
置された音響レンズを備え、前記対象表面に焦点が合わ
された音響エネルギを該対象表面に向けて放射するため
の音響放射体であって、 前記音響レンズは、 半径方向に間隔をもって同軸に配置された複数の環状の
区分領域からなり、 各区分領域に前記音響エネルギの進行方向を半径方向に
変化させるための階段状の位相制御プロフィールが形成
され、 それぞれの前記区分領域における前記位相制御プロフィ
ールは、前記音響エネルギの進行方向を、それぞれ同じ
半径方向に変化させるようになった、 ことを特徴とする音響放射体。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/456,409 US5041849A (en) | 1989-12-26 | 1989-12-26 | Multi-discrete-phase Fresnel acoustic lenses and their application to acoustic ink printing |
| US456409 | 1989-12-26 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03200199A JPH03200199A (ja) | 1991-09-02 |
| JP2511570B2 true JP2511570B2 (ja) | 1996-06-26 |
Family
ID=23812640
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2315283A Expired - Fee Related JP2511570B2 (ja) | 1989-12-26 | 1990-11-20 | 音響放射体 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5041849A (ja) |
| EP (1) | EP0434931B1 (ja) |
| JP (1) | JP2511570B2 (ja) |
| DE (1) | DE69029964T2 (ja) |
Families Citing this family (109)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06160610A (ja) * | 1989-12-26 | 1994-06-07 | Xerox Corp | 不連続多位相フレネルレンズ製造方法 |
| US5450107A (en) * | 1991-12-27 | 1995-09-12 | Xerox Corporation | Surface ripple wave suppression by anti-reflection in apertured free ink surface level controllers for acoustic ink printers |
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| US5354419A (en) * | 1992-08-07 | 1994-10-11 | Xerox Corporation | Anisotropically etched liquid level control structure |
| US5216451A (en) * | 1992-12-27 | 1993-06-01 | Xerox Corporation | Surface ripple wave diffusion in apertured free ink surface level controllers for acoustic ink printers |
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| DE69534271T2 (de) * | 1994-07-11 | 2006-05-11 | Kabushiki Kaisha Toshiba, Kawasaki | Tintenstrahlaufzeichnungsgerät |
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