JPH02219656A - Acoustic ink printer - Google Patents

Acoustic ink printer

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JPH02219656A
JPH02219656A JP32487389A JP32487389A JPH02219656A JP H02219656 A JPH02219656 A JP H02219656A JP 32487389 A JP32487389 A JP 32487389A JP 32487389 A JP32487389 A JP 32487389A JP H02219656 A JPH02219656 A JP H02219656A
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ink
acoustic
free surface
printer
accoustic
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Eric G Rawson
エリック ジー ローソン
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    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41JTYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005Typewriters 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
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14008Structure of acoustic ink jet print heads
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
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    • B41J2/005Typewriters 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
    • B41J2/01Ink jet
    • B41J2/135Nozzles
    • B41J2/14Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2002/14322Print head without nozzle

Abstract

PURPOSE: To improve the tolerance of an accoustic ink printer to change in its free ink surface level by reducing the effect of half wave resonance on the accoustic power density of the accoustic beam being incident on the free ink surface and reducing focusing sensitivity of the accoustic ink printer. CONSTITUTION: The print head 22 of an accoustic ink printer 21 has a focusing lens 31 and for lighting accoustically a lens 31, a piezoelectric transducer 36 is excited by a pulse modulated high frequency voltage applied between both faces during actuation to link the acoustic wave to a base 32. In addition, the lens 31 rearranges the wave face of the incident acoustic radiation beam and forwards it as a converging acoustic beam 30 approximately focusing on the free ink surface into an ink 26. As the acoustic power density changes as a function of the ink surface level caused by convergence characteristics of the acoustic beam 30, by using an acoustically lossy ink, the half wave resonance is dampened to such an extent that has almost no effect.

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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention This invention relates to acoustic ink printers, and more particularly to methods and means for reducing the focusing sensitivity of acoustic ink printers.

(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。
BACKGROUND OF THE INVENTION Acoustic ink printers of the type to which the present invention pertains are characterized in that they emit each converging acoustic beam into a pool of ink liquid, and -M a primary bundle of each beam, essentially a free surface of the ink. one or more drop ejectors at substantially normal angles of incidence with respect to each other, and the angular convergence of each beam is selected such that the beam converges substantially on the free ink surface.

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。
Printing is typically accomplished by modulating the radiation pressure (acoustic pressure) that each beam applies to the free surface of the ink. This modulation causes the effective pressure of each beam to be at a high enough pressure level to cause a short, restrained excursion motion to cause individual ink droplets to deposit imagewise from the free ink surface onto a nearby recording medium on command. This allows the bullet to fire at sufficient velocity to overcome the restraining force of surface tension.

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。
Previous research has demonstrated that acoustic ink printers with droplet ejectors constructed from acoustically illuminated spherical focusing lenses have been shown to be capable of producing high-quality prints of relatively complex images at sufficient resolution for high-quality printing.
It has been demonstrated that accurately positioned pixels can be printed. See, for example, U.S. Patent Application No. 9 to Elrod et al.
No. 44,490, No. 944.698 and No. 944.7
See issue 01. It has also been shown that by providing such printers with means for dynamically changing the size of the printed pixels, it is possible to easily print variable gray level images, for example. 1986
Blr filed on December 19, 2013 and assigned to the applicant
See also another US patent application entitled "Variable Spot Size Acoustic Print" by od et al.

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。
Although acoustic lenses are currently the preferred focusing mechanism for acoustic ink printer drop ejectors, alternatives include (1) U.S. Pat. No. 4.308 to Lovelady et al., issued December 29, 1981 .547, entitled "Droplet Ejector" (2) 1987 as a continuation of U.S. Patent Application No. 776.291, filed September 16, 1985. Pending U.S. Pat.
Others are known, including planar piezoelectric transducers with concentric interlocking electrodes (IDTs) as described in US Pat. Additionally, existing droplet ejector technology includes (1) a single ejector aspect for raster scan printing, (2) a matrix configuration ejector aspect for matrix printing, and (3) (i) parallel/serial. Single line, sparse for compound formats in print
) from the array, (ii) multiple rows with an individual jetter for each pixel position or address within a page-width image area (i.e., a single jetter/pixel/line) for regular line printing; Zigzag (stagger)
It is also clear that it is sufficient to design a variety of printhead configurations, including several different types of pagewidth jetter arrays ranging from . Furthermore, because practical considerations may influence or even govern the selection of drop ejectors for some printhead configurations, each of the above-mentioned patent applications does not provide a general discussion here. It will also be understood that they are incorporated herein by reference as complementary.

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。
The size of the ink droplets ejected by an acoustic ink printer and the velocity at which they are ejected are substantially affected by minute changes in the free ink surface of the printer, such as those caused by attrition and/or evaporation of the ink over time. It is preferable not to be affected. Although relatively simple measures can be taken to compensate for easily detected level changes in the free ink surface, it is difficult to detect small surface level changes with the precision necessary to effectively compensate for them. It is technically difficult and costly. Therefore, the tolerance of an acoustic ink printer to small level changes in the ink free surface is an important factor to consider.

(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。
Unfortunately, conventional acoustic ink printers are too sensitive to changes in the level of the free surface of the ink. For example, spherical acoustic focusing lenses with practical depths of focus on the order of one wavelength of acoustic radiation in the ink have been developed for such printers. However, in printers implementing these lenses, only 1/1/2 of the free ink surface
It has been found that even level changes of four wavelengths or less tend to significantly affect the size of the ejected droplets and the velocity at which those droplets are ejected. Research has shown that half-wave resonances caused by acoustic reflections within one or more resonant cavities of these printers are primarily responsible for the above problems.

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。
Obviously, since the ink/air interface is inherently misaligned, most of the incident acoustic radiation is generally reflected from the ink free surface of an acoustic ink printer. Also, since the ink is necessarily contained within a finite acoustic cavity, a significant portion of the reflected radiation will depend on whether the legal ejector is acoustically aligned with the ink or not, and the droplet ejector bag' 11/The ink attempts to return to the free surface after being reflected from the ink interface or an acoustically mismatched interface behind the droplet ejector. In general, the round trip propagation time for reflected radiation back to the free ink surface is:
The very narrow band (i.e., single frequency) radio frequency (RF) wave that has been proposed to drive the droplet ejection device of conventional acoustic ink printers is shorter than the duration of the ink burst, so that the ink is incident on the free surface. The reflected radiation and unreacted radiation coherently interfere. Although this interference can be constructively amplified, destructively annihilated, or partially amplified and partially annihilated, the levels of the ink free surface at which the resonant amplification interference and the antiresonant annihilation interference occur are mutually dependent on the acoustics within the ink. They differ by only 1/4 wavelength of radiation. Therefore, unless appropriate measures are taken to prevent, stop or suppress such resonances, only a fraction of the ink free surface
A level change of /4 wavelength or less can significantly change the effective radiation pressure (sound pressure) of one or more focused beams.

(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。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, the influence of half-wave resonance on the acoustic power density of one or more acoustic beams incident on the free ink surface of an acoustic ink printer is significantly reduced, thereby A means is provided for reducing the focusing sensitivity of an acoustic ink printer. Some of the methods taken to achieve this measure rely on acoustic losses to dampen half-wave resonances and anti-resonances, while others rely on acoustic losses to dampen half-wave resonances and anti-resonances, while others are used to drive one or more droplet ejectors. Using multi-frequency high-frequency voltage pulses, the fluctuations in acoustic power caused by resonance and anti-resonance of half-waves of different frequencies (parkbage gin) are mutually neutralized. In practice, the use of acoustic loss inks to damp half-wave resonances and anti-resonances is compatible with selecting the frequency components of the acoustic radiation such that they neutralize them.
If desired, a combination of the two methods described above can also be used to implement the invention.

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。
Further features and advantages of the invention will become apparent as the following detailed description is read in conjunction with the accompanying drawings.

(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。
Embodiments Referring now to the drawings, and in particular first to FIG. 1, an acoustic ink printer 21 (only relevant parts shown) shows a print head 22
, the printhead 22 having, upon command, a supply of ink fluid, or a droplet 24, sufficient to rapidly deposit individual droplets 24 from the free surface 25 of the ink 26 onto a nearby recording medium 27 in the form of an image. one or more droplet ejectors 23 (only one shown) for ejecting at a suitable ejection velocity. As shown, droplet ejectors 23 are immersed in ink 26, but their droplets are transferred to ink 26 by one or more liquid or solid intermediate acoustic coupling media (not shown). It will be appreciated that the ejectors may be coupled acoustically, and in the illustrated embodiment, the recording medium 27 is in operation line printed by a page-width array of drop ejectors 23, as indicated by arrow 29. etc., at a predetermined speed (by means not shown) relative to printhead 22 in a transverse or process direction.However, to accommodate different printhead configurations and different print patterns, Of course, the relative movement between print head 22 and recording medium 27 can be changed as desired.

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。
In operation, each droplet ejector 23 produces a converging acoustic beam 30
into the ink 26 such that the primary bundle of the beam 30, or the upper beam, is at an angle of incidence approximately normal to the ink free surface 25. In accordance with conventional teachings, the angular convergence of each beam 30 is selected such that the beam is approximately focused on the ink free surface 25. Additionally, the radiation pressure (acoustic pressure) that each beam 30 exerts on the free ink surface 25 is modulated according to the image data applied to the corresponding droplet ejector 23, so that when a "black" pixel is to be printed, The radiation pressure is temporarily raised to a level above the threshold pressure for initiation of droplet ejection, while the radiation pressure is maintained at a level below that threshold pressure when a "white" pixel is to be printed.

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。
As shown, each droplet ejector 223 suitably includes a spherical acoustic focusing lens 31 defined by a small spherical depression or recess in the top or front surface of the substrate 32 . Although only one lens 31 is shown, for example -
Of course, if a page-width printhead with a second or two-dimensional array of droplet ejectors 23 is desired, many lenses can be distributed across the top surface of the substrate 32, each spaced apart from center to center. However, regardless of the particular shape of the printhead, the substrate 32 may be made of a material that has an acoustic velocity significantly higher than that of the ink 26, such as silicon, silicon nitride, silicon, silicon carbide, alumina, sapphire, fused quartz, and certain glasses. Consisting of Since a printhead 22 with a single droplet ejector 23 is sufficient to demonstrate the problem addressed by the present invention and the solution provided, for the sake of brevity the printhead 22 with only one focusing lens will be described below. 31.

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。
To acoustically illuminate the lens 31, a piezoelectric transducer 36 deposited on or closely bonded to the lower or back surface of the substrate 32 is excited with a pulse modulated high frequency voltage applied between the surfaces during operation. is vibrated to couple acoustic waves to the substrate 32.

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。
Transducer 36 suitably comprises a piezoelectric film, such as a zinc oxide (ZnO) film sandwiched between a pair of electrodes 38 and 39, although it will be appreciated that other piezoelectric materials and transducer configurations may be used. Will. and lens 31
reshapes the wavefront of the incident acoustic radiation and directs the acoustic radiation into the ink 26 as a converging acoustic beam 30 that is approximately focused on the ink free surface 25 .

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。
As shown in FIG. 2, the acoustic power density at the ink free surface 25 varies as a function of the ink surface level due to the focusing nature of the acoustic beam 30. In the absence of other factors here, the level of the ink free surface is within the range (
For example, if the lens 31 is F#~1, the wavelength of the acoustic radiation within the ink 26, λ, may vary.

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。
Unfortunately, however, as shown in FIG. 3, half-wave resonance has generally been the main factor, although hitherto not recognized, as influencing the focusing sensitivity of conventional acoustic ink printers. As previously discussed, such resonances generally arise due to coherent interference between previously unreflected and reflected components of the acoustic radiation incident on the ink free surface 25. Also, the boundary conditions at the ink free surface level that cause the resonance enhancement interference and the antiresonance annihilation interference differ from each other by only 1/4 wavelength. Therefore, changes in the ink free surface level of the printer 21 (FIG. 1) by just a quarter wavelength or less can affect the efficiency with which acoustic power is transferred from the droplet ejector 23 to the ink free surface 25 (i.e., the acoustic coupling efficiency)
is likely to vary significantly enough to significantly affect the size of the ejected droplets and/or the speed at which those droplets are ejected.

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。
One possible solution to this problem is to use acoustically lossy inks for acoustic ink printing,
This attenuates counter-wave resonance to such an extent that it has little, if any, effect. As a result of the acoustic loss (d87m) caused by the ink 26 tending to be greater for more viscous inks, the significant reduction in the amplitude of the existing half-wave resonance is more pronounced for inks with an absolute viscosity significantly higher than that of water. , and with even higher absolute viscosities, half-wave resonances do not appear to have a substantial effect on the focusing sensitivity of acoustic ink printers. The particular viscosity at which significant attenuation of the half-wave resonance occurs depends on the length of the acoustic path within the ink 26 and the high frequency frequency used, but generally an ink with an absolute viscosity of at least 5 to 10 centipoise can be used. An easily perceptible reduction in the acoustic power fluctuations at the free surface 25 is observed. However, of course, the use of acoustic loss inks provides either a partial or complete solution to the problem of half-wave resonance. This is because the acoustic loss ink significantly attenuates the reflected radiation during its return trip to the ink free surface 25, thereby reducing the magnitude of the fluctuations that the ink free surface undergoes.

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)。
Another method for reducing the sensitivity of acoustic ink printers to half-wave resonance, which can be used alone or in combination with acoustic loss ink, is to drive the droplet ejector 23 of the printer 21 with multi-frequency high-frequency tone bursts, which can reduce the sensitivity of one frequency component to The power fluctuation caused by the resonance of the frequency component substantially cancels out or neutralizes the power fluctuation caused by the anti-resonance of another frequency component. That is, referring to the dual tone case shown in FIG.
2 and transducer 36 (i.e., printhead 22), the ink free surface level at which one frequency, f, is resonant and the other frequency, f2, is anti-resonant, is determined by the central portion of the lens surface (i.e., lens 31
Displacement of the ink free surface 25 from the "acoustic center" of 1.
It will be understood that it is required as a function of . Due to the characteristics of the acoustic impedance of the lens substrate 32, the ink 72
Since the acoustic impedance is higher than 6, the acoustic velocity field is phase shifted by 180° upon reflection at the lens/ink interface. Therefore, since antiresonance occurs when the ink free surface 25 is displaced from the acoustic center of the lens 3I by an integer n times a half wavelength, the condition for antiresonance exists for the frequency f, if: f, = nV, /211 However, Vi = sound speed of mini ink On the other hand, resonance occurs when the ink free surface 25 changes from the acoustic center of the lens 31 by an odd multiple of 1/4 wavelength, so the condition for resonance exists in the following case for the frequency ft Do: fz =nVi /21= +Vt /4ft
(2) As a result, two high frequency frequencies f1
and ft are their frequency spacing Δ in the ink 26
If f is selected so as to satisfy the following equation; Δ r i ='l i /4j? i
(3) The power fluctuations caused by resonance and anti-resonance at the above frequencies cancel each other out, reducing the sensitivity of the printer 21 to small changes in the ink free surface level (see FIG. 5).

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。
To further reduce the influence of half-wave resonance on the power density at the ink free surface 25, the high frequency drive pulse can also have more frequency content. For example, as shown in FIG.
By mixing a high frequency carrier wave, such as a transmit wave, with a periodic pseudo-random pit sequence signal having a frequency of up to about 20 MHz, the drive pulses applied to the transducer 36 by the switch gate or modulator 53 are approximately 13 MHz.
It may be comprised of a number of high frequency frequencies ranging from 0 MH2 to approximately 170 MHz. The pseudorandom pit sequence signal varies periodically with the data rate of printer 21 (i.e., the rate at which data bits are applied to modulator 53) such that the RF power of the drive pulses applied to transducer 36 is substantially variable. It is appropriate to do so. Alternatively, a linear chirp (ch 1rp) signal can be used to modulate the high frequency carrier frequency, but this method has the disadvantage that the carrier must be frequency modulated at a high rate. Yet another possibility is to drive the transducer 36 with modulated data, ie, substantially "white" high frequency noise, although the high frequency power level of such noise may vary widely from pulse to pulse. Therefore, this method is not preferred.

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。
Examining the acoustic coupling characteristics of the illustrated acoustic ink printer in more detail, we can see that the print head 22 is
It will be appreciated that if the printhead 22 is not acoustically matched with the ink 26, the printhead 22 is a resonator that is only weakly coupled to the ink 26. Also, even if such an acoustic matching layer is applied at the printhead/ink interface, the acoustic coupling efficiency will tend to vary as a function of frequency. In the dual-tone embodiment of FIG. 4, the amplitudes of the two frequency components, and f2, are scaled as necessary so that their resonances and anti-resonances produce substantially equal and It can be made to swing in the opposite direction. However, when using a broad spectrum radio frequency source such as in FIG. 6, it is easier to design the radio frequency source to have a relatively flat amplitude across its frequency spectrum. Therefore, in such an embodiment, it is advantageous to use a printhead 22 with a resonant cavity length 11 that is much greater than the thickness of the ink liquid layer 26, ie, the resonant cavity length J. In this case, the frequency spacings of half-wave resonances Δf, and Δf, in printhead 22 and ink 26 are: Δf,=V,/21° and Δf!, respectively. = Vi /212 Therefore, with due consideration to the difference between the speeds of sound in the printhead 22 and the ink 26, the respective resonances should be spaced so that the printhead resonances have a much narrower frequency spacing than the ink resonances. Cavity length 1. and fi. Therefore, many frequency components of the radio frequency source can be coupled from lens 31 to ink 26 within the passband of each resonance of ink 26, and by exciting ink 26 at a sufficient spectral frequency, each frequency half Acoustic power fluctuations caused by wave resonance and anti-resonance can be made to substantially neutralize each other.

(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。
EFFECTS OF THE INVENTION From the foregoing, it will be appreciated that the present invention reduces the effect of half-wave resonance on the focusing sensitivity of an acoustic ink printer, thereby increasing the tolerance of the printer to changes in the level of the free surface of the ink. . Additionally, the damping of half-wave resonances may be increased to reduce undesirable acoustic power fluctuations caused by such half-wave resonances, or the acoustic power fluctuations caused by half-wave resonances may be neutralized, or the like. It will also be understood that the invention may be practiced using a combination of both methods or either method.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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
Figure 1 is a simplified partial cross-sectional view of an acoustic ink printer.
Figure 2 schematically shows how the acoustic power density at the center of the focal spot on the ink free surface of the printer shown in Figure 1 changes as a function of level changes at the ink free surface in the absence of half-wave resonance. Figure 3 is a graph showing the effect of a single frequency half-wave resonance on the tolerance of the printer shown in Figure 1 to changes in the level of the free surface of the ink; , a simplified partial cross-sectional view of an acoustic ink printer driven by dual-frequency high-frequency pulses to suppress half-wave resonance;
Figure 6 is a graph showing the improved tolerance of the printer shown in Figure 4 to changes in the level of the ink free surface; Figure 6 is an acoustic ink driven by multi-frequency radio pulses to further suppress half-wave resonance; A simplified partial cross-sectional view of the printer; FIG. 7 is a graph illustrating the near-optimal tolerance of the printer shown in FIG. 6 to changes in the level of the free ink surface. Description of symbols 21-acoustic ink printer, 22--print head, 23-droplet ejector, 24--droplet, 25--ink free surface, 26-ink (ink liquid supply reservoir) 30--. - Acoustic radiation (beam). FIG, 3 FIG, 4 FIG, 7 FIG, 2 1 - One Season Eight One One One

Claims (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。
Claims: at least one radio-frequency wave for emitting pulse-modulated, focused acoustic radiation into a supply of ink liquid such that the acoustic radiation is substantially focused on the free surface of said ink;
rf) having a printhead including an excited droplet ejector;
individual ink droplets of controlled size are ejected from the ink free surface at a controlled ejection velocity in response to a command;
The ink is contained within an acoustic cavity of finite length, and acoustic radiation emitted into the ink reflects off the free surface of the ink and thereafter returns to the free surface of the ink, resulting in an acoustic radiation emitted from the droplet ejector. In an acoustic ink printer that produces acoustic power fluctuations at the ink free surface by coherently interfering with reflected radiation: the acoustic power fluctuations are sufficiently suppressed so that the ink free surface Even if a change in level occurs,
An acoustic ink printer comprising means for preventing fluctuations in acoustic power from significantly affecting the droplet size or ejection velocity.
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