JPH078562B2 - ノズルレス液滴エジェクタの発射コントローラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は、ノズルレス液滴エジェクタに関し、特に、そ
のようなエジェクタの発射コントローラ（例えば、オン
／オフ切換器及び方向性コントローラ）に関する。本発
明を具体化する発射コントローラを有する液滴エジェク
タは、液体インク印刷及び同様な応用に対して有用であ
る。

〔発明の背景〕

インクジェット印刷には普通紙に直接印字できるという
本質的な利点がある。その利点を利用するために、「連
続流」型及び「指令に基づく液滴」型のインクジェット
印刷ヘッドが開発されてきている。ところが、残念なが
ら、従来のインクジェット印刷ヘッドに使用されるノズ
ルは、製造価格が高く、また、メインテナンス上の問題
の大きな原因となっている。

液体インク印刷用のノズルレス液滴エジェクタは、既に
第３者により提案されている。例えば、「液滴放出器
（Liquid Drop Emtter）」として1981年12月24日に刊行
されたラブレディ（Lovelady）らの米国特許第4,308,54
7号に記載の印刷ヘッドでは、半球状に整形された集束
レンズを有する圧電トランスデューサがインクのリザー
バに浸漬されており、球状に焦点が合う超音波圧力波を
発生させてリザーバの表面近傍でインクを充分に励起
し、インクの個々の液滴を発射するようになっている。
更に、「漏洩レイリー波ノズルレス液滴エジェクタ（Le
aky Rayleigh Wave Nozzleless Droplet Ejector）」と
して1985年９月16日に出願されたシイ・エフ・クエート
（C.F.Quate）らの出願中の米国特許出願には、櫛型（i
nterdigitated）電極を有する１個以上の比較的低コス
トの平面状圧電トランスデューサが設けてあり、前記型
式のノズルレス印刷ヘッドに使用される焦点を合わせた
超音波圧力波を発生させるようにした改良型の液滴発射
機構が記載されている。

一般的な原則として、液体インク印刷では、液滴発射行
程のタイミングの実質的な制御が必要である。前記型式
のノズルレス印刷ヘッドのトランスデューサは、振幅変
調された高周波信号で駆動することにより必要なタイミ
ング制御を行うことができるが、高周波信号の変調に必
要な電子機器は高価である。このように、前述のクエー
トらの出願で指摘されているように、トランスデューサ
から独立して作動するタイミングコントローラを設ける
ことが好ましい。このようにすると、一つ又は複数のト
ランスデューサを比較的安価な高周波信号発生器により
駆動して、サブスレッショルド（subthreshold）、すな
わち、液滴発射の開始エネルギーレベルまでインクを励
起することができ、それにより、個々の液滴が指令に基
づいて発射されるように、一つ又は複数のタイミングコ
ントローラが、励起されたインクを選択的に不安定化す
ることを可能にする。

もし、インク液滴の方向制御も行なわれるならば、マト
リックス印刷のような、ある種の液体インク印刷工程
は、低価格で容易に実施できる。以上を考慮して、前記
クエートらの出願で開示されたトランスデューサのいく
つかは、方向制御された非対称性を有する焦点を合わせ
た音響波を発生させるように構成されている。

〔発明の要約〕

本発明によると、インクのプールのような液体のプール
の自由表面から液滴を発射するためのノズルレス液滴エ
ジェクタには選択的に付勢可能な発射コントローラが設
けてあり、プールの表面で自由に伝播する表面張力波を
発生させてエジェクタのオン／オフタイミング制御及び
／又は発射軌跡角度制御を行う。コントローラは、リザ
ーバに浸漬されている導電体と対向電極とを備えてお
り、それにより、周期的な電圧が導電体と対向電極との
間に印加されたときに表面張力波が発生するようになっ
ている。一つの実施例では、焦点を合わせた超音波圧力
波又はこれと同様なものが、プールの自由表面に作用す
る圧力を周期的に乱し、コントローラから供給される表
面張力波が圧力波と可干渉状態で相互に作用して所望の
制御を行う。

多重エジェクタアレイのエジェクタを独立に制御するた
めに、分離したコントローラを設けることもできる。こ
れらの発射コントローラの機能性は、それらの導電体の
幾何学的構造に依存しているので、以下の実施例では、
いくつかの幾何学的構造の例が説明のために記載してあ
るが、それ以外の幾何学的構造を採用することもでき
る。

〔図面の簡単な説明〕

本発明の更に他の特徴及び利点は、添付された図面と共
に以下の詳細な説明が読まれるときに明らかになるであ
ろう。

第１図は、本発明によって構成された発射コントローラ
を有するノズルレス液滴エジェクタアレイの部分断面概
略立面図、 第２図は、第１図に示される表面張力波制御スイッチの
拡大概略平面図、 第３図は、オン／オフ制御に加えて軌道制御を角度的に
行うために分割された導電体を有する点を除いて第２図
に示されるスイッチと同様な表面張力波コントローラの
拡大概略平面図である。

〔図示された実施例の詳細な説明〕

本発明は、いくつかの図示した実施例を参照して以下に
その詳細が述べられるが、これらの実施例に限定する意
図はないことが理解されるべきである。逆に、特許請求
の範囲によって特定されたような本発明の精神及び範囲
に一致する範囲で、変形や代替手段及び均等手段の全て
を含むことが目的である。

図面、特にここでは第１図を参照すると、液滴エジェク
タ11ａ,11ｂのアレイには、リザーバ13内に満たされた
液体に浸漬されている複数の音響トランスデューサ12
ａ,12ｂが設けてある。トランスデューサ12ａ,12ｂは、
互いに横方向に配置されており、高周波電源（図示せ
ず）により駆動されて超音波圧力波14ａ,14ｂをリザー
バ13内へ発し、それにより、リザーバ13の表面16（すな
わち、液体／空気界面）又はその近傍において、横方向
に偏倚した中心15ａ,15ｂ上に、圧力波がほぼ円形にそ
れぞれ焦点が合う。リザーバ又はプール13の自由表面16
に作用する圧力を周期的に乱すために、周知のトランス
デューサを使用することができるので、トランスデュー
サ12ａ,12ｂは略図で示してある。実際、リザーバ13の
自由表面16に、焦点を合わせた（例えば、円形状に焦点
を合わせた又は直線状に焦点を合わせた）周期的な圧力
外乱を得るためのトランスデューサ12ａ,12ｂとして、
機械的，電気的，熱的，空圧的なものやその他の代替物
がある。更に、２個のエジェクタ11ａ,11ｂのみが図示
されているが、大形のアレイを形成するためにトランス
デューサの数を増やすこともできる。エジェクタの充填
密度は、エジェクタ11ａ,11ｂの間のような隣接するエ
ジェクタの間の不都合なレベルの「漏話（crosstal
k）」を防止するために必要とされるトランスデューサ
の中心間の間隔により主に制限される。

プリンタにおいては、無論、リザーバ13には液体インク
17が満たしてある。更に、普通紙のような適当な記録媒
体18がリザーバ13の上方に、インク／空気界面、すなわ
ち、表面16からごく狭い空気間隙19を隔てた状態で配置
してある。典型的な例としては、エジェクタ11ａ,11ｂ
は直線アレイに組み立ててあり、記録媒体18がエジェク
タ11ａ,11ｂに対して直角な交差ライン方向（第１図の
紙面と交差する方向）に進むことにより、２次元的な像
が印刷される。そのような像の個々の画像要素又は「画
素（pixels）」は、（１）エジェクタ11ａ,11ｂのよう
な個々のエジェクタのオン／オフ切換に依存した時間
と、（２）場合によっては、インクの個々の液滴の方向
制御に依存した時間とにより決定される。

本発明によると、比較的低価格且つ製造の容易な表面張
力波制御装置21ａ,21ｂが設けてあり、それらによりそ
れぞれエジェクタ11ａ,11ｂのオン／オフのタイミング
の制御、及び／又は、エジェクタから発射されるインク
の液滴の方向制御を行うようになっている。制御装置21
ａ,21ｂには、液体17に浸漬されている導電体22ａ,22ｂ
と対向電極23ａ,23ｂがそれぞれ設けてある。導電体22
ａ,22ｂは、圧力波14ａ,14ｂの焦点中心15ａ,15ｂの近
傍（例えば、約1cm以内）にそれぞれ位置している。対
向電極23ａ,23ｂは、電極22ａ,22ｂに対してそれぞれ近
付け、好ましくは同心とする必要がある。典型的には、
対向電極23ａ,23ｂは適当な基準電位（以後、「接地電
位」と呼ぶ）に戻されるようになっている。更に、同様
に接地電位を基準とする切換型電源25（第２図）は、導
電体22ａ,22ｂに結合された電気的に独立な出力部を有
しており、適当かつ独立に時間が制御される電圧パルス
をそれらに供給するようになっている。これに代えて、
適当な制御回路を有する交流電源によりコントローラ21
ａ,21ｂを駆動することもできる。

導電体22ａ,22ｂと対向電極23ａ,23ｂの間に印加される
電位に関連した電界勾配は、液体17に誘電力（dielecrt
ric body force）を及ぼす。これにより、液体表面16に
外乱が生じ、これに続いて表面16に自由表面張力波とし
て伝わる。表面張力波を発生させるためには、短い持続
時間（例えば、500マイクロ秒の程度）の適度な高電圧
（例えば、300ボルト程度）のパルスを、導電体22ａ,22
ｂと対向電極23ａ,23ｂとの間に周期的に印加する。こ
の波発生行程の電圧と時間の限界は、仮に存在するとし
ても、確定していないので、上述の例は水による実験で
得たデータに基づいているということに、完全性の点か
ら注意すべきである。但し、実験データによると、発射
制御を最も有効に行えるのは、導電体22ａ,22ｂが液体1
7の自由表面16のすぐ下に位置している場合である。例
えば、図示のように、導電体22ａ,22ｂはマイラーシー
トのような電気的絶縁体26上に支持されるので、導電体
22ａ,22ｂは、液体17の薄い膜で覆われる。シート26を
充分に薄くすると、圧力波14ａ,14ｂの通過が実質的に
妨げられることはない。

以上のことから理解されるように、表面張力波は、導電
体22ａ,22ｂに対して半径方向に表面張力波表面速度υ
で液体17内を伝播し、液体17の粘性により時間の関数と
して減衰する。その波長λは、導電体に印加される電圧
パルスの優級（dominant）フーリエ変換成分に依存し、
第１近似値はλ≒υ／Δｔで与えられる。なお、Δｔ
は、導電体22ａ,22ｂに印加されるパルスの幅に等し
い。表面張力波の減衰は、圧力波焦点中心15ａ,15ｂか
らの導電体22ａ,22ｂの最大許容半径方向変位をそれぞ
れ決定する場合に重要な要素となる。一方、表面張力波
の半径方向伝播及びその波長のパルス幅依存性は、導電
体22ａ,22ｂの構成を最適化することに適しており、ま
た、制御装置22ａ,22ｂで行おうとする特定の発射制御
作業のために導電体22ａ,22ｂに印加されるパルスの位
相及び幅を選択することにも適している。

特に第２図に最もよく示されるように、導電体22ａとそ
れに関連した対向電極23aは、半径が一定のリング状の
構造を有しており、焦点を合せた圧力波14ａに対してほ
ぼ円形状に対称的（すなわち、その焦点中心15ａと同
心）である。このように、そこから発した表面張力波
は、矢印で示すように、ほぼ圧力波14ａの焦点中心15ａ
において、対称的な焦点に収束（converge）し、それに
より、エジェクタ11ａ（第１図）についての軸方向オン
／オフ切換制御をコントローラ21ａが行えるようにな
る。焦点を合わせた表面張力波と圧力波の相対的な位相
関係により、両者が相互に建設的（付加的）に作用する
か、又は、破壊的（相殺的）に作用するかが決まる。例
えば、圧力波14ａの振幅を、その焦点を合わせた液体17
（すなわち、圧力波14ａのくびれ部分内の液体）が励起
されて、液滴形成開始スレッショルドの近傍かつそれよ
り下になるように選定する場合、エジェクタ11ａを「タ
ーンオン」するようなコントローラ21ａを採用すること
ができる。この場合、エジェクタ11ａは「通常オフ」モ
ードで作動させる。導電体22ａが円形状に対称的である
ことは、コントローラ21ａの切換機能に非常に適してい
るが、等辺多角形状の導電体を含むその他の対称的な幾
何学的構造のものを使用することもできる。表面張力波
の対称的な焦点は、エジェクタ11ａの軸方向オン／オフ
制御を行うための鍵である。

第３図には本発明による別のコントローラ31が示してあ
る。このコントローラ31は、エジェクタ11ａ（第１図）
に代表されるようなノズルレス液滴エジェクタのオン／
オフ切換及び軌跡の角度的な制御を行う。図示のよう
に、コントローラ31は、リング状導電体32が、切換型電
源35による選択的にアドレス可能で、且つ電気的に独立
した複数のセグメント33,34を備えていることを除いて
コントローラ21ａ（第２図）と同様である。電源から等
しい振幅電圧パルスが全ての導電体セグメント33,34に
同時に印加されたとき、それらから発せられる表面張力
波は、圧力波14ａ（第１図）の焦点中心15ａ又はその近
傍のほぼ対称的な焦点に収束し、それにより、コントロ
ーラ31が、コントローラ21ａと同様に、同じ軸方向オン
／オフ切換機能を実質的に果たすことになる。但し、電
圧パルスが導電体セグメント33,34の一方に印加され他
方には印加されない場合のように、導電体セグメント3
3,34が差動的に駆動された場合、一つ又は複数の表面張
力波は非対称的に焦点が合い、それにより、エジェクタ
11ａで発射されるいずれの液滴の軌跡も角度的に変化す
る。非対照的に焦点が合った表面張力波の位相は、エジ
ェクタ11ａをオンに切り換えるように選定することがで
き、また、図示されていない手段により、エジェクタ11
ａのオン／オフ制御を行うようにすることもできる。図
示のように、導電体32は直径方向に対向する状態で独立
してアドレス可能な２個のセグメント33,34に分割され
ているので、エジェクタの縦軸、換言すれば、記録媒体
18の面と直角な軸に対して、±30゜（液滴直径が約100
μｍの場合）程度の範囲にわたって、セグメント33,34
の中心線と平行な軸に沿って発射液滴の軌跡を角度的に
制御することができる。液滴の直径が更に小さい場合、
より広い角度にわたって方向を制御できる。多軸軌跡制
御が必要な場合、導電体32を個々にアドレス可能な多数
のセグメントに分割することもできる。更に、導電体32
は、その性能を実質的には変えずに、多角形状態に配置
した個々にアドレス可能なセグメントで構成することも
できる。

〔結論〕

以上の説明から明らかなように、本発明によると、種々
の型式のノズルレス液滴エジェクタの発射コントローラ
を比較的安価かつ高い信頼性で提供することができる。
本発明のコントローラは、様々な異なった制御機能を果
たすように最適条件に設計することができる。例えば、
本発明のコントローラは、上述のオン／オフ切換器及び
／又は軌跡の角度的なコントローラとして使用できるだ
けではなく、液滴発射速度の制御器としても使用でき
る。このように、本発明のコントローラは、前記型式の
ノズルレス液体インクプリンタに使用することにより大
きな効果を得ることができるが、本発明は印刷の分野だ
けに限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によって構成された発射コントローラを
有するノズルレス液滴エジェクタアレイの部分断面概略
立面図、第２図は第１図に示される表面張力波制御スイ
ッチの拡大概略平面図、第３図はオン／オフ制御に加え
て軌道の角度的な制御を行うために分割された導電体を
有する点を除いて第２図に示されるスイッチと同様な表
面張力波コントローラの拡大概略平面図である。 11ａ,11ｂ：エジェクタ 12ａ,12ｂ：トランスデューサ 13:リザーバ、14ａ,14ｂ：圧力波 15ａ,15ｂ：焦点中心、16:自由表面 17:インク、21ａ,21ｂ：コントローラ 22ａ,22ｂ：導電体、23ａ,23ｂ：対向電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自由表面をもつ液体のプールと、ほぼ前記
   自由表面で焦点が合うように前記プール内に圧力波を発
   射するための手段とを有するノズルレス液滴エジェクタ
   との組み合わせにおいて、前記エジェクタの表面張力波
   発射コントローラを備え、該コントローラが、 導電体及び対向電極を包含し、前記導電体が前記プール
   内に浅く浸漬されていると共に前記圧力波の焦点に近接
   されており、 前記導電体と前記対向電極との間に結合されており、指
   令に基づいて前記導電体と前記対向電極との間に周期的
   な電圧を印加して自由に伝播する表面張力波を前記導電
   体から放射させるための手段を更に包含し、それによ
   り、前記表面張力波が前記圧力波と相互に作用して前記
   エジェクタの少なくとも一つの発射特性を制御すること
   を特徴とするノズルレス液滴エジェクタの発射コントロ
   ーラ。
2. 【請求項２】インク／空気界面により規定される自由表
   面をもつ液体インクのプールと、ほぼ前記自由表面でほ
   ぼ球形に焦点が合うように前記プール内に音響圧力波を
   発射するための手段とを包含するノズルレス液滴エジェ
   クタを有するプリンタにおいて、 導電体手段及び対向電極を備え、前記導電体手段が前記
   プール内に浅く浸漬されていると共に前記圧力波の焦点
   に近接されており、 前記導電体手段と前記対向電極との間に結合されてお
   り、指令に基づいて周期的な電圧を前記導電体手段と前
   記対向電極との間に印加して自由に伝播する表面張力波
   を前記導電体手段から半径方向に放射させるための手段
   を更に備え、それにより、前記表面張力波が前記圧力波
   と相互に作用して前記エジェクタの少なくとも一つの発
   射特性を制御することを特徴とするノズルレス液滴エジ
   ェクタの発射コントローラ。