JPH08309968A - 音響インクプリントヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一定流量インク搬送システムを用いる音響イ
ンクプリンタにおいてインクの自由表面の圧力均等化の
問題を軽減する。 【解決手段】 音響インクプリントヘッド10は、インク
入口18とインク出口20を有するチャネル26を含む。複数
の音響レンズ28はチャネル26に隣接配置され、該音響レ
ンズのうちの少なくとも１つの焦点距離が他の音響レン
ズの焦点距離とは異なるようにインク自由表面に焦点合
わせされる。入口と出口との間の経路に沿って連続的に
圧力の低下するようにプリントヘッドを設計すると、音
響レンズの焦点距離が入口と出口との間で減少し、イン
ク表面レベルにおける段階的な減少が補償される。各音
響レンズは、各レンズの上を流れるインクの表面レベル
に所定の音響周波数を焦点合わせすることを保証する焦
点距離を有するように調整されるため、小滴のサイズ、
速度、及び行程特性の不均一性が減少される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は概して、音響エネル
ギーを焦点合わせするレンズを有する音響インクプリン
タに関する。さらに詳細には、本発明はインクで満たさ
れるチャネルを有する音響インクプリンタヘッドに関
し、該音響インクプリンタヘッドは、チャネルに沿って
配置される、焦点距離の変化するフレネルレンズを支持
するインク充填チャネルを有する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】音響イ
ンク印刷システムは従来のサーマルインクジェットシス
テムとは別のノズルレス方法を提供する。音響インク印
刷システムは、容易に詰まりを生じる多くのノズルを支
持する代わりに、複数の音響レンズを支持する、インク
で満たされるプリントヘッドを有するのが典型的であ
る。プリントヘッドに取り付けられる音響レンズの各々
は、インクの自由表面に対して音響エネルギービームを
焦点合わせすることができる。この焦点合わせされた音
響ビームが、インクを個々の小滴にして発射させるのに
十分な音響放射圧力を上記表面に加えると、インクの小
滴が用紙シート又は他の印刷媒体に突き当たることにな
る。

【０００３】音響インクプリントヘッドにより発射され
るインク小滴の正確な制御は、従来的に、音響レンズに
音響的に連結される音響ラジエータのＲＦ励起（高周波
励起）を独立的に調整することにより行われる。音響ラ
ジエータ（一般には圧電トランスデューサ）は、典型的
にはテキスト又は画像のピクセルレベルの表現に対応す
る所望の入力パターンに従って振幅を調整される。トラ
ンスデューサをこの規定された入力パターンに調整する
と、表面張力のインク保持力にまさるのに十分に高い圧
力レベルにまで音響放射圧力が一瞬増大され、短い制御
エクスカージョン（発射行程）が生成される。このよう
な一瞬の過圧力は、インクの個々の小滴を十分な速度で
インク自由表面から発射させ、近くの印刷媒体上に所望
の画像形状で付着させる。音響インク印刷は、容易に詰
まりの生じるノズル又は小さな発射オリフィスに依存し
ないので、従来のドロップオンデマンド又は連続ストリ
ームインクジェットプリンタにおける信頼性の問題とピ
クセル配置精度に関する問題の多くの原因となる機械的
束縛がなくなり、有利である。

【０００４】予期されるように、最良の動作のために
は、音響インクプリントヘッドは一定且つ一貫したイン
ク流量を供給され、安定したインク発射面を有さなけれ
ばならない。インクを流して適切にフィルタ処理するイ
ンク供給システムの使用は、インクの温度の安定化を簡
便化し、種々の汚染物からインクを保護し、インクの成
分の混合を促進して、インク組成物の均一性と関連する
インク小滴発射の均一性とを低下させ得る差別的なイン
クの蒸発効果を最少化する。

【０００５】不具合なことに、流しインク供給に関する
１つの問題は、各音響レンズと協働するインク自由表面
の静水圧力を等しくすることに関する。流体の流れに抗
する粘性から生じる静水圧力が異なると、インクの自由
表面と各音響レンズとの間の距離を違えなければならな
い。この距離の変化づけが実質的なものである場合（例
えば数ミクロンより大きい場合）には、同レンズアレイ
での個々の音響レンズは、インクの自由表面にではな
く、インク自由表面より上又は下に焦点合わせさせる可
能性があり、それにより小滴発射の均一性がなくなり、
印刷の信頼度も低下する。圧力の均等化は、少数のレン
ズを用い、その結果限られたインク流路を用いれば比較
的簡単であり得るが、より高い性能とより高い分解能の
プリンタではレンズの数が増えるので、レンズにインク
を配給するインク供給システムはより複雑になり、各レ
ンズにおける圧力の均等化はより困難になる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従って本発明は、一定流
量インク搬送システムを用いる音響インクプリンタにお
いてインク自由表面の圧力の均等化の問題を実質的に軽
減する装置を提供する。音響インクプリントヘッドは、
インク入口からインクを受け取り、インク出口からイン
クを出すように構成されたチャネルを含む。インクポン
プは、インク出口からインク入口へと戻されるインクを
連続的にフィルタ処理し、再循環させるように用いられ
る。複数の音響レンズは、チャネルに隣接配置され、該
複数の音響レンズのうちの少なくとも１つの焦点距離が
他の音響レンズの焦点距離とは異なるように、インクの
自由表面に焦点合わせされる。典型的には、インク出口
に隣接配置される音響レンズの焦点距離は、インク入口
に隣接配置される音響レンズの焦点距離より短い。イン
ク入口とインク出口との間の全ての規定され得る経路に
沿って連続的に圧力の低下するプリントヘッド設計で
は、結果的に音響レンズの焦点距離がインク入口とイン
ク出口との間で減少し、インクの表面レベルにおける段
階的な減少が補償される。音響レンズアレイにおける各
音響レンズは、それぞれのレンズの上を流れるインクの
表面レベルに所定の音響周波数を焦点合わせすることを
保証する焦点距離を有するように調整されるため、小滴
のサイズ、速度、及び行程の特性における不均一性が結
果的に減少される。

【０００７】理解されるように、本発明は長手方向に延
在するチャネルを有する音響プリントヘッドシステムと
の使用に対して特に有用である。例えば、インクを受け
取るように構成された複数のチャネルを含む音響インク
プリントヘッドは、各チャネルにおいて十分に規定され
た静水圧力特性を有し、自由表面レベルは、入口と出口
の間でチャネルに沿って減少する。各チャネルが共通の
入口マニホルドと共通の出口マニホルドとに連結される
場合には特にそうあるべきであり、そうすることによっ
て全チャネルにおけるインク入口の圧力とインク出口の
圧力（及びインクの流れる速度）が実質的に等しくな
る。

【０００８】静水圧力の連続的に減少する線形アレイの
チャネルは、多相（multiphase）フレネルレンズとして
構成される、焦点距離の変化する複数の音響レンズの使
用を支持する。設計の仕様に従ってこれらのレンズを製
造するには、標準的な半導体集積回路技術を利用するこ
とができる。かかる構造は比較的小さい公差を許容する
ので、いくつかのレンズを相対的に空間に配置すること
において実質的な正確さを要求する集積化レンズアレイ
が可能である。これらのレンズの回折性能は、本発明の
提供するレンズが略平坦な形状を有するのが好ましいと
しても、凹面反射レンズに似ている。フレネルレンズの
使用は、音響プリントヘッドのチャネルの底部のように
平坦な面において必要な焦点距離を有する音響レンズの
機械加工、エッチング、成長、又は堆積を簡便化する。

【０００９】本発明の一態様による音響インクプリント
ヘッドは、インクを受け取るように構成されるチャネル
を含み、該チャネルはインク入口とインク出口とを有す
る。該音響インクプリントヘッドはさらに、該チャネル
に隣接配置される複数の音響レンズを含み、該複数の音
響レンズのうちの少なくとも１つの焦点距離が他の音響
レンズの焦点距離とは異なることを特徴とする。

【００１０】本発明の別の態様による音響インクプリン
トヘッドは、インク表面を有するインク層で被覆される
基体を含み、該基体と該インク表面との間の距離は該基
体にわたって変化する。該音響インクプリントヘッドは
さらに、前記基体において規定される複数の音響レンズ
を含み、各音響レンズはそれぞれ所定の焦点距離を有
し、それぞれの焦点距離が、前記基体と前記インク表面
との間の前記変化する距離に対応して変化することを特
徴とする。

【００１１】本発明のまた別の態様による音響インクプ
リントヘッドは、入口側と出口側を有する基体を含み、
該基体は該入口側から該出口側へと流れるインクを支持
するように形成される。該音響インクプリントヘッドは
さらに、該基体に音響的に連結される複数の音響レンズ
を含み、各音響レンズは、該基体に隣接する関連する位
置に音響エネルギーを焦点合わせするために、それぞれ
予め規定された焦点距離を有し、前記基体の入口側に隣
接して音響的に連結される、それらの音響レンズの各焦
点距離は、前記基体の前記出口側に隣接して音響的に連
結される、それらの音響レンズの各焦点距離より大きい
ことを特徴とする。

【００１２】本発明の他の目的及び利点は、図面と好適
な実施の形態の以下の記述を読み進めるにつれて当業者
には明らかになるであろう。

【００１３】

【発明の実施の形態】音響インクプリントヘッドシステ
ムを図１、図２、及び図３で示す。図１で最もよく見ら
れるように、システム１０は、入口１８及び出口２０を
有するプリントヘッド１２を含み、入口１８と出口２０
はインクの再循環のためにインクポンプ１４とヒータ１
６に流体を循環させるように連結される。入口１８を通
ってプリントヘッド１２に入るインクは、プリントヘッ
ド１２に刻まれた複数の長手方向に延在するチャネル２
６へ入口マニホルド２２によって分配される。チャネル
に沿って配置されるのは多数の音響レンズ２８であり、
典型的には、図３〜図５で示されるようなリング構造を
有する球面レンズ又はフレネルレンズである。機能上、
音響レンズ２８は電気的に制御されるインクイジェクタ
のアレイを備え、該インクイジェクタは、焦点合わせさ
れる音響エネルギーの適切な周波数及び振幅の付与に応
じてインク表面からインクの小滴の発射を焦点合わせす
ることができる。発射されるインクの小滴は、１枚の用
紙又は他の記録媒体（図示せず）と接触するように発射
されることができる。チャネル２６を通った後、インク
は、ポンプ１４への通路として出口２０にインクを送り
込む出口マニホルド２４に入る。インクは、最適な流れ
特性の維持を保証するためにフィルタ処理されてインク
ヒータ１６により再加熱され、そして再び入口１８を通
ってプリントヘッドに入るように送られる。

【００１４】図２及び図３の概略断面図で最も良く見ら
れるように、プリントヘッド１２内のチャネル２６は気
圧に露呈されるが、毛管効果によりチャネル内に押し込
められた状態を維持する。各チャネル２６は、トッププ
レート３４に規定され、該トッププレートは、音響レン
ズ２８を支持するガラス基体３６に全面を接着される。
インク表面３２を有するインク３０は、音響レンズ２８
上のチャネルに沿って流れ、音響レンズはレンズと同数
のトランスデューサ３８を適用することにより個々に制
御される。トランスデューサ３８は、インク小滴４０を
発射するように焦点合わせされることのできる音響エネ
ルギーを供給するように音響レンズ２８の下に配置され
る。

【００１５】（図面で示されるように）インクを含むチ
ャネル２６の基部に配置されるフレネルタイプの音響レ
ンズ２８は、従来のフォトリソグラフィックパターン処
理方法を使用することにより製造されることができるの
で有利である。例えば、エッチング可能な材料（例えば
アモルファスシリコン又はオキシニトライド）は、結晶
又はガラス基体等のエッチングに耐える基体３６の音響
的に平坦な面上で成長又は堆積される。当業者に知られ
ているフォトグラフィックマスク及び従来のエッチング
の手順を用いて、所望のパターンを有するフレネル音響
レンズ２８が作成される。実際、音響レンズ２８の厚さ
は十分な正確さで調整されることができ、フレネルレン
ズの最も高い所望の相ステップの高さに略等しい厚さを
有する、音響的に平坦な層を得るように堆積され、その
結果さらなる予備エッチング処理が不要である。しかし
ながら、基体上に幾分厚い層として音響レンズ２８をま
ず成長させ、その後その層を磨いて所望の厚さと音響的
な平坦さにすることが、時により、より容易であり得
る。別法としては、エッチングや、当業者に知られてい
る適切な音響レンズを作成するための他の微小製造技術
を使用することも、勿論可能である。

【００１６】動作上、各々が音響レンズ２８と音響的に
位置合わせされるように空間に離間された中心において
圧電トランスデューサ３８（手段は示さない）にわたっ
て高周波（ＲＦ）駆動電圧が与えられる。励起されたト
ランスデューサ３８は、略直角で入射する、音響レンズ
の各々の実質的に独立した軸方向の照射に対し、基体３
６内で長手方向に波及する音響的平面波（図３で波５０
として概略的に示される）を生成する。音響レンズ２８
は、直接的か、又は中間の単一層若しくは複数層の音響
結合媒体を介してかのいずれかにより、インク３０に音
響的に結合される。所定のパターンでトランスデューサ
３８を多様な振幅レベルで駆動するのに応答して、用紙
（又は他の適切な媒体）上に発射される小滴のパターン
に基づいて、テキスト又は画像が生成されることができ
る。

【００１７】所望の品質のテキスト及び画像を作成する
ことにおいて最も良い結果を得るために、略均一のサイ
ズ、形状、及び行程特性を有する小滴の発射を保証する
ことが重要である。これは一部には、インク表面３２に
対して一貫して同じ位置に音響エネルギーを焦点合わせ
することにより達成される。音響エネルギーを最大限利
用するためには、別の焦点面を使用することが勿論でき
るが、音響レンズの焦点を表面より上若しくは下にでは
なく表面に合わせすることが一般的に最良である。典型
的な例では、各音響レンズ／トランスデューサの組み合
わせの真上のインクの表面に所望の焦点が規定される。
この焦点はチャネルに沿って変化する。なぜなら、入口
１８と出口２０との間の対応する圧力の低下（主にチャ
ネルの壁と底部に対する流体抵抗に起因する）の関数と
して、インク表面３２とチャネル２６の基部との間の距
離が減少するからである。それを補償するために、５０
μｍ以上のインク表面レベルの低下に対応する圧力の低
下が入口と出口との間のチャネルに存在しても、適切な
メカニズムを使用して、チャネルに沿ってインク表面３
２上の指定される位置に音響レンズ２８の焦点を維持し
なければならない。

【００１８】本発明は、音響レンズ２８の焦点距離を調
整することにより圧力の低下に関連する問題を軽減す
る。図４の平面図及び図５の断面図で見られるようなフ
レネルレンズは、当業者に知られる他の適切な変更と共
に、それらのリング離間を僅かに変えられ、プリントヘ
ッド内の各チャネルの入口から出口方向にいくにつれて
音響レンズの焦点距離を減少されることができる。

【００１９】例えば図６は、音響レンズと表面との距離
が３６０μｍであり、同一の焦点距離を有する、チャネ
ルの入口に隣接配置するのに適した四相フレネルレンズ
のプロファイルを示している。図７は、同じチャネルに
配置されるが、出口に隣接配置されるのに適したフレネ
ルレンズを示している。音響エネルギーをインク表面に
焦点合わせすることを保証するためには、焦点距離をわ
ずかに変更することが必要であるので、図７のこの位置
では、音響レンズと表面との距離は３５０μｍである。
以下の表１は、６６mmの距離で継続的に離間されるフレ
ネルレンズのいくつかの特性を示し、プリントヘッドの
典型的な長さは、インク表面の深さに１０μｍの変更を
有する、長手方向に延在するチャネルを有する。

【００２０】

【表１】

【００２１】本発明をその特定の実施の形態と共に述べ
てきたが、多くの別の形態、変更、及び変化付けが当業
者には明らかであろう。従って、本明細書中で述べた種
々の実施の形態は例示であると考えられるべきであり、
本発明の範囲は以下の特許請求の範囲に規定される通
り、本明細書中で述べた実施の形態に制限されない。

【図面の簡単な説明】

【図１】インクポンプ、インクヒータ、及びプリントヘ
ッドを有する音響インクプリントヘッドシステムを概略
的に示す図であり、該プリントヘッドは、インクをイン
ク入口マニホルドから複数のチャネルを通して流し、イ
ンク出口マニホルドを通して流出させ、インクポンプ及
びヒータを通してインクを再循環させる。

【図２】図１の２−２線に沿った断面図であり、インク
自由表面と複数の独立したアドレス可能な音響レンズと
を有するチャネルを示し、音響レンズを配置されるチャ
ネルの底部の真上でインク表面からインク小滴が発射さ
れる。

【図３】図２の３−３線に沿った概略図であり、インク
の自由表面に焦点合わせされた音響波の付与に応答して
インクの小滴が発射されることを示している。

【図４】本発明に従って音響波を焦点合わせするプレー
ナ形状のフレネルレンズの拡大平面図である。

【図５】図４のフレネルレンズの５−５線に沿う断面図
である。

【図６】約１０μｍのレベル差に対応してチャネルに沿
って流体圧力の低下を有する仮想チャネル（図示せず）
のインク入口付近での使用に適した、約３６０μｍの焦
点距離を有する別のフレネルレンズの断面図であり、計
算された波面を示している。

【図７】図６に関して述べた仮想チャネルのインク出口
付近での使用に適した、約３５０μｍの焦点距離を有す
るフレネルレンズの断面図である。

【符号の説明】

１０ 音響インクプリントヘッドシステム １２ プリントヘッド １４ インクポンプ １６ ヒータ １８ インク入口 ２０ インク出口 ２２ 入口マニホルド ２５ 出口マニホルド ２６ チャネル ２８ 音響レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バーバー ビー．ハディミオグル アメリカ合衆国 94040 カリフォルニア 州 マウンテン ビュー オークトゥリー ドライブ 323

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音響インクプリントヘッドであって、 インクを受け取るように構成されるチャネルを含み、該
   チャネルはインク入口とインク出口とを有し、 該チャネルに隣接配置される複数の音響レンズを含み、
   該複数の音響レンズのうちの少なくとも１つの焦点距離
   が他の音響レンズの焦点距離とは異なる、ことを特徴と
   する音響インクプリントヘッド。
2. 【請求項２】 音響インクプリントヘッドであって、 インク表面を有するインク層で被覆される基体を含み、
   該基体と該インク表面との間の距離は該基体にわたって
   変化し、 前記基体において規定される複数の音響レンズを含み、
   各音響レンズはそれぞれ所定の焦点距離を有し、それぞ
   れの焦点距離が、前記基体と前記インク表面との間の前
   記変化する距離に対応して変化する、ことを特徴とする
   音響インクプリントヘッド。
3. 【請求項３】 音響インクプリントヘッドであって、 入口側と出口側を有する基体を含み、該基体は該入口側
   から該出口側へと流れるインクを支持するように形成さ
   れ、 該基体に音響的に連結される複数の音響レンズを含み、
   各音響レンズは、該基体に隣接する関連する位置に音響
   エネルギーを焦点合わせするために、それぞれ予め規定
   された焦点距離を有し、前記基体の入口側に隣接して音
   響的に連結される、それらの音響レンズの各焦点距離
   は、前記基体の前記出口側に隣接して音響的に連結され
   る、それらの音響レンズの各焦点距離より大きい、こと
   を特徴とする音響インクプリントヘッド。