JPS62264962A - ノズルレス液滴エジェクタの発射コントローラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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　Ｂｍｉｔｔｅｒ）　Ｊとして
１９８１年１２月２４日に刊行されたラブレディ（Ｌｏ
ｖｅｌａｄｙ）らの米国特許第４．３０８．５４７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ユーサがインクのリザーバに浸
漬されており、球形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エクダ（Ｌ
ｅａｋｙ　　Ｒａｙｌｅｉｇｈ　　Ｗａｖｅ　　Ｎｏｚ
ｚｌｅｌｅｓｓ　　ＤｒｏｐｌｅｔＥ！ｊｅｃｔｏｒ）
　Ｊとして１９８５年９月１６日に出願されたシイ・エ
フ・クェート（Ｃ，Ｐ、口ｕａｔｅ）　　らの出願中の
米国特許出願には、櫛型（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅ
ｄ）電極を有する１個以上の比較的低コストの平面状圧
電トランスデユーサが設けてあり、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７ズルレス印刷ヘツドのトランスデユーサは、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、前述のクェー
トらの出願で指摘されているように、トランスデユーサ
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
ランスデユ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（ｓｕｂｔｈｒｅｓｈｏ
ｌｄ）、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
ェートらの出願で開示されたトランスデユーサのいくつ
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夕のオン／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であ
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ｌｌａ、ｌｌｂ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ユー
サ１２ａ、１２ｂが設けである。トランスデユーサ１２
ａ、１２ｂは、互いに横方向に配置されてあり、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、周知のトランスデユーサを使用するこ
とができるので、トランスデユーサ１２ａ、１２ｂは略
図で示しである。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
めのトランスデユーサ１２ａ、　１２ｂ、！：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ユーサの数を増やすこともてきる。 エジェクタの充填密度は、エジェクタ１１ａ、　ｌｌｂ
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（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）　」を防止するために
必要とされるトランスデユ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、無給、リザーバ１３には液体イン
ク１７が満たしである。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
た状態で配置しである。典型的な例としては、エジェク
タｌｌａ、　　ｌｌｂ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ｌｌａ。 １１」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（ｐ
ｉｘｅｌｓ）　Ｊは、（１）エジェクタ１１　ａ。 １１」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ｌｌａ、ｌｌｂ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２１ａ、２１ｂには、液体１７に浸漬されている
導電体２２ａ、２２ｂ−と対向の近傍（例えば、約１　
ｃｍ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２２ユ。 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２１ａ、２
１ｂ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（ｄｉｅｌｅｃｒｔｒｉｃ　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、２２ｂ
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、２２
ｂが液体１７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、２２
ｂ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２２　ａ、　２２　ｂ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、　　１
４ｂ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Ｖ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（ｄｏｍｉｎ−ａｎｔ）フーリエ
変換成分に依存し、第１近似値はλ！＝ｉｖ／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１５　ａ、　１５　ｂ−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、２
２ｂの構成を最適化することに適しており、また、制御
装置２１ａ、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１４Ｈに対
してほぼ円形状に対称的（すなわち、その焦点中心１５
ａ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１５Ｈにおいて、対称的な焦点に収束（ｃｏｎｖｅｒ
ｇｅ）　Ｌ、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２
１ユ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１４−品一の振幅を
、その焦点を合わせた液体１７（すなわち、圧力波１４
ａ−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１１ユを「ターンオン」するよ
うなコントローラ２１ユを採用することができる。この
場合、エジェクタｌｌａは「通常オフ」モードで作動さ
せる。導電体２２ユ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１１ユの軸方向オン／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が示しで
ある。このコントローラ３１は、エジェクタ１１ユ（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により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２１１〈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１４　ａ　（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２１ユと同様に、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）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３３゜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１１ユで
発射されるいずれの液滴の軌跡も角度的に変化する。非
対称的に焦点が合った表面張力波の位相は、エジェクタ
ｌｌａ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ｌｌａ
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１００μｍの場合）程度の範囲にわたって、セグ
メン）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７
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。 １１ユ、１１］メエジエクタ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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ように
   した改良。 ２、前記圧力波は、該圧力波の焦点が合う液体を、該液
   体を不安定化するためのスレッショルドエネルギーレベ
   ルから偏倚したエネルギーレベルまで励起するようにし
   、 前記表面張力波は、前記励起された液体のエネルギーレ
   ベルを前記スレッショルドレベルに交差させ、それによ
   り、前記発射コントローラが前記エジェクタのオン／オ
   フ制御を行うようにした特許請求の範囲第１項に記載の
   改良。 ３、前記導電体は、前記圧力波の焦点に対して対称的で
   且つ電気的に連続しており、それにより、前記発射コン
   トローラが前記エジェクタの軸方向のオン／オフタイミ
   ング制御を行うようにした特許請求の範囲第２項に記載
   の改良。 ４、前記導電体は、前記圧力波の焦点に対して円形状に
   対称的である特許請求の範囲第３項に記載の改良。 ５、前記導電体は、前記圧力波の焦点に対して非対称的
   であり、それにより前記コントローラが前記エジェクタ
   の発射軌跡の角度的な制御を行うようにした特許請求の
   範囲第１項に記載の改良。 ６、前記圧力波は、該圧力波の焦点が合う液体を、該液
   体を不安定化するためのスレッショルドエネルギーレベ
   ルより下のエネルギーレベルまで励起するようにし、 前記表面張力波は、前記励起された液体のエネルギーレ
   ベルが前記スレッショルドレベルを越えるようにし、そ
   れにより、前記発射コントローラが前記エジェクタのオ
   ン／オフ制御をも行うようにした特許請求の範囲第５項
   に記載の改良。 ７、前記導電体は、複数の電気的に独立したセグメント
   を有し、 前記周期的な電圧を印加するための前記手段は、前記セ
   グメントを選択的にアドレスするための手段を包含し、
   それにより、前記電圧が選択的に前記セグメントに印加
   されて前記エジェクタの発射軌跡を角度的に制御するよ
   うにした特許請求の範囲第６項に記載の改良。 ８、前記圧力波は、該圧力波の焦点が合う液体を、液体
   不安定化スレッショルドエネルギーレベルより下のエネ
   ルギーレベルまで励起するようにし、 前記表面張力波は、前記励起された液体のエネルギーレ
   ベルが前記スレッショルドレベルを越えるようにし、そ
   れにより、前記発射コントローラが前記エジェクタのオ
   ン／オフタイミング制御をも行うようにした特許請求の
   範囲第７項に記載の改良。 ９、前記導電体は、前記圧力波の焦点に対して対称的で
   あり、それにより、全ての前記セグメントに前記パルス
   が同時に印加されたときに、軸方向発射軌跡が与えられ
   るようにした特許請求の範囲第８項に記載の改良。 １０、前記導電体は、前記圧力波の焦点に対して円形状
   に対称的である特許請求の範囲第９項に記載の改良。 １１、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
   特性を制御するようにした前記エジェクタの改良された
   発射コントローラ。 １２、液体のプールの自由表面に周期的な圧力外乱を印
   加するための手段を有するノズルレス液滴エジェクタの
   発射コントローラであって、該コントローラは、 指令に基づいて前記表面に表面張力波を発生させ前記エ
   ジェクタに作動的に影響を及ぼすための手段を備えてい
   るノズルレス液滴エジェクタの発射コントローラ。 １３、前記表面張力波は、前記エジェクタのオン／オフ
   タイミング制御を行う特許請求の範囲第１２項に記載の
   発射コントローラ。 １４、前記表面張力波は、前記エジェクタの液滴発射角
   度制御を行う特許請求の範囲第１２項に記載の発射コン
   トローラ。 １５、前記表面張力波は、前記エジェクタのオン／オフ
   タイミング制御をも行う特許請求の範囲第１４項に記載
   の発射コントローラ。 １６、前記圧力外乱は、前記プールのほぼ表面で焦点が
   合っており、前記コントローラは、前記表面張力波を発
   生させるために、前記焦点を合わせた圧力外乱のごく近
   傍に位置しており、前記表面張力波は、前記圧力外乱と
   可干渉状態で相互に作用するように選定された波長を有
   している特許請求の範囲第１２項に記載の発射コントロ
   ーラ。 １７、前記発射コントローラは、前記エジェクタの軸方
   向オン／オフタイミング制御を行うために、前記焦点を
   合わせた圧力外乱に対して対称的である特許請求の範囲
   第１６項に記載の発射コントローラ。 １８、前記発射コントローラは、前記エジェクタの液滴
   発射角度制御を付加的に行うために差動的に励起可能で
   ある特許請求の範囲第１７項に記載の発射コントローラ
   。