(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響式プリントヘッドであって、
行および列に構成された小滴エジェクタのマトリックスであって、前記各小滴エジェクタは少なくともトランスジューサおよびスイッチを含み、特定の前記小滴エジェクタが選択されると、対応する前記トランスジューサおよび前記スイッチがオンに切り替わり、当該トランスジューサは特定の小滴エジェクタに小滴を液体のプールから放射させるように機能し、前記特定の小滴エジェクタが選択されない場合は、対応する前記トランスジューサおよび前記スイッチはオフであり、当該特定の小滴エジェクタは前記液体のプールから小滴を放射しないように機能する小滴エジェクタのマトリックスと、
前記小滴エジェクタの前記行の動作をコントロールするために接続された複数の行スイッチと、
前記小滴エジェクタの前記列の動作をコントロールするために接続された複数の列スイッチと、
前記複数の行スイッチおよび前記複数の列スイッチに接続され、任意の前記行スイッチ及び前記列スイッチを選択し、オン状態とされる特定の前記小滴エジェクタの選択を制御する制御部と、
少なくとも１つの前記小滴エジェクタの行と前記小滴エジェクタの列とに接続され、補償エネルギーを選択されない前記小滴エジェクタに選択的に与えて望ましくない電流の流れを低下させる補償ネットワークと、
を備え、
補償ネットワークは、
対応する容量性素子に接合される複数の行補償スイッチであって、選択されない行上のトランスジューザに補償電流経路を加えるように、容量性素子の異なる組み合わせを選択することによって、スイッチング比率のスムーズなプロフィールを作るために構成されている複数の行補償スイッチを有する行補償ネットワークと、
複数の容量性素子と、補償が所望の値となるように動的に設定するように構成されている選択回路とを有する列補償ネットワークと、
を含むことを特徴とする音響式プリントヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の音響式プリントヘッドにおいて、
前記補償ネットワークは、オン状態の前記小滴エジェクタ内のパワー量と比較されたオフ状態の前記小滴エジェクタ内のパワー量として定義されるスイッチング比率を、前記小滴エジェクタの前記マトリックスに関して制御するように構成され、
前記スイッチング比率の制御は、４行×６４列の小滴エジェクタのアレイ用の音響式プリントヘッドの前記スイッチング比率を少なくとも−５ｄＢにまで向上させることが含まれること、
を特徴とする音響式プリントヘッド。
【請求項３】
請求項１に記載の音響式プリントヘッドにおいて、
それぞれの補償された小滴が放射されるごとに当該音響式プリントヘッドから熱エネルギーを取り去り、かつ前記スイッチング比率はオン状態とオフ状態とでの前記小滴エジェクタ間のパワー差を前記放射された小滴によって取り去られた前記熱エネルギーに対して平衡するように選択されることを特徴とする音響式プリントヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音響印刷に関し、より詳細には、音響式プリントヘッドのエジェクタ間のオン／オフのスイッチング比率をコントロールすることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリントヘッドなどのエジェクタ装置から音響的に小滴を放射することの基本については、広く説明されてきており、本発明の譲受人はこの主題に関連した多数の概念に対して特許を獲得している。音響印刷においては、プリントヘッドを形成するエジェクタのアレイは、液体のプールによって覆われている。それぞれのエジェクタは、液体の自由表面に対して音響エネルギーのビームを向けることができる。衝突する音響ビームは、液体の表面に対して放射圧力を働かせる。放射圧力が十分に高い場合、液体の個々の小滴はプールの表面から放射され、ペーパなどの媒体上に衝突して印刷プロセスを終える。マトリックス状すなわち行と列のアレイ状にエジェクタを配置することができ、そこでは、行は記録媒体の幅方向に伸び、エジェクタの列は幅方向とほぼ直角をなしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
理想的には、それぞれのエジェクタが、起動されるとき、アレイ内の他のすべてのエジェクタの小滴と同じ寸法の小滴を放射することである。このため、それぞれのエジェクタは、同一の条件のもとで動作する必要がある。
【０００４】
音響印刷において一般的に行われることは、共通のＲＦパルスを行のセグメントに加えて個々のエジェクタをアドレス指定し、列のスイッチを使用してそれぞれのエジェクタに対する電流の流れをコントロールすることである。ある場合では、システム内の列ドライバチップおよびワイヤボンディングの数を減らすため、またこれによりコストを削減するために、いくつかの行に対して１つの列スイッチを並列に使用することが好ましい。残念なことに、この方法は結果として寄生電流経路を作り、これらの電流経路は、望ましくないＲＦ電流をオン状態ではないエジェクタを通って流す原因となる。
【０００５】
現在のシステムでは、スイッチング比率は制限されており、所定の行でオンしているエジェクタの数により変化する。スイッチング比率は、オンのエジェクタにおけるＲＦパワーに対するオフのエジェクタのＲＦパワー（すなわち、ＰＯＦＦ／ＰＯＮ）として定義されている。
【０００６】
図１２は、現在のシステムについて、選択された行および選択された列に対する所望の電流経路を有する音響式スイッチングアレイを図示している。スイッチングマトリックス１０は、４行１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，および１２ｄと６４列１４ａ，１４ｂ，…，１４ｚｚとから成るスイッチングマトリックスである。行はスイッチング素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，および１６ｄを経由して、列はスイッチング素子１８ａ，１８ｂ，…，１８ｚｚを経由してマトリックスに接続されている。列と行との交差点にはトランスジューサ２０がある。マトリックス１０の電流経路は、ＲＦグラウンド２１でターミネートされる。図１２のマトリックスは４行×６４列のマトリックスであるが、本発明は他のマトリックスの設計においても使用できることは理解されよう。
【０００７】
マトリックス１０の電源は、電源回路２２によって供給される。この電源回路２２は、その出力をＲＦ信号マッチング回路２４に供給する。適当なスイッチの順序付けによって、選択された行および選択された列に対する所望の電流経路が得られる。例えば、図１２では、スイッチ１６ａおよびスイッチ１８ａを閉じることによって、ＲＦマッチングネットワーク２４から、行１２ａおよび列１４ａを経由してトランスジューサ２０ａへの電流経路が提供される。残りの行および列は選択されないので、トランスジューサ２０ａのみが、小滴を放射するように起動されることを意図される。
【０００８】
残念なことに、音響プリントヘッドを低いコストにするために使用される相互接続の経路には、例えば、図１３〜図１５に示しそれらを参照して説明するが、不可避の望ましくない電流経路が含まれる。
【０００９】
図１３は、選択されたトランスジューサと同じ行における選択されないトランスジューサを通る望ましくない電流経路の簡略化した図面である。この例では、スイッチ１６ａおよび１８ａが閉じた位置に保たれており、残りのスイッチは選択されていない。これにより、電流はトランスジューサ２０ａに供給される。しかしながら、望ましくない電流が、行１２ａは選択されているが列１４ｂは選択されていないトランスジューサ２０ｂをも通って流れる。同様に、図１４は、列１４ａは選択されているが行１２ｃは選択されていないトランスジューサ２０ｃを通って望ましくない電流が流れる状態を示している。
【００１０】
列スイッチ１８ａ〜１８ｚｚは、ある実施形態においては、適度に高い、すなわち−６ｄＢ以上の固有のスイッチング比率を有するＰＩＮダイオードなどのコンポーネントを用いて実行される。このタイプのスイッチング比率が高いと、特定の列スイッチが、システム内で唯一の装置である場合、確実にオフに切り換えられることを保証することができる。しかしながら、選択された列と選択された行のエジェクタの正味のスイッチング比率（他のオフであるべきエジェクタに関して）は、選択されないエジェクタを通る存在する寄生電流経路の数によって、約−２．３ｄＢと−６ｄＢとの間で変化することがある。
【００１１】
図１５を参照すると、図１３および図１４に関連して説明された寄生電流経路に関して、一層詳細な説明が行われる。トランスジューサは、接続されている行および列の番号によって識別される。図示した例では、すべての電流経路は第０行，１２ａの導体から始まり、ＲＦグラウンド帰還部２１で終結する。
【００１２】
以下の例においては、トランスジューサ２０ｂは非選択のトランスジューサである。非選択のトランスジューサ２０ｂを通過する望ましくない電流は、３つのコンポーネントから成る。それらはみな第０行，１２ａから始まり、トランスジューサ２０ｂを通って下側に進む。第１のコンポーネントはトランスジューサ２０ｂから、下側の第１列，１４ｂの上のセグメントを通り、上側のトランスジューサ２０ｄを通り、第１行，１２ｂのセグメントを通り、下側のトランスジューサ２０ｅを通り、下側の第０列，１４ａを通り、最終的に選択された第０列のスイッチ１８ａを通って、ＲＦグラウンド帰還部２１に流れる。
【００１３】
第２のコンポーネントの経路は、第０行，１２ａから、下側のトランスジューサ２０ｂを通り、第１列，１４ｂの上の２つのセグメントを通り、上側のトランスジューサ２０ｆを通り、第２行，１２ｃのセグメントを通り、下側のトランスジューサ２０ｃを通り、下側の第０列，１４ａを通り、最終的に第０列のスイッチ１８ａを通って、ＲＦグラウンド帰還部２１に流れる。
【００１４】
第３のコンポーネントの経路は、第０行，１２ａから、下側のトランスジューサ２０ｂを通り、第１列，１４ｂの上の３つのセグメントを通り、上側のトランスジューサ２０ｇを通り、第３行，１２ｄのセグメントを通り、下側のトランスジューサ２０ｈを通り、下側の第０列，１４ａを通り、最終的に第０列のスイッチ１８ａを通って、ＲＦグラウンド帰還部２１に流れる。
【００１５】
有効な電流が、第１〜６３列（１４ｂ〜１４ｚｚ）および第１，２，または３行（１２ｂ〜１２ｄ）内のいずれかの開いた（選択されない）スイッチを通って流れることは期待外であることに注意されたい。
【００１６】
今説明したばかりの経路と同様の望ましくない電流経路は、第０行，１２ａおよび第２〜６３列（１４ｂ〜１４ｚｚ）上に配置された他の非選択のトランスジューサを通っても存在する。
【００１７】
トランスジューサ２０ｅ，２０ｃ，および２０ｈは、望ましくない電流全体の最大の大きさを有する。例えば、非選択のトランスジューサ２０ｅを通って流れる電流は、第１行，１２ｂ内の他のすべてのトランスジューサ内の電流の合計である。この望ましくない電流のすべては、選択されない第１行，１２ｂの導電経路を通って流れる。この例では、トランスジューサ２０ｅ，２０ｃ，および２０ｈは、選択された列と選択されない行上にある。ただ１つの列しか選択されない場合、スイッチング比率はこのカテゴリーに対しては最低になる。このことは、図１７および図１８においても見ることもできる。
【００１８】
以下の説明においては、図１６、図１７、図２、図３、図８、図９、および図１１は、異なる数の選択された列に対するスイッチング比率を決定するために、相対的なＲＦ電流を計算するために使用される、４つのカテゴリーのトランスジューサの状態を示すブロック図である。
【００１９】
例えば、図１６では、図面の左上部分のブロックは、選択された行で選択された列の位置にあるすべてのトランスジューサを示す。同様に、図面の右上部分のブロックは、選択された行で選択されない列の位置におけるすべてのトランスジューサを示す。図面の左下部分のブロックは、選択されない行で選択された列の位置におけるすべてのトランスジューサを示し、図面の右下部分のブロックは、選択されない行で選択されない列の位置のすべてのトランスジューサを示す。
【００２０】
より詳細に図１６および図１７を参照すると、スイッチングマトリックス１０の同様に単純化された図面が記されている。図１６は、６３個の列２６および１つの行１２ａが選択されてオンの状態にあり、単一の列２８および残りの３つの行１２ｂ〜１２ｄは選択されない、すなわちオフの状態にあることを示している。この配置のもとで、発明者らは、それぞれの６３個のトランスジューサ３０を通って約５１４μＡが流れていることを計算した。６３個のトランスジューサ３０は、マトリックス１０の選択された行１２ａで６３個のオンの列２６にあるトランスジューサを示している。３９３μＡの電流が、トランスジューサの選択された行１２ａで６４番目の選択されない列２８に配置されたトランスジューサ３２内を流れていることも、この分析によって決定された。この情報により、これら２つの電流間のスイッチング比率が、以下に等しいことが分かる。
【００２１】
３９３μＡ／５１４μＡ＝０．７６５＝−２．３２ｄＢ
図１７は、別の配置を示しており、この配置では、１つの列３４と１つの行１２ａとが選択され、残りの６３個の列３６と３つの行１２ｂ〜１２ｄとは選択されていない。この状態において、トランスジューサ３８に対する選択された電流経路には５０４μＡの電流が流れ、一方、約３６８μＡの望ましくない電流が、選択された列３４で選択されない行１２ｂ〜１２ｄに接続されたそれぞれの選択されないトランスジューサを通って存在する。このことは結果として、以下に等しいスイッチング比率が生じる。
【００２２】
３６８μＡ／５０４μＡ＝０．７３０＝−２．７３ｄＢ
スイッチ１８ａを通過する累積電流は、約１６０７μＡである（すなわち、列３４で行１２ａ内の選択されたトランスジューサからの５０４μＡと列３４で行１２ｂ〜１２ｄ上のそれぞれの３つの選択されないトランスジューサからの各３６８μＡ）。
【００２３】
図１８は、オンである行内のエジェクタの数の関数として、選択された行／選択されない列および選択された列／選択されない行に関する有効なスイッチング比率の概要を示している。特に、曲線４０は、選択された列の数が選択されない行に対して増加するにつれて、相対的なスイッチング比率が著しく、すなわち、選択された２０個の列において約−１０ｄＢにまで改良されていることを示している。それに対して、曲線４２は、追加の列がオン状態になるにつれて、選択された行に対するスイッチング比率が著しく、すなわち１つの列がオンの場合の約−１１ｄＢから６３個の列がオンする約−２．５ｄＢにまで劣化されていることを示している。
【００２４】
音響インク印刷に水性インクを使用する場合、好ましい放射速度は、約４ｍ／ｓｅｃになる。これは、放射しきい値に対して約１ｄＢのパワーを使用して達成することができる。水性プリントヘッド内の放射しきい値パワーの非均一性が約±０．５ｄＢであると仮定し、選択されないエジェクタが確実にオフであることを保証するために、いくらかの安定性のマージン（例えば、−０．５ｄＢ）を保つことを希望する場合、適切なスイッチング比率は、以下のような制約によって見つけることができる。すなわち、スイッチング比率（ＳＲ）＜（４ｍ／ｓｅｃのオーバードライブ）−（非均一性）−（適切なオフ状態を保証するためのマージン）。これにより、結果として以下が生じる。
【００２５】
ＳＲ≦（−１−０．５−０．５）＝−２ｄＢ
従って、−０．５〜−１．０ｄＢの安全マージンが加えられる場合、−２．５〜−３．０ｄＢのスイッチング比率が、水性インクの印刷のために許容される。
【００２６】
しかしながら、また本発明により具体的に関連していることは、位相変化インクが水性インクよりもしきい値に対してより大きなパワーを必要とすることである。必要な４ｍ／ｓｅｃの放射速度を達成するためには、しきい値に対して−４ｄＢのパワーが必要であることが決められている。位相変化インクに対して、このパワーについての要求事項を減らすために、静電界を使用することが意図されている。しかしながら、小滴を約２ｍ／ｓｅｃで、すなわち、しきい値に対して−２ｄＢで放射することがまだ必要である。位相変化式プリントヘッド内の不均一性は、水性のプリントヘッド内よりも大きく（すなわち、±１ｄＢ）、スイッチを完全にオフに変化させるためのマージンも同様である（すなわち、−０．５ｄＢ）。これにより、位相変化インクについてのスイッチング比率は以下を必要とする。
【００２７】
ＳＲ＜（−２−１−０．５）＝−３．５ｄＢ
このとき、０．５〜１．０ｄＢの安全マージンが加えられて、−４．０〜−４．５ｄＢのスイッチング比率が満たされる。現在のスイッチングネットワークは、前述の要求事項を考慮に入れる場合、位相変化式印刷に対して十分なスイッチング比率を保証していない。
【００２８】
位相変化式印刷に対して存在するさらに厄介な問題は、熱均一性についての要求事項が水性印刷に対するよりも一層厳しいことである。その理由は、インク内の音響損失が水性インクよりもより大きく、位相変化式インクが温度と共により強く変化するためである。結果として、所定のエジェクタのプリントヘッドに加わる、すなわち、オン状態とオフ状態との間のある程度の温度変化によって、出力を劣化させる空間的なまた時間で変動する不均一性が生じることがある。例えば、１〜２℃の変化が、結果として１〜３％の小滴の直径の均一性における劣化を生じることがある。好ましいプリント品質について許容できる小滴の直径の不均一性に関する上限は５％に過ぎないと、信じられている。従って、温度における比較的小さな変化でさえ、印刷の劣化を引き起こしてしまう。
【００２９】
前述した問題は、流動性が低いプリントヘッド、すなわち、インクが急速に通過しないプリントヘッドに対して特に敏感である。これらの状況では、音響エネルギーは、インクの容積上の焦点領域の温度を上昇させる。プリントヘッドによっては、温度の上昇は１２℃程度と決められている。この温度の上昇は利点に対して（すなわち、プリントヘッド内のインクの体積についての要求事項を減らすこと）使用することができるが、オフのエジェクタに対するオンのエジェクタについての不均等な温度環境の問題を引き起こす。
【００３０】
このため、熱い放射インクの小滴に関して熱変化のバランスを保つ特定のスイッチング比率を得ることによって、ほぼ同一の、小滴エジェクタのオンおよびオフ状態に対する熱環境を提供することが望ましいと決められている。オンおよびオフする任意のアレイのエジェクタの数とは無関係に、コントロールされた特定のスイッチング比率を提供することも有益であると考えられている。
【００３１】
従って、スイッチング比率を増加し、オンのエジェクタの数とは無関係に、所望のレベルでスイッチング比率をコントロールする手段を提供することが望ましい。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
音響式プリントヘッドには、行および列で構成される小滴エジェクタのマトリックスが含まれる。それぞれの小滴エジェクタには、少なくともトランスジューサとスイッチが含まれる。特定の小滴エジェクタが選択されると、関連するトランスジューサおよびスイッチがオンに切り替わり、この特定の小滴エジェクタに液体のプールから小滴を放射させるように、トランスジューサが動作する。特定の小滴エジェクタが選択されない場合、関連するトランスジューサおよびスイッチはオフであり、この特定の小滴エジェクタは液体のプールから小滴を放射しない。小滴エジェクタの行の制御機能に接続された複数の行スイッチが設けられている。小滴エジェクタの列の制御機能に接続された複数の列スイッチが設けられており、適当な行スイッチおよび列スイッチを選択することによって、特定の小滴エジェクタの特定のトランスジューサがオンに切り替わる。複数の行スイッチおよび複数の列スイッチに接続されたコントローラは、小滴エジェクタの選択をコントロールするように動作する。さらに、小滴エジェクタの少なくとも１つの行と小滴エジェクタの列とに接続された補償ネットワークが設けられていて、この補償ネットワークは、望ましくない電流の流れを減らすために、選択されない小滴エジェクタに補償エネルギーを選択的に与える。小滴エジェクタのマトリックスのスイッチング比率をコントロールするように、補償ネットワークを構成することができ、この構成では、スイッチング比率は、オンである小滴エジェクタ内のパワー量と比較されたオフである小滴エジェクタ内のパワー量として定義され、またスイッチング比率のコントロールには、４行で６４列の小滴エジェクタのアレイ用の音響式プリントヘッドのスイッチング比率を少なくとも−５ｄＢにまで向上させることが含まれる。小滴がプリントヘッドから放射される場合、小滴は熱エネルギーを音響式プリントヘッドから取り去る。スイッチング比率は、放射された小滴が取り去った熱エネルギーに対して、オンおよびオフの小滴エジェクタ間のパワーの差のバランスを保つように選択される。
【００３３】
【発明の実施の形態】
音響式インクプリンタのアレイのエミッタをコントロールするために一般に行われることは、行のセグメントに共通のＲＦパルスを印加することによって個々のエジェクタをアドレス指定し、列スイッチを使用してそれぞれのエジェクタに流れる電流をコントロールすることである。現在のシステムでは、システムマトリックス内の列ドライバのチップおよびワイヤボンディングの数を減らし、これによりコストを低減するために、並列の数個の行に対して１つの列スイッチを使用することが好ましい。
【００３４】
残念なことに、このやり方は、有効なスイッチング比率を制限することがある寄生電流経路を結果として生じて、このため結果として、スイッチング比率が所定の行内のオン状態のエジェクタの数と共に変化する可能性が生ずる。位相変化の音響式インク印刷については、連動した４行の列スイッチを用いて達成することができる、一般に−２から最低−３ｄＢ以上のスイッチング比率に対する要求がある。
【００３５】
従って、本発明は、プリントヘッド内の熱的な非均一性を制限するために、オンのエジェクタの数とは無関係に、正確なスイッチング比率を維持することができる方法と付随のアーキテクチャを説明する。
【００３６】
図１はトランスジューサのマトリックス６０を示していて、音響式プリントヘッド内で使用されるような、トランスジューサのマトリックスの列ノードに補償電流経路を提供する概念を説明するために用いられる。補償を提供することによって、結果として望ましくない電流の流れの量がより小さくなり、このためスイッチング比率の向上が可能になる。このスイッチング比率は、オン状態のエジェクタ内のＲＦパワーに対するオフのエジェクタ内の望ましくないＲＦパワーの比率として定義されている（すなわち、ＰＯＦＦ ／ＰＯＮ）。
【００３７】
図１に示した４行×６４列のトランスジューサアレイ６０は、図１５〜図１７に示した構成と部分的にほぼ同様である。以下の説明においては、第０列，１４ａが選択され、他のすべての列は選択されないと仮定する。この実施例では、厄介な電流経路は、図１７で計算したように、スイッチング比率が−２．７３ｄＢである、選択されないトランスジューサ２０ｅ，２０ｃ，及び２０ｈを通って流れる経路である。これらの電流は、選択された第０行，１２ａから始まり、選択されないトランスジューサ２０ｂ〜２０ｚｚを通り、選択されない列の導体、列１４ｂ〜１４ｚｚに流れる。望ましくない電流は、次に、選択されない列から３つのグループのトランスジューサを通り、３つの選択されない行の導体に流れる。経路は、トランスジューサ２０ｅ，２０ｃ，および２０ｈおよび選択された第０列，１４ａ、列の導体および列スイッチ１８ａを通り、グラウンド帰還部２１で終結する。トランスジューサ２０ｅ，２０ｃ，および２０ｈについてのスイッチング比率は、選択されない列の導体からグラウンド帰還部２１に補償用電流経路を加えることによって、−５ｄＢ以上にまで向上させることができる。
【００３８】
これを達成する１つの方法を図１に示す。列スイッチ１８ａ〜１８ｚｚは、単極単投から単極双投に置き換えられる。小さな値の補償コンデンサ（例えば、１ｐＦ）５２ａ〜５２ｚｚは、それぞれの列スイッチ上の新しいノーマルクローズ接点を列補償バス５４に接続する。この列補償バス５４は、それぞれの選択されない列の導体から電流を引き出して、その電流を可変のプルダウンコンデンサ５６を介して、グラウンド帰還部２１に通過させる。
【００３９】
形成された補償電流経路は、補償経路がない場合は、選択された列で選択されない行のカテゴリーにおけるトランスジューサ２０ｅ，２０ｃ，および２０ｈを通って流れるいくらかの電流を流し、これにより望ましくない電流の大きさを減らすと共にスイッチング比率が向上する。この実施例では、プルアップコンデンサ５８の値は極めて小さいため、無視できる電流しかそれを通って列補償バス５４に流れない。
【００４０】
１つの列がオフで６３個の列が選択された場合に対する非補償のスイッチング比率は、図１６に示すように、−２．３２ｄＢである。選択された列０からプルアップコンデンサ５８を通り列補償バス５４への補償経路が加えられる場合（図１に示すように）、この補償経路は、加えなかった場合は選択された行で選択されない列のトランスジューサを通って流れる望ましくない電流のいくらかを流すことができ、スイッチング比率は、図２に示すように、−５．６７ｄＢにまで改良される。
【００４１】
図２は、４行６４列のスイッチングマトリックスの単純化したバージョンを示す。この実施例においては、スイッチングマトリックス６０は、６３個の選択された列６２および単一の選択された行１２ａを有する。この回路はまた、単一の選択されない列６６および３個の選択されない行１２ｂ〜１２ｄを示す。列スイッチ６８は、選択された位置にあり、これは６３個の列６２が選択されていることに該当する。列スイッチ７０は、選択されない状態にある。
【００４２】
本発明の構想に特別な注意を払うと、補償選択回路７２が設けられており、この回路には、第１のコンデンサ７４およびスイッチング端子７６，７８および８０が含まれている。第１のコンデンサ７４は、この実施形態では、１ピコファラッドのコンデンサである。端子７８は、３２ピコファラッドの補償コンデンサ８２を中に備えており、端子８０は１６ピコファラッドの補償コンデンサ８４を有している。この初期の表示では、補償セレクタスイッチ８６が端子７６に接続されると、ＲＦ電源８８からコンデンサ７４を通ってスイッチ７０への接続が行われる。図１のスイッチングネットワークに関連した説明と同様に、この構成は、音響式プリントヘッドにおいて使用されるトランスジューサのマトリックスの列ノードへの補償電流経路を提供する構成を示している。また、図１において、プルアップコンデンサ５８として大きな値のコンデンサを選択することは、結果として、スイッチング端子７６に接続された補償セレクタスイッチ８６を有することに相当する動作特性を生ずる。
【００４３】
補償電流経路を設けることによって、オンまたはオフしているエジェクタとは関係なく、エジェクタの数に対する有効なスイッチング比率を向上させ安定化させることができる。図２は、６３個のエジェクタがオンで１個のエジェクタがオフである場合を示しており、この場合では、選択された行／選択されない列のカテゴリーに関連するスイッチング比率が増加されている。特に、選択された列内のトランスジューサは５１４μＡを有し、選択されないトランスジューサは２６８μＡを有する。従って、スイッチング比率は以下のようになる。
【００４４】
２６８μＡ／５１４μＡ＝０．５２１＝−５．６７ｄＢ
補償コンデンサ９０が、第１〜６３列に接続するために設けてあることに注意されたい。それぞれの列が適当な容量値を有するように、補償コンデンサ９０が補償コンデンサのネットワークを示していることを理解されたい。さらに、図１の列補償バス５４と同様に、補償コンデンサ９０と補償セレクタスイッチ８６との間に、列補償バス９１を設けてある。コンデンサ７４および９０は、列補償バス９１からスイッチ７０のような個々の列スイッチへの電流経路を提供する。
【００４５】
前述した構想をさらに説明するために、図３に図２のマトリックス構成６０が示されている。このマトリックス構成６０は、図１に関連して扱った場合の別の見解を示している。この実施例では、単一の列１００が選択され、６３個の列１０２は選択されていない。さらに、単一の行１２ａが選択され、マトリックスの３つの行１２ｂ〜１２ｄは選択されていない。補償セレクタ８６を有する補償選択回路７２が示されている。この補償セレクタは端子８０に接続されており、この端子８０には、グラウンドに結合された補償コンデンサ８４が含まれる。この実施例では、スイッチング比率は以下のようになる。
【００４６】
２８３μＡ／５０５μＡ＝０．５６０＝−５．０４ｄＢ
従って、図１６のスイッチングネットワーク１０（６３個の選択された列と１個の選択された行とが含まれる）のスイッチング比率が−２．３２ｄＢであるのに対して、図２の補償選択ネットワーク７２を付加し使用することによって、このスイッチング比率を−５．６７ｄＢまで向上させることができる。同様に、図１７のスイッチングネットワーク（１個の選択された列と１個の選択された行とが含まれる）のスイッチング比率が−２．７３ｄＢであるのに対して、図３の補償選択回路７２はそのスイッチング比率を−５．０４ｄＢにまで改良する。前述の説明では、音響式インクプリンタのエジェクタ用のスイッチング比率を向上させることができる、補償選択ネットワーク７２を加えることが説明されている。
【００４７】
前述のスイッチング比率を、選択された列の数が増加するにつれて、ある値に維持するだけでなく、ある範囲内に維持することが望ましい。この点については、図４に注意を向けると、図４は、前述の図面で示したように、マトリックス６０に対する補償選択ネットワーク７２のスイッチング比率の特性を示している。曲線１１０は、補償セレクタスイッチ８６が端子８０に接続されている場合に達成できるスイッチング比率を示している。この構成においては、スイッチ７０は、コンデンサ７４および８４を通るグラウンドへの容量結合によって補償される。選択された列の数が増加するにつれて、スイッチング比率は、最初、約−５ｄＢから約−６ｄＢの最良の値に向上し、次に、−５ｄＢ以下のスイッチング比率にまで劣化し始める。曲線１１２は、補償セレクタ８６が端子７８に接続されて、これにより補償電流がＲＦスイッチ電源８８から結合コンデンサ８２およびコンデンサ７４を通って流れる場合の動作特性を示す。曲線１１２は、約１０個のオンの列から約２０個のオンの列までスイッチング比率が向上し、その後、別の列が選択されるにつれて、デシベルのオン／オフ比率が劣化することを示している。最後に、曲線１１４は、補償セレクタスイッチ８６が端子７６に接続されて、ＲＦ電源８８が直接列補償バス９１に接続される場合のスイッチング比率の特性を示す。この接続方法によるスイッチング比率は、選択された列の数が少ない場合は良好であるが、選択された列の数が増加するにつれて、スイッチング比率は低下する。さらに、前述したように、図１においてプルアップコンデンサ５８として大きな値のコンデンサを選ぶと、結果として補償セレクタスイッチ８６を図２のスイッチング端子７６に接続させることによって得られる場合と、同じ動作特性が生じる。
【００４８】
このため、図４は、列補償バスおよび結合コンデンサ７４を駆動する異なる電源を用いて実現することができるスイッチング比率を示している。図４を観察すると、補償のオプションを選択することによって（すなわち、ＲＦに対して５ピコファラッド、ＲＦに対して７ピコファラッド、ＲＦに対して９ピコファラッド、など）、オフのエジェクタに対するオンのエジェクタの比率には無関係に、スイッチング比率を所望の範囲内に設定し維持することができることを理解できる。プリントヘッドの列の全体にわたってスイッチング比率を選択された範囲内に維持するために、同じ列上のトランスジューサと同じ行上のトランスジューサの両方の特性を考慮する必要があることも注意されたい。
【００４９】
無論、この設計を実行するために、イメージデータが変化すると、補償電流はダイナミックに適切な値に設定される。
【００５０】
スイッチング比率のコントロールを向上させる種々のアーキテクチャが、本発明者らによって開発されており、本願の以下のセクションで説明される。しかしながら、プリントヘッドを好適に実現する場合、位相変化音響式プリントヘッドなどのように流速が遅いと、音響焦点の温度が著しく増加する、例えば、５〜２０℃の間のどの温度へも上昇することは理解されよう。特に、音響式印刷では、収束されたビームが小滴の放射を実現するために使用されることは周知である。この設計によって、放射されるインクの小滴の位置で、大きな部分的な加熱が引き起こされる。このため、放射されるインクの小滴は、温度が著しく上昇される。
【００５１】
この位置で温度が上昇することは、放射点において粘度を部分的に減らすための手段としての利点に使用することができ、これにより、必要な放射エネルギーを減少させると共に、最大放出率を増加させる。この温度上昇は好都合であるが、放出温度の正確な値は、特定のトランスジューサに与えられる音響パワーレベルに依存する。結果として、オンのエジェクタ（すなわち、パワーレベルＰＯＮ）は、オフのエジェクタ（すなわち、パワーレベルＰＯＦＦ）とは異なる音響焦点の温度を持つことになる。焦点加熱スポットの温度は、放射率よりもはるかにゆっくり平衡するので、このことは音響放射プロセスにおけるコントロールされないデータ依存の変化をもたらし、プリント品質の低下の原因となる。
【００５２】
この問題は図５に示されており、この図では、音響焦点の領域における予想された温度上昇が、時間の関数としてプロットされている。１４ｋＨの放射率では、焦点領域が時間（Ｔ）＝０．０２秒で熱平衡１１７に達する時間までに、約２００個の小滴が放射される。仮定されたＴ＝０の状態１１８は、長時間にわたって小滴が放射されていない状態であり、オン／オフのスイッチング比率は極めて高い。図５に示す、約１０℃の温度上昇は、厳しいプリントの非均一性を引き起こすほど十分大きい。温度の１〜２℃の変化が、結果として１〜３％の小滴の直径の非均一性を発生させることがあると、前に言及した。プリントの劣化を防ぐために、物理的なエネルギーおよび熱の損失は、放射されるインクの小滴の損失に近い必要がある。
【００５３】
図６に示すように、周知の手段で生成された音響エネルギー１２１がレンズ１２２または他の収束装置によって焦点１２３に収束されて、液体のプール１２４が小滴１２６を放射させるように、音響式プリントヘッド１２０は設計される。焦点１２３は、プリントヘッドの表面１２８に物理的に密接するように配置される。プリントヘッドの加熱が放射される小滴１２６の近くで行われるように大量のエネルギーを集中させることは、小滴１２６が大量の熱エネルギーを持ち去ることを意味する。この設計では、それぞれの小滴は焦点１２３における熱の５０％以上を持ち去る。
【００５４】
本発明のさらに別の態様では、スイッチング比率のコントロールと組み合わせて、加熱された小滴１２６を放射することによる熱エネルギーの放散を使用して、放射された小滴によって持ち去られた熱エネルギーに対するパワーの相違を、正確にコントロールして平衡させる。小滴の熱は、小滴の体積を乗じ、比熱を乗じ、エジェクタの放射率を乗じた密度に等しい。このため、集中した熱の領域は、持ち去られる小滴に直接隣接している。この集中した熱の領域に対しては、オンとオフとの間の温度を均一に維持することに関する最大の関心がある。この知識を用いて、エジェクタのオンおよびオフの状態を平衡させる特定のスイッチング比率を選択することができる。
【００５５】
小滴の放射により発生する熱損失は、音響焦点の領域上の正味の温度上昇を推定する場合に含まれる。図７は、２つのモデルの結果を示す。すなわち、一方は推定された熱温度損失係数を含み、他方はこの熱温度損失係数を含まない（このケースは、図５で示した値とは詳細はやや異なっている）。モデル化した曲線１３０は、モデル化したオン状態の温度が放射された小滴による熱エネルギーの損失を考慮しない場合、焦点加熱領域が約３０℃であることを示している。モデル化した曲線１３２は、放射された小滴の放射による損失を考慮する場合、焦点領域の温度がほぼ１５℃以下に下がっていることを示している。これにより、放射された小滴は、エジェクタがオン状態にある場合の熱の約５０％を取り除く原因となっている。
【００５６】
曲線１３４は、オフ状態（すなわち、小滴は放射されない）における温度上昇が、単に、スイッチング比率の量によって低下される、上側のオン状態の表示１３０であることを示している。図７には、スイッチング比率が−１から−５ｄＢの範囲に対する、予測されたオフ状態の温度がプロットされている。図７のポイント１３６によって分かるように、オフ状態の温度がオン状態の温度と等しくなるように、スイッチング比率を、図２〜図４で教示されたように正確に選択することができる。
【００５７】
従って、アドレス指定された行に対しては、正確な量のパワーが行全体で消散されるように、オフのエジェクタは、オンのエジェクタに関して正確に同一のスイッチング比率を持つ必要がある。この目標を達成するために、オフのエジェクタには、十分な補償電流が供給される。次の行が放射される場合、できるだけ大きなスイッチング比率で（すなわち、−５ｄＢではなく−２０ｄＢに近いスイッチング比率で）、前の行を完全にオフにさせることが望ましい。
【００５８】
図８は、４行×６４列のトランスジューサのスイッチングマトリックス１６０を示しており、このスイッチングマトリックスは、本発明による行補償ネットワーク１６２を実行する。行補償は列補償と機能上同様であり、調整可能な補償電流経路を選択されない行および／または列上に配置されたトランスジューサの周囲に加えて、所望するようにスイッチング比率を変更する。以下の実施例では、１個の列１６４がオンで６３個の列１６６がオフ、また行１２ａが選択され残りの３個の行１２ｂ〜１２ｄは選択されていない。本発明は、無論、他のオン／オフ比率でも動作することは理解されよう。
【００５９】
行補償ネットワーク１６２には、複数のスイッチ１６８，１７０，１７２および１７４が含まれており、これらのスイッチを対応する容量性素子１７６，１７８，１８０および１８２に選択的に結合することができる。スイッチ１６８〜１７４の動作を選択的にコントロールすることによって、コンデンサ１７６〜１８２の異なる組合わせを用いて、スイッチング比率の適度にスムーズなプロフィールを作り、選択されないトランスジューサの行を補償することができる。特に、行補償設計によって、選択されない行上のトランスジューサに補償電流経路が加えられる。これらの経路は、ＲＦ電源またはグラウンド帰還部に、図１において列の補償に対して示した方法と同様な方法で接続される。例えば、図８では、スイッチ１７２および１７４は閉じて、コンデンサ１８０および１８２をスイッチングネットワーク内に組み込むが、スイッチ１６８および１７０は選択されていない。この構成によって、選択されない行１２ｂ〜１２ｄに補償が行われて、所望のスイッチング比率が得られる。
【００６０】
４個の容量性素子を補償ネットワーク１６２に対して示したが、追加の容量性素子を設けて、スイッチング比率を一層正確にコントロールすることもできる。さらに、図８は、単一のオンの列と６３個のオフの列を用いて、本実施形態の構想を図示しているが、本発明は６４個以上の列を有するマトリックス用いることだけでなく、他のオン／オフ比率を用いて動作するように意図されている。これにより、行補償ネットワーク１６０は選択的にコンデンサ１７６，１７８，１８０および１８２を電源回路８８を備えた補償構成中に挿入して、これにより補償電流を提供する。
【００６１】
図９を参照すると、行補償ネットワーク１６２および列補償ネットワーク７２の両方を実行するトランスジューサのスイッチングマトリックス１９０が示されている。マトリックス１９０は、１個の列１９２がオンで６３個の列１９４がオフのスイッチング構成を備えている。前述の実施例と同様に、行１２ａが選択されており行１２ｂ〜１２ｄは選択されていない。そのようなアーキテクチャを使用することによって、行のトランスジューサおよび列のトランスジューサ内の両方の電流を補償することができる。列補償ネットワーク７２および行補償ネットワーク１６２は、これらのネットワークの個々の用途を図示するアーキテクチャに関連して前に説明した方法と同様の方法で動作する。補償ネットワークのコンポーネントを適当に選択することによって、所望のスイッチング比率を得ると共に維持することが可能である。
【００６２】
図１０は、２行×６４列から成るトランスジューサのスイッチングネットワーク１９６を示す。このネットワークは、６４個以上または以下の列を採用することもできる。前述したように、いくつかの並列の行に対して１つの列スイッチを使用することによって、システム内の列ドライバのチップおよびワイヤボンディングの数が減るが、このやり方は、ＲＦ列スイッチに対する有効スイッチング比率を制限する可能性がある寄生電流経路が増大する結果をもたらす。この２行のネットワーク１９５は、寄生電流経路のコントロールを改良するために実行される。ネットワーク１９５は、図１２、図１３および図１４のネットワーク１０と同じ構想のもとで機能する。例えば、行１９６および列１９７が選択されると、電流がトランスジューサ１９８を流れることができる。しかしながら、図１３および図１４に関連した説明と同様に、望ましくない電流経路が存在する。このことは結果として、望ましくない電流が選択されないトランスジューサ１９９のようなオフのトランスジューサを通って流れる。
【００６３】
図１１のスイッチングネットワーク２００は、図１０に示したスイッチングマトリックス１９５の単純化した図面である。このスイッチングネットワーク２００には、さらに、図８の行補償ネットワーク１６２と同じ方法で概念的に動作する行補償ネットワーク２０２が含まれる。補償ネットワーク１６２と補償ネットワーク２０２との間の相違は、補償ネットワークが２つの行に対して補償を行うことだけを要求されることに見出される。２行のトランスジューサのスイッチングマトリックス１９５は、行および列の両方の補償ネットワークを用いることは無論のこと、図３の列補償ネットワーク７２などの列補償を用いて設計することもできることはさらに理解されよう。
【００６４】
２行のトランスジューサのスイッチングマトリックスを使用することによって、列ドライバのチップおよびワイヤボンディングの数を、単一の行ネットワークを持つシステムと比較して減少させることができ、一方、３個以上の行を持つトランスジューサのスイッチングネットワークよりも寄生電流経路が生じることは少ない。２行のトランスジューサのスイッチングマトリックスは、行および列の電流経路の補償を行い、信頼性が高いスイッチング比率のコントロールをなし遂げることができる。
【００６５】
図１１において、オン状態とされるコンデンサの組合せを変えることにより、スイッチング比率をスムーズに制御することができる。例えば、いずれもオン状態としない、いずれかのみオン状態とする、Ｃ１とＣ２との双方をオン状態とする、及びＣ３とＣ４との双方をオン状態とするといった組合せが選択可能である。
【００６６】
補償ネットワークでコンデンサについて説明してきたが、ダイオード、トランジスタなどの他の装置を補償電流経路および大きさをコントロールするために使用することができることは理解されよう。さらに、本実施形態は、４および２行の列マトリックスを中心に説明したが、他の大きさのマトリックスも本発明を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  スイッチング比率を向上させるための、本発明の実施形態に係るスイッチングネットワークの詳細な実例を示す回路図である。
【図２】  スイッチング比率を改良するための補償機構を含む図１のスイッチングネットワークにおいて、１つの列がオフで６３個の列が選択された場合での単純化したモデルを示す回路図である。
【図３】  スイッチング比率を改良するための補償機構を含む図１のスイッチングネットワークにおいて、１つの列が選択され６３個の列がオフである場合での単純化したモデルを示す回路図である。
【図４】  スイッチング比率を改良するための補償機構を含むスイッチングマトリックスでの、選択された列の数とスイッチング比率との関係を示すグラフである。
【図５】  音響パワーの供給時間に対する焦点領域内のインク温度の変化を示すグラフである。
【図６】  インクの小滴を放射する、音響式インクのプリントヘッドの模式的な断面図である。
【図７】  スイッチング比率とインクの小滴を放射する焦点領域での加熱との関係を説明するグラフである。
【図８】  １個の列がオンで６３個の列がオフ、かつ１個の行が選択され３個の行が選択されない、４行６４列用の行の補償を示す模式的な回路図である。
【図９】  １個の列がオンで６３個の列がオフ、かつ１個の行が選択され３個の行が選択されない、４行６４列用の行および列の両方の補償を含む、二重の補償ネットワークの模式的な回路図である。
【図１０】  本発明を実行することができる、２行６４列のスイッチングネットワークを示す回路図である。
【図１１】  ６３個の列がオフ状態で１個の列がオン状態の、行の補償を備える２行６４列の模式的な回路図である。
【図１２】  超音波インクプリンタのプリントヘッド用の従来のスイッチングマトリックスを示す回路図である。
【図１３】  従来のスイッチングマトリックスで起こる、選択された行かつ選択されない列のトランスジューサを介した電流漏洩の概念を示すための回路図である。
【図１４】  従来のスイッチングマトリックスで起こる、選択されない行かつ選択された列のトランスジューサを介した電流漏洩の概念を示すための回路図である。
【図１５】  従来のスイッチングマトリックス内の、望ましくない電流経路の詳細な実例を示すための回路図である。
【図１６】  単一の行が選択されかつ６３個の列が選択された場合での、図１２のスイッチングマトリックスを単純化したモデルを示す回路図である。
【図１７】  単一の行と単一の列とが選択された場合での、図１２のスイッチングマトリックスを単純化したモデルを示す回路図である。
【図１８】  従来のスイッチングマトリックスでの、選択された列の数とスイッチング比率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  スイッチングマトリックス、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  行、１４ａ，１４ｂ，１４ｚｚ  列、１６，１８  スイッチング素子、２０  トランスジューサ、２１  グラウンド、２２  ＲＦ電源、２４  マトリックスネットワーク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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