(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響インクジェットプリントヘッドであって、
二つの対向する面を有するシート状のガラス基板と、
音波を生成する複数の変換器と、を有し、
前記複数の変換器は前記シート状のガラス基板の前記対向する面の一方に配置され、
各々が前記複数の変換器の各々に対応する複数の制御回路と、を有し、
前記複数の制御回路の各々は前記複数の変換器の各々に電気的に接続され、
前記各変換器、前記各制御回路、及び前記ガラス基板は、前記各制御回路に供給される第一の電圧レベルに応答して、前記各変換器を所定の共振周波数で発振させる共振システムを構成し、
前記各制御回路はさらに、
前記各変換器が生成した交流信号を前記各変換器にフィードバックすることにより前記各変換器の発振を維持させるフィードバック回路と、
同調ダイオードを含む調節回路であって、前記調節回路に第二の電圧レベルを供給して前記同調ダイオードの容量を変更することにより前記共振周波数を調節する調節回路と、
前記各制御回路に各々が電気的に接続され、前記共振周波数を測定し、前記測定結果に基づいて前記調整回路に供給する前記第二の電圧レベルを選択することにより、前記共振システムを較正する複数の較正回路と
を有し、
前記較正回路は前記第二の電圧レベルとして、前記複数の変換器の各々で生成される音波のスパイクの振幅がスパイク領域にあり、音波のスパイク周波数が最大強度スパイク領域内となる電圧レベルを選択する、音響インクジェットプリントヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響インクジェットプリントに関し、さらに詳細には、単一の最適化された周波数の音波を提供するために、各開口の圧電変換器のための個別の制御回路を有する音響インクジェットプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１を参照すると、従来技術の音響インクジェットプリントヘッド１０の一部分が示される。プリントヘッド１０はハウジング１２を有し、該ハウジング１２はシート状のガラス基板１４及び該ガラス基板１４の上にインク１６を含む。ハウジング１２は複数の開口１８を有し、各開口は一つのピクセル専用である。ガラス基板の下には、複数の圧電変換器２０がある。簡略にするために、以下では「圧電変換器」を「変換器」と呼ぶ。各変換器２０は一つの開口１８専用であり、各開口１８から一直線上に配置される。各変換器２０が作動すると、振動して音波２２を生成する。音波２２はガラス基板１４内をインク１６に向かって進行する。
【０００３】
ガラス基板１４の上には複数のフレネルレンズ２４があり、各フレネルレンズは一つの変換器２０に対応し、各変換器２０から基板１４を隔てて配置されている。フレネルレンズ２４は変換器２０からの音波２２を受け取り、音波を各開口１８に集束させる。集束された波２２によってインクが開口から射出する。
【０００４】
変換器２０は、発振器３０からＲＦ周波数信号を受け取る。発振器３０はＲＦ信号を生成し、これをＲＦ増幅器３２に送出して増幅させる。増幅されたＲＦ信号は複数のＲＦパワースプリッタ３４に送出される。パワースプリッタ３４の各出力は複数の変換器２０に分配される。
【０００５】
各パワースプリッタ３４の出力は、各スイッチＳ1を介して変換器２０のセットに接続されて各変換器２０にＲＦ信号を送出する。スイッチＳ1はピクセル情報によって制御される。ピクセル情報に基づいて、所与のピクセルがインクを必要とすると、各変換器のスイッチＳ1が閉じてＲＦ信号を変換器に送出し、変換器を作動させてインクを開口１８から射出させる。
【０００６】
動作時には、開口１８に集束された音波２２は表面５０によって部分的に反射される。反射された波は元の波２２と干渉する。インク１６又はフレネルレンズ２４のいずれかのインピーダンスがガラス基板１４のインピーダンスに一致しない場合、ガラス基板１４、フレネルレンズ２４及びインク１６のスタックはキャビティとして動作する。以下では、キャビティ（ガラス基板１４、フレネルレンズ２４及びインク１６）と変換器の組み合わせを共振スタックと呼ぶ。元の波の周波数及びキャビティの長さに応じて、反射波は元の波の位相と異なる位相を有することができる。
【０００７】
図２を参照すると、共振スタックの共振分布が示されている。図２は元の音波と反射音波との干渉の影響を示す。図１及び２を参照すると、ガラス基板１４内の反射波が元の波と反対の位相を有する場合、反射波は元の波２２を相殺する（相殺Ｃ）。しかし、反射波が元の波２２と同じ位相を有する場合は、反射波は元の波の振幅を増幅する（スパイクＳ）。同位相又は反位相の二つの極値間のあらゆる位相は、位相が同位相に近いか反位相に近いかによって、元の波に増幅するように又は相殺するように元の波と干渉する。
【０００８】
この方法では、発振器３０からの外部からの周波数が各変換器２０に印加されて変換器を発振させる。典型的には、外部からの周波数がない場合、各変換器２０が発振を始めると、共振スタックによって定められる共振周波数で発振する。通常、外部からの周波数は共振スタックの共振周波数にマッチしないため、変換器２０は共振スタックと共振しない音波を生成する。さらに、製造交差によって各共振スタックが同一の周波数で発振する。
【０００９】
変換器は共振スタックの共振周波数と異なる周波数で発振するため、スパイク又は相殺が起こりうる。観察されるように、スパイクＳは分布のうちの小さな割合、例えば５％を占め、大部分の分布は相殺である。これによって変換器の効率が低下する。さらに、変換器２０によって生成される音波に依存して、音波の強度が非常にばらつく。
【００１０】
この問題は、通常二つの方法で解決される。一つの方法は、ガラス基板１４の上にマッチング層を付着させることである。この層は、インク１６、フレネルレンズ２４及びガラス基板１４のミスマッチするインピーダンスを補償し、反射波の振幅を減少させる。したがって、反射波は元の波と強く干渉しない。
【００１１】
別の方法は、ばらつきのある周波数の音波を生成するために、ＲＦ周波数を掃引又はチャープして変換器の発振の周波数をばらつかせることである。ある範囲内でその範囲の一端から他の端まで周波数を徐々に変化させることを、「掃引」(sweeping)又は「チャープ」(chirping)という。周波数をチャープすることによって、得られる波は異なる周波数を有する全ての波の平均の効果を有し、共振スパイクの問題を平均化して除くことができる。
【００１２】
この構成には幾つかの問題がある。変換器が非効率であるために制御回路３６が多量のＲＦエネルギーを消散する。制御回路３６はアクティブな変換器の数に無関係に十分にオンでなければならない。さらに、変換器に印加される外部からの周波数はチャープされなければならず、これによって変換器で生成された音波がばらつきのある周波数を有する。周波数がばらつくため、あらゆる所与の時間で反射波が異なる位相を有する。したがって、反射波の位相がばらつくことによって、各開口に到達する波が平均の周波数及び振幅を有する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高電力消散をなくすことである。また、本発明の別の目的は、各変換器を個別に制御及び調節して音波が各開口に到達する際の音波の強度を最大化し、液滴を射出するのに要求されるＲＦ電力の正味の量を低減することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、音響インクジェットプリントヘッドが開示され、該音響インクジェットプリントヘッドは、シート状のガラス基板、ガラス基板に配置される複数の変換器、及び複数の変換器の各々に対応する複数の制御回路を有する。  制御回路の各々は各変換器に電気的に接続される。変換器の各々は、各制御回路に応答して各変換器及びガラス基板によって定められた共振周波数で発振するように構成且つ配置される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図３を参照すると、本発明の音響インクジェットプリントヘッド６０が示される。プリントヘッド６０はハウジング６２を有し、該ハウジングはシート状のガラス基板６４、該ガラス基板６４上のインク６６及び複数の開口６８を含む。複数の圧電変換器７０があり、各圧電変換器は開口６８に対応している。各変換器７０は各開口６８から基板６４を隔てて一直線上に配置される。
【００１６】
従来技術と対照的に、本発明では、各変換器７０は、変換器７０、制御回路７２、ガラス基板６４、フレネルレンズ７３及びインク６６の組み合わせによって定められる共振周波数を有する一つの発振器として作用する。しかし、ガラス基板６４、フレネルレンズ７３及びインク６６は依然としてキャビティとしても作用する。本発明では、従来技術のマッチング層が取り除かれてキャビティのＱを増大させることが分かる。
【００１７】
各変換器７０は各制御回路７２に接続される。各変換器７０の一つのプレート７４はＮＰＮトランジスタＴのベースに接続される。トランジスタＴのコレクタは＋Ｖ電圧に接続され、そのエミッタは抵抗器Ｒ1を介して加算器７６に接続される。加算器７６の入力の一方は−Ｖ1電圧に接続され、その第２の入力はスイッチＳ2を介して−Ｖ2電圧に接続される。ピクセル情報ＰＩに応答して、スイッチＳ2は電圧Ｖ2をオン及びオフに切り換える。Ｖ1は０．５〜１Ｖの範囲であり、Ｖ2は１〜３Ｖの範囲である。トランジスタＴのエミッタはコンデンサ７８を介してベースに接続される。トランジスタＴのベースは抵抗器Ｒ2を介して接地される。変換器７０のプレート８０はコンデンサ８４を介して同調ダイオード８２の陰極に接続される。同調ダイオード８２の陰極は抵抗器Ｒ3を介して電圧Ｖoscにも接続される。同調ダイオードの陽極は接地されている。
【００１８】
動作時には、変換器７０をオンにするために、スイッチＳ2は−Ｖ2電圧をオフにするように位置される。したがって、加算器７６は−Ｖ1だけをトランジスタＴのエミッタに送出する。説明のために、−Ｖ1だけがトランジスタＴのエミッタに送出されることに注目されたい。しかし、所望すれば、−Ｖ1、−Ｖ2をトランジスタＴのエミッタに送出して変換器７０をオンにすることができる。＋Ｖ及び−Ｖ1電力線が一旦オンになると、変換器７０は発振を始める。しかし、交流信号（ＡＣ）が変換器７０に入力されないと、変換器の発振は弱まる。
【００１９】
変換器７０は音波７１を生成するだけでなく、各トランジスタＴのベース上にＡＣ信号を生成する。トランジスタＴのベース上のＡＣ信号はトランジスタＴによって増幅され、エミッタに向けられる。増幅信号はコンデンサ７８によってトランジスタＴのベースにフィードバックされる。増幅されたＡＣ信号はベースのＡＣ信号と同じ位相を有するため、フィードバック信号によってベースのＡＣ信号はあるレベルのままとなり、ベースのＡＣ信号が弱まるのを防ぐ。ベースのＡＣ信号をあるレベルに維持することによって、変換器が連続的に発振する。これによって、変換器７０を作動させるための別の発振器、例えば図１の発振器３０の必要性がなくなる。
【００２０】
スイッチＳ2を位置１に置くことによって−Ｖ2電圧を加算器７６から切断し、したがって加算器７６は−Ｖ1電圧をトランジスタＴのエミッタに送出する。これによって変換器７０をハミングレベル(humming level)に維持する。ハミングレベルは、変換器７０を発振モードに維持するレベルである。しかし、ハミングレベルでは、変換器７０によって生成された音波７１の振幅はインクを射出するほど高くない。
【００２１】
射出が要求されると、スイッチＳ2は位置２に切り換えられ、−Ｖ2電圧を加算器７６に接続する。すると、加算器７６は二つの電圧−Ｖ1と−Ｖ2を加算して結果をトランジスタＴのエミッタに送出する。これによって変換器７０によって生成された音波７１の振幅が増大する。増大した振幅によって音波７１はインクを射出するのに十分なパワーを有する。変換器をハミングレベルに維持し、射出時に−Ｖ2電圧を加算することによって、インクを射出する応答時間（波７１の立ち上り立下り時間）が減少する。
【００２２】
音波のパワーをさらに最適化するために、周波数を調節する必要がある。各制御回路７２、ガラス基板６４、フレネルレンズ６３及びインク６６と組み合わされた変換器は単一のユニットとして作用し、これを以下では「共振システム」と呼ぶ。各変換器の初期周波数は変換器及びその制御回路によって定められる。
【００２３】
各変換器に対応するキャビティは図４に示すような共振分布を有する。共振分布は、共振システム内の音波の異なる周波数の影響を示す。音波の周波数に依存して、反射波が元の波と同位相の場合反射波はスパイクＳ’を起こし、反射波が元の波と反対の位相の場合は相殺Ｃ’を起こす。
【００２４】
図３及び４を参照すると、各変換器７０が音波の生成を始める初期には反射波は存在しない。この段階で、各変換器は初期周波数で始動する。音波が表面７５に到達すると、この波は反射される。反射した音波は元の波と干渉するだけでなく、変換器７０に影響を及ぼし、共振システムの周波数が最も近いスパイクの周波数（共振周波数）に向かって引きつけられる。例えば、変換器が１２４ＭＨｚで始まった場合、音波が反射した後、共振システムの周波数は１２５ＭＨｚに変わり、これは最も近いスパイクの周波数である。
【００２５】
典型的には、最も強いスパイクＳM（最大振幅）の周波数の音波を得るのが望ましい。しかし、共振システムの交差に応じて、各変換器は異なる周波数で始動する。したがって、周波数を共振システムの最も強いスパイクの所望の周波数に調節するために各共振システムの全容量を調節する必要がある。
【００２６】
図３では、共振システムの発振の周波数（共振周波数）は同調ダイオード８２によって調節することができる。テスト／同調ステーションによって生成された電圧であるＶOSCを調節することによって、同調ダイオード８２の容量を変更することができ、これがまた各共振システムの全容量を変更する。これにより変換器の共振周波数が変化する。ＶOSCの電圧レベルを調節することによって、プリントヘッドの変換器の音波に最大のパワーが提供される。
【００２７】
しかし、図５を参照すると、本発明の別の好適な実施の形態が示される。図５では、図３の要素と同じ機能及び目的を持つ全ての要素には同じ参照番号がつけられる。図５の実施の形態では、各変換器の同調ダイオードは各電圧を受け取り各変換器の共振周波数を個々に調節する。
【００２８】
この方法では、ブロック９１が各制御回路７２に追加されて各変換器７０の同調ダイオード８２を個々に調節する。ブロック９１では、ＶOSCがマルチプレクサ９２に接続される。各マルチプレクサ９２はデータ分配器９３の出力Ｅ0〜ＥNのうちの一つに接続される。分配器９３はマルチプレクサ９２毎に一つの出力を有する。較正のために、所与の時間でデータ分配器９３はマルチプレクサ９２の一方のみを選択し、変換器７０の調節ダイオード８２を調節する。
【００２９】
各ブロック９１では、ＶOSCはアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）９４にも接続される。ＡＤＣ９４の出力はメモリ９６に接続され、メモリ（ＭＥＭ）９６の出力はデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）９８に接続され、ＤＡＣ９８の出力はＶOSC1としてマルチプレクサ９２に接続される。
【００３０】
較正ブロック９５は全ての制御ブロック７２及びブロック９１に接続される。トランジスタＴのベースはＲＦ検出器１００及び較正ブロック９５の周波数モニター１０１に接続される。ＲＦ検出器１００は変換器７０によって生成されたＡＣ信号によって音波のスパイクの振幅を測定する。ＲＦ検出器１００の出力はコンパレータ１０２に接続され、該コンパレータ１０２は基準電圧ＶREFも受け取る。ＶREFは、変換器７０からのＡＣ信号の許容可能な電圧レベルである。コンパレータ１０２はＲＦ検出器１００の出力とＶREFを比較し、ＶREFのほうが高い場合、音波はスパイク領域にないことになる。この場合、コンパレータはラッチ１０４に「０」を送出する。しかし、ＲＦ検出器１００の出力がＶREFより高い場合は音波はスパイク領域にあるため、コンパレータは「１」をラッチ１０４に送出する。
【００３１】
周波数モニター１０１は、変換器７０によって生成されたＡＣ信号によって音波のスパイクの周波数を測定する。周波数モニター１０１の出力はプロセッサ１０３に接続される。プロセッサは周波数モニターの出力と周波数の狭い範囲Ｎを比較する。範囲Ｎは最大強度スパイクの周波数の予測される範囲である。プロセッサ１０３は周波数モニター１０１の出力と範囲Ｎを比較し、範囲Ｎ内にあれば音波は最大強度スパイク領域にあることになり、プロセッサ１０３はラッチ１０４に「１」を送出する。しかし、周波数モニター１０１の出力が範囲Ｎ外である場合、音波は最大強度スパイク領域になく、したがってプロセッサ１０３はラッチ１０４に「０」を送出する。
【００３２】
動作時に、同調ダイオード８２によって各変換器７０を較正するために、Ｅ0〜ＥNのうちの一つが各マルチプレクサ９２をイネーブルする。イネーブルされると、マルチプレクサ９２は較正モードに入り、ＶOSC入力を自動的に選択し、同調ダイオード８２に送出する。ＶOSCは０〜１５Ｖの傾斜電圧である。ＶOSCが増大すると，変換器７０によって生成されＲＦ検出器１００によって測定されたＡＣ信号の電圧（出力電圧）も増大する。
【００３３】
コンパレータ１０２及びプロセッサ１０３の一方又は両方の出力電圧が「０」である限り、ラッチ１０４は作動せず、増大するＶOSCはメモリ９６に保存される。ラッチ１０４がコンパレータ１０２及びプロセッサ１０３の両方から「１」を受け取ると、メモリ９６を現行の値にラッチする。コンパレータ１０２及びプロセッサ１０３の両方が「１」を送出すると、それは周波数が最大強度スパイク領域にあることを意味する。したがって、ラッチはこのＶOSCの値をメモリ９６に保存する。
【００３４】
マルチプレクサ９２がディスエーブルされると、該マルチプレクサは較正モードから抜けて、メモリ９６の値であるＶOSC1を選択し、この値は音響インクジェットプリントヘッド９０の通常の動作中に同調ダイオード８２に入力される。
【００３５】
図３及び５の両方の実施の形態において、制御回路はプリントヘッドのチップ以外の別個のチップに製造されることに注目されたい。そして二つのチップはフリップチップボンディングによって互いに接着される。
【００３６】
この回路７２は、従来技術の回路３６に比べて多数の利点を有する。図３及び５では、各変換器７０は個々の制御回路７２を有するため、全ての変換器を作動させるための大きな電源が必要ない。代わりに、各制御回路７２は従来技術の制御回路３６に比べてあまりパワーを必要としない。さらに、各変換器は単一の周波数且つ最大パワーを有する波を生成するので、チャープの必要がなくなる。
【００３７】
本明細書中に定められた本発明の精神及び範囲から逸脱しないかぎり、構成の詳細、要素の組み合わせ及び配置における多数の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のインクジェットプリントヘッドを示す図である。
【図２】キャビティの共振分布を示すグラフである。
【図３】本発明の音響インクジェットプリントヘッドを示す図である。
【図４】図３のプリントヘッドのキャビティの共振分布を示すグラフである。
【図５】本発明の音響インクジェットプリントヘッドの好適な実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１０、６０、９０    音響インクジェットプリントヘッド
１４、６４    ガラス基板
１６、６６    インク
１８、６８    開口
２０、７０    圧電変換器
７２    制御回路
【図１】
0004417487.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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