(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極、圧電性物質及び上部電極を積層した平面音響波トランスデューサと、
前記平面音響波トランスデューサの前記上部電極側に設けられ、前記下部電極及び前記上部電極に電圧を印加することによって前記平面音響波トランスデューサから発せられる音響波を受けて、前記音響波を液体の集まりの表面にフォーカスさせる音響レンズと、
の組み合わせをアレイ状となるように複数配置し、
前記アレイに含まれる複数の前記平面音響波トランスデューサに設けられた前記上部電極の面積が不均一となるように、前記アレイに含まれる複数の前記平面音響波トランスデューサの前記上部電極がドーナツ状に加工されていることを特徴とする音響小滴噴出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の音響小滴噴出装置であって、
前記アレイの中央部に配置された前記平面音響波トランスデューサの前記上部電極に対して、前記アレイの端部に配置された前記平面音響波トランスデューサの前記上部電極の面積が大きくなるように、前記アレイに含まれる複数の前記平面音響波トランスデューサに設けられた前記上部電極が加工されていることを特徴とする音響小滴噴出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音響インク印刷（ＡＩＰ）に関し、特に印刷の均一性の増加のための改善された印刷ヘッドトランスデューサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡＩＰはインクを直接、記録媒体に移す方法であり、他の直接印刷法に比べて幾つかの利点がある。重要な利点の一つは、従来のオン・デマンドで落とすインクジェットプリンタ及び連続的な流れのインクジェットプリンタが経験した多くの信頼性の問題（すなわち詰まり）や画像素子（すなわち画素）の配置の正確性の問題の原因となるノズルや放出口を必要としない点である。ＡＩＰは、オン・デマンドで落とすノズルベースのインクジェット印刷に関連する詰まり及び製造の問題を回避するので、将来的に有望な直接的に印を付ける技術として期待される。つまり、焦点を合わされた音響エネルギのバーストが、小滴を液体の自由表面から記憶媒体上に噴出する。小滴噴出サイトに対して記憶媒体が相対的に動く間の噴出処理を制御することにより、所定の像が形成される。
【０００３】
他の種類のプリンタと競争できるようにするためには、音響インクプリンタは、低コストで高質の像を生じる必要がある。このような要求を満たすためには、半導体の組立てに使われる技術に類似した技術を使い多数の個々の小滴噴出装置を備える印刷ヘッドを組立てるのが都合が良い。特定のＡＩＰの組み込み方は様々で、追加の構成要素が使われる場合もあるが、各小滴噴出装置は、超音波トランスデューサ（本体の一つの表面に取付けられる）、小滴噴出装置のＯＮ／ＯＦＦ状態を切替えるためのバラクタ、音響レンズ（本体の裏面側に設けられる）、及びインクの自由表面が音響レンズの音響焦点領域の近くになるようインクを保持する空洞を含む。個々の小滴噴出装置は、それに関連する行と列の選択によって選択することが可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
音響インク印刷は数々の製造上のパラメータの影響を受ける。この製造上のパラメータには、トランスデューサの圧電材の厚さ、その応力及び組成の違い、上部電極への電線の結合取付及び上部電極の厚さによるトランスデューサ負荷効果、音響波焦点変分に影響を与えるインクチャンネル間隙制御、インクメニスカスの不適当なピン止めの起因となる開口部の変分、行電極に沿ったＲＦ分布の非均一性、伝送線路における電磁反射、音響カプリング効率の変分、及び各トランスデューサに関連する構成要素の変分を含む。製作に制約があるため、これらの変数を十分に制御することはできない。この変数の結果、印刷ヘッドの端部間での非均一な印刷等といった非均一性印刷プロファイルが生じることがある。非均一な印刷の一種が、固定したパターンの「フラウン」（ｆｒｏｗｎ）効果であり、これは印刷領域の中央部のインクの強度が、印刷領域の外側の端よりも強くなる効果である。
【０００５】
典型的な「フラウン」効果を図１のテスト印刷パターンＡに示す。「フラウン」効果は、非均一な小滴、すなわち様々な大きさ、噴出速度、噴出周波数、及び／又はその他の特徴の小滴、によって引起こされる。「フラウン」効果に加えて、他の起こりうる非均一印刷の中には「スマイル」効果があり、これは印刷ヘッドの縦方向に垂直な方向の印刷に非均一性がある時に起こる効果である。非均一な小滴噴出速度は、整列していない小滴を生じることがある。この非均一な小滴によって最終的な像の質が容認できないほどまでに下がる場合もある。よって、他の非均一パターンはもちろん、「フラウン」効果及び「スマイル」効果において音響インク印刷の小滴の均一性を改善する必要が存在する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液体が集まった領域の表面から小滴を噴出する音響小滴噴出装置であり、下部電極、圧電性物質及び上部電極を積層した平面音響波トランスデューサと、前記平面音響波トランスデューサの前記上部電極側に設けられ、前記下部電極及び前記上部電極に電圧を印加することによって前記平面音響波トランスデューサから発せられる音響波を受けて、前記音響波を液体の集まりの表面にフォーカスさせる音響レンズと、の組み合わせをアレイ状となるように複数配置し、前記アレイに含まれる複数の前記平面音響波トランスデューサに設けられた前記上部電極の面積が不均一となるように、前記アレイに含まれる複数の前記平面音響波トランスデューサの前記上部電極がドーナツ状に加工されている。ここで焦点を合わされた音響波は、液体領域の表面近くの制限された領域内に集中し、その制限された領域の液体を高いエネルギ準位に音響的に励起させ、これによりオン・デマンドで所定の直径の小滴を液体の集まりから推進させることが可能になる。
さらに、前記アレイの中央部に配置された前記平面音響波トランスデューサの前記上部電極に対して、前記アレイの端部に配置された前記平面音響波トランスデューサの前記上部電極の面積が大きくなるように、前記アレイに含まれる複数の前記平面音響波トランスデューサに設けられた前記上部電極が加工されていてもよい。
【０００７】
本発明は更に、小滴噴出装置のトランスデューサのアレイに選択的に供給された電気入力に応じて小滴を噴出する小滴噴出装置のアレイの端部間での印刷均一性を改善する方法を提供する。トランスデューサは、列と行のアレイに配置される。提供される方法は、（ｉ）目的の書類にテストパターンを印刷し印刷の均一性を決定するステップ及び（ｉｉ）対応する小滴噴出装置から小滴を噴出させる個々のトランスデューサに適用されるしきい値を測定するステップの少なくとも一つのステップを含む。（ｉ）又は（ｉｉ）の少なくとも一つに基づきトランスデューサの端部間でのしきい値噴出プロファイルが取得される。取得された端部間でのしきい値噴出プロファイルに基づき過度に効率的と決定されたトランスデューサは、小滴噴出装置アレイの全域での噴出の均一性を増加させるように、効率を低下させる調整（離調と称する）が行われる。
【０００８】
本発明の方法は更に、少なくとも（ｉ）テストパターンを印刷するステップ及び（ｉｉ）個々のトランスデューサのしきい値を測定し小滴噴出装置アレイの印刷の均一性の増加を確認するステップ、を繰返すステップ及び小滴噴出装置アレイのリソグラフィ処理に使うために上部電極の面積形状を行上部電極マスクに符号化するステップを示す。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を特定の実施形態に関して詳細に説明するが、これらの実施形態に制限する意図はないものと理解すべきである。むしろ、この実施形態の説明の狙いは、付属の請求項によって定義される本発明の精神及び範囲内の全ての変更、代案、及び同様のものを含有することである。下記の記述は、「フラウン」効果を除去し端から端の印刷プロファイルを改善することに焦点を合わせているが、ここに説明する概念を、他の印刷パターンはもちろん、上から下の印刷パターン、すなわち「スマイル」効果の改善に適用することもできる。
【００１０】
ここで図に注意を向け、図２において、音響インク印刷ヘッドの部分断面図を示し、特にそのような印刷ヘッドの個々の音響インク噴出装置Ｂを示す。噴出装置Ｂは基板１０、例えばガラス基板を有する。基板１０の下部表面にはトランスデューサ１２が配置される。より詳しく述べると、トランスデューサ１２の上部電極の役目を果たすために、薄いＴｉ−Ｗ層の上部電極１８が堆積される。ＺｎＯ等の別個の圧電物質の層１６が層１８上に成長させられる。圧電層１６の反対表面には、別個の下部電極１４、例えばアルミニウム又は四分の一波長の厚さの金の薄い層（すなわち１マイクロメートル）が設けられる。下部電極１４は例えば３４０マイクロメートルの直径を持つ場合がある。上部及び下部電極は、従来通りに変調されたＲＦ電力の電源２０に接続される。
【００１１】
フレネルレンズ又は球形レンズ等の音響レンズ２２が、トランスデューサ１２の上の基板１０の上部にエッチングされる。基板１０の上には上部板２４が配置され、開口部２６を定義する。上述の構成は、従来の技法に従って製作することができる。
【００１２】
運転中は、トランスデューサ１２からの音エネルギがレンズ２２の方に上に向かって向けられ、レンズがこのエネルギの焦点を、トランスデューサ１２の上のインクなどの液体の集まり３０の上部表面２８の領域に合わせる。レンズ２２はトランスデューサ１２からの音波を凝縮し表面２８を乱し小滴３２を噴出させる。
【００１３】
図２に示すような個々の音響小滴噴出装置は通常、音響小滴噴出装置のアレイの一部として製作される。図３は、トランスデューサ１２のようなトランスデューサのアレイの個々の上部電極１８のアレイ３３を上から下へと示す略図である。典型的なＡＩＰ印刷ヘッドは８行と１２８列の個々の小滴噴出装置を備える場合がある。典型的な配置では、各噴出装置が対応するトランスデューサ１２を備え、更にこのトランスデューサが対応する上部電極１８を備える。便宜上、図３はアレイ３３の一部を示す。上述の数値は典型的な数値であるが、それよりも多い又は少ない数の噴出装置を備えたＡＩＰ印刷ヘッドを構成できることにも留意すべきである。
【００１４】
アレイ３３の上部電極に対応する噴出装置のアレイは、適切なパターンを一枚の紙又はその他の目的書類上に生じるために選択的に電圧を加えられる。これは、所定の切替パターンによって達成される。
【００１５】
図４は一連の印刷テストパターンの図であり、印刷ヘッドに様々な準位のエネルギが供給された時の印刷ヘッドの能力を示す。特に、図示するのは、７．０デシベルから３．５デシベルの範囲の電力準位出力であり、Ｖｃｏ ｏｆｆｓｅｔ＝２．６５ボルトである（１６５メガヘルツのＲＦ搬送周波数に対応する）。
【００１６】
従来の技術によって、すなわち図３に示す上部電極アレイを使って、構成された印刷ヘッドに７．０デシベルの電力が供給されると、目的の書類には少量のインクが運ばれる。デシベル準位が下がるに従って、より多くの電力を印刷ヘッドに提供し、目的の書類には、より多くのインクが塗布されることを見ることができる。図４に示す印刷テストパターンは、上述の「フラウン」効果の概念を示す。しかしながら、印刷テストパターンが再検討された場合、中央部分の強度を提供する６．０デシベルの印刷パターンは、望ましい強度値であると考慮される。しかしながら、６．０デシベルテストパターンの縁はインクの欠乏を示し、よって不十分な強度を示す。３．５デシベルのテストパターンを再検討すると、中央部分は、インクが過度に集中しているが、縁は適切な準位と決定される。
【００１７】
この調査により、複数の噴出装置を有するアレイ、すなわち各々が１２８の噴出装置を有する８行のアレイ等、では、製造プロセスはもちろんスイッチングに関する条件が、このようなアレイにおいて行の終わり近くに位置する噴出装置に比べて中央の噴出装置をより効率的にするという傾向が示された。従って、本発明の発明者は、印刷ヘッドの端から端の噴出装置のより均一な運転を提供するための調査に着手した。
【００１８】
アレイ３３内の選択された位置での個々の上部電極１８の面積の変更が、ＡＩＰ印刷ヘッドの端から端の均一な印刷能力の改善を提供することが判明した。
【００１９】
個々の噴出装置の離調は選択された上部電極の一部を除去することによって達成される。離調行為は、上部電極を変更され離調された噴出装置の効率を悪くする。従って、印刷ヘッドアレイの中央の列近くに位置する噴出装置は、縁近くに位置する噴出装置よりも高程度の離調を必要とする。適切な量及び適切なパターンで離調することによって均一な印刷を達成する。図５及び図６は一部を除去した上部電極３４及び３６を示す。図５は１６個の上部電極３４の行を示し、様々な量の内側の一部が除去され、したがって上部電極３４の外側の周縁部を保持する。この除去は、「ドーナツ」形状を形作る。除去された面積が大きければ、離調も大きくなる。図５とは反対の構成として、図６は電極３６の外側部分を除去し「ドット」電極を形成したものを示す。図５と同様に、除去された面積が大きければ離調の効果も大きくなる。図５及び図６は、１．０の面積比（少しの面積も除去されていない）から０．４５の面積比（面積の５５％が除去された）まで離調された上部電極を示す。除去される面積の比率は、より高い程度に洗練することができること及び印刷ヘッドに採用される場合に、電極の特定のパターンは印刷ヘッドの特徴に依存することを理解すべきである。
【００２０】
上述の離調の効果を図７から図９に示す。図７は、様々な面積比を持つ「ドーナツ」形状のトランスデューサ、すなわち「ドーナツ」形状の上部電極を備えるトランスデューサの効果を曲線で示す。このグラフは、デシベルで表わされた変換損とメガヘルツで表わされた周波数との関係を曲線で示す。噴出周波数がおよそ１６５メガヘルツの時、１．０の面積比（１．０とは面積が少しも除去されていない状態）を持つ「ドーナツ」形状のトランスデューサ３８は、変換遺失が４１デシベルである。しかしながら、「ドーナツ」形状で０．７５の面積比（これは面積の２５％が除去されたことを意味する）を持つトランスデューサ４０では、変換損はおよそ４８デシベルである。最後に、「ドーナツ」形状で０．５０の面積比（すなわち面積の半分が除去された）を持つトランスデューサ４２では、搬送周波数で５５デシベルの変換損を被ることが判明した。５５デシベルの変換損の「ドーナツ」形状のトランスデューサは、４８デシベルのトランスデューサよりも電力効率が悪い。そして、４８デシベルのトランスデューサは、４１デシベルのトランスデューサよりも電力効率が悪い。
【００２１】
通常は、変換損が少なくできる限り電力効率が良いトランスデューサを製作することが望まれる。しかしながら、ここで述べる印刷の均一性のためにトランスデューサを離調するには、トランスデューサの電力効率を悪くすることが望まれる。
【００２２】
図８は、「ドット」形状のトランスデューサにおける同様の結果を示す。特に、完全に形成された（すなわち面積比が１．０の）トランスデューサ４４の効率は、それぞれ０．７５及び０．５０の面積比を持つ「ドット」形状のトランスデューサ４６及び４８よりも変換損が少なく、よって、より効率良く動作している。同様に、０．７５の面積比を持つ「ドット」形状のトランスデューサは、０．５０の面積比を持つ「ドット」形状のトランスデューサよりも高い効率で動作する。
【００２３】
図９は、両方が０．７５の面積比を持つ「ドット」トランスデューサ５０と「ドーナツ」トランスデューサ５２においての同様の動作特性を確認する。「ドーナツ」形状のトランスデューサが「ドット」形状のトランスデューサよりも少しだけより効率的に離調を行うことが示される。
【００２４】
図７から図９に関しての上述の説明は、噴出装置の動作特性が上部電極の面積に依存することを示す。
【００２５】
上の理解をもとにして、往復反響插入損と面積比の関係の研究に着手した。この研究では、様々な面積比の「ドーナツ」及び「ドット」構成の装置を通じて超音波が送信され、その後、装置の基板の後ろ側から出てきた反射が記録された。結果は、オシロスコープによって監視され、そして曲線に表わされた。上述した検出は、送信中に音が下に行きまた上に上がってくるので往復の検出である。插入損は、およそ１６５メガヘルツ（すなわち図１に示すような噴出装置の搬送周波数）の周波数の超音波パルスに基づく。図１０は、「ドーナツ」形状のトランスデューサ５４及び「ドット」形状のトランスデューサ５６では面積比が少なくなるに従って大きな傾きで插入損が増加することを証明する。
【００２６】
図１１は、図１０の往復反響插入損と面積比の関係を示すチャートを正規化した図である。特に、面積比が１と等しい時にデシベル損がゼロに設定されている。このグラフは次に、単一軌道反響插入損と面積比の関係を表わし正規化された図１２のグラフに置き換えられる。ここで判明した情報は、特定の端から端のテスト印刷パターンのために適切な離調を選択する時に有効である。特に図４においては、６．０デシベルのテストパターンの中央領域が望ましいレベルの濃度を有し、端部が不十分な濃度であることが示されていた。更に、３．５デシベルでは、テストパターンの中央部分が過度、すなわち高すぎる強度にて印を付けられていたのに対して外側の縁は適切に印を付けられていると考えられた。
【００２７】
上記の情報を使い、中央部分を含む端から端への適切な印付けが存在するには２．５デシベルの範囲があると決定できる。これは次に、面積比が１．０に等しい場合離調の効果がなく上部電極１８の一つの面積の除去による插入損がないことを示す図１２からの情報に関連して使われる。したがって、１．０の面積比を印刷ヘッドの噴出装置の行の外側の縁の上限値として提供し、噴出装置の望まれる方法での運転は２．５デシベルの範囲があることを理解することで、図４に示すテスト印刷に基づきインクを塗布する印刷ヘッドのための、中央噴出装置に関連する上部電極のための望まれる面積比がおよそ０．７５の面積比（「ドーナツ」形状のトランスデューサの場合）であることを決定することができる。
【００２８】
上述の情報を使い、アレイ３３にあるような電極の行で様々な範囲の離調した上部電極を一番高い離調の中央の列から外側に広がって形成することができ、「フラウン」効果無しの均一の印刷出力を許す。より効率的な噴出装置は離調されその効率が下げられ、行の外側の縁の噴出装置と機能的に一致させられる。この特定の実施形態では面積比の範囲が１．０から０．７５のものを示したが、他の面積比が印刷ヘッドのために有効であると決定することもできる。
【００２９】
また、発明者は、トランスデューサ装置のキャパシタンス（特に６００ｄｐｉの印刷ヘッドでは０．５ピコファラド（ｐＦ））が離調によって低減されたことも測定した。装置の周縁部の増加によって縁のキャパシタンスも増加する場合もある。
【００３０】
上部電極の均斉のとれた対称的な面積の削減が、不必要なトランスデューサの位置誤りを避けるために好適である。よって、対称的な形状を保持するように上部電極の対称的な部分を除去することが望ましい。これを達成するための一つの方法は、丸い開口部を持つレーザを使うことである。
【００３１】
本発明は、ＡＩＰ印刷ヘッドを使った場合のより良い印刷均一性を達成する方法を示す。本発明は、ＡＩＰ印刷ヘッドで観察されてきた、印刷ヘッドの端から端の典型的な固定パターン「フラウン」効果を扱う。本発明の方法は、通常の印刷ヘッド処理及び組立て処理に加え、固定されたパターン訂正処理を伴う。特に、初期の印刷テスト又は端から端の放出の測定の初期のしきい値の後、トランスデューサの端から端の放出しきい値プロファイルが獲得される。これは、単一の与えられた電力状態において噴出装置によって作られた印刷を見ることにより視覚的に達成することができる。また、それぞれの個々の噴出装置の放出しきい値の調査によってこの端プロファイルを取得することもできる。
【００３２】
本発明の一つの実施形態では、修正の第一のステップに上部電極のレーザトリミングを用いて、トランスデューサを所定の量、離調する。中央の列近く等の強く噴出するトランスデューサは、行の終わりに位置するトランスデューサよりも大量に離調される。上部電極の面積を選択的なレーザトリミングによりトランスデューサの印刷効率が効果的に低減させられる。そして、レーザトリミングの後に続く印刷テストによって印刷均一性の改善が確認される。
【００３３】
次にこの作業を代表の印刷ヘッド全域で行いトランスデューサ離調プロファイルが確立される。次に一次修正のために必要な面積及び形状の変化を行電極処理マスクに符号化する第二のステップに着手する。特に本発明は、リソグラフィー処理の下で作られた印刷ヘッドに編入できることを構想する。修正の第三のステップは、一次修正を行電極マスクに編入した後に更に洗練するステップを含む。
【００３４】
一次修正のマスクへの編入は、処理の中で単一のマスク構成を調整することを必要とする。一旦適切なトランスデューサアレイの構成が決定され、トランスデューサアレイマスクに符号化されると、複数の音響小滴噴出装置印刷ヘッドの製作に使うことができる。
【００３５】
トランスデューサの上部電極は共通の行電極を形成するために共に接続されているので、上部電極の効果的な面積を低減することは、行電極のＲＦ電流運搬能力に影響を及ぼすかもしれない。よって上述は、行電極の効力を制限せずに除去できる上部電極の面積に制限をかける場合もある。この問題を解決する方法は、上部電極の厚さを処理調整し導電率を向上させることである。ＲＦ給電の位置を行に沿って調整することによって、ＲＦ電流運搬能力を更に向上させることもできる。
【００３６】
望まれるパターンを取得するためにレーザトリミングを使うことに加え、コンピュータを使ったシミュレーションによる修正に着手することはもちろん、マスクへの編入なしにレーザトリミングを使いその後修正したトランスデューサアレイを直接マスク構成に符号化するという考えもある。
【００３７】
上述から本発明の原理の数々の変更及び変化が当業者には明らかになるであろう。よって、図に示されたもの及び明細書に記載されたものと同等の関係を持つ全てが本発明に含まれることを意図する。
【００３８】
従って、上述の説明は本発明の原理を示すためにのみと考慮される。更に、数々の変更及び変化が当業者には直ちに明らかになるので、本発明を正確にここに示され説明された構成及び作業に制限することは望まれず、従って適切な変更及び同等のもの全ては本発明の範囲内に含まれると言及する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  端部間でのフラウン効果を示す図である。
【図２】  音響インク印刷の印刷ヘッドの断面図である。
【図３】  上部電極アレイの平面図である。
【図４】  様々なテスト印刷パターンの図であり、端から端の非均一性印刷を示す。
【図５】  本発明によるトランスデューサの「ドーナツ」形状の上部電極の部分集合を示す図である。
【図６】  本発明によるトランスデューサの「ドット」形状の上部電極を示す図である。
【図７】  様々な面積比を持つ「ドーナツ」上部電極の変換損を示す図である。
【図８】  様々な面積比を持つ「ドット」上部電極の変換損を示す図である。
【図９】  面積比０．７５において「ドーナツ」と「ドット」上部電極を比較した図である。
【図１０】  「ドーナツ」及び「ドット」上部電極のための往復反響插入損と面積比の関係を示すグラフで示す図である。
【図１１】  「ドーナツ」及び「ドット」上部電極の正規化された往復反響插入損と面積比の関係をグラフで示す図である。
【図１２】  「ドーナツ」及び「ドット」上部電極の正規化された単一軌道反響插入損と面積比の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０  ガラス基板、１２  トランスデューサ、１４  下部電極、１６  圧電物質、１８  上部電極、２０  電源、２２  音響レンズ、２４  上部板、２６  開口部、２８  上部表面の領域、３０  液体の集まり、３２  小滴、３３  上部電極のアレイ、３４  ドーナツ形状の上部電極、３６  ドット形状の上部電極。
【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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