(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アコースティックインク印刷システムであって、
前記システムは、入力アコースティックパワーとインク表面での出力アコースティックパワーとの関係を示すパワー変換関数であって、出力アコースティックパワーのパワーレベルが第一のパワーレベルより高い領域において非線形性を有するパワー変換関数を有し、
印刷の際にインク表面からインクの小滴を噴射するための出力アコースティックパワーであって、第一のパワーレベルよりも高いパワーレベルの出力アコースティックパワーを生成する手段を有する、
ことを特徴とするアコースティックインク印刷システム。
【請求項２】
アコースティックインク印刷システムであって、
このシステムは、入力アコースティックパワーとインク表面での出力アコースティックパワーとの関係を示すパワー変換関数であって、出力アコースティックパワーのパワーレベルが第一のパワーレベルより高い領域において非線形性を有するパワー変換関数を有し、
圧電変換器と、
前記圧電変換器に取付けられたガラス基板と、
一つの焦点距離を持ち前記ガラス基板上に形成されたレンズと、
一つの直径を持つ開口を備え、前記基板から間隔をあけて配置される液体水準制御プレートと、
前記プレートと前記ガラス基板との間に配置され、表面が前記開口によって外部にさらされるインクと、
を有し、
焦点距離と開口直径との比は、印刷の際にインク表面からインクの小滴を噴射するためのインク表面での出力アコースティックパワーが第一のパワーレベルより高い第二のパワーレベルで発生されるように設定されることを特徴とするアコースティックインク印刷システム。
【請求項３】
アコースティックインク印刷システムのためのアコースティックインク印刷方法であって、前記アコースティックインク印刷システムが、レンズがその上に形成されたガラス基板に取付けられた圧電変換器と、開口を備え前記基板から間隔をあけて配置される液体水準制御プレートと、前記プレートと前記ガラス基板との間に配置されその表面が前記開口により外部にさらされるインクと、を備えるとともに、入力アコースティックパワーとインク表面での出力アコースティックパワーとの関係を示すパワー変換関数であって、出力アコースティックパワーのパワーレベルが第一のパワーレベルより高い領域において非線形性を有するパワー変換関数を持つ、印刷方法であって、
印刷の際にインク表面からインクの小滴を噴射するためのインク表面で発生される出力アコースティックパワーが第一のパワーレベルより高い第二のパワーレベルになるようなパルス幅をもつ無線周波数信号を生成し入力パワーを供給するステップと、
生成された信号を圧電変換器に適用するステップと、
前記適用に基づきガラス基板を通じて音波を伝搬させるステップと、
レンズによって音波を集束させるステップと、
集束された音波をインクを通じて伝搬させるステップと、
集束された音波に基づき開口を通じてインク表面からインクの小滴を噴射するステップと、
を含むことを特徴とするアコースティックインク印刷方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、システム内の非線形特性を操作することにより均一性を向上するアコースティック（ａｃｏｕｓｔｉｃ）インク印刷方法及びシステムに関し、特に、システムの非線形性が開始点であるパワーレベルに対してシステムのアコースティックパワー出力を操作することに関する。これは本発明では様々な技法によって達成され、非線形性が開始されるパワーレベルを低減すること、及び／又は動作又は出力パワーレベルを増大し、動作パワーレベルが開始パワーレベルよりも高くなるようにすることを含む。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
背景として、アコースティックインク印刷は、インクの液だまりから印刷媒体に向かってインクの小滴を噴射することを伴う。音波が生成され、インクの液だまりの表面に向かって集束し、そこから小滴を噴出する。アコースティックインク印刷部材は様々な形式をとりうるが、このような部材は典型的には圧電変換器と、レンズと、インクの噴射を可能にするために開口部を備えるカバープレートと、対応する配線と、を有する。約１０００以上のこれらの部材が単一の印刷ヘッドに配置されうることを理解されたい。
【０００３】
アコースティックインク印刷システムの問題点は、システムに非均一性を生じる様々な要因に影響されやすいことである。このような非均一性は、噴射された小滴の非均一性を引き起こし、よってシステムが実行する印刷の精度、正確さ、及び質を低減するため、望ましくない。
【０００４】
非均一性の要因は数多く存在する。例えば、カバープレートが完全に平坦でなく、小滴が噴射されるインク表面が噴射器間で異なる場合もある。非均一性のもう一つの要因はレンズの構成にある。これは、インク表面からの小滴の噴出を可能にする波の集束効率に影響を及ぼす。
【０００５】
非均一性のその他の要因は、圧電素子に起因する。例えば、圧電素子の非均一な厚さが、印刷ヘッドに渡っての動作の均一性に影響を及ぼす場合がある。これに加え、圧電素子に内在する特定の特性（例えば電気的な信号と音波との間の結合を決定する電気機械的結合係数）が素子内の場所によって異なる場合もあり、これが動作の均一性に悪影響を及ぼす。
【０００６】
システムの非均一性のさらにもう一つの要因は、印刷ヘッドに典型的に印刷される配線パターンにある。電源から異なる部材への距離が異なることにより、これらのパターンの抵抗及びリアクタンスが非均一性の要因となっていることを理解すべきである。
【０００７】
本発明は、上述及びその他の問題点を解決する新しい向上したアコースティックインク印刷方法及びシステムを視野に入れる。この方法及びシステムは、システムの非線形特性を操作し、そこに存在する非均一性を補償する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
アコースティックインク印刷システムの均一性をシステムの非線形特性の操作により向上させるアコースティックインク方法及びシステムが提供される。本発明は、様々な方法により、システムの非線形性の開始点であるパワーレベルよりも高いパワーレベルで動作することを含む。
【０００９】
本発明の一つの態様によれば、インクの密度を低減する。
【００１０】
本発明のもう一つの態様によれば、インクの非線形性定数を増大する。
【００１１】
本発明のもう一つの態様によれば、レンズのＦ数を増大する。
【００１２】
本発明のもう一つの態様によれば、音波の周波数を増大する。
【００１３】
本発明のもう一つの態様によれば、インクを通じての音波の音速を低減する。
【００１４】
本発明のもう一つの態様によれば、入力ＲＦ（無線周波数）パルスのパルス幅を短縮し、ピーク動作パワーレベルを増大する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ここで図面を参照するが、図面は本発明の好適な実施形態を説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。図１に本発明を適用可能なアコースティックインク印刷システムの有するアコースティックインク印刷部材１０の一例を示す。もちろん、他の構成に対して本発明を適用することもできる。
【００１６】
図示するように、部材１０はガラス層１２を有し、このガラス層１２は、電極層１４をその上に備える。圧電層１６が、好適には酸化亜鉛で形成され、電極層１４上に配置され、電極１８が圧電層１６上に配置される。電極層１４及び電極１８は、象徴的に２０として示す表面配線パターンとケーブル２２とを通じて無線周波数（ＲＦ）電源２４に接続され、この電源２４は電極層１４及び電極１８に送られる電力を発生させる。電極層１４の反対側には、好適には同心フレネルレンズであるレンズ２６が形成される。液体水準制御プレート２８がレンズ２６から間隔をおいて配置され、このプレートは開口部３０を備える。インク３２は液体水準制御プレート２８とガラス層１２との間に保持され、開口部３０がレンズ２６と整列されて、インク表面３６からの小滴３４の噴射を容易にする。もちろんインク表面３６は開口部３０によって外部にさらされている。
【００１７】
レンズ２６、電極層１４、圧電層１６及び電極１８は、既知のフォトリソグラフィ技法によってガラス層１２上に形成される。液体水準制御プレート２８は、その後、ガラス層１２から間隔を置いて配置される。インク３２は、インク供給源（図示せず）からプレート２８とガラス層１２との間の空間へと送られる。
【００１８】
図１に示すアコースティックインク印刷部材１０は、アコースティック出力パワーの好適な動作領域を、インクの液滴速度の関数として有する。図２は、液体表面での液滴速度とアコースティック出力パワー（又は音波の振幅）との関係を示すグラフであり、この図に示すように、好適な動作領域は、既知の音波の振幅から±１０％内の範囲である。この領域よりも低い振幅の値では、印刷ヘッドから小滴が噴射されないか、あるいは噴射された小滴の速度が低すぎることにより、印刷の質の問題（小滴の誤配置による）が生じる。好適な動作領域よりも大きな値をとる領域においては全域にわたって、噴射された所望の小滴に加えて衛星液滴が噴射される可能性が高い。衛星液滴は、望まれないにじみ及び他の産物を印刷する文字又は像に対して引き起こす。したがって、アコースティック印刷部材１０についてはこの好適な領域内で動作させることが望ましい。
【００１９】
しかし、アコースティックインク印刷部材１０は、上の従来の技術に述べた通り、非均一性の問題を経験する。この非均一性は、図２に示す好適な領域外における部材の動作につながる。したがって、本発明の目的は、インク表面でのアコースティックパワーの均一性の向上であり、同時に製作工程における不必要に高い公差を避けることである。きびしい公差によって部材を好適な領域内に維持することは、不必要に高い製作コスト及び複雑すぎる処理につながる場合がある。
【００２０】
したがって、図１に示す部材１０の均一性を向上するために、システムの非線形性を操作する。ここで図３において、入力アコースティックパワー（Ｐｉｎ）と出力アコースティックパワー（Ｐｏｕｔ）との関係（パワー変換関数）を示す。図３、図４、及び図５中の異なる線は、上述のシステムなどの可能な異なる応答を示す。例えば、図３において、実線は線形で動作するシステムを表す。線形のシステムでは、入力パワーの変化は、出力パワーの変化に直接的に相関する。破線は典型的なアコースティックインク印刷ヘッドの応答（例えば図１の部材１０を含む印刷ヘッド）を示し、システムは非線形性の低い領域で動作する。よって、入力パワーが変化した時に、出力パワーは大きく変化する。さらに、噴射される液体によっては、動作パワーレベル（Ｐｏｐｅｒ）は、典型的には５−１０ｍＷの範囲であり、システムの応答の非線形性の開始点であるパワーレベルである開始パワーレベル（Ｐｏｎｓｅｔ）もまた、５−１０ｍＷの範囲であるが、図３に示すように、この開始パワーレベルはしばしば動作パワーレベルよりも大きい。
【００２１】
図４において、本発明によるシステムの望まれる応答（入力と出力とのパワー変換関数）を実線で示す。この応答は、高い非線形性を示し、入力パワーがある水準（即ちＰ１）を越えた領域においては、入力パワー（Ｐｉｎ）が変化しても、出力パワー（Ｐｏｕｔ）の変化は小さい。即ちこの非線形領域においては、入力パワーに対する出力パワーのゲインが、入力パワー（Ｐｉｎ）がその水準（Ｐ１）より下である領域に対して小さくなっている。この入力パワーの水準Ｐ１に対応する出力パワーレベルが開始パワーレベル（Ｐｏｎｓｅｔ）である。これに関しては、望まれる応答が、動作パワーレベルが開始パワーレベルよりも高いことを必要とすることを理解すべきである。
【００２２】
図５において、本発明のシステムの理想的な応答を破線で示す。このグラフは、この場合には動作パワーレベル（Ｐｏｐｅｒ）が開始パワーレベル（Ｐｏｎｓｅｔ）と等しいことを示す。理想的なシステムでは、入力パワー（Ｐｉｎ）がある水準（即ちＰ１）を超えた際には、入力パワーが変化しても出力パワー（Ｐｏｕｔ）に変化はない。
【００２３】
したがって、本発明は、装置の動作領域を図４に示すグラフの非線形部分に維持し、パワー入力のより大きな許容範囲を可能とし、出力での少ないずれを可能とすることを目的とする。これによりシステムの入力側に存在する例えば配線パターン、変換器、ガラス、レンズなどに起因する非均一性を補償し、インク表面での均一な出力アコースティックパワーを達成し、図２に示す好適な動作領域でシステムを動作させることを可能にする。
【００２４】
本発明によれば、システムの好適な非線形性を達成する様々な方法が存在する。一つの方法は、変換器切り替え部材を、変換器へのＲＦ電流がＲＦ電圧に依存せずにほぼ一定になるようにする。この種の非線形性は、ＲＦ分配ラインの抵抗及びリアクタンスによる非均一性を低減するが、変換器及びレンズによる非均一性には注意を向けない。
【００２５】
より好適な方法は、集束した高い振幅の音波の生成のために、インク内での音波の伝搬の非線形特性を操作し、システムを非線形領域で動作させて、レンズ、ガラス、変換器、及び配線の非均一性に注意を向けることである。これに関して、インク表面での波の集束でのピークアコースティックパワーが以下のように定義されるシステムの非線形性の開始点である（例えば、D. Rugar, 56J. Appl. Phys. 1338(1984)を参照）開始パワーレベル（Ｐｏｎｓｅｔ）を超えた時に、集束した音波及び液体の伝搬は非線形になる傾向がある。
【数２】
0004298087.tif 000002
ここに、ρは液体の密度、ｃは液体中の音速、βは液体の非線形性定数、Ｆはレンズの焦点距離と開口部の直径との比、ｆは音波の周波数である。
【００２６】
したがって、上述のように、例えば水性インクを用いるアコースティックインクプリンタの典型的な動作状態では、Ｐｏｎｓｅｔがおよそ５−１０ｍＷであり、プリンタの公称動作パワーレベルもまた５−１０ｍＷの範囲にあり、パルスは約２マイクロ秒の幅を持つ。しかし上述のように、開始パワーレベルはしばしば動作パワーレベルよりも大きい（図３）。プリンタは既に、非線形の応答のしきい値に近い状態で動作している。本発明は動作レベルを非線形性の開始レベルよりも上に位置させることに向けられる。
【００２７】
本発明の第一の実施形態によれば、図１に示すアコースティックインク印刷部材が、図４に示す望ましいパワー入力（Ｐｉｎ）／パワー出力（Ｐｏｕｔ）関係（パワー変換関数）を有し、開始パワーレベル（第一のパワーレベル）よりも高い動作パワーレベル（第二のパワーレベル）で、インク表面での出力パワーを発生させることを容易にするような密度のインクをプレートとガラス基板との間に配置して備える。数式１において、これは、インクの密度を下げることを必要とし、これにより開始パワーレベルを下げる。もちろんこれは、他の全ての変数が一定に保たれていることを仮定する。
【００２８】
本発明の第二の実施形態によれば、図１に示すアコースティックインク印刷部材は、図４に示す望ましいパワー入力（Ｐｉｎ）／パワー出力（Ｐｏｕｔ）の関係を有し、開始パワーレベルよりも高いレベルで出力パワーを発生させることを容易にする非線形定数をもつインクをプレートとガラス基板との間に配置して備える。数式１において、このことは、インクの非線形定数を増やし、開始パワーレベルを下げることで達成される。もちろんこれは、他の全ての変数が一定に保たれていることを仮定する。
【００２９】
本発明の第三の実施形態によれば、図１に示すアコースティックインク印刷部材は、図４に示す望ましいパワー入力（Ｐｉｎ）／パワー出力（Ｐｏｕｔ）の関係を有し、ある焦点距離を持つレンズ２６とある直径を持つ開口部３０とを有する。この焦点距離とカバープレートの開口直径との比は、出力パワーを開始パワーレベルよりも高くする比率である。数式１において、この焦点距離と開口直径との比はＦと定義される。したがって、このＦを増大させることにより、開始パワーレベルを下げることができる。もちろんこれは、他の全ての変数が一定に保たれていることを仮定する。
【００３０】
本発明の第四の実施形態によれば、図１に示すアコースティックインク印刷部材は、図４に示す望ましいパワー入力（Ｐｉｎ）／パワー出力（Ｐｏｕｔ）関係を有し、開始パワーレベルよりも高いレベルの出力パワーを発生させるような周波数で、音波をガラス基板を通じて伝搬させるように動作する。数式１においてこれは、音波の周波数を増大し、開始パワーレベルを低減することによって達成される。もちろんこれは、他の全ての変数が一定に保たれていることを仮定する。
【００３１】
動作の方法としては、ここで図６において入力パワーは、ＲＦ信号（無線周波数信号：ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｉｇｎａｌ）の生成により供給される（ステップ５０２）。生成された信号は、圧電変換器に送られ（ステップ５０４）、この変換器が、開始パワーレベルよりも高いレベルのインク表面における出力アコースティックパワーを発生させるような周波数でガラス基板を通じて伝搬する音波を発生させる（ステップ５０６）。次いで発生された音波はレンズによって集束され（ステップ５０８）、インクを通じて伝搬される（ステップ５１０）。次にインクの小滴が、集束された音波に基づいてインク表面から噴射される（ステップ５１２）。
【００３２】
本発明の第五の実施形態によれば、図１に示すアコースティックインク印刷部材は、図４に示す望ましいパワー入力（Ｐｉｎ）／パワー出力（Ｐｏｕｔ）の関係を有し、発生した出力パワーが開始パワーレベルよりも高くなるように、インクでの音波の速度を維持するように動作される。数式１においてこれは、インクの音の速度を低減し、開始パワーレベルを低減することで達成される。もちろんこれは、他の全ての変数が一定に保たれていることを仮定する。
【００３３】
図７に本発明の第五の実施形態による方法を示す。図示するように、入力パワーは、ＲＦ信号の生成により供給される（ステップ６０２）。生成された信号は、圧電変換器に送られ（ステップ６０４）、この変換器が音波をガラス基板を通じて伝搬させる（ステップ６０６）。次いで音波はレンズによって集束され（ステップ６０８）、インクの中を伝搬する（ステップ６１０）。集束された音波の速度は、発生する出力パワーが開始パワーレベルよりも高いレベルになるような速度に維持される（ステップ６１２）。そして、インクの小滴が集束された音波に基づいて噴射される（ステップ６１４）。
【００３４】
上述の実施形態は、インク表面での出力アコースティックパワーを開始パワーレベルよりも高いレベルで発生させることを目的とする。この目的は、これらの実施形態では、システムの開始パワーレベルを下げることにより達成されている。すなわち、これらの実施形態では、システムの非線形性が開始される点に関わりを持つ変数を操作し、インクを通じた音波の伝搬の非線形特性を操作することに向けられている。
【００３５】
一方、システムの動作パワーレベルを上げることもできる。このように、本発明の第六の実施形態では、図１に示すアコースティックインク印刷部材は、図４に示すパワー入力（Ｐｉｎ）／パワー出力（Ｐｏｕｔ）の関係を有し、発生される出力パワーが開始パワーレベルよりも上になるようなパルス幅を持つＲＦ信号を生成し動作する。小滴の噴射は、ＲＦパルス内のエネルギに影響を受けるため、短いＲＦパルスは大きなピークパワーレベルを持つ。これに関しては、ＲＦパルスでは、
（エネルギ）＝（ピークパワー）×（パルス幅）
であるため、ＲＦ信号のピークパワー（又は振幅）を増やしパルス幅を同じ比率で低減することにより、同じエネルギを得ることができる。したがって、公称動作レベルは、開始レベルよりも高くすることができ、非線形領域での動作を達成する。
【００３６】
非常に短いパルス幅の場合、他の非線形要因のために、小滴が不安定になることに注目すべきである。このために、不必要に短いパルス幅での非線形動作では、小滴が他の非線形要因によって不安定になる。このために、非常に短いパルス状態では、非線形動作が不可能な場合もある。
【００３７】
本発明の第六の実施形態によれば、インク表面で発生された出力パワーが開始パワーレベルよりも高いレベルになるようなパルス幅を持つＲＦ信号を生成し、入力パワーが圧電素子に供給される（ステップ７０２）。次に、生成された信号が圧電変換器に送られ（ステップ７０４）、この変換器が、ガラス基板を通じて伝搬される音波を生成する（ステップ７０６）。次に、音波はレンズによって集束され（ステップ７０８）、インクを通じて伝搬される（ステップ７１０）。最後に、集束された音波に基づきインク表面から開口部を通じてインクの小滴が噴射される（ステップ７１２）。
【００３８】
本発明のこれら六つの異なる実施形態は、互いに相容れないわけではないことを理解されたい。すなわち、一つ、六つ全て、又はそれらのどのような組合わせ、を使っても本発明の望まれる結果を達成することができる。この場合、異なる変数が操作され、他が一定に保たれるものと理解されたい。どの構成要求又は動作方法を使うかという選択は、設計者又はユーザの望み及び必要に依存するものである。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、出力アコースティックパワーが、入力アコースティックパワーに対して出力アコースティックパワーの感度の低い非線形領域のパワーレベルとなるように、システムを制御するため、製造ばらつき等に起因する入力アコースティックパワーのばらつきによる出力アコースティックパワーのばらつきの発生を低減することができる。このため本発明は、印刷精度の向上、および印刷システムの製造コストおよびスループットの低減という優れた効果を奏しうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を適用可能なアコースティックインク印刷システムの有する印刷部材の概略構成を示す説明図である。
【図２】  本発明を適用可能なアコースティックインク印刷システムの有する印刷部材の好適な動作領域を示すグラフであり、液滴速度とアコースティックパワーとの関係を示す。
【図３】  本発明にかかるアコースティックインク印刷部材を有するシステムのパワー入力／パワー出力の関係を示すグラフである。
【図４】  本発明にかかるアコースティックインク印刷部材を有するシステムの所望のパワー入力／パワー出力関係を示すグラフである。
【図５】  本発明にかかるアコースティックインク印刷部材を有するシステムの理想的なパワー入力／パワー出力関係を示すグラフである。
【図６】  本発明にかかる印刷方法を示すフローチャートである。
【図７】  本発明の第五の実施形態にかかる印刷方法を示すフローチャートである。
【図８】  本発明の第六の実施形態にかかる印刷方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０  アコースティックインク印刷部材、１２  ガラス層、１４  電極層、１６  圧電層、１８  電極、２０  表面配線パターン、２２  ケーブル、２４  ＲＦ電源、２６  レンズ、２８  液体水準制御プレート、３０  開口部、３２  インク、３４  小滴、３６  インク表面。
【図１】
0004298087.tif 000003
【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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