DE3782490T2

DE3782490T2 - Akustische druckkoepfe.

Info

Publication number: DE3782490T2
Application number: DE8787311223T
Authority: DE
Inventors: Scott Alan Elrod; Butrus T Khuri-Yakub; Calvin F Quate
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1986-12-19
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2007-12-19
Also published as: EP0272899A3; JPS63162253A; CN1017694B; CN87101228A; EP0272899A2; JPH0645233B2; US4751530A; CA1292384C; DE3782490D1; BR8706818A; EP0272899B1

Description

Diese Erfindung betrifft akustische Drucker, und insbesondere Druckköpfe mit integrierter, akustischer Linsenanordnung für solche Drucker.
Beträchtliche Anstrengungen und Ausgaben sind der Entwicklung von mit unbeschichtetem Papier verträglichen, unmittelbaren Markierungstechnologien gewidmet worden. Die Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten, die sich auf Drucken mit Tropfen-auf-Anforderung und mit Tintenstrahl mit kontinuierlichem Strom beziehen, nehmen einen beträchtlichen Anteil dieser Investition in Anspruch, sogar obgleich herkömmliche Tintenstrahlen an dem grundsätzlichen Nachteil leiden, daß sie Düsen mit kleinen Ausstoßöffnungen benötigen, die leicht verstopfen. Unglücklicherweise ist die Größe der Ausstoßöffnung ein kritischer Entwurfsparameter eines Tintenstrahls, da sie die Größe der Tintentröpfchen bestimmt, die der Strahl ausstößt. Als Ergebnis hiervon kann die Größe der Ausstoßöffnung nicht ohne Opfer bei der Auflösung vergrößert werden.
Akustisches Drucken ist eine möglicherweise bedeutende, alternative, unmittelbare Markierungstechnologie. Sie befindet sich noch in einem frühen Entwicklungszustand, jedoch zeigt die zur Verfügung stehende Evidenz an, daß es wahrscheinlich ist, daß sie einen vorteilhaften Vergleich mit herkömmlichen Tintenstrahlsystem zum Drucken entweder auf unbeschichtetem Papier oder auf besonderen Aufzeichnungsmedien ergibt, wobei sie aufgrund ihrer eigenen Vorzüge beträchtliche Vorteile liefert. Genauer gesagt, hat akustisches Drucken die ureigene Zuverlässigkeit erhöht, da es dabei keine Düsen gibt, die verstopfen. Man wird würdigen, daß das Ausschließen der Fehlerart 'verstopfte Düsen' besonders relevant für die Zuverlässigkeit von großen Anordnungen von Tintenejectoreinrichtungen ist, wie seitenbreite Anordnungen, die mehrere Tausend getrennte Ausspritzeinrichtungen umfassen. Ferner werden kleine Ausstoßöffnungen vermieden, so daß akustisches Drucken mit einer größeren Vielfalt von Tinten als beim herkömmlichen Tintenstrahldrucken durchgeführt werden kann, wobei Tinten mit hoher Viskosität und Tinten eingeschlossen sind, die Pigmente und andere Teilchenkomponenten enthalten. Die Größe der einzelnen Bildelemente ("Pixels"), die von einem akustischen Drucker gedruckt werden, können während des Betriebs gesteuert werden, entweder durch Verändern der Größe der einzelnen Tropfen, die ausgestoßen werden, oder durch Regeln der Tröpfchenanzahl, die zur Bildung des individuellen Pixels des gedruckten Bildes verwendet werden.
Wie es bekannt ist, übt ein akustischer Strahl einen Strahlungsdruck gegen Gegenstände aus, auf die er auftrifft. Infolgedessen kann, wenn ein akustischer Strahl auf eine freie Oberfläche (d. h. Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche) einer Flüssigkeitsmenge von unten her auftrifft, der Strahlungsdruck, den der Strahl gegen die freie Oberfläche ausübt, einen ausreichend großen Pegel erreichen, einzelne Flüssigkeitströpfchen von der Oberfläche der Ansammlung trotz der zurückhaltenden Kraft der Oberflächenspannung ausstoßen. Um dies durchzuführen, wird der akustische Strahl vorteilhafterweise auf oder nahe der Oberfläche der Ansammlung fokussiert, wodurch sein Strahlungsdruck für eine gegebene Eingangsleistungsgröße intensiver wird. Diese Prinzipien wurden beim akustischen Drucken und beim Tintenstrahldrucken früher angewandt, wobei Ultraschall-Schallstrahlen verwendet werden, um kleine Tintentröpfchen von Tintenansammlungen auszustoßen. Beispielweise beschreibt K.A.Krause, "Focusing Ink Jet Head", IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 16, No. 4, September 1973, S. 1168-1170 einen Tintenstrahl, bei dem ein Schallstrahl, der von einer konkaven Oberfläche ausgeht und durch eine konische Öffnung begrenzt ist, verwendet wird, um Tintentröpfchen durch eine kleine Ausstoßöffnung hindurch herauszuschleudern. US-A-4,308,547 zeigte, daß die kleine Ausstoßöffnung des herkömmlichen Tintenstrahl nicht erforderlich ist. Deshalb stellten sie sphärische piezoelektrische Schalen als Wandler zum Liefern fokussierter, akustischer Strahlen bereit, um Tintentröpfchen von der freien Oberfläche einer Tintenansammlung auszustoßen. Sie schlugen auch akustische, von ebenen Wandlern betriebene Hörner vor, um Tintentröpfchen von einem tintenbeschichteten Band auszustoßen. Nachher kann, um die Kosten von akustischen Druckköpfen zu verringern und die Herstellung von Vielfachejektoranordnungen zu vereinfachen, kann der Tröpfchenausstoßvorgang entweder unmittelbar durch Modulation des akustischen Strahls oder indirekt in Antwort auf zusätzliche Leistungsstöße von einer geeignet gesteuerten HF-Quelle gesteuert werden.
Der "isodensitracer" (IDT) (Gleichdichtespureinrichtung) liefert eine wirtschaftliche Technologie zur Herstellung von Matrizen akustischer Ejektoreinrichtungen, jedoch ergibt ihr Hohlstrahl-Brennpunktmuster eine größerer Empfindlichkeit gegenüber kleinen Änderungen bei dem Oberflächenpegel der Tinte, als es für einige Anwendungen erwünscht ist. Demgemäß gibt es weiterhin ein Bedürfnis nach einer Technologie, die ermöglicht, daß Anordnungen von akustischen Tröpfchenejektoreinrichtungen mit hoher Ausstoßstabilität bei mäßigen Kosten aufgebaut werden können.
Diese Erfindung antwortet auf dieses Bedürfnis, indem sphärische, akustische Linsenanordnungen verwendet werden, die HF-Schallwellen zu im wesentlichen beugungsbegrenzten Brennpunkten an oder nahe der freien Oberfläche einer Tintenansammlung bringen. Diese Linsen erzeugen Brennpunktmuster, die relativ frei von örtlichen Amplitudenschwankungen sind, so daß sie zur Herstellung akustischer Druckköpfe verwendet werden können, die relativ stabile Kennmerkmale zum akustischen Drucken besitzen.
Noch andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden offensichtlich, wenn die folgenden, ins einzelne gehende Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
Fig. 1 eine isometrische Ansicht eines akustischen Druckkopfes ist, der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht des in Fig. 1 gezeigten Druckkopfes ist, wobei der Druckkopf zum Betrieb in einer Tintenansammlung untergetaucht ist;
Fig. 3 eine isometrische Ansicht eines abgewandelten Druckkopfes ist, bei dem der akustische Strahl teilweise durch den Transducer vorfokussiert wird;
Fig. 4A-4D schematische Ansichten sind, die einige der Druckerausgestaltungen darstellen, bei denen diese Erfindung angewandt werden kann;
Fig. 5 eine mehr ins einzelne gehende Längsschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei der die akustischen Linsen zum Tropfen-auf-Anforderung-Drucken "beleuchtet" werden;
Fig. 6 eine Unteransicht des in Fig. 5 gezeigten Druckkopfes ist;
Fig. 7 und 8 Längsschnittdarstellungen alternativer Ausführungsformen des in Fig. 5 gezeigten Druckkopfes sind, um darzustellen, daß Vorsorge getroffen werden kann, um die Linsen voneinander akustisch zu isolieren;
Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines eben gemachten Druckkopfes ist, und
Fig. 10 eine Querschnittsdarstellung eines anderen eben gemachten Druckkopfes ist.
Fig. 1 und 2 zeigen einen akustischen Druckkopf 11, der eine Anordnung von genau positionierten, teilsphärischen, akustischen Linsen 12a-12i umfaßt, um eine Vielzahl von konvergierenden, akustischen Strahlen 15 in eine Tintenansammlung 16 (nur in Fig. 2 gezeigt) auszubringen. Jeder der akustischen Strahlen 15 konvergiert im wesentlichen symmetrisch relativ zu der Mitte der Linse 12a...., oder 12i, von der er ausgeht und die Brennweite der Linsen 12a-12i ist so ausgewählt, daß jeder der Strahlen 15 an oder nahe der freien Oberfläche (d. h. der Flüssigkeit-Luft-Grenzfläche) 17 der Tintenansammlung 16 fokussiert ist. Geeigneterweise ist der Druckkopf 11 in der Tinte 16 untergetaucht. Andererseits können die Linsen 12a-12i damit durch ein Medium mit geringem akustischen Verlust gekoppelt werden, wie z. B. über eine dünne Schicht aus "Mylar" ® oder ähnliches (nicht gezeigt).
Die akustischen Linsen 12a-12i sind durch kleine, allgemein sphärisch geformte Vertiefungen festgelegt, die in der oberen Oberfläche eines festen Substrats 22 ausgebildet sind. Ein piezoelektrischer Transducer 23 ist an der entgegengesetzten oder unteren Oberfläche des Substrats 22 abgeschieden oder sonst in enger mechanischer Berührung mit ihr gehalten, und eine geeignete HF-Quelle (nicht gezeigt) ist über den Transducer 23 gekoppelt, um ihn zur Schwingung anzuregen. Die Schwingung des Transducers 23 bewirkt, daß akustische Ultraschallwellen 24 erzeugt werden, um gemeinsam oder, wie im folgenden in zusätzlicher Einzelheit beschrieben, getrennt die Linsen 12a-12i zu bestrahlen. Wenn dieselbe akustische Welle 27 auf alle die Linsen 12a-12i auftrifft, wird ihre Amplitude ausgewählt, zu bewirken, daß die Strahlen 15 die freie Oberfläche 17 der Tinte 16 auf einen Anfangsenergiepegel unter der Schwelle zur Tröpfchenbildung anregen. Zusätzlich ist eine geeignete, Zusatzenergiequelle (nicht gezeigt) vorgesehen, um wahlweise die akustisch angeregten Brennpunktsbereiche anzusprechen, so daß einzelne Tintentröpfchen auf Anforderung von ihnen ausgestoßen werden.
Wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, besitzt der Transducer 23 ein planares Profil, so daß er allgemein akustische Wellen 24 mit ebener Wellenfront erzeugt. Jedoch können Transducer mit anderen Profilen verwandt werden. Beispielsweise kann, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ein zylindrischer Transducer 23' zum Erzeugen von teilweise vorfokussierten akustischen Wellen 24' angewandt werden, um eine lineare Anordnung von Linsen 12a-12i zu bestrahlen.
Bei einem der mehr ins einzelne gehenden Gesichtspunkte dieser Erfindung, wird, um die Aberrationen der fokussierten, akustischen Strahlen 15 beträchtlich zu verringern, wenn nicht auszuschließen ist, daß das Linsensubstrat 22 aus einem Material zusammengesetzt ist, das eine Schallgeschwindigkeit vs(d. h. die Schallgeschwindigkeit in dem Substrat 22) besitzt, die viel größer als die Schallgeschwindigkeit der Tinte 16 vi ist, so daß vs / vi ist. Typischerweise liegt die Schallgeschwindigkeit vi in der Tinte 16 in dem Bereich von 1-2 km/sec. Somit kann das Substrat 22 aus irgendeinem einer breiten Vielzahl von Materialien gebildet sein, wie Silizium, Siliziumnitrid, Siliziumkardid, Aluminiumoxid, Saphir, geschmolzenem Quarz und gewissen Gläsern, um ein Brechungsindexverhältnis (wie es durch das Verhältnis der akustischen Geschwindigkeiten vs/vi gebildet ist) bei mehr als 2,5:1 an der Grenzfläche zwischen den Linsen 12a-12i und der Tinte 16 aufrechtzuerhalten. Ein Verhältnis von 2,5:1 ist ausreichend, um sicherzustellen, daß die Aberrationen der Strahlen 15 klein sind. Wenn jedoch das Substrat 22 aus einem der Materialien mit hoher Schallgeschwindigkeit gebildet ist, wie Silizium, Siliziumnitrid, Siliziumkardid, Aluminiumoxid und Saphir kann leicht ein Brechungsindexverhältnis von 4:1 oder mehr erzielt werden, wodurch die Aberrationen der Strahlen 15 auf einen im wesentlichen vernachlässigbaren Wert verringert werden. Man vergleiche C.F. Quate, "The Acoustic Microscope" Scientific American, Vol. 241, No 4, October 1979, S. 62-72 für eine mehr ins einzelne gehende Diskussion.
Akustisches Drucken verlangt genaues Positionieren der Linsen 12a-12i in Bezug auf zueinander sehr geringbeabstandete Mitten. Vorzugsweise werden deshalb, um einen anderen Gesichtspunkt dieser Erfindung zu berücksichtigen, die Linsen 12a-12i chemisch geätzt oder in das Substrat 22 eingeformt. Ein geeignetes fotolithografisches Verfahren, um sie isotrop in Silizium zu ätzen, ist beschrieben in K.D.Wise u. a., "Fabrication of Hemispherical Structures Using Semiconductor Technology for Use in Thermonuclear Fusion Research", J. Vac.- Sci. Technol., Vol. 16, No. 3, May/June 1979, S. 936-939, und dieses Verfahren kann zur Herstellung von Linsen 12a-12i auf Substraten 22 ausgedehnt werden, die aus anderen chemisch ätzbaren Materialien gebildet sind. Alternativ können die Linsen 12a-12i in Materialien wie Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Siliziumkarbid durch die Verwendung eines Heißdruck- oder Einspritzformungsverfahren geformt werden. Wenn erwünscht, kann eine Antireflexions-Beschichtung 26 (Fig. 2), die aus einer λz/4 dicken Schicht eines Impedanzanpassungsmaterials (mit λz = Wellenlänge der akustischen Strahlen 15 in der Beschichtung 26) auf den äußeren spährischen Oberflächen der Linsen 12a-12i niedergeschlagen werden.
Typischerweise sind die Radien der Linsen 12a-12i größer als die Tiefe der Vertiefungen, die sie definieren, so daß ihre Brennebene gegenüber der oberen Oberfläche des Substrats 22 um eine Strecke versetzt ist, die ungefähr gleich der Dicke der darüberliegenden Schicht von Tinte 16 (plus der Dicke von irgendeinem dazwischen kommenden Medium, wie irgendeine zum Halten der Tinte verwandt Schicht) ist. Somit kann, wenn die Linsen 12a-12i chemisch in das Substrat 22 gemäß der obigen Lehre von Wise u. a. geätzt worden sind, ein Schleifvorgang, ein zusätzliches chemisches Ätzen oder ähnliches verwandt werden, um die obere Oberfläche des geätzten Substrats 22 um eine ausreichende Strecke von der Brennebene der Linsen 12a-12i zurückzusetzen. Zusätzlich kann die Oberfläche auf der oberen Oberfläche des Substrats 22 aufgerauht werden, z. B. durch Schleifen, um irgendwelche einfallende, akustische Energie diffus zu streuen, die nicht durch die Linsen 12a-12i gesammelt wird.
Die lineare und zweidimensionale Linsenanordnungen (wie hier benutzt, bedeutet eine "zweidimensionale Anordnung" eine Anordnung mit zwei oder mehreren Reihen von Linsen) für verschiedenen Arten zum akustischen Drucken können in Übereinstimmung mit dieser Erfindung geschaffen werden unter Einschluß von seitenbreiten, linearen und zweidimensionalen Linsenanordnungen zum Zeilendrucken, schmalen, linearen Anordnungen zum Mehrzeilenrasterdrucken und zweidimensionalen Anordnungen zum Matrixdrucken. Um diesen Punkt hervorzuheben, ist in Fig. 4A schematisch ein Zeilendrucker 31 dargestellt, bei dem ein geeignetes Aufzeichnungsmedium 32, so wie unbeschichtetes Papier, in einer Pfeilrichtung, wie es durch den Pfeil 33 angedeutet ist, in Bezug auf eine tangential ausgerichtete, seitenbreite, lineare Linsenanordnung 34 vorwärtsbewegt wird, zeigt Fig. 4B schematisch einen anderen Zeilendrucker 36, mit einer seitenbreiten, zweidimensionalen, versetzten Linsenanordnung 37, zeigt Fig. 4C schematisch einen Mehrfachzeilenrasterdrucker 31, bei dem das Aufzeichnungsmedium 32 in der Pfeilrichtung vorwärtsbewegt wird, während eine in Pfeilrichtung ausgerichtete, lineare Linsenanordnung 42 in einer tangentialen Richtung vorwärtsbewegt wird, wie es durch die jeweiligen Pfeile 33 und 43 angedeutet ist, und zeigt Fig. 4D schematisch einen Matrixpunktdrucker 51, bei dem das Aufzeichnungsmedium 32 längs einer Achse einer Matrix vorwärts bewegt wird, während eine zweidimensionale, matrixkonfigurierte, Linsenanordnung 52 längs der orthogonalen Achse der Matrix vorwärtsbewegt wird, wie es durch die jeweiligen Pfeile 53 und 54 angedeutet ist.
Diese Beispiele sind nicht erschöpfend, sondern sie stellen die beträchtliche Auslegungsflexibilität dar, die vorliegt.
Unter Berücksichtigung eines bedeutenden Merkmals dieser Erfindung, kann, wie es in den Fig. 5 bis 8 gezeigt ist, Vorsorge getroffen werden, um wahlweise und einzeln die Linsen 12a-12i mit getrennten, akustischen Wellen 24 (Fig. 2) zu bestrahlen. Dies erlaubt, die akustischen Strahlen 15 (Fig. 2), unabhängig zur räumlichen Steuerung des Tröpfchenausstoßvorgangs auf einer Linse-um-Linse-Basis zu modulieren. Hierfür umfaßt bei diesen mehr ins einzelne gehenden Ausführungsformen der Transducer 23 ein dünnes piezoelektrisches Element 61, wie eine dünne ZnO-Schicht oder einen dünnen LiNbO&sub3;-Kristall, der zwischen einer Anordnung von einzeln adressierbaren Elektroden 62a-62i (am besten im Fig. 6 gezeigt) und einer Gegenelektrode 63 dazwischen angeordnet ist. Die Elektroden 62a-62i sind so angeordnet, daß sie jeweils richtig die Linsen 12a-12i bestrahlen. Ferner ist der Transducer 23 eng mechanisch mit der unteren Oberfläche des Linsensubstrats 22 gekoppelt. Beispielsweise kann die Transducergegenelektrode 23 auf der unteren Oberfläche des Substrats 22 entweder unmittelbar oder nachdem die Oberfläche mit einem geeigneten elektrischen Isolator 64 überdeckt worden ist, wie eine Schicht aus SiO&sub2;.
Beim Betrieb werden unabhängig gesteuerte, HF-Treiberspannungen über die jeweiligen Elektroden 62a-62i und die Gegenelektrode 63 gelegt, wodurch das piezoelektrische Elemente 61 zum Schwingen an räumlich getrennten Stellen örtlich angeregt wird, die in der Normalrichtung auf die jeweiligen Elektrode 62a-62i zentriert sind. Die örtlichen Schwingungen des piezoelektrischen Elementes 61 erzeugen räumlich getrennte, akustische Wellen 24, die sich durch das Substrat 22 in einer vorbestimmten Richtung fortpflanzen, um die jeweiligen Linsen 12a-12i zu bestrahlen. Demgemäß steuern die HF-Treiberspannungen, die an die Elektroden 62a-62i zu irgendeiner gegeben Zeit angelegt werden, unabhängig die Strahlungsdrücke der akustischen Strahlen 15 zu dieser besonderen Zeit, die in die Tinte 16 durch die jeweiligen Linsen 12a-12i ausgebracht werden. Typischerweise besitzt der Transducer 23 eine relativ schmale Bandbreite, so daß der Tröpfchenausstoßvorgang räumlich auf einer von Linse- zu- Linse-Basis durch geeignetes Modulieren der Amplitude, der Frequenz oder der Dauer der Treiberspannungen gesteuert werden kann, die an die Elektrode 62-62i angelegt werden.
Wie man würdigen wird, werden die akustischen Wellen 24, (Fig. 2) gebeugt, wenn sie sich durch das Substrat 22 fortpflanzen. Diese Beugung (Diffraktion) kann unberücksichtigt bleiben, wie es in Fig. 5 angegeben ist, wenn die Dicke des Substrats 22 in der Größenordnung einer Rayleigh-Länge liegt. Wenn jedoch dickere Substrate 22 verwendet werden, werden die Linsen 12a-12i vorzugweise akustisch voneinander isoliert, wie durch Vorsehen enger Schlitze 66 zwischen ihnen, die mit Luft oder einem anderem Medium gefüllt sind, welches eine akustische Impedanz besitzt, die beträchtlich von der akustischen Impedanz des Substrats 22 abweicht, so daß eine akustische Fehlanpassung erzeugt wird. Diese Schlitze 66 können sich durch die untere Oberfläche des Substrats 22 (Fig. 7) nach oben oder durch seine obere Oberfläche (Fig. 8) nach unten erstrecken. Wenn das Substrat 22 aus einem chemisch ätzbaren Kristallmaterial, so wie Silizium, besteht, können die Schlitze 66 anisotrop darin geätzt werden. Vergleiche beispielsweise K.E.Petersen, "Silicon as a Mechanical Material", Proceedings of the IEEE, Vol. 70, No.5, May 1982, S. 421-457.
Vorzugsweise besitzen die äußeren Oberflächen der Linsen 12a-12i eine glatte Endfläche und sind gesäubert, wie es erforderlich ist, um Teilchenniederschlag, wie Pigment- und Staubteilchen, zu entfernen, die sich aus der Tinte 16 niederschlagen können. Ferner mag es bei einigen Ausführungsformen wünschenswert sein, die Tinte 16 über die Linsen 12a-12i auf einer dünnen Schicht aus "Mylar" ® oder ähnlichem Kunststoffmaterial zu transportieren, die dazu neigt, an den Rändern der Linsen 12a-12i zu reiben oder hinzuziehen. Deshalb können, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, die Linsen 12a-12i planar gemacht werden, indem die Vertiefungen, die sie festlegen, mit einem geeigneten Polymer 71 gefüllt werden, so wie ein Epoxykunststoff o. ä. festes Material, das einen akustischen Scheinwiderstand und eine Schallgeschwindigkeit zwischen dem akustischen Scheinwiderstand und der Schallgeschwindigkeit der Tinte 16 und des Substrats 22 besitzt. Diese Füllschicht 71 kann plan mit der oberen Oberfläche des Substrats 22 (Fig. 9) sein, oder sie kann darauf eine dünne Überschichtung (Fig. 10) bilden. Die Antireflexionslinsenbeschichtung 26 (Fig. 2) ist in den Fig. 9 und 10 nicht dargestellt, um hervorzuheben, daß sie wahlweise ist.
Eine der bedeutenderen Anwendungen der vorliegenden Erfindung bezieht sich darauf, seitenbreite, akustische Druckköpfe zum Zeilendrucken zu liefern, so daß die Anwendung zusätzlich im einzelnen betrachtet wird. Wie es bekannt ist, beträgt der Durchmesser des Punktes oder "Pixel", den ein Tintentröpfchen bildet, wenn es auf einem Papier niedergeschlagen wird, ungefähr gleich dem Zweifachen des Tröpfchendurchmessers. Deshalb ist eine seitenbreite, lineare Anordnung von im wesentlichen identischen, akustischen Linsen 12a-12i (Fig. 4A), von denen jede zum Erzeugen eines fokussierten, akustischen Strahls 15 ausgelegt ist, ausreichend, eine im wesentlichen ununterbrochene Tintenzeile über die volle Breite der Seite zu drucken, vorausgesetzt, daß mehrere Tintentröpfchen bei jedem Pixel aufgebracht werden, wie es unten beschrieben wird. Andererseits kann das gleiche Ergebnis durch die Verwendung einer seitenbreiten, zweidimensionalen Anordnung erzielt werden, die zwei oder mehrere versetzte Linsenreihen (Fig. 4B) umfaßt, wobei jede Linse so entworfen ist, daß sie einen fokussierten Strahl mit einem Mittelstückdurchmesser gleich einem Viertel des Abstandes von Linsenmitte zu Linsenmitte besitzt. Außerdem können die Mitte-zu-Mitte-Abstände der Linsen innerhalb dieser Anordnungen erhöht werden, ohne deren Druckvermögen für eine durchgezogenen Linie zu beeinträchtigen, wenn die Dauer der an die Transducertreiberelektroden 62a-62i gelegten HF-Treiberimpulse erhöht wird (typischerweise ist die Dauer der HF-Impulse zum Tropfen-auf-Anforderung-Drucken auf einen Bereich von ungefähr 1 usec und 100 usec begrenzt). Wenn die Elektroden 62a-62i schnell und wiederholt gepulst werden, um bis zu 15 oder so Tröpfchen auf jedem Pixel niederzuschlagen, kann der Linsenabstand jedenfalls erhöht werden. Diese Impulsbreitenmodulation und Mehrfach-Tröpfchen-Drucktechniken können kombiniert werden, um die Größe der von einer gegebenen Tröpfchenejektoreinrichtung vom Typ mit sphärischen Linsen gedruckten Pixel um einen Faktor von mehr als vier zu erhöhen, so daß ein Teil des Pixelgröße-Steuerungsvermögens verwendet werden kann, um den Mitte-zu-Mitte-Abstand der Linsen 12a-12i zu erhöhen, wobei das übrige in Reserve gehalten wird, um eine Grauskalendarstellung zu liefern, wenn es erwünscht ist.
Beispielsweise wird ein Pixeldurchmesser von ungefähr 50 um benötigt, um eine Auflösung von ungefähr 20 Punkten pro Millimeter zu schaffen, was typisch für die zum Hochqualitätsdrucken benötigte Auflösung ist. Dies führt zu einem Mittezu-Mitte-Abstand von ungefähr 100 um für die Linsen einer zweireihigen, versetzten Anordnung. Genauer gesagt, kann gesagt werden, daß eine HF-Frequenz in der Größenordnung von 50 MHz ausreichend ist, um Flecken von 50 um zu drucken. Die Wellenlänge λ der akustischen Strahlen 15 in der Tinte 16 bei dieser Frequenz ist ungefähr 30 um. Ferner sind bei den vorhergehend angegebenen, akustischen Geschwindigkeitsverhältnissen vs/vi von 2,5:1 und 4:1 die entsprechenden Wellenlängen λi der akustischen Welle 24 in den Substrat 22 75 um bzw. 120 um. Glücklicherweise ist herausgefunden worden, daß Linsen 12a-12i mit kleiner Öffnung (Linsen mit Öffnungen A< 10 λi) eine ausreichende Fokussierung der akustischen Strahlen 15 auf der freien Oberfläche 17 der Tinte 16 liefern, um von dort bei Anforderung einzelne Tintentröpfchen auszustoßen. Es ist noch nicht genau bekannt, wie klein die Linsenöffnungen gemacht werden können, wobei sie weiterhin eine ausreichende Fokussierung der Strahlen zum Tropfenauf-Anforderung-Drucken schaffen, jedoch wurde experimentell festgestellt, daß ein Tropfen-auf-Anforderung-Vorgang erhalten werden kann, wenn Linsen mit Öffnungen so klein wie 1,5 λs verwendet werden, was einer Linsenöffnung von ungefähr 6 λi bei einem Verhältnis der akustischen Geschwindigkeiten des Substrats 22 und der Tinte 16 von 4:1 entspricht.

Claims

1. Ein akustischer Druckkopf (11) zum Ausstoßen von Tintentröpfchen auf Anforderung von einer freien Oberfläche einer Ansammlung von Tinte, die eine bekannte Schallgeschwindigkeit aufweist; der Druckkopf umfassend

- ein festes Substrat (22), das eine obere Oberfläche aufweist, in der ein Vielzahl von beabstandeten, im wesentlichen identischen, im allgemeinen sphärisch geformten Vertiefungen (12) ausgebildet ist, um eine Anordnung von akustischen Linsen festzulegen; das Substrat aus einem Material mit einer Schallgeschwindigkeit gebildet ist, die im wesentlichen größer als die Schallgeschwindigkeit der Tinte ist; und

- einen piezoelektrischen Transducer, der eng mechanisch mit der unteren Oberfläche des Substrats gekoppelt ist, um HF-Schallwellen zu erzeugen, um auf die Linsen aufzutreffen, derart, daß die Linsen jeweils konvergierende, akustische Strahlen in die Tinte aussenden, wobei die Brennweite der Linsen ausgewählt ist, daß die Strahlen veranlaßt werden, ungefähr bei einem bekannten Abstand von der oberen Oberfläche in einen Brennpunkt zu gelangen.

2. Der Druckkopf nach Anspruch 1, bei dem die akustischen Linsen ausgerichtet sind, eine lineare Linsenanordnung der Länge einer Seitenbreite festzulegen.

3. Der Druckkopf nach Anspruch 1, bei dem die akustischen Linsen eine zweidimensionale Linsenanordnung der Länge einer Seitenbreite festzulegen.

4. Der Druckkopf nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Transducer unabhängig modulierte, akustische HF-Wellen liefert, um einzeln auf die Linsen auf zutreffen, wodurch diese Linsen getrennt modulierte, akustische Strahlen in die Tinte ausbringen, wobei die Modulation der akustischen Strahlen auf einer Linse-zu-Linse-Basis zum Tropfen-auf-Anforderung- Drucken gesteuert wird.

5. Der Druckkopf nach Anspruch 4, bei dem das Substrat akustische Impedanz-Fehlanpassungsbereiche aufweist, die zwischen den Linsen zur akustischen Isolierung der Linsen voneinander angeordnet sind.

6. Der Druckkopf nach Anspruch 5, bei dem sich die Impedanz-Fehlanpassungsbereiche nach oben in das Substrat von seiner unteren Oberfläche her erstrecken.

7. Der Druckkopf nach Anspruch 5, bei dem sich die Impedanz-Fehlanpassungsbereiche nach unten in das Substrat von seiner oberen Oberfläche her erstrecken.

8. Der Druckkopf nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Vertiefungen mit einem festen Material gefüllt sind, welches eine mit der Tinte vergleichbare Schallgeschwindigkeit besitzt, wodurch der Druckkopf der Tinte eine allgemeine ebene obere Oberfläche zeigt.

9. Der Druckkopf nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem die akustischen Wellen eine vorbestimmte Wellenlänge in dem Substrat besitzen und die akustischen Linsen einen vorbestimmten Durchmesser aufweisen, der kleiner als das Zehnfache der Wellenlänge ist.

10. Der Druckkopf nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Schallgeschwindigkeit in dem Substrat wenigsten viermal größer als die Schallgeschwindigkeit in der Tinte ist.

11. Der Druckkopf nach Anspruch 10, bei dem die Schallgeschwindigkeit in dem Substrat wenigstens 2,5-mal größer als die Schallgeschwindigkeit in der Tinte ist.

12. Der Druckkopf nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Transducer unabhängig modulierte, akustische HF-Wellen zur individuellen Bestrahlung der Linse liefert, wodurch die Linsen getrennt modulierte, akustische Strahlen in die Tinte schicken, wobei die Modulation der akustischen Strahlen auf einer Linsezu-Linse-Basis zum Tropfen-auf-Anforderung-Drucken gesteuert wird.

13. Der Druckkopf nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Substrat und der Transducer in Tinte untergetaucht werden können.