JPS63166545A - Spot-size variable acoustic printer - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は音響プリンタに関し、特にかかるプリンタで
印刷されるスポットの直径を制御し、印刷した像のグレ
ースケール内容の表示を与える方法及び手段に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention This invention relates to acoustic printers, and more particularly to methods and means for controlling the diameter of spots printed by such printers and providing an indication of the grayscale content of the printed image. .

（従来の技術と問題点） 普通紙と適合可能な直接記録技術の開発に、多大の努力
と経費が費やされてきた。要求時滴下及び連続流のイン
クジェット印刷が投資のかなりの部分を占めているが、
従来のインクジェット方式は詰まり易い小さい噴射口を
持つノズルを必要とするという基本的な欠点を伴ってい
た。残念ながら、噴射口のサイズは、これがジェットの
噴射するインク滴のサイズを決めるため、インクジェッ
トの決定的な設計パラメータである。同じく、インクジ
ェットから噴射されるインク滴のサイズは、噴射口のサ
イズに依存するため容易に制御可能でない。Prior Art and Problems Much effort and expense has been expended in developing direct recording techniques compatible with plain paper. Drop-on-demand and continuous-flow inkjet printing account for a significant portion of investment;
Traditional inkjet systems suffer from the fundamental drawback of requiring nozzles with small orifices that are easily clogged. Unfortunately, the size of the jet orifice is a critical design parameter for an inkjet because it determines the size of the ink droplets that the jet ejects. Similarly, the size of ink droplets ejected from an inkjet is not easily controllable because it depends on the size of the jet orifice.

音響印刷は、可能性のある重要な代りの直接記録技術で
ある。これはまだ開発の初期段階にあるが、独自の顕著
な利点を与えながら普通紙または特殊の記録媒体上にプ
リントする点で、従来のインクジェット方式と比べ優利
なことを人手可能な証拠は示している。すなわち、音響
印刷は詰まり易いノズルが存在しないので固有の高い依
頼性を有する。自明なごとく、詰まりによるノズル不良
モードが取り除かれることは、多数の個別プリント装置
から成るアレイの信頼性と特に関連している。さらに、
小さい噴射口が不必要なので、音響印刷はより高い粘性
を持つインク及び顔料やその他の粒状成分を有するイン
クを含め、従来のインクジェット抑制よりも多種類のイ
ンクと適合可能である。Acoustic printing is a potentially important alternative direct recording technology. Although this is still in its early stages of development, available evidence shows that it has advantages over traditional inkjet methods for printing on plain paper or specialized recording media, offering unique and significant advantages. There is. That is, acoustic printing has a unique high reliability because there are no nozzles that are easily clogged. As will be appreciated, eliminating the nozzle failure mode due to clogging is particularly relevant to the reliability of arrays of multiple individual printing devices. moreover,
Because small jets are not required, acoustic printing is compatible with a wider variety of inks than traditional inkjet suppression, including inks with higher viscosities and inks with pigments and other particulate components.

周知のように、音響ビームが液プールの自由表面（つま
り液／空気境界面）に下方からぶつかると、音響ビーム
がその自由表面に加える放射圧は表面張力の抑制力に抗
して、個々の液滴をプール表面から解放するのに充分高
いレベルに達する。As is well known, when an acoustic beam impinges on the free surface of a liquid pool (i.e., the liquid/air interface) from below, the radiation pressure exerted by the acoustic beam on the free surface resists the restraining force of surface tension and causes individual A high enough level is reached to release the droplets from the pool surface.

この液滴制御プロセスを制御するためには、音響ビーム
をプールの表面またはその近くに集束し、一定量の人力
電力での放射圧を増大させるのが有利である。To control this droplet control process, it is advantageous to focus the acoustic beam at or near the surface of the pool and increase the radiation pressure with a constant amount of human power.

かかる原理がこれまで、インク充填プールからインク小
滴を解放するのに従来のインクジェット及び音響印刷方
式で使われてきた。例えば、ケー・ニー・クラウゼ（Ｋ
、　Ａ、　Ｋｒａｕｓｅ）は、「集束性インクジェット
ヘツド」、Ｉ　ＢＭ　　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｓｃｌ
ｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ　、　Ｖｏｌ、１６　、
　　Ｎα４．１９７３年９月、１１６８〜１１７０頁で
、凹面から発せられ円錐状孔内に閉じ込められた音響ビ
ームが、小さい噴射口からインク滴を推進するのに使わ
れるインクジェットを記述している。１９８１年１２月
２９日に発行されたラブレディ　（Ｌｏｖｅｌａｄｙ）
等の米国特許第４．３０８．５４７号、「液滴放出装置
」は、従来のインクジェットでの小さい噴射口が不必要
なことを示している。このためにラブレディ等は、集束
音響ビームを供給してインクプールの自由表面からイン
ク滴を噴射させるトランスデユーサとして、球面状の圧
電シェルを提供した。また彼等は、平面状のトランスデ
ユーサによって駆動され、インク被覆ベルトからインク
滴を噴射する音響ホーンも提案した。更に最近、音響プ
リントヘッドのコストを削減し且つマルチ噴射器アレイ
の製造を簡単にするため、１９８５年９月１６日に出願
番号第７７６、２９１号、名称「漏れレーリー液」によ
るノズルレス液滴噴射器」で出願され、審査中で、本出
願人に譲渡されたシー・エフ・クェート（Ｑｕａｔｅ）
等の米国特許出願は、平面状の交互噛み合いトランスデ
ユーサ（ＩＤＴ）と平面状ＩＤＴアレイを導入した。ま
たクェート等は、音響ビームを直接変調するかあるいは
適切に制御されるｒｆ源からの補充電カバーストに間接
的に応じて、液滴の噴射プロセスが制御可能なことも開
示している。またこれと同時に、音響印刷用の音響レン
ズ技術も導入されつつある。以下の審査中で、本出願人
に譲渡されたエルロッド（Ｅｌｒｏｄ）等の各米国特許
出願を参照のこと；１９８６年１２月１９日に出願番号
第９４４．６９８号、名称「抑制用音響レンズアレイ」
で提出された出願；１９８６年１２月１９日に出願番号
第９４４．７０１号、名称「音響プリンタ用希薄アレイ
」で提出された出願；及び１９８６年１２月１９日に出
願番号第９４４．１４５号、名称「音響印刷用面−化プ
リントヘッド」。これらの出願は、参照によってここに
含まれる。Such principles have previously been used in conventional inkjet and acoustic printing systems to release ink droplets from ink-filled pools. For example, K.
, A. Krause) "Focusing Inkjet Head", IBM Technical Discl.
osure Bulletin, Vol. 16,
Nα4. September 1973, pages 1168-1170, describes an inkjet in which an acoustic beam emanating from a concave surface and confined within a conical hole is used to propel an ink droplet through a small jet orifice. Lovelady, published on December 29, 1981
et al., U.S. Pat. No. 4,308,547, "Droplet Ejection Device," shows that small jets in conventional ink jets are unnecessary. To this end, Lovelady et al. provided a spherical piezoelectric shell as a transducer that provided a focused acoustic beam to eject ink droplets from the free surface of the ink pool. They also proposed an acoustic horn driven by a planar transducer to eject ink droplets from an ink-covered belt. More recently, in order to reduce the cost of acoustic printheads and simplify the manufacture of multi-injector arrays, nozzle-less droplet ejection has been proposed, filed on September 16, 1985, in application no. C.F. Quate, which was filed under the title of “Instrument” and was under examination and assigned to the applicant.
et al. introduced planar interdigitating transducers (IDTs) and planar IDT arrays. Kuwait et al. also disclose that the droplet ejection process can be controlled by direct modulation of the acoustic beam or indirectly in response to a supplementary charge cover burst from a suitably controlled RF source. At the same time, acoustic lens technology for acoustic printing is also being introduced. See U.S. Patent Applications of Elrod et al., filed December 19, 1986, and entitled ``Suppression Acoustic Lens Array ”
Application No. 944.701 filed on December 19, 1986 under the title "Sparse Array for Acoustic Printer"; and Application No. 944.145 on December 19, 1986. , name: "Surface print head for acoustic printing". These applications are incorporated herein by reference.

印刷像の認知される品質の根室にある基本因子は、その
解像度（つまりピクセル密度）、各ピクセルの光学密度
（つまりグレースケール）及び各ピクセルのサイズであ
る。通常はぼ一様な高いコントラスト及び妥当な分解能
を有する像が、テキスト及びその他英数字の印刷として
満足し得る。The fundamental factors underlying the perceived quality of a printed image are its resolution (ie, pixel density), the optical density of each pixel (ie, grayscale), and the size of each pixel. Usually uniform images with high contrast and reasonable resolution are acceptable for printing text and other alphanumeric characters.

しかし、解像度の増大と濃淡の制御は、画像表示等もっ
と複雑な印刷像の認知される品質を著しく高める。周知
のごとく、一部の最新のデジタルプリンタは像濃淡のた
めにハーフトーンスクリーニングパターンを用いる一方
、その他のデジタルプリンタは同じ目的のためにグレー
スケール制御方式を用いている。ハーフトーンスクリー
ニングは空間的に隣接した一群のピクセルを１セル毎に
処理して、ハーフトーン効果を生じることを含む。However, increased resolution and control of shading significantly increases the perceived quality of more complex printed images, such as image displays. As is well known, some modern digital printers use halftone screening patterns for image shading, while other digital printers use grayscale control schemes for the same purpose. Halftone screening involves processing a group of spatially adjacent pixels, cell by cell, to produce a halftone effect.

一方グレースケール制御は、各ピクセルの光学濃度を増
減して印刷像の濃淡を調整する。各ピクセルのサイズを
制御することによっても、同様の効果（つまり擬似グレ
ースケール効果）を達成できる。この方式がグレースケ
ール表示を与えられるのは、通常印刷に使われる解像度
でも、肉眼には像の隣接ピクセルがぼやけてつまり平均
化して見えるのに充分な高さだからである。Grayscale control, on the other hand, adjusts the shading of a printed image by increasing or decreasing the optical density of each pixel. A similar effect (ie, a pseudo-grayscale effect) can also be achieved by controlling the size of each pixel. This system provides a gray scale display because the resolution normally used for printing is high enough that adjacent pixels of the image appear blurred or averaged to the naked eye.

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、１つ以上の液滴噴射器が「ｆ電圧パル
スで駆動されて収束音響ビームを生じ、要求に応じてイ
ンク溜りの自由面からインク滴を噴射するような音響プ
リンタによって印刷されるピクセルまたはスポットのサ
イズを変化する手段が講じられる。インク溜りの自由表
面から解放される各インク滴のサイズは、液滴噴射器に
印加されるパルスの周波数、持続時間または振巾を変調
することによって変えられることが見い出された。SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, one or more droplet ejectors are driven with voltage pulses to produce a focused acoustic beam to generate ink from a free surface of an ink reservoir on demand. Measures are taken to vary the size of the pixels or spots printed by an acoustic printer that ejects drops.The size of each ink drop released from the free surface of the ink pool is determined by the pulse applied to the drop ejector. It has been found that this can be varied by modulating the frequency, duration or amplitude of.

また、インク滴がインク溜りの自由表面から記録媒体の
近くへとそれに沿って飛走する軌道は、インクの乾く前
に複数の液滴が迅速なトリガーシーケンスで重ね合せて
記録媒体上に付着され、直径可変のピクセルまたはスポ
ットを印刷できるように、充分正確に限定され且つ反復
可能なことも見い出されている。この発明の制御方式は
、解像度可変の印刷を行い、制御された擬似グレースケ
ールの濃淡を印刷像に与えるのに使える。印刷像の各ピ
クセルはピクセルの印刷毎に１スポツト用の単一セルで
構成してもよいし、あるいはピクセルの印刷毎にマルチ
スポット用の複数のセルに細分割してもよい。Additionally, the trajectory along which an ink droplet travels from the free surface of the ink pool to near the recording medium is such that multiple droplets are superimposed and deposited on the recording medium in a rapid trigger sequence before the ink dries. , has also been found to be sufficiently precisely defined and repeatable to be able to print pixels or spots of variable diameter. The control scheme of the present invention can be used to perform variable resolution printing and provide controlled pseudo-grayscale shading to printed images. Each pixel of the printed image may be comprised of a single cell for one spot per pixel printing, or may be subdivided into multiple cells for multiple spots per pixel printing.

この発明の更にその他の特徴及び利点は、添付の図面を
参照した以下の詳細な説明から明らかとなろう。Further features and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings.

（実施例） 以下本発明を幾つかの図示例を参照して詳しく説明する
が、本発明はこれらの実施例に制限されないことが理解
されるべきである。反対に、特許請求の範囲の記載によ
って限定される発明の精神及び範囲内に入る全ての変更
、代替及び等漬物が本発明に包含される。(Examples) The present invention will be described in detail below with reference to some illustrated examples, but it should be understood that the present invention is not limited to these examples. On the contrary, the present invention encompasses all modifications, substitutions, and equivalents falling within the spirit and scope of the invention as defined by the claims.

次に図面、ここでは特に第１図を参照すれば、適切な記
録媒体１３上に像を印刷するための液滴噴射器１２を有
する音響プリンタ１１が示しである。この単純化した実
施例は、液滴噴射器１２を複製すればそのアレイを与え
られるので、本発明の一般的な音響プリンタへの適用を
例示している。Referring now to the drawings, and in particular to FIG. 1, there is shown an acoustic printer 11 having a droplet ejector 12 for printing an image on a suitable recording medium 13. As shown in FIG. This simplified example illustrates the application of the invention to a general acoustic printer, since duplicating the droplet ejectors 12 provides an array thereof.

事実、例えばライン印刷、マトリックス印刷、及びマル
チラインラスター走査印刷を実施するのに、各種幾何形
状の液滴噴射器アレイが構成可能である。In fact, drop ejector arrays of various geometries can be configured to perform, for example, line printing, matrix printing, and multi-line raster scan printing.

図示のごとく、記録媒体１３はドラム１４の周囲に巻き
付けられ且つ（不図示の手段で）固定されており、ドラ
ム１４は（同じく不図示の手段で）矢印１６の方向に遅
い走査速度で軸方向に並行移動されつつ、矢印１５の方
向に速い走査速度で回転される。この結果、記録媒体１
３は適切なラスター走査パターンに基づき液滴噴射器１
２に対して前進される。このようなラスター走査を変形
した各種の代替は、自ずと明らかであろう。例えば、相
対移動の遅い走査成分は、噴射器１２をキャリッジ上に
装着し、回転するドラム１４の軸方向に遅い走査速度で
並行移動して得てもよい。また第１Ａ図に示すように、
ピンチロール１７．１８及び１９．２０を用いてドラム
１４を取り除き、記録媒体１３を速い走査速度で前後方
向に並行移動することもできる。As shown, the recording medium 13 is wrapped around and secured (by means not shown) around a drum 14, which is axially moved at a slow scanning speed in the direction of arrow 16 (also by means not shown). While being translated in parallel, it is rotated at a high scanning speed in the direction of arrow 15. As a result, recording medium 1
3 is a droplet ejector 1 based on a suitable raster scanning pattern.
It is advanced against 2. Various alternatives to such raster scanning variations will be obvious. For example, the scanning component with slow relative movement may be obtained by mounting the injector 12 on a carriage and moving it parallel to the axial direction of the rotating drum 14 at a slow scanning speed. Also, as shown in Figure 1A,
It is also possible to remove the drum 14 using pinch rolls 17.18 and 19.20 and to move the recording medium 13 in parallel in the front and back direction at a high scanning speed.

次に第２及び３図を参照すれば、コントローラ２１がパ
ルス状ｒｆ駆動電圧（第３図）を供給して液滴噴射器１
２を駆動する。以下詳述するように、この駆動電圧によ
って集束音響ビーム２２がインク充填プール等のインク
溜り２３中に発せられ、音響ビーム２２がインク溜り２
３の自由表面（つまり液体／空気境界面）２４近くに集
束される。2 and 3, controller 21 provides a pulsed RF drive voltage (FIG. 3) to droplet ejector 1.
Drive 2. As will be described in detail below, this driving voltage causes a focused acoustic beam 22 to be emitted into an ink reservoir 23, such as an ink-filled pool, and the acoustic beam 22 is directed into an ink reservoir 23, such as an ink-filled pool.
3 (i.e., the liquid/air interface) 24.

コントローラ２１はトランスデユーサに印加されるｒｆ
電圧の振巾、周波数または持続時間を変調し、要求に応
じて各インク滴２５　（第１図）が自由表面２４から噴
射されるように、音響ビーム２２が自由表面２４に対し
て加える圧力を制御する。これらインク滴２５の噴射速
度は、インク溜り２３の自由表面２４と記録媒体１３の
間の狭いギャップを横切り、正確に限定され且つ反復可
能な軌道に沿ってインク滴を飛走させるのに充分な高さ
である。事実、インク滴２５を記録媒体１３上に付着可
能な精度は驚くべきほど高い。The controller 21 controls the rf applied to the transducer.
The amplitude, frequency, or duration of the voltage is modulated to increase the pressure that the acoustic beam 22 exerts against the free surface 24 such that each ink drop 25 (FIG. 1) is ejected from the free surface 24 as required. Control. The ejection velocity of these ink drops 25 is sufficient to propel the ink drops along precisely defined and repeatable trajectories across the narrow gap between the free surface 24 of the ink reservoir 23 and the recording medium 13. It's height. In fact, the accuracy with which ink droplets 25 can be deposited onto recording medium 13 is surprisingly high.

図示の実施例において、液滴噴射器１２はインク溜り２
３内に浸漬されている。あるいは、中間媒体（不図示）
を介して液滴噴射器１２を溜りインク２３に音響的に結
合してもよい。例えば、インク溜り２３をマイラー薄膜
等の適切な担持体上に載せ、液滴噴射器１２を液体及び
／又は固体境界層を介してインク溜り２３に音響的に結
合することが考えられる。In the illustrated embodiment, droplet ejector 12 includes ink reservoir 2
It is immersed in 3. Alternatively, an intermediate medium (not shown)
The droplet ejector 12 may be acoustically coupled to the reservoir ink 23 via. For example, it is conceivable to mount the ink reservoir 23 on a suitable carrier, such as a Mylar film, and to acoustically couple the droplet ejector 12 to the ink reservoir 23 via a liquid and/or solid boundary layer.

液滴噴射のプロセスを制御するため、音響ビーム２２が
インク溜り２３の自由表面２４に対して加える圧力が、
個々のインク滴２５を自由表面２４から放出するのに必
要なしきい圧力に対して制御される。このしきい圧力は
、使用する特定インクの表面張力に依存し、経験的に決
められる。また上記プロセスを安定化するため、インク
溜り２３の自由表面２４を液滴噴射器１２から一定の距
離（つまり液滴噴射器１２の焦点面）に維持する手段を
講じるのが好ましい。これを達成するには各種の方式が
使える。例えば第２図に示すように、インク溜り２３の
自由表面２４にグレーズ入射角でぶつかる光ビーム３３
を供給するレーザ３２と、自由表面２４から反射した光
ビーム３３を受は取るスプリット形光検出器３４との組
合せを含む閉ループ制御系３１が設けられる。インク溜
り２３の自由表面２４が所望の設定レベルにある場合に
のみ、光ビーム３３が中心に入射するように光検出器３
４は光学的に整合される。従って、自由表面２４０レベ
ルの有意な変化は光検出器３４の出力バランスをくずし
、差動増巾器３５からモータ３６を付勢するエラー信号
を供給せしめる。モータ３６がインク充填ポンプ３８の
プランジャ３７を駆動し、必要に応じ供給ライン３９を
介してインク溜り２３ヘインクを加えるかまたはそこか
ら吸引することによって、自由表面２４を所望の設定レ
ベルに復帰させる。あるいは、１９８６年４月１日に名
称「バブル崩壊による液滴噴射式サーマルインクジェッ
トプリンタ」で発行され、本出願人に譲渡されたトモ）
　（Ｄｏｍｏｔｏ）等の米国特許第４．５８０．１４８
号に示されているように、ナイフェツジ形液晶レベル制
御方式も使える。To control the process of droplet ejection, the pressure exerted by the acoustic beam 22 against the free surface 24 of the ink reservoir 23 is
The threshold pressure required to eject individual ink drops 25 from free surface 24 is controlled. This threshold pressure depends on the surface tension of the particular ink used and is determined empirically. Also, in order to stabilize the process described above, preferably measures are taken to maintain the free surface 24 of the ink reservoir 23 at a constant distance from the drop ejector 12 (i.e. at the focal plane of the drop ejector 12). Various methods can be used to accomplish this. For example, as shown in FIG. 2, a light beam 33 strikes the free surface 24 of the ink reservoir 23 at a glaze incidence
A closed-loop control system 31 is provided that includes a combination of a laser 32 that provides a light beam 32 and a split photodetector 34 that receives and receives a light beam 33 reflected from the free surface 24. The photodetector 3 is arranged such that the light beam 33 is centrally incident only when the free surface 24 of the ink reservoir 23 is at the desired set level.
4 are optically aligned. Therefore, a significant change in free surface 240 level will unbalance the output of photodetector 34 and cause differential amplifier 35 to provide an error signal that energizes motor 36. Motor 36 drives plunger 37 of ink fill pump 38 to restore free surface 24 to the desired set level by adding or suctioning ink to or from ink reservoir 23 via supply line 39 as required. Alternatively, the book issued on April 1, 1986 under the title "Droplet Jet Thermal Inkjet Printer by Bubble Collapse" and assigned to the applicant)
(Domoto) et al. U.S. Patent No. 4.580.148
A knife-type liquid crystal level control system can also be used, as shown in the issue.

液滴噴射器１２の基本構造は、その機能及び動作モード
において独得だが、音響顕微鏡の対物レンズと同様であ
る。例えば、シー・エフ・クェート（Ｃ，Ｆ、　Ｑｕａ
ｔｅ）の論文、「音響顕微鏡法」、Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｔ
ｏｄａｙ　、　Ｖｏｌ、３８．　Ｎｏ、８．　１９８５
年８月、３４〜４２頁参照のこと。すなわち、液滴噴射
器１２は音響波４２によって照明される音響レンズ４１
を備え、音響波４２はコントローラ２１から供給される
ｒｆ駆動電圧に応じ圧電トランスデユーサ４３によって
発生される。レンズ４１は固体基板４４の一表面（例え
ば上面）に形成された小さい球面状キャビティつまり凹
部によって画成され、固体基板４４はインク２３中の音
速よりはるかに大きい音速を有するシリコン、窒化シリ
コン、炭化シリコン、アルミナ、サファイア、溶融水晶
、及び一部のガラスから成る。一方、圧電トランスデユ
ーサ４３が基板４４０反対面つまり下面に付着されるか
、あるいは機械的に密着結合される。The basic structure of the droplet ejector 12 is similar to the objective lens of an acoustic microscope, although it is unique in its function and mode of operation. For example, C,F, Qua
te) paper, “Acoustic Microscopy”, Physics T
oday, Vol, 38. No, 8. 1985
See August, pp. 34-42. That is, the droplet ejector 12 has an acoustic lens 41 illuminated by an acoustic wave 42.
The acoustic wave 42 is generated by the piezoelectric transducer 43 in response to the RF drive voltage supplied from the controller 21. Lens 41 is defined by a small spherical cavity or recess formed in one surface (e.g., top surface) of solid substrate 44 , which is made of silicon, silicon nitride, or carbide, which has a sound velocity much greater than that in ink 23 . Consists of silicon, alumina, sapphire, fused crystal, and some glass. Meanwhile, the piezoelectric transducer 43 is attached to the opposite or lower surface of the substrate 440, or is mechanically closely coupled to the substrate 440.

動作時には、コントローラ２１から供給されるｒｆ電圧
がトランスデユーサ４３を横切って印加され、トランス
デユーサ４３を振動状態に励起して基板４４内に音響波
４２を発生する。音響波４２は比較的高速で基板４４内
を伝播してレンズ４１にぶつかり、そこではるかに低い
音速を有する媒体く図示のように例えばインク溜り２３
）内に入る。従って、レンズ４１は球状の波面を音響波
４２に与え、集束ビーム２２を発生する。基板４４とイ
ンク２３の境界面を横切る音速の変化によって測定され
る屈折率の変化が大きく、また上記境界面を横切る音響
波の屈折角も大きい結果、レンズ４１の焦点距離はその
曲面半径にほぼ等しくなる。In operation, an rf voltage provided by controller 21 is applied across transducer 43 to excite transducer 43 into a vibrational state and generate acoustic waves 42 within substrate 44 . The acoustic wave 42 propagates at a relatively high speed through the substrate 44 and impinges on the lens 41, where it penetrates a medium with a much lower sound velocity, such as the ink puddle 23 as shown.
) go inside. Therefore, the lens 41 imparts a spherical wavefront to the acoustic wave 42 and generates a focused beam 22. As a result of the large change in refractive index measured by the change in sound velocity across the interface between the substrate 44 and the ink 23, and the large refraction angle of the acoustic wave across the interface, the focal length of the lens 41 is approximately equal to the radius of its curved surface. be equal.

例えば、レンズ４１の口径が焦点距離とほぼ同じ場合（
Ｆ＃々１）、焦点における音響ビーム２２の中央直径は
その波長にほぼ等しくなる。音響ビーム２２のわずかな
収差が許容されるなら、基板４４の音速はインク２３の
音速より約２．５倍大きくするだけでよい。但し、イン
ク２３の音速より約４倍以上大きい音速を持つ材料から
基板４４を製造すれば、収差は無視できるほど低いレベ
ルに減少可能である。これは、インク２３の音速が一般
に約１〜２ｋｍ／ｓｅｃに過ぎないので充分実用的であ
る。For example, if the aperture of the lens 41 is approximately the same as the focal length (
F#1), the central diameter of the acoustic beam 22 at the focal point will be approximately equal to its wavelength. If slight aberrations in the acoustic beam 22 are tolerated, the sound velocity of the substrate 44 need only be about 2.5 times greater than the sound velocity of the ink 23. However, if the substrate 44 is made of a material having a sound velocity that is about four times higher than the sound velocity of the ink 23, the aberrations can be reduced to a negligible level. This is sufficiently practical since the sound velocity of the ink 23 is generally only about 1 to 2 km/sec.

インク溜り２３中での音響ビーム２２の波長λ１は、勿
論トランスデユーサ４３に印加されるｒｆ電圧（第３図
）の周波数ｆと反比例の関係にある（すなわちλ１＝Ｖ
ｉ／ｆ、但しＶｉ　はインク２３中の音速）。この分析
を更に進めれば、焦点における音響ビーム２２の中央直
径はその波長λｉに正比例することが想起されよう。そ
こで、この発明の特徴の一つによれば、トランスデユー
サ４３用のｒｆ駆動電圧の周波数「を変えて、音響ビー
ム２２の中央直径ひいては噴射されるインク滴２５のサ
イズを変化させる手段がコントローラ２１内に講じられ
る。この液滴サイズ制御方式は有効であるが、トランス
デユーサ４３がその効率を高めるため狭巾の共振応答特
性を持つように同調されていると、その効果が制限され
てしまう。しかしながら、コントローラ２１から供給さ
れる電圧の周波数はオペレータの操作等により、トラン
スデューサ４３０基本共振周波数とその奇数高調波との
間で切り換えることができる。これは比較的粗い調整だ
が、例えばインク滴２５のサイズを変え異なる解像度で
印刷するのに使える。The wavelength λ1 of the acoustic beam 22 in the ink reservoir 23 is, of course, inversely related to the frequency f of the rf voltage (FIG. 3) applied to the transducer 43 (i.e. λ1 = V
i/f, where Vi is the speed of sound in the ink 23). Taking this analysis further, it will be recalled that the central diameter of the acoustic beam 22 at its focal point is directly proportional to its wavelength λi. Therefore, according to one of the features of the present invention, the controller includes means for changing the frequency of the RF drive voltage for the transducer 43 to change the central diameter of the acoustic beam 22 and thus the size of the ejected ink droplet 25. Although this droplet size control scheme is effective, its effectiveness is limited if the transducer 43 is tuned to have a narrow resonant response to increase its efficiency. However, the frequency of the voltage supplied from the controller 21 can be switched between the fundamental resonant frequency of the transducer 430 and its odd harmonics by operator operation etc. Although this is a relatively coarse adjustment, for example It can be used to change 25 sizes and print at different resolutions.

この発明の別の特徴によれば、トランスデユーサ４３に
印加されるｒｆパルスの持続時間ζ（第３図）をコント
ローラ２１で変調することによってもインク滴２５のサ
イズが変えられる。このパルス巾変調は、インク滴２５
の直径を約１波長（λｉ）から約２波長（２λｌ）まで
の範囲にわたって連続的に変化させるのに使え、これは
印刷像に制御された濃淡を与えるのに充分適することが
見い出された。実用上は、５００Ｍ）ｌｚでインク滴直
径を２倍の範囲で変えるのに、約１μｓｅｃと５０μｓ
ｅｃの間で変化するパルス巾ζが適当である。According to another feature of the invention, the size of the ink drop 25 is also varied by modulating, by the controller 21, the duration ζ (FIG. 3) of the rf pulse applied to the transducer 43. This pulse width modulation causes the ink droplet 25
It has been found that this can be used to vary the diameter continuously over a range from about one wavelength (λi) to about two wavelengths (2λl), which is well suited for providing controlled shading in printed images. In practice, it takes about 1 μsec and 50 μs to change the ink droplet diameter by 2 times at 500 M)lz.
A pulse width ζ varying between ec is suitable.

トランスデユーサ４３に印加されるｒｆパルスの振巾を
変調しても同様の結果が得られるが、振巾変調はパルス
巾変調はど大きい範囲の制御をインク滴２５のサイズに
与えられない。Similar results can be obtained by modulating the amplitude of the rf pulse applied to transducer 43, but amplitude modulation does not provide as much control over the size of ink drop 25 as pulse width modulation.

この発明の更に別の重要な特徴として、インク滴２５が
インク溜り２３の自由表面２４から記録媒体１３へとそ
れに沿って飛走する軌道は、インクの乾く前に複数のイ
ンク滴２５が迅速なトリガーシーケンスで噴射され重ね
合せて付着されるよう充分正確に限定され且つ反復可能
なことが見い出された。この現象の物理的過程は、そこ
で何が起きているかを正確に記述できるほど充分深く究
明されていないが、１５個のインク滴２５まで１つの中
心に付着可能なことが実験で実証されている。第４図に
概略的に示すように、これらのインク滴２５は塊状に集
中して、約２ｄｎＩ／３に等しい直径を持つスポット５
１を形成する（但しｄはインク滴の直径、ｎはスポット
５１を印刷するのに使われるインク滴２５０数）。明ら
かなごとく、上式中の２という因子は、インク滴２５の
直径は実質上一定であると仮定し、またインク滴によっ
て紙上に印刷されるスポットの直径は液滴直径の約２倍
になるという観測に基づいている。異なるインク及び異
なる紙を使えば、上記の因子２と巾因子ｎ１′３が若干
変化する。前述の実験は１５０ＭＨｚの長い１０μｓｅ
ｃ　ｒｆバーストを用いトランスデユーサ４３を６０μ
ｓｅｃ／パルスの反復速度Ｔでパルス駆動し、Ｉ　ＫＨ
ｚの印刷スポット速度で実施したが、このスポットサイ
ズ制御方式は容易に拡張でき広い有用性を持つことが理
解されよう。例えば、印刷像の濃淡を制御するため、ピ
クセル毎に１つのスポット５１を印刷して、（Ｎ＋１）
までの異なるグレー濃淡を与えることができる。但し、
Ｎは１つの中心に重ね付着可能なインク滴２５の最大数
。あるいは第５図に示すように、各ピクセルをその中心
５３に関してほぼ対称的に分布された複数のセル５２１
〜５２ｄで構成し、セル５２ａ〜５２ｄにそれぞれ印刷
されるスポット５４８〜５４ｄのサイズを上記のように
制御して、Ｘ（Ｎ＋１）までの異なるグレー濃淡を印刷
のために選べるすることもできる。但し、Ｘはピクセル
毎のセル数。例えば、ピクセル毎に４つのセル５２ａ〜
５２ｄを設ければ、６４階調のグレー濃淡が得られるこ
とが実証されている。Yet another important feature of the invention is that the trajectory along which the ink droplets 25 travel from the free surface 24 of the ink reservoir 23 to the recording medium 13 is such that multiple ink drops 25 are quickly disposed of before the ink dries. It has been found that the trigger sequence is sufficiently precisely defined and repeatable to be fired and deposited in superimposed fashion. The physics of this phenomenon have not been investigated in sufficient depth to describe exactly what is happening, but experiments have demonstrated that up to 15 ink droplets25 can be deposited on a single center. . As shown schematically in FIG. 4, these ink droplets 25 are concentrated in clumps to form a spot 5 with a diameter equal to approximately 2dnI/3.
1 (where d is the diameter of the ink drop and n is the number of 250 ink drops used to print the spot 51). As can be seen, the factor of 2 in the above equation assumes that the diameter of the ink drop 25 is substantially constant, and that the diameter of the spot printed by the ink drop on the paper will be approximately twice the drop diameter. It is based on the observation that Using different inks and different papers will slightly change the factor 2 and width factor n1'3 above. The above experiment was performed using a 150MHz long 10μse
transducer 43 by 60μ using c rf burst.
Pulse driving at a repetition rate T of sec/pulse, I KH
Although implemented at a print spot speed of z, it will be appreciated that this spot size control scheme is easily scalable and has broad utility. For example, to control the shading of the printed image, one spot 51 is printed for each pixel and (N+1)
It can give different shades of gray. however,
N is the maximum number of ink droplets 25 that can be stacked and deposited on one center. Alternatively, as shown in FIG.
~52d, and the size of the spots 548-54d printed in cells 52a-52d, respectively, can be controlled as described above to allow up to X(N+1) different shades of gray to be selected for printing. However, X is the number of cells per pixel. For example, for each pixel, four cells 52a~
It has been demonstrated that if 52d is provided, 64 shades of gray can be obtained.

音響レンズ型液滴噴射器１２は、噴射挙動が安定してお
りまた液滴噴射器のアレイを容易に製造できる点で好ま
しいが、本発明は液滴噴射器以外の型の音響プリンタに
も適用可能である。例えばこの発明は、第６図に示し前
述のラブレディ等の米国特許に記されている圧電球面状
シェルトランスデユーサ６１にも適合し得る。また、第
７図に示し前述のクェート等の米国特許出願第７７６、
２９１号に記されている交互噛み合いトランスデユーサ
（ＩＤＴ）にも適合可能である。従って、ラブレディ等
の米国特許とクェート等の米国特許出願は参照によって
ここに含まれるものとするが、液滴のサイズはトランス
デユーサの圧電素子内の音速に正比例するというラブレ
ディ等の教示には同意できない。そうでなく、液滴のサ
イズはインク２３（第１及び２図）中の音速に比例する
。Although the acoustic lens type droplet ejector 12 is preferred because of its stable ejection behavior and the ease with which arrays of droplet ejectors can be manufactured, the present invention is applicable to other types of acoustic printers as well. It is possible. For example, the present invention may be adapted to the piezoelectric shell transducer 61 shown in FIG. 6 and described in the aforementioned Lovelady et al. patent. Also, U.S. Patent Application No. 776 of Kuwait et al., shown in FIG.
It is also compatible with interleaving transducers (IDTs) as described in US Pat. Accordingly, although the Lovelady et al. patent and Kuwait et al. patent applications are hereby incorporated by reference, the Lovelady et al. teaching that droplet size is directly proportional to the speed of sound within the piezoelectric element of the transducer; I cannot agree. Rather, the droplet size is proportional to the speed of sound in the ink 23 (FIGS. 1 and 2).

（発明の効果） 上記から本発明は、１つ以上の液滴噴射器がｒｆ電圧パ
ルスによって駆動され、要求に応じてインク溜りの自由
表面からインク滴を噴射させる収束音響ビームを生じる
ような音響プリンタによって印刷されるピクセルまたは
スポットのサイズを、手操作でまたは自動的に変化させ
る各種の方法及び手段を与えるものであることが理解さ
れよう。EFFECTS OF THE INVENTION From the foregoing, the present invention provides an acoustic system in which one or more drop ejectors are driven by an RF voltage pulse to produce a focused acoustic beam that ejects ink drops from the free surface of an ink puddle on demand. It will be appreciated that various methods and means are provided for manually or automatically varying the size of pixels or spots printed by a printer.

これらの制御方式を個々にあるいは相互に組合せて用い
、異なる解像度での印刷を行ったり、制御されたグレー
スケール濃淡を印刷像に与えることができる。また、こ
の発明の液滴サイズ制御方式が必ずしも音響印刷に制限
されないことは明らかであろう。These control schemes can be used individually or in combination with each other to print at different resolutions or to impart controlled gray scale shading to the printed image. It will also be clear that the droplet size control scheme of the present invention is not necessarily limited to acoustic printing.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は本発明を有利に適用し得る一般型の音響プリン
タの単純化した部分等角図；第１Ａ図は第１図に示した
プリンタ用の別の搬送器を示す等角図；第２図は第１図
に示したプリンタのより詳しい断面図；第３図は液滴噴
射器用のｒｆ駆動電圧を時間の関数として示す基本波形
図；第４図は本発明の一特徴に基づき複数のインク滴を
１つの中心上に重ね付着することによって印刷される制
御された直径のスポットの拡大平面図；第５図は可変な
サイズスポットを各々のセルに印刷してピクセルのグレ
ースケール濃淡を拡張可能なように、複数のセルに細分
割されたピクセルの平面図；第６図は第１及び２図に示
した音響レンズ型液滴噴射器の代りに使用可能な圧電球
面状シェルトランスデユーサの断面図；及び第７図は第
１及び２図に示しだ液滴噴射器の代りに使用可能な交互
噛み合せ圧電トランスデユーサ（ＩＤＴ）の平面図。 １１・　音響プリンタ、１２　　・液滴噴射器、１３　
−記録媒体、２１．−　　制御手段（コントローラ）、
２２・　音響ビーム、２３　・液プール（インク溜り）
　、２４−−一自由表面、２５　　液（インク）滴、３
１−自由面の閉ループ制御系、４３　　圧電トランスデ
ユーサ、５１．５４ａ−ｄ−・スポット。 ＦＩＧ・４ＦＩ６．５FIG. 1 is a simplified partial isometric view of a general type of acoustic printer to which the present invention may be advantageously applied; FIG. 1A is an isometric view of another carrier for the printer shown in FIG. 1; FIG. 2 is a more detailed cross-sectional view of the printer shown in FIG. 1; FIG. 3 is a basic waveform diagram showing the RF drive voltage for the droplet ejector as a function of time; FIG. An enlarged top view of a spot of controlled diameter printed by depositing overlapping drops of ink on one center; Figure 5 shows a variable size spot printed in each cell to create a gray scale shade of a pixel. A plan view of a pixel scalably subdivided into cells; FIG. 6 shows a piezoelectric shell transducer that can be used in place of the acoustic lens droplet ejector shown in FIGS. 7 is a cross-sectional view of the user; and FIG. 7 is a top view of an interdigitated piezoelectric transducer (IDT) that can be used in place of the droplet injector shown in FIGS. 1 and 2. 11. Acoustic printer, 12. Droplet ejector, 13
- Recording medium, 21. - control means (controller);
22. Acoustic beam, 23. Liquid pool (ink reservoir)
, 24--free surface, 25 liquid (ink) drop, 3
1 - Free surface closed loop control system, 43 Piezoelectric transducer, 51.54a-d- spot. FIG・4FI6.5

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １、液プールの自由表面から限定サイズの液滴を噴射す
る液滴噴射器と、前記液滴噴射器が圧電トランスデュー
サと、該トランスデューサに接続されｒｆ信号を供給し
てトランスデューサを励起するｒｆ制御手段とを含み、
前記液滴噴射器が集束音響ビームを前記液プール内に発
し、該音響ビームをほぼ前記自由表面に集束させるプリ
ンタにおいて： 前記制御手段が命令に基づき前記ｒｆ信号を変調して前
記液滴のサイズを変化させることを特徴とするプリンタ
。 ２、前記制御手段が前記ｒｆ信号をパルス巾変調して前
記液滴のサイズを変化させる特許請求の範囲第１項のプ
リンタ。 ３、前記制御手段が前記ｒｆ信号を振幅巾変調して前記
液滴のサイズを変化させる特許請求の範囲第１項のプリ
ンタ。 ４、前記制御手段が前記ｒｆ信号をさらにパルス巾変調
して前記液滴のサイズを変化させる特許請求の範囲第３
項のプリンタ。 ５、前記制御手段が前記ｒｆ信号を周波数変調して前記
液滴のサイズを変化させる特許請求の範囲第１〜４項の
何れか１項のプリンタ。 ６、個々の限定サイズの液滴を記録媒体上に付着して、
該記録媒体上に限定サイズのスポットを印刷する少なく
とも１つの液滴噴射器を有する音響プリンタにおいて： 前記液滴噴射器に接続され、命令に基づき前記スポット
のサイズを変化する制御手段を備えたことを特徴とする
プリンタ。 ７、前記制御手段が前記スポットのサイズを粗く変化し
て、前記プリンタを異なる解像度で動作する特許請求の
範囲第６項のプリンタ。 ８、前記制御手段が前記スポットのサイズを密に制御し
て、グレースケール表示の印刷を特許請求の範囲第６項
のプリンタ。 ９、前記制御手段が前記スポットのサイズを粗くも変化
して、前記プリンタを異なる解像度で動作する特許請求
の範囲第８項のプリンタ。 １０、前記プリンタが前記記録媒体に近接した自由表面
を持つインク溜りを有し、前記液滴噴射器が圧電トラン
スデューサを含み、前記制御手段が前記トランスデュー
サに接続されｒｆ信号を供給してトランスデューサを振
動状態に励起して、前記液滴噴射器が集束音響ビームを
前記自由表面近くで集束するように選定された深さで前
記インク溜り中に発するように成し；更に 前記制御手段が前記ｒｆ信号を変調し、前記記録媒体上
に印刷されるスポットのサイズを変化させる：特許請求
の範囲第６項のプリンタ。 １１、前記インク溜りに結合され、その自由表面を前記
液滴噴射器から実質上一定の距離に維持して、動作中前
記音響ビームがほぼ前記自由表面に集束し続けるように
成す手段を更に含む特許請求の範囲第１０項のプリンタ
。 １２、前記制御手段が前記ｒｆ信号をさらにパルス巾変
調して前記液滴のサイズを変化させる特許請求の範囲第
１１項のプリンタ。 １３、前記制御手段が前記ｒｆ信号を振幅巾変調して前
記液滴のサイズを変化させる特許請求の範囲第１１項の
プリンタ。 １４、前記制御手段が前記ｒｆ信号を周波数変調して前
記液滴のサイズを変化させる特許請求の範囲第１１項の
プリンタ。 １５、前記制御手段が前記液滴噴射器を制御して、前記
各スポットの印刷毎にか変数のインク滴を与える特許請
求の範囲第６及び１０〜１４項の何れか１項のプリンタ
。 １６、前記トランスデューサが狭巾の共振周波数応答特
性を有する特許請求の範囲第１５項のプリンタ。Claims: 1. A droplet ejector for ejecting droplets of limited size from the free surface of a liquid pool, the droplet ejector connected to a piezoelectric transducer and connected to the transducer for supplying an RF signal to the transducer. and rf control means for exciting the
In a printer in which the droplet ejector emits a focused acoustic beam into the liquid pool and focuses the acoustic beam substantially on the free surface: the control means modulates the rf signal on command to determine the size of the droplet. A printer characterized by changing. 2. The printer according to claim 1, wherein the control means pulse width modulates the RF signal to change the size of the droplet. 3. The printer according to claim 1, wherein said control means modulates the amplitude of said RF signal to change the size of said droplet. 4. Claim 3, wherein the control means further pulse-width modulates the RF signal to change the size of the droplet.
section printer. 5. The printer according to any one of claims 1 to 4, wherein the control means frequency-modulates the rf signal to change the size of the droplet. 6. Depositing individual droplets of limited size on the recording medium,
An acoustic printer having at least one droplet ejector for printing a spot of limited size on the recording medium, comprising: control means connected to the droplet ejector for changing the size of the spot on command; A printer featuring 7. The printer of claim 6, wherein said control means coarsely varies the size of said spot to operate said printer at different resolutions. 8. The printer according to claim 6, wherein said control means closely controls the size of said spot and prints a gray scale display. 9. The printer of claim 8, wherein said control means coarsely varies the size of said spot to operate said printer at different resolutions. 10. The printer has an ink reservoir with a free surface proximate the recording medium, the drop ejector includes a piezoelectric transducer, and the control means is connected to the transducer to provide an rf signal to vibrate the transducer. energizing the droplet ejector to emit a focused acoustic beam into the ink puddle at a depth selected to focus near the free surface; 7. The printer according to claim 6, wherein the size of a spot printed on the recording medium is changed. 11. further comprising means coupled to the ink reservoir for maintaining its free surface at a substantially constant distance from the droplet ejector so that the acoustic beam remains focused substantially on the free surface during operation; The printer according to claim 10. 12. The printer of claim 11, wherein said control means further pulse width modulates said rf signal to vary the size of said droplets. 13. The printer of claim 11, wherein said control means amplitude modulates said RF signal to change the size of said droplet. 14. The printer of claim 11, wherein said control means frequency modulates said rf signal to vary the size of said droplets. 15. A printer according to any one of claims 6 and 10 to 14, wherein said control means controls said droplet ejector to provide a variable number of ink drops for each printing of said spot. 16. The printer of claim 15, wherein the transducer has a narrow resonant frequency response characteristic.