CN87101228A - 用于喷墨印刷的声透镜陈列 - Google Patents

Abstract

为了简化声印刷头的制造工艺、提供了一些球面形声透镜的阵列、用于使各射频声波聚焦到本质上受衍射限制的、在墨汁槽表面或者其附近的各焦点上。这些透镜形成一些相对地免除了局部幅度变化的焦点图案，因此，可以把它们用于制造具有相对稳定特性的、用于声印刷的声印刷头。

Description

本发明涉及声印刷机，更具体地说，它涉及用于这种印刷机的具有集成声透镜阵列的印刷头。

在可兼用普通纸的直接打印技术的发展方面，已经耗费了大量的精力和费用。虽然传统的各种喷墨技术因其需要一些带有小的、容易阻塞的喷射孔喷嘴的基本缺点而受到损害，但是涉及根据要求滴落以及连续流喷墨印刷术的研究和发展活动占去了这种投资中的相当大的部分。很遗憾，喷射孔的尺寸是喷墨技术的关键设计参数、因为它决定了喷嘴喷射的墨汁微滴的大小。因此，不能在不牺牲分辨率的情况下增加喷射孔的尺寸。

声印刷术是一种具有潜在重要性的、另一种可供选择的直接打印技术。它仍处在早期发展阶段，但是现有的证据表明，当它以自己的长处提供显著的优点时，在与用于或者在普通纸上或者在特殊媒质上印刷的各种普通喷墨系统相比较中，它很可能是有利的。更具体地说，声印刷术已提高了内在可靠性，因为其中不存在易于阻塞的喷嘴。可以理解，阻塞喷嘴的故障状态的消除尤其关系到大型喷墨器阵列（例如包括几千个分离的喷射器的各种页面宽度阵列）的可靠性。此外，取消了小的喷射孔，因此能够用比普通喷墨印刷更多种类的墨汁（包括具有更高粘度的墨汁以及包含颜料和其他颗粒成份的墨汁）来进行声印刷。与该项技术的另外的特点相一致，Elrod等人的一项共同未决和共同转让的美国专利申请案（其名称是“可改变园点大小的声印刷术”）（D/86359）表明，在工作期间，可以通过或者改变所喷射的各单个微滴的大小、或者调整用于构成所印刷的图象的单个象素的微滴数目、来控制由声印刷机印刷的单个象素的尺寸。

众所周知，声束在它所投射的物体上施加一种撞击该物体的辐射压力。因此，如果声束从正下方投射在液体槽的自由表面（即，液体与空气的交界面）上，那么该声束施加的撞击该自由表面的辐射压力可能达到足够高的量级、足以使液体的单个微滴从该液槽的表面逸出、而不管表面张力的限制力。为了达到所述目的，有利的做法是使声束在液槽的表面上或者在其附近聚焦，以此增强给定数量的输入功率的辐射压力。先前已经把这些原理用于喷墨技术和声印刷术，使用超声（射频）声束使细小的墨汁微滴从墨汁槽中逸出。例如，K.A.krause的文章“聚焦的喷墨头”（“IBM    Technical    Dis    losure    Bulletin”V01.16，№4，1973年9月，PP.1168-1170）叙述了一种喷墨技术，其中利用从一个凹形表面发射的、用一个园锥形的孔隙约束的声束、来推动各墨汁微滴穿出小的喷射孔。Louelady等人在第4，308，547号美国专利“液体微滴发射器”（1981年12月29日颁布）中指出，普通喷墨技术的小喷射孔是不必要的。为此，他们设置一些球面形压电壳层作为换能器、用于提供聚焦的声束，以便从墨汁槽的自由表面喷射墨汁微滴。他们还提出一种由一些平面换能器驱动的声喇叭，用于从涂复着墨汁的带上喷射墨汁微滴。此后，为了减少声印刷头的成本以及简化多喷射器阵列的制造工艺，C.F.Quate等人在一项共同未决和共同转让的美国专利申请案中（D/85155）（1985年9月16日提出申请，申请号776，291，其名称是“漏隙瑞利波无喷嘴液体微滴喷射器”）引入一个平面交叉指型换能器（IDT）和平面IDT阵列。Quate等人还揭示：可以或者直接通过调制声束的方法，或者间接地随着来自可适当控制的射频信号源的功率辅助脉冲串来控制微滴喷射过程。

交叉指型换能器（IDT）提供了一种用于制造声微滴喷射器阵列的经济的工艺，但是其空心声束的焦点图案导致比某些应用场合所希望的、对墨汁表面高度的较小的变化有更高的敏感性。因此，仍然存在一种对能够以适度的成本费用装配高喷射稳定性声微滴喷射器阵列的工艺技术的需求。

本发明为响应上述需求，设置了若干球面形声透镜阵列，用于使各射频声波聚焦到本质上受衍射限制的、在墨汁槽自由表面或在其附近的各焦点。这些透镜形成相对地免除了局部幅度变化的各种焦点图案，因此可以用它们制造具有相对稳定特性的、用于声印刷术的声印刷头。

结合各附图阅读如下的详细描述，可以明白本发明的其他一些特征和优点，在这些附图中：

图1是根据本发明构成的声印刷头的等角视图;

图2是示于图1中的印刷头的横截面图（工作期间印刷头浸没在墨汁槽中的情况）;

图3是一种更改的印刷头等角视图，其中声束被换能器部分地预聚焦;

图4A至4D是说明能够应用本发明的某些印刷机结构形式的示意图;

图5是本发明的一个实施例的更详细的纵剖面图，其中用于根据要求而滴落的印刷技术的各声透镜被分别地照射;

图6是示于图5中的印刷头的底视图;

图7和图8是示于图5中的印刷头的另一些实施例的纵剖面图，用于说明可以采取使各透镜彼此声隔离的措施;

图9是做成平面状的印刷头的横截面图;

图10是另一种做成平面状的印刷头的横截面图。

当下文参考一些图解说明的实施例来更详细地描述本发明时，应当理解，这里不存在将本发明局限于这些实施例的意图。相反，其目的是要包括由所附各权利要求所限定的属于本发明精神和范围内的所有变体，各替换方案和等同物。

现在返回各附图，此处尤其请看图1和图2，这里有一个声印刷头11，它包括精确定位的球面形声透镜12a至12i的一个阵列，用于把多束会聚的声束15发射到墨汁16（只在图2中示出）的槽中。声束15中的每一束相对于它从其中发出的透镜12a……，或12i的中心基本上对称地会聚，并且选择透镜12a至12i的焦距，使得声束15中的每一束都聚焦到墨汁16的槽的自由表面17（即液体和空气的交界面）或者其附近。将印刷头11适当地浸没在墨汁16中。另一方面，可以用声损耗低的介质，例如聚脂薄膜或者类似物（未示出）在此处使各透镜12a至12i偶联。

用在一个实心基片22的上表面形成的一些小的、通常是球面形的凹槽来确定声透镜12a至12i的界限。在基片22的反面或者下表面上沉积压电换能器23或者用其他方法使它与基片22的下表面保持紧密的机械接触，并且把合适的射频信号源（未示出）耦合到换能器23的两端，以便激励它进入振荡状态。换能器23的振荡使它产生超声波24、用于共同地、或者如后面另外详细地描述的那样，分别地照射各透镜12a至12i。如果所述同一声波24照射所有透镜12a至12i，那么，选择声波24的幅度使声束15把墨汁16的自由表面17激励到对微滴的形成来说是起始的、亚阈值能量等级。另外，提供一个合适的补充能量的信号源（未示出）、用于有选择地供给那些被声波激励的焦点区，以便根据要求从这些区域把各单独的墨汁微滴喷射出来。见上述Quate等人的专利申请案（D/85155）。另外，见S.A.Elrod的美国专利申请（1986年1月21日提出的、申请号820，045，题目是“用于无喷嘴微滴喷射器的毛细波控制器”）的共同未决和共同转让的继续申请案（D/85239C）（D/85239现已放弃）。

如图1和图2中所示，换能器23具有平面的外形，因此它产生普通平面波前的声波24。但是，也可以使用具有其他外形的换能器。例如图3中所示，可以使用一种园柱面的换能器23′，用于产生部分地预聚焦的声波24′，以照射直线型阵列的各透镜12a-12i。

按照更详细描述的本发明的一个方面，为了显著地减小（如果不是消除的话）聚焦声束15的象差，透镜基片22由这样的材料构成，即，这种材料具有大大高于墨汁16中的声速Vi的声速度V_s（即，基片22中的声速），于是，V_s＞＞V_i。通常，墨汁16中的声速在1-2千米/秒范围内。这样，基片22可以由宽的材料变化范围中的任何一种材料构成，例如，硅、氮化硅、碳化硅、氧化铝、兰宝石、熔凝石英以及某些玻璃，以便在墨汁16和各透镜12a至12i之间的交界面上、把折射率的比值（由声速的比值V_s/V_i所确定的）保持在超过2.5∶1的水平。比值2.5∶1足以保证声束15的象差是小的。但是，如果基片22由一种具有较高声速的材料，例如硅、氮化硅、碳化硅、氧化铝和兰宝石构成，那么能够容易地获得4∶1或者更高的折射率比值，从而把声束15的象差减小到基本上可以忽略的等级。见C.F.Quate的声学显微镜”一文（《Scientific American》V01.241，№4，October 1979，PP62-72），其中对涉及的这些原则有详细的讨论。

声印刷术要求把各透镜12a-12i彼此相关地精确地定位在非常密集的各中心上。因此，按照本发明的另一个方面，最好把各透镜12a至12i用化学方法蚀刻在基片22上或者模压在其中。K.D.Wise等人在“用半导体工艺制造用于热核聚变研究中的半球形结构”〔J.Vac.Sci.Technol.（真空科学技术杂志），V01.16，№3    May/June    1979，PP.936-939〕（特此引入作为参考）一文中叙述了一种用于把各透镜各向同性地蚀刻到硅材料上的合适的光刻工艺，而且可以把这种工艺推广到在由其他各种可用化学方法蚀刻的材料构成的基片22上制造各透镜12a至12i。或者，还可以通过使用热压或者喷射铸造工艺把各透镜12a至12i浇铸到例如氧化铝、氮化硅和碳化硅材料中。如果需要的话，可以在透镜12a至12i的球形外表面上淀积一层由λz/4厚度的阻抗配匹材料层构成的（其中λz＝敷层26中声束15的波长）吸声层26（图2）。

透镜12a至12i的各半径一般大于限定其界限的各凹槽的深度，以便使各透镜的焦点平面离开基片22的上表面一段距离，该距离约等于墨汁16的上复盖层的厚度（加上任何插入煤质、例如用于承载墨汁的任何薄膜的厚度）。因此，如果按照上述Wise等人的教导用化学方法把各透镜12aa-12i蚀刻在基片22中，那么，可以使用研磨加工、附加的化学蚀刻或者类似方法来切削已蚀刻的基片22的上表面，使它从各透镜12a至12i的焦点平面向后移动足够的距离。此外，可以通过例如研磨的方法使基片22的上表面变粗糙，以便弥漫性地散射任何未被各透镜12a至12i会聚的入射声能量。

根据本发明可以提供用于各种类型的声印刷的直线型的和平面的透镜阵列（这里使用的“平面的”一词意味着一个阵列具有两排或更多排透镜）、包括用于行印刷的页面宽度的直线型的和平面的透镜阵列，用于多行光栅印刷的较小的直线型阵列，以及用于矩阵式印刷的平面阵列。为了强调这一点，图4A示意地表示一种行印刷机31，其中相对于沿切线方面排列的页面宽度的直线型透镜阵列34、沿着箭头33所指的弧矢方向推进合适的记录煤质32，例如普通纸页;图4B示意地表示另一种行印刷机36，它具有页面宽度平面的交错排列的透镜阵列37;图4c示意地表示一种多行光栅印刷机41，其中，记录煤质32沿弧矢方向被推进，而排列在弧矢方向上的直线型透镜阵列42正在切线方向上被推进，如分别用箭头33和43所表示的;以及图4D示意地表示一种园点矩阵印刷机51，其中记录煤质沿着矩阵的一根轴线被推进、而且有矩阵形状的平面透镜阵列52正沿着该矩阵的正交的轴线被推进，如分别用箭头53和54所表示的。这些例子不是完全的，但是它们表示存在相当大的设计灵活性。

如图5至8中所示，按照本发明的一个重要特点，能够采取用分离的各个声波24（图2）有选择地和逐一地照射透镜12a至12i的措施。这使得能够独立地调制声束15（见图2）、用于逐个透镜地按篇幅地控制微滴的喷射过程。为此，在这些更详细描述的实施例中，换能器23包括一个薄的压电元件61，例如薄的氧化锌（ZnO）膜或者薄的三氧化铌锂（LiNbO₃）晶片，元件61被夹在可逐一寻址的电极62a至62i（图6中最好地示出）的阵列和一个反电极63之间。安装电极62a至62i，以便分别适当地照射透镜12a至12i。此外，使换能器23与透镜基片22的下表面产生紧密的机械连接。例如，可以或者直接地、或者在基片22的下表面已被用适当的电绝缘体64、例如SiO₂层涂复后，在基片22的下表面淀积换能器反电极63。

工作时，把可以单独控制的各射频激励电压加到62a至62i的各个电极与反电极63之间，从而在分别以电极62a至62i的垂直方向为中心的各空间隔离的位置上、局部地激励压电元件61进入振荡状态。压电元件61的这种局部振荡产生在空间移动的各声波24，它们沿着预定方向传播，穿过基片22、分别照射透镜12a至12i。因此，在任何给定的时间加在各电极62a至62i上的各射频激励电压独立地控制各声束15的辐射压力，这些声束是在那个特定时间由各透镜12a至12i分别发射到墨汁16中的。换能器23一般具有相对窄的频带宽度，因此，通过适当地调制那些加在各电极62a至62i上的激励电压的幅度、频率或者持续时间，可以按篇幅逐个透镜地控制微滴的喷射过程。

不难理解，当各声波24（见图2）穿过基片22传播时，会发生衍射。如果基片22的厚度具有一个瑞利波长的数量级，那么，如图5中所示，这种衍射可以被忽略。但是，如果使用比较厚的基片22，那么，各透镜12a至12i最好是彼此声隔离的，例如采用在各透镜之间设置一些窄缝66的方法，用空气或某种其他煤质填充这些缝隙，这些煤质具有的声阻抗显著地不同于基片22的声阻抗，以便造成声失配。这些缝隙66可以是穿过基片22的下表面而向上延伸的（图7）或者是穿过基片22的上表面向下延伸的（图8）。如果基片22是由可用化学方法蚀刻的晶体材料例如硅构成，那么，可以用各向异性的方法在其中蚀刻各缝隙66。例如，见K.E.Petersen的文章“作为机械材料的硅”（Proceeding    of    the    IEEE，VO1.70，№5，May    1982    PP.421-457）。

各透镜12a至12i的外表面最好具有一定的光洁度，并且根据需要进行清洗，以便从其上清除各种粒子沉淀物，例如可能从墨汁16中析出的颜料和灰尘粒子。此外，在某些实施例中，可能需要在位于透镜12i至12i上方的一层聚酯薄膜或者类似物上输送墨汁16，这些薄膜可能引起磨损或者拖曳透镜12a至12i的边缘。因此，如图9中所示，可以通过用适当的聚合物71，例如环氧树脂或者类似的实心材料填满限定各透镜界限的各凹槽，来使透镜12a至12i变成平面的，这些填充材料具有的声阻抗和速度是介于墨汁16和基片22的声阻抗和速度之间的中间值。见Elrod等人的共同未决和共同转让的美国专利申请案，题目是“用于声印刷的平面微滴喷射器”（D/86361）。填充层71可以与基片22的上表面一样平（图9），或者可以在其上形成一层薄的上复盖层（图10）。图9和图10中未示出吸声透镜层26（图2）、以强调它是任选的。

本发明的一些更重要的应用之一涉及提供一种用于行印刷的页面宽声印刷头，因此将另外详细地述评这种应用。众所周知，当墨汁微滴附着在纸上时形成的圆点或者“象素”的直径约等于微滴直径的两倍。因此，假如在每个象素上放置多个墨汁微滴（如下所述），那么，大体上相同的各声透镜12a至12i（每一个预定形成一束聚焦的声束15）（见图4A）的页面宽度的直线型阵列足以印刷出一条基本上不间断的、横跨整个页面宽度的墨汁线。另一方面，通过使用包括两排或者更多排交错排列的透镜（这些透镜的每一个预定形成一束具有等于透镜中心距的1/4的收敛直径的聚焦声束）（见图4B）的页面宽度平面阵列也能够获得同样的结果。此外，如果增长加在换能器各电极62a至62i上的射频激励脉冲的持续时间（对于根据要求滴落的印刷术，一般把射频脉冲的持续时间限制在大约1微秒至100微秒的范围内），那么可以在不损害它们的印刷实线的能力的情况下，增大这些阵列中各透镜之间的中心距。如果在电极62a至62i上加上快速的和重复的脉冲，用以在每一象素上附着多达15个左右的微滴，那么，也可以增大透镜间距。见上述Elrod等人的申请：“可改变圆点尺寸的声印刷术”（D/86359）。可以综合这些脉宽调制和多微滴印刷技术，使得用给定的球面透镜型微滴喷射器所印刷的各象素的尺寸增大到4倍以上，因此这种象素尺寸控制能力的一部分可以用来增加各透镜12a至12i中心距，其剩余部分留作预备，以便在需要时提供一种具有灰度等级的图象。

例如，为达到大约500圆点/英寸的分辨率（这是为高质量印刷所需要的典型的分辨率）要求大约50微米的象素直径。据此建议对于交错排列的双排阵列各透镜采用大约100微米的中心距。更具体地说，可以指出，50兆赫量级的射频频率足以印出50微米的圆点。在该频率下，声束15在墨汁16中的波长λi是大约30微米。此外，在上述各声速比例的情况下（V_s/V_i等于2.5∶1和4∶1），声波24在基片22中的相应波长λs分别是75微米和120微米。幸运的是，实验已经证明，小孔径透镜12a至12i（各透镜具有A＜10λi的孔直径）使声束15在墨汁16的自由表面17上产生充分的聚焦，足以使各单独的墨汁微滴根据要求从那里喷射出来。见Elrod等人的另一份共同未决和共同转让的美国专利申请案，其名称是“用于声印刷的一些微型透镜”。还不能精确地知道，对于根据要求滴落的印刷术、可以把透镜的孔径减少到多小而仍然提供各声束的充分的聚焦，但是实验已经证明，使用具有小至1.5λs孔径的透镜能够实现根据要求滴落的操作要求，在基片22和墨汁16的声速之间的比值为4∶1的情况下，这相当于大约6λi的透镜孔径。

鉴于上述，将会明白，本发明使得能够在适度的费用下装配相对稳定的声微滴喷射器阵列。此外，可以把实施本发明的各种微滴喷射器阵列用于各种形式的声印刷工艺中也是显而易见的。

Claims (20)

1、一种用于根据要求从墨汁槽的自由表面喷射墨汁微滴的声印刷头，所述墨汁具有预定的声速，其特征在于所述印刷头包括：

-一块具有上表面和下表面的实心基片，所述上表面有许多在预定的各中心上构成的、基本上相同且一般为球面形的凹槽，它们用于限定声透镜阵列的界限；所述基片由声速显著高于所述墨汁的材料构成，以及

-与所述基片的下表面紧密地机械连接的各压电换能器装置、用于产生照射所述各透镜的各射频声波、以便所述透镜把各自会聚的声束发射到墨汁中，选择所述各透镜的焦距，使所述各声束聚焦在接近所述墨汁槽表面的地方。

2、权利要求1的印刷头，其特征在于，所述各声透镜是排成一直线的，以限定具有页宽长度的直线型透镜阵列的界限。

3、权利要求1的印刷头，其特征在于：所述各声透镜是排成行的，以限定具有页宽长度的交错排列透镜的平面阵列的界限。

4、权利要求1的印刷头，其特征在于：所述各声透镜沿一直线排列，以限定各透镜的直线型阵列的界限。

5、权利要求1的印刷头，其特征在于：所述各透镜沿直线排列，以限定各透镜的平面阵列的界限。

6、权利要求1至5中任一项的印刷头，其特征在于：所述各换能器装置提供单独调制的各射频声波，用于各自照射所述各透镜从而所述各透镜分别把已调制的各声束发射到所述墨汁中，对于根据要求滴落的印刷术，逐个透镜地控制所述各声束的调制。

7、权利要求6的印刷头，其特征在于所述基片具有设置在所述透镜之间的声阻抗失配区，用于使所述各透镜彼此声隔离。

8、权利要求7的印刷头，其特征在于：所述各阻抗失配区从基片的下表面向上延伸，进入所述基片中。

9、权利要求7的印刷头，其特征在于：所述各阻抗失配区从基片的上表面向下延伸，进入所述基片中。

10、权利要求1的印刷头，其特征在于：所述基片中的声速至少是所述墨汁中声速的2.5倍。

11、权利要求10的印刷头，其特征在于：所述基片中的声速至少是所述墨汁中声速的4倍。

12、权利要求1的印刷头，其特征在于：用一种实心材料填满所述各凹槽，所述实心材料的声速可以同所述墨汁的声速相比拟，从而所述印刷头对于所述墨汁来说，呈现一种一般平面形的上表面。

13、权利要求12的印刷头，其特征在于：所述基片中的声速至少是所述墨汁中声速的2.5倍。

14、权利要求12的印刷头，其特征在于：所述基片中的声速至少是所述墨汁中声速的4倍。

15、权利要求1的印刷头，其特征在于：在所述墨汁中所述各声波具有预定的波长，所述各声透镜具有小于10倍所述波长的预定直径。

16、权利要求15的印刷头，其特征在于：所述基片中的声速至少是所述墨汁中声速的2.5倍。

17、权利要求16的印刷头，其特征在于：所述基片中的声速至少是所述墨汁中声速的4倍。

18、权利要求17的印刷头，其特征在于：所述各换能装置提供用于各自照射所述各透镜的各单独调制的射频声波，从而所述各透镜分别地把各己调制的声速发射到所述墨汁中，对于根据要求滴落的印刷术，逐个透镜地控制所述各声束的调制。

19、权利要求18的印刷头，其特征在于：用一种实心材料填满所述各凹槽，所述实心材料的声速可以同所述墨汁的声速相比拟，从而从所述印刷头的一般平面型表面把所述各声束发射到所述墨汁中。

20、权利要求1以及权利要求7至19中任一项的印刷头，其特征在于：所述基片和所述各换能器装置浸没在所述墨汁中。

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