CN1311100A - 玻璃纤维热喷墨打印头 - Google Patents
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Abstract
将装配的独立玻璃纤维管(304)烧结在一起、并拉制出细的或收缩的喷孔直径(102),分割该玻璃管部分、并将独立的半导体控制电路沉积到玻璃管的顶部或顶部附近,从而制成页宽喷墨打印头(500)。墨水储存器可以供给水基墨水,墨水流过玻璃管部分并被毛细作用保持在其中。加热沉积在玻璃管一开口端上的半导体电阻元件(704)而进行喷墨,以使墨水喷射到打印介质上。
Description
本发明涉及喷墨打印机。具体地，本发明涉及热喷墨打印头的新颍设计及其制造方法。
热喷墨打印机已经变得非常普及。
这些打印机主要使用具有独立控制的喷墨打印元件的半导体基打印头，喷墨打印元件加热水基墨水使其气化。气化使墨水经设置在板或罩上的微孔喷射到打印介质上。热能由流过小薄膜电阻的电流提供，小薄膜电阻与墨水热接触，墨水借助毛细作用保持在打印头内。
已有的喷墨打印机通过使打印头反复地经过打印介质而在打印介质上形成图像。当打印头横跨纸或介质移动时，通过接通和切断热喷墨打印元件使少量的墨水“喷射”到纸上。
在现有的能够产生可接受的输出质量的喷墨打印机中至少存在速度方面的问题。由于墨滴通过介质与打印头之间的距离需要限定的时间，所以打印头存在速度上限，并且不能超过该上限而提高速度。利用即刻能够打印纸页整个行的方法和设备取代沿介质移动的打印头，可以提高整体打印速度。
由玻璃纤维喷嘴构成的页宽打印头可借助热喷墨作用，一次打印单页的整个一行，其中，玻璃喷嘴上沉积有半导体加热元件和电流驱动电路。窄玻璃管墨水管道由烧结在一起的空心玻璃纤维制成，被拉制以缩小空心纤维的直径，之后进行纵向分割以提供一玻璃管喷嘴阵列。利用半导体技术将加热电阻和控制电路形成到玻璃表面。加热电阻被沉积到空心玻璃纤维内部，在此加热电阻被用来加热液基墨水和墨水组份而气化。
电流驱动电路由沉积到打印头上的晶体管控制的可控硅整流器(“SCR”)构成。SCR使电流通过沉积到玻璃纤维开口端的加热电阻。上百甚至上千的独立电流驱动电路由送到用于各驱动电路的控制晶体管的控制脉冲所激励，每个电流驱动电路由一对以串连方式连接的SCR构成。SCR电流驱动电路以推拉输出电路的方式连接，使得顺序的驱动电路被连接到所有串连驱动电路的仅两个控制线上的连续脉冲寻址。
施加到驱动电路的同步脉冲链中的预定脉冲依次将预定的独立SCR先锁定在“导通”。独立驱动电路可导通或截止、即SCR的非导通状态。在寻址脉冲流提供给电路后，送到所有驱动电路的单个功率脉冲通过锁定在“导通”的SCR提供电能，以便气化墨水。
图1是单个空心玻璃管的顶视图。
图2是空心玻璃管的侧视图。
图3是在烧结、拉制和分割后的若干空心玻璃纤维管的透视图。
图4是通过与墨水储存器连接的若干玻璃纤维管所作的热喷墨打印头的玻璃纤维的简略剖视图。
图5是四色墨水盒的透视图，其中，四色墨水盒包括四种不同的墨水储存器和通过烧结、拉制和分割玻璃纤维管而形成的四个不同的打印头。
图6是单个玻璃纤维管和沉积在喷墨的玻璃纤维管外侧的半导体部分的剖视图。
图7是更详细地表示图6所示玻璃纤维管一端的剖视图。
图8是被烧结、拉制和分割的玻璃打印头的定位与用于在烧结玻璃管端部形成半导体材料的材料源的简略。
图9是表示如何用图8所示的设备将材料沉积到玻璃纤维管内部的简略。
图10表示打印头的玻璃基底。
图11表示在制成后如何使沉积到玻璃管内的若干层显现出来。
图12A-12D表示在从一个玻璃管喷墨时墨滴的前进。
图13是对独立加热电阻连续进行寻址的控制电路的简图。
图14表示可应用本发明的玻璃打印头的打印机
玻璃纤维技术是众所周知的。图1是空心玻璃纤维100的一个实例的顶视图，空心玻璃纤维100的内管部102是通过刻除玻璃环104内的不同配制的玻璃材料而形成的。通过用第一类玻璃围绕第二类玻璃形成玻璃纤维100，可以从第一类玻璃内化学蚀刻或溶解第二类玻璃，从而形成能够通过液体(包括气体)的空心玻璃管。
图2表示一段玻璃纤维部分100和穿过玻璃管202长度的空心部分102的长度或延长部分的侧视图。
图3表示空心玻璃管部分300的组合，它通过先将多个玻璃管长度，如图2中所示的长度202，集束在一起而形成。之后，将集束的玻璃纤维加热到使玻璃管部分烧结在一起的温度，从而形成某一直径D的多个喷孔的单片类蜂窝结构。烧结的管部分最后被拉制以明显使各管部分302的内直径D成颈部或减小。烧结和拉制后，横跨平面304横向切割管部分、以形成如图3B中所示的小直径玻璃管或毛细管306的薄的矩阵。制成的各玻璃管的直径必须充分小，以便利用毛细作用将墨基液体和墨水组份保持在管中。实现这一要求的管的最大允许直径必然受到所使用墨水组份和粘度的影响。另外，该直径还必须足够的大，以便提供一定量的气化墨水，该气化墨水将提供提供可接受的墨滴增益(在介质上展开的墨滴)而不致用过大的电流来加热过大的墨水体积。
在图4中，一段玻璃纤维打印头400和所包括玻璃毛细管402连接到墨水储存器408。如上所述，墨水毛细管的直径足够小，使得墨水储存器408中的墨水408被毛细作用保持在管中、并可利用下述技术借助电阻412提供的热能喷射，电阻412沉积在管的开口端附近。沉积在玻璃打印头402上的半导体控制电路412(图4未示出)可以使独立毛细管中的独立加热电阻能够被独立地寻址，从而精确控制哪个毛细管喷射墨水。如果玻璃打印头402横跨整个纸页伸展，在纸页上打印一行文本要求墨水选择性地从某些毛细管喷射、而不从其它毛细管喷射，以便选择性地沉积墨水而形成图像。通过只移动被打印纸页、即不移动打印头402，一次可横跨整个纸页形成一行图像或文本。在优选实施例中，相邻毛细管406之间的间隔S通常很小：相邻喷孔中心到中心的距离预期应为10-200微米(对于1200dpi的图案而言，通常是20微米)。150-1500dpi的装置应能实现这种图案。该图案也能以每第5个到第15个喷孔的特定地址行的寻址而制成(精确的跳行率由寻址电路速度、打印头总长度、和打印头的dpi分辩率确定)。
图5是表示多色页宽喷墨打印盒的简化透视图，该喷墨打印盒具有连接到单个玻璃纤维打印头的四个不同的彩色墨水储存器502、504、506和508，单个玻璃纤维打印头包括四个不同的打印头组件。(至少另一个实施例包括使用四个独立玻璃纤维结构512、514和516的组件。)每个储存器保持不同彩色的墨水。通过用施加到与相应彩色连接的玻璃纤维组件上的电信号分别控制墨水的沉积，可以实现全色、高分辩率的页宽打印。
每个玻璃打印头结构包括如图3所示的已经被烧结、拉制和切割的单个玻璃纤维管的组合。在这些处理之后，进一步处理单个玻璃纤维管，通过这一处理半导体制造技术被用来在其上沉积加热电阻和控制电路(图5中未示出)，借助控制电路可对单个管的单个喷孔分别寻址。
如图5所示，每个打印头区510、512、514和516具有三个从其发源的引线头或端，每套用标号518、520、522和524标出。施加到三个输入端的电信号用于控制单个毛细管的喷墨。
在优选实施例中，在管靠管的基础上的喷墨是通过半导体电流锁定电路完成的，半导体电流锁定电路是将适当的半导体材料层沉积到各玻璃管一端的内部或表面上构成的。各电流锁定电路可以被分别地寻址和控制。
图6表示一个玻璃管600的简化剖视图。从图6可知，在第一半导体层602之后依次叠加其它的层604、606、和608。每个半导体层用于液基墨水和墨水组份的加热和喷射。半导体制造领域的技术人员知道，既使形成无源器件也需要各种层，并知道各个层需要遮蔽和蚀刻。至少一个层是将电信号携带到设置在玻璃管600内的半导体器件的导电层，该层用于加热液基墨水和使墨水沸腾。层604、606、和608可以是绝缘层以及用于形成电阻的半导体层，每一层用于形成控制电路和电阻加热元件。形成在玻璃管之上或之中的电路拓扑结构示于后续的图中、并予以说明。
图7是单个玻璃管700的倒转部分的放大视图。墨水沿箭头702沿管部流动(图中示为向上)。沉积在管700内部的半导体层704构成用于对半导体驱动电路寻址并给形成在管内的加热电阻提供电流的导电轨迹、半导体层、绝缘层和电阻层。可以利用众所周知的半导体工艺形成加热驱动电路和加热电阻。流过电阻的电流将墨水(通常由毛细作用保持在管中)加热至沸腾从而使墨水以小墨滴的形式喷射到打印介质上。与已有技术的热喷墨打印机的情况相同，墨滴附着在打印介质上、而后干燥成固态。
可以用真空沉积技术以及蒸发和溅射技术制作玻璃管内部的半导体电路元件。图8所示的机构可用于将材料沉积到管的实际内部区段。可将玻璃管基底(在烧结、拉制、切割和蚀刻之后)802安装到以预定速度围绕轴线806转动的台板804上。提供沉积到管内的材料源808，使得离子或颗粒轨迹以θ角的轨迹流动，于是小部分的材料沉积在图9所示的管的一端的顶部或顶部附近。虽然在其它实施例中包括月牙形沉积，但空心管中得到的沉积通常是环形(环带)的。
管部分900示出了至少沉积在玻璃管900的上部和顶部内侧的一定量的材料902。适当地遮蔽玻璃管的内环形区，可以在玻璃管内形成诸如SCR、晶体管和电阻的完整的半导体器件，小到足以使墨水在外部电路的作用下独立可控地流过玻璃管。
图10表示由烧结拉制的玻璃纤维管构成的一段基底部分，其直径在20微米的量级。图10所示的每个喷嘴都可用于运载特定彩色的墨水，所以当一个喷嘴因堵塞而失效时或半导体产生故障时，由于相邻的管仍可继续起作用，因此不会影响打印质量。
图11表示在一段玻璃管的顶部沉积之后所述多层看上去如何。图12A表示墨滴喷射前一个管部分的外观。图12B表示在沉积在管12B内的半导体的控制下通过加热水基墨水在管端内气泡的形成。图12C表示墨滴喷射和气袋收缩，直至如图12D所示最后重新填充该管段之前的。
控制图10所示的独立喷孔结构的一个问题是，独立寻址的喷孔控制电路需要成百甚至上千的不同的逻辑地址，后者需要地址解码逻辑。如此众多的连接大大增加了器件的故障率。解决这一控制问题的另一个方法是通过如图13所示的一推拉输出电路系列的电流锁定电路分别寻找各喷头的地址。
在图13中，借助施加到与各控制电路1308、1309、1312和1314可操作连接(在优选实施例中电连接)的P和S控制线1304、1306上的同步脉冲列，三个(3)独立控制线1302、1304和1306可用于对无限数量的控制电路1308、1310、1312和1314独立地寻址。
每个控制电路元件1308-1314由两个串接的SCR′s组成。被送过晶体管1316而到达两个SCR′s1318和1320中的第二栅极端、并导通两个SCR′s的控制信号激励一个串接SCR′s。SCR的固有特性是一旦被施加在栅极和阳极的正电压触发成“导通”状态，SCR就保持导通直到反向偏置或该电压从阳极除去。
在图13中，脉冲同步地施加到P和S两线上，使得第一个SCR1320正向导通并将电压施加到第二SC1318R的栅极。在P线保持较小的剩余偏压，可以使两个SCR′s无限期地保持正向偏置“导通”状态。最小化这一电压，使得只有小量电流流过沉积在前述附图所示的一个环形区内部的加热电阻1322。
施加到P和S端的第一脉冲只用于导通第一电流开关电路1308(包括两个SCR′s1318和1320和晶体管1316)。由于施加了第一脉冲、且在第一脉冲的周期内在第二电流锁定电路1310的第一SCR 1324的栅极不可能有信号，所以不会影响后续的电流切换状态。类似地，由于在SCR 1324的阴极不可能有电压，所以第二电流锁定电路1310的第二SCR 1326也不导通。
一旦第一SCR电流锁定电路1308导通，另一个电压脉冲施加到SCR1324的栅极1328，使得另一后续电压脉冲施加到P端时，SCR1324也将正向导通、并将电压施加到SCR1326的阴极。如果脉冲同步地施加在S引线端，则晶体管1330也将导通、并使SCR1326正向导通的驱动电流仍流过另一个加热电阻1332。
在开始两个脉冲出现期间，由于既没有电压施加到SCR1334的栅极、也没有任何偏压施加到SCR1336的栅极或阴极，所以第三电流开关级1312保持不激活。
随着第三同步脉冲施加到P和S引线端，第三电流开关级1312也将导通、并使小电流通过第三加热电阻1338。
在类似的模式中，图13所示的推拉输出电路的后续阶段可被锁定在一种状态，在该状态下，SCR′s进入正向偏置导通状态、并使电流通过连接到各电流锁定第二SCR阶段的阴极端的加热电阻。施加到与电流源连接的推拉输出电路的脉冲列可被看作为寻址脉冲流，其中脉冲的准确定时、占空比和频率可被选择哪个电流驱动电路锁定。在它们被锁定后，小偏压能够保持SCRs的导通状态，但是如果偏压较低，则不能产生流过加热电阻且足以使沉积有电阻的毛细管内的墨水气化的电流。
给所有的SCRs施加大振幅的电压脉冲，这些器件的导通状态将给加热电阻释放大的电流。与电阻接触的液体将气化、并从毛细管喷射到打印介质。所需的激励电压和电流比控制脉冲大一到两个数量级。
选择脉冲宽度和施加到P和S线的控制脉冲的频率，可以分别对处于导通状态或保持截止状态的独立的电流锁定电路寻址。存在于各电流锁定元件之间的分布电容和电感用于确定时间常数，该时间常数用于计算对独立阶段寻址时所用脉冲列的频率、占空比和电压水平。一旦阶段锁定在导通状态，则可根据经验数据确定振幅和持续时间。
通过独立地寻址电流开关级1308、1310、1312和1314可以分别对独立的电流锁定电路寻址，独立的电流锁定电路将形成在玻璃基底的内部或表面上，玻璃基底是通过上述的方法经烧结、拉制和分割形成的，之后将SCR′s、晶体管和加热电阻沉积到玻璃结构的表面或沉积到喷嘴自身内部。
利用本领域技术人员所熟悉的半导体制作技术，玻璃打印头结构中的几何形状将易于容纳玻璃结构喷孔自身内的多个SCR′s、晶体管和电阻结构。借助喷镀、蒸发或气体沉积技术，将能完成用于形成独立晶体管所需的P型和N型半导体材料的沉积。也可用其它气体沉积或喷镀方法在N与P型半导体层之间形成所需的介电层。利用活性离子蚀刻喷镀或使用CF4的气体蚀刻将多余的材料蚀刻剥离以形成独立的电路轨迹。尽管本发明的优先实施例是用作单片式打印头的，但图5所示的结构可用于面喷射或边喷射打印头。
光刻掩膜技术也可准确地将电路轨迹定位到接触表面，于是图5所示的铅垂线518、520、522和524可被附着到用于连接到适当的控制电路控制器的基底连接区。
连续地对用于页宽打印头的每个玻璃打印头结构的喷嘴进行寻址，则可只用图13所示的三个控制线对成百或上千的独立喷嘴元件寻址。当然，其它实施例将包括并行和异步串行寻址模式，但是它们要求独立寻址线和/或解码电路，以便独立寻址并使电流驱动各喷孔的器件。
玻璃打印头结构的优选实施例的厚度应只有200微米，因其易碎，在制作期间应设置承载件。相邻墨滴中心到中心之间的间隔应为10-200微米，但由于玻璃纤维被烧结在一起，边缘到边缘之间的间隔是零微米。矩阵不必是(可能不是)完全打开的蜂窝图案。某些纤维用与外壳相同类型的玻璃填充，于是在蚀刻处理后将保持这种填充。独立玻璃纤维喷孔之间的间隔应非常小，可能小于一微米。
利用上述的玻璃纤维结构和制作方法及控制方法可以制成具有能独立寻址的打印头元件的页宽打印头结构。整个打印速度可明显地提高并能超过目前普遍使用的可移动打印头的打印速度。既使对于独立打印头元件寻址所需的连续脉冲列的工作较慢，使用页宽打印头所实现的速度提高也能克服对于控制电路连续寻址的任何定时限制。
一个或多个玻璃蜂窝打印头中的独立打印元件的失效可被相邻打印元件增加的喷射速度补偿。当然，喷嘴失效最好由成对的喷嘴阵列和相同彩色的电路装置进行补偿。由于玻璃纤维喷孔的紧密间隔，所以可实现精细的分辩率。
图14表示可以使用上述玻璃打印头和控制电路的打印机实例1400。
一列辊或压纸卷轴1401在压纸卷轴电机1404的驱动下转动，以便将打印介质1406定位到上述打印头1408下面的位置。如图14所示，在载架电机1410控制下，打印头1408可相对介质1406移动，载架电机1410的转动使安装有打印头1408的驱动带或驱动缆1414卷绕和松开。带或缆1414的移动使打印头1408沿整个杆1416滑动。
来自上述控制电路1412的电控制信号经柔性带状电缆或等同器件1418传输到打印头和其上的电子器件。优选实施例中的位置控制器1420是一个适当编程的微处理器、微控制器、ASIC或等同器件，位置控制器1420用于驱动压纸卷轴电机1404和载架电机、以使打印头1408在相对介质1406的适当位置定位。图14所示打印机的至少一个改进实施例具有固定的打印头，该打印头尺寸基本横跨打印介质1406，从而可以打印整个页宽。
其它的优点和组合将是明显且处在附加权利要求书范围之内的。
Claims (17)
1．用于在打印介质上沉积墨水和墨水组份的打印头，包括：
a．多个大体空心的玻璃纤维管段(100)，其连接在一起(304)而基本上彼此平行，每个玻璃纤维管段具有可连接到墨水源(408)的一第一开口端(305)并具有一第二开口端(307)，所述第二开口端(307)包含一可加热所述玻璃纤维管段内液体墨水的加热元件(704)，以使所述玻璃纤维管段中的所述墨水喷射到一打印介质(1406)上。
2．如权利要求1的打印头，其中所述的半导体加热元件包括：
a．至少一个沉积在所述玻璃纤维管段上的半导体器件(704)；
b．沉积在所述玻璃纤维管段上靠近第二开口端(307)的一电阻材料(902)。
3．如权利要求1的打印头，其中所述的半导体加热元件包括：
a．至少一个沉积在所述玻璃纤维管段的内表面的一环形部分上、并靠近第二开口端(307)的半导体器件；
b．至少沉积在所述玻璃纤维管段的内表面的一局部环带(904)上、并靠近第二开口端(307)的一电阻材料。
4．如权利要求1的打印头，其中所述的半导体加热元件是一晶体管。
5．如权利要求1的打印头，其中所述的半导体加热元件是一可控硅整流器。
6．如权利要求3的打印头，其中所述的半导体加热元件是一可控硅整流器。
7．如权利要求1的打印头，其中所述的半导体加热元件由多层半导体结构(704)构成。
8．如权利要求1的打印头，还包括可操作地连接到所述第一开口端的墨水储存器(408)，液体墨水从墨水储存器(408)流入所述玻璃纤维管段。
9．用于在打印介质上沉积墨水的打印机，包括：
a．一打印头(500)，所述打印头包括：
i．多个大体空心的玻璃纤维管段(510,512,514,516)，其被连接在一起而基本上彼此平行，每个玻璃纤维管段具有可连接到墨水源的一第一开口端(305)并具有一第二开口端(307)，所述第二开口端(307)包含一可加热所述玻璃纤维管段内液体墨水的加热元件，以使所述玻璃纤维管段中的所述墨水喷射到打印介质(1406)上。
b．携带所述打印头(1408)的一打印头载架(1416)；
c．一打印头位置控制器(1420)；
d．一连接到所述打印头的墨水储存器(502,504,506,508)。
10．如权利要求9的打印机，还包括一电源(1412)和将电能从所述电源连接输送到所述打印头的电触点(1418)。
11．一喷墨打印盒，包括：
a．墨水储存器(502,504,506,508)。
b．多个大体空心的玻璃纤维管段(510,512,514,516)，其被连接在一起而基本上彼此平行，多个玻璃纤维管段具有可连接到所述墨水储存器的一第一开口端并具有一第二开口端，所述第二开口端包含一可加热所述玻璃纤维管段(304)内液体墨水的加热元件，以使所述玻璃纤维管段中的所述墨水喷射到打印介质(1406)上。
c．用于将所述加热元件连接到一电源的连接结点。
12．一种用玻璃纤维制作打印头的方法，其步骤包括：
a．将多个管状玻璃纤维段烧结在一起，每个管状玻璃纤维段由第一类玻璃构成并具有带一中心轴线的大体管形的部分和内直径D，所述管形部分中填充第二类玻璃；
b．拉制所述烧结的玻璃纤维束；
c．再烧结所述拉制的玻璃纤维束；
d．切分一段所述再烧结并拉制的玻璃纤维束；
e．从所述管形部分中除去所述的第二类玻璃；由此在从所述管形部分中溶解所述第二类玻璃之后，通过从所述管形部分中除去所述第二类玻璃可形成具有多个喷孔的一打印头基体。
13．如权利要求12的方法，其中步骤b还包括以下步骤：
a．拉制所述烧结的玻璃纤维束以减小直径D。
14．如权利要求10的方法，其中切分一段所述再烧结和拉制的玻璃纤维束的所述步骤还包括：垂直于所述的中心轴线而切分一段所述再烧结和拉制的玻璃纤维束的步骤。
15．如权利要求10的方法，其中从所述管形部分中除去所述第二类玻璃的步骤包括：溶解所述的第二类玻璃的步骤。
16．如权利要求10的方法，其中从所述管形部分中除去所述第二类玻璃的步骤包括：蚀刻所述的第二类玻璃的步骤。
17．用于打印头的控制器，包括：
a．一系列多端锁定电流源(1308,1310,1312,1314)，每个电流源具有第一、第二和第三输入端以及第一和第二输出端，所述系列的多端锁定电流源被构造成具有：
1)第一电流源(1308)，所述第一电流源(1308)具有连接到第一信号源(1302)的第一和第二输入端和连接到第二信号源(1304)的第三输入端，所述第一电流源的所述第一输出端连接到所述打印头的一加热电阻(1322)；
2)其它N数个多端锁定电流源的每个均串连在所述第一电流源的后面，由此第N个多端锁定电流源具有连接到所述第一信号源(1302)的其第一输入端、连接到N-第1个多端锁定电流源的所述第二输出端的其第二输入端和连接到所述第二信号源(1304)的第N个多端锁定电流源的第三输入端，所述第N个电流源的所述第一输出端连接到所述打印头的第N个加热电阻；
由此所述多端锁定电流源被所述第一和第二信号源上的一序列同步电压脉冲顺序地锁定到导通状态。
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