专利名称：喷墨印制机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用从记录头喷出的墨水在印制介质上形成图像的喷墨印制机，特别是涉及一种能够高精度测量从记录头喷出的墨水量的喷墨印制机。
背景技术：
喷墨印制机有多种优点，例如低能耗、印制质量高并可以彩色印制，并且不但已经广泛应用于办公当中，而且随着个人电脑的普及，还广泛应用于普通家庭。这样的喷墨印制机，根据电传输到记录头的命令，通过在印制介质上沉积可控地从记录头的喷嘴喷出的墨水来形成印制图像。
为了实现高质量印制，必须在印制时总是从记录头的喷嘴喷出固定量的墨水。然而，因为这种喷头的直径非常小，所以，喷头有时会被灰尘等物堵塞而根本不喷墨，或是喷出的墨滴量不对。为了防止这一缺点，美国专利第6278469号中的发明通过利用传感器探测墨滴的飞行情况来确定记录头的喷墨性能，或是用光学的、压电的或静电冲击传感器测量墨滴的压力，从而根据所确定的性能提供一印制掩膜来控制墨水量。
然而，根据上述美国专利第6278469号的技术，如果传感器是光学类型的，必须要在确定喷墨性能时在印制介质上印制一测试图样，而这将导致印制介质的浪费。而且，由于压电/静电传感器通过极其微弱的信号测量墨滴压力，所以S/N比很差。这样所产生的一个问题是，不能精确测量墨水量。
发明内容
本发明旨在解决上述问题。本发明的目的是提供一种喷墨印制机，能够通过质量探测灵敏度非常好的石英晶体微量天平(以下用“QCM”表示)法，精确测量墨水量。
下面的描述将解释例如日本公开号为4-369459/1992的专利申请所公开的QCM方法。QCM方法是一种以探测石英振荡器的谐振频率为基础的测量小质量的方法，利用的是当被测物沉积到石英振荡器上时其谐振频率发生变化的现象。
当在石英振荡器厚度方向有一质量变化Δm[g]时，谐振频率也有一变化ΔF[Hz]，如下面方程(1)所示。
ΔF＝-F02·Δm/NρA ...(1)其中，F0固有频率[Hz]N频率常数[Hzcm]A电极面积[cm2]ρ石英密度[g/cm3]当石英振荡器是AT切向石英振荡器(切角即片表面与Z轴之间的夹角为35.15°)时，由于N＝167[kHzcm]和ρ＝2.65[g/cm3]，因此，如果采用的石英振荡器的F0＝10[MHz]，则ΔF＝-2.2596×108×Δm。相应的，10MHz的AT切向石英振荡器的质量探测灵敏度为4.4[ng/cm2Hz]，从而获得一高质量探测灵敏度。
另外，如果将振荡器切面确定的常数定义为K[MHzmm]，则固有频率F0[MHz]和振荡器片厚度t[mm]之间有如下面方程(2)所示的关系。这里，对于各个切面，常数K取下面表1所示的值。
F0＝k/t ...(2)表1
基于上述关系式(2)，根据固有频率F0计算出的AT切片的厚度t[mm]如下表2所示。
表2
下面的描述将解释一实例，其中QCM方法的石英振荡器是能够容易地产生一个机械简谐振动(下面称为谐波，overtone)的谐波石英振荡器。作为这种谐波石英振荡器，例如，可以使用一种通过在直径为9[mm]、厚度为0.083[mm]的AT切石英片两面蒸汽沉积镉/金层(厚度为500[])而得到的石英振荡器。这种情况下，电极面积A为0.1256[cm2]。
例如，当使用第九级简谐振荡(harmonic oscillation)(谐波振荡)时，这个谐波石英振荡器可获得180[MHz]的振荡频率。在谐波石英振动中，振荡频率由下面所示方程(3)计算得出，其中要用到石英振荡片厚度t[mm]，基于石英振荡器切面所确定的常数K[MHzmm]，和谐波振荡的级数m(＝3，5，7，...，2n+1，n是自然数)。
F0＝k/(t·m)...(3)这里，还提供了一种固有频率为5MHz的薄膜厚度的监控器。如果金的膜厚为50[]，沉积面积为8.04[mm2]，当金的密度为19.3[g/cm3]时，则所沉积的金的质量(Δm)为780ng。在这种情况下，由于沉积前频率为181.005830[MHz]，沉积后频率为180.735832[MHz]，所以，频率变化ΔF为-270008[Hz]。因此，质量探测灵敏度为0.023[ng/cm2Hz]。
本发明的包括一喷墨用喷头的喷墨印制机包括一个振荡器和一个探测装置。从喷头喷出的墨水沉积在此振荡器上，探测器则探测当墨水沉积在振动振荡器上时引起的谐振频率的变化。
如上所述，QCM方法是一种质量探测性能极好的方法。所以，本发明采用此方法并能精确测量墨水的量。本发明的喷墨印制机探测由于墨水沉积在振荡器上而导致的振荡器谐振频率的变化，并在探测结果的基础上测量喷墨量。这样，与传统的测量墨滴压力的光学、压电或静电冲击传感器相比，墨水量的测量灵敏度高，精度也高。
在喷墨印制机中，墨水以多个墨滴的形式沉积在振荡器上。通过沉积多个墨滴，在振荡器上的墨滴变化很大，也就是，墨滴扩展形成均匀的墨水薄膜。结果，使精确测量墨的量成为可能。
在喷墨印制机中，振荡器的振动是由于振荡器在固有频率处的振动所产生的。利用固有频率处的振荡(第一振荡模式)可获得稳定的、可靠性高的振动状态，因此也提高了墨水量的探测精度。
在喷墨印制机中，振荡器的振动是由于谐波振荡引起的振动。由于振荡器的振动是通过谐波振荡产生的，所以，与固有频率相比，可以获得高出几倍的探测灵敏度，并且也提高了振荡器的机械强度。
喷墨印制机包括对振荡器谐振频率进行分频的分频装置。在对振荡器的输出进行分频之后，可对周期(频率)进行测量，从而可高分辨率地测得墨水量。
在喷墨印制机中，待沉积墨水的振荡器表面覆盖有绝缘膜。待沉积墨水的振荡器表面覆盖的绝缘膜主要由聚对二甲苯(poly-p-xylylene聚乙烯-p-亚二甲苯基)等材料制成，具有特别高的表面渗透特性和良好的绝缘特性，因此，不会由于墨水的缘故而使性能下降。
在喷墨印制机中，振荡器水平安放。当探测面垂直时，墨水的分布会由于自身的重力而偏向低的一侧。但是，在本发明的喷墨印制机中，由于振荡器水平放置，所以墨滴利用均匀的自重形成均匀的墨水薄膜。
发明的上述的以及其它目的、特性将通过下面参照附图的详细描述而充分显示出来。
图1是本发明喷墨印制机的截面图；图2是本发明喷墨印制机的透视图；图3是墨水探测器结构的截面图；图4是墨水探测器结构的俯视图；图5A-5C为墨滴沉积状态的示意图；图6为控制单元及其外围电路结构的示意图；图7所示为墨水量探测控制电路的一个实例示意图；图8为墨水量探测控制电路的另一个实例示意图；图9为墨水量探测控制电路的又一个实例示意图；图10为墨水量探测控制电路的再一个实例示意图。
具体实施例方式
下面的描述将在附图示出的实例的基础上详细解释本发明。图1和图2为根据本发明实施例的喷墨印制机的截面图和透视图。
如图1所示，喷墨印制机1包括一个进纸单元2，一分离单元3，一传送单元4，一印制单元5，一出纸单元6，一墨水探测器18，和一控制单元30。进纸单元2包括一进纸支架7和一拾取辊子(未示出)，在印制时执行供给纸张P的功能，或是在不印制时执行储存纸张P的功能。
分离单元3包括一进纸辊子8和一分离器9，其功能是将进纸单元2供给的纸张P进给到传送单元4，每次一张。在分离器9处，衬底部分(与纸张P接触的部分)和纸张P之间的摩擦力设定成比纸张P之间的摩擦力大。但是，在进纸辊子8处，进纸辊子8和纸张P之间的摩擦力设定成比衬底部分(与纸张P接触的部分)与纸张P之间的摩擦力以及纸张P之间的摩擦力大。所以，即使是两张纸P进到分离单元3时，这些纸张P也会由于进纸辊子8而彼此分开，因此只有顶部的那张纸P送到传送单元4。
传送单元4包括一导向板10和一对辊子11，执行将从分离单元3进给的纸张P传送到印制单元5的功能。印制单元5包括一记录头12，一压盘13，一滑座14和一导向杆15，执行在传送单元4传送来的纸张P上印制图像的功能。记录头12通过在纸张P上喷墨形成图像。压盘13在印制时作为纸张P的压盘。滑座14上固定有记录头12，导向杆15引导滑座14(参看图2)。当向记录头12和压盘13之间传送纸张P时，传送单元4的辊子对11调整纸张P的传送，从而使墨水从记录头12喷射到纸张P上正确位置。
出纸单元6包括出纸辊子16，出纸架17和一墨水烘干部分(未示出)，执行将印制过的纸张P从喷墨印制机1中排出的功能。
墨水探测器18放置在图像区域外部的一端(图2中在左端)。当检测墨水量时，其上固定有记录头12的滑座14移到左端，从而记录头12的墨水喷射面与墨水探测器18正对。
图3和图4是这个墨水探测器18的截面图和俯视图。墨水探测器18包括一通过在石英片21的两表面蒸汽沉积铝电极22构成的AT切向石英振荡器23(切角即片表面与Z轴之间的夹角为35.15°)，从记录头12喷出的墨滴A沉积在石英振荡器23上。其上将要沉积墨滴A的铝电极22覆盖有一层由聚对二甲苯(poly-p-xylylene聚乙烯-p-亚二甲苯基)制成的聚对二甲苯膜24，此膜是在室温下气相晶体生长制成，并用等离子体离子处理使其有一亲水的表面。而且，石英振荡器23的底面、石英振荡器23和聚对二甲苯膜24的侧面、以及聚对二甲苯膜24的顶面外边缘，覆盖有一层由例如特弗隆(注册商标)制成的氟化物树脂膜25。聚对二甲苯是一种有高亲水特性/绝缘特性的材料，而特弗隆是一种有防水性的材料。所以，如图5A-5C所示，当墨滴A沉积时(图5A)，墨滴A在聚对二甲苯膜24上快速展开(图5B)，但是外边缘上的氟化物树脂膜25会使墨滴A的展开停止，于是形成墨水膜B(图5C)。在沉积多个墨滴A的情况下，由于墨水量增加，墨水容易展开到整个聚对二甲苯膜24上，并可得到均匀厚度的墨水膜。这样，在本发明中，由于提供了用等离子体离子处理使其有亲水性的绝缘聚对二甲苯膜24，并有多个墨滴沉积，则所以，能够形成一稳定的厚度均匀的墨水膜。结果，提高了由后述QCM方法测量墨水量的精确度。
图6示出了控制单元30及其外围电路的结构。控制单元30包括一界面31，一图像处理器32，一存储器33，一驱动系统控制器34，和一墨水量计算器35。界面31允许与计算机等外部设备和图像处理器32、驱动系统控制器34和墨水量计算器35之间的信号传输。图像处理器32在通过界面31输入的图像信息的基础上完成图像处理。存储器33存储处理过的图像数据。另外，图像处理器32与记录头驱动电路连接以控制记录头12的驱动。
驱动系统控制器34与滑座驱动电路42连接以控制用于驱动滑座14的滑座电机45的操作，驱动系统控制器34还与纸张传送驱动电路43连接以控制纸张传送电机46的操作，从而驱动纸张传送元件例如进纸辊子8、辊子对11和出纸辊子16，所以驱动系统控制器34控制着滑座14的运动和纸张P的传送。
墨水量探测控制电路44与墨水量计算器35连接，以控制墨水探测器18的石英振荡器23的振荡，并检测作为信号的石英振荡器23的振荡频率。以石英振荡器23的振荡频率相应于墨水量探测控制电路44探测到的所沉积的墨水量的变化为基础，墨水量计算器35计算出从记录头12喷出的墨水量。
图7所示为墨水量探测控制电路44的结构实例。墨水量探测控制电路44包括一CMOS变流器，通过电容C1和C2将电压加在石英振荡器23的两个端子(两个铝电极22)上，并将振荡频率作为信号从石英振荡器23输出。
下面将解释有这样结构的本发明印制机1的印制操作。基于图像信息的印制请求通过界面31从外部设备例如计算机输入到印制机1中。当接收到印制请求时，进纸架7上的一张纸P就通过拾取辊子从进纸单元2送到分离单元3。供给的纸张P在进纸辊8的作用下，经分离单元3进给到传送单元4。之后，纸张P通过辊子对11向记录头12和压盘13之间传送。
接着，根据图像信息，墨水就从记录头12的一个喷嘴喷到位于压盘13的纸P上。此时，纸P在压盘上暂时停止。在喷射墨水的过程中，滑座14由导向杆15引导沿主扫描方向D2(看图2)扫过一行，当印制完一行时，纸P在压盘13上沿副扫描方向D1(看图2)移动一行的宽度。在印制单元5重复这一过程，就可以进行整张纸的印制。印制完成后，纸P将通过墨水烘干部分，而后作为一印制文件通过输出辊子16输送到出纸架17上。
接下来的描述所阐述的是墨水量的测量操作，这也是本发明的特征。首先，在记录头12喷墨之前，墨水探测器18的石英振荡器23在墨水量探测控制电路44的作用下而振荡，并且振荡频率作为原始数据预先探测。其后，从记录头12只向墨水探测器18喷射预定次数的墨滴，然后检测石英振荡器的振荡频率。从而得到检测值与原始数据的差异，即相应于所沉积墨水量的振荡频率变化，然后，基于所测得的变化，可计算出实际的喷墨量。
接下来说明的是在石英振荡器23上的墨滴沉积引起的石英振荡器23振荡频率(谐振频率)的变化度，即用数字表示在石英振荡器23上沉积的墨水量和石英振荡器23振荡频率的变化。
例如，当16pL(皮升)的一滴墨水，或是每滴4pL(皮升)的四滴墨水沉积在面积为42.3×10-4[cm]2的石英振荡器23上，喷墨印制机1为600DPI(点间距42.3[μm])，沉积墨水膜的厚度t[cm]可由下面给出的(4)式计算得出。
t＝16×10-9[cm3]/(42.3×10-4[cm])2＝8.94×10-4[cm] ...(4)如果墨水密度为1[g/cm3]，质量探测灵敏度为4.4[ng/cm2Hz]，那么，当整张纸P印制完成后，石英振荡器23每平方厘米上沉积8.94×10-4[g]的墨水。因此由下面给出的(5)式可计算出振荡频率的变化ΔF0。
ΔF0＝8.94×10-4[g/cm2]/4.4×10-9[g/cm2Hz]＝203[kHz]...(5)例如，当电极面积为1.3[cm]×0.2[cm]＝0.26[cm2]时，由下面的(6)式计算出每1pL墨水振荡频率的变化ΔF0。
ΔF0＝{1×10-9[g]/0.26[cm2]}/4.4×10-9[g/cm2Hz]＝0.874[Hz]...(6)因此，对每滴为4[pL]的100滴墨水，振荡频率的变化ΔF0为350(＝0.874×4×100)[Hz]，从而，发生的变化为ΔF0/F0＝350[Hz]/10[MHz]＝35[ppm]。
这样，由于本发明基于石英振荡器23振荡频率的变化来测量所喷墨水的质量，因此，与传统的光学、压电或静电冲击感应器测量墨滴压力相比，其测量墨滴量的灵敏度和精确度会更高。
图8所示为墨水量探测控制电路44的另一个实例。墨水量探测控制电路44包括分别使两个石英振荡器23振荡的振荡电路51、52；分频器53，通过连接20级1/2分频器而构成；计数电路54，对频率进行计数。当石英振荡器23的振荡频率为10[MHz]时，经分频器53分频后的输出为9.5[Hz](＝10[MHz]/220)。
如果将9.5[Hz]转化成时间，则为104.85[ms]。接着，每滴墨水量为4[pL]的100滴墨水的时间变化如下所示(7)式计算得出。这样，尽管采用10[MHz]的时钟信号，也能够有足够的分辨率来测量墨水质量。
ΔT＝104.85[ms]×35[ppm]＝3.67[μs]...(7)而且，在本发明中，能够产生谐波振荡的谐波石英振荡器可用作石英振荡器23。图9和图10示出了这种情况下墨水量探测控制电路44的结构实例。图9示出的实例是一个采用由线圈和电容组成的LC振荡回路的谐波电路，而图10所示实例是一个只包含电阻和电容的谐波电路。
接下来说明的是由于墨滴沉积在谐波石英振荡器上引起谐波石英振荡器振荡频率(谐振频率)的变化度，即用数字表示谐振石英振荡器上沉积的墨水量和谐振石英振荡器振荡频率的变化实例。
例如，当谐波振荡增加三倍达到30[MHz]时，质量探测灵敏度为0.49[ng/cm2Hz]，由下面的(8)式可计算出每1pL墨水振荡频率的变化ΔF0。
ΔF0＝{1×10-9[g]/0.26[cm2]}/0.49×10-9[g/cm2Hz]＝7.85[Hz]...(8)因此，对每滴为4[pL]的100滴墨水，振荡频率的变化ΔF0为3.14(＝7.85×4×100)[kHz]，从而，发生的变化为ΔF0/F0＝3.14[kHz]/30[MHz]＝104.67[ppm]。
这样，在采用谐波石英振荡器的结构实例中，与基本的振荡相比，可使探测灵敏度提高几倍并提高石英振荡器的机械强度。
如上详细所述，由于本发明采用QCM方法探测由于振荡器上沉积墨水而引起的振荡器谐振频率的变化，并基于此探测结果测量喷射的墨水量，所以，与传统的测量墨滴压力的光学、压电或静电冲击感应器相比，墨水量的测量更加灵敏和准确。而且，从墨水量的测量结果还可以精确探测出有缺陷的喷嘴。
在本发明中，由于沉积了多个墨滴，振荡器上的墨滴有显著的改变，即墨滴扩展了，形成一均匀的墨水膜，从而能够进行高精度测量。
在本发明中，由于振荡是基频振荡(第一振荡模式)，所以，能够获得稳定而且可靠性高的振荡状态；并因此提高测量墨水量的精度。
在本发明中，由于振荡器的振动是由于谐波振荡引起的，所以，与基频振荡相比，可以获得高出几倍的探测灵敏度，并可提高振荡器的机械强度。
在本发明中，在对振荡器的输出频率进行分频后，测量周期(频率)。所以，可进行高分辨率测量。
在本发明中，由于待沉积墨水的振荡器表面覆盖有一层绝缘膜，例如聚对二甲苯，如果必要，还可处理成有亲水性。这样可以得到特别高的表面渗漏特性和良好的绝缘特性，因此能够防止墨水引起的变质。
在本发明中，由于水平设置振荡器，所以能够利用均匀的自重来形成均匀的墨水膜，因此提高了测量精度。
因为本发明可以按照多种形式来实施，而不超出本发明基本特征的精神，而且既然本发明的范围是由所附权利要求而非前面的说明来限定，并且权利要求也要包括那些落入权利要求的界限内的所有变化或者这些界限的等效特征，所以，上述的实施例是示例性的，而非限制性的。
权利要求
1.一种喷墨印制机，包括记录头，用于喷射墨水；振荡器，从所述记录头喷出来的墨水沉积在该振荡器上面；以及探测器，当墨水沉积在振动着的所述振荡器上时，探测所述振荡器的谐振频率的变化。
2.如权利要求1所述的喷墨印制机，其中，所述墨水以多个墨滴的形式沉积在所述振荡器上。
3.如权利要求1所述的喷墨印制机，其中，所述振荡器的振动是由基频振荡所引起的振动。
4.如权利要求1所述的喷墨印制机，其中，所述振荡器的振动是由谐波振荡所引起的振动。
5.如权利要求1所述的喷墨印制机，还包括分频器，对所述振荡器的谐振频率进行分频。
6.如权利要求1所述的喷墨印制机，其中，所述振荡器待沉积墨水的表面上覆盖有绝缘膜。
7.如权利要求1所述的喷墨印制机，其中，所述振荡器水平设置。
8.一种喷墨印制机，包括记录头，用于喷射墨水；振荡器，从所述记录头喷出来的墨水沉积在该振荡器上面；探测器，探测当墨水沉积在振动着的所述振荡器上时，所述振荡器的谐振频率的变化；以及计算器，根据所述探测器探测到的谐振频率的变化，计算从所述记录头喷出来的墨水量。
9.如权利要求8所述的喷墨印制机，其中，所述墨水以多个墨滴的形式沉积在所述振荡器上。
10.如权利要求8所述的喷墨印制机，其中，所述振荡器的振动是由基频振荡所引起的振动。
11.如权利要求8所述的喷墨印制机，其中，所述振荡器的振动是由谐波振荡所引起的振动。
12.如权利要求8所述的喷墨印制机，还包括分频器，对所述振荡器的谐振频率进行分频。
13.如权利要求8所述的喷墨印制机，其中，所述振荡器待沉积墨水的表面上覆盖有绝缘膜。
14.如权利要求8所述的喷墨印制机，其中，所述振荡器水平设置。
15.一种测量从喷墨印制机记录头喷出来的墨水量的方法，包括步骤将从记录头喷出来的墨水沉积到一振荡器上；探测当墨水沉积在振动着的振荡器上时，振荡器的谐振频率的变化；以及根据所探测到的谐振频率的变化，计算从记录头喷出来的墨水量。
16.如权利要求15的测量喷出来的墨水量的方法，其中，多个墨滴沉积在所述振荡器上。
17.如权利要求15的测量喷出来的墨水量的方法，其中，振荡器的振动是由基频振荡所引起的振动。
18.如权利要求15的测量喷出来的墨水量的方法，其中，振荡器的振动是由谐波振荡所引起的振动。
19.如权利要求15的测量喷出来的墨水量的方法，其中，对振荡器的谐振频率进行分频，然后根据分频的结果来探测谐振频率的变化。
20.如权利要求15的测量喷出来的墨水量的方法，其中，振荡器水平设置。
全文摘要
本发明公开了用石英晶体微量天平(QCM)法来测量从记录头喷出来的墨水量。设置在图像区域外的墨水探测器包括一个AT切向的石英振荡器。通过在一个石英片的两个表面上气相沉积铝电极，可以构成该石英振荡器。从安装在一个滑座上的记录头喷出来的墨水沉积在这个石英振荡器上。探测由于沉积墨水所引起的石英振荡器谐振频率的变化，并根据探测结果测量从记录头喷出来的墨水质量。
文档编号B41J29/393GK1451539SQ031101
公开日2003年10月29日 申请日期2003年4月15日 优先权日2002年4月15日
发明者梅谷佳伸, 石井洋 申请人:夏普公司