多功能离子图形打印装置的制作方法

专利名称:多功能离子图形打印装置的制作方法
本发明涉及一种流体喷射辅助离子投影打印装置，这种打印装置设置有使之能用作输入打印机、文件复印机或文件扫描机的打印电路。打印头阵列包括可以以非晶硅(a-Si∶H)薄膜工艺技术为基础而制成的离子调制电极、数据和地址线以及含有薄膜晶体管和光传感器的自偏(self-biasing)放大电路。该自偏放大电路允许高速复印和扫描，并使有灰度(grayscale)的复印成为可能。
此处所用类型的流体喷射辅助离子投影打印机已在1984年7月31日，以名为罗伯特·W·根特拉奇(RobertW.Gundlach)和理查德·L·贝根(RichardL·Bergen)、题为“流体喷射辅助离子投影打印(FluidJetAssistedIonProjectionPrinting)”颁发的共同转让美国专利4463363号中公开了。在该打印机中，借助于等间距紧密排列的微小空气“喷嘴”，使成象电荷落在移动的接收器薄片上，例如纸上。由单极性(最好为正极性)离子组成的电荷是在一电离室内以高压电晕放电产生的，随后被输送至“喷嘴”并穿过它，在每一“喷嘴”结构内，用加于调制电极上的电位来对电荷进行电控。有选择地控制该阵列中的调制电极，将使随后供显影用的接收器薄层上的某些地方沉积有电荷斑点，某些地方则没有电荷。
这些调制电极可以集合在一个廉价、紧凑的集成打印头阵列内，该集成打印头阵列还包括多路驱动器电路和薄膜晶体管开关元件。数据电位有选择地加于这些调制电极上。这样一种方案已在1986年4月22日，以名为星C.吐万(HsingC.Tuan)和马尔可尔姆.J.汤普森(MalcolmJ.Thompson)，题为“用于流体喷射离子投影成象系统中的打印头(MarkingHeadforFluidJetAssistedIonProjectionImagingSystems)”颁发的共同转让美国专利4584592号中公开了。
由星C.吐万和马尔可尔姆.J.汤普森在1986年5月9日提交的，题为“改进的写头(ImprovedWritingHead)”，申请顺序号为861472的同时待审的专利申请中披露了用于集成打印头阵列中的另一种驱动电路。象此处所描述的那样，在该电路中，包含一开关元件的锁存电路直接把打印调制电极连接到一个参考电压源。
一种流体喷射辅助离子投影复印机已在由星C.吐万和马尔科尔姆.J.汤普森于1985年10月7日提交的，题为“离子投影复印机(IonProjectionCopier)”，申请顺序号为784293的共同转让专利申请中公开了。在此复印机中，打印头阵列含有调制电极和光传感器，光传感器可直接或通过一放大电路间接去驱动调制电极。该专利申请还披露了两种型式的薄膜传感器。一种是间隙式(gap-type)，它呈现约为5的光导增益，但有着响应时间长(即响应慢)的特性。另一种是夹层型(sandwichtype)，其光导增益为1，但光电流响应时间十分短(即响应快)。为了使低增益的夹层型光传感器能付诸实用，该专利还披露了一种放大电路，该放大电路需要至少三个参考电压源(高、低和地)。
从上述情况可以看出，已经为这种离子投影打印技术分别考虑了打印机和复印机两种结构形式。然而，与其给使用者提供不同的机器去分别完成这些功能，我们建议还不如用单台有着多功能打印头阵列的机器，这种机器在一页纸宽的基片上装有影象传感器阵列、调制电极阵列、功能转换电子设备以及数据输入一输出电子设备。所有元件都可以整体地在一个基片上实现，最好以非晶硅薄膜和与它的工艺过程相适应的材料来制作。
在多功能机器的打印工作方式下，其工作情况如同在前述第4584592号专利中的那样，影象传感器阵列不工作。在复印工作作方式下，影象传感器阵列响应于从被照明文件反射出来的光，产生光生电流，该电流去激励调制电极，从而产生文件的拷贝。在扫描工作方式，影象传感器阵列响应于从被照明文件反射出来的光，也产生光生电流，而此光生电流被数据输入一输出电子设备检测出来并加以放大，供存储用或传送到远处。多功能打印头阵列的功能转换电子设备用来设定机器的工作方式。它可以(1)使影象传感器阵列与调制电极阵列连接，并切断数据输入一输出电子设备的连接，以工作在复印(copy)工作方式;(2)使影象传感器阵列与调制电极阵列相连接，以及使数据输入一输出电子设备相连接，以工作在扫描(scan)工作方式;(3)切断图象传感器阵列与调制电极阵列的连接并使数据输入一输出电子设备相连接，以工作在打印(Print)工作方式。
本发明的首要目的是提供一种能选择执行打印、复印或扫描功能的多功能打印头阵列。
本发明的另一个目的是提供一种在该阵列上的放大电路，这种放大电路将使得复印和扫描功能有快速、自偏、线性的响应。
本发明是以提供一种多功能流体喷射辅助离子图形打印装置的形式来实施的，这种装置在打印和复印工作方式下使静电电荷置于电荷接收器的表面，并在扫描工作方式下向外电路发送信号。该装置包括含有一个基片的集成打印头，在此基片上形成有大量以很小间距排列的调制电极，每一电极可在打印状态和非打印状态之间切换，在打印状态下，密度在一定范围内可控，每个调制电极伴随有也是制作在基片上的工作方式响应信息负载电路。当打印头处于打印工作状态时，第一信息电路把从外部源来的打印信号传送给调制电极;当打印头处于复印工作方式时，第二信息电路把从以光传感器形式固定在基片上的信号发生器来的信号传送给调制电极。当打印头处于扫描工作方式时，也是制作在基片上的第三信息电路把从该信号发生器来的信号传送给外部的接收机。当请求复印工作方式时，第一开关有选择地把第一信息电路连接到调制电极。当请求复印工作方式时，第二开关有选择地把第二信息电路连接到调制电极。当请求扫描工作方式时，第一和第二开关均接通。所有调制电极和包括总线、光传感器和开关的电路元件以及其它在打印头上的元件都是作为薄膜元件集成在基片上的。
从下面结合附图更为具体的描述中，本发明的其它目的和进一步的特点和优点将是显而易见的。
图1是根据本发明的多功能打印装置的示意图。
图2是本发明打印头阵列的一种型式的示意图，图中示出了几个调制电极和它们的辅助控制电路。
图3是响应于一个光脉冲的自偏放大器输出曲线图。
图4是用在打印头阵列中的自偏放大电路的线性输出响应曲线图。
图5是本发明另一形式的打印头阵列的示意图。
详细参照附图，图1中示出了外罩10，它类似于在受让人的美国专利4524371号中的流体喷射辅助离子投影打印装置。该外罩包括一个细长的导电室12和一根沿着导电室长度方向延伸的电晕放电丝14。直流电压为几千伏量级的高压电源16通过一适当的负载电阻18连接到丝14，而参考电位源20(可以是地)连接到室壁12。当丝14加上高电位时，围绕着此丝产生电晕放电，建立起给定极性(最好为正极性)的离子源，这使得该室充满了空间电荷。
入口通道22沿着该室、基本上平行于丝14而延伸，它把加压传送的流体(最好为空气)从一个适当的源(以管24示意地表出)引入室12内。离室12的出口通道26也基本上平行于丝14而延伸，出口通道26位于和入口通道22相对的位置处，把载有离子的传送流体引出到外罩10到外面。出口通道26包括两部分从室朝外，基本上成径向的第一部分28以及与第一部分成一角度设置的第二部分30。打印头32的设有支撑的延伸部分由绝缘垫片34与外罩隔开一定距离并固定于其上，以形成这第二部分30。当载有离子的传送气流穿过出口通道的30部分时，它在一排离子调制电极36的表面流过，每一离子调制电极在流体流动的方向延伸，并与打印头32形成一整体。依靠选择控制调制电极36上的电位，载有离子的流体流(ion-ladenfluidstream)会变为有智能的。
象在美国专利4463363号中所描述的那样，一旦输出流体流中的离子在调制电极的影响下来到，它们可以视为单独的“束”。这些“束”以被允许到达接收器薄层42，或被抑制在出口通道26内。当有选择地把调制电极与一个和对面的出口通道壁有着大体相同电位的电源接通时，就完成了光栅线中单个斑点(Spot)的“写”。通道两面的壁均处于大致相同的电位，将使得在两壁间基本上无电场。因此，穿过通道的离子将不受影响，而从外罩射出，沉积在电荷接收器上。反之，当调制电极上加有与它相对的壁来说有着足够差别的适当电位时，横跨出口通道将存在一个电场。如果加于调制电极上的电位的极性与离子的极性相同，则离子“束”将被调制电极拒斥到对面的壁上，在那里离子会复合成不带电的或中性的空气分子。如果加于调制电极上的电位的极性与离子的极性相反，则离子“束”将被吸引到调制电极上，在那里它们也会复合成不带电或中性的空气分子。所以在调制电极邻近从外罩射出的传送流体中的“束”将基本上不携带“写”离子。在调制电极上加以中间幅值的电压将引起离子电流成比例的流过该处，使之在电荷接收器上进行具有灰度的写。
已被允许通过和穿出外罩10并经过输出通道26的离子，在背加速电极(backelectrode)38的影响下而出来。背加速电极38连接到一个电压为数千伏直流量级、极性和电晕电源16相反的高压电源40。绝缘的电荷接收器42(例如纸)被置于背加速电极38和外罩10之间，并在背加速电极的表面上移动，在接收器42的表面上收集成影象结构的离子。随后，电荷图形的潜象可用适当的显影装置(未示出)使之成为可见。另一种方法是用一种转印系统，在该系统中，成影象样子的电荷图形沉积在一个电绝缘的媒介表面上，例如在一介质材料的鼓或带上。在介质表面显影，使电荷图形成为可见图形，再把显影了的影象转移到最终的影象接收器薄层上。
为了在电荷接收器42上复印原始文件46，使用打印工作方式。原始文件被一适当的光源48所照明。反射器50把光能集中在原始文件上，其中，部分反射的光能落在透镜系统52的收集角内。从原始文件反射出的光通过透镜系统，把原始文件46上有明有暗的图形投影到光传感器阵列44上。此透镜系统最好是Selfoc或陡度折射率聚焦(gradedindexfocusing)类型的短光程、细长条状透镜。按照落在光传感器上的光强，有选择地去控制阵列中每一个调制电极，就会形成信息的影象形状图形，从而与此相随的离子“束”，按照欲复制原件上明暗不同的斑点的光强和图形而离开、或被禁止离开外罩。于是，在复制工作方式下，在一定范围内的明暗状态有可能以控制光学密度(opticaldensity)来达到。应该明白，在打印工作方式下，以改变数据电压的方法也可能得到一相似范围的明暗状态。在美国专利4584592号和美国专利顺序号861472中完备地描述了这种打印工作状态，这两个文件在此处均被用作为参考资料。
以图2中的形式示意画出的多功能打印头32包括一些由平板基片54支承的薄膜元件。这些元件包括一列沿着基片一条边延伸的调制电极36。许多数据线56和许多控制薄膜开关元件60的地址线58(只画出了一根)代表在打印工作方式下的数据输入线或信息负载电路，其中，借助于直接应用从外部的集成电路数据总线驱动器62送来的数据电压来完成打印动作。地址线58接收来自外部集成电路地址总线64的信号。
用于复印工作方式的信息负载电路包括一列复印启动薄膜开关66，它们都由外接的控制复印启动总线68同时驱动。高压(V+)总线70和低压(V-)总线72都穿越基片54而设置。自偏光传感器放大电路的每一个包括在总线70与72之间接成串联的负载电阻(BL)74、反馈电阻(RF)76和光传感器78，以及和反馈电阻76和光传感器78并联的薄膜晶体管80。在反馈电阻和光传感器之间的结点81处的电位(VG)加到晶体管80的栅极82上。
在复印工作方式下，地址线晶体管60处于“截止”(OFF)状态，以切断与打印工作方式的信息负载电路的连接，而复印启动晶体管66处于导通状态，以连通复印工作状态的信息负载电路。每一光传感器的状态将控制通过每一相应调制电极36的离子流。从原始文件46的白色区域反射出来的、投射在光传感器78上的光照，将产生足够的、通过光传感器的光电流，在结点81处导致VG下降，从而大大地减小了流过晶体管80的电流。因为流过RL的电流减小，在结点83处的VOUT升高，而当晶体管完全截止时达到其极限，VOUT＝V+。VOUT将加到调制电极36，以阻止离子流经通道26到达影象接收器。
相反地，从原始文件46的黑暗区域没有光反射出来，就不能产生足够的、流经光电传感器的光电流去使RF中有电流流过。然而，因为结点81已处于低电位，结点83已处于高电位，所以在RF两端将会有一初始的瞬态压降，将会有足够的电流流过RF去对栅极81充电。当栅极电位开始上升时，晶体管80将开始导通，而电流流经晶体管80和RL，导致VOUT开始跌落。通过RF的瞬态电流的继续下降将使VG增加，导致更多的电流流过晶体管，并进一步使VOUT减小。在某一点达到稳态平衡条件，在此状态下，RF两端无压降，电流不再流过它，电路将处于一稳定状态下。于是，流经RL的电流与流经晶体管的电流相一致，而VOUT等于VG。此时电路处于一种自偏的水平，因为如果栅极电压上升到高于此平衡值，则晶体管将更为导通，VOUT将跌落到低于栅极电压的值，而在RF两端将出现一负的压降，导致电荷从栅极流出，降低栅极电压和流过晶体管的电流，使VOUT上升。上述情况即自偏现象。
在扫描工作方式下，复印启动开关66和地址开关60均转为接通状态，使存储在结点83处的电流可以通过数据线56传送到外部接收机84。所以，放大电路的输出不仅可用来驱动复印工作方式的调制电极，而且也可用于扫描工作方式。这种安排使在扫描工作方式下信号接收机所需外部放大设备减至最少。
图3是一计算机产生的图形，它示出了自偏放大电路对于原始文件的明暗区域的响应特性。首先，在明区VG稍稍下降，而VOUT迅速上升。这说明晶体管有增益。图中示出了在晶体管恢复到稳态以前，VOUT有一轻微的过冲。然后，在暗区VG增加，而VOUT下降并在恢复到稳态前再次有一轻微的过冲。注意到VOUT在暗区的稳态值大于VG。这是因为不存在绝对无光的情况。甚至文件的黑色区也反射一些光。因此，在此计算机模型中，假定黑色区反射的光为白色区的10%。
放大电路典型的参量值如下V+＝20V;V-＝-5V;RL＝2×108Ω;RF＝4×109Ω;而当光传感器被完全照明时产生约4nA(毫微安)的光电流(IPH)。在这些条件下，放大电路处于自偏状态。因此VOUT约比V-高出3-4V，选择V-，使得在黑暗时的VOUT约为0V。
下列公式代表稳态照明条件VOUT＝VG+(IPH)(RF)由于晶体管80的增益大致为10倍，VG微小的变化实质上会引起VOUT较大的变化。从而，因为VG变化不很大，所以VOUT通常将线性地响应于光传感器的电流，转而“线性地”响应于光传感器的光照量。该“线性”将有大约10%的偏差。
图4示出了本发明放大器的特性以及增强复印灰度的输出电压的线性。栅极电压变化2V使输出电压变化约20V。栅极电压受响应于原始文件反射光照量的光传感器电流的控制。可以看出，“白色”背景区产生约3.5nA的最大光电流，而此时“黑色”信息区约反射10%的光，产生约0.3nA的光电流。
用提高放大器增益的方法，可以使输出更为符合线性，同时更快速(响应)。为了获得这些好处，打算以一个晶体管的输出端连接到下一个晶体管栅极上的方法来把若干个晶体管连接成级联的形式。因此，再增加一级就很容易使增益达到100，这样，第一级晶体管的VG每改变1V将导致第二级晶体管的VOUT改变100V。当希望有较高的分辨率时，就要用较多较小的光传感器，对于同样的光照强度，这些光传感器中的每一个将产生较小的光电流。级联晶体管的方式会使0.1V的栅极电压产生10V输出，并从而使(响应)速度与现在所得的相同，且有着较高斑点密度。
所选用的光传感器为肖特基多层二极管(Schottkydiodesandwich)，它包括在氧化铟锡(ITO)阻挡接触面(blockingcontact)和铬阻挡接触面之间的一薄层非晶硅。为获得均匀扫描线所必需的特性是可以预测的。对于量子效率(quantumefficiency)为1的肖特基光传感器，因为从给定光照量所获得的电流值将正比于它的面积，所以它的性能是高度可预测的。在此处所用的尺寸下，这种类型的器件可产生足够实用的光电流，但是它的量子效率为1导致低的光电流输出，即在1-5nA范围内，此值约为直接驱动调制电极所需电流的十分之一。因此，这种类型的光传感器必须要用放大电路。也可用其它增益为1的光传感器。
这些肖特基二极管光传感器的其它优点是它们的响应时间非常短，此响应时间受制于截流子通过非晶硅薄层的厚度时所需的渡越时间。对于复印速度为每秒2英寸和分辨率为每英寸300象素的复印文件，扫描一个象素将需1.6ms(毫秒)。为安全起见，在这些条件下应用的光传感器必须足够快地、至多在1ms时间内产生出全电流。打算使用的肖特基二极管一般响应时间约为1μs，无疑，对于此处的应用来说是足够快的。在此场合下，自偏放大电路的响应时间受到电路本身而不是受到光传感器的限制。
通常，光电流取决于面积。给定一个每英寸300象素的线性阵列，则允许每一光传感器所占最大面积为85μm×85μm。在此区域内，每一光传感器包括一个通常厚度约为 1/2 μm-2μm范围(最好约为1μm)的非晶硅层，非晶硅两面的夹层典型为700-800
的氧化铟锡和约1000
的铬。非晶硅层的厚度并不重要，但较厚的层厚由于有可能收集到十分弱吸收的光谱红端，将使性能有某些提高。选择氧化铟锡层的厚度以产生一抗反射涂层，用来在约6000
的波长处，把更多的光耦合入传感器。
多功能打印头电路元件的另一种方案示于图5。打印头以85来代表，而类似的元件则以与图2实施方案中相同的数号、加上一撇(′)来表示。每一调制电极36′有着与它关联的电路，这些电路使打印头能有选择地用于打印、复印或扫描工作方式。此实施例是基于上面提及的，顺序号为861742的，同时待审专利申请图4中的反相器电路打印头实施例。
打印工作方式信息负载电路是反相器型式的。对于每一调制电极来说，该电路包括高压(20V量级)总线70′(V+)、电阻74′和76′，复印启动薄膜开关66′，由地址总线58′控制的薄膜地址开关60′以及数据线56′。在打印工作方式期间，地址开关60′处于接通状态，而复印启动开关66′处于切断状态。这种方案完全象在该同时待审申请中描述的那样，允许用低电压的数据信号来驱动。
在复印工作方式下，地址开关60′处于切断状态，而复印启动开关66′处于接通状态。复印工作方式信息负载电路包含一个自偏放大电路，该自偏放大电路包括高压总线70′(V+)、低压总线72′(V-)、负载电阻74′(RL)、反馈电阻76′(RF)、光传感器78′以及薄膜晶体管80′。它的结构形式和工作情况与图2中的相同。
在扫描工作方式下，地址开关60′处于接通状态，而复印启动开关66′处于切断状态。光传感器的信号将直接通到数据线56′以送到外部接收机84′。应该注意，因为光传感器的输出直接连接到数据线，所以光传感器的信号没有象图2结构形式下那样所存在的放大作用。由光传感器产生的十分低的输出电压将需要在随后予以放大。
应该明白，这里只不过是以实例的方式进行了披露，可能重新作出大量结构细节的改变、部件的组合和安排，但这些并没有偏离如权利要求
书中所规定的本发明的精神实质和范围。
权利要求
1.一种用于多功能离子图形打印装置的集成打印头，所述打印头包括一块基片，在所述基片上形成有大量以很小间距排列的离子输送调制电极，每一所述调制电极可在打印状态和非打印状态之间切换，并且伴随有第一信息电路，它当所述打印头处于打印工作方式时把来自外部源的打印信号传送到所述调制电极；第二信息电路，它当所述打印头处于复印工作方式时把来自基片支承的信号发生器的打印信号传送到所述调制电极；第三信息电路，它当所述打印头处于扫描工作方式时把来自所述基片支承的信号发生器的信号传送到外部接收机；所述打印头中每一所述调制电极以及所述第一、第二和第三信息电路，以薄膜元件形式集成在所述基片上。
2.根据权利要求
1中所规定的、用于多功能离子图形打印装置的集成打印头，其中所述第二信息电路包括一个放大电路。
3.根据权利要求
2所规定的、用于多功能离子图形打印装置的集成打印头，其中所述第一信息电路包括有选择地把所述外部信号源与所述调制电极接通的第一装置，所述第二信息电路包括有选择地把所述信号发生器的放大输出与所述调制电极相接通的第二装置，从而，在所述打印工作方式下，所述第一装置是闭合的，而所述第二装置是断开的，在所述复印工作方式下所述第一装置是断开的，而所述第二装置是闭合的，在所述扫描工作方式下所述第一装置和所述第二装置两者均闭合。
4.根据权利要求
2所规定的、用于多功能离子图形打印装置的集成打印头，其中所述第一信息电路包括有选择地把所述外部信号源与所述调制电极相接通的第一装置，而所述第二信息电路包括有选择地把所述信号发生器的输出与所述调制电极相接通的第二装置，从而，在所述打印工作方式下所述第一装置是闭合的，而所述第二装置是断开的，在所述复印工作方式下所述第一装置是断开的，而所述第二装置是闭合的，在所述扫描工作方式下所述第一装置是闭合的，而所述第二装置是断开的。
5.根据权利要求
2所规定的、用于多功能离子图形打印装置的集成打印头，其中所述放大电路是自偏的。
6.根据权利要求
2或5所规定的、用于多功能离子图形打印装置的集成打印头，其中所述信号发生器包括一个光传感器，所述放大电路包括一个有着一个栅极的薄膜晶体管，所述光传感器的输出端连接到所述栅极。
7.根据权利要求
6所规定的、用于多功能离子图形打印装置的集成打印头，其中所述光传感器是一个增益为1的器件。
8.根据权利要求
7所规定的、用于多功能离子图形打印装置的集成打印头，其中所述光传感器包括一个肖特基二极管。
9.根据权利要求
8所规定的、用于多功能离子图形打印装置的集成打印头，其中，所述光传感器包括夹在两个导电阻挡接触面之间的一层非晶硅。
10.根据权利要求
5所规定的、用于多功能离子图形打印装置的集成打印头，其中在所述基片上设置有高压总线和低压总线，而所述自偏放大电路包括在所述两总线之间串联联接的一个负载电阻、一个反馈电阻和一个光传感器，所述薄膜晶体管与所述反馈电阻和所述光传感器并联。
专利摘要
本发明涉及一种可以多功能工作的离子图形打印装置，它能用作输入打印机、文件复印机或文件扫描机。该装置包括一个由薄膜元件组成的写头，这些薄膜元件包括离子调制电极、数据和地址线以及自偏放大电路，这些自偏放大电路包括集成在一块大面积基片上的薄膜晶体管、电阻和光传感器。
文档编号G03G15/05GK87106250SQ87106250
公开日1988年7月6日 申请日期1987年9月11日
发明者理查德·莱斯利·韦斯菲德, 段行建 申请人:施乐公司