CN105142917B - 用于纸的选择性碳化的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于选择性碳化纸对象的表面的至少一部分的设备，包括：用于接收纸对象的接收装置、至少一个激光器和用于控制激光器的控制装置，该激光器用于将所述纸对象的表面的一个或多个部分选择性加热至一定水平，其中所述表面的加热部分至少部分碳化且因此改变颜色。本发明还涉及用于选择性碳化纸对象的表面的至少一部分的方法，包括以下步骤：将对象接收在接收装置中，以及用控制装置控制加热装置以便将所述纸对象的表面的一个或多个部分选择性加热至一定水平，其中所述表面的所述加热部分至少部分碳化且因此改变颜色。

Description

用于纸的选择性碳化的设备和方法

本发明涉及用于纸对象的选择性碳化的设备和方法。

常规的打印机通过不同的方式使用油墨来在(纸)对象上打印图像。市售的打印机包括原色打印机、液体喷墨打印机、固体油墨打印机和染料热升华打印机。油墨的使用有几个缺点，其中一个是油墨盒的有限的容量。另一个缺点是例如当打印机较长一段时间不使用时，液体油墨可能会变干且堵住打印机的喷嘴。

已经尝试提供无墨打印机，且现有技术的无墨打印机包括例如通过选择性加热特定热敏纸的区域来工作的热敏打印机。单色热敏打印机被用于现金出纳机、ATM、汽油分配器(gasoline dispenser)和一些老式的便宜的传真机。

需要能够使用普通纸对象，即，不要求使用特定热敏纸的无墨打印机。

本发明的目的是提供相对于现有技术得到改进的打印设备和打印方法，且其中以上提到的问题中的至少一个被避免。

根据本公开，通过所附的独立设备权利要求和所附的独立方法权利要求中的特征的集合，上面指出的这些目的和/或其它的优点或发明效果得到实现。

本发明提出了一种用于选择性碳化纸对象的表面的至少一部分的设备，纸对象特别是一张纸，所述设备包括：

-用于接收纸对象的接收装置；

-至少一个激光器，其用于将所述纸对象的表面的一个或多个部分选择性地加热到一定水平，其中所述表面的加热部分至少部分地碳化且因此改变颜色；和

-用于控制激光器的控制装置。

碳化反应一方面在纸对象上产生了起到黑色颜料作用的碳焦物 (char)。此外，通过碳化反应产生的有机挥发物凝聚在纸对象上，其中有机挥发物作用为用于碳焦物的粘合剂，且这种方法在所述纸对象上产生永久的着色。

优选地，纸对象包括一张纸，其中指出的是，‘一张纸’还可以包含领纸(webfeeding)，领纸指的是当用于专业书籍打印时使用连续纸供给。

根据优选的实施例，所述控制装置被配置为调整所述激光器的功率和 /或选择性地打开和关闭激光器。这些参数控制纸对象碳化的水平。

尽管激光器布置在辊的内部，或者选择性地，纤维光缆布置在辊的内部，且使用单轴定位系统来替代镜子布置是可能的，但是根据更优选的实施例，所述激光器的激光束通过镜子朝向聚焦透镜反射，该聚焦透镜被配置为将所述激光束聚焦到所述纸对象上。

根据优选的实施例，镜子是可移动的，且其中所述镜子的移动由所述控制装置来控制。镜子的配置具有较少的移动部件且因此机械磨损较少、惯性力较小和打印速度较高的优点。

优选地，所述镜子是多边形镜子(polygon mirror)，其具有进一步的优点，即，提高了打印速度，且相比单面镀银的镜子，多边形镜子降低了运行使镜子旋转的马达所要求的速度。打印速度取决于激光器的功率和镜子速度。如果使用单面镀银的镜子，那么使单面镜子旋转的马达的速度要比使用四面镜子的系统的速度高四倍。因此，多边形镜子提高了打印速度。

根据更优选的实施例，聚焦透镜包括平场聚焦透镜(F-theta len)和远心透镜的组合。(多边形)镜子在圆形场(circular field)中扫描激光，且因此碳化点在纸对象的中心和纸对象的宽度末端之间会不均匀。因此，更优选的实施例中提到的透镜通过组合平场聚焦透镜和远心透镜来纠正该失真。该配置保证了激光器的功率密度和点尺寸在所有扫描角度保持恒定。

根据更进一步优选的实施例，接收装置被配置为使纸对象相对于激光束移动。通过这种方法，接收装置控制纸对象的哪部分暴露于激光束。

根据还有的更加优选的实施例，实质上透明的罩被布置在所述激光器和所述纸对象的至少待被加热的部分之间。该透明的罩允许纸对象的至少待被加热的部分(其可以是非常局部的区域)在低氧环境中被加热。该低氧环境可以通过多种方法获得，如下文解释的。

优选地，实质上透明的罩由玻璃制成，因为这提供了进一步的优势，即玻璃的热导性低，且因此不会从纸对象上的局部加热区域散失热量。此外，玻璃对于传播激光而言具有较高的传播效率。

根据更优选的实施例，设备包括用于将实质上透明的罩按压在所述纸对象的至少待被加热的部分上的按压装置。通过将实质上透明的罩按压在纸对象上，获得了低氧环境。

优选地，控制装置被配置为调整罩在纸对象上的压力的量。这允许控制装置控制纸对象的待被加热的部分处或者接近纸对象的待被加热的部分的氧气水平，且通过这种方法来控制印刷字符的黑度和耐久度，且还控制碳化过程中的烟味。此外，控制装置可通过在纸对象上施加压缩来控制纸对象表面的粗糙度。降低的表面粗糙度将消除/减小纸上的微观波峰和波谷，且将允许跨越纸对象的表面的均匀碳化。压缩力使纸对象的表面顺滑通过，且因此焦距更加一致。

根据更优选的实施例，实质上透明的罩包括辊，且其中激光束在向外方向上穿过所述透明辊，在透明辊处，激光束加热与所述实质上透明的罩的外表面相接触的所述纸对象。该辊也优选地起到了输送所述纸对象的功能。

根据更优选的实施例，实质上透明的罩在所述罩的激光器侧上包括防反射涂层。在所述罩的激光器侧即内侧上的防反射涂层降低了激光的反射，且通过这种方法减少了激光器功率的损失。

根据更优选的实施例，实质上透明的罩包括在所述罩的纸侧上的疏油涂层。疏油涂层对油缺乏吸附力且因此是防油的。通过在所述罩的纸侧即外表面上提供这种疏油涂层，在碳化期间产生的挥发物将不会粘附至实质上透明的罩，而是代替地转移至纸对象，其中挥发物作用为粘合剂。疏油涂层还减少了实质上透明的罩的损坏和磨损，因为它阻止了挥发物在实质上透明的罩上凝固。

根据更优选的实施例，纸对象夹在所述实质上透明的罩和支撑件之间，其中所述支撑件优选地包含支持辊(backing roller)，和/或其中所述支撑件甚至更优选地包括反射特性。

根据更优选的实施例，纸对象夹在所述实质上透明的辊和支持辊之间。当辊相互挤压时，产生了具有相对高压力的薄的接触表面。该压力减少了被激光加热的部分处的可用氧气量。如果支持辊包括反射特性，那么碳化反应会得到很大改善。

根据还有的更优选的实施例，为了保持纸对象处于预定的温度，支撑件会被加热。通过这种方法，激光束只需将温度从该预定的温度增加到发生碳化时的较高的温度。通过这种方法，打印速度可得到提高，因为激光器只需将纸的温度提高到限制值以上。

根据更优选的实施例，设备还包括预加热装置，预加热装置配置为用所述激光器对纸对象的至少待被加热的部分进行预加热。当纸对象以预定的温度进行预加热时，激光束只需在发生碳化的地方将温度从该预定的温度提高到较高的温度。通过这种方法，打印速度可以进一步提高，因为激光器只需将纸的温度提高到限定值以上。

根据更优选的实施例，设备还包括活性炭支撑件，且更优选地，所述支撑件是活性炭辊。活性炭是天然的、环保的木炭，其在先进的控制工艺中以极高温度使用蒸汽进行处理，控制工艺导致产生活性木炭材料，该活性木炭材料在大多数已知的多孔材料之一上得到活性炭的表面内部和之上确实填满数以百万计的微型空穴(micro-pocket)-微型洞和孔。正是因为这些微型空穴，活性炭具有吸附大量气体颗粒(气味)的能力，且通过这种方法吸收来自碳化过程的气味。

本发明还涉及用于对纸对象的表面的至少一部分进行选择性碳化的方法，更特别地，纸对象是一张纸，该方法包括以下步骤：

-将接收对象在接收装置中；和

-使用控制装置控制加热装置，以便选择性地将所述纸对象的表面的一个或多个部分加热至一定水平，其中所述表面的加热部分至少部分碳化且因而改变颜色。

碳化反应一方面在纸对象上产生了起到黑色颜料作用的碳焦物。更进一步，通过碳化反应产生的有机挥发物也凝聚在纸对象上，其中有机挥发物对碳焦物来说是粘合剂，且这种方法在所述纸对象上产生了永久的着色。

根据优选的实施例，其中对表面进行加热的步骤包括通过激光器辐射加热的步骤。

根据更加优选的实施例，所述激光器发射具有一定波长的光，该光实质上与所述对象在近红外范围内的峰值吸收谱相匹配。‘近红外范围’ (NIR)是指具有从约800nm到2500nm的波长的红外光。纸对象的吸收峰值(由于纤维素)，在近红外范围内是，在1490nm吸收17％且在2100nm 吸收40％。在中红外范围(例如，在3100nm吸收80％)和远红外范围吸收值更高，但是这些激光相对更加复杂且因此更加脆弱。因此在近红外范围中的折衷是优选的。随着时间的推移，中红外范围激光的可靠性和成本价格会增加，其可以成为优选的激光。

根据更加优选的实施例，所述方法包括控制装置调整所述激光器的功率和/或选择性地打开和关闭激光器以便将纸对象选择性地暴露于激光的步骤。

根据更加优选的实施例，控制装置控制所述激光束的运动以便选择性地将纸对象暴露于激光束。

根据更加优选的实施例，所述方法包括接收装置相对于激光器移动纸对象的步骤。

根据更进一步优选的实施例，纸对象的加热部分在低氧环境中被加热。这可以是仅在或者邻近激光束击中和加热纸对象的点处临时得到的非常局部的低氧环境。

根据优选的实施例，所述低氧环境通过以下步骤中的一个或多个步骤而产生：

-通过将空气抽离所述纸对象的至少待被加热的部分来产生局部真空；

-在所述纸对象的至少待被加热的部分处或者附近引入惰性气体；

-在所述纸对象的至少待被加热的部分处或者附近引入蒸汽；

-通过使用热导屏障将所述纸对象的至少待被加热的部分与周围的环境隔离；和/或

-通过使用实质上透明的罩将所述纸对象的待被加热的部分与周围的环境隔离。

根据方法的更加优选的实施例，通过将实质上透明的罩放置在所述纸对象的顶部上来产生低氧环境，且其中所述激光器通过所述实质上透明的罩对所述纸对象加热，其中所述透明的罩优选地按压在所述纸对象的至少待被加热的部分上。

根据方法的更加优选的实施例，控制装置通过以下步骤中的一个或多个步骤来控制碳化：

-调整激光器的功率；

-调整纸对象每单位面积在激光中的暴露时间；

-调整所述纸对象的待被加热的部分处压缩的比率；和/或

-调整激光束的焦点。

根据方法的更加优选的实施例，根据上面描述的设备被使用。

在如下的描述中，参考附图进一步阐述本发明的优选实施例，其中：

图1：是根据第一优选实施例的其中外壳被部分切除的免油墨台式打印机的透视图；

图2：是图1中免油墨打印机的细节透视图，其中简化了纸的录入路径，且以平面展示；

图3：示出了碳化区域的近景图；和

图4：是示意性地说明打印机控制单元的流程顺序的流程图。

图1中的优选实施例示出了台式免油墨打印机，其包括外壳8、允许用户用一摞单个的纸对象4装载打印机的纸托盘9以及用于用户交互的触摸屏28。该打印机还包括用于使用进料辊12在由箭头25所示的方向上供应单个的纸张来从纸托盘9接收纸对象4的接收装置。

将所述纸对象4的表面选择性加热至一定水平，其中所述表面的加热部分至少部分碳化且因此改变颜色，这通过使用激光二极管1用激光束击打纸完成。在示出的实施例中，激光器发射具有1490nm波长的光，但是技术人员将理解，本发明能够利用其它波长的激光。优选地，激光器的功率通过打印机控制单元29动态调节以通过碳化至少实现足够的黑度。

为了阐述碳化过程，图2示出了简化视图，其中纸的录入路径是平坦的。激光束27在低氧环境下击打纸对象4。在示出的实施例中，低氧环境通过放置恰好接触纸对象4的空心玻璃辊3产生。激光束27通过所述空心玻璃辊3加热所述纸对象4，其中所述空心玻璃辊3在其中其通过激光束27加热的加热区域22处按压在纸对象4上。

技术人员将理解，低氧环境可通过其它方法得到，例如，通过以下选项中的一个或者多个而得到：

-通过从所述纸对象的至少待被加热的部分把空气抽走来产生局部真空；

-在所述纸对象的至少待被加热的部分处或者附近引入惰性气体；

-在所述纸对象的至少待被加热的部分处或者附近引入蒸汽；和/或

-通过使用热导屏障把所述纸对象的至少待被加热的部分与周围的环境隔离。

这些其它的选项也可以与示出的实施例的解决方案相结合，其中通过使用实质上透明的罩即玻璃辊3，所述纸对象4的至少待被加热的部分与周围的环境隔离。

纸对象4在空心玻璃辊3和支持辊5之间被喂入。支持辊5是硬橡胶辊，其承受压缩力且优选地包括反射涂层20以加强纸对象4的激光吸收效率。

激光二极管1发射的激光束27通过使用激光路径指引镜子26被指引，以便激光束落在多边形镜子2上。在示出的实施例中，多边形镜子是通过马达驱动单元13可旋转的六边形镜子2。马达驱动单元13旋转六边形镜子2的旋转速度取决于纸对象4的线速度，这进而保证了打印机的速度在市场竞争的每分钟40页。多边形镜子2的运动优选地通过打印机控制单元29控制。通过旋转，六边形镜子2反射激光束27，以便激光束通过空心玻璃辊3扫过纸对象4的表面。

当激光束27通过空心玻璃辊3来加热和碳化纸对象4的表面时，碳化过程中产生的挥发物将易于凝结在所述辊3的玻璃表面上，且超过时间挥发物将损坏和磨损空心玻璃辊3。为了保证挥发物不粘在空心玻璃辊3 上，而是作为粘合剂转移到纸，空心玻璃辊3优选地在辊3的面对纸对象 4的一侧上涂覆有疏油涂层。而且，为了减少由于反射带来的激光辐射损失，空心玻璃辊3的激光侧优选地设置有防反射涂层16。

空心玻璃辊3包含透镜系统7，该透镜系统7优选地包含平场聚焦透镜和远心透镜(图3)。平场聚焦透镜为激光创造了一个平面场，同时远心透镜提供了激光束从多边形镜子跨越扫描线上的所有点行进相同距离的优点。远心透镜使得，无论对象距透镜多远的距离，对象将具有相同的尺寸。因此在所有扫描角度，点尺寸和功率密度保持恒定。这使得无论扫描的角度如何，激光束27的焦点总是落在纸对象4上，在其中纸对象4被夹在空心玻璃辊3和支持辊5之间的区域处。

为了喂入纸且同时压住纸对象4，支持辊5和空心玻璃辊3优选地通过两种方式被联接在一起(图3)。首先，支持辊5和空心玻璃辊3通过喂入齿轮24啮合以保证它们二者以恒定的旋转速度运行，从而防止纸对象4 滑落，滑落会导致失真的/想不到的碳化。其次，支持辊5和空心玻璃辊3 通过步进马达19联接在一起，该步进马达19驱动丝杠18和螺母17装置(图3)。当步进马达19启动后，其旋转丝杠18且移动丝杠螺母17，并且因此增加或减少空心玻璃辊3和支持辊5之间的压缩程度。通过打印机控制单元29来控制前述的两个辊3、5之间的压缩力、和这两个辊3、5 的速度的同步以及多边形镜子的旋转速度。

优选地，打印机还包括薄膜加热器11，该薄膜加热器11是基于电阻加热的且被配置为将纸对象4的温度提升到低于其碳化温度(200-250℃) 的温度(图2)。在纸对象4通过激光辐射被选择性碳化之前发生该预加热。预加热也是通过打印机控制单元29来控制的。

一旦纸对象4被碳化有要求的文字/图像，纸对象4优选地经过活性炭辊10以除去由于碳化反应产生的挥发物的气味。

打印机控制单元29形成无墨打印机的控制装置，且图4描述了由打印机控制单元29执行的步骤的逻辑顺序。当来自计算机设备或者储存设备或者来自云端的以要求的文字/图像的形式的信息被发送到无墨打印机时，为了打印出要求的文字/图像，发生下面的工艺步骤，且通过打印机控制电路29来控制和协调该工艺步骤。

要打印的文字/图像文件最初是通过用户或者通过其它的计算机设备传送到无墨打印机(工艺步骤31)。打印机控制单元29将文件储存在本地存储器上，检测错误和栅格化文件(即，待求的图像转化成成千上万的点)。下一步，按照工艺步骤32，第一次打印，预加热器11通过打印机控制单元29打开，且预加热器升温达到200℃。一旦温度达到200℃(决策块33)，信息被传送至打印机控制单元29，且预加热器11保持温度大体上恒定。下一步，在工艺步骤34中，纸对象4通过纸喂入辊12进入预加热系统11。一旦预加热器11将纸对象4加热至大约200℃，六边形扫描镜子2开始以对应于每分钟40页打印速度的扫描频率旋转(工艺步骤35)。对应于扫描频率和栅格数据，激光二极管1接收来自打印机控制单元29的开关脉冲，且打印机控制单元使激光二极管1开/关以选择性碳化纸对象4(工艺步骤 36)。按照步骤37，在纸上生成的头几个(例如，10个)点使用成像传感器自动测量，且由打印机控制单元29作出决策(在工艺步骤38中)，并且优选地，如果点不比90％黑色更深，则打印机控制单元29将改变其它的参数如激光器功率(工艺步骤39)、每个点的碳化时间(工艺40)和压缩压力(工艺41)，使得碳化所要求的黑度、点大小和深度得以实现。在最后的工艺步骤42中，要求的图像/文字23被碳化在纸对象上，且碳化的纸23被收集在输出托盘30中。现在打印机为下一个文件或双面打印做好准备。

尽管上面描述的实施例示出了本发明的优选实施例，但是上面描述的实施例只是预期用于阐述本发明，且不以任何方式限制本发明的范围。因此，应该理解，所附权利要求中提到的特征后面是附图标记，包括这些标记只是为了加强权利要求的理解程度的目的，且决不是限制权利要求的范围。更进一步，特别值得注意的是技术人员能够结合不同实施例的技术措施。因此本发明的范围仅由所附的权利要求限定。

Claims (33)

1.一种用于选择性碳化纸对象的表面的至少一部分的设备，所述设备包括：

-用于接收所述纸对象的接收装置；

-至少一个激光器，其用于将所述纸对象的所述表面的一个或多个部分加热到一定水平，其中所述表面的加热部分至少部分地碳化且因此改变颜色；和

-用于控制所述激光器的控制装置；

其特征在于，所述设备包括透明的罩，所述透明的罩被布置在所述激光器和所述纸对象的至少待被加热的部分之间；并且

所述设备包括用于将所述透明的罩按压在所述纸对象的至少待被加热的部分上的按压装置，其中所述透明的罩是用于按压所述纸对象的元件。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述激光器的激光束通过镜子朝向聚焦透镜反射，所述聚焦透镜被配置为将所述激光束聚焦到所述纸对象上。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述镜子是可移动的，并且其中所述镜子的运动是由所述控制装置可控制的。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述透明的罩包括辊，所述辊是用于按压所述纸对象的元件，且其中所述激光器的激光束以向外方向穿过所述辊，在所述辊处，所述激光束加热与所述透明的罩的外表面相接触的所述纸对象。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中所述透明的罩在所述透明的罩的激光器侧上包含防反射涂层。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中所述透明的罩在所述透明的罩的纸侧上包含疏油涂层。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的设备，其中所述纸对象夹在所述透明的罩和支撑件之间，其中所述支撑件包含支持辊。

8.根据权利要求5所述的设备，其中所述纸对象夹在所述透明的罩和支撑件之间，其中所述支撑件包含支持辊。

9.根据权利要求6所述的设备，其中所述纸对象夹在所述透明的罩和支撑件之间，其中所述支撑件包含支持辊。

10.根据权利要求7所述的设备，其中所述支撑件包括反射特性。

11.根据权利要求8所述的设备，其中所述支撑件包括反射特性。

12.根据权利要求9所述的设备，其中所述支撑件包括反射特性。

13.根据权利要求1-4和8-12中任一项所述的设备，包括预加热装置，所述预加热装置被配置为对将用所述激光器加热的所述纸对象的至少部分进行预加热。

14.根据权利要求5所述的设备，包括预加热装置，所述预加热装置被配置为对将用所述激光器加热的所述纸对象的至少部分进行预加热。

15.根据权利要求6所述的设备，包括预加热装置，所述预加热装置被配置为对将用所述激光器加热的所述纸对象的至少部分进行预加热。

16.根据权利要求7所述的设备，包括预加热装置，所述预加热装置被配置为对将用所述激光器加热的所述纸对象的至少部分进行预加热。

17.根据权利要求1-4、8-12和14-16中任一项所述的设备，包括活性炭支撑件。

18.根据权利要求17所述的设备，其中所述活性炭支撑件是活性炭辊。

19.根据权利要求1-4、8-12、14-16和18中任一项所述的设备，其中所述纸对象是一张纸。

20.根据权利要求5所述的设备，其中所述纸对象是一张纸。

21.根据权利要求6所述的设备，其中所述纸对象是一张纸。

22.根据权利要求7所述的设备，其中所述纸对象是一张纸。

23.根据权利要求13所述的设备，其中所述纸对象是一张纸。

24.根据权利要求17所述的设备，其中所述纸对象是一张纸。

25.一种用于选择性碳化纸对象的表面的至少一部分的方法，所述方法包括以下步骤：

-将所述纸对象接收在接收装置中；

-通过控制装置控制加热装置，以便将所述纸对象的所述表面的一个或多个部分加热到一定水平，其中所述表面的加热部分至少部分地碳化且因此改变颜色；

其中加热所述表面的步骤包括通过激光器辐射加热的步骤；

其中所述纸对象的加热部分在低氧环境中被加热；且

其中所述低氧环境通过将透明的罩放在所述纸对象的顶部上而产生，且其中所述激光器通过所述透明的罩来加热所述纸对象，其中所述透明的罩按压在所述纸对象的至少待被加热的部分上。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述激光器发出具有与所述纸对象在近红外范围内的峰值吸收谱相匹配的波长的光。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述低氧环境通过以下步骤中的一个或多个来产生：

-通过从所述纸对象的至少待被加热的部分抽走空气来产生部分真空；

-在所述纸对象的至少待被加热的部分处或者接近所述纸对象的至少待被加热的部分引入惰性气体；

-在所述纸对象的至少待被加热的部分处或者接近所述纸对象的至少待被加热的部分引入蒸汽；和/或

-通过使用导热屏障将所述纸对象的至少待被加热的部分与周围的环境隔离开。

28.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述低氧环境通过使用所述透明的罩将所述纸对象的至少待被加热的部分与周围的环境隔离开来产生。

29.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述控制装置通过调整在所述纸对象的待被加热的部分处压缩的比率来控制碳化。

30.根据权利要求25或26所述的方法，其中所述纸对象是一张纸。

31.根据权利要求27所述的方法，其中所述纸对象是一张纸。

32.根据权利要求28所述的方法，其中所述纸对象是一张纸。

33.根据权利要求29所述的方法，其中所述纸对象是一张纸。