CN1082730A - 扫描打印机 - Google Patents

Abstract

本发明的扫描打印机，其机电结构和控制电路都 基于目前最普及的24针击打式打印机或喷墨式或 热敏式打印机，包括计算机，具有微处理器、缓冲存贮 器等的扫描打印机的电路主板，并具有一含有发射一 束平行光束的光源和沿打印纸走纸方向纵向排列对 准纸面反射光的光电接收传感器阵列组成的扫描头 同打印头组合在一起安装在字车上成扫描打印的复 合头、复合头通过薄膜电缆同主板相连，扫描头采用 光电扫描传感器阵列，安装在打印头的同一铅垂线 上。

Description

本发明是将光电式扫描输入技术和打印机这种标准图文输出设备创造性地结合在一起，使打印字车运动及走纸运动完全一样的串行输出击打式打印机（以下以针式打印机为代表）和喷墨式及热敏式打印机这两类图文输出设备变成具有图文输入和图文输出双重功能的扫描打印机这一新型图文输入/输出设备。属于计算机技术领域。

现有的计算机的打印头主要是线阵作为光电扫描输入传感器件，在内部以微处理器为核心的电路控制下，通过精密的机电机构使图文或扫描头沿单方向运动完成对一页图文的扫描输入，如幅宽不够需多次扫描输入后到计算机上拼接，而幅宽一般取决于CCD线阵的长度（即位数除分辨率），扫描得到的数据一般通过插卡或串行接口送入计算机，显示在显示器上并存盘保存。而现有的针式和喷墨式打印机大多数从计算机上的并行接口接收数据，在内部含微处理器的电路控制下通过步进电机和精密机械传动带动打印头横向运动到指定列撞击色带或喷嘴喷墨在输出介质上打印出一列列色点，由走纸步进电机带动走纸机构纵向走纸换到另一行打印而输出一页图文。这些打印机或扫描机都只能完成单一的图文输出或图文输入功能。

本发明的目的是提供一种把图文输入设备（扫描器）和图文输出设备（打印机）两者结合为一体的外设的，而且具有能减少用户配置的设备数量、节省面积、降低投资等特点的，与计算机联机只占用一个接口的操作方法简化的扫描打印机。

本发明是基于如下的原理来完成的：计算机和扫描打印机一般通过计算机上有输入缓冲和输出锁存能力及联络握手信号的并行接口与现有打印机上普遍采用的CENTRONIC并行接口交换数据（对串行输入的打印机也可采用串行口）。机电结构和控制电路都基于目前最普及的24针击式打印机或打印字车及走纸机构运动轨迹同其完全一致的喷墨式或热敏式打印机（热敏式有色带类结构和针打式相同，无色带类结构儿喷墨式相同，以下不再多述）。含有发射一束平行光束的光源和沿打印纸走纸方向纵向排列对准纸面反射光的光电接收传感器阵列组成的扫描头同打印头组合在一起安装在字车上而成扫描打印复合头，复合头通过薄膜电缆同主板电路相连。在扫描时打印部分不动作，复合头沿横向运动一次就对位于打印辊和助扫辊之间的图文扫描一行，而后再走纸一行，使扫描线阵对准紧接上一行的图文，而再次横向运动时就扫描新的一行。这样逐行扫描可得到宽度取决于打印机行宽;长度取决于被扫描图文（因为理论上打印机可连续不断走纸）;分辨率取决于字车横移和纵向走纸的最小步距及扫描传感器的位元尺寸的图文;而扫描速度取决于字车横移和走纸运动的速度及光电扫描传感器线阵的长度。由接收纸面反射光的强弱不同而形成的一列列扫描信号经复合头上的薄膜电缆传送到电路主板上，由主板上的微处理器将变换后的数字信号放入缓冲存贮器中，再从并行接口经电缆送给计算机。打印时扫描部分不工作，工作过程和现有打印机一样，由主板上的微处理器根据计算机从并行接口送来的数据，变换驱动后控制复合头横移到相应列由打印针撞击色带或喷嘴喷墨打印出该列色点，接收到换行命令后走纸换行再打印另一行的信息形成一页图文。

对扫描打印机增加扫描命令组，选通扫描或打印部分电路工作，执行不同的内部程序功能段，设定扫描宽度、长度、位置、速度、方式等。为了简化扫描命令码并使扫描驱动程序尽量类似于打印驱动程序，除增加扫描方式和扫描开始命令外，其扫描宽度、长度和速度都可借用打印控制码中的打印头移位、走纸和打印速度选择控制码。

由于设定扫描头对计算机方面相应地开发类似于打印驱动程序的扫描驱动程序，设定缓冲区，存盘文件名，识别换行码，根据显示模式将输入图文显示在显示器上并存入硬盘中。

按照IBM    PC/XT并行接口的电路结构，其输入速率限制在每秒输入1K字节左右，由于近十年来并行接口一直只用于向打印机输出数据，因此电路结构一直无太大变化，仅输入速率随微处理器性能的提高而略有增加。随着扫描打印机的出现，其并行口的输入速率对扫描速度将出现限制，对64位0.07×0.07mm的扫描头，将把扫描速度限制在每秒1英寸内，远低于目前字车的移动速度，为兼容旧机种将迫使扫描打印机提供一种低速扫描模式或在内部缓存压缩。新型的个人微机，其并行接口的输入速率为配合扫描打印机的出现，将会引入DMA通道把输入速率提高到200K字节/秒以上，省出机时执行图文识别和压缩等任务。

对现有个人计算机，主板多数可配16M字节以上内存，但由于目前需大内存处理的任务不多，用户购买的多为只插2M内存的产品，而扫描打印机的输入幅面大，精度中等，输入一张单页宽行打印纸幅面的黑白图文，数据量就近4M，对16级灰度或16种彩色图文输入，数据量超过15M字节，因此为配合扫描打印机的图文输入能力，微机的实配内存将纷纷增大到16M字节以上。这将极大刺激世界半导体工业的带头产品DRAM的高速发展，对大批量生产16M位DRAM持观望态度的厂商将迅速增加投资转入批量生产，64M位和256M位DRAM的研制速度也将加快。同时为适应图像存贮和检索的需要，大容量硬盘和可写光盘也将高速发展。

本发明具有如下的优点：在大多数场合，扫描打印机将取代普通打印机成为一种全新概念的计算机外部设备，而在脱离计算机独立使用的场合将成为拷贝机和传真机，在信息处理领域将起非常重要的作用。本发明由于采用了扫描头和打印头共同组合在字车上形成复合头的独创方案，最大限度共用了字车横移和走纸步进电机、传动机构、控制电路和数据接口，因此成本仅在现有打印机基础上增加1%～5%，即可实现扫描打印机这一新型图文输入/输出设备，使用户在得到打印机的同时只增加很少投资就得到了一台大幅面、中分辨率、低速扫描器，为图文输入技术的普及提供了最佳途径。

由于发明的扫描打印机提供了一种廉价的普及型图文输入和输出硬件，因此将极大促进图形处理和文字识别方面软件的迅速发展，使微机迅速进入图形处理时代。并且由于扫描打印机很容易成为一种普及型低速传真机，当其大量进入家庭后，对通讯系统的影响也很大，使世界信息产业和个人计算机提前数年跨入图文处理时代。

下面结合附图对本实用新型中的技术问题作进一步的说明。

本发明的扫描打印机，是在现有的打印机的基础上的改进，其机电结构和控制电路都基于目前最普及的24针击打式打印机或打印字车及走纸机构运动轨迹同其完全一致的喷墨式打印机或热敏式打印机，包括计算机，具有微处理器、缓冲存贮器中的扫描打印机的电路主板，并具有一含有发射一束平行光束的光源和沿打印纸走纸方向纵向排列对准纸面反射光的光电接收传感器阵列组成的扫描头同打印头组合在一起安装在字车上成扫描打印的复合头，复合头通过薄膜电缆同主板电路相连，扫描头采用光电扫描传感器阵列，并安装在打印头的同一铅垂线上。

图1是本发明中计算机和扫描打印机联机工作的原理框图;

图2是本发明中扫描头位于打印头左侧的复合头结构示意图;

图3是本发明中扫描头光源和接收线阵分置于打印头两侧的复合头结构示意图;

图4是本发明中扫描头和打印头位于字车下方的复合头结构示意图;

图5是发明中扫描头和打印头对称于字车的复合头结构示意图;

图6是本发明中扫描头和打印头位于字车上方的复合头结构示意图;

图7是本发明中扫描头部分的原理图;

图8是CCD线阵封装和排列示意图;

图9是本发明中一种使扫描打印处纸变为平面的驱纸机构示意图。

参见图1，计算机1和扫描打印机2通过计算机1上有输入缓冲和输出锁存能力及联络握手信号的并行接口101与现有打印机上普遍采用的CENTRONIC并行接口201交换数据（对串行输入的打印机也可采用串行口）。计算机可以采用现有的各种计算机，如286、386等。一般包括有键盘102、显示器103、微处理器104、内存和硬盘105、及控制变换106及数据总线107。扫描打印机2包括并行接口201扫描打印机主板202、复合头203、打印扫描变换204、缓冲存贮器205、微处理器206及数据总线207。通过计算机对扫描打印机的运行操作，对图文进行输出，或通过扫描把图文输入并存贮。本发明的机电结构和控制电路都基于目前最普及的24针击式打印机或打印字车及走纸机构运动轨迹同其完全一致的喷墨式打印机。本发明的图文输出和输入主要是通过含有发射一束平行光束的光源和沿打印纸走纸方向纵向排列对准纸面反射光的光电接收传感器线阵组成的扫描头同打印头组合在一起安装在字车上成扫描打印复合头203来完成的。复合头203通过薄膜电缆同扫描打印机上的主板202上的电路相连。

为了最大限度地共用机电驱动机构。担当扫描功能的扫描头部分应与打印头和横移字车通过机械结构连接为同一运动体，即使扫描头和打印头两者共同沿横向运动，扫描头和打印头的相对位置可以有多种布置方案，主要可分为扫描列与打印列在同一行上的同行布置方式和不在同一行上的异行布置方式两大类型。

同行布置方式可以有扫描头位于打印头左侧，位于打印头的右侧，和光源与光电接收传感器分置在打印头左右两侧的三种方案。参见图2，扫描头232和打印头231并排装配在字车3上，对于针式等击打式打印机，由于存在打印色带，对长形固定式色带盒的打印机，由于色带遮挡了打印行，为了使扫描和打印列在同一行上，因此色带从光源和接收传感器线阵后面绕过，并由于扫描头尺寸只有几个立方厘米，可在其外壳后部制成弧形或增加色带导向柱或引导滑轮。图中色带5由四个引导柱绕过扫描头232，横移电机8通过皮带7带动字车3在滑轨6上横移对图文或纸4进行扫描或打印。

参见图3，光源和光电接收传感阵列分置于打印头左、右两侧，光源234照射在图文或纸4上，光电接收传感阵列235接收反射光，喷墨打印头231对纸打印，横移电机8通过皮带7带动字车3在滑轨6上横移扫描或打印一行。对于此结构方式为了避免打印头出针板遮挡扫描光束，必须使出针板远离纸面，这可通过加一个打印头自动或手动离合机构来实现（这种离合机构在图中没有反映出来）;而对随打印头移动的多边形移动式色带盒的打印机，由于除出针板外还有色带盒支撑臂，只有精心设计色带盒的形状并适当加大离合距离才能为扫描光束让出足够的间隙，采用增大出针板与纸面距离的方法提供通光间隙，虽也可实现，但由于增大出针距离，从而减慢打印速度，提高对打印针的强度要求，影响整机性能，不如设离合机构简单有效;对于喷墨式打印机，喷墨打印机由于喷嘴较小，间距较大，组合设计后可不用离合机构就可提供足够的通光间隙，而且还不用加打印衬垫，易于用直线等间距接收线阵实现同行同列扫描。

同行布置的优点是基本不增加高度，走纸等传动机构无需改动，缺点是需增加整机宽度，对击打式需和色带盒统筹设计，对左右侧布置方式，需考虑左右边界扫描与打印的不一致。而分置两侧的方案，虽对击打式打印机需增加离合机构，使系统略微复杂，但对喷墨式打印机，由于能实现同行同列扫描和打印，是一种有价值的实用方案。

对异行布置类型，由于避开了色带、出针板、喷嘴的遮光问题，使设计自由度更大，若考虑到扫描列与打印列侧偏的方案，虽实现毫无困难，但无任何优点，且人为造成对位繁琐，故不再说明。仅对扫描头和打印和打印头对称于字车、扫描头和打印头都位于字车上部及都位于下部的三类可实现的方案加以详述。

参见图4，扫描头232和打印头231都位于字车3下部（包括同行方式），由推进辊9和牵拉辊9使压在压纸轮10下的图文或纸4纵向走纸，安装在字车3下的打印头231和扫描头232在滑轨6下横移完成对打印扫描平垫11处图文的打印或扫描。就这种结构对击打式打印机，无论扫描头位于打印头上方还是下方，由于色带安装必须避开字车滑轨和驱动皮带，给结构设计和色带安装带来很多不便，在滑轨低于上盖的打印机中几乎无位于字车之下的产品，但当滑轨高于上盖时，扫描头和打印头前后或同行排列都不影响安装和维护，在票据打印机及喷墨式打印机中较常见。

参见图5，扫描头和打印头对称位于字车的上、下方，打印头231和扫描头232安装在字车3上，在滑轨6上横移对由助扫辊12和打印辊13及压纸轮10带动走纸的图文或纸进行扫描或打印。这种结构的扫描打印机，对击打式打印机打印头位于上方易于解决色带安装问题，对喷墨式打印机扫描头位于上方有利于清扫保养。

参见图6，扫描头232和打印头231安装于字车3上，在滑轨6上横移对打印辊13和助扫辊12及压纸轮10带动走纸的图文或纸4进行扫描或打印。在扫描头232上加一接近开关14，在扫描压纸杆两端加一对可方便移动和锁定的左右界定位片，锁定机构可采用与目前打印机中拖纸链轮上一样的塑料凸轮锁定，将手柄搬起即可左右移动定界片设定左右扫描边界，到位后压下凸轮手柄即把位置锁定。当光电接近开关14的光束被定界片遮断时刻产生一个定位信号，此信号微处理器可作为左右边界插入换行码限制扫描宽度，同时也可作为位置校准信号，使双向扫描或打印时增加右侧的位置校准，提高双向扫描和打印时的精度。这种结构由于扫描头和打印头都位于字车的上部（包括同行方式），因而色带安装不受滑轨和皮带影响，对针打和喷墨式打印机都能适用，异行方式扫描头位于上方更利于清扫，而位于下方也好实现。这种方案对现有针式打印机改动较少，很有实用价值。

从上述的说明扫描头可安在打印头的上方或安在打印头的下方，更好地方式是扫描头与打印头做成为一体结构。

扫描头的固定方式，从利于维修考虑，扫描头和打印头分别固定在字车上较简单，但从减小复合头的体积和缩小纸边盲区，扫描头固定在打印头上能使结构更紧凑，特别对针式和喷墨式打印头，由于其突出部的周边空间就可容下扫描头，因而整体设计复合头更好。连接方式可用螺钉、螺栓或卡装，而铆接和粘接因不利于维修一般不易采用。对螺钉或螺栓连接，至少应有两个固定点。对卡装结构，其优点是清扫维护方便，但应设锁紧机构保证连接牢固稳定。

在扫描和打印的第一线位置为用户提供一条明显的标志线，走纸键具备逐线精细步进功能，使用户易于对准起始线。

对一些高档型号可配4M字节以上的缓冲存贮器，面板上增加一些功能键，使扫描打印机具有脱机硬拷贝的功能。加上调制解调器选件，使扫描打印机成为一种廉价的低速传真机。

参见图7，扫描头232由光源234和接收纸面反射光强弱信号的光电接收传感器阵列235两部分组成。超高亮发光二极管光源234发射的一束平行光照在被扫描图文4上，被扫描图文的反光强弱由CCD电荷耦合器线阵235接收产生一系列脉冲信号经薄膜电缆送给主板。其中CCD器件的线阵排列方式参见图8。光源可以采用半导体激光器、超高亮发光二极管和发光强度较稳定的几类小灯泡，由于距离只需10mm左右，照射尺寸一般小于5×1mm，采用半导体激光器将增加驱动电路的成本，而超高亮发光二极管为单色光源，体积小，亮度高，寿命长，成本低，工作电流只需40mA，对黑白和灰度扫描输入最合适。采用φ5mm的普通超高亮聚光型发光二极管就可，如定制对管芯位置和封装外壳前端聚光透镜精度严格约束的产品，则能得到更好的平行光束。对彩色扫描头的光源应采用定制的聚光型小灯泡以保证光源的一致性。根据情况扫描头上的光电接收传感器阵列为线阵，也可以为面阵;扫描头一般采用CCD摄像器件。

对纸面反射光的接收可采用光敏二极管、光敏三极管、光电池和CCD电荷耦合器等器件组成的线阵，而CCD器件的精度和可靠性高，采用集成电路生产工艺，易于批量生产降低成本。线阵的位数和位元尺寸是决定软件标准和分辨率的关键参数，其选定原则应该是位元尺寸和字车横向移动及纵向走纸的定位精度相匹配，位数与打印针数或微处理器字长相匹配。如不匹配将给扫描驱动程序增加复杂性。对于现有的24针打印机，较早产品的纵横定位精度多为1/180英寸（即0.14mm），目前产品多数为1/360英寸（即0.07mm）;对于喷墨打印机，打印精度标准为1/300英寸，纵横定位精度更高，其标准主要参照激光打印机，并同扫描器的1/300和1/600英寸的分辨率相对应。基于现有24针打印机的扫描打印机，其扫描位数应在与打印针数相配的24/48系列及与微处理器字长相配的32/64系列这两种中选择，位元尺寸应选0.07×0.07mm，这样便于用4个位元得到一个0.14×0.14mm的可打印伪灰度点。如果工业界能在扫描打印机出现时，使针式扫描打印机、喷墨扫描打印机、激光打印机和扫描器等主要图文输入和输出设备的分辨率统一在一个固定倍率的系列上，将对计算机图形处理时代的软件发展有很大益处。但鉴于24针打印机的使用量远大于其它几种图文输入或输出设备之和，使扫描打印机脱离1/180和1/360英寸这一系列的可能性极小，且随着其迅速普及，有可能把其它设备拉入1/360和1/720英寸这一系列中来。对首批产品，本发明人推荐位元尺寸采用0.07×0.07mm，由于64位可以用停用16位的方式与48位兼容且采用每点4位表示16级灰度或16种色彩刚好每列占256位合32字节，或用64个字节表示64个点的256种色彩，位数与DEC公司最新的α系列高性能64位RISC微处理器字长相配，有可能在计算机界产生划时代的效果，因此推荐采用64位0.07×0.07mm的CCD线阵。

光电接收线阵的排列方式与被扫描处的纸面形状有关，如直接对压在圆形打印辊上的纸进行扫描，由于打印辊截面为圆形，当一束平行光斜射在弧面上时，光线按反射定律沿法线对称于入射角反射，这使得光电接收位元必须按弧形不等距排列，对于光电二、三极管和光电池可采用定制特殊封装的形式实现;CCD器件由于位元间隔必须很小，无法采用不等距弧形封装的办法解决，需在CCD集成电路内部制一些接转位填补空位，在片内或片外数据变换时将接转位剔除才能实现。采用弧形不等距光电接收线阵，虽然通过精心设计和专门定制是可以实现的，但对定制的一种接收线阵，打印辊直径、光源入射角和接收线阵到纸面的距离三个参数都不能改变，不利于改型换代、维修替换和安装调试。为了能采用通用结构的CCD器件，本发明中主要采用图4中加打印扫描平垫;图5和图6中加助扫辊，甚至采用图9中在边缘有齿的皮套15下加平衬16处扫描和打印，由边缘带齿的主动辊17和从动辊18驱动皮套使其上图文或纸走纸的方法;这样可使扫描甚至打印处的图文或纸成为平面状，接收位元只需对准反射角沿走纸方向纵向直线等距排列即可，安装时只需对准反射角一个参数，与反射点到接收线阵的距离无关，改型时改变光源入射角和接收距离也无需定制新的接收器件。光源与接收传感器的夹角一般应在30-120度之间，夹角小些不易受外界杂散光干扰。目前重庆大学研制的CL_64型光电二极管接收线阵位数为64，位元宽度0.088mm，中心距0.072mm;日本东京芝浦电气生产的TCD201C型CCD电荷耦器位数为40，位元尺寸为0.05×0.05mm，在结构上与本发明所要求的一致，只需在定制时对封装和尺寸及位数略作改动即可。

扫描头中的通光扫描缝，从防杂散光考虑不宜太宽，其尺寸主要取决于光源与接收线阵的夹角及外壁到纸面的距离，如夹角为60度，间距为1mm，则缝宽可选3mm，缝长略大于接收线阵长度可选5mm，内壁最好糙化处理，减小光源照在内壁上带来的影响。

对本发明中的电路要求如下：光电接收传感器线阵可采用并行或串行脉冲输出两种形式，对光电管线阵，采用并行输出较简单，用含有多个74LS374三态锁存器及译码器的ASIC半定制集成电路在步进电机控制脉冲延时后将全部光点产生的电信号锁存，由主板电路读取，缺点是引线多，分辨率和灰度难于提高。而CCD器件内部都集成有放大、脉冲移位控制等电路，对现有CCD线阵结构不需改变，引线少，易于实现灰度和彩色输入。在主板上用74LS164这类串入并出移位寄存器将脉冲信号转换为并行数据;由板上微处理器读入缓冲存贮器中，而后通过现有打印机中最常用的CENTRONIC并行接口经联机电缆从计算机上的并行接口将数据送入计算机内。现有很多打印机由于只从计算机接收数据，因而简化了其CENTRONIC并行接口电路，没有输出能力。故对扫描/打印机必需加一片74LS374三态锁存器及相应译码选通电路输出数据，具体电路视各厂家打印机中所用的微处理器而略有不同，但一般都采用简单廉价的通用器件来实现。

由于扫描打印机是一种年产量上千、上万台的大规模生产性产品，具体的控制电路和机械结构将取决于目前打印机各大生产厂商对自己原有产品的兼容继承和发展方向上的考虑，进行最优化整体设计。象扫描线阵的位数，位元尺寸和扫描控制码这几个关键参数和指令完全取决于世界上具有最强生产能力的几个厂商依靠其技术和生产实力最终联合形成的工业事实标准。因此本发明的技术方案中没有完全给出过细的电路原理图和机械结构图，只给出能够实现的几种技术方法、机械结构上的基本要求、电路中可使用的元器件的类型和当前技术下最接近或最简单的器件型号，并论证选型原则和当前技术下应选用的最佳参数和器件，为生产厂商制订标准定出一个框架。如果需要，本发明人完全有能力提供具体的控制电路和机械结构设计，但在工业事实标准确立之前不保证提供的设计能够符合普及后由最大生产厂和用户共同认可的工业事实标准。

Claims (7)

1、一种扫描打印机，是在现有的打印机的基础上的改进，其机电结构和控制电路都基于目前最普及的24针击打式打印机或打印字车及走纸机构运动轨迹同其完全一致的喷墨式打印机或热敏式打印机，包括计算机，具有微处理器、缓冲存贮器中的扫描打印机的电路主板，其特征在于；含有发射一束平行光束的光源和沿打印纸走纸方向纵向排列对准纸面反射光的光电接收传感器阵列组成的扫描头同打印头组合在一起安装在字车上成扫描打印的复合头，复合头通过薄膜电缆同主板电路相连，扫描头采用光电扫描传感器阵列，并安装在打印头的同一铅垂线上。

2、根据权利要求1所述的扫描打印机，其特征在于：扫描头安在打印头的上方。

3、根据权利要求1所述的扫描打印机，其特征在于：扫描头安在打印头的下方。

4、根据权利要求1所述的扫描打印机，其特征在于：扫描头与打印头为一体结构。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的扫描打印机，其特征在于：扫描头上的光电接收传感器阵列为线阵。

6、根据权利要求1或2或3或4所述的打印扫描机，其特征在于：扫描头上的光电接收传感器阵列为面阵。

7、根据权利要求1所述的打印扫描机，其特征在于：扫描头采用CCD摄像器件。

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