Струйные принтеры

Раздел I. Струйные принтеры. Принцип действия и параметры.

Вопрос 1. Струйные принтеры

1.1 Введение

Что бы ни говорили о превосходстве  электронных носителей информации над бумажными, похоже, век бумаги и печатного текста пройдет еще не скоро. Давно известно, что напечатанный текст воспринимается совершенно иначе, чем его «электронная» копия на экране монитора. И до того светлого дня, когда безбумажный стандарт информации восторжествует и нам больше не придется переводить на бумагу весело шумящие леса...

Мы будем печатать. А  значит, что старина принтер останется  таким же неизменным атрибутом любого офиса и даже квартиры.

За последние пару лет в принтерном мире произошла настоящая революция. Бывшие некогда дорогой игрушкой струйные принтеры по цене «скатились» до уровня комплекта из хорошей мыши и клавиатуры. Примитивные, скрежетавшие на всю комнату игольчатые, матричные принтеры канули в Лету. Того и гляди, стандартом станут лазерные принтеры.

Струйные, лазерные, матричные... Что стоит за каждым из этих терминов? А стоит ни много, ни мало - целая  эпоха...

Матричные принтеры появились  в эпоху, когда никто всерьез  и не задумывался о серьезной  работе с графикой. Практически все  компьютеры работали в символьном режиме. А это значит, что точно таким  же узким набором стандартных  печатных символов оперировал и принтер.

Матричные принтеры назывались еще и игольчатыми. Их печатающее устройство содержало в себе некоторое  число (9 или 25) иголок, которые выскакивали  из головки и наносили удар по красящей ленте, похожей на машинописную.[6,35] От удара иголочки на бумаге оставалась точка. А комбинация иголочек давала символ - букву или цифру.

В основном, конечно, матричные  принтеры были черно-белыми. Однако довольно скоро появились и их цветные  коллеги, работавшие с многоцветной печатной лентой. Такие уже неплохо  справлялись и с графикой, выдавая  полноцветные картинки.

Матричные принтеры были достаточно быстрыми - быстрее, чем многие из современных  струйных принтеров, недорогими в эксплуатации и страшно шумными. Верещание  и скрежет принтера могли превратить в инвалида умственного труда  даже самого крепкого работника - не в  этом ли причина того, что эти  устройства при первой же возможности  «сошли со сцены», уступив место  принтерам нового поколения - струйным.

1.2 Струйные принтеры.

Время символов ушло. Наступила  эпоха Windows - эпоха графики, красивых картинок, ярких, четких, типографского качества шрифтов. И на арену вышел новый тип принтеров - струйные. Печатным устройством в этом принтере были уже не иголки и красящая лента, а емкость со специальными чернилами, которые выбрызгивались на бумагу из миниатюрных дырочек-сопел под большим давлением. На бумаге оставалась крохотная капелька, диаметр которой был в десятки раз меньше, чем диаметр точки от матричного принтера. Соответственно гораздо более четкими и реалистичными стали выдаваемые этим принтером картинки - качество отпечатков последних моделей нетрудно перепутать с отпечатанными в типографии. И при этом струйные принтеры практически не шумели!

Были (и есть до сих пор) у «струйников» и недостатки. Во-первых, скорость. Печать одной страницы текста на струйном принтере занимает от 30 секунд до 1-2 минут, а картинки того дольше. Во-вторых, стоимость печати на струйном принтере до сих пор остается высокой: с учетом расхода чернил и стоимости специальной бумаги она составляет 10-25 центов за лист.[2,54] А главное - стоило капнуть на лист со «струйной» распечаткой каплю воды, чтобы чернила сразу же поплыли, образовав безобразную кляксу.

1.3 Типы и модели

Печатающие устройства с  исполнительными пьезоэлектрическими  механизмами.

Первые заявки на регистрацию  изобретения систем струйной печати с исполнительными пьезоэлектрическими  механизмами были поданы в 1970 и 1971 гг. На протяжении нескольких лет различные  фирмы и институты проводили  фундаментальные исследования, пока, наконец, компании Siemens не удалось облечь этот принцип в приемлемую для рынка форму. В 1977г. был продемонстрирован первый струйный принтер с дозированным выбросом красителя. Этот принтер, оснащенный двенадцатью соплами-распылителями и печатающий почти бесшумно со скоростью 270 символов в секунду, произвел революцию даже в кругах специалистов.[5,63]

Siemens в качестве электромеханического преобразователя использовала пьезоэлектрическую трубочку, вмонтированную в канал из литьевой смолы. Все каналы заканчиваются пластиной с калиброванными отверстиями для распыления, расположенной на передней стороне устройства. Передача электроэнергии и красителя производится исключительно посредством колебаний давления, распространяющихся в канале в соответствии с законами акустики. Колебания, достигающие конца канала, отражаются там с инверсией фазы, т.е. в этом месте колебание с пониженным давлением и наоборот.

1.4 Пьезопластины

В начале 1985г. компания Epson представила первый из своих пьезопланарных струйных принтеров.

Вместо пьезоэлектрических трубочек, как у Siemens, на печатающих головках Epson, выполненных из структурированных стеклянных пластинок, укреплены небольшие пьезопластинки. Если к ним приложить электрическое напряжение, их диаметр чуть-чуть изменится, но и этого будет достаточно, чтобы они согнулись вместе с пассивной стеклянной многослойной подложкой подобно биметаллической пластине, что приведет к возникновению в канале красителя. Выталкиваются тем же способом, что и в печатающих головках с пьезотрубочками.

В 1987г. компания Dataproducts предложила другой принцип использования пьезоэлектриков для струйной печати, основанный на применении пластинчатого пьезопреобразователя. В последующие годы этот метод оставался сравнительно малоизвестным причем не столько из-за конструкции на базе преобразователя, сколько из-за жидких восковых чернил, которые применялись во всех струйных принтерах с пластинчатым пьезопреобразователем производства Epson.

Согласно этому методу пьезопреобразователь, представляющий собой длинную плоскую пластинку (ламель), размещается позади небольшого резервуара с красителем. При воздействии на ламель импульсов напряжения ее длина немного меняется, что приводит к всплескам давления внутри резервуара, которые, в свою очередь, выталкивают капли из сопла-распылителя.

Пластинчатые пьезопреобазователи сочетают в себе преимущества как плоских, так и трубчатых систем, высокую частоту распыления и компактную конструкцию. Сегодня на печатающие головки с пьезоламелями делают ставку такие фирмы, как Dataproduts, Tektronix и Epson.

В начале 1994 года Epson продемонстрировал пьезотехнологию MACH (Multilayer Actuator Head - головка с многоуровневым исполнительных механизмом). Тем не менее, и в пьезоэлектрических печатающих головках MACH-головках применяются пьезоламели. Правда, компании Epson удалось изготовить пьезоламели одного ряда сопел-распылителей в едином блоке (Multilayer). Таким образом, оказалось возможным еще уменьшить размеры печатающей головки, разместить преобразователи, каналы и сопла-распылители с меньшей дистанцией и одновременно снизить производственные расходы.

1.5 Печатающие устройства с термографическими исполнительными механизмами.

В 1985 году сенсацию вызвал Thinkjet компании Hewlett-Packard - первый струйно-пузырьковый термопринтер. Метод пузырьково-струйной термопечати за несколько лет покорил рынок (количество проданных струйных термопринтеров составило 10 млн.)

В чем же революционность  этой технологии? Как часто бывает в подобных случаях, достижением  стало сокращение производственных расходов. Если пьезоэлектрические печатающие механизмы приходилось с большим  или меньшим трудом собирать из множества  отдельных деталей, то пузырьково-струйные печатающие головки, представляющие собой  кристаллы на кремниевых подложках, изготавливались по тонкослойной технологии сотнями.

При тонкослойной технологии применяются в принципе те же производственные процессы, что и при изготовлении интегральных схем. Каналы подачи красителя, сопла-распылители, исполнительные механизмы  и токоподводящие шины возникают  при поочередном нанесении слоев  на подложки, например способом ионно-лучевого напыления, и последующем структурировании этих слоев.

Таким образом, по завершении процесса производства, насчитывающего более сотни шагов, на одной подложке появляется очень много термопечатающих элементов. Все структуры должны быть выполнены с точностью до тысячной доли миллиметра. Кроме того, малейшее загрязнение при производстве приводит к отказу. По этой причине пузырьково-струйные печатающие элементы изготавливаются в чистых помещениях и с применением машин, типичных для полупроводниковой промышленности.

Поскольку головки струйно-пузырьковой  термопечати изготавливаются по тому же принципу, что и интегральные микросхемы, напрашивается мысль  об интеграции последних в печатающие кристаллы. И первый шаг в этом направлении сделала фирма Canon, встроив в печатающие головки своих принтеров транзисторную матрицу. Примеру Canon последовала компания Xerox, выпустившая в 1993 году модель пузырьково-струйного принтера с головкой, оборудованной 128 распылителями, и полностью интегрированным последовательно-параллельным преобразователем.[5,31]

1.6 Функционирование пузырьково-струйного сопла-распылителя

Сначала сильный импульс  напряжения длительностью 3-7 мкс подается на крохотный нагревательный элемент, который мгновенно накаляется до 500гр. Цельсия. На его поверхности  температура превышает 300гр. Цельсия. Мощность нагрева поверхности настолько  велика, что при увеличении длительности импульса напряжения всего лишь на несколько микросекунд нагревательный элемент моментально бы разрушился.[12,24]

Сразу же в тонкой пленке над нагревательным элементом начинают кипеть чернила, и через 15 мкс образуется закрытый пузырек пара высокого давления (до 10 бар). Он выталкивает каплю чернил из сопла-распылителя, при чем скорость полета капли достигает 10 м/с и более. Через 40 мкс пузырек, соединившись с атмосферой, опять опадает, однако пройдет еще 200 мкс, пока новые чернила под действием капиллярных сил не будут засосаны из резервуара.[12,25]

С самого начала пузырьково-струйные печатающие головки делились на две  группы. Компания Canon, изобретатель системы, предпочла вариант Edlgeshooter. Почти одновременно фирма Hewlett-Packard разработала головку типа Sidechooter, которую теперь изготавливает и компания Olivetti.

Головка Edgeshooter, как становится ясно уже из названия, разбрызгивает чернильные капли "за угол", т.е. перпендикулярно к направлению образования пузырьков. В головке Sideshooter, где пластина с соплами-распылителями находится поверх нагревательных элементов и каналов подачи чернил, пузырьки и капли движутся в одном направлении. Поскольку края сопел-распылителей в головках типа Sideshooter сделаны из однородного, а не из различных материалов, как в Edgeshooter, процесс изготовления распылителей с отверстиями определенного размера для Sideshooter значительно проще, чем для головок Edgeshooter. Кроме того, приходится учитывать неодинаковое смачивание разнородной поверхности головки Edgeshooter.

Требования к качеству чернил для любой системы струйной термопечати очень высоки, значительно  выше, чем пьезосистемах. Принцип функционирования и высокие температуры обусловливают применение только смешанных растворимых красителей на водяной основе.

Красители должны соответствовать  целому ряду требований:

- быть совместными с  материалами, из которых сделан  печатающий механизм;

- не образовывать отложений  в каналах и распылителях, а  также не расслаиваться;

- храниться в течении длительного времени;

- обладать определенными  показателями плотности, вязкости  и поверхностного натяжения при  температурах от 10 до 40гр. Цельсия;

- служить питательной  средой для образования бактерий  и водорослей;

- не содержать ядовитых  или канцерогенных веществ и  не возгораться.

К тому же красители для  струйной термопечати должны образовывать пузырьки пара без отложения осадков  и выдерживать кратковременное  нагревание до 350гр. Цельсия.

Итак, мы видим, что способ струйной печати, зародившийся около 50 лет назад - относительно молодая  технология. Вполне вероятно, что струйные принтеры завоюют массовый рынок, вытесняя, таким образом, матричные принтеры. Если же разработчикам удастся повысить разрешение и скорость печати струйных принтеров, то изготовителям лазерных принтеров придется всерьез побороться за место на рынке.

До сих пор никакой  другой метод печати не порождал такого разнообразия вариантов, как струйная печать, причем не подлежит сомнению, что  возможность этой технологии еще  долго не будет исчерпана.

1.7 Как устроен струйный принтер

Струйный принтер является дальнейшим развитием идеи матричного принтера, поэтому в его конструкции  сохранены многие из элементов предшественника. Главным элементом струйного  принтера является печатающая головка. Печатающая головка состоит из большого количества сопел, к которым подводятся чернила. Чернила подаются к соплам за счет капиллярных свойств и  удерживаются от вытекания за счет сил поверхностного натяжения жидкости. В головку встроен специальный  механизм, позволяющий выбрасывать  из сопла микроскопическую капельку чернил. В зависимости от устройства этого механизма различают принадлежность принтера к тому или иному классу.

В струйных принтерах используется один

из двух методов выбрасывания чернильных капель:

-Пьезоэлектрический (Epson);

-Метод газовых пузырьков  (Canon, НР).

В основе пьезоэлектрической технологии лежит способность пьезоэлемента деформироваться под воздействием электрического поля. В каждое сопло печатающей головки встроена плоская мембрана, изготовленная из пьезокристалла. Под воздействием электрического импульса мембрана деформируется, а создаваемое при этом давление выбрасывает из сопла микроскопическую каплю чернил.

В основе метода газовых  пузырьков лежит быстрое нагревание небольшого объема до температуры кипения. Скорость нагрева столь велика, что  она подобна взрывному процессу. Образующийся при этом пар выбрасывает  из сопла микроскопическую каплю  чернил. Для реализации этого метода в каждое сопло встраивается микроскопический нагревательный элемент.