Струйные принтеры
| Сдавался/использовался | 1998г., ПГУПС, каф. ЭВМ, преп. Жевержеева, "отлично" |
| Загрузить архив: | |
| Файл: 240-0015.zip (34kb [zip], Скачиваний: 115) скачать |
Хотя разговорыо"безбумажной"технологии ведуться уже довольно
давно, нормальную работу с компьютером пока еще труднопредставитьбез
использования печатающего устройства.Не будем, даже кратко,излагать
историю его развития. Ограничимся констатацией того факта, что в настоя-
щее время весь безграничный мир принтеров разделился на несколько устой-
чивых групп, каждая изкоторых отличается способом перенесения на бумагу.
Методу струйной печати уже почти сто лет. Появление новых печатаю-
щих головок становится предпосылкой длядальнейшего процветаниярынка
струйных принтеров.
С чего все начиналось.
Хотя лорд Рейли , лауреат нобелевской премии по физике, сделал сво-
и фундаментальные открытия в области распада струй жидкости и формирова-
ния капель еще в прошлом веке, датой рождения технологии струйной печати
можно считать только 1948 год. Именно тогда шведская фирма Siemens Elema
подала патентную заявку на устройство,работающее какгальванометр,
но оборудованоене измерительной стрелкой ,а распылителем,с помощью
которого регисртировались результаты измерений.
И даже теперь,спустя почти полвека,эта генально простая система
печати применяется, например, в медицинских приборах . Правда, жидкост-
ный осцилограф способен печатать лишь кривые, а не тексты играфики. Эта-
эффективная схемабыла усовершенствована, ипоявилсяновыйструйный
принтер , функционирующий по принципу неприрывного распыления красителя
или печати под высоким давлением.
Разработчикам метода струйной печати предстояло решить две проблемы.
Во-первых, струя красителя должна была распадаться на микроскопические-
капельки определенного размера,и, во-вторых большая часть капель вооб-
ще не должма попадать набумагу. (Если,например,распечатывается
текст, топлощадь покрытыхкрасителем участков составляет всего 2-5 про-
центов общей поверхности.)
Разработчики воспользовались закономерностью,выявленной лордом
Рейли :струя жидкостси стремится распасться на отдельные капли . Нужно
только чуть подправить случайный процесс распадения струи,накладывая с
помощью пьезоэлектрического преобразования на струю красителя,выбрасы-
ваемую под высоким давлением (до 90 бар), высокочастотные колебания дав-
ления.
Таким способом может выбрасываться до милиона капель в секунду.Их
размеры зависят от геометрической формы сопел-распылителей и составляют
всего лишь несколько микрон, а скорость, с которой они долетают до бума-
ги, достигает 40 м/с. Речь идет о струйных принтерах, работающих по вы-
шеназванным принципам непрерывногораспыления красителя или печати под
высоким давлением.
Эти принтерыспособнымаркировать и наносить коды практически на
все поверхности и предметы.Они в состоянии распылять подавляющее боль-
шинство видов жидкостей: чернила,лак, масла и даже клеящие вещества и
смолы.
Благодаря высокойскоростиполета капель допускается использовать
поверхности с сильными неровностями и в зависимости от требований кка-
честву печати размещать их на расстоянии 1-
результате можно наносить маркировку,например данные о сроке годности-
товара,на картонные коробки,бутылки, консервные банки, яйца или кабе-
ли. Эту технологию печати нетрудно узнать по точкам,кажущимся неравно-
мерными и как-бы обтрепаными.
Дизайнерам и работникам типографии струйные принтеры служат совсем
для других целей, а именно для наиболее точного предварительного воспро-
изведения изданий, которые затем будут запущены в массовую печать. С по-
мощью этого методаможнораспечатать превосходные фотореалистические
изображения в полутонах и с высоким разрешением, и даже в крупном форма-
те.те.
С начала 70-х годов необычайноактивизироваласьисследовательская
деятельность, направленая на создание систем без недостатков, свойствен-
ных системам печати под высоким давлением. Первое решение, найденое спе-
циалистами,-печатающие головкис пьезоэлектричускими преобразователями,
испускающие по запросу отдельные капли красителя.Так родилась идеяо
струйной печати с дозированным распылением красителя.
Аналогично термопечати,технология струйной печатипрошладолгий
путь совершенствования, причем с более чем успешными результатами. За 15
лет разрешающая способность струйных принтеров, предназначенных для мас-
сового применения, выросла почти в 10 раз (до 720 точек на дюйм).Дос-
тигнут удачный компромисс между требованиями к черниламнезасыхать в
соплах печатающей головки и достаточно быстро сохнуть на бумаге, не сма-
зываясьприэтом. Значительноулучшилисьэксплуатационныесвойства
струйных аппаратов, они стали более неприхотливы к бумаге.
Механизм подачи и протяжкибумагиструйных печатающихустройств
близокквышеописанным группам,однако применена принципиально другая
печатающая головка. Поскольку струйная технология использует метод "выб-
расывания" капелькрасителя на бумагу,соответствующая матрица печати
представляет собой набор сопел (до 256),с которыми соединеныемкости
длячернили управляющие механизмы (как правило - пьезоэлектрического
типа).Требования к краскам (чернилам) весьма противоречивы ивысоки,
поэтому состав их постоянно совершенствуется. Качество изображения силь-
но зависит от типа бумаги (пленки),поэтому для наиболееответственных
работ рекомендуются специальные ее типы,обладающие свойствами быстрого
впитывания чернил (extra-adsorbent paper) без их проявления на просвет.
Первый удачный монохромный струйный принтер Thinkjetфирмы
Hewlett-Packard преодолел основную массу технологических проблем и обес-
печил при высоком качестве печати и разрешении, близком к игольчатым пе-
чатающим устройствам, скорость печати до 150 символов в минуту. По срав-
нениюсосновными конкурентами тех лет - игольчатыми печатающими уст-
ройствами,резко снизился уровень шума при печати. Современные струйные
принтеры для массового применения,как правило, имеют разрешающую спо-
собность на уровне 300-360 или 300х600 точек на дюйм,могут печататьс
удовлетворительным качествомнаобычной бумаге и с высоким качеством
(приближающимся к печати на лазерном принтере) - на специальнойбумаге.
Типовое быстродействие при печати текстов составляет 50-160 знаков в ми-
нуту, а графики - 0.5-4 листа в минуту.
Распространены струйные печатающие устройства фирм Hewlett-
Packard,Apple, Brother, Lexmark, Texas Instruments, CalComp идругих.
Удельная стоимость печати струйных принтеров составляет около5 центов
на лист формата А4, а цена самих принтеров является средней между ценами
на матричные и лазерные принтеры.Фактически, имея цену на 150-200 дол-
ларов ниже,чем у лазерных аппаратов, и качество, приближающееся к ним,
семейство струйных принтеров устойчиво увеличивает свою долюна рынке,
чемуспособствует и их активная реклама.Струйные принтеры практически
бесшумны и весьма универсальны (особенно аппараты с опцией цветной печа-
ти), цена их постоянно снижается, а качество печати улучшается.
Печатающие устройства с пьезоэлектрическими
исполнительными механизмами.
Первые заявкинарегистрацию изобретения систем струйной печати с
пьезоэлектрическими исполнительными механизмами былиподаны в1970и
1971 гг. Напротяжении нескольких лет различные фирмы и институты прово-
дили фундоментальные исследования,пока, наконец,компании Siemens не
удалось облечь этот принцип в приемлимую для рынка
форму.В
продемонстрирован первый струйный принтер с дозированным выбросом краси-
теля. Этот принтер, оснащенный двенадцатью соплами-распылителями и печа-
тающий почти бесшумно со скоростью 270 символов в секунду,произвел ре-
волюцию даже в кругах специалистов.
Siemens в качестве электомеханического преобразователя использовала
пьезоэлектрическую трубочку,вмонтированую вканал из литьевой смолы.
Все каналы заканчиваются пластинойс калиброванными отверстиями длярас-
пыления, расположенной на передней стороне устройства. Передача электро-
энергии и красителя производитсяисключительнопосредством колебаний
давления, распространяющихсяв канале в соответствии с законами акусти-
ки. Колебания, достигающие конца канала,отражаются там с инверсией фазы,
т.е. в этом месте колебание с пониженным давлением и наоборот.
Пьезопластины.
В начале
ланарных струйных принтеров - SQ-200$ современный SQ-870/1170,его пре-
емник, работает примерно по тому же принципу.
Вместо пьезоэлектрических трубочек,как у Siemens,напечатающих
головках Epson, выполненныхизструктуированных стеклянных пластинок,
укреплены небольшие пьезопластинки.Если к ним приложитьэлектрическое
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 головкахс
пьезотрубочками.
В
вания пьезоэлектриков дляструйнойпечати, основанныйна применении
пластинчатого пьезопреобразователя.В последующие годы этот метод оста-
вался сравнительно малоизвестным (причем не столько из-за конструкции на
базе преобразователя, сколько из-за жидких восковых чернил, которые при-
менялись во всех струйных принтерах с пластинчатым пьезопреобразователем
производства Epson), пока не появилась модель Stylus 800.
Согласно этомуметодупьезопреобразователь,представляющий собой
длинную плоскую пластинку (ламель), размещается позади небольшого разер-
вуара с красителем.Привоздействии на ламель импульсов напряжения ее
длина немного меняется, что приводит к всплескам давления внутри резер-
вуара, которые, в свою очередь, выталкивают капли из сопла-распылителя.
Пластинчатые пьезопреобазователи сочетают в себе преимуществакак
плоских, таки 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 годаEpsonпродемонстрировалпьезотехнологиюMACH
(Multilayer Actuator Head - головка с многоуровневым исполнительных ме-
ханизмом) в своем новом струйном принтере модели Stylus 800.Тем не ме-
нее и в пьезоэлектрических печатающих головках MACH-головках применяются
пьезоламели. Правда, компании Epson удалось изготовить пьезоламели одно-
го ряда сопел-распылителейв едином блоке (Multilayer).Таким образом
оказалось возможным еще уменьшить размеры печатающей головки, разместить
преобразователи, каналы исопла-распылителис дистанцией всего лишь в
Печатающие устройства с термографическими исполнительными
механизмами.
В 1985году сенсациювызвалThinkjet компании Hewlett-Packard -
первый струйно-пузырьковый термопринтер.Если в начале иной разработчик
пьезомеханизмов печати и ухмылялся,когда видел патенты на пузырьковую
технологию его конкурентов,то со временем ему стало не до смеха: метод
пузырьково-струйной термопечатиза нескольколет покорил рынок (коли-
чество проданных струйных термопринтеров составило 10 млн.)
В чем же революционность этой технологии? Как часто бывает в подоб-
ных случаях, достижением стало сокращение производственных расходов. Ес-
ли пьезоэлектрические печатающиемеханизмыприходилось с большим или
меньшим трудом собирать из множестваотдельных деталей,топузырько-
во-струйные печатающие головки,представляющие собой кристаллы на крем-
ниевых подложках (за исключением подложек Thinkjet,сделанных из стек-
ла), изготавливались по тонкослойной технологии сотнями.
При тонкослойной технологии применяются в принципе те же производс-
твенные процессы, что и при изготовлении интегральных схем. Каналы пода-
чи красителя, сопла-распылители, исполнительные механизмы и токоподводя-
щие шины возникают при поочередном нанесении слоев на подложки, например
способом ионно-лучевого напыления,и последующем структуированииэтих
слоев.
Таким образом,по завершении процесса производства, насчитывающего
более сотни шагов, на одной подложке появляется очень много термопечата-
ющих элементов. Все структуры должны быть выполнены с точностью доты-
чячной доли миллиметра. Кроме того, малейшее загрязнение при производс-
тве приводит к отказу. По этой причине пузырьково-струйныепечатающие
элементы изготавливаются в чистых помещениях и с применением машин,ти-
пичных для полупроводниковой промышленности.
Очевидно, чтопри одновременной обработке многих миниатюрных эле-
ментов на одной подложке расходы на изготовление резкоснижаются,хотя
уровень инвестиций вчистые производственные помещения и станки высок.
Затраты на струйно-пузырьковые печатающие элементы завысят неотколи-
чества сопел-распылителей илиразрешения печати,а только от вида по-
верхности кристалла, а также от числа и характера процессов.Следова-
тельно, печатающая головка, рассчитанная на разрешение 400 точек/дюйм, с
64 распылителями не должна стоить дороже, чем головка с 24 распылителями
и разрешением 180 точек/дюйм.
Поскольку головки струйно-пузырьковой термопечатиизготавливаются
по тому же принципу, что и интегральные микросхемы, напрашивается мысль
об интеграции последних в печатающие кристалы.И первый шаг в этом нап-
равлении сделала фирма Canon, встроив в печатающие головки своих принте-
ров BJ-10e и CLC-10 транзисторнуюматрицу. ПримеруCanonпоследовала
компания Xerox, выпустившаяв1993 годумодель пузырьково-струйного
принтера с головкой, оборудованной 128 распылителями, и полностью интег-
рированным последовательно-параллельным преобразователем.
Функционирование пузырьково-струйного сопла-распылителя:
Сначала сильныйимпульснапряжения длительностью 3-7 мкс подается
на крохотный нагревательный элемент, который мгновенно накаляется до 500
гр. цельсия. Наегоповерхности температура превышает 300 гр.цельсия.
Мощность нагрева поверхности настолько велика,что при увеличениидли-
тельности импульса напряжения всего лишь на несколько микросекунд нагре-
вательный элемент моментально бы разрушился.
Сразу жев тонкой пленке над нагревательным элементом начинают ки-
петь 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 пу-
зырек, соединившись с атмосферой,опять опадает, однако пройдет еще 200
мкс, пока новые чернила под действием капиллярных сил не будутзасосаны
из резервуара.
Пузырьково-струйная печать с боковым и прямым распылением чернил:
Edje- и Sidechooter.
С самого начала пузырьково-струйные печатающие головки делилисьна
две группы. Компания Canon,изобретательсистемы, предпочла вариант
Edlgeshooter. Почти одновременно фирма Hewlett-Packardразработалаго-
ловку типа Sidechooter, которую теперь изготавливает и компания Olivetti.
Головка Edgeshooter,как становится ясно уже из названия, разбриз-
гивает чернильные капли "за угол", т.е.перпендикулярно к направлению
образования пузырьков. В головке Sideshooter,гдепластина ссопла-
ми-распылителями находится поверх нагревательных элементов и каналов по-
дачи чернил, пузырьки и капли движутся в одном направлении.Поскольку
края сопел-распылителей в головках типа Sideshooter сделаны из однород-
ного, а не из различных материалов,как в Edgeshooter, процесс изготов-
ления распылителей сотверстиями определенного размера для Sideshooter
значительно проще, чем для головок Edgeshooter. Кроме того, приходится
учитывать неодинаковое смачивание разнородной поверхности головки
Edgeshooter.
С другой стороны,при прямом распылении красителя для сопел требу-
ется более обширная поверхность,что может доставитьнеприятности,в
частности, создателям будущих систем печати с большим количеством распы-
лителей и повышенным разрешением.Вдобавок чернила, с силой ударяющиеся
о поверхность нагревательного элемента после опадения пузырька пара, ра-
но или поздно вызовут ее повреждение вследствие кавитации.Возможно, по
этой причине способ прямого распыления до сих пор использовался только в
сменных печатающих головках с ограниченным сроком службы.
Требования к качеству чернил для любой системы струйной термопечати
очень высоки, значительно выше, чем пьезосистемах. Принцип функциониро-
вания и высокиетемпературыобусловливают применение только смешанных
растворимых красителей на водяной основе.
Красители должны соответствовать целому ряду требований:
- быть совместными с материалами,из которых сделан печатающий ме-
ханизм;
- не образовывать отложений в каналах и распылителях,а такжене
расслаиваться;
- храниться в течении длительного времени;
- обладать определенными показателями плотности, вязкости и повех-
ностного натяжения при температурах от 10 до
- ну служить питательной средой для образования бактерий и водорос-
лей;
- не содержать ядовитых или канцерогенных веществ и не возгораться.
К тому же красители для струйнойтермопечатидолжны образовывать
пузырьки пара без отложения осадков и выдерживать кратковременное нагре-
вание до 350 гр.цельсия.
Почему жеструйная печатьсчитается наиболее экологически чистым
способом печати набумаге? Во-первых, пользователям, жаловамшимся на шум,
понравилось, что струйныйпринтерработает почти бесшумно.Больше не
слышно ни действующего на нервы скрежета иголоко бумагу,нивечного
жужжания вентилятора - только шелестятлисты бумаги и тихо щелкают при пе-
реключении механиеские приводы перемещения головки и подачи бумаги.
Во-вторых, устройство с минимальным выделением тепла, не производя-
щее шума и озона, потребляет и меньше энергии - вот причинатому, что
все современные, независимыеотсети принтеры малого размера являются
струйными.
Наконец самкраситель не содержит никаких экологически вредных до-
бавок; при сжигании распечатанных документов не образуется двуокисиуг-
лерода в отличие, например, от тонера лазерных принтеров и копировальных
аппаратов.
И дажеутверждение, чтопечатающиеголовки пузырьково-струйных
принтеров необходимо регулярно заменять новыми,больше не соответствует
истине: ведь печатающийэлементпочти на 98%состоит из кремния или
стекла. К стати изготовителям вскоре придется задуматьсяотом, каким
образом можно утилизировать многие миллионы изготовленных печатающих го-
ловок или резервуаров для чернил.
В какомнаправлении пойдетразвитие технологий струйной печати в
будующем? Безусловно в направлении цветнойпечати. Обычныеустройства
черно-белой печати с разрешающей способностью 300 точек/дюйм и эмуляцией
PCL(Deskjet Hewlett-Packard) уже выдержали испытания временем.Эмуляция
языка PCLстала фактическим стандартом в области струйных принтеров,к
тому же она обеспечивает совместимость с современными и будущими моделя-
ми лазерных принтеров.
Хотя разрешение 300 точек/дюймидостаточно длябезукоризненной
распечатки текста играфики,оно не годится для картинок в полутонах,
растровых изображений и фотореалистических изображений. Соответствующего
качества можно добиться, если значительно повысить разрешение или найти
возвожность целевого варьирования количеств красителя.
Уже можнопривести примеры реализации обоих этих способов в других
методах печати. Так в издательской сфере давно работают сразрешением
2540 точек/дюйм и более. С другой стороны, диффузионные принтеры - усо-
вершенствованный вариант термографических принтеров - способныпечатать
на спецальной глянцевой бумаге каждую точку растра с желаемой интенсив-
ностью цвета.
Требования ккачеству воспроизведения информации на бумаге растут,
и функция цветной печати, вероятно,станет не исключительной, а скорее
стандартной особенностью следующих моделей принтеров. Таким образом чис-
ло сопел-распылителей будет постоянно увеличиваться. В следствие возрас-
тания мощностей иусиления нажима со стороны конкурентов изготовителям
придется уменьшать размеры своих изделий и интегрировать новые функции.
Способ струйной печати,зародившийся около 50 лет назад, - относи-
тельно молодая технология. Вполне очевидно, что струйные принтеры завое-
вывают массовый рынок, вытесняя таким образом матричные принтеры.Если
же разработчикам удастся повысить разрешение и скорость печатиструйных
принтеров, то изготовителяммедлительныхлазерных принтеров придется
всерьез побороться за место на рынке.
До сих пор никакой другой метод печати не порождал такого разнооб-
разия вариантов, как струйная печать,при чем не подлежит сомнению что
возможность этой технологии еще долго не будет исчерпана.