Реферат: Струйные принтеры
Хотяразговоры о «безбумажной» технологии ведуться уже довольно
давно, нормальную работу с компьютером пока ещетрудно представить без
использования печатающего устройства. Не будем, даже кратко, излагать
историю его развития. Ограничимся констатацией тогофакта, что в настоя-
щее время весь безграничный мир принтеров разделился нанесколько устой-
чивых групп, каждая изкоторых отличается способомперенесения на бумагу.
Методуструйной печати уже почти сто лет. Появление новых печатаю-
щих головок становится предпосылкой для дальнейшего процветания рынка
струйных принтеров.
С чеговсе начиналось.
Хотя лордРейли, лауреат нобелевской премии по физике, сделал сво-
и фундаментальные открытия в области распада струй жидкостии формирова-
ния капель еще в прошлом веке, датой рождения технологииструйной печати
можно считать только 1948 год. Именно тогда шведскаяфирма Siemens Elema
подала патентнуюзаявку на устройство, работающеекак гальванометр,
но оборудованое неизмерительной стрелкой , араспылителем, с помощью
которого регисртировались результаты измерений.
И дажетеперь, спустя почти полвека, эта генально простая система
печати применяется, например, в медицинских приборах. Правда, жидкост-
ный осцилограф способен печатать лишь кривые, а не текстыиграфики. Эта-
эффективная схемабыла усовершенствована , и появился новый струйный
принтер , функционирующий по принципу неприрывного распыления красителя
или печати под высоким давлением.
Разработчикамметода струйной печати предстояло решить две проблемы.
Во-первых, струякрасителя должна была распадаться на микроскопические-
капельки определенного размера, и, во-вторых большая часть капель вооб-
ще не должма попадать на бумагу . (Если, например, распечатывается
текст, то площадьпокрытыхкрасителем участков составляет всего 2-5 про-
центов общей поверхности.)
Разработчикивоспользовались закономерностью, выявленной лордом
Рейли : струяжидкостси стремится распасться на отдельные капли. Нужно
только чуть подправить случайный процесс распаденияструи, накладывая с
помощью пьезоэлектрического преобразования на струюкрасителя , выбрасы-
ваемую под высоким давлением (до 90 бар), высокочастотныеколебания дав-
ления.
Таким способомможет выбрасываться до милиона капель в секунду. Их
размеры зависят от геометрической формысопел-распылителей и составляют
всего лишь несколько микрон, а скорость, с которой онидолетают до бума-
ги, достигает 40 м/с. Речь идет о струйных принтерах, работающих по вы-
шеназванным принципам непрерывного распыления красителяили печати под
высоким давлением.
Этипринтеры способны маркировать и наносить коды практически на
все поверхности и предметы. Они в состоянии распылять подавляющее боль-
шинство видов жидкостей: чернила, лак, масла и дажеклеящие вещества и
смолы.
Благодарявысокой скорости полета капель допускается использовать
поверхности с сильными неровностями и в зависимости оттребований к ка-
честву печати размещать их на расстоянии 1-<st1:metricconverter ProductID=«2 см» w:st=«on»>2 см</st1:metricconverter> отсопла-распылителя. В
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 иработникам типографии струйные принтеры служат совсем
для других целей, а именно для наиболее точногопредварительного воспро-
изведения изданий, которые затем будут запущены вмассовую печать. С по-
мощью этого метода можно распечатать превосходные фотореалистические
изображения в полутонах и с высоким разрешением, и даже вкрупном форма-
те.те.
С начала 70-хгодов необычайно активизировалась исследовательская
деятельность, направленая на создание систем безнедостатков, свойствен-
ных системам печати под высоким давлением. Первоерешение, найденое спе-
циалистами,-печатающие головки с пьезоэлектричускими преобразователями,
испускающие по запросу отдельные капли красителя. Так родилась идея о
струйной печати с дозированным распылением красителя.
Аналогичнотермопечати, технология струйнойпечати прошла долгий
путь совершенствования, причем с более чем успешнымирезультатами. 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 кчернилам не засыхать в
соплах печатающей головки и достаточно быстро сохнуть набумаге, не сма-
зываясь при этом. Значительно улучшились эксплуатационные свойства
струйных аппаратов, они стали более неприхотливы кбумаге.
Механизмподачи и протяжки бумаги струйных печатающих устройств
близок к вышеописанным группам, однако применена принципиально другая
печатающая головка. Поскольку струйная технологияиспользует метод «выб-
расывания» капель красителя на бумагу, соответствующая матрица печати
представляет собой набор сопел (до 256), с которыми соединены емкости
для чернил и управляющие механизмы (как правило — пьезоэлектрического
типа). Требованияк краскам (чернилам) весьма противоречивы и высоки,
поэтому состав их постоянно совершенствуется. Качествоизображения силь-
но зависит от типа бумаги (пленки), поэтому для наиболее ответственных
работ рекомендуются специальные ее типы, обладающие свойствами быстрого
впитывания чернил (extra-adsorbent paper) без ихпроявления на просвет.
Первыйудачный монохромный струйный принтер Thinkjet фирмы
Hewlett-Packard преодолел основную массу технологическихпроблем и обес-
печил при высоком качестве печати и разрешении, близком кигольчатым пе-
чатающим устройствам, скорость печати до 150 символов вминуту. По срав-
нению с основными конкурентами тех лет — игольчатыми печатающими уст-
ройствами, резкоснизился уровень шума при печати. Современные струйные
принтеры для массового применения, как правило, имеют разрешающую спо-
собность на уровне 300-360 или 300х600 точек надюйм, могут печатать с
удовлетворительным качеством на обычной бумаге и с высоким качеством
(приближающимся к печати на лазерном принтере) — наспециальной бумаге.
Типовое быстродействие при печати текстов составляет50-160 знаков в ми-
нуту, а графики — 0.5-4 листа в минуту.
Распространеныструйные печатающие устройства фирм Hewlett-
Packard, Apple, Brother, Lexmark, Texas Instruments, CalComp идругих.
Удельная стоимость печати струйных принтеров составляетоколо 5 центов
на лист формата А4, а цена самих принтеров являетсясредней между ценами
на матричные и лазерные принтеры. Фактически, имея цену на 150-200 дол-
ларов ниже, чем улазерных аппаратов, и качество, приближающееся к ним,
семейство струйных принтеров устойчиво увеличивает своюдолю на рынке,
чему способствуети их активная реклама. Струйные принтерыпрактически
бесшумны и весьма универсальны (особенно аппараты сопцией цветной печа-
ти), цена их постоянно снижается, а качество печатиулучшается.
Печатающие устройства с пьезоэлектрическими
исполнительными механизмами.
Первыезаявки на регистрацию изобретения систем струйнойпечати с
пьезоэлектрическими исполнительными механизмами были поданы в 1970 и
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 рынкаформу. В <st1:metricconverter ProductID=«1977 г» w:st=«on»>1977 г</st1:metricconverter>. был
продемонстрирован первый струйный принтер с дозированнымвыбросом краси-
теля. Этот принтер, оснащенный двенадцатьюсоплами-распылителями и печа-
тающий почти бесшумно со скоростью 270 символов всекунду, произвел ре-
волюцию даже в кругах специалистов.
Siemens вкачестве электомеханического преобразователя использовала
пьезоэлектрическую трубочку, вмонтированую в канал из литьевой смолы.
Все каналы заканчиваются пластинойс калиброваннымиотверстиями для рас-
пыления, расположенной на передней стороне устройства.Передача электро-
энергии и красителя производится исключительно посредством колебаний
давления, распространяющихся в канале в соответствии с законами акусти-
ки. Колебания, достигающие конца канала, отражаются там синверсией фазы,
т.е. в этом месте колебание с пониженным давлением инаоборот.
Пьезопластины.
В начале <st1:metricconverter ProductID=«1985 г» w:st=«on»>1985 г</st1:metricconverter>. компания Epsonпредставила первый из своих пьезоп-
ланарных струйных принтеров — SQ-200$ современныйSQ-870/1170, его пре-
емник, работает примерно по тому же принципу.
Вместопьезоэлектрических трубочек, как уSiemens, на печатающих
головках Epson, выполненных из структуированных стеклянных пластинок,
укреплены небольшие пьезопластинки. Если к ним приложить электрическое
напряжение, их диаметр чуть-чуть изменится, но и этогобудет достаточно,
чтобы они согнулись вместе с пассивной стеклянноймногослойной подложкой
подобно биметаллической пластине, что приведет к возникновению в канале
красителя выталкиваются тем же способом, что и в печатающих головках с
пьезотрубочками.
В <st1:metricconverter ProductID=«1987 г» w:st=«on»>1987 г</st1:metricconverter>. компанияDataproducts предложила другой принцип использо-
вания пьезоэлектриков для струйной печати, основанный на применении
пластинчатого пьезопреобразователя. В последующие годы этот метод оста-
вался сравнительно малоизвестным (причем не столько из-законструкции на
базе преобразователя, сколько из-за жидких восковыхчернил, которые при-
менялись во всех струйных принтерах с пластинчатымпьезопреобразователем
производства Epson), пока не появилась модель Stylus 800.
Согласноэтому методу пьезопреобразователь, представляющий собой
длинную плоскую пластинку (ламель), размещается позадинебольшого разер-
вуара с красителем. При воздействии на ламель импульсов напряжения ее
длина немного меняется, что приводит к всплескам давления внутри резер-
вуара, которые, в свою очередь, выталкивают капли изсопла-распылителя.
Пластинчатыепьезопреобазователи сочетают в себе преимущества как
плоских, так итрубчатых систем высокую частоту распыления и компактную
конструкцию. Сегодня на печатающие головки спьезоламелями делают ставку
такие фирмы, как Dataproduts, Tektronix и Epson.
В начале 1994года Epson продемонстрировал пьезотехнологию MACH
(Multilayer Actuator Head — головка с многоуровневым исполнительных ме-
ханизмом) в своем новом струйном принтере модели Stylus800. Тем не ме-
нее и в пьезоэлектрических печатающих головкахMACH-головках применяются
пьезоламели. Правда, компании Epson удалось изготовитьпьезоламели одно-
го ряда сопел-распылителей в едином блоке(Multilayer). Таким образом
оказалось возможным еще уменьшить размеры печатающейголовки, разместить
преобразователи, каналы и сопла-распылители с дистанцией всего лишь в
<st1:metricconverter ProductID=«140 км» w:st=«on»>140 км</st1:metricconverter>и одновременно снизить производственные расходы.
Печатающиеустройства с термографическими исполнительными
механизмами.
В 1985 году сенсацию вызвал Thinkjet компании Hewlett-Packard -
первый струйно-пузырьковый термопринтер. Если в начале иной разработчик
пьезомеханизмов печати и ухмылялся, когда видел патентына пузырьковую
технологию его конкурентов, то со временем ему стало не до смеха: метод
пузырьково-струйной термопечати за несколько лет покорил рынок(коли-
чество проданных струйных термопринтеров составило 10млн.)
В чем жереволюционность этой технологии? Как часто бывает в подоб-
ных случаях, достижением стало сокращениепроизводственных расходов. Ес-
ли пьезоэлектрические печатающие механизмы приходилось с большим или
меньшим трудом собирать из множества отдельных деталей, то пузырько-
во-струйные печатающие головки, представляющие собой кристаллы на крем-
ниевых подложках (за исключением подложек Thinkjet, сделанных из стек-
ла), изготавливались по тонкослойной технологии сотнями.
Притонкослойной технологии применяются в принципе те же производс-
твенные процессы, что и при изготовлении интегральныхсхем. Каналы пода-
чи красителя, сопла-распылители, исполнительные механизмыи токоподводя-
щие шины возникают при поочередном нанесении слоев наподложки, например
способом ионно-лучевого напыления, и последующем структуировании этих
слоев.
Такимобразом, по завершении процессапроизводства, насчитывающего
более сотни шагов, на одной подложке появляется оченьмного термопечата-
ющих элементов. Все структуры должны быть выполнены с точностью до ты-
чячной доли миллиметра. Кроме того, малейшее загрязнение при производс-
тве приводит к отказу. По этой причине пузырьково-струйные печатающие
элементы изготавливаются в чистых помещениях и сприменением машин, ти-
пичных для полупроводниковой промышленности.
Очевидно,что при одновременной обработке многих миниатюрных эле-
ментов на одной подложке расходы на изготовлениерезко снижаются, хотя
уровень инвестиций в чистые производственныепомещения и станки высок.
Затраты на струйно-пузырьковые печатающие элементызавысят не от коли-
чества сопел-распылителей или разрешения печати, а только от вида по-
верхности кристалла, а также от числа и характера процессов. Следова-
тельно, печатающая головка, рассчитанная на разрешение400 точек/дюйм, с
64 распылителями не должна стоить дороже, чем головка с24 распылителями
и разрешением 180 точек/дюйм.
Посколькуголовки струйно-пузырьковой термопечати изготавливаются
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 печатающиеголовки своих принте-
ров BJ-10e и CLC-10 транзисторную матрицу. Примеру Canon последовала
компания Xerox, выпустившая в 1993 году модель пузырьково-струйного
принтера с головкой, оборудованной 128 распылителями, иполностью интег-
рированным последовательно-параллельным преобразователем.
Функционирование пузырьково-струйного сопла-распылителя:
Сначаласильный импульс напряжения длительностью 3-7 мкс подается
на крохотный нагревательный элемент, который мгновеннонакаляется до 500
гр. цельсия. На его поверхности температура превышает 300гр.цельсия.
Мощность нагрева поверхности настолько велика, что при увеличении дли-
тельности импульса напряжения всего лишь на несколькомикросекунд нагре-
вательный элемент моментально бы разрушился.
Сразу же в тонкой пленке над нагревательным элементомначинают ки-
петь чернила, ичерез 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 небудут засосаны
из резервуара.
Пузырьково-струйная печать с боковым и прямым распылением чернил:
Edje- иSidechooter.
С самогоначала пузырьково-струйные печатающие головки делились на
две группы. Компания Canon, изобретатель системы, предпочла вариант
Edlgeshooter. Почти одновременно фирмаHewlett-Packard разработала го-
ловку типа Sidechooter, которую теперь изготавливает икомпания Olivetti.
ГоловкаEdgeshooter, как становится ясно уже изназвания, разбриз-
гивает чернильные капли «за угол», т.е. перпендикулярно кнаправлению
образования пузырьков. В головке Sideshooter, где пластина с сопла-
ми-распылителями находится поверх нагревательныхэлементов 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 с отверстиями определенного размерадля Sideshooter
значительно проще, чем для головок Edgeshooter. Кроме того, приходится
учитывать неодинаковое смачивание разнородной поверхности головки
Edgeshooter.
С другойстороны, при прямом распылении красителядля сопел требу-
ется более обширная поверхность, что может доставить неприятности, в
частности, создателям будущих систем печати с большимколичеством распы-
лителей и повышенным разрешением. Вдобавок чернила, с силой ударяющиеся
о поверхность нагревательного элемента после опаденияпузырька пара, ра-
но или поздно вызовут ее повреждение вследствиекавитации. Возможно, по
этой причине способ прямого распыления до сих пориспользовался только в
сменных печатающих головках с ограниченным сроком службы.
Требования ккачеству чернил для любой системы струйной термопечати
очень высоки, значительно выше, чем пьезосистемах. Принцип функциониро-
вания и высокие температуры обусловливают применение только смешанных
растворимых красителей на водяной основе.
Красителидолжны соответствовать целому ряду требований:
— бытьсовместными с материалами, из которыхсделан печатающий ме-
ханизм;
— необразовывать отложений в каналах и распылителях, а также не
расслаиваться;
— храниться втечении длительного времени;
— обладатьопределенными показателями плотности, вязкости и повех-
ностного натяжения при температурах от 10 до <st1:metricconverter ProductID=«40 гр. цельсия» w:st=«on»>40 гр. цельсия</st1:metricconverter>;
— ну служитьпитательной средой для образования бактерий и водорос-
лей;
— не содержатьядовитых или канцерогенных веществ и не возгораться.
К тому жекрасители для струйной термопечати должны образовывать
пузырьки пара без отложения осадков и выдерживатькратковременное нагре-
вание до 350 гр.цельсия.
Почему же струйная печать считается наиболее экологически чистым
способом печати набумаге? Во-первых, пользователям,жаловамшимся на шум,
понравилось, что струйный принтер работает почти бесшумно. Больше не
слышно ни действующего на нервы скрежета иголок о бумагу, ни вечного
жужжания вентилятора — только шелестятлисты бумаги и тихощелкают при пе-
реключении механиеские приводы перемещения головки иподачи бумаги.
Во-вторых,устройство с минимальным выделением тепла, не производя-
щее шума и озона, потребляет и меньше энергии — вот причина тому, что
все современные, независимые от сети принтеры малого размера являются
струйными.
Наконецсам краситель не содержит никакихэкологически вредных до-
бавок; при сжигании распечатанных документов необразуется двуокиси уг-
лерода в отличие, например, от тонера лазерных принтерови копировальных
аппаратов.
И даже утверждение, что печатающие головки пузырьково-струйных
принтеров необходимо регулярно заменять новыми, больше не соответствует
истине: ведь печатающий элемент почти на 98% состоит из кремния или
стекла. К стати изготовителям вскоре придетсязадуматься о том, каким
образом можно утилизировать многие миллионы изготовленныхпечатающих го-
ловок или резервуаров для чернил.
В каком направлении пойдет развитие технологийструйной печати в
будующем? Безусловно в направлении цветной печати. Обычные устройства
черно-белой печати с разрешающей способностью 300точек/дюйм и эмуляцией
PCL(Deskjet Hewlett-Packard) уже выдержали испытаниявременем. Эмуляция
языка PCL сталафактическим стандартом в области струйных принтеров, к
тому же она обеспечивает совместимость с современными ибудущими моделя-
ми лазерных принтеров.
Хотяразрешение 300 точек/дюйм и достаточно для безукоризненной
распечатки текста и графики, 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 можно привести примеры реализации обоих этихспособов в других
методах печати. Так в издательской сфере давно работают с разрешением
2540 точек/дюйм и более. С другой стороны, диффузионные принтеры — усо-
вершенствованный вариант термографических принтеров — способны печатать
на спецальной глянцевой бумаге каждую точку растра с желаемой интенсив-
ностью цвета.
Требованияк качеству воспроизведения информации набумаге 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. Вследствие возрас-
тания мощностей и усиления нажима со стороныконкурентов изготовителям
придется уменьшать размеры своих изделий и интегрироватьновые функции.
Способструйной печати, зародившийся около 50лет назад, — относи-
тельно молодая технология. Вполне очевидно, что струйныепринтеры завое-
вывают массовый рынок, вытесняя таким образом матричные принтеры. Если
же разработчикам удастся повысить разрешение и скоростьпечати струйных
принтеров, то изготовителям медлительных лазерных принтеров придется
всерьез побороться за место на рынке.
До сих порникакой другой метод печати не порождал такого разнооб-
разия вариантов, как струйная печать, при чем неподлежит сомнению что
возможность этой технологии еще долго не будет исчерпана.