Как печатает струйный принтер?

Струйные принтеры сегодня . одни из наиболее популярных среди потребителей. Причем в большинстве случаев такой принтер покупается в качестве периферии к домашнему компьютеру. На то есть свои резоны, и в первую очередь . низкая цена и возможность печати цветных документов. Между тем, как утверждают продавцы ряда салонов компьютерной техники, большинство пользователей имеет более чем смутное представление о принципах струйной печати. Если с работой матричных или лазерных принтеров их владельцам все более-менее ясно, то про струйные принтеры они, как правило, только и могут сказать, что картинка там формируется путем разбрызгивания по бумаге мелких капель чернил.

Для начала, наверное, стоит объяснить, что представляет собой такой показатель, как dpi, который, оказывается, более важен, чем, к примеру, скорость печати. DPI . это так называемое число капель на дюйм . функция от частоты, с которой выбрасываются капли, и скорости, с которой печатающая головка принтера перемещается по горизонтальной оси. Управляемое сопло в определенные моменты дискретно выбрасывает капли чернил и таким образом проводит линию. Главная трудность для производителя принтеров состоит в сочетании качества (максимум выбросов капель на строку) и скорости (минимум выбросов капель на строку для достижения более высокой скорости). Скорость выброса капель составляет от 10 до 20 тыс. в секунду. Изменяя эту частоту или скорость перемещения каретки печатающей головки, можно достичь оптимальной плотности горизонтального размещения капель, а значит, и качества печати.

Разрешение . это параметр, определяемый размером чернильных капель. При нанесении более мелких капель четкость изображения будет выше, если сравнивать с равной по площади поверхностью, заполненной меньшим количеством более крупных капель. Понятно, что в таком случае более высокое качество потребует меньшей скорости печати, и наоборот.

Струйные принтеры различаются по способу печати.

Достаточно широко распространены три основных способа печати.

1. Термоструйная печать
2. Пьезоструйная печать
3. Пузырьково-струйная печат

Термоструйная печать

Разработка термической технологии струйной печати началась еще в 1984 году. Первопроходцами тогда стали компании HP и Canon. Но дело шло медленно, и придти к необходимым результатам долгое время не удавалось. Только в 90-х годах удалось наконец добиться приемлемого уровня качества, скорости работы и стоимости. Позже к HP и Canon с целью дальнейшей работы над термическими принтерами присоединилась компания Lexmark, что и привело к созданию сегодняшних принтеров с высоким разрешением.

Как видно из названия, в основе термического (правильнее сказать, электротермического) формирования струи лежит увеличение температуры жидких чернил под действием электрического тока. Это повышение температуры обеспечивается нагревательным элементом, который находится в эжекционной камере. При нагревании некоторая часть чернил испаряется, в камере быстро нарастает избыточное давление, и из эжекционной камеры через прецизионное сопло выбрасывается маленькая капелька чернил. В течение одной секунды этот процесс многократно повторяется. Самое главное для успеха данной технологии . это максимально точно подобрать конфигурацию эжекционной камеры, а также диаметр и точность сопла. На поведение чернил при нагревании и выбросе их из сопла наряду с характеристиками самих чернил (их вязкостью, поверхностным натяжением, способностью к испарению и др.) оказывают влияние также характеристики канала, ведущего к соплу, и точки выхода в сопло. Большое значение для обеспечения правильного выброса чернил из сопла имеют также характер изменения чернильного мениска в сопле после эжекции и повторное заполнение эжекционной камеры. Рассмотрим поподробнее этапы формирования и выброса капли. Формирование термической чернильной струи начинается в печатающей головке картриджа. Электрический импульс порождает на нагревательных элементах тепловой поток, эквивалентный более чем двум млрд ватт на квадратный метр. Это примерно в 10 раз больше, чем поток на поверхности Солнца. Однако, поскольку длительность теплового импульса составляет всего 2 миллионных доли секунды, то, хотя температура в это время увеличивается со скоростью 300 млн градусов в секунду, поверхность нагревательного элемента успевает за это время нагреться лишь примерно до 600°C. Поскольку нагревание идет чрезвычайно быстро, в реальности температура, при которой чернила уже не могут существовать в виде жидкости, достигается лишь в слое толщиной менее одной миллионной доли миллиметра. При такой температуре (примерно 330°C) тонкий слой чернил начинает испаряться, и происходит выталкивание пузырька из сопла. Пузырек пара образуется при очень высокой температуре, и поэтому давление пара в нем составляет порядка 125 атмосфер, т.е. в четыре раза больше давления, создаваемого в современных бензиновых двигателях внутреннего сгорания. Такой пузырек, обладающий громадной энергией, действует как поршень, выбрасывающий чернила из сопла на страницу со скоростью 500 дюймов в секунду. Образующаяся при этом капля весит всего 18 миллиардных долей грамма. По командам, поступающим от драйвера принтера, несколько сотен сопел могут активизироваться одновременно в любых сочетаниях. Резервуары, из которых чернила подаются в печатающую головку, можно условно разделить на два конструктивных типа. Во-первых, широко используется моноблочная система, объединяющая встроенный чернильный резервуар и эжекционный блок. Она обладает тем преимуществом, что при каждой смене чернильного резервуара заменяется и печатающая головка, что способствует поддержанию высокого качества печати. Кроме того, она проще по конструкции, и в ней легче выполняются замены. Во второй, конструктивно более сложной системе печатающая головка отделена от резервуара для чернил, и здесь заменяется только этот резервуар при его опорожнении. Пена в резервуаре для чернил играет роль губки, впитывающей жидкие чернила, так что чернила непрерывно подаются к печатающей головке, и при этом нет ни нежелательной утечки из картриджа под действием силы тяжести, ни истечения чернил из самой печатающей головки. На основании моноблочного картриджа находятся электрические контакты и печатающая головка . ключевой элемент всего процесса струйной печати; чернила подаются к печатающей головке через совокупность каналов, идущих от резервуара. Изготовление печатающей головки . это сложный процесс, осуществляемый на микроскопическом уровне, где точность измерений определяется микронами. Основные материалы, используемые для изготовления эжекционной камеры, канала для подачи чернил, электронной управляющей схемы и нагревательных элементов, подобны материалам, используемым в полупроводниковой промышленности, где тончайшие проводящие металлические и изолирующие слои проходят прецизионную лазерную обработку. Такая технология требует больших инвестиций и в разработку, и в производство, и это одна из главных причин того, что в данной сфере решаются действовать очень немногие компании. Печатающая головка представляет собой совокупность множества микрокомплектов, состоящих из эжекционных камер и связанных с ними сопел, расположенных в шахматном порядке с целью увеличения вертикальной плотности сопел. При таком расположении сопел их число на расстоянии примерно 1,27 см может достигать 208, как это имеет место, например, в черных картриджах моделей Lexmark Z, так что удается достичь разрешения в 1,44 млн точек. Качество печати определяется многими факторами, но главные из них . это размер точки, вертикальная плотность точек и частота выброса капель через сопло; именно эти показатели являются основными критериями для дальнейшей работы над печатающими головками, будь то головки термического или пьезоэлектрического типа. Термические головки имеют некоторые преимущества по сравнению с электромеханическими, поскольку ключевая технология их изготовления подобна той, которая применяется при изготовлении микропроцессорных чипов и других изделий полупроводниковой электроники. Стремительный прогресс в этих областях идет на пользу термической технологии, и можно ожидать, что в ближайшие годы будут достигнуты еще более высокие разрешения и более высокая скорость печати. Термическая струйная печать имеет несколько преимуществ по сравнению с конкурирующей с ней пьезотехнологией. Например, простота конструкции и тесная аналогия с производством полупроводников: это означает, что предельная себестоимость в производстве здесь будет ниже, чем для конкурирующей технологии. Конфигурация эжекционных камер позволяет располагать сопла ближе друг к другу, что дает возможность достигать более высокого разрешения.

Пьезоэлектрическая технология

Пьезоэлектрическая система, созданная на базе электромеханического устройства и доведенная до коммерческой готовности компанией Epson, впервые была использована в струйных принтерах Epson не так давно . в 1993 году. В основе пьезотехнологии лежит свойство некоторых кристаллов, называемых пьезокристаллами (примером могут служить кристаллы кварца в распространенных кварцевых наручных часах), деформироваться под действием электрического тока; таким образом, этот термин определяет электромеханическое явление. Это физическое свойство позволяет использовать некоторые материалы для создания миниатюрного 'чернильного насоса', в котором смена положительного напряжения на отрицательное будет вызывать сжатие небольшого объема чернил и энергичный выброс его через открытое сопло. Как и при формировании чернильной струи за счет термических эффектов, размер капли здесь определяется физическими характеристиками эжекционной камеры и давлением, создаваемым в этой камере за счет деформации пьезокристалла. Изменение размера капли осуществляется путем изменения величины тока, протекающего через эжекционный механизм. Как и в термопринтерах, частота выброса под действием пьезоэффекта зависит от потенциальной частоты электрических импульсов, которая, в свою очередь, определяется временем возвращения камеры в 'спокойное' состояние, когда она заполнена чернилами и готова к следующему рабочему циклу. Пьезотехнология отличается высокой надежностью, что очень важно, потому что печатающая головка по чисто экономическим причинам не может быть частью сменного картриджа с чернилами, как в термических системах, а обязательно должна быть жестко соединена с принтером. Как у термических, так и у пьезоэлектрических систем качество работы определяется многими факторами. Возможность изменения размера точки дает пьезотехнологии определенные преимущества. С другой стороны, пьезотехнология сталкивается с некоторыми чисто физическими ограничениями. Например, большие размеры электромеханической эжекционной камеры означают, что плотность размещения сопел по вертикали должна быть меньше, чем у термических аналогов. Это не только ограничивает перспективы дальнейшей разработки, но означает также, что для получения более высокого разрешения и однородности при высококачественной печати требуется несколько проходов печатающей головки по одной и той же странице.

Стационарная печатающая головка в определенной мере экономически выгодна, потому что ее не приходится менять. Однако это преимущество частично обесценивается тем, что существует опасность проникновения воздуха в систему при смене картриджа. При этом сопла закупориваются, качество печати ухудшается, и для восстановления нормальной работоспособности системы требуется провести несколько циклов очистки. Еще одно существующее пока ограничение для пьезосистем касается использования чернил на основе красителей: при использовании цветных (пигментных) чернил, которые имеют более высокое качество, но при этом обладают и более высокой плотностью, также возникает опасность закупорки сопел. Пьезоэлектрическая печатающая головка, сконструированная на основе ранее существовавшей технологии, отличается более низкими расходами на разработку, но зато она заметно дороже в изготовлении. В настоящее время такие преимущества пьезоэлектрических головок, как высокая надежность и возможность изменения размеров капли, весьма существенны и позволяют изготовлять продукцию очень высокого качества. Однако, поскольку цены на термические струйные принтеры непрерывно снижаются, и они все больше захватывают рынок принтеров начального уровня, то для пьезосистем остается рынок продукции среднего и высшего класса.

Пузырьково-струйная печать

Принцип пузырьково-струйной печати Canon Bubble-Jet, изобретённый в конце 70-х, до гениального прост. В каждой дюзе . тончайшем канале, в котором формируются капельки чернил, . расположен микроскопический нагреватель. Электрические импульсы, подаваемые на него, заставляют чернила вскипать с образованием воздушных пузырьков, и эти пузырьки с каждым импульсом выталкивают равные объёмы чернил из дюзы. Нагрев прекращается . пузырёк исчезает, в дюзу втягивается новая порция чернил . и она готова к новому циклу!

Однако, понадобилось около 8 лет, чтобы первый пузырьково-струйный принтер стал доступен пользователям. В 1981 году перспективная технология Canon Bubble-Jet впервые была представлена на выставке Canon Grand Fair и сразу приковала к себе внимание специалистов. Но лишь в 1985-ом появилась первая коммерческая модель монохромного принтера . Canon BJ-80, а первый полноцветный BJ-принтер . BJC-440 (формата A2, с разрешением 400 точек на дюйм) . появился в 1988 году.