Способы распыления красителя в струйном принтере

Печатающие головки струйных принтеров создаются с использованием следующих типов подачи красителя:

•Непрерывная подача (Continuous Ink Jet) - подача красителя во время печати происходит непрерывно, факт попадания красителя на запечатываемую поверхность определяется модулятором потока красителя (утверждается, что патент на данный способ печати выдан Вильяму Томпсону (William Thomson) в 1867 году). В технической реализации такой печатающей головки в сопло под давлением подаётся краситель, который на выходе из сопла разбивается на последовательность микро капель (объёмом нескольких десятков пиколитров), которым дополнительно сообщается электрический заряд. Разбиение потока красителя на капли происходит расположенным на сопле пьезокристаллом, на котором формируется акустическая волна (частотой в десятки килогерц). Отклонение потока капель производится электростатической отклоняющей системой (дефлектором). Те капли красителя, которые не должны попасть на запечатываемую поверхность, собираются в сборник красителя и, как правило, возвращаются обратно в основной резервуар с красителем. Первый струйный принтер, изготовленный с использованием данного способа подачи красителя, выпустила «Siemens» в 1951 году.

•Подача по требованию - подача красителя из сопла печатающей головки происходит только тогда, когда краситель действительно надо нанести на соответствующую соплу область запечатываемой поверхности. Именно этот способ подачи красителя и получил самое широкое распространение в современных струйных принтерах [7; с. 386].

При длительном простое принтера (неделя и больше) происходит высыхание остатков красителя на соплах печатающей головки (особенно критично засорение сопел печатающей матрицы принтеров Epson, Canon). Принтер умеет сам автоматически чистить печатающую головку. Но также возможно провести принудительную очистку сопел из соответствующего раздела настройки драйвера принтера. При прочистке сопел печатающей головки происходит интенсивный расход красителя. Если штатными средствами принтера не удалось очистить сопла печатающей головки, то дальнейшая очистка и/или замена печатающей головки проводится в ремонтных мастерских. Замена картриджа, содержащего печатающую головку, на новый проблем не вызывает. Для уменьшения стоимости печати и улучшения некоторых других характеристик печати также применяют систему непрерывной подачи чернил (СНЧП).

В струйных принтерах в основном используют следующие методы нанесения чернил: пьезоэлектрический, метод газовых пузырей и метод «drop on demand».

Пьезоэлектрический метод основан на управлении соплом с использованием обратного пьезоэффекта, который, как известно, заключается в деформации пьезокристалла под действием электрического поля. Для реализации этого метода в каждое сопло установлен плоский пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Действием электрического поля, сжимая и разжимая сопло и наполняет его чернилами. Чернила, которые отжимаются назад, перетекают обратно в резервуар, а чернила, которые вышли из сопла в виде капли, оставляют на бумаге точку. Подобные устройства выпускают компании Epson, Brother и другие.

Хотя струйный принцип печати известен уже давно, эти устройства не нашли бы столь широкого применения, если бы не изобретение, ставшее основой для распространения струйной технологии ― это технология «пузырьковой» струйной печати (bubble-jet). Первый и основной патент на нее принадлежит компании «Canon». «Hewlett-Packard» также владеет рядом важных патентов в этой области, она создала первый струйный принтер с использованием пузырьковой технологии «ThinkJet» в 1985 году. Путем обмена лицензиями эти две компании получили подавляющее преимущество над конкурентами ― сейчас им принадлежит 90% европейского рынка струйных принтеров.

«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 [5; с. 53].

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 1987 г. 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 [5; с. 54].

Метод газовых пузырей является термическим и называется методом инжектируемых пузырьков (Bubble-jet) или пузырьковой технологией печати. Каждое сопло печатающей головки принтера, использующего этот метод, оборудовано нагревательным элементом в виде тонкопленочного резистора, который при пропускании через него тока за 7―10 микросекунд нагревается до высокой температуры. Температура, необходимая для испарения чернил, например, фирмы «Hewlett-Packard», достигает примерно 400°С. Возникающий при резком нагревании чернильный паровой пузырь (bubble), стремится вытолкнуть через выходное отверстие сопла необходимую каплю жидких чернил диаметром менее 0,16 мм, которая переносится на бумагу. При отключении тока тонкопленочный резистор быстро остывает, паровой пузырь уменьшается в размерах, что приводит к разрежению в сопле, куда и поступает новая порция чернил.

Такую технологию использует фирма «Canon». Благодаря тому, что в механизмах печати принтеров, реализующих метод газовых пузырей, меньше конструктивных элементов, чем в тех, что используют пьезоэлектрическую технологию, такие принтеры обладают большей надежностью и ресурсом. Наряду с этим, использование этой технологии позволяет добиться более высокой разрешающей способности печати. Однако, обеспечивая высокое качество при прорисовке линий, данный метод имеет недостаток при печати областей сплошного заполнения, поскольку они получаются несколько расплывчатыми. Применение струйных принтеров, механизм печати которых основан на методе газовых пузырей, целесообразно при необходимости печати графиков, гистограмм и других видов графической информации без полутоновых графических изображений.

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.

Для получения более качественной печати следует выбирать струйные принтеры, реализующие метод drop-on-demand. Метод drop-on-demand, разработанный фирмой «Hewlett-Packard», использует так же, как и метод газовых пузырей, для подачи чернил из резервуара на бумагу нагревательный элемент. Однако в методе drop-zon-demand для подачи чернил дополнительно применён специальный механизм, в то время как в методе газовых пузырей данная функция возложена исключительно на нагревательный элемент. Специальный механизм реализован на базе следующих физических явлений. Как правило, в частицах жидкой фазы действует поверхностное натяжение на поддержание сферичности заряженных частиц чернил поверхностное натяжение снижается, что приводит к делению частицы на более мелкие части. Данное свойство частиц расщепляться используется для получения туманообразных частиц чернил, которые поступают к выходным отверстиям сопел, управляемых электри-ческими сигналами. Нагрев чернил при этом методе происходит до 650°С, в результате все чернила переходят в газообразное состояние и смещение цветов происходит на молекулярном уровне [4; с. 317].

Технология drop-on-demand обеспечивает наиболее быстрое нанесение чернил, что позволяет существенно повысить качество и скорость печати. Цветное представление изображения в этом случае более контрастно. В данной технологии управление частицами чернил производится при постоянном отклоняющем поле за счет регулирования их электрического заряда. Поэтому вылетающая из сопла каждая частица получает «свою» информацию в виде разной величины электрического заряда, что обеспечивает печатание высокую скорость и качество печати.

В цветной печати в настоящее время преобладает струйная технология. Печатающие головки могут быть цветными и иметь соответствующее число групп сопел. Оттенки различных цветов могут быть получены путем сгущения или разрежения точек соответствующего цвета в фрагменте изображения (аналогичный способ используется для получения различных оттенков серого цвета при выводе монохромных изображений). Качество струйной цветной печати таково, что полученный полноцветный плакат практически невозможно отличить от изданною в типографии.

Уровень шума, создаваемый только двигателем, управляющим головкой струйного принтера, значительно ниже, чем у матричных принтеров и составляет около 40 дБ. Скорость печати струйного принтера, как и матричного, зависит от качества печати. При черновой печати (Draft) струйный принтер по скорости печати значительно превосходит матричный. При печати в режиме с типографским качеством (LQ) скорость печати значительно снижается и в среднем составляет 150―200 cps, что соответствует 3―4 страницам в минуту. Цветная печать выполняется со значительно меньшей скоростью. Модели струйных принтеров, предназначенные для рабочих групп, обеспечивают скорость печати до 8―9 страниц в минуту. Разрешение струйных принтеров при печати графики составляет от 300x300―720x720 dpi.

Качество печати струйного принтера в сравнении с матричным значительно выше, особенно при выводе на печать шрифта. Для моделей струйных принтеров с большим числом сопел характерно достижение качества печати лазерного принтера. Большое влияние на качество струйной печати оказывают качество бумаги и чернил.

Бумага для струйных принтеров с плотностью бумаге от 60 до 35 г/м2 позволяет получить достаточно высокое качество печати, причем вполне может быть использована бумага для ксероксов (80г/м2). В струйных принтерах в отличие от матричных бумага в рулоне не применяется, а несколько копий на струйном принтере можно получить только с помощью многократной печати одного и того же документа. Чернила, применяемые для заправки картриджа струйных принтеров, должны быть только специальными, предназначенными для данной модели принтера. Только в этом случае можно получить высокое качество печати и не испортить печатающую головку. Для повышения качества печати за счет снижения растекания чернил, используются различные технические решения. Например, в отдельных моделях выпускаемых фирмой «Hewlett-Packard», для быстрого высыхания чернил применяется подогрев бумаги.

Принтеры некоторых типов нельзя выключать во время эксплуатации, поскольку в головке, оставшейся в промежуточной позиции, происходит интенсивное засыхание чернил. Многие модели струйных принтеров имеют режим парковки, при котором печатающая головка возвращается в исходное положение внутри принтера, что предотвращает засыхание чернил. В некоторых струйных принтерах имеются специальные устройства очистки сопел.