Система пьезоэлектрического распыления

В отличие от первых двух систем, в которых образование частиц краски происходит по мере необходимости, механизм распыления рассчитан на непрерывное образование частиц краски и работа­ет отдельно от механизма грануляции краски. Данная система печати может быть реализована в двух вариантах: диффузионного исполнения и регулирования электризации краски.

1 вариант. Как правило, в частицах жидкой фазы действует поверхностное натяжение на поддержа­ние сферичности. У заряженных частиц чернил поверхностное натяжение снижается, что приводит к делению частицы на более мелкие составные части. Данное свойство частицы расщепляться использу­ется для получения туманообразных частиц печатной краски.

Далее частицы подаются к выходным соплам, которые открываются и закрываются электрическими сигналами (рис. 7.17).

Система пьезоэлектрического распыления типа регулирования электризации отличается от других исполнений струйной печати наивысшей скоростью и устойчивостью качества печати. В данной системе отклонение частиц краски производится при постоянном отклоняющем поле за счет регулирования электрического заряда краски. Поэтому, летящая мимо отклоняющего электрода каждая частица краски получает "свою" информацию в виде разной величины электрического заряда, что обеспечивает печа­тание оттиском при наивысшей скорости.

Рис. 7.17. Система пьезоэлектрического распыления

Последний принцип относится к устройствам непрерывного действия. Данный принцип действия использует сегодня очень небольшое количество устройств вывода.

Струйный принтер дискретного действия (рис. 7.16 и рис 7.17) 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 (использует фирма Epson);

- метод газовых пузырьков (используют фирмы Canon, НР).

Для того, чтобы уменьшить риск засыхания чернил в каналах головки,
предусматривается специальное положение ее парковки. В большинстве принтеров
предусмотрена функция очистки сопел. Тем не менее, все это не дает полной уверенности, что при эксплуатации печатающую головку не придется менять. Головка вместе с емкостями для чернил закрепляется на каретке, которая по специальной направляющей совершает возвратно-поступательное движение поперек листа бумаги.

В процессе печати лист бумаги перемещается вдоль тракта печати при помощи
специального механизма. Его основу составляет обрезиненный валик, приводимый во
вращение шаговым двигателем. К валику бумага прижимается вспомогательными
обрезиненными роликами. Протяжка происходит за счет сил трения при повороте валика.
В современных принтерах процесс подачи бумаги автоматизирован. В приемный лоток принтера можно заложить перед началом печати стопку бумаги, очередной лист из которой по мере необходимости автоматически будет захватываться, и подаваться в печатный тракт. Количество листов бумаги, которое может быть заложено в приемный лоток в разных моделях принтеров отличается, но обычно оно составляет 50-100 листов. Дальнейшее развитие идеи автоматизации привело к созданию принтеров, которые позволяют производить печать в автоматическом режиме, используя обе стороны листа. Правда, такие устройства еще достаточно дороги и используются лишь в некоторых дорогих моделях принтеров.

Синхронное взаимодействие всех механизмов принтера, а также его связь с
системным блоком ПК обеспечивается устройством управления. Это сложное
электронное устройство, представляющее собой мини-компьютер. Именно оно
осуществляет двухсторонний обмен информацией с ПК, хранение и необходимые
преобразования информации, формирование управляющих сигналов на рабочие органы
принтера. Для контроля за состоянием принтера обычно предусмотрены элементы управления и индикации. Управление осуществляется при помощи кнопок, а индикация - светодиодов. Число органов управления, как правило, невелико, а иногда они вообще отсутствуют, а управление принтером и индикация его состояния производятся при помощи самого ПК.

Для подключения принтера к ПК обычно используется параллельный порт.

Цветные струйные принтеры имеют более высокое качество печати по сравнению с
игольчатыми цветными принтерами и невысокую стоимость по сравнению с лазерными.
Цветное изображение получается за счет использования (наложения друг на друга)
четырех основных цветов. Скорость печати принтера в среднем 8 стр./мин. – чёрная, 7 стр./мин. – цветная. При черновой печати скорость струйного принтера значительно выше, чем у игольчатого и составляет до 10 страниц в минуту. Качество печати зависит от количества сопел в печатающей головке - чем их больше, тем выше качество. Большое значение имеет качество и толщина бумаги. Выпускается специальная бумага для струйных принтеров, но можно печатать на обычной бумаге плотностью от 60 до 160 г/кв.м., а в отдельных моделях реализована печать на поверхности компакт диска. В некоторых моделях для быстрого высыхания чернил применяется подогрев бумаги. Разрешение струйных принтеров при печати графики составляет от 300*300 до 4800*1200 dpi.

Основными параметрами струйных принтеров являются технология печати, разрешение, количество цветов.

Технология печати. Под технологией печати понимается способ формирования капли чернил. В пьезоэлектрических печатающих головках (принтеры Epson) капля формируется и выстреливается за счет пьезоэффекта, в пузырьковых головках (принтеры Canon, Hewlett Packard, Lexmark) капля выстреливается за счет давления пузырька пара, возникшего при нагревании чернил. В пузырьковых печатных механизмах сопла печатающей головки изнашиваются быстрее, поэтому головка совмещена с картриджем и меняется вместе с опустевшим баллончиком чернил. Пьезоэлектрические головки обычно несменные, а замене подлежат лишь баллончики с чернилами, хотя головка тоже является расходным материалом и может быть заменена.

Методу струйной печати уже почти сто лет. Лорд Рейли, лауреат нобелевской премии по физике, сделал свои фундаментальные открытия в области распада струй жидкости и формирования 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 как гальванометр, но оборудованное не измерительной стрелкой, а распылителем, с помощью которого регистрировались результаты измерений.
И даже теперь, спустя почти полвека, эта гениально простая система печати применяется, например, в медицинских приборах. Правда, жидкостный осциллограф способен печатать лишь кривые, а не тексты и графики. Эта эффективная схема была усовершенствована , и появился новый струйный принтер, функционирующий по принципу непрерывного распыления красителя или печати под высоким давлением. Разработчики воспользовались закономерностью, выявленной лордом Рейли: струя жидкости стремится распасться на отдельные капли. Нужно только чуть подправить случайный процесс распадения струи, накладывая с помощью пьезоэлектрического преобразования на струю красителя, выбрасываемую под высоким давлением (до 90 бар), высокочастотные колебания давления.

Таким способом может выбрасываться до миллиона капель в секунду. Их размеры зависят от геометрической формы сопел-распылителей и составляют всего лишь несколько микрон, а скорость, с которой они долетают до бумаги, достигает 40 м/с. Благодаря высокой скорости полета капель допускается использовать поверхности с сильными неровностями и в зависимости от требований к качеству печати размещать их на расстоянии 1-2 см от сопла-распылителя. В результате можно наносить маркировку, например данные о сроке годности товара на картонные коробки, бутылки, консервные банки, яйца или кабели. Эту технологию печати нетрудно узнать по точкам, кажущимся неравномерными и как бы обтрепанными.

С начала 70-х годов необычайно активизировалась исследовательская деятельность, направленная на создание систем без недостатков, свойственных системам печати под высоким давлением. Первое решение, найденное специалистами - печатающие головки с пьезоэлектрическими преобразователями, испускающие по запросу отдельные капли красителя.
Печатающие устройства с пьезоэлектрическими исполнительными механизмами.

Первые заявки на регистрацию изобретения систем струйной печати с пьезоэлектрическими исполнительными 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 1977 г. 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.
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.

Пьезопластины.
В начале 1985 г. 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 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.

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.

Функционирование пузырьково-струйного сопла-распылителя:

Схема термоструйной головки показана на рисунке 7.22:

1 – сопловая пластина;

2 – тонкопленочная плата;

3 – корпус;

4 – резервуар для чернил;

5 – микрорезистор;

6 – сопловое отверстие.

Рис. 7.22. Устройство печатной головки пузырьково-струйного принтера.

Сначала сильный импульс напряжения длительностью 3-7 мкс подается на крохотный нагревательный элемент (терморезистор 5), который мгновенно накаляется до 500^о С. На его поверхности температура превышает 300 ^о С. Мощность нагрева поверхности настолько велика, что при увеличении длительности импульса напряжения всего лишь на несколько микросекунд нагревательный элемент моментально бы разрушился. Сразу же в тонкой пленке (2) 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 (1, 6), при чем скорость полета капли достигает 10 м/с и более. Через 40 мкс пузырек, войдя в контакт с атмосферой, опять опадает, однако пройдет еще 200 мкс, пока новые чернила под действием капиллярных сил не будут поданы из резервуара (4). Поскольку при отключении тока тонкопленочный резистор так­же быстро остывает, паровой пузырь, уменьшаясь в размерах, «подсасывает» через входное отверстие сопла новую порцию чернил, которые занимают место «выстреленной» капли.

С самого начала пузырьково-струйные печатающие головки делились на две группы. Компания Canon, изобретатель системы, предпочла вариант Edgeshooter. Почти одновременно фирма Hewlett-Packard разработала головку типа Sideshooter, 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 40 гр. Цельсия;

- нe 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 350 гр. Цельсия.

Разрешение. Разрешение характеризует величину самых мелких деталей изображения, передаваем при печати без искажения. Измеряется обычно в dpi (dot per inch) – число точек на дюйм. Разрешение принтера соответствует разрешению черно-белого изображения (т.е. только черно-белая картинка с разрешением 300 dpi будет напечатана на принтере с разрешением 300 dpi без искажений). Для полутоновых и цветных изображений элементы изображения (пиксели) создаются за счет растрирования. При этом для грубой оценки можно считать, что полутоновое и цветное разрешение будет равно указанному двухцветному, деленному на восемь. В связи с этим важно отметить различные подходы двух ведущих производителей струйных принтеров Hewlett Packard и Epson к улучшению своих принтеров. Если Epson непрерывно повышает разрешение (данный момент составляет в большинстве моделей 1440*720), то Hewlett Packard повышает качество печати за счет уменьшения объема капель чернил и печати в несколько слоев (разрешение при этом составляет в большинстве моделей 600*600). На темных и насыщенных участках обе методики дают примерно одинаковый результат, а на светлых участках и плавных цветовых переходах сказывается недостаток малого разрешения (виден растровый рисунок).

Количество цветов. В черно-белых принтерах, которые уже практически не выпускаются печатающая головка была одна (Epson Stylus 200, HP DeskJet 520). В так называемых трехцветных принтерах можно устанавливать только один картридж либо с черными чернилами, либо тремя чернилами CMY (Cyan, Magenta, Yellow – голубой, малиновый, желтый), такие принтеры пригодны для эпизодической печати цветных иллюстраций (HP DeskJet 400, Lexmark 1020). В четырехцветных принтерах реализуется модель печати CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black) и применяется либо четыре отдельных картриджа, либо два – черный и цветной. Большинство современных принтеров четырехцветные, но наилучшее качество достигается при использовании шестицветных принтеров.

Формат бумаги струйных принтеров изменяется в диапазоне А4…А0.

Существуют модели принтеров, позволяющие вместо картриджа устанавливать сканирующую головку, что наделяет принтер возможностями простейшего рулонного сканера (некоторые модели Canon).

Основными расходными материалами струйных принтеров являются картриджи, в некоторых моделях совмещенные с печатающей головкой.

Многие струйные принтеры продаются по своей себестоимости и ниже, а основной доход производители получают от продажи расходных материалов, так стоимость недорогого принтера равна приблизительно стоимости 3-5 картриджей к нему.

Одним из способов снижения себестоимости черно-белой печати является заправка и их повторное использование. Такая возможность существует практически для всех принтеров, однако некоторые производители в этом случае отказываются т гарантии. Заправке лучше поддаются картриджи от пузырьковых принтеров, в то время как для принтеров с несменной головкой эксперименты по заправке слишком рискованны. Заправлять картридж следует не позднее суток с момента его исчерпания, иначе остатки чернил в соплах засыхают и картридж выходит из строя. Цветные картриджи заправлять не имеет смысла из-за невысоких объемов цветной печати, существенно худшего качества чернил и высокой стоимости комплекта заправки.