Как печатает струйный принтер
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. Что ж, проведем небольшой ликбез "для чайников".
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.
Термическая технология
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.
По материалам, предоставленным российским представительством компании Lexmark.
Денис Лавникевич
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. Что ж, проведем небольшой ликбез "для чайников".
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.
Термическая технология
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.
По материалам, предоставленным российским представительством компании Lexmark.
Денис Лавникевич
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 10 за 2003 год в рубрике hard :: технологии
