Что такое пьезоэлектрическая струйная печать? Пьезоэлектрическая струйная печать это

Вконтакте

Одноклассники

Первый пьезоэлектрический принтер был изготовлен компанией Siemens в 1977 году. В качестве электромагнитного преобразователя в нём использовались пьезоэлектрические трубочки, окружённые литой пластмассой. Инициатива Siemens была подхвачена компанией Epson , которая в начале 1985 года представила на суд общественности свой первый пьезоэлектрический принтер Epson SQ-870/1170.

Вместо пьезоэлектрических трубочек, окружённых пластмассой, компания Epson использовала встроенные в печатающую головку небольшие плоские пьезокристаллические пластинки. Двумя годами позже компания Dataproducts предложила использовать в струйных принтерах пластинчатые пьезопреобразователи – плоские длинные пластинки (ламели), связанные с вибрирующим мениском (диафрагмой) чернильного резервуара. Компания Epson по достоинству оценила инновацию Dataproducts, и начиная с 1994 года стала оснащать пластинчатыми преобразователями все принтеры серии Epson Stylus.

Сегодня Epson – это единственная в мире компания, выпускающая пьезоэлектрические принтеры. Для поддержания своего монопольного положения Epson запатентовала технологию пьезоэлектрической печати во всех странах мира. Для этого ей пришлось получить более 4 000 патентов.

Технология пьезоэлектрической печати наглядно показана на рисунке ниже. Раскроем её основные этапы.

Технология пьезоэлектрической печати

Под воздействием электрических импульсов пластинчатый пьезопреобразователь (ламель) выгибается и оказывает давление на мениск чернильного резервуара, к которому он прикреплён. Резервуар, сокращаясь под давлением ламеля, действует по принципу насоса, и выталкивает из сопла микроскопические порции чернил, которые распыляются на бумагу. После вылета чернильной капли ламель получает противоположное напряжение и выгибается в обратную сторону, увлекая за собой мениск резервуара. Объём резервуара при этом увеличивается, за счёт чего в него затягивается новая порция чернил.

Пластинчатые преобразователи совмещают в себе преимущества как трубчатых, так и плоских систем – компактную конструкцию и высокую частоту распыления чернил.

Пьезоэлектрическая печать включает в себя три важных компонента, гарантирующих её качество:

1. активный контроль мениска;
2. печать микрокаплями;
3. регулирование объёма капель.

Активный контроль мениска (Active Meniscus Control) и отсутствие термоэлементов в пьезоэлектрических принтерах предотвращают появление капель-сателлитов (спутников), вылетающих из сопел вслед за основными каплями. Это позволяет избежать ореола вокруг изображения, придаёт отпечаткам отчётливость и улучшает цветопередачу.

Пьезоэлектрический принтер Epson

Пьезоэлектрические принтеры Epson печатают микрокаплями, объём которых составляет всего 2 пл – это самый маленький объём капель среди струйных принтеров (для сравнения: объём микрокапель Lexmark – 3 пл, HP – 4 пл). Микроскопичность чернильных капель, получаемых в процессе пьезоэлектрической печати, позволяет добиться высокого качества и разрешения изображений. Максимальное разрешение пьезоэлектрических принтеров Epson, представленных на российском рынке, составляет 2880х1440 dpi.

Диаметр сопел в пьезоэлектрических принтерах Epson больше диаметра сопел в термоструйных принтерах, что позволяет регулировать размер чернильных капель (Variable Size Droplet технология). Использование микрокапель повышает качество изображения, но снижает скорость печати. Чтобы ускорить процесс печати при удовлетворительном качестве отпечатка пользователь может увеличить объём микрокапель. При этом скорость печати значительно повысится.

Печатающая головка пьезоэлектрического принтера – дорогое высокотехнологическое изделие. Она монтируется на каретке принтера. Соответственно, пьезоэлектрические картриджи – это так называемые «чернильницы» без печатающей головки. По заявлению компании Epson ресурс обычной печатающей головки пьезоэлектрического принтера составляет 5 лет, широкоформатного принтера – 10 лет.

Капельно-струйные технологии

В капельно-струйных технологиях капля образуется только тогда, когда это требуется для создания изображения. Создание и направление к запечатываемому материалу капель в этих устройствах происходит под действием давления. Для того чтобы чернила выбрасывались из сопла по одной капле, повышение давления должно иметь характер кратковременного импульса.

Капля может образоваться либо посредством изменения температуры (пузырьковая струйная технология) (рис. 19.3, а), либо объёма камеры в сопловом канале (пьезоструйная технология) (рис. 19.3, б).

Капельно-струйная печать (рис. 19.3) классифицируется по способу образования отдельных капель.

При термической струйной печати (рис. 19.3, а) это происходит при нагревании жидкой краски до ее испарения. Под давлением пузырька пара из сопла выбрасывается капля краски – отсюда и название ʼʼпузырьковая струйная печатьʼʼ.

На рис. 19.11 показано, как из сопла при нагревании и образовании пузырька выпускается капля краски, а канал подготавливается для очередного цикла работы.

Рис. 19.11 – Образование капли при термической струйной печати

Современные технологии термической струйной печати позволяют создавать капли диаметром 35 мкм . Частота испускания капель находится в диапазоне от 5 до 8 кГц . Разрешающая способность устройств зависит от объёма (диаметра) капель. При диаметре капель 35 мкм достигается разрешение 600 dpi , при этом диаметр точки на оттиске составляет 60 мкм . На разрешение влияет также вязкость краски, впитывающая способность бумаги и т. д.

Печатающие устройства, использующиеся в настольных издательских системах, оснащены преимущественно головками термической струйной печати. Для каждой краски (при многокрасочной печати) в них применяется отдельный элемент. Часто используется отдельная головка только для наиболее употребляемой черной краски, а для голубой, пурпурной и желтой – общая. Выпускается высокопроизводительное оборудование с разрешением в 600 dpi с частотой капель, к примеру, в 8 кГц . Οʜᴎ имеют записывающие головки с 300 соплами. Конструкция головки имеет многорядное расположение сопел со смещением, чтобы получить крайне важно е разрешение и возможность управления.

Достоинством этого печатающего устройства является простота конструкции сопел. Помимо низкой стоимости изготовления, такие устройства имеют также ряд других преимуществ:

‣‣‣ высокая надежность каждого сопла; упрощенная конструкция головки уменьшает размер печатающего узла, поскольку не требуется замена сопел;

‣‣‣ тонкие и конструктивно простые сопла могут располагаться плотнее и ближе друг к другу, что увеличивает разрешающую способность печати;

‣‣‣ бесшумная работа печатающей головки.

Главными достоинствами термоэлектрических каплеструйных печатающих устройств являются достаточно высокое качество печати и низкая цена печатающей головки .

Ведущими производителями печатных систем, работающих по данной технологии, являются фирмы Hewlett-Packard и Canon .

Рисунок 19.3 – Капельно-струйная печать

Термическая струйная печать - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Термическая струйная печать" 2017, 2018.

По принципу работы струйные принтеры напоминают матричные, только вместо иголок ударяющих по красящей ленте, краска в струйных принтерах наносится непосредственно на бумагу каплями краски через очень малые отверстия называемые дюзами.

В настоящее время на рынке струйных печатающих устройств наибольшее распространение получили две технологии печати: термоструйная , в которой активизация краски и ее выброс происходят под действием нагрева, и пьезоэлектрическая , в которой выброс краски происходит под давлением, создаваемым колебанием мембраны.

Это принципиально разные технологии, имеющие свои плюсы и минусы.

Пьезоэлектрическая печать использует способность пьезокристаллов деформироваться под воздействием электрического тока. Это позволяет контролировать размер капли, толщину струи и даже скорость выброса капли на бумагу. Всё это позволяет получать изображения высокого разрешения. Также плюсом этой технологии является естественность цветопередачи, а это одно из условий качественной печати фотографий. Технология пьезопечати изобретена и запатентована фирмой Epson . Brother применяет обе технологии.

На сегодняшний день пьезоструйная печать является самой надежной по отношению к другим. При правильном уходе срок службы головки сравним со сроком службы самого печатающего устройства. Как правило пьезоэлектрическая печатающая головка является стационарной, то есть не заменяемой вместе с картриджем. Но вместе с этим есть ряд проблем, таких как очень дорогой ремонт и замена головки. Кроме того, пьезоструйные головки склонны к высоким требованиям к чернилам, возможности проникновения воздуха при замене картриджей или в случае, когда чернила заканчиваются в СНПЧ. При редкой печати сопла головки имеют склонность к закупориванию или косострую. Но если вы часто печатаете, лучше пьезоструйной головки не найти.

В термоструйной технологии подача чернил на бумагу происходит посредством нагревания, применяя температуру до 600 С. При этом качество термоструйной печати на порядок хуже пьезоструйной печати. А всё из-за взрывного характера капли и появления сателлитов, или капель-спутников. Отсюла искажения высококачественных изображений при печати. Кроме того, в следствии температуры образуется нагар и накипь, забивающие дюзы и приводящие к ухудшению цветопередачи, принтер начинает полосить. Кроме того перепады температуры способствуют разрушению печатающей головки, которая сгорает при перегреве. Это основной минус таких ПГ. Но, как правило, термоструйные пг менне дорогие, чем пьезоструйные пг и совмещены с картриджем. В следствии чего их заменяют более часто и с меньшими финансовыми затратами.

Внимание! Если термоструйные картриджи по ошибке заправить чернилами для пьезоэлектрической печати, то последствия могут быть плачевными.

Вступление

Наверное, каждому из нас хотелось бы узнать, как же устроен картридж в принтере, как же там все работает. И как компаниям, производящим принтеры удается достичь такого потрясающего качества печати и разрешения. На момент написания статьи компания Lexmark достигла разрешения 4800x1200 в принтере z65.

Зарождение технологии

В недалеком прошлом несколько, пока неизвестных компаний начали задумываться, как же упростить жизнь себе и пользователю и не мучаться с печатной машинкой и матричными принтерами которые к тому же сильно шумят. Хотелось, чтобы краска сама наносилась на поверхность бумаги. И вот разработку термической технологии начали в 1984 г. компании HP и Canon. Сначала дело шло медленно и требовало много денег, никто не хотел вкладывать деньги в неизвестное будущее. Фирма Hewlett-Packard создала первый струйный принтер с использованием пузырьковой технологии ThinkJet в 1985 году. Сейчас Canon и Hewlett-Packard владеют большинством патентов на эту технологию и, путем обмена лицензиями, им удалось захватить практически весь мировой рынок. И только в 1990-х гг. удалось добиться приемлемого уровня качества, скорости работы и стоимости. Позже к HP и Canon с целью дальнейшей работы над термическими принтерами присоединилась компания Lexmark, и это привело к созданию сегодняшних принтеров с высоким разрешением.
Как видно из названия, в основе термического (или электротермического) формирования струи лежит увеличение температуры жидких чернил под действием электрического тока. Это повышение температуры обеспечивается нагревательным элементом, находящимся в эжекционной камере (проще говоря в картридже). При этом некоторая часть чернил испаряется, в камере быстро нарастает избыточное давление, и из эжекционной камеры через сопло выбрасывается маленькая капелька чернил. В течение одной секунды этот процесс многократно повторяется. Представляете, как нужно было инженерам извращаться, чтобы получить данный результат. Далее поподробней…

Термическая система выброса капель

Качество печати, скорость и эффективность работы определяются многими факторами, но главными факторами, определяющими поведение чернил при необходимых температурах и давлениях, являются конфигурация эжекционной камеры, а также диаметр и точность изготовления сопла. Традиционные цветные струйные принтеры способны наносить до двух капель чернил в пределах точки. Используя чернила четырех основных цветов (черного, голубого, пурпурного и желтого) и нанося две капли чернил в пределах точки, традиционный струйный принтер воспроизводит до восьми различных цветов на точку. К этим восьми цветам относятся белый, черный, голубой, пурпурный, желтый, красный, зеленый и синий цвета. Дополнительные цветовые оттенки создаются путем полутонирования, предусматривающего нанесение цветных точек в границах определенной области изображения таким образом, что при взгляде на распечатку данная область выглядит как цветовой переход, имеющий новый оттенок. На поведение чернил при нагревании и выбросе 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 (выпуклая или вогнутая поверхность жидкости в узких трубках или между близко расположенными твердыми стенками) в сопле после эжекции и повторное заполнение эжекционной камеры (рис 1).

Механическое создание термической струи

Шаги формирования и выброса капли
Шаг первый - создаем избыточное давление
Формирование термической чернильной струи начинается в печатающей головке картриджа (рис 2). 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! К счастью, 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, разве это не может не радовать.

Шаг второй - попробуем сформировать чернильную каплю.
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 (рис. 3). Пузырек пара образуется при очень высокой температуре, и поэтому давление пара в нем огромное - около 125 атмосфер, т. е. в четыре раза больше давления, создаваемого в современных бензиновых двигателях внутреннего сгорания.
Шаг третий - охлаждаем камеру
Такой пузырек, обладающий громадной энергией, действует как поршень, выбрасывающий чернила из сопла на страницу со скоростью 1270 сантиметров в секунду (рис. 4). Образующаяся при этом капля весит всего 18 миллиардных долей грамма! По командам, поступающим от драйвера принтера, 400 сопел могут активизироваться одновременно в любых сочетаниях.

Шаг четвертый - заполняем камеру
Повторное заполнение камеры эжекционной камеры занимает менее 100 миллионных долей секунды, после чего камера вновь готова к работе (рис. 5). В термических струйных принтерах цикл, включающий формирование и выброс чернильной капли, охлаждение и повторное нагревание камеры, может повторяться до 12 тысяч раз в секунду.
Пройдемся немного по фактам.
Вот некоторые данные, характеризующие процесс образования пузырьков они просто потрясают, когда я лично увидел эти цифры, то не поверил, хотел найти еще доказательств, и когда чу3ть ли не в каждом источнике были эти цифры я поверил, так, что поверьте и вы.

Тепловой поток у поверхности:
o нагревательного элемента = 109 Вт/м2
o Солнца = 108 Вт/м2
o Нагревание в тонком слое до температуры 600°C
o Точка плавления алюминия = 660°C
o Начальное давление в пузырьке - 125 атм
o Таково давление в океане на глубине 1 000 м
Различия между "пузырьковой струей" и "чернильной струей"

Кажется, что почти одинаковая технология, везде используется струя, но попробуем найти различия. Хотя первоначально струйная технология создавалась компаниями HP и Canon, сейчас термин "пузырьковая струя" стал ассоциироваться с Canon, практически отделившись от технологии "чернильной струи", которую разрабатывают Lexmark и НР.
Однако в действительности оба этих термина обозначают почти идентичные системы. Единственное серьезное различие между ними состоит в том, что в системе "пузырьковой струи" Canon вектор процесса испарения чернил и формирования пузырька не совпадает с направлением оси, проходящей через нагревательный элемент и сопло, а ориентирован под углом 90° к нему. Замудренное предложение, но я думаю, что читатели люди образованные и поняли, что я хотел сказать.

Чернильные картриджи

Так как делиться струйная технология, также можно и делить тип картридже используемых в принтерах. 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. Да, кстати картриджи у которых печатная головка вместе с картриджем и стоит дороже, но на это можно закрыть глаза, так как при замене картриджа вы получаете новую печатающую головку и новое, хорошее качество.

Изготовление печатающих головок

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 этой сфере решаются действовать очень немногие компании.

Пример моноблочного картриджа

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.

Расположение и число сопел

Печатающая головка представляет собой совокупность множества микро комплектов, 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 в сантиметр (точнее 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.

Перспективы

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 головками, 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.

Преимущества и недостатки

Как и у каждой технологии здесь присутствую свои преимущества и недостатки. 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. Отсутствие какого-либо звука при работе печатающей головки. Как я не искал, но недостатки обнаружить мне не удалось. Может в скором будущем они появятся, а пока на этом всё, думаю мой обзор нанесения краски на бумагу окончен и ты мой дорогой читатель получил полезную информацию и у меня не зря было потрачено время на поиск информации и изложение ее на страницах журнала.

Вконтакте

Одноклассники

Технология термоструйной печати основана на свойстве чернил увеличиваться в объёме при нагревании. Разогретые чернила, увеличиваясь в объёме, выталкивают в сопла печатающей головки принтера микроскопические чернильные капли, которые формируют изображение на бумаге. В общем виде технология термоструйной печати представлена ниже.

Технология термоструйной печати

Термоструйная печать – это наиболее популярная технология струйной печати, которая используется при производстве 75 % струйных принтеров.

Удельный вес принтеров, использующих термоструйную технологию печати

Наибольший вклад в развитие технологии термоструйной печати внесли корпорации Canon и HP , которые в 70-х годах ХХ века независимо друг от друга разработали две технологии печати: Bubble Jet (Canon) и Thermal Inkjet (HP).

Технологии термоструйной печати

Технология термоструйной печати Bubble Jet была представлена на суд общественности в 1981 году на выставке «Grand Fair». В 1985 году с использованием инновационной технологии был выпущен легендарный монохромный принтер Canon BJ-80, в 1985 году – первый цветной принтер Canon BJC-440.

Схематичное изображение технологии струйной печати Bubble Jet

Суть технологии струйной печати Bubble Jet заключается в следующем. В каждое сопло печатающей головки встраивается терморезистор (нагреватель) для мгновенного разогрева чернил, которые при температуре свыше 500°С, испаряясь, образуют пузырь, выталкивающий каплю чернил наружу. Затем терморезистор отключается, чернила охлаждаются и пузырь исчезает, а зона пониженного давления затягивает новую порцию чернил.

Интересно, что чернила разогреваются до температуры 500°С всего лишь за 3 микросекунды, а капли вылетают из сопла со скоростью 60 км/ч. Ежесекундно в каждом сопле печатающей головки цикл нагревания и охлаждения чернил повторяется 18 тысяч раз.

Вторая технология струйной печати - Thermal Inkjet – начала разрабатываться компанией HP в 1984 году, но первый принтер ThinkJet, основанный на данной технологии печати, был внедрён в массовое производство значительно позднее.

Схематическое изображение технологии струйной печати Thermal Inkjet

Технология Thermal Inkjet основана на том же принципе печати, что и технология Bubble Jet, с той лишь разницей, что в принтерах, использующих технологию Bubble Jet, терморезисторы расположены в микроскопических соплах печатающей головки, а в принтерах, использующих технологию Thermal Inkjet, они находятся непосредственно за соплом.

Таким образом, технологии Bubble Jet и Thermal Inkjet различаются лишь в деталях.

Основными преимуществами термоструйной печати перед пьезоструйной являются отсутствие движущихся механизмов и стабильность работы. Наряду с этим термоструйная печать имеет один существенный недостаток: она не позволяет контролировать размер и форму чернильных капель. Кроме того, когда чернильные капли вылетают из сопла печатающей головки, вместе с ними вырываются капли-спутники (сателлиты), образующиеся при закипании чернил. Появление таких «спутников» может быть спровоцировано нестабильной вибрацией чернильной массы во время её выброса из сопла. Именно капли-спутники являются причиной образования нежелательного контура («чернильного тумана») вокруг отпечатка и смешения цветов в графических файлах.