Струйный принтер

Принцип работы. Изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выбрасываемых на бумагу через сопло.

Сопла – канальные отверстия на печатающей головке, через которые разбрызгиваются чернила.

К

Рис. 26. Струйный принтер Epson Stylus С40; скорость печати (ч.-б./цв.), стр./мин. 8/3,9, разрешение, dpi 1440x720; формат A4; интерфейс USB; ресурс черного картриджа 300; ресурс цветного картриджа 150

Технологии печати струйных принтеров. Под технологией печати понимается способ формирования капли чернил. Существует несколько технологий печати, но наиболее распространены пьезоэлектрическая и термоэлектрическая.

1. Пьезоэлектрическая печать (piezoelectric или piezo ink-jet) основана на использовании обратного пьезоэффекта.

Пьезоэффект – способность некоторых материалов создавать электрический заряд при деформации (прямой пьезоэффект) или изменять свою форму под действием приложенного напряжения (обратный пьезоэффект).

При изготовлении пьезоэлектрической печатающей голов­ки можно использовать разные типы деформации актив­ных элементов. Они различаются по тому, каким образом изменяется форма активного элемента при приложении к нему электрического напряжения. В настоящее время наиболее широко используются два вида деформации – продольная и сдвиговая. На рис. 27 изображены два пьезоэлемента, работающие в этих режимах.

Конструкции печатающих головок зависят от вида деформа­ции. На рис. 28 изображена упрощенная схема сопла печатающей головки с использованием продольной деформации пьезоэлемента. Цифрами обозначены следующие части: 1 – пьезоэлемент; 2 – мембрана; 3– капля чернил; 4 – корпус сопла; 5 – камера с чернилами.

Рис. 27 . Виды деформации пьезоэлементов: А – изменение формы элемента при сдвиговой деформации (элемент после приложения напряжения изображен серым цветом); В – изменение формы элемента при продольной деформации (стрелками указаны направления поляризации материала, то есть направления, в которых наиболее ярко проявляются свойства материала)

Рис. 28 . Пьезоэлектрическая печатающая головка

(продольная деформация пьезоэлемента)

Принцип действия. При подаче на пьезоэлемент управляющего сигнала происходит изменение его формы, что создает давление на мембрану. Мембрана выгибается в сторону камеры с чернилами и вытесняет некоторое количество чернил через сопло. (Регулируя напряжение, приложенное к пьезоэлементу, можно контролировать размер вылетающих из сопла капель).

Пьезоэлектрические головки обычно несменные, меняются только баллончики с чернилами, хотя головка тоже считается расходным материалом и иногда выходит из строя. По такой схеме выпускаются, например, принтеры фирмы Epson и Oki.

Пьезоэлектрические печатающие головки более чувствительны к наличию в чернилах пузырьков растворенного воздуха, чем термоэлектрические. Причина этого явления в том, что воздух, в отличие от чернил, легко сжимается. Поэтому при подаче управляющего сигнала в камере будет происхо­дить не вытеснение чернил из сопла, а сжатие пузырька. Это приведет к сбою в системе контроля размера капель или выведет сопло из строя.

Следует сказать, что пьезоэлектрическая технология струйной печати применяется в принтерах, пред­назначенных для быстрого вывода высококачественных изоб­ражений. Качество печати повышается благодаря улучшенной передаче полутонов как для черно-белых, так и для цветных изображений. Несмотря на высокую стоимость, принтеры с таки­ми печатающими головками могут оказаться выгодными в эксплуатации из-за более низкой стоимости расходных материалов, чем у термоэлектрических. Однако при выходе головки из строя ремонт обойдется недешево.

2. Термоэлектрическая технология или пузырьково-струйная печать (thermal ink-jet или bubble-jet)(рис. 29, 30). В основе технологии лежит эффект расширения пузырька пара, образующегося при нагреве чернил.

Рис. 29. Разрез сопла термоэлектрической печатной головки

Цифрами на рис. 29 обозначены: 1 – корпус сопла; 2 – канал для подвода чернил к соплу; 3 – проводники управляющих сигналов; 4 – пузырек пара; 5 – нагревательный элемент; 6 – капля чернил.

Разработана она была в лабораториях фирмы Hewlett-Packard в 1979 году. Первый принтер термоэлектрической печатающей головкой был выпущен той же фирмой в 1984 году. Простота технологии определяет ее популярность и распространен­ность и в настоящее время.

В пузырьковых печатных механизмах сопла печатной головки изнашиваются быстрее, чем в пьезоэлектрических, поэтому головка совмещена с картриджем и меняется на новую вместе с опустевшим баллончиком чернил. Подобная система применяется, например, в принтерах фирм Hewlett-Packard, Lexmark и Canon.

Принцип действия. В каждом сопле печатающей головки (рис. 29) находится маленький нагревательный элемент. При пропускании тока через этот элемент он за несколько секунд нагревается до высокой температуры и отдает выделенное тепло непосредственно окружающим его чернилам. При резком нагревании образуется чернильный паровой пузырь, который старается вытолкнуть через выходное отверстие сопла каплю жидких чернил. При отключении тока резистор быстро остывает, паровой пузырь уменьшается в размерах, подсасывает через входное отверстие сопла новую порцию чернил, которая занимает место выстреленной капли.

На рис. 30 схематично изображено сопло термоэлектри­ческой печатающей головки в процессе формирования капли чернил.

Насколько хорошо будет работать термоэлектрическая печа­тающая головка, зависит не только от конструкции, качества изго­товления и материалов, но и от используемых для печати чернил. Чернила должны подходить для печати на термо­электрическом струйном принтере, то есть иметь требуемую вязкость, температуру кипения рас­творителя чернил. Отклонения любого из этих параметров могут привести к ухудшению качества печати или к выходу печа­тающей головки из строя. Повреждение головки (закупоривание сопел) могут вызвать и посторонние примеси, оказавшиеся в чернилах. Поэтому чернила стоят дорого.

Существуют различные методы улучшения качества распе­чатанных изображений с использованием термоэлектричес­кой печати. В основном эти методы основаны на уменьшении размеров капель чернил, выстреливаемых из сопел печата­ющей головки. Это позволяет уменьшить размер точек, из которых строится изображение, то есть увеличить разреша­ющую способность принтера.

Большим преимуществом принтеров с термоэлектрически­ми печатающими головками является простота в обслужи­вании. Самой чувствительной к различным неблагоприят­ным воздействиям и самой недолговечной частью струйного принтера является печатающая головка. При выходе из строя печатающей головки сменный картридж можно легко и быстро заменить.

Струйные термоэлектрические принтеры имеют относительно низкую стоимость, но расходные материалы могут обойтись неде­шево. Стоимость печати одного листа на таком принтере выше, чем у матричных и лазерных принтеров.

Цветная печать на струйном принтере. Для многих принтеров выпускаются как черные, так и цветные картриджи. В составе цветных картриджей обыч­но имеются емкости с чернилами базовых цветов: красными, жел­тыми и синими. Смешение этих цветов позволяет получать требуемые оттенки в рамках цвето­вой модели CMY (Cyan-Magenta-Yellow – голу­бой-красный-желтый), поскольку каждый оттенок может быть каким-либо образом разло­жен на несколько компонентов – базовых цветов, комбина­цией которых он является. Смешение базовых цветов в раз­ных пропорциях позволяет получать различные цвета и оттенки.

В принтерах с возможностью цветной печати, можно установить только один картридж либо с черными чернилами (Black), либо с тремя чернилами базовых цветов. Черный цвет при использовании такого картриджа получается смешением этих цветов. В четырехцветных принтерах реализуется модель печати CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Black) и применяются либо четыре отдельных картриджа, либо два: черный и цветной. Существуют шестицветные (кроме вышеуказанных цветов, еще голубой и розовый) принтеры. Производители для повышения качества изображений увеличивают количество цветов чернил. Например, могут использоваться краски оттенков серого цвета.

Цветная печать получается методом наложения базовых цветов друг на друга или поблизости (в зависимости от технологий) на бумагу.

Достоинства, недостатки, применение. Струйные принтеры дают отно­сительно высокую скорость печати при высоком качестве.

Очевидным преимуществом струйной технологии печати пе­ред многими другими является то, что она легко обеспечивает цветную печать. Стоимость современного струйного принтера, способного печатать цветные изображения, практически не отличается от стоимости черно-белого струйного принтера. Для сравнения: цветной лазерный принтер может отличаться по стоимости от аналогичного черно-белого в несколько раз. Некоторые модели струйных принтеров могут работать в режиме фотопечати, то есть обеспечи­вают качество изображения, близкое к фотографии.

Струйные принтеры относительно тихо работают: громче, чем лазерные, но заметно тише, чем матричные.

Мно­гие принтеры этого типа могут печатать не только на бумаге, но и на специальных пленках для проекторов.

Основной недостаток струйных принтеров – высокая стоимость расходных материалов. В некоторых случаях стоимость сменного картриджа может составить до половины стоимости нового принтера. При этом, по числу страниц, которые можно отпечатать с помощью одного картриджа, струйные принтеры уступают и матричным, и лазерным.

Следует также отме­тить, что струйные принтеры, как правило, адаптиро­ваны к бумаге довольно узкого диапазона по плотности и толщине, а печать на слишком плотной бумаге может вызвать поломку механизмов. Неплотная бумага промокает, что делает невозможным печать на обратной стороне листа.

Кроме того, при нечастом использовании принтера возможно засыхание чернил в соплах.

Таким образом, струйный принтер можно рекомендовать для использования дома или в офисе, где не требуется много и часто печатать, но желательно получать распечатки высо­кого качества. Если необходима печать на специальных пленках, то оптимальным решением в большинстве случа­ев будет также струйный принтер. Струйные принтеры боль­ших форматов применяются для печати плакатов и конст­рукторской документации.

3. Лазерная печать – для формирования изображения используется свойство фоточувствительности ряда материалов, которые изменяют свой поверхностный электростатический заряд под воздействием света.

Лазерный принтер (рис. 31)

По способу формирования скрытого электростатического изображения существуют две разновидности принтеров: собственно лазерные принтеры и принтеры на светодиодах (LED-принтеры). Во всем остальном, кроме способа формирования скрытого электростатического изображения, принтеры этих двух ти­пов идентичны, используют принцип лазерной печати (электро­фотографии).

Рассмотрим более подробно печатающий блок лазерного принтера. На рис. 32 цифрами обозначены:

1. Коротрон – устройство для создания коронного разря­да. Устроен коротрон очень просто – он состоит из ме­таллических нити и экрана, на которые подается высокое напряжение. Под напряжением находящийся между ни­тью и экраном газ ионизируется и возникает коронный разряд. Ионизация газа используется для нанесения за­ряда на фоточувствительный барабан. Поскольку под воздействием высокого напряжения кислород воздуха преобразуется в озон, обладающий характерным запа­хом, лазерные принтеры, особенно мощные, надо уста­навливать в помещениях с хорошей вентиляцией. В высокой концентрации озон ядовит.

2. Фоточувствительный барабан – главная деталь печата­ющего блока. Именно свойства барабана (точнее, его покрытия) позволяют реализовать лазерную печать. По­крытие барабана должно обладать фотоэлектрическими свойствами (изменять свой заряд под действием света). Эти свойс

Рис. 31. Лазерный принтер Canon LBP 810; скорость печати (ч.-б.), стр./мин. 8

Разрешение, 600x600 dpi; формат A4.

Интерфейс USB, LPT; память 512 Кбайт; ресурс черного картриджа 2500 листов А4

3. Луч (лазера или светодиода) используется для создания на фоточувстви­тельном барабане скрытого электростатического изоб­ражения. Процесс заключается в перераспределении зарядов в фоточувствительном слое барабана под дей­ствием света. Для формирования на барабане изображения необходи­мой интенсивности луч должен обладать достаточно большой энергией, что требует применения в принтере мощного лазера (его луч может быть опасен для глаз и кожи человека).

4. Бункер с красителем (тонером). В разных моделях прин­теров применяют разные составы красителей. Обычно бункер является частью сменного картриджа. Для проявления скрытого изображения необходимо нанести на поверхность фотоэлектрического барабана слой по­рошкообразного красителя (тонера). Для его доставки к фоточувствительному барабану используется магнит­ный порошок – девелопер. Он состоит из частиц маг­нитного материала, имеющих полимерное покрытие. В зависимости от типа принтера тонер может быть од­нокомпонентный или двухкомпонентный. Одноком­понентный тонер чаще всего применяется в лазерных принтерах и состоит из смеси красителя, полимерного порошка и девелопера. Такой состав позволяет упрос­тить конструкцию принтера, но расходные материалы при этом будут стоить дороже. Двухкомпонентный то­нер состоит из отдельно заряжаемых в принтер тонера (краситель и полимер) и девелопера. Смешивает их специальный дозатор в бункере. За счет электризации при трении частиц девелопера и тонера происходит их слипание.

Рис. 32. Печатающий блок лазерного принтера: 1 – коротрон, 2 – фоточувствительный барабан, 3 – луч лазера, 4 – бункер с красителем, 5 – магнитный барабан, 6 – носитель изображения, 7 – вал переноса, 8 – нагревательный вал, 9 – прижимной вал

После переноса тонера на фоточувствитель­ный барабан девелопер собирается и используется зано­во. Это требует применения системы очистки магнитного барабана и дозирующей системы, но позволяет снизить стоимость расходных материалов.

5. Магнитный барабан служит для переноса тонера на фото­чувствительный барабан. Он состоит из полого вала, внутри которого размещаются постоянные магниты. Маг­нитный барабан притягивает к себе частицы девелопера с налипшими на них частицами тонера и проносит их мимо фоточувствительного барабана. Противоположный заряду электростатического изображениия на фотобарабане заряд частиц способствует их переходу на фоточув­ствительный барабан.

6. Носитель изображения (бумага или пленка).

7. Вал переноса служит для переноса красителя с фото­чувствительного барабана на носитель. На нем создается магнитное поле более сильное, чем на фотобарабане, что способствует переносу тонера на носитель. Носитель при­жимается к фоточувствительному барабану, и на него переходит тонер.

8. Нагревательный вал совместно с прижимным валом (см. ниже) образует нагревательный блок принтера. Часто этот блок называют печкой или фьюзером. Высо­кая температура печки необходима для закрепления кра­сителя на носителе. Нагревательный вал представляет собой полый вал с покрытием, исключающим прилипание красителя к валу (например, тефлоновым). Для нагрева вала используется размещенная внутри него кварцевая лампа. В некоторых принтерах вместо нагрева­тельного вала используют неподвижный нагревательный элемент, отделенный от носителя тефлоновой пленкой. Нагревательные элементы с лампой потребляют больше электроэнергии и дольше прогреваются (из-за необхо­димости прогрева лазерный принтер не может работать сразу после включения), однако он имеет больший ре­сурс работы, чем элемент с пленкой, и может работать при больших скоростях движения бумаги.

9. Прижимной вал служит для прижимания носителя к на­гревательному валу (или нагревательному элементу).

А. Собственно лазерные принтеры.

Основное свойство лазеров (оптических квантовых генераторов, от англ. LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света стимулированным выбросом излучения) – способность генерировать когерентное излучение, сфокусированное в узкий пучок, обладающий большой энергией.

Изображение в них наносится на барабан при помощи одного лазерного луча, построчно сканирующего поверхность бараба­на и изменяющего свою яркость для формирования «темных» и «светлых» участков скрытого изображе­ния.

Принцип печати (рис. 33). Генератор излучения (лазер) испускает лазерный луч при подаче управляющего сигнала. Оптическая система, состоящая из системы зеркал и линз, направляет луч на специальное поворотное зеркало (призма с зеркальными гранями), которое обеспечивает простой способ отклонения луча света. Этот метод применяется для перемещения луча вдоль поверхности фотобарабана.

Лазерный луч скользит вдоль светочувствительного барабана, причем его яркость меняется скачкообразно (поточечно), заряжая цилиндр в соответствии с изображением, предназначенным для печати. После зарядки и поточечной засветки светочувствительного барабана, соответствующей формируемому изображению, на барабан подается и закрепляется в соответствии с распределением электрического заряда специальный красящий порошок – тонер. Далее по барабану прокатывается бумага и снимает с него тонер. Окончательное закрепление изображения на бумаге достигается ее разогревом в термоузле до температуры расплавления тонера.

Рис. 33. Источник излучения лазерного принтера: 1 – генератор излучения (лазер), 2 – оптическая система, 3 – поворотное зеркало (призма), 4 – фоточувствительный барабан; 5 – луч

Несложно заметить, что «традиционный» лазерный прин­тер имеет довольно сложную конструкцию. Многие детали, такие как компоненты оптической системы или поворотное зеркало, должны изготавливаться с высокой точностью, от которой зависит качество работы принтера в целом. Это повышает стоимость таких принтеров. Оптическая система лазерного принтера крайне чувстви­тельна к пыли и внешним воздействиям. Оседание пыли на линзах и зеркалах приводит к ухудшению их характерис­тик. Во время печати такой луч не может в достаточ­ной мере воздействовать на покрытие фоточувствительного барабана, что приводит к ослаблению изображения и ухудше­нию точности его воспроизведения. Вибрации и удары мо­гут вызвать смещение деталей или их повреждение. Все это также ухудшит качество получаемого изображения, а в не­которых случаях может вывести принтер из строя.

Б. Принтеры на светодиодах (LED-принтеры).

LED (Light Emitting Diode)-принтеры получили свое название благодаря замене лазера в них линейкой мельчайших светодиодов. В данном случае не требуется сложная оптическая система вращающихся зеркал и линз, что позволяет реализовывать менее дорогие решения (рис. 34).

Рис. 34. Источник излучения LED-принтера: 1 – линейка светодиодов,

2 – фоточувствительный барабан

Таким образом, изоб­ражение высвечивается на барабане не одним лу­чом, а лучами от линейки светодиодов, расположен­ных вдоль оси барабана. Принтеры такого типа могут обеспечить более высокую скорость печати, чем прин­теры с одним лучом, но их разрешающая способность жестко ограничена числом и плотностью расположе­ния светодиодов в линейке. В области светодиодных принтеров специализируется компания OKI.

По конструкции LED-принтер значительно проще лазер­ного принтера с традиционным источником излучения. Малое число элементов и отсутствие движущихся деталей (таких, как поворотное зеркало) позволяют добиться высо­кой надежности и неприхотливости в эксплуатации. Хотя попадание пыли на линзы светодиодов может ухудшить качество изображения, поверхность линейки легко очища­ется. Поскольку линейка является монолитной, она мало­чувствительна к тряске и ударам.

Достоинства, недостатки, рекомендации. Основные достоинства лазерных принтеров: высокое качество и высокая скорость печати.

Несмотря на то, что данные принтеры являются самыми дорогими среди аналогичных по формату принтеров других типов, од­нако, если документооборот в фирме большой, то по стоимости расходных материалов – наиболее выгод­ными в эксплуатации.

Низкая стоимость печати од­ного листа получается из-за того, что хотя расходные материалы к лазерному прин­теру стоят недешево, одной заправки хватает на печать не­скольких тысяч листов.

Современные лазерные принтеры часто используются в качестве сетевых принтеров. При этом возможна печать документов с разных компьютеров, подключенных к одной сети.

Для получения качественных распечаток необходимо, чтобы поверхность барабана была ровной и не имела царапин. Царапины и неровности проявятся на носите­ле в виде полос и пятен. Следует избегать прикоснове­ний к барабану при обслуживании принтера, а также использования некачественного красителя.

Основным недостатком является высокая стоимость самих прин­теров. Кроме того, при использовании лазерной техноло­гии сложно организовать цветную печать. Цветные лазерные принтеры существуют, но имеют очень высокую стоимость, поскольку для этого требуются печатающие блоки для каждого из базовых цветов модели CMY (синий, красный, желтый).

Для работы принтера, оснащенного перечисленными выше устройствами, требуется много энергии. Поэтому лазерные принтеры имеют высокую потребляемую мощность.

Носитель, на который осуществляется печать, входит в непосред­ственный контакт с фоточувствительным барабаном, поэтому следует внимательно относиться к плотности бумаги, на которую рассчитан принтер. Использование слишком плотной бумаги может привести к поврежде­нию поверхности барабана и ухудшению качества печати. При печати на пленке, предназначенной для использо­вания в проекторах, следует обратить внимание на ее температуру плавления. Поскольку для закрепления изображения используется высокая температура (см. ниже), пленки некоторых типов могут расплавиться в нагрева­тельном блоке и испортить его.

Указанные достоинства делают лазерные принтеры очень удобными для использования в офисах, где необходимо часто и много печа­тать и где предъявляются высокие требования к качеству печати, но нет необходимости печатать цветные изображения.

4. Термоэлектрическая печать –- получение изображения на специальной бумаге, темнеющей под действием теп­ла.