Функциональные особенности струйного принтера
Оглавление
Оглавление
Введение
. Функциональные особенности струйного принтера
.1 Назначение и классификация принтеров
.2 Классификация принтеров по принципу переноса изображения на носитель
.3 Принцип работы струйного принтера
.4 Способы распыления красителя в струйном принтере
.5 Устройство струйного принтера
Заключение
Список литературы
Введение
Первой фирмой, изготовившей струйный принтер, является «Hewlett-Packard». Эра домашних принтеров началась с 1985 года, когда на рынке появились принтеры «LaserJet» от «Hewlett-Packard» и «LaserWriter» от «Apple Computer». В 1981 году термическая технология струйной печати была представлена на выставке «Canon Grand Fair». В 1985 году - появилась первая коммерческая модель такого монохромного принтера - «Canon» BJ-80, в 1988 году появился первый цветной принтер - BJC-440 формата A2, разрешением 400 dpi.
По принципу действия струйные принтеры отличаются от матричных безударным режимом работы за счет того, что их печатающая головка представляет собой набор не игл, а тонких сопел, диаметры которых составляют десятые доли миллиметра. В этой же головке установлен резервуар с жидкими чернилами, которые через сопла, как микрочастицы, переносятся на материал носителя.
Актуальность нашей работы заключается в рассмотрении своеобразия функционирования струйных принтеров, отличающихся низкой ценой, возможностью печати в цвете, более высокой скоростью печати, чем у матричных принтеров, низким шумом при работе В струйных принтерах в основном используют оригинальные методы нанесения чернил: пьезоэлектрический, метод газовых пузырей и метод «drop on demand», на которые стоит обратить отдельное внимание.
Объектом нашей работы являются периферийные компьютерные устройства (в частности, принтеры) с особым функциональным расширением возможностей.
Предметом исследования выступают струйные принтеры.
Цель нашей работы заключается в изучении особенностей устройства и работы струйных принтеров, являющихся логическим продолжением эволюционирующих периферийных устройств.
Достижение цели предполагает решения ряда исследовательских задач:
) составить представление о функциональных особенностях струйного принтера;
) определить назначение и классификацию принтеров;
) изучить классификацию принтеров по принципу переноса изображения на носитель;
) рассмотреть принцип работы струйного принтера;
) изучить специфические способы распыления красителя в струйном принтере;
) рассмотреть устройство струйного принтера.
Теоретической базой для написания работы послужили труды С. Золотова, М.Ф. Меняева, С.В. Симоновича в области изучения периферийных устройств компьютера и отдельно различных видов принтеров.
Основными методами нашей работы являются описательный и сопоставительный. Выбор методов обусловлен целью и задачами нашего изучения.
Струйный принтер 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.
Таким образом, современные струйные принтеры ― самые дешевые печатные устройства. Качество печати современного струйного принтера сравнимо с лазерным, скорость печати также приближается к скорости младшей линейке лазерных принтеров. Качество цветной печати на специальной бумаге практически неотличимо от качества фотографий. Единственный существенный недостаток, не дающий струйным принтерам полностью заполонить рынок ― это высокая стоимость расходных материалов у дешевых моделей принтеров. В струйных принтерах в основном используют следующие методы нанесения чернил: пьезоэлектрический, метод газовых пузырей и метод «drop on demand».
1. Функциональные особенности струйного принтера
1.1 Назначение и классификация принтеров
Принтер - «периферийное устройство компьютера, предназначенное для вывода информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Процесс печати обычно называют «выводом на печать», а получившийся документ - «распечаткой» или «твёрдой копией» (калька с английского hard copy)» [4; с. 213]. Принтер относится к терминальным устройствам компьютера. Принтеры имеют преобразователь цифровой информации, хранящейся в запоминающих устройствах компьютера, фотоаппарата и цифровой памяти, в специальный машинный язык.
В настоящее время получили распространение многофункциональные устройства (МФУ), в которых в одном приборе объединены функции принтера, сканера, копировального аппарата и телефакса. Такое объединение рационально технически и удобно в работе. Широкоформатные (А3, А2 и более) принтеры иногда ошибочно называют плоттерами.
По принципу переноса изображения на носитель принтеры делятся на: литерные; матричные; лазерные (также светодиодные принтеры); струйные; сублимационные; термические.
По количеству цветов печати - на чёрно-белые (монохромные) и цветные. Монохромные принтеры имеют несколько градаций, обычно 2-5, например: чёрный-белый, одноцветный (или красный, или синий, или зелёный) - белый, многоцветный (чёрный, красный, синий, зелёный) - белый. Монохромные принтеры имеют свою собственную нишу и вряд ли (в обозримом будущем) будут полностью вытеснены полноцветными. Матричные принтеры, несмотря на то, что многие считают их устаревшими, все ещё активно используются для печати, в лабораториях, банках, бухгалтериях, в библиотеках для печати на карточках, для печати на многослойных бланках, а также в тех случаях, когда необходимо получить второй экземпляр документа через копирку.
По соединению с источником данных (откуда принтер может получать данные для печати), или интерфейсу:
по проводным каналам: через последовательный порт, через параллельный порт (IEEE 1284), по шине Universal Serial Bus (USB), через локальную сеть (LAN, NET);
посредством беспроводного соединения: через ИК-порт (IRDA), по Bluetooth, по Wi-Fi [6; с. 61].
ИК-соединение возможно только с устройством, находящимся в прямой видимости, в то время как использующие радиоволны интерфейсы Bluetooth и Wi-Fi функционируют на расстоянии до 10-100 метров.
Некоторые принтеры (в основном струйные фотопринтеры) располагают возможностью автономной (т. е. без посредства компьютера) печати, обладая устройство чтения flash-карт или портом сопряжения с цифровым фотоаппаратом, что позволяет осуществлять печатать фотографий напрямую с карты памяти или фотоаппарата.
Сетевой принтер - принтер позволяющий принимать задания на печать (см. Очередь печати) от нескольких компьютеров, подключенных к локальной сети. Программное обеспечение сетевых принтеров поддерживает один или несколько специальных протоколов передачи данных, таких как IPP. Такое решение является наиболее универсальным, так как обеспечивает возможным вывод на печать из различных операционных систем, чего нельзя сказать о Bluetooth- и USB-принтерах.
1.2 Классификация принтеров по принципу переноса изображения на носитель
Матричные принтеры - старейшие из ныне применяемых типов принтеров, их механизм был изобретён в 1964 году японской корпорацией «Seiko Epson». Изображение формируется печатающей головкой, которая состоит из набора иголок (игольчатая матрица), приводимых в действие электромагнитами. Головка передвигается построчно вдоль листа, при этом иголки ударяют по бумаге через красящую ленту, формируя точечное изображение.
Основными недостатками матричных принтеров являются монохромность (хотя существовали и цветные матричные принтеры, по очень высокой цене), низкая скорость работы и высокий уровень шума, который достигает 25 дБ.
Выпускаются также высокоскоростные линейно-матричные принтеры, в которых большое количество иголок равномерно расположены на челночном механизме (фрете) по всей ширине листа. Матричные принтеры, несмотря на полное вытеснение их из бытовой и офисной сферы, до сих пор достаточно широко используются в некоторых областях (банковское дело ― печать документов под копирку и др.).
Термосублимация (возгонка) - это быстрый нагрев красителя, когда минуется жидкая фаза. Из твёрдого красителя сразу образуется пар. Чем меньше порция, тем больше фотографическая широта (динамический диапазон) цветопередачи. Пигмент каждого из основных цветов, а их может быть три или четыре, находится на отдельной (или на общей многослойной) тонкой лавсановой ленте (термосублимационные принтеры фирмы «Mitsubishi Electric»). Печать окончательного цвета происходит в несколько проходов: каждая лента последовательно протягивается под плотно прижатой термоголовкой, состоящей из множества термоэлементов. Эти последние, нагреваясь, возгоняют краситель. Точки, благодаря малому расстоянию между головкой и носителем, стабильно позиционируются и получаются весьма малого размера [5; с. 51].
К серьёзным проблемам сублимационной печати можно отнести чувствительность применяемых чернил к ультрафиолету. Если изображение не покрыть специальным слоем, блокирующим ультрафиолет, то краски вскоре выцветут. При применении твёрдых красителей и дополнительного ламинирующего слоя с ультрафиолетовым фильтром для предохранения изображения, получаемые отпечатки не коробятся и хорошо переносят влажность, солнечный свет и даже агрессивные среды, но возрастает цена фотографий. За полноцветность сублимационной технологии приходится платить большим временем печати каждой фотографии (печать одного снимка 10×15 см принтером «Sony» DPP-SV77 занимает около 90 секунд). Фирмы-производители пишут о фотографической широте цвета в 24 бит, что больше желаемое, чем действительное. Реально, фотографическая широта цвета не более 18 бит. Наиболее известными производителями термосублимационных принтеров являются «Canon» и «Sony».
Прародитель современной лазерной печати появилась в 1938 году - Честер Карлсон изобрёл способ печати, названный электрография, затем переименованный в ксерографию. Принцип технологии заключался в следующем: По поверхности фотобарабана коротроном (скоротроном) заряда (вал заряда) равномерно распределяется статический заряд, после этого светодиодным лазером (в светодиодных принтерах - светодиодной линейкой) в нужных местах этот заряд снимается - тем самым на поверхность фотобарабана помещается скрытое изображение. Далее на фотобарабан наносится тонер. Тонер притягивается к разряженным участкам поверхности фотобарабана, сохранившей скрытое изображение. После этого фотобарабан прокатывается по бумаге, и тонер переносится на бумагу коротроном переноса (вал переноса). После этого бумага проходит через блок термозакрепления (печка) для фиксации тонера, а фотобарабан очищается от остатков тонера и разряжается в узле очистки.
Первым лазерным принтером стал «EARS» (Ethernet, Alto, Research character generator, Scanned Laser Output Terminal), изобретённый и созданный в 1971 году в корпорации «Xerox», а их серийное производство было налажено во второй половине 1970-х. Принтер «Xerox» 9700 можно было приобрести в то время за 350 тысяч долларов, зато печатал он со скоростью 120 стр./мин.
Первый принтер, получивший название «UNIPRINTER», был создан в 1953 году компанией «Remington Rand» для компьютера «UNIVAC». Основным элементом такого принтера был вращающийся барабан, на поверхности которого располагались рельефные изображения букв и цифр. Ширина барабана соответствовала ширине бумаги, а количество колец с алфавитом было равно максимальному количеству символов в строке. За бумагой располагалась линейка молоточков, приводимых в действие электромагнитами. В момент прохождения нужного символа на вращающемся барабане, молоточек ударял по бумаге, прижимая её через красящую ленту к барабану. Таким образом, за один оборот барабана можно было напечатать всю строку. Далее бумага сдвигалась на одну строку и машина печатала дальше. В СССР такие машины назывались алфавитно-цифровыми печатающими устройствами (АЦПУ). Их распечатки можно узнать по шрифту, похожему на шрифт пишущей машины и «прыгающим» по строке буквам. Скорость вывода барабанного принтера была и остаётся самой высокой среди всех известных печатающих устройств, но и она далеко не являлась пределом возможности данной технологии. Печать производилась на рулонной бумаге, из-за чего системщики называли результат распечатки «простынёй».
Ромашковые (лепестковые) принтеры (daisywheel printer) по принципу действия были похожи на барабанные, однако имели один набор букв, располагающийся на гибких лепестках пластмассового диска. Диск вращался, и специальный электромагнит прижимал нужный лепесток к красящей ленте и бумаге. Так как набор символов был один, требовалось перемещение печатающей головки вдоль строки, и скорость печати была заметно ниже, чем у барабанных принтеров. Заменив диск с символами, можно было получить другой шрифт, а, вставив ленту не чёрного цвета - получить «цветной» отпечаток.
Шаровые принтеры («IBM Selectric») по принципу действия похожи на ромашковые принтеры, но литероноситель (печатающая головка) имел форму шара с выпуклыми буквами. Гусеничные принтеры (train printer). Набор букв закреплён на гусеничной цепи. Цепные печатающие устройства (chain printer) отличались размещением печатающих элементов на соединённых в цепь пластинах. Телетайпные принтеры состояли из электромеханической части, повторяющей электрическую печатную машинку, и модема. То есть, в один блок были объединены электрическая клавиатура, электромеханический рычаговый символьный принтер и устройство приёма и передачи информации по каналу связи. Дополнительно подключалось устройство записи и считывания перфоленты, обычно 5-рядной (5-битной).
Термические принтеры фирмы «Xerox» характеризуются расходным материалом - веществом на основе парафина, плавящимся при 60 градусов по Цельсию. Японская компания «PrePeat» всерьез задумалась о защите окружающей среды и выпустила принтер, не требующий для работы ни чернил, ни тонера, ни бумаги. Для печати используется тонкий белый пластик. Перед повторной печатью лист автоматически очищается в принтере [8; с. 281].
В последнее время на рынке офисной техники появились принтеры, программное обеспечение которых поддерживает непосредственное подключение к Интернету (обычно через роутер), что позволяет такому принтеру функционировать независимо от компьютера. Такое подключение обеспечивает ряд дополнительных возможностей:
печать документов или веб-страниц прямо с дисплея принтера;
печать документов или веб-страницу с любого веб-устройства (в том числе удалённого) без необходимости установки на нём драйвера принтера;
просмотр состояния принтера и управление заданиями печати с помощью любого браузера вне зависимости от местонахождения;
оперативное автоматическое обновление программного обеспечения принтера [7; с. 374].
1.3 Принцип работы струйного принтера
Первой фирмой, изготовившей струйный принтер, является «Hewlett-Packard». Эра домашних принтеров началась с 1985 года, когда на рынке появились принтеры «LaserJet» от «Hewlett-Packard» и «LaserWriter» от «Apple Computer». В 1981 году термическая технология струйной печати была представлена на выставке «Canon Grand Fair». В 1985 году - появилась первая коммерческая модель такого монохромного принтера - «Canon» BJ-80, в 1988 году появился первый цветной принтер - BJC-440 формата A2, разрешением 400 dpi.
По принципу действия струйные принтеры отличаются от матричных безударным режимом работы за счет того, что их печатающая головка представляет собой набор не игл, а тонких сопел, диаметры которых составляют десятые доли миллиметра. В этой же головке установлен резервуар с жидкими чернилами, которые через сопла, как микрочастицы, переносятся на материал носителя. В основном число сопел в моделях различных изготовителей составляет от 16 до 64. Однако печатающая головка «HP DeskJet» 1600 имеет 300 сопел для черных чернил и 416 для цветных. Хранения чернил обеспечивается двумя конструктивными решениями. В одном из них головка принтера объединена с резервуаром для чернил, причем замена резервуара с чернилами одновременно связана с заменой головки. Другое предусматривает использование отдельного резервуара, который через систему капилляров обеспечивает чернилами головку принтера.
Принцип действия струйных принтеров похож на матричные принтеры тем, что изображение на носителе формируется из точек. Но вместо головок с иголками в струйных принтерах используется матрица сопел (т. н. головка), печатающая жидкими красителями. Печатающая головка может быть встроена в картриджи с красителями (в основном такой подход используется компаниями «Hewlett-Packard», «Lexmark»), а может и является деталью принтера, а сменные картриджи содержат только краситель («Epson», «Canon»).
По распространённости лидером является струйная печать, второй - лазерная, третьей - термосублимационная, четвёртой - матричная. При струйном, лазерном и матричном способах печати линеатура составляет 300-80-30 lpi, и зависит от разрешающей способности устройства. При сублимационной печати линеатура получаемых полутонов более 300 lpi, поэтому наиболее массовое применение монохромные лазерная и матричная технологии находят при печати текстов и графики, а полноцветная термосублимационная технология используется в фотопринтерах. Цветная струйная печать показывает хорошие результаты при печати текстов, графики и фотографий. Струйная, лазерная и матричная технологии - растровые (англ. bi-level - два уровня), то есть для получения одной полноцветной точки растра (2 уровень) нужен микрорастр - по 16 х 16 = 256 «служебных» микропиксель каждого цвета (1 уровень).
Новые модификации лазерных, струйных и термосублимационных технологий печати дают хорошие результаты и относятся к комбинированным (англ. contone - полутоновый цвет). Contone = bi-level + continuous tone. Такое полутоновое изображение местами печатается точками, а местами непрерывной заливкой красителем. Струйная и лазерная технологии печатают точки с «резкими» границами, без перекрытия, что хорошо при высоком разрешении, а если разрешение менее 4800 dpi, то на конечном изображении виден растр, в аналоговой фотографии говорили о зернистости изображения. На аналоговой цветной фотобумаге изображение создаётся тоже точками (зерном) с «резкими» границами, но разрешение фотобумаги высокое и изображение получается мелкозернистым и отличного качества.
Современные струйные принтеры ― самые дешевые печатные устройства. Качество печати современного струйного принтера сравнимо с лазерным, скорость печати также приближается к скорости младшей линейке лазерных принтеров. Качество цветной печати «на специальной бумаге практически неотличимо от качества фотографий. Единственный существенный недостаток, не дающий струйным принтерам полностью заполонить рынок ― это высокая стоимость расходных материалов у дешевых моделей принтеров» [5; с. 52].
В струйных принтерах используется цветовая модель CMY или CMYK ― изображение формируется путем нанесения на бумагу чернил черного цвета, либо пигментированной в один из цветов CMY, либо дополнительные к CMY цвета (светлые Cyan и Magenta). При попадании на бумагу чернила быстро впитываются и высыхают ― изображение остается на бумаге. Чернила подаются на бумагу при помощи печатающей головки, представляющей собой матрицу сопел настолько тонких, что чернила не протекают через них, удерживаясь за счет поверхностного натяжения и специальной конструкции чернильной емкости.
Сопла термоструйных принтеров снабжены терморезисторами. Для печати отдельной точки на резистор подается напряжение, и тот нагревается. В результате образуется паровой пузырь, выталкивающий капельку чернил из сопла. К достоинству данной технологи относится заметная дешевизна печатающей головки. Однако, срок ее работы ограничен, и обычно она совмещена с картриджем. Ещё один недостаток ― практически неуправляемый (по типу взрыва) процесс выталкивания капли, вследствие чего вокруг точки возникают крошечные капли, напоминающие «туман».
Для цветной печати, когда используются чернила цветов CMY (голубой, пурпурный и желтый), картриджи могут быть выполняться как в виде одного блока, так и в виде отдельных «чернильниц». Первый вариант используется на старых либо дешевых принтерах. Второй ― более удобен для пользователя, т.к. в последнем случае не приходится выбрасывать остатки чернил из-за того, что в картридже закончился один из цветов. Также существует класс фотопринтеров, в которых используются шесть цветов, за счет чего достигается более качественная передача оттенков цвета и полутонов.
Остальная механика струйного принтера аналогична по конструкции с механикой матричных принтеров: та же каретка с печатающей головкой, тот же протяжной механизм подачи бумаги. Картридж с чернилами в более дешевых моделях струйных принтеров устанавливается непосредственно на каретке, в более дорогих ― представляет собой отдельную емкость, подача чернил из которой осуществляется через трубочку.
К достоинствам струнного принтера относятся: низкая цена устройства, возможность печати в цвете, более высокая скорость печати, чем у матричных принтеров, низкие шум при работе. К недостаткам: высокая стоимость расходных материалов, более низкая скорость, чем у с лазерных устройств.
а) на поверхности чернил образуется плёнка окисла, которая при полном израсходовании чернил картриджа устремляется в сопла,
б) испарение воды из чернильной суспензии и загустение чернил,
в) слипание зёрен в пигментных чернилах,
г) чернила пригорают на термоэлементах и эта чешуя летит в фильтр и сопла и т.д.
Фильтры картриджа из поролона не достаточно эффективны и накапливают «мусор» при неоднократном использовании картриджа после перезаправки. При разрешении 4800dpi капли должны падать на бумагу с шагом 25,4\4800 = 0,0053 мм. При каждой распечатке термические или пьезоэлектрические насосы выталкивают из каждого сопла миллионы капель чернил ёмкостью от 1 пиколитра. При встрече с бумагой капля разбрызгивается, чернила впитываются и расплываются. Пятно чернил по диаметру получается примерно в 2 раза больше сопла, выбросившего каплю. Сопло имеет диаметр порядка 0,0053\2 = 2,6 микрон. Естественно, что засориться соплу диаметром менее 3 микрон очень просто. Какое-то из более 400 сопел печатающей головки обязательно засорится.
Для воспроизведения светлого участка изображения любого цвета требуется мало окрашенных «служебных» микропикселей, в результате получаются редкие точки на «большой» площади изображения - просто неокрашенная бумага. А человек судит о качестве изображения, в первую очередь, исходя из достоверности воспроизведения именно светлых оттенков изображения. Чтобы смягчить этот недостаток, к четырём базовым цветам (CMYK) добавляются по одному или по два светлых (light) варианта голубых (C-light), пурпурных (M-light), жёлтых (Y-light) и чёрных (К-light или grey) чернил. Обычно бывает не более 8 чернильниц. Комплект фирменных картриджей для струйного принтера ёмкостью по 5-10 мл стоит достаточно дорого, а расходуются чернила не только на печать, но и на прочистку сопел. Лучше, когда чернильницы неподвижны на корпусе принтера, они больше по объёму, можно использовать больше светлых цветов, они не снижают скорости печати за счёт инерции и создаются условия для снижения эффекта засыхания чернил за счёт продувки воздухом сопел печатающей головки после окончания работы [2; с. 328].
Другие недостатки струйных технологий: невысокая скорость полноцветной печати, обусловленная в основном растрированием и количеством дополнительных светлых цветов, выцветание красок изображения, «водобоязнь» отпечатков, при использовании водорастворимых чернил и осыпание изображения, при использовании пигментных чернил, чувствительность к сорту бумаги.
1.4 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.
1.5 Устройство струйного принтера
Струйный принтер 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 [3; с. 325].
В основе пьезоэлектрической технологии лежит способность пьезоэлемента деформироваться под воздействием электрического поля. В каждое сопло печатающей головки встроена плоская мембрана, изготовленная из пьезокристалла. Под воздействием электрического импульса мембрана деформируется, а создаваемое при этом давление выбрасывает из сопла микроскопическую каплю чернил. В основе метода газовых пузырьков лежит быстрое нагревание небольшого объема до температуры кипения. Скорость нагрева столь велика, что она подобна взрывному процессу. Образующийся при этом пар выбрасывает из сопла микроскопическую каплю чернил. Для реализации этого метода в каждое сопло встраивается микроскопический нагревательный элемент.
Каждый из этих двух способов по-своему привлекателен, однако каждый из них не свободен и от недостатков. Пьезоэлектрическая технология наиболее дешевая, отличается более высокой надежностью (т.к. не используется высокая температура). Этот способ управления менее инерционен, чем нагрев, что позволяет повысить скорость печати. Пузырьковая технология связана с высокой температурой. При высокой температуре нагреватель со временем покрывается слоем нагара, поэтому в принтерах, использующих эту технологию, печатающая головка довольно часто выходит из строя. В таких случаях она вместе с резервуаром для чернил образует конструктивный единый узел.
Печатающие головки могут конструктивно объединяться с чернильным картриджем и заменяться одновременно с ним, а могут быть установлены в принтере постоянно ― при этом заменяется только картридж. Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Казалось бы, что чернильная емкость без печатающей головки должна стоить намного дешевле, чем в комбинации с печатающей головкой. На деле этого не происходит и заметного удешевления эксплуатации при постоянно установленной в принтере печатающей головки не наблюдается. В то же время, легко сменная печатающая головка позволяет легко выйти из затруднений, связанных с засыханием чернил в ее каналах. Следует помнить, что если чернила засохнут в головке, то ее, как правило, следует менять, если своевременно не будут приняты соответствующие меры. Для того, чтобы уменьшить риск засыхания чернил в каналах головки, предусматривается специальное положение 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. Хотя способ объединения печатающей головки и емкости для чернил конструктивно наиболее прост и в силу этого получил самое широкое распространение, он не является оптимальным. Дело в том, что каретка должна достаточно быстро двигаться, а также достаточно быстро изменять направление движения, ибо скоростью ее движения определяется скорость печати. Для этого подвижная каретка должна быть мало инерционной, т.е. иметь, возможно, меньшую массу. С этой целью уменьшают объем емкости для чернил. Поэтому, предпочтительнее оказывается размещение емкости для чернил на неподвижной части принтера, а подачу чернил к печатающим головкам осуществлять с помощью специальных трубопроводов. Такая система позволяет повысить скорость печати и одновременно увеличить емкости для чернил, однако система трубопроводов конструктивно столь сложна, что такая конструкция используется очень редко [3; с. 321].
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 старых конструкциях принтеров бумага для печати заправлялась в принтер полистно. Это было очень неудобно, так как при печати многостраничных документов требовалось постоянное присутствие оператора только для того, чтобы вкладывать в принтер очередной лист бумаги и повторно запускать процесс печати.
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. Драйверы, управляющие процессом печати, позволяют устанавливать необходимое количество копий и указывать страницы или части страниц, которые должны быть распечатаны. Автоматизация процесса подачи бумаги сделала эксплуатацию принтера исключительно комфортной. Эти удобства особенно ощутимы при больших объемах печати: достаточно заложить в приемный лоток бумагу, указать параметры печати и запустить выполнение программы печати. Все остальное принтер сделает автоматически. 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.
Конструктивно устройство для подачи бумаги выполняется различно в разных типах принтеров, однако существуют две основных схемы, те или иные варианты которых используются наиболее часто. Каждая из этих схем по-своему удобна, и, в то же время, каждая не свободна от некоторых недостатков. Схемы с верхней подачей бумаги требуют наличия достаточной зоны обслуживания сверху корпуса принтера, поэтому такие принтеры мало пригодны (или иногда даже вовсе не пригодны) для установки в нишах с ограниченной высотой. Расположенный снизу приемный лоток часто делается откидным, а иногда и вовсе отсутствует. При таком устройстве принтер занимает меньше места на рабочем столе, что иногда немаловажно. Такая конструкция используется в принтерах «Epson», «Canon». В схемах с нижней подачей приемный лоток располагается над подающим, что обеспечивает максимум удобств при эксплуатации. Такая схема расположения лотков характерна для большинства струйных принтеров, выпускаемых под торговой маркой HP. Ненужность верхней зоны обслуживания позволяет устанавливать этот принтер в нишах ограниченной высоты (равной высоте самого принтера). К недостаткам таких принтеров следует отнести то, что они занимают больше места на рабочем столе. Иногда это компенсируется возможностью складывать приемный и подающий лотки в нерабочем состоянии. В таких случаях, для приведения принтера в работоспособное состояние необходимы вспомогательные операции по приведению лотков в рабочее положение. В большинстве принтеров «HP» лотки не складываются, что обеспечивает постоянную готовность к работе [1; с. 284].
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 используется параллельный порт. Первоначально принтеры подключались к ранее разработанному последовательному порту RS-232. Однако этот порт был достаточно дорогим (он не интегрировался в системную плату, как это принято сегодня, а располагался на отдельной плате расширения), что останавливало потенциальных покупателей принтеров. С целью решения этой проблемы фирма «Centronics» в 1976 году разработала специально для подключения принтеров параллельный 8-ми битный интерфейс.
Новый интерфейс оказался не только дешевле последовательного, но и гораздо производительнее обеспечивая 500 Кбит/с (вместо 20 Кбит/с для последовательного порта). Единственным недостатком нового порта была относительно небольшая длина соединительного кабеля, которая для нормальной работы не должна превышать 1,8 м (против 15 м для последовательного порта). Этот недостаток для работы с принтером был несущественен по сравнению с массой достоинств, и новый интерфейс стал повсеместно применяться для подключения принтеров. С тех пор параллельный порт неоднократно усовершенствовался.
Все элементы конструкции, входящие в принтер, собраны на металлическом шасси, которое часто выполняет роль нижней плоскости принтера. Элементы конструкции закрыты пластмассовым корпусом. Центральную часть принтера занимает тракт прохождения бумаги. Слева обычно размещаются элементы привода, а с правой стороны - место парковки головок. Здесь часто размещаются устройства управления и контроля и управляющая электроника.
Обычно компоновка принтера достаточно плотная и, несмотря на кажущиеся большие габариты, свободное место внутри принтера практически отсутствует. Это обстоятельство иногда вынуждает делать выносной блок питания, который в эксплуатации менее удобен.
Заключение
Принтер - периферийное устройство компьютера, предназначенное для вывода информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Принтеры имеют преобразователь цифровой информации, хранящейся в запоминающих устройствах компьютера, фотоаппарата и цифровой памяти, в специальный машинный язык. По принципу переноса изображения на носитель принтеры делятся на: литерные; матричные; лазерные (также светодиодные принтеры); струйные; сублимационные; термические.
Принцип действия струйных принтеров похож на матричные принтеры тем, что изображение на носителе формируется из точек. Но вместо головок с иголками в струйных принтерах используется матрица сопел (т.н. головка), печатающая жидкими красителями. Печатающая головка может быть встроена в картриджи с красителями, а может и является деталью принтера, а сменные картриджи содержат только краситель.
Современные струйные принтеры ― самые дешевые печатные устройства. Качество печати современного струйного принтера сравнимо с лазерным, скорость печати также приближается к скорости младшей линейке лазерных принтеров. Качество цветной печати на специальной бумаге практически неотличимо от качества фотографий. Единственный существенный недостаток, не дающий струйным принтерам полностью заполонить рынок ― это высокая стоимость расходных материалов у дешевых моделей принтеров. 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.
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.
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.
Струйный принтер 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.
Список литературы
1. Золотов, С., Протоколы INTERNET / С. Золотов. ― СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 2008. ― 540 с.
. Информатика и информационные технологии / Под ред. Романовой Ю.Д. - М.: Эксмо, 2008. - 592 с.
. Меняев, М.Ф. Информатика и основы программирования / М.Ф. Меняев. - М.: Омега-Л, 2007. - 458 с.
. Острейковский, В.А., Полякова, И.В. Информатика. Теория и практика / В.А. Острейковский, И.В. Полякова. ― М.: Оникс, 2008. - 608 с.
. Принтеры и сканеры // Computer Direct. - 2001. - №6. - С. 46-57.
. Рынок струйных и лазерных принтеров // Компьютер Пресс. - 2004. - №11. - С. 61-63.
. Симонович, С.В. Информатика. Базовый курс / С.В. Симонович. - СПб.: Питер, 2004. - 640 с.
. Соболь, Б.В. Информатика / Б.В. Соболь. ― Ростов-на-Дону, Феникс, 2007. - 446 с.
. Цветные струйные принтеры // Hard'n'Soft. ― 2005. ― №23. ― С. 57―63.