Струйная печать

Размещено на http://www.allbest.ru/

СТРУЙНАЯ ПЕЧАТЬ



Непрерывная струйная печать

Общие сведения

Непрерывная струйная печать состоит из трех процессов:

· образование струй чернил и разбиение их на капли;

· разделение капель на рабочие, идущие на построение изображения, и нерабочие, попадающие в каплеуловитель;

· выделение из капельных струй рабочих капель, и направление струй рабочих капель на печатный материал; доставка неиспользованных капель в каплеуловитель.

В настоящее время до промышленного использования доведено два способа непрерывной струйной печати, в которых перечисленные выше процессы проходят по-разному.

В давно и широко применяемом способе капли формируются за счет наложения на струю чернил высокочастотных механических колебаний, формирующих капиллярную волну. Разделение капель на рабочие и нерабочие производится путем их селективной зарядки, а разделение капельных струй - путем отклонения электрическим полем траектории заряженных капель, в то время, как незаряженные капли летят прямолинейно.

В новом способе непрерывной струйной печати Stream, разработанном фирмой Kodak, для формирования капельной струи на вылетающую из сопла чернильную струю периодически подают тепловые импульсы, изменяющие поверхностное натяжение чернил. Капли образуются из холодных участков струи. Разделение капель на рабочие и нерабочие производится формированием капель разных размеров. Выделение из струи рабочих капель осуществляется потоком воздуха, направленным перпендикулярно к траектории струи. Воздушный поток сильнее отклоняет маленькие капли, и они попадают в каплеуловитель. Большие капли продолжают лететь к печатному материалу и идут на построение изображения.

Непрерывная струйная печать с селективной зарядкой капель

пьезоструйный печатающий головка импульсный

В этом способе электропроводящие чернила подаются под давлением в генератор капель печатающей головки. Струя вылетает из сопла генератора. Где-то у выхода из сопла, например, на сопловой пластине расположен пьезоэлектрический стимулятор, формирующий капельную струю. На пьезоэлектрик подается высокочастотное электрическое напряжение. За счет деформации пьезоэлектрика возникают механические колебания, которые сообщаются струе и вызывают образование капель. При пролете струи через зону зарядки на заряжающий электрод подаются импульсы электрического напряжения. Производится селективная зарядка капель. Далее капельная струя разделяется на две струи: заряженную и незаряженную. Одна из них попадает на печатный материал, другая - в каплеуловитель.

Генератор струи содержит чернильную камеру, в которую электропроводящие чернила подаются из красочной системы через трубку. На выходе из чернильной камеры находится одно или ряд калиброванных отверстий, называемых соплами. Сопла электропроводящие, например, металлические. Печатающие головки могут быть односопловыми или многосопловыми. Чернила вылетают под давлением из каждого сопла в виде тонкой струи.

Вблизи сопла на сопловой пластине расположен пьезокерамический элемент 3, на который подается высокочастотное переменное электрическое напряжение. В пьезокерамическом элементе возникают механические колебания той же частоты (обратный пьезоэффект). Колебательное возмущение от пьезоэлектрика передается чернилам, и в струях возникает капиллярная волна (волна, в которой большую роль играет поверхностное натяжение жидкости). Поскольку частота наложенных колебаний соответствует режиму резонанса (она совпадает с частотой собственных колебаний струи), струя на небольшом расстоянии от сопла распадается на мелкие одинаковые по размеру капли.

Система разделения капельной струи включает заряжающий электрод, дефлектор и каплеуловитель.

Заряжающий электрод находится недалеко от сопла. Зарядка индукционная. Она происходит за счет того, что струя электропроводящих чернил заземлена, а слой воздуха между струей и заряжающим электродом обладает диэлектрическими свойствами. Когда от генератора изображения на заряжающий электрод подается импульс электрического напряжения, в заземленной струе около электрода появляется заряд, противоположный по знаку заряду электрода. Струя входит в зону действия электрода в момент, предшествующий отделению от нее капельки, поэтому происходит зарядка этой капли. Подача электрических импульсов должна быть строго синхронизирована с каплеобразованием.

Выйдя из зоны действия заряжающего электрода, струя пролетает мимо дефлектора, на который подается высоковольтное электрическое напряжение, по знаку одинаковое со знаком заряда капель. Каплеуловитель 7 заземлен. Возникающее электрическое поле отклоняет заряженные капли в каплеуловитель, а незаряженные беспрепятственно летят по прямолинейному пути на печатный материал. Из каплеуловителя чернила попадают в систему рециркуляции или в специальную емкость и затем выбрасываются (при использовании печатающих головок с соплами на краску).

Запись изображения заряженными каплями используется в непрерывной струйной печати с многоуровневым отклонением струи. Капли струи заряжаются группами таким образом, что каплям группы сообщаются заряды ряда величин. Дефлектор отклоняет капли с разными зарядами под разными углами, создавая веерную развертку капельной струи. Это позволяет записывать полоску изображения, содержащую несколько строчек. Незаряженные капли летят по прямолинейному пути и попадают в каплеуловитель, а оттуда - в устройство рециркуляции чернил. При записи заряженными каплями возникают проблемы с точностью позиционирования капель на бумаге из-за их взаимодействия между собой. Способ широко используется в маркировочных принтерах, предназначенных для нанесения надписей, дат и штрих-кодов на поверхность товарных и промышленных изделий.

В способе с бинарным отклонением струи существует два варианта. В первом, однобитном варианте, каждая точка изображения формируется из одинакового количества чернил, например, из одной капли размером 84 пл (пиколитр - литра). При аппаратном разрешении 300-360 dpi, характерном для скоростной струйной печати, качество изображения при однобитной его записи невысокое. Рулонные струйные машины с такими печатающими головками используют для скоростной цветной печати почтовых рассылок, документов и другой продукции с аналогичными требованиями к качеству изображения.

В мультибитном варианте количество чернил в точке может изменяться. Для этого зарядке подвергается группа из нескольких капель (число капель в группе колеблется от 2 до 20-30), причем может заряжаться то или иное количество капель группы. Все капли группы попадают на один микроучасток печатного материала (в одну точку). В результате становится возможной запись изображения, при которой в разные точки материала может попадать различное количество капелек (разное количество чернил). Достигаются высокий цветовой охват и богатство тонов, достаточное для использования струйного принтера в качестве цветопробного устройства. Так работают струйные принтеры Iris Print, где при разрешении 300 dpi получается эмуляция разрешения 2400 dpi. Головки имеют 1-2 сопла на краску.

Сложность мультибитной записи заключается в следующем. Максимальное количество чернил, попадающих на микроучасток (точку) струйного отпечатка, должно соответствовать максимальной оптической плотности изображения. Слишком большое количество чернил приведет к расплыванию и исчезновению градаций тонов в тенях изображения. Слишком маленькое количество чернил не позволит получать цвета высокой насыщенности.

Если это количество обеспечивается одной каплей на точку, капля должна быть большой. Если эта задача выполняется группой из 4 капель, объем каждой капли должен быть в 4 раза меньше, при использовании групп из 30 капель объем одной капли составляет 3-4 пл.

Объем капли зависит от диаметра струи (сопла) D и длины волны :

Длина волны связана с частотой наложенных колебаний зависимостью

где - скорость струи, равная в струйном принтере Iris Print 50 м/с, диаметр сопла равен 10 мкм. Частота f представляет собой частоту колебаний пьезоэлектрика и частоту каплеобразования, а длина волны равна расстоянию между центрами капель. Частота в принтере Iris Print равна 1000 кГц.

Для стабилизации процесса каплеобразования частота наложенных колебаний должна совпадать по величине с частотой собственных колебаний струи. Тогда колебательное возмущение будет находиться в резонансе с собственным колебанием струи. Именно с этой частотой будут образовываться капли. Волновое число для соблюдения этого условия должно быть равно то есть оптимальная частота наложенных колебаний равна



Скорость струйной печати зависит от количества сопел в печатающей головке (от ширины печатаемой полоски). Головки, имеющие небольшое количество сопел на цвет краски, должны совершать челночное перемещение поперек направления движения бумажного листа. Это замедляет печать, так как бумага может сместиться на шаг только после записи цветной строки изображения. Сильнее всего это сказывается в принтерах с соплами на краску. В этом случае несмотря на высокую скорость капельной струи, общая скорость записи изображения невелика (в принтере Iris 2 Print изображение формата А2 записывается за 13 минут).

Реализовать возможности скоростной печати можно при использовании многосопловых широкоформатных печатающих головок. Печатающая головка имеет распределительный канал, в который под давлением подаются чернила. Если выход из канала закрыт, чернила вылетают струями через сопла.

Размер широкоформатных печатающих головок ограничивается тем, что высокочастотные колебания пьезоэлектрика передаются не только струям, но и телу печатающей головки. Головка, в свою очередь, передает вибрацию струям чернил. Колебания, полученные струей от тела головки, отличаются от полезных колебаний струи и нарушают каплеобразование (образуются капли разных размеров и может изменяться длина непрерывной части струи, из-за чего нарушится зарядка капель). Указанные проблемы обостряются при возрастании ширины печатающей головки и частоты наложенных колебаний. Проблемы решаются разными способами. Эта головка, имеющая ширину 7,5 см, работает на частоте колебаний 200 кГц.

В скоростных струйных печатных машинах Kodak Versamark используются печатающие головки шириной до 9 дюймов (22,8 см) с плотностью размещения 300...360 сопел на дюйм. При многокрасочной печати головки для разных красок располагают одну за другой. Машины позволяют проводить печать со скоростью более 100 м/мин. Так, модель Kodak Versamark VX 5000 Plus, доступная в 11 различных конфигурациях, позволяет печатать со скоростями 228 м/мин (3080 страниц А4 в минуту) и 152 м/мин (2052 страницы А4 в минуту). При высокой скорости разрешение печати и качество воспроизведения тоновых и штриховых изображений ухудшаются. Режим может использоваться для печати почтовых рассылок и тразакционной печати.

Непрерывная струйная печать с термической активацией каплеобразования

Фирмой Kodak разработан способ непрерывной струйной печати с термической активацией каплеобразования. Принцип ее заключается в следующем. Вылетающая из сопла струя получает от микронагревателя тепловые импульсы определенной частоты. Поверхностное натяжение чернил зависит от их температуры, поэтому каждый тепловой импульс вызывает изменение поверхностного натяжения (уменьшает его). Поверхность жидкости выводится из состояния равновесия, и в струе возникает капиллярная волна. При наложении таких колебательных возмущений на собственные колебания чернил струя разбивается на отдельные капли.

Отказ от механической стимуляции каплеобразования снимает с непрерывной струйной печати ограничения, связанные с паразитными колебаниями. Это позволяет сочетать высокую скорость печати (использование широкоформатных печатающих головок) с высоким качеством печати.

Как и в классическом способе непрерывной струйной печати, в новом способе создается непрерывная капельная струя и обеспечивается ее разделение на рабочие и нерабочие капли.

Печатающая головка с термической активацией каплеобразования содержит множество сопел, снабженных нагревательными элементами. При подаче на нагреватель импульса электрического напряжения через него проходит ток, вызывающий сильный кратковременный нагрев. Тепловой импульс передается чернилам струи. Поверхностное натяжение нагретого участка струи понижается. Так как нагрев, вызывающий возмущение струи, происходит периодически, возникает капиллярная волна, и струя на некотором расстоянии от сопла разбивается на капли. Размер капель зависит от частоты подачи тепловых импульсов. Чем они реже, тем больше капли. Запись изображения производится большими каплями.

Когда запись изображения не производится, частота подаваемых импульсов высокая. Образующиеся маленькие капли попадают в каплеуловитель. Если капля должна попасть на печатный материал, частота импульсов понижается (импульс за период). Объем капли увеличивается, например, в 5 раз.

Так как рабочие и нерабочие капли имеют разные размеры, их можно заставить лететь по разным траекториям потоком воздуха.

В струйной печатающей головке струи, содержащие капли разных размеров, летят прямолинейно сверху вниз, пока не попадают в зону действия газового дефлектора, где перпендикулярно направлению струй подается поток воздуха. Капли, имеющие меньший объем и массу, смещаются газовым потоком на большее расстояние, чем большие капли. Таким образом, происходит разделение струй на две. В принципе, можно использовать для печати либо большие капли, либо маленькие капли. Маленькие капли, отклоненные газовым дефлектором в наибольшей степени, попадают в каплеуловитель.

На основе технологии Kodak Stream были созданы 2 цифровые печатные машины (ЦПМ), печатающие водными чернилами. Машина Kodak PROSPER 1000 Press предназначена для однокрасочной печати со скоростью до 200 м/мин на рулонной бумаге плотностью 45-175 г/кв.м. Ширина печати до 600 мм, разрешение 600 dpi, размер капель 6 или 9 пл. Машина содержит две линейки печатающих головок, по 6 струйных модулей каждая. Батареи головок размещены поперек рулона и во время печати они неподвижны. После каждой линейки головок установлено ИК-сушильное устройство.

Машина может производить печать со скоростью 3600 стр. А4/мин на одном рулоне или на двух рулонах (лицо и оборот). Ее можно использовать для печати почтовых рассылок и книжной продукции.

Вторая рулонная машина Kodak PROSPER 5000XL Press предназначена для 4-красочной печати. Печатающее устройство содержит 4 широкоформатной головки (линейки из 6 печатающих головок). После каждой широкоформатной головки расположено сушильное устройство, для окончательной сушки служит пятое устройство.

Пригодна бумага плотностью 45-300 г/кв.м, с покрытием и без покрытия. При печати на бумагах без покрытия в линию с машиной может быть установлено устройство для нанесения подслоя (праймера), что позволяет расширить ассортимент печатных материалов, а также послепечатное оборудование.

Машина предназначена для печати книг, почтовых рассылок, каталогов и вкладок.

Для гибридной печати предназначены печатающие головки Kodak Prosper S10 шириной около 10 см. Она впечатывает переменные данные в офсетную продукцию.

Импульсная струйная печать

В импульсной струйной печати капля чернил выталкивается из сопла при подаче электрического импульса на активатор (actuator), отвечающий за образование капель. Чернила, вылетевшие из сопла, полностью идут на построение изображения на печатном материале. Печатающая головка для импульсной струйной печати содержит множество сопел. Струйный микромодуль, относящийся к каждому соплу, включает чернильную камеру, канал для входа чернил в камеру из резервуара (или распределительного канала) и выходной канал, заканчивающийся соплом. На стенке выходного канала или на стенке (крыше) чернильной камеры располагается активатор, получающий импульсы электрического напряжения из микрочипа, управляющего работой головки. Струйный микромодуль называется также эмиттером капель или генератором капель. Способ импульсной струйной печати определяется видом используемого активатора.

Различают следующие виды импульсной струйной печати: пьезоэлектрическую (пьезоструйную), термоэлектрическую (термоструйную и термомеханическую).

Пьезоструйная печать

Понятие о пьезоструйной печати. Виды эмиттеров капель.

Типовая пьезоструйная печатающая головка включает линейку эмиттеров капель, каждый из которых заканчивается калиброванным отверстием - соплом. В общем случае каждое сопло соединено каналом с чернильной камерой. Камера узким каналом связана с резервуаром чернил, общим для всех сопел, печатающих чернилами одного цвета. На верхней стенке чернильной камеры, или на стенке канала, связанного с соплом, расположен пьезоэлемент, который при сообщении электрического импульса изменяет внутренний объем эмиттера. Уменьшение объема приводит к выталкиванию из сопла порции чернил, которая вылетает в виде капельки того или иного размера. Размеры капелек и их скорость зависят от размеров сопла, конструкции печатающей головки, режимов ее работы (в том числе формы электрического сигнала, подаваемого на пьезоэлемент) и от чернил. Эмиттеры капель пьезоструйных головок могут различаться по конструкции и по характеру деформации пьезоэлектрического элемента.

Причиной деформации пьезоэлектриков при наложении электрического поля является обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в следующем. Под действием электрического поля пьезоэлектрики быстро и сильно поляризуются и поэтому изменяют свои размеры. При снятии поля происходит возвращение этих материалов к первоначальному состоянию.

Некоторые материалы, например, пьезокерамика, проявляют способность к обратному пьезоэлектрическому эффекту, если их предварительно поляризуют. В струйных печатающих головках широко используют пьезокерамические активаторы на основе цирконата - титаната свинца, так как они обладают высокой прочностью и стабильностью пьезоэлектрических свойств.

При наложении электрического поля на поляризованную пьезокерамическую пластинку возможно два вида деформации.

Если направление электрического поля параллельно направлению вектора поляризации, пьезокерамическая пластинка изменяет горизонтальный и вертикальный размеры, сохраняя свой объем. В зависимости от того, совпадают направления вектора поляризации и вектора напряженности поля или они противоположны друг другу, пластинка становится тоньше и шире либо толще и уже.

Если пьезокерамическая пластинка жестко закреплена на эластичной стенке камеры, то при изменении ее размеров происходит изгибание эластичной стенки. При ее изгибании в сторону камеры происходит уменьшение объема камеры, и выдавливание из сопла капли чернил. Изгибаясь наружу, пьезокерамический активатор увеличивает объем камеры, и в камеру из резервуара через входной канал попадает порция чернил. Удельная деформация чрезвычайно мала, поэтому правильнее говорить об акустической волне, возникающей внутри эмиттера, выталкивающей каплю из сопла. Чтобы усилить давление на чернила, пьезоактиватор делают достаточно большим. Так, при ширине камеры 108 мкм и ее длине 400 мкм, пьезоактиватор в печатающих головках Epson Micro Piezo составляют из пьезокерамических пластинок длиной 1 мм, получая общие размеры мкм.

Деформация в режиме сдвига наблюдается, если направления электрического поля и поляризации пьезокерамического элемента перпендикулярны друг к другу. Этот тип деформации называется Shear Mode (режим сдвига).

В печатающих головках для импульсной струйной печати реализовано два варианта: «Shear Mode» фирмы Spectra и «Shear Mode/Shared Wall» фирмы Хааr. В первом случае из пьезокерамики выполнена верхняя стенка чернильных камер, а во втором - пьезокерамическими являются стенки каналов.

Рассмотрим принцип работы эмиттеров струйных печатающих головок фирмы Spectra, пьезоэлектрики которых работают в режиме сдвига (Shear Mode).

В головках Spectra из пьезокерамики выполнена тонкая покровная пластина чернильных камер. Пьезокерамическая пластина общая, а электроды индивидуальны для каждой камеры. При подаче импульса напряжения на средний электрод (электроды справа и слева заземлены) происходит деформация сдвига в участках пьезоэлектрика, расположенного по обеим сторонам электрода. Так как электрические поля справа и слева от электрода имеют противоположные направления, деформация обеспечивает подъем участка тонкой пьезокерамической пластины, находящегося под средним электродом. Объем чернильной камеры увеличивается, и в нее засасывается порция чернил. По окончании действия импульса пластина возвращается в прежнее положение, из сопла, находящегося напротив среднего электрода, выталкивается чернильная капля. При выталкивании капли возможна деформация вовнутрь камеры за счет изменения направления электрического поля.

Схема печатающих головок Хааr (и Toshiba), работающих на принципе Shear Mode/Shared Wall (то есть в режиме «сдвиг/общая стенка»).

В этой головке к базовой пластине прикреплены два пьезокерамических слоя, в них выполнены каналы эмиттеров капель. Они заполняются чернилами через распределительную камеру, находящуюся под покровной пластиной, где имеется отверстие для связи с картриджем чернил. Верхний и нижний пьезокерамические слои поляризованы в противоположных направлениях. На стенках каналов находятся электроды. Электроды, прикрепленные к стенкам одного канала, электрически связаны между собой. Спереди к головке прикрепляется пластина с соплами таким образом, что каждый канал заканчивается соплом.

При подаче импульса напряжения на электроды, находящиеся по обе стороны стенки, разделяющей соседние каналы, в ней создается электрическое поле. Так как электроды одного канала связаны, электрическое поле и деформация сдвига, возникающая в стенках канала, имеет противоположное направление. Так как верхняя и нижняя части стенок прикреплены к пластинам, сдвигаться могут лишь их средние части.

При формировании капли канал вначале увеличивается в объеме, а затем за счет изменения направления электрических полей он сужается и из сопла выталкивается капля чернил. Затем канал снова расширяется и заполняется чернилами из резервуара. В данном типе головки одновременно может работать только каждое третье сопло. Для повышения аппаратного разрешения, превышающего 360 dpi, печатающая головка ориентируется так, что сопловые пластины с линейками сопел составляют с направлением движения блока головок угол, отличный от Дальнейшее повышение разрешения достигается за счет переменного размера капель и режимов движения головки. Разрешение может достигать 720 dpi и даже 1440 dpi.

Управление размером капли и разрешением при пьезоструйной печати

Периодическая деформация пьезокерамического активатора в головке любого типа генерирует волну акустического давления, направленную к соплу. Когда сила давления жидкости превышает силу поверхностного натяжения, препятствующего истечению чернил, происходит выброс капельки чернил. При этом сила динамического давления должна обеспечить капельке импульс движения, достаточный для ее доставки из сопла к бумаге. Деформация пьезоэлектрического активатора имеет субмикронный порядок. Чтобы обеспечить достаточное акустическое давление на чернила, физический размер пьезоэлемента должен быть много больше размера сопла.

Диаметр сопла связан с объемом выбрасываемых капель, и для объема 10 пиколитров (1 пл = л), он составляет около 20 мкм. В современном струйном оборудовании минимальный объем капли уменьшился до 1,5...5 пл, что привело к соплам размером 10 мкм и даже меньше.

В традиционных печатающих головках Epson при маленьком размере сопла (10-20 мкм) ширина чернильной камеры составляет 108 мкм, а ширина пьезоэлектрика - 141 мкм. Это ограничивает плотность размещения сопел 180 на дюйм. Чтобы повысить разрешение печати с 180 до 360 dpi сопла располагают в два ряда со сдвигом.

Дальнейшее повышение разрешения (увеличение количества тонов и цветов изображения) достигается выбросом капель нескольких размеров.

Размер капель и скорость работы головки зависят от частоты, длительности и формы электрического сигнала, подаваемого на пьезоэлектрический активатор.

Наиболее эффективную работу головки обеспечивает рабочая частота выброса капель, соответствующая собственной частоте колебаний мениска жидкости в сопле. Если собственная частота равна 40 кГц, то ширина сигнала (длительность) должна быть около 25 мкс.

Сигнал (импульс напряжения) должен состоять, как минимум, из двух частей, по длительности, равных половине длины волны. Половина сигнала отвечает за выталкивание чернил из сопла, а половина помогает ускорить заполнение эмиттера чернилами. Наибольшую скорость выброса капель обеспечивает режим, при котором вначале импульс втягивает мениск в сопло, а чернила - в камеру. В тот момент, когда чернила готовы изменить направление движения, вторая половина импульса сообщает чернилам импульс движения в сторону сопла. Оба колебания (собственное и наложенное) находятся в одной фазе, поэтому они усиливают друг друга и возрастает амплитуда колебаний, заканчивающихся выбросом капли.

Форма импульса сложная, она управляет следующими перемещениями чернил. Вначале мениск медленно втягивается в сопла перед выбросом капель, чтобы получить одинаковую форму мениска во всех соплах. В это время в камеру из входного канала попадает порция чернил. Затем давление в чернильных камерах резко возрастает за счет того, что стенка камеры изгибается внутрь, и капля выталкивается из сопла. Далее производится втягивание мениска, чтобы быстро подавить его осцилляцию после выброса капли.

Период сигнала отсчитывается от начала подъема (положительная часть импульса заполнения мениска) через спад от максимума до минимума (выдавливание чернил) до подъема до нулевого уровня (отрицательная часть импульса заполнения мениска). Таким образом, на выброс струи предназначена четверть ширины сигнала (спад). Для маленьких капель (режим II) время набора чернил уменьшено и в состав сигнала входит дополнительный маленький импульс, заканчивающийся на выдавливании чернил до нулевого уровня мениска.

Другой способ получения капель разных размеров состоит в слиянии нескольких капель в одну. В печатающих головках Panasonic используется метод резонанса, когда для получения капель больших размеров на пьезоактиватор подается один или несколько предварительных импульсов. В результате сложения амплитуд колебания размер вылетающей капли увеличивается.

Распространенным способом является выброс из сопла в одну точку материала цепочки из разного количества капель (до 3 или 7). На материале образуются капли разных размеров. Способ используется, например, в печатающих головках Хааr. В этих головках исходная капля может иметь объем 1 или 6 пл, а капля, составленная из семи капель, - объем 7 или 42 пл соответственно. Большие капли используют для запечатывания сплошных участков, а мелкие капли - для получения мелких деталей и плавного изменения тонов.

Понятно, что при использовании режима переменного размера капель печать идет медленнее, чем в бинарном режиме, где все капли одинаковы.

Использование в комплекте светлых чернил (светлых голубых, пурпурных и серых чернил) позволяет еще более повысить число градаций по насыщенности для каждого цвета чернил и общее число цветов.

Пьезоструйные печатающие головки последнего поколения

В последние годы для изготовления печатающих головок стали использовать методы, характерные для микроэлектроники MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Основой любой MEMS-структуры является пластина, представляющая собой кристалл кремния. На одной из кремниевых пластин методами MEMS (напылением, фотолитографией, сухим травлением, лазерной абляцией и др.) формируются структуры эмиттеров головки, а на другой - микросхемы (платы), управляющие образованием капель, и, по необходимости, каналы для подачи чернил. Склеив их вместе, получают чип, который в головках MEMS называют кристаллом. Печатающая головка включает несколько чипов, расположенных с перекрытием крайних сопел.

Применение оборудования и технологий MEMS для изготовления печатающих головок дает возможность создавать плотные ряды сопел микронного и субмикронного размеров, с высокой повторяемостью размеров элементов, прочностью элементов, а также позволяет удешевить производство головок большого размера. Технологии MEMS используют многие фирмы-производители печатающих головок и принтеров. В качестве примеров рассмотрим новые печатающие головки двух фирм: Epson и Dimatix (образована фирмами Fuji и Spectra).

Печатающая головка Epson последнего поколения называется Micro Piezo TFP Printhead, TFP - аббревиатура «thin film piezo». Головки Micro Piezo TFP содержат тонкопленочные пьезоактиваторы. Если пьезокерамическая пластинка активатора в традиционных головках имела толщину 1 мм и ширину 141 мкм, то толщина нового пьезоэлектрика 1 мкм, а его ширина 71 мкм. Это стало возможным за счет применения нового материала с повышенной удельной деформацией и технологий MEMS для нанесения тонких пленок.

Новые печатающие головки могут выбрасывать капли того же размера, что и традиционные головки, при вдвое меньшем объеме чернильной камеры. В них сопла одного ряда располагаются с плотностью 360 на дюйм. Два ряда сопел, размещенные со сдвигом, обеспечивают физическое разрешение печати 720 dpi. Головки могут образовывать капли разных размеров, как и головки предыдущего поколения, что позволяет значительно увеличить разрешение печати.

Поскольку технологии MEMS позволяют получать строго одинаковые структуры эмиттеров, стало возможным увеличение размера печатающих головок. Это позволяет получать одинаковый порядок наложения красок при прямом и возвратном перемещении головки. Разместив 4 чипа на общем основании в два ряда в шахматном порядке, получили печатающую головку шириной 30,8 см. Все это позволяет значительно повысить скорость печати при сохранении высокого разрешения и высокого качества печати. Так, в офисных принтерах B500DN с головками шириной 10,8 см скорость цветной печати в стандартном режиме составляет 32 с/мин.

В струйной цифровой печатной машине Screen True Press 520 Jet из головок Micro Piezo TFP, размещенных на общем основании, получают головку шириной до 520 мм. Расположенные друг за другом поперек печатного материала широкие головки обеспечивают скорость цветной печати водными чернилами 63 м/мин при разрешении 720720 dpi.

Фирма Dimatix (образованная компаниями Spectra и Fuji) выпускает широкоформатные головки «М-класса», (изготовленные по технологии MEMS) под тем же названием.

Печатающая головка составляется из кристаллов (кремниевых чипов) размером 456,5 мм, содержащих 304 эмиттера капель, канал подачи чернил и управляющую электронику. Сопла эмиттеров расположены в два ряда симметрично относительно средней линии кристалла. Расстояние между соплами одного ряда соответствует разрешению 182 dpi. Каналы подачи чернил проходят вдоль основания кристалла.

Строение эмиттера капель новой печатающей головки другое, чем у головок Spectra. Чернила подаются в напорную камеру снизу основания кристалла через концевое акустическое устройство 3. Наличие такого устройства увеличивает за счет резонанса амплитуду акустической волны, выталкивающей чернила. Это позволяет уменьшить размер пьезоактиватора. Из напорной камеры чернила поступают через выходной канал в сопло, откуда перпендикулярно плоскости кристалла вылетают чернильные капли с частотой 100 кГц.

Из кристаллов может быть получена составная головка большой длины, в том числе страничного формата. Кристаллы располагают на общем основании, содержащем управляющую плату, ступенчато с наклоном (в форме лесенки). Так обеспечивается перекрытие сопел в направлении движения полотна печатного материала. Головка в процессе печати неподвижна. Такие печатающие головки стоят в листовой струйной цифровой печатной машине Fujifilm Digital Inkjet J Press 720, печатающей водными чернилами со скоростью 180 стр. А4 в минуту (2700 листов форматом 720520 мм в час). Разрешение печати при условии использования режима серой шкалы с 4 градациями на точку равно 12001200 dpi.

Печать твердыми чернилами

Твердые чернила имеют в своем составе полимерный воск. При комнатной температуре они твердые, а при нагревании они плавятся и превращаются в жидкость, низкая вязкость которой позволяет использовать чернила для струйной печати. В настоящее время чернила применяются в многофункциональном устройстве Xerox ColorQube серии 9200, например, ColorQube 9203. Компания Xerox разработала также струйную цифровую печатную машину с твердыми чернилами. Рулонная машина Xerox Ci Press 500 печатает на полотне шириной до 520 мм со скоростью до 150 м/мин.

Рассмотрим технологию печати твердыми чернилами на примере многофункционального устройства.

Печатающее устройство содержит печатающую головку, офсетный барабан, устройство очистки барабана, прижимной валик и бумагопроводящую систему с подогревом бумаги перед станцией переноса изображения с барабана на печатный материал.

Технологический процесс производится следующим образом. Чернила загружаются в печатающую головку в виде твердых брикетов 4-х цветов, различающихся по форме.

В головке они нагреваются, расплавляются и попадают в чернильный резервуар, а оттуда - в распределительные каналы печатающей головки. Головка содержит 4 распределительных канала по одному на цвет чернил и ряды сопел для чернил цветов CMYK. Из распределительного канала чернила, нагретые до температуры около 110С, попадают в эмиттеры капель и вылетают из сопел эмиттеров капель в виде капельных струй. При указанной температуре чернила приобретают достаточно низкую вязкость для струйной печати.

На барабан наносится тонкий слой силиконового масла, облегчающий передачу изображения на бумагу. Барабан нагрет до температуры около Чернила, попадая на барабан, остывают, они не растекаются по поверхности барабана, но сохраняют пластичность. Полученные на барабане точки и штрихи - рельефные.

Чернильное изображение доставляется на вращающемся барабане в зону переноса на бумагу. Бумага, имеющая температуру 40С, прижимается к барабану прижимным валиком. Перенос под давлением увеличивает адгезию красочного слоя, при этом рельеф элементов изображения уменьшается.

Печатающие головки, расположенные в шахматном порядке на общем основании, покрывают всю ширину листа А3+ (его короткой стороны). Печать идет в два прогона. При втором происходит небольшое боковое смещение головки. Максимальное разрешение печати 600600 dpi. Скорость печати в стандартном режиме 60-70, а режиме фотографического качества - 35-38 стр. А4/мин.

В этом способе при закреплении отпечатка на печатном материале происходит изменение фазового состояния чернил, из чернил не выделяются растворители. Поэтому не требуется ни сушка, ни впитывание чернил в печатный материал. Кроме того, макулатура легко очищается от краски. Недостатком чернил является чувствительность отпечатков к повышенной температуре. Ведется разработка чернил, которые могут отверждаться на отпечатке.

Импульсная термоэлектрическая струйная печать

Виды эмиттеров капель.

В импульсной термоэлектрической струйной печати (термоструйной печати) активатором, управляющим выбрасыванием из сопла чернильных капель, служит нагревательный элемент. Это тонкая полоска электропроводящего материала с высоким сопротивлением. При подаче электрического импульса полоска разогревается, чернила около нее закипают, и образуется пузырек водяного пара. Этот пузырек давит на чернила, и из сопла вылетает чернильная капля. Нагревательный элемент может быть расположен на стенке («крыше») чернильной камеры, на стенке канала, заканчивающегося соплом или внутри эмиттера.

Генерацию капель в чернильной камере используют в своих печатающих головках фирмы Hewlett Packard и Lexmark, а генерацию капель в каналах - фирма Canon, назвавшая свою технологию Bubble Jet (фирмы приведены для примера). Недавно на рынке появились принтеры с печатающим устройством Memjet, печатающие головки к ним разработала австралийская фирма Silverbrook. В эмиттерах капель этих головок нагреватель расположен, в основном, внутри канала с чернилами.

Механизм генерации капелек под действием локального нагрева рассмотрим на примере эмиттера капель, использованного в печатающих головках фирмы Canon. Эмиттер состоит из узкой напорной камеры (канала), оканчивающейся соплом с одной стороны и входным каналом из чернильного резервуара - с другой. На стенке канала находится полоска нагревательного элемента. При прохождении через полоску тока она разогревается до высокой температуры, разогревая, в свою очередь, находящиеся рядом чернила. Вода, служащая растворителем чернил, быстро доходит до температуры перегрева (более 200). Происходит моментальный (взрывной) переход перегретой воды в пар. Время воздействия на чернила высокой температуры составляет от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд, поэтому закипает только тонкий слой прилегающих к полоске чернил. Паровой пузырек давит на чернила, у которых имеется один выход - через сопло наружу. Так как выталкивание происходит быстро и с давлением, чернила выбрасываются из сопла. На воздухе за счет сил поверхностного натяжения из них образуется капля. Растратив энергию на выброс капли, пузырек опадает. Из входного канала внутрь рабочего канала поступает новая порция чернил, а мениск чернил в сопле изгибается внутрь сопла.

Пузырек образуется в этой камере, а капля чернил выдавливается через выходной канал и сопло. Разница между этим вариантом эмиттера и эмиттером Canon состоит в том, что здесь термоэлемент расположен не вблизи сопла, а его отделяет от сопла выходной канал. В остальном механизм выброс капли тот же.

Термоструйная печать широкоформатными головками затрудняется тем, что нагреватели выделяют большое количество тепла. Часть тепла передается телу эмиттера капель, так как нагреватель находится на его стенке. Австралийской фирмой Silverbrook разработан спиральный подвесной нагреватель.

Нагреватель имеет с телом эмиттера малую площадь контакта (концы спирали). Это позволяет нагревать чернила до температуры парообразования с меньшей затратой тепловой энергии, что облегчает функционирование широкоформатной печатающей головки. В результате удалось разработать принтер Memjet, который позволяет печатать каплями размером 1,4 пл с повышенной скоростью. Схема эмиттера капель взята из патента фирмы Silverbook.

Печать фотографического качества

В термоструйной печати нельзя, изменяя форму электрического импульса, менять размер капли. Для увеличения глубины цвета используют следующие методы варьирования количества чернил, попадающих на каждый микроучасток изображения. В фотопринтерах Hewlett Packard количество тонов повышается за счет того, что в каждую точку может попадать множество капель чернил, в том числе разного цвета. Вначале это количество доходило до 16 (Photo RET II), а в настоящее время - до 32 (Photo RET IV) капель размером около 4 пл. Слово RET - аббревиатура от Resolution Enhancement Technology (Технология повышения разрешения). Интерполированное разрешение составляет 24001200 dpi. Добавляются светлые пурпурные и светлые голубые чернила. Для улучшения передачи серых тонов в принтер вместо стандартного черного картриджа можно установить картридж, имеющий три камеры со светлыми фиолетовыми и синими чернилами и специальными черными чернилами на основе красителя. Отпечатки фотографического качества получают на фотобумаге (бумаге с покрытием).

Фирма Canon для печати фотографического качества использует технологию Drop Modulation Technology, позволяющую генерировать капли двух размеров. Достигается это путем размещения в каждом канале по 2 нагревательных элемента. Если электрический импульс подается на один элемент, образуется маленький пузырек, а при нагревании двух элементов, размер пузырька увеличивается. В первом случае из сопла вылетает капелька в три раза меньше, чем во втором (минимальный объем капли - 4 пиколитра). Чтобы облегчить отделение такой маленькой капли от сопла и обеспечить достаточную скорость ее движения, нагреватели располагаются близко к соплу. Для повышения количества тонов и цветов в фотопринтерах используется набор чернил 6-8 цветов, включающих в себя, помимо 4-х цветов CMYK, светлые чернила, голубые, пурпурные и серые. Светлые чернила особенно благоприятно сказываются на воспроизведении светлых цветных участков изображения. Достигается разрешение, эквивалентное 1800 dpi.

Для печати фотографического качества требуется фотобумага.

Для печати на офисных бумагах может быть использован подслой под чернила. Бесцветные подслои наносятся из специальной печатающей головки перед нанесением основных чернил. Именно подслои имеют непосредственный контакт с бумагой. Чернила ложатся на подслой. В этом случае уменьшается впитывание чернил в толщу бумаги, насыщенность цветов отпечатков повышается и увеличивается разрешение печати. Поскольку чернила непосредственно с бумагой не реагируют, понижаются требования к бумаге. Компания HP использует подслой в многофункциональном устройстве СМ8060 и цифровой печатной машине HP T300 Inkjet Web Press.



Печатающие головки нового поколения

Термоструйные печатающие головки нового поколения изготовляются методами MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), традиционно используемыми в микроэлектронике. Это увеличивает геометрическую точность выполнения сопел и эмиттеров капель разных (в том числе очень маленьких) размеров, обеспечивает их повторяемость и позволяет применять «масштабирование» - составление из модулей печатающих головок необходимого размера (формата) и тем самым обеспечение заданной ширины печати. Кроме того, использование технологий MEMS позволит удешевить печатающие головки, особенно головки больших форматов.

Импульсная струйная печать

В импульсной струйной печати капля чернил выталкивается из сопла при подаче электрического импульса на активатор, отвечающий за образование капель. Чернила, вылетевшие из сопла, полностью идут на построение изображения на печатном материале. Печатающая головка для импульсной струйной печати содержит множество сопел (несколько десятков или сотен). Струйный микромодуль, относящийся к каждому соплу, включает чернильную камеру, канал для входа чернил из резервуара или распределительного канала и выходной канал, заканчивающийся соплом. На стенке выходного канала или на стенке (крыше) чернильной камеры располагается активатор, получающий импульсы электрического напряжения из микрочипа, управляющего работой головки. Струйный микромодуль называется также эмиттером капель или эжектором капель.

Способ импульсной струйной печати определяется видом используемого активатора. Различают следующие виды импульсной струйной печати: пьезоэлектрическую (пьезоструйную), термоэлектрическую (термоструйную), электростатическую и акустическую.

Первые два способа струйной печати нашли широкое применение в принтерах, плоттерах и цифровых печатных машинах, и им будет уделено основное внимание. На приведенной ниже схеме показаны разновидности импульсной струйной печати.

Импульсная пьезоэлектрическая струйная печать

Типовая пьезоструйная печатающая головка включает линейку сопел, выстреливающих капли чернил в соответствии с командами и данными, получаемыми из процессора. Каждое сопло соединено каналом (дюзой) с чернильной камерой. Камера узким каналом связана с резервуаром чернил, общим для всех сопел, печатающих чернилами одного цвета.

На верхней стенке чернильной камеры или на стенке канала (дюзы) расположен пьезоэлемент, который при сообщении электрического импульса изменяет объем чернильной камеры или дюзы, составляющих внутренний объем эмиттера капель. Увеличение внутреннего объема эмиттера приводит к засасыванию порции чернил из распределительного канала или из резервуара чернил.

Уменьшение внутреннего объема приводит к выталкиванию порции чернил, которая вылетает из сопла в виде капельки того или иного размера. Размеры капелек и их скорость зависят от размеров сопла, конструкции печатающей головки, режимов ее работы (в том числе формы электрического сигнала, подаваемого на пьезоэлемент) и от чернил. Хотя эмиттеры всех головок имеют один и тот же принцип действия, по конструкции они могут сильно различаться.

Прежде всего они различаются по характеру деформации пьезокерамического элемента. Как было сказано выше, в ответ на подачу импульса напряжения на предварительно поляризованную пьезокерамическую пластинку (пьезоэлемент) она изменяет свою форму и размеры. При этом возможно два вида деформации: продольная деформация или сдвиг.

* Продольная деформация осуществляется, если направления поля поляризации и электрического поля параллельны друг другу. В этом случае пластинка изменяет свои горизонтальные размеры и толщину в противоположных направлениях:

- если пьезоэлемент выполнен в форме трубки, внутри которой находится чернильный канал с соплом, то реализуется режим сжатия этого канала, в результате которого выталкивается капелька чернил;

- если пьезоэлемент представляет собой крышку чернильной камеры и если пьезокерамическая пластинка может вдвигаться в камеру, уменьшая объем камеры, то мы имеем дело с режимом толчка;

- если пьезокерамическая пластинка жестко закреплена на эластичной стенке камеры, то при изменении ее размеров происходит изгибание эластичной стенки во внутреннюю или во внешнюю сторону. В первом случае происходит уменьшение объема чернильной камеры и выдавливание капли из сопла, во втором - чернила засасываются в камеру. Режим изгибания является основным режимом работы пьезоэлементов печатающих головок фирм Epson и Xerox.

* Деформация в режиме сдвига (Shear Mode) происходит, когда направления электрического поля и поляризации перпендикулярны друг к другу. В печатающих головках для импульсной струйной печати реализовано два варианта: «Shear Mode» фирмы Spectra и «Shear Mode/Shared Wall» фирмы Xaar. В первом случае пьезоэлектрическая пластина покрывает сверху чернильные камеры, а во втором из пьезоэлектрика выполнены стенки, разделяющие соседние каналы.

Рассмотрим примеры построения эмиттеров капель при различных режимах работы пьезоэлектического активатора.

Схема пьезоструйного эмиттера капель, использующего режим изгибания стенки напорной камеры (Bend Mode). Примерами печатающих головок, использующих эмиттеры такого типа, являются головки фирмы Epson. Принцип работы эмиттера описан выше.

Использование режима сдвига рассмотрим на пример печатающих головок фирм Spectra Ink и Xaar. У печатающих головок фирмы Spectra Ink из пьезокерамики выполнена тонкая покровная пластина чернильных камер. Пьезокерамическая пластина общая, а электроды индивидуальны для каждой камеры. При подаче импульса напряжения на средний электрод (электроды справа и слева заземлены) происходит деформация сдвига в участках пьезоэлектрика, расположенного по обеим сторонам электрода, Так как электрические поля справа и слева от электрода имеют противоположные направления, деформация обеспечивает подъем участка тонкой пьезокерамической пластины, находящегося под средним электродом. Объем чернильной камеры увеличивается, и в нее засасывается порция чернил. По окончании действия импульса пластина возвращается в прежнее положение, из сопла, находящегося напротив среднего электрода, выталкивается чернильная капля.

Между электродами, расположенными по обе стороны стенки, разделяющей соседние каналы, создается электрическое поле за счет сообщенного им электрического импульса.

Так как электроды одного канала связаны, электрическое поле по обе стороны канала имеет противоположное направление. Поэтому деформация сдвига, возникающая в этих стенках, имеет противоположное направление. Электроды занимают верхнюю часть стенок, и именно в этой части происходит сдвиг. Вверху стенки приклеены к покровной пластине, и поэтому сдвигаться могут лишь средние части стенок.

Вначале канал увеличивается в объеме и, лишь потом за счет изменения направления электрических полей канал сужается и из него выталкивается капля чернил. Затем канал снова расширяется и заполняется чернилами из резервуара. При данном типе головки одновременно может работать только каждое третье сопло. Для получения аппаратного разрешения, превышающего 360 dpi, линии сопел наклоняются под определенным углом к горизонтали. Изменяя угол наклона линии сопел и скорость перемещения печатающей головки, можно получать различные величины разрешения (до 720 dpi и даже до 1440 dpi).

Быстрая деформация пьезокерамического материала, приводящая к изменению объема напорной камеры, генерирует волну акустического давления, распространяющуюся к соплу. Когда сила давления жидкости превышает силу поверхностного натяжения, происходит выброс капельки чернил. При этом сила динамического давления должна быть достаточной для доставки капельки из сопла к бумаге. Деформация пьезоэлектрического активатора имеет микронный порядок. Чтобы обеспечить достаточное акустическое давление чернил, физический размер пьезоэлемента должен быть много больше размера сопла. Диаметр сопла связан с объемом выбрасываемых капель, для объема 10 пиколитров (пл = л) диаметр составляет около 20 мкм. В современном струйном оборудовании минимальный объем капли уменьшился до 2…5 пл, что повысило требования к размеру сопла, конфигурации сопла и точности его изготовления. Сопла бывают цилиндрические, конусообразные, треугольные и квадратные.

Конфигурация сопла влияет на объем капель, а также на скорость выброса капель и траекторию их полета.

В пьезоструйной печати есть возможность генерировать капли нескольких размеров и тем самым увеличивать глубину цвета (число передаваемых тонов и цветов). Один из таких способов разработала фирма Epson. Для генерации различных по объему капелек от импульсного генератора на пьезоэлемент подается один из трех импульсов напряжения. При выборе импульса капля не образуется. При выборе импульса образуется капелька маленьких размеров (пиколитра). Импульс дает каплю среднего размера (10 пиколитров). Соединение импульсов дает две капли - маленькую и большую. При их слиянии на бумаге образуется большая капля размером 19 пл. Этот метод используется фирмой Epson в системе Perfect Picture Imaging System.

Дальнейшего увеличения числа воспроизводимых тонов добиваются использованием 6...7 цветов чернил. Так, комплект пигментных чернил UltraChrome фирмы Epson включает помимо четырех цветов CMYK (голубого, пурпурного, желтого и черного) еще чернила ненасыщенных цветов: светло-голубые, светло-пурпурные и светло-серые. Комбинирование обычных и светлых чернил позволяет создавать большое количество цветовых оттенков и особенно хорошо сказывается на воспроизведении светлых участков.

...