 |
Принципы работы и устройство принтеров
|
|
|
|
Матричные принтеры: Эти устройства, появившиеся в 1964 году, из-за своей уникальности в ряде областей применения продолжают пользоваться спросом и сегодня. 9- и 24-игольчатые, широко- и узкоформатные, с различным объемом памяти, с возможностью печати нескольких копий, печатающие на обычной, перфорированной или рулонной бумаге, специальные высокоскоростные с принудительным охлаждением для непрерывной печати больших массивов – таков диапазон свойств современных матричных принтеров EPSON.
Принцип работы этого устройства: В принтере имеется специальная печатающая головка с так называемыми иглами, благодаря которым появилась еще одна классификация матричного принтера – «игольчатый». Каждая из таких иголок закреплена на упругой пластине (ее называют еще держателем) на электромагните. При подаче тока магнит начинает притягивать эту пластину, приводя в движение и иглу. Игла в свою очередь бьет по красящей ленте, оставляя тем самым отпечаток, например, символ на бумаге. А из них и формируется информация. А прекращение подачи тока на этот магнит приводит к тому, что упругий держатель иглы возвращает ее в исходное положение. Красящая лента, которая применяется в матричных принтерах, представляет собой особую полоску плотной материи, пропитанной краской. Благодаря тому, что она не стоит на месте, а постоянно прокручивается, вся ее поверхность как бы «выбивается» ровно. А для повышения разрешения печать может производиться сразу в несколько проходов со смещением головки. В этом и заключается классический принцип работы. Как уже говорилось, использование матричных принтеров остается на сегодняшний день актуальным делом. Матричные принтеры зачастую оказываются куда более пригодными, чем те же струйные. А все благодаря своим преимуществам, к которым можно отнести:
|
|
|
· Универсальность: матричный принтер является существенно более экономичным принтером при работе с бумагой, чем лазерный или струйный, которые, как правило, не имели возможности использования бумаги в специальном рулоне. Нужно сказать, что матричные принтеры могут работать практически с любым типом бумаги, даже очень низкого качества.
· Низкая стоимость печати: матричные принтеры требуют, пожалуй, минимальных затрат для печати. Низкая стоимость печати – еще одно важное преимущество, на которое стоило бы обратить внимание в первую очередь. Да и сами принтеры не требуют особых расходов при эксплуатации.
· Скорость печати: многие матричные принтеры имеют очень большую скорость печати, чем современные лазерные и струйные принтеры. Это позволяет использовать матричные принтеры в служебных офисах, где требуется печатать достаточно большой объем информации при высокой скорости.
Несмотря, на все преимущества матричных принтеров, у них есть существенный недостаток – высокий уровень шума при работе. Поэтому, как правило, использовались матричные принтеры в специальных помещениях, где шум работы устройства не отвлекал людей [7], [8].
Струйные принтеры: С начала 70-х годов необычайно активизировалась исследовательская деятельность, направленная на создание систем без недостатков, свойственных системам печати под высоким давлением. Первое решение, найденное специалистами – печатающие головки с пьезоэлектрическими преобразователями, испускающие по запросу отдельные капли красителя.
Первый принцип работы: печатающие устройства с пьезоэлектрическими исполнительными механизмами. В 1977 г. был продемонстрирован первый струйный принтер с дозированным выбросом красителя. Этот принтер, оснащенный двенадцатью соплами-распылителями и печатающий почти бесшумно со скоростью 270 символов в секунду, произвел революцию даже в кругах специалистов. Компания Siemens, которой удалось облечь этот принцип в приемлемую для рынка форму, 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.
|
|
|
Пьезопластины. В начале 1985 г. компания Epson представила первый из своих пьезопланарных струйных принтеров. 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, выталкивающегося 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 исполнительным механизмом). Тем не менее, и в пьезоэлектрических печатающих 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.
|
|
|
Второй принцип работы: печатающие устройства с термографическими исполнительными механизмами. В 1985 году сенсацию вызвал Thinkjet компании Hewlett-Packard – первый струйно-пузырьковый термопринтер. Метод пузырьково-струйной термопечати за несколько лет покорил рынок (количество проданных струйных термопринтеров составило 10 млн.) Как часто бывает в подобных случаях, достижением стало сокращение производственных расходов. 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.
|
|
|
Функционирование пузырьково-струйного сопла-распылителя: сначала сильный импульс напряжения длительностью 3–7 мкс подается на крохотный нагревательный элемент, который мгновенно накаляется до 500 гр. Цельсия. На его поверхности температура превышает 300 гр. Цельсия. Мощность нагрева поверхности настолько велика, что при увеличении длительности импульса напряжения всего лишь на несколько микросекунд нагревательный элемент моментально бы разрушился. Сразу же в тонкой пленке над нагревательным элементом начинают кипеть чернила, и через 15 мкс образуется закрытый пузырек пара высокого давления (до 10 бар). Он выталкивает каплю чернил из сопла-распылителя, при чем скорость полета капли достигает 10 м/с и более. Через 40 мкс пузырек, соединившись с атмосферой, опять опадает, однако пройдет еще 200 мкс, пока новые чернила под действием капиллярных сил не будут засосаны из резервуара.
С самого начала пузырьково-струйные печатающие головки делились на две группы. Компания Canon, изобретатель системы, предпочла вариант Edlgeshooter. Почти одновременно фирма Hewlett-Packard разработала головку типа Sidechooter, которую теперь изготавливает и компания Olivetti. Головка Edgeshooter, как становится ясно уже из названия, разбрызгивает чернильные капли «за угол», т.е. перпендикулярно к направлению образования пузырьков. В головке Sideshooter, где пластина с соплами-распылителями находится поверх нагревательных элементов и каналов подачи чернил, пузырьки и капли движутся в одном направлении. Поскольку края сопел-распылителей в головках типа Sideshooter сделаны из однородного, а не из различных материалов, как в Edgeshooter, процесс изготовления распылителей с отверстиями определенного размера для Sideshooter значительно проще, чем для головок Edgeshooter. Кроме того, приходится учитывать неодинаковое смачивание разнородной поверхности головки Edgeshooter.
|
|
|
Требования к качеству чернил для любой системы струйной термопечати очень высоки, значительно выше, чем пьезосистемах. Принцип функционирования и высокие температуры обусловливают применение только смешанных растворимых красителей на водяной основе.
Вполне вероятно, что струйные принтеры завоюют массовый рынок, вытесняя таким образом матричные принтеры. Если же разработчикам удастся повысить разрешение и скорость печати струйных принтеров, то изготовителям лазерных принтеров придется всерьез побороться за место на рынке. До сих пор никакой другой метод печати не порождал такого разнообразия вариантов, как струйная печать, при чем не подлежит сомнению, что возможность этой технологии еще долго не будет исчерпана.
Лазерные принтеры: лазерные принтеры, как и копировальные аппараты, используют принцип сухой ксерографии, в основе которого лежит напыление порошка на материал с последующим запеканием.
Устройство обычного лазерного принтера: до того, как перейти непосредственно к принтерам, рассмотрим вначале копировальные аппараты, поскольку на их основе строения были сделаны лазерные принтеры. Функционально аппарат состоит из следующих частей (если не рассматривать сканирующую часть):
1. Фоторецептор (барабан)
2. Магнитный вал
3. Ракельный нож
4. Коротрон заряда
5. Вал переноса (коротрон переноса)
6. Коротрон отсечения
7. Бункер с тонером
8. Бункер отработки
9. Печка (фьюзер)
Фоторецептор представляет собой специальный материал (обычно это селен), нанесенный на металлическую основу. Обычно он выполняется в виде вала, поэтому иногда его называют барабан (drum unit). Фоторецептор заряжается коротроном заряда, который представляет собой металлическую (обычно золотую или платиновую проволоку) или же резиновый вал с металлической основой. Причем резина токопроводящая. На старых аппаратах применялся проволочный коротрон. В настоящее время происходит переход к другой технологии. Дело в том, что проволочный коротрон сильно озонирует воздух из-за высокого напряжения, подаваемого на него. После зарядки на фоторецептор подается изображение, которое в копировальных аппаратах освещается мощным источником света и проецируется через систему зеркал. Обычно для освещения оригинала используется каретка с лампой как в сканерах. Для увеличения и уменьшения изображения служит объектив с изменяемым фокусным расстоянием. Скорость барабана и каретки должна быть согласована. Те места на фоторецепторе, на которые падает свет, меняют свой потенциал или вообще теряют заряд (в зависимости от типа копировального аппарата). Таким образом, на фоторецепторе остается рисунок оригинала в виде заряженных участков. Затем фоторецептор входит в контакт с магнитным валом, который покрыт смесью тонера и носителя. Тонер представляет собой пыль, состоящую из мельчайших частиц определенного цвета. Для достижения более высокого качества печати фирмы-производители стремятся к созданию более мелких частиц тонера.
Носитель (developer) представляет собой железные частицы, на которых осаждается тонер. Таким образом, на магнитном валу находятся железные частицы, покрытые тонером. В некоторых аппаратах носитель отделен от тонера и заправляется отдельно, в других тонер представляет собой порошок, уже смешанный с носителем. Тонер находится в специальном бункере. Внутри бункера устанавливается мешалка, которая предотвращает опрессовывание тонера. Тонер переходит на фоторецептор за счет противоположного заряда на фоторецепторе. Весь этот процесс носит название проявки. Во время этого процесса бумага подается на регистрацию, т.е. она выбирается из лотка и устанавливается таким образом, чтобы начинать печать. Когда датчик регистрации бумаги сообщает, что бумага дошла до фото барабана, происходит перенос изображения с фото барабана на бумагу. После того, как тонер перенесен, подается бумага. Под бумагой проходит коротрон переноса (вал переноса), который имеет потенциал сильнее потенциала фоторецептора. Этот вал выполняется из металла, покрытого специальной токопроводящей резиной. Вал за счет более сильного потенциала на нем оттягивает на себя тонер, который осаждается на бумаге. Затем с помощью специального механизма бумага отрывается от рецептора и подается на запекание. В некоторых машинах существует такой механизм, в некоторых нет. Он представляет собой еще один коротрон, который оттягивает бумагу от рецептора.
Запекание представляет собой процесс высокотемпературного нагрева бумаги с одновременным прижимом специальным валиком. Механизм состоит из нагреваемого тефлонового вала, с кварцевой лампой внутри, и резинового прижимного вала. Механизм для запекания носит название печка (fuser). Иногда вместо тефлонового вала устанавливается специальный термоэлемент, покрытый термопленкой. Такие копиры имеют меньший срок прогрева и меньшее энергопотребление, однако и ходит термопленка значительно меньшее количество копий и повредить ее значительно легче при неправильном извлечении бумаги. В некоторых аппаратах предусмотрено смазывание прижимного вала силиконовой смазкой. Эта смазка предотвращает прилипание бумаги к валу. Механизм с кварцевой лампой более дорогой, но и более надежный обычно используется в высокопроизводительных машинах. Механизм с термопленкой используется в принтерах и копирах малого класса. Фоторецептор очищается от остатков тонера с помощью ракельного ножа, который сделан из специального материала и находится в плотном контакте с рецептором. Ракельный нож обычно выполняется в виде полосы из мягкого пластика. В некоторых аппаратах предусмотрена смазка ракельного ножа. Остатки тонера удаляются в бункер отработки. Это наиболее распространенный принцип удаления остатков тонера. В некоторых аппаратах вместо ракельного ножа используется электростатическое удаление остатков тонера. В этих машинах опять же практически весь тонер переносится на бумагу.
Светодиодные принтеры: светодиодная и лазерная технологии цифровой печати используют электрографический процесс для получения финального отпечатка. Фактически, эти устройства одного и того же класса: в обоих случаях источник света, управляемый процессором принтера, формирует на светочувствительном барабане поверхностный заряд, соответствующий требуемому изображению. Далее вращающийся барабан проходит мимо бункера с тонером, притягивает частички тонера к «засвеченным» местам и переносит тонер на бумагу. Затем тонер закрепляется на бумаге термоэлементом (печкой) – voila, мы получаем на выходе готовый отпечаток.
Остановимся на конструкции источника света, засвечивающего барабан. Именно в типе используемого источника света и кроется разница между лазерным и светодиодным принтером: в отличие от лазерного блока, в последнем случае используется линейка, состоящая из тысяч светодиодов.
Соответственно, светодиоды через фокусирующие линзы освещают поверхность светочувствительного барабана по всей его ширине. Светодиодная засветка осуществляется следующим способом: панель светит через фокусировочную линзу. Через линзу свет попадает на барабан с фоторецептором (светочувствительный барабан) и вырисовывает требуемое изображение («выбивает» заряды) по всей длине барабана. Затем происходит поворот барабана на один шаг и вычерчивается новая линия. В некоторых принтерах кроме поворота барабана используется поворот светодиодной панели по вертикали, который позволяет на одном шаге поворота барабана вычертить два ряда точек. Скорость проектировки изображения с помощью светодиодной панели велика, но лазерные принтеры все равно превосходят по скорости проектировки изображения светодиодные принтеры. Светодиодная технология более надежна, поскольку является более простой, чем технология лазерных принтеров. Кроме того, принтеры со светодиодной панелью более компактны. По этой же причине светодиоды часто используют в ксерографических цифровых плоттерах. Однако лазерные принтеры работают быстрее, в то время как светодиодные – дешевле лазерных принтеров [9].
Сравнение принтеров
Лазерные принтеры:
· Используются в бизнесе, так как они обеспечивают самую быструю печать без потери в качестве. Сетевые лазерные принтеры готовы к множеству работ и имеют много входных лотков для бумаги. Личные принтеры намного меньше. Они подключаются напрямую к персональному компьютеру и обычно предлагают только один входной лоток для бумаги. Личные принтеры обычно могут печатать от 4 до 6 страниц в минуту, тогда как сетевые принтеры могут производить более 24 страниц. Многие лазерные принтеры имеют более 1МВ внутренней оперативной памяти, которая работает как буфер, и внутренний процессор для ускорения получения печатной продукции.
· Довольно высокая скорость печати – до 20 стр./мин. При печати нескольких тысяч страниц общая стоимость струйного принтера и расходных материалов будет в несколько раз превышать стоимость монохромного лазерного принтера плюс расходные материалы на тот же объем печати.
· Бумага для лазерного принтера подходит не всякая. Подходящая марка подбирается исключительно экспериментальным путем: после выхода из принтера листы не должны слипаться от электростатического заряда и не должны изгибаться «в трубку», поскольку это сильно может затруднить последующую печать на противоположной стороне листа.
Матричные принтеры зачастую оказываются куда более пригодными, чем те же струйные, благодаря своим преимуществам, к которым можно отнести:
· Универсальность: существенно более экономичный принтер при работе с бумагой, чем лазерный или струйный, которые, как правило, не имели возможности использования бумаги в специальном рулоне. Матричные принтеры могут работать практически с любым типом бумаги, даже очень низкого качества.
· Низкая стоимость печати: матричные принтеры требуют минимальных затрат для печати. И сами принтеры не требуют особых расходов при эксплуатации.
· Скорость печати: многие матричные принтеры имеют большую скорость печати, чем современные лазерные и струйные принтеры. Это позволяет использовать матричные принтеры в служебных офисах, где требуется печатать достаточно большой объем информации при высокой скорости.
Несмотря, на все преимущества матричных принтеров, у них есть существенный недостаток – высокий уровень шума при работе. Поэтому, как правило, использовались матричные принтеры в специальных помещениях, где шум работы устройства не отвлекал людей.
Струйные принтеры отличаются следующими преимуществами: низкая начальная цена, огромнейший выбор, скорость, цветная печать. Весомым «минусом» данных принтеров является цена на оригинальные картриджи – она иногда может достигать 90% первоначальной цены принтера. К тому же стоимость отпечатка на струйном принтере очень высока. Единственное достоинство струйного принтера заключается в том, что он позволяет создавать цветные документы и качественные цветные фотографии.
Светодиодные принтеры: конструкция выглядит одновременно очень просто и весьма функционально. Именно принцип устройства данного принтера, а именно, линейка, состоящая из тысячи светодиодов, позволяет принтеру обеспечивать высокую скорость и отличное качество печати. Также можно отметить и надежность светодиодных принтеров. Недостатком данных принтеров можно отметить их высокую стоимость.
|
|
|
