Пьезоэлектрический метод

Принтеры.

Принтеры – это устройства, которые служат для вывода данных из ЭВМ.
По принципу действия различают матричные, струйные (безударные матричные), принтеры с термопереносом восковой мастики, сублимационные принтеры, лазерные и светодиодные принтеры.
Во все принтеры встроено некоторое число шрифтов, например 10 шрифтов в точечно-матричном принтере и 10 - 40 в лазерном принтере. Такие встроенные шрифты называются шрифтами принтера.

Матричные принтеры.
При ударном принципе действия изображение на бумаге получают механическим воздействием на бумагу, как правило, через красящую ленту, из которой выдавливается краситель. В настоящее время наибольшее распространение получили печатающие устройства с многоэлементными матричными печатающими головками, каждый печатающий элемент которых при воздействии на носитель записи создает отдельную точку. Комбинация точек формирует изображение знака. Каждый печатающий элемент головки представляет собой тонкий стержень, соединенный с автономным быстродействующим электроприводом. Разрешающая способность матричных принтеров определяется количеством точек, которые принтер способен вывести на отрезке единичной длины в вертикальном и горизонтальном направлениях. Разрешающая способность по вертикали определяется между соседними штырьками в печатающей головке. Разрешающая способность по горизонтали размером шага печатающей головки вдоль строки (его обычно выбирают равным расстоянию между штырьками).
При печати графики изображение выводимой на печать строки матричного принтера хранится в специальной буферной памяти принтера в закодированном виде. Каждой точке печатаемой строки соответствует свой бит в памяти, которому схемой управления печатью присваивается 1, если точка должна быть напечатана, и 0, если точка не печатается. В каждом положении печатающей головки удар по красящей ленте наносят только те штырьки, которые находятся в позиции точек, отмеченных в памяти кодом 1. При печати текста графическое изображение символов хранятся в программно загружаемой памяти генератора знаков печатающего устройства. Битовая карта изображения символа обычно имеет формат 9х7, 9х9, 18х9, 24х9 точек в зависимости от количества вертикальных штырьков в печатающей головке.
Печать одного символа осуществляется за семь или девять перемещений печатающей головки в горизонтальном направлении.
Многие принтеры имеют несколько наборов знаков. Встроенные наборы символов хранятся в ПЗУ принтера.
Один из наборов автоматически загружается в память генератора знаков при включении принтера. В память генератора знаков принтера набор символов может быть загружен программно, что снимает ограничения при использовании кириллицы.
Более высокую производительность обеспечивают построчные (постраничные) матричные принтеры. Вместо маленьких точечно-матричных головок они используют длинные массивы с большим количеством игл, при этом достигается скорость печати порядка 1500 строк в минуту.

Наибольшее распространение сегодня получили безударные печатающие устройства, особенно широко применяются электрографический (лазерный) и струйный способы регистрации.

Струйные принтеры.
Основной принцип работы струйных принтеров чем-то напоминает работу игольчатых принтеров, только вместо иголок здесь применяются тонкие, как волос, сопла, которые находятся в головке принтера. В этой головке установлен резервуар с жидкими чернилами, которые через сопла, как микрочастицы, переносятся на материал носителя. Число сопел (от 16 до 64) зависит от модели принтера и изготовителя.

Принцип действия струйного принтера

Современные модели струйных принтеров в своей работе могут использовать следующие методы:

• Пьезоэлектрический метод
• Метод газовых пузырей
• Метод drop-on-demand

Пьезоэлектрический метод

Для реализации этого метода в каждое сопло установлен плоский пьезокристалл, связанный с диафрагмой. Как известно, под воздействием электрического поля происходит деформация пьезоэлемента. При печати находящийся в трубке пьезоэлемент, сжимая и разжимая трубку, наполняет капиллярную систему чернилами. Чернила, которые отжимаются назад, перетекают обратно в резервуар, а чернила, которые "выдавились" наружу, оставляют на бумаге точку. Подобные устройства выпускают компании Epson, Brother и др.

Принцип действия струйного принтера на пьезоэлектрическом элементе.

Метод газовых пузырей

Этот способ является термическим и больше известен под названием инжектируемые пузырьки. При использовании этого метода каждое сопло оборудовано нагревательным элементом, который при пропускании через него тока за несколько микросекунд нагревается до температуры около 500°. Возникающие при резком нагревании газовые пузыри стараются вытолкнуть через выходное отверстие сопла необходимую каплю жидких чернил, которая переносится на бумагу. При отключении тока нагревательный элемент остывает, паровой пузырь уменьшается и через входное отверстие поступает новая порция чернил. Подобную технологию использует фирма Canon.

Метод drop-on-demand

Метод, разработанный фирмой HP, называется методом drop-on-demand. Так же, как в методе газовых пузырей, здесь для подачи чернил из резервуара на бумагу используется нагревательный элемент. Однако в методе drop-on-demand для подачи чернил дополнительно используется специальный механизм, в то время как в методе газовых пузырей данная функция возложена исключительно на нагревательный элемент.

Благодаря тому, что в механизмах печати, реализованных с использованием метода газовых пузырей, меньше конструктивных элементов, такие принтеры надежней в работе и срок их эксплуатации более продолжителен. Кроме того, использование этой технологии позволяет добиться наиболее высокой разрешающей способности принтеров. Обладая высоким качеством при прорисовке линий, данный метод имеет недостаток при печати областей сплошного заполнения: они получаются несколько расплывчатыми. Применение метода газовых пузырей целесообразно при необходимости печати графикой, гистограмм и т. п., тогда как печать полутоновых графических изображений получается более качественной при использовании метода drop-on-demand.

Согласно технологии drop-on-demand обеспечивается наиболее быстрое впрыскивание чернил, что позволяет существенно повысить качество и скорость печати. Цветовое представление изображения в этом случае более контрастно.

К положительным свойствам струйных печатающих устройств следует отнести относительно небольшое количество движущихся механических частей и, соответственно, простоту и надежность механической части устройства и его относительно низкую стоимость. Основным недостатком, по сравнению с лазерными принтерами, является нестабильность получаемого разрешения, что ограничивает возможность их применения в черно-белой полутоновой печати.
В то же время сегодня струйные принтеры нашли очень широкое применение в цветной печати. Благодаря простоте конструкции они намного превосходят цветные лазерные принтеры по показателю качество/цена. При разрешении выше 600 dpi они позволяют получать цветные оттиски, превосходящие по качеству цветные отпечатки, получаемые фотохимическими методами.

Принтеры с термопереносом восковой мастики.
Принцип работы принтера с термопереносом восковой мастики (thermal wax transfer) состоит в том, что термопластичное красящее вещество, нанесенное на тонкую подложку, попадает на бумагу именно в том месте, где нагревательными элементами печатающей головки обеспечивается должная температура.
Основными составными частями печатающей головки термопринтера являются несколько крошечных нагревательных элементов, которые расположены примерно так же, как расположены иглы в обычном матричном ударном принтере: друг над другом в два ряда. Как у ударных матричных и струйных принтеров, печатающая головка термопринтера позиционируется только в горизонтальном направлении, а подача бумаги осуществляется в вертикальном (последовательные принтеры). Поскольку между печатающей головкой и бумагой механический контакт отсутствует, термопринтеры относятся к классу безударных устройств.

Cублимационные принтеры.
Это уникальные устройства, которые не переносят краску непосредственно на страницу. В их печатных головках установлены тысячи термических элементов, с высокой точностью нагревающие красители на трех- или четырехцветной пластиковой ленте до тех пор, пока они не переходят в газообразное (сублимированное) состояние. Газообразный краситель впитывается специальной подложкой на базе полистирола, формируя один из 16 миллионов цветов в каждой точке, размер которой определяется разрешением принтера. В результате появляется нерастрированное изображение, в котором плавные градации цветов создаются без использования полутоновых растров. Качество изображения высокое, но эти устройства довольно медленные (печать одной страницы с максимальным качеством может длиться до 12 минут) и дороги в обслуживании, а если не применять специальных защищающих от воздействия ультрафиолета покрытий, полученные на них отпечатки выцветают.

В цветных ПУ используется субтрактивная модель цветообразования. Первичными цветами являются пурпурный (Cyan), розовый (Magenta) и желтый (Yellow). Смешение всех трех цветов дает черный цвет, но для получения истинно черного цвета используется отдельный черный краситель (blacK), поэтому такая модель цветообразования называется CMYK.

Лазерные и светодиодные принтеры.
Основным элементом конструкции лазерного принтера является вращающийся барабан, служащий промежуточным носителем, с помощью которого производится перенос изображения на бумагу. Барабан представляет собой цилиндр, покрытый тонкой пленкой светопроводящего полупроводника. Обычно в качестве такого полупроводника используется оксид цинка или селен. По поверхности барабана равномерно распределяется статический заряд. Это обеспечивается с помощью тонкой проволоки или сетки, называемой коронирующим проводом. На этот провод подается высокое напряжение, вызывающее возникновение вокруг него светящейся ионизированной области, называемой короной.

Лазер, управляемый микроконтроллером, генерирует тонкий световой луч, отражающийся от вращающегося зеркала. Развертка изображения происходит так же, как и в телевизионном кинескопе: есть движение луча по строке и кадру. С помощью вращающегося зеркала луч скользит вдоль цилиндра, причем его яркость меняется скачком: от полного света до полной темноты, и также скачкообразно (поточечно) заряжается цилиндр. Этот луч, приходя на барабан, изменяет его электрический заряд в точке прикосновения. Размер заряженной площади точки зависит от фокусировки луча лазера. Фокусируется луч с помощью объектива. Признаком хорошей фокусировки считают наличие четких кромок и углов на изображении. Для некоторых типов принтеров в процессе подзарядки потенциал поверхности барабана уменьшается от - 900 до - 200 вольт. Таким образом, на барабане, промежуточном носителе, возникает скрытая копия изображения в виде электростатического рельефа.

На следующем этапе на фотонаборный барабан наносится тонер - краска, представляющая собой мельчайшие частицы. Под действием статического заряда эти частицы легко притягиваются к поверхности барабана в точках, подвергшихся экспозиции, и формируют изображение уже в виде рельефа красителя.

Рис. Функциональная схема лазерного принтера

Бумага втягивается из подающего лотка и с помощью системы валиков перемещается к барабану. Перед самым барабаном бумаге сообщается статический заряд. Затем бумага соприкасается с барабаном и притягивает, благодаря своему заряду, частички тонера нанесенные ранее на барабан.
Для фиксации тонера бумага вновь заряжается и пропускается между двумя роликами с температурой около 180^oС. После окончания процесса печати барабан полностью разряжается, очищается от прилипших лишних частиц, тем самым готовясь для нового процесса печати. Лазерный принтер является постраничным, то есть формирует для печати полную страницу.

Рис. Создание копии изображения на фотобарабане

Процесс работы лазерного принтера с момента получения команды от компьютера до выхода отпечатанного листа можно разделить на несколько взаимосвязанных этапов, во время прохождения которых оказываются задействованы такие функциональные компоненты принтера как: центральный процессор; процессор развертки; плата управления двигателем зеркала; усилитель яркости луча; блок управления температурой; блок управления подачей листа; плата управления протяжкой бумаги; интерфейсная плата; блок питания; плата кнопок и индикации управляющей панели; дополнительные платы расширения ОЗУ. По сути дела функционирование лазерного принтера подобно компьютеру: тот же центральный процессор, на котором сосредоточены главные функции взаимосвязи и управления; ОЗУ, где размещаются данные и шрифты, интерфейсные платы и плата управляющей панели, осуществляющие связь принтера с другими устройствами, узел печати выдающий информацию на лист бумаги.

Работа лазера.

Лазерная засветка осуществляется следующим способом: Лазерная пушка светит на зеркало, которое вращается с высокой скоростью. Отраженный луч через систему зеркал и призму попадает на барабан и за счет поворота зеркала выбивает заряды по всей длине барабана. Затем происходит поворот барабана на один шаг (этот шаг измеряется в долях дюйма и именно он определяет разрешение принтера по вертикали) и вычерчивается новая линия. В некоторых принтерах кроме поворота барабана используется поворот зеркала по вертикали, которое позволяет на одном шаге поворота барабана вычертить два ряда точек.

Скорость вращения зеркала очень высока. Она составляет порядка 7-15 тыс. об./мин. Для того, чтобы увеличить скорость печати не увеличивая скорость зеркала его выполняют в виде многогранной призмы.

Лучи черного и красного цвета соответствуют различным положениям зеркала. Вначале зеркало повернуто под одним углом (красное положение зеркала). В следующий момент времени, соответствующий частоте лазера, зеркало поворачивается и занимает черное положение. Отраженный луч попадает уже в другую точку фоторецептора. Естественно в реальности существуют еще дополнительные зеркала, призмы и световоды, отвечающие за фокусировку и изменение направления луча.

Лазерные принтеры кроме механической части включают в себя достаточно серьезную электронику. В частности на принтерах устанавливается память большого объема, для того, чтобы не загружать компьютер и хранить задания в памяти. На части принтеров устанавливаются винчестеры. Электронная начинка принтера также содержит различные языки описания данных (Adobe PostScript, PCL и т. д.). Эти языки опять же предназначены для того, чтобы забрать часть работы у компьютера и передать принтеру.

При печати на цветном лазерном принтере используются две технологии.

В соответствии с первой, широко используемой до недавнего времени, на фотобарабане последовательно для каждого отдельного цвета (Cyan, Magenta, Yellow, Black) формировалось соответствующее изображение, и лист печа­тался за четыре прохода, что, естественно, сказывалось на скорости и каче­стве печати. В современных моделях в результате четырех последовательных прогонов на фотобарабан наносится тонер каждого из четырех цветов. Затем при соприкосновении бумаги с барабаном на нее переносятся все четыре краски одновременно, образуя нужные сочетания цветов на отпечатке. В результате достигается более ровная передача цвето­вых оттенков, почти такая же, как при печати на цветных принтерах с тер­мопереносом красителя.

Соответственно в цветных лазерных принтерах используются четыре ёмко­сти для тонеров. Принтеры этого класса оборудованы большим объемом памяти, процессором и, как правило, собственным винчестером. На винчестере содержатся разнообразные шрифты и специ­альные программы, которые управляют работой, контролируют состояние и оптимизируют производительность принтера. Цветные лазерные принтеры имеют довольно крупные габариты и большую массу.

Светодиодные принтеры.

В LED принтерах (Light Emitting Diod) полупроводниковый лазер заменен "гребенкой" мельчайших светодиодов. Разумеется, в данном случае не требуется сложная система вращающихся зеркал и линз.
Принцип действия светодиодных принтеров похож на принцип действия лазерных принтеров. Разница заключается в том, что источником света является не лазерная головка, а линейка светодиодов. Поскольку эта линейка расположена по всей ширине печатаемой страницы, отпадает необходимость в механизме формирования горизонтальной развертки и вся конструкция получается проще, надежнее и дешевле. Типичная величина разрешения печати для светодиодных принтеров составляет порядка 600 dpi.

Принтеры имеют встроенный контроллер, который служит для управления работой принтера и оперативную память.
К наиболее важным функциональным возможностям принтеров относятся такие, как поддержка технологии повышения разрешающей способности, наличие масштабируемых шрифтов (PostScript, TrueType),объем оперативной памяти и т. п.
В лазерных принтерах применяются два способа записи текста. В обоих способах принтер имеет словарь для каждого символа любого используемого шрифта. Когда требуется записать букву А, принтер отыскивает форму этого символа, а затем печатает его. В простейшем случае в словаре хранится фактическое изображение символа (его двоичная карта - bitmap). Шрифты такого типа называются шрифтами типа двоичной карты. Во втором, более совершенном способе, форма каждого символа хранится как математическая формула, которая применяется для формирования символа. Такой способ обеспечивает получение масштабируемых шрифтов (они также называются контурными шрифтами, так как по формуле формируется контур символа, который затем заполняется). При первом способе возможна печать символов только тех размеров, для которых имеются двоичные карты. Второй способ допускает печать символов практически любого размера.
В лазерные принтеры можно добавить шрифты, вставляя соответствующие кассеты (картриджи). Такие шрифты называются кассетными шрифтами. Наконец, данные для еще большего числа шрифтов можно загрузить из компьютера во внутреннюю память принтера. Это программируемые шрифты (soft fonts), которые исчезают при выключении принтера. Принтер может хранить столько программируемых шрифтов, сколько их помещается в его память. Память требуется также для формирования графических изображений, поэтому ее доступный объем ограничен. Программируемый шрифт типа двоичной карты требует много памяти. При запросе печати документа, требующего нескольких программируемых шрифтов
памяти принтера может не хватить.
Масштабируемые шрифты занимают намного меньше места в памяти принтера. Но в этом случае принтер должен иметь свой процессор для формирования каждого символа. По существу, такие принтеры превращаются в специализированные компьютеры. Однако масштабируемые шрифты можно применять и для лазерных принтеров, которые не поддерживают их. Для этого сам компьютер (а не принтер) создает двоичную карту по формуле контура символа, а затем такая двоичная карта передается в принтер как программируемый шрифт.
Программа может интерполировать двоичные карты с получением изображений промежуточных размеров. Этот прием совершенствован в масштабируемых шрифтах TrueType. Они формируют высококачественные изображения двоичных карт практически любого размера для экрана и принтера. Так как двоичные карты экрана и принтера имеют один и тот же источник, Вы видите на экране именно то, что печатается (отсюда появилось название TrueType - истинная печать).