Пьезоэлектрическая печать

В пьезоэлектрической технологии для выбрасывания чернил из сопел используется механическая система: капли чернил выталкиваются из сопел за счет колебаний пластины, обладающей пьезоэлектрическими свойствами.

Пьезоэффект – способность некоторых материалов создавать электрический заряд при деформации или изменять свою форму под действием приложенного напряжения.

Основным достоинством этой технологии является возможность формирования капель разного размера, что позволяет достичь высокого качества при печати полутоновых изображений. Кроме того, при работе такой печатающей головки не происходит активного выделения тепла.

К недостаткам пьезоэлектрической печати относится высокая цена печатающей головки и всего принтера в целом, чувствительность к наличию в чернилах пузырьков растворенного воздуха.

Как правило, печатающие головки, основанные на данной технологии печати, не имеют встроенной емкости для чернил. Чернильницы являются сменными.

Наиболее известны пьезоэлектрические принтеры фирмы Epson. Интересные разработки ведутся в фирме Oki.

При изготовлении пьезоэлектрической печатающей головки можно использовать разные типы деформации пьезокристаллов. Они различаются по тому, каким образом изменяется форма пьезоэлемента при приложении к нему электрического напряжения.

В настоящее время в производимых печатающих головках используются два вида деформации – продольная и сдвиговая. При продольной деформации происходит изменение формы, приведенное на рис. 3.5а. При сдвиговой деформации происходит изменение формы, приведенное на рис. 3.5б.

Рис. 3.5. Виды деформации, используемые в печатающих головках

Первыми появились и продолжают широко применяться в настоящее время печатающие головки, использующие продольную деформацию пьезоэлемента. Упрощенная схема печатающей головки приведена на рис. 3.6. Сопло обеспечивает формирование капли чернил. Для того чтобы печать была равномерной, все сопла печатающей головки должны иметь одинаковый размер и быть строго параллельны. Гибкая мембрана отделяет пьезоэлемент от камеры с чернилами, защищает пьезоэлемент и проводники, подводящие управляющие сигналы, от воздействия растворителя чернил.

Рис. 3.6. Упрощенная конструкция печатающей головки пьезоэлектрического типа, использующей продольную деформацию:
1 – сопло; 2 – мембрана; 3 – пьезоэлемент с выводами; 4 – подводящий чернила канал;
5 – камера с чернилами; 6 – корпус

Пьезоэлемент изменяет форму при подаче управляющего сигнала и давит на мембрану. Для каждого сопла устанавливается свой пьезоэлемент. Поскольку размеры пьезоэлемента под воздействием управляющих сигналов изменяются незначительно, для эффективного выталкивания капель через сопло необходима большая площадь соприкосновения пьезоэлемента и чернил. Это достигается с помощью специального расширения в подводящем канале и мембраны.

Корпус с подводящим каналом соединяет все части головки и обеспечивает подачу чернил. Поскольку пьезоэлемент постоянно вибрирует с высокой частотой, корпус должен быть достаточно прочным и устойчивым к вибрации.

Работает печатающая головка следующим образом. При подаче на пьезоэлемент управляющего сигнала происходит изменение его формы, что создает импульсное давление на мембрану. Мембрана выгибается в сторону камеры с чернилами и вытесняет некоторое количество чернил из сопла. Хотя увеличение толщины активного элемента мало, за счет большой площади мембраны вытесняется капля достаточных размеров. Регулируя напряжение, подаваемое на пьезоэлемент, можно формировать размер выталкиваемых капель.

Печатающие головки с продольной деформацией позволяют использовать простые по форме пьезоэлектрические элементы, что упрощает их производство. Однако из-за необходимости соединения пьезоэлемента с мембраной и корпусом, формирования электрических выводов, возникает необходимость в сборке головки, что приведет к удорожанию производства. В конструкции головки необходимо также учитывать различные коэффициенты теплового расширения материалов элементов головки, постоянную вибрацию головки.

Фирмой Oki разрабатываются головки на основе сдвиговой деформации пьезоэлемента. Устройство и принцип действия такой головки поясняется на рис. 3.7 (рисунок взят с сайта компании Oki). В печатающих головках со сдвиговой деформацией применяются пьезоэлементы сложной формы, образующие стенки камеры с чернилами, которая находится перед соплом. Пьезоэлементы имеют схожую форму, но разные направления поляризации, поэтому при подаче управляющего напряжения выступы пьезоэлементов «деформируются» в разные стороны, как следствие, изменяя объем внутри камеры. Изменяя величину управляющего напряжения, можно изменить величину деформации, а следовательно и величину капли. На рис. 3.7 изображены четыре этапа образования капли чернил.

Рис. 3.7. Устройство и принцип работы сопла печатающей головки со сдвиговой деформацией: 1. Верхняя пьезоэлектрическая пластина. 2. Нижняя пьезоэлектрическая пластина. Выступы верхней и нижней пластин, смыкаясь, образуют боковые стенки камеры. 3. В эту камеру подаются чернила. 4.Сопло – отверстие, через которое вылетают капли чернил. Оно выполняется не в пьезоэлектрическом материале, а в специальной пластине из металла (для придания прочности). 5. Точки приложения управляющего напряжения. В местах соединения выступов пластин прокладываются проводники для подачи управляющих сигналов к активным элементам

Готовность к работе (этап I). Управляющее напряжение отсутствует, выступы пьезоэлектрических пластин не деформированы, камера с чернилами имеет исходные размеры.

Увеличение объема камеры (этап II). Так как мембраны с расширительной камерой нет, а величина деформации мала, таким способом обеспечивается формирование капли достаточного объема. В этом этапе к пьезоэлементам прикладывается напряжение такой полярности, чтобы деформация выступов приводила к увеличению объема камеры.

Выталкивание капли чернил (этап III). Происходит смена полярности управляющего напряжения, выступы пьезоэлектрических пластин деформируются в обратном направлении. Объем камеры уменьшается, и из нее через сопло выталкивается капля чернил. Изменением величины напряжения на этапах II и III можно регулировать размер выталкиваемых капель чернил.

Возврат в исходное состояние (этап IV). После снятия управляющего напряжения стенки сопла возвращаются в исходное состояние. Система готова к повторению цикла (печати следующей точки).

Печатающая головка со сдвиговой деформацией имеет меньше конструктивных элементов, чем головка с продольной деформацией (только две пьезоэлектрические пластины). Это позволяет упростить и удешевить сборку печатающих головок. Однако, достигается такое упрощение за счет применения сложных по форме и технологии производства пьезоэлектрических пластин.

Пьезоэлектрические печатающие головки чувствительны к наличию в чернилах пузырьков растворенного воздуха, так как воздух, в отличие от жидкости, легко сжимается. Поэтому при подаче управляющего сигнала будет происходить не выбрасывание чернил из сопла, а сжатие пузырька. Это приводит к отсутствию пропечатанной точки, а при длительном непечатании сопло засохнет.

Пузырьки воздуха могут попадать в чернила при замене чернильницы. Кроме того, в любой жидкости всегда присутствует некоторое количество растворенного газа, который при некоторых условиях может выделиться в виде пузырьков.

Для удаления из системы пузырьков воздуха при смене чернильницы производится прогон через каналы и сопла некоторого количества чернил. Это делается с помощью специального программного обеспечения; печатается специально подобранное изображение. Этой процедурой пользуются и при эксплуатации.

Такой метод удаления пузырьков газа связан с большим расходом чернил, но позволяет поддерживать работоспособность головки.

Пьезоэлектрическая технология печати применяется в принтерах, предназначенных для быстрого вывода высококачественных черно-белых и цветных изображений. Принтер должен часто использоваться.