狂奔的噴墨

高速噴墨打印機(jī)的面世，讓噴墨打印機(jī)徹底甩掉了速度慢的帽子，并向原本屬于激光打印機(jī)的市場發(fā)起了沖擊。究竟高速噴墨打印技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的呢？CHIP將以惠普PageWide Technology為例，為大家解析高速噴墨打印機(jī)的各種技術(shù)。

世界上第一臺彩色噴墨打印機(jī)面世距今已有幾十年的歷史，但是如今在商用辦公領(lǐng)域，依然是激光打印機(jī)的天下，噴墨打印機(jī)一直難以獲得較高的市場份額，這主要是由于傳統(tǒng)彩色噴墨打印機(jī)較慢的打印速度和較低的打印負(fù)荷造成的。

傳統(tǒng)噴墨打印機(jī)那為人詬病的打印速度，主要是由其頗具悲劇性的噴頭滑車結(jié)構(gòu)造成的，采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的噴墨打印機(jī)的噴頭永遠(yuǎn)只能在走紙路線的垂直方向上疲于奔命，導(dǎo)致打印速度的提升極其困難。改變現(xiàn)狀最直接的方式就是改變結(jié)構(gòu)，其中最簡單的思路就是在紙張頂部擺上一排打印頭，打印紙只需從下面經(jīng)過一次即可完成打印。然而要在打印機(jī)上采用這一個(gè)結(jié)構(gòu)并不容易，為了保證分辨率，打印噴頭的數(shù)量將極其龐大，且對供墨管路結(jié)構(gòu)的要求也非常高。因此盡管在十多年前就有人提出這種設(shè)計(jì)理念，可直至今天才逐漸有零售產(chǎn)品面世。

堆疊結(jié)構(gòu)

其實(shí)高速噴墨打印產(chǎn)品在市面上已經(jīng)出現(xiàn)了多年，但是它并非應(yīng)用在家用或者商用辦公領(lǐng)域，而是生產(chǎn)型產(chǎn)品，應(yīng)用于生產(chǎn)型的海報(bào)印刷、包裝印刷等領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)高速噴墨打印的秘密在于打印頭的寬度要大于等于紙張的寬度。在工作狀態(tài)下，打印頭無需來回移動，而紙張?jiān)诓煌５叵蚯拜斔?，?dāng)紙張路過打印頭的時(shí)候就會自然地被噴上墨跡。如今惠普在其Pro X系列商噴產(chǎn)品中正式采用了這種技術(shù)，并稱之為惠普PageWide Technology打印技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與激光打印機(jī)相媲美的首頁出紙速度，連續(xù)打印輸出的速度也能與中高端激光打印機(jī)相抗衡。最重要的是該技術(shù)從本質(zhì)上來講仍舊是一種噴墨打印技術(shù)，還能擁有噴墨打印機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，如較低的能耗和打印成本等。

從原理上來講，惠普PageWide Technology并不復(fù)雜，通過一排固定且十分密集的噴嘴直接將墨水噴在下方經(jīng)過的打印紙上，以走紙的速度完成快速打印。但是要實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)并不容易，為了保證打印精度，噴嘴的數(shù)量要達(dá)到一定量級，如惠普Pro X系列商噴產(chǎn)品每個(gè)噴頭芯片4種顏色的墨水各有1 056個(gè)噴嘴，每個(gè)芯片上共有4 224個(gè)噴墨嘴，而覆蓋A4紙張的幅寬需要11個(gè)噴頭芯片，于是整個(gè)打印頭上共有42 240個(gè)噴嘴。

我們知道，A4打印紙的寬度是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定的，標(biāo)準(zhǔn)寬度是210mm，但是惠普的Pro X商用噴墨打印機(jī)，面向的用戶群體非常廣泛，所以還要照顧不同群體使用的標(biāo)準(zhǔn)，比如美國法律用紙的寬度是8.5英寸，要比標(biāo)準(zhǔn)的A4還要稍微寬一些。為了保證打印的流暢度，惠普Pro X系列的打印頭噴嘴覆蓋的寬度為8.575英寸，即217.8mm，確保能適應(yīng)不同類型的紙張，滿足不同使用群體的需求。

高速噴嘴

想要制造一臺具有高速打印能力的噴墨打印機(jī)，自然需要有異于普通噴墨打印機(jī)的特殊技術(shù)。

為此，惠普采用了最新一代的熱噴墨技術(shù)——惠普可伸縮性打印技術(shù) （SPT）。它采用了非常精確和可靠的材料、設(shè)計(jì)規(guī)則和制造流程。SPT 為打印頭制造帶來的優(yōu)勢在于它使用了專為集成電路的生產(chǎn)而開發(fā)的大規(guī)模、精密工藝。借助 SPT，打印頭的各部分，從薄膜集成電路到厚膜流體結(jié)構(gòu)，都由芯片級的光刻工藝進(jìn)行精確制造。墨水通道、腔室和 SPT 打印頭噴嘴的生產(chǎn)都達(dá)到了亞μm級的精度，以保證提供與現(xiàn)有打印技術(shù)類似的精度。

這種技術(shù)結(jié)構(gòu)的具體技術(shù)細(xì)節(jié)如下，首先在硅基板上，用薄膜層構(gòu)成一個(gè)集成電子電路和用于噴射墨滴的電阻加熱器，硅制的進(jìn)料槽可向進(jìn)料槽任意一側(cè)的各墨滴產(chǎn)生器腔室供應(yīng)墨水，墨滴產(chǎn)生室和噴嘴板也由相同的光刻基板制成。腔室的厚度和孔板的厚度均小于人頭發(fā)的直徑（約50μm），這種集成結(jié)構(gòu)由硅制成，其制作步驟包括聚合物沉積、曝光和顯影，為確保較長的使用壽命，硅襯底上的薄膜層、供墨槽、腔室和孔板材料都具有很強(qiáng)的耐水腐蝕性。

除了使用光刻工藝的打印頭外，優(yōu)質(zhì)的墨水也是不可缺少的一部分?；萜詹捎玫哪褂弥珓轭伭?，這是一種微小的彩色顆粒，其具有與可見光相同的波長直徑，以顯示對應(yīng)的顏色。在辦公紙張和加有涂層的手冊紙張上，這種顏料可提供更為出色的色彩飽和度、黑色密度、防褪色功能和防污功能。除此之外，惠普采用的顏料墨水在接觸到紙張時(shí)，著色劑的載體水分將會迅速滲透或蒸發(fā)，顏料可以在纖薄的紙張表面快速固定，形成最終的文本或圖像。

噴嘴的管理

噴嘴是一臺噴墨打印機(jī)的核心部件之一，同樣也是故障高發(fā)區(qū)，高速噴墨打印機(jī)具有如此多的噴嘴，因此其噴嘴管理系統(tǒng)則顯得尤為重要?；萜誔ageWide Technology系列打印機(jī)使用光學(xué)傳感器校準(zhǔn)打印頭、衡量噴墨嘴性能并監(jiān)控紙張運(yùn)動。這些傳感器位于小型滑軌上，能對紙張和打印頭進(jìn)行掃描。惠普PageWide Technology 會定期測試打印噴頭上所有的42 240 個(gè)噴墨嘴，從而幫助確保可靠的打印質(zhì)量。這個(gè)自動流程可以發(fā)現(xiàn)性能不符合規(guī)格的噴墨嘴，并修正可能影響打印質(zhì)量的故障。

故障噴墨嘴引發(fā)的問題可通過使用相鄰噴墨嘴“替補(bǔ)”來解決，為使打印系統(tǒng)完成自動噴墨嘴替換程序，必須準(zhǔn)確辨別哪些噴墨嘴完好，哪些出現(xiàn)故障。為此惠普針對其Pro X 系列打印機(jī)開發(fā)了一種稱作“反向散射墨滴檢測（BDD）”的全新技術(shù)。BDD使用了多個(gè)光檢測器，并采用了先進(jìn)的模擬和數(shù)字信號處理技術(shù)。它可以檢測墨滴通過聚光束時(shí)的反向散射光的方式來檢測噴嘴的好壞，每秒可以測試數(shù)百個(gè)噴嘴。當(dāng)噴嘴出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)器可借助惠普Thermal Inkjet技術(shù)的高噴墨率和高噴嘴密度同時(shí)提供主動或被動噴嘴替換，以消除噴嘴故障造成的影響。

被動替換是指直接利用惠普Thermal Inkjet的超高噴嘴密度，當(dāng)其中一個(gè)噴嘴出現(xiàn)故障時(shí)，周圍的噴嘴由于離這個(gè)故障噴嘴非常近，因此墨水可以從鄰近的點(diǎn)擴(kuò)散過去，完全覆蓋由于噴嘴故障導(dǎo)致的空白區(qū)域，這使得在正常尺寸的文本下是無法察覺某個(gè)噴嘴出現(xiàn)問題的。當(dāng)故障噴嘴連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)或以上時(shí)，被動替換就不能靠墨水?dāng)U散的方式來覆蓋噴嘴故障導(dǎo)致的空白區(qū)域了，這個(gè)時(shí)候主動替換就需要登場了。在噴嘴故障查詢表中檢測和處理噴嘴故障后，主動替換噴嘴將開始起作用。比如當(dāng)連續(xù)3個(gè)黑噴嘴出現(xiàn)故障時(shí)，在中間列的彩色噴嘴將會被調(diào)用，通過3種彩色噴嘴來混合出打印缺失的黑點(diǎn)以完成主動替換，不過這樣一來會耗費(fèi)更多的彩色墨水。

高速進(jìn)紙系統(tǒng)

高速打印的一個(gè)必要條件就是要有高速的紙張傳輸系統(tǒng)，為此，惠普為之設(shè)計(jì)了一個(gè)新的紙張傳輸系統(tǒng)，以滿足惠普 PageWide Technology的打印需求。單面打印的紙張從左進(jìn)紙口導(dǎo)軌處開始移動，通過打印系統(tǒng)總成出現(xiàn)在出紙槽中。雙面打印的紙從左進(jìn)紙口導(dǎo)軌處開始移動，隨后反轉(zhuǎn)并從雙面打印單元的下面經(jīng)過，最后與來自多用途紙盤的紙以相同的路徑輸出。這種設(shè)計(jì)將雙面打印和多用途紙盤功能與紙張路徑進(jìn)行高效集成。

新的紙張傳輸系統(tǒng)可使紙張?jiān)谧ト『洼敵鲞^程中始終保持穩(wěn)定和不松動。它可提供可靠的紙張抓取率、較低的卡紙率，并確保紙張?jiān)诖蛴^(qū)域中持續(xù)、正確地運(yùn)動。紙張?jiān)趩蚊娲蛴?、雙面打印和傳輸至輸出托盤過程中都不會留下任何污跡。

采用惠普PageWide Technology技術(shù)打印的紙張?jiān)陔x開打印區(qū)域時(shí)，由于時(shí)間較短，墨水仍未干，而潮濕的紙張很軟，因此必須小心處理，以免弄花打印結(jié)果。紙張路徑經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)以解決這個(gè)問題，通過讓紙張經(jīng)過星型滾輪，使其僅接觸到紙張上比較硬的地方，以便在其滾到潮濕區(qū)域時(shí)也不留下墨水軌跡，惠普 Pro X系列打印機(jī)的紙張路徑使用了超過300個(gè)行星齒輪，以便能夠精確控制紙張的運(yùn)動。

除此之外，惠普Pro X打印機(jī)上輸出托盤旁邊有一個(gè)活動片，可在打印時(shí)控制紙張卷曲。打印機(jī)不工作時(shí)，活動片是關(guān)閉的。而在干燥環(huán)境中打印高密度墨水時(shí)，該活動片會部分開啟。當(dāng)紙張可能會更加卷曲時(shí)，該活動片將完全開啟以適當(dāng)控制紙張卷曲。

如何解決斷線問題

就像多屏拼接電視墻的兩個(gè)屏幕間會存在黑邊一樣，這種拼接微芯片會存在類似的問題。每個(gè)微芯片都有1μm的邊緣，如果以矩形的方式拼接每個(gè)微芯片的話，由于微芯片間的縫隙無法噴墨，所以會導(dǎo)致打印時(shí)芯片的邊緣無墨跡，即出現(xiàn)斷線。

矩形拼接的微芯片由于存在無噴嘴的邊緣和間隙，會造成斷線的產(chǎn)生。

為了解決這個(gè)問題，惠普PageWide Technology的對手Memjet采用的是斜邊拼接噴嘴模塊的設(shè)計(jì)，讓噴嘴對整個(gè)打印紙張的打印范圍可以做到均勻覆蓋。

惠普PageWide Technology則采用了交錯(cuò)式冗余排列的方式，每個(gè)芯片末端冗余出30個(gè)噴嘴，使得芯片在紙張上的噴墨范圍能夠?qū)崿F(xiàn)相互交錯(cuò)和重疊，打印機(jī)可以通過算法來對重疊區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，避免芯片邊緣出現(xiàn)打印偽跡。