喷墨打印机的工作原理

作者:杰夫·泰森
喷墨打印机内部图片库 喷墨打印机将微小的墨滴喷射到纸张上,形成看似流畅的笔触。查看更多喷墨打印机图片。
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无论您身在何处阅读本文,您附近很可能都有一台打印机。而且很有可能是一台喷墨打印机。自20世纪80年代后期问世以来,喷墨打印机在普及度和性能方面都有所增长,同时价格大幅下降。

喷墨打印机是指任何将极小的墨滴喷射到纸张上以创建图像的打印机。如果您看过从喷墨打印机出来的纸张,您就会知道

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  • 墨点极小(直径通常在50到60微米之间),比人类头发的直径(70微米)还要小!
  • 墨点定位非常精确,分辨率高达1440x720点/英寸(dpi)。
  • 墨点可以混合不同颜色,以创建照片质量的图像。

在本文中,您将了解喷墨打印机的各种部件以及它们如何协同工作来创建图像。您还将了解墨盒和某些喷墨打印机使用的特殊纸张。

首先,让我们快速了解各种打印机技术。

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击打式与非击打式

惠普 LaserJet 4050T
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目前有几种主要的打印机技术。这些技术可以分为两大类,每类又包含几种类型

击打式 - 这些打印机具有一种接触纸张以创建图像的机制。主要的击打式技术有两种

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  • 点阵打印机使用一系列小针击打涂有墨水的色带,使墨水在撞击点转移到纸张上。
  • 字符打印机基本上是电脑化的打字机。它们有一个球形或一系列条形,表面刻有实际字符(字母和数字)。相应的字符会撞击墨带,将字符图像转移到纸张上。字符打印机打印基本文本速度快且清晰,但对于其他用途限制很大。

非击打式 - 这些打印机在创建图像时不会接触纸张。喷墨打印机属于此类,其中包括

  • 喷墨打印机(本文将详细介绍)使用一系列喷嘴将墨滴直接喷射到纸张上。
  • 激光打印机(在激光打印机的工作原理中有深入介绍)使用干墨(碳粉)、静电和热量将墨水放置并粘合到纸张上。
  • 固体墨水打印机包含蜡状墨水棒,这些墨水会被融化并涂到纸张上。然后墨水会在原地硬化。
  • 染料升华打印机有一卷透明薄膜,类似于将红色、蓝色、黄色和灰色玻璃纸端对端粘合在一起。薄膜中嵌入了与印刷中使用的四种基本颜色(青色、品红色、黄色和黑色 (CMYK))相对应的固体染料。打印头使用一个加热元件,其温度根据需要应用的特定颜色量而变化。染料蒸发并渗透到纸张的光滑表面,然后恢复固态。打印机对每种基本颜色都在纸张上完整扫描一次,逐渐构建图像。
  • 热敏蜡打印机是染料升华和固体墨水技术的混合体。它们使用带有交替CMYK色带的碳带。碳带通过一个带有系列微小加热针的打印头前面。加热针使蜡融化并附着在纸张上,然后蜡在原地硬化。
  • 热敏自动着色打印机的颜色在纸张中而非打印机中。纸张有三层(青色、品红色和黄色),每层都通过施加特定量的热量激活。打印头有一个加热元件,其温度可以变化。打印头在纸张上通过三次,根据需要为每层颜色提供适当的温度。

在所有这些不可思议的技术中,喷墨打印机是迄今为止最受欢迎的。事实上,当今唯一接近它的技术是激光打印机。

那么,让我们仔细看看喷墨打印机内部结构。

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喷墨打印机内部

打印头组件
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典型喷墨打印机的部件包括:打印头组件:

  • 打印头 - 喷墨打印机的核心,打印头包含一系列用于喷射墨滴的喷嘴。
  • 墨盒 - 根据打印机制造商和型号的不同,墨盒有多种组合,例如独立的黑色和彩色墨盒、单色和黑色在一个墨盒中,甚至每种墨水颜色一个墨盒。某些喷墨打印机的墨盒中包含了打印头本身。
  • 打印头步进电机 - 步进电机使打印头组件(打印头和墨盒)在纸张上来回移动。有些打印机有另一个步进电机,用于在打印机不使用时停放打印头组件。停放意味着打印头组件被限制意外移动,就像汽车的手刹一样。
  • 皮带 - 皮带用于将打印头组件连接到步进电机上。
  • 稳定杆 - 打印头组件使用稳定杆来确保移动精确受控。

进纸组件

  • 纸盘/进纸器 - 大多数喷墨打印机都有一个供您装入纸张的纸盘。有些打印机则用进纸器代替标准纸盘。进纸器通常在打印机背面以一定角度弹开,方便您放入纸张。进纸器通常不如传统纸盘能容纳的纸张多。
  • 滚轮 - 一组滚轮从纸盘或进纸器中拉入纸张,并在打印头组件准备好下一次走纸时推进纸张。
  • 进纸步进电机 - 该步进电机驱动滚轮以精确的增量移动纸张,确保打印出连续图像。
  • 电源 - 虽然早期的打印机通常有外置变压器,但现今销售的大多数打印机都使用内置于打印机本身的标准电源
  • 控制电路 - 打印机内置了少量但复杂的电路,用于控制操作的所有机械方面,以及解码从计算机发送到打印机的信息。
  • 接口端口 - 许多打印机仍使用并口,但大多数新型打印机使用USB端口。少数打印机使用串口或小型计算机系统接口(SCSI)端口连接。

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热力与震动

热泡式喷墨打印头上的喷嘴视图

不同类型的喷墨打印机以不同方式形成墨滴。打印机制造商目前主要使用两种喷墨技术

  • 热泡式 - 佳能(Canon)和惠普(Hewlett Packard)等制造商使用此方法,通常被称为气泡喷射。在热喷墨打印机中,微小的电阻器产生热量,这些热量使墨水蒸发形成气泡。当气泡膨胀时,部分墨水会从喷嘴中喷出到纸张上。当气泡“破裂”(塌陷)时,会产生真空。这会将更多墨水从墨盒中吸入打印头。典型的气泡喷射打印头有300或600个微小喷嘴,所有喷嘴都可以同时喷射墨滴。点击按钮查看热泡式喷墨打印机的工作原理。
  • 压电式 - 爱普生(Epson)拥有专利的这项技术使用压电晶体。每个喷嘴的墨水储存器后面都放置一个晶体。晶体接收微小的电荷,使其振动。当晶体向内振动时,会将少量墨水强制喷出喷嘴。当它向外振动时,会吸入更多墨水到储存器中,以补充喷出的墨水。

让我们逐步了解打印过程,看看具体发生了什么。

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点击“确定”打印

当您点击打印按钮时,会发生一系列事件

  1. 您使用的软件应用程序将要打印的数据发送到打印机驱动程序
  2. 驱动程序将数据转换为打印机可以理解的格式,并检查打印机是否在线且可用于打印。
  3. 数据由驱动程序通过连接接口(并行USB等)从计算机发送到打印机。
  4. 打印机从计算机接收数据。它将一定量的数据存储在缓冲区中。缓冲区的大小从512 KB随机存取存储器(RAM)到16 MB RAM不等,具体取决于型号。缓冲区非常有用,因为它们允许计算机快速完成打印过程,而无需等待实际页面打印。大缓冲区可以容纳复杂文档或多个基本文档。
  5. 如果打印机闲置了一段时间,通常会进行一次短清洁循环,以确保打印头清洁。清洁循环完成后,打印机即可开始打印。
  6. 控制电路激活进纸步进电机。这会驱动滚轮,将一张纸从纸盘/进纸器送入打印机。当纸盘或进纸器中有纸时,一个小的触发机构会被按下。如果触发器没有被按下,打印机就会点亮“缺纸”LED并向计算机发送警报。
  7. 一旦纸张送入打印机并定位在页面开头,打印头步进电机就利用皮带将打印头组件横向移动。每次打印头向页面喷射墨点时,电机都会暂停极短的瞬间,然后稍微移动一点再次停止。这种步进移动速度如此之快,以至于看起来像是连续运动。
  8. 每次停止都会生成多个墨点。它以精确的量喷射CMYK颜色,以生成任何可以想象的其他颜色。
  9. 在每次完整走纸结束时,进纸步进电机将纸张前进几分之一英寸。根据喷墨打印机型号的不同,打印头会重置到页面的起始侧,或者在大多数情况下,只是反转方向并在打印时开始向后移动。
  10. 这个过程持续到页面打印完成。打印一页所需的时间因打印机而异。它还会根据页面的复杂性和页面上任何图像的大小而变化。例如,一台打印机可能能够以每分钟16(PPM)的速度打印黑色文本,但打印一张全彩色、页面大小的图像可能需要几分钟。
  11. 打印完成后,打印头会停放。进纸步进电机转动滚轮,将完成的页面完全推入出纸托盘。现在大多数打印机都使用速干墨水,因此您可以立即拿起纸张而不会弄脏。

在下一节中,您将了解更多关于墨盒和所用纸张的信息。

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纸张和墨水

典型的彩色墨盒: 此墨盒包含独立的青色、品红色和黄色墨水储存器。
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喷墨打印机相当便宜。它们比典型的黑白激光打印机便宜,比彩色激光打印机更是便宜得多。事实上,不少制造商甚至亏本销售部分打印机。您经常可以找到比一套墨盒价格还低的打折打印机!

他们为什么要这样做?因为他们指望您购买耗材来获得利润。这与视频游戏行业的运作方式非常相似。硬件以成本价或低于成本价出售。一旦您购买了特定品牌的硬件,就必须购买与该硬件兼容的其他产品。换句话说,您不能从制造商A购买打印机,然后从制造商B购买墨盒。它们无法协同工作。

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他们降低成本的另一种方式是将大部分实际打印头集成到墨盒本身。制造商认为,由于打印头是打印机中最容易磨损的部件,每次更换墨盒时也更换打印头可以延长打印机的使用寿命。

您在喷墨打印机上使用的纸张很大程度上决定了图像的质量。标准复印纸虽然可用,但无法提供喷墨打印机专用纸那种清晰明亮的图像。影响图像质量的两个主要因素是

  • 亮度
  • 吸收性

纸张的亮度通常取决于纸张表面的粗糙程度。粗糙的纸张会将光线散射到多个方向,而光滑的纸张会将更多光线沿相同方向反射回来。这使得纸张看起来更亮,从而使纸张上的任何图像显得更亮。您可以通过比较报纸上的照片和杂志上的照片来亲自验证这一点。杂志页面的光滑纸张比报纸的粗糙质地更能将光线反射回您的眼睛。任何标示为的纸张通常都比普通纸张更光滑。

图像质量的另一个关键因素是吸收性。当墨水喷射到纸张上时,它应该保持一个紧密、对称的点。墨水不应被纸张吸收过多。如果发生这种情况,墨点将开始羽化。这意味着它会不规则地扩散开来,覆盖比打印机预期稍大的区域。结果是页面看起来有些模糊,尤其是在物体和文本的边缘。

想象一下,左边的墨点在涂层纸上,右边的墨点在低级复印纸上。请注意右边的墨点与左边的相比,形状多么不规则且更大。

如前所述,羽化是由于纸张吸收墨水造成的。为了解决这个问题,高质量的喷墨纸张会涂布一层蜡状薄膜,使墨水停留在纸张表面。涂布纸通常比其他纸张产生更显著的打印效果。涂布纸的低吸收性是当今许多喷墨打印机高分辨率能力的关键。例如,典型的爱普生喷墨打印机在标准纸张上可以以高达720x720 dpi的分辨率打印。使用涂布纸时,分辨率会提高到1440x720 dpi。原因是打印机实际上可以稍微移动纸张,为每一行正常点添加第二行点,因为它知道图像不会羽化并导致点模糊在一起。

喷墨打印机能够打印各种介质。商用喷墨打印机有时会直接喷印在物品上,例如啤酒瓶上的标签。对于消费者而言,有许多特殊纸张,从不干胶标签或贴纸到名片和宣传册。您甚至可以获得烫画转印纸,让您可以创建图像并将其印在T恤上!有一点是肯定的,喷墨打印机无疑提供了一种简单且经济实惠的方式来释放您的创造力。

有关喷墨打印机及相关主题的更多信息,请查看以下链接。

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常见问题

喷墨打印机一步步是如何工作的?
当文档或图像发送到喷墨打印机时,打印机会读取数据并通过打印头将微小墨滴喷射到纸张上。
喷墨打印机是如何输出打印品的?
喷墨打印机通过将墨盒中的墨水喷射到纸张上来输出打印品。
喷墨打印头是如何工作的?
喷墨打印头通过将墨水喷射到纸张上工作。墨水储存在打印头内部的一个小腔室中。当打印头开启时,墨水被强制从小腔室中喷出并喷到纸张上。

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