高科技的结晶:喷墨打印头进化简史


  从针头到喷墨打印头,现在在各种商业网点旁边,都可以看到免费的微信打印照片设备。它们的核心是一台喷墨打印机。作为喷墨打印设备最核心的零件,当然要数打印头了。有些人或许不以为然,但是如果你仔细想想,喷墨打印机,有你知道的国产品牌吗?是不是都集中在惠普、佳能、爱普生以及兄弟这四个牌子下?这就是科技含量。今天我们就来集中讲讲喷墨打印头。

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从针头到喷墨打印头,喷墨打印这个想法如果追溯起源,甚至能够追溯到上上个世纪,但是与今天的打印无关。事实上,喷墨打印最早的专利,是西门子在1951年申请的,不过此后很长时间,都没有实现商品化。 西门子的第一款商用化的喷墨打印产品,名为PT80i,一共有12个喷嘴,喷出的墨滴直径为0.07毫米,每秒可以打印270个字符,这款产品诞生于1977年,在技术上,属于压电产品。

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西门子的老古董-PT88打印机

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IBM的初代压电打印机需要的磁卡


差不多相同的时期,佳能日本东京都的一个研究员,无意中把电烙铁放在了注射器上,看到了里面液体的喷出,诞生了用加热墨水沸腾实现喷墨打印的想法。与此同时,惠普、IBM等企业也都同时展开了喷墨打印相关的研究工作,并取得了专利。IBM还推出了世界第一款喷墨打印机6640,不过那款产品的实用价值不高。

热发泡打印的诞生

前面说了,当时的微压电很不靠谱,差不多是倾泻式的。所以亟需按需打印,即有的放矢,所谓按需喷墨打印(Drop on Demand),是企业看到了在当时压电技术的不足,进而都研发热发泡打印技术。差不多相同的时间,IBM、佳能以及惠普都在研发热发泡打印技术,并且努力将喷墨打印机商品化。

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针头+电烙铁,诞生了热发泡喷墨打印,当时佳能开发新技术的时候是多种方案都尝试了,针头事故是有定论的官方说法。在1977年,佳能申请到了热发泡喷墨打印技术的核心专利,这奠定了佳能的在喷墨打印领域的一代霸主。比较有趣的是,惠普和佳能都差不多同时发布技术,但是佳能抢到了Bubble Jet(气泡喷墨)的名字,惠普不得不给技术命名为thermal jet。不过佳能和惠普交叉进行了专利、技术方面的合作,这也打拉开了两个企业从那时起到今天,这两个企业都保持着既是伙伴、又是竞争对手的合作关系。

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惠普的初代喷墨打印机ThinkJet

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佳能的BubbleJet


大家可以注意看,当时佳能和惠普最早的喷墨打印技术产品,都是横向喷墨在有齿孔的纸上,并非我们今天向下喷墨。到1990年的时候,佳能才推出BJ-10v这种小型化的产品,第一次实现把打印头和墨盒做到一起。到1996年,佳能推出BJC-600,是第一个能在普通纸上打印全彩的佳能喷墨打印产品。

爱普生发明微压电打印

在喷墨打印发明的早期,爱普生也曾经想去参与到热发泡打印,但是佳能已经有了合作伙伴惠普,所以爱普生不得不去自力更生。压电打印如何做到很小才是难题。这在当时被看作是不可能完成的任务。

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爱普生发明微压电打印时候的研发人员碓井稔今天已是社长,当时参与到微压电技术研发的正式今天爱普生的社长,碓井稔先生。当时研究的困难在于对压电材料(玻璃)施加100V电压,材料形变产生的能量也不足以把墨水喷出。所以必须要改变压电体才行,这是材料科学。

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压电材料很多,但是适合打印设备用能小型化就不多了,新的材料(某种陶瓷)让压电体能够在30V电压下移动1微米,对比之前的材料则需要100V电压,但只能移动0.1微米,这意味着可以产生足够的功率来准确的喷射墨水,这是巨大的进步,而且更低的电压可以将单个喷嘴做到足够小,这也解决了喷墨打印所需的多喷嘴难题。

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Epson Stylus 800,爱普生第一个商品化的微压电打印机

相比热发泡打印,微压电打印的优势是压电体喷嘴让墨滴可控,并且不存在加热这个过程,这对于墨水材料的选择也更宽泛,因为有的有机材料会加热变性。

两个阵营各自的进化

热发泡打印技术要解决打印照片的问题,就要喷嘴够小,否则不细腻没法看。这种办法佳能称之为FINE打印头,FINE是英文Full-photolithography Inkjet Nozzle Engineering的缩写,意思叫做全光刻喷墨打印喷嘴工艺。

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佳能的FINE打印头

这要说道的就是佳能的另外一门技术了——光刻机。这类产品普通用户无缘接触,但是在半导体工业,佳能科室名声响当当,是为数不多的几个能做光刻机的公司。所谓光刻机就是先在材料表面刷一一层材料,然后光刻机进行针对性的曝光,其它的材料就可以洗掉,然后形成图案的材料使用酸蚀之类的技术,暴露的材料会被腐蚀出沟槽,填充了金属就是导电材料,制造处理器这些,但是在喷嘴工艺上,只要刻蚀出喷嘴就好。

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佳能用半导体曝光装置来光刻喷墨打印喷头

随着半导体工艺的不断演进,佳能、惠普的打印头喷嘴也越来越小。根据应用领域的不同,需要的喷嘴孔径大小也不一样,目前普遍在10微米左右。这样可以纵向排列很多个喷嘴,让打印头单次移动扫过的面积更大,提升打印速度。

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可以喷出大小不一样的墨滴的VSDT技术,爱普生这边首先研发的方向叫做可变墨滴技术,缩写VSDT。这个技术有前面的介绍就不难理解了,应该是对压电材料施加不同的电压,让压电材料产生不一样的形变,这就控制了墨滴的大小。当图案需要连续的图像的时候,连续喷出大墨滴就很有用处。

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Precision Core技术

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喷嘴圆形的PrecisionCore,爱普生微压电打印头最新的进化被称之为Precision Core。微压电的喷嘴直径不是优势,所以一旦堵头了,那么就要依靠供墨泵的力量来冲洗打印头,效果很差且非常浪费,因为清洗就要洗所有的。Precision Core则是在压电元件后面加传感器来解决这个问题。

商用喷墨打印-全新的方向

喷墨打印这种方式过去一直是家用为主,商用不多。但是从十多年前,惠普开始推出OfficeJet系列来让喷墨商用化。因为相比激光打印,喷墨的成本要低得多,十多年过去了还是这样,于是有了大量的商用喷墨产品面世。

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惠普的Indigo喷墨印刷机

商用的奥义是要耐用。面对小型商业,比如商用喷墨一体机、打印机这种小设备来说,打印企业经验丰富处理起来得心应手自然不是问题。问题在于大型设备,典型的应用是商用印刷设备。惠普就有很多商用喷墨印刷机,他们的打印头与家用的不同。

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惠普印刷机上的HDNA喷头模块,可以组成多个模块形成更大的页宽喷墨印刷

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惠普商用打印设备的页宽打印头,现在已经有两种,分别对应A4及A3幅面

惠普管这种印刷机上的喷头叫做HDNA,即High Definition Nozzle Architectur,高清晰度喷嘴架构。这种架下,每英寸的喷嘴数量达到了2400个,而我们知道,每英寸300个其实就够用了,比如大家知道的手机视网膜屏,就是以300像素每英寸为分水岭,更细的人眼也看不清。惠普的HDNA一来可以单喷嘴双色支持,而来由于有8倍的冗余,既可以实现高速度,也可以做到长寿命。这种架构的产品技术下放,诞生了今天惠普商用的页宽式打印机、一体机复印机,速度快成本低,是惠普在2017年给企业级市场扔下的重磅炸弹。

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Epson交错排列的PrecisonCore进行页面等宽打印

爱普生则是把Precision Core同样的交错排列起来,做同样的One Pass复印机,同样也是速度快,定位比较高端。当然微压电的企业比如柯尼卡美能达等企业也有涉猎,不过它们的应用普遍是ToB的商用印染等领域。

关于喷墨打印头的介绍就到这里了,我们有机会再介绍其它打印科技的来龙去脉。喷墨打印是融合了高精度的电子与机械的产品,对精度的要求以微米计,对设备可靠性要求高、应该算科技感不强的高科技产品。