CIRO西罗公益——喷墨打印机的分类及打印头工作原理

喷墨打印机的分类 　　
　　在我国喷墨打印机市场上，CANON、EPSON和HP三大品牌占据90%的市场份额。CANON和HP喷墨打印机采用气泡式喷墨技术，EPSON打印机采用压电式的改进型——多层压电式。
　　在喷墨打印机中，喷头、墨盒及其相应的墨水循环系统是最为关键的部件，这是它区别于针式打印机和其它击打式打印机的主要部分，并且喷墨打印机最常见的故障是“堵头”或打印不畅，其主要故障源都在这几个关键部件中。　　喷墨打印机按照喷墨方式分为连续式（Continuous）和随机式（Ondemond）两大类，
喷墨头的工作原理　　 EPSON打印机采用其独特的超精密机械电子化多层压电式技术。工作原理与CANON和HP打印机的气泡技术完全不同。当机器给予一个电脉冲信号后，多层压电晶体出现线性位移，将墨水击压喷出。多层压电技术可避免墨水产生拖尾和飞散，使墨点更加微小和均匀，改善打印的解析度，实现接近照片的质感和层次感。
　　随机式喷墨打印机中的墨水只有在印字需要时才喷射，所以又称为按需式打印。它与连续式相比，结构简单，成本低，可靠性高。但是，随机喷墨系统因受射流惯性的影响，墨滴喷射速度低，为了弥补这一缺点，许多喷墨打印机采用了多喷嘴的方法来提高打印速度。
　　目前，随机式喷墨打印机主要有压电式和气泡式两种。
压电式喷墨打印机
　　压电式喷墨打印机的原理。喷头内装有墨水，在喷头上下两侧各装有一块压电晶体，在压电晶体上施加脉冲电压，使其变形后产生压力，从而挤压喷头喷出墨滴，每个喷头上的压电晶体通过电路连到打印机数据形成电路。所以喷嘴的喷墨管道连到一个墨水盒，为了避免墨水干固及灰尘堵塞喷嘴，在喷头部装有一块挡板，不打印时盖住喷嘴，在喷嘴的头部还有一块保持恒温的喷嘴导致孔板，用以保持喷嘴头部的温度不变，从而使打印出来的点阵大小不受环境温度的影响。

气泡式喷墨打印机
　　气泡式喷墨打印机的原理如图（3）所示。在其喷头的管壁上装有热元件，加在热元件上的电脉冲信号由打印机数据形成电路提供。当幅值足够高、脉冲足够小的脉冲电压作用于热元件时，热元件急速升温，使靠近热元件的墨水汽化，形成微小气泡，微小气泡变大形成薄的蒸气膜，该蒸气膜将墨水和热元件隔离，所以墨水并不加热（故不需要墨水的冷却装置）。
　　EPSON打印机结构剖析（机械部分）

　　第一节 喷墨打印机工作原理介绍
　　一、EPSON打印机采用压电式的改进型---多层压电式概况介绍
EPSON采用独创的多层压电式（MACH）喷墨技术，这种方式在色彩稳定性上显示了优异的性能。采用
墨盒与喷头分离的结构，耗材相对比较低廉，是目前国内市场四大品牌中占有率最大的品牌，也是市场上的主流打印机。但是在喷墨打印机中，喷头、墨盒及其相应的墨水循环系统是最为关键的部件，这是它区别于针式打印机和其他击打式打印机的主要部分，并且喷墨打印机最常见的故障是“堵头”或打印不畅，其主要故障源都在这几个关键部件中。
　　喷头结构:由MLP、空间、墨水供给管、震动板、过滤器、喷嘴板和喷嘴组成。其中MLP（Multilaver Piezoelectric)是多层压电元件；空间用于储存由墨盒而供给的墨水；过滤器对墨水起过滤作用。

　　压电式喷墨打印机
　　喷头内装有墨水，在喷头上下两侧各装有一块压电晶体，在压电晶体上施加脉冲电压，使其变形后产生压力，从而挤压喷头喷出墨滴，每个喷头上的压电晶体通过电路连到打印机数据形成电路。所有喷嘴的喷墨管道连到一个墨水盒，为了避免墨水干涸及灰尘堵塞喷嘴，在喷头部装有一块挡板，不打印时盖住喷嘴，在喷嘴的头部还有一块保持恒温的喷嘴导致孔板，用以保持喷嘴头部的温度不变，从而使打印出来的点阵大小不受环境温度的影响。以下分为平常状态和喷射状态予以叙述。
　　1）平常状态
在平常状态时，附着在空间背上的MLP元件没有施加电荷，内部空间的墨水压力保持在恒定水平。
　　2）喷射状态
　　在喷射状态时，打印数据信号施加到特定的喷嘴控制器上，以选择用于打印的喷嘴，驱动电压逐渐的给MLP元件充电，MLP元件下压使震动板弯曲，形成对空间的压缩力，迫使空间的墨水由喷嘴射出。空间的墨水注入和喷出都是根据空间的变化进行的。当执行初始充墨式喷墨清洗操作时，空间的墨水要通过
吸墨泵抽空。在喷墨打印头驱动板上设置有温度传感器以监测温度。这是因为墨水粘度的变化取决于温度，把检测温度信号反馈到打印头控制与驱动电路中，以使驱动电压符合规定值，实现对墨滴大小的控制。
　　技术特点：
　　EPSON打印机采用其独特的超精密机械电子化多层压电式技术。工作原理与CANON和HP打印机的气
泡技术完全不同。当机器给予一个电脉冲信号后，多层压电晶体出现线性位移，将墨水击压喷出。多层压电技术可避免墨水产生拖尾和飞散。使墨点更加微小和均匀，改善打印的解析度，实现接近照片的质感和层次感。EPSON打印头由陶瓷层、衬板层、储墨层、喷嘴外层组成，陶瓷层上涂有压电晶体涂层；衬板层有墨孔孔径为0.03毫米以下）；储墨层的墨水囊依靠毛细作用向喷嘴提供墨水；喷嘴外层表面镀膜，孔径小于0.03毫米，打印头的这四部分采用胶体粘连而成，对安装精度要求极高。
　　由于EPSON打印机工作原理的特殊性，使墨水的传输速度、连续性以及参数变化等均成为影响墨水喷
射的重要因素。供墨系统出现小气泡，容易在墨水通道的入墨孔形成一道空气阻隔，由此导致喷嘴供墨中断，从而造成打印时出现白线条，此时应及时进行喷嘴清洗。在打印过程中，多层压电晶体的震荡频率是相当惊人的，因此压电晶体及其附件的老化、变形、随时会使打印头性能下降；同时由于打印头喷墨孔的超精细度，使之极易受毒菌的影响；另外喷嘴部分的墨水局部干燥都可能导致打印不出或打印效果不佳。


　　二、 CANON、HP和LEXMARK喷墨打印机采用气泡式喷墨技术
　　气泡式喷墨打印机的喷墨原理如下图所示。在其喷头的管壁上装有热元件，加在热元件上的电脉冲信号由打印机数据形成电路提供。
　　当幅值足够高、脉冲足够小的脉冲电压作用于热元件时，热元件急速升温，使靠近热元件的墨水 汽化，形成微小气泡，微小气泡变大形成薄的蒸气膜，该蒸气膜将墨水和热元件隔离，所以墨水并不加热（故不需要墨水的冷却装置）。
　　热喷墨技术的工作原理是通过喷墨打印头（喷墨室的硅基底）上的电加热元件（通常是热电阻），
在3微秒内急速加热到300摄氏度，使喷嘴底部的液态油墨汽化并形成气泡，有蒸汽膜将墨水和加热元件隔离，避免将喷嘴内墨水全部加热。加热信号消失后，加热陶瓷表面开始降温，但残留余热仍促使气泡在8微秒内迅速膨胀到最大，由此产生的压力压迫一定量的墨滴克服表面张力快速挤压出喷嘴。随着温度继续下降，气泡开始呈收缩状态。喷嘴前端的墨滴因挤压而喷出，后端因墨水的收缩使墨滴开始分离，气泡消失后墨滴与喷嘴内的墨水就完全分开，从而完成一个喷墨过程。
喷到纸上的墨水的多少可以通过改变加热元件的温度来控制，最终达到打印图象的目的。当然， 以上是一种“慢镜头”式的划分。实际打印头加热喷墨的过程，是相当高速的。从加热到气泡的成长一直到消失，准备下次喷射的整个循环只耗时140--200微秒。EPSON打印机结构剖析（机械部分）第二节 EPSON打印机结构划分EPSON打印机的结构可以分为：机械部分、电路控制部分。在这里我们以EPSON STYLUS 800为典型例子介绍EPSON打印机结构。　　
　　打印部分有：字车（墨盒匣）机构、导杆、传动皮带、主/副电机、各种传感器（光电式）、打印喷头等。非打印部分又可分为：墨水系统、进纸机构。

EPSON打印机结构剖析（机械部分）
　　一、字车（墨盒匣）机构：字车机构中的字车（墨盒匣）是安装喷头的部件。字车在字车机构中传动皮带的拖动下，沿导轨做左右往复的直线间歇运动。因此，喷头便能沿字行方向，自右向左或自左向右完成打印动作。
　　STYLUS 800 喷墨打印机字车机构图字车机构的传送带由字车电机驱动，其电机是一个四相、200极混合型步进电机。由它控制字车启动或停止以及改变运动方式。字车电机的参数如下：
　　驱动电压 35V±10%
　　每相绕组直流电阻 10.00±7%(25℃)
　　驱动频率 960--5400P/S
　　激励方式 1--2相激励在字车机构中设有一个印字间隙调节杆，它的位置根据纸的厚度而定。当打印单面纸（如平面
纸和文件纸）时设置在水平（A）位置上，当打印信封时设置在垂直（B）位置上，这时间隙为0.7MM。
　　二、主/副电机：主电机负责带动传动皮带使字车机构驱动的动力，副电机负责进纸机构和抽墨机构的驱动动力。三、感应器：为了检测打印机各部件的工作状态和控制打印机的工作，在喷墨打印机中设置了许多感应器，包括字车初始位置感应器、进纸器感应器、纸尽感应器、纸宽感应器、墨盒感应器，分别是检测打印机的各部件工作状态；用于检测喷墨打印机及打印机内部温度感应器及用于检测喷墨打印机中墨水通道压力的薄膜式压力感应器。EPSON打印机多数采用光电式结构。字车初始位置感应器（HP）：确定字车停留在原始位置，保证打印头喷嘴不偏离正确位置。使打印头平时处在清洗泵海绵上方，保证喷嘴的湿润。进纸器感应器：确定是否有打印纸正确放在进纸器托盘上，使进纸器能够正确地进纸。纸宽感应器：确认打印纸的规格大小（通常需要在打印输出时在程序中设定）。
墨盒感应器（IE）：确认有墨盒在墨盒匣中存在。在新机型中带芯片的墨盒有记数装置，用于确认墨盒的装入次数。四、打印喷头：在“打印机分类及工作原理介绍”一章中有详细说明。五、进纸机构：EPSON打印机多数采用摩擦式进纸方式的进纸器，这部分由压纸辊、变速齿轮机构及负责进纸器驱动的副电机。副电机在清洗状态时，用于驱动抽墨机构。

　　EPSON打印机结构剖析（机械部分）第三节 各部分详解

　　六、墨水系统：
　　主要由墨盒、抽墨机构、防护帽系统、喷头清洗器和废墨排泄箱等组成。
　　1、抽墨机构：抽墨机构用于执行初始充墨之前或喷头清洗操作时，将空间的墨水抽空。当字车处在墨水系统的起始位置（HOME），传送齿轮运转到能使副电机驱动抽墨机构时，副电机驱动抽墨机构。

　　工作原理：抽墨机构的操作，由副电机的转动方向控制。当电机顺时针转动时，执行抽墨、伪抽墨（假吸收）和齿轮反冲突操作；当电机反时针时，执行抽墨轮复位和齿轮反冲突补偿操作。抽墨机构由喷头的喷嘴吸回，再将其排入到废墨排泄箱中，其目的是消除喷嘴上的尘土和气泡。抽墨机构工作过程如上图所示。当副电机顺时针转动时，抽墨机构内槽的滑动泵沿图A中箭头方向转动，转动同时挤压墨水管将管内墨水通过排墨管排进废墨排泄箱中。当副电机逆时针转动时，滑动泵沿抽墨机构内槽反方向滑动（图B），墨水管上的压力释放，不再排墨。2、防护帽：当打印机不使用时，防护帽用以保护喷头的喷嘴，防止风干和喷嘴内产生气泡。当字车移动到墨水系统的初始位置（HOME）时，自动执行防护帽操作，防护帽紧紧地戴在打印头表面，并用滑动阀固定。
　　EPSON打印机结构剖析（电路部分）第一节 EPSON打印机电路部分结构划分在这里我们以EPSON STYLUS 800为典型例子介绍EPSON打印机电路部分。EPSON STYLUS 800电路部分分为：主控板（C106主板）部分及电源（C106PSB/PCE板）部分。
　　 一、主控板
　　C106主控板是STYLUS 800喷墨打印机的主要控制及驱动电路，C106主控板由以下电路组成。
　　1）CPU（ICI）：采用8位TMP96C141F--20；2）门阵列电路（IC3）：采用E05A85EB芯片。该电路包括：MMU（储存管理单元）、IFU（接口控制单元）、PCU（I/O端口控制单元）和打印头控制单元（2个通道：HCU1，HCU2）；3）可编程ROM（IC4）：IM EPROM，用于监控程序；4）CGROM（IC7/IC8）：用作字库，IC7：8M主ROM，用于欧洲版本；IC*：4M主ROM，用于美国太平洋版本；5）ROM（IC5）：1M PSRAM；6）EEPROM （IC10）：1K（64*16位）EEPROM，3条串行总线；7）字车电机驱动器（IC13）：采用混合集成电路***A7024MEL，恒流单极驱动。8）输纸器电机驱动器（QM1）：采用混合集成电路***A6501，恒流单极驱动。9）存储器EEPROM（IC10）：用于存储打印机特定参数，如打印机械系统控制参数、错误设置参数和用于保护喷头的特殊计数数器值。
　　 主板常出现问题有现象有：
　　A、不着灯B、不运行程序三灯闪亮C、开机后运行所有的程序之后三灯闪亮D、自检打不齐E、不能自检F、自检打不出G、开机后所有的灯不亮并且嗡嗡响H、黑灯常亮I、开机后左边电机运作，墨头匣不动
J、墨头匣运行而左下角的电机不能运转K、不连机L、开机后“哒哒哒”响（这只是目前所出现的问题）
如果测试其他部件没有问题，还
　　出现上述问题，则是主板的问题
　　EPSON打印机结构剖析（电路部分）第一节 EPSON打印机电路部分结构划分 二、电源电源有两种：一种是106PCB板用于120VAC输入；另一种是C106PSE板用于220V--240VAC输入。它们都是把交流电输入电压转换为+5V和+35V两组直流稳定电压。+5V供给C106V主控板逻辑电路、检测传感器（如原位传感器和纸尽传感器）、输纸电机的锁定电压。+35V用于供给字车电机、输纸电机和喷头的驱动。 三、控制电路STYLUS 800 打印机控制与驱动电路方框图 除电源外，整体控制与驱动电路方框图如上图所示。它的主控电路是以8位CPU TMP96C141为核心的一个完整的计算机。执行频率19.6608MHZ。CPU能够以8位或16位的数据总线处理数据。
门阵列电路用于控制喷头和作为和计算机联机的CENTRONICS并行接口。由CPU分别通过IC13（CLA7024）和QM1（***A6501）控制字车和输纸电机。EPSON打印机结构剖析（电路部分）第二节 复位电路1、+5V监视复位电路
复位电路由PS1592（IC12）组成该电路用以监视+5V电源，当+5V电压下降到+4.2V时，输出复位信号RESET给CPU（IC1，TMP96C141）和门阵列电路E05A85EB（IC3）。
　　2、+35V监视复位电路
　　该复位电路由M51955BFP（IC11）组成，该电路用于监视+35V电源，当+35V电压下降到+28V时，
输出复位信号给CPU，将引起CPU非屏蔽中断（NMI）。
　　功能：字车电机用于驱动字车按规定微步量做向左或向右移动。1）、打印机加电后，在初始化阶段，无论字车原来在什么位置，必须驱动字车返回到左端初始位置（HOME）2）、单行打印时，驱动字车自左向右，在导柜上沿横向做直线间歇运动，即字车移动一微步或几微步，打印头打印4列点，然后字车再移动一微步或几微步，如此重复进行直至一行字符打印完毕。此后，字车迅速回到左端初始位置，即回车后再开始打印下一行。3）双向打印时，字车自左至右打印完一行后，驱动字车从下一行（换行）右端开始从右向左打印。4）控制字车进行匀速、减速运动。
EPSON打印机结构剖析（电路部分）
　　 第二节 复位电路
电路：字车电机驱动电路采用恒流斩波型驱动系统。它采用混合集成电路SLA7024MEL（IC13）组成。由门阵列电路E05A85EB（IC3）的CR0，CR1，CR2，CR3端（78，77，76，75脚）输出的信号，通过电阻R59和R33，R34，R35，R36的串/并联组合，再分别通过电阻RM26和RM25供给IC13的RFA（3脚）和RFB（14脚），以选择字车电机的相驱电流值。CPU（IC1）的P600--P603端（1--4脚）分别供出四相控制信号，通过接插件CN6直接控制电机相开关工作。
　　2、输纸电机与驱动电路
　　功能：输纸电机转动某一角度时，能够驱动输纸机构带动打印机移动相应距离。具体如下：1）在脱机状态下，对应操作面板上“进纸”键，做正向或反向输纸。与电源键配合进行自检。2）打印完一行后，在换行命令的控制下，将打印纸移动一行的距离。除完成上述功能外，还用于驱动抽墨机构。电路：该电路用混合集成电路***A6501（QM1）组成，采用“高压驱动、低压锁定”驱动系统。由CPU（IC1）的P610，P611，P612，P613端（5--8脚）供给电机四个相应控制信号，并通过***A6501的C1，C2，C3，C4端（2，4，7，9脚）输出相位驱动信号，经过接插件CN5施加到电机的PFA，PF--A，PFB，PF--B四相绕组上。
当+35V电压由***A6501的CP端（11脚）施加到电机的绕组公共端PFCOM上时电机运转；当+5V电压
通过电阻R4和二极管D1施加到PFCOM上时，电机锁定。电机的高低压切换由CPU的T03端（12脚）发出控制信号，控制晶体管Q1（2SC3915），再控制***A6501的CP端（11脚）。当CP端输出+35V时，D1反向截止；+35V中到电机上；当CP端无+35V输出时，+5V就加到电机上。

　　EPSON打印机结构剖析（电路部分）

　　第三节 检测电路
　　1、HP（字车初始位置）检测电路
　　打印机在加电初始化过程中，不管字车位于哪个位置，都将字车向左移动的初始位置，或打印
过程中遇到回车控制码，也返回到初始位置。为了使字车都能回到初始位置，在字车的背面安装了一个由光敏遮断器组成的HP传感器。它由发光二极管和光敏三极管组成。当字车不在初始位置时，光敏三极管因可接收发光二极管和光敏三极管的光而导通，这时送入低电平信号给门阵列电路E05A85EB的SW7端（80脚）。当字车回到初始位置时，导轨后右端的小片恰好伸入发光二极管和光敏三极管之间，遮蔽光源，这时光敏三极管截止，送入一个高电平信号给门阵列电路05A85EB的SW8端（79脚）。输入高电平信号被程序检测到后，控制字车停止向左移动，停在初始位置（HOME POSITION）上作为打印机开始打印位置。2、（纸尽）检测电PE检测电路是用来检查打印机中是否装有打印纸。若打印机没有装上打印纸或打印过程中纸已用完，都将控制打印机停止。采用弹簧片开关作为PE传感器，当打印机有纸时，弹簧片开关依靠纸的压力而接触，向门阵列电路E05A85EB的SW8端（79脚）输入一个低电平信号，无纸时弹簧片开关弹开，一个高电平信号输入给SW8，表示纸尽。当程序检测到PE信号以后，自动停止打印且报警提示。3、IE（墨尽）检测电路在字车的墨盒支架上装有两电子触点，当装上墨盒时，墨盒内的金属弹片就接触到这两个触点。当执行墨尽状态检测的操作时，由CPU的模拟信号输入端AN0（73脚）测试所输入的信号大小，以判别墨水是否已用完或墨水量的多少。4、检测电路在喷墨打印头上装有热敏电阻，由CPU的模拟信号输入端AN1（74脚）检测打印头的温度。打印头驱动信号的脉宽就取决于这个温度值。

　　EPSON打印机结构剖析（电路部分）
　　第四节 接口电路
　　采用CENTRONICS并行接口。采用门阵列电路E05A85EB的IFU9（接口控制单元）作为并行接口，
电路中除去ACK，BUSY，PE，ERR，SLCT信号通过74LS07门电路接到插件CN1上外，其他信号均通过电阻连接到CN1上。