【页面大小的打印头的制作】

　　HP 可伸缩性打印技术

　　HP Officejet Pro X 系列采用了最新一代的 HP 热喷墨技术 — 惠普可伸缩性打印技术 (SPT)。它采用了极度精确和可靠的材料、设计规则和制造流程。

　　SPT 为打印头制造带来的优势在于它使用了专为集成电路的生产而开发的大规模、精密工艺。借助 SPT，打印头的各部分，从薄膜集成电路到厚膜流体结构，都可由一种称为光刻的工艺进行控制，即使是非常小的结构。墨水通道、腔室和 SPT 打印头喷嘴的生产都达到了亚微米级的精度，以提供具有相同体积、速度和轨迹的图像。

　　图 1 为基于 SPT 的 Thermal Inkjet 墨滴生产器的示意性剖视图。在硅基板上，薄膜层可构成一个集成电子电路和用于喷射墨滴的电阻器(或加热器)。硅制的进料槽(见右下方)可向进料槽任意一侧的各墨滴产生器腔室供应油墨。

　　根据设计，页面大小的打印头与 HP Officejet Pro X 系列打印机的寿命长短一致，其强大的抗污染能力使得其操作可靠。SPT 支持安装用作油墨过滤器的微小支柱(如图 1 中所示)，以阻挡可能进入并堵塞墨滴产生器的颗粒。

　　墨滴产生室和孔口(喷嘴)板由相同的光致成像的聚合物(褐色的颜色所示)制成。为了提供其对规模大小的敏感度，腔室的厚度和孔板的厚度均小于人头发的厚度(50 微米)。这种集成结构由硅制成，其制作步骤包括聚合物沉积、曝光和显影。为确保较长的使用寿命，硅衬底上的薄膜层，供墨槽，腔室，和孔板材料都具有高耐油墨腐蚀性。

　　页面大小的打印头

　　图 3 为 HP 页面大小的、4 色书写引擎总成。盛装黑色、品红色、青色和黄色墨水的油墨盒插入到该组件的顶部并通过该组件进行压力调节和过滤。当墨盒墨量较低或无墨时，该组件也能感应到。墨盒可以进行轻松更换：这一工序描述见打印机控制面板上的动画信息。

　　图 3: Pagewide 书写引擎总成图

　　打印头有 10 个称为芯片的 HP 热喷墨芯片，4 个放置在坚固、尺寸稳定、射出模制塑料载体。载体可精确地排列阵列中的各芯片并提供油墨接口。图 4 为带有打印头的书写引擎总成的底视图。

　　5 为芯片及其周围部件的特写视图。每个芯片的四种油墨颜色各有 1056 个喷嘴，每个芯片上共计 4224 个喷墨嘴，打印头上共计 42,240 个喷嘴。

　　各油墨的喷头阵列由油墨进料槽任一边的两排墨滴产生器组成，该油墨进料器通过芯片制成(见图 5) 形成孔板和墨滴产生器腔室的聚合物材料是透明的，所以图 5 中显示的墨滴产生器的腔室和与它的四个墨水进纸槽的芯片表面是可见的。

　　在图 4 和图 5 中看到顶部至底部的印刷顺序依次是黑色，品红色，青色，黄色 (KMCY)。

　　图 4：Pagewide 书写引擎总成底视图

　　图 5：HP Thermal Inkjet 芯片细节

　　图 4 和图 5 为密封芯片的不锈钢罩。该罩提供了一个平整的表面，可在保养时遮盖和擦拭打印头。

　　电气连接则通过将一条灵活的电路捆绑到各芯片侧边上的互连焊盘来实现。这些连接受到了一串(蓝色)的环氧树脂的保护。

　　这一灵活的电路为每个芯片和书写引擎总成打印电路板之间传递着信号和能量(见图 3 和图 4)。

　　除墨滴产生器之外，每张芯片都配备了用于信号处理和电源控制的集成电子元件。要对 4224 个喷嘴进行操作，每张芯片只需要连接 10 个电子互联接口5。到每张芯片的数据传输速率可达到每秒 100 兆以上。

　　如图 4 和图 5 所示，每张芯片末端部的 30 个喷嘴使得芯片能够相互交错和重叠。

　　对于在重叠区域的几排点，打印头将使用芯片上的喷嘴来避免芯片边缘的打印伪迹。

　　该打印宽度为 8.575 英寸(217.8 毫米)，保留了美语字母 A 、美国法律用纸(8.5 英寸)以及 ISO A4(8.27英寸)格式上的 HP LASERJET 空隙6。对于四种颜色中的任意一种，打印宽度为 1,0290 点行，打印头上每英寸由 1200 个点隔开。

　　42,240 个喷墨嘴的管理

　　HP PageWide Technology 将定期测试打印针脚上所有的 42240 个喷墨嘴，从而帮助确保可靠的打印质量。这个自动流程由于能发现性能不符合规格的喷墨嘴并且时常检查每个喷墨嘴，因此能够发现并更正任何可能影响印刷质量的故障。

　　HP Officejet Pro X 系列打印机使用光学传感器校准打印头、衡量喷墨嘴性能并监控纸张运动。这些传感器位于小型滑架上，能扫描纸张和打印头。纸张传感器扫描完打印在上面的诊断测试图案后，书写系统控制器利用该信息电动补偿“芯片对芯片”校准公差以及可产生可见打印伪迹的墨滴量变化。同时，此传感器在纸张进入打印区域时，可检测纸张边缘。HP Officejet Pro X 系列打印机专门研发的打印头传感器可测量单个飞溅的墨滴。这个打印头传感器只是系统的一部分，用合格喷墨嘴替代不符合操作规程的喷墨嘴后，该系统可确保卓越的打印质量。

　　无论在墨粉打印机还是墨水打印机中，Pagewide 打印阵列都能在打印点消失或错位后，沿着纸轴生成条纹。有墨水时，故障喷墨嘴通常会生成暗处可见的光条纹，并在中间色调区域形成单色图像，同时在彩色图形和图像中形成光或彩色条纹。

　　页面中每英寸排列着 1200 个喷墨嘴，一个或多个独立故障喷墨嘴导致的黑点丢失或错位通常对黑色文本只产生微小影响，甚至不产生影响。因为文本为高密度打印，从旁边黑点洒向丢失黑点列的墨水会抑制条纹。

　　故障喷墨嘴引发的问题可通过更换喷墨嘴解决，此时紧邻的喷墨嘴将替代故障喷墨嘴打印黑点。为使打印系统完成自动喷墨嘴更换程序，必须准确辨别哪些喷墨嘴完好，哪些出现故障。

　　要测量每个墨滴离开页面大小的打印头后的飞行时间，需要克服许多困难：

　　•每个墨滴的直径都不到 25 微米，墨滴的飞行速度为每秒 10 米。

　　•每张芯片上有四个喷嘴阵列。由于打印头上的芯片相互交叉，喷嘴阵列与传感器之间的距离也各不相同。

　　•为测量各墨滴，测量系统必须离打印头足够近，并能装进所限的空间内。

　　•传感器对于反射光和电子噪音有较强的免疫力。

　　•墨滴检测不能影响到打印机的正常工作。

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　　图 6：反向散射墨滴检测示意图

　　对 HP Officejet Pro X 系列打印机而言，HP 开发了一种称作“反向散射墨滴检测”(BDD) 的全新技术。BDD 对光学进行了创新性应用并使用了多个光检测器，配合先进模拟和数字信号处理技术。在其它光学方法中，墨滴会通过光源和检测器之间;而 BDD 的工作原理是检测墨滴通过聚光束时的反向散射光。反向散射墨滴检测器每秒可以测试数百个喷嘴。

　　图 6 为 BDD (光线跟踪) 示意图。该 BDD 模块包括 1 个外壳 (图中未显示出)、5 个透镜，图 6 中品红色射线代表的表面发射型二极管 (SED) 光源和孔板后的 4 个光检测器 — SED 每面两个。

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　　图 7：示意图：喷嘴替换

　　SED 将通过投影透镜发射光束，四个成像透镜则将墨滴反向散射的光聚合到光检测器上。借助打印头上交叉的芯片和每张芯片上多列喷嘴，可在距离检测器不同距离、深约 0.4 英寸 (10 毫米) 的样本区域中发射墨滴。打印头后的一片背板可减少不必要的反射光，从而提高检测反向散射光微弱信号的能力。模拟和数字电路处理反向散射信号后，算法评估每一个喷嘴是否适合打印。

　　喷嘴替换

　　HP Thermal Inkjet 的高喷墨率和高喷嘴密度同时提供主被动喷嘴替换，以消除喷嘴故障造成的影响。这是 HP Officejet Pro X 系列打印机具备高打印质量的一个关键因素。

　　图 7 显示了 1200×1200 网格中的两个主动替换和一个被动替换。为说明方向，“点排”从上到下，由字母“a”到“h”标出。该例子中发生故障的喷头为“b”、“e”、“f”和“g”，中空的黑色小点代表墨滴产生器。彩色小圆点代表了功能正常的黑色和彩色墨滴产生器。“点列”横跨页面，与打印头的喷嘴位置相关联。图中显示的是纸张沿页面向下运动。

　　对于选择接收墨点以填充黑色区域的网格点，以及选择代替故障喷嘴的喷嘴，可使用复杂的算法来控制油墨量，减少伪像 (如纹理和条带)，并实施主动喷嘴替换。图 7 为高度精简的示意图，并没有考虑到的点充分扩散的程度。如图所示，点充分扩散时，白色空隙将被填充，以便更好地遮盖错误。但是，在展示基本原理方面，图 7 如实展示了喷嘴替换实际过程。

　　被动喷嘴替换直接利用 HP Thermal Inkjet 的高喷嘴密度：一个喷嘴出现故障时，周围的喷嘴将进行替补。每英寸 1,200 个喷嘴，每种颜色的油墨有两个喷嘴，可以打印一个 600×600 网格，8受影响的点排中，其旁边的喷嘴最多只有 1/1200 英寸 (21 微米) 远。

　　图 7 是“b”列喷嘴被动替换的示意图。喷嘴故障可能导致该图的下半部分中显示白色条纹。但是，随着墨水从临近的点蔓延，白色条纹实际上会比完整的 1200×1200 方格要小。事实上，点的扩散可能会完全覆盖空白区域，使得单个喷嘴故障几乎看不见。无论如何，在正常尺寸的文本下都难以察觉这种缺陷。喷嘴故障被检测到后，将对该图上半部分的 b 排实施主动喷嘴替换。

　　主动喷嘴替换会使用由多次 BDD 测量结果编制成的喷嘴故障查询表。一些喷嘴可能仍处于故障状态，其余的喷嘴经过打印头保养后会恢复。查询表可用于为故障喷嘴选择替换喷嘴。这可能需要具有双倍滴墨率的替换喷嘴。在某些情况下，同一点排或临近点排上的其他颜色的墨滴也可以被替代。这样，主动喷嘴替换可以有效替代两个或更多出现故障的临近喷嘴。

　　图 7 显示了主动喷嘴替换的两种情况：一个发生故障的黑色喷嘴 (b 排) 和三个相邻的发生故障的黑色喷嘴 (e、f 和 g 排)。

　　对于 b 排中的一个发生故障的黑色喷嘴，主动替换打印点使用 a 排和 c 排的相邻黑色喷嘴。图 7 的上半部分以红圈内填黑点的方式对其进行了说明。 a 排和 c 排之间的替换点降低了白色区域的可见性，分解了暗线，否则如果仅有 b 排一边的点被替代，白色区域将变得可见。

　　如果三个或更多个相邻的喷嘴发生故障，主动替换喷嘴将使用黑色和彩色油墨。例如，图 7 中 e、f 和 g 排中发生故障的黑色喷嘴。

　　盖子

　　擦拭滚筒

　　卷筒纸盖

　　卷筒纸

　　在图 7 的下半部分中，三个相邻的空点行可将显示白色条纹，如图所示。由于三个相邻点行的间隙太大，无法被被动替换喷嘴进行有效处理。在喷嘴故障查询表中检测和处理喷嘴故障后，主动替换喷嘴将得到应用，如图中下半部分所示。未发生故障的相邻黑点 (为突出的红色轮廓) 将在 d 排和 h 排中被替代。复合黑点打印的 f 排显示为中间填充黑灰色外面是红色轮廓，打印头的三色彩印(青蓝色、品红色和黄色)喷嘴在 f 排中打印。(印刷点实际上不是灰色 - 显示为灰色只是为了说明需要。)

　　打印头保养

　　定期保养打印头对于确保可靠的打印质量至关重要。它能让喷嘴处于良好工作状态并可恢复损坏的喷嘴。HP Officejet Pro X 系列打印机具有一个内置的保养盒9，它具有四种主要功能：为打印头加盖、调节喷嘴、擦拭喷嘴板和用于保养的油墨控制功能。由于打印头保养是自动的，用户可以根据需要启动打印头清洗周期。图 8 显示了服务站盒和关键部件。

▲图 8：打印头保养盒

　　当打印头处于空闲状态时，需盖上打印头以防止因油墨变干和堵塞喷嘴。加盖可为油墨提供湿润的存储环境，使其在喷嘴中处于液体状态，以便让墨滴正常喷出。打印头盖可压住打印头的不锈钢护罩并密封芯片四周而无需与其接触。

　　喷嘴调节功能可为每个喷嘴更新油墨。这可使打印头根据质量、速度和轨迹规格进行喷墨。由于油墨中挥发性组分 (主要是水) 的减少，每个喷嘴都会通过打印滚筒定期喷射少量墨滴来清除油墨，以防止其因过于粘稠而无法满足打印质量规格和阻塞喷嘴。用于喷嘴调节的墨滴在随纸张而缓慢运动的滚筒上的打印滚筒下被捕获。油墨将从该滚筒被移除，并存储在双面打印装置内的腔室中。由于只有少量墨水用于调节喷嘴，并且其会随时间蒸发，腔室设计为可为打印机在其使用寿命内存储油墨而无需进行保养。

　　在保养盒中，一个用吸收材料制成的循环卷筒纸用于存储用过的墨水并提供打印头喷嘴板的擦拭方法。由于大多数油墨最终都会挥发，通过擦拭和保养，卷筒纸会变干并被重新使用。

　　在保养过程中，卷筒纸会自动运行。在保养过程中，书写引擎总成将自动从滚筒处向上移动，以使保养盒在打印头下移动。为了进行擦拭，卷筒纸在弹簧驱动的滚筒 (参见图 8) 上运转，后者将其轻轻按压在喷嘴上。这可以消除纸张灰尘和油墨堆积。然后，服务站盒会在打印头下继续前进并使其与盖子结合。