密恐人群慎入：高科技結晶噴墨列印頭進化簡史

【中關村在線原創】現在在各種商業網點旁邊，都可以看到免費的微信列印照片設備。它們的核心是一台噴墨印表機。作為噴墨列印設備最核心的零件，當然要數列印頭了。有些人或許不以為然，但是如果你仔細想想，噴墨印表機，有你知道的國產品牌嗎？是不是都集中在惠普、佳能、愛普生以及兄弟這四個牌子下？這就是科技含量。今天我們就來集中講講噴墨列印頭。

從針頭到噴墨列印頭

噴墨列印這個想法如果追溯起源，甚至能夠追溯到上上個世紀，但是與今天的列印無關。事實上，噴墨列印最早的專利，是西門子在1951年申請的，不過此後很長時間，都沒有實現商品化。 西門子的第一款商用化的噴墨列印產品，名為PT80i，一共有12個噴嘴，噴出的墨滴直徑為0.07毫米，每秒可以列印270個字元，這款產品誕生於1977年，在技術上，屬於壓電產品。

西門子的老古董-PT88印表機

IBM的初代壓電印表機需要的磁卡

差不多相同的時期，佳能日本東京都的一個研究員，無意中把電烙鐵放在了注射器上，看到了裡面液體的噴出，誕生了用加熱墨水沸騰實現噴墨列印的想法。與此同時，惠普、IBM等企業也都同時展開了噴墨列印相關的研究工作，並取得了專利。IBM還推出了世界第一款噴墨印表機6640，不過那款產品的實用價值不高。

熱發泡列印的誕生

前面說了，當時的微壓電很不靠譜，差不多是傾瀉式的。所以亟需按需列印，即有的放矢，所謂按需噴墨列印（Drop on Demand），是企業看到了在當時壓電技術的不足，進而都研發熱發泡列印技術。差不多相同的時間，IBM、佳能以及惠普都在研發熱發泡列印技術，並且努力將噴墨印表機商品化。

針頭+電烙鐵，誕生了熱發泡噴墨列印

當時佳能開發新技術的時候是多種方案都嘗試了，針頭事故是有定論的官方說法。在1977年，佳能申請到了熱發泡噴墨列印技術的核心專利，這奠定了佳能的在噴墨列印領域的一代霸主。比較有趣的是，惠普和佳能都差不多同時發布技術，但是佳能搶到了Bubble Jet（氣泡噴墨）的名字，惠普不得不給技術命名為thermal jet。不過佳能和惠普交叉進行了專利、技術方面的合作，這也打拉開了兩個企業從那時起到今天，這兩個企業都保持著既是夥伴、又是競爭對手的合作關係。

惠普的初代噴墨印表機ThinkJet

佳能的BubbleJet

大家可以注意看，當時佳能和惠普最早的噴墨列印技術產品，都是橫向噴墨在有齒孔的紙上，並非我們今天向下噴墨。到1990年的時候，佳能才推出BJ-10v這種小型化的產品，第一次實現把列印頭和墨盒做到一起。到1996年，佳能推出BJC-600，是第一個能在普通紙上列印全彩的佳能噴墨列印產品。

愛普生髮明微壓電列印

在噴墨列印發明的早期，愛普生也曾經想去參與到熱發泡列印，但是佳能已經有了合作夥伴惠普，所以愛普生不得不去自力更生。壓電列印如何做到很小才是難題。這在當時被看作是不可能完成的任務。

愛普生髮明微壓電列印時候的研發人員碓井稔今天已是社長

當時參與到微壓電技術研發的正式今天愛普生的社長，碓井稔先生。當時研究的困難在於對壓電材料（玻璃）施加100V電壓，材料形變產生的能量也不足以把墨水噴出。所以必須要改變壓電體才行，這是材料科學。

壓電材料很多，但是適合列印設備用能小型化就不多了

新的材料（某種陶瓷）讓壓電體能夠在30V電壓下移動1微米，對比之前的材料則需要100V電壓，但只能移動0.1微米，這意味著可以產生足夠的功率來準確的噴射墨水，這是巨大的進步，而且更低的電壓可以將單個噴嘴做到足夠小，這也解決了噴墨列印所需的多噴嘴難題。

Epson Stylus 800，愛普生第一個商品化的微壓電印表機

相比熱發泡列印，微壓電列印的優勢是壓電體噴嘴讓墨滴可控，並且不存在加熱這個過程，這對於墨水材料的選擇也更寬泛，因為有的有機材料會加熱變性。

兩個陣營各自的進化

熱發泡列印技術要解決列印照片的問題，就要噴嘴夠小，否則不細膩沒法看。這種辦法佳能稱之為FINE列印頭，FINE是英文Full-photolithography Inkjet Nozzle Engineering的縮寫，意思叫做全光刻噴墨列印噴嘴工藝。

佳能的FINE列印頭

這要說道的就是佳能的另外一門技術了——光刻機。這類產品普通用戶無緣接觸，但是在半導體工業，佳能科室名聲響噹噹，是為數不多的幾個能做光刻機的公司。所謂光刻機就是先在材料表面刷一一層材料，然後光刻機進行針對性的曝光，其它的材料就可以洗掉，然後形成圖案的材料使用酸蝕之類的技術，暴露的材料會被腐蝕出溝槽，填充了金屬就是導電材料，製造處理器這些，但是在噴嘴工藝上，只要刻蝕出噴嘴就好。

佳能用半導體曝光裝置來光刻噴墨列印噴頭

隨著半導體工藝的不斷演進，佳能、惠普的列印頭噴嘴也越來越小。根據應用領域的不同，需要的噴嘴孔徑大小也不一樣，目前普遍在10微米左右。這樣可以縱向排列很多個噴嘴，讓列印頭單次移動掃過的面積更大，提升列印速度。

可以噴出大小不一樣的墨滴的VSDT技術

愛普生這邊首先研發的方向叫做可變墨滴技術，縮寫VSDT。這個技術有前面的介紹就不難理解了，應該是對壓電材料施加不同的電壓，讓壓電材料產生不一樣的形變，這就控制了墨滴的大小。當圖案需要連續的圖像的時候，連續噴出大墨滴就很有用處。

Precision Core技術

噴嘴圓形的PrecisionCore

愛普生微壓電列印頭最新的進化被稱之為Precision Core。微壓電的噴嘴直徑不是優勢，所以一旦堵頭了，那麼就要依靠供墨泵的力量來沖洗列印頭，效果很差且非常浪費，因為清洗就要洗所有的。Precision Core則是在壓電元件後面加感測器來解決這個問題。

商用噴墨列印-全新的方向

噴墨列印這種方式過去一直是家用為主，商用不多。但是從十多年前，惠普開始推出OfficeJet系列來讓噴墨商用化。因為相比激光列印，噴墨的成本要低得多，十多年過去了還是這樣，於是有了大量的商用噴墨產品面世。

惠普的Indigo噴墨印刷機

商用的奧義是要耐用。面對小型商業，比如商用噴墨一體機、印表機這種小設備來說，列印企業經驗豐富處理起來得心應手自然不是問題。問題在於大型設備，典型的應用是商用印刷設備。惠普就有很多商用噴墨印刷機，他們的列印頭與家用的不同。

惠普印刷機上的HDNA噴頭模塊，可以組成多個模塊形成更大的頁寬噴墨印刷

惠普商用列印設備的頁寬列印頭，現在已經有兩種，分別對應A4及A3幅面

惠普管這種印刷機上的噴頭叫做HDNA，即High Definition Nozzle Architectur，高清晰度噴嘴架構。這種架下，每英寸的噴嘴數量達到了2400個，而我們知道，每英寸300個其實就夠用了，比如大家知道的手機視網膜屏，就是以300像素每英寸為分水嶺，更細的人眼也看不清。惠普的HDNA一來可以單噴嘴雙色支持，而來由於有8倍的冗餘，既可以實現高速度，也可以做到長壽命。這種架構的產品技術下放，誕生了今天惠普商用的頁寬式印表機、一體機複印機，速度快成本低，是惠普在2017年給企業級市場扔下的重磅炸彈。

Epson交錯排列的PrecisonCore進行頁面等寬列印

愛普生則是把Precision Core同樣的交錯排列起來，做同樣的One Pass複印機，同樣也是速度快，定位比較高端。當然微壓電的企業比如柯尼卡美能達等企業也有涉獵，不過它們的應用普遍是ToB的商用印染等領域。

關於噴墨列印頭的介紹就到這裡了，我們有機會再介紹其它列印科技的來龍去脈。噴墨列印是融合了高精度的電子與機械的產品，對精度的要求以微米計，對設備可靠性要求高、應該算科技感不強的高科技產品。

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