图文店知识1喷墨打印机1:缘起:为什么要有喷墨打印机?墨盒与 HP 的“初心”

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本文转载自知乎,主要是介绍喷墨打印机发明的初衷,以及针式打印机

我希望能把本文写得尽量详细,尽量全面,尽量通俗易懂(但一定不是最正确,最权威)的系统性的讲民用喷墨打印机(inkjet Printer)的文章。

知乎上许多大佬,我是班门弄斧了,请一定批评指正!

【1。缘起:连续喷墨(Continuous inkjet,CIJ)】

其实,广义来说,早在 1867 年,喷墨打印机的前身,连续喷墨的电报记录机,就已经被发明出来了[1]。发明人是 William Thomson(1824-1907),但直到几十年后,才得到广泛应用。

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William Thomson (1824-1907)

下图这部巨大的记录电报的仪器,其工作原理是,喷头不间断的喷出墨滴,而喷头的位置则根据电信号可以上下移动。而电报信号可通过线圈,由电磁效应,使喷头产生位移。因此打印出来的是一条有纹理的线条,有点像现在的心电图的样子。这样,经过训练的读报员就可以把打印出来的纹理转译成摩尔电报码,进而转译成单词、句子[2]

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早期的连续喷墨的电报记录机,图源:Wikipedia

在这个过程中,纸是不断在移动,而墨也是一直在喷的,不中断。这种结构,就是连续喷墨打印机的前身。

显然,我们今天的喷墨打印机,不是这个思路。这就要说到,按需喷墨(Drop On Demand,DOD)的喷墨打印机了:

【2。现代喷墨打印机研发的历史背景】

[2020-05-12 更新:感谢评论区大佬

指正,本节在写成的时候,有事实上的错误,我查证后,已做出修改。向大家道歉!]

我们知道,在打印机出现之前,大家用的是打字机。打字机打出来的文字,是连贯的,清晰。但打字机的致命缺点,是字体、字形是固定的,没有什么灵活性。

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我闲置在书架上吃灰的打字机

为了解决这个问题,1970年代,工程师们研发了针式打印机(Dot Matrix Printer)。其设计思路部分延续自打字机。是一个个的针,不断排列组合,拼成字母,在如同盖章一样,按在色带上,最终按在纸张上[3]

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Centronics 101,被认为是第一台针式打印机

这两种方法,都属于“按压式打印(Impact Printing)”。这是一种非常古老(或许是最古老)的方式,盖章、活字印刷用的也都是这个思路。甚至,“打印”这个词,和“用打字机打字”是一个概念,指的也是“打”然后“印”。无论现在的喷墨还是激光,原理上,都不是“打”印的。英文 Print 这个词,在韦氏大学词典解释的第一条,是“a mark made by pressure: IMPRESSION”,词源学上来说,Print 也是按压打印的意思。

你如果仔细看今天的许多机打发票,就会发现,这些发票上的文字,都是由一个个的点组成的。

但是,1970年代的针式打印机,有这么几个致命的问题,那就是:

  1. 分辨率低:“针”再细,也没有墨滴小。因此无法打印高精度的文件。
  2. :每一个文字都是由一个个针组成的,机械结构,速度慢
  3. :因为有“敲打”的动作,如同打字机一样,因此声音非常大。
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针式打印机的文字,是由针点组成的

于是,在 1980 年代,施乐发明了激光打印机,分辨率得到了极大的提高。但是,那个年代的激光打印机也有几个致命的问题:

  1. 体积大:这是机械结构决定的。
  2. 耗电大:这也是激光打印机的原理决定的。
  3. 成本高:相对针式打印机,激光刚出来的时候,非常昂贵,只有大公司才用得起。

于是,为了解决这些问题,一部分研究者去试图把激光印刷的技术做小,做便宜,就是桌面的激光打印机。而另一部分研究者们,则把目光重新聚焦到了“墨水”这个古老的印刷方式上。

【3。按需供墨(Drop on Demand, DOD)】

显然,连续喷墨的应用场景是有限的。小型民用打印机不可能让墨水一直在往外冒。因此就必须要按需喷墨。而按需喷墨,则必须解决如何控制墨滴的喷出这个技术问题。

为了使得墨滴能够准确地喷出去,有不少办法。但最后大家发现这2个思路最靠谱:

第一个思路,是将别的东西,比方说气体,从上方打入墨仓,因此气体就可以把下方的墨滴推出去了。

第二个思路,是从上方挤压墨仓,使得这个墨仓的空间变小,就可以把墨滴从墨仓的下方喷出去了。这个就像我们推针管一样,非常容易理解。

这两个主要的技术路线,就是我们今天的热发泡技术和微压电技术。

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左图为微压电,右图为热发泡。图源:wikipedia

【4。HP 热发泡技术的研发背景】

刚才说了,原理上,我们可以把一小部分气体打入墨仓,从而把墨水挤出来。这个过程中,墨仓的体积是没有变化的。因此,我们可以接一个打气筒,把气体从外界直接打到墨仓里面去,再把气体排出去,用墨水补充,准备下一次喷墨的动作。

但是,气体不一定是“打进去”的。还有一个办法,就是在墨仓里面,放一个电热丝,瞬间加热,让墨仓里的一小部分墨水汽化变成气体,就可以代替打气筒,仍然可以把墨仓下方的墨水挤出来。这样就不用接管子了,简化了机械结构,只需要放一个电热丝就行了。

这就是“热发泡”这个名词的由来,热发泡的意思是,用加热的方式,使得墨仓里产生气泡,而这个气泡则可以把墨水挤出来。

热发泡的原理不难理解,但是,真的把它量产,应用在打印机上,则凝聚了不少可研人员的心血。其中的先驱是 HP 和 Canon。有趣的是,HP 和 Canon 几乎同时分别开发出了可量产的热发泡技术[4][5]。两家是后来才发现对方也在做同样的研发,于是他们决定联手合作,以试图形成寡头垄断。我不知道在两家合作的这么多年的历史中,具体哪些技术或专利是两家合作开发的,哪些是分别开发的。事实上,即使是今天,这两家的喷墨技术路线上也有非常多的共通点。这两家看起来在竞争,实际上是好基友,似乎达成了某种默契,甚至 HP 的激光打印机,虽然有相当多的自己研发的技术在里面,但都多是佳能给代工的。

本篇我们先说 HP[6]

HP 的打印机部门,最开始并不是为了个人电脑打印机而成立的,因为在 1970 年代,还没有 PC 这种东西,而是 HP 的计算器团队在做的。

说句题外话,HP 的计算器可能大家并不熟悉。事实上,HP 做计算器,是非常有历史的,并且在今天仍然是某些领域不可撼动的霸主。在美国市场上,财会计算器中,卡西欧的销量是没法与 TI 德州仪器、HP 这种美国本土的计算器传统巨头媲美的,并不是因卡西欧的不好,而是因为人家老美的教材,就按 TI 或 HP 的计算器写的。被 CFA 折磨过的同学们,一定听说过 HP 在 1981 年发布的,并一直畅销至今的祖传爷爷辈财会计算器 HP 12c[7]。年轻的的 CFA 玩家喜欢用 TI,老一辈则似乎更偏爱 HP。

关于 HP 的 12c 这款计算器,详见这里:

什么是逆波兰法计算器?​www.zhihu.com图文店知识1喷墨打印机1:缘起:为什么要有喷墨打印机?墨盒与 HP 的“初心”-7

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HP 12c,畅销40载

最开始的计算器是没有打印功能的,但后来,人们要记录计算结果,因此需要把打印功能集成到打印机上。HP 尝试了针式打印机,但有上面的那些缺点。又试了热敏打印机,也就是今天拿来打麦当劳、超市小票,快递小票的那种打印机。但热敏打印机更耗电,并且得用专用的热敏纸,当时还没有锂电池,用普通电池的计算器扛不住。HP 甚至尝试了绘图仪的那种 XY Plotter,移动笔头写字的方式。

最终,在 1979 年,HP 开始尝试喷墨打印。HP 有一位研发人员 John Vaught,一直努力将热发泡喷墨打印技术小型化,使得可以被批量化生产。事实上,热发泡喷墨打印的这个思路在 1950 年代就有了,只是一直没法小型化,没法被量产地应用在计算器这种民用设备上。

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HP 97 这一款经典的 HP 计算器发布与 1970 年代,用的是热敏打印技术

HP 研发团队的高层,认为这技术靠谱!于是决定加大研发力度。对热发泡技术的研发,HP 提出了以下几点明确的要求:

  1. 必须省电,要比热敏打印机省电得多。
  2. 必须能用普通纸,而不是热敏打印机那种特种纸。
  3. 耗材必须可以方便替换,为了不让西装革履的商业精英加墨水的时候把手弄脏,因此墨水必须得装在用户容易替换的墨盒里。
  4. 量产的成本必须非常低,即使要牺牲耐用性等其他方面的技术要求。
  5. 如果打印头的寿命短的话,就把打印头也做成耗材,并集成在墨盒上,用废即扔。

注意:最后一条:打印头作为耗材,用废了就扔,这一点是 HP 喷墨打印机的研发在最早最早的时候,就确定下来的原则。其原理就是因为热发泡技术要做长寿,非常昂贵。

我们很难说,一开始这些设计的基础要求,是从商业化角度出发的。我甚至认为,这样的研发要求,是技术上、商业上都非常有逻辑合理性的。我们这个系列会在接下来的部分中,探讨这样的商业模式,以及这到底是不是智商税。

无论如何,这个指导思想一直贯彻到了今天:今天卖的最多,最普及的 HP 桌面型喷墨打印机的打印头,都是被设计成用完一个墨盒,就要扔掉的。如现在的 803 墨盒。可以说,HP 是不忘初心!

甚至,强调降低打印成本的墨仓式打印机,HP 的 Smart Tank 系列的打印机,其喷头也很可能是直接魔改自老款的墨盒的,并且仍然被 HP 认为是耗材,你可以单独买喷头,可以非常方便地自己更换。我们知道,EPSON 的微压电式喷头(具体我这个系列后面的部分会提到)并不是被厂家定义为是耗材的。要更换 EPSON 的喷头,必须至少要用螺丝刀把打印机拆开。这就可以看出来,两家公司对喷头这个核心原件的不同的态度。这既是技术路线的选择,也是商业模式的选择。

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集成了打印头的 HP 喷墨打印机墨盒
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HP 今天在售的墨仓式喷墨打印机的喷头

今天,我们批评 HP 故意把喷头集成在墨盒上,使得墨盒特别贵,是为了用廉价卖打印机,高价卖墨盒的方式持续割韭菜。但是,如果我们仔细研究了 HP 喷墨打印机的研发历史,我们会发现,这样的决定,最开始其实是技术的理性抉择,而不是为了割韭菜,收智商税。

下一期,我将详解 HP 的热发泡技术。

拓展阅读:

HP 内刊(HP Journal)1985 年 5 月刊详细讲述了 HP 热发泡技术的早期开发历史:

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American Heritage of Invention & Technology 在 2001 年春季刊有一篇由 Thomas Kraemer 写的讲惠普研发喷墨打印机的历史:Printing Enters The Jet Age: How Hewlett-Packard engineers figured out how to propel tiny, multicolored droplets of ink through microscopic holes with unfathomable precision

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