熱敏打印機芯設計探討

王宏慶

摘 要：對比傳統的針式打印機，熱敏打印機具有打印速度快、打印清晰、使用方面以及運行噪聲低的優點，因此在諸多領域如銀行系統、醫療設備中得到了廣泛應用。本文從熱敏打印機的運行原理出發，結合其機芯的基本構造，對熱敏打印機的機芯設計要點進行了分析和探討，希望能夠進一步對熱敏打印機的機芯進行優化，提升設備性能的同時，更好的滿足生產需求。

關鍵詞：熱敏打印機;運行原理;機芯設計

中圖分類號：TP334 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0060-02

0 引言

打印機在現實生活中十分常見，伴隨著技術的發展，打印機的類型也在不斷更新，包括了針式打印機、噴墨打印機以及熱敏打印機等。相比較其他兩種打印機，熱敏打印機有著較為顯著的優勢，被廣泛應用在很多領域，當然，在實際應用中，熱敏打印機同樣存在一些缺陷，需要技術人員做好熱敏打印機的機芯設計，提升其實用性，確保熱敏打印機能夠更好的適應用戶的個性化需求。

1 熱敏打印機運行原理

熱敏打印機是一種比較新穎的打印機，主要是借助流過印字頭點電阻的脈沖電流所產生的熱量，引發熱敏紙受熱變色，從而得到相應的字跡和圖像。熱敏打印機的基本原理，是在專用熱敏紙上，覆蓋一層透明薄膜，薄膜在一定溫度下加熱一段時間后，會因為相應的化學反應而變色，如果溫度小于60℃，變色所需的時間可能需要數年;如果溫度超過200℃，變色所需的時間只需要幾微妙即可完成。通過有選擇的于熱敏紙相應位置加熱的方式，熱敏打印機可以得到需要打印的字符和圖形[1]。

2 熱敏打印機機芯構造

在打印機機芯中，熱敏紙的走動主要依靠膠輥，主體支架可以對各個部件的空間位置進行固定，齒輪能夠對轉動進行傳遞，熱敏打印頭是核心組件，能夠通過發熱的方式，將需要打印的字符或者圖形印在熱敏紙上，光耦偵測板可以提供缺紙偵測或者黑標偵測，在紙張用完時會發出提示，步進電機則能夠提供精確的傳動功能，經過齒輪和膠輥帶動熱敏紙運動[2]。

3 熱敏打印機機芯設計

3.1 選擇熱敏打印頭

熱敏打印頭作為熱敏打印機機芯的核心部件，其選型工作會對打印機的性能產生直接影響。技術人員在對熱敏打印頭進行選擇的過程中，應該充分考慮其實際應用需求，做好打印寬度、打印電壓、分辨率等參數的明確，例如，熱敏打印機的打印寬度可以分為1英寸、1.5英寸、2英寸等，最大可以達到8英寸，打印電壓可以分為3.7V、8V、12V和24V等，不同打印電壓對應不同的打印速度，例如，3.7V電壓電壓下，打印機的打印速度一般不會超過60mm/s，24V的打印電壓適用于高速打印，打印速度可以超過200mm/s。不同打印紙對應熱敏打印頭的要求也不相同，以標簽打印為例，考慮其下層屬于離型紙，上層為標簽紙，兩張標簽之間存在一定距離和凸起，會對熱敏打印頭上的加熱線產生劇烈沖擊，需要于加熱線上設置特殊保護涂層來延長其使用壽命。另外，在選擇熱敏打印頭時，還必須考慮紙張厚度，例如，機票的紙張較厚，紙質硬不容易出現彎曲，為了保證打印紙與加熱線的可靠接觸，提升打印質量，應該選擇邊沿式或者斜角式熱敏打印頭[3]。

3.2 構筑走紙通道

熱敏打印機可以使用的打印紙類型有很多，不同打印紙需要對應不同的走紙通道，這樣才能保證走紙的流暢性。對于普通POS機，使用的熱敏紙厚度一般在0.05-0.08mm之間，紙張相對柔軟，可以選擇90°走紙通道，也可以選擇180°走紙通道;對于機票等厚度超過0.2mm的打印紙，考慮其較大的彎曲張力，需要選擇180°走紙通道來保證打印紙與加熱線的緊密貼合;對于標簽打印紙，由于其貼在離型紙上，存在一定的彎曲角度，想要避免標簽紙的剝離，需要采用180°走紙通道來保證打印的效果;對于無底紙標簽，因為打印紙的底面附帶一層膠體，容易粘貼在走紙通道內，在進行機芯走紙通道構筑的過程中，應該盡量減小通道與標簽紙的接觸面積，將其設置為表面凸起的排條，采用尖三角形筋條結構，相鄰筋條之間需要保持一定距離，以此來將無底紙標簽與走紙通道的接觸面積降到最小，保證走紙的正常進行[4]。

3.3 選擇光電耦合器

光電耦合器也稱光耦，是一種能夠通過光線實現耦合的轉換器件，包括發光器件和光敏器件。在實際應用中，光電耦合器的類型有很多，以常見的三極管型光電耦合器為例，在電信號由輸入端送入后，發光二極體會因為通電而發光，在照射到光敏元件后，光敏元件又會產生電流。如果輸入端沒有信號輸入，發光二極體不亮，光敏元件截止。對于數位量，在輸入低電平的情況下，光敏元件截止，輸出為高電平，而在輸入高電平的情況下，光敏元件飽和導通，輸出為低電平。這樣的光電耦合器不僅性能優越，而且價格相對低廉，因此在很多設備中被廣泛使用，對于熱敏打印機而言，光耦的作用體現在兩個方面：

一是缺紙偵測。當打印機使用的熱敏紙經過光耦表面時，由發光源發出的光會被打印紙發射到受光器上，由受光器接收信號，產生電流，經放大后輸出，偵測到有紙。為了盡可能消除其它零件對于光耦的干擾，設計人員需要做好光耦參數的合理選擇，必須明確，不同光耦有著不同的參數和靈敏度，同樣以三級管型光耦為例，其最靈敏距離為0.7mm，在低于0.7mm的情況下，光耦的輸出值會下降到0，不能選擇其作為偵測距離，而如果偵測距離超過2mm，則輸光電流的數值會下降到40%左右[5]，因此，光耦的最佳偵測距離在0.7-2mm之間。一般情況下，走紙通道內部的空間在0.5-1.5mm左右，可以將光耦用于缺紙偵測工作。如果光耦靈敏度不足，則打印機運行過程中，打印紙會在走紙通道內上下波動，在有紙的情況下，輸出電流下降速度過快，一旦低于無紙的判定電流值，就會引發誤判的情況。

二是黑標偵測。黑標偵測的基本原理，是打印紙上存在有黑塊，光耦發出的光在面對白色打印紙和黑塊時，會產生不同的反射率，輸出不同電流值，電流值較低時，就說明檢測到了黑標。在進行黑標偵測的過程中，需要注意兩個方面的問題，一方面，必須切實保證偵測距離的穩定性，不能出現距離變化過大的情況，因為一旦偵測距離過遠，有紙電流值的下降可能引發熱敏打印機誤判的情況;另一方面，必須保證光耦靈敏度的穩定性，如果在使用中靈敏度出現波動，則會引發輸出電流值差異過大的問題，當電流值較低時，同樣會引發黑標誤判。在利用熱敏打印機進行標簽打印的過程中，需要做好標簽定位工作，避免將內容打印到標簽外的情況，從實際操作的角度，應該將紅外發光二極管設置在標簽紙上方，紅外接收二極管設置在標簽紙下方，以此來實現對于標簽的準確定位[6]。

3.4 確定步進電機

在對步進電機進行選擇時，需要關注的參數包括了工作電壓、打印速度、馬達扭力等，而打印速度是其中最為關鍵的參數之一。若電機的一個脈沖能夠走一個點行，熱敏打印頭點間隙為0.125，打印機對于打印速度的要求為200mm/s，則步進電機的馬達工作效率經過計算，應該為200÷0.125=1600PPS，馬達于200-1800PPS中的扭力曲線平穩，能夠滿足使用需求。如果是低速打印，馬達轉動頻率在400PPS以內時，很容易出現共振問題，引發噪生過大以及步進電機失步的現象。一般情況下，低速打印多數被運用在醫療領域，如心電圖儀等，打印速度低至20mm/min，對于噪聲有著相當嚴格的要求，因此在進行步進電機的選擇時，必須盡可能避開馬達共振區，可以于驅動器上引入細分技術，在電機上設置阻尼器，或者通過提升齒輪傳動比的方式，提高馬達工作頻率。

3.5 優化傳動系統

在熱敏打印機中，齒輪傳動系統同樣處于非常關鍵的位置，做好齒輪的合理設計，關系著打印機的穩定可靠運行，必須得到足夠的重視。齒輪的理論中心距離計算公式為a=（d1+d2）/2=（Z1+Z2）×M/2，而在實際應用中，熱敏打印機中的齒輪一般都會選擇塑膠POM材料，受注塑工藝和加工精度的影響，可能出現同心度以及齒形誤差，使齒輪在轉到某個位置時出現卡頓，引發打印過程中的輕微壓縮問題。實踐中，一般會在理論距離的基礎上，加上M/3，若精度可靠，則可以再次增加0.03-0.05mm，以避免齒輪轉動不順暢的情況。若中心距設置偏大，打印機運行過程中齒輪轉動的聲音也會增大，影響產品的最終品質[7]。

3.6 其他注意事項

除上述設計要點外，在對熱敏打印機機芯進行設計的過程中，還需要注意一些其他事項：首先，想要延長齒輪的使用壽命，應該選擇大模數齒輪組，適當增大齒輪的尺寸;其次，需要充分考慮馬達散熱問題。實踐中發現，當馬達連續工作數分鐘后，其溫度可以達到120℃以上，可能引發塑膠支架的變形乃至融化，導致噪聲的增大，嚴重的還會引發力矩下降乃至失步問題。對此，需要將原本固定馬達用的塑膠支架更換為金屬支架，提升馬達的散熱效果;然后，考慮到熱敏打印頭的發熱量較大，在過熱的下，可能會導致引發熱敏打印頭燒毀。為了對其進行預防，一方面，可以在熱敏打印頭上，貼上一個熱敏電阻，這樣當熱敏頭的溫度達到80℃以上時，設備就會發出相應的報警信息，強制停止打印;另一方面，可以增加散熱手段，將原本固定熱敏頭片用的塑膠更換為金屬，如果發熱量較大，則需要通過增加金屬固定片大小的方式，對散熱面積進行拓展[8]。

4 結語

總而言之，伴隨著科學技術的發展，熱敏打印機已經開始被應用到各個行業和領域，憑借著自身的優勢，發揮出了不容忽視的作用?；诖?，從保證熱敏打印機穩定可靠運行的角度，設計人員應該充分考慮熱敏打印機的特點以及用戶使用環境，從源頭上設計出更加能夠滿足客戶現實需求的產品，盡可能減少后期的設計變更行為，在保證打印清晰度的同時，提高打印效率。

參考文獻

[1] 汪文海，黃智全，黃妹玲，尤明輝.基于熱敏打印機的圖像處理研究[J].電子質量，2018（11）：35-38.

[2] 李鋒.基于藍牙4.0的無線熱敏打印機系統設計[D].華南理工大學，2018.

[3] 彭琦.S公司熱敏打印機項目質量管理研究[D].哈爾濱工業大學，2016.

[4] 王剛，張保威，李詩然，楊可標，李登峰.基于STM32的微型熱敏打印機的設計和實現[J].工業儀表與自動化裝置，2016（04）：113-116.

[5] 劉佐濂，何清平.基于LPC1766的以太網熱敏打印機[J].山西電子技術，2016（03）：14-16+29.

[6] 陳斌，秦懷宇.基于Cortex-M0的熱敏打印機的設計[J].電子測試，2015（20）：21-22+87.

[7] 劉超，劉煒，趙強.微型熱敏打印機在立體車庫存取車中的應用[J].電子世界，2015（16）：40-41+44.

[8] 王闖.基于STM32系列ARM Gortex-M3微控制器的微型熱敏打印機固件開發[D].山東大學，2015.