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印表機的發明淬煉史

印表機是經過不斷改進才成為我們現今習慣使用的辦公室必備機器。讓本文從原理、發明、改良和時代意義,帶你認識印表機。
 
 
 
文書複印技術的演進
 
古人把文字、符號記錄在龜甲、獸骨、竹簡等上面,使知識得以保存。但是在這些材料上製作文字或符號相當困難,因此知識與訊息的傳遞十分有限。

相傳先秦時期(西元前3世紀以前)已有印章,可說是最早用於複印的工具。不過印章上刻的是姓名、官銜或機關名稱,主要用於認證,並非在傳播知識。

東漢時期(西元105年),蔡倫改良造紙技術,雖然帶來很大的便利,但知識的傳播還是窒礙難行,因為書冊仍用手抄的方式生產,不但耗時費力,也容易發生錯誤。

石碑拓印術是用紙在石碑上墨拓,是最早可以一式多份地複印書籍、文件的方法。它的起源在歷史上沒有記載,一般認為始自東漢熹平年間(172~178年)比雕版印刷早。拓印出來的成品是黑底白字,不夠醒目,而且幅面大,拓碑的過程也較複雜,用來印製書籍速度慢而且不方便。

隋唐時期(600年左右),由於雕刻與造紙技術成熟,以及儒家、佛學思想興盛帶來複製書籍的需求,因而發展出雕版印刷術,其中最著名的是868年雕印的《金剛經》。但是,雕版印刷必須一頁一版,有了錯字就必須整版重雕,如果刻一本大書,要花費許多時間和木材,不僅費用龐大,也很占空間。
 
複印技術的發展,從最早的印章和石拓,到現代的數位印刷。
▲複印技術的發展,從最早的印章和石拓,到現代的數位印刷。
 
宋慶曆年間(1041~1048年),畢昇以膠泥為原料發明活字版。用膠泥刻字,一個字一塊膠泥,可以重複排版使用,一本書因而可以比較快速地印製數十百千本,俗稱為活字印刷術。

大約1453~1456年間,德國的古騰堡(Johannes Gutenberg)改良合金活字,並發明了半自動化的木製印刷機,出版了著名的《古騰堡聖經》(Gutenberg Bible),又名《四十二行聖經》(42-line Bible)。它結合了自動化與活字印刷技術,為印刷技術的發展奠定了重要的基石。

1938年,美國的卡爾遜(Chester Carlson)根據物質間的摩擦生電、光電效應等原理,使用一個附有硫磺的鋅板發展出影印技術,今日已廣泛用於各辦公室及圖書館中。

現今的印表機,結合20世紀的電腦,經過科學的淬煉後,把印刷術提升到嶄新的境界,使得個人製作書籍、文件與小量印製變成可能,成為大眾化的消費性電子產品。但是,如果要印製大量的書籍與文件,還是由印刷廠印製比較經濟與快速,品質也較好。

印表機依照運作時是否直接接觸紙張,可分為撞擊式與非撞擊式兩種類型。撞擊式又可細分為菊輪式、點矩陣式與行列式印表機;非撞擊式則包含熱敏感式、噴墨式、雷射式印表機等。

印表機的演進

1951年—發展液態墨滴技術。
1960年—第1台針點式印表機問世。
1964年—第1臺商用小型印表機產生。
1969年—第1臺菊輪式印表機出現,是當時最普遍的印表機。
1971年—發表雷射印表機雛型。
1976年—商業化噴墨印表機、壓電式噴墨技術問世。
1978年—改良點矩陣印表機,列印速度超越當時的菊輪式印表機。
1979年—發展出熱泡式噴墨技術。
1980年—開發雙向列印點矩陣印表機,列印速度是當時菊輪式印表機的兩倍。
1980年—把熱泡式噴墨技術應用於印表機。
1983年—發表全球第1臺LED印表機。
1984年—發展熱泡式噴墨印表機。
1994年—第1臺事務機問世,開啟多功能印表機的時代。
1998年—發展出彩色雷射印表機。
2001年—藍牙印表機問世,無線列印時代來臨。
2002年—開發In-Line技術,使彩色雷射印表機列印速度與黑白雷射印表機相近。

印表機的構造與原理
 
印表機的構造大致分為:(1)連接裝置、(2)主機板、(3)列印引擎、(4)送紙裝置。
▲印表機的構造大致分為:(1)連接裝置、(2)主機板、(3)列印引擎、(4)送紙裝置。
 
使用列印功能時大多是透過連接線把印表機與電腦主機相連,當印表機接收到從電腦傳送過來的指令時,會先把資訊保存在暫存記憶體中,等待訊息完整接收後便進入解譯的程序。

解譯是一個可以簡化資料量並提高後續輸出效率的程序。訊息經由排線傳送到輸出硬體,驅動印表機的列印裝置列印。

解碼器把列印設定,透過印表機內建的字型記憶體翻譯成印表機的語言,並存入輸出圖像記憶體中。

印表機的構造依照種類、規格的不同而不同,主要架構包含連接裝置、處理訊息的主機板、列印引擎與送紙裝置等。

印表機在列印時,是透過「列印引擎」處理列印的工作,它是整個印表機的核心,其結構包含時規皮帶、光學尺、噴嘴、光學編碼器、馬達等。另一個重要的部分是「送紙系統」,整個列印步驟進行到輸出階段時,經由送紙系統把紙張送進去,列印就完成了。

撞擊式印表機
 
撞擊式印表機是利用不同排列組合的撞針,撞擊色帶留下不同點狀圖形,由這些點狀圖形組成圖案。噪音與列印品質不佳是最大缺點,不過由於可進行多層紙的複印,加上列印成本較低,仍常見於表單列印較頻繁的場所。

菊輪式印表機可說是撞擊式印表機最早期的代表,原理與打字機十分類似。這種印表機只能輸出印字模上的字體,字模排列在圓輪的邊緣,透過打擊色帶把字模上的圖案印到紙上。它的列印速度較慢,列印文字受限於字模且無法列印圖案,但是具有鉛字品質的列印效果。

點矩陣印表機的原理與菊輪式印表機很相似,只不過點矩陣印表機是由無數個小點組成所要列印的圖像,印字頭上排列著許多很細的撞針,每一根撞針都具有磁簧的結構,藉由通過電流的方式使撞針受磁力彈出,進而撞擊色帶把無數個墨點打印到紙上。撞針的數目又分為8針、9針和24針,撞針數越多,印出的印點越密集,輸出的字或圖案就越精細平滑,解析度越高。

行列式印表機一次可以列印出一整行的文字,通常可以分為兩種:一種是鼓式印表機,即在圓柱型的滾筒上並排許多環,每個環上都裝有要列印的字元;另一種是鏈式印表機,是把所有字元放在許多條可以自由滑動的鏈子上,再把需要的字模滑動到要列印的行上。行列式印表機在列印的過程中,是利用擊槌擊打紙的背面,字模和色帶位在紙的上方,和一般撞擊式印表機利用字模往紙上打不太一樣。

這類印表機可以說是所有撞擊式印表機中列印速度最快的,過去常用於大型計算機中心的海報列印,但運作時噪音大,字體有所限制是其受詬病的地方。

非撞擊式印表機
 
熱敏感式印表機可分為熱昇華式與熱轉印式兩種。熱昇華式印表機利用特殊的熱打印頭加熱色帶上的固體墨料,墨料會因高溫氣化並顯現在紙上。色帶包含顏料的三原色,透過滾輪來移動。它的優點在於輸出色彩品質很高,可以達到近於照片的連續色調。不過列印速度很慢且成本昂貴,因此較常見於專業的列印廠或列印中心。

熱轉印式印表機原理與熱昇華式類似,但其中所用的顏料與紙的材質不同。熱轉印式的色帶是由完全不含水分的樹脂原料組成,紙張也必須使用特殊的熱轉印紙。由於墨料不含水,也可以說是一種乾式列印的技術,因此顏料不易暈開,能理想呈現所要的顏色。此外,利用特殊的金屬色帶也可以做出燙金的效果。

噴墨印表機依照噴墨的連續與否,可分為連續產生型與控制產生型。連續型是使墨滴不斷從噴嘴噴出,再以回收盒回收部分的墨水;控制型則是在需要的時候,利用壓力噴出墨滴。

在連續產生的模式中,墨滴不斷產生,並且通過電極控制它帶電或不帶電。帶電墨滴受偏壓板作用而可以朝紙張前進,不帶電墨滴則會因為重力往下掉,最後落入回收槽。因為印刷速度快,所以多用於大型海報的印刷。

連續產生型會不停噴出墨滴,不利於控制墨滴量,造成解析度偏低。控制產生型一樣透過電極產生帶電或不帶電的墨滴,可以調節偏壓板電壓大小,產生大小不同的位移,而不帶電的墨滴最後一樣落入回收槽中,可以更精確地控制墨滴,不但節省墨水,解析度也提高。依照噴墨方式的不同,又分為壓電式、熱泡式與音波式,前兩種是目前市場的主流。

壓電式印表機於1978年量產。壓電式噴墨技術是把許多小型壓電材料置於噴嘴出口附近,利用它在電壓作用下會變形的原理,適當的電壓就可對噴嘴產生擠壓力而使墨滴噴出。透過控制電壓的強度與頻率可調節墨滴的大小,從而獲得較高的解析度和效果。

1979年,發展出熱泡式噴墨技術,這技術是讓墨水通過管徑較細的噴嘴,在加熱電阻的作用下,使管道中局部的墨汁氣化形成一個氣泡後,把靠近噴嘴處的墨水壓擠出去。熱泡式技術的缺點是過程中會加熱墨水,高溫下容易發生化學變化,影響墨水的色彩。

1960年間,伴隨著半導體光電效應理論的發表,以及電腦、半導體技術發展漸趨成熟,科學家嘗試以光線取代傳統電擊的方式產生電流,利用光電管控制電子束強度,使帶電粉末吸附於紙張上,稱為電子顯像。科學家發現,光導體能更有效地控制列印面的帶電分布,當把圖片影像投射到光導體後,透光區域會產生電流而中和靜電,只留下不透光區域帶有靜電,這也促使卡爾遜發明了第1台影印機。

在這些研究與設備的基礎下,美國工程學家史塔克威爾(Gary K. Starkweather)嘗試改造影印機,以可以短暫發光的雷射光取代傳統使用的光源,把電腦的影像輸出至紙上,而於1971年發明了第1台雷射印表機。

雷射印表機的原理和影印機很相似,影印機是使用可見光,而雷射印表機是使用很細的雷射光,解析度與精準度較高。在列印過程中,雷射二極體會產生雷射光束打到感光滾筒上,感光滾筒未被雷射光束照射的區域會帶靜電而吸附碳粉,最後滾筒把碳粉壓印至紙張上,再經熱處理固定。

雷射印表機的列印過程:

布電—利用電暈電極使感光鼓表面布滿均勻高壓電荷。電暈電極受到電壓作用後會使周圍空氣電離產生電暈(帶電的空氣),而負電荷會聚集到感光鼓上。感光鼓是半導體材質,在特定光線照射下會變成導體。
曝光—感光鼓受雷射光照射的區域會因曝光導電而使電荷中和,並使感光鼓表面上產生沒有電荷的靜電隱像。
顯像—感光鼓上的負電荷分布會吸引帶正電的碳粉,使靜電隱像產生碳粉的影像。
轉像—在紙張上附加負電荷,吸引感光鼓上的碳粉,使碳粉從感光鼓轉移到紙張上。
定像—利用加熱滾筒,以熱與壓力使碳粉溶於紙上。
清潔—以刮板去除感光鼓上殘留的碳粉。
除像—利用光源照射在感光鼓上,清除殘留電荷並為下一次循環步驟做準備。

LED印表機則是應用介於雷射和可見光之間的LED光源,有許多優勢。在結構上,可減少雷射印表機所需的複雜光學鏡體結構,成本更低、體積更小、暖機時間也縮短。而除去了透鏡、折射鏡的微調步驟,列印速度也比雷射、噴墨等印表機快。目前的缺點是較難提升解析度,不過已有許多LED印表機的列印品質超越了雷射印表機,在不久的將來,其列印提供更快速、低價的列印服務。

印表機帶來的時代變革

美國《生活》(Life)雜誌曾評選出近一千年內改變世界歷史的百件重大事件,合金活字印刷術的發明列為首位。對歐洲而言,印刷術帶來的是快速、大量、平價的知識傳播,不只打破上下階級的知識藩籬,也加快各族群間的文化交流,對於宗教改革、文藝復興,甚至工業革命,都有巨大的影響。

一個世紀前,大型印刷機械與工廠轟轟作響。但是,經過科技不斷的提升與淬煉,使得複印技術能夠藉由印表機的設計與電腦結合。透過印表機,電腦內繽紛多元的數位世界得以與現實世界連接,更加速了知識的普及與訊息的流通,也豐富了我們的生活。

時至今日,印表機不但在品質、速度上力求突破,它的功能也越來越多元,例如無線列印、插卡列印,還有結合多種文書功能為一機的事務機、外加各種功能的擴充設備等。

此外,複印的原理更廣泛應用在周遭的生活用品上,像學生的班服、馬克杯上的圖案、打火機上的小廣告、毛巾上的圖案等。透過複印技術把文字烙印在商品上,豐富了產品的色彩,也提高了生活的品質。
 
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