智能热敏打印技术

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【 摘 要 】 智能热敏打印头，采用负温度系数的薄膜金属材料，使得热敏发热体即可以作为加热印字单元，也可以作为温度检测单元。因此，与传统的热敏打印技术相比，智能热敏打印头在进行信息图像文字的加热印字或加热消去的同时，通过精确的高速温度反馈系统，可对每个热敏发热体单元的温度进行实时检测，从而实现精确的印加能量控制，达到高品质的印刷质量。

【 关键词 】 热敏打印头；实时温度反馈系统；热敏彩色打印；可擦写打印；信息扫描

Introduction of Intelligent Thermal Print Technology

Zhao Zhe Wang Xi-wei He Jun-zhan Cui Ying-ping Nie Wen-li

（Shandong Hualing Electronics Co.， Ltd. ShandongWeihai 264209）

【 Abstract 】 By means of the negative temperature coefficient of thin film metal material， intelligent thermal print head （iTPH） is becoming possible to be more than heating print unit but to be temperature sensor. Compared with conventional thermal print technology， during printing and erasing media， the new technology with iTPH can detect the real-time temperature of each heater element and make it possible to control the applied energy for each heater element by the high-speed temperature feedback system， so that the high printing quality can be achieved.

【 Keywords 】 thermal print head； real time temperature feedback control； thermal color printer； rewrite printer； information scanning

1 引言

热敏打印作为一种信息记录技术，最早在20世纪70年代使用在传真机上，其基本原理是在一个绝缘基板上将发热体电阻形成一线性配置的多个发热单元，这些发热单元通常由阵列式配置的CMOS IC驱动，打印机控制部分将图像或文字等信息数据转换成点阵的驱动信号，有选择地对各发热单元进行通电发热，从而使热敏介质上的热敏涂层发热变色现象，或者将转印色带上的染料融化，实现在普通纸介质上进行热转印或热升华信息记录。

由于热敏打印具有速度快、噪音低，打印清晰，使用方便等优点，因此目前热敏打印机已在POS终端系统、微型打印系统、银行系统、医疗仪器等许多领域得到广泛应用，全世界的市场规模一直处入稳定增长状态，同时随着热敏打印技术的日益成熟，最近的发展方向主要是针对高速、高画质、高耐久性、高信赖性、低能耗等目标推进。

2 传统热敏打印头的技术缺陷

目前，随着现代数字图像技术的进步发展，人们对热敏打印的印字品质及打印精度提出更高的要求，特别是热升华方式的彩色图像打印等领域，期望得到有连续色调变化的多灰度级谐调表现。

对于传统热敏打印头来说，每个热敏发热体单元的阻值分布存在一定的偏差，因此在相同印加条件下，会造成印加能量的差异，从而引起印字浓度不均的现象，难以达到期望的均一性打印效果。另一方面，热敏打印头是通过发热体电阻温度的瞬间上升和下降来实现印字的，而每个发热体单元温度上升和下降的过程，会受到自身的初期温度（蓄热）及周边发热体电阻单元传热的影响，特别是在高速印字情况下，发热体蓄热的影响非常大，因此通常采用“热履历控制算法”来调整各发热体的印加能量，但是由于无法检知发热体的实际温度，只能根据过去的印字历史信息，估计或预测发热体的能量积蓄，也难以达到期望的控制精度。

实际上，热敏打印头的印字品质还会受到其他因素的影响，如环境温度、印字密度以及打印头的自身状态（表面磨损等），同时，传统热敏打印头基本采用无反馈的开环打印控制，无法检测打印头的实际工作状态，可能造成缺纸或介质异物等引起的异常加热，缩短发热体寿命甚至造成发热体的热破坏。

3 智能热敏打印头的工作原理

与传统热敏打印头的发热体阻值在一定温度范围内恒定不同，智能热敏打印头采用了具有负温度系数的薄膜金属材料发热体，随着发热体温度的变化，发热体阻值具有近似线性的变化趋势，即在一定的温度范围内，具有恒定的温度系数（TCR），如图1所示。

当打印动作开始时，根据印字信息控制逻辑开关，印加电流通过热敏发热体单元，发热体发热；随着发热体温度的升高，发热体电阻依据负温度系数TCR，电阻值发生变化，从而引起印加电流的变化，检测回路通过闭环的反馈系统，不断累加变化量并换算成印加能量，当达到设定的能量目标值时，关闭逻辑开关，停止加热，如图2所示。因此，智能热敏打印头通过上述的能量控制反馈系统，可以在打印的同时，实时地检测发热体的温度，从而实现精确的能量控制，得到高品质的印字质量。

4 智能热敏打印头的技术优点

如上所述，由于智能热敏打印头采用了特殊的热敏发热体材料，并通过高速高精度的温度控制反馈系统，使其具备了独有的技术特点。

（1）可直接控制每个发热体单元的温度。

（2）实时温度反馈系统可控制每个发热体单元准确达到目标温度。

（3）简单高速的温度采集系统，采集速度可达到50K cycle/sec/point。

（4）独特的技术也使智能热敏打印头具备了独有的技术优势。

（5）高品质印字质量：在任何环境温度条件下，发热体都可以得到精确且持续一致的能量输出，从而可获得连续色调变化的灰阶谐调控制。

（6）高速化：准确的温度控制，使得加热周期最小化（最适化），而且不需要为防止过热调整冷却时间而降低了打印速度。

（7）节省能量：发热体达到目标温度仅需施加最小（最适）的能量要求。

（8）高耐久性：温度反馈系统可防止发热体的异常加热，出现过热或者高能量破坏发热体，对于打印缺纸或者超过介质边缘的发热点，得到了过热保护。

5 智能热敏打印头的广泛应用

独特的技术优势，使得智能热敏打印头较传统热敏打印头具备了更加广泛的商业应用。

（1）精确的温度反馈，以及印加能量的准确控制，可支持单色256灰阶及全彩色的热转印或者热升华数字图像印刷。

（2）可擦写证卡打印，目前，可擦写证卡的使用日益扩大，车票、会员卡、点卡、停车卡等各类专用卡片广泛使用。但对于传统热敏打印方式来说，印字单元与擦除单元各自独立配置，分时进行，而智能热敏打印头，可以实现消字和打印过程采用单一打印头，且同时完成，无需其他消字用热源，不仅节省了能量和提高了打印速度，而且整机设备科实现一体化紧凑设计，重量轻，降低了成本。

（3）独有的信息读取功能，由于智能打印头可对所有的发热体单元的温度进行实时检测，与打印头接触的介质（媒体）由于热特性的不同，或者表面凹凸形状变化，从而造成发热体表面温度的差异，使得信息读取成为可能，比如指纹、特殊油墨、印章以及其他光学扫描不能的凹凸原稿信息等。

（4）其他特殊用途，比如可根据与热敏打印头发热体表面的接触与否，对um级单位的凹凸纹理检出，作为表面平滑度传感器等；以及医疗、分析等精密热源应用，对温度及能量进行精密控制。

6 结束语

独特的发热体材料，实时的温度检测，先进的能量控制方式，使得智能热敏打印头具备了“交互”及“感知”的功能，即能进行高品质的信息打印输出，也能对打印状态、介质信息，文字图像信息等内容进行检知和输入，从而成为了热敏打印领域中最为先进的打印技术，并具备了广泛的市场应用前景。

参考文献

[1] 福岛格.Introduction of New Intelligent Thermal Technology with an Improved Print Head System.日本写真学会誌，2003，66（5）P.467-470.

[2] 谢健翔.微型热敏打印机热敏打印头的驱动控制及保护.企业技术开发，2009，07.

[3] 韩屴，祁咏梅，张秀岩.热敏打印技术及热敏染料在彩色影像输出中的应用.染料与染色，2010，05.

作者简介：

赵哲（1976-），男，毕业于西南交通大学计算机与通讯工程学院，硕士学位，现任山东华菱电子有限公司研究所TPH及应用研究室主任，多年来一直从事热敏打印头及图像传感器等产品和技术的研究工作。