热敏打印机芯设计探讨

王宏庆

摘 要：对比传统的针式打印机，热敏打印机具有打印速度快、打印清晰、使用方面以及运行噪声低的优点，因此在诸多领域如银行系统、医疗设备中得到了广泛应用。本文从热敏打印机的运行原理出发，结合其机芯的基本构造，对热敏打印机的机芯设计要点进行了分析和探讨，希望能够进一步对热敏打印机的机芯进行优化，提升设备性能的同时，更好的满足生产需求。

关键词：热敏打印机;运行原理;机芯设计

中图分类号：TP334 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0060-02

0 引言

打印机在现实生活中十分常见，伴随着技术的发展，打印机的类型也在不断更新，包括了针式打印机、喷墨打印机以及热敏打印机等。相比较其他两种打印机，热敏打印机有着较为显著的优势，被广泛应用在很多领域，当然，在实际应用中，热敏打印机同样存在一些缺陷，需要技术人员做好热敏打印机的机芯设计，提升其实用性，确保热敏打印机能够更好的适应用户的个性化需求。

1 热敏打印机运行原理

热敏打印机是一种比较新颖的打印机，主要是借助流过印字头点电阻的脉冲电流所产生的热量，引发热敏纸受热变色，从而得到相应的字迹和图像。热敏打印机的基本原理，是在专用热敏纸上，覆盖一层透明薄膜，薄膜在一定温度下加热一段时间后，会因为相应的化学反应而变色，如果温度小于60℃，变色所需的时间可能需要数年;如果温度超过200℃，变色所需的时间只需要几微妙即可完成。通过有选择的于热敏纸相应位置加热的方式，热敏打印机可以得到需要打印的字符和图形[1]。

2 熱敏打印机机芯构造

在打印机机芯中，热敏纸的走动主要依靠胶辊，主体支架可以对各个部件的空间位置进行固定，齿轮能够对转动进行传递，热敏打印头是核心组件，能够通过发热的方式，将需要打印的字符或者图形印在热敏纸上，光耦侦测板可以提供缺纸侦测或者黑标侦测，在纸张用完时会发出提示，步进电机则能够提供精确的传动功能，经过齿轮和胶辊带动热敏纸运动[2]。

3 热敏打印机机芯设计

3.1 选择热敏打印头

热敏打印头作为热敏打印机机芯的核心部件，其选型工作会对打印机的性能产生直接影响。技术人员在对热敏打印头进行选择的过程中，应该充分考虑其实际应用需求，做好打印宽度、打印电压、分辨率等参数的明确，例如，热敏打印机的打印宽度可以分为1英寸、1.5英寸、2英寸等，最大可以达到8英寸，打印电压可以分为3.7V、8V、12V和24V等，不同打印电压对应不同的打印速度，例如，3.7V电压电压下，打印机的打印速度一般不会超过60mm/s，24V的打印电压适用于高速打印，打印速度可以超过200mm/s。不同打印纸对应热敏打印头的要求也不相同，以标签打印为例，考虑其下层属于离型纸，上层为标签纸，两张标签之间存在一定距离和凸起，会对热敏打印头上的加热线产生剧烈冲击，需要于加热线上设置特殊保护涂层来延长其使用寿命。另外，在选择热敏打印头时，还必须考虑纸张厚度，例如，机票的纸张较厚，纸质硬不容易出现弯曲，为了保证打印纸与加热线的可靠接触，提升打印质量，应该选择边沿式或者斜角式热敏打印头[3]。

3.2 构筑走纸通道

热敏打印机可以使用的打印纸类型有很多，不同打印纸需要对应不同的走纸通道，这样才能保证走纸的流畅性。对于普通POS机，使用的热敏纸厚度一般在0.05-0.08mm之间，纸张相对柔软，可以选择90°走纸通道，也可以选择180°走纸通道;对于机票等厚度超过0.2mm的打印纸，考虑其较大的弯曲张力，需要选择180°走纸通道来保证打印纸与加热线的紧密贴合;对于标签打印纸，由于其贴在离型纸上，存在一定的弯曲角度，想要避免标签纸的剥离，需要采用180°走纸通道来保证打印的效果;对于无底纸标签，因为打印纸的底面附带一层胶体，容易粘贴在走纸通道内，在进行机芯走纸通道构筑的过程中，应该尽量减小通道与标签纸的接触面积，将其设置为表面凸起的排条，采用尖三角形筋条结构，相邻筋条之间需要保持一定距离，以此来将无底纸标签与走纸通道的接触面积降到最小，保证走纸的正常进行[4]。

3.3 选择光电耦合器

光电耦合器也称光耦，是一种能够通过光线实现耦合的转换器件，包括发光器件和光敏器件。在实际应用中，光电耦合器的类型有很多，以常见的三极管型光电耦合器为例，在电信号由输入端送入后，发光二极体会因为通电而发光，在照射到光敏元件后，光敏元件又会产生电流。如果输入端没有信号输入，发光二极体不亮，光敏元件截止。对于数位量，在输入低电平的情况下，光敏元件截止，输出为高电平，而在输入高电平的情况下，光敏元件饱和导通，输出为低电平。这样的光电耦合器不仅性能优越，而且价格相对低廉，因此在很多设备中被广泛使用，对于热敏打印机而言，光耦的作用体现在两个方面：

一是缺纸侦测。当打印机使用的热敏纸经过光耦表面时，由发光源发出的光会被打印纸发射到受光器上，由受光器接收信号，产生电流，经放大后输出，侦测到有纸。为了尽可能消除其它零件对于光耦的干扰，设计人员需要做好光耦参数的合理选择，必须明确，不同光耦有着不同的参数和灵敏度，同样以三级管型光耦为例，其最灵敏距离为0.7mm，在低于0.7mm的情况下，光耦的输出值会下降到0，不能选择其作为侦测距离，而如果侦测距离超过2mm，则输光电流的数值会下降到40%左右[5]，因此，光耦的最佳侦测距离在0.7-2mm之间。一般情况下，走纸通道内部的空间在0.5-1.5mm左右，可以将光耦用于缺纸侦测工作。如果光耦灵敏度不足，则打印机运行过程中，打印纸会在走纸通道内上下波动，在有纸的情况下，输出电流下降速度过快，一旦低于无纸的判定电流值，就会引发误判的情况。

二是黑标侦测。黑标侦测的基本原理，是打印纸上存在有黑块，光耦发出的光在面对白色打印纸和黑块时，会产生不同的反射率，输出不同电流值，电流值较低时，就说明检测到了黑标。在进行黑标侦测的过程中，需要注意两个方面的问题，一方面，必须切实保证侦测距离的稳定性，不能出现距离变化过大的情况，因为一旦侦测距离过远，有纸电流值的下降可能引发热敏打印机误判的情况;另一方面，必须保证光耦灵敏度的稳定性，如果在使用中灵敏度出现波动，则会引发输出电流值差异过大的问题，当电流值较低时，同样会引发黑标误判。在利用热敏打印机进行标签打印的过程中，需要做好标签定位工作，避免将内容打印到标签外的情况，从实际操作的角度，应该将红外发光二极管设置在标签纸上方，红外接收二极管设置在标签纸下方，以此来实现对于标签的准确定位[6]。

3.4 确定步进电机

在对步进电机进行选择时，需要关注的参数包括了工作电压、打印速度、马达扭力等，而打印速度是其中最为关键的参数之一。若电机的一个脉冲能够走一个点行，热敏打印头点间隙为0.125，打印机对于打印速度的要求为200mm/s，则步进电机的马达工作效率经过计算，应该为200÷0.125=1600PPS，马达于200-1800PPS中的扭力曲线平稳，能够满足使用需求。如果是低速打印，马达转动频率在400PPS以内时，很容易出现共振问题，引发噪生过大以及步进电机失步的现象。一般情况下，低速打印多数被运用在医疗领域，如心电图仪等，打印速度低至20mm/min，对于噪声有着相当严格的要求，因此在进行步进电机的选择时，必须尽可能避开马达共振区，可以于驱动器上引入细分技术，在电机上设置阻尼器，或者通过提升齿轮传动比的方式，提高马达工作频率。

3.5 优化传动系统

在热敏打印机中，齿轮传动系统同样处于非常关键的位置，做好齿轮的合理设计，关系着打印机的稳定可靠运行，必须得到足够的重视。齿轮的理论中心距离计算公式为a=（d1+d2）/2=（Z1+Z2）×M/2，而在实际应用中，热敏打印机中的齿轮一般都会选择塑胶POM材料，受注塑工艺和加工精度的影响，可能出现同心度以及齿形误差，使齿轮在转到某个位置时出现卡顿，引发打印过程中的轻微压缩问题。实践中，一般会在理论距离的基础上，加上M/3，若精度可靠，则可以再次增加0.03-0.05mm，以避免齿轮转动不顺畅的情况。若中心距设置偏大，打印机运行过程中齿轮转动的声音也会增大，影响产品的最终品质[7]。

3.6 其他注意事项

除上述设计要点外，在对热敏打印机机芯进行设计的过程中，还需要注意一些其他事项：首先，想要延长齿轮的使用寿命，应该选择大模数齿轮组，适当增大齿轮的尺寸;其次，需要充分考虑马达散热问题。实践中发现，当马达连续工作数分钟后，其温度可以达到120℃以上，可能引发塑胶支架的变形乃至融化，导致噪声的增大，严重的还会引发力矩下降乃至失步问题。对此，需要将原本固定马达用的塑胶支架更换为金属支架，提升马达的散热效果;然后，考虑到热敏打印头的发热量较大，在过热的下，可能会导致引发热敏打印头烧毁。为了对其进行预防，一方面，可以在热敏打印头上，贴上一个热敏电阻，这样当热敏头的温度达到80℃以上时，设备就会发出相应的报警信息，强制停止打印;另一方面，可以增加散热手段，将原本固定热敏头片用的塑胶更换为金属，如果发热量较大，则需要通过增加金属固定片大小的方式，对散热面积进行拓展[8]。

4 結语

总而言之，伴随着科学技术的发展，热敏打印机已经开始被应用到各个行业和领域，凭借着自身的优势，发挥出了不容忽视的作用。基于此，从保证热敏打印机稳定可靠运行的角度，设计人员应该充分考虑热敏打印机的特点以及用户使用环境，从源头上设计出更加能够满足客户现实需求的产品，尽可能减少后期的设计变更行为，在保证打印清晰度的同时，提高打印效率。

参考文献

[1] 汪文海，黄智全，黄妹玲，尤明辉.基于热敏打印机的图像处理研究[J].电子质量，2018（11）：35-38.

[2] 李锋.基于蓝牙4.0的无线热敏打印机系统设计[D].华南理工大学，2018.

[3] 彭琦.S公司热敏打印机项目质量管理研究[D].哈尔滨工业大学，2016.

[4] 王刚，张保威，李诗然，杨可标，李登峰.基于STM32的微型热敏打印机的设计和实现[J].工业仪表与自动化装置，2016（04）：113-116.

[5] 刘佐濂，何清平.基于LPC1766的以太网热敏打印机[J].山西电子技术，2016（03）：14-16+29.

[6] 陈斌，秦怀宇.基于Cortex-M0的热敏打印机的设计[J].电子测试，2015（20）：21-22+87.

[7] 刘超，刘炜，赵强.微型热敏打印机在立体车库存取车中的应用[J].电子世界，2015（16）：40-41+44.

[8] 王闯.基于STM32系列ARM Gortex-M3微控制器的微型热敏打印机固件开发[D].山东大学，2015.