Физические основы работы лазерного принтера

котором накапливаемый заряд равен заряду, утекающему в подложку.

Обычно фоторецептор заряжают до потенциала ниже начального, чтобы

избежать его повреждения.

8. Остаточный потенциал - потенциал, который остается на освещенных

участках фоторецептора после экспонирования. При экспонировании

фоторецептор быстро теряет заряд до определенной величины, затем

скорость утекания заряда значительно снижается. Высокий остаточный

потенциал способствует притягиванию частиц тонера на освещенные

участки, что приводит к фону на копии.

Эти характеристики фотопроводника тщательно анализируются при выборе его в

качестве фоторецептора для копировального аппарата либо принтера.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОРЕЦЕПТОРОВ [2] [3]

Фоторецепторы обычно наносятся на алюминиевый полый цилиндр. В качестве

фоторецептора служил либо селен и его соединения, либо органические

соединения (подложка).

Органический фоторецептор двухслойный. Первый слой - слой, в котором

осуществляется перенос заряда, под ним - слой в котором генерируется заряд.

За ним идет тонкий слой оксидной пленки, который предотвращает утекание

заряда в подложку. Подложка - последний алюминиевый слой.

Селеновый фоторецептор состоит из "ловушечного слоя", представляющего

собой естественную оксидную пленку. Этот слой уменьшает скорость темновой

утечки заряда. За ним идет фотопроводящий слой, алюминиевая оксидная пленка

и подложка.

Существует два вида фоторецепторов: ленточные и цилиндрические. Первые

обычно используются в аппаратах с очень высокой скоростью, поскольку

позволяют обеспечивать более высокую скорость экспонирования.

ПРОЦЕСС КСЕРОГРАФИИ [2] [7]

[pic]

Рис.3.1 процесс ксерографии

Зарядка [2]

Зарядка фоторецептора - это процесс нанесения равномерного заряда

определенной величины на поверхность фоторецептора. Зарядка производится

коротроном. Существует несколько их видов, которые мы рассмотрим ниже.

Для зарядки на коротрон подается высокий потенциал с помощью

высоковольтного блока. Между коротроном и фоторецептором образуется

разность потенциалов в несколько киловольт, что приводит к ударной

ионизации воздуха (коронный разряд) и ионы накапливаются на поверхности

фоторецептора. Часть электронов с заземленной подложки стекает на землю,

при этом в материале подложки, вблизи границы с фотопроводником возникает

избыточный заряд, противоположный заряду на поверхности фоторецептора.

Экран коротрона заземляют, чтобы разность потенциалов между фоторецептором

и коронной проволокой не уменьшалась, поскольку эта разность должна

превышать пороговое напряжение короны (напряжение, ниже которого не

возникает коронный разряд).

Виды коротронов [2]

Обычный коротрон представляет собой тонкую проволоку из устойчивого к

окислению материала, натянутую на металлическом экране. При загрязнении или

окислении проволоки происходит ухудшение качества копии. При загрязнении

экрана возможно проскакивание искры между экраном и коротроном, что

приводит к необратимому выгоранию фоторецептора.

Скоротрон - зарядное устройство, позволяющее получить более равномерный

заряд поверхности фоторецептора. В нем кроме проволоки используется сетка,

на которую также подается напряжение.

Дикоротрон - позволяет еще более точно регулировать величину заряда. Он

состоит из двух активных элементов: коронода и экрана. На коронод подается

переменное напряжение порядка 5-6 кВ, а на экран - постоянное 1-3 кВ. При

этом положительные ионы перемещаются от коронода к экрану, а отрицательные

- к фоторецептору.

Коротрон служит источником характерного запаха озона, исходящего от

копировального аппарата во время работы. Следует отметить, что при

использовании хороших фильтров и их своевременной замене запах не

ощущается. В настоящее время фирмы-произвотели переходят на безозоновую

технологию.

Формирование изображения [2]

После зарядки на фоторецептор подается изображение, которое в

копировальных аппаратах освещается мощным источником света и проецируется

через систему зеркал. Для увеличения и уменьшения изображения служит

объектив с изменяемым фокусным расстоянием. Скорость барабана должна быть

согласована. Изображение со стекла экспонирования освещается лампой и через

систему зеркал проецируется на фоторецептор. Те места на фоторецепторе, на

которые падает свет, теряют свой потенциал. Таким образом, на фоторецепторе

остается рисунок оригинала в виде заряженных участков.

Экспонирование [2]

На этапе экспонирования на поверхности фоторецептора получается скрытое

электростатическое изображение. Рассмотрим этот процесс более подробно.

До начала экспонирования поверхностный заряд фоторецептора удерживается

на месте за счет взаимодействия с зарядом противоположного знака,

находящегося на границе заземленной подложки и фоторецептора.

До попадания света на фотопроводящий слой количество свободных носителей

зарядов в нем мало, а удельное сопротивление - велико. Фактически электроны

в фотопроводнике после зарядки смещаются из равновесного положения, но они

еще находятся в своих молекулах. Такое смещение положительных и

отрицательных зарядов в молекуле называется поляризацией.

Рассмотрим упрощенную модель процесса, который происходит при освещении

фоторецептора. Будем считать, что фоторецептор заряжен положительным

зарядом.

При попадании света на фотопроводник в нем происходит генерация свободных

носителей заряда. Электрон той молекулы, которая расположена ближе к

поверхности слоя перемещается по направлению к положительном иону на

поверхности. Это перемещение нейтрализует часть положительных ионов на

поверхности. В то же время молекула в верхнем слое остается положительно

заряженной. Отсутствие электронов в молекуле называют "дыркой". Тип

проводимости, при котором основными носителем заряда являются дырки,

называют дырочной. При дырочной проводимости происходит перемещение

электронов из одного атома в соседний. Результатом этого является

перемещение положительных зарядов - дырок - в направлении, противоположном

движению электронов.

После попадания света на фоторецептор электростатическое поле на

поверхности фотопроводника изменяется. Оно действует уже не между зарядом

на поверхности фоторецептора и подложкой, а межу "верхней" молекулой и

подложкой.

Электроны, находящиеся снизу от "верхней" молекулы, немедленно реагируют

на положительный заряд и начинают перемещаться к "верхней" молекуле, чтобы

нейтрализовать часть возникшего заряда. Миграция электронов приводит к

тому, что положительный заряд от "верхней" молекулы переходит к молекуле из

следующего, "второго" слоя молекул фотопроводника.

При этом электростатическое поле возникает между молекулой "второго" слоя

и подложкой. Дырка соответственно перемещается от "верхней" молекулы к

молекуле из "второго" слоя. Процесс повторяется до тех пор, пока дырка не

перейдет к молекуле фотопроводника, ближайшего к подложке. В этом случае

электроны перемещаются от подложки к фотопроводнику, чтобы нейтрализовать

положительный заряд.

Проявление [1]

Проявление - это процесс формирования изображения на фоторецепторе

тонером.

Тонер представляет собой мелкодисперсный порошок, частицы которого

состоят из полимера или резины и красящего вещества (для черного тонера

обычно используется сажа).

Возможны два варианта проявления - однокомпонентное и двухкомпонентное.

Рассмотрим вначале двухкомпонентный способ.

Двухкомпонентный способ используется только в случае отрицательной

зарядки фоторецептора.

Тонер из бункера через специальное дозирующее устройство подается в

бункер с носителем. Носитель (девелопер) представляет собой частицы

магнитного материала, покрытого полимером.

Прилипание тонера к носителю происходит за счет трибоэлектризации

(электризации трением). В процессе трения частицы тонера и носителя

приобретают различные заряды и тонер равномерно покрывает носитель.

Носитель в свою очередь прилипает к магнитному валу, который представляет

собой полый вал с постоянными магнитами внутри. Вал, покрытый носителем с

тонером входит в непосредственный контакт с фоторецептором, в результате

чего частицы тонера, имеющие заряд, противоположный заряду фоторецептора

притягиваются к его заряженным участкам.

Чистый носитель с остатками тонера вновь попадает в бункер. Носитель

вновь смешивается с тонером и попадает на магнитный вал. Сам носитель не

расходуется в процессе проявки. Однако в результате трения носитель теряет

полимерный слой, что приводит к его неспособности притягивать тонер. Кроме

того, такой носитель может вызывать механическое повреждение фоторецептора.

Для того, чтобы тонер не переносился на слабозаряженные участки

фоторецептора на магнитный вал подается напряжение смещения порядка 100-500

В, знак которого совпадает со знаком заряда на фоторецепторе. За счет этого

сила притяжения тонера к валу увеличивается, и тонер не переносится на

слабозаряженные участки. Регулируя величину напряжения смещения можно

регулировать насыщенность копии, например для создания хорошей копии с

плохого оригинала. Современные аппараты обычно сами достаточно хорошо

регулируют качество копии, практически не требуя вмешательства оператора.

Однокомпонентное проявление обычно используется в аппаратах малого класса

и лазерных принтерах. В этом случае требуется тонер другого состава.

Естественно такой тонер стоит дороже. Однокомпонентное проявление не

предусматривает наличия носителя. В этом случае тонер изготавливается из

смести частиц магнитного материала, полимера и красителя.

Из бункера тонер попадает на магнитный вал. Над валом, на выходе из

бункера располагается заряжающее лезвие (ракель), которое выполняет две

функции:

1. Регулирует количество тонера на валу

2. Заряжает частицы тонера

Трение частиц тонера о лезвие приводит к зарядке тонера знаком,

противоположным знаку заряда фоторецептора.

Перенос тонера с вала на фоторецептор осуществляется с помощью напряжения

смещения, прикладываемого к магнитному валу. В данном случае напряжение

смещения представляет собой переменное напряжение с постоянной

составляющей, которая по знаку соответствует знаку заряда фоторецептора. Во

время периода, со знаком, противоположным знаку заряда фоторецептора тонер

переносится на фоторецептор, во время периода, со знаком, соответствующим

знаку заряда фоторецептора тонер с фоновых участков возвращается на

магнитный вал.

Регулировка качества копий происходит за счет изменения постоянной

составляющей.

Следует заметить, что в двухкомпонентной системе проявления гораздо

сложнее достичь равномерной заливки черным цветом. Это связано с тем, что

носитель не успевает принять достаточно тонера. Эта проблема решается

использованием двух или трех валов, вращающихся в разные стороны. Однако

такая конструкция увеличивает стоимость аппарата.

Рис.3.2 фотографии тонера, значительно увеличенные.

Перенос [2]

Процесс переноса - процесс, при котором тонер переносится на бумагу.

Бумага проходит между коротроном переноса и фоторецептором, на котором

находится тонерный рисунок. Коротрон переноса сообщает бумаге заряд,

соответствующий заряду фоторецептора. В подложке фоторецептора существует

заряд, по знаку противоположный заряду бумаги. За счет этого бумага

притягивается к фоторецептору.

Для того чтобы тонер переносился на бумагу, сила притяжения между ней и

тонером должна быть больше чем сила притяжения между тонером и

фоторецептором. Не весь тонер переносится на бумагу. Поэтому его остатки

удаляются в процессе очистки фоторецептора.

Для улучшения качества изображения и уменьшения расхода тонера в

некоторых аппаратах осуществляется предварительный перенос, в процессе

которого ослабляется заряд фоторецептора. Для этого либо фоторецептор

предварительно освещается, либо на коротрон переноса подается переменное

напряжение.

Отделение [2]

Отделение бумаги от фоторецептора осуществляется как механическим, так и

электрическим способом.

В первом случае используются либо пальцы отделения, находящиеся в

непосредственной близости к фоторецептору, либо отделяющие ремешки,

устанавливаемые с одного края фоторецептора. Кромка бумаги скользит по

ремешку и затем легко отделяется от фоторецептора.

Во втором случае используется коротрон отделения, обычно использующийся

совместно с механическими средствами. Для отделения бумаги от фоторецептора

на коротрон отделения подается переменное напряжение. Он генерирует

положительные и отрицательный ионы. Часть из них ослабляют силу притяжения

бумаги к фоторецептору, а часть - обеспечивают прилипание тонера к бумаге.

Закрепление [2]

После переноса копия уже практически готова. Но изображение, полученное

на бумаге может быть стерто практическим любым механическим воздействием

(например, легким трением). Естественно такая копия не пригодна для

практического использования. Для увеличения сцепления тонера с бумагой

используется механизм закрепления.

Существует несколько способов закрепления. Наиболее распространенный -

это термомеханический способ, при котором копия подвергается нагреву и

механическому прижиму.

Механизм закрепления носит название фьюзер (печка). Механизм состоит из

нагреваемого тефлонового вала, с кварцевой лампой внутри, и резинового

прижимного вала. Иногда вместо тефлонового вала устанавливается специальный

керамический термоэлемент, который отделяется от бумаги термопленкой. Такие

копиры имеют меньший срок прогрева и меньшее энергопотребление, однако и

ходит термопленка значительно меньшее количество копий и повредить ее

значительно легче при неправильном извлечении бумаги.

В части аппаратов предусмотрена смазка нагреваемого вала силиконовой

смазкой. Это позволяет избежать прилипания тонера к валику. Кроме того,

может использоваться специальное полотенце, для удаления остатков тонера

или другой грязи, прилипшей к валу. Для отделения бумаги от вала

применяются пальцы отделения.

Очистка [2]

Очистка - это процесс удаления остатков тонера с фоторецептора после

переноса на бумагу.

Непосредственно перед очисткой может использоваться предочистка с помощью

засветки фоторецептора или коротрона предочистки, который генерирует

положительные и отрицательные ионы.

Оставшиеся частицы тонера удаляются с помощью ракельного ножа,

находящегося в непосредственном контакте с фоторецептором. Ракель

изготавливается и точно позиционируется относительно фоторецептора, для

того, чтобы не повредить его. Отработанный тонер попадает в бункер

отработки. Повторное его использование не рекомендуется, поскольку тонер

слипается и загрязняется.

Возможное также удаление тонера мягкой щеткой, внутри которой

устанавливается система вакуумной откачки.

Последний этап очистки - это удаление остаточного заряда, которое

осуществляется с помощью либо источника света, либо коротрона, знак

напряжения которого противоположен знаку заряда фоторецептора.

Рис.3.3 Общая схема процесса копированияю

Принцип действия лазерного принтера несколько отличается от принципов

работы копировального аппарата. Источником света здесь служит лазер,

который уменьшает потенциал в определенных участках фоторецептора. При этом

фоновые участки фоторецептора остаются заряженными. Тонер заряжается

противоположным зарядом. При контакте тонер притягивается подложкой в

участки с низким потенциалом, пробитые лазером.

Лазерная засветка осуществляется следующим способом: Лазерная пушка

светит на зеркало, которое вращается с высокой скоростью. Отраженный луч

через систему зеркал и призму попадает на барабан и за счет поворота

зеркала выбивает заряды по всей длине барабана. Затем происходит поворот

барабана на один шаг (этот шаг измеряется в долях дюйма и именно он

определяет разрешение принтера по вертикали) и вычерчивается новая линия. В

некоторых принтерах кроме поворота барабана используется поворот зеркала по

вертикали, которое позволяет на одном шаге поворота барабана вычертить два

ряда точек. В частности первые принтеры с разрешением 1200 dpi использовали

именно этот принцип.

Скорость вращения зеркала очень высока. Она составляет порядка 7-15 тыс.

об./мин. Для того, чтобы увеличить скорость печати не увеличивая скорость

зеркала его выполняют в виде многогранной призмы.

Рис.3.4

Лучи черного и красного цвета соответствуют различным положениям зеркала.

В момент А зеркало повернуто под одним углом (красное положение зеркала). В

следующий момент времени, соответствующий частоте лазера зеркало

поворачивается и занимает черное положение. Отраженный луч попадает уже в

другую точку фоторецептора. Естественно в реальности существуют еще

дополнительные зеркала, призмы и световоды отвечающие за фокусировку и

изменение направления луча.

Рис.3.5 Лазерная технология печати (Laser - лазер Light Beam - лазерный

луч Polygon Mirror - отражающая призма Focusing Lens - фокусировочная линза

Mirror - зеркало Toner - тонер Rotating Drum - фоторецептор)

Лазерные принтеры кроме механической части включают в себя достаточно

серьезную электронику. В частности на принтерах устанавливается память

большого объема, для того, чтобы не загружать компьютер и хранить задания в

памяти. На части принтеров устанавливаются винчестеры. Электронная начинка

принтера также содержит различные языки описания данных (Adobe PostScript,

PCL и т. д.). Эти языки опять же предназначены для того, чтобы забрать

часть работы у компьютера и передать принтеру.

Рассмотрим физический принцип действия отдельных компонентов лазерного

принтера.

ФОТОБАРАБАН [1]

Как уже писалось выше, важнейшим конструктивным элементом лазерного

принтера является вращающийся фотобарабан, с помощью которого производится

перенос изображения на бумагу. Фотобарабан представляет собой металлический

цилиндр, покрытый тонкой пленкой из фотопроводящего полупроводника (обычно

оксид цинка). По поверхности барабана равномерно распределяется статический

заряд. С помощью тонкой проволоки или сетки, называемой коронирующим[2]

проводом. О теории полупроводников можно прочитать п приложении № 1.

ЛАЗЕР [3] [6]

Лазер[3] квантовый генератор, источник мощного оптического излучения.

Излучение избыточной энергии возбужденных атомов вынуждается внешним

воздействием.

Лазер отличается от обычных источников света (например, лампы с

вольфрамовой нитью) двумя важными свойствами излучения. Во-первых, оно

когерентно, т.е. пики и провалы всех его волн появляются согласованно, и

эта согласованность остается неизменной в течение достаточно длительного

времени. Все обычные источники света эмиттируют некогерентное излучение, в

котором нет согласованности между пиками и провалами различных волн. В

Страницы: 1, 2, 3