Лазерный принтер

Лазерний принтер

1. Історія виникнення лазерних принтерів

Вперше лазерний принтер був представлений фірмою Hewlett Packard. В основі роботи лазерного принтера лежить процес сухої ксерографії (лат. xeros - сухий і graphos - писати). У свою чергу він базується на електростатичній фотографії. В основі електростатичної фотографії лежить здатність деяких напівпровідників зменшувати свій питомий опір під дією світла. Такі напівпровідники називаються фото провідниками та використовуються для виготовлення фоторецепторів.

Основні характеристики застосовуваних фото провідників:

1. Спектральна чутливість - характеризує здатність фото провідника реагувати на випромінювання різних довжин хвиль. Жоден фото провідник не може однаково реагувати на різні довжини хвиль. Деякі типи фоторецепторів слабко реагують на блакитний колір, що взагалі не відтворюється на копії, деякі слабко реагують на жовтий колір, при цьому копія, виконана з оригіналу, надрукованого на жовтому папері, набуває темного фону. В ідеалі фото провідник має однаково добре передавати всі кольори, проте зазвичай цього не відбувається.

2. Фотоелектрична чутливість (швидкість формування зображення) - це величина, що характеризує швидкість зменшення заряду на фоторецепторі під час його освітлення заданої інтенсивності. Чим менше залишкова величина заряду на фоторецепторі після його експонування, тим вище якість копії. Ця величина може залежати від матеріалу, терміну експлуатації і стану провідника.

3. Швидкість темнового витоку - величина, що характеризує, як швидко фото провідник втрачає заряд у темряві. Це пов'язано з тим, що напівпровідник, з якого виготовлений фоторецептор, хоча і здобуває в темряві властивості діелектрика, але все-таки не може зберігати заряд так довго, як це можуть робити діелектрики.

4. Зношення матеріалу - це явище, що виникає при багаторазовому і частому експонуванні фоторецептора. Зношення матеріалу може виникати і при освітленні сонячним світлом (користувач витяг картридж і залишив його на сонці барабаном вверх). Зношення матеріалу призводить до збільшення швидкості темнового витоку заряду, а в деяких випадках навпаки до збереження заряду на поверхні після експонування.

5. Стійкість до зовнішніх впливів - ця характеристика визначає здатність фото провідника зберігати свої властивості якомога довше при механічному контакті з папером. Папір при правильному використанні апарата є найбільш важливим фактором природного зношування фоторецептора в процесі тертя. Тому шорсткуватий папір, неправильно обрізаний і тощо скорочує термін служби фоторецептора. Крім того, термін його служби скорочують різні хімічні речовини, які можуть потрапити на нього з паперу або з іншого джерела, а також механічні ушкодження.

6. Кристалізація - процес перетворення атомів фото провідника з аморфної структури в упорядковану, кристалічну. При цьому фото провідник втрачає свої властивості. Такий процес не можна зупинити, але можна сповільнити під час правильного використання провідника.

7. Початковий потенціал - це потенціал на поверхні фоторецептора, при якому накопичується заряд, що, дорівнює заряду, який витікає в підложку. Зазвичай фоторецептор заряджають до потенціалу нижче початкового, щоб уникнути його ушкодження.

8. Залишковий потенціал - потенціал, що залишається на освітлених ділянках фоторецептора після експонування. Під час експонування фоторецептор швидко втрачає заряд до певної величини, потім швидкість витікання заряду значно знижується. Високий залишковий потенціал сприяє притяганню часток тонера на освітлені ділянки, що призводить до фону на копії. Ці характеристики фото провідника ретельно аналізуються під час вибору його як фоторецептора принтера.

2. Технологія виготовлення фоторецепторів

Фоторецептори зазвичай наносяться на алюмінієвий порожній циліндр. Фоторецептором служить селен, або його з'єднання, або органічні сполуки. Органічний фоторецептор двошаровий. Перший шар, у якому здійснюється перенесення заряду, під ним - шар, у якому генерується заряд. За ним іде тонкий шар оксидної плівки, що запобігає витіканню заряду в підложку. Підложка - останній алюмінієвий шар. Перший шар у селеновому фоторецепторі являє собою природну оксидну плівку. Цей шар зменшує швидкість темнового витоку заряду. За ним іде фотопровідний шар, алюмінієва оксидна плівка і підложка. Існує два види фоторецепторів: стрічкові і циліндричні. Перші зазвичай використовуються в апаратах з дуже високою швидкістю, оскільки дозволяють забезпечувати більш високу швидкість експонування. Фотопровідний циліндр (Organic Photo Conductor) часто називають друкуючим фотобарабаном або просто барабаном.

3. Пристрій і принцип роботи лазерного принтера

Найважливішою частиною принтера є джерело світла - лазер та оптико-механічна система дзеркал і лінз, що переміщує промінь лазера по поверхні фото барабана. Швидкість обертання дзеркала складає порядку 7-15 тис. об./хв. Для того, щоб збільшити швидкість друку не збільшуючи швидкість обертання дзеркала, його виконують у вигляді багатогранної призми. Обертове дзеркало розгортає промінь у вигляді рядка прихованого зображення на поверхні фото барабана. Після формування рядка спеціальний кроковий двигун повертає барабан для формування наступної. Цей зсув відповідає роздільній здатності принтера по вертикалі і зазвичай становить 1/300 або 1/600 дюйма.

Рисунок 1 - Загальна схема чорно-білого лазерного принтера

Процес утворення прихованого зображення на барабані нагадує формування растра на екрані телевізійного монітора. Лазер генерує дуже тонкий світловий промінь. Відбиваючись від грані призми, цей промінь освітлює заряджену поверхню фото барабана, знімаючи заряд з фоторецептора в точці експонування. Для одержання точкового зображення лазер вмикається і вимикається за допомогою керуючого мікроконтролера. При цьому фонові ділянки фоторецептора залишаються зарядженими. При контакті тонер притягується підложкою у ділянки з низьким потенціалом, пробиті лазером. Зображення, сформоване на барабані, переноситься на папір і потім закріплюється нагріванням (рис. 1). Схему пристрою кольорового лазерного принтера наведено на рис. 2.

Для друку за один прохід по паперу використовуються гнучка світлочутлива стрічка, вкрита шаром селену, і стрічка перенесення, на якій формуються зображення для всіх чотирьох кольорів. Зображення, сформоване на стрічці перенесення, переноситься на папір і потім закріплюється нагріванням. Кольоровий друк забезпечується використанням різнобарвного тонеру (CMYK модель). При цьому на копію послідовно напилюєтся тонер різних кольорів. Внаслідок змішування порошків виходить кольорова копія. Тонер кожного кольору зберігається в окремому бункері із власним магнітним валом і носієм. У деяких апаратах папір позиціонується на валу перенесення, а потім входить у контакт із фоторецептором. Процес повторюється 4 рази. У деяких апаратах тонер спочатку переноситься на вал перенесення, а потім на папір.

Рисунок 2 - Схема пристрою кольорового лазерного принтера

4. Пристрій картриджа лазерного друку

Розглянемо пристрій картриджа для принтера Laser Jet 5L фірми Hewlett Packard. У цьому типовому картриджі можна виділити два основних відділення: відділення для відпрацьованого тонера і тонерний відсік.

Основні конструктивні елементи відділення для відпрацьованого тонера:

1. Фото барабан (Organic Photo Conductor (OPCJ Drum). Являє собою алюмінієвий циліндр, вкритий органічним світлочутливим і фотопровідним матеріалом (зазвичай оксидом цинку), що здатний зберігати образ, який наноситься лазерним променем.

2. Вал первинного заряду (Primary Charge Roller (PCR)). Забезпечує рівномірний негативний заряд барабана. Виконаний зі струмопровідної гумової або поролонової основи, нанесеної на металевий вал.

3. «Вайпер», ракель, що чистить лезо (Wiper Blade, Cleaning Blade). Очищає барабан від залишків тонера, що не був перенесений на папір. Конструктивно виконаний у вигляді металевого каркаса (stamping) з поліуретановою пластиною (blade) на кінці.

4. Лезо очищення (Recovery Blade). Перекриває область між барабаном і бункером для відпрацьованого тонера. Recovery Blade пропускає тонер, що залишився на барабані, всередину бункера і не дає йому висипатися у зворотному напрямку (з бункера на папір).

Основні конструктивні елементи тонерного відсікання:

1. Магнітний вал (Magnetic Developer Roller, Mag Roller, Developer Roller). Являє собою металеву трубку, всередині якої знаходиться нерухомий магнітний сердечник. До магнітного вала притягується тонер, що перед подачею на барабан здобуває негативний заряд під дією постійної або змінної напруги.

2. «Доктор» (Doctor Blade, Metering Blade). Забезпечує рівномірний розподіл тонкого шару тонера на магнітному валу. Конструктивно виконаний у вигляді металевого каркаса (stamping) із гнучкою пластиною (blade) на кінці.

3. Ущільнювальне лезо магнітного валу (Mag Roller Sealing Blade). Тонка пластина, аналогічна за функціями Recovery Blade. Перекриває область між магнітним валом і відсіканням подачі тонера. Mag Roller Sealing Blade пропускає тонер, що залишився на магнітному валу, всередину відсікання, запобігаючи витоку тонера у зворотному напрямку.

4. Бункер для тонера (Toner Reservoir). Всередині нього знаходиться робочий тонер, що буде перенесений на папір у процесі друку. Крім того, у бункер вбудований активатор тонера (Toner Agitator Bar) - дротова рамка, призначена для перемішування тонера.

5. Пломба, чека (Seal). У новому (або регенерованому) картриджі тонерний бункер запечатаний спеціальною пломбою, що запобігає витоку тонера під час транспортування картриджа. Перед початком експлуатації ця пломба видаляється.

5. Основні етапи чорно-білого лазерного друку

Коли включається принтер, усі компоненти картриджа починають рухатися: відбувається підготовка картриджа до друку. Цей процес аналогічний процесу друку, але лазерний промінь не включається. Потім рух компонентів картриджа зупиняється - принтер переходить у стан готовності до друку (Ready).

Після відправлення документа на друк у картриджі лазерного принтера відбуваються такі процеси:

1. Зарядка барабана. Зарядка фоторецептора - це процес нанесення рівномірного заряду певної величини на поверхню фоторецептора. Зарядка відбувається коротроном. Існує кілька їхніх видів, які ми розглянемо подальшому.

Для зарядки на коротрон подається високий потенціал за допомогою високовольтного блока живлення. Між коротроном і фоторецептором утвориться різниця потенціалів у декілька кіловольт, що призводить до ударної іонізації повітря (коронний розряд) й іони накопичуються на поверхні фоторецептора. Частина електронів із заземленої підложки стікає на землю, при цьому в матеріалі підложки, поблизу межі з фото провідником виникає надлишковий заряд, протилежний заряду на поверхні фоторецептора. Екран коротрона заземлюється, щоб різниця потенціалів між фоторецептором і коронним розрядом не зменшувалася, оскільки ця різниця повинна перевищувати граничну напругу корони (напруга, нижче якої не виникає коронний розряд).

Звичайний коротрон є тонким дротом зі стійкого до окислювання матеріалу, натягнутий на залізному екрані. При забрудненні або окислюванні дроту відбувається погіршення якості копії. При забрудненні екрана можливе проскакування іскри між фоторецептором і коротроном, що призводить до необоротного вигоряння фоторецептора.

Скоротрон - зарядний пристрій, що дозволяє регулювати величину заряду на поверхні фоторецептора. У ньому крім дроту використовується сітка, на яку також подається напруга. Це дозволяє одержати заряд на поверхні фоторецептора, який не перевищуватиме певне значення.

Дикоротрон - дозволяє ще більш точно регулювати величину заряду. Він складається з двох активних елементів: коронода та екрана. На коронод подається змінна напруга порядку 5-6 кВ, а на екран - постійна 1-3 кВ. При цьому позитивні іони переміщуються від коронода до екрана, а негативні - до фоторецептора.

Коротрон служить джерелом озону, що виходить від копіювального апарата під час роботи. Слід зазначити, що під час використання фільтрів і їхньої своєчасної заміни запах не відчувається. У цей час фірми-виробники переходять на без озонову технологію.

2. Експонування. Негативно заряджена поверхня барабана експонується лазерним променем тільки в тих місцях, на які буде нанесено тонер. Під дією світла фото чутлива поверхня барабана частково втрачає негативний заряд. Таким чином, лазер експонує на барабан скрите зображення у вигляді точок з ослабленим негативним зарядом.

3. Нанесення тонера. На цьому етапі скрите зображення на барабані за допомогою тонера перетворюється у видиме зображення, що буде перенесено на папір. Тонер являє собою дрібнодисперсний порошок, частки якого складаються з полімеру або гуми і барвника (для чорного тонера зазвичай використовується сажа). Можливі два варіанти прояву - однокомпонентний і двокомпонентний. Розглянемо спочатку двокомпонентний спосіб.

Двокомпонентний спосіб використовується тільки у випадку негативної зарядки фоторецептора. Тонер з бункера через спеціальний дозуючий пристрій подається в бункер з носієм. Носій (девелопер) являє собою частки магнітного матеріалу, вкритого полімером. Прилипання тонера до носія відбувається за рахунок трібоелектризації (електризації тертям). У процесі тертя частки тонера і носія здобувають різні заряди і тонер рівномірно вкриває носій. Носій у свою чергу прилипає до магнітного вала, що є порожнім валом з постійними магнітами всередині. Вал, вкритий носієм з тонером, входить у безпосередній контакт із фоторецептором, внаслідок чого частки тонера, які мають заряд, протилежний заряду фоторецептора, притягуються до його заряджених ділянок.

Чистий носій із залишками тонера знову потрапляє до бункера. Носій знову змішується з тонером і потрапляє на магнітний вал. Сам носій не витрачається в процесі проявлення. Однак внаслідок тертя носій втрачає полімерний шар, що призводить до його нездатності притягати тонер. Крім того, такий носій може викликати механічне ушкодження фоторецептора. Для того, щоб тонер не переносився на слабко заряджені ділянки фоторецептора, на магнітний вал подається напруга зсуву, порядку 100 - 500 В, знак якого збігається зі знаком заряду на фоторецепторі. За рахунок цього сила притягання тонера до вала збільшується і тонер не переноситься на слабко заряджені ділянки. Регулюючи величину напруги зсуву можна регулювати насиченість копії, наприклад для створення доброї копії з поганого оригіналу. Сучасні апарати зазвичай самі досить добре регулюють якість копії, практично не вимагаючи втручання оператора. Однокомпонентне проявлення зазвичай використовується в апаратах малого класу і лазерних принтерах. У цьому випадку потрібен тонер іншого складу. Зазвичай такий тонер коштує дорожче. Однокомпонентне проявлення не передбачає наявності носія. У цьому випадку тонер виготовляється із суміші часток магнітного матеріалу, полімеру і барвника. З бункера тонер потрапляє на магнітний вал. Над валом, на виході з бункера, розташовується заряджаюче лезо (ракель), що виконує дві функції:

- регулює кількість тонера на валу;

- заряджає частки тонера.

Тертя часток тонера об лезо призводить до зарядки тонера знаком, протилежним знаку заряду фоторецептора. Перенесення тонера з вала на фоторецептор здійснюється за допомогою напруги зсуву, що прикладається до магнітного вала. У цьому випадку напруга зсуву являє собою змінну напругу з постійною складовою, що за знаком відповідає знаку заряду фоторецептора. Під час періоду зі знаком, протилежним знаку заряду фоторецептора, тонер переноситься на фоторецептор, під час періоду зі знаком, що відповідає знаку заряду фоторецептора, тонер з фонових ділянок повертається на магнітний вал. Регулювання якості копій відбувається за рахунок зміни постійної складової.

4. Процес перенесення. Процес, при якому тонер переноситься на папір. Папір проходить між коротроном перенесення і фоторецептором, на якому знаходиться тонерний рисунок. Коротрон переносить на папір заряд, що відповідає заряду фоторецептора. На підложці фоторецептора існує заряд, за знаком протилежний заряду паперу. За рахунок цього папір притягується до фоторецептора. Для того, щоб тонер переносився на папір, сила притягання між ним і тонером має бути більше, ніж сила притягання між тонером і фоторецептором. Не весь тонер переноситься на папір. Тому його залишки видаляються в процесі очищення фоторецептора. Для поліпшення якості зображення і зменшення витрати тонера в деяких апаратах здійснюється попереднє перенесення, у процесі якого послаблюється заряд фоторецептора. Для цього або фоторецептор попередньо висвітлюється, або на коротрон перенесення подається змінна напруга.

5. Відділення паперу від фоторецептора здійснюється як механічним так і електричним способом. У першому випадку використовуються або пальці відділення, що перебувають у безпосередній близькості до фоторецептора, або відокремлюючи ремінці, встановлені з одного краю фоторецептора. Крайка паперу сковзає по ремінцю і потім легко відділяється від фоторецептора.

У другому випадку використовується коротрон відділення, що зазвичай використовується разом з механічними засобами. Для відділення паперу від фоторецептора на коротрон відділення подається змінна напруга. Він генерує позитивні й негативні іони. Частина з них послаблює силу притягання паперу до фоторецептора, а частина - забезпечує прилипання тонера до паперу.

6. Закріплення зображення. Після перенесення копія вже практично готова. Але зображення, отримане на папері може бути стерто практичним будь-яким механічним впливом (наприклад, легким тертям). Звісно така копія не придатна для практичного використання. Для збільшення зчеплення тонера з папером використовується механізм закріплення. Існує кілька способів закріплення. Найпоширеніший - це термомеханічний засіб, при якому копія піддається нагріванню і механічному притискання. Механізм закріплення називається ф'юзером (грубка). Механізм складається з тефлонового вала, що нагрівається, із кварцовою лампою усередині, і гумового притискного вала. Іноді замість тефлонового вала встановлюється спеціальний керамічний термоелемент, що відділяється від паперу термоплівкою. Такі копіри мають менший час прогрівання і менше енергоспоживання, однак і термоплівка відпрацьовує значно меншу кількість копій і ушкодити її значно легше при неправильному здобуванні паперу. У частині апаратів передбачене змащення вала, що нагрівається, силіконовим мастилом. Це дозволяє уникнути прилипання тонера до валика. Крім того може використовуватися спеціальний рушник, для видалення залишків тонера або іншого бруду, що прилип до вала. Для відділення паперу від вала застосовуються пальці відділення. Механізм із кварцовою лампою більш дорогий, але і більш надійний, зазвичай використовується у високопродуктивних машинах. Це, наприклад, лазерні принтери Xerox N24/32/40, HP 4plus, Xerox 5405 і т.д. Механізм із термоплівкою використовується в принтерах і копірах малого класу. Це копіювальні апарати Canon FC/PC серії, принтери HP 5L, 6L, 5P, 6P, 1100.

7. Очищення барабана. Деяка кількість тонера не переноситься на папір і залишається на барабані, тому його необхідно очистити. Цю функцію виконує «вайпер». Безпосередньо перед очищенням може використовуватися попередня очистка за допомогою засвічення фоторецептора або коротрона, попередня очистка, що генерує позитивні і негативні іони. Частки тонера, що залишилися, віддаляються за допомогою ракельного ножа, що перебуває в безпосередньому контакті з фоторецептором. Ракель виготовляється і точно позиціонується щодо фоторецептора для того, щоб не ушкодити його. Відпрацьований тонер потрапляє в бункер відпрацювання. Повторне його використання не рекомендується, оскільки тонер злипається і забруднюється. Можливе також видалення тонера м'якою щіткою, усередині якої встановлюється система вакуумної відкачки. При цьому Recovery Blade закриває область між барабаном і бункером, не дозволяючи тонеру просипатися на папір.

8. «Стирання» зображення. На цьому етапі з поверхні барабана «стирається» приховане зображення, нанесене лазерним променем. За допомогою вала первинного заряду поверхня фото барабана рівномірно «покривається» негативним зарядом, що відновлюється в тих місцях, де він був частково знятий під дією світла.

Скажемо кілька слів про мережні принтери. Мережні принтери зазвичай швидші, розраховані на більше навантаження, вони містять більше лотків для паперу, найчастіше мають дуплексний пристрій (для друку з двох сторін аркуша), власний вінчестер для зберігання певних документів, які доводиться часто друкувати. Основна відмінність мережного принтера від звичайного, це те, що мережний принтер має вбудовану мережну карту. Його не потрібно підключати до комп'ютера. Він працює автономно. Сучасні принтери мають власний HTML-сайт, що дозволяє працювати з ними через Internet і Intranet.

Існують також апарати класу принтер-копір або цифровий копір. Вони можуть виконувати функції як лазерного принтера, так і копіру. Цифровий копір спочатку сканує зображення в пам'ять, а потім друкує лазерним способом. Такими є практично всі кольорові копіри, однак вартість комп'ютерного інтерфейсу для кольорового копіру порівнянна з вартістю апарата. Крім того цифрові копіри забезпечують більш високу якість передачі відтінків навіть при чорно-білому друці.

Переваги лазерного друку:

- висока швидкість друку (від 4 до 40 і вище сторінок на хвилину);

- швидкість друку не залежить від роздільної здатності;

- висока якість друку (400 dpi лазерного кольорового принтера порівнянна з 1400 dpi струминного);

- низька собівартість копії (на другому місці після матричних принтерів);

- безшумність.

Недоліки:

- висока ціна апарата;

- високе споживання електроенергії;

- дуже висока ціна кольорових апаратів.