Принцип электрофотографической печати

Электрофотографическая технология печати позволяет выводить изображение на бумажные и иные носители (на носитель накладывается единственное ограничение: он не должен проводить электрический ток).

Достоинством лазерных принтеров является также высокое качество печати: напечатанное на лазерном принтере практически неотличимо от напечатанного типографским способом.

Еще одним достоинством лазерных принтеров является низкая стоимость печати одного листа. Хотя расходные материалы к лазерному принтеру стоят недешево, одной заправки хватает на печать нескольких тысяч листов.

Лазерные принтеры имеют максимальные среди принтеров разных типов показатели по скорости печати.

Основным недостатком электрофотографической печати является высокая стоимость принтера. Кроме того, при использовании данной технологии сложно организовать цветную печать, поэтому цветные лазерные принтеры достаточно дороги.

Все это делает лазерные принтеры очень удобными в офисах, где необходимо много печатать и где предъявляются высокие требования к качеству печати, но нет необходимости печатать цветные изображения.

В параграфе “Классификация принтеров” было отмечено, что электрофотографические (лазерные) принтеры делят на собственно лазерные принтеры и LED-принтеры. Принтеры этих типов имеют общий принцип действия, отличаются лишь принципом формирования скрытого изображения.

В электрофотографических принтерах (как и в копирах) используется трехэтапный метод нанесения изображения на носитель: получение скрытого изображения, его проявление и перенос проявленного изображения на носитель.

Технология электрофотографической печати берет начало от изобретения Честером Карлсоном электрофотографии, зарегистрированного в 1938 г. В 1971 г. Гарри Старкузер (Gary Starkweather) из Xerox PARS модифицировал копировальный аппарат Xerox 7000, изменив способ нанесения изображения на слой фотопроводника с обычного светового проекционного на лазерный. Этот прототип и стал первым лазерным печатающим устройством SLOT (Scanned Laser Output Terminal), на базе которого в 1972 году был разработан EARS (Ethernet, Alto, Research Character generator, Scanned Laser Output Terminal), позже превратившийся в систему лазерной печати Xerox 9700.

Устройство печатающего блока принтера, использующего электрофотографическую технологию, приведено на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Печатающий блок электрофотографического принтера (копира): 1. Коротрон. 2. Фоточувствительный барабан. 3. Блок создания на фоточувствительном барабане скрытого электростатического изображения.
4. Бункер с красителем (тонером). 5. Магнитный барабан. 6. Носитель изображения: бумага или пленка. 7. Вал переноса. 8. Прижимной вал. 9. Нагревательный вал совместно с прижимным валом образует нагревательный блок принтера. 10. Бункер для остатков красителя. 11. Ракель

1. Коротрон – устройство для создания коронного разряда. Состоит из металлической нити и экрана (сетки), на которые подается высокое напряжение, достаточное для возникновения коронного разряда. Находящийся между нитью и экраном воздух ионизируется. Ионизация газа используется для нанесения заряда на фоточувствительный барабан.

Поскольку при ионизации кислород воздуха переходит в озон (при концентрации выше предельной – ядовит), лазерные принтеры, особенно высокопроизводительные необходимо устанавливать в помещениях с хорошей вентиляцией. Под высокопроизводительный сетевой принтер, обслуживающий большую организацию, необходимо специальное помещение с вытяжной вентиляцией.

2. Фоточувствительный барабан. Свойства покрытия барабана позволяют реализовать электрофотографическую печать. Покрытие барабана должно, во-первых, не проводить электрический ток, и, во-вторых, обладать фотоэлектрическими свойствами: изменять свой заряд под действием света. Эти свойства позволяют создать на поверхности барабана скрытое фотоэлектрическое изображение. В настоящее время в барабанах используют три типа покрытий: селеновое покрытие, органическое покрытие, кремниевое покрытие.

Селеновое покрытие – одно из первых типов фоточувствительных покрытий (селен – химический элемент, полупроводник). Селеновое покрытие состоит из четырех слоев. Первый от поверхности слой представляет естественную пленку оксида и уменьшает утечку заряда. За ним лежит слой селена, обладающий фотоэлектрическими свойствами. Именно в этом слое происходит образование зарядов. Третий слой состоит из оксида алюминия. Он предотвращает быструю утечку зарядов из слоя селена в подложку. Четвертый слой – металлическая подложка барабана. Она соединяется с корпусом принтера.

Органическое покрытие состоит из синтетического фотоэлектрического материала. Оно тоже состоит из четырёх слоев. Первый слой служит для перераспределения зарядов при освещении барабана в ходе формирования скрытого изображения, второй состоит из вещества, способного к изменению заряда под действием света, а третий, как и в селеновом покрытии, состоит из оксидов и служит для предотвращения утечки зарядов в подложку. Четвертый слой – металлическая подложка.

Кремниевое покрытие – новый тип покрытия, применяемый, например, в принтерах фирмы Keyocera. Оно образуется слоем аморфного кремния, нанесенного на основу. Кремний, как и селен, является полупроводником, обладает фотоэлектрическими свойствами.

Видимо, плюсом данного покрытия является его большая твердость и износостойкость.

Для получения качественных распечаток необходимо, чтобы поверхность барабана была ровной и не имела царапин. Царапины и неровности проявятся на носителе в виде полос и пятен. Следует избегать прикосновений к барабану при обслуживании принтера, использования нерекомендованного тонера. Нельзя вытаскивать без разборки застрявший лист, применять нерекомендованную бумагу.

3. Блок создания на фоточувствительном барабане скрытого электростатического изображения. Процесс заключается в перераспределении зарядов в фоточувствительном слое фотобарабана под воздействием света. Для этого в лазерных принтерах используется перемещаемый по образующей барабана луч полупроводникового лазера. В LED-принтерах используется линейка светодиодов. Луч света лазера или светодиода должен быть хорошо сфокусирован. От этого зависит размер пятна, освещаемого на поверхности барабана, и, соответственно, разрешающая способность принтера по горизонтали. Для формирования на барабане изображения луч должен обладать достаточно большой энергией, что требует применения в принтерах достаточно мощного лазера.

4. Бункер с красителем (тонером). В разных моделях принтеров применяют разные составы красителей. Обычно бункер является частью сменного картриджа, реже (в основном в копировальных аппаратах) используют стационарные бункеры, рассчитанные на дозаправку. Для проявления скрытого изображения необходимо нанести на поверхность фотоэлектрического барабана слой порошкообразного красителя (тонера). Для его доставки к фоточувствительному барабану используется магнитный порошок – девелопер. Он состоит из частиц магнитного материала, имеющих полимерное покрытие. В зависимости от типа принтера тонер может быть однокомпонентным и двухкомпонентным.

Однокомпонентный тонер чаще применяется в лазерных принтерах и состоит из смеси красителя, полимерного порошка и девелопера. Такой состав позволяет упростить конструкцию принтера, но расходные материалы при этом будут стоить дороже.

Двухкомпонентный тонер состоит из отдельно заряжаемых в принтер тонера (краситель и полимер) и девелопера. Смешивает их специальный дозатор в бункере.

За счет электризации при трении частиц девелопера и тонера происходит их слипание. После переноса тонера на фоточувствительный барабан девелопер собирается и используется заново. Это требует применения системы очистки магнитного барабана и дозирующей системы, но позволяет снизить стоимость расходных материалов.

5. Магнитный барабан служит для переноса тонера на фоточувствительный барабан. Он состоит из полого вала, внутри которого размещаются постоянные магниты. Магнитный барабан притягивает к себе частицы девелопера с налипшими на них частицами тонера и проносит их мимо фоточувствительного барабана. Над валом устанавливают специальную пластину, регулирующую количество красителя на валу. Кроме того, к пластине прикладывается напряжение для зарядки частиц тонера. Этот заряд способствует их переходу на фоточувствительный барабан.

6. Носитель изображения: бумага или пленка. Носитель входит в непосредственный контакт с фоточувствительным барабаном. Поэтому к используемой для печати бумаге предъявляются достаточно жесткие требования по плотности и толщине.

При печати на пленке, предназначенной для использования в проекторах, шаблонов печатных плат следует обратить внимание на её температуру плавления. Поскольку для закрепления изображения используется высокая температура (см. далее), пленки некоторых типов могут расплавиться в нагревательном блоке и испортить его.

7. Вал переноса служит для переноса красителя с фоточувствительного барабана на носитель. Носитель прижимается к фоточувствительному барабану и на него переносится тонер. От качества поверхности вала переноса и фоточувствительного барабана зависит, как плотно носитель будет прижат к барабану и, соответственно, насколько качественно будет перенесено изображение.

Внимание! При неправильном извлечении застрявшей в принтере бумаги возможно повреждение вала переноса или фоточувствительного барабана.

8. Прижимной вал служит для прижимания носителя к нагревательному валу (или нагревательному элементу).

9. Нагревательный вал совместно с прижимным валом образует нагревательный блок принтера. Часто этот блок называют печкой или фьюзером. Высокая температура печки необходима для закрепления красителя на носитель. Нагревательный вал представляет собой полый вал со специальным покрытием, исключающим прилипание красителя к валу (например, тефлоновым). Для нагрева вала используется размещенная внутри его кварцевая лампа. В некоторых принтерах вместо нагревательного вала используют неподвижный нагревательный элемент, отделяемый от носителя тефлоновой пленкой.

Нагревательные элементы с лампой потребляют больше электроэнергии и дольше прогреваются (из-за необходимости прогрева принтеры и копиры не могут работать сразу после включения), однако они имеют больший ресурс работы, чем элементы с пленкой, и могут работать при высокой скорости печати.

10. Бункер для остатков красителя предназначен для сбора красителя, счищенного с поверхности барабана ракелем.

11. Ракель – специальная пластина (нож), служащая для очистки поверхности фоточувствительного барабана. В ходе очистки с барабана удаляются остатки тонера, не перешедшие на бумагу. Для того чтобы ракель не повреждал фоточувствительный слой барабана и в то же время обеспечивал качественную очистку, его необходимо устанавливать с большой точностью. Рабочая кромка ракеля должна быть строго прямолинейной.

Рассмотрим процесс печати. Фоточувствительный барабан при печати вращается специальным высокоточным механизмом привода. Процесс печати начинается с коротрона. С помощью коротрона на фоточувствительный барабан наносится равномерный заряд. Идет коронный разряд, возникают заряженные частицы, барабан, соприкасаясь с ионизированным газом, захватывает заряды. (Поскольку подложка барабана заземлена, а над ней находится изолирующий слой, заряженные частицы концентрируются в верхнем слое фоточувствительного покрытия). При вращении барабан подходит под блок создания скрытого электростатического изображения. Для этого в точку, которая будет напечатана, должен попасть луч света. Под действием света в фоточувствительном слое происходит перераспределение заряженных частиц и формируется потенциальное изображение строки. Образовавшееся изображение недолговечно (частицы стремятся перераспределиться, чтобы устранить неравномерность заряда), но при производстве принтеров стремятся обеспечить ему достаточное время жизни.

При дальнейшем повороте барабана происходит проявление скрытого изображения. С помощью магнитного барабана тонер подается к поверхности фоточувствительного барабана. Как отмечалось, частицы тонера предварительно заряжаются, благодаря чему притягиваются к участкам барабана, имеющим противоположный заряд (освещенные участки).

Электростатическое притяжение удерживает тонер на поверхности фоточувствительного барабана. Неоднородность поля барабана, создаваемая царапинами на его поверхности, приводит к нарушениям распределения тонера, что проявляется в виде пятен и полос на напечатанном изображении.

На следующем этапе при повороте барабана осуществляется перенос тонера на носитель. В приведенной схеме происходит непосредственный контакт носителя с фоточувствительным барабаном. Возможна схема с промежуточным барабаном переноса, имеющим потенциал знака, противоположного частицам тонера.

Промежуточный барабан переноса увеличивает количество тонера, попадающего на носитель, и уменьшает износ фоточувствительного барабана, однако усложняет конструкцию печатающего блока.

Тонер, оставшийся на фоточувствительном барабане, при дальнейшем повороте барабана удаляется ракелем.

Перенесенное изображение закрепляется на носителе в паре: прижимной вал – нагревательный вал (фьюзере). Полимер, входящий в состав тонера, расплавляется и приплавляется под давлением к носителю. Лазерные и LED-принтеры отличаются способом получения скрытого изображения.