Лазерные принтеры. Толчком к созданию первых лазерных принтеров послужило появление новой технологии фирмы Canon

Толчком к созданию первых лазерных принтеров послужило появление новой технологии фирмы Canon. Специалисты этой фирмы, которые специализируются на разработке копировальной техники, создали механизм печати LBP-CX. Фирма Hewlett-Packard в сотрудничестве с Canon приступила к разработке контроллеров для обеспечения совместимости механизма печати с ПК и UNIX. Принтер HP LaserJet впервые был представлен в начале 80-х годов.

Первоначально конкурируя с лепестковыми и матричными принтерами, лазерный принтер быстро завоевал популярность во всем мире. Первый лазерный принтер использовал электрографический принцип создания изображений такой же, как в копировальных аппаратах. Различие состояло в способе экспонирования - в копировальных аппаратах оно происходит с помощью лампы, а в лазерных принтерах свет лампы заменил луч лазера (рис. 1).

Рис. 1. Принтер в разрезе

Лазерные принтеры формируют изображение путем позиционирования точек на бумаге (растровый метод). Первоначально страница формируется в памяти принтера, а затем передается в механизм печати. Растровое представление символов и графических образов происходят под управлением контроллера принтера. Каждый образ формируется путем соответствующего расположения точек в ячейках сетки или матрицы (рис. 2).

Рис. 2. Метод образования изображения при помощи растра

1. Устройство лазерного принтера

Все компоненты лазерного принтера можно условно разделить на электронные, оптико-механические и электромеханические. Электронные компоненты являются управляющими (управляют процессом печати), а остальные предназначены для непосредственного выполнения печати.

Рассмотрим назначение электронных компонентов:

- материнская плата. Служит для установки и организации взаимодействия различных компонентов принтера;

- входной интерфейс (последовательный, параллельный, сетевой, инфракрасный). С его помощью принтер получает данные от ПК;

- процессор и различные микроконтроллеры. Управляют обработкой данных. Обычно используют процессоры RISC-типа;

- оперативная память. Хранит данные для печати. Лазерные принтеры относятся к классу постраничных устройств, т.е. принтер сначала компонует всю страницу в памяти, а затем передает ее на печать.

К оптико-механическим компонентам относятся:

- лазер и оптико-механическая система зеркал и линз. Перемещает луч лазера по поверхности фоточувствительного барабана. Малогабаритный лазер генерирует очень тонкий световой луч, который отражается от вращающихся зеркал (обычно имеет 4-гранную или 6-гранную форму).

Для получения точечного изображения лазер включается и выключается при помощи управляющего микроконтроллера.

К электромеханическим компонентам относится:

- механизм подачи бумаги. Предназначен для контроля и продвижения бумаги в принтере. Включает в себя подающий, направляющий, выходной и сенсорные ролики;

- высоковольтный источник постоянного напряжения. Обычно на 6000В;

- нагревательная станция. Закрепляет изображение на бумаге. Нагревательная станция состоит из нагревательного ролика, чистящего коврика, термистора, термопротектора и роликового пресса;

- нагревательный ролик. Металлический цилиндр с тефлоновым покрытый, внутри которого расположена кварцевая лампа для его интенсивного разогрева;

- термистор. Отключает нагревающее устройство при перегреве нагревательного ролика;

- роликовый пресс. Состоит из обрезиненного ролика, который расположен напротив нагревательного. Он сдавливает бумагу, когда она проходит при печати;

- чистящий коврик. Собирает все частицы, которые остались на поверхности ролика, и обеспечивает его гладкость с помощью специальной силиконовой пленки. Это позволяет бумаге проходить под роликом и не прилипать к нему. Коврик находится постоянно в контакте с нагревательным роликом;

- картридж. Представляет собой достаточно сложное устройство, которое содержит более половины компонентов для формирования изображения. В картридже можно выделить 2 основных отделения: для отработанного тонера и тонерный отсек (рис. 3).

Рис. 3. Картридж в разрезе

Основные конструктивные элементы отделения для отработанного тонера:

- фоточувствительный барабан (Organic Photo Conductor (OPC) Drum). Аллюминиевый цилиндр с покрытием из органического светочувствительного и фотопроводящего материала (обычно оксид цинка);

- вал первичного заряда (Primary Charge Roller (PCR). Металлический вал с нанесенной токопроводящей резиновой или поролоновой основы. Обеспечивает равномерный отрицательный или положительный заряд барабана. Некоторые модели принтеров используют для этого специальную сетку из тонкой проволоки. Барабан заряжается от коронного разряда, поэтому сетку называют «коронной»;

- чистящее лезвие, «Вайпер», ракель. (Wiper Blade, Cleaning Blade). Металлический каркас с полиуретановой пластиной (blade) на конце. Очищает барабан от остатков тонера, который не был перенесен на бумагу.

Основные конструктивные элементы тонерного отсека:

- магнитный вал (Magnetic Developer Roller, Mag Roller, Developer Roller). Металлическая трубка, внутри которой находится неподвижный магнитный сердечник;

- «Доктор» (Doctor Blade, Metering Blade). Металлический каркас с гибкой пластиной (blade) на конце. Обеспечивает равномерное распределение тонкого слоя тонера на магнитном вале;

- бункер для тонера (Toner Reservoir). Содержит «рабочий» тонер (частицы специального пластика и оксида железа, которые плавятся при нагреве), который будет перенесен на бумагу в процессе печати. В бункер также встроен активатор тонера (Toner Agitator Bar) - проволочная рамка для перемешивания тонера;

- специальный шаговый двигатель. Поворачивает фотобарабан для формирования строки изображения. Это смещение соответствует разрешающей способности принтера по вертикали и обычно составляет 1/600 или 1/1200 дюйма.

2. Принцип лазерной печати

Печать на лазерном принтере - многоступенчатый процесс, который включает такие этапы:

1. подготовка к печати. Когда включается принтер, все компоненты картриджа приходят в движении и происходит подготовка картриджа к печати. Этот процесс заключается в очистке барабана, который состоит из 2 этапов. Сначала барабан очищают механически при помощи ракеля, который аккуратно проходит по барабану и снимает с него остатки тонера. Затем барабан очищается электростатически при помощи стирающей лампы, которая облучает барабан и засвечивает его, стирая ранее нанесенные изображения (рис. 4);

Рис. 4. Очистка барабана

Затем движение частей картриджа заканчивается и принтер переходит в состояние готовности к печати (Ready).

2. ввод данных. Подготовив данные к печати прикладная программа определяет какое устройство подключено к активному порту ввода-вывода и начинает передачу данных в соответствии с возможностями этого устройства. Данные попадают в оперативную память принтера и хранятся там до завершения их обработки процессором принтера и печати;

3. подготовка барабана. Процесс, включает в себя перенос на поверхность барабана равномерно распределенного отрицательного заряда который создан валом первичного заряда или короной (рис. 5).

Высоковольтный источник постоянного напряжения генерирует потенциал, которым заряжается вал первичного заряда (-600В) или «коронирующим проводом» (-6000B), при этом в окружающем пространстве образуется электрическое поле, которое имеет определенную напряженность.

Рис. 5. Зарядка барабана

Это поле попадает на поверхность барабана и создает на нем потенциал 600В. Созданный на поверхности барабана потенциал распределен равномерно с помощью варисторной сетки (варистор - это специальный полупроводниковый резистор с нелинейными свойствами. Он не проводит электричество, пока напряжение на нем не превысит определенный уровнь), подключенной к источнику высокого напряжения;

4. запись изображения на барабан. После того, как изображение, созданное программой получено интерфейсом контроллера и преобразовано надлежащим образом, твердотельные полупроводниковые лазеры начинают излучать свет, который отражается от специального зеркала на барабан, в результате чего потенциал засвеченных точек увеличивается до -100В. Все это время барабан вращает специальный шаговый двигатель (рис. 6);

Рис. 6. Экспонирование

5. подача бумаги. После того как барабан подготовлен, в принтер при помощи специального механизма подачи подается бумага. Принтер забирает бумагу из лотка немного раньше чем начинается печать, и задвигает ее внутрь примерно на дюйм, прежде чем продолжать работу. Это делается для того, чтобы верхний край бумаги был точно выравнен по краю изображения на барабане. Бумага упирается в регистрирующий ролик, который препятствует ее дальнейшей подачи до того, пока все остальные части принтера не будут синхронизированы;

6. проявление изображения. Проявляющий элемент картриджа содержит вращающийся металлический цилиндр с равномерным металлическим покрытием, резервуар для тонера, и механизм контроля уровня тонера. Он регулирует количество тонера, которое может попасть на цилиндр. Металлический цилиндр расположен рядом с барабаном. Его главная функция, выбирать тонер из резервуара и переносить его на барабан в виде удобном для дальнейшего использования (рис. 7).

Рис. 7. Проявление изображения

Это устройство называется проявляющим цилиндром. Во время вращения проявляющего цилиндра часть его поверхности находится в контакте с порошком тонера, который находится в резервуаре. Благодаря собственным магнитным свойствам, к нему притягиваются нейтрально заряженные частицы тонера. Когда проявляющий цилиндр поворачивается в направлении фоточувствительного барабана с изображением, уже нарисованным на нем лазером, специальные пластины снимают излишек тонера с поверхности цилиндра. Создавая на его поверхности тонкий равномерный слой тонера и подготавливая его к созданию видимого изображения.

Электрические свойства проявляющего цилиндра изменяются под действием смещающего потенциала, который создан постоянным напряжением и переменным электрическим потенциалом. Величина потенциала, создающего постоянное смещение, изменяется пользователем, задающим насыщенность печатаемого изображения.

Теперь проявляющий цилиндр предоставляет отрицательно заряженный тонер в расположение областей, засвеченных лазерным лучом, которые притягивают частицы тонера, становясь при этом более положительно заряженными, чем сам тонер. Переменное поле воздействует на постоянное смещение, создаваемое тонером, чтобы избежать появления отрицательного заряда на цилиндре и создать равномерное распределение тонера в пространстве.

Это воздействие происходит с частотой 60 Гц и позволяет создать небольшой туман из частиц тонера, который воздействует на области, подвергшиеся лазерному излучению.

Частицы тонера переносятся на фоточувствительный барабан в определенные места, которые имеют электрический заряд, и уже не могут вернуться на проявляющий цилиндр;

7. перенос изображения. Изображение уже существует на барабане в виде распределения частиц тонера. В лазерном принтере тонер переносят на бумагу за счет придания бумаге большого положительного потенциала (+600В). Этот потенциал создается с помощью вторичной короны (короны переноса), благодаря которой тонер «перепрыгивает» с барабана на бумагу (рис. 8).

Рис. 8. Перенос изображения

После того, как тонер попал на бумагу, бумага перемещается мимо разрядника, который снимает с бумаги остаточный заряд;..

8. закрепление изображения на бумаге. Поскольку барабан уже выдал изображение, то необходимо отделить бумагу от барабана. Так как, бумага сохраняет свою упругость, это несколько облегчает отделение, вследствие того, что радиус барабана является небольшим. Чем тоньше бумага, тем труднее отделить ее от барабана. Для облегчения отделения предусмотрен разрядник, который имеет зубчатый край, и нейтрализует остаточные заряды.

Теперь бумага с нанесенным изображением должна попасть в нагревательную станцию, которая закрепит изображение, чтобы его нельзя было разрушить. Пройдя через нагревательную станцию и подвергшись воздействию тепла и давления, нанесенный на бумагу тонер «вдавливается» в нее (рис. 9).

Рис. 9. Закрепление изображения

После того как изображение закреплено на бумаге, она покидает нагревательную станцию и попадает на выходной ролик.

В процессе печати принтер использует сенсоры (расположены на пути следования бумаги), которые сообщают процессору о появлении бумаги. Процессору известно расстояние между сенсорами и, если сенсор не сработал в течении определенного промежутка времени, то процессор считает, что бумага смялась и приостанавливает процесс печати, выдавая соответствующее сообщение.