Как устроен и работает лазерный принтер

Процесс рождения оттиска

Появление изображения или текста на бумаге будет состоять из таких последовательных этапов:

• заряд барабана;
• экспонирование;
• проявка;
• перенос;
• закрепление.

Заряд барабана

Как работает фотозаряд? Он формируется на фотобарабане (где, как уже понятно, зарождается и само будущее изображение). Для начала происходит снабжение зарядом, который может быть как отрицательным, так и положительным. Происходит это одним из следующих способов.

1. Используется коронатор, то есть вольфрамовая нить с покрытием из углеродных, золотых и платиновых включений. Когда в дело вступает высокое напряжение, между этой нитью каркасом проносится разряд, который, соответственно, создаст электрическое поле, передающее заряд на фотобарабан.
2. Однако использование нити приводило со временем к проблемам с загрязнением и ухудшением качества распечатанного материала. Гораздо лучше действует ролик заряда с аналогичными функциями. Сам он похож на металлический вал, который покрыт токопроводящей резиной или поролоном. Идет соприкосновение с фотоцилиндром – в этот момент ролик и передает заряд. Напряжение здесь значительно ниже, но и детали изнашиваются гораздо быстрее.

Экспонирование

Это и есть работа освещения, в результате чего часть фотоцилиндра становится токопроводящей и пропускает заряд через металлическое основание в барабане. А участок, подвергшийся экспонированию, становится незаряженным (или приобретает слабый заряд).  На этом этапе формируется еще невидимое изображение.

Технически это осуществляется так.

1. Лазерный луч падает на поверхность зеркала и отражается на линзу, которая распределит его в необходимое место на барабане.
2. Так система линз и зеркал формирует строчку вдоль фотоцилиндра – лазер то включается, то выключается, заряд то остается нетронутым, то снимается.
3. Строка закончилась? Фотобарабан повернется, и экспонирование продолжится снова.

Проявка

В этом процессе большое значение имеет магнитный вал из картриджа, похожий на трубку из металла, внутри которой находится магнитный сердечник. Часть поверхности вала помещена в заправочный тонер бункера. Магнит притягивает к валу порошок, и он выносится наружу.

Важно регулировать равномерность распределения слоя порошка – для этого существует специальное дозирующее лезвие. Оно пропускает лишь тонкий слой тонера, отбрасывая остальное назад

Если лезвие установлено неправильно, на бумаге могут появиться черные полосы.

После этого тонер продвигается на участок между магнитным валом и фотоцилиндром – здесь он притянется к проэкспонированным участкам, а от заряженных оттолкнется. Так изображение становится уже более видимым.

Перенос

Чтобы изображение появилось уже на бумаге, в дело вступает ролик переноса, в металлическую сердцевину которого притягивается положительный заряд – он переносится на бумагу благодаря специальному прорезиненному покрытию.

Итак, частички отрываются от барабана и начинают перемещаться на страницу. Но удерживаются они здесь пока только из-за статического напряжения. Образно говоря, тонер просто насыпается там, где нужно.

Вместе с тонером могут попасть пыль и ворсинки бумаги, но они снимаются вайпером (специальной пластиной) и отправляются прямиком в отсек отходов на бункере. После полного круга барабана процесс повторяется.

Закрепление изображения

Для этого используется свойство тонера расплавляться при высоких температурах.  Конструктивно это в этом оказывают помощь два следующих вала:

• в верхнем расположен нагревательный элемент;
• в нижнем в бумагу вдавливается расплавленный тонер.

Иногда подобная «печка» представляет собой термопленку – специальный гибкий и термостойкий материал с нагревательной составляющей и прижимным роликом. Её нагрев контролируется датчиком. Как раз в момент прохода между пленкой и прижимной частью бумага и разогревается до 200 градусов, что позволяет ей легко впитать в себя ставшим жидким тонер.

Дальнейшее остывание идет естественным образом – в лазерных принтерах обычно не требуется установка дополнительной охлаждающей системы. Однако здесь еще раз проходит специальный очиститель – обычно его роль исполняет фетровый вал.

История

Лазерный принтер Kyocera FS-1110

В 1938 году студент юридического факультета Честер Карлсон получил первое ксерографическое изображение, технология которого заключалась в использовании статического электричества для переноса тонера (сухих чернил) на бумагу. Это стало результатом многолетней работы по отказу от существующих мимеографов и избавлению от них дороговизны получаемых отпечатков. Однако только восемь лет спустя, после получения отказа от IBM и Корпуса связи США, в 1946 году Карлсон смог найти компанию, которая согласилась бы производить электростатические копировальные аппараты, которые он изобрел. Эта компания называлась Haloid Company, которая позже была переименована в Xerox Corporation.

Первое устройство Xerox появилось на рынке в 1949 году как модель A. Это громоздкое и сложное устройство требовало ряда ручных действий, чтобы сделать копию документа. А всего десять лет спустя был выпущен полностью автоматический ксерограф: Xerox 914, способный производить 7 копий в минуту. Эта модель стала прототипом всех появившихся позже копиров и лазерных принтеров.

Xerox начала работу над лазерными принтерами в 1969 году. Успех был достигнут в 1978 году сотрудником Гэри Старквезером, который смог добавить лазерный луч к существующей технологии копировальных аппаратов Xerox, создав таким образом первый лазерный принтер. Полнодуплексный Xerox 9700 может печатать 120 страниц в минуту (кстати, это по-прежнему самый быстрый лазерный принтер в мире). Однако размеры устройства были просто огромными, а цена в 350 000 долларов (без поправки на тогдашний курс обмена) не соответствовала идее «принтер в каждом доме».

В начале 1980-х годов спрос на устройства, превосходящие существующие матричные принтеры по качеству печати, достиг критического уровня. В 1979 году последовало предложение Canon о выпуске первого настольного лазерного принтера LBP-10. В следующем году компания в частном порядке представила новый LBP-CX калифорнийским компаниям Apple, Diablo Systems и HP.

В то время Canon нуждался в сильных партнерах для продвижения своей продукции на новом для компании рынке, поскольку у компании были сильные позиции в области фотоаппаратов и офисных решений (самих копиров), но не было соединений, необходимых для эффективной работы продажи на рынке устройств обработки данных. Первоначально Canon обратилась к Diablo Systems, подразделению Xerox Corporation. Это было очевидно и логично, поскольку Diablo принадлежала большая часть рынка лепестковых принтеров, а ее поставщики выражали желание разместить логотип Diablo на продукции других производителей. Это сделало Xerox первой компанией, попросившей продать систему CX с контроллером Canon.

Однако Xerox отклонила это предложение, потому что вместе с японской Fuji-Xerox она разрабатывала устройство, призванное стать лучшим настольным лазерным принтером на рынке. Но хотя новый 4045 был одновременно копиром и лазерным принтером, он весил около 50 килограммов, стоил вдвое больше CX, не имел сменного картриджа с тонером и не предлагал наилучшего качества печати. Позже бывшие маркетологи Diablo признали, что потеря предложения Canon было большой ошибкой и что следующим принтером HP LaserJet мог стать Xerox LaserJet.

В любом случае, после того как Diablo отклонил предложение Canon во Фремонте, последний проехал несколько километров, чтобы посетить офисы HP в Пало-Альто и Apple Computer в Купертино. Hewlett-Packard была вторым логичным выбором, поскольку она тесно сотрудничала с Diablo и располагала довольно широким ассортиментом точечных и лепестковых матричных принтеров.

Canon и HP объединились для выпуска принтеров HP LaserJet, способных печатать 8 страниц в минуту в 1984 году. Их продажи быстро росли, и в 1985 году Hewlett-Packard захватила почти весь рынок настольных лазерных принтеров. Следует отметить, что, как и в случае со струйными принтерами, новые устройства стали по-настоящему доступными только после разработки для них сменных картриджей с тонером (в данном случае разработчиком выступила Hewlett-Packard).

В то же время проблемы снижения стоимости новых и использованных картриджей для рециклинга, количество которых стало указывать на экологические проблемы, породили целую отрасль перерабатывающей промышленности, датой рождения которой можно считать 1986 год.

Как устроен картридж

Определяющим звеном в работе лазерного принтера является картридж. Он представляет собой небольшой бункер с двумя отсеками – для рабочего тонера и для уже отработанного материала. Также здесь находится светочувствительный барабан (фотоцилиндр) и механические шестеренки для его проворачивания.

Сам тонер представляет собой порошок мелкодиспенсерного вида, который состоит из полимерных шариков – они покрыты специальным слоем магнитного материала. Если речь идет о цветном тонере, то в его состав дополнительно входят еще и красящие вещества.

Вот почему ни в коем случае нельзя заправлять картриджи случайными тонерами – это может негативно сказаться на его работоспособности.

Процесс лазерной печати

Не все до конца понимают из курсов информатики принцип печати лазерных принтеров. Струйные устройства работают по упрощенной схеме, поэтому по ним особых вопросов не возникает. Как же происходит процесс лазерной печати?

1. Сначала заряжается фотопроводящий вал. По его поверхности равномерно распределяется электрический заряд посредством вращения ролика. Система с вращающимся стержнем снижает напряжение и уменьшает количество выделяемого озона.
2. Производится сканирование лазером. В этот момент заряженная поверхность вала проходит под световым лучом. Лазер попадает только на те места, куда в дальнейшем будет наноситься красящее вещество.
3. Осуществляется наложение тонера. Ролик, имеющий отрицательный заряд, передает его тонеру. Краситель из бункера притягивается непосредственно к магнитному валу, после чего входит в контакт с фотопроводящим элементом в тех зонах, где остался отрицательный заряд.
4. На переносной ролик, контактирующий с твердым носителем, подается уже не отрицательный, а положительный заряд. Частички красящего вещества попадают на поверхность бумаги за счет электростатического воздействия.
5. Тонер, распределенный по носителю, закрепляется посредством нагрева и создаваемого давления. Термическая камера представляет собой два вала, между которыми движется бумага. Температура контролируется при помощи специального датчика. Красящее вещество расплавляется и внедряется в текстуру бумаги.

Как работает цветной принтер

Принцип печати цветного принтера не имеет существенных отличий от работы монохромного. Разница состоит лишь в том, что нанесение красителя для получения цветного изображения делается отдельно каждым картриджем. По количеству проходов есть одно- и многопроходные аппараты.

В многопроходном предусмотрен специальный вал или лента. За один оборот фотобарабана наносится один цвет. Количество оборотов равняется количеству используемых цветов, за счёт этого увеличивается общее время нанесения изображения на бумагу. В однопроходном устройстве изображение прорисовывается сразу всеми цветами. Для этого каждый картридж дополнен собственной лазерной системой и переносным роликом. Такой принтер печатает быстрее многопроходного, но стоит дороже.

Цветной лазерный принтер имеет свои достоинства и недостатки. В сравнении со струйником он печатает быстрее, но качество полученного изображения будет несколько ниже из-за того, что сухой краситель хуже передаёт тона. Для печати графиков и диаграмм достаточно и такой цветопередачи, поэтому цветные принтеры покупают в основном для офисов. Для дома покупается реже из-за высокой стоимости как самого аппарата, так и обслуживания.

Другие средства

“Литография”

Современная полиграфия использует не только новомодные методы, но и старинные технологии плоской печати. Способ заключается в нанесении на литографский камень рисунка специальным карандашом, который наделяет контур изображения водоотталкивающими свойствами. После удаления рисунка по поверхности камня прокатывают валик с краской, которая пристает только к обработанным карандашом местам. В завершение форму закрепляют в специальном станке и получают оттиск под давлением. Вместо камня могут применять другие материалы: бумагу, цинк, алюминий. Метод используется художниками и типографиями (выпуск афиш, карт, упаковок, книг).

“Флексография”

Рассматривая, какие технологии высокой печати бывают в современной полиграфии, нельзя не упомянуть флексографию. Изображение наносится прямым методом с помощью гибкой рельефной формы из фотополимерного сырья или резины, выпуклые части которой предварительно окрашиваются анилоксовым валиком. Чернила подбираются быстросохнущие и текучие. Такая конструкция позволяет применять множество материалов для основы, особенно широко флексография используется для производства упаковок и этикеток. У метода имеется недостаток — не передает полноцветное изображение в таком качестве, как офсет.

“Тампопечать”

Разновидность технологии глубокой печати. Выручает при оформлении поверхностей, на которых остальные способы терпят фиаско: ручки, брелоки, зажигалки ит.п. Эластичный печатный элемент (тампон) прижимается к клише, вбирает краску со всех участков и переносит ее на основу, формируя изображение. Для подготовки клише могут использоваться любые виды печати полиграфической продукции, но чаще всего применяется глубокий метод, при котором пробелы возвышаются над углублениями с чернилами. Недостатками считаются малый формат изображения и невозможность использования сильно искривленной основы.

История возникновения лазерной печатной техники

Первый прототип лазерного принтера был изобретен 1938 году Честером Карлсоном, который на момент его изобретения учился на юридическом факультете и работал юристом в патентном бюро США. Первые отпечатанные при помощи статического электричества листы были получены в его домашней лаборатории. Сначала он пытался продать свою разработку IBM. Но те отказались покупать изобретение. Только в 1946 году его научной разработкой заинтересовалась частная компания Xerox. А в 1949 году на рынке впервые появились принтеры, которые используют для печати сухие чернила.

Первые модели были очень громоздкими и требовали определенного уровня подготовки от операторов. Через десять лет после первого выпуска промышленной модели появились более компактные и удобные аппараты. Модель носила название Xerox 914. Она печатала со скоростью 7 листов в минуту, что на тот момент считалось очень высоким показателем. При этом качество изображение было значительно выше, чем у популярных тогда матричных принтеров.

Первый лазерный принтер появился в 1969 году все у той же Xerox. В 1978 году одному из сотрудников компании, Гэри Старкуезеру, удалось изобрести лазер и установить его в аппарат. Это было первое устройство лазерного принтера. Однако первая модель получилась слишком дорогой. Цена аппарата составляла около 350 000 долларов.

Такая разница возникла потому, что разные компании использовали собственные разработки, которые считались секретом фирмы. Тогда было мало известно, что такое представляет собой лазерный принтер, как он устроен, но были известны принципы, по которым он должен работать. При выборе тонера для заполнения картриджа это надо учитывать!

Так как спрос на лазерные принтеры в начале 80-х годов вырос, то появились другие компании, которые хотели заработать на этом рынке. Первая доступная модель аппарата была выпущена компанией Cannon. Xerox со временем утратили свои позиции и ушла с рынка. Сегодня в магазинах оргтехники можно увидеть лазерные принтеры самых разных брендов. Появились различные модели, но устройство и принцип работы лазерного принтера остался прежний.

Сравнительный обзор лазерных и струйных принтеров

Чтобы принтер оправдал возложенные на него ожидания, необходимо четко понимать, для каких целей он приобретается. Планируете ли вы печатать фотографии, печатные материалы или рефераты? Вам нужно устройство для офиса или для дома? Будет ли принтер использоваться часто или с простоями? Отвечая на эти вопросы, вы с большей вероятностью сделаете рациональный выбор. Найти печатающее устройство для узкоспециализированных задач проще, чем искать универсальное устройство «на все случаи жизни».

Сравнение струйных и лазерных принтеров

Критерий оценки	Струйные принтеры	Лазерные принтеры
Среднее разрешение, dpi	720	1200
Цветопередача	высокий	средний (подлежит калибровке)
Ресурс картриджа при 5% заполнении одной страницы, листов	2000–3000	400-500
Плотность бумаги, г / см2: оптимальная / максимальная	80-90 / 230-300	80-90 / 160-200
Цена, $ Монохромный	от 40	от 135
Цена, $ цветная	от 100	от 350
Средняя стоимость заправки картриджа, $	от 5	от 10
Количество отпечатков, шт. / Мин.	7-10	15-20
Энергопотребление в рабочем режиме, кВт	15	500
Потребляемая мощность в спящем режиме, кВт	5	100
Стоимость печати	высокий	низкий
Продолжительность печати: к УФ-лучам; к влажности; к удару мех.	в среднем низкий высокий	высокий высокий в среднем
Уровень шума	короткая	в среднем
Экологическая совместимость	чернила испаряются в воздухе	загрязнение воздуха озоном и мелкими частицами тонера
Устойчивый к простоям	низкий (чернила быстро сохнут в картриджах)	высокая (тонер может только слеживаться, картридж хорошо встряхнуть)

Вышеуказанные параметры нельзя считать истиной в последней инстанции. Многие цифры могут сильно отличаться в зависимости от модели принтера. Преимущества струйных принтеров:

• низкая цена;
• идеальная цветопередача;
• компактный размер.

Что касается недостатков, то к ним можно отнести необходимость частой замены расходных материалов, стоимость которых со временем превышает первоначальную цену принтера. Это не касается устройств с СНПЧ — их обслуживание в 2 раза дешевле, чем обслуживание лазера.

Плюсы и минусы цветных и монохромных лазерных принтеров

Индикаторы	Монохромный принтер	Цветной принтер
Преимущества	высокая скорость печати; бесперебойная работа при больших нагрузках; низкая стоимость страницы.	высокая скорость печати; печать изображений, цветовых сочетаний
Недостатки		высокая цена они не подходят для печати фотографий. высокое потребление энергии

Общие выводы таковы: струйные устройства незаменимы для печати цветных фотографий высокого качества и для домашнего использования. Если высокоскоростная печать в больших объемах стоит на первом месте в вашем списке приоритетов, покупка лазерного принтера — разумное решение.

Заряд фотобарабана

Фотобарабан

Печатающий барабан (Optical Photoconductor, OPC) – это металлический цилиндр, покрытый фоточувствительным полупроводником, на котором формируется изображение для последующей печати. Вначале OPC снабжается зарядом (положительным или отрицательным). Сделать это можно одним из двух способов используя:

• коротрон (Corona Wire), или коронатор;
• ролик заряда (Primary Charge Roller, PCR), или заряжающий вал.

Коротрон представляет собой блок из проволоки и металлического каркаса вокруг нее.

Провод коронатора – это вольфрамовая нить с углеродным, золотым или платиновым покрытием. Под действием высокого напряжения между проволокой и каркасом возникает разряд, светящаяся ионизированная область (корона), создается электрическое поле, которое передает статический заряд фотобарабану.

Коротрон заряда Xerox 013R00650

Обычно в блок встраивается механизм, очищающий провод, так как его загрязнение сильно ухудшает качество печати. Использование коротрона имеет определенные недостатки: царапины, скопление пыли, частичек тонера на нити или ее изгиб может привести к усилению электрического поля в этом месте, резкому снижению качества распечаток, и, возможно, повреждению поверхности барабана.

Решением этих проблем стал

или, представляющий собой металлический вал, покрытый токопроводящей резиной или поролоном. Соприкасаясь с OPC, он снабжает зарядом фоточувствительную поверхность барабана. При этом напряжение на ролике гораздо ниже, что решило проблему с образованием озона, но для передачи заряда необходимо соприкосновение, следовательно, детали изнашиваются быстрее. Кроме того, поверхность вала заряда необходимо чистить.

Классификация драйверов

На данный момент существует два основных типа драйверов, которые можно подключить к нашему полупроводнику:

импульсный драйвер. Представляет собой частный случай преобразователя напряжения импульсного характера. Он может быть как понижающим, так и повышающим. У них входная мощность приблизительно равна выходной. При этом имеется незначительное преобразование энергии в тепло. Упрощенная схема импульсного драйвера имеет следующий вид;

Упрощенная схема импульсного драйвера

линейный драйвер. На такой драйвер схема обычно подает больше напряжения, чем требует полупроводник. Для его гашения необходим транзистор, который лишнюю энергию будет выделять с теплом. Такой драйвер имеет небольшой КПД, в связи с чем его используют крайне редко.

Схема линейного драйвера

В связи с тем, что питание любого лазерного диода может осуществляться через два разных типа драйверов, то схема подключения будет различаться.

Второй этап: экспонирование

Цель данного этапа заключается в формировании на поверхности фотобарабана с повышенной светочувствительностью невидимого изображения из точек, причем без использования статического заряда. Для этого тонкий луч лазера светит на зеркало четырех- или шестигранной формы, после чего отражается и попадает на т.н. распределяющуюся линзу. Он отправляет его на конкретное место на поверхности барабана. Далее система, состоящая из нескольких линз и зеркал, перемещает лазерный луч вдоль фотовала, в результате чего формируется строка. Т.к. печать осуществляется при помощи точек, то лазер постоянно включается и выключается. Заряд при этом также снимается точечным образом. После того как строка подходит к концу, фотовал начинает поворачиваться с помощью пошагового двигателя и процедура экспонирования продолжается.

История создания

Метод переноса сухого красителя на бумагу был запатентован в 1938 г. изобретателем и физиком из США Честером Карлсоном. Способ базировался на применении статической электрической энергии. Технологию через 10 лет взяла на вооружение компания Xerox. Ещё 10 лет ушло на доработку метода электрографического переноса и на изобретение аппарата, который бы мог в автоматическом режиме выводить информацию на бумажный носитель. Сначала машина была громоздкой, и некоторые операции приходилось выполнять вручную. Только в 50-х гг. был создан полностью автоматизированный механизм, являющийся прообразом современной лазерной техники для печати.

Лазерный луч был добавлен в конструкцию принтера компанией Xerox в 1969 г., а в продажу первый принтер поступил в 1977 г. Это была модель Xerox 9700. Купить инновационное устройство могли только крупные компании и офисы, поскольку цена превышала 300 тыс. у.е. Скорость первой печатающей техники была 120 страниц в минуту, она могла делать двустороннюю печать. Для обычных частных пользователей принтеры стали доступными спустя 5 лет. Их начала выпускать компания Canon. Дальше количество производителей и новых моделей печатающей аппаратуры с каждым годом стремительно увеличивалось.