Тема 4.5. Принцип электростатической фотографии

В основе работы как копировального аппарата, так и лазерного принтера лежит процесс сухой ксерографии (лат. xeros – сухой и graphos – писать), который, в свою очередь, базируется на технологии электростатической фотографии. Технология электростатической фотографии использует способность некоторых полупроводников уменьшать свое удельное сопротивление под действием света. Такие полупроводники называются фотопроводниками и используются для изготовления фоторецепторов. Свойства и характеристики фотопроводников приводятся в расширяющем блоке данной темы.

Рассмотрим ключевые этапы процесса ксерографии, а далее особенности устройства копировальных аппаратов, лазерных и светодиодных принтеров.

Первый этап ксерографии – зарядка фоторецептора

Зарядка фоторецептора – это процесс нанесения равномерного заряда определенной величины на поверхность фоторецептора. Зарядка производится специальным устройством, называемым коротроном. 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, в результате которого ионы накапливаются на поверхности фоторецептора. Коротрон служит источником характерного запаха озона, исходящего от копировального аппарата и лазерного принтера во время работы.

Второй этап – формирование электростатического изображения

После зарядки на фоторецептор подается изображение, которое в копировальных аппаратах освещается мощным источником света и проецируется через систему зеркал. В лазерных принтерах изображение "вырисовывается" тонким лазерным лучом, а в светодиодных принтерах (LED-принтеры) формируется светодиодной линейкой.

В копировальных аппаратах изображение со стекла экспонирования освещается лампой и через систему зеркал проецируется на фоторецептор. Те места на фоторецепторе, на которые падает отраженный от оригинала свет, теряют свой потенциал (свет наиболее интенсивен при отражении от белого фона). Таким образом, на фоторецепторе остается рисунок оригинала в виде заряженных участков, т.е. электростатическое изображение.

По способу формирования изображения аппараты можно разделить на аппараты с подвижным столом и аппараты с лампой-вспышкой, в которой весь оригинал освещается сразу. В первом случае оригинал вместе со стеклом экспонирования перемещается относительно источника света. Во втором дополнительно используется каретка и система зеркал, проецирующая изображение на фоторецептор (в таких аппаратах могут использоваться ленточные фоторецепторы, а не цилиндрические). В широкоформатных копировальных аппаратах используется протяжка оригинала относительно стекла экспонирования и источника света.

Третий этап – проявление

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). На рис. 4.5.1 показаны фотографии оригинального (слева) и неоригинального (справа) тонера при сильном увеличении.

Рисунок 4.5.1.

Возможны два варианта проявления – однокомпонентное и двухкомпонентное.

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 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. Магнитный 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, соответствующим электростатическому изображению.

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, в результате износа 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. В современных аппаратах этот процесс автоматический.

Однокомпонентное проявление обычно используется в аппаратах малого класса и лазерных принтерах. В этом случае требуется тонер другого состава, включающий помимо полимера и красителя частицы магнитного материала. Поэтому однокомпонентное проявление не предусматривает наличия носителя. Из бункера тонер попадает на магнитный вал. Над валом, на выходе из бункера располагается заряжающее лезвие (ракель), которое выполняет две функции: регулирует количество тонера, попадающего на вал, и заряжает частицы тонера соответствующим зарядом.

Трение частиц тонера о ракель 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.

Четвертый этап – перенос тонера на носитель

Перенос – процесс, при котором тонер переносится на бумагу.

Бумага проходит между коротроном переноса (вал переноса) и фоторецептором, на котором находится проявленное тонером изображение. 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.

Пятый этап – отделение

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 применяется коротрон отделения, обычно использующийся совместно с механическими средствами. Для отделения бумаги от фоторецептора на коротрон отделения подается переменное напряжение. Коротрон генерирует положительные и отрицательный ионы. Часть из них ослабляет силу притяжения бумаги к фоторецептору, а часть – обеспечивает прилипание тонера к бумаге.

Шестой этап – закрепление

После отделения носителя с тонером изображение, полученное на бумаге, может быть стерто практически любым механическим воздействием (например, легким трением). Для фиксации тонера на носителе используется механизм закрепления.

Существует несколько способов закрепления. Наиболее распространенный – термомеханический способ, при котором копия подвергается нагреву и механическому прижиму. В этом случае механизм закрепления носит название фьюзер (печка).

Седьмой этап – очистка

Очистка – это процесс удаления остатков тонера с фоторецептора после переноса на бумагу.

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. Возможно также удаление тонера мягкой щеткой, внутри которой устанавливается система вакуумной откачки. Последний этап очистки – удаление остаточного заряда, которое осуществляется с помощью либо источника света, либо коротрона, знак напряжения которого противоположен знаку заряда фоторецептора.

Общая схема процесса копирования приведена на рис. 4.5.2.

Рисунок 4.5.2.