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激光打印机原理技术及其PCB抄板与仿制克隆方法

   文章来源:Internet  发布时间:2009-09-01  访问量:3471

  激光打印机是由激光器、声光调制器、高频驱动、扫描器、同步器及光偏转器等组成,其 作用是把接口电路送来的二进制点阵信息调制在激光束上,之后扫描到感光体上。感光体与 照相机构组成电子照相转印系统,把射到感光鼓上的图文映像转印到打印纸上,其原理与复 印机相同。激光打印机是将激光扫描技术和电子显像技术相结合的非击打输出设备。它的机 型不 同,打印功能也有区别,但工作原理基本相同,都要经过:充电、曝光、显影、转印、消电 、清洁、定影七道工序,其中有五道工序是围绕感光鼓进行的。当把要打印的文本或图像输 入到计算机中,通过计算机软件对其进行预处理。然后由打印机驱动程序转换成打印机可以 识别的打印命令(打印机语言)送到高频驱动电路,以控制激光发射器的开与关,形成点阵 激光束,再经扫描转镜对电子显像系统中的感光鼓进行轴向扫描曝光,纵向扫描由感光鼓的自身旋转实现。
  激光打印机基本原理
  激光打印机工作过程所需的控制装置和部件的组成、设计结构、控制方法和采用的部件会因厂牌和机型不同而有所差别,如:
  ①对感光鼓充电的极性不同。
  ②感光鼓充电采用的部件不同。有的机型使用电极丝放电方式对感光鼓进行充电,有的机型使用充电胶辊(FCR)对感光鼓进 行充电。
  ③高压转印采用的部件有所不同。
  ④感光鼓曝光的形式不同。有的机型使用扫描镜 直接对感光鼓扫描曝光,有的机型使用扫描后的反射激光束对感光鼓进行曝光。
  不过他们的工作原理基本一样。由激光器发射出的激光束,经反射镜射入声光偏转调制器,与此同时,由计算机送来的二进制图文点阵信息,从接口送至字形发生器,形成所需字形的二进制脉冲信息,由同步器产生的信号控制9个高频振荡器,再经频率合成器及功率放大器加至声光调制器上,对由反射 镜射入的激光束进行调制。调制后的光束射入多面转镜,再经广角聚焦镜把光束聚焦后射至光导鼓(硒鼓)表面上,使角速度扫描变成线速度扫描,完成整个扫描过程。
  硒鼓表面先由充电极充电,使其获得一定电位,之后经载有图文映像信息的激光束的曝光,便在硒鼓的表面形成静电潜像,经过磁刷显影器显影,潜像即转变成可见的墨粉像,在 经过转印区时,在转印电极的电场作用下,墨粉便转印到普通纸上,最后经预热板及高温热 滚定影,即在纸上熔凝出文字及图像。在打印图文信息前,清洁辊把未转印走的墨粉清除 ,消电灯把鼓上残余电荷清除,再经清洁纸系统作彻底的清洁,即可进入新的一轮工作周期。
  激光器的工作
  产生激光的光源,和普通的光源明显不同。如普通白炽灯光源是通过电流加热钨丝的 原子到激发态,处于激发态的原子不断地自发辐射而发光。这种普通的光源具有很大的散射 性和漫射性,不能控制形成集中的光束,也就不能应用于激光打印机。激光打印机所需要的 激光光束必须具有以下特性:
  ①高方向性。发出的光束在一定的距离内没有散射和漫射。
  ②高单色性。纯白光由七色光组成。
  ③高亮度,有利于光束的集中并带有很高的物理能量。
  ④高相干性,容易叠加和分离。 激光器是激光扫描系统的光源,具有方向性好、单色性强、相干性高及能量集中、便于 调制和偏转的特点。 早期生产的激光打印机多采用氦-氖(He-Ne)气体激光器,其波长为632.8nm,其特点是 输出功率较高、体积大、是寿命长(一般大于1万小时) 性能可靠,噪音低,输出功率大。但是因为体积太大,现在基本已淘汰。现代激光打印机都 采用半导体激光器,常见的是镓砷-镓铝砷(CaAs-CaAlAs)系列,所发射出的激光束波长一 般为近红外光(λ=780nm),可与感光硒鼓的波长灵敏度特性相匹配。半导体激光器体积 小、成本低,可直接进行内部调制,是轻便型台式激光打印机的光源。
  激光扫描是用来产生非常小的高精度光点,用于高质量的文字及图像的印刷,常用的激 光扫描系统工作原理是:在工作物质两端设置两块相互平行的反射镜(栅极),这两块反射 镜之间构成了一个谐振腔。谐振腔的一块反射镜为全反射镜,另一块为半反射镜,当工作物 质受激,原子自发辐射的光子在谐振腔内不断地来回反射,辐射出的光子不断增加。当谐振 腔内叠加的光子增加到一定量时,就会穿透半反射的反射镜面发出一束非常强的光,这就是 激光。这样发出的光束非常集中,几乎没有散射,只要我们利用控制技术将光波波长控制在 700~900nm(纳米),这样所产生的激光就可以满足激光打印机感光鼓的曝光需要。
  现代所用的半导体激光器,通常采用激光二极管,它的原理与普通的二极管极为相似, 如都有一对PN结,当电压和电流加到激光二极管上时,P型半导体材料中的空穴和N型材料中 的自由电子产生相对运动, PN结处载流子的密度增加非常大,自由电子和空穴重新复合, 因而产生受激辐射,释放出具有激光特性的光子,由激光器谐振腔内的反射镜反射,透过激 光孔和孔内聚焦镜,射出激光束。
  从激光的产生可以看出,一条激光束只包括一种主要波长的光线,它是单色的。每一 条光线都沿一个方向传播,以相互叠加的方式结合,我们称之为"相干性"。这个特性使激 光以一条极细的光束射到一个靶上,而几乎没有散射。而每条激光束就像枪膛里射出的子弹 ,每颗子弹只能在靶上打一个孔。如果要打出一个"一"字,就要射出很多的子弹,沿"一 "字方向打出很多的孔,形成一个"一"字点的横向排列,这就是我们所说的"点阵排列" ,是后面要讲"点阵图像"的技术基础。
  激光打印机的图文信息,亦是由点阵组成。印刷质量要求越高,组成一个字符的点阵亦 越多。激光扫描的点阵形成有四种方法。单线扫描:将一行字符的每一行的点阵信息,送至扫描器中进行扫描,称为单线扫描。多线顺序偏转扫描:高频信号发生器依次产生 9个不同的频率,依据布雷格衍射原理,它们在偏转调制器中会产生9条偏转角不同的扫描线 ,接着转镜旋转一个微小角度,扫描出从左至右的点阵信息。由于这种方法只需转镜转过一个微小的角度,它相当于单线扫描方法的1/132,即可形成1个字,故又称小光栅扫描。 多线同时偏转扫描:是指在高频驱动电路中同时产生9个不同的频率,经合成后送至偏转 调制器中。多线同时偏转多次扫描:这种方法与多线同时偏转扫描属同一类,只是从1个字 符的形成上有所区别。即在扫描高点阵字符时,一个完整的字符是分成多次扫描完成的。 图形信息的点阵形成与字符的点阵形成基本相似。
  激光打印机感光鼓的工作原理和结构
  感光鼓是激光打印机的核心部件。它是一个光敏器件,主要用光导材料制成。它的基本工作原理就是"光电转换"的过程。它在激光打印机中作为消耗材料使用,而且它的价格也较为昂贵。 光敏半导体有半导体的共性,如受热激发,掺杂后改变电导率等。此外,它还具有其 他半导体不具有的"光导电"特性。 光敏半导体受光照射后,它的电导率可以上升几个数量级。从能带上讲,它的价带中 的电子吸收了光的能量后,跃入导带,产生电子-空穴对。这种由光照产生的电子-空穴对, 称为"光生载流子"。光敏半导体内产生的"光生载流子"增多,它的电导率就上升。这种 受光照射后提高的电导率称为"本征光电导率"。 实际应用中,光敏半导体材料需经过掺杂后,才能制成激光器使用的半导体材料。所 以除了有本征光电导率外,还必须具有光激发杂质能级上的电子或空穴形成的杂质光电导率 的性质。在有些光敏半导体中,"杂质光电导率"起主要作用。
  光敏半导体受光照射后,会不同程度地改变物体内的"载流子迁移率"(迁移率是载流 子的迁移速度与外电场的比值)。标志物体的导电能力的"电导",等于载流子密度乘以迁 移率。迁移率上升,电导提高,电导率由本征光电导率、杂质光电导率和迁移率的值共同决 定,只是在某种条件下便以其中的某种因素为主罢了。
  实际应用的各种光导体对光的敏感程度都不一样。光导体的电导率与它对光的敏感程 度成正比。所以光感对光导体的导电性影响很大。光导体对光的光感度是不一样的。某一种光导体,只对某一区域光谱的光的光感度高, 离开了这一区域,则可能丧失光感度。
  光敏半导体在与它适用的光波长范围内,会对光形成一个吸收峰值。在这个峰值范围 内光电导效果最佳。它还与光的照度有关系。照度越高,产生的载流子越多,光电导率就越 高。然而每种光导体的特性各异,所以在相同条件下,达到相同的光电导率指标所需要的照 度是不同的。
  目前感光鼓常用的光导材料有硫化镉(CdS)、硒-砷(Se-As)。有机光导材料(opc)等几种。制作感光鼓用的光导材料, 应具备以下特性:
  ①耐磨性好。光导体表面要有一定的硬度,要能承受显影转印和清洁过程 中的机械磨损。如果感光鼓(光导体)被磨损或划伤,将导致打印质量的下降或破坏感光鼓 ,磨损严重时只有报废。在实际的工作中,因磨损、划伤而报废的感光鼓最多。现在一种新 型的长寿命的陶瓷感光鼓(a-Si)已经得到了应用,可打印30万张以上。
  ②温度稳定性好 。光导体的性能容易受温度的影响,所以,在激光打印机性能中特别强调使用环境要有 合适的温度与湿度,否则会影响打印质量。
  ③光电导性好。 光电导性是感光鼓的重要指标,它直接影响到打印质量的好坏。因为感光鼓连续工作 在充电、放电的循环过程中,要求充电时电位上升快,表面饱和电位比应用电位要高;否则 ,初始电位上不去,也将影响打印质量。充电后的感光鼓暗衰减要小,否则保持不往表面电 位,不能形成必要的电位差潜像。感光鼓曝光后放电要快,即光衰迅速。放电越彻底越好 。因为剩余电位的多少,既影响潜像的反差,又会带来打印品的"底灰"。
  ④耐疲劳。感光鼓在使用的过程中,打印机要对其进行反复充电,因而要具有良好的耐疲 劳性能,在规定的寿命时间内,打印质量不能因连续使用而下降。感光鼓的光导特性稳定性 要好,应满足连续使用的要求。
  激光打印机使用的感光鼓,一般为三层结构。第一层是铝合金圆筒(导电层),第二层是 在圆筒表面上采用真空蒸镀的方法,镀上一层 光导体材料(光导层),第三层是在光导材料的外面再镀一层绝缘材料(绝缘层)。有的感光鼓为了更好地释放电荷,在光导层与铝合金导电层中间,加镀一层超导材料, 以使电荷更迅速地释放。
  感光鼓表面的绝缘层,一是为提高耐磨性能,增加使用寿命;二是为光导层提供保护, 防止光导体的磨损,保持光导体的光电导特性。
  导电层铝合金筒与激光打印机的地线相连,使曝光后的电位迅速释放。它是一个精度非常高的圆筒,在运转的过程中,能保持匀速运转及保持均匀电荷。
  激光打印机数据转译与传递
  (1)数据转译:要打印完整的文字、图像,除激光打印机本身的功能外,还必须通过计 算机把要打印 内容,即文字或图像用文字处理软件或图形处理软件,编辑成具有一定格式的计算机语言。 其描述的内容都是由计算机编辑软件决定,与激光打印机没有任何关系。当我们选定了打印 机命令,并按下确定打印按钮后,计算机把编辑好的数据通过打印机接口传送给打印机,由打印机驱动程序把打印的内容进行解释,并转换成打印机可以识别的语言(也叫打印机语 言),由打印机按照自己的语言打印出已经编辑好的文字或图像。
  不同型号的激光打印机,打印语言不同,所使用的驱动程序也不同。当然也有可兼容 的打印机驱动程序。现在生产的激光打印机,普遍采用标准打印语言PCL5或PCL6语言。
  (2)数据传送:打印机与计算机之间的通讯传送端口有很多种,比较常见的是"串口" 或"并口"。EP P/ECP(Enhanced ParalleI Port/Extended Capabilities Port)称为增强型/扩展型并口。"串口"由于速度较慢,一般很少采用。其他如SCSI接口,因速度快,大都用在较 高档的打印机上。还有的打印机采用视频接口(VDO)方式与计算机通讯,通讯方式与其他 接口不同,它传送的不是数据,而是激光束流,速度更快。它的数据是由另外一块"视频转 换卡"来完成,但因它与计算机共亨内存,要求计算机有足够的缓存空间。一般印刷排版行 业采用此种接口的打印机较多。有的高档打印机带有多种接口,可同时接多台计算机。现在 生产的很多打印机配备速度更快的USB接口。
  当打印控制器从计算机接收数据之后,打印机一般采取两种工作方式:一种是把数据 直接送给解释器执行打印,称为"段工作方式",这种方式工作的打印机不需要很多的缓存 和内存,普通型的打印机多采用此种工作方式。另一种是把传输的数据存储在打印机内部的 硬盘中,待使用时可随时打印出来,也称为"池工作方式",很多高档打印机使用这种工作 方式。它的优点是当许多用户共享一台打印机时,可同时发出打印命令而不必等待,并可节省数据通讯传输的等待时间,但其价格也较贵。
  激光打印机光栅或点阵潜像的生成
  激光打印机打印出的文字或图像,如果在放大镜下观察,就会发现文字或图像是由很多的 白点和黑点组成(也叫点阵图形),与普通的点阵式打印效果相似。前者是通过控制激光 束的开与关实现点阵排列,而后者则是通过打印针击打来实现点阵排列。
  光栅图像是一种视频数字图像,需要打印机中的光栅转换器把视频数据进行光栅化处 理,转换成打印机使用的点阵图像打印,所谓光栅图像是由独立的点所组成的图像。如报纸 上印的或电视屏幕上显示的图像就是光栅图像。
  激光打印机的点阵排列是由二进制数据组成的方阵控制,每个点对应一个二进制数位, 由运算控制器控制激光器向感光鼓表面射出一束激光,称为"曝光",被曝光的"点" 称为"像素点"。要打印一个文字或一幅图像,需要很多的"像素点"组成。因此,单位面 积内像素点的数目越多,打印的分辨率就越高。如果一个激光扫描装置,沿感光鼓轴向水平 表面,射出每英寸300个点,并且感光鼓由主电机带动按照1/300分匀速旋转,那么,激光 打印机就能以每平方英寸300×300DPI的分辨率打印出文字或图像。现在,高档的激光打 印机的输出精度可以达到2400DPI。由像素点形成点阵图像,还要经过声光调制器、高频驱 动器、扫描器同步器和光学系统共同完成。
  激光打印机的声光调制器
  大家知道,电视机接收到的图像和声音是由电视台将声光信号调制为电信号发射出来 的。电视机接收到电信号再经过解调,还原成图像和声音。激光打印机激光器射出的光束 也载有数据信息,这些信息的转换过程也类似于电视机信息传递过程。只是此过程是由声光 调制器转换的。声光调制器的调制频率可达30MHz左右,特性稳定,因此大多数的激光打 印机都采用这种调制器。声光调制器的工作原理是利用声光效应所产生的布雷格衍射的特 点,实现对激光束传播方向的控制。激光束欲完成图文信息的映像任务,必须用图文信息进 行调制,恰如电视台将图像及声音信号调制到无线电波上去,方能在电视机中解调出图像与 声音信号一样。声光调制器的工作原理,是利用声光效应产生布雷格衍射,若在玻璃及晶体 等超声媒质中产生超声波,便将引起周期性的折射率变化,而成为相位型衍射栅,光栅常数 等于超声波波长,当激光束射到超声媒质中时,激光束即产生衍射,衍射光的强度及方向会 随超声波的频率及强度而变化,即为声光效应。
  当向玻璃或晶体发射超声波而产生反射,由入射角折射的光线传播而形成相位变化的衍射光 栅,光栅常数等于超声波的波长λ。如果激光束射入超声媒体中,激光束就会产生衍射,衍 射光的强度和方向随超声波的频率和强度的变化而变化,这就是声光效应。根据波干涉的加 强条件,入射光和衍射光的方向满足布雷格方程:
  θi=θd=θB
  sinθB=λ/2A=λf/2v (v=fA)
  式中:θi:入射光与超声波面的夹角;λ:光在介质中的波长;θd: 衍射光与超声波面的夹角;A:超声波波长;θB:布雷格角;f:超声波频率。 θB很小时,sinθB≈θd,则方程可简化为:θi=θd=θB=λf/2v,当衍射光和入射光的夹角为α时,则:α=θi+θd=2θB=λf/v。 式中α为偏转角,它与超声波的频率成正比。改变超声波频率f,就可以改变偏转角α,从而达到控制激光束方向的目的。
  按布雷格衍射理论,当超声波维持一种频率的高频信号时,入射的激光束除产生一条0 级光外,还产生一条1级衍射光。0级光控制同步器和高频信号的起停,1级衍射光对感光 鼓曝光形成像素点。
  激光打印机的扫描器
  要使经过声光调制器后的激光束在感光鼓上产生文字或图像,激光束需要完成横向 和纵向两个方向的运动,不能依靠激光器运动来实现,因为由光电器件运动而带来的振动会 影响激光束的精度。所以激光打印机的激光器采用固定式结构,而由一个多面旋转的反射镜 来完成激光束横向扫描,依靠感光鼓的旋转实现纵向扫描。
  欲使经调制后的激光束在感光硒鼓上产生文字与图像,尚应完成横向(沿打印纸行的方向)及纵向两个方向运动。纵向运动是依靠硒鼓的旋转来完成,而光束的横向运动则由扫描 器来完成。按工作方式扫描器分声光式、电光式、检流计式及转镜式等。鉴于转镜式扫描 器有扫描角度大、分辨率高、光能损耗小及结构简单等优点,而被广泛用于激光打印机中。 为了减少多面镜旋转时产生的非线性误差,转镜的几何精度的误差及转镜驱动电动机转 速不稳等,引起的纵向间距和字符的轨迹不均匀等缺点,一般在扫描器中还装有一个同步信 号传感器。此传感器是使用布雷格衍射产生的0级光,不产生偏转,从而经多面转镜反射 后具有照射位置固定的特点,将其作为同步信号,用来控制高频信号发生器的起停,可保证 扫描间距一致,消除上述误差。
  为使扫描器产生的扫描光束集成规定的大小,并在感光鼓上进行匀速直线运动,应采用较 好的光路系统。光路系统根据透镜处于扫描器的前后位置,分物镜前/后型两种形式,由 于物镜后型在扫描较大图形时失真严重,很少采用。物镜前型扫描线较直,但亦有失真,由 于后来生产的激光打印机中,采用多个透镜组合在一起的广角聚焦镜,焦距为300mm,多面 转镜的物距为37mm,失真度仅为0.0011%,已能完全满足激光成像的要求。
  激光打印机用的多棱扫描器(镜),一般有二面镜、四面镜、六面镜三种,由扫描电机 带动旋转,完成横向的扫描运动。它是保证激光打印机打印精度的关键部件。 扫描器完成横向扫描的原理为: 我们设定MN为扫描器的一个镜面。当入射激光束射到MN面的A点上时,若入射角 为θ?i,则反射光束以反射角θ?d反射出来,θ?i=θ?d,当MN转过一个角度φ,而入射光束方向不变,则反射光束转过2φ,也就是反射光束以MN的两倍角旋转。如果P为反射光 点在感光鼓的一端,而P1为反射光点,在感光鼓的另一端就完成了对感光鼓的横向扫描, 当然扫描器的旋转速度是极快的,所以P~P?1之间也形成很多的反射激光束点。 当主电机带动感光鼓旋转,同时也完成纵向扫描的反射激光束点,就这样最终完成文 字或图像的点阵排列。
  激光打印机的同步器
  扫描器在扫描电机的带动下飞速旋转,由于扫描电机旋转时产生的非线性失真及扫描 器几何精度的误差,会引起纵向间距和字符轨迹不均匀。在扫描系统中,装有一个同步信号 传感器,同步传感器利用布雷格衍射产生的0级光不发生偏转的性质,经过扫描器(镜)反 射后,照射同步传感器的吸收窗转换为同步信号,用它来控制高频信号发生器的起停,从而 保证扫描问距的一致,消除误差。
  激光打印机的光学系统
  为使扫描器反射产生的激光束,聚集形成规定大小的光点,消除光束传播过程中的漫 射,需要用一组光学透镜对光束进行调制,提高扫描精度。它包括:弧面透镜、球面透镜、 反射镜。这组透镜只有将激光束校正失真度为0.1‰,才能满足激光成像的技术要求。
  激光打印机的电子显像系统
  激光打印机是精密的机械系统,它利用光、电、热的物理、化学原理通过相互作用输 出文字或图像,这些复杂的过程都由一个电子控制系统来实现,称为电子显像系统。 "静电成像"的理论是美国人卡尔逊首先提出的,因此也称为卡尔逊法。或称为放电 成像法。基本过程可分为充电、曝光、显影、转印、定影、清洁、消电7个步骤,其中5个 步骤是围绕电子显像系统进行的。
  激光打印机的充电
  感光鼓表面光导体材料在不见光的情况下为绝缘体,呈中性状态,不带有任何电荷。 要实现在光导体表面的"静电潜像",必须在光导体表面进行充电,使之荷电。只有这样, 当激光束扫描到光导体上时,光导体被曝光的点导通,形成光束点阵。点阵电荷与基体导通 形成"电位差潜像",当感光鼓旋转到与显影磁辊相切位置时,把磁辊上载有与光导体表面 电荷属性相反的墨粉吸引到感光鼓表面,从而在感光鼓上显现出墨粉图像。
  欲使感光鼓能按照图文信息吸附上碳粉,应先对硒鼓进行充电,充电电极是一根与感光 鼓轴平行的钨丝,其上带有5~7kV的直流高压,当硒鼓表面与钨丝非常接近时,周围的空气 被电离产生电晕放电,使感光鼓带上了电荷。电压的正负由钨丝所带的电压决定,若光导材 料为硒碲合金时,则充正电,感光鼓旋转一周后使整个表面均被充电。
  激光打印机对感光鼓充电的方法,因机型不同而采用的具体充电方法也有不同,但充 电原理基本一致,都是采用直流高压的电晕放电对感光鼓表面充电。
  早期生产的激光打印机采用电极丝及栅网复合的结构充电的较多,现在新型激光打印 机大部分采用充电胶辊(FCR)对感光鼓充电。当高压发生器送到电极丝一个高压电后,电 极丝与栅网之间形成一个强电场,并释放出电 晕。使电极丝与感光鼓之间的空气发生电离,空气离子向感光鼓表面迁 移,使光导体(感光鼓)表面充满电荷。这种方法能使光导体(感光鼓)表面荷电均匀,但 同时也产生大量的负离子(臭氧)。臭氧聚集到一定量时,对人体是有害的。如佳能早期产 品LBP-SX、ST型,惠普公司的早期产品HP2、3和日本生产的松下KX6500,联想LJ6L、LJ6P等 机型均采用此方法充电。
  现代生产的激光打印机大部分都采用充电辊充电,由于采用接触式充电方式,不需要很高 的充电电压,且没有臭氧产生,但由于电离尘的积存,增加了对感光鼓的磨损,也会有充电 不均匀的现象。
  激光打印机的扫描曝光
  就像我们用笔在纸上写字一样,扫描曝光的工具是用激光束在感光鼓上进行"书写"曝 光,这幅文字或图像是不可见的,这就是我们所说的"静电潜像"。
  当硒鼓表面经过钨丝电极时,其表面被充上正电,光导层与底基的界面感应出负电。 当激光光束中有光部分照到硒鼓表面的某个区域时,称为曝光。经曝光后的地方电阻率 明显地降低,表面的正电荷与界面的负电荷便中和消失,由于硒碲合金颗粒之间具有良好的 绝缘性能,未经曝光的表面正电荷仍保持不变,即形成一层静电潜像。
  扫描曝光就是利用感光鼓表面光导材料的光敏性质。当光导体受到激光束扫描照射后, 被光照的部分与感光鼓导电层导通使电荷消失,没有被光照射的部分仍保持充电电荷,这样 就形成一幅电位差图像,也可以理解为对感光鼓的"消电"过程。消电过程,光导体表面的 电位是在变化的,这个电位变化对打印质量影响很大。
  在对感光鼓表面充电时,随着电荷在感光鼓表面的积累,电位也不断升高,最后达到 "饱和"电位,就是最高电位。表面电位会随着时间的推移而下降,一般工作时的电位都低 于这个电位,这个电位随时间自然降低的过程,称之为"暗衰"过程。感光鼓经扫描曝光时 ,暗区(指未受光照射部分的光导体表面)电位仍处在暗衰过程;亮区(指受光照射部分的 光导体表面)光导层内载流子密度迅速增加,电导率急速上升,形成光导电压,电荷迅速消 失,光导体表面电位也迅速下降。称之为"光衰",最后趋缓。
  从理论上说光衰越快越彻底越好,实际上很难达到。剩余残留电位的高低就会影响打 印质量,如残余电位过高,将会出现打印"底灰"现象。一幅静电潜像形成后,还必须经过 如下所述的"显影"过程才能转换成墨粉图像。
  激光打印机的显影
  把光导体表面形成的"静电潜像",经过"显影"显示出墨粉图像,这个过程称之为" 电子显影"。显影工作是由显影器完成,其作用是将静电潜像变成可见图像。 显影是利用物质间电荷同性相斥、异性相吸的原理完成的。
  显影器中装有铁粉及碳粉,经摩擦后铁粉带正电,碳粉带负电,这样铁粉被碳粉包围而 吸附了碳粉的铁粉又被永久磁铁吸附,形成类似于毛刷似的一层铁粉与碳粉混合物。 当硒鼓表面从这层磁刷下经过时,碳墨粉因带负电而被吸到硒鼓表面仍保持着正电的 部分,形成了可见的碳粉图像。搅拌器的作用,是使铁粉与碳粉摩擦带电。
  感光鼓表面的"静电潜像"电荷与显影墨粉所带的电荷极性相反,当感光鼓与携带墨粉的磁辊靠近到一定的距 离时,墨粉即被吸引,或者说是墨粉跳跃到感光鼓表面而形成"墨粉图像",也称为跳动显 影。注意:激光打即机感光鼓曝光后表面"静电潜像"的电荷呈负极性,而墨粉所带电荷 为正极性。显影单元的墨粉传递是这样完成的。
  当墨粉在粉盒内被搅拌器搅拌均匀后,墨粉由掺杂的载体运载并被磁辊内的永久磁芯 吸附到磁辊外表面上,这时墨粉不显极性。当磁辊载着墨粉旋转并与墨粉刮板相切,与之磨 擦时,使墨粉带上正电荷。墨粉在墨粉刮板和磁场作用下,在磁辊表面上形成恨薄且分布均 匀的墨粉雾。墨粉刮板还起到限制墨粉量的作用,使墨粉不致吸附过多。
  前面提到,感光鼓残留电位是打印产生"底灰"的重要原因,解决的办法是在磁辊套 上加上适当的交、直流"偏压",以抵消墨粉过量的传递。显影偏压有两个作用,适当调节 显影偏压,一是防止产生"底灰",二是调整打印浓度。实际应用中,"打印浓度"调节旋 钮就是调节显影偏压。如惠普、佳能、爱普生、联想的一些激光打印机机型都有此旋钮。但 打印浓度的提高也意味着分辨率的降低,因为过多的墨粉在定影后会影响分辨率。
  现在新生产的激光打印机一般都带有"分辨率增强方式(RET)"。通过RET方式,可以 填充斜线或弧线"点阵空穴"的缺陷,RET对横、竖向点阵不起做用。它有三种方式:① 轻度(Lighi);②中度(Medium);③深度(Dark)。RET可以结合打印浓度的选择打印出 精美的文字或图像,也称为平滑技术。不同设置,打印出样张上的标志块不同。
  显影磁辊:显影磁辊是运载墨粉的重要部件。永久磁芯是不旋转的,它的作用是利用磁性 吸附墨粉到磁辊表面。磁辊表面喷有一层粗糙的石墨层,使之与墨粉刮板形成电于空穴而利 于墨粉传递。当载有墨粉的磁辊旋转出刮板位置时,磁辊表面的墨粉除带有电荷外,由于 磁场的作用力使之形成"磁穗",也就是"墨粉雾",对磁辊外套施加偏压,使磁穗有秩序 的排列起来。磁辊"隔套"的作用是控制磁辊表面磁穗与感光鼓之间的有效吸引距离,有 利于提高墨粉"跳动显像"。
  墨粉:激光打印机使用的墨粉是单组分墨粉,投影方法的原理类似于NP复印机,也就是 NP法。"单组分墨粉"并非没有载体,因为没有载钵,墨粉就无法运载。它是将"载体" 粉化成细微颗粒与墨粉混合,超细墨粉的颗粒应小于10nm。不同型号的激光打印机由于曝光 强度及显影偏压的不同,所用的墨粉也不同,不能随意代用,不同机型同等质量的墨粉"载 体"含量不同。也有一部分打印机使用无磁性墨粉。
  激光打印机的转印和消电系统
  (1)转印装置
  用高压静电将感光鼓表面的"墨粉图像"转印到普通纸上,这一过程称为"转印"。 当带正电的碳粉随着感光鼓转到打印纸附近时,在纸的后面放置的电极放正电,由于电 压高达500~1000V,静电吸引力便使纸紧贴在光导板上,带负电荷的碳粉即被吸附到纸的表 面上了。由于这种转印方式与纸的绝缘程度有关,当纸张因天气而受潮时,碳粉将因纸张 表面的漏电而不能完全及紧密地吸附在上面,而导致打印质量不良。
  转印的方法有两种,一种为"电晕放电转印"(电极丝),另一种为"放电胶辊"转 印。二者的工作原理是相同的。机型不一,转印方式有所差别。早期生产的激光打印机多采 用电晕放电的转印方式。当载有墨粉图像的感光鼓旋转到与转印电极或转印胶辊相切的位 置时,一张打印纸也被送入二者之间,这时加到转印电极上的高压开始放电,将打印纸推向 感光鼓的同时,由于打印纸底面转印高压的电场作用,会将感光鼓上的墨粉图像吸引到打印 纸上,完成墨粉图像的二次转移。转印电极丝或转印胶辊放电极性是相同的,呈负性,但 这个负电压要比感光鼓曝光区所带负电压高,这样在把打印纸推向感光鼓的同时,也把墨粉 最大限度地吸引到打印纸上。但要注意,在墨粉转移到打即纸上时,如果打即纸受潮,绝缘 性能不好,将影响墨粉转移效率,故而会出现图像缺损、字符空心筹打印质量不佳的问题。
  (2)消电装置
  当墨粉图像转印到打印纸上的同时,打印纸也带上了电荷。在打印纸输送过程中,由 于电场和摩擦可能破坏墨粉图像的结构,所以在墨粉图像转印后,又加上了一个"消电装置 "(消电极或消电齿),也称为"分离齿"。它的作用是把打印纸和吸附墨粉上的电荷中和 ,消除极性使其显中性,物理性地附着在打印纸上,从而保证定影之前墨粉图像的精度。 消电过程采用的是交流电压,从而达到最好的消电中和效果。
  激光打印机的加热定影系统
  将打印吸附在纸上的墨粉图像,利用加压热熔的方法,使溶化的墨粉浸入打印纸中,形成 固定图像的过程,称为"定影"。
  吸附在纸上的碳粉,是由热性的树脂及碳粉混炼而成的微小颗粒,当吸附有碳粉的纸经 过两个较高而间隙又不大的金属滚筒之夹缝时,碳粉中的树脂溶化而与碳粉一起被紧紧地压 附在纸上,从而形成永久的图像,同时亦完成了激光打印的整个过程。墨粉的熔化温度约10 0℃,热辊的温度与纸张通过的速度有关,一般在150~180℃之间。感光鼓经过清扫残余 粉及光照清除剩余电荷,即进入下一轮循环。
  激光打印机采用复合热压的方法,使用"定影组件"完成定影。墨粉图像定影的工作过程如下:
  当载有"墨粉图像"的打印纸,由导纸器进入定影装置内的加热辊与压力胶辊之间时, 由于加热辊被加热灯加热(185℃),同时由于压力胶辊的压力作用,使墨粉熔化浸入到打 印纸中。加热辊表面涂有聚四氟乙烯涂层,不易粘附墨粉。有些机型的压力胶辊表面也有 一层聚四氟乙烯膜,这样有利于双面打印时背面的墨粉不粘附。被加热定影后的 打印纸由分离爪与加热辊分离,经排纸轮导出,完成定影全过程。
  (1)加热辊
  加热辊用无缝铝合金管制成,管壁厚度在1~3mm之间,表面涂有聚四氟乙烯。以防止 定影时熔化的墨粉粘到辊上。加热辊表面的聚四氟乙烯涂层在高温下会有稍微软 化的现象,当打印纸被卡在定影装置内时,切不可用尖锐的硬物(如改锥、摄子)强行撬出 ,这样会损坏加热辊表面涂层,影响定影后墨粉图像的完整。
  现在有很多的激光打印机采用更先进的陶瓷加热器(PCT),它升温快、节电,如惠普4L 。4P、5L、6L、6P、2100、4000、5000和佳能460、660、800和JX等型号都采用陶瓷加热 器定影。
  (2)加热灯
  有些激光打印机用的加热灯是卤素灯管,功率一般为350~750W,固定在加热辊 中间,不随加热辊旋转,当打印机通电后,加热灯亮,对定影辊进行预加热,约1至2分钟后 热辊的温度达到185度左右,当加热辊表面温度达到定影温度时,由靠在加热辊表面检测温 度的热敏电阻通知主逻辑电路停止加热,准备好灯亮起,打印机可以开始打印。当加热灯损 坏时,整机不工作,有显示面板的机型会显示出错误指示或错误代码50 Error信息。
  (3)压力胶辊
  压力胶辊又称下辊,它的作用是与加热辊共同完成对打印纸上墨粉的热压定影和传送。压 力的大小由两端的支架弹簧控制,压力辊一般由耐高温的硅橡胶制成,有的激光打印机中的 压力胶辊采用蜂窝耐热海绵制作,外表面是一层聚四氟乙烯膜,这样更利于打印纸与压力胶 辊分离,防止卡纸。
  (4)温度控制器(热敏电阻)
  激光打印机温度控制的方法大部分采用热感应方式,用小型热敏电阻与加热辊接触, 感知加热辊温度(165~200℃)。再由逻辑电路控制加热灯的开与关,实现激光打印机 恒定的定影温度。热敏电阻的性能是外部温度越高,热敏电阻的阻值越低。
  当加热辊没有通电时,热敏电阻的阻值大约在200K,逻辑控制电路0101导通,可控硅SSR101 导通,加热器开始加热。当加热辊温度逐渐升高,热敏电阻阻值下降,当加热器表面温度达 到约180℃时,热敏电阻阻值也到最低,约10K左右,热敏电阻至逻辑控制电路输入电压升 高,达到一定的数值后0101截止,加热器停止加热。如此反复而控制加热器表面温度保持 在设计的温度范围内。激光打印机设有节电功能(睡眠方式),如果在设定的时间内没有 打印,主逻辑电路就会控制加热器进入节电状态,使加热器表面温度保持在165℃左右。这 样控制一方面可以节省电能消耗,另一方面,当再次启动打印作业时,可以缩短预热等待的 时间(进入节电状态的时间是可以设定的)。
  (5)热保护器(热敏开关)
  为防止激光打印机内的温度无限制地升高,烧坏加热灯和加热辊,在加热灯电路中串联了 一只热保护器(热敏开关),与加热辊贴近。热敏开关内部有一组长闭触点和一个钛金属片 及撞秆。钛是一种记忆性金属材料,制造时记忆温度为210℃。假如温控电路失控,当 加热辊表面温度超过设定温度210℃,钛金属受热收缩变形,压迫撞杆断开常闭触点,切断 电路起到保护加热器作用。当温度低于180℃时,钛金属恢复原记忆状态,常闭触点关闭, 电路接通。有些打印机则采用熔断性保护器,原理类似于电流保险丝。
  激光打印机的清洁系统
  激光打印机清洁系统的主要功能是把感光鼓表面没有完全转移的"残余墨粉"清除干 净,使下一个打印周期有一个洁净的感光鼓。理论上讲"墨粉图像"应该完全被转印,但 是很难做到。激光打印机在打印的过程中,经过充电、扫描、显像、转印几道工序,由于电 位迁移,墨粉转移,加上光导体"光衰"的影响?墨粉图像"不可能完全转移到打印纸上 ,那么残留在感光鼓表面墨粉的多少,直接影响到打印质量的好坏。
  如果感光鼓表面上的残留墨粉不能彻底的清除干净,就会被带入下一个打印周期,破坏新生 成的"墨粉图像"。所以要对感光鼓表面进行彻底的清洁,这就需要一个感光鼓清洁器。 激光打印机有两种清洁的方法:橡胶刮板清洁和毛刷清洁。它们的作用都是对感光鼓 表面进行清洁。
  (1)刮板清洁
  橡胶清洁刮板是用尿醛树脂制作,有一个平直的刀刃且具有耐磨性和柔韧性。刀刃与 感光鼓表面形成一个剪切角并有一定压力。当感光鼓载着残留在表面的墨粉旋转时,残留 墨粉被清洁刮板刮入废粉收集仓内。与刮板相对的位置上还有一个止回片,以防止清洁后废 粉的飞出。由于橡胶刮板始终与感光鼓剪切并具有一定压力,会造成感光鼓表面的磨损,在 刮板刃部涂有润滑粉。如果清洁刮板刀刃有损伤,残留在感光鼓表面的墨粉便不能被彻底清 除,使下一个打印周期的图像重叠而产生不良的打印效果。
  (2)毛刷清洁
  毛刷清洁,就是利用旋转的辊筒毛刷,对感光鼓表面残留墨粉进行清洁,把残留墨粉 扫除,抖落到废粉收集仓内。毛刷一般用人造纤维制作,在旋转时与感光鼓摩擦扫除残留 墨粉,同时利用摩擦产生的静电吸附残留墨粉,使墨粉不致飞扬而污染打印机其他部件。 使用毛刷清扫的方式由于对感光鼓的表面磨损小,所以可延长感光鼓的使用寿命。
  (3)废粉收集仓
  废粉收集仓就是回收清洁残留墨粉装置。收集后的墨粉一般情况下不再利用。因为, 收集后的墨粉中会有很多的杂质,会影响到打印质量,也有些打印机采用循环墨粉的使用方 式。被刮除的墨粉由一个螺旋送粉装置送回到供粉仓内,循环使用。但使用一段时间后,新 粉的补充量不足或新旧粉不能充分混合,打印质量会下降很多。
  激光打印机机械传动系统
  打印过程中纸张的传送由电子控制系统控制机械装置完成传递动作。其中包括传动齿 轮、光电感应器的遮挡杠杆和搓纸轮的动作。机械传动系统,因机型不同,结构有所差别, 但工作原理基本一致。高档机型机械结构较为复杂一些。如中档以下的一般无"打印纸对 齐"装置,而高档机除有此装置以外,还有"进纸卷取器"和"出纸卷取器"。多个卷取装 置,可使打印纸的传输更加平稳,也会减少"卡纸"现象。机械传动系统主要是各部件之 间的齿轮传递,较为直观不。下面讲讲机电器件的机械传递动作是如何完成的。
  (1)吸引式电磁离合器
  惠普系列打印机的送纸装置,就是采用吸引电磁离合器控制进纸凸轮的止动与旋转, 来完成纸张输送。当电磁铁接受控制电路的信号电压,电磁铁线圈有电流流过,产生电磁场 吸合衔铁,凸轮释放,由传动齿轮带动搓纸轮一同转动,搓纸轮表面有橡胶层,随着搓纸轮 旋转,凸轮前缘带动一张打印纸进入打印通道。
  (2)摩擦式电磁离合器
  惠普、佳能,爱普生等系列高档机型打印机的送纸装置,多采用摩擦式电磁离合器,直 接带动搓纸轮、纸对齐轮送纸。它的工作原理是:当电流信号流过电磁离合器内部线圈产生 电场,离合器中间的联动叉被推向联轴器一端,两片摩擦片产生摩擦止动,由拨叉带动搓纸 轮旋转将打印纸送入打印机内的"纸对齐辊"前沿并使打印纸稍微弓起,打印纸与对齐辊对 齐。此时,对齐辊不转动,当对齐辊离合器接受命令旋转,就将打印纸送入打印通道(摩擦 式电磁离合器的搓纸轮是圆形而不是凸轮形状)。
  (3)传感器
  光电传感器是由一个发光二极管和光敏二极管分别装到两个密封小盒子内。在两支二 极管相对位置,各有一个感应窗。平时2个窗中间有一个杠杆遮挡片,遮挡发光二极管的 光束。光敏二极管不受光,也就不能导通,逻辑电路也不工作。当运动中的打印纸把光电 感应器中间的遮挡片杠杆撞开时,发光二极管的光束射向光敏二极管,光敏二极管受光导通 ,通知逻辑控制电路发出指令,以控制打印机下一个时段的工作。激光打印机的打印纸感应 器、送纸感应器、出纸感应器都采用光电传感器。它是主控电路的逻辑控制器件,用来实现 打印工作的时序控制。如果在打印工作中的规定时段内,没有感应到应有的动作,逻辑电 路立即向主控电路发出一个"终止"信息,使打印机停止工作,同时显示面板也会显示出" 错误"信息,等待检查或维修。
  激光打印机电子控制系统
  激光打印机所有装置的运行、靠一个控制系统实现,这个系统称之为"电子控制系统"。 不同机型的控制系统有所不同,但工作原理基本相同。电子控制系统主要由以下几部 分组成。
  (1)供电电路
  为打印机各部分提供控制电压。供电电路由220V交流电经整流、滤波、变压,为激光 打印机提供24V、5V直流工作电压。
  (2)接口电路
  为计算机与打印机建立通讯。接收计算机数据信息,并将其转换为打印机语言,给打 印机主控电路提供打印数据。接口电路包括微处理器(CPU)。存储器(RAM/ROM)。
  (3)主控制电路
  主控制电路是将接口电路接收的数据,按照命令方式控制打印机各个装置协同工作以 完成打印过程。
  (4)扫描驱动电路
  将接收的计算机信息经高频振荡器生成激光束,并控制扫描电机匀速旋转,带动扫描 镜,完成对感光鼓的扫描曝光,使之形成静电潜像。
  (5)主电机驱动电路
  按主控电路发出的指令,驱动主电机旋转,经齿轮传动装置,传递动力给各部分运行 工作。
  (6)高压转印电路
  该电路是将供电电路提供的低压电,经变压器变成高电压提供感光鼓充电和转印辊转 印所需要。
  与针式打印机和喷墨打印机相比,激光打印机有非常明显的优点。
  (1)高密度。激光打印机的打印分辨率最低为300dpi,还有400dpi、600dpi、800dpi、1200dpi以及2400dpi和4800dpi等高分辨率。
  (2)高速度。激光打印机的打印速度最低为4ppm,一般为12ppm、16ppm,有些激光打印机的打印速度可以达到24ppm以上。
  (3)噪音低。一般在53dB以下,非常适合在安静的办公场所使用。
  (4)处理能力强。激光打印机的控制器中有CPU,有内存,控制器相当于计算机的主板,所以它可以进行复杂的文字处理、图像处理、图形处理,这是针式打印机与喷墨打印机所不能完成的,也是页式打印机与行式打印机的区别。
  激光打印机PCB抄板与仿制克隆方法
  对激光打印机进行PCB抄板及全套的仿制克隆是世纪芯科技在反向技术研究领域独具优势的服务项目之一。PCB抄板方法,简单来说,就是先将激光打印机样机进行拆解,分解出其内部的所有控制电路板,这里强调所有电路板是因为如果要对激光打印机进行全套仿制克隆首先就需要对内部所有控制电路板的抄板复制。拿到电路板之后,对每一块完整的电路板先进行扫描,存储清晰准确的扫描文件以方便后期参考对比。接下来,对电路板进行拆分,将板上的元器件拆下来后由BOM技术工程师制成BOM清单并交由采购人员采购物料,之后对剩下的裸板利用专业的抄板软件和扫描工具进行抄板,导出准确的PCB文件图,同时还能根据这个文件图反推出准确的原理图。然后再将PCB文件送制版厂进行制板,并将采购的元器件按照原板的布局焊接上去,一块电路板的抄板克隆就完成了。
  而样机的仿制克隆就是将这些所有的电路板按照上述方法进行抄板,然后组装成样机,经过我们专业的技术人员进行调试焊接即可。
  世纪芯科技对各类激光打印机、针式打印机、票据打印机、喷墨打印机等等均能提供电路板抄板和样机仿制克隆服务,同时如果客户有需求,我们还配套提供产品全套技术资料,供后期维护维修或改进升级,橙盒专业的技术团队热忱期待您的合作加盟。

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