Лазерный принтер

Лазерный принтер — один из видов принтеров, позволяющий быстро изготавливать высококачественные отпечатки текста и графики на обычной (офисной) бумаге. Подобно фотокопировальным аппаратам лазерные принтеры используют в работе процесс ксерографической печати, однако отличие состоит в том, что формирование изображения происходит путём непосредственной экспозиции (освещения) лазерным лучом фоточувствительных элементов принтера.

Отпечатки, сделанные таким способом, не боятся влаги, устойчивы к истиранию и выцветанию. Качество такого изображения наиболее высокое.

История

В 1938 году студент юридического факультета Честер Карлсон получил первое ксерографическое изображение, технология создания которого заключалась в использовании статического электричества при переносе тонера (сухих чернил) на бумагу, подобное стало результатом многолетней работы, чтобы перейти от использования существующих мимеографов и избавиться от дороговизны получаемых отпечатков. Однако лишь спустя восемь лет, получив отказ от IBM и от войск связи США, в 1946 году Карлсону удалось найти компанию, которая согласилась производить придуманные им электростатические копиры. Этой компанией была Haloid Company, которая позднее была переименована в Xerox Corporation.

На рынок первое устройство Хеrоx поступило в 1949 году под названием Model A. Данное громоздкое и сложное устройство требовало ряда ручных операций, чтобы сделать копию документа. И лишь десять лет спустя был коммерциализирован полностью автоматический ксерограф — Xerox 914, который был способен выдавать 7 копий в минуту. Эта модель и стала прообразом всех копиров и лазерных принтеров, появившихся впоследствии.

Над созданием лазерных принтеров Xerox начала работать в 1969 году. Успеха добился в 1978 году сотрудник компании Гэри Старкуезер, который смог добавить к технологии работы существующих копиров Xerox лазерный луч, создав таким образом первый лазерный принтер. Полнодуплексный Xerox 9700 мог печатать 120 страниц в минуту (он, кстати, до сих пор остаётся быстрейшим лазерным принтером в мире). Однако размеры устройства были просто огромны, а цена 350 тысяч долларов (без поправки на тогдашний курс) никак не укладывалась в идею «принтер в каждый дом».

В начале 1980-х годов спрос на устройства, превосходящие существующие матричные принтеры по качеству печати, достиг критической отметки. В 1979 году предложение последовало от компании Canon, представившей первый настольный лазерный принтер LBP-10. На следующий год компания в частном порядке продемонстрировала новую модель LBP-CX калифорнийским Apple, Diablo Systems и HP.

На тот момент Canon требовались сильные партнеры по маркетингу своей продукции на новом для компании рынке, поскольку компания имела крепкие позиции в области камер и решений для офиса (тех же копиров), однако не имела связей, необходимых для эффективных продаж на рынке устройств обработки данных. Сначала Canon обратилась к Diablo Systems, подразделению Xerox Corporation. Это было очевидно и логично, поскольку Diablo владела большей частью рынка лепестковых принтеров, а её маркетологи высказывали желание поместить логотип Diablo и на продукцию других производителей. Таким образом Xerox стала первой компанией, которой было предложено выводить на рынок систему CX с контроллером Canon.

Однако Xerox отклонила это предложение, поскольку вместе с японской Fuji-Xerox сама занималась разработками устройства, которое планировалось сделать лучшим настольным лазерным принтером на рынке. Но, хотя новая модель 4045 сочетала в себе копир и лазерный принтер, она весила около 50 килограммов, стоила вдвое больше CX, не имела заменяемого картриджа с тонером и обеспечивала не самое лучшее качество печати. Впоследствии бывшие маркетологи Diablo признавались, что упускать предложение Canon было довольно-таки большой ошибкой, а вышедший несколько позднее принтер HP LaserJet мог бы быть Xerox LaserJet.

В любом случае, после того как Diablo отклонила предложение Canon во Фремонте, представители последней, проехав несколько миль, навестили офисы HP в Пало Альто и Apple Computer в Купертино. Hewlett-Packard была вторым логически оправданным выбором, поскольку тесно сотрудничала с Diablo и имела достаточно широкие линейки матричных и лепестковых принтеров.

Результатом сотрудничества Canon и HP стал выпуск в 1984 году принтеров HP LaserJet, способных печатать 8 страниц в минуту. Их продажи весьма быстро росли и привели к тому, что к 1985 году Hewlett-Packard завладела почти всем рынком настольных лазерных принтеров. Надо учесть, что, как и в случае со струйными принтерами, новые устройства стали по-настоящему доступны лишь после разработки для них заменяемых картриджей с тонером (в данном случае разработчиком была Hewlett-Packard).

При этом вопросы удешевления новых и переработки использованных картриджей, количество которых стало намекать на проблемы с экологией, породили целую отрасль перерабатывающей промышленности, датой рождения которой можно считать 1986 год.

Принцип действия

Существует три способа переноса тонеров:

• двухкомпонентный (система с двумя компонентами проявления — с раздельным тонером и девелопером) — красящие частицы, предназначенные для переноса на фотобарабан, не могут самостоятельно удерживаться на магнитном валу блока проявки, но прилипают к частицам специального магнитного порошка-носителя (девелопера), которые при перемешивании заряжаются из-за взаимного трения.
• двухкомпонентный, где тонер и девелопер уже смешаны заранее в заводском картридже.
• однокомпонентный (например, в современных принтерах Canon и HP) — только тонер без каких-либо примесей, красящие частицы которого сами по себе обладают магнитными свойствами. В принтерах Xerox/Samsung/Brother используется немагнитный тонер с электростатической системой нанесения тонера.

В двухкомпонентной системе девелопер остаётся на магнитном валу блока проявки и продолжает служить дальше (тонер, естественно, расходуется). В технических описаниях многих аппаратов производители заявляют, что девелопер вообще не требует восполнения, однако на практике его рабочие характеристики со временем ухудшаются, что сказывается на качестве копий.

Печать осуществляется тонером, который представляет собой мелкодисперсный магнитный полимер, который плавится при температуре 200 градусов. Тонер засыпан в тонер-картридж, и, благодаря магнитному валу, который располагается внизу картриджа, равномерно по нему распределяется.

Для построения изображения в лазерных принтерах используется фотометод: лазерный луч (или луч светодиода) попадает на фотовал, который предварительно заряжен без доступа света коротроном заряда. Коротрон заряда находится над фотовалом и выполнен в виде натянутой параллельно фотовалу проволоки из высокоомного материала (манганин, константан) или в виде резинового ролика (контактный заряд), который соприкасается с фотовалом. К коротрону заряда подведено постоянное высокое напряжение, которое наэлектризовывает поверхность фотовала за счёт ударной ионизации воздуха, возникающей вследствие коронного разряда высокого напряжения.

Устройство

Печатающий механизм

• Драм-юнит (drum-unit) — основной узел каждого копировального аппарата. Служит для переноса изображения на бумагу. Имеет в своём составе фотобарабан, ракельный нож, бункер для отработанного тонера.
  • Фотобарабан (Фотовал, фоторецептор) — алюминиевый цилиндр, покрытый светочувствительным материалом, способным менять своё электрическое сопротивление при освещении. В некоторых системах вместо фотоцилиндра использовался фоторемень — эластичная закольцованная полоса с фотослоем.
  • Магнитный вал — вал в картридже, используемый для переноса тонера из бункера на фотобарабан (либо ролик проявки в аппаратах Xerox/Samsung, где используется немагнитный тонер.)
  • Ракельный нож (лезвие очистки)
  • Бункер отработки
• Блок лазера (laser beam unit) (либо светодиодная линейка, в светодиодных принтерах)
• Коротрон (коронатор, ролик заряда, Corona Wire)
• Лента переноса (transfer belt) — лента в цветных лазерных принтерах, на которую наносится промежуточное изображение с барабанов 4 цветных картриджей, которое затем переносится на конечный носитель — бумагу.
• Блок проявки (developing unit) служит для переноса тонера на электростатическое изображение, образованное на поверхности фотопроводящего барабана.

Расходные материалы

Тонер — порошок для нанесения изображения.

Носитель (анг. Carrier) — ферромагнитный порошок (по структуре представляет собой мелкие частицы), используемый в двухкомпонентных машинах для удерживания тонера на поверхности магнитного вала за счёт электростатических сил (при перемешивании с тонером заряжает его положительным статическим потенциалом при взаимном трении), а оттуда, под воздействием разряда на коротроне — на поверхность фотобарабана; причём сам девелопер, в силу своих магнитных свойств, остаётся на магнитном валу и почти не расходуется (однако теряет со временем свои свойства и тоже требует замены).

Девелопер (анг. Developer) (изредка называется стартером) — смесь материалов, подаваемая к фотобарабану. В двухкомпонентных машинах это смесь тонера и носителя, а в однокомпонентных машинах — только тонер. Термин аналогичен применяемому в фотографии термину проявитель, но обычно в русскоязычной литературе не переводится.

Процесс печати

Процесс лазерной печати складывается из пяти последовательных шагов:

Зарядка фотовала

Зарядка фотовала — нанесение равномерного электрического заряда на поверхность вращающегося фотобарабана (1). Наиболее часто применяемый материал фотобарабана — фотоорганика — требует использования отрицательного заряда, однако есть материалы (например, кремний), позволяющие использовать положительный заряд.

Изначально зарядка производилась с помощью коротрона (англ. scorotron) — натянутого провода, на который подаётся напряжение относительно фотобарабана. Между проводом и фотобарабаном обычно помещается металлическая сетка, служащая для выравнивания электрического поля.

Позже стали применять зарядку с помощью зарядного валика (англ. Charge Roller) (2). Такая система позволила уменьшить напряжение и снизить проблему выделения озона в коронном разряде (преобразование молекул O2 в O3 под действием высокого напряжения), однако влечёт проблему прямого механического контакта и износа частей, а также чистки от загрязнений.

Лазерное сканирование

Лазерное сканирование (засвечивание) — процесс прохождения отрицательно заряженной поверхности фотовала под лазерным лучом. Луч лазера (3) отклоняется вращающимся зеркалом (4) и, проходя через распределительную линзу (5), фокусируется на фотовалу (1). Лазер активизируется только в тех местах, на которые с магнитного вала (7) в дальнейшем должен будет попасть тонер. Под действием лазера участки фоточувствительной поверхности фотовала, которые были засвечены лазером, становятся электропроводящими, и часть заряда на этих участках «стекает» на металлическую основу фотовала. Тем самым на поверхности фотовала создаётся электростатическое изображение будущего отпечатка в виде «рисунка» из участков с менее отрицательным зарядом, чем общий фон.

Наложение тонера

Тонер, находящийся в бункере, притягивается к поверхности магнитного вала под действием магнита, из которого изготовлена сердцевина вала. Во время вращения магнитного вала тонер, находящийся на его поверхности, проходит через узкую щель, образованную между дозирующим лезвием и магнитным валом. К магнитному валу также подводится высокое напряжение того же знака, что и к фотобарабану. Таким образом, тонер на поверхности магнитного вала отталкивается от незасвеченной поверхности фотобарабана. Однако, в тех местах фоточувствительного слоя, где произошла засветка лазерным лучом, и заряд уменьшился относительно остальной поверхности, тонер переносится на фотобарабан. При этом фотослой в засвеченных местах всё еще сохраняет тот же знак заряда, что и частицы тонера, если сравнивать с потенциалом общего провода схемы, но величина зарядов оказывается различной, что при взаимодействии эквивалентно разноимённым зарядам.

Тем самым электростатическое (невидимое) изображение преобразуется в видимое (проявляется). Притянутый к фотобарабану тонер движется на нём дальше, пока не приходит в соприкосновение с бумагой.

Перенос тонера

В месте контакта фотовала с бумагой под бумагой находится ещё один ролик, называемый роликом переноса (transfer roller). На него подаётся напряжение противоположного относительно фотобарабана знака. Таким образом, тонер и бумага находятся в градиенте напряжённости электрического поля между двумя разноимённо заряженными электродами. Частицы тонера, находясь в неравновесном положении, стремятся его достичь, перемещаясь с поверхности фотобарабана в сторону ролика переноса и прилипая на этом пути к бумаге. Далее частицы остаются на поверхности бумаги, удерживаемые электростатическими силами.

Если в этот момент посмотреть на бумагу, на ней будет сформировано полностью готовое изображение, которое можно легко разрушить, проведя по нему пальцем, потому что изображение состоит из притянутого к бумаге порошка тонера, ничем другим, кроме электростатики, на бумаге не удерживаемое. Для получения финального отпечатка изображение необходимо закрепить.

Закрепление тонера

Бумага с «насыпанным» тонерным изображением двигается далее к узлу закрепления (печке). Закрепляется изображение за счёт нагрева и давления. Печка состоит из двух валов:

• верхнего, внутри которого находится нагревательный элемент (обычно — галогенная лампа), называемый термовалом;
• нижнего (прижимной ролик), который прижимает бумагу к верхнему за счёт подпорной пружины.

За температурой термовала следит термодатчик (термистор). Печка представляет собой два соприкасающихся вала, между которыми проходит бумага. При нагреве бумаги (180—220 °C) тонер, притянутый к ней, расплавляется и в жидком виде вжимается в текстуру бумаги. Выйдя из печки, тонер быстро застывает, что создаёт постоянное изображение, устойчивое к внешним воздействиям. Чтобы бумага, на которую нанесён тонер, не прилипала к термовалу, на нём выполнены отделители бумаги (клыки).

Однако термовал — не единственная реализация нагревателя. Альтернативой является иное устройство печки, в которой используется термоплёнка: то есть специальный гибкий материал в виде трубки, полностью оборачивающий несущую конструкцию с тонкой и длинной керамической пластинкой, являющейся как раз нагревательным элементом, содержащим в самой структуре керамической пластины, помимо проводников нагревателя, ещё и встроенный низковольтный термодатчик контроля температуры с другой стороны пластины. Ошибочная установка керамической пластины малоквалифицированными работниками сервисного центра приводит к стремительному и безвозвратному выгоранию термодатчика.

Например, это справедливо для лазерных принтеров серии HP LaserJet 1100/1100A, 1200 и прочих. В последующих моделях принтеров (HP LaserJet 1010,1018,1020 и т. д.) термодатчик вывели из структуры керамической пластинки.

При таком варианте исполнения печки с термоплёнкой обязательно применение специальной высокотемпературной силиконовой смазки из-за наличия значительных усилий при трении-скольжении по керамике при вращении термоплёнки при прогоне листа через термоблок.

Термоплёнка в основном своими крайними сторонами опирается и вращается на боковых пластмассовых опорных стойках.

Имеются следующие недостатки, свойственные всем типам термоплёнок. Это их склонность к прорывам от степлерных скрепок на бумаге, прожогам из-за налипания спёкшегося тонера на излишках термосмазки внутри каркаса термоузла под плёнкой и наличия прочих негативных воздействий незадачливых пользователей и сервисных ремонтников.

Цветные лазерные принтеры

Принцип многоцветной лазерной печати состоит в следующем. На начальном этапе процесса печати движок рендеринга берёт цифровой документ и обрабатывает его один или несколько раз, создавая его постраничное растровое изображение, разложенное по цветовым составляющим, соответствующим цветам используемых тонеров. На втором этапе лазер или массив светодиодов формирует распределение зарядов на поверхности вращающегося фоточувствительного барабана, подобное получаемому изображению. Заряженные мелкие частицы тонера, состоящего из красящего пигмента, смол и полимеров, притягиваются к разряженным участкам поверхности барабана.

Далее тонер с фотобарабана переносится на ленту переноса, на которой формируется полноцветное изображение, и с которой тонер переносится на бумагу. В большинстве цветных лазерных принтеров используются четыре отдельных прохода, соответствующие разным цветам. Потом бумага проходит через «печку», которая расплавляет смолы и полимеры в тонере и фиксирует его на бумаге, создавая окончательное изображение.

Лазеры способны точно фокусироваться, в результате получаются очень тонкие лучи, которые разряжают необходимые участки фоточувствительного барабана. Благодаря этому современные лазерные принтеры, как цветные, так и чёрно-белые, имеют высокое разрешение.

Преимущества и недостатки

Как правило, разрешение при чёрно-белой печати варьируется от 600×600 до 1200×1200 точек на дюйм, однако при цветной печати достигает 9600×9600. Цветные и чёрно-белые лазерные принтеры работают на практике одинаково. Отличие заключается в том, что для цветной печати используются четыре типа красящего тонера. Любой цвет вносит свою лепту в окончательное изображение, наносимое на лист бумаги. По сравнению со струйными принтерами, лазерные имеют немало преимуществ:

• Они обладают большей скоростью, так как луч лазера может передвигаться значительно быстрее, чем печатающая головка с десятками и более того сотнями сопел, из которых в момент печати с определённым интервалом выпрыскиваются микроскопические капельки чернил (исключения: струйные принтеры с линейными неподвижными форматными головами).
• Лазерные лучи ещё более точные и по причине компактной фокусировки позволяют обретать высокое разрешение.
• Тонер может слёживаться, что легко исправить лёгким встряхиванием картриджа, в отличие от струйных принтеров, чернила которых могут засыхать в дюзах, что требует их промывки и, иногда, замены.

• При работе лазерного принтера выделяются озон, оксиды азота (NO₂, N₂O), ацетон, бумажная пыль, ультрафиолетовое и инфракрасное (тепловое) излучение.
• При нагревании бумаги активно испаряется формальдегид и водяной пар.
• Наличие в конструкции элементов с высоким энергопотреблением (высоковольтный блок зарядки, термоузел) приводит к тому, что пиковая потребляемая мощность лазерного принтера достаточно высока, что делает невозможным подключение его к бытовым источникам бесперебойного питания средней и малой мощности.
• Качество печати цветных полутоновых изображений (например, фотографий) ниже, чем при струйной печати.
• Лазерные принтеры дороже струйных в среднем в 1,8 раза, а стоимость комплекта картриджей для лазерного принтера намного дороже, чем комплекта для струйного (как правило, стоимость нового принтера). У средних и промышленных лазерных принтеров сравнительные затраты на расходные материалы и стоимость оборудования по сравнению со средними и промышленными струйными принтерами примерно одинаковы, а себестоимость оттиска в 3-10 раза превышает себестоимость струйной печати при неизменном качестве.
• Требовательны к качеству бумаги, ломаются при применении мятой бумаги или бумаги со скрепкой.
• Нет стабильного повторяющегося полноцветного оттиска с сохранением всех значений оригинала, из-за невозможности контроля электростатических полей.

Скрытые метки (см. Жёлтые точки) — многие модели цветных принтеров при печати наносят на оттиск скрытое изображение, указывающее на дату и время печати, а также серийный номер устройства, что предположительно сделано с целью пресечь печать цветных копий денежных знаков и других документов и ценных бумаг.