黑白激光打印机的成像原理

黑白激光打印机的成像原理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。

由于电子显像系统所采用显影剂的不同(磁性显影剂和非磁性显影剂)，我们就大致可以把电子显像系统分为磁性显影和非磁性显影电子显像系统两种。

一．磁性显影电子显像系统工作原理惠普、佳能系列黑白激光打印机大多采用了磁性显影方式。

该方式下的显影碳粉的提供主要由固定不动的磁芯和包在其外的磁辊套筒来提供。

下面进行具体说明，粉盒示意图如下。

图2.1.11. 充电即是对感光鼓进行充电，对感光鼓表面施加一层均匀的负电荷，使得感光鼓表面产生一个均匀的负电势层并维持这个常数电势。

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'，首先必须要在光导体表面进行充电，使之带电。

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。

早期生产的激光打印机采用电极丝及栅网复合结构充电的较多。

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，使感光鼓表面充满电荷。

这种方法能使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。

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。

二者示意图如下。

图2.1.2图2.1.32．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”。

感光鼓被充电后，当激光光束中有光部分照到其表面的某个区域时，称为曝光。

经曝光后的地方电阻率明显地降低，表面的电荷与界面的电荷便中和消失，同时由于光导材料在不见光情况下良好的绝缘性能，未经曝光的表面电荷仍保持不变，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。

图2.1.4其具体操作如上图，由激光二极管发射出激光束，该光束首先经过圆柱形透镜照射到旋转的六面扫描面镜上，随后经面镜的旋转反射，穿越聚焦透镜组到达感光鼓。

当光线到达感光鼓后，进行沿纸面从左到右的扫描，且扫描没有回扫过程。

水平扫描结合感光鼓的旋转就实现了对鼓的整个圆周的覆盖。

每次扫描开始的时候，BD面镜都会反射激光束到BD电路板，于是瞬时光脉冲就会进入控制引擎组件。

在那里，光束将会转换成电信号，并被用于同步打印机的其它活动以及诊断激光扫描组件可能出现的问题。

3．显影把光导体表面形成的“静电潜像”，经过“显影”显示出碳粉图像，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。

其原理图如下：图2.1.5下面对上图进行细化说明。

搅拌器的作用，是使碳粉摩擦带电。

当碳粉在粉仓内被搅拌器搅拌均匀后，碳粉在磁辊磁场的作用下被永久磁芯吸附到了磁辊滚筒的表面，由于磁辊面向刮板前端产生一个集中磁场，所以该集中磁场将显影剂集中到这个部分。

集中磁场的显影剂因为与刮板的结合力很强，因此基本不发生移动。

这样伴随着显影滚筒的转动，刮板就会限制转到显影器外的碳粉的量，在显影滚筒的表面形成厚度均匀的碳粉层。

同时，通过刮板、碳粉以及磁辊套筒之间的摩擦，碳粉表面带上了负的静电。

图2.1.6 图2.1.7由于形成静电潜像的感光鼓上明部的电位被曝光中和，暗部仍带有负电，则通过向显影滚筒施加负的显影偏压，显影滚筒上的带有负电位的碳粉就会在显影带跳向感光鼓。

(注：尽管此时鼓表面真实的情况为明部带有负电位，感光鼓表面曝光区域仍会显示出正电性。

这意味着感光鼓表面的电势比显影磁辊套筒表面的电势要高。

)跳跃的碳粉附着在形成静电潜像的感光鼓表面的明部。

此时附着的碳粉量，和对比电位成比例。

(负电位低：接近0V的地方会附着很多的碳粉)另外，感光鼓表面的暗部，因为有一次充电(负的高电位)的电位，所以带有负电位的碳粉会被排斥，不附着。

通过这些过程，在感光鼓上形成可视图像。

在磁辊套筒上面还加有一个交流偏置电压，这个交流偏置电压将会降低碳粉同磁辊的吸引力，并增强碳粉同感光鼓表面非曝光区域的排斥作用。

从而该交流偏置电压很好的改善了打印黑度和对比度的问题。

其细化原理示意图如下所示。

图2.1.8图2.1.94．转印与分离用高压静电将感光鼓表面的“碳粉图像”转印到普通纸上，这一过程称为“转印”。

当带负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，如图像缺损、字符空心筹问题。

为了有利于纸的分离，感光鼓同纸的接触很小，即采用所谓的曲率分离方式利用纸的刚性从感光鼓上进行分离。

对于较薄的纸张，由于其刚性较差，可能不好分离，因此又在转印辊之后又增加了一个“消电装置”(消电极或消电齿)，也称为“分离齿(爪)”。

它的作用是把打印纸和吸附碳粉上的电荷中和，消除极性使其显中性，以此来达到分离的目的。

分离以后，载有图像的纸张将进入定影单元。

图2.1.105．定影将吸附在纸上的碳粉图像，利用加压热熔的方法，使溶化的碳粉浸入打印纸中，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。

图 2.1.11 单组分磁性显影剂示意图为了防止碳粉在热熔过程中散落，该类型的打印机通过压力辊轴(该轴仅仅是一个连续性的通道)在加热膜上施加了一个负的直流偏压。

于是负电荷被施加到了纸的表面，这将有助于增强碳粉粒子同纸张之间的吸附力并阻止碳粉粒子的散落。

图2.1.126．感光鼓的清洁清洁系主要是把感光鼓表面没有完全转移的“残余碳粉”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“碳粉图像”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、曝光、显像、转印几道工序，由于电位迁移，碳粉转移，加上光导体“光衰”的影响，“碳粉图像”不可能完全转移到打印纸上，那么残留在感光鼓表面碳粉的多少，直接影响到打印质量的好坏。

如果感光鼓表面上的残留碳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“碳粉图像”。

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。

⑴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碳粉旋转时，残留碳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，故在刮板刃部应涂有润滑粉。

如果清洁刮板刀刃有损伤，残留在感光鼓表面的碳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。

在打印机过程中，也可能发生熔化碳粉颗粒粘附到刮板刀刃上的现象，长久下去粘附物会刮伤感光鼓的光导层，使感光鼓报废。

⑵毛刷清洁毛刷清洁，就是利用旋转的辊筒毛刷，对感光鼓表面残留碳粉进行清洁，把残留碳粉扫除，抖落到废粉收集仓内。

毛刷一般用人造纤维制作，在旋转时与感光鼓磨擦扫除残留碳粉，同时利用磨擦产生的静电吸附残留碳粉，使碳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。

⑶废粉收集仓废粉收集仓就是回收清洁残留碳粉装置。

收集后的碳粉一般情况下不再利用。

因为，收集后的碳粉中会有很多的杂质，会影响到打印质量。

刮板清洁型示意图如下：图2.1.137．消电图2.1.14PCR通过在感光鼓表面均匀的充上一层负电荷来消除其表面残留的正电荷。

通过这一过程就会移除和清洁了残余影像，从而为下一个周期的显影做好准备。

二．非磁性显影电子显像系统工作原理三星和兄弟黑白激光打印机大多采用了非磁性的显影方式。

所不同的是三星大都采用了负电性碳粉，而兄弟采用了正电性碳粉。

非磁性显影电子显像系统同磁性显影电子显像系统相比主要的差别就体现在显影碳粉的供应方式上面，其余均相同，所以此处仅对此稍作说明。

该类粉盒的显影碳粉是由显影辊和供粉辊共同配合完成。

说明过程以三星1710的粉盒为例。

如下图2.1.15所示。

在工作时，通过粉仓内搅拌器的搅拌，使得碳粉间摩擦而带有部分电荷，同时搅拌器也将碳粉传送到供粉辊上面。

机器的高压装置给供粉辊施以负高压(-570V)，让碳粉粒子继续补充着负电荷；同时显影辊被施加低于供粉辊的负高压(-370V)，这使得负极性的碳粉粒子能够被吸附到显影辊表面。

于是碳粉随着显影辊一起旋转，再通过调节刮板同碳粉的摩擦、限制来对显影辊上粉的厚度和电荷进一步控制。

显影辊与感光鼓以相反的方向旋转。

感光鼓由充电辊(-1.55KV)进行充电，表面带有均匀的负极性电压(约-930V)。