Как работает лазерный принтер? (Часть 1)

Множество людей используют лазерные принтеры каждый день, и не задумываются о том, как они работают. Да и сам термин «лазерный принтер» хранит в себе загадку: как может лазер, сильно сфокусированный луч света, оставлять изображение на бумаге?

Попробуем разобраться, как работают такие принтеры. Основными элементами любого лазерного принтера или копира являются:

  • Фотобарабан
  • Система распределения тонера (в составе с картриджем с тонером)
  • Зарядный ролик
  • Устройство закрепления изображения
  • Источник света

Обратили внимание? Лазер в списке не перечислен! И это не ошибка, современные «лазерные» принтеры могут применять вместо лазера массив из большого числа (более двух тысяч) светодиодов, выстроенных в линейку по всей ширине печатной поверхности.

Но прежде, чем мы перейдем к детальному разбору, расскажу кратко об истории создания лазерных принтеров.

Немного истории

В 1938 году один студент юридического вуза, Честер Карлсон создал первую ксерограмму (слово, образованное от греческих «сухой» и «писать», смысл которого в сухом переносе чернил на бумагу). Это стало успешным результатом многих лет его работы, которую он начал из-за недовольства медлительностью существующих мимеографов и дороговизной получаемых отпечатков.

Только спустя 8 лет Честеру удалось найти компанию, которая согласилась бы производить придуманные им электростатические копиры. Этой компанией стала Haloid Company, позже переименованной в Xerox Corporation.

Первый полностью автоматический копир был произведен в 1959 году, а работа над созданием лазерных принтеров — еще 10 лет спустя. Успеха добился в 1978 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 остается 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».

Устройство лазерного принтера: фотобарабан и статическое электричество

Почему от некоторых принтеров пахнет озоном?

Чтобы придать барабану изначальный заряд, его заряжают с помощью скоротрона (scorotron) — натянутого провода, на который подаётся напряжение относительно фотобарабана. Между проводом и фотобарабаном обычно помещается металлическая сетка, служащая для выравнивания электрического поля.

Позже для этих целей стали применять зарядку с помощью зарядного валика (Charge Roller). 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.

Основной физический принцип, лежащий в работе лазерного принтера — это статическое электричество и притяжение противоположно заряженных объектов. По сути, статическое электричество, это заряд, накопленный в изолированном объекте. Статическое электричество является так называемым временным клеем, который сначала прикрепляет тонер к фотобарабану в заряженных местах, а затем к бумажному листу. Чтобы это происходило, тонер и барабан должны быть заряжены одинаковым зарядом. Потом на барабан наносится изображение противоположным зарядом.

Это возможно благодаря специальному устройству фотобарабана — он покрыт специальным материалом, который можно заряжать с помощью луча света. Наиболее часто применяемый материал фотобарабана — фотоорганика — требует использования отрицательного заряда, однако есть материалы (например, кремний), позволяющие использовать положительный заряд.

Тонер и устройство переноса, закрепление тонера

Что крупнее, частицы тонера или частицы, которые может задерживать гиппоалергенный HEPA фильтр?

Что интересно, частицы тонера имеют размер от 5 до 30 микрон, чтобы обеспечить высокую разрешающую способность принтера. Это так мало, что может пройти практически через любой вид фильтров, кроме специальных гипоаллергенных HEPA фильтров.

Тонер переносится из картриджа на специальный ролллер также, благодаря статическому электричеству, но заряд на роллере меньше, чем заряд на фото-валу в местах, где он был заряжен лучом света, что позволяет ему «приклеиться» к барабану. Стоит отметить, что чтобы выполнять свои функции тонер должен одновременно быть сухим и не липким, но надежно приклеиваться к бумаге. Это достигнуто за счет того, что тоннер сделан из пластика смешанного с пигментом. Пигмент придает цвет частицам тонера, а пластик позволяет тонеру, расплавившись, надежно вклеиться в волокна бумаги.

После того, как на фотобарабан перенесен тонер, подходит черед к переносу картинки на бумагу. Для этого бумагу заряжают немного сильнее, чем заряжен барабан, чтобы частицы тонера, имеющие противоположный заряд приклеились к бумаге. Если посмотреть на бумагу в этот момент - мы увидим почти обычный отпечаток, который можно разрушить просто подув на него. Чтобы это не произошло, бумага отправляется в закрепитель (фьзюзер), в котором специальный вал вплавляет тонер в волокна бумаги. Именно поэтому свежие отпечатки горячие.

Читайте дальше

Во второй части статьи «Как работает лазерный принтер?» вы узнаете, при чем здесь все-таки лазер, и каким образом картинка с экрана компьютера формируется на фотобарабане.