Электростатическая фотография

           В основе работы, как копировального аппарата, так и лазерного принтера лежит процесс сухой ксерографии (лат. xeros – сухой и graphos - писать). В свою очередь он базируется на электростатической фотографии.

           Ксерографический процесс был изобретен американским инженером Честером Карлсоном в 1938 г. В ноябре 1940 г. он получил патент на свое изобретение. В 1947 г. американская компания «Халоид Компани» купила данное изобретение для разработки первого копировального аппарата, который и был произведен в 1950 г. В последствии эта компания несколько раз преобразовывалась и в настоящее время мы знаем ее под названием Xerox.

           В основе электростатической фотографии лежит способность некоторых полупроводников уменьшать свое удельное сопротивление под действием света. Такие полупроводники называются фотопроводниками и используются для изготовления фоторецепторов.

           Основные характеристики фотопроводников перечислены ниже.

1. Спектральная чувствительность – характеризует способность фотопроводника реагировать на излучение различных длин волн. Ни один фотопроводник не может одинаково реагировать на различные длины волн. Некоторые типы фоторецепторов слабо реагируют на голубой цвет, который вообще не воспроизводится на копии, некоторые слабо реагируют на желтый цвет, при этом копия, выполненная с оригинала, напечатанного на желтой бумаге, приобретает темный фон. В идеале фотопроводник должен одинаково хорошо передавать все цвета, однако обычно этого не происходит.

2. Фотоэлектрическая чувствительность (скорость формирования изображения) – это величина, характеризующая скорость уменьшения заряда на фоторецепторе при освещении его светом заданной интенсивности. Чем меньше остаточная величина заряда на фоторецепторе после его экспонирования, тем выше качество копии. Эта величина может зависеть от материала, срока эксплуатации и состояния проводника.

3. Скорость темновой утечки – величина, характеризующая, как быстро фотопроводник теряет заряд в темноте. Это связано с тем, что полупроводник, из которого изготовлен фоторецептор, хотя и приобретает в темноте свойства диэлектрика, но все же не может хранить заряд так долго, как это могут делать диэлектрики.

4. Усталость материала – это явление, возникающее при многократном и частом экспонировании фоторецептора. Усталость материала может возникать и при засветке солнечным светом (пользователь вытащил картридж и оставил его на солнце барабаном вверх). Усталость материала приводит к увеличению скорости темновой утечки заряда, а в некоторых случаях, наоборот, к сохранению заряда на поверхности после экспонирования.

5. Устойчивость к внешним воздействиям – эта характеристика определяет способность фотопроводника сохранять свои свойства как можно дольше при механическом контакте с бумагой. Бумага, при правильном использовании аппарата, является наиболее важным фактором естественного износа фоторецептора в процессе трения. Поэтому шероховатая бумага, неправильно обрезанная и т.д. сокращает срок службы фоторецептора. Кроме того, срок его службы сокращают различные химические вещества, которые могут попасть на него с бумаги или с другого источника, а также механические повреждения.

6. Кристаллизация – процесс преобразования атомов фотопроводника из аморфной структуры в упорядоченную, кристаллическую. При этом фотопроводник теряет свои свойства. Такой процесс нельзя остановить, но можно замедлить при правильном обращении с проводником.

7. Начальный потенциал – это потенциал на поверхности фоторецептора, при котором накапливаемый заряд равен заряду, утекающему в подложку. Обычно фоторецептор заряжают до потенциала ниже начального, чтобы избежать его повреждения.

8. Остаточный потенциал – потенциал, который остается на освещенных участках фоторецептора после экспонирования. При экспонировании фоторецептор быстро теряет заряд до определенной величины, затем скорость утекания заряда значительно снижается. Высокий остаточный потенциал способствует притягиванию частиц тонера на освещенные участки, что приводит к фону на копии.

           Эти характеристики фотопроводника тщательно анализируются при выборе его в качестве фоторецептора для копировального аппарата либо принтера.

Технология изготовления фоторецепторов.

           Фоторецепторы обычно наносятся на алюминиевый полый цилиндр. В качестве фоторецептора служил либо селен и его соединения, либо органические соединения.

           Органический фоторецептор двухслойный. Первый слой – слой, в котором осуществляется перенос заряда, под ним – слой в котором генерируется заряд. За ним идет тонкий слой оксидной пленки, который предотвращает утекание заряда в подложку. Подложка – последний алюминиевый слой.

           Селеновый фоторецептор состоит из «ловушечного слоя», представляющего собой естественную оксидную пленку. Этот слой уменьшает скорость темновой утечки заряда. За ним идет фотопроводящий слой, алюминиевая оксидная пленка и подложка.

           Существует два вида фоторецепторов: ленточные и цилиндрические. Первые обычно используются в аппаратах с очень высокой скоростью, поскольку позволяют обеспечивать более высокую скорость экспонирования.

Процесс ксерографии

Зарядка

           Зарядка фоторецептора – это процесс нанесения равномерного заряда определенной величины на поверхность фоторецептора. Зарядка производится коротроном. Существует несколько их видов, которые мы рассмотрим ниже.

Для зарядки на коротрон подается высокий потенциал с помощью высоковольтного блока питания. Между коротроном и фоторецептором образуется разность потенциалов в несколько киловольт, что приводит к ударной ионизации воздуха (коронный разряд) и ионы накапливаются на поверхности фоторецептора. Часть электронов с заземленной подложки стекает на землю, при этом в материале подложки, вблизи границы с фотопроводником возникает избыточный заряд, противоположный заряду на поверхности фоторецептора. Экран коротрона заземляют, чтобы разность потенциалов между фоторецептором и коронной проволокой не уменьшалась, поскольку эта разность должна превышать пороговое напряжение короны (напряжение, ниже которого не возникает коронный разряд).

           Виды коротронов:

Обычный коротрон представляет собой тонкую проволоку из устойчивого к окислению материала, натянутую на железном экране. При загрязнении или окислении проволоки происходит ухудшение качества копии. При загрязнении экрана возможно проскакивание искры между фоторецептором и коротроном, что приводит к необратимому выгоранию фоторецептора.

           Коротрон – зарядное устройство, позволяющее регулировать величину заряда, сообщаемого поверхности фоторецептора. В нем кроме проволоки используется сетка, на которую также подается напряжение. Это позволяет получить заряд на поверхности фоторецептора, который не будет превышать определенное значение.

           Дикоротрон – позволяет еще более точно регулировать величину заряда. Он состоит из двух активных элементов: коронода и экрана. На коронод подается переменное напряжение порядка 5-6 кВ, а на экран – постоянное 1-3 кВ. При этом положительные ионы перемещаются от коронода к экрану, а отрицательные – к фоторецептору.

           Коротрон служит источником характерного запаха озона, исходящего от копировального аппарата во время работы. Следует отметить, что при использовании хороших фильтров и их своевременной замене запах не ощущается. В настоящее время фирмы-производители переходят на безозоновую технологию.

Формирование изображения

После зарядки на фоторецептор подается изображение, которое в копировальных аппаратах освещается мощным источником света и проецируется через систему зеркал. Обычно для освещения оригинала используется каретка с лампой как в сканерах, однако в машине Xerox 1075 (с ленточным фоторецептором) например, используется лампа-вспышка, которая освещает весь оригинал сразу. Для увеличения и уменьшения изображения служит объектив с изменяемым фокусным расстоянием. Скорость барабана и каретки должна быть согласована. Изображение со стекла экспонирования освещается лампой и через систему зеркал проецируется на фоторецептор. Те места на фоторецепторе, на которые падает свет, теряют свой потенциал. Таким образом, на фоторецепторе остается рисунок оригинала в виде заряженных участков.

По способу формирования изображения аппараты можно разделить на аппараты с подвижным столом, где оригинал вместе со стеклом экспонирования перемещается относительно источника света, неподвижным столом, где существует каретка и система зеркал (либо сканер) и аппараты с лампой-вспышкой, в которой весь оригинал освещается сразу. На широкоформатных копировальных аппаратах используется протяжка оригинала относительно стекла экспонирования и источника света.

Принцип действия каретки здесь описан не будет, поскольку наша статья посвящена теории и практике ксерографической печати.

Экспонирование

На этапе экспонирования на поверхности фоторецептора получается скрытое электростатическое изображение. Рассмотрим этот процесс более подробно.

До начала экспонирования поверхностный заряд фоторецептора удерживается на месте за счет взаимодействия с зарядом противоположного знака, находящегося на границе заземленной подложки и фоторецептора.

До попадания света на фотопроводящий слой количество свободных носителей зарядов в нем мало, а удельное сопротивление – велико. Фактически электроны в фотопроводнике после зарядки смещаются из равновесного положения, но они еще находятся в своих молекулах. Такое смещение положительных и отрицательных зарядов в молекуле называется поляризацией.

Рассмотрим упрощенную модель процесса, который происходит при освещении фоторецептора. Будем считать, что фоторецептор заряжен положительным зарядом.

При попадании света на фотопроводник в нем происходит генерация свободных носителей заряда. Электрон той молекулы, которая расположена ближе к поверхности слоя, перемещается по направлению к положительному иону на поверхности. Это перемещение нейтрализует часть положительных ионов на поверхности. В то же время молекула в верхнем слое остается положительно заряженной. Отсутствие электронов в молекуле называют «дыркой». Тип проводимости, при котором основными носителем заряда являются дырки, называют дырочной. При дырочной проводимости происходит перемещение электронов из одного атома в соседний. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении, противоположном движению электронов.

После попадания света на фоторецептор электростатическое поле на поверхности фотопроводника изменяется. Оно действует уже не между зарядом на поверхности фоторецептора и подложкой, а межу «верхней» молекулой и подложкой.

Электроны, находящиеся снизу от «верхней» молекулы, немедленно реагируют на положительный заряд и начинают перемещаться к «верхней» молекуле, чтобы нейтрализовать часть возникшего заряда. Миграция электронов приводит к тому, что положительный заряд от «верхней» молекулы переходит к молекуле из следующего, «второго» слоя молекул фотопроводника.

При этом электростатическое поле возникает между молекулой «второго» слоя и подложкой. Дырка соответственно перемещается от «верхней» молекулы к молекуле из «второго» слоя. Процесс повторяется до тех пор, пока дырка не перейдет к молекуле фотопроводника, ближайшего к подложке. В этом случае электроны перемещаются от подложки к фотопроводнику, чтобы нейтрализовать положительный заряд.

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).

           Возможны два варианта проявления – однокомпонентное и двухкомпонентное. Рассмотрим вначале двухкомпонентный способ.

           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 трибоэлектризации (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. 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.

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, такой 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. Современные аппараты обычно сами достаточно хорошо регулируют качество копии, практически не требуя вмешательства оператора.

           Однокомпонентное проявление обычно используется в аппаратах малого класса и лазерных принтерах. В этом случае требуется тонер другого состава. Естественно такой тонер стоит дороже. Однокомпонентное проявление не предусматривает наличия носителя. В этом случае тонер изготавливается из смести частиц магнитного материала, полимера и красителя.

           Из бункера тонер попадает на магнитный вал. Над валом, на выходе из бункера располагается заряжающее лезвие (ракель), которое выполняет две функции:

           1. Регулирует количество тонера на валу

           2. Заряжает частицы тонера

            Трение частиц тонера о лезвие 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.

           Регулировка качества копий происходит за счет изменения постоянной составляющей.

Перенос

           Процесс переноса – процесс, при котором тонер переносится на бумагу.

Бумага проходит между коротроном переноса и фоторецептором, на котором находится тонерный рисунок. 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. Не весь тонер переносится на бумагу. Поэтому его остатки удаляются в процессе очистки фоторецептора.

Для улучшения качества изображения и уменьшения расхода тонера в некоторых аппаратах осуществляется предварительный перенос, в процессе которого ослабляется заряд фоторецептора. Для этого либо фоторецептор предварительно освещается, либо на коротрон переноса подается переменное напряжение.

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

Закрепление

После переноса копия уже практически готова. Но изображение, полученное на бумаге может быть стерто практическим любым механическим воздействием (например, легким трением). Естественно такая копия не пригодна для практического использования. Для увеличения сцепления тонера с бумагой используется механизм закрепления.

  Существует несколько способов закрепления. Наиболее распространенный – это термомеханический способ, при котором копия подвергается нагреву и механическому прижиму.

  Механизм закрепления носит название фьюзер (печка). Механизм состоит из нагреваемого тефлонового вала, с кварцевой лампой внутри, и резинового прижимного вала. Иногда вместо тефлонового вала устанавливается специальный керамический термоэлемент, который отделяется от бумаги термопленкой. Такие копиры имеют меньший срок прогрева и меньшее энергопотребление, однако и ходит термопленка значительно меньшее количество копий и повредить ее значительно легче при неправильном извлечении бумаги.

В части аппаратов предусмотрена смазка нагреваемого вала силиконовой смазкой. Это позволяет избежать прилипания тонера к валику. Кроме того может использоваться специальное полотенце, для удаления остатков тонера или другой грязи, прилипшей к валу.

Для отделения бумаги от вала применяются пальцы отделения.

Механизм с кварцевой лампой более дорогой, но и более надежный обычно используется в высокопроизводительных машинах. Это например лазерные принтеры Xerox N24/32/40, HP 4plus, Xerox 5405 и т. д. Механизм с термопленкой используется в принтерах и копирах малого класса. Это копировальные аппараты Canon FC/PC серии, принтеры HP 5L, 6L, 5P, 6P, 1100

Очистка

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

  Непосредственно перед очисткой может использоваться предочистка с помощью засветки фоторецептора или коротрона предочистки, который генерирует положительные и отрицательные ионы.

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.

Возможное также удаление тонера мягкой щеткой, внутри которой устанавливается система вакуумной откачки.

Последний этап очистки – это 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 следующем рисунке:

Практическая сторона ксерографии

После того, как мы разобрались с физическими основами работы копировального аппарата перейдем к вопросам конкретной реализации ксерографической технологии в тех или иных аппаратах.

В больших машинах тонер, фоторецептор, девелопер, ракельный нож, коротрон меняются раздельно, после прохождения определенного количества копий. В малых принтерах и копирах все эти части объединяются в один картридж (т.н. супер-картридж). В части аппаратов такой картридж разделяют на два: копи-картридж (фоторецептор с системой очистки и зарядки) и тонер-картридж (тонер с магнитным валом). По правилам эксплуатации все такие картриджи имеют определенный срок службы и должны заменяться после его окончания. В частности картридж с тонером меняется по окончании в нем тонера.

В некоторых аппаратах замена определенных расходных материалов, таких как копи-картридж должна выполняться сервисным инженером, потому, что машина отсчитывает количество копий после установки нового картриджа и останавливается после того, как пройдено определенное количество копий. Сервисный инженер при замене таких расходных материалов должен сбросить счетчик. Однако практика показывает, что практически все такие расходники без особых проблем ходят 1,5-2 срока их реальной службы, особенно это относится к машинам Xerox. Например, фьюзер принтера Xerox N40 рекомендуется менять после 300 тыс. копий. Однако реально он может пройти и 600 тыс. копий, если его периодически обслуживать.

Принцип действия лазерного принтера несколько отличается от принципов работы копировального аппарата. Источником света здесь служит лазер, который уменьшает потенциал в определенных участках фоторецептора. При этом фоновые участки фоторецептора остаются заряженными. Тонер заряжается противоположным зарядом. При контакте тонер притягивается подложкой в участки с низким потенциалом, пробитые лазером.