Копировальный аппарат - устройство, предназначенное для получения копий с оригиналов, выполненных на различных материалах - бумаге, пленке. Его работа основана на принципе ксерографии. По определению Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (ШЕЕ) США ксерография - это ветвь электростатической электрофотографии, в которой используются фотопроводники для формирования с помощью инфракрасного видимого или ультрафиолетового излучений скрытого электростатического изображения, а последнее служит для получения видимого изображения. Ксерография базируется на двух физических явлениях: взаимодействии электростатических зарядов и фотоэффекте.
Принцип переноса изображения методом копирования изобретен специалистами английской фирмы XEROX, поэтому часто копировальные аппараты называют ксероксами, хотя такое определение, естественно, подходит только к устройствам, выпускаемым данной фирмой. Остальные должны называться просто «копировальные аппараты», а сама работа - «копирование».
Ксерография - (ксерографическое копирование) (от греч. xeros - сухой и graphein - графия, в отличие от «мокрой» фотографии), наиболее распространенный способ оперативного копирования документов в черно-белом или цветном изображении методами электрофотографии, в котором применяется сухое проявление с помощью окрашенных частиц порошка.
В традиционной фотографии изображения предметов запечатлеваются на светочувствительных слоях, в которых под действием света происходят необратимые химические изменения. В ксерографии свет воздействует не на химические, а на электрические свойства светочувствительного слоя. В качестве такого слоя американский изобретатель Ч. Карлсон предложил использовать электрические свойства фотополупроводников, зависящие от освещения. На свету они являются проводниками, а в темноте - диэлектриками. Фотополупроводниками являются сера, селен, окись цинка. Ч. Карлсон покрывал металлическую пластину слоем селена. Затем он в темноте электризовал его и проецировал на него изображение какого либо предмета. При этом засвеченные участки слоя становились проводниками, и электрические заряды с них уходили в металлическую подложку, а незасвеченные участки становились диэлектриками, и заряды на них сохранялись. Так образовывалось скрытое электростатическое изображение. Чтобы проявить его, пластину посыпали мелкораздробленным порошком красителя. При этом частицы этого порошка прилипали только к участкам полупроводникового слоя, на котором сохранились электрические заряды. Первый ксерографический отпечаток Ч. Карлсон и его помощник О. Корней получили в 1938г.
В переводе на русский язык термин «Xerox» означает «сухой». Данный термин используется в случае, когда речь идет о многократном использовании плоской или цилиндрической поверхности с фотопроводящим слоем, например слоем аморфного селена.
Сущность метода «Ксерокс» состоит в следующем. Если на какую-либо основу нанести слой фотополупроводника толщиной 10-100 мкм с высоким удельным сопротивлением (порядка 10 13 -10 14 Ом?см), а затем равномерно зарядить этот слой по всей поверхности до высокого электрического потенциала, то электрический потенциал слоя в темноте длительное время существенно не изменится. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом. При экспонировании такого фотополупроводникового слоя на освещенных участках, соответствующих пробельным участкам оригинала, происходит полная или частичная нейтрализация электрических зарядов, в то время как на неосвещенных участках, соответствующих тёмным участкам оригинала, сохраняется первоначальное распределение зарядов, в результате чего образуется так называемое скрытое электростатическое изображение. Для получения видимого изображения поверхность экспонированного фотополупроводника покрывают специальным темным порошком - тонером (или его суспензией), заряд которого противоположен по знаку заряду фотополупроводникового слоя. Порошок притягивается к поверхности фотополупроводникового слоя в местах скрытого электростатического изображения, сохранивших высокий потенциал, и изображение таким образом проявляется. Однако проявленное изображение является непрочным, оно легко нарушается, если прикоснуться к нему, поэтому это изображение закрепляется на самом полупроводнике или переносится на другую поверхность, где также закрепляется. Перенос проявленного изображения производится контактным способом - наложением бумаги или какого-либо другого носителя на проявленную поверхность фотополупроводника. При контакте поверхность, на которую переносится изображение, равномерно заряжается большим потенциалом того же знака, что и фотополупроводник, поэтому большая часть порошка притягивается к носителю. Процесс закрепления состоит в том, что порошок, с помощью которого было проявлено электростатическое изображение, расплавляется и прочно соединяется с поверхностью, образуя постоянное и длительно сохраняющееся изображение. Фотополупроводниковую поверхность, с которой переносится электростатическое изображение на другую поверхность, можно использовать многократно, очищая ее для последующего использования.
Таким образом, основу технологии ксерографического метода с переносом изображения составляют шесть следующих операций:
Электризация фотополупроводникового слоя;
Экспонирование слоя для создания скрытого электростатического изображения;
Проявление скрытого изображения проявляющим составом;
Перенос проявленного изображения на бумагу или другие носители;
Закрепление изображения;
Очистка фотополупроводникового слоя для повторного использования.
Перенос изображения может происходить как с плоской фотополупроводниковой поверхности, так и с цилиндрической (барабана).
Ксерография
Честер Ф. Карлсон
Электрографию придумал Честер Карлсон . Первый оттиск он и его помощник Отто Корнеи получили в своей домашней лаборатории в Нью-Йорке 22 октября года. Патент на эту технологию был получен 6 октября года U.S. Patent 2,297,691 (англ.) . Долгое время Карлсон безуспешно пытался внедрить свое изобретение, доказывая, что оно абсолютно необходимо для бизнеса, но везде ему отказывали, ссылаясь на то, что его изобретение слишком громоздко и сильно пачкает листы, к тому же, человек может значительно лучше справиться с задачей копирования. Удача улыбнулась ему в 1944 году в Battelle Institute, расположенном в штате Огайо . Там ему предложили усовершенствовать технологию и даже нашли точное слово для названия данного процесса - «электрофотография». После чего лицензию на дальнейшую разработку и производство копировальных аппаратов приобрела фирма Haloid Company. Именно тогда было решено, что слово «электрофотография» слишком научное и может отпугнуть потенциального покупателя. Помощь в поиске более удачного названия оказал местный профессор-филолог . Он придумал термин «ксерография» от греческих слов «xeros» - «сухой» и «graphos» - «писание», а потом уже сам изобретатель Карлсон додумался сократить слово до простого «ксерокс». В итоге в 1948 году первые ксероксы появились на рынке, а первая модель называлась просто - Model A. После выпуска в 1959 году первой полностью автоматической модели Xerox 914 компания Haloid сменила название на
Независимо от Честера Карлсона, в году, в Германии , изобретатель доктор Эйсбен основал фирму по выпуску копировального аппарата собственной конструкции. Называется его фирма Develop Corp. Она и сегодня продолжает выпускать копировальную технику, так и не признав первенства Карлсона, поскольку получила 16 патентов на изобретение доктора Эйсбена.
Упрощённый принцип ксерографии
Перед печатью фотобарабан (OPC) заряжается при помощи коротрона (коронатора) (то есть приобретает положительный или отрицательный потенциал), после этого производится его экспонирование при помощи лампы и системы зеркал . Покрытие фотобарабана в местах, облучённых светом, теряет свои диэлектрические свойства, что приводит к стеканию в этих местах электрического заряда на массу(фотобарабан соединен с ней, как правило, через свое металлическое основание). Следующая стадия называется проявление. Тонер с вала проявки переносится на разряженный участки фотобарабана за счет своего противоположного заряда. Затем по фотобарабану прокатывается лист бумаги (картона , прозрачной плёнки и др.), на котором следует произвести печать. После чего лист попадает в узел термозакрепления (фьюзер), который расплавляет и впрессовывает тонер в структуру листа.
Аналогичный принцип применяется в лазерных принтерах , только в них разрядка барабана производится лазером в соответствии с поступившей для печати информацией.
В современных цифровых лазерных копировальных аппаратах и принтерах темные части изображения наносятся лазерным лучом и тонер за счет свойств барабанов, используемых в лазерной печати, "прилипает" к незаряженным его участкам, а от заряженных отталкивается одноименным электрическим зарядом. Данный принцип позволяет увеличить срок эксплуатации лазера, т.к. в большинстве случаев темные участки при печати занимают намного меньшую площадь.
Реальный расклад напряжений при электрографическом способе создания изображения на бумаге в лазерном принтере. (Данная страница создана по просьбе участников форума trade-print.)
Нередко в полиграфии возникают вопросы по улучшению качества печати при использовании нестандартных режимов принтера. Например при печати на носителях гораздо более плотных, чем по тех условиям эксплуатации или использование не стандартных типах носителей (прорезиненная и другие типы бумаги).
Лучше всех в этом вопросе оказалась компания Xante Ilumina. Сотрудники компании берут стандартный принтер дорабатывают его аппаратно программную часть: высоковольтные блоки, скорости печати, величины напряжений ксерографического способа переноса изображения. В итоге принтер отлично печатает на бумаге плотностью 500 грамм, вместо паспортных 300 и цена принтера Xante увеличивается в 2 - 3 раза. ЗНАНИЕ - СИЛА!
Познания продвинутых пользователей заканчиваются на уровне теории переноса изображения, а именно заряженная частица тонера переходит на барабан с противоположным потенциалом, который создан лучом лазера. Однако на практике все гораздо сложнее.
Как создается изображение на фотобарабане?
Процесс создания изображения на бумаге ксерографическим способом можно разделить на три части.
1.
Подготовка фотобарабана
к созданию изображения.
В основе фотобарабана (системы создания изображения) лежит фоточувствительный слой, который является диэлектриком и способен заряжаться подаваемым на него напряжением. Однако как только на фоточувствительный слой попадает свет, он становится проводником и в месте попадания света потенциал падает до нуля. Фото слой можно рассмотреть как конденсатор на одной обкладке которого находится потенциал нанесенный роликом заряда, другая обкладка заземлена.
- механическая чистка фотобарабана от остатков тонера с помощью специального лезвия - ракель.
- засветка фотобарабана с целью удаления остатков ранее нанесенного электростатического изображения (есть не везде).
- заряд фотобарабана специальным высоким напряжением при помощи ролика заряда. Данное напряжение используется как основа для последующего нанесения невидимого изображения.
2. Нанесение изображения
на фотобарабан.
- Нанесение невидимого или потенциального изображения на барабан путем засветки лучом лазера или светодиодной линейкой. Невидимое изображение представляет из себя картинку из разных потенциалов. Нулевой потенциал в месте засветки лазера (в это место и будет попадать тонер и потенциал нанесенный роликом заряда.
- Нанесение тонера с магнитного вала на котором находится заряженный тонер на места
фотобарабана с нулевым потенциалом. Таким образом изображение проявляется, становится видимым.
3. Перенос изображения
на бумагу.
- Бумага проходит между фотобарабаном с изображением и роликом переноса Рис 2
. На ролик переноса подается потенциал, который притягивает тонерное изображение с фотобарабана на себя. Однако изображение попадает на бумагу, которая проходит в этот момент между роликом переноса и фотобарабаном.
На Рис 1. показаны реальные типы и величины напряжений при ксерографическом способе на основе принтера HP LaserJet 5N. На других принтерах, включая цветные лазерные принтеры могут отличаться величины и временные интервалы напряжений, однако идея останется неизменной.
Копировальный аппарат - устройство, предназначенное для получения копий с различных оригиналов.
Работа копировального аппарата основана на принципе сухой ксерографии (xeros-сухой, graphein-писать). Ксерография - фотографический процесс, основанный на физических явлениях, использующих фотопроводимость полупроводников. Под действием света, такие полупроводники изменяют свое удельное сопротивление.
Изобретателем ксерографического процесса считается Честер Ф.Карлсон (1906-1968). В 1947 году фирма Haloid Company перекупила права на использование патентов Карлсона. Тогда же было дано название-ксерография, процессу сухого электростатического переноса изображения, изобретенному Карлсоном. Впоследствии фирма была несколько раз преобразована, и сейчас называется The Document Company Xerox.
Основным элементом копировального аппарата является светочувствительный барабан. Как правило, полый металлический цилиндр, с нанесенным на его поверхность высокоомным полупроводником. В качестве полупроводников выступают слои на основе Se с добавками Te, Cd и др., слои на основе CdS либо органические полупроводниковые покрытия.
Селеновый фоторецептор состоит из нескольких слоев: "ловушечный слой", представляет собой оксидную пленку, служит для предотвращения темновой инжекции носителей заряда. За ним идет фотопроводящий слой, потом алюминиевая оксидная пленка и подложка.
Органический фоторецептор двухслойный. Первый слой - слой, переноса носителей (СПН) электрического заряда, второй слой - слой генерирования носителей (СГН) электрического заряда. За ним идет тонкий слой оксидной пленки, который предотвращает утекание заряда в подложку, затем подложка - последний алюминиевый слой.
Фоторецепторы в основном бывают двух видов: ленточные и цилиндрические. Ленточные фоторецепторы представляют собой замкнутую широкую ленту с нанесенным на ее поверхность фотопроводящим слоем. Используются в высокопроизводительных аппаратах, так как позволяют спроецировать все изображение оригинала сразу. Цилиндрический фоторецептор - полый металлический цилиндр (обычно алюминиевый), с нанесенным на его поверхность фотопроводящим слоем. Используются в копирах малой и средней производительности.
Работа копировального аппарата состоит из нескольких основных этапов, все они взаимосвязаны. Хорошее качество копии зависит от правильного выполнения всех этапов работы копировального аппарата.
1. Зарядка
На данном этапе на поверхности фотопроводника барабана формируются равномерно расположенные заряды определенной величины. Зарядка происходит при помощи главного коротрона (коротрона зарядки). На коротрон подается напряжение с высоковольтного блока. Возникает разность потенциалов в несколько киловольт между фоторецептором и коротроном, что приводит к ударной ионизации воздуха (коронный разряд). На поверхности фоторецептора скапливаются заряженные ионы. При вращении фоторецептора его поверхность покрывается равномерным слоем заряда, в результате чего, он подготавливается к экспозиции.
2. Экспонирование
На этом этапе формируется скрытое электростатическое изображение на барабане. Свет от лампы копирования направляется на документ, отражается от документа и через систему зеркал, объектив, оптическое изображение проецируется на барабан. Свет, отраженный от светлых участков документа имеет высокую интенсивность, а отраженный от темных участков имеет низкую интенсивность. При попадании света на барабан, в слое генерирования носителей заряда, образуются положительные и отрицательные заряды. Положительные заряды, образованные в СГН-слое движутся в направлении отрицательных зарядов на поверхности фотопроводника, отрицательные заряды движутся в направлении положительных зарядов алюминиевого слоя. Таким образом, положительные и отрицательные заряды в алюминиевом слое и на поверхности фотопроводника, взаимно нейтрализуются, соответственно уменьшается потенциал поверхности барабана. Способность СГН-слоя порождать электрические заряды увеличивается пропорционально интенсивности света падающего на барабан. Следовательно, высокая интенсивность света отраженного от светлого участка документа, приводит к большему числу электрических зарядов порожденных СГН-слоем. При этом нейтрализуется большое количество отрицательных зарядов на поверхности фотопроводника, что приводит к уменьшению потенциала поверхности фотопроводника. Низкая интенсивность света от темных участков документа, приводит к меньшему порождению электрических зарядов в СГН-слое, при этом нейтрализуется меньшее количество отрицательных зарядов на поверхности фотопроводника. Соответственно потенциал поверхности барабана уменьшается на меньшую величину. Потенциал поверхности барабана, соответствующий более светлому участку документа, меньше потенциала, соответствующего более темному участку документа. Таким образом, формируется скрытое электростатическое изображение.
3. Проявление
На данном этапе частички тонера, попадая на барабан, проявляют скрытое электростатическое изображение, делая его видимым. В качестве тонера используются многокомпонентные смеси окрашенных частиц синтетических и натуральных смол.
Существуют две системы проявления: однокомпонентная и двухкомпонентная.
В однокомпонентной системе тонер изготавливается из смеси частиц магнитного материала, полимера и красителя. Блок проявки состоит из магнитного вала (постоянный магнит, окруженный вращающейся втулкой) и ножа, выполненного из магнитного материала. Нож регулирует количество тонера наносимого на барабан и заряжает частицы тонера до нужной величины (знак заряда противоположен заряду фоторецептора). Перенос тонера с магнитного вала на барабан осуществляется с помощью напряжения смещения прикладываемого к магнитному валу. Напряжение смещения представляет собой переменное напряжение с постоянной составляющей, которая по знаку соответствует знаку заряда фоторецептора. Во время периода, со знаком, противоположным знаку заряда барабана тонер переносится на фоторецептор, во время другого периода, тонер с фоновых участков возвращается на магнитный вал. Величина смещения постоянного тока влияет на плотность копии и образование вуали: чем, менее отрицательным является потенциал смещения (чем ближе он подходит к 0 в), тем выше оказывается плотность и вуалеобразование.
В двухкомпонентной системе тонер небольшими порциями подается в бункер с носителем (девелопером). Носитель - магнитный порошок, с диаметром частиц порядка 20-150 мкм, служит для переноса тонера на барабан. Прилипание тонера к носителю, происходит за счет трибоэлектрического эффекта (частицы тонера и носителя, контактируя друг с другом, заряжаются противоположными зарядами). Тонер равномерно покрывает носитель. В свою очередь носитель равномерно распределен по магнитному валу - полый металлический цилиндр, с расположенными внутри постоянными магнитами. Магнитный вал расположен в непосредственной близости от фоторецептора, таким образом, частицы тонера, заряженные противоположным знаком, чем фоторецептор, притягиваются к его заряженным участкам. Потенциал поверхности фотопроводника на участках соответствующих более темному изображению, является высоким (большое количество отрицательных зарядов) и притягивает большее количество частиц тонера. Потенциал поверхности на участках соответствующих более светлому изображению, является низким (меньше отрицательных зарядов) и притягивает меньшее количество частиц тонера. Таким образом, формируется видимое изображение на фоторецепторе, состоящее из частичек тонера. В процессе проявления носитель не расходуется, но все же требует замены через некоторое время, так как теряет свои магнитные свойства и начинает осыпаться с магнитного вала. В процессе проявления на магнитный вал подается напряжение смещения порядка 100 - 500 вольт, для того чтобы предупредить перенос тонера остаточным зарядом (приблизительно 80 - 100 вольт), характерным для участков, соответствующих светлым участкам изображения.
4. Перенос изображения
Процесс переноса изображения заключается в переносе частичек тонера, формирующих видимое изображение, расположенных на поверхности фоторецептора на бумагу. Бумага, на которую переносится изображение, заряжается коротроном переноса до уровня более высокого, чем потенциал поверхности фоторецептора. При этом сила притяжения между поверхностью листа и частицами тонера выше, чем сила притяжения между поверхностью барабана и тонером, что вызывает притяжение тонера к бумаге. После переноса все же небольшая часть тонера остается на фоторецепторе, что впоследствии удаляется на стадии очистки барабана.
5. Отделение бумаги
На этом этапе лист бумаги с нанесенным на него изображением оригинала, отделяется от барабана. В процессе переноса бумага заряжена более сильно, чем фоторецептор, соответственно между ними возникает сила притяжения. Для того чтобы ослабить эту силу, коротрон отделения формирует на поверхности листа заряд переменного тока (для снижения потенциала бумаги до уровня потенциала барабана). В результате этого сила притяжения между барабаном и бумагой ослабевает, и бумага под действием собственного веса отделяется от барабана. Если этого не происходит, то бумага отделяется от барабана механическим способом, отделительными пальцами (зубьями).
После этапа отделения бумаги, копия почти готова, но еще требуется закрепление, иначе ее возможно испортить любым механическим воздействием (например, стереть пальцем). Для закрепления копии используется специальное приспособление - фьюзер (печка). Печка состоит из тефлонового вала и резинового вала. Внутри тефлонового вала располагается нагревательная лампа, которая разогревает этот вал, до температуры порядка 200 °С. Лист подается между тефлоновым и резиновым валом и как бы прокатывается между ними. Таким образом, тонер, расположенный на листе бумаги, спекается, и образуется устойчивая к внешним воздействиям копия оригинала. Существуют несколько разновидностей печек. Например, вместо тефлонофого вала используется керамический нагревательный элемент, отделенный от бумаги термопленкой. Такая система имеет меньшее время прогрева, меньшее энергопотребление, но есть свои недостатки: пленку очень легко порвать (повредить), при не аккуратном извлечении застрявший бумаги из аппарата.
6. Очистка барабана
Оставшийся тонер на поверхности фоторецептора, после процесса переноса изображения, удаляется на данном этапе при помощи лезвия очистки (ракеля). Отработанный тонер скапливается в специальном бункере. По мере накопления отработанного тонера, этот бункер требует очистки.
7. Разрядка
На данном этапе происходит удаление остаточного потенциала с поверхности барабана. При освещении барабана светом от лампы разрядки, происходит генерирование положительных и отрицательных зарядов в слое генерирования носителей, что приводит к нейтрализации и исчезновению остаточных зарядов на поверхности алюминиевого слоя и поверхности барабана. В итоге потенциал поверхности барабана после этого этапа приближается к нулю.
В копировальных аппаратах разных производителей возможны незначительные отличия в реализации процессов ксерографии.
