激光打印机工作原理及技术解析

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激光打印机原理与耗材技术解析

一．激光打印机工作原理

无论是黑白饥荒打印机还是彩色激光打印机，其基本工作原理是相同的，他们都采用了类似复印机的静电照相技术，将打印机内容转变为感光鼓上的以像素点为单位的点阵位图图像，再转印到打印机纸上形成打印内容。与复印唯一不同的是光源，复印机采用的是普通白色光源，而激光打印机则采用的是激光束。

在工作过程中计算机先把需要的数据（打印控制器中光栅位图图像数据）转换为激光扫描器的激光束信息，通过反射棱镜对感光鼓照射，此时感光鼓在充电时它的鼓体表面（现在感光鼓表面涂层用的材料一般为TefLon-----聚四氟乙烯）充满了正电荷。

激光器射出的激光抵消了鼓体表面图像部分以外的正电荷，感光鼓体表面形成了以正电荷表示的与打印图像完全相同的图像信息。这时显影仓已经工作，磁棒上的碳粉颗粒带上了负电荷，随着感光鼓的转动正负电子相依的时候就把碳粉颗粒吸附到感光鼓体上（正负相吸），形成了感光鼓表面的碳粉图像。而打印纸在与干皇姑接触前就被一充电单元充满负电荷，而所带电压高于感光鼓上的，当打印纸走过感光鼓时，由于正负电荷互相吸引，感光鼓的碳粉图像就转印到打印纸上。经过热转印单元（定影过程的加热加压）使碳粉颗粒完全与纸张纤维吸附，形成了打印图像。

二．激光打印机工作过程解析

第一阶段数据交换系统

1．打印机控制器：

在激光打印机能够工作之前，它需要获得页面数据并计算机如何将这些数据列印到纸

面上。这个工作由打印机控制器完成。打印机控制器是激光打印机的主要板载计算机。它通过某个通信端口（如：USB端口）与主机进行交谈。在打印作业开始时，激光打印机会与肌注一起确定数据的交换方式。控制器可能必须定期启动和停止主机，以便处理它已经接收到的信息。

2.打印机的接口和数据传输模式：

接口类型也就是指打印机与计算机之间采用的接口类型，通过这项指标也可以简介反映出打印机输出的速度快慢。目前市场上打印机产品的主要类型包括常见的并行接口、USB 接口以及网络接口。

2.1 并行接口：

并行接口又简称为“并口”，是一种增强了的双向并行传输接口。有点是不需要在PC 中用其他的卡，无限连接数码（只要你有足够的端口），设备的安装及使用容易。

2.2 USB接口：

USB 的全称是Universal Serial Bus 通用串行总线，USB支持插拔，也就是我们说的即插即用。使用USB 为打印机应用带来的变化则是速度的大幅度提升，USB 接口提供的连接速度比并口速度提高达到10倍以上，在这个速度之下打印文件传输时间大大缩减。目前绝大多数的桌面型激光打印机基本都配置了USB 接口。

3. 图像处理器：

在构造出数据之后，控制器就开始生成整个页面。它会设置文本边距，排列单词并放置所有图像。在页面排列完毕之后，光栅图像处理器会获取页面数据，既可以一次获取整个页面，也可以一部分一部分的获取，然后将页面分割成由微小点组成的阵列。正如我们将在下一节中看到的，打印机要求页面必须采用此格式，以便激光器能够将其写到感光鼓上。

4.激光器组件：

由于打印机的激光系统负责面的绘制工作，因此它——或激光扫描组件——必须做到非常的精准。传统的激光扫描组件包括：激光器，一面可移动的镜子，一组透镜。激光器接收页面数据——组成文本和图像的小点——一次接收一个水平行。

激光组件只在一个平面上沿水平方向移动。在每次进行水平扫描之后，打印机会将感光鼓移动的一个刻度，以便激光器组件可以绘制下一行。

激光打印机的工作方式有些类似与影印机，但在某些方面存在显著差异。最显而易见的差异是图像的来源：影印机通过图像发射的光线来扫描图像，二激光打印机则以数字格式接收图像数据。

第二阶段：激光扫描系统

激光扫描系统主要由激光器、反射镜、多面转镜、广角聚焦镜、同步器和声光偏转调制器等组成。

1.激光器

激光器是激光扫描系统的光源，具有方向性好、单色性强、相干性高及能量集中、便于调制和偏转得点。常用的激光器有氦—氖气体激光器和半导体激光器。

2.声光偏转调制器：

激光调制器的工作原理是利用声光效应产生衍射光栅，当激光束照射到超声媒质（如晶体、玻璃）中时，激光束即产生衍射，衍射光强度及方向会随超声波的频率及强度而变化，即所谓的声光效应。

3.激光扫描器

调制后的激光束要完成横向和纵向扫描，才能在感光硒鼓上产生完整的文字与图像，纵向运动是依靠感光硒鼓的旋转来完成的，而扫描器的横向运动则由扫描器来完成。4.光路系统

光路系统的作用是使扫描器产生的扫描光束集成规定的大小，并在感光鼓上机型匀速

直线运动，光路系统根据透镜处于扫描器的前后位置不同，分为物镜前型和物镜后型两种形式。但物镜后型在扫描较大图形时失真严重，故大多数激光打印机采用物镜前型光路系统，由多个透镜组合在一起构成广角聚焦镜光路系统。

第三阶段：电子成相显影系统

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，或故称为放电成像法。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影系统进行的。由于电子现象系统所采用显影剂的不同（磁性显影剂和非磁性显影剂），我们就把大致可以把电子显影系统分为磁性显影和非磁性显影系统两种。

1. 充电：

充电:

恒定的电流通过充电辊PCR

(Primary Charge Roller) 给感光

鼓OPC表面均匀充上负电荷

消电:

充电辊PCR同样将感光鼓表面残

留电荷清除.

充电既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层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。激光打印机对感光鼓充电的方法，因机型不同才采用的具体充电方法也有不同。

2.曝光成像：

感光:

激光束照射到感光鼓的部份会

产生放电现象,在鼓面上出现潜

在的图像.

在

扫描曝光就像我们用笔在纸上写字一样，扫描曝光的工具是有激光束在感光鼓上进行“书写”曝光，这幅图画或文字是不可见的，这就是我们所说的“静电潜像”。感光鼓在被充电后，当激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降低，表面的电荷与界面的电荷便中和消失。同时有由于光导体不在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通使电荷消失，没有被光照射的不跟仍保持，这样就形成一副电位差的图像，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。如残余电位过高，将会出现打印“底灰”现象。

3.显影

显影:

从潜在图像到形成真正图像.

碳粉被磁芯吸附在磁辊上，doctor blade与磁辊/碳粉

相互摩擦使碳粉充上负电荷.感光鼓面上正电荷的部分

会将充上负电荷的墨粉吸附过去,在鼓面上形成图像.

磁辊中心有磁芯

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图像。显影是利用物质间电荷同性相排斥、异性相吸的原理完成的。粉仓中的搅拌器，是时碳粉摩擦带电。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棍滚筒的表面，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，刮板以及磁辊套筒之间的摩擦，碳粉表面带上了负的静电。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，则通过显像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。跳跃的碳粉附着在形成静电潜像的感光鼓表面的眀部。此时附着的碳粉量，和对比电位成比例。另外，感光鼓表面的暗部，因为有一次充电的电位，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以个交流偏置电压，着个交流偏置电压加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清晰度、分辨率的问题。

4.转印

转印:

在感光鼓面上形成的图像转移到纸张上.

转印辊充上正电荷,在纸张下面将碳粉吸附

到纸上.

用高压静电将感光鼓表面的“碳粉图像”转印到普通纸张上，这个过程称为“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张的表面上了。由于这种专业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的吸附在上面，而导致打印质量不良，如图像缺陷，字符空心等异常问题。

5. 加热定影

定影:

通过高温使碳粉融化并固定在纸上. 定影

组件是由上方的加热辊和下方的压力辊组

成的.

将吸附在纸上的碳粉图像，利用加压热熔的方法，使溶化的碳粉侵入打印纸中，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，当吸附由碳粉的纸经过两个较高而间隙又不大的金属滚筒之间夹缝时，碳粉中的树脂溶化而与碳粉一起被紧紧地压附在纸张上，从而形成永久的图像，同时也完成了激光打印机的整个过程。

6.清洁

清洁：

WB将感光鼓OPC 表面清除干净.

清洁挡片将剩余碳粉收集到废粉仓The recovery

blade防止剩余碳粉漏出来.

清洁系统主要就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、显影、转印、定影、清洁、消电几道功勋，由于电位迁移，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：橡胶刮板清洁与毛刷清洁。它们的作用都是对感光鼓表面进行清洁。

非磁性显影电子显像系统工作方式：

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，此处仅对此说明。该类粉盒的显影碳粉使有显影辊与供粉辊共同配合完成。

二、激光打印耗材——硒鼓

1. 激光碳粉盒的组成

激光碳粉盒为打印机的消耗品，是激光打印的主要成像部件。现以三星1710碳粉盒为例来进行讲解。此粉盒主要由8大部件组成：包括感光鼓，充电辊，显影辊，供粉辊，控制刮刀，清洁刮刀，碳粉和塑胶件。其功能主要如下表：

2. 硒鼓分类

（a）按组合方式分

碳粉盒可以分为一体化碳粉盒，二体化碳粉盒和三体化碳粉盒。其中一体化碳粉盒就是指光导鼓（感光鼓）、显影辊以及碳粉存储仓为一体的碳粉盒。大部分HP的黑白碳粉盒属于这一类。二体化碳粉盒是指碳粉盒分为两个独立的部分，一部分为光导鼓，另一部分部分为显影辊与碳粉存储仓。该类碳粉盒有EPSON 6200L,联想M9100 等等。三体化碳粉盒指碳粉盒分为三个独立的部分；光导鼓、显影辊、碳粉存储仓。通常有的厂家也称其为鼓粉分离技术。

（b）按使用的碳粉类型分

碳粉盒可以分为磁性单组碳粉盒、非磁性单组碳粉盒和双组碳粉盒。对于磁性单组分碳粉盒，它的显影器是采用磁辊同粉仓的配合来给光导鼓进行供粉。非磁性单组分碳粉盒的显影器是靠显影辊、供粉辊和粉仓刮板三者配合给光导鼓进行供粉。双组粉碳粉盒其显影器仍是靠磁辊同粉仓刮板的配合来对光导鼓进行供粉。

通过上述三种分类，我们就可以得出碳粉盒所存在的一些共性和差异、显影器和碳粉存储仓，所说的差异就是指碳粉盒由于其采用的显影剂不同，其显影器的构成具备了较大的差异。

3.打印过程中各部件所起的作用

三、激光打印机硒鼓易损部件

1.光导鼓（感光鼓）

a、光导鼓的工作原理

光导鼓是一个光敏器件，主要用光导材料制成。它的基本工作原理就是“光电转换”的过程。

b、光导鼓的分类

目前市场上光导鼓产品有三种，即硒鼓及硒合金鼓，a-硅鼓，硫化镉鼓、有机鼓（OPC）因为硒鼓制作成本高，硒及金属属于稀有金属材料，在加上硒砷毒性较大二污染环境等因素，逐步退出静电成像材料主流市场。而a-硅鼓由于制造工艺复杂，成本极高，价格昂贵。由于高效环保的有机信息电子材料OPC光导鼓具有成本低，原材料来源随地可得，可灵活的制造，可实现大规模连续生产，OPC鼓已占有了全部光导鼓的98％以上。

c、OPC的构成及组成。

OPC鼓是由铝管涂覆有机化学（即光敏材料）构成的。有机化学物质最主要的是两层，一层是电荷生成层（CGL），一层是电荷传输层（CTL）一般还会在有机光导材料外面再涂覆一层材料，起耐磨性。

感光鼓的结构分成涂布与基材，基材是由金属构成的。现在都是由铝来当基材，基材部分接地以引导电子能迅速消散掉，涂布层可概括分成：保护层、电性层、防放射层。

2. 显影辊

a、显影辊的作用

就是讲碳粉从存储仓中输送到光导鼓上面，从而达到图像的显现。

b、显影辊的类型

目前市场上面所存在的显影辊主要由两种，一种是由在金属套筒上面涂层制成的显影辊，另一种是橡胶辊（也称胶辊、皮辊）。对于在金属上面涂层的显影辊大部分为磁性辊，而橡胶辊大部分则用于非磁性显影剂的情况。

c、磁辊的组成及生产品质所导致的问题

作为显影辊它的作用由两个：一个是吸附碳粉颗粒。另一个就是充电碳粉颗粒。

c1 磁辊涂层表面粗糙度直接影响碳粉所能获得的充电程度。

c2 光滑程度较低的涂层会使得小个碳粉粒子机械的粘附在套筒上面而导致图像黑度的降低。

c3 涂层中碳黑的导电特性由助于充电过盛的小个碳粉例子能够将过多的电荷导入，导致黑度不匀（鬼影）的根源之一。

d、磁辊在使用中注意事项：

第一、不要使用任何类型的清洁剂处理套筒。

第二、不要用手接触套筒表面，手上的油污、汗液会引起音频缺陷。

第三、不要试图抛光磁辊表面，并尽量不要用棉布清洁磁辊表面，这样做会降低其表面纹理。

第四、不要采用堆叠的方法存储磁辊，磁力的吸引可能引起碰撞从而弄伤涂层。

3、充电辊

a、充电辊分类

在目前市场上激光打印机的充电方式由两种形式：一种是电晕充电方式，一种是使用充电辊的充电方式。即充电装置分为电晕充电器盒充电辊。

b、与充电辊不良相关的打印缺陷

b1)、针孔效应

如果感光鼓的绝缘层某处由一小针孔，那么在给OPC充电的时候，小孔轴向的一跳线上的电荷可能通过针孔到导电层到电极而泄露。OPC无法有效充电，在打印上变现为一条黑线。

b2)、充电电压绝对值过低

充电电压绝对值过低，是OPC不能够得到有效的充电，形成的潜像与北京反差太小，造成诋毁严重或者中间色调的图像失真。

b3)、充电辊结构不均匀

充电辊结构不均匀，造成充电辊沿轴向各部分的体积电阻率不同，从而造成充电电压在各个部分由差别，造成图像密度不均匀。

b4)、OPC污染

充电辊在使用过程中电压达到最小，性能不稳定，放置一段时间，胶料内随环境变化而发生了化学发应，导致OPC表面有污染线。

4、清洁刮板

橡胶清洁刮板是由金属基架及聚氨脂片制作，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墨粉旋转时，残留墨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，以放置清洁后废粉的飞出。（测试样张有不规律的小碳粉点，有可能是止回片变形或者未粘接牢固）。由于橡胶刮板始终与感光鼓剪切面并具有一定压力，会造成感光鼓表面的磨损，在刮板刃部涂有润滑粉。

清洁刮板作用：把感光鼓表面没有完全转移的“残余墨粉”清除干净，使下一个打印周期是个洁净的感光鼓。如果清洁刮板刀刃有损伤，残留在感光鼓表面的墨粉则不能清洁干净，导致下一个周期的图像重叠而产生不良的打印效果。

5、出粉刀

出粉刀（DB又叫做控制片）的机构

a、由金属基架及聚氨脂片构成；

a1) 与MR（磁辊）摩擦使碳粉颗粒带电；

a2) 控制磁辊套筒表面碳粉层厚度，令碳粉均匀转出。

b、出粉刀（DB）使用中注意事项

b1) 在生产操作中注意其表层不得随意用化学溶剂处理；

b2) 金属基架尽量不与水接触，防止其生锈

b3) 聚氨脂片在使用中不可以用手接触或油污粘在表面；

b4) 出粉刀不得有缺口或杂质粘附，这会使打印图像中出现竖条；

b5) 如出粉刀上得聚氨脂片老化、粘有杂物或变形会直接导致打印品质。

6、碳粉

碳粉，也叫墨粉，使用于静电成像得粉状墨汁，其颗粒大小在5—12微米，带正电荷或负电荷。

碳粉分单组份和双组份，有磁性和非磁性。复印机所用碳粉为双组份，其中含有载体。激光打印机碳粉为单组份碳粉，不含载体，激光打印机碳粉分磁性碳粉和非磁性碳粉两种。磁性碳粉用于跳动式显影，非磁性碳粉用于接触式显影。磁性碳粉对应的是磁辊，非磁性对应的是显影辊。

a、碳粉的鉴定

决定一种型号的碳粉中和品质考虑以下六个因素：黑度、灰度、非分率、分辨率、定着度、鬼影。

黑度

黑度值的计算是黑度值测试器先发射一定数量强光束，照射到待测图形，在反射回黑度值测试器，计算其被吸收的光束，再通过固定的计算程式得出的值。

底灰

底灰值是用黑度测试器测试打印样张中没有字样的空白处的黑度值。它与打印纸的白的程度也有关系，即同一种碳粉在不同的打印纸上的底灰值也不一定一样。在一般情况下，OEM 碳粉的底灰值约为0.05—0.06，大于0.06时，目测的结果就会感觉打印样张有点脏，影响底灰值的主要原因和碳粉的导电特性（简称电性）及碳粉的颗粒大小有关。每种型号的打印机要求的碳粉点电性一般是不一样，这也是我们强调专用粉专用的一个原因。

废粉率

废粉率是指一定量的碳粉在正常的打印中产生的废粉所占比例。

三星系列打印机碳粉的废粉率在5％~7％之间时属于正常范围。其它品牌打印机一般

高些，6％~10％之间。废粉率也直接影响到一定量的碳粉打印页数（页产量）。

分辨率

分辨率是指每英寸所能打印的点（DPI）。碳粉颗粒的粗细会直接影响到分辨率。我们可以打印一些壁画较多的小字来目测其是否模糊，来判断其分辨率的高与低。也可以观察线条是否有毛边，汉字在拐角处是否断角及是否有空心字发虚等显像评估。

定着度

定着度指的是附着在纸张表面的碳粉溶化后渗透到纸纤维的能力。熔点是影响碳粉定着度的一个重要因素。

（1）熔点过高时，当附有碳粉颗粒的纸张经过定影组件，未能充分溶化渗透到纸纤维时，已从定影组件通过。

（2）但是熔点过低，碳粉的稳定性又会变得很差。我们多说得定影不牢。一般来说，定着度较差得碳粉所打印的文字表面会很粗糙。严格测试时，可以一用机械工业部标准中的办法，采用耐磨测试仪器进行测试。

鬼影和重影

鬼影的形成：是因为感光表面的文字图形形成的不等位电荷区在完成一次成像后，仍残留可导致成潜像的电荷区，在下一次成像中，仍可见其潜像的现象。鬼影现象和重影现象相似，但又有部分区别。重影现象一般是由于及其的故障现象引起，如定影组件中的上辊氟层被破坏引起沾粉，从而导致重影。另外，打印截止也会影响鬼影出现，像硫酸纸比普通纸更容易出现鬼影现象，刚打印过的纸也会比未使用过的打印纸容易出现鬼影现象。

b、碳粉使用注意事项：

（1）使用环境：温度10~35℃，湿度20~80％

（2）打印介质：不可使用破皱、潮湿、变形和超厚的纸张。太厚太硬的纸张会很快磨损感光鼓，导致打印质量下降，甚至造成不能修复的损坏。

（3）碳粉达标指数：黑度≥1.3

（高质量复印稿黑度：1.2—1.4，国际黑度为1.0）底灰≤0.9

页耗粉量≤60mg 颗粒度6—8um

四、印品质量（打印测试样稿及测试页）及名词解释

1、印品质量应符合下表所规定的要求。

印品考核项目及技术指标

2、名词解释

（1）墨粉卡盒组件——是由光导体单元、显影单元、墨粉输送单元等三个单元或前两个单元组成的成像部件。