（机械工程专业论文）蜂鸟系列激光打印机的工作原理及设计.pdf

山东大学硕士学位论文 捅要 随着经济与信息通信技术的迅猛发展，作为终端产品的打印机，其应用范围 已突破传统的商用、办公，开始进入到家庭。 激光打印机作为一种高新技术产品，以其打印速度快、噪声小、打印质量高、 性价比高等优点，深受用户青睐，在许多国家已得到了广泛的应用。 激光打印机在光学与电子、机械与控制、软件与硬件、环境与化学方面有着 浑然一体的精确结合，是机电一体化产品的典型代表。 三星电子是世界上第二大激光打印机生产企业，集多年研制开发激光打印机 的技术经验，已在关键部件如激光扫描器、定影器、硒鼓等方面形成了自己独特 的技术优势：同时三星电子是世界上少数几个将激光打印机机芯同中央控制器一 起设计并生产的企业，这种设计及生产方式充分保证了产品具有技术领先性及生 产成本的控制能力。 本文以新的应用需求为背景，较为详细地阐述了一种新型激光打印机的研制 过程，并对其中涉及到的关键技术进行了研究：本文详细介绍了三星蜂鸟系列激 光打印机的工作原理、机械结构、电路控制以及相关的创新设计。 本文所研制的新型激光打印机，应用了多项新技术，真正做到了性能好、价 格低，可广泛应用于家庭及s o h o 一族，具有广阔的市场前景；其推广应用也必将 对我国乃至世界办公自动化产业的发展起到一定的促进作用。 【关键词】激光技术打印机控制技术结构设计 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h e e c o n o m ya n dt h ei n f o r m a t i o na n d t e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o no fp r i m e rh a sb e e nb r e a k t h r o u g ht h e t r a d i t i o n a lu s ef o rb u s i n e s sa n do f f i c e ，a n ds t a tt oe n t e ri n t op e r s o n a lf a m i l y a sah i g h - t e c hp r o d u c t ，l a s e rb e a mp r i n t e rc a r r i e st h em e r i t ss u c ha sf a s tp r i n t s p e e d ，l o wn o i s e s ，h i g hp r i mq u a l i t y , a n dh i g hp r i c ep e r f o r m a n c er a t i o ，w h i c hi sv e r y a t t r a c t i v et ot h ec u s t o m e r s i th a sb e e nw i d e l yu s e di nm o s to f c o u n t r i e s l a s e rb e a m p r i n t e r i st h ea c c u r a t ec o m b i n a t i o nt h a t g e to p t i c s w i t h e l e c t r o n i c s ，m e c h a n i c s a n d c o n t r o l ，h a r d w a r e a n d s o f t w a r e ，e n v i r o n m e n t w i t h c h e m i s t r y ；i t i st h et y p i c a l r e p r e s e n t a t i o no fp r o d u c tc o m b i n gm e c h a n i c s w i t h e l e c t r o n i c s s a m s a n ge l e c t r o n i c si st h es e c o n db i g g e rc o m p a n yo f m a n u f a c t u r el a s e rp r i n t e r , i t h a sm o r ee x p e r i e n c ef o rl a s e rp r i n t e rd e s i g n ，i th a si t su n i q u et e c h n o l o g ya d v a n t a g ei n k e yc o m p o n e n t ss u c ha sl a s e rs c a n n i n gu n i t 、f u s e r 、t o n e rc a r t r i d g e ；a st h e s a m e t i m e ，s a m s u n ge l e c t r o n i c si st h ef e wc o m p a n i e sf o rd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gt h e l a s e rp r i n t e re n g i n ea n dc p ut o g e t h e r , t h i sd e s i g na n dm a n u f a c t u r em o d ea s s u r et h e c o n t r o la b i l i t yf o rt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r ec o s t t h ep r o j e c tp r e s e n t e di nt h ep a p e rh a sb e e nc o n d u c t e di na c c o r d a n c ew i t ht h en e w a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t t h ed e v e l o p m e n tw o r ko fan e wt y p eo fl a s e rb e a mp r i n t e r w i l lb ed i s c u s s e da n dt h ei n - d e p t hs t u d yo f t h em a j o rt e c h n i q u e sa d o p t e di nt h i sp r o j e c t h a sb e e nc a r r i e do u t t h ep a p e ri n t r o d u c ei nd e t a i lt h ew o r k i n gp r i n c i p l e 、m e c h a n i c s d e s i g n 、e l e c t r o n i cc i r c u i tp r i n c i p l ea n d t h ei n n o v a t i v ed e s i g no f t h eh n m m i n l 曲i r ds e r i e s l a s e rp r i n t e rd e v e l o p e db ys a m s u n ge l e c t r o n i c s t h en e wt y p eo fl a s e rb e a mp r i n t e rd e s c r i b e di n t h i sp a p e rp o s s e s s e sm a n y a d v a n c e dt e c h n o l o g y ，i ti sr e a lh a v eh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s t ，i ti sw i d e l yu s e d i np e r s o n a la n ds o h ou s e ra n dh a v ep r o s p e r o u sm a r k e tp o t e n t i a l i t sp r o m o t i o na n d p o p u l a r i z a t i o nw i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h eo f f i c ea u t o m a t i o ni n d u s t r yi n c h i n ao rt h ew o r l d 【k e y w o r d s 】l a s e rt e c h n o l o g y ，p r i m e r , c o n t r o lt e c h n o l o g y ，s t r u c t u r ed e s i g n l i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 碴遮? 日期：竺丝! ：厂 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 盈凌导师签名：盗盘搓日期：也拿。 ! ：丛 第1 章绪论 1 1 打印机的发展现状 信息化社会的二十一世纪，作为信息化产品的终端设备打印机，其应用 愈来愈普及。无论是在家庭还是在办公室，到处都可以看到打印机的身影，可以 说打印机已经完全融入了我们的生活。 打印机种类繁多，依据打印方式的不同，习惯上将其分成击打式打印机和非 击打式打印机两大类。常见的针式打印机就属于典型的击打式打印机，而喷墨打 印机和激光打印机则属于非击打式打印机。1 。 1 1 1 击打式打印机 击打式打印机是通过直接与纸面接触，由点击产生字符，其原理类似于我们 使用的英文打字机，每敲击一次键，就会有一个相应的字母通过色带打印到纸上。 最早的击打式打印机采用的打印头有轮式和球式两种，它通过转动打印头得到要 打印的字符，然后通过色带将字符打印在纸上。因此，早期的这种打印机又被称 为电动打字机。 这类打印机由于打印头自身工作方式的限制，只能用来打印文本，且打印速 度慢、噪声大，这些缺点都制约了它的发展。 。 点阵式打印机就是在此基础上出现的，它也是通过点击的方式形成字符，这 类打印机较先前的轮式打印机和球式打印机在结构上复杂了许多，且自带微处理 芯片。打印头是由许多细小的“针”垂直排列组成，每一针都可以单独地击打纸 面，形成单个墨点。这就是通常所说的针式打印机。针式打印机根据打印头针数 的不同又细分为9 针、1 8 针、2 4 针打印机等。 针式打印机结构复杂、噪声大、速度慢、维护困难；随着技术的发展，针式打 印机已失去原有的主导地位。除一些必需的、特殊场合( 如：银行打印双联复写发 票等) 外，针式打印机已让位于喷墨打印机、激光打印机和热敏热转印打印机。 1 1 2 非击打式打印机 非击打式打印机的品种较多，常见的有喷墨打印机、激光打印机、热转印式 打印机、热升华式打印机和发光二极管式( l e d ) 打印机等。 1 喷墨打印机 喷墨打印机是目前最为流行的打印机之一，其原理较击打式打印机复杂得多。 当打印纸通过喷墨头时，主控电路在打印信号的驱动下，通过强磁场加速，使墨 山东大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! = = ! ! ! ! i i ! ! ! ! 竺竺! ! ! ! ! 竺= ! = ! = ! 竺! 竺：= = ! ! = ! = 水以极高的速度喷射到打印纸上，以实现喷墨打印，其过程与针式打印机相似， 两者的不同之处在于：喷墨打印机将色带变成更加直接的墨水，并以液体形式存 放于墨盒中，另外用一列列微小的墨水喷嘴取代打印针，墨水通过喷嘴从喷墨头 中均匀地喷出，并极其规则地附着在打印纸上，形成高质量的打印效果。 根据喷墨技术的不同，喷墨打印机又分为连续式和随机式两种。连续式喷墨 打印机又细分为电荷控制型、电场控制型、喷涂型和墨雾型四种；而随机式喷墨 打印机又细分为气泡式、压电式两种。目前c a n o n 、t i p 等品牌喷墨打印机多采用 气泡式喷墨技术，而e p s o n 系列打印机多采用压电式喷墨技术。 喷墨打印机需要不断更换墨盒，尤其是彩色墨盒的价格较高，使得喷墨打印 机的单张打印成本较高。 2 激光打印机 激光打印机与喷墨打印机不同，它使用的是墨粉丽不是墨水。打印时，打印 信息以数据序列的形式传输到激光打印机自带的打印内存中，然后经过充电、曝 光、显影、转印、定影及清洁等过程，完成最终的打印输出。长期以来，激光 打印机以其速度快、质量好、使用方便等特点在打印机市场中占据着重要地位。 3 热转印式打印机 熟转印式打印机的打印头是一种带有发热电阻的薄膜头，它是利用半导体集 成电路技术制造而成的。发热电阻是热转印打印机中非常关键的部件，一般是由 高密度的特殊薄膜材料制成，具有耐高功率、耐高温的特点。打印时，由具有热 敏性能的油墨涂在涤纶基膜上构成热转印色带，然后通过脉冲信号驱动打印头， 打印头中的发热电阻发热将色带上的油墨熔化而转印到打印纸上，最终形成打印 字符或图像。 4 热升华式打印机 热升华式打印机一般采用直接将染料传递到纸上的方法，其原理是将染料升 华为气态，然后直接在纸上固化。在喷墨打印机技术还未成熟时，热升华式打印 机主要用于高档图像的打印输出。但是，打印速度过慢和维护费用高是其最大的 缺点。 5 发光二极管式打印机 发光二极管打印机的工作过程与激光打印机十分相似，都是采用电子照相技 术，唯一的区别是激光打印机采用的光源是激光管，而发光二极管式打印机采用 的光源则是发光二极管。 1 2 国内外激光打印机的研发生产现状 长期以来，国内在研发生产激光打印机方面存在一定的难度：一是发达国家 2 山东大学硕士学位论文 水以极高的速度喷射到打印纸上以实现喷墨打印，其过程与针式打印机相似， 两者的不同之处在于：喷墨打印机将色带变成更加直接的墨水，并以液体形式存 放于墨盒中，另外用一列列微小的墨水喷嘴取代打印针，墨水通过喷嘴从喷墨头 中均匀地喷出，并极其舰则地附着在打印纸上，形成高质量的打印效果。 根据喷墨技术的不同，喷墨打印机又分为连续式和随机式两种。连续式喷墨 打印机又细分为电荷控制型、电场控制型、喷涂型和墨雾型四种；而随机式喷墨 打印机又细分为气泡式、压电式两种。目前c a n o n 、h p 等品牌喷墨打印机多采用 气泡式喷墨技术，而e p s o n 系列打印机多采用压电式喷墨技术。 喷墨打印机需要不断更换墨盒，尤其是彩色墨盒的价格较商，使得喷墨打印 机的单张打印成本较高。 2 激光打印机 激光打印机与喷墨打印机不同，它使用的是墨粉面不是墨水。打印时，打印 信息以数据序列的形式传输到激光打印机自带的打印内存中，然后经过充电、曝 光、显影、转印、定影及清洁等过程，完成最终的打印输 ；。长期以来，激光 打印机以其速度快、质量好、使用方便等特点在打印机市场中占据着重要地位。 3 热转印式打印机 热转印式打印机的打印头是一种带有发热电阻的薄膜头，它是利用半导体集 成电路技术制造而成的。发热电阻是热转印打印机中非常关键的部件，一般是由 高密度的特殊薄膜材料制成。具有耐高功率、耐高温的特点。打印时，由具有热 敏性能的油墨涂在涤纶基膜上构成热转印色带，然后通过脉冲信号驱动打印头， 打印头中的发热电阻发热将色带上的油墨熔化而转印到打印纸l ，最终形成打印 字符或图像。 4 热升华式打印机 热升华式打印机一般采用直接将染料传递到纸上的方法，其原理是将染料升 华为气态，然后直接在纸上固化。在喷墨打印机技术还未成熟时，热升华式打印 机主要用于高档图像的打印输出。但是，打印速度过慢和维护费用高是其最大的 缺点。 5 发光二极管式打印机 发光二极管打印机的工作过程与激光打印机十分相似，都是采用电子照相技 术，唯一的区别是激光打印机采用的光源是激光管，而发光二极管式打印机采用 的光源则是发光二极管。 1 2 国内外激光打印机的研发生产现状 长期以来，国内在研发生产激光打印机方面存在一定的难度：一是发达国家 长期以来，国内在研芨生产激光打印机方面存在一定的难度：一是发达国家 2 山东大学硕士学位论文 出于保持在该领域的技术、价格上的垄断地位的考虑，对打印机核心部件激 光扫描器、专用的集成电路的设计制造技术进行技术信息封锁：二是受打印机的 研发、生产的配套能力的制约；三是打印机的价格长期以来居高不下，在一定程 度上限制了激光打印机的应用与推广。 另一方面，随着我国经济技术的发展，激光打印机的应用领域不断扩大，作 为办公自动化领域的必备终端产品之一的激光打印机在我国有着广阔的市场前 景。近年来，国内涌现出些新的打印机厂商，但多数厂商是采用o e m 方式从国 外打印机厂商手中赢接购买整机或利用从国外购迸的打印机配件，通过组装形成 产品推向市场。目前国内具有自主知识产权、具备自主研发打印机整机产品能力 的企业，只有联想、方正、实达等少数厂商。 山东三星通信设备有限公司是韩国三星在海外投资兴建的第一家以开发、生产、 销售传真机、打印机等办公自动化设备的工厂，依托总部庞大的技术研发力量，具 备开发、生产激光打印机的能力。 在美国、日本等西方国家，由于其经济发达、技术先进、配套能力强，具有 激光打印机核心部件激光打印头的开发生产能力，因而开发生产激光打印机起 步早，产品更新快，推广应用领域非常广泛。国外较为著名的激光打印机生产商 有：日本的c a n o n 、e p s o n 、美国的h p 、l e x m a r k 、x e r o x 等公司，这些公司具有 较强的激光打印机研发生产能力，其产品占据着国外市场的大部分份额，具有较 强的市场竞争力。 自2 0 世纪9 0 年代以来随着技术的发展，激光打印机的成本在不断下降。随 着p c 的普及，激光打印机开始进入家庭，生产和销售始终处于稳健增长的发展时 期，激光打印机具有非常大的市场空间。 1 3 激光打印机的工作原理简介 激光打印机是一种光、机、电一体化的高度自动化的计算机输出设备。图卜l 为激光打印机的基本工作流程图。打印机接收到主机发送的打印数据信息后，通 过数据转换将数据信息转换成打印机的打印信息，通过此信息驱动高频振荡器， 激光器发射激光柬，经扫描器在感光鼓上生成静电潜像。同时打印机驱动走纸， 通过图像转印和高温定影将打印完成的最终稿件输出“。 在这当中，最关键的两个过程是激光扫描和成像转印。 山东大学硕士学位论文 图卜1 激光打印机的基本工作流程图 1 3 1 光线基本原理 光的存在是自然界能够被人认识的一个重要因素。如果光束直径极小或无限 小，称为光线。可以把光看作无数条光线的集合。光线传播的路程称为光路。当 光遇到本身不发光的物体时，如果被反射回来，并且只在一个方向上反射回来， 则称之为反射光；如果是多方向反射，没有规律，例如粗糙物体表面的反射，称 为漫射光。本身能发光的物体称为光源。本身不能发光但能反射光线的物体能被 人眼看到。 光波的两个波峰之间的距离称为波长，单位为n m ( 纳米) 。不同的光有不同的 波长。人眼可见光的波长范围约在4 0 0 “7 0 0 n m 之间，并且不同的波长表现为不同 的颜色。 对于激光打印机来说，所需要的光不仅要有很好的方向性和单色性，同时还 要容易叠加和分离。而由于普通光具有很大的散射性和漫射性，不能控制形成集 中的光束，因此不能用于激光打印机。只有激光不仅方向性好，单色性强，且能 量集中，便于调制和偏转，是激光打印机最理想的选择“3 。图卜2 和图卜3 分别 为激光和日光的聚焦示意图。 激光束物镜 f 咖m hh ll lk 肚妙 图1 - 2 激光聚焦示意图 4 汇聚点 发光二极管物镜 图i - 3 日光聚焦示意图 像点 1 ，3 2 激光器的原理及特点 激光器是激光打印机中用以产生激光的器件，主要用于产生扫描光源。与普 通光源不同，激光器发出的光具有方向性好、单色性强、亮度高、容易叠加和分 离等特点。常见的激光器有氦( h e ) 一氖( n e ) 气体激光器和半导体激光器两种。其中 氦一氖气体激光器的波长为6 3 2 8pm ，输出功率较高，具有噪音低、寿命长、性 能可靠等优点。但由于体积太大，价格昂贵，目前已基本被淘汰，只有在早期生 产的激光打印机中才能看到。随着半导体激光二极管技术的不断发展，半导体二 极管已经成为目前激光打印机中经常采用的一种激光器件，型号较多，具有体积 小、成本低、便于调制和偏转等特点，十分适合小型激光打印机使用。表卜1 为 半导体激光二极管与气体激光器的性能对比表。 山东大学硕士学位论文 表卜1 半导体激光二极管与气体激光器的性能对比表 半导体激光器 气体激光器 项目 ( g a a l a s g a a s ，波长0 8um )( h e n e 激光器和a r 激光器 a r + 1 5 渊：1 5 0 m m x l 5 0 m m x 4 2 0 m m 体积1 6 m mx t m mx 5 m m 或中9 m mx j 姗 h e n e1 m w ：巾4 0 r mx 3 0 5 m m a r 激光器1 5 m w ：7 k g 重量 数克 h e n e 激光器l m w ：0 6 k g 驱动电压 2 v几千伏 效率百分之几 o 0 1 振动波长及稳定性不好，随温度变化 非常好 可靠性 低高 需要声光调制器或电光调制 调制方法可直接进行幅度调制 器 集成化 可以 不可以 大，水平方向6 。1 5 。， 光束( 半值全角) 小，0 1 。 垂直方向1 6 。3 0 。， 价格 低 高 半导体激光器通常采用半导体激光二极管，它是在气体二极管出现之后发明 的，与普通二极管极为相似，都是由p n 结构成的。由于材料的不同和工艺的差异， 它所发出的激光束的波长也不同。如图l 一4 所示。 阴墩 u 缮 n 擞活崖 p 髭 p 壤杉 图1 4 半导体激光二极管示意图 当发光二极管有电压时，在p n 结爻界处光于彼激发出来，即能量以光的形式 释放出来，这种光的光谱不是单一波长。而激光二极管从其截面图可见，在p n 6 薹(鳓 一 一；。，。黼。o 一 蕊国 国 瓣粼辫 商 婴一制l砒 山东大学硕士学位论文 结交界处设有u 层、p 层和激活层，这样就形成了光的谐振系列，从而发出激光。 图卜5 即为激光二极管的立体结构示意图。 图1 5 半导体激光二极管的立体结构示意图 将这种激光二极管芯制作在金属壳内，引线接在下面，管壳的上部开有圆形 窗口以便发射激光束。顶部通常为平顶型或倾斜型两种，其典型结构如图卜6 所 示。 a 科灏塑( b l 中礞i ! l | i 图i - 6 斜顶型激光二极管和平顶型激光二极管 在管壳内还设置有一个光敏二极管，这是为了通过检测激光强度来控制供给 激光二极管的电源。因此，一般有三个引线脚，即一个激光二极管接地端、一个 光敏二极管输出端和一个接地端。 1 3 3 光电导现象及光电导材料 自然界中某些材料遇光以后其化学结构不发生变化，而电性质发q ：t 变化， 从绝缘体变为具有一定导电能力的导电体；当它重新回到黑暗中后又从导电体变 山东大学硕士学位论文 回到绝缘体。这种现象就是通常所说的光电导现象，可以用一个式子表示为 激活 绝缘体+ 光量子，导电体 诸如硒、硫化镉等材料，将它们置于暗处时，电阻率很高，往往达到i 0 6q c m 或更高。经过一定波长的光照射时，其电阻率明显下降，往往为l o ”、1 0 ”q c m 或更低。停止光照后重新置于暗处时，其电阻率又重新回到原来的水平。如果对 其施加一个电场，光照部分和未光照部分通过的电流强度就会有明显的差异。 一般将能够明显地发生光电导现象的材料统称为光电导材料。常用的光电导材料 有硒( s e ) 、氧化锌( z n o ) 、硫化镉( c d s ) 。 除上述几种光电导材料外，最近对硅( s i ) 的开发和利用己成为静电复印技术 界瞩目的大事。硅的资源极其丰富，价格低廉，无毒，且物理强度、寿命、热稳 定性等均胜过其他光电导材料。最近国内外在制造硅晶光电导体工艺已有长足的 进展和突破，有的激光打印机已经开始使用高寿命的硅晶光电导体，其寿命可达 3 0 万次以上。可以预见，硅光电导材料将得到越来越广泛的应用。 激光打印机就是利用这些材料的光电导特性，将其制成类似于普通照相用的 感光板或底片，利用静电高压电晕放电使感光板表面沉积一定量的电荷，通过脉 冲电压控制打印信息投射到感光板上，在感光板表面就会形成一个肉眼看不见的 静电电荷图像( 潜像) ，再通过显影，将静电电荷图像变成肉眼可以看见的色剂图 像并输出。 1 3 4 成像转印的工作原理 激光打印机的成像转印过程与复印机十分相似，通常需要充电、曝光、显影、 转印、定影和清洁六个步骤”。 1 3 4 i 充电( c h a r g i n g ) 充电就是以静电高压电晕放电的形式使光电导体的表面带电，从而获得较高 的表面电位。 从图卜7 中可以看到，感光鼓由内到外依次为导电层、光导层和绝缘层。绝 缘层位于感光鼓最外层，负责保护光导体以防止磨损，从而保持光导体的光电特 性。导电层由精度很高的铝合金圆筒加工而成，且保证可靠接地，以使曝光后的 电位能迅速释放。电晕丝同高压发生器的输出端相连接，在电晕放电的同时沿着 感光鼓的表面平行移动。被电离带正电荷的空气离子在电场力的作用下被推向光 电导体的表面，一方面与光电导体的表面亲和，另一方面与从导电层感应出来的 负电荷相平衡。因为这时的光导层未经光照，基本为绝缘状态( 只有微弱的漏电 流) ，恰似一个平板电容器两极板间的绝缘介质，在它的两个界面( 一个是空气界 面，另一个是底基界面) 形成了两个电荷量相同而极性相反的电荷层，这与电容器 山东大学硕士学位论文 充电原理一样。光电导体与空气界面的电荷层也与电容器的正极板一样，呈正极 性。形成这一电荷层的电量越大，表面电位越高。 图l 一7 感光鼓的组成结构 由于不同机型感光鼓所采用的光导材料各不相同，如硒光电导体属于p 型半 导体导电方式，对其充正电有利于增强受光照后的导电能力。而若是采用氧化锌、 硫化镉、有机合成材料制成的光电导体，则要充负电，即负静电高压电晕放电， 表面电荷层是负电荷层，表面电位是负极性电位，而底基感应电荷层是正电荷层。 这是因为氧化锌等材料属于n 型半导体导电方式，对其充负电有利于它们光电导 性能的增加。 通过充电电极使电极丝与感光鼓之间的空气发生电离，从而最终达到光导层 充电，这种方法通常称为非接触式充电。非接触充电的优点是能使感光鼓表面电 荷分布均匀；缺点是产生大量的负离子( 即臭氧) ，臭氧聚集到一定程度会对人体 有害，同时会破坏环境。目前很多激光打印机都采用充电辊充电方式，通常称接 触式充电，如图1 - 8 所示。接触式充电优点是避免了臭氧的产生：缺点是增加了 感光鼓的磨损，而且会出现充电不均匀的现象“1 。 免嘲靓 哇芄鲑 图1 - 8 接触式充电示煮图 1 3 4 2 曝光( e x p o s u r e ) 曝光就是利用感光鼓表面光电导材料的光敏特性，用带有打印数据信息的激 9 山东大学硕士学位论文 光束扫描感光鼓表面，使已带电区域中和，形成静电潜像的过程“。 当激光束扫描感光鼓表面时，被光照射的部位与感光导电层直接导通，电荷 迅速释放，表面电位急速衰减；而未被照射的部位电荷仍然保留，具有较高的电 位。被光照射的部位因受到光照变为导电状态，正、负电荷通过光电导体互相中 和，表面电位大幅度降低，进行光衰过程( 光导层受光线照射，形成光导电压， 电荷迅速中和消失，光导体表面电位迅速下降的过程称为光衰过程) ，光衰的过程 在顷刻间完成。在曝光结束的瞬间，光电导体表面上形成了一幅与打印内容相似 的静电潜像( 类似于感光后的感光纸或照相底片) n 。 图卜9 为感光鼓表面的电位变化曲线。从图中可以看出，在曝光过程中光衰 过程非常关键，光衰过程彻底与否直接影响到打印质量。 图l 一9 感光鼓表面电位变化曲线 1 ，3 4 3 显影( d e v e i o p i n g ) 显影是将静电潜像变成人眼可以看见的色剂图像的过程。 能够使图像显现出来的色剂称为显影剂。显影剂分为湿式和于式两大类。湿 式显影剂是液态的，一般由色调剂和分散剂组成。干式又分双组份和单组份两大 类。双组份显影剂是由墨粉和载体两种成份构成：单组份是墨粉和载体合二为一 的产物，颗粒是单一成份的。使用湿式显影剂的激光打印机称为湿法激光打印机； 使用于式显影剂的激光打印机称为干法激光打印机。目前湿法激光打印机已经被 淘汰。 即使是干式双组份显影剂，使图像显现的有效成份仍是墨粉，而载体仅起携 载和输送墨粉颗粒到显影区的作用。光电导体正充电的情况下，静电潜像是正电 荷像，需要的墨粉是能够通过摩擦带负电性的墨粉；光电导体负充电的情况下， 则需要通过摩擦带正电性的墨粉。 l o 山东大学硕士学位论文 图1 - l o 显影的工作过程 显影的工作过程如图1 - 1 0 所示，显影磁辊载着墨粉旋转并与墨粉刮板相切以 产生摩擦，使墨粉带电，从而被感光鼓所吸附。被光线照射的部分电位极低而不 能吸附墨粉颗粒；未被光照射的部分电位高，很容易地吸附带有相反极性的墨粉 颗粒。静电潜像电位越高的部分，吸附墨粉的能力越强，反之则弱。吸附墨粉颗 粒的多少，呈现不同层次的黑度，给人一种层次感。 1 3 4 4 转印( t r a n s f e r ) 转印是将光电导体上的墨粉图像转移到打印纸上的过程。 目前激光打印机的转印方法有两种，一种是电晕放电转印，如图卜1 1 所示。 其过程是：将一张打印纸覆盖在光电导体的墨粉图像上，用一个同主充电极性相 同的高压静电沿纸的背面移动的同时进行电晕放电，所形成的强大电场使墨粉颗 粒从光电导体上被解吸而转移到打印纸上。 图1 1 1 电晕放电转印 山东大学硕士学位论文 另一种转印方法是放电胶辊转印，如图卜1 2 所示。与电晕放电转印不同的是 这种方式用的是放电胶辊而不是电极。 图1 一1 2 放电胶辊转印 在转印的过程中，由于静电潜像电位对转印高压形成的电场强度在越靠近光 电导表面的地方抵消作用越大，加之万有引力的作用以及墨粉颗粒在转移的过程 中的拥挤现象等因素，在转印高压作用的瞬间内，不可能将墨粉全部转移到纸上， 总有一些墨粉残留在光电导体上。这些残留在光电导体上的墨粉叫作残余墨粉。 经转印后，残余墨粉的量越大，说明转印效率越低。衡量转印效率的方法是用转 移到纸上的墨粉量同转印前光电导体上的墨粉量相对比，可用下式表示： 转印到纸上的墨粉量 转印效率 纸上的墨粉量+ 残余墨粉量 比值越大，说明转印效率越高。一般于法激光打印机以7 5 为标准，能够达 到8 5 的比较理想。 1 3 4 5 定影( f ix i n g ) 被转移到纸上的墨份图像还没有和纸完全合为一体，此时如用手摸，墨粉图 像就会被抹掉。因此还需要将墨粉固化在纸上才能成为最终打印品，这一固化的 过程称为定影。 目前定影的方式很多，但基本上是以热定影为主，其原理如图卜1 3 所示。一 般采用卤素加热灯作为热源。当热源使墨粉达到熔点时，颗粒融化互相融合并向 纸基渗透，同时定影下轧辊( 压力胶辊) 施加一定压力以增强墨粉颗粒的附着能力。 当离开热源温度降低后，墨粉凝圆，与纸融为一体，墨粉颗粒之间也融为一体， 使图像固化到纸上以变得光洁、乎整、细腻而富有质感。 1 2 山东大学硕士学位论文 在定影过程中，关键是温度的控制，既要能使墨粉融化，又不致于湮散，以 保证图像的清晰。 图l 1 3 定影原理不意图 1 3 4 6 清洁( c | e a n i n g ) 光电导体表面在转印后仍滞留着残余墨粉和残余电荷，如果不清除。势必带 入下一个成像转印过程，前一张打印的残余图像就会在后一张打印品中显现出来， 出现所谓的“鬼影”。因此必须要有一个清洁过程以清除残余图像与残余电荷。 清洁的方法很多，其中最主要的有三种：放电曝光清洁、刮板清洁、毛刷清洁。 放电曝光清洁是通过交流高压放电配之以充分曝光来消除光电导体上的残余 电荷。刮板清洁是用橡塑刮板将残余墨粉刮掉，如图卜1 4 所示。 图1 1 4 刮板清洁示意图 橡素刮板紧贴于感光鼓上并与其表面成一定的角度，在感光鼓旋转的同时将 其表面残余的墨粉刮入废粉回收仓内。由于这种方法容易使墨粉颗粒附着于刮板 之上，长期使用会磨损感光鼓，因此要注意定期对此部件进行清洁。 毛刷清洁则采用反充电曝光加磁刷的方法回收墨粉，原理如图l 一1 5 所示。 图卜1 5 毛刷清洁示意图 滚筒式毛刷在驱动电机的作用下与感光鼓反向转动，将感光鼓上残留的墨粉 轻轻扫入废粉回收仓内。同时，毛刷利用旋转摩擦产生静电以吸引墨粉，可以有 效地避免墨粉飞扬而污染打印机的其他部件。这种清洁方式与刮板式相比，对感 光鼓表面磨损小，一定长度上延长了感光鼓的使用寿命。 综上所述，从充电、曝光、显影、转印、定影到清洁六个步骤，组成了成像 转印的基本过程“，。 1 4 激光打印机研发的趋势 随着电子技术、计算机技术、光学技术、材料技术的迅速发展，激光打印机 的研发越来越向着追求以下功能、性能的趋势发展。 高速度：在追求工作效率、生活质量的当今社会，人们对打印速度的要求越来 越苛刻，打印速度由9 0 年代的6 p p m 、8 p p m 、i o p p m ，逐渐提高到目前的1 6 p p m 、 2 0 p p m 、3 0 p p m ，随着打印机行业技术的不断发展，具有5 0 8 0 p p m 以上打印速度的 激光打印机将是各打印机厂商研发需要突破的技术难题。 商分辨率：不断追求高质量的打印效果，由原来的分辨率为2 0 0 d p j 、3 0 0 d p i 到 目前流行的6 0 0 d p i ，甚至发展更高的1 2 0 0 d p i 、2 4 0 0 d p i 分辨率，打印图像的质 量与喷墨打印机等同。 彩色化：突破传统的黑白打印，向着色彩多样的彩色打印功能发展。 小型化、紧凑化：体积小，少占用空间，适合于家庭使用。 网络打印：不用连接微机同样可以实现网络打印的功能。 多功能化：融传真、电话、扫描、打印、复印等功能为一体，充分满足s o h o 族的使用要求，做到一机多用。 1 4 性能的稳定性：在不同环境下，打印机仍然能够保持设计性能可靠工作。如： 不受温度、湿度、电磁等因素的干扰影响。 维修服务方便：强调排错、修理、维护的简便性。 1 5 项目的可行性分析 1 。5 1 蜂乌系列激光打印机项目背景 自2 0 0 0 年以来，三星电子就在不断推出激光打印机新产品，满足韩国国内需 求的同时，瞄准国际技术，积极跟踪国际市场动态，开始全面进入中国市场，在 国际舞台上同日本、美国等知名厂商展开了竞争。 2 0 0 1 年，经过全面的市场调 研，发现在国际市场上激光打印机占主角的仍然是打印速度2 0 p p m 以下、价格为 3 0 0 美元以下的中低档机型，其中代表机型有：b r o t h e r 的h l 一1 4 4 0 ( 1 4 p p m ，2 4 9 美元) 、h p 的l j - 1 0 0 0 ( 1 0 p p m ，2 4 9 美元) 等。 2 0 0 2 年4 月，三星电子确立了研发h u m m i n g b i r d ( 蜂鸟) m l 一1 7 1 0 系列激光 打印机的项目，并着手成立产品研发项目组。 1 5 2 关键技术优势 三星电子是世界上第二大激光打印机生产企业，集多年研制开发激光打印机 的技术经验，己在关键部件如激光扫描器、定影器、硒鼓等方面形成了自己独特 的技术优势。 三星电子是世界上少数几个将激光打印机机芯同中央控制器一起设计并生产 的企业，这种设计及生产方式保证了三星激光打印机的产品技术领先性及生产成 本的控制能力。 与其他公司相比，三星公司拥有丰富的产品事业群，能够发挥其他竞争公司 所无具有的协同作战的效果。 三星电子拥有半导体事业部，可以提供激光打印机生产的最核心半导体技术， 可以将大量先进的功能通过软件与半导体技术来得以实现；三星电子拥有的s o c 技术，可以将多种功能集中在一个芯片上，大大提高机器的整体性能。 三星集团拥有自己的化工工业三星综合化学株式会社，可以开发并生产 各种高分子工程塑料及特殊化学制品，可以提供激光打印机生产所需要的各种塑 料部件注塑成型用的树脂，可以大大减少原材料的采购成本。 三星电子打印机事业部开发部门拥有8 0 0 多名优秀的技术人员，负责激光打 印机、喷墨打印机的机械、电路、软件等方面的设计与开发。 山东大学硕士学位论文 在此基础上，本着结构独特、外形美观、使用可靠、降低成本等设计思想，充分 研究国际上激光打印机的技术现状、发展动态及趋势，借助三星电子这个平台， 能够开发出符合中国国情的激光打印机。 1 5 3 市场分析 根据i d c 等专门机构的推测：2 0 0 1 年整个世晃打印机市场为7 3 0 亿美元，而 5 年后将达到1 0 0 0 亿美元，市场的发展前景非常美好。 m l 1 7 1 0 系列产品具有其它品牌同类产品相当的性能，而价格却远低于其它品 牌，可以赢得顾客的青睐，市场潜力巨大。表卜2 为同类竞争产品的性能比较表。 三星电子在世界各地都建有自己庞大的销售网络，拥有优秀的市场推广人员， 预计卜2 年内世界总的销售数量将达到2 0 0 万台，可以迅速扩大三星打印机的市 场占有率，提高三星品牌的知名度。 表卜2 同类竞争产品的性能比较表 b r a n d s a m s u n gs a m s u n g b r o t h e r m o d e lm l - 1 7 1 0m l 一1 7 5 0 h pl j 一1 0 0 0 h l - 1 4 4 0 价格1 4 9 美元1 9 9 美元2 4 9 美元2 4 9 美元 打印速度 1 7 p p m ( l t r )1 7 p p m ( l t r )l o p p m1 4 p p m 分辨率 6 0 0 x 6 0 0 d p i1 2 0 0 x 6 0 0 d p i1 2 0 0 x 6 0 0 d p i1 2 0 0 x 6 0 0 d p i 微处理器 9 0 删z1 6 6 衄z4 8 衄z6 6 删z 内存 2 m b8 m bi m b2 m b 仿真模式s p l p c l 6 p c l s ep c l 4 打印端口 u s b l 1u s b 2 ，o & i e e e l 2 8 4u s bu s b i e e e l 2 8 4 纸张输入 2 5 0c s t2 5 0c s t2 5 0 c s t2 5 0 c s t 纸张输出 5 0 f a c e d o w n5 0 f a c e d o w n1 2 5 f a c e d o w n1 5 0 f a c e d o w n 网络 e x t e r n a le x t e r n a l1 0b a s e t 硒鼓2 ，5 0 0 s h e e t s2 ，5 0 0 s h e e t s2 ，5 0 0 s h e e t s3 ，0 0 0 s h e e t s 1 ，6 研发项目的确立 2 0 0 2 年0 5 月，三星电子正式批准立项，成立了蜂鸟系列( m l 一1 7 1 0 m l 一1 7 5 0 ) 激光打印机开发项目组，开始进行项目研发的具体工作。 1 6 第2 章总体设计方案 2 1 外观设计 本着外观时尚、超薄设计的原则，我们设计了下面几种不同概念的外观，经 过专家论证，大家一致认为c 方案比较有竞争力，最终选定c 方案。 图2 - l 外观设计效果图 山东大学硕士学位论文 2 1 1 正视图及主要零部件名称、作用 图2 - 2 产品正视图 在打印机的正视图方向配置有以下零部件： 前盖板( f r o n tc o v e r ) 一打开前盖板可以进行硒鼓的更换以及清除内部 异物及卡纸；同时在前盖板上装有手动迸纸器，可以用来打印胶片、信封、 明信片等厚纸。 上盖( t o pc o v e r ) 一是打印机的主要外壳部分，装有接纸托盘( o u t p u t t r a y s u p p o r t ) 用来收集打印后字面向下的文稿。 装纸纸仓( t r a y c a s s e t t e ) 一用来盛装打印纸，容量为2 5 0 张：装有纸 张容量指示器( p a p e rl e v e li n d i c a t o r ) ，根据指示器的位置判定纸张的 多少。 电源开关( p o w e rs w i t c h ) ：用于电源的开关。 2 1 2 后视图及主要零部件名称作用 在打印机的后部配置有以下零部件： 后盖( r e a rc o v e r ) 一在打印机的上盖后面部分装有后盖，打开后用来输出 打印后字面向上的文稿，通常指信封、胶片等厚的纸张。 另外，在打印机的后部装有电源插座、串形打印端口( u s b ) 、并行打印端口。 l g 山东大学硕士学位论文 2 1 3 内部视图 图2 - 3 产品后视图 图2 4 产品内部视图 打开前盖，可以方便地取出、更换硒鼓及清洁转印辊。 2 1 4 操作面板的布局及功能说明 根据操作简单的宗旨，操作面板设计的非常简洁，只有1 个按键、两个指示 灯。 1 )“在线错误”指示灯、“省墨”指示灯 “在线错误”指示灯 1 9 如果“在线错误”指示灯显示绿色，表明打印机处于待机状态，可以进 行打印作业。 如果“在