קרא ודע אודות מדפסת לייזר, על הטכנולוגיה שמאחורי מדפסת הלייזר.

מדפסת לייזר, או כפי שזו מוכרת בשמה המלא Laser Beam Printer, משמשת להדפסה של טקסטים ותמונות על גבי נייר וסוגי מדיה שונים, דוגמת : שקפים ומדבקות, מדפסות לייזר מאופיינות במהירות הדפסה גבוהה של עד למאה עמודים בדקה ובהדפסה ברזולוציות גבוהות, זאת הודות לשימוש עם טונר למדפסת. המונח מדפסת לייזר, מעורר קונוטציה ישירה אל צירוף המילים קרן לייזר ולרבים נדמה כי זו יוצרת את ההדפסה על גבי הנייר. אם כי, בפועל קרן הלייזר משמשת רק במישור אחד בתהליך ההדפסה הכולל חמישה שלבים, זה מוכר בשם זירוגרפיה כמו גם בשם סימון אלקטרופוטוגרפי של קרן לייזר. השימוש בקרן לייזר רותם תכונה אלקטרופוטוגרפית עבור יצירה של הדפסה בתהליך יבש שאינו מצריך שימוש בכימיקלים או נוזלים כלשהם, ומכאן נגזר שמו שמו של התהליך לשם המוכר זירוגרפיה, שמשמעו ביוונית הדפסה יבשה. תהליך זה מכונה בשם הדפסה יבשה, משום שיצירת שכבת ההדפסה נעשית על ידי אבקת טונר שהינה אבקה יבשה.

תהליך ההדפסה המתרחש בקרביה של מדפסת לייזר, מבוסס על עקרונות אלקטרוסטטיים של הפרשי פוטנציאלים, מורכב משישה שלבים אשר בסיומם נוצר פלט מודפס. רק בשלב הראשון פועל מנגנון הלייזר לשם יצירת סימון של תמונת הדפסה נסתרת, על פני השטח של גליל תוף פוטואלקטרי, תמונת ההדפסה הנסתרת אינה נראית לעין ומכאן נגזר שמה. לאור זאת, תמוה מדוע נקרא שמה של מדפסת זו, דווקא בשם מדפסת לייזר ? אני סובר כי צירוף המושג לייזר יוצר הקשר של טכנולוגיה חדשנית וקרוב לוודאי שזה תרם רבות לשיווקן של מדפסות הלייזר בראשית דרכן.

המצאתה ופיתוחה של מדפסת הלייזר
להלן תצלום של פלט ההעתקה אשר הודפס לראשונה באמצעות מכונת הצילום של צ'סטר קרלסון בשנת 1938. המצאתו זו של קרלסון היוותה את הבסיס לפיתוח של מדפסת הלייזר הראשונה על ידי גארי סטארקוודר וחברת זירוקס. ראוי לציין כי מדפסת הלייזר נשענת על אותם עקרונות ששהומצאו על ידי קרלסון.

מדפסת הלייזר פותחה בשנת 1969 על ידי גארי סטארקוודר באמצעות מודיפיקציה של מכונת צילום Xerox מדגם A.




היסטוריה והתפתחות של מדפסת הלייזר
שבע שנים תחלופנה החל מן הפיתוח של מדפסת הלייזר הראשונה ועד שזו תקרום עור וגידים ותהפוך למוצר מסחרי. מדפסת הלייזר הראשונה אשר שווקה באופן מסחרי, פותחה על ידי חברת I.B.M בשנת 1976 ושווקה תחת השם מדפסת לייזר מדגם IBM 3800, זו יועדה לשימושם של גופים מסחריים ושלטוניים, דוגמת בנקים ומשרדי ממשלה ,דגם זה שימש להדפסה של נייר רציף והפעלתו הייתה כרוכה בחיבור למערכת מיחשוב Mainfraim ולשטח תפעול נרחב.
להלן תמונות של מדפסת לייזר מדגם IBM 3800 :

זמן לא רב לאחר צאתה של מדפסת לייזר IBM מדגם 3800, פיתחה Xerox מדפסת לייזר מדגם Star 8010, מדפסת זו לא זכתה להצלחה מסחרית, עקב מחירה הגבוה, ושימשה בעיקר גופים שלטוניים ובנקים.

ההצלחה הגדולה בשיווק מסחרי של מדפסות לייזר התבססה על המצאה של חברת Canon, זו המציאה ופיתחה בשנת 1984 את מחסנית הטונר החד רכיבית וזו הובילה להוזלה מיידית של עלויות הייצור וכתוצאה מכך לפופולריות הגואה של מדפסות לייזר עבור שימוש משרדי. למעשה, המצאה זו של טונר חד רכיבי אפשרה לייצר מדפסות לייזר קטנות מימדים, זאת בהשוואה אל מימדיהן של מדפסות לייזר אשר פותחו עד לשנת 1984. המצאה זו גם תרמה להוזלת עלות הייצור של מדפסות לייזר ואיפשרה להציען לשימוש משרדי במחיר שווה לכל כיס. גורם נוסף ועיקרי להצלחתה של מדפסת הלייזר מתוצרת קנון הינו בכך שבשנים אלו החלה התפתחות המחשב האישי ,וזו תרמה רבות לפופולריות של מדפסות לייזר אלו.

מפתיע שדווקא מדפסות HP זכו לתהילה הגדולה על פי תפישת הרוב, וזו נחשבת למפיצת הבשורה הגדולה עם מדפסות Laserjet האגדתיות והמוכרות לכל עד ימינו אנו. זאת למרות העובדה שמדפסות HP בנויות ממנועי הדפסה שהינם מתוצרת קנון וזו לא אחראית להמצאתן. מדפסות לייזר HP מדגמי Laserjet, מבוססות עד היום על מנועי הדפסה מתוצרת קנון ,הווה אומר כי יצרנית חומרת המדפסת היא חברת קנון ואילו חברת HP אחראית על פיתוח רכיבי הקישוריות והתוכנה של מדפסת אלו.
למותא לציין כי לחברת HP חלק נכבד מאוד בפיתוח של מנהלי התקנים, שפת ההדפסה PCL ושפת תיכנות מדפסות PJL כמו גם פרוטוקולי תיקשורת וחומרת קישוריות רשת אשר מהוות את סטנדרט התעשיה עד ימינו אנו. כל אלה, תרמו רבות להצלחתן של מדפסות HP Laserjet.

ארכיטקטורה ומבנה של מדפסת לייזר
להלן אסקור את הארכיטקטורת והמבנה הכוללים קשרים בין רכיבי האלקטרוניקה ,החלקים המכניים ותזמון הפעולות המתרחשות במהלך רצף מחזור הדפסה :

מדפסת לייזר מורכבת מארבעה מכלולים עיקריים, שהינם בעלי חשיבות מהותית לתהליך ההדפסה : מערכת הלייזר, מערכת יצירת תמונת הדפסה, מנגנוני הזנת הנייר ומערכת הבקרה.

מכלול הנעה - הכח הנדרש להנעת המכלולים המכניים של מדפסת לייזר מסופק על ידי המנוע הראשי, מנוע הזנת הנייר ומנוע יחידת הלייזר אשר מתוזמנים לפעולה על ידי אותות המתקבלים מלוח הבקרה האלקטרוני כמתואר בתרשים להלן :

יחידת הלייזר - בתגובה לקבלת פקודת הדפסה מהתקן חיצוני (בדרך כלל מחשב) מועברים אל המדפסת נתוני מידע אשר מעובדים לשפת תיאור עמוד על ידי לוח המעצב המוכר בשם Formatter, זה מהווה חלק מן הלוח הראשי או ממוקם בקרבתו. הנתונים המעובדים מועברים אל בקר יחידת הלייזר ובתגובה מחוללת יחידת הלייזר קרן אשר מכוונת אל עדשת קולימטור (עדשה שמשמשת להצרת קרן הלייזר) וממנה לעבר עדשה גלילית שמנתבת את קרן הלייזר לעבר מראת הסריקה שמסתובבת במהירות הנדרשת עבור הפעולה. קרן הלייזר נשברת על גבי מראת הסריקה ומרוכזת על ידי עדשת מיקוד שממוקמת בחזית מראת הסריקה. ממראת הסריקה מועברת הקרן באמצעות מראת השתקפות לעבר גליל תוף פוטואלקטרי אשר מסתובב במהירות מתוזמנת וקרן הלייזר מסמנת על גביו סריקת דימות ממנה נוצרת תמונת הדפסה נסתרת.

הדמית פעולה של יחידת הלייזר. קרן הלייזר "נשברת" על מראת הסריקה אל עבר עדשת המיקוד ופוגעת במראת ההשתקפות שמשליכה אותה לעבר גליל התוף הפוטואלקטרי.

רצף סריקה של התוף הפוטואלקטרי אשר מסומן על ידי קרן לייזר לשם יצירת תמונה הדפסה סמויה.
ניתן להבחין במעבר הקרן דרך עדשת הסריקה ובמהירות הסיבוב המשתנה של מראת הסריקה בהתאם לאותות המתקבלים מבקר יחידת הלייזר.

מידע אודות בטיחות שימוש בלייזר בדרגה || :

יחידת הלייזר שפועלת במדפסת הלייזר מחוללת קרן שמסווגת ,קרן לייזר בדרגה שניה. טווח הפעולה של יחידת הלייזר נע בין 635 עד 670 ננומטר. יחידת לייזר הפועלת במדפסת לייזר עומדת בדרישות תקן IEC 60825-1.
קרן לייזר בדרגה || הינה קרן בטווח שניתן לראיה בעין אדם חשופה ,קרני לייזר בדרגה זו אינם מהווים סכנה לאדם בחשיפה.
יחידת הלייזר מובנית ופועלת בתוך מבנה מדפסת הלייזר.מדפסת הלייזר ויחידת הלייזר תוכננו לפעול אך ורק כאשר מכסי המדפסת סגורים ,לכן לא נשקפת סכנה פוטנציאלית למשתמשים בתנאי שימוש סביר. אין לפרק את מכסי המדפסת ואין להתבונן  בקרן לייזר פעילה. חשיפה ממושכת במבט ישיר וממושך של עין אדם לקרני לייזר בדרגה || עשויה לפגוע בכושר הראיה.

תוף פוטואלקטרי - גליל עשוי אלומינים מצופה חומר אורגני OPC - Organic PhotoConductor. השכבות על פני גליל זה רגישות לאור. בתגובה לחשיפה אל קרן לייזר משנה מבנה השכבות את תכונותיו החשמליות ונטען במתח חיובי או שלילי ,על פי איפיונים שהוגדרו על ידי יצרן המדפסת.

גליל תוף פוטואלקטרי מצופה בשלוש שכבות ,כמפורט להלן :
UCL - Under Coat Layer - שכבת הגנה שתפקידה למנוע חדירת חלקיקים מגליל האלומיניום אל שכבות הציפוי העליונות ,בפועל שכבה זו הינה שכבבת הבסיס שנצבעת ישירות על גבי גליל האלומיניום.
CGL -Charge Generating Layer - שכבה זו יוצרת את הטעינה השלילית או חיובית בחשיפה לקרן הלייזר.
CTL - Chrge Transport Layer - שכבה זו מעבירה את הטעינה החיובית שנוצרת בשכבת ה CGL אל פני השטח ומנטרלת את שכבת הטעינה השלילית.

מערכת הדימות ליצירת אובייקט מודפס - תהליך יצירת ההדפסה הפיזי מורכב מגליל התוף ,יחידת הטעינה האלקטרוסטטית ,יחידת הפיתוח שמכילה אבקת טונר ומערכת פריקת העודפים(ניקוי).מערכת זו מובנית במחסנית טונר כמתואר בתרשים שלהלן :

תהליך ההדפסה בלייזר נחלק לחמישה שלבים מרכזיים :

א. יצירת תמונה סמויה - Electrostatic latent image formation
שלב ראשון טעינה שלילית ראשונית.
שלב שני חשיפת התוף לסריקת קרן הלייזר.

ב. פיתוח - Developing
שלב שלישי פיתוח.

ג. העברה - Transfer
שלב רביעי העברה חיובית.
שלב חמישי הפרדה.

ד. קיבוע - Fixing
שלב שישי קיבוע ההדפסה על גבי הנייר בחום.

ה. ניקוי התוף - Drum cleaning
שלב שביעי ניקוי ופריקת התוף משאריות אבקת טונר וטעינה.
 

               תיאור שלבי יצירת ההדפסה לפי סדר פעולות :

      1. טעינת התוף במתח אחיד על ידי גליל טעינה ראשונית.
      2. ביצוע סריקת חשיפה של גליל התוף על ידי קרן הלייזר ליצירת
          תמונה הדפסה סמויה.
      3. חלקיקי אבקת טונר טעונים במטען נגדי לתוף על גליל הפיתוח
          מוקרנים בעזרת הפרש פוטנציאלים לעבר התמונה סמויה.
      4. תמונת ההדפסה הפיזית שנוצרה על גליל התוף מועברת אל הנייר
          שנטען במטען נגדי למטען התוף ע"י גליל טעינת ההעברה.
     5. הנייר ועליו תמונת ההדפסה מנוטרל ממטענו ע"י מבטל טעינה סטטית
         ועובר דרך גלילי התנור לקיבוע תמונת ההדפסה בלחץ וחום.

שלב יצירת תמונה אלקטרוסטטית סמויה - Electrostatic latent image formation
שלב זה מבוצע בשתי פעולות שיוצרות יחד תבנית טעינה אלקטרוסטטית על גבי גליל התוף. בסיום שלב זה נשארת טעינה שלילית על גבי האזור שלא נחשף לקרן הלייזר בתוף והאזורים שנחשפו לקרן הלייזר אינם טעונים כלל.היות ותמונה סמויה זו שנוצרה מטעינה שלילית על גבי גליל התוף אינה נראית לעין היא נקראת בשם תמונה אלקטרוסטטית סמויה.

כהכנה לשלב יצירת התמונה הסמויה נטען שטח התוף במתח שלילי אחיד.מדפסת הלייזר טוענת את התוף ישירות על ידי גליל טעינה ראשוני שמורכב מגליל מתכת מצופה בשכבת גומי מוליך. בנוסף למתח הישר ,מיושם מתח חילופין על גליל הטעינה הראשוני לשמירת אחידות פוטנציאל המתח על פני שטח התוף. מתח ישר זה משתנה עם התפתחותו. לשיטת טעינה באמצעות גליל טעינה יתרונות רבים כמו יישום עבודה במתח חשמלי נמוך והפחתה משמעותית של היווצרות גז אוזון בתהליכים האלקטרוסטטיים ,זאת בהשוואה לשיטת הטעינה על ידי תיל קורונה בה השתמשו בעבר.

שלב סריקת חשיפה - כאשר קרן הלייזר סורקת את שטח התוף ,היא גורמת לנטרול השטח הטעון שבו היא פגעה.אזורים על גבי התוף שנוטרלו מטעינה יוצרים את התמונה האלקטרוסטטית הסמויה.

הדמיה מוחשית של סריקת הלייזר על גבי התוף הפוטואלקטרי ליצירת התמונה הסמויה.

שלב הפיתוח - שלב הפיתוח ממקם את חלקיקי אבקת הטונר על גבי התוף באזורים בהם הטעינה האלקטרוסטטית נוטרלה על ידי קרן הלייזר. בשלב זה נוצרת תמונה נראית לעין. בתרשים ניתן לראות פעולה זו במדפסת לייזר שעושה שימוש בטונר חד רכיבי. יחידת הפיתוח מורכבת מגליל פיתוח ומגב סיליקון (Doctor Blade). גליל הפיתוח סובב סביב גליל מגנטי מקובע. אבקת טונר חד רכיבי מורכבת מחומר קרמי בשם מגנטיט ,שרפים פולימריים ,צבען ותוספי טעינה אלקטרוסטטית והיא נצמדת לגליל הפיתוח על ידי כוח משיכה מגנטית. אבקת טונר היא בעלת תכונות של מבודד חשמלי והיא רוכשת את מטענה השלילי בתהליך טריבואלקטרי של חיכוך צילינדר יחידת הפיתוח במגב הסיליקון.
האזורים שנחשפו על גבי גליל התוף לסריקת קרן הלייזר הופכים לבעלי פוטנציאל חשמלי גבוה משום שהם פחות שליליים לכן חלקיקי אבקת הטונר שעל גבי גליל הפיתוח הטעונים במטען שלילי מוקרנים לעבר התוף ,זאת כתוצאה מהפרש הפוטנציאלים החשמלי. תהליך זה מכונה TONER PROJECTION.
זרם חילופין מיושם על גליל הפיתוח כדי לעזור בהקרנת חלקיקי אבקת הטונר אל עבר משטח התוף ולשפר את הניגודיות של ההדפסה. מרכז המתח של זרם החילופין 1600Vp-p משתנה יחד עם המתח של הזרם הישר. אות כיוון צפיפות ההדפסה שנשלח ממעבד מנוע ההדפסה אל ספק המתח הגבוה משנה את הזרם הישר וכך גם את הפרש הפונציאלים בין גליל הפיתוח וגליל התוף. שינוי זה משנה את צפיפות ההדפסה.   במחסנית הטונר מיושם מכניזם מובנה שתפקידו לערבל ולדחוף את אבקת הטונר כדי לאפשר אספקת אבקת טונר עקבית ואחידה אל גליל הפיתוח.

שלב ההעברה - זהו השלב שבו התמונה הנראית לעין שנוצרה על גבי התוף מועברת מהתוף אל משטח הנייר. טעינת מתח חשמלי חיובי שמיושמת על גב הנייר ,על ידי גליל טעינת ההעברה, גורמת למשיכתם של חלקיקי אבקת הטונר הטעונים במתח חשמלי שלילי ,זהו השלב שבו מדפסת הלייזר מסיימת את תהליכי ההעברה.

היתרונות בשימוש בגליל טעינה להעברה בהשוואה להעברה שנעשתה בעבר על ידי שימוש בתיל קורונה הינם :
- שימוש במתח נמוך ביותר מחמישים אחוזים בהשוואה לאותו שימוש שנעשה על ידי תיל קורונה.
- הפחתה של למעלה משבעים אחוזים בהיווצרות של גז אוזון במחזור ההדפסה.
- משטח הנייר להדפסה נתמך על ידי גליל טעינת ההעברה וגליל התוף ,כך שהזנת הנייר יציבה הרבה יותר ומונעת את חסימות הנייר במדפסת שנוצרו בעבר על ידי תיל קורונה.

- התייחסות למקרים של חסימת נייר במדפסת : אם התמונה שנותרה על שטח התוף לא הועברה אל משטח הנייר במלואה עקב חסימת נייר או תזמון שגוי. אבקת הטונר עשויה לעבור אל גליל טעינת ההעברה.מדפסת הלייזר מסירה את אבקת הטונר מגליל טעינת ההעברה על ידי שינוי רציף של מתח ההעברה בין חיובי לשלילי.בזמן המתנה ,מחזור הדפסה ראשון ,ומחזור הדפסה אחרון, המדפסת מקבעת את מתח הזרם הישר לאפס ,ומקבעת את הטעינה על גליל התוף לאפס. במצב זה ,מתח הטעינה הופך שלילי על מנת שחלקיקי אבקת הטונר הטעונים במטען שלילי אשר הצטברו על פני גליל טעינת ההעברה יעברו אל התוף. וכך מושלם מחזור הניקוי של גליל טעינת ההעברה.

שלב ההפרדה - קשיותו של הנייר גורמת להפרדותו מגליל התוף (הפרדה עקמומית). על מנת לייצב את הזנת הנייר ולמנוע הופעת מעגלים בצבע לבן על הנייר המודפס בתנאי טמפרטורה נמוכים ובתנאי לחות ,הטעינה שמיושמת  בגב הנייר מווסתת ומופחתת על ידי בקר לביטול טעינה סטטית מיד לאחר ההעברה של הדימות מהתוף אל פני הנייר.

שלב הקיבוע - תמונת ההדפסה שהועברה אל פני שטח הנייר בשלב ההעברה מוחזקת על ידי כח משיכה אלקטרוסטטי ומעט כושר הדבקה פיזי ,כך שאפילו מגע קל יגרום למריחת תמונת ההדפסה.בשלב הקיבוע ,תמונת ההדפסה מוטמעת ומתקבעת על פני הנייר בתהליך של חום ולחץ שגורמים להתכת חלקיקי אבקת הטונר אל סיבי הנייר וליצירת תמונת הדפסה קבועה.
פני השטח של גליל הקיבוע העליון מצופים בשכבת טפלון.שני גלילי הקיבוע ,העליון והתחתון מוארקים דרך דיודה כדי למנוע את עליית פוטנציאל המתח השלילי בגליל העליון מעל לפוטנציאל הגליל התחתון ,דבר שעלול להוביל לשקיעת אבקת הטונר אל עבר הגליל התחתון והידבקות אבקת הטונר אל פני השטח שלו.

שלב ניקוי  - לאחר שלב ההעברה לא כל חלקיקי אבקת הטונר הועברו אל פני שטח הנייר ,חלקם נשארים על פני השטח של גליל התוף וגלילי ההעברה. שאריות חלקיקים אלו מנוגבות על ידי מגב הניקוי של התוף ומועברות אל מיכל העודפים של מחסנית הטונר ,כך שמחזור ההדפסה הבא לאחר מכן נקי משרידי מחזור ההדפסה שקדמה לו.

שרטוט מבנה מדפסת לייזר :

1.צג וכפתורי הפעלה 2.מחסנית הדפסה 3.תוף פוטואלקטרי 4.יחידת לייזר 5.גליל העברה 6.מגש פלט ההדפסה 7.מעבר יציאת פלט ההדפסה 8.תנור קיבוע 9.ספק כח-מתח נמוך 10.ספק כח-מתח גבוה 11.מגירת הזנת נייר 12.גלגלות הזנה 13.מגש רב תכליתי להזנת מדיה 14.גלגלות רישום הנייר.

תרשים חתך צד של מבנה מדפסת לייזר.