激光打印機(jī)快速定影裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊立擁周恩權(quán)王奇瑞，2

（1.海安上海交通大學(xué)智能裝備研究院，江蘇 南通 226600；2.常州工學(xué)院航空與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213032）

0 引言

激光打印要經(jīng)過除電、清除碳粉、充電、曝光、顯影、轉(zhuǎn)寫和定影，最后將圖像定影在紙張上。定影裝置是激光打印機(jī)的關(guān)鍵零部件，其性能的優(yōu)劣將直接影響打印機(jī)［1］的能耗和打印品質(zhì)。在高溫高壓環(huán)境中，將碳粉熔化使其滲入到紙張纖維內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)定影。按照加熱形式的不同，可分為陶瓷加熱、燈管加熱和電磁感應(yīng)加熱。無論哪種形式的加熱，都是通過熱敏元件感應(yīng)溫度變化來控制定影的溫度?，F(xiàn)有的激光打印機(jī)定影裝置存在打印預(yù)熱時(shí)間長、能耗高、打印后紙張翹曲度大等問題。針對上述問題，本研究設(shè)計(jì)出一種快速定影裝置，從而大幅度縮短打印機(jī)的預(yù)熱時(shí)間，對激光打印機(jī)快速定影裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 定影方式的確定

1.1 定影方式1

定影方式1的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，裝置由壓力輪、加熱燈管、加熱輪金屬層、加熱輪橡膠層和導(dǎo)紙板等組成。加熱燈管由支架固定。加熱輪由加熱輪金屬層和加熱輪橡膠層組成，加熱輪在電機(jī)的驅(qū)動下沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。壓力輪為被動輪，在加熱輪的帶動下按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。導(dǎo)紙板由鈑金折彎制成，位于加熱輪和壓力輪之間［2］。加熱燈管通常為鹵素?zé)艄?，通電后加熱燈管對加熱輪的金屬層進(jìn)行加熱，然后熱量由金屬層傳導(dǎo)給加熱輪橡膠層。當(dāng)加熱輪的表層溫度達(dá)到定影溫度時(shí)，打印機(jī)可正常工作。

圖1 定影方式1結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 定影方式2

定影方式2的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，裝置由壓力輪、陶瓷加熱片、隔熱塑膠座、金屬保持架、薄膜和導(dǎo)紙板組成。陶瓷加熱片、隔熱塑膠座、金屬保持架和薄膜組成加熱組件，陶瓷加熱片安裝在隔熱塑膠座上，隔熱塑膠座安裝金屬保持架上，金屬保持架用支架進(jìn)行固定。薄膜由金屬膜表面鍍聚四氟乙烯，通過壓力輪將薄膜壓緊到陶瓷加熱片上。壓力輪為主動輪，按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動，薄膜在壓力輪的帶動下沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)薄膜表層的溫度達(dá)到定影溫度時(shí)，打印機(jī)可正常工作。

圖2 定影方式2結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 定影方式對比

通過對上述兩種定影方式進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二者有以下不同之處。①加熱源不同。定影方式1采用鹵素?zé)糨椛涞姆绞綄φ麄€(gè)加熱輪進(jìn)行加熱，定影方式2采用陶瓷加熱片進(jìn)行加熱，陶瓷加熱片可在6 s內(nèi)將表面溫度加熱到180℃以上。②熱傳導(dǎo)距離不同。定影方式1中的加熱輪通過加熱輪金屬層和加熱輪橡膠層后傳導(dǎo)到表面，定影方式2通過薄金屬膜后將熱量傳遞到表面。③加熱方式不同。定影方式1是對加熱輪整體進(jìn)行加熱，非定影區(qū)域的熱量容易擴(kuò)散到外部環(huán)境中，造成熱量損失。定影方式2采用局部加熱的方式，加熱區(qū)域集中在定影區(qū)域，加熱效率高。④加熱組件的位置不同。定影方式1的加熱輪在下方，定影方式2的加熱組件在上方，轉(zhuǎn)寫后的碳粉被靜電吸附到打印紙上，通常碳粉是在紙張上方，加熱組件在碳粉的轉(zhuǎn)寫可有效縮短打印機(jī)預(yù)熱時(shí)間。

通過對比發(fā)現(xiàn)，定影方式2在加熱源、熱傳導(dǎo)距離、加熱方式和加熱組件位置等方面比定影方式1更適合快速定影。因此，本研究的定影選用方式2。

2 快速定影裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 加熱組件設(shè)計(jì)

加熱組件的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包裹在最外層的是薄膜，薄膜左右兩側(cè)由固定塊進(jìn)行固定。將加熱電阻埋入陶瓷加熱片內(nèi)部，通過快速插拔街頭來接入電路。隔熱塑膠座除了用于安裝陶瓷加熱片外，槽內(nèi)還安裝有兩個(gè)溫度傳感器，用來檢測定影溫度。金屬固定架則用來支撐零件。

圖3 加熱組件

2.2 壓緊輪設(shè)計(jì)

壓緊輪（見圖4）由外部耐高溫橡膠層和內(nèi)部鐵芯組成。橡膠層通過擠壓變形可形成定影區(qū)域，通過壓緊力和橡膠硬度的協(xié)調(diào)來控制定影區(qū)域的長度。鐵芯用于支撐橡膠層和傳遞動力，動力通過輸入端由齒輪輸入。

圖4 壓緊輪

2.3 其他部分設(shè)計(jì)

定影裝置的局部圖如圖5所示。其中，固定支架安裝在底板上，并通過內(nèi)部支撐板來增加牢固度。壓緊輪通過U型滑動軸承安裝在固定支架上。加熱組件由兩端固定塊上的滑槽插入支架，并由壓緊桿通過彈簧拉力與壓力輪壓緊，凸輪用于調(diào)節(jié)壓緊力度。轉(zhuǎn)寫后的紙張由導(dǎo)紙板導(dǎo)入到定影區(qū)域，并由下導(dǎo)紙輪和上導(dǎo)紙輪導(dǎo)出。為了隔熱和導(dǎo)紙順暢，還要設(shè)計(jì)相關(guān)的外殼和導(dǎo)紙板。

圖5 定影裝置局部視圖

3 定影裝置的工作流程

快速定影裝置的工作流程如圖6所示。當(dāng)接到打印任務(wù)后，壓力輪開始轉(zhuǎn)動，而后加熱模組開始加熱，溫度傳感器檢測加熱溫度。如果溫度低于定影溫度，加熱模組就持續(xù)加熱。當(dāng)溫度達(dá)到定影溫度后［3-5］，打印任務(wù)開始，加熱模組通過調(diào)節(jié)占空比來維持定影溫度不變。直到打印任務(wù)結(jié)束，加熱模組停止加熱，壓力輪仍持續(xù)轉(zhuǎn)動，直到溫度恢復(fù)到設(shè)定溫度為止。

圖6 快速定影裝置的工作流程

4 樣機(jī)制作及試驗(yàn)結(jié)果

制作的快速定影裝置如圖7所示，用其來替換現(xiàn)有打印機(jī)開發(fā)平臺上的普通定影裝置，然后進(jìn)行開機(jī)預(yù)熱時(shí)間測試和打印紙張翹曲度測試。在進(jìn)行開機(jī)預(yù)熱時(shí)間測試時(shí)，先將定影裝置冷卻至室溫，發(fā)出打印命令時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)溫度穩(wěn)定在定影溫度時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束，反復(fù)測量20次，并取平均值。在進(jìn)行翹曲度測試時(shí)，先取定影牢固度符合要求的打印紙張放在測量平臺上，測量平臺到紙張翹起最高點(diǎn)的距離，隨機(jī)進(jìn)行100次測量，并取平均值。預(yù)熱時(shí)間的測試結(jié)果為（17±2）s，比現(xiàn)有定影裝置預(yù)熱時(shí)間縮短了90 s；翹曲度的測試結(jié)果為（3±2）mm，翹曲度比現(xiàn)有裝置翹曲度減小2 mm。

圖7 定影裝置樣機(jī)

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)出一種激光打印快速定影裝置，其加熱速度快、導(dǎo)熱距離短，并采用定影區(qū)域集中加熱的方式，且加熱組件位于定影影像上方。因此，可實(shí)現(xiàn)快速定影。經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)測得，預(yù)熱時(shí)間測試結(jié)果為（17±2）s，翹曲度的測試結(jié)果為（3±2）mm，完全滿足快速打印的要求。