激光打印机快速定影装置设计与实现

杨立拥周恩权王奇瑞，2

（1.海安上海交通大学智能装备研究院，江苏 南通 226600；2.常州工学院航空与机械工程学院，江苏 常州 213032）

0 引言

激光打印要经过除电、清除碳粉、充电、曝光、显影、转写和定影，最后将图像定影在纸张上。定影装置是激光打印机的关键零部件，其性能的优劣将直接影响打印机［1］的能耗和打印品质。在高温高压环境中，将碳粉熔化使其渗入到纸张纤维内，从而实现定影。按照加热形式的不同，可分为陶瓷加热、灯管加热和电磁感应加热。无论哪种形式的加热，都是通过热敏元件感应温度变化来控制定影的温度。现有的激光打印机定影装置存在打印预热时间长、能耗高、打印后纸张翘曲度大等问题。针对上述问题，本研究设计出一种快速定影装置，从而大幅度缩短打印机的预热时间，对激光打印机快速定影装置的设计与开发具有指导意义。

1 定影方式的确定

1.1 定影方式1

定影方式1的结构图如图1所示，装置由压力轮、加热灯管、加热轮金属层、加热轮橡胶层和导纸板等组成。加热灯管由支架固定。加热轮由加热轮金属层和加热轮橡胶层组成，加热轮在电机的驱动下沿逆时针方向转动。压力轮为被动轮，在加热轮的带动下按顺时针方向转动。导纸板由钣金折弯制成，位于加热轮和压力轮之间［2］。加热灯管通常为卤素灯管，通电后加热灯管对加热轮的金属层进行加热，然后热量由金属层传导给加热轮橡胶层。当加热轮的表层温度达到定影温度时，打印机可正常工作。

图1 定影方式1结构简图

1.2 定影方式2

定影方式2的结构图如图2所示，装置由压力轮、陶瓷加热片、隔热塑胶座、金属保持架、薄膜和导纸板组成。陶瓷加热片、隔热塑胶座、金属保持架和薄膜组成加热组件，陶瓷加热片安装在隔热塑胶座上，隔热塑胶座安装金属保持架上，金属保持架用支架进行固定。薄膜由金属膜表面镀聚四氟乙烯，通过压力轮将薄膜压紧到陶瓷加热片上。压力轮为主动轮，按逆时针方向转动，薄膜在压力轮的带动下沿顺时针方向转动。当薄膜表层的温度达到定影温度时，打印机可正常工作。

图2 定影方式2结构简图

1.3 定影方式对比

通过对上述两种定影方式进行对比，发现二者有以下不同之处。①加热源不同。定影方式1采用卤素灯辐射的方式对整个加热轮进行加热，定影方式2采用陶瓷加热片进行加热，陶瓷加热片可在6 s内将表面温度加热到180℃以上。②热传导距离不同。定影方式1中的加热轮通过加热轮金属层和加热轮橡胶层后传导到表面，定影方式2通过薄金属膜后将热量传递到表面。③加热方式不同。定影方式1是对加热轮整体进行加热，非定影区域的热量容易扩散到外部环境中，造成热量损失。定影方式2采用局部加热的方式，加热区域集中在定影区域，加热效率高。④加热组件的位置不同。定影方式1的加热轮在下方，定影方式2的加热组件在上方，转写后的碳粉被静电吸附到打印纸上，通常碳粉是在纸张上方，加热组件在碳粉的转写可有效缩短打印机预热时间。

通过对比发现，定影方式2在加热源、热传导距离、加热方式和加热组件位置等方面比定影方式1更适合快速定影。因此，本研究的定影选用方式2。

2 快速定影装置结构设计

2.1 加热组件设计

加热组件的结构图如图3所示，包裹在最外层的是薄膜，薄膜左右两侧由固定块进行固定。将加热电阻埋入陶瓷加热片内部，通过快速插拔街头来接入电路。隔热塑胶座除了用于安装陶瓷加热片外，槽内还安装有两个温度传感器，用来检测定影温度。金属固定架则用来支撑零件。

图3 加热组件

2.2 压紧轮设计

压紧轮（见图4）由外部耐高温橡胶层和内部铁芯组成。橡胶层通过挤压变形可形成定影区域，通过压紧力和橡胶硬度的协调来控制定影区域的长度。铁芯用于支撑橡胶层和传递动力，动力通过输入端由齿轮输入。

图4 压紧轮

2.3 其他部分设计

定影装置的局部图如图5所示。其中，固定支架安装在底板上，并通过内部支撑板来增加牢固度。压紧轮通过U型滑动轴承安装在固定支架上。加热组件由两端固定块上的滑槽插入支架，并由压紧杆通过弹簧拉力与压力轮压紧，凸轮用于调节压紧力度。转写后的纸张由导纸板导入到定影区域，并由下导纸轮和上导纸轮导出。为了隔热和导纸顺畅，还要设计相关的外壳和导纸板。

图5 定影装置局部视图

3 定影装置的工作流程

快速定影装置的工作流程如图6所示。当接到打印任务后，压力轮开始转动，而后加热模组开始加热，温度传感器检测加热温度。如果温度低于定影温度，加热模组就持续加热。当温度达到定影温度后［3-5］，打印任务开始，加热模组通过调节占空比来维持定影温度不变。直到打印任务结束，加热模组停止加热，压力轮仍持续转动，直到温度恢复到设定温度为止。

图6 快速定影装置的工作流程

4 样机制作及试验结果

制作的快速定影装置如图7所示，用其来替换现有打印机开发平台上的普通定影装置，然后进行开机预热时间测试和打印纸张翘曲度测试。在进行开机预热时间测试时，先将定影装置冷却至室温，发出打印命令时开始计时，当温度稳定在定影温度时计时结束，反复测量20次，并取平均值。在进行翘曲度测试时，先取定影牢固度符合要求的打印纸张放在测量平台上，测量平台到纸张翘起最高点的距离，随机进行100次测量，并取平均值。预热时间的测试结果为（17±2）s，比现有定影装置预热时间缩短了90 s；翘曲度的测试结果为（3±2）mm，翘曲度比现有装置翘曲度减小2 mm。

图7 定影装置样机

5 结论

本研究设计出一种激光打印快速定影装置，其加热速度快、导热距离短，并采用定影区域集中加热的方式，且加热组件位于定影影像上方。因此，可实现快速定影。经样机试验测得，预热时间测试结果为（17±2）s，翘曲度的测试结果为（3±2）mm，完全满足快速打印的要求。