卡尔森发明复印机的故事

时间:2015-01-23 责任编辑:网站原创 点击:
在当今信息爆炸的时代,复印机成了人们不可或缺的专用工具。人们在几秒钟的时间内,就能完成一份文件的复制,从而摆脱了繁重的抄写工作,并由此促进了信息的传播。然而,人们也许不知道,复印机的发明凝聚着一位杰出发明人20多年的光阴和心血。卡尔森是美国纽约市的一个发明爱好者。从1936年开始,他就注意到,当时的人们在需要文件复本时,往往通过成本较高的照相技术来完成。由此,他想发明一种能快速并经济地复制文件的机器。他跑遍了纽约的各个图书馆,搜寻有关这方面的技术书籍。最初他把研究重点定位于照相复制技术合成,然而,当他饱览群书之后,觉得在此方向很难有所突破。一天,他来到朋友的工厂里,一位来自匈牙利的工程师给他展示了一种当光线增强时能够产生导电性质的物质。卡尔森豁然开朗,意识到这种物质在他的发明中很有应用价值,并把研究重点转向了静电技术领域。卡尔森在纽约市的一个酒吧里租了一个房间作为实验室,并和他的助手——一个名叫奥特卡尼的德国物理学家开始静电复制技术的试验。
  
  1938年10月22日,奥特卡尼把一行数字和字母“10、22、38、ASTORIA”印在玻璃片上,又在一块锌板上涂了一层硫黄,然后在板上使劲地摩擦,使之产生静电。他又把玻璃板和这块锌板合在一起用强烈的光线扫描了一遍。几秒钟之后,他移开玻璃片,这时,锌板上的硫黄末近乎完美地组成了玻璃片上的那行数字和字母“10、22、38、ASTORIA”。静电复制技术终于有所突破,卡尔森将这项专利向许多家公司推荐。然而,从1939年到1944年的五年时间里,没有一家公司接受卡尔森的专利。这些公司认为,用硫黄末作为“介质”,从技术上看不够成熟。此外,他们还对生产复印机的市场前景并不看好。实际上,在那时需要复制的文件确实并不很多。卡尔森毫不气馁,继续钻研,完善他的静电复制技术。又经过几年的研究,他找到了更为理想的携带静电的“介质”。终于有一家公司采用了卡尔森的最新专利技术,生产出了第一台办公专用自动复印机。到了1959年,复印机正式被市场所接受,并且像雪球一样,市场越滚越大。今天,复印机已成为全球一项庞大的产业。卡尔森静电复印的过程本质上是一种光电过程,它所产生的潜像是一个由静电荷组成的静电像,其充电、显影和转印过程都是基于静电吸引原理来实现的。由于其静电潜像是在光照下光导层电阻降低而引起充电膜层上电荷放电形成的,所以卡尔森静电复印法对感光鼓有如下要求:具有非常高的暗电阻率。这种感光鼓在无光照的情况下,表面一旦有电荷存在,能较长时间地保存这些电荷;而在光照的情况上,感光鼓的电阻率应很快下降,即成为电的良导体,使得感光鼓表面电荷很快释放而消失。卡尔森静电复印法所使用的感光鼓主要由硒及硒合金、氧化锌、有机光电导材料等构成,一般是在导电基体上(如铝板或其他金属板)直接涂敷或蒸镀一薄层光电导材料。其结构是上面为光导层,下面为导电基体。卡尔森静电复印法大致可分为充电、曝光、显影、转印、分离、定影、清洁、消电八个基本步骤。
  
  充电是使感光鼓在暗处,并处在某一极性的电场中,使其表面均匀地带上一定极性和数量的静电荷,即具有一定表面电位的过程。这一过程实际上是感光鼓的敏化过程,使原来不具备感光性的感光鼓具有较好的感光性。充电过程只是为感光鼓接受图像信息准备的,是不依赖原稿图像信息的预过程,但这是在感光鼓表面形成静电潜像的前提和基础。当在暗处给感光鼓表面充上一层均匀的静电荷时,由于感光鼓在暗处具有较高的电阻,所以静电荷被保留在感光鼓表面。对于不同性质的光电导材料制的感光鼓应充以不同极性的电荷,这是由半导体的导电特点决定的,即只允许一种极性的电荷(空穴或电子)“注入”,而阻止另一种极性电荷(电子或空穴)的“注入”。因此对于N型半导体,表面应充负电;而对P型半导体,则应充正电。当用正电晕对P型感光鼓充正电时,由于P型半导体中负电荷不能移动,因此光导层表面的正电荷与界面上的负电荷,只能相互吸引,而不会中和。倘若用负电晕对P型感光鼓充负电,则由于光导层及共界面处感应产生的是正电荷,而P型半导体的主要载流子是“空穴”,自由移动较为容易(或称为“注入”),易与感光鼓表面的负电荷中和。这样,对P型感光鼓充负电时,其充电效率是相当低的。对于N型感光鼓,则由于其主要载流子是电子,若对其充正电,其充电效率也是极其低的。目前静电复印机中通常采用电晕装置对感光鼓进行充电。
  
  曝光是利用感光鼓在暗处时电阻大,成绝缘体;在明处时电阻小,成导体的特性,对已充足的感光鼓用光像进行曝光,使光照区(原稿的反光产分)表面电荷因放电而消失,无光照的区域(原稿的线条和墨迹部分)电荷依旧保持,从而在感光鼓上形成表面电位随图像明暗变而起伏的静电潜像的过程。进行曝光时,原稿图像经光照射后,图像光信号经光学成像系统投射到感光鼓表面,光导层受光照射的部分称为“明区”,而没有受光照射的部分自然属“暗区”。在明区,光导层产生电子空穴对,即生成光生载流子,使得光导层的电阻率迅速降低,由绝缘体变成半导体,呈现导电状态,从而使感光鼓表面的电位因光导层表面电荷与界面处反极性电荷的中和而很快衰减。在暗区,光导层则依然呈现绝缘状态,使得感光鼓表面电位基本保持不变。感光鼓表面静电电位的高低随原稿图像浓淡的不同而不同,感光鼓上对应图像浓的部分表面电位高,图像淡的部分表面电位低。这样,就在感光鼓表面形成了一个与原稿图像浓淡相对应的表面电位起伏的静电潜像。
  
  显影是用带电的色粉使感光鼓上的静电潜像转变成可见的色粉图像的过程。显影色粉所带电荷的极性,与感光鼓表面静电潜像的电荷极性相反。显影时,在感光鼓表面静电潜像电场力的作用下,色粉被吸附在感光鼓上。静电潜像电位越高的部分,吸附色粉的能力越强;静电潜像电位越低的部分,吸附色粉的能力越弱。对应静电潜像电位(电荷的多少)的不同,其吸附色粉量也就不同。这样感光鼓表面不可见的静电潜像,就变成了可见的与原稿浓淡一致的不同灰度层次的色粉图像。在静电复印机中,色粉的带电通常是通过色粉与载体的摩擦来获得的。摩擦后色粉带电极性与载体带电极性相反。
  
  转印是用复印介质贴紧感光鼓,在复印介质的背面予以与色粉图像相反极性的电荷,从而将感光鼓已形成的色粉图像转移到复印介质上的过程。目前静电复印机中通常采用电晕装置对感光鼓上的色粉图像进行转印。当复印纸(或其他介质)与已显影的感光鼓表面接触时,在纸张背面使用电晕装置对其放电,该电晕的极性与充电电晕相同,而与色粉所带电荷的极性相反。由于转印电晕的电场力比感光鼓吸附色粉的电场力强得多,因此在静电引力的作用下,感光鼓上的色粉图像就被吸附到复印纸上,从而完成了图像的转印。在静电复印机中为了易于转印和提高图像色粉的转印率,通常还采用预转印电极或预转印灯装置对感光鼓进行预转印处理。
  
  在前述的转印过程中,复印纸由于静电的吸附作用,将紧紧地贴在感光鼓上,分离是将紧贴在感光鼓表面的复印纸从感光鼓上剥落(分离)下来的过程。静电复印机中一般采用分离电晕(交、直流)、分离爪或分离带等方法来进行纸张与感光鼓的分离。
  
  定影是把复印纸上的不稳定、可抹掉的色粉图像固着的过程。通过转印、分离过程转移到复印纸上的色粉图像,并未与复印纸融合为一体,这时的色粉图像极易被擦掉,因此须经定影装置对其进行固化,以形成最终的复印品。目前的静电复印机多采用加热与加压相结合的方式,对热熔性色粉进行定影。定影装置加热的温度和时间,风及加压的压力大小,对色粉图像的粘附牢固度有一定的影响。其中,加热温度的控制,是图像定影质量好坏的关键。
  
  清洁是清除经转印后还残留在感光鼓表面色粉的过程。感光鼓表面的色粉图像由于受表面的电位、转印电压的高低、复印介质的干湿度及与感光鼓的接触时间、转印方式等的影响,其转印效率不可能达到100%。在大部分色粉经转印从感光鼓表面转移到复印介质上后,感光鼓表面仍残留有一部分色粉,如果不及时清除,将影响到后续复印品的质量。因此必须对感光鼓进行清洁,使之在进入下一复印循环前恢复到原来状态。静电复印机机中一般采用刮板、毛刷或清洁辊等装置对感光鼓表面的残留色粉进行清除。
  
  消电是消除感光鼓表面残余电荷的过程。由于充电时在感光鼓表面沉积的静电荷并不因所吸附的色粉微粒转移而消失,在转印后仍留在感光鼓表面,如果不及时清除,会影响后续复印过程。因此,在进行第二次复印前必须对感光鼓进行消电,使感光鼓表面电位恢复到原来状态。静电复印机中一般采用曝光装置来对感光鼓进行全面曝光,或用消电电晕装置对感光鼓进行反极性充电,以消除感光鼓上的残余电荷。
  
  卡尔森前后经历20余年的光阴,由技术不成熟、市场潜力不看好,到技术日趋成熟、市场日益扩大,终于使静电复印机走向了全世界。