Cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy photocopy

Máy photocopy là gì?

Máy photocopy, còn được gọi là máy sao chụp, máy photocopy hoặc máy copy, là thiết bị tạo ra bản sao giấy của tài liệu và các hình ảnh khác một cách nhanh chóng và tiết kiệm. Hầu hết các máy photocopy hiện nay sử dụng công nghệ gọi là xerography, một quy trình khô sử dụng điện tích tĩnh điện trên bộ phận cảm quang nhạy sáng để thu hút và sau đó chuyển các hạt mực lên giấy dưới dạng hình ảnh.

Máy photocopy kỹ thuật số là gì?

Máy photocopy kỹ thuật số kết hợp các chức năng của máy photocopy truyền thống với công nghệ kỹ thuật số. Nó có thể tạo bản sao tài liệu, quét, in và đôi khi thậm chí cả fax. Sự khác biệt chính giữa máy photocopy kỹ thuật số và máy photocopy analog nằm ở cách chúng xử lý và sao chép tài liệu.

Máy photocopy kỹ thuật số là một thiết bị văn phòng hoặc máy in hiện đại sử dụng công nghệ kỹ thuật số để tạo bản sao tài liệu. Không giống như máy photocopy analog dựa vào ánh sáng và điện tích tĩnh điện, máy photocopy kỹ thuật số sử dụng sự kết hợp giữa công nghệ quét và công nghệ hình ảnh kỹ thuật số để tạo ra các bản sao chất lượng cao. Chúng thường được gọi là máy in đa chức năng (MFP) do khả năng mở rộng của chúng.

Máy photocopy analog là gì?

Máy photocopy analog là một loại máy sao chép đời cũ sử dụng công nghệ quang học và tĩnh điện để tạo ra bản sao tài liệu. Không giống như máy photocopy kỹ thuật số sử dụng công nghệ xử lý và tạo ảnh kỹ thuật số, máy photocopy analog dựa vào ánh sáng và điện tích tĩnh điện để tạo ra bản sao.

Cấu tạo máy photocopy 

Các thành phần chính của máy photocopy:

1. Trống cảm quang (OPC): Một trống hình trụ được phủ một lớp vật liệu dẫn quang.
2. Dây phóng điện corona: Là những sợi dây tạo ra điện tích tĩnh điện cho trống cảm quang.
3. Nguồn sáng: Thường là một bóng đèn sáng chiếu vào tài liệu gốc.
4. Thấu kính và gương: Các bộ phận này hướng ánh sáng phản xạ từ tài liệu lên trống cảm quang.
5. Mực in (Toner): Là một loại bột mịn bám vào các vùng tích điện tĩnh trên trống in.
6. Bộ phận nung chảy (Fuser): Một cặp con lăn được làm nóng để làm tan chảy và ép mực in lên giấy.

Quy trình sao chụp

1. Sạc (Charging):
   • Quá trình bắt đầu bằng việc trống cảm quang được tích điện đồng đều bằng các dây phóng điện hào quang. Điều này tạo ra điện tích tĩnh trên bề mặt trống.
2. Phơi bày (Exposure):
   • Tài liệu gốc được đặt trên bề mặt kính của máy photocopy.
   • Nguồn sáng chiếu sáng tài liệu, và hình ảnh phản xạ được truyền đến trống cảm quang thông qua một hệ thống thấu kính và gương.
   • Các vùng trên trống tiếp xúc với ánh sáng trở nên dẫn điện và mất điện tích tĩnh điện, trong khi các vùng tương ứng với các phần tối của hình ảnh (văn bản hoặc đồ họa) vẫn giữ nguyên điện tích.
3. Hộp Từ (Developer):
   • Trống quay đi qua hộp chứa mực, nơi các hạt mực được hút tĩnh điện vào các vùng tích điện trên trống, tạo ra hình ảnh mực in sao chép tài liệu gốc.
4. Chuyển in (Transferring):
   • Một tờ giấy được đưa vào máy và tiếp xúc với trống.
   • Một dây corona khác tạo ra điện tích ở mặt sau của giấy, hút hình ảnh mực in từ trống lên giấy.
5. Nung chảy (Fusing):
   • Giấy có hình ảnh mực in được đưa qua bộ phận nung chảy, nơi các con lăn được làm nóng sẽ làm tan chảy các hạt mực, khiến chúng liên kết vĩnh viễn với các sợi giấy.
   • Kết quả là một bản sao chất lượng cao, vĩnh viễn của tài liệu gốc.
6. Vệ sinh (Cleaning):
   • Sau khi hình ảnh được chuyển lên giấy, một lưỡi dao làm sạch sẽ loại bỏ mực in còn sót lại trên trống.
   • Sau đó, trống được xả điện để loại bỏ bất kỳ điện tích tĩnh điện nào còn sót lại, chuẩn bị cho chu kỳ sao chép tiếp theo.

Các tính năng bổ sung

Máy photocopy hiện đại thường bao gồm các tính năng tiên tiến như:

1. Bộ nạp tài liệu tự động (ADF): Cho phép sao chép hoặc quét nhiều trang cùng lúc một cách tự động.
2. In hai mặt (Duplex): Cho phép sao chép và in tự động trên cả hai mặt giấy.
3. Giao diện kỹ thuật số: Quét tài liệu và lưu trữ chúng dưới dạng kỹ thuật số để chỉnh sửa, gửi email hoặc lưu trữ.
4. Kết nối mạng: Cho phép máy photocopy được tích hợp vào mạng văn phòng để dễ dàng chia sẻ và truy cập.

Máy photocopy hoạt động như thế nào?

Máy photocopy hoạt động dựa trên nguyên lý điện và quang dẫn. Bên trong máy có một bộ phận cảm quang nhạy sáng, bộ phận này trước tiên thu hút và sau đó truyền các hạt mực lên giấy thường để tạo ra bản sao của tài liệu.

Máy photocopy hoạt động dựa trên hai nguyên lý cơ bản: sự hút nhau của các điện tích trái dấu và xu hướng của một số vật liệu trở nên dẫn điện tốt hơn sau khi hấp thụ bức xạ điện từ, chẳng hạn như tia cực tím, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy được, v.v. (quang dẫn).

Hầu hết các máy photocopy hiện đại đều dựa trên công nghệ gọi là xerography, về cơ bản là kỹ thuật photocopy khô. Kỹ thuật này sử dụng các hạt mang điện tích để hút và sau đó lắng đọng các hạt mực lên giấy.
 

Để bắt đầu quá trình sao chụp, nắp trên của máy photocopy được mở ra và bản sao gốc được đặt úp xuống bề mặt kính, nơi một chùm tia sáng mạnh sẽ quét toàn bộ tài liệu. Các vùng màu trắng trên giấy phản chiếu nhiều ánh sáng hơn, trong khi các vùng màu đen phản chiếu ít hoặc không phản chiếu ánh sáng. Một hình ảnh điện tử (hay ảnh) của bản sao gốc được hình thành trên chất dẫn quang.

Khi băng tải (với lớp phủ quang dẫn) di chuyển, nó cũng mang theo bóng điện. Các hạt mực mang điện tích âm bám vào bóng điện và tạo ra bản in mực của bản gốc trên băng tải.

Một tờ giấy trắng được lấy từ khay giấy máy photocopy, từ từ di chuyển về phía băng tải quang dẫn. Khi di chuyển trên băng tải, nó được tích điện dương mạnh. Điện tích dương mạnh của tờ giấy trắng hút các hạt mực in mang điện tích âm về phía mình. Kết quả là, một bản sao của bản gốc được tạo ra trên tờ giấy trắng.

Cuối cùng, ngay trước khi đẩy giấy ra, bộ phận nung chảy (một cặp con lăn nóng-Fuser) sẽ cung cấp nhiệt và áp suất để các hạt mực được gắn/nung chảy vĩnh viễn lên giấy. Đó là lý do tại sao bản sao vừa được đẩy ra lại khá ấm khi chạm vào.

Kết luận:
Việc vận hành máy photocopy bằng tay rất dễ dàng và đơn giản, nhưng sao chụp bằng máy photocopy (Xerography) là một quy trình phức tạp, trong đó kiến ​​thức về hóa học, điện, cơ khí và phần mềm đóng vai trò quan trọng. Chu trình sáu bước của máy photocopy mô tả chức năng và hoạt động của các bộ phận. Máy photocopy cung cấp khả năng in theo yêu cầu các tài liệu hoàn chỉnh như tờ rơi và sách, được sử dụng rộng rãi trong kinh doanh và giáo dục.

Nguyên lý cụm trống máy photocopy

Cụm trống (Drum) máy photocopy dựa trên công nghệ tĩnh điện và quang dẫn, nơi trống từ nhiễm điện tích dương, sau đó tia laser xóa điện tích tại những điểm không cần mực. Mực (tích điện âm) bị hút vào các vùng nhiễm điện dương trên trống, tạo ra hình ảnh, rồi chuyển sang giấy và sấy khô. 

Tích điện (Charging): Trống quay qua điện cực (thanh cao áp), làm bề mặt trống nhiễm điện tích dương (hoặc âm tùy dòng máy, phổ biến là dương).
Hiện ảnh (Imaging/Exposure): Tia laser (hoặc ánh sáng từ đèn quét) chiếu lên bề mặt trống. Lớp quang dẫn trên trống bị mất điện tích tại các vị trí được chiếu sáng (trung hòa), chỉ những vùng không được chiếu sáng (nơi chứa ảnh/chữ) giữ lại điện tích dương.
Hút mực (Developing): Mực tích điện trái dấu với vùng ảnh trên trống (thường là âm) được (bột từ dẫn) đẩy về phía bề mặt trống. Mực bị hút vào các vị trí còn điện tích dương trên trống, hình thành bản in.
Chuyển mực (Transferring): Giấy được đưa qua trống và tích điện dương, (Cao áp tác mực) hút mực từ trên mặt trống sang giấy.
Sấy (Fixing): Giấy có mực đi qua bộ phận sấy (nhiệt độ cao) làm nóng và tan chảy mực, kết dính chặt lên giấy.
Xóa ảnh/Làm sạch (Cleaning): Trống quay tiếp qua thanh xóa (đèn xóa/gạt mực) để làm sạch mực thừa và trung hòa điện tích hoàn toàn, sẵn sàng cho chu kỳ mới. 

Các thành phần chính của cụm trống:

Trống (Drum): Hình trụ, phủ lớp quang dẫn nhạy sáng.
Thanh cao áp/Trục sạc (Charge Roller): Tích điện cho trống.
Gạt mực (Cleaning Blade): Gạt mực thừa.
Từ (Developer): Hỗ trợ hút mực. 

Trống là bộ phận cốt lõi, quyết định độ sắc nét của bản in/copy, do đó cần được bảo vệ khỏi trầy xước và ánh sáng mạnh. 

Hộp Lazer (Laser Exposure)

Máy quét laser được tích hợp trong photocopy là một tập hợp các công nghệ chính xác, tận dụng tối đa các phép đo, thiết kế cấu trúc, hiệu chỉnh điện và quang học trong các thành phần như laser bán dẫn, gương đa giác và thấu kính quét. Các thiết bị màu chiếu chùm tia laser lên các trống cảm quang tương ứng với mỗi màu CMYK. Ánh sáng laser truyền theo đường thẳng, và hướng cũng như kích thước của chùm tia dễ dàng được điều khiển bằng thấu kính, lý tưởng cho việc chiếu sáng chính xác vị trí trên trống cảm quang.

Máy quét laser điều khiển một laser bán dẫn với bước sóng chính xác ở mức nm*1, phát ra chùm tia laser lên một gương đa giác quay với tốc độ cao (hàng chục nghìn vòng mỗi phút). Chùm tia laser đi qua các thấu kính được sắp xếp với độ chính xác micromet và tạo ra hình ảnh bằng cách vẽ các chấm có kích thước vài chục μm*2 lên trống cảm quang trong môi trường chịu sự thay đổi nhiệt độ và các rung động khác nhau.

*1 Một nanomet bằng một phần trăm nghìn của milimét
*2 Một micromet bằng một phần nghìn của milimét

Nguyên lý cụm từ máy photocopy

Cụm từ (Hộp từ) (Developer) trong máy photocopy dựa trên tương tác từ tính và tĩnh điện để dẫn mực. Hộp từ chứa hỗn hợp bột từ (mang điện tích âm/dương tùy máy) và mực mịn, dùng từ tính để đưa mực đến drum (trống) và giữ lại mực thừa, đảm bảo bản in đậm nét. 

Cấu tạo: Cụm từ bao gồm trục từ, bột từ (thường là sắt từ), và bột mực.
Tạo điện tích: Bột từ và mực cọ xát tạo ra sự chênh lệch điện tích. Từ tính giúp bột từ và mực bám vào trục từ.
Hiện ảnh (Phủ mực): Trục từ đưa hỗn hợp từ-mực đến sát mặt trống. Tại đây, bột từ đóng vai trò "chở" hạt mực. Các hạt mực tích điện ngược dấu với điện tích trên mặt trống sẽ bị hút sang mặt trống tại vùng ảnh.
Tách mực: Sau khi mực được chuyển sang giấy, bột từ tiếp tục nhiệm vụ giữ lại mực thừa hoặc được hệ thống thu hồi, tái tạo, đảm bảo hình ảnh trên giấy sắc nét.
Vai trò chính: Cụm từ cung cấp mực đều đặn cho quá trình sao chụp; nếu hỏng hóc, máy sẽ bị nhòe, lấm lem hoặc in nhạt.

Nguyên lý cụm sấy máy photocopy

Cụm sấy (fuser unit) máy photocopy hoạt động dựa trên nguyên lý kết hợp nhiệt độ cao (120 - 200°C) và lực ép để nung nóng và cố định bột mực (toner) vào giấy. Giấy đi qua khe giữa lô sấy (nóng) và lô ép (cao su) giúp mực tan chảy, bám chặt, tạo bản in khô ráo và sắc nét ngay lập tức. 

Lô sấy (Tạo nhiệt độ cao): Bóng đèn halogen (đèn sấy) bên trong ống hợp kim nhôm (lô sấy) nóng lên nhanh chóng, duy trì nhiệt độ ổn định ở mức cao (thường >180°C) để làm tan chảy bột mực.
Lô ép (Tạo lực ép): Lô ép bằng cao su nằm đối diện lô sấy, ép chặt giấy vào lô sấy. Sự kết hợp này làm mực tan chảy, thấm sâu vào sợi giấy. Khi giấy ra khỏi cụm sấy, nhiệt độ giảm xuống khiến mực đông cứng lại, bám chặt vào bề mặt giấy, không bị nhòe hay bong tróc.
Sensor sấy (Kiểm soát nhiệt độ): Bộ phận cảm biến nhiệt (sensor) đo và điều chỉnh nhiệt độ của lô sấy, trong khi cầu chì bảo vệ chống quá nhiệt để tránh hỏa hoạn hoặc hỏng máy. 

Cụm sấy gồm các bộ phận chính:

• Lô sấy (Hot Roller/Fuser Roller): Được làm nóng bởi bóng đèn halogen hoặc thanh nhiệt bên trong, có nhiệm vụ truyền nhiệt làm chảy mực.
• Lô ép (Pressure Roller): Trục cao su nằm song song và ép sát vào lô sấy, tạo lực ép giúp mực bám dính chắc chắn vào giấy.
• Đèn sấy (Bóng đèn sấy): Nhiệm vụ tạo ra nhiệt lượng lớn để làm nóng chảy mực và ép chặt mực bám vào bề mặt giấy. 
• Sensor/Thermistor (Cảm biến nhiệt): Đo nhiệt độ của lô sấy và gửi tín hiệu về mainboard để điều khiển bóng đèn nhiệt hoạt động ổn định ở mức cần thiết (thường khoảng 
• Cầu chì nhiệt: Bảo vệ an toàn, ngắt điện nếu nhiệt độ cụm sấy quá cao vượt mức quy định.

Nếu cụm sấy bị hỏng (thường do mòn lô sấy/lô ép), mực sẽ không bám chặt, bản in bị nhòe hoặc bong tróc. 

Sạc Corona sơ cấp

Trong giai đoạn Sạc sơ cấp, bộ phận phóng điện corona sẽ tạo ra điện thế âm đồng đều trên bề mặt trống. Điều này làm cho bề mặt trống có điện thế âm. Điện tích dương xuất hiện ở đáy trống để cân bằng điện tích âm trên bề mặt.

Quét bản gốc (Image Exposure)

Sự phản xạ (Reflection):

Ánh sáng từ đèn chiếu vào vật mẫu, và ánh sáng phản xạ từ vật mẫu sẽ chiếu lên bề mặt trống thông qua hệ thống thấu kính và gương. Khi ánh sáng chiếu vào vùng màu đen trên vật mẫu, ánh sáng sẽ bị hấp thụ và không phản xạ trở lại trống. Khi ánh sáng chiếu vào vùng màu trắng, ánh sáng sẽ phản xạ trở lại trống. Khi ánh sáng chiếu vào các màu khác hoặc màu xám, cường độ ánh sáng phản xạ trở lại trống sẽ thay đổi.
 

Khả năng quang điện (Photoresistance):

Khi ánh sáng chiếu vào trống cảm quang, điện trở của bề mặt trống giảm xuống và trở nên dẫn điện, cho phép các điện tích dương và âm ở những vùng được chiếu sáng triệt tiêu lẫn nhau. Ở những vùng không được ánh sáng chiếu vào, điện tích âm vẫn còn trên bề mặt. Tại thời điểm này của quá trình, hình ảnh tĩnh điện được hình thành trên trống .

Chuyển in (Transfer)

Giai đoạn chuyển in (tách mực) được thực hiện bởi một thiết bị phóng điện corona mang điện tích âm khác. Điện tích corona tác động lên mặt sau của giấy bằng một điện tích âm rất mạnh, khiến mực in dương bị hút vào giấy. Tại thời điểm này, hình ảnh đã được in lên giấy và được giữ cố định nhờ các điện tích tĩnh.

Làm sạch (Cleaning)

Việc làm sạch trống được thực hiện bằng một lưỡi mylar (mylar blade) nằm trên bề mặt trống. Khi trống quay, lượng mực thừa còn sót lại trên trống sẽ được làm sạch. Lượng mực thừa phụ thuộc vào thiết kế của máy. Hầu hết các máy photocopy hiện nay đều có ít nhất 90% lượng mực được chuyển lên giấy.