¿Cómo controla una impresora láser el láser para producir resoluciones tan altas?

Question

Ayer abrí una impresora láser rota para encontrar una de las secciones importantes (esta es una foto de ejemplo sacada de Google Images), intentando aprender del diseño del motor láser+espejo poligonal que lleva dentro:

Pude encontrar el pinout del chip controlador, y conseguí con éxito que el motor funcionara a unas RPM muy altas, así como que el láser se reflejara en el espejo giratorio, formando un sencillo patrón lineal en la superficie final.

Ahora bien, esta es la parte que me resulta misteriosa:

• El espejo es sólo un BLDC estándar (no un stepper ni un servo basado en codificador).

• El hexágono de espejos gira a una velocidad desconocida/inexacta.

• La velocidad de rotación es tan alta y la longitud de los espejos tan corta (he medido cada lado de los espejos del hexágono con una longitud de unos 2 cm).

Entonces, ¿cómo controlan el láser para que se refleje en el ángulo de rotación exacto de cada espejo a fin de (golpear el tambor fotorreceptor en posiciones altamente precisas y) producir una calidad de impresión en los miles de DPI, es decir, una resolución mejor que 0,03 mm?

En otras palabras, ¿cómo se coordina el momento de la pulsación del láser de encendido/apagado con respecto al ángulo del espejo en la imagen de abajo?

Answer 1

Es difícil saber exactamente cómo funciona su unidad específica, pero en general hay un sensor de tiempo que se utiliza para leer de nuevo la posición del espejo, como en el diagrama de abajo. No lee continuamente cada posición, sino sólo una vez por cambio de cara. El error medido se utiliza para compensar el disparo del circuito láser.

Existen patentes más detalladas sobre el tipo de circuito de compensación (digital) que permite utilizar este método de detección no continua, por ejemplo US5754215A que permiten el uso de motores baratos.

Estos datos Da, Db, Dc, Dd y De se determinan midiendo los intervalos de tiempo entre los momentos en que los respectivos haces de reflexión de los respectivos lados A, B, C, D y E del espejo poligonal 4 irradian el sensor de origen 6 y los momentos en que el haz de reflexión del lado siguiente irradia posteriormente el sensor de origen 6 en una condición de rotación (la condición de rotación estándar adecuada) tal que la velocidad de exploración en la superficie del tambor fotosensible 5 a través de los respectivos lados A, B, C, D y E alcanza un valor constante predeterminado. Los intervalos de tiempo pueden medirse mediante un dispositivo de medición mientras gira el motor del espejo poligonal 13 y se simulan las condiciones de escaneo, o alternativamente pueden medirse después de ensamblar los elementos completos y cuando la condición de rotación del motor del espejo poligonal alcanza la condición estándar. Estos datos de medición se almacenan después en la ROM 101 y se transfieren a las direcciones respectivas A1, A2, A3, A4 y A5 en la RAM 102.

El objetivo de todo esto es

de este modo, incluso el motor de polígono que tiene una precisión de procesamiento pobre puede ser controlado en la rotación estándar para que la velocidad de exploración por la rotación sea llevada a un valor objetivo como un motor de polígono que tiene una alta precisión de procesamiento

La combinación de autores patentese y japoneses es una pasada :)

Esta patente en concreto habla de controlar un motor PWM con los datos resultantes.

Cuando la CPU 100 ejecuta el programa de cálculo del error de puntería 101b, se accede a las respectivas direcciones A1, A2, A3, A4 y A5 en secuencia para los correspondientes lados A, B, C, D y E que reciben los rayos láser en respuesta a la rotación del espejo poligonal 4. Concretamente, mediante la ejecución del programa, en respuesta a la rotación de los lados respectivos y en la posición del origen en la que se inicia la exploración del lado posterior, se hace referencia a los datos correspondientes al lado inmediatamente anterior entre los datos Da, Db, Dc, Dd y De, y cualquier diferencia entre los datos referenciados y el valor en el registro de captura 12b se calcula como un error. Este programa es sencillo y realiza principalmente la mera referencia a los datos y el cálculo de una diferencia, de modo que se omite una explicación más detallada del contenido. Además, el programa de cálculo del error objetivo 101b hace que la CPU 100 ejecute el programa de control del motor PWM 101a después de almacenar el error calculado en la RAM 102.

Pero hay circuitos integrados para controlar un motor sin escobillas que se comercializan específicamente para espejos de impresoras láser. ON Semi tiene un montón de ellos, por ejemplo LB11872H , LB1876 , LV8111VB . Estos utilizan internamente circuitos de control de velocidad PLL. Los dos últimos chips también presumen de "accionamiento PWM directo", lo que no me queda muy claro qué significa, pero supongo que convierten la señal de control internamente (a partir de PWM). Así que mientras tengas datos de control probablemente funcionen igual de bien. No hay muchas notas de aplicación para usarlos (en una impresora láser real). Supongo que los que los necesitan saben cómo utilizarlos. Rohm (que tiene la patente antes mencionada) también fabrica un montón de estos circuitos integrados de "controlador PWM directo" para motores sin escobillas, también comercializados para espejos poligonales láser, por ejemplo BD67929EFV . Incluso hay un artículo que habla de esta técnica de control [PWM] para motores sin escobillas: http://dx.doi.org/10.1109/ICEMS.2005.202797 (Todavía no lo he leído).

Re: "¿Cómo recibe exactamente este sensor de tiempo el rayo?" Creo que eso era algo obvio en el diagrama: a través de un espejo (etiquetado allí como "1er espejo de reflexión") que es golpeado sólo cuando el láser cambia de cara de espejo. Se trata de un espejo diferente al espejo principal utilizado para iluminar el tambor OPC. Es de suponer que puede haber otras disposiciones. En el caso de una impresora láser en color, suele haber (o más bien había) varios sensores, uno por haz (canal de color), como se explica en una patente más reciente de Lexmark US9052513 que, como puede ver, propone una forma de reducir el número de sensores. (Probablemente esta sea una de las razones por las que se puede comprar una impresora láser en color por menos de 100 dólares, según se dice).

En una LSU de un dispositivo de formación de imágenes electrofotográficas en color, es típico que cada canal de formación de imágenes tenga su propio sensor óptico, denominado "sensor hsync", para detectar su haz láser que se ha desviado de un espejo poligonal y crear una señal de detección del haz para utilizarla en la activación de los datos de vídeo que se incluyen en el haz láser del canal para que incida en el tambor fotoconductor correspondiente del canal. En las arquitecturas de diseño más recientes de LSU, dos haces comparten un único sensor hsync con uno de los canales creando la señal de inicio de exploración (SOS) y el otro canal utilizando una versión retardada de esa señal SOS. Debido a que uno de los canales obtiene imágenes de una faceta del espejo poligonal giratorio que no está asociada con el sensor óptico que genera la señal SOS, se puede inducir una fluctuación de exploración en ese canal. Con tales LSUs generando rayos láser en el eje relativo a las facetas del espejo poligonal giratorio, los rayos láser inciden en el espejo poligonal de tal manera que sólo la variación en uno o más cortes de la faceta del espejo se ve para inducir la fluctuación de exploración.

Answer 2

Mientras la velocidad de rotación sea constante en escalas de tiempo cortas, es posible calcular la posición actual a partir del tiempo de los pulsos en el "detector de rayos". Simplificando, el tiempo entre pulsos daría la velocidad de rotación y luego combinando la velocidad de rotación conocida con el tiempo desde el último pulso se obtendría la posición actual.

Hay que tener en cuenta que el posicionamiento absoluto en un láser mono no tiene que ser superpreciso, sólo el posicionamiento relativo entre líneas adyacentes. Los láseres de color suelen utilizar una cinta como intermediario entre los distintos motores de impresión de color y el papel, y supongo que tienen algún tipo de detección en esa cinta que les permite alinear los distintos colores.