专利名称：静电印刷方法和使用触须式书写头的静电印刷装置的制作方法
一般来说，本发明涉及电热印刷，更具体地说，涉及一种接触方法和使静电电荷沉积在图象生成件上的装置。
在电热印刷技术，例如在专利5325120和5406314中所述的技术中，静电电荷沉积在图象生成件的具有轻微的拒墨水性质的记录表面上，以形成静电图案。该静电图案包括与电子图象相应的带电和不带电区域，可以在印刷基底上转换为可看见的形式。由沉积的电荷产生的静电电场克服该记录表面的厌墨水性质，并根据静电图案，将墨水吸引至该记录表面上。在该静电图案的每一个位置上，从墨水供给装置转移至该记录表面上的墨水的每单位面积上的正常量或墨水厚度与局部的电场强度成正比。该记录表面与印刷基底的接触使显出的图象完全从该记录表面上转移下来，然后，该记录表面又可准备好重新显影或擦去静电图象。
图象生成件的整个记录表面均由不导电的材料制成，如在上述专利所述的方法中所采用的一样。沉积的静电电荷在这些记录表面上产生带电的象素区域。在普遍拥有的专利申请系列08/467200和469323号中所述的另一种形式的图象生成件具有各向异性性质的记录表面。因此，沉积的静电电荷在局部记录表面上产生与象素相适应的不均匀电场。
采用微等离子体记录以在图象生成件上形成图象的静电电荷图案，与任何一种形式的记录表面是兼容的。虽然微等离子体记录是一种有效和通用的技术，但是实现起来仍有一些缺点。这些缺点的几个例子为需要高电压来驱动产生为建立静电图案的离子流所需的场致点火电离电极(field ignitionionization electrode)，需要特别注意避免对用于盛放场致点火电极的孔道的材料的飞溅腐蚀，即使没有图象转移，也需要一个维护电流，以便使电极处于备用状态。这些因素会增加这种印刷装置的工作成本。
因此，对于某些应用场合，希望提供一种不需要使用场致点火电离电极的图象记录技术。
另外，利用具有如’200和’323号专利申请中所述的电气手指式的悬臂梁式金属触点进行直接接触书写可能会导致记录表面的充电不良，因为记录表面在显微镜下相当粗糙。刚性触点可能从该粗糙的记录表面“跳”起来，而又不能及时地弹回去与该表面记录接触，以保证所希望的电气传导。另外，这里所述的金属触点较脆，因此，在长期使用过程中会折断或断裂。
本发明在书写头上采用挠性的导电“触须”，与图象生成件实际接触，将电荷转移至图象生成件上，并从而在该图象生成件上形成按照图象样子的静电图案。本发明的书写头与上述’120专利中所述的微等离子体记录装置有点相似，但有下列主要的不同点。’120专利公布了一种具有一系列离子束发射器的书写头，每一个离子束发射器在图象生成件/书写头的电位差影响下，越过间隙，给该记录表面上的一个象素区域充电，而本发明的出写头包括一个具有单一触须或许多触须的浮雕片或垫的阵列，该浮雕片或垫由导电基片固定，并且每一个浮雕片充电至与图象相应的电压。这些浮雕片或垫通过与该记录表面的滑动实际接触，将电荷转移至该记录表面上。
如在本文件所使用的一样，术语“触须”是指一片超强、超硬，并且通常为单晶体的材料。多个触须与类似的多个平行片条一起，从一个垂直的导电基片上生长出来。一个浮雕片或垫可以具有一个单一的触须，或者为了在象素区域内建立更好的接触而具有一束触须。一般，触须的直径为2微米的数量级，在50平方微米的一个面积或垫上可以设置包含多达100个触须的一束触须，这相当一该记录表面上的一个典型的象素。触须可以用材料的加工领域中已知的任何一种方法生长出来，并可用几种合适材料中的任何一种材料制成，例如钨或石墨。除了适当的导电性以外，用于书写头的触须还必需是挠性的和化学稳定的。
当使用具有带不同导电性的表面区域的记录表面的图象生成件时，如在上述的’200和’323号专利申请中所述的那种图象生成件，则本发明可发挥出最佳的优点。这种图象生成件可以包括一个背底或基底电极，它被一层薄的介质层覆盖，在该表面上的每一个象素区域中具有几个孤立的导电区域或导电岛。由于记录表面的不均匀性和触须的外形影响，该记录表面与充电元件只在几个点上接触，因此，一般来说，在接触时间内只有非常少量的电荷转移至普通的介质制成的记录表面上，并且在带电的和相邻的不带电区域之间产生的电场较弱。虽然，许多触须组成的一个阵列可以改善区域的覆盖状况，但是这种低的电荷转移效率即使对于这样的结构也可能是限制性的因素。然而，当该图象生成件的记录表面包括几个导电岛时，即使只有一个触须与一个导电岛的不良接触也可以在毫微秒的时间内使整个导电岛充电至该触须的电位。在这种的记录表面上，由于每一个导电岛周边的边缘效应，可以产生覆盖每一个象素位置的强大的不均匀电场。这些电场在该记录表面之上延伸，并迅速下降，离开该导电岛一定距离。另外，每一个导电岛周围的电场强度是将电荷沉积在导电岛上的触须按照图象样子变化的电位的函数。每一个触须的根据图象样子变化的电位这样选择，即使得每一个导电岛周围的电场强度的聚集形成在该象素之上的宏观电场强度。该宏观电场强度是电子图象相应位置处的灰色级谱或色值的单调函数。
当这种带电的记录表面处在不导电的显影介质(最好为不带电的墨水)对面时，电场通过介质极化作用，在该介质中诱导出一个电气偶极子矩，而该介质则通过介电电泳作用，被吸引至该记录表面的带电区域上。介质被吸引至该带电区域的量与相应的电场强度成正比。这样，该显影介质将存贮在每一个导电岛周围，其量随着在那个位置的电场强度的增加而单调地增加，从而将记录在该图象生成件上的电子图象显影出来。然而，也可以使用带电的墨水，这样，带电墨水通过电荷补偿原理被吸引到该记录表面上。虽然这会降低触须和介质表面上的涂敷金属的区域之间的电气接触效率，然而，图象生成件的不导电和导电区域也可以用厌墨水的涂层覆盖，以保证墨水只根据沉积的图象静电图案，而粘结在该记录表面上，这样当墨水转移至印刷基底上时，就可以清楚地再现该图象。
以上的讨论在下面结合附图进行的本发明的详细说明中将会更容易理解，其中
图1为包括本发明的书写头的印刷装置的立体图；图2为图1所示装置的书写头实施例的底视图；图3为沿着III-III线所取的，表示图2的书写头与图象生成件结合的比例放大的截面图；图4为优选的记录表面的部分截面图；和图5A和5B为带有导电岛的各向异性性质的记录表面部分的立体图，图5B中的书写头为简化表示。
为了清楚表示的目的，这些图不一定是按比例画出的。
图1表示根据本发明的印刷装置，它包括一个回转的纸筒10。该纸筒10用于支承诸如卷筒纸W一类的印刷基底。图象生成件12平行于纸筒10放置，卷筒纸W可以通过该纸筒10和图象生成件12之间形成的间隙。在图象生成件12的周围放置着具有触须状充电零件的电子书写头14，将不导电的即电气中性的墨水加到图象生成件12上的加墨水头16，由图象生成件12和加墨水头16之间的圆筒形间隙构成的墨水转移站以及擦拭头22。所有这些元件的工作都是由控制器24控制的。
控制器24接收数字式数据流形式的输入信号。该数据流式的输入信号代表可以最终在该卷筒纸上再现的图象的灰色级谱或色值。在印刷彩色印刷品的情况下，图1表示印制原始文件的一个颜色成份或特征，例如兰绿色成份的一个印刷部件。对于四种颜色的印刷品，在图象生成件12的下游，还放置三个印刷部件，用于其他的颜色成份，即深红色、黄色和黑色，如在美国专利4792860号中所描述的那样。另一个方案是，将图1所示的装置改装，让它包括多个彩色墨水添加站，使该装置本身可以印刷所有四种颜色，如比方，在上述的’120专利中所述那样。
代表彩色原件上的不同颜色成份的顺序的数据串被加到该装置上。例如，该装置可以按兰绿色、深红色、黄色和黑色的次序接收数据。最优的方案是，控制器24带有大容量存储器24a，用以存贮使该装置工作所必需的大量的数据。
为了在卷筒纸W上印刷，控制器24控制书写头14。当图象生成件12转动时，该书写头14在图象生成件的记录表面12 a上记录与输入数据流所代表的各种颜色成份中至少一种颜色成份相应的静电图象。
加墨水头16可以与上述的’860或’120专利中所述的加墨头相似，它供给熔化状态的热塑性墨水。该热塑性墨水由分散在粘结剂中的四种印刷颜色中的一种颜色的颜料颗粒组成。图象生成件的记录表面12a，除了需被书写头14充电的位置外，可以轻微地覆盖一层薄薄的厌墨水材料(inkophobic material)，这样，墨水就不会粘附在该图象生成件的这部分表面上。例如，假如在图象生成件12上要画上兰绿色的图象，则该加墨水头16需送出兰绿色墨水。结果，当图象生成件的记录表面12a上的静电图象前进，通过该加墨水头16时，从该加墨水16中流出的兰绿色墨水由该图象的带电区域得到，从而在该图象生成件的记录表面12a上显示一个兰绿色图象。如在上述的’860和’120专利中所述那样，图象生成件12要加热，以保持在该记录表面12a上的墨水为熔化状态。该熔化的墨水这时粘附在该图象的带电区域的表面上。
如下面将要更详细地说明的那样，图象生成件记录表面12a上的带电区域所拾取的墨水量与从该带电区域发出的电场强度成正比。在该记录表面12a的图象上面的电场强度的变化使整个灰色级谱的再现容易进行。
当该图象生成件12继续转动时，该记录表面12a上的图象的显出部分前进至由纸筒10和图象生成件12之间的间隙构成的墨水转移站18。控制器24控制在图象生成件12上的图象位置。当图象显出，并前进通过纸筒10和图象生成件12之间的间隙时，显出的图象就转移至卷筒纸W的恰当的位置上。在转移站18处，墨水从图象生成件的记录表面12a向卷筒纸W的转移是完全的转移，因为这种转移是通过墨水的状态转换，按热力学的方式进行的。在墨水与较凉的卷筒纸W的接触线上，墨水由热熔化的液体状态转换为固体状态。
现在，该图象生成件的记录表面12a的带电区域没有墨水，该带电区域前进通过擦拭头22。该擦拭头带有诸如紫外线辐射一类装置，使该记录表面12a导电，这样，该记录表面上的电荷散失。因此，当该图象生成件的记录表面12a从该擦拭头22出来时，该记录表面12a完全不带电，并且在图象生成件12的下一次或接着的回转中，可以由书写头14再次成象。同时，代表原图象的一种颜色成份，例如兰绿色成份的图象则印刷在卷筒纸W上。
图1所示的装置与上述专利中所述的印刷装置不同之处主要是二个元件书写头14和图象生成件12。在本发明中，书写头14包括一个由许多触须浮雕片(充电元件)组成的阵列，每一个触须浮雕片具有至少一个触须，该触须弹性地与图象生成件12的记录表面12a接触。当不同的接触点与该记录表面的相应的象素区域相对时，控制器24将与图象有关的电压加在该不同的接触点上。
图2和图3更详细地表示出该触须式书写头14。绝缘材料制的支承件40在该图象生成件12的整个宽度上延伸。在该支承件40上安放了一系列不同的导电引线薄膜42。每一个导电的引线薄膜就是导电触须46所在的一个浮雕片或垫44的、通向控制器24的电压引线。这样，就提供了根据电子图象给浮雕片44充电的装置。这些薄膜可以通过，例如，腐蚀沉积在支承件40上的一块连续的金属层而制成。每一个触须浮雕片44包括一个导电的基片44a，它与相应的引线薄膜42和生长在那里的触须46的一个阵列电连通。每一组触须的足迹相应于，并限定图象象素区的面积。引线薄膜42没有被基片覆盖的部分由绝缘层48保护起来。在书写操作过程中，由于图象生成件12的转动引起的，在书写头14上的滑动力被放置在图象生成件的记录表面12a上的滑靴50吸收。
触须46的挠性保证，当该图象生成件转动通过该书写头14时，触须46与该记录表面轻微地机械接触。对石墨制的触须所进行的实验表明，在触须和具有诸如以下所述的那种磨削过的平面的图象生成件12的记录表面12a之间具有强大的静电吸引力。假若记录表面12a不带有灰尘或化学污染物，或厚的绝缘膜，则触须不会跳开或不能与该记录表面建立密切的接触。另外，由沉积在该记录表面12a上的电荷产生的挠性触须的静电吸引力使该触须向着记录表面偏移，从而促进了电气接触。
通常，触须由强度高的、超硬的单晶体材料制成，它一般从导电的基片44a上垂直伸出，如图3所示。触须可以用材料加工领域中的任何一种方法生长出来，包括例如，在D.Stewart和P.Wilson的文章“宽面积场致发射冷阴极的最近进展”(“真空”杂志，30卷，11/12期)中所述的和H.E.Cline在“Ni-W共晶体的多针(multineedle)场致发射”一文(“应用物理杂志”41卷第1期(1970年1月))中所述的方法。触须可由合适的材料，例如钨或石墨中的任何一种材料制成。除了适当的导电性之外，用于书写头的触须必需具有挠性和化学稳定性。
与在上述’120和‘314专利中所述的图象生成件不同，该图象生成件12具有各向异性的记录表面12a。因此，在书写操作过程中，从该书写头14获得的电荷在该记录表面12a上分布不均匀，从而形成了在该图象生成件表面上伸展的电场。这样，当该图象生成件12转动至这些不均匀带电的区域在该加墨水头16的对面的位置时，该带电区域通过介电电泳过程，从该加墨水头中取得墨水。即，墨水颗粒被该记录表面12a上的不均匀电场极化，并被吸引至圆筒形记录表面12a的带电区域上。在该带电区域上，电场的量是最强的，该电场量随着该带电区域电场强度的增加而单调增加。
在图1和图4中可以最清楚地看出，图象生成件12包括一个刚性的芯子60，它可以由钢或铝制成。最好，该芯子带有槽，如图所示，以减少其重量和使空气通过该芯子循环，使芯子冷却。芯子60周围有一个用绝热和电气绝缘性能好的材料如陶瓷制成的套筒62。在套筒62的表面上涂了一层导电材料64例如金属铜。这个导电层作为该图象生成件12的接地平面(ground plane)。
在导电层64的周围包裹一层薄的，例如1微米(μm)厚的具有非常高的电阻率的介质材料，例如氮化硅或兰宝石制成的薄层66。在该介质层66上作出多个导电岛的图案，可使该介质层66具有各向异性性质。这些导电岛与导电层64电气绝缘，并且相互也电气绝缘。该导电岛68可以作成涂在该介质层66表面上的微小的短的导电斑点、导线或通道的形式。为了形成表面具有导电性变化的区域，也可以采用其他方法使表面具有各向异性的性质，例如金属嵌入介质层内的方法。虽然触须式书写头最好与具有各向异性性质的表面配合，但是假如只在普通的均质的介质表面上使用，触须式书写头也有一些优点，例如比金属接触式的书写头寿命长。图4还表示，图象生成件12上可以设置一层非常薄的外涂层72，例如，聚四氟乙烯(特氟隆)，它具有厌墨水性质。虽然，这个表面涂层72可能减少电荷从该触须至该图象生成件表面的所期望的转移，但该涂层可以防止墨水粘在该圆筒形记录表面12a的不带电区域上，并将该表面上的墨水污迹减至最少。
图5A表示象素区域70上导电岛68的可能的配置方法按直线形式的行和列排列，例如，每一个象素区域70上排列2×2上导电岛。为了表示方便，在图中，导电岛68表示得尺寸较大和相互隔开较宽。然而，实际上，该导电岛的直径可能小于一个微米(μm)，而彼此隔开只有几个微米(μm)。显而易见，也可以采用其他配置方式。每一个象素区域的导电岛配置方式可以是周期性的，或完全任意的。然而，与书写头触须46比较，导电岛68的尺寸应该足够大，以保证当该书写头在每一个象素区域70上面通过时，该触须触点和该图象生成件的记录表面之间能有必要的接触。图5A表示的是没有涂层的该圆筒形记录表面12a。
这样，通过书写头14的滑动触须的接触，可以按下列方式，直接在图象生成件12的具有各向异性性质的记录表面12上画出电子图象。根据电子图象的不同，加在触须46上的与图象有关的电压将电荷给予象素区域70的导电岛68。图5B表示图2和3所示的触须式书写头的象素工作方式。每一个触须46的尺寸可以相当小，因为，为了使导电岛完全充电至相应触须46的满电位，该触须只需在很短的时间内(毫微秒数量级)在一点与相应的导电岛68接触。电场线F从各个导电斑点横向射出，将墨水吸引在各个导电斑点周围。因此，导电岛的存在大大增强了该图象生成件12的效果，因为与由在普通的介质表面上的狭窄的线接触30产生的电场比较，导电岛可以产生更强的电场。介质层66越薄，则每一个导电斑点周围的电位越接近接地电位(产生高度横向的电场所希望的)。
因此，当图象生成件12的带电区域转动至与加墨水头16相对时，在每一个导电斑点位置上的不均匀电场使显影介质极化，并通过介质电泳作用，把墨水颗粒吸引至图象生成件的记录表面12a上。该墨水颗粒的量随着每一个导电斑点的电荷增加而单调增加。
还可以当该书写头14在一个单一的象素区域内滞留的时间范围内，以脉冲方式使书写电压在零和所希望的电压值之间变化几次，而使不均匀的电荷分布在该图象生成件的记录表面12a上。为了产生这些脉冲，使用300赫的交流电压源是合适的，此时该图象生成件的记录表面以1米/秒的速度运动。
上述的具有带电的各向异性性质表面的图象生成件可以与不导电的显影介质或者介电常数大于1的任何其他不导电材料相互配合。虽然，我们说明了在包括使用热塑性墨水的加墨水头的印刷装置中使用的本发明，但是所述的印刷装置也可以用于接收固体的、不带电和不导电的墨水及散装或气溶胶式的带电或不带电的上色剂。
可以看出，以上所述代表了一种设计和制造用于电热印刷的墨水的非常有利的方法。如上所述，可以想象得出，该触须式书写头也可以与具有普通的、均匀的介质表面的图象生成件一起使用。这里所用的术语和表达方式只是作为说明的术语，而不是限制，在使用这些术语和表达方式时，不排除与所示和所述的特点或一部分特点等价的东西，因此，在权利要求所述的本发明范围内可作各种改变。
权利要求
1.一种用于画出与电子图象相应的静电图案的装置，它包括一个具有记录表面的图象生成件；和一个用于将静电电荷转移至该记录表面上的书写头，其特征在于，为了与该记录表面接触，该书写头具有许多触须。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它还包括一个用于将墨水转移至该图象生成件上的墨水转移站。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，该墨水为不带电墨水。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该图象生成件包括一个导电层、一个放置在该导电层上面的介质层和放置在该介质层上的导电岛。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该记录表面为各向异性的介质表面。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该记录表面为普通的介质表面。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该书写头包括一系列的导电垫，每一个导电垫至少有一个触须从该处伸出。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，每一个垫包括许多触须。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，每一个垫相应于要书写在该记录表面上的一个象素。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，触须为由石墨或钨中的一种材料制成。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该书写头还包括一个与该记录表面接触的滑靴。
12.一个用于书写与电子图象相应的静电图案的装置，它包括一个具有记录表面的图象生成件；和一个用于将静电电荷转移至该记录表面上的书写头，其特征在于，该书写头具有一个由多个充电元件组成的阵列，用于在该记录表面上书写，每一个充电元件有至少一个触须从该处伸出。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，它还包括一个用于将墨水转移至该图象生成件上的墨水转移站。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，墨水为不带电的墨水。
15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该图象生成件包括一个导电层、一个放置在该导电层上的介质层和放置在该介质层上的导电岛。
16.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该记录表面为各向异性的介质表面。
17.如权利要求12所述的装置，其特征在于，该记录表面为普通的介质表面。
18.如权利要求12所述的装置，其特征在于，每一个充电元件包括许多触须。
19.一种在记录表面上记录图象的方法，该方法包括下列步骤a、产生与图象相应的数字数据，该图象最终将以可看见的形式印刷在印刷基底上；b、给具有许多充电元件的书写头充电，每一个充电元件至少具有一个触须，该书写头根据该数字数据进行充电；和c、通过使该记录表面与触须接触，将充电元件上的电荷输送至该记录表面上。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，它还包括在电荷输送出去之后，将墨水输送至该记录表面上的步骤。
全文摘要
本发明公布了一种电子印刷装置，该装置使用挠性的触须，将与图象相应的电荷转移至不导电的记录表面上。该记录表面最好具有多个导电性不同的区域，因此在该介质表面上形成微电场。然后，墨水，最好为不带电的墨水，通过偶极子力被吸引至该记录表面上，以后再转移至纸上。
文档编号G03G5/028GK1162768SQ9710049
公开日1997年10月22日 申请日期1997年1月29日 优先权日1997年1月29日
发明者曼弗雷德·R·库恩勒, 海曼·施茨 申请人:海德堡印刷机械股份公司