DE4342643C2 - Erwärmungsarme Fixierung mit Barrierenentladung in Tintenstrahldruckern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tintenstrahldrucker mit einer er­ wärmungsarm arbeitenden Fixierstufe und ein Verfahren zum er­ wärmungsarmen Fixieren von Druckbildern.

In der US 4,303,924 ist ein "Jet drop printing process" erläu­ tert, bei dem durch Licht polymerisierbare Tinte auf ein Blatt Papier - gesteuert durch Hochspannung - aufgebracht wird. Da­ nach wird es in Papier-Durchlaufrichtung fixiert, durch Einwir­ ken von UV-Licht oder Elektronenstrahlen.

DE 40 10 191 A1 beschreibt eine Strahlereinrichtung zur Trocknung oder Härtung von Farben in Druckmaschinen. Als Strah­ ler wird ein Excimer-Strahler verwendet. Eine Wand des Entla­ dungsraumes ist aus dielektrischem Material und läßt die Strah­ lung zur Trocknung oder Härtung der Druckfarbe aus dem Entla­ dungsraum austreten. Der Druckbildträger läuft unterhalb einer Gitterelektrode. Die Hochspannung ist zwischen Gitterelektrode und einer zweiten Elektrode auf der anderen Seite der Wand an­ geschlossen. Der den Druckbildträger tragende Zylinder ist nicht an die Hochspannung angeschlossen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Druckbild schnell zu fixieren und zugleich erwärmungsarm und damit energiesparend zu arbei­ ten.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Tintenstrahldrucker mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 8.

Die Erfindung ist anwendbar in Tintenstrahldruckern, die eine Fixierstufe enthalten. Sie kann aber auch in anderen Druck­ bilderzeugern Anwendung finden, z. B. in einem Telefax, in einem Kopierer oder in einem Laserdrucker, so daß die Art und Weise des Aufbringens des Druckbildes für die Erfindung nicht von vorrangiger Bedeutung ist. Sie ist in der Lage, alle aufge­ brachten Druckbilder, seien sie durch eine Tintenstrahldüse aufgebracht, seien sie durch eine elektrisch aufgeladene und mit einem intensitätsmodulierten Laserstrahl belichtete Bild­ trommel aufgebracht oder seien sie über eine Bildtrommel eines Kopierers aufgebracht, erwärmungsarm (fotochemisch) zu fixie­ ren. Die Erfindung arbeitet dabei mit einem Licht oberhalb des infraroten Bereiches, insbesondere mit einem UV-Licht, das von einer dielektrisch behinderten Entladungsanordnung auf das Druckbild (Schrift oder Bild) auf das Papier oder die Folie (Druckbild-Träger) abgegeben wird. Dem Farbstoff, der damit fi­ xiert wird - durch Polymerisation oder Aushärtung - ist eine Substanz beigegeben, die durch Absorbieren des auf sie einwir­ kenden erwähnten Lichtes aushärtbar oder polymerisierbar ist. Die Farbpigmente werden dadurch in die Netzstruktur eingebunden und verfestigt (fixiert).

Gemäß vorteilhafter Weiterbildung und Konkretisierung kann die Fixierstrahlung mit dem Druckbetrieb koordiniert werden (Anspruch 3). Dazu wird die Barrierenentladung nur dann einge­ schaltet, wenn ein Papier mit einem Druckbild versehen wird. Nur dann fallen elektrische Verluste für diese Fixierung an. Zusätzliche Vorteile sind die Geräuscharmut dieser Fixierung, da keine Lüfter erforderlich sind, und die unmittelbare Be­ triebsbereitschaft - schon nach Einschalten der Lampe -, weil die druckverzögernde Wartephase, bis ein thermischer Fixierer aufgewärmt ist, entfällt.

Das Fixieren kann durch einen Initiator oder Katalysator veran­ laßt oder beschleunigt werden (Reaktionsmittler), wenn nicht ein vernetzender oder aushärtender Bestandteil (Polymerisator) selbst schon die Fixierung unter Lichteinfluß ermöglicht (Anspruch 4).

Korrespondiert das Absorptionsspektrum des Lösungsmittels selbst nicht ausreichend mit dem erzeugten Lichtspektrum des UV-Erzeugers, so kann ein Katalysator dem Farbstoffgemisch bei­ gegeben werden, dessen Absorptionsmaximum mit dem Emissionsma­ ximum der dielektrisch behinderten Entladung zusammenfällt. Er wirkt dann katalytisch auf die Vernetzungs- oder Aushärtungsre­ aktion (fotochemische Fixierung), die die Farbpigmente schnell und energiearm stabilisiert.

Zwischen dem katalytischen Einfluß des Katalysators und der un­ mittelbaren Polymerisation des Lösungsmittels liegt die Verwen­ dung eines Initiators, der die fotochemische Reaktion bei UV-Lichteinfluß veranlaßt und daran chemisch beteiligt ist.

Als Reaktionsmittler kann eine Mischung aus zwei oder mehreren Fotoinitiatoren verwendet werden.

Auch ohne Verwenden von thermischen Fixierstufen mit der Erfin­ dung kann eine Dokumentenechtheit garantiert werden, wie sie von Laserdruckern und Kopierern heute schon gewährt wird. Die heute noch nicht dokumentenechten Druckbilder eines Tinten­ strahldruckers werden mit der Erfindung den Erzeugnissen von Kopierer und Laserdrucker gleichgestellt.

War erwähnt worden, daß bei einem Tintenstrahldrucker das die Drucktinte bildende Farbstoffgemisch ein Lösungsmittel enthält, weil die heute bekannten Verfahren des Auftragens des Farbstof­ fes in einem Tintenstrahldrucker eine flüssige Phase erfordern, so kann die Erfindung aber ebenso einen trockenen Stoff zu ei­ nem trockenen Toner - einem Thermoplast - beigeben, der das Vernetzen des trockenen Toners unter UV-Lichteinwirkung veran­ laßt und vollendet.

Wird das erwähnte Lösungsmittel zur Bildung der Drucktinte bei­ gegeben, so wird durch das größere Volumen der Tinte die Beweg­ lichkeit der Initiator- und Polymerisatormoleküle erhöht, so daß diese leichter einen Reaktionspartner finden können. Da­ durch wird das Abbinden an der Oberfläche beschleunigt und es bleiben weniger nicht ausreagierte Monomere zurück.

Unabhängig von der Farbe der Farbpigmente in dem Farbstoffge­ misch kann dieselbe polymerisierbare oder aushärtbare Substanz oder derselbe die Polymerisierung oder Aushärtung begünsti­ gende, als Katalysator oder Initiator wirkende UV-Aktivator eingesetzt werden.

Hebt man als besonders vorteilhafte Verwendungsform der Erfin­ dung den Tintenstrahldrucker hervor, so ist er mit der fotoche­ mischen Fixierung durch einen offenen oder "geschlossenen" Strahler zu einem Druckbild-Erzeuger geworden, der dokumen­ tenechte Druckexemplare erzeugt, dies ohne erhöhten Energieauf­ wand erreicht und dabei das ohnehin geringe Betriebsgeräusch eines Tintenstrahldruckers nicht erhöht. Die Saugfähigkeit des Papieres ist Dank der Erfindung nicht mehr von wesentlichem Be­ lang, kann doch die Fixierung in kürzester Zeit das noch in der Tinte befindliche Lösungsmittel polymerisieren, so daß auch keine ungewollten Verwellungen des Papieres erhalten werden.

Eine Begleiterscheinung der Dokumentenechtheit ist es, daß ein Benutzer mit feuchten Händen das gerade erzeugte Druckbild nicht mehr verwischen kann und auch in der Papierablage die er­ zeugten Dokumente nicht mehr beidseitig eingefärbt werden, wenn das gerade abgelegte Dokument noch nicht trocken ist und be­ reits ein neues Dokument auf die Papierablage aufgelegt wird. Diese Eigenschaft können auch nicht dokumentenechte Tinten­ strahldrucker erhalten, wenn sie mit einem die Fixierung ermög­ lichenden Nachrüstsatz ausgestattet werden, der einen dielek­ trisch behinderten Strahler aufweist.

Noch einmal hervorgehoben werden soll die Anwendung der dielek­ trisch behinderten Gasentladungsstrahler, die eine nur schmal­ bandige Emission im UV-Bereich zwischen 120 nm und 360 nm mit nur wenig Nanometern (etwa 1 nm bis 2 nm) Breite haben. Diese schmal­ bandige Emission läßt sich gut auf den Absorptionsbereich des polymerisierbaren Stoffes in dem Farbstoffgemisch, der ein Lö­ sungsmittel enthalten oder ein Feststoff sein kann, oder den die Polymerisation beschleunigenden UV-Reaktionsmittler abstim­ men.

Die erfindungsgemäßen Vorschläge sollen am Beispiel des Tinten­ strahldruckers in ihrem Verständnis vertieft werden.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen üblichen Tintenstrahldruc­ ker, allerdings bereits ergänzt um eine UV-Fixierstufe 2, die in Papier-Durchlaufrichtung V dem Druckkopf 1 nachgeordnet ist.

Fig. 2 ist ein Beispiel einer offenen dielektrisch behinder­ ten Entladung mit Strahler 2', der neben UV-Strahlung auch Elektronenstrahlen und Radikale auf das Papier zur Einwirkung bringt.

Fig. 1 zeigt ein Schema eines üblichen Tintenstrahldruckers. Er hat in seinem unteren Bereich einen Papierstapel 31, in dem eine Mehrzahl von DIN A4-Blättern aus Papier oder zu bedruc­ kende Folien 31a lagern. Über einen nicht näher hervorgehobenen Transport mit Rollen, Walzen und ggf. Bändern wird über eine Umlenkrolle 32 das Papier 31a plan einem Druckkopf 1 zugeführt. Dort wird es mit einer Tinte 1c bedruckt, seien dies Zeichen oder Bilder, um anschließend in Vorschubrichtung auf einem au­ ßenliegenden Tablett 33 abgelegt zu werden. Vor dem Tablett 33 und nach der Tintenstrahl-Auftragseinheit 1, im Ausführungsbei­ spiel sogar unmittelbar danach, ist eine UV-Lampe 2 angebracht, die ihr Licht bevorzugt auf den soeben bedruckten Bereich des Papieres 31a richtet. Aufgrund ihrer reinen UV-Licht-Abgabe kann die Lampe 2 sehr nahe an das Papier 31a gebracht werden, da sie keine Wärmestrahlung abgibt, die das Papier 31a oder das Druckbild beschädigen könnten. Die Lampe 2 kann - wie die Fig. 1 schematisch zeigt - unter einer Klappe 28 angeordnet sein. Die Abdeckung 28 sollte lichtundurchlässig sein, um eine Schädigung des menschlichen Auges zu verhindern. Vorteilhaft kann die Abdeckung 28 Verwendung finden, die zum Austauschen des Druckkopfes 1a oder des Tintenbehälters 1b geöffnet wird.

Vergrößert ist in Fig. 2 der Drucktinten-Auftragsbereich und die Fixierung mit der Lampe 2' hervorgehoben. Mit V ist die Vorschubrichtung des Papieres 31a bezeichnet. Die Drucktinten- Auftragseinheit 1 besteht aus einem mit kleinen Düsen versehe­ nen Druckkopf 1a, aus dem auf verschiedene Weisen Drucktinte 1c gesteuert hervortritt und auf das Papier 31a oder die Folie 31a aufgetragen wird. Oberhalb des unmittelbaren Druckkopfes 1a ist der Drucktinten-Behälter 1b angeordnet. Die gesamte Drucktin­ ten-Auftragseinheit 1 ist quer zur Vorschubrichtung V des Pa­ pieres 31a an einem Gestänge gesteuert verfahrbar, sie wird über flexible elektrische Verbindungen von einer nicht näher dargestellten Steuereinheit so gesteuert, daß genau zum richti­ gen Zeitpunkt genau diejenigen Mikrodüsen des Druckkopfes 1a Tinte 1c auf das Papier 31a sprühen, spritzen oder strahlen, um ein gewünschtes Druckbild zu erzeugen.

Eine Alternative ist es, den Druckkopf 1a bzw. die Tintendüse entlang der ganzen Papierbreite anzuordnen, so daß keine mecha­ nische Bewegung der Auftragseinheit mehr erforderlich ist.

Das mit der Drucktinte 1c erzeugte Druckbild wird unmittelbar nach dem Auftragen auf dem Papier 31a einem UV-Licht ausge­ setzt.

Die ultraviolette Strahlung läßt sich unmittelbar über der Pa­ pieroberfläche in Luft mit einer Anordnung 2' erzeugen (Fig. 2). Dazu wird die zweite, meist die geerdete, Elek­ trode 25' unter der Ebene der Papierbahn 3 angeordnet. Bei An­ legen einer Hochspannung zündet die dielektrisch behinderte Entladung (Barrierenentladung) unmittelbar im Zwischenraum 23' zwischen der ersten, von einem Dielektrikum 22 umgebenen Elek­ trode 21 und dem Papier 31a.

Bei dieser Ausführung tritt keine Absorption der UV-Strahlung in einer Wand 24 der Lampe 2' auf. Daneben wird die Fixierung des Schriftbildes durch Elektronenbeschuß oder gebildete Radi­ kale aus der Gasentladung unterstützt.

Die dielektrisch behinderte Entladung entsteht unter kurzzeiti­ ger Bildung von Excimern. Mit jedem Spannungsanstieg an den Elektroden wiederholt sich die kurzzeitige Bildung von Exci­ mern, so daß durch die Wahl der Anregungsfrequenz oder durch Aussteuerung von Gruppen von Spannungsimpulsen eine Leistungs­ regelung möglich ist.

Es kann auch eine planare Form der Excimer-Lampe gewählt wer­ den, da das Gasgemisch in der Lampe nahezu Atmosphärendruck hat.

Durch den Einfluß des UV-Lichtes auf den Druckträger 31a (Papier, leichter Karton oder Folien) wird in der aufgetragenen Drucktinte 1c eine fotochemische Reaktion ausgelöst. Zwar ist die Tinte 1c zumindest teilweise vom Papier 31a beim Auftragen durch die Druckeinheit 1 schon aufgesaugt, es besteht aber noch eine erhebliche Feuchtigkeit, die mittels der fotochemischen Vernetzungsreaktion durch das UV-Licht L entfernt wird. Der die Flüssigkeit der Tinte 1c bildende Lösungsmittelbestandteil wird durch den UV-Einfluß ausgehärtet oder vernetzt (polymerisiert). Dazu ist es günstig, wenn das Absorptionsmaximum des Lösungs­ mittelbestandteiles genau oder in etwa mit der mittleren Wel­ lenlänge des Strahlers 2 übereinstimmt. Kann dies nicht sicher­ gestellt werden, so wird ein Katalysator zugefügt, der kataly­ tisch auf die eigentliche Polymerisationsreaktion einwirkt (sogenannte Fotoinitiatoren). Beispiele für Bestandteile der Tinte sind DMP (Dimethyloxydiphenylethanon), HMPP, ITX, EPD, AS (Acrylsäure), NDEA (N-Methyldiethanolamin), TMPTA (Trimethylolpropantriacrylat), BPH (Benzophenon), letzterer in Verbindung mit anderen Initiatoren.

Abhängig von der Leistung der eingesetzten UV-Lampe 2 kann die Breite variiert werden, in der die Strahlung auf das Druckbild einwirkt. Bei nur geringer Leistung kann ein breiterer Einwir­ kungsbereich und eine besonders nahe Anordnung des Strahlers 2 zum Druckbild-Träger 31a gewählt werden. Auch die Geschwindig­ keit des Papiervorschubes V kann darauf abgestimmt werden. Be­ achtet werden sollte aber, daß trotz Papiernähe der Druck­ kopf 1a nicht ohne Abschirmung im Wirkungsbereich des Strah­ lers 2' liegt.

Die im Beispiel verwendeten Excimerstrahler 2' müssen bei ge­ ringer Seitenzahl pro Minute nicht gekühlt werden. Das kommt dem Betriebsgeräusch des im Betrieb ohnehin sehr leisen Tinten­ strahldruckers zugute. Die planare Lampenform kann einem plana­ ren Abschnitt des Papiertransportweges zugeordnet werden. Ebenso läßt sich eine Lame mit nicht planen aber parallelen Dielektrika einem beliebig ausgeformten Papiertransportweg an­ passen.

Das Ruhegeräusch eines Tintenstrahldruckers ist sehr gering, da keine thermischen Fixierstufen und damit keine Kühlungsgebläse erforderlich sind, so daß im Stand-by-Betrieb der Geräuschpegel auf ein Minimum gesenkt ist. Damit verbunden werden kann auch ein Abschalten der Lampe 2, so daß der gezeigte Tinten­ strahldrucker nahezu kein Geräusch entwickelt. Erst wenn ein Druck initiiert wird, wird der Papiervorschub aktiviert, und die Lampe 2 kann eingeschaltet werden. Aufgrund ihres UV-Spektrums und der fotochemischen Fixierreaktion im erzeugten Druckbild bedarf der Strahler 2' keiner Vorwärmung und ist so­ fort nach Einschalten betriebs- und fixierbereit. Nach Durch­ lauf aller Papiere oder Folien 31a für den jeweiligen Druckvor­ gang kann der Strahler 2 wieder abgeschaltet werden. Das kann von der Steuerung des Tintenstrahldruckers einfach koordiniert werden. Damit einher geht ein noch geringerer Energieverbrauch, so daß der gezeigte Tintenstrahldrucker noch besser als z. B. Laserdrücker an einzeln stehenden PC's Verwendung finden, wo die Auslastung des Druckers in der Regel gering ist, aber eine spontane Druckbereitschaft gewünscht wird.

Ergänzend soll bemerkt werden, daß die Drucktinten-Auftragsein­ heit 1 nicht auf eine allein schwarze Tinte 1c beschränkt ist, sondern durchaus für mehrfarbige Bilder geeignet sein kann. Die Farben können in einem Druckauftrag gleichzeitig auf dem Trä­ ger 31a aufgebracht werden. Dazu können verschiedene Farbbehäl­ ter und verschiedene Druckköpfe nebeneinander angeordnet sein und gleichzeitig ihre jeweiligen gelösten Farbpigmente auf das Papier 31a auftragen, um ein mehrfarbiges Bild zu erzeugen. Alle verschiedenfarbigen Tinten können den erwähnten polymeri­ sierbaren Stoff oder zusätzlich den erwähnten UV-Reaktionsmittler enthalten.

Eine enge Zuordnung von UV-Strahler 2' und Tinten-Auftragsein­ heit 1 ist vorteilhaft, um die Einwirkdauer der feuchten Tinte in dem Druckbild-Träger 31a nur sehr kurz zu halten. Dann wird auch vermieden, daß das Papier sich durch stärkeren Tinten-Auf­ trag wellt, dies vermeidet die sofort einsetzende Strahlung des UV-Strahlers 2'. Bei der engen Zuordnung sollte allerdings ver­ mieden werden, daß ein Strahlungseinfluß die Tinten-Auftrags­ einheit 1 trifft.

Erwähnt werden soll auch, daß es UV-härtende Substanzen mit Fo­ toinitiatoren gibt, die eine nur geringe Leistung des Strah­ lers 2' erfordern, um zu polymerisieren oder schnell auszuhär­ ten. Neben der Einwirkung von UV-Licht in einem engen Spektral­ bereich kann die zusätzliche Einwirkung von Elektronen- und an­ deren Strahlungen der offenen Entladung, die Polymerisierung oder Aushärtung weiter beschleunigen.

Ein nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel betrifft einen Plotter, bei dem Stifte zum Zeichnen verwendet werden und bei denen keine Tinte und kein Toner, sondern eine Tusche einge­ setzt wird. Auch hier kann die Polymerisierung der Tusche mit den erwähnten vernetzbaren Lösungsmittel-Bestandteilen eine schnelle Fixierung des geplotteten Bildes ermöglichen. Nachdem bei einem portablen kleinen Plotter der Druckbildträger (die Folie oder das Papier) festliegt und von einem X-Y-beweglichen Stift beschrieben oder mit Zeichnungen versehen wird, kann eine verfahrbare UV-Strahlungsquelle verwendet werden, die bei zu­ rückgefahrenem Stift einmal quer über das festliegende Papier bewegt wird.

Wird ein großer Standplotter verwendet, der mit einem über eine Rolle beweglichem Papier beschickt wird, bei nur in Y-Richtung verschieblichem Stift, so kann oberhalb der Umlenkrolle und ne­ ben der Verfahr-Anordnung für den Stift eine UV-Lampe quer zur Verfahrrichtung des Papieres oder des Pergamentes angeordnet werden und nach Fertigstellung - oder mehrmals im Zuge der Fer­ tigstellung - das eingespannte Papier oder Pergament von Anfang bis Ende an dem dann eingeschalteten UV-Lichterzeuger vorbeige­ fahren werden.

Claims (9)

1. Tintenstrahldrucker mit einer erwärmungsarm mit Strahlung oberhalb des infraroten Bereichs arbeitenden Fixier­ stufe (2'), die einem Drucktinten-Auftragskopf (1, 1a, 1b) in Durchlaufrichtung (V) eines in einer Durchlaufebene (3) durchlaufenden Druckbildträgers (31a) nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierstufe (2') eine Elektrodenanord­ nung (21, 22, 25') zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer Barrierenentladung aufweist, welche Elektrodenanord­ nung (21, 22, 25') zwei mit Hochspannung beaufschlagbare, sehr nahe an der Durchlaufebene (3) angeordnete Elektro­ den (21, 25') aufweist, die einander gegenüberliegen und zwi­ schen sich einen Entladungsraum (23') für die Zündung der Barrierenentladung bilden, wobei die eine der Elektro­ den (21, 25') mit einem Dielektrikum (22) bedeckt oder umge­ ben ist und die Durchlaufebene (3) durch den Entladungs­ raum (23') zwischen den beiden Elektroden (21, 25') verläuft.

2. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierstufe (2') die auf den Druckbildträger (31a) aufgebrachte Tinte (1c) mittels fotochemischer Reaktion fi­ xiert.

3. Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß eine An- bzw. Abschaltung der Bar­ rierenentladung mit dem Druckbetrieb koordiniert ist.

4. Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drucktinte (1c) einen Fär­ bungsstoff und einen oberhalb des infraroten Bereichs ver­ netzenden oder aushärtenden, insbesondere UV-lichtempfindlichen Anteil als Polymerisator enthält.

5. Tintenstrahldrucker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerisator im wesentlichen den vollständigen UV-Spektralbereich der Barrierenentladung unter Vernetzung oder Aushärtung absorbiert.

6. Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Durchlaufebene (3) für die Förderung eines Papiers (31a) ausgestaltet ist.

7. Tintenstrahldrucker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß eine der beiden Elektro­ den (25', 21) unmittelbar an der Durchlaufebene (3) anliegt.

8. Verfahren zum erwärmungsarmen Fixieren von mit einem Auf­ zeichnungsgerät, wie Tintenstrahldrucker, Laserdrucker, Plotter, auf einen Druckbildträger (31a) aufgebrachten Druckbildern aus Farbstoffen (1c), wie Tinte, Tusche, Toner, bei dem bei Durchlauf des Druckbildträgers (31a) durch einen zwischen zwei einander gegenüberliegenden Elektro­ den (21, 25') gebildeten Entladungsraum (23') einer Einrich­ tung (21, 22, 25') zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Barrierenentladungen der Farbstoff (1c) von einer in dem Entladungsraum (23') gezündeten Barrierenentladung fixiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Barrierenentladung als dielektrisch behinderte Entladung Licht oberhalb des in­ fraroten Bereichs, insbesondere im UV-Bereich, abgibt.