DE3423072A1

DE3423072A1 - Thermodruckverfahren und thermodrucker

Info

Publication number: DE3423072A1
Application number: DE19843423072
Authority: DE
Inventors: Takashi Yokosuka Kanagawa Saito
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1983-06-23
Filing date: 1984-06-22
Publication date: 1985-01-10
Also published as: GB8415958D0; GB2142583B; US4561789A; DE3423072C2; FR2548964B1; FR2548964A1; GB2142583A

Description

Patentanwälte"";" Dipl.-lng. H.-Peter Lieck

European'Patent Attorneys Dipl.-lng. Jürgen Betten

Maximiliansplatz D-8000 München ©089-220821 Telex 5 216 741 list d Technolaw® Telegramm Electropat

Beschreibung

Thermodruckverfahren und Thermodrucker

Die Erfindung betrifft ein Thermodruckverfahren bzw. -system zur Verwendung z. B. bei einem Faksimilegerät und/oder einem Drucker und insbesondere ein System bzw. einen Thermodrucker, mit dem ein Farbbild gedruckt werden kann.

Thermodruckverfahren haben den Vorteil, daß sie weniger mechanisch bewegbare Teile besitzen, das Druckgeräusch gering ist, die Gerätegröße klein ist, die Geräte mit niedriger Netzspannung arbeiten usw. Deshalb werden derartige Drucker in vielfältiger Weise als Aufnahme- und/oder Drucksysteme verwendet.

Zum besseren Verständnis des Ausgangspunktes der Erfindung wird bereits an dieser Stelle auf die Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt das Prinzip eines herkömmlichen Thermo- oder Druckfarbenübertragungsdruckers. Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein Farbband, mit 2 ein Aufnahmepapier, mit 3 ein Thermodruckkopf, mit 4 ein auf dem Thermodruckkopf 3 befestigtes Heizgerät und mit 5 eine Preß- oder Druckwalze gekennzeichnet. Das Farbband 1 weist in laminierter Form eine dünne Trägerschicht 1a aus beispielsweise Polyäthylen-Tere-Phtalat und eine auf der Trägerschicht 1a aufgebrachte

Farbschicht 1b auf. Das Farbband 1 und das Papier 2 werden mittels der Preßwalze 5 auf den Thermodruckkopf 3 aufgedrückt. Wenn das Heizgerät 4 des Thermodruckkopfs 3 entsprechend dem zu druckenden Bildmuster erwärmt wird, so wird die Farbschicht 1b in der Nähe des Thermodruckkopfes 3 selektiv geschmolzen und es wird dann die geschmolzene Druckfarbe auf das Papier 2 übertragen. Damit wird das Farbmuster auf das Papier 2 gedruckt. Beim Betrieb bewegen sich das Papier 2 und das Farbband gemeinsam so, daß stets eine frische Farbschicht für einen neuen Druckvorgang geliefert wird.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen herkömmliehen Thermodruckkopf 3. Dieser weist ein Keramiksübstrat 3^ eine Glasurschicht 3₂, eine (Wärme-) Widerstandsschicht 3,, eine Elektrode 3* und eine Schutzschicht zur Verhinderung der Abnutzung und Oxydation der Widerstandsschicht 3- auf. Die Struktur des in Fig. 2 dargestellten Thermodruckkopfes entspricht der bei einem herkömmlichen Thermodrucker, bei dem ein wärmeempfindliches Papier verwendet wird, verwendeten Thermodruckkopfes.

Das herkömmliche Thermodrucksystem hat jedoch die Nachteile, daß eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Farbbands 1 vorgesehen werden muß und daß das Farbband nicht zweimal verwendet werden kann. Der herkömmliche Drucker muß daher eine Einrichtung zum Aufwickeln des verbrauchten Farbbandes oder mindestens eine Einrichtung zur Entnahme des Farbbandes aus dem Drucker aufweisen. Zwar ist das Aufnahmepapier 2 relativ billig, jedoch das Farbband 1 teuer. Damit sind die gesamten Betriebskosten des Druckers hoch und es ist außerdem mühsam, ein Farbband 1 zu montieren oder

zu entnehmen. Darüber hinaus neigt das Farbband 1 aufgrund seiner geringen Dicke, die bei 5 - 20 μιη liegt, zur Faltenbildung, wodurch die Druckqual itä't beträchtlich vermindert wird.

Die oben erwähnten Nachteile beim bekannten Thermodrucksystem rühren dither, daß das Farbband bewegt werden muß. In der japanischen Offenlegungsschrift 17 87 84/82 ist ein ßrucker beschrieben, bei dem kein Farbband bewegt wird. Der darin beschriebene Drucker ist in Fig. 3 dargestellt.

Eine Farbwalze 6 ist drehbar gelagert, in ihrer Nähe ist ein Vorwärmgerät 7 angeordnet und ein Thermodruckkopf 3 ist gegenüber der Farbwalze 6 angeordnet. Zwischen der Farbwalze 6 und der Thermodruckkopf 3 ist ein Aufnahmepapier 2 angeordnet und der Thermodruckkopf 3 drückt über das Papier 2 auf die Farbwalze 6. Mit den Bezugszeichen 8 und 9 sind Führungen zum Bewegen des Papiers und mit 10 eine Schutzabdeckung gekennzeichnet. Die Farbwalze 6 besteht aus Sintermetall und weist feine Löcher bzw. Nadellöcher auf, in denen sich wärmeempfindliche Druckfarbe mit Farbstoff, überzug, Wachs und/oder einigen Zusätzen befindet. Die Farbwalze 6 wird durch den Vorheizer 7 derart etwas aufgewärmt, daß die in der Walze 6 eingeschlossene Farbe nicht das Papier 2 berührt. Wenn der Thermodruckkopf 3 die Walze 6 selektiv so erwärmt, daß die Farbe schmilzt, so wird die geschmolzene Farbe auf das Papier 2 übertragen. Die Farbwalze 6 kann während einer langen Zeitdauer verwendet werden, da die Farbe von den Innenlöchern zur Oberfläche der Walze hin austritt.

Der in Fig. 3 dargestellte Drucker hat jedoch die Nachteile, daß die Wärmekapazität des Thermodruckkopfes

aufgrund der Wärmeverluste groß sein muß, da dieser die Farbwalze über ein Papier mit einer Dicke von 50 bis 80 Mm aufwärmt. Außerdem ist die Druckauflösung aufgrund der thermischen Diffusion durch das Papier gering.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Thermodrucksystem zu schaffen, bei dem kein Farbband verwendet wird, das Drucken mit niedrigem Energieverbrauch durchgeführt werden kann und der Druck außerdem klar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Thermodrucksystem gelöst, bei dem sich Druckfarbe in einem Behälter befindet, eine Wärmeerzeugungseinrichtung vorgesehen ist zur Statusumwandlung der Druckfarbe vom festen inaktiven Zustand in den aktiven Zustand, und zwar dadurch, daß selektiv entsprechend einem zu druckenden Muster Wärmeenergie auf die Druckfarbe zur Einwirkung gebracht wird. Die in den aktiven Zustand gebrachte Druckfarbe wird über Löcher eines Filters oder porösen Thermodruckkopfes auf ein Papier übertragen, wobei die Druckfarbe thermisch schmelzbar oder thermisch sublimierbar ist.

Vorzugsweise weist die Wärmeerzeugungseinrichtung einen porösen Thermodruckkopf auf, der gleichzeitig als Filter dient.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Thermodruckverfahrens bzw. des Thermodrucker? sind in den Ansprüchen 1 bis 18 beschrieben.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der

Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip eines bekannten Thermodruckers; Fig. 2 den Aufbau eines bekannten ThermodruckkopfeS \

Fig. 3 den Aufbau «n'nes weiteren bekannten Thermodruckers ;

Fig. 4 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Thermodrucksystems ;

Fig. 5a und 5b den Aufbau des erfindungsgemäßen Thermodruckkopfes;

Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm der Stromversorgungsschaltung für den erfindungsgemäßen Thermodruckkopf;

Fig. 7a und 7b den Aufbau eines porösen Thermodruckkopfes zur Verwendung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermodrucksystems;

Fig. 8 den Aufbau einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermodrucksystems unter Verwendung eines porösen ThermodruckkopfeS ;

Fig. 9 eine veränderte Ausführungsform des in Fig. 7 dargestellten ThermodruckkopfeS;

Fig. 10 den Aufbau einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thermodruckers;

Fig. 11 eine Farbkapsel zur Verwendung bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermodrucksystems und

Fig. 12 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Thermodrucksystems zur Verwendung für den Farbdruck.

Fig. 4 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen Thermodrucksystems oder eines Drucksystems zur übertragung von wärmeempfindlicher Druckfarbe, Farbe oder Tinte. Ein Farbbehälter ist von einer Seitenwand 14, einem als Wärmeerzeugungseinrichtung dienenden Thermodruckkopf 12 sowie einem Filter 13 umgeben, das in der Nähe des Thermodruckkopfes 12 angeordnet ist. In diesem Farbbehälter befindet sich Druckfarbe 11. Dabei soll die Druckfarbe 11 einen niedrigen Schmelzpunkt besitzen oder sublimierbar sein. Damit besitzt die Druckfarbe 11 zwei Zustände, nämlich einen festen inaktiven Zustand bei niedriger Temperatur und einen flüssigen (oder gasförmigen) aktiven Zustand bei hoher Temperatur für das Drucken. Eine Heizeinrichtung 4, die am Ende des Thermodruckkopfes 12 angebracht ist, weist eine Vielzahl von Heizzellen auf, die in der dargestellten Ausführungsform senkrecht angeordnet sind. Der Thermodruckkopf 12 aktiviert die Druckfarbe dadurch, daß durch Aufwärmen der Druckfarbe deren Zustand vom inaktiven Zustand in den aktiven Zustand umgewandelt wird. Durch eine Preß- oder Druckwalze 15 wird ein Aufnahmepapier 2 auf ein Filter 13 gedrückt. Das Aufnahmepapier 2 besteht vorzugsweise aus einem Trägerpapier 2. und einer Oberflächenschicht 2^, die von der Art der Druckfarbe 11 abhängt. Je nach Druckfarbe 11 kann auch auf die Oberflächenschicht 2^ ver-

ziehtet werden. Der Filter 13 besteht aus einer dünnen Schicht mit thermischer Stabilität. Es weist eine Vielzahl von Nadellöchern oder ein Netzwerk mit einem Durchmesser von weniger als 60 pm auf. Seine Dicke ist vorzugsweise kleiner als 100 \im. Die Druckfarbe

^⁵ besitzt bei Zimmertemperatur hohe Viskosität und kann

in diesem Zustand nicht durch den Filter 13 hindurchtreten. Bei hoher Temperatur wird die Druckfarbe geschmolzen oder sublimiert und sie tritt dann durch den Filter 13 und erreicht das Aufnahmepapier 2, das durch die Druckfarbe bedruckt wird.

Das gewünschte Muster wird auf das Aufnahmepapier durch selektives Aufwärmen der Heizzellen des Thermodruckkopfes 12 gedruckt, wodurch die Druckfarbe 11 selektiv aufgewärmt und geschmolzen wird.

Fig. 5a und 5b zeigen Ausführungsformen des in Fig. dargestellten Thermodruckkopfes 12. Bei der in Fig. 5a dargestellten ersten Ausführungsform 12. weist der Thermodruckkopf eine Vielzahl von getrennten Heizzellen 4 auf, die am Ende des Substrats 3. linear angeordnet sind. Jede Heizzelle 4 besteht aus einem Dünnfilmoder Dickfilmwiderstand und wird durch Anlegen einer Spannung zwischen der gemeinsamen Elektrode 16 und der jeweiligen Elektrode 17 aufgewärmt, die für jede Zelle vorgesehen ist. Die Zahl der einzelnen Elektroden 17 entspricht der der Heizzellen 4, die die Druckfarbe 11 entsprechend der angelegten Spannung für das gewünschte Druckmuster selektiv aufwärmen. Der Aufbau des Thermodruckkopfes 12- ist gleich wie beim Stand der Technik, mit der Ausnahme, daß die Heizzellen 4 am Rand- oder Endabschnitt des Substrats angeordnet sind, während bei einem bekannten Thermodruckkopf Heizzellen im Inneren oder im mittleren Teil des Substrats angeordnet sind. Das Substrat ist beispielsweise ein glasiertes Keramiksubstrat, das sowohl das Substrat 3. als auch die glasierte Schicht 3₂ ersetzt. Die Heizzellen 4 sind beispielsweise aus Ta₂N oder Si-Ta. Die Elektrode 3» ist beispielsweise ³^ aus Au, Al oder Cu und die Schutzschicht 3r ist bei-

spielsweise aus Ta^^R oder SiC, die auf das Substrat durch Sputtern oder Aufdampfverfahren aufgebracht werden. Dabei entsprechen die genannten Bezugszeichen den Bezugszeichen in Fig. 2 zur Erläuterung des Thermodruckkopfes 3. Die Heizzellen 4 werden durch das Photo!itho-Ätzverfahren aufgebracht. Die Dichte der Heizzellen 4 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 4 Punkte/mm und 16 Punkte/mm. Der Grund warum die Heizzellen am Randabschnitt des Substrats angeordnet sind, ist der, daß die Heizzellen 4 in der Nähe des Filters 13 angeordnet sind, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei der in Fig. 5a dargestellten Ausführungsform die gemeinsame Elektrode 16 jeweils von den Elektroden 17 durch eine dünne Isolierschicht (beispielsweise PoTyimid) isoliert wird, die sandwichartig zwischen der gemeinsamen Elektrode 16 und den einzelnen Elektroden 17 angeordnet ist.

Fig. 5b zeigt eine weitere Ausführungsform eines Thermodruckkopfes 12^, der aus einer einzigen länglichen Heizleitung 4 besteht. Die Elektroden 17 sind im vorbestimmten Abstand zueinander mit der Heizleitung 4 verbunden. Dabei dient die Elektrode 17 sowohl als gemeinsame Elektrode als auch als einzelne Elektrode. Der Strom wird durch ein aufeinanderfolgendes Paar von Elektroden 17 in die Heizleitung 4 geliefert. Die in Fig. 5b dargestellte AusfUhrungsform hat den Vorteil, daß das Herstellungsverfahren für den Ther-

30' modruckkopf besonders einfach ist.

Fig. 6 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Stromversorgungsschaltung für einen Thermodruckkopf, wie er in der in Fig. 5a dargestellten Ausführungsform verwendet wird. Für jede Abtastzeile wird ein Bildsignal

PIX einem Schieberegister 18 zugeführt, das mit einem Taktimpuls CLK synchronisiert ist. Der Inhalt des Schieberegisters 18 wird parallel zu einem Abtastsignal STB einer Halte- bzw. Zwischenspeicherschaltung 19 übertragen. Danach wird ein Freigabesignal ENB den Torschaltungen 20 so zugeführt, daß die Zelle der Hajfteschaltung 19 über die Torschaltung 20 und die Pufferschaltung 21 einer ausgewählten Heizzelle 4 Strom zuführt, wodurch in der ausgewählten Heizzelle 4 Wärme erzeugt wird. Das eine Ende der Heizzellen 4 ist jeweils über die gemeinsame Leitung 16 mit dem vorbestimmten Potential Vjn verbunden. Die Heizzellen 4 sind entlang der Breite eines Aufnahmepapiers linear angeordnet. In einem G3-Faksimi1esystem beträgt beispielsweise die Dichte der Heizzellen 8 Punkte/mm und die Gesamtzahl der Zellen ist 1728 Punkte (ISO, DIN A4).

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Heizerzeugungseinrichtung, und zwar in Fig. 7a in Draufsicht und in Fig. 7b im Querschnitt entlang der Linie X bis X in Fig. 7a. Der Thermodruckkopf 22 wird dabei als poröser Thermodruckkopf 22 bezeichnet, da er die Funktionen sowohl des Filters 13 als auch des Thermodruckkopfes 12 in Fig. 4 erfüllt.

Der poröse Thermodruckkopf 22 in Fig. 7 weist ein Substrat 22., eine (Wärme-) Widerstandsschicht 222» eine Elektrode 22,, eine Schutzschicht 22,, eine Trägerplatte 22₄, eine Heizzelle 23 und Löcher 24 auf, durch die die Druckfarbe hindurchdringt. Das Substrat 22₁ muß hitzebeständig sein und besteht beispielsweise aus einer porösen Keramik, einem porösen Glas oder einem flexiblen Substrat aus einer PoIyimidschicht. Das Substrat 22^ ist entweder in seinem

gesamten Bereich oder lediglich in dem Abschnitt porös, in dem eine Heizzelle 23 vorgesehen ist, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Die letztgenannte Ausführungsform ist im Hinblick auf die mechanische Festigkeit und/oder die Herstellungsausbeute vorzuziehen. Die Widerstandsschicht 22p besteht aus einer dünnen Schicht aus Ta₂N, Si-Ta oder Ta-SiO₂ oder aus einer dicken Schicht aus RuO₂ wie im Falle eines bekannten Thermodruckkopfes. Wenn die Heizeinrichtung aus einer dünnen Schicht von weniger als 0,3 μπι Dicke besteht, so muß der Durchmesser eines Lochs zum Hindurchtreten der Druckfarbe größer gemacht werden als die Dicke der Schicht, so daß das Loch im Zerstäubungs- (Sputter-) oder Aufdampfverfahren zur Aufbringung der DUnnfilmwiderstandsschicht nicht mit Widerstandsmaterial gefüllt wird. Falls das Loch mit dem Dünnfilmwiderstandsmaterial gefüllt wird oder eine DickfiImwiderstandsschicht verwendet wird, muß beim Ätzen eine Maske auf dem Substrat 22- verwendet werden. Die Schutzschicht 22^ besteht beispielsweise aus SiO₂, SiC oder einer Nitritverbindung und wird zur Vermeidung einer Oxydation oder einer chemischen Korrosion der Widerstandsschicht

durch die Druckfarbe verwendet. 25

Ein Beispiel für ein experimentelles Herstellungsverfahren eines porösen Thermodruckkopfes 22 auf einem Polyimid-Substrat 22^ sieht wie folgt aus.

°® a) Durch Zerstäubungs- oder Spritzverfahren wird eine dünne Schicht (Dicke: 5-30 μπι) von PoIyimid-Lack auf der Trägerplatte 22r aus Fe oder Cu aufgebracht. Danach wird der dünne Polyimidfilm während einer Zeitdauer von 1 - 2 Stunden bei relativ niedriger· Temperatur (100 - 200 ° C)

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in der Wärme ausgehärtet.

b) Durch Photoätzverfahren wird in dem dünnen Polyimidfilm ein Loch 24 zum Hindurchtreten der Druckfarbe

erzeugt.

c) Der dünne Polyimic|f i Im wird 1 bis 2 Stunden lang bei relativ hoher Temperatur (200 - 400 ° C) ein zweites Mal in der Wärme ausgehärtet, um das Substrat 22. zu liefern.

d) Durch Sputtern (Zerstäubungsverfahren) wird die (Wärme-) Widerstandsschicht 22₂ auf dem Substrat aufgebracht. Die Widerstandsschicht ist aus Ta-SiO₂ und ihre Dicke beträgt 0,01 bis 0,1 μπι.

e) Durch Aufdampfverfahren wird eine Elektrode 22, aus Au auf der Widerstandsschicht 22₂ aufgebracht.

f) Die Elektrode 22₂(Schritt e) wird einem Photolitho-Ätzverfahren so ausgesetzt, daß eine Heizeinrichtung 23 einschließlich der Löcher 24 zum Hindurchtreten der Druckfarbe ausgebildet wird.

g) Durch Sputtern wird eine Schutzschicht 22^ aus SiO₂ oder Ta₂Or auf der Heizeinrichtung 23 aufgebracht.

h) Schließlich wird der Abschnitt in der Trägerplatte

22g in der Nähe der Heizeinrichtung 23 durch Photo-1itho-Ätzverfahren ausgehöhlt.

Mit dem vorgenannten Verfahren wurde ein Prüfling hergestellt, bei dem die Dichte der Heizzellen 5 Punkte/ mm betrug. Es bestätigte sich, daß der Prüfling ohne Probleme arbeitet. Versuchsweise ergab sich, daß der

Durchmesser eines Lochs 24 zum Hindurchtreten der Druckfarbe vorzugsweise bei 2 - 30 pm liegt. Die Dichte der Löcher 24 zum Hindurchtreten der Druckfarbe ist vorzugsweise ebenso hoch wie beim Druck die optische Dichte der aufgenommenen Punkte. Die Dichte der Löcher 24 ist jedoch begrenzt durch die Größe der Heizzelle 23, deren mechanische Festigkeit und die Genauigkeit des Photolitho-Ätzverfahrens. Wenn das Substrat 22. aus einer Polyimid-Schicht besteht, ist das Wärmeverhalten aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit langsam. Das niedrige bzw. langsame Wärmeverhalten wird beschleunigt, wenn zwischen der Trägerplatte 22j- und dem Substrat eine Au- oder Cu-Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen wird.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform wird der poröse Thermodruckkopf 22 nach Fig. 7 verwendet. Mit 25 ist ein Farbbehälter und mit 26 eine flexible Leiterplatte (FPC) aus einer Polyimidschicht gekennzeichnet, die mit der Elektrode 22₃ des porösen Thermodruckkopf es 22 elektrisch verbunden ist. Der poröse Thermodruckkopf 22 wirdvon einer externen Schaltung gesteuert, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Es ist hier anzumerken, daß die Treiberschaltung nach Fig. 6 auch auf der Leiterplatte 26 befestigt sein kann. Wenn das Substrat 22. des poröfcen Thermodruckkopfes aus einer Polyimidschicht bestfeht, so kann das Substrat 22. auch als Substrat der Leiterplatte 26 dienen. Der poröse Thermodruckkopf 22 in Fig. 8 dient sowohl als Filter 13 als auch als Thermodruckkopf 12 der in Fig. dargestellten Ausführungsform, d. h. er erfüllt sowohl die Funktion des Haltens der Druckfarbe als auch deren Erwärmen. Bei Zimmertemperatur, bei der die Heizzelle

°° nicht erwärmt wird, kann die Druckfarbe das Loch in der

Heizzelle 23 nicht passieren und die Druckfarbe wird daher nicht auf das Aufnahmepapier 2 übertragen. Bei hoher Temperatur, bei der die Heizzelle 23 erwärmt wird, schmilzt oder sublimiert andererseits die Druckfarbe 11 selektiv und die geschmolze oder sublimierte Druckfarbe durchdringt das Loch 24 und wird auf das Aufnahmepapier 2 übertragen, um auf diesem das gewünschte Muster zu liefern.

Der poröse Thermodruckkopf 22 nach Fig. 8 hat den Vorteil, daß die elektrische Leistung zum Drucken im Vergleich zu der Ausführungsform nach Fig. 4 klein ist, da keine thermischen Diffusionsverluste in Abhängigkeit von der Länge zwischen der Heizeinrichtung 4 und dem Filter 13 auftreten, wie es bei der Ausführungsform nach Fig. 4 der Fall ist. Vorzugsweise ist die Dicke des Substrats 22,. in Fig. 7 so dünn wie möglich, um die elektrische Leistung beim Drucken zu vermindern. Da ein dünnes Substrat in mechanischer Hinsicht jedoch schwach ist, wird das Substrat 22. vorzugsweise nur in dem Teil dünn gemacht, in dem die Heizzelle 23 ausgebildet ist, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform hat den Vorteil, daß die elektrische Druckleistung gering ist und die mechanische Festigkeit des Substrats nicht geschwächt wird.

Bei den in den Figuren 7 und 9 dargestellten Ausführungsformen unterscheidet sich der Werkstoff der Widerstandsschicht 22 von dem der Schutzschicht 22..

Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Wenn das Material der Widerstandsschicht 22 ausreichend stabil ist, so ist die Schutzschicht 22, nicht erforderlich und es kann auf sie

^⁵ verzichtet werden. Wenn die Widerstandsschicht 22,,

aus Si besteht, das ein stabiles Oxid (SiO₂) liefert, so wird die Schutzschicht 22₂ durch einfaches Oxidieren der Oberfläche der Widerstandsschicht erhalten, so daß kein Sputtern oder Aufdampfprozeß für die Schutzschicht erforderlich ist. Wenn die Widerstandsschicht 22₂ aus Silizium (Si) besteht, so braucht das Silizium nicht ein Einkristal1-SiIizium zu sein, sondern es kann auch ein amorphes Silizium verwendet werden.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizerzeugungseinrichtung. Dabei sind mit dem Bezugszeichen 27 die Leiterplatte bzw. das Substrat einer gedruckten Schaltung, mit 28 ein leitender Filter und mit 29. und 29₂ Elektroden gekennzeichnet.

Die Druckfarbe 11 ist schmelzbar oder sublimierbar und wird durch die Leiterplatte 27 und der Filter 28 gehalten. Die Leiterplatte 27 weist die gemeinsame Elektrode 29_? sowie die individuelle Elektrode 29. auf, um dem ausgewählten Teil des Filters 28 selektiv die Spannung zuzuführen. Wenn die Spannung an die ausgewählte individuelle Elektrode 29₁ und die gemeinsame Elektrode 29_? gelegt wird, so fließt der Strom in das leitende Filter 28. Damit wird der Filter 28 aufgewärmt, so daß die Druckfarbe in der Nähe des aufgewärmten Abschnitts geschmolzen oder sublimiert wird und die geschmolzene oder sublimierte Druckfarbe durch der Filter 28 hindurchtritt und das Aufnahmepapier 2 erreicht. Auf diese Weise wird die Druckfarbe auf das Papier 2 übertragen und das gewünschte Muster wird auf dem Papier gedruckt. Als Modifikation zur Ausführungsform nach Fig. 10 liefert die Kombination einer leitenden Druckfarbe und einen nichtleitenden Filter ein ähnliches Betriebsverhalten wie die Ausführungsform nach Fig. 10, bei der nichtleitende Druckfarbe 11 und ein leitenden Filter 13 verwendet werden.

Im nachfolgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Druckfarbe beschrieben.

Das erste Ausführungsbeispiel einer Druckfarbe ist B eine thermisch schmelzbare, halbfeste Druckfarbe, die bei Zimmertemperatur pastenartig ist und etwas Fließfähigkeit besitzt. Die Druckfarbe muß so beschaffen sein, daß sie bei Zimmertemperatur nicht durch den Filter 13 oder das Loch 24 hindurchtritt. Die Druckfarbe besitzt die Eigenschaft, daß die Fließfähigkeit bei hoher Temperatur zunimmt und die Druckfarbe durch den Filter 13 oder das Loch 24 hindurchtritt. Es ist notwendig, daß die Druckfarbe bei Zimmertemperatur eine geringe Fließfähigkeit besitzt, so daß ein kontinuierlicher Druckvorgang durch Zuführung der Druckfarbe in die Nähe des Filters oder des porösen Thermodruckkopfes gewährleistet ist. Vorzugsweise wird dabei die Druckfarbe unter Verwendung eines Kolbens oder Luftdruck unter etwas hohen Druck gesetzt. Beim Versuch lagen die bevorzugten Kenndaten der Druckfarbe hinsichtlich der Schmelztemperatur bei etwa 6O⁰C und hinsichtlich der Viskosität bei 5 50 Pa . s (50 - 500 Poise) (bei 25 ° C). Diese Kenndaten wurden durch die Kombination des thermisch schmelzbaren Mediums wie etwa Karnauba-Wachs und ölhaltigem Farbstoff mit 5-15 Gewichtsprozenten erhalten. Der Versuch wurde mit einer Druckfarbe durchgeführt, die aus 94 Gewichtsprozenten Wachs und 6 Gewichtsprozenten öligem Farbstoff bestand. Diese Druckfarbe lieferte eine ausreichende optische Dichte der aufgenommenen Punkte. Vorzugsweise weist bei dieser Ausführungsform das Aufnahmepapier 2 eine behandelte Oberflächenschicht 2~ so auf, daß die Druckfarbe auf der Papieroberfläche nicht fließt sondern in Richtung der Dicke des Papiers eindringt.

Das zweite Ausführungsbeispiel einer Druckfarbe ist eine chemisch reaktive, halbfeste Druckfarbe, bei der der ölhaltige Farbstoff im ersten AusfUhrungsbeispiel durch ein Farbagens ersetzt wird, das die Farbe bei der Entwicklung ändert. Deshalb muß das Aufnahmepapier 2 eine mit Entwickler beschichtete, behandelte Oberfläche besitzen. Wenn die Heizeinrichtung 4 (Fig. 4) oder die Heizeinrichtung 23 (Fig. 8) erwärmt wird, so wird die Druckfarbe in der Nähe der Heizeinrichtung geschmolzen und die geschmolzene Druckfarbe erreicht durch den Filter 23 oder 28 oder durch das Loch 24 das Aufnahmepapier. Da das Aufnahmepapier mit dem Entwickler beschichtet ist, reagiert das Farbagens in der Druckfarbe mit dem Entwickler und liefert eine sichtbare Farbe auf dem Papier. Selbst dann, wenn das Agens einen Bereich erreicht, in dem kein Druck gewünscht wird, so liefert es keine sichtbare Farbe, wenn die Wärmeenergie klein ist. Dies bedeutet, daß der Farbdruck nur dann erhalten wird, wenn erstens das Farbagens auf das mit Entwickler beschichtete Papier übertragen wird und zweitens der zu druckende Bereich sich auf hoher Temperatur befindet. Die Notwendigkeit einer hohen Temperatur für das Drucken verhindert eine Verschlechterung der Druckqualität infolge eines Fließens oder Klecksens der Druckfarbe.

Das Farbagens und der Entwickler können jedes chemische Agens sein, so lange dieses selbst transparent oder weiß ist und sie eine sichtbare Farbe liefern, wenn sie miteinander reagieren. Beispielsweise kann jedes für herkömmliche wärmeempfindliche Papiere verwendete chemische Agens mit einem dualen chemischen Agens verwendet werden. So kann beispielsweise das Farbagens ein Leuko-Farbstoff und der Entwickler Bisphenol A sein. Darüber hinaus können auch Sensibili-

satoren und/oder ein Haftverhinderungsagens, wie es üblicherweise in einem wärmeempfindlichen Papier verwendet wird, im Farbagens und/oder Entwickler enthalten sein. Obwohl das Papier in diesem Ausführungsbeispiel ein behandeltes Papier ist, ist das Papier lediglich mit einer einzigen Schicht bedeckt und kann daher billig genug hergestellt werden. Die Kosten sind fast dieselben wie die für ein übliches wärmeempfindliches Papier.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Druckfarbe ist ein sublimierbares Farbpulver, das ein Dispersionsfarbstoff mit einem Molekulargewicht zwischen 200 und 400 ist und das bei einiger Temperatur direkt vom festen in den gasförmigen Zustand sublimiert. Vorzugsweise ist die Temperatur der Sublimation niedriger als 200 ° C (statische Wärmetemperatur), aufgrund des Aufbaus des Thermodruckkopfes. Beim Betrieb sublimiert das Farbpulver bei Erwärmung durch den Thermodruckkopf und das so durch Sublimation erzeugte Gas erreicht das Papier, wo das Gas wieder in den festen Zustand zurückkehrt, um das sichtbare Muster auf dem Papier zu liefern.

Wenn der sublimierbare Dispersionsfarbstoff als Druckfarbe verwendet wird, so sollte die Affinität zwischen der Druckfarbe und dem Papier berücksichtigt werden. Es ist hier anzumerken, daß sublimierbarer Dispersionsfarbstoff keine gute Affinität mit natürliehen Geweben besitzt, wie sie als herkömmliche unbehandelte Papiere verwendet werden, und daß dieser Farbstoff nicht gut ist für die optische Dichte der aufgenommenen Punkte und die Druckstabilität. Demzufolge sollte das Aufnahmepapier vorzugsweise mit einem Kunstharz, wie etwa Polyester, Nylon, Acrylharz

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oder einer Azetatfaser beschichtet sein, das ausgezeichnete Affinität mit dem sublimierbaren Farbstoff besi tzt.

Es ist hier anzumerken, daß jedes Agens, das den Zustand schnell vom festen über den flüssigen in den gasförmigen Zustand ändert, im wesentlichen sublimierbar ist, obwohl es den Zustand nicht direkt vom festen in den gasförmigen ändert, und daß diese Art von Agens als Druckfarbe erfindungsgemäß verwendet werden kann.

Die sublimierbare Druckfarbe hat den Vorteil, daß sie mühelos das Filter durchdringen kann, eine ausgezeichnete Druckqualität und einen weiten (Helligkeits) Abstufungsbereich liefert, obwohl die für den Druckvorgang erforderliche elektrische Leistung etwas größer ist als bei einer anderen Druckfarbe.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Druckfarbe ist diese in einer Mikrokapsel enthalten. Fig. 11 zeigt einen Querschnitt durch die Mikrokapsel 30, die eine Kapselschale 30, aufweist, die die Druckfarbe 3O₂ enthält. Die Schale 3O₁ ist sublimierbar und hat einen niedrigen Schmelzpunkt. Wenn beim Betrieb die Mikrokapsel durch den Thermodruckkopf erwärmt wird, so bricht die Schale 30, der Kapsel 30 durch Sublimation oder Schmelzen und die in der Kapsel befindliche Druckfarbe tritt aus dieser aus. Dann erreicht die Druckfarbe über d'ön Filter oder das Loch das Papier, um dieses mit dem gewünschten Druckmuster zu versehen.

Die Kapselschale kann aus einem thermisch schmelzbaren Wachs (z. B. Carnauba-Wachs) oder einem sublimierbaren Agens (z. B. Hexachlorathan) sein. Die in der Kapsel

enthaltene Druckfarbe kann ein Farbstoff mit Wasserfarbe, Ölfarbe und Leuko-Farbstoff sein.

Eine Mikrokapsel kann hergestellt werden durch das Koazervationsverfahren, Grenzf1ächenpolymesationsverfahren oder durch In-situ-verfahren, wie es zur Herstellung herkömmlichen Nicht-Karbon-Vervielfältigungspapiers verwendet wird. Vorzugsweise ist der Durchmesser der Kapsel größer als der Durchmesser des Lochs des Filters.

Vorstehend wurden eine Vielzahl von AusfUhrungsbeispielen von Heizerzeugungseinrichtungen und Druckfarben beschrieben. Im Rahmen der Erfindung ist dabei jede Kombination der genannten Heizerzeugungseinrichtungen mit einer Druckfarbe möglich.

Fig. 12 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Farbdruck. Mit den Bezugszeichen 3I₁ bis 31» sind Liniendruckkopfeinheiten mit gelber Druckfarbe (Y), Magenta-Druckfarbe (M), Zyan-Druckfarbe (C) und schwarzer Druckfarbe (BK) gekennzeichnet. Die Heizzellen der Einheiten 31. bis 31» sind in senkrechter Richtung zur Papieroberfläche in Fig. 12 ausgerichtet.

Die Kopfeinheit hat beispielsweise den Aufbau nach Fig. 8 mit Farbbehälter 25, porösem Thermodruckkopf 22 und Druckfarbe 11. Jeder Druckkopf 3I₁ bis 31₄ wird über das Papier 2 durch die Preß- und Druckwalzen 15,. bis 15» gedrückt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist vier Farben auf, die den herkömmlichen drei Primärfarben und schwarz entsprechen. Die Kombination dieser Farben liefert jede gewünschte Farbe auf dem Papier. Die Druckfarbe für die Farben Y, M, C und BK entspricht den herkömmlichen Druckfarben und ist dem Fachmann bekannt. Mit den Bezugszeichen

32. bis 32. sind Fixiereinheiten zum Fixieren der Druckfarbe gekennzeichnet, mit denen ein Farbvermischen verhindert wird. Auf diese Fixiereinheiten kann dann verzichtet werden, wenn die durch die Köpfe

31. bis 31. aufgezeichneten bzw. aufgeprägten Punkte ausreichend stabil sind.

Wie bereits oben beschrieben wurde, ist bei der Erfindung kein Farbband oder keine dünne Farbschicht zum Thermodruck erforderlich, sondern lediglich eine thermisch schmelzbare oder sublimierbare Druckfarbe im schuttfähigen Zustand (bulk ink). Dadurch werden die Betriebskosten eines Thermodruckers beträchtlich vermindert. Außerdem wird der Aufbau eines Thermodruckers vereinfacht, da keine Einrichtung zum Bewegen des Farbbands oder der dünnen Farbschicht erforderlich ist. Da darüber hinaus das Heizgerät die Wärme in der Druckfarbe selbst erzeugt, ist der thermische Wirkungsgrad des Thermodruckkopfes hoch und die elektrische Druckleistung bzw. der Energieverbrauch wird verhindert. Durch die Verwendung von mehreren Far-j ben wird darüber hinaus ein Farbdrucker durch Thermo- ( druckköpfe erhalten.

Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Aus- I führungsform sind für den Fachmann ohne weiteres mög- ) lieh und fallen in den Rahmen der Erfindung.

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Claims

. Patentanwälte: Dipl.-Ing. H.-Peter

European Patent Attorneys Dipl.-Ing. Jürgen E

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Patentansprüche 3423072

Thermodrucksystem bzw. Thermodrucker, bei dem Druckfarbe mittels einer Wärmeerzeugungseinrichtung vom festen inaktiven Zustand derart in den aktiven Zustand gebracht wird, daß selektiv entsprechend einem zu druckenden Muster Wärmeenergie auf die Druckfarbe zur Einwirkung gebracht wird und die im aktiven Zustand befindliche Druckfarbe auf ein Papier übertragen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Thermodrucksystem einen Farbbehälter (12 - 14; 25; 27, 28; 30) mit einer darin befindlichen, thermisch schmelz baren oder thermisch sublimierbaren Druckfarbe (11; 3O₂) im schüttfähigen Zustand aufweist, dessen dem Papier (2) gegenüberliegende Wand zum Teil von einer Filtereinrichtung (13; 23, 28) gebildet wird, die eine Vielzahl von Löehern (24) derart aufweist, daß die Druckfarbe im aktiven Zustand durch die Filtereinrichtung auf das Papier übertragen wird.

2.

Thermodrucksystem nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,

daß die FiTtereinrichtung bzw. der Filter etwas leitfähig ist und selektiv entsprechend dem zu druckenden Muster so aufwärmbar ist, daß die Druckfarbe in der Nähe des aufgewärmten Bereichs des Filters in den aktiven Zustand umgewandelt wird.

3.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Wärmeerzeugungseinrichtung ein Thermodruckkopf mit einer Vielzahl von Heizzellen ist, die jeweils selektiv erwärmt werden, und daß der Thermodruckkopf in der Nähe des Filters angeordnet ist.

4.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Druckfarbe eine thermisch schmelzbare Druckfarbe ist.

5.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Druckfarbe eine thermisch sub!imierbare Druckfarbe ist.

6.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet,

daß das Druckfarbenmaterial eine Mikrokapsel ist, die ²S in ihrer Schale die Druckfarbe aufweist, und daß die Schale thermisch schmelzbar oder thermisch sublimierb a r ist.

³^ Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß das Druckpapier mit einer synthetischen Schicht beschichtet ist, die mit der Druckfarbe Affinität besitzt und aus Polyester, Nylon, Acrylharz oder Azetat (Faser) besteht.

8.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß für einen Farbdruck eine Vielzahl von farbigen Druckfarben und eine Vielzahl von Druckköpfen vorgesehen werden.

9.

Thermodrucksystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,

daß die Wärmeerzeugungseinrichtung ein poröser Wärmedruckkopf ist, der einen Teil der Wand des Farbbehälters bildet, der gleichzeitig die Filtereinrichtung bildet und der durch Anlegen eines elektrischen Stromes an den Thermodruckkopf aufgewärmt wird,

wobei die in den aktiven Zustand gebrachte Druckfarbe durch den porösen Thermodruckkopf auf das Papier übertragen wird.
20

io.

Thermodrucksystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß der poröse Thermodruckkopf ein Substrat aus PoIyimid sowie eine auf dem Substrat aufgebrachte Heizzelle bzw. Heizeinrichtung aufweist.

11.

Thermodrucksystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Dicke des Substrats im Bereich der Heizzelle des porösen Thermodruckkopfes dünn ausgebildet ist, im Vergleich zu dem Teil, wo sich keine Heizzellen

befinden.
35

12.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet,

daß der poröse Thermodruckkopf mit einer Schutzschicht bedeckt ist, die die Heizzellen gegen chemische Korrosion schützt.

13.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, IQ dadurch gekennzeichnet,

daß die Druckfarbe eine farbige, thermisch schmelzbare Druckfarbe ist.

14.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Druckfarbe eine farbige, thermisch sublimierbare Druckfarbe ist.

15.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet,

daß das Aufnahme- bzw. Druckpapier mit einer synthetischen Schicht bedeckt ist, die mit der Druckfarbe Affinität besitzt und aus Polyester, Nylon, Acrylharz oder Azetat (Faser) besteht.

16.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß das Druckfarbenmaterial ei ne Mikrokapsel ist, die in ihrer Schale die Druckfarbe aufweist, und daß die Schale thermisch schmelzbar oder thermisch sublimier-

b a r ist.
35

17.

Thermodrucksystem nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet,

daß für einen Farbdruck eine Vielzahl von farbigen Druckfarben und eine Vielzahl von Druckköpfen vorgesehen werden.

18.

Thermodruckverfahren, bei dem Druckfarbe mittels einer Wärmeerzeugungseinrichtung vom festen inaktiven Zustand derart in den aktiven Zustand gebracht wird, daß selektiv entsprechend einem zu druckenden Muster Wärmeenergie auf die Druckfarbe zur Einwirkung gebracht wird und die im aktiven Zustand befindliche Druckfarbe auf ein Papier übertragen wird,
dadurch gekennzeichnet,

daß eine thermisch schmelzbare oder thermisch sublimierbare Druckfarbe verwendet wird, die sich im schüttfähigen Zustand in einem Farbbehälter befindet, daß eine Filtereinrichtung mit einer Vielzahl von Löchern so vorgesehen wird, daß die Druckfarbe im aktiven Zustand durch die Filtereinrichtung auf das Papier übertragen wird und die Filtereinrichtung einen Teil einer Wand des Farbbehälters gegenüber dem Papier bildet.