СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕЧАТИ Российский патент 2001 года по МПК B41J2/44 

Изобретение относится к способам и устройствам печати, использующим энергию излучения для переноса краски (чернил) непосредственно с носителя краски на носитель информации (бумагу, пластиковую карту, полиэтилен, и т.п. ) без промежуточных операций в реальном масштабе времени, т.е. для осуществления печати по принципу Computer to print.

Сущность изобретения. Способ осуществляют, воздействуя на краску (далее под краской подразумеваются и вязкие чернила), нанесенную на прозрачную подложку, импульсами ультрафиолетового излучения, которыми управляют по интенсивности и положению и направляют на области краски, подлежащие переносу на носитель информации со стороны, противоположной стороне с нанесенной краской, выбирая характеристики УФ излучения и согласуя их с параметрами краски, таким образом, что в областях падения излучения возникает процесс фотохимической реакции, приводящий к разложению части краски, прилегающей к подложке и возникновению давления, выбрасывающего часть краски из области действия УФ излучения на промежуточный, или непосредственно на конечный носитель информации.

Печатающее устройство для реализации способа содержит источник (-ики) УФ излучения, устройство для формирования и управления излучением, прозрачный для УФ излучения носитель краски, носитель информации и элементы, обеспечивающие движение носителей, нанесение краски, очистку от краски и закрепление краски после печати.

Изобретение относится к классу высокопроизводительных аналоговых или цифровых печатающих устройств, типа Computer to print, которые могут создавать многокрасочную печатную продукцию, по качеству воспроизведения изображения близкую к цветной фотографии, на широком классе носителей (бумага, пластик, полиэтилен и т.п.).

Известны способы печати, использующие энергию светового излучения для переноса краски (чернил) с носителя краски (печатной формы) на носитель информации. Общим принципом является использование световой энергии для создания давления, выбрасывающего или выдавливающего краску (чернила обычно на водной или спиртовой основе) с носителя краски на носитель информации. Для осуществления этой цели в известных способах печати используют два физических явления:
- нагрев излучением чернил с последующим испарением и выбросом чернил из ячеек, аналогично принтерам типа ink-jet, в которых для нагрева используется электрический ток;
- светогидравлический эффект (Диплом на открытие N 65 БИ N 19, 1969), возникающий в жидкости под действием лазерного излучения и сопровождающийся характерными признаками: самофокусировкой, образованием акустических волн и др.

В известных способах, использующих вышеприведенные эффекты для переноса краски, в качестве источника излучения используется лазер. С целью повышения эффективности устройства для концентрации энергии в малых объемах используют оптические методы фокусировки и элементы из сильно поглощающего лазерное излучение материала.

В известном способе и устройстве, использующим эффект лазерного нагрева, описанном в патенте США N 3798365 US CL 178/6 6a. Int. Cl G 03 G 15/04, опубликованном 19.03.74., излучение лазера фокусируют при помощи мозаики из микролинз в малые объемы (ячейки сетки), заполненные чернилами. Интенсивность лазера увеличивают до уровня нагрева, при котором наблюдается выброс чернил.

Другой способ применения лазерного излучения для выброса чернил, основанный на светогидравлическом эффекте описан в Российских патентах: RU N 2096183 С1, опубликованном 20.11.97. Бюл. N 32, RU 2082615 С1, опубликованном 27.06.97. Бюл. N 12 и RU 2088411 С1, опубликованном 27.08.97. Бюл. N 24. В патенте RU N 2096183 предложено использовать светогидравлический эффект для выброса чернил из сопла струйной печатающей головки. В патенте RU N 2082615 С1 печатная машина содержит печатную форму в виде сетки, а средство для избирательного продавливания краски выполнено в виде лазера с устройством для его фокусировки до размера ячейки сетки и устройством для отклонения лазерного луча по рядам ячеек.

Наиболее близким к предлагаемому печатающему устройству является патент RU N 2088411 С1. Отличительной особенностью этого патента является снижение пороговой энергии лазерного излучения путем преобразования светового излучения в акустическое нанесением на поверхность печатающей формы матрицы из металлической, полупроводниковой пленок, или сверхрешеток с квантовыми ямами. Кроме того, с этой же целью, предлагается использовать электроды, в промежутке между печатающей формой и носителем изображения.

Все существующие способы использования лазерного излучения для выброса краски (чернил) путем нагрева, или использования светогидравлического эффекта имеют ряд общих недостатков как:
- низкая эффективность, связанная с потерями энергии при нагреве, или достижении светогидрвалического эффекта;
- необходимость применения специальных светопоглощающих элементов и оптики для увеличения эффективности нагрева, или возникновения светогидравлического эффекта;
- возникновение существенных трудностей при работе с вязкими цветными красками, вязкость которых в десятки раз превосходит вязкость чернил на водной основе. Последнее обстоятельство весьма существенно, т.к. вязкие краски в том числе и УФ краски, которые полимеризуются под действием УФ излучения, находят широкое применение в офсетной печати, отличаются высокой насыщенностью цветов, стойкостью к различным воздействиям и т.д.

Целью данного изобретения является создание способа печати и печатной машины типа "Computer to print", которые позволяют осуществлять высокоэффективную печать различными красками (чернилами), в состав которых входят полимеры или пластик. Способ и устройство отличаются надежностью, простотой осуществления и лишены недостатков ранее разработанных способов.

Поставленная задача решается признаками, представляемыми в пп. 1-30 формулы изобретения.

В основе предлагаемого способа лежит реакция разложения полимеров и пластиков, стимулированная УФ излучением. Достоинством способа является то, что при соответствующем согласовании характеристик излучения источника УФ излучения (длина волны, интенсивность, длительность) с характеристиками краски (коэффициент поглощения, энергия активации) обеспечиваются условия фазового перехода "конденсат-газ "в области глубиной 10^-4-10^-5 см, в результате которого возникает импульс давления, достаточный для переноса краски на носитель информации при малых величинах пороговой энергии УФ излучения. Это обстоятельство позволяет применить источник УФ излучения малой мощности для выброса краски любого цвета без дополнительных элементов, поглощающих покрытий, источников акустических волн, электрического поля и т. п. Достоинством предлагаемого способа является также возможность применения не лазерных газоразрядных точечных или линейных источников УФ излучения, что позволяет упростить, уменьшить габариты и снизить стоимость устройства печати.

Другим достоинством является малая глубина слоя краски (10^-4-10^-5 см), в котором происходит "холодная" реакция разложения, что позволяет наносить на носитель тонкий слой краски - толщиной до нескольких микрон и достичь экономии в расходе краски.

Использование коротковолнового излучения позволяет также осуществлять острую фокусировку лазерного луча и таким образом позволяет увеличить предельную величину разрешения до нескольких тысяч dpi, т.е. реально приблизиться к качеству цветной фотографии.

В случае применения краски, полимеризующейся под действием УФ излучения, интенсивность которого ниже порога полного разложения, возможно использование одного и того же источника излучения для выброса и последующего закрепления краски на носителе информации. С этой целью длительность импульса излучения несколько увеличивают и после перенесения краски спад (хвост) импульса используют для полимеризации перенесенной краски. Этот же эффект может быть достигнут путем дополнительного включения УФ источника в паузе между тактами печати.

На фиг. 1 схематически показана взаимосвязь основных элементов УФ печатающего устройства для осуществления предлагаемого способа. В качестве УФ источника излучения могут быть использованы лазеры и источники другого типа. К таким источникам относятся твердотельные, газовые лазеры и полупроводниковые лазеры, в том числе и с умножением частоты излучения с помощью нелинейных кристаллов, а также лазеры на парах металлов и полупроводниковые лазеры с накачкой электронным пучком на основе широкозонных соединений типа A_II B_VI и A_III B_VI. При применении мощных импульсных лазеров, как например, азотных, на парах металлов, эксимерных и др., краска может переноситься на носитель информации массивами, например, строка за строкой. Требуемая мощность излучения в этом случае может достигать десятков киловатт при длительностях в десятки наносекунд.

В качестве импульсного УФ источника излучения может быть использована газоразрядная лампа с точечным, или линейным телом свечения. Такого типа источники в УФ диапазоне обладают высокой эффективностью, отличаются компактностью и сравнительно низкой стоимостью.

Для эффективной реализации способа необходимо, чтобы характеристики УФ излучения были согласованы с характеристиками краски. Источник УФ излучения и формирующие элементы должны обеспечить интенсивность падающего на краску излучения
I₀ ≥ V_cr/α [Дж•см^-2],
где V_cr - удельная энергия фазового перехода при которой происходит разложение краски [Дж•см³];
α - коэффициент поглощения краской УФ излучения [см^-1].

В диапазоне λ = 0,4-0,2 мкм α может достигать значений 10⁴ - 10⁵ см^-1.

Принимая V_cr ≈ 10^-3 Дж•см^-3, α = 10⁵ см^-1, можно оценить возможную плотность энергии необходимой для переноса элемента изображения
I_omin = 10³/10⁵ = 10² Дж•см^-2
Энергия, необходимая для печати элемента изображения
E=SI₀,
где S - площадь элемента изображения, переносимого на носитель информации. Например, если диаметр минимального элемента изображения - пиксела равен 20 мкм, что соответствует разрешению 1250 dpi, то минимальная энергия для печати одного пиксела
E_min = I_0minS_p = 10^-2•3.14•4•10^-6/4 ≈ 3•10^-8 Дж.

Вторым важным параметром излучения является длительность импульса. Длительность, при которой достигается минимальная энергия переноса краски, должна удовлетворять условию
τ₀ ≤ 1/α²χ,
где χ - температуропроводность краски. При α = 10⁵ см^-1, χ = 10^-3 см²•с^-1, τ₀ ≤ 10^-7с. Соответственно минимальную мощность светового импульса, падающего на краску, P_min можно оценить как
P_min= E_min/τ₀= 3•10^-8/10^-7= 0,3Вт.
Таким образом, для реализации способа необходимо, чтобы источники излучения и краска были согласованы и отвечали ряду перечисленных основных условий, а именно обеспечивали необходимую интенсивность, длительность и коэффициент поглощения.

Формирующая оптика. Формирующая оптика служит для формирования светового пучка требуемого диаметра и расходимости для последующей его модуляции и управления по положению на носителе краски. Для реализации устройства возможно применение традиционных оптических элементов - рефлекторов, конденсоров, зеркал, проекционных объективов, микролинзовых растров и т.п.

Система управления излучением. Для реализации системы управления световым пучком (-ами) устройства печати можно отдать предпочтение акустооптическим и зеркальным устройствам модуляции и отклонения лазерного луча, а также системам пространственной модуляции, использующим принцип отражения света от зеркальных поверхностей, меняющих свой рельеф или угол наклона под действием электростатических сил. К таким пространственным модуляторам, например, относится разработанная фирмой Texas Instruments матрица из микроскопических зеркал - пространственный DMD (Digital micromirror Device) модулятор.

Носитель краски. Носитель краски должен быть изготовлен из материала, слабо поглощающего УФ излучение, и может быть выполнен в виде вращающихся диска 1 (фиг. 2а), цилиндра 3 (фиг. 2б), движущейся пластины (фиг. 2в), ленты (фиг. 2г), на которые краска 2 наносится со стороны, противоположной падающему УФ излучению. В случае цилиндра или бесконечной (замкнутой) ленты краска наносится с внешней стороны цилиндра или ленты, а импульсы излучения могут подаваться на внутреннюю поверхность цилиндра или ленты с помощью, например, оптических световодов. В качестве материала для носителя краски могут быть использованы слабопоглощающие излучение материалы: диэлектрики, стекло, кварц, сапфир и т.п.

Промежуточный носитель изображения. Промежуточный носитель изображения размещается между носителем краски и носителем информации и служит для переноса изображения на носитель информации контактным способом. Промежуточный носитель информации позволяет с большей точностью фиксировать промежуток, через который переносится краска, что особенно важно когда носитель информации (бумага, картон, пластик и т.п.) имеет недостаточно ровную поверхность.

Устройство двух основных вариантов, реализующих предложенный способ печати, дано на фиг 3 а,б. Первый вариант (фиг. 3а), непосредственного переноса краски с носителя краски 1 на носитель информации 3. Носитель краски, в этом случае, может быть выполнен в виде:
- вращающегося диска фиг. 2а,
- вращающегося цилиндра фиг. 2б,
- движущейся пластины фиг. 2в,
- движущейся ленты фиг. 2г.

Другой вариант - перенос краски через промежуточный носитель в виде движущейся ленты (фиг. 3б) или вращающегося цилиндра (фиг. 3в). Носитель краски в этом случае может быть выполнен в виде одного из вышеприведенных вариантов.

На фиг. 4 дан вариант выполнения устройства, печатающего массивами, работающего с импульсным УФ источником света 1 (лазер, лампа), содержащего формирующую оптику 2 с цифровым модулятором света 3 на основе миниатюрных зеркал 4, сетку для пропускания световых лучей 5, вращающийся диск 6 с краской 7, носитель информации 8, ленту 9, ролики транспортера 10, двигатель 11, устройство для нанесения краски 12 и блок управления 13. Устройство работает следующим образом. От блока управления 13 поступают сигналы, которые изменяют угол наклона зеркал модулятора 3 таким образом, что часть излучения проходит через отверстия в сетке 5. После установки всех зеркал на модулятор 3 от источника излучения 1 подается импульс излучения (лампа или лазер), сформированный оптикой 2. Пучки света от пространственного модулятора попадают через прозрачный диск 6 на краску 7 и переносят ее на носитель информации 8, который закреплен на ленте транспортера 9, двигающегося по роликам 10. Диск приводится в движение двигателем 11. Скорость вращения диска выбирается таким образом, что за время периода между импульсами излучения происходит сдвиг на новый участок краски. Участки с использованной (перенесенной) краской заполняются снова с помощью устройства 12.

В случае применения схемы с промежуточным носителем изображения элементы 9 и 10 заменяют на элементы 3, 4 (фиг. 3б, в) - транспортер, вращающийся цилиндр.

Изобретение относится к высокопроизводительным печатающим устройствам, которые могут создавать многокрасочную печатную продукцию по качеству воспроизведения изображения, близкую к цветной фотографии на широком классе носителей (бумага, пластик, полиэтилен и т.п.). Предложенный способ заключается в воздействии на краску (чернила), нанесенные на прозрачную подложку импульсами ультрафиолетового излучения, которыми управляют по интенсивности и положению и направляют на области краски, подлежащие переносу на носитель информации, выбирая характеристики УФ излучения и согласуя их с параметрами краски таким образом, что в области падения излучения возникает процесс фотохимической реакции, приводящий к разложению части краски и переносу ее на носитель информации. Предложено также устройство для осуществления способа. Устройство содержит источник(ики) УФ излучения, элементы формирования и управления излучением, прозрачный для УФ излучения носитель краски, носитель информации и элементы, обеспечивающие движение носителей, нанесение краски и закрепление краски после печати. 2 с. и 28 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ печати, заключающийся в использовании энергии излучения для переноса краски с носителя краски, выполненного в виде прозрачной для излучения подложки на носитель информации со стороны, противоположной стороне с нанесенной краской, отличающийся тем, что на краску воздействуют импульсами УФ излучения, которыми управляют по интенсивности и положению, направляя на области, подлежащие переносу на носитель информации, причем характеристики УФ излучения выбирают, согласуя их с параметрами краски таким образом, что в областях падения излучения возникает процесс фотохимической реакции, приводящий к разложению части краски, прилегающей к подложке и возникновению импульса давления, выбрасывающего часть краски из области воздействия УФ излучения на промежуточный, или непосредственно на конечный носитель информации, при этом интенсивность и оптимальную длительность излучения УФ источника выбирают из условия:
I₀≥ V_cr/α[Дж•см^-2], τ₀≤ 1/α²χ,
где V_cr - удельная энергия перехода конденсат - газ, Дж • см^-3;
α - коэффициент поглощения излучения, см^-1;
χ - температуропроводность краски (чернил), см² • с^-1. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют непрерывное лазерное УФ излучение, управляемое по интенсивности и положению. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют импульсное УФ излучение, которым управляют с помощью пространственного модулятора излучения. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что используют акустооптическую систему управления УФ излучением по интенсивности и положению. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что вращают или перемещают носитель с краской, подставляя под УФ излучение при каждом последующем воздействии на носитель с краской новые участки краски для переноса их на носитель информации. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что краску с носителя краски на носитель информации переносят массивами, воздействуя одновременно на участки краски большим числом световых импульсов. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что краску с носителя краски переносят на промежуточный носитель изображения, с которого затем контактным способом изображение переносят на носитель информации. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве краски используют краску, полимеризующуюся под действием УФ излучения. 9. Способ по п.7, отличающийся тем, что на промежуточный носитель изображения последовательно, красками различного цвета формируют цветное изображение и затем контактным способом переносят его на носитель информации. 10. Способ по п.8, отличающийся тем, что полимеризуют УФ краску, нанесенную на носитель информации, увеличивая необходимую для выброса краски длительность излучения. 11. Способ по п.10, отличающийся тем, что для полимеризации краски, перенесенной на носитель информации, в промежутке между тактовыми импульсами используют излучение УФ источника. 12. Устройство для печати, содержащее носитель краски, средство для нанесения краски, носитель информации, систему для формирования и управления световым излучением, отличающееся тем, что использован УФ источник излучения и краска, параметры которой согласованы с характеристиками УФ излучения, причем интенсивность и оптимальную длительность излучения УФ источника выбирают из условия:
I₀≥ V_cr/α[Дж•см^-2], τ₀≤ 1/α²χ,
где V_cr - удельная энергия перехода конденсат - газ, Дж • см^-3;
α - коэффициент поглощения излучения, см^-1;
χ - температуропроводность краски, см • с^-1. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что носитель краски выполнен в виде прозрачного для УФ излучения вращающегося вокруг оси диска, на который наносится тонкий слой краски. 14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что носитель краски выполнен в виде вращающегося вокруг своей оси цилиндра, внутри которого вдоль оси вращения расположена система из световодов и микролинз, передающих и фокусирующих излучение управляемого источника излучения на краску, нанесенную на внешнюю поверхность цилиндра, в месте минимального расстояния краски от поверхности носителя информации. 15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что носитель краски выполнен в виде движущейся ленты, на поверхность которой со стороны, обращенной к носителю информации, нанесена краска. 16. Устройство по п.12, отличающееся тем, что носитель краски выполнен в виде перемещающейся пластины. 17. Устройство по п.12, отличающееся тем, что для перенесения на носитель информации краски и последующей ее полимеризации содержит один источник УФ излучения. 18. Устройство по п.12, отличающееся тем, что между носителем краски и носителем информации расположен промежуточный носитель изображения в виде вращающегося цилиндра, с которого нанесенное изображение путем соприкосновения (контакта) переносится на носитель информации. 19. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что промежуточный носитель изображения выполнен в виде бесконечной ленты. 20. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что промежуточный носитель изображения выполнен в виде движущейся пластины. 21. Устройство по п.12, отличающееся тем, что источником УФ излучения является газовый лазер. 22. Устройство по п.12, отличающееся тем, что источником УФ излучения является твердотельный лазер с умножением частоты на нелинейных кристаллах. 23. Устройство по п.12, отличающееся тем, что источником УФ излучения является лазер на парах металла. 24. Устройство по п.12, отличающееся тем, что источником (ками) излучения является (ются) полупроводниковый (ые) лазер (ы), выполненные на основе соединений нитрида галлия. 25. Устройство по п.12, отличающееся тем, что источником излучения является полупроводниковый (ые) лазер (ы) с накачкой электронным пучком. 26. Устройство по п.12, отличающееся тем, что источником излучения является импульсный газовый разряд с формирующей оптической системой и зеркальным пространственным модулятором излучения. 27. Устройство по п.12, отличающееся тем, что источником излучения является непрерывный УФ лазер с акустооптической системой модуляции и отклонения лазерного луча. 28. Устройство по п.12, отличающееся тем, что источником УФ излучения является импульсный УФ лазер с зеркальным пространственным модулятором излучения. 29. Устройство по п.12, отличающееся тем, что имеет последовательно расположенные носители краски разных цветов и один носитель информации. 30. Устройство по п.29, отличающееся тем, что между носителями краски и носителями информации расположен промежуточный носитель (ли) изображения.