CN101466546A - 在图案化的基板上的喷墨打印 - Google Patents

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CN101466546A CNA2007800203907A CN200780020390A CN101466546A CN 101466546 A CN101466546 A CN 101466546A CN A2007800203907 A CNA2007800203907 A CN A2007800203907A CN 200780020390 A CN200780020390 A CN 200780020390A CN 101466546 A CN101466546 A CN 101466546A
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Abstract

用于在接收物上打印成影像的墨水图案的方法和装置。主成像构件包含一系列位于基板表面上的尺寸基本相同的单元。该主成像构件具有导电层。喷墨打印头选择性地以希望的成影像的墨水图案向主成像构件单元喷射墨滴。主成像构件上的成影像的墨水被分馏以分离墨水中的液体。接收物被传输至与主成像构件操作上相关联，且转印机构在接收物与主成像构件之间施加压力，并建立静电电场以向接收物转印成影像的墨水图案。

Description

在图案化的基板上的喷墨打印
技术领域
本申请大体上涉及在包括喷墨打印装置的设备中进行图像打印，且特别地涉及用沉积在图案化的基板上的基于溶剂的墨水进行的喷墨打印。
背景技术
众所周知，在如今，形象艺术印刷市场要求高速数字印刷。开始与传统印刷机的速度、图像质量以及每次印刷的成本相竞争的数字印刷可以补足信息的数字性质并实现可变的数据印刷。如今，存在一些同时具有干湿调色系统的、基于电子照相的机器。干调色系统的缺点是图像的浮雕化、有限的处理宽度、通常高的印刷成本、低处理速度和高处理复杂性。湿系统的缺点是有限的处理宽度和需要有经验的操作的复杂过程。
喷墨打印已被捧为数字印刷的技术选择，但仍存在一些问题。即使假设全宽打印头成功开发，大约95％是水的水基喷墨墨水尽量在单轮(a single pass)中达到高密度，浸湿接收物(如纸张)导致皱褶并产生附加干燥成本，遇到聚结问题，该问题在实现像印刷那样的吞吐量所需的全宽单轮打印模式下会恶化。
当尝试通过喷墨达到高速打印时，该聚结的问题尤其难以解决。当接收物上的墨滴互相接触时，表面张力导致它们汇集成斑点，从而破坏了图像的空间完整。一些专利通过喷墨在图案化的表面上已经解决了这个问题，即使是作为解决其它问题的手段。美国专利No.6109746(Jeanmaire et al)中喷墨至带图案化的表面；美国专利No.6443571(Skinkoda et al)；以及美国专利No.6648470(Korem)也是如此。然而，所有这些系统都是水基系统，保留了密度问题并增加了新的问题：由于不完全的转移着色剂残留在单元结构中。
从图案化的表面的单元将墨转移至接收物与传统的转印相似，例如，凹版印刷。印刷墨的转移效率为50-60％，而剩余的墨简单地被补充(单元被再次填充)，且同一图像(与其它颜色)对准被再次印刷。然而，具有完全可变打印能力的数字印刷要求每个图像是潜在不同的并因此要求对残留墨水的清洁或清除。假设能够清洁具有残留墨水的单元(在高速时非常困难的任务)，却无法简单地丢弃它，因为这将基本使打印的墨消耗量增加一倍，这对打印机来说通常是无吸引力的建议。
本发明的目的是提供一种能实现高速完全可变的数字打印的工艺，该工艺同时还能克服聚结问题、合适的单轮密度问题、接收物上水过多的问题以及图案化的墨接收表面上的单元里残留着色剂的问题。
发明内容
本发明涉及能够采用电子照相技术与喷墨技术结合的数字印刷机。这可通过将一种尺寸为微米或亚微米的带电标记微粒分散在电绝缘溶剂中的、特别配制的墨喷射到主成像构件上来实现。该墨成影像地(image-wise)被喷射至基本相同尺寸的单元中，所述单元形成主成像构件的可偏置的图案化的基板(如均匀地图案化的凹版或网纹辊(anilox roller))。该主成像构件随后与接收物(如纸张或中间介质)结合在一起，跨过该结合辊隙(nip)施加电压以促使标记微粒从主构件单元上转移至接收物上，使得在接收物上获得图像。基本上所有的着色剂都移至接收物，在单元中仅剩下清澈的易清洁和/或蒸发的溶剂。该单元结构防止聚结，墨着色剂浓缩提供了足够的单轮密度，从所述辊隙出现的纸接收物几乎是干的，且该过程可以高速执行。
本发明及其目的和优点将在以下优选实施例的详细说明中变得更加显而易见。
附图说明
在以下本发明的优选的实施例的详细表述中，将参照以下附图：
附图1是根据本发明的打印装置的示意图，其包含喷墨装置、图案化的辊以及将接收物朝图案化的辊按压的加偏压的转印辊；
附图2是附图1中的装置的部分透视图，其中指示了图案化的辊的图像接收表面上的图案化的阵列；
附图3是根据本发明的打印装置的备选实施例的示意图，在该图中，图案化的图像接收表面是导电的柔顺(compliant)弹性体；
附图4是根据本发明的打印装置的另外一个实施例的示意图，其包含喷墨装置、金属的单元化的辊、中间转印构件和至接收物的偏置转印；且
附图5是根据本发明的多色打印装置的示意图，其使用多个如附图4中所示的打印装置模块。
具体实施方式
本发明将参照以下附图进行更详细地描述。在根据本发明的操作模式中，前述的墨从喷墨打印头10仅喷射至主成像构件60的基板20(下文中更详细描述)上的图案化的一系列均匀等尺寸单元中的、限定了待打印的图像的那些单元(见图2)中。在本发明的一个实施例中，图像随后被转印至接收物(例如，纸)40，该转印是通过按压接收物使其与承载图像的主成像构件60相接触以及施加电场来实现的(如附图1)，该电场将图案化的基板20的单元中的墨中的标记微粒向着接收物驱赶。通过这种方式，大部分(即使不是事实上所有的)标记微粒将被转印至接收物，剩下清澈的墨溶剂。因而，大部分的溶剂不会浸到接收物中，而由该过程产生的浓缩墨足够粘从而避免在高质量纸接收物的表面上流动。这将着色剂聚集到接收物的表面，并且也允许实现高密度的图像。然后如果需要的话，可以使用已知的方法清洁主成像构件60。应该注意的是，这种转印模式的高效率几乎允许所有的标记微粒都被转印，从而最小化重影的形成。
为了实现该发明，必须在主成像构件60和接收物40之间建立电场。这可采用已知方法完成。例如，可以通过电压源30在主成像构件60和压力辊50之间建立电势差。可选地，电势差可以在主成像构件60和导电传送网(transportweb)之间建立，其中接收物夹在前述的两个构件之间。
在本发明的一个优选的实施例中，主成像构件60包含具有高导电率的非柔顺材料。合适的材料包括镍、不锈钢和铝。如果需要的话，主成像构件可外涂薄层的低表面能量材料，所述低表面能量材料诸如为包括Teflon的氟化烃聚合物、各种硅树脂或如硬脂酸锌的脂肪酸盐。这些材料能够加强墨的释放同时使墨滴的散布(spread)最小化。当采用具有高导电率的材料实施本发明的模式时，优选的是通过从电压源30施加100伏-1000伏的电压来建立电场。较低的电压可能不能转印墨滴中所有的标记微粒。较高的电压可能导致静电放电。在这种操作模式中，所述一系列均匀单元的优选网频率(screen frequency)为140-1200行/英寸(lpi)，且更优选的为400-800lpi。该主成像构件的优选几何形状是圆柱体。
在本发明的可选的优选操作模式中，该主成像构件60包括被陶瓷材料覆盖的诸如铝、镍或不锈钢的辊、套筒或板的导电构件。该陶瓷材料可以是导电的或电绝缘的。如前面所述的一系列均匀单元然后通过诸如激光消融的已知方法在陶瓷层中或穿过陶瓷层产生。在电绝缘陶瓷的情况中，陶瓷的厚度，尤其是在每个单元的底部的陶瓷厚度，必须充分薄以允许在墨上生成足够强的电场，从而允许墨的分馏以及标记微粒的转印。
在另一个可选的优选操作模式中，该主成像构件60包含例如弹性体的柔顺材料。例如，适合的弹性体为聚氨酯、硅树脂或自然和人造的橡胶。所选择的弹性体应不可被墨溶解或塑化。该弹性体在浸入墨溶剂时还不应明显膨胀。如在文献中已知的，该主成像构件60应还具有适合的荷电媒介(charge agent)，使得该主成像构件的电阻率小于1011Ω-cm，且优选小于1010Ω-cm。该主成像构件60还可具有薄的材料涂层或层以控制粘附，所述材料例如是包含Teflon的氟化烃、各种硅树脂或如硬脂酸锌的脂肪酸盐。该主成像构件60还可包含由相对较硬的材料(即杨氏模量大于108Pa的材料)形成的薄层(厚度小于50μm)。适合的材料包括各种creamers、似皮革的聚合物或玻璃聚合物，或者如类金刚石碳、碳化硅、二氧化硅的难熔材料。当实施本发明的该模式时，用于产生前述电场的所施加的电压应大于300伏且小于3000伏。优选的是，在本发明的该实施例中，主成像构件60包含厚度不小于0.1毫米且优选地厚度为至少1.0毫米的柔顺层。该层的杨氏模量应为1.0MPa至10.0MPa，这通过使用诸如拉力测定仪的装置对处于拉伸的应力-应变曲线进行测量并反向外推至零应变确定。优选地，该层具有0.4至0.5的泊松比。
当实施本发明的该模式时，希望所述一系列均匀单元按照具有对应于30至400lpi的周期的图案排列，不过更高的周期值(即，高于400lpi)也是可接受的，如果这样生成的构件具有足够的单元尺寸和形状一致性。
在本发明中使用的墨并非传统的喷墨墨水。相反，如在共同未决的美国专利申请序列号No.11/445,712中描述的，该墨包含悬浮于电绝缘溶剂中的标记微粒，该申请的内容在此引入以供参考。
在一个优选的操作模式中，图像被转印至最终的图像承载构件(接收物)，如纸张。这在附图1和2中示出。电子照相墨(electrographic ink)从全宽喷墨头10成影像地喷至主成像构件60的图案化的表面20(如凹版或网纹辊)的一系列均匀单元上。如上所述，在该操作模式中，优选图案化的表面的单元(网)频率为140至1200lpi，更优选的为400-800lpi。图像接收均匀单元图案化的表面20为具有高电导率的非柔顺材料。适合的材料包含镍、镀铬钢和铝。如果需要的话，主成像构件60可外涂低表面能量材料的薄层，所述材料诸如是包括Teflon的各种氟化烃聚合物、各种硅树脂或如硬脂酸锌的脂肪酸盐。该材料可用于增强墨的释放，同时使墨滴的散布最小化。压力辊50为导电的垫辊，其可相对于主成像构件60偏置。当实施本发明的该第一模式时，有必要通过从电源30跨过接收物辊隙41施加电压来建立转印电场，该电压优选地为100伏-2000伏。更低的电压可能无法将所有标记微粒从所述单元转印，而更高的电压则可导致静电放电。优选的电压取决于接收物40的材料的介电性质，且可由实验方法确定。主成像构件的优选几何形状为圆柱体。用于主成像构件60的清洁子系统70也可包含在内。
为了使用静电转印，所述墨必须包含诸如在共同未决的美国专利申请序列号No.11/445,712中描述的带电的标记微粒。此外，所述墨应为电绝缘的，即其应具有比1010Ω-cm大且优选为大于1012Ω-cm的电阻率，如使用在相同的共同未决的美国申请专利中描述的方法确定的。
在另一个优选的操作模式中，该主成像构件60具有柔顺的有纹理的层20’(见附图3)。该主成像构件60具有柔顺材料的覆层，如弹性体，其可用图案化的表面铸造以形成有纹理的层20’。适合的弹性体包含例如聚氨酯、硅树脂或天然和人造橡胶。所述弹性体应不会被墨溶解或塑化，在浸入墨溶剂中时也不会明显膨胀。如在文献中所知的，所述主成像构件60还应包括适合的荷电媒介，使得所述构件的电阻率位于1010Ω-cm与106Ω-cm之间。所述主成像构件60还可包含用于控制粘附的薄材料涂层或层，所述材料例如为包括Teflon的氟化烃、各种硅树脂或如硬脂酸锌的脂肪酸盐。所述主成像构件60还可具有由相对较硬的材料(也就是杨氏模量大于108帕的材料)形成的薄层(厚度小于50μm)。适合的材料包含各种陶瓷、似皮革的聚合物或玻璃聚合物，或者如类金刚石碳、碳化硅、二氧化硅的难熔材料。当实施本发明的该模式时，所施加的用于产生前述的位于主成像构件60的柔顺材料和金属支撑压力辊50之间的电场的电压应大于300伏且小于3000伏。优选的是，在本发明的实施例中，主成像构件60具有厚度不小于0.1毫米且优选的厚度为至少1.0毫米的柔顺层。该层应具有1.0MPa到10.0MPa的杨氏模量，如通过使用如拉力测定仪的装置对处于拉伸的应力应变曲线进行测量并反向外推至零应变确定的。优选地，该层具有0.4至0.5的泊松比。当实施本发明的该模式时，希望所述一系列均匀单元按照具有对应30至400lpi的周期的图案排列，不过更高的周期(即高于400lpi)对某些应用是适合的。
在本发明的另一个优选操作模式中，所述图像不直接从主成像构件60转印至接收物40。相反，如附图4所示，图像首先通过喷墨打印头10’形成在主成像构件20”上，通过使中间构件80与主成像构件20”接触以及从电源31施加电场以促使标记微粒从主成像构件20”转移到中间构件80，从而使图像转印至中间构件80。所述中间构件80的形状是辊，然而，中间构件也可以是网的形式。随后，图像从中间构件80转印至接收物40。
尽管这可以仅在中间构件80与接收物之间施加压力时完成，优选地，从电源30向中间构件80和支撑压力辊50施加电场以促使带电标记微粒从中间构件到接收物。由电子照相的文献可知，从中间构件到最终图像接收物(如纸张)的其他转印方式可以通过使用热或热辅助转印完成。如所建议的，所述中间构件80优选地包含弹性体材料，即具有与上述相同的机械和电学性质的材料。这种材料是优选的，因为：1)如即将论述的，其可以突出到部分填充了墨的单元中并允许墨的转印；2)其可在与转印关联的压力下扩展并允许出现可控的点扩张(dot gain)量，这允许打印高密度区域；且3)其与许多接收物的表面粗糙度相适应，确保更均匀的转印。
中间构件80的表面可以包含控制标记微粒与中间构件的粘附的材料。该控制粘附的材料的例子包含，但不限于，Teflon、硬脂酸锌、各种陶瓷、或溶胶凝胶。
优选地，中间构件80具有厚度不小于0.1mm且厚度优选为至少1.0mm的柔顺层。该层应具有1.0MPa至10.0MPa的杨氏模量，如通过使用如拉力测定仪的装置对处于拉伸的应力应变曲线进行测量并反向外推至零应变确定的。适合的材料包含如各种聚氨酯、硅树脂或橡胶。所选择的材料应不可在墨中使用的溶剂中明显膨胀或软化。这种材料是优选的，因为：1)如即将论述的，其可以突出到部分填充墨的单元中并允许墨的转印；2)其可在与转印关联的压力下扩展并允许出现可控的点扩张量，这允许打印高密度区域；且3)其与许多接收物的表面粗糙度相适应，确保更均匀的转印。更优选地，该材料具有04至0.5的泊松比。这将进一步促进具有可控点扩张的能力。
如附图5中所示的多色打印装置包括多个打印装置模块10a-10d(这些模块在附图4中单独示出)，每个模块具有各自的、颜色或其它特性(如提供无色保护涂层或者特殊光泽)不同的墨。当然，该多色打印装置可适当地包含附图1或3中的打印装置模块。因此，在接收物上打印的最终图像可以是完全或部分多色的，并具有受控的光泽或保护涂层。
在典型的打印接收物中，可通过以例如150点每英寸向规则的网图案(screenpattern)中形成的区域调制点(area-modulated dots)来控制图像密度或灰度级。这经常被称为150-行规则。显然，这在单个主成像构件必须能够打印多种文件的系统中是不可行的，而当前情况正是如此。相反，如本公开之前讨论的，单元(附图1和2中的主成像构件60的基板20的系列)的尺寸是均匀的且位置是周期性的。应该注意的是，在本发明的实施中，除了仅填充一些单元外，还通过改变每个单元中的墨量来实现灰度级。这样，喷至给定单元中的墨量可以在无墨和填满的单元之间连续改变。实际上，墨量被选择性地喷入每个单元中。
当打印到单元结构中时，重要的是能够允许墨滴在接收物上以可控方式散布，以便能够完全覆盖接收物并生成高密度打印。这种散布常常被称为“点扩张”，且最终打印在接收物上的点比那些最初喷在主成像构件上的单元中的点大。由于太小的点扩张不能使墨完全覆盖接收物，因而控制点扩张的能力是重要的，从而允许接收物的无墨部分显露并限制打印密度；且过多的点扩张会导致清晰度损失，因为边缘变得模糊。另外，准确再现低密度图像的能力将受损，因为墨将散布得太多。
当使用静电转印时，墨应包含带电标记微粒，例如前面所述的共同未决的美国专利申请中的那些。另外，墨应是电绝缘的，即其应具有大于1010Ω-cm并优选地大于1012Ω-cm的电阻率，如通过使用相同的共同未决的美国专利申请中描述的方法确定的。
为了增强墨从部分填充的单元的转印，如附图1所示，本发明的优选实施例包含在安装到刚性支持圆柱体的柔顺基板20上均匀地图案化的一系列单元。由于柔顺基板20在图像被转印至接收物的转印辊隙处被压，墨甚至从部分填充的单元中排出以达到希望的图像质量等级，如以灰度等级表示的。本领域技术人员将认识到，柔顺基板20的单元壁厚度和硬度，以及转印辊隙中施加的压力将被优化以实现目标水平的点扩张、转印效率和最终的图像质量。
在转印至接收物以及在随后的清洁步骤中，柔顺基板20的表面能量也可以被优化以加强墨从单元中的释放。存在许多表面修正技术，如等离子体处理修正表面能量的附着的化学物质成分(chemical moieties)。
当与静电转印辅助一起使用时，图案化的主成像构件60应在柔顺构件下包含导电层，如金属圆柱体或套筒，以允许该辊被电偏置。该弹性体也应当是导电的并且电阻率小于1011Ω-cm，优选小于109Ω-cm，更优选小于106Ω-cm。这可通过适当地用普遍用于电子照相机器中的静电转印辊中的合适电荷传输媒介对弹性体掺杂来实现。此外，接收物还应以适于建立电场的方式被支撑。例如，可使用电接地金属辊50将接收物向主成像构件60按压。柔顺的主成像构件的金属构件随后可通过将金属构件连接至适合的电压源(如，源30)而被电偏置，从而在主成像构件60和接收物40之间建立电场。选择电压极性以向接收物驱赶标记微粒。如在文献中可知的，其它提供相似施加电场的电配置也适用于本发明。
支撑压力辊50也可包含其它部件，如薄陶瓷层或控制浸润能力(wet-ability)或粘附的膜，如Teflon，只要这些层足够薄以允许形成转印场。其它部件的性质在电子照相技术领域是已知的并能直接从该技术领域实现。
部件列表
10               喷墨打印头
10a-10d          打印装置模块
20，20’，20”   均匀地图案化的表面
30               电压源
31               电压源
40               接收物
41               接收物辊隙
50               辊
60               主成像构件
70               清洁子系统
80               中间构件

Claims (23)

1用于在接收物上打印成影像的墨水图案的打印装置，所述打印装置包含：
主成像构件，其包含一系列尺寸基本相同、位于所述主成像构件的基板表面上的单元，所述主成像构件具有导电层；
喷墨打印头，用于有选择地以希望的成影像的墨水图案向所述主成像构件的所述单元中喷射墨滴；
用于对所述主成像构件上的这种成影像的墨水进行分馏以分离墨水中的液体的机构；
传输装置，用于传输接收物使其与所述主成像构件操作上相关联；和
转印机构，用于在所述接收物构件与所述主成像构件操作上相关联时，在所述接收物和所述主成像构件之间施加压力，并建立静电场以将成影像的墨水图案转印至该接收物。
2.如权利要求1所述的打印装置，其中所述主成像构件是非柔顺的。
3.如权利要求1所述的打印装置，其中所述主成像构件的所述导电层包含具有高导电率的材料。
4.如权利要求3所述的打印装置，其中通过产生100至1000伏的电势差，在所述接收物上建立静电场。
5.如权利要求2所述的打印装置，其中所述单元具有140至12001pi的频率。
6.如权利要求2所述的打印装置，其中所述单元具有400至8001pi的频率。
7.如权利要求2所述的打印装置，其中所述主成像构件包含低表面能量覆层。
8.如权利要求1所述的打印装置，其中所述主成像构件是柔顺的。
9.如权利要求8所述的打印装置，其中所述柔顺的主成像构件具有小于1011Ω-cm的电阻率。
10.如权利要求8所述的打印装置，其中所述柔顺的主成像构件具有小于1010Ω-cm的电阻率。
11.如权利要求8所述的打印装置，其中所述单元具有30至4001pi的周期。
12.如权利要求8所述的打印装置，其中在所述柔顺的主成像构件之间的静电场是通过施加300至3000伏的电势差而建立的。
13.如权利要求1所述的打印装置，其中所述主成像构件为辊，其中所述相同尺寸的单元基本上位于所述辊的整个圆周表面上。
14.如权利要求13所述的打印装置，其中所述主成像构件的所述相同尺寸的单元的尺寸能够使转印的成影像的墨水图案具有高分辨率。
15.如权利要求8所述的打印装置，其中所述主成像构件的所述相同尺寸的单元由柔顺材料形成。
16.如权利要求8所述的打印装置，其中所述主成像构件包含安装在位于所述相同尺寸的单元的下面的刚性支承构件上的柔顺套筒。
17.如权利要求1所述的打印装置，还包含在所述主成像构件和接收物之间的中间构件，所述中间构件从所述主成像构件接收成影像的墨水图案并随后在所述转印机构的影响下将所述成影像的图案转印至接收物。
18.如权利要求17所述的打印装置，其中所述中间构件是柔顺的。
19.如权利要求17所述的打印装置，其中成影像的墨水图案从所述中间构件热转印至所述接收物。
20.如权利要求1所述的打印装置，还包含多个模块，每个模块具有：包含一系列尺寸基本相同的单元的主成像构件；喷墨打印头，其能够成影像地将墨喷射至所述主成像构件的所述相同尺寸的单元中；用于分馏在所述主成像构件上的这种成影像的墨水以分离墨水中的液体的机构；接收物，这种成影像的墨水从所述主成像构件转印至该接收物；以及转印构件，其与接收物形成辊隙，用于向这种接收物转印液体已被耗尽的成影像的墨水。
21.如权利要求1所述的打印装置，还包含多个模块，每个模块具有：包含一系列尺寸基本相同的单元的主成像构件；喷墨打印头，其能够成影像地将墨喷射至所述主成像构件的所述相同尺寸的单元中；用于分馏在所述主成像构件上的这种成影像的墨水以分离墨水中的液体的机构；中间构件，用于从所述主构件接收这种成影像的墨水；接收物，这种成影像的墨水从所述主成像构件转印至该接收物上；以及转印构件，其与接收物形成辊隙以用于向这种接收物转印液体已被耗尽的成影像的墨水。
22.一种打印墨水图像的方法，包含：
以希望的成影像的墨水图案将在液体中具有标记微粒的电绝缘墨水喷射至尺寸基本相同的单元中，所述单元位于导电的主成像构件的表面上；
分馏该成影像的墨水以将其标记微粒与液体分离；和
在主成像构件和接收物之间施加压力和静电场时将该成影像的墨水图案的标记微粒转印至所述接收物。
23.如权利要求22所述的方法，其中喷至每个单元中的墨量是变化的以控制待打印图像的密度。
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