Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Vervielfältigen einer Bildvorlage mittels einer Druckform, die an der Oberfläche eine Schicht aus einem ferroelektrischen Material aufweist.

Aus der DE 38 35 091 C2 ist bereits ein Verfahren zum Vervielfältigen einer ferroelektrischen Bildvorlage bekannt, bei dem elektrisch geladene Tonerpartikel verwendet werden. Das ferroelektrische Material läßt sich in sehr engen Bereichen unterschiedlich polarisieren, so daß bei einfarbigen Tonern Drucke mit sehr hoher Auflösung möglich sind und daß bei Anwendung von zwei Farben mit unterschiedlich geladenen Partikeln, d. h., daß die eine Farbe positiv und die andere Farbe negativ geladene Tonerpartikel enthält, mit einem Druck gleichzeitig zwei Farben aufgebracht werden können, so daß bei farbigen Drucken geringe Durchlaufzahlen notwendig sind. Die Druckform eignet sich sowohl zur Anwendung von Trockentonern als auch von in Feuchtmitteln als Trägern gelösten Tonern. Es wird nicht mitgeteilt, bei welchen Temperaturen die Druckform polarisiert wird.

Andererseits ist es bereits aus der US 3 899 969 bekannt, pyroelektrische Materialien, also insbesondere Ferroelektrika, bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise bei 150°C, unter Anwendung eines elektrischen Feldes zu polarisieren. Dazu muß das zu polarisierende Material beispielsweise in ein Bad von heißem Öl eingebracht werden.

Aus der DT 25 30 290 A1 geht zwar das einmalige Auslegen eines äußeren elektrischen Feldes an ein Ferroelektrikum nach einem Polarisationsvorgang zur Erzeugung eines latenten Bildes auf der Oberfläche des Ferroelektrikums hervor, aber durch das Feld wird nur wie in einem Kondensator eine zur Feldstärke des angelegten Feldes proportionale und daher begrenzte Menge an Ladungen auf die Oberfläche des Ferroelektrikums aufgebracht. Da die Ladungen mit der Abgabe des Tonerbildes an einen Bedruckstoff ebenfalls abgegeben werden, kann von dem latenten Bild auf dem Ferroelektrikum nur eine begrenzte Anzahl von Kopien erzeugt werden, bis alle durch das äußere Feld erzeugten freien Ladungen verbraucht sind. Entsprechendes gilt für die Anwendung des pyroelektrischen oder des piezoelektrischen Effekts durch Erwärmen des Ferroelektrikums bzw. Aufbringen von Druck auf das Ferroelektrikum. Daher ist das aus der DT 25 30 290 A1 bekannte Verfahren kein kontinuierliches Druckverfahren, sondern ein Kopierverfahren zur Herstellung einer beschränkten Anzahl von Kopien.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Druckverfahren zu schaffen, bei denen die Druckqualität, d.h. der Kontrast, gegenüber den bekannten Druckverfahren verbessert ist. Diese Aufgabe wird, wie in Patentanspruch 1 angegeben, gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Gemäß Patentanspruch 15 wird ein Verfahren zum Bebildern einer Druckform geschaffen, durch das ebenfalls der Kontrast beim Drucken mit der so bebilderten Druckform verbessert wird.

Im Unterschied zum Stand der Technik werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren fortlaufend neue Ladungsträger zur Kontrasterhöhung auf die Druckform aufgebracht, so daß an den polarisierten Stellen verstärkt Toner eingelagert werden kann, der bei Abgabe des Tonerbildes an den Druckträger abgegeben wird.

Nachstehend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine Hystereseschleife,

Fig. 2

eine Vorrichtung zum Drucken mit einem Ferroelektrikum, wobei der Formzylinder auf seiner Mantelfläche mit einer Schicht aus einem ferroelektrischen Material beschichtet ist und wobei seitlich des Formzylinders Ladungsquellen angeordnet sind,

Fig. 3

die Druckvorrichtung gemäß Fig. 2, wobei die Schicht durch eine Heizung beheizt wird, und

Fig. 4

die Druckvorrichtung gemäß Fig. 2, wobei eine Tonerauftragwalze zum Auftragen des Toners auf den Formzylinder gegen diesen gedrückt wird.

Ferroelektrisches Material ist dadurch ausgezeichnet, daß seine Mikrobausteine, d. h. seine Elementarzellen, ein stabiles elektrisches Dipolmoment besitzen, das in einem elektrischen Feld ausgerichtet werden kann. Ferroelektrika sind beispielsweise anorganische Keramikmaterialien mit asymmetrischer Perowskitstruktur, wie z. B. Bariumtitanat, Bleizirkonat und Mischstrukturen davon oder organische Substanzen, wie z. B. Polyvinylidenfluorid mit C-F-Ketten als elementaren Dipolen. Die anorganischen Ferroelektrika weisen Strukturen auf, bei denen die Elementarzellen so asymmetrisch angeordnet sind, daß zwei energetisch gleichwertige und strukturell identische Modifikationen, d. h. enantiomorphe Modifikationen, existieren, die nur durch Energiezufuhr von einem Zustand in den anderen übergeführt werden können, z. B. durch das Wirken von äußeren Kräften, beispielsweise eines elektrischen Feldes, oder durch thermische Energie.

Erfolgt diese Energiezufuhr durch ein elektrisches Feld, so klappen oberhalb einer gewissen materialabhängigen Feldstärke, der sog. Koerzitivfeldstärke, die nicht in Feldrichtung stehenden Zustände in Feldrichtung um und verbleiben in diesem Zustand auch nach Abschalten des elektrischen Feldes. Dieser Vorgang wird als Polung des Ferroelektrikums bezeichnet.

Geschieht diese Energiezufuhr durch Wärme, so werden in Folge der thermischen Gitterschwingungen ab einer gewissen Temperatur, der Curie-Temperatur, beide Modifikationen gleich wahrscheinlich und verlieren die in einem externen elektrischen Feld erzeugte Ausrichtung nach Abschalten des elektrischen Feldes wieder vollkommen. Oberhalb der Curie-Temperatur geht daher das Ferroelektrikum in den paraelektrischen Zustand über. Bei Abkühlung aus diesem Zustand in den ferroelektrischen Zustand ohne äußeres Feld bilden sich statistisch verteilt ausgerichtete Bereiche, die Domänen, deren Feldwirkungen sich gegenseitig aufheben, so daß ein makroskopisch neutraler unpolarer Zustand entsteht.

Wenn das Ferroelektrikum unterhalb seiner Curie-Temperatur polarisiert wird, kann sich das durch die Ausrichtung seiner Dipole erzeugte elektrische Feld an der Materialoberfläche nicht fortsetzen; da keine in sich geschlossenen elektrischen Feldlinien existieren, sondern immer an Ladungen enden, bildet sich an beiden Oberflächen der ferroelektrischen Schicht eine Schicht aus Oberflächenladungen, die das Feld im Inneren des Ferroelektrikums stabilisieren. Eine gepolte ferroelektrische Platte ist daher auch nach Entfernen von eventuell zur Polung verwendeten Elektroden einem elektrischen Kondensator ähnlich, auf dessen Elektroden Oberflächenladungen sind, die durch das innere elektrische Feld ortsfest gebunden sind.

Durch diese Oberflächenladungen wird der größte Teil des inneren Feldes nach außen abgeschirmt. Diese Abschirmung ist aber nicht vollständig, vielmehr wirkt ein für den Druckprozeß ausreichendes Restfeld nach außen und ist in der Lage, elektrisch geladene Partikel, z.B. einen elektrostatischen Toner, anzuziehen. Die bildmäßige Polung geschieht durch unterschiedliche Ausrichtung von Bild- und Hintergrundbereichen (DE 38 35 091 C2).

In Fig. 1 ist eine Hysteresekurve eines Ferroelektrikums dargestellt. Dabei ist die Flächenladungsdichte der auf die Oberfläche des Ferroelektrikums geflossenen elektrischen Ladung als Funktion des im Inneren des Ferroelektrikums anliegenden elektrischen Feldes E dargestellt. Bei der Polung eines Ferroelektrikums, das sich in einem statistisch verteilten, makroskopisch neutralen Zustand befindet, in den positiv polarisierten Zustand wird die sog. jungfräuliche Kurve 1 von einem Punkt 0 zu einem Punkt A₁ durchlaufen. Nach Abschalten des elektrischen Feldes bleibt das Material in einem stabilen gepolten Zustand P₁. Durch Anlegen eines Gegenfeldes wird die Kurve von dem Punkt P₁ über einen Punkt A₂ zu einem Punkt P₂ durchlaufen. Dieser Vorgang ist reversibel und beliebig oft wiederholbar. Nach der Polung sind damit die Bildpunkte des Ferroelektrikums beispielsweise in einem Zustand P₁, während die Hintergrundbereiche, d.h. die Nicht - Bildbereiche in dem Zustand P₂ sind. Auch die umgekehrte Polarisation ist möglich. Es ist ebenfalls möglich, daß lediglich die Bildbereiche positiv oder negativ polarisiert sind und die Nicht-Bildbereiche neutral sind.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Bedrucken einer Bedruckstoffbahn 2 mit einem Formzylinder 3, dessen Mantelfläche von einer Druckform 30 umgeben ist, die entweder ganz oder wenigstens in ihrer äußeren Schicht aus einem ferroelektrischen Material besteht. Die Druckform 30 nimmt von einer Tonerauftragwalze 4 Toner auf, den die Tonerauftragwalze 4 ihrerseits aus einem Tonerbecken 5 erhält. Das Tonerbecken 5 enthält einen Tonervorrat 50, der über eine Tonerzuführung 51 auf einem bestimmten, festgelegten Niveau gehalten wird. Über eine Tonerabführung 52 wird von der Tonerauftragwalze 4 nicht aufgenommener Toner einer hier nicht dargestellten Filteranordnung zugeführt und gelangt über die Tonerzuführung 51 wieder in das Tonerbecken 5 zurück. Tonerpartikel, die auf dem Formzylinder 3 bildmäßig auf der Oberfläche der Druckform 30 aufgetragen sind, werden über einen Übertragungszylinder 6 auf die Bedruckstoffbahn 2 übertragen, wobei der Übertragungszylinder 6 die Bedruckstoffbahn 2 gegen einen Druckzylinder 7 drückt.

Bevor jedoch die Druckform 30 für das Drucken mittels des Toners einsetzbar ist, muß sie durch eine Bebilderungseinheit 8 durch Polarisieren, wie oben beschrieben, bebildert werden. Anschließend wird zum Drucken mit dem Toner die Anzahl der oberflächlich verfügbaren freien Ladungen elektrisch erhöht. Dazu sind neben dem Formzylinder 3 Ladungsquellen 11, 12 angeordnet, die die Oberfläche der Druckform 3 entweder positiv oder negativ aufladen. Als Ladungsquellen sind z. B. Corona-Entladungen, kontaktierende dielektrische oder schwach elektrisch leitfähige Schichten oder bildpunktmäßig getrennte Einzelelektroden möglich. Dabei sind die Ladungsquellen 11, 12 entweder dieselben, mit denen die Druckform 30 vorher bildmäßig polarisiert wurde, oder, wie in Fig. 4 dargestellt, andere Ladungsquellen 11, 12.

Nach Beendigung des Bebilderungsprozesses, d. h. nachdem die Elektroden der Bebilderungseinheit 8 wieder auf Masse-Potential sind, befinden sich beispielsweise die Bildpunkte in dem Polarisationszustand P₁ (vgl. Fig. 1) und die Nicht-Bildpunkte in dem Polarisationszustand P₂. Durch erneutes, aber in diesem Falle ganzflächiges Aufladen der Druckform 30 mit einer definierten Ladungsmenge, z.B. ΔP, werden die Punkte, die vorher den Polarisationszustand P₁ hatten, auf ein elektrisches Potential E₁ angehoben. Die Punkte, die vorher in dem Polarisationszustand P₂ waren, werden auf ein Potential E₂ angehoben. Ohne die jetzt auf die Druckform 30 aufgebrachte Ladungsmenge ΔP bestand zwischen den positiv und negativ polarisierten Bereichen P₁ und P₂ nurder durch das Restfeld erzeugte relativ geringe Potentialunterschied. Jetzt weisen sie einen Potentialunterschied ${\text{ΔE=E}}_{\text{1}}{\text{-E}}_{\text{2}}$ auf. Durch diesen Potentialunterschied ergibt sich ein Kontrast zwischen den beiden Bereichen, der beispielsweise um einen Faktor 100 größer ist als der ursprüngliche Kontrast bei dem polarisierten, aber ungeladenen Ferroelektrikum. Entsprechend der Aufladung mit positiven Ladungsträgern, wie hier dargestellt, läßt sich die Druckform 30 als ganze auch mit negativen Ladungsträgern aufladen. Diese bildmäßig einmal gepolte und aufgeladene ferroelektrische Druckform 30 übersteht eine Vielzahl von Druckvorgängen. Es zeigt sich allerdings, daß die ortfeste Bindung der in dem Punkt B₁ befindlichen Ladungsträger größer ist als die der im Punkt B₂ befindlichen Ladungsträger, da Ladungen im Punkt B₁ eine Verstärkung, im Punkt B₂ eine Schwächung des Feldes in der ferroelektrischen Schicht bewirken. Diese werden abgegeben, und die Druckform wird im Bereich der negativen Polarisation von dem früheren Polarisationszustand P₂ auf einen Polarisationszustand P₂ teilweise depolarisiert. Um diese Depolarisierung wieder rückgängig zu machen, wird die Druckform 30 mit negativen Ladungsträgern beaufschlagt, dann durchläuft das Ferroelektrikum von dem Punkt P₂' zu dem Punkt A₂ eine Polarisierungs-Kurve 15. Nachdem einmal wieder der Punkt A₂ erreicht ist, kann das Ferroelektrikum wieder positiv bis zum Erreichen des Punktes B₂ aufgeladen werden. Entsprechendes gilt in schwächerem Umfang für den Punkt B₁. Die unipolare Aufladung der Druckform 30, z. B. nur mit positiven Ladungsträgern, bewirkt einen Kontrast ${\text{ΔE=E}}_{\text{1}}{\text{-E}}_{\text{2}}$mit positivem Potential auf Bild- und Nichtbildstellen. Durch Einstellen des Potentials der Tonerauftragwalze 5 auf ein Niveau zwischen E₁ und E₂ wird eine für die Tonerpartikel an- bzw. abstoßende Wirkung erzeugt.

Deswegen ist es bei einem langandauernden, kontinuierlichen Druckprozeß notwendig, in bestimmten Zeitabständen ein beispielsweise positiv aufgeladenes Ferroelektrikum mit negativen Ladungsträgern aufzuladen. Dadurch werden beide Polarisationszustände wieder vollständig regeneriert.

Bei einer anderen Ausführungsweise dieses Verfahrens wird die Kontrasterhöhung in Verbindung mit der Bilderzeugung bewirkt. Dabei wird zunächst die Druckform 30 auf ihrer gesamten Oberfläche durch eine erste Elektrode negativ polarisiert und zusätzlich mit negativen Ladungsträgern (Elektronen) um einen Betrag ΔP negativ aufgeladen und dabei auf ein Potential E₃ (Punkt B₃) gebracht. Anschließend werden die Bildbereiche auf der Oberfläche der Druckform 30 durch eine zweite Elektrode positiv polarisiert und durch Entfernen von Elektronen um den Betrag P auf das Potential E₁ (Punkt B₁) positiv aufgeladen, so daß die Bildpunkte B₁ zu den Nicht-Bildpunkten B₃ eine Potentialdifferenz ${\text{ΔE'=E}}_{\text{1}}{\text{-E}}_{\text{3}}$haben.

Zusätzlich zu diesem Verfahren läßt sich die Anzahl der freien Ladungen auf der Oberfläche der Druckform durch Wärme vergrößern. Zunächst wird hierzu die Druckform bei einer Temperatur T₁, beispielsweise bei 20°C, bebildert. Um diese Temperatur einzuhalten, wird die gesamte Druckvorrichtung vorzugsweise bei dieser Temperatur thermostatisiert. Hierzu ist sie beispielsweise in einem abgeschlossenen Raum angeordnet.

Nach Beendigung des Polarisierens und bevor der Druckvorgang beginnt, wird die Druckform 30 (Fig. 3) von ihrer äußeren Oberfläche her durch eine Heizung 9 neu auf eine höhere Temperatur T₂, z.B. 25°C, gebracht und auf dieser Temperatur gehalten. Dabei ist zu beachten, daß sich diese Temperatur T₂ unterhalb der Curie-Temperatur des jeweiligen Ferroelektrikums befindet. Durch die erhöhte Temperatur steigt die Anzahl der Oberflächenladungen auf der Oberfläche der Druckform 30. Die gemäß Fig. 1 benötigte Ladung zur Kompensation des inneren elektrischen Feldes ist temperaturabhängig, d. h., es wird bei höherer Temperatur weniger Kompensationsladung benötigt. Wurde bei niedriger Temperatur polarisiert, so wird bei einer Temperaturerhöhung die nicht benötigte Kompensationsladung frei. Es entstehen also im positiv polarisierten Bereich freie positive Ladungen, im negativ polarisierten Bereich freie negative Ladungen. Da durch die erhöhte Temperatur die Anzahl der freien Oberflächenladungen auf der Oberfläche der Druckform steigt, nimmt der Kontrast, d. h. die Potentialdifferenz zwischen den positiv und negativ gepolten Bereichen, zu. Dadurch werden, wenn beispielsweise die Partikel positiv geladen sind, auf negativ geladenen Bildflächenanteilen mehr Tonerpartikel abgeschieden und Hintergrundtonen vermieden. Die erhöhte Kontrastspannung zwischen den Bild- und Hintergrundbereichen erzeugt also einen besseren optischen Kontrast zwischen Bild- und Hintergrundbereichen, d. h. eine dichtere Tonerschicht in den Druckbereichen bei tonerfreiem Hintergrund. Dieser Effekt läßt sich für eine hohe Anzahl von Druckvorgängen, z.B. 1000 Drucke, ausnutzen. Es läßt sich jedoch nicht ganz verhindern, daß Teile der Oberflächenladung auf der Druckform 30 durch Tonerpartikel auf den Übertragungszylinder 6 und von diesem auf die Bedruckstoffbahn 2 mitgerissen werden. Deshalb wird vorzugsweise eine Kühlvorrichtung 10 seitlich des Formzylinders 3 angeordnet. Diese kühlt die Druckform 30 entweder vor oder nach Abgabe des Toners auf den Übertragungszylinder 6 ab. Bei Kühlung vor der Tonerabgabe wird infolge des reversiblen pyroelektrischen Effekts die freie Oberflächenladung wieder als Kompensationsladung gebunden. Bei Kühlung nach erfolgter Tonerabgabe wird die benötigte Kompensationsladung von dem umgebenden Medium auf die Oberfläche übertragen und ortsfest gebunden.

Die für diesen pyroelektrischen Effekt benötigte Kompensationsladung wird von dem umgebenden Medium, z.B. der Luft, auf die Oberfläche übertragen und dort ortsfest gebunden. Durch die Kühlvorrichtung 10 nimmt die Druckform 30 eine Temperatur T₃ an, die unterhalb der Temperatur T₂ liegt. Anschließend wird die Druckform 30 wieder durch die Heizung 9 auf die Temperatur T₂ aufgewärmt, und es entsteht erneut ein Ladungsüberschuß auf der Oberfläche, der den oben beschriebenen Effekt der Kontrastverstärkung hervorruft. Der Kühlvorgang kann entweder kontinuierlich erfolgen oder aber in bestimmten Zeitabständen nach einer vorher festgelegten Anzahl von Drucken, wenn sich die Zahl der freien Oberflächenladungen entsprechend vermindert hat. Bei kontinuierlicher Kühlung wird auch erreicht, daß die durch die Heizung zugeführte Wärmemenge wieder abgeführt werden kann.

Statt den Toner 50 mit der Druckwalze 4 auf die Druckform 30 aufzutragen, kann auch jede andere Zuführvorrichtung zum Aufbringen des Toners 50, z.B. ein Band, Verwendung finden.

Wenn anstelle des trockenen Toners 50 ein flüssiger Toner verwendet wird, reicht unter Umständen auch die beim Verdunsten der Tonerflüssigkeit durch Entzug der Verdampfungswärme hervorgerufene Abkühlung der Druckform 30 aus.

Anstelle der Heizung 9 ist es auch möglich, die Oberfläche der Druckform 30 durch Eintauchen in ein Tonerbad eines flüssigen Toners zu erwärmen, wobei diese Tonerflüssigkeit auf einer Temperatur T₂ temperiert wird.

In Verbindung mit dem Verfahren der Kontrastverstärkung durch Anlegen einer Ladungsträgerquelle oder auch in Verbindung mit dem Verfahren der Temperaturerhöhung läßt sich die Anzahl der verfügbaren Ladungen auf der Oberfläche der Druckform 30 auch dadurch erhöhen, daß auf diese eine mechanische Kraft ausgeübt wird. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß die Tonerauftragwalze 4 mit einem bestimmten, vorgegebenen Druck p (Fig. 3) gegen den Formzylinder 3 gedrückt wird. Die freie Oberflächenladung entsteht hier durch den bei ferroelektrischen Materialien wirksamen piezoelektrischen Effekt.

Die Vorrichtungen gemäß Fig. 2 bis 3 lassen sich vorteilhaft dann nutzen, wenn zusätzlich noch Toneran- und Abtragelektroden 13, 14 wie in Fig. 4, dargestellt, vorhanden sind. Diese Elektroden 13, 14 befinden sich in einem gewissen Abstand von der Oberfläche der Druckform 30 und beeinflussen die Tonerannahme auf der Oberfläche der Druckform 30. Durch eine beispielsweise negativ geladene Elektrode 13 werden negativ geladene Tonerpartikel von der Elektrode 13 abgestoßen und umso stärker und schneller von positiv geladenen Bildbereichen auf der Druckform 30 angenommen. Entsprechendes gilt umgekehrt für die Elektrode 14, die, wenn sie positiv geladen ist, die Anlagerung der negativ geladenen Tonerpartikel in Nicht-Bildbereichen, die ebenfalls negativ geladen sind, umso besser verhindert. Auch hierdurch wird der Kontrast zwischen Bild- und Nicht-Bildbereichen verstärkt und Hintergrundtoner vermieden.

Gemäß der Erfindung werden Verfahren geschaffen, mit denen die Zahl der auf der Oberfläche einer Druckform 30 mit einer ferroelektrischen Schicht verfügbaren Ladungen erhöht werden kann, d.h. die Potentialdifferenz zwischen Bild- und Nicht-Bildbereichen gesteigert wird. Hierzu wird entweder die Temperatur auf der Oberfläche der Druckform 30 gegenüber der Temperatur, bei sie polarisiert wurde, erhöht, oder es wird zum Tonerübertragen eine mechanische Belastung auf den Formzylinder 3 ausgeübt, oder es werden ganzflächig Ladungsträger auf die Druckform 30 aufgebracht, wodurch ein Potentialunterschied zwischen positiv und negativ polarisierten Bereichen entsteht, der zu einer Kontrasterhöhung zwischen Bild- und Nicht-Bildbereichen führt.