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Dokumentenidentifikation DE69304590T2 26.06.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0566329
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Formen eines Bildes auf zusammengesetztem Material
Anmelder AT & T Corp., New York, N.Y., US
Erfinder Jin, Sungho, Millington, New Jersey 07946, US;
Tiefel, Thomas Henry, North Plainfield, New Jersey 07060, US
Vertreter Blumbach, Kramer & Partner, 65193 Wiesbaden
DE-Aktenzeichen 69304590
Vertragsstaaten DE, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 08.04.1993
EP-Aktenzeichen 933027989
EP-Offenlegungsdatum 20.10.1993
EP date of grant 11.09.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.06.1997
IPC-Hauptklasse B43L 1/00

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Bildes auf einem magnetischen Verbundwerkstoff und eine Vorrichtung, die insbesondere zur Erzeugung solcher Bilder geeignet ist.

Hintergrund der Erfindung

In der am 24. Januar 1992 herausgebenen Ausgabe von Science (Band 255, Seite 446) beschreiben die Anmelder Jin und Tiefel eine Klasse von Verbundmaterialien, die optisch transparent und gleichzeitig elektrisch leitend sind. Diese Verbundmaterialien umfassen Folien oder Platten aus einem Polymer, die Spalten aus magnetisch leitenden Kugeln enthalten.

Für diese Verbundmaterialien gibt es aufgrund ihrer elektrisch anisotropen Leitfähigkeit eine Reihe von Anwendungsgebieten. Sie leiten lediglich über die Dicke des Materials und nicht seitlich. In dem amerikanischen Patent Nr. 4,644,101, das am 17. Februar 1987 für Sungho Jim et al. ausgegeben wurde, wird die Verwendung dieser Materialien in einem druckempfindlichen Positionssensor offenbart. Das Funktionsprinzip dieses Sensors beruht darauf, daß die Kugeln durch die anliegenden Druckkräfte über dazwischenliegendes Polymermaterial hinweg in Kontakt miteinander treten, und daß sie durch das Polymermaterial hindurch mit der Oberfläche in Kontakt treten. Das amerikanische Patent Nr. 5,049,249 zeigt die Verwendung dieser Materialien als Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Kontaktes zwischen vorstehenden elektrischen Kontaktbereichen. Die vorstehenden Kontakte werden so auf die leitenden Spalten gepreßt, daß ein elektrischer Kontakt entsteht.

Die vorliegende Erfindung betrifft nicht so sehr die elektrischen Eigenschaften dieser Verbundmaterialien, sondern vielmehr die magnetischen Eigenschaften. Sie betrifft insbesondere die Verwendung eines Verbundwerkstoffes als Material, auf das löschbare magnetische Bilder geschrieben und auf dem sie entwickelt werden können.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 3 oder 7 und auf ein Verfahren gemäß Anspruch 8.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Querschnitt, der zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Bildes dient; und

Fig. 2 bis 4 in schematischer Darstellung Querschnitte durch bevorzugte Magnetmaterialien zur Erzeugung von Bildern.

Ausführliche Beschreibung

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt, der zur Veranschaulichung eines Verfahrens und einer bevorzugten Vorrichtung zur Erzeugung von Bildern dient. Das Verfahren zur Erzeugung von Bildern umfaßt die folgenden Verfahrensschritte: Schaffung oder Bereitstellung eines magnetischen Verbundmaterials 10, das Spalten 11 aus magnetischen Teilchen umfaßt, die in einem nichtmagnetischen Material 12 verteilt angeordnet sind, und Erzeugung eines latenten Bildes 13 durch Anlegen eines örtlichen Magnetfeldes, das von einem magnetischen Stift 14 erzeugt wird, an einen ausgewählten Bereich des Materials. Das latente Bild wird durch Aufbringen eines magnetischen Fluids oder eines magnetischen Pulvers 15 entwickelt, das sich auf dem Bild ansammeln kann.

Bei einer bevorzugten Vorrichtung zur Erzeugung eines solchen Bildes ist das Verbundmaterial 10 schichtförmig ausgebildet, wobei es zwei Hauptoberflächen 16 und 17 aufweist. Eine Hauptoberfläche, z.B. die Oberfläche 16, die als Schreibfläche bezeichnet wird, ist so gestaltet, daß sie mit einem magnetischen Bild beschrieben werden kann, ohne daß hierbei magnetische Teilchen verlorengehen. Die Oberfläche wird beispielsweise in ausreichender Dicke mit einem abriebfesten Polymer, wie z.B. Polyurethan, beschichtet, so daß die spaltenförmig angeordneten Teilchen durch den Schreibstift nicht herausgezogen werden. Die zweite Hauptoberfläche 17, die als Entwicklungsoberfläche bezeichnet wird, ist so angeordnet, daß sie eine Entwicklungskammer 18, die ein Entwicklungsfluid 15 enthält, abdichtet. Die magnetischen Spalten 11, die im wesentlichen zwischen den zwei Hauptoberflächen verlaufen, ermöglichen es, daß ein auf die Oberfläche 16 geschriebenes magnetisches Bild auf der Oberfläche 17 als hoch aufgelöstes Bild entwickelt wird, trotz des Abstandes zwischen den zwei Oberflächen. Alternativ hierzu kann das latente Bild auch auf der gleichen Oberfläche entwickelt werden, auf der es geschrieben wurde.

Das bevorzugte magnetische Verbundmaterial 10 ist in Fig. 2 ausführlicher dargestellt. Das Verbundmaterial 10 entspricht dem in dem zuvor erwähnten Artikel und in den Patenten von Jin et al. beschriebenen Material mit Ausnahme der Tatsache, daß das Verbundmaterial aus magnetischen Materialien mit einer höheren Koerzitivfeldstärke Hc und mit einer permanenten remanenten Induktion besteht. Bei früheren Verbundmaterialien wurden weichmagnetische Teilchen, wie z.B. Nickel, mit einer typischen koerzitiven Kraft (Hc) von weniger als 10 Oe verwendet (siehe R.M. Bozorth, Ferromagnetism, D. Van Nostrand Co., Inc., New York, 1951, Seite 275). Diese weichmagnetischen Materialien behalten keine hohen Magnetfeldstärken zurück und sie zeigen nach dem Entfernen des angelegten Feldes nur eine geringe oder eine vernachlässigbare zurückbleibende Induktion (siehe Metals Handbook, 8. Auflage, Band 1, American Society for Metals, 1961, Seite 779 und B.D. Cullity, Introduction to Magnetic Materials, Addison-Wesley, Menlo Park, A, Seite 491, 1972). Sie sind einfach zu entmagnetisieren, insbesondere dann, wenn das magnetisierte Material ein Längen-zu-Seiten- Verhältnis oder ein Höhen-zu-Breite-Verhältnis (aspect ratio) von weniger als etwa 100 aufweist.

Bei der vorliegenden Erfindung wird das Material so hergestellt, daß die Teilchen nicht aus der Oberfläche austreten können. Das Material umfaßt Spalten 11 aus magnetischen Teilchen 20 mit einer hohen Koerzitivkraft, die in einer Matrix 12 verteilt angeordnet sind. Auf der Schreibfläche des Materials ist vorzugsweise eine Schutzschicht 21 angeordnet, um zu verhindern, daß die Teilchen 20 an der Oberfläche austreten, wo sie durch den magnetischen Schreibstift 14 entfernt werden würden. Wenn als Matrixmaterial ein Haft- oder Klebemittel oder ein hartes Material, wie z.B. ein Epoxidharz oder Glas, verwendet wird, ist keine Schutzschicht erforderlich.

Bei den Teilchen 20 handelt es sich um magnetische Teilchen, die aus einem Dauermagnetwerkstoff oder einem halbharten magnetischen Werkstoff mit Hc > 100 Oe bestehen. Es kann sich hierbei beispielsweise um magnetische Legierungen, wie z.B. Nd&sub2;Fe&sub1;&sub4;B, Alnico, Fe-Cr-Co oder um Seltenerd-Kobaltmagnete SmCo&sub5; oder Sm&sub2;Co&sub1;&sub7; handeln. Alternativ hierzu kann es sich bei ihnen auch um nichtleitende oder schwach leitende Ferritmagnete, wie z.B. BaO.6Fe&sub2;O&sub3; oder SrO.6Fe&sub2;O&sub3; handeln. Für eine dauerhafte Speicherung des Bildes sind Materialien mit Hc > 200 Oe und vorzugsweise mit Hc > 1000 Oe wünschenswert. Die Teilchen sind als Korrosionsschutz und zur Verringerung der Lichtabsorption mit einem korrosionsbeständigen Material, wie z.B. Gold oder Silber, beschichtet. Typische Teilchendurchmesser liegen im Bereich zwischen 0,1 und 2000 µm, wobei der Bereich zwischen 10 und 500 µm bevorzugt wird.

Bei dem Matrixmaterial 12 kann es sich um ein Polymermaterial, wie z.B. ein Elastomer oder ein Haft- oder Klebemittel, oder um Glas handeln. Bei typischen Magnetbildanwendungen kann das Material nachgiebig oder fest sein. Bei der Herstellung des Verbundmaterials 10 ist es wichtig, darauf zu achten, daß die Matrix aus einem Material besteht, das vor dem Aushärten oder Erhärten einen viskosen Zustand durchläuft. Verwendbare Materialien umfassen Silikonelastomere, Epoxide, Polyurethanharze und Gläser. Obgleich für eine Reihe von Anwendungen durchsichtige Materialien bevorzugt werden, können die Materialien zur Verzierung auch schwach gefärbt sein. Typische Dicken liegen im Bereich zwischen 2 und 5000 µm, wobei der Bereich zwischen 10 und 500 µm bevorzugt wird.

Bei der Herstellung des Materials 10 wird von einem im viskosen Zustand befindlichen Matrixmaterial ausgegangen. Die Magnetteilchen 20 werden entmagnetisiert und in einem Volumenanteil zwischen 0,1 und 20%, vorzugsweise jedoch in einem Volmenanteil zwischen 0,5 und 5%, dem viskosen Material zugemischt. Nach dem Mischen wird das Material beispielsweise mittels eines Streich- oder Rakelmessers zu einer Schicht geformt, und während es sich anfänglich noch in einem viskosen Zustand befindet, beim Aushärten oder Erhärten einem Magnetfeld mit einer Feldstärke von 50 bis 5000 Oe ausgesetzt, wobei die Feldstärke vorzugsweise zwischen 200 und 1000 Oe liegt. Infolge des Magnetfeldes bewegen sich die magnetischen Teilchen in dem viskosen Material solange bis eine Anordnung aus Spalten 11 entsteht, die sich an zufällig verteilten Stellen, die mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dichte in dem Material verteilt sind, durch das Material erstrecken.

Das zum Aushärten oder Härten verwendete Verfahren hängt von der Art des Matrixmaterials ab. Polymerisierende und warmoder hitzehärtbare Materialien können in einem Ofen erhitzt werden. Lichtempfindliche Harze können durch Bestrahlung mit einer geeigneten Frequenz ausgehärtet werden und Gläser, thermoplastische Materialien oder anorganische Verbindungen können durch Abkühlen verfestigt werden. Nach dem Aushärten kann auf der Schreibfläche des Materials eine Schutzschicht 21, die z.B. aus Polyurethan besteht, ausgebildet werden, damit die Teilchen 20 beim Schreiben nicht herausgezogen werden.

Die Vorteile des Materials und der Vorrichtung zur Erzeugung von magnetischen Bildern sind vielfältig. Die Auflösung wird verbessert, da es einfacher ist, spaltenförmig angeordnete Teilchen zu magnetisieren, wobei man aufgrund des verbesserten Höhe-zu-Breite-Verhältnisses von ihren Enden aus einen stärkeren Magnetfluß erhält, wenn die Teilchen spaltenförmig angeordnet sind. Die sich im wesentlichen durch das Material 10 erstreckende spaltenförmige Anordnung ermöglicht es zudem, auf einer Außenfläche, z.B. auf der Oberfläche, zu schreiben und auf der anderen Außenfläche, z.B. an der Unterseite, ein deutliches Bild zu entwickeln. Die Magnetflußlinien befinden sich hierbei in der Nähe des Displaymaterials, während das Entwicklungsmedium entfernt von dem Benutzer eingeschlossen ist. Durch diese Eigenschaft kann das Auslaufen von magnetischem Pulver und von Ferrofluiden verhindert werden. Im Vergleich zu einer zufälligen Verteilung der Magnetteilchen ermöglicht die Verwendung einer spaltenförmigen Anordnung zudem eine bessere Transparenz des Materials 10 als dies bei der gleichen Menge an zufällig im Material verteilten Teilchen der Fall wäre.

Zum Schreiben eines Bildes kann entweder ein Dauermagnetstift oder ein elektromagnetischer Stift verwendet werden. Der Stift kann entweder mit der Hand geführt werden oder aber maschinengesteuert, wie z.B. der Schreibstift eines XY-Schreibers.

Das Löschen des geschriebenen Bildes kann auf verschiedene Arten erfolgen. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Dauermagneten oder eines Elektromagneten, mit dem die beschriebene Fläche gleichmäßig magnetisiert wird. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Dauermagneten oder eines Elektromagneten zur Entmagnetisierung der Oberfläche. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Löschstiftes entgegengesetzter Polung, um das Bild lokal zu löschen.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsvariante des Materials 10, wobei die magnetischen Teilchen 30 in Form von magnetischen Stäbchen vorliegen, deren Länge etwa gleich der Dicke des Materials ist.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsvariante, wobei die magnetischen Teilchen 40 Kugeln sind, deren Durchmesser etwa gleich der Dicke des Materials ist. Die Herstellung dieses Verbundmaterials wird ausführlicher in dem am 12. April 1988 herausgegebenen amerikanischen Patent Nr. 4,737,112 des Anmelders mit dem Titel "Anisotropically Conductive Composite Medium" beschrieben.

Die Herstellung und die Gestaltung des Verbundmaterials werden anhand des folgenden speziellen Beispiels besser verständlich. Magnetteilchen Sm&sub2;Co&sub1;&sub7; mit Durchmessern im Bereich zwischen 200 und 250 µm werden mit einem Volumenanteil von 3,5% mit dem Elastomeren RTV#615 von General Electric vermischt. Die Mischung wird nun in Form einer 600 µm dicken Folie auf ein Glassubstrat aufgebracht und während des Aushärtens des Elastomeren bei 130ºC für 20 min einem senkrecht verlaufenden magnetischen Feld (über die Dicke) mit einer Feldstärke von 300 Oe ausgesetzt. Das entstehende Verbundmaterial umfaßt Spalten aus magnetischen Teilchen, die sich im wesentlichen über die Dicke von 600 µm erstrecken und in einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung mit einem mittleren Verteilungsabstand angeordnet sind. Das Medium weist im Bereich des sichtbaren Lichts eine Durchlässigkeit von etwa 75% auf.

Auf das Verbundmaterial wurde mittels eines Nd-Fe-B- Magnetstiftes, dessen Spitze einen Radius von 1/16" aufweist (die geschätzte Feldstärke beträgt 1600 Oe), ein Bild des Buchstabens "A" geschrieben. Das Bild wurde entwickelt, indem ein Blatt weißes Papier auf den Buchstaben gelegt wurde und Eisenpulver (mit einem Durchmesser zwischen 25 und 100 µm) auf das Papier gestreut und leicht auf das Papier geklopft wurde. Als Ergebnis ergab sich ein sichtbares Bild des geschriebenen Buchstabens "A".

Der Buchstabe wurde wieder gelöscht, indem ein Löschstift entgegengesetzter Polung mit einer Feldstärke von 600 Oe über den geschriebenen Buchstaben "A" auf dem Verbundmaterial bewegt wurde. Bei anderen Experimenten wurde das Bild mittels einer gleichmäßigen Magnetisierung gelöscht, die dadurch erhalten wurde, daß die Oberfläche mit einem vertikalen Feld der Feldstärke 3400 Oe überstrichen wurde. Alternativ hierzu wurde ein entsprechendes Bild auch durch Entmagnetisierung gelöscht, indem über ein Luftspalt hinweg ein entgegengesetzt gepoltes Feld mit einer Feldstärke von 1100 Oe angelegt wurde.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum magnetischen Erzeugen eines Bildes, das die Schritte umfaßt:

Bereitstellen einer Platte von durchsichtigem Verbundmaterial (10) mit einem Paar von Hauptoberflächen (16, 17), das ein nichtmagnetisches Matrixmaterial (12) und eine Vielzahl von Spalten (11) von sich zwischen den Hauptoberflächen erstreckenden magnetischen Teilchen (20) umfaßt;

Schreiben eines latenten, magnetischen Bildes auf einer Hauptoberfläche der Platte; und

Entwickeln des latenten Bildes durch Aussetzen der Platte einem magnetischen Fluid oder Puder (15).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das latente Bild auf einer Hauptoberfläche (16) der Platte geschrieben wird und das latente Bild auf der anderen Hauptoberfläche (17) entwickelt wird.

3. Magnetisches, durchsichtiges Verbundmedium zum magnetischen Erzeugen eines Bildes, welches umfaßt:

eine Schicht von nichtmagnetischem Matrixmaterial (12) mit einem Paar von Hauptoberflächen (16, 17), welches eine Vielzahl von Spalten (11) von sich zwischen den Hauptoberflächen erstreckenden magnetischen Teilchen (20) umfaßt, wobei die magnetischen Teilchen magnetische Materialien hoher Koerzitivfeldstärke mit einer Koerzitivfeldstärke Hc > 200 Oe umfassen.

4. Magnetisches Verbundmedium nach Anspruch 3, welches ferner auf einer der Hauptoberflächen eine Schutzschicht (21) zum Verhindern des Herausziehens der Teilchen aus der Oberfläche umfaßt.

5. Magnetisches Verbundmedium nach Anspruch 3, in welchem die magnetischen Teilchen (20) stabförmig sind.

6. Magnetisches Verbundmedium nach Anspruch 3, in welchem die magnetischen Teilchen (20) kugelförmig sind.

7. Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Bildes, welche umfaßt:

eine Platte von durchsichtigem Verbundmaterial (10) mit einem Paar von Hauptoberflächen (16, 17), welches ein nichtmagnetisches Matrixmaterial (12) und eine Vielzahl von Spalten (11) von sich zwischen den Hauptoberflächen erstreckenden magnetischen Teilchen umfaßt;

eine Einrichtung zum Erzeugen eines latenten magnetischen Bildes, welche eine Einrichtung (14) zum Anlegen eines lokalen magnetischen Feldes an eine der Hauptoberflächen (16) umfaßt, und eine Entwicklungskammereinrichtung (18) in abgedichteter Zuordnung zu der anderen der Hauptoberflächen (17) um die andere Hauptoberfläche einem magnetischen Entwicklungsmaterial (15) auszusetzen.

8. Verfahren zum Herstellen eines magnetischen Verbundmediums zum Erzeugen magnetischer Bilder, welches die Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines härtbaren, nichtmagnetischen, durchsichtigen Materials in einem viskosen Zustand;

Mischen von entmagnetisierten Teilchen eines magnetischen Materials mit Hc > 100 Oe in das Material;

Formen der Mischung in Blatt oder eine Platte;

Aussetzen des Blatts oder der Platte einem magnetischen Feld während diese/s sich anfänglich in einem viskosen Zustand befindet; und

Bewirken, daß die Platte härtet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, welches den Schritt des Aufbringens einer Schutzschicht an wenigstens einer Oberfläche des Blatts oder der Platte umfaßt, um das Herausziehen von magnetischen Teilchen aus der Oberfläche zu verhindern.







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