JP2013000740A - インク水平化のシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】紙などの基板上に粘性のゲルインクを形成、そのインクの水平化方法を提供する。
【解決手段】相変化ゲルインクの水平化方法を開示する。特に、方法は、超音波照射４０を用いて、相変化ゲルインク３０を非接触的手法で水平化させ、インク薄膜６０を形成する。前記相変化ゲルインクは、室温ではゲル状の稠度であり、基板３５に吐出するための高温時には粘度の低い液体であることを特徴としているインクである。これら独特のインク特性であるために、ゲルインクを水平化するには、超音波の照射時間や超音波の照射強度の最適化条件を把握して、その条件でインクジェット方法で吐出された相変化ゲルインクを水平化することにより、インク薄膜６０を形成した。
【選択図】図２

Description

本実施形態は、様々な用途においてインクジェット印刷を用いることができる相変化インク組成物に関する。比較的新しいタイプの相変化インクが、紫外線（ＵＶ）硬化性ゲルインクである。ＵＶ硬化性ゲルインクは、室温ではゲル状の稠度であり、高温で基板に吐出するときは粘度の低い液体であることを特徴としている。押し出されたインクが基板に達すると、インクは、液体から元のより粘性のゲル稠度に相変化する。ゲルインクは冷却時に速やかに凝固するので、これらのインクは、例えばプラスチックや厚紙などといった多くの表面から湿り気を除去する水または溶媒を含むインクであるという利点を有している。ゲルインクがＵＶ放射線にされられると、インクが硬化され、架橋結合された高分子マトリックスを形成して、基板に非常に硬質で耐久力のある特徴を得る。

いわゆる「コーデュロイ」効果を低減し、より均一の光沢、マスクを必要としない吐出、例えば包装といった用途に用いられるより薄い層を得るために、インクを水平化するか、あるいは、広げるという要望が残っている。しかし、ゲルインクの独特の特性のゆえに、従来の水平化方法および水平化装置をゲルインクと共に用いることができない。これらのインクが糊状の稠度を有しているので、インクは、硬化前に非常にわずかな凝集力しか有していない。さらに、インクは、多くの材料に対する優れた親和力を有するように設計されている。この事実のゆえに、インクの層を平らにするための従来の方法は、ＵＶゲルインクと共に用いた場合には失敗する傾向にある。なぜなら、インクは水平化装置に固着し、水平化装置の裏側に残留インクを残す凝集破壊（すなわち剥離）を被るからである。重合材料は極度に硬く、曲がりにくいので、インクが硬化した後、インクを平らにすることはできない。

非特許文献１では、超音波技術を用いて基板に粘性流体、ここではフォトレジスト材料を水平化する方法について説明している。この論文では、このような方法が、スリットノズル方法（不均一であり、向きに依存しているため）、および、（端部からこぼれるゆえに、大きい基板にとっての課題であり、無駄の多い）回転塗布、といった従来の塗布方法よりも有効であるといことを提示している。この論文は、非多孔質基板に塗布された粘度１０ｃｐｓのフォトレジスト材料を水平化するためになされた実験について説明している。しかし、この論文は、粘性のゲルインク（粘度１０^６ｃｐｓ）の水平化が可能な方法に取り組んでいない。さらには、この出版物には、紙などの基板での粘性のゲルインクの水平化方法に関する技術教示がない。

参考のために全体をここに示す特許文献１は、実施形態において、動いているウェブの表面に塗料からなる滑らかな層を塗るための、超音波によって補助された塗布方法について説明している。この特許では、塗料を動いているウェブ上の金型を用いて付着させる。ここで、超音波エネルギー発生器は、様々なモードで、直接ウェブに、それ自体金型に、および、空気を介して、超音波エネルギーを加えている。しかし、この特許は、スロット供給ナイフ塗布、ロール塗布、および、押し出し塗布といった、「接触」手法によって付着する材料について説明しているだけである。さらに、特許において引用された一例では、粘度が最も高い試験済みの材料は、粘度５，０００ｃｐｓで厚さ６３．５μｍの溶媒を含むゴム塗布剤であった。したがって、この引用は、基板における粘性のゲルインクの水平化方法について取り組んでいない。

米国特許第５，３７６，４０２号

Ａｍｐｏ，Ｋ．ｅｔ ａｌ．の「Ｌｅｖｅｌｉｎｇ Ｖｉｓｃｏｕｓ Ｆｌｕｉｄｓ Ｕｓｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗａｖｅｓ（超音波を用いた粘性流体の水平化）」（ＪＪＡＰＳ（２００４）ｖｏｌ ４３、ｐｐ２８５７〜２８６１）

したがって、硬化する前のゲル状のＵＶインクによって印刷された画像を水平化する非接触手法が必要である。本実施形態は、したがって、硬化性ゲルインク、特に、ＵＶ硬化性ゲルインク、および、基板へのこれらのインクの水平化に特に適した方法に関する。

図示した実施形態によって、基板に相変化ゲルインクを塗って、水平化されていないインク薄膜を形成し、水平化されていないインク薄膜に超音波を照射して、水平化されたインク薄膜を形成することを含む、相変化ゲルインクの水平化方法を提示する。

特に、本実施形態は、水平化されていないインク薄膜を形成するために、基板に相変化ゲルインクを移すための印字ヘッドと、水平化されたインク薄膜を形成するために水平化されていないインク薄膜に超音波を照射する水平化装置と、水平化されたインクを硬化するための硬化位置とを含む、相変化ゲルインクを水平化するシステムを提示する。

本実施形態をよりよく理解するために、添付図面を参照されたい。

本実施形態による相変化ゲルインクの水平化方法を示すフローチャートである。 本実施形態による水平化方法を用いた印刷システムの概略図である。 １つの例示的なインクの複素粘度と温度とを示す図である。

相変化インク技術は、印刷性能および多くの市場における顧客基盤を広げ、印刷用途の多様性が、印字ヘッド技術、印刷プロセス、および、インク材料の効果的な統合によって促進される。本実施形態の相変化インク組成物は、室温ではゲルであり、吐出温度が高温であるときは液体であることを特徴としている。上述したように、インクを基板に塗った後、インクを水平化する、あるいは、広げて、「コーデュロイ」効果を下げ、より均一の、一貫性のある画像を得る必要がある。ゲルインクが硬化前に非常にわずかな凝集力しか有しておらず、多くの材料に対して優れた親和力を有しているので、塗った後のインクの層を平らにするための従来の方法は、ＵＶゲルインクを用いた場合にうまくいかない傾向にある。したがって、本実施形態は、硬化する前にゲルインクを水平化する非接触手法を提示する。特に、本実施形態は、物理的な接触ではなくむしろ超音波の使用による、ゲルインク印刷の水平化方法に関する。一般的に、ＵＶ硬化性ゲルインクは、蝋と、樹脂と、単量体と、硬化性蝋と、任意の着色剤と、フリーラジカル光開始剤と、安定剤、粘度調整剤、分散剤といった任意の添加物との混合物を含む。

水平化方法のための超音波の使用については、例えば、米国特許第５，３７６，４０２号およびＡｍｐｏ ｅｔ ａｌ．の「Ｌｅｖｅｌｉｎｇ Ｖｉｓｃｏｕｓ Ｆｌｕｉｄｓ Ｕｓｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｗａｖｅｓ」（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓの日本語誌、ｖｏｌ ４３、Ｎｏ．５Ｂ，２００４，ｐｐ２８５７〜２８６１）、これらを引用することによりその全体をここに示すが、ここに開示されているように、知られている。しかし、このような使用は、印刷画像の水平化に用いるために提示されたものではない。

特定の実施形態では、ＵＶ硬化性ゲルインクを、特定の吐出温度でインク・ジェット・プリンタによって吐出することによって塗ってもよい。ＵＶ硬化性ゲルインクにとって望ましいのは、インクの吐出温度において、粘度が、例えば約３０ｍＰａ‐ｓ未満（例えば約３〜約３０ｍＰａ‐ｓ、約５〜約２０mＰａ‐ｓ、または、約８〜約１５ｍＰａ‐ｓ）などの約５０ｍＰａ‐ｓ未満であるということである。したがって、インクは、加熱して吐出前にインクを融解させることによって得られる液体の状態で、吐出される。インクを、低温、特に、約１２０℃より低い温度、例えば約５０℃〜約１１０℃または約８０℃〜約１１０℃で所望のように吐出する。インクの粘度は、より低い温度では少なくとも１０^３ｍＰａ‐ｓであってもよく、例えば約２０°Ｃ〜約６０°Ｃの温度では１０^４ｍＰａ‐ｓ〜約１０^９ｍＰａ‐ｓである。

本実施形態では、ゲルインクを基板に付着させる。実施形態では、ゲルインクを、厚さ約０．５〜約１００μｍ〜約１〜約５０μｍの層に塗る。付着したゲルインクの層に、続いて、超音波を発生させることができる超音波の変換器または任意の１つの機器から超音波を照射する。特定の実施形態では、超音波照射の供給部を、米国特許第５，２７６，４０２号に開示されたような供給部、例えば共振ソノトロードまたは超音波ホーンから選択できる。

超音波照射の強度を、所望の水平化度、および、ゲルインクの特性に応じて変更できる。より粘性の高いシステムがより低い周波数およびより大きなピーク間振幅を必要とすることが知られている。このように、本実施形態のゲルインクを低い周波数帯域および幅の広いピーク間振幅によって水平化してもよい。実施形態では、超音波の状態は、約０．００２〜約０．６０ｍｍまたは約０．０１〜約０．５０ｍｍのピーク間振幅、および、約２０．０００〜約１００，０００Ｈｚまたは約２０，０００〜約３０，０００Ｈｚの周波数を含む。例えば、粘度が約５，０００ｃＰｓ以下である水平化されていない材料を、ピーク間振幅が０．０３ｍｍで周波数が２０，０００Ｈｚという超音波の状態において水平化できる。

場合によっては、粘度が高いゆえに所望の水平化効果を得るには超音波エネルギーのみが不十分であり、インクをある度に再加熱して粘度を下げることも可能である。例えば、ページに染み出ないように、インクをゲル点よりほんの少し低い温度で、しかしながら振幅の少ない超音波を用いるために粘度が十分に低く、水平化を実現できる点で、加熱したい。

超音波エネルギー強度Ｉは、
の関数である。
ここで、ρ_ｏは媒体の密度であり、ｆは音波周波数であり、ｘ_ｏはピーク間振幅である。実施形態では、超音波照射の強度は、約５〜約１００Ｗまたは約１０〜約５０Ｗである。特定の実施形態では、超音波照射は、超音波ホーンで２５Ｗからである。ゲルインクを、定在波と進行波との両方によって水平化できる。

図１は、本実施形態による水平化方法５を示す流れ図である。図示したように、方法は、概して、ＵＶ硬化性ゲルインクといった相変化ゲルインクを基板に塗って（１０Ａ）、水平化されていないインク薄膜を形成し（１０Ｂ）、水平化されていないインク薄膜に超音波を照射して（１５Ａ）、厚さが均一な水平化されたインク薄膜を形成する（１５Ｂ）ことを含む。実施形態では、均一の厚さは、約１〜約１００μｍまたは約１〜約５０μｍである。水平化されていないインク薄膜に、約０．１〜約３００秒または約０．１〜約６０秒の間超音波を照射してもよい。方法は、さらに、水平化されたインク薄膜を硬化する（２０）ことを含有できる。実施形態では、相変化ゲルインクを、例えばインクジェット印字ヘッドから吐出するといったようにして、印字ヘッドによって塗る。実施形態では、インク薄膜は印刷画像である。

図２は、本実施形態にかかる水平化方法を用いた印刷システムを図解する。図２では、印刷システム５５は、印刷媒体のような基板３５にインク３０を移す印字ヘッド２５を備えている。印字ヘッド２５は、インク容器からたくさんのノズルを介してインクを分与するインク・ジェット・プリンタといった、電子的にアドレス指定されたデジタル印字ヘッドであってもよい。連続的なウェブ構造を図２に示したが、本水平化方法をカットシート構造と連続的なウェブ構造との両方に適用できる。図２の印字ヘッド２５の描写は、本実施形態を任意の特定のタイプの印刷システムに限定することを意図したものではなく、特許請求の範囲の用途または範囲を限定するために用いられるべきではない。

本実施形態のインクは、直接印刷モードか、あるいは、間接的またはオフセットの印刷転写システムのどちらかに用いられるように設計されている。直接印刷モードでは、一実施形態のインクは、（１）記録基板に直接印刷した後、周囲温度に冷却されるとき、インクを最終的な記録基板（例えば、紙、透明材料など）上の均一の厚さの薄膜に塗ることができ、（２）インクが十分な柔軟性を保ちつつも可塑性を有することができ、これによって、基板に塗られた画像がたわみによって砕けることがなく、（３）インクが高度の明度、彩度、透明度、熱的安定性を有することができる、１つまたは複数の材料を含んでいる。オフセット印刷転写モードまたは間接的な印刷モードでは、一実施形態のインクは、直接印刷モードのインクに望ましい特徴だけではなく、このようなシステムの使用に望ましい特定の流体の機械的な特性を示す。

図２では、水平化装置４０は、インクの転写に続く、ＵＶ硬化位置６５より前の印刷プロセス内に、一列に並んで取り付けられている。特に、水平化装置４０は、水平化されていないインク薄膜または印刷画像４５を水平化するための超音波照射の供給部を備えた音響ホーンまたは超音波ホーンであってもよい。実施形態では、任意の第２水平化装置５０は、印刷システム５５に含まれていてもよい。第２水平化装置５０は、必要に応じて基板の下の力を付加的に水平化するために、基板またはウェブ３５の真下に備え付けられてもよい。第２水平化装置５０はまた、第１水平化装置４０よりも下流のどこかに設置されてもよい。水平化装置４０および第２水平化装置５０は、もし含まれているならば、水平化されていないインク薄膜または印刷画像４５に超音波をあてる。その後、水平化されたインク薄膜または印刷画像６０は、次に、ＵＶ硬化位置６５において硬化して、最終的に硬化するインク薄膜または印刷画像７０を形成する。硬化位置において分与された紫外線は、波長が約２００〜約４００ナノメートルである光、可視光、電子ビームエネルギー、または同様のものであってもよい。硬化ステップを、水銀灯、ＵＶ硬化ランプ、キセノンランプ、レーザー光、Ｄ電球またはＨ電球、または、発光ダイオード（ＬＥＤ）といった、任意のＵＶ光源を通って、一列に並んで適用してもよい。必要に応じてまたは必要な場合、硬化する光を濾過してもよい。実施形態では、硬化ステップを、Ｆｕｓｉｏｎ ＵＶ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．の６００ＷのＤ電球を備えたＬｉｇｈｔｈａｍｍｅｒを用いて、オフラインで導いてもよい。

硬化ステップに長時間費やす必要はなく、例えば約０．０５〜約１０秒、より好ましくは約０．１〜約５秒間であってもよい。これらの放射線にさらされる時間は、より多くの場合、ＵＶランプ下を通過するインクの基板速度として表される。例えば、Ｆｕｓｉｏｎ ＵＶ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．（Ｇａｉｔｈｅｒｓｂｕｒｇ，Ｍｄ．）から市販されている、マイクロ波によって励起され、ドープされた水銀球を、幅が１０ｃｍである楕円形のミラーアセンブリに取り付ける。複数のユニットを直列接続して取り付けてもよい。したがって、０．１ｍｓ^−１のベルト速度は、単一のユニットの通過に画像地点において１秒を必要とし、一方、ベルト速度４．０ｍｓ^−１は、４つの電球アセンブリの通過に０．２秒を必要とする。インクの硬化性成分が反応して、適切な硬さの硬化されたまたは架橋結合されたネットワークを形成する。硬化がほぼ完了していることが好ましい。すなわち、硬化性成分の少なくとも７５％が、硬化している（重合し、および／または、架橋結合されている）ことが好ましく、インクをほぼ固めることができ、これにより、インクをさらに傷つきにくくし、さらには基板における透き通し度を十分に制御できる。

本システムおよび本方法において、普通紙（例えば、ＸＥＲＯＸ ４２００紙、ＸＥＲＯＸ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｒｉｅｓ紙、Ｃｏｕｒｔｌａｎｄ ４０２４ ＤＰ紙）、罫線を引いたノート紙、ボンド紙、シリカコート紙（例えば、Ｓｈａｒｐ Ｃｏｍｐａｎｙシリカコート紙、十條製紙、ＨＡＭＭＥＲＭＩＬＬ ＬＡＳＥＲＰＲＩＮＴ紙など）、光沢のあるコート紙（例えば、ゼロックスのデジタル・カラー・グロス、Ｓａｐｐｉ Ｗａｒｒｅｎ ＰａｐｅｒのＬＵＳＴＲＯＧＬＯＳＳ）、特殊紙（例えば、ＸＥＲＯＸのＤＵＲＡＰＡＰＥＲなど）、透明材料、布、織物製品、プラスチック、高分子フィルム、無機記録媒体（例えば、金属および木材など）、透明材料、布、織物製品、プラスチック、高分子フィルム、無機基板（例えば、金属および木材など）を含む、任意の適切な基板または記録シートを用いることができる。

本明細書において説明したインクについて、以下の例においてさらに示す。全ての部分および割合は、別のやり方を示していない場合には、重量である。

理論実施例１
この理論実施例は、本実施形態の実行可能性を示すための実験について説明している。

インク組成１
表１により、加熱マントルにおいて９０℃に加熱された６００ｍＬビーカーに成分を混合して、Ｔ‐２５ホモジナイザープローブ（ＩＫＡ）を用いて４５分間均質化することによって、ＵＶ硬化性ゲルインク組成を準備する。

インク特性
実施例１に記載したインク組成は、ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ｒｈｅｏｍｅｔｒｉｃｓ ＲＦＳ‐３）の歪み制御レオメータを用いて流動性を測定することを特徴とする。温度スウィープは、１Ｈｚの掃引速度で、９０°Ｃ〜３０°Ｃまで５度ごとに測定できる。図３は、例示的なインクに関する複素粘度（ｙ−軸、センチポアズ）と温度（ｘ−軸、°Ｃ）とを示している。

印刷および水平化
インク１を、ダイレクトトゥーペーパー構造で用いられるように変更されたＸｅｒｏｘフェイザープリンタにおいてＭａｖｅｒｉｃｋの印字ヘッドを用いて、一枚のゼロックスのＤｉｇｉｔａｌ Ｃｏｌｏｕｒ Ｅｌｉｔｅ光沢紙に印刷する。水平化されていないインクを塗布した紙基板を、用紙搬送路に対して４５°傾斜した一列に並んだ超音波ホーンの下を通る５ｆｐｍで動作する、動いているコンベヤベルトに取り付ける。超音波ホーンは、ホーン周波数が２０，０００ｋＨｚおよび頂点間振幅が０．３ｍｍで動作している。

硬化
印刷および水平化されたインク薄膜を、１０フィート／分（ｆｐｍ）、３２ｆｐｍ、９０ｆｐｍ、１５０ｆｐｍ、２３０ｆｐｍを含む色々なコンベヤベルト速度で６００Ｗの水銀Ｄ電球を備えた、Ｆｕｓｉｏｎｓ ＵＶ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．から市販されているＦｕｓｉｏｎｓ ＵＶ Ｌｉｇｈｔｈａｍｍｅｒ（登録商標）を介して通過する。

Claims (10)

1. 相変化ゲルインクの水平化方法であって、
   前記相変化ゲルインクを基板に塗って、水平化されていないインク薄膜を形成するステップと、
   前記水平化されていないインク薄膜に超音波を照射して水平化されたインク薄膜を形成するステップと、を含む方法。
2. さらに、前記水平化されたインク薄膜を硬化するステップを含み、
   前記硬化ステップを約０．１〜約５秒の間実行する、請求項１に記載の方法。
3. 前記水平化されていないインク薄膜に前記超音波を約０．１〜約６０秒の間照射する、請求項１に記載の方法。
4. 前記水平化されていないインク薄膜に前記超音波を約５〜約１００Ｗの強度で照射する、請求項１に記載の方法。
5. 前記水平化されていないインク薄膜に前記超音波を周波数約２０，０００〜約３０，０００で照射する、請求項１に記載の方法。
6. 前記水平化されたインク薄膜の厚さは均一であり、約０．５〜約１００μｍである、請求項１に記載の方法。
7. インクジェット印字ヘッドから吐出することによって相変化ゲルインクを塗る、請求項１に記載の方法。
8. 前記インク薄膜は印刷画像である、請求項１に記載の方法。
9. 相変化ゲルインクの水平化システムであって、
   水平化されていないインク薄膜を形成するために、前記相変化ゲルインクを基板に移すための印字ヘッドと、
   水平化されたインク薄膜を形成するために、前記水平化されていないインク薄膜に超音波を照射するための水平化装置と、
   前記水平化されたインク薄膜を硬化するための硬化位置と、を含むシステム。
10. さらに、前記水平化されていないインク薄膜の下、または、前記第１水平化装置よりも下流のどちらか一方に設置された第２水平化装置を含む、請求項９に記載のシステム。