JP2015093463A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インクの重ね打ちによって厚膜層を形成する場合に、良好な画像を形成可能な光硬化型インクを用いた画像形成装置を提供する。
【解決手段】光硬化型インク１００の滴を記録媒体６に向けて吐出し付着させる吐出ヘッド３と、記録媒体６上に付着した光硬化型インク１００を硬化させ定着させるために紫外線を照射する紫外線照射装置５と、を有する画像形成装置であって、紫外線照射装置５の照射する光の照射強度及び積算光量を、記録媒体６の光硬化型インク１００の硬化させる対象の層によって調節する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像形成装置に関し、特に、光硬化型のインクを用いた画像形成装置に関する。

従来から、光硬化型のインクを用いた画像形成装置として、紫外線硬化型インクに紫外線を照射しインクを硬化させることで、記録媒体に画像を定着させるインクジェット記録装置が知られている。

オンデマンド型の紫外線硬化型インクを用いたインクジェット記録装置は、記録媒体を選ばず画像形成を行えることが広く知られている。近年、インクジェットプリンタの低価格化、高画質化、産業用途への普及により、紫外線硬化型インクを用いたインクジェット記録装置が様々な用途で数多く使用されている。

紫外線硬化型インクを用いたインクジェットプリンタでは、ヘッドキャリッジに搭載されたヘッドが、ヘッドキャリッジの移動によって記録媒体に沿って走査しながら、記録媒体上に紫外線硬化インクを吐出して着弾させる。インクが着弾した記録媒体は、紫外線光源によって紫外線照射され、記録媒体上の紫外線硬化インクが硬化し安定することによって画像が印刷される。

通常、紫外線照射は記録媒体の表側から行われていたため、インクの表層が早く硬化するのに対して、インク内部の硬化には時間がかかるという問題があった。照射する紫外線強度を強くすることで、インク内部を早く硬化させることができるが、紫外線強度及び紫外線照射時間の設計に制限が生じてしまう。特に、記録媒体とインクとの接触部には紫外線が届きにくいため、インクが定着するまでに時間がかかり、周囲の環境や吐出条件等により、滲みや変色が発生する場合がある。

特許文献１には、この問題を解決するために、主に記録媒体が塩化ビニルやポリプロピレン等の紫外線を透過する透明基材から形成されている場合に、記録媒体の裏面に紫外線を照射する技術が開示されている。これにより、記録媒体とインクとの接触部を早く硬化させることができ、短時間でインクを定着させ、滲みや変色の発生を防止することができる。

また、特許文献１の画像形成装置においては、ヘッドキャリッジが記録範囲外にあるときにのみ紫外線照射を行い、ヘッドキャリッジが記録範囲内にあるときには紫外線照射を行わないので、ヘッドキャリッジには紫外線が照射されない。よって、ヘッドのインクに紫外線が照射されて硬化してしまうことがない。例えば、ヘッド吐出口内にあるインクや、吐出直後のヘッドに接触した状態のインクがヘッドの吐出口の部分で硬化して、インクの吐出が困難になるのを防止できる。

紫外線硬化型インクを用いたインクジェットプリンタにおいて、膜厚が厚い膜を記録媒体上に形成する場合に、吐出ヘッドから吐出されるインク滴を重ね打ちして画像を形成する必要がある。

吐出されるインク滴が記録媒体を形成する基材に着弾した際に、レベリングされず 着弾滴が濡れ広がってしまう場合がある。その場合、層が形成される度に紫外線照射を行い、都度インク滴を硬化させながら重ね打ちをすることにより画像形成を行う。この時、硬化されたインクが上に重ねられるインク滴を弾いてしまうなど、着弾位置精度等に悪影響が及ぶことがある。

また、膜厚が厚い場合、厚さに起因するインク層内部の硬化不良による塗膜特性の悪化や、記録媒体との密着性不足を防止する目的で、比較的高強度な光照射を行う。その影響で記録媒体が熱変形をしたり、インク硬化に伴う体積収縮により記録媒体が変形したりすることが問題となっている。

このように、厚膜層のインクをすべて完全硬化させるためにはある程度の光量が必要でありながら、過度な光量を照射した場合には基材変形が問題となり、両者を両立させ画像形成を行うことは非常に難しい問題である。特許文献１で開示されている、照射手段を備えた光硬化型インクを使用した画像形成装置においては、照射手段による光の照射強度が常に一定であり、この問題については何ら考慮されていない。

本発明の目的は、インクの重ね打ちによって厚膜層を形成する場合に、良好な画像を形成可能な光硬化型インクを用いた画像形成装置を提供することにある。

本発明の画像形成装置は、光硬化型インクの滴を記録媒体に向けて吐出し付着させる吐出ヘッドと、前記記録媒体上に付着した前記光硬化型インクを硬化させ定着させるために光を照射する照射手段と、を有する画像形成装置であって、前記照射手段の照射する光の照射強度及び積算光量のうち少なくとも一方を、前記光硬化型インクの硬化させる対象の層によって調節する調節手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、インクの重ね打ちによって厚膜層を形成する場合に、良好な画像を形成可能な光硬化型インクを用いた画像形成装置を提供することができる。

本発明の画像形成装置の実施形態１の印刷工程を示す図である。 本発明の画像形成装置の実施形態１の照射強度の調節方法を示す図である。 本発明の画像形成装置の実施形態２の照射強度の調節方法を示す図である。 本発明の画像形成装置の実施形態１のインク滴の硬化状態を示す図である。

＜実施形態１の構成＞
本発明の画像形成装置の実施形態１について、図１を参照しながら説明する。図１に示すように、画像形成装置１は、放電装置２、吐出ヘッドとしてインクジェットヘッド３、搬送ステージ４、照射手段として紫外線照射装置５を有する。紫外線照射装置５は、搬送ステージ４のインクジェットヘッド３とは反対側に搭載されている。

記録媒体６とインクの密着性を向上させるための加工手段は、放電装置２によるコロナ放電処理によるものである。加工手段は、コロナ放電処理によるものに限らず、例えばプラズマ放電処理によるものであっても良い。

なお、代表的な印字方式であるインクジェット方式を例に取り説明を行うが、印字方式は特に限定しない。また、光硬化型のインクとしては紫外線硬化型インクを用いることとするが、使用するインクは紫外線硬化型インクに限られず、光源から照射される光によって硬化する性質を持つインクであれば良い。また、照射強度の単位はｍＷ／ｃｍ²、積算光量の単位はｍＪ／ｃｍ²とする。

光硬化型のインクは、非浸透性インクのため、通常の水系インク等と比較して記録媒体の材質等を選ばず、記録媒体の選択肢が広がる利点を有する。そのため、ポリプロピレン、ポリエチレン等のプラスチック材への画像形成も可能とする。よって記録媒体６がプラスチック材で形成されている例で説明を行う。

紫外線照射装置５の光源としては、ＵＶ−Ａ、ＵＶ−Ｂ、ＵＶ−Ｃなどの各紫外線領域が発光スペクトルとして出力されるものが望ましい。例えば、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、無電極ＵＶランプ、ＵＶレーザー、キセノンランプ、ＬＥＤランプ、殺菌ランプ等を用いることができる。これら紫外線照射装置５に使用するランプは、インク組成物内の光重合開始材により選択され、光重合開始材の吸収特性により発光ピーク波長としてマッチングしたものが理想である。例として、インク組成物内の光重合開始材反応ピーク波長が３６５ｎｍであれば、３００〜４５０ｎｍの波長領域が強いメタルハライドランプ、光重合開始材反応ピーク波長が２４０ｎｍであれば高圧水銀ランプ等を選択することが適当である。

実施形態１では、例としてピークの発光波長が３８０ｎｍ近傍のインクを使用するので、紫外線照射装置５の光源５ａには、照射強度が２０００ｍＷ／ｃｍ²のメタルハライドランプを使用する。

紫外線照射装置５には、出力される各領域の発光スペクトルの総出力のパワー変更制御機能が備えられており、０％出力から１００％出力まで、インク硬化に必要且つ狙いの膜特性を得るために必要な照射強度、積算光量を任意に変更可能なシステムとなっている。これが照射強度及び積算光量の調節手段となる。また、紫外線照射装置５には直流電源を用いる。

＜実施形態１の動作＞
まず、画像形成工程では、搬送ステージ４上にセットされた記録媒体６が搬送ステージ４上を搬送され、放電装置２によってコロナ放電処理が施される。その後、インクジェットヘッド３の下にてインクが吐出され、画像が形成される。

次に、画像形成に用いられた紫外線硬化型インクは、下流工程である紫外線照射工程に搬送される。紫外線照射工程では、画像形成後１秒以内に紫外線照射装置５により紫外線が照射され、瞬時に硬化促進される。

膜厚を必要とする用途の場合、インクジェット方式ではインク吐出を繰り返し行い、重ね打ちを実施し膜厚を確保する。この場合、画像形成工程及び紫外線照射工程が層の数だけ繰り返される。図２の（ａ）は、第一層目に紫外線を照射する様子を示している。図２の（ｂ）は、第二層目に紫外線を照射する様子を示しており、前述のパワー変更制御機能の働きで、図２の（ａ）と比較して出力が大きくなっている。第三層目に紫外線を照射する様子を示す図２の（ｃ）では、さらに出力が大きくなっている。

これにより、図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における紫外線の照射強度をＰ１、Ｐ２、Ｐ３とすると、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３という照射強度の関係が成立するようにする。

＜実施形態１の作用・効果１＞
紫外線照射装置５がインクジェットヘッド３と反対側に搭載されているため、インク硬化のために形成画像に向けて照射された紫外線は、記録媒体６の裏面から照射される。このため、記録媒体６自身を加熱し、インクの定着性を増す。また、本来の目的であるインク硬化についても、記録媒体６と記録媒体６表面に着弾したインクの界面に最も先に光が到達するため、界面の密着性を向上することができる。

＜実施形態１の作用・効果２＞
画像形成装置１では、紫外線照射は記録媒体６上に画像形成された光硬化型インクに対して、画像形成後１秒以内に紫外線を照射している。このように、吐出から照射までの時間を極力短くすることにより、形成されたインク滴のレベリングを抑えることができ、輪郭の整ったドットにて画像形成することが可能となる。

＜実施形態１の作用・効果３＞
図２に示すように、各層のインク組成が違う場合は、当然インク硬化のための照射条件も各層により異なる。よって、良好な形成膜を得るためには画像構成層により照射条件を変更する必要がある。さらに、重ね打ちの特徴として、既に紫外線照射により構成された層の上に着弾する滴は、下の層の表面が完全硬化している場合に弾かれてしまう。その結果、目的の位置に着弾不可能となってしまう他、密着性が満足できない場合があり、画像品質に大きな影響を与える。次滴の着弾表面部は、半硬化状態であることが望ましい。半硬化状態とは仮硬化状態と言い換えても良く、インクが完全に固まっておらず、着弾するインク滴を弾かない程度に硬化している状態を表す。

実施形態１では、紫外線は記録媒体６の画像形成面とは反対側から照射され、更に紫外線の照射強度を、画像構成層により変化させることにより、基材との密着性の確保し、さらには各層間の層間剥離を防止可能な照射条件にて膜構成が可能となっている。

また、前記インク硬化に用いる紫外線の照射強度及び積算光量は、基材との密着性、あるいはインク層間の密着性に大きな影響を与えることはもちろん、形成される膜特性にも大きな影響を及ぼす。具体的には膜強度やグロス感、膜表面状態は、上記各照射条件を変化させることにより制御することが可能である。この照射条件を精密に決定することで、最終製品の画像品質を決めることができる。

前述の通り、図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）における紫外線の照射強度Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３には、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３という関係が成立している。図４は、図２の（ａ）に示す照射を行った後の第一層目表面の様子を示している。照射される紫外光は基材裏面から到達するため、記録媒体６とインク滴１００の界面に紫外線が強く照射される。そのため、インク滴の上部１００Ａは半硬化状態となり、１００Ｂに示す下部は完全硬化状態となる。また、第二層目については、第一層目のインクと第二層目のインクの層間が完全硬化状態となり、第二層目の上部は半硬化状態となる。

ここで、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３を成立させることにより、多層すべての層に光を到達させ、インクを完全硬化させることができる。さらに、次層を形成するための光が弱い半硬化部位を形成することにより、下層インクにて次層インクを弾くことが無くなるため、目的の位置に滴を着弾させ、良好な画像形成を行うことが可能となる。

＜実施形態１の作用・効果４＞
積算光量を一定にしたい場合に、照射強度が大きい光を短時間照射する手段と、照射強度が小さい光を長時間照射する手段両者が考えられるが、光源５ａからの焦点距離は一定のため、記録媒体６が焦点部を通過する時間は一定である。積算光量を確保したい場合、搬送速度を落とすことも考えられるが、生産性が劣ってしまう。

そこで、紫外線照射装置５には電源ＯＦＦ／ＯＮが瞬時に行える直流電源を使用し、安定した硬化に必要な光を瞬時に得ることが可能としている。また瞬時に電源ＯＦＦ／ＯＮが行えることにより、硬化に不要な光を印字ヘッド部に漏らすことが無くなり、ノズル面でのインク硬化を防止できる他、省エネ対応としても有効である。

＜実施形態１の作用・効果５＞
記録媒体６はポリプロピレン、ポリエチレン等のプラスチック材であるため、表面には官能基が存在しない。そのため、記録媒体６上に画像形成を行う場合、密着性を得るための対策をとる必要がある。多くのプラスチックは接着作用を促進するための物質を含むが、場合によっては製品由来の触媒が存在し、これらの物質が基材とインク境界面に拡散することで、密着力が弱まる場合がある。そのため、プラスチック材の表面を溶剤で洗浄する等の対応が取られている。しかしこれらの対応はオンライン化することが極めて困難である。

そこで、実施形態１では、インクジェットヘッド３によるインク吐出が行われる前に、放電装置２でコロナ放電処理を記録媒体６の表面に施している。放電装置２は比較的容易にオンライン化することができる。空気中で行われるコロナ放電により、プラスチック表面を攻撃できる反応性のイオンやラジカルが生成し、これらの反応種が酸素と反応可能なラジカルをプラスチックで形成された記録媒体６の表面に生成させる。そしてこの表面が酸化されることで、優れた水素結合特性をもつカルボニル基や水酸基、ヒドロペルオキシ基が生成される。

また、コロナ放電処理でなくプラズマ放電処理を行う場合にも同じ効果が得られる。プラズマは、大幅に加速された高エネルギーの電子やイオンの流れからなり、これらの電子やイオンが記録媒体６の表面を攻撃し、酸化を非常に効率よく進捗させる。これらの効果により、最も基本となる記録媒体６と最下層インクの密着性を前処理にて向上させることができる。

＜実施形態２の構成＞
実施形態２においても、実施形態１の場合と構成はほぼ同じである。実施形態２では、紫外線照射装置５にパワー変更制御機能の代わりに焦点位置調整機能が備わっている点で実施形態１と異なる。この焦点位置調整機能によって、紫外線照射装置５から照射される紫外線の焦点位置を変化させることができる。また、実施形態１では紫外線照射装置５には直流電源を用いているが、実施形態２では交流電源を用いても良い。図３に示すように、焦点位置調整機能として、紫外線照射装置５の位置を上下に移動させる手段が設けられている。

＜実施形態２の動作＞
図３に示すように、紫外線照射装置５を搬送面と垂直方向に移動させ、焦点位置を変化させる。これによって記録媒体６に照射される紫外線の照射強度及び積算光量を調節する。

＜実施形態２の作用・効果＞
実施形態２でも、実施形態１と同様に、紫外線は記録媒体６の画像形成面とは反対側から照射され、更に紫外線の照射強度を画像構成層により変化させることにより、基材との密着性の確保、各層間の層間剥離を防止可能な照射条件での膜構成が可能となる。

また、紫外線照射装置５に交流電源を用いる場合、出力を瞬時に変化させることができないという欠点があるが、実施形態２の方法によれば、出力を変化させることなく照射強度及び積算光量の調節が可能である。

同じ制御出力で硬化を行う場合、膜厚の大小、硬化対象の膜の多層構成における位置等によって仕上がりの膜特性には差異を生じる。また、層ごとにインクの組成が違う材料での画像形成の場合も同様である。実施形態１及び実施形態２では、印字毎にそれぞれの目的に合った照射条件で、照射強度及び積算光量を任意に変更することで、最適照射を行うことが可能となる。

なお、上記の実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

１ 画像形成装置
２ 放電装置
３ インクジェットヘッド
４ 搬送ステージ
５ 紫外線照射装置
６ 記録媒体

特開２００３−２００５６４号公報

Claims (9)

1. 光硬化型インクの滴を記録媒体に向けて吐出し付着させる吐出ヘッドと、
   前記記録媒体上に付着した前記光硬化型インクを硬化させ定着させるために光を照射する照射手段と、
   を有する画像形成装置であって、
   前記照射手段の照射する光の照射強度及び積算光量のうち少なくとも一方を、前記光硬化型インクの硬化させる対象の層によって調節する調節手段を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記照射手段は、
   前記記録媒体のインクが付着する面の反対側から照射を行うように設けられていることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
3. 前記光硬化型インクは紫外線硬化型インクで、前記照射手段によって照射される光は紫外線であることを特徴とする請求項１または２記載の画像形成装置。
4. 前記調節手段は、
   前記照射手段の出力を変化させることにより照射する光の照射強度及び積算光量の調節を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像形成装置。
5. 前記調節手段は、
   前記照射手段の焦点距離を変化させることにより照射する光の照射強度及び積算光量の調節を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像形成装置。
6. 前記調節手段は、
   前記記録媒体上に形成される前記光硬化型インクの層が多いほど、照射強度を大きくすることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
7. 前記吐出ヘッドによるインク吐出を行う前に、前記記録媒体の表面にインクとの密着性を向上させるための加工を行う加工手段をさらに有する請求項１から６のいずれか１項に記載の画像形成装置。
8. 前記加工手段は、プラズマ放電処理によるものであることを特徴とする請求項７記載の画像形成装置。
9. 前記加工手段は、コロナ放電処理によるものであることを特徴とする請求項７記載の画像形成装置。

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