JP3760621B2 - 画像形成装置及び画像形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ、ファクシミリ、複写機等に用いられる画像形成装置及び画像形成方法に係り、特に高品質画像の記録に好適な画像形成装置及び画像形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録装置は、必要とされるプロセス数が少なく、低コスト、小電力で小型化ができる画像形成装置として広く普及している。
【０００３】
しかし、インクジェット記録装置においては、普通紙に記録する場合や、インク量の多いカラー画像を印字する場合、あるいは印字速度を高めて印字した場合に、紙に波打ちが発生したり、にじみ、裏抜けなどの問題点が生じることがある。これは、紙の繊維に沿って起こる液体の浸透や紙に移行する水分過多などが原因である。さらには、記録画像の紙への定着力が弱く、耐水性に劣るという問題もある。逆に、記録スピードが遅い場合や、インクの粘度が低い場合、あるいはインクの表面張力が低い場合には、インクの記録媒体への浸透が進み、インク中の色材も記録紙の中まで浸透してしまい、画像濃度や彩度が低下するという問題が生ずる。
【０００４】
そこで、記録媒体上のインク付着部の裏面をヒーターなどで熱して水を蒸発させることにより、上記の問題を解決する方法が特開平５−１１１９９９号公報に開示されている。また、インク中の染料を不溶化させる液体で記録媒体を前処理した場所に、インクを重ね打ちすることにより、記録媒体上でインクを不溶化し、耐水性を向上させる技術が特開平８−３９７９５号公報に開示されている。さらに、特開昭５６−８９５９５には、インクを記録媒体に付着させるのに先立って、記録媒体表面に水溶性高分子の皮膜を形成させることにより、色材の紙中への浸透を防ぎ、色調の鮮明さ等を改善する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来から各種の提案がなされているが、いずれも十分ではない。水分をヒーターで蒸発させる方法は、記録に要するトータルのエネルギーが大幅に増える上、耐水性が劣る問題は依然として残る。また、インク中の染料を不溶化させる液体で記録媒体を前処理する方法は、画像濃度の低下と耐水性の向上にはある程度の効果はあるものの、インク中の水分の処理は何もなされないので、インク量の多いカラー画像を印字する場合、あるいは印字速度を高めて印字した場合には、紙に水分過多が原因の波打ちが発生する。さらに、インクを記録媒体に付着させるのに先立って、記録媒体表面に水溶性高分子の皮膜を形成させる方法は、記録媒体へのインク付着後の水分の処理は蒸発乾燥が主となるため、乾燥時間が長くなるという問題が生ずる。
【０００６】
従って本発明の目的は、上記の問題を解決し、高品質画像の記録を可能とする画像形成装置及び画像形成方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、前処理液を記録媒体に付与する前処理部と、前処理液の付与された記録媒体上にインクを付与して画像を形成する画像形成部と、画像の形成された記録媒体に固化液を付与する画像定着部とを有する画像形成装置により、達成される。
【０００８】
ここで前処理液は、多糖類高分子を含むものであって無色のものを用いるのがよい。また、インクは多糖類高分子と着色剤を含むもの、また固化液は金属塩を含むものを用いるのがよい。前処理液あるいはインクに固化液を付与すると、固化液中の水に溶解された金属塩が、インク及び前処理液中の水に溶解された多糖類高分子の中へ拡散しつつ、瞬時に溶媒である水を抱え込ませる。これによってインク、固化液、前処理液からなる画像構成物が一体化する形で瞬時に固化し、画像が記録媒体上に定着される。
【０００９】
多糖類高分子としては、アルギン酸、アルギン酸一価金属塩、カラゲーナン、ペクチンの内どれか１種類もしくはそれらの組み合わせがあげられる。インク中の多糖類高分子の量は、前処理液、インクと固化液の構成成分である水を十分に水和できる量であり、かつ着色剤を記録媒体へ固定するために十分な量であることが重要で、その濃度は１重量％以上、好ましくは３重量％以上である。１重量％以下では水和されない水が存在し、その余剰水は用紙中へ浸透してしまい、かつインクの記録媒体への定着強度が十分でない。上限は１０重量％で、これ以上では多糖類高分子を含有するインクが固くなりすぎ、吐出性が悪くなる。
【００１０】
多糖類高分子の分子量は、１０，０００以上好ましくは、５０，０００以上、１，０００，０００以下が適当である。低分子量の場合は皮膜形成能が不足して前処理液、インクと固化液からなる画像構成物の記録媒体への定着強度が低い。１，０００，０００以上での場合は、多糖類高分子を含有するインクが固くなりすぎ吐出性が悪くなる。
【００１１】
金属塩の水溶液のｐＨは、多糖類高分子の種類によって好ましい値は異なるが、ｐＨ６から９の範囲内にあればよく、好ましくはｐＨ６．５から８．５の範囲内が適当である。これは、酸性やアルカリの強い液体が記録媒体である紙と接触することは、紙の耐久性上好ましくないからである。
【００１２】
前処理部は、前処理液の薄膜を形成するロールを用いて構成することができる。このときの薄膜の厚さは０．５〜２０μｍが適当である。また画像定着部は、画像の形成された記録媒体に圧力を加えながら固化液を付与する部材を用いて構成することができる。
【００１３】
また本発明に係る画像形成方法は、多糖類高分子と水とを含む前処理液を記録媒体に付与する工程と、前処理液で処理された記録媒体上に多糖類高分子と着色剤と水とを含むインクにより画像を形成する工程と、画像が形成された記録媒体に金属塩と水とを含む固化液を付与して画像を定着する工程とを有する。固化液の付与は、画像が形成された記録媒体に圧力を加えながら行うとよい。
【００１４】
このように本発明では、多糖類高分子と水とを含む無色の前処理液と、多糖類高分子と着色剤と水とを含むインクと、金属塩と水とを含む固化液とを備えたインクセットを用いて、記録媒体上に画像を形成し定着するのである。
【００１５】
本発明において重要な点は、前処理液と固化液を用いることにより、▲１▼インクの紙への急速な浸透をさせない、▲２▼記録媒体上の画像構成物を瞬時に一体化させて不溶化する、▲３▼画像構成物の不溶化を低エネルギーで行うようにしたことである。
【００１６】
これにより本発明は、紙の波打ちやインクのにじみ、裏ぬけなどが発生せず、また画像濃度や彩度の低下のない高品質の画像を形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る画像形成装置の一実施例を示す概略図である。同図に示すように、記録媒体１は送りロール４００により矢印Ａ方向に搬送される。そして記録媒体１は、始めに前処理部１００を通過し、次に画像形成部２００を、そのあと画像定着部３００をそれぞれ通過する。
【００１８】
前処理部１００は、記録媒体１に無色の前処理液２を付与する。付与方法としては、ロール上に薄膜を形成した後、それを記録媒体１に転移する方法、あるいは前処理液２をインクジェット法により画像部のみあるいは画像部とその近傍に付与する方法などがある。
【００１９】
図２は、記録媒体１に無色の前処理液２を付与した状態を示す図である。前処理液２の付与にロールを使用する場合には、ロール上に形成する前処理液２の薄膜の厚さは、０．５〜２０μｍ、さらに紙しわを発生させないことを考慮すると１〜５μｍが好ましい。前処理液２が付与されると、図のように、凹凸のある記録媒体１の表面３が前処理液２で覆われ、その一部は記録媒体１内に浸透する。特に記録媒体１として紙を使用した場合には、後述する前処理液２中の多糖類高分子が紙の毛細管を塞ぐ形で浸透するため、次工程で付与するインク中の色材の紙中への浸透を防ぐことができる。
【００２０】
前処理部１００により前処理液が付与された記録媒体１は、次に画像形成部２００に搬送される。画像形成部２００は、画像情報に基づいて、前処理液が付与された記録媒体１上にインクを付与して画像を形成する。
【００２１】
図３は、画像形成部２００により前処理された記録媒体１上にインク４による画像が形成された状態を示す図である。本図に示すように、インク４は、前処理液２の存在により記録媒体１中に浸透せずに、印刷画像のように薄膜状となる。また、前処理液２にインク４が付与されると、前処理液２中の多糖類高分子と、後述するインク４中の多糖類高分子が一部絡み合い、一体化したものとなる。記録媒体１の表面３は前処理液２中の多糖類高分子でブロックされた形となっている。したがって、インク４中の多糖類高分子の量を多くして必要以上にインク粘度を高くし、浸透を遅らせる必要がない。これにより、従来型のインクジェット装置や、吐出力の大きなものとして放電インクジェット装置などを使用することができる。
【００２２】
図４は、画像定着部３００の構成の概略を示す図である。画像形成部２００により画像が形成された記録媒体１は、画像定着部３００に搬送される。画像定着部３００は、固化液７を付与することによって前処理液２やインク４を瞬間的に固化する。画像定着部３００は、図に示すように、矢印Ｂの方向に回転する固化液塗布ロール６と、固化液塗布ロール６上に固化液７を供給するフェルト８と、固化液７をフェルト８に供給する図示しない固化液供給装置と、固化液塗布ロール６と同速度で矢印Ｃの方向に回転しながら記録媒体１に圧力を加える圧力ロール５とを有する。圧力ロール５と固化液塗布ロール６との間に搬送される記録媒体１には、両ロール５、６により圧力が加えられるので、画像構成物が記録媒体１にしっかりと結合し、画像の定着性が良くなる。
【００２３】
図５は、画像が形成された記録媒体１に固化液７を付与した後の状態を示す図である。固化液７は、前処理液２とインク４を一体化させる役割を有し、最終画像にはその存在が認識されない状態にある。そのため本図には、固化液７は図示されていない。この場合も、上述した毛細管のブロック効果と、瞬間的な固化により、色材の記録媒体１への浸透は発生しない。記録媒体１に塗布される固化液７の量は、インクが固化するのに必要最低限でよい。
【００２４】
固化液塗布ロール６の表面は、金属、スポンジ、ウレタン、ゴム、吸水性樹脂等、水に濡れやすいあるいは吸水性のある材質が適している。フェルト８も同様に、吸水性の高いものを選択する。また、画像定着部３００の構成は、上述の固化液塗布ロール６に限定されるものではなく、固化液をスリットから供給する方法、ミスト状に噴霧する方法、あるいは通常のインクジェット方式を用いて画像部のみ、あるいは画像部とその近傍に供給する方法も使用できる。
【００２５】
前処理部１００及び画像形成部２００により画像の形成された記録媒体１が画像定着部３００に到達すると、記録媒体１と接触した固化液塗布ロール６の回転により、記録媒体１上のインク４と前処理液２が一体化した画像構成物に固化液７が塗布され、インクが瞬時に固化すると同時に、耐水性が与えられる。ここで、インク４中の色材は記録媒体１の表面に存在したまま、他の多糖類高分子や水等と共に固化されるので、画像濃度や彩度の低下のない画像が得られる。これらのメカニズムは上述した通り、固化液中の水に溶解された金属塩が、インク及び前処理液中の水に溶解された多糖類高分子中へ拡散しつつ瞬時に溶媒である水を抱え込ませるからである。
【００２６】
多糖類高分子としては、寒天（アガロース）、カラゲーナン、アルギン酸ナトリウム、カードラン、ペクチン、コンニャクマンナン、ジェランガム、カードラン、キサンタンガム、デンプン、ガラクトマンナン、ニトロセルロース、ペクチニン、プロテオグリカン、グリコプロテイン、ベイジェランなどがあるが、これらに限られるものではない。
【００２７】
金属塩としてはカリウムイオン、セシウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオン、アルミニウムイオン、鉄イオン、銅イオン、酸化バナジウムイオンなどを持つ塩が挙げられるが、これらに限られるものではない。また、用いる多糖類高分子の種類によって好ましい金属塩の種類がある。例えばアルギン酸ナトリウムの場合はカルシウムイオン、バリウムイオン、アルミニウムイオンなどを持つ多価金属塩が好ましい。また、カラゲーナンの場合はカリウムイオンやセシウムイオンなどを持つ金属塩が好ましい。
【００２８】
多糖類高分子の例をさらに詳述すると、アルギン酸、アルギン酸一価塩があげられる。アルギン酸は褐藻類から抽出される天然の多糖類高分子で、ワカメや昆布などに含まれている。主としてアルギン酸はナトリウム塩として食品、医薬品、化粧品などの各分野で水溶性の増粘剤として、或いはカルシウムを添加してゼリーとして、或いは酵素の固定化ビーズとしてなど多種多様に用いられている。アルギン酸ナトリウム塩の構造はβ−１，４−Ｄ−マンヌロン酸（Ｍ）とα−１，４−Ｌ−グルロン酸（Ｇ）の重合体からなるナトリウム塩である。アルギン酸ナトリウムはカルシウムなどの多価金属塩とキレートを形成し水分を取り込んでゲルとなる。これらが連鎖して高分子になるとＧＭ，ＭＭ，ＧＧの比率によりゲル形成能は著しく異なる。ＧＧクラスタ領域は分子が曲げられており、そこにカルシウムイオンが入ってエッグボックス型の構造が形成され強固な高分子が形成され固化する。形成されるゲルは、アルギン酸の分子量の増大とともに皮膜形成能が高まり、水や油に溶解しない膜が形成される。分子量は１０，０００以上、好ましくは５０，０００以上が適している。
【００２９】
多糖類高分子の例として先に挙げたカラゲーナンは、紅藻類から抽出される海藻多糖類である。カラゲーナンの化学構造は分子量が数十万から数百万の直鎖状高分子で、Ｄ−ガラクトース、３，６−アンヒドロ−Ｄ−ガラクトース、および硫酸基からなっている。硫酸基の含有量により、κ型、λ型、τ型の３種類がある。生成されるゲルの力学的強度が強い点でκ型が好ましい。これはカリウムやセシウムなどの１価または多価のカチオンイオンの存在で瞬時にゲル化する。カラゲーナンはらせん構造を分子鎖中に持っている。このらせん構造の部分がカチオンイオンを介して凝集しゲルを形成するといわれている。
【００３０】
これら多糖類高分子ゲルの皮膜形成ゲル化能を応用して、インクと前処理液が一体になった画像構成物を記録媒体上で固化させる。固化後は不溶化された皮膜となるので、耐水性に優れたものとなる。インクは多糖類高分子と着色剤からなる水溶液である。これに着色剤の分散剤など一般的によく知られる他の成分を添加してもよい。さらに、インクが紙に付着後すぐに、固化液により水を抱え込みながら固化されるので、紙の波打ちや裏ぬけも防止でき高品質な画像が得られる。
【００３１】
また、着色剤はよく知られている水溶性染料、有機顔料等が使用可能であるが、ゲル形成に関与する金属イオン種を、画像構成剤中に水溶性染料や顔料の対イオンとして持つことは好ましくないので、用いる多糖類高分子種に応じて、ゲル形成に関与しない染料、顔料を選択する。染料や顔料の溶解、分散状態をさらに安定化させるため、いわゆる界面活性剤、分散剤、包接化合物等を添加してもよいが、この場合にもゲル形成に関与する金属イオン種を画像構成剤中に対イオンとして持つことは好ましくないので、用いる多糖類高分子種に応じて、ゲル形成に関与しない添加剤を選択する。
【００３２】
また、前処理液も多糖類高分子からなる水溶液である。前処理液にも、防腐剤等の添加剤を加えても良いが、この場合にもゲル形成に関与する金属イオン種を画像構成剤中に対イオンとして持つことは好ましくないので、用いる多糖類高分子種に応じて、ゲル形成に関与しない添加剤を選択する。さらに、使用するインクの表面張力を前処理液の表面張力より大きくするのがよい。これは、画像形成工程でインク滴を記録媒体に付与する際、インク滴が広がってしまうのを防止するためである。前処理液とインクに使用する多糖類高分子は別種のものでもよい。この場合には、それぞれのゲル化に必要とされる金属塩を固化液に含有させておけばよい。
【００３３】
もし、前処理液として多糖類高分子以外の水溶性高分子を使用した場合には、上述したようなゲル化が起こらないので、前処理液を付与した部分の乾燥が遅くなる。また、前処理液を用いずにインクで直接記録媒体上に画像を形成する方法でもある程度の効果が得られるが、その場合には紙への浸透を遅くするためにインクの粘度をあげる必要があったり、インクの浸透が早い場合は多少画像品質が落ちる場合がある。
【００３４】
【実施例】
（実施例１）
分子量２４０，０００のアルギン酸ナトリウム（紀文フードケミファ社製）３重量％ノニルフェノールエチレンオキサイド付加物０．５重量％をイオン交換水に分散して前処理液を調整した。また、インクとしてスペシャルブラックＢａｙｅｒ Ａ−ＳＦ（Ｂａｙｅｒ社製）１．５重量％、ナトリウムスルホン酸ホルマリン縮合物０．１重量％をイオン交換水に分散し、続いて分子量８０，０００のアルギン酸ナトリウム（紀文フードケミファ社製）３重量％を添加分散して黒インクを調整した。次に固化液として塩化カルシウムの５重量％水溶液（ｐＨ７．８）を調整した。この時、インクの表面張力の方が前処理液の表面張力より大きかった。
【００３５】
この前処理液を金属ロールを用いて普通紙ＦＸ−Ｊ紙、ＦＸ−Ｌ紙（富士ゼロックス社製）上に３μｍの厚みで均一に供給し、続いて放電インクジェット方式で前処理液が塗布された記録媒体上に像状にインクを供給し、図４に示す装置で固化液を紙上に均一に供給して前処理液とインクを一体となった形で固化させた。その結果、最終的な出力画像は図５に示すような形で形成され、にじみや紙の波打ち、裏抜け等のなく、画像濃度、彩度の低下のない良好なものとなった。
【００３６】
このように本発明では、記録媒体の波打ち、インクのにじみや裏抜け等のない高品質の画像を実現することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、高品質画像の記録を可能とする画像形成装置及び画像形成方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像形成装置の一実施例を示す概略図である。
【図２】記録媒体に前処理液を付与した状態を示す図である。
【図３】記録媒体上にインクによる画像が形成された状態を示す図である。
【図４】画像定着部の構成の概略を示す図である。
【図５】画像が形成された記録媒体に固化液を付与した状態を示す図である。
【符号の説明】
１ 記録媒体
２ 前処理液
３ 記録媒体表面
４ インク
５ 圧力ロール
６ 固化液塗布ロール
７ 固化液
８ フェルト
１００ 前処理部
２００ 画像形成部
３００ 画像定着部
４００ 送りロール

Claims (13)

1. 多糖類高分子と水とを含む無色の前処理液を記録媒体に付与する前処理部と、前処理液の付与された記録媒体上に多糖類高分子と着色剤と水とを含むインクを付与して画像を形成する画像形成部と、画像の形成された記録媒体に金属塩と水とを含む固化液を付与する画像定着部とを有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記前処理部は、前処理液の薄膜を形成するロールを備えることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
3. 前記薄膜の厚さは、０．５〜２０μｍであることを特徴とする請求項２記載の画像形成装置。
4. 前記画像定着部は、前記記録媒体に圧力を加えながら固化液を付与するための部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像形成装置。
5. 多糖類高分子と水とを含む前処理液を記録媒体に付与する工程と、前記前処理液で処理された記録媒体上に多糖類高分子と着色剤と水とを含むインクにより画像を形成する工程と、画像が形成された前記記録媒体に金属塩と水とを含む固化液を付与して画像を定着する工程とを有することを特徴とする画像形成方法。
6. 前記前処理液は無色であることを特徴とする請求項５記載の画像形成方法。
7. 前記固化液を付与する工程は、画像が形成された前記記録媒体に圧力を加えながら固化液を付与することを特徴とする請求項５又は６記載の画像形成方法。
8. 多糖類高分子と水とを含む無色の前処理液と、多糖類高分子と着色剤と水とを含むインクと、金属塩と水とを含む固化液とを備えたことを特徴とするインクセット。
9. 前記多糖類高分子がアルギン酸、アルギン酸一価金属塩、カラゲーナン、ペクチンの内の１種類もしくはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項８記載のインクセット。
10. 前記多糖類高分子の分子量が１０，０００以上１，０００，０００以下であることを特徴とする請求項８記載のインクセット。
11. 前記インク又は前記前処理液の多糖類高分子の濃度は１重量％から１０重量％であることを特徴とする請求項８記載のインクセット。
12. 前記固化液のｐＨが６から９の範囲内にあることを特徴とする請求項８記載のインクセット。
13. 前記インクの表面張力は、前記前処理液の表面張力より大きいことを特徴とする請求項８記載のインクセット。

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