説明

インク水平化のシステムおよび方法

【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。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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10cps)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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許第5,376,402号
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】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)
【発明の概要】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】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。
【発明を実施するための形態】
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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10mPa‐sであってもよく、例えば約20°C〜約60°Cの温度では10mPa‐s〜約10mPa‐sである。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
超音波エネルギー強度Iは、
【数1】

の関数である。
ここで、ρは媒体の密度であり、fは音波周波数であり、x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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【表1】

【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。

【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2013−740(P2013−740A)
【公開日】平成25年1月7日(2013.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−111036(P2012−111036)
【出願日】平成24年5月14日(2012.5.14)
【出願人】(596170170)ゼロックス コーポレイション (1,961)
【氏名又は名称原語表記】XEROX CORPORATION
【Fターム(参考)】