JP5239961B2 - 画像形成装置及び画像形成方法 - Google Patents

Description

本発明は画像形成装置及び画像形成方法に関し、特に紫外線硬化型インクを使用する画像形成装置及び画像形成方法に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これらの複合機等の画像形成装置として、例えばインク液滴を吐出する記録ヘッドを画像形成手段として用いた液体吐出記録方式の画像形成装置としてインクジェット記録装置などが知られている。この液体吐出記録方式の画像形成装置は、記録ヘッドからインク滴を、搬送される用紙（紙に限定するものではなく、ＯＨＰなどを含み、インク滴、その他の液体などが付着可能なものの意味であり、被記録媒体あるいは記録媒体、媒体、記録紙、記録用紙などとも称される。）に対して吐出して、画像形成（記録、印字、印写、印刷も同義語で使用する。）を行なうものであり、記録ヘッドが主走査方向に移動しながら液滴を吐出して画像を形成するシリアル型画像形成装置と、記録ヘッドが移動しない状態で液滴を吐出して画像を形成するライン型ヘッドを用いるライン型画像形成装置がある。

なお、本願において、液体吐出記録方式の「画像形成装置」は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味し、また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与すること（単に液滴を媒体に着滴させること）をも意味する。また、「インク」とは、インクと称されるものに限るものではなく、吐出されるときに液体となるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ＤＮＡ試料、レジスト、パターン材料なども含まれる。

このような画像形成装置において、インクとして紫外線硬化型インクを使用するものが知られている。例えば、紫外線が照射されることで硬化するインクをノズルから記録媒体に向けて吐出する記録ヘッドと、記録媒体上に吐出されたインクに紫外線を照射する紫外線照射部と、記録ヘッドと紫外線照射部との間に設けられ、紫外線照射部から照射された紫外線を捕捉する記録媒体側に向かって開口した光トラップとを備え、ノズル面への紫外線入射量を低減してインクの安定吐出を長期にわたって行えるようにするものがある（特許文献１）。

また、ノズル天板と保護板に紫外線吸収性とＵＶインクの弾き性を持たせることにより、反射して記録ヘッドに向かう紫外線を吸収するようにし、さらに、カチオン系インクは高感度なため極微量の紫外線でも増粘するので、休止ノズルのインクメニスカスを微振動させて、ノズル内で増粘したインクを攪拌して間欠吐出性を向上するようにしたものが知られている（特許文献２）。

さらに、ホームポジションとヘッド移動方向変換位置のそれぞれの領域に該領域内の紫外線照射装置の出射口の下側に近接するように、紫外線の記録ヘッドへの一次反射を防止する板材を配設し、ヘッド部がホームポジションとヘッド移動方向変換位置に移動したとき、紫外線照射装置から照射される紫外線の一次反射光が記録ヘッドのノズルに当たり、インクが硬化してヘッド部のインクの通路が詰まるのを防止するようにしたものも知られている（特許文献３）。

特開２００４−１６７８７１号公報 特開２００５−４７２６１号公報 特開２００４−３３８２６４号公報

上述したように紫外線硬化型インクを用いて画像形成を行う場合、記録ヘッドのノズルから記録媒体に紫外線硬化型インクを吐出した後、記録ヘッドの近傍に設けた紫外線光源から紫外線光を照射して記録媒体に付着したインクを硬化させる。このとき、記録の精度を向上し、記録画像の品質を向上するには、インクが記録媒体に付着した瞬間、あるいはその直後に紫外線光が照射されてインクを硬化させることが好ましく、そのためには、紫外線光源の出射口が出きる限りノズルの近くにあることが必要である。

ところが、出射された紫外線光が記録媒体面で反射し、その反射光が記録ヘッド面に入射すると、記録ヘッドの表面に付着したインクが固化して固着し、これを除去するための特殊なメンテナンス工程が必要となる。また、記録ヘッドのノズル部分に紫外線が入射することによって、インクが硬化すると、吐出不能になったり、ノズル開口部でのインク吐出量や吐出方向などに変化が生じてインク吐出特性が低下したりするなど、画像品質を劣化させる原因となる。

そのために、上述した従来の種々の構成が採用されているが、これらの構成にあっては、紫外線照射部がノズル部から十分に離れている場合には多重反射によってノズルに達する紫外線を低減することに有効であるが、紫外線照射部がノズル部に近い場合には、記録媒体面による反射光が直接ノズル部に到達してしまい、ノズル部でインクが硬化してしまうという課題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、被記録媒体にインクが着滴した瞬間又はその直後に紫外線光を照射して硬化させることができるとともに、被記録媒体面で反射して画像形成手段のノズル面に到達する紫外線光量を低減することができて、インクの安定吐出を図り、高画質画像を安定して形成できるようにすることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る画像形成装置は、
紫外線を吸収することにより硬化するインクを被記録媒体に吐出するノズルを有する画像形成手段と、
前記被記録媒体に着滴した前記インクに対して紫外線光を照射して硬化させる硬化手段と、を備え、
前記硬化手段は、紫外線光源から出射される紫外線光の直線偏光成分を透過させる偏光素子を有し、偏光された紫外線光を前記インクに照射する
構成とした。

ここで、前記偏光素子は、前記被記録媒体の表面に対して垂直方向の偏光振動成分（Ｐ偏光）からなる紫外線を透過させる構成とできる。

また、前記被記録媒体に照射される前記偏光した紫外線光の前記被記録媒体の表面に対する光軸入射角度が、前記被記録媒体の表面における当該紫外線光の反射光が最小となる角度である構成とできる。

この場合、前記硬化手段からの前記偏光した紫外線光の出射口は前記画像形成手段に隣接して設けられている構成とできる。

また、前記画像形成手段と前記硬化手段とは一体化して設けられ、前記硬化手段からの前記偏光した紫外線光が前記被記録媒体の表面で正反射した位置に前記画像形成手段のノズルが開口している構成とできる。

本発明に係る画像形成方法は、
画像形成手段のノズルから紫外線を吸収することにより硬化するインクを被記録媒体上に吐出して付着させる印字工程と、
前記被記録媒体に着滴した前記インクに対して紫外線光を照射して硬化させる硬化工程と、を行い、
前記硬化工程では、紫外線光源から出射された紫外線光を、直線偏光成分を透過させる偏光素子を介して偏光させて照射して、前記インクを硬化させる
構成とした。

本発明に係る画像形成装置及び画像形成方法によれば、被記録媒体上に着滴したインクを、直線偏光成分を透過させる偏光素子を介して偏光させた紫外線光を照射して硬化させるので、被記録媒体面で反射される紫外線光量が低減し、インクの安定吐出が可能となって、高画質画像を安定して形成できる。

本発明の第１実施形態に係る画像形成装置の模式的説明図である。 偏光の入射角と反射率の関係の説明に供する説明図である。 反射率が最小になる角度の説明に供する説明図である。 本発明の第２実施形態に係る画像形成装置の模式的説明図である。 同装置の作用説明に供する模式的説明図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、本発明の第１実施形態に係る画像形成装置について図１の模式的説明図を参照して説明する。
この画像形成装置は、被記録媒体１に対して、紫外線を吸収することにより硬化する紫外線硬化型インク２を吐出するノズル３を有する画像形成手段（インク吐出手段）である記録ヘッド４と、被記録媒体１上に着滴した滴状のインク２に対して紫外線光を照射して硬化させる硬化手段５と、被記録媒体１を搬送する搬送手段８とを備えている。

ここで、被記録媒体１としては、普通紙、再生紙、光沢紙等の各種紙、各種布地、各種不織布、樹脂、ガラス等の材質からなるものや、これらを複合化したシートなどを利用可能である。特に、紫外線硬化型インクは、ガラス、樹脂、表面に樹脂をコートしたコート紙、光沢紙等において特に有効である。また、被記録媒体１の形態としては、ロール状、カットシート状、板状等がいずれの形態でもよい。

紫外線硬化型インク２は、主成分として、重合性化合物、光開始剤及び色材を少なくとも含むものである。このほか、レベリング剤や反応促進剤、反応禁止剤、増感剤などの添加剤を含んでもよい。紫外線硬化型インクは、重合性化合物として、ラジカル重合性化合物を含むラジカル重合系インクとカチオン重合性化合物を含むカチオン重合系インクとに大別されるが、その両系のインクがそれぞれ適用可能でありその混合系を用いても良い。また、色材としては黒、シアン、マゼンタ、イエロー、ホワイトなどの他、クリアインクや階調表現を豊かにする薄色インクを併用することも適用可能である。本実施形態では、一つの記録ヘッド４からは、何れか一色のインクが吐出され、図示していないが、各色毎の記録ヘッド４を備えている。

記録ヘッド４は、その下面に列上に並んだ複数のノズル３と各々のノズル位置に対応したインク室を備え、各インク室に対応して設けられたアクチュエータ手段（圧電アクチュエータ、サーマルアクチュエータ、静電アクチュエータなど）によって各インク室の体積を変化させることによって、所要のノズル３から所要のタイミングでインク２の滴を吐出することができる液体吐出ヘッドで構成される。なお、複数のノズル３は１列ないし複数列配列される。この記録ヘッド４にはインク供給手段１０から各色のインクが供給される。

硬化手段５は、紫外線光９を発する紫外線光源１１と、紫外線光源１１からの紫外線光９を偏光して偏光した紫外線光１２を出射する偏光素子１３とを備えている。

紫外線光源１１としては、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、熱陰極管、冷陰極管、ＬＥＤ等が適用可能である。特に、ＬＥＤ等のように照射光の波長分布が狭い光源が本発明には適している。また、図示を省略しているが、照射光学系としては集光後に平行光を照射するものが好ましい。

偏光素子１３は直線偏光のみを通す素子であり、特に被記録媒体１の表面に対して垂直振動成分（Ｐ偏光）のみを透過する角度に偏向素子１３が調整されている。また、偏光素子１３の基材としては紫外線光の吸収が少ない石英等が好ましく、紫外線光源１１側の面には反射防止処理が施されることが好ましい。ここで、図２（ａ）を参照して、ガラス面１００に対して垂直な入射面１０１を想定したとき、ガラス面１００に対して垂直な振動成分をＰ偏光、入射面１０１に対して垂直な振動成分をＳ偏光といい、各偏向（Ｐ偏光、Ｓ偏光）の入射角に対する反射率はガラス面１００の屈折率を１．５とするとき、図２（ｂ）に示すようになる。

この偏光手段１３から出射される偏光した紫外線光１２の出射口１３ａは記録ヘッド４に隣接して配置され、記録ヘッド４から吐出されたインク２が被記録媒体１上に着滴した瞬間又はその直後に偏光した紫外線光１２が当該着滴したインク２に照射される構成としている。

搬送手段８としては、駆動ローラ１４と従動ローラ１５との掛け回された搬送ベルト１６を使用しているがこれに限るものではない。搬送ローラを用いるもの、ＸＹステージを用いるもの、その組合せなどを利用することができる。この場合、被記録媒体１として連帳紙やロール状の媒体以外を扱う場合には、搬送手段の搬送面での紫外線光の乱反射を防ぐため、紫外線波長での透明性に優れた材質で表面が平滑な素材が好ましく、また、紫外線吸収率の高い素材も好ましい。

次に、このように構成した画像形成装置における本発明に係る画像形成方法について説明する。
ここでは、被記録媒体１としてロール状の透明樹脂フィルムを用い、搬送手段８によって透明樹脂フィルムを搬送しながら、記録ヘッド４の複数のノズル３から紫外線硬化型インク２を吐出して画像を形成する。

このとき、ノズル３から吐出されたインク２は約１ｍｍ下方の被記録媒体１上に着滴し、搬送手段８によって水平方向に移動しながら、着滴直後に偏光した紫外線光１２が照射される。この偏光した紫外線光１２は、被記録媒体１の表面（被記録媒体面）１ａでの反射率が下がるため、被記録媒体表面１ａによる反射によって記録ヘッド４のノズル３及びその周辺に到達する紫外線光量が低減し、ノズル３及びその周辺で反射した紫外線光によってインク２が硬化し、あるいは、粘度が上昇して、吐出不良が発生することを防止できる。

特に、上述したように、偏光した紫外線光１２が被記録媒体面１ａに対して垂直方向の偏光振動成分（Ｐ偏光）からなる場合、被記録媒体面１ａでの反射率を有効に下げることができる。

この場合、図３に示すように、偏光した紫外線光１２が被記録媒体面１ａに入射する角度θがブリュースター角（被記録媒体面１ａの屈折率をｎとしたとき、θ＝ａｒｃｔａｎ（ｎ）、のときに反射光１７の光量を最小にすることができる（理論上は反射光量ゼロになる）。ガラスや樹脂フィルムの場合、図２（ｂ）に示すように、屈折率ｎ＝約１．５であるので、入射角θが約５６度のときに被記録媒体１からの反射を最小に抑えることができる。

このような、偏光照射の条件設定によって、紫外線反射を効果的に低減することができるので、ノズル硬化という問題のために困難であったノズル３の極近傍からの紫外線光の照射が可能となる。これに対し、従前は多重反射光を低減することはできたが、被記録媒体面１ａでの直接反射光がノズル３に到達することを防ぐことはできないためにノズル３の極近傍からの紫外線光の照射はできなかった。

これにより、被記録媒体１上にインク２が着滴した瞬間、あるいは直後にインク２を硬化させることが可能となり、被記録媒体１上でのインク２の滲みやインク２の混じりを抑えることができて、より高画質の画像を安定して得ることができるようになる。

このように、被記録媒体上に着滴したインクを、直線偏光成分を透過させる偏光素子を介して偏光させた紫外線光を照射して硬化させる構成とすることで、被記録媒体面で反射される紫外線光量が低減し、インクの安定吐出が可能となって、高画質画像を安定して形成できる。

次に、本発明に係る画像形成装置の第２実施形態について図４を参照して説明する。
ここでは、記録ヘッド４と硬化手段１１とが一体化して設けられ、偏光した紫外線光１２の出射口１９は記録ヘッド４に隣接して配置されている。そして、偏光した紫外線光１２（Ｐ偏光）の光軸に対して被記録媒体面１ａで正反射（破線で示す光路）した位置にノズル３が開口している構成としている。この位置は、被記録媒体表面１ａの屈折率から算出される前記ブリュースター角（Ｐ偏光の反射率が理論上ゼロになる入射角）と、被記録媒体面１ａとノズル３との距離によって決定される。なお、Ｐ偏光の被記録媒体表面１ａでの正射光はほぼゼロであるから、その正反射の位置にノズル３があっても問題は生じない。

このように構成することで、反射率と角度の関係図（図２）より、被記録媒体表面１ａのうねりなどによって、入射角がブリュースター角近傍で上下にずれても反射光１７は少なく、ノズル３への影響は少ない。そして、被記録媒体表面１ａで滴となったインク２等によって入射角が大きく変化した場合には、図５に示すように、ノズル３から離れた位置に反射光１７が向かうので、吐出への直接の影響はない。

同様に被記録媒体１の表面粗さなどに起因する散乱光などもノズル３に向かう光路では光量がゼロに近くなるため、ノズル３に達する光量は少ないと考えられる。

この結果、被記録媒体１上にインク２が着滴した瞬間、あるいは直後にインク３を硬化させることができるようになり、被記録媒体１上でのインク２の滲みやインク２の混じりを抑え、高画質の画像を安定して形成することができる。

また、被記録媒体１の表面のうねりや、インク滴の影響を受けにくく、ノズル３内のインク硬化による吐出問題を防ぎ、吐出の信頼性を向上することができる。さらに、吐出手段である記録ヘッドと硬化手段を一体化することによって、部品点数が減り、位置決めが容易となるので、工程コスト低減にも有効である。

なお、この本実施形態で用いる被記録媒体としては表面が平滑で透明で紫外線吸収性を有するガラスや樹脂フィルムであるときに特に有効である。

１ 被記録媒体
２ インク
３ ノズル
４ 記録ヘッド（画像形成手段）
５ 硬化手段
１１ 紫外線光源
１２ 偏光した紫外線光
１３ 偏光素子

Claims (6)

1. 紫外線を吸収することにより硬化するインクを被記録媒体に吐出するノズルを有する画像形成手段と、
   前記被記録媒体に着弾した前記インクに対して紫外線光を照射して硬化させる硬化手段と、を備え、
   前記硬化手段は、紫外線光源から出射される紫外線光の直線偏光成分を透過させる偏光素子を有し、偏光された紫外線光を前記インクに照射する
   ことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記偏光素子は、前記被記録媒体の表面に対して垂直方向の偏光振動成分（Ｐ偏光）からなる紫外線を透過させることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記被記録媒体に照射される前記偏光した紫外線光の前記被記録媒体の表面に対する光軸入射角度が、前記被記録媒体の表面における当該紫外線光の反射光が最小となる角度であることを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記硬化手段からの前記偏光した紫外線光の出射口は前記画像形成手段に隣接して設けられていることを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
5. 前記画像形成手段と前記硬化手段とは一体化して設けられ、前記硬化手段からの前記偏光した紫外線光が前記被記録媒体の表面で正反射した位置に前記画像形成手段のノズルが開口していることを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
6. 画像形成手段のノズルから紫外線を吸収することにより硬化するインクを被記録媒体上に吐出して付着させる印字工程と、
   前記被記録媒体に着弾した前記インクに対して紫外線光を照射して硬化させる硬化工程と、を行い、
   前記硬化工程では、紫外線光源から出射された紫外線光を、直線偏光成分を透過させる偏光素子を介して偏光させて照射して、前記インクを硬化させる
   ことを特徴とする画像形成方法。

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