(57)【要約】【課題】  【解決手段】  ＵＶ  ＬＥＤから光を照射することによって物質を硬化させる方法、当該方法を実行するように構成されている装置、および、ＵＶ  ＬＥＤから光を照射することによって硬化したインクを提供する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質を硬化させる方法であって、光開始剤を含む硬化性物質に対して実行され、当該硬化性物質は、複数のＵＶ  ＬＥＤからの照射によって基板の表面に塗布され、
前記複数のＵＶ  ＬＥＤからの照射は、前記硬化性物質に含まれる前記光開始剤の感度が最大となるスペクトル領域に対応し、前記複数のＵＶ  ＬＥＤには、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内の周波数で電流パルスを順次印加する方法。
【請求項２】
前記複数のＵＶ  ＬＥＤは、出射スペクトルが同じである請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数のＵＶ  ＬＥＤの強度は、前記電流パルスの周波数、電流の大きさ、およびデューティーサイクルの少なくとも１つを変化させることによって、前記複数のＵＶ  ＬＥＤの平均許容損失が最高値に近づくように、制御される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記電流パルスの周波数、電流の大きさ、および、デューティーサイクルは、前記硬化性物質の重合化エネルギー、前記硬化性物質の組成、前記硬化性物質の層厚、前記硬化性物質を前記表面に塗布する方法、前記複数のＵＶ  ＬＥＤから前記硬化性物質に照射を行う時間、周囲環境の温度および湿度、前記複数のＵＶ  ＬＥＤの特性に応じて選択される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
紫外線によって物質を硬化させる装置であって、
複数のＵＶ  ＬＥＤを有する紫外線源と、
前記紫外線源の前記複数のＵＶ  ＬＥＤを制御するＵＶ  ＬＥＤ制御ブロックと、
前記複数のＵＶ  ＬＥＤを冷却するためのラジエータと、
前記ＵＶ  ＬＥＤ制御ブロックに接続されている、前記複数のＵＶ  ＬＥＤ用の温度センサと
を備え、
前記紫外線源は、光学集束システムを有しており、前記ＵＶ  ＬＥＤ制御ブロックは、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内の周波数で電流パルスが前記複数のＵＶ  ＬＥＤに順次印加されるように構成されている装置。
【請求項６】
前記複数のＵＶ  ＬＥＤは、直列に、複数の線を形成するように配置される請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記複数のＵＶ  ＬＥＤは、出射スペクトルが同じである請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記ＵＶ  ＬＥＤ制御ブロックは、周辺コンピューティングデバイスに接続されているマスターコントローラと、前記マスターコントローラに第１および第２のデータ入力で結合されている複数のＵＶ  ＬＥＤ制御電力モジュールとを有しており、前記複数のＵＶ  ＬＥＤ制御電力モジュールは、対応するＵＶ  ＬＥＤに電力リード線で接続されている請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記温度センサは、前記ラジエータに配置されており、前記温度センサの出力は、前記制御ブロックに接続されている請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
各電力モジュールは、電流のパルス制御レギュレータとして構成されている請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記複数のＵＶ  ＬＥＤは、前記ラジエータに配置されている請求項５に記載の装置。
【請求項１２】
前記複数のＵＶ  ＬＥＤを冷却するための前記ラジエータは、液体熱交換器として構成されている請求項５に記載の装置。
【請求項１３】
紫外線硬化性のインクであって、
顔料、アクリレート、光開始剤、共開始剤またはアミン相乗剤、シリコーン添加剤、超分散剤、共分散剤、光安定剤を備え、アクリレートは、二官能基アクリレート、単官能基アクリレート、多官能基アクリレートを有し、前記インクの重量に対する重量パーセントでは、
顔料  １−３
二官能基アクリレート  ６０−７０
単官能基アクリレート  ５−１０
多官能基アクリレート  ５−１０
光開始剤  ３−８
共開始剤またはアミン相乗剤  ２−５
シリコーン添加剤  ０．２−１
超分散剤  ０．０２−０．１
共分散剤  ０．０２−０．１
光安定剤  ０．０２−１．１４
の割合となるインク。
【請求項１４】
前記光開始剤は、紫外線の所与のスペクトル範囲において感度が極大となる請求項１３に記載のインク。
【請求項１５】
多官能基アクリレートは、４−１４個の官能基を持つアクリル樹脂、１２−１４個の官能基を持つ産業用モノマー−ＥＭ−６３６２、または、５個の官能基を持つジペンタエリトリノール（ｄｉｐｅｎｔａｅｒｉｔｒｉｎｏｌ）、または、環状トリメチロールプロパンホルマルアクリレート（ｃｙｃｌｉｃ  ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｏｌｐｒｏｐａｎｅｆｏｒｍａｌａｃｒｉｌａｔｅ）、または、プロポキシラートペンタエリトリノールテトラアクリレート（ｐｒｏｐｏｘｙｌａｔｅｐｅｎｔａｅｒｙｔｈｒｉｎｏｌｔｅｔｒａａｃｒｉｌａｔｅ）、または、これらの混合物を含む請求項１３に記載のインク。
【請求項１６】
３６５ｎｍの範囲の光開始剤として、２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、または、モノアシルホスフィンオキシド、または、２−ベンジル−２−ジメチルアミノ−１−［４−（４−モルホリニル）フェニル］−１−ブタノン、または、イソプロピルチオキサントンといった光開始剤を含む請求項１３に記載のインク。
【請求項１７】
共開始剤は、アミン相乗剤を含む
請求項１３に記載のインク。
【請求項１８】
前記アミン相乗剤は、エチル−４−（ヂメチルアミノ）安息香酸である請求項１７に記載のインク。
【請求項１９】
紫外線硬化性のインクであって、
顔料、アクリレート、光開始剤、共開始剤またはアミン相乗剤、シリコーン添加剤、超分散剤、共分散剤、光安定剤を備え、二官能基アクリレートを以下の重量パーセントで含む
顔料  ２０−３０
二官能基アクリレート  ６０−７０
光開始剤  ３−８
共開始剤またはアミン相乗剤  ２−５
シリコーン添加剤  ０．２−１
超分散剤  ０．０２−０．１
共分散剤  ０．０２−０．１
光安定剤  ０．０２−１．２０
インク。
【請求項２０】
前記光開始剤は、紫外線の所与のスペクトル範囲において感度が極大となる請求項１９に記載のインク。
【請求項２１】
３６５ｎｍの範囲の光開始剤として、２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、または、モノアシルホスフィンオキシド、または、２−ベンジル−２−（ジメチルアミノ）−１−［４−（４−モルホリニル）フェニル］−１−ブタノン、または、イソプロピルチオキサントンといった光開始剤を含む請求項２０に記載のインク。
【請求項２２】
共開始剤としてアミン相乗剤を含む請求項１９に記載のインク。
【請求項２３】
前記アミン相乗剤は、エチル−４−（ヂメチルアミノ）安息香酸である請求項１９に記載のインク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等のさまざまな材料の基板に大規模に行われるフルカラー印刷に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロール状の基板に対して行われるデジタル多色インクジェット印刷等の大規模印刷は、宣伝用品、高品質の複製物、および、その他の絵や画像を生産する方法として最も広く利用されている方法の１つである。大規模印刷は、大規模なつり広告、ポスター、窓広告、展示会で見られる持ち運び可能なスタンドおよび照明パネル等の室内用品、ならびに、ポスター、大規模広告、屋外標識、スタンド、照明用品等の屋外（戸外）用品の両方を生産する際に利用される。大規模印刷は常に発展を続けており、例えば、旗、道路用広告、スタンド、ポスターを製造するべく布地に高品質で印刷を行ない、店舗、レストラン、ホテルの内装のために絵画およびポスターを高品質で複製するべくキャンバス地へ印刷し、圧力に弱い膜、建物の格子、半透明の紙および膜等へ印刷を行うようになっている。
【０００３】
印刷対象物に応じて要件も変わる。このため、屋外用品向けの印刷には１８０−３６０ｄｐｉの解像度で十分な場合、屋内用品向けの印刷には７２０−２８８０ｄｐｉの解像度が必要となることが多い。解像度３６０ｄｐｉは、写真レベルの品質は必要でない広告およびポスターを印刷するのに適している。解像度７２０ｄｐｉは、写真レベルの品質および正確な色の表示が必要な芸術作品に十分なレベルである。解像度１４４０ｄｐｉは、写真レベルの品質且つ最高解像度で高い芸術性を持つ作品を印刷する際に、細かい色相（ｕｎｄｅｒｈｕｅ）、中間色調、線、および、色を高精度で表示するために利用される。このような印刷方式は、画廊および美術館が所蔵するような絵画の複製物を作成する際に利用される。
【０００４】
画像は、コントラストが高く、飽和状態にあり、輝度が高く、鮮明でなければならず、元々のファイルのあらゆる細部を再現しなければならない。この目的は、特別な印刷用設備および印刷後処理用設備、ならびに、インクまたは塗料等の材料、そして特別な方法を利用することで実現されるとしてよい。
【０００５】
高い印刷品質を保証するべく、基板でインクまたは塗料が広がることは言語道断であるので、印刷時に即時にインクを硬化させる特別な方法、インクを高速に硬化させる装置、および、特別なインクが必要となっている。
【０００６】
上記の方法の１つとして、インク、コーティング、ワニスの紫外線硬化を目的とする、紫外線によって物質を即時に硬化させる方法が知られている。当該方法によれば、光開始剤を含む物質が、波長が広帯域にわたる発光ダイオードおよび蛍光灯からの紫外線によって影響を受ける。紫外線の強度は、硬化物質の特性および硬化条件に応じて制御され、ＵＶ  ＬＥＤの温度を一定に保つ。
【０００７】
例えば、紫外線によってインクを硬化させる印刷方法および印刷装置が、例えば、米国特許第７，１３７，６９６号明細書から知られている。当該方法は、主要光源である複数のＵＶ  ＬＥＤからの紫外線によって印刷する際に、基板上に堆積させたインクドットに対して行われる。このように照射すると、部分的に重合反応が発生するとともに、ゲル内でインクドットの凝固、凝析、および、変換が進み、にじんでいるように見えることなく、インクが広がることもない。
【０００８】
インクドットは、ＬＥＤからの紫外線に暴露された後、副次光源である蛍光ランプを少なくとも１つ有する副次紫外線源からの紫外線に暴露される。これによって、インクドットは完全に重合化されて、凝固すると共に凝析する。主要光源は、基板の上方、つまり、インクドットの上方に配置する必要があり、副次光源は、基板の下方に配置する必要がある。
【０００９】
光反応を開始することができる波長およびエネルギーを持つ半導体放射線を照射することで物質を硬化させる、物質重合化方法および当該方法を実施する装置は、米国特許第６，６８３，４２１号明細書から公知である。１つまたはダイオード群を成す複数の発光ダイオードまたはレーザダイオードを利用する。
【００１０】
米国特許第７，２１１，２９９号明細書によると、紫外線によって物質を硬化させる方法および当該方法を実施する装置が公知である。当該方法および装置は、紫外線光開始剤を含むインク、コーティング、または接着剤を硬化させるためのものであり、ＵＶ  ＬＥＤによる紫外線の照射を２段階に分けて行い、第１の照射段階と第２の照射段階とでは波長を異ならせる。波長範囲は、１８０ｎｍから４２０ｎｍである。当該装置では、ＵＶ  ＬＥＤが複数の行を形成するように配置されており、特定の波長範囲の光を出射する。可視スペクトルの光を出射する行のＵＶ  ＬＥＤは、装置の動作を視覚的にモニタリングできるように配置するとしてよい。装置には、所望の温度にするためのＵＶ  ＬＥＤ冷却システムが設けられており、これによって必要な光強度が得られる。ＵＶ  ＬＥＤは、ＵＶ  ＬＥＤから出射される光が均一になるような距離だけ硬化性物質から離して配置される。
【００１１】
このような紫外線による物質硬化方法を実行する装置であって、紫外線源を２つ備えるものが、米国特許第７，１７５，７１２号明細書から公知である。当該装置では、主要紫外線源は、複数の行に並べられて、互いに直列接続され、それぞれ波長が異なる複数のＵＶ  ＬＥＤであり、副次紫外線源は、1以上の蛍光ランプである。複数の行に並べられたＬＥＤから成る主要紫外線源は、空冷を行うラジエータに取着されている基板に固定されている。ラジエータには温度センサが設けられており、当該温度センサはＵＶ  ＬＥＤの制御部に接続されている。ＬＥＤが複数の行に分かれて並べられている場合、隣接する行の間の間隔は、ｘが行数を表す場合１／ｘだけシフトされているか、または、ＬＥＤは格子状パターンで並べられる。ＵＶインクまたはその他の物質からＵＶ  ＬＥＤを保護するべく、透明なプラスチック製の保護シートを利用する。
【００１２】
基板にインクを高速で塗布する際にインクが広がったり、にじむことがないように、主要紫外線源であるＵＶ  ＬＥＤから紫外線を照射することによって、部分的または完全に硬化させると、ゲルにおいて、インク液滴の熱硬化および部分重合化および／または変換が発生する。インクの硬化を停止するには、副次紫外線源、つまり、１以上の蛍光ランプから紫外線を照射することによって行われるべきである。紫外線硬化されたインク、コーティング、ワニスと紫外線源との間には、不活性ガス、例えば、嫌気性のヘリウムから成る無酸素ゾーンを形成して、紫外線光開始剤の性能を高めることができる。
【００１３】
主要紫外線源は、複数の行にわたって並べられるＵＶ  ＬＥＤから成り、隣接するＬＥＤは、波長が異なり、少なくとも２つの異なる波長範囲内にある。波長が異なるＵＶ  ＬＥＤを、ランダムに、混合して、または、順次並べる。波長の種類をより多くするには、１以上の蛍光ランプを有する副次紫外線源を用いて、所与の波長の強度を高めるように調整されるリン化合物を利用する。例えば、２０１１Ｓ型の蛍光ランプは３５１ｎｍの波長の紫外線を放出し、２０５２型は３７１ｎｍ、２０９２型は４３３ｎｍ、２１６２型は４２０ｎｍである。また、波長が４００ｎｍのＵＶ  ＬＥＤを用いる。これは、高波長化によって、ＬＥＤの効率係数が高くなる結果、紫外線をより効率的に出射できるようになるためである。複数の行に分けて並べられているＵＶ  ＬＥＤを交互に利用して、ＬＥＤが出射する紫外線の波長が、１８０ｎｍから４２０ｎｍの範囲内で異ならせることが好ましい。
【００１４】
厚いポリマーを硬化させるためは、紫外線の波長を長くする必要がある。表面を硬化させる際には、紫外線の波長を短くする必要がある。顔料を含むコーティングは、当該顔料が吸収する波長とは異なる波長の紫外線を利用することで、より良好に硬化する。これは、樹脂の吸収特性、および、インク、コーティング、および、接着剤の添加剤にも関連する。
【００１５】
さらに、一部のＵＶ  ＬＥＤはスペクトルの可視領域の光を出射することができるので、ユーザは装置が動作しているか否かを目で観察することができる。空冷システムによって、所望の出射強度においてＵＶ  ＬＥＤの温度を所望の温度にすることができる。空冷システムは、基板にＵＶ  ＬＥＤが設けられているラジエータと、ＵＶ  ＬＥＤの温度、基板の温度、または、出射強度を一定に保つためのファンとを有する。基板をより良好に冷却することによって基板温度が一定水準に保たれるので、出射強度が一定になり安定化する。ＵＶ  ＬＥＤの温度が高くなると、出射強度が低減する可能性がある。
【００１６】
各ＵＶ  ＬＥＤ群では各ＵＶ  ＬＥＤにおける電圧降下が同じになるので、並列に並べられているグループに含まれる各ＵＶ  ＬＥＤでは電流および出射が同じになる。伝導方向におけるＵＶ  ＬＥＤ同士の間の電流減少幅は、５％から１０％の範囲内で変動するので、各ＵＶ  ＬＥＤでの損失は最小限に抑えられる。
【００１７】
紫外線源と硬化性物質との間の距離は、物質の照射面の全ての点において出射強度が等しくなるように選択される必要がある。
【００１８】
ＵＶ  ＬＥＤの制御部は、ＵＶ  ＬＥＤをオン／オフに制御すると共にＵＶ  ＬＥＤの出射強度を安定化させる機能を持つ。ＵＶ  ＬＥＤが周期的に過熱状態になることを避けるべく、電源は比較的頻繁にオン／オフに制御される。周期は、紫外線の強度に応じて変わる。
【００１９】
上述した紫外線を用いて物質を硬化させる方法および当該方法を実施する装置には、大きな問題点がある。
【００２０】
公知の紫外線物質硬化方法および当該方法を実施する装置は、蛍光ランプを利用しているので、蛍光ランプに関する欠点を全て抱えている。例えば、効率係数が低いこと、動作温度が高いこと、寿命が短いこと、オゾンを放出するために環境に優しくないこと、消費電力が高いこと、適用面積が制限されてしまうことなどが挙げられる。特に、上記の方法は、さまざまな種類のプリントヘッドを備えるピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタで利用すると、さまざまな材料、例えば、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等の表面にフルカラー画像を印刷できないと共に、紫外線硬化性物質の十分に厚い層を高い硬化速度で形成することができない。
【００２１】
蛍光ランプおよびＵＶ  ＬＥＤを同時に利用するために、処理が複雑になり、紫外線によって物質を硬化するコストが高くなっている。
【００２２】
紫外線照射装置の範囲が広すぎる。光開始剤が狭いスペクトルにおいて最大感度を持つことを考慮に入れていない。つまり、光開始剤の物理特性および化学特性が考慮されていない。公知の光開始剤は最大感度が３６５ｎｍ以下の波長範囲にあるので、これよりも波長が長い紫外線を出射するＬＥＤを利用すると、効果が得られない。物質の硬化にスペクトルが広い紫外線を利用するのは、硬化対象の物質の組成に含まれる光開始剤の感度が最大になるスペクトル領域では紫外線強度が低くなるので、有効でない。
【００２３】
光開始剤が反応するＬＥＤの数を減らして、より長波長、例えば、４００ｎｍのＬＥＤを採用すると、光開始剤が対象とする波長において、出射電力が実質的に低減してしまう。ラジエータの効率を制御するべく可視スペクトルを出射するＬＥＤを利用すると、光開始剤の感度が最も高くなる波長の出射電力が低減してしまう。また、照射する位置は、ラジエータが動作している場合は、紫外線が照射されている面は実質的に見えないような位置となっている。
【００２４】
出射強度をセンサで読み取ると共に温度をフィードバックおよび安定化することによってＬＥＤの出射強度を制御する方法は、有効性がない。ＬＥＤでは、温度が上昇すると結晶が劣化して、温度が高くなるほどに、劣化の程度が大きくなる。ＬＥＤにおいて結晶が劣化するので、出射強度は低下する。結晶が劣化するに応じて紫外線強度が低減していることを光センサが検知すると、冷却システムはラジエータを冷却して、ＬＥＤの温度を低下させて、ＬＥＤの出射強度を高めることを試みる。このようにしても紫外線強度は高くならないので、冷却システムは最高限度に近い状態で動作する。このような出射強度制御システムは、基板がラジエータに載置されるとＬＥＤはラジエータにはないために、ＬＥＤの結晶の劣化を食い止めているわけではないので、有効ではない。この結果、ＬＥＤの紫外線強度は低下してしまう。
【００２５】
ＬＥＤの一部は並列回路に含まれ、ＬＥＤが出射する光は波長が異なるので、回路に流れる電流は偏差を５％から１０％の範囲内として選択する必要がある。このように選択する必要があるので、紫外線を用いて物質を硬化させるプロセスのコストが高くなってしまう。さらに、ＬＥＤの内部の抵抗の温度が上昇して、その結果、ＬＥＤを流れる電流が変化すると、ＬＥＤの出射強度が変化してしまう。波長が異なる光を出射する複数の異なる種類のＬＥＤを利用することに加えて、特性までも異なると、ＬＥＤの制御システムが複雑になってしまう。
【００２６】
上述したような欠点を持つために、例えば、さまざまな材料、例えば、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等の表面にフルカラー画像を印刷するべく、さまざまな種類のプリントヘッドを備えるピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタで利用できず、光開始剤の感度が最大であるスペクトル領域における紫外線強度が低くなり、紫外線硬化性物質の十分に厚い層を高速に提供することができない。このため、上記の紫外線によって物質を硬化させる方法および当該方法を実施する装置の利用範囲が制限されてしまう。
【００２７】
紫外線によって硬化することができる従来のインクを説明する。多くの場合、摂氏３０度において粘度は３５ｃＰ（３５．１０−３Ｐａ．Ｓ）以下である。着色成分、希釈剤、および／または、少なくとも１種類の光重合触媒を含むとしてよい。希釈剤は、単官能基材料および多官能基材料で構成されるとしてよい。１種類のオリゴマーを少なくとも５−３０重量パーセント含むとしてよい（例えば、米国特許第６，５９３，３９０号明細書を参照のこと）。このようなインクは、広い範囲の紫外線によって硬化するように調整されており、狭い範囲の紫外線では硬化しない場合がある。
【００２８】
さらに、硬化可能な組成を説明すると、フリーラジカルを持つ少なくとも１種類の重合化可能化合物、または、少なくとも１種類の単官能基、二官能基、三官能基、または、四官能基のアクリレートモノマー、および／または、アクリレート官能基を持つ少なくとも１種類の単官能基、二官能基、三官能基、または、四官能基のオリゴマーを含む化合物、および、プラズマ放電によって活性化され得る少なくとも１種類の光潜在性化合物を含む（例えば、ロシア連邦特許出願第２００４１３３８８６号、ＩＰＣ  Ｃ０８Ｆ２／５２を参照のこと）。しかし、プリンタでは、量子供給元としてプラズマ放電を利用することはできない。上述した組成の主な欠点は、粘度が高いためにピエゾインクジェット方式のプリンタでは適切な印刷品質を実現できない点にある。
【００２９】
公知の紫外線硬化性のプリンタ用インクは、主に代わり映えのしないものであり、広スペクトルの紫外線ランプと共に利用するのに適しており、顔料、オリゴエステルアクリレート、および、修飾エポキシジアン（ｅｐｏｘｙ−ｄｉａｎｅ）樹脂を含むとしてよい。修飾エポキシジアン樹脂としては、分子量が５５０−６００のアクリル化したエポキシ−ジアン（ｅｐｏｘｙ−ｄｉａｎｅ）樹脂が挙げられるとしてよく、これは、同等量のメタ（アクリル）酸および分子量が４００−５００のエポキシ−ジアン（ｅｐｏｘｙ−ｄｉａｎｅ）樹脂を相互作用させた結果得られるものである。さらに、光開始剤を含むとしてよく、共開始剤は過酸化ベンゾイルおよび／またはジニトリルアゾビスイソ酪酸であり、チキソトロピック性物質は、アエロジル、消泡剤−ポリジメチルシロキサン液および不活性無機充填剤である（例えば、ロシア連邦特許出願第２０５５７４１号を参照のこと）。
【００３０】
この種類のインクは、レオロジー特性に関して、主に粘度が高いために、大規模のピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタでは高品質の印刷を実現することができず、利用分野が制限されてしまう。また、インクを高速で硬化できる（比照射電力が３０Ｗ／ｃｍの場合に約１−２秒）のは、塗料層の厚みが１−１．５μｍになる場合のみである。この厚みは、オフセット印刷では通常の値であるが、ピエゾインクジェット方式のプリンタで印刷される画像の場合は、塗料層の厚みが約２０μｍとなり、このような厚みの塗料層の硬化時間は、大幅に長くなってしまう。また、上記のインクで利用される光開始剤は、現在の大規模なピエゾインクジェット方式のプリンタで現在利用されている紫外線源としては最も有効性が高く経済的であるＵＶ  ＬＥＤで最高強度が得られる３６５ｎｍの波長を含む紫外線スペクトル領域において感度が極大とならない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】紫外線によって物質を硬化させる装置および方法を示すブロック図である。
【図２】物質を硬化させる装置の構成を示す図である。
【図３】ＵＶ  ＬＥＤにおける電流パルスのタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明は、さまざまな種類のプリントヘッドを備えるピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタを利用して、さまざまな材料、例えば、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等の表面に大規模なフルカラー画像を印刷すること、および、印刷時に紫外線硬化性材料を高速で硬化させることを目的として、包括的な解決方法を提供する。このため、紫外線によって物質を硬化させる新たな方法、および、当該方法を実施する装置、および、紫外線硬化性インクを本明細書において説明する。
【００３３】
物質硬化方法は、ＵＶ  ＬＥＤからの照射によって、基板表面に塗布される光開始剤を含む硬化性物質に対して行われる。ＬＥＤから出射される紫外線は、硬化性物質に含まれる光開始剤の感度が最大となるスペクトル領域に対応し、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの周波数で、直列に配置されているＵＶ  ＬＥＤに電流パルスを印加する。
【００３４】
本発明を実施するべく利用される複数のＵＶ  ＬＥＤは、出射スペクトルが同じである。
【００３５】
周波数、および／または、電流の大きさ、および／または、電流パルス比を変化させることによって、ＵＶ  ＬＥＤの出射強度を制御することができる。このため、ＵＶ  ＬＥＤの平均許容損失は最大値に近づく。周波数、電流の大きさ、および、電流パルス比は、硬化性物質の重合化エネルギー、硬化性物質の組成、硬化性物質の層の厚み、表面に硬化性物質を塗布する方法、ＬＥＤから硬化性物質に紫外線を照射する期間、周囲環境の温度および湿度、および、ＵＶ  ＬＥＤの特性に応じて選択される必要がある。
【００３６】
紫外線によって物質を硬化させる装置は、複数のＵＶ  ＬＥＤを有する紫外線源、紫外線源のＵＶ  ＬＥＤの制御ブロック、ＵＶ  ＬＥＤを冷却するラジエータ、および、ＵＶ  ＬＥＤの制御ブロックと対応付けられているＵＶ  ＬＥＤの温度センサを備え、紫外線源は、光学的に集束させるためのシステムを有する。ＵＶ  ＬＥＤの制御ブロックは、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの周波数で、直列に配置されているＵＶ  ＬＥＤに電流パルスが印加されるように構成されている。
【００３７】
紫外線源が有する複数のＵＶ  ＬＥＤは、１本の線を形成するように複数の行に分けて直列に配置されており、出射スペクトルが同じである。ＵＶ  ＬＥＤの制御ブロックは、周辺コンピューティングデバイスに接続されているマスターコントローラと、マスターコントローラに第１および第２のデータ入力で結合されている複数のＵＶ  ＬＥＤ電力制御モジュールとを有しており、対応するＵＶ  ＬＥＤに電力的に結合されているとしてよい。
【００３８】
温度センサは、ラジエータに配置されており、温度センサの出力は、制御ブロックに接続されている
【００３９】
各電力モジュールは、電流のパルス制御レギュレータとして構成されている。ＵＶ  ＬＥＤは、ラジエータに直接固定されるとしてよく、ハンダ付けで固定されるのが好ましい。
【００４０】
ラジエータは、液体熱交換器として構成されているとしてよい。有色および白色の紫外線硬化性インクが用意される。有色の紫外線硬化性インクの組成は、以下のものであってよい。単位は重量パーセントである。
顔料  １−３
二官能基アクリレート  ６０−７０
単官能基アクリレート  ５−１０
多官能基アクリレート  ５−１０
光開始剤  ３−８
共開始剤またはアミン相乗剤  ２−５
シリコーン添加剤  ０．２−１
超分散剤  ０．０２−０．１
共分散剤  ０．０２−０．１
光安定剤  ０．０２−１
【００４１】
白色の紫外線硬化性インクの組成は、以下のものであってよい。単位は重量パーセントである。
顔料  ２０−３０
二官能基アクリレート  ６０−７０
光開始剤  ３−８
共開始剤またはアミン相乗剤  ２−５
シリコーン添加剤  ０．２−１
超分散剤  ０．０２−０．１
共分散剤  ０．０２−０．１
光安定剤  ０．０２−１
【００４２】
本願において、「重量パーセント」という用語は、全体の重量に対する重量の割合を意味するものとする。
【００４３】
多官能基アクリレートの例を挙げると、例えば、台湾の紫外線ポリマーメーカーであるＥｔｅｒｎａｌ社の、官能基が４から１４の産業用アクリレート樹脂、官能基が１２から１４のＥＭ−６３６２モノマー（メーカーは化学式を公開していない）、官能基が６のジペンタエリスリトールヘキサアクリレート、プロポキシラートペンタエリスリノルテトラアクリレート（ｐｒｏｐｏｘｙｌａｔｅｐｅｎｔａｅｒｙｔｈｒｉｎｏｌｔｅｔｒａａｃｒｙｌａｔｅ）を利用することができる。インクにおける多官能基モノマーの含有率は、インク粘度の上限および下限によって決まるが、最高で１０重量パーセントである。
【００４４】
このような多官能基モノマーは、非常にアクティブなＣ＝Ｃ結合を有するので、インクを高速で硬化させることができる。多官能性モノマーの量が５重量パーセント未満の場合、インクの光感受性（硬化速度）、非吸収性の基板に対する接着度、および、外的影響に対する画像の耐性が大幅に低下してしまう。樹脂の濃度が１０重量パーセントを超えると、多官能基モノマーの粘度が高いためにインクの粘度が許容範囲を超えて高くなってしまい、インクの印刷特性が悪くなってしまう。多官能基モノマーの最も好ましい含有率は５−１０重量パーセントである。
【００４５】
紫外線硬化性インクは、二官能基アクリレートとして、例えば、１，６−ヘキサンジオールジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレートを含むとしてよい。
【００４６】
当該紫外線硬化性インクは、単官能基アクリレートとして、例えば、イソボロニルアクリレート、オクチルデシルアクリレート、環状トリメチロールプロパンホルマールアクリレートを含むとしてよい。
【００４７】
顔料としては、印刷用顔料が用いられ、当該紫外線硬化性インクにおける顔料の含有率は、顔料の紫外線吸収率が高いために、オフセット印刷用のインクよりも低い。当該インクにおける印刷用顔料の濃度は最小限に抑える必要があり、色の強度を高く、および、インクの被覆範囲を大きくするためには、インクの層の厚みを大きくすること、および、分散を０．５ミクロン未満とすることで対処する。当該紫外線硬化性インクの顔料含有率は、大半の顔料について１−３重量パーセントで、白色顔料について２０−３０重量パーセントである。ある実施形態によると、顔料の割合は、３重量％を上回ると、インクの硬化速度が急激に低下するので好ましくなく、１重量％を下回ると、インクの色の強度が低くなるために好ましくない。
【００４８】
光開始剤としては、例えば、ＵＶ  ＬＥＤの強度が最も高くなる波長である３６５ｎｍを含む所与の紫外線スペクトル領域において感度が極大となるものを利用する。これは、現時点においては、現在の大規模なピエゾインクジェット方式のプリンタで利用されている紫外線源としては、ＵＶ  ＬＥＤが最も有効性が高く経済的であるためである。
【００４９】
このような光開始剤は、所与の波長の光量子を吸収すると、放出するフリーラジカルの量が最大となる。例えば、３６５ｎｍの波長を含む範囲については、以下の光開始剤を利用できる。同様の光重合可能組成を持つ公知の化合物であり、例えば、ベンゾイルエーテル、チオキサントトン（ｔｈｉｏｘａｎｔｏｔｈｏｎｅｓ）、ベンゾフェノン等の誘導体がある。具体的には、２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシドおよびモノアシルホスフィンオキシドおよびこれらの混合物がある。インクにおける光開始剤の含有率は、３−８重量パーセントである。３重量パーセントを下回ると、硬化速度が速くならない場合があり、８重量パーセントを上回ると、どちらの化合物も二官能基アクリレートでの溶融性に限度があり、硬化時に上部層での反応が高過ぎると、インク層の深い部分までフリーラジカルが到達できなくなり、基板に近接した箇所においてインクが未硬化となるので、不適切である場合がある。
【００５０】
大規模のピエゾインクジェット方式のフルカラー印刷で利用されるインクは、チキソトロピック特性を持つべくではなく、表面張力が３０ｄｙｎｅｓ／ｃｍ未満でなければならないので、例えば、ＤＯＷＣｏｒｎｉｎｇ社の製品Ｎｏ．５７（ジメチルメチル（ポリエチレンオキシドアセテート）シロキサン）等のシリコーン添加剤を含む。当該インクにおけるこのようなシリコーン添加剤の含有率は、０．２−１重量パーセントであり、この値が満たされる限り、要件通りにチキソトロピック特性が低くなると共に表面張力も上記の範囲内に収まる。光安定剤としては、Ｎ−ニトロソフェニルヒドロキシルアミンアルミニウム塩が用いられ、含有率は０．０２−０．５パーセントとなる。紫外線のスペクトルが狭くなるのは、同じ種類、つまり、同じ波長のＵＶ−ＬＥＤを複数備える紫外線源を利用するためである。狭帯域でありつつ高速度でインクを硬化させるためには、吸収エネルギーの感度がスペクトルの狭い帯域に当てはまる光開始剤が必要となる。大半の光開始剤の感度は、３６５ｎｍ帯域には当てはまらない。そして、このスペクトル帯域に感度を持つ光開始剤は、放出するフリーラジカルの量が、担体上でインクが完全に硬化するためには十分ではなく、言い換えると、適切でない。完全且つ高速に硬化させるためには、アミン相乗剤を利用してフリーラジカルを再生成すると共に、低粘度の多官能性アクリルモノマー（官能基は４−１４）を利用して反応性を高める必要がある。
【００５１】
当該インクには、オリゴマーを入れることはできない。これは、オリゴマーの粘度が高いためである。希釈剤としては主に、低粘度の非常に反応性が高い二官能基アクリルモノマーを利用する。コーティングの物理的特性（接着性、攻撃的な媒質に対する耐性、機械的強度）を改善するべく、インクには単官能基モノマーを含める。インク組成は、プリントヘッドのパラメータによって変わる物理特性を実現するように選択されるべきである。摂氏２０度から摂氏４５度の範囲内の温度安定化状態における粘度は、１０ｃｐ（１０．１０−３Ｐａ．ｓ）以下でなければならず、表面張力は２３−３０ｄｙｎｅ／ｃｍである。説明したインクは主に、紫外線硬化システムを備える大規模なピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタでの利用を想定して構成されている。
【００５２】
紫外線領域は、３つの小領域に分割される。つまり、波長が２００−２８０ｎｍの短波長領域、波長が２８０−３１５ｎｍの中波長領域、波長が３１５−３８０ｎｍの長波長領域である。紫外線短波長領域は、プリンタ用インク等の物質の硬化にはほとんど適しておらず、２８０ｎｍ未満の波長の紫外線はオゾンを生成し、人体に有害である。紫外線中波長領域は、医学的研究によると、人間にとって白内障および黒色腫といった不治の病気の原因となるので人体に有害である。紫外線短波長領域および紫外線中波長領域を利用する上で障害となるのは、この波長領域のＬＥＤは非常にコストが高く、効率係数が１％未満となるためである。
【００５３】
紫外線長波長領域は、自然界での紫外線に最も近く、人体への悪影響も最も小さい。しかし、利用には多くの困難が伴う。第一に問題となるのは、紫外線硬化性物質において、３００−３３０ｎｍという波長で感度が最大となる光開始剤が最も多い（何十種類もの光開始剤がそうである）点である。３６５ｎｍの波長で感度が最大となる光開始剤は数種類に過ぎず、このような光開始剤は３９５−４００ｎｍの波長範囲では全く感度がない。第二に問題となるのは、波長が短くなるにつれて、コストが高くなり、ＬＥＤの効率係数は低減するという点である。波長が３００−３５０ｎｍの高強度のＬＥＤは、コストが非常に高く、コスト面から非現実的であり、波長が３７５−４０５ｎｍになると、コストは低いが、この範囲内で感度が最高となる光開始剤はない。３５０−３７５ｎｍという波長範囲が、ＬＥＤのコストが高くなり過ぎず、効率係数が低くなり過ぎず、この波長範囲内で感度が最高となる光開始剤が存在するので、最も有力な候補である。
【００５４】
上述したように、印刷インクは、フォトポリマー、光開始剤、および、紫外線に対して耐性を持ち、紫外線を照射しても色あせない固体の不溶性顔料、例えば、黒色用にはすすを含む。光開始剤は、紫外線が照射されると、内部結合が壊れる。内部結合が壊れた結果発生する物質は、フォトポリマーと化学反応を起こす。この化学反応の結果、ポリマー（プラスチック）が形成される。この場合の主な問題点は、顔料が紫外線を留めるので、紫外線のうち９０％は８分の１の上側インク層で足留めされて、化学反応の速度が遅くなってしまう点にある。紫外線出射電力を倍増させることによって、化学反応の速度を数倍早くすることができる。適切な半導体結晶冷却によって、電流密度は定格値よりも５−７倍高くすることができる。このため、高電力ラジエータを実現するためには、高電力を維持しつつ結晶を冷却すると共に、ＬＥＤにおける出射強度の低減および結晶の劣化を食い止めることができる高効率の冷却システムが必要となる。最も効果的で低コストの冷却システムは、水冷システムである。
【００５５】
インク層に対して出来る限り深い位置まで紫外線を貫通させるためには、低電力の紫外線を長時間にわたって表面に照射するよりは、高電力の短パルスを利用するのが良い。紫外線を十分な厚みのインク層まで深く貫通させるべく、高電力の短パルスを利用すると同時に、ＬＥＤでの結晶冷却のためにパルス間でのパルス比を大きくすることが最適である。
【００５６】
パルスの電力を正確に決めて、結晶が過熱しないようにするべく、電流安定器を用いる。電流安定器は、ＬＥＤを流れる電流を安定化させるものであって、ＬＥＤの電圧降下を把握することによって、パルスの電力を正確に算出すると共に、ＬＥＤを流れる電流を制限して、ＬＥＤが壊れないようにする。パルスの繰り返し周波数は、以下に記載する条件を考慮して算出される。キャリッジが材料の上方を移動する速度は１．５ｍ／秒で、紫外線は表面の各ポイントで貫通する必要があるので、各ＬＥＤおよびラジエータの幅を考慮に入れて、パルスの周波数を算出することができる。例えば、プリンタキャリッジは１秒間に最高速度では１５００ｍｍ移動し、周波数が１０００Ｈｚの場合、２つのパルスの間で、キャリッジは１．５ｍｍ移動する。周波数が１０，０００Ｈｚの場合、プリンタキャリッジは０．１５ｍｍ移動する。
【００５７】
塗布層に対してより深く貫通させて、（プログラムによって）重合化プロセスを加速させるためには、ＬＥＤの結晶を冷却するべく、デューティーサイクルの増加に対応した倍数で電流の大きさを大きくする必要がある。ここにおいて、作用瞬時電力も対応した倍数で大きくなる。ＵＶ  ＬＥＤを流れる電流パルスの周波数、デューティーサイクル、および、大きさは、多くの要因、例えば、インクを硬化させるエネルギー（感度は、インクまたは紫外線硬化性物質の組成および特性に応じて異なる）、利用されているフォトポリマー、紫外線に対する吸収率または反射率が異なる複数種類の利用顔料および顔料の粒子サイズ、利用されている光開始剤およびその含有率、さまざまな添加剤、重合化プロセスに影響を及ぼす外部要因、硬化性物質の層の厚み、硬化性物質、例えば、インクの液滴のサイズ（利用されるプリントヘッドに応じて変わる）、ヘッドの数（１つのヘッドで複数の色が利用される）、プリントヘッドの分解能（１インチあたりのノズル数）、ヘッドの動作モード、紫外線硬化性材料と相対的に決まるラジエータの速度、ヘッドの動作の周波数、紫外線集束ビームのサイズ、紫外線源から紫外線硬化性材料面までの距離、紫外線硬化性物質の温度、周囲環境の温度および湿度、紫外線源の電力に応じて変動する。
【００５８】
上記の紫外線によって物質を硬化させる装置は、例えば、大規模プリンタにおいてポリマー接着剤、塗料コーティング、インクを硬化させるために紫外線を照射することが必要なさまざまな工学の分野で利用することができる。インクの特性（重合化エネルギー、粒子のサイズおよび吸収スペクトル、利用されるフォトポリマーおよび光開始剤、添付剤の有無、硬化性物質の層の厚み）は多岐にわたることを考えると、紫外線の電力およびラジエータの特性は、インクおよび利用されるヘッドの両方の特性に基づいて選択する必要がある。ＵＶ  ＬＥＤのパルスの繰り返し周波数の制御は、以下に記載する条件に基づいて算出する必要がある。紫外線源のキャリッジが紫外線硬化性インクでコーティングすべき材料の上方を移動する速度は１．５ｍ／秒で、紫外線は当該材料の表面の各ポイントで貫通する必要があるので、各ＵＶ  ＬＥＤおよび紫外線源の幅を考慮に入れて、紫外線源の周波数を算出することができる。例えば、ＸＡＡＲ１２６プリントヘッドのプリンタキャリッジは１秒間に最高速度では１５００ｍｍ移動し、周波数が１０，０００Ｈｚの場合、２つのパルスの間の時間で、キャリッジは０．１５ｍｍ移動する。
【００５９】
紫外線によって物質を硬化させる方法の構造図を図１に示し、当該方法を行う装置を図２に示す。当該装置は、直列に接続されており、出射スペクトルが同じである複数のＵＶ  ＬＥＤ２が複数の行に分かれて配列されている紫外線源１を備える。ＵＶ  ＬＥＤの出射スペクトルは、硬化させる物質の光開始剤の感度が最大となるスペクトル領域に対応する。複数の行に分かれて配列されている複数のＵＶ  ＬＥＤ２は、ＵＶ  ＬＥＤを冷却する効果を持つ水熱交換器であるラジエータ３の上に配設されている。ラジエータ３の上には温度センサ４が直接配設されており、当該温度センサ４はＵＶ  ＬＥＤの温度を制御する機能を持つ。紫外線源１は、図２に示すように、紫外線を光学的に集束させる一連のレンズによって構成されているシステム５を有する。制御ブロック６は、ＵＶ  ＬＥＤ制御パルスを生成するように構成されており、コントローラ７と、複数の電力モジュール８を含むブロックとを有する。温度センサ４は、コントローラ７の制御入力である制御ブロック６の制御入力に対応付けられている。一連のＵＶ  ＬＥＤ２は、例えば、ハンダ付けによって、ラジエータ３に直接固定されている。ＵＶ  ＬＥＤからの熱はラジエータ３に流れて、水流冷却システム（不図示）によって冷却される。ＵＶ  ＬＥＤは全て、ラジエータ３の同じ面であって同じ平面内に配設されている。当該装置で用いられているＵＶ  ＬＥＤは、消費電力が大きく、結晶当たり１ワットを上回り、筐体間の距離を最低限に抑えて高密度にラジエータ３上に配置されている。ＵＶ  ＬＥＤの表面は、紫外線を光学的に集束させるシステム５によって損傷を受けないように保護されている。システム５は、単位表面当たりの光学パワーを大きくするレンズ系であり、一方向に紫外線を通過させる材料で形成されている。
【００６０】
高電力のＵＶ  ＬＥＤは、放出する熱が多い。効果的に冷却するべく、ＵＶ  ＬＥＤは、ラジエータ３に直接ハンダ付けされる（または、熱伝導性接着剤で取り付けられる）。ＵＶ  ＬＥＤのアノードおよびカソードへの電圧入力は、ラジエータ３から絶縁された導電体によって行う必要がある。積極的に冷却を行うべく、ＵＶ  ＬＥＤは、ラジエータ３のうち水熱交換器で形成されている冷却面に取り付けられる。
【００６１】
当該熱交換器の反対側は、液体によって冷却される。水冷システムは、小型で、高電力ＵＶ  ＬＥＤを効率良く冷却することができる。
【００６２】
制御ブロック６は、結晶当たりの消費電力が１ワットを上回る高電力ＵＶ  ＬＥＤを動作させる。制御ブロック６が有するコントローラ７は、制御ブロック６のデータ入力および外部制御装置、例えば、「スタート」ボタンまたはパーソナルコンピュータ（不図示）に接続されている。制御ブロックの電力モジュール８の第１および第２の入力は、それぞれ「電流設定」を示すアナログ信号および「制御パルス」を示すデジタル信号を出力するコントローラ７の制御出力に接続されている。各電力モジュールの電力リード線は、対応するＵＶ  ＬＥＤ２に接続されている。
【００６３】
各電力モジュール８は、パルス幅変調を行うパルス制御電流安定器として構成されるとしてよく、周波数が１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内の電流パルスをＵＶ  ＬＥＤに印加する。このような構成によると、電流パルスの周波数１／Ｔ、電流の大きさ、および、デューティーサイクルは、硬化性物質の特性および硬化条件に応じて決定される。ＵＶ  ＬＥＤに流れる電流は、図３に示すようになる。
【００６４】
本発明に係る紫外線を用いて物質を硬化させる方法を以下に説明する。光開始剤を含む紫外線硬化性物質に、複数のＵＶ  ＬＥＤ２から紫外線を照射する。全てのＵＶ  ＬＥＤの出射スペクトルは、紫外線硬化性物質に含まれる光開始剤の感度が最大となるスペクトル領域に対応する。例えば、波長３６５ｎｍである。紫外線源１の強度は、硬化性物質の特性および硬化条件に応じて制御される。このため、電流パルスを順次、１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内の周波数でＵＶ  ＬＥＤに印加する必要がある。制御ブロック６は、電流パルスの周波数、デューティーサイクル、および、大きさを制御して、ＵＶ  ＬＥＤの平均許容損失が最大値と等しく、または、近くなるようにする。例えば、ＮＩＣＨＩＡ社のＮＣＣＵ０３３型の波長が３６５ｎｍのＵＶ  ＬＥＤは、最大許容損失が３．３Ｗとなる。つまり、ＮＣＣＵ０３３型のＵＶ  ＬＥＤは許容損失の臨界値が４．１Ｗであることが実験によって実証されているので、ＵＶ  ＬＥＤの破損を引き起こす臨界値を越えていない。
【００６５】
このような構成によると、電流パルスの周波数、大きさ、および、デューティーサイクルは、紫外線硬化性物質の重合化エネルギーおよび組成、紫外線硬化性物質の層の厚み、硬化性物質の層を塗布する方法、硬化性物質に紫外線を照射する期間、周囲環境の温度および湿度、および、ＵＶ  ＬＥＤの特性といったパラメータに応じて操作される。
【００６６】
上述した方法を実施する装置の動作を以下で説明する。外部制御装置、例えば、コンピュータ（不図示）と通信することによって、作業パラメータのデータ、例えば、パルス周波数制御、パルスのデューティーサイクル、および、最高動作温度、および、ＵＶ  ＬＥＤの電力が制御ブロック６のコントローラ７に送信される。これらのパラメータは、コントローラ７の不揮発性メモリに格納される。（制御）ブロック６は、コンピュータから適切なコマンドを送ることによって外部制御デバイスによってリモートに、または、ボタン（不図示）を用いて手動で、オンに制御する必要がある。制御ブロック６のアナログ出力を起動させるコマンドの場合、電流Ｉｍの所与の設定値に対応するアナログ信号がＵＶ  ＬＥＤ２を流れる。コントローラ７のデジタル出力では、指定された制御パルスの周波数およびデューティーサイクルに従って「制御パルス」信号が形成される。この結果、周波数が１ｋＨｚから１０ＭＨｚの範囲内の電流パルスが順次、ＵＶ  ＬＥＤに印加される。コントローラ７は、オン制御コマンドが解除されない限り、または、ＵＶ  ＬＥＤの温度が指定された最高温度に到達するまで、「制御パルス」信号を生成する。コントローラ７は、温度センサ４からの信号によってＵＶ  ＬＥＤの温度をモニタリングする。温度センサ４は、ＵＶ  ＬＥＤ２が取り付けられているラジエータ３の上に配設されている。コントローラ７は、コントローラ７のメモリに格納されている最高動作温度の設定値に温度センサ４からの信号が到達すると、メインプログラムに従って、「制御パルス」信号の印加を中断するか、または、ＵＶ  ＬＥＤの出力電力を低減するべく制御パルスのデューティーサイクルを大きくするか、または、各ＬＥＤ２を流れる電流を低減するべくコントローラ７のアナログ出力において信号レベルを低くする。コントローラ７のアナログ出力から出力されている「電流設定」信号は、同時に全ての電力モジュール８に入力され、ＵＶ  ＬＥＤ２の電流の大きさを示す。コントローラ７のデジタル出力は、それぞれ各電力モジュール８に接続されており、装置のエネルギー源（不図示）のピーク電力を低減するべく、各モジュール８を互いに相対的に遅延させてオン／オフを制御することができる。
【００６７】
電力モジュール８は、コントローラ７から制御信号を受信して、コントローラ７から受信した制御信号に応じた大きさおよびデューティー幅の電流パルスをＵＶ  ＬＥＤ２用に生成する。電流パルスがＵＶ  ＬＥＤ２を流れると、ＵＶ  ＬＥＤ２は紫外線および熱を発生させる。ＵＶ  ＬＥＤが発生する熱は、水冷システムを持つラジエータ３に送られて、ラジエータ３で放出される必要がある。紫外線は、光学システム５を通過することによって、ビームを形成、つまり、集束する。集束した紫外線は、紫外線硬化性物質でコーティングされた基板に照射される必要がある。このように、上記の紫外線によって物質を硬化させる方法および当該方法を実施する装置は、第一に、蛍光ランプの利用を避けることができると共に、効率係数の上昇、動作温度の安定化、タイミングバジェットの増加、オゾン除去による環境への悪影響の低減、および、消費電力削減を実現することができる。本発明に係る紫外線によって物質を硬化させる方法および当該方法を実施する装置は、より広い分野で利用することができる。また、ＵＶ  ＬＥＤのみを利用するので、紫外線によって物質を硬化させる方法が、簡略化および低コスト化される。同じスペクトル領域の紫外線を出射するＵＶ  ＬＥＤを複数利用することによって、光開始剤の感度が最大となる波長に完全に一致することになり、物質を硬化させる際の効率が高くなる。
【００６８】
ＬＥＤの出射強度の制御は、ＵＶ  ＬＥＤの電流センサの指標、ならびに、フィードバックおよび温度の安定化に基づいて行われ、結晶の劣化を小さくして、ＵＶ  ＬＥＤの出射強度を高くすることができる。出射強度は、基板の上ではなくラジエータの上にＵＶ  ＬＥＤが直接配設されていることによって、有効性が高くなる。基板の上ではなくラジエータの上に温度センサが直接配設されていることによっても、結晶の劣化が小さくなるという効果が得られる。全てのＵＶ  ＬＥＤは直列で接続されており、全てのＵＶ  ＬＥＤは同じ波長の紫外線を出射するので、ＬＥＤを流れる電流を大きくする必要はなく、紫外線によって物質を硬化させる際のコストが小さくなる。また、この場合、ＵＶ  ＬＥＤを流れる電流が安定するので、ＬＥＤの出射強度がより安定する。
【００６９】
また、同じ種類のＬＥＤを利用することによって、波長が同一で特性が類似している光が出射されるので、ＬＥＤ制御システムが簡略化され、ＬＥＤの出射強度が高くなる。
【００７０】
以上より、本発明は、ＬＥＤの結晶劣化を低減することによって、高効率化されたＬＥＤ制御システムおよびＬＥＤ冷却システムを備える紫外線によって物質を硬化させる装置を提供する。さらに、装置を簡略化して、質量−寸法パラメータを低減し、例えば、プリンタの可動部への装着を可能とし、コストを削減して、紫外線硬化性物質の硬化を容易にして、環境への悪影響を低減して、消費電力を削減し、蛍光ランプの利用を避けて、同じ出射スペクトルのＬＥＤを利用して、嫌気性領域を設けることによって、長寿命化を実現する。この結果、本発明は、さまざまな種類のプリントヘッドを備えるピエゾインクジェット方式のフルカラープリンタにおいて、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等のさまざまな材料の表面に画像を大規模にフルカラー印刷するべく利用することができる。同時に、本発明は、出射帯域が狭い紫外線の場合でも、紫外線硬化性物質を高速に硬化させる。
【００７１】
紫外線硬化性インクを硬化させる例を以下に記載して本発明を説明する。
【００７２】
＜例１＞
以下の物質を含む紫外線硬化性白色インクを硬化させる。
光開始剤：
２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、光開始剤全量の５０％、
モノアシルホスフィンオキシド、２０％、
アミン相乗剤、エチル−４−ジメチルアミノ安息香酸、３０％
【００７３】
このインクは、粘度が摂氏２５度において２９ｃＰ（２９．１０−３Ｐａ．ｓ）で、摂氏４５度において１１ｃＰ（１１．１０−３Ｐａ．ｓ）で、表面張力が２４．７ｄｙｎｅ／ｃｍである。
【００７４】
ＸＡＡＲ１２８／４０ヘッドを備えるＮＥＯ  ＵＶ  ＬＥＤ大規模プリンタで印刷を行って、ＵＶ  ＬＥＤの波長が３６５ｎｍである上述した紫外線装置から紫外線を照射して、このインクの硬化速度試験を行う。プリントヘッドにおけるインクの挙動は安定しており、硬化速度は速く、硬化時間は０．４秒である。素晴らしい印刷品質が得られる。
【００７５】
＜例２＞
黒色インクの硬化を行う。
光開始剤：
イソプロピルチオキサントン、光開始剤の全量の３０％、
２−ベンジル−２−（ジメチルアミノ）−１−［４−（４−モルホリニル）フェニル］−１−ブタノン、（Ｃｉｂａ社製のＩｒｇａｑｕｒｅ３６９）、１０％、
モノアシルホスフィンオキシド、１０％、
共開始剤、アミン相乗剤、エチル−４−ジメチルアミノ安息香酸、５０％
【００７６】
このインクは、粘度が摂氏２５度において２３．４ｃＰで、摂氏４５度において１１ｃＰで、表面張力が２５ｄｙｎｅ／ｃｍである。
【００７７】
出射帯域が３６５ｎｍであるＵＶ  ＬＥＤを備える標準的な紫外線源から紫外線を照射して、このインクの硬化速度試験を行う。また、このインクの試験は、ＸＡＡＲ１２８／４０ヘッドを備えるＮＥＯ  ＵＶ  ＬＥＤ大規模プリンタで行う。プリントヘッドにおけるインクの挙動は安定しており、硬化時間は０．４秒である。素晴らしい印刷品質が得られる。
【００７８】
＜例３＞
光開始剤として以下の物質を含む青色インクを硬化させる。
２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、光開始剤全量の０．２０％、
モノアシルホスフィンオキシド、３０％、
共開始剤、アミン相乗剤、エチル−４−（ジメチルアミノ）安息香酸、５０％
【００７９】
このインクは、粘度が摂氏２５度において２４．９ｃＰで、摂氏４５度において９．５ｃＰで、表面張力が２４．９ｄｙｎｅ／ｃｍである。
【００８０】
ＸＡＡＲ１２８／４０ヘッドを備えるＮＥＯ  ＵＶ  ＬＥＤ大規模プリンタで、ＬＥＤの波長が３６５ｎｍである上述した紫外線硬化性物質硬化装置を用いて、このインクの硬化試験を行う。硬化時間は０．４秒である。素晴らしい印刷品質が得られる。
【００８１】
＜例４＞
以下の物質を含む赤色インクを硬化させる。
光開始剤：
２，４，６−トリメチルベンゾイルジフェニルホスフィンオキシド、光開始剤全量の２０％、
モノアシルホスフィンオキシド、３０％、
共開始剤、アミン相乗剤、エチル−４−（ジメチルアミノ）安息香酸、５０％
【００８２】
このインクは、粘度が摂氏２５度において２４．７ｃＰで、摂氏４５度において８．９ｃＰで、表面張力が２４．５ｄｙｎｅ／ｃｍである。
【００８３】
出射帯域が３６５ｎｍであるＵＶ  ＬＥＤを備える標準的な紫外線源から紫外線を照射して、このインクの硬化速度試験を行う。また、このインクの試験は、ＸＡＡＲ１２８／４０ヘッドを備えるＮＥＯ  ＵＶ  ＬＥＤ大規模プリンタで行う。プリントヘッドにおけるインクの挙動は安定している。硬化時間は０．４秒である。素晴らしい印刷品質が得られる。
【００８４】
＜産業上の利用可能性＞
本発明は、印刷に利用することができる。特に、ピエゾインクジェット方式のフルカラー印刷方法を用いて所望の画像または文字を印刷して、スペクトル帯域が狭い紫外線を照射してバインダによる光重合反応で印刷内容を固着させる際に利用することができる。この結果、可撓性ポリマーおよびシート状ポリマー、ガラス、金属、セラミック、木材等のさまざまな材料の平坦な表面に文字、画像等をフルカラー印刷することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１  紫外線源、２  ＬＥＤ、３  ラジエータ、４  ＵＶ  ＬＥＤの温度センサ、５  照射を光学的に集束させるためのシステム、６  ＵＶ  ＬＥＤ制御ブロック、７  コントローラ、８  電力モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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