JP2004114377A - Inkjet recording device and ink used for the device - Google Patents

Inkjet recording device and ink used for the device Download PDF

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JP2004114377A JP2002278242A JP2002278242A JP2004114377A JP 2004114377 A JP2004114377 A JP 2004114377A JP 2002278242 A JP2002278242 A JP 2002278242A JP 2002278242 A JP2002278242 A JP 2002278242A JP 2004114377 A JP2004114377 A JP 2004114377A
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Atsushi Nakajima
仲島 厚志
Kazuhiro Murata
村田 和広
Hiroshi Yokoyama
横山 浩
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Konica Minolta Inc
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Konica Minolta Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the trouble of bleeding of ink to a record medium, drying failure of the ink itself, cockling of the record medium by the ink, and the like and to enable recording of highly fine images by jetting superfine ink droplets. <P>SOLUTION: The inkjet recording device has a recording head 20 equipped with nozzles 21 for jetting the ink as droplets. A desired image is recorded to a base K by jetting ink droplets from the nozzles 21 to the base K. In the inkjet recording device, a droplet amount per one droplet of ink droplets jetted from the nozzles 21 is 1-400 fl, and an ink adhesion amount per one color to the base K is 0.2-5.6 ml/m<SP>2</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェット記録装置及びこの装置に用いるインクに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のインクジェット記録方式としては、圧電素子の振動によりインク流路を変形させることによりインク滴を吐出させるピエゾ方式、インク流路内に発熱体を設け、その発熱体を発熱させて気泡を発生させ、気泡によるインク流路内の圧力変化に応じてインク滴を吐出させるサーマル方式、インク流路内のインクを帯電させてインクの静電吸引力によりインク滴を吐出させる静電吸引方式が知られている。
【0003】
上記したようなインクジェット記録方式によるインクジェット記録装置は、記録媒体に着弾したインク滴により複数のドットを形成して記録媒体に所望の画像を記録するものであるが、近年では、吐出量が数pl(ピコリットル)〜数十plの微小なインク滴を吐出できるようになっている(例えば、特許文献3、4参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−238774号公報
【特許文献2】
特開2000−127410号公報
【特許文献3】
特開平10−291303号公報
【特許文献4】
特開平11−268266号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記インクジェット記録装置による記録に関して、上記の通りに各インク滴の滴量が数pl〜数十plであっても、記録媒体に着弾する各インク滴のドット径は数十μm(マイクロメートル)に達し、記録媒体に対する一色当たりのインク付着量も十ml/m近傍に達している。
【0006】
具体的に説明すると、通常のインクジェット記録装置では、インクを滴として吐出するノズルからは、2〜80pl程度のインク滴が吐出されているが、ノズルからのインクの吐出量が20plである場合には、記録媒体に着弾する各インク滴のドット径は60μmに達している。このときの解像度は600dpi(dot per inch)に相当しており、記録媒体に対する一色当たりのインク付着量は11.11ml/mに達している。
【0007】
また、ノズルからのインクの吐出量が2plである場合には、記録媒体に着弾する各インク滴のドット径は25μmに達している。このときの解像度は1440dpiに相当し、記録媒体に対する一色当たりのインク付着量は6.4ml/mとなってインク付着量は比較的少なくて済む。しかし、実際には、インク滴の吐出角度の誤差、インク滴の吐出速度の誤差、記録媒体の搬送誤差、ノズルと記録媒体との距離によるインク滴の着弾誤差等の微小な誤差が生じるため記録媒体の各画素を完全にインクにより埋める必要があり、結局、一色当たりのインク付着量は6.4ml/mよりも多い。
【0008】
このような記録では、各ドット径及び一色当たりのインク付着量が比較的大きく、例えば、明るい色のインク滴から構成される記録部分(以下「ハイライト部」という。)では、濃い色のインク滴が他のインク滴に比較して際立って認識され、また、互いに異なる濃い色のインク滴から構成される記録部分(以下「混色部」という。)でも、インク滴の一滴一滴が際立って認識される。つまり、濃い色のインク滴だけでは、記録すべき画像に滑らかな階調を表現することは困難であり、滑らかな階調表現を実現するためには、濃い色のインクだけではなく、色材の濃度を低減した淡い色のインクを用いなければならない。
【0009】
しかしながら、淡い色のインクを用いた場合には、一定の濃度を得るための単位面積当たりのインクの滴量が多くなり、その結果、上記と同様に、記録媒体に付着する一色当たりのインク付着量も多くなる。このような状況においては、インクが記録媒体に滲んだり、記録媒体に着弾したインクが充分に乾燥しきれなかったり、所謂「波打ち現象」により記録媒体がコックリングしたりして、画像の品質低下を招く可能性がある。特に、多数のインク滴を一度に吐出して高速記録を行うためにノズルの数を増やした場合には、顕著なものとなる。
【0010】
紫外線の被照射により硬化する紫外線硬化型インクを用い、記録媒体に着弾したインクに紫外線を照射しこのインクを硬化させることで、上記不都合を解消することも考えられるが、紫外線の照射を受けた紫外線硬化型インクは、記録媒体に吸収されずに即座に硬化するので、記録媒体に着弾した各インク滴が記録媒体上で大きく盛り上がり、記録された画像の質感を損ねてしまう。つまり、記録媒体上に各インク滴による凹凸が顕著に現れてしまう。
【0011】
また、上記インクジェット記録装置には、以下の問題があった。
(1)微小インク滴形成の安定性
ノズル径が大きいため、ノズルから吐出されるインク滴の形状が安定しない。(2)微小インク滴の着弾精度の不足
ノズルから吐出したインク滴に付与される運動エネルギーは、インク滴半径の3乗に比例して小さくなる。このため、微小インク滴は空気抵抗に耐えるほどの十分な運動エネルギーを確保できず、空気対流などによる擾乱を受け、正確な着弾が期待出来ない。さらに、インク滴が微細になるほど、表面張力の効果が増すために、インク滴の蒸気圧が高くなり蒸発量が激しくなる。このため微細インク滴は、飛翔中の著しい質量の消失を招き、着弾時にインク滴の形態を保つことすら難しいという事情があった。
【0012】
以上のようにインク滴の微細化と高精度化は、相反する課題であり、両方を同時に実現することは困難であった。
この着弾位置精度の悪さは、印字画質を低下させるのみならず、例えばインクジェット技術により導電性インクを用いて回路の配線パターンを描画する際などには特に大きな問題となる。すなわち、位置精度の悪さは所望の太さの配線が描画出来ないばかりか、断線やショートを生ずることさえあり得る。
(3)高印加電圧
従来の静電吸引方式の原理では、メニスカスの中心に電荷を集中させてメニスカスの隆起を発生する。この隆起したテーラーコーン先端部の曲率半径は、電荷の集中量により定まり、集中した電荷量と電界強度による静電力がそのときのメニスカスの表面張力より勝った時にインク滴の分離が始まる。
メニスカスの最大電荷量は、インクの物性値とメニスカス曲率半径により定まるため、最小のインク滴のサイズはインクの物性値(特に表面張力)とメニスカス部に形成される電界強度により定まる。
【0013】
一般的に、インクの表面張力は純粋な溶媒よりも溶剤を含んだ方が表面張力は低くなる傾向があり、実際のインクにおいても種々の溶剤を含んでいるため、表面張力を高くすることは難しい。このため、インクの表面張力を一定と考え、電界強度を高くすることによりインク滴サイズを小さくする方法が採られていた。
従って、上記の特許文献1,2に開示されたインクジェット記録装置では、両者とも吐出原理として、吐出インク滴の投影面積よりもはるかに広い面積のメニスカス領域に強い電界強度のフィールドを形成することにより該メニスカスの中心に電荷を集中させ、該集中した電荷と形成している電界強度からなる静電力により吐出を行うため、2000[V]に近い非常に高い電圧を印加する必要があり、駆動制御が難しいと共に、インクジェット記録装置を操作するうえでの安全性の面からも問題があった。
【0014】
(4)吐出応答性
上記の特許文献1,2に開示されたインクジェット記録装置では、両者とも吐出原理として、吐出インク滴の投影面積よりもはるかに広い面積のメニスカス領域に強い電界強度のフィールドを形成することにより該メニスカスの中心に電荷を集中させ、該集中した電荷と形成している電界強度からなる静電力により吐出を行うため、メニスカス部の中心に電荷が移動するための電荷の移動時間が吐出応答性に影響し、印字速度の向上において問題となっていた。
【0015】
本発明の課題は、超微細なインク滴を吐出することで、記録媒体へのインクの滲み、インク自体の乾燥不良、インクによる記録媒体のコックリング等の弊害を抑制して高精細な画像を記録できるインクジェット記録装置を提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、インクを滴として吐出するノズルを備え、前記ノズルからインク滴を基材に吐出して基材に所望の画像を記録するインクジェット記録装置において、
前記ノズルから吐出されるインク滴の一滴当たりの滴量は、1〜400fl(フェムトリットル)であり、基材に対する一色当たりのインク付着量は、0.2〜5.6ml/mであることを特徴とする。
【0017】
請求項1に記載の発明では、数plを大きく下回る1〜400flの超微細なインク滴を吐出し、基材に付着する一色当たりのインク付着量を0.2〜5.6ml/mに抑えることができるので、基材に付着する各インク滴のドット径を大幅に減少させることができる。これにより、基材へのインクの滲み、インク自体の乾燥不良、基材に付着したインクによる基材のコックリング等の弊害を抑制でき、ひいては複数の超微細なドットによる高精細な画像を記録することができる。また、この場合、基材には超微細なドットが形成されるから、ハイライト部及び混色部に対して、滑らかな階調表現を行うことができる。
【0018】
なお、上記構成において、インク滴の一滴当たりの滴量が1fl未満であり、基材に対する一色当たりのインク付着量が0.2ml/m未満である場合には、基材に対する各インク滴の着弾精度を十分に保持できず、更には記録に十分なインク濃度を保持することができない。また、インク滴の一滴当たりの滴量が400flより大きく、基材に対する一色当たりのインク付着量が5.6ml/mより大きい場合には、基材へのインクの滲み、インク自体の乾燥不良、基材に付着したインクによる基材のコックリング等の従来からの弊害を抑制できない。
また、上記構成及び以下に記載する「基材」とは、ノズルから吐出されたインク滴の着弾を受ける対象物(記録媒体)をいう。従って、例えば、用紙に所望の画像を記録する場合には、当該用紙が基材に相当する。
【0019】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルから吐出されるインク滴の一滴当たりの滴量は、1〜100flであり、基材に対する一色当たりのインク付着量は、0.2〜2.5ml/mであることを特徴とする。
【0020】
請求項2に記載の発明は、請求項1から導出される効果をより確実に奏することができるものであるから、請求項2に記載の発明では、基材へのインクの滲み、インク自体の乾燥不良、基材に付着したインクによる基材のコックリング等の弊害をより確実に抑制でき、ひいては複数の超微細なドットによる高精細な画像をより確実に記録することができる。また、この場合、基材には超微細なドットが確実に形成されるから、ハイライト部及び混色部に対して、滑らかな階調表現をより確実に行うことができる。
【0021】
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルに対向するように配置されかつ基材が外面に巻き付けられた円筒状のドラムを備え、
前記ノズルから吐出された各インク滴を、前記ドラムの外面に巻き付けられた基材に付着させて基材に所望の画像を記録することを特徴としている。
【0022】
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルに対向するように配置される中間転写体を備え、
前記ノズルから吐出された各インク滴が前記中間転写体に付着し、前記中間転写体に付着した各インク滴が基材に転写されることを特徴としている。
【0023】
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置において、
帯電したインクのインク滴の吐出を受ける受け面を有する基材にその先端部を対向させて配置されると共に当該先端部からインク滴を吐出する超微細径の前記ノズルと、
前記ノズル内にインクを供給するインク供給手段と、
前記ノズル内のインクに吐出電圧を印加する吐出電圧印加手段と、
を備えることを特徴とする。
【0024】
請求項5に記載の構成にあっては、ノズルの先端部にインク滴の受け面が対向するように、ノズル又は基材が配置される。これら相互の位置関係を実現するための配置作業は、ノズルの移動又は基材の移動のいずれにより行ってもよい。
そして、インク供給手段によりノズル内にインクが供給される。ノズル内のインクは吐出を行うために帯電した状態にあることが要求される。インクの帯電は、吐出電圧を印加する吐出電圧印加手段により、吐出されない範囲での電圧印加により行ってもよいし、帯電専用の電極を設けてもよい。
【0025】
請求項5に記載の構成にあっては、ノズルを従来にない超微細径とすることでノズル先端部に電界を集中させて電界強度を高めることに特徴がある。ノズルの小径化に関しては後の記載により詳述する。かかる場合、ノズルの先端部に対向する対向電極がなくともインク滴の吐出を行うことが可能である。例えば、対向電極が存在しない状態で、ノズル先端部に対向させて基材を配置した場合、当該基材が導体である場合には、基材の受け面を規準としてノズル先端部の面対称となる位置に逆極性の鏡像電荷が誘導され、基材が絶縁体である場合には、基材の受け面を規準として基材の誘電率により定まる対称位置に逆極性の映像電荷が誘導される。そして、ノズル先端部に誘起される電荷と鏡像電荷又は映像電荷間での静電力によりインク滴の飛翔が行われる。
【0026】
但し、請求項5に記載の構成は、対向電極を不要とすることを可能とするが、対向電極を併用しても構わない。対向電極を併用することで、ノズル−対向電極間での電界による静電力を飛翔電極の誘導のために併用することも可能となるし、対向電極を接地すれば、帯電したインク滴の電荷を対向電極を介して逃がすことができ、電荷の蓄積を低減する効果も得られるので、むしろ併用することが望ましい構成といえる。
【0027】
請求項5に記載の発明を引用する引用発明として、請求項5に記載の発明と同様の構成を備えると共に、吐出電圧を一定とし、その動作周波数を、
f=σ/2πε
で表される境界値fよりも大きな値と小さな値とを切り替えることで吐出と停止とを切り替える動作制御を行う周波数制御手段を備える、という構成を採ってもよい。ただし、σ:溶液の導電率、ε:溶液の比誘電率とする。
【0028】
上記構成では、請求項5に記載の発明と同様の動作が行われると共に、ノズル内のインクに対して、インク滴の吐出が可能な電位の吐出電圧を連続的に印加すると共に、その周波数の変動により吐出動作のオンオフの制御を行う。即ち、境界値f=σ/2πεは、インクの導電率及び比誘電率に基づく帯電速度に応じて決定される臨界周波数であって、これ以上の周波数で吐出電圧が印加された場合、例え電位が適正範囲であっても、インク滴の吐出は行われない。従って、ノズル内のインクに、吐出可能な電位の吐出電圧を連続的に印加し続けると共に、吐出を行わないときには、その周波数を境界値fよりも大きい状態に維持し、吐出を行う際には境界値fよりも小さい状態に切り替えることでインク滴の吐出を行うことができる。
【0029】
また、吐出電圧の周波数を切り替えることでインク滴吐出のオンオフを制御する場合、吐出電圧の印加のオンオフによりインク滴吐出のオンオフを切り替える場合や吐出電圧の電位の高低によりインク滴吐出のオンオフを切り替える場合よりも時間応答性に優れており、再吐出の際の応答性の向上を図ることができる。
【0030】
請求項5に記載の発明を引用する引用発明として、請求項5に記載の発明と同様の構成を備えると共に、少なくともノズルの流路の内側面を絶縁化すると共に、流路内のインクの周囲であって絶縁化した部分よりも外側に流動供給用電極を設ける、という構成を採ってもよい。
【0031】
上記構成において、「絶縁化した部分よりも外側に流動供給用電極を設ける」とは、ノズルの内側に絶縁膜を介して流動供給用電極を設ける場合も、ノズル全体を絶縁素材で形成すると共にノズルの外側に流動供給用電極を設ける場合も含むことを意味するものである。
【0032】
一般に、管路の内面を絶縁すると共に当該絶縁部を介して設けた電極と、管路の内側のインクに電圧を印加する電極とにより相互間に電位差を設けて各電極に電圧を印加すると、絶縁された管路の内面に対するインクのぬれ性が向上するという、いわゆるエレクトロウェッティング現象の効果を得ることができる。
上記発明の構成にあっては、ノズルの内側面を絶縁化した部分の外側に設けられた流動供給用電極による印加電圧と吐出電圧印加手段による印加電圧とに電位差を設けることで、エレクトロウェッティング効果によりノズル内のぬれ性の向上を図ることができ、エレクトロウェッティング効果によるノズル内へのインク供給の円滑化を図ることができる。
【0033】
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置に用いるインクにおいて、
色材の濃度は8〜90wt%(質量%)であり、直径0.3μm以上の粒子を含まないことを特徴とする。
【0034】
なお、請求項6に記載の発明に係るインクにおいて、色材の濃度が8wt%未満である場合には、記録に十分なインク濃度を保持することができない。また、色材の濃度が90wt%よりも大きい場合には、インク自体の流動性が劣化してノズルからのインクの吐出が不安定となったり、インクの長期保存の際にインクの粘度が増えるといった不都合が生じてしまう。さらに、請求項6に記載の発明に係るインクは、直径0.3μm以上の粒子(好ましくは直径0.05μm以上の粒子)を含まないものである。
【0035】
また、請求項6に記載の発明に係るインクにおいて、色材として顔料及び染料の両方が適用可能である。ここで、色材として顔料を適用した場合に、顔料を構成する各粒子が直径0.3μm未満であれば特に問題無いが、この場合、顔料に対してはインク中で十分に分散することが要求されるため、色材として染料を適用するのが好ましい。
【0036】
請求項7に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルのノズル径が30μm以下であることを特徴とする。
【0037】
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルのノズル径が20μm未満であることを特徴とする。
【0038】
請求項9に記載の発明は、請求項8に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルのノズル径が8μm以下であることを特徴とする。
【0039】
請求項10に記載の発明は、請求項9に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルのノズル径が4μm以下であることを特徴とする。
【0040】
本発明において、「ノズル径」とは、ノズルの先端部の内部直径をいう。
ノズル径を20[μm]未満とすることにより、電界強度分布が狭くなる。このことにより、電界を集中させることができる。その結果、形成されるインク滴を微小で且つ形状の安定化したものとすることができると共に、総印加電圧を低減することができる。また、インク滴は、ノズルから吐出された直後、電界と電荷の間に働く静電力により加速されるが、ノズルから離れると電界は急激に低下するので、その後は、空気抵抗により減速する。しかしながら、微小インク滴でかつ電界が集中したインク滴は、対向電極に近づくにつれ、鏡像力により加速される。この空気抵抗による減速と鏡像力による加速とのバランスをとることにより、微小インク滴を安定に飛翔させ、着弾精度を向上させることが可能となる。
【0041】
また、ノズルの内部直径は、8[μm]以下であることが好ましい。ノズルの内部直径を8[μm]以下とすることにより、さらに電界を集中させることが可能となり、さらなるインク滴の微小化と、飛翔時に対向電極の距離の変動が電界強度分布に影響することを低減させることができるので、対向電極の位置精度や基材の特性や厚さのインク滴形状への影響や着弾精度への影響を低減することができる。
【0042】
さらに、ノズルの内部直径を4[μm]以下とすることにより、顕著な電界の集中を図ることができ、最大電界強度を高くすることができ、形状の安定なインク滴の超微小化と、インク滴の初期吐出速度を大きくすることができる。これにより、飛翔安定性が向上することにより、着弾精度をさらに向上させ、吐出応答性を向上することができる。
【0043】
また、ノズルの内部直径は0.2[μm]より大きい方が望ましい。ノズルの内径を0.2[μm]より大きくすることで、インク滴の帯電効率を向上させることができるので、インク滴の吐出安定性を向上させることができる。
【0044】
さらに、上記各請求項及び請求項5に記載の発明を引用する引用発明の構成において、
(1)ノズルを電気絶縁材で形成し、ノズル内に電極を挿入あるいはメッキ形成ことが好ましい。
(2)上記各請求項の構成又は上記(1)の構成において、ノズルを電気絶縁材で形成し、ノズル内に電極を挿入或いはメッキ形成すると共にノズルの外側に電極を設けることが好ましい。
(1)及び(2)により、上記各請求項による作用効果に加え、吐出力を向上させることができるので、ノズル径をさらに微小化しても、低電圧で液を吐出することができる。
(3)上記各請求項の構成、上記(1)又は(2)の構成において、基材を導電性材料または絶縁性材料により形成することが好ましい。
(4)上記各請求項の構成、上記(1)、(2)又は(3)の構成において、ノズルに印加する電圧Vを
【数1】

Figure 2004114377
で表される流域において駆動することが好ましい。
ただし、γ:液体の表面張力、ε:真空の誘電率、r:ノズル半径、h:ノズル−基板間距離、k:ノズル形状に依存する比例定数(1.5<k<8.5)とする。
(5)上記各請求項の構成、上記(1)、(2)、(3)又は(4)の構成において、印加する任意波形電圧が1000V以下であることが好ましい。
(6)上記各請求項の構成、上記(1)、(2)、(3)、(4)又は(5)の構成において、印加する任意波形電圧が500V以下であることが好ましい。
基材を導電性または絶縁性の基材ホルダーに裁置ことが好ましい。
(7)上記各請求項の構成、上記(1)〜(6)いずれかの構成において、ノズルと基板との距離が500[μm]以下とすることが、ノズル径を微細にした場合でも高い着弾精度を得ることができるので好ましい。
(8)上記各請求項の構成、上記(1)〜(7)いずれかの構成において、ノズル内の溶液に圧力を印加するように構成することが好ましい。
(9)上記各請求項の構成、上記(1)〜(8)いずれかの構成において、単一パルスによって吐出する場合、
【数2】
Figure 2004114377
により決まる時定数τ以上のパルス幅Δtを印加する構成としても良い。ただし、ε:流体の誘電率、σ:導電率とする。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下の実施形態で説明するインクジェット記録装置のノズル径(内部直径)は、30[μm]以下であることが好ましく、さらに好ましくは20[μm]未満、さらに好ましくは8[μm]以下、さらに好ましくは4[μm]以下とすることが好ましい。また、ノズル径は、0.2[μm]より大きいことが好ましい。
【0046】
(インクジェット記録装置の全体構成)
以下、インクジェット記録装置について図1に基づいて説明する。
図1はインクジェット記録装置の概略構成図であり、このインクジェット記録装置100は、所定の基材Kを支持するためのプラテン102と、このプラテン102の上方に配置された記録ヘッド20と、プラテン102の基材Kの搬送方向上流側および下流側に配置された搬送ローラ103a,103bと、これら各搬送ローラ103a,103bに圧接されて基材Kを搬送ローラ103a,103bとの間で挟持する圧接ローラ104a,104bとを備えている。
【0047】
(記録ヘッド及び記録ヘッドに係る部材の構成)
以下、記録ヘッド20及び記録ヘッド20に係る部材について図2及び図3に基づいて説明する。図2はノズル21に沿った記録ヘッド20及び記録ヘッド20に係る部材の断面図であり、図3はインクの吐出動作とインクに印加される電圧との関係を示す説明図であって、図3(A)は吐出を行わない状態であり、図3(B)は吐出状態を示す。
【0048】
図1及び図2に示す通り、記録ヘッド20には、帯電可能なインクのインク滴をその先端部から吐出する超微細径のノズル21が設けられている。ノズル21は、プラテン102に指向されている。記録ヘッド20のノズル21の下方には、対向電極23がノズル21に対向するように設けられている。対向電極23は、プラテン102に一体的に形成されており、ノズル21の先端部に対向する対向面を有すると共にその対向面でインク滴の着弾を受ける基材Kを支持する。また、記録ヘッド20には、ノズル21内の流路22にインクを供給するインク供給手段と、ノズル21内のインクに吐出電圧を印加する吐出電圧印加手段25とが、つながれている。
【0049】
なお、上記ノズル21とインク供給手段の一部の構成と吐出電圧印加手段25の一部の構成はノズルプレート26により一体的に形成されている。
【0050】
上記記録ヘッド20は、図示しない駆動機構により、基材Kの搬送方向(図1中左方向)に対して直交する方向に走査自在とされた走査型の記録ヘッドであって、複数のノズル21を備えている。本実施形態において、この記録ヘッド20には、イエロー(Y)、マゼンダ(M)、シアン(C)、ブラック(K)等の色材を含む各プロセスカラーインクがインク供給手段の後述するインクタンクから供給され、記録ヘッド20は、各プロセスカラーインクを滴として各ノズル21から吐出する。
【0051】
(ノズル)
上記ノズル21は、後述するノズルプレート26の下面層26cと共に一体的に形成されており、当該ノズルプレート26の平板面上から垂直に立設されている。さらに、ノズル21にはその先端部からその中心線に沿って貫通するノズル内流路22が形成されている。
【0052】
ノズル21についてさらに詳説する。ノズル21は、前述の通り、超微細径で形成されている。詳しくは、ノズル21の先端部における内径は、30μm以下であるが、20μ未満であってもよいし、8μm以下であってもよいし、4μm以下であってもよい。具体的な各部の寸法の一例を挙げると、ノズル内流路22の内部直径は、1[μm]、ノズル21の先端部における外部直径は2[μm]、ノズル21の根元の直径は5[μm]、ノズル21の高さは100[μm]に設定されており、その形状は限りなく円錐形に近い円錐台形に形成されている。また、ノズル21はその全体がノズルプレート26の下面層26cと共に絶縁性の樹脂材により形成されている。
【0053】
なお、ノズルの各寸法は上記一例に限定されるものではない。特にノズル内径については、後述する電界集中の効果によりインク滴の吐出を可能とする吐出電圧が1000[V]未満を実現する範囲であって、例えば、ノズル直径70[μm]以下であり、より望ましくは、直径20[μm]以下であって、現行のノズル形成技術によりインクを通す貫通穴を形成することが実現可能な範囲である直径をその下限値とする。
【0054】
(インク供給手段)
インク供給手段は、ノズルプレート26の内部であってノズル21の根元となる位置に設けられると共にノズル内流路22に連通するインク室24と、図示しない外部のインクタンクからインク室24にインクを導くインク供給路27と、インク室24へのインクの供給圧力を付与する図示しない供給ポンプとを備えている。
上記インクタンクには、Y、M、C、Aの各プロセスカラーインクが貯留されており、上記供給ポンプは、ノズル21の先端部まで各プロセスカラーインクを供給し、当該先端部からこぼれ出さない範囲の供給圧力を維持しながら、記録ヘッド20に対して各プロセスカラーインクの供給を行う(図3(A)参照)。
【0055】
(吐出電圧印加手段)
吐出電圧印加手段25は、ノズルプレート26の内部であってインク室24とノズル内流路22との境界位置に設けられた吐出電圧印加用の吐出電極28と、この吐出電極28に常時直流のバイアス電圧を印加するバイアス電源30と、吐出電極28にバイアス電圧に重畳して吐出に要する電位とするパルス電圧を印加する吐出電圧電源29と、を備えている。
【0056】
上記吐出電極28は、インク室24内部においてインクに直接接触し、インクを帯電させると共に吐出電圧を印加する。
バイアス電源30によるバイアス電圧は、インクの吐出が行われない範囲で常時電圧印加を行うことにより、吐出時に印加すべき電圧の幅を予め低減し、これによる吐出時の反応性の向上を図っている。
【0057】
吐出電圧電源29は、インクの吐出を行う際にのみパルス電圧をバイアス電圧に重畳させて印加する。このときの重畳電圧Vは次式の条件を満たすようにパルス電圧の値が設定されている。
【数3】
Figure 2004114377
但し、γ:インクの表面張力、ε:真空の誘電率、r:ノズル半径、k:ノズル形状に依存する比例定数(1.5<k<8.5)とする。
一例を挙げると、バイアス電圧はDC300[V]で印加され、パルス電圧は100[V]で印される。従って、吐出の際の重畳電圧は400[V]となる。
【0058】
(ノズルプレート)
ノズルプレート26は、図2において最も上層に位置するベース層26aと、その下に位置するインクの供給路を形成する流路層26bと、この流路層26bのさらに下に形成される下面層26cとを備え、流路層26bと上面層26cとの間には前述した吐出電極28が介挿されている。
【0059】
上記ベース層26aは、シリコン基板或いは絶縁性の高い樹脂又はセラミックにより形成され、その上に溶解可能な樹脂層を形成すると共に供給路27及びインク室24のパターンに従う部分のみを残して除去し、除去された部分に絶縁樹脂層を形成する。この絶縁樹脂層が流路層26bとなる。そして、この絶縁樹脂層の下面に導電素材(例えばNiP)のメッキにより吐出電極28を形成し、さらにその下から絶縁性のレジスト樹脂層を形成する。このレジスト樹脂層が下面層26cとなるので、この樹脂層はノズル21の高さを考慮した厚みで形成される。そして、この絶縁性のレジスト樹脂層を電子ビーム法やフェムト秒レーザにより露光し、ノズル形状を形成する。ノズル内流路22もレーザ加工により形成される。そして、供給路27及びインク室24のパターンに従う溶解可能な樹脂層を除去し、これら供給路27及びインク室24が開通してノズルプレートが完成する。
【0060】
(対向電極)
対向電極23は、ノズル21に垂直な対向面を備えており、かかる対向面に沿うように基材Kの支持を行う。ノズル21の先端部から対向電極23の対向面までの距離は、一例としては100[μm]に設定される。
また、この対向電極23は接地されているため、常時接地電位を維持している。従って、パルス電圧の印加時にはノズル21の先端部と対向面との間に生じる電界による静電力により吐出されたインク滴を対向電極23側に誘導する。
【0061】
なお、インクジェット記録装置20は、ノズル21の超微細化による当該ノズル21の先端部での電界集中により電界強度を高めることでインク滴の吐出を行うことから、対向電極23による誘導がなくともインク滴の吐出を行うことは可能ではあるが、ノズル21と対向電極23との間での静電力による誘導が行われた方が望ましい。また、帯電したインク滴の電荷を対向電極23の接地により逃がすことも可能である。
【0062】
(インク)
インクとしては、通常のインクジェット記録装置に用いられるタイプのインク(具体的には、水性インク、油性インク、溶剤インク、紫外線硬化型インク、ソリッドインク等)が適用可能である。インクは、色材の濃度が8〜90wt%であり、直径0.3μm以上の粒子を含まないとすることが好ましい。
【0063】
さらに詳しく説明すると、インクとしては、粘度が0.1〜1000mPa・s(好ましくは、1〜100mPa・s)であり、表面張力が20〜70mN/m(好ましくは、25〜50mN/m)であるインクが適用可能である。インクの粘度が0.1mPa・s未満又は1000mPa・sよりも大きい場合には、ノズル21からのインクの吐出が不安定なものとなる。また、インクの表面張力が20mN/m未満である場合には、ノズル21から吐出されたインク滴が基材Kに滲みやすい。インクの表面張力が70mN/mよりも大きい場合には、ノズル21から吐出されたインク滴により基材Kの各画素を完全に埋めることができず、基材Kに対する一色当たりのインク付着量を多くしなければならない。結局、この場合、基材へのインクの滲み、インク自体の乾燥不良、基材に付着したインクによる基材のコックリング等の従来からの弊害を抑制できない。
【0064】
なお、インクとして紫外線硬化型インクを適用する場合には、基材Kに着弾したインク滴に紫外線を照射できる位置(例えば、ノズル21近傍)に紫外線照射手段を設け、基材Kに着弾した各インク滴に紫外線を照射させてこれら各インク滴を硬化させる必要がある。紫外線照射手段の「光源」としては、低圧水銀ランプ、紫外線レーザー、キセノンフラッシュランプ、捕虫灯、ブラックライト、殺菌灯、冷陰極管、LED(Light Emitting Diode)、LED高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、エキシマーランプ、無電極紫外線ランプ等が適用可能であり、これら以外の光源を適用してもよい。
【0065】
(基材)
基材Kとしては、アート紙、コート紙、上質紙等の各種紙、各種布地、各種不織布が適用可能であって、さらに樹脂、金属、ガラス等の材質からなるものも適用可能である。基材Kの形態としては、ロール状、カットシート状、板状等のように記録面が二次元的に広がりを有していてもよいし、さらに円筒状、円錐状、多角状等のように記録面が三次元的に広がりを有していてもよい。
【0066】
(インクジェット記録装置による画像記録動作)
次に、図1によりインクジェット記録装置100の動作説明を行う。
まず、搬送ローラ103aを回転駆動させることにより、所定の基材Kを搬送ローラ103aと圧接ローラ104aとにより挟持しながらプラテン102に搬送する。
そして、基材Kをプラテン102により支持した状態で搬送ローラ103aと圧接ローラ104aとにより基材Kを間欠的に搬送するとともに、基材Kの搬送方向に直交する方向に走査型の記録ヘッド20を走査しながら記録ヘッド20から各プロセスカラーインクを吐出させて、基材Kに所望の画像を記録する。画像記録後の基材Kは、搬送ローラ103bと圧接ローラ104bとにより挟持されてプラテン102から取り除かれる。
【0067】
(記録ヘッドによる微小インク滴の吐出動作)
図2及び図3により記録ヘッド20の動作説明を行う。
インク供給手段の供給ポンプによりノズル内流路22にはインクが供給された状態にあり、かかる状態でバイアス電源30により吐出電極28を介してバイアス電圧がインクに印加されている。かかる状態で、インクは帯電すると共に、ノズル21の先端部においてインクによる凹状に窪んだメニスカスが形成される(図3(A))。
そして、吐出電圧電源29によりパルス電圧が印加されると、ノズル21の先端部では集中された電界の電界強度による静電力によりインクがノズル21の先端側に誘導され、外部に突出した凸状メニスカスが形成されると共に、かかる凸状メニスカスの頂点により電界が集中し、ついにはインクの表面張力に抗して微小インク滴が対向電極23側に吐出される(図3(B))。
【0068】
この場合、ノズル21からは、一滴当たり1〜400flの滴量のインク滴が吐出され、また、ノズル21から吐出されて基材Kに着弾したインク滴の一色当たりのインク付着量は、0.2〜5.6ml/mとなっている。
【0069】
以上のようなインクジェット記録装置100では、記録ヘッド20は、微小径のノズル21によりインク滴の吐出を行うので、ノズル内流路22内で帯電した状態のインクにより電界が集中され、電界強度が高められる。このため、電界の集中化が行われない構造のノズル(例えば内径100[μm])では吐出に要する電圧が高くなり過ぎて事実上吐出不可能とされていた微細径でのノズルによるインクの吐出をより低電圧で行うことが出来るようになっている。
【0070】
また、インクジェット記録装置100では、微細径であるがために、ノズルコンダクタンスの低さによりその単位時間あたりの吐出流量を低減する制御を容易に行うことができると共に、パルス幅を狭めることなく十分に小さなインク滴(一滴当たり1〜400flの滴量のインク滴)によるインクの吐出を実現している。
【0071】
さらに、吐出されるインク滴は帯電されているので、微小のインク滴であっても蒸気圧が低減され、蒸発を抑制することからインク滴の質量の損失を低減し、飛翔の安定化を図り、インク滴の着弾精度の低下を防止している。
【0072】
そして、これらのことより、上記の通りに、ノズル21から吐出されるインク滴の一滴当たりの滴量を1〜400flとすることができ、また、ノズル21から吐出されて基材Kに着弾したインク滴の一色当たりの付着量を0.2〜5.6ml/mに抑えることができるので、基材Kに付着したインク滴の各ドット径を大幅に減少させることができる。従って、従来において課題とされていた、基材Kへのインクの滲み、インク自体の乾燥不良、基材Kに付着したインクによる基材Kのコックリング等の弊害を抑制でき、ひいては複数の超微細なドットによる高精細な画像を基材Kに対して記録することができる。また、この場合、基材Kには超微細なドットが形成されるから、ハイライト部及び混色部に対して、滑らかな階調表現を行うこともできるようになる。
【0073】
なお、上記実施形態において、ノズル21にエレクトロウェッティング効果を得るために、ノズル21の外周に電極を設けるか、また或いは、ノズル内流路22の内面に電極を設け、その上から絶縁膜で被覆してもよい。そして、この電極に電圧を印加することで、吐出電極28により電圧が印加されているインクに対して、エレクトロウェッティング効果によりノズル内流路22の内面のぬれ性を高めることができ、ノズル内流路22へのインクの供給を円滑に行うことができ、良好に吐出を行うと共に、吐出の応答性の向上を図ることが可能となる。
【0074】
また、上記実施形態では、吐出電圧印加手段25ではバイアス電圧を常時印加すると共にパルス電圧をトリガーとしてインク滴の吐出を行っているが、吐出に要する振幅で常時交流又は連続する矩形波を印加すると共にその周波数の高低を切り替えることで吐出を行う構成としてもよい。インク滴の吐出を行うためにはインクの帯電が必須であり、インクの帯電する速度を上回る周波数で吐出電圧を印加していても吐出が行われず、インクの帯電が十分に図れる周波数に替えると吐出が行われる。従って、吐出を行わないときには吐出可能な周波数より大きな周波数で吐出電圧を印加し、吐出を行う場合にのみ吐出可能な周波数帯域まで周波数を低減させる制御を行うことで、インクの吐出を制御することが可能となる。かかる場合、インクに印加される電位自体に変化はないので、より時間応答性を向上させると共に、これによりインク滴の着弾精度を向上させることが可能となる。
【0075】
さらに、上記した実施形態では、図4(a)に示すように、基材Kの搬送方向に直交する方向に記録ヘッド20を走査させながら記録を行う記録方式の例を示したが、インクジェット記録装置100では、図4(a)に示す記録方式を以下に示す各記録方式に変更してもよい。なお、図4(a)〜図4(g)は、種々の各記録方式を概略的に図示したものである。
【0076】
すなわち、図4(b)に示す通り、記録ヘッド20を所定の方向に間欠的に移動させるとともに、記録ヘッド20の移動方向と直交する方向に基材Kを往復移動させる記録方式でもよい。また、図4(c)に示す通り、走査型の記録ヘッド20に代えて、基材Kの搬送方向に対して直交する方向に多数のノズル21を配列してなるライン型のラインヘッド20aを適用する記録方式でもよい。
【0077】
また、図4(d)に示す通り、基材Kを外面に巻き付けた円筒状のドラム40を記録ヘッド20に対向するように配置し、ドラム40を所定の方向に回転させながら記録ヘッド20を走査する記録方式でもよい。また、図4(e)に示す通り、図4(d)に示す記録方式での記録ヘッド20を、図4(c)に示すようなライン型のラインヘッド20aに代える記録方式でもよい。
【0078】
また、図4(f)に示す通り、記録ヘッド20と基材Kとの間に、所定方向に回転するドラム状の中間転写体41を配置し、記録ヘッド20から中間転写体41に向けてインクを吐出し、中間転写体41に付着したインクを基材Kに転写する記録方式でもよい。この場合の中間転写体41は、記録ヘッド20から吐出された各インク滴を自己の表層で保持しながら搬送する機能と搬送した各インク滴を基材Kに加圧転写する機能とを具備する。また、図4(g)に示す通り、図4(f)に示す記録方式での記録ヘッド20を、図4(c)及び図4(e)に示すようなライン型のラインヘッド20aに代える記録方式でもよい。
【0079】
【実施例】
[実施例1]
以下に示す水性インクAを作製した。
(水性インクA)
各色材の濃度:20wt%
色材(Y):ウォーターイエロー6(オリエント化学工業(株)製)
色材(M):チューガノール−ファーストレッド3B(中外化成(株)製)
色材(C):カヤラスターコイス−ブルーGL(日本化薬(株)製)
色材(K):スペシャル・ブラック7984(バイエル製)
エチレングリコール濃度:20wt%
水の濃度:60wt%
【0080】
そして、上記水性インクAを用いて上記インクジェット記録装置20により、所定の画像(各インク滴の一滴当たりの滴量:100fl,解像度:5000dpi)をアート紙に記録した。この場合、アート紙の記録領域のうち、各画素が全てインク滴により埋め尽くされた所定領域の一色当たりのインク付着量は3.9ml/mであった。また、この場合、アート紙へのインクの滲み及びアート紙のコックリングは非常に軽微なものであり、アート紙に付着したインクの各インク滴は、ドライヤーによる乾燥によりアート紙に素早く定着した。
【0081】
[実施例1に対する比較例]
以下に示す水性インクBを作製した。
(水性インクB)
各色材の濃度:3.3wt%
各色材:実施例1と同様
エチレングリコール濃度:20wt%
水の濃度:76.7wt%
【0082】
そして、上記水性インクBを用いて通常のピエゾ素子方式のインクジェット記録装置により、所定の画像(各インク滴の一滴当たりの滴量:2pl,解像度:1800dpi)をアート紙に記録した。この場合、アート紙の記録領域のうち、各画素が全てインク滴により埋め尽くされた所定領域の一色当たりのインク付着量は10ml/mであった。また、この場合、混色部において、各インク滴がアート紙に滲み、アート紙のコックリングが確認され、更にはアート紙に付着した各インク滴の乾燥に所定の時間を要した。
【0083】
[実施例2]
以下に示す水性インクCを作製した。
(水性インクC)
各色材の濃度:50wt%
各色材:実施例1と同様
水の濃度:50wt%
【0084】
そして、上記水性インクCを用いて上記インクジェット記録装置20により、所定の画像(各インク滴の一滴当たりの滴量:15fl,解像度:7000dpi)をアート紙に記録した。この場合、アート紙の記録領域のうち、各画素が全てインク滴により埋め尽くされた所定領域の一色当たりのインク付着量は1.1ml/mであった。また、この場合、アート紙へのインクの滲み及びアート紙のコックリングは発生せず、アート紙に付着したインクの各インク滴は、即座に乾燥した。
【0085】
[実施例3]
以下の表1に示す組成比を有する各色のインクをサンドグラインダーにて8時間分散させ、その後、これら各色のインクを0.3μmのメンブレンフィルタに通し、紫外線硬化型のインクDを作製した。
【0086】
【表1】
Figure 2004114377
なお、表1において、分散剤:Avecia社製ソルスパース24000,OXT221:東亜合成(株)製アロンオキセタンOXT221,2021P:ダイセル製セロキサイド2021P,UVI6990:ダウケミカル製光酸発生剤である。
【0087】
そして、上記インクDを用いて上記インクジェット記録装置20により、所定の画像(各インク滴の一滴当たりの滴量:300fl,解像度:3000dpi)をPET(PolyEthylene Terephthalate)フィルムに記録した。その後、この画像に対して、短波長紫外線(波長約280nm以下の紫外線)と長波長紫外線(波長約320〜約400nmの紫外線)とを同時に照射し、画像を構成する各インク滴を硬化させてPETフィルムに定着させた。この場合、PETフィルムの記録領域のうち、各画素が全てインク滴により埋め尽くされた所定領域の一色当たりのインク付着量は5.6ml/mであった。また、この場合、PETフィルムへのインクの滲みは無く、更には通常の紫外線硬化型インクに特有の基材上での凹凸はほとんどみられず、画像の質感は良好だった。
【0088】
(印加電圧低下および微少インク滴量の安定吐出実現の方策)
本発明では、静電吸引型インクジェット方式において果たすノズルの役割を再考察し、
【数4】
Figure 2004114377
即ち、
【数5】
Figure 2004114377
或いは
【数6】
Figure 2004114377
という従来吐出不可能として試みられていなかった領域において、マクスウェル力などを利用することで、微細インク滴を形成することができる。
【0089】
このような駆動電圧低下および微少量吐出実現の方策のための吐出条件等を近似的に表す式を導出したので以下に述べる。
以下の説明は、上記各本発明の実施形態で説明したインクジェット記録装置に適用可能である。
いま、半径rのノズルに導電性溶液を注入し、基材としての無限平板導体からhの高さに垂直に位置させたと仮定する。この様子を図5に示す。このとき、ノズル先端部に誘起される電荷は、ノズル先端の半球部に集中すると仮定し、以下の式で近似的に表される。
【数7】
Figure 2004114377
ここで、Q:ノズル先端部に誘起される電荷、ε:真空の誘電率、ε:基板の誘電率、h:ノズル−基板間距離、r:ノズル内径の半径、V:ノズルに印加する電圧である。α:ノズル形状などに依存する比例定数で、1〜1.5程度の値を取り、特にr<<hのときほぼ1程度となる。
【0090】
また、基材としての基板が導体基板の場合、基板内の対称位置に反対の符号を持つ鏡像電荷Q’が誘導されると考えられる。基板が絶縁体の場合は、誘電率によって定まる対称位置に同様に反対符号の映像電荷Q’が誘導される。
ところで、ノズル先端部に於ける電界強度Eloc.は、先端部の曲率半径をRと仮定すると、
【数8】
Figure 2004114377
で与えられる。ここでk:比例定数で、ノズル形状などにより異なるが、1.5〜8.5程度の値をとり、多くの場合5程度と考えられる。(P. J. Birdseye and D.A.Smith, Surface Science, 23 (1970) 198−210)。今簡単のため、r=Rとする。これは、ノズル先端部に表面張力で導電性溶液がノズル径rと同じ半径を持つ半球形状に盛り上がっている状態に相当する。
ノズル先端の液体に働く圧力のバランスを考える。まず、静電的な圧力は、ノズル先端部の液面積をSとすると、
【数9】
Figure 2004114377
(8)、(9)、(10)式よりα=1とおいて、
【数10】
Figure 2004114377
と表される。
【0091】
一方、ノズル先端部に於ける液体の表面張力をPsとすると、
【数11】
Figure 2004114377
ここで、γ:表面張力、である。
静電的な力により流体の吐出が起こる条件は、静電的な力が表面張力を上回る条件なので、
【数12】
Figure 2004114377
となる。十分に小さいノズル径rをもちいることで、静電的な圧力が、表面張力を上回らせる事が可能である。
この関係式より、Vとrの関係を求めると、
【数13】
Figure 2004114377
が吐出の最低電圧を与える。すなわち、式(7)および式(14)より、
【数14】
Figure 2004114377
が、本発明の動作電圧となる。
【0092】
ある半径rのノズルに対し、吐出限界電圧Vcの依存性を前述した図6に示す。この図より、微細ノズルによる電界の集中効果を考慮すると、吐出開始電圧は、ノズル径の減少に伴い低下する事が明らかになった。つまり、ノズル径が20μm未満であることにより、電界を集中させることができ、微細液滴を安定に吐出でき、かつ吐出開始電圧を低減できる。図6より、ノズル径が8μm以下であることにより、さらに電界を集中させることができ、微細液滴をさらに安定に吐出でき、かつさらに吐出開始電圧を低減できることがわかる。また、さらにノズル径は、4μm以下であることが好ましい。
従来の電界に対する考え方、すなわちノズルに印加する電圧と対向電極間の距離によって定義される電界のみを考慮した場合では、微小ノズルになるに従い、吐出に必要な電圧は増加する。一方、局所電界強度に注目すれば、微細ノズル化により吐出電圧の低下が可能となる。
【0093】
静電吸引による吐出は、ノズル端部における流体の帯電が基本である。帯電の速度は誘電緩和によって決まる時定数程度と考えられる。
【数15】
Figure 2004114377
ここで、ε:流体の比誘電率、σ:流体の導電率である。流体の比誘電率を10、導電率を10−6 S/m を仮定すると、τ=1.854×10−5secとなる。あるいは、臨界周波数をfcとすると、
【数16】
Figure 2004114377
となる。このfcよりも早い周波数の電界の変化に対しては、応答できず吐出は不可能になると考えられる。上記の例について見積もると、周波数としては10 kHz程度となる。このとき、ノズル半径2μm、電圧500V弱の場合、Gは10−13/sと見積もることができるが、上記の例の液体の場合、10kHzでの吐出が可能なので、1周期での最小吐出量は10fl(フェムトリットル、1fl:10−15 l)程度を達成できる。
【0094】
なお、各上記本実施の形態においては、図5に示したようにノズル先端部に於ける電界の集中効果と、対向基板に誘起される鏡像力の作用を特徴とする。このため、先行技術のように基板または基板支持体を導電性にしたり、これら基板または基板支持体に電圧を印加する必要はない。すなわち、基板として絶縁性のガラス基板、ポリイミドなどのプラスチック基板、セラミックス基板、半導体基板などを用いることが可能である。
また、上記各実施形態において電極への印加電圧はプラス、マイナスのどちらでも良い。
さらに、ノズルと基材との距離は、500[μm]以下に保つことにより、溶液の吐出を容易にすることができる。また、図示しないが、ノズル位置検出によるフィードバック制御を行い、ノズルを基材に対し一定に保つようにする。
また、基材を、導電性または絶縁性の基材ホルダーに裁置して保持するようにしても良い。
【0095】
図7は、本発明の他の基本例の一例としてのインクジェット記録装置の側面断面図を示したものである。ノズル1の側面部には電極15が設けられており、ノズル内インク3との間に制御された電圧が引加される。この電極15の目的は、Electrowetting 効果を制御するための電極である。十分な電場がノズルを構成する絶縁体にかかる場合この電極がなくともElectrowetting効果は起こると期待される。しかし、本基本例では、より積極的にこの電極を用いて制御することで、吐出制御の役割も果たすようにしたものである。ノズル1を絶縁体で構成し、その厚さが1μm、ノズル内径が2μm、印加電圧が300Vの場合、約30気圧のElectrowetting効果になる。この圧力は、吐出のためには、不十分であるが溶液のノズル先端部への供給の点からは意味があり、この制御電極により吐出の制御が可能と考えられる。
【0096】
前述した図7は、本発明における吐出開始電圧のノズル径依存性を示したものである。インクジェット記録装置として、図1に示すものを用いた。微細ノズルになるに従い吐出開始電圧が低下し、従来より低電圧で吐出可能なことが明らかになった。
【0097】
上記実施形態において、インク吐出の条件は、ノズル基板間距離(L)、印加電圧の振幅(V)、印加電圧振動数(f)のそれぞれの関数になり、それぞれにある一定の条件を満たすことが吐出条件として必要になる。逆にどれか一つの条件を満たさない場合他のパラメーターを変更する必要がある。
【0098】
この様子を図8を用いて説明する。
まず吐出のためには、それ以上の電界でないと吐出しないというある一定の臨界電界Ecが存在する。この臨界電界は、ノズル径、溶液の表面張力、粘性などによって変わってくる値で、Ec以下での吐出は困難である。臨界電界Ec以上すなわち吐出可能電界強度において、ノズル基板間距離(L)と印加電圧の振幅(V)の間には、おおむね比例の関係が生じ、ノズル間距離を縮めた場合、臨界印加電圧Vを小さくする事が出来る。
【0099】
逆に、ノズル基板間距離Lを極端に離し、印加電圧Vを大きくした場合、仮に同じ電界強度を保ったとしても、コロナ放電による作用などによって、流体インク滴の破裂すなわちバーストが生じてしまう。そのため良好な吐出特性を得るためには、ノズル基板間距離は100μm程度以下に抑えることが吐出特性並びに、着弾精度の両面から望ましい。
【0100】
【発明の効果】
本発明によれば、基材へのインクの滲み、インク自体の乾燥不良、基材に付着したインクによる基材のコックリング等の弊害を抑制でき、ひいては複数の超微細なドットによる高精細な画像を記録することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】インクジェット記録装置の側面図である。
【図2】記録ヘッド及び記録ヘッドに係る部材の断面図である。
【図3】インクの吐出動作とインクに印加される電圧との関係を示す説明図であって、図3(A)は吐出を行わない状態であり、図3(B)は吐出状態を示す。
【図4】(a)〜(g)種々の各記録方式を示す概略図である。
【図5】ノズルの電界強度の計算を説明するために示したものである。
【図6】ノズルのノズル径とメニスカス部で吐出する液滴が飛翔を開始する吐出開始電圧、該初期吐出液滴のレイリー限界での電圧値及び吐出開始電圧とレイリー限界電圧値の比との関係を示す線図である。
【図7】インクジェット記録装置の側面断面図を示したものである。
【図8】インクジェット記録装置における距離−電圧の関係による吐出条件を説明した図である。
【符号の説明】
100   インクジェット記録装置
20   記録ヘッド
20a   ラインヘッド
21   ノズル
22   流路
23   対向電極
24   インク室
25   吐出電圧印加手段
26   ノズルプレート
27   インク供給路
28   吐出電極
29   吐出電圧電源
30   バイアス電源
40   ドラム
41   中間転写体
102   プラテン
103a,103b   搬送ローラ
104a,104b   圧接ローラ
K   基材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording apparatus and an ink used for the apparatus.
[0002]
[Prior art]
The conventional ink jet recording method includes a piezo method in which ink droplets are ejected by deforming an ink flow path by vibrating a piezoelectric element.A heating element is provided in the ink flow path, and the heating element generates heat to generate bubbles. There are known a thermal method in which ink droplets are ejected according to a pressure change in an ink flow path due to bubbles, and an electrostatic suction method in which ink in an ink flow path is charged and ink droplets are ejected by an electrostatic suction force of the ink. ing.
[0003]
An ink jet recording apparatus using the above-described ink jet recording method forms a plurality of dots with ink droplets that have landed on a recording medium and records a desired image on the recording medium. (Picoliter) to several tens pl of fine ink droplets can be ejected (for example, see Patent Documents 3 and 4).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-8-238774
[Patent Document 2]
JP 2000-127410 A
[Patent Document 3]
JP-A-10-291303
[Patent Document 4]
JP-A-11-268266
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, regarding the recording by the ink jet recording apparatus, even if the amount of each ink droplet is several pl to several tens pl as described above, the dot diameter of each ink droplet that lands on the recording medium is several tens μm (micrometer). ), And the ink adhesion amount per color to the recording medium is also 10 ml / m. 2 Reached nearby.
[0006]
More specifically, in a normal inkjet recording apparatus, an ink droplet of about 2 to 80 pl is ejected from a nozzle that ejects ink as a drop, but when the amount of ink ejected from the nozzle is 20 pl, Indicates that the dot diameter of each ink droplet landing on the recording medium has reached 60 μm. The resolution at this time is equivalent to 600 dpi (dot per inch), and the amount of ink adhering to one color on the recording medium is 11.11 ml / m. 2 Has been reached.
[0007]
When the amount of ink ejected from the nozzle is 2 pl, the dot diameter of each ink droplet landing on the recording medium has reached 25 μm. The resolution at this time is equivalent to 1440 dpi, and the amount of ink adhered to one color on the recording medium is 6.4 ml / m. 2 As a result, the ink adhesion amount can be relatively small. However, in practice, minute errors such as errors in the ejection angle of the ink droplets, errors in the ejection speed of the ink droplets, errors in the conveyance of the recording medium, and landing errors of the ink drops due to the distance between the nozzle and the recording medium occur. It is necessary to completely fill each pixel of the medium with ink, and as a result, the ink adhesion amount per color is 6.4 ml / m 2 More than.
[0008]
In such printing, the diameter of each dot and the amount of ink adhering per color are relatively large. For example, in a printing portion (hereinafter, referred to as a “highlight portion”) composed of bright ink droplets, dark ink is used. Each ink droplet is recognized remarkably in comparison with other ink droplets, and even in a recording portion (hereinafter, referred to as a “color mixture portion”) composed of dark ink droplets different from each other. Is done. In other words, it is difficult to express a smooth gradation on an image to be printed only with dark ink droplets. In order to realize a smooth gradation expression, not only dark ink but also coloring material Must use a light-colored ink with reduced density.
[0009]
However, when a light-colored ink is used, the amount of ink droplets per unit area for obtaining a certain density increases, and as a result, as described above, the ink adhesion per color adhered to the recording medium is increased. The amount also increases. In such a situation, the quality of the image deteriorates because the ink bleeds into the recording medium, the ink that has landed on the recording medium cannot be dried sufficiently, or the recording medium cockles due to a so-called “undulation phenomenon”. May be caused. In particular, when the number of nozzles is increased in order to perform high-speed printing by ejecting a large number of ink droplets at a time, this becomes remarkable.
[0010]
It is possible to solve the above-mentioned inconvenience by irradiating ultraviolet rays to the ink that has landed on the recording medium and curing the ink by using an ultraviolet curable ink that is cured by being irradiated with ultraviolet rays. Since the ultraviolet curable ink is immediately cured without being absorbed by the recording medium, each ink droplet that has landed on the recording medium swells greatly on the recording medium, and impairs the texture of the recorded image. That is, unevenness due to each ink droplet appears remarkably on the recording medium.
[0011]
Further, the above-mentioned ink jet recording apparatus has the following problems.
(1) Stability of minute ink droplet formation
Since the nozzle diameter is large, the shape of the ink droplet ejected from the nozzle is not stable. (2) Insufficient landing accuracy of minute ink droplets
The kinetic energy given to the ink droplet ejected from the nozzle becomes smaller in proportion to the cube of the ink droplet radius. For this reason, the minute ink droplet cannot secure sufficient kinetic energy enough to withstand air resistance, and is disturbed by air convection or the like, so that accurate landing cannot be expected. Further, as the ink droplets become finer, the effect of surface tension increases, so that the vapor pressure of the ink droplets increases and the amount of evaporation increases. For this reason, fine ink droplets cause a significant loss of mass during flight, and it is difficult to maintain the shape of the ink droplets even when landing.
[0012]
As described above, miniaturization and high accuracy of ink droplets are conflicting subjects, and it has been difficult to realize both at the same time.
This poor landing position accuracy not only degrades the print quality, but also poses a particularly serious problem, for example, when drawing a circuit wiring pattern using conductive ink by inkjet technology. That is, poor positioning accuracy not only makes it impossible to draw a wiring having a desired thickness, but also may cause disconnection or short-circuit.
(3) High applied voltage
In the principle of the conventional electrostatic suction method, charges are concentrated on the center of the meniscus to cause the meniscus to protrude. The radius of curvature of the tip of the raised tailor cone is determined by the amount of charge concentration, and the separation of ink droplets starts when the concentrated charge amount and the electrostatic force due to the electric field strength exceed the surface tension of the meniscus at that time.
Since the maximum charge amount of the meniscus is determined by the physical properties of the ink and the radius of curvature of the meniscus, the minimum size of the ink droplet is determined by the physical properties of the ink (particularly, surface tension) and the electric field strength formed in the meniscus.
[0013]
In general, the surface tension of ink tends to be lower when a solvent contains a solvent than when a pure solvent is used.Since an actual ink also contains various solvents, it is not possible to increase the surface tension. difficult. For this reason, a method has been adopted in which the surface tension of the ink is assumed to be constant and the size of the ink droplet is reduced by increasing the electric field intensity.
Therefore, in the ink jet recording apparatuses disclosed in Patent Documents 1 and 2 described above, as a principle of ejection, a field having a strong electric field strength is formed in a meniscus region having a much larger area than the projected area of the ejected ink droplet. Since the electric charge is concentrated at the center of the meniscus and the discharge is performed by the electrostatic force including the concentrated electric charge and the formed electric field strength, it is necessary to apply a very high voltage close to 2000 [V]. However, there is a problem in terms of safety in operating the ink jet recording apparatus.
[0014]
(4) Discharge response
In the ink jet recording apparatuses disclosed in the above Patent Documents 1 and 2, both of the ink jet recording devices use a meniscus by forming a field having a strong electric field strength in a meniscus region having an area much larger than the projected area of the ejected ink droplet. Charge is concentrated at the center of the surface, and the discharge is performed by the electrostatic force composed of the concentrated charge and the electric field strength that is formed. Therefore, the movement time of the charge for moving the charge to the center of the meniscus portion affects the ejection responsiveness. However, there has been a problem in improving the printing speed.
[0015]
An object of the present invention is to discharge a super-fine ink droplet, thereby suppressing bleeding of the ink on the recording medium, poor drying of the ink itself, and suppressing adverse effects such as cockling of the recording medium due to the ink, thereby forming a high-definition image. An object of the present invention is to provide an ink jet recording apparatus capable of recording.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is an inkjet recording apparatus that includes a nozzle that ejects ink as droplets, and that records a desired image on a substrate by ejecting ink droplets from the nozzle to the substrate.
The amount of each ink droplet ejected from the nozzle is 1 to 400 fl (femtoliter), and the amount of ink adhering to a base material per color is 0.2 to 5.6 ml / m. 2 It is characterized by being.
[0017]
According to the first aspect of the present invention, an extremely fine ink droplet of 1 to 400 fl, which is much less than several pl, is ejected, and the amount of ink per color adhered to the base material is 0.2 to 5.6 ml / m. 2 Therefore, the dot diameter of each ink droplet adhering to the substrate can be greatly reduced. This can suppress adverse effects such as ink bleeding into the base material, poor drying of the ink itself, and cockling of the base material due to the ink attached to the base material, and thus, recording of a high-definition image using a plurality of ultra-fine dots. can do. Further, in this case, since ultra-fine dots are formed on the base material, smooth gradation expression can be performed on the highlight portion and the mixed color portion.
[0018]
In the above configuration, the amount of ink droplets per droplet is less than 1 fl, and the amount of ink adhering to a substrate per color is 0.2 ml / m2. 2 If it is less than 3, the landing accuracy of each ink droplet on the base material cannot be sufficiently maintained, and further, an ink density sufficient for recording cannot be maintained. In addition, the ink droplet amount per ink droplet is larger than 400 fl, and the ink adhesion amount per color to the base material is 5.6 ml / m2. 2 When it is larger than the above, conventional harmful effects such as bleeding of the ink on the base material, poor drying of the ink itself, and cockling of the base material by the ink attached to the base material cannot be suppressed.
Further, the “substrate” described above and below refers to an object (recording medium) that receives landing of ink droplets ejected from a nozzle. Therefore, for example, when a desired image is recorded on a sheet, the sheet corresponds to the base material.
[0019]
According to a second aspect of the present invention, in the inkjet recording apparatus according to the first aspect,
The amount of ink droplets ejected from the nozzle per droplet is 1 to 100 fl, and the amount of ink adhered to a substrate per color is 0.2 to 2.5 ml / m. 2 It is characterized by being.
[0020]
According to the second aspect of the invention, the effect derived from the first aspect can be more reliably achieved. Therefore, in the second aspect of the invention, the ink bleeds into the base material, Defects such as poor drying and cockling of the substrate due to ink attached to the substrate can be more reliably suppressed, and a high-definition image using a plurality of ultra-fine dots can be more reliably recorded. Further, in this case, since ultrafine dots are reliably formed on the base material, smooth gradation expression can be more reliably performed on the highlight portion and the mixed color portion.
[0021]
According to a third aspect of the present invention, in the inkjet recording apparatus according to the first or second aspect,
A cylindrical drum is provided so as to face the nozzle, and a base material is wound around the outer surface,
Each ink droplet ejected from the nozzle is attached to a substrate wound around the outer surface of the drum to record a desired image on the substrate.
[0022]
The invention according to claim 4 is the inkjet recording apparatus according to any one of claims 1 to 3,
An intermediate transfer member arranged to face the nozzle,
Each ink droplet ejected from the nozzle adheres to the intermediate transfer body, and each ink droplet adhered to the intermediate transfer body is transferred to a base material.
[0023]
According to a fifth aspect of the present invention, in the inkjet recording apparatus according to any one of the first to fourth aspects,
A nozzle having an ultra-fine diameter that is disposed with the tip end thereof opposed to a base material having a receiving surface that receives the ejection of the ink droplets of the charged ink and ejects ink droplets from the tip end,
An ink supply unit for supplying ink into the nozzle,
Discharge voltage applying means for applying a discharge voltage to the ink in the nozzle,
It is characterized by having.
[0024]
In the configuration according to the fifth aspect, the nozzle or the base material is arranged such that the ink droplet receiving surface faces the tip of the nozzle. The arrangement work for realizing the mutual positional relationship may be performed by either moving the nozzle or moving the base material.
Then, ink is supplied into the nozzles by the ink supply means. The ink in the nozzle is required to be in a charged state in order to perform ejection. The ink may be charged by applying a voltage within a range in which the ink is not ejected by an ejection voltage applying unit that applies an ejection voltage, or an electrode dedicated to charging may be provided.
[0025]
The structure according to the fifth aspect is characterized in that the electric field is concentrated at the tip of the nozzle by increasing the electric field strength by making the nozzle have an unprecedented ultrafine diameter. The reduction in the diameter of the nozzle will be described in detail later. In such a case, it is possible to discharge ink droplets even if there is no counter electrode facing the tip of the nozzle. For example, in a state where the counter electrode is not present, when the base material is arranged so as to face the nozzle tip portion, and when the base material is a conductor, the surface symmetry of the nozzle tip portion is set on the basis of the receiving surface of the base material. A mirror image charge of opposite polarity is induced at a certain position, and when the base material is an insulator, an image charge of opposite polarity is induced at a symmetric position determined by the dielectric constant of the base material with respect to the receiving surface of the base material. . Then, the ink droplet is caused to fly by the electrostatic force between the charge induced at the nozzle tip and the mirror image charge or the image charge.
[0026]
However, the configuration according to claim 5 makes it possible to eliminate the need for the counter electrode, but the counter electrode may be used in combination. By using the counter electrode together, it is also possible to use the electrostatic force due to the electric field between the nozzle and the counter electrode for guiding the flying electrode, and if the counter electrode is grounded, the charge of the charged ink droplet is reduced. Since it is possible to escape through the counter electrode and obtain an effect of reducing the accumulation of electric charge, it can be said that it is rather desirable to use them together.
[0027]
As a cited invention citing the invention of claim 5, the same configuration as that of the invention of claim 5 is provided, the discharge voltage is fixed, and the operating frequency is
f = σ / 2πε
The frequency control means may be configured to perform an operation control for switching between ejection and stop by switching between a value larger and smaller than the boundary value f represented by. Here, σ: conductivity of the solution, ε: relative permittivity of the solution.
[0028]
In the above configuration, the same operation as the invention described in claim 5 is performed, and a discharge voltage of a potential capable of discharging ink droplets is continuously applied to the ink in the nozzle, and the frequency of the discharge voltage is adjusted. On / off control of the ejection operation is performed based on the fluctuation. That is, the boundary value f = σ / 2πε is a critical frequency determined according to the charging speed based on the conductivity and relative dielectric constant of the ink, and when the ejection voltage is applied at a frequency higher than this, for example, the potential Is not in the proper range, ink droplets are not ejected. Therefore, while continuously applying a discharge voltage of a dischargeable potential to the ink in the nozzle, when not discharging, the frequency is maintained at a state larger than the boundary value f, and when discharging, By switching to a state smaller than the boundary value f, ink droplets can be ejected.
[0029]
In addition, when the on / off of the ink droplet ejection is controlled by switching the frequency of the ejection voltage, the on / off of the ink droplet ejection is switched by the on / off of the application of the ejection voltage, and the on / off of the ink droplet ejection is switched by the level of the potential of the ejection voltage. The time response is superior to that in the case, and the response at the time of re-discharge can be improved.
[0030]
A cited invention citing the invention according to claim 5 has the same configuration as the invention according to claim 5, and at least insulates the inner surface of the flow path of the nozzle and surrounds the ink in the flow path. However, a configuration may be adopted in which the flow supply electrode is provided outside the insulated portion.
[0031]
In the above configuration, "providing the flow supply electrode outside the insulated portion" means that even when the flow supply electrode is provided via an insulating film inside the nozzle, the entire nozzle is formed of an insulating material. This means that a flow supply electrode is provided outside the nozzle.
[0032]
Generally, when a voltage is applied to each electrode by providing an electric potential difference between an electrode that insulates an inner surface of a conduit and an electrode provided through the insulating portion and an electrode that applies a voltage to ink inside the conduit, The effect of the so-called electrowetting phenomenon that the wettability of the ink to the inner surface of the insulated conduit is improved can be obtained.
In the configuration of the above invention, electrowetting is performed by providing a potential difference between an applied voltage by the flow supply electrode provided outside the portion where the inner side surface of the nozzle is insulated and an applied voltage by the discharge voltage applying means. The effect can improve the wettability in the nozzle, and the electrowetting effect can facilitate the supply of ink into the nozzle.
[0033]
The invention according to claim 6 is an ink used for the inkjet recording apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The color material has a concentration of 8 to 90 wt% (mass%) and does not contain particles having a diameter of 0.3 μm or more.
[0034]
In the ink according to the sixth aspect, if the concentration of the coloring material is less than 8 wt%, it is not possible to maintain an ink concentration sufficient for recording. When the concentration of the coloring material is higher than 90 wt%, the fluidity of the ink itself deteriorates, and the ejection of the ink from the nozzle becomes unstable, or the viscosity of the ink increases during long-term storage of the ink. Such inconveniences occur. Further, the ink according to the invention of claim 6 does not include particles having a diameter of 0.3 μm or more (preferably particles having a diameter of 0.05 μm or more).
[0035]
In the ink according to the sixth aspect of the invention, both a pigment and a dye can be used as the coloring material. Here, when a pigment is applied as a coloring material, there is no particular problem as long as each particle constituting the pigment is less than 0.3 μm in diameter. In this case, the pigment can be sufficiently dispersed in the ink. Since it is required, it is preferable to apply a dye as a coloring material.
[0036]
According to a seventh aspect of the present invention, in the inkjet recording apparatus according to any one of the first to fifth aspects,
The nozzle diameter of the nozzle is 30 μm or less.
[0037]
According to an eighth aspect of the present invention, in the inkjet recording apparatus according to the seventh aspect,
The nozzle diameter of the nozzle is less than 20 μm.
[0038]
According to a ninth aspect of the present invention, in the inkjet recording apparatus according to the eighth aspect,
The nozzle diameter of the nozzle is 8 μm or less.
[0039]
The invention according to claim 10 is the ink jet recording apparatus according to claim 9,
The nozzle diameter of the nozzle is 4 μm or less.
[0040]
In the present invention, “nozzle diameter” refers to the internal diameter of the tip of the nozzle.
When the nozzle diameter is less than 20 [μm], the electric field intensity distribution becomes narrow. Thereby, the electric field can be concentrated. As a result, the formed ink droplets can be minute and have a stable shape, and the total applied voltage can be reduced. Immediately after being ejected from the nozzle, the ink droplet is accelerated by an electrostatic force acting between the electric field and the electric charge. However, when the ink droplet is separated from the nozzle, the electric field sharply decreases. However, the ink droplet, which is a minute ink droplet and in which the electric field is concentrated, is accelerated by a mirror image force as approaching the counter electrode. By balancing the deceleration due to the air resistance and the acceleration due to the mirror image force, it is possible to stably fly the fine ink droplet and improve the landing accuracy.
[0041]
Further, the internal diameter of the nozzle is preferably 8 [μm] or less. By making the internal diameter of the nozzle 8 [μm] or less, it is possible to further concentrate the electric field, and it is possible to further reduce the size of the ink droplets and that the fluctuation of the distance between the opposing electrodes during flight affects the electric field intensity distribution. Since it can be reduced, it is possible to reduce the influence of the positional accuracy of the counter electrode, the properties and thickness of the base material on the ink droplet shape, and the impact on the landing accuracy.
[0042]
Further, by setting the internal diameter of the nozzle to 4 [μm] or less, a remarkable electric field can be concentrated, the maximum electric field strength can be increased, and the ink droplet having a stable shape can be made ultra-miniaturized. In addition, the initial ejection speed of the ink droplet can be increased. As a result, the flight stability is improved, so that the landing accuracy can be further improved and the ejection responsiveness can be improved.
[0043]
Further, it is desirable that the inner diameter of the nozzle is larger than 0.2 [μm]. By making the inner diameter of the nozzle larger than 0.2 [μm], the charging efficiency of the ink droplets can be improved, so that the ejection stability of the ink droplets can be improved.
[0044]
Furthermore, in the structure of the cited invention citing the invention described in each of the above claims and claim 5,
(1) It is preferable that the nozzle is formed of an electrically insulating material, and an electrode is inserted or plated in the nozzle.
(2) In the configuration of each claim or the configuration of (1), it is preferable that the nozzle is formed of an electrically insulating material, an electrode is inserted in the nozzle or formed by plating, and an electrode is provided outside the nozzle.
According to (1) and (2), in addition to the functions and effects according to the above-described claims, the discharge force can be improved, so that the liquid can be discharged at a low voltage even if the nozzle diameter is further reduced.
(3) In the structure of each of the above-mentioned claims, the structure of the above (1) or (2), it is preferable that the base material is formed of a conductive material or an insulating material.
(4) In the configuration of each of the above claims, the configuration of (1), (2) or (3), the voltage V applied to the nozzle is
(Equation 1)
Figure 2004114377
It is preferable to drive in a basin represented by
Where γ: surface tension of liquid, ε 0 : A dielectric constant of vacuum, r: nozzle radius, h: distance between nozzle and substrate, k: proportional constant (1.5 <k <8.5) depending on nozzle shape.
(5) In the configuration of each of the above-mentioned claims, the above-mentioned (1), (2), (3) or (4), it is preferable that the applied arbitrary waveform voltage is 1000 V or less.
(6) In the configuration of each of the above-mentioned claims, and in the configuration of (1), (2), (3), (4) or (5), it is preferable that an arbitrary waveform voltage to be applied is 500 V or less.
Preferably, the substrate is placed in a conductive or insulating substrate holder.
(7) In any one of the constitutions described in the above claims and any one of the constitutions (1) to (6), the distance between the nozzle and the substrate is 500 [μm] or less, which is high even when the nozzle diameter is small. This is preferable because landing accuracy can be obtained.
(8) In any one of the above-described claims and any one of the above-mentioned constitutions (1) to (7), it is preferable that pressure is applied to the solution in the nozzle.
(9) In the configuration according to any one of the claims, and in any one of the configurations (1) to (8), when discharging by a single pulse,
(Equation 2)
Figure 2004114377
May be applied to apply a pulse width Δt that is equal to or greater than a time constant τ determined by the following equation. Here, ε: dielectric constant of fluid, σ: electrical conductivity.
[0045]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The nozzle diameter (inner diameter) of the inkjet recording apparatus described in the following embodiment is preferably 30 [μm] or less, more preferably less than 20 [μm], further preferably 8 [μm] or less. Is preferably 4 [μm] or less. Further, the nozzle diameter is preferably larger than 0.2 [μm].
[0046]
(Overall configuration of inkjet recording apparatus)
Hereinafter, the ink jet recording apparatus will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ink jet recording apparatus. The ink jet recording apparatus 100 includes a platen 102 for supporting a predetermined base material K, a recording head 20 disposed above the platen 102, and a platen 102. Transport rollers 103a and 103b arranged on the upstream and downstream sides in the transport direction of the base material K, and press-contact which presses the base material K between the transport rollers 103a and 103b while being pressed against the transport rollers 103a and 103b. Rollers 104a and 104b.
[0047]
(Configuration of Recording Head and Member Related to Recording Head)
Hereinafter, the recording head 20 and members related to the recording head 20 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a cross-sectional view of the recording head 20 and members related to the recording head 20 along the nozzle 21, and FIG. 3 is an explanatory diagram showing a relationship between an ink discharging operation and a voltage applied to the ink. 3 (A) shows a state where ejection is not performed, and FIG. 3 (B) shows an ejection state.
[0048]
As shown in FIGS. 1 and 2, the recording head 20 is provided with an ultrafine nozzle 21 for discharging an ink droplet of a chargeable ink from the tip. The nozzle 21 is directed to the platen 102. A counter electrode 23 is provided below the nozzle 21 of the recording head 20 so as to face the nozzle 21. The opposing electrode 23 is formed integrally with the platen 102, has an opposing surface facing the tip of the nozzle 21, and supports the base material K on which the ink droplet lands. In addition, the recording head 20 is connected to an ink supply unit that supplies ink to the flow path 22 in the nozzle 21 and an ejection voltage application unit 25 that applies an ejection voltage to the ink in the nozzle 21.
[0049]
The nozzle 21 and a part of the ink supply means and a part of the discharge voltage applying means 25 are integrally formed by a nozzle plate 26.
[0050]
The recording head 20 is a scanning type recording head which can be freely scanned by a driving mechanism (not shown) in a direction orthogonal to the transport direction of the base material K (left direction in FIG. 1). It has. In the present embodiment, each process color ink including a color material such as yellow (Y), magenta (M), cyan (C), and black (K) is supplied to the recording head 20 by an ink tank described later. The recording head 20 ejects each process color ink from each nozzle 21 as a droplet.
[0051]
(nozzle)
The nozzle 21 is formed integrally with a lower surface layer 26c of the nozzle plate 26, which will be described later, and stands vertically from the flat surface of the nozzle plate 26. Further, the nozzle 21 is formed with an in-nozzle flow path 22 penetrating from the tip end thereof along the center line.
[0052]
The nozzle 21 will be described in more detail. As described above, the nozzle 21 is formed with an ultrafine diameter. Specifically, the inner diameter at the tip of the nozzle 21 is 30 μm or less, but may be less than 20 μm, 8 μm or less, or 4 μm or less. To give an example of specific dimensions of each part, the internal diameter of the nozzle internal flow path 22 is 1 [μm], the external diameter at the tip of the nozzle 21 is 2 [μm], and the root diameter of the nozzle 21 is 5 [μm]. μm], and the height of the nozzle 21 is set to 100 μm, and the shape of the nozzle 21 is formed as a truncated cone almost infinitely conical. The entire nozzle 21 is formed of an insulating resin material together with the lower surface layer 26c of the nozzle plate 26.
[0053]
Note that the dimensions of the nozzle are not limited to the above example. In particular, the inner diameter of the nozzle is a range in which an ejection voltage enabling ejection of ink droplets to be less than 1000 [V] due to the effect of electric field concentration described later is, for example, a nozzle diameter of 70 [μm] or less. Desirably, the lower limit value is a diameter of 20 [μm] or less, which is a range in which it is feasible to form a through-hole through which ink passes by the current nozzle forming technology.
[0054]
(Ink supply means)
The ink supply means is provided inside the nozzle plate 26 at a position which is the root of the nozzle 21 and communicates with the ink passage 22 in the nozzle. The ink supply means supplies ink from an external ink tank (not shown) to the ink chamber 24. An ink supply path 27 for guiding the ink and a supply pump (not shown) for applying a supply pressure of the ink to the ink chamber 24 are provided.
Each of the Y, M, C, and A process color inks is stored in the ink tank. The supply pump supplies each process color ink to the tip of the nozzle 21 and does not spill out from the tip. Each process color ink is supplied to the recording head 20 while maintaining the supply pressure in the range (see FIG. 3A).
[0055]
(Ejection voltage applying means)
The ejection voltage application means 25 includes an ejection electrode 28 for applying an ejection voltage provided inside the nozzle plate 26 and at a boundary between the ink chamber 24 and the flow path 22 in the nozzle, and a direct current There is provided a bias power supply 30 for applying a bias voltage, and an ejection voltage power supply 29 for applying a pulse voltage to the ejection electrode 28 which is superimposed on the bias voltage and has a potential required for ejection.
[0056]
The discharge electrode 28 directly contacts the ink inside the ink chamber 24, charges the ink and applies a discharge voltage.
The bias voltage by the bias power supply 30 is always applied within a range where the ink is not ejected, so that the width of the voltage to be applied at the time of ejection is reduced in advance, thereby improving the reactivity at the time of ejection. I have.
[0057]
The ejection voltage power supply 29 applies a pulse voltage superimposed on a bias voltage only when ejecting ink. At this time, the value of the pulse voltage is set so that the superimposed voltage V satisfies the following condition.
[Equation 3]
Figure 2004114377
Where γ: surface tension of ink, ε 0 : Dielectric constant of vacuum, r: nozzle radius, k: proportional constant (1.5 <k <8.5) depending on the nozzle shape.
In one example, the bias voltage is applied at 300 [V] DC and the pulse voltage is marked at 100 [V]. Therefore, the superimposed voltage at the time of ejection is 400 [V].
[0058]
(Nozzle plate)
The nozzle plate 26 includes a base layer 26a located at the uppermost layer in FIG. 2, a flow path layer 26b forming an ink supply path positioned therebelow, and a lower surface layer formed further below the flow path layer 26b. 26c, and the above-described ejection electrode 28 is interposed between the flow path layer 26b and the upper surface layer 26c.
[0059]
The base layer 26a is formed of a silicon substrate or a highly insulating resin or ceramic, forms a dissolvable resin layer thereon, and removes only a portion that follows the pattern of the supply path 27 and the ink chamber 24, An insulating resin layer is formed on the removed portion. This insulating resin layer becomes the flow path layer 26b. Then, a discharge electrode 28 is formed on the lower surface of the insulating resin layer by plating with a conductive material (for example, NiP), and an insulating resist resin layer is formed thereunder. Since this resist resin layer becomes the lower surface layer 26c, this resin layer is formed with a thickness in consideration of the height of the nozzle 21. Then, the insulating resist resin layer is exposed by an electron beam method or a femtosecond laser to form a nozzle shape. The nozzle flow path 22 is also formed by laser processing. Then, the dissolvable resin layer according to the pattern of the supply path 27 and the ink chamber 24 is removed, and the supply path 27 and the ink chamber 24 are opened to complete the nozzle plate.
[0060]
(Counter electrode)
The opposing electrode 23 has an opposing surface perpendicular to the nozzle 21 and supports the substrate K along the opposing surface. The distance from the tip of the nozzle 21 to the opposing surface of the opposing electrode 23 is set to, for example, 100 [μm].
Further, since the counter electrode 23 is grounded, it always maintains the ground potential. Therefore, at the time of application of the pulse voltage, the ink droplet ejected by the electrostatic force due to the electric field generated between the tip of the nozzle 21 and the opposing surface is guided to the opposing electrode 23 side.
[0061]
The ink jet recording apparatus 20 ejects ink droplets by increasing the electric field strength by concentrating the electric field at the tip of the nozzle 21 due to the ultra-miniaturization of the nozzle 21. Although it is possible to discharge droplets, it is desirable that guidance by electrostatic force be performed between the nozzle 21 and the counter electrode 23. It is also possible to release the charge of the charged ink droplet by grounding the counter electrode 23.
[0062]
(ink)
As the ink, an ink of a type used in an ordinary inkjet recording apparatus (specifically, an aqueous ink, an oil-based ink, a solvent ink, an ultraviolet curable ink, a solid ink, or the like) can be applied. The ink preferably has a colorant concentration of 8 to 90 wt% and does not include particles having a diameter of 0.3 μm or more.
[0063]
More specifically, the ink has a viscosity of 0.1 to 1000 mPa · s (preferably 1 to 100 mPa · s) and a surface tension of 20 to 70 mN / m (preferably 25 to 50 mN / m). Certain inks are applicable. When the viscosity of the ink is less than 0.1 mPa · s or greater than 1000 mPa · s, the ejection of the ink from the nozzle 21 becomes unstable. Further, when the surface tension of the ink is less than 20 mN / m, the ink droplets ejected from the nozzle 21 tend to bleed into the base material K. When the surface tension of the ink is larger than 70 mN / m, each pixel of the base material K cannot be completely filled with the ink droplets discharged from the nozzle 21, and the amount of ink adhering to the base material K per one color is reduced. Must do more. After all, in this case, it is not possible to suppress the conventional adverse effects such as bleeding of the ink on the base material, poor drying of the ink itself, and cockling of the base material due to the ink attached to the base material.
[0064]
When an ultraviolet curable ink is used as the ink, an ultraviolet irradiation unit is provided at a position (for example, in the vicinity of the nozzle 21) at which ink droplets landed on the base material K can be irradiated with ultraviolet light, and each of the ink droplets landed on the base material K is provided. It is necessary to cure each of these ink droplets by irradiating the ink droplets with ultraviolet rays. Examples of the "light source" of the ultraviolet irradiation means include a low-pressure mercury lamp, an ultraviolet laser, a xenon flash lamp, an insect trap, a black light, a germicidal lamp, a cold cathode tube, an LED (Light Emitting Diode), an LED high-pressure mercury lamp, a metal halide lamp, and an excimer. Lamps, electrodeless ultraviolet lamps, and the like are applicable, and light sources other than these may be applied.
[0065]
(Base material)
As the base material K, various papers such as art paper, coated paper, high-quality paper, various fabrics, and various nonwoven fabrics can be applied, and those made of materials such as resin, metal, and glass can also be applied. As the form of the base material K, the recording surface may have a two-dimensional spread such as a roll shape, a cut sheet shape, a plate shape, or the like, or may have a cylindrical shape, a conical shape, a polygonal shape, or the like. The recording surface may have a three-dimensional spread.
[0066]
(Image recording operation by inkjet recording device)
Next, the operation of the inkjet recording apparatus 100 will be described with reference to FIG.
First, by rotating the transport roller 103a, a predetermined base material K is transported to the platen 102 while being sandwiched between the transport roller 103a and the pressing roller 104a.
Then, while the substrate K is supported by the platen 102, the substrate K is intermittently transported by the transport roller 103a and the pressing roller 104a, and the scanning recording head 20 is moved in a direction orthogonal to the transport direction of the substrate K. Each process color ink is ejected from the recording head 20 while scanning is performed, and a desired image is recorded on the base material K. The base material K after image recording is nipped by the transport roller 103b and the pressure contact roller 104b and removed from the platen 102.
[0067]
(Discharge operation of minute ink droplets by recording head)
The operation of the recording head 20 will be described with reference to FIGS.
Ink is supplied to the nozzle flow path 22 by the supply pump of the ink supply means. In this state, a bias voltage is applied to the ink from the bias power supply 30 via the ejection electrode 28. In this state, the ink is charged and a meniscus that is concavely formed by the ink is formed at the tip of the nozzle 21 (FIG. 3A).
When a pulse voltage is applied by the ejection voltage power supply 29, ink is guided to the tip end side of the nozzle 21 by electrostatic force due to the electric field strength of the concentrated electric field at the tip end of the nozzle 21, and the convex meniscus projecting to the outside Is formed, and the electric field is concentrated by the apex of the convex meniscus, and finally, a minute ink droplet is ejected to the counter electrode 23 side against the surface tension of the ink (FIG. 3B).
[0068]
In this case, the ink droplets of 1 to 400 fl per droplet are ejected from the nozzle 21, and the ink adhering amount per color of the ink droplet ejected from the nozzle 21 and landed on the base material K is 0.1 μm. 2 to 5.6 ml / m 2 It has become.
[0069]
In the ink jet recording apparatus 100 as described above, since the recording head 20 discharges ink droplets from the nozzle 21 having a small diameter, the electric field is concentrated by the charged ink in the nozzle flow path 22, and the electric field strength is reduced. Enhanced. For this reason, in a nozzle having a structure in which the electric field is not concentrated (for example, an inner diameter of 100 [μm]), the voltage required for the ejection becomes too high, and the ink is ejected by the nozzle with a small diameter, which was virtually impossible to eject. Can be performed at a lower voltage.
[0070]
Further, in the ink jet recording apparatus 100, since the diameter is small, it is possible to easily perform the control for reducing the discharge flow rate per unit time due to the low nozzle conductance, and sufficiently reduce the pulse width without narrowing the pulse width. Ink is ejected by small ink droplets (ink droplets having a droplet amount of 1 to 400 fl per droplet).
[0071]
In addition, since the ejected ink droplets are charged, the vapor pressure is reduced even for minute ink droplets, and by suppressing evaporation, loss of ink droplet mass is reduced and flight is stabilized. This prevents a drop in ink droplet landing accuracy.
[0072]
From these facts, as described above, the amount of ink droplets discharged from the nozzles 21 per droplet can be set to 1 to 400 fl, and the ink droplets discharged from the nozzles 21 land on the base material K. 0.2 to 5.6 ml / m 2 Therefore, the diameter of each dot of the ink droplet attached to the base material K can be significantly reduced. Therefore, adverse effects such as bleeding of the ink on the base material K, poor drying of the ink itself, and cockling of the base material K by the ink attached to the base material K, which have been problems in the related art, can be suppressed. A high-definition image with fine dots can be recorded on the base material K. Further, in this case, since ultra-fine dots are formed on the base material K, smooth gradation expression can be performed on the highlight portion and the mixed color portion.
[0073]
In the above embodiment, in order to obtain an electrowetting effect on the nozzle 21, an electrode is provided on the outer periphery of the nozzle 21, or an electrode is provided on the inner surface of the nozzle channel 22, and an insulating film is formed thereon. It may be coated. By applying a voltage to this electrode, the wettability of the inner surface of the nozzle channel 22 can be improved by an electrowetting effect on the ink to which the voltage is applied by the ejection electrode 28, Ink can be smoothly supplied to the flow channel 22, and excellent ejection can be performed, and the response of ejection can be improved.
[0074]
In the above-described embodiment, the ejection voltage application unit 25 always applies the bias voltage and performs the ejection of the ink droplets by using the pulse voltage as a trigger. However, the AC voltage or the continuous rectangular wave is always applied with the amplitude required for the ejection. At the same time, the discharge may be performed by switching the level of the frequency. In order to discharge ink droplets, it is necessary to charge the ink.If the discharge voltage is applied at a frequency higher than the speed at which the ink is charged, the discharge is not performed, and if the frequency is changed to a frequency at which the ink can be charged sufficiently. Discharge is performed. Therefore, when the ejection is not performed, the ejection voltage is applied at a frequency higher than the frequency at which the ink can be ejected, and the ejection of the ink is controlled by performing control to reduce the frequency to a frequency band at which the ejection can be performed only when the ejection is performed. Becomes possible. In such a case, there is no change in the potential itself applied to the ink, so that it is possible to further improve the time responsiveness and thereby to improve the landing accuracy of the ink droplet.
[0075]
Further, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 4A, an example of a recording method in which recording is performed while scanning the recording head 20 in a direction orthogonal to the transport direction of the base material K has been described. In the apparatus 100, the recording method shown in FIG. 4A may be changed to each of the following recording methods. FIGS. 4A to 4G schematically show various recording methods.
[0076]
That is, as shown in FIG. 4B, a recording method in which the recording head 20 is intermittently moved in a predetermined direction and the substrate K is reciprocated in a direction orthogonal to the moving direction of the recording head 20 may be used. Further, as shown in FIG. 4C, a line type line head 20a having a large number of nozzles 21 arranged in a direction orthogonal to the direction of transport of the base material K is used instead of the scanning type recording head 20. The recording method to be applied may be used.
[0077]
Further, as shown in FIG. 4D, a cylindrical drum 40 having a base material K wound around the outer surface is disposed so as to face the recording head 20, and the recording head 20 is rotated while rotating the drum 40 in a predetermined direction. A scanning recording method may be used. Further, as shown in FIG. 4E, a recording method in which the recording head 20 in the recording method shown in FIG. 4D is replaced with a line type line head 20a as shown in FIG.
[0078]
Further, as shown in FIG. 4F, a drum-shaped intermediate transfer member 41 rotating in a predetermined direction is arranged between the recording head 20 and the base material K, and the recording medium is directed from the recording head 20 to the intermediate transfer member 41. A recording method in which ink is ejected and the ink attached to the intermediate transfer body 41 is transferred to the base material K may be used. In this case, the intermediate transfer body 41 has a function of transporting each ink droplet ejected from the recording head 20 while holding the ink droplet on its own surface layer, and a function of pressing and transferring each transported ink droplet to the substrate K. . Also, as shown in FIG. 4G, the recording head 20 in the recording method shown in FIG. 4F is replaced with a line type line head 20a as shown in FIGS. 4C and 4E. A recording method may be used.
[0079]
【Example】
[Example 1]
The following aqueous ink A was prepared.
(Aqueous ink A)
Concentration of each color material: 20 wt%
Coloring material (Y): Water Yellow 6 (manufactured by Orient Chemical Industry Co., Ltd.)
Coloring material (M): Chuganol-Fast Red 3B (manufactured by Chugai Kasei Co., Ltd.)
Coloring material (C): Kayara Star Cois-Blue GL (Nippon Kayaku Co., Ltd.)
Coloring material (K): Special black 7984 (manufactured by Bayer)
Ethylene glycol concentration: 20 wt%
Water concentration: 60 wt%
[0080]
Using the aqueous ink A, a predetermined image (drop volume per ink droplet: 100 fl, resolution: 5000 dpi) was recorded on art paper by the inkjet recording device 20. In this case, in the recording area of the art paper, the ink adhesion amount per color in a predetermined area where each pixel is completely filled with ink droplets is 3.9 ml / m. 2 Met. In this case, the bleeding of the ink into the art paper and the cockling of the art paper were very slight, and the ink droplets of the ink adhering to the art paper were quickly fixed on the art paper by drying with a dryer.
[0081]
[Comparative Example to Example 1]
The following aqueous ink B was prepared.
(Water-based ink B)
Concentration of each color material: 3.3 wt%
Each color material: same as in Example 1
Ethylene glycol concentration: 20 wt%
Water concentration: 76.7 wt%
[0082]
Then, a predetermined image (drop volume per ink droplet: 2 pl, resolution: 1800 dpi) was recorded on art paper using the aqueous ink B by an ordinary piezo element type ink jet recording device. In this case, in the recording area of the art paper, the ink adhesion amount per color in a predetermined area in which each pixel is completely filled with ink droplets is 10 ml / m2. 2 Met. Further, in this case, in the mixed color portion, each ink droplet bleeds into the art paper, cockling of the art paper was confirmed, and a predetermined time was required for drying each ink droplet attached to the art paper.
[0083]
[Example 2]
The following water-based ink C was prepared.
(Aqueous ink C)
Concentration of each color material: 50 wt%
Each color material: same as in Example 1
Water concentration: 50 wt%
[0084]
Then, a predetermined image (drop volume per ink droplet: 15 fl, resolution: 7000 dpi) was recorded on art paper by the inkjet recording device 20 using the aqueous ink C. In this case, in the recording area of the art paper, the ink adhesion amount per color in a predetermined area in which each pixel is completely filled with ink droplets is 1.1 ml / m. 2 Met. In this case, neither ink bleeding on the art paper nor cockling of the art paper occurred, and each ink droplet of the ink adhering to the art paper dried immediately.
[0085]
[Example 3]
The inks of the respective colors having the composition ratios shown in Table 1 below were dispersed for 8 hours by a sand grinder, and then the inks of the respective colors were passed through a 0.3 μm membrane filter to prepare an ultraviolet curable ink D.
[0086]
[Table 1]
Figure 2004114377
In Table 1, dispersants: Solsperse 24000, OXT221 manufactured by Avecia, Aronoxetane OXT221, 2021P manufactured by Toagosei Co., Ltd .: Celloxide 2021P manufactured by Daicel, UVI6990: Photoacid generator manufactured by Dow Chemical.
[0087]
Using the ink D, a predetermined image (a droplet amount of each ink droplet: 300 fl, resolution: 3000 dpi) was recorded on a PET (PolyEthylene Terephthalate) film by the inkjet recording device 20. Thereafter, the image is simultaneously irradiated with short-wavelength ultraviolet light (ultraviolet light having a wavelength of about 280 nm or less) and long-wavelength ultraviolet light (ultraviolet light having a wavelength of about 320 to about 400 nm) to cure each ink droplet constituting the image. The film was fixed on a PET film. In this case, in the recording area of the PET film, the ink adhesion amount per color in a predetermined area in which each pixel is completely filled with ink droplets is 5.6 ml / m. 2 Met. In this case, there was no bleeding of the ink into the PET film, and further, almost no irregularities on the substrate, which were peculiar to the ordinary ultraviolet curable ink, were observed, and the texture of the image was good.
[0088]
(Measures for realizing stable ejection of low applied voltage and minute ink droplets)
In the present invention, reconsidering the role of the nozzle that plays in the electrostatic suction type inkjet system,
(Equation 4)
Figure 2004114377
That is,
(Equation 5)
Figure 2004114377
Or
(Equation 6)
Figure 2004114377
By using Maxwell force or the like in a region which has not been conventionally attempted to be undischargeable, a fine ink droplet can be formed.
[0089]
An expression that approximately derives ejection conditions and the like for such a drive voltage reduction and a technique for realizing minute ejection is described below.
The following description is applicable to the ink jet recording apparatuses described in the above embodiments of the present invention.
Now, it is assumed that a conductive solution is injected into a nozzle having a radius r, and the nozzle is positioned vertically at a height h from an infinite plate conductor as a base material. This is shown in FIG. At this time, it is assumed that the electric charge induced at the nozzle tip concentrates on the hemisphere at the nozzle tip, and is approximately represented by the following equation.
(Equation 7)
Figure 2004114377
Here, Q: electric charge induced at the tip of the nozzle, ε 0 : Dielectric constant of vacuum, ε: dielectric constant of substrate, h: distance between nozzle and substrate, r: radius of nozzle inner diameter, V: voltage applied to nozzle. α is a proportionality constant depending on the nozzle shape and the like, and takes a value of about 1 to 1.5, and particularly becomes about 1 when r << h.
[0090]
When the substrate as the base material is a conductive substrate, it is considered that a mirror image charge Q ′ having an opposite sign is induced at a symmetric position in the substrate. When the substrate is an insulator, the image charge Q ′ having the opposite sign is similarly induced at a symmetric position determined by the dielectric constant.
By the way, the electric field strength E at the nozzle tip loc. Assuming that the radius of curvature at the tip is R,
(Equation 8)
Figure 2004114377
Given by Here, k is a proportional constant, which varies depending on the nozzle shape and the like, but takes a value of about 1.5 to 8.5, and is considered to be about 5 in many cases. (PJ Birdsey and DA Smith, Surface Science, 23 (1970) 198-210). For the sake of simplicity, it is assumed that r = R. This corresponds to a state in which the conductive solution swells in a hemispherical shape having the same radius as the nozzle diameter r at the nozzle tip due to surface tension.
Consider the balance of the pressure acting on the liquid at the nozzle tip. First, assuming that the liquid pressure at the tip of the nozzle is S, the electrostatic pressure is
(Equation 9)
Figure 2004114377
From equations (8), (9) and (10), setting α = 1,
(Equation 10)
Figure 2004114377
It is expressed as
[0091]
On the other hand, if the surface tension of the liquid at the nozzle tip is Ps,
[Equation 11]
Figure 2004114377
Here, γ: surface tension.
The condition under which the ejection of fluid occurs due to the electrostatic force is a condition where the electrostatic force exceeds the surface tension.
(Equation 12)
Figure 2004114377
It becomes. By using a sufficiently small nozzle diameter r, the electrostatic pressure can exceed the surface tension.
When the relationship between V and r is obtained from this relational expression,
(Equation 13)
Figure 2004114377
Gives the lowest voltage for ejection. That is, from Equations (7) and (14),
[Equation 14]
Figure 2004114377
Is the operating voltage of the present invention.
[0092]
FIG. 6 shows the dependence of the discharge limit voltage Vc on the nozzle having a certain radius r. From this figure, it was clarified that, considering the concentration effect of the electric field by the fine nozzle, the discharge start voltage decreases as the nozzle diameter decreases. That is, when the nozzle diameter is less than 20 μm, the electric field can be concentrated, fine droplets can be stably ejected, and the ejection start voltage can be reduced. FIG. 6 shows that when the nozzle diameter is 8 μm or less, the electric field can be further concentrated, fine droplets can be discharged more stably, and the discharge start voltage can be further reduced. Further, the nozzle diameter is preferably 4 μm or less.
In the conventional concept of an electric field, that is, when only the electric field defined by the voltage applied to the nozzle and the distance between the opposing electrodes is considered, the voltage required for ejection increases as the size of the nozzle becomes smaller. On the other hand, if attention is paid to the local electric field strength, the discharge voltage can be reduced by making the nozzle fine.
[0093]
Discharge by electrostatic suction is basically based on charging of fluid at the nozzle end. It is considered that the charging speed is about a time constant determined by dielectric relaxation.
[Equation 15]
Figure 2004114377
Here, ε: relative permittivity of the fluid, σ: conductivity of the fluid. The fluid has a dielectric constant of 10 and a conductivity of 10 -6 Assuming S / m, τ = 1.854 × 10 -5 sec. Alternatively, if the critical frequency is fc,
(Equation 16)
Figure 2004114377
It becomes. It is considered that no response can be made to a change in the electric field having a frequency earlier than fc and ejection becomes impossible. Estimating the above example results in a frequency of about 10 kHz. At this time, if the nozzle radius is 2 μm and the voltage is slightly less than 500 V, G is 10 -13 m 3 / S, but the liquid of the above example can be discharged at 10 kHz, so the minimum discharge amount in one cycle is 10 fl (femtoliter, 1 fl: 10 -15 l) degree can be achieved.
[0094]
Each of the above embodiments is characterized by the effect of concentrating the electric field at the tip of the nozzle and the effect of the image force induced on the opposing substrate, as shown in FIG. Thus, there is no need to make the substrate or substrate support conductive or to apply a voltage to these substrates or substrate support as in the prior art. That is, an insulating glass substrate, a plastic substrate such as polyimide, a ceramic substrate, a semiconductor substrate, or the like can be used as the substrate.
In each of the above embodiments, the voltage applied to the electrode may be either positive or negative.
Further, by keeping the distance between the nozzle and the substrate at 500 [μm] or less, the discharge of the solution can be facilitated. Although not shown, feedback control based on nozzle position detection is performed to keep the nozzle constant with respect to the base material.
Further, the base material may be placed and held in a conductive or insulating base material holder.
[0095]
FIG. 7 is a side sectional view of an ink jet recording apparatus as another example of the basic example of the present invention. An electrode 15 is provided on the side surface of the nozzle 1, and a controlled voltage is applied between the nozzle 15 and the ink 3 in the nozzle. The purpose of this electrode 15 is an electrode for controlling the ElectroWetting effect. If a sufficient electric field is applied to the insulator forming the nozzle, the Electrowetting effect is expected to occur without this electrode. However, in this basic example, the role of the ejection control is also achieved by more positively controlling using this electrode. When the nozzle 1 is made of an insulator, has a thickness of 1 μm, an inner diameter of the nozzle of 2 μm, and an applied voltage of 300 V, an Electrowetting effect of about 30 atm is obtained. Although this pressure is insufficient for discharge, it is significant from the viewpoint of supplying the solution to the nozzle tip, and it is considered that discharge can be controlled by this control electrode.
[0096]
FIG. 7 described above shows the nozzle diameter dependence of the ejection start voltage in the present invention. The ink jet recording apparatus shown in FIG. 1 was used. It has been clarified that the discharge start voltage decreases as the nozzle becomes finer, and that discharge can be performed at a lower voltage than in the past.
[0097]
In the above embodiment, the conditions for ink ejection are functions of the distance between nozzle substrates (L), the amplitude of applied voltage (V), and the frequency of applied voltage (f). Is required as a discharge condition. Conversely, if any one of the conditions is not satisfied, it is necessary to change other parameters.
[0098]
This will be described with reference to FIG.
First, for discharge, there is a certain critical electric field Ec in which the discharge is performed only when the electric field is larger than that. The critical electric field varies depending on the diameter of the nozzle, the surface tension of the solution, the viscosity, and the like, and it is difficult to discharge below Ec. Above the critical electric field Ec, that is, at the dischargeable electric field strength, there is a roughly proportional relationship between the distance (L) between the nozzle substrates and the amplitude (V) of the applied voltage, and when the distance between the nozzles is reduced, the critical applied voltage V Can be reduced.
[0099]
Conversely, when the distance L between the nozzle substrates is extremely large and the applied voltage V is increased, even if the same electric field strength is maintained, the burst or burst of the fluid ink droplet is generated by the action of corona discharge or the like. Therefore, in order to obtain good ejection characteristics, it is desirable to keep the distance between the nozzle substrates to about 100 μm or less in terms of both ejection characteristics and landing accuracy.
[0100]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the bleeding of the ink to a base material, the bad drying of the ink itself, the bad effects, such as cockling of the base material by the ink which adhered to the base material, can be suppressed, and the high-definition by a plurality of ultra-fine dots can be suppressed. Images can be recorded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of an ink jet recording apparatus.
FIG. 2 is a sectional view of a recording head and members related to the recording head.
3A and 3B are explanatory diagrams illustrating a relationship between an ink ejection operation and a voltage applied to the ink. FIG. 3A illustrates a state where ejection is not performed, and FIG. 3B illustrates an ejection state. .
FIGS. 4A to 4G are schematic diagrams showing various recording methods.
FIG. 5 is a view for explaining calculation of an electric field intensity of a nozzle.
FIG. 6 shows a relationship between a nozzle diameter of a nozzle, a discharge start voltage at which a droplet discharged from a meniscus portion starts to fly, a voltage value at the Rayleigh limit of the initial discharge droplet, and a ratio of a discharge start voltage to a Rayleigh limit voltage value. FIG. 4 is a diagram showing the relationship.
FIG. 7 is a side sectional view of the ink jet recording apparatus.
FIG. 8 is a diagram illustrating ejection conditions based on a distance-voltage relationship in the inkjet recording apparatus.
[Explanation of symbols]
100 inkjet recording device
20 Recording head
20a line head
21 nozzle
22 Channel
23 Counter electrode
24 ink chamber
25 ejection voltage applying means
26 Nozzle plate
27 Ink supply path
28 ejection electrode
29 Ejection voltage power supply
30 bias power supply
40 drums
41 Intermediate transfer member
102 Platen
103a, 103b transport roller
104a, 104b Press roller
K base material

Claims (10)

インクを滴として吐出するノズルを備え、前記ノズルからインク滴を基材に吐出して基材に所望の画像を記録するインクジェット記録装置において、
前記ノズルから吐出されるインク滴の一滴当たりの滴量は、1〜400flであり、基材に対する一色当たりのインク付着量は、0.2〜5.6ml/mであることを特徴とするインクジェット記録装置。
An ink jet recording apparatus comprising a nozzle for discharging ink as droplets, and recording a desired image on the substrate by discharging ink droplets from the nozzle to the substrate.
The amount of each ink droplet ejected from the nozzle is 1 to 400 fl, and the amount of ink adhered to a substrate per color is 0.2 to 5.6 ml / m 2. Ink jet recording device.
請求項1に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルから吐出されるインク滴の一滴当たりの滴量は、1〜100flであり、基材に対する一色当たりのインク付着量は、0.2〜2.5ml/mであることを特徴とするインクジェット記録装置。
The inkjet recording apparatus according to claim 1,
The amount of each ink droplet ejected from the nozzle is 1 to 100 fl, and the amount of ink adhered to a base material per color is 0.2 to 2.5 ml / m 2. Ink jet recording device.
請求項1又は2に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルに対向するように配置されかつ基材が外面に巻き付けられた円筒状のドラムを備え、
前記ノズルから吐出された各インク滴を、前記ドラムの外面に巻き付けられた基材に付着させて基材に所望の画像を記録することを特徴とするインクジェット記録装置。
The ink jet recording apparatus according to claim 1, wherein
A cylindrical drum is provided so as to face the nozzle, and a base material is wound around the outer surface,
An ink jet recording apparatus for recording a desired image on a substrate by attaching each ink droplet discharged from the nozzle to a substrate wound around the outer surface of the drum.
請求項1〜3のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルに対向するように配置される中間転写体を備え、
前記ノズルから吐出された各インク滴が前記中間転写体に付着し、前記中間転写体に付着した各インク滴が基材に転写されることを特徴とするインクジェット記録装置。
The inkjet recording apparatus according to any one of claims 1 to 3,
An intermediate transfer member arranged to face the nozzle,
An ink jet recording apparatus, wherein each ink droplet discharged from the nozzle adheres to the intermediate transfer member, and each ink droplet adhered to the intermediate transfer member is transferred to a base material.
請求項1〜4のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置において、
帯電したインクのインク滴の吐出を受ける受け面を有する基材にその先端部を対向させて配置されると共に当該先端部からインク滴を吐出する超微細径の前記ノズルと、
前記ノズル内にインクを供給するインク供給手段と、
前記ノズル内のインクに吐出電圧を印加する吐出電圧印加手段と、
を備えることを特徴とするインクジェット記録装置。
The inkjet recording apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A nozzle having an ultra-fine diameter that is disposed with the tip end thereof opposed to a base material having a receiving surface that receives the ejection of the ink droplets of the charged ink and ejects ink droplets from the tip end,
An ink supply unit for supplying ink into the nozzle,
Discharge voltage applying means for applying a discharge voltage to the ink in the nozzle,
An ink jet recording apparatus comprising:
請求項1〜5のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置に用いるインクにおいて、
色材の濃度は8〜90wt%であり、直径0.3μm以上の粒子を含まないことを特徴とするインク。
An ink used in the inkjet recording apparatus according to any one of claims 1 to 5,
An ink characterized in that the color material has a concentration of 8 to 90 wt% and does not contain particles having a diameter of 0.3 μm or more.
請求項1〜5のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルのノズル径が30μm以下であることを特徴とするインクジェット記録装置。
The inkjet recording apparatus according to any one of claims 1 to 5,
An ink jet recording apparatus, wherein the nozzle diameter of the nozzle is 30 μm or less.
請求項7に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルのノズル径が20μm未満であることを特徴とするインクジェット記録装置。
The inkjet recording apparatus according to claim 7,
An ink jet recording apparatus, wherein the nozzle diameter of the nozzle is less than 20 μm.
請求項8に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルのノズル径が8μm以下であることを特徴とするインクジェット記録装置。
The ink jet recording apparatus according to claim 8,
An ink jet recording apparatus, wherein the nozzle diameter of the nozzle is 8 μm or less.
請求項9に記載のインクジェット記録装置において、
前記ノズルのノズル径が4μm以下であることを特徴とするインクジェット記録装置。
The inkjet recording apparatus according to claim 9,
An ink jet recording apparatus, wherein the nozzle diameter of the nozzle is 4 μm or less.
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