JP2013230624A - 液体噴射装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 平均粒子が200nm以上の大きな粒子を含有するインクを用いたとしてもミストが発生しにくい液体噴射装置を提供する。
【解決手段】 インクジェット式記録装置Iは、ノズル開口から液体を噴射して被対象物に着弾させるヘッド本体を有する液体噴射装置であって、液体は粒子径が200nm以上1μm以下である粒子を含むものであり、ヘッド本体から、1ng以上7ng以下の液滴を、液滴の被対象物での着弾位置における速度が5m/s以上9m/s以下であるように吐出させる。
【選択図】図1

Description

本発明は液体噴射装置に関する。
液体噴射装置の代表例としては、例えば、インクジェット式記録装置が挙げられる。インクジェット式記録装置としては、キャリッジに搭載されたインクジェット式記録ヘッドを移動させながら印刷を行うシリアル型や、被記録媒体の全幅に亘って配置されたノズルからインクを噴射して印刷を行うライン型がある。インクジェット式記録ヘッドとしては、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させる撓み振動モードの圧電素子を有するアクチュエーター装置を使用している。
このようなインクジェット式記録ヘッドに用いられるインクとして、白色顔料である酸化チタン粒子を含む白色インクが知られている。
特開2008−208330号公報
このような白色インクでは、平均粒子が200nm以上の大きな粒子を含有させることが好ましい。大きな粒子を含有させることで印刷物に対する隠蔽性を向上させて所望の印刷特性を得ることができるからである。
しかしながら、このような大きな粒子を含有させた白色インクを用いると、ミストが発生しやすい。上述のように白色インクは隠蔽性が高いので、このミストが液体噴射装置のキャリッジの位置決めを行うためのエンコーダーの読み取り面に付着するとエンコーダーが正確にキャリッジの位置を読み取ることができず、キャリッジの位置決めをすることができないという問題がある。
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、平均粒子が200nm以上の大きな粒子を含有するインクを用いたとしてもミストが発生しにくい液体噴射装置を提供しようとするものである。
本発明の液体噴射装置は、ノズル開口から液体を噴射して被対象物に着弾させるヘッド本体を有する液体噴射装置であって、前記液体は粒子径が200nm以上1μm以下である粒子を含むものであり、前記ヘッド本体から、1ng以上7ng以下の液滴を、該液滴の被対象物での着弾位置における速度が5m/s以上9m/s以下であるように吐出させることを特徴とする。本発明の液体噴射装置においては、前記ヘッド本体から、1ng以上7ng以下の液滴を、該液滴の被対象物での着弾位置における速度が5m/s以上9m/s以下であるように吐出させることで平均粒子が200nm以上の大きな粒子を含有するインクを用いたとしてもミストが発生しにくい。
本発明の好ましい実施形態としては、前記粒子は、酸化チタンからなることが挙げられる。
本発明の実施形態1に係る記録装置の概略図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの平面図である。 本発明の実施形態1に係る記録ヘッドの断面図である。 駆動信号を説明するための模式図である。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の概略斜視図である。本発明のインクジェット式記録装置Iは、図1に示すように、インク滴を吐出する液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッド(以下、記録ヘッドとも言う)1がキャリッジ2に固定されている。このキャリッジ2の裏面側には、図示しないエンコーダーが設けられている。
この記録ヘッド1には、インクが貯留された液体貯留手段の一例であるインクカートリッジ3がそれぞれ着脱可能に固定されている。このうちの本実施形態では、インクカートリッジ3は、複数の異なる色毎に設けられており、本実施形態では詳しくは後述する白色インクが入ったインクカートリッジが設けられている。
記録ヘッド1が搭載されたキャリッジ2は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動可能に設けられている。そして、駆動モーター6の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト7を介してキャリッジ2に伝達されることで、キャリッジ2はキャリッジ軸5に沿って移動される。この場合に、エンコーダーがキャリッジ2の移動位置を読み取ることで、キャリッジ2を正確に移動させることができる。
また、装置本体4にはキャリッジ軸5に沿ってプラテン8が設けられており、図示しない給紙装置等により給紙された紙等の被記録媒体Sがプラテン8上を搬送されるようになっている。
図2は、本発明の実施形態1に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図3は、図2の平面図であり、図4は図3のA−A′線断面図である。図2〜図4に示すように、本実施形態の流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成されている。
流路形成基板10には、複数の圧力発生室12がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板10の圧力発生室12の長手方向外側の領域には連通部13が形成され、連通部13と各圧力発生室12とが、各圧力発生室12毎に設けられたインク供給路14及び連通路15を介して連通されている。連通部13は、後述する保護基板のマニホールド部31と連通して各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路14は、圧力発生室12よりも狭い幅で形成されており、連通部13から圧力発生室12に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路14を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、流路形成基板10には、圧力発生室12、連通部13、インク供給路14及び連通路15からなる液体流路が設けられていることになる。
また、流路形成基板10の開口面側には、各圧力発生室12のインク供給路14とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート20は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
一方、このような流路形成基板10の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜50が形成され、この弾性膜50上には、例えば厚さ30〜50nm程度の酸化チタン等からなり、弾性膜50等の第1電極60の下地との密着性を向上させるための密着層56が設けられている。なお、弾性膜50上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。
さらに、この密着層56上には、第1電極60と、厚さが2μm以下、好ましくは0.3〜1.5μmの薄膜である圧電体層70と、第2電極80とが、積層形成されて、圧電素子300を構成している。ここで、圧電素子300は、第1電極60、圧電体層70及び第2電極80を含む部分をいう。一般的には、圧電素子300の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層70を各圧力発生室12毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第1電極60を圧電素子300の共通電極とし、第2電極80を圧電素子300の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子300と当該圧電素子300の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエーターー装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜50、密着層56、第1電極60及び必要に応じて設ける絶縁体膜が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜50や密着層56を設けなくてもよい。また、圧電素子300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。
このような圧電素子300の個別電極である各第2電極80には、インク供給路14側の端部近傍から引き出され、弾性膜50上や必要に応じて設ける絶縁体膜上にまで延設される、例えば、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。
このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上、すなわち、第1電極60、弾性膜50や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極90上には、マニホールド100の少なくとも一部を構成するマニホールド部31を有する保護基板30が接着剤35を介して接合されている。このマニホールド部31は、本実施形態では、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板10の連通部13と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100を構成している。また、流路形成基板10の連通部13を圧力発生室12毎に複数に分割して、マニホールド部31のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10と保護基板30との間に介在する部材(例えば、弾性膜50、必要に応じて設ける絶縁体膜等)にマニホールド100と各圧力発生室12とを連通するインク供給路14を設けるようにしてもよい。
また、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部32が設けられている。圧電素子保持部32は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。
このような保護基板30としては、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。
また、保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍は、貫通孔33内に露出するように設けられている。
また、保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。この駆動回路120としては、例えば、回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120とリード電極90とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。
また、このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。ここで、封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜41によってマニホールド部31の一方面が封止されている。また、固定板42は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板42のマニホールド100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、マニホールド100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッド1を用いた記録装置Iでは、インクカートリッジ3に接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの第1電極60と第2電極80との間に電圧を印加し、弾性膜50、密着層56、第1電極60及び圧電体層70をたわみ変形させることにより、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル開口21からインク滴が吐出する。そして、吐出したインク滴が被記録媒体Sに着地する。
この場合に、本実施形態の白色インクは光散乱法による球換算50%平均粒子径(d50)が200nm〜1μmの粒子を含むインクである。200nmよりも小さいと隠蔽性が低く、1μmよりも大きいと吐出しにくいからである。この粒子の好ましい粒径は、インクの重量との関係により200nm〜500nmであることが好ましい。
光散乱法による球換算50%平均粒子径(d50)とは、以下のようにして得られる値である。すなわち、分散媒中の粒子に光を照射し、前記分散媒の前方・側方・後方に配置されたディテクターによって、発生する回折散乱光を測定する。前記測定値を利用して、本来は不定形である粒子を、球形であると仮定し、該粒子の体積と等しい球に換算された粒子集団の全体積を100%として累積カーブを求め、その際の累積値が50%となる点を、「光散乱法による球換算50%平均粒子径(d50)」とする。測定装置としては、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定器 LMS−2000e(株式会社セイシン企業製)などが挙げられる。光散乱法による球換算50%平均粒子径(d50)が上記範囲にあることで、記録物上に高い光輝性を有する塗膜が形成できると共に、インクのノズルからの吐出安定性も高くなる。
粒子材料としては、二酸化チタン、二酸化ジルコニア等の第IV族元素酸化物が挙げられる。その他にも、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、酸化亜鉛、硫酸バリウム、炭酸バリウム、シリカ、アルミナ、カオリナイト、クレー、タルク、白土、水酸化アルミ、炭酸マグネシウム、白色中空樹脂エマルジョン等が挙げられ、好ましくはこれらからなる群から選択される1種又は2種以上の混合物である。本実施形態では二酸化チタン粒子を用いている。
白色インクにおける粒子の含有量は、白色度の観点から、好ましくは1.0重量%以上、より好ましくは5.0重量%以上、更に好ましくは10重量%以上、20重量%以下である。
かかる粒子を含むインクは、粒子以外に有機溶剤及び樹脂等を含有する。
有機溶剤は、好ましくは極性有機溶媒、例えば、アルコール類(例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、イソプロピルアルコール、又はフッ化アルコール等)、ケトン類(例えば、アセトン、メチルエチルケトン、又はシクロヘキサノン等)、カルボン酸エステル類(例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、プロピオン酸メチル、4−ブチロラクトン又はプロピオン酸エチル等)、又はエーテル類(例えば、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、テトラヒドロフラン、又はジオキサン等)等を用いることができる。
樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、スチレン−アクリル樹脂、ロジン変性樹脂、テルペン系樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル樹脂、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、繊維素系樹脂(例えば、セルロースアセテートブチレート、ヒドロキシプロピルセルロース)、ポリビニルブチラール、ポリアクリルポリオール、ポリビニルアルコール、ポリウレタン等が挙げられる。
インクは、さらに粒子を分散するための分散剤を含有するものが好ましい。分散剤は、通常インクに用いることができる分散剤、例えば、カチオン性分散剤、アニオン性分散剤、ノニオン性分散剤や界面活性剤等が挙げられる。
アニオン性分散剤の例としては、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、アクリル酸−アクリロニトリル共重合体、酢酸ビニル−アクリル酸エステル共重合体、アクリル酸−アクリル酸アルキルエステル共重合体、スチレン−アクリル酸共重合体、スチレン−メタクリル酸共重合体、スチレン−アクリル酸−アクリル酸アルキルエステル共重合体、スチレン−メタクリル酸−アクリル酸アルキルエステル共重合体、スチレン−α−メチルスチレン−アクリル酸共重合体、スチレン−α−メチルスチレン−アクリル酸−アクリル酸アルキルエステル共重合体、スチレン−マレイン酸共重合体、ビニルナフタレン−マレイン酸共重合体、酢酸ビニル−エチレン共重合体、酢酸ビニル−脂肪酸ビニルエチレン共重合体、酢酸ビニル−マレイン酸エステル共重合体、酢酸ビニル−クロトン酸共重合体、酢酸ビニル−アクリル酸共重合体等が挙げられる。
ノニオン性分散剤としては、ポリビニルピロリドン、ポリプロピレングリコール、ビニルピロリドン−酢酸ビニル共重合体等が挙げられる。
分散剤としての界面活性剤としては、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウリル酸ナトリウム、ポリオキシエチレンアルキルエーテルサルフェートのアンモニウム塩等のアニオン性界面活性剤、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、ポリオキシエチレンアルキルアミド等のノニオン性界面活性剤が挙げられる。特に、顔料の分散安定性を高める観点から、スチレン−(メタ)アクリル酸共重合体を用いることが好ましい。
なお、有機溶媒、樹脂や分散剤は、上述したものから複数種を同時に用いることも可能である。
本実施形態に用いられるインク組成物は、更に、通常のインク組成物に含まれているその他の添加剤を含むことができる。こうした添加剤としては、例えば、安定剤(例えば、酸化防止剤、又は紫外線吸収剤)等を挙げることができる。
さらに、インク組成物は、公知の慣用方法によって調製することができる。例えば、最初に、前述した粒子及び分散剤を混合した後、ボールミル、ビーズミル、超音波、又はジェットミル等で分散液を調製し、所望のインク特性を有するように調整する。続いて、バインダー樹脂、有機液媒、及びその他の添加剤(例えば、分散助剤や粘度調整剤)を撹拌下に加えて顔料インク組成物を得ることができる。
かかる白色インクをノズル開口21から吐出する場合には、記録装置Iは、インクジェット式記録ヘッド1から、1〜7ngのインク滴をメイン速度が5〜9m/sであるように吐出する。
ここで、メイン速度とは、インク滴の着弾位置における想定速度を意味する。なお、この場合のインク滴とは駆動電圧の印加により吐出されたインク滴の大部分である頭部部分を意味し、インク滴のいわゆる尾の部分や吐出されたインク滴から分離されたインク滴などは含まない。1〜7ngのインク滴をメイン速度が5〜9m/sで吐出することで、ミストを抑制しつつ、かつ、インクの増粘による着弾精度低下を抑制できる。他方で、メイン速度が5m/s未満であると、インク滴の着弾位置がずれやすく、かつ、インク滴が分離しやすく、分離したインク滴が浮遊してミスト化しやすい。また、メイン速度が9m/sよりも速いと、インク滴がミスト化しやすい。従って、上述のようにメイン速度が5〜9m/sで吐出することが好ましい。
なお、インク滴について7ngより大きいとインク滴が大きすぎて所望の吐出特性が得られず、他方で1ngより小さいとインク滴が小さすぎて吐出特性が低下する。
このように記録装置Iは、インクジェット式記録ヘッド1から、1〜7ngのインク滴をメイン速度が5〜9m/sで吐出させることで、ミストを抑制しながら吐出を行うことができる。記録装置Iは、予めこのようなインクに対する吐出特性のデータを有し、インクに応じて記録ヘッド1からの吐出を変更できる。
なお、インク滴の重量やその吐出速度は、駆動電圧の電圧差や傾き等を変更することで変更することができるものである。駆動電圧の例は、以下詳しく説明する。
(実施例及び比較例)
本実施例では、粒子を含む白色インクを吐出し、その吐出特性を調べた。初めに、6ngのインク滴についてメイン速度を変更した場合の吐出特性を調べ、次に4ng以下のインク滴についてメイン速度を変更した場合の吐出特性について調べた。記録ヘッドの吐出面とプラテンとの距離は1.5mmであった。インクとしては、有機溶媒として、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、4−ブチロラクトンおよびエクアミドM100(商品名、出光興産株式会社製)を含有し、分散剤としてアクリル系共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体を含有し、さらに、メディアン径(d50)が300nmである二酸化チタン粒子を15重量%含有するインクを用いた。
メイン速度を変更するために、本実施例及び比較例では駆動信号における駆動電圧の傾き及び駆動電圧の大きさを変更した。駆動信号は、6ngのインク滴について図5(1)に示す駆動信号を用い、また、4ng以下のインク滴について図5(2)に示す駆動信号を用いた。各駆動信号において駆動電圧を図示した。インク滴の大きさにより用いる駆動信号はこのように異なるが、それぞれ駆動電圧を駆動電圧の傾き及び駆動電圧の大きさを変更することで、適宜メイン速度を変更することができる。なお、駆動信号はこれに限定されず、所望の吐出を行うことができるものであればよい。
吐出特性として、ミストの発生及び間欠時の着弾特性について調べた。間欠時の着弾特性とは、不吐出時間(本実施例及び比較例では7秒)後に着弾位置のずれが所定の範囲内にあるか否かについて調べた。ミストの発生についてはパーティクルカウンターで調べた。
6ngのインク滴についての結果を表1に、4ng以下のインク滴についての結果を表2に示す。表1において、◎は非常に良好(ミストの場合は発生なし)、○は良好(ミストの場合は発生ほとんどなし)、△は可(ミストの場合はやや発生)、×は不可(ミストの場合は発生)を示す。
Figure 2013230624
Figure 2013230624
表1に示すように、インク滴が6ngの場合には、ミストは、メイン速度が4、5m/sの場合には発生なしであり、メイン速度が6〜8m/sの場合にほとんど発生せず、メイン速度が9m/sの場合にやや発生し、メイン速度が10m/sの場合に発生した。また、インク滴が6ngの場合には、間欠時の着弾精度は、メイン速度が4m/sの場合に不可であり、5m/sの場合に可であり、メイン速度が6〜10m/sの場合に良好であった。
また、表2に示すように、インク滴が4ng以下の場合には、ミストは、メイン速度が4m/sの場合に発生し、メイン速度が5〜8m/sの場合にほとんど発生せず、メイン速度が9m/sの場合にやや発生し、10m/sの場合に発生した。また、インク滴が4ng以下の場合には、間欠時の着弾精度は、メイン速度が4m/sの場合に不可であり、5m/sの場合に可であり、6〜10m/sの場合に良好であった。
従って、インク滴が4ng以下及び6ngの場合にはメイン速度が5〜9m/sで吐出することで、ミストの発生及び間欠後の着弾精度が良いことが分かった。
本発明は、上述した実施形態に限定されない。
上述した実施形態においては、本発明の液体噴射装置としてインクジェット式記録装置Iを例示したが、液体噴射装置の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射装置の全般を対象としたものであり、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドを用いる液体噴射装置等にも適用することができる。
本発明でインクジェット式記録装置には、キャリッジに搭載されたインクジェット式記録ヘッドを移動させながら印刷を行うシリアル型のものについて説明したが、記録媒体の全幅に亘って配置されたノズルからインクを噴射して印刷を行うライン型の液体噴射装置に適用することも可能である。また、本実施形態では液体貯留手段であるインクカートリッジは液体噴射ヘッドと共にキャリッジに搭載されていたが、これに限定されない。例えば、記録装置Iにおいて液体貯留手段をキャリッジに搭載していなくてもよい。
1 インクジェット式記録ヘッド、 10 流路形成基板、 12 圧力発生室、 13 連通部、 14 インク供給路、 15 連通路、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 32 圧電素子保持部、 33 貫通孔、 60 第1電極、 70 圧電体層、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 マニホールド

Claims (2)

  1. ノズル開口から液体を噴射して被対象物に着弾させるヘッド本体を有する液体噴射装置であって、
    前記液体は粒子径が200nm以上1μm以下である粒子を含むものであり、
    前記ヘッド本体から、1ng以上7ng以下の液滴を、該液滴の被対象物での着弾位置における速度が5m/s以上9m/s以下であるように吐出させることを特徴とする液体噴射装置。
  2. 前記粒子は、酸化チタンからなることを特徴とする請求項1記載の液体噴射装置。
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