JP5017397B2 - インクジェット装置およびインク塗布方法 - Google Patents

Description

本発明は、音波を集束させてインク液滴を飛翔させるインクジェット装置およびインク塗布方法に関する。

ヘッドに設けられた振動子から発生する音波を集束させて、その音圧でインク液面からインク液滴を飛翔させる方式のインクジェット装置が提案されている。この方式はノズルを必要としないため、ノズルの目詰まりの問題が生じない。また、非常に小さな径のインク液滴を飛翔させることができる。このため、高解像度化にも適し、使用できるインク材料に対する制約も少ない、という利点を有する。

しかしながら、工業分野で用いられるような粘度の高いインクは概して音波の減衰も大きく、液滴の飛翔に大きなパワーが必要となる。粘度が著しく高いインクの場合は飛翔できない問題も生じる。また、例えばインクの消費に伴うインクの液面変動により振動子から発生する音波を集束させる位置（音波集束位置）のずれが発生し、結果的にインクが飛翔しなくなる。このような場合は、液面変動に対処するためのヘッド位置の調整機構が必要となり、装置の複雑化を招く。

特許文献１では音波の進行路部分に音波を伝える物質を用いてインク層を薄くする技術が提案されている。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、細い隙間にインクを供給しなければならない。このため、特に粘度の高いインクの場合には安定してインク層を形成することが困難になる。

特許文献２には予めフィルム上にインク層を形成しておき、そのフィルムを移動機構で搬送させる技術が開示されている。この技術によれば、比較的安定して薄いインク層を形成することが可能である。

特開平６−２３８８８４号公報 特開昭６３−１６６５４７号公報

もっとも、特許文献２の技術では、フィルムの広い面にわたってインク層を形成する必要があり、対象物への塗布に必要なインク量よりはるかに多いインクが必要となる。そのため、インクの効率的な利用ができず、インク塗布のコストが増大するという問題がある。特に、工業分野では高価なインクが用いられることが多く、インクの効率的な利用が求められている。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、インクを効率的に利用するインクジェット装置およびインク塗布方法を提供することにある。

本発明の一態様のインクジェット装置は、一方の面が光照射により親水性が向上する材質で形成され、親水性インクを担持可能なフィルムと、前記フィルムの他方の面に接して設けられ、音波を発生し前記音波を前記フィルム上に担持される親水性インクの液面近傍に集束させてインク液滴を飛翔させるヘッドと、前記フィルムを移動させるフィルム移動機構と、前記フィルムの一方の面の所定の領域に光を照射する光照射機構と、前記光照射機構により光が照射される領域に親水性インクを供給するインク供給機構を有することを特徴とする。

上記態様のインクジェット装置において、前記材質が光触媒であることが望ましい。

上記態様のインクジェット装置において、前記材質が光変性高分子であることが望ましい。

上記態様のインクジェット装置において、前記フィルムの前記一方の面側にインクの厚さを調整するインク厚調整機構をさらに有することが望ましい。

本発明の一態様のインク塗布方法は、一方の面が光照射により親水性が向上する材質で形成されるフィルムを、音波を発生するヘッドに対して相対移動させ、前記フィルムの前記一方の面の所定の領域に光を照射して前記領域の親水性を向上させ、前記領域に親水性インクを供給し、前記領域に担持される親水性インクの液面近傍に、前記フィルムの他方の面に接して設けられる前記ヘッドから発生する音波を集束させてインク液滴を飛翔させ、前記インク液滴を対象物に塗布することを特徴とする。

本発明によれば、インクを効率的に利用するインクジェット装置およびインク塗布方法を提供することが可能となる。

実施の形態のインクジェット装置の概略図である。 実施の形態のインクジェット装置を用いたインク塗布方法の説明図である。 実施の形態でフィルム上に形成されるインク層のパターンの具体例を示す上面図である。 実施の形態でフィルム上に形成されるインク層のパターンの別の具体例を示す上面図である。 従来技術でフィルム上に形成されるインク層のパターンの具体例を示す上面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。

なお、本明細書中、「インク」とは、紙のような画像の印刷用途に用いられる染料や顔料などの色材入りの液体に限らない概念である。例えば、液状電子材料の塗布やダイレクトパターニング等の工業分野で用いられる液状材料、例えば、金属粒子を含有するいわゆる金属インク、あるいは、ＬＥＤ製造で用いられる蛍光体を液体中に分散させた液状蛍光体等も本明細書中の「インク」の概念に含まれる。また、例えば食品表面にパターンを描くために用いられる液状の食材も「インク」の概念に含まれる。

また、本明細書中、「インクジェット装置」とは、上記「インク」を対象物に対してインクジェット技術を用いて塗布する装置を総称する概念である。

また、本明細書中、材料の親水性が向上するとは、具体的にはその材料の対水接触角が小さくなることを意味する。

本実施の形態のインクジェット装置は、一方の面が光照射により親水性が向上する材質で形成され、親水性インクを担持可能なフィルムと、フィルムの他方の面に接して設けられ、音波を発生し音波をフィルム上に担持される親水性インクの液面近傍に集束させてインク液滴を飛翔させるヘッドと、フィルムを移動させるフィルム移動機構と、フィルムの一方の面の所定の領域に光を照射する光照射機構と、光照射機構により光が照射される領域に親水性インクを供給するインク供給機構を有する。

本実施の形態のインクジェット装置は、光照射により親水性が向上した領域に選択的に親水性インクを担持させることが可能である。したがって、光照射を制御することで、対象物へのインクの塗布パターンに応じた、必要な量だけのインクをオンデマンドに使用することが可能になる。よって、インクの効率的な利用ができ、インク塗布におけるコストの削減が実現できる。

図１は、本実施の形態のインクジェット装置の概略図である。図１（ａ）は全体図、図１（ｂ）が主要部の拡大図である。

図１に示すように、本実施の形態のインクジェット装置は、フィルム１０と、フィルム１０上に担持される親水性インクを飛翔させるためのヘッド１２とを備えている。さらに、フィルム１０を移動させるフィルム移動機構として、駆動ローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃを備えている。また、フィルム１０に光を照射する光照射機構１６と、親水性インクを供給するインク供給機構１８を備えている。

そして、インク３０の厚さを調整するインク厚調整機構２０を備えている。また、光照射機構１６による光の照射と、インク供給機構１８によるフィルム上へのインク３０の供給を制御する制御機構２２を備えている。

フィルム１０は、一方の面、図１では上面が光照射により親水性が向上する材質で形成されている。例えば、対水接触角が６０度以上の疎水性の樹脂フィルムの表面に光触媒をコーティングしたものを使用することができる。樹脂フィルムとしては、耐溶剤性および耐久性の高いポリイミド等が好適である。

光触媒は、光、特にエネルギーの高い紫外光を照射することにより、表面の親水性が向上する。これは、光触媒に光が照射されることで、光触媒の表面に水となじみのよいＯＨ基の膜が形成されることによる。

光触媒は、具体的には、酸化チタン、マグネシウム錯体、酸化亜鉛、酸化タングステン、チタン酸ストロンチウム等である。酸化チタンが好適であり、フィルム１０として具体的には酸化チタンをコーティングしたラクリーンＦＴ２（（株）きもと製）を使用することができる。ラクリーンＦＴ２では、光照射により対水接触角を７０度程度から１０度以下まで向上させることが可能である。

また、光触媒に替えて、表面に光変性高分子をコーティングしたフィルムを適用することも可能である。光変性高分子も、光、特にエネルギーの高い紫外光を照射することにより、表面の親水性が向上する。光変性高分子は、具体的には、例えばフッ素系の材料である。

また、フィルム１０は、表面を光触媒や光変性高分子でコーティングしたフィルムのみならず、フィルム全体が光照射により親水性が向上する材質であっても構わない。

光照射による親水性の向上度合いは、インクを選択的に光照射がされた領域に担持させ、かつ、インク層の薄膜化を実現する観点から、光照射前の対水接触角が６０度以上であり、光照射後の対水接触角が２０度以下、より好ましくは１０度以下となることが望ましい。

フィルム１０の厚さは、物理的強度が保てれば、フィルム下面のヘッド１２から発生された音波が効率よくフィルム上面のインク層に伝播されるように、できるだけ薄いことが望ましい。例えば、１０μｍ以上５００μｍ以下、より望ましくは、１０μｍ以上１００μｍ以下である。

フィルム１０は、環状に閉じたシームレスフィルムであり、ヘッド１２に摺動して回転するよう構成されている。

ヘッド１２は、フィルム１０のインクが担持される面とは反対の面、図１では下面に設けられる。ヘッド１２は、音波を発生し音波をフィルム１０上に担持される親水性インクの液面近傍に集束させてインク液滴を飛翔させる。

ヘッド１２は、音波を発生させる音波発生手段１２ａと、音波を音波集束位置に集束させる音波集束手段１２ｂと、音波を進行させる音波伝達部１２ｃとで構成される。

音波発生手段１２ａは、圧電体、電極から構成され、それらは円盤状の素子が単独で機能するもの、一次元のアレイ状に配列されて機能するもの、さらには、二次元のアレイ状に配列されて機能するものがあり、何れも用いることができる。圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどの圧電セラミックスや、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの圧電単結晶や、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの高分子圧電体や、酸化亜鉛などの圧電半導体などを使用することができる。

電極には、音波発生手段１２ａを駆動するための駆動回路２４が接続されている。駆動回路２４は外部から送られてくる駆動信号に基づき、圧電体を駆動して音波を発生させる。

音波集束手段１２ｂは、音波発生手段１２ａにより発生した音波を、音波集束位置に集束させる役割を担う。ここでは、ガラスに円弧状に研磨した凹面レンズを使用している。集束された音波ビームの圧力によってインク液面にメニスカスが形成され、液滴は分離し飛翔する。

音波集束手段１２ｂの材質としては、たとえばガラス等の無機系材料や、エポキシ樹脂等を用いることができる。またガラスや樹脂の表面に、金属膜や金属系酸化膜、窒化膜、ポリオレフィン系樹脂膜等の表面処理を施して耐久性を向上させたものでもよい。音波集束手段１２ｂの音響インピーダンスは、音波発生手段１２ａで用いた圧電体の音響インピーダンス（ＺＰ）と音波伝達部１２ｃの音響インピーダンス（ＺＬ）の中間値であり、その幾何平均（√（ＺＰ・ＺＬ））に近いことが音波の効率的な伝達のためには望ましい。

音波伝達部１２ｃでは、音波発生手段１２ａで発生して音波集束手段１２ｂで集束しつつある音波が進行する部分であり、音波伝達物質で充填されている。音波伝達物質は音波減衰の小さいものが好ましく、たとえば水などの液体が好適である。

フィルム移動機構は、３つの駆動ローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃで構成されている。駆動ローラ１４ａ、ｂ、ｃにより、フィルム１０が回転させられる。駆動ローラ１４ａ、ｂ、ｃは、安定した駆動を行うために、フィルム１０との摩擦が大きいことが必要である。したがって、少なくとも１つの駆動ローラがゴム製であることが望ましい。

また、安定した駆動を保つために駆動ローラ１４ａ、ｂ、ｃは回転中に形状変化が生じない程度の硬度を必要とする。フィルム１０の蛇行を防ぐために、駆動ローラ１４ａ、ｂ、ｃの両端にリブを設けたり、中央径が両端径より大きい太鼓型にしたりすることが好ましい。

さらに、フィルム１０がヘッド１２のエッジで切れないように、ヘッド１２の角部を丸くすることが望ましい。

光照射機構１６は、フィルムの一方の面、図１ではフィルムの上面側の所定の領域に光を照射するよう配置されている。光照射機構１６が照射する光は、フィルム１０の親水性を向上させるためにエネルギーの高い光であることが望ましいため、紫外光であることが望ましい。

光照射機構１６としては、例えば、半導体レーザ（ＬＤ）や半導体ダイオード（ＬＥＤ）等を用いることが可能である。

インク供給機構１８は、光照射機構１６により光が照射される領域に親水性インクを供給する。このため、フィルム１０のヘッド１２とは反対面、図１ではフィルムの上面側に設けられている。

インク供給機構１８には、用途に応じた親水性、例えば水性のインク３０が充填される。そして、インク３０は、例えば、供給弁（図示せず）の開閉等により、フィルム上に滴下することで供給される。

用いるインク３０は、用途によって選択されて使用される。例えば、画像記録用途では、染料や顔料などの色材を含んだものが適用される。一方、産業用インクジェット装置としては、金属粒子、酸化物粒子のような粒子を分散させることを許容する。金属粒子は、例えば金、銀、銅、ニッケル、白金を用いることができる。酸化物粒子は例えばシリカ（ＳｉＯ_２）や二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、また、赤、緑、青、黄色の蛍光体材料およびそれらを組み合わせた混合物を用いることができる。粒子の粒径は小さいほど低いエネルギーで飛翔でき、少なくとも、例えば５〜５０μｍ程度であれば良好な飛翔が可能である。

インク厚調整機構２０は、例えば、先端が平板上の部材であり、フィルム上に供給されるインク３０をならすことで、フィルム上に形成されるインク層を所望の厚さに安定化させる。インク厚調整機構２０を例えば可動式にすることで、例えば、用途やインクの種類に応じて、インク層の厚さを任意に設定することも可能となる。

なお、インク厚さの調整精度を上げる観点からは、インク厚調整機構２０を備えることが望ましい。しかし、インク供給機構１８からのインク供給量を調整することによってもインク厚さを調整することは可能である。

制御機構２２は、光照射機構１６による光の照射と、インク供給機構１８によるフィルム上へのインクの供給を制御する。さらに、例えば、駆動回路２４へ駆動信号を発してヘッドからの音波発生を制御してもよい。制御機構２２は、ハードウェアまたはソフトウェア、またはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせで構成される。

なお、図示しないが、フィルム１０上に残存する未使用のインクを回収して再利用するために、スクレーパ等のインク回収機構を設けても構わない。スクレーパは、特に材質は問わないが、フィルム１０との摩擦が大きいとフィルム１０が安定して駆動できないため、金属または摩擦の小さいゴム等が望ましい。

インクの再利用については、回収されるインクを収納して濃縮しない処理、例えば、攪拌、添加剤追加、凝集物不純物濾過等を行ってもよい。

図２は、本実施の形態のインクジェット装置を用いたインク塗布方法の説明図である。

図１に示す３つの駆動ローラ１４ａ、１４ｂ、１４ｃを駆動することにより、フィルム１０が、ヘッド１２の外側を回転する。これにより、フィルム１０が、音波を発生するヘッド１２に対して相対移動を開始する。図２ではフィルム１０は右方向に向かって移動する。

フィルム１０の回転は、フィルム１０に形成されるインク層の厚さやパターンが安定するように、常に一定の回転速度を保つことが望ましい。

光照射機構１６により、フィルム１０の一方の面、図２では上面の所定の領域、すなわち後にインク層を形成したい領域に、例えば紫外光を照射する。この紫外光の照射により、この領域の親水性を向上させる。このように、光を照射することで、フィルム１０の上面には、光が照射されて親水性が向上した第１の領域１０ａと、光が照射されておらず親水性に劣る、相対的に疎水性の第２の領域１０ｂとに分かれることになる。

そして、インク供給機構１８から第１の領域１０ａにインク３０を供給する。ここでは、フィルム１０の上から滴下される。その後、滴下されたインク３０は、インク厚調整機構２０によってならされ、薄く均一な厚さを有するインク層３２が形成される。

ここで、第２の領域１０ｂに比べ、第１の領域１０ａの親水性度合いが高いため、親水性インクは、第１の領域１０ａに選択的に集まることになる。

インク層３２が、ヘッド１２の上部に移動し、このインク層３２の液面近傍にヘッドから発生する音波を集束させてインク液滴３４を飛翔させる。これにより、インク液滴３４を対象物３６に塗布する。

なお、対象物３６に塗布すべきインクの塗布パターンは、例えば制御回路２２（図１）に記憶されている。そして、この塗布パターンを実現するよう、制御回路２２により光照射機構１６、インク供給機構１８が制御され所望のパターンの第１の領域１０ａを形成し、その領域にインク層３２が形成される。さらに、制御回路２２により駆動回路２４が制御され、インク液滴３４がインク層３２から飛翔される。

ここで、例えば、第２の領域１０ｂが対水接触角６０度程度の疎水性であり、第１の領域１０ａが対水接触角１０度程度の親水性であるとすると、水性のインク層３２の厚みを、１００μｍ程度まで薄膜化できる。

このように、インク層３２を薄膜化することで、インク液滴を飛翔させるためのエネルギーが少なくてすみ、省エネルギー化が可能となる。また、実際にインク液滴として飛翔するのは液面近傍のインクだけなので、未使用の無駄なインクを極力生じさせず、インクの効率的利用も図れる。

図３は、実施の形態でフィルム上に形成されるインク層のパターンの具体例を示す上面図である。図４は、実施の形態でフィルム上に形成されるインク層のパターンの別の具体例を示す上面図である。また、図５は、従来技術でフィルム上に形成されるインク層パターンの具体例を示す上面図である。

図３に示すように、例えば、対象物の塗布パターンに応じて、細線状に光を照射し、細線状のインク層３２を形成する。あるいは、図４に示すように、例えば、対象物の塗布パターンに応じて、ドット状に光を照射し、ドット状のインク層３２を形成する。ここで、フィルム１０の幅は例えば４０ｍｍ程度であり、インク層３２の幅は例えば、数百μｍ程度である。

インク層３２の幅は、音波の集束位置における音波のビーム幅よりも狭ければ、液滴の形成・分離に要するエネルギーを小さくすることができる。また、音圧変動の大きいビーム幅の円周上に存在するインク量を減らすことができるため、より均一なインクを再現よく飛翔させることが可能となる。

以上のように、対象物の塗布パターンに応じて、光照射のパターンを替えて、オンデマンドなインク層のパターンを実現できる。したがって、図５の従来技術のように、ほぼフィルム１０全面にインク層３２を設ける場合にくらべ、使用しない無駄なインク量を減らすことが可能になる。よって、極めて効率的なインクの利用が実現され、インク塗布に要するコストを削減できる。

さらに、図５の従来技術のように、ほぼフィルム１０全面にインク層３２を設ける場合、フィルム面の傾斜等の形状変動に伴いインク層３２の膜厚が変動する。本実施の形態によれば、インク層３２は狭い領域に限定されるため、フィルム面の形状変動に伴うインク層３２の膜厚変動の度合いも小さくなる。したがって、安定したインクの塗布が実現できる。

また、光照射機構１６により、光の照射エネルギーをコントロールすることで親水性の度合いをコントロールすることも可能である。例えば、光照射エネルギーが弱い場合には、親水性の向上度合いが小さく、インク層３２の厚さは厚くなる。このように、光の照射エネルギーをコントロールすることで、例えば、用途やインクの種類等に応じた最適なインク膜厚を形成することも可能になる。

また、光照射エネルギーをフィルム１０の完全活性化エネルギーの１／１０〜１／５程度に設定すると、数時間で親水性の度合いが低下してくる。この現象を利用して、短時間で、次の対象物に対するインク層３２のパターンを変更することも可能となる。完全活性化エネルギー以上で照射した場合でも、時間が経てば親水性の度合いが低下する。したがって、この場合でも、次の対象物に対するインク層３２のパターンを変更することが可能である。

本実施の形態のように、フィルムの一部に選択的にインク層を形成する手法としてフィルム上に窪みを設けてインクを溜める方法も考えられる。しかし、薄いフィルムに凹凸を設けることは極めて困難である。この点からも、光照射によりフィルム表面の特性を変化させるだけで選択的にインク層を形成する本実施の形態は優れている。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、インクジェット装置、インク塗布方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるインクジェット装置、インク塗布方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

例えば、実施の形態においては、インク液滴を上方に向けて飛翔させるインクジェット装置およびインク塗布方法を例に説明したが、インク液滴を下方または側方に向けて飛翔させるインクジェット装置またはインク塗布方法にも本発明は適用可能である。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのインクジェット装置、インク塗布方法が、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。

１０ フィルム
１２ ヘッド
１４ａ，ｂ，ｃ 駆動ローラ
１６ 光照射機構
１８ インク供給機構
２０ インク厚調整機構
２２ 制御機構
２４ 駆動回路
３０ インク
３２ インク層
３４ インク液滴
３６ 対象物

Claims (5)

1. 一方の面が光照射により親水性が向上する材質で形成され、親水性インクを担持可能なフィルムと、
   前記フィルムの他方の面に接して設けられ、音波を発生し前記音波を前記フィルム上に担持される親水性インクの液面近傍に集束させてインク液滴を飛翔させるヘッドと、
   前記フィルムを移動させるフィルム移動機構と、
   前記フィルムの一方の面の所定の領域に光を照射する光照射機構と、
   前記光照射機構により光が照射される領域に、親水性インクを供給するインク供給機構を有することを特徴とするインクジェット装置。
2. 前記材質が光触媒であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット装置。
3. 前記材質が光変性高分子であることを特徴とする請求項１記載のインクジェット装置。
4. 前記フィルムの前記一方の面側にインクの厚さを調整するインク厚調整機構をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項記載のインクジェット装置。
5. 一方の面が光照射により親水性が向上する材質で形成されるフィルムを、音波を発生するヘッドに対して相対移動させ、
   前記フィルムの前記一方の面の所定の領域に光を照射して前記領域の親水性を向上させ、
   前記領域に親水性インクを供給し、
   前記領域に担持される親水性インクの液面近傍に、前記フィルムの他方の面に接して設けられる前記ヘッドから発生する音波を集束させてインク液滴を飛翔させ、前記インク液滴を対象物に塗布することを特徴とするインク塗布方法。

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