JP5314845B2 - Evaluation method of piezoelectric element - Google Patents
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Description
本発明は、優れたインク充填性を有するインクジェット記録システムおよびそれを用いた記録装置に関する。 The present invention relates to an ink jet recording system having excellent ink filling properties and a recording apparatus using the same.
近年、インクジェット記録技術は目覚しく進歩しており、高精細な極めて写真に近似した画像が得られるようになった。これによってインクジェットの記録は多くの分野で使用されるようになった。それに伴い、高精細画像を得られることに加えて、印画速度の向上が望まれるようになってきた。印画速度を向上させるには、ノズルの数を増やし、さらに1ヘッドの単位時間当たりのインク液滴を多く吐出させる方法がある。この方法では駆動周波数としては１５ｋＨｚ以上が望まれ、1ヘッドの単位時間当たりに使用されるインクを、インクカートリッジから過不足なく供給しなければならない。
しかし、インクジェットヘッドにおいて、そのヘッドに設けられたインク流路の濡れ性が悪いと、インクを充填する際に、インク流路内に気泡を生じさせてしまう危険がある。さらに、この気泡は、流路の壁面に強固に付着していて、インク吸引による排出操作を行っても、容易に排出することができない。インク流路内に気泡が残留すると、具体的には、噴射不能のほか、ドット抜けや印字の乱れ等のトラブルが発生し、印字品質を低下させるといった問題がある。
In recent years, ink jet recording technology has advanced remarkably, and it has become possible to obtain high-definition and extremely similar images. As a result, ink jet recording has been used in many fields. Accordingly, in addition to obtaining high-definition images, it has been desired to improve the printing speed. In order to improve the printing speed, there is a method of increasing the number of nozzles and ejecting more ink droplets per unit time of one head. In this method, a drive frequency of 15 kHz or more is desired, and the ink used per unit time of one head must be supplied from the ink cartridge without excess or deficiency.
However, in an ink jet head, if the wettability of the ink flow path provided in the head is poor, there is a risk that bubbles are generated in the ink flow path when the ink is filled. Further, the bubbles are firmly attached to the wall surface of the flow path, and cannot be easily discharged even if a discharging operation by ink suction is performed. If air bubbles remain in the ink flow path, specifically, there are problems such as inability to eject, troubles such as missing dots and disordered printing, and deterioration of printing quality.
上記問題を解決するために、従来、樹脂材料を用いたヘッド構成部材の濡れ性を改良するために、酸処理やプラズマ処理で親水性を付与する、あるいは酸処理で親水性を付与した充填材を含有させる手法等が提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。また、一方では、圧電素子の靭性強度を高めるために積層型の圧電素子において各層を焼成して形成する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、特許文献１に示されているような、インクと圧電素子が直接接する構成ではこれら親水処理をすることにより、圧電素子が腐食・劣化してしまう。また、特許文献２に示される圧電素子はセラミック等の焼成部材であるため、表面は微細な凹凸構造となっており、インクが充填されにくい。圧力を発生させる圧電素子表面にインクが充填されず気泡が残ると、発生した圧力はインクに十分伝わらず、インク飛翔曲がり、吐出速度の低下、あるいは不吐出といった吐出不良の原因となる。
In order to solve the above problems, conventionally, a filler that has been imparted hydrophilicity by acid treatment or plasma treatment or has been imparted hydrophilicity by acid treatment in order to improve the wettability of a head component using a resin material. There have been proposed a method of containing selenium (see, for example, Patent Document 1). On the other hand, in order to increase the toughness strength of the piezoelectric element, a method has been proposed in which each layer is baked and formed in a laminated piezoelectric element (see, for example, Patent Document 2). However, in a configuration in which the ink and the piezoelectric element are in direct contact as shown in
本発明の課題は、加圧室壁面の一部が圧電素子で構成されたインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェット記録システムにおいて、インクの充填性を改善し、信頼性の高いインクジェット記録システムを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ink jet recording system that improves ink filling and has high reliability in an ink jet recording system including an ink jet recording head in which a part of a pressure chamber wall surface is composed of a piezoelectric element. It is in.
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、圧電素子の中心線平均粗さと前記圧電素子とインクとの接触角が所定の範囲にあり、前記圧電素子の中心線平均粗さと接触角との関係式が所定の値以上であることにより、インクジェット記録ヘッドにインクを充填する速度が改善され、吐出不良ノズルを生じることのない信頼性の高いインクジェット記録システムを実現できるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the center line average roughness of the piezoelectric element and the contact angle between the piezoelectric element and the ink are within a predetermined range, and the center line average roughness of the piezoelectric element is And the contact angle is greater than or equal to a predetermined value, the speed at which the ink jet recording head is filled with ink is improved, and a highly reliable ink jet recording system that does not cause defective ejection nozzles can be realized. As a result, the present invention has been completed.
すなわち、本発明のインクジェット記録システムおよびそれを用いた記録装置は、以下の構成を有する。
（１）ノズルが設けられた加圧室の壁面の一部が圧電素子で形成され、前記圧電素子を作動・変形させて前記加圧室の中のインクに圧力波を作用させて、前記ノズルからインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェット記録システムであって、前記圧電素子の中心線平均粗さＲａが０．０５〜２μｍであり、かつ圧電素子を形成する圧電材料の平滑化された表面にインクを直接接触させた状態においての接触角が４５度以下、更に下記式（１）を満足することを特徴とするインクジェット記録システム。
（２）前記インクジェット記録ヘッドは、複数のドット形成部からなり、該ドット形成部は前記加圧室とそれに連通する前記ノズルを有し、前記加圧室は基板と内部に共通電極が形成された前記圧電素子とから構成されており、前記圧電素子に駆動電圧を印加するための個別電極が前記圧電素子の前記加圧室に対向する位置に配設されていることを特徴とする前記（１）に記載のインクジェット記録システム。
（３）前記接触角が５〜４５度であることを特徴とする前記（１）に記載のインクジェット記録システム。
（４）前記インクは、少なくとも、水、着色剤、水溶性有機溶剤および界面活性剤からなることを特徴とする前記（１）に記載のインクジェット記録システム。
（５）前記着色剤は、顔料からなることを特徴とする前記（４）に記載のインクジェット記録システム。
（６）前記（１）〜（５）のいずれかに記載のインクジェット記録ヘッドはノズルを５００個以上有し、前記記録ヘッドを記録媒体の搬送方向に対して直交する水平方向に２個以上配置してなるインクジェット記録システムを用いたことを特徴とする記録装置。
That is, the inkjet recording system of the present invention and the recording apparatus using the same have the following configuration.
(1) A part of the wall surface of the pressurizing chamber provided with the nozzle is formed of a piezoelectric element, and the piezoelectric element is actuated and deformed to cause a pressure wave to act on the ink in the pressurizing chamber. An ink jet recording system including an ink jet recording head for ejecting ink droplets from the piezoelectric element, wherein the piezoelectric element has a center line average roughness Ra of 0.05 to 2 μm and the piezoelectric material forming the piezoelectric element is smoothed. An ink jet recording system having a contact angle of 45 degrees or less when ink is in direct contact with the surface and further satisfying the following formula (1).
(2) The ink jet recording head includes a plurality of dot forming sections, and the dot forming section includes the pressurizing chamber and the nozzle communicating with the pressurizing chamber, and the pressurizing chamber has a common electrode formed inside the substrate. The piezoelectric element, and an individual electrode for applying a driving voltage to the piezoelectric element is disposed at a position facing the pressurizing chamber of the piezoelectric element. An ink jet recording system according to 1).
(3) The inkjet recording system according to (1), wherein the contact angle is 5 to 45 degrees.
(4) The ink jet recording system according to (1), wherein the ink includes at least water, a colorant, a water-soluble organic solvent, and a surfactant.
(5) The inkjet recording system according to (4), wherein the colorant is made of a pigment.
(6) The ink jet recording head according to any one of (1) to (5) includes 500 or more nozzles, and two or more recording heads are arranged in a horizontal direction perpendicular to the conveyance direction of the recording medium. A recording apparatus using the ink jet recording system.
本発明によれば、圧電素子の中心線平均粗さＲａと前記圧電素子とインクとの接触角が所定の範囲にあり、前記圧電素子の中心線平均粗さと接触角との関係式が所定の値以上であるので、インクジェット記録ヘッドにインクが速やかに充填され、吐出不良ノズルを生じることのない信頼性の高いインクジェット記録ヘッドを得ることができる。 According to the present invention, the center line average roughness Ra of the piezoelectric element and the contact angle between the piezoelectric element and the ink are in a predetermined range, and the relational expression between the center line average roughness Ra of the piezoelectric element and the contact angle is a predetermined value. Since it is equal to or greater than the value, the ink jet recording head can be quickly filled with ink, and a highly reliable ink jet recording head can be obtained without causing defective ejection nozzles.
以下に、本発明に係るインクジェット記録システムについて詳細に説明をする。
本発明のインクジェット記録システムは、ノズルが設けられた加圧室の壁面の一部が圧電素子で形成され、この圧電素子を作動・変形させて前記加圧室の中のインクに圧力波を作用させて、前記ノズルからインク滴を吐出させるインクジェット記録ヘッドを備えたインクジェット記録システムであって、前記圧電素子の中心線平均粗さＲａが０．０５〜２μｍであり、かつインクとの接触角が４５度以下、更に上記式（１）を満足する。前記接触角は５〜４５度であるのが好ましい。
The ink jet recording system according to the present invention will be described in detail below.
In the ink jet recording system of the present invention, a part of the wall surface of the pressurizing chamber provided with the nozzle is formed of a piezoelectric element, and this piezoelectric element is actuated and deformed to apply pressure waves to the ink in the pressurizing chamber. An ink jet recording system comprising an ink jet recording head for ejecting ink droplets from the nozzles, wherein the piezoelectric element has a center line average roughness Ra of 0.05 to 2 μm and a contact angle with ink. 45 degrees or less, and further satisfies the above formula (1). The contact angle is preferably 5 to 45 degrees.
本発明によれば、インクジェット記録ヘッドに対するインクの充填性は、インクに直接接し、圧力波を発生させる圧電素子表面の中心線平均粗さと関連のあることがわかった。すなわち、前記圧電素子の中心線平均粗さＲaが０．０５μｍより小さい場合、インクが圧電素子表面の微細な深い構造の中にインクが入り込めず、圧電素子表面に空気が微細な泡となって残るため充填率が低下すると推察される。また、中心線平均粗さＲaが２μｍを超える場合、インクが所望の充填率に達するまでにかかる時間が長くなる。これは中心線平均粗さが大きいと、圧電素子表面の凹凸構造の中にインクが入り込むのに時間がかかるためと考えられる。本発明の範囲内であれば、所望の充填率に到達するまでの時間は短くなる。ここで、充填率は、前記インクジェット記録ヘッドが有する全ノズル数に対して印字のできたノズル数の割合をいう。 According to the present invention, it has been found that the ink filling property of the ink jet recording head is related to the center line average roughness of the surface of the piezoelectric element that directly contacts the ink and generates a pressure wave. That is, when the center line average roughness Ra of the piezoelectric element is smaller than 0.05 μm, the ink cannot enter the fine deep structure on the surface of the piezoelectric element, and the air becomes fine bubbles on the surface of the piezoelectric element. Therefore, it is assumed that the filling rate decreases. Further, when the center line average roughness Ra exceeds 2 μm, the time required for the ink to reach a desired filling rate becomes long. This is presumably because if the center line average roughness is large, it takes time for the ink to enter the concavo-convex structure on the surface of the piezoelectric element. Within the scope of the present invention, the time to reach the desired filling rate is shortened. Here, the filling rate refers to the ratio of the number of nozzles capable of printing to the total number of nozzles of the ink jet recording head.
また、インクの充填性は、圧電素子とインクの接触角とも関連のあることがわかった。すなわち、前記接触角が４５度を超えると、インクが所望の充填率に達するまでにかかる時間が長くなる。これに対して、接触角が４５度以下では、小さくなるに従い、充填率が高くなるのに必要な時間が短くなる。ただし接触角が非常に小さい場合はノズル表面に対する濡れ性も高くなり、充填率が下がる虞があるので、５〜４５度であるのが好ましい。 Further, it was found that the ink filling property is also related to the contact angle between the piezoelectric element and the ink. That is, when the contact angle exceeds 45 degrees, it takes a long time for the ink to reach a desired filling rate. On the other hand, when the contact angle is 45 degrees or less, the time required for the filling rate to increase becomes shorter as the contact angle becomes smaller. However, when the contact angle is very small, the wettability with respect to the nozzle surface becomes high and the filling rate may be lowered.
また、インクの充填性は、前記圧電素子の中心線平均粗さＡと前記接触角θとが上記式（１）を満たすことにより、充填率が迅速に高くなる。上記式（１）の範囲外であると、充填率を高めるのに時間を要する。これは、Ａがインクの濡れる面積に関連し、cosθがインクの濡れ仕事に関連するので、上記式（１）は圧電素子表面をインクが充填することに関する実験式といえる。
ここで、上記式（１）とインク充填率の関係を図４を用いて説明する。図４の横軸は式（１）の計算値、縦軸は充填率を示す。インクの接触角は４５度である。図４に示すように式（１）の値が小さく０付近であると、充填率は０．９を下回るが、式（１）の値が大きくなるにつれ、充填率は大きくなり、式（１）が０．０４を上回ると充填率は１で安定する。したがって、式（１）の値は０．０４より大きい必要がある。
In addition, the filling rate of the ink is rapidly increased when the center line average roughness A of the piezoelectric element and the contact angle θ satisfy the above formula (1). If it is out of the range of the above formula (1), it takes time to increase the filling rate. This is because A is related to the area where the ink gets wet and cos θ is related to the work where the ink gets wet. Therefore, the above expression (1) can be said to be an experimental expression related to the ink filling the surface of the piezoelectric element.
Here, the relationship between the formula (1) and the ink filling rate will be described with reference to FIG. The horizontal axis of FIG. 4 shows the calculated value of the formula (1), and the vertical axis shows the filling rate. The contact angle of ink is 45 degrees. As shown in FIG. 4, when the value of the formula (1) is small and close to 0, the filling rate is less than 0.9, but as the value of the formula (1) increases, the filling rate increases. ) Exceeds 0.04, the filling rate is stable at 1. Therefore, the value of equation (1) needs to be greater than 0.04.
（インク）
本発明におけるインクは、少なくとも、水、着色剤、水溶性有機溶剤、界面活性剤からなり、その他に必要に応じてｐＨ調整剤、防腐防カビ剤等を添加することができる。前記界面活性剤は、その添加量を調整することにより、所望のインクの表面張力を得ることができ、これにより前記圧電素子との接触角を所望のものに調整することができる。
(ink)
The ink in the present invention comprises at least water, a colorant, a water-soluble organic solvent, and a surfactant, and in addition, a pH adjuster, an antiseptic and fungicide can be added as necessary. By adjusting the addition amount of the surfactant, it is possible to obtain a desired surface tension of the ink, thereby adjusting a contact angle with the piezoelectric element to a desired value.
着色剤としては、直接染料、酸性染料、塩基性染料等の染料および顔料のいずれも用いることができる。本発明においては、耐水性および耐光性等の点から好ましくは顔料を用いるのがよい。
顔料の成分としては、不溶性アゾ顔料、溶性アゾ顔料、フタロシアニンブルー、イソインドリノン、キナクリドン、ジオキサジンバイオレット、ベリノン・ベタリンのような有機顔料、カーボンブラック、二酸化チタン等の無機顔料といった着色剤顔料成分や、白土、タルク、クレー、ケイソウ土、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、酸化チタン、アルミナホワイト、シリカ、カオリン、水酸化アルミニウムのような体質顔料等が挙げられる。
具体的な有機顔料としては、以下に例示する。マゼンタの顔料としては、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド２、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド３、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド５、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド６、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１５、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１６、C.I.ピグメントレッド４８：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド５３：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド５７：１、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１２２、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１２３、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１３９、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１４４、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１４９、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１６６、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１６６、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１７７、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド１７８、Ｃ．Ｉ．ピグメントレッド２２２等が挙げられる。
顔料の全液媒体に対する含有量としては、１〜１０ｗｔ（質量）％が好ましく、さらに好ましくは、３〜７ｗｔ％である。
As the colorant, any of direct dyes, acid dyes, basic dyes and other dyes and pigments can be used. In the present invention, a pigment is preferably used from the viewpoint of water resistance and light resistance.
As pigment components, colorant pigment components such as insoluble azo pigments, soluble azo pigments, phthalocyanine blue, isoindolinone, quinacridone, dioxazine violet, organic pigments such as verinone / betalin, and inorganic pigments such as carbon black and titanium dioxide And extender pigments such as white clay, talc, clay, diatomaceous earth, calcium carbonate, barium sulfate, titanium oxide, alumina white, silica, kaolin, and aluminum hydroxide.
Specific organic pigments are exemplified below. Examples of magenta pigments include C.I. I. Pigment red 2, C.I. I.
As content with respect to the whole liquid medium of a pigment, 1-10 wt (mass)% is preferable, More preferably, it is 3-7 wt%.
また顔料をインク溶媒中に分散させるために水溶性樹脂を使用し、好ましくはスチレン−アクリル−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−マレイン酸共重合体、スチレン−マレイン酸−アクリル酸アルキルエステル共重合体、スチレン−メタクリル酸共重合体、スチレン−メタクリル酸アルキルエステル共重合体、スチレン−マレイン酸ハーフエステル共重合体、ビニルナフタレン−アクリル酸共重合体、ビニルナフタレン−マレイン酸共重合体等のような水溶性樹脂である。
水溶性樹脂の全液媒体に対する含有量としては、０．１〜１０ｗｔ％が好ましく、さらに好ましくは、１〜５ｗｔ％である。これらの水溶性樹脂は、二種類以上併用することも可能である。
In addition, a water-soluble resin is used to disperse the pigment in the ink solvent, and preferably a styrene-acrylic-acrylic acid alkyl ester copolymer, a styrene-acrylic acid copolymer, a styrene-maleic acid copolymer, a styrene- Maleic acid-acrylic acid alkyl ester copolymer, styrene-methacrylic acid copolymer, styrene-alkyl methacrylate ester copolymer, styrene-maleic acid half ester copolymer, vinyl naphthalene-acrylic acid copolymer, vinyl naphthalene -A water-soluble resin such as a maleic acid copolymer.
As content with respect to the whole liquid medium of water-soluble resin, 0.1-10 wt% is preferable, More preferably, it is 1-5 wt%. Two or more of these water-soluble resins can be used in combination.
顔料の分散方法としては、ボールミル、サンドミル、ロールミル、アジテータ、超音波ホモジナイザー、湿式ジェットミル、ペイントシェーカー等を用いることができる。
本発明の顔料分散体は、分散時での異物やゴミ、粗大粒子等を除去するために遠心分離装置を使用したり、フィルターをして濾過することも好ましく行われる。
As a method for dispersing the pigment, a ball mill, a sand mill, a roll mill, an agitator, an ultrasonic homogenizer, a wet jet mill, a paint shaker, or the like can be used.
The pigment dispersion of the present invention is preferably subjected to filtration using a centrifugal separator or a filter in order to remove foreign matters, dust, coarse particles and the like during dispersion.
本発明における顔料粒子の平均粒径は、３０〜３００ｎｍが好ましく、さらに好ましくは５０〜１５０ｎｍである。前記平均粒径は、例えば動的光散乱式粒径分布測定装置（ＨＯＲＩＢＡ社製、ＬＢ−５５０）を用いて計測することができる。 The average particle size of the pigment particles in the present invention is preferably 30 to 300 nm, more preferably 50 to 150 nm. The average particle size can be measured using, for example, a dynamic light scattering type particle size distribution measuring device (LB-550, manufactured by HORIBA).
本発明においてインクに使用される界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンアルキルアリルエーテル類、アセチレングリコール類、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンブロックコポリマー類等のノニオン性界面活性剤が好ましく用いられる。 Examples of the surfactant used in the ink in the present invention include nonionic surfactants such as polyoxyethylene alkyl ethers, polyoxyethylene alkyl allyl ethers, acetylene glycols, and polyoxyethylene / polyoxypropylene block copolymers. Is preferably used.
本発明における水溶性有機溶剤は、エチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコール、へキシレングリコール、オクタンジオール、チオジグリコール、２−ブチル−２−エチル−１，３−プロパンジオール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、２−エチル−２−メチル−１，３−プロパンジオール、２，４−ペンタンジオール、１，５−ペンタンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオールトリメチロールプロパン、２−メチル−１，３−プロパンジオール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブタンジオール、エチレングリコール、グリセリン、２−ピロリドン等が挙げられる。 The water-soluble organic solvent in the present invention is ethylene glycol monobutyl ether, triethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monomethyl ether, triethylene glycol, hexylene glycol, octanediol, thiodiglycol, 2-butyl-2- Ethyl-1,3-propanediol, 3-methyl-1,5-pentanediol, 2-ethyl-2-methyl-1,3-propanediol, 2,4-pentanediol, 1,5-pentanediol, 2 , 2-dimethyl-1,3-propanediol trimethylolpropane, 2-methyl-1,3-propanediol, diethylene glycol, propylene glycol, butanediol, ethylene glycol, glycerin, 2-pyrrole Don and the like.
（インクジェット記録ヘッド）
本発明のインクジェット記録ヘッドの一例において、図１に積層圧電素子８と個別電極９とを含む圧電アクチュエータを取り付ける前の状態を示す。
図の例におけるインクジェット記録ヘッドは、１枚の基板１上に、加圧室２とそれに連通するノズル３とを含むドット形成部を複数個、配列したものである。
また図２（ａ）は、上記例のインクジェット記録ヘッドにおいて、圧電アクチュエータを取り付けた状態での、１つのドット形成部を拡大して示す断面図、図２（ｂ）は１つのドット形成部を構成する各部の重なり状態を示す透視図である。図３は図２（ａ）のノズル３付近の拡大図である。
(Inkjet recording head)
In an example of the ink jet recording head of the present invention, FIG. 1 shows a state before a piezoelectric actuator including a laminated piezoelectric element 8 and individual electrodes 9 is attached.
The ink jet recording head in the illustrated example has a plurality of dot forming portions including a pressurizing chamber 2 and a
2A is an enlarged cross-sectional view showing one dot forming portion in a state where the piezoelectric actuator is attached in the ink jet recording head of the above example, and FIG. 2B is a diagram showing one dot forming portion. It is a perspective view which shows the overlapping state of each part which comprises. FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of the
ドット形成部のノズル３は、図１に白矢印で示す主走査方向（記録媒体の搬送方向）に複数列並んでいる。図の例では４列に並んでおり、同一列内のドット形成部間のピッチは１５０ｄｐｉであって、インクジェット記録ヘッドの全体として６００ｄｐｉを実現している。
各ドット形成部は、基板１の、図２（ａ）において上面側に形成した、矩形部の幅方向の中央部に中心を有し、径が幅長さと等しく、かつ水平断面形状が半円形である端部を前記矩形部の長手方向の両端に備えた、平板形状を有する加圧室２と、上記基板１の下面側の、加圧室２の一端側の端部の半円と中心が同じで円錐台形のノズル３とを、前記端部の半円と中心が同じで同径の円柱形のノズル流路４を介して連通させると共に、上記加圧室２の他端側の端部の半円と中心が同じである円柱形の供給口５を介して、加圧室２を、基板１内に、各ドット形成部と連通させるように形成した共通流路６（図１に破線で示す）に繋ぐ構成となっている。
The
Each dot forming portion is formed on the upper surface side of the
上記各部は、図の例では、加圧室２を形成した第１基板１ａと、ノズル流路４の上部４ａと供給口５とを形成した第２基板１ｂと、ノズル流路４の下部４ｂと共通流路６とを形成した第３基板１ｃと、ノズルプレートとしての、ノズル３を形成した第４基板１ｄとを、この順に積層し、一体化することで形成してある。
またノズル３は、図３に示すように、インク滴吐出側の先端の開口３０を、基板１の下面側である第４基板１ｄの下側の表面１ｅに円形に形成してある。それと共にノズル３は、この先端側の開口３０が、加圧室２側の開口３１よりも小さくなるように、テーパー状（円錐状）に形成してある。
In the example shown in the figure, each of the above parts includes a
In addition, as shown in FIG. 3, the
第１基板１ａと第２基板１ｂには、図１に示すように、第３基板１ｃに形成した共通流路６を、基板１の上面側で、インクカートリッジ（図示しない）からの配管と接続するためのジョイント部１１を構成するための通孔１１ａを形成してある。さらに各基板１ａ〜１ｄは、例えば樹脂や金属などからなり、フォトリソグラフ法を利用したエッチングなどによって上記各部となる通孔を設けた、所定の厚みを有する板状体にて形成してある。
As shown in FIG. 1, the
基板１の上面側には、該基板１とほぼ同じ大きさであり、共通電極７をその内部に有する、平面形状かつ横振動モードの薄板状の積層圧電素子８と、図１中に一点鎖線で示すように各ドット形成部の加圧室２の中央部と重なる位置に個別に設けた、略矩形状の同じ平面形状を有する個別電極９とを、この順に積層することで圧電アクチュエータＡＣを構成してある。
On the upper surface side of the
共通電極７、個別電極９は、共に金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの導電性に優れた金属の箔や、これらの金属からなるめっき被膜、真空蒸着被膜などで形成してある。 Both the common electrode 7 and the individual electrode 9 are formed of a metal foil excellent in conductivity such as gold, silver, platinum, copper, and aluminum, a plating film made of these metals, a vacuum deposition film, or the like.
圧電素子８を形成する圧電材料としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）や、当該ＰＺＴにランタン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガンなどの酸化物の１種または２種以上を添加したもの、例えばＰＬＺＴなどの、ＰＺＴ系の圧電材料を挙げることができる。また、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、ニッケルニオブ酸鉛（ＰＮＮ）、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどを主要成分とするものを挙げることもできる。 As a piezoelectric material for forming the piezoelectric element 8, for example, lead zirconate titanate (PZT), or one or more oxides of lanthanum, barium, niobium, zinc, nickel, manganese, etc. are added to the PZT. Examples thereof include PZT-based piezoelectric materials such as PLZT. In addition, lead magnesium niobate (PMN), lead nickel niobate (PNN), lead zinc niobate, lead manganese niobate, lead antimony stannate, lead titanate, barium titanate, etc. You can also.
圧電素子８は、例えば上記の圧電材料を焼結して形成した焼結体を薄板状に研磨した所定の平面形状を有するチップを、所定の位置に接着、固定したり、いわゆるゾル−ゲル法（またはＭＯＤ法）によって、圧電材料のもとになる有機金属化合物から形成したペーストを所定の平面形状に印刷し、乾燥、仮焼成、焼成の工程を経て形成したり、あるいは反応性スパッタリング法、反応性真空蒸着法、反応性イオンプレーティング法などの気相成長法によって、圧電材料の薄膜を所定の平面形状に形成したりすることによって、形成することができる。 The piezoelectric element 8 is formed by, for example, bonding and fixing a chip having a predetermined planar shape obtained by sintering a sintered body formed by sintering the above piezoelectric material into a thin plate shape at a predetermined position, or a so-called sol-gel method. (Or by the MOD method), a paste formed from an organometallic compound that is the basis of the piezoelectric material is printed in a predetermined planar shape, and formed through drying, pre-baking, and firing steps, or a reactive sputtering method, It can be formed by forming a thin film of a piezoelectric material into a predetermined planar shape by a vapor phase growth method such as a reactive vacuum deposition method or a reactive ion plating method.
圧電素子８の中心線平均粗さは、焼成条件での粒子成長促進や、機械研磨、エッチング等を用いて表面加工をすることにより所望の中心線平均粗さを得ることができる。前記圧電素子８の中心線平均粗さは、例えば光干渉型中心線平均粗さ測定装置（Ｖｅｅｃｏ社製Ｗｙｋｏ ＮＴ１１００)を用いて測定を行い、平均中心線平均粗さＲａとして評価できる。 The center line average roughness of the piezoelectric element 8 can be obtained as desired center line average roughness by carrying out surface processing using particle growth promotion under mechanical conditions, mechanical polishing, etching, or the like. The center line average roughness of the piezoelectric element 8 is measured using, for example, a light interference type center line average roughness measuring apparatus (Wyko NT1100 manufactured by Veeco), and can be evaluated as the average center line average roughness Ra.
圧電素子８を、例えば横振動モードとして駆動するためには、圧電材料の分極方向を、前記圧電素子８の厚み方向、より詳しくは個別電極９から共通電極７に向かう方向に配向させる。そのためには、例えば高温分極法、室温分極法、交流電界重畳法、電界冷却法などの従来公知の分極法を採用することができる。また、分極後の圧電素子８をエージング処理してもよい。 In order to drive the piezoelectric element 8 in the transverse vibration mode, for example, the polarization direction of the piezoelectric material is oriented in the thickness direction of the piezoelectric element 8, more specifically in the direction from the individual electrode 9 to the common electrode 7. For this purpose, conventionally known polarization methods such as a high temperature polarization method, a room temperature polarization method, an alternating electric field superposition method, and an electric field cooling method can be employed. Moreover, you may age-treat the piezoelectric element 8 after polarization.
圧電材料の分極方向を上記の方向に配向させた圧電素子８は、共通電極７を接地した状態で、個別電極９から正の駆動電圧を印加することによって、分極方向と直交する面内で収縮する。このため、撓みが発生する際の力が加圧室２内のインクに圧力波として伝えられ、この圧力波によって、供給口５、加圧室２、ノズル流路４、およびノズル３内のインクが振動を起こす。そして振動の速度が、結果的にノズル３の外に向かうことによって、ノズル３内のインクメニスカスが、インク滴吐出側の先端の開口３０から外部へと押し出されて、インク柱が形成される。振動の速度は、やがてノズル内方向に向かうが、インク柱はそのまま外方向に運動を続けるため、インクメニスカスから切り離されて１〜２滴程度のインク滴にまとまり、それが紙面の方向に飛翔して、紙面にドットを形成する。
The piezoelectric element 8 in which the polarization direction of the piezoelectric material is oriented in the above-described direction contracts in a plane orthogonal to the polarization direction by applying a positive drive voltage from the individual electrode 9 with the common electrode 7 grounded. To do. For this reason, the force when the bending occurs is transmitted to the ink in the pressurizing chamber 2 as a pressure wave, and the ink in the
インク滴が飛翔して減少した分のインクは、ノズル３内のインクメニスカスの表面張力によって、インクカートリッジから、当該インクカートリッジの配管、ジョイント部１１、共通流路６、供給口５、加圧室２、およびノズル流路４を介してノズル３に再充填される。
The amount of ink that has decreased due to the flying ink droplets is reduced from the ink cartridge by the ink meniscus surface tension in the
基板１の下面側である第４基板１ｄの下側の表面１ｅには、前記のように、所定の平面形状を有する撥水処理されない領域Ａ１を、ノズル３のインク滴吐出側の先端の、円形の開口３０と重ねて設けてある。すなわち、この領域Ａ１を除くそれ以外の表面１ｅに撥水層１２を積層して撥水処理すると共に、領域Ａ１内は撥水層１２を形成せずに、第４基板１ｄの表面を露出させて、撥水処理されていない状態としてある。
On the
撥水層１２の厚みは、特に限定されないが、０．５〜２μｍであるのが好ましい。撥水層１２の厚みがこの範囲未満では、撥水性が低下して、インクの付着によるインク滴の吐出不良を生じるおそれがある。また、膜厚が２μｍを超える撥水層１２は膜形成が容易でない上、形成できたとしても、それ以上の効果が得られないおそれがある。
Although the thickness of the
本発明のインクジェット記録ヘッドは、ドット形成の直前に加圧室２の容量を拡大させる方向に圧電素子８を変形させることで、ノズル内のインクメニスカスを引き込み、その後、加圧室２の容量を縮小させる方向に圧電素子８を変形させることで、インク滴をインクメニスカスから分離させて吐出させる引き打ち式、およびドット形成時に、加圧室２の容量を縮小させる方向に圧電素子８を変形させることで、ノズル３内のインクメニスカスを押し出し、次いで、加圧室２の容量を拡大させる方向に圧電素子を変形させることで、インクメニスカスを引き込んで、インク滴をインクメニスカスから分離させて吐出させる押し打ち式のいずれの駆動方法によって駆動しても良い。
The ink jet recording head of the present invention draws the ink meniscus in the nozzle by deforming the piezoelectric element 8 in the direction of expanding the capacity of the pressurizing chamber 2 immediately before the dot formation, and then reduces the capacity of the pressurizing chamber 2. By deforming the piezoelectric element 8 in the direction of reduction, the piezoelectric element 8 is deformed in the direction of reducing the capacity of the pressurizing chamber 2 when the ink droplet is separated from the ink meniscus and ejected, and at the time of dot formation. Thus, the ink meniscus in the
本発明の記録装置は、高速プリントを達成するため、前記記録ヘッドがノズル数を５００個以上、好ましくは１０００〜３０００個有し、またその駆動周波数が１５ｋＨｚ以上であり、かつ前記記録ヘッドが記録媒体の搬送方向に対して垂直でかつ水平方向に２個以上、好ましくは２〜８個、より好ましくは２〜４個繋げてなるのがよい。また記録媒体の幅以上に複数個繋げることによって、ラインヘッドとしても使用することができる。
インクジェット記録ヘッドへのインクの初期充填においては、図１に示すように、インクは、インクカートリッジ（図示しない）からの配管とこの配管を接続するためのジョイント部１１との間に、ポンプ（図示しない）を配置しジョイント部１１を介して、前記記録ヘッドに供給が行われる。ポンプは、チューブポンプやギヤポンプ、電磁ポンプなど目的に合わせて使用することができる。
In the recording apparatus of the present invention, in order to achieve high-speed printing, the recording head has 500 or more nozzles, preferably 1000 to 3000 nozzles, the driving frequency is 15 kHz or more, and the recording head performs recording. Two or more, preferably 2-8, more preferably 2-4, may be connected in the horizontal direction perpendicular to the medium transport direction. Moreover, it can be used as a line head by connecting a plurality more than the width of the recording medium.
In the initial filling of the ink into the ink jet recording head, as shown in FIG. 1, the ink is pumped (not shown) between a pipe from an ink cartridge (not shown) and a
カラープリントをする場合には、インクは記録ヘッドと組み合わせて、多色セットを形成し、通常はイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色を含むインクセットを形成し、これらをセットとして、本発明のインク及び記録ヘッドを組み合わせた記録装置とすることが好ましい。 In the case of color printing, the ink is combined with the recording head to form a multicolor set, and usually an ink set including four colors of yellow, magenta, cyan, and black is formed. It is preferable that the recording apparatus is a combination of the ink and the recording head.
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明のインクジェット記録システムおよび記録装置をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the ink jet recording system and the recording apparatus of the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited only to the following examples.
（インクの作製）
本発明にかかるインクは、インクＮｏ．１〜１０について表１に示す処方にて作製した。作製方法は次の通りである。表１に示す各材料を総量が５００ｇに成るようにビーカーに入れ、スターラーにて８００ｒｐｍで３０分攪拌後、１０μｍメンブランフィルターで濾過した。なお、界面活性剤はオルフィンＥ１０１０ [アセチレンジオールのＥＯ（エチレンオキシド）付加物、日信化学工業社製]を使用した。
The ink according to the present invention is ink no. It produced with the prescription shown in Table 1 about 1-10. The manufacturing method is as follows. Each material shown in Table 1 was put into a beaker so that the total amount was 500 g, stirred with a stirrer at 800 rpm for 30 minutes, and then filtered with a 10 μm membrane filter. As the surfactant, Olfine E1010 [EO (ethylene oxide) adduct of acetylenic diol, manufactured by Nissin Chemical Industry Co., Ltd.] was used.
（インクジェット記録ヘッドの作製）
図１および図２（ａ）、（ｂ）に示す構造を有し、その各寸法は、加圧室２の面積が０．２ｍｍ2、幅が２２００μｍ、深さが１００μｍ、ノズル流路４の直径が２００μｍ、長さが８００μｍ、供給口５の直径が３０μｍ、長さが４０μｍ、ノズル３の長さが３０μｍ、インク吐出側の開口３０および加圧室２側の開口３１の形状がそれぞれ半径１０μｍおよび２０μｍの円形であると共に、この各部位から構成されるドット形成部が１列あたり１６６個、全体（４列）で６６４個のドット形成部が基板１上に配列されたインクジェット記録ヘッドを用いた。
同一列内のドット形成部間のピッチは１５０ｄｐｉとし、また隣り合う各列を１／２ピッチずつずらすことで、全体として６００ｄｐｉとした。
用いた圧電素子の中心線平均粗さおよび圧電素子を形成する圧電材料の平滑化された表面に対する前記インクの接触角は、表２に示す通りであった。
(Preparation of inkjet recording head)
1 and 2 (a) and 2 (b). The dimensions are as follows: the area of the pressurizing chamber 2 is 0.2 mm 2 , the width is 2200 μm, the depth is 100 μm, and the
The pitch between the dot forming portions in the same row was 150 dpi, and the adjacent rows were shifted by ½ pitch to make 600 dpi as a whole.
The contact angle of the in-click for smoothed surface of the piezoelectric material forming the center line average roughness and the piezoelectric element of the piezoelectric element used was as shown in Table 2.
(評価方法)
前記で得られたインクおよびインジェット記録ヘッド、そしてこれらを搭載した記録装置を用いて、インク液滴を連続的に吐出させ、吐出状態を調べた。評価は、以下のようにして行った。すなわち、表１に示すインクＮｏ．１〜１０のいずれかを表２に示す中心線平均粗さＲａのいずれかの圧電素子が組み込まれたインクジェット記録ヘッドに、インクタンクからギヤポンプを使用し圧力２００ｋＰａで加圧充填し、駆動電圧２０Ｖ、駆動周波数１５ｋＨｚで吐出させて充填率を評価した。
Using the ink and the inkjet recording head obtained above, and a recording apparatus equipped with these, ink droplets were continuously ejected, and the ejection state was examined. Evaluation was performed as follows. That is, the ink Nos. Any one of 1 to 10 is pressure-filled at a pressure of 200 kPa using a gear pump from an ink tank into an ink jet recording head in which any one of the piezoelectric elements having the center line average roughness Ra shown in Table 2 is used, and a driving voltage of 20 V The filling rate was evaluated by discharging at a driving frequency of 15 kHz.
なお、本実施例における圧電素子の中心線平均粗さおよび接触角は下記の方法により測定した。
（接触角測定）
インクの接触角は、協和界面科学株式会社製接触角測定装置を用いて測定した。
（中心線平均粗さ測定）
圧電素子表面の中心線平均粗さＲａは、光干渉型表面粗さ測定装置（Ｖｅｅｃｏ社製Ｗｙｋｏ ＮＴ１１００）を用いてＶＳＩモードで測定した。
The center line average roughness and contact angle of the piezoelectric element in this example were measured by the following methods.
(Contact angle measurement)
The contact angle of the ink was measured using a contact angle measuring device manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.
(Center line average roughness measurement)
The center line average roughness Ra of the surface of the piezoelectric element was measured in the VSI mode using an optical interference type surface roughness measuring device (Wyko NT1100 manufactured by Veeco).
（評価結果）
表２に示すように、中心線平均粗さおよび接触角が本発明の範囲内にあって、上記式（１）が本発明の範囲外である場合、充填率は低い（比較例１、５、６）。また、接触角および上記式（１）が本発明の範囲外である場合も、充填率は低い（比較例２〜４）。また、接触角および上記式（１）が本発明の範囲内にあっても、中心線平均粗さが本発明の範囲外である場合（比較例７）、また中心線平均粗さおよび上記式（１）が本発明の範囲内にあっても、接触角が本発明の範囲外である場合（比較例８）、いずれの場合も充填率は低い。
これに対して、中心線平均粗さ、接触角および上記式（１）が本発明の範囲内にある場合、充填率は１．０（１００％）を示した。
(Evaluation results)
As shown in Table 2, when the center line average roughness and the contact angle are within the scope of the present invention and the above formula (1) is outside the scope of the present invention, the filling rate is low (Comparative Examples 1 and 5). 6). Moreover, also when a contact angle and said Formula (1) are outside the range of this invention, a filling rate is low (Comparative Examples 2-4). Further, even when the contact angle and the above formula (1) are within the range of the present invention, when the center line average roughness is outside the range of the present invention (Comparative Example 7), the center line average roughness and the above formula Even if (1) is within the range of the present invention, when the contact angle is outside the range of the present invention (Comparative Example 8), the filling rate is low in any case.
On the other hand, when the center line average roughness, the contact angle, and the above formula (1) are within the range of the present invention, the filling rate is 1.0 (100%).
１ 基板
２ 加圧室
３ ノズル
４ インク流路
５ 供給口
６ 共通流路
７ 共通電極
８ 圧電素子
９ 個別電極
１１ ジョイント部
１２ 撥水層
３０ 開口
Ａ１ 領域
ＡＣ 圧電アクチュエータ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記圧電素子の中心線平均粗さＲａが０．０５〜２μｍであり、かつ前記圧電素子を形成する圧電材料の平滑化された表面に前記インクを直接接触させた状態においての接触角θが４５度以下である場合において、
圧電素子の有するインク充填性を下記式（１）で評価することを特徴とする圧電素子の評価方法。
（式中、Ａは前記Ｒａ（μｍ）、θは前記接触角θを表す。） A part of the wall surface of the pressurizing chamber provided with the nozzle is formed of a piezoelectric element, and the piezoelectric element is operated and deformed to cause a pressure wave to act on the ink in the pressurizing chamber. An evaluation method of a piezoelectric element in an inkjet recording system including an inkjet recording head for discharging
The center line average roughness Ra of the piezoelectric element is 0.05 to 2 [mu] m, and the contact angle in a state in contact the ink in the smoothed surface of the piezoelectric material directly to form the piezoelectric element θ is 45 In the case of less than
A method for evaluating a piezoelectric element, wherein the ink filling property of the piezoelectric element is evaluated by the following formula (1).
(In the formula, A wherein Ra (μm), θ represents the contact angle theta.)
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