JP6171548B2 - インクジェット記録装置、およびインクジェット記録方法 - Google Patents
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Description
キャップ部材により、インクジェット記録装置を使用しないとき(非稼動時)にノズル面を気密状態に覆うことで、ノズルに露出するインクやノズル周囲に付着したインクの蒸発を防ぎ、インクの増粘や固化を防止することができる。また、ワイピング部材によりノズル面に付着したインクをぬぐい去ることで、残ったインクの増粘や固化によるノズルの詰まりを防止することができる。
具体的に説明すると、近年のインクジェット記録においては、高精細な記録を行うため、吐出されるインク滴の量は数ピコリットルと極微量になり、インクを吐出するノズルの径は小さく、またインク滴の吐出に要するエネルギーも小さくなっている。ノズル径が小さく、吐出エネルギーも小さいため、インクジェットヘッドにおいてわずかにインクが増粘した場合であっても、インクを吐出することができず、ノズルで詰まりを起こす場合がある。特に、大判に対応するLFPなど、インクジェットヘッドが走査される長さ(走査距離や走査時間)が長くなるほど、上述したフラッシングまでの最短の時間(間隔)が大きくなるため、インクを吐出しない非吐出ノズルでのこの傾向(記録動作中にインクが増粘してしまう傾向)が顕著となる。その結果、記録動作中にノズルの詰まりが発生してしまうという問題があった。
このように、従来の上述したメンテナンスユニット、フラッシング、印加駆動電圧による詰まりの防止方法では、より高精細でより大判の記録を行うインクジェット記録において、良好な記録ができなくなってしまうという問題があった。
また、本適用例によれば、吐出口から吐出されるインク組成物の吐出速度が5m/秒以上と比較的高速であるため、吐出口付近におけるインク組成物の増粘あるいは固化によるインク詰まりが抑制される。具体的には、吐出口付近から連通路のインク組成物の増粘あるいは固化がある程度進んでいた場合であっても、高速吐出させるために圧力発生室が発生する圧力が比較的大きいため、増粘あるいは固化したインク組成物が、吐出口から吐出されやすい。つまり、インク詰まりの状態から回復しやすい。また、インク組成物の吐出速度が15m/秒以下であるため、増粘あるいは固化したインク組成物が吐出口から吐出された後に、正常な粘度のインク組成物が吐出される場合においては、インク組成物による液滴が小さな液滴に粉砕されることなく、つまり例えば霧状に吐出されることなく、所望の状態で吐出させることができる。
また、本適用例のように、連通路の長さを600μm以下とすることにより、必要以上にインクジェットヘッドを大型化することなく構成することができる。また、圧力発生室から吐出口までの距離が600μm以下であるため、上述した効果を得る中で、吐出抵抗や吐出タイムラグの増加などによる吐出効率の低下を抑えることができる。
また、例えば、インクジェットヘッドを、シリコン基板を積層して構成するような場合であっても、連通路を形成するための積層構造を40μm以上600μm以下のシリコン基板で形成することができるため、基板材料の形成や積層構造の形成などを、より簡便かつ容易に行うことができる。
圧電素子が10V以上と比較的高電圧で駆動されるため、吐出口付近におけるインク組成物の増粘あるいは固化によるインク詰まりが抑制される。具体的には、吐出口付近から連通路のインク組成物の増粘あるいは固化が進んでいた場合であっても、比較的高電圧で駆動される圧電素子により、圧力発生室で発生する圧力が比較的大きくなるため、増粘あるいは固化したインク組成物が、吐出口から吐出されやすい。つまり、インク詰まりの状態から回復しやすい。また、圧電素子が30V以下の電位差で駆動されるため、圧力発生室で発生する圧力が必要以上に大きくならない。その結果、増粘あるいは固化したインク組成物が吐出口から吐出された後に、正常な粘度のインク組成物が吐出される場合においては、インク組成物による液滴が小さな液滴に粉砕されることなく、つまり例えば霧状(ミスト状)に吐出されることなく、所望の状態で吐出させることができる。
まず、実施形態1に係るインクジェット記録装置について説明する。
図1(a),(b)は、インクジェット記録装置の一実施形態に係るインクジェット記録装置100の外観を示す斜視図である。なお、このインクジェット記録装置100は、記録媒体として、例えばJIS規格のA1判といった大判の単票、同単票と同じ用紙幅を有するロール紙などにインク組成物(以下、単にインクとも言う)を吐出することより記録をする。記録媒体としては、紙の他に、樹脂フィルム等を用いることもできる。
1−1.筐体
図1(a)に示すように、インクジェット記録装置100は、互いに積層された上部筐体112および下部筐体114と、下部筐体114の下に吊り下げられた小型筐体116とを含む筐体110を有する。筐体110は、下方から脚部120により持ち上げられて支持される。これにより、筐体110の下方に、記録済みの記録媒体(記録用紙150)を排出するスペースが形成される。
下部筐体114には、インクを収容したインクカートリッジ240を装填するカートリッジホルダー140が設けられる。
なお、ここでは、下部筐体114に対し上部筐体112が積層される方向を上方向、図1(a)において、記録用紙150が送り出される方向を前方向として説明している。
図2(a)は、インクジェット記録装置100の内部機構200を模式的に示す斜視図、図2(b)は、インクジェット記録装置100における制御系の簡略的なブロック図である。
内部機構200は、インクジェットヘッド230、インクジェットヘッド230を移動させる走査機構210、記録媒体を移動させる搬送機構211、およびこれらを制御する制御装置212などを備えている。
インクジェットヘッド230の詳細については後述する。
ガイドレール270は、図2(a)に示すように、上部筐体112の内部に長手方向に水平に延在するように設けられている。
キャリッジ231は、インクジェットヘッド230を搭載し、ガイドレール270に支持されつつ、ガイドレール270に沿って、往復移動方向Mに、水平に往復移動(走査)するように配置されている。
記録吐出領域の長さは60cmであり、JIS規格のA1判までの記録に対応することができる。
なお、記録吐出領域の長さはこれに限定するものではなく、例えば、記録吐出領域の長さを110cmとした場合には、JIS規格のB0判までの記録に対応することができる。ただし、走査機構210によるインクジェットヘッド230の走査速度や、吐出されるインクの液滴の量、吐出速度などを、記録密度やノズルの詰まり発生の状況を踏まえ適宜設定することが好ましい。
搬送駆動ローラー213および吸引プラテン250は、ガイドレール270の下方に、図示する記録用紙150の搬送方向Sに沿って、この順に配置されている。なお、搬送駆動ローラー213は、上部筐体112の内部に収容されている。これに対し、吸引プラテン250は、下部筐体114に収容されている。
搬送モーターによって回転駆動される搬送駆動ローラー213は、搬送従動ローラーにより記録用紙150を押し付けられつつ回転することにより、記録用紙150を後方のロール152から引き出して、前方の吸引プラテン250上に送り出す。
また、キャップ280は、インクジェット記録装置100が休止している期間に、インクジェットヘッド230の下面を気密に封止して、インクジェットヘッド230においてインクが増粘または固化することを防止する。
なお、フラッシングは、所定のノズルに限定せず、すべてのノズルに対して行っても良い。また、フラッシングは、インク詰まりを抑制するために強制的にインクを吐出させるものであるため、その吐出量(非記録吐出領域における吐出量)は記録のための吐出量より多いことが好ましい。ただし、すべてのノズルに対して一様に、また頻繁に行うことは、インクの消費を著しく早めることになるため、本実施形態のように所定のノズルに対してだけ、また、少なくとも1.5秒以上の間隔をおいて行うことが好ましい。
図3(a)はインクジェットヘッド230の部分平面図、図3(b)は(a)のA−A断面図である。
インクジェットヘッド230は、圧電アクチュエーター201、流路形成基板10、連通路形成板99、ノズルプレート20、保護基板30などを有している。圧電アクチュエーター201は、圧電素子300、振動板53などから構成される。
流路形成基板10は、インクが流通する流路を形成する。流路形成基板10は、面方位(110)のシリコン単結晶基板からなる。
流路形成基板10は、インクジェットヘッド230が組み立てられることによって、圧力発生室12、連通室13およびインク供給路14となる空間を備える。圧力発生室12、連通室13、インク供給路14となる空間は、例えば、流路形成基板10を公知のエッチング手段でエッチングして貫通させることにより得られる。
連通路形成板99は、その一方の面(上面)が圧力発生室12の底面を成すように、流路形成基板10の一方の面(下面)に接着剤や熱溶着フィルムなどによって固着されている。連通路形成板99は、圧力発生室12の底面から、ノズルプレート20に設けられているノズル21に貫通する連通孔98が形成されている。連通路形成板99には、最適例として、シリコン単結晶基板を用いているがこれに限定するものではなく、例えば、ガラスセラミックスやステンレス鋼などであっても良い。
ノズルプレート20は、連通路形成板99の他方の面(下面)に、接着剤や熱溶着フィルムなどによって固着されている。
ノズルプレート20には、ノズル21が穿設されている。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またはステンレス鋼などからなる。これらの中でも、ノズルをより高密度に設けることができるという点から、ノズルプレートがシリコン単結晶基板からなることが好ましい。
流路形成基板としての連通路形成板99および流路形成基板としてのノズルプレート20によって形成される圧力発生室12の底面から吐出口22までのインク流路は、連通路97として構成される。従って、連通路97の長さは、連通路97が連通路形成板99およびノズルプレート20の面に対して垂直(法線方向)に形成された場合、連通路形成板99の厚さとノズルプレート20の厚さの和で与えられる。なお、連通路97は、連通孔98とノズル21それぞれの内壁面が連続するように形成されていることが好ましい。
連通路97の長さLは、40μm以上600μm以下であることが好ましく、より好ましくは100μm以上500μm以下であり、さらに好ましくは200μm以上400μm以下である。このような連通路97を設けることによって、ヘッドの小型化を維持しつつ、ノズル付近のインクの目詰まりを抑えることが可能となる。
圧電アクチュエーター201は、流路形成基板10の他方の面(つまり、連通路形成板99が固着された面とは反対側の上面)に設けられている。圧電アクチュエーター201は、振動板53と駆動手段である圧電素子300とを備えている。
振動板53は、弾性膜50(例えば、厚み約1.0μmであり、窒化シリコン等からなる)と、弾性膜50上に形成された絶縁体膜55(例えば、厚み約0.35μmであり、酸化ジルコニウムからなる)と、を備えている。
圧電素子300は、振動板53を介して圧力発生室12と対向する領域に形成されている。具体的には、圧電体能動部(上電極80および下電極60への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分)が、圧力発生室12毎に設けられていればよい。
下電極60には、白金、イリジウム、およびこれらの合金等の材料を用いることができる。上電極80には、アルミニウム、金、ニッケル、白金、イリジウム等の金属およびこれらの合金や、導電性酸化物等の材料を用いることができる。圧電体層70には、特に限定されないが、例えば、ペロブスカイト型強誘電体を圧電材料として用いることができ、チタン酸ジルコン酸鉛PZTを代表とする鉛系の圧電材料や、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム、ビスマスフェライト等の鉛フリー系の圧電材料が挙げられる。圧電体層70には、好適例として、チタン酸ジルコン酸鉛PZTを用いている。なお、圧電体層70はたわみモードの変形を用いてインク組成物を吐出させるものであると好ましい。
また、圧電アクチュエーター201は、リード電極90を備えている。各圧電素子300の上電極80には、例えば、金(Au)等からなるリード電極90がそれぞれ接続され、このリード電極90を介して各圧電素子300に選択的に電圧が印加されるようになっている。
保護基板30は、圧電素子300を保護するための圧電素子保持部31を有しており、圧電素子300に対向する領域に接着剤等により接合されている。
圧電素子保持部31は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を確保できればよく、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。
保護基板30には、連通室13に対向する領域にリザーバー部32が設けられており、このリザーバー部32は、流路形成基板10の連通室13と連通している。
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、シリコン単結晶基板等を用いるのが好ましい。
上記のような構造を有するインクジェット記録装置100は、以下の通りの記録動作を基本動作として実行する。まず、走査機構210が吸引プラテン250上に記録用紙150を搬送して、吸引プラテン250は搬送された記録用紙150を平坦に保持する。
インクジェットヘッド230は、吸引プラテン250に保持された記録用紙150の上方でM方向に往復移動(走査駆動)しつつ、インクジェットヘッド230からインクを吐出して、記録用紙150に付着させる。
インクジェットヘッド230では、インク供給手段からインクを取り込み、リザーバー部32からノズル21に至るまでをインクで満たした後、駆動IC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下電極60と上電極80との間に電圧が印加される。電圧の印加によって、弾性膜50および圧電体層70がたわみ変形(たわみ振動)し、各圧力発生室12内の圧力が高まりノズル21からインク滴が吐出する。このようにして、記録媒体上にインク滴が付着して、画像の記録された記録物が得られる。
なお、圧電素子300を駆動する駆動電位差は、好ましくは、10V以上40V以下であり、さらに好ましくは、15V以上30V以下である。
次に、インク組成物、およびインク組成物に含まれるか、または含まれ得る添加剤(成分)について説明する。インク組成物は、自己分散顔料、溶媒(水、有機溶剤など)、必要に応じて界面活性剤などから構成される。
インク組成物は、色材として顔料(無機顔料/有機顔料)を含む。顔料は、より好ましくは無機顔料である。本実施形態における顔料は、分散を良好とするために官能基を付与する表面処理を行った自己分散顔料である。官能基としては特に限定されないが、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基が挙げられる。官能基として、カルボキシル基、リン酸基を表面に有している。表面に付与された官能基の静電反発力により、分散がより良好な状態となる。
顔料の含有量は、2質量%以上8質量%以下であることが好ましい。
インク組成物を構成する溶媒は、水、有機溶剤などを含む。
水の含有率は、特に限定されないが、10質量%以上80質量%以下であるのが好ましく、25質量%以上70質量%以下であるのがより好ましい。
有機溶剤としては、ハンセン法に基づくSP値が14(cal/cm3)1/2以上16(cal/cm3)1/2以下の有機溶剤であれば特に限定されないが、多価アルコールまたはラクタムであると好ましい。
インク組成物は、界面活性剤を含有することが好ましい。界面活性剤の種類としては、特に限定されないが、アセチレングリコール系界面活性剤またはポリシロキサン系界面活性剤であることが好ましい。アセチレングリコール系界面活性剤またはポリシロキサン系界面活性剤は、記録媒体などの被記録面への濡れ性を高めてインクの浸透性を高めることができる。
インク組成物は、上記以外の成分(その他の成分)を含むものであってもよい。このような成分としては、例えば、pH調整剤、浸透剤、有機バインダー、尿素系化合物、糖類、乾燥抑制剤、樹脂分散剤、樹脂エマルジョン、ワックス等が挙げられる。
以下、実施例および比較例によって本発明に係るインクジェット記録装置、およびインクジェット記録方法を具体的に説明する。ただし、これらは本発明の範囲を限定するものではない。
実施例、比較例では、インクジェット記録装置100として、インクジェットプリンターPX−H6000(セイコーエプソン社(Seiko Epson Corporation)製)を用いた。
実施例および比較例で使用したインク組成物の成分を表1に示す。なお、顔料、有機溶剤(多価アルコール)の種類や含有量により、表2,表3に示すように実施例1〜20、および比較例1〜9の複数の水準を準備した。
主な材料は、以下の通りである。
・自己分散顔料:官能基としてカルボキシル基により表面処理を実施した。
・樹脂分散顔料:スチレン−アクリル樹脂Aを用いた。
(重量平均分子量78000、樹脂酸価100)
・有機溶剤:SP値が14〜16(cal/cm3)1/2の有機溶剤として、
2−ピロリジノンあるいはプロピレングリコールを用いた。
これらを用いない比較例では、トリエチレングリコールを用いた。
インクの吐出速度、および圧電素子に印加する駆動電圧の電位差を表2に示す複数の水準で行い、評価した。
各実施例および比較例のインク組成物を、インクジェットプリンターPX−H6000のヘッド内に充填した。充填後、ノズルチェックパターンを印刷して充填不良・ノズル詰まりのないことを確認してから、罫線を記録した。その後、表2に記載の非吐出時間の間、吐出動作を止め、再度罫線の記録を行った。
非吐出時間の前後でのインクの着弾位置を比較して記録品質の評価を行い、表2の結果が得られた。なお、評価基準を以下とした。
A:インク着弾位置ズレが10μm以内
B:インク着弾位置ズレが10μm超過、40μm以下
C:インク着弾位置ズレが40μm超過、150μm以下
D:インク着弾位置ズレが150μm超過
なお、表2の評価結果の中でA*としている水準は、上記の評価基準とは別に、ミスト発生が多い傾向が確認された。
表3に示すように、400μmの連通路97を備えたインクジェットヘッド230(ヘッド1)を用いた実施例19,20、および連通路97を備えない従来のインクジェットヘッド(ヘッド2)を用いた比較例8,9の水準について評価した。なお、いずれのインクジェットヘッドも、縦のノズル解像度が、それぞれ、300dpiのものを用いている。
各実施例および比較例のインク組成物を、それぞれのヘッド内に充填した後、ノズルチェックパターンを印刷して充填不良・ノズル詰まりのないことを確認してから、罫線を記録した。その後、表3に記載の非吐出時間の間、吐出動作を止め、再度罫線の記録を行った。非吐出時間の前後でのインクの着弾位置を比較して記録品質の評価を行い、表3の結果が得られた。なお、評価基準は上記と同様である。
インクジェット記録装置100は、圧力発生室12と吐出口22とを連通させる連通路97とを有している。従って、吐出口22付近においてインク組成物が増粘あるいは固化が進行した場合であっても、連通路97を介し離れて位置する圧力発生室12までの増粘あるいは固化が抑制される。その結果、圧力発生室12が発生する圧力に対して大きな影響を与えることが無くなる、あるいは軽減される。
また、吐出口22から吐出されるインク組成物の吐出速度が5m/秒以上と比較的高速であるため、吐出口22付近におけるインク組成物の増粘あるいは固化によるインク詰まりが抑制される。具体的には、吐出口22付近から連通路97のインク組成物の増粘あるいは固化がある程度進んでいた場合であっても、高速吐出させるために圧力発生室12が発生する圧力が比較的大きいため、増粘あるいは固化したインク組成物が、吐出口22から吐出されやすい。つまり、インク詰まりの状態から回復しやすい。また、インク組成物の吐出速度が15m/秒以下であるため、増粘あるいは固化したインク組成物が吐出口22から吐出された後に、正常な粘度のインク組成物が吐出される場合においては、インク組成物による液滴が小さな液滴に粉砕されることなく、つまり例えば霧状に吐出されることなく、所望の状態で吐出させることができる。
また、連通路97の長さを600μm以下とすることにより、必要以上にインクジェットヘッド230を大型化することなく構成することができる。また、圧力発生室12から吐出口22までの距離が600μm以下であるため、上述した効果を得る中で、吐出抵抗や吐出タイムラグの増加などによる吐出効率の低下を抑えることができる。
また、例えば、インクジェットヘッド230を、シリコン基板を積層して構成するような場合であっても、連通路97を形成するための積層構造を40μm以上600μm以下のシリコン基板で形成することができるため、基板材料の形成や積層構造の形成などを、より簡便、容易に行うことができる。
実施形態2に係るインクジェット記録方法は、インクジェット記録装置100を用いて記録することを特徴とする。
Claims (11)
- 記録媒体にインク組成物を吐出することによって記録を行うインクジェット記録装置であって、
前記インク組成物が収容され前記インク組成物に吐出圧力を加える圧力発生室と、前記インク組成物が吐出される吐出口と、前記圧力発生室と前記吐出口とを連通させる連通路とを有するインクジェットヘッドを備え、
前記吐出口から吐出される前記インク組成物の吐出速度が6m/秒以上15m/秒以下であり、
前記連通路の長さが、40μm以上600μm以下であり、
前記インク組成物が、自己分散顔料と、2−ピロリジノンおよびプロピレングリコールから選択される1種以上の有機溶剤と、を含み、
前記有機溶剤の含有量が、インク全体に対して3質量%以上10質量%以下である、インクジェット記録装置。 - 前記記録ヘッドの単位長さあたりの吐出口解像度が200dpi以上であることを特徴とする請求項1に記載のインクジェット記録装置。
- 前記顔料が、カルボキシル基を表面に有する自己分散顔料であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のインクジェット記録装置。
- 前記連通路の長さが、400μm以上600μm以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置。
- 前記インクジェットヘッドを移動させる走査機構と、
前記記録媒体を移動させる搬送機構と、を備え、
前記走査機構は、前記インクジェットヘッドを走査するように移動させて前記インク組成物が吐出される記録吐出領域を形成し、また、前記インクジェットヘッドを前記記録吐出領域の外側の領域に移動させて前記インク組成物が吐出される非記録吐出領域を形成し、
前記搬送機構は、前記記録媒体を前記記録吐出領域に搬送し、前記記録吐出領域の延在方向と交差する方向に前記記録媒体を移動させ、
前記搬送機構による前記記録媒体の移動方向における記録画像の記録解像度が200dpi以上であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置。 - 前記記録吐出領域の長さが60cm以上であることを特徴とする請求項5に記載のインクジェット記録装置。
- 前記インクジェットヘッドが、前記圧力発生室の容積を変動させる圧電素子を備え、
前記圧電素子が駆動される駆動電位差が、10V以上30V以下であることを特徴とする請求項5または請求項6に記載のインクジェット記録装置。 - 前記顔料が前記インク組成物に含有される量が2質量%以上8質量%以下であることを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置。
- 前記インクジェットヘッドが、前記吐出口から前記非記録吐出領域に対して前記インク組成物の吐出が行われ、当該吐出口から再度前記非記録吐出領域に対して前記インク組成物の吐出が行われる時間間隔が1.5秒以上6.0秒以下であることを特徴とする請求項5ないし請求項8のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置。
- 前記圧電素子が、前記インク組成物が吐出されない非吐出時間において、前記インク組成物が吐出されない程度の駆動電位差の電圧で駆動されることを特徴とする請求項5ないし請求項9のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置。
- 請求項1ないし請求項10のいずれか一項に記載のインクジェット記録装置を用いて記録することを特徴とするインクジェット記録方法。
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