JPH10226058A - 印字装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】点火源とはならず、小型化が可能な処理装置を
印字直前に備えた印字装置を与える。 【解決手段】表面処理装置として従来のワイヤ電極を使
用したコロナ放電に代わり、固体放電電極を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は印字装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インクジェットプリンタはインクを粒子
化し、それを被印字物上に飛来させ、文字等を形成する
ものである。飛来させる手段は粒子化したインクを静電
力で変更させる方法や、インクに圧力変動（微小領域で
の溶媒の沸騰現象やピエゾ素子による体積変化による変
動）を与えノズルからインクを吐出させる方法などがあ
る。前者を荷電制御型。後者をオンデマンド型と称す。

【０００３】荷電制御型インクジェットプリンタは、圧
力をかけたインクを震動を印加したノズルから吐出しな
がら電荷を付与することで荷電したインク粒子を作成
し、そのインク粒子を静電気的な偏向系で方向を制御す
ることで文字情報を記録する。その原理を図２に示す。

【０００４】インクボトル８中のインクは供給ポンプ７
により吸引加圧される。その圧力は調圧弁１により制御
される。圧力の一例として０.２８ＭＰａ に調圧され
る。圧力を制御されたインクはノズル３に供給される。
ノズル３には電歪素子２が設けられており、電歪素子２
に電気信号を与えることで、インクに振動を付与するこ
とができる。電気信号の一例として周波数６８.２ｋＨ
ｚ ２００Ｖが印加される。ノズル先端には吐出口１８
が設けられている。吐出口１８の直径は一例として６５
μｍである。振動を付与されたインクは吐出口１８から
吐出され、帯電電極４の中でインク粒子１０を形成す
る。このときに帯電電極４に電圧を印加することで形成
されるインク粒子１０に電荷を付与することができる。
電圧の一例として２００Ｖが印加される。ノズル３から
吐出されたインク粒子１０は偏向電極９の間を通過す
る。偏向電極９には電圧が印加される。一例として５.
４ｋＶ の電圧が印加される。偏向電極９の間を通過す
るインク粒子１０は静電力により偏向され被印字物５へ
飛来し、文字を形成する。文字に関与しないインクは先
ずガター１１に収納され、更に回収ポンプ６により回収
されインク容器８へ戻る。

【０００５】インクジェットプリンタの特徴はインクを
飛来させて印字することである。それゆえノズルを被印
字物から離して印字することができ、被印字物が凹凸
面，曲面でも印字可能である。また、帯電量を電気的に
変更することができるため、文字情報を容易に変更でき
るという特徴がある。これらの特徴を生かし、鉄鋼，
紙，アルミ，プラスチック，ガラスなどに印字される場
合が多い。インクの材料としてこれらに対して付着力を
持つ樹脂を使用するため、従来溶剤は、メチルエチルケ
トンやメタノール，エタノールが主に用いられてきた。
また、強い付着力が不要な印字物や食品への印字では水
を溶剤として用いる場合もある。特に作業環境への影響
を低減するため、主溶剤はメチルエチルケトンからエタ
ノール，水へと移行する傾向にある。また、インクに色
を与える色素は、これらの溶剤に溶解する染料および媒
体には溶解せず媒体に分散する性質を有する顔料が用い
られる。従来、媒体に溶解しかつ耐光性が優れるという
点からクロム等の金属を有する染料が主に用いられてき
た。しかし、対環境問題よりクロム等の使用が困難にな
り、代わって色素として耐光性に優れる顔料が使用され
る傾向にある。

【０００６】これらの溶媒はいずれも大気圧で多少なり
とも蒸気圧を有するため、図２に示す様にインク粒子１
０としてノズル３から吐出され、ガター１１を経由して
インク容器８に回収される間に大気と接触するときに、
その一部は蒸気として大気中に揮散される。その結果回
収されたインク中の溶剤の組成比率は初期状態から減少
する。そのため、インクの濃度及びインク粘度は上昇す
る。インクジェットプリンタは上述の様にノズル３から
吐出する時、電歪素子２から与えられた振動によりイン
クが変形し、インク粒子１０を形成する。そのため、イ
ンクの粘度が上昇した場合、インクの変形が阻害され、
電歪素子２から与えられた振動によるインク粒子１０の
形成が速やかに行われない場合が生じる。これを防止す
るため、図には記載していない機構により揮散した溶剤
を補給する機能を有している。そのため、インクの液面
を管理するための液面センサなどが取り付けられてい
る。通常インクは付着力を与える樹脂と、色調を与える
色素を溶剤等の媒体に溶解した。このインクが被印字物
の上に飛来してその媒体が揮散すると、残った樹脂，色
素が固形化して皮膜を形成し、被印字物の上に付着して
文字等を形成する。この皮膜が被印字部に付着するため
には、皮膜と被印字物の間に接合力が必要である。この
接合力は分子間力と称されている。

【０００７】分子間力は１次結合及び２次結合に分類さ
れる。結合力は１次結合の方が大きいが、１次結合は、
共有結合などの分子を構成する原子間の結合そのもので
あり、インクの付着ではこのような結合形態はとれない
ため、２次結合が付着の主役をしめる。２次結合で主要
素となる結合は水素結合である。これは水素原子と結合
している酸素，窒素などの陰性原子がその水素原子が介
在することによって他の陰性原子と結合する力をいう。
多くの場合、酸素原子によって水素原子を共有すること
によって生じる。この結合力は弱い１次結合に匹敵する
ほどである。

【０００８】この様に、水素結合は酸素原子（窒素原子
の場合もある。）によって生じる。一般に金属表面は大
気中の酸素により酸化され、表面には酸素原子が存在す
る。またガラスはその構成骨格が珪素と酸素であるた
め、ガラス表面にも酸素原子は存在する。これらの酸素
原子には、水素原子が共有結合している場合が多い。一
方、付着するインクの付着力を付与する樹脂にも酸素原
子は存在する。インクの樹脂はアクリル系樹脂，フェノ
ール系樹脂，ニトロセルロース，スチレンアクリル系樹
脂，エポキシ系樹脂などが挙げられるがこれらはいずれ
も分子内に酸素原子を有している。インクが被印字物上
に皮膜を形成すると、インク樹脂内の酸素原子は、被印
字物表面の酸素に共有結合している水素原子との間に、
水素結合を形成する。それによりインクは付着する。

【０００９】被印字物がプラスチックの場合も同様であ
る。プラスチックは多くの場合、その分子内に水酸基や
カルボニル基，アミド結合，エステル結合など酸素原子
が介在した構造部分を持つ。代表的なプラスチックは、
ポリエチレンテレフタレート，ナイロン，アクリルなど
が挙げられる。これらの官能基部分は極性を有してい
る。それゆえ、プラスチックに印字した場合も、インク
樹脂内の酸素原子とプラスチック内のこれらの極性官能
基部分に水素結合が生じる。

【００１０】しかし、分子内に極性基を持たないプラス
チックの場合は、これによる結合力が得られない。その
例としてポリエチレン，ポリプロピレンなどが挙げられ
る。これらの樹脂は水素原子と炭素原子のみで構成され
ており、分子内に酸素原子を含まない。そのため、これ
らのプラスチックにはインクは付着しない。この欠点を
補うため、従来よりポリエチレン，ポリプロピレンには
表面処理が行われてきた。その一例が火炎処理である。

【００１１】この方法は熱酸化炎を表面に接触させて酸
化し、表面に酸素原子を結合させるが、炎の管理が容易
ではなく、またその熱のため、フィルムには適用不能と
いう欠点を持つ。フィルムには同様な方法としてコロナ
放電処理が行われてきた。これは対局した電極間に高電
圧を与えてコロナ放電を起こし、このコロナによる活性
反応種（主にイオン化，ラジカル化した酸素）でフィル
ム表面を酸化し、表面に酸素原子を結合させる。

【００１２】インクジェットプリンタの印字に限らず、
食品類等の包装に用いられるポリエチレン，ポリプロピ
レン等のフィルムへのグラビア印刷等の前処理にもこの
処理が行われている。多くの場合、フィルムメーカがフ
ィルム作成時にコロナ放電処理を行い、それをロール状
に巻き、処理面と大気との接触を避けた状態で印刷工程
を行うメーカに供給している。これは、コロナ放電処理
面が上記の様に酸素原子が結合した面であり、非常に付
着しやすい面であるため、大気と接触した場合、大気中
の水分，塵埃等が付着し、印刷インク等の付着を阻害す
る場合があるためである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】インクジェットプリン
タで印字を行う面が、上記のグラビア印刷等を行うコロ
ナ処理を行った面である場合は、上記のインク同様に付
着力は得られる。しかし、食品類の多様化に伴い、使用
されるフィルムは単層フィルムから多層フィルムに移行
されている。多層フィルムは単層フィルムを重ねてフィ
ルムとすることで、各々のフィルムの優れた性質（強
度，密着性，耐水性，ガスバリヤ性等）を得る。これら
の多層フィルムでは、食品等の内容物を表示する印刷は
多層のフィルム間になされる。すなわち、外部からの接
触が不能なフィルムの間に印刷を行うことで、摩擦力等
による印刷の剥離が防止される。印刷面がフィルム間に
あるため、その印刷がなされるコロナ処理面もフィルム
の内部となる。

【００１４】インクジェットプリンタによる印字の多く
は、被印字物であるフィルムを袋容器とし、その袋内に
食品類等を収納し、封止した後に行われる。そのためイ
ンクジェットプリンタにより印字を行う面は、コロナ放
電処理がなされていない外面となる。この面には酸素原
子が存在しないため、水素結合を形成することができな
い。その結果、インクジェットプリンタによる印字で付
着力が得られないという現象が生じた。

【００１５】この面にインクの付着力を与えるために
は、表面の処理を行い酸素原子を結合させる必要があ
る。その方法として上記同様にコロナ放電処理を行うこ
とが考えられる。その一例を図３により説明する。図３
で印字ヘッド１３内に印字を行う機能が収納されてい
る。その機能については既に説明した。被印字物５を仮
にフィルムとする。これは矢印方向に搬送されている。
この搬送方向に沿って、その印字前にコロナ放電処理装
置が配置されている。このコロナ放電処理装置はワイヤ
電極２３と電極２２によって構成されており、その電極
間に駆動電圧２４を印加する機能を有している。

【００１６】一例として電圧２.４ｋＶ ，周波数５ｋＨ
ｚの駆動電圧２４を印加する。これによりワイヤ電極２
３と電極２２間にコロナ放電が生じる。このコロナ放電
より反応活性種であるイオン２５が発生する。このイオ
ン種は多くの場合、大気中の酸素が電荷を有したもので
あり、高い反応性（酸化性）を有している。そのため、
イオン２５に接触した被印字物５の表面は酸化され、表
面に酸素原子が結合する。このコロナ放電によりイオン
種を作成する手段では、イオン電流密度が低く、イオン
種を効率良く生成することができないという欠点を持
つ。電流密度を上げるため、駆動電圧を上げる必要があ
る。

【００１７】一方、既に述べたように、インクジェット
プリンタに使用するインクには、溶解媒体として有機溶
剤であるメチルエチルケトンやエタノール，メタノール
が用いられている。これらの有機溶剤はその蒸気濃度が
燃焼範囲内にあり、各有機溶剤の引火点は、メチルエチ
ルケトンが−９度，エタノールが１３度，メタノールが
１１度である。すなわち、通常のインクジェットプリン
タが使用される温度環境では、これらの有機溶剤は点火
源が存在した場合、引火する可能性がある。引火源は直
火はもちろん、ヒータ，スパーク等の火花，放電などが
挙げられる。放電における引火性はその放電エネルギに
よって評価される。すなわち放電エネルギが有機溶剤の
引火エネルギ以下の場合は、引火は防止される。

【００１８】コロナ放電ではイオン電流密度を得るた
め、引火電圧を数ｋＶ程度まで上昇させる必要がある。
その結果、コロナ放電で発生する放電エネルギは高エネ
ルギとなり、有機溶剤の引火エネルギを越してしまう。
その結果、引火する条件が成立する。この引火を防止す
るためには、有機溶剤の蒸気濃度を減少させ、燃焼範囲
外とする必要がある。そのためコロナ放電処理装置を印
字ヘッド１３から遠ざける必要がある。その結果、印字
装置及び表面処理装置が大型化する。また、表面処理か
ら印字までの距離が離れるため、その間に大気中の水
分，塵埃の影響を受け、表面処理の効果が薄れるという
問題も生じる。

【００１９】コロナ放電処理の欠点、すなわち点火源と
なり得ることを回避するため、別の手段による表面処理
も取り得る。その一例として、被印字物表面に紫外線を
照射し、その紫外線と大気中の酸素により発生する酸素
ラジカルで被印字物表面を酸化する手法がある。低圧水
銀灯で、その水銀灯を形成するガラス管の材質に合成石
英を使用したものは、点灯時に１８５ｎｍと２５４ｎｍ
の光を発生する。大気中の酸素はこの１８５ｎｍの光を
吸収すると励起され、活性反応種となる。この反応種は
更に大気中の酸素と反応し、オゾンを作成する。このと
きのオゾン濃度は約十数ppm である。このオゾンが２５
４ｎｍの光を吸収するとオゾンの分解が生じ、その結
果、酸素ラジカルが生成する。この酸素ラジカルは著し
い酸化能力を有するため、その近辺の材料を酸化する。
すなわち、被印字物表面でこの低圧水銀灯を点灯するこ
とで表面を酸化することができる。低圧水銀灯は点火源
とはならないため、引火の危険性を避けることができ
る。しかし、この手法では発生する酸素ラジカルは反応
性は高いものの、その発生量が乏しいため、インクの付
着に必要な酸素原子の量まで酸化するのに時間を要する
という欠点を持つ。例えば代表的な無極性プラスチック
であるポリプロピレンを酸化処理するのに、140Ｗの低
圧水銀灯（照射範囲：１００mm）で３０秒間照射する必
要がある。そのため、被印字物の搬送速度が速い場合は
低圧水銀灯を多数個並べて照射時間を得る必要がある。
その結果、表面処理装置が大型化することになる。

【００２０】この欠点を補うため、この処理装置に外部
よりオゾンを供給し、オゾン濃度を高める手段も取り得
る。外部より供給するオゾンは、酸素雰囲気中で放電を
行うことにより生成される。これによりオゾン濃度は数
千ppm まで上昇させることができる。オゾン濃度を上げ
ることでそれから生じる酸素ラジカルも増加し、処理時
間を短縮できるという効果がある。しかしこの場合、高
濃度オゾンを使用するという問題が生じる。すなわち人
体に対する安全衛生上、作業環境でオゾン濃度は０.１p
pm以下とする必要があるため、オゾンの漏洩防止等の対
策が必要となり、装置が大型化する。

【００２１】本発明の目的は点火源とはならず、小型化
が可能な処理装置を印字直前に備えた印字装置を与える
ことにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本課題は表面処理装置と
して従来のワイヤ電極を使用したコロナ放電に代わり、
固体放電電極を用いることで達成できる。

【００２３】固体放電電極はセラミックなどの絶縁材料
の上にガラス等の誘電膜を介して、上部および下部電極
を対面させた。この固体放電電極は放電時のイオン電流
密度が高いという特徴を有する。そのため、表面処理に
必要なイオン量を得るに電圧を高める必要がなく、低い
放電エネルギに抑制することができる。またこれにより
発生したイオンは、バイアスの印加された背面電極にて
誘因することで、容易に目的とするフィルム上に導くこ
とができる。さらにこの固体放電電極は、セラミック基
板上に薄膜形成技術で形成することが可能のため、小型
化することが容易である。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図１か
ら図２で説明する。

【００２５】図２は荷電制御型インクジェットプリンタ
の原理を示す図である。インク容器８中のインクは供給
ポンプ７により吸引加圧される。その圧力は調圧弁１に
より制御される。圧力の一例として０.２８ＭＰａ に調
圧される。圧力を制御されたインクはノズル３に供給さ
れる。ノズル３には電歪素子２が設けられており、その
電歪素子２に電気信号を与えることで、インクに振動を
付与することができる。電気信号の一例として周波数６
８.２ｋＨｚ ２００Ｖが印加される。ノズル先端にはオ
リフィスが設けられている。オリフィスの直径は一例と
して６５μｍである。振動を付与されたインクはオリフ
ィスから吐出され、帯電電極４の中でインク粒子１０を
形成する。このときに帯電電極４に電圧を印加すること
で形成されるインク粒子１０に電荷を付与することがで
きる。電圧の一例として２００Ｖが印加される。ノズル
３から吐出されたインク粒子１０は偏向電極９の間を通
過する。偏向電極９には電圧が印加される。一例として
５.４ｋＶ の電圧が印加される。偏向電極９の間を通過
するインク粒子１０は静電力により偏向され被印字物５
へ飛来し、文字を形成する。文字に関与しないインクは
先ずガター１１に収納され、更に回収ポンプ６により回
収されインク容器８へ戻る。

【００２６】印字ヘッド１３の搬送方向前方には処理装
置１２が設けられている。処理装置１２の内部の固体放
電電極の構造を図１に示す。固体放電電極はセラミック
基板１４などの絶縁材料の上にガラス等の誘電膜１５を
介して、上部電極１７と下部電極１６とを対面させた。
この各々の電極は並列に接続されており、駆動電圧１８
を印加させることができる。また、被印字物５を介して
その背面に背面電極２０が設置されている。この背面電
極２０と上部電極１７と間にはバイアス電圧を誘因する
ことができる。この固体放電電極の誘電膜は薄膜のた
め、放電時のイオン電流密度が高いという特徴を有す
る。そのため、表面処理に必要なイオン量を得るに電圧
を高める必要がなく、低い放電エネルギに抑制すること
ができる。またこれにより発生したイオンは、バイアス
の印加された背面電極で誘因することで、容易に目的と
するフィルム上に導くことができる。

【００２７】被印字物５を矢印方向に搬送し、印字ヘッ
ド１３で印字を行う前に、処理装置１２内のセラミック
基板１４上の上部電極１７と下部電極１６との間に駆動
電圧１８を印加する。一例として、電圧６００Ｖ，周波
数２ｋＨｚの高周波電圧が印加される。また、上部電極
１７と背面電極２０との間には３００Ｖのバイアス電圧
が印加される。下部電極１６と上部電極１７との間に高
周波電圧が印加されることで上部電極１７上面に微小放
電が生じ、それが大気（主に酸素分子）に電荷を与え、
イオン２１を生成する。ここで生成するイオンの多くは
酸素イオンである。上部電極１７と下部電極１６との間
隔は狭いため、電圧を上げることなく効率よくイオン電
流を上げることができる。そのため、放電エネルギも低
く押さえられる。生じたイオン２１は上部電極１７と背
面電極２０との間のバイアス電圧１９により形成される
電界に誘因され、被印字物５の表面に達する。表面に達
した酸素イオンは、被印字物５（この場合ポリエチレン
等のフィルム）の表面と反応し、表面を酸化させる。こ
れにより酸素原子が表面に結合させる。

【００２８】表面に酸素原子が結合した被印字物５は即
座に印字ヘッド１３を通過し、必要な文字等が形成され
る。この時、インク中の樹脂成分中の酸素原子の部分
が、被印字物５表面の酸素原子部分と水素結合を形成す
る。これによりインクは付着する。

【００２９】本発明による付着性向上の検討結果を以下
に示す。

【００３０】１．被印字物 延伸ポリプロピレンフィル
ム ２．インク 日立製作所製 ＪＰ−Ｋ２８インク ３．印字条件 （１）ノズル口径：６０μｍ （２）駆動周波数：６８.２ｋＨｚ ４．試験方法 （１）フィルムを揉みほぐす。

【００３１】（２）粘着テープで剥離させる。

【００３２】５．評価方法 ５段階評価で得点をつけ
る。

【００３３】（５：まったく剥がれない １：完全に剥
離する。） ６．評価結果 条件 処理無し 処理有り （１）フィルムを揉みほぐす。 ２.０ ５.０ （２）粘着テープで剥離させる。 ２.２ ５.０ 本検討より表面処理による付着力向上の効果が示され
る。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、被印字物の表面状態を
改良し、しかも直後に印字することが可能なため、イン
クの付着性を向上でき、安定した印字品質を得ることが
できる。また、表面状態を改良するための手段が小型化
できるため、処理装置等の周囲装置を含めた印字装置を
簡略化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の印字装置の説明図。

【図２】本発明の一実施例の印字装置を示す斜視図。

【図３】従来技術の印字装置を示す説明図。

【符号の説明】

３…ノズル、４…帯電電極、５…被印字物、９…偏向電
極、１１…ガター、１２…処理装置、１３…印字ヘッ
ド、１４…セラミック基板、１５…誘電膜、１６…下部
電極、１７…上部電極、１８…駆動電圧、１９…バイア
ス電圧、２０…背面電極、２１…イオン。

フロントページの続き (72)発明者 神尾 恵司 茨城県日立市東多賀町一丁目１番１号 株 式会社日立製作所電化機器事業部多賀本部 内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】印字装置が印字を行う以前に被印字物の表
   面を処理する機能をもつことを特徴とする印字装置。
2. 【請求項２】請求項１において、インクをノズルから吐
   出して形成するインク粒子により被印字物に印字を行う
   印字装置。
3. 【請求項３】請求項２において、上記印字装置が、上記
   ノズルより常にインクを吐出し、印字に使用しないイン
   ク粒子を回収し、その回収したインクを再度吐出する印
   字装置。
4. 【請求項４】請求項１，２または３に記載の上記印字装
   置が印字を行う以前に上記被印字物の表面を処理する機
   能が、上記被印字物に反応活性種を与えることである印
   字装置。
5. 【請求項５】請求項４に記載の上記反応活性種を生成す
   る手段として固体放電電極を用いる印字装置。
6. 【請求項６】請求項４または５に記載の上記反応活性種
   がイオン化した空気である印字装置。