JPWO2013027715A1 - インクジェット記録装置及びインクジェット記録方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、膨張パルスのパルス幅とメニスカスの負圧を所定の範囲に設定することで、駆動周波数の低下を抑え、3サイクル駆動に適用した場合の射出安定性を確保したまま液量を増量してドット径を拡げることができ、記録媒体に応じた液量の調整が容易なインクジェット記録装置及びインクジェット記録方法の提供を目的とし、圧力発生室の隔壁を変形させる電気・機械変換手段を駆動する駆動パルス発生手段は、ノズル内のメニスカスにかかる圧力が−20cmAq以上−5cmAq以下の範囲内に設定された条件下で、圧力発生室内に負の圧力を発生させる第1の駆動パルスと、これに続き圧力発生室内に正の圧力を発生させる第2の駆動パルスとを電気・機械変換手段に印加してノズルからインク滴を射出させ、第1の駆動パルスのパルス幅W1が、圧力発生室における圧力波の音響的共振周期の1/2をALとしたとき、1.4AL≰W1<1.8ALに設定される。

Description

本発明はインクジェット記録装置及びインクジェット記録方法に関する。
インクジェットヘッドには種々の方式が提案されているが、その一つにせん断モード型インクジェットヘッドがある(特許文献1〜3)。
せん断モード型インクジェットヘッドでは、電気・機械変換手段からなる隔壁により区画され、電気・機械変換手段の作動により隔壁を変形させて圧力を発生する複数の圧力発生室に連通したノズルからインク滴を射出する。
また、近年、インクジェットヘッドを用いて、高速に、且つ、多様なメディアに画像形成を行いたいという要望が増えている。例えば非吸収性記録媒体あるいは微吸収性記録媒体に画像形成する場合には、インクが記録媒体上に拡がりにくく、例えばベタ部分の画像が埋まらずに白抜けや白スジが発生する場合があり、画質を向上させるために、着弾後のインクドット径をやや拡げたい、液滴量を少し増加させたいという要望がある。
この要望に対して、特許文献1には、膨張パルスのパルス幅を通常使用されている1ALに対して3AL以上の奇数倍とすることで液滴体積を大きくすることが開示されている。
また、特許文献2、3には、良好なインク射出や安定な高周波駆動を行うことを目的として、膨張パルスのパルス幅を1ALより大きくすることが提案されている。
特開平7−241986号公報 特開平7−164629号公報 特開2001−315330号公報
しかしながら、上記従来技術のように膨張パルスのパルス幅を1ALより長くすると、吐出効率が低下するため膨張パルスの駆動電圧を増加させる必要があり、3サイクル駆動に適用した場合、隣接チャネルのメニスカスの押し出しが大きくなり、吐出が不安定になるという課題があることが判明した。
すなわち、3サイクル駆動のヘッドは、隣接する圧力発生室間で電気・機械変換手段からなる隔壁を共有する。したがって、ある圧力室を駆動するとき、隣接する非駆動圧力室のノズルからメニスカスが押し出され、次にこの非駆動圧力室を駆動する際に吐出が不安定になることがあり、クロストークの問題としてこの種のヘッドの重要な課題となる。液滴量増加のために、膨張パルスの駆動電圧を上げることは、隣接する非駆動圧力室内の正インク圧力を増大させ、ますますこの種のクロストークの課題解決を困難とする。
また、特許文献1に開示された3AL以上の膨張パルス幅では、特に膨張パルスに続き圧力発生室内に正の圧力を発生させる収縮パルスを印加する場合には、駆動周波数が低下し、ランニング速度が低下する問題が残る。
そこで、本発明は、膨張パルスのパルス幅とメニスカスの負圧を所定の範囲に設定することで、駆動周波数の低下を抑え、3サイクル駆動に適用した場合の射出安定性を確保したまま、インク滴の液量を増量してドット径を拡げることができ、また、記録媒体に応じて液量を調整することが容易に可能なインクジェット記録装置及びインクジェット記録方法を提供することを課題とする。
本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
1.電気・機械変換手段からなる隔壁により区画され、該電気・機械変換手段の作動により前記隔壁を変形させて圧力を発生する複数の圧力発生室と、該圧力発生室に連通して圧力の作用によりインク滴を射出するノズルと、前記圧力発生室に顔料を含有するインクを供給するインク供給部と、前記電気・機械変換手段を駆動する駆動パルス発生手段とを有し、前記隔壁を挟んで互いに隣合う3つの前記圧力発生室を1つの組として前記圧力発生室を複数の組に分け、各組内の前記圧力発生室を順次駆動させてインク滴を前記ノズルから射出するように駆動制御されるインクジェット記録装置において、
前記駆動パルス発生手段は、前記ノズル内のメニスカスにかかる圧力が−20cmAq以上−5cmAq以下の範囲内に設定された条件下で、前記圧力発生室内に負の圧力を発生させる第1の駆動パルスと、これに続き前記圧力発生室内に正の圧力を発生させる第2の駆動パルスとを前記電気・機械変換手段に印加して前記ノズルからインク滴を射出させ、
前記第1の駆動パルスのパルス幅W1は、前記圧力発生室における圧力波の音響的共振周期の1/2をALとしたとき、1.4AL≦W1<1.8ALに設定されていることを特徴とするインクジェット記録装置。
2.前記第2の駆動パルスのパルス幅W2は2ALであることを特徴とする前記1.記載のインクジェット記録装置。
3.前記第1の駆動パルス及び前記第2の駆動パルスは矩形波であることを特徴とする前記1.又は前記2.記載のインクジェット記録装置。
4.前記駆動パルス発生手段は、前記ノズルからインク滴を射出する前記圧力発生室の前記電気・機械変換手段には前記第1の駆動パルスと前記第2の駆動パルスを印加し、前記ノズルからインク滴を射出しない前記圧力発生室の前記電気・機械変換手段には前記第2の駆動パルスのみを印加することを特徴とする前記1.〜前記3.のいずれかに記載のインクジェット記録装置。
5.前記ノズルから0.5mm飛翔後のインク滴の速度が、6m/s以上8m/s以下であることを特徴とする前記1.〜前記4.のいずれかに記載のインクジェット記録装置。
6.前記インクは水系インクであることを特徴とする前記1.〜前記5.のいずれかに記載のインクジェット記録装置。
7.前記インクはUVインクであることを特徴とする前記1.〜前記5.のいずれかに記載のインクジェット記録装置。
8.前記1.〜前記7.のいずれかに記載のインクジェット記録装置を用いて、記録媒体として非吸収性記録媒体あるいは微吸収性記録媒体にインクを射出して画像記録を行うことを特徴とするインクジェット記録方法。
9.画像記録前、画像記録中、画像記録後の少なくともいずれかにおいて、前記記録媒体を、画像記録面の裏面から加熱する加熱工程を有することを特徴とする前記8.記載のインクジェット記録方法。
本発明によれば、膨張パルスのパルス幅とメニスカスの負圧を所定の範囲に設定することで、駆動周波数の低下を抑え、3サイクル駆動に適用した場合の射出安定性を確保したまま、インク滴の液量を増量してドット径を拡げることができ、また、記録媒体に応じて液量を調整することが容易に可能なインクジェット記録装置及びインクジェット記録方法を提供することができる。
本発明に係るインクジェット記録装置の一例を示す概略構成図 (a)はせん断モード型の記録ヘッドの一例を示す概観斜視図、(b)はその断面図 記録ヘッドのインク滴射出動作を説明する説明図 一般的な駆動パルスの一例を示す図 図4に示す駆動パルスを印加したチャネル内の圧力波P1、P2の様子を示すグラフ 図4に示す駆動パルスを印加したチャネル内の圧力波P1、P2の合成波の様子を示すグラフ 3サイクル駆動法を説明する説明図 3サイクル駆動法において印加される駆動パルスのタイミングチャートの一例を示す図 3サイクル駆動法において印加される駆動パルスのタイミングチャートの他の一例を示す図 ノズル内のメニスカスの圧力(背圧)を調整可能なサブタンクの一例を示す断面図 ノズル内のメニスカスの圧力(水頭圧)を調整可能なサブタンクの他の一例を示す断面図 本発明において使用される第1の駆動パルスのパルス幅を1.4ALとした駆動パルスの一例を示す図 図12に示す駆動パルスを印加したチャネル内の圧力波P1、P2の様子を示すグラフ 図12に示す駆動パルスを印加したチャネル内の圧力波P1、P2の合成波の様子を示すグラフ 本発明外の第1の駆動パルスのパルス幅を1.8ALとした駆動パルスの一例を示す図 図15に示す駆動パルスを印加したチャネル内の圧力波P1、P2の様子を示すグラフ 図15に示す駆動パルスを印加したチャネル内の圧力波P1、P2の合成波の様子を示すグラフ インク滴の速度の検出方法を説明する説明図 画像記録動作中に微振動パルスを印加するタイミングチャートの一例を示す図 画像記録待機中に微振動パルスを印加するタイミングチャートの一例を示す図 (a)(b)は記録媒体の加熱工程を説明する図
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
(インクジェット記録装置の全体構成)
図1は、本発明に係るインクジェット記録装置の一例を示す概略構成図である。
インクジェット記録装置1は、複数のローラー21、22間に架け渡された無端ベルト23によって構成される搬送手段2を有し、この無端ベルト23の上面に記録媒体Pを載置して、該無端ベルト23の回転駆動によって図中矢視方向に記録媒体Pを搬送する。ここでは、記録媒体Pとして長尺ウェブ状の記録媒体を例示しているが、予め所定サイズに裁断されたシート状の記録媒体でもよい。
無端ベルト23の上面に載置された記録媒体Pの表面は画像記録面とされ、この記録媒体Pの表面に対向するように、該記録媒体Pの上方に所定距離をおいて記録ヘッド3が配置されている。記録ヘッド3は、記録媒体Pの表面に対向するノズル面に多数のノズルが形成され、該ノズルから画像データに応じて選択的にインク滴を射出して記録媒体Pの表面にドットを形成し、所望のインクジェット画像を記録形成する。
記録ヘッド3としては、記録媒体Pの幅方向(図面に垂直な方向)に亘って往復移動可能に設けられ、記録ヘッド3の往復移動と搬送手段2による記録媒体Pの間欠的な搬送とによって画像を記録形成するいわゆるシリアル型(シャトル型ともいう。)の記録ヘッドであってもよいが、記録媒体Pの幅以上に亘る長さを有して固定状に架設されるいわゆるライン型の記録ヘッドであってもよい。特に本発明では、記録媒体Pに対する相対的な移動が1回だけとなるいわゆるワンパスによって画像を記録形成することによりノズルの目詰まりに対する要求が厳しい後者のライン型の記録ヘッドを好ましく使用できる。
このようなライン型の記録ヘッドは、記録媒体Pの幅方向に亘る多数のノズルによって構成されるノズル列を有する長尺なヘッドであってもよいし、比較的短尺な小型ヘッドを複数組み合わせてユニット化することにより、各ヘッドのノズルによって記録媒体Pの幅方向に亘る長尺なノズル列を構成した記録ヘッドユニットであってもよい。ライン型の記録ヘッドを使用することにより、シャトル型の記録ヘッドに比べて、短時間で多くの記録を行うことができ、生産性が飛躍的に向上する。
また、ここでは単一の記録ヘッド3のみを示しているが、インクジェット記録装置1は、例えばYMCK等のインク色毎の複数の記録ヘッド(記録ヘッドユニット)を備えるものであってもよい。
この記録ヘッド3は、インクジェット記録装置1の制御基板に設けられた駆動パルス発生手段である駆動パルス発生部4とFPC等によって電気的に接続されており、該駆動パルス発生部4から送信される駆動パルスによってインク滴の射出動作が制御される。
(記録ヘッド)
次に、本発明における記録ヘッド3の一例を図2を用いて説明する。図2はせん断モード型の記録ヘッドの一例を示しており、(a)はその概観斜視図、(b)は断面図である。
記録ヘッド3において、30はチャネル基板である。チャネル基板30には、細溝状の多数のチャネル31と隔壁32とが交互となるように並設されている。チャネル基板30の上面には、全てのチャネル31の上方を塞ぐようにカバー基板33が設けられている。チャネル基板30とカバー基板33の端面にはノズルプレート34が接合され、このノズルプレート34の表面によってノズル面が形成される。各チャネル31の一端は、このノズルプレート34に形成されたノズル34aを介して外部と連通している。
ノズル径は、本発明においては25μm以上32μm以下であることが好ましい。25μm以上であれば、射出後のメニスカス溢れを抑制でき、安定な射出性が得られる。また、32μm以下であれば、ノズル34a内のメニスカスが破壊されることなく安定な射出性が得られる。
ここでノズル径とは、ノズル34aの出口側開口部の直径である。ノズル34aの出口側開口部の形状は必ずしも円形に限らないが、ノズル34aが非円形状である場合、ノズル径とは、出口側開口部の面積を同じ面積の円に置き換えた場合の直径を指す。
各チャネル31の他端は、チャネル基板30に対して徐々に浅溝となり、カバー基板33に開口形成された各チャネル31に共通の共通流路33aに連通している。共通流路33aは更にプレート35によって閉塞され、該プレート35に形成されたインク供給口35aを介して、インク供給管53から共通流路33a及び各チャネル31内にインクが供給される。
各隔壁32は、電気・機械変換手段であるPZT等の圧電材料からなる。ここでは上壁部32aと下壁部32bが共に分極処理された圧電材料によって形成され、該上壁部32aと下壁部32bとで分極方向を互いに反対方向としたものを例示しているが、分極処理された圧電材料によって形成される部分は例えば符号32aの部分のみであってもよく、隔壁32の少なくとも一部にあればよい。隔壁32はチャネル31と交互に並設されている。従って、一つの隔壁32はその両隣のチャネル31、31で共用される。
各チャネル31内には、両隔壁32の壁面からチャネル31の底面に亘って、それぞれ駆動電極(図2では不図示)が形成されており、隔壁32を挟んだ両駆動電極に駆動パルス発生部4(図1)からそれぞれ所定電圧の駆動パルスを印加すると、圧電材料からなる隔壁32は、上壁部32aと下壁部32bとの接合面を境にして屈曲変形する。この隔壁32の屈曲変形によってチャネル31内に圧力波が発生し、該チャネル31内のインクにノズル34aから射出するための圧力が付与される。従って、チャネル基板30、カバー基板33、ノズルプレート34に囲まれるチャネル31の内部が本発明における圧力発生室を構成している。
(記録ヘッドのインク滴射出動作)
この隔壁32の変形動作による記録ヘッド3のインク滴の射出動作の説明に先立ち、記録ヘッドの基本的なインク滴射出動作について図3〜図6を用いて更に説明する。
図3は記録ヘッド3のインク滴射出動作を説明する説明図であり、チャネル31の長さ方向と直交する方向に切断した断面を示している。図4は従来技術の駆動パルスの一例を示す図、図5、図6はインク滴の射出を行うチャネル内の圧力の様子を示すグラフである。なお、各チャネルの動作は同一であるため、図3では複数のチャネルのうちの一部のみを示している。また、図3においてノズルは図示省略している。
まず、隣合うチャネル31A、31B、31C内にそれぞれ臨む駆動電極36A、36B、36Cのいずれにも駆動パルスが印加されない時は、隔壁32A、32B、32C、32Dのいずれも変形しない。インク滴射出時は、この図3(a)に示す状態において、駆動電極36A及び36Cを接地すると共に駆動電極36Bに駆動パルス発生部4から、例えば図4に示すような駆動パルス400を印加する。
この駆動パルス400は、チャネル内に負の圧力を発生させる正電圧(+Von)からなる第1の駆動パルス401と、この第1の駆動パルス401を1AL時間維持した後に続いて印加され、チャネル内に正の圧力を発生させる負電圧(−Voff)からなる第2の駆動パルス402とからなる矩形波である。ここでは第1の駆動パルスの駆動電圧である+Von=+12V、第2の駆動パルスの駆動電圧である−Voff=−6Vであるものを例示している。第2の駆動パルス402は2AL時間維持された後、0電位に戻される。
ここでAL(Acoustic Length)とは、チャネル31における圧力波の音響的共振周期の1/2である。ALは、駆動電極に矩形波の駆動パルスを印加した際に射出されるインク滴の速度を測定し、矩形波の電圧値を一定にして矩形波のパルス幅を変化させたときに、インク滴の飛翔速度が最大になるパルス幅として求められる。ここでは1AL=5.1μsとされている。
また、パルスとは、一定電圧波高値の矩形波であり、0Vを0%、波高値電圧を100%とした場合に、パルス幅とは、電圧の0Vからの立ち上がり10%と波高値電圧からの立ち下がり10%との間の時間として定義する。
更に、ここで矩形波とは、電圧の10%と90%との間の立ち上がり時間、立ち下がり時間のいずれもがALの1/2以内、好ましくは1/4以内であるような波形を指す。
この駆動パルス400における第1の駆動パルス401の印加により、隔壁32B、32Cを構成する電気・機械変換手段である圧電材料の分極方向に直角な方向の電界が生じる。これにより、各隔壁32B、32C共に、それぞれ上壁部32a、下壁部32bの接合面にズリ変形を生じ、図3(b)に示すように隔壁32B、32Cは互いに外側に向けて屈曲変形し、チャネル31Bの容積を拡大する。この屈曲変形により、図5に示すようにチャネル31B内に負の圧力波である第1の圧力波P1が発生し、インクが流れ込む(Draw)。
この第1の駆動パルス401を1AL維持し、チャネル31B内の圧力波が負圧から正圧に転じるタイミングに合わせて第1の駆動パルス401を0電位に戻すと、隔壁32B、32Cは図3(b)に示す拡大位置から図3(a)に示す中立位置に戻り、チャネル31B内のインクに高い圧力が掛かる(Release)。これと同時に、図3(c)に示すように、チャネル31Bの容積が減少する方向に負電圧の第2の駆動パルス402を印加する。これによりチャネル31B内には、図5に示すように正の圧力波である第2の圧力波P2が発生する(Reinforce)。第1の圧力波P1と第2の圧力波P2とは、図6に示すように、正圧のピークが重なるため、チャネル31B内には印加電圧に対して大きな圧力が発生し、ノズルから効率良くインク滴を射出させることが可能となる。
他の各チャネルも駆動パルス400の印加によって上記と同様に動作する。このようなインク滴の射出法をDRR駆動法と呼び、せん断モード型の記録ヘッドの代表的な駆動法である。
(3サイクル駆動)
このように少なくとも一部が電気・機械変換手段である圧電材料で構成された隔壁32によって区画された複数のチャネル31を有する記録ヘッド3を駆動する場合、隣合うチャネル31で一つの隔壁32を共用しているため、一つのチャネル31の両隔壁32がインク滴の射出動作のために屈曲変形すると、その両隣のチャネル31が影響を受ける。このため本発明では、隔壁32を挟んで互いに隣合う3つのチャネル31をまとめて1つの組として、ノズル列を構成している全てのチャネル31を複数の組に分割し、各組内のチャネル31のインク滴射出動作を時分割で順次行うように駆動制御する3サイクル駆動を行う。
かかる3サイクル駆動について図7、図8を用いて更に説明する。図7に示す例では、複数のチャネル31のうちの並列するA1、B1、C1の組、A2、B2、C2の組、A3、B3、C3の組の3つの組で合計9つのチャネル31に着目して説明する。図8はA、B、Cの各チャネル31に印加される駆動パルスのタイミングチャートの一例である。ここでは図4と同様の駆動パルス400を用いている。また、図7においてノズルは図示省略している。
インク滴の射出時には、まず各組内のAチャネル(A1、A2、A3)の駆動電極に電圧を掛け、その両隣のB、Cチャネルの駆動電極を接地する。Aチャネルに正電圧の第1の駆動パルス401を掛けると、射出したいAチャネルの隔壁が外側に屈曲変形し、そのAチャネル内に負圧が発生する。この負圧により、Aチャネル内にインクが流れ込む(Draw)。
この状態を1AL時間維持した後に駆動電極を接地すると、隔壁の変形が元に戻り、高い圧力がAチャネル内のインクに掛かる(Release)。更に、同じタイミングでAチャネルの駆動電極に負電圧の第2の駆動パルス402を掛けると、隔壁が内側に変形し、更に高い圧力がインクに掛かり(Reinforce)、ノズルからインクが押し出され、やがてインク滴として射出される。更に2AL時間経過後、駆動電極を接地して第2の駆動パルス402を0電位に戻すと、隔壁の変形が元に戻り、残留する圧力波をキャンセルできる。
このAチャネルの駆動時、これと隣合うB、Cチャネルはインク滴を射出しない。続いてBチャネル(B1、B2、B3)、更に続いてCチャネル(C1、C2、C3)を上記同様にして順次駆動させることによってそれぞれインク滴を射出する。これにより、ノズル列を構成している全てのチャネルが、隣合うチャネルの射出動作に影響されることなく、インク滴の射出を行うことができる。
かかるせん断モード型の記録ヘッド3では、隔壁32の変形は該隔壁32の両面に設けられる駆動電極に掛かる電圧差で起こるので、インク滴の射出を行うチャネル31の駆動電極に、第2の駆動パルス402として負電圧を掛ける代わりに、図9に示すように、インク滴の射出を行うチャネル31の駆動電極を接地して、その両隣のチャネル31の駆動電極に、第2の駆動パルス402として正電圧を掛けるようにすれば、正電圧だけで上記同様に動作させることができる。
(ノズル内のメニスカスにかかる圧力の設定)
記録ヘッド3には、図1に示すように、インク供給部5からインクが供給される。インク供給部5は、インクを貯留するメインタンク51、該メインタンク51内のインクを記録ヘッド3に向けて供給するインク供給管52、53、インク供給管52に介設され、インクを所定量ずつ移送するための正逆回転可能な送液ポンプ54、インク供給管52と53との間に介設され、メインタンク51から供給されるインクを一旦貯留すると共に、記録ヘッド3のノズル34a内のメニスカスにかかる圧力を設定する圧力設定手段としてのサブタンク55、該サブタンク55内のインク液量を検出する液量検出装置56、該サブタンク55内の圧力を検出する圧力検出装置57、サブタンク55内を大気開放する大気開放弁58、送液ポンプ54とサブタンク55との間のインク供給管52に介設された開閉弁59を有している。
メインタンク51内のインクは、送液ポンプ54の駆動によってインク供給管52を介してサブタンク55に供給される。サブタンク55は、メインタンク51よりも少量の所定量のインクを一旦貯留することのできる大きさを有しており、記録ヘッド3の各チャネル31には、このサブタンク55からインク供給管53を介してインクが供給される。
このサブタンク55は、記録ヘッド3へのインク供給を行うと共に、記録ヘッド3のノズル34a内のメニスカスにかかる圧力を所定の負圧に維持する機能を有している。本発明において、このサブタンク55によって設定される記録ヘッド5のノズル34a内のメニスカスにかかる圧力は、−20cmAq以上−5cmAq以下である。
この圧力が−20cmAq以上であれば、ノズル面に形成されたメニスカスがブレークして、空気を巻き込むことで発生するノズル欠が生じることなく良好な射出安定性を得ることができ、−15cmAq以上であれば射出されるインク滴量を十分に増加させることが可能である。また、−5cmAq以下であれば、3サイクル駆動での隣接チャネルが駆動する際のノズル34a内のメニスカス押し出しが抑制でき、安定な射出性が得られる。3サイクル駆動での隣接チャネルが駆動する際のメニスカス押し出しは、隣接チャネルのみが駆動した直後に自チャネルが駆動するパターンで特に問題となる。
記録ヘッド3のノズル34a内のメニスカスにかかる圧力を設定するためのサブタンク55の具体的構成の一例を図10に示す。
サブタンク55は、例えばポリプロピレンやポリエチレン等の耐腐食性を有する材料によって箱型形状に形成されたケーシング550の一面に凹部551が形成されている。この凹部551は、開口部551aが円形状となるようにケーシング550の一面から凹設されており、この開口部551aを可撓性膜552によって覆うことで、この可撓性膜552と凹部551とによってインクが貯留される内部空間553を形成している。
内部空間553内には、可撓性膜552に対して内部から凹部551の外側に向けた力を作用させ、該可撓性膜552を内部空間553の容積を拡大させる方向(図10中の矢視A方向)に付勢する付勢手段である弾性部材554を有している。
弾性部材554は、ケーシング550と可撓性膜552との間に介在されており、可撓性膜552に対して一端部で垂直に当接している。なお、ここではコイルばねを図示したが、弾性部材554としては、温度変化による可撓性膜552にかかる力の変化量が小さいものが好ましく、コイルばねに限らず、板ばね等、他の形状のばね部材でもよく、また、可撓性膜552に対して付勢力を作用させることができるものであれば、ばね部材以外の付勢手段を用いてもよい。
可撓性膜552は、可撓性を有する膜状の部材であり、ゴム等の伸縮性を有する材質とすることもできるが、例えばポリエチレンテレフタレート等の高分子材料からなるフィルムを用いることが好ましい。また、複数の素材を層状に積層させた複合フィルムを用いることも好ましい。
この可撓性膜552は、開口部551aの開口面積よりも若干大きな面積を有しており、膜面が緊張せずに弛んだ状態となるようにして、その外周縁が開口部551aの内周面又は開口部551aの周囲のケーシング550表面に対して固着されている。
このため、可撓性膜552は、弾性部材554によって付勢力が与えられることで、開口部551aの周囲のケーシング550表面で規定される基準面550aに対して、付勢方向に最大でdだけ突出(変位量+d)することができるようになっている。また、内部空間553内の圧力が低くなると、可撓性膜552は弾性部材554の付勢力に抗して内部空間553の容積を縮小させる方向(図10中の矢視B方向)に移動しようとするが、この場合も可撓性膜552は最大でdだけ変位(変位量−d)する。
通常、可撓性膜552の位置がほぼ基準面550aの位置となるように設定されており、弾性部材554によって可撓性膜552がA方向に付勢されることで所定の負圧状態が形成され、この内部空間553とインク供給管53によって連通している記録ヘッド3の各圧力発生室内にその負圧状態が作用することで、ノズル34a内のメニスカスにかかる圧力(背圧)が設定される。
なお、555は、弾性部材554の可撓性膜552に対する付勢力を変化させるための付勢力調整ねじである。付勢力調整ねじ555は、開口部551aと対向するケーシング550の壁面を貫通し、先端部555aが内部空間553内に位置するように該ケーシング550に螺着されている。このため、ケーシング550の外側からドライバー等の適宜の治具を用いて正逆回転させることによって進退移動させ、先端部555aの位置を変化させ、この先端部555aと可撓性膜552との間で該可撓性膜552を矢視A方向に向けて付勢している弾性部材554の付勢力を変化させることができるようになっている。
かかるサブタンク55による圧力設定は、例えば次のようにして行うことができる。
大気開放弁58を開放した状態で送液ポンプ54を正回転駆動し、メインタンク51内のインクをサブタンク55及びインク供給管53を介して記録ヘッド3内の各圧力発生室内に送り、サブタンク55から記録ヘッド3の各圧力発生室内を所定量のインクで満たした状態とする。その後、大気開放弁58を閉じ、送液ポンプ54を所定時間逆回転駆動させることにより、圧力検出装置57によって検出されるサブタンク55内の圧力が、記録ヘッド3のノズル34a内のメニスカスにかかる圧力値が上記範囲となるように、サブタンク55からインクタンク51へインクを逆送する。その後、開閉弁59を閉じることにより、記録ヘッド3には、サブタンク55によって形成された所定の負圧がかかり、ノズル34a内のメニスカスにおける圧力(背圧)を上記値の範囲に設定することができる。
このようなサブタンク55の構成によれば、記録ヘッド3に対するサブタンク55の配設高さを特に問わずにノズル34a内のメニスカスにおける圧力(背圧)を設定することができる。
また、ノズル34a内のメニスカスにかかる圧力を設定する他の手段として、図11に示す構成とすることもできる。図1と同一符号の部位は同一構成の部位を示している。
この態様では、サブタンク55Aは、図10に示すサブタンク55とは異なり、それ自体に可撓性膜や弾性部材等によって負圧状態を作り出す機能を有していない一般的な容器形状のものである。このサブタンク55Aは、記録ヘッド3のノズル面341よりも低い位置に配置されている。
このため、記録ヘッド3の各チャネル31、インク供給管53及びサブタンク55A内にインク供給管52を介してメインタンク51(図1)からのインクを満たし、開閉弁59を閉じると、記録ヘッド3のノズル34a内のメニスカスには、サブタンク55Aの設置高さに応じた所定の圧力(水頭圧)がかかる。サブタンク55Aは記録ヘッド3のノズル面341よりも低い位置に設置されているため、この圧力は負圧となる。従って、サブタンク55Aの高さを適宜調整することによって、ノズル34a内のメニスカスにかかる圧力(水頭圧)を上記値の範囲に設定することができる。
この図11に示すようなサブタンク55Aは、インクの消費による液量低下に伴う圧力の変動を調整するため、高さ位置が調整可能に設けられる。
(駆動パルスのパルス幅)
以上のようにノズル34a内のメニスカスにかかる圧力が所定値範囲内に設定された3サイクル駆動を行う記録ヘッド3を備えた本発明に係るインクジェット記録装置1において、インク滴射出のために隔壁32に印加される駆動パルスは、図4のようにチャネル31内の負の圧力を発生させる第1の駆動パルスと、この第1の駆動パルスの印加終了に続いて印加され、チャネル31内の正の圧力を発生させる第2の駆動パルスとを有する駆動パルスであるが、チャネル31内に負の圧力を発生させるための第1の駆動パルスのパルス幅W1は、1.4AL≦W1<1.8ALに設定される。
これは第1の駆動パルスの印加を開始してからチャネル31内の第1の圧力波が負圧から正圧に転ずる1ALのタイミングよりも若干遅いタイミングで第1の駆動パルスの印加が終了し、これに続いてチャネル内に正の圧力を発生させる第2の駆動パルスが印加されるようになるが、ノズル34a内のメニスカスにかかる圧力を上記の通り−20cmAq以上−5cmAq以下の範囲に設定された条件下でパルス幅W1を上記範囲とすることで、第1の駆動パルスの駆動電圧の大幅な上昇による射出安定性の悪化を発生させることなく、ノズル34aから射出されるインク滴の液量を増量させることができ、ドット径の拡大効果が得られる。
後述する実施例にも示すように、所定の液滴速度(たとえば6m/s)が得られる駆動条件で比較すると、パルス幅W1が1.4ALを下回ると、ノズル34a内のメニスカスにかかる圧力が−20cmAq以上−5cmAq以下の範囲を満たしていても、従来の1AL幅の第1の駆動パルスを印加した場合に比べてインク滴の液量増加を十分に図ることができない。また、1.8AL以上となると、第1の駆動パルスの駆動電圧を大幅に上げないと所定の液滴速度でインク滴を射出することができなくなり、クロストークの影響により射出安定性が低下してしまう。
図12は、この第1の駆動パルスのパルス幅W1を1.4ALに設定した場合の矩形波からなる駆動パルス40を示し、図13、図14は、この駆動パルス40によりチャネル内に発生した圧力の時間変化を示している。図4に示す駆動パルス400と同様、1AL=5.1μsの例であるため、1.4AL=7.2μsとされる。
この駆動パルス40は、図4に示した従来の駆動パルス400と同様、チャネル31内に負の圧力を発生させる正電圧(+Von=+12V)からなる第1の駆動パルス41と、この第1の駆動パルス41を1.4AL時間維持した後に続いて印加され、チャネル31内に正の圧力を発生させる負電圧(−Voff=−6V)からなる第2の駆動パルス42とからなる矩形波である。
第2の駆動パルス42のパルス幅W2は2AL時間維持された後、0電位に戻される。この第2の駆動パルス42のパルス幅W2を2ALとすることで、第2の駆動パルス42の印加によってインク滴を射出した後のチャネル31内に残留する圧力波をキャンセルすることができる。残留圧力波のキャンセルにより、ノズル34a内のメニスカス振動をキャンセルできるので、射出安定性をより向上させることができる。
第1の駆動パルス41を1.4AL維持した後に第2の駆動パルス42を印加すると、第1の駆動パルス41の印加後にチャネル31内の第1の圧力波P1が負圧から正圧に転じ、この正圧によってチャネル31内のインクに与えられる圧力によってノズル34a内のメニスカスが射出方向に移動する状態で、第2の駆動パルス42によって発生する第2の圧力波P2が加えられる。これにより、チャネル31内に発生する圧力の時間積分値が大きくなり、その結果、ノズル34aから射出されるインク滴の液量が増加するものと考えられる。図14に示すように、圧力波の重ね合わせの正圧のピーク値は、図6に示したピーク値に比べて低下するため、吐出効率は若干低下する。
次に、比較のために、図15に、第1の駆動パルスのパルス幅W1を1.8AL(本発明外)に設定した駆動パルス403を示す。図16、図17は、この駆動パルス403によりチャネル内に発生した圧力の時間変化を示している。図5に示す駆動パルス400と同様、1AL=5.1μsの例であるため、1.8AL=9.2μsとされる。
駆動パルス403は、図4に示した従来の駆動パルス400と同様、正電圧(+Von=+12V)からなる第1の駆動パルス404と、この第1の駆動パルス404を1.8AL時間維持した後に続いて印加される負電圧(−Voff=−6V)からなる第2の駆動パルス405とからなる矩形波である。第2の駆動パルス405のパルス幅W2は2AL時間維持された後、0電位に戻される。
このように第1の駆動パルス404のパルス幅W1が1.8ALであると、第1の駆動パルス404の印加によって発生する第1の圧力波P1と第2の駆動パルス405の印加によって発生する第2の圧力波P2との重ね合わせでの正圧のピーク値は、図16に示すように大きく低下するため吐出効率は大きく低下し、このままでは第1の駆動パルスの駆動電圧を大幅に上げない限り所定の液滴速度でノズル34aからインク滴を射出することができない。
本発明者が確認したところ、第1の駆動パルスのパルス幅W1が1.4ALと1.8ALの間では、第1及び第2の駆動パルスの駆動電圧を一定にした条件下で、1.4ALから1.8ALに向うに従って、インク滴は射出するが徐々に射出速度が低下する傾向が見られた。1.4AL以上1.8AL未満の範囲であれば本発明の目的を達成し得るが、1.8AL以上になると、ノズル34a内のメニスカスにかかる圧力が−20cmAq以上−5cmAq以下の条件を満たしていても、上記の通り、第1の駆動パルスの駆動電圧を大幅に上げない限り所定の液滴速度でノズル34aからインク滴を射出することができなくなり、クロストークの影響により射出安定性が低下してしまう。
本発明においては、第1の駆動パルス41及び第2の駆動パルス42からなる駆動パルス40として、以上説明したような矩形波を用いることが好ましい態様である。せん断モード型の記録ヘッドは、チャネル内に発生した圧力波の共振を利用してインク滴をノズルから射出するので、矩形波を用いることでより効率よくインク滴を吐出できる。
また、せん断モード型の記録ヘッドは、矩形波からなる駆動パルスの印加に対してメニスカスの応答が速いため、駆動電圧を低く抑えることが可能である。一般に射出、非射出を問わず記録ヘッドには常に電圧が掛かるので、低い駆動電圧はヘッドの発熱を抑え、インク滴を安定的に射出させる上で重要である。
更に、矩形波は、簡単なデジタル回路を用いることで容易に生成可能であるため、傾斜波を有する台形波を用いるものに比べ、回路構成も簡素化できる利点がある。
本発明に係るインクジェット記録装置1は、以上のように記録ヘッド3のノズル34a内のメニスカスにかかる圧力が所定範囲内に設定された状態で、第1の駆動パルス41のパルス幅W1が所定範囲内である駆動パルス40によって、インク供給部5から供給される顔料を含むインクを記録媒体Pに向けて3サイクル駆動法によって射出することにより、第1の駆動パルスに続き圧力発生室内に正の圧力を発生させる第2の駆動パルスを印加する場合でも駆動周波数の低下を抑え、3サイクル駆動に適用した場合の射出安定性を確保したまま、第1の駆動パルスのパルス幅W1が1ALである従来駆動波形と比較してインク滴の液量を増量してドット径を拡げることができ、白抜けや白スジの発生が抑制された高品質のインクジェット画像を記録形成することができる。
(インク滴の速度)
以上のように、本発明に係るインクジェット記録装置1によれば、駆動周波数の低下を抑え、3サイクル駆動に適用した場合の射出安定性を確保したまま、インク滴の液量を増加させることができる効果が得られるが、本発明においては、ノズル34aから0.5mm飛翔後のインク滴の速度が、6m/s以上8m/s以下となるように設定することが好ましい。インク滴の速度が6m/s以上であれば、画像記録時の着弾位置ずれを抑制することができ、8m/s以下であれば、インク滴射出時のサテライトの発生を抑制でき、サテライトに起因する射出不良を低減することができる。
ノズル34aから0.5mm飛翔後のインク滴の速度とは、第1の駆動パルス41の印加開始からインク滴がノズル面に対して垂直方向の0.5mmの位置に到達するまでに要した時間によって求められる速度である。
インク滴の速度が上記範囲となるようにするには、第1の駆動パルス40の駆動電圧値を適宜調整すればよい。このときの電圧値の調整は、上記のように着弾位置ずれや射出不良低減を意図した調整であり、インク滴の液量増加を図ることを意図した調整ではない。インク滴の液量増加の目的は、既に説明したように第1の駆動パルス41のパルス幅W1及びノズル34a内のメニスカスにかかる圧力の各条件を設定したことによって達成されるからである。従って、後述する実施例にも示すように、インク滴の速度が上記範囲となるように、第1の駆動パルス40の駆動電圧値を適宜調整しても、第1の駆動パルスの駆動電圧を大幅に上昇させる必要はなく、3サイクル駆動における吐出安定性は維持される。
インク滴の速度検出は、例えば図18に示すように、LEDやレーザ等の検出光101を出射する発光素子102と、この発光素子102から出射される検出光101を受光するフォトダイオード等からなる受光素子103とを対向配置させ、ノズル34aから射出されるインク滴aが、検出光101と交差するように該検出光101をノズル面341と平行に配置させた速度検出装置100を使用して行うことができる。インク滴aが検出光101を通過すると、受光素子103の検出光量が低下し、インク滴aの通過を検出できる。従って、この検出光101の光軸の位置をノズル面341から垂直方向に0.5mmの距離となるように配置すれば、第1の駆動パルス41の印加開始からインク滴aが検出光101を通過するまでの時間を検出でき、ノズル面341から0.5mm飛翔後のインク滴aの速度を簡単に求めることができる。
この他、ノズル34aから射出されるインク滴を撮像し、そのインク滴像を画像処理することによってインク滴の速度を算出してノズル34aから0.5mm飛翔後のインク滴の速度を演算によって求めるようにしてもよい。
このようなインク滴の速度は、インクジェット記録装置1の工場出荷時等に予め測定しておき、その測定値に基づいて速度が上記範囲内となるように第1の駆動パルスの駆動電圧値を適宜調整しておくことができる。また、インクジェット記録装置1の設置稼動後は、記録ヘッド3等のメンテナンス時に、該インクジェット記録装置1に装備された速度検出装置100を用いてインク滴の速度を測定して調整すればよい。
(微振動パルス)
本発明に係るインクジェット記録装置1において、駆動パルス発生部4は、ノズル34aからインク滴を射出するチャネル31の隔壁32に形成されている駆動電極には、図12に示したような第1の駆動パルス41と第2の駆動パルス42とからなる駆動パルス40を印加して記録媒体Pに対する画像の記録動作を行うが、画像記録動作中において、画像データがなくノズル34aからインク滴を射出しないチャネル31、すなわち画像記録に関与しないチャネル31の両隔壁32に形成されている駆動電極には、第1の駆動パルス41を印加せず、第2の駆動パルス42のみを印加することが好ましい。
このパルス印加のタイミングチャートの一例を図19に示す。同図に示すように、A、B、Cのサイクルの各駆動周期において、画像記録に関与しないチャネル31が存在する場合、当該チャネル31の駆動周期においては、第1の駆動パルス41は印加せず、第2の駆動パルス42のみを印加している。
このように画像記録動作中に画像記録に関与しないチャネル31の駆動電極に第2の駆動パルス42のみを印加すると、この第2の駆動パルス42の駆動電圧値は第1の駆動パルス41の駆動電圧値の1/2であり小さいため、第2の駆動パルス42は微振動パルスとして機能し、当該チャネル31に対応するノズル34a内のメニスカスは、インク滴を射出しない程度に微振動(「揺らし」ともいう。)がかかる。これによりノズル34a内及びその近傍のインクが攪拌されて乾燥による増粘を抑制できるようになり、インク滴をより安定的に吐出できるため好ましい。
なお、本実施形態では、第2の駆動パルス42の駆動電圧値は第1の駆動パルス41の駆動電圧値の1/2としているが、これに限定されるものではなく、第2の駆動パルス42の駆動電圧値を第1の駆動パルス41の駆動電圧値よりも小さくすることが第2の駆動パルスを微振動パルスとして機能させる上で好ましい。
また、このような第2の駆動パルス42のみの印加は、画像記録の待機中に行うこともできる。画像記録の待機中とは、画像と画像との間又はシート状の記録媒体と記録媒体との間のインク滴の射出動作を行わない期間、記録媒体の交換やジャムによる記録動作の一時的な中断の期間、記録ヘッドのメンテナンスの期間等、インクジェット記録装置としては稼動しているが画像記録を一時的に休止している期間のことである。
このような画像記録の待機中は、図20に示すように、A、B、Cのサイクルの各駆動周期における全てのチャネル31に第2の駆動パルス42のみを印加する。この第2の駆動パルス42の駆動電圧値は第1の駆動パルス41の駆動電圧値の1/2であり小さいため、当該チャネル31に対応するノズル34a内のメニスカスは、インク滴を射出しない程度に微振動する。これによりノズル34a内及びその近傍のインクが攪拌されて乾燥による増粘を抑制できるようになり、インク滴をより安定的に吐出できるため好ましい。
また、画像記録再開時は、インク滴の射出を行うチャネル31の両隔壁32の駆動電極に、この第2の駆動パルス42の始端に第1の駆動パルス41の終端が連続するように該第1の駆動パルス41を付加するだけで簡単に駆動パルス40を生成及び印加することができる。
(インクジェット記録方法)
本発明に係るインクジェット記録方法は、かかるインクジェット記録装置1を用いて記録媒体Pにインクジェット画像を記録形成するものである。
記録媒体Pとしては、普通紙や上質紙等のインク吸収性の高い吸収性支持体を用いた吸収性記録媒体を用いることができるのはもちろんであるが、本発明に係るインクジェット記録方法においては、特に、非吸収性記録媒体あるいは微吸収性記録媒体を使用することが好ましい。これら非吸収性記録媒体、微吸収性記録媒体はインク吸収性に乏しいため、着弾したドット径が拡がりにくく、それに起因してベタ部分に白抜けや白スジが発生し易い記録媒体である。従って、インクジェット記録装置1においてこのような非吸収性記録媒体あるいは微吸収性記録媒体を使用することにより、インク滴の液量増量によるドット径の拡がった画像を記録形成することができるという効果をより顕著に得ることができる。
非吸収性記録媒体とは、支持体として、水を全くあるいはほとんど吸収しない疎水性樹脂からなる非吸収性支持体を用いた記録媒体であり、例えば、ポリエステルフィルム、ポリオレフィンフィルム、ポリ塩化ビニルフィルム、ポリ塩化ビニリデンフィルム等の樹脂フィルムによって形成される記録媒体が挙げられる。また、写真用印画紙であるレジンコートペーパーや合成紙であるユポ紙なども使用できる。
また、微吸収性記録媒体とは、支持体として、非吸収性記録媒体に比べてある程度水を吸収するが、吸収速度が遅く、常温常湿の通常の使用環境下では水系インクが乾かずに支障をきたす微吸収性支持体を用いた記録媒体であり、例えば、アート紙、コート紙等によって形成される記録媒体が挙げられる。
インクジェット用の記録媒体としては、基材に上記のような吸収性支持体、好ましくは非吸収性支持体あるいは微吸収性支持体を用いて、表面にインク受容層が形成されたものである。インク受容層としては、コート層、膨潤層、微細空隙層からなるものがある。
膨潤層は水溶性ポリマーからなるインク受容層が膨潤することでインクを吸収する。微細空隙層は2次粒径が20〜200nm程度の無機あるいは有機微粒子とバインダーからなり、100nm程度の微細な空隙がインクを吸収する。
記録媒体Pに対する画像記録時、使用される記録媒体Pのインク吸収速度に応じて、射出されるインク滴の液量を調整することが好ましい。例えば、相対的にインク吸収速度が速い記録媒体と遅い記録媒体とでは、速い記録媒体に対してはドット径を相対的に小さくし、遅い記録媒体に対してはドット径を相対的に大きく設定することにより、使用される記録媒体Pのインク吸収速度の程度に関わらず、白抜けや白スジのない高品質の画像を記録形成することができる。
記録媒体Pのインク吸収速度は、ブリストウ法によって測定することができる。ブリストウ法による液体転移量の測定は、JAPAN TAPPI UM405に従って、ブリストウ試験機(Bristow Tester)により測定することができる。本発明に係るインクジェット記録方法は、インクの吸収速度が10ml/(mm・s)以下の吸収性の低い記録媒体を使用して画像を記録形成する場合に、特に好ましく適用できる。
また、射出されるインク滴の液量調整は、ノズル34a内のメニスカスにかかる圧力や第1の駆動パルス41のパルス幅W1を、それぞれ上記した範囲内において適宜調整することによって行うことができる。
(水系インク)
本発明において使用される顔料を含有するインクとしては、水系インクを好ましく用いることができる。水系インクとしては、少なくとも水と顔料、水溶性樹脂、水溶性有機溶剤、および界面活性剤を含有する水系のインクジェットインクが好適である。
水系のインクジェットインクの一例としては、水溶性樹脂が、酸価が50mgKOH/g以上、130mgKOH/g以下であり、ガラス転移温度(Tg)が30℃以上、100℃以下であり、かつ重量平均分子量(Mw)が2万以上、8万以下であり、モノマーとして少なくともメタクリル酸メチル、アクリル酸アルキルエステルまたはメタクリル酸アルキルエステル、及び酸モノマーを含むモノマーから合成される共重合樹脂であって、かつメタクリル酸メチルとアクリル酸アルキルエステルとメタクリル酸アルキルエステルとの総質量が、共重合樹脂を構成する全モノマー質量に対して80%以上、95%以下である水溶性樹脂を含み、界面活性剤が少なくともフッ素系界面活性剤とポリオキシエチレンアルキルエーテル類を含むものであるものが好適である。
このようなインクを用いて記録媒体P上に記録形成された画像は高い耐擦性や接着性を有し、はじきや白抜けがない高画質な画像を記録形成することができる。特に記録媒体Pが非吸収性又は微吸収性のものであっても、記録ヘッド3から射出されるインク滴の液量増加を図ることができることと相俟って、良好な画像記録を行うことができる顕著な効果が得られる。
本発明に係るインクジェット記録装置及び記録方法は、このインクとして特に水系インクを使用すると、本発明の効果が顕著であるために好ましい。すなわち、水系インクは一般にインクの体積弾性率が大きく、従って、ある圧力室を駆動するとき、隣接する非駆動圧力室のノズルからのメニスカスの押し出しが大きくなる傾向があり、クロストークの影響が大きく見られるようになるためである。なお、ここで水系インクとは、インクの全質量に対する水分の割合が10質量%以上のものと定義する。
かかる水系インクの詳細について更に説明する。
共重合樹脂は、着色剤である顔料のバインダー(定着樹脂)として機能し、非吸収性記録媒体や微吸収性記録媒体との接着性を有し、かつ塗膜の耐擦性を向上させる機能がある。
また、該共重合樹脂には光沢が高く、光学濃度も高い画像を形成させる機能も必要とされ、このため該共重合樹脂自体が塗膜中で高い透明性を持ち、顔料、あるいは顔料分散樹脂との相溶性があることも必要である。
非吸収性記録媒体や微吸収性記録媒体に対しても高画質かつ高耐久性の印字画像を得るためにはインクの記録媒体に対する濡れ性も重要であり、非吸収性記録媒体や微吸収性記録媒体に対してよく濡れるインクほど画質や画像耐久性が高くなる。したがって、インクに添加する樹脂としては、インクの非吸収性記録媒体や微吸収性記録媒体に対する濡れ性を悪化させないことが好ましい。
特に低酸価のアクリル酸アルキルエステルまたはメタクリルアルキルエステル系の共重合樹脂で、メタクリル酸メチルとアクリル酸アルキルエステルとメタクリル酸アルキルエステルとの総質量が、共重合樹脂を構成する全モノマー質量に対して80%以上、95%以下の樹脂を添加したインクは耐擦性が良い。
アクリル酸エステルやメタクリル酸エステルをモノマーとして共重合されるアクリル系の樹脂は、周知のごとく非常に多種類のモノマーから自由に選択、設計することができ、重合しやすく、また低コストで製造できるため本発明において適している。特に、インクに添加する際に求められる多数の要求にこたえるには設計自由度の大きいアクリル系の樹脂が適している。
市販のアクリル系の樹脂には、水分散型のアクリルエマルジョンと水溶性樹脂がある。エマルジョンタイプは一般的に分子量が水溶性のものより大きく樹脂が作る皮膜強度を高めやすいメリットがあるが、一方で乾燥した皮膜は水に溶解することはない。よって、ひとたびヘッド上などで乾燥した場合、溶解除去することはできず物理的にこすってとることが必要であり、メンテナンスが困難であるものが多い。したがって共重合樹脂は水溶性樹脂が用いられる。
水溶性樹脂とは、後述する中和を行った後の共重合樹脂が、25℃の水に2質量%を超えて溶解すればよく、25℃の水に5%以上溶解することが好ましく、10%以上溶解することが更に好ましい。
共重合樹脂は酸価が50mgKOH/g以上、130mgKOH/g以下である。
本発明者は種々の水溶性樹脂について詳細に検討したところ、該共重合樹脂の酸価と耐擦性や接着性の間には密接な関係があり、該共重合樹脂の酸価が低いほど耐擦性や接着性が向上することがわかった。このことについて本発明者は、該共重合樹脂の酸価が高いと樹脂の親水性が高くなり、疎水性の基材との親和性が低くなって樹脂と基材が接着しにくくなり、逆に酸価が低いと樹脂が疎水的になり、疎水性の基材との親和性が高まって樹脂と基材とが良好に接着するためと考えている。
また、該共重合樹脂の酸価は樹脂の水溶性やインクの射出性、メンテナンス性とも関係があり、酸価が高いと樹脂の水溶性が高くなって溶解しやすくなり、インクがヘッド上などで乾燥したときに溶解除去しやすくなって物理的にこすってとる力を小さく出来、メンテナンスが容易となる。逆に、該共重合樹脂の酸価は光沢にも影響を与え、酸価が低いと光沢が向上する傾向がある。
以上のことから、共重合樹脂の酸価は50mgKOH/g以上、130mgKOH/g以下が好ましく、より好ましくは50mgKOH/g以上、100mgKOH/g以下である。
酸価は、樹脂1g中に存在する酸を中和するために必要な水酸化カリウムのミリグラム数を示し、いわゆる分子端末等に存在する酸性極性基の量を示す。酸価が高いほどカルボキシル基などの酸性基が多い。
酸価は、JISのK0070に規定された方法で測定することができる。
また、共重合樹脂はガラス転移温度(Tg)が、30℃以上、100℃以下である。Tgが30℃以上では耐擦性が高く、またブロッキングも発生しない。また、Tgが100℃以下では耐擦性が良好である。これは乾燥後の皮膜が室温で、脆くならずに柔軟性を保っているためと考えている。なお、該共重合樹脂のTgは共重合されるモノマーの種類と組成比で調整できる。
共重合樹脂の重量平均分子量(Mw)は、2万以上、8万以下である。重量平均分子量が2万以上であれば耐擦性が良好であり、8万以下であればインクの射出性やメンテナンス性が優れているためである。更に好ましい該共重合樹脂の重量平均分子量は2万5千以上、7万以下である。
共重合樹脂の重量平均分子量は重合時のモノマー濃度や開始剤の量などの反応条件で調整することができ、例えば、モノマー濃度を高くすることにより重量平均分子量を大きくしたり、開始剤の量を増やすことにより重量平均分子量を小さくすることができる。
共重合樹脂を構成する共重合させるモノマーとして、少なくともメタクリル酸メチル、アクリル酸アルキルエステルまたはメタクリル酸アルキルエステル、及び酸モノマーを含むことが、画像の耐擦性や接着性を向上させる上で必要である。
本発明者の検討の結果、アクリル酸アルキルエステルまたはメタクリル酸アルキルエステルのアルキル基の炭素数が多く、酸モノマーがアクリル酸またはメタクリル酸であること、またメタクリル酸メチルとアクリル酸アルキルエステルまたはメタクリル酸アルキルエステルの共重合比率を高くすることにより、水溶性樹脂の非吸収性記録媒体や微吸収性記録媒体に対する耐擦性や接着性が高くなる傾向があることがわかった。これはおそらく水溶性樹脂の疎水性が高いものほど非吸収性記録媒体や微吸収性記録媒体に対する耐擦性や接着性が高まるためと考えている。
一方で記録ヘッドの撥インク処理に対する撥インク性は、アクリル酸アルキルエステルまたはメタクリル酸アルキルエステルのアルキル基の炭素数が少ないほうが良い傾向があり、アクリル酸アルキルエステルまたはメタクリル酸アルキルエステルのアルキル基の炭素数が8以下であると、撥インク性に対する劣化の影響が小さくて好ましい。
したがって耐擦性や接着性と撥インク性を両立させるには、メタクリル酸メチルとアルキル基の炭素数が2〜8のアクリル酸アルキルエステルまたはメタクリル酸アルキルエステルを撥インク性が良好な量で共重合することが好ましい。
前記アルキル基の炭素数が2〜8のアクリル酸アルキルエステルまたはメタクリル酸アルキルエステルの具体例としては、アクリル酸(メタクリル酸)エチル、アクリル酸(メタクリル酸)n−ブチル、アクリル酸(メタクリル酸)i−ブチル、アクリル酸(メタクリル酸)t−ブチル、アクリル酸(メタクリル酸)n−ヘキシル、アクリル酸(メタクリル酸)シクロヘキシル、アクリル酸(メタクリル酸)オクチル、アクリル酸(メタクリル酸)2−エチルヘキシル等が挙げられる。
共重合樹脂の全モノマーに対する、アルキル基の炭素数が2〜8のアクリル酸アルキルエステルまたはメタクリル酸アルキルエステルの共重合比率は、その質量比が5質量%以上であると耐擦性や接着性の点で好ましく、50質量%以下であるとインクジェットヘッドの撥インク処理に対する撥インク性の点で好ましい。より好ましくは5質量%以上、40質量%以下である。
メタクリル酸メチルは該共重合樹脂の原料となる全モノマーに対して15〜85質量%添加されることが好ましく、40〜80質量%添加されることが更に好ましい。
さらにメタクリル酸メチルとアクリル酸アルキルエステルとメタクリル酸アルキルエステルとの総質量が、共重合樹脂を構成する全モノマー質量に対して80%以上、95%以下であることが耐擦性や接着性の点で必要である。
酸モノマーとしては、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、マレイン酸ハーフエステルなどが挙げられる。なかでも、アクリル酸、メタクリル酸は射出安定性が高く、またメンテナンス性も良好で好ましい。
共重合樹脂で共重合されるモノマーとしては、前記のメタクリル酸メチル、アクリル酸アルキルエステル類やメタクリル酸アルキルエステル類、酸モノマー以外に、耐擦性や撥インク性、メンテナンス性を損なわない限りスチレンなど他のモノマーを含んでもかまわない。
共重合樹脂は、顔料を分散する前に添加されてもよいし、分散した後で添加されても良いが、分散した後で添加されることが好ましい。顔料に対する共重合樹脂の質量比は1倍以上、20倍以下であることが好ましい。
共重合樹脂は、インク中に、1質量%〜20質量%添加することが好ましい。更に好ましくは、3質量%から15質量%である。
共重合樹脂は、顔料固形分に対する質量比が1倍以上であれば良好な画像の耐擦性や接着性、光沢が得られ、質量比が20倍以下であればインクの射出性やメンテナンス性が損なわれないため好ましい。より好ましくは質量比が1倍以上、10倍以下である。
かかる水系インクには共重合樹脂以外の樹脂を併せて使用できる。インクに含有される全樹脂に対する該共重合樹脂の好ましい含有率は50質量%以上、100質量%以下である。
共重合樹脂は、酸モノマーに相当する部分の全部あるいは一部を塩基で中和して用いることが好ましい。中和塩基としては、アルカリ金属含有塩基(例えば、NaOH、KOH等)、アミン類(例えば、アルカノールアミン、アルキルアミン等)又はアンモニアを用いることが好ましい。
特に、沸点が100℃以上、200℃以下のアミン類で中和することは、該共重合樹脂をインクに溶解したり、画像耐久性を向上させる上で好ましく、N,N−ジメチルアミノエタノール、2−アミノ−2−メチルプロパノールなどが射出安定性上特に好ましい。
中和塩基の添加量は、少なすぎると該共重合樹脂の中和による効果が得られず、多すぎると画像の耐水性や変色、臭気などの課題があるため、前記共重合樹脂の酸基の化学当量に対し、0.8倍以上3倍未満の化学当量が好ましく、インクに対しては0.1質量%以上、1質量%以下含有することが好ましい。
次に、界面活性剤について説明する。
界面活性剤を添加してインクの表面張力を低くコントロールすることで、非吸収性記録媒体や微吸収性記録媒体に対して、印字面のはじきがなく、インク混じりを抑えることができ、高画質な印字画像が得られる。
この表面張力とは、液体においてその表面積をできるだけ小さくしようと作用する力で、この表面張力をコントロールすることで液体の固体への濡れ性を制御でき、表面張力が低いほど疎水性の基材に濡れやすくなる。なお表面張力は、液体がほとんど流動していない状態での表面張力である静的表面張力と、界面が流動している状態での表面張力である動的表面張力とがあり、どちらもインクジェットで画像を形成する上で重要である。
インクの静的表面張力はインクを印字して画像を形成したときに基材に対するインクの濡れの指標となり、疎水的な基材に対してインクの静的表面張力が高いと印字後数秒以内にインクがはじいてしまい、画質が低下する。一方で動的表面張力はインク滴が基材に着弾した瞬間の広がりに影響し、動的表面張力が高いとインク滴が広がらず、着弾して形成されるドットが小さくなり、ベタ印字部分の画像が埋まらずに白い抜けが発生する。
定着樹脂を使ったインクにおいては、界面活性剤の種類によってはインクを長期間保存するとインクの静的表面張力が上昇することがあり、保存後のインクを使って非吸収性記録媒体や微吸収性記録媒体に印字すると印字面にはじきなどが発生して画質が低下することがあった。
この現象について本発明者は次のように考えている。すなわち、前記の定着樹脂で特に水溶性の定着樹脂を使用した場合、樹脂は酸価が低く水溶性が低下している上に疎水的なアルキル基を有している。この定着樹脂が水を主成分とするインク中に溶解しているところに界面活性剤が加わったとき、疎水的な定着樹脂に対して通常は界面活性剤が吸着と脱着を繰り返していると思われる。このときインクを長期間保存すると、界面活性剤は高分子である定着樹脂に徐々にからめとられて脱着できなくなってしまい、有効に働くことができる界面活性剤の量が減ってしまって、表面張力が上昇してしまうと考えられる。
このインクの長期間保存後に静的表面張力が上昇する現象は、前記の定着樹脂を使ったインクの場合に顕著に起こる現象であって、通常の酸価が大きく水溶性が高い水溶性樹脂では樹脂そのものが親水的であるため界面活性剤が吸着せず、長期間保存しても静的表面張力の上昇はほとんど起こらない。
この現象に対して本発明者は、界面活性剤としてフッ素系界面活性剤を使うと、インクを長期間保存しても静的表面張力の変動がなくなることを見出した。
これについては次のように考えている。すなわち、界面活性剤は疎水的な定着樹脂にからめとられてしまうのだが、界面活性剤の分子中の疎水的な部分の長さが長いものほど高分子に絡まりやすく、保存後の静的表面張力の低下が大きくなると考えられる。これに対してフッ素系の界面活性剤は、フッ素の強力な疎水性作用を利用した界面活性剤であり、分子中のフッ素を含む疎水的な部分の長さが短くても十分に界面活性作用を発現するため、他の界面活性剤よりも分子中の疎水的な部分の長さが短い。そのため他の界面活性剤よりも定着樹脂にからめとられにくく、長期間保存をしても静的表面張力の低下が起こりにくいものと考えている。
しかしながら、界面活性剤としてフッ素系界面活性剤だけを使用するとインク滴から形成されるドットが他の界面活性剤よりも小さくなり、画像に白抜けが発生することがあった。これはフッ素系界面活性剤は静的表面張力を下げる作用は大きいものの、動的表面張力を下げる作用があまりないためである。
そこで、フッ素系界面活性剤にさらに動的表面張力を低下させるポリオキシエチレンアルキルエーテル類の界面活性剤を併用することで、前記の定着樹脂を使ったインクでも長期間保存しても静的表面張力の変動がなく、印字後のはじきを抑制でき、さらにドットが縮小して画像に白抜けが発生したりすることもなくなり、高画質な画像の形成を長期間にわたり維持できることを見出したものである。
フッ素系界面活性剤について説明する。
フッ素系界面活性剤は通常の界面活性剤の疎水性基の炭素に結合した水素の代わりに、その一部または全部をフッ素で置換したものを意味する。この内、分子内に直鎖または分岐のパーフルオロアルキル基またはパーフルオロアルケニル基を有するものが好ましい。
好ましいフッ素系界面活性剤として下記一般式(1)のものがあげられる。
Figure 2013027715
式中、Rは直鎖または分岐のパーフルオロアルキル基またはパーフルオロアルケニル基を表し、Xは2価の連結基、例えばエチレン基、フェニレン基、酸素原子などを表し、Yは水溶性基、例えばカルボン酸塩、スルホン酸塩などのアニオン性基や4級アンモニウム塩などのカチオン性基、またはポリエチレンオキサイド基のようなノニオン性基を表し、nは0または1の整数を表す。
さらにフッ素系界面活性剤において、該パーフルオロアルキル基またはパーフルオロアルケニル基の主鎖の炭素数が3以上、6以下であると、定着樹脂に界面活性剤がからめとられにくくなるため、長期間の保存による静的表面張力の上昇がより抑制できてさらに好ましい。
該フッ素系界面活性剤のうち、ある種のものは大日本インキ化学工業社からメガファック(Megafac)Fなる商品名で、旭硝子社からサーフロン(Surflon)なる商品名で、ミネソタ・マイニング・アンド・マニファクチュアリング・カンパニー社からフルオラッド(Fluorad)FCなる商品名で、インペリアル・ケミカル・インダストリー社からモンフロール(Monflor)なる商品名で、イー・アイ・デュポン・ネメラス・アンド・カンパニー社からゾニルス(Zonyls)なる商品名で、またファルベベルケ・ヘキスト社からリコベット(Licowet)VPFなる商品名で、またNEOS社からフタージェントなる商品名でそれぞれ市販されている。
次に、ポリオキシエチレンアルキルエーテル類の界面活性剤について説明する。
ポリオキシエチレンアルキルエーテル類の界面活性剤はいかなるものも使用できるが、好ましいものとして下記一般式(2)のものがあげられる。
Figure 2013027715
式中、Rは直鎖または分岐のアルキル基を表し、Xは2価の連結基、例えばエチレン基、フェニレン基、酸素原子などを表し、mは0または1の整数を表し、kは10〜30の整数を表す。
さらにポリオキシエチレンアルキルエーテル類として、一般式(2)のRの炭素数が4以上9以下の直鎖または分岐のアルキル基であることが定着樹脂に界面活性剤がからめとられにくくなるため好ましく、分岐のアルキル基がより好ましい。
該ポリオキシエチレンアルキルエーテル類の界面活性剤は各社から多数市販されているが、例えばビックケミー社からBYK−DYNWET800なる商品名で市販されている。
かかる水系インクには、前記界面活性剤以外も加えて使用することができ、例えば、ジアルキルスルホコハク酸塩類、アルキルナフタレンスルホン酸塩類、脂肪酸塩類等のアニオン性界面活性剤、アセチレングリコール類などのノニオン性界面活性剤、アルキルアミン塩類、第四級アンモニウム塩類等のカチオン性界面活性剤が挙げられる。
本発明に使用されるインクに使用できる顔料としては、従来公知の有機又は無機顔料を使用できる。例えばアゾレーキ、不溶性アゾ顔料、縮合アゾ顔料、キレートアゾ顔料等のアゾ顔料や、フタロシアニン顔料、ペリレン及びペリレン顔料、アントラキノン顔料、キナクリドン顔料、ジオキサンジン顔料、チオインジゴ顔料、イソインドリノン顔料、キノフタロン顔料等の多環式顔料や、塩基性染料型レーキ、酸性染料型レーキ等の染料レーキや、ニトロ顔料、ニトロソ顔料、アニリンブラック、昼光蛍光顔料等の有機顔料、カーボンブラック等の無機顔料が挙げられる。
好ましい具体的な有機顔料を以下に例示する。
マゼンタまたはレッド用の顔料としては、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。
オレンジまたはイエロー用の顔料としては、C.I.ピグメントオレンジ31、C.I.ピグメントオレンジ43、C.I.ピグメントイエロー12、C.I.ピグメントイエロー13、C.I.ピグメントイエロー14、C.I.ピグメントイエロー15、C.I.ピグメントイエロー17、C.I.ピグメントイエロー74、C.I.ピグメントイエロー93、C.I.ピグメントイエロー94、C.I.ピグメントイエロー128、C.I.ピグメントイエロー138等が挙げられる。
グリーンまたはシアン用の顔料としては、C.I.ピグメントブルー15、C.I.ピグメントブルー15:2、C.I.ピグメントブルー15:3、C.I.ピグメントブルー16、C.I.ピグメントブルー60、C.I.ピグメントグリーン7等が挙げられる。
上記の顔料は、水系インク中で安定な分散状態を保つために、各種の加工がされ、顔料分散体が作製される。
該分散体は水系で安定に分散できるものであればよく、高分子の分散樹脂により分散した顔料分散体、水不溶性樹脂で被覆されたカプセル顔料、顔料表面を修飾し分散樹脂を用いなくても分散可能な自己分散顔料等から選択することができる。
また顔料の分散樹脂として、前記共重合樹脂を用いて分散しても良い。
顔料の分散方法としては、ボールミル、サンドミル、アトライター、ロールミル、アジテータ、ヘンシェルミキサ、コロイドミル、超音波ホモジナイザー、パールミル、湿式ジェットミル、ペイントシェーカー等各種を用いることができる。
前記顔料分散体の粗粒分を除去する目的で遠心分離装置を使用すること又はフィルターを使用することも好ましく用いられる。
また、顔料として水不溶性樹脂で被覆されたカプセル顔料を用いても良い。水不溶性樹脂とは、弱酸性ないし弱塩基性の範囲の水に対して不溶な樹脂であり、好ましくは、pH4〜10の水溶液に対する溶解度が2質量%以下の樹脂である。
該水不溶性樹脂として好ましくは、アクリル系、スチレン−アクリル系、アクリロニトリル−アクリル系、酢酸ビニル系、酢酸ビニル−アクリル系、酢酸ビニル−塩化ビニル系、ポリウレタン系、シリコーン−アクリル系、アクリルシリコン系、ポリエステル系、エポキシ系の各樹脂を挙げることができる。
前記分散樹脂または前記水不溶性樹脂の分子量として好ましくは、重量平均分子量で、3千から50万のものを用いることができ、更に好ましくは、7千〜20万のものを用いることができる。
該分散樹脂または該水不溶性樹脂のTgは、好ましくは−30℃〜100℃程度のものを用いることができ、更に好ましくは−10℃〜80℃程度のものを用いることができる。
顔料と、該分散樹脂または該水不溶性樹脂との質量比率は、好ましくは顔料/樹脂比で100/150以上、100/30以下の範囲で選択することができる。顔料/樹脂比が100/150未満であると、顔料に吸着していない分散樹脂または顔料を被覆していない水不溶性樹脂がインク中に多く存在するようになり、インクの射出安定性や保存安定性を劣化させることがある。特に画像耐久性と射出安定性やインク保存性が良好なのは100/100以上、100/40以下の範囲である。
前記水不溶性樹脂で被覆された顔料粒子の平均粒子径は、80ないし150nm程度がインク保存安定性、発色性の観点から好ましい。
顔料を水不溶性樹脂で被覆する方法としては公知の種々の方法を用いることができるが、好ましくは、水不溶性樹脂をメチルエチルケトンなどの有機溶剤に溶解し、さらに塩基にて樹脂中の酸性基を部分的、もしくは完全に中和後、顔料およびイオン交換水を添加し、分散したのち、有機溶剤を除去、必要に応じて加水し調整する製造方法が好ましい。または、顔料を重合性界面活性剤を用いて分散し、そこへモノマーを供給し、重合しながら被覆する方法も好ましい。
また、自己分散顔料としては表面処理済みの市販品を用いることもでき、好ましい自己分散顔料として、例えば、CABO−JET200、CABO−JET300(キャボット社製)、ボンジェットCW1(オリエント化学工業(株)社製)等を挙げることができる。
かかる水系インクには水溶性有機溶剤が含まれるが、水溶性有機溶剤としては低表面張力の水溶性有機溶剤であることが好ましい。
低表面張力の水溶性有機溶剤を添加することで、軟質塩ビシートをはじめ種々の疎水性樹脂からなる記録媒体や、印刷本紙などの吸収が遅い紙支持体に対しても、インク混じりを一層抑えることができ、高画質な印字画像を得られるからである。低表面張力の水溶性有機溶剤は、塩化ビニルなどに対してインクの濡れ性を改善する作用があるほか、前記共重合樹脂を用いた場合、インク中の水分の乾燥にともなうインクの増粘性を向上する作用があるためと考えられる。
特に、グリコールエーテル類もしくは1,2−アルカンジオール類を添加することは好ましく、具体的には下記の低表面張力の水溶性有機溶剤を用いることが好ましい。
グリコールエーテル類としてはエチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジ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ブチルエーテル、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル等が挙げられる。
また、1,2−アルカンジオール類としては、1,2−ブタンジオール、1,2−ペンタンジオール、1,2−ヘキサンジオール、1,2−ヘプタンジオール等が挙げられる。
また、塩化ビニルなどの記録媒体を溶解もしくは軟化あるいは膨潤しうる溶剤を添加することは好ましい。塩化ビニルと該共重合樹脂の接着性が一層向上し、画像の接着性、耐擦性が向上するため好ましい。
このような溶剤としては、窒素、もしくはイオウ原子を含む環状溶剤、環状エステル溶剤、乳酸エステル、アルキレングリコールジエーテル、アルキレングリコールモノエーテルモノエステル及びジメチルスルフォキシドが挙げられる。
該窒素原子を含有する環状溶剤の好ましい具体例としては、環状アミド化合物が好ましく、5〜8員環が好ましく、たとえば、2−ピロリドン、N−メチル−2−ピロリドン、N−エチル−2−ピロリドン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、ε−カプロラクタム、メチルカプロラクタム、2−アザシクロオクタノン等が挙げられる。
該イオウ原子を含有する環状溶剤の好ましい具体例としては、環状の5〜7員環が好ましく、たとえば、スルフォラン等が挙げられる。
該環状エステル溶剤の好ましい具体例としては、γ−ブチロラクトン、ε−カプロラクトンが、乳酸エステルとしては乳酸ブチル、乳酸エチルなどが挙げられる。
該アルキレングリコールジエーテルの好ましい具体例としては、ジエチレングリコールジエチルエーテルが挙げられる。
該アルキレングリコールモノエーテルモノエステルの好ましい具体例としては、ジエチレングリコールモノエチルモノアセテートが挙げられる。
その他に、アルコール類(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イソブタノール、セカンダリーブタノール、ターシャリーブタノール)、多価アルコール類(例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、ブチレングリコール、ヘキサンジオール、ペンタンジオール、グリセリン、ヘキサントリオール、チオジグリコール)、アミン類(例えば、エタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、N−メチルジエタノールアミン、N−エチルジエタノールアミン、モルホリン、N−エチルモルホリン、エチレンジアミン、ジエチレンジアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ポリエチレンイミン、ペンタメチルジエチレントリアミン、テトラメチルプロピレンジアミン)、アミド類(例えば、ホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等)、等が挙げられる。
(UVインク)
本発明において、顔料を含有するインクとしては、以上のような水系インクの他、顔料を含有するUVインクを用いることもできる。一般にUVインクは高粘度であり、着弾したインク滴によるドット径が拡がりにくく、ベタ部分において白抜けや白スジが発生し易いが、本発明におけるインク滴の液量増量効果によって、UVインクを用いて非吸収性又は微吸収性の記録媒体に画像記録を行っても、ドット径を拡げることができ、白抜けや白スジの発生が抑制された高品質な画像を記録形成することができる。
UVインクに用いられる光反応性樹脂としては、例えば重合系モノマー、重合系オリゴマー等が使用できる。重合系モノマーとしては、ラジカル重合性モノマー、カチオン重合性モノマー等が好ましい。単官能、二官能、三官能以上の多官能モノマーを併用することも好ましい。光ラジカル開始剤、光カチオン開始剤は、従来公知のものを用いることができる。
かかるUVインクを使用する場合、インクジェット記録装置1には、図示しないが、記録ヘッド3によって画像が記録形成された直後の記録媒体Pの表面に向けて紫外線を照射するUVランプ等の紫外線照射手段が配置される。
(記録媒体の加熱工程)
本発明に係るインクジェット記録方法において、画像記録前、画像記録中、画像記録後の少なくともいずれかにおいて、記録媒体Pを、画像記録面の裏面から加熱する加熱工程を有することが好ましい。特に、上記の水系インクを用いた場合、光沢が高く、耐擦性や接着性の高い画像を記録形成できる効果をより発揮することができる。加熱は記録媒体Pの画像記録面の裏面から行うので、画像を傷める心配はない。
加熱手段としては、記録媒体Pの画像記録面の裏面を接触又は非接触で所定温度に加熱させることができるものであればよく、特に制限はないが、例えば図1に示すように、無端ベルト23を挟んで記録ヘッド3と反対側の面にフラットヒーター6を配置し、このフラットヒーター6によって無端ベルト23上に載置された記録媒体Pにおける画像記録面の裏面側を加熱するようにすることができる。
フラットヒーター6の大きさや位置を適宜設定することにより、加熱部位を記録ヘッド3の上流側(画像記録前)にしたり、記録ヘッド3の直下(画像記録中)にしたり、記録ヘッド3の下流側(画像記録後)にしたりすることができる。また、記録ヘッド3の上流、直下、下流のいずれか1箇所のみならず、いずれか2箇所以上で加熱を行うようにしてもよい。図1では、フラットヒーター6によって、記録ヘッド3の上流から下流に亘って広範囲に加熱を行う態様を示している。
また、図示しないが、無端ベルト23を回転駆動させるローラー21、22のいずれか又は両方に、内部に例えばハロゲンランプ等の熱源を設けた加熱ローラーを用い、無端ベルト23を介して、その上面に載置された記録媒体Pを加熱するようにしてもよい。
更に、記録媒体Pを搬送する搬送手段として、図1に示したような無端ベルト23ではなく、図21(a)に示すように、記録ヘッド3を挟んでその上流及び下流でローラー対24、25によって挟持しながら記録媒体Pを搬送する搬送手段2Aを備えたインクジェット記録装置とした場合、記録媒体Pの裏面側を支持するプラテン26に、上記フラットヒーターのような加熱部61を設けるようにしてもよいし、図21(b)に示すように、搬送を行うローラー対24、25のうち、記録媒体Pの裏面側に配置される支持ローラー24a、25aに、例えば内部にハロゲンランプ等の熱源62を設けた加熱ローラーを用い、記録媒体Pの裏面を加熱ローラーと接触させて加熱するようにしてもよい。熱源62は支持ローラー24a又は25aのいずれかでもよい。
加熱温度は、30℃以上70℃以下とすることが好ましい。30℃以上に設定すれば、印字物の光沢性が良好となり、70℃以下であれば、記録媒体Pの変形等がなく搬送性に支障をきたすことがない。
(記録媒体の乾燥工程)
以上のような加熱工程に加えて、あるいは加熱工程に代えて、画像記録後の記録媒体Pの乾燥を行う乾燥工程を設けることも好ましい。
乾燥手段としては、特に制限はないが、例えば、上記加熱手段と同様に、接触させて乾燥させる場合は、加熱ローラーやフラットヒーターを記録媒体Pの裏面側に接触させて加熱乾燥させることができる。また、非接触で行う場合は、記録媒体Pの画像記録面側から、ドライヤー等によって温風を吹き付ける方法、ハロゲンランプ等を使った赤外線等の放射熱を利用する方法を用いることができる。図1では、加熱工程に加えて、搬送手段2の下流側に、該搬送手段2から搬出された記録媒体Pに温風を吹き付けて乾燥する乾燥装置7を設けた態様を示している。
その他の乾燥手段として、減圧処理によってインク中の揮発成分を除去する方法、マイクロ波乾燥等の電磁波による乾燥を用いることもできる。乾燥手段は、これらのいずれか一種のみならず、複数種を適宜組み合わせて使用してもよい。
乾燥温度は、30℃以上70℃以下とすることが好ましい。30℃以上に設定すれば、印字物の光沢性が良好となり、70℃以下であれば、記録媒体Pの変形等がなく搬送性に支障をきたすことがない。
以下、本発明の効果を実施例によって例証するが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
<インク1>
(シアン顔料分散体の調製)
顔料分散剤としてDISPERBYK−190(ビックケミー社製)15質量%をイオン交換水60質量%に加え、ここへ2−ピロリジノン10質量%を混合した。この溶液にC.I.ピグメントブルー15:3を15質量%添加し、プレミックスした後、0.5mmジルコニアビーズを体積率で50質量%充填したサンドグラインダーを用いて分散し、顔料固形分15質量%のシアン顔料分散体を得た。
(インク1の調製)
ジョンクリル70J(BASF社製)20質量%に、イオン交換水33.5質量%、ジプロピレングリコールプロピルエーテル10質量%、ジプロピレングリコールメチルエーテル10質量%、2−ピロリジノン5質量%、フッ素系界面活性剤メガファック(Megafac)F0.5質量%、ポリオキシエチレンアルキルエーテル類の界面活性剤BYK−DYNWET800(ビックケミー社製)1質量%加えて攪拌した。次いで、前記攪拌混合液に前記シアン顔料分散体を20質量%加えて攪拌した後、1μmのフィルターによりろ過して水系インクからなるインク1を得た。
表面張力計CBVP式A−3型(協和科学社製)を用いて表面張力を測定したところ、26mN/mであった。
<インク2>
以下に示す組成のUVインクからなるインク2を得た。
顔料:ピグメントレッド122(マゼンタ顔料)4.10質量%
顔料分散剤:アジスパーPB822(味の素ファインテクノ社製)1.60質量%
オキタセン化合物:OXT221(東亞合成社製)38.26質量%
OXT212(東亞合成社製)15.00質量%
脂環式エポキシ:セロキサイド2021P(ダイセル化学社製、分子量252)10.00質量%
サイクロマーM100(ダイセル化学社製、分子量196)20.00質量%
光酸発生剤:CPI−100(サンアプロ社製、プロピレンカーボネート50%溶液)8.00質量%
増感剤:DEA(川崎化成社製)2.00質量%
増感助剤:IRGANOX1076(チバ・ジャパン社製)1.00質量%
界面活性剤:KF351(信越化学工業社製)0.04質量%
インク1と同様に表面張力を測定したところ、31mN/mであった。
<実施例1〜7、比較例1〜3>
図2と同様のせん断モード型の記録ヘッド(ノズル径:27μm、ノズル密度:360dpi、ノズル面と記録媒体との距離:2mm)を用い、図4と同様の矩形波(1AL=5.1μs、駆動電圧比=|+Von/−Voff|=2/1)からなる駆動パルスを用いて3サイクル駆動法によって駆動した。
ノズル内のメニスカスにかかる圧力は、実施例1〜7及び比較例1〜3の全てにおいて−10cmAqに設定し、第1の駆動パルスのパルス幅W1を、実施例1〜7及び比較例1〜3において、表1に示す通りに変化させたときの以下に示す各評価を行った。
なお、第2の駆動パルスのパルス幅W2は全て2ALとし、ノズル面から0.5mm飛翔後の液滴速度が表1に示す速度となるようにそれぞれ駆動電圧比=|+Von/−Voff|=2/1を維持した状態で、第1の駆動パルスの駆動電圧+Vonを表1に示すように調整した。
・評価1:白スジ評価
ライン型の記録ヘッドを用い、搬送速度1m/sで記録媒体(PVCフィルム)を搬送し、5cm四方のベタ画像を形成し、そのときの白スジの有無を目視観察することにより以下の基準に従って評価した。
◎:白スジの無い良好な画像を得ることができた。
○:白スジがところどころ見られるが、許容できるレベルである。
△:白スジが画像の半分程度に見られる。
×:白スジが画像全体に見られる。
・評価2:着弾位置ずれ評価
シリアル型の記録ヘッドを用い、記録媒体の搬送方向に対して垂直の1ドットの細線を双方向印字2パスで描画し、そのときの細線に対してドットの位置ずれを以下の基準に従って評価した。駆動周波数は10kHzに設定した。
◎:着弾位置ずれが全く無い良好な画像を得ることができた。
○:視認できる程度に着弾位置ずれがあるが、許容できるレベルである。
△:0.1〜0.5mm程度の着弾位置ずれが見られる。
×:0.5〜1mm程度の着弾位置ずれが見られる。
・評価3:偶奇ノズル切り替え駆動時の射出安定性
評価1で用いた記録ヘッドを用いて単体射出評価を行った。駆動周期5AL周期駆動で、1秒毎に偶数ノズル(偶数番目のノズル)と奇数ノズル(奇数番目のノズル)を切り替えて射出した際の安定射出性を以下の基準に従って評価した。
◎:液滴速度7m/s以上までインク欠(不射出)が無く良好に射出可能であった。
○:液滴速度6m/s以上までインク欠無く良好に射出可能であった。
△:液滴速度5m/s以上までインク欠無く良好に射出可能であった。
×:液滴速度4〜5m/sでインク欠、曲がりが発生した。
・評価4:駆動電圧と液量の測定
評価1で用いた記録ヘッドを用いて単体射出評価を行い、表1に示す液滴速度となる時の第1の駆動パルスの駆動電圧+Vonと液量を測定した。駆動周波数は10kHzに設定した。
Figure 2013027715
表1に示す通り、本発明である実施例1〜7は、評価1〜3のいずれも△以上の評価であり、全く白スジが発生しない又は許容できる程度のドット径となり、インク滴の液量は十分であった。
しかし、比較例1、2では、第1の駆動パルスのパルス幅W1が本発明外となってドット径が小さく、白スジが画像全体に発生し、特に比較例1では着弾位置ずれが大きくなった。比較例3では、ドット径は大きくなったが、駆動電圧が大幅に上昇し、偶奇ノズル切替駆動時の射出安定性が悪く、インク欠や曲がりが発生した。
なお、実施例2では、実用上問題はないが、ノズル面から0.5mm飛翔後の液滴速度が4m/sであり、やや遅いため、液滴速度の遅さに起因すると思われる僅かな着弾位置ずれが発生した。
また、実施例3では、実用上問題はないが、ノズル面から0.5mm飛翔後の液滴速度が9m/sであり、やや速いため、液滴速度の速さに起因すると思われる僅かなサテライトが発生した。
<実施例8〜12、比較例4〜5>
上記同様のせん断モード型の記録ヘッド(ノズル径:27μm、ノズル密度:360dpi、ノズル面と記録媒体との距離:2mm)を用い、図4と同様の矩形波(1AL=5.1μs、駆動電圧比=|+Von/−Voff|=2/1)からなる駆動パルスを用いて3サイクル駆動法によって駆動した。インクはいずれもインク1を使用した。
第1の駆動パルスのパルス幅W1を全て7.7μs(=1.5AL)に固定し、ノズル内のメニスカスにかかる圧力を、実施例8〜12及び比較例4〜5において、表2に示す通りに変化させたときの、前記した評価1:白スジ評価及び前記した評価3:偶奇ノズル切替駆動時の射出安定性評価の他、以下に示す評価5を行った。評価1ではノズル面から0.5mm飛翔後の液滴速度を6m/sになるように駆動電圧比=|+Von/−Voff|=2/1を維持した状態で、第1の駆動パルスの駆動電圧+Vonを設定した。
なお、第2の駆動パルスのパルス幅W2を表2に示す通り変化させた。
・評価5:連続射出安定性評価
評価1で用いた記録ヘッドを用いて単体射出評価を行った。駆動周期5AL周期駆動で、連続60チャネル駆動した際の安定射出性を以下の基準に従って評価した。
◎:液滴速度8m/s以上までインク欠(不射出)無く良好に射出可能であった。
○:液滴速度6m/s以上までインク欠無く良好に射出可能であった。
△:液滴速度5m/s以上までインク欠無く良好に射出可能であった。
×:液滴速度4〜5m/sでインク欠、曲がりが発生した。
Figure 2013027715
表2に示す通り、本発明である実施例8〜12は、評価1、3、5のいずれも△以上の評価であり、全く白スジが発生しない又は許容できる程度のドット径となり、インク滴の液量は十分であることが評価できた。
しかし、比較例4では、ノズル内のメニスカスにかかる圧力が本発明外(―20cmAq未満)となってインク滴の液量増量効果が得られなかった。特に比較例4では、評価5においてメニスカスブレイクが発生し、比較例5では、ノズル内のメニスカスにかかる圧力が本発明外(―5cmAqより大)となって隣接ノズルが駆動する際のメニスカス押出しが増加してしまい、射出安定性が悪いものであった。
なお、実施例11では、実用上問題はないが、第2の駆動パルスのパルス幅W2が2ALよりも小さいため、隣接ノズルのキャンセルタイミングが早くなり、偶奇切替駆動時のメニスカス押し出しがやや増加し、評価3は△の評価となった。
また、実施例12では、実用上問題はないが、第2の駆動パルスのパルス幅W2が2ALよりも大きいため、次の射出がスタートするまでの休止期間が短くなり、評価5の連続射出ではやや不安定の△の評価となった。
1:インクジェット記録装置
2、2A:搬送手段
21、22:ローラー
23:無端ベルト
24、25:ローラー対
24a、25a:支持ローラー
3:記録ヘッド
31、31A〜31C:チャネル(圧力発生室)
32、32A〜32D:隔壁(電気・機械変換手段)
32a:上壁部
32b:下壁部
33:カバー基板
33a:共通流路
34:ノズルプレート
34a:ノズル
341:ノズル面
35:プレート
35a:インク供給口
36A〜36C:駆動電極
4:駆動パルス発生部
5:インク供給部
51:メインタンク
52、53:インク供給管
54:送液ポンプ
55、55A:サブタンク
550:ケーシング
550a:基準面
551:凹部
551a:開口部
552:可撓性膜
553:内部空間
554:弾性部材
555:付勢力調整ねじ
56:液量検出装置
57:圧力検出装置
58:大気開放弁
59:開閉弁
6:フラットヒーター
61:加熱部
62:熱源
7:乾燥装置
40、400、403:駆動パルス
41、401、404:第1の駆動パルス
42、402、405:第2の駆動パルス
100:速度検出装置
101:検出光
102:発光素子
103:受光素子

Claims (9)

  1. 電気・機械変換手段からなる隔壁により区画され、該電気・機械変換手段の作動により前記隔壁を変形させて圧力を発生する複数の圧力発生室と、該圧力発生室に連通して圧力の作用によりインク滴を射出するノズルと、前記圧力発生室に顔料を含有するインクを供給するインク供給部と、前記電気・機械変換手段を駆動する駆動パルス発生手段とを有し、前記隔壁を挟んで互いに隣合う3つの前記圧力発生室を1つの組として前記圧力発生室を複数の組に分け、各組内の前記圧力発生室を順次駆動させてインク滴を前記ノズルから射出するように駆動制御されるインクジェット記録装置において、
    前記駆動パルス発生手段は、前記ノズル内のメニスカスにかかる圧力が−20cmAq以上−5cmAq以下の範囲内に設定された条件下で、前記圧力発生室内に負の圧力を発生させる第1の駆動パルスと、これに続き前記圧力発生室内に正の圧力を発生させる第2の駆動パルスとを前記電気・機械変換手段に印加して前記ノズルからインク滴を射出させ、
    前記第1の駆動パルスのパルス幅W1は、前記圧力発生室における圧力波の音響的共振周期の1/2をALとしたとき、1.4AL≦W1<1.8ALに設定されていることを特徴とするインクジェット記録装置。
  2. 前記第2の駆動パルスのパルス幅W2は2AL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記録装置。
  3. 前記第1の駆動パルス及び前記第2の駆動パルスは矩形波であることを特徴とする請求項1又は2記載のインクジェット記録装置。
  4. 前記駆動パルス発生手段は、前記ノズルからインク滴を射出する前記圧力発生室の前記電気・機械変換手段には前記第1の駆動パルスと前記第2の駆動パルスを印加し、前記ノズルからインク滴を射出しない前記圧力発生室の前記電気・機械変換手段には前記第2の駆動パルスのみを印加することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のインクジェット記録装置。
  5. 前記ノズルから0.5mm飛翔後のインク滴の速度が、6m/s以上8m/s以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のインクジェット記録装置。
  6. 前記インクは水系インクであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のインクジェット記録装置。
  7. 前記インクはUVインクであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のインクジェット記録装置。
  8. 請求項1〜7のいずれかに記載のインクジェット記録装置を用いて、記録媒体として非吸収性記録媒体あるいは微吸収性記録媒体にインクを射出して画像記録を行うことを特徴とするインクジェット記録方法。
  9. 画像記録前、画像記録中、画像記録後の少なくともいずれかにおいて、前記記録媒体を、画像記録面の裏面から加熱する加熱工程を有することを特徴とする請求項8記載のインクジェット記録方法。

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