JP2011202088A - インクジェット式記録装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】記録媒体に対しノズルから水性インクを噴射するインクジェットヘッドを備え、上記水性インクに、脂肪酸、及び、該脂肪酸を乳化して水中に分散させる脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウム、が添加されている、インクジェット式記録装置を採用する。
【選択図】図4
Description
特許文献1には、油供給手段でノズル形成面に油を供給し、油引き込み手段でノズル形成面に供給された油をノズル内に引き込ませることで、ノズルを保湿してノズル抜けを抑制するインクジェット式記録装置が開示されている。
このような構成を採用することによって、本発明では、水に難溶の脂肪酸を、脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウムを用いて乳化し、水性インクの溶媒中(水中)に分散させる。このインクが、ノズル先端で大気に触れてその水分が蒸発すると、水に難溶の脂肪酸がインク表面に単分子膜に近い液体油膜を張り、水分蒸発を抑制する。このため、インクが増粘することによるノズル抜けを抑制することができる。
脂肪酸をインクの表面に析出させるには、脂肪酸は水への溶解性が高くないこと、すなわち、HLB値が3以下の親油性であることが好ましい。一方、親油性の脂肪酸をインク中に安定して分散させるには、脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウムは水への溶解性が高いこと、すなわち、HLB値が12以上の親水性であることが好ましい。
このような構成を採用することによって、本発明では、セルロース(紙)の臨界表面張力よりもインクの表面に析出した脂肪酸の表面張力を低くすることで、紙への浸透性を確保する。
インク表面が脂肪酸の油膜で覆われると、吐出インクの1発目は、当該油膜を伴って吐出される。油膜の表面張力が紙の臨界表面張力よりも高いと、紙上でインクが濡れている状態が維持されて、紙搬送ローラーにインクが付着したり、手にインクが付着しやすくなる。
このため、本発明では、インクの表面に析出する脂肪酸の表面張力を紙の臨界表面張力より低くすることで、紙へ脂肪酸を浸透させる。その結果、インクの浸透性が維持される。
脂肪酸としては、酸化安定性があり、常温で液体のオレイン酸を用いることが好ましい。多くの不飽和脂肪酸は、2重結合が2つ以上あって、2重結合に挟まれたメチレン水素が引き抜かれて容易に酸化される。このため、2重結合が1つの不飽和脂肪酸であるオレイン酸は、メチレン水素がないため、それらと比べて大幅に酸化安定性がある。なお、2重結合をもたない飽和脂肪酸はさらに酸化安定性がある。しかし、酸化安定性のある飽和脂肪酸は常温で固体のものが多く、インク中への添加には向かないものが多い。このため、脂肪酸は、常温で液体のオレイン酸であることが好ましい。
オレイン酸は、0.05wt%未満だと、インク乾燥の十分な抑制作用が発現し難くなる。一方、オレイン酸は、3.00wt%を超えると、分散安定性が低下し、インク乾燥の抑制作用に悪影響を及ぼす。
脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウムは、0.05wt%未満だと、オレイン酸の分散安定性が低下し、インク乾燥の抑制作用に悪影響を及ぼす。一方、脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウムは、3.00wt%を超えると、オレイン酸の油膜が安定せずに、インク乾燥の十分な抑制作用が発現し難くなる。
同図に示すように、プリンター1は、記録ヘッド(インクジェットヘッド)2を搭載すると共にインクカートリッジ3を着脱可能に装着するキャリッジ4と、記録ヘッド2の下方に配設され記録紙(記録媒体)6が搬送されるプラテン5と、キャリッジ4を記録紙6の紙幅方向に移動させるキャリッジ移動機構7と、記録紙6を紙送り方向に搬送する紙送り機構8とを有する構成となっている。加えて、プリンター1は、当該プリンター1全体の動作を制御する制御装置CONTを有している。なお、上記紙幅方向とは、主走査方向(ヘッド走査方向)である。上記紙送り方向とは、副走査方向(主走査方向に直交する方向)である。
同図に示すように、記録ヘッド2は、インクを噴射する複数のノズル17が設けられたノズル形成面(噴射面)21Aを有する。ノズル形成面21Aには、複数のノズル17ごとにノズル列16が形成されている。各ノズル列16においては、例えば異なる色のインクを吐出可能になっている。本実施形態ではインクの色に対応して4列(16(Bk),16(M),16(C),16(Y))設けられている。1つのノズル列16は、例えば、180個のノズル17によって構成されている。
同図に示すように、記録ヘッド2は、ヘッド本体18と、ヘッド本体18に接続された流路形成ユニット22とを備えている。流路形成ユニット22は、振動板19と、流路基板20と、ノズル基板21とを備えると共に、共通インク室29と、インク供給口30と、圧力室31とを形成する。さらに、流路形成ユニット22は、ダイヤフラム部として機能する島部32と、共通インク室29内の圧力変動を吸収するコンプライアンス部33とを備える。ヘッド本体18には、固定部材26と共に駆動ユニット24を収容する収容空間23と、インクを流路形成ユニット22に案内する内部流路28とが形成される。
本実施形態のインクは、超浸透性水性インクに関するものである。なお、超浸透性水性インクとしては、顔料インクや染料インクだけでなく、色素、金属微粒子、セラミック微粒子、半導体微粒子、樹脂のような機能性水性インクであってもよい。ここで、インクの超浸透とは、その表面張力がセルロース(紙)の臨界表面張力よりも低いことを指す。
また、この水性インクには、各種添加物が含まれていても良い。例えば、界面活性剤、保湿剤、PH調整剤、顔料、染料、色素、金属微粒子、セラミック微粒子、半導体微粒子、樹脂、有機溶剤、金属イオン、カール抑制剤、ブリード抑制剤、パドリング抑制剤、浸透調整剤、防腐剤、防カビ剤、溶解助剤、酸化防止剤、などが、用途に応じて複数種含まれていることが好まれる。
本実施形態のインクは、この水性インクに、脂肪酸、及び、脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウムを添加している。
親水性や親油性の指標として用いられているHLB値は、厳密にはAtlas法やPIT法など測定方法で値が異なるものの、大きな差はない。どの測定方法でも、HLB<3であれば親油性であるといえる。よって、どれか一つの測定方法でもHLB<3であれば良い。
本実施形態のインクに用いられる上記特性を満足する脂肪酸としては、オレイン酸、リノール酸、リノレイン酸などがある。脂肪酸は、その酸化安定性からオレイン酸が好ましく、オレイン酸は精製されたものであっても、オレイン酸を主成分とするオリーブ油のような植物油であっても良い。なお、オレイン酸は、表面張力が35mN/m、HLB=1である。
親油性の脂肪酸だけでは、水にも水性インクにも安定して分散することは困難であるが、親水性の脂肪酸カリウム又は脂肪酸ナトリウムと同時に添加すると、親油性の脂肪酸を乳化させての安定分散が可能になり、脂肪酸の添加量を大幅に増加することができる。
図4は、本発明の実施形態におけるノズル17の様子を示す模式図である。
なお、以下の説明では、水性インクに、上記脂肪酸としてオレイン酸を、上記脂肪酸カリウムとしてオレイン酸カリウムを、添加した場合を例示して説明する。
したがって、例えば100枚の連続印字を行う場合で、1枚目だけマゼンダインクで印字し、2枚目以降はマゼンダインクを使わずに、100枚目でマゼンダインクを使用する場合、99枚目までにマゼンダノズルは乾燥し、100枚目ではマゼンダインクの着弾精度が急激に低下して画質が低下してしまうといったこと等を防止することができる。
以下、実施例により本発明の効果をより明らかにする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
インクは、文献(酒井真理、“ピエゾ方式インクジェットプリンティング技術とPXインク” 中部化学関係学協会支部連合秋季大会講演予稿集 p75、34、(2008))に記載されている、公知のEPSON製のPXインクを用いて改良を行った。
なお、PXインクについては、文献((社)色材協会、金谷美春、他 “印刷インキ講座” p.51 (社)色材協会 (2007))にも記載がある。
オレイン酸とオレイン酸カリウムと純水を、2:3:5の比率で攪拌および超音波混合し、オレイン酸分散液を作製した。作製した分散液を、EPSON製プリンターPX−B500に用いられているブラックの水性顔料インクに、2wt%添加し、攪拌および超音波分散を行った。なお、添加液に純水を加えているのは、インク添加前に水中でのオレイン酸の安定ミセル構造を形成させ、インク中でのオレイン酸の分散安定性を向上させるためである。
PX−B500のインク(以下、通常PXインクと称する場合がある)の表面張力は27mN/mであり、作製したインク(以下、改良PXインクと称する場合がある)の表面張力は28mN/mであった。
作製したインクを、EPSON製プリンターPX−B500のブラックのインクカートリッジに入れ、印字可能状態にした。また、EPSON製プリンターPX−B500で、ヘッドを中央に止めて大気開放できるように改造した。PX−B500に標準搭載されているヘッドクリーニングを行い、ベタA4を1枚印字後に、ノズル抜けチェックパターンでノズル抜け本数がゼロ本であることを確認した後、プリンターを2時間大気中放置し、ノズル抜けチェックパターンでノズル抜け本数を確認した。
(紙上でのインク乾燥確認方法)
PX−B500に標準搭載されているヘッドクリーニングを行った後、ベタA4を1枚印字直後、5秒後のA4用紙の紙重量と、100秒後のA4用紙の紙重量の減少率から、インク乾燥の重量%を求めた。
実施例1では、上記インク製造方法の手順に従って製造した改良PXインクについて、上記ノズル面でのインク乾燥確認方法と、上記紙上でのインク乾燥確認方法とを用いて確認した。
比較例1〜4では、インク組成を表1のように変更し、このインク製造方法の手順は、実施例1のインク製造方法の手順に従い、インクを作製した。ノズル面でのインク乾燥確認方法と、紙上でのインク乾燥確認方法は、実施例1と同じ確認方法を用いて確認した。
実施例2では、上記インク製造方法の手順に従って製造した改良PXインク(マゼンダ)について、上記ノズル面でのインク乾燥確認方法と、上記紙上でのインク乾燥確認方法とを用いて確認した。
実施例3では、上記インク製造方法の手順に従って製造した改良PXインク(シアン)について、上記ノズル面でのインク乾燥確認方法と、上記紙上でのインク乾燥確認方法とを用いて確認した。
実施例4では、上記インク製造方法の手順に従って製造した改良PXインク(イエロー)について、上記ノズル面でのインク乾燥確認方法と、上記紙上でのインク乾燥確認方法とを用いて確認した。
比較例5〜12、実施例5〜14では、オレイン酸とオレイン酸カリウムの添加比率を変えて改良PXインクを作製し、ノズル面でのインク乾燥確認方法と、紙上でのインク乾燥確認方法は、実施例1と同じ確認方法を用いて確認した。
比較例13〜20、実施例15〜24では、オレイン酸とオレイン酸カリウムの添加比率を変えて改良PXインクを作製し、ノズル面でのインク乾燥確認方法と、紙上でのインク乾燥確認方法は、実施例1と同じ確認方法を用いて確認した。
実施例25では、PXインクを、EPSON製プリンターEP−802Aに用いられている水性染料インクに変更した。
(染料インクの製造方法)
オレイン酸とオレイン酸カリウムと純水を、2:3:5の比率で攪拌および超音波混合し、オレイン酸分散液を作製した。作製した分散液を、EPSON製プリンターEP−802Aに用いられている水性染料インクに、2wt%添加し、攪拌および超音波分散を行った。
実施例25では、上記作製したインクを、上記の改造したEPSON製プリンターPX−B500のインクカートリッジに入れ、ノズル面でのインク乾燥確認方法と、紙上でのインク乾燥確認方法は、実施例1と同じ確認方法を用いて確認した。
比較例21では、EPSON製プリンターEP−802Aに用いられている水性染料インクを上記の改造したEPSON製プリンターPX−B500のインクカートリッジに入れ、ノズル面でのインク乾燥確認方法と、紙上でのインク乾燥確認方法は、実施例1と同じ確認方法を用いて確認した。
実施例26では、オレイン酸カリウムを、オレイン酸ナトリウムに変更し、ノズル面でのインク乾燥確認方法と、紙上でのインク乾燥確認方法は、実施例1と同じ確認方法を用いて確認した。
比較例22〜25では、実施例1のオレイン酸を、オレイン酸ナトリウム、オレイルアルコール、オレイン酸エチル、ソルビタントリオレエートに変更し、ズル面でのインク乾燥確認方法と、紙上でのインク乾燥確認方法は、実施例1と同じ確認方法を用いて確認した。
水中やインク中で安定分散しない親油性の脂肪酸であるが、親水性の脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウムを同時添加すると、水中で安定分散する。
インク表面に油膜を形成するには、親水性の脂肪酸カリウムや脂肪酸カリウムだけでは不可能であり、親油性の脂肪酸を添加する。親油性の脂肪酸は、水に難溶であるため、親水性の脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウムと同時添加することによって、油膜形成、安定分散が両立する相乗効果が発現する。
水分が蒸発すると膜が形成するものには、インク中のポリマー、界面活性剤、顔料など数多くのものが存在する。その中でも固体のものが膜を張ってしまうと、インク吐出抵抗が高くなり着弾精度に影響がある。蒸発抑制効果が高く、且つ、インク吐出抵抗が低い液体の膜として、脂肪酸が優れている。
インクの蒸発による膜の形成は単独ではなく、脂肪酸、ポリマー、界面活性剤、顔料など、複合的に析出しているものと推定される。本発明では、インク吐出に影響がなく蒸発抑制効果が高くなるような脂肪酸の油膜形成速度が、親油性の脂肪酸と、親水性の脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウムを同時添加した時に、適切になることを見出した。
インクジェット式記録装置においては、ノズル面からのインク蒸発が起こるため、フラッシングやクリーニングを行って、メンテナンスインクが消費される。
本発明は、従来の機械的なゴムキャップのように印字間においても化学的にノズルにキャップをするため、フラッシングやクリーニングのようなメンテナンスインクを大幅に削減することができる。
多くの不飽和脂肪酸は酸化されやすい。それは2重結合が2つ以上あって、2重結合に挟まれたメチレン水素が引き抜かれて容易に酸化されるからである。リノール酸やリノレイン酸がそれに当てはまる。2重結合が1つの不飽和脂肪酸は、メチレン水素がないため大幅に酸化安定性がある。オレイン酸がそれに当てはまる。2重結合をもたない飽和脂肪酸はさらに酸化安定性がある。
脂肪酸がノズル面上に析出した場合、脂肪酸が液体であると、ノズル詰りの確率が低下する。常温で液体で二重結合が一つ以下の脂肪酸としてはオレイン酸がある。酸化安定性のある飽和脂肪酸は常温で固体のものが多くインク中への添加には向かないものが多い。よって、上記脂肪酸はオレイン酸であることが好まれる。
脂肪酸が、インク中(水中)で安定分散するには、1価の金属イオンの金属石鹸であることが望まれる。2価のイオンが多くあると析出沈澱の懸念があるからである。また、インク中で、脂肪酸と金属脂肪酸とを同時に溶解・分散させた時、同種類の脂肪酸を用いると、その区別がつかなくなり、脂肪酸の増量と安定分散の両立という相乗効果が発現できる。特に、オレイン酸と、オレイン酸カリウム又はオレイン酸ナトリウムを同時添加したときに効果が大きくなる。
インクの印字媒体への着弾後は、脂肪酸は紙と親和性が高いため紙に吸収され、インクの浸透性と蒸発を妨げない。特に超浸透インクにおいては紙への広がりと浸透が早いため、水分と脂肪酸の紙への吸収が速く、蒸発を妨げることがない。したがって、ノズル面では蒸発を抑制し、紙上では浸透と蒸発を妨げなくすることができる。
また、インクジェット式記録装置が、数ヶ月から数年単位で長期放置されたときにおいても、従来の機械的なゴムキャップのインク蒸発抑制効果に加えて、脂肪酸による化学的なキャップの蒸発抑制効果が加わり、長期保存安定性が高まる。
Claims (5)
- 記録媒体に対しノズルから水性インクを噴射するインクジェットヘッドを備え、
前記水性インクに、脂肪酸、及び、該脂肪酸を乳化して水中に分散させる脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウム、が添加されていることを特徴とするインクジェット式記録装置。 - 前記脂肪酸のHLB値は、3以下であり、前記脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウムのHLB値は、12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式記録装置。
- 前記脂肪酸の表面張力は、20℃においてセルロースの臨界表面張力よりも低いことを特徴とする請求項1または2に記載のインクジェット式記録装置。
- 前記脂肪酸は、オレイン酸であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のインクジェット式記録装置。
- 前記水性インクに、前記脂肪酸としてオレイン酸が0.05wt%以上3.00wt%以下、前記脂肪酸カリウムまたは脂肪酸ナトリウムが0.05wt%以上3.00wt%以下、添加されていることを特徴とする請求項4に記載のインクジェット式記録装置。
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