JP2010036548A - Inkjet apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インクジェットヘッドにて吐出された飛翔中のインク物性制御に関するものである。 The present invention relates to control of ink physical properties during flight ejected by an inkjet head.
近年、インクジェットヘッドには幾つかの方式が採用されているが、主に二つの方式が用いられている。第一の方式は圧電素子に電圧を印加し、インク室に圧力を加え、インク室に充填されたインクに運動エネルギーを与えることで、ノズルからインクを吐出させ、インクを媒体に着弾させる方式である。第二の方式は発熱抵抗体を用いて、インク室内に蒸気泡を発生させ、インク室に充填されたインクに運動エネルギーを与えることで、ノズルからインクを吐出させ、インクを媒体に着弾させる方式である。いずれの方式も一般的に、吐出させるインク物性（例えば粘度、表面張力、接触角、媒体への浸透性、分子量、熱伝導率、密度など）と吐出されたインクが着弾する媒体物性（例えば坪量、厚さ、平滑性、コート層の有無など）に応じてインクジェットヘッドを設計し（例えばノズル形状、インク室形状、材料など）、高速印刷、低コスト、高画質印刷をバランス良く最適化させて、インクジェットシステムを構築する。 In recent years, several types of inkjet heads have been adopted, but two types are mainly used. In the first method, voltage is applied to the piezoelectric element, pressure is applied to the ink chamber, and kinetic energy is applied to the ink filled in the ink chamber, thereby ejecting ink from the nozzle and landing the ink on the medium. is there. The second method uses a heating resistor to generate vapor bubbles in the ink chamber and to give kinetic energy to the ink filled in the ink chamber, thereby discharging the ink from the nozzle and landing the ink on the medium. It is. In any method, the physical properties of the ink to be ejected (eg, viscosity, surface tension, contact angle, permeability to the medium, molecular weight, thermal conductivity, density, etc.) and the physical properties of the ejected ink (eg, the basis weight) Design the inkjet head according to the amount, thickness, smoothness, presence or absence of coating layer (eg nozzle shape, ink chamber shape, material, etc.) and optimize high-speed printing, low cost, high-quality printing in a balanced manner To build an inkjet system.
しかしながら各種制御因子は相互に作用するが、状況によっては反作用することがある。例えば、インクの乾燥性に関してはインクを吐出させる場合、ノズル詰まりが起こらないように乾燥性は低い方が良いが、媒体への高速印刷性を考えると乾燥性は高い方が良い。インクの粘度に関しても同じように、高粘度インクは媒体への浸透性を低く抑えることができるが、高周波数吐出が難しい。 However, various control factors interact with each other, but may react in some situations. For example, regarding ink drying, when ink is ejected, it is preferable that the drying is low so that nozzle clogging does not occur. However, considering high-speed printing on a medium, it is preferable that the drying is high. Similarly, with respect to the viscosity of the ink, high-viscosity ink can keep the permeability to the medium low, but high-frequency ejection is difficult.
本発明の課題は、インク吐出前とインクが媒体に着弾した後で好ましいインク物性（例えば粘度、表面張力、接触角など）が相反することである。 An object of the present invention is that preferred ink physical properties (for example, viscosity, surface tension, contact angle, etc.) conflict before ink ejection and after ink has landed on a medium.
本発明は、飛翔中のインクにエネルギーを与えることで、インクの物性を制御することを最も主要な特徴とする。 The most important feature of the present invention is that the physical properties of the ink are controlled by applying energy to the flying ink.
具体的には本発明の第１の手段は、インクと、吐出口と、インクが流れる流路と、前記インク流路に配置されて当該流路に充填されたインクにエネルギーを与えるエネルギー発生素子を有し、前記エネルギー発生素子によりインクに運動エネルギーを与えることで、インクを吐出口より吐出飛翔させて媒体に着弾させるインク吐出手段を有するインクジェットヘッドを備えたインクジェット装置において、前記インクに対して前記インクの飛翔中にエネルギーを印加することで前記インクの物性を制御するエネルギー印加手段を備えたことを特徴とするものである。 Specifically, the first means of the present invention includes an ink, an ejection port, a flow path through which the ink flows, and an energy generating element that is disposed in the ink flow path and applies energy to the ink filled in the flow path. And an ink jet device having an ink discharge means for discharging ink from a discharge port and landing on a medium by applying kinetic energy to the ink by the energy generating element. An energy application unit is provided for controlling physical properties of the ink by applying energy during the flight of the ink.
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記インクが前記エネルギー印加手段からのエネルギー印加によってその分子構造に変化を生じ、当該分子構造変化によって前記インク物性を変化させる化学種を含有することを特徴とするものである。 According to a second means of the present invention, in the first means, the ink contains a chemical species that changes its molecular structure by applying energy from the energy applying means and changes the physical properties of the ink by changing the molecular structure. It is characterized by doing.
本発明の第３の手段は前記第２の手段において、前記化学種が光重合開始剤であり、前記エネルギー印加手段が光照射装置であることを特徴とするものである。 According to a third means of the present invention, in the second means, the chemical species is a photopolymerization initiator, and the energy application means is a light irradiation device.
本発明の第４の手段は前記第３の手段において、前記化学種が紫外線硬化樹脂であり、前記エネルギー印加手段が紫外線照射装置であることを特徴とするものである。 According to a fourth means of the present invention, in the third means, the chemical species is an ultraviolet curable resin, and the energy applying means is an ultraviolet irradiation device.
本発明の第５の手段は前記第２の手段において、前記化学種が電子線の受容により架橋反応する物質であり、前記エネルギー印加手段が電子線照射装置であることを特徴とするものである。 A fifth means of the present invention is characterized in that, in the second means, the chemical species is a substance that undergoes a crosslinking reaction upon reception of an electron beam, and the energy application means is an electron beam irradiation apparatus. .
本発明の第６の手段は前記第３ないし第５の手段において、前記化学種が可視光領域でエネルギー吸収能を有する光増感剤であり、前記エネルギー印加手段により印加されるエネルギーに少なくとも可視光波長領域の光エネルギーを含むことを特徴とするものである。 According to a sixth means of the present invention, in the third to fifth means, the chemical species is a photosensitizer having energy absorbing ability in a visible light region, and at least visible to the energy applied by the energy applying means. It includes light energy in the light wavelength region.
本発明の第７の手段は前記第１の手段において、前記エネルギー印加手段からのエネルギー印加によってその分子に振動を生じ、当該分子振動に伴い発生する温度上昇により前記インク物性を変化させる化学種を、少なくとも一種類以上含有することを特徴とするものである。 According to a seventh means of the present invention, in the first means, a chemical species that causes vibration of the molecule by application of energy from the energy application means, and changes the physical properties of the ink by a temperature increase caused by the molecular vibration. , At least one kind is contained.
本発明の第８の手段は前記第７の手段において、前記化学種が磁性粒子であり、前記エネルギー印加手段が交流磁界発生装置であることを特徴とするものである。 According to an eighth means of the present invention, in the seventh means, the chemical species is a magnetic particle, and the energy applying means is an AC magnetic field generator.
本発明の第９の手段は前記第７の手段において、前記化学種が電気双極子を含むものであり、前記エネルギー印加手段がマイクロ電磁波発生装置であることを特徴とするものである。 According to a ninth means of the present invention, in the seventh means, the chemical species includes an electric dipole, and the energy applying means is a micro electromagnetic wave generator.
本発明の第１０の手段は前記第７の手段において、前記エネルギー印加手段が光照射装置であることを特徴とするものである。 According to a tenth means of the present invention, in the seventh means, the energy applying means is a light irradiation device.
本発明の第１１の手段は前記第１０の手段において、前記光照射装置により発生する光がレーザー光であることを特徴とするものである。 According to an eleventh means of the present invention, in the tenth means, the light generated by the light irradiation device is a laser beam.
本発明の第１２の手段は前記第１０の手段において、前記光照射装置が集光手段を備えることを特徴とするものである。 According to a twelfth means of the present invention, in the tenth means, the light irradiating device includes a light condensing means.
本発明の第１３の手段は前記第１の手段において、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にてエネルギーを与え、インクの表面張力を制御することを特徴とするものである。 A thirteenth means of the present invention is characterized in that, in the first means, energy is applied to the flying ink by the energy applying means to control the surface tension of the ink.
本発明の第１４の手段は前記第１の手段において、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にてエネルギーを与え、インクの粘度を制御することを特徴とするものである。 The fourteenth means of the present invention is characterized in that, in the first means, energy is applied to the flying ink by the energy applying means to control the viscosity of the ink.
本発明の第１５の手段は前記第１の手段において、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にてエネルギーを与え、インクの接触角を制御することを特徴とするものである。 The fifteenth means of the present invention is characterized in that, in the first means, energy is applied to the flying ink by the energy applying means to control the contact angle of the ink.
本発明の第１６の手段は前記第１の手段において、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にてエネルギーを与え、インクが着弾する媒体へのインクの浸透性を制御することを特徴とするものである。 The sixteenth means of the present invention is characterized in that, in the first means, energy is applied to the flying ink by the energy applying means, and the permeability of the ink to the medium on which the ink lands is controlled. It is.
本発明の第１７の手段は前記第２の手段において、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にてエネルギーを与え、インクの分子量を制御することを特徴とするものである。 The seventeenth means of the present invention is characterized in that, in the second means, energy is applied to the flying ink by the energy applying means to control the molecular weight of the ink.
本発明の第１８の手段は前記第１の手段において、前記飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御する手段を具備し、前記飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御し、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にて適正なエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 The eighteenth means of the present invention comprises, in the first means, means for controlling the energy intensity of energy applying means for giving energy to the flying ink, and energy applying means for giving energy to the flying ink. The energy intensity is controlled, and appropriate energy is applied to the flying ink by the energy applying means to control the physical properties of the ink.
本発明の第１９の手段は前記第１の手段において、インクが着弾する媒体の種類を判別する手段を有し、前記飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御する手段を具備し、前記インクが着弾する媒体の種類に応じて、飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御し、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にて適正なエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 According to a nineteenth means of the present invention, in the first means, there is provided means for determining a type of a medium on which the ink is landed, and means for controlling energy intensity of an energy applying means for applying energy to the flying ink. Comprising, controlling the energy intensity of the energy application means for applying energy to the flying ink according to the type of medium on which the ink lands, and applying appropriate energy to the flying ink by the energy application means, It is characterized by controlling the physical properties of the ink.
本発明の第２０の手段は前記第１の手段において、インクが着弾する媒体の含水率を測定する手段を有し、前記飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御する手段を具備し、前記インクが着弾する媒体の含水率に応じて、飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御し、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にて適正なエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 The twentieth means of the present invention is the means for controlling the energy intensity of the energy applying means for applying energy to the flying ink in the first means, the means for measuring the moisture content of the medium on which the ink lands. And controlling the energy intensity of the energy applying means for applying energy to the flying ink according to the water content of the medium on which the ink is landed, and applying the appropriate energy to the flying ink by the energy applying means. And controlling the physical properties of the ink.
本発明の第２１の手段は前記第１の手段において、前記媒体がインクジェットヘッドに対して相対的に移動する（搬送される）ものであって、インクが着弾する媒体の搬送速度を測定する手段を具備し、前記飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御する手段を具備し、前記インクが着弾する媒体の搬送速度に応じて、飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御し、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にて適正なエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 According to a twenty-first means of the present invention, in the first means, the medium is moved (conveyed) relative to the ink-jet head, and a means for measuring a conveyance speed of the medium on which the ink lands. And means for controlling energy intensity of energy applying means for applying energy to the flying ink, and applying energy for applying energy to the flying ink in accordance with the transport speed of the medium on which the ink lands. The energy intensity of the means is controlled, and appropriate energy is applied to the flying ink by the energy applying means to control the physical properties of the ink.
本発明の第２２の手段は前記第１の手段において、インク吐出口近傍の環境温湿度を測定する手段を有し、前記飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御する手段を具備し、前記インク吐出近辺の環境温湿度に応じて、飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御し、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にて適正なエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 The twenty-second means of the present invention is the means for controlling the energy intensity of the energy applying means for giving energy to the flying ink in the first means. And controlling the energy intensity of the energy applying means for applying energy to the flying ink in accordance with the ambient temperature and humidity in the vicinity of the ink ejection, and applying appropriate energy to the flying ink by the energy applying means. The ink physical properties are controlled.
本発明の第２３の手段は前記第１の手段において、インクジェットヘッド内のインク温度を測定する手段を有し、前記飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御する手段を具備し、前記インクジェットヘッド内のインク温度に応じて、飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御し、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にて適正なエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 According to a twenty-third means of the present invention, the first means includes means for measuring an ink temperature in the ink jet head, and means for controlling an energy intensity of an energy applying means for applying energy to the flying ink. And controlling the energy intensity of the energy applying means for applying energy to the flying ink according to the ink temperature in the ink jet head, and applying appropriate energy to the flying ink by the energy applying means, It is characterized by controlling physical properties.
本発明の第２４の手段は前記第２３の手段において、ヘッド内のインクの温度を制御する手段を有し、インクジェットヘッド内のインク温度を測定する手段を具備し、前記飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御する手段を具備し、前記インクジェットヘッド内のインク温度に応じて、飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御し、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にて適正なエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 According to a twenty-fourth means of the present invention, in the twenty-third means, there is provided means for controlling the temperature of the ink in the head, and means for measuring the ink temperature in the ink jet head. Means for controlling the energy intensity of the energy applying means for applying energy, and controlling the energy intensity of the energy applying means for applying energy to the flying ink according to the ink temperature in the ink jet head, Appropriate energy is given by the energy applying means to control the physical properties of the ink.
本発明の第２５の手段は前記第１の手段において、インクの種類を判別する手段を有し、前記飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御する手段を具備し、前記インクの種類に応じて、飛翔中のインクにエネルギーを与えるエネルギー印加手段のエネルギー強度を制御し、飛翔中のインクに前記エネルギー印加手段にて適正なエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 A twenty-fifth means of the present invention comprises a means for determining the type of ink in the first means, comprising means for controlling the energy intensity of an energy applying means for applying energy to the flying ink. According to the type of ink, controlling the energy intensity of the energy applying means that gives energy to the ink in flight, and applying appropriate energy to the flying ink by the energy applying means, thereby controlling the physical properties of the ink. It is a feature.
本発明の第２６の手段は、インクと、吐出口と、インクが流れる流路と、前記インク流路に配置されて当該流路に充填されたインクにエネルギーを与えるエネルギー発生素子を有し、前記エネルギー発生素子によりインクに運動エネルギーを与えることで、インクを吐出口より吐出飛翔させて媒体に着弾させるインク吐出手段を複数有するインクジェットヘッドを備えたインクジェット装置において，前記複数のインク吐出手段からは、入力データに応じて選択的にインク吐出が行われるものであって、前記インクに対し，前記インクの飛翔中にエネルギーを印加することで、前記インクの物性を制御する一つ以上のエネルギー印加手段を備えて、飛翔中のインクのみに選択的にエネルギー印加を行うことを特徴とするものである。 The twenty-sixth means of the present invention comprises an ink, an ejection port, a flow path through which the ink flows, and an energy generating element that is disposed in the ink flow path and applies energy to the ink filled in the flow path, In the ink jet apparatus having an ink jet head having a plurality of ink ejecting means for ejecting and ejecting ink from an ejection port and landing on a medium by applying kinetic energy to the ink by the energy generating element, the plurality of ink ejecting means includes: One or more energy applications for selectively ejecting ink according to input data and controlling the physical properties of the ink by applying energy to the ink during the flight of the ink. And a means for selectively applying energy only to the flying ink.
本発明の第２７の手段は前記第２６の手段の複数の吐出手段を有するインクジェット装置において、光エネルギーを与えるエネルギー印加手段を有し、光エネルギーの照射方向を可変させることができる光走査手段を具備し、前記光走査手段にて光エネルギーの照射方向を可変し、入力データに応じて飛翔中のインクのみに光エネルギーを与えるエネルギー印加手段を備え、各飛翔中のインクのみに前記エネルギー印加手段にて選択的にエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 The twenty-seventh means of the present invention is an ink jet apparatus having a plurality of ejection means of the twenty-sixth means, comprising: an energy applying means for applying light energy; and an optical scanning means capable of changing a light energy irradiation direction. And an energy applying means for changing the direction of light energy irradiation by the optical scanning means and applying light energy only to the flying ink according to input data, and the energy applying means only to each flying ink. The ink is selectively given energy to control the physical properties of the ink.
本発明の第２８の手段は前記第２６の手段において、アレイ状に並べられた複数のレーザー照射手段からレーザー光エネルギーを与えるエネルギー印加手段を有し、入力データに応じて各飛翔中のインクのみにレーザー光エネルギーを与えるエネルギー印加手段を備え、飛翔中のインクのみに前記エネルギー印加手段にてエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 According to a twenty-eighth means of the present invention, in the twenty-sixth means, there is provided an energy applying means for applying laser light energy from a plurality of laser irradiation means arranged in an array, and only the ink during each flight according to input data And an energy applying means for applying laser light energy, and the energy applying means applies energy only to the flying ink to control the physical properties of the ink.
本発明の第２９の手段は前記第２６の手段において、光照射手段がアレイ状に並べられた発光ダイオードであって、前記光照射手段から光エネルギーを与えるエネルギー印加手段を備え、入力データに応じて各飛翔中のインクのみに光エネルギーを与えるエネルギー印加手段を備え、飛翔中のインクのみに前記エネルギー印加手段にてエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 A twenty-ninth means of the present invention is the light emitting diode according to the twenty-sixth means, wherein the light irradiating means is arranged in an array, and comprises an energy applying means for giving light energy from the light irradiating means, and according to input data. Energy applying means for applying light energy only to each flying ink, and applying energy to only the flying ink by the energy applying means to control the physical properties of the ink.
本発明の第３０の手段は前記第２９の手段の複数の吐出手段があるインクジェット装置において、アレイ状に並べられた複数の光ファイバーを具備し、アレイ状に並べられた複数の発光ダイオードから光エネルギーを個別に与えるエネルギー印加手段を備え、画像データに応じて各飛翔中のインクのみに光エネルギーを与えるエネルギー印加手段を備え、飛翔中のインクのみに前記エネルギー印加手段にてエネルギーを与え、インクの物性を制御することを特徴とするものである。 According to a thirtieth aspect of the present invention, there is provided an ink jet apparatus having a plurality of ejection means of the twenty-ninth means, comprising a plurality of optical fibers arranged in an array, and light energy from the plurality of light emitting diodes arranged in the array. Energy applying means for individually applying energy, and energy applying means for applying light energy only to each flying ink according to the image data. It is characterized by controlling physical properties.
本発明のインクジェット装置は、飛翔中のインクにエネルギーを与えることで、インク吐出時のインク物性とインクが媒体上に着弾した後のインク物性を変化させ、それぞれの状況に応じた最適な物性に制御できるという利点がある。 The ink jet device of the present invention changes the ink physical properties at the time of ink ejection and the ink physical properties after the ink has landed on the medium by applying energy to the flying ink, and has the optimum physical properties according to each situation. There is an advantage that it can be controlled.
前述のように本発明は、高速、高信頼性、高画質インクジェット印刷をするという目的を、従来のインクジェットヘッド近傍に飛翔中のインクにエネルギーを与える装置を具備したことで実現した。 As described above, the present invention achieves the object of high-speed, high reliability, and high-quality ink jet printing by providing a device for applying energy to flying ink in the vicinity of a conventional ink jet head.
次に本発明の実施例を図とともに説明する。図１は、本発明の実施例に係るインクジェット装置の断面図である。１はインク室、２はノズル、３は飛翔中のインク、４は媒体、５はエネルギー発生装置、６はエネルギー、１１は振動板、１２は圧電素子である。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an ink jet apparatus according to an embodiment of the present invention. 1 is an ink chamber, 2 is a nozzle, 3 is ink in flight, 4 is a medium, 5 is an energy generator, 6 is energy, 11 is a diaphragm, and 12 is a piezoelectric element.
圧電素子１２を用いたインクジェットヘッドの場合、圧電素子１２に電圧を印加することで、圧電素子が伸縮振動し、その振動が振動板１１を介して、インク室１内に充填されたインクに圧力を与えることで、インクに運動エネルギーを与え、インクがノズル２から吐出される。吐出後、飛翔中インク３は数ｍｍ〜数百μｍの空間を約数ｍ／ｓの速度で飛翔し、媒体４上に着弾する。その間、約数十〜数百μｓの時間内に飛翔中のインク３にエネルギー発生装置５がエネルギー６を与える。例えば一般的なインクジェットプリンターの場合、ノズルから媒体４までの距離は１ｍｍで、インクジェットの平均飛翔速度は約１０ｍ／ｓであり、インク飛翔時間は約１００μｓである。
In the case of the ink jet head using the
画像解像度６００ｄｐiのプリンターの場合、画素ピッチ約４２μｍであり、ドットはこの画素ピッチ以下でなければ隣りのドットと混ざってしまうため、通常１ドットを形成する１滴のインク量はインクが着弾した後の径が画素ピッチよりも小さくなるように設定する。一般的には１滴のインク量は１０ｐｌ以下（飛翔中液適（球体）径２７μｍ、着弾後液適（半球体）径３４μｍ）に設定する。 In the case of a printer with an image resolution of 600 dpi, the pixel pitch is about 42 μm, and if the dot is not less than this pixel pitch, it will be mixed with the adjacent dots, so the amount of ink of one drop that normally forms one dot is after the ink has landed Is set to be smaller than the pixel pitch. In general, the amount of ink per drop is set to 10 pl or less (appropriate liquid in flight (sphere) diameter 27 μm, post-landing liquid appropriate (hemisphere) diameter 34 μm).
飛翔中のインクに与えるエネルギーは一般的に二種類に分けることができる。第一のエネルギーは、インクの分子構造を変えるエネルギーを用いた構成である。この方式はインク内に外部からのエネルギーを受けると分子構造が変わる化学種があることで、インクの物性が変わる。例えば、光重合開始剤を含んだインクに光エネルギーを照射することで飛翔中のインク内の光重合開始剤は励起し、この励起エネルギーによって光重合反応が開始され、付加重合が起こり、プレポリマーがポリマーに転換されることで、インクが硬化する。一般的に液体中の分子量と粘度の関係はシュタウジンガーの粘度式（下記数式１）で表されるが、これにより、光エネルギーの強度を調整し、インク内の平均分子量を変化させることで、インクの物性を制御することが可能となる。
The energy given to the ink in flight can generally be divided into two types. The first energy is a configuration using energy that changes the molecular structure of the ink. In this method, the physical properties of the ink change because there is a chemical species that changes its molecular structure when it receives external energy. For example, by irradiating the ink containing the photopolymerization initiator with light energy, the photopolymerization initiator in the flying ink is excited, the photopolymerization reaction is started by this excitation energy, and the addition polymerization occurs, and the prepolymer Is converted into a polymer, whereby the ink is cured. In general, the relationship between molecular weight and viscosity in a liquid is expressed by Staudinger's viscosity formula (
η＝ＫＭα・・・（１）
上記の数式において、ηは粘度、Ｋは重合度を示す定数、Ｍは分子量、αは温度に無関係の定数である。
η = KM α (1)
In the above formula, η is a viscosity, K is a constant indicating the degree of polymerization, M is a molecular weight, and α is a constant independent of temperature.
一般的に上記光重合開始剤を含んだインクを液体から固体へ硬化させるのに必要な積算光量は約３５０ｍJ／ｃｍ２で、１０ｐｌの液適（表面積２．２４×１０−５ｃｍ２）を硬化させるのに必要なエネルギーは約０．００７８６ｍＪで、飛翔時間１００μｓ間に硬化させる場合、約８０ｍＷのパワーを有するエネルギー発生装置が必要となる。 In general, the integrated light quantity required to cure the ink containing the photopolymerization initiator from a liquid to a solid is about 350 mJ / cm 2 , and 10 pl of liquid is suitable (surface area 2.24 × 10 −5 cm 2 ). The energy required for curing is about 0.00786 mJ. When curing for a flight time of 100 μs, an energy generator having a power of about 80 mW is required.
これに対し、例えば、High Q Lasers社製のIC-355-500 固体パルスレーザーを使用した場合、発光波長３５５ｎｍ（紫外線）、発光出力５００ｍＷのエネルギーを与えることが可能なので、紫外線硬化型樹脂を含んだ飛翔中のインクの場合、時間的に十分着弾するまでに物性を制御することができる。 On the other hand, for example, when an IC-355-500 solid-state pulse laser manufactured by High Q Lasers is used, energy of emission wavelength 355 nm (ultraviolet light) and light emission output 500 mW can be applied, so an ultraviolet curable resin is included. In the case of ink that is flying, it is possible to control the physical properties before landing sufficiently in time.
更に光エネルギーの吸収効率を上げるために、インクに光増感剤などを添加することも可能である。例えば紫外線硬化型樹脂を含んだに光増感剤を添加することで、紫外線以外の可視光領域の光エネルギーも吸収することも可能であるため、更に効率よく飛翔中のインク物性を制御することができる。 Furthermore, in order to increase the light energy absorption efficiency, it is possible to add a photosensitizer or the like to the ink. For example, by adding a photosensitizer to an ultraviolet curable resin, it is possible to absorb light energy in the visible light region other than ultraviolet light, so that the ink physical properties during flight can be controlled more efficiently. Can do.
インク内に光などを反射してしまう物質（例えば顔料や染料など）が存在する場合、光エネルギーの代わりに電子線（Electron Beam）などを使用することもできる。例えば高分子材料に電子線を照射すると、飛翔した電子が分子間の結合を壊し、励起され（ラジカルが発生）、分子間の重合反応が開始され、分子が網目状に架橋する。前述したように、上記反応から分子量が大きくなることでインクの粘度が上昇するので、電子線の飛翔電子数などを調整することで、インクの物性を制御することができる。 When a substance that reflects light or the like (for example, pigment or dye) is present in the ink, an electron beam or the like can be used instead of light energy. For example, when a polymer material is irradiated with an electron beam, the flying electrons break the bonds between the molecules and are excited (radicals are generated), the intermolecular polymerization reaction is started, and the molecules are crosslinked in a network. As described above, the viscosity of the ink increases as the molecular weight increases from the above reaction. Therefore, the physical properties of the ink can be controlled by adjusting the number of flying electrons of the electron beam.
第二のエネルギーは、インクの分子を振動させるエネルギーである。これはインク内の分子を振動させることで温度を変えることで粘性、表面張力などの物性を制御する方法である。例えばインクの主成分が水である場合、１ｇの水の温度を１℃上昇させるのに必要なエネルギーは約４．２Jで、１滴の液適量が１０ｐｌだとした場合、水の密度が約１ｇ／ｃｍ３なので、１０ｎｇとなり、インク１滴を１００℃上昇するのに必要なエネルギーは約０．００４２ｍＪとなる。１００μｓの間に０．００４２ｍＪのエネルギーを与える場合、最低でも４２ｍＷのパワーを要したエネルギー発生装置が必要となり、前述したHigh Q Lasers社製の固体パルスレーザーなどの光エネルギー印加手段の使用が可能と考える。 The second energy is energy that vibrates the ink molecules. This is a method of controlling physical properties such as viscosity and surface tension by changing the temperature by vibrating molecules in the ink. For example, when the main component of the ink is water, the energy required to raise the temperature of 1 g of water by 1 ° C. is about 4.2 J, and when the appropriate amount of one drop is 10 pl, the density of the water is about Since it is 1 g / cm 3 , it is 10 ng, and the energy required to raise one drop of ink by 100 ° C. is about 0.0042 mJ. When applying energy of 0.0042 mJ in 100 μs, an energy generator that requires a power of at least 42 mW is required, and it is possible to use optical energy application means such as the solid pulse laser manufactured by High Q Lasers described above. Think.
更に光・熱変換効率を上げたい場合は、光エネルギーを集光手段（例えば集光レンズや集光ミラーなど）で集光させ、飛翔中のインクに与えることができる。 Further, when it is desired to increase the light / heat conversion efficiency, the light energy can be condensed by a condensing means (for example, a condensing lens or a condensing mirror) and given to the ink in flight.
水の場合、温度が上昇することで物性は図２に示すように変化する。温度が上昇することで、表面張力は線形に減少していき、粘度は２次曲線を描いて減少していくのが分かる。有機・無機材料ともに一般的にインクに用いる材料の表面張力は温度が上がるとともに、線形下降する特徴がある。 In the case of water, as the temperature rises, the physical properties change as shown in FIG. It can be seen that as the temperature increases, the surface tension decreases linearly and the viscosity decreases in a quadratic curve. Both organic and inorganic materials generally have a characteristic that the surface tension of the material used for ink decreases linearly as the temperature increases.
上記第二のエネルギーを使用した場合の効果としては、温度を上昇させることで、インクの乾燥が速くなり、インク着弾後媒体上にインクが定着するまでの時間が短くなり、高速印刷に適している。更に、例えばディスプレイ用のカラーフィルターや、有機ELディスプレイ用の有機エレクトロルミネサンス（ＥＬ）アレイをインクジェット方式で作成する場合、決められたセル内にインク（有機ＥＬ材料、もしくはカラー樹脂など）を着弾させ、セル内にインクが均等に広がるようにしなくてはならない。このような条件の場合、インク飛翔中にインクの粘度と表面張力を下げることで、セル内にインクが広がりやすくなり、製造効率を向上させることができる。 The effect of using the second energy is that the temperature can be increased to increase the drying speed of the ink, shorten the time until the ink is fixed on the medium after ink landing, and is suitable for high-speed printing. Yes. Furthermore, for example, when creating a color filter for a display or an organic electroluminescence (EL) array for an organic EL display by an inkjet method, ink (an organic EL material or a color resin) is landed in a predetermined cell. And the ink should spread evenly in the cells. Under such conditions, by reducing the viscosity and surface tension of the ink during the flight of the ink, it becomes easier for the ink to spread within the cell, and the production efficiency can be improved.
インク物性と高画質化について述べる。一般的にインクの表面張力とインクが着弾する媒体との接触角の関係は、図３とヤングの方程式（下記数式２）で表される。
Ink properties and high image quality will be described. In general, the relationship between the surface tension of the ink and the contact angle between the ink and the medium on which the ink lands is represented by FIG. 3 and Young's equation (
γi−γｓ ＋γl cosθ＝０・・・（２）
図２と数式２において、２１は液体の表面張力（γl）、２２は固体の表面張力（γｓ）、２３は固体・液体界面張力（γi）、２４は接触角（θ）、２５は上記力のつり合い点である。
γi−γs + γl cos θ = 0 (2)
2 and 2, 21 is the surface tension (γl) of the liquid, 22 is the surface tension (γs) of the solid, 23 is the solid / liquid interface tension (γi), 24 is the contact angle (θ), and 25 is the above force. This is the balance point.
一般的にインクが媒体に浸透する基本式はLucas-Washburnの式（下記数式３）が古くから適用されている。
In general, the Lucas-Washburn equation (
L＝ (rtγlcosθ/2η)1/2 ・・・（３）
上記の数式３において、Ｌは浸透深さ、ｒは毛管半径、γlは液体の表面張力、θは接触角、ηは粘度、ｔは時間である。媒体が用紙のような毛管のような微小な穴か表面に幾つもあるポーラスな材質の場合、インクの粘度η、表面張力γ、接触角θを制御することでインクの媒体への浸透深さＬや浸透速度Ｌ/tを制御することができる。
L = (rtγlcosθ / 2η) 1/2 (3)
In
市販のインクジェットプリンターのインクジェットヘッドと、紫外線硬化型樹脂を含んだインクと、High Q Lasers社製の固体パルスレーザー（発光波長３５５ｎｍ）と、一般的な印刷用紙（普通紙と呼ばれる用紙）を図１の構成にて、インクジェットヘッドに紫外線硬化型樹脂を含んだインクを充填、吐出させて、飛翔中に固体パルスレーザーにて光エネルギーをインクに与え、インクを用紙上に着弾させ、着弾後の画質を検証した。吐出時の評価は連続的に吐出させた場合、ミスト発生による吐出口（ノズル）面の汚れ量（付着したインクの量）、不吐出インクの頻度（何発中何発不吐出であったか）と検証した。画質に関しては定着性は画像を指でこすって、インクが剥がれ落ちないか検証し、滲みに関してはドット径を測定し、裏抜けに関しては用紙の裏側の濃度を実測した。 Fig. 1 shows an inkjet head of a commercially available inkjet printer, ink containing an ultraviolet curable resin, a solid pulse laser (emission wavelength: 355 nm) manufactured by High Q Lasers, and general printing paper (paper called plain paper). In this configuration, ink containing ultraviolet curable resin is filled and ejected onto the inkjet head, and light energy is applied to the ink by a solid pulse laser during flight, ink is landed on the paper, and the image quality after landing Verified. The evaluation at the time of discharge is the amount of dirt on the discharge port (nozzle) surface due to the occurrence of mist (the amount of adhering ink), the frequency of non-discharge ink (how many non-discharges during how many) Verified. Regarding image quality, fixability was determined by rubbing the image with a finger and verifying that the ink did not peel off, measuring the dot diameter for bleeding, and measuring the density on the back side of the paper for see-through.
比較例１は実施例１と同じインク使用したが、エネルギーの照射をしない条件で行った。比較例２と３は元々インクの粘度が高いものを使用した。インクの粘度はインクジェットヘッドの温度を上昇させるか、もしくは粘度調整剤として数％のポリエチレングリコールを添加することで得ることができる。下記表１に実施例１、比較例１，２，３の結果をまとめた。 In Comparative Example 1, the same ink as in Example 1 was used, but the test was performed under the condition that no energy was irradiated. Comparative Examples 2 and 3 originally used ink having a high viscosity. The viscosity of the ink can be obtained by increasing the temperature of the inkjet head or adding several percent of polyethylene glycol as a viscosity modifier. Table 1 below summarizes the results of Example 1 and Comparative Examples 1, 2, and 3.
表１から分かるように、実施例１は吐出しやすい（吐出不良の少ない）低粘度インクを用いて、飛翔中にインクにエネルギーを与えることで、高粘度インクと同じような高画質を得ることができることがわかる。比較例１はエネルギーを照射しないので、着弾時のインクの粘度が低いままであるためか、画質が悪い。数式３でも述べているように粘度ηが低いと浸透深さLが付加になり、裏抜けしたり、滲みが起こったりする。比較例２と３はインク粘度が高いものを使用した結果、画質は実施例１と同等だが、吐出不良（ノズル汚れによる吐出方向の曲がり、不吐出など）が頻発した。更に高粘度インクの場合、連続吐出の周波数が制限されてしまうことが知られている。これはノズル部のインク表面（メニスカス）形状が吐出により振動することで変形してしまうので、形状が安定するまで次のインクが吐出できない（もしくはメニスカス形状が安定しないまま吐出すると飛翔特性が大きく変わってしまうので、あまりしたくない）ことからと考える。
As can be seen from Table 1, in Example 1, a low-viscosity ink that is easy to eject (with few ejection defects) is used, and energy is imparted to the ink during flight to obtain the same high image quality as that of the high-viscosity ink. You can see that Since Comparative Example 1 does not irradiate energy, the image quality is poor because the ink viscosity at the time of landing remains low. As described in
エネルギーの強度を制御することで、飛翔中のインクの物性を的確に制御できる。図４にエネルギー強度を制御する様々な応用例と構成を示す。 By controlling the intensity of energy, the physical properties of the flying ink can be accurately controlled. FIG. 4 shows various application examples and configurations for controlling the energy intensity.
図４において、矢印３０は、インクジェットヘッドに対する媒体の相対速度を示す。３１は、媒体の種類を判別するセンサー、もしくは媒体の含水率を計測するセンサー、もしくは媒体の搬送速度を測定するセンサーであり、３２はインク室内のインク温度を測定するセンサー、もしくはインクの種類を判別するセンサーであり、３３はインクジェットヘッド近傍の環境温湿度を測定するセンサーである。
In FIG. 4, an
エネルギーの強度を制御する方法は大きく二つあり、エネルギーを与える時間を制御（パルス制御）、もしくはエネルギーの波形の振幅を制御することで、飛翔中のインクの物性を的確に制御できる。例えば着弾する媒体の種類の情報を予めセンサーなどで得ることで、インクの物性を制御することができる。例えば普通紙の場合、コートに比べてインクの浸透速度が速いので、エネルギー強度を上げることで、インクの粘度を上げ、浸透速度を下げることができる。更に媒体の表面粗さ応じてエネルギー強度を調整することで、高画質な画像を得ることができる。媒体含水率はインクの浸透速度に影響を与えるので、媒体の含水率情報も予め得ることで、上記手段と同じようにインクの浸透速度を調整することができる。媒体の搬送速度が可変された場合、それに応じてエネルギー強度を可変し、画像品質を保つことができる。環境温湿度に応じて、インクの浸透や乾燥条件が変わるので、エネルギー強度を調整し、画像品質を保つことができる。またインクジェットヘッド内のインク温度に応じてエネルギー強度を調整し、安定した画質を提供することができる。更に、上記手段でインク室内のインクの温度を制御しながらその情報をエネルギー印加手段に常にフィードバックし、画質安定化を行うことができる。例えばインクの物性と温度の関係を予め測定しておいて、そのテーブル化されたデータを基に物性を概算し、エネルギー強度を可変させることで、高画質を得ることができる。更にインクの種類（例えば色によって物性がことなる場合）によって、エネルギー強度を制御することで、高画質画像を得ることができる。 There are two main methods for controlling the intensity of energy, and the physical properties of ink during flight can be accurately controlled by controlling the time for applying energy (pulse control) or by controlling the amplitude of the energy waveform. For example, the physical properties of the ink can be controlled by obtaining in advance information on the type of medium to be landed using a sensor or the like. For example, in the case of plain paper, the ink permeation rate is faster than that of the coat. Therefore, by increasing the energy intensity, the ink viscosity can be increased and the permeation rate can be decreased. Furthermore, a high-quality image can be obtained by adjusting the energy intensity according to the surface roughness of the medium. Since the water content of the medium affects the ink permeation speed, the ink permeation speed can be adjusted in the same manner as the above means by obtaining the water content information of the medium in advance. When the conveyance speed of the medium is varied, the energy intensity can be varied accordingly to maintain the image quality. Since the ink penetration and drying conditions change according to the environmental temperature and humidity, the energy intensity can be adjusted to maintain the image quality. In addition, the energy intensity can be adjusted according to the ink temperature in the inkjet head, and a stable image quality can be provided. Further, the information can always be fed back to the energy applying means while controlling the temperature of the ink in the ink chamber by the above means, and the image quality can be stabilized. For example, it is possible to obtain high image quality by measuring in advance the relationship between ink physical properties and temperature, estimating physical properties based on the tabulated data, and varying the energy intensity. Furthermore, a high-quality image can be obtained by controlling the energy intensity according to the type of ink (for example, when the physical properties differ depending on the color).
複数のノズルがアレイ状に配置されたインクジェットヘッドにおいて、各ノズルから吐出された飛翔中のインクのみにエネルギーを与えることで、印刷速度を上げつつ、エネルギー効率を上げることができ、その概要を図５に示す。 In an inkjet head in which a plurality of nozzles are arranged in an array, energy can be increased while increasing the printing speed by giving energy only to the flying ink ejected from each nozzle. As shown in FIG.
図５において、４１は複数のノズルがアレイ状に配置されたインクジェットヘッド、４２は吐出したインク飛翔方向、５は入力（画像）データに応じて飛翔中のインクのみに選択的にエネルギーを印加するエネルギー発生装置である。このエネルギー発生装置５は、一般的なレーザープリンターで用いる光学ユニット（パルスレーザーが集光されて、高速回転しているポリゴンミラーにより、レーザー光を偏光させて、感光体上に描画する）と同様の光学系を用いたエネルギー発生制御装置を使用することができる。更に、エネルギー発生装置５は、ノズルと同じ数のレーザーアレイを用いて、上記と同じ効果を得ることができる。もしくはノズルと同じ数の発光ダイオードアレイを用いて、上記と同じ効果を得ることができる。更に、光ファイバーを用いて偏光および集光することで、上記と同じ効果を得ることができる。 In FIG. 5, 41 is an inkjet head in which a plurality of nozzles are arranged in an array, 42 is the direction of ink ejection, 5 is selectively applying energy to only the ink that is flying according to input (image) data. It is an energy generator. This energy generator 5 is the same as an optical unit used in a general laser printer (pulse laser is condensed, and laser light is polarized by a polygon mirror rotating at high speed and drawn on a photoconductor). An energy generation control device using this optical system can be used. Furthermore, the energy generator 5 can obtain the same effect as described above by using the same number of laser arrays as the nozzles. Alternatively, the same effect as described above can be obtained by using the same number of light emitting diode arrays as the nozzles. Furthermore, the same effect as described above can be obtained by polarizing and condensing light using an optical fiber.
印刷技術以外にも、インクジェット方式を用いた産業用製品（例えば電子配線、絶縁薄膜コーティング、薄型ディスプレイのカラーフィルターなど）の生産用途にも適用できる。 In addition to printing technology, it can also be applied to the production of industrial products (for example, electronic wiring, insulating thin film coating, thin display color filters, etc.) using an inkjet method.
１：インク室、２：ノズル、３：飛翔中インク、４：媒体、５：エネルギー発生装置、６：エネルギー、１１：振動板、１２：圧電素子。 1: ink chamber, 2: nozzle, 3: in-flight ink, 4: medium, 5: energy generator, 6: energy, 11: diaphragm, 12: piezoelectric element.
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