JP4321831B2 - 高粘度物質の記録方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高粘度物質を電気信号に応じてドット状に記録媒体に付着させて記録する方法、及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録方式は微細なノズルからインクの小滴を突出、飛翔させ、直接紙等の記録部材に付着させることで画像形成する記録方式である。この記録方式によるプリンタは、低コスト、高品質、装置の小型化、カラー化が容易等の理由から、現在オフィスや一般家庭向けのプリンタとして広く普及している。
【０００３】
かかるプリンタの方式は大きくはインク液滴を連続的に突出し、画信号に応じて有用なもののみを選択的に記録媒体上に到達せしめるコンティニュアス方式と、画信号に応じて不連続的に有用な液滴のみを突出させるドロップオンデマンド方式の２種類に分類される。さらに後者においては、圧電素子の振動によりインク流路を変形させてインクを突出させるピエゾ方式、インク流路内の発熱体からの熱によりインク内に気泡を生成せしめ、その圧力によりインクを突出させるサーマル方式、インクに静電吸引力を作用させて突出させる静電方式などの記録方式が提案されている。特に、静電方式は記録ヘッドの構造が単純でマルチノズル化が容易となることやパルス幅変調により階調表現が可能である点が他方式と異なり注目されている。
【０００４】
これらインクジェット方式の一般的な欠点として、記録媒体に印刷した場合のにじみの問題がある。記録媒体上でのインクの乾燥は、記録媒体中への浸透及び揮発成分の蒸発により行われる。従って、未塗工の紙や布に印刷した場合、着弾したインクは毛細管現象で繊維に沿って広がり、輪郭のぼやけた画像を与える。また、全くインクを吸収しないフィルムや金属等に印刷した場合は、インクが浸透できないため、乾燥・定着に非常な長時間を要する。さらに記録媒体にかかわらずカラー記録を行う場合には、先に付着したインクが完全に定着される前に順次他のインクが重ねられるため、色境界でのにじみが生じてしまう。
【０００５】
このような問題は高粘度のインクを用いることで解決されるが、従来のインクジェット技術では、数ＣＰＳ程度の粘度のインクを用いるのが一般的であり、高いものでも２０ＣＰＳ程度までしか記録することができなかった。
【０００６】
高粘度インクを用いずににじみの問題を解決するための一般的な手法として、記録媒体表面にインクの吸着層を設けることが行われている。しかし、この手法では、記録媒体が高価になるほか、紙やフィルムなどの独特の風合いが損なわれることが問題となり、それらが許容されうる分野においてのみしか用いられないのが現状であった。従って、従来印刷法によって行ってきた紙、フィルム等への画像形成の多くはインクジェット方式では置き換えることができないと考えられていた。
【０００７】
上記の欠点を解決する試みの一つとして、常温で固体のインクを必要時に溶解・低粘度化して吐出する、所謂ソリッドインクジェット方式が提案されている。ここに用いられているインクはワックスを主成分としたものであり、１００℃前後の加熱で溶融された状態でノズル部に供給され、吐出されると急速に固化するため、記録媒体上でにじむことがない。しかし、この場合インクを溶融させるための時間を必要とするため、電源を入れてから記録可能となるまで、ウォーミングアップに長時間を要し、ウォーミングアップ後も溶融状態を保つために常時加熱しておく必要があった。また、インクが記録媒体上で盛り上がってしまいゴテゴテした質感となってしまう上、画像が光沢を持つことが多く意匠上も問題があった。
【０００８】
本発明者は、従来のインクジェット技術では不可能だった粘度３００ＣＰＳ以上の高粘度物質の記録に関して鋭意研究を重ねた結果、出口近傍に記録電極を配置したノズルに高粘度物質を充填し、さらにノズル先端に高粘度物質が突出した部分を形成せしめた後、記録電極の画信号に応じた電気パルスを印加することにより前記高粘度物質の突出部が振動、または前記高粘度物質の突出部から小滴が飛翔し、微小なドットが媒体上に記録されることを見いだした。この方法によれば、ソリッドインクジェッ方式のように記録時の粘度を大きく低下させなくても記録が可能であり、さらに普通紙、布、フィルム、金属等の媒体にそのまま記録した場合でもにじみのないシャープな画像が得られる。
【０００９】
しかしこの方式においても、高濃度のドットを記録する場合には媒体上に付着する高粘度物質の量が大きくなるため、ドットが盛り上がってしまい、好ましくない凹凸を形成してしまうことがあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、従来のインクジェット技術では不可能だった粘度３００ＣＰＳ以上の高粘度物質を吐出させて薄膜状のドットをパターニングすることができる記録方法および装置を提供することである。
第２の目的は普通紙、フィルム，金属その他の記録媒体にオフセット印刷類似の質感の画像を形成することが可能である記録方法および装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記各目的を達成するために、本発明は、出口近傍に記録電極を配置したノズルに粘度３００ＣＰＳ以上の高粘度物質を充填し、さらにノズル先端に前記高粘度物質が突出した部分（以下メニスカス部と呼ぶ）を形成せしめた後、前記電極の画信号に応じた電気パルスを印加することにより、前記高粘度物質の突出部を振動させ、または前記高粘度物質の突出部から小滴を飛翔させ、ノズルに対向して配置された転写媒体に付着せしめた後、記録媒体に転写し、記録媒体上に高粘度物質の像を得ることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態を通じて詳細に説明する。
本発明の記録方式において用いられるノズルの一例を図１に、また、複数のノズル配列により構成される記録ヘッドの概略図を図２に示す。なお、１０はノズル、１１は高粘度物質、１２は記録電極、１３はメニスカス、１４は圧電素子、１５は記録媒体、１７は転写媒体、１８は圧胴、２０は記録ヘッドである。
図１において、先端出口付近に記録電極１２が設けられたノズル１０内には図示しない加圧手段により高粘度物質１１が充填され、ノズル１０に充填された高粘度物質の記録は、記録電極１２に適当な信号電圧を印加し、転写媒体１７に高粘度物質を付着させた後、転写ドラムと圧胴１８との間に給送される記録媒体１５に転写することにより行われる。
【００１３】
ノズル１０は絶縁性材料、あるいは金属から構成され、直方体あるいは円柱状に形成される。ノズルの後部は高粘度物質１１を貯蔵、補給するためのインキ室（図示せず）が接続されており、背面の加圧手段（図示せず）によってノズル部に高粘度物質１１が加圧供給される。加圧はメニスカス１３の形状を一定に保つのに適切な圧力で連続的にあるいは間欠的に行われる。より安定な記録を行いたい場合は、図１に示すようなノズルに別の加圧手段として圧電素子１４を設け、記録電極１２への電圧印加と同期して高粘度物質を加圧するのが良い。電圧印加に同期可能な加圧手段として、ピエゾ素子のような圧電素子を用いるのが好ましい。
【００１４】
ノズル前部は径２００μｍ以内の開口部になっており、さらにその前方に突出した高粘度物質が半球状あるいはコーン状のメニスカス１３を形成している。ノズル前面の物質は高粘度物質が濡れ広がってしまわないようにテフロン等の表面自由エネルギーの高いものを用いることが好ましい。高粘度物質が濡れ広がってしまうと、メニスカス形状が不安定になる他、電源ＯＦＦ時に汚れとして残存し、後の記録に悪影響を与える。
【００１５】
ノズルの材質が絶縁性である場合、記録電極はノズル先端近傍に配置されるが、ノズル壁の内側にあっても外側にあってもよい。好ましくは、高粘度物質による腐食等の影響を排除するため，ノズル壁の外側に設けられる。記録電極１２のノズル先端からの距離は特に制限はなく、このことから、本発明の記録原理が従来の静電インクジェット方式と全く異なるものであることが分かる。本発明者は、印加電圧を変化させずに、記録電極の位置をノズル先端から離していった場合に、ノズル先端から１０ｃｍ以上離した場合でさえ、高粘度物質の記録が可能であることを見いだした。このような電極配置の自由度はノズルの設計、さらにはマルチノズルヘッドの設計において大きな利点となるものである。
【００１６】
一方、高粘度物質の種類によっては、記録電極と接触することによる腐食や目詰まりなどの不具合が無視できることもある。この場合にはノズルを金属とし、特に記録電極を設けることなく、ノズルに直接信号電圧を印加することも可能である。
【００１７】
ノズルを転写媒体に対向して配置した際、記録電極への電圧印加によりノズル先端のメニスカス部に生じる変化には以下の２通りがある。
▲１▼メニスカスが転写媒体の方向に振動（伸縮）し、伸びた状態で転写媒体に付着しドットを形成する。
▲２▼メニスカス先端が分裂し、分離した液滴が転写媒体方向に飛翔、付着しドットを形成する。
上記どちらの現象が起こるかは高粘度物質の種類だけでなく、電圧のかけかたやノズルの材質等に大きく依存する。いずれの現象によってもシャープなドットを形成させることが可能であるが、これらの現象の原理はまだよく理解されていない。
【００１８】
ノズルと転写媒体との距離は０．１ｍｍ〜１０ｍｍ、より好ましくは０．１〜３ｍｍの範囲に設定される。距離が０．１ｍｍより狭いと安定なメニスカスが形成できず、さらに転写媒体の微妙な凹凸に追従できなくなるため、ドットが繋がったり、抜けが生じたりして好ましくない。一方、１０ｍｍより広くなると、ドットが広がってしまい、シャープな画像が記録できない。
【００１９】
転写媒体は金属のシリンダーにゴム層を積層したものが用いられる。転写媒体に必要な性質は、
▲１▼高粘度物質の受理性と転移性
▲２▼化学的耐性
▲３▼厚さ精度
▲４▼伸び
▲５▼復元性
▲６▼耐衝撃性
▲７▼弾性（硬度、圧縮性）
▲８▼表面性状
▲９▼洗浄性
等があるが、記録する高粘度物質に応じて個別に設計をする必要がある。ゴム層の硬度はゴム硬度計によって評価するが、一般用紙に使用する場合は７８°〜８０°の範囲のものを用いる。低硬度が用いられるものは、表面がラフな厚紙やエンボス紙であり、高硬度のものは金属印刷やオフセット印刷紙などに用いられる。高粘度物質としてオフセットインキを用いる場合には、オフセット印刷機と同様のブランケットを転写媒体として用いることができ、ニップ圧などの諸条件も印刷機のものをそのまま流用できる。いずれの場合も、転写残りの問題を低減するためには、ゴム層自身にシリコンゴムを用いたり、ゴム層の表面に、さらにシリコン或いはフッ素樹脂のような表面自由エネルギーの低い層を設けることが好ましい。
【００２０】
本記録方式は、粘度３００ＣＰＳ以上の高粘度物質を非接触で転写媒体上に付着せしめた後に記録媒体に転写しパターン形成させる方式である。用いられる高粘度物質は流動性を持つものであれば、液体、コロイド、ペーストなどの形態状の制限はない。
【００２１】
本発明において記録可能な高粘度物質の例として、ＵＶ硬化樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂などの各樹脂材料及びそれらの溶液、加熱により液状化したパラフィンワックス、カルナバワックス等の固形材料、銅フタロシアニン等の有機顔料や酸化チタンなどの無機顔料の高濃度分散液、グリセリンなどの多価アルコール材料、ＵＶ硬化型接着剤、ホットメルト系接着剤、感圧接着剤、１液型および２液型エポキシ系接着剤、ゴム系接着剤、シアノ系接着剤、嫌気性接着剤などの各種接着剤、導電性ペースト、クリーム半田、レジストなどの半導体関連材料、シリコンオイル、工業用オイル、エンジンオイル、グリースなどの各種潤滑油、ソース、ケチャップなどの食品材料、エナメル、ラッカー、ペイント、各種印刷用インキ、濃縮液体トナー、筆記具用インク、水性・油性絵の具などの各種着色材料、等が挙げられる。
【００２２】
本発明に用いるのに好ましい高粘度物質としてのチキソトロピー性を有するものが挙げられる。チキソトロピーは変形、特にせん断のために見かけ粘度が一時的に低下し、静置すると再び元の高粘度の状態に回復する現象である。この現象はある種のコロイド系、特に懸濁液で見られる他、一部の高分子溶液でも確認されている。チキソトロピーにおける粘度の低下は、懸濁液中の分散粒子がその牽引力によって形成している連続的な構造が系を静置する間に再び形成されるためであると解釈されている。
【００２３】
本発明においてこのような物質を用いた時には、せん断のかかり具合によってノズル中の高粘度物質に粘度勾配が生じ、記録に好ましい影響を与える。即ち、メニスカス先端部は信号電圧による振動あるいは分裂によってせん断が与えられて低粘度化し、その部分がより小さなエネルギーで記録媒体側へ移行できるようになる。一方メニスカス先端以外では、大きなせん断が加わらないため、粘度が十分高く、相対的に転写媒体側へ移行しにくい。また、重力によるメニスカス形状の安定化や非記録時の高粘度物質のタレ等も起こりずらい。さらにこれらの特性から、同一の内径のノズルを用いた場合でもより小さなドットが形成できる他、連続記録時の安全性も向上する。
【００２４】
上述のチキソトロピー性の程度としては、せん断速度０．１（１／ｓｅｃ）における見かけ粘度η₁ ，せん断速度１００（１／ｓｅｃ）における見かけ粘度をη₂ とした場合に
η₁ ≧３００ＣＰＳ、かつ
η₁ ≧η₂
の関係を有していることが好ましい。
【００２５】
本発明に用いられる高粘度物質がチキソトロピー性を有しないものである場合、いわゆる揺変剤を添加することでチキソトロピー性を持たせ、記録性能を向上させることができる。揺変剤とは、少量添加することにより、系の中に何らかの構造を形成し、系に適当なチキソトロピー性を付与したり、増粘効果を与えるものを言い、具体的には、超微粉シリカ、モンモリロナイトやカオリナイトなどの粘土鉱物及びそれらの誘導体、ポリアマイドワックス、水素添加ヒマシ油、酸化ポリエチレン、界面活性剤などが挙げられる。
【００２６】
高粘度物質によっては、記録時のドットが分散されずに糸を引き、結果として線状に繋がってしまう場合がある。このような時はメニスカス部を加温することで記録特性が向上する。加熱による影響は粘度の低下だけでなく、電気導電率や表面張力についても起こっており、実際にこれらの複合によって記録特性が向上していると思われる。加熱の作用は複雑で予想し難いが、高粘度物質の種類によって最適な温度範囲が存在することが確認されている。
【００２７】
加熱手段はノズルにヒーターを設けても良いが、メニスカス部を暖めるには、適さないことが多い。メニスカス部に温風を送るか、赤外線ランプを照射する等の手法が好ましく用いられる。
【００２８】
図３は温風によって加熱する場合のノズルの構成を示したものである。温風による場合は、風向きによって記録の安全性が損なわれる恐れがあるので、風向きの影響を最小限に抑えるために、図３に示すように、ノズル先端部を先端が開口し、送風口を有する円筒体或いは直方体１６で囲み、送風口から温風を送り込んでノズル上部から転写媒体方向に送ることが好ましい。
【００２９】
図４は本発明が適用された高粘度物質の記録装置の概略構成図である。
この装置ではフィルム状の記録媒体がロールから供給されるようになっているが、記録媒体の材質、形状は特に限定されるものではない。
記録ヘッド１の電極部には、図示されない電源およびパルス発生装置が接続されており、パターンに応じた電圧信号が印加できるようになっている。ヒーター７は室温〜１００℃までの一定温度の温風を供給できるものであり、風量の調節も可能となっている。記録ヘッド１の後部には、加圧装置６が接続されており、メニスカス形状を一定に保つための高粘度物質の加圧が行われる。複数の高粘度物質を記録する場合には、同様のヘッドを複数配置することで対処できる。
【００３０】
記録ヘッド１によって回転ドラム上の転写媒体２上にパターン状に記録された高粘度物質は転写媒体ドラムの回転によって転写部まで移動し、圧銅８表面に巻き付けられた記録媒体３上に圧力転写される。その後、乾燥ユニットで高粘度物質に応じた乾燥が行われ、定着される。
【００３１】
乾燥は高粘度溶媒の蒸発、あるいはＵＶ照射、ＥＢ照射等によって行われる。以下に述べる実施例では高粘度物質がＵＶ硬化性であるため、乾燥工程ではＵＶ照射装置４を用いる。乾燥が終了した記録媒体はカッター５で所望のサイズに切断され、一連の工程が終了する。
【００３２】
【実施例】
図４の装置を用いて高粘度物質の記録試験を行った。記録ノズル１は図３と同様のものを用いた。
本実施例では、高粘度物質として、水無しオフセット印刷用のＵＶ硬化型インキを用いた。このインキの５０℃におけるレオロジー特性を図５に示す。図５において、横軸はせん断速度（１／ｓ）、縦軸は粘度である。
また、剪断速度１．０（１／ｓｅｃ）における見かけ粘度η₁ と剪断速度１００（１／ｓｅｃ）における見かけ粘度η₂ を表１に示す。 このインキは５０℃において十分なチキソトロピー性を有することが分かる。
【００３３】

高粘度物質の記 は以下に示す条件で行った。
【００３４】
ノズル
材料：ＰＰ
ノズル内径（先端部）：２６０μｍ
ノズル壁厚み：１２５μｍ
記録電極位置：ノズル先端から３０００μｍ
記録媒体：ポリカーボネートフィルム
記録媒体搬送速度：８ｍ／ｍｉｎ
転写媒体
材質：シリコンゴム
ゴム層厚：１．８ｍｍ
硬度：７８°
ニップ圧：０．１ｍｍ
信号電圧周波数：１０００Ｈｚ
印加電圧：４ｋＶ
ノズル部ヒーター温度：５０℃
ノズル背面加圧：０．５ｂａｒ
ノズル─記録媒体間距離：１０ｍｍ
乾燥：紫外線ランプ
信号電圧の印加に応じてノズル先端のメニスカスが振動し、転写媒体上にドットが次々と形成される様子が高速ビデオによって確認された。記録媒体へ転写された高粘度物質像を顕微鏡で観察したところ、径６０μｍの円形ドットが記録抜けもなく一定間隔で並んでいた。また、各ドットが厚さ１μｍ以内の薄膜状になっていることから得られた画像はオフセット印刷類似の質感を呈していた。
さらに記録後の転写媒体を観察したところ、転写残りや汚れは認められず、ほぼ１００％の効率で転写が行われたことが確認された。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来のインクジェットでは不可能であった粘度３００ＣＰＳ以上の高粘度物質を薄膜状の微小なドットとパターン状に記録することができる。また、普通紙、布、フィルム、金属等の媒体にそのまま記録した場合でもオフセット印刷類似の質感の画像を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明において用いられるノズルの１例を示す図である。
【図２】 本発明の複数のノズル配列により構成される記録ヘッドの概略図である。
【図３】 温風によって加熱する場合のノズルの構成を示した図である。
【図４】 本発明の適用された記録装置の概略構成図である。
【図５】 シルクスクリーン印刷用のＵＶ硬化型インキの５０℃におけるレオロジー特性を示す図である。
【符号の説明】
１…記録ヘッド、２…転写媒体、３…記録媒体、４…ＵＶ照射装置、５…カッター、６…加圧装置、７…ヒーター、８…圧胴、１０…ノズル、１１…高粘度物質、１２…記録電極、１３…メニスカス、１４…圧電素子、１５…記録媒体、１６…円筒体或いは直方体、１７…転写媒体、１８…圧胴、２０…記録ヘッド。

Claims (16)

1. 出口近傍のノズル壁外側に記録電極を配置したノズルに粘度３００ＣＰＳ以上の高粘度物質を充填し、ノズル背面から連続的或いは間欠的に加圧してノズル先端に高粘度物質が突出した部分を形成せしめた後、記録電極に画信号に応じた電気パルスを印加することにより、前記高粘度物質の突出部を振動させ、または前記高粘度物質の突出部から小滴を飛翔させ、ノズルに対向して配置された転写媒体に付着せしめた後、記録媒体に転写し、記録媒体上に高粘度物質の像を得ることを特徴とする高粘度物質の記録方法。
2. ノズルが絶縁性の物質からなる請求項１記載の高粘度物質の記録方法。
3. ノズルが金属からなり、該金属部分が記録電極を兼ねる請求項１記載の高粘度物質の記録方法。
4. 記録電極への電圧印加と同期してノズル内の高粘度物質が加圧される請求項１記載の高粘度物質の記録方法。
5. ノズル先端から記録媒体までの距離が０．１〜１０ｍｍである請求項１記載の高粘度物質の記録方法。
6. ノズル先端部の高粘度物質を加熱する請求項１記載の高粘度物質の記録方法。
7. 高粘度物質がチキソトロピー性を有する請求項１記載の高粘度物質の記録方法。
8. 前記高粘度物質の剪断速度０．１（１／ｓｅｃ）における見かけ粘度をη₁ 、剪断速度１００（１／ｓｅｃ）に於ける見かけ粘度をη₂ としたとき、
   η₁ ≧３００ＣＰＳ、かつ
   η₁ ≧２η₂
   の関係を有する請求項１記載の高粘度物質の記録方法。
9. 前記高粘度物質が紫外線照射により硬化する請求項１記載の高粘度物質の記録方法。
10. 粘度３００ＣＰＳ以上の高粘度物質が充填され、出口近傍のノズル壁外側に記録電極が配置されたノズルと、ノズル背面からノズル内の高粘度物質を加圧する加圧手段と、前記記録電極に画信号に応じた電気パルスを印加する印加手段と、ノズルに対向して配置された転写媒体と、転写媒体と対向して配置された記録媒体とを備え、前記加圧手段による加圧によりノズル先端に高粘度物質が突出した部分を形成せしめた後、記録電極に画信号に応じた電気パルスを印加することにより前記高粘度物質の突出部を振動させ、または前記高粘度物質の突出部から小滴を飛翔させ、ノズルに対向して配置された転写媒体に付着せしめた後、記録媒体上に転写し、記録媒体上に高粘度物質の像を得ることを特徴とする高粘度物質の記録装置。
11. ノズルが絶縁性の物質からなる請求項１０記載の高粘度物質の記録装置。
12. ノズルが金属からなり、該金属部分が記録電極を兼ねる請求項１０記載の高粘度物質の記録装置。
13. 前記加圧手段は記録電極への電圧印加に同期してノズル内部の高粘度物質を加圧する請求項１０記載の高粘度物質の記録装置。
14. ノズル先端から記録媒体までの距離が０．１〜１０ｍｍである請求項１０記載の高粘度物質の記録装置。
15. ノズル先端部の高粘度物質を加熱する加熱機構を設けた請求項１０記載の高粘度物質の記録装置。
16. 記録媒体上に高粘度物質を付着せしめ、続いて紫外線照射を行う請求項１０記載の高粘度物質の記録装置。

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