【手続補正書】
【提出日】平成16年6月18日(2004.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】      明細書
【発明の名称】インクジェット装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク吐出信号に基づいてノズルからインクを吐出し、記録媒体上にインク滴からなるパターンを形成するインクジェットヘッドを有するインクジェット装置において、
インクジェットヘッドのノズル近傍に、溶媒を吸収、保持する保持体を設け、該保持体から前記溶媒を自然蒸発せしめることを特徴とするインクジェット装置。
【請求項２】
前記保持体の材料が、レーヨン、ポリエステル、もしくはこれらの繊維を混合したもの、あるいは金属繊維等からなる不職布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装置。
【請求項３】
前記保持体の材料が、高吸水性ポリマーからなる繊維あるいはシート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装置。
【請求項４】
前記保持体からの溶媒の蒸発が特定領域からのみとなるように、前記保持体の表面の一部を被覆材または遮蔽板にて遮蔽したことを特徴とする請求項１ないし３記載のうちいずれか一つのインクジェット装置。
【請求項５】
請求項１ないし４記載のうちいずれか一つのインクジェット装置において、
前記保持体に溶媒を補充する手段を有することを特徴とするインクジェット装置。
【請求項６】
請求項５記載のインクジェット装置において、
前記保持体に溶媒を補充する手段は前記インクジェットヘッドの非記録領域に設けられ、インクジェットヘッドの非記録時にのみ保持体に溶媒を補給することを特徴とするインクジェット装置。
【請求項７】
前記ノズルの開口部の中心と前記溶媒の保持体との距離が０．３〜１ｍｍ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装置。
【請求項８】
前記保持体に湿度センサを設け、該センサの出力に基づいて前記保持体内の水分の消耗量を算出し、これに基づいて前記保持体に溶媒を補充することを特徴とする請求項１記載のインクジェット装置。
【請求項９】
前記ノズルの開口部を挟んで、前記記録媒体の搬送方向の上流側と下流側とに、それぞれプレート状の気流遮蔽体および溶媒の保持体とを設けることを特徴とする請求項１記載のインクジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
本発明は、記録媒体上に、インク滴からなるパターンを形成するインクジェット装置に係わり、特に、乾燥性を有する溶媒を含む液体インクを用いた場合において、環境条件や休止時間（インクの不吐出時間）の長さに関わらず、再吐出可能なノズルの目づまりのない高信頼な記録可能なインクジェット装置に関する。
【従来の技術】
インクジェット式印字ヘッドで吐出する液体インクには、使用する溶媒によって水性インク（溶媒は水）、ＵＶインク（溶媒は光重合開始剤とアクリレート）、溶剤インク（溶媒はＭＥＫ（メチルエチルケトン）や低級アルコール）、油性インク（溶媒は炭化水素やシリコーン）に分けられる。油性インクを除く、他のインクに用いる溶媒は揮発性である。このため、水性インクや溶剤インク、ＵＶインク等の液体インクを用いたインクジェット装置において、インクジェットヘッドの信頼性を低下させる要因の一つに、液体インク中に含まれる溶媒の蒸発によるインク粘度の増加に基づくノズルの目詰まりがある。
図５はインクジェットヘッド１の断面図である。ＰＺＴ等の圧電素子３に駆動電源２から電圧が印加されると、圧電素子が変位し、これによって振動板４が変形してインク室５内のインクが加圧され、オリフィスプレート６に設けられたノズル（開口部）８からインク滴９が吐出する。
最近、パーソナルインクジェットプリンタ等で用いられる水性インクは染料や顔料等の色素、溶媒としての水、湿潤剤、ＰＨ調整剤等の混合物である。通常、インクジェット装置が非稼働時は、ヘッドのノズル開口部は、キャッピング（図示せず）機構によりふさがれ、ノズル開口部８からの水分蒸発は抑制されるが、稼働時（印刷中）はインク吐出に備え、常に開放された状態にある。このため、印刷データ内容によっては、複数のノズルのうち、インクが吐出しない期間が長いものがあり、これらのノズルにおいては、ノズル内のインク表面（メニスカス）１０から水分の蒸発２３が始まるとインクの粘度が高くなり、インクが吐出できにくくなり、最終的に、目詰まりが生じることになる。
上述した目詰まりを解決する方法として、特開２０００−７９６９６号公報には、インクジェット装置とは別体に加湿器を設け、前記加湿器からパイプにより加湿空気をインクジェットヘッドのノズルの近傍に供給するとともに、供給された加湿空気を排出するためのパイプ及びパイプ内の加湿空気を装置外部に排出するファンを有する構成が提案されている。これにより、インク吐出ノズル周辺は常に適度な湿度が維持され、そのノズル付近のインクの乾燥が防止されるとしている。
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の構成においては以下の問題がある。
（１）加湿器からパイプによりインクジェット装置内に送りこまれた加湿空気は、ノズル近傍だけでなく装置内部にも滞留するため、湿度上昇による装置の動作不良、例えば、結露や電気系統の絶縁不良等が懸念されるため、加湿空気を装置の外部に排出する排気機構が不可欠となる。このため、部品点数が増え、これに伴って装置が大きく複雑になり、装置コストも高くなるという問題がある。
（２）加湿空気がヘッドのノズル列に近接して設けられたインクの希釈媒体蒸気の吐き出し口から記録媒体である用紙にも向かって吐き出されるため、用紙の膨潤や吸湿変形が生じ、記録画質の不良が生じるという問題がある。
（３）加湿空気の供給であるため、インクが水性インクの場合に限られる。
（４）インクジェットヘッドには加湿空気供給ホースが接続されているため、スキャン動作により記録媒体にインクパターンを記録する際、上記加湿空気供給ホースも、併せてスキャン動作する必要がある。
そこで、本発明の課題は、排出装置が不要な簡単な構成で、かつ用紙の膨潤や吸湿変形による記録画質不良を生じさせることなくノズルつまりの発生を防止し、高信頼な印刷を行うことのできるインクジェット装置を提供することにある。さらに、インクも水性インクだけでなく、溶剤インク等の蒸発する溶媒を用いた液体インクを用いる場合にも適用可能なインクジェット装置を提供することをにある。
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明においては、インク吐出信号に基づいてノズルからインクを吐出し、記録媒体上にインク滴からなるパターンを形成するインクジェットヘッドを有するインクジェット装置において、インクジェットヘッドのノズル近傍に、溶媒を吸収、保持する保持体を設け、該保持体から前記溶媒を自然蒸発せしめるようにした。保持体の材料は、レーヨン、ポリエステル、もしくはこれらの繊維を混合したもの、あるいは金属繊維等からなる不職布、好ましくは高吸水性ポリマーからなる繊維あるいはシートであるとよい。
上記構成に加え、前記保持体からの溶媒の蒸発が特定領域からのみとなるように、前記保持体の表面の一部を被覆材または遮蔽板にて遮蔽するとよい。また、本発明のインクジェット装置は、保持体は溶媒を補充する手段を有し、これによって継続的な、あるいは断続的な溶媒の補給を行なうように構成されている。
以上の構成により、水性インクを用いる場合、低湿環境になってインクジェットヘッドのノズル近傍空間の水蒸気濃度が、ノズル近傍に設けられた水の吸収保持体中の水（水蒸気）濃度よりも低くなると、両者の溶媒の濃度差に基づく濃度拡散現象により、上記水の吸収保持体から水蒸気がノズル開口部近傍の限られた空間に自然に放出される。ヘッドのオリフィスプレート面と記録媒体の距離は通常、１〜１．５ｍｍに設定されるため、極めて狭い空間となり、基本的には、その温度での飽和蒸気状態となる。このため、ノズル開口部近傍の湿度が高くなり、メニスカス表面からの水分の乾燥を防止することができる。このように、水蒸気がノズル開口部近傍の限られた空間のみに自然放出されるため、加湿空気供給ホースや排気装置が不要となる。
【発明の実施の形態】
検討の結果、ノズルの目詰まり現象はノズル開口部近傍空間１１（図５参照）での湿度と密接な関係のあることがわかった。図６は、１２８個のノズルが一列に並んだライン型インクジェットヘッドに水性顔料インク（インク粘度：７ｃｐｓ）を充填し、インクジェットヘッドの駆動時のインク滴の吐出特性の環境依存性を測定した結果である。横軸は相対湿度、縦軸はノズルからインク滴を吐出させた後、１０分間休止し、再度圧電素子を駆動した時の吐出ノズル率を示す。
ノズル径（約３０〜５０μｍ）のばらつきやノズルの汚れ程度の差があるものの、ノズル開口部近傍空間１１（図４参照）の相対湿度が６０％ＲＨ（relativehumidity）以上であれば、吐出ノズル率は１００％（１２８ノズルの全数吐出）であるが、湿度の低下とともに吐出ノズル率が低下し、相対湿度３０％ＲＨでは、ほとんど不吐出となることがわかった。プリンタが使用される環境として、冬季では相対湿度が３５％ＲＨに近くなるため、不吐出ノズルが増加し、印刷の信頼性が大幅に低下する。
インクジェット装置の記録方式として、インクジェットヘッドが記録媒体の搬送方向と直角方向に左右に移動しながら、インク滴を吐出して記録媒体に記録する“シリアル走査”と、インクジェットヘッドが静止した状態で、ライン状に配置されたノズルから、ヘッドに対して直角方向に搬送される記録媒体にインク滴を吐出して記録する“ライン走査”方式がある。シリアル走査方式の場合は、ヘッドが記録媒体の外側に移動した位置にて、増粘度化したインクを高頻度でかつ、強制的に吐出させることができるので、相対湿度が５０％ＲＨ程度の環境下でも吐出ノズル率１００％を確保できるが、インクをムダに消耗するという問題がある。一方、ヘッドが静止した状態で記録するライン走査方式では、強制吐出という操作は適用できず、より深刻な問題となる。
一方、インクジェットヘッドのノズルの目詰まりは、インク中の溶媒（溶剤、水等）が蒸発し、インク中の固形物（顔料や発光材料、金や銀等のメタル粉末）が、直径数十ミクロンのノズルの出口に固着することに起因する。よって、これを防ぐ方法は、オリフィスプレートの表面のノズル開口部でのインク中の溶剤の蒸発を低減、好ましくは防止することに尽きる。溶媒の蒸発は、ノズル内のインク表面（メニスカス）の溶媒濃度とノズルの外側の空間の溶媒濃度との差、いわゆる濃度勾配によって生じる。従って、ノズルの外側の空間における溶媒蒸気濃度をノズル内のメニスカス表面近傍の溶媒蒸気濃度に近づけるか、あるいは少なくとも相対湿度が６０％ＲＨ以上の環境を整えれば、インク中の溶媒の蒸発を低減、あるいは防止することができる。このため、ノズル開口部に近接して、インク中に含まれる溶媒を吸収保持し、かつ保持された溶媒が蒸発して大気中に放出される機能を有する保持体、例えば、スポンジや不織布等のマットを配置し、少なくともインクジェット装置の稼働中は保持体内に溶媒が所定量含まれているように適時溶媒を補充する構成とするとよい。
以下、本発明の具体例を説明する。
図１は本発明の第１の例となるインクジェットヘッドの構成を説明する概略断面図、図２は平面図を示す。ＰＺＴ等の圧電素子３に駆動電源２から電圧が印加されると、圧電素子が変位し、これによって振動板４が変形してインク室５内のインクが加圧され、オリフィスプレート６に設けられたノズル（開口部）８からインク滴９が吐出する。オリフィスプレート６は１００μｍの厚みを持つステンレスやＦｅ−４２Ｎｉ等の材質よりなり、この表面を酸処理した後、撥インク処理層７として、フッ素系の高分子膜が形成されている。好ましくは、これに加えてノズル８の内部に深さ１０μｍ程度まで、フッ素系の高分子膜を入り込ませることが望ましい。
図２に示すように、オリフィスプレート６の表面であって、ライン状に配列された複数のノズル８の列を挟んだ両側には溶媒の保持体１２ａ、１２ｂを設ける。ここでは、溶媒の保持体１２として、レーヨン及びまたはポリエステル等の高分子繊維や、金属繊維からなる不職布のシートを用いている。一般に、プリンタ等の用途では、オリフィスプレート６のノズル面と記録媒体１３の印刷面との間隙を１〜１．５ｍｍとするため、不職布のシート１２の厚みは０．５ｍｍ〜１．０ｍｍとし、記録媒体面と接触しないようにする必要がある。また、保持体１２への溶媒１６の補給は、溶媒１６を貯蔵するタンク１５からチューブ１９を介して毛管現象あるいはポンプ（図示せず）により行なわれる。保持体１２ａ、１２ｂの領域の一部には湿度センサ１８が設けられており、センサ出力値に基づきＣＰＵ（図示せず）が保持体１２内の水分の消耗量を算出し、この結果に基づき必要に応じて図１及び図２の矢印２８の方向にチューブ１９を移動させ、保持体１２ａ、１２ｂに連結することにより、溶媒１６の補給を行なう。チューブ１９の途中には開閉弁１７を設けており、非供給時の溶媒１６の蒸発を防止できる構成となっている。
保持体１２として不職布のシートを用いた場合には、シートに空隙が存在するため、この空隙内に溶媒が保持され、これがノズル開口部近傍空間１１に蒸気となって放出される。その結果、空間１１の湿度は、基本的にヘッド設置環境温度での飽和蒸気圧レベルとなる。なお、ノズル８の中心とシート１２との距離Ｌは短すぎるとインク吐出の障害となり、離れすぎると空間１１の湿度の調節が難しくなり、適切な条件が存在する。実験の結果、距離Ｌは０．３〜１ｍｍが好ましいことがわかった。
以上の構成とすることにより、ノズルでの溶媒の乾燥によるインクの増粘度化を防止でき、ノズルの目詰まりのない高信頼な記録ができる。さらに、保持体１２において、空間１１と対向しない面には、空隙が露出しないように金属箔やプラスチックシートよりなる被覆材１４を設けることにより、溶媒の蒸発領域を空間１１と対向する面のみとすることができ、溶媒の消費量を低減できる効果がある。
なお、溶媒１６としては、使用するインクの溶媒を用いるのが好ましい。例えば、インクとして水性インクを用いた場合、インクジェットプリンタで用いる水性インクの構成は色材（染料や顔料）が２〜５％、溶媒としての水が８０％、エチレングリコールやグリセリンが１０％であるから、上記構成のインクジェットヘッドにおいて水性インクを用いた場合には、タンク１５内に貯蔵する溶媒１６は水でよい。
次に、本発明の第２の例について図３を用いて説明する。先の例では、オリフィスプレート６の表面上のライン状に配列された複数のノズル８の列を挟んだ両側に保持体１２ａ、１２ｂを設けたが、本例では、ノズル８の列に対して記録媒体１３の搬送方向下流側に保持体１２ｂのみを設置し、反対側（上流側）にはプレート状の気流遮蔽体２４を設けている。記録媒体１３が高速で搬送されると、オリフィスプレート６と記録媒体１３との距離が１．０〜１．５ｍｍと狭いため、この空間で気流が生じる。気流が保持体に流れないように遮蔽することにより、保持体から蒸発した溶媒が気流によって外部に流れるのを防ぎ、蒸発した溶媒がノズル開口部近傍の空間１１に留まるようにできる。さらに、保持体の個数を削減することができ、かつ、ノズル部での溶媒の乾燥を低減することができる効果がある。
なお、本例においても第１の例と同様に、保持体１２ｂの領域の一部には湿度センサ（図示せず）が設けられており、センサ出力値に基づきＣＰＵ（図示せず）が保持体１２ｂ内の水分の消耗量を算出し、この結果に基づき必要に応じて矢印２８の方向にチューブ１９を移動させ、保持体１２ａ、１２ｂに連結することにより、溶媒１６の補給を行なう。チューブ１９の途中には開閉弁１７を設けており、非供給時の溶媒１６の蒸発を防止できる構成となっている。
前述した第１の例、及び第２の例においては、ノズル８に接して設けた溶媒の保持体１２として、レーヨン及びまたはポリエステル等の高分子繊維や、金属繊維からなる不職布のシートを用いた例を説明したが、本発明の構成を更に有効に機能させるためには、保持体１２として高吸水性ポリマー材料を用いるとよい。高吸水性ポリマーは、水に対して高い吸着・吸収能力を備えるとともに、この吸収した水分を保水する機能を持ち、粉末状、繊維状、フィルム状のものが製造されている。
一例として、アクリル繊維の加水分解物系の繊維状高吸水性ポリマー（日本エクスラン製、商品名：ランシール）を用い、厚み０．１ｍｍのシート状の保持体１２を作成した。図１に示す本発明のインクジェットヘッドに保持体１２として前述したシート状の高吸水性ポリマーを用いたところ、高吸水性ポリマーからの水分の蒸散作用によりノズル開口部近傍空間１１を高湿に保つことができた。実験の結果、冬季環境でも、ノズル近傍空間１１の相対湿度を６５〜７６％ＲＨ、夏季環境で７６〜８５％ＲＨにできることがわかった。なお、このシートは吸水によって最大１ｍｍの厚みとなるため、記録媒体が搬送中に、保持体に接触しないようにヘッドと記録媒体間の距離を設定する必要がある。
以上述べたように、高吸水性ポリマー材料は、前述した第１の例、及び第２の例で使用したレーヨン及びまたは、ポリエステル等の高分子繊維や金属繊維からなる不職布のシートに比べて、保水効果があるため補充周期を長くすることができる。例えば、インクジェット装置の起動時に吸水することにより数時間は補充なしでも対応することができるため、装置が簡単にして、かつノズルでの水分の乾燥によるインクの増粘度化を防止でき、ノズルの目詰まりのない高信頼な記録ができる効果がある。当然の事ながら、高吸水性ポリマーからなる保持体は、図３に示すインクジェットヘッドにも適用できることは言うまでもない。
更に、本発明の第３の例について図４を用いて説明する。本構成のインクジェット装置は、記録時にライン記録型のインクジェットヘッド１が位置しする記録ステーションと、非記録時にインクジェットヘッド１を非記録領域に退避させる保全ステーションを有する。記録ステーションにおいては、インクジェットヘッド１はノズル８側の面に記録媒体１３が対向し、搬送される構成となっている。よって、記録媒体１３の搬送に同期して、インクジェットヘッド１に記録信号が送られ、これに基づく圧電素子の変位に連動した振動板の変形によりインクがノズル８から吐出し、記録媒体１３上にインクによる文字・画像が形成される。非記録時、すなわち記録休止時、あるいは定期的にライン記録型のインクジェットヘッド１が清掃期間に入る場合、インクジェットヘッド１が矢印２１の方向に移動し、保全ステーションに移動する。
インクジェットヘッド１のノズル８の列の両側には保持体２２ａ、２２ｂのみ、あるいは保持体２２ａ、２２ｂと被覆材（図示せず）が設けられており、保持体２２ａ、２２ｂの端部には夫々チューブ２９と連通するコネクタ（図示せず）が設けられている。また、保全ステーションには、溶媒２６が貯蔵されているタンク２５が設置されており、コネクタと連結されるチューブ２９を介して保持体２２ａ、２２ｂへ溶媒２６を供給する構成となっている。なお、チューブ１９の途中には開閉弁２７を設けており、溶媒２６の補給量を調節できる構成となっている。
上記構成において、保全ステーションへの移動時（矢印３０の方向）に、インクジェットヘッド１のノズル８の表面がブレード２０と接触することにより、ノズル８を含めたヘッド面が清掃され、保全ステーションに至る。保全ステーションでは、インクジェットヘッド１に設けられた保持体２２ａ、２２ｂの端部のコネクタとチューブ２９が連結し、これによってタンク１５より開閉弁１７を介して保持体２２ａ、２２ｂに溶媒２６が供給される。なお、溶媒２６が保持体２２ａ、２２ｂに供給される前に、ノズル８からインクの吐出（パージ）操作を行っても良い。その後、再び、インクジェットヘッド１が記録ステーションの方向（矢印３１）へ移動し、再び、記録動作に入る。
以上示した各例では１色分のインクジェットヘッドについて説明したが、複数のインクジェットヘッドを用いてカラー印刷を行う場合においても、それぞれのインクジェットヘッドに対して同様の対応を取ることができる。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、従来のように水蒸気を発生させる加湿器や、ヘッドに供給された加湿空気を排出する排出機構を必要とせず、インクジェットヘッドのノズル近傍にインク溶媒の吸収保持体を設けるだけの簡単な構成で、インクジェットヘッドのノズル開口部近傍の空間でのインク中の溶媒の蒸発を防止できるので、低湿度環境下においてノズルからインクが吐出しない時間が続いても、インクの増粘度化を防止することができるため、ノズルの目詰まりがなく、高信頼な印刷が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の例となるインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【図２】  本発明の第１の例となるインクジェットヘッドの溶媒供給時の概略を示す平面図である。
【図３】  本発明の第２の例となるインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【図４】  本発明の第３の例となるインクジェット装置の構成を示す概略平面図である。
【図５】  従来のインクジェットヘッドの構成を示す断面図である。
【図６】  相対湿度と吐出ノズル率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１はインクジェットヘッド、３は圧電素子、４は振動板、５はインク室、６はオリフィスプレート、７は撥インク処理層、８はノズル、９はインク滴、１０はメニスカス、１１はノズル開口部近傍の空間、１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂは保持体、１３は記録媒体、１５、２５はタンク、１７、２７は開閉弁、１８は湿度センサ、１９、２９はチューブ、２０はブレード、２４は気流遮蔽体である。