(57)【要約】      （修正有）【課題】インク容器およびインク経路の少なくとも一方において、色素入りインクの沈殿を防止し、長い稼働時間中インクが均一な分散状態を維持するインク組成物とシステムを提供する。【解決手段】色素、界面活性剤、および溶剤をインク容器に加えてインク混合液を作るステップと、磁性粒子を加えるステップと、インク容器に可変磁場を印可してインク混合液全体に渡り磁性粒子の無秩序な運動を発生させて色素含むインク組成物を得る。更に、インク経路に磁場を印可して磁性粒子の無秩序な運動を発生させるステップも含まれる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
色素を含むインク組成物を作成する方法であって、
ａ）色素すなわち分散前の色素、界面活性剤、および溶剤をインク容器に加えて、インク混合液を作るステップと、
ｂ）前記インク容器に磁性粒子を加えるステップと、
ｃ）前記インク容器に可変磁場を印可して、前記インク混合液の全体に渡って、前記磁性粒子の無秩序な運動を発生させて、前記色素を含むインク組成物を作るステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記インク容器に分散したバインダ樹脂を加えて、前記インク混合液を作るステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記磁性粒子が、約５００ｎｍ〜約５０マイクロメートルの範囲の粒子サイズを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記色素が、少なくとも２．０ｇ／ｃｍ３の密度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記容器に複数の磁気素子を隣接させて配置することにより、前記磁場を印可して前記無秩序な運動を発生させる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記インク混合液をインク経路に通して移動させ、前記インク経路に一対の磁気素子を隣接させて配置させることにより、前記インク経路に磁場を印可するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
インク容器と、
インク経路と、
インクジェットノズルと、
前記インク容器および前記インク経路のうちの少なくとも一方に隣接して配置される複数の磁気素子と、を含む、インクジェット印刷システム。
【請求項８】
前記インク容器と前記インク経路のうちの少なくとも一方の中に磁性体微粒がさらに含まれる、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記磁性粒子が、約５００ｎｍから約５０ミクロンの範囲の粒子サイズを有する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
印刷システムのインク容器およびインク経路のうちの少なくとも一方の中でのインク組成物の沈殿を防止する方法であって、
複数の磁気素子を供給するステップと、
前記印刷システム内の前記インク容器および前記インク経路のうちの少なくとも一方に隣接させて、前記複数の磁気素子を配置させるステップと、
前記インク容器および前記インク経路のうちの少なくとも一方に磁性粒子を加えるステップと、
前記複数の磁気素子を用いて、インク容器およびインク経路のうちの少なくとも一方の中の前記インク組成物内で前記磁性粒子の無秩序な運動を発生させるステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、一般に長い稼働時間の環境において、およびインクジェットプリンタが待機モードの環境において、色素入りインクの沈殿を防止する、その場での方法に関する。インク容器および／またはインク経路に磁性微粒子を導入し、調整可能な磁場を生成し、これにより、インク混合液、およびより良好に分散したインク製品内全体に渡って磁性体微粒子の無秩序な運動を発生させる。
【背景技術】
【０００２】
均一で均質な色素入りインクでは、インクが時間の経過と共に「沈殿」することにより、混合物が著しく積層してしまうことが知られている。このようにインクが「沈殿」することにより、画像濃度に受け入れがたい不具合が生じてしまう。このようにインクが「沈殿」することにより、プリンタのハードウェアの噴射ノズルにおける目詰まりなどの受け入れがたい不具合が生じてしまう。したがって、インクジェット印刷では、インク内の色素が安定して分散することが要求される。
【０００３】
インク内での色素の分散に関する問題を化学的に解決するために、分散剤が使用されている。色素の分散剤を使用することは（色素の分散を促すために業界では実施されているが）、噴射処理の時にインクの流動性および滴の形成に悪影響を及ぼすためあまり好まれてはいない。分散剤の使用は、インクの「沈殿」に対処するための受け身的な方法である。分散剤の使用を、より長い耐用期間を得るための効果的な解決法とするには、依然として多くの課題がある。現状では、いくらかの物理的な解決法が広く実施されている。
【０００４】
いくつかの物理的な解決法、すなわち機械的な解決法が広く実施されている。これらの機械的な解決法では、攪拌子、上昇流体の出口、およびポンプ組立体が用いられている。
【０００５】
しかし、これらの中には、コスト的にメリットがあり、システム統合に関する許容可能な安定性（設計、製造、および使用）、および性能を最大限に発揮する解決法は存在しない。性能を最大限に発揮するとは、材料を無駄にすることなく効率が良いことを意味する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、インクの沈殿を防止し、長い稼働時間中インクが均一な分散状態を維持するシステムの開発が必要である。より具体的には、低いコストで、非常に効果的で、サイズがコンパクトであり、それに伴い柔軟性のある、効率的で持続可能な混ぜ合わせ方法を開発する必要がある。
【０００７】
さらに、材料特性のベンチマーク（例えば、小さいサイズおよび粒子サイズの狭い分布）を犠牲にすることなく、処理時間とコストを抑える分散技術を開発する必要性も残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態では、色素を含むインク組成物を作成する方法が開示される。この方法には、色素すなわち分散前の色素、界面活性剤、および溶剤をインク容器に加えてインク混合液を作るステップと、磁性粒子を加えるステップと、インク容器に可変磁場を印可してインク混合液全体に渡り磁性粒子の無秩序な運動を発生させて色素含むインク組成物を作るステップと、が含まれる。この方法には、分散したバインダ樹脂をインク容器に加えてインク混合液を作るステップも含まれ得る。これらの磁性粒子は、約５００ｎｍから約５０マイクロメートルの粒子サイズを有し得る。この色素を含むインク組成物は、水性インク組成物である。この色素は少なくとも２．０ｇ／ｃｍ３の密度を有する。このインク組成物内の色素は、５００ｎｍ未満の粒子サイズを有する。
【０００９】
本発明の実施形態では、インクジェット印刷システムは、インク容器、インク経路、インクジェットノズル、および複数磁気素子を含み、これらの磁気素子はインク容器およびインク経路のうちの少なくとも一方に隣接して配置されている。インク容器およびインク経路のうちの少なくとも一方は、その中に磁性体微粒子が含まれている。この磁性粒子は、約５００ｎｍから約５０ミクロンの粒子サイズを有し得る。インク容器およびインク経路には、色素の着色剤を含むインク組成物がさらに含まれる。複数の磁気素子により磁性体微粒子に磁場が印可され、これにより、インク混合液内で磁性粒子の無秩序な運動が発生する。
【００１０】
本発明の実施形態では、印刷システムのインク容器およびインク経路のうちの少なくとも１方において、インク組成物の沈殿を防止する方法が開示される。この方法には、複数の磁気素子を供給するステップと、印刷システム内のインク容器およびインク経路のうちの少なくとも一方に隣接して複数の磁気素子を配置させるステップと、インク容器およびインク経路のうちの少なくとも一方に磁性粒子を加えるステップと、複数の磁気素子を用いてインク容器およびインク経路のうちの少なくとも一方のインク組成物内で磁性粒子の無秩序な運動を発生させるステップと、が含まれる。インク組成物は、色素の着色剤を含む水性インク組成物である。このインク組成物は、金属ナノ粒子ベースのインク組成物である。この色素は、少なくとも２．０ｇ／ｃｍ３の密度を有する。この磁性粒子は、約５００ｎｍから約５０ミクロンの粒子サイズを有する。この色素は、５００ｎｍ未満の粒子サイズを有する。磁性粒子の無秩序な運動の運動エネルギは、色素粒子の位置エネルギより大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施形態による、磁性粒子の無秩序な運動により混ぜ合わされるインク容器システムを示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施形態による、調整可能な磁場が印可される前と印可される後との磁性粒子および色素粒子を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、インク容器、インク経路、およびインクジェットノズルを示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施形態による、磁性体微粒子、インク容器の近くに配置された電磁石、および制御装置を含むインクジェットシステムを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施形態による、磁性体微粒子、インク経路の近くに配置された電磁石、および制御装置を含むインクジェットシステムを示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の混ぜ合わせ方法を行う前の粒子の分布の様子を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の混ぜ合わせ方法を行った後の粒子の分布の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
開示された方法では、マイクロサイズまたはナノサイズの磁性粒子をインク格納室内に導入し調整可能な磁場を用いて、無秩序な運動により、インク混合液全体を通してこれらの磁性粒子をかき回し、より良く分散されたインクを作ることができる。このシステムには、インク容器、インク経路、およびインクジェットノズルが含まれる。インク容器内のインクの中に磁性粒子が入れられ、インク容器またはインク経路のどちらかに隣接して配置された磁気素子が磁場を調整し、インク混合液内のインク粒子の無秩序な運動を発生させる。この無秩序な運動により、インク粒子がより分散される。このシステムは、多くの利点を有する。例えば、このシステムは、微粒子レベルの混ぜ合わせ効率を向上させて、全体を混ぜ合わせることができる。このシステムは、低コストで柔軟性があり、コンパクトにシステムを実装することができる。このシステムおよび方法は、その場で混ぜ合わせを行うため、インクの廃棄を抑えることができ環境にやさしい。このシステムおよび方法により、記録ヘッドの耐用期間も長くなり、画質の向上も期待できる。
【００１３】
この提案した方法およびシステムは、長い稼働時間の環境および／または待機時間中にインクが沈殿することを防止する。インク格納室またはインク経路にマイクロサイズまたはナノサイズの磁性粒子を入れる。電磁石を用いて調整可能な電界を印可し、無秩序な運動を発生させ、これらの磁性粒子を混合液全体に渡ってかき回し、これにより、より良く混ぜ合わさったインクができる。各マイクロ磁性粒子はインクと混ぜ合わされると、微粒子レベルのずり磁場を供給する、（すなわち、生成する）ための独立した存在となる。一般的には、微粒子レベルでの粒子対粒子、および粒子対溶剤の相互作用により、インク格納室またはインク経路のどちらかにおいて、あるいは両方において微粒子ゾーンの無秩序な運動が活発となる。これらの磁性粒子は、循環する磁場にさらされると、十分な勢いをつけて、インク内の溶質（例えば、色素粒子）と相互作用し、非常に局所的であるが無秩序のせん断力が発生する。このように局所的に混ぜ合わせることにより、全ての凝集体すなわち沈殿物の形成が阻止され、その結果、インクの分散状態は長い時間均質に保たれる。磁性体微粒子を入れることにより、インク内の凝集体が分解される。本発明の実施形態では、これらの磁性体微粒子はクリーニングされ、その後の目的で利用されるために、回収・抽出される。
【００１４】
本発明は、現在のインクジェットプリンタ用のアドオンコンポーネントとして使用可能な装置の中で利用可能である。この方法は、無機金属酸化物の色素を含むインク（すなわち、金属ナノ粒子インク）などの特別なインクに関して用いることができる。例えば、ＴｉＯ２を色素として含むインクは時間が経過すると沈殿しやすい。というのも、このＴｉＯ２は、約４ｇ／ｃｍ３の高密度を有するためである。本発明による、その場での混ぜ合わせにより、このような重たい色素の沈殿も防止される。
【００１５】
図１Ａには、本発明の実施形態による、磁性粒子の無秩序な運動により混ぜ合わされるインク容器システムが示されている。図１Ａには、インク容器１１０、インク組成物１１１、磁性体微粒子１２０、および複数の磁気素子が示されている。例えば、図１Ａに示される実施形態など、本発明の実施形態では、複数の磁気素子は一対の電磁石１４０、１４１、１４２でよい。インク容器１１０内にはインク組成物１１１が配置される、すなわち入れられる。このインク容器１１０内のインク組成物１１１に磁性微粒子１２０を加えることができる。本発明の一実施形態では、一対の電磁石１４０、１４１、１４２はインク容器１１０に隣接して配置される。本発明の一実施形態では、一対の電磁石１４０、１４１、１４２はインク容器に取り付けられる。電磁石１４０、１４１、１４２に電流が流される。電磁石の組１４０、１４１、１４２に電流を流すことにより、磁場（調整可能な磁場と呼ぶ）が生成される。これにより、磁性粒子の無秩序な運動が発生し、インク容器１１０内のインク組成物１１１が微粒子レベルで混ぜ合わされる。図１Ｂには、本発明の実施形態に従った、調整可能な磁場が印可される前と印可された後との磁性粒子および色素粒子が示されている。図１Ｂの左手側に示されるように、磁場が印可される前では、色素粒子は互いに集まっており、磁性体微粒子も同様である。図１Ｂに右手側に示される通り、調整可能な磁場が印可された後では、色素粒子は分散し均一に広がる。磁性体微粒子が無秩序に運動することにより、このように色素が分散する。この磁性粒子が無秩序な運動する運動エネルギは、色素粒子の位置エネルギよりも大きい。
【００１６】
この磁性粒子には、常磁性で強磁性または反強磁性の材料を含が含まれ得る。磁性粒子には、Ｆｅ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎｉ、ＣｒＯ２、Ｃｓなどからなる群から選択される材料、またはそれらの混合物がさらに含まれ得る。いくつかの実施形態では、磁性粒子は非磁性被膜を有する。他の実施形態では、磁性粒子を高分子外殻などの外殻内に密封することもできる。いくつかの実施形態では、これらの高分子外殻には、ポリスチレン、ポリ塩化ビニール、テフロン（登録商標）、アクリル樹脂、およびそれらの混合物などが含まれる。
【００１７】
磁性粒子は、約５００ｎｍ〜約５０μｍの範囲の直径すなわち粒子サイズを有し得る。本発明の別の実施形態では、磁性粒子は、約１μｍ〜約２５ミクロンの範囲、あるいは約１ミクロン〜約１０ミクロンの範囲の直径すなわち粒子サイズを有し得る。磁性粒子の体積の割合は、それぞれの用途または処理に基づいて選択される。いくつかの実施形態では、製粉に関する磁性粒子の体積の割合を色素粒子が用いられる各用途または処理により変更することができる。例えば、約５％〜約８０％の磁性粒子を容器に加えることができる。磁場は約５００ガウス〜約５０，０００ガウスの範囲の強さを有し得る。
【００１８】
このインク組成物は色素を含むインク組成物でよい。この色素を含むインク組成物は水性インク組成物でよい。色素を含むインク組成物内の色素（すなわち、色素の着色剤）は、少なくとも２．０ｇ／ｃｍ３の密度を有し得る。本発明の別の実施形態では、色素を含むインク組成物内の色素（すなわち、色素の着色剤）は、少なくとも２．５ｇ／ｃｍ３の密度または少なくとも３．０ｇ／ｃｍ３の密度を有し得る。さらに、インク組成物内の色素は、６００ｎｍ未満の粒子サイズを有し得る。本発明の別の実施形態では、インク組成物の色素は、５００ｎｍ未満の粒子サイズ、または３００ｎｍ未満の粒子サイズを有し得る。色素を含むインク組成物は、色素の着色剤を含み得る。
【００１９】
本発明の一実施形態では、色素ベースのインク組成物は、分散したバインダ樹脂を含むことができ、このバインダ樹脂をインク容器に加えて色素を含むインク組成物を形成する。水性インクでは、ラテックスとしてバインダ樹脂が分散される。バインダ樹脂には、例えば、スチレンベースの樹脂、アクリル酸、ポリエステル樹脂、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミドなどが含まれる。
【００２０】
他の実施形態では、インクは金属ナノ粒子インクであり、その例として、銀ナノ粒子インク、金ナノ粒子インク、または銅ナノ粒子インクなどが挙げられる。これらの金属ナノ粒子インクは、一般に、特に高い金属負荷で高密度を有する。本発明の実施形態では、これらの金属ナノ粒子インクは、３０重量％の金属含有率を有し得る。本発明の別の実施形態では、これらの金属ナノ粒子インクは、４０重量％より高い、または５０重量％より高い金属含有率を有し得る。金属ナノ粒子インクの密度に関して言えば、これらのインクは、１．５ｇ／ｃｍ３の密度より高い、または１．８ｇ／ｃｍ３より高い、または２．０ｇ／ｃｍ３より高い密度を有し得る。金属ナノ粒子は、色素の種類として扱うことができる。
【００２１】
図２には、本発明の実施形態による、インク容器、インク経路、およびインクジェットノズルが示されている。本発明のこの実施形態では、インクジェット印刷システムには、インク容器２５０、インク組成物２５５、複数の磁性体微粒子２５７、インク経路２６０、複数の磁気素子２６１、２６２、２６３、およびインクジェットノズル２７０が含まれる。これらの複数の磁気素子２６１、２６２、２６３は、一対の電磁石でよい。このインクジェット印刷システムには、容器、経路、電磁石、およびノズルが複数含まれているが、本発明をより簡単に説明するため、１つずつしか図示しない。
【００２２】
本発明のこの実施形態では、インク容器２５５の中にインク組成物２５５が入れられる。本発明の実施形態では、インク容器２５５内のインク組成物に磁性体微粒子２５７が加えることができる。このインク組成物２５５は、インク経路２６０を通ってインクノズル２７０に移される（すなわち、噴射される）。本発明の実施形態では、インク組成物に磁性体微粒子２５７をインク経路２６０内で加えることができる。この磁性体微粒子を加えるとは、単に磁性体微粒子を加えることであり得る、あるいはインク容器内のインク組成物に入れられた、磁性体微粒子に継ぎ足すことであり得る。複数の磁気素子２６１、２６２、２６３をインク経路２６０に隣接させて配置させることができる。図２に示される本発明の実施形態では、複数の磁気素子２６１、２６２、２６３は一対の電磁石でよい。それぞれの電磁石２６１、２６２、２６３の組の一方は、電磁石２６１、２６２、２６３の組の他方とインク経路２６０を挟んで反対側に配置される。本発明の実施形態では、一対の電磁石２６１、２６２、２６３をインク経路２６０に取り付けることができる。一対の電磁石２６１、２６２、２６３に電流を流して、インク経路２６０の周りに調整可能な電磁場を生成する。この調整可能な電磁場により、インク組成物２５５内の入れられた磁性体微粒子２５７の無秩序な運動が発生する。図２に示された本発明の実施形態では、この無秩序な運動がインク経路内で発生する。この磁性体微粒子の無秩序な運動により、インク経路２６０内で色素がより良く分散し、それに伴い、インクジェットノズル２７０内でもより良く分散する。
【００２３】
図３Ａには、本発明の実施形態に従った、磁性体微粒、インク容器の近くに配置された複数の磁気素子、および制御装置を含むインクジェットシステムが示されている。図３Ａに示された本発明の実施形態では、複数の磁気素子は一対の電磁石でよいが、他の構成で使用してもよい。図３Ａに示される実施形態では、このインクジェットシステムには、制御装置３０５、インク組成物、インク容器３１０、インク経路３６５、インクジェットノズル３７０、複数の一対の電磁石３４０、３４１、３４２が含まれている。インク容器３１０内のインク組成物に磁性体微粒子（図示せず）を入れる。複数の一対の電磁石３４０、３４１、３４２をインク容器３１０に隣接させて配置させることができる。本発明の実施形態では、複数の一対の電磁石３４０、３４１、３４２をインク容器３１０に取り付けることができる。制御装置３０５が命令を受け、複数の一対の電磁石３４０、３４１、３４２に電流を流す（すなわち、供給する）信号を生成する。複数の一対の電磁石３４０、３４１、３４２により、調整可能な（すなわち、循環する）磁場が生成され、これに応じて、十分に勢いをつけた磁性粒子が色素粒子と相互作用することにより、無秩序なせん断力が発生し、これにより混合液が局所的に混ざり合う。この様に局所的に混ざり合うことにより、凝集物および沈殿物がインク内で形成されることが防止される。したがって、十分に分散したインク組成物がインク経路３６５を通ってインクジェットノズル３７０に送られる。
【００２４】
図３Ｂには、本発明の実施形態に従った、磁性体微粒子、インク経路に近くに配置された電磁石、および制御装置を含むインクジェットシステムが示されている。このインクジェットシステムには、制御装置３０５、インク組成物、インク容器３５０、インク経路３６５、インクジェットノズル３７０、および複数の磁気素子が含まれる。図３Ｂに示された本発明の実施形態では、複数の磁気素子は一対の電磁石３６１、３６２、３６３であるが、付加的な種類の磁気素子を使用してもよい。図３Ｂに示された本発明の実施形態では、この複数の一対の電磁石３６１、３６２、３６３は、インク経路３６５に隣接して配置される。本発明の実施形態では、各電磁石の組のうちの一方がインク経路３６５の一方の側に配置され、各電磁石の組の他方はそのインク経路３６５を挟んだ反対側に配置される。本発明の実施形態では、一対の電磁石３６１、３６２、３６３をインク経路３６５に取り付けることができる。インク組成物がインク経路３６５を通過するとき、そのインク組成物に磁性体微粒子（図示せず）を加えることができる。本発明の別の実施形態では、インク容器３５０内のインク組成物に磁性体微粒子（図示せず）を加えることができる。制御装置３０５が命令を受け、複数の一対の電磁石３６１、３６２、３６３に電流を流す信号を生成する。複数の一対の電磁石３６１、３６２、３６３により、調整可能な（すなわち、循環する）磁場が生成され、これに応じて、十分に勢いをつけた磁性粒子が色素粒子と相互作用することにより、無秩序なせん断力が発生し、混合液が局所的に混ざり合う。インク経路３６５内でインク組成物が局所的に混ざり合う。このように局所的に混ざり合うことにより、凝集物および沈殿物が形成されることがインク内で防止される。したがって、十分に分散したインク組成物がインクジェットノズル３７０に送られる。
【実施例】
【００２５】
以下の例は、本実施形態の磁気による製粉により作成された。１５ｍｌの容器には、０．５ｇのカーボンブラック色素の粉末、ＲＥＧＡＬ３３０（商標）、５ｇのＤＩＷ（イオン化蒸留水）、および０．２４ｇ（１８．７５重量％）テイカパワー水溶液が入れられた。その後、０．５２ｇの磁性微粒子（Ｒｏｙａｌｉｎｋ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社製のカルボニル鉄の粉末、平均粒子サイズは約４マイクロメートルから約５マイクロメートルの範囲）が導入された。この例では、永久磁石を手作業で上下させて循環する磁場を供給した。循環周期は、約１Ｈｚで、全部で約５０サイクル行われた。最終的には、磁性微粒子は磁石により引きつけられ、集められ、そのサンプルが分析のため送られた。図４Ａには、本発明の混ぜ合わせ方法を実行する前の粒子の分散状態が示されている。図４Ｂには、本発明の混ぜ合わせ方法を実行した後の粒子の分散状態が示されている。図４Ａおよび図４Ｂに示される通り色素の粒子サイズが計測された。
【００２６】
図４Ａおよび図４Ｂで見られる通り、本実施形態ではサイズは著しく小さくなり、均一性も著しく向上した。より具体的には、以下のような数字が示されている。１分間磁気を加える処理が行われる前では、約２４％の色素粒子が約４１７ｎｍの平均粒子サイズを有し、色素粒子のサイズは二峰性の分散を示しているが、磁気を加えて混合／製粉を行った後では、これらの色素粒子は、１４３．７ｎｍ＜１５０ｎｍの平均粒子サイズを有し一峰性の分散を示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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