(57)【要約】【課題】染料系インクを用いた場合にはルーカスウォッシュバーン式を用いることで各測定水準の間を補間、外挿することができ、各測定水準間の溶液成分のメディアへの浸透距離を実験水準を増やすことなく把握することができる。顔料系インクを用いた場合には、ルーカスウォッシュバーン式のように各測定水準間の浸透距離を補間、外挿し得る理論が無く、顔料系インクの開発を行う場合に多水準の条件を用いて実験を行う必要があった。【解決手段】ケーク濾過理論とルーカスウォッシュバーン式との融合によりメディア表面にケークを残す顔料系インクを用いた場合にも適用可能な新浸透理論を提唱し、当該理論を用いて顔料系インクに用いられる各測定水準間の溶液成分のメディアへの浸透距離を補間、外挿することを可能とした。この新浸透理論を用いることで顔料系インクの開発を少ない実験水準数で行うことが可能となった。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固形成分をメディア表面に残して溶液成分が前記メディア中に浸透するインクを用いた場合の前記インクの前記溶液成分の浸透距離を評価するインクの浸透性評価方法であって、
単一又は複数の前記固形成分の濃度水準に対して前記インクの前記メディアへの前記溶液成分の浸透距離を測定する工程と、
前記インクを構成する前記溶液成分と揃えられた組成を有し、且つ前記固形成分及び他の固形成分の混入が抑えられた参照溶液の前記メディアへの浸透距離を測定する工程と、
単一又は複数の前記固形成分の濃度水準に対して測定された前記インクの前記溶液成分の浸透距離と、前記参照溶液の浸透距離との対応関係から前記溶液成分の浸透を抑制する前記固形成分の濃度水準に対応した固形成分の寄与率を抽出する工程と、
前記固形成分の濃度と前記固形成分の寄与率から前記インクの前記固形成分の量に対応する前記溶液成分の浸透距離を補間若しくは外挿して求める工程、を含むことを特徴とするインクの浸透性評価方法。
【請求項２】
前記インクは、前記溶液成分中に顔料成分を分散させてなることを特徴とする請求項１に記載のインクの浸透性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固形成分として顔料を含むインクの浸透性設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固形分からなる顔料を分散させたインクをプリンターに充填してインクジェット印字を行う場合、溶液成分のメディアへの浸透性は印字の高速化、高画質化に大きな影響を与える。インク中に顔料を分散させ、更に浸透挙動を制御するための物質を用いる技術が例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載されている。
【０００３】
顔料を含むインクの、メディアへの浸透性の評価は例えば、顔料を含むインクのメディアに対する接触角を微小接触角計等を用いて測定し、測定結果を元に浸透性の評価を行う方法が知られている。また、顔料を含むインクのメディアへの浸透性の評価を行う方法として、円盤状のターンテーブルを覆うように加工されたメディアを回転させ、次にヘッド部分が一旦メディアと接触した場所と再度接触せぬよう螺旋状にヘッド部分とメディアとが接触するよう構成された自動走査吸液計等を用いて測定し、この測定結果を元に評価する方法が知られている。
【０００４】
顔料成分を含まない染料系インクを用いた場合には、上記したような測定を行った後、測定結果をルーカスウォッシュバーン式に代入しフィッティングを掛けて評価することで測定結果間の補間や外挿を行うことが可能となる。そのため、少ない実験水準数でインクの特性設計を行うことが可能となる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−４８０２０号公報
【特許文献２】特開２００５−２３２３１号公報
【特許文献３】特開２０００−３５５１５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
メディア表面に顔料を残して溶液成分がメディア中に浸透する顔料系インクを用いた場合、溶液成分の浸透性は、例えば染料系インクを用いた場合に成立するルーカスウォッシュバーン式から外れ、ルーカスウォッシュバーン式から予想される浸透性よりも低下する現象が観察されている。この現象に対しては十分な解析がされていないため顔料系インクを用いた場合、各測定点のデータを元に補間や外挿を行うことは困難である。そのため浸透性を把握し所望の特性を有する顔料系インクを開発するためには多くの水準を有するインクを製造し実験を行う必要がある。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、顔料系インクを用いた場合にも対応可能な、顔料系インクの設計に対して指針を与えうるインクの浸透性設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、メディア表面に顔料を残して溶液成分がメディア中に浸透する顔料系インクを用いた場合、メディア表面に顔料を残さない染料系インクの浸透性の評価に用いられる、ルーカスウォッシュバーン式で示される染料系インクの浸透性に比べ顔料系インクの浸透性が小さくなる現象に着目した。
【０００９】
また、本発明者は、濾過工程で用いられる、濾材上に形成される顔料層（ケークと呼ぶ）を通過する場合に発生する粘性摩擦や毛細管力、圧力損失を元に、顔料成分が分散された状態での濾過理論としてケーク濾過理論についても検討した。
【００１０】
この結果、ケーク濾過理論とルーカスウォッシュバーン式との融合によりメディア表面にケークを残す顔料系インクを用いた場合にも適用可能な新浸透理論を見出した。この新浸透理論によると溶液成分の浸透液量は、ルーカスウォッシュバーン式による寄与分とメディア表面に形成されたケークによる寄与分との２つの寄与分の積の形で以下のように表記できる。
【００１１】
ｚ（ｔ）＝（１／２・ＲγｃｏｓθE／η）1/2・（１／（ρｓα／８πｎp（１−ｍｓ）＋１））1/2・ｔ1/2、ここでｔは時間、ｚ（ｔ）は溶液成分の浸透距離（ｍ）である。
【００１２】
右辺第一項に用いられる値として、Ｒは毛細管半径（ｍ）、γは表面張力（Ｎ／ｍ）、θEは接触角、ηは液粘度（Ｎｓ／ｍ2）であり、ルーカスウォッシュバーン式と同じ様式をなす式が記述されている。
【００１３】
右辺第二項に用いられる値としてρは濾液の密度（ｋｇ／ｍ3）、ｓはインク中の顔料分率、αは顔料系インクの顔料に依存するケークの平均比抵抗（ｋｇ／ｍ）、πは円周率、ｎpは面積辺りのメディアの毛細管の個数、ｍはインク中の顔料に起因するケークの乾湿重量比である。ここでｎpはポロシメータ（加圧した水銀を用いてメディア中への浸透量を測定する装置）を用いて測定可能な量である。
【００１４】
右辺第一項に用いられる値には、顔料系インクの濃度に依存するパラメータは使われていないため、既知の顔料濃度を有する顔料系インクの浸透量Ａを測定し、また顔料系インクの顔料を除去した、又は顔料系インクの溶液成分と組成を揃えるよう調整された溶液分の浸透量Ｂを測定し、Ａ／Ｂを計算することでメディア表面に形成されたケークによる寄与分のみを抽出することができる。この場合、以下の関係式が成り立つ。
【００１５】
Ａ／Ｂ＝（１／（ρｓα／８πｎp（１−ｍｓ）＋１））1/2、ここでρは濾液の密度（ｋｇ／ｍ3）、ｓはインク中の顔料分率、αは顔料系インクの顔料に依存するケークの平均比抵抗（ｋｇ／ｍ3）、πは円周率、ｎpは面積辺りのメディアの毛細管の個数、ｍはインク中の顔料に起因するケークの乾湿重量比である。ここでｎpは前式同様、ポロシメータを用いて測定可能な量である。
【００１６】
ここで、上記した関係式を簡略化するために近似を行う。まず、インクに用いられる溶媒の基質に水を用い、通常の顔料濃度であれば、以下の近似式が成立する。
【００１７】
ρ≒１、これは水の密度である。
【００１８】
１−ｍｓ≒１、顔料濃度は％オーダーの数値であり、ｍｓは０で近似できる。
【００１９】
このように近似処理を行うと次式が得られる。
【００２０】
Ａ／Ｂ≒（１／（ｓα／８πｎp＋１））1/2、この式での未知数はαのみであるため、ｓ（インク中の顔料分率）をパラメータとしてαを求めることができる。αが求められると、インク中の顔料分率のみでケークによるルーカスウォッシュバーン式からのずれを求めることが可能となり、この式に則って測定データ間の補間や外挿を行うことが可能となるため、少ない実験水準数でインクの特性を設計することが可能となる。
【００２１】
この新浸透理論を用いて上記課題を解決するために、本発明のインクの浸透性評価方法は、固形成分をメディア表面に残して溶液成分が前記メディア中に浸透するインクを用いた場合の前記インクの前記溶液成分の浸透距離を評価するインクの浸透性評価方法であって、単一又は複数の前記固形成分の濃度水準に対して前記インクの前記メディアへの前記溶液成分の浸透距離を測定する工程と、前記インクを構成する前記溶液成分と揃えられた組成を有し、且つ前記固形成分及び他の固形成分の混入が抑えられた参照溶液の前記メディアへの浸透距離を測定する工程と、単一又は複数の前記固形成分の濃度水準に対して測定された前記インクの前記溶液成分の浸透距離と、前記参照溶液の浸透距離との対応関係から前記溶液成分の浸透を抑制する前記固形成分の濃度水準に対応した固形成分の寄与率を抽出する工程と、前記固形成分の濃度と前記固形成分の寄与率から前記インクの前記固形成分の量に対応する前記溶液成分の浸透距離を補間若しくは外挿して求める工程を含むことを特徴とする。
【００２２】
この評価方法によれば、固形成分の混入が抑えられたインク中での浸透距離と、単一又は複数の固形成分比率を有するインクを調合して浸透距離を測定することで固形成分比率とインク中の固形成分の寄与率との関係を求めることが可能となる。そのため少ない測定水準数でインク内の固形成分濃度に対するインクの溶液成分の拡散距離を高い精度を持って求めることが可能となる。
【００２３】
また、上記した本発明のインクの浸透性評価方法は、前記インクは、前記溶液成分中に顔料成分を分散させてなることを特徴とする。
【００２４】
この評価方法によれば、インク中に含まれている顔料成分の比率を変更した場合にインクの溶液成分の浸透距離を各測定水準での測定結果を元に補間若しくは外挿して求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面を用いて説明する。
【００２６】
本発明の実施形態として、無作為に選択した３種類の顔料系インクを用いて各々３水準の濃度に調整し、測定点間の補間及び外挿の有意性について調査した。
【００２７】
測定方法としては、まず市販されている顔料系インクを無作為に３種類選択（Ａ，Ｂ，Ｃと呼称する）した。
【００２８】
次に、遠心分離機に掛けて顔料を抽出した。
【００２９】
次に、界面活性剤、溶剤、湿潤剤等を水に加えた共通の溶液としてのインク水を調整し、Ａ，Ｂ，Ｃの顔料を再度溶解させた。この際、元の溶液成分の２倍、４倍、８倍に希釈した溶液を調合した。ここでは、濃度の高いほうから順にＡ−１，Ａ−２，Ａ−３と呼称し、Ｂ，Ｃについても同様に呼称する。
【００３０】
これらのインクを用いて、微小接触角計を用いて浸透測定を行った。図１は横軸に時間（秒）の平方根、縦軸に単位面積あたり液浸透距離（ｍｍ3／ｍｍ2）を取ったものである。この測定結果のうち、最も顔料濃度が高いＡ−１，Ｂ−１，Ｃ−１について得られたものを図１に示した。また、顔料成分を有さない溶液をインク水として同様の測定を行い、リファレンスのインク水の浸透特性として図１に示した。
【００３１】
時間の平方根に浸透距離が比例するというルーカスウォッシュバーン式に、時間項を含まない顔料濃度の関数を乗じた形を有する新浸透理論に則った場合、時間の平方根に対して比例関係が成立するものと予測されるが、予測通り時間の平方根と浸透距離との間で比例関係が成立した。また、４倍希釈のＡ−２，Ｂ−２，Ｃ−２についても、８倍希釈のＡ−３，Ｂ−３，Ｃ−３についても同様の関係が成立した。ここで、この直線の傾きを浸透速度と定義する。
【００３２】
これらの結果から、浸透距離は同じ顔料成分を同じ濃度で有する場合、時間の平方根に比例することがわかる。そのため浸透距離を時間の平方根を横軸として補間又は外挿して求めることが可能となり、少ない測定点数で浸透距離を推察することが可能となった。
【００３３】
次に、インク中の初期顔料成分量について調査し、遠心分離機に掛ける前のインクが有していた初期濃度を測定した。インクＡの初期顔料濃度は５．２％、インクＢの初期顔料濃度は７．６％、インクＣの初期顔料濃度は６．８％であった。例えば２倍に希釈した場合での濃度はＡ，Ｂ，Ｃそれぞれ２．６％，３．８％，３．４％となる。
【００３４】
次に、各インクに対して、ルーカスウォッシュバーン式からのずれ量と顔料濃度との関係を調査した。ルーカスウォッシュバーン式と顔料濃度とは、前述したように以下の式に示される量分だけずれて観測される。
【００３５】
Ａ／Ｂ≒（１／（ｓα／８πｎp＋１））1/2、ここでＡは既知の顔料濃度（浸透距離を有する顔料系インクの浸透距離、Ｂは顔料系インクの溶液成分と組成を揃えるよう調整された溶液分の浸透距離である。また、ｓはインク中の顔料分率、αは顔料系インクの顔料に依存するケークの平均比抵抗（ｋｇ／ｍ3）、πは円周率、ｎpは面積あたりのメディアの毛細管の個数である。この式中でαは未知数となる。未知数αは顔料分率をパラメータとしてインクの浸透距離を測定することで求めることができる。また、ＡとＢは共に、微小接触角計等を用いて測定可能な値である。
【００３６】
図２は、３水準の濃度に対して新浸透理論に則ってフィッティングを掛けた顔料系インクの溶液分の浸透速度と、インク水の浸透速度との比率に関して顔料濃度依存性を求めたグラフである。新浸透理論は濃度の（１／２）乗項を含んでいるため、フィッティングに用いられる関係式は直線から外れたグラフとなる。図２に示すように、若干のばらつきはあるが、各顔料濃度に対してカーブフィッティングが出来ている。図２のグラフより顔料濃度が高くなるにつれてルーカスウォッシュバーン式との乖離が顕著になる。顔料を用いたインクの浸透挙動に対しては、新浸透理論によるフィッティングを行うことで、ルーカスウォッシュバーン式を用いる場合と比べより正確に補間又は外挿できることが分かる。顔料濃度を横軸にとりフィッティングを掛けることで得られたデータを用いて、顔料系インク中の顔料濃度に対応した溶液分の浸透速度をより少ない測定点数で且つ高精度で推察することが可能となる。
【００３７】
図３は、微小接触角計に代えて動的走査吸液計によりインクの浸透距離を測定し、図２のグラフを作成する手順と同じ処理を行って得られたグラフである。図２と同様に、顔料濃度が高くなるにつれてルーカスウォッシュバーン式との乖離が顕著になり、新浸透理論を用いたフィッティングが有効になることが示されている。また、図２と比べ小さいばらつきで測定が行えており、動的走査吸液計は顔料系インクの浸透距離の測定手段として有効であることが分かる。
【００３８】
図２及び図３に示される関係を用いることで、顔料系インクの浸透距離と顔料濃度水準との関係が明確化されるため、少ない実験水準数でより高い精度をもって浸透距離を見積もることが可能となり、印字品質の高い顔料系インクを短期間で開発することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】微小接触角計による顔料系インクの浸透特性を示すグラフ。
【図２】微小接触角計により測定されたデータに基づいた顔料系インクの濃度とルーカスウォッシュバーン式からの乖離量を示すグラフ。
【図３】動的操作吸液計により測定されたデータに基づいた顔料系インクの濃度とルーカスウォッシュバーン式からの乖離量を示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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