(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも水、アゾ染料からなる色材、および尿素を配合した調合液に窒素を吹き込んで当該調合液から遊離アンモニアを放出する窒素吹き込み工程と、該窒素吹き込み工程を行った前記調合液から窒素を放出させる脱気工程とを有することを特徴とする水溶性インクの製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記窒素吹き込み工程は、前記調合液中の溶存アンモニウムイオン量が２００ｐｐｍ以下になるまで行うことを特徴とする水溶性インクの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、前記脱気工程は、前記調合液中の溶存窒素が５ｐｐｍ以下になるまで行うことを特徴とする水溶性インクの製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに規定する方法で製造したことを特徴とする水溶性インク。
【請求項５】
請求項４において、ｐＨが７から１０までの範囲にあることを特徴とする水溶性インク。
【請求項６】
請求項４または５に規定する水溶性インクをインクジェットノズルから記録媒体に吐出することにより当該記録媒体に記録を行うことを特徴とするインクジェット記録方法。
【請求項７】
請求項６において、前記インクジェットノズルにおけるインク流路の一部をホウケイ酸ガラスで構成したことを特徴とするインクジェット記録方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インク吐出品質を長期間安定させるための水溶性インク、水溶性インクの製造方法、およびインクジェット記録方法に関するものである。さらに詳しくは、インクジェットノズルからのインク吐出品質を長期間安定させるためのインク組成に関するものである。また、インク吐出品質を向上させるためのインク調製技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ用端末、電卓、キャッシュレジスタ、ファクシミリなどにはインクジェット記録装置が搭載されており、この記録装置に用いられるインクはその印字性能を大きく支配する。たとえば、インク中の水分が蒸発すると、インク成分が凝固し、またインク中に溶解したインク流路形成部材の析出によってインクジェットノズルが目詰まりし、インク滴の吐出が不能になる。そこで、特開平９−１２３４３７号公報には、インクに尿素を加えることにより、保湿性を高めて水分が蒸発するのを抑制し、インク成分が凝固するのを防止するとともに、インク中に溶解したインク流路形成部材の溶解度を高め、その析出を防止する技術が開示されている。但し、インクに尿素を加えると、インク吐出口での目詰まりを防止できるが、インクを高温環境下に放置したり、長期間放置すると、インク中の尿素が分解し、インクの組成や物性が変化して印字品質が低下するとして、特開平５−１７７１４号公報には、インクに尿素とともにアンモニウムイオンを加えることにより、尿素の分解を抑える技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アゾ染料からなる色材を用いたインクに対して、前記の従来技術を適用して尿素を加えると、ノズルの目詰まりに起因する印字不良が発生しにくくなる一方、他の理由での印字不良が発生するという問題点がある。すなわち、アゾ染料からなる色材を用いたインクに対して尿素を加えると、インク経路内で窒素が過飽和になりやすく、吐出等の衝撃によってインク中に気泡が発生しやすくなる。その結果、インクを吐出するためのエネルギーが気泡によって吸収されてしまい、インクを安定して吐出できなくなるのである。
【０００４】
たとえば、本願発明者が行った評価試験によれば、以下の組成
組成比
ＣＩ．ダイレクトブラック１５１（アゾ染料）  ３．５重量部
グリセリン                                １１    重量部
２−ピロリドン                              ５    重量部
アセチレングリコール系界面活性剤            ３．２重量部
水                                        ７５．５重量部
をベースにして、尿素を添加せずに室温で調製したインクＡ、４．８重量部の尿素を添加して９８℃で調製したインクＣをそれぞれインクジェットヘッドに充填した後、ノズルをキャップで覆わない状態（開放状態）で６０℃５日間放置後に印字試験を行ったところ、尿素を添加したインクＣではノズルの目詰まりに起因するドット抜けが発生しないものの、尿素を添加しなかったインクＡではノズルの目詰まりに起因するドット抜けが発生した。しかし、尿素を添加したインクＣをインクジェットヘッドに充填し、ノズルを塞いだ状態で６０℃９日間、放置した後、温度２５℃、相対湿度３０％の条件下で１４日間、開放状態で放置し、しかる後に、印字試験を行うと、尿素を配合したインクＣでは、インク中から気泡の発生が確認された。
【０００５】
以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、アゾ染料からなる色材を用いたインクに対して尿素を加えた水溶性インクであっても気泡の発生を防止することにより、高い印字性能を持続することのできる水溶性インク、水溶性インクの製造方法、およびこの製造方法を用いたインクジェット記録方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも水、アゾ染料からなる色材、および尿素を配合した水溶性インクにおいて、該水溶性インクに溶存するアンモニウムイオン量を初期的に２００ｐｐｍ以下、かつ、当該水溶性インクに溶存する窒素量を初期的に５ｐｐｍ以下となるように調整したことを特徴とする。
【０００７】
本発明における尿素とは、尿素自身に加えて、チオ尿素などの尿素類縁化合物を含む意味である。また、本発明における水溶性インクとは、溶媒全体が水であるものの他、水と水溶性の有機溶剤とを混合したものを溶媒として使用したものを含む意味である。さらに、少なくとも水、アゾ染料からなる色材、および尿素を配合するとは、水、色材、尿素の他にも、必要に応じて、粘度調整剤や防カビ剤などを配合することがあるという意味である。
【０００８】
アゾ染料からなる色材と尿素とを配合した水溶性インクを高温環境下に放置したり、長期間放置すると、アゾ染料が分解して窒素が生成され、尿素が分解してアンモニウムイオンが生成される。ここでアンモニウムイオンは、インク（調合液）のｐＨが７以上であると、遊離アンモニアを生成するので、図１にインク中のアンモニウムイオン濃度と窒素溶解度との関係を示すように、インクに溶存するアンモニウムイオンが多いほど、インクに溶存可能な窒素量が低下する。従って、アゾ染料からなる色材を用いたインクに対して尿素を加えると、ノズルの目詰まりを防止できるものの、窒素が過飽和になりやすく、吐出等の衝撃によってインクに気泡が発生しやすくなる。その結果、インクを吐出するためのエネルギーが気泡によって吸収されてしまい、インクを安定して吐出できなくなるのである。しかるに本発明では、インクの初期の溶存窒素量を低く抑え、かつ、インクの初期のアンモニウムイオン濃度も低く抑えてある。このため、窒素が過飽和になりにくいので、気泡が発生しにくい。それ故、高い印字性能を持続することのできる水溶性インクを提供することができる。
【００１０】
本発明に係る水溶性インクの製造方法では、少なくとも水、アゾ染料からなる色材、および尿素を配合した調合液に窒素を吹き込んで当該調合液から遊離アンモニアを放出する窒素吹き込み工程と、該窒素吹き込み工程を行った前記調合液から窒素を放出させる脱気工程と、該脱気工程を行った前記調合液をインク容器に充填する充填工程とを行うことを特徴とする。
【００１１】
図１を参照してインク中のアンモニウムイオン濃度と窒素溶解度との関係を説明したように、インクに溶存するアンモニウムイオンが多いほど、インクに溶存可能な窒素量が低下する。従って、アゾ染料からなる色材を用いたインクに対して尿素を加えると、ノズルの目詰まりを防止できるものの、窒素が過飽和になりやすく、吐出等の衝撃によってインクに気泡が発生しやすくなる。しかるに本発明では、アゾ染料からなる色材、および尿素を配合した調合液に窒素を吹き込んで遊離アンモニアを放出することにより、調合液中の溶存アンモニウムイオンを低下させ、溶存アンモニウムイオン濃度を低下させた後には、調合液に脱気処理を行って窒素を放出させる。すなわち、インクの製造途中の段階でアンモニウムイオンを低下させるのに、脱気という簡単な方法で後で除去できる窒素を用いて、インクを製造し終えた段階では溶存アンモニウムイオン濃度が低くて、溶存窒素量も少ない水溶性インクを製造する。それ故、本発明に係る水溶性インクでは、初期段階でアンモニウムイオン濃度がかなり低く、かつ、溶存窒素量もかなり少ないので、アゾ染料からなる色材を用いたインクに対して尿素を加えた水溶性インクであっても、窒素が過飽和になりにくいため、気泡が発生しにくい。それ故、高い印字性能を持続することのできる水溶性インクを提供することができる。
【００１２】
本発明において、前記窒素吹き込み工程は、たとえば、前記調合液中の溶存アンモニウムイオン量が２００ｐｐｍ以下になるまで行うことが好ましい。また、本発明において、前記脱気工程は、たとえば、前記調合液中の溶存窒素量が５ｐｐｍ以下になるまで行うことが好ましい。このようなレベルにまでアンモニウムイオン濃度や溶存窒素量を抑えておけば、通常の条件で使用される期間中、気泡の発生に起因する印字性能の低下は起きない。
【００１３】
本発明において、インクジェットヘッドの流路などを構成するホウケイ酸ガラスが溶解しにくいように、インク（調合液）のｐＨを７から１０までの範囲に設定することが好ましい。このようなｐＨの範囲では、アンモニウムイオンが遊離アンモニアを生成し、インクに溶存可能な窒素量を低下させるので、窒素が過飽和状態になりやすいが、本発明に係るインクでは、インクの初期アンモニウムイオン濃度および窒素濃度を抑えてあるので、使用中に窒素が過飽和状態になるおそれがない。
【００１４】
本発明を適用した水溶性インクでは、窒素が過飽和になりにくく、吐出等の衝撃によってインクに気泡が発生することがないので、インクジェットノズルから記録媒体に吐出して当該記録媒体に記録を行うインクジェット記録用に適している。この場合には、インクジェットノズルにおけるインク流路の一部をホウケイ酸ガラスで構成しても、インクに尿素を配合してあるので、ガラス成分がノズル内で析出して目詰まりを起こすというおそれはない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を説明する。
【００１６】
［インクジェット記録装置の構成例］
図２はインクジェット記録装置の概略構成図である。この図に示すように、インクジェット記録装置１は、インクジェットヘッド２がキャリッジ５に搭載されており、このキャリッジ５の移動に伴って走査方向に往復動しながらプラテン６に保持された記録用紙７に文字やイメージ等の印刷を行うことができる。このインクジェットヘッド２は、インク供給チューブ８を介してインクが貯留されているインクタンク９（インク容器）に接続されている。また、インクジェット記録装置１には、インクジェットヘッド２のノズル形成面を覆うことが可能なキャップ３と、このキャップ３に排出チューブ１０を介して接続するポンプ４とが構成されている。このため、インクジェットヘッド２のノズル形成面にキャップ３を被せてポンプ４を作動させると、インクジェットヘッド２のノズルから気泡やインクをキャップ３内に吸引できるので、吸引したインクをキャップ３内のインク吸収材（図示せず。）に保持しておけるとともに、排インク溜１１に排出することができる。
【００１７】
図３は、インクジェットヘッドの部分断面図である。この図に示すインクジェットヘッド２は、インク液滴と基板の端部に設けたインクノズルから静電駆動方式でインク滴を吐出させるエッジインクジェットタイプであり、ガラス基板からなるカバープレート２０２、ｐ型のシリコン基板からなるキャビティープレート２０３、およびガラス基板２０４がこの順序で相互に接合された構造を有している。キャビティープレート２０３は、複数のノズル溝によって複数のインクノズル２２１が形成されている。キャビティープレート２０３の表面には、底壁が振動板２０５として機能する圧力室２０６を構成することになる凹部と、この凹部の後部に設けられたインク供給口２０８を構成することになる細溝と、各々の圧力室２０６にインクを供給するためのインクリザーバ２１０を構成することになる凹部とが形成され、インクリザーバ２１０にはインク供給孔２２４が連通している。インク供給孔２２４には、インク供給チューブ２０８を介してインクタンク２０９からインクが供給され（図２参照。）、供給されたインクはインクリザーバ２１０に一時貯留される。キャビティープレート２０３の下面は鏡面研磨によって平坦化されており、ガラス基板２０４に対する取付け部とされている。ガラス基板２０４において、各々の振動板２０５に対峙する部分には、振動室２１２を構成することになる凹部が形成されている。この凹部の底面には、振動板２０５に対峙する個別電極２１４が配置されている。従って、個別電極２１４とキャビティープレート２０３との間にドライバから駆動信号を供給すると、駆動信号に基づいて、振動板２０５が静電気力によって振動し、そのエネルギーによって圧力室２０６の圧力が変動してインクノズル２２１からインク液滴が吐出される。
【００１８】
［実施の形態１／インクの組成および製造方法］
このように構成したインクジェットヘッド２において、使用しているインクで窒素が過飽和になって、吐出等の衝撃によってインクに気泡が発生すると、インクを吐出するためのエネルギーが気泡によって吸収されてしまい、インクを安定して吐出できなくなる。そこで、本形態では、インクの組成および調製方法を以下のように改良することによって、窒素が過飽和状態になりにくい水溶性インクを製造する。
【００１９】
本発明に係る水溶性インクの製造方法は、水、アゾ染料からなる色材、および尿素を配合したインクであって、アンモニウムイオンをカウンターイオンとしない組成であれば、以下に一例を掲げる組成
組成例
ＣＩ．ダイレクトブラック１５１（アゾ染料）  ３．５重量部
グリセリン                                １１    重量部
２−ピロリドン                              ５    重量部
アセチレングリコール系界面活性剤            ３．２重量部
尿素                                        １．８重量部
水                                        ７５．５重量部
のインクをはじめ、配合成分の種類や組成比の異なる水溶性インクに対しても効果的である。
【００２０】
本発明に係る水溶性インクの製造方法では、図４に示すように、まず、各インク構成材料の秤量を行う（秤量工程ＳＴ１）。
【００２１】
次に、各インク構成材料を冷却下（室温以下）で混合、攪拌し、各インク構成材料を溶解した調合液を得る（混合工程ＳＴ２）。このように室温以下の温度で調製を行うと、尿素の分解が抑制され、アンモニウムイオンの生成が抑えられる。それでも、配合した尿素が一部分解して、アンモニウムイオンが生成されるのを完全に防止することを避けることができない。たとえば、上記の組成で常温で調製したときの調合液では、溶存アンモニウム濃度は約１８０ｐｐｍである。
【００２２】
そこで、各インク構成材料を溶解し終えた後は、調合液に窒素を吹き込んで調合液から遊離アンモニアを放出する（窒素吹き込み工程ＳＴ３）。調合液において、そのｐＨが７以上であれば、アンモニウムイオンの一部は遊離アンモニアになっているので、調合液に窒素を吹き込んで窒素の過飽和状態にすると、遊離アンモニアが大気中に放出され、溶存アンモニウム濃度を約２０％〜約３０％低減できる。本形態では、この窒素吹き込み工程を行うことによって、調合液中の溶存アンモニウムイオン量を、その組成比にかかわらず、少なくとも２００ｐｐｍ以下にまで低減しておく。
【００２３】
次に、窒素吹き込み工程を行った調合液を減圧し、調合液から窒素を放出させる（脱気工程ＳＴ４）。この脱気工程では、たとえば室温で１０ｍｍＨｇの減圧雰囲気中に調合液を約２０秒間放置することにより、調合液中の溶存窒素量を５ｐｐｍ以下とする。
【００２４】
次に、脱気工程を行った調合液を、タンク状、袋状あるいはカートリッジ状のインク容器に充填する（充填工程ＳＴ５）。
【００２５】
このようにして製造した水溶性インクでは、インクに尿素を加えてあるので、保湿性が高く、水分が蒸発しにくい。従って、放置中にインクから水分が蒸発することに起因するインク成分の凝固などが発生しないので、インクジェットノズルの目詰まりを防止することができる。また、インクに尿素を加えてあるため、インク流路にホウケイ酸ガラスを用いても、溶出ガラス成分の溶解度が高い。それ故、溶出ガラス成分のノズル内での析出が起きないので、インクジェットノズルの目詰まりを防止することができる。
【００２６】
さらに、本形態では、インク中の溶存窒素量を初期段階で５ｐｐｍよりかなり低いレベルにまで抑え、かつ、アンモニウムイオンの初期濃度を２００ｐｐｍよりかなり低いレベルにまで抑えてあるので、たとえインクの放置期間中に尿素が分解してアンモニウムイオンが生成され、その分、窒素の溶解度が低下したといっても、インクの放置中にアゾ染料からなる色材から生成される窒素量位では、窒素が過飽和状態に至ることはない。すなわち、インク中の溶存窒素量およびアンモニウムイオンの初期濃度を著しく低いレベルにまで低下させてあるので、たとえ、インクの放置期間中に尿素が分解してアンモニウムイオンが生成されたとしても、その濃度は約８００ｐｐｍを越えることがなく、たとえ水分が一部蒸発したとしてもインク中の窒素濃度を約７ｐｐｍ以下に抑えることができ、このようなレベルであれば、気泡の発生に起因する印字不良が発生しない。それ故、本形態によれば、アゾ染料からなる色材を用いたインクに対して尿素を加えた水溶性インクであっても、窒素が過飽和状態に至ることはないので、気泡が発生しない。それ故、本形態の水溶性インクをインクジェット記録装置に用いれば、気泡を強制排出させるためのプライミング、ポンピング、フラッシングなどの保守動作を頻繁に行わなくても、高い印字性能を持続することができる。
【００２７】
なお、尿素の配合量について種々実験を繰り返した結果、上記の製造方法でインクを調製する場合でも、十分に高い保湿性を実現し、かつ、インク中のアンモニウムイオン濃度を抑えるという観点から、尿素を２．４重量％以下の配合比に設定することが好ましい。
【００２８】
また、インクのｐＨについては、７から１０までの範囲に設定することが好ましい。このようなｐＨ範囲であれば、インクジェットヘッドにおいてインクと接する部分（インク流路）の一部をホウケイ酸ガラスで構成しても、インクがホウケイ酸ガラスを溶解させにくいという利点がある。但し、このようなｐＨの範囲では、アンモニウムイオンが遊離アンモニアを生成し、インクに溶存可能な窒素量を低下させやすい傾向にあるが、本形態では、インクの初期アンモニウムイオン濃度および窒素濃度を抑えてあるので、たとえインクのｐＨを７以上に設定しても、窒素が過飽和状態になって気泡を発生させるおそれがない。
【００２９】
［実施の形態２／インクの組成および製造方法］
実施の形態１では、窒素吹き込み工程を行うことによりアンモニウムイオン濃度をかなり低いレベルに抑えたが、本形態では、尿素の添加量自身を抑えることにより、アンモニウムイオン濃度を低く抑え、気泡の発生を防止する。
【００３０】
すなわち、水、アゾ染料からなる色材、および尿素を配合したインクであって、アンモニウムイオンをカウンターイオンとしない組成の水溶性インクにおいて、以下に一例を掲げる組成
組成例
ＣＩ．ダイレクトブラック１５１（アゾ染料）  ３．５重量部
グリセリン                                １１    重量部
２−ピロリドン                              ５    重量部
アセチレングリコール系界面活性剤            ３．２重量部
尿素                                        １．８重量部
水                                        ７５．５重量部
のように、尿素の添加量を０．２重量％から２．４重量％までの範囲に設定する。
【００３１】
このような配合比であれば、尿素の添加量が２．４重量％以下と少ないので、実施の形態１で行った窒素吹き込み工程でアンモニウムイオン濃度を低下させなくても、アンモニウムイオン濃度を２００ｐｐｍ以下に抑えることができるので、窒素溶解度を高いレベルに維持できる。従って、各材料を調合した後に脱気工程を行って溶存窒素量を５ｐｐｍ以下に抑えるだけで、インク中での気泡の発生を長期的に防止できる。ここで、気泡の発生を防止するという観点からすれば、尿素の添加量は少ない方が好ましいが、目詰まりを防止するという観点からは、０．２重量％の尿素の添加が必要となる。
【００３２】
このような組成で室温で調製し、かつ、脱気工程を行うことにより、溶存アンモニウムイオン量を初期的に２００ｐｐｍ以下とし、かつ、溶存窒素量を初期的に５ｐｐｍ以下としたインクＢについて、前記のインクＡ、Ｃと同様、インクジェットヘッドに充填した後、ノズルをキャップで覆わない状態（開放状態）で６０℃５日間放置後に印字試験を行ったところ、ノズルの目詰まりに起因するドット抜けが発生しないことが確認できた。また、このインクＢをインクジェットヘッドに充填し、ノズルを塞いだ状態で６０℃９日間、放置した後、温度２５℃、相対湿度３０％の条件下で１４日間、開放状態で放置し、しかる後に印字試験を行っても、インク中から気泡の発生がなく、正常に印字できることが確認できた。
【００３３】
（その他の使用例）
なお、本形態のインクが使用されるインクジェット記録装置のインクジェットヘッドとして、図２および図３を参照して、静電気力を利用してインクを貯留した圧力室の容積を変化させて、インク液滴の吐出を行う静電駆動式のインクジェットヘッドを説明したが、ヒータを加熱してインクを沸騰させ、それによって生じる気泡圧でインク液滴を吐出する方式のインクジェットヘッド、あるいはインクを貯留した圧力室に貼り付けられた圧電素子に電圧を印加することにより圧力室の容積を膨張および収縮させて、インク液滴を吐出する方式のインクジェットヘッドなど、電気−機械変換式のものであればいずれのタイプのインクジェットヘッドにおいても気泡の発生等が問題となるので、これらのいずれのタイプのインクジェットヘッドに本形態のインクを適用しても、気泡の発生などを解消できる等の効果を奏する。
【００３４】
また、本形態のインクが使用されるインクジェットヘッド記録装置として、図２を参照してインクジェットヘッドとインクタンクとを別体に構成し、これらをチューブで継ぐいわゆるオフキャリッジ式のインクジェットヘッド記録装置について説明したが、これらを一体に形成してキャリッジに搭載したオンキャリッジ式のインクジェット記録装置に本形態のインクを適用してもよい。
【００３５】
さらに、図２の例では、ヘッドを覆うキャップを備えたインクジェットヘッド記録装置について説明したが、本発明を適用したインクは、粘度の上昇を抑えるとともに、気泡の発生を抑えるという作用、効果があるため、記録装置の使用形態・条件によっては、キャップを省略することもできる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る水溶性インク、および水溶性インクの製造方法によれば、初期段階でアンモニウムイオン濃度が低く、かつ、溶存窒素量も少ないので、アゾ染料からなる色材を用いたインクに対して尿素を加えた水溶性インクであっても、窒素が過飽和になりにくい。このため、インク中に気泡が発生しにくいので、高い印字性能を持続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インク中のアンモニウムイオン濃度と窒素溶解度との関係を示すグラフである。
【図２】インクジェット記録装置の概略構成図である。
【図３】インクジェットヘッドの部分断面図である。
【図４】本発明を適用した水溶性インクの製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１    インクジェット記録装置
２    インクジェットヘッド
５    キャリッジ
９    インクタンク
２０５  振動板
２１４  個別電極
２２１  インクノズル
ＳＴ１  秤量工程
ＳＴ２  混合工程
ＳＴ３  窒素吹き込み工程
ＳＴ４  脱気工程
ＳＴ５  充填工程
【図１】
0004168465.tif 000002
【図２】
0004168465.tif 000003
【図３】
0004168465.tif 000004
【図４】
0004168465.tif 000005