JPH11160218A - 粘性率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直径が数十μｍ程度のキャピラリーのような
非常に小さな領域での粘性率および粘性率分布測定が可
能な粘性率測定装置を提供する。 【解決手段】 液体の粘性率に応じた振動減衰を測定し
て粘性率を求める粘度計において、振動板とプローブか
らなり、プローブの浸入量に応じた振動振幅の変化から
浸入方向の粘性率分布を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体の粘性率測定
装置、特に液体をキャピラリーに入れた場合などの微小
領域の液体の粘度及び粘度分布を測定するための粘性率
測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の粘性率測定装置は、液体試料中に
センサーとして棒あるいは円板等を挿入してこの棒ある
いは円板を動かした時に生じる粘性抵抗等から試料の粘
度を測定している。

【０００３】さらに、測定の精度を上げる事を目的とし
て、液体と空気との界面の近傍では液体の表面張力がセ
ンサーに大きな影響を与えることを避けるために通常は
センサーが液体と空気との界面と十分離れているかある
いは、センサーの主要部分の大きさが、センサーの支持
体が界面を横切る大きさに対して十分大きくなるように
している。

【０００４】したがって、この棒あるいは円板は通常数
cmのサイズを必要とし、測定試料も少なくとも１ｃｃ程
度は必要としている。また、液体と空気との界面の近傍
の粘性率及び粘性率分布測定は通常行えない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】最近では、図５に示す
インクジェットプリンターのインク吐出機構に代表され
るように、インク流路の径が数１０μｍといった微細な
構造を持つことが多い。しかもインクジェットヘッドに
おいてはインク吐出口に形成されるメニスカスは大気に
直接触れるので、一般的にはメニスカス表面において、
インク中の溶媒蒸発によるインクの増粘、乾燥、固化を
引き起こす。

【０００６】インク中の溶媒蒸発によるインクの増粘、
成分の分離は、印字中数十秒間印字を行わない休止ノズ
ルで観察される。図７（ｂ）に示すように表面に保湿剤
が分離したインクでは休止後最初の数ドットは印字濃度
が薄くなる。また、メニスカス表面に膜が生じるインク
では図７（ａ）に示すように、印字されたドットが正常
な大きさでなく、吐出方向も乱れることがある。これら
短時間のノーキャップ状態により引き起こされる現象は
空吐出、あるいは電源を切断した際のヘッドのキャッピ
ングなどの手段で防ぐ方法が採られている。

【０００７】さらに、何らかの理由でヘッドがノーキャ
ップ状態で放置された場合は図６に示す吸引動作による
復帰動作が通常施される。

【０００８】一方、ヘッドが長期間不使用の状態ではキ
ャッピングをもってしてもインクの増粘、成分の分離は
防ぎきれない場合が多い。

【０００９】顔料分散系液体をインクとして用いる場合
は、一般的に染料系インクに比べ耐目詰まり性に劣ると
されている。

【００１０】顔料分散系液体の中で、水性顔料系インク
は主に水、保湿剤、顔料、分散剤から構成される。その
他の添加剤として浸透剤、防カビ剤などを含有する。こ
の水性顔料系インクより、水あるいはその他の成分が蒸
発した際の分散系の安定性はインクの組成により大きく
異なる。

【００１１】更に、内径１０００μｍ以下の細管中で
は、顔料分散系液体はバルク状態とは異なる分散凝集な
どの特異的な挙動を示すことが指摘されており、例えば
インクジェットプリンタの吐出ノズル穴周囲のような微
小領域でインクから水分、あるいは他の成分が蒸発した
際、非常に短い距離で粘性率等の物性が大きく変化して
いる場合がある。

【００１２】微小領域での蒸発による水性顔料系インク
の粘性挙動はインク組成により大きく異なるが、バルク
状態での挙動とは一致しないことが度々生じることが我
々の経験より明らかとなった。

【００１３】これらの微小領域でのインク組成による粘
性挙動の違いはインクジェットプリンタの耐目詰り性や
回復性などの信頼性に大きく関わる。

【００１４】我々はインクジェットプリンタに適する水
性顔料系インクを開発するにあたり、インクの微小領域
での挙動を以下のように調べた。

【００１５】種々の組成の水性顔料系インクを調製後、
図４に示すように内径７００μｍのガラスキャピラリー
３に入れて１日放置した。

【００１６】メニスカス表面より水が蒸発することによ
りメニスカス表層に保湿剤濃度の高い透明相２０が確認
される組成のインクがあることが明らかとなった。

【００１７】上記相分離の発生の有無はインク組成、並
びにキャピラリーの内径に依存しており、内径１５００
μｍ以上のキャピラリーでは観測されなかった。

【００１８】このように相分離を生じる水性顔料系イン
クでも組成の違いにより保湿剤濃度の高い透明相下に粘
性の非常に高い顔料凝集相２１が生じる場合と、顔料濃
度は高いものの凝集を生じない場合があることも明らか
となった。

【００１９】更に、組成の異なるインクにおいては、相
分離は生じないものの表層に増粘インクが確認されるイ
ンク、またメニスカス表面に膜が生じるインクなどがあ
る事もわかった。

【００２０】すなわち、インクジェットプリンタの吐出
信頼性に関しては、メニスカス表面近傍の液体の状態が
極めて重要でありインクのバルクの粘性率の値だけでな
く、メニスカス表面近傍の深さ方向の粘性率分布を知る
必要がある。

【００２１】粘性率分布を知ることができたならば、そ
の粘性率分布状態に対応して、適切な吸引などの回復手
段を設計することができるとともに、信頼性に優れたイ
ンク組成の改良を行うことが可能となる。

【００２２】しかしながら、従来用いられている粘性率
測定装置では構造上大きな領域を必要としており、この
ような直径が数十μｍ程度のキャピラリーのような非常
に小さな領域の測定が不可能であった。したがって直径
が数十μｍ程度のキャピラリーのような非常に小さな領
域での測定が可能な粘性率測定装置が必要とされてい
た。 （目的）そこで、本発明では、直径が数十μｍ程度のキ
ャピラリーのような非常に小さな領域での測定が可能な
粘性率測定装置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は液体の粘性率に
応じた振動減衰を測定して粘性率を求める粘度計におい
て、振動板とプローブからなり、プローブの浸入量に応
じた振動振幅の変化から浸入方向の粘性率分布を求める
微小領域の測定が可能な粘性率測定装置である。

【００２４】また、かかる粘性率測定装置はプローブの
直径が８μｍ以上２００μｍ以下であり、そのプローブ
が親水処理されていることを特徴とする。

【００２５】更に、本発明の粘性率測定装置は基本振動
における振動板の先端、あるいは振動の２次の極大点に
プローブを基板に対して直角に取り付けることを特徴と
する。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の例を図１を
用いて説明するが、本発明の範囲内であればこれに限定
されるものではない。

【００２７】振動素子の構造について説明する。燐青銅
の薄板からなる振動板１は、 長さ３０mm、幅３ｍｍ、
厚さ０．１mmである。振動板１の支持点側には長さ５ｍ
ｍ、幅３mm、厚さ０．２mmのＰＺＴアクチュエーター４
を銀ペースト或いは半田で貼り付けてある。

【００２８】ＰＺＴアクチュエーター４に振幅１Ｖから
５Ｖ程度の正弦波を印加するとＰＺＴの圧電定数ｄ₃₁に
依存してＰＺＴアクチュエーター４の振動板１長手方向
の長さが変化し、振動板１との間に屈曲モーメントが発
生し振動板１が振動する。印加信号の周波数を振動板１
の固有振動モードに調整することにより共振が得られ
る。この寸法ではおおよそ１００Hzの基本振動が得られ
る。共振周波数は被測定試料の粘性率の大きさに応じて
２０Hzから５００Hzが適当である。振動板１の長さは周
波数に応じて決定される。

【００２９】振動板１の先端にはセンサーとしてプロー
ブ２を被測定液体が充填されているキャピラリー３の内
径に応じた直径２００μｍから８μｍのスチール線を振
動板１に対して直角に取り付ける。８μｍ未満のスチー
ル線は剛性が十分でなく、プローブとして使用できな
い。インクジェット用インク等は界面活性剤や有機溶媒
を含んでおり表面張力が低いことより、表面が未処理の
スチール線でも安定して測定を行えるが、表面張力の大
きな液体で安定な測定を行う場合には、プローブ２の表
面は親水的であることが好ましく、スチール線の表面に
は金をスパッタリングで蒸着しておくとよい。２００μ
ｍ径のプローブ２の場合はプローブ２とキャピラリ内壁
との間隙は５０μｍあればよい。１０μｍプローブ２の
場合は間隙は１０μｍでよい。プローブ２の長さはプロ
ーブの径に依存し、３０μｍ径のプローブでは３ｍｍの
長さまで使用可能である。

【００３０】振動振幅は被測定試料の状態を変化させな
いように通常１μｍ以内の微小振動が好ましい。

【００３１】振動板１の振動はレーザードップラー振動
計５を用いることによりノイズの小さい測定が可能であ
る。レーザードップラー振動計５からは振動速度に変換
された信号が出てくるので、その出力を電圧計で測定す
る。

【００３２】キャピラリは３軸方向に微動可能なＸＹＺ
微動ステージ８上に配置され、XY方向の操作によりキャ
ピラリの中心に合わせ、Ｚ軸方向にキャピラリを上昇さ
せ、プローブを相対的に液中に浸入させる。

【００３３】振動板１の基本振動を用いた場合、基本振
動では振動板１の変位の極大が振動板１の先端にあり、
その点では振動板１には傾きが生じる。したがってプロ
ーブ２を先端に取りつけた場合、プローブ２はプローブ
２の軸方向に振動するだけでなくだけでなく、プローブ
２の軸に対して直角方向にも振動してしまう。

【００３４】本発明ではプローブ２が軸方向に振動する
際の粘性減衰を測定するものであるため、この直角方向
の振動は好ましくない。したがって、２次のモードにお
ける変位極大点を用いてさらに精度を向上することも可
能である。変位極大点では振動板１の接線は初期平衡位
置に対して常に平行となり、したがって直角に取り付け
たプローブ２は常にその軸方向に振動することになる。
軸に垂直な方向の振動は２次の微小量であり無視でき
る。

【００３５】以下に本測定装置の動作及び測定原理を図
２を用いて説明する。

【００３６】速度に比例する損失がある場合の強制振動
では、振動振幅がその比例係数に逆比例する。振動体の
液体中での粘性損失は振動速度に比例する。したがって
一定の外力を加えて強制振動させた振動板１を液体中に
いれた場合は、振動振幅は粘性損失に逆比例する。

【００３７】空気中で自由振動しているプローブ２が液
体に接すると、液体の表面張力により液体はある一定の
表面形状になるまでプローブ２の外壁面を這い上がる。
したがって、プローブ２の振動は形成された表面に働く
表面張力のために自由振動の振幅より小さくなる。しか
し、プローブ２を深さ方向に浸入していく際には表面の
形状は一定に保たれるため振動の減衰は、図２（ａ）に
示すように液体の内部の性質、すなわち液体の粘性率お
よびプローブ２の浸入量だけできまる。

【００３８】粘性率が浸入深さに依存しない場合にはプ
ローブ２の振動は粘性損失に逆比例して減少するため、
図２（ｂ）に示すように浸入量に対して振動振幅の逆数
でプロットしたとき浸入深さに対して直線となる。

【００３９】一方、凝集・分離等が生じて液体の粘性率
が深さに依存して変化している場合には、上記に従いプ
ロットした際、その直線の傾きがプローブ２の先端点の
粘性率に応じて変化する。逆数を取っているため表面張
力の影響は微分することにより消去される。この方法に
より、浸入方向の粘性率分布がわかることになる。

【００４０】本発明は平衡な状態にある微小領域の粘性
率分布を測定するのに適している。すなわち、測定領域
は微小であるけれども、その領域を平衡状態に保つため
に成分が十分供給されている必要がある。

【００４１】したがって、蒸気圧の高い液体は蒸発しや
すいので試料が微小量である場合の粘性率測定は困難で
ある。

【００４２】また、蒸気圧の高い液体と蒸気圧の低い液
体の混合液体では蒸気圧の高い液体が先に蒸発し成分割
合が変化してしまう事より、試料が微小量の場合精度の
高い測定はできない。

【００４３】蒸気圧が低い液体ならば試料が微小量であ
っても測定が可能である。

【００４４】本測定法で得たトリプロプレングリコール
モノメチルエーテル（ＴＰＭ）の振動減衰特性を図２
（ａ）に示す。また逆数をプロットしたものを図２
（ｂ）に示す。

【００４５】ＴＰＭの粘性率は深さに依らない事より粘
性損失はプローブ２の浸入量に対して線形に変化し、浸
入量で微分することにより、一定の粘性率が得られた。
同溶媒のを２５℃での粘度はＥ型粘度計（東京計器製Ｄ
ＶＭ−Ｅ）で測定した結果５．８ｃｐであった。したが
って適当な校正係数を導入してこれを基準とすることが
できる。

【００４６】また、同様にトリプロピレングリコール
（ＴＰＧ）に対して得た振動減衰特性を図３に示す。
本発明の粘性率測定器より得られるＴＰＭを基準とした
トリプロピレングリコールの相対粘性率は４５ｃｐとな
り、 Ｅ型粘度計で測定した粘性率の５６ｃｐと若干の
差異はあるが、ほぼ整合性が認められた。したがって、
ＴＰＭ、ＴＰＧなどを本測定装置の基準液体として用い
ることができる。

【００４７】

【実施例】（実施例１）本発明の粘度測定装置を用いて
インクジェットプリンタ用各種水性顔料分散インクの評
価を行った例を以下に説明する。

【００４８】放置試験；種々の水性顔料系インクを調
整後、各インクを内径７００μｍのガラスキャピラリー
３に入れ、湿度５０％、温度２５℃で１日放置し、放置
前後のインクを本発明の粘性率測定装置にて粘性率を測
定し、その際のメニスカスからの深さ２００μｍでの粘
性率をＴＰＭを基準として求める。

【００４９】インクＡは１日放置によりインク相分離が
生じた。相分離前後のインクＡを本発明の粘性率測定装
置で測定した結果を図８に示す。

【００５０】これらのインクは上記試験を行うとともに
カートリッジ−ヘッド別体型のオンデマンド型圧電系イ
ンクジェットプリンタに搭載し以下の試験を行った。

【００５１】放置試験；ヘッドをプリンタに装着し正
常吐出確認後、カートリッジに接続したヘッドをノーキ
ャップ状態で常温−常湿下で３時間放置する。放置後、
空吐出による復帰操作を行い吐出状態を確認する。

【００５２】放置試験；ヘッドをプリンタに装着し正
常吐出確認後、カートリッジに接続したヘッドをノーキ
ャップ状態で４０℃−低湿下（湿度２０％以下）で１４
日放置する。放置後、ヘッドを再度プリンタに装着し吸
引動作による復帰操作を行い吐出状態を確認する。

【００５３】実験に用いたインクの組成を以下に示す。

【００５４】 表 １ インク マクロな マクロな 保湿剤の量 顔料の量 顔料色 粘度(cp） 表面張力(dyn/cm） （ｗｔ％） （ｗｔ％） Ａ ３．５ ３１ ３０ ５ Ｋ Ｂ ３．３ ３０ ３０ ５ Ｋ Ｃ ３．３ ３０ ３０ ５ Ｙ Ｄ ３．２ ３０ ３０ ５ Ｙ Ｅ ３．４ ３１ ３０ ５ Ｃ Ｆ ３．５ ３０ ３０ ５ Ｍ

【００５５】上記インクのマクロな粘度はＥ型粘度計
（東京計器製；ＤＶＭ−Ｅ）で、マクロな表面張力はウ
ィルヘルミー式表面張力計（協和界面科学製；ＣＢＶＰ
−Ａ３）で２５℃で測定した値である。

【００５６】以下に表１の水性顔料系インクの放置試験
後の粘性率を本測定装置で測定した結果を示す。

【００５７】 表２ 放置試験 放置試験 放置試験 インク 放置前 放置後 空吐出による回復 吸引による回復 粘性率 粘性率 （ｃｐ） （ｃｐ） Ａ ３．５ ２０ 可 可 Ｂ ３．３ ６０ 不可 可 Ｃ ３．３ ５００ 不可 不可 Ｄ ３．２ ４０ 可 可 Ｅ ３．４ ２０ 可 可 Ｆ ３．５ ５０ 可 可

【００５８】さらに上記組成以外の種々の水性顔料イン
クを本粘度測定装置を用いて粘性率分布を測定した場合
も、表面から２００μｍの深さにおける粘性率が１００
ｃｐ以下となる顔料インクであるとき、２００ｍｍHg、
３秒間の吸引回復動作により良好な印字が得られるとい
うことが明らかとなった。

【００５９】更に、表面から２００μｍの深さにおける
粘性率が５０ｃｐ以下となる顔料インクであるときは、
１０滴の空吐出回復動作により良好な印字が得られると
いうことも分かった。

【００６０】水性顔料系インクで、顔料の凝集により表
面に脆性的な膜が形成されている場合は、プローブ２が
膜に接した瞬間に振動強度が小さくなる。膜の厚さが非
常に薄い場合は、振動減衰量はδ関数的な積分で表され
ることになり、積分値として１０ｃｐ・ｃｍ以下である
場合には、前記吸引回復動作で回復可能であった。積分
値として５ｃｐ・ｃｍ以下である場合には、前記空吐出
回復動作で回復可能であった。

【００６１】メニスカス表面に形成される膜が高分子膜
状であるとノズル壁に付着し、回復性が脆性膜に比較し
て若干劣る。この場合には、減衰量が積分値として５ｃ
ｐ・ｃｍ以下である場合には、前記吸引回復動作で回復
可能であった。減衰量が積分値として２ｃｐ・ｃｍ以下
である場合には、前記空吐出回復動作で回復可能であっ
た。

【００６２】本測定装置の空間分解能はプローブの直
径、表面粗度、微動ステージの送り精度および振動検出
系のＳ／Ｎで決まり、本実施例ではおおよそ10μｍであ
る。

【００６３】振動系の剛性を測定試料の粘性に対して適
切に設定することにより、粘性率の測定可能範囲は０．
５ｃｐから５００ｃｐとすることができる。本実施例で
示した構造の振動板では１ｃｐから２００ｃｐの範囲を
測定することができる。

【００６４】粘性率の絶対値は蒸気圧の低い一般の有機
溶媒が基準液体として用いられる。トリプロプレングリ
コールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコール、
トリプロプレングリコールなどが校正を行うのに適して
いる。

【００６５】測定試料が顔料分散系の液体では分散され
た顔料のプローブ２への吸着を防ぐためにプローブ２は
洗浄液中の保存が望ましい。また、基準液体で定期的に
測定し、精度が許容範囲を超えた場合は、プローブ２を
交換することが望ましい。

【００６６】

【発明の効果】以上、述べたように、本発明の粘性率測
定装置は従来では困難であった微小なキャピラリーの内
部の粘度の深さ方向の分布が測定できる事がわかる。

【００６７】更に、本測定装置をインクジェットプリン
タ用の水性顔料インクに適用する事で、その粘性率分布
状態に対応した適切な吸引などの回復手段の設計、及び
インクジェットプリンターに適した信頼性の高いインク
組成の設計を迅速に行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す図である。

【図２】本発明の実施例の動作を説明する図である。

【図３】本発明で測定した参照液体の測定結果である。

【図４】キャピラリにおける相分離を説明する図であ
る。

【図５】本発明の実施例で用いたインクジェットプリン
タの構造を説明する図である。

【図６】吸引による回復動作を説明する図である。

【図７】休止した後の印字結果を説明する図である。

【図８】本発明で粘性率を測定したインクジェット用イ
ンクの粘性率を示す図である。

【符号の説明】

１ 振動板 ２ プローブ ３ キャピラリー ４ ＰＺＴアクチュエーター ５ レーザードップラー振動計 ６ メニスカス ８ ＸＹＺ微動ステージ １０ 基台 １１ ミラー １２ レーザー光 ２０ 透明保湿剤相 ２１ 顔料凝集相

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体の粘性率に応じた振動減衰を測定し
   て粘性率を求める粘性率測定装置において、振動板とプ
   ローブを有し、プローブの液体への浸入量に応じた振動
   振幅の値から浸入方向の粘性率分布を求める粘性率測定
   装置。
2. 【請求項２】 プローブの直径が８μｍ以上２００μｍ
   以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の粘性率測定装置。
3. 【請求項３】 プローブの表面は親水処理されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の粘性率測定装置。
4. 【請求項４】 基板振動の２次の変位の極大点にプロー
   ブを基板に対して垂直に取り付けることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の粘性率
   測定装置。
5. 【請求項５】 基板振動の基本振動の変位の極大点にプ
   ローブを基板に対して垂直に取り付けることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項、第２項、第３項または第４項
   記載の粘性率測定装置。