JP2020040295A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】手書き感覚で、画像を形成しながらその画像の原画からの補正、修正、および変更が可能な画像形成装置を提供する。【解決手段】ハンドヘルドプリンター（１００）では、シート（ＳＨＴ）の表面に対するプリントヘッド（１０）の位置（Ｘ，Ｙ）を位置検出部（１５５）が検出し、そのシートの表面からプリントヘッドが受ける圧力（ＰＲ）を圧力検出部（１５６）が検出する。濃度制御部（１５７）は、位置検出部が検出したプリントヘッドの位置に形成すべき画像の濃度を、圧力検出部が検出した圧力に応じて決定し、その濃度をプリントヘッドに指定する。これによりユーザーがプリントヘッドでシートの表面に加える圧力を変化させると、それに応じて形成される画像（ＴＩＭ）の濃度が変化する。【選択図】図８

Description

本発明は画像形成装置に関し、特にユーザーが手に持って物体の表面上を移動させながら、その表面に画像を形成させることが可能なハンドヘルドプリンターに関する。

プリンターの目的は、画像データの表す画像（原画）を元通りに再現することにある。しかし、実際に印刷された画像と原画との間には、シートもしくはインクの違いに起因する色調（明度、色度）の微妙な違い、または、印刷時でのインクの擦れ、斑に起因する微細な傷、歪みが現れうるので、印刷画像には補正または修正が必要な場合がある。その他に、印刷画像では原画と異なり、強調、削除等、部分的な変更が求められる場合もある。このような補正、修正、および変更は、画像データそのものを適切に加工した後、新たなシートに画像を形成し直すことで達成される（たとえば特許文献１、２参照）。したがって、補正等が繰り返されるにつれて無駄なシートが増えるという欠点がある。

この欠点の解決手段としては、たとえばハンドヘルドプリンターの利用が考えられる。「ハンドヘルドプリンター」とは、ユーザーが手に持ってシート等、物体の表面上を移動させながら、その表面に画像を形成させることの可能なプリンターをいう（たとえば、特許文献３−６参照）。ハンドヘルドプリンターのヘッドがインクジェット方式（特許文献７、８参照。）であるならば、シートが曲面でも画像形成が可能である。ハンドヘルドプリンターであれば、画像が一旦形成されたシートへ同じ画像を上書きして部分的に補正、修正、および変更することが容易である。

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ハンドヘルドプリンターが利用されれば、補正、修正、および変更を目的とする同じ画像の上書きは容易である。しかし、上書きされる画像もまた、予めデータ化されたとおりのものであるので、補正等には画像データそのものの変更が必要である。たとえば、画像編集ツールを用いた画像データの加工は手間がかかるので、画像の形成作業と並行させることは難しい。

本発明の目的は上記の課題を解決することであり、特に手書き感覚で、画像を形成しながらその画像の原画からの補正、修正、および変更が可能な画像形成装置を提供することにある。

本発明の１つの観点における画像形成装置は、画像データに従って物体の表面に画像を形成する。この画像形成装置は、ユーザーが手に持って物体の表面上を移動させることの可能な筐体と、この筐体のうち、物体の表面と接触する部分に組み込まれたプリントヘッドと、物体の表面に対するプリントヘッドの位置を検出する位置検出部と、物体の表面からプリントヘッドが受ける圧力を検出する圧力検出部と、位置検出部が検出したプリントヘッドの位置に形成すべき画像の濃度を、圧力検出部が検出した圧力に応じて決定し、その濃度をプリントヘッドに指定する濃度制御部とを備えている。

濃度制御部は、画像データを参照して画像の濃度に対する許容上限を決定してもよい。濃度制御部は、物体の表面のうち、プリントヘッドが対向する部分にすでに形成されている画像の濃度を検出して、プリントヘッドに指定すべき画像の濃度に反映させてもよい。濃度制御部は、位置検出部の出力が示すプリントヘッドの位置に対応する画像データの部分の濃度から、すでに形成されている画像の濃度を差し引いた値に、圧力検出部の出力が示す圧力に基づく係数を乗じた値を、プリントヘッドに指定してもよい。濃度制御部は、圧力検出部の出力が示す圧力が高いほど、プリントヘッドに指定すべき画像の濃度を高く設定してもよい。プリントヘッドはインクジェット式であってもよい。

本発明の観点による画像形成装置では上記のとおり、物体の表面に対するプリントヘッドの位置を位置検出部が検出し、その物体の表面からプリントヘッドが受ける圧力を圧力検出部が検出する。さらに、これらの出力に基づいてプリントヘッドに画像の濃度を制御部が指定する。これにより、ユーザーがプリントヘッドで物体の表面に加える圧力を変化させると、それに応じて形成される画像の濃度が変化する。こうして、この画像形成装置は、手書き感覚で、画像を形成しながらその画像の原画からの補正、修正、および変更が可能である。

本発明の実施形態による画像形成装置であるプリンターの外観を示す斜視図である。 （ａ）は、プリンターの中心部の模式的な縦断面図である。（ｂ）は、プリンターの軸方向から見えるプリントヘッドの正面図である。 プリンターの電子制御系統のブロック図である。 （ａ）は、画像データが表す原画の例である。（ｂ）は、プリンターがシートの表面に形成した画像を表す。 プリントヘッドの圧力検出機構の構造を示す側面図である。 （ａ）は、ヘッドのノズルの１つの拡大図であり、（ｂ）は、このノズルの分解組立図であり、（ｃ）−（ｅ）は、（ｂ）の示す直線ｃ−ｃに沿ったその部材の横断面図である。 （ａ）は、網点の濃度と滴下直後のインク跡との間の関係を示す模式図である。（ｂ）は、網点の密度と画素の濃度との間の関係を示す模式図である。 （ａ）は、プリントヘッドが受ける圧力に応じた画素濃度の設定を表す模式図である。（ｂ）は、圧力係数とプリントヘッドがシートから受ける圧力との間の関係を示すグラフである。（ｃ）は、原画では濃度一定である市松模様をプリントヘッドに、シートの表示範囲へ１回目に描画させた結果を示す図であり、（ｄ）は、この描画でプリントヘッドが受ける圧力と、形成される画像の濃度との間の関係を表すグラフである。（ｅ）は、同じ市松模様をプリントヘッドにシートの同じ範囲へ２回目に重ね書きさせた結果を示す図であり、（ｆ）は、この描画でプリントヘッドが受ける圧力と、形成される画像の濃度との間の関係を表すグラフである。 プリンターの制御部が行う処理のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［画像形成装置の外観］
図１は、本発明の実施形態による画像形成装置の外観を示す斜視図である。この画像形成装置１００はハンドヘルドプリンターであり、特にその筐体が万年筆またはマジックペンのような太い円筒形状である。プリンター１００の先端１０にはインクジェット方式のプリントヘッドが組み込まれ、基端２０には、ブルートゥース（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）等の無線規格に準拠の通信機が埋め込まれている。この無線通信機は形成対象の画像ＯＩＭを表すデータを、スマートフォン等、外部の電子機器ＳＭＰから無線で受信する。その後、プリンター１００をユーザーがペンのように持ち、プリントヘッド１０をシートＳＨＴ等、物体の表面に押し当てながらその表面上を移動させる。すると、プリントヘッド１０からシートＳＨＴの表面へインクが噴出し、ヘッド１０の軌跡ＴＲＪに沿って画像の対応する部分がシートＳＨＴの表面に形成される。形成対象の画像ＯＩＭの面積に対してプリントヘッド１０の横断面積は十分に小さいので、ユーザーがプリントヘッド１０をシートＳＨＴの表面上で何度も往復させることにより初めて、シートＳＨＴの表面に現れた画像ＴＩＭの全体が形成対象の画像ＯＩＭの全体と一致する。

［プリンターの構造］
図２の（ａ）は、プリンター１００の中心部の模式的な縦断面図である。プリンター１００の中心部は、電源部１３０、貯蔵部１４０、制御部１５０、および監視部１６０を含む。プリンター１００は更に、外周面に電源スイッチ等の押しボタン１２１、１２２を含む。電源部１３０は二次電池から電力をプリンター１００の各部へ供給する。貯蔵部１４０は軸方向に細長い４本のタンクを含み、それぞれが、シアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、およびブラック（Ｋ）の４色の顔料インクを１色ずつ貯蔵する。いずれのタンクも互いに独立して軸方向の専用チャネル１４５でプリントヘッド１０と連通しており、これらのチャネル１４５を通してインクがプリントヘッド１０へ供給される。制御部１５０はプリンター１００の中枢であり、プリンター１００の各部を制御する。監視部１６０は、各種センサーとその駆動回路との集合体であり、プリンター１００の姿勢、各部の動作状態に関するパラメーターの値を監視する。

図３は、プリンター１００の電子制御系統のブロック図である。この制御系統は、プリンター１００の各部に組み込まれた電子回路で構成されており、電源部１３０、制御部１５０、監視部１６０の他に、操作部１２０を含む。これらは、バス１８０を通してデータ交換可能に接続されている。

操作部１２０は、プリンター１００が備えたインターフェースの全体であり、特に押しボタン１２１、１２２と無線通信機１２３とを含む。押しボタン１２１、１２２は、電源のオンオフ等のユーザー操作を受け付けて制御部１５０へ伝える。無線通信機１２３は外部機器との無線通信を通して主に処理対象の画像データを受信し、制御部１５０へ渡す。

電源部１３０は、二次電池１３１と電源回路１３２とを含む。二次電池１３１はたとえばリチウム（Ｌｉ）イオン電池である。電源回路１３２は、二次電池１３１に対する電池管理システムと、その出力の変換回路とを含む。電池管理システムは、商用交流電源等、外部電源に接続されると、その電力で二次電池１３１を、たとえば定電流定電圧方式で充電し、外部電源から切り離されると、放電中の電流値または電圧値を通して二次電池１３１の残量を監視する。出力変換回路は、二次電池１３１の放電電圧を適切な電圧値に変換してプリンター１００内の各部へ供給する。

制御部１５０はマイクロプロセッサー１５１とヘッド駆動部１５２とを含む。マイクロプロセッサー１５１は、ＣＰＵ１５１、ＲＡＭ１５２、およびＲＯＭ１５３を含む。ＣＰＵ１５１はたとえば単一の集積回路（ＭＰＵ）で構成され、各種ファームウェアを実行することによりプリンター１００の他の要素に対する制御主体としての多様な機能部を実現する。これらの機能部には、プリントヘッド１０の位置を検出する位置検出部１５５、プリントヘッド１０がシートＳＨＴから受ける圧力を検出する圧力検出部１５６、およびプリントヘッド１０にシートＳＨＴへ吹き付けるべきインクの濃度を指定する濃度制御部１５７が含まれる。ＲＡＭ１５２は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等の揮発性半導体メモリー装置であり、ＣＰＵ１５１にファームウェアを実行する際の作業領域を提供すると共に、操作部１２０が受け付けた形成対象の画像データを保存する。ＲＯＭ１５３は、書き込み不可の不揮発性記憶装置と書き換え可能な不揮発性記憶装置との組み合わせで構成されている。前者はファームウェアを格納し、後者は、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＳＳＤ等の半導体メモリー装置、またはＨＤＤを含み、ＣＰＵ１５１に環境変数等の保存領域を提供する。ヘッド駆動部１５２は、貯蔵部１４０の各タンクに個別に接続されたポンプとその駆動回路とを含み、各タンクから専用チャネル１４５を通してプリントヘッド１０へ各色のインクを個別に流し、またはその流れを遮断する。ヘッド駆動部１５２は更に、プリントヘッド１０のノズル、光学素子、および圧力検出機構の駆動回路を含む。これらの詳細については後述する。

監視部１６０は、ジャイロスコープ１６１、撮像素子１６２、および圧力センサー１６３を含む。ジャイロスコープ１６１は、たとえば加速度センサーを利用してプリントヘッド１０の加速度を積算することにより、重力方向に対するプリンター１００の筐体の軸方向の傾き、たとえばロール、ピッチ、ヨーの３つの角度を検出する。撮像素子１６２はたとえば電荷結合素子（ＣＣＤ）であり、プリントヘッド１０から軸方向に広がる範囲を撮影する。圧力センサー１６３は、シートＳＨＴ等、画像を形成すべき物体表面との接触によりプリントヘッド１０が受ける圧力を検出する。

［プリントヘッドの構造］
図２の（ｂ）は、プリンター１００の軸方向から見えるプリントヘッド１０の正面図である。プリントヘッド１０は、プリンター１００の筐体の先端から軸方向に突き出た円柱部材であり、その中に、４対の発光素子１１と対物レンズ１２、４本のノズル１３、および５個の圧力検出機構１４が束ねられている。これらは、プリントヘッド１０の軸に対して対称的に配置され、そのまわりがたとえば樹脂製の保護層１５で覆われている。

発光素子１１はたとえば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、ＣＣＤカメラ１６２の撮影範囲を照らす。対物レンズ１２はたとえば広角レンズであり、ＬＥＤ１１が照らした範囲からの反射光を監視部１６０のＣＣＤカメラ１６２へ集める。ノズル１３は、各専用チャネル１４５の先端に設けられており、ヘッド駆動部１５２の指示に従って適量のインクを軸方向へ噴出させる。圧力検出機構１４は、シートＳＨＴ等、画像を形成すべき物体表面と接触してその表面から圧力を受け、監視部１６０の圧力センサー１６３へ伝える。

［ヘッドの位置検出］
ＬＥＤ１１と対物レンズ１１２との光学素子対を利用して、ＣＣＤカメラ１６２はヘッド１０から軸方向に広がる範囲を撮影する。撮影された映像は制御部１５０の位置検出部１５５によって解析され、その結果、シートＳＨＴの表面に対するヘッド１０の位置が以下のように決まる。

図４の（ａ）は、画像データが表す原画の例である。原画は画像編集ツールにより、画素の２次元マトリクス（たとえば数百画素×数百画素）で構成される表示領域（ビューポート）に描かれる。ビューポートは画素ごとに色座標値（たとえばＣＭＹＫの階調値の組）を表す。

図４の（ｂ）は、プリンター１００がシートＳＨＴの表面に形成した画像を表す。原画のいずれの部分がシートＳＨＴのいずれの位置に描かれるかは、次のように決定される。

プリンター１００の位置検出部１５５は、予めユーザーに、画像が形成されるべきシートＳＨＴの表面領域を特定させる。具体的には、その表面領域をＣＣＤカメラ１６２で撮影させる（ユーザーは、たとえば押しボタン１２１、１２２を使ってＣＣＤカメラ１６２を操作する。ＣＣＤカメラ１６２の撮影する映像は無線通信機１２３から、たとえばスマートフォンＳＭＰへ送られてその画面に表示される。その画面にシートＳＨＴの目標の表面領域が収まれば、ユーザーはそのことを押しボタン１２１、１２２で通知する）。このとき撮影された映像の中から位置検出部１５５は、ビューポートの特定の２点Ｐ１、Ｐ２（たとえば境界線上の２点）が射影されるべきシートＳＨＴの表面上の特徴点Ｑ１、Ｑ２を選択する（ユーザーにシートＳＨＴの目標の表面領域を撮影させる際、これらの特徴点Ｑ１、Ｑ２に微量のインクをプリントヘッド１０が吹き付けてマーキングしてもよい）。これ以降、位置検出部１５５はこれらの特徴点Ｑ１、Ｑ２をＣＣＤカメラ１６２の映像から検出し、それらの座標（Ｘ，Ｙ）を算定する。ＬＥＤ１１と対物レンズ１１２との光学素子対は複数、たとえば４対がプリントヘッド１０の軸の周りに対称的に配置されているので、プリンター１００の筐体がシートＳＨＴの表面に対して斜めに傾いていても、特徴点Ｑ１、Ｑ２はいずれかのＣＣＤカメラ１６２の映像には収められるはずである。算定された特徴点Ｑ１、Ｑ２の座標からは、プリントヘッド１０の軸とシートＳＨＴの表面との交点Ｐｃの座標、およびその座標に射影されるべきビューポートの画素を特定することができる。こうして、プリントヘッド１０の移動に伴うこの交点Ｐｃの軌跡ＴＲＪに対応するビューポートの画素群が特定されるので、それらの画素群の表す色座標値に基づいて、その軌跡ＴＲＪに沿って吹き付けられるべきインクの量が決定される。すなわち、その軌跡ＴＲＪに描かれるべき原画の部分が決定される。

［ヘッドの圧力検出］
プリントヘッド１０の圧力検出機構１４から伝えられる圧力を監視部１６０の圧力センサー１６３が測定する。５個の圧力検出機構１４の間での測定値の統計学的代表値、たとえば平均値を、制御部１５０の圧力検出部１５６は、プリントヘッド１０がシートＳＨＴから受ける圧力として算定する。

図５は、圧力検出機構１４の構造を示す。圧力検出機構１４は、キャスター（ころ）１４１、ソケット１４２、および複数本のバー１４３を含む。キャスター１４１は金属製または硬質樹脂製の小球である。ソケット１４２は、内径がキャスター１４１の直径と実質的に等しい環状部材であり、キャスター１４１を中心の周りで自由に回転するように支持する。ユーザーがプリントヘッド１０をシートＳＨＴの表面に押し付けると、その表面の上をキャスター１４１が転がる。バー１４３は、ヘッド１０の軸方向に伸びる棒状部材であり、一端がソケット１４２に接続され、他端が圧力センサー１６３に接続されている。キャスター１４１がシートＳＨＴの表面上を転がる際にその表面から受ける圧力を、バー１４３は圧力センサー１６３へ伝える。これらの圧力の平均値等、統計学的代表値を圧力センサー１６３は測定する。５個のキャスター１４１がシートＳＨＴの表面上を転がることによりその表面に対するプリントヘッド１０の姿勢が安定化するので、いずれのノズル１３もシートＳＨＴの表面に対して同じ角度でインクを吹き付けることができる。

［ヘッドのインクジェット機構］
図６の（ａ）は、ヘッド１０のノズル１３の１つの拡大図であり、（ｂ）は、このノズル１３の分解組立図であり、（ｃ）−（ｅ）は、（ｂ）の示す直線ｃ−ｃに沿ったノズル１３の横断面図である。各ノズル１３は、ＣＹＭＫの各色のタンクに接続された４本の小ノズル１３Ｃ、１３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｋを束ねたものであり、各小ノズル１３Ｃ−１３Ｋには噴出口３１０がたとえば１個ずつ開けられている。

ノズル１３はオンデマンド型ピエゾ方式であり、すなわち、ピエゾ素子を利用してインクを１滴ずつ噴出すると共に、その１滴あたりのインクの量を調節可能である。ノズル１３は、多岐管の枝端３０１、チャネル部材３０２、およびプレート３０３を含む。多岐管は、共通端がプリンター１０の中心部のチャネル１４５に接続され、各枝端３０１の開口３１１がチャネル部材３０２の背面に接続されている。チャネル部材３０２はベース３２１とカバー３２２とを含む。ベース３２１は、上側ピエゾ層３３１と下側ピエゾ層３３２との積層体である。ベース３２１の上面には溝が３本、３４１、３４２、３４３、多岐管の枝端３０１に対して垂直な方向に刻まれ、それぞれの内側が枝端３０１の開口３１１に連通している。いずれの溝３４１−３４３も横断面が同じ長方形であり、その底が下側ピエゾ層３３２に達している。カバー３２２は絶縁体製の基板であり、ベース３２１の上面に接合されている。これにより溝３４１−３４３の上方が気密に封じられ、３本のチャネルが形成されている。貯蔵部１４０のタンクから多岐管へ流れ込んだインクは、その枝端３０１からチャネル部材３０２の背面を通過して各チャネル３４１−３４３へ進入する。プレート３０３は絶縁体の基板であり、チャネル部材３０２の前面に接合されて、すべてのチャネル３４１−３４３の開口端を密封している。プレート３０３には中央のチャネル３４２に面する部分に噴出口３１０が１つ開けられている。これにより、多岐管の枝端３０１から中央のチャネル３４２へ流れ込んだインクは、プレート３０３の噴出口３１０から外へ漏れ出うる。

上下のピエゾ層３３１、３３２はいずれも圧電材料、たとえばジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）を含み、分極している。両ピエゾ層３３１、３３２の間では分極方向が反対である。たとえば図６の（ｃ）が矢印ＰＯＬで示すように、分極方向が上側ピエゾ層３３１では下向きであり、下側ピエゾ層３３２では上向きである。各溝３４１−３４３の内面は電極３３４、３３５、３３６で覆われている。中央のチャネル３４２では内面電極３３５がヘッド駆動部１５２と導通している。これらの電極３３５に対し、ヘッド駆動部１５２は正パルス電圧＋ＶＰと負パルス電圧−ＶＭとを印加可能である。両側のチャネル３４１、３４３では内面電極３３４、３３６が接地電極に接続されている。いずれのチャネル３４１−３４３でも内面電極３３４−３３６が同じ接地電位に維持されている間は、図６の（ｃ）に示すようにチャネル３４１−３４３の間の仕切りが平行であるので、いずれのチャネル３４１−３４３も容積が等しい。

中央のチャネル３４２の内面電極３３５に対してヘッド駆動部１５２が正パルス電圧＋ＶＰを印加すると、中央のチャネル３４２から両側のチャネル３４１、３４３へ水平方向（図６の（ｄ）では左右方向）の電場が生じる。これにより、上下のピエゾ層３３１、３３２の間の接合面３３７には、図６の（ｄ）が示すように、水平方向の電場に沿って応力ＳＴＰが生じるので、その接合面３３７が両側のチャネル３４１、３４３の内側へ移動するようにチャネル３４１−３４３の間の仕切りが屈曲する。こうして、中央のチャネル３４２ではその横断面積が広がり、容積が膨張するので内圧が下がり、多岐管の枝端３０１からインクが流入する。

中央のチャネル３４２の内面電極３３５に対してヘッド駆動部１５２が負パルス電圧−ＶＭを印加すると、両側のチャネル３４１、３４３から中央のチャネル３４２へ水平方向（図６の（ｅ）では左右方向）の電場が生じる。これにより、上下のピエゾ層３３１、３３２の間の接合面３３７には、図６の（ｅ）が示すように、水平方向の電場に沿って応力ＳＴＭが生じるので、その接合面３３７が中央のチャネル３４２の内側へ移動するようにチャネル３４１−３４３の間の仕切りが屈曲する。こうして、中央のチャネル３４２ではその横断面積が狭まり、容積が収縮するので内圧が上がり、噴出口３１０からインクが噴き出す。

こうして、ヘッド駆動部１５２は、中央のチャネル３４２の内面電極３３５に対して印加するパルス電圧＋ＶＰ、−ＶＭを調節することにより、適量のインクを１滴ずつ噴出口３１０から噴き出させることができる。

［インクジェット方式の階調表現］
プリントヘッド１０はインクジェット方式であり、各画素の濃淡（階調）を網点の濃度または密度で表現する。「網点」とは、インクで形成される画像の最小単位をいい、通常は同一形状、同一サイズである。網点の「濃度」とは網点１個あたりのインク量をいい、「密度」とは１画素あたりの網点の個数をいう。

図７の（ａ）は、網点の濃度と滴下直後のインク跡との間の関係を示す模式図である。網点ＨＴはインク１〜数滴（図７の（ａ）では４滴）の重ね合わせで形成される。１滴ＤＰあたりのインク量が大きいほど、１滴ＤＰあたりのインク量が一定であれば網点ＨＴ１個あたりのインクの滴数が多いほど、網点ＨＴの濃度は高い。ヘッド駆動部１５２は、正負パルス電圧＋ＶＰ、−ＶＭのレベルの差によって１滴あたりのインク量を制御して網点の濃度を調節する。

図７の（ｂ）は、網点ＨＴの密度と画素ＰＸの濃度との間の関係を示す模式図である。画素ＰＸは網点ＨＴのマトリクスで形成される。１画素あたりの網点数が多いほど、すなわち網点ＨＴの密度が高いほど、画素ＰＸの濃度は高い。ヘッド駆動部１５２は、正負パルス電圧＋ＶＰ、−ＶＭの切換の周波数によって網点の密度を制御して画素の濃度を調節する。

［プリントヘッドの受ける圧力と画像の濃度との間の関係］
図１が示すように、プリンター１００はハンドヘルド型であるので、プリントヘッド１０の軌跡ＴＲＪに沿って画像を形成する。したがって、シートＳＨＴの表面領域、すなわちビューポートが射影されるべき範囲にヘッド１０を何度も往復させ、その表面領域をヘッドの軌跡ＴＲＪで覆い尽くして初めて、その表面領域に画像ＴＩＭの全体が現れる。一方、補正、修正、または変更を目的として同じ画像を部分的に重ねて形成することは容易である。補正等が必要な箇所だけをユーザーはヘッド１０で走査すればよい。

プリンター１００は更に、プリントヘッド１０でシートＳＨＴの表面を押す圧力に応じて画素の濃度を変える。特に圧力が高いほど、インク１滴あたりの量を増やし、網点１つあたりのインクの滴数を増やし、または１画素あたりの網点の数を増やして、画像の濃度を上昇させる。圧力が高いほど画像の濃度が高いという関係は通常の筆記具と似ているので、プリンター１００はユーザーに、すでに形成された画像のうち補正等の必要な箇所に限って重ね書きさせることにより、画像の濃度を手書き感覚で変更させることが可能である。

図８の（ａ）は、プリントヘッド１０が受ける圧力ＰＲに応じた画素濃度の設定を表す模式図である。シートＳＨＴの表面領域のうち、重ね書きされるべき範囲にプリントヘッド１０が移動すると、制御部１５０の濃度制御部１５７は、監視部１６０のＣＣＤカメラ１６２が撮影したその範囲の映像から、すでに形成された画像部分を解析する。これにより濃度制御部１５７は、その画像部分の濃度Ｇｗｒを原画の対応部分の濃度Ｇｉｍから差し引いた値Ｇｉｍ−Ｇｗｒを算定する。重ね書きされるべき範囲にプリントヘッド１０が接触すると、圧力検出機構１４がシートＳＨＴから受ける圧力の平均値ＰＲを制御部１５０の圧力検出部１５６が算定する。算定された圧力値ＰＲに応じて濃度制御部１５７は圧力係数Ｆｐｒを設定し、その設定値と画像濃度差Ｇｉｍ−Ｇｗｒとの積を、重ね書きすべき画像の濃度Ｇｔｇとして設定する：Ｇｔｇ＝（Ｇｉｍ−Ｇｗｒ）×Ｆｐｒ。

図８の（ｂ）は、圧力係数Ｆｐｒとプリントヘッド１０がシートＳＨＴから受ける圧力ＰＲとの間の関係を示すグラフである。圧力係数Ｆｐｒは１以下の負でない実数である：０≦Ｆｐｒ≦１。一般に、圧力ＰＲが高いほど圧力係数Ｆｐｒは高く設定される。図８の（ｂ）の例では圧力ＰＲに圧力係数Ｆｐｒは比例し、圧力ＰＲの上限Ｐｍｘで最大値“１”に達する。これにより、ヘッド１０への圧力ＰＲを上限Ｐｍｘまで強めて初めて、原画と同じ濃度Ｇｉｍでの画像形成が可能になる。上限Ｐｍｘよりも圧力ＰＲを高めても圧力係数Ｆｐｒは最大値“１”に固定されているので、画像濃度の設定値Ｇｔｇは原画とすでに形成された画像との間の濃度差Ｇｉｍ−Ｇｗｒを超えない：Ｇｔｇ≦Ｇｉｍ−Ｇｗｒ。したがって、何回重ね書きしても画像濃度は原画の濃度Ｇｉｍを超えない。

図８の（ｃ）は、原画では濃度一定である市松模様をプリントヘッド１０に、シートＳＨＴの表示範囲へ１回目に描画させた結果を示す図であり、（ｄ）は、この描画でプリントヘッド１０が受ける圧力ＰＲと、形成される画像の濃度Ｇｔ１との間の関係を表すグラフである。シートＳＨＴの表示範囲を左から右へ、プリントヘッド１０が移動するにつれてその圧力ＰＲが上昇している。この圧力ＰＲの上昇に比例して画像濃度の設定値Ｇｔ１は上昇し、圧力上限Ｐｍｘで原画の濃度Ｇｉｍに達してリミットされる。

図８の（ｅ）は、同じ市松模様をプリントヘッド１０にシートＳＨＴの同じ範囲へ２回目に重ね書きさせた結果を示す図であり、（ｆ）は、この描画でプリントヘッド１０が受ける圧力ＰＲと、形成される画像の濃度Ｇｔ１＋Ｇｔ２との間の関係を表すグラフである（濃度Ｇｔ２は、２回目の描画で重ね書きされる画像の濃度であり、破線は図８の（ｄ）が示す濃度Ｇｔ１のグラフである）。１回目と同じく、シートＳＨＴの表示範囲を左から右へ、プリントヘッド１０が移動するにつれてその圧力ＰＲが上昇している。圧力ＰＲが閾値Ｐｔｈに達するまでは画像濃度Ｇｔ１＋Ｇｔ２は急激に上昇するが、閾値Ｐｔｈを超え、すでに原画の濃度Ｇｉｍ近くまで濃度が上がった後は原画の濃度Ｇｉｍまでゆっくりと近づく。３回目以降も同様であるので、何回重ね書きしても画像濃度Ｇｔ１＋Ｇｔ２＋…は原画の濃度Ｇｉｍを超えない。

［プリンターの制御部の処理］
図９は、プリンター１００の制御部１５０が行う処理のフローチャートである。この処理は、プリンター１００の電源がオンする度に行われる。

ステップＳ１０１では、制御部１５０が画像データを更新する。具体的には、制御部１５０はまず、無線通信機１２３を通して外部の電子機器、たとえばスマートフォンＳＭＰに形成対象の画像データの有無を問い合わせる。その画像データがある場合、制御部１５０はその画像データをスマートフォンＳＭＰからダウンロードする。その後、処理はステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２では、制御部１５０の位置検出部１５５は監視部１６０のＣＣＤカメラ１６２の映像を監視してプリントヘッド１０の位置を検出する。すなわち、位置検出部１５５は、ビューポートの特定点Ｐ１、Ｐ２が射影されるべきシートＳＨＴの表面領域の特徴点Ｑ１、Ｑ２をＣＣＤカメラ１６２の映像から検出し、それらの座標（Ｘ，Ｙ）からプリントヘッド１０の軸とシートＳＨＴの表面との交点Ｐｃの座標、およびその座標に射影されるべきビューポートの画素を算定する。こうして、プリントヘッド１０の移動に伴うこの交点Ｐｃの軌跡ＴＲＪに対応するビューポートの画素群が特定される。一方、制御部１５０の濃度制御部１５７はＣＣＤカメラ１６２の映像から、シートＳＨＴの表面領域にすでに形成された画像部分を解析する。これにより濃度制御部１５７は、その画像部分の濃度Ｇｗｒと原画の対応部分の濃度Ｇｉｍとの間の差を計算する。その後、処理はステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、プリントヘッド１０がシートＳＨＴの表面から圧力を受けているか否かを制御部１５０の圧力検出部１５６が確認する。具体的には、プリントヘッド１０の圧力検出機構１４から伝えられる圧力を監視部１６０の圧力センサー１６３が測定して、５個の圧力検出機構１４の間での測定値の平均を圧力検出部１５６が算定する。算定された値が許容下限以上であれば処理はステップＳ１０４へ進み、未満であればステップＳ１０２から繰り返される。

ステップＳ１０４では、算定された圧力値ＰＲが許容下限以上であるので、プリントヘッド１０がシートＳＨＴの表面から圧力を受けている。したがって、算定された圧力値ＰＲに応じて濃度制御部１５７が圧力係数Ｆｐｒを設定する。この設定値Ｆｐｒと画像濃度差Ｇｉｍ−Ｇｗｒとの積を、重ね書きすべき画像の濃度Ｇｔｇとして濃度制御部１５７は設定する：Ｇｔｇ＝（Ｇｉｍ−Ｇｗｒ）×Ｆｐｒ。その後、処理はステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で設定された画像濃度Ｇｔｇ、およびプリントヘッド１０の軸とシートＳＨＴの表面との交点Ｐｃの軌跡ＴＲＪに対応するビューポートの画素群が表す色座標値に基づいて、その軌跡ＴＲＪに沿って吹き付けられるべきインクの量を濃度制御部１５７が決定してヘッド駆動部１５２に指定する。この指定に応じてヘッド駆動部１５２は、ノズル１３に対して印加すべき電圧パルスを調節して中央のチャネル３４２に容積を変化させ、指定された量のインクを軸方向へ噴出させる。その後、処理はステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０６では、位置検出部１５５は、たとえばジャイロスコープ１６１の含む加速度センサーを利用して、プリントヘッド１０がシートＳＨＴの表面から圧力を受けずに静止しているか否かを確認する。ヘッド１０が静止していれば処理はステップＳ１０７へ進み、移動中であれば処理はステップＳ１０２から繰り返される。

ステップＳ１０７では、プリントヘッド１０が静止しているので、制御部１５０はプリンター１００の電源ボタンがオフにされたか否かを確認する。オフにされていれば処理は終了し、オンのままであれば処理はステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０８では、制御部１５０は無線通信機１２３を利用して外部の電子機器ＳＭＰへアクセスし、形成対象の新たな画像データの有無を問い合わせる。新たな画像データがあれば処理はステップＳ１０１から繰り返され、なければ処理はステップＳ１０２から繰り返される。

［実施形態の利点］
本発明の実施形態によるハンドヘルドプリンター１００は上記のとおり、シートＳＨＴの表面に対するプリントヘッド１０の位置を制御部１５０の位置検出部１５５が検出し、その表面からプリントヘッド１０が受ける圧力を圧力検出部１５６が検出する。さらに、これらの検出部１５５、１５６の出力に基づいて濃度制御部１５７がプリントヘッド１０に画像の濃度を指定する。

プリンター１００はハンドヘルド型であるので、プリントヘッド１０の軌跡ＴＲＪに沿って画像を形成する。したがって、補正、修正、または変更を目的として同じ画像を部分的に重ねて形成することが容易である。補正等が必要な箇所だけをユーザーはヘッド１０で走査すればよい。また、ヘッド１０が十分に小さければ、画像を形成すべき物体の表面は、シートＳＨＴのような２次元的物体の平面状のものに限らず、プラモデルのような３次元的物体の曲面状のものであってもよい。

濃度制御部１５７は、シートＳＨＴの表面領域のうち、重ね書きされるべき範囲にすでに形成された画像部分の濃度Ｇｗｒと原画の対応部分の濃度Ｇｉｍとの間の差を算定し、その差Ｇｉｍ−Ｇｗｒと圧力係数Ｆｐｒとの積を、重ね書きすべき画像の濃度Ｇｔｇとして設定する：Ｇｔｇ＝（Ｇｉｍ−Ｇｗｒ）×Ｆｐｒ。濃度制御部１５７は更に、プリントヘッド１０がシートＳＨＴの表面を押す圧力ＰＲに応じて圧力係数Ｆｐｒを変える。圧力が高いほど画像の濃度が高い。この関係は通常の筆記具と似ているので、プリンター１００はユーザーに、すでに形成された画像のうち補正等の必要な箇所に限って重ね書きさせることにより、画像の濃度を手書き感覚で変更させることが可能である。また、圧力係数Ｆｐｒは１以下であるので、プリントヘッド１０の受ける圧力ＰＲが上限Ｐｍｘを超えても、画像濃度の設定値Ｇｔｇは原画とすでに形成された画像との間の濃度差Ｇｉｍ−Ｇｗｒを超えない：Ｇｔｇ≦Ｇｉｍ−Ｇｗｒ。したがって、何回重ね書きしても画像濃度は原画の濃度Ｇｉｍを超えない。

このように、プリンター１００はユーザーに画像を、手書き感覚で、重ね書きさせることができる。これにより、プリンター１００はユーザーに、画像編集ツールで画像データを加工し直させなくても、形成対象の画像そのものを補正させ、修正させ、または変更させることができる。また、補正等の対象はすでに形成された画像そのものであるので、新たなシートが不要であり、かつ必要なインクの量が節約される。

［変形例］
（A）図１の示す画像形成装置１００はペン形のカラープリンターである。本発明の実施形態による画像形成装置はその他に、モノクロプリンターであってもよい。また、筐体の形はペンとは別のハンドヘルドツール、たとえば、こて、へら、はけ、黒板消し（イレーサー）の形を模していてもよい。

（B）図２の（ｂ）が示すプリントヘッド１０の構造は一例に過ぎない。プリントヘッド１０の横断面の形は円の他に楕円であっても、多角形であってもよい。その中における発光素子１１、対物レンズ１２、ノズル１３、および圧力検出機構１４の配置は、軸対称の他に線対称であってもよく、非対称であってもよい。

（C）図５の示す圧力検出機構１４は、キャスター１４１を支える複数本のバー１４３が受ける圧力の平均値等、統計学的代表値を圧力センサー１６３で測定する。圧力検出機構はその他に、バー１４３の間での圧力分布を圧力センサーで測定可能な構造であってもよい。この圧力分布からは、キャスター１４１の回転方向と速度とが検出可能であるので、それらを積算することによりプリントヘッド１０の軌跡ＴＲＪを算定することも可能である。この場合、その軌跡ＴＲＪがＣＣＤカメラ１６２によって光学的に追跡されなくてもよい。

（D）図６の示すプリントヘッド１０のノズル１３はオンデマンド型ピエゾ方式である。ノズルはその他にも、サーマル方式、バルブ方式等、オンデマンド型、すなわちインクの量を１滴単位で調節可能な方式であればよい。また、図６の示すチャネル部材３０２の構造ではチャネルが３本であり、噴出口３１０が１個であるが、可能である限り、それ以上であってもよい。この場合、奇数番目のチャネル３４１、３４３が噴出口３１０を持たないダミーチャネルであれば、偶数番目の各チャネル３４２の容積を互いに独立に設定可能である。これにより、インク１滴あたりの量を噴出口３１０ごとに変更することが可能である。その他に、すべてのチャネルが噴出口を持ち、すべてのチャネルの内面電極がノズル駆動部からのパルス電圧を受ける構造であってよい。この場合、ノズル駆動部は、パルス電圧の位相をチャネル間で一定角（たとえば１２０°）ずつ遅らせて、いわゆる３サイクル駆動を実行してもよい。噴出口間で１滴あたりのインク量が一定に揃えられる場合、この構造の方が小型化に有利である。

（E）図７、図８が示す網点の形状は矩形であるが、これに限らず、網点は円形でも線形であってもよい。また、階調は、網点の濃度と密度とのいずれか一方だけで表現されてもよい。

本発明はハンドヘルドプリンターにおける階調表現技術に関し、プリントヘッド１０が受ける圧力に応じて画像濃度を変更する。このように、本発明は明らかに産業上利用可能である。

１００ ハンドヘルドプリンター
１０ プリントヘッド
１１ ＬＥＤ
１２ 対物レンズ
１３ ノズル
１４ 圧力検出機構
１５ 保護層
２０ プリンターの筐体の基端
１２１、１２２ 押しボタン
１４５ 筐体中心部のチャネル
ＯＩＭ 画像データが表す画像
ＴＩＭ シート表面に形成された画像
Ｇｗｒ シートの表面領域にすでに形成された画像部分の濃度
Ｇｉｍ 原画の対応部分の濃度
Ｆｐｒ 圧力係数
Ｇｔｇ 画像濃度の設定値
ＰＲ プリントヘッドの受ける圧力
Ｇｔ１ １回目の描画で形成される画像の濃度
Ｇｔ２ ２回目の描画で重ね書きされる画像の濃度

Claims (6)

1. 画像データに従って物体の表面に画像を形成する画像形成装置であって、
   ユーザーが手に持って前記物体の表面上を移動させることの可能な筐体と、
   前記筐体のうち、前記物体の表面と接触する部分に組み込まれたプリントヘッドと、
   前記物体の表面に対する前記プリントヘッドの位置を検出する位置検出部と、
   前記物体の表面から前記プリントヘッドが受ける圧力を検出する圧力検出部と、
   前記位置検出部が検出した前記プリントヘッドの位置に形成すべき画像の濃度を、前記圧力検出部が検出した圧力に応じて決定し、当該濃度を前記プリントヘッドに指定する濃度制御部と
   を備えた画像形成装置。
2. 前記濃度制御部は、前記画像データを参照して前記画像の濃度に対する許容上限を決定することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記濃度制御部は、前記物体の表面のうち、前記プリントヘッドが対向する部分にすでに形成されている画像の濃度を検出して、前記プリントヘッドに指定すべき前記画像の濃度に反映させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記濃度制御部は、前記位置検出部の出力が示す前記プリントヘッドの位置に対応する前記画像データの部分の濃度から、前記すでに形成されている画像の濃度を差し引いた値に、前記圧力検出部の出力が示す圧力に基づく係数を乗じた値を、前記プリントヘッドに指定することを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
5. 前記濃度制御部は、前記圧力検出部の出力が示す圧力が高いほど、前記プリントヘッドに指定すべき前記画像の濃度を高く設定することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の画像形成装置。
6. 前記プリントヘッドはインクジェット式であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載の画像形成装置。

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