JP4660891B2 - カラーインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カラーインクジェット記録装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、インクジェット記録装置としては、図１に示すように、インク噴射装置６００をキャリッジ１００に搭載し、記録媒体７００と平行に走査するものがある。キャリッジ１００はガイドバー１１０、１２０にスライド移動可能に支持され、モータ３７によって駆動されるベルト１４０によってそのガイドバーに沿って往復移動される。キャリッジ１００には、インク噴射装置６００に供給するインクを収容したタンク１５０が着脱可能に搭載される。記録媒体７００は、搬送ローラ１６０、１７０によって、インク噴射装置６００の走査方向に平行に保持されかつその走査方向と直角方向に搬送される。
【０００３】
インク噴射装置６００としては、圧電セラミックスまたは静電気力などをアクチュエータとしてインク流路の壁面を変形させて該インク流路内のインクをノズルから液滴として噴射するもの、またヒータをアクチュエータとしてインク流路内のインクを局部的に沸騰させてその圧力によりインク滴を噴射するものなどが知られ、記録媒体上に着弾したドットにより記録パターンが表現される。
【０００４】
一方、このようなインク噴射装置によりカラー画像を形成する場合には、減法混色法による記録方法が代表的な方法として挙げられる。
減法混色法によりカラー画像が形成される場合には、一般にシアンＣ、マゼンタＭおよびイエローＹの三原色が使用される。この三原色を選択的に同一画素に重ねて付着、すなわち異色のインク液滴を、同一画素に重ねて付着させて記録して表現できる色は、基本的に次の四色である。
（１）Ｃ＋Ｍ→Ｂ（ブルー）
（２）Ｃ＋Ｙ→Ｇ（グリーン）
（３）Ｍ＋Ｙ→Ｒ（レッド）
（４）Ｃ＋Ｍ＋Ｙ→Ｂｋ（黒）
このようにＣ、ＭおよびＹの三原色によって表される色は、基本的にＣ、Ｍ、Ｙ、Ｒ、Ｇ、ＢおよびＢｋの七色であり、この七色で構成される多色画像はフォールスカラー画像と称されている。したがって、このような記録方法によってフォールスカラー記録を行う場合には、基本的には、Ｃ、ＭおよびＹの三原色用の３つのインクを用意しておけば良い。
【０００５】
しかしながら、一般に記録が行われる際には、Ｂｋによって記録する頻度が高い上に、さらにＣ、ＭおよびＹの３つの原色インクによってＢｋを表す場合には、Ｃ、ＭおよびＹの三原色のインク液滴を重ねてＢｋが記録され、しかも、各色について同程度のインク液滴体積を用いるので、被記録媒体上に３つのインク液滴が重なって付着し、それによって形成されたドットが、Ｂｋ以外の色に記録された部分と比較して、必要以上に拡大して、線の太りを生じ、不自然な画像となったり、その部分のインク液滴量が多いため被記録媒体によるインク吸収不良を起こすという問題があるので、一般的にＣ、ＭおよびＹの三原色インクに加えて、Ｂｋ（黒）インクが追加されて使用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、Ｃ、ＭおよびＹの三原色インクおよびＢｋインクの四色のインクを用いて記録を行うと、先に挙げたように、Ｂ、ＧおよびＲの記録部において、異色の２つのインク液滴が重ね打ちされ、一方Ｂｋ記録部においてはＢｋインクの一液滴のみが付着することになる。そのため、目視により画像を観察した場合、Ｂｋ記録部の画像濃度は、Ｂ、ＧおよびＲの記録部よりも高い方が自然な感じのする鮮明な画像になるにもかかわらず、Ｂｋ記録部は、Ｂ、ＧおよびＲの記録部よりも画像濃度は低くなってしまい、また文字や記号等の線をＢｋインクで記録した場合には、記録画像に不鮮明さや、不自然さを与える要因になっていた。
【０００７】
記録画像の画像濃度を高める一つの方法としては、高記録剤濃度のインクを使用して記録されたインクドットの濃度を高くする方法である。しかしながら、高記録剤濃度のインクは、保存安定性に劣る等の問題があり、良好なインク特性を得るためには特別にインクを調整しなければならない。しかもインクの記録剤濃度を上げただけでは、例えば線を記録する場合にドットの大きさを大きくして線に十分な太さを与えることには対応できなかった。一方、できるだけ広い領域を占領するようにインクドットを記録することによって、またインクドットを少なくとも一部分が重なり合うように２つ重ねて記録することによっても、画像濃度を高めることができるが、Ｂｋインクで２度にわたって記録を行うためには余分な時間を取られ、記録速度の低下を招き高速記録を行うにあたり適用しにくい。さらに、Ｂｋインク専用のインク噴射装置を２つ以上用いて、記録速度を低下させることなく記録を行うことも出来るが、記録装置が複雑となり、カラーインク噴射装置のコスト高を招くことになる。
【０００８】
また、Ｂｋインクを噴射するためのノズル口径を他の色調のインクを噴射するためのノズル口径に比べて大きくすることによっても、Ｂｋインクの噴射液滴体積を増大させ、画像濃度を高めることができるが、Ｂｋインク噴射装置専用の生産設備、検査設備が必要となりコスト高を招く。さらに、全ての色調のインク噴射装置の設計を共通化した上で、Ｂｋインクの噴射の際に印加する駆動電圧を、他の色調のインクの噴射の際に印加する駆動電圧よりも高くすることでも、Ｂｋインクの液滴体積を増大させ、画像濃度を高めることができるが、この場合には異なる電圧を発生するための複数の駆動電源が必要となり、やはりコスト高を招くのである。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、Ｂｋインクを含む複数の色調のインクを用いて記録を行うカラーインク噴射装置において、特別に調整した高記録剤濃度のインクを用いたり、Ｂｋ用のインク噴射装置を新たに設けたり、Ｂｋ用のインク噴射装置だけ特別な設計や特別な駆動方法を用いることなく、特に記録画像の黒色画素領域（Ｂｋ記録部）を、他の領域との調和を保ちつつ、またＢｋとしての色調を乱すことなく、しかも十分に高い画像濃度で得ることができる、また黒い線を記録する場合でも線として十分に太い印象を与えることのできる黒線を記録することができる、低コストのカラーインク噴射装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、黒色インクを含む複数種類の色調のインクを記録媒体に付着させるインク噴射装置を備えたカラーインクジェット記録装置において、前記インク噴射装置は、前記記録媒体に付着させる黒色インクを噴射する第１ノズルと、黒色インク以外の他の色調のインクを噴射する、前記第１ノズルと等しい大きさの第２ノズルと、前記第１及び第２ノズルにそれぞれ連通し、各々の大きさが等しい複数のインク流路と、前記第１及び第２ノズルからインクを噴射させるために前記複数のインク流路内の各々に等しい圧力を付与する圧力付与手段と、を備え、前記第１及び第２ノズルからインクを噴射する際には、まず前記圧力付与手段により前記インク流路内を減圧させ、次に減圧した前記インク流路内の圧力が逆転して正の圧力を生じるタイミングで、前記圧力付与手段により前記インク流路内に正の圧力を付与するように構成されており、さらに、黒色インクは、その粘度が１．８〜３．０ｍＰａ・ｓの範囲内であって、黒色インクの粘度を前記他の色調のインクの粘度に比べて、０．８倍以上０．９５倍以下の低い範囲のものであり、前記第１ノズルから噴射された黒色インクの液滴体積が、前記第２ノズルから噴射された前記他の色調のインクの液滴体積に対して、１．０７７倍以上１．１８５倍以下であることを特徴とするカラーインクジェット記録装置である。
【００１１】
この装置においては、黒色インクの粘度を他の色調のインクよりも下げることにより、インク噴射装置から吐出される黒色インクの液滴量を増加することができる。また、黒色インクの粘度と他の色調のインクの粘度との比率を上記の適正な関係とすることにより、全ての色調のインクが同一のインク噴射装置、同一のノズルの口径、同一の駆動波形条件を用いたまま安定に噴射できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。本インクジェット記録装置に用いるインク噴射装置としては、圧電セラミックスや静電気によりインク流路の壁面を変形させて該インク流路内のインクをノズルから液滴として噴射するもの、またヒータによりインク流路内のインクを局部的に沸騰させてその圧力によりインク滴を噴射するものなどがある。
【００１３】
上記の圧電セラミックスを使用するものとして、特開昭６３−２４７０５１号公報に示されているように、圧電材料を利用したせん断モード型がある。本実施の形態の断面図を図２に示す。インク噴射装置６００は、記録媒体面の厚み方向に延びる細長い溝形状のインク流路６１３とインクの入らない空間６１５とを側壁６１７を挟んで複数配列したアクチュエータ基板６０１と、カバープレート６０２からなる。その側壁６１７は、下半分は矢印Ｐ１方向に分極された下部壁６１１と、上半分は矢印Ｐ２方向に分極された上部壁６０９とからなっている。各インク流路６１３の一端には、ノズル６１８を有し、他端にはインクを供給するマニホールド（図示しない）を有する。空間６１５の前記マニホールド側の端部はインクが浸入しないように閉鎖されている。各側壁６１７の両側面には電極６１９，６２１が金属化層として設けられている。具体的には、インク流路６１３側の側壁６１７の面には流路内電極６１９が設けられ、空間６１５側の側壁６１７の面には空間内電極６２１が設けられている。同一の空間６１５内で対向する空間内電極６２１は、互いに絶縁されている。
【００１４】
そして１つのインク流路６１３を挟む一対の側壁６１７を、１つのアクチュエータとしてインクが噴射される。例えば図３に示すように、インク流路６１３ｂを駆動する場合、全ての流路内電極６１９を接地し、その流路の両外側の空間電極６２１ｃ、ｄに電圧Ｅ（Ｖ）を印加すると、側壁６１７ｃ、ｄに分極方向と直交する矢印Ｅ方向の電界が発生し、側壁６１７ｃ、ｄの上下各部分がそれぞれインク流路６１３ｂの容積を増加する方向に圧電厚みすべり変形する。このときノズル６１８ｂ付近を含むインク流路６１３ｂ内の圧力が減少する。この状態を圧力波のインク流路６１３内での片道伝播時間Ｔだけ維持する。すると、その間図示しないマニホールドからインクが供給される。
【００１５】
なお、上記片道伝播時間Ｔはインク流路６１３内の圧力波が、インク流路６１３の長手方向に伝播するのに必要な時間であり、インク流路６１３の長さＬとこのインク流路６１３内部のインク中での音速ａによりＴ＝Ｌ／ａと決まる。圧力波の伝播理論によると、上記の電圧の印加からちょうどＴ時間がたつとインク流路６１３内の圧力が逆転し、正の圧力に転じるが、このタイミングに合わせて空間電極６２１ｃ、ｄに印加されている電圧を０（Ｖ）に戻す。
【００１６】
すると、側壁６１７ｃ、ｄが変形前の状態（図６）に戻り、インクに圧力が加えられる。そのとき、前記正に転じた圧力と、側壁６１７ｃ、ｄが変形前の状態に戻ることにより発生した圧力とが加え合わされ、比較的高い圧力がインク流路６１３ｂのノズル６１８ｂ付近の部分に生じて、インク滴がノズル６１８ｂから噴射される。
【００１７】
さらに詳しく説明すると、上記の電圧の印加から電圧を０（Ｖ）に戻すまでの時間が前記片道伝播時間Ｔからずれると、インク滴を噴射するためエネルギー効率が低下し、前記片道伝播時間Ｔのほぼ偶数倍となったときには全く噴射が行われなくなるので、通常、エネルギー効率を高くしたい場合、例えばなるべく低い電圧で駆動したい場合には上記の電圧の印加から電圧を０（Ｖ）に戻すまでの時間は、前記片道伝播時間Ｔに一致させるか、少なくともほぼ奇数倍とすることが望ましい。
【００１８】
本インク滴噴射装置６００の具体的な寸法の一例を述べる。インク室６１３の長さＬが６．０ｍｍである。ノズル６１８の寸法は、インク滴噴射側の径が２６μｍ、インク室６１３側の径が４０μｍ、長さが７５μｍのテーパ型である。また、実験に供したＢｋインクを除く他の色調インクの２５℃における粘度は３．０ｍＰａ・ｓ、表面張力は３０ｍＮ／ｍである。このインク室６１３内のインク中における音速ａと上記Ｌとの比Ｌ／ａ（＝Ｔ）は９．０μｓｅｃであった。実験に供したＢｋインクについてはインク組成中の染料成分や純水成分の比率を変えて２５℃における粘度を１．８〜３．０ｍＰａ・ｓまで変化させ、他の物性値についてはほぼ同じにしたものを用意した。
【００１９】
図４は、インクジェット記録装置の制御回路図である。本実施の形態の制御系は、１チップ構成のマイクロコンピュータ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３を備えている。マイクロコンピュータ４１には、ユーザが記録の指示などを行うための操作パネル４４、記録媒体搬送モータ３８を駆動するためのモータ駆動回路３５、インク噴射装置を搭載したキャリッジ移動用のモータ３７を駆動するためのモータ駆動回路３６などが接続されている。
【００２０】
インク噴射装置６００は駆動回路２１によって駆動され、駆動回路２１は制御回路２２によって制御される。すなわち、図６に示したように、インク噴射装置６００の各インク流路６１３内に設けられた各電極６１９、６２１は駆動回路２１に接続されている。駆動回路２１は、制御回路２２の制御にもとづいて、各種のパルス信号を生成してインク噴射装置に印加する。
【００２１】
マイクロコンピュータ４１とＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、制御回路２２とは、アドレスバス２３およびデータバス２４を介して接続されている。マイクロコンピュータ４１は、ＲＯＭ４２に予め記憶されたプログラムにしたがい、記録タイミング信号ＴＳおよび制御信号ＲＳを生成し、制御回路２２へ転送する。
【００２２】
制御回路２２はゲートアレイによって構成され、記録タイミング信号ＴＳおよび制御信号ＲＳにしたがい、イメージメモリ２５に記憶されている画像データにもとづいて、その画像データを記録媒体に形成するための記録データＤＡＴＡ、その記録データＤＡＴＡと同期する転送クロックＴＣＫ、ストローブ信号ＳＴＢ、記録クロックＣＬＫを生成し、駆動回路２１へ転送する。
【００２３】
また、制御回路２２は、パーソナルコンピュータ２６などの外部機器からセントロニクス・インターフェース２７を介して転送されてくる画像データを、イメージメモリ２５に記憶させる。そして、制御回路２２は、外部機器からセントロニクス・インターフェース２７を介して転送されてくるセントロニクス・データにもとづいてセントロニクス・データ受信割込信号ＷＳを生成し、マイクロコンピュータ４１へ転送する。なお、各信号ＤＡＴＡ、ＴＣＫ、ＳＴＢ、ＣＬＫは、駆動回路２１と制御回路２２とを接続するハーネスケーブル２８を介して転送される。
【００２４】
次に本発明で用いた駆動波形について図を参照しながら説明する。
【００２５】
図６にＢｋインクを除く他の色調のインクを６５ｐｌ（ピコリットル）の液滴体積にて安定に噴射するための駆動波形１０を示す。
【００２６】
インク滴を噴射するための２つの噴射パルスＦ１、Ｆ２と該噴射パルスＦ１、Ｆ２の残留振動を抑制するための噴射安定化パルスＳ１、再びインク滴を噴射するための２つの噴射パルスＦ３、Ｆ４と該噴射パルスＦ３、Ｆ４の残留振動を抑制するための噴射安定化パルスＳ２とからなる。全てのパルスの波高値（電圧値）は同一である。各パルスに付した数字は、上記インク流路６１３内の圧力波の片道伝播時間Ｔに対する時間の長さの割合であり、Ｂｋインクを除く他の色調のインクが、記録クロックＣＬＫ７．５ｋＨｚの駆動周波数にて６５ｐｌの液滴体積のインク液滴を、５〜４５℃での温度域にわたって安定に噴射するように、別の実験にて予め微調整したものである。２５℃の温度条件においては、１７．０Ｖの駆動電圧により６５ｐｌの噴射インク液滴が得られ、２５℃よりも低温では１７．０Ｖよりも駆動電圧を増加し、２５℃よりも高温では１７．０Ｖよりも駆動電圧を低減することで全ての温度域において安定に６５ｐｌの噴射インク液滴を得ることが出来る。
【００２７】
図５に粘度を１．８〜３．０ｍＰａ・ｓまで変化させたＢｋインクを用いて、２５℃の環境温度の場合に、波高値１７．０Ｖの前記駆動波形１０にて７．５ｋＨｚで駆動した場合の記録評価結果を示す。Ｂｋインクの粘度が他の色調のインクの粘度に比べて１．０倍の場合（図５のＢｋインク１７）には、他の色調のインクと物性が同じであるので、インク液滴も同じとなり６５ｐｌであった。Ｂｋインクの粘度が他の色調のインクの粘度に比べて１．０倍よりも小さくなるにつれて（Ｂｋインク１６〜６）、噴射されるインク液滴の体積が少しずつ増加していることが分かる。Ｂｋインクの粘度が他の色調のインクの粘度に比べて０．７倍よりも小さい場合（Ｂｋインク５〜１）にはしぶきや曲り不吐出が発生しやすく安定な噴射が得られず、インク液滴の測定をすることが出来なかった。
【００２８】
記録したドットについての品質（画質）を評価したところ、Ｂｋインクの粘度が他の色調のインクの粘度に比べて０．７倍の場合よりも小さい場合（Ｂｋインク５〜１）には、しぶきや曲り不吐出が発生しやすく極めて画質が悪い。Ｂｋインクの粘度が他の色調のインクの粘度に比べて０．７７５〜０．７２５倍の範囲（Ｂｋインク８〜６）では、安定な噴射は得られるのであるが、インク液滴量が多すぎて被記録媒体上での乾燥が遅く、にじみによる文字等のつぶれや、他の色調のインクとの混色が問題である。また、Ｂｋインクの粘度が他の色調のインクの粘度に比べて０．９７５〜１．０倍の場合（Ｂｋインク１７〜１６）では、インク液滴量の増加分が少ないため、Ｂ、ＧおよびＲの記録部よりも画像濃度が低く不鮮明となる。
【００２９】
Ｂｋインクの粘度が他の色調のインクの粘度に比べて０．８〜０．９５倍の場合の範囲の場合（Ｂｋインク９〜１５）にはＢｋインクの噴射安定性も良好であり、噴射されるインク液滴体積もＢ、ＧおよびＲとのバランスもよいことが分かった。
【００３０】
また、２５℃にかぎらず、５〜４５℃の温度範囲において実験を行ったところ、２５℃と同様に安定性および画質とも良好であることが分かった。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように、本発明のカラーインクジェット記録装置によれば、黒色インクの粘度を他の色調のインクの粘度に比べて０．８〜０．９５倍の場合の範囲にしたため、インク噴射装置の設計や駆動波形条件などは同一のままでも全ての色調のインクの噴射安定性が得られ、噴射されるインク液滴の体積色調間のバランスもよいことが分かった。この結果、全ての色調のインク噴射装置の構成を共通化でき、かつ駆動するための電源も単一化できるため、製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態のインクジェット記録装置の内部構成図である。
【図２】 本発明の実施の形態のインク噴射装置の断面図である。
【図３】 図２のインク噴射装置の動作説明図である。
【図４】 本発明の実施の形態のインクジェット記録装置の制御回路図である。
【図５】 本実施の形態で検証した黒色インクの粘度と評価結果を示す図である。
【図６】 本発明で用いた駆動波形を示す図である。
【符号の説明】
１０ 駆動波形
６００ インク噴射装置
６１３ インク流路
６２５ 制御装置
７００ 記録媒体（紙面）

Claims (1)

1. 黒色インクを含む複数種類の色調のインクを記録媒体に付着させるインク噴射装置を備えたカラーインクジェット記録装置において、
   前記インク噴射装置は、
   前記記録媒体に付着させる黒色インクを噴射する第１ノズルと、黒色インク以外の他の色調のインクを噴射する、前記第１ノズルと等しい大きさの第２ノズルと、前記第１及び第２ノズルにそれぞれ連通し、各々の大きさが等しい複数のインク流路と、前記第１及び第２ノズルからインクを噴射させるために前記複数のインク流路内の各々に等しい圧力を付与する圧力付与手段と、を備え、前記第１及び第２ノズルからインクを噴射する際には、まず前記圧力付与手段により前記インク流路内を減圧させ、次に減圧した前記インク流路内の圧力が逆転して正の圧力を生じるタイミングで、前記圧力付与手段により前記インク流路内に正の圧力を付与するように構成されており、
   さらに、黒色インクは、その粘度が１．８〜３．０ｍＰａ・ｓの範囲内であって、黒色インクの粘度を前記他の色調のインクの粘度に比べて、０．８倍以上０．９５倍以下の低い範囲のものであり、
   前記第１ノズルから噴射された黒色インクの液滴体積が、前記第２ノズルから噴射された前記他の色調のインクの液滴体積に対して、１．０７７倍以上１．１８５倍以下であることを特徴とするカラーインクジェット記録装置。

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