JPH09300661A - インクジェット記録ヘッドによる階調表現方法およびインクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 滑らかで幅広い階調表現が可能なイクジェッ
ト記録ヘッドによる階調表現方法およびインクジェット
記録ヘッドを提供する。 【解決手段】 濃度の異なる複数のインクを選択的に用
いて記録媒体上にドットを形成するとともに、そのドッ
ト径およびドット密度の少なくともいずれかを変化させ
て階調表現を行う。この階調表現方法は、少なくとも第
１ヘッド部１０と第２ヘッド部２０を有し、各ヘッド部
１０，２０はインクを収容するインクキャビティ１１，
２１と、該インクキャビティ１１，２１からインクドロ
ップを吐出するノズル１４，２４と、該ノズル１４，２
４からインクドロップを吐出させる圧電アクチュエータ
１５，２５とを備えており、各ヘッド部１０，２０のイ
ンクキャビティ１１，２１に濃度の異なるインクをそれ
ぞれ収容したインクジェット記録ヘッド１に適用され
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、画像信号に応じて
インクドロップを飛翔させ、記録紙等の記録媒体に付着
させて画像を記録するドロップオンデマンド（ＤＯＤ）
方式のインクジェット記録ヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、インクキャビティに収容されたイ
ンクを画像信号に応じてノズルからインクドロップとし
て吐出し、このインクドロップが記録媒体に付着して形
成されるドットの集合により画像を記録するＤＯＤ方式
のインクジェット記録ヘッドが種々提案されている。

【０００３】このインクジェット記録ヘッドにおいて、
ノズルからインクドロップを吐出させる方法としては、
インクキャビティ内のインクを瞬間的に加圧する方法が
一般に採用されている。その加圧方式には、電圧印加時
に発熱する加熱素子上で極めて短時間で膨張収縮する気
泡によってインクを加圧するバブルジェット方式、電圧
印加時の圧電素子の変形によってインクを加圧する圧電
アクチュエータ方式などがある。これらの方式のインク
ジェット記録ヘッドで連続階調画像を形成するために、
記録媒体上でのドットの大きさ、すなわちインクドロッ
プ径を多段階に変化させる方法が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、インクドロッ
プ径を小さくしようとして印加電圧を過度に小さくする
とインクドロップが吐出しなくなる。反対にインクドロ
ップ径を大きくしようとして印加電圧を大きくしすぎる
と、吐出エネルギが大きくなってインクドロップが記録
媒体に付着する際に飛び散りが発生して画質が低下す
る。そのため、加熱素子や圧電素子に印加できる電圧値
の範囲は限定されており、例えばその印加可能な範囲内
で電圧を多段階に制御してインクドロップ径を変化させ
たとしても、これだけで十分に幅広い階調表現を行うの
は困難であり、写真画像の再現などの高品質な画像形成
に十分応えられなかった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記問
題点を課題としてこれを解決すべく、第１の発明のイン
クジェット記録ヘッドによる階調表現方法は、濃度の異
なる複数のインクを選択的に用いて記録媒体上にドット
を形成するとともに、そのドット径およびドット密度の
少なくともいずれかを変化させて階調表現するものであ
る。ここで「濃度の異なる複数のインク」とは、記録媒
体上に付着させてベタ画像を形成し、それについて測定
した光学反射濃度が異なる同色系の複数のインクを意味
する。また、「ドット密度」とは、一定面積当たりのド
ットの数を意味する。

【０００６】第２の発明のインクジェット記録ヘッド
は、少なくとも第１ヘッド部と第２ヘッド部を有し、上
記各ヘッド部はインクを収容するインクキャビティと、
このインクキャビティからインクドロップを吐出するノ
ズルと、このノズルからのインクドロップを吐出させる
吐出手段とを備えており、上記各ヘッド部には異なる濃
度のインクをそれぞれ収容したものである。ここで「吐
出手段」には、上記の加熱素子や圧電素子のようにイン
クに加圧力を作用させて吐出させるもののほか、インク
キャビティの周囲に巻回された３相コイルにより形成さ
れる進行波交流電界に基づき荷電性のインクを吐出させ
るものも含まれる。

【０００７】第２の発明のインクジェット記録ヘッドに
は、各ヘッド部から吐出されるインクドロップ径を変化
させるように上記吐出手段の駆動を制御する制御手段を
設けてもよい。

【０００８】また、第２の発明のインクジェット記録ヘ
ッドでは、各ノズルを同一径に形成してもよいし、各ヘ
ッド部ごとにノズルを異なる径に形成してもよい。

【０００９】

【発明の効果】第１の発明のインクジェット記録ヘッド
による階調表現方法では、濃度の異なる複数のインクを
選択的に用いて記録媒体上にドットを形成するととも
に、そのドット径およびドット密度の少なくともいずれ
かを変化させて階調表現を行うので、例えば１種類のイ
ンクだけを用いる場合よりも幅広い階調表現が可能にな
る。

【００１０】第２の発明のインクジェット記録ヘッドで
は、第１ヘッド部と第２ヘッド部の各インクキャビティ
には濃度の異なるインクがそれぞれ収容してあり、吐出
手段によって各ヘッド部のノズルからインクドロップを
飛翔させ、記録媒体上に濃度の異なるドットを形成す
る。このように濃度の異なるドットを組み合わせて画像
を形成することで、幅広い階調性のある写真のような高
品質画像を記録できる。

【００１１】また、第２の発明のインクジェット記録ヘ
ッドにおいて、上記制御手段で吐出手段の駆動を制御し
てインクドロップ径を変化させ、ドット濃度の変化とと
もにドット径の変化を組み合わせれば、より滑らかで幅
広い階調表現が可能になる。

【００１２】さらに、第２の発明のインクジェット記録
ヘッドにおいて、各ノズルを同一径に形成すれば、ドッ
ト径を変化させる場合、または変化させない場合のいず
れにおいても、濃度の異なるインクドロップのそれぞれ
の径を同一条件で制御できるので、ドライバコストを安
くできる。

【００１３】さらにまた、各インクキャビティ列ごとに
ノズル径を異ならせた場合、濃度の異なるインクドロッ
プ間での径の違いを大きくすることができ、ノズル径を
同一にした場合とは変化の仕方が異なる階調表現がで
き、かつ階調幅を広げることができる。なお、この場合
にも上記制御手段によって濃度の異なるインクドロップ
のそれぞれの径を同一に制御することもできる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照して説明する。図１，２に示すよう
に、本発明にかかるインクジェット記録ヘッド１は、第
１ヘッド部１０と第２ヘッド部２０を有している。第
１，第２ヘッド部１０，２０は、上記ヘッド１の中央断
面Ｘに関して対称に構成されるとともに、天板２、隔壁
３および基板４によって一体的に形成されている。

【００１５】天板２は金属、樹脂等の平板からなり、そ
の下面にはエッチング等の手法によって複数の凹部が形
成されている。また、隔壁３は金属、樹脂等の薄膜から
なり、天板２の凹部形成面に接着されている。このよう
に隔壁３で覆われた天板２の各凹部の内部がそれぞれイ
ンクキャビティ１１，２１、インレット１２，２２、イ
ンク供給室１３，２３となっている。

【００１６】第１ヘッド部１０のインクキャビティ１１
は並列に複数配置されている。各インクキャビティ１１
には、それぞれ対応するインレット１２を介してインク
供給室１３からインクが収容されるようになっている。
また、天板２には複数のノズル１４が各インクキャビテ
ィ１１に対応した位置に設けられており、各ノズル１４
はインクキャビティ１１の長手方向に直交する１つの直
線上に並んでいる。ノズル１４はインクキャビティ１１
側が大径で、外部が小径となったテーパ状に形成されて
いる。

【００１７】上記第１ヘッド部１０はまた、各インクキ
ャビティ１１に対応して配置された複数の圧電アクチュ
エータ１５を備えている。圧電アクチュエータ１５は、
電圧印加時の変形に基づきノズル１４からインクドロッ
プを吐出させる吐出手段であり、インクキャビティ１１
より長さと幅が少し小さい矩形体に形成されている。圧
電アクチュエータ１５の上部は隔壁３に接着され、その
下部はセラミック等の高剛性材料からなる基板４に固定
されている。

【００１８】上記第２ヘッド部２０のインクキャビティ
２１も第１ヘッド部１０と同様に並列に複数配置され、
各インレット２２を介してインク供給室２３からインク
が収容されるようになっている。また、各インクキャビ
ティ２１に対応してノズル２４が形成されるとともに圧
電アクチュエータ２５が配置されている。

【００１９】なお、上記インクキャビティ１１，２１、
インレット１２，２２、圧電アクチュエータ１５，２５
はそれぞれ同一サイズに形成されている。また、ノズル
１４，２４はすべて同一径に形成してあるが、第１ヘッ
ド部１０と第２ヘッド部２０とで異なる径に形成しても
よい。ノズル径を異なるものとする場合、インレットの
サイズもこれに合わせて調整することが好ましい。

【００２０】上記圧電アクチュエータ１５，２５は、例
えばＰＺＴ（ジルコン酸鉛＋チタン酸鉛）などの圧電材
料で形成されてなる矩形体の上，下面に、スパッタリン
グやメッキ法などにより電極層がそれぞれ形成されてな
るものである。各上面の電極層は導電性を有する隔壁３
を介してアースにそれぞれ接続され、共通電極として機
能する。他方、各下面の電極層は個別電極として機能
し、各圧電アクチュエータ１５，２５に対応して基板４
上にパターン形成された個別引き出し配線に接触してい
る。なお、各電極の引き出し方法については本実施形態
に示すものに限られず種々変更可能である。

【００２１】上記各圧電アクチュエータ１５，２５の両
側には、隔壁３と基板４との間のスペーサとして機能す
る側壁６ａ，６ｂ，６ｃが配置されている。これらの側
壁６ａ，６ｂ，６ｃは、基板４上に固定された１枚の圧
電プレートを分極処理したのちダイシングソーで格子状
の溝加工を施して各圧電アクチュエータ１５，２５を形
成する際に同時に形成されるため、圧電アクチュエータ
１５，２５と同一圧電材料からなり同じ高さを有してい
る。しかし、これら側壁６ａ，６ｂ，６ｃには上記個別
引き出し配線が対応しておらず電界が形成されないよう
してあるので、圧電アクチュエータ１５，２５と同様の
変形が生じることはない。

【００２２】上記個別引き出し配線は基板４の両側部に
引き出され、ドライバ７，８をそれぞれ介してコントロ
ールユニット９に電気的に接続されている。コントロー
ルユニット９は、各ヘッド部１０，２０のノズル１４，
２４から吐出されるインクドロップ径を変化させるよう
に各圧電アクチュエータ１５，２５の駆動を制御する制
御手段である。コントロールユニット９から各ドライバ
７，８に画像信号に応じた制御信号が出力される。この
制御信号に基づき各圧電アクチュエータ１５，２５に印
加されるパルス電圧の電圧値やパルス形状が変化し、各
圧電アクチュエータ１５，２５の変形量や変形速度の違
いによってインクキャビティ１１，２１に対する加圧エ
ネルギが変化する。これにより、ノズル１４，２４から
吐出するインクドロップ径が変化し、記録紙上のドット
径を変えられるようになっている。

【００２３】図３に示すように、各圧電アクチュエータ
１５の両側にも側壁６ｄ，６ｅが形成されている。これ
ら側壁６ｄ，６ｅも上記側壁６ａ，６ｂ，６ｃと同様に
形成される。ここで、側壁６ｄと天板２の凸部２ａとの
間で隔壁３を挾持しているので、隣接するインクキャビ
ティ１１間で隔壁３を介してクロストークが発生するこ
とはない。また、各圧電アクチュエータ１５と側壁６
ｄ，６ｅを隔てる各溝１７が基板４を僅かに削り込む程
度に形成されているため、隣接する圧電アクチュエータ
１５の振動が基板４を介して相互に伝わりにくくなり、
これによってもクロストークを抑える効果がある。な
お、図３に示す構成およびその効果は、第２ヘッド部２
０についても同様である。

【００２４】つづいて、以上の構成からなるインクジェ
ット記録ヘッド１によるインク吐出動作および階調表現
方法について説明する。上記第１，第２ヘッド部１０，
２０のインク供給室１３，２３に濃度の異なるインクを
それぞれ供給し、各インクキャビティ１１，２１に収容
する。各圧電アクチュエータ１５，２５には、コントロ
ールユニット９の制御信号に基づき画像信号に応じたパ
ルス電圧が各ドライバ７，８によって印加される。この
電圧印加により圧電アクチュエータ１５，２５は厚み方
向に瞬時に膨張変形する。この変形により隔壁３が押し
上げられてインクキャビティ１１，２１内のインクが加
圧される。これにより、各ノズル１４，２４からは、そ
の径が制御されたインクドロップが選択的に吐出され
る。このインクドロップが記録媒体に付着して濃度の異
なるドットが形成される。これらドットの集合によって
階調画像が記録される。

【００２５】ここで、画像を構成する一画素を最小ドッ
トマトリックスである２×２＝４ドットとした場合の濃
度階調を調べるにあたり、図４の表に示した組成の、同
色（黒）で濃度がそれぞれ異なる３種類のインクＢ１，
Ｂ２，Ｂ３を調製した。図４の表に示すように、インク
Ｂ２がインクジェットプリンタに通常用いられる標準的
な濃さのインクであり、インクＢ１はＢ２より薄く、イ
ンクＢ３はＢ２より濃いものである。なお、図４の表中
にある紙付着後濃度は、スーパーファイン紙ＭＪＳＰ１
（エプソン社製）上に１００ピコリットルのインクドロ
ップ（紙付着ドット径１００μｍ程度）を多数付着させ
て５ｍｍ角のベタ画像を印刷し、サクラ濃度計ＰＤＡ６
５で測定した値である。

【００２６】上記３種類のインクＢ１，Ｂ２，Ｂ３のそ
れぞれを用いて、ドット径すなわちインクドロップ径を
変えずにドット密度のみを変化させた場合には、図５に
示すように一画素について各５段階（記録紙の地肌色も
１段階として含む、以下に同じ。）の階調表現が可能で
ある。したがって、上記インクジェット記録ヘッド１に
３つのヘッド部を設け、各ヘッド部にインクＢ１，Ｂ
２，Ｂ３をそれぞれ供給し、このような階調表現を行っ
た場合には一画素につき少なくとも１０段階以上の階調
表現が可能になる。また、これら濃度の異なるドットを
組み合わせて一画素を形成するようにすると、階調段階
数をさらに増やすことができる。

【００２７】また、上記３つのインクのうちの１つ、例
えばインクＢ２だけを用い、かつコントロールユニット
９の制御によってドット径を２段階に変化させた場合に
は、例えば、図６に示すように一画素について１３段階
の階調表現が可能である。したがって、上記インクジェ
ット記録ヘッド１の各ヘッド部１０，２０に例えばイン
クＢ１，Ｂ２をそれぞれ供給し、このような階調表現を
単に組み合わせるだけで少なくとも２０段階以上の階調
表現が可能である。なお、この方法では、ドット径を変
化させるため解像度の点でも有利である。

【００２８】さらに、濃度の異なる２種類のインクＢ
１，Ｂ２を選択的に用いるとともにドット径の２段階変
化を組み合わせて上記と同様に２×２ドットマトリック
スを形成した場合には、例えば図７に示すように一画素
について４１段階の階調表現が可能になる。すなわち、
１種類のインクを用いた場合（図６参照）に比べて３倍
以上の階調段階数をとることができる。

【００２９】図７に示す各階調段階のパターンを一定間
隔で選び出しその光学反射濃度をサクラ濃度計ＰＤＡ６
５で測定した結果を図８のグラフに示す。このグラフか
らも明らかなように、階調段階数が大きくなるにつれて
光学反射濃度が滑らかに、かつ広い範囲にわたって増加
していることが分かる。

【００３０】このように上記インクジェット記録ヘッド
１では、２種類のインクを選択的に用いて記録媒体上に
濃度の異なるドットを適宜組み合わせて形成するととも
に、そのドット径を２段階に変化させるだけで滑らかで
幅広い階調表現を行うことができ、これにより写真のよ
うな連続階調性のある高品質画像を形成できる。また、
ドット径は２段階に変化させるだけなので、ドット径を
多段階に制御して階調幅を広げる場合に比べてドライバ
構成を簡単かつ安価にできる。

【００３１】さらに、インクジェット記録ヘッド１に３
つ以上のヘッド部を設けて濃度の異なるインクをそれぞ
れ供給し、ドットの濃度と径の変化を組み合わせれば、
一層幅広い階調表現を実現できる。さらにまた、ドット
径変化の段階数はドライバコストも考慮して決定する必
要があるが、３段階以上に変化させるようにすれば、よ
り一層階調段階数を増やすことができる。

【００３２】加えて、上記インクジェット記録ヘッド１
ではすべてのノズル１４，２４を同一径に形成してある
ため、インクＢ１，Ｂ２のそれぞれのインクドロップを
同一条件で同一径に制御することができ、ドライバ７，
８として同じものを使用でき、ドライバコストが安くな
る。

【００３３】なお、上記インクジェット記録ヘッド１に
おいて、ノズル１４，２４を異なる径に形成するか、ま
たはインクキャビティ１１，２１および圧電アクチュエ
ータ１５，２５について一方のインクキャビティおよび
圧電アクチュエータの長さを他方より長く形成すれば、
濃度の異なるインクＢ１，Ｂ２間でのインクドロップ径
の変化を大きくすることができる。その結果、各種ドッ
ト径の組み合わせによって階調表現の幅を拡大できる。

【００３４】また、上記圧電アクチュエータ１５，２５
として単層のものを用いたが、積層タイプのものを用い
てもよい。さらに、図９に示すように、側壁６ｄ′，６
ｅ′を圧電アクチュエータ１５より少し低く形成し、隔
壁３が圧電アクチュエータ１５によってインクキャビテ
ィ１１の内側に僅かに押し込まれた状態になるようにし
てもよいし、図１０に示すように隔壁３を設けることな
く、インク浸透防止用コートを施した圧電アクチュエー
タ１５の変形がインクに直接作用するようにしてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施形態のインクジェット記録ヘッドの平
面図である。

【図２】 図１のインクジェット記録ヘッドのII−II線
断面図である。

【図３】 図２のインクジェット記録ヘッドのIII−III
線断面図である。

【図４】 本実施形態のインクジェット記録ヘッド用に
調製した３種類のインクの組成、粘度、表面張力、およ
び濃度を示す表である。

【図５】 １種類のインクを用いて同一径のドットで２
×２ドットマトリックスからなる一画素を形成した場合
の階調段階を示す図である。

【図６】 １種類のインクでドット径を２段階に変化さ
せて２×２ドットマトリックスからなる一画素を形成し
た場合の階調段階を示す図である。

【図７】 ２種類のインクでドット径を２段階に変化さ
せて２×２ドットマトリックスからなる一画素を形成し
た場合の階調段階を示す図である。

【図８】 図７に表す階調段階と光学反射濃度との関係
を示すグラフである。

【図９】 インクジェット記録ヘッドの変形例を示す図
である。

【図１０】 インクジェット記録ヘッドの別の変形例を
示す図である。

【符号の説明】

１…インクジェット記録ヘッド、９…コントロールユニ
ット（制御手段）、１０，２０…第１，第２ヘッド部、
１１，２１…インクキャビティ、１４，２４…ノズル、
１５，２５…圧電アクチュエータ（吐出手段）。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 濃度の異なる複数のインクを選択的に用
   いて記録媒体上にドットを形成するとともに、そのドッ
   ト径およびドット密度の少なくともいずれかを変化させ
   て階調表現するインクジェット記録ヘッドによる階調表
   現方法。
2. 【請求項２】 少なくとも第１ヘッド部と第２ヘッド部
   を有し、上記各ヘッド部はインクを収容するインクキャ
   ビティと、このインクキャビティからインクドロップを
   吐出するノズルと、このノズルからインクドロップを吐
   出させる吐出手段とを備えており、上記各ヘッド部に濃
   度の異なるインクをそれぞれ収容したことを特徴とする
   インクジェット記録ヘッド。
3. 【請求項３】 各ヘッド部から吐出されるインクドロッ
   プ径を変化させるように上記吐出手段の駆動を制御する
   制御手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載のイ
   ンクジェット記録ヘッド。
4. 【請求項４】 上記各ヘッド部のノズルを同一径に形成
   したことを特徴とする請求項２または３に記載のインク
   ジェット記録ヘッド。
5. 【請求項５】 上記各ヘッド部ごとにノズルを異なる径
   に形成したことを特徴とする請求項２または３に記載の
   インクジェット記録ヘッド。