インクジェット

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インクジェットプリンター(inkjet printer)は、インクを微滴化し、被印字媒体に対し直接に吹き付けて印刷を行う印刷機である。オフセット印刷のように版下を作製する必要がなく、複写機レーザープリンターなどで使用されている電子写真方式のような加熱定着処理も不要で、機構が単純であるという特長をもつ。また色当たりのコストも他の印刷方法と比べて低く抑えることができる。このため6色や7色、さらに10色を超える多色刷りの実現も比較的容易である。

オンデマンド方式の小型プリンターが登場した1980年代から1990年代は、熱転写プリンターなどと競合状態にあった。近年は画素の高密度化や印刷速度の向上が急速に進み、家庭用の写真プリンターやオフィス用プリンター、大型ポスター用のプリンターとしても広く応用されている。またイメージスキャナファクシミリ等の機能を併せ持つインクジェット複合機 (Multi Function Printer、MFP) も2001年ころから急速に普及が進んでいる。さらに、インクジェットプリンターの特長を生かした応用技術の開発も広がっている。

インクジェットプリンター PM-700C

目次

開発史

1990年のキヤノンノート型BJ-10vの後1993年に発表されたBJ-10v Lite(仕様はBJ-10vとほぼ同じ)、セントロニクス方式のパラレルインタフェース、内部のカバーを外し手前に置いている

インクジェットプリンターの歴史は、ケルヴィン1867年にインク滴に対する荷電実験を行ったことが起源とされる。1879年にレーリーがコンティニュアス型の基本となる液滴生成理論を発表。本格的な研究の取り組みは1950年代からで、当時西ドイツシーメンスが液圧搬送、ノズル吐出のコンティニュアス型のプリンターの特許が公開された。

1960年代より実用的なオンデマンド型のインクジェットの研究が進められた。ピエゾ素子(圧電素子)を用いたピエゾ方式がはじめに考案され、セイコーエプソン社よりピエゾ方式のプリンターが商品化された[1]。また、1970年代にはサーマル方式も考案され、ヒューレット・パッカード (HP)社が1984年にThinkJetとして商品化[2]キヤノン社も1985年BJ-80 として商品化[3]した。

1990年10月にはキヤノンが普及タイプのノート型BJ-10vを発売し[4]、一般個人ユーザーにも浸透し始めた。1996年11月には、初めて写真画質を売りにしたPM-700Cをセイコーエプソンが発売し[5][6]、インクジェットの普及に拍車をかけた。それ以降、インクジェットは小型プリンターとしてシェアを拡大し、2008年現在ではパソコン用のプリンター出荷台数の3分の2以上がインクジェット方式となっている。

基本分類

インクジェットプリンターの方式は、コンティニュアス型オンデマンド型に分類できる。現在実用されているものの中でも小型プリンター用として主流となっているのはオンデマンド型で、ピエゾ方式サーマル方式の2つである。

コンティニュアス型

コンティニュアス型インクジェット装置

ポンプによってノズルから連続的に押し出されたインクは超音波発振器によって微小な液滴になる。インク滴は電極によって電荷が加えられ、印字の必要に応じて偏向電極で軌道を曲げられて紙面の印字面に到達する。偏向電極で曲げられなかったインクはガターと呼ばれる回収口に吸い込まれ、インクタンクに戻り再利用される。印刷していないときもインクは常に連続的に噴射されているのでコンティニュアス型または連続吐出型と呼ばれる。

ポンプによる高い圧力でインクを押し出すので高粘度のインクが使用でき、また連続的にインクを押し出すことから速乾性のインクも使用できるなど、インクの選択幅が広い。さらに超音波振動で作られるインク滴は毎秒100滴以上で生成することが可能であり高速であるが、構造が大がかりで小型化が難しく、マルチヘッド化も困難であるなどの欠点から家庭用のプリンターとしては使用されておらず、工業用のマーカー(生産ラインで部品に製造番号などを記入する)として利用されている。

オンデマンド型

印字時に必要なときに必要な量のインク滴を吐出する方式である。吐出後のインク供給には毛管現象を利用しているため、高粘度のインキは使用できないこと、インキ滴の生成速度が毎秒10滴程度であるなどの欠点があるが、構造が簡単で小型化やマルチヘッド化がしやすいなどの長所がある。家庭用のインクジェットプリンターは、ほぼすべてオンデマンド型である。

オンデマンド型はインク滴に圧力を加える方法により、ピエゾ方式・サーマル方式・静電方式に分けられる。

ピエゾ方式

ピエゾ方式とは、電圧を加えると変形するピエゾ素子(圧電素子)を用いた方式である。

ピエゾ方式オンデマンド型インクジェット装置

ピエゾ素子をインクの詰まった微細管に取り付け、このピエゾ素子に電圧を加えて、変形させることでインクを管外へと吐出させる。前述のように1960年代から研究がなされていたが、以下に示した短所の克服に時間がかかったため、本格的な商品化は1980年代になってからであった[7]

1990年代にセイコーエプソンがピエゾ素子を複数に重ねて使用した「マッハジェット」を開発。カラー高画質化にいち早く成功し、マーケットでの地位も確保した。ブラザー工業もピエゾ方式でインクジェットプリンターを製品化しているほか、CADや大判用プリンターとしてはローランドなどでも採用されている。また、サーマル方式では難しい高粘度・速乾燥性のインクを使用できるメリットを生かしてリコー (GELJET) でも採用されている。

ピエゾ方式の長所は以下の通りである。

  • ピエゾの変形量そのものを電圧制御するため、インク噴出量や液滴サイズを精密に制御できる。
  • インク吐出制御に熱を使用しないため、使用環境の気圧や気温に左右されず、ヘッドの耐久性も高い。
  • インクを加熱しないため、サーマルジェットに比べて幅広いインクに対応可能である。

短所は以下の通りである。

  • インク内に気泡が混じると目詰まりが生じやすい。
  • ドット毎にピエゾ素子を用意するためヘッド構造が複雑である。
  • ピエゾ素子を小型化するとインクを押し出すために必要な体積変化が得られにくい。

サーマル方式

サーマル方式とは、加熱により管内のインクに気泡を発生させてインクを噴射する方式である。

サーマル方式オンデマンド型インクジェット装置

サーマル方式では、インクの詰まった微細管の一部にヒーターを取り付け、これを瞬時に加熱することで、インク内に気泡を発生させて、インクを噴出させる。加熱に使用するヒーターは抵抗加熱、誘導加熱などが考えられる。その基本的な原理は1970年代半ばに、キヤノンの中央研究所で偶然見つかった現象に由来する。この時、液体の詰まった注射針に半田ごてが触れたとき、針先から液体が飛び出した。キヤノンではこの現象を解析、これをヒントに各社で研究開発が進められ、ヒューレット・パッカード1984年に世界で初めてサーマル方式のインクジェットプリンターを発売し、キヤノンも自社開発のサーマル方式を「バブルジェット」と命名、1985年BJ-80 を発売した。富士ゼロックスレックスマークなどでもサーマル方式のインクジェットプリンターの開発および販売が行われている。

サーマル方式の長所は以下の通りである。

  • ヘッド構造が比較的単純
  • 物理的機構が少なく印刷速度の高速化や印字画素の高密度化が図りやすい。

短所は以下の通りである。

  • をインクに加えることになるため、熱劣化の少ないインクを用いる必要がある。
  • 同一の噴出穴でインク噴出量を調整するのが難しい。実際多くのプリンターで高速印字用の大液滴噴出穴と、写真印刷などに用いる小液滴噴出穴を並べている。
  • ヘッドの寿命が短く、プリンターの場合ユーザーによる交換が必要となることが多い。

オンデマンド型のヘッド構造

上述のインク塗布の機構を集積したものを「プリントヘッド」(または単にヘッド)と呼ぶ。ヘッドには複数のインクノズルが作りこまれており、インクカートリッジ内のインクタンクから供給されたインクを塗布する。プリンターの機構で紙などの被印字媒体を動かし、その印字媒体の動く方向と直行方向にプリンターヘッドを動作させて印字を行う「シリアルヘッド方式」が一般的である。また比較的長いプリンターヘッドを固定して、被印字媒体の動きだけで印刷を行う「ラインヘッド方式」もある。インクヘッド製造時には、インクの流路など半導体露光装置(ステッパ)を使って作りこむことが行われる。またインクノズル部分はエキシマレーザによって加工される場合もある。

インクジェットプリンターでの高密度画素印刷は、このプリントヘッドの高精度の制御が要求される。例えば、1,200 dpi解像度で印刷を行うためには、1つの画素を20マイクロメートルで塗布する必要がある。この場合、一滴のインクの量は数ピコリットル(数兆分の1リットル)程度であり、さらにプリントヘッドを毎秒500ミリメートルで移動させながら20マイクロメートルで画素印字するためには、毎秒2万5,000発ものインクの噴出が必要となる。当然、カラー印刷の場合では色数(通常4色から7色)分の同じ場所に重ね合わせて噴出する技術が必要である。また、プリントヘッドの動作と被印字媒体送りを同期させる制御や、色ごとに塗布位置が若干ずれても目立たないような画像処理をあらかじめ行うなどのプリンター周辺技術も高度なものが求められる。

インク

インクジェットプリンターの4色インクカートリッジ

インクジェットプリンターでの印刷に使用されるインクは、オンデマンド型プリンターでは、ほぼすべて水溶性のインクが使用されている。これは主に「染料系」と「顔料系」の2系統に分けられる。

色インク

インクジェットプリンターでカラー印刷を行う場合は、シアン (C)・マゼンタ (M)・イエロー (Y) を混ぜて他の色を表現する減色法減法混色)が使われる。黒色は、この三色を混ぜることで理論的には表現できるが、完全な黒色にすることは難しく、また三色のインクを同時に使用することはインク使用量を増やす結果となるため、黒色表現のためのブラック (Bk) インクを搭載している。通常はC+M+Y+Bkの4色のインクで表現できるが、発光色などを表現するなど色空間を広くするために追加のインクを搭載する高級機種がある。 また、普通紙への文書印刷における文字のにじみを低減する観点から染料インクとは別に顔料のBkを用意している、もしくは4色インクのうちBkのみ顔料という機種も多い。

染料系インク

染料系のインクは被印字媒体に対して色素を染み込ませて色をつける。初期のインクジェットプリンターに採用され、現在でもインクジェットプリンター用のインクとして広く普及している。染料系インクの長所は以下の通りである。

  • 色再現性が高い。
  • 光沢が出やすい。

短所は以下の通りである。

  • 耐水性が低い - 水に濡らすと、にじみが生じやすい。
  • 耐光性が低い - 太陽光などが長時間当たると、色あせ(退色)を起こしやすい。

特に耐水性の低さに関しては、水性のマーカーペンで印字物をなぞるだけでにじみを発生させ、インクジェットプリンターの欠点として大きく取り上げられたこともあった。最近では、にじみを防止するため透明のコート材をあらかじめ塗布しておき、その上から染料インクを塗布することで、インク着弾時の広がりが抑えられ、にじみのない印刷を可能にするプリンターも登場している。

顔料系インク

顔料系のインクは、インクの色素が被印字媒体表面に固着して色をつける。顔料系インクの長所は以下の通りである。

  • 耐水性が高い。
  • 耐光性が高い。

短所は以下の通りである。

  • 耐摩擦性が低い(特に光沢紙に多い) - 染料インクに比べて定着しにくいため印刷面をこすると色落ちしやすい
  • 溶液としての安定性が悪い。
  • 粒子であるため比較的ノズルの目詰まりを起こしやすい。
  • 光沢が出にくい。

光沢に関しては、エプソンのように光沢を出すための透明インクを塗布する機種もある。

その他のインク

水溶性インクは紙や布などの液体を吸収する素材に対して有効であり、金属やプラスチックなどの媒体には印刷できない。これらの素材で使用されるインクジェットプリンターには油性インクが用いられる。さらには加熱して溶融状態で塗布するソリッドインク、インク着弾時に紫外線電子線など電磁波を照射してインクを固まらせるUV硬化インクなども存在する。

また、屋外広告など特に耐候性が求められる分野では、ソルベントインクなどの有機溶剤系インクが用いられる場合もある。

インクジェットプリンター用紙

インクジェットプリンター用紙

インクジェットプリンターにとって被印字媒体となるのは主として紙であるが、特に主流である染料系インクを普通紙に使用した場合、にじみが発生する。またインクが裏側まで染み抜けてしまう、裏抜けという現象が発生する場合もある。このため、インクジェットプリンターメーカーなどでは、高品質な印刷結果を得るために、いわゆる専用紙と呼ばれるものを開発している。専用紙には、コート紙、光沢紙などが使われる。

コート紙
普通紙の表面にインクを吸収し固着させることで、にじみの発生を抑えるコート層を形成した用紙。インクジェットプリンター用のコート紙では、主に高分子系か、多孔性微粒子系のコート層が使われる。
光沢紙
基本的にはコート紙と同じ構造であるが白紙部や画像印字部に光沢があり、写真印刷等に用いられる。基材の違いにより、
(1) 光沢が出やすい印画紙原紙(レジンコート紙)や、フィルムの表面にコート層を設けたもの、
(2) 普通紙の表面に光沢化処理を施したコート層を設けたもの、
に大別される。(1)は基材に使われることが多いレジンコート紙から「RCタイプ」、(2)は光沢化処理にキャスト法(金属等の平滑な表面を紙に写し取って光沢化する方法)が多く用いられるため、「キャストタイプ」等と呼称されることがある。

応用技術

インクジェットプリンターのもつ、非接触で微小液滴を正確に着地させることができるという特長を応用した、さまざまな研究が行われている。

捺染(なせん)装置
従来、布地に模様をつけるには、異なる色で染色したを組み合わせる、色付けした糸で布地に刺繍を施すといった方法や、布地の部分染めによる捺染などがあった。インクジェットプリンターの発達により布地に直接染料を吹き付けることが可能になり、近年では捺染を印刷技術で行うようになった。インクジェットプリンターを利用した捺染は、織飾や刺繍では困難であった微細な模様付けが低コストで可能になった。
回路基板製造
従来、電気回路基板の回路パターンの生成には写真の現像技術が長く使用されてきたが、インクジェットプリンターの技術を使い、回路上に直接回路パターンを印字できる技術が実用化されつつある。2004年11月にセイコーエプソンがこの技術を利用し、20層の積層回路基板の開発に成功したことを発表している。
DNAチップ
インクジェットプリンターは、極めて精度が高く微小領域に微小液体を吹き付けることができるため、DNAチップへの応用が期待できる。具体的には、DNAを溶かした溶液をインクジェットプリンターから検査試薬を塗布したDNAチップへ吹き付ける方法である。
ディスプレイ装置
FED有機ELなどのディスプレイ装置の製造では、発光体を基板上に対し均一に塗装する必要がある。ここにインクジェットプリンターの技術を応用する。プリンターのメーカーがディスプレイのメーカーと協力し、これら新世代ディスプレイの実用化に向けて研究・開発を行っている。キヤノンと東芝によるSEDはその一例である。

以上のほかにも、接触せずに印刷が可能であることから紙以外の素材や立体物への印刷も模索され、ペットボトルや食品パックなどのロット管理番号や賞味期限など時間帯や日ごとの可変項目の印刷に利用されているのは身近な例となっている[8]。また造形用途として、セラミックを噴き付けることによる三次元造形物(人工骨など)の作製などへの応用も考えられている。これら応用の場合インクジェットプリントとともにインクジェットマーキングとも呼ばれる。

特許技術を有する主な企業

パソコン用のインクジェットプリンターで世界シェアのトップを占める米ヒューレット・パッカードのほか、日本企業も周辺技術も合わせて多くの特許を取得している。

インクジェットプリンターの市場規模

以下にインクジェットプリンターおよび複合機の市場規模を示す(数字は台数)。

世界市場 日本市場
プリンター
SFP
複合機
MFP
プリンター
SFP
複合機
MFP
1999年 51,232,000 (統計なし) 4,689,000 (統計なし)
2000年 63,690,000 (統計なし) 6,414,000 (統計なし)
2001年 60,590,000 (統計なし) 6,104,000 (統計なし)
2002年 58,200,000 10,700,000 5,545,000 500,000
2003年 55,706,000 25,500,000 5,043,000 1,400,000
2004年 51,616,000 38,100,000 4,192,000 2,200,000

互換インクカートリッジ問題

インクジェットプリンターのメーカーは、プリンター本体を低価格で販売し利益率を抑え、消耗品であるインクカートリッジの販売で高い利益を生み出すビジネスモデルを採用している。これに対して、インクカートリッジを正規メーカー品より安い価格で販売する、互換インクカートリッジメーカーが存在する。

正規メーカーは、プリンターヘッド機構やインク組成などを特許出願して、互換インクカートリッジの排除を行っているほか、消費者に対しても互換インクの使用がヘッド機構などの故障の原因になるとして使用しないよう呼びかけている[9](互換カートリッジメーカーが純正インクと互換インクとが混合した時の化学反応やヘッド機構の耐久性試験などを行なうことは実質的に不可能であり、また粗悪なインクを使用する互換カートリッジメーカーもゼロでは無いことから、故障のリスクが存在する)。 また、純正インクでプリントした場合と比較して、互換インクの方が耐久性に劣るとする報告も有る[10]

一方、互換カートリッジメーカーは低価格と正規メーカーのカートリッジにインクを再充てんすることによるリサイクル(低環境負荷)を消費者に訴えている。ただ、最近は正規メーカーが使用済みのインクカートリッジを回収して再資源化したり[11][12]、使用済みカートリッジに正規インクを再充てんして低環境負荷の製品を販売することも行われている。一部で正規メーカーと互換カートリッジメーカーで訴訟にまで持ち込まれるケースもある[13][14]

また、近年はインクカートリッジにICチップを搭載することで、再充てんされた非純正カートリッジに対してはインク残量検知機能を動作させないなどの対策を取っているメーカーが多くなっている。しかしながら、ICチップをリセットする機器が販売されるなどのいたちごっこが続いている状況である。

参考文献

  • 特許庁『平成16年度特許出願技術動向調査報告書』

関連項目

ウィキメディア・コモンズ

脚注

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  1. ^ "1984年6月、インクジェットプリンタ「IP-130K」 マイルストンプロダクツ". セイコーエプソン. 2008-12-05 閲覧。
  2. ^ "HPの歩み-1980年代". 日本ヒューレット・パッカード. 2009-08-04 閲覧。
  3. ^ "キヤノンの歩み、1985年、世界初のバブルジェット方式インクジェットプリンタ「BJ-80」発売". キヤノン. 2008-12-05 閲覧。
  4. ^ "キヤノンの歩み、1990年、バブルジェット方式ノート型プリンタ「BJ-10」". キヤノン. 2008-12-05 閲覧。
  5. ^ "1996年11月、カラーインクジェットプリンタ「PM-700C」 マイルストンプロダクツ". セイコーエプソン. 2009-08-04 閲覧。
  6. ^ "PM-700C --- “写真印刷”を初めて標榜". 日経BP. 2009-08-04 閲覧。
  7. ^ モノクロで低解像度のものとしては、電卓用プリンターなどとして商品化されたこともあった
  8. ^ "インクジェット印刷". 東静容器. 2009-08-12 閲覧。
  9. ^ ブラザー工業. "ブラザー純正インクのご案内". 2008-11-16 閲覧。
  10. ^ アリオン. "公開レポート". 2008-11-16 閲覧。
  11. ^ 郵便局株式会社. "使用済みインクカートリッジを回収しています". 2009-8-19 閲覧。
  12. ^ 郵便局株式会社. "ブラザー、キヤノン、デル、エプソン、日本HP、レックスマークは日本郵政グループと協力し使用済みインクカートリッジの共同回収を開始". 2009-8-19 閲覧。
  13. ^ キヤノン. "Canon Sustainability Report 2008" p.39. 2009-8-17 閲覧。
  14. ^ ブラザー工業. "消耗品に関する独・デュッセルドルフ高等裁判所における勝訴判決について". 2009-8-17 閲覧。

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