サイモン・エクルズはインクジェットプリントヘッドについて詳しく調べ、印刷業界に波紋を広げている次世代プリントヘッドを紹介する。
ドロップオンデマンド、コンティニュアスインクジェット、ピエゾエレクトリック、サーマル、ソリッド、バイナリー、グレースケール。これらはすべて、インクジェット・プリンター、特にそのプリントヘッドの種類を説明するときに軽々しく使われる用語である。
これらの用語の意味を知っていれば、そのプリンターが何のためにあるのか、どのように動作するのかをかなり正確に予測することができる。そうでなければ、立ち止まって説明してくれる人はめったにいない。
そこで、ここで少し立ち止まって説明しよう。用語の中にはプリントヘッドの基本設計を説明するものもあれば、プリントヘッドが何をするのか、あるいはどのように動作するのかを説明するものもあります。ピエゾグレイスケールヘッドのように、より正確な説明のために二重にすることができるものもあれば、バイナリーグレイスケールヘッドはありえないなど、相互に排他的なものもあります。
そこで今回は、FESPAによるインクジェット・プリントヘッドの専門用語解説をお届けする。そもそもプリントヘッドとは何か？
インクジェットプリンターで、インクの液滴をメディアに投射する部品。非常に精度の高いユニットであり、その製造には多くの知的財産（ノウハウ）とクリーンルーム工場への多額の投資が必要となる。最近のプリントヘッドは、マイクロチップ製造と共通する製造技術（薄膜シリコンMEMSなど）を使用していることが多い。
一般的なプリントヘッドの内部には、ドライバー電子機器、インク供給アタッチメント、ノズルプレートにある穴であるノズルにつながる少なくとも1つ、通常は数百のインク室がある。
インク入力チャンネルはわずか数十ミクロンで、ノズルは通常20～50ミクロン。人間の髪の毛は約80ミクロンである。
サイネージやその他のグラフィック・アプリケーションで使用されるほとんどのプリントヘッドには、液滴を生成して投射するために個別に制御される数百のノズルがあります（「ドロップ・オン・デマンド」も参照）。1回のヘッド通過で何百万もの液滴を生成し、それらが適切な場所にメディアに当たるようにするには、非常に高度な電子回路が必要です。
ノズルが1つで、液滴を連続的に噴射し、静電プレートや送風によってメディアからそらせたり遠ざけたりするインクジェットもある。これらはグラフィックよりもむしろ、コーディングやマーキング・システムに使われる傾向がある。連続インクジェットを参照。
世界には何百ものプリンターメーカーがあるが、どこも比較的少数の専門メーカーからプリントヘッドを入手し、マウント、電子機器、インク供給、ファームウェア、ドライバー・ソフトウェアを組み合わせてプリンター本体に組み込んでいる。
自社のプリントヘッド工場を持っている大判プリンターメーカーは、キヤノン、エプソン／セイコーエプソン、富士フイルム（子会社の富士フイルムディマティクスを含む）、HP、ゼロックスなど、ほんの一握りである。
その他はすべて、ヘッドを買い入れたり、プリンターメーカーと合弁会社を運営している。上記のメーカーのほとんどは、OEMベースで他のメーカーにヘッドを供給している（ただし、最新モデルを自社で保有することもある）。その他のヘッドメーカーには、コニカミノルタ、京セラ、パナソニック、リコー、東芝テック、Xaarなどがある。
ドロップオンデマンド（DoD）
これは、FESPAショーやこのウェブサイトでご覧いただけるすべての大判プリンターを含む、高品質のグラフィックに使用される最新のインクジェットで最も一般的に見られるプリントヘッドのタイプの総称です。
ドロップ・オン・デマンドとは、インクジェットノズルが、メディア上にマークを生成するために必要なときに、必要な場所にインク滴を生成して投射することを意味する。この用語は主に、以前の連続フロータイプのヘッド（以下の連続フローを参照）と対比するために作られた。
ドロップオンデマンドヘッドは、さらにサーマルタイプとピエゾエレクトリックタイプに細分化される。
プリンターが作動している間中、連続的に液滴を噴射するインクジェットヘッド。通常、ヘッド1つにつきノズルは1つしかないが、より広い印刷領域を構築するためにヘッドのアレイを使用することもできる。
インクの流れは、帯電した金属板の静電場か、（コダックの場合は）正確にタイミングを合わせた空気の噴射によって、メディアの方向またはメディアから遠ざけられる。不要なインクはキャッチガターに集められ、ろ過されて貯蔵タンクに戻されることもある。
今日、これらのヘッドは、洗練されたグラフィック・プリンターというよりは、コーディングやマーキング・システムで見られるのが普通である。
例外はコダックのプロスパー・シリーズのプリントヘッドで、ストリームと呼ばれる高度に開発されたコンティニュアス・インクジェット・テクノロジーを使用しており、非常に高い画質を実現している。現在のところ、プロスパーとストリームは、サイン・ディスプレイタイプの専用プリンターには使われていない。
これは最初のタイプのドロップオンデマンド・プリントヘッドで、1980年代初頭に最初のデスクトップ・インクジェットで使用された。サーマルプリントヘッドは効率的で、ピエゾ式ヘッドに匹敵する非常に高い画質と速度を実現できるが、ピエゾ式とは異なり、水性インクでしか動作しないため、通常は屋内用途に限られる。
HPのラテックスインクは例外で、HPのサーマルヘッドで使える。HPのラテックスインクは例外で、HPのサーマルヘッドで使用することができる。
サーマル技術は、1970年代に日本のプリントヘッド・テクノロとアメリカのヒューレット・パッカードによって、それぞれ独立して同時に発明された。
その原理は、プリントヘッド内のインクチャンバー内のエレメントが急速に加熱され、液体インクが気化して気体の泡を形成し、それが膨張してチャンバーの一端にある穴（ノズル）からインクの滴を押し出すというものだ。
その後、ヒートエレメントのスイッチが切られ、気泡は冷却、凝縮、収縮する。ノズルの表面張力によって空気が逆流することがなくなり、代わりに液体インクが供給パイプからチャンバー内に引き込まれる。サーマルヘッドの共同発明者であるキヤノンは、この仕組みからバブルジェットという言葉を生み出した。
これまでのところ、真のグレイスケールサーマルヘッドは存在しない。しかしHPは、グレイスケール効果にある程度近づく、異なるサイズのペアノズルを開発した。
熱応力はヘッドを早く消耗させるため、ヘッドは消耗品として設計されており、数十時間から数百時間の稼働で簡単かつ安価に交換できる。
単にピエゾヘッドと呼ばれることも多い。このドロップオンデマンドヘッドは、1990年代に初期の大判プリンターに搭載され始め、この分野に革命をもたらした。スクリーン印刷で使用されていた溶剤インクやUV硬化型インクが、初めてデジタル印刷できるようになったのだ。
ピエゾヘッドはすべて、特定の種類の結晶（インクジェットではチタン酸ジルコン酸鉛が多く、PZTと表記される）が、電流を流すと膨張・収縮し、再び電流を止めると収縮するという原理に基づいている。この膨張・収縮がインク室内のポンプの基礎として使われている。
結晶の構成（「ベンド」または「シアー」モードと呼ばれる）によって、双方向の膨張はインクを吸引し、ノズルを介してチャンバーからインクを押し出すか（エプソンはこれを採用している）、または同じ効果を持つが、より少ないエネルギーで音響圧力波を設定する（Xaarはこれを採用している）。
電流のオン／オフは非常に高速で行え、結晶の膨張／収縮も同様にほぼ瞬時であるため、サーマルヘッドよりもドット形成を制御できる範囲がはるかに広い。
ピエゾヘッドの中には、同じチャンバーとノズルからさまざまな大きさの液滴を発生させ、メディア上に異なるインク濃度を与えることができるものがある。これらはグレイスケールヘッドと呼ばれる（下記参照）。
ピエゾ電気効果はあらゆる流体に作用するため、ピエゾ式プリントヘッドは溶剤系インク、UV硬化型インク（3D印刷に使用されるものも含む）、水性インクを扱うことができる。また、導電性インク、粒子の大きい不透明な白色インクやメタリックインク、3D印刷用インク、インクチャンバーに到達すると液体となる相変化インクなど、難易度の高い液体にも使用できます。
ピエゾ式プリントヘッドは、熱ストレスが少なく、ピエゾ結晶が何百万回も膨張／収縮できるため、サーマルヘッドよりもはるかに長持ちします。ピエゾヘッドは通常、致命的な詰まりや外部損傷がない限り、マシンの寿命まで使用できるように設計されています。しかし、サーマルヘッドよりも製造・購入コストがかなり高いため、ユーザーはメンテナンスに力を入れる必要がある。
これらの用語は、プリントヘッドの液滴がすべて同じ大きさか、あるいは何らかの方法で変化させることができ、メディアに到達するインクの濃度をより薄い色合いで制御できるかを示している。グレースケールは、ハーフトーン技術と組み合わせることで、インクジェットの階調範囲を大幅に広げることができる一方で、比較的控えめなノズルピッチや少ないパス数を使用することができる。
ピエゾプリントヘッドはもともと2値ヘッドで、同じサイズのインク滴しか生成しない。ハーフトーン・テクニックを使えば、2値ヘッドからさまざまな色調を得ることができますが、極細のノズル・ピッチを使わない限り（および／または色の薄いインクを追加しない限り）、ハイライトの色調は少し粗くなります。
一般的な2液滴のサイズは30～100ピコリットルです。より微細な結果を得るために液滴を小さくすることは可能だが、その場合、印刷のベタ部分の密度を高めるためにより多くのパスが必要となり、印刷速度が遅くなる。
グレイスケールヘッドは、印刷される個々のドットの濃度を変えることができるので、1滴で30％や50％から100％の色まで表示できるかもしれない。この利点は、低解像度と少ないヘッドパス数で、ネイティブ解像度がはるかに高いバイナリヘッドと同じ「実効解像度」を達成できることだ。
例えば、グレースケールヘッドの解像度が360dpiの場合、1,000dpiの2値画像と同じ効果が得られると言われている。
ピエゾヘッドは、通常、個々のメーカーとそのメーカーが保有する特許または侵害を避けたい特許に応じて、いくつかの異なる方法でドットサイズを変化させます。正確な方法によっては、3段階から4段階のドロップサイズを選択できる。
最も微細なプリントヘッド（写真によく使用される）の最小サイズは2ピコリットル以下である。）サイネージ用プリンターでは、最も小さな液滴でも10ピコリットルから20ピコリットルのサイズが一般的である。
サーマルグレイスケール
真の可変ドロップサイズは、今のところピエゾヘッドでのみ可能である。しかしHPは、高解像度ノズルアーキテクチャーと呼ばれるサーマルPageWideヘッド用のグレースケールを開発した。今のところ、これは商業印刷用の巨大なTシリーズ・インクジェット輪転印刷機でのみ使用されており、CADや図面作成に主に使用されている大判のPageWide XLシングルパスモデルでは使用されていない。
各ノズルからの液滴の大きさは常に同じですが、プリントヘッド内で大小のノズルを非常に密接に対にして、それらを1つの画像要素として扱います。次に、2つのノズルのペアを取り、グレースケールの目的のために1つの画像要素として制御します。
大小2つのノズルを異なる組み合わせで噴射することで、5段階のグレーレベルを実現できる（実際には白＋4段階）。HDNAのノズルピッチは2,400dpiなので、ノズルペアのネイティブ解像度は1,200dpi、グレースケールセットは600dpiである。
大小のノズルに異なるインク色（例えばシアンとライトシアン）を使用することで、さらなる濃度制御が可能です。また、ノズルセットを個別に制御することで、より少ないグレーレベルで、より高い速度や解像度を実現することもできる。
これはノズルピッチの記述で、プリントヘッドが一定面積に生成できるインク滴の実際の数を意味する。業界では通常、メートル法ではなく、1インチあたりのドット数で表します。つまり、プリントヘッドの幅が1.5インチ（38mm）で、その幅に540個のノズルがある場合、ネイティブ解像度は360dpiとなります。
多くのワイドフォーマットインクジェットは、一連のオーバーラップパスで画像を構築するため、メディア上の1インチあたりのドロップ数は、ネイティブ解像度だけでは得られない場合がある。dpiが高ければ高いほど、最終的なプリントは連続階調写真のようになります。
グレイスケールヘッドは、同じノズルピッチの2値ヘッドと比較して、異なるドット密度の範囲を作成することができ、より多くの階調範囲を与える。
そのため、グレースケールプリンターメーカーは「同等の」解像度について話すのが一般的で、例えば、360dpiのグレースケールヘッドは、1,000dpiの2値ヘッドと同等の知覚品質が得られるかもしれないということを意味する。
例えば、エプソンのマイクロピエゾプレシジョンコアTFTヘッド（SureColorプリンターに使用）は、ネイティブ解像度600dpiで、1.5～23ピコリットルの5種類のドロップサイズを持つ。
前述のHPのPageWide HDNAは、大小のノズルを交互に配置することで2,400dpiのノズルピッチを実現しているが、これらはペアで制御されているため、ネイティブ解像度は1,200dpiとみなすことができる。
HPとエプソンのキットと、それらがビジネスにもたらす利点についてもっと知りたいとお考えの業界関係者は、5月8日から12日までドイツのハンブルグ・メッセで開催される FESPA 2017で、両社の専門家に話を聞くことができる。
HPとエプソンは、過去最高の来場者数が予想される700以上のブランドのうちの2つである。
についてもっと知りたい方は フェスパ2017をご覧ください： https://www.fespa2017.com.リファレンスコードを入力し、オンラインで登録すると、展示会に無料で入場できる：FESG702.