JP2005043124A

JP2005043124A - Liquid drop weight measuring instrument, and liquid drop delivery device

Info

Publication number: JP2005043124A
Application number: JP2003201139A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Usui; 隆寛臼井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-02-17

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid drop weight measuring instrument for measuring precisely a weight of a liquid drop delivered from a delivery head, and a liquid drop delivering device. SOLUTION: A QCM sensor 106 is constituted of an electrode 110a, an electrode 110b, and a quartz oscillator 110 with the electrode 110a and the electrode 110b on both faces. A measuring part 112 detects, as the first resonance frequency, a resonance frequency of the quartz oscillator 110 before the liquid drop delivered from the delivery head 103 is deposited on the electrode 110b, and detects a resonance frequency of the quartz oscillator 110 after the deposition, as the second resonance frequency. The measuring part 112 measures the weight of a liquid drop deposited to the electrode, based on the first resonance frequency and the second resonance frequency. A control part 101 controls the execution of weight measurement for the liquid drop, so as to execute the weight measurement for the liquid drop when the first resonance frequency is not within the first prescribed range, and to execute the weight measurement for the liquid drop when the first resonance frequency is within the first prescribed range. COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液滴重量測定装置および液滴吐出装置、特に、吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を測定可能な液滴重量測定装置およびその液滴重量測定装置を搭載した液滴吐出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、液晶表示装置のカラーフィルタ、配向膜等の成膜に液滴吐出装置が利用されている。また、液滴吐出装置は、これ以外にも工業上の各種の分野で利用されている。液滴吐出装置は、吐出ヘッドと呼ばれる液滴吐出機構を有している。この吐出ヘッドには、規則的に複数のノズルが形成されている。液滴吐出装置では、これらのノズルから吐出材料の液滴を吐出することにより、何等かの製品の構成要素となる基板上に吐出材料からなるパターンの描画を行う。近時、このパターンは微細化が進んでおり、吐出ヘッドから吐出する液滴の重量を精度良く制御する必要がある。そのため、微細な液滴の重量を精度良く測定することは、液滴の吐出量を精度良く制御するために不可欠なものとなる。吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を測定する装置としては、以下の装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。同装置は、付着した液滴の質量により共振周波数が変化する共振部を備え、計測部は、この共振周波数変化を計測し、演算部は、共振周波数変化に基づいて液滴の質量を計測するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１３９３７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、同装置によれば、共振部の共振周波数の僅かな変化で液滴の重量を測定するため、共振部に汚染物が僅かでも残るとその共振周波数は変動するので、正確に液滴の重量を測定することができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を高精度に測定することが可能な液滴重量測定装置およびその液滴重量測定装置を搭載した液滴吐出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を測定する液滴重量測定装置において、前記吐出ヘッドに駆動信号を印加して液滴を吐出させる吐出ヘッド制御手段と、両面に電極が形成された圧電振動子からなる検出手段と、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴が前記電極に付着前の前記圧電振動子の共振周波数を第１の共振周波数として検出する第１の共振周波数検出手段と、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴が前記電極に付着後の前記圧電振動子の共振周波数を第２の共振周波数として検出する第２の共振周波数検出手段と、前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数との変化量に基づいて、当該電極に付着した液滴の重量を測定する液滴重量測定手段と、前記第１の共振周波数が第１の所定範囲内に有るか否かを判定して、その判定結果に基づいて、前記液滴の重量測定の実行を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第１の共振周波数測定手段は、前記吐出ヘッドから吐出される前記液滴が前記電極に付着前の前記圧電振動子の共振周波数を第１の共振周波数として検出する。制御手段は、前記第１の共振周波数が第１の所定範囲内に有るか否かを判定して、その判定結果に基づいて、前記液滴の重量測定の実行を制御する。ここで、前記第１の共振周波数が第１の所定範囲内にない場合とは、検出手段に汚染物が付着していて正確に液滴の重量を測定できない場合である。制御手段は、前記第１の共振周波数が前記第１の所定範囲内にない場合には、液滴の重量測定を実行しない一方、前記第１の共振周波数が前記第１の所定範囲内にある場合には、前記液滴の重量測定を実行することにより、検出手段に汚染物が付着していて正確に液滴の重量を測定できない場合には、液滴の重量の測定を回避できる。この結果、吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を高精度に測定することが可能な液滴重量測定装置を提供することができる。
【０００８】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記制御手段は、前記第１の共振周波数が前記第１の所定範囲内にない場合には、液滴の重量測定を実行しない一方、前記第１の共振周波数が前記第１の所定範囲内にある場合には、前記液滴の重量測定を実行することが望ましい。これにより、検出手段に汚染物が付着していて正確に液滴の重量を測定できない場合には、液滴の重量の測定を回避でき、検出手段に汚染物が付着していない場合のみ液滴の重量を測定することができる。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様によれば、さらに、情報を表示するための表示手段を備え、前記制御手段は、前記第１の共振周波数が前記第１の所定範囲内にない場合には、その旨を前記表示手段に表示することが望ましい。これにより、操作者は、検出手段の汚れを知ることができ、検出手段を清掃して再度液滴の重量の測定を行ったり、新品の検出手段に交換して液滴の重量を測定することができる。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記制御手段は、前記第１の共振周波数が前記第１の所定範囲内にある場合には、さらに、前記第２の共振周波数が第２の所定範囲内にあるか否かを判定し、前記第２の共振周波数が前記第２の所定範囲内にない場合には、液滴の重量測定を実行しないことが望ましい。これにより、より厳格に検出手段の汚染物の付着を検出することができる。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様によれば、さらに、情報を表示するための表示手段を備え、前記制御手段は、前記第２の共振周波数が前記第２の所定範囲内にない場合には、その旨を前記表示手段に表示することが望ましい。これにより、操作者は、検出手段の汚れを知ることができ、検出手段を清掃して再度液滴の重量の測定を行ったり、新品の検出手段に交換して液滴の重量を測定することができる。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様によれば、さらに、前記電極を洗浄するための洗浄手段を備え、前記制御手段は、前記第１の共振周波数が前記第１の所定範囲内にない場合には、前記洗浄手段に前記電極を洗浄させ、洗浄後の前記第１の共振周波数が前記第１の所定範囲内にある場合には、前記液滴の重量測定を実行することが望ましい。これにより、自動的に検出手段の電極に付着した液滴を洗浄することができる。この結果、液滴重量の測定後に液滴が付着した検出手段を操作者が清掃する必要がなくなる。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記圧電振動子は水晶振動子であることが望ましい。これにより、液滴の付着による共振周波数の変化を高精度に検出することができる。
【００１４】
また、本発明の好ましい態様によれば、上述の液滴重量測定装置を液滴吐出装置に搭載することが望ましい。これにより、液滴吐出装置で吐出ヘッドから吐出される液滴の重量を高精度に測定することができる。
【００１５】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記液滴吐出装置は、配線、カラーフィルタ、配向膜、マイクロレンズアレイ、エレクトロルミネセンス材料、および生体物質のうちのいずれか１つのパターン形成を用途とすることが望ましい。これにより、本発明の液滴吐出装置を使用して、配線、カラーフィルタ、配向膜、マイクロレンズアレイ、エレクトロルミネセンス材料、および生体物質のうちのいずれか１つのパターン形成を行うことができる。
【００１６】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記液滴吐出装置は、インクジェットプリンタであることが望ましい。これにより、本発明の液滴吐出装置をインクジェットプリンタとして使用することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明にかかる液滴重量測定装置およびその液滴重量測定装置を搭載した液滴吐出装置の好適な実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１にかかる液滴吐出装置を、［液滴吐出装置の全体構成］、［吐出ヘッド］、［ＱＣＭセンサ］、［液滴重量の測定原理］、［液滴重量の測定フロー］の順に説明する。
【００１８】
［液滴吐出装置の全体構成］
図１は、本発明の実施の形態１にかかる液滴吐出装置１００の全体の概略構成を示す図である。実施の形態１の液滴吐出装置１００は、ＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ−ＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）と呼ばれるセンサを搭載した構成となっている。本実施の形態の液滴吐出装置１００は、主として、制御部１０１と、ヘッドキャリッジ１０２と、吐出ヘッド１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂと、インクタンク１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂと、ステージ１０５と、ＱＣＭセンサ１０６と、計測部１０７と、表示部１０８とを備えて構成されている。
【００１９】
制御部１０１は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなり、液滴吐出装置１００全体を制御する。具体的には、制御部１０１は、ステージ１０５上に載置された基板等の対象物Ｗに吐出ヘッド１０３Ｒ、Ｇ、Ｂで描画する動作の制御や、吐出ヘッド１０３Ｒ、Ｇ、Ｂから吐出される液滴の重量を測定する動作の制御を行う。ヘッドキャリッジ１０２は、制御部１０１の制御に従って、吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂを副走査方向（Ｘ軸方向）に搬送する。吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂは、ヘッドキャリッジ１０２に担持されてヘッドキャリッジ１０２とともに移動し、制御部１０１から入力される駆動信号に応じて、そのノズルから液滴を吐出する。
【００２０】
インクタンク１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂは、Ｒ，Ｇ，Ｂのインクが充填されており、吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３ＢにＲ，Ｇ，Ｂのインクをそれぞれ供給する。ステージ１０５は、基板等の描画対象物Ｗが載置され、制御部１０１の制御に従って不図示の駆動機構により主走査方向（Ｙ軸方向）に搬送する。ＱＣＭセンサ１０６は、圧電振動子である水晶振動子１１０と当該水晶振動子１１０の両面に形成された電極１１０ａ、１１０ｂとで構成されている。このＱＣＭセンサ１０６は、吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂから吐出される液滴の重量を測定する場合に使用される。また、ＱＣＭセンサ１０６は着脱可能に設けられおり、ＱＣＭセンサ１０６は取り外して清掃が可能になっている。計測部１０７は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに対して液滴の付着前の水晶振動子１１０の共振周波数（第１の共振周波数）と、液滴の付着後の水晶振動子１１０の共振周波数（第２の共振周波数）との変化を検出して、電極１１０ｂに付着した液滴の重量を測定し、測定結果を制御部１０１に出力する。表示部１０８は、例えば、ＬＣＤモニターからなり、制御部１０１の制御に従って、液滴の重量の測定結果等を表示する。
【００２１】
［吐出ヘッド］
図２は、図１の吐出ヘッド１０３Ｒの詳細な構成を示す図である。吐出ヘッド１０３Ｒは、図２に示す如く、圧力室１２１と、ピエゾ素子１２２と、ノズル１２３とを備えて構成されている。圧力室１２１は、インクタンク１０４Ｒ内と連通し、インクタンク１０４Ｒから供給された赤色インクを一時的に貯える。ピエゾ素子１２２は、周知のように電圧を印加すると、結晶構造が歪んで極めて高速に電気−機械エネルギの変換を行う素子である。ピエゾ素子１２２は、制御部１０１から供給される駆動信号に応じて、圧力室１２１の内面を変形させ、圧力室１２１内の赤色インクを増減圧する。吐出ヘッド１０３Ｒにおいては、このピエゾ素子１２２による赤色インクの増減圧に応じて、ノズル１２３から赤色インクを液滴ＩＰとして吐出する。
【００２２】
吐出ヘッド１０３Ｇは、吐出ヘッド１０３Ｒと同様な構成をしており、制御部１０１から供給される駆動信号に応じて、インクタンク１０４Ｇから供給を受けた緑色インクを液滴として吐出する。同様に吐出ヘッド１０３Ｂも、制御部１０１から供給される駆動信号に応じて、インクタンク１０４Ｂから供給を受けた青色インクを液滴として吐出する。この実施形態においては、説明の便宜上、赤色インク、緑色インクおよび青色インクは、それらの液体としての性質（例えば温度に応じた粘度特性など）が略同一に揃えられており、同一条件下では、同様な流体的挙動を示すものとする。したがって、仮に液滴吐出にかかる条件が全く同一であれば、いずれのインクを用いた場合であっても、同量の液滴にて吐出される。なお、以降の説明においては、吐出ヘッド１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂの各々を特に区別する必要のない場合には、吐出ヘッド１０３と記載し、同様に、インクタンク１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂの各々を特に区別する必要のない場合には、インクタンク１０４と記載する。
【００２３】
図３は、ピエゾ素子１２２に印加する駆動信号の駆動波形を制御することで、吐出する液滴ＩＰの大きさを変更する原理を説明するための図である。同図において、横軸は時刻、縦軸は駆動電圧を示している。同図において、時刻「０」から時刻「Ｔ１」までの期間においては、ピエゾ素子１２２に供給される駆動信号は一定値「Ｖ_Ｍ」をとり、この際、ピエゾ素子１２２は変形しない。続く、時刻「Ｔ１」から時刻「Ｔ２」まで期間において、駆動信号は、「Ｖ_Ｍ」から「Ｖ_Ｈ」まで上昇する。これを受けてピエゾ素子１２２は、圧力室１２１内のインクが減圧されるように変形し、インクタンク１０４から圧力室１２１にインクが流入する。
【００２４】
次に、時刻「Ｔ２」から時刻「Ｔ３」までの間に、駆動信号は、一定値「Ｖ_Ｈ」をとり、続く、時刻「Ｔ３」から時刻「Ｔ４」まで間において、駆動信号は、「Ｖ_Ｈ」から「Ｖ_Ｌ」まで下降する。この駆動信号の下降により、ピエゾ素子１２２は、圧力室１２１内のインクが増圧するように変形し、圧力室１２１内の赤色インクがノズル１２３から連なった状態で吐出する。なお、以降の説明においては、時刻「Ｔ３」から時刻「Ｔ４」まで期間を、電圧下降期間ΔＴと称し、当該電圧下降期間ΔＴにおいて下降する電圧の量「Ｖ_Ｈ−Ｖ_Ｌ」を、電圧下降量ΔＶと称することとする。
【００２５】
次いで、時刻「Ｔ４」から時刻「Ｔ５」までの間に、駆動信号は、一定値「Ｖ_Ｌ」をとり、続く、時刻「Ｔ５」から時刻「Ｔ６」まで間において、駆動信号は、「Ｖ_Ｌ」から「Ｖ_Ｍ」まで上昇する。この駆動信号の上昇により、ピエゾ素子１２２は、圧力室内のインクの圧力が減少するように変形し、上述した電圧下降期間ΔＴに一旦吐出されたインクが引き戻され、その一部が液滴ＩＰとして吐出する。
【００２６】
ここで、説明の便宜上、駆動波形における電圧下降期間ΔＴあるいは電圧下降量ΔＶを調整して、液滴量を変更する技術について説明する。まず、電圧下降期間ΔＴを短くすると、溶液の増圧にかかる期間が短縮されて、電圧下降時間ΔＴ内にノズル１２３から吐出するインクの勢いが増し、液滴量を増大することができる。逆に、電圧下降期間ΔＴを長くすると、ノズル１２３から吐出するインクの勢いが低下し、液滴量を減少させることができる。
【００２７】
一方、電圧下降量ΔＶを大きくすると、インクの増圧量が増大されて、電圧下降時間ΔＴ内にノズル１２３から吐出するインクの量が増し、液滴量を増大させることができる。逆に、電圧下降量ΔＶを小さくすると、ノズル１２３から吐出するインク量が減少し、液滴量を減少させることができる。これらの技術は、例えばノズル径などの吐出ヘッド１０３の機械的構成を変更することなく、液滴量を任意に変更させることができるため、１つのノズル１２３から複数の量の液滴を選択的に吐出させる場合などに広く用いられている技術である。
【００２８】
［ＱＣＭセンサ］
図４は、図１のＱＣＭセンサ１０６の構成を示す平面図である。水晶振動子１１０は、略正方形状を呈し、その両面に、一対の電極１１０ａ、１１０ｂが略対向した状態で取り付けられている。一対の電極１１０ａ、１１０ｂは、ＡｕやＰｔの金属で構成することができる。また、絶縁体１３１は、導電性を有する支持体１３３ａ、１３３ｂによって、水晶振動子１１０を振動自在に保持する。支持体１３３ａは、電極１１０ａと導通すると共に、絶縁体１３１に固定された端子１３２ａと導通している。同様に、支持体１３３ｂは、電極１１０ｂと導通すると共に、絶縁体１３１に固定された端子１３２ｂと導通している。また、同図において、ＰＥは電極１１０ｂの略中央位置を示している。
【００２９】
図５は、水晶振動子１１０の等価回路を示している。水晶振動子１１０は、電気的には、図５に示すように、抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ１およびＣｏと、コイルＬ１とで構成される電気回路と等価である。ここで、並列容量であるＣｏは、水晶振動子１１０の両面に設けられた電極１１０ａ、１１０ｂによって生成される容量成分である等価電極容量である。水晶振動子１１０は電気的な固有周波数を有しており、水晶振動子１１０の両側に設けた電極１１０ａ、１１０ｂを電源に接続すると、回路は固有周波数で発振を開始し、水晶振動子１１０も発振周波数と同じ周波数で振動する。発振する周波数は、主に、結晶の成長軸に対して水晶振動子１１０を切り出した角度と、水晶振動子１１０の厚さとによって定まり、また、水晶振動子１１０の振動形態は薄板を切り出した角度によって決定される。ＱＣＭでは、通常、ＡＴカットと呼ばれる所定の角度で切り出された水晶振動子１１０が用いられており、ＡＴカットされた水晶振動子１１０の振動形態は、厚みすべり振動、すなわち水晶振動子１１０の表面と裏面とが、水晶振動子１１０の厚み方向と直角方向に、互いにずれるように振動する形態となる。
【００３０】
水晶振動子１１０は、自身に作用する外力が一定であれば、一定の共振周波数にて振動するが、電極１１０ｂに液滴が付着して外力が変化すると、その変化量に応じて共振周波数が変化するという特性を有している。換言すると、電極１１０ｂに液滴が付着すると、水晶振動子１１０は、その液滴の重量および粘度に応じた共振周波数にて振動するという特性を有している。また、水晶振動子１１０は、電極１１０ｂに液体が付着すると、付着した液体の粘度に応じて、その共振抵抗値が変化するという特性を有している。後述するように、計測部１０７は、これらの水晶振動子１１０の特性を利用して、液滴の重量および粘度を算出する。
【００３１】
［液滴重量の測定原理］
図６は、図１の計測部１０７の概念図を示している。本実施の形態の計測部１０７は外部発振方式を使用している。図６において、計測部１０７では、水晶振動子１１０の一方の電極１１０ａに、発振器１５０で（振動電圧発振部１１１に対応）振動電圧Ｖｉｎを印加して水晶振動子１１０を励起する。ＲＦ電圧計１５１（測定部１１２に対応）は、励起された水晶振動子１１０の他方の電極１１０ｂから流れる電流Ｉｑ＝（Ｖｑ／ＲＬ）を測定する。これにより、印加した振動電圧と水晶振動子１１０を流れる電流の関係からその周波数に対する水晶振動子１１０の電気的なインピーダンスを求めることができる。インピーダンスは、共振周波数付近で大きく変化する。そこで、計測部１０７では、印加する振動電圧の周波数を掃引しながらインピーダンスを測定し、そのインピーダンスが最小となる周波数を求める。この周波数が直列共振周波数（ｆｓ）であり、このときの抵抗成分が共振抵抗となる。
【００３２】
図７は、水晶振動子１１０の共振周波数を測定する場合に使用される帰還型の自励式発振方式（従来方式）の概念図を示している。本実施の形態の外部発振方式を、図７に示す帰還型の自励式発振方式と比較して説明する。図７において、帰還型の自励式発振方式では、水晶振動子１１０を含む発振回路を共振状態としておき、電極に液滴が付着したことによって変化する共振周波数を周波数カウンタ１６０で計測する。そして、測定した共振周波数に基づいて、水晶振動子の電極面に付着した物質の重量を測定する。しかしながら、上述したように、水晶振動子１１０の共振周波数は付着した物質の粘弾性によっても変化する。このため、粘弾性的な特性を併せ持った物質が付着した場合、どちらかの影響によって変化したのか判別することができない。他方、共振抵抗は、主に粘弾性に比例することが知られている。本実施の形態の計測部１０７では、共振周波数と共振抵抗の両者を測定して、その変化が重量に起因するものか、粘弾性に起因するものかを判別している。
【００３３】
図８は、水晶振動子１１０のアドミッタンス線図を示している。上記図５の等価回路で表される水晶振動子のインピーダンスについて、周波数特性を測定し、これをＸ軸にＧ（コンダクタンス）、Ｙ軸にＢ（サセプタンス）成分を取ったインピーダンス平面上にプロットしたものである。同図に示すように、等価電極容量Ｃｏの影響によって、曲線は、全体がＢ軸上をωＣｏ分ずれてしまう。帰還型の自励式発振方式の共振点は、位相ずれが「０」になる点、すなわち、Ｂ成分が「０」になる点であるので、同図でｆｒで示している。Ｃｏのために共振点は、本来の水晶振動子の共振点であるｆｓ（直列共振周波数）からｆｒ（一般的に共振周波数と言う場合はｆｒを言う）にずれてしまう。
【００３４】
ここで、重量と周波数の比例関係はあくまでもｆｓについて成立する。したがって、ｆｒを基準とした帰還型の自励式発振方式では、重量と周波数の関係に誤差が生じる。具体的には、同図の（ａ）に示すように、負荷が小さくＧが大きいうちは（共振抵抗Ｒが小さいうち）は、円の半径が大きいためｆｓとｆｒの値にはあまり差がない。これに対して、同図の（ｂ）に示すように、負荷が増えてＧが極端に小さく（Ｒが大きく）なると、両者はずれで大きくなる。このため、ｆｒを共振周波数として測定する帰還型の自励式発振方式では、負荷が増えるにしたがって直線性が悪化する。これに対して、本実施の形態のような外部発振方式でｆｓを測定する方式では、このような直線性の劣化は生じない。
【００３５】
さらに、負荷が増えて、同図の（ｃ）のようになると、ｆｒ点が消えてしまうため、従来の帰還型の自励発振方式では発振することができなくなる。これに対して、本実施の形態の外部発振方式では、ｆｓを測定するため等価電極容量Ｃｏの影響がない。したがって、この場合でも共振点を見つけ出すことが可能となる。すなわち、本実施の形態の外部発振方式では、帰還型の自励発振方式に比して、重負荷での測定が可能となる。また、帰還型の自励発振方式では、発振の安定と精度の両方を得るためには使用する周波数に応じて発振回路をチューニングする必要がある。このため、同じ発振回路で広範な発振周波数に対応することが困難である。これに対して、本実施の形態の外部発振方式では、水晶振動子１１０を振動させる振動電圧を外部で生成するため、広範な周波数に回路変更なしで対応可能である。
【００３６】
つぎに、図１の計測部１０７を詳細に説明する。振動電圧発振部１１１は、ＱＣＭセンサ１０６の一方の電極１１０ａに振動電圧を印加して、水晶振動子１１０を振動させる。その際、振動電圧の周波数を低周波数から高周波数へと少しずつ変更して周波数の掃引を行う。測定部１１２は、ＱＣＭセンサ１０６の他方の電極１１０ｂから流れる電流Ｉｑ＝（Ｖｑ／ＲＬ）を測定し、印加した振動電圧と水晶振動子１１０を流れる電流の関係からその周波数に対する水晶振動子１１０の電気的なインピーダンスを算出する。そして、測定部１１２は、測定したインピーダンスが最小となる周波数（上述の直列共振周波数ｆｓ）を共振周波数値として算出し、このときのインピーダンスを共振抵抗値として算出する。測定部１１２は、算出した共振周波数値および共振抵抗値を演算部１１３に出力する。この場合、測定部１１２は、電極１１０ｂへの液滴の付着前における共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ（第１の共振周波数）と、付着後における共振周波数ｆａｆｔｅｒ（第２の共振周波数）を演算部１１３に出力する。演算部１１３は、以下のようにして、測定部１１２から入力される共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ、ｆａｆｔｅｒに基づいて、液滴の重量を算出し、また、測定部１１２から入力される共振抵抗に基づいて、液滴の粘度を算出する。
【００３７】
ここで、電極１１０ｂに付着した液滴の重量をＩｍとし、液滴の付着前後における共振周波数の変化量Δｆｒｅｑとすると、液滴の重量Ｉｍと、液滴の付着前後における共振周波数の変化量Δｆｒｅｑの関係は、下式（１）のように表すことができる。
【００３８】
【数１】

【００３９】
また、共振抵抗値をＲとし、電極１１０ｂに付着した液滴の粘度をηとすると、これらの関係は、下式（２）で表すことができる。
【００４０】
【数２】

【００４１】
演算部１１３は、測定部１１２から供給される電極１１０ｂへの液滴の付着前における共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ、付着後における共振周波数ｆａｆｔｅｒからその変化量Δｆｒｅｑ＝ｆｂｅｆｏｒｅ−ｆａｆｔｅｒを算出した後、変化量Δｆｒｅｑを上記式（１）に代入して、液滴の重量Ｉｍを算出する。また、演算部１１３は、測定部１１２から入力される電極１１０ｂに液滴の付着後の共振抵抗値Ｒを、上記式（２）に代入して、液滴の粘度ηを算出する。演算部１１３は、算出した液滴の粘度ηおよび重量Ｉｍを制御部１０１に出力する。
【００４２】
ところで、上述したように、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに汚染物が付着していると、液滴の重量Ｉｍを高精度に測定することができない。図９は、水晶振動子の共振周波数の変化を説明するための図である。同図において、横軸は時間、縦軸は共振周波数を示しており、実線は理想的な（汚染物が付着していない）水晶振動子１１０の共振周波数ｆの変化、破線はＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに汚染物が付着している場合の水晶振動子１１０の共振周波数ｆの変化を示している。同図に示すように、電極１１０ｂに対して液滴の付着前には、汚染物が付着している場合、汚染物が付着していない場合に比して、共振周波数ｆはΔｆｂｅｆｏｒｅ分シフトする。他方、電極１１０ｂに対して液滴の付着後には、汚染物が付着している場合、汚染物が付着していない場合に比して、共振周波数ｆはΔｆａｆｔｅｒ分シフトする。ΔｆｂｅｆｏｒｅとΔｆａｆｔｅｒの量は必ずしも一致しない。このように、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに汚染物が付着していると、水晶振動子１１０の共振周波数を正確に測定できないため、液滴の重量Ｉｍを高精度に測定することができない。
【００４３】
［液滴重量の測定フロー］
図１０は、図１の液滴吐出装置１００の液滴重量の測定フローを示す図である。なお、吐出ヘッド１０３は、ＱＣＭセンサ１０６上になく待機位置にあるものとする。制御部１０１は、不図示の操作部から液滴重量の測定の実行指示が入力されると、図１０に示すフローを実行する。図１０において、まず、計測部１０７では、振動電圧発振部１１１は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａに振動電圧を周波数掃引しながら印加する（ステップＳ１）。測定部１１２は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに流れる電流を検出してインピーダンスの変化を検出し、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａに液滴の付着前の水晶振動子１１０の共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅを算出して、演算部１１３に出力する（ステップＳ２）。演算部１１３は、この電極１１０ａに液滴の付着前の水晶振動子１１０の共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅを制御部１０１に出力する。
【００４４】
制御部１０１は、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅが所定範囲ｓｆ１（第１の所定範囲）内にあるか否かを判断する（ステップＳ３）。ここで、所定範囲ｓｆ１としては、例えば、基準とする共振周波数との誤差が略±５％以内の範囲とすることができる。また、基準とする共振周波数は、未使用のＱＣＭセンサ（液滴付着前）の水晶振動子の共振周波数とすることができる。この判断の結果、制御部１０１は、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅが所定範囲ｓｆ１内にない場合には（ステップＳ３の「Ｎｏ」）、表示部１０８にＱＣＭセンサ１０６が汚れている旨（例えば、「センサが汚れています。洗浄して下さい。」）を表示する（ステップＳ１１）。この表示を見て、操作者は、ＱＣＭセンサ１０６の洗浄を行うことができる。
【００４５】
他方、制御部１０１は、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅが所定範囲ｓｆ１内にある場合には（ステップＳ３の「Ｙｅｓ」）、液滴重量測定工程を実行する（ステップＳ４〜Ｓ１０）。まず、制御部１０１は、吐出ヘッド１０３から吐出された液滴が、水晶振動子１１０の電極１１０ｂの略中央位置（図４の地点ＰＥ参照）に付着するような位置まで、ヘッドキャリッジ１０２により吐出ヘッド１０３を搬送する（ステップＳ４）。ここで、電極１１０ｂの略中央位置としているのは、電極１１０ｂの略中央位置に液滴を付着させた場合、検出精度が向上するためである。
【００４６】
続いて、制御部１０１は、標準駆動波形に従って、吐出ヘッド１０３に含まれるピエゾ素子１２２に駆動信号を供給して、吐出ヘッド１０３から電極１１０ｂのＰＥに向けて液滴を吐出させる（ステップＳ５）。この後、制御部１０１は、ヘッドキャリッジ１０２により吐出ヘッド１０３を待機位置まで搬送する（ステップＳ６）。ここで、吐出ヘッド１０３を待機位置まで搬送しているのは、吐出ヘッド１０３がＱＣＭセンサ１０６の上方にある場合には、吐出ヘッド１０３の浮遊容量の影響によりＱＣＭセンサ１０６の出力が不安定になるからである。
【００４７】
この後、計測部１０７では、振動電圧発振部１１１は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ａに振動電圧を周波数掃引しながら印加する（ステップＳ７）。測定部１１２は、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに流れる電流を検出してインピーダンスの変化を検出し、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに液滴の付着後の共振周波数ｆａｆｔｅｒと、そのときの共振抵抗Ｒを算出して、演算部１１３に出力する（ステップＳ８）。
【００４８】
演算部１１３は、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ、ｆａｆｔｅｒに基づいて、共振周波数の変化量Δｆｒｅｑ＝ｆｂｅｆｏｒｅ−ｆａｆｔｅｒを算出し、算出したΔｆｒｅｑを上述した式（１）を用いて液滴の重量Ｉｍを算出する（ステップＳ９）。また、演算部１１３は、共振抵抗Ｒに基づいて、上述した式（２）を用いて液滴の粘度η算出する。演算部１１３は、算出した液滴の重量Ｉｍおよび粘度ηを制御部１０１に出力する。制御部１０１は、算出された液滴の重量Ｉｍおよび液滴の粘度ηを表示部１０８に表示する（ステップＳ１０）。
【００４９】
なお、制御部１０１は、算出した液滴の重量Ｉｍが所定値以下であるか否かを判断して、算出した液滴の重量Ｉｍが所定値以下である場合には、制御部１０１は、吐出ヘッド１０３のノズル詰まりまたはインクのエンドの可能性があると判断して、“ノズル詰まりまたはインクのエンド”の可能性がある旨を表示部１０８に表示することにてしも良い。また、制御部１０１は、以上のようにして測定した標準駆動波形の駆動信号で形成された液滴の重量Ｉｍに基づいて、吐出ヘッド１０３で描画対象物Ｗに描画を行う場合に、吐出ヘッド１０３に印加する駆動信号の駆動波形を変更することにしても良い。測定終了後には、操作者はＱＣＭセンサ１０６を取り外して、電極１１０ｂに付着した液滴を清掃して次の測定に備える。
【００５０】
以上説明したように、実施の形態１の液滴吐出装置１００によれば、測定部１２は、吐出ヘッド１０３から吐出される液滴が電極１１０ｂに付着前の水晶振動子１１０の共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ（第１の共振周波数）を検出する。制御部１０１は、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅが所定範囲ｓｆ１（第１の所定範囲）内に有るか否かを判定し、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅが所定範囲ｓｆ１内にない場合には、液滴重量測定工程を実行しない一方、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅが所定範囲ｓｆ１内にある場合には、液滴重量測定工程を実行する。これにより、ＱＣＭセンサ１０６に汚染物が付着していて正確に液滴の重量を測定できない場合には、液滴の重量の測定を回避でき、ＱＣＭセンサ１０６に汚染物が付着していない場合のみ液滴の重量を測定することができる。この結果、吐出ヘッド１０３から吐出される液滴の重量を高精度に測定することが可能な液滴重量測定装置を提供することができる。
【００５１】
また、実施の形態１によれば、制御部１０１は、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅが所定範囲ｓｆ１内にない場合には、ＱＣＭセンサ１０６が汚れている旨を表示部１０８に表示することとしたので、操作者はＱＣＭセンサ１０６の汚れを知ることができ、ＱＣＭセンサ１０６を清掃して再度液滴の重量の測定を行ったり、新品のＱＣＭセンサ１０６に交換して液滴の重量を測定することができる。本実施の形態１の液滴吐出装置１００は、工業用のインクジェット装置として使用することができ、例えば、配線、カラーフィルタ、配向膜、マイクロレンズアレイ、エレクトロルミネセンス材料、および生体物質等のパターン形成に使用することができる。
【００５２】
［変形例１］
図１１は、実施の形態１の変形例１にかかる液滴重量測定フローを示している。図１１において、図１０と同一の処理を行うステップは、同一のステップ番号を付し、その説明は省略する。実施の形態１では、上記図１０で説明したように、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ（第１の共振周波数）が所定範囲ｓｆ１（第１の所定範囲）内にない場合に、ＱＣＭセンサ１０６が汚れていると判断している。これに対して、変形例１では、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ（第１の所定範囲）が所定範囲内にある場合でも、さらに、共振周波数ｆａｆｔｅｒが所定範囲内にない場合には、ＱＣＭセンサが汚れていると判断して、より液滴重量の測定精度を向上させる。
【００５３】
図１１において、ステップＳ２０では、制御部１０１は、共振周波数ｆａｆｔｅｒ（第２の共振周波数）が所定範囲ｓｆ２（第２の所定範囲）内にあるか否かを判断する。ここで、所定範囲ｓｆ２としては、例えば、新品のＱＣＭセンサの所定量の液滴付着後の共振周波数との誤差が略±５％の以内の範囲とすることができる。この判断の結果、共振周波数ｆａｆｔｅｒ（第２の共振周波数）が所定範囲ｓｆ２（第２の所定範囲）内にない場合には（ステップＳ２０の「Ｎｏ」）、制御部１０１は、表示部１０８にＱＣＭセンサ１０６が汚れている旨（例えば、「センサが汚れています。洗浄して下さい。」）を表示する（ステップＳ１１）。他方、共振周波数ｆａｆｔｅｒ（第２の共振周波数）が所定範囲ｓｆ２（第２の所定範囲）内にある場合には（ステップＳ２０の「Ｙｅｓ」）、液滴の重量Ｉｍを算出する（ステップＳ９）。
【００５４】
変形例１によれば、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ（第１の共振周波数）が所定範囲ｓｆ１（第１の所定範囲）内にある場合でも、共振周波数ｆａｆｔｅｒ（第２の共振周波数）が所定範囲ｓｆ２（第２の所定範囲）内にない場合には、液滴の重量Ｉｍを測定しないこととしたので、より厳格にＱＣＭセンサ１０６の汚染物の付着を検出することができる。
【００５５】
また、制御部１０１は、共振周波数ｆａｆｔｅｒ（第２の共振周波数）が所定範囲ｓｆ２（第２の所定範囲）内にない場合には、表示部１０８にＱＣＭセンサ１０６が汚れている旨を表示することとしたので、操作者はＱＣＭセンサ１０６の汚れを知ることができ、ＱＣＭセンサ１０６を清掃して再度液滴の重量の測定を行ったり、新品のＱＣＭセンサ１０６に交換して液滴の重量を測定することができる。
【００５６】
（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２にかかる液滴吐出装置２００の全体の概略構成を示す図である。図１２において、図１と同等機能を有する部位には同一符号を付してある。実施の形態１の液滴吐出装置１００では、液滴重量の測定後に液滴が付着したＱＣＭセンサ１０６を操作者が清掃しなければならない。これに対して、実施の形態２の液滴吐出装置２００は、液滴が付着したＱＣＭセンサ１０６を洗浄する洗浄機構と、洗浄後にＱＣＭセンサ１０６を乾燥させる乾燥機構とを搭載してＱＣＭセンサ１０６を自動で洗浄および乾燥させる構成である。
【００５７】
図１２において、センサキャリッジ２０１は、制御部１０１の制御に従って、ＱＣＭセンサ１０６を主走査方向に搬送する。洗浄部２０２は、制御部１０１の制御に従って、ＱＣＭセンサ１０６に洗浄液を噴射してＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂの洗浄を行う。ここで、洗浄液としては、エタノール、イソプロピルアルコール、水等の溶媒を使用することができる。乾燥部２０３は、送風器等からなり、制御部１０１の制御に従って、洗浄部２０２で洗浄されたＱＣＭセンサ１０６に送風して、ＱＣＭセンサ１０６を乾燥させる。
【００５８】
図１３は、図１２の液滴吐出装置２００の液滴重量の測定フローを示す図である。図１３において、図１０と同一の処理を行うステップは、同一のステップ番号を付し、その説明は省略する。図１３において、ステップＳ３では、制御部１０１は、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ（第１の共振周波数）が所定範囲ｓｆ１（第１の所定範囲）内にあるか否かを判断し（ステップＳ３）、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅが所定範囲内にある場合には（ステップＳ３の「Ｙｅｓ」）、図１０と同様に液滴重量測定工程を実行する（ステップＳ４〜Ｓ１０）。
【００５９】
制御部１０１は、液滴重量測定工程が終了すると、洗浄工程（ステップＳ２１〜Ｓ２５）を実行する。まず、制御部１０１は、洗浄部２０２の下方位置まで、センサキャリッジ２０１によりＱＣＭセンサ１０６を搬送する（ステップＳ２１）。続いて、制御部１０１は、洗浄部２０２に、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに向けて洗浄液を噴射させる（ステップＳ２２）。この後、制御部１０１は、乾燥部２０３の下方位置まで、センサキャリッジ２０１によりＱＣＭセンサ１０６を搬送する（ステップＳ２３）。そして、制御部１０１は、乾燥部２０３に、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに向けて送風させる（ステップＳ２４）。この後、制御部１０１は、センサキャリッジ２０１によりＱＣＭセンサ１０６を待機位置まで搬送する（ステップＳ２５）。
【００６０】
他方、ステップＳ３において、制御部１０１は、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ（第１の共振周波数）が所定範囲ｓｆ１（第１の所定範囲）内にないと判断した場合には（ステップＳ３の「Ｎｏ」）、再洗浄工程（ステップＳ２６〜Ｓ３０）を実行する。再洗浄工程では、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに汚れが残っている場合に、再度洗浄して、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂの汚れを除去するものである。まず、制御部１０１は、洗浄部２０２の下方位置まで、センサキャリッジ２０１によりＱＣＭセンサ１０６を搬送する（ステップＳ２６）。続いて、制御部１０１は、洗浄部２０２に、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに向けて洗浄液を噴射させる（ステップＳ２７）。この後、制御部１０１は、乾燥部２０３の下方位置まで、センサキャリッジ２０１によりＱＣＭセンサ１０６を搬送する（ステップＳ２８）。そして、制御部１０１は、乾燥部２０３に、ＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに向けて送風させる（ステップＳ２９）。この後、制御部１０１は、センサキャリッジ２０１によりＱＣＭセンサ１０６を待機位置まで搬送する（ステップＳ３０）。再洗浄工程が終了すると、ステップＳ１に戻り、再度、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅを測定し、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅが所定範囲ｓｆ１内となった場合には（ステップＳ１〜Ｓ３）、液滴重量測定工程（ステップＳ４〜ステップＳ１０）が実行される。
【００６１】
以上説明したように、実施の形態２の液滴吐出装置２００によれば、ＱＣＭセンサ１０６を洗浄するための洗浄部２０２を備え、制御部１０１は、共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ（第１の共振周波数）が所定範囲ｓｆ１（第１の所定範囲）内にないと判断した場合には、洗浄部２０２にＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂを洗浄させ、洗浄後に測定した水晶振動子１６０の共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ（第１の共振周波数）が所定範囲ｓｆ１（第１の所定範囲）内となった場合には、液滴の重量を測定することとしたので、自動的にＱＣＭセンサ１０６の電極１１０ｂに付着した液滴を洗浄することができる。この結果、液滴重量の測定後に液滴が付着したＱＣＭセンサ１０６を操作者が清掃する必要がなくなる。
【００６２】
（実施の形態３）
図１４は、本発明の実施の形態３にかかる液滴吐出装置３００の概略構成を示す図である。実施の形態３にかかる液滴吐出装置３００は、インクジェットプリンタとしたものである。実施の形態３にかかる液滴吐出装置３００は、用紙搬送路３０４の一部にＱＣＭセンサ３０１が設けられており、また、キャリッジ３０２に吐出ヘッドが搭載されている。この吐出ヘッドから吐出される液滴（インク滴）の重量の測定原理は、実施の形態１と同様であるのでその説明は省略する。実施の形態３にかかる液滴吐出装置３００は、印刷用紙上でキャリッジ３０２を往復動させながら微細なインク滴を吐出することによって、印刷用紙上にインクドットを形成して画像を印刷するインクジェットプリンタである。
【００６３】
図１４を参照して、液滴吐出装置３００が用紙に画像を印刷する動作を簡単に説明する。キャリッジ３０２には、インク滴を吐出するための吐出ヘッドが内蔵されている。キャリッジ３０２の上面側に装着されたインクカートリッジ３０８は吐出ヘッドにインクを供給する。印刷用紙は紙送りローラ３０３によってキャリッジ３０２の下側の所定位置に搬送される。印刷用紙が所定位置にセットされると、キャリッジ３０２は印刷用紙上を往復動しながら吐出ヘッドからインク滴を吐出させる。キャリッジ３０２は、図示するように２本のガイドレール３０５に導かれ、駆動ベルト３０６を介してキャリッジモータ３０７によって駆動される。このように、キャリッジ３０２を往復動させる動作は主走査と呼ばれる。
【００６４】
キャリッジ３０２の主走査に同期させて紙送りローラ３０３を駆動し、印刷用紙を主走査方向と直角方向に少しずつ移動させる。このように、主走査方向と交差する方向に、吐出ヘッドと印刷用紙とを相対的に移動させる動作は副走査と呼ばれる。こうして、キャリッジ３０２を主走査させながら印刷用紙を副走査させ、これにあわせてインク滴を適切なタイミングで吐出することで印刷用紙上にインクドットを形成し、これによって画像を印刷している。
【００６５】
このように、本発明の液滴吐出装置は、インクジェットプリンタにも好適に使用することが可能である。なお、インク滴の代わりに試料液体の重量を測定する場合には、インクカートリッジ３０８を取り外して、インクの代わりに試料液体が収納された容器をキャリッジ３０２に装着することにすれば良い。本発明は、上記した実施の形態１〜実施の形態３に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる液滴吐出装置の全体の概略構成を示す図である。
【図２】吐出ヘッドの詳細な構成を示す図である。
【図３】吐出ヘッドから吐出する液滴の大きさを変更する原理を説明するための図である。
【図４】ＱＣＭセンサの構成を示す平面図である。
【図５】水晶振動子の等価回路を示す図である。
【図６】計測部の概念図である。
【図７】帰還型の自励発振方式の概念図である。
【図８】水晶振動子のアドミッタンス線図である。
【図９】水晶振動子の共振周波数の変化を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態１にかかる液滴吐出装置の液滴重量の測定フローを示す図である。
【図１１】変形例１にかかる液滴吐出装置の液滴重量の測定フローを示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態２にかかる液滴吐出装置の全体の概略構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２にかかる液滴吐出装置の液滴重量の測定フローを示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態３にかかる液滴吐出装置の全体の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１００液滴吐出装置、１０１制御部、１０２ヘッドキャリッジ、１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂ吐出ヘッド、１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂインクタンク、１０５ステージ、１０６ＱＣＭセンサ、１０７計測部、１０８表示部、１１０水晶振動子、１１０ａ、１１０ｂ電極、１１１振動電圧発振部、１１２測定部、１１３演算部、１２１圧力室、１２２、ピエゾ素子、１２３ノズル、１３１絶縁体、１３２ａ、１３２ｂ支持体、１３３ａ、１３３ｂ端子、２００液滴吐出装置、２０１センサキャリッジ、２０２洗浄部、２０３乾燥部、３００液滴吐出装置、３０１ＱＣＭセンサ、３０２キャリッジ、３０３紙送りローラ、３０４用紙搬送路、３０５ガイドレール、３０６駆動ベルト、３０７キャリッジモータ、３０８インクカートリッジ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a droplet weight measuring device and a droplet discharging device, and in particular, a droplet weight measuring device capable of measuring the weight of a droplet discharged from a discharge head and a droplet discharging device equipped with the droplet weight measuring device. About.
[0002]
[Prior art]
For example, a droplet discharge device is used for forming a color filter, an alignment film, and the like of a liquid crystal display device. In addition, the droplet discharge device is used in various industrial fields. The droplet discharge device has a droplet discharge mechanism called a discharge head. A plurality of nozzles are regularly formed in the discharge head. In a droplet discharge device, a pattern made of a discharge material is drawn on a substrate which is a component of some product by discharging a droplet of the discharge material from these nozzles. Recently, the pattern has been miniaturized, and it is necessary to accurately control the weight of droplets ejected from the ejection head. Therefore, it is indispensable to accurately measure the weight of fine droplets in order to accurately control the discharge amount of the droplets. The following devices are known as devices for measuring the weight of droplets ejected from the ejection head (see, for example, Patent Document 1). The apparatus includes a resonance unit whose resonance frequency changes depending on the mass of the attached droplet, the measurement unit measures the change in the resonance frequency, and the calculation unit measures the mass of the droplet based on the change in the resonance frequency. Is.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2002-139370 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to this apparatus, since the weight of the droplet is measured with a slight change in the resonance frequency of the resonance part, the resonance frequency fluctuates if any contaminants remain in the resonance part. There is a problem that the weight cannot be measured.
[0005]
The present invention has been made in view of the above, and a droplet weight measuring device capable of measuring the weight of a droplet discharged from a discharge head with high accuracy and a liquid equipped with the droplet weight measuring device. An object is to provide a droplet discharge device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems and achieve the object, according to the present invention, in a droplet weight measuring apparatus for measuring the weight of droplets ejected from an ejection head, a driving signal is applied to the ejection head to An ejection head control means for ejecting droplets; a detection means comprising a piezoelectric vibrator having electrodes formed on both sides; and a resonance frequency of the piezoelectric vibrator before the droplet ejected from the ejection head adheres to the electrode And a first resonance frequency detecting means for detecting the resonance frequency of the piezoelectric vibrator after the liquid droplets discharged from the discharge head adhere to the electrode as a second resonance frequency. Second resonance frequency detecting means, and a droplet weight measuring means for measuring the weight of the droplet attached to the electrode based on the amount of change between the first resonance frequency and the second resonance frequency; The first Vibration frequency is determined whether there exists within the first predetermined area, based on the determination result, characterized by comprising a control means for controlling the execution of the weighing of the droplet.
[0007]
The first resonance frequency measuring means detects the resonance frequency of the piezoelectric vibrator before the droplet discharged from the discharge head adheres to the electrode as the first resonance frequency. The control means determines whether or not the first resonance frequency is within a first predetermined range, and controls execution of the weight measurement of the droplet based on the determination result. Here, the case where the first resonance frequency is not within the first predetermined range is a case where contaminants are attached to the detection means and the weight of the droplet cannot be measured accurately. The control means does not perform droplet weight measurement when the first resonance frequency is not within the first predetermined range, while the first resonance frequency is within the first predetermined range. In this case, by measuring the weight of the droplet, it is possible to avoid the measurement of the weight of the droplet when contaminants are attached to the detection unit and the weight of the droplet cannot be measured accurately. As a result, it is possible to provide a droplet weight measuring apparatus capable of measuring the weight of droplets discharged from the discharge head with high accuracy.
[0008]
According to a preferred aspect of the present invention, when the first resonance frequency is not within the first predetermined range, the control means does not perform droplet weight measurement while the first resonance frequency is not within the first predetermined range. When the resonance frequency is within the first predetermined range, it is desirable to perform weight measurement of the droplet. As a result, when the contaminant is attached to the detection means and the weight of the droplet cannot be measured accurately, the measurement of the weight of the droplet can be avoided, and only when the contaminant is not attached to the detection means. Can be measured.
[0009]
According to a preferred aspect of the present invention, the information processing apparatus further includes display means for displaying information, and the control means, when the first resonance frequency is not within the first predetermined range, It is desirable to display the effect on the display means. As a result, the operator can know the contamination of the detection means, clean the detection means and measure the weight of the droplet again, or replace it with a new detection means to measure the weight of the droplet. Can do.
[0010]
Further, according to a preferred aspect of the present invention, when the first resonance frequency is in the first predetermined range, the control means further has the second resonance frequency in a second predetermined range. When the second resonance frequency is not within the second predetermined range, it is desirable not to perform the weight measurement of the droplet. Thereby, it is possible to detect adhesion of contaminants of the detection means more strictly.
[0011]
Further, according to a preferred aspect of the present invention, there is further provided display means for displaying information, wherein the control means, when the second resonance frequency is not within the second predetermined range, It is desirable to display the effect on the display means. As a result, the operator can know the contamination of the detection means, clean the detection means and measure the weight of the droplet again, or replace it with a new detection means to measure the weight of the droplet. Can do.
[0012]
Further, according to a preferred aspect of the present invention, the apparatus further comprises a cleaning unit for cleaning the electrode, and the control unit is configured such that when the first resonance frequency is not within the first predetermined range, It is desirable that when the cleaning means cleans the electrode and the first resonance frequency after the cleaning is within the first predetermined range, the weight measurement of the droplet is performed. Thereby, the droplets adhering to the electrode of the detection means can be automatically washed. As a result, it is not necessary for the operator to clean the detection means to which the droplets adhere after measuring the droplet weight.
[0013]
According to a preferred aspect of the present invention, it is desirable that the piezoelectric vibrator is a quartz crystal vibrator. Thereby, the change of the resonance frequency by adhesion of a droplet can be detected with high accuracy.
[0014]
According to a preferred aspect of the present invention, it is desirable to mount the above-described droplet weight measuring device on the droplet discharge device. Thereby, the weight of the droplet discharged from the discharge head by the droplet discharge device can be measured with high accuracy.
[0015]
According to a preferred aspect of the present invention, the droplet discharge device is used for pattern formation of any one of a wiring, a color filter, an alignment film, a microlens array, an electroluminescent material, and a biological material. It is desirable to do. Thereby, the pattern formation of any one of wiring, a color filter, an alignment film, a microlens array, an electroluminescent material, and a biological substance can be performed using the droplet discharge device of the present invention.
[0016]
According to a preferred aspect of the present invention, it is desirable that the droplet discharge device is an ink jet printer. As a result, the droplet discharge device of the present invention can be used as an ink jet printer.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of a droplet weight measuring device and a droplet discharge device equipped with the droplet weight measuring device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
(Embodiment 1)
The droplet discharge device according to the first exemplary embodiment of the present invention includes the following: [Entire configuration of droplet discharge device], [Discharge head], [QCM sensor], [Measurement principle of droplet weight], [Measurement of droplet weight] [Flow] will be described in this order.
[0018]
[Entire configuration of droplet discharge device]
FIG. 1 is a diagram showing an overall schematic configuration of a droplet discharge apparatus 100 according to Embodiment 1 of the present invention. The droplet discharge device 100 according to the first embodiment has a configuration in which a sensor called QCM (Quartz-Crystal Microbalance) is mounted. The droplet discharge apparatus 100 of the present embodiment mainly includes a control unit 101, a head carriage 102, discharge heads 103R, 103G, and 103B,

ink tanks

104R, 104G, and 104B, a stage 105, and a QCM sensor 106. The measuring unit 107 and the display unit 108 are provided.
[0019]
The control unit 101 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM, a RAM, and the like, and controls the entire droplet discharge device 100. Specifically, the control unit 101 controls the operation of drawing with the discharge heads 103R, G, and B on the target object W such as a substrate placed on the stage 105, and is discharged from the discharge heads 103R, G, and B. The operation of measuring the weight of the droplet is controlled. The head carriage 102 conveys the ejection heads 103R, 103G, and 103B in the sub-scanning direction (X-axis direction) under the control of the control unit 101. The ejection heads 103 R, 103 G, and 103 B are carried by the head carriage 102 and move together with the head carriage 102, and eject liquid droplets from the nozzles according to a drive signal input from the control unit 101.
[0020]
The

ink tanks

104R, 104G, and 104B are filled with R, G, and B inks, and supply the R, G, and B inks to the ejection heads 103R, 103G, and 103B, respectively. The stage 105 has a drawing object W such as a substrate placed thereon, and is conveyed in the main scanning direction (Y-axis direction) by a drive mechanism (not shown) according to the control of the control unit 101. The QCM sensor 106 includes a crystal resonator 110 that is a piezoelectric resonator and

electrodes

110 a and 110 b formed on both surfaces of the crystal resonator 110. The QCM sensor 106 is used when measuring the weight of droplets ejected from the ejection heads 103R, 103G, and 103B. Further, the QCM sensor 106 is detachably provided, and the QCM sensor 106 can be removed and cleaned. The measuring unit 107 has a resonance frequency (first resonance frequency) of the crystal unit 110 before the droplet is attached to the electrode 110b of the QCM sensor 106 and a resonance frequency (first resonance frequency) of the crystal unit 110 after the droplet is attached. The second resonance frequency) is detected, the weight of the droplet attached to the electrode 110b is measured, and the measurement result is output to the control unit 101. The display unit 108 includes, for example, an LCD monitor, and displays the measurement result of the weight of the droplets according to the control of the control unit 101.
[0021]
[Discharge head]
FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of the ejection head 103R in FIG. As shown in FIG. 2, the ejection head 103 R includes a pressure chamber 121, a piezo element 122, and a nozzle 123. The pressure chamber 121 communicates with the ink tank 104R and temporarily stores the red ink supplied from the ink tank 104R. As is well known, the piezo element 122 is an element that transforms electro-mechanical energy at an extremely high speed by distorting the crystal structure when a voltage is applied. The piezo element 122 deforms the inner surface of the pressure chamber 121 according to the drive signal supplied from the control unit 101, and increases or decreases the pressure of the red ink in the pressure chamber 121. In the ejection head 103R, the red ink is ejected as a droplet IP from the nozzle 123 in accordance with the pressure increase / decrease of the red ink by the piezo element 122.
[0022]
The ejection head 103G has the same configuration as the ejection head 103R, and ejects the green ink supplied from the ink tank 104G as droplets in accordance with the drive signal supplied from the control unit 101. Similarly, the ejection head 103B ejects blue ink supplied from the ink tank 104B as droplets in response to a drive signal supplied from the control unit 101. In this embodiment, for convenience of explanation, red ink, green ink, and blue ink have their liquid properties (for example, viscosity characteristics according to temperature) substantially the same, and under the same conditions, It shall exhibit similar fluid behavior. Therefore, if the conditions for droplet ejection are exactly the same, the same amount of droplets is ejected regardless of which ink is used. In the following description, when it is not necessary to distinguish each of the ejection heads 103R, 103G, and 103B, the ejection head 103 is described, and similarly, each of the

ink tanks

104R, 104G, and 104B is particularly distinguished. When it is not necessary to do this, it is described as an ink tank 104.
[0023]
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of changing the size of the ejected droplet IP by controlling the drive waveform of the drive signal applied to the piezo element 122. In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents drive voltage. In the figure, during the period from time “0” to time “T1”, the drive signal supplied to the piezo element 122 has a constant value “V”. _M In this case, the piezo element 122 is not deformed. In the subsequent period from time “T1” to time “T2”, the drive signal is “V _M To V _H To "". In response to this, the piezo element 122 is deformed so that the ink in the pressure chamber 121 is depressurized, and the ink flows from the ink tank 104 into the pressure chamber 121.
[0024]
Next, during the period from time “T2” to time “T3”, the drive signal is a constant value “V”. _H The drive signal is “V” between time “T3” and time “T4”. _H To V _L ” As the drive signal falls, the piezo element 122 is deformed so as to increase the pressure in the pressure chamber 121, and the red ink in the pressure chamber 121 is ejected in a state of being connected from the nozzle 123. In the following description, the period from time “T3” to time “T4” is referred to as a voltage drop period ΔT, and the amount of voltage “V” that falls during the voltage drop period ΔT _H -V _L Is referred to as a voltage drop amount ΔV.
[0025]
Next, between time “T4” and time “T5”, the drive signal has a constant value “V”. _L The drive signal is “V” between time “T5” and time “T6”. _L To V _M To "". Due to the increase in the drive signal, the piezo element 122 is deformed so that the pressure of the ink in the pressure chamber decreases, and the ink once ejected during the above-described voltage decrease period ΔT is pulled back, and a part of the piezoelectric element 122 becomes a droplet IP. Discharge.
[0026]
Here, for convenience of explanation, a technique for changing the droplet amount by adjusting the voltage drop period ΔT or the voltage drop amount ΔV in the drive waveform will be described. First, when the voltage drop period ΔT is shortened, the period for increasing the pressure of the solution is shortened, the momentum of ink ejected from the nozzle 123 within the voltage drop time ΔT is increased, and the amount of droplets can be increased. Conversely, if the voltage drop period ΔT is lengthened, the momentum of the ink ejected from the nozzle 123 is lowered, and the droplet amount can be reduced.
[0027]
On the other hand, when the voltage drop amount ΔV is increased, the ink pressure increase amount is increased, the amount of ink ejected from the nozzle 123 within the voltage drop time ΔT is increased, and the droplet amount can be increased. Conversely, when the voltage drop amount ΔV is reduced, the amount of ink ejected from the nozzle 123 is reduced, and the droplet amount can be reduced. Since these techniques can arbitrarily change the droplet amount without changing the mechanical configuration of the ejection head 103 such as the nozzle diameter, for example, a plurality of droplets from one nozzle 123 can be selectively selected. This technique is widely used in the case of discharging the ink.
[0028]
[QCM sensor]
FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the QCM sensor 106 of FIG. The crystal unit 110 has a substantially square shape, and a pair of

electrodes

110a and 110b are attached to both surfaces thereof so as to face each other. The pair of

electrodes

110a and 110b can be made of a metal such as Au or Pt. Further, the insulator 131 holds the crystal unit 110 in a freely oscillating manner by the conductive supports 133a and 133b. The support 133a is electrically connected to the electrode 110a and electrically connected to the terminal 132a fixed to the insulator 131. Similarly, the support 133b is electrically connected to the electrode 110b and is electrically connected to the terminal 132b fixed to the insulator 131. Moreover, in the same figure, PE has shown the approximate center position of the electrode 110b.
[0029]
FIG. 5 shows an equivalent circuit of the crystal unit 110. As shown in FIG. 5, the crystal unit 110 is electrically equivalent to an electric circuit including a resistor R1, capacitors C1 and Co, and a coil L1. Here, Co, which is a parallel capacitance, is an equivalent electrode capacitance that is a capacitance component generated by the

electrodes

110 a and 110 b provided on both surfaces of the crystal unit 110. The crystal unit 110 has an electric natural frequency. When the

electrodes

110a and 110b provided on both sides of the crystal unit 110 are connected to a power source, the circuit starts oscillating at the natural frequency. Vibrates at the same frequency as the oscillation frequency. The oscillation frequency is determined mainly by the angle at which the crystal unit 110 is cut out with respect to the crystal growth axis and the thickness of the crystal unit 110, and the vibration mode of the crystal unit 110 is the angle at which a thin plate is cut out. Determined by. In the QCM, a crystal resonator 110 cut out at a predetermined angle called AT cut is usually used, and a vibration form of the AT cut crystal resonator 110 is a thickness-shear vibration, that is, a surface of the crystal resonator 110. And the back surface vibrate so as to deviate from each other in the direction perpendicular to the thickness direction of the crystal unit 110.
[0030]
If the external force acting on the crystal unit 110 is constant, the crystal unit 110 vibrates at a constant resonance frequency. However, when the external force changes due to the droplets adhering to the electrode 110b, the resonance frequency changes according to the amount of change. It has the property of changing. In other words, when a droplet adheres to the electrode 110b, the crystal unit 110 has a characteristic of vibrating at a resonance frequency corresponding to the weight and viscosity of the droplet. Further, the crystal resonator 110 has a characteristic that when a liquid adheres to the electrode 110b, a resonance resistance value thereof changes according to the viscosity of the adhering liquid. As will be described later, the measurement unit 107 calculates the weight and viscosity of the droplet by using the characteristics of the crystal unit 110.
[0031]
[Measurement principle of drop weight]
FIG. 6 shows a conceptual diagram of the measurement unit 107 of FIG. The measurement unit 107 in this embodiment uses an external oscillation method. In FIG. 6, in the measurement unit 107, the oscillation voltage Vin is applied to one electrode 110 a of the crystal resonator 110 by the oscillator 150 (corresponding to the oscillation voltage oscillation unit 111) to excite the crystal resonator 110. The RF voltmeter 151 (corresponding to the measurement unit 112) measures the current Iq = (Vq / RL) flowing from the other electrode 110b of the excited crystal unit 110. Thereby, the electrical impedance of the crystal unit 110 with respect to the frequency can be obtained from the relationship between the applied vibration voltage and the current flowing through the crystal unit 110. The impedance changes greatly near the resonance frequency. Therefore, the measurement unit 107 measures the impedance while sweeping the frequency of the applied oscillating voltage, and obtains the frequency at which the impedance is minimized. This frequency is the series resonance frequency (fs), and the resistance component at this time is the resonance resistance.
[0032]
FIG. 7 is a conceptual diagram of a feedback self-excited oscillation method (conventional method) used when measuring the resonance frequency of the crystal unit 110. The external oscillation system of this embodiment will be described in comparison with the feedback self-excited oscillation system shown in FIG. In FIG. 7, in the feedback self-excited oscillation method, the oscillation circuit including the quartz crystal resonator 110 is set in a resonance state, and the resonance frequency that changes when a droplet adheres to the electrode is measured by the frequency counter 160. Then, based on the measured resonance frequency, the weight of the substance attached to the electrode surface of the crystal resonator is measured. However, as described above, the resonance frequency of the crystal unit 110 also changes depending on the viscoelasticity of the adhered substance. For this reason, when a substance having both viscoelastic properties adheres, it cannot be determined whether the change has occurred due to either of the influences. On the other hand, it is known that resonance resistance is mainly proportional to viscoelasticity. The measurement unit 107 of the present embodiment measures both the resonance frequency and the resonance resistance to determine whether the change is due to weight or viscoelasticity.
[0033]
FIG. 8 shows an admittance diagram of the crystal unit 110. The frequency characteristics of the crystal resonator impedance represented by the equivalent circuit in FIG. 5 above were measured and plotted on an impedance plane with the G (conductance) component on the X axis and the B (susceptance) component on the Y axis. Is. As shown in the figure, the entire curve is shifted on the B axis by ωCo due to the influence of the equivalent electrode capacitance Co. Since the resonance point of the feedback self-excited oscillation system is a point where the phase shift is “0”, that is, a point where the B component is “0”, it is indicated by fr in FIG. Because of Co, the resonance point shifts from fs (series resonance frequency), which is the resonance point of the original crystal resonator, to fr (generally speaking, fr is referred to as the resonance frequency).
[0034]
Here, the proportional relationship between the weight and the frequency holds true for fs. Therefore, in the feedback self-excited oscillation method based on fr, an error occurs in the relationship between weight and frequency. Specifically, as shown in FIG. 5A, when the load is small and G is large (while the resonance resistance R is small), the radius of the circle is large, so there is not much difference between the values of fs and fr. Absent. On the other hand, as shown in (b) of the figure, when the load increases and G becomes extremely small (R becomes large), both of them become large by deviation. For this reason, in the feedback self-excited oscillation method that measures fr as the resonance frequency, linearity deteriorates as the load increases. On the other hand, in the method of measuring fs by the external oscillation method as in the present embodiment, such linearity degradation does not occur.
[0035]
Further, when the load increases and the state becomes as shown in (c) of the figure, the fr point disappears, so that the conventional feedback self-oscillation method cannot oscillate. On the other hand, in the external oscillation system according to the present embodiment, fs is measured and thus there is no influence of the equivalent electrode capacitance Co. Therefore, even in this case, the resonance point can be found. That is, the external oscillation method of the present embodiment enables measurement with a heavy load as compared with the feedback self-excited oscillation method. Further, in the feedback self-excited oscillation method, it is necessary to tune the oscillation circuit according to the frequency to be used in order to obtain both stable and accurate oscillation. For this reason, it is difficult to cope with a wide range of oscillation frequencies with the same oscillation circuit. On the other hand, in the external oscillation system according to the present embodiment, since an oscillating voltage for oscillating the crystal unit 110 is generated outside, it is possible to cope with a wide range of frequencies without changing the circuit.
[0036]
Next, the measuring unit 107 in FIG. 1 will be described in detail. The oscillating voltage oscillator 111 applies an oscillating voltage to one electrode 110 a of the QCM sensor 106 to oscillate the crystal unit 110. At that time, the frequency of the oscillating voltage is changed little by little from the low frequency to the high frequency to sweep the frequency. The measurement unit 112 measures the current Iq = (Vq / RL) flowing from the other electrode 110b of the QCM sensor 106, and the relationship between the applied vibration voltage and the current flowing through the crystal resonator 110 causes the frequency of the crystal resonator 110 to correspond to that frequency. Calculate electrical impedance. Then, the measurement unit 112 calculates a frequency (the above-described series resonance frequency fs) at which the measured impedance is minimum as the resonance frequency value, and calculates the impedance at this time as the resonance resistance value. The measurement unit 112 outputs the calculated resonance frequency value and resonance resistance value to the calculation unit 113. In this case, the measurement unit 112 outputs the resonance frequency fbefore (first resonance frequency) before the droplet is attached to the electrode 110b and the resonance frequency after (second resonance frequency) after the attachment to the calculation unit 113. . The calculation unit 113 calculates the weight of the droplet based on the resonance frequencies fbefore and after input from the measurement unit 112 as described below, and based on the resonance resistance input from the measurement unit 112. Calculate the viscosity of the droplet.
[0037]
Here, assuming that the weight of the droplet attached to the electrode 110b is Im and the amount of change Δfreq of the resonance frequency before and after the attachment of the droplet, the weight of the droplet Im and the amount of change Δfreq of the resonance frequency before and after the attachment of the droplet. Can be expressed as in the following formula (1).
[0038]
[Expression 1]

[0039]
Further, when the resonance resistance value is R and the viscosity of the droplet attached to the electrode 110b is η, these relationships can be expressed by the following equation (2).
[0040]
[Expression 2]

[0041]
The calculation unit 113 calculates the change amount Δfreq = fbefore-fafter from the resonance frequency fbefore before adhesion of the droplet to the electrode 110b supplied from the measurement unit 112 and the resonance frequency after adhesion, and then calculates the change amount Δfreq. Substituting into the above equation (1), the droplet weight Im is calculated. Further, the calculation unit 113 calculates the viscosity η of the droplet by substituting the resonance resistance value R after the droplet adheres to the electrode 110b input from the measurement unit 112 into the above equation (2). The calculation unit 113 outputs the calculated droplet viscosity η and weight Im to the control unit 101.
[0042]
By the way, as described above, when contaminants adhere to the electrode 110b of the QCM sensor 106, the weight Im of the droplet cannot be measured with high accuracy. FIG. 9 is a diagram for explaining a change in the resonance frequency of the crystal resonator. In the figure, the horizontal axis represents time, the vertical axis represents the resonance frequency, the solid line represents the change in the resonance frequency f of the ideal crystal unit 110 (contamination is not attached), and the broken line represents the QCM sensor 106. A change in the resonance frequency f of the crystal unit 110 when contaminants are attached to the electrode 110b is shown. As shown in the figure, the resonance frequency f is shifted by Δfbefore when the contaminant is attached to the electrode 110b before the droplet is attached, compared to the case where the contaminant is not attached. . On the other hand, after the droplet is attached to the electrode 110b, the resonance frequency f is shifted by Δfafter when the contaminant is attached, compared to the case where the contaminant is not attached. The amount of Δfbefore and Δfafter does not necessarily match. Thus, if contaminants are attached to the electrode 110b of the QCM sensor 106, the resonance frequency of the crystal unit 110 cannot be measured accurately, and thus the weight Im of the droplet cannot be measured with high accuracy.
[0043]
[Drop weight measurement flow]
FIG. 10 is a diagram showing a measurement flow of the droplet weight of the droplet discharge device 100 of FIG. It is assumed that the ejection head 103 is not on the QCM sensor 106 but is in a standby position. The control unit 101 executes the flow shown in FIG. 10 when an instruction to execute measurement of droplet weight is input from an operation unit (not shown). In FIG. 10, first, in the measurement unit 107, the oscillating voltage oscillation unit 111 applies the oscillating voltage to the electrode 110a of the QCM sensor 106 while sweeping the frequency (step S1). The measurement unit 112 detects a current flowing through the electrode 110b of the QCM sensor 106 to detect a change in impedance, and calculates a resonance frequency fbefore of the crystal unit 110 before the droplet is attached to the electrode 110a of the QCM sensor 106. And output to the calculation unit 113 (step S2). The calculation unit 113 outputs the resonance frequency fbefore of the crystal unit 110 before the droplet is attached to the electrode 110 a to the control unit 101.
[0044]
The control unit 101 determines whether or not the resonance frequency fbefore is within the predetermined range sf1 (first predetermined range) (step S3). Here, as the predetermined range sf1, for example, an error from the reference resonance frequency can be set within a range of approximately ± 5%. Further, the reference resonance frequency can be the resonance frequency of the crystal unit of an unused QCM sensor (before droplet adhesion). As a result of this determination, when the resonance frequency fbefore is not within the predetermined range sf1 (“No” in step S3), the control unit 101 indicates that the QCM sensor 106 is dirty on the display unit 108 (for example, “Sensor "It is dirty. Please clean.") Is displayed (step S11). Viewing this display, the operator can clean the QCM sensor 106.
[0045]
On the other hand, when the resonance frequency fbefore is within the predetermined range sf1 (“Yes” in step S3), the control unit 101 performs a droplet weight measurement process (steps S4 to S10). First, the control unit 101 ejects the liquid droplets ejected from the ejection head 103 by the head carriage 102 to such a position that the droplets adhere to the substantially central position of the electrode 110b of the crystal resonator 110 (see the point PE in FIG. 4). The head 103 is conveyed (step S4). Here, the reason why the approximate center position of the electrode 110b is used is that the detection accuracy is improved when a droplet is attached to the approximately center position of the electrode 110b.
[0046]
Subsequently, the control unit 101 supplies a drive signal to the piezo element 122 included in the discharge head 103 according to the standard drive waveform, and discharges droplets from the discharge head 103 toward the PE of the electrode 110b (step S5). . Thereafter, the control unit 101 conveys the ejection head 103 to the standby position by the head carriage 102 (step S6). Here, the ejection head 103 is transported to the standby position when the ejection head 103 is above the QCM sensor 106, and the output of the QCM sensor 106 becomes unstable due to the floating capacitance of the ejection head 103. Because it becomes.
[0047]
Thereafter, in the measurement unit 107, the vibration voltage oscillation unit 111 applies the vibration voltage to the electrode 110a of the QCM sensor 106 while sweeping the frequency (step S7). The measurement unit 112 detects a change in impedance by detecting a current flowing through the electrode 110b of the QCM sensor 106, and calculates the resonance frequency after the droplet is attached to the electrode 110b of the QCM sensor 106 and the resonance resistance R at that time. Calculate and output to the calculation unit 113 (step S8).
[0048]
The calculation unit 113 calculates the resonance frequency change amount Δfreq = fbefore−fafter based on the resonance frequencies f before and after, and calculates the weight Im of the liquid droplet using the above-described equation (1) ( Step S9). In addition, the calculation unit 113 calculates the viscosity η of the droplet based on the resonance resistance R using the above-described equation (2). The calculation unit 113 outputs the calculated droplet weight Im and viscosity η to the control unit 101. The control unit 101 displays the calculated droplet weight Im and droplet viscosity η on the display unit 108 (step S10).
[0049]
The control unit 101 determines whether or not the calculated droplet weight Im is equal to or less than a predetermined value. If the calculated droplet weight Im is equal to or less than the predetermined value, the control unit 101 It may be determined that there is a possibility of nozzle clogging or ink end of the ejection head 103, and the display unit 108 may display that there is a possibility of “nozzle clogging or ink end”. Further, the control unit 101 uses the ejection head 103 to draw on the drawing object W based on the weight Im of the droplet formed by the drive signal having the standard drive waveform measured as described above. The drive waveform of the drive signal applied to 103 may be changed. After the measurement is completed, the operator removes the QCM sensor 106 and cleans the droplets adhering to the electrode 110b to prepare for the next measurement.
[0050]
As described above, according to the droplet discharge device 100 of the first embodiment, the measurement unit 12 uses the resonance frequency fbefore (of the crystal resonator 110 before the droplet discharged from the discharge head 103 adheres to the electrode 110b. 1st resonance frequency) is detected. The control unit 101 determines whether or not the resonance frequency fbefore is within the predetermined range sf1 (first predetermined range). If the resonance frequency fbefore is not within the predetermined range sf1, the droplet weight measurement process is executed. On the other hand, if the resonance frequency fbefore is within the predetermined range sf1, the droplet weight measurement step is executed. Thus, when the contaminant is attached to the QCM sensor 106 and the weight of the droplet cannot be measured accurately, the measurement of the weight of the droplet can be avoided, and only when the contaminant is not attached to the QCM sensor 106. The weight of the droplet can be measured. As a result, it is possible to provide a droplet weight measuring apparatus capable of measuring the weight of the droplets ejected from the ejection head 103 with high accuracy.
[0051]
Further, according to the first embodiment, when the resonance frequency fbefore is not within the predetermined range sf1, the control unit 101 displays on the display unit 108 that the QCM sensor 106 is dirty. A person can know the contamination of the QCM sensor 106, clean the QCM sensor 106 and measure the weight of the droplet again, or replace it with a new QCM sensor 106 to measure the weight of the droplet. . The droplet discharge device 100 according to the first embodiment can be used as an industrial inkjet device. For example, a pattern such as a wiring, a color filter, an alignment film, a microlens array, an electroluminescent material, and a biological material. Can be used for forming.
[0052]
[Modification 1]
FIG. 11 shows a droplet weight measurement flow according to the first modification of the first embodiment. 11, steps that perform the same processing as in FIG. 10 are assigned the same step numbers, and descriptions thereof are omitted. In the first embodiment, as described with reference to FIG. 10, the QCM sensor 106 is contaminated when the resonance frequency fbefore (first resonance frequency) is not within the predetermined range sf1 (first predetermined range). Deciding. On the other hand, in the first modification, even when the resonance frequency fbefore (first predetermined range) is within the predetermined range and the resonance frequency after is not within the predetermined range, the QCM sensor is dirty. Therefore, the measurement accuracy of the droplet weight is further improved.
[0053]
In FIG. 11, in step S 20, the control unit 101 determines whether or not the resonance frequency “fafter” (second resonance frequency) is within a predetermined range sf 2 (second predetermined range). Here, the predetermined range sf2 can be, for example, a range in which an error with respect to the resonance frequency after a predetermined amount of droplets is deposited is approximately within ± 5% of a new QCM sensor. If the result of this determination is that the resonance frequency after (second resonance frequency) is not within the predetermined range sf2 (second predetermined range) (“No” in step S20), the control unit 101 causes the display unit 108 to A message indicating that the QCM sensor 106 is dirty (for example, “the sensor is dirty. Please clean.”) Is displayed (step S11). On the other hand, when the resonance frequency after (second resonance frequency) is within the predetermined range sf2 (second predetermined range) (“Yes” in step S20), the droplet weight Im is calculated (step S9). .
[0054]
According to the first modification, even when the resonance frequency fbefore (first resonance frequency) is within the predetermined range sf1 (first predetermined range), the resonance frequency after (second resonance frequency) is within the predetermined range sf2 (first resonance frequency). In the case where it is not within the predetermined range (2), since the weight Im of the droplet is not measured, it is possible to detect the adhesion of the contaminant on the QCM sensor 106 more strictly.
[0055]
Further, when the resonance frequency after (second resonance frequency) is not within the predetermined range sf2 (second predetermined range), the control unit 101 displays on the display unit 108 that the QCM sensor 106 is dirty. Therefore, the operator can know the dirt on the QCM sensor 106, clean the QCM sensor 106 and measure the weight of the droplet again, or replace it with a new QCM sensor 106 to determine the weight of the droplet. Can be measured.
[0056]
(Embodiment 2)
FIG. 12 is a diagram showing an overall schematic configuration of a droplet discharge device 200 according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 12, parts having the same functions as those in FIG. In the droplet discharge device 100 of the first embodiment, the operator must clean the QCM sensor 106 to which the droplet has adhered after measuring the droplet weight. On the other hand, the droplet discharge device 200 according to the second embodiment is equipped with a cleaning mechanism for cleaning the QCM sensor 106 to which droplets adhere and a drying mechanism for drying the QCM sensor 106 after cleaning. It is the structure which wash | cleans and dries automatically.
[0057]
In FIG. 12, the sensor carriage 201 conveys the QCM sensor 106 in the main scanning direction under the control of the control unit 101. The cleaning unit 202 cleans the electrode 110b of the QCM sensor 106 by injecting a cleaning liquid onto the QCM sensor 106 under the control of the control unit 101. Here, a solvent such as ethanol, isopropyl alcohol or water can be used as the cleaning liquid. The drying unit 203 includes a blower or the like, and blows air to the QCM sensor 106 cleaned by the cleaning unit 202 under the control of the control unit 101 to dry the QCM sensor 106.
[0058]
FIG. 13 is a diagram showing a measurement flow of the droplet weight of the droplet discharge device 200 of FIG. 13, steps that perform the same processing as in FIG. 10 are given the same step numbers, and descriptions thereof are omitted. In FIG. 13, in step S3, the control unit 101 determines whether or not the resonance frequency fbefore (first resonance frequency) is within a predetermined range sf1 (first predetermined range) (step S3). When fbefore is within the predetermined range (“Yes” in step S3), the droplet weight measurement process is executed in the same manner as in FIG. 10 (steps S4 to S10).
[0059]
When the droplet weight measurement process ends, the control unit 101 executes a cleaning process (steps S21 to S25). First, the control unit 101 conveys the QCM sensor 106 by the sensor carriage 201 to a position below the cleaning unit 202 (step S21). Subsequently, the control unit 101 causes the cleaning unit 202 to inject cleaning liquid toward the electrode 110b of the QCM sensor 106 (step S22). Thereafter, the control unit 101 conveys the QCM sensor 106 by the sensor carriage 201 to a position below the drying unit 203 (step S23). Then, the control unit 101 causes the drying unit 203 to blow air toward the electrode 110b of the QCM sensor 106 (step S24). Thereafter, the control unit 101 conveys the QCM sensor 106 to the standby position by the sensor carriage 201 (step S25).
[0060]
On the other hand, when the control unit 101 determines in step S3 that the resonance frequency fbefore (first resonance frequency) is not within the predetermined range sf1 (first predetermined range) (“No” in step S3), A re-cleaning step (steps S26 to S30) is performed. In the re-cleaning step, if dirt remains on the electrode 110b of the QCM sensor 106, it is washed again to remove the dirt on the electrode 110b of the QCM sensor 106. First, the control unit 101 conveys the QCM sensor 106 by the sensor carriage 201 to a position below the cleaning unit 202 (step S26). Subsequently, the control unit 101 causes the cleaning unit 202 to inject a cleaning liquid toward the electrode 110b of the QCM sensor 106 (step S27). Thereafter, the control unit 101 conveys the QCM sensor 106 by the sensor carriage 201 to a position below the drying unit 203 (step S28). Then, the control unit 101 causes the drying unit 203 to blow air toward the electrode 110b of the QCM sensor 106 (step S29). Thereafter, the control unit 101 conveys the QCM sensor 106 to the standby position by the sensor carriage 201 (step S30). When the re-cleaning process is completed, the process returns to step S1, and the resonance frequency fbefore is measured again. Step S10) is executed.
[0061]
As described above, according to the droplet discharge device 200 of the second embodiment, the cleaning unit 202 for cleaning the QCM sensor 106 is provided, and the control unit 101 has a resonance frequency fbefore (first resonance frequency). When it is determined that it is not within the predetermined range sf1 (first predetermined range), the cleaning unit 202 cleans the electrode 110b of the QCM sensor 106, and the resonance frequency fbefore (first phase) of the crystal resonator 160 measured after the cleaning is measured. When the resonance frequency) falls within the predetermined range sf1 (first predetermined range), the weight of the droplet is measured, so that the droplet attached to the electrode 110b of the QCM sensor 106 is automatically washed. can do. As a result, it is not necessary for the operator to clean the QCM sensor 106 to which the droplet has adhered after the droplet weight is measured.
[0062]
(Embodiment 3)
FIG. 14 is a diagram showing a schematic configuration of a droplet discharge device 300 according to the third embodiment of the present invention. The droplet discharge device 300 according to the third embodiment is an inkjet printer. In the droplet discharge device 300 according to the third embodiment, a QCM sensor 301 is provided in a part of the sheet conveyance path 304, and a discharge head is mounted on the carriage 302. The principle of measuring the weight of the droplets (ink droplets) ejected from the ejection head is the same as that in the first embodiment, and a description thereof will be omitted. The droplet discharge device 300 according to the third embodiment is an inkjet printer that prints an image by forming ink dots on a print sheet by discharging fine ink droplets while reciprocating a carriage 302 on the print sheet. It is.
[0063]
With reference to FIG. 14, the operation of the droplet discharge device 300 for printing an image on a sheet will be briefly described. The carriage 302 has a built-in discharge head for discharging ink droplets. An ink cartridge 308 mounted on the upper surface side of the carriage 302 supplies ink to the ejection head. The printing paper is conveyed to a predetermined position below the carriage 302 by the paper feed roller 303. When the printing paper is set at a predetermined position, the carriage 302 ejects ink droplets from the ejection head while reciprocating on the printing paper. The carriage 302 is guided to two guide rails 305 as shown in the figure, and is driven by a carriage motor 307 via a drive belt 306. Thus, the operation of reciprocating the carriage 302 is called main scanning.
[0064]
The paper feed roller 303 is driven in synchronization with the main scanning of the carriage 302 to move the printing paper little by little in the direction perpendicular to the main scanning direction. In this way, the operation of relatively moving the ejection head and the printing paper in the direction crossing the main scanning direction is called sub-scanning. In this way, the printing paper is sub-scanned while main-scanning the carriage 302, and ink droplets are ejected at an appropriate timing to form ink dots on the printing paper, thereby printing an image.
[0065]
Thus, the droplet discharge device of the present invention can be suitably used for an ink jet printer. In the case where the weight of the sample liquid is measured instead of the ink droplet, the ink cartridge 308 may be removed and a container storing the sample liquid instead of the ink may be attached to the carriage 302. The present invention is not limited to Embodiments 1 to 3 described above, and can be appropriately modified and implemented without changing the gist of the invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an overall schematic configuration of a droplet discharge device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a detailed configuration of an ejection head.
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of changing the size of droplets ejected from an ejection head.
FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a QCM sensor.
FIG. 5 is a diagram showing an equivalent circuit of a crystal resonator.
FIG. 6 is a conceptual diagram of a measurement unit.
FIG. 7 is a conceptual diagram of a feedback self-oscillation method.
FIG. 8 is an admittance diagram of a crystal resonator.
FIG. 9 is a diagram for explaining a change in resonance frequency of a crystal resonator.
FIG. 10 is a diagram showing a flow of measuring a droplet weight of the droplet discharge device according to the first exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a measurement flow of a droplet weight of the droplet discharge device according to the first modification.
FIG. 12 is a diagram illustrating an overall schematic configuration of a droplet discharge device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a measurement flow of the droplet weight of the droplet discharge device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating an overall schematic configuration of a droplet discharge device according to a third embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
100 droplet ejection device, 101 control unit, 102 head carriage, 103R, 103G, 103B ejection head, 104R, 104G, 104B ink tank, 105 stage, 106 QCM sensor, 107 measurement unit, 108 display unit, 110 crystal resonator, 110a, 110b electrode, 111 oscillating voltage oscillation unit, 112 measuring unit, 113 calculating unit, 121 pressure chamber, 122, piezo element, 123 nozzle, 131 insulator, 132a, 132b support, 133a, 133b terminal, 200 droplet discharge Device, 201 Sensor carriage, 202 Cleaning unit, 203 Drying unit, 300 Liquid droplet ejection device, 301 QCM sensor, 302 Carriage, 303 Paper feed roller, 304 Paper transport path, 305 Guide rail, 306 Drive belt, 307 Carriage motor, 308 I Ink cartridge

Claims

In a droplet weight measuring apparatus that measures the weight of droplets discharged from the discharge head,
A discharge head control means for discharging a droplet by applying a drive signal to the discharge head;
Detection means comprising a piezoelectric vibrator having electrodes formed on both sides;
First resonance frequency detecting means for detecting, as a first resonance frequency, a resonance frequency of the piezoelectric vibrator before the droplet discharged from the discharge head adheres to the electrode;
Second resonance frequency detection means for detecting, as a second resonance frequency, a resonance frequency of the piezoelectric vibrator after the droplets discharged from the discharge head adhere to the electrodes;
Droplet weight measuring means for measuring the weight of the droplet attached to the electrode based on the amount of change between the first resonance frequency and the second resonance frequency;
Control means for determining whether or not the first resonance frequency is within a first predetermined range, and controlling execution of weight measurement of the droplet based on the determination result;
A droplet weight measuring apparatus comprising:

The control means does not perform droplet weight measurement when the first resonance frequency is not within the first predetermined range, while the first resonance frequency is within the first predetermined range. 2. The droplet weight measuring apparatus according to claim 1, wherein weight measurement of the droplet is performed in some cases.

Furthermore, a display means for displaying information is provided,
3. The droplet weight measuring apparatus according to claim 2, wherein when the first resonance frequency is not within the first predetermined range, the control unit displays the fact on the display unit. 4. .

When the first resonance frequency is in the first predetermined range, the control means further determines whether or not the second resonance frequency is in a second predetermined range, 3. The droplet weight measuring apparatus according to claim 2, wherein when the second resonance frequency is not within the second predetermined range, the droplet weight measurement is not executed.

Furthermore, a display means for displaying information is provided,
5. The droplet weight measuring apparatus according to claim 4, wherein when the second resonance frequency is not within the second predetermined range, the control means displays the fact on the display means. .

Furthermore, a cleaning means for cleaning the electrode,
The control means causes the cleaning means to clean the electrode when the first resonance frequency is not within the first predetermined range, and the first resonance frequency after cleaning is the first predetermined frequency. The droplet discharge device according to claim 1, wherein weight measurement of the droplet is performed when the value is within the range.

The droplet weight measuring apparatus according to claim 1, wherein the piezoelectric vibrator is a quartz crystal vibrator.

A droplet discharge device comprising the droplet weight measuring device according to any one of claims 1 to 7.

9. The droplet discharge device is used for pattern formation of any one of a wiring, a color filter, an alignment film, a microlens array, an electroluminescent material, and a biological material. Droplet discharge device.

The liquid droplet ejection apparatus according to claim 8, wherein the liquid droplet ejection apparatus is an ink jet printer.