JP2005061871A

JP2005061871A - 液滴重量測定方法、液滴吐出装置、電気光学装置の製造方法、電気光学装置および電子機器

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Publication number: JP2005061871A
Application number: JP2003207763A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Kamiyama; 信明神山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2003-08-18
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】液滴の重量を高精度に測定することのできる液滴重量測定方法を提供する。
【解決手段】圧電振動子１１０に設けられた電極１１０ｂに液滴が付着される前の前記圧電振動子の共振周波数を検出するステップと、前記電極に前記液滴が付着された後の前記圧電振動子の共振周波数を検出するステップと、前記検出された前記液滴の付着の前後の共振周波数の変化量を求めるステップと、前記電極に前記液滴が付着された後の前記圧電振動子の共振抵抗、又は前記電極に前記液滴が付着された前後の前記圧電振動子の共振抵抗の変化量に基づいて、前記液滴の粘度を求めるステップと、前記液滴の粘度によって変化した共振周波数の量を求めるステップと、前記液滴の付着の前後の共振周波数の変化量と、前記液滴の粘度によって変化した共振周波数の量に基づいて、前記液滴の重量を求めるステップとを備えたことを特徴としている。
【選択図】図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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高精度に測定可能な液滴重量測定方法および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。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、例えば、以下の微小液滴重量装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
同装置は、振動板と圧電素子を貼り合わせた圧電振動体にヒーターを設け、圧電振動体にホットメルトインク（固形材料を溶かして液体にしたインク）が付着しても剥離も蒸発もしない温度に圧電振動体をコントロールした状態で、ホットメルトインクジェットを吹き付ける。ホットメルトインクが付着すると、圧電振動体の電気機械的結合係数が変わり、その付着重量に比例して圧電素子のインピーダンスが変化する。そのインピーダンスの変化量から付着重量を算出する。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２４８２５０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
水晶振動子の圧電効果を利用して、水晶振動子表面で起こる微小な質量の変化を、共振周波数の変化として測定することのできるＱＣＭ（ＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）が知られている。ところが、共振周波数は、水晶振動子表面の質量の変化のみによって変化するものではない、ということが判明した。よって、共振周波数の変化のみによっては、液滴の質量を高精度に測定することはできない。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、液滴の重量を高精度に測定することのできる液滴重量測定方法、液滴吐出装置を提供することを目的とする。更に、本発明は、上記液滴吐出装置による高精度な液滴の重量の測定結果を用いた電気光学装置の製造方法、電気光学装置および電子機器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の液滴重量測定方法は、液滴の重量を測定する液滴重量測定方法であって、圧電振動子に設けられた電極に前記液滴が付着される前の前記圧電振動子の共振周波数を検出するステップと、前記電極に前記液滴が付着された後の前記圧電振動子の共振周波数を検出するステップと、前記検出された前記液滴の付着の前後の共振周波数の変化量を求めるステップと、前記電極に前記液滴が付着された後の前記圧電振動子の共振抵抗、又は前記電極に前記液滴が付着された前後の前記圧電振動子の共振抵抗の変化量に基づいて、前記液滴の粘度を求めるステップと、前記液滴の粘度によって変化した共振周波数の量を求めるステップと、前記液滴の付着の前後の共振周波数の変化量と、前記液滴の粘度によって変化した共振周波数の量に基づいて、前記液滴の重量を求めるステップとを備えたことを特徴としている。
【０００８】
本発明の液滴重量測定方法において、前記圧電振動子の共振周波数は、前記圧電振動子のインピーダンス変化を検出することにより検出されることを特徴としている。
【０００９】
本発明の液滴重量測定方法において、前記圧電振動子の共振抵抗は、前記圧電振動子のインピーダンスを検出することにより検出されることを特徴としている。
【００１０】
本発明の液滴重量測定方法において、前記圧電振動子の共振周波数及び共振抵抗は、前記圧電振動子のアドミッタンス曲線を算出することにより検出することを特徴としている。
【００１１】
本発明の液滴吐出装置は、吐出ヘッドから液滴を吐出して描画対象物に描画する液滴吐出装置において、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、両面に電極を有する圧電振動子からなる検出手段と、前記電極に振動電圧を印加して前記圧電振動子を振動させる発振手段と、前記吐出ヘッドから吐出される液滴が前記電極に付着する前後での前記圧電振動子の共振周波数の変化と、前記電極に前記液滴が付着された後の前記圧電振動子の共振抵抗又は前記電極に前記液滴が付着した前後の前記圧電振動子の共振抵抗の変化とを検出し、前記共振抵抗又は前記共振抵抗の変化に基づいて前記液滴の粘度を検出し、前記液滴の粘度と前記圧電振動子の共振周波数の変化に基づいて、前記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を備えたことを特徴としている。
【００１２】
本発明の液滴吐出装置において、前記吐出ヘッド制御手段は、前記液滴重量測定手段で測定された液滴の重量に基づいて、前記吐出ヘッド印加する駆動信号の駆動波形を変更することを特徴としている。
【００１３】
本発明の液滴吐出装置は、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を特徴としている。
【００１４】
本発明の電気光学装置の製造方法は、上記本発明の液滴吐出装置を使用することを特徴としている。
【００１５】
本発明の電気光学装置は、上記本発明の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の電子機器は、上記本発明の電気光学装置を含むことを特徴としている。
【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は、電気光学装置に含まれるカラーフィルタの製造に用いられる液滴吐出装置である。以下、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、水晶振動子１０６を含むＱＣＭセンサと、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、１０３Ｇ、１０３Ｂで描画する動作の制御や、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には、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）に描画対象物Ｗを搬送する。水晶振動子１０６は、水晶１１０と当該水晶１１０の両面に形成された第１の電極１１０ａおよび第２の電極１１０ｂとで構成されている。この水晶振動子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。計測部１０７は、水晶振動子１０６の電極１１０ｂに液滴が付着する前と付着後の水晶振動子１０６の共振周波数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１２１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の水晶振動子１０６の構成を示す平面図である。水晶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、符号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１０６の等価回路を示している。水晶振動子１０６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１０６は、電気的な固有周波数を有しており、水晶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１０６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１１０を切り出した角度と、水晶１１０の厚さとによって定まり、また、水晶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１１０が用いられており、ＡＴカットされた水晶１１０の振動形態は、厚みすべり振動、すなわち水晶１１０の表面と裏面とが、水晶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１０６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１０６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１０６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１０６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１０６の一方の電極１１０ａに、発振器１５０で（振動電圧発生部１１１に対応）振動電圧Ｖｉｎを印加して水晶振動子１０６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１０６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１０６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１０６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、その抵抗成分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１０６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１０６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１０６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１０６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１０６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。振動電圧発生部１１１は、水晶振動子１０６の一方の電極１１０ａに振動電圧を印加して、水晶振動子１０６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、水晶振動子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１０６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１０６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、その抵抗成分が最小となる周波数を共振周波数値（上述の直列共振周波数ｆｓ）として算出し、このときの抵抗成分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、吐出ヘッド１０３が電極１１０ｂから離間した位置での共振周波数ｆｆｉｒｓｔと、電極１１０ｂへの液滴の付着前における共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅと、付着後における共振周波数ｆａｆｔｅｒ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抵抗に基づいて、液滴の粘度を算出し、その粘度によって変化した共振周波数量Δｆを算出し、測定部１１２から入力される共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅ、ｆａｆｔｅｒの変化量（Δｆｒ）から、液滴の粘度によって変化した共振周波数量Δｆを引くことで、液滴の質量のみによる共振周波数変化量（Δｆｒｅｑ）を算出し、その液滴の質量のみによる共振周波数変化量（Δｆｒｅｑ）に基づいて、液滴の重量を算出する。
【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液滴の質量のみによる共振周波数の変化量をΔｆｒｅｑとすると、液滴の重量Ｉｍと、液滴の付着前後における液滴の質量のみによ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】
また、液滴の粘度のみによる共振周波数の変化量をΔｆとすると、電極１１０ｂに付着した液滴の粘度ηと、液滴の粘度のみによる共振周波数の変化量をΔｆの関係は、下式（３）のように表すことができる。
【００４２】
【数３】

【００４３】
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Δｆｒ＝ｆｂｅｆｏｒｅ−ｆａｆｔｅｒ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。その後、液滴の粘度ηを、上記式（３）に代入して、液滴の粘度のみによる共振周波数の変化量Δｆを算出する。次いで、演算部１１３は、液滴の付着前後の共振周波数の変化量Δｆｒ、液滴の粘度のみによる共振周波数の変化量Δｆから、その変化量、すなわち、液滴の質量のみによる共振周波数の変化量Δｆｒｅｑ＝Δｆｒ−Δｆを算出する。その後、液滴の質量のみによる共振周波数の変化量Δｆｒｅｑを上記式（１）に代入して、液滴の重量Ｉｍを算出する。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。
【００４４】
［液滴重量の測定フロー］
図９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、水晶振動子１０６上になく待機位置にあるものとする。図９において、まず、計測部１０７では、振動電圧発生部１１１が、水晶振動子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）。
【００４５】
つぎに、測定部１１２は、水晶振動子１０６の電極１１０ｂに流れる電流を検出する（ステップＳ２）。そこで、印加した電圧と検出した電流の値に基づいて、これらの振幅及び位相差の関係から掃引周波数に対するアドミッタンス曲線を求める。アドミッタンス曲線の実数成分が最大になる周波数が共振周波数である。電極１１０ｂに液滴が付着される前のアドミッタンス曲線から電極１１０ｂに液滴が付着される前の共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅを求め、演算部１１３に出力する（ステップＳ３）。なお、電極１１０ｂに液滴が付着される前の共振周波数ｆｂｅｆｏｒｅは、毎回測定しないで予め演算部１１３に記憶しておくことにしても良い。
【００４６】
つぎに、制御部１０１は、吐出ヘッド１０３から液滴が吐出されたときにその吐出された液滴が、水晶振動子１０６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を移動させる。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。
【００４７】
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Ｓ４）。
【００４８】
この後、計測部１０７では、振動電圧発生部１１１が、水晶振動子１０６の電極１１０ａに振動電圧を周波数掃引しながら印加し、測定部１１２は、水晶振動子１０６の電極１１０ｂに流れる電流を検出する。そこで、印加した電圧と検出した電流の値に基づいて、これらの振幅及び位相差の関係から掃引周波数に対するアドミッタンス曲線を求める。アドミッタンス曲線の実数成分が最大になる周波数が共振周波数である。電極１１０ｂに液滴が付着された後のアドミッタンス曲線から電極１１０ｂに液滴が付着された後の共振周波数ｆａｆｔｅｒを求め、演算部１１３に出力する（ステップＳ５）。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Δｆｒ＝ｆｂｅｆｏｒｅ−ｆａｆｔｅｒを算出する。
【００４９】
次に、演算部１１３は、電極１１０ｂに液滴が付着された後のアドミッタンス曲線の実数成分が最大のときの、その実数成分の逆数として共振抵抗Ｒを求める（ステップＳ６）。
【００５０】
次に、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を算出する（ステップＳ７）。演算部１１３は、算出した粘度ηに基づいて、上述した式（３）を用いて、液滴の粘度ηによって変化した共振周波数の変化量Δｆを算出する（ステップＳ８）。
【００５１】
次いで、演算部１１３は、実際に測定した共振周波数の変化量Δｆｒ、液滴の粘度によって変化した共振周波数の変化量Δｆに基づいて、液滴の質量のみによって変化した共振周波数の変化量Δｆｒｅｑ＝Δｆｒ−Δｆを算出する（ステップＳ９）。
【００５２】
次に、演算部１１３は、液滴の質量のみによる共振周波数の変化量Δｆｒｅｑを上述した式（１）に代入して液滴の重量Ｉｍを算出する（ステップＳ１０）。演算部１１３は、算出した液滴の重量Ｉｍと液滴の粘度ηを制御部１０１に出力する。制御部１０１は、液滴の重量Ｉｍと液滴の粘度ηを表示部１０８に表示する（ステップＳ１１）。
【００５３】
また、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する（ステップＳ１２）。この判断の結果、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（ステップＳ１３）。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。
【００５４】
実施の形態１の液滴吐出装置１００によれば、以下の効果を奏することができる。水晶振動子１０６では、共振周波数の変化量に基づいて液滴の重量を算出するが、共振周波数は水晶振動子１０６の表面の質量変化と粘弾性変化によって変化するので、一概に共振周波数のみにより液滴の重量を算出すると、その算出値は正確な重量ではなかった。これに対し、実施の形態１では、外部発振方式を採用しており、外部の発振回路１１１で生成された周波数（電圧）Ｖｉｎによって水晶振動子１０６が励起されたときに流れる電流Ｉｑを測定することにより、その周波数に対する水晶振動子１０６のインピーダンスを求めることができる。このインピーダンスから共振抵抗を求めることができ、その共振抵抗から液滴の粘度を測定することができ、その液滴の粘度から、粘度によって変化した共振周波数量を算出することができる。実際に測定した液滴の付着前後での共振周波数の変化量から、この粘度によって変化した共振周波数量を引くことで、液滴の質量のみによる共振周波数変化量を算出することができ、この液滴の質量のみによる共振周波数変化量を用いて、正確な液滴の重量を測定することができる。
【００５５】
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。以下に、一例として、本実施の形態１の液滴吐出装置１００においてインクが塗布されるカラーフィルタ用の基板および該基板上の構造物について図１０を参照して説明する。
【００５６】
図１０に示すように、ガラスなどの光透過性を有する基板４００には、遮光膜４１０と隔壁４２０とが、基板４００側からこの順で積層されている。このうち遮光膜４１０は、例えばクロムなどの遮光性材料の薄膜である。一方、隔壁４２０は、例えばアクリル樹脂などであり、液滴吐出装置１００において赤色インクが塗布される塗布領域４３０Ｒと、緑色インクが塗布される塗布領域４３０Ｇと、青色インクが塗布される塗布領域４３０Ｂとの各々を区画する役割を果たす。
【００５７】
液滴吐出装置１００によるカラーフィルタのパターニング動作では、タンク１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂに貯蔵される各インクについて、標準駆動波形に応じて液滴を試験的に吐出させ、その試験的に吐出させた液滴の重量Ｉｍと粘度ηとに応じて、所定の吐出量、例えば「１０ｎｇ」の液滴を吐出することが可能な適正駆動波形を特定し、特定した適正駆動波形を用いてカラーフィルタのパターニングを行う。液滴吐出装置１００においては、まず基板４００上の塗布領域４３０Ｒへ赤色インクを塗布し、次に塗布領域４３０Ｇへ緑色インクを塗布し、最後に塗布領域４３０Ｂへ青色インクを塗布する。
【００５８】
尚、上述した実施形態においては液滴の重量Ｉｍおよび粘度ηを求めるための関係式として（式１）、（式２）および（式３）を示したが、重量Ｉｍおよび粘度ηを求めるための法則は、これらの関係式に限定されるものではなく、使用する定数やパラメータなどが異なる他の関係式や、近似式などを用いても良い。
【００５９】
なお、液滴吐出装置１００の用途は、電気光学装置に用いられるカラーフィルタのパターニングに限られなく、次のような様々な薄膜層の形成に用いることができる。例えば、有機ＥＬ（エレクトロルミネセンス）表示パネルに含まれる有機ＥＬ層や、正孔注入層などの薄膜形成に用いることができる。さらに詳述すると、有機ＥＬ層を形成する場合には、例えばポリチオフェン系の導電性高分子などの有機ＥＬ材料を含む液滴を、基板上に形成された隔壁により仕切られる塗布領域に向けて吐出して、液滴を塗布領域に塗布する。このように塗布された溶液が乾燥すると、塗布領域に有機ＥＬ層が形成される。
【００６０】
また、その他の液滴吐出装置１００の用途としては、プラズマディスプレイに含まれる透明電極の補助配線や、ＩＣ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）カードなどに含まれるアンテナなどのデバイスの形成などがある。具体的には、テトラデカンなどの有機溶剤に、銀微粒子などの導電性微粒子を分散させた分散液を液滴吐出装置１００によりパターニングした後、有機分散液が乾燥すると、金属薄膜層が形成される。
【００６１】
これら以外にも、液滴吐出装置１００は、例えば立体造形に用いられる熱硬化樹脂などの他、マイクロレンズアレイ材料、また、ＤＮＡ（ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃａｃｉｄ）やたんぱく質といった生体物質などの様々な材料を含む液滴を塗布することが可能である。
【００６２】
以上説明した液滴吐出装置１００により形成されたカラーフィルタを有する電気光学装置と、該電気光学装置を表示部として適用した電子機器について説明する。
【００６３】
図１１は、カラーフィルタを有する電気光学装置の断面図である。この図に示すように、電気光学装置４４０は、大略して、観察者側に向けて光を放出するバックライト機構４４２と、バックライト機構４４２から放出された光を選択的に透過させるパッシブ型液晶表示パネル４４４とを有している。このうち、液晶表示パネル４４４は、基板４４６と、電極４４８と、配向膜４５０と、スペーサ４５２と、配向膜４５４と、電極４５６と、カラーフィルタ４６０とを有している。
【００６４】
カラーフィルタ４６０は、前掲した図と上下逆に示されており、隔壁４２０からみて基板４００側が上側（観察者側）に位置している。このカラーフィルタ４６０に含まれる赤色カラーフィルタ４３２Ｒ、緑色カラーフィルタ４３２Ｇおよび青色カラーフィルタ４３２Ｂは、液滴吐出装置１００によりパターニングされたものであり、設計値と略等しい厚みを有している。また、各カラーフィルタ４３２Ｒ、４３２Ｇ、４３２Ｂの背面側には、それらの保護を目的としたオーバーコート層４３４が設けられている。スペーサ４５２を隔てて対向する２つの配向膜４５０、４５４の間隔には、液晶４５３が封入されている。
【００６５】
液晶駆動用ＩＣ４５７は、配線類４５９を介して電極４４８、４５６に駆動信号を供給する。このように電極４４８、４５６に駆動信号が供給されると、対応する液晶４５３の配向状態が変化する。これにより、液晶表示パネル４４４においては、バックライト機構４４２から放出された光を、各カラーフィルタ４３２Ｒ、４３２Ｇ、４３２Ｂに対応する領域（サブ画素）毎に選択的に透過させる。
【００６６】
次に、図１２は、電気光学装置４４０を搭載した携帯電話機６００の外観図である。この図において、携帯電話機６００は、複数の操作ボタン６１０の他、受話口６２０、送話口６３０とともに、電話番号などの各種情報を表示する表示部として、カラーフィルタを含む電気光学装置４４０を備えている。
また、携帯電話機６００以外にも、液滴吐出装置１００を用いて製造された電気光学装置４４０は、コンピュータや、プロジェクタ、デジタルカメラ、ムービーカメラ、ＰＤＡ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＡｓｓｉｓｔａｎｔ）、車載機器、複写機、オーディオ機器などの各種電子機器の表示部として用いることができる。
【００６７】
（実施の形態２）
図１３は、本発明の実施の形態２にかかる液滴吐出装置の概略構成を示す図である。実施の形態２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２にかかる液滴吐出装置３００は、用紙搬送路の一部に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２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。
【００６８】
図１３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。
【００６９】
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。
【００７０】
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】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１０】本発明の実施の形態１にかかる液滴吐出装置において液滴が塗布されるカラーフィルタの基板を示す図である。
【図１１】電気光学装置の一例を示す図である。
【図１２】同電気光学装置を搭載した電子機器の一例を示す図である。
【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、１０６水晶振動子、１０７計測部、１０８表示部、１１０水晶、１１０ａ、１１０ｂ電極、１１１振動電圧発生部、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、３００液滴吐出装置、３０１ＱＣＭセンサ、３０２キャリッジ、３０３紙送りローラ、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

Claims

液滴の重量を測定する液滴重量測定方法であって、
圧電振動子に設けられた電極に前記液滴が付着される前の前記圧電振動子の共振周波数を検出するステップと、
前記電極に前記液滴が付着された後の前記圧電振動子の共振周波数を検出するステップと、
前記検出された前記液滴の付着の前後の共振周波数の変化量を求めるステップと、
前記電極に前記液滴が付着された後の前記圧電振動子の共振抵抗、又は前記電極に前記液滴が付着された前後の前記圧電振動子の共振抵抗の変化量に基づいて、前記液滴の粘度を求めるステップと、
前記液滴の粘度によって変化した共振周波数の量を求めるステップと、
前記液滴の付着の前後の共振周波数の変化量と、前記液滴の粘度によって変化した共振周波数の量に基づいて、前記液滴の重量を求めるステップと
を備えたことを特徴とする液滴重量測定方法。
請求項１記載の液滴重量測定方法において、
前記圧電振動子の共振周波数は、前記圧電振動子のインピーダンス変化を検出することにより検出される
ことを特徴とする液滴重量測定方法。
請求項２記載の液滴重量測定方法において、
前記圧電振動子の共振抵抗は、前記圧電振動子のインピーダンスを検出することにより検出される
ことを特徴とする液滴重量測定方法。
請求項１から３のいずれか１項に記載の液滴重量測定方法において、
前記圧電振動子の共振周波数及び共振抵抗は、前記圧電振動子のアドミッタンス曲線を算出することにより検出する
ことを特徴とする液滴重量測定方法。
吐出ヘッドから液滴を吐出して描画対象物に描画する液滴吐出装置において、
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、
両面に電極を有する圧電振動子からなる検出手段と、
前記電極に振動電圧を印加して前記圧電振動子を振動させる発振手段と、
前記吐出ヘッドから吐出される液滴が前記電極に付着する前後での前記圧電振動子の共振周波数の変化と、前記電極に前記液滴が付着された後の前記圧電振動子の共振抵抗又は前記電極に前記液滴が付着した前後の前記圧電振動子の共振抵抗の変化とを検出し、前記共振抵抗又は前記共振抵抗の変化に基づいて前記液滴の粘度を検出し、前記液滴の粘度と前記圧電振動子の共振周波数の変化に基づいて、前記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
を備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
請求項５記載の液滴吐出装置において、
前記吐出ヘッド制御手段は、前記液滴重量測定手段で測定された液滴の重量に基づいて、前記吐出ヘッド印加する駆動信号の駆動波形を変更する
ことを特徴とする液滴吐出装置。
請求項５または６に記載の液滴吐出装置において、
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用途とすることを特徴とする液滴吐出装置。
請求項５から７のいずれか１項に記載の液滴吐出装置を使用することを特徴とする電気光学装置の製造方法。
請求項８記載の製造方法を用いて製造されたことを特徴とする電気光学装置。
請求項９記載の電気光学装置を含むことを特徴とする電子機器。