JP2008119846A

JP2008119846A - 液体塗布装置および液体塗布方法

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Publication number: JP2008119846A
Application number: JP2006302975A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Satomura; 誠一郎里村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2008-05-29

Abstract

【課題】インクジェットヘッドで高粘度の液体を塗布できるようにすること。
【解決手段】塗布物質を分散または溶解した液体を内包する液体圧力発生室と、液体圧力発生室に機械的に接続されていて、液体圧力発生室の体積を変化させるように配置された電気機械変換素子と、液体を液滴として吐出させるノズルとを備えた液体吐出ヘッドと、液滴を吐出する液滴吐出駆動信号と液滴吐出駆動信号の駆動周波数よりも高くて前述液体吐出ヘッドから液滴が吐出しない周波数の高周波信号とを重畳した駆動信号を、前述電気機械変換素子に与える、液体吐出ヘッド駆動信号発生手段とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、塗布物質を分散または溶解した液体を塗布する方法とその装置に関し、特に粘性の高い液体をインクジェット方式によって塗布する方法に関する。

液体噴射記録ヘッドの１例として示す従来のグールド方式の液体噴射記録ヘッドは図６に示すような構造を採用している。

即ち、この液体噴射記録ヘッド（以下記録ヘッドと略称する）はガラス等から形成されたチューブ（円筒状部材、以下同様）１を有し、このチューブ１の先端は絞られノズル1bとなり、最先端にはインク等の記録液体（以下、インクと略称する）の液滴を吐出するオリフィス（吐出口）1aが形成されている。このオリフィス1aは別個のプレートに形成したものをチューブ１の先端に固定した構造のものもある。

このチューブ１の所定位置にはチューブ１全体を囲んで電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するエネルギー変換素子２が接着剤を介して嵌合固定されている。チューブ１でエネルギー変換素子２に囲まれた部分が液体圧力発生室ということになる。

このエネルギー変換素子２は例えば圧電素子等から成る。この圧電素子はその円筒状の外周面と内周面との間に電圧を印加すると内容積が小さくなる方向へ変形し、電圧を除去すると元に戻る性質を有する。

このエネルギー変換素子２の外周側及び内周側は夫々リード線３を介してパルス発生器４に接続されている。

このパルス発生器４には記録指令に従ったパルス入力５が印加され、所定のパルス電圧をエネルギー変換素子２に与える。

このパルス電圧が与えられるとエネルギー変換素子２は収縮し、ガラス等から形成された円筒状のチューブ１が収縮しチューブ１の内部の圧力が増大し、オリフィス1aからチューブ１内に供給されているインクの液滴６が吐出され、図示していない記録媒体に対してドット記録を行なう。

上述したような構造を有するグールド方式の記録ヘッドを用いると、液滴の吐出の時間間隔は周波数にして約２〜10KHzとなる。

図６のグールド方式の液体噴射記録ヘッドのインク供給部分を図５に示す。

図５においてエネルギー変換素子２およびチューブ１は図６と同じである。チューブ１はサブタンク９内に封入されている。サブタンク９は供給チューブ７，吸引チューブ８を介して図示を省略した廃液タンクおよびメインタンクと連結されている。

上述したような液体噴射記録ヘッドすなわちインクジェットヘッドは、記録用紙等に文字や画像を印刷する用途の他にも、液体を被塗布物に所望のパターンで塗布する場合にも有用である。インクジェット方式によって液体を被塗布物上に所望のパターンで塗布する例として、カラーフィルタの製造があげられる。インクジェット方式による液体塗布方法は、フォトリソ法などの他の印刷方法に較べて、
１）材料使用効率がよい。

２）２）塗布パターンの変更に容易に対応できる。
という利点がある。

従来例として、インクジェットヘッドにおいて、圧電体に吸着している水分や、圧電体の周囲に浮遊している水分を除去することを目的として、ノズルよりインク滴が吐出しない程度の高周波数のパルスをインクジェットヘッドの圧電体に印加することによって、インクジェットヘッドを加熱するものがある（特許文献１参照）。
特開平6-344553号公報

以上のようにインクジェット方式による液体塗布方法は利点はあるが、塗布する液体の粘度が高いと、吐出抵抗が増大して、ノズルから液体が吐出しなくなる、あるいは吐出しても安定した吐出量、安定した塗布位置に向けて吐出できなくなるという課題があった。従来の記録紙印刷用インクジェットヘッドで吐出できるインクの粘度の上限はせいぜい10mPa・s程度であり、それよりも粘度の高い液体を塗布する用途には使用できなかった。したがってインクジェット方式による液体塗布方法は、粘度の高い接着剤や樹脂、特に紫外線硬化型樹脂や粘度の高いフォトレジスト材料や高分子材料を内包する高粘度液体などを所望パターンで塗布するという要求に答えられなかった。また、粘度の高い液体に対しては、塗布物質に対する溶媒の比率を上げて濃度を下げることによって粘度を下げて、塗布を何度も繰り返すことによって必要塗布量を確保するという方法が可能な場合もあるが、この方法だと必要塗布量を確保するために塗布を何度も繰り返す必要があり、塗布工程の生産効率が下がるという弱点がある。

一般に粘性の高い液体は、温度が上昇すると、粘度が下がる。従って、ヘッドにヒータ手段を設けて、塗布液体を加熱することができれば粘度の高い液体でもインクジェットヘッドで吐出できるようになる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかわる液体塗布装置では、
塗布物質を分散または溶解した液体と、前述液体を内包する液体圧力発生室と、前述液体圧力発生室に機械的に接続されていて、電気エネルギーを機械エネルギーに変換することによって前述液体圧力発生室の体積を変化させるように配置された電気機械変換素子と、前述液体圧力発生室に連結し、前述液体を液滴として吐出させるノズルとを備えた液体吐出ヘッドと、前述液体吐出ヘッドから前述液滴を吐出する液滴吐出駆動信号と、前述液滴吐出駆動信号の駆動周波数よりも高くて前述液体吐出ヘッドから液滴が吐出しない周波数の高周波信号とを重畳した駆動信号を、前述電気機械変換素子に与える、液体吐出ヘッド駆動信号発生手段とを有するノズル単体の吐出量制御ができるノズルを含む複数のノズルによって構成されるノズル列を有することによって、
高粘度液体を所望パターンで塗布することができる。

本発明はまた、液体塗布装置を使用して、前述高周波信号によって液体を加熱すると同時に、前述液滴吐出駆動信号によって加熱された液体をノズルから吐出する液体塗布方法によって、従来は塗布できなかった種類の塗布物質を、分散または溶解した粘度の高い液体を塗布することができるようになる。

以上で説明したように、本発明の液体塗布装置を使用すれば、従来は粘度が高くてインクジェット方式で吐出できなかった液体も、温めて粘度を下げることによって、吐出できるようになる。

また、インクジェット塗布液体の高粘度に対する制限が緩和されたことによって液滴の濃度を従来よりも高くして塗布できるので、塗布物質を必要量だけ繰り返し塗布するのに必要な塗布回数あるいは塗布時間が短縮されて、塗布工程の生産性を上げることができる。

以下、本発明の好適な一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１に本発明の液体塗布装置すなわちインクジェット噴射装置の外観図を示す。

図１において、10１は制御装置を格納する筐体、102は筐体に格納されたパソコンのモニタ、103はパソコンキーボードあるいは操作盤、104は基板を搭載するステージ、105は液体を噴射するインクジェットヘッド、106は液体が塗布される基板、107は基板106上の任意の位置に液滴を付与できるように縦横両方向に自由に動くXYステージ、108はインクジェット噴射装置全体を保持する定盤、１０９は液滴塗布位置の基板107上の位置合わせをするためのアライメントカメラである。

図２に本発明の液体塗布装置の回路ブロック図を示す。

図２において、メインコントローラ201は筐体101のパソコンに内蔵される。

メインコントローラ201は、XYステージコントローラ202と、画像コントローラ203に指示信号を送る。

XYステージコントローラ202は、XYステージ107に搭載されたリニアエンコーダ207からのXY座標信号を受けて、XYステージを制御して、被塗布基板106上の液体塗布位置を、インクジェットヘッド105のノズル位置と対峙させる。

画像コントローラ203は、画像メモリ204に格納されていた画像パターンを、リニアエンコーダ207のXY座標信号に対応して読み出して、パラレルシリアル変換205でシリアル信号に変換する。さらに、吐出パルス発生回路206で、液滴を吐出できるようなパルス信号に変換され、高周波重畳回路208で高周波信号が重畳されて、ドライバ209で電流増幅されて、そのパルス信号がインクジェットヘッド105に供給される。

インクジェットヘッド105としては、例えば前述図６で示したグールド方式の液体噴射記録ヘッドを使用する。

但し他の吐出方式のインクジェットヘッド、例えばせん断モード型圧電素子を使用したインクジェットヘッドでもよいし、積層圧電素子を使用したインクジェットヘッドを使用してもよい。

高周波重畳回路208が本発明の特徴である。従来の液体塗布装置の回路ブロック図は高周波重畳回路208がなくて、図７のように、パルスタイミング発生回路206の信号が直接ドライバ209に入力される。

図８に吐出パルス発生回路206の出力波形例を示す。図８パルス幅は、エネルギー変換素子２の電気機械的共振周波数の周期の半分とするのが、効率的であってここでは数十μsec程度である。パルスはここでは１個のパルスで1個の液滴を吐出する例を示しているが、２個連続のパルス１組で1個の液滴を吐出する方法もある。パルスの周期はステージ移動速度と吐出間隔との関係およびインクジェットヘッドの機械的共振周波数で決まる。例えば図６で説明した構造を有するグールド方式の記録ヘッドを用いると、液滴の吐出の時間間隔は周波数にして約２〜10KHzとなる。

パルス高さは、ドライバ209の出力のパルスの電圧が所望の電圧値となるように設定する。インクジェットヘッドに供給するパルスの電圧は、所望液滴吐出量とエネルギー変換素子２の変位特性とチューブ1の体積変位量との関係で決まるが、一般的には十数ボルトで使用できるようにするのが、電気設計上好ましい。

図３に高周波重畳回路208のより詳細なブロック図を示す。高周波重畳回路208は発振回路301と加算回路302によって構成される。

発振回路は、インクジェットヘッドは液滴を吐出しない周波数、例えば10Mhzの周波数の正弦波あるいは矩形波信号を出力する。

発振回路はアナログ発振でもよいしデジタル発振でもよい。アナログ発振回路の例としてはは３段のC,Rフィルタと反転増幅器の組み合わせであるところのCR発振回路、2個のCと1個のLと反転増幅器の組み合わせであるところのコルピッツ発振回路、1個のCと2個のLと反転増幅器の組み合わせであるところのハートレー発振回路、等によっていずれも正弦波に近い波形が得られる。

デジタル発振回路なら、反転シュミットトリガーとCRフィルタの組み合わせで容易に矩形波が得られる。また、システムクロックに使用している水晶発信機のクロック信号を借用する方法もある。

加算回路302は、パルス幅数十μsecのパルスと10Mｈｚの発振信号を加算する。加算回路としてはオペアンプを使用して加算増幅回路を構成してもよいし、あるいは信号を抵抗接続して電圧加算してトランジスタで電流増幅してもよい。その出力は図３に示すような液滴吐出パルスに高周波が重畳された波形となる。

次に高周波重畳回路208の意味を図４で説明する。

一般に圧電素子あるいはピエゾ素子と呼ばれているエネルギー変換素子２は入力信号の周波数を上げていくと徐々に力学エネルギーに変換する変換効率が下がり、エネルギー変換の損失分だけ熱を発生する。周波数が1Mhzを超えると、エネルギー変換素子２の機械的な変位は小さくなり、液滴の吐出への影響は小さくなる。

圧電素子の等価回路は図４に示すように、抵抗成分と容量成分との直列接続型となっている。

図ではピエゾ素子インクジェットヘッド等価回路と記す。

それらのうちの容量成分は、変位を発生させるのに大きく関わる成分であり、これがインクジェットヘッドの駆動に関わる。抵抗成分は、主にエネルギー変換の損失成分であり、熱を発生させる成分である。

抵抗分をRとし、容量分をCとすると、エネルギー変換素子への入力信号周波数ｆがｆ＜１/２πCRの場合にはC成分にかかる電圧が支配的となるので、その周波数信号成分は主に機械的変位エネルギーに変換される。また、エネルギー変換素子への入力信号周波数ｆがｆ＞１/２πCRの場合には、R成分にかかる電圧が支配的になるので、その周波数信号成分は主に熱エネルギーに変換される。

従って、仮にC＝0.01μF、R=15Ωとすると、入力信号のうちで1Mhz以下の成分は主に機械的振動エネルギーに変換され、1Mhz以上の成分は主に熱エネルギーに変換される。

そこで図４のように、ヘッド駆動パルス信号に例えば10Mｈｚの高周波信号を重畳した波形の電圧をエネルギー変換素子にかけると、ヘッド駆動パルス信号成分に対しては、機械的変位エネルギーに変換されて、従来どおり液滴が吐出するエネルギーとして消費され、一方10Mｈｚの高周波信号に対しては、主に熱エネルギーとして消費される。

そこで、例えばインクジェットヘッドが図６のような構造であったとすると、エネルギー変換素子２は塗布すべき液体を内包するチューブ１に外接しているので、エネルギー変換素子２が熱エネルギーを発生すると、熱はチューブ１を介して、塗布液体にも伝導し、塗布液体は温められることになる。

一般に粘性の高い液体は、温度が上昇すると、粘度が下がる。従って、本発明の液体塗布装置を使用すれば、従来は粘度が高くてインクジェット方式で吐出できなかった液体も、温めて粘度を下げることによって、吐出できるようになる。

特開平6-344553では、インクジェットヘッドにおいて、圧電体に吸着している水分や、圧電体の周囲に浮遊している水分を除去することを目的として、ノズルよりインク滴が吐出しない程度の高周波数のパルスをインクジェットヘッドの圧電体に印加することによって、インクジェットヘッドを加熱することを提案している。それに対して本発明では、ノズルよりインク滴が吐出しない程度の高周波数の信号を駆動パルスに重畳することによって、液体を吐出すると同時にインクを加熱できるという特徴がある。

本発明の実施例であるところの液体塗布装置の外観図である。本発明の実施例であるところの液体塗布装置の回路ブロック図である。回路ブロック図、図２の中の高周波重畳回路208のより詳細なブロック図である。図３の高周波重畳回路208の意味を説明する説明図である。図６のグールド方式の液体噴射記録ヘッドのインク供給部分を示した図である。液体噴射記録ヘッドの１例として示す従来のグールド方式の液体噴射記録の構造図である。従来の液体塗布装置の回路ブロック図である。図２における吐出パルス発生回路206の出力波形例を示す図である。

Claims

塗布物質を分散または溶解した液体と、前述液体を内包する液体圧力発生室と、前述液体圧力発生室に機械的に接続されていて、電気エネルギーを機械エネルギーに変換することによって前述液体圧力発生室の体積を変化させるように配置された電気機械変換素子と、前述液体圧力発生室に連結し、前述液体を液滴として吐出させるノズルとを備えた液体吐出ヘッドと、前述液体吐出ヘッドから前述液滴を吐出する液滴吐出駆動信号と、前述液滴吐出駆動信号の駆動周波数よりも高くて前述液体吐出ヘッドから液滴が吐出しない周波数の高周波信号とを重畳した駆動信号を、前述電気機械変換素子に与える、液体吐出ヘッド駆動信号発生手段とを有する、液体塗布装置。
請求項１の液体塗布装置を使用して、前述高周波信号によって液体を加熱すると同時に、前述液滴吐出駆動信号によって加熱された液体をノズルから吐出する液体塗布方法。