JP2009202126A - インクジェット式液滴吐出装置の洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】沈降や凝集しやすい粒子を成分とする塗布液を使用した場合においても、ヘッド内の洗浄を確実に行う方法を提供する。
【解決手段】洗浄液をヘッドの塗布液供給口から流入し、塗布液流路を通してオリフィスの開口部から排出させる際に、塗布液を液滴として被着体上に吐出するための圧力発生手段を用いて、前記洗浄液に超音波振動を与える。
【選択図】図１

Description

本発明は、液滴を吐出するインクジェット式液滴吐出装置の洗浄方法に係り、特にビーズなどの固体微粒子を混合、分散した塗布液を用いたインクジェット式液滴吐出装置に好適な洗浄方法に関するものである。

液晶表示装置などでは、２枚の液晶基板の隙間を一定に維持するために、微粒子状のスペーサを前記液晶基板の間に配置している。従来、スプレー式散布装置などを用いてスペーサを液晶基板上に散布していたが、この方法ではスペーサが不均一に散布され易く、液晶基板の間隔が一定に維持できなかったり、スペーサが多数個かたまったりして、表示品質の低下を招いていた。

このような欠点を解消するため、近年、インクジェット方式を応用した液滴吐出方法が開発され、多数の提案がなされている。この液滴吐出法によれば、所定の位置にスペーサを配置することができ、また多数のオリフィスを有する吐出ヘッドを用いれば、多数の指定位置に同時にスペーサを配置することができ、生産効率を高めることができるなどの特長を有している。

このインクジェット方式を用いた液滴吐出方法を用いた場合、インクの貯蔵タンクからインクジェットヘッドに至るインクの供給路の長さが一般に１〜１０ｍと長いために、供給されるインク中の固体微粒子がインクの貯蔵タンクからヘッドへ到達するまでの間に沈降・凝集等を起こし、インクの供給路の内壁に付着してインクの供給路を汚染したり、インクの塊となってノズル内に留まって、目詰まりを発生させたり、インクの安定吐出を阻害したりするといった問題が見られることがあった。そのような問題に対処するために、定期的に或いは問題発生時にインクジェットヘッドを洗浄することが必要となる。

このインクジェットヘッドを洗浄する方法としては、洗浄液を加圧によって流路に通し、洗浄液とともにインク及び凝集物、付着物をヘッド外に押し出す方法が一般的である。より効果的に洗浄する方法としては、インクジェットヘッドをノズルが下向きになるように、治具を介しインク供給口側にチューブが来るよう配置し、洗浄液容器を超音波洗浄機内に入れ、超音波をかけながら送液ポンプより、洗浄液容器内の洗浄液を、インクジェットヘッドの内部を通過させ、廃液容器へと送液を行いながら洗浄する方法がある。（例えば、特許文献１参照）
また、インクジェットヘッド内のインクを排出させる際、インクを吐出させるためにエネルギーを発生するエネルギー発生手段の駆動力が連続的に変化するよう駆動電圧或いはパルス幅を変化させながらエネルギー発生手段を駆動させる方法もある。（例えば、特許文献２参照）
特許第３１７９３３２号公報 特許第２６５９９５５号公報

しかし、洗浄液を加圧によって流路に通す一般的な方法では、流路に流速の遅い領域が存在するヘッドの場合、流速の遅いよどみ部分に凝集物や付着物が残り、これを除去するためには多量の洗浄液と時間を必要とし、付着の程度によってはいくら行っても除去できない。超音波洗浄機を用いる方法では、超音波洗浄機を用意するということでコストの増加につながり、超音波洗浄機を設置する場所を確保する必要があるため装置の大型化を招いてしまう。また、エネルギー発生手段の駆動力を連続的に変化させる方法は、気泡の除去には効果があるが、強固に流路に付着したものへの効果は薄く、また、流路から剥された凝集物の大きいものはノズル付近に留まりかえってノズル詰りを引き起こしてしまう可能性もある。

本発明は、このような問題点を解決するもので、その目的とするところは、設備を追加することによってコストの増加や装置の大型化を招くことなく、また、固体微粒子の凝集物といった塊も確実に分散・除去できるインクジェット式液滴吐出装置の洗浄方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、塗布液を収容する圧力室と、その圧力室に連通したオリフィスと、吐出駆動パルス信号の印加により作動して前記圧力室の容積を膨張・収縮させ、前記オリフィスから前記塗布液を液滴として被着体上に吐出する圧力発生手段とを備えたインクジェットヘッドを用いて前記塗布液を前記被着体上に塗布するインクジェット式液滴吐出装置において、前記インクジェットヘッド内のインク流路に洗浄液を通して前記インク流路内を洗浄する際に前記圧力発生手段を用いて超音波振動を加える手段を有することを特徴とする。

本発明の第２の手段は、前記第１の手段において、前記吐出装置流路及び前記インクジェットヘッド内共通液流路の洗浄と前記インクジェットヘッド内の洗浄、前記吐出装置流路及び前記インクジェットヘッド内共通液流路の洗浄液の廃棄と前記インクジェットヘッド内の洗浄液の廃棄、を交互に複数回行うことを特徴とする。

本発明の第３の手段は、前記第１ないし第２の手段において、前記圧力発生手段に用いる駆動波形信号は、前記塗布液を吐出させる際に用いる吐出駆動波形信号の波形と同じで、電圧値を前記圧力発生手段に印加可能な最大値とし、波形周期を超音波振動の領域で行うことを特徴とする。

本発明の第４の手段は、前記第１ないし第２の手段において、前記塗布液が固体微粒子を混合、分散していることを特徴とする。

本発明の第５の手段は、前記第４の手段において、前記被着体が液晶基板であって、前記固体微粒子が２枚の前記液晶基板の隙間を維持するためのスペーサ微粒子であることを特徴とする。

本発明は前述のような構成になっており、超音波振動の発生は塗布液を吐出させる圧力発生手段を用いているので、新たな装置を追加する必要が無く、また、超音波振動を印加することにより凝集物の分散を行うので、流路の付着物が剥離した後にそれが凝集物としてノズルの目詰りを起こしてしまうという問題が発生することもない。

本発明の実施形態を図と共に説明する。図４ならびに図５は、本発明の実施形態に係る液滴吐出装置本体の正面図ならびに側面図である。

これらの図に示すように、塗布ステージ５１上には２本平行に延びたＸ軸リニアレール５２が敷設、固定され、その上に２つのＸ軸リニアガイド５３が取り付けられている。Ｘ軸リニアガイド５３の上にステージベース５４を介してテーブル５５が固定されている。

テーブル５５上には、スペーサ微粒子（ビーズ）を塗布する液晶用基板４８が画素面を上にして載置され、例えば空気吸引機構などの位置決め手段（図示せず）によってテーブル５５上の所定位置に固定されている。

塗布ステージ５１の左右両側面から上方に向けて支柱５６，５６が延びており、支柱５６，５６の上端部にガイド支持部材５７が架設されている。ガイド支持部材５７の前面に２本の平行に延びたＹ軸リニアガイド５８が水平方向に固定されて、そのＹ軸リニアガイド５８にＹ軸ベース５９が摺動可能に支持されている。さらにＹ軸ベース５９上に、垂直方向に延びるＺ軸ベース６０が固定され、Ｚ軸ベース６０上にＺ軸リニアガイド６１（図４参照）が摺動可能に支持されている。

前記Ｙ軸ベース５９ならびにＺ軸ベース６０上には、図５に示すように塗布液吐出機構６２が搭載されている。この塗布液吐出機構６２中の塗布液供給ボックス６３はＹ軸ベース５９上に搭載され、塗布液供給ボックス６３は図４に示すように塗布液循環供給部２とカートリッジ部３とを有している。一方、塗布液吐出機構６２中のヘッド部４は、ヘッドブロック６４を介して前記Ｚ軸リニアガイド６１（Ｚ軸ベース６０）上に搭載されている。

前記液晶用基板４８を搭載したテーブル５５は、モータ（図示せず）を駆動源として前記Ｘ軸リニアレール５２上を往復移動する。前記Ｚ軸ベース６０を搭載したＹ軸ベース５９は、モータ（図示せず）を駆動源として前記Ｙ軸リニアガイド５８上を往復移動する。また前記ヘッド部４を搭載したＺ軸リニアガイド６１は、モータ（図示せず）を駆動源として前記Ｚ軸ベース６０上を往復移動する。

ヘッド部４と液晶用基板４８との距離は、Ｚ軸ベース６０上でのＺ軸リニアガイド６１の位置調整により適正に設定される。そして液晶用基板４８を搭載したテーブル５５が往復移動する間に、初期に設定された吐出タイミングによりヘッド部４から塗布液が液滴となって液晶用基板４８の所定位置に吐出され、着弾した液滴内には所定個数のスペーサ微粒子が含まれている。

液晶用基板４８の往復移動により必要個所に液滴が着弾されると、塗布液吐出機構６２はＹ軸上を次の塗布領域まで移動する。これらの動作の繰り返しにより、液晶用基板４８の全面にスペーサ微粒子を含有した液滴が着弾されて、スペーサ微粒子の接着が行なわれてから、液晶表示装置の次の組立工程に搬送される。

ヘッド部４を洗浄する際には、図４に示すようにテーブル５５が通過しない位置で廃液受け１１４の真上にヘッド部４が来る位置に塗布液吐出機構６２を退避させる。そして、カートリッジ部３からヘッド部４へインクを供給する塗布液供給管中に設けた流路切替え部（図示せず）により、洗浄液タンク（図示せず）からの洗浄液をヘッド部４に送液する。ヘッド部４のオリフィスから排出された洗浄液は、廃液受け１１４で受けた後、配管を通して廃液タンク１１５に回収される。

図６ないし図８はオンデマンド型ヘッド部の詳細を示す図で、図６はヘッド部の分解斜視図、図７はヘッド部の組立後の断面図、図８は図７Ａ−Ａ線上の断面図である。

これらの図において符号７１はオリフィス、７２はオリフィスプレート、７３は圧力室、７４は圧力室プレート、７５はリストリクタ、７６はリストリクタプレート、７７はダイヤフラム、７８はフィルタ、７９はダイヤフレームプレート、８０は穴部、８１はサポートプレート、８２は共通液通路、８３はハウジング、８４は接着剤、８５は圧電アクチュエータ、８６は圧電振動子、８７は外部電極、８８は導電性接着剤、８９は支持基板、９０は個別電極、９１は共通電極、９２はスルーホール、９３は液導入パイプである。

このオンデマンド型のヘッド部は図６に示すように、オリフィスプレート７２、圧力室プレート７４、リストリクタプレート７６、ダイヤフレームプレート７９、サポートプレート８１、ハウジング８３、圧電アクチュエータ８５などから構成されている。

一列に多数のオリフィス７１を形成したオリフィスプレート７２は、ニッケル材の電鋳加工法、ステンレス鋼材などの精密プレス加工法またはレーザ加工法などによって製作される。圧力室プレート７４には、前記オリフィス７１に対応した個数の圧力室７３が形成され、前記オリフィス７１と連通している。リストリクタプレート７６は図８に示すように共通液通路８２と前記圧力室７３を連通し、圧力室７３への液流入量を制御するリストリクタ７５が形成されている。圧力室プレート７４とリストリクタプレート７６は、ステンレス鋼材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法などによって製作される。

ダイヤフレームプレート７９には圧電振動子８６の圧力を効率良く圧力室７３に伝達するためのダイヤフラム７７と、共通液通路８２からリストリクタ７５に流入する液中のゴミなどを除くフィルタ７８が形成されている。ダイヤフレームプレート７９は、ステンレス鋼材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法などによって製作される。

サポートプレート８１はダイヤフラム７７と圧電振動子８６を接着剤８４で固定するとき、ダイヤフラム７７の振動系固定端の位置を規制し、かつ接着個所からはみ出した接着剤がダイヤフラム７７の上で広がるのを規制する穴部８０が形成されている。サポートプレート８１は、ステンレス鋼材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法などによって製作される。金属または合成樹脂で製作されるハウジング８３には共通液通路８２が設けられており、この共通液通路８２に図示しない塗布液供給管あるいはヘッド接続管が接続されている。

塗布液供給管あるいはヘッド接続管から供給された塗布液は、ヘッドの共通液通路８２の途中でフィルタ７８を通過して、リストリクタ７５、圧力室７３、オリフィス７１へと順に流れる。個別電極９０と共通電極９１との間に所定のパルス電圧を印加することにより圧電振動子８６が伸縮し、パルス電圧の印加を止めると圧電振動子８６は伸縮前の状態に戻る。このような圧電振動子８６の変形により圧力室７３内の塗布液に瞬間的に圧力が加わり、オリフィス７１から塗布液が液滴となって液晶用基板４８上に着弾する。

図９は、ヘッドとスペーサを塗布した液晶用カラーフィルタ基板との関係を示す平面図である。同図に示すように液晶用カラーフィルタ基板４８の表面には、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素セル９５が規則正しく形成されており、その液晶用カラーフィルタ基板４８の遮光膜９６の交叉部分に複数個のスペーサ９７が塗布される。

同図に示すように、ヘッド２４上にはオリフィス７１がＰ１のピッチで形成されているのに対して、基板４８上に接着されるスペーサ９７のピッチＰ２は液晶表示装置の種類によって異なる。そのためヘッド２４の傾斜角度θを調整して、ヘッド２４による吐出間隔をスペーサ９７のピッチＰ２に合わせている。

図５に示すようにヘッド部４は、液晶用基板４８と対向するように下向きに配置されており、そのためオリフィス７１が最下位置にあって、塗布液中のスペーサ微粒子は塗布液よりも比重が大きいから、吐出動作を行わない休止期間中にオリフィス７１の開口部内にスペーサ微粒子の凝集物が集合し易い状態にあり、この凝集物により、目詰まりを発生させ、あるいは、インクの安定吐出を阻害させてしまう。

スペーサ粒子の径は、例えば、ＶＡ方式やＴＮ方式のように液晶表示装置の種類などによって異なるが、通常、２μｍ〜５μｍ程度のものが用いられ、ヘッド２４のオリフィスから吐出可能な径である。このスペーサ粒子は、有機液体、水あるいは有機液体と水との混合液などの分散液に、例えば０．５重量％〜２０重量％程度の濃度で分散される。

本実施形態では、数種類の有機液体を混合して安定吐出が可能なように粘度を１０ｍＰａ・ｓ程度に調整した分散液を用い、これに直径が2．7μｍのプラスチックビーズを2．3重量％分散させたものを塗布液として使用する。必要に応じてスペーサ粒子の分散性を良好に維持するための分散剤、あるいはスペーサ粒子を基板表面に接着する接着剤などを添加することもできる。

図１は、本発明の実施形態に係るインクジェット式液滴吐出装置の塗布液流路及び洗浄液流路の系統図である。インクはインクカートリッジ部３から液流通管１０１、１０２を通ってヘッド２４に供給され、塗布に使用されなかったインクは液流通管１０３、１０４を通って塗布液循環供給部２に回収され、圧送ポンプ１０で前記インクカートリッジ部２に戻される。液晶用基板４８に塗布する場合には、上述のようにインクが循環されている状態で以下に示す処理を行う。画像展開メモリ（図示せず）で、塗布条件の設定に関するデータを元に画像展開を行い、オリフィスの配列に合わせてデータの並び替えを行う。並び替えられた塗布データは、オリフィス毎の塗布タイミング信号に同期してヘッドドライバ１１に転送される。ヘッドドライバ１１ではドライブ信号１２を生成し、これをヘッド２４に出力する。また、駆動波形生成回路１３では、駆動波形生成信号に基いてヘッド２４の圧力発生手段を駆動する駆動波形信号１４を生成し、これをヘッド２４に出力する。これらの出力により、図９に示すように、液晶用基板４８の所定位置に液滴が着弾されることとなる。

ヘッド部４を洗浄する際には、まず、三方弁１１１の液流通管１０１側を閉じ（液流通管１０８側を開け）、二方弁１１３を閉じて、インクの循環を停止する。次に、二方弁１１２を開けて、液流通管内の液体は廃液タンク１１５に廃棄される流路を形成する。まず、三方弁１１０の空気流通管１０９側を開け（液流通管１０５側を閉じ）、圧縮空気により液流通管１０２，１０３内のインクを廃液として液流通管１０６を経由して廃液タンクに１１５に廃棄する。次に、三方弁１１０の空気流通管１０９側を閉じ（液流通管１０５側を開け）、空気加圧により洗浄液タンク内の洗浄液を加圧して、洗浄液を液流通管１０５、１０８、１０２を経由してヘッド２４、液流通管１０３まで通過させた後、廃液として液流通管１０３を経由して廃液タンク１１５に廃棄することで、流路及びヘッド２４内の共通液通路部を洗浄する。本実施形態では、洗浄液として、塗布液成分に含まれる有機液体を使用した。これは、洗浄液が流路中に排出しきれずにわずかに残ったとしても、塗布への影響を考慮しなくて済むためである。続いて、洗浄液タンク内の空気加圧は維持したまま、ニ方弁１１２を閉じてヘッド２４のオリフィス穴から洗浄液を排出させる。このオリフィス穴からの洗浄液排出のタイミングにあわせてヘッド２４の圧力発生手段を超音波駆動させるように、ヘッドドライバ１１ではドライブ信号１２を生成し、また、駆動波形生成回路１３では駆動波形信号１４を生成し、ヘッド２４に出力する。このヘッド２４の圧力発生手段に加える電圧は、ヘッドの破壊や寿命低下を招かない範囲で最大値とすることが望ましい。これにより、ヘッド内の洗浄液は超音波振動してヘッド２４内を洗浄する。洗浄後の廃液は、廃液受け１１４で受けて液流通管１０７を経由して廃液タンク１１５に廃棄される。次に、三方弁１１０の空気流通管１０９側を開け（液流通管１０５側を閉じ）、ニ方弁１１２を開けて、流路及びヘッド内の共通液通路部の洗浄液を廃液として液流通管１０６を経由して廃液タンクに１１５に廃棄する。さらに、ニ方弁１１２を閉じてヘッド２４に残る洗浄液をオリフィス穴から排出させる。以上の、流路及び共通液流路の洗浄とヘッド内の洗浄、流路及び共通液流路の洗浄液の廃棄とヘッド内の洗浄液の廃棄、を交互に複数回行うことにより、洗浄液の使用量を減らし、かつ確実に洗浄を行うことができる。

図２は、本発明の実施形態に係る駆動波形信号の周波数と廃液中に含まれる固体微粒子の数との関係を示す特性図である。洗浄液を加圧によりヘッド流路内に通すのみの一般的な方法によって洗浄を行った後、ヘッド２４の圧力発生手段を用いた振動を加えながら洗浄液をヘッド流路内に通し、その際に発生した廃液から一滴取り、その中に含まれている固体微粒子の数を測定した。この測定される固体微粒子数が多いほど、一般的な洗浄のみでは取り除くことのできなかった固体微粒子を排出できたことになるので、洗浄効果が高いということを示している。この図から分かるように、周波数が30kHz付近での洗浄効果が高く、それより低い周波数や高い周波数では洗浄効果が得られなくなっていくことがわかる。

図３は、洗浄後のインクジェットヘッド内部の固体微粒子残留状況を示した写真である。
洗浄液による洗浄後、ヘッド24を分解し、オリフィスプレート７２の流路面側のオリフィス７１付近を観察した。超音波駆動なしは、洗浄液を加圧によりヘッド流路内に通すのみの一般的な方法によって洗浄を行った場合であり、超音波駆動ありは、ヘッド２４の圧力発生手段を用いて30kHzの超音波振動を加えながら洗浄液をヘッド流路内に通して洗浄を行った場合である。この図から分かるように、超音波駆動なしでは、オリフィス付近にかなりの固体微粒子が残留しているが、超音波駆動ありでは固体微粒子の残留は見られなかった。

前記実施形態では液晶表示装置の製造の場合について説明したが本発明はこれに限定されるものではなく、例えばエレクトロルミネッセンスの製造、あるいは酸化チタン粒子を含有したインクを印刷するプリント配線基板の製造、沈降や凝集しやすい高濃度の電子部品用インクを使用して製造する積層セラミック電子部品や高周波電子部品の如き電子部品の製造など他の技術分野においても適用可能である。

また実施形態では固体微粒子を混合分散した塗布液を吐出する場合について説明したが本発明はこれに限定されるものではなく、例えばインクジェット記録装置などの固体微粒子を含有しない塗布液を吐出する場合にも適用可能である。

本発明の実施形態に係るインクジェット式液滴吐出装置の塗布液流路及び洗浄液流路の系統図である。 本発明の実施形態に係る駆動波形信号の周波数と廃液中に含まれる固体微粒子の数との関係を示す特性図である。 洗浄後のインクジェットヘッド内部の固体微粒子残留状況を示した写真である。 本発明の実施形態に係る液滴吐出装置本体の正面図である。 その液滴吐出装置本体の側面図である。 本発明の実施形態に係るヘッド部の分解斜視図である。 そのヘッド部の組立後の断面図である。 図７Ａ−Ａ線上の断面図である。 ヘッドとスペーサを塗布した液晶用カラーフィルタ基板との関係を示す平面図である。

符号の説明

２：塗布液循環供給部、３：カートリッジ部、４：ヘッド部、１１：ヘッドドライバ、１２：ドライブ信号、１３：駆動波形生成回路、１４：駆動波形信号、２４：吐出ヘッド、４８：液晶用基板、５１：塗布ステージ、５２：Ｘ軸リニアレール、５３：Ｘ軸リニアガイド、５４：ステージベース、５５：テーブル、５６：支柱、５７：ガイド支持部材、５８：Ｙ軸リニアガイド、５９：Ｙ軸ベース、６０：Ｚ軸ベース、６１：Ｚ軸リニアガイド、６２：塗布液吐出機構、６３：塗布液供給ボックス、６４：ヘッドブロック、７１：オリフィス、７２：オリフィスプレート、７３：圧力室、７４：圧力室プレート、７５：リストリクタ、７６：リストリクタプレート、７７：ダイヤフラム、７８：フィルタ、７９：ダイヤフレームプレート、８０：穴部、８１：サポートプレート、８２：共通液通路、８３：ハウジング、８４：接着剤、８５：圧電アクチュエータ、８６：圧電振動子、８７：外部電極、８８：導電性接着剤、８９：支持基板、９０：個別電極、９１：共通電極、９２：スルーホール、９３：液導入パイプ、９５：画素セル、９６：遮光膜、９７：スペーサ、１０１,１０２,１０３,１０４,１０５,１０６,１０７,１０８：液流通管、１０９：空気流通管、１１０,１１１：三方弁、１１２,１１３：ニ方弁、１１４：廃液受け、１１５：廃液タンク、１１６：洗浄液タンク。

Claims (5)

1. 塗布液を収容する圧力室と、その圧力室に連通したオリフィスと、吐出駆動波形信号の印加により作動して前記圧力室の容積を膨張・収縮させて、前記オリフィスから前記塗布液を液滴として被着体上に吐出する圧力発生手段とを備えたインクジェットヘッドを用いて前記塗布液を前記被着体上に塗布するインクジェット式液滴吐出装置において、
   前記インクジェットヘッド内のインク流路に洗浄液を通して前記インク流路内を洗浄する際に、前記圧力発生手段を用いて超音波振動を加える手段を有することを特徴とするインクジェット式液滴吐出装置の洗浄方法。
2. 請求項１記載の洗浄方法において、前記吐出装置流路及び前記インクジェットヘッド内共通液流路の洗浄と前記インクジェットヘッド内の洗浄、前記吐出装置流路及び前記インクジェットヘッド内共通液流路の洗浄液の廃棄と前記インクジェットヘッド内の洗浄液の廃棄、を交互に複数回行うことを特徴とするインクジェット式液滴吐出装置の洗浄方法。
3. 請求項１ないし２のいずれか１項記載の洗浄方法において、前記圧力発生手段に用いる駆動波形信号は、前記塗布液を吐出させる際に用いる吐出駆動波形信号の波形と同じで、電圧値を前記圧力発生手段に印加可能な最大値とし、波形周期を超音波振動の領域で行うことを特徴とするインクジェット式液滴吐出装置の洗浄方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の洗浄方法において、前記塗布液が固体微粒子を混合、分散していることを特徴とするインクジェット式液滴吐出装置の洗浄方法。
5. 請求項４記載の洗浄方法において、前記被着体が液晶基板であって、前記固体微粒子が２枚の前記液晶基板の隙間を維持するためのスペーサ微粒子であることを特徴とするインクジェット式液滴吐出装置の洗浄方法。

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