JP2009233589A - インク供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のインク循環型インクジェットヘッドで、吐出信頼性が高く、高品質な塗工が可能なインク供給装置を提供すること。
【解決手段】インク吐出口近傍の共通液室にインクの供給口と排出口を有する複数のインク循環型インクジェットヘッドを有するインク吐出部と、前記インク吐出部にインクを供給／回収するためのインク分配マニホールドおよびインク回収マニホールドと、インク吐出口のインク圧力を制御する圧力センサと、前記インク循環型インクジェットヘッド内のインクを循環させる循環ポンプと、前記インク吐出部にインクを供給するインク供給部と、前記マニホールド内のインク温度を温調するための温調器を含み、上記インク循環系にインクと気体の接触がなく、複数のインク循環型インクジェットヘッドに適正な温度のインクを供給および循環させることを特徴とするインク密閉式循環型のインク供給装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インキ皮膜を有する印刷物を製造するインキ吐出印刷装置にインクを供給するための装置に関する。なかでも、高精細なパターンを吐出するフィルムベースのカラーフィルタ製造装置、ガラスベースのカラーフィルタ製造装置に関する。

カラーフィルタの製造方法としては、従来からフォトリソグラフィー法、エッチング法等が知られている。フォトリソグラフィー方式は、カラーフィルタに限らず、有機エレクトロルミネッセンス素子等、種々の光学素子や半導体用フォトマスクの製造などにも利用されている技術である。このフォトリソグラフィー方式によりカラーフィルタの製造を行なう場合の概略の工程としては、まず基板全体に感光性樹脂層の塗布膜を形成し、所望の画素パターンに応じて露光した後に塗布膜の不要な部分を取り除き、残ったパターンを各画素とする。これを必要な色数だけ、例えば黒（Ｂｋ）、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の４色分繰り返し行なう。この方法では塗布膜の多くが現像除去されるため、大量の感光性樹脂材料が無駄になる。さらに、色ごとに露光、現像、洗浄など多くの工程を行うため、工程数が多くなる。
一方、カラーフィルタの基板サイズは年々大型化が進んでいる。その大型基板を取り扱うための製造装置も大型化し、多数の工程と相俟って製造装置を設置するスペース、クリーンルームなどの付帯設備も大型化し、大きな負担となっている。そこで最近それらの負担やスペースを減らすと共にカラーフィルタのコストダウンを図るために、インクジェット方式を用いた製造装置が検討されている。

この装置では、インクジェットヘッドを用いて、ブラックマトリクス（ＢＭ）パターン内に直接、所望の（例えばＲ、Ｇ、Ｂなどの）カラーパターンを複数色同時塗工していくため、フォトリソグラフィー方式で必要であった露光、現像、洗浄等の工程を削減できるため、フットプリント（設置面積）を大幅に削減することが可能となる。
また塗工材料も必要最小量で済み無駄がほとんどなく、更にフォトリソグラフィー方式で必要であった現像液等が不要となるため、ランニングコストも削減することも可能である。

しかし一方ではインクジェット方式においてインクを吐出する為のインクジェットヘッドは、基板の大型化、生産性向上の為のタクトアップ、カラーフィルタの高精細化が進むにしたがって密集して配列され、かつ複数個装置に搭載されるようになった。この結果、ヘッドの吐出信頼性がより強く要求されるようになってきている。この要求を満たす方法として、特に欠陥に直結する吐出不良を解決する方法の一つとして、インク中の溶存酸素を脱気する方法等が知られている。

このようにインクジェットヘッド、材料、プロセス、設備のマッチングによって大きく性能が左右される部分もあるが、インクジェットヘッドの構造そのものが問題となる場合もある。
従来からのインクジェットヘッドの課題である吐出信頼性を向上させる目的で、ノズル吐出口近傍の共通液室内の気泡を除去させる流路構造を持つインク循環型インクジェットヘッド採用が提案されている。吐出口近傍の共通液室のインクを循環しながら塗工すること、または塗工時以外で定期的にインクを循環することで吐出信頼性向上に効果があることが確認されている。（特許文献１参照）
あるいは、吐出不良の原因となるインク中の気泡を排出するため、強制的に気泡をインクと共に排出するように加圧パージを行なうなどの手法もある。（特許文献２参照）

しかしながらインク循環する際には以下の問題があった。
（１）分配マニホールドから各ヘッドへインクを分配する際、各ヘッドから回収マニホールドにインクを回収する際の配管長（配管抵抗）を全て均一にしたとしても分配マニホールドと回収マニホールドの流路設計によって各ヘッドへのインク供給圧とインク排出圧に差が生じ、複数のヘッド面のインク圧力にバラツキが生じてしまう。また、ヘッド個数が多くなるほど、バラツキの差も大きくなりやすい。
（２）循環経路中でインクが外気と広い面積で触れてしまうような構造の場合は、外気と触れることでインクが変質し、カスの発生などに繋がり好ましくない。
（３）通常粘度の高いインクはインクジェットヘッド内に温水等を通して加温し、インク粘度を小さくすることにより吐出を可能にしている。常時インクを循環して循環経路内の温度が安定してから吐出する場合問題は発生しないが、定期的にインクを循環する場合はインクジェットヘッド内のインクだけが温度が高い状態の為、循環することにより循環経路内の加温されていないインクがインクジェットヘッドに入り、インク温度が冷え、不吐出や吐出量変化が発生してしまう。図５に室温23℃環境下でヘッド温度を33℃の非循環時と循環時のインクジェットヘッドで打たれたドット径の比較を示しているが、循環するとドット径が小さく（吐出量が少ない）なっていることがわかる。
また加圧パージを行なうとインクが無駄に消費されるなどの問題があった。
特開２０００−１８５３９５号公報 特開２００７−２９０２０７号公報

本発明の課題とするところは、インク吐出印刷装置のインク供給装置において上記問題を解決することである。すなわち複数のインク循環型インクジェットヘッド対し、均一なインク循環をおこなうことで、吐出信頼性の高い塗工が可能なインク供給装置を提供することにある。

本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、請求項１に記載の発明は、
インク吐出口近傍の共通液室にインクの供給口と排出口を有するインク循環型インクジェットヘッドを複数有するインク吐出部と、
前記インク吐出部にインクを供給するためのインク分配マニホールド部および前記インク吐出部から排出されたインクを集合回収するためのインク回収マニホールド部と、
前記インク吐出部にインクを供給するインク供給部と、
前記各部を連結し、インクと外気の接触がないインク循環配管系と、
前記インク循環型インクジェットヘッド内のインクを前記供給口と前記排出口を通してヘッド外のインクと循環させる循環ポンプと、
インク吐出口のインク圧力を検出する圧力センサを備えインク圧力を制御する圧力制御機構と、
前記インク分配マニホールドおよびインク回収マニホールド内のインク温度を温調するための温調器と、
を含み、複数のインク循環型インクジェットヘッドに温調されたインクを供給および循環することを特徴とするインク密閉式循環型のインク供給装置である。

請求項２に記載の発明は、前記インク分配マニホールド部およびインク回収マニホールド部は、各マニホールドと前記インク循環型インクジェットヘッドそれぞれとの間に開閉バルブを設けたことを特徴とする請求項１に記載のインク供給装置であり、ヘッド個別のインク充填、ヘッドメンテナンスができることを特徴とするインク供給装置である。

請求項３に記載の発明は、前記インク分配マニホールド部とインク回収マニホールド部の間に、複数の前記インク循環型インクジェットヘッドのインク循環量を均一にするための補助循環ポンプを複数配置していることを特徴とする請求項１または２に記載のインク供給装置である。

請求項４に記載の発明は、前記圧力センサが前記各マニホールド部に設けたエア抜き連通口および前記各マニホールド部と前記インク循環型インクジェットヘッド間に配置され、これらの圧力情報をもとにメニスカス面形成制御を行なうことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のインク供給装置である。

請求項５に記載の発明は、前記循環ポンプが前記インク分配マニホールド部とインク回収マニホールド部との間に配置され、インク吐出口に形成されたメニスカス面を適正に維持して低脈動で送液することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のインク供給装置である。

請求項６に記載の発明は、前記インク供給部がインク回収マニホールド部と循環ポンプとの間、または循環ポンプとインク分配マニホールド部との間にダイヤフラムポンプを有し、前記圧力センサからの情報に基づいて前記ヘッド吐出口におけるインクのメニスカス面を形成するように動作させる駆動手段を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のインク供給装置である。

請求項７に記載の発明は、前記温調器が前記インク分配マニホールド部とインク回収マニホールド部間に配置され、前記インクジェットヘッドそれぞれと各マニホールド部に水を還流させてその温度を調節し、循環させるインクの温度を適正な値に維持することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のインク供給装置である。

本発明によると、インク循環をおこなうことでインクジェットヘッド内共通液室の気泡滞留をなくし、不吐出を抑えることができる。
また、個々のインクジェットヘッドへのインク供給圧もしくは排出圧を補助循環ポンプで均一化することで、吐出量バラツキをおさえることができる。
さらに、インク循環系を気体密閉式としているため、インクと気体接触によるインク劣化および気泡の再混入を防ぐことができ、それらによる製品への異物混入・吐出不良を抑え、歩留り低下を防ぐことができる。

以下、図面を参照し、本発明のインク供給装置の一例について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るインク供給装置の全体図である。
本インク供給装置は、インク供給部と図２に詳細を示す循環ポンプ部４と図３に詳細を示す供給マニホールド１８等からなる供給マニホールド部、回収マニホールド１７等からなる回収マニホールド部及びインク吐出部５、および図４に示すインク温調器とを有する構成である。

まず、インク充填時のインク供給装置の動作をメインインクタンク１から順番に説明する。
メインインクタンク１からインク供給ポンプ２によって吸い上げられたインクは、インク循環経路接続部９に供給される。
この時、供給マニホールドバルブ１３、回収マニホールドバルブ１６、各ヘッドＩＮバルブ１４、ＯＵＴバルブ１５は閉じておき、ハイポジションバルブ１１（最上位置に設置）のみ開けておく。この状態で供給マニホールドバルブ１３および回収マニホールドバルブ１６間がインクで満たされ、ハイポジションバルブ１１からエアが抜けるまで、インク供給ポンプ２によってインクを供給する。
その後、ハイポジションバルブ１１を閉じ、供給マニホールドベントバルブ２１を開いて、インク供給ポンプ２によって供給マニホールドベントバルブ２１からエアが抜けるまでインクを供給し、供給マニホールド１８内がインクで満たされ、エアが抜けたら供給マニホールドベントバルブ２１を閉じる。

次に、回収マニホールドベントバルブ２２を開き、インク供給ポンプ２によってインクを供給しながら、すべての補助循環ポンプ（以下２０で代表して示す）を動作させ、回収マニホールド１７内およびすべての補助循環ポンプ内をインクで満たす。回収マニホールド１７内がインクで満たされ、回収マニホールドベントバルブ２２からエアが抜けたら回収マニホールドベントバルブ２２を閉じる。この時、インク供給ポンプ２の送液量は、すべての補助循環ポンプの送液量より多くなければならない。
次に、すべての各ヘッドＩＮバルブ（以下１４で代表して示す）、ＯＵＴバルブ（以下１５で代表して示す）とハイポジションバルブ１１を開け、インク供給ポンプ２によってインクジェットヘッドノズル面圧力が正圧になるよう圧力制御しながら全インクジェットヘッド（以下１９で代表して示す）および全循環経路のエアが抜けるまでインクを供給し、エアが抜けたらハイポジションバルブ１１を閉じる。
これにより、インク供給経路すべてをインクで満たすことができる。

次に、インク循環動作について説明する。
循環ポンプ１０を作動させる際、フィルタ１２下流に設置した流量計（図示しない）で流量検出し、循環量がヘッド適正循環量×ヘッド数と等しくなるよう循環ポンプ１０の流量を調整する。この時、インクジェットヘッドの各インキ吐出口でのインキ面が適正なメニスカス状態を保つため、低脈動で送液する必要がある。そのためには例えばインク回収マニホールド部と循環ポンプとの間、または循環ポンプとインク分配マニホールド部との間にダイヤフラムポンプ（図示せず）を設けると良い。
次に、補助循環ポンプ２０を作動させ、複数のヘッド供給側センサ（以下２５で代表して示す）もしくはヘッド排出側センサ（以下２６で代表して示す）のインク圧力が均一になる様、補助循環ポンプ２０の流量をそれぞれ調整する。

上記作業中にも、インク供給ポンプ２はインクジェットヘッドノズル面圧力が適正負圧になるよう圧力センサ情報をもとに圧力制御している。ここで、制御に使用する圧力センサはインクジェットヘッドノズル面圧力を適正負圧にして適正なメニスカス面を維持できれば、ヘッド供給側センサ２５、ヘッド排出側センサ２６または供給マニホールドセンサ２３、回収マニホールドセンサ２４のいずれを使用してもかまわない。
さらに、供給マニホールド／回収マニホールド間には温調器２７を設ける。温調用の水を循環させる配管系（図示せず）と共に動作させて循環中のヘッド内インク温度を適正温度に保つ。インク温度とインクジェットヘッド温度は同等であると良いので、循環させる水はインクジェットヘッドの温調と兼用とすることも可能である。どのような温度に調節するかはインクの特性などに合わせ適宜決めればよい。

また、前記インク分配マニホールド１８とインク回収マニホールド１７と前記インクジェットヘッド１９それぞれとの間に設けたＩＮバルブ１４、ＯＵＴバルブ１５は各インクジェットヘッドの開閉バルブとなるので、この両方を締めればヘッド個別のインク充填、ヘッドメンテナンスを行なうことも出来る。
上記により、複数のインク循環型インクジェットヘッドに均一に適正温度のインクを供給することができ、不吐出の発生を抑え、かつ均一な吐出量が得られるインク密閉式循環型のインク供給装置が実現できる。

本発明は、印刷物及びインキ皮膜として、カラーフィルタの着色層、色変換フィルタの色変換層、回路基板の回路パターン、薄膜トランジスタの配線パターン、マイクロレンズのレンズパターン、バイオチップの流路パターン等を形成する装置に利用できる。

本発明の実施の形態に係るインク供給装置の全体図。 本発明のインク供給装置の循環ボンプ部。 本発明のインク供給装置のインク吐出部。 本発明のインク供給装置のインク温調部。 ヘッド加温時の室温23℃の環境下でインク循環した場合のノズルからドット打ちした際の循環時と非循環時のドット径の違いを示す説明図。

符号の説明

１…メインインクタンク
２…インク供給ポンプ
３…ケーブルベア部
４…循環ポンプ部
５…インク吐出部
６…塗工ステージテーブル
８…廃液タンク
９…インク循環経路接続部
１０…循環ポンプ
１１…ハイポジションバルブ
１２…フィルタ
１３…供給マニホールドバルブ
１４…ヘッドＩＮバルブ
１５…ヘッドＯＵＴバルブ
１６…回収マニホールドバルブ
１７…回収マニホールド
１８…供給マニホールド
１９…インク循環型インクジェットヘッド
２０…補助循環ポンプ
２１…供給マニホールドベントバルブ
２２…回収マニホールドベントバルブ
２３…供給マニホールドセンサ
２４…回収マニホールドセンサ
２５…ヘッド供給側センサ
２６…ヘッド排出側センサ
２７…温調器

Claims (7)

1. インク吐出口近傍の共通液室にインクの供給口と排出口を有するインク循環型インクジェットヘッドを複数有するインク吐出部と、
   前記インク吐出部にインクを供給するためのインク分配マニホールド部および前記インク吐出部から排出されたインクを集合回収するためのインク回収マニホールド部と、
   前記インク吐出部にインクを供給するインク供給部と、
   前記各部を連結し、インクと外気の接触がないインク循環配管系と、
   前記インク循環型インクジェットヘッド内のインクを前記供給口と前記排出口を通してヘッド外のインクと循環させる循環ポンプと、
   インク吐出口のインク圧力を検出する圧力センサを備えインク圧力を制御する圧力制御機構と、
   前記インク分配マニホールドおよびインク回収マニホールド内のインク温度を温調するための温調器と、
   を含み、複数のインク循環型インクジェットヘッドに温調されたインクを供給および循環することを特徴とするインク密閉式循環型のインク供給装置。
2. 前記インク分配マニホールド部およびインク回収マニホールド部は、各マニホールドと前記インク循環型インクジェットヘッドそれぞれとの間に開閉バルブを設けたことを特徴とする請求項１に記載のインク供給装置。
3. 前記インク分配マニホールド部とインク回収マニホールド部の間に、複数の前記インク循環型インクジェットヘッドのインク循環量を均一にするための補助循環ポンプを複数配置していることを特徴とする請求項１または２に記載のインク供給装置。
4. 前記圧力センサは、前記各マニホールド部に設けたエア抜き連通口および前記各マニホールド部と前記インク循環型インクジェットヘッド間に配置され、これらの圧力情報をもとにメニスカス面形成制御を行なうことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のインク供給装置。
5. 前記循環ポンプは、前記インク分配マニホールド部とインク回収マニホールド部との間に配置され、インク吐出口に形成されたメニスカス面を適正に維持して低脈動で送液することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のインク供給装置。
6. 前記インク供給部は、インク回収マニホールド部と循環ポンプとの間、または循環ポンプとインク分配マニホールド部との間にダイヤフラムポンプを有し、前記圧力センサからの情報に基づいて前記ヘッド吐出口におけるインクのメニスカス面を形成するように動作させる駆動手段を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のインク供給装置。
7. 前記温調器は、前記インク分配マニホールド部とインク回収マニホールド部間に配置され、前記インクジェットヘッドそれぞれと各マニホールド部に水を還流させてその温度を調節し、循環させるインクの温度を適正な値に維持することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のインク供給装置。