JP2010221171A - 液体循環ユニット、液体循環装置、及び塗布体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の種々の課題を解決することのできる液体循環ユニット、液体循環装置、及び塗布体の製造方法を提供する。
【解決手段】液体循環ユニット２３は、インクを収容する第１の液体収容部８と、第１の液体収容部８に収容されているインクの液面を検知するセンサＳ３及びＳ４と、センサＳ３及びＳ４の検知結果に基づいて第１の液体収容部８から外部にインクを送る送液ポンプ１２と、送液ポンプ１２によって送られたインク中の溶存気体を除去する脱気用配管１１と、送液ポンプ１２によって送られたインク中の不純物を除去するフィルター１３と、第１の液体収容部８から外部にインクが送られる際に開くダイヤフラム弁１４と、外部から第１の液体収容部８にインクが送られる際に開くコック弁１５とを備え、液体循環装置に取り外し可能に設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、塗布対象物に液滴を噴射して塗布する液滴噴射塗布装置に用いられる液体循環ユニット、液体循環装置、及び塗布体の製造方法に関する。

液滴噴射塗布装置は、画像情報の印刷のほか、液晶表示装置、有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置、電子放出表示装置、プラズマ表示装置、電気泳動表示装置等の様々な平面型表示装置を製造する際に用いられている。この液滴噴射塗布装置は、インク等の液体を複数のノズルから液滴として噴射する液滴噴射ヘッド（例えば、インクジェットヘッド）を備えており、その液滴噴射ヘッドにより基板等の塗布対象物に液滴を着弾させ、所定パターンのドット列を順次形成し、様々な塗布体を製造する。インクはインクタンクから液滴噴射ヘッドに配管（インク流路）を介して供給される。この配管にはバルブやポンプ等が設けられている。なお、液滴噴射ヘッド内のインクの液圧は、ノズルからのインク漏れ等を防止することを目的として負圧に保たれている（例えば、特許文献１参照）。このような液滴噴射塗布装置では、溶け難い材料を含むインクを用いるため、インクの経時変化により材料の沈降が生じ、その沈降が要因となる噴射不良が発生してしまう。これを解決するため、液滴噴射ヘッドとインクタンクとの間でインクを循環させる液滴噴射塗布装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、前述の液滴噴射塗布装置では、バルブやポンプの駆動により、配管内のインクを介して液滴噴射ヘッドに圧力変動が加えられるため、インクの漏れや空気の吸込等が発生する。このため、ノズル面へのインク染み出しや液滴噴射ヘッドの気泡吸い込みが生じ、不噴射等の噴射不良が発生してしまう。そこで、噴射不良の発生を抑止することができる液滴噴射塗布装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

図７は、特許文献３に記載されている液滴噴射塗布装置のインク循環に関する各部の説明図である。図７に示すように、液滴噴射ヘッドＨは、液体収容部１２１から供給されたインクが通過する内部流路Ｈａを有しており、その内部流路Ｈａを通過するインクをノズルＮから液滴として噴射する。液体供給流路１３１の流路１３１ａから流入するインクが滴下するように形成された第１バッファタンク１１９を液体供給流路１３１中に液体供給部Ｐ１より液滴噴射ヘッドＨ側に位置付けて設け、更に、液体戻し流路１３２、１３３の流路１３２ａから流入するインクが滴下するように形成された第２バッファタンク１２０を液体戻し流路１３２、１３３中に液体戻し部Ｐ３、Ｐ４より液滴噴射ヘッドＨ側に位置付けて設けている。これにより、第１バッファタンク１１９及び第２バッファタンク１２０の各々の空気層により、液体供給部Ｐ１や液体戻し部Ｐ３、Ｐ４の駆動による圧力変動が吸収されるので、圧力変動に起因するインクの漏れや空気の吸込等の発生を防止することが可能になる。加えて、インクが液滴噴射ヘッドＨの内部流路Ｈａ、液体供給流路１３１、第１液体戻し流路１３２及び第２液体戻し流路１３３を循環するので、インクに含まれる材料の沈降を抑えることが可能になる。これらのことから、インク中の材料の沈降による噴射不良を抑止することができ、更に、液体染み出しや気泡吸い込みによる噴射不良の発生を抑止することができる。

次に、従来の一般的な液滴噴射塗布装置における循環経路について説明する。従来の液滴噴射塗布装置は、図８に示すように、供給タンク１と、送液ポンプ２と、脱気装置３と、フィルター４と、サブタンク５と、ヘッド６と、返送ポンプ７と、排出タンク８と、薬液バルブ９とを備えている。図８でいうサブタンク５は、図７でいう第１バッファタンク１１９に相当し、図８でいう排出タンク８は、図７でいう第２バッファタンク１２０に相当する。経路内のポンプにはダイヤフラムポンプを使用し、バルブにはダイヤフラム弁を使用している。インクの循環は、（１）送液、（２）排出、（３）返送、（４）バイパス循環の４動作を繰り返すことで実現される。（１）送液は、供給タンク１に収容されているインクを送液ポンプ２で吸い上げ、脱気装置３とフィルター４とを通過させてサブタンク５へ供給する動作である。（２）排出は、サブタンク５を加圧し、ヘッド６のＩＮ側からＯＵＴ側までインクを圧送して排出タンク８へ排出する動作である。ヘッド６内の経路については図７に示した通りであるため、ここでは詳しい説明を省略する。この排出動作は、サブタンク５を加圧する動作の他、返送ポンプ７で排出タンク８を負圧にしてインクを吸い上げる動作によっても実現することができる。（３）返送は、排出タンク８に排出されたインクを返送ポンプ７で吸い上げて供給タンク１へ返送する動作である。（４）バイパス循環は、ヘッド取り外し時などは経路内でインクに含まれる材料が沈降する恐れがあるため、脱気装置３で気泡を取り除きながらバイパス経路でインクを循環させる動作である。脱気装置３は、具体的には、中空糸膜を使用してインク中の溶存気体を除去する脱気用配管である。循環流量は、脱気能力維持のため１０ｍｌ／ｍｉｎ以下である。

特開２００６−１９２６３８号公報 特開２００４−２３０６５２号公報 特開２００８−２６４７６７号公報

しかし、前記特許文献３に記載されている液滴噴射塗布装置には以下の課題がある。

まず、配管経路が複雑であるという課題がある。そのため、インク交換作業時には、配管洗浄・インク入れ替えのため、長時間にわたって装置を停止させる必要があった。また、インク交換作業自体も、人が装置内に入る必要があり作業難易度が非常に高かった。更に、配管経路中にあるインクは廃液として払い出す必要があり、インク・洗浄液の損失が大きかった。

また、排出動作でサブタンクを加圧してヘッド内のインクを圧送中にノズル側からもインクが排出されてしまうという課題もある（２０ｋＰａ、６ｓｅｃの加圧で約３ｃｃ排出）。排出動作は２時間に１回の頻度で行なわれるため、１日あたりのロス量が３×１２＝３６ｃｃと多大でランニングコストがかかる。

更に、サブタンク加圧の循環では、循環中にヘッドは塗布できないため退避ポジションに退避しなければならないという課題もある。その場合、インクの沈降抑制には２時間あたり１０分間の循環（送液→排出→返送→バイパス循環の１サイクルが１０分）が必要であり、１日あたり１０×１２＝１２０分の稼動時間がロスとなってしまう。また、前後工程とのラインバランスがとれない（循環時に前工程から投入された基板を処理できず処理待ちとなる）ため、ラインの時間稼働率を悪化させる恐れがある。

本発明の目的は、上記３つの課題を解決することのできる液体循環ユニット、液体循環装置、及び塗布体の製造方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、液体を循環させる液体循環装置に設けられる液体循環ユニットであって、前記液体を収容する第１の液体収容部と、前記第１の液体収容部に収容されている前記液体の液面を検知するセンサと、前記センサの検知結果に基づいて前記第１の液体収容部から外部に前記液体を送る送液ポンプと、前記送液ポンプによって送られた前記液体中の溶存気体を除去する脱気用配管と、前記送液ポンプによって送られた前記液体中の不純物を除去するフィルターと、前記第１の液体収容部から外部に前記液体が送られる際に開くダイヤフラム弁と、外部から前記第１の液体収容部に前記液体が送られる際に開くコック弁とを備え、前記液体循環装置に取り外し可能に設けられる。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、液体を循環させる液体循環装置において、前記液体を収容する第２の液体収容部と、前記第２の液体収容部に収容された前記液体を液滴として噴射する液滴噴射ヘッドと、請求項１記載の液体循環ユニットとを備えたことである。

本発明の実施の形態に係る第３の特徴は、前記液滴循環装置が塗布対象物に向けて液滴を噴射して塗布体を製造する塗布体の製造方法において、前記液滴噴射ヘッドを駆動して前記液体を噴射する噴射工程と、前記液体が前記液滴噴射ヘッドの噴射に影響を及ぼさないレベル、すなわち、陽圧側で染み出しを起こさず陰圧側で不吐（噴射不良）を起こさないレベルの圧力変動±５０Ｐａ以内（すなわち、微流量であり且つ一定流量の吸引）によって前記液体を前記液滴噴射ヘッド内で循環させる循環工程とを備え、前記噴射工程を行いつつ前記循環工程を行うことを可能としたことである。

本発明によれば、従来の種々の課題を解決することのできる液体循環ユニット、液体循環装置、及び塗布体の製造方法を提供することができる。すなわち、インク交換作業時には、着脱可能な液体循環ユニットの交換時間のみ装置を停止させれば済む。また、オフラインでの洗浄・インク入れ替えが可能となり、作業難易度が低減される。更に、配管経路が短くなったため、インク・洗浄液の損失が低減される。

また、サブタンクの加圧によるノズル側からの加圧での噴出はないため、インクロスはゼロとなる。

更に、循環による染み出し、噴射不良は発生しないため、循環しながらの噴射が可能である。そのため、２時間に１回の循環による停止時間が削減でき、設備単体の稼動時間が向上され、前後工程とのラインバランスを維持できる効果がある。

本発明の実施の形態における液滴噴射塗布装置の循環経路の説明図である。 本発明の実施の形態における液体循環ユニットの外観図である。 本発明の実施の形態におけるヘッド内の圧力変化値を示す図である。 本発明の実施の形態における圧力センサの配置を示す図である。 本発明の実施の形態におけるカートリッジの配置を示す図である。 本発明の実施の形態におけるカートリッジの配置を示す図である。 従来の液滴噴射塗布装置のインク循環に関する各部の説明図である。 従来の一般的な液滴噴射塗布装置の循環経路の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

本発明の実施の形態における液滴噴射塗布装置（インクジェット塗布装置等）は、図１の鎖線で示すように、ヘッド６とサブタンク５との間でインクを循環させる配管経路をひとまとめにした着脱可能な液体循環ユニット２３を備えている。この液体循環ユニット２３は、カートリッジとして構成され、小型の排出タンク８と、小型の脱気装置１１と、小型の送液ポンプ１２と、フィルター１３と、ダイヤフラム弁１４と、コック弁１５とを備えている。マスフローコントローラ１６、ガス配管１７、吸引バルブ１８ａ、大気開放バルブ１８ｂ、配線１９、脱気装置１１の制御部２０などの電装部は、インクの種類によらず共通して使用可能であるので、カートリッジ外に配置した。液面センサＳ１及びＳ２は、サブタンク５に収容されているインクの液面を検知するためのセンサであって、塗布動作時に使用される。一方、液面センサＳ３及びＳ４は、排出タンク８に収容されているインクの液面を検知するためのセンサであって、循環動作時に使用される。

本発明の実施の形態における液滴噴射塗布装置の動作は、バイパス循環が省略された点を除き、従来の一般的な液滴噴射塗布装置型（図８参照）と同様である。すなわち、排出タンク８にインクが満面に溜まると、液面センサＳ３がオンとなる。これにより、ダイヤフラム弁１４が開いて送液ポンプ１２が駆動し、排出タンク８からサブタンク５へインクが返送される。その後、排出タンク８に収容されるインクの液面が所定位置まで下がると、液面センサＳ４がオンとなる。これにより、吸引バルブ１８及びコック弁１５が開いてサブタンク５から排出タンク８にインクが送られる。その後、排出タンク８に収容されるインクの液面が所定位置まで上がると、液面センサＳ３がオンとなる。以降は前述の動作が繰り返され、インクが循環することになる。なお、サブタンク５は本発明に係る第２の液体収容部に相当し、排出タンク８は本発明に係る第１の液体収容部に相当する。

図２は、本発明の実施の形態における液体循環ユニット２３の外観図である。図１と同じ構成部については同じ符号を用いている。この液体循環ユニット（以下「カートリッジ」という場合がある）２３のサイズは幅６０ｍｍ×奥行２５０ｍｍ×高さ３００ｍｍレベルであり、重量は３〜４ｋｇ前後である。そのため、作業者は片手で液体循環ユニット２３を運搬することができ、装置への搭載・入れ替えを容易に行うことが可能である。液体循環ユニット２３と外部とはマルチコネクタ及びカプラ２１によって配管・配線接続される。インクを廃液として払い出したり、新たにインクを入れたりする際には入出バルブ２４が使用される。

ところで、従来の液滴噴射塗布装置（図８参照）には、送液・返送およびバルブ開閉時に脈動が発生するという課題もある。例えば、流量１０ｍｌ／ｍｉｎレベルの送液の場合、配管内の圧力変動量は１ｋＰａ以上となるのが通常である。そのため、ノズルでのインク界面を維持するのが困難となり、循環する度に不吐出（噴射不良）が発生する。また、薬液バルブ９のうちヘッド６のＯＵＴ側後に配置されている排出バルブ１０がダイヤフラム弁の場合、バルブ開閉での体積変化は０．１ｃｃレベルであり、たとえサブタンク５が大気開放された場合でも２ｋＰａ以上の圧力変動が生じる。この圧力変動に対して、ノズル面にインクの染み出し６ａを形成し、インク界面自体をなくす方法がある。しかしながら、この方法によると、ノズルから排出されたインクには既に泡が混入されているため、脈動で泡までノズル内に入り不吐出の要因となる。また、ノズル面にインクの染み出し６ａを形成した場合、塗布動作中の循環動作は不可能である。更に、循環動作中は塗布動作ができないため、上流設備と下流設備とのラインバランスを悪化させる恐れがあった。

そこで、本発明では、染み出し６ａを形成することなく不吐出を出さないようにするため、循環動作・バルブ開閉動作での脈動の極小化を図ることにした。具体的には、排出動作は、加圧やポンプによる吸引でなく、微流量であり且つ一定流量の吸引によって実現した。この吸引を実現するため、吸引経路には流量管理が可能なマスフローコントローラ１６を接続し、吸引圧は負圧レギュレータにより−５ｋＰａ前後とした。この設定値は、ヘッド６のノズル面に対する排出タンク８の水頭差（ヘッド６に対するカートリッジの高さ位置）で異なる。ノズル面と排出タンク８の液面とが同一高さの場合、吸引圧は−１００Ｐａレベル（ノズル界面での表面張力を維持できる圧力）である。実際には、物理的にヘッド６の上部へカートリッジ２３を配置する必要があるため５００ｍｍレベルの液面差が生じ、その水頭差を相殺するための吸引圧となる。また、排出バルブ１５には、開閉時の体積変化が小さいコック弁を採用した。コック弁を採用したことにより、弁開閉の圧力差を２００Ｐａから５０Ｐａ以下にまで低減することができた。

次に、ヘッド６内のインク排出動作時における圧力変化について説明する。既に説明した通り、本発明の実施の形態における排出動作は、加圧やポンプによる吸引でなく、微流量であり且つ一定流量の吸引によって実現した。この場合、図３に示すように、インクの液面６Ｈはノズル６２の内部で上下することになる。すなわち、インクの液面６Ｈは、ノズル面６３よりも高い位置（図３（Ａ）参照）と、ノズル面６３よりも低い位置（図３（Ｂ）参照）との間で上下するようになっている。言い換えると、ヘッド６内の圧力範囲は、ノズル先端での界面（メニスカス）が破壊されない範囲（表面張力が保たれる範囲）である。その範囲が±５０Ｐａであり、その範囲内でインクを流す必要流量は０．５ｍｌ／ｍｉｎ前後となる。このような排出動作によれば、吐出方向性、液滴量への影響の検討が必要であるが、循環しながらの塗布が実現可能であると考えられる。なお、このような圧力変化は、図４に示すように、ヘッド６と同一高さになるように圧力センサ２２を配置し、そのアナログ出力を計測することによって求めた。

最後に、カートリッジ２３の配置について説明する。図５では、液滴噴射塗布装置３０の一部を拡大した様子を示している。図５に示すように、カートリッジ２３は通常ヘッド６の上部に搭載され、カートリッジ２３−ヘッド６間の配管は最短経路となる。塗布動作ではヘッド６を上下するが、この上下軸２５にカートリッジ２３自体も搭載される。インクを交換する場合は、図６に示すようにカートリッジ２３をスロットから引き出して、カートリッジ２３とヘッド６とを一括して交換する形となる。持ち運びの際は、片手にヘッド６、片手にカートリッジ２３を持つことになる。予めインクを循環させたい場合は、カートリッジ単独でインクをオフラインで循環させた後、装置に搭載する運用となる。図４に示す水頭差ｈ２はヘッドノズル面と排出タンク液面との水頭差であり、実体では図５に示すｈ２の高低差となる。更に段取り時間を短縮するには、多種（ここでは４種）のカートリッジ２３を予めヘッド６の上部に搭載しておき、ヘッド６の交換のみでインクの段取り替えが可能となる機構を採用することもできる。もちろん、多種のカートリッジ２３それぞれに対応する同数（ここでは４つ）のヘッド６を予め備える構成を採用してもよい。

以上のように、本発明によれば、ヘッド６とサブタンク５との間でインクを循環させる配管経路をひとまとめにした着脱可能な液体循環ユニット２３を備えたので、インク交換作業時には、着脱可能な液体循環ユニットの交換時間のみ装置を停止させれば済む。また、オフラインでの洗浄・インク入れ替えが可能となり、作業難易度が低減される。更に、配管経路が短くなったため、インク・洗浄液の損失が低減される。従って、本発明は、変質・沈降し易いインクで流動化を必要とする、あるいは使用するインクが多種に渡り、インク交換頻度が高い液滴噴射塗布装置に用いられる液体循環装置に適用すると効果的である。

また、本発明によれば、循環するインクの流量を極力抑えることができるので、脈動が低減され、ノズル穴でのインク界面が維持される。そのため、不吐出の発生を抑え、更に循環しながらの塗布を実現することができるため、装置の稼動率を向上させることが可能となる。従来と同様、循環動作中は塗布動作しないこととしてもよいのは勿論である。

５…サブタンク、６…ヘッド、８…排出タンク、１１…脱気装置、１２…送液ポンプ、１３…フィルター、１４…ダイヤフラム弁、１５…コック弁、１６…マスフローコントローラ、１７…ガス配管、１８…ガス系統のバルブ、１８ａ…吸引バルブ、１８ｂ…大気開放バルブ、１９…配線、２０…脱気装置の制御部、２３…液体循環ユニット。

Claims (5)

1. 液体を循環させる液体循環装置に設けられる液体循環ユニットであって、
   前記液体を収容する第１の液体収容部と、
   前記第１の液体収容部に収容されている前記液体の液面を検知するセンサと、
   前記センサの検知結果に基づいて前記第１の液体収容部から外部に前記液体を送る送液ポンプと、
   前記送液ポンプによって送られた前記液体中の溶存気体を除去する脱気用配管と、
   前記送液ポンプによって送られた前記液体中の不純物を除去するフィルターと、
   前記第１の液体収容部から外部に前記液体が送られる際に開くダイヤフラム弁と、
   外部から前記第１の液体収容部に前記液体が送られる際に開くコック弁とを備え、
   前記液体循環装置に取り外し可能に設けられることを特徴とする液体循環ユニット。
2. 液体を循環させる液体循環装置であって、
   前記液体を収容する第２の液体収容部と、
   前記第２の液体収容部に収容された前記液体を液滴として噴射する液滴噴射ヘッドと、
   請求項１記載の液体循環ユニットと、
   を備えることを特徴とする液体循環装置。
3. 前記配管経路を循環する前記液体の流量を調整するマスフローコントローラを備えることを特徴とする請求項２記載の液体循環装置。
4. 請求項２又は３記載の液滴循環装置が塗布対象物に向けて液滴を噴射して塗布体を製造する塗布体の製造方法であって、
   前記液滴噴射ヘッドを駆動して前記液体を噴射する噴射工程と、
   微流量であり且つ一定流量の吸引によって前記液体を前記液滴噴射ヘッド内で循環させる循環工程とを備え、
   前記噴射工程を行いつつ前記循環工程を行うことを特徴とする塗布体の製造方法。
5. 前記循環工程では、前記液体の液面が前記液滴噴射ヘッドのノズル内部で上下することを特徴とする請求項４記載の塗布体の製造方法。

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