JP2011073189A

JP2011073189A - 吐出装置、印刷方法

Info

Publication number: JP2011073189A
Application number: JP2009224979A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Murata; 真朗村田; Takahito Seishin; 貴人西新; Yuji Yanome; 勇士矢野目; Takahiro Miyata; 貴裕宮田; Tomoshi Shiba; 智志柴; Takumi Namekawa; 巧滑川; Mitsuru Yahagi; 充矢作
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-04-14

Abstract

【課題】吐出の際の遅れ時間が短く、高耐圧で大面積のＭＯＳトランジスタを使用しなくても済む吐出装置と印刷方法を提供する。
【解決手段】電圧制御装置１１によって、待機状態では、最小吐出電圧Ｖｔと接地電圧の間の大きさのバイアス電圧Ｖｂを印加し、ヘッド側電極４２に、最小吐出電圧Ｖｔよりも大きな吐出電圧Ｖｄを印加して吐出状態にして吐出液を吐出させる。待機状態と吐出状態の間の電圧差が小さいので、電圧切り替えのためのＭＯＳトランジスタは小さくて済む。また、待機状態で吐出液が帯電されているので、吐出に要する遅れ時間が短くて済む。
【選択図】図１

Description

本発明は、吐出装置と吐出方法の技術分野に係り、特に、オンデマンド型静電方式の吐出装置と吐出方法に関する。

インクジェット印刷方法には、ドロップオンデマンド型として、サーマルインクジェット方式と、圧電インクジェット方式がある。
サーマルインクジェット方式では、ノズル内に発熱素子が設けられており、この発熱素子に通電して発熱させ、膜沸騰現象により発生した気泡によってインクが押し出されており、圧電インクジェット方式では、圧電素子の変位によって発生した圧力波によって、インクが押し出されている。
コンティニュアス型としてはSweep静電方式がある。

この方式では、図９の印刷装置２１０のように、ノズルヘッド２４１内部に配置した電極によってノズルヘッド２４１内のインクを帯電させ、ノズルヘッド２４１先端から帯電したインク２５０を連続吐出する、。
帯電したインク２５０は直進すると回収装置２５５で回収されるが、偏向電極２４４間を通過する際に、偏向電極２４４に印加される電圧によって進行方向が変更されると、基板側電極２４５に進行するようにされている。
基板側電極２４５に基板を配置しておくと、インク２５１は基板に着弾される。

回収装置２５５で回収されたインク２５２はタンク２５６に戻され、ポンプ２５７によってノズルヘッド２４１に送られ、再使用される。
このような静電型インクジェット方式では、ノズルヘッド２４１と基板側電極２４５との距離が大きくなると吐出に要する電圧が高くなり、また、電圧印加開始からインクが帯電して吐出が開始されるまでに要する吐出遅れ時間が長くなる。吐出遅れ時間を短縮するためには、印加電圧を高くする必要がある。

次に、図７の印刷装置１１０は、ドロップオンデマンド型で静電方式の印刷装置であり、この印刷装置１１０は、ノズルヘッド１４１内に配置されたヘッド側電極１４２を、ＭＯＳトランジスタ１１５ａ、１１５ｂを介してそれぞれ接地電位と電源装置１１２の出力端子に結線されており、インク１４５を吐出しないときは、ＭＯＳトランジスタ１１５ａを導通させてヘッド側電極１４２を電気的に接地電位に接続し、インク１４５を吐出するときには、ＭＯＳトランジスタ１１５ａ、１１５ｂを切り替えて導通させ、ヘッド側電極１４２を電源装置１１２の出力端子に接続し、インク１４５を帯電して吐出させている。
吐出されたインク液滴は、接地電位の基板電極１２４上に配置された基板１２５に着弾する。

図８のグラフは、横軸が経過時間、縦軸がヘッド側電極１４２と基板電極１２４との間の電圧であり、ヘッド側電極１４２へ、吐出電圧Ｖｄの印加を開始した時刻ｔ₁後、時刻ｔ₂にてインク１４５が吐出されている。時刻ｔ_1、ｔ₂間が吐出遅れ時間である。時刻ｔ₃で吐出電圧Ｖｄの印加が終了されている。

符号Ｖｔは、インク１４５の吐出に必要な最小電圧である最小吐出電圧を示しており、吐出電圧Ｖｄは、絶対値が最小吐出電圧Ｖｔよりも大きく、吐出電圧Ｖｄで帯電したインク１４５が吐出される電圧である。
このような印刷装置１１０では、ＭＯＳトランジスタ１１５ａ、１１５ｂによって、接地電位と吐出電圧Ｖｄを切り替えるため、高耐圧対応で高価なＭＯＳトランジスタを使用する必要があり、また、接地電位のインク１４５を高電圧の吐出電圧Ｖｄで帯電させるため、帯電時間である吐出遅れ時間が長くなるという問題がある。
上記構成によるノズルヘッド１４１と、最小分解能１ｍｓｅｃの計測器を用い、ノズル先端の開口１４６と基板１２５間距離と最小吐出電圧Ｖｔとの関係と、距離と吐出遅れ時間が１ｍｓｅｃになるときに印加する吐出電圧との関係を測定した。その結果を、図５に示す。

ノズルヘッド１４１先端と基板１２５との距離が例えば１０５μｍの場合、最小吐出電圧Ｖｔは４００Ｖであり、吐出遅れ時間が１ｍｓｅｃの電圧は、６００Ｖである。
符号Ｌ₁は最小吐出電圧Ｖｔを結ぶ線分であり、この線分Ｌ₁よりも下の範囲は、インク１４５を吐出できない。
符号Ｌ₂は、吐出遅れ時間が１ｍｓｅｃのときにヘッド側電極１４２へ印加していた吐出電圧Ｖｄを結ぶ線分であり、最小吐出電圧Ｖｔを結ぶ線分Ｌ₁よりも上の範囲であっても、１ｍｓｅｃの吐出電圧Ｖｄを結ぶ線分Ｌ₂よりも下の範囲では、吐出電圧Ｖｄの印加開始から吐出開始までの吐出遅れ時間が１ｍ秒よりも長いから、実使用に適さない。従って、吐出電圧Ｖｄは、線分Ｌ₂以上の範囲が望ましい。

次に、ノズルヘッド１４１先端と基板１２５との間の距離を１０５μｍにした場合において、吐出電圧Ｖｄの印加開始から吐出開始までの遅れ時間を、印加する吐出電圧Ｖｄを変えて測定した。測定結果を、図６に示す。高電圧程吐出遅れ時間は短い。
パルス状の吐出電圧Ｖｄを印加して短時間吐出させる場合、例えば、２５００Ｈｚの周波数で吐出電圧Ｖｄを繰り返し印加する場合は、一回の吐出には４００μｓｅｃ当てることができる。

インクの滴下量を考えると、吐出遅れ時間はその半分の２００μｓｅｃ以下であることが必要となる。図６のグラフを見ると、遅れ時間が２００μｓｅｃ以下で吐出状態を開始させるためには、７００Ｖ程度の電圧が必要となることが分かる。
しかし、７００Ｖもの高電圧を、０Ｖ〜７００Ｖまで２００μｓｅｃ間隔で印加するためには、価格が高く、体積も大きいＭＯＳＦＥＴを使用しなければならない。

特開２０００−８５１３１

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、吐出の際の遅れ時間が短く、高耐圧で大面積のＭＯＳトランジスタを使用しなくても済む吐出装置と吐出方法を提供することにある。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するために、ノズルヘッドと、前記ノズルヘッド内に配置されたヘッド側電極と、前記ノズルヘッドの開口と対面する位置に配置され、接地電位にされた基板側電極と、前記ヘッド側電極と前記基板側電極の間に電圧を印加する電圧制御装置と、を有し、前記ヘッド側電極と前記基板側電極の間には、最小吐出電圧よりも絶対値が大きい吐出電圧が印加されると、前記ノズルヘッド内に配置された吐出液が前記ノズルヘッドの開口から吐出される吐出装置であって、前記電圧制御装置は、前記吐出電圧を前記ヘッド側電極に出力する状態と、前記最小吐出電圧よりも絶対値が小さく、接地電位よりも絶対値が大きいバイアス電圧を前記ヘッド側電極に出力する状態とを切り替えるように構成された吐出装置である。
また、本発明は、前記電圧制御装置が有する前記吐出電圧が出力される高電圧端子と前記ヘッド側電極との間は導通したパルス用ＭＯＳトランジスタによって接続され、前記バイアス電圧が出力されるバイアス端子との間は、導通したバイアス用ＭＯＳトランジスタによって接続される吐出装置である。
また、本発明は、前記ノズルヘッドと前記ヘッド側電極とを複数有する吐出装置である。
また、本発明は、ノズルヘッド内に配置されたヘッド側電極と、前記ノズルヘッドの開口と対面する位置に配置された基板側電極との間に、最小吐出電圧よりも絶対値が大きい吐出電圧を印加して、前記ノズルヘッド内の吐出液を前記開口から吐出させ、印刷対象物に着弾させる印刷方法であって、前記開口から前記吐出液を吐出しない間は、前記ヘッド側電極と前記基板側電極との間に、絶対値が接地電位よりも大きく前記最小吐出電圧よりも小さいバイアス電圧を印加する印刷方法である。

本発明は上記のように構成されており、吐出電圧が印加されず、吐出液を吐出しない待機状態では、ヘッド側電極と基板側電極の間には、最小吐出電圧と接地電圧の間の大きさのバイアス電圧が印加されており、待機状態から、絶対値が最小吐出電圧よりも大きな吐出電圧を印加する吐出状態へ変更するときの、ヘッド側電極の電圧変化量が小さくなっている。
待機状態では予め吐出液が帯電されており、吐出状態へ変更されるときのヘッド側電極の電圧変化も小さいから、遅れ時間が小さく、低圧で小型のＭＯＳトランジスタを用いることもできる。

ＭＯＳトランジスタは、吐出電圧Ｖｄよりも小さな差電圧Ｖａ(吐出電圧Ｖｄとバイアス電圧Ｖｂとの差)をスイッチングするだけで済むので高耐圧で大面積のＭＯＳトランジスタを使用しなくても済む。
また、吐出の待機中に吐出液はバイアス電圧Ｖｂで帯電されているので、吐出液を待機状態から吐出状態に変更するための差電圧Ｖａが小さく、帯電に必要な時間が短縮され、吐出遅れ時間が短くなる。

本発明の吐出装置と吐出方法を説明するための側面図本発明の吐出装置と吐出方法を説明するための平面図本発明の吐出装置と吐出方法の電圧印加を説明するための図電圧印加のタイミングを説明するためのタイミングチャート最小吐出電圧と吐出遅れ時間が短い吐出電圧を説明するためのグラフ印加電圧と吐出遅れ時間の関係を説明するためのグラフ従来技術の吐出装置と吐出方法を説明するための図その吐出装置の電圧印加のタイミングを説明するためのタイミングチャート Sweep型静電方式の吐出装置と吐出方法を説明するための図

図１、２の符号１０は、本発明の一例の吐出装置又は印刷装置と呼ばれる装置を示しており、ここでは吐出装置とすると、この吐出装置１０は、印刷対象である基板２５を配置する配置台２０と、配置台２０上に設けられた二本のガイドレール２１と、ガイドレール２１上に乗せられたガントリー３０とを有している。
二本のガイドレール２１は平行に離間して配置されており、その間には、基板側電極２４が配置されている。基板側電極２４上には基板２５が配置されている。

配置台２０の外部には、吐出液が蓄液されたタンク３８が配置されている。
ガントリー３０は、タンク３８に接続されて吐出液を吐出する印刷ヘッド３１と、印刷ヘッド３１を取り付ける取付部３２と、取付部３２を設ける二本の支柱３３とを有している。
支柱３３はガイドレール２１上にそれぞれ立設されており、取付部３２は、両端が二本の支柱３３に取り付けられて梁状に配置されている。

支柱３３の底面はガイドレール２１の表面と対面しており、支柱３３の底面には、ガイドレール２１に向かって圧縮空気を噴出する浮上部３４が配置されている。浮上部３４から圧縮空気を噴出すると、ガントリー３０がガイドレール２１上に浮上する。
支柱３３は、浮上の際にガイドレール２１上から脱落しないように構成されており、ガントリー３０は移動装置(不図示)によって、配置台２０上をガイドレール２１が延びる方向に浮上しながら往復移動できるように構成されている。

取付部３２にはヘッド用レール３５が、ガイドレール２１が延びる方向とは垂直な方向に水平に延ばされている。印刷ヘッド３１は、ヘッド用レール３５に移動可能に取り付けられており、不図示の移動装置によって、取付部３２に対して往復移動できるようにされている。

印刷ヘッド３１の取付部３２に対する移動方向は、ガントリー３０の配置台２０に対する移動方向と垂直である。
印刷ヘッド３１を説明すると、この印刷ヘッド３１は、一乃至複数台の個別ヘッド４０を有している。
複数の個別ヘッド４０のうち、一台を図３に示す。

個別ヘッド４０は、筒状の本体容器であるノズルヘッド４１と、ノズルヘッド４１の内部に配置されたヘッド側電極４２とを有している。ノズルヘッド４１はタンク３８に接続されており、ノズルヘッド４１内部にタンク３８から吐出液４５が供給されている。ヘッド側電極４２は、少なくともその一部がノズルヘッド４１内の吐出液４５に浸漬されている。吐出液４５は非導電性であり、帯電する性質を有している。

吐出装置１０は電圧制御装置１１を有している。電圧制御装置１１は、電源装置１２と切替装置１４とを有しており、電源装置１２の内部にはバイアス電源１２ａとパルス電源１２ｂが配置されている。
バイアス電源１２ａとパルス電源１２ｂは、バイアス電源１２ａの負電圧側の出力端子を接地電位に接続して互いに直列接続されており、電源装置１２には、バイアス電源１２ａの出力電圧であるバイアス電圧Ｖｂが出力されるバイアス端子１３ａと、バイアス電源１２ａの出力電圧とパルス電源１２ｂの出力電圧とが重畳された電圧である吐出電圧Ｖｄが出力される高電圧端子１３ｂとが設けられている。

高電圧端子１３ｂとバイアス端子１３ａは、切替装置１４を介して、各個別ヘッド４０内のヘッド側電極４２にそれぞれ接続されている。
バイアス電源１２ａの負電圧端子は電源装置１２の接地端子１３ｃであって接地電位に接続されている。基板側電極２４は接地電位に接続されている。

切替装置１４は、複数のスイッチ回路１５を有している。各スイッチ回路１５は、個別ヘッド４０毎に設けられており、一個の個別ヘッド４０に設けられたヘッド側電極４２は、別々のスイッチ回路１５を介して電源装置１２の高電圧端子１３ｂとバイアス端子１３ａに結線されている。

各スイッチ回路１５は、バイアス用ＭＯＳトランジスタ１５ａとパルス用ＭＯＳトランジスタ１５ｂとを有しており、各個別ヘッド４０内のヘッド側電極４２は、バイアス用ＭＯＳトランジスタ１５ａを介してバイアス端子１３ａに結線され、パルス用ＭＯＳトランジスタ１５ｂを介して高電圧端子１３ｂに結線されている。

従って、バイアス用ＭＯＳトランジスタ１５ａが導通すると、導通したバイアス用ＭＯＳトランジスタ１５ａによって、ヘッド側電極４２はバイアス端子１３ａに電気的に接続され、パルス用ＭＯＳトランジスタ１５ｂが導通すると、導通したパルス用ＭＯＳトランジスタ１５ｂによって、ヘッド側電極４２は高電圧端子１３ｂに電気的に接続される。

バイアス用ＭＯＳトランジスタ１５ａが遮断すると、ヘッド側電極４２とバイアス端子１３ａとの間の電気的接続は遮断され、また、パルス用ＭＯＳトランジスタ１５ｂが遮断すると、ヘッド側電極４２と高電圧端子１３ｂとの間の電気的接続が遮断される。
バイアス用ＭＯＳトランジスタ１５ａとパルス用ＭＯＳトランジスタ１５ｂは、いずれか一方が導通し、又は、両方が遮断するように制御されており、従って、ヘッド側電極４２には、バイアス電圧Ｖｂと吐出電圧Ｖｄのいずれか一方の電圧が印加される。

ノズルヘッド４１は絶縁材料で構成されており、その下端は漏斗状に窄まっていて、下端に吐出液４５が配置された部分に接続した開口４３が形成されている。吐出液４５は漏斗下端の開口４３の位置まで充填されており、表面張力によって開口４３から漏出しないようになっている。
吐出液４５が帯電して基板側電極２４に引き付けられ、ノズルヘッド４１から吐出されるための最小吐出電圧Ｖｔの大きさは開口４３と基板側電極２４との距離によって決まる。
バイアス電圧Ｖｂは、吐出が可能な最小の電圧である最小吐出電圧Ｖｔよりも絶対値が小さい値にされており、吐出電圧Ｖｄは、最小吐出電圧Ｖｔよりも絶対値が大きい値にされている。

従って、スイッチ回路１５によって、ヘッド側電極４２にバイアス電圧Ｖｂが印加されている間は、吐出液４５の帯電圧が最小吐出電圧Ｖｔよりも絶対値で小さく、吐出液４５はノズルヘッド４１から吐出されない。吐出液４５に吐出電圧Ｖｄが印加されると帯電圧は最小吐出電圧Ｖｔよりも絶対値で大きくなり、ノズルヘッド４１の開口４３から基板側電極２４に向かって吐出される。
印刷の際には、予め基板側電極２４上に印刷対象物である基板２５を配置しておき、先ず、バイアス用ＭＯＳトランジスタ１５ａを導通、パルス用ＭＯＳトランジスタ１５ｂを遮断させてヘッド側電極４２にバイアス電圧Ｖｂを印加する。

図４は、縦軸がヘッド側電極４２に印加される電圧の絶対値の大きさであり、横軸が時間である。
０〜電圧印加時刻ｔ₁まではヘッド側電極４２にバイアス電圧Ｖｂが印加され待機状態であり、ガントリー３０の移動と印刷ヘッド３１の移動とによって、印刷ヘッド３１を基板２５の所望位置上に静止させ、次いで、電圧印加時刻ｔ₁で導通するＭＯＳトランジスタを、バイアス用ＭＯＳトランジスタ１５ａからパルス用ＭＯＳトランジスタ１５ｂに切り替え、ヘッド側電極４２に吐出電圧Ｖｄを印加し(吐出状態)、吐出液４５を吐出させる。

時刻ｔ₁から吐出時間Ｔが経過した後の時刻ｔ₂で導通するＭＯＳトランジスタが、パルス用ＭＯＳトランジスタ１５ｂからバイアス用ＭＯＳトランジスタ１５ａに切り替えると、ヘッド側電極４２にはバイアス電圧Ｖｂが印加され、吐出液４５の吐出は停止される。

待機状態のときのヘッド側電極４２の電圧と吐出状態のときのヘッド側電極４２の電圧の差電圧Ｖａは、吐出電圧Ｖｄとバイアス電圧Ｖｂの差であり、従来技術のように、差電圧Ｖａが吐出電圧Ｖｄと等しい場合よりも、本発明の方が差電圧Ｖａの絶対値は小さいので電圧印加から吐出までの遅れ時間が短く、また、バイアス用ＭＯＳトランジスタ１５ａとパルス用ＭＯＳトランジスタ１５ｂの両端の電圧変化も差電圧Ｖａであって小さいから、高耐圧のＭＯＳトランジスタを用いなくても済む。また、体積の小さなＭＯＳトランジスタを用いることもできる。

印刷ヘッド３１に配置された個別ヘッド４０から吐出時間Ｔの間吐出状態にして吐出液４５を吐出させ、基板２５上に着弾させた後、印刷ヘッド３１を未吐出位置に移動させると共に吐出を開始することを繰り返して印刷を行う。

なお、図５、６に示したように、ノズルヘッド４１と基板２５間の距離が１０５μｍのとき、印加電圧が４００Ｖでは吐出液４５は吐出されず、７００Ｖでは遅れ時間１ｍｓｅｃで吐出できるから、この場合は、バイアス電源１２ａの出力電圧を４００Ｖに設定し、３００Ｖをパルス電源１２ｂの出力電圧とすると、バイアス電圧Ｖｂは４００Ｖ、吐出電圧Ｖｄは７００Ｖとなる。
なお、上記実施例では、バイアス電圧Ｖｂと最小吐出電圧Ｖｔと吐出電圧Ｖｄは正電圧であり、０＜Ｖｂ＜Ｖｔ＜Ｖｄであったが、負電圧であって、Ｖｄ＜Ｖｔ＜Ｖｂ＜０の場合も含まれる。

また、上記実施例では、基板側電極２４の電位を接地電位(＝０)として表現しており、基板側電極２４に電圧が印加されるときでも、基板側電極２４の電位を接地電位として上記不等式で表せる。
なお、上記実施例では、基板２５が静止し、ノズルヘッド４１が直角二方向に移動したが、ノズルヘッド４１が静止して基板２５が移動し、又はノズルヘッド４１が一方向に移動して基板２５がその方向とは直角方向に移動するように構成してもよい。

１０……吐出装置
１１……電圧制御装置
２４……基板側電極
２５……基板(印刷対象物)
４１……ノズルヘッド
４２……ヘッド側電極
４３……開口
４５……吐出液

Claims

ノズルヘッドと、
前記ノズルヘッド内に配置されたヘッド側電極と、
前記ノズルヘッドの開口と対面する位置に配置され、接地電位にされた基板側電極と、
前記ヘッド側電極と前記基板側電極の間に電圧を印加する電圧制御装置と、
を有し、前記ヘッド側電極と前記基板側電極の間には、最小吐出電圧よりも絶対値が大きい吐出電圧が印加されると、前記ノズルヘッド内に配置された吐出液が前記ノズルヘッドの開口から吐出される吐出装置であって、
前記電圧制御装置は、前記吐出電圧を前記ヘッド側電極に出力する状態と、前記最小吐出電圧よりも絶対値が小さく、接地電位よりも絶対値が大きいバイアス電圧を前記ヘッド側電極に出力する状態とを切り替えるように構成された吐出装置。
前記電圧制御装置が有する前記吐出電圧が出力される高電圧端子と前記ヘッド側電極との間は導通したパルス用ＭＯＳトランジスタによって接続され、
前記バイアス電圧が出力されるバイアス端子との間は、導通したバイアス用ＭＯＳトランジスタによって接続される請求項１記載の吐出装置。
前記ノズルヘッドと前記ヘッド側電極とを複数有する請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の吐出装置。
ノズルヘッド内に配置されたヘッド側電極と、前記ノズルヘッドの開口と対面する位置に配置された基板側電極との間に、最小吐出電圧よりも絶対値が大きい吐出電圧を印加して、前記ノズルヘッド内の吐出液を前記開口から吐出させ、印刷対象物に着弾させる印刷方法であって、
前記開口から前記吐出液を吐出しない間は、前記ヘッド側電極と前記基板側電極との間に、絶対値が接地電位よりも大きく前記最小吐出電圧よりも小さいバイアス電圧を印加する印刷方法。