JP2014205259A - 液滴吐出装置の気泡除去方法および液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体に直接触れず、色々な液体の種類に対しても、大きな規模の循環系においても、定量的に気泡有無を確認しながら、気泡を除去すること。【解決手段】 液滴を塗布する液滴吐出ヘッド１０と、液滴吐出ヘッド１０の上流側に接続された上流側インクタンク２４と、液滴吐出ヘッド１０の下流側に接続された下流側インクタンク２８と、下流側インクタンク２８から上流側インクタンク２４へ液体を循環させるポンプ２９とをつないだ配管経路内で液体を循環させ、液体と不活性ガスで満たされた、上流側インクタンク２４あるいは下流側インクタンク２８の少なくとも一つのタンク内の酸素濃度を酸素濃度測定手段３０により測定し、測定された酸素濃度上昇値が許容値以下になるまで液体を循環させることにより、液体に直接触れずに定量的に気泡有無を確認しながら、効率的に気泡除去を行う。【選択図】 図２

Description

本発明は、液体循環系の気泡除去方法および液滴吐出装置に関するものである。

液滴吐出装置は、複数のノズルを有するヘッドを有し、ヘッドのノズルと印刷対象物の位置関係を制御しながら、ノズルから液滴を吐出することで、印刷対象物に液滴を塗布するものである。この種の液滴吐出装置の１つとして、液体の滞留による固形化等を防ぐために、液体を循環させながら、圧電アクチュエータの動作によって液滴をノズルから吐出する方式を備えているものがある。

しかしながら、これらの液滴吐出装置において、メンテナンス時や液滴吐出時等で、液体の循環経路内に気泡が混入すると、液滴の不吐出や液滴の吐出量がばらつくなどの問題が生じるため、液滴吐出装置の循環経路内に気泡が混入した場合には、気泡を除去する必要がある。

気泡除去方法としては、循環経路内から気泡が除去されるまで、液体を循環させる方法が公知となっているが、その際、気泡の有無を定量的に確認しながら液体を循環させることで、効率的な気泡除去ができる。

気泡の有無を定量的に判断する手法として、液体の循環経路内に配置した２本の電極ピン間の電位差情報にもとづいて、液体に混入している気泡の量を検出する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、循環系内のタンク内等の圧力情報に基づいて、液体に混入している気泡の量を検出する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−２９１９５９号公報 特開２００７−０９０６５４号公報

しかしながら、前記特許文献１の構成によって気泡有無を検出すると、電極ピン等の電圧測定手段を直接液体に触れさせる必要があるため、流路内に抵抗となる電極によって液体の圧力や流量が変化し、液滴吐出量のばらつき等を引き起こす危惧がある。また、電気を通さない液体においては気泡を検出できないという問題がある。

また、前記特許文献２の構成によって気泡有無を検出すると、循環系の装置が大規模になると、液体を循環させるための圧力に対し、気泡の影響による圧力変化が相対的に微小となるため、検出が困難になるという問題がある。

本発明は、液体に直接触れず、色々な液体の種類に対しても、大きな規模の循環系においても、定量的に気泡有無を確認しながら、気泡が除去されるまで液体を循環させることで気泡を除去する、液滴吐出装置の気泡除去方法および液滴吐出装置を提供することを目的とする。

第１の本発明は、
印刷対象物へ液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと、前記液滴吐出ヘッドの上流側に接続された上流側液体タンクと、前記液滴吐出ヘッドの下流側に接続された下流側液体タンクと、前記下流側液体タンクから前記上流側液体タンクへ液体を循環させる循環手段とを連結して構成された配管経路内で、前記液体を循環させる液滴吐出装置における気泡除去方法であって、
酸素濃度測定手段が、不活性気体及び前記液体とで満たされた、前記上流側液体タンクあるいは前記下流側液体タンクの少なくとも一つのタンク内の酸素濃度を測定し、
制御手段が、前記酸素濃度測定手段により測定された酸素濃度の上昇値が許容値以下になるまで、前記循環手段により前記液体を循環させることによって、気泡を除去することを特徴とする、液滴吐出装置の気泡除去方法である。

第２の本発明は、
前記液滴吐出ヘッドによる液滴吐出が行われる前に、前記気泡の除去を行い、
前記酸素濃度上昇値とは、測定開始時から一定時間経過後までの酸素濃度上昇値であることを特徴とする、第１の本発明の液滴吐出装置の気泡除去方法である。

第３の本発明は、
前記酸素濃度測定手段による酸素濃度測定を、前記液滴吐出ヘッドによる液滴吐出が行われている際にも行い、前記酸素濃度上昇値が許容値を超えた場合には、前記液滴吐出を中断した後、前記気泡の除去を行う、ことを特徴とする、第２の本発明の液体吐出装置の気泡除去方法である。

第４の本発明は、
前記一定時間とは、前記液体が前記上流側液体タンクから前記液滴吐出ヘッドと前記下流側液体タンクと前記循環手段を経由して、前記上流側液体タンクに戻るまでの経路を一巡する時間以上とすることを特徴とする、第２の本発明の液滴吐出装置の気泡除去方法である。

第５の本発明は、
前記一定時間とは、前記液体が前記液滴吐出ヘッドから前記下流側液体タンクまで移動するのに要する時間以上とすることを特徴とする、第２の本発明の液滴吐出装置の気泡除去方法である。

第６の本発明は、
前記一定時間として、前記液体の移動時間に代えて前記気泡の移動時間を基準とすることを特徴とする、第４又は５の本発明の液滴吐出装置の気泡除去方法である。

第７の本発明は、
前記酸素濃度上昇値の許容値は、前記酸素濃度を測定する対象となるタンク内の液体量測定手段によって測定された液体量に応じて、設定されることを特徴とする、第１〜６のいずれかの本発明の液滴吐出装置の気泡除去方法である。

第８の本発明は、
印刷対象物へ液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと、
前記液滴吐出ヘッドの上流側に接続された上流側液体タンクと、
前記液滴吐出ヘッドの下流側に接続された下流側液体タンクと、
前記下流側液体タンクから前記上流側液体タンクへ液体を循環させる循環手段と、
不活性気体及び前記液体とで満たされた、前記上流側液体タンクあるいは前記下流側液体タンクの少なくとも一つのタンク内の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段と、
前記酸素濃度測定手段により測定された酸素濃度の上昇値が許容値以下になるまで、前記循環手段により前記液体を循環させることによって、気泡を除去する、制御手段と、を備えたことを特徴とする、液滴吐出装置である。

以上のように、本発明の液滴吐出装置の気泡除去方法によれば、液体の循環系内の気泡を液体に直接触れずに定量的に検出し、気泡が除去されるまで液体を循環させることで気泡を除去することができるため、液滴吐出時に循環経路内に気泡が混入している状態を未然に防止することができ、液滴の不吐出や、液滴の吐出量ばらつきを低減することができる。

加えて、循環系内に気泡が混入している場合に、気泡が除去されているか否かを定量的に確認しながら液体を循環させることで気泡を除去できるので、気泡を除去するための液体の循環時間を定量的に管理することができ、時間の効率化や液体の利用効率向上によるコスト低廉化が図られる。

本発明の実施の形態における、液滴吐出装置の斜視図 本発明の実施の形態における気泡除去方法の全体構成を示す図 本発明の実施の形態における動作フローを示す図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらの実施の形態により限定されない。

図１は、本実施の形態の液滴吐出装置の斜視図であって、図に示すように、印刷対象物１はヘッドユニット２の鉛直下方向の位置のテーブル３上に設置されている。テーブル３は駆動系を有するステージ１１に取付けられ、Ｘ方向へ搬送される。ステージ１１上には、一対の脚部４、脚部４とその上方に取り付けられた支持部５により構成された、鳥居状のガントリー６が固定されている。

さらに、ガントリー６の前面には、昇降方向Ｚの昇降軸を有する支持台７が連結され、鉛直方向に移動可能となっている。この支持台７にヘッドユニット２が配設されており、ヘッドユニット２は分配タンク８やラインヘッド９を具備している。昇降方向Ｚへの移動によって、印刷対象物１とラインヘッド９間のギャップを調整している。

ラインヘッド９は、インクを吐出させる複数の圧電アクチュエータ（図示省略）を含む各液滴吐出ヘッド１０を備えている。各液滴吐出ヘッド１０は、図２に示すように、複数の供給チューブ２６によっていくつかの分配タンク８、２５、２７にそれぞれ接続し、液体供給系の簡素化を実現している。

尚、ヘッドユニット２の分配タンク８や液滴吐出ヘッド１０の数は、理解容易のために、図１、図２においては実際の分配タンク８と液滴吐出ヘッド１０の数よりも数を減じて図示している。

このように、ラインヘッド９は印刷対象物１の全幅にわたって配列された液滴吐出ヘッド１０を備えている。このため、その記録動作時には、上記印刷対象物１をＸ方向に搬送しながら、所定のタイミングでラインヘッド９から液滴を吐出することで、印刷対象物１の全幅にわたって所望の画像を形成することが可能である。

上記インクジェット式記録装置１２は制御手段としての電源制御ボックス（図２の３３参照）を備えている。電源制御ボックスは、各液滴吐出ヘッド１０に電力と制御信号とを供給していると共に、上記電源制御ボックスは上記Ｘ、Ｙ、Ｚの駆動軸にも制御信号を供給している。

本実施の形態の液滴吐出装置は、液体循環装置（図２のポンプＰ２９など）を具備する。液体循環装置は、液体に駆動圧力を供給することで液体を循環させる。液体に駆動圧力を供給するには、ポンプを用いる。なお、液体は装置作動中に絶えず循環させることが好ましい。

図２は、本発明の実施の形態における、液滴吐出装置の気泡除去方法の全体構成を模式的に示している。

上述したように、液体循環装置（循環手段）により液体供給系は常に一定方向に流れている（図２の矢印方向）。ここで、ラインヘッド９に液体を流入する側を上流側、ラインヘッド９から液体が排出される側を下流側と呼ぶ。

本実施の形態に係るインクジェット式記録装置では、液体は、インク供給部２１のメインタンク２２から供給され、圧力制御部２３の上流側インクタンク２４で背圧等が調整制御された後、上流側分配タンク２５へ送液される。さらに、液体は、上流側分配タンク２５から供給チューブ２６を介してラインヘッド９の各液滴吐出ヘッド１０へ供給される。液体は液体供給系を循環しているため、ラインヘッド９で留まることなく、下流側分配タンク２７へ供給チューブ２６を介して供給され、さらに下流側インクタンク２８へ送液される。なお、上流側インクタンク２４は本発明の上流側液体タンクの一例であり、下流側インクタンク２８は本発明の下流側液体タンクの一例である。

また、本発明の循環手段の一例としての循環ポンプ２９によって下流側インクタンク２８から上流側インクタンク２４へ送液されるような循環経路をとっている。また、下流側インクタンク２８で背圧等の調整制御が行われ、メインタンク２２へ液体は送液される場合もある。

なお、上流側分配タンク２５および下流側分配タンク２７は、液体供給系の簡素化のために配置しているが、液滴吐出ヘッド１０は、供給チューブ２６を介して、直接、上流側インクタンク２４および下流側インクタンク２８へ接続されていても良い。

下流側インクタンク２８には、タンク内の酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段３０と、タンク内を窒素などの不活性気体で満たすための不活性気体注入装置３１とが設置されている。なお、上記酸素濃度計測手段３０と、前記不活性気体注入装置３１は、上流側インクタンク２４のみ、あるいは上流側インクタンク２４と下流側インクタンク２８の両方に設置されていても良い。また、３３は、酸素濃度計測手段３０の計測値を入力し、直前の酸素濃度値と比較し、濃度上昇値を演算し、予め設定されている許容値と比較し、その比較結果に基づいて、循環ポンプ２９や液滴吐出ヘッド１０などを制御する制御手段である。

循環時の液体の供給量は、特に限定されないが、ここでは供給時の液体の供給量を約５×１０^−７ ｍ^３／ｓとした。また、本発明の液体の種類はインク等に限定されず、どのような種類でもよく、製造物の種類によって適宜選択される。例えば、製造物が有機ＥＬパネルや液晶パネルである場合、発光材料などの有機発光物質を含む溶液や、液晶材料などの高粘度のインクが含まれる。

次に、このように構成された液滴吐出装置の気泡除去方法及び液滴吐出方法の動作について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。

液滴吐出装置は、動作開始時または動作回復時において、メンテナンス作業を行う（ステップＳ１）。メンテナンス作業を行った後は、気泡除去を行うため、液滴吐出装置の循環経路内で循環ポンプ２９によって液体を循環させる（ステップＳ２）。その際、上流側インクタンク２４あるいは下流側インクタンク２８の少なくとも一つのタンク内の酸素濃度を測定し（ステップＳ３）、制御手段によって酸素濃度上昇値を演算し、その酸素濃度上昇値によって気泡の有無を定量的に確認しながら（ステップＳ４）、気泡が除去されるまで液体を循環させる。

ここで、酸素濃度上昇について説明する。通常下流側インクタンク２８の上方空間位置には窒素が封入されている。従ってそこには酸素は存在していない。他方、例えば、液滴吐出ヘッド１０から気泡が何らかの原因で経路に流入し、供給チューブ２６等の連結場所などで滞っていることがある。そこで、液体循環が起こると、その滞っていた気泡が液体循環によって移動していき、下流側インクタンク２８に流れ込む。その結果、下流側インクタンク２８の上方の気体内の酸素濃度が急に上昇する。その上昇を酸素濃度測定手段３０によってとらえて、その上昇値（前回の測定値からの差分値）が、予め設定された許容値以下であるかどうかステップ４で判断する。気泡が存在している場合は最初の内は上昇値は大きいので、さらに液体を循環させる（ステップ２１）。

このように液体を循環させている間に、滞っていた気泡はおおかた下流側インクタンク２８の上方空間に移動してしまう。その結果、酸素濃度の上昇程度は小さくなり、許容値を下回ることになる。なお、このようにして、下流側インクタンク２８の上方空間に集積され酸素は、所定の期間経過後に窒素によってパージすることによって、濃度０とされる。

一方、このようにして気泡が除去されたことを確認した後に、液滴吐出を開始する（ステップＳ５）。

この構成によれば、液滴吐出を開始する際に循環経路内に気泡が混入している状態を未然に防止することができ、ヘッドから吐出される液体の不吐出や、吐出量のばらつき等の問題を防止することができる。

さらに、液滴吐出中においても、液滴吐出装置の循環経路内で液体を循環させながら、前記液体と不活性ガスで満たされた上流側インクタンク２４あるいは下流側インクタンク２８の少なくとも一つのタンク内の酸素濃度を測定し（ステップＳ６）、酸素濃度上昇値によって気泡の有無を定量的に確認する（ステップＳ７）。

液体酸素濃度の上昇値が許容値を超えた場合には液滴吐出を中断し（ステップＳ８）、酸素濃度計測手段３０で測定した上流側インクタンク２４あるいは下流側インクタンク２８の少なくとも一つのタンク内の酸素濃度上昇値が許容値以下になるまで液体を循環させることで気泡を除去する（ステップ２１、３，４）。その除去が済んだ後、液滴吐出を再開する（ステップＳ５）。

この構成によれば、液滴吐出を行っている際に循環系内に気泡が混入した場合にも、循環系内に気泡が混入した状態のまま液滴吐出を続けることを防止し、液滴の不吐出や、液滴の吐出量のばらつきの問題を最小限に抑えることができる。

そして、ステップＳ９において液滴吐出を終了し、長期の運転停止の際には液体循環も終了する（ステップ９１、ステップＳ１０）。なお液滴吐出終了しない場合は、ステップ９２を介して、液滴を続行する。また、長期の停止をしない場合には、液体循環を続行する（ステップ２１）。なお、運転再開の際には、ステップＳ１のメンテナンス作業を行い、前記方法によって液滴吐出を行う。

なお、上流側インクタンク２４あるいは下流側インクタンク２８の少なくとも一つの酸素濃度が上昇すると酸化や引火の不具合が生じるため、酸素濃度が一定以上になった場合には、前記不活性気体注入装置３１によって不活性気体を注入することが望ましい。

なお、本実施の形態において気泡有無の判断に用いる酸素濃度上昇値とは、測定開始時から一定時間経過後までの酸素濃度上昇値であるが、前記一定時間とは、液体が上流側インクタンク２４から、液滴吐出ヘッド１０と下流側インクタンク２８と、循環ポンプを経由して上流側インクタンク２４に戻るまでの経路を一巡する時間以上とすることが望ましい。循環経路のどこの場所に滞っている気泡も検出出来るからである。

すなわち、この構成によれば、前記循環経路内に混入している気体が、少なくとも一度は前記液体と不活性ガスで満たした上流側インクタンク２４あるいは下流側インクタンク２８の少なくとも一つを通過するため、前記タンクの酸素濃度を酸素濃度測定手段にて測定することで気泡を検出することができる。

なお、本実施の形態における前記一定時間とは、少なくとも液体が液滴吐出ヘッド１０から下流側インクタンク２８まで移動するのに要する時間以上としても良い。

この構成によれば、液滴吐出ヘッド１０から気泡が混入した場合に、前記気泡が、少なくとも一度は前記液体と不活性ガスで満たした下流側インクタンク２８を通過し、下流側インクタンク２８の酸素濃度を酸素濃度測定手段３０にて測定することで気泡を検出することができる。

なお、これらの一定時間の決定方法は、気泡の循環時間が液体の循環時間よりも大きい場合は、気泡の循環時間を基準としてもよい。つまり、液体の循環時間よりも大きい時間である気泡の循環時間をもとに算出しても良い。液体の循環速度と気泡の移動速度は一致していない場合があるからである。そのような場合は当然に気泡の移動速度の方が重要になる。

すなわち、この構成によれば、循環系内の気泡が循環する速度が、循環系内の液体が循環する速度よりも遅い場合にも、循環系内に混入している気泡が、少なくとも一度は前記液体と不活性ガスで満たした上流側インクタンクあるいは下流側インクタンクの少なくとも一つを通過し、前記タンクの酸素濃度を酸素濃度測定手段にて測定することで気泡を検出することができる。

また、本実施の形態における上流側インクタンクあるいは下流側インクタンクの少なくとも一つのタンク内の酸素濃度上昇値の許容値は、酸素濃度を測定するタンク内の液体量測定手段３２によって測定された液体量に応じて設定されることが望ましい。例えば、タンク内の液体量が少ない場合には、タンク内の不活性気体量が多くなり、同一体積の気泡が混入した場合の酸素濃度上昇率が小さくなるため、前記酸素濃度上昇値の許容値を小さく設定することが望ましい。

また、タンク内の液体量が多い場合には、タンク内の不活性気体量が少なくなり、同一体積の気泡が混入した場合の酸素濃度上昇率が大きくなるため、前記酸素濃度上昇値の許容値を大きく設定することが望ましい。

すなわち、タンク内に流入した酸素はタンク内の窒素などの不活性気体と混合して拡散するので、単位体積当たりの濃度は不活性気体の量に左右されるからである。

なお、本来、液滴吐出に影響を持たない程度の気泡の混入は無視してもよいので、液滴吐出に影響を与える一定の大きさ以上の気泡のみを検出するように、前記一定の大きさ以上の気泡がタンク内に混入した場合のタンク内の酸素濃度上昇値を事前に算出し、その値を許容値としても良い。

そして、このようにすることによって、タンク内の液体量が変化した場合でも、通常その変化は小さいので、液滴吐出に影響を与える大きさ以上の気泡のみを検出することができ、液滴吐出に影響を持たない程度の気泡の混入を検出することを防止することができる。

本発明の液滴吐出装置の気泡除去方法は、液体の循環経路内の気泡を液体に直接触れずに定量的に検出し、気泡が除去されるまで液体を循環させることで気泡を除去することができるため、液滴吐出時に循環系内に気泡が混入している状態を未然に防止することができ、液滴の不吐出や、液滴の吐出量ばらつきを低減することができる。

加えて、循環系内に気泡が混入している場合に、気泡が除去されているか否かを定量的に確認しながら液体を循環させることで気泡を除去できるので、気泡を除去するための液体の循環時間を定量的に管理することができ、時間の効率化や液体の利用効率向上によるコスト低廉化が図られる。

そのため、例えば有機ＥＬディスプレイパネルの製造における有機発光材料を塗布形成するための液滴吐出式記録装置の利用に適する。

１ 印刷対象物
１０ 液滴吐出ヘッド
２４ 上流側インクタンク
２８ 下流側インクタンク
２９ 循環ポンプ
３０ 酸素濃度計測手段
３１ 不活性気体注入装置
３２ 液体量測定手段
３３ 制御手段

Claims (8)

1. 印刷対象物へ液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと、前記液滴吐出ヘッドの上流側に接続された上流側液体タンクと、前記液滴吐出ヘッドの下流側に接続された下流側液体タンクと、前記下流側液体タンクから前記上流側液体タンクへ液体を循環させる循環手段とを連結して構成された配管経路内で、前記液体を循環させる液滴吐出装置における気泡除去方法であって、
   酸素濃度測定手段が、不活性気体及び前記液体とで満たされた、前記上流側液体タンクあるいは前記下流側液体タンクの少なくとも一つのタンク内の酸素濃度を測定し、
   制御手段が、前記酸素濃度測定手段により測定された酸素濃度の上昇値が許容値以下になるまで、前記循環手段により前記液体を循環させることによって、気泡を除去することを特徴とする、液滴吐出装置の気泡除去方法。
2. 前記液滴吐出ヘッドによる液滴吐出が行われる前に、前記気泡の除去を行い、
   前記酸素濃度上昇値とは、測定開始時から一定時間経過後までの酸素濃度上昇値であることを特徴とする、請求項１記載の液滴吐出装置の気泡除去方法。
3. 前記酸素濃度測定手段による酸素濃度測定を、前記液滴吐出ヘッドによる液滴吐出が行われている際にも行い、前記酸素濃度上昇値が許容値を超えた場合には、前記液滴吐出を中断した後、前記気泡の除去を行う、ことを特徴とする、請求項２記載の液体吐出装置の気泡除去方法。
4. 前記一定時間とは、前記液体が前記上流側液体タンクから前記液滴吐出ヘッドと前記下流側液体タンクと前記循環手段を経由して、前記上流側液体タンクに戻るまでの経路を一巡する時間以上とすることを特徴とする、請求項２記載の液滴吐出装置の気泡除去方法。
5. 前記一定時間とは、前記液体が前記液滴吐出ヘッドから前記下流側液体タンクまで移動するのに要する時間以上とすることを特徴とする、請求項２記載の液滴吐出装置の気泡除去方法。
6. 前記一定時間として、前記液体の移動時間に代えて前記気泡の移動時間を基準とすることを特徴とする、請求項４又は５記載の液滴吐出装置の気泡除去方法。
7. 前記酸素濃度上昇値の許容値は、前記酸素濃度を測定する対象となるタンク内の液体量測定手段によって測定された液体量に応じて、設定されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の液滴吐出装置の気泡除去方法。
8. 印刷対象物へ液滴を吐出する液滴吐出ヘッドと、
   前記液滴吐出ヘッドの上流側に接続された上流側液体タンクと、
   前記液滴吐出ヘッドの下流側に接続された下流側液体タンクと、
   前記下流側液体タンクから前記上流側液体タンクへ液体を循環させる循環手段と、
   不活性気体及び前記液体とで満たされた、前記上流側液体タンクあるいは前記下流側液体タンクの少なくとも一つのタンク内の酸素濃度を測定する酸素濃度測定手段と、
   前記酸素濃度測定手段により測定された酸素濃度の上昇値が許容値以下になるまで、前記循環手段により前記液体を循環させることによって、気泡を除去する、制御手段と、を備えたことを特徴とする、液滴吐出装置。
   
   

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