JP2015058421A - 液滴塗布装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塗布用針を用いて塗布液を液滴として塗布する液滴塗布装置であって、塗布液収容部の微小孔内に塗布液由来の析出物が発生することを抑制できる装置を提供する。
【解決手段】基材を支持する基材支持部と、基材支持部に支持された基材に対向するように配置され、内部に塗布液が収容されると共に、底面に塗布液が流出しない大きさの微小孔が形成されている塗布液収容部と、塗布液収容部の微小孔に対する上方位置に配置されて先端に塗布液が付着された状態と当該微小孔を貫通した状態との間で移動可能である塗布用針と、基材支持部上の基材に対して塗布用針の先端に付着されていた塗布液を液滴として接触させるように当該塗布用針を移動させる塗布用針駆動部と、を備え、塗布液収容部には、塗布液流入口と塗布液流出口とが設けられており、塗布液流入口と塗布液流出口とには、塗布液収容部の内部に塗布液を循環させる塗布液循環装置が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材の表面に塗布液を液滴として塗布する液滴塗布装置に関する。

現在、包装材や建装材等の印刷において、多品種小ロット化が進んでおり、版の製作や印刷中のロス等のコストに対して高速で大量に印刷することで利益を出していたグラビア輪転機による印刷方式が、コスト高になっている。

このような小ロット品目の印刷に適するデジタル印刷方式として、インクジェット法や電子写真法による印刷方式が提案されている。しかしながら、これらの方式では、インキの物性に対する制約が強く、印刷物に要求される物性との両立が困難である。具体的には、例えば、インクジェット法では、ノズル径が５０μｍ以下と小さいため、粒子径１０μｍ〜２０μｍの金属フレークを含有する光輝性インキを用いる場合、インキ中の金属フレークによってノズルが閉塞されるおそれがある。そのため、インクジェット法や電子写真法による印刷方式を、グラビア輪転機によって印刷されるような多岐に渡る各種品目の代替印刷方式として利用することはできない。

ところで、インクジェット法に類似した、微小な１ドットを任意位置に形成する方法として、塗布用針を用いた方法が知られている。これは、塗布液を収容する塗布液収容部の底面に塗布液が流出しない大きさの微小孔を形成しておき、当該微小孔に対する上方位置に配置されて先端に塗布液が付着される塗布用針を、当該微小孔を貫通するように移動（降下）させ、塗布液収容部の底面に対向するように配置された基材に対して、塗布用針の先端に付着されていた塗布液を液滴として接触させる、という方法である。この方法は、特に生体分子溶液等の高価な薬液を、剛性の強いガラス等の基材上に無駄なく任意に配列させるために利用されている（特許文献１及び特許文献２参照）。

特許第４３６５９４７号公報 特開２００６−１０７０１号公報

本件発明者は、特に生体分子溶液等の高価な薬液を剛性の強いガラス等の基材上に無駄なく任意に配列させるために利用されていた前述の塗布用針を用いた方法を、包装材や建装材等の印刷に適用することで、小ロット品目の印刷におけるコストを低減できると共に、塗布液の物性に対する制約を緩和できることを知見した。

一方、塗布用針を用いた方法で使用されている従来の液滴塗布装置では、特許文献１及び特許文献２に記載されているように、生体分子溶液等の薬液を塗布することが目的とされているため、印刷用の揮発性の高い溶剤を用いた塗布液やフィラー等の粒子径の大きな分散物を含む塗布液を塗布しようとすると、塗布液収容部の微小孔内に塗布液由来の析出物が発生し、塗布液滴径の不安定化や異物落下の要因になる。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、塗布用針を用いて塗布液を液滴として塗布する液滴塗布装置であって、塗布液収容部の微小孔内に塗布液由来の析出物が発生することを抑制できる液滴塗布装置を提供することにある。

本発明は、基材の裏面を支持する基材支持部と、前記基材支持部に支持された前記基材の表面側に対向するように配置され、内部に塗布液が収容されると共に、底面に前記塗布液の表面張力により当該塗布液が自重によっては流出しない大きさの微小孔が形成されている塗布液収容部と、前記塗布液収容部の微小孔に対する上方位置に配置されて先端に前記塗布液が付着された状態と当該微小孔を貫通した状態との間で移動可能である塗布用針と、前記基材支持部上の前記基材に対して前記塗布用針の先端に付着されていた塗布液を液滴として接触させるように当該塗布用針を移動させる塗布用針駆動部と、を備え、前記塗布液収容部には、前記微小孔とは別に、塗布液流入口と塗布液流出口とが設けられており、前記塗布液流入口と前記塗布液流出口とには、前記塗布液収容部の内部に塗布液を循環させる塗布液循環装置が接続されていることを特徴とする液滴塗布装置である。

本発明によれば、基材の裏面が基材支持部によって支持された状態で、塗布用針駆動部によって塗布用針が塗布液収容部の微小孔を貫通するように移動されることにより、塗布用針の先端に付着されていた塗布液が、基材支持部上の基材の表面に液滴として接触される。塗布液収容部内の塗布液は塗布液循環装置によって循環されているため、外気に露出する微小孔において塗布液が乾燥することが効果的に抑制され、微小孔内に塗布液由来の析出物が発生することが抑制され得る。これにより、塗布用針を用いて塗布液を液滴として塗布する液滴塗布装置において、塗布液の物性に対する制約が大幅に緩和され得る。また、塗布液収容部内の塗布液は塗布液循環装置によって循環されているため、塗布用針の側面に塗布液由来の析出物が固着することも抑制され得る。これにより、塗布用針を移動させるために必要な駆動力が上昇することはなく、塗布用針駆動部に低出力のアクチュエータが採用されていても、塗布用針を安定的に駆動することが可能となる。

好ましくは、前記塗布液循環装置は、塗布液を貯留するタンクと、当該タンクと前記塗布液流入口とを接続する給液ポンプと、当該タンクと前記塗布液流出口とを接続する排液ポンプと、を有する。このような態様によれば、塗布液収容部内の塗布液は、排液ポンプによって塗布液流出口からタンクへと流出された後、給液ポンプによってタンクから塗布液流入口へと流入される。このように塗布液の循環経路は塗布用針の移動経路を除いて閉じた系となるため、長時間連続塗布時における液物性の変化を抑制することができる。また、塗布液の循環経路内に塗布液を貯留するタンクが設けられているため、塗布液収容部の容量を変更することなく大量の塗布液を塗布することが可能となる。

この場合、更に好ましくは、前記排液ポンプによる前記塗布液流出口からの液流出圧力は、前記給液ポンプによる前記塗布液流入口への液流入圧力より大きい。このような態様によれば、液流出圧力と液流入圧力との圧力差によって塗布液収容部内に負圧が形成されるため、微小孔から塗布液が落下（液漏れ）することがより効果的に防止され得る。これにより、例えば、微小孔を特許文献１及び２に記載のような先細形状にする必要がなくなり、塗布用針の動作によって微小孔内の液ビードが上方に引きずられて当該塗布液の先端に塗布液が付着されなくなるという現象が防止され得る。

具体的には、例えば、前記給液ポンプは、チューブポンプであり、前記排液ポンプも、チューブポンプである。

本発明によれば、基材の裏面が基材支持部によって支持された状態で、塗布用針駆動部によって塗布用針が塗布液収容部の微小孔を貫通するように移動されることにより、塗布用針の先端に付着されていた塗布液が、基材支持部上の基材の表面に液滴として接触される。塗布液収容部内の塗布液は塗布液循環装置によって循環されているため、外気に露出する微小孔において塗布液が乾燥することが効果的に抑制され、微小孔内に塗布液由来の析出物が発生することが抑制され得る。これにより、塗布用針を用いて塗布液を液滴として塗布する液滴塗布装置において、塗布液の物性に対する制約が大幅に緩和され得る。また、塗布液収容部内の塗布液は塗布液循環装置によって循環されているため、塗布用針の側面に塗布液由来の析出物が固着することも抑制され得る。これにより、例えば、塗布用針駆動部に低出力のアクチュエータが採用されていても、塗布用針を安定的に駆動することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による液滴塗布装置を示す概略図である。 図２は、図１の液滴塗布装置において、塗布用針が微小孔を貫通するように移動される工程を説明するための概略図である。 図３は、本発明の第２の実施の形態による液滴塗布装置を示す概略図である。 図４は、本発明の第３の実施の形態による液滴塗布装置を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による液滴塗布装置１０を示す概略図である。

図１に示すように、本実施の形態による液滴塗布装置１０は、基材２１の裏面を支持する基材支持部４１と、基材支持部４１に支持された基材２１の表面側に対向するように配置され、内部に塗布液２３が収容されると共に、底面に塗布液２３の表面張力により当該塗布液２３が自重によっては流出しない大きさの微小孔１５が形成されている塗布液収容部１４と、塗布液収容部１４の微小孔１５に対する上方位置に配置されて先端に塗布液２３が付着された状態と当該微小孔１５を貫通した状態との間で移動可能である塗布用針１６と、基材支持部４１上の基材２１に対して塗布用針１６の先端に付着されていた塗布液２３を液滴として接触させるように塗布用針１６を移動させる塗布用針駆動部１７と、を備えている。

本実施の形態の基材支持部４１は、それ自体は公知のＸＹステージであり、エアシリンダやリニアモータ等の駆動機構により、水平面内において互いに直交するＸ方向とＹ方向とにそれぞれ直線移動可能となっている。

基材支持部４１に支持される基材２１は、例えば、枚葉状の樹脂フィルムである。基材２１の材質には、例えば、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、アクリル等が用いられる。

図１に示すように、塗布液収容部１４と塗布用針１６と塗布用針駆動部１７との組は、基材支持部４１の上方位置に配置されている。塗布液収容部１４の底面と基材支持部４１の上面との間の間隔は、例えば５００μｍである。

図１に示すように、塗布液収容部１４は、水平方向（図１における左右方向）に延びる中空空間を有しており、当該中空空間に塗布液２３が収容されている。塗布液２３は、例えば、顔料と、揮発性の溶剤と、結着剤（樹脂）と、不溶性のフィラーと、を含有する光輝性インキである。不溶性のフィラーは、具体的には、例えば、粒子径１０μｍ〜２０μｍの金属フレーク（アルミ、雲母等）である。塗布液２３の粘度は、例えば０．１Ｐａ・ｓである。

塗布液収容部１４の底面には、微小孔１５が、塗布液２３が収容された中空空間に連通するように形成されている。微小孔１５の直径は、例えば５００μｍである。塗布液２３は、当該塗布液２３の表面張力により、自重によっては微小孔１５から流出しないようになっている。

図１に示すように、塗布用針１６は、微小孔１５の上方位置に鉛直に配置されており、先端（下端）を含む領域において切頭円錐形状を有している。塗布用針１６の先端の直径は、例えば５０μｍ〜２００μｍである。

塗布用針１６の基端部（上端部）は、塗布液収容部１４の上面に設けられた貫通孔１８を貫通して、更に上方に延伸されており、塗布用針駆動部１７に接続されている。

塗布用針駆動部１７は、塗布用針１６の上端に固定されたアクチュエータ１７ａと、アクチュエータ１７ａを支持する支持部材１７ｂと、を有している。アクチュエータ１７ａは、例えばソレノイドであり、鉛直方向に例えば１ｍｍ程度伸縮可能となっている。図２に示すように、アクチュエータ１７ａが鉛直方向に伸長されると、当該アクチュエータ１７ａに固定された塗布用針１６は当該アクチュエータ１７ａに押圧されて降下され、当該塗布用針１６の先端が微小孔１５を貫通して、塗布液収容部１４の底面より例えば５００μｍ程度下方に突き出されるようになっている。これにより、塗布用針１６の先端に付着されていた塗布液は、基材支持部４１に支持された基材２１の表面に液滴として接触されるようになっている。一方、図１に示すように、アクチュエータ１７ａが鉛直方向に収縮されると、当該アクチュエータ１７ａに固定された塗布用針１６は当該アクチュエータ１７ａにより上方に引き戻され、当該塗布用針１６の先端は、塗布液収容部１４の底面より例えば５００μｍ程度上方に没入されるようになっている。これにより、塗布用針１６の先端は、塗布液収容部１４内の塗布液２３に浸漬されるようになっている。

本実施の形態では、図１に示すように、塗布液収容部１４には、微小孔１５とは別に、塗布液流入口１４ａと塗布液流出口１４ｂとが設けられており、当該塗布液流入口１４ａと塗布液流出口１４ｂとには、塗布液収容部１４の内部に塗布液２３を循環させる塗布液循環装置３０が接続されている。

より詳細には、図１に示すように、塗布液流入口１４ａは、塗布液２３が収容される中空空間の一端部（図１における左端部）において塗布液収容部１４の一方側側面を貫通して設けられており、塗布液流出口１４ｂは、当該中空空間の他端部（図１における右端部）において塗布液収容部１４の他方側側面を貫通して設けられている。塗布液流入口１４ａ及び塗布液流出口１４ｂの各々の直径は、例えば１ｍｍである。

本実施の形態では、図１に示すように、塗布液循環装置３０は、塗布液２３を貯留するタンク３１と、当該タンク３１と塗布液流入口１４ａとを接続する給液ポンプ３２ａと、当該タンク３１と塗布液流出口１４ｂとを接続する排液ポンプ３２ｂと、を有している。

具体的には、例えば、給液ポンプ３２ａは、チューブポンプであり、タンク３１と塗布液流入口１４ａとを液密に接続するチューブ３３ａと、当該チューブ３３ａを挟持する一対のポンプローラ３４ａとを有している。一対のポンプローラ３４ａが所定の回転速度で回転されることにより、回転速度に対応する液流入圧力でタンク３１から塗布液流入口１４ａへと塗布液２３が押し流されるようになっている。

一方、排液ポンプ３２ｂも、チューブポンプであり、タンク３１と塗布液流出口１４ｂとを液密に接続するチューブ３３ｂと、当該チューブ３３ｂを挟持する一対のポンプローラ３４ｂとを有している。一対のポンプローラ３４ｂが所定の回転速度で回転されることにより、回転速度に対応する液流出圧力で塗布液流出口１４ｂからタンク３１へと塗布液２３が押し流されるようになっている。

本実施の形態では、排液ポンプ３２ｂによる塗布液流出口１４ｂからの液流出圧力は、給液ポンプ３２ａによる塗布液流入口１４ａへの液流入圧力より大きくなっている。そのため、液流出圧力と液流入圧力との圧力差によって塗布液収容部１４内に負圧が形成され、微小孔１５における塗布液２３の液面は上向きに凹んだ凹形状となる。これにより、微小孔１５から塗布液２３が落下（液漏れ）することがより効果的に防止され得る。

なお、排液ポンプ３２ｂによる液流出圧力と給液ポンプ３２ａによる液流入圧力との圧力差が大きすぎると、微小孔１５から塗布液収容部１４内にエア（気泡）が流入して塗布液２３の物性を変化させる要因となる。そのため、排液ポンプ３２ｂによる液流出圧力と給液ポンプ３２ａによる液流入圧力との圧力差は、微小孔１５において塗布液２３の液面が安定するような大きさに調整されているべきである。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

図１に示すように、まず、給液ポンプ３２ａによってタンク３１から塗布液流入口１４ａへと塗布液２３が流入され、塗布液収容部１４の中空空間に塗布液２３が充填される。一方、排液ポンプ３２ｂによって塗布液流出口１４ｂからタンク３１へと塗布液２３が流出される。これにより、塗布液収容部１４内の塗布液２３が塗布液循環装置３０によって循環されることになる。

このように、塗布液収容部１４内の塗布液２３が塗布液循環装置３０によって循環されているため、塗布液２３が揮発性の溶剤を含有する場合であっても、外気に露出する微小孔１５において塗布液２３が乾燥することが抑制され、微小孔１５内に塗布液２３由来の析出物が発生したり塗布液２３の物性が変化したりすることが抑制されている。

また、塗布液収容部１４内の塗布液２３が塗布液循環装置３０によって循環されているため、塗布液２３中に浸漬された塗布用針１６の側面に塗布液２３由来の析出物が固着することも抑制されている。

次に、図１に示すように、枚葉状の基材２１が基材支持部４１上に載置され、不図示のチャック機構により、当該基材２１が基材支持部４１上に安定してセットされる。枚葉状の基材２１の表面には、塗布液２３を液滴として塗布すべき塗布位置が予め定められている。

不図示の駆動機構により、基材支持部４１がＸ方向及びＹ方向にそれぞれ直線駆動され、基材支持部４１に支持された基材２１上の所定の塗布位置が、塗布用針１６に対して高精度に位置決めされる。

次に、図２に示すように、塗布用針駆動部１７によって塗布用針１６が微小孔１５を貫通するように降下される。これにより、塗布用針１６の先端に付着されていた塗布液２３が、基材２１上の所定の塗布位置に液滴として接触される。ここで、塗布用針１６の先端は、基材２１の表面に当接されてもよいし、当接されなくてもよい。基材２１の裏面が基材支持部４１により安定して支持されているため、塗布用針１６の先端に付着されていた塗布液２３は、所定の高さ位置において、基材２１の表面に液滴として安定して塗布され得る。

その後、図１に示すように、塗布用針駆動部１７によって塗布用針１６が上昇され、塗布用針１６の先端が微小孔１５の内部に収容される。これにより、塗布用針１６の先端は循環中の塗布液２３に再び浸漬される。

以上のような本実施の形態によれば、基材２１の裏面が基材支持部４１によって支持された状態で、塗布用針駆動部１７によって塗布用針１６が塗布液収容部１４の微小孔１５を貫通するように移動されることにより、塗布用針１６の先端に付着されていた塗布液２３が、基材支持部４１上の基材２１の表面に液滴として接触される。塗布液収容部１４内の塗布液２３は塗布液循環装置３０によって循環されているため、外気に露出する微小孔１５において塗布液２３が乾燥することが効果的に抑制され、微小孔１５内に塗布液２３由来の析出物が発生することが抑制され得る。これにより、塗布用針１６を用いて塗布液２３を液滴として塗布する液滴塗布装置１０において、塗布液２３の物性に対する制約が大幅に緩和され得る。また、塗布液収容部１３内の塗布液２３は塗布液循環装置３０によって循環されているため、塗布用針１６の側面に塗布液２３由来の析出物が固着することも抑制され得る。塗布用針１６に析出物が固着すると塗布用針１６を移動させるために必要な駆動力が上昇することになるが、本実施の形態では、塗布用針１６に析出物が固着することが抑制されているため、塗布用針１６を移動させるために必要な駆動力が上昇することはなく、塗布用針駆動部１７に低出力のアクチュエータ１７ａが採用されていても、塗布用針１６を安定的に駆動することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、塗布液収容部１４内の塗布液２３は、排液ポンプ３２ｂによって塗布液流出口１４ｂからタンク３１へと流出された後、給液ポンプ３２ａによってタンク３１から塗布液流入口１４ａへと流入される。このように塗布液２３の循環経路は塗布用針１６の移動経路を除いて閉じた系となるため、長時間連続塗布時における塗布液２３の物性の変化を抑制することができる。また、塗布液２３の循環経路内に塗布液２３を貯留するタンク３１が設けられているため、塗布液収容部１４の容量を変更することなく大量の塗布液２３を塗布することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、排液ポンプ３２ｂによる塗布液流出口１４ｂからの液流出圧力が、給液ポンプ３２ａによる塗布液流入口１４ａへの液流入圧力より大きいため、液流出圧力と液流入圧力との圧力差によって塗布液収容部１４内に負圧が形成される。これにより、微小孔１５から塗布液２３が落下（液漏れ）することがより効果的に防止され得る。

例えば、特許文献１及び２に記載された装置のように、微小孔が先細形状の場合には、先細形状であることに起因する作用により、微小孔から塗布液が落下（液漏れ）することが効果的に抑制され得るが、この場合、塗布用針の動作によって微小孔内の液ビード（液溜まり）が上方に引きずられて、塗布用針の先端に塗布液が付着されなくなるという不都合な現象が発生し得る。

一方、本実施の形態によれば、液流出圧力と液流入圧力との圧力差に起因する作用により、微小孔１５から塗布液２３が落下（液漏れ）することがより効果的に抑制され得るため、微小孔１５を先細形状にする必要がなくなり、前述の不都合な現象が防止され得る。

なお、本実施の形態では、図１及び図２に示すように、塗布液収容部１４の底面に微小孔１５が１個だけ形成されており、当該微小孔１５の上方位置に対応して塗布用針１６が１個だけ配置されていたが、これに限定されず、図３に示すように、塗布液収容部１４の底面に微小孔１５が複数形成されており、各微小孔１５の上方位置にそれぞれ対応して塗布用針１６が複数配置されていてもよい（第２の実施の形態）。この場合、塗布用針駆動部１７によって複数の塗布用針１６がそれぞれ対応する微小孔１６を貫通するように同時に移動されることにより、基材２１の表面の複数の塗布位置に同時に、塗布液２３が液滴として接触される。これにより、基材２１の印刷速度が大幅に向上され得る。

また、本実施の形態では、図１及び図２に示すように、基材支持部４１は、枚葉状の基材２１の裏面を支持するＸＹステージであったが、これに限定されず、図４に示すように、基材支持部４２は、連続するウェブ基材２２の裏面を支持しながら当該ウェブ基材２２を回転方向に送り出すバックアップロールであってもよい（第３の実施の形態）。この場合、連続するウェブ基材２２に対して塗布液２３が液滴として塗布されるため、生産性が向上する。

１０ 液滴塗布装置
１４ 塗布液収容部
１４ａ 塗布液流入口
１４ｂ 塗布液流出口
１５ 微小孔
１６ 塗布用針
１７ 塗布用針駆動部
１７ａ アクチュエータ
１７ｂ 支持部材
１８ 貫通孔
２１ 基材
２２ 基材
２３ 塗布液
３０ 塗布液循環装置
３１ タンク
３２ａ 給液ポンプ
３２ｂ 排液ポンプ
３３ａ チューブ
３３ｂ チューブ
３４ａ ポンプローラ
３４ｂ ポンプローラ
４１ 基材支持部
４２ 基材支持部

Claims (4)

1. 基材の裏面を支持する基材支持部と、
   前記基材支持部に支持された前記基材の表面側に対向するように配置され、内部に塗布液が収容されると共に、底面に前記塗布液の表面張力により当該塗布液が自重によっては流出しない大きさの微小孔が形成されている塗布液収容部と、
   前記塗布液収容部の微小孔に対する上方位置に配置されて先端に前記塗布液が付着された状態と当該微小孔を貫通した状態との間で移動可能である塗布用針と、
   前記基材支持部上の前記基材に対して前記塗布用針の先端に付着されていた塗布液を液滴として接触させるように当該塗布用針を移動させる塗布用針駆動部と、
   を備え、
   前記塗布液収容部には、前記微小孔とは別に、塗布液流入口と塗布液流出口とが設けられており、
   前記塗布液流入口と前記塗布液流出口とには、前記塗布液収容部の内部に塗布液を循環させる塗布液循環装置が接続されている
   ことを特徴とする液滴塗布装置。
2. 前記塗布液循環装置は、塗布液を貯留するタンクと、当該タンクと前記塗布液流入口とを接続する給液ポンプと、当該タンクと前記塗布液流出口とを接続する排液ポンプと、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の液滴塗布装置。
3. 前記排液ポンプによる前記塗布液流出口からの液流出圧力は、前記給液ポンプによる前記塗布液流入口への液流入圧力より大きい
   ことを特徴とする請求項２に記載の液滴塗布装置。
4. 前記給液ポンプは、チューブポンプであり、前記排液ポンプも、チューブポンプである
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の液滴塗布装置。

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