JP2015070759A - 充放電駆動回路及び液滴塗布装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気エネルギの使用効率を上げること。
【解決手段】電源回路の電気エネルギを圧電素子に充電させ、前記圧電素子に充電した電気エネルギを放電させる充放電駆動回路において、前記圧電素子から放電された電気エネルギを回収する回収回路と、前記回収回路により回収された前記電気エネルギを前記電源回路に戻す回生回路とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、充放電駆動回路及び液滴塗布装置に関する。

一般に、液晶表示装置の製造装置では、ガラス基板の表面に配向膜やレジスト膜等の機能性薄膜が形成される。この機能性薄膜の形性には、当該機能性薄膜の材料となる液体をガラス基板上に噴射塗布するインクジェット方式の塗布装置が用いられる。この塗布装置は、ガラス基板を搬送するための搬送テーブルを備え、この搬送テーブルの上方に複数のヘッドを備える。

これらヘッドは、それぞれ下面に複数のノズルが穿設され、これらノズルが内部の各液室に連通し、かつ各ノズルにはそれぞれ圧電素子(圧電振動子とも称する)が設けられている。これらノズルからの液体の吐出は、各圧電素子をそれぞれ充放電することによる各圧電素子の収縮・復元により液室を膨張・収縮（復元）させて行う(例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００９-０１４１４８号

しかしながら、ノズルからの液体の吐出に要する電気エネルギは、圧電素子の充電エネルギのおよそ１０分の１程度であり、その他の電気エネルギは、充放電回路等の内部で消費されてしまう。

本発明の目的は、電気エネルギの使用効率を上げることができる充放電駆動回路及び液滴塗布装置を提供することにある。

本発明の主要な局面に係る充放電駆動回路は、電源回路の電気エネルギを圧電素子に充電させ、前記圧電素子に充電した電気エネルギを放電させる充放電駆動回路において、前記圧電素子から放電された電気エネルギを回収する回収回路と、前記回収回路により回収された前記電気エネルギを前記電源回路に戻す回生回路とを具備する。

本発明の主要な局面に係る液滴塗布装置は、上記充放電駆動回路と、前記充放電駆動回路によって駆動される圧電素子を備えた塗布ヘッドと、基板を支持するステージと、前記塗布ヘッドと前記ステージとを前記ステージに支持された基板の表面に沿って相対移動させる移動装置とを備えた。

本発明によれば、電気エネルギの使用効率を上げることができる。

本発明に係る充放電駆動回路の第１の実施の形態を用いた液滴塗布装置を示す外観構成図。 同充放電駆動回路を示す回路構成図。 本発明に係る充放電駆動回路の第２の実施の形態を示す回路構成図。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は圧電素子駆動回路として図２に示す充放電駆動回路１０を用いたインクジェット方式の液滴塗布装置１の外観構成図を示す。この液滴塗布装置１は、例えば液晶表示パネルの製造装置に用いられ、塗布対象物として液晶表示パネル製造用のガラス基板Ｋに塗布液等の液体（液滴）を塗布するのに用いられる。この液滴塗布装置１は、例えば液晶表示パネルの製造装置に限らず、液体を塗布するものであれば、他の装置にも適用できる。

この液滴塗布装置１は、ステージ２と、回転機構(不図示)と、Ｙ軸移動機構３と、複数の塗布ヘッド４と、支持部材５と、制御部６と、架台７とを備える。ステージ２は、ガラス基板Ｋを水平状態、すなわちＸ軸方向とＸ軸方向に直交するＹ軸方向とに沿う状態で載置する。回転機構は、ステージ２をθ方向、すなわちＸ軸方向及びＹ軸方向を含む平面内の回転方向に回転させる。Ｙ軸移動機構３は、架台７上に設けられ、回転機構を介してステージ２をＹ軸方向に移動させる。複数の塗布ヘッド４は、それぞれステージ２上のガラス基板Ｋに向けて塗布液を複数の液滴として吐出する。支持部材５は、門型に形成され、Ｙ軸移動機構３を跨いで架台７上に設けられ、各塗布ヘッド４をそれぞれ支持する。制御部６は、上記各部、すなわちステージ２や回転機構、Ｙ軸移動機構３、複数の塗布ヘッド４等をそれぞれ制御する。

具体的に説明すると、ステージ２は、回転機構上に載置され、この回転機構によりθ方向に回転可能に設けられている。なお、ステージ２は、当該ステージ２上にガラス基板Ｋをその自重により載置するものに限らず、例えばガラス基板Ｋを保持するために静電チャックや吸着チャック等の保持機構を設けるようにしてもよく、又は、ガラス基板Ｋを支持する複数の支持ピン等を設け、これら支持ピン等をステージ２上に出没可能に設けてもよい。

回転機構は、Ｙ軸移動機構３上に載置され、ステージ２と共にＹ軸移動機構３によりＹ軸方向に移動可能に設けられている。この回転機構は、制御部６に電気的に接続され、当該制御部６により駆動制御される。この回転機構としては、例えばモータを駆動源とする回転機構等を用いる。

Ｙ軸移動機構３は、架台７上に載置され、回転機構をステージ２と共にＹ軸方向に案内して移動させる。このＹ軸移動機構３は、制御部６に電気的に接続され、当該制御部６により駆動制御される。このＹ軸移動機構３は、例えばリニアモータを駆動源とするリニアモータ移動機構やモータを駆動源とする送りネジ移動機構等を用いる。

各塗布ヘッド４は、門型の支持部材５における梁部にＸ軸方向に沿って、例えば直線状又は千鳥状に配設されている。これら塗布ヘッド４は、それぞれ液滴を吐出する複数の吐出孔と、これら吐出孔にそれぞれ連通する複数の液室と、これら液室の容積をそれぞれ可変する複数の圧電素子、ここでは例えば図２に示すように圧電素子ＰＺＴとを各々内蔵している。なお、圧電素子ＰＺＴは、複数の吐出孔のそれぞれに設けるために複数設けられている。

各吐出孔は、塗布ヘッド４の吐出面に所定のピッチ（間隔）で直線状に並べて形成されている。これら吐出孔の数は、例えば数十個から数百個程度である。各吐出孔の直径は、数μｍから数十μｍ程度である。吐出孔のピッチは、数十μｍから数百μｍ程度である。各塗布ヘッド４は、それぞれ制御部６に電気的に接続され、この制御部６によって駆動制御される。
各塗布ヘッド４は、例えば複数の圧電素子ＰＺＴに対する充放電が行われると、このときの各圧電素子ＰＺＴの収縮・復元により各液室の容積を変化させ、これら液室内の塗布液を各吐出孔から液滴として吐出する。

液晶表示パネルのガラス基板Ｋ上における配向膜形成用の塗布液は、当該塗布液を貯留する液体タンクからチューブ等を介して各塗布ヘッド４の各液室内に供給され、各液室を塗布液により満たす。なお、配向膜形成用の塗布液としては、例えばポリイミド（ＰＩ）溶液を用いる。この状態で、各圧電素子ＰＺＴが駆動すると、当該駆動した圧電素子ＰＺＴに対応する液室内の塗布液がその液室に連通する吐出孔から押し出され、液滴として各吐出孔から吐出される。

支持部材５は、各塗布ヘッド４を支持するもので、門型に形成されたコラムである。この支持部材５は、その梁部がＸ軸方向に沿うように設けられる。この支持部材５の脚部は、架台７の上面に固定されて設けられている。各塗布ヘッド４は、梁部の前面、すなわち図１中の手前側の面に設けられている。

制御部６は、架台７内に設けられ、上記各部、すなわちステージ２や回転機構、Ｙ軸移動機構３、複数の塗布ヘッド４等を集中的に制御するマイクロコンピュータと、塗布に関する塗布情報や各種プログラム等を記憶する記憶部と（いずれも図示せず）を有する。塗布情報は、例えばドットパターン等の所定の塗布パターン、塗布ヘッド４の吐出周波数及びガラス基板Ｋの移動速度に関する情報等を含む。

この制御部６は、塗布動作を行う場合、塗布情報に基づいて回転機構、Ｙ軸移動機構３及び各塗布ヘッド４等を動作制御する。

制御部６は、塗布動作において、回転機構を制御し、ステージ２上のガラス基板Ｋを所望の向きに合わせる。この状態で、制御部６は、Ｙ軸移動機構３及び各塗布ヘッド４を制御し、Ｙ軸移動機構３により各塗布ヘッド４とステージ２上のガラス基板Ｋとを相対移動させながら各塗布ヘッド４を動作制御してステージ２上のガラス基板Ｋに各液滴を塗布し、このガラス基板Ｋ上に複数の配向膜を形成する。これら配向膜は、多面取りを目的としてガラス基板Ｋに設けられた複数の表示領域上にそれぞれ形成される。

図２は充放電駆動回路１０の回路構成図を示す。

電源回路１１は、圧電素子ＰＺＴを充電するための電気エネルギを出力するもので、電源ＰＳと、この電源ＰＳに並列接続された電源コンデンサＣとを有する。

この電源ＰＳの出力端には、電流供給用トランジスタＱ０のエミッタ−コレクタを介してインダクタンス（コイル）Ｌ１が接続され、さらに当該インダクタンスＬ１にダイオードＤ１、インダクタンス（コイル）Ｌ２を介して圧電素子ＰＺＴが直列接続されている。

又、充電用トランジスタＱ１がダイオードＤ１、インダクタンスＬ２及び圧電素子ＰＺＴの直列回路に対して並列接続され、かつ放電用トランジスタＱ２がインダクタンスＬ２及び圧電素子ＰＺＴの直列回路に対して並列接続されている。

かかる構成において、電流供給用トランジスタＱ０と充電用トランジスタＱ１を共に閉じ（導通させ）てインダクタンスＬ１に通電（充電）した後、充電用トランジスタＱ１が開く（非導通）と共に、電流供給用トランジスタＱ０が閉じると、直流電源ＰＳから出力される電流は、電流供給用トランジスタＱ０からコイルＬ１、ダイオードＤ１、インダクタンスＬ２を通って圧電素子ＰＺＴに流れる。これにより、圧電素子ＰＺＴは、充電されてその充電電圧が上昇する。
放電用トランジスタＱ２が閉じると、圧電素子ＰＺＴは、放電し、その充電電圧は急激に下降する。

この充放電駆動回路１０には、圧電素子ＰＺＴに充電された電気エネルギを回収する回収回路２０と、この回収回路２０により回収される電気エネルギを電源回路１１に戻す回生回路３０とが設けられている。

回収回路２０は、圧電素子ＰＺＴに接続されたインダクタンスＬ２と、このインダクタンスＬ２に接続された回収ダイオードＤ２と、この回収ダイオードＤ２を通して回収される電気エネルギを蓄える１つの回生用のコンデンサＣ３とから成る。すなわち、この回収回路２０は、複数の圧電素子ＰＺＴに対してそれぞれにインダクタンスＬ２と回収ダイオードＤ２との直列回路が接続され、これら直列回路が共通接続されて１つの回生用のコンデンサＣ３に接続されている。これにより、１つの回生用のコンデンサＣ３には、複数のインダクタンスＬ２からの電気エネルギがそれぞれ回収されて１つの回生用のコンデンサＣ３に蓄えられる。

回生回路３０は、回生用のコンデンサＣ３に蓄えられた電気エネルギを電源コンデンサＣに戻す。この回生回路３０は、回生用トランジスタＱ３のソースにダイオードＤ３が接続され、これら回生用トランジスタＱ３とダイオードＤ３との接続点がインダクタンスＬ３を介して回生用のコンデンサＣ３と電源コンデンサＣとの接続点に接続されている。これにより、この回生回路３０は、回生用のコンデンサＣ３から回生用スイッチング素子としての回生用トランジスタＱ３のドレイン−ソースからインダクタンスＬ３とを介して電源コンデンサＣに接続される第１の経路と、上記インダクタンスＬ３からダイオードＤ３を介して電源コンデンサＣに接続される第２の経路とから成る。

回生用トランジスタＱ３のベースには、コントローラＣｔｒｌの出力端が接続されている。このコントローラＣｔｒｌの入力端には、アッテネータＡＴＴが接続されている。なお、アッテネータＡＴＴの両端には、所定の電圧Ｖｃが加わっている。これにより、回生用トランジスタＱ３は、回生時（回生用のコンデンサＣ３と電源コンデンサＣの直列回路間の電圧が電圧Ｖｃを上回ったとき）、閉じて、回生用のコンデンサＣ３に蓄えられた電気エネルギを回生用トランジスタＱ３のドレインーソースからインダクタンスＬ３に流して蓄える。又、回生用のコンデンサＣ３と電源コンデンサＣの直列回路間の電圧が電圧Ｖｃを下回ると、回生用トランジスタＱ３が開き、インダクタンスＬ３に蓄えられた電気エネルギが電源コンデンサＣに流れて蓄えられる。

次に、上記の如く構成された充放電駆動回路１０の動作について説明する。
電流供給用トランジスタＱ０と充電用トランジスタＱ１を共に閉じてインダクタンスＬ１に通電した後、充電用トランジスタＱ１が開くと共に、電流供給用トランジスタＱ０が閉じると、直流電源ＰＳから出力される電流は、電流供給用トランジスタＱ０からコイルＬ１、ダイオードＤ１、インダクタンスＬ２を通って圧電素子ＰＺＴに流れ、この圧電素子ＰＺＴは、充電される。

放電用トランジスタＱ２が閉じると、圧電素子ＰＺＴは、放電し、その放電エネルギはインダクタンスＬ２に移動する。この状態で、放電用トランジスタＱ２を開く（非導通）と、インダクタンスＬ２に蓄えられた電気エネルギは回生用コンデンサＣ３に移動する。
回生用のコンデンサＣ３に蓄えられた電気エネルギは、インダクタンスＬ３を通して電源コンデンサＣに戻る。
このように上記第１の実施の形態によれば、圧電素子ＰＺＴに充電された電気エネルギを回収し、この回収された電気エネルギを電源回路１１に戻すので、電気エネルギの使用効率を上げることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図２と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
図３は充放電駆動回路１０の回路構成図を示す。回生回路３０は、回生用のコンデンサＣ３の充電電圧を所定の電圧に制御するもので、上記第１の実施の形態におけるダイオードＤ３に代わって第２の回生用スイッチング素子としての第２の回生用トランジスタＱ４が接続されている。この第２の回生用トランジスタＱ４は、ドレインが回生用トランジスタＱ３のソースに接続され、ソースが接地されている。

この回生回路３０には、回生用のコンデンサＣ３から第１の回生用スイッチング素子Ｑ３とインダクタンスＬ３とを介して電源コンデンサＣに接続される第１の経路と、インダクタンスＬ３から第２の回生用トランジスタＱ４を介して電源コンデンサＣに接続される第２の経路とが構成される。

コントローラＣｔｒｌの出力端には、それぞれ各反転回路４１、４２を介して第１の回生用スイッチング素子Ｑ３と第２の回生用トランジスタＱ４とが接続されている。コントローラＣｔｒｌは、予め設定された期間毎にハイレベル、ローレベルとなるパルスの制御信号を出力する。この制御信号のハイレベルとローレベルとのデューティ比は、回生用のコンデンサＣ３の充電電圧に応じて設定される。この制御信号は、反転回路４１を介して第１の回生用スイッチング素子Ｑ３のゲートに入力すると共に、反転回路４２により反転して第２の回生用トランジスタＱ４のゲートに入力する。これにより、第１の回生用スイッチング素子Ｑ３と第２の回生用トランジスタＱ４とは、予め設定された期間毎に交互に開閉、すなわち制御信号のデューティ比に応じたハイレベル期間とローレベル期間とによって開閉する。

圧電素子ＰＺＴには、逆充電防止用ダイオードＤＲが並列接続されている。この逆充電防止用ダイオードＤＲは、インダクタンスＬ２に向かって順方向に接続されている。この逆充電防止用ダイオードＤＲは、圧電素子ＰＺＴへの逆方向の充電を防止する。

このような構成であれば、コントローラＣｔｒｌは、予め設定された期間毎にハイレベル、ローレベルとなるパルスの制御信号を出力する。この制御信号は、反転回路４１を介して第１の回生用スイッチング素子Ｑ３のゲートに入力すると共に、反転回路４２により反転して第２の回生用トランジスタＱ４のゲートに入力するので、これら第１の回生用スイッチング素子Ｑ３と第２の回生用トランジスタＱ４とは、それぞれ予め設定されたデューティ比に応じたハイレベル期間とローレベル期間とによって開閉する。

圧電素子ＰＺＴの充電時、第１の回生用スイッチング素子Ｑ３は閉じる。このとき第２の回生用トランジスタＱ４は開いている。第１の回生用スイッチング素子Ｑ３が閉じることにより回生用のコンデンサＣ３に蓄えられた電気エネルギは、第１の回生用スイッチング素子Ｑ３からインダクタンスＬ３を通して電源コンデンサＣに戻る。
圧電素子ＰＺＴの放電時に、第２の回生用トランジスタＱ４は閉じる。このとき第１の回生用スイッチング素子Ｑ３は開いている。第２の回生用トランジスタＱ４が閉じることによりインダクタンスＬ３からの電気エネルギが第２の回生用トランジスタＱ４を通して電源コンデンサＣに戻る。

このように第１の回生用スイッチング素子Ｑ３と第２の回生用トランジスタＱ４とが予め設定されたデューティ比に応じた期間で開閉するので、回生用のコンデンサＣ３の充電電圧を所定の電圧に制御できる。なお、第１の回生用スイッチング素子Ｑ３のハイレベル期間のデューティ比は、電圧Ｖｃを１００Ｖ、電源ＰＳの電圧を１０Ｖとした場合、１０／１００＝０，１として求めることができる。

圧電素子ＰＺＴには、逆充電防止用ダイオードＤＲが並列接続されているので、放電用トランジスタＱ２が何らかの原因で所定の期間よりも長く閉じたとしても、インダクタンスＬ２からの電流が放電用トランジスタＱ２を通って圧電素子ＰＺＴに流れたとしても、この電流は逆充電防止用ダイオードＤＲに流れるので、圧電素子ＰＺＴを充電することはない。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１：液滴塗布装置、Ｋ：ガラス基板、２：ステージ、３：Ｙ軸移動機構、４：塗布ヘッド、５：支持部材、６：制御部、７：架台、１０：充放電駆動回路、１１：電源回路、２０：回収回路、３０：回生回路、ＰＺＴ：圧電素子、ＰＳ：電源、Ｃ：電源コンデンサ、Ｑ０：電流供給用トランジスタ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３：インダクタンス、Ｄ１：ダイオード、Ｄ２：回収ダイオード、Ｑ１：充電用トランジスタ、Ｑ２：放電用トランジスタ、Ｃ３：回生用のコンデンサ、Ｑ３：回生用トランジスタ（第１の回生用スイッチング素子）、Ｄ３：ダイオード、Ｃｔｒｌ：コントローラ、ＡＴＴ：アッテネータ、Ｑ４：第２の回生用トランジスタ（第２の回生用スイッチング素子）、４１，４２：反転回路、ＤＲ：逆充電防止用ダイオード。

Claims (8)

1. 電源回路の電気エネルギを圧電素子に充電させ、前記圧電素子に充電した電気エネルギを放電させる充放電駆動回路において、
   前記圧電素子から放電された電気エネルギを回収する回収回路と、
   前記回収回路により回収された前記電気エネルギを前記電源回路に戻す回生回路と、
   を具備することを特徴とする充放電駆動回路。
2. 前記回収回路は、前記圧電素子に接続されたインダクタンスと、
   前記インダクタンスに接続されたダイオードと、
   前記ダイオードを通して回収される前記電気エネルギを蓄える回生用のコンデンサと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の充放電駆動回路。
3. 前記圧電素子が複数設けられると共に、前記インダクタンスが前記圧電素子毎に設けられ、
   前記回収回路は、前記複数の圧電素子からの前記各電気エネルギを１つの前記回生用のコンデンサに蓄える、
   ことを特徴とする請求項２に記載の充放電駆動回路。
4. 前記電源回路は、電源コンデンサを含み、
   前記回生回路は、前記回生用のコンデンサに蓄えられた前記電気エネルギを前記電源コンデンサに戻す、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の充放電駆動回路。
5. 前記回生回路は、前記回生用のコンデンサから回生用スイッチング素子と回生用インダクタンスとを介して前記電源コンデンサに接続される経路と、前記電源コンデンサからダイオードを介して前記インダクタンスに接続される経路とを有し、
   前記回生用スイッチング素子を閉じた時に、前記回生用のコンデンサに蓄えられた前記電気エネルギを前記インダクタンスに蓄え、
   前記回生用スイッチング素子を開いた時に、前記インダクタンスに蓄えた電気エネルギを前記電源コンデンサに戻す、
   ことを特徴とする請求項４に記載の充放電駆動回路。
6. 前記回生回路は、前記回生用のコンデンサの充電電圧を所定の電圧に制御することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の充放電駆動回路。
7. 前記回生回路は、前記回生用のコンデンサから第１の回生用スイッチング素子とインダクタンスとを介して前記回生用のコンデンサに接続される経路と、前記電源コンデンサから第２の回生用スイッチング素子を介して前記インダクタンスに接続される経路とを有し、
   前記第１と第２の回生用スイッチング素子は、予め設定された期間毎に交互に開閉し、
   前記第１の回生用スイッチング素子を閉じて前記回生用のコンデンサに蓄えられた前記電気エネルギを前記インダクタンスに蓄え、
   前記第２の回生用スイッチング素子を閉じて前記インダクタンスからの電気エネルギを前記電源コンデンサに戻し、
   前記回生用のコンデンサの充電電圧を所定の電圧に制御する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の充放電駆動回路。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の充放電駆動回路と、
   前記充放電駆動回路によって駆動される圧電素子を備えた塗布ヘッドと、
   基板を支持するステージと、
   前記塗布ヘッドと前記ステージとを前記ステージに支持された基板の表面に沿って相対移動させる移動装置と、
   を備えたことを特徴とする液滴塗布装置。

Images