JP2017105021A

JP2017105021A - 液体の吐出方法と液体の吐出装置

Info

Publication number: JP2017105021A
Application number: JP2015239351A
Authority: JP
Inventors: 修平中谷; Shuhei Nakatani; 深田　和岐; Kazuki Fukada; 和岐深田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-06-15

Abstract

【課題】インクジェットヘッドの共振周期がばらついても、吐出速度のばらつきが小さい吐出方法を提供すること。
【解決手段】液体を有する圧力室と、圧力室を加圧する圧電素子と、圧力室と連通し液体を吐出するノズルと、圧電素子に電圧を印加する電圧源と、電圧源を制御し、圧電素子に第１の駆動電圧波形を印加し、圧力室内の液体を振動させ、液体の前記振動の波の進行方向Ａが、逆方向Ｂへ変わる時に、圧電素子に第２の駆動電圧波形を印加し、液体を前記ノズルから吐出させる制御部と、を含む液体の吐出装置を用いる。
【選択図】図６

Description

本発明は、液体の吐出方法と液体の吐出装置に関する。特に、圧電素子を用いたインクジェットヘッドを用いた液体の吐出方法と液体の吐出装置に関する。

近年、インクジェット技術を用いて電子デバイスを製造する方法が注目を集めている。

インクジェット技術による製造は、蒸着技術などに比べ設備構成がシンプルで安価な製造が可能である。また、インクジェット技術は直接パターニング技術であるため蒸着技術におけるマスクが不要となり、パターニング対象物の大型化が可能である。

例えば、表示電子デバイスにおいては大画面への市場要求が高まり、インクジェット塗布による電子デバイス製造技術への期待は高まっている。

また、配線形成や、加飾、生体物の塗布など、インクジェット技術は、近年様々なものに応用されようとしている。
＜インクジェットヘッド＞
図１（ａ）と図１（ｂ）にインクジェットヘッドの構造の断面図を示す。

インクジェットヘッドは、液滴を吐出する複数のノズル１００、ノズルに連通する圧力室１１０、異なるノズルに対応する圧力室１１０を隔てる隔壁１１１、圧力室の一部をなすダイアフラム１１２、ダイアフラム１１２を振動させる圧電素子１３０、隔壁１１１を支える圧電部材１４０、圧電素子に電圧を印加する共通電極（図示せず）を有する。他に図示しない液体の導入口を有する。

また、液体を循環する種類のインクジェットヘッドにおいては、図示しない液体排出口を有する。圧電素子１３０と隔壁１１１を支える圧電部材１４０とは、一つの圧電部材からダイシングによって分離されている。インクジェットヘッドが有するノズル１００では、直径２０μｍ〜５０μｍで、１００μｍ〜５００μｍの間隔で、１００穴〜３００穴が並んでいる。

このように構成されたインクジェットヘッドは、次のように動作する。圧電素子１３０の裏側の共通電極（図示せず）と、可動させる圧電素子１３０との間に電圧を印加すると、その圧電素子１３０が図１（ａ）の状態から図１（ｂ）の状態に変形する。図１（ｂ）の矢印で示す圧電素子の先端部１３０ａが変化し、圧力室１１０へ突出している。

圧電素子１３０が変形すると、圧力室１１０の容積が小さくなり、液体に圧力を加えることができる。その圧力で液体を吐出させている。

インクジェットヘッドの構造としては、薄膜の圧電素子１３０を用いた構造でもよい。
＜薄膜型インクジェットヘッド＞
図２（ａ）と図２（ｂ）は、薄膜型インクジェットヘッドの構造を示す図である。図２（ａ）と図２（ｂ）に液体を吐出するためのノズル２００、ノズル２００に連通する圧力室２１０、圧力室２１０に液体を供給する共通圧力室２３０が繋がっている。圧力室２１０の一部を成すダイアフラム２１２の上部に薄膜の圧電素子２２０が構成されている。このように構成されたインクジェットヘッドは次のように動作する。圧電素子２２０に電圧を印加すると、圧電素子２２０が図２（ａ）の状態から図２（ｂ）の状態に変形する。薄膜の圧電素子２２０が変形すると、圧力室２１０の容積が小さくなり液体に圧力を伝達することができる。その圧力で液体を吐出させている。

圧電素子を駆動させるための駆動波形にについて、図３（ａ）と図３（ｂ）を用いて説明する。

＜駆動波形＞
図３（ａ）に駆動波形の一例を示す。図３（ｂ）は駆動波形のパルスＡ（図３（ａ））にて発生した圧力室１１０，２１０内の振動状態の変化を模式的に示した図である。図３（ｂ）で、上側がノズルの出口方向を、下側が圧力室の方向を示す。

液滴の吐出方法としては、圧力室１１０、２１０内に発生する振動波を共振させて吐出させることが一般的に知られている。共振させることで低い電圧で液滴の吐出をすることができる。図３（ａ）のような駆動波形を圧電素子１３０、２２０に印加することで、圧力室１１０，２１０内には振動波が発生し、その振動波は圧力室１１０，２１０内の壁などに当たって固有の周期（共振周期Ｔ）で減衰しながら振動する。共振周期Ｔは圧力室１１０，２１０の大きさや形、またはインクの粘度などの物性によって決まる固有の値である。

また、駆動波形は、図３（ａ）にように二つ以上のパルス（パルスＡとパルスＢ）を組み合わせて使用することが多い。一つ目のパルスＡによって発生した振動波に対して、共振するタイミングで二つ目のパルスＢを印加する。このことで、液滴を吐出させる時の効率が上がり、より低電圧で液滴を吐出させることが可能となる。パルスＡは、パルスＢの助走のような役割を果たす。パルスＢの印加タイミングとしては、パルスＡを印加してから共振周期Ｔの時間だけ間隔を置いて印加するとよい。

図４（ａ）〜図４（ｃ）には、特許文献１に記載の図４（ａ）駆動波形と、図４（ｂ）振動子（圧電素子）先端変位と、図４（ｃ）インクメニスカス（インクの表面、ノズルでのインクの最先端の位置）の変位を示した図である。

時刻が０からＴ１にかけて印加電圧Ｖｈを圧電素子１３０，２２０に印加することで、振動子（圧電素子）先端は、時刻０からＴ１にかけて負の方向（ノズル内の内方向）に変位していることがわかる。この時、インクメニスカスの変位も負の方向（ノズル内の内方向）に変位している。

そして、一定時間ｔ２だけ印加電圧をＶｈで保持した後、時刻Ｔ２からＴ３にかけて印加電圧が０になるように、圧電素子に電圧をかける。これにより振動子（圧電素子）先端の変位は正の方向に変化している。Ｔ２の時刻はインクメニスカスも負（ノズル内方向）から正（ノズル外方向）に変わる時刻であり、ノズル穴からインクメニスカスが飛び出すタイミングである。

これは、時刻０から時刻Ｔ１までで印加した電圧（パルスＡ）にて、発生したインクメニスカスの振動が共振する。この共振の時刻Ｔ２からＴ３にかけて振動子（圧電素子）先端の変位が逆の向きになるように、別途電圧（パルスＢ）を印加することで、インクの共振を利用して、インクを吐出させていることを示している。

特開平６−１７１０８０号公報

共振周期Ｔを利用した液滴の吐出方法では、駆動電圧を低くして液滴を吐出させることが可能である。しかし、インクジェットヘッドの共振周期Ｔは、ヘッドの製造ばらつきや構成部材のばらつきなどでヘッド間、及び同一ヘッド内であってもノズル１００間で、ばらつくことは避けられない。

駆動波形をノズル１００ごとに個別に設定すれば、共振周期Ｔのばらつきに応じて、最適な駆動波形を設定することも可能だが、ノズル１００の数は一つのヘッドの中で、１００から１０００穴ほどあることが一般的である。このため、ノズル１００の個別に駆動波形を設定すると制御基板の構成も複雑になり、現実的でない。

また、最近では塗布パターンの高精細化に伴い、吐出できる液滴を小さくしたヘッドを使用することも多い。吐出液滴が小さいヘッドにおいては、共振周期Ｔのばらつきによる吐出速度への影響が大きくなることを確認している。

吐出液滴の小さなヘッドは、ヘッドの構造上、圧力室１１０の容積が小さくなり、共振周期Ｔも短くなる。共振周期Ｔが短くなることで、共振周期Ｔのばらつきの影響の割合が大きくなるためである。

図５（ａ）は、１ピコリットル程度の液滴体積を吐出できるヘッドＡと、４ピコリットル程度の液滴体積を吐出できるヘッドＢと、へ印加する電圧パルス波形を示す。電圧パルス波形は、パルス幅Ｈを有する。図５（ｂ）は、パルス幅Ｈと液滴の吐出速度との関係を示した図である。

ヘッドＡの方が、パルス幅Ｈの変化に対して、吐出速度変化が大きいことを示す。これはある駆動波形に設定した時に、ノズル間でパルス幅Ｈがばらつくと、吐出速度もばらつくことを示している。

塗布の位置精度を上げるには、ノズル間の吐出速度ばらつきを小さくすることが求められるが、従来の吐出方法では、共振周期のばらつきに応じて吐出速度が大きくばらついてしまうという課題がある。特に、ヘッドＡのように、吐出液滴体積の小さなヘッドにおいては、その影響が顕著になる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ノズル間でパルス幅Ｈがばらついても、吐出速度の変化が小さく、ノズル間の吐出速度のばらつきを低減できる液体の吐出方法と液体の吐出装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、圧電素子に第１の駆動電圧波形を印加し、ノズルと連通する圧力室内の液体を振動させる第１工程と、液体の前記振動による波の進行方向Ａが、逆方向Ｂへ変わる時に、圧電素子に第２の駆動電圧波形を印加し、液体を前記ノズルから吐出する第２工程と、を含む液体の吐出方法を用いる。

また、液体を有する圧力室と、圧力室を加圧する圧電素子と、圧力室と連通し前記液体を吐出するノズルと、圧電素子に電圧を印加する電圧源と、電圧源を制御し、圧電素子に第１の駆動電圧波形を印加し、圧力室内の液体を振動させ、液体の前記振動の波の進行方向Ａが、逆方向Ｂへ変わる時に、圧電素子に第２の駆動電圧波形を印加し、液体をノズルから吐出させる制御部と、を含む液体の吐出装置を用いる。

以上のように、本発明の吐出方法によれば、ノズル間及びヘッド間の吐出速度のばらつきを小さくすることが可能となり、塗布品質の向上を実現することができる。

（ａ）従来のバルク型インクジェットヘッドの構造を示す図、（ｂ）圧電素子に電圧が印加された時の（ａ）のバルク型インクジェットヘッドの状態を示す図（ａ）従来の薄膜型インクジェットヘッドの構造を示す図、（ｂ）圧電素子に電圧が印加された時の（ａ）の薄膜型インクジェットヘッドの状態を示す図（ａ）従来の駆動波形を示す図、（ｂ）（ａ）の時の圧力室内のインクメニスカス振動状態を示す図（ａ）特許文献１の駆動波形を示す図、（ｂ）（ａ）の時の振動子先端変位を示す図、（ｃ）（ａ）の時のインクメニスカスの変位を示す図（ａ）従来の単パルスでの駆動波形を示す図、（ｂ）従来の単パルス駆動波形のパルス幅と吐出速度の関係を示すグラフ（ａ）実施の形態の駆動波形を示す図、（ｂ）（ａ）の時の圧力室内のインクメニスカス振動状態を示す図（ａ）実施の形態のインクメニスカス振動状態を示す図、（ｂ）実施の形態の駆動波形を示す図（ａ）実施の形態での駆動波形パラメータのＴ２を振ったときの吐出速度を示す図、（ｂ）実施の形態でのノズルの吐出速度を示すグラフ（ａ）比較例のインクメニスカス振動状態を示す図、（ｂ）比較例の駆動波形を示す図（ａ）比較例の駆動波形パラメータのＴ２を振ったときの吐出速度を示す図、（ｂ）比較例のノズルの吐出速度を示すグラフ

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。
（実施の形態）
本実施の形態のインクジェットヘッドは図１（ａ）、図１（ｂ）で示したバルク型のインクジェットヘッドと同様である。なお、図２（ａ）、図２（ｂ）で示した薄膜型インクジェットヘッドでもよく、他の構造のインクジェットヘッドでもよい。

図６（ａ）は、実施の形態での駆動波形（パルスＡとパルスＢ）の要素を示す。図６（ｂ）は、パルスＡにより発生した圧力室内の振動を模式的に示した図である。

二つ以上のパルスを組み合わせて構成する駆動波形において、二つ目のパルスＢを、一つ目のパルスＡによって発生した振動波が、ノズルから液滴が出る方向に最大となる地点Ｃで印加することにより、共振周期がばらついても速度変化が小さい状態で吐出できることがわかった。パルスＢにより液滴をノズルから吐出させるため、パルスＢは、パルスＡより高い電圧を印加するのが好ましい。

地点Ｃは、圧力室内での振動の進行方向Ａの向きが、ノズル出口方向から圧力室方向（逆方向Ｂ）に変わる地点であり、一時的には位置変化がゼロになる地点である。パルスＡによる共振周期をＴとしたとき、地点ＣはＴ×０．７５の時刻に相当する。また、地点Ｃ’であってもよく、その場合はＴ×（１＋０．７５）の時刻に相当する。これらの位置変化がゼロになる地点で、二つ目のパルスＢを印加することで、その印加タイミングがばらついても速度変化は小さくなると考えられる。０．７５でなくとも、０．６５以上０．８５以下ならよい。好ましくは、０．７０以上０．８０以下の範囲がよい。この範囲は、下記の図８（ａ）の結果からわかった。

上記範囲は、他の範囲と異なり、振動の向きの変化が小さい範囲（速度変化が小さい範囲）である。

（実施例）
図７（ａ）は、本発明の実施例における駆動波形の構成を検討するための要素的な入力波形と圧力室内の振動状態を示す。図７（ｂ）は、実施例の駆動波形を示す。

駆動波形は、パルスＡ、パルスＢと、二つ以上のパルスから構成した。パルスＡは予備振動であり、パルスＢは本振動である。本振動では、インクを飛び出さすため、予備振動より大きな電圧値となる。
予備振動は、本振動をアシストする役割を担い、本振動をアシストすることで、インクジェットにおける吐出の駆動電圧を下げることを可能にする。

図７（ａ）に示している、圧力室内のインクの振動状態の測定は以下の方法で行った。

ノズルからインクが吐出しない程度の低い電圧でパルスＡのみを印加し、その時、ノズル穴から確認されるメニスカスの面積を、ヘッドに対して水平方向からカメラで観察し、そのメニスカス面積の時間変化を測定し、それを圧力室内での振動状態と見なした。

パルスＢの印加タイミングは、パルスＡで発生した振動の時間あたりの位置変化が一時的にゼロになる、図７（ａ）の頂点付近Ｃで設定した。

駆動波形を設計する際に、時間に関するパラメータ（Ｔ１やＴ２）を決めるときは、図７（ａ）に示しているような振幅を小さく単純化したパルスで設計する。

時間に関する波形パラメータが決まった後に、インクの種類に応じて、インク吐出速度や液滴体積を所望の値に合わせるために、振幅を調整することで図７（ｂ）のような最終波形が設計される。

各パルスの電圧の振幅は、図７（ｂ）中のｘを１としたとき、ｙ、ｚはそれぞれ、０．５、０．２の比率になるように設定した。なお、ｘは駆動波形中の最大の電圧、ｙは定常的に保持される中間電位、ｚは予備振動電圧の深さを表す値となる。
また、Ｔ１はパルスＡ（予備振動）のパルス幅、Ｔ２はパルスＡ（予備振動）とパルスＢ（本振動）間の維持時間を示す。

また、図８（ａ）には、図７（ｂ）の駆動波形においてパルスＢの印加タイミング（Ｔ２）の値を変化させたときの吐出速度の変化を示している。図７（ｂ）で示した駆動波形におけるＴ２は２．２倍のＴ１に相当し、Ｔ２が前後に振れても吐出速度はほとんど変化しない領域であることがわかる。パルスＡによって発生した振動波が、圧力室内の複数の場所から反射して、それらが相互作用することで、Ｔ２を変化させても、吐出速度がほとんど変化しない領域ができると考えられる。

図８（ｂ）には吐出される液滴の体積が１ピコリットルになるように、各ノズルで駆動電圧を調整したときの、吐出速度を示している。吐出速度の平均値は４．９ｍ／ｓで、ばらつきは１．１ｍ／ｓ（３σ）となっている。

また、吐出に使用した液体は、発光特性を有する高分子材料を溶解させた溶液を用いて、その粘度は、１０ｍＰａ・ｓ程度であった。

（比較例）
図９（ａ）、図９（ｂ）は、比較例におけるものである。図９（ａ）は、圧力室内の振動状態を示す。図９（ｂ）は、駆動波形を示すグラフである。

パルスＢの印加タイミングは、従来技術の通り、共振現象を最も効率よく利用できる地点Ｄで設定した。地点ＤはパルスＡにて発生した振動波の共振周期の時間だけ経過した地点である。

各パルスの振幅は、図９（ｂ）中のｘを１としたとき、ｙ、ｚはそれぞれ、０．５、０．２の比率になるように設定した。

また、図１０（ａ）には図９（ｂ）の駆動波形においてパルスＢの印加タイミング（Ｔ２）の値を変化させたときの吐出速度の変化を示している。図９で示した駆動波形におけるＴ２は３．６Ｔ１に相当し、Ｔ２が前後に振れると、吐出速度は大きく変化してしまう領域であることがわかる。

図１０（ｂ）には吐出される液滴の体積が１ピコリットルになるように、各ノズルで駆動電圧を調整したときの、吐出速度を示している。吐出速度の平均値は４．７ｍ／ｓで、ばらつきは２．０ｍ／ｓ（３σ）となっている。

（考察）
本発明での実施の形態での速度ばらつきと比較すると、比較例での速度ばらつきは約２倍程度大きくなっており、ノズル間での共振周期のばらつきの影響を大きく受けた結果となっている。

一方、本発明の実施例の場合は、共振周期がばらついても速度変化が小さくなるような吐出方法となっているため、最終的なノズル間の速度ばらつきを大きく抑えることが可能となっている。

なお、装置としては、以下の装置を用いることができる。液体を有する圧力室と、圧力室を加圧する圧電素子と、圧力室の液体を吐出するノズルと、圧電素子に電圧を印加する電圧源と、電圧源を制御し、圧電素子に第１の駆動電圧波形を印加し、圧力室内の液体を振動させ、液体の振動の波の進行方向が、ノズル側から圧力室側へ変わる時に、圧電素子に第２の駆動電圧波形を印加し、液体をノズルから吐出させる制御部と、を含む液体の吐出装置を用いることができる。

なお、パルスＢ（本振動）の印加タイミングは、共振タイミングではないため、液滴吐出の効率は落ち、吐出速度も最速の条件でない場合がある（図８（ａ））。そのため、バルク型のインクジェットヘッドが好ましい。つまり、バルク型のインクジェットヘッドでは、高出力であり、圧力室も圧力が逃げにくいよう構造に配慮しているため、液滴吐出の効率は落ち、吐出速度も最速でなくとも、十分に吐出できる。

本発明の液体の吐出方法と液体の吐出装置は、有機ＥＬの発光体、ホール輸送層、電子輸送層の印刷や、カラーフィルターの印刷、及び配線パターンの印刷などデイスプレイ、回路形成などの分野で利用されうる。

１００ノズル
１１０圧力室
１１１隔壁
１１２ダイアフラム
１３０圧電素子
１４０圧電部材
２００ノズル
２１０圧力室
２１２ダイアフラム
２２０圧電素子

Claims

圧電素子に第１の駆動電圧波形を印加し、ノズルと連通する圧力室内の液体を振動させる第１工程と、
前記液体の前記振動による波の進行方向Ａが、逆方向Ｂへ変わる時に、前記圧電素子に第２の駆動電圧波形を印加し、前記液体を前記ノズルから吐出する第２工程と、を含む液体の吐出方法。
前記変わる時とは、前記波の変位が無くなる時である請求項１記載の液体の吐出方法。
前記第２の駆動電圧波形の印加タイミングは、前記振動の共振周期をＴとした時、
（ｎ＋０．７５）×Ｔであり、ｎは、０を含む自然数である請求項１または２に記載の液体の吐出方法。
前記第２の駆動電圧波形の印加タイミングの範囲は、（ｎ＋０．６５）×Ｔ以上、（ｎ＋０．８５）×Ｔ以下である請求項３に記載の液体の吐出方法。
前記第２の駆動電圧波形は、前記第１の駆動電圧波形より、電圧値が大きい請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体の吐出方法。
液体を有する圧力室と、
前記圧力室を加圧する圧電素子と、
前記圧力室と連通し前記液体を吐出するノズルと、
前記圧電素子に電圧を印加する電圧源と、
前記電圧源を制御し、前記圧電素子に第１の駆動電圧波形を印加し、前記圧力室内の液体を振動させ、前記液体の前記振動の波の進行方向Ａが、逆方向Ｂへ変わる時に、前記圧電素子に第２の駆動電圧波形を印加し、前記液体を前記ノズルから吐出させる制御部と、を含む液体の吐出装置。