JP2017144678A - インクジェットヘッドを有するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】着滴位置を精度よく制御できるシステムを提供する。【解決手段】インクジェットヘッド１０と、インクジェットヘッド１０の第１のノズル１１から出力される液滴１５の飛翔軌跡を含む３次元プロファイル３５を取得する液滴観察ユニット２０と、第１のノズル１１と着滴点とのＺ軸方向の距離に応じて３次元プロファイル３５に基づき得られた吐出位置で第１のノズル１１から液滴１５を吐出する吐出ユニット３３とを有するシステム１を提供する。液滴観察ユニット２０は、Ｚ軸方向に直交し、相互に直交するＸ軸方向およびＹ軸方向から第１のノズルから出力される液滴１５の飛翔軌跡を撮像するカメラ２１、２２を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェットヘッドを有するシステムに関するものである。

特許文献１には、立体造形物の製造に適した液状組成物を提供することが記載されている。特許文献１では、インクジェット印刷装置において使用される、立体造形物を製造するための液状組成物は、窒素ＢＥＴ法による比表面積の値が１０ｍ2／グラム以上、ＢＪＨ法による細孔の容積が０．１ｃｍ3／グラム以上、ＭＰ法による細孔の容積が０．１ｃｍ3／グラム以上である多孔質炭素材料を含み、あるいは又、非局在化密度汎関数法によって求められた直径１×１０-9ｍ乃至５×１０-7ｍの細孔の容積の合計が０．１ｃｍ3／グラム以上である多孔質炭素材料を含み、あるいは又、非局在化密度汎関数法によって求められた細孔径分布において、３ｎｍ乃至２０ｎｍの範囲内に少なくとも１つのピークを有し、３ｎｍ乃至２０ｎｍの範囲内に細孔径を有する細孔の容積の合計の占める割合は、全細孔の容積総計の０．１以上である多孔質炭素材料を含むことが開示されている。

特許文献２では、基板上に散布されるインクが不規則な軌跡を持つ場合であっても、インクの着弾精度を向上させるような補正を自動的に行うことを目的とすることが記載されている。特許文献２では、搬送テーブルとインクジェットヘッドとを相対移動させている間に、テスト用基板に対して各ノズルから微粒子を含まないテスト用インクを散布し、各ノズルから最初に着弾したテスト用インクを含む画像をカメラにより取得してコンピュータが画像処理を行い、画像中のテスト用インクの位置と、各テスト用インクの理想的な着弾位置とを比較して、その差分をずれ量データとして画像処理を行って算出し、ずれ量データに基づいて、各ノズルの位置を補正する位置補正とノズルごとに噴射タイミングを個別的に制御するタイミング補正と、の２つの補正を行っていることが記載されている。

特許文献３では、高精細な立体形状を持つ造形物を形成可能にすることが記載されている。特許文献３では、インクジェット立体形状印刷装置では、ステージの上面、またはステージ上の硬化物の上面が、造形材が着弾する位置になるようにステージを移動し、ステージの上面、またはステージ上の硬化物の上面と流動性サポート材の液面とを合わせた面において当該硬化物の上面の少なくとも一部を含む領域に、造形材を吐出することが記載されている。

特開２０１３−３５２５１号公報 特開２００９−２９１７１０号公報 特開２０１６−２７１４号公報

インクジェットヘッドのノズルから吐出される液滴が、対象物に対して、ノズルに正対する位置に着滴（着弾）しないことがある。あるいは、ノズルそのものが、本来正対すべき位置からずれている場合がある。２次元または３次元の描画や、立体造形物を製造する際に、その位置のずれを補正することが求められている。

本発明の一態様は、インクジェットヘッドと、インクジェットヘッドの第１のノズルから出力される液滴の飛翔軌跡を含む３次元プロファイルを取得する液滴観察ユニットと、第１のノズルと着滴点とのＺ軸方向の距離に応じて３次元プロファイルに基づき得られた吐出位置で第１のノズルから液滴を吐出する吐出ユニットとを有するシステムである。

インクジェット方式で液滴を吐出する場合、特定のノズルから吐出された液滴の着弾点（着滴点）の位置のずれは、ノズルの条件や、吐出物の条件により変わる一方、条件が変わらなければ再現性が高い。したがって、内蔵された液滴観察ユニットにより、インクジェットヘッドの特定の第１のノズルから出力される液滴の飛翔軌跡を含む３次元プロファイルを取得すれば、ノズルの条件や、吐出物の条件が変わらない状態で、第１のノズルと着滴点とのＺ軸方向の距離が変わっても３次元プロファイルに基づき着滴点を精度よく求めることができる。このため、たとえば、３次元画像を描画したり、立体造形物を製造する際に、３次元プロファイルを取得した範囲であれば第１のノズルと着滴点とのＺ軸方向の距離を一定に保つ必要はなく、Ｚ軸方向の動きを省略でき、描画速度を高めることができる。また、２次元画像を描画する際に、対象物との距離が変わっても、その都度、着滴点を事前に確認する処理を省くことができる。Ｚ軸方向は、垂直（鉛直）方向でなくてもよく、３次元プロファイルに基づき空間内の着滴点が予測できるので、水平または斜め方向から吐出してもよい。

液滴観察ユニットの一態様は、Ｚ軸方向に直交し、相互に直交するＸ軸方向およびＹ軸方向から、第１のノズルから出力される液滴の飛翔軌跡を撮像するカメラを含むものである。これにより、３次元の飛翔軌跡を得ることができる。

このシステムは、複数のインクジェットヘッドを有していてもよく、インクジェットヘッドが着脱式であってもよい。インクジェットヘッドを取り付けた状態で内蔵する液滴観察ユニットにより、取り付けた状態の３次元プロファイルを取得でき、その３次元プロファイルに基づいて精度の高い描画および立体像の製造が可能となる。

このシステムの一例は、インクジェットヘッドのノズルから吐出される液滴により２次元または３次元の描画を行うシステムある。このシステムの他の例は、インクジェットヘッドのノズルから吐出される液滴により立体造形物を製造するシステムである。

本発明の他の態様はインクジェットヘッドを有するシステムにより液滴を吐出することを有する方法である。システムは、インクジェットヘッドの第１のノズルから出力される液滴の飛翔軌跡を含む３次元プロファイルを取得する液滴観察ユニットを有し、当該方法は、吐出することの前に、液滴観察ユニットにより３次元プロファイルを取得することを有し、吐出することは、第１のノズルと着滴点とのＺ軸方向の距離に応じて３次元プロファイルに基づき得られた吐出位置で第１のノズルから液滴を吐出することを含む。

液滴の３次元プロファイルを用いたシステムの一例を示す図。 液滴観察ユニットにより３次元プロファイルを取得する状態を示す図。 Ｘ軸方向の画像（ａ）およびＹ軸方向の画像（ｂ）の一例。 ３次元プロファイルを用いてインクジェットヘッドの位置を制御し、液滴の吐出するプロセスを示すフローチャート。

図１に、複数の１ノズルインクジェットヘッドが搭載されたシステム（インクジェット式塗布装置）を示している。このシステム１は、複数のインクジェットヘッド１０を搭載したヘッドブロック（インクジェットヘッドユニット）２と、塗布対象物９を搭載するテーブル８と、テーブル８に対するヘッドブロック２の高さ調整軸であるＺ軸方向にヘッドブロック２を動かすＺ軸アクチュエータ（Ｚ軸ステージ）３と、ヘッドブロック２をＸ軸方向に動かすＸ軸アクチュエータ（Ｘ軸ステージ、自動ステージ、ヘッドユニット軸）４と、ヘッドブロック２から個々のインクジェットヘッド１０をＹ軸方向へ動かすＹ軸アクチュエータ（シリンダ）５とを含む。それぞれのインクジェットヘッド１０は１つのノズル１１を含み、Ｚ軸アクチュエータ３、Ｘ軸アクチュエータ４およびＹ軸アクチュエータ５により３軸方向に移動し、３次元の所定の位置に達した後に、所定の成分を含む液状物質（液滴）１５をテーブル８に搭載された塗布対象物９へ吐出する。Ｘ軸アクチュエータおよびＺ軸アクチュエータは個々のノズルを独立して制御できるように設けることも可能である。

システム１は、さらに、それぞれのインクジェットヘッド１０のノズル１１から吐出（出力）された液滴１５の飛翔軌跡を含む３次元プロファイルを取得する液滴観察ユニット２０を含む。液滴観察ユニット２０は、Ｚ軸方向に直交し、それぞれ直交するＸ軸方向およびＸ軸方向にそれぞれ配置された液滴観察カメラ２１および２２と、それぞれのカメラ２１および２２と対峙（対面）するように配置された液滴観察用ストロボ２３および２４とを含む。Ｘ軸方向に配置されたストロボ２３は、所定の間隔、たとえば、ｍｓまたはμｓの単位で点灯を繰り返し、カメラ２１は、観察対象のノズル１１から吐出された液滴１５のＺ軸およびＹ軸方向の位置および形状をｍｓまたはμｓの単位で、Ｘ軸方向の画像、すなわちＹ−Ｚ面の画像として捉える。Ｙ軸方向に配置されたストロボ２４およびカメラ２２も同様であり、観察対象のノズル１１から吐出された液滴１５のＺ軸およびＸ軸方向の位置および形状をｍｓまたはμｓの単位で、Ｙ軸方向の画像、すなわちＸ−Ｚ面の画像として捉える。

液滴観察ユニット２０により、観察対象のノズル１１から吐出された液滴１５のＸ−Ｚ面の画像と、Ｙ−Ｚ面の画像とを得ることにより、観察対象のノズル１１から吐出された液滴１５のＸ−Ｙ−Ｚ空間における挙動、すなわち、液滴１５の飛翔軌跡と、液滴１５の状態、たとえば、一滴の状態で飛翔しているか、メイン滴とサテライト滴とに分かれて飛翔しているか、その中間状態であるかなどとを含めた３次元プロファイルをｍｓまたはμｓの単位で得ることができる。

システム１は、制御ユニット３０を有し、制御ユニット３０の液滴観察制御ユニット３１は、各ノズル１１から吐出された液滴１５の３次元プロファイル３５を自動で取得し、ライブラリ（メモリ）３６に格納する。インクジェット方式で吐出された液滴１５の飛翔状態は、吐出条件、たとえば、ノズルの状態、吐出する液の粘度、液に含まれている成分、粒子や細胞などが液に含まれている場合はそれらの種類などにより変動する可能性がある。一方、吐出条件が同じであれば、ほとんどのケースでは、飛翔状態は再現される。液滴観察制御ユニット３１は、各々のノズル１１を自動で液滴観察ユニット２０にセットし、各ノズル１１から吐出された液滴１５の飛翔状態を観察する。飛翔状態は、１回の液滴観察のみではなく、複数回の観察結果（画像）から平均値として３次元プロファイル３５を求めてもよい。液滴観察制御ユニット３１は、複数回の観察結果が、ユーザーが予め設定した範囲（変位、ずれ）を超えている場合は吐出状態が不安定であるとして３次元プロファイル３５が取得できずエラー表示を出力するようにしてもよい。

制御ユニット３０は、さらに、描画データ３９に基づいて、所定のインクジェットヘッド１０をＸ軸アクチュエータ４、Ｙ軸アクチュエータ５およびＺ軸アクチュエータ３により３軸方向に動かして吐出位置に移動し、ノズル１１から液滴１５を吐出して描画を行う吐出ユニット３３を含む。吐出ユニット３３は、描画データ３９で指定される吐出位置を、吐出対象のノズル（第１のノズル）１１と着滴点（着滴予想点）とのＺ軸方向の距離に応じて３次元プロファイル３５に基づき得られた吐出位置に調整して吐出する調整ユニット３２を含む。

図２に、液滴観察ユニット２０により３次元プロファイル３５を取得する様子を示している。このシステム１においては、個々のインクジェットヘッド１０は着脱可能であり、個々のインクジェットヘッド１０により吐出される液体（液状物質）も交換できる。したがって、まず、対象物９に吐出する液体を搭載したインクジェットヘッド１０をヘッドブロック２に搭載し、対象物９に塗布する条件を整える。その後、ユーザーが液滴観察制御ユニット３１を稼働させると、液滴観察制御ユニット３１がシステム１を自動制御する。

まず、システム１の液滴観察ユニット２０および／またヘッドブロック２を移動し、観察対象の１ノズルインクジェットヘッド１０のノズル１１を液滴観察ユニット２０の中心軸２９に位置合わせする。観察対象のインクジェットヘッド１０を対象物９に液滴を吐出するのと同じ条件で駆動し、ノズル１１から液滴１５を液滴観察ユニット２０に吐出することにより上述したＹ−Ｚ画像およびＸ−Ｚ画像を含む３次元プロファイル３５を取得する。この処理を、全ての１ノズルインクジェットヘッド１０のノズル１１に対して繰り返し、各ノズル１１から吐出（出力）される液滴の３次元プロファイル３５を自動的に収集する。

図３（ａ）にＸ軸方向から取得した画像（Ｙ−Ｚ画像）の一例を示し、図３（ｂ）にＹ軸方向から取得した画像（Ｘ−Ｚ画像）の一例を示す。ノズル１１からＺ軸方向に延びた中心軸２９に対し、実際の液滴１５の飛翔状態がストロボ画像として取得でき、Ｚ軸方向に液滴１５が飛翔したときの、飛翔軌跡３７と、液滴の状態３８とを含む３次元プロファイル３５が得られる。

図４に、吐出ユニット３３がインクジェットヘッド１０の位置を制御して液滴の吐出を行うプロセスの概要をフローチャートにより示している。まず、ステップ５０において、対象物９に吐出する液体を搭載したインクジェットヘッド１０をヘッドブロック２に搭載し、対象物９に液滴を吐出する条件が整えられると、液滴観察制御ユニット３１が液滴観察ユニット２０により各ノズル１１から吐出される液滴１５の３次元プロファイル３５を取得する。すべてのノズル１１から吐出される液滴１５の３次元プロファイル３５を取得すると吐出（描画または立体像の製造）を開始する。

ステップ５１において、描画データ３９で次に吐出するように指定されたノズル１１のノズル−対象物間のＺ軸距離Ｄｚを取得する。ステップ５２において、図３（ａ）、（ｂ）に示した画像を表示するディスプレイにＺ軸距離Ｄｚに応じた着滴位置水平線６１を自動表示する。ステップ５３において、吐出するノズル１１において事前に取得された３次元プロファイル３５をライブラリ３６から読み出して画面に表示する。ステップ５４において、着滴位置水平線６１にメイン滴が到達する位置に遅延時間（ディレイタイム）を調整し、ステップ５５においてＸ軸方向からの画像（Ｙ−Ｚ画像）に基づいて理論上の着滴位置、すなわち、中心軸２９からのずれ量６２ｙを自動取得する。また、ステップ５６においてＹ軸方向からの画像（Ｘ−Ｚ画像）に基づいて理論上の着滴位置である中心軸２９からのずれ量６２ｘを自動取得する。

ステップ５７において、Ｘ軸アクチュエータ（ヘッドユニット軸）４とＹ軸アクチュエータ（シリンダ軸）５とでインクジェットヘッド１０を、吐出予定位置（現在位置）に対してずれ量（オフセット量）６２ｘおよび６２ｙを反映した位置に動かし、ステップ５８においてノズル１１から液滴１５を吐出する。ステップ５１に戻って、描画データ３９に指定されている吐出処理が終了するまで上記の処理を繰り返す。

これらの処理は、システム１を動かす制御ユニット３０で実行可能なプログラム（プログラムプロダクト）として適当な記録媒体に記録して提供することができる。制御ユニット３０はＣＰＵ、メモリなどのコンピュータ資源を用いて構成できる。

複数の１ノズルインクジェットヘッドが搭載されたインクジェット式塗布装置では、１ノズルインクジェットヘッドそれぞれについて、正確な位置へのスポットを実現するため、実際に基板などの対象物上にスポットされた液滴を塗布装置上に配置された顕微鏡で撮像し、ヘッドと顕微鏡間のオフセットを取り、顕微鏡の撮影位置に対しスポット位置を補正する作業がヘッドの交換作業後やノズル−基板間のワーキングディスタンスを変更する度に、使用者自身が実施する必要があった。さらに、本作業は塗布装置上に搭載される１ノズルインクジェットヘッドの本数分全てに対し、実施する必要があった。

このシステム１においては、システム（塗布装置）１に搭載された１ノズルインクジェットヘッド１０のそれぞれに実施しなければならなかった着滴位置の調整のためのデータ収集を、専用アプリケーションである液滴観察制御ユニット３１を稼働することで、自動的に取得できる。さらに、液滴観察制御ユニット３１は液滴１５の３次元プロファイル３５を取得することができるので、ノズル１１と対象物９とのＺ軸方向の距離Ｄｚを変えても、着滴位置を、顕微鏡などを用いて再取得する必要はなく、予め得られた３次元プロファイル３５を用いることにより、着滴位置を自動的に算出できる。

たとえば、塗布対象物９が基板である場合、システム１の使用者がＺ軸方向の距離Ｄｚであるノズル−基板間距離（ワーキングディスタンス）をアプリケーション（吐出ユニット）上で入力すると、予め装置上で設定されている理論上のノズル中心位置から、下方向（Ｚ軸方向）に向け、設定されたワーキングディスタンス位置に対し、水平線を表示する。この位置が実際に基材に対する塗布を行った際の着滴位置に相当する。装置（システム）１の使用者は、使用するヘッド１０を指定したうえで、ノズル−基板間のワーキングディスタンスを指定すれば、ヘッドユニット脱着により生じる物理的な取り付け位置ずれに対する補正、ノズル−基板間のワーキングディスタンス変更による着滴位置ずれの補正も、液滴観察ユニット２０およびアプリケーションである液滴観察制御ユニット３１を用いて自動で実施する事が可能になる。

さらに、装置１の使用中にノズル−基板間のワーキングディスタンスを変更した場合は、Ｚ軸方向の距離Ｄｚを変更するだけでよいので、ヘッドや液材の変更を行わない限り、ソフト的な計算のみで、再測定をせずに、正確な着滴位置を保持できる。

このシステム１においては、個々のインクジェットヘッド１０が着脱可能であり、システム１にヘッド１０を取り付けた際に正確な位置にヘッド１０を取り付けることが出来なくとも、カメラ２１および２２でＸＹ方向それぞれの吐出位置を補正できる。したがって、ユーザーがマイクロメータなどを使用してヘッド１０の位置を微調整するといった作業を省略できる。このため、手動による正確な位置出しは不要となり、ヘッド１０の取り換え作業の負荷を軽減できるとともに、着滴位置の精度を向上できる。

また、システム１が、塗布対象物９として立体造形物（立体像）を製造する３Ｄプリンタである場合は、３次元プロファイル３５の範囲内であればＺ軸方向はプロファイルで補正できるので吐出位置におけるＺ軸方向の距離を一定に保つ必要がなく、ヘッド１０の移動距離を少なくでき、製造に要する時間を短縮できる。すなわち、顕微鏡などを用いて所定の距離から吐出したときの着滴位置を補正する場合は、着滴予定位置に対して距離（Ｚ軸方向の距離）Ｄｚが一定になるようにヘッド１０を、吐出する都度、Ｘ−Ｙ軸方向だけではなくＺ軸方向に常に移動する必要がある。３次元プロファイル３５を予め取得しておくことにより、ヘッド１０のＺ軸方向の距離Ｄｚは自由に選択することが可能であり、立体造形物と干渉しなければ、ヘッド１０を、Ｚ軸方向の距離Ｄｚの補正を加えてＸ−Ｙ軸方向に移動するだけで着滴位置の精度を保つことができる。

なお、上記の例では、３次元プロファイル３５に含まれるメイン滴の位置で着滴位置を判断しているが、サテライト滴の着滴位置を含めて着滴位置を判断することも可能である。たとえば、メイン液滴のずれ量に加え、最後端のサテライト滴についても、同一の手法でＸ軸、Ｙ軸それぞれの着滴位置ずれを自動計算させ、メイン滴とサテライト滴において、ずれ量に差異が生じていた場合は、メイン滴とサテライト滴間のずれ量の範囲内でユーザーが予め設定した位置で着滴位置を指定することも可能である。

また、Ｚ軸方向は垂直（鉛直）方向に限定されず、鉛直方向に対して傾いた方向、あるいは水平方向をＺ軸方向としてノズルから吐出する液滴の３次元プロファイル３５を取得することも可能である。したがって、システム１は、鉛直方向に対して傾いた方向あるいは水平方向に液滴を吐出するノズル１１を有するヘッド１０を含んでいてもよい。

また、システム１は、１ノズルインクジェットヘッドの代わりに、多ノズルインクジェットヘッドを備えていてもよく、多ノズルの場合も、個々のノズルから吐出される液滴の３次元プロファイルを予め取得することが可能であり、それぞれのノズルから吐出される液滴の着滴位置を制御できる。また、ノズル１１から吐出される液滴１５は、インクなどの液体であってもよく、微粒子を含む液状体であってもよく、細胞などを含む液状体であってもよい。

１ システム（塗布装置）、 １０ ヘッド、 １１ ノズル、 １５ 液滴
２０ 液滴観察ユニット

Claims (7)

1. インクジェットヘッドと、
   前記インクジェットヘッドの第１のノズルから出力される液滴の飛翔軌跡を含む３次元プロファイルを取得する液滴観察ユニットと、
   前記第１のノズルと着滴点とのＺ軸方向の距離に応じて前記３次元プロファイルに基づき得られた吐出位置で前記第１のノズルから液滴を吐出する吐出ユニットとを有するシステム。
2. 請求項１において、
   前記液滴観察ユニットは、前記Ｚ軸方向に直交し、相互に直交するＸ軸方向およびＹ軸方向から、前記第１のノズルから出力される液滴の飛翔軌跡を撮像するカメラを含む、システム。
3. 請求項１または２において、
   複数の前記インクジェットヘッドを有する、システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記インクジェットヘッドは着脱式である、システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記インクジェットヘッドのノズルから吐出される液滴により２次元または３次元の描画を行うシステム。
6. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記インクジェットヘッドのノズルから吐出される液滴により立体造形物を製造するシステム。
7. インクジェットヘッドを有するシステムにより液滴を吐出することを有する方法であって、
   前記システムは、前記インクジェットヘッドの第１のノズルから出力される液滴の飛翔軌跡を含む３次元プロファイルを取得する液滴観察ユニットを有し、
   当該方法は、吐出することの前に、前記液滴観察ユニットにより前記３次元プロファイルを取得することを有し、
   前記吐出することは、前記第１のノズルと着滴点とのＺ軸方向の距離に応じて前記３次元プロファイルに基づき得られた吐出位置で前記第１のノズルから液滴を吐出することを含む、方法。

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