JP2017209631A - インクジェットヘッドと、それを用いたインクジェット装置、およびインク塗布方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェットヘッドと塗布対象物とのギャップが広い条件下でも高精度にパターニング塗布することができる、インクジェットヘッド及びそれを具備する装置の提供。【解決手段】インクを外部へ吐出する孔と、上記孔に連通し径が一定のストレート部と、上記ストレート部に上記インクを供給するインク室と、上記インク室に圧力を加える圧電素子と、上記インク室と上記圧電素子の間に介在するダイヤフラムと、を含み、上記孔の径は、５μｍ以上、２００μｍ以下であり、上記ストレート部は、上記孔の径の１．５倍以上３．０倍以下の長さであるインクジェットヘッドを用いる。【選択図】図５

Description

本発明は、インクジェットヘッド及びそれを用いたインクジェット装置、およびイオン塗布方法に関する。

インクジェットヘッドは、入力信号に応じて、任意のタイミングで必要な液量のインクを対象物に向けて塗布することができるヘッドとして知られる。特に圧電（ピエゾ）方式のインクジェットヘッドは、幅広い種類のインクを、高精度に制御しながら塗布することができることから、現在、積極的に開発が行われている。

一般的に、圧電方式のインクジェットヘッドは、インク供給流路と、インク供給流路と連通し、ノズルを有する複数のインク室と、インク室内に充填されたインクにダイヤフラムを介して圧力を加える圧電素子とで構成される。そして、当該圧電素子に駆動電圧を印加することで圧電素子およびダイヤフラムに機械的な歪みを生じさせ、インク室内のインクに圧力を加えることでノズルからインクを吐出する。

図１（ａ）、図１（ｂ）は、一般的なインクジェット装置１００の概観平面図であり、基本構成について説明する。図１（ａ）は、インクジェット装置１００によって基板１０６に塗布領域１０４が形成される前の様子を示している。図１（ｂ）は、インクジェット装置によって基板１０６に塗布領域１０４が形成された後の様子を示している。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、インクジェット装置１００は、架台１０１、架台１０１の上に設置された基板搬送ステージ１０２、及び、基板搬送ステージ１０２に対向するインクジェットヘッド１０５からなる。インクジェットヘッド１０５は、基板搬送ステージ１０２を跨ぐガントリー１０３に設置されている。

図２（ａ）、図２（ｂ）は、一般的なインクジェットヘッドの基本構造を示す。

図２（ａ）は、インク室２１０が加圧されていない状態のインクジェットヘッド１０５の断面を示している。図２（ｂ）は、インク室２１０を加圧した時のインクジェットヘッド１０５の断面を示している。

図２（ａ）に示すように、インクジェットヘッド１０５は、インクを吐出する複数のノズル２００と、ノズル２００に連通するインク室２１０と、インク室２１０を隔てる隔壁２１１と、インク室２１０の一部をなすダイヤフラム２１２と、ダイヤフラム２１２を振動させる圧電素子２３０と、隔壁２１１を支える圧電素子２４０と、圧電素子２３０に電圧を印加する共通電極２２０及び個別電極２２１と、及び、共通電極２２０及び個別電極２２１がそれぞれ接続される駆動回路２２２とを有する。インクジェットヘッドは、他に図示しないインクの導入口を有する。また、インクを循環するように構成されている場合は、インクジェットヘッドは、図示しないインクの排出口をさらに有する。

このように構成されたインクジェットヘッドは、以下のように動作する。共通電極２２０と個別電極２２１との間に電圧を印加すると、圧電素子２３０が図２（ａ）に示す状態から図２（ｂ）に示す状態に変形する。圧電素子２３０が変形すると、インク室２１０の容積が小さくなり、インクに圧力が加えられる。その圧力でインクがノズル２００から吐出する。

次に、インクジェット装置１００の塗布動作について、以下に説明する。

基板搬送ステージ１０２は、図１（ａ）に示す状態から図１（ｂ）に示す状態へ移動する。この時、基板搬送ステージ１０２上に載置された基板１０６に向けて、インクジェットヘッド１０５からインクが吐出される。基板１０６のインクが塗布されるべき塗布領域１０４にインクが塗布される。基板搬送ステージ１０２の速度は、２０〜４００ｍｍ／ｓである。また、吐出周波数は５００〜５０，０００Ｈｚである。インクジェット装置１００は、基板搬送ステージ１０２の位置を検出し、インクの吐出タイミングを制御することで、任意のパターンを形成する。

塗布パターンを高精度に形成するために、ノズル２００から吐出される液滴が基板１０６に着弾する位置のバラツキを小さくする必要がある。一般的な着弾位置バラツキの最大許容値は１５μｍ程度である。ノズル２００からインクの液滴が真っ直ぐ吐出されない現象は、一般的に飛行曲がりと呼ばれ、ノズル２００の加工精度、ノズル２００の撥液膜形成精度などの原因によって発生することがある。

ここで、インクジェットヘッド１０５による対象物（基板１０６）への塗布は、民生用途だけに限らず産業用途への展開が今後ますます加速することが予想されており、高精度化の要求が高まっている。さらに、平面の基板１０６だけでなく、凹凸面や曲面などの立体形状の基板１０６に塗布する用途が増加する傾向にあり、インクジェットヘッド１０５と基板１０６を物理的に近接させて塗布することができない。

特開２０１２−２３２２９０号公報 特開２０１４−２０１０３６号公報

このような用途に対して、広いギャップでも高精度に塗布するために、インクジェットヘッドから吐出されるインクの着弾位置精度の向上が重要な課題となっている。

しかしながら、特許文献１および２で開示されているような従来のインクジェットヘッドでは、ノズルからの距離が離れるにしたがって着弾位置精度は著しく低下するといった問題が生じており、改善の余地が残されている。

よって、本発明は、前記従来の課題を解決するためのもので、インクの吐出方向のバラツキが抑制され、インクの吐出方向の制御範囲が広いインクジェットヘッド及びそれを用いたインクジェットヘッドとそれを用いたインクジェット装置、およびイオン塗布方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、インクを外部へ吐出する孔と、上記孔に連通し径が一定のストレート部と、上記ストレート部に上記インクを供給するインク室と、上記インク室に圧力を加える圧電素子と、上記インク室と上記圧電素子の間に介在するダイヤフラムと、を含み、上記孔の径は、５μｍ以上、２００μｍ以下であり、上記ストレート部は、上記孔の径の１．５倍以上３．０倍以下の長さであるインクジェットヘッドを用いる。

また、対象物を搬送するステージと、上記インクジェットヘッドと、上記ステージと上記インクジェットヘッドを制御する制御部と、を用いたインクジェット装置を用いる。

上記インクジェットヘッドを用いて、上記インクジェットヘッドのノズル孔から対象物までの距離は３ｍｍ以内とし、上記インクの粘度を、１〜１００ｍＰａ・ｓｅｃとし、上記インクの溶媒沸点を、１００〜３００℃とし、上記対象物に上記インクを塗布するインク塗布方法を用いる。

本発明の構成によれば、インクジェットヘッドにおけるノズル孔からの距離が離れた対象物に対しても、ノズル孔から吐出される液滴の着弾位置精度を低下させることなく、高精細なパターン塗布を行うことができる。さらに好ましくは、電子デバイスの製造など産業用途に用いたときの製品の歩留まりをより高められる効果を有する。

（ａ）〜（ｂ）従来のインクジェット装置の平面図 （ａ）〜（ｂ）従来のインクジェットヘッドの断面図 （ａ）〜（ｅ）実施の形態のインクジェットノズル孔の断面図 実施の形態のノズル孔から対象物までの距離と着弾位置バラツキとの関係を示す図 実施の形態のノズル孔アスペクト比と着弾位置バラツキとの関係を示す図 実施の形態の３ｍｍギャップにおける着弾位置バラツキと吐出速度の関係を示す図 （ａ）実施の形態のインクジェットヘッドの吐出制御方法を説明する図、（ｂ）〜（ｅ）（ａ）の各地点での吐出状態を説明するインクジェットヘッドの断面図

＜ヘッド構造＞
図３（ａ）〜図３（ｅ）は、実施の形態のインクジェット装置が有するインクジェットヘッドのノズル孔断面図である。ノズル孔には、インク室側にインク室と連通するマニホールド部３０１と、吐出側にインク流れを整流化するストレート部３０２とで形成されている。ノズルのストレート部３０２は、ノズル孔径３０３が一定で吐出孔と連通する円筒形状の部分である。一方、マニホールド部３０１の形状は、ノズル孔径３０３よりも大きな径であれば任意の形状で良いが、インクジェット吐出時のインク流れを整流化する上では、図３（ａ）〜図３（ｅ）のような形状がより好ましい。

マニホールド部３０１の孔断面積が大きいほど、インク液滴を吐出させるために必要な圧電素子の駆動電圧も低減することができるという利点がある。一方で、マニホールド部３０１で急激に断面積が大きくなると、インクが滞留する部分が生じる。これによって、気泡やインク構成材料が滞留して吐出時のインク流れが乱されて吐出曲がりを発生させる要因となる。このため、穴断面積拡大比は、１００倍以下であることが好適である。

また、ノズルのストレート部３０２の長さ３０４は、長いほどインク流れを整流化させることができる。このことにより、ノズル孔から吐出される液滴も直進性が高く、遠くまで真っ直ぐ飛翔するため、着弾位置精度を向上させることができる。

図４は、アスペクト比が１．０であるノズル孔から対象物までの距離と、インクの着弾位置バラツキとの関係図である。ノズル孔の形状やインク物性によらず、いずれのインクジェットヘッドにおいても対象物との距離が離れるのに伴って着弾位置バラツキが大きくなる傾向を有する。

特に、吐出液滴の体積が５ｐＬ以下と小さく、吐出速度が４ｍ／ｓｅｃより遅い場合に、吐出曲がり現象がより顕著に現れ、着弾位置バラツキが大きくなる。

図５は、ノズルのストレート部３０２の長さ３０４とノズル孔径３０３との比であるアスペクト比と、着弾位置バラツキとの関係を示す図である。この時の条件は以下である。ノズル孔から対象物までの距離は３ｍｍであり、インク粘度は、１〜１００ｍＰａ・ｓｅｃの範囲内であり、インクの溶媒沸点は、１００〜３００℃であり、ノズル孔径サイズは、直径５μｍ〜３０μｍの範囲である。この条件下では、図５に示す傾向を有する。ただし、直径２００μｍまでは、同様の現象が生じる。

ノズル孔のストレート部３０２のアスペクト比が１．５以上にストレート部３０２を長くすることによって、３ｍｍ程度までの長距離ギャップでも高い着弾位置精度を確保することが可能であることを示しており、より顕著な着弾位置精度の改善を期待することができる。

ここで、アスペクト比が１．２５以下のノズル孔においては、吐出時の液面動作がノズル孔のストレート部３０２の範囲内で収まらず、ノズル孔のマニホールド部の非対称性の影響を敏感に受けて、吐出曲がりが発生するためである。

アスペクト比が１．２５以下のノズル孔においては、印加電圧波形の調整だけでは、液面動作をノズル孔のストレート部３０２の範囲内で収めることはできない。高精度な塗布を実現するためには、４ｍ／ｓｅｃ以上の吐出速度が不可欠である。そのためには、吐出時の液面動作の反動で、大きく液面がノズル内部に引き込まれるサックバック現象を回避できないためである。

アスペクト比が３より大きいところで、急にバラツキが大きくなっている理由は以下である。ストレート部３０２のアスペクト比が３．０より大きい場合は、ストレート部３０２の先端において、循環によるリフレッシュ効果が著しく低下するためと考えられる。

ストレート部３０２のアスペクト比が３．０以下では、吐出曲がりに伴う着弾位置バラツキは発生しなかったが、ストレート部３０２のアスペクト比が高いほど、特に３．５以上では着弾位置バラツキが急激に上昇することを示している。１００℃以下の低い沸点を有する溶媒を用いるインク材料の場合においては、ノズル乾燥の影響がより顕著に現れるため、着弾位置バラツキはより大きくなる傾向がある。

一般的に、インクジェットヘッドのノズル孔径３０３は、パターン要求精細度やインク構成材料のサイズなどに応じて、直径５〜２００μｍ程度の範囲内で用いられる。図４および図５に示した、前記の検証結果より、ノズル孔から対象物までの距離を１ｍｍ以上離して高精度に塗布することが必要となる場合においては、ノズル孔径３０３の１．５倍以上、かつ３倍以下のノズルのストレート部３０２の長さ３０４を有するノズルを用いることがより好ましい。

図６は、３ｍｍギャップにおける着弾位置バラツキと、吐出速度の関係図である。４ｍ／ｓｅｃより小さな吐出速度においては、ノズル孔周辺の異物付着や塗布動作時の気流影響などの影響を大きく受けるため、急激に着弾位置バラツキが大きくなる傾向がある。この傾向は、ノズル孔アスペクト比や、インク粘度とは直接的な関係はないと考えられる。

一方、微小な液滴を吐出させることが可能な孔径３０μｍ程度以下の微細なノズル孔において、ストレート部３０２の長さ３０４を長くすると吐出抵抗が過剰に高くなり、圧電素子の駆動力によっては、ノズル孔からのインク吐出ができなくなる場合がある。また、ストレート部３０２のアスペクト比が高いほど、ノズル乾燥による、吐出曲がりおよび目詰まりなどの不良の発生頻度が高まる傾向がある。

インクを循環する構造を有するヘッドにおいては、ノズル孔のマニホールド部３０１までは循環によるリフレッシュ効果が期待できるのに対して、ノズル孔のストレート部３０２の先端にまでは、その効果が期待できない。そのため、アスペクト比が高いとノズル乾燥による不良現象の発生頻度が高まる傾向がある。

１００〜３００℃程度の沸点のインク材料においては、沸点の影響は小さく、ノズル直径５〜２００μｍ程度の範囲内で、着弾精度が急に変化するアスペクト比に有意差は見られない。

＜吐出制御方法＞
図７（ａ）は、実施の形態のインクジェットヘッドの吐出制御方法を示す図である。図７（ｂ）〜図７（ｅ）は、図７（ａ）の各地点（ｂ）〜（ｅ）でのそれぞれのインクジェットヘッドの状態を示す断面図である。

圧電素子に印加する電圧が高いほど、圧電素子の変形量を大きくして「押し動作」を行うことができる。結果、インク室内のインク圧力を高めて、メニスカス液面６０１を吐出側に移動させることができる。

逆に、印加電圧を下げることによって、圧電素子の変形量を小さくして「引き動作」を行うことができる。結果、インク室内のインク圧力を低下させて、メニスカス液面６０１をインク室側に移動させることができる。

「引き動作」を開始する状態（ｂ）から共振周期の０．５倍の時間経過後（ｃ）で、「押し動作」を開始することによって、メニスカス共振現象を利用して、「引き−押し動作」を行うことができ、低電圧で高速吐出を実現することができる。

また、「押し動作」を開始する状態（ｃ）から共振周期の０．５倍の時間経過後（ｄ）で、「引き動作」を開始すると、共振周期と一致させてメニスカス液面を大きく引き込んで吐出液滴を引きちぎることができる（ｅ）。最終（ｂ）に戻る。

０．５倍より短い時間経過後に「引き動作」を行ってしまうと、吐出しようとするメニスカス液面の動作を強制的に抑制してしまうため、液面動作が不安定となる。

しかしながら、メニスカス液面６０１がノズル孔のマニホールド部３０１に入り込んでしまうことによって、メニスカス液面６０１が大きく振動して吐出液滴の直進性を低下させ、着弾位置精度が低下する要因となる。

そこで、「押し動作」を開始する状態（ｃ）から共振周期の０．５倍より長い時間経過後に、「引き動作」を開始すると、メニスカス液面の過剰な引き込みを抑制することができ、ノズル孔のストレート部３０２に留めることができる。これによって、より高い着弾位置精度を確保することが可能となるため、長距離ギャップでのパターン印刷に好適である。

本発明のインクジェットヘッドおよびインクジェット装置では、ノズル孔から対象物までの距離が遠い場合でも、高精度なパターン塗布が可能となった。そのため、例えば凹凸面や曲面などの立体構造物へのデザイン加飾印刷や、機能回路形成などのパターン塗布するためのインクジェットヘッドおよびインクジェット装置として好ましく用いられる。

１００ インクジェット装置
１０１ 架台
１０２ 基板搬送ステージ
１０３ ガントリー
１０４ 塗布領域
１０５ インクジェットヘッド
１０６ 基板
２００ ノズル
２１０ インク室
２１１ 隔壁
２１２ ダイヤフラム
２２０ 共通電極
２２１ 個別電極
２２２ 駆動回路
２３０ 圧電素子
２４０ 圧電素子
３０１ マニホールド部
３０２ ストレート部
３０３ ノズル孔径
６０１ メニスカス液面

Claims (6)

1. インクを外部へ吐出する孔と、
   前記孔に連通し径が一定のストレート部と、
   前記ストレート部に前記インクを供給するインク室と、
   前記インク室に圧力を加える圧電素子と、
   前記インク室と前記圧電素子の間に介在するダイヤフラムと、を含み、
   前記孔の径は、５μｍ以上、２００μｍ以下であり、
   前記ストレート部は、前記孔の径の１．５倍以上３．０倍以下の長さであるインクジェットヘッド。
2. 前記孔の径は、５μｍ以上、３０μｍ以下である請求項１記載のインクジェットヘッド。
3. 対象物を搬送するステージと、
   請求項１または２記載の前記インクジェットヘッドと、
   前記ステージと前記インクジェットヘッドを制御する制御部と、
   を用いたインクジェット装置。
4. 請求項１または２記載の前記インクジェットヘッドを用いて、
   前記インクジェットヘッドのノズル孔から対象物までの距離は１ｍｍ以上３ｍｍ以内とし、
   前記インクの粘度を、１〜１００ｍＰａ・ｓｅｃとし、
   前記インクの溶媒沸点を、１００〜３００℃とし、
   前記インクの吐出速度を４ｍ／ｓｅｃ以上とし、
   前記対象物に前記インクを塗布するインク塗布方法。
5. 請求項１または２記載インクジェットヘッドを用いて、
   前記インクの吐出時のメニスカス液面位置を前記ストレート部の内に留め、
   対象物に前記インクを塗布する請求項４記載のインク塗布方法。
6. 請求項１または２記載インクジェットヘッドを用いて、
   前記インクの吐出時の前記圧電素子による押し動作開始後から引き動作開始までの時間が、メニスカス共振周期の０．５倍より長い請求項４または５に記載のインク塗布方法。
   

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