JP5166656B2 - 液体吐出装置、および、液体吐出方法 - Google Patents

Description

本願発明は、液体を液滴状に吐出する液体吐出装置、および、液体吐出方法に関し、特に、固体を分散状態で含有する液体や、高粘度の液体にも適用でき、吐出量を正確に制御できる液体吐出装置、および、液体吐出方法に関する。

従来、印刷技術のひとつとして、正確な位置にインクの液滴を吐出させて紙面上に像を印刷するインクジェット技術がある。そして近年、当該インクジェット技術が、各種のデバイス製造過程におけるパターンの形成や均一薄膜の形成等に応用されてきている。

さらに、インクジェット技術が、文字や図形などの印刷以外の分野に広く適用されるためには、いろいろな種類の液体を吐出することができるような液体吐出装置が必要となる。例えば、青色の発光ダイオードを光源として白色の光りを照射するためには、発光ダイオードの表面に微細な固形の蛍光体が分散状態で含む透明な樹脂の層を形成する必要があり、固形物を含有した液体を吐出するための液体吐出装置が必要となる。また、半導体デバイスの製造過程において、高粘度の熱硬化性樹脂を吐出する必要があり、高粘度の液体を正確な量で吐出する液体吐出装置が必要となる。

このようないろいろな種類の液体を吐出することができる装置の一つとして、例えば特許文献１に記載の発明を例示することができる。特許文献１に記載の液体吐出装置は、容積を変化させることができる貯留室であって、液体を供給するための供給孔と液体を吐出するための吐出孔とが連通状態で設けられた貯留室に吐出対象の液体を貯留し、貯留室の容積を短時間に減少させることで、前記吐出孔から液体を吐出するものである。

このような構造の液体吐出装置によれば、剛体同士が摩擦する部分が無いため、液体に含まれる固体が剛体の間に侵入して、剛体を傷つけたりすることが無く、また、貯留室の容積を縮める力が強いため、高い粘度の液体でも吐出することが可能となる。

特開２００８−３０７４６６号公報

ところが、前記構造の液体吐出装置は、吐出孔の開口部ぎりぎりまで液体を充填することにより、一定量の液体を正確に吐出することができるが、液体の表面張力によって吐出孔を満たすため、吐出孔全体に液体が満たされるまでの時間が長くなるという課題を有している。また、大量の液体を吐出しようとして吐出孔の内容積等を大きくすれば、吐出孔に液体が満たされるまでの時間がさらに長くなるため、一定の時間内に大量の液体を吐出させることが困難であった。

一方、液体の充填を早めるために液体に圧力を与えて強制的に液体を供給すると、供給孔から貯留室を介して吐出孔まで一連となっている構造の前記液体吐出装置では、供給される液体の圧力により吐出孔から液体が漏れ出す危険性があり、安定した状態で高い吐出効率を得ることは困難であるとされてきた。

しかしながら、本願発明者は、鋭意実験と研究との結果、貯留室や吐出孔に供給する液体の圧力を高めた場合でも、適切な条件で液体に加える圧力を停止することで、精度に与える悪影響を低減させて高速に液体を充填でき、かつ、液漏れなどの不具合の発生しない条件を見いだすに至った。

本願発明は、前記知見に基づきなされたものであり、正確な量の液体を高速に吐出することのできる液体吐出装置、および、液体吐出方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本願発明にかかる液体吐出装置は、液体を液滴として吐出する吐出手段を備える液体吐出装置であって、前記吐出手段は、少なくとも一部が弾性部材で形成される貯留室と、前記貯留室に連通し、前記貯留室内に液体を供給する供給孔と、前記貯留室内の液体を吐出する吐出孔とを形成する弾性吐出体と、前記貯留室の容積を増減させる作動手段とを備え、当該液体吐出装置はさらに、前記貯留室に供給される液体の圧力が安定領域内に収まるように液体に圧力を加える加圧手段と、前記貯留室に加圧された液体を供給するか否かを制御する供給制御手段と、前記作動手段の動作を制御する作動制御部とを備えることを特徴とする。

これによれば、液体を加圧された状態で貯留室に供給することができるため、貯留室、および、吐出孔を精度に与える悪影響を低減させて高速に液体で充填することが可能となる。また、液体の粘度が高い場合でも、精度に与える悪影響を低減させて高速に貯留室などを充填することができる。さらに、加圧された液体（以下、「加圧供給液」と記す場合がある）を供給制御手段により貯留室に供給するか否かのタイミングを制御するとともに、液体の吐出タイミングを作動制御部により制御することにより、吐出する液体の量を適切に調整することが可能となる。

従って、液体の粘度の種類に影響されることなく、正確な量の液体を吐出することができ、また、精度に与える悪影響を低減させて高速に液体を吐出することが可能となる。

さらに、加圧手段により液体が安定領域内の圧力となるように加圧されるため、供給制御手段の制御タイミングや作動制御部の制御タイミングに多少の誤差が発生した場合でも液体が不本意に流出孔から漏れ出すことがない。

ここで、安定領域とは、液体の粘性や表面張力、吐出孔の孔径や長さなどにより依存するため、画定することは困難である。

しかし、本願発明者は、鋭意実験を重ねた結果、安定領域とは次の状態を実現できる領域であることを見いだしている。つまり、加圧供給液を供給する時間が一定、かつ、液体を吐出させるために貯留室の容積を減少させる条件が一定の条件の下、加圧供給液の圧力（以下「供給液圧」と記す場合がある）を変化させた場合に、吐出した液滴の飛翔速度（「液滴速度」と称す場合もある）（厳密には、液滴は空気抵抗と、液柱切断時（液体が吐出し液滴になるときの吐出する液体の液柱が切れる時）の引き戻しの力とにより減速するため、飛翔速度とは所定区間の平均速度を示す）が一定となる供給液圧の範囲が安定領域である。

また、液滴の飛翔速度が一定の場合、液体吐出装置が吐出する液滴の量は一定であることを確認している。

さらに、供給液圧が安定領域内に設定されている場合、供給制御手段の制御タイミングや作動制御部の制御タイミングに多少の誤差が発生した場合でも液滴の飛翔速度は一定であり、かつ、液体が不本意に流出孔から漏れ出すことがないことを確認している。

さらに、前記貯留室内の液体の圧力と大気圧とが均衡するように前記液体に負の圧力を加える負圧手段を備えてもよい。

これによれば、液体の供給後における貯留室内（吐出孔含む）の液体の圧力を積極的に一定の値（例えば大気圧やその近傍）にすることができるため、吐出孔内（または吐出孔の開口端の外側近傍）の液面の状態（界面張力によって細管内の液体の表面が作る凸状または凹状の曲面の状態、いわゆるメニスカス）や液面の位置を一定に維持することが可能となる。

特に液体の供給源が流出孔の開口部よりも高い位置に配置される場合などにおいて供給する液体の液面の高さなどの要因により貯留室内の圧力が変動するような場合や、液体吐出装置周辺の大気圧に変化が生じた場合などに効果的である。

さらに、シリンジとプランジャとを有し、貯留室に供給する液体を前記シリンジ内に保持する供給源を備え、前記プランジャは、プランジャの移動方向における可撓性有する可撓部を備え、前記シリンジは、前記プランジャに対し液体を保持する保持室と反対側に密閉状の圧力調整室を備え、前記負圧手段は、前記圧力調整室内の気体を前記圧力調整室外に搬送することにより液体に負の圧力を加えてもよい。

これによれば、負圧手段が圧力調整室内の圧力を調整することにより液体の圧力を大気圧やその近傍となるように試みた場合において、プランジャとシリンジとの間の摩擦抵抗により液体の圧力を正確に調整することが困難となる事態を回避することができる。

すなわち、プランジャが備える可撓部が、プランジャとシリンジとの間の摩擦抵抗に関係なく圧力調整室内の圧力に対応して撓むため、圧力調整室内の圧力を直接液体に作用させることができ、液体の圧力を正確に調整することが可能となる。

この意味において、可撓部は、プランジャとシリンジとの間の摩擦抵抗よりも小さな力で撓むものが好ましい。

また、上記目的を達成するために、本願発明にかかる液体吐出方法は、少なくとも一部が弾性部材で形成される貯留室と、前記貯留室に連通し、前記貯留室内に液体を供給する供給孔と、前記貯留室内の液体を吐出する吐出孔とを形成する弾性吐出体と、前記貯留室の容積を増減させる作動手段とを備える吐出手段を用い、液体を液滴として吐出させる液体吐出方法であって、前記貯留室に供給される液体の圧力が安定領域内に収まるように加圧手段により液体に圧力を加え、前記貯留室に加圧された液体を供給するか否かを供給制御手段により制御し、作動制御部により前記作動手段の動作を制御して液体を吐出させることを特徴とする。

これによれば、液体を加圧された状態で貯留室に供給することができるため、貯留室、および、吐出孔を精度に与える悪影響を低減させて高速に液体で充填することが可能となる。また、液体の粘度が高い場合でも、精度に与える悪影響を低減させて高速に貯留室などを充填することができる。さらに、加圧された液体を供給制御手段により貯留室に供給するか否かのタイミングを制御するとともに、液体の吐出タイミングを作動制御部により制御することにより、吐出する液体の量を適切に調整することが可能となる。

従って、液体の粘度の種類に影響されることなく、正確な量の液体を吐出することができ、また、精度に与える悪影響を低減させて高速に液体を吐出することが可能となる。

なお、前記液体吐出方法が含む各処理をコンピュータに実行させるためのプログラムを実施することも本願発明の実施に該当する。無論、そのプログラムが記録された記録媒体を実施することも本願発明の実施に該当する。

本願発明によれば、幅広い種類の液体に対し、正確な量、かつ、高速に液体を吐出することが可能である。

図１は、液体吐出装置の概略構成を示す斜示図である。 図２は、液体吐出装置の液体の吐出に関わる部分の概略構成を分解状態で示す斜示図である。 図３は、液体吐出装置の液体の吐出に関わる部分の外観を概略的に示す斜示図である。 図４は、液体吐出装置の液体の吐出に関わる部分の概略構成を一部断面で示す図である。 図５は、液体吐出装置の液体の吐出に関わる部分の機能構成を示すブロック図である。 図６は、液体の吐出動作の際の吐出手段を模式的に断面で示す図であり（ａ）は、吐出直前の状態、（ｂ）は吐出直後の状態を示している。 図７は、液体吐出装置の動作の推移を示すタイミングチャートである。 図８は、実験結果の一例を示すグラフである。 図９は、液体吐出装置の動作の推移を示すタイミングチャートである。 図１０は、吐出手段の別態様を断面で示す図である。

次に、本願発明に係る液体吐出装置、および、液体吐出方法の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本願発明に係る液体吐出装置、および、液体吐出方法の一例を示したものに過ぎない。従って本願発明は、以下の実施の形態を参考に請求の範囲の文言によって範囲が画定されるものであり、以下の実施の形態のみに限定されるものではない。

図１は、液体吐出装置の概略構成を示す斜示図である。

この本実施の形態に係る液体吐出装置１００は、被塗布体２０４上の所望の位置に液体２０１を吐出して、パターンを形成することができる装置であって、ヘッド２２１と、被塗布体２０４を支持するステージ２３１とを備えている。

ヘッド２２１は、１または複数の吐出手段１０１（後述）が設けられ、装置基台２０６に支持されたヘッド移動装置２０２によって主走査方向（図１に示すＸ軸方向）に往復移動する。ステージ２３１は、同じく装置基台２０６に支持されたステージ移動装置２０３によって副走査方向（図１に示すＹ軸方向）に往復移動する。

液体吐出装置１００は、この構成によって、ヘッド２２１とステージ２３１上の被塗布体２０４とを相対移動させながら、ヘッド２２１に備えられた吐出手段１０１から被塗布体２０４に向かって液体２０１を吐出し、被塗布体２０４上に所望のパターンや均一な膜等を形成する。

図２は、液体吐出装置の液体の吐出に関わる部分の概略構成を分解状態で示す斜示図である。

図３は、液体吐出装置の液体の吐出に関わる部分の外観を概略的に示す斜示図である。

図４は、液体吐出装置の液体の吐出に関わる部分の概略構成を一部断面で示す図である。

図５は、液体吐出装置の液体の吐出に関わる部分の機能構成を示すブロック図である。

これらの図に示すように、液体吐出装置１００は、所望の液体２０１を液滴として所定の量だけ吐出することができる装置であって、吐出手段１０１と、加圧手段１０２と、供給制御手段１０３と、作動制御部１０４と、供給源２１０とを備えている。

吐出手段１０１は、弾性吐出体１０５と作動手段１１４とを備えており、弾性吐出体１０５の内部に形成される貯留室１１０に充填された液体２０１を、貯留室１１０の容積を短時間で縮小させることにより液滴として吐出することができるものである。本実施の形態の場合、弾性吐出体１０５は、第一部材１１１と、第二部材１１２と、弾性部材１１３とにより形成されている。

第一部材１１１は、弾性吐出体１０５の一部であって貯留室１１０の一部を形成する部材である。第一部材１１１は、液体２０１の供給路１１５としての機能も果たす管体であり、先端部には、先端面（Ｚ軸上、第二部材１１２側）に向かって徐々に面積が広がる円錐形状（テーパ形状）の凹部が形成されている。当該凹部は貯留室１１０の一部（一方の部材）に該当する。また、円錐形状の凹部の頂点に対応する部分には、供給路１１５と貯留室１１０とを連通させるオリフィス状の供給孔１１６が設けられている。第一部材１１１は、第二部材１１２とにより弾性部材１１３を圧縮する部材であり、弾性部材１１３に対して剛性の高い材質で形成されている。例えば第一部材１１１は、ステンレス鋼等で形成される。

第二部材１１２は、貯留室１１０の他の部分（他方の部材）を形成し、貯留室１１０内の液体２０１を吐出する吐出孔１１７が設けられる部材である。本実施の形態の場合、第二部材１１２は、吐出孔１１７から第一部材１１１側に向かって徐々に面積が広がるテーパ形状の凹部を備えており、第一部材１１１の凹部と第二部材１１２の凹部とを対向させた状態で配置することで、貯留室１１０を形成する。第二部材１１２は、第一部材１１１と同様弾性部材１１３を圧縮する部材であり、弾性部材１１３に対して剛性の高い材質、形状で形成されている。例えば第二部材１１２は、ステンレス鋼等で形成される。

弾性部材１１３は、第一部材１１１と第二部材１１２との間に配置され、貯留室１１０の容積を変化させるための部材である。本実施の形態の場合、弾性部材１１３は薄い板形状となっており、前記二つの凹部（第一部材１１１と第二部材１１２との間）に挟まれる部分は前記凹部に対応した形状の孔が厚み方向（Ｚ軸方向）に貫通状態で設けられている。弾性部材１１３は、詳しくは作動手段１１４により第一部材１１１と第二部材１１２との距離を縮めることができる柔軟性と、貯留室１１０を構成する第一部材１１１と第二部材１１２との合わせ面の液漏れを防止できるシール性と、貯留室１１０内の液体２０１の圧力に抗することのできる強度と、液体２０１の吐出を複数回行うことができる復元性とを備えた部材であり、例えばフッ素ゴムやシリコンゴム等によって形成される。また、前記機能は、材質ばかりでなく弾性部材１１３の形状（例えばＸＹ平面視でリング形状）によっても実現されるものであり、例えば、弾性部材１１３は、厚みが１００μｍ〜３００μｍ、好適には２００μｍ程度の薄い板状の部材の中央に厚み方向に内径が１０００μｍ程度の貫通孔が設けられた環形状の部材とすることで、弾性部材１１３の材質と相まって前記機能を実現している。

なお、貯留室１１０、供給孔１１６、吐出孔１１７の形状や大きさ（容積）は、吐出対象である液体２０１の種類や吐出される液滴の量により適宜設計される。例えば、吐出される液滴の体積を数ｎｌ（例えば３ｎｌ）とする場合、吐出孔１１７の孔径は８５μｍ、孔長は７０μｍ程度となり、貯留室１１０の弾性部材１１３近傍は、径が１０００μｍ程度の円筒形状となり、供給孔１１６の孔径は１１０μｍ、孔長は７００μｍ程度となる。また、吐出される液滴の体積を数十ｎｌ（例えば２０ｎｌ）とする場合、吐出孔１１７の孔径は１００μｍ、孔長は１００μｍ程度となり、貯留室１１０の弾性部材１１３近傍は、径が１５００μｍ程度の円筒形状となる。

ここで、液体２０１を供給するオリフィス状の供給孔１１６、貯留室１１０、および、吐出孔１１７は、液体２０１への抵抗が小さくなるように直線上に配置されている。これにより液体２０１を貯留室１１０や吐出孔１１７への高速充填を容易にしている。

また、第一部材１１１、または、第二部材１１２の少なくともいずれか一方（本実施の形態では第二部材１１２）は、弾性部材１１３の外周面を取り囲むように、弾性部材１１３がはまり込む凹部を備えている。これによって、弾性部材１１３が厚さ方向に弾性変形するときに、その弾性部材１１３が貯留室１１０の外方に向かって逃げるような変形を規制することができる。これは、弾性部材１１３が厚さ方向と交差する方向に広がることにより貯留室１１０内の液体２０１の圧力が低下することを抑止するものである。

作動手段１１４は、通常の状態（貯留室１１０へ液体２０１を供給することが可能な平常時）ではＺ軸方向に貯留室１１０を伸ばして容積を広げ（図６（ａ）参照）、液体２０１を吐出する際に第一部材１１１と第二部材１１２との距離を相対的に縮めて（図６（ｂ）参照）弾性部材１１３を圧縮し貯留室１１０の容積を減少させる力を発生させるアクチュエータである。作動手段１１４としては、第一部材１１１と第二部材とをエアーの圧力により作動させるものや電磁的に作動させるものなどが考えられるが、装置の大きさや応答速度を勘案すれば圧電素子が好適である。特に、作動手段１１４としては積層型圧電体が好適である。本実施の形態の場合、作動手段１１４は、電圧を供給することにより第一部材１１１と第二部材１１２との距離が伸びる方向（Ｚ軸方向）に力が発生するものとなっており、伸縮方向（Ｚ軸方向）の一端（上端）は、第一部材１１１の外周面に接着剤などにより固定的に強固に接続され、他端（下端）は、第二部材１１２の一部と弾性部材１１３を介して接続されている。なお、本実施の形態の場合、作動手段１１４の他端（下端）は、後述の筐体１１９に保持された第二部材１１２の一部と弾性部材１１３を介して接続されており、接着剤などで固定的に接続されているものではない。

なお、作動手段１１４がＺ軸方向に縮む際に、作動手段１１４の他端（下端）に対して相対的な第二部材１１２のＺ軸方向への追従タイミングがずれるのを防止するため、（液体２０１の液滴の安定吐出および作動手段１１４の他端（下端）と第二部材の接触面への液漏れ防止のため）作動手段１１４の他端（下端）と第二部材１１２の一部が直接接触する部分は接着剤により固定されてもよい。ただし、これらの形状に制限されることはなく、例えば付勢手段１２０の弾性力（付勢力）を高めることにより分離可能な機械的な構成により固定されるものであってもかまわない。

具体的に作動手段１１４は、電極１１８に電圧が印加されることによって、図６（ａ）に示すように、Ｚ軸方向の長さを伸長させておき、電圧の印加を解除して、図６（ｂ）に示すように、Ｚ軸方向に縮ませることにより液体２０１を吐出させることができるものとなっている。

また、作動手段１１４としての積層型圧電体は、円筒形状の第一部材１１１の周囲を取り囲んだ状態で配置されている。すなわち、作動手段１１４としての積層型圧電体は、隙間を有した状態で第一部材１１１を挿通することができる貫通孔を備えている。作動手段１１４をこのような形状とすることで、第一部材１１１と第二部材１１２との間に挟まれた弾性部材１１３をＺ軸方向に相対的に均等に伸縮させることができる。

本実施の形態の場合、吐出手段１０１はさらに、筐体１１９と、付勢手段１２０とを備えている。

筐体１１９は、作動手段１１４と固定的に接続される第一部材１１１、および、作動手段１１４と第二部材１１２とを弾性部材１１３を挟む位置に配置するものであり、分解可能に構成されている。

付勢手段１２０は、筐体１１９を介して作動手段１１４を第二部材１１２に押しつける方向の付勢力を備えるものである。本実施の形態の場合、付勢手段１２０は、皿バネである。

吐出手段１０１をこのような構成にすることにより、筐体１１９を分解することで、第一部材１１１、および、作動手段１１４と第二部材１１２とを分離することが可能となり、吐出孔１１７が目詰まりした場合など第二部材１１２を簡単に交換し、また、簡単に清掃が行えるなどメンテナンス性を向上させることが可能となる。また、吐出孔１１７や凹部の形状が異なる第二部材１１２を準備することにより、液体２０１の種類に応じて第二部材１１２を容易に交換することができるようになる。

さらに、弾性部材１１３も分離可能となるため、弾性部材１１３が劣化した場合など容易に交換することができ、吐出手段１０１全体としての寿命を向上させることが可能となる。

供給源２１０は、貯留室１１０に供給する液体２０１を保持するものであり、本実施の形態の場合、シリンジ２１１とプランジャ２１２とを備えている。

シリンジ２１１は、液体２０１を内方に保持し、プランジャ２１２を移動させることにより液体２０１を一定の圧力で貯留室１１０に供給することができる筒状の容器であり、液体２０１を保持する保持室２１３と、プランジャ２１２に対し保持室２１３の反対側に密閉状の圧力調整室２１４とを備えている。

プランジャ２１２は、シリンジ２１１の内方にシリンジ２１１に対し摺動自在に配置され、シリンジ２１１内の液体２０１を押し出すことができるピストンである。本実施の形態の場合、プランジャ２１２の移動方向における可撓性有する可撓部２１５がプランジャ２１２の一部に設けられている。本実施の形態の場合、可撓部２１５は、プランジャ２１２の移動方向に貫通状態で設けられた孔の一端を閉塞する膜である。

なお、プランジャ２１２全体が可撓性を備え、プランジャ２１２全体が可撓部２１５として機能するものでもかまわない。

以上の態様の供給源２１０は、ポンプなどに比べ脈動が発生しないため好ましい。

加圧手段１０２は、貯留室１１０に供給される液体２０１の圧力が大気圧より大となるように液体２０１に圧力を加える装置である。本実施の形態の場合、供給源２１０がシリンジ２１１とプランジャ２１２とにより構成されるものであるため、加圧手段１０２は、供給源２１０の圧力調整室２１４に加圧されたエアーを導入することのできる装置となっている。以上のように加圧手段１０２は、圧力調整室２１４に加圧されたエアーを導入することで、プランジャ２１２をシリンジ２１１に対し摺動させ、液体２０１を加圧するものとなっている。

なお、加圧手段１０２は、加圧エアーを発生させるエアコンプレッサのような装置ばかりでなく、機械的にプランジャ２１２をシリンジ２１１に対して移動させる装置でもかまわない。例えば、バネなどの付勢手段で一定の力をプランジャ２１２に加える装置などである。また、チューブポンプなど液体２０１を加圧しつつ供給することができるポンプに加圧手段１０２の機能を担わせるものでもかまわない。また、工場などに備わっている工場エアー源を利用するものでもよい。

また、液体２０１に揮発成分が含まれていないような場合、プランジャを用いずにエア等により直接に液体２０１を加圧し液体２０１を弾性吐出体１０５の貯留室１１０に供給するものであってもよい。

供給制御手段１０３は、貯留室１１０に加圧された液体２０１を供給するか否かを制御する装置である。本実施の形態の場合、供給制御手段１０３は、第一弁１３１と、供給制御部１３２とを備えている（図４、図５参照）。

第一弁１３１は、加圧手段１０２（エアコンプレッサ、工場エアー源など）と圧力調整室２１４とを接続するエアー経路に設けられる弁体であり、圧力調整室２１４に加圧エアーを導入するか否かを弁の開閉で制御できるものとなっている。

本実施の形態の場合、第一弁１３１は、３ポート弁となっている（図４参照）。つまり、第一弁１３１を閉の状態とすれば、加圧手段１０２から圧力調整室２１４に供給される加圧エアーが遮断されるとともに、圧力調整室２１４が他の経路と連通するように切り替わる。他の経路は、後述の第二弁１８１と接続されている。さらに、第二弁１８１は、第一弁１３１と同様３ポート弁であり、後述の負圧源１０７、および、大気と他の経路とを選択的に接続できるものとなっている。なお、他の経路は単に大気圧に開放されているものでもよい。

以上の構成により、加圧手段１０２との連通から負圧源１０７との連通にエアー経路が切り替えられると、圧力調整室２１４は、負圧源１０７と連通する。ここで、第一弁が他の経路に切り替わる際に、第二弁１８１を圧力調整室２１４と大気と連通する状態としておき、わずかな時間で加圧手段１０２により加圧された圧力調整室２１４の残圧を低減（除去）することが可能となる。このわずかな時間とは１０〜２０ｍｓｅｃである（図７、図９には図示せず）。以上により液体２０１への加圧、および、貯留室１１０への液体の供給が停止する。

供給制御部１３２は、液体吐出装置１００が備えるコンピュータなどの主制御装置１０９により実現される処理部であり、第一弁１３１の開閉を制御する処理部である。

なお、加圧手段１０２がポンプなどの場合、供給制御手段１０３は、弁の開閉で液体２０１の供給を制御するのではなく、ポンプの動作と非動作とを制御することで、液体２０１の供給を制御してもかまわない。

作動制御部１０４は、作動手段１１４の動作を制御する処理部である。本実施の形態の場合、作動手段１１４が圧電素子により構成されるものであるため、作動手段１１４が備える二つの電極１１８に電圧を印加させるか否かを制御することにより、作動手段１１４の動作を制御している。なお、作動制御部１０４は、作動手段１１４に印加する電圧を変化させることにより作動手段１１４の動作を制御してもよい。

さらに本実施の形態の場合、図４、図５に示すように、液体吐出装置１００は、負圧手段１８０が備えられ、主制御装置１０９には同期部１９１が設けられている。本実施の形態の場合、負圧手段１８０は、負圧源１０７と、負圧供給制御手段１０８とを備えている。

負圧手段１８０は、貯留室１１０内の液体２０１の圧力と大気圧とが均衡するように液体２０１に負の圧力を加える装置である。たとえば供給源２１０がシリンジ２１１とプランジャ２１２とにより構成される本実施の形態のようなものである場合、負圧源１０７は、供給源２１０の圧力調整室２１４から気体（空気）を導出することのできる装置（たとえば排気ポンプ、真空ポンプ、真空エジェクタ、工場真空、真空タンクなど）である。また、負圧源１０７は、大気（開放端による大気暴露）であってもかまわない。また、負圧供給制御手段１０８は、第二弁１８１と、負圧制御部１８２とを備えている。以上のように負圧供給制御手段１０８により第二弁１８１を負圧制御部１８２が制御して負圧源１０７と圧力調整室２１４とを連通し、圧力調整室２１４から気体を導出することで、シリンジ２１１、および、貯留室１１０の外方の気体の圧力である大気圧と液体２０１の圧力との均衡を図ることが可能となる。

なお、ここでは（図４参照）、第一弁１３１と第二弁１８１との両方を介して負圧源１０７と圧力調整室２１４とを連通可能としているが、本願発明はこれに限定されるものではない。例えば第一弁１３１と第二弁１８１とをそれぞれ圧力調整室２１４に連通させるものとしてもよい。この場合は、第一弁１３１や第二弁１８１は３ポート弁でなくともよい。ただしこの場合は、圧力調整室２１４に対し加圧手段１０２と負圧源１０７とが同時に連通しないなど、圧力調整室２１４に対して制御が不安定にならないように注意が必要である。

これによれば、貯留室１１０および吐出孔１１７内の液体の圧力を積極的に一定の値（例えば大気圧やその近傍）にすることができ、いわゆるメニスカスや液面の位置（高さ）を一定に維持することが可能となる。従って、貯留室１１０、および、吐出孔１１７に保持されている液体２０１の体積を一定にすることができ、吐出される液体２０１の液滴の量（体積）を一定にして、非常に正確な量の吐出を実現することが可能となる。

特に、本実施の形態の場合、プランジャ２１２に可撓部２１５が設けられているため、圧力調整室２１４における圧力のわずかな変化を敏感に液体２０１に伝えることができ、液体２０１の圧力と大気圧とが均衡するように細やかな調整が可能となる。

なお、負圧手段１８０は、真空ポンプのような排気を伴う負圧源１０７を備えなくともよい場合がある。例えば、負圧手段１８０は、供給源２１０が配置される高さを変更することができる装置であって、供給源２１０に貯留されている液体２０１の液面と貯留室１１０との高さ方向（Ｚ軸方向）の位置関係を調整し、例えば、供給源２１０に貯留されている液体２０１の液面を貯留室１１０の高さより低くして貯留室１１０に供給源２１０の液体２０１の水頭圧が必要以上にかからないようにして貯留室１１０内の液体２０１の圧力を大気圧と均衡させる装置であっても良い。

同期部１９１は、弾性吐出体１０５の吐出孔１１７から液体２０１を吐出させるタイミングと、加圧された液体２０１を貯留室１１０に供給するタイミングとを調整する処理部であり、作動制御部１０４と供給制御部１３２との間でそれぞれ情報を授受することによりタイミングの調整を図っている。本実施の形態では、同期部１９１は、負圧制御部１８２との間とも情報の授受を行い、負圧を加えるタイミングの調整も図っている。

次に、上記構成の液体吐出装置１００の動作について説明する。

図７は、液体吐出装置の動作の推移を示すタイミングチャートである。

まず、作動制御部１０４は、あらかじめ所定の電圧（例えば２０Ｖ）を作動手段１１４に印加することにより、Ｚ軸方向に作動手段１１４を伸長させ、貯留室１１０の容積を増加させる（図６（ａ）の状態）。次に、容積が大となっている貯留室１１０内、および、吐出孔１１７に、液体２０１の供給入り口であり貯留室１１０内へ入る直前に流路径を一旦狭めている供給孔１１６を介して液体２０１を充填する。次に、作動制御部１０４は、あらかじめ作動手段１１４に印加されている電圧をきわめて短い時間（例えば１０μｓｅｃ〜１０ｍｓｅｃ）解除する。このことによって、作動手段１１４は、瞬間的にＺ軸方向に収縮する（図６（ｂ）の状態）。

第一部材１１１に上部側が固定的に接続され、付勢手段１２０により第二部材１１２側に押しつけられている作動手段１１４の収縮によって、第一部材１１１と第二部材１１２とは相対的に近づくにように変位するため、第一部材１１１と第二部材１１２とに挟まれる弾性部材１１３が収縮変形し、貯留室１１０のＺ軸方向の空間が相対的に縮むことにより、貯留室１１０内の液体２０１に対して圧力が印加される。

以上によって、液体２０１が貯留室１１０の液体２０１の供給口である供給孔１１６より背圧抵抗（吐出孔１１７側の吐出抵抗）が少ない吐出孔１１７から吐出され、被塗布体２０４に向かって液滴として吐出される。液滴は被塗布体２０４の上面にドット状に付着する。

次に、貯留室１１０内へ液体２０１を供給するため作動制御部１０４が作動手段１１４へ電圧を印加した情報を同期部１９１が供給制御部１３２に送信することで、供給制御部１３２は、第一弁１３１を開放する。

これにより、加圧状態の液体２０１が供給源２１０から第一部材１１１の供給路１１５を通り、この供給路１１５より径が小さく、かつ、貯留室１１０の径に比較して小さい孔径の供給孔１１６を介して貯留室１１０内に精度に与える悪影響を低減させて高速に補充される。なお、この時点において、貯留室１１０は、作動手段１１４への電圧印加により作動手段１１４がＺ軸方向に伸長し第一部材１１１を移動させることにより貯留室１１０内のＺ軸方向の空間が広がり元の容積に戻った状態となっている。

供給制御部１３２は、液体２０１を貯留室１１０へ加圧供給する正圧弁である第一弁１３１を開状態に維持する時間を正確に制御している。例えば、吐出する液体２０１の液滴の体積が数ｎｌの場合、第一弁１３１を開状態に維持する時間は５０ｍｓｅｃ程度である。

ここで、加圧手段１０２が液体に加える圧力は、安定領域内から選定される圧力であることが好ましい。安定領域は、吐出する液体２０１の量や、貯留室１１０、吐出孔１１７の大きさや形状によって異なるが、例えば、吐出する液体２０１の液滴の体積が数ｎｌの場合、加圧手段１０２が圧力調整室２１４に導入するエアーの圧力は、１０ｋＰａ以上、３０ｋＰａ以下の範囲が安定領域として存在する。

また、液体吐出装置１００の固有の安定領域を決定するには、次の様な実験により求めることができる。すなわち、図８に示すように、加圧手段１０２による液体２０１の供給圧力を複数段階に変化させ、供給圧力の各段階において液体２０１を吐出させ、吐出した液体２０１の液滴の所定区間での平均速度（液滴の飛翔速度）や液滴の量を測定する。その結果、貯留室１１０へ液体を供給する供給圧力を変化させても、液滴の速度や液滴の量が大きく変化しない領域を見いだすことができる。当該領域を安定領域として決定すればよい。

なお同様にして、貯留室１１０、および、吐出孔１１７に液体２０１を供給する時間について、本実施の形態の場合、供給制御部１３２が第一弁１３１を開状態に維持する時間も、あらかじめ定めることができる。例えば、供給時間を複数段階に変化させ、液体２０１の供給時間の各段階において液体２０１を吐出させ、吐出した液滴の所定区間での平均速度や液滴の量を測定する。その結果、供給時間を変化させても、液滴の速度や液滴の量が大きく変化しない領域を見いだすことができる。当該領域も、供給時間における安定領域として決定すればよい。従って、液体２０１の吐出サイクルを早めたい場合は、安定領域の中から短い方の時間を選定すればよい。

次に、供給制御部１３２が第一弁１３１の開状態を解除した（第一弁１３１を閉状態とした）情報を同期部１９１が負圧制御部１８２に送信することで、負圧制御部１８２は、第二弁１８１を開放する。これにより、貯留室１１０や吐出孔１１７に充填された液体２０１が負圧により引かれて安定状態となる。つまり、吐出孔１１７において液体２０１の界面張力によって細管（吐出孔１１７）内の液体２０１の表面が作る面であるメニスカスの状態が安定し、貯留室１１０、および、吐出孔１１７に充填されている液体２０１の量が安定する。これにより、吐出孔１１７から液体２０１が漏れ出すことが抑制される。

再び、作動制御部１０４が、作動手段１１４を構成する圧電素子への電圧の印加を解除して作動手段１１４を収縮させることにより、先に吐出した液滴の量とほぼ同じ量の液滴を吐出することが可能となる。

ここで、ほぼ同じ量とは、吐出する液滴の量が数ｎｌの場合、１％未満の誤差しか発生しない状態を言う。現在のところ、液滴の量の誤差は、測定限界以下であり、誤差はおおよそ０．０１％以下と予想される。ちなみに、従来の装置における液滴の量の誤差は３％程度である。

なお、図７において、第二弁１８１を開状態で維持する時間を５０ｍｓｅｃとしているがこの時間は特に限定されるわけではなく、吐出サイクルを短くしたい場合は、時間を短くすることは可能である。

以上のように、液体２０１を吐出後、安定領域内の圧力の液体２０１を貯留室１１０、および、吐出孔１１７に供給することで、きわめて短時間（ｍｓｅｃのオーダー以下）で液体２０１を充填することが可能となる。また、安定領域は、大気圧に比べて十分に高い圧力であるため、大気圧が変動しても、同一量の液体２０１を再現性よく充填することが可能となる。

従って、液体２０１を吐出する間隔である吐出サイクルを短くすることができ、短時間に液体２０１を液滴として多数個吐出することが可能となる。また、吐出孔１１７まで充填される液体２０１の量が安定しているため、吐出する液体２０１の量が一定となり、正確な量の液体２０１を被塗布体２０４に塗布することが可能となる。

さらに、この液体２０１の加圧供給により貯留室１１０、および、吐出孔１１７に精度に与える悪影響を低減させて高速に液体２０１を供給することができるため、貯留室１１０、及び、吐出孔１１７の容量を大きくすることが可能となり、吐出孔１１７におけるメニスカスの状態が安定するように加圧供給の制御をして液体２０１を供給し、作動手段１１４によりこの加圧された液体２０１を吐出するため、より大量の液体を正確に吐出することが可能となる。

また、吐出手段１０１は、液体２０１が通過する部分に剛体が摺動したり、当接したりする部分が無いため、固体が液中に分散されている液体２０１であっても、安定して吐出することが可能となる。

なお、本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本願発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本願発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本願発明に含まれる。

例えば、図９に示すように、供給制御部１３２が第一弁１３１を開き、貯留室１１０、及び、吐出孔１１７に液体２０１を供給している間に、作動制御部１０４は、作動手段１１４を１回、または、複数回作動させて、液体２０１を吐出させてもかまわない。

この場合でも、液体２０１の吐出の間隔を一定とすれば、ほぼ正確な量の液体２０１を吐出することが可能となる。これは、被塗布体２０４の一箇所に複数個の液滴を吐出する場合に有効であり、液体２０１の液滴の量以上に一箇所に液体２０１を塗布することが可能となる。

また、弾性吐出体１０５の形状は、上記実施の形態に限定されるものでは無い。例えば図１０に示すように、矩形箱形状の弾性吐出体１０５の少なくとも一面が弾性部材１１３（図１０は２面が弾性部材１１３）で形成されるような弾性吐出体１０５でもかまわない。この場合、筐体１１９と弾性部材１１３との間に配置される作動手段１１４により直接弾性部材１１３を変形させて貯留室１１０の容積を増減させ、供給路１１５から供給され供給孔１１６を介して貯留室１１０、および、吐出孔１１７に充填される液体２０１を吐出するものでもかまわない。

また、加圧手段１０２に圧力（正圧）を調整する調圧手段（レギュレータなど）を設けてもよく、負圧手段１８０に圧力（負圧）を調整する調圧手段（レギュレータなど）を設けてもよい。
また、記弾性吐出体は、前記貯留室の一部を形成する第一部材と、前記吐出孔が設けられる第二部材とを備え、前記弾性部材は、前記第一部材と前記第二部材との間に配置されるものでもよい。
さらに、前記供給制御手段が液体の供給を開始させる制御と、前記作動制御部が液体を吐出させる制御とを同期させる同期部を備えてもよい。
これによれば、加圧直後から液体を加圧して供給するため、迅速に貯留室、および、流出孔を充填することが可能となる。
さらに、加圧された液体を供給する期間である供給期間中に、前記作動制御部が、前記作動手段を制御して液体を吐出させてもよい。
これによれば、加圧された液体を供給しながら液体を吐出させることで、吐出の時間間隔を短くしても十分な量の液体を吐出することができ、多くの量の液体を比較的正確に供給することが可能となる。

本願発明は、液体の種類によらず、正確な量の液滴を高速に吐出することができるため、例えば液晶パネルや回路基板、ＬＥＤ素子等の各種デバイスの製造のために、種々のパターンや均一薄膜を形成する工程に適用することができる。また、ＬＥＤ素子などの蛍光体塗布工程において固形の蛍光体が分散した液体を吐出して、単色の発光体から白色光を発光させる膜を形成する工程に適用することができる。

１００ 液体吐出装置
１０１ 吐出手段
１０２ 加圧手段
１０３ 供給制御手段
１０４ 作動制御部
１０５ 弾性吐出体
１０７ 負圧源
１０８ 負圧供給制御手段
１０９ 主制御装置
１１０ 貯留室
１１１ 第一部材
１１２ 第二部材
１１３ 弾性部材
１１４ 作動手段
１１５ 供給路
１１６ 供給孔
１１７ 吐出孔
１１８ 電極
１１９ 筐体
１２０ 付勢手段
１３１ 第一弁
１３２ 供給制御部
１８０ 負圧手段
１８１ 第二弁
１８２ 負圧制御部
１９１ 同期部
２０１ 液体
２０２ ヘッド移動装置
２０３ ステージ移動装置
２０４ 被塗布体
２０６ 装置基台
２１０ 供給源
２１１ シリンジ
２１２ プランジャ
２１３ 保持室
２１４ 圧力調整室
２１５ 可撓部
２２１ ヘッド
２３１ ステージ

Claims (5)

1. 液体を液滴として吐出する吐出手段を備える液体吐出装置であって、
   前記吐出手段は、
   少なくとも一部が弾性部材で形成される貯留室と、前記貯留室に連通し、前記貯留室内に液体を供給する供給孔と、前記貯留室内の液体を吐出する吐出孔とを形成する弾性吐出体と、
   前記貯留室の容積を増減させる作動手段とを備え、
   当該液体吐出装置はさらに、
   前記貯留室に供給される液体の圧力が安定領域内に収まるように液体に圧力を加える加圧手段と、
   前記貯留室に加圧された液体を供給するか否かを制御する供給制御手段と、
   前記作動手段の動作を制御する作動制御部と
   を備える液体吐出装置。
2. さらに、
   前記貯留室内の液体の圧力と大気圧とが均衡するように前記液体に負の圧力を加える負圧手段を備える
   請求項１に記載の液体吐出装置。
3. さらに、
   シリンジとプランジャとを有し、貯留室に供給する液体を前記シリンジ内に保持する供給源を備え、
   前記プランジャは、プランジャの移動方向における可撓性有する可撓部を備え、
   前記シリンジは、前記プランジャに対し液体を保持する保持室と反対側に密閉状の圧力調整室を備え、
   前記負圧手段は、前記圧力調整室内の気体を前記圧力調整室外に搬送することにより液体に負の圧力を加える
   請求項２に記載の液体吐出装置。
4. 少なくとも一部が弾性部材で形成される貯留室と、前記貯留室に連通し、前記貯留室内に液体を供給する供給孔と、前記貯留室内の液体を吐出する吐出孔とを形成する弾性吐出体と、前記貯留室の容積を増減させる作動手段とを備える吐出手段を用い、液体を液滴として吐出させる液体吐出方法であって、
   前記貯留室に供給される液体の圧力が安定領域内に収まるように加圧手段により液体に圧力を加え、
   前記貯留室に加圧された液体を供給するか否かを供給制御手段により制御し、
   作動制御部により前記作動手段の動作を制御して液体を吐出させる
   液体吐出方法。
5. 液体を液滴として吐出する吐出手段を備える液体吐出装置であって、
   前記吐出手段は、
   少なくとも一部が弾性部材で形成される貯留室と、前記貯留室に連通し、前記貯留室内に液体を供給する供給孔と、前記貯留室内の液体を吐出する吐出孔とを形成する弾性吐出体と、
   前記貯留室の容積を増減させる作動手段とを備え、
   当該液体吐出装置はさらに、
   前記貯留室に供給される液体の圧力が大気圧より大となるように液体に圧力を加える加圧手段と、
   前記貯留室に加圧された液体を供給するか否かを制御する供給制御手段と、
   前記作動手段の動作を制御する作動制御部と
   シリンジとプランジャとを有し、貯留室に供給する液体を前記シリンジ内に保持する供給源とを備え、
   前記プランジャは、プランジャの移動方向における可撓性有する可撓部を備え、
   前記シリンジは、前記プランジャに対し液体を保持する保持室と反対側に密閉状の圧力調整室を備え、
   当該液体吐出装置はさらに、
   前記圧力調整室内の気体を前記圧力調整室外に搬送することにより、前記貯留室内の液体の圧力と大気圧とが均衡するように前記液体に負の圧力を加える負圧手段とを備える
   液体吐出装置。

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