JP5261954B2 - インクジェット吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、高精細なパターンを吐出するための吐出パターン情報を生成して、フィルムベースのカラーフィルタ製造、ガラスベースのカラーフィルタ製造の所定の隔壁パターンから形成される各開口部に、一定量の液滴を吐出させるためのインクジェット吐出装置に関するものである。

カラーフィルタの基板サイズは年々大型化が進んでいる。従来は、フォトリソグラフィー工程を繰り返す顔料分散法等が用いられてきたが、カラーフィルタのコストダウン化を図るために、近年はインクジェット装置を用いた方法が検討されている。

カラーフィルタは、表示装置の高精細化に伴って年々微細化する傾向にある。微細化するということは、インクジェットで塗工するパターンピッチは狭くなっていくため、インクジェットヘッドからのインクの吐出量を少量でかつ均一となるように高い精度で制御する必要がある。

また、各開口部に充填されるインク量は、各インク充填量のばらつきが小さいほどむらが低減された高品位なカラーフィルタを製造することができる
インクジェットヘッドには大別して
・連続噴射法（コンティニアス方式とも呼ばれる）
・ドロップオンデマンド法（通称ＤＯＤ）
の２種類があるが、連続噴射法では、着弾精度が概して悪く、ドロップの径が大きく、更にインクに荷電性能を付与させたり、顔料などの色材使用に制限があるなどで、カラーフィルタや有機エレクトロルミネッセンス等塗膜に対する純度や塗工量管理の厳しい用途には使用できない。

従って、カラーフィルタや有機エレクトロルミネッセンス等、高精度な画像系をインクジェットで実施する場合は、インク着弾対象物にインクを吐出させるときのみ、ノズルからドロップレット（インク粒）を吐出させるドロップオンデマンド方式（ＤＯＤ方式）を用いるのが一般的である。

さて、インクジェットヘッドからの吐出量を変化させる場合は、サーマルタイプのインクジェットヘッドであっても、圧電セラミックスをアクチュエータとして利用したピエゾ方式であっても、電圧を変化させれば多少の吐出量変化を与えることができるが、大幅に変化させることはできない。そこで、大幅にインクジェットヘッド各ノズルからの吐出量を変化させる手段として、マルチドロップレット式インクジェット駆動方法がある。これは、たとえば、５ｐｌとか１０ｐｌといった微少ドロップレットを瞬間的に連続して吐出させて５ｐｌとか１０ｐｌといった微少ドロップレットの整数倍の吐出量コントロールを行うもので、たとえば１０ｐｌを３ビットで制御すれば０〜７ドロップ（０〜７０ｐｌ）を１０ｐｌ刻みに吐出量変化させることが可能となる。

次にマルチドロップレット式でカラーフィルタ等、隔壁内に一定量毎のインク塗工を複数のノズルで実施する場合について説明する。

たとえば隔壁内に１００ｐｌのインク塗工を実施する場合、吐出ノズルを４ノズル、単位吐出量を１０ｐｌとした場合、３０ｐｌ、３０ｐｌ、３０ｐｌ、１０ｐｌという組み合わせで吐出し、トータル１００ｐｌとすることができる。特に４つのノズルで隔壁近傍に
吐出する場合、吐出インク量を少なくして隔壁への干渉を避ける意味から、１０ｐｌを選択したり、隔壁の両側にかかっている場合では更に１０ｐｌ、４０ｐｌ、４０ｐｌ、１０ｐｌ等の様にドットマッピングするケースがあり得る。

現在、液晶ディスプレイで用いるカラーフィルタの多くはテレビジョン用であり、ＰＣ用であっても、ＴＶ等のＡＶ機能を持たせる意味から、ほぼＴＶ向けと同じ仕様が求められるが、ＴＶ用途では長時間の退色耐性が必要なことから、色材として顔料を用いるのが一般的である。

しかしながら、顔料を液体中に分散させるためには、顔料同士の凝集を防止し、更に液中での適度な粘性によって顔料沈降を抑える等の理由から、分散レジン（モノマー、オリゴマー、ポリマー）を併用してインク化している。

言い換えれば、セメントに砂や砂利を混ぜたコンクリートに近く、液体としては非ニュートン流体としての性状を示すことから、動粘性と静止状態での粘性に違いのあるチキソ性（チキソトロピック性）を呈する。

特に近年のカラーフィルタは、高色純度、高コントラストが求められており、インクも超微細な顔料を高含有量で分散させるため、分散レジンと顔料等を主とする固形分は、数十％〜５０％程度までの高濃度となっている。

さて、この様な高顔料インクでマルチドロップを行う場合、１ドロップや２ドロップ吐出で吐出する場合と、８ドロップとか９ドロップとかの連続した吐出をした場合とで、ノズル近傍のインクの粘性に違いが出ている。つまり、チキソ性を有する高顔料インクでは、振動・吐出などでせん断力が加わることで粘度が下がり吐出しやすくなる。逆に静置すると粘度が高くなり流れにくくなる性質があることから、ノズル近傍のインクが静止した状態でのドロップレットの出方と加振された状態でのドロップレットの出方に違いがでるのである。

図１に休止後に単発吐出と連続吐出した場合の一例を示す。

ノズルから階調値１（１ドロップレット）を吐出すると、ノズルは休止された後、インクは静置状態にあり、充分にインクが加振されていないため、吐出される液滴は不安定となる。実際に発明者らは１ドロップで６ｐｌ単発吐出とした場合、３〜５．５ｐｌ程度しか吐出することができないことを確認した。従ってマルチドロップレットでの吐出量管理を全ての吐出ドロップレット数で同じにしてしまうと最終的には吐出量にばらつきを生じてしまい、むらとなってしまう問題があった。

静置状態にあるインクの流動性をアップさせるために、インクジェットヘッドが吐出動作中にインク滴を吐出していない休止しているノズルの圧電振動子に、微振動をさせることを行っている（プリカーサ、チクリング、メニスカスコントロール等と呼ばれている）。

しかし、吐出していないノズルを微振動させ、インクの流動性をアップさせたとしても、インクの目詰まり（不吐出）を防止することはできるが、吐出の安定性を得るまでには不十分であり、この対策をしてもばらつきは生じてしまう。

また、各圧電部材のばらつきが生じるため、吐出量が異なる場合がある。ノズルの吐出ばらつきにより、各開口部に充填されるインク量がばらついてしまい、このばらつきにより画素間のむらとなって品位および歩留まりを低下させる原因となっていた。

各ノズルのばらつきを抑える手段として、ノズルごとに駆動電圧値を変更することができる回路を組み込み、ノズルごとのばらつきをなくし、吐出量を可変させることでむらが低減する方法が知られている（特許文献１参照）。

ドロップ量の吐出ばらつきを抑える手段として、１階調目を２ドロップで形成しこの増やしたドロップ数を合わせるためにノズル毎に駆動電圧値を変更し、吐出量のばらつきを低減することが知られている（特許文献２参照）。
特開２００４−９０６２１号公報 特開２００４−１７４８４９号公報

しかしながら上記特許文献１に示すように、ノズル毎に駆動電圧値を変更し補正するには、各ノズルのばらつきや、隣接ノズルが同時タイミングで吐出している場合と吐出していない場合とで吐出量が異なる隣接のクロストークによる影響を、全て把握する必要がある。また、駆動電圧を各ノズルに反映し吐出量のばらつきを考慮しても、吐出ドロップ数が少ないものを選択してしまったノズルからは理想吐出することが困難なため、計算した吐出量と異なってしまい、各画素間の吐出ばらつきムラになってしまう問題があった。

また上記特許文献２に示すように、駆動電圧を変更するための回路をヘッドに搭載するには、膨大な開発費のためと一つのインクジェットヘッドのノズルを制御するため、一つのヘッドに対してノズルの数を少なくするのが望ましい。すると、大型でかつ高精細なカラーフィルタノズルを塗工する場合、解像度をあげるためインクジェットヘッドを多数組み合わせしなければいけなくなるため、費用もかかってしまう問題もある。

また、不安定なドロップ数は各ノズルで異なるため必ずしも１階調目のみを増やせば良いということではなかった。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、駆動電圧を変更することなく、１階調目のドロップ数のみを増やすことなく、濃度むらが発生し品質低下をすることがない、高品質なカラーフィルタを製造することができるインクジェット吐出装置を提供することを課題としている。

本発明において上記課題を達成するために、まず請求項１の発明では、基板と基板上にパターン状に設けられた隔壁とで形成された基板の各開口部に、複数のノズルからインク総量が等しくなるようにインクを吐出する装置であって、
複数のノズルを有するインクジェットヘッドが複数個整列して並んでいるインクジェットヘッドユニットと、
該インクジェットヘッド及び前記ノズルの位置情報取得手段と、
前記ノズルの吐出ばらつき情報格納手段と、
前記吐出ばらつき情報において、吐出階調数が安定しないノズルの吐出パターンを、前記ノズルに隣接するノズルに対して、吐出パターン情報で求められる最大ドロップレット数を超えない吐出ドロップ数で振り替えを行って、吐出パターン情報を生成する生成手段と
前記吐出パターン情報に基づいて前記ノズルからインクを吐出する手段と、インクの吐出を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とするインクジェット吐出装置としたものである。

また請求項２の発明では、前記吐出パターン生成手段は、階調情報を用いて、前記ノズルの吐出パターン情報に、前記ノズルの前記開口部へのインク総吐出量を調整させる手段を有していることを特徴とする請求項１記載のインクジェット吐出装置としたものである。

本発明は、吐出パターン情報を生成するにあたり、各ノズルの吐出ばらつきを考慮し、ノズルから理想吐出量が吐出される下限値を反映して吐出パターン情報を作成する。

また本発明は、各開口部へ吐出割り当てになるノズルから吐出されるドロップ量の合計値が、各開口部で吐出量の差を極力解消できるように、各ノズルの吐出階調数を決定し、ノズル毎に吐出量を組み合わせて変更できる。この吐出階調数が、一定に吐出できない不安定な領域、例えば階調数が１、２ドロップのものは削除し、近くのノズルにドロップの振り替えを行う。振り替えは吐出パターン情報で求められる最大ドロップレット数を超えることなく、また同じ開口部内のノズルでのみ行う。

また本発明は、組み合わせた結果、隣接するノズルの吐出ドロップ数の違いによるタイミングで発生するクロストークの影響をもっとも受けないような組み合わせを選択する。

また本発明は、各開口部の吐出量の差が極力最小となるように組み合わせ、吐出パターン情報を生成するために不安定なドロップレットをノズル毎に選択することにより、むらが出ない吐出を、吐出パターン情報に反映・生成することができる。

以上、本発明によれば、インクジェットヘッドの各ノズルから吐出されるドロップレットの不安定領域と隣接ノズルによるクロストークの情報とを反映し、再度クロストークが発生しない組み合わせを選択し、吐出パターン情報に反映することにより、ばらつきによ
り生じていたむらを抑制することができ、また基板内の隔壁に乗り上げることなく画素内均一に液量を満たせることができるという効果がある。

従って、本発明は、駆動電圧を変更することなく、１階調目のドロップ数のみを増やすことなく、濃度むらが発生し品質低下をすることがない、高品質なカラーフィルタを製造することができるインクジェット吐出装置を提供することができるという効果がある。

以下に、本発明のインクジェット吐出装置を実施した最良の一形態として、インクジェット塗工装置を詳細に説明する。

図２は、本発明に係るインクジェット塗工装置の全体構成例を示す外形図である。

本発明のインクジェット塗工装置のインクジェットヘッドユニット２は、インクジェットヘッド１が複数個整列して並んでいるものである。カラーフィルタを生成するためには、Ｒ、Ｇ、Ｂの吐出を行う必要があるため、前述した複数個並んでいるインクジェットヘッド１の組み合わせが各色配置されている。また、インクジェットヘッド１は主走査方向に移動し、画像描画を行う。

本発明に係るインクジェット塗工装置の基板置き台３は、副走査方向に移動可能であり、さらにθ方向に回転可能である。θ方向に回転可能なため、基板置き台３の上に置かれた基板の隔壁とインクジェットヘッドユニット２を平行に合わせることができ、副走査方向に動作させることで画像描画を行うことができる。また、基板置き台３は図示されていないが吸着機構を備えており、基板置き台３に置かれた基板を固定することが可能である。

本発明に係るインクジェット塗工装置のインクジェットヘッド１は、図３に示すようなシェアウェーブモードによるインク吐出を行うことができる。シェアウェーブモードによるインクジェットヘッドの駆動方法は、インクを充填する複数の圧力室を、２枚の圧電セラミックスを接着固定した後切削加工して形成し、各圧力室を形成する圧電部材をアクチュエータとし、アクチュエータに駆動パルス電圧を選択的に印加し変形させ、これにより圧力変化を起こし、１または複数のドロップレットを吐出制御する方法である。

この場合、インクジェットヘッドは、複数列に整列配置されたインキ吐出口を備える。そして、列ごとに順次繰り返し吐出が行なわれる。以下、図３を用いて、シェアウェーブモードによるインク吐出について説明する。

図３の左は、クシバ状に加工した２つの圧電セラミックを貼り合わせたものをノズル面から見たもので、各圧電セラミックには図示していない電極が予め付与されている。そして、図中のＡ、Ｂ、Ｃ、Ａ…と書かれた部分がインクを充填するところで、図面から奥方向に例えば０．５ｍｍとか１ｍｍといった深さの液室が形成される。

図３の中央は、左の圧電セラミックスに貼り合わせるノズルプレート部を示したもので、液室と同じく、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ…と３つの周期で切り分ける事が出来る。また、時間的に３分割される事から各ノズルは吐出する相毎にノズル穴がオフセットしており、３サイクル毎に意図的にずらしてある。

図３の右は、Ａ部に接する両側の圧電セラミックスへの印加波形を示したものである。

まず、図３の左と中央を用いて、図３の３−１〜３−４の状態を説明する。

図３の３−１の状態は、何れの圧電セラミックスにも電圧印加がなされていない最初の状態を示す。

図３の３−２の状態では、Ａ部に接する両側の圧電セラミックスを広げる方向に電圧印可をしたところである（アクティブ動作）。

図３の３−３の状態では、今度はＡ部に接する両側の圧電セラミックス液室を縮める方向に電圧印可（逆極性の電圧を印可する等で実施）したところである（インアクティブ動作）。このとき、Ａ相のノズル穴からインクが吐出される。ただし、この吐出条件はＢ相、Ｃ相といった隣接相からは吐出しない条件で調整される（調整はあまり難しいものではなく、液室の共振条件が違うので吐出相を切り分ける事は簡単にできる。）。

図３の３−４の状態では、Ａ部に残る残留振動が減衰して無くなるまで待つ、休止期間（ＯＦＦ動作：オフ）を表している。

次に図３の３−１〜３−４の状態を、Ａ部に接する両側の圧電セラミックスへの印加波形（図３の右参照）を用いて、再度説明する。

図３の３−１の状態では圧電セラミックスへの印加電圧は無い。

図３の３−２の状態にするには、ここではプラス側に電圧を印可している。プラス側に電圧を印可する事によってピエゾの壁を両側に押し広げている。これは丁度、弓矢で言えば弓を引いている状態に近い。

図３の３−３の状態にするには逆方向の電圧、すなわちマイナス電圧を印可する。広がった圧電セラミックスを逆方向に狭めさせるため、印加する時間はアクティブにする時間に対し、約２倍か、２倍以上の時間を設定する。尚、アクティブとインアクティブの間に若干のゼロボルト電圧を動作の変わり目として入れる場合もありうる。また、インアクティブ動作は弓矢で言えば矢を放す動作に相当するが、圧電セラミックスの壁を積極的に狭める事でパルス的にインクを吐出させている。

図３の３−４の状態は、圧電セラミックス上に生じた振動が消えて他の相への影響が無くなるまでの休止時間なので、印加電圧ゼロボルトである。

以降、吐出相をＢ、Ｃと繰り返す事によって全ノズルからインクのドロップレットを吐出させる事ができる。つまりＡ⇒Ｂ⇒Ｃ⇒Ａ…と繰り返すので３相分割駆動である（波形の時間的な流れは図４に示す。）。

実際に塗工する場合には、図５に示すようにアクティブとインアクティブの繰り返し回数により塗工量を調整することができるので、必要塗工量に応じて各相の波形はアクティブ・インアクティブの回数を増やすことになる。また、次の開始まではオフの休止時間が存在し、これのサイクルで塗工を行っていく。

このインクジェットヘッドは、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相に対応するバッファ（以下、ラインバッファという。）を備えていて、各相のラインバッファは相互に情報を転送することができる。

以下に、このインクジェットヘッドから吐出されるまで動作を、図６のフローチャートに従って説明する。

まず、Ａ相ラインバッファが、吐出パターン情報を受けとり、その転送された情報のうちＡ相に関する情報に基づいてＡ相インキ吐出口から吐出を開始する。また、Ａ相インキ吐出口から吐出開始と同時に、吐出パターン情報をＡ相ラインバッファからＢ相ラインバッファに転送する。

Ａ相インキ吐出口から吐出終了後、Ｂ相インキ吐出口は、転送された吐出パターン情報のうちＢ相に関する情報に基づいて吐出を開始する。また、Ｂ相インキ吐出口から吐出開始と同時に、吐出パターン情報をＢ相ラインバッファからＣ相ラインバッファに転送する。

Ｂ相インキ吐出口から吐出終了後、Ｃ相インキ吐出口は、転送された吐出パターン情報のうちＣ相に関する情報に基づいて吐出を開始する。

Ｃ相インキ吐出口から吐出終了後、ラインカウンターにて設定回数ライン吐出を行ったかどうかの判定を行い、設定回数の吐出が行なわれていなければ、吐出パターン情報をＡ相ラインバッファに転送する。

再び、Ａ相インキ吐出口は吐出パターン情報に基づいて吐出開始する。以下、前述した動作をライン数分繰り返し行い、所望の印刷パターンを作成する。

本発明において吐出パターン情報に基づいてインクジェットヘッドのノズルからインクを吐出する制御手段として、本発明に係るインクジェット塗工装置のインクジェットヘッドコントローラー４が挙げられる（図２参照）。インクジェットヘッドコントローラー４は、インクジェットヘッド１を駆動し、インクジェットヘッドパラメータ情報と吐出パターン情報とを格納している。

インクジェットヘッドパラメータ情報は、インクジェットヘッドを駆動させるための情報である。吐出パターン情報は、インクジェットヘッドの位置情報を引数として、特定のノズルの吐出についての情報を含む。

塗工を行う際にインクジェットヘッドコントローラーから各ノズルに吐出パターン情報が転送され、描画を行うことが可能である。

また、上記インクジェットヘッドコントローラーのインクジェットヘッドを駆動させるためのインクジェットヘッドパラメータ情報には、インクジェットヘッド毎に最適の電圧値のパラメータを設定できる。全てのインクジェットヘッドの駆動電圧に同じ値を設定すると、インクジェットヘッドから吐出される液滴の量が個体差により変わるため、基板内を均一に描画することができなくなる。

描画を行うための吐出パターン情報は、インクジェットヘッドの配列位置から所望の印刷パターンを得るための吐出のパターンを算定して、生成したものである。

吐出パターン情報には、画像の配列（ストライプ配列、セル配列、モザイク配列であるかの情報配列パターンが含まれる）が含まれており、インクジェットヘッドが吐出パターン情報から得た情報を利用し、所望の画像配列にずれを生じることなく吐出することができる。

吐出パターン情報には、基板面数、基板寸法、画像寸法、隔壁寸法の情報と、インクジェットヘッドの位置情報（ヘッドの位置ずれ情報を含む）をパラメータ情報として設定する。

そして、これらのパラメータ情報から、各インクジェットヘッドの実際の位置を想定する。吐出パターン情報に生成時に、実際のインクジェットヘッドの位置を基に、ノズルから吐出されるインクが基板の隔壁に当たらないときのみの吐出を有効とし、隔壁に当たるときは吐出しないといった吐出パターン情報を生成する。

また、不吐出ノズルのある場合は、不吐出ノズルの位置情報により隔壁に当たらない位置に配置されていたときは、吐出を有効ではないと判断し吐出パターン情報を生成する。

有効と判断されたノズルは基板内の液量が均一になるためのノズルから吐出する量の情報を有している。この液滴の量は、目標の座標を任意に指定し、ノズル毎に液量を増量もしくは減量させることが可能であり、隔壁毎の総液量を均一にすることが可能である。

図７は、ある隔壁に対し、ノズルから吐出している場合の一例を示す説明図である。

この図７では、隔壁内の開口部には全部で７ノズル使用することになる。また、左右のノズルは各相吐出していないものとする。例えば、この場合の各ノズルの吐出階調数が、開口部の左から２、８，１０、１０、９、６、１であるとする。階調値１当たり６ｐｌのドロップレットを吐出するとする。全ドロップレットが一定に吐出された場合は、開口部の合計ドロップ量は、
４６ドロップレット×６ｐｌ＝２７６ｐｌ
となる。しかし、階調数の少ない吐出ドロップレット１、２は通常の階調値１当たり６ｐｌのドロップレットを吐出できず、３〜５．５ｐｌ程度のドロップレットしか吐出できない。この場合、１．５〜９ｐｌのドロップ量差が生じてしまい、この差が各開口部で生じてしまうと、むらとして見えてしまい品質としても問題となる。

このため、むらがなく塗工を可能にするには、吐出ドロップの安定しない階調を同開口部内で吐出パターンを変更する必要がある。各開口部は総液量を等しくするためには、吐出量をシェアしあい吐出ドロップ数を調整し補う必要がある。

吐出ドロップを各ノズルへ分配する方法は、吐出できる各ノズルに分配情報を与えることにより吐出量を分配する。この吐出分配情報は吐出パターン情報内に含まれている。これにより、液量の分配量を自由にコントロールすることができ、液滴が抜けて見えることなくきちんと広がるようにすることができ、かつ総液量を均一に揃えることができるため、むらがなく塗工することが可能である。

上記調整で求まったドロップ数の決定は、ノズル毎のばらつきを考慮し、ノズル相毎に隣とのドロップタイミング差がなるべく無くなる組み合わせに調整し、かつ理想吐出量にもっとも近いドロップ数の組み合わせを選び決定することでなされる。

液量の分配量を自由にコントロールしかつ隣接ノズルの影響を無くし総液量を各開口部で極力近くしていくことにより、むら無く塗工することが可能である。また、ノズルのばらつきも全て吸収されたものが塗工される。

このようにして、インクジェットヘッドの位置情報および隔壁に対して使用する各ヘッドのノズル位置情報とノズルの吐出ばらつき量に関する情報とを基に吐出パターン情報を作成し、この吐出パターン情報を用いてインクジェット塗工装置で印刷した結果、従来隔壁内にむらがでていたものが、むらなく基板内均一に液滴を吐出し、かつ短時間で高精度な印刷物を得ることができた。

休止後に単発吐出と連続吐出した場合の一例を示す図。 本発明に係るインクジェット塗工装置の全体構成図例を示す外形図。 シェアウェーブモードによるインク吐出を示す図。 インクジェットヘッドのアクティブとインアクティブの関係波形図。 インクジェットヘッドから吐出されるまでの波形図。 インクジェットヘッドから吐出されるまでの動作フローチャート。 ある隔壁に対し、ノズルから吐出している場合の一例を示す説明図。

符号の説明

１…インクジェットヘッド
２…インクジェットヘッドユニット
３…基板置き台
４…インクジェットヘッドコントローラー

Claims (2)

1. 基板と基板上にパターン状に設けられた隔壁とで形成された基板の各開口部に、複数のノズルからインク総量が等しくなるようにインクを吐出する装置であって、
   複数のノズルを有するインクジェットヘッドが複数個整列して並んでいるインクジェットヘッドユニットと、
   該インクジェットヘッド及び前記ノズルの位置情報取得手段と、
   前記ノズルの吐出ばらつき情報格納手段と、
   前記吐出ばらつき情報において、吐出階調数が安定しないノズルの吐出パターンを、前記ノズルに隣接するノズルに対して、吐出パターン情報で求められる最大ドロップレット数を超えない吐出ドロップ数で振り替えを行って、吐出パターン情報を生成する生成手段と
   前記吐出パターン情報に基づいて前記ノズルからインクを吐出する手段と、インクの吐出を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とするインクジェット吐出装置。
   
2. 前記吐出パターン生成手段は、階調情報を用いて、前記ノズルの吐出パターン情報に、前記ノズルの前記開口部へのインク総吐出量を調整させる手段を有していることを特徴とする請求項１記載のインクジェット吐出装置。