JP5327777B2 - インクの塗布方法およびインクジェット塗布装置 - Google Patents

Description

本発明は、インクの塗布方法およびインクジェット塗布装置に関する。

従来より、真空蒸着法やスパッタリング法などで基板の全面にインクを塗布した後、フォトリソグラフィ法によって、塗布膜を所望のパターンに加工することが行われている。しかし、フォトリソグラフィ法は、工程が煩雑である上に、使用するインクの無駄が大きいという問題を有する。

これに対して、インクジェット法によって、基板上にインクを塗布することも行われている（例えば、特許文献１参照。）。この方法によれば、所望のパターンを有する塗布膜を、基板上に直接形成できる。したがって、上記した方法に比べて、工程を短縮できるだけでなく、使用するインクの無駄を減らすこともできる。

インクジェット法で形成された塗布膜の例としては、液晶表示装置に用いられるカラーフィルタが挙げられる。カラーフィルタは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各インクを、インクジェット法によって基板上に吐出した後に乾燥することによって形成される。例えば、インクジェット塗布装置にＲ、Ｇ、Ｂの３種類のヘッドを用い、ヘッドと基板とを一方向に相対的に走査して、走査方向に同一色が配列し、走査方向と直角方向に異なる色が配列するように、ノズルからインクを吐出する。このとき、ノズルに形成されたオリフィスの間隔を、基板上で同一色に着色する部分の間隔に一致させる必要がある。そこで、オリフィスの間隔と同一色に着色する部分の間隔とが一致するように、ヘッドの長手方向（ノズルの配列方向）と、ヘッドまたは基板の走査方向とがなす角度を所定の値に調整する。そして、この角度を維持した状態で、ヘッドまたは基板を走査することにより、基板上の所定部分にインクが吐出されるようになる。

特開２００２−１６９４８６号公報

ところで、インクジェット塗布装置として、ピエゾ素子（圧電素子）などの圧力発生素子によってインクの吐出を制御するものが知られている。この装置では、ヘッドが、ノズルと圧力発生素子とをそれぞれ複数有していることが多い。この場合、圧力発生素子が有する個別電極と共通電極である振動板とにパルス電圧を印加すると、圧力発生素子が伸縮する。この伸縮は振動板によって拘束されるために、振動板はその厚み方向に撓み変形する。すると、液室内のインク容積が変化し、それによる圧力でノズルからインク滴が吐出される。

上記のようなインクジェット塗布装置において、各ノズルは、通常、複数のセクションに分けられており、さらに各セクション内で駆動ブロックに分割されている。そして、駆動ブロック毎に圧力発生素子が時分割駆動される。ここで、同時に駆動されるノズル数が変化すると、液室内へのインクの流速が変動し、この変動が共通液室を介してノズルのメニスカス面を振動させる。その結果、インクの吐出が不安定になって吐出量が変化し、塗布膜に膜厚むらが生じる。

ヘッドまたは基板の走査方向に対しヘッドが直角でない状態でインクが吐出される上記方法では、基板とヘッドとの相対的な位置関係によって同時に駆動されるノズル数が変化する。このため、塗布膜に膜厚むらが生じ、カラーフィルタの特性を低下させる原因となっていた。特に、近年では、フラットパネルディスプレイの大画面化が進んでおり、カラーフィルタの面積も大きくなる傾向にある。カラーフィルタの膜厚むらは、こうした大画面のディスプレイの表示特性を大きく低下させることになるため、改善が急務であった。

本発明は、こうした点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、インクジェット法に起因した膜厚むらを低減させることのできるインクの塗布方法を提供することにある。

また、本発明の目的は、膜厚むらを低減させることのできるインクジェット塗布装置を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の態様は、インクが充填される液室と、前記液室内の圧力を変化させる圧
力発生素子と、前記液室に設けられたノズルとを備えたヘッドを、対象物に対し相対的に
走査しながら前記ノズルから前記対象物に向けてインクを吐出するインクの塗布方法であって、前記ノズルは前記ヘッドの長手方向に沿って配列しており、前記対象物でインクが塗布される部分のピッチと、前記ノズルのピッチとが一致するように、前記対象物または前記ヘッドの走査方向と前記長手方向とのなす角度を調整し、前記ヘッドと対象物とを相対走査している間に、前記対象物と前記ヘッドとの相対的な位置関係に応じて前記ノズルの稼働率を変化させ、前記ノズルの稼働率の低いところでは前記圧力発生素子の周波数を低く、前記ノズルの稼働率の高いところでは前記圧力発生素子の周波数を高くすることを特徴とするものである。
具体的には、前記ノズルの稼働率の高いところでは前記圧力発生素子の周波数を高くし、前記ノズルの稼働率の低いところでは前記圧力発生素子の周波数を低くするのがよい。

本発明の第１の態様において、前記圧力発生素子の周波数は段階的に変化させることができる。
この場合、前記圧力発生素子の周波数を所定値ａとして塗布を開始し、前記ノズルの稼働率が１００％に達したところで前記周波数を所定値ｂ（ａ＜ｂ）に変え、前記ノズルの稼働率が１００％を切ったところで前記周波数を所定値ａに戻すことができる。

本発明の第１の態様において、前記圧力発生素子の周波数は徐々に変化させることもできる。
この場合、前記圧力発生素子の周波数を所定値ａとして塗布を開始し、前記ノズルの稼働率が１００％に達したところで所定値ｂ（ａ＜ｂ）となるように前記周波数を徐々に上げていき、前記ノズルの稼働率が１００％を切ったところで前記周波数を徐々に下げ、塗布終了時には前記周波数が所定値ａとなるようにすることができる。

本発明の第１の態様において、前記対象物はカラーフィルタ基板とすることができる。この場合、前記カラーフィルタ基板で同一色が塗布される部分のピッチと、前記ノズルのピッチとが一致するように、前記対象物または前記ヘッドの走査方向と前記長手方向とのなす角度を調整する。

本発明の第２の態様は、インクが充填される液室と、前記液室の内部の圧力を変化させる圧力発生素子と、前記液室に設けられて対象物に向けてインクを吐出するノズルとを備えたヘッドと、前記ヘッドと対象物とを相対走査している間に、前記対象物と前記ヘッドとの相対的な位置関係に応じて前記ノズルの稼働率を変化させ、前記ノズルの稼働率の低いところでは前記圧力発生素子の周波数を低く、前記ノズルの稼働率の高いところでは前記圧力発生素子の周波数を高くする制御装置とを有するインクジェット塗布装置に関する。

本発明の第２の態様は、前記対象物または前記ヘッドの位置を検出する位置検出装置をさらに有することができる。この場合、前記制御装置は、前記位置検出装置からの情報に基づいて前記圧力発生素子の周波数を変化させる。

本発明の第１の態様によれば、ノズルの稼働率に応じて圧力発生素子の周波数を変化させるので、膜厚むらを低減させることができる。

本発明の第２の態様によれば、対象物とヘッドとの相対的な位置関係に応じて圧力発生素子の周波数を変化させる制御装置を有するので、膜厚むらを低減させることのできるインクジェット塗布装置が提供される。

本実施の形態におけるインクジェット塗布装置では、ヘッドが、インクが充填される液室と、この液室に設けられてインクが吐出されるノズルと、液室内の圧力を変化させる圧力発生素子とを備える。ここで、圧力発生素子としては、ピエゾ素子（圧電素子）などが挙げられる。圧力発生素子に電圧を印加すると、液室内の圧力が変化してノズルから液滴が吐出する。尚、ヘッドの数は、１つであってもよいし、２つ以上であってもよい。カラーフィルタ基板にインクを塗布する場合には、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各インクを吐出する３種類のヘッドを備えることができる。また、Ｒ、Ｇ、Ｂの各インクを吐出するノズルが順に配列した１種類のヘッドのみを用いてもよい。

本実施の形態では、ノズルと圧力発生素子とが、それぞれ２以上の数でヘッドに設けられている。圧力発生素子は、電極間にパルス電圧を印加することにより生じる機械的歪みを利用してインクを吐出させるものである。各ノズルは、複数のセクションに分けられており、さらに各セクション内で駆動ブロックに分割されている。そして、駆動ブロック毎に圧力発生素子が時分割駆動される。

本発明で問題とする塗布むらは、基板またはヘッドの走査方向に対してヘッドの長手方向の角度を変えることのできるインクジェット塗布装置で生じる現象である。この塗布むらは、あるノズルの吐出状態が、液室を介して別のノズルの吐出状態に影響を及ぼすことに起因している。つまり、ヘッドに設けられた各ノズルからのインクの吐出量は、稼働しているノズルの数によって変動する。したがって、ヘッドの長手方向（ノズルの配列方向）が、ヘッドまたは基板の走査方向に対し所定の角度θ（但し、θ≠９０度）をなすようにしてインクを吐出すると、基板とヘッドとの相対的な位置関係によって同時に駆動されるノズル数が変化するため、基板上の位置により吐出量に違いが生じて塗布むらが発生する。

ところで、あるノズルの吐出状態が、別のノズルの吐出状態に影響を及ぼす過程は、粘性流体中での圧力波の伝播によって説明される。この圧力波は、インクの粘性に応じた減衰振動をする。したがって、圧力波の減衰振動の周期に比べてインクの吐出周期の方が十分に長ければ、あるノズルの吐出状態が別のノズルの吐出状態に影響するのを防ぐことができる。つまり、ノズル数の変化によって吐出量に違いが生じるのを防いで、塗布むらを低減することができる。

図１は、本発明のインクジェット塗布装置を用いてカラーフィルタを形成する一例であり、基板とヘッドとの相対的な位置関係を示している。ヘッド１の長手方向には、ノズル２が配列している。ノズル２からは、例えば、赤色（Ｒ）のインクが吐出する。一方、基板３には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各インクが塗布されてカラーフィルタが製造される。これらのインクは、例えば、図１の左からこの順に繰り返して配列するものとすることができる。尚、基板３には、通常はブラックマトリクスが形成されているが、図１では省略している。

図１に示すように、基板３上で同一色が塗布される部分のピッチＰ１と、ノズル２のピッチＰ２とは一致せず、ピッチＰ１＜ピッチＰ２である。このため、ヘッド１の長手方向と基板３の走査方向とがなす角度θを調整して、ピッチＰ１とピッチＰ２とが一致するようにしている。

図１では、基板３は矢印の方向に走査される。このため、基板３へのインクの塗布は、端部Ｅ１から始まって、中央付近Ｃを通過した後、端部Ｅ２で終わる。上述したように、基板３の走査方向とヘッド１の長手方向とが角度θをなした状態で塗布が進行していくので、同時に駆動されるノズル数は、基板３とヘッド１との相対的な位置関係によって変化する。具体的には、走査方向に対し、端部Ｅ１や端部Ｅ２へ行くほどノズル数が少なくなり、中央付近Ｃへ行くほどノズル数が多くなる。このため、従来の塗布方法では、端部Ｅ１や端部Ｅ２へ行くほど膜厚が厚くなる一方で、中央付近Ｃへ行くほど膜厚が薄くなってしまう。図２は、ノズルの稼働率の経時変化の一例である。この例では、中央付近Ｃにおけるノズルの稼働率は１００％であるが、端部Ｅ１や端部Ｅ２に近づくと稼働率が低下し、端部Ｅ１および端部Ｅ２で稼働率０％となる。

そこで、本実施の形態では、基板３とヘッド１との相対的な位置関係に応じて、圧力発生素子（図示せず）の周波数を変化させる。具体的には、端部Ｅ１や端部Ｅ２の付近では低周波数とし、中央付近Ｃでは高周波数とする。単一のノズル２からの吐出量の変動は、周波数が低くなるほど小さくなるからである。周波数の変化は、連続的に行ってもよく、段階的に行ってもよい。

基板３とヘッド１との相対的な位置関係が変化すると、ノズル２の総数に対して同時に駆動しているノズル数の割合、すなわち、ノズル２の稼働率が変化する。したがって、本実施の形態では、ノズル２の稼働率に応じて圧力発生素子の周波数を変化させると換言することができる。

例えば、ヘッド１に設けられたノズル２の稼働率が１００％に至らない領域（Ａ１）では、周波数を所定の値ａとし、稼働率が１００％になったところ（Ｃ）で周波数をｂ（但し、ａ＜ｂ）に変え、稼働率が再び１００％を切ったところ（Ａ２）で周波数をａに戻すことができる。また、塗布開始時は周波数をａとし、稼働率が１００％となる領域（Ｃ）で周波数がｂとなるように、徐々に周波数を上げていく。そして、稼働率が１００％の領域（Ｃ）では周波数ｂを維持し、１００％を切ったところ（Ａ２）で周波数の値を徐々に下げ、塗布終了時に周波数がａとなるようにすることもできる。この場合、周波数の上昇割合と下降割合は、同じにすることができる。

周波数ａやｂの値は、次のようにして求めることができる。まず、使用するヘッドについて、周波数と膜厚の関係を求めておく。また、所定の周波数での膜厚変化も調べておく。これらから、膜厚を一定にする周波数ａおよびｂを決定する。そして、基板とヘッドとの相対的な位置関係に応じて周波数をａやｂに変化させればよい。一例として、ａ＝１ｋＨｚとし、ｂ＝５ｋＨｚとすることができる。

図１の例では、ヘッドに圧力発生素子の周波数を変化させる制御装置４が接続している。制御装置４は、基板３の位置を検出する位置検出装置５にも接続している。位置検出装置５から制御装置４に基板３の位置情報が送られ、予め調べておいたノズル２の稼働率が１００％になる位置に達すると、制御装置４によって周波数がａからｂに変化する。その後は、ノズル２の稼働率が１００％を切る位置に達したところで制御装置４が再び作動し、周波数がｂからａに変化する。位置検出装置５には、光センサなどを利用した公知のものを用いることができる。尚、本実施の形態では、基板３ではなくヘッド１が走査されるようにしてもよく、位置検出装置５は、基板３ではなくヘッド１の位置を検出する装置であってもよい。

以上のようにしてインクを塗布した後は、同様にして他の２色（例えば、ＧとＢ）を塗布する。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｂいずれの色についても塗布むらの低減されたカラーフィルタを製造することができる。

このように、基板とヘッドとの相対的な位置関係に応じて、圧力発生素子の周波数を変化させることによって、同時に駆動されるノズル数の変化に伴う吐出量の変化を抑制して塗布むらを低減することができる。具体的には、ノズルの稼働率の低いところでは低周波数とし、ノズルの稼働率の高いところでは高周波数とする。これにより、良好な特性を有するカラーフィルタを製造することが可能となる。

また、本発明によれば、基板とヘッドとの相対的な位置関係に応じて圧力発生素子の周波数を変化させる制御装置を設けることにより、カラーフィルタの塗布むらが改善される。本発明におけるヘッドは、汎用のものであればよく、インクの吐出量を一定にする機構を備えた特殊なものである必要はない。また、かかる機構を備えたヘッドであっても、ノズルの稼働率の変化に伴うインクの吐出量の変動を完全に解消することは極めて困難である。これに対して本発明によれば、より簡便な方法および構造でインクの吐出量の変動を低減することができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、インクが塗布される対象物としてカラーフィルタ基板を挙げて説明した。しかし、本発明は、基板とヘッドとの相対的な位置関係に応じて、ノズルの稼働率が変化しながらインクが塗布される場合に適用される。したがって、塗布膜はカラーフィルタに限られるものではなく、例えば、液晶表示装置に用いられる配向膜などであってもよい。

本実施の形態におけるインクジェット塗布装置の部分概念図である。 ノズルの稼働率の経時変化の一例である。

符号の説明

１ ヘッド
２ ノズル
３ 基板
４ 制御装置
５ 位置検出装置

Claims (8)

1. インクが充填される液室と、前記液室内の圧力を変化させる圧力発生素子と、前記液室に設けられたノズルとを備えたヘッドを、対象物に対し相対的に走査しながら、前記ノズルから前記対象物に向けてインクを吐出するインクの塗布方法であって、
   前記ノズルは前記ヘッドの長手方向に沿って配列しており、
   前記対象物でインクが塗布される部分のピッチと、前記ノズルのピッチとが一致するように、前記対象物または前記ヘッドの走査方向と前記長手方向とのなす角度を調整し、
   前記ヘッドと対象物とを相対走査している間に、前記対象物と前記ヘッドとの相対的な位置関係に応じて前記ノズルの稼働率を変化させ、前記ノズルの稼働率の低いところでは前記圧力発生素子の周波数を低く、前記ノズルの稼働率の高いところでは前記圧力発生素子の周波数を高くすることを特徴とするインクの塗布方法。
2. 前記圧力発生素子の周波数を段階的に変化させることを特徴とする請求項１に記載のインクの塗布方法。
3. 前記圧力発生素子の周波数を所定値ａとして塗布を開始し、前記ノズルの稼働率が１００％に達したところで前記周波数を所定値ｂ（ａ＜ｂ）に変え、前記ノズルの稼働率が１００％を切ったところで前記周波数を所定値ａに戻すことを特徴とする請求項２に記載のインクの塗布方法。
4. 前記圧力発生素子の周波数を徐々に変化させることを特徴とする請求項１に記載のインクの塗布方法。
5. 前記圧力発生素子の周波数を所定値ａとして塗布を開始し、前記ノズルの稼働率が１００％に達したところで所定値ｂ（ａ＜ｂ）となるように前記周波数を徐々に上げていき、前記ノズルの稼働率が１００％を切ったところで前記周波数を徐々に下げ、塗布終了時には前記周波数が所定値ａとなるようにすることを特徴とする請求項４に記載のインクの塗布方法。
6. 前記対象物はカラーフィルタ基板であり、
   前記カラーフィルタ基板で同一色が塗布される部分のピッチと、前記ノズルのピッチとが一致するように、前記対象物または前記ヘッドの走査方向と前記長手方向とのなす角度を調整することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のインクの塗布方法。
7. インクが充填される液室と、
   前記液室の内部の圧力を変化させる圧力発生素子と、
   前記液室に設けられて対象物に向けてインクを吐出するノズルとを備えたヘッドと、
   前記ヘッドと対象物とを相対走査している間に、前記対象物と前記ヘッドとの相対的な位置関係に応じて前記ノズルの稼働率を変化させ、前記ノズルの稼働率の低いところでは前記圧力発生素子の周波数を低く、前記ノズルの稼働率の高いところでは前記圧力発生素子の周波数を高くする制御装置とを有するインクジェット塗布装置。
8. 前記対象物または前記ヘッドの位置を検出する位置検出装置をさらに有し、
   前記制御装置は、前記位置検出装置からの情報に基づいて前記圧力発生素子の周波数を変化させる請求項７に記載のインクジェット塗布装置。

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