JP5413826B2

JP5413826B2 - 吐出装置

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Publication number: JP5413826B2
Application number: JP2009034289A
Authority: JP
Inventors: 靖志堀; 修一山口
Original assignee: Microjet Corp
Current assignee: Microjet Corp
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2029-02-17
Also published as: JP2010188264A

Description

本発明は、液状物質を吐出する機能を含む装置に関するものである。

特許文献１には、十分に微小な液滴の吐出が可能であると共に、液滴径が比較的大きい液滴を吐出することが可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法を提供することが記載されている。そのため、特許文献１の液体吐出ヘッドに、複数の小ノズル及び大ノズルが形成されたノズルプレートと、小ノズル及び大ノズルの各々に連通し吐出口から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、キャビティに連通した液体の流路と、液体と基材との間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧電源と、キャビティの容積を変化させることによって液体に圧力を発生させる駆動電圧電源と、小ノズルから液体を吐出させる際は、静電電圧電源及び駆動電圧電源の制御により液体を電界集中吐出させ、大ノズルから液体を吐出させる際は、駆動電圧電源の制御により液体を圧電吐出させる制御手段とを設けることが記載されている。

なお、特許文献１において、「電界集中吐出」とは、液滴が形成されない程度のメニスカスに強い集中電界強度による静電力を作用させ、メニスカスを引きちぎって液滴化し飛翔させる方式であると記載されている。「圧電吐出」とは、液体に圧力を発生させることにより、液体の一部を分離させて液滴を形成すると共にその液滴を飛翔させる方式をいうと記載されている。また、「静電アシスト吐出」とは、液体に圧力を発生させることにより液体を一部分離して液滴を形成し、その液滴に静電力を作用させて飛翔させる方式をいうと記載されている。

また、特許文献２には、プリンタ、ＦＡＸ等の出力部に使用されるインクジェット記録装置において、階調記録を高速に行うことのできるようにすることが記載されている。そのため、インクを収容する圧力室にはインクを吐出する吐出口が設けられ、また、吐出口に対向する位置には対向電極が配置される一方、圧力室に圧力を印加するための圧力印加手段と、対向電極とインクとの間に静電力を発生させる静電力発生手段とを有し、吐出口と対向電極との間に挿入された記録媒体にインクを吐出するときは、圧力印加手段によって圧力室に圧力を印加すると共に、静電力発生手段により静電力を発生させるようにしたインクジェット記録装置において、静電力発生手段による静電力によらずに圧力印加手段で印加される圧力のみでインクを吐出可能な高圧力範囲と、圧力印加手段による圧力に加えて静電力発生手段による静電力によってインクを吐出する低圧力範囲とに圧力を切り換える圧力切換手段が設けられていることが記載されている。

特開２００７−２３０１７９号公報特開平１０−３１５４６４号公報

静電力によってインクを吐出することと、圧力を加えることによりインクを吐出することとの２つの吐出方式により、微細な描画を可能とし、かつ、広い範囲の吐出を効率よく行うために、描画パターンに応じて液滴径の大きさを変化させて液滴の吐出を行うことが検討されている。これら２つの吐出方式を１つのヘッドで実現するためにはさらに解決すべき問題がある。

本発明の態様の１つは、静電力を用いてノズルの先端より液状物質を吐出するための電極と、ノズルまたは他のノズルの内部圧力の変動を用いてノズルまたは他のノズルの先端より液状物質を吐出するためのアクチュエータとを含む吐出ヘッドと、吐出ヘッドのノズルから吐出された液状物質が到達するターゲットと吐出ヘッドとを相対的に第１の方向に動かし、ターゲットとノズルの先端とのギャップを制御するためのギャップ制御機構とを有する装置である。ギャップ制御機構は、静電力を用いて液状物質を吐出することが選択されるとギャップを第１の値にセットし、内部圧力の変動を用いて液状物質を吐出することが選択されるとギャップを、第１の値より大きな第２の値にセットするための機構である。

静電力を用いてノズル先端より液状物質を吐出する方式は、多くの場合、ノズル先端からジェット流がターゲットに達し、ターゲットに液状物質の一部が移動して液滴になることである。ノズルの内部圧力の変動を用いてノズルの先端より液状物質を吐出する方式も、多くの場合、ノズル先端から液柱が空中に放出され、液柱が液自身の表面張力により液滴となってターゲットに着弾することである。したがって、静電力を用いてノズル先端より液状物質を吐出する方式（以下では、静電方式）では、吐出のために印加する電圧を下げるためにも、また、ジェット流がターゲットに到達するようにするためのノズル先端とターゲットとの距離（ギャップ）は小さいことが望ましい。一方、ノズルの内部圧力の変動を用いてノズルの先端より液状物質を吐出する方式（以下では、圧力変動方式）では、液柱がノズル先端とターゲットとの間に形成されると液滴の大きさが制御不能になる可能性がある。したがって、ノズル先端とターゲットとの間には、静電方式よりも大きな距離であって、最小限の距離（ギャップ）を確保する必要がある。

本発明の装置は、ギャップ制御機構により、静電方式と、圧力変動方式とに対して適切なギャップを設定できる。したがって、本発明の装置は、静電方式および圧力変動方式を備えた吐出ヘッドを用いて、要求に応じていずれかの方式による液状物質の吐出に適した準備が整う。

この装置は、ギャップが第１の値にセットされたときのノズルの先端を観察するためのカメラをさらに有する。静電方式においては、ノズルの先端とターゲットとの距離（ギャップ）が数１０μｍ程度と近く、ノズルの先端の位置から予想されるターゲットの位置がターゲット上に液滴が形成される位置とほとんど一致する。このため、ノズルの先端をカメラにより観察することにより静電方式の着滴点を確認できる。一方、圧力変動方式では、ノズルの先端とターゲットとのギャップは大きくなるが、ターゲットに着滴する量も増える。このため、カメラにより着滴した液滴の未乾燥な部分を確認することにより着滴点を捉えることができる。したがって、このカメラによる観測に基づいて、静電方式の着滴点と、圧力変動方式の着滴点とのオフセットを解析でき、ターゲットに対し、それぞれの方式により、いっそう高い精度で所定の位置に液状物質を着滴できる。

カメラは、ギャップ制御機構とは非連動であることが望ましい。カメラのフォーカスをほぼ一定に保ち、静電方式の着滴点と、圧力変動方式の着滴点とを観察できる。

ノズルはキャピラリータイプであることが望ましい。カメラにより静電方式の着滴点を精度良く捉えることができる。

この装置は、吐出ヘッドおよび／またはターゲットを第１の方向とは異なる第２の方向に相対的に移動するための移動機構と、カメラによりターゲットに対するギャップが第１の値にセットされたときの（静電方式での）ノズルの先端の位置と、ギャップが第２の値にセットされたときの（圧力変動方式での）ターゲットへの着滴とを観察し、ギャップが第１の値にセットされたときの着滴位置と、ギャップが第２の値にセットされたときの着滴位置とのオフセットを求める機能とを有する。静電方式の着滴位置と、圧力変動方式の着滴位置とのオフセット（差分）を測定し、それぞれの着滴位置の互換性を再設定できる。

吐出ヘッドは、静電力を用いて液状物質を吐出するための第１のノズルと、第１のノズルとは異なる第２のノズル内の圧力変動により液状物質を吐出するための第２のノズルとを含むものであってもよい。単一のノズルで静電方式と、圧力変動方式とを行うことも可能である。静電方式の第１のノズルと、圧力変動方式の第２のノズルとを１つの吐出ヘッドに搭載することにより、それぞれの方式のメリット、たとえば、吐出量の差を、さらに享受することができる。さらに、それぞれのノズルによる着滴点を精度よく制御できるので、単一のノズルに匹敵する精度でターゲットの所定の位置に液状物質をぞれぞれの方式により着滴できる。

静電方式の第１のノズルはキャピラリータイプであることが望ましい。着滴点をカメラにより精度よく捉えやすい。

第２のノズルの先端は、ターゲットに対して、第１のノズルの先端より後退しており、第１のノズルの先端と第２のノズルの先端との距離ｈは、以下の式（Ａ）を満たす。ギャップを制御する際に双方のノズル先端とターゲットとの干渉を未然に防止できる。
０＜ｈ＜Ｇ２ｍ・・・（Ａ）
ただし、Ｇ２ｍは、第２の値の最小値である。

吐出ヘッドは、静電力を用いて液状物質を吐出可能であるとともに、ノズル内の圧力変動により液状物質を吐出可能な第３のノズルを、１または複数個含んでいてもよい。

本発明の態様の他の１つは、静電力を用いてノズルの先端より液状物質を吐出するための電極、および、ノズルまたは他のノズルの内部圧力の変動を用いてノズルまたは他のノズルの先端より液状物質を吐出するためのアクチュエータを含む吐出ヘッドと、吐出ヘッドのノズルから吐出された液状物質が到達するターゲットと吐出ヘッドとを相対的に第１の方向に動かし、ターゲットとノズルの先端とのギャップを制御するギャップ制御機構とを有する装置を制御する方法である。この方法は、以下のステップを含む。
１．静電力を用いて液状物質を吐出することが選択されると、ギャップ制御機構により、ギャップを第１の値にセットすること。
２．内部圧力の変動を用いて液状物質を吐出することが選択されると、ギャップ制御機構により、ギャップを第１の値より大きな第２の値にセットすること。

装置は、ギャップが第１の値にセットされたノズルの先端を観察するためのカメラと、吐出ヘッドおよび／またはターゲットを第１の方向とは異なる第２の方向に相対的に移動するための移動機構とをさらに有し、上記の方法は、以下のステップを含む。
３．カメラによりターゲットに対するギャップが第１の値にセットされたときのノズルの先端の位置と、ギャップが第２の値にセットされたときのターゲットへの着滴とを観察し、ギャップが第１の値にセットされたときの着滴位置と、ギャップが第２の値にセットされたときの着滴位置とのオフセットを求めること。

本発明の実施形態の一例である吐出装置の概略構成を示すブロック図。ヘッドブロックをターゲットに近づけた状態を示す図。ヘッドブロックをターゲットから後退させた状態を示す図。吐出装置の処理の概要を示すフローチャート。吐出装置により形成された配線パターンを示す図であり、図５（ａ）は、拡大断面図、図５（ｂ）は平面図。着滴位置を確認する異なるシステムを示す図であり、図６（ａ）はヘッドブロックを下側から見た図、図６（ｂ）はシステムの概略構成を示す図。吐出装置の他の例の概略構成を示すブロック図。

図１に、本発明の実施形態の吐出装置の一例を示している。この吐出装置１は、フェムトリットルオーダーの液滴をターゲット２の狙った位置に吐出させる静電型インクジェットヘッド（静電ヘッド）２０と、ピコリットルオーダーの液滴をターゲット２の狙った位置に吐出させるピエゾ型インクジェットヘッド（ピエゾヘッド）３０とをそれぞれ独立して搭載した吐出ヘッド（吐出ヘッドブロック、ヘッドブロック）１０を備えている。静電ヘッド２０は、静電力を用いてノズル２２の先端２１よりタンク２５に収納された液状物質２５Ｌを吐出するための電極２３を備えている。タンク２５に収納された液状物質２５Ｌは、パイプ２４を介してノズル２２に供給され、ノズルの先端２１に導かれる。ノズル２２の典型的なものはガラス管である。ノズル２２は、樹脂製、セラミック製などであってもよい。また、静電ヘッド２０は、タンク２５を省略し、ノズル２２に予めセットされた液状物質２５Ｌを吐出するための電極２３を備えているタイプであってもよい。

また、ピエゾヘッド３０は、ノズル３２の内部圧力の変動を用いてノズル３２の先端３１よりタンク３５に収納された液状物質３５Ｌを吐出するためのピエゾアクチュエータ（圧電素子）３３を備えている。タンク３５に収納された液状物質３５Ｌは、パイプ３４を介してノズル３２に供給され、ノズルの先端３１に導かれる。ノズル３２は樹脂、セラミックまたはガラス板の積層構造であってもよく、樹脂管、セラミック管またはガラス管であってもよい。ノズル３２は、ピエゾアクチュエータ３３の伸縮により内容積の変動する圧力室（キャビティ）を備えている。ピエゾヘッド３０においても、タンク３５を省略することが可能である。

液状物質２５Ｌおよび３５Ｌは、液体に限らず、液体と微粒子との混合物、水溶液、溶剤、ナノ粒子液、ＵＶ硬化液、イオン流体、オイル、液晶、接着剤、試薬、細胞や遺伝子などの生物材料を含む物質などであってもよい。ターゲット２は、これらの液状物質２５Ｌおよび３５Ｌを塗布、印刷、分注、混合などするための媒体、容器、トレイなどである。

吐出装置１は、ターゲット２とヘッドブロック１０とを第１の方向（Ｚ方向）に動かしてノズルの先端２１および３１とターゲット２との距離（間隔、ギャップ）を制御するためのギャップ制御機構１６と、ターゲット２をヘッドブロック１０に対し、Ｚ方向に対して垂直な方向（ＸＹ方向）に移動するための移動機構１７とを備えている。ターゲット２および／または移動機構１７は、静電ヘッド２０の電極２３と対をなす対向電極としての機能を備えており、静電ヘッド２０の電極２３に電位（パルス状または一定の）を印加することにより電極２３とターゲット２との間に電界を形成し、静電吐出（静電吸引液滴形成）が可能となっている。

ギャップ制御機構１６の一例はＺ方向に移動可能なＺステージであり、ボールねじなどの公知のアクチュエータを用いて実現できる。移動機構１７の一例はＸＹ移動テーブルである。移動機構１７は、Ｙ方向またはＸ方向にのみターゲット２を移動するための機構であってもよい。また、ギャップ制御機構１６およびＸＹ移動機構１７とを１つのＸＹＺ移動テーブルで実現することも可能である。

この吐出装置１は、移動機構１７により吐出位置を決め、その位置に液状物質２５Ｌおよび／または３５Ｌを吐出して着滴することにより描画などの処理を実行できるインクジェットオンデマンド描画装置である。さらに、この吐出装置１は、ターゲット２に対する処理で要求される解像度あるいは液滴の径によりインクジェットヘッド２０および３０を使い分ける。さらに、使用されるインクジェットヘッド２０および３０により、ターゲット２に対し吐出ヘッド１０を上下（前後）に動かして、ノズルヘッドの先端（ノズルの先端）２１および３１とターゲット２とのギャップを制御する。

吐出装置１は、さらに、静電ヘッド２０の電極２３へパルス的な電圧変動を加えて静電ヘッド２０を制御するための静電ヘッドコントローラ１３と、ピエゾヘッド３０の圧電素子３３に駆動パルス（多くの場合はパルス的な電圧変動）を供給してピエゾヘッド３０を制御するためピエゾヘッドコントローラ１２とを含む。吐出装置１は、また、ＸＹ移動テーブル１７を制御するステージコントローラ１８と、吐出装置１の全体的な制御を行うコントローラユニット４０とを含む。コントローラユニット４０は初期設定機能４１と、描画機能４２とを含む。

描画機能４２は、ターゲット２に描画したい液滴のサイズによりトリガーセレクター１４を制御し、コントローラ１２または１３が選択されるようにする。描画機能４２は、さらに、静電ヘッド２０が選択されると、ギャップ制御機構１６により静電方式に適したギャップになるようにヘッドブロック１０を上下に動かし、ステージコントローラ１８により静電ヘッド２０により描画される位置へターゲット２を移動する。また、描画機能４２は、ピエゾヘッド３０が選択されると、ギャップ制御機構１６により圧力変動方式に適したギャップになるようにヘッドブロック１０を上下に動かし、ステージコントローラ１８によりピエゾヘッド３０により描画される位置へターゲット２を移動する。ターゲット２の移動と、ヘッドブロック１０の移動とが終了したことをトリガーセレクター１４が認識すると、トリガーセレクター１４から選択されたコントローラ１２または１３にトリガー信号が出力され、ターゲット２に対し、ヘッド２０または３０のいずれか一方から液状物質２５Ｌまたは３５Ｌが吐出される。

初期設定機能４１は、後に詳しく説明するように、カメラ１５を用いてノズル先端２１の位置、着滴点などを観察し、静電ヘッド２０により吐出された液の着滴点と、ピエゾヘッド３０により吐出された液の着滴点とのオフセットを設定する。インクジェットヘッド２０および３０はユーザーが手で取り付け取り外しを行う。このため、数百μｍのオーダーでは位置がずれる可能性がある。初期設定機能４１は、パーソナルコンピュータ５の画面などのモニタにカメラ１５により得られた液滴を写し、アプリケーション上でユーザーが液滴の画面の中心に移動させ、「補正」などの名称のボタンを押下することで、オフセット量（ずれ量）をアプリケーションに再認識（再設定）させる機能を含む。初期設定機能４１および描画機能４２をパーソナルコンピュータ５の資源を用いて実現することも可能である。

特許文献１において、「電界集中吐出」とは、液滴が形成されない程度のメニスカスに強い集中電界強度による静電力を作用させ、メニスカスを引きちぎって液滴化し飛翔させる方式であることが記載されている。しかしながら、たとえば、特開２００６−５８１８８号公報に開示されているように、静電力を用いてノズルの先端より液を吐出する方式（静電方式）の多くは、静電力の印加によりノズルの先端に円錐状のテーラーコーンが形成され、テーラーコーンの頂部から基板などのターゲットの表面に達するジェット流が生じ、液の一部がターゲットの上に移動して液滴になる。

また、特許文献１において、「圧電吐出」とは、液体に圧力を発生させることにより、液体の一部を分離させて液滴を形成すると共にその液滴を飛翔させる方式をいうと記載されている。しかしながら、たとえば、特開２００５−２０１８９５に開示されているように、圧電素子（ピエゾ素子）あるいはバブルによる圧力変動を用いてノズルの先端から液を吐出する方式（圧力変動方式）の多くでは、ノズルから吐出される液は液柱として空中に放出される。液柱は空中にて液自身の表面張力と空気抵抗により徐々に複数の球に分離し、多くの場合、液の先頭にある「メイン滴」と最後尾の「サテライト滴」およびその中間に形成される複数の液滴に分離してターゲットに着弾する。

したがって、静電方式および圧力変動方式においても、多くの場合、ノズルの先端から球状の液滴が吐出されるわけではない。静電方式においては、ジェット流がノズル先端２１とターゲット２との間に形成されることが望ましく、さらに、ノズル先端２１とターゲット２とのギャップが広くなると静電力を得るために印加する電圧も増大する。したがって、静電方式で吐出するときのノズル先端２１とターゲット２とのギャップ（ワーキングディスタンス）Ｇ１は１５〜１００μｍ程度である。また、ターゲット２に着滴したときのドット径は、２０μｍ以下であることが多く、ほとんどの場合、瞬時に乾燥する。

一方、圧力変動方式では、液柱がターゲット２に到達することは好ましくなく、液柱が液滴に変わってからターゲット２に到達することが望ましい。したがって、圧力変動方式で吐出するときのノズル先端３１とターゲット２とのギャップ（ワーキングディスタンス）Ｇ２は０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度である。また、ターゲット２に着滴したときのドット径は、多くの場合、３０μｍ程度以上であり、揮発性の液体であっても、ほとんどの場合、１秒程度あるいはそれ以上の間、着滴した液滴は、主に液滴の中心部が液状のままである。

このため、吐出装置１においては、ターゲット２に形成する液滴径により静電ヘッド２０が選択されると、ギャップ制御機構１６によりヘッドブロック１０をターゲット２に近づけて液状物質２５Ｌを吐出する。ピエゾヘッド３０が選択されると、ギャップ制御機構１６によりヘッドブロック１０をターゲット２から離して液状物質３５Ｌを吐出する。さらに、移動機構１７により、ターゲット２のＸＹ座標も静電ヘッド２０が選択された場合と、ピエゾヘッド３０が選択された場合とで変更する。この吐出装置１においては、ヘッドブロック１０に物理的に異なるヘッド２０および３０が搭載されているので、ノズル先端２１および３１の位置が異なり、それぞれのノズル先端２１および３１から吐出される液の着滴点が異なるのが通常である。同一のノズル先端から液が吐出された場合であっても、静電方式と圧力変動方式とでは、ギャップが異なり、吐出方法も異なるので、ターゲット２の同じ位置に着滴するとは限られない。

吐出装置１においては、観察用のカメラ１５を設け、ぞれぞれのノズル先端２１および３１から吐出された液の着滴点を確認できるようにしている。吐出装置１のカメラ１５は、ターゲット２に対して高さ（Ｚ方向）の位置が固定されており、Ｚ方向についてはヘッドブロック１０と独立しており、ギャップ制御機構１６によりヘッドブロック１０とは連動して動かない。一方、カメラ１５は、移動機構１７によるターゲット２の動きとも連動しておらず、ＸＹ方向において、ターゲット２に対しては、ヘッドブロック１０と連動して移動する。カメラ１５をヘッドブロック１０とともにギャップ制御機構１６により移動するように設けてもよいが、カメラ１５の焦点調整と倍率調整を行う必要がある。したがって、精度よくノズル先端２１の位置を確認したり、着滴位置を確認するためには高さが固定されていることが望ましい。

図２に、静電ヘッド２０により吐出された液の着滴点２９を確認する様子を示している。静電方式（静電インクジェット方式）で吐出させた液滴は、基板の表面などのターゲット２における着滴ドット径が２０μｍ以下という非常に小さなものである。したがって、着滴（着液）したドットは非常に乾燥しやすく、特に揮発性の高い液材を使用した場合、着滴したドットをカメラ１５で捉えようとしても、カメラ１５の下までターゲット２を移動したり、カメラ１５を介して着滴した状態を認識する間に液材が乾燥してしまう。このため、着滴点を精度よく認識することが難しい。

一方、この吐出装置１においては、静電ヘッド２０のノズル先端２１とターゲット２（この例では、対象物体２ｍの表面）とのギャップ（ワーキングディスタンス）Ｇ１は１５〜１００μｍの範囲であり、ノズル先端２１の直下が液滴２９が着弾する位置（着滴位置）２８としても、μｍ程度の精度の範囲ではほとんど誤差はない。したがって、静電ヘッド２０のノズル先端２１をカメラ１５で写し出す（観察する）ことで、液滴を吐出させなくともカメラ１５に対する静電ヘッド２０による着滴位置２８（ヘッド−カメラ間のオフセット補正値）を取得できる。

特に、吐出装置１に採用されている静電ヘッド２０は、ガラス管などにより構成されるキャピラリータイプのノズル２２を備えておりノズル先端２１がカメラ１５により識別しやすい。したがって、着滴位置２８を精度よく認識できる。

図３に、ピエゾヘッド３０により吐出された液の着滴点３９を確認する様子を示している。ピエゾヘッド３０については、多くの場合、着滴３９のドット径が３０μｍ以上となり、揮発性の高い液材を使用した場合でも、着弾した液滴３９は１秒以上の間、基板などのターゲット２の上に乾燥せずに残っている。このため、ピエゾヘッド３０で着滴したと予測される位置にカメラ１５を移動させても十分に着滴３９の位置（着滴位置）３８を観察できる。ピエゾヘッド３０の場合、ノズル先端３１とターゲット２、すなわち、吐出対象の物体２ｍの表面までのギャップ（ワーキングディスタンス）Ｇ２は０．５ｍｍ以上となる。このため、場合によっては、着滴位置３８を確認する処理では液滴吐出発数を２ドロップ以上に設定して着滴点３９をさらに明瞭にしてもよい。これらの動作により、静電ヘッド２０の着滴位置２８と、ピエゾヘッド３０の着滴位置３８との差（オフセット）ｄを精度良く取得でき、予め設定されているオフセットｄを、実際にターゲット２に着滴する位置に基づき再設定することが可能となる。

図３に示すように、静電ヘッド２０のノズル先端２１をターゲット２に近づけたときにピエゾヘッド３０のノズル先端３１がターゲット２と干渉しないように、ノズル先端３１は、ノズル先端２１よりターゲット２に対して後退した位置にセットする必要がある。さらに、この吐出装置１においては、ギャップ制御機構１６により、ピエゾヘッド３０のノズル先端３１とターゲット２とのギャップＧ２をバリアブルに制御することが可能である。このため、ギャップＧ２を最小値Ｇ２ｍにセットしたときに、静電ヘッド２０のノズル先端２１がターゲット２と干渉しないようにする必要がある。したがって、静電ヘッド２０のノズル先端２１とピエゾヘッド３０のノズル先端３１との距離（オフセット）ｈは、以下の式（Ａ）を満たすように設定される。典型的な最小値Ｇ２ｍは０．５ｍｍである。
０＜ｈ＜Ｇ２ｍ・・・（Ａ）

着滴位置２８および３８のオフセットｄを求める初期設定において、カメラ１５の視野に静電ヘッド２０のノズル先端２１と、ピエゾヘッド３０から吐出された液滴の着滴点３９が捉えられていれば、静電ヘッド２０の着滴位置２８とピエゾヘッド３０の着滴位置３８とのオフセットを求めることができる。

ＣＣＤカメラ１５を、所定の角度の範囲内（たとえば４５度以内）で静電ヘッド２０のノズル先端２１がおおよそ映し出せる位置に設定し、移動テーブル（移動ステージ）１７を微調整させながら、モニタに映し出されるカメラ１５で撮像された画像の中心にノズル先端２１が写し出される様に調整して着滴位置２８を求めてもよい。ピエゾヘッド３０の着滴位置３８も、ピエゾヘッド３０により液をターゲット２に吐出した後、ターゲット２の上の液滴が、モニタに映し出されるカメラ１５の画像の中心に映し出されるように移動テーブル１７を微調整することにより求めることができる。

この吐出装置１は、吐出可能な液滴サイズが大きく異なる２種類の方式のインクジェットヘッド２０および３０を１台の吐出ヘッド（ヘッドブロック）１０に搭載し、各方式のヘッド２０および３０の吐出位置制御を正確に行うことで、２種類のヘッド２０および３０による塗り分けが可能なオンデマンドの描画装置である。ヘッドブロック１０をＺ軸方向へ動かすギャップ制御機構１６は、コントローラユニット４０またはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）５のアプリケーションにて制御可能であり、また、マニュアルでもヘッドブロック１０のＺ軸方向の位置が調整できる。

この吐出装置１は、双方の方式のヘッド２０および３０を独立させて、共通のヘッドブロック１０に搭載する。したがって、目的とする吐出量にマッチしたノズル径を有するヘッド２０および３０を複数のラインナップから選定・搭載でき、さらに、個々のヘッド２０および３０に対し独立でヘッド駆動条件を設定できる。したがって、この吐出装置１は、同一のインクジェットヘッド内にピエゾ方式および静電方式の双方が内蔵されているピエゾ・静電一体型ヘッドを搭載した装置に対して、各方式による吐出可能な液滴量の制限が緩やかである。このため、主にフェムトリットルオーダーの液滴を吐出するヘッド２０、および主にピコリットルオーダーの液滴を吐出するヘッド３０のそれぞれのノズル径や駆動条件を自在に設定および制御することにより、吐出量において自由度の高いオンデマンド描画装置を提供できる。さらに、それぞれのヘッド２０および３０の吐出位置決めを正確に行うことで、各ヘッド２０および３０の特徴を生かし、これまでインクジェット技術では難しいとされていたサイズの微細なドット形成やパターニングから、比較的大きなドット形成やパターニングまでを１台の装置で実現可能なオンデマンド描画装置を提供できる。

さらに、この吐出装置１では、ヘッド２０および３０から吐出する液材料についても、それぞれ独立にセットが可能になる。このため、同一材料をパターニングする処理以外、例えば、導電性材料による微細配線と絶縁性材料による広面積の塗り分けといった対応が容易に実現可能である。

図４に、吐出装置１のコントローラユニット４０が行う主な制御動作をフローチャートにより示している。この制御動作は、ＰＣ５に搭載されたアプリケーションにより行われてもよい。ステップ６１において、初期設定が必要であるか否かが判断される。ヘッド２０または３０を交換したとき、新しいジョブを開始するとき、適当な時間が経過したとき、新しいターゲット（ワークピース）２がセットされたとき、ユーザーが初期設定を選択したときなどが初期設定を行うことが望ましいタイミングの例である。

初期設定が必要であると判断されると、コントローラユニット４０の初期設定機能４１は、図２に示すように、ステップ６２において、ギャップ制御機構１６によりヘッドブロック（吐出ヘッド）１０の高さ（Ｚ軸方向の位置）を、ノズル先端２１とターゲット２（対象物２ｍの表面）との距離（ギャップ）が所定の値Ｇ１となるように設定する。ギャップＧ１は、コントローラユニット４０に予め設定されていてもよく、ＰＣ５から指定してもよい。さらに、ヘッドブロック１０とターゲット２との相対的位置（ＸＹ方向の位置）を、移動機構１７により静電ヘッド２０により処理する位置にセットする。ステップ６３において、カメラ１５によりノズル先端２１の位置を静電ヘッド２０の着滴位置２８として取得する。

次に、初期設定機能４１は、図３に示すように、ステップ６４において、ギャップ制御機構１６によりヘッドブロック１０の高さ（Ｚ軸方向の位置）を、ノズル先端３１とターゲット２（対象物２ｍの表面）との距離（ギャップ）を所定の値Ｇ２となるように設定する。ギャップＧ２は、コントローラユニット４０に予め設定されていてもよく、ＰＣ５から指定してもよい。さらに、ヘッドブロック１０とターゲット２との相対的位置（ＸＹ方向の位置）を、移動機構１７によりピエゾヘッド３０により処理する位置にセットする。このＸＹ方向の位置は、静電ヘッド２０により処理する位置に対して予め設定されたオフセットｄを考慮した位置である。

ステップ６５において、ピエゾヘッド３０により吐出を行い、カメラ１５により、吐出された液のターゲット２の上の着滴３９を捉えて、着滴位置３８を取得する。ピエゾヘッド３０の吐出量は静電ヘッド２０の吐出量に対して多いので、カメラ１５によりターゲット２に着弾した液滴３９を捉えることができ、着滴３９の中心位置を把握することができる。

ステップ６６において、予め設定されていたオフセットｄを、上記のステップにより得られた着滴位置２８および３８の情報に基づき補正または再設定する。

初期設定が終了すると、ステップ６７において、静電ヘッド２０およびピエゾヘッド３０のいずれかを吐出用のインクジェットヘッドとして選択する。静電力を用いて液状物質２５Ｌを吐出するための静電ヘッド２０が選択されると、ステップ７１において、ギャップ制御機構１６により静電ヘッド２０のノズル先端２１とターゲット２との距離（ギャップ）が静電方式用のギャップＧ１に設定される。ヘッドブロック１０とターゲット２とのＸＹ方向の相対的位置は、初期設定により設定されたオフセットｄと、アプリケーションから要求される描画位置（着液対象座標）とに基づき、ノズル先端２１の直下の着滴位置２８となるように計算された位置に設定される。

ステップ７２において、静電ヘッド２０の駆動条件の設定および着滴座標条件の設定が整うと吐出を許可するトリガー信号が出力され、静電ヘッドコントローラ１３は予め設定されたヘッド起動条件により液滴を吐出させる。

一方、ステップ６７において、圧力変動を用いて液状物質３５Ｌを吐出するためのピエゾヘッド３０が選択されると、ステップ７３において、ギャップ制御機構１６によりピエゾヘッド３０のノズル先端３１とターゲット２との距離（ギャップ）が圧力変動方式用のギャップＧ２に設定される。ヘッドブロック１０とターゲット２とのＸＹ方向の相対的位置は、初期設定により設定されたオフセットｄと、アプリケーションから要求される描画位置（着液対象座標）とに基づき、ヘッド３０の着滴位置３８となるように計算された位置に設定される。

ステップ７４において、ピエゾヘッド３０の駆動条件の設定および着滴座標条件の設定が整うと吐出を許可するトリガー信号が出力され、ピエゾヘッドコントローラ１２は予め設定されたヘッド起動条件により液滴を吐出させる。

図５（ａ）および（ｂ）に、吐出装置１を用いて形成した配線パターンの一例を示している。本提案の方法は、静電ヘッド２０による静電式分注と、ピエゾヘッド３０による圧力変動式のインクジェット（サーマル型でも良い）との長所を組み合わせ、微細なパターンを効率良く形成するものである。特に、低粘性の液材を用いて高精細なパターンを形成する際に有用と考えられる。パターンの作成は次にようにして行われる。

第１ステップ：パターン域と滴下域とを囲む壁の作製
静電式分注は、圧力変動を用いたインクジェットと比べ、高粘性の液材を微液滴化することが得意である。また、静電分注された液滴は、電界の集中する突起物に向かって飛んでいくため、必ず断線の無いラインを作製できる。樹脂材料の場合、数μｍ程度のラインを描くことができる。したがって、まず、静電ヘッド２０により、平面基板の上に樹脂のラインを形成し、滴下域８２とパターン域８５とを囲む壁（バンク）８６を構築する。

第２ステップ：壁材の固化
ＵＶ硬化樹脂の場合はＵＶ照射、熱硬化樹脂の場合は過熱して壁材８６を固化させる。

第３ステップ：滴下域に液材を塗布
圧力変動式のインクジェットは、静電式分注と比べ、低粘性の液材を多量に塗布することが得意である。そのため、このステップでは、液材を、壁により囲まれた滴下域８２とパターン域８５に流し込む量だけをインクジェットで滴下域８２に塗布する。液材が毛細管現象で広がっていくときに時間を要するため、液材は蒸散性の低いものを選定することが好ましい（例えばテトラデカン）。

第４ステップ：塗布された液材が滴下域８２、さらに毛細管力でパターン域８５にも広がり、微細なパターンが簡便に形成される。

図５（ａ）および（ｂ）に示した配線パターン８１は、上記の方法により製造されたものである。まず、この配線パターン８１は、図５（ａ）に断面図で示すように、配線基板８９の表面をターゲット２として、まず、静電ヘッド２０から吐出された液滴２９によりバンク８６を形成する。バンク８６を形成するのに適した液は、たとえば、粘度１０００ｃｐｓ程度の紫外線硬化樹脂である。静電ヘッド２０を用いることにより幅５μｍ程度のバンク８６を幅１０μｍ程度の配線用の隙間（パターン域）８５を開けて形成できる。配線用の隙間８５と連通するように直径または対角線の長さが３０〜５０μｍの円形または四角形の着滴用の領域（滴下域）８２をバンク８６により囲うように形成する。バンク８６の紫外線硬化樹脂に対して、ＵＶランプにより紫外線を照射するなどの硬化処理を行う。

次に、ピエゾヘッド３０により、着滴用の領域８２に配線用の導電性の機能液を吐出する。着滴用の領域８２にピエゾヘッド３０により直径が数１０μｍ程度の液滴を塗布することにより、着滴用の領域８２から毛細管現象により導電性機能液が配線用の隙間８５に広がり（流れ込み）、幅１０μｍ程度の配線パターン８１を形成することができる。

図６（ａ）および（ｂ）に、静電ヘッド２０の着滴位置とピエゾヘッド３０の着滴位置とを確認するための異なる構成を示している。この例では、移動機構である移動テーブル１７の端にアライメント調整エリアを設け、ターゲット２の代わりに着滴対象となる光透過型の校正スケール９１と、反射ミラー９２と、反射ミラー９２を介して校正スケール９１を裏側から観察できるように配置されたアライメント調整用のカメラ９３とを設けている。カメラ９３の画像を映し出すモニタには、ノズル先端および液滴の画像を正確に中心位置に設定するために十字線などを出しておくことが望ましい。

図６（ａ）にヘッドブロック１０を下から見た様子を示すように、テーブル観察用カメラ１５と、静電ヘッド２０のノズル先端２１と、ピエゾヘッド３０のノズル先端３１とはほぼ直線になるようにヘッドブロック１０に搭載されている。まず、移動テーブル１７を動かしてテーブル観察用カメラ１５の中心位置を、校正スケール９１を介して確認する。カメラ１５に落射照明光の光源を設け、照明光が校正用スケール９１の中心に来る様に移動テーブル１７のＸＹ軸を調整することができる。テーブル観察用カメラ１５の位置をＰＣ５のアプリケーション上などで記録する。次に、移動テーブル１７を静電ヘッド２０のノズル先端２１に移動し、校正スケール９１を介してノズル先端２１の位置を確認し、テーブル観察用カメラ１５との相対位置を補正する。ピエゾヘッド３０についても同様の作業を繰り返す。校正スケール９１がリプレースしたり、クリーニングできるタイプであれば、ピエゾヘッド３０においては、実際に校正スケール９１に液を吐出し、その着滴位置を確認することができる。

図７に、吐出装置の異なる例を示している。この吐出装置１は、同一のインクジェットヘッドにピエゾ方式および静電方式の双方が内蔵されているピエゾ・静電一体型ヘッド（一体型ヘッド）５０を搭載したヘッドブロック１０を備えている。一体型ヘッド５０は、タンク５５に収納された液５５Ｌを静電方式で吐出するための電極２３と、圧力変動により吐出するためのピエゾアクチュエータ３３とを含む。ピエゾアクチュエータ３３は、ノズル５２の内部を加圧することにより液５５Ｌを吐出する方式と、ノズル５２の内部を負圧にした反動、いわゆる引き打ちで液５５Ｌを吐出する方式とのいずれにも用いることができる。吐出装置１の他の構成について、上記に説明した吐出装置と共通する部分は同じ番号を付している。

この吐出装置１においても、一体型ヘッド５０により静電方式で液５５Ｌを吐出するときは、ギャップ制御機構１６により、ヘッドブロック１０をターゲット２に近づけて、ヘッド５０のノズル先端５１とターゲット２との間を静電方式に適したギャップＧ１に設定する。これにより、静電方式によりフェムトリットル程度の液滴がターゲット２に確実に形成できるようにする。また、一体型ヘッド５０により圧力変動方式で液５５Ｌを吐出するときは、ギャップ制御機構１６により、ヘッドブロック１０をターゲット２から後退させて、ヘッド５０のノズル先端５１とターゲット２との間を圧力変動方式に適したギャップＧ２に設定する。これにより、圧力変動方式よりピコリットル程度の液滴がターゲット２に確実に形成できるようにする。また、吐出装置１は、それぞれの方式で吐出したときの着滴位置を確認し、オフセットｄを設定するためのカメラ１５を備えている。

一体型ヘッド５０は、静電方式により液を吐出することと、圧力変動方式により液を吐出することに加え、静電アシストまたは圧力変動アシスト方式により液を吐出することが可能である。圧力変動アシスト方式であれば、ノズル先端５１にテーラーコーンに近い状態まで圧力変動により液面を盛り上げることにより、静電方式による吐出効率を向上できる。静電アシスト方式であれば、圧力変動のみではノズル先端５１から分離されないような液柱であっても静電力によりターゲット２に向けて射出できる。これらの方式は、いずれも静電力が作用するので、基本的にはノズル先端５１とターゲット２とのギャップは静電方式のギャップＧ１にセットすることが望ましい。しかしながら、それぞれに方式にさらに適したギャップの値が事前に判明していれば、この吐出装置１においては、ギャップ制御機構１６により、それぞれの方式の選択に応じて、ノズル先端５１とターゲット２とのギャップをバリアブルに制御することが可能である。

なお、以上の吐出装置１および吐出ヘッド（ヘッドブロック）１０においては、静電ヘッド２０およびピエゾヘッド３０を各１セットずつ搭載しているか、または、一体型ヘッド５０を１セットだけ搭載している例を示している。このような吐出装置１は、各ヘッドから吐出される液滴の着座あるいは着弾位置（着滴位置）を事前に確認することにより、高い位置精度で描画したり、分注したりすることが可能であり、高精細な処理が必要とされるアプリケーションに適している。また、高精細な処理が必要とされるシステムに吐出装置１を組み込むことが可能である。

また、圧力変動方式のヘッドとしてピエゾヘッド３０を例に説明しているが、気泡によりノズル内を加圧するタイプなどの他のインクジェットヘッドを採用することも可能である。さらに、一体型ヘッドと、静電ヘッドまたはピエゾヘッドとをヘッドブロック１０に搭載したり、一体型ヘッド、静電ヘッドおよびピエゾヘッドをヘッドブロック１０に搭載したりすることも可能である。

吐出装置は、静電ヘッド２０およびピエゾヘッド３０を複数セット搭載したり、一体型ヘッド５０を複数セット搭載することも可能である。この装置においても、静電方式で吐出するときは、吐出ヘッド（ヘッドブロック）をターゲットに近づけることにより、フェムトリットル程度の液滴をターゲットに吐出し、圧力変動方式で吐出するときは、吐出ヘッドをターゲットから後退させることにより、ピコリットル程度の液滴をターゲットに吐出するという処理を１つの吐出装置で実行できる。したがって、ターゲットを乗せ換えたりすることなく、異なる大きさの複数の液滴を１つの装置内で並列に塗布、描画または分注したりすることが可能となる。

１吐出装置、１０吐出ヘッド（ヘッドブロック）
２０静電ヘッド、３０ピエゾヘッド

Claims

静電力を用いてノズルの先端より液状物質を吐出するための電極と、前記ノズルまたは他のノズルの内部圧力の変動を用いて前記ノズルまたは前記他のノズルの先端より液状物質を吐出するためのアクチュエータとを含む吐出ヘッドと、
前記吐出ヘッドのノズルから吐出された液状物質が到達するターゲットと前記吐出ヘッドとを相対的に第１の方向に動かし、前記ターゲットと前記ノズルの先端または前記他のノズルの先端とのギャップを制御するためのギャップ制御機構であって、前記静電力を用いて液状物質を吐出することが選択されると前記ギャップを第１の値にセットし、前記内部圧力の変動を用いて液状物質を吐出することが選択されると前記ギャップを、前記第１の値より大きな第２の値にセットするためのギャップ制御機構と、
前記ギャップが前記第１の値にセットされたときの前記ノズルの先端を観察するためのカメラと、
前記吐出ヘッドおよび／または前記ターゲットを前記第１の方向と異なる第２の方向に相対的に移動するための移動機構と、
前記ターゲットに対する前記ギャップが前記第１の値にセットされたときの前記ノズルの先端の位置と、前記ギャップが前記第２の値にセットされたときの前記ターゲットへの着滴とを前記カメラにより観察し、前記ギャップが前記第１の値にセットされたときの着滴位置と、前記ギャップが前記第２の値にセットされたときの着滴位置とのオフセットを求める機能とを有する装置。
請求項１において、前記カメラは、前記ギャップ制御機構とは非連動である、装置。
請求項１または２において、前記ノズルはキャピラリータイプである、装置。
静電力を用いてノズルの先端より液状物質を吐出するための電極と、前記ノズルまたは他のノズルの内部圧力の変動を用いて前記ノズルまたは前記他のノズルの先端より液状物質を吐出するためのアクチュエータとを含む吐出ヘッドと、
前記吐出ヘッドのノズルから吐出された液状物質が到達するターゲットと前記吐出ヘッドとを相対的に第１の方向に動かし、前記ターゲットと前記ノズルの先端または前記他のノズルの先端とのギャップを制御するためのギャップ制御機構であって、前記静電力を用いて液状物質を吐出することが選択されると前記ギャップを第１の値にセットし、前記内部圧力の変動を用いて液状物質を吐出することが選択されると前記ギャップを、前記第１の値より大きな第２の値にセットするためのギャップ制御機構とを有し、
前記吐出ヘッドは、前記静電力を用いて液状物質を吐出するための第１のノズルと、前記第１のノズルとは異なる第２のノズル内の圧力変動により液状物質を吐出するための第２のノズルとを含み、
前記第２のノズルの先端は、前記ターゲットに対して、前記第１のノズルの先端より後退しており、前記第１のノズルの先端と前記第２のノズルの先端との距離ｈは、以下の式を満たす、装置。
０＜ｈ＜Ｇ２ｍ
ただし、Ｇ２ｍは、前記第２の値の最小値である。
請求項４において、前記第１のノズルはキャピラリータイプである、装置。
請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記吐出ヘッドは、前記静電力を用いて液状物質を吐出可能であるとともに、ノズル内の圧力変動により液状物質を吐出可能な第３のノズルを含む、装置。
静電力を用いてノズルの先端より液状物質を吐出するための電極、および、前記ノズルまたは他のノズルの内部圧力の変動を用いて前記ノズルまたは前記他のノズルの先端より液状物質を吐出するためのアクチュエータを含む吐出ヘッドと、前記吐出ヘッドのノズルから吐出された液状物質が到達するターゲットと前記吐出ヘッドとを相対的に第１の方向に動かし、前記ターゲットと前記ノズルの先端または前記他のノズルの先端とのギャップを制御するためのギャップ制御機構とを有する装置を制御する方法であって、
前記静電力を用いて液状物質を吐出することが選択されると、前記ギャップ制御機構により、前記ギャップを第１の値にセットすることと、
前記内部圧力の変動を用いて液状物質を吐出することが選択されると、前記ギャップ制御機構により、前記ギャップを前記第１の値より大きな第２の値にセットすることとを有し、
前記装置は、前記ギャップが前記第１の値にセットされた前記ノズルの先端を観察するためのカメラと、前記吐出ヘッドおよび／または前記ターゲットを前記第１の方向とは異なる第２の方向に相対的に移動するための移動機構とをさらに有し、
当該方法は、前記カメラにより前記ターゲットに対する前記ギャップが前記第１の値にセットされたときの前記ノズルの先端の位置と、前記ギャップが前記第２の値にセットされたときの前記ターゲットへの着滴とを観察し、前記ギャップが前記第１の値にセットされたときの着滴位置と、前記ギャップが前記第２の値にセットされたときの着滴位置とのオフセットを求めることをさらに有する方法。