JP6532052B2 - インクジェット装置 - Google Patents

Description

本発明はインクジェット装置に関し、詳しくは、エレクトロニクスデバイス製造に用いられるインクジェット装置に関する。

印刷型エレクトロニクス（プリンテッドエレクトロニクス、プリンタブルエレクトロニクスとも呼ばれる）は、従来のシリコンを用いたエレクトロニクスと比較して、低コストかつ低環境負荷な新しいエレクトロニクス分野として発展が期待されている。
その中でも、特にインクジェット技術は、非接触であることから被印刷物（「ワーク」と呼ぶ）の材質を選ばず、かつ機能性材料をオンデマンドで無駄なくパターニングできる技術であることから、印刷型エレクトロニクス分野への応用が期待されている。

インクジェット技術は、インクを微小な液滴にして打ち出す（この動作を「吐出」と呼ぶ）ことができるインクジェットヘッド（「ヘッド」と呼ぶ）を、ワークに近接させて、ヘッドまたはワークを動かしながらインクの吐出を制御し、パターニングを行う。
ここで、ヘッドとワークを近接させる必要があることから、通常、ワークは平坦なものが用いられるが、ヘッドを多軸型ロボットに取り付けることにより、三次元的な曲面を有するワーク（「三次元ワーク」とよぶ）にも印刷できるようにする技術も公開されている。（特許文献１〜３）

特開２０１４−１１１３０７号公報 特表２０１１−５１４２３４号公報 特開２００９−１１３０３３号公報

ところで、インクジェット印刷における印刷品質は、着弾径、および着弾精度、の２点に主に依存する。
前記着弾径は、インクが吐出されるときの液滴の径に依存し、小さければ小さいほど緻密で高品位な印刷結果が得られる。また、前記着弾精度は、一般的に、インクが吐出されるときの液滴が有する運動エネルギーが大きいほど高い。なぜならば、液滴の運動エネルギーが大きい（質量および速度が大きい）ほど、空気中を真っ直ぐに飛翔する距離が長くなるため、意図した位置にインクを着弾させることができるためである。
ここで、液滴径が小さいと、着弾径は小さくなるが運動エネルギーも小さくなるので、液滴が空気中を真っ直ぐに飛翔する距離が短くなってしまう。これは、ヘッドとワークの間の距離（「ワーキングディスタンス」と呼ぶ）を短くしなければならないということを意味する。一般的な平面ワーク用のインクジェットヘッドは、ワーキングディスタンスは短くても問題ないため、液滴を微小化しやすいドロップオンデマンド（ＤｏＤ）型が採用され、着弾径を小さくすることで印刷品質を向上させることが基本的な技術思想である。

特許文献１および２では、ヘッドを多軸型ロボットに取り付けることで、三次元ワークにもインクジェット印刷できることが示されている。
しかしながら、インクジェットヘッドの方式に関する記載はなく、上記のワーキングディスタンスの問題については全く不明である。仮に、一般的な平面ワーク用のＤｏＤ型のインクジェットヘッドを利用することを仮定した場合、市販のヘッドはこのような用途は想定されていないため、ワーキングディスタンスは通常、かなり短い（典型的には１ｍｍ以下）。
この場合、曲面では局所的にワーキングディスタンスが長くなってしまう箇所がどうしても存在してしまうため、結果的に着弾位置ずれが発生しやすくなる。印刷型エレクトロニクスの場合、たった一箇所の着弾位置ずれであっても、電気的な短絡または断線となり、その結果、エレクトロニクス素子全体の機能不全を引き起こすため、この問題は深刻である。

特許文献３では、多軸型ロボットにコンティニュアス型インクジェット（ＣＩＪ）を取り付けた例が開示されている。このＣＩＪ型は、インクに圧力をかけてノズルから高速で飛び出させ、その後液滴に分割した後、高電界で液滴の軌道を曲げて着弾位置を調整する方式であるため、ワーキングディスタンスは原理的に十分確保できる。
しかし、ＣＩＪ型は着弾径が一般的に大きく（典型的には１ｍｍ程度）、印刷型エレクトロニクスに要求される、精度の高い印刷には不向きである。さらに、ＣＩＪ型は、インク液滴を帯電させる必要があること、大気中を常に循環させることによるインクの性質変化に対する対策が必要であること等、使用されるインクに要求される条件がＤｏＤ型よりはるかに厳しいため、印刷エレクトロニクスに適したＣＩＪ型インクジェット用インクを開発することは至難であることが実情である。

すなわち、従来の技術にあっては、三次元ワークに、印刷エレクトロニクスで要求される高い印刷品質でインクジェット印刷を行うことができないという技術的課題があった。

本発明者らは、上記技術的課題を解決するために、次のような技術思想に基づき、鋭意研究を重ねた。
すなわち、着弾径の小ささと、着弾精度の高さを両立するために、液滴を小さくした上で、速度を上げるという技術思想である。
その結果、三次元ワークに、印刷エレクトロニクスで要求される高い印刷品質でインクジェット印刷を行うことができる装置の発明を想到するに至ったものである。

本発明は、このような情況のもとでなされた発明であり、印刷エレクトロニクスで要求される高い印刷品質のインクジェット印刷が行えるインクジェット装置を提供することを目的とするものである。

本発明にかかるインクジェット装置は、プッシュ式インクジェットヘッド、インクタンク、圧力制御部を備えるインク吐出ユニットが、多軸型ロボットの先端部に取り付けられ、前記多軸型ロボットは、前記インクジェットヘッドの高さ、水平面内位置、および傾斜をそれぞれ独立して制御できる機能を有し、前記インクタンクは、前記インクジェットヘッドにインクを供給し、前記圧力制御部は、前記多軸型ロボットの動作状態に従って前記インクタンクに加えられる圧力を制御する機能を有する、インクジェット装置であって、前記インクタンクがシリンジであり、かつ、前記圧力制御部が、前記シリンジのピストンのハンドル部分をつかんで動かす機構であり、前記多軸型ロボットの動作状態に従って、前記インクタンクの容積を変化させることを特徴としている。
尚、プッシュ式インクジェットヘッドは、圧電素子式インクジェットヘッドを意味している。

本発明によれば、三次元ワークに、印刷エレクトロニクスで要求される高い印刷品質でインクジェット印刷を行うことができる。
本発明によって、ワークの材質を選ばないというインクジェット印刷技術の利点がさらに拡張され、様々な形状のワークに、例えば、直接電子回路を印刷することが実現される。
本発明は様々な技術分野に応用が可能であるが、代表的な例を一例挙げれば、ガラスや射出形成樹脂等の曲面を有する車載部品に対して電子回路を直接形成する技術分野が、市場も大きく有望である。

本発明にかかる第１実施形態の外観を説明する図。 図１に示したインクジェット吐出ユニットの構成を示す概略構成図。 図２に示したプッシュ式インクジェットヘッドの構成を示す概略構成図。 本発明の第２実施形態にかかるインクジェット吐出ユニットの構成を示す概略構成図。 本発明にかかる第３実施形態の外観を説明する図。 図５に示すインクジェット吐出ユニットの構成を示す概略構成図。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、ここで説明される実施の形態は、本発明にかかる技術思想を具体化し説明を容易にするためになされるものであって、形態を限定するものではない。また、本発明にかかる技術思想の範囲内で、これから説明される全ての技術要素は、適宜組み合わせることができる。
（第１実施形態）

本実施の形態では、本発明にかかる最も基本的な技術要素群およびそれらの相互の関係性について説明する。
本発明にかかる最も基本的な技術要素は、図１および図２に示すように、多軸型ロボット１と、プッシュ式インクジェットヘッド２と、インクタンク３と、圧力制御部４である。本実施形態の説明においては、本発明にかかる技術思想の一例として、プッシュ式インクジェットヘッド２、インクタンク３、および圧力制御部４をまとめてインクジェット吐出ユニット５を形成し、そのインクジェット吐出ユニット５を多軸型ロボット１の先端部に取り付ける形態を取り上げる。
すなわち、プッシュ式インクジェットヘッド２は、インクジェット吐出ユニット５を介して多軸型ロボット１に接続される形となっているが、本発明は特にこの構成に限定されるものでなく、例えば、多軸型ロボット１に直接、接続されるものであっても良い。

更に具体的に、図１を参照して、多軸型ロボット１の各部について説明する。前記多軸型ロボット１は、台座部１０、第１の回転軸１１、第２の回転軸１２、第３の回転軸１３、第４の回転軸１４、第５の回転軸１５、第６の回転軸１６、およびインクジェット吐出ユニット５を有している。
なお、本実施形態における装置構成の意図は、インクジェット吐出ユニット５の高さ、水平位置、および傾斜をできるだけ自由に設定できるようにするためのものであるので、軸数をこれより多くすれば、より高い自由度で位置決めを行うことができるので、好ましい。また、回転機構だけではなく、適宜直動機構に置き換えまたは追加することもできる。一方、軸数を少なくすれば、それだけ位置決めが簡単になり、さらに装置のコストを低減することができるので、好ましい。このように、装置構成は、印刷対象や印刷の目的に合わせて、適宜変更することができる。

次に、図２を参照して、本実施の形態におけるインクジェット吐出ユニット５の各部について説明する。
前記インクジェット吐出ユニット５は、プッシュ式インクジェットヘッド２、インクタンク３、および圧力制御部４を有する。
前記プッシュ式インクジェットヘッド２は、インクジェット吐出ユニット５の先端に取り付けられ、インクをワークに吐出する機能を持つ。
前記インクタンク３は、プッシュ式インクジェットヘッド２と接続され、プッシュ式インクジェット２にインクを供給する機能を持つ。
前記圧力制御部４は、インクタンク３と接続され、多軸型ロボット１の動作状態に合わせてインクタンク３にかけるガス圧を調整する機能を持つ。

本実施の形態におけるインクジェット吐出ユニット５の動作機構は、次のようなものである。
まず、プッシュ式インクジェットヘッド２は、その吐出状態がインクの供給圧力に大きく影響を受けるものであるため、インクの供給圧力は制御されるべきものである。本実施の形態で説明する装置構成は、インク供給圧力の制御手段として、ガス圧を利用した場合の例である。

前記インクの供給圧力は、インクタンク３が密閉系であっても、インクタンク３内の液面と、プッシュ式インクジェットヘッド２のノズルの高さの差によって、若干の影響を受ける。
この高さの差は、インクジェット吐出ユニット５の傾斜に対して変化するため、圧力制御部４は、多軸型ロボット１の動作状態から割り出したインクジェット吐出ユニット５の傾斜量に対し、最適な値となるようにインクタンク３に供給するガス圧を制御する。
これによって、プッシュ式インクジェットヘッド２は、インクジェット吐出ユニット５の傾斜によらず、安定したインク吐出が可能となる。

尚、前記インクタンク３は、インクジェット吐出ユニット５の傾斜によらず、常に水平を保つ機構を有することができる。これにより、インクジェット吐出ユニット５の傾斜が変化しても、プッシュ式インクジェットヘッド２の安定したインク吐出が可能となる。
また、前記圧力制御部４は、インクジェット吐出ユニット５の傾斜に対する制御だけではなく、任意のタイミングで任意の圧力に調整できる機能を持っていても良い。特に、任意のタイミングで加圧することができるようにすれば、プッシュ式インクジェットヘッド２のノズルクリーニングやエア抜き等、装置を実際に使用する上で好ましい機能を実装することができる。

次に、本発明にあっては、プッシュ式インクジェットヘッド２が用いられる点に特徴がある。本発明は、前記したように、着弾径の小ささと着弾精度の高さを両立するために、液滴を小さくした上で、速度を上げるという技術思想に基づくものである。
この思想のもとで、三次元ワークに対する最適なインクジェット方式について鋭意研究を行った結果、プッシュ式インクジェットヘッドが最適であるという結論を得たものである。このプッシュ式は、ピストン式とも呼ばれ、ＤｏＤ型インクジェットの一つに分類されている。プッシュ式インクジェットヘッドの特徴は、液滴を押し出す力を大きくしやすいこと、およびその力を効率的に液滴に乗せることができる点である。

前記プッシュ式インクジェットヘッド２の詳細な構成について、図３に基づいて説明する。
図３は、本発明にかかるプッシュ式インクジェットヘッド２の構造を示しており、本発明にかかるプッシュ式インクジェットヘッド２は、オリフィス２１と、インク貯留部２２と、隔壁２３と、圧電素子２４とを有する。

そして、我々はさらに、第１の特徴である「力の大きさ」について、圧電素子２４の形状により得られることを見出した。
即ち、圧電素子２４は、電圧を印加したときに、長辺方向が最も大きく変位するように、隔壁２３の反対側で固定される構造となっている。
そして、その変位量は、圧電素子２４が長いほど大きくなり、圧電素子２４の最長辺の長さが最短辺の長さの５倍以上である直方体の形状である場合に、本発明にかかる装置において十分な力を有する。

そして、第２の特徴である「力を効率的に液滴に乗せること」については、図２に示すように、圧電素子２４と、隔壁２３と、インク貯留部２２と、オリフィス２１が、同じ直線上に配置されることに起因する。
即ち、圧電素子２４で得られた力は、隔壁２３を通じてインク貯留部２２に伝えられ、インク貯留部２２内を圧力波として伝播し、オリフィス２１を通じて、液滴を飛翔させる運動エネルギーとなる。このとき、圧電素子２４と、隔壁２３と、インク貯留部２２と、オリフィス２１が、同じ直線上に配置されることによって、圧電素子２４で発生した力が効率よく液滴に伝えられる。
逆に、たとえば、それぞれが同じ直線上になかったとした場合、発生した圧力波はインク貯留部２２の内部で反射、減衰を繰り返してオリフィス２１に到達することになり、その分、液滴に与える運動エネルギーは小さくなり、好ましくない。

このように、圧電素子２４で発生した力が効率よく液滴に与えられるようにした上で、オリフィス２１の径を小さくすることで、液滴径が小さく、かつ速度を上げることができる。
具体的には、液滴径を小さくできることにより、着弾径は１００μｍとすることができ、同時に、液滴速度を早くできることにより、かつワーキングディスタンスを３０ｍｍ以上とすることができる。
ここで、着弾径、およびワーキングディスタンスをそれぞれ独立して従来技術と比較すると、それぞれそれほど優れた値ではないかもしれない。しかし、本発明のように、この２つを両立することができることこそが重要である。

なお、図２に示すようなインクジェッットヘッドの構造は、インク貯留部２２が存在することにより、同一ヘッドに複数のノズルを並べる場合には、ノズル間距離を短くすることが難しく、微細化の観点から見ると一見不利であるように見えるため、これまであまり省みられなかった構造である。
しかし、この構造こそが、着弾径の小ささと着弾精度の高さを両立することを可能とし、三次元ワークに対する印刷エレクトロニクスを実現する優れたソリューションとなる。
（第２実施形態）

この第２の実施形態においては、インク供給圧力に関する別の方法について説明する。
第１実施形態においては、インクタンク３内に充填されたガスの圧力を制御することで、インクの供給圧力を制御する例を示したが、この第２の実施形態では、インクタンク３の容積を変化させることで、インクの供給圧力を制御することに特徴がある。
すなわち、インクの供給圧力を制御するためにガス圧を介さず、直接インクの圧力を制御することが、第２の実施形態における技術思想である。
したがって、これから示す装置構成は、上記技術思想を実現するための具体例の一つに過ぎず、実際に装置を構成する際には、上記技術思想を逸脱しない範囲内で、他の様々な構成をとることができることは明らかである。

本実施の形態における技術思想は、インクジェット吐出ユニット５を、例えば図４に示すような構成とすることで具体化される。
すなわち、インクジェット吐出ユニット５は、プッシュ式インクジェットヘッド２と、インクタンク３と、圧力制御部４と、を有し、インクタンク３は、プッシュ式インクジェットヘッド２にインクを供給する機能を有し、圧力制御部４は、多軸型ロボット１の動作状態に従って、インクタンク３の容積を変化させる機能を有する。
さらに具体的には、インクタンク３はシリンジであり、圧力制御部４は、シリンジのピストンのハンドル部分をつかんで動かす機構とすることができる。

このような構成とすることで、ガスを介さずに直接インクの圧力を制御することができるので、インク供給圧力を精度よく制御することが可能となる。
さらに、三次元ワークに印刷するために、インクジェット吐出ユニット５が多軸型ロボット１の動きに合わせて動き、かつ様々な傾斜角度となることを鑑みると、インクタンク３の内部が全てインクで満たされることは、多軸型ロボット１の動きによってインクがかき回されることを最小限に抑えることができるため、好ましい。
さらに、複雑な制御機構を用いることなく、直動部品だけで圧力制御部４を構成できる点でも有利である。
（第３実施形態）

第３の実施形態においては、インク供給圧力に関するさらに別の方法について説明する。
第３の実施形態では、プッシュ式インクジェットヘッド２と、インクタンク３の高さの差を、多軸型ロボット１の動作状態に従って制御することに特徴がある。すなわち、インクの供給圧力を制御するために、大気圧を利用することが、本実施の形態における技術思想である。
したがって、これから示す装置構成は、上記技術思想を実現するための具体例の一つに過ぎず、実際に装置を構成する際には、上記技術思想を逸脱しない範囲内で、他の様々な構成をとることができることは明らかである。

この第３実施形態は、前記インクジェット吐出ユニット５を、例えば図６に示すような構成とし、同時に、多軸型ロボット１を、例えば図５に示すような構成とすることで具体化される。
すなわち、インクジェット吐出ユニット５は、プッシュ式インクジェットヘッド２を有し、インクタンク３は、プッシュ式インクジェットヘッド２にインクを供給する機能を有し、圧力制御部４は、床面または多軸型ロボット１の側面に取り付けられ、多軸型ロボット１の動作状態に従って、インクタンク３を昇降させる機能を有する。
なお、圧力制御部４が取り付けられる位置は、多軸型ロボット１の動きによって高さが変化しない位置であることが好ましい。具体的には、床面、台座部１０、第１の回転軸１１により回転する部分の側面、等である。これにより、多軸型ロボット１がどのような動作状態であっても、インクタンク３を最適な高さに設定することができる。

このような構成とすることで、ガスや液体の圧力を制御する機構を用いずに、簡便に装置を構成することが可能となる。
さらに、インクタンク３がインクジェット吐出ユニット５の外に配置されることで、インク残量の確認やインクの補充等が簡便に行えることが、この構成の大きな利点となる。

１・・・多軸型ロボット
２・・・プッシュ式インクジェットヘッド
３・・・インクタンク
４・・・圧力制御部
５・・・インクジェット吐出ユニット
１０・・・台座部
１１・・・第１の回転軸
１２・・・第２の回転軸
１３・・・第３の回転軸
１４・・・第４の回転軸
１５・・・第５の回転軸
１６・・・第６の回転軸
２１・・・オリフィス
２２・・・インク貯留部
２３・・・隔壁
２４・・・圧電素子

Claims (1)

1. プッシュ式インクジェットヘッド、インクタンク、圧力制御部を備えるインク吐出ユニットが、多軸型ロボットの先端部に取り付けられ、
   前記多軸型ロボットは、前記インクジェットヘッドの高さ、水平面内位置、および傾斜をそれぞれ独立して制御できる機能を有し、
   前記インクタンクは、前記インクジェットヘッドにインクを供給し、
   前記圧力制御部は、前記多軸型ロボットの動作状態に従って前記インクタンクに加えられる圧力を制御する機能を有する、インクジェット装置であって、
   前記インクタンクがシリンジであり、
   かつ、前記圧力制御部が、前記シリンジのピストンのハンドル部分をつかんで動かす機構であり、前記多軸型ロボットの動作状態に従って、前記インクタンクの容積を変化させることを特徴とするインクジェット装置。

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