JP2006000770A

JP2006000770A - インクジェット方式薄膜塗布装置

Info

Publication number: JP2006000770A
Application number: JP2004180755A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Tamahashi; 邦裕玉橋; Akiyoshi Ouchi; 明美大内; Tsutomu Maekawa; 勉前川; Hidetoshi Fujii; 秀俊藤井
Original assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】
本発明の課題は、複数のノズルから噴射される液滴質量若しくは飛翔速度を迅速に均一にする薄膜塗布装置を提供することである。
【解決手段】
本発明は、電極を、表面に付着する物質の質量によって共振周波数が変化する水晶振動子で構成し、該水晶振動子によりインクジェットノズルから噴射される液滴により薄膜を塗布するインクジェト方式薄膜塗布装置において、前記液滴質量もしくは液滴速度を計測する手段を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェットプリンタの液滴飛翔特性評価法に係り、特に、液滴質量、速度を短時間で計測／補正し、複数のノズルから噴射される液滴特性の均質化を図ることを可能にする薄膜塗布装置に関するものである。

インンクジェットプリンタの分野では、民生用のプリンタ用途が一段落し、現在は応用技術として産業用に目が向けられている。即ち、微小液滴＋高精細というインクジェットの持つ特性を引き出すべく、従来、スクリーン印刷、グラビヤ印刷で行われてきた刷版印刷による薄膜形成法をインクジェットで無版印刷で達成しようとする流れである。インクジェットで達成するためにはいくつかの課題があることがわかってきた。その１つが“インク液滴量の短時間に適正液量に揃える技術の開発”である。インクジェット方式は、インク滴（本発明で言うインクとは、インクジェット方式で噴射される液滴を主に対象にしているが、他の方式から分注される液滴であっても同定義とする）を吐出する複数のノズル孔と、該ノズル孔が連通するインク室と、該インク室を加圧するための圧電素子或いは加熱素子等のアクチュエータとから構成され、記録信号が入力された時にノズル孔からインク滴を吐出させてメディアに記録させるものである。微小径ノズル孔から液滴化したインク滴を吐出させて記録を行うため、アクチュエータの特性ばらつき、ノズル孔の形状、精度がインク滴の飛翔特性に影響を与えることが知られている。そのため、噴射される液滴の質量、吐出速度等にばらつきがでて、所望の面積に塗布する場合、白筋や凹凸が出来る。従って、各ノズル間の特性を限られた範囲に修正することが必要となる。従来の方法としては、秤により、秤の精度より十分大きな質量になるまで噴射し、液滴をびん等に捕集して全噴射液滴を秤量して平均の液滴質量を算出していた。従って、質量測定までに時間を要し、その間にインク液滴が蒸発する懸念があった。また、多数ノズルの評価にも長時間を必要とするため、迅速修正が困難であった。他方、微小量の質量を計測する手段としては、真空蒸着や文献１に見られるようにめっき分野で検討されている膜厚モニタがある。

直井：表面技術４３（５）、（１９９２）ｐｐ３９９−４０３

本発明の課題は、複数のノズルから噴射される液滴質量若しくは飛翔速度を迅速に均一にする薄膜塗布装置を提供することである。

本発明は、電極を、表面に付着する物質の質量によって共振周波数が変化する水晶振動子で構成し、該水晶振動子によりインクジェットノズルから噴射される液滴により薄膜を塗布するインクジェト方式薄膜塗布装置において、前記液滴質量もしくは液滴速度を計測する手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、計測方式を採用すると複数ノズルから噴射される液滴重量、速度を均一にすることができるので、所定の面積に膜厚を均一にできるという利点がある。

以下に、本発明を実施例に基づいて説明する。

本実施例では、図１に示す理想的な構成をもつシステムを説明する。まず、本発明の骨格となる微小質量測定法の原理を説明する。文献１に示されるように、本方式の原理はＧ．Ｓａｕｅｒｂｒｅｙによって解明されていて、周波数変化と質量変化の関係は（１）式で与えられる。

ΔＦ＝２Ｆｏ^２×Δｍ／（Ａ√μｐ）・・・・・・（１）
ここで、
△Ｆ：周波数変化量、
Ｆｏ：基本周波数でＡＴカットした水晶振動子を用いた場合は、厚みをｔとすると
Ｆｏ＝１６７０／ｔ
で与えられる。

Δｍ：振動子に付着する液滴の質量、
Ａ：水晶振動子の面積、
μ ：水晶のせん断応力、
ｐ：水晶の密度
である。

例えば、厚み０．１８ｍｍ、φ５ｍｍの振動子を用いた場合、Ｆｏ＝９ＭＨｚで、ΔＦ＝１Ｈｚ当りの質量は１．０７ｎｇと計算でき、現行のインクジェットで用いられている微小液滴量の数十ｎｇを計測できる。

本実施例では、更に微小の質量まで測定できるように水晶振動子１の直径をφ２まで小さくした。従って、約０．２ｎｇまで秤量できるように精度を向上させている。このような、水晶振動子１をインクジェットヘッド２の直下に配置し、３軸＋Θの微調整が可能な移動テーブル３にとりつけた。なお、レーザ距離計８を備えてヘッド２と水晶振動子１表面との距離の計測が可能である。

本実施例のインクジェット２は、圧電アクチュエータ（以下、ＰＺＴという。）５で駆動する方式を採用してあり、駆動パルス波形を生成する電源７がとりつけられている。まず、ＰＺＴ５を駆動してインクジェットから液滴６を噴射させる。ノズル直下に正確に位置決めされた水晶振動子１に前記液滴６が着弾する。すると、水晶振動子１には周波数の変化が生じ、図２の様に１滴の質量が曲線９のように計測される。このようにして、液滴６の吐出周波数に同期（実際には周波数の逆数で表される時間周期）して質量が次々に曲線１０１１の様に計測されていく。なお、液滴速度は次のようにして求められる。ＰＺＴ５の駆動パルスと計測計とを遅延回路で連結しておくと、振動子１表面への液滴６の先頭が接触するまでの時間が測定できるので、予めレーザ測長計で計測しておいたノズル−水晶振動子間距離から液滴６の飛行速度を算出出来る。

本計測法の付加的利点としては、図２の曲線１２に示されるように、着弾した液滴の質量が蒸発に伴い変化するので液滴の蒸発速度を計測できる。

本実施例では、実用化のための改良案について検討した。水晶振動子は図３に示すようなジグに円周部を軽く止められてセンサ１３として構成されているが以降の説明では水晶振動子についてのみ言及する。なお、振動子材としては水晶があげられるが、その他の圧電材料であれば同様の効果が期待できることは言うまでもない。実用化上第１の懸念事項はインク液滴が水晶振動子に着弾する時、運動エネルギが大きいくかつ水晶振動子はインク非吸収材であるので、インクが着弾時、飛散するおそれがあるということである。そのような場合は衝撃緩衝層１４を水晶振動子１５の振動の妨げにならない範囲で形成させることが出来る。第２の懸念事項はインク液滴の捕集に関するものである。本実施例では、主に重量のみ測定すれば十分な場合について説明する。一般に、水晶振動子の面内感度は円中央が高く、半径方向に進むと共に低下する。従って、インク液滴が着弾する位置によっては感度に差が生じ、質量の誤差が生じる。そこで、液滴が絶えず一定の半径内に着弾するようにする必要がある。本実施例では図５、６に示す様に水晶振動子上にアパーチャ１６、１７を設けた。図５はロート状のアパーチャ１６で液滴を捕集するものであり、図６は図５と逆の形状１７で一定の半径内に飛行してくるインク液滴を捕集するものである。この様にすることで、液滴質量の計測が各段に向上する。なお、アパーチャの内壁には撥インク処理剤をコートして液滴が速やかに滴下させている。

本実施例では、複数ノズルからなるヘッドから噴射されるインク液滴の質量を各ノズル間で所定の範囲になるように調整する方法を検討した。本ヘッドのノズル数は２５６個である。実施例１と同様に、まずＰＺＴ５に所定の電圧を印加し、ステージ３を移動しながら１番目のノズルから２５６番目のノズルまで１個づつ数滴について平均の液滴速度と液滴重量を測定し、測定計の記憶装置２にとりこむ。このデータをもとに、所定の範囲から逸脱するノズルを特定し、ステージ３を対応するノズル直下に移動させ、ＰＺＴ５の電圧もしくは駆動波形を変化させながら、所定の範囲に収まるように調整する。このようにして、逸脱ノズルが複数本ある場合は前記調整を該ノズルに適用することによって、ノズル間のばらつきを一定の範囲内の収斂させたヘッドを提供できる。

本装置によれば微小液滴質量を正確かつ迅速に評価できるので塗布装置のみならず微小量の秤量が必要な各種分注器への適用も可能である。

本発明の示した構成図である。（実施例１）水晶振動子に着弾するインク液滴の質量を計測した曲線図である。（実施例２）水晶振動子を組込んだセンサを示した斜視図である。（実施例２）水晶振動子面に衝撃吸収層を設けた側面図である。（実施例２）水晶振動子面上にアパーチャを設けた側面図である。（実施例２）水晶振動子面上に図５と逆形状のアパーチャを設けた側面図である。（実施例２）

符号の説明

１は水晶振動子、２は制御器及びデータ処理系、３は移動ステージ、４はインクジェットヘッド、５は圧電アクチュエータ、６はインク液滴、７は圧電アクチュエータ駆動回路系、８はレーザ測長器、９は１ｓｔインク液滴による質量増分、１０は２ｎｄインク液滴による質量増分、１１は３ｒｄインク液滴による質量増分、１２はインク液滴の蒸発に伴う減少曲線、１３は水晶振動子を組込んだセンサ、１４は衝撃緩衝層、１５水晶振動子、１６及び１７はアパーチャである。

Claims

電極を、表面に付着する物質の質量によって共振周波数が変化する水晶振動子で構成し、該水晶振動子によりインクジェットノズルから噴射される液滴により薄膜を塗布するインクジェト方式薄膜塗布装置において、前記液滴質量もしくは液滴速度を計測する手段を備えたことを特徴とするインクジェト方式薄膜塗布装置。
水晶振動子の周波数変化情報を用いて、所定の液滴質量もしくは液滴速度になるようにインクジェット噴射駆動回路に補正を行う回路を設けたことを特徴とする請求項１記載の前記インクジェト方式薄膜塗布装置。
前記水晶振動子表面に衝撃緩衝層を設けたことを特徴とする請求項１インクジェト方式薄膜塗布装置。
前記水晶振動子表面上方にインク液滴を集中捕集可能な容器を設けたことを特徴とする請求項１記載のインクジェト方式薄膜塗布装置。