JP5293179B2 - 液体塗布装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体塗布装置に関する。

液晶表示装置は、電界を利用して液晶の光透過率を調節することで画像を表示する。このような液晶表示装置は、上下部基板に対向するように配置された画素電極と共通電極の間に形成される電界によって液晶を駆動する。

液晶表示装置は、互いに対向して合着された薄膜トランジスタ・アレイ基板（下板）及びカラーフィルタ・アレイ基板（上板）と、これら二つの基板の間においてセルギャップを一定に維持させるためのスペーサ（以下、スペーサ粒子と記す場合がある）と、そのセルギャップに満たされた液晶とを具備する。

薄膜トランジスタ・アレイ基板は、多数の信号配線及び薄膜トランジスタと、それらの上に液晶配向のために塗布された配向膜から構成される。カラーフィルタ・アレイ基板は、カラー具現のためのカラーフィルタ及び光漏れの防止のためのブラック・マトリックスと、それらの上に液晶配向のために塗布された配向膜から構成される。

従来このスペーサは、スペーサ散布装置を用いて基板上にスプレー法等で散布されている。

しかし、このような散布を行うと、スペーサが不均一に分布する傾向がある。特に、表示画素内でスペーサの凝集があると、それが認識され表示品位が低下するというような問題点も生じる。また、ＴＦＴ等の能動素子を設けた基板を用いた場合には、突出したＴＦＴ部分にスペーサがあると、基板に力がかかった時に、ＴＦＴが破損しやすいというような問題点もあった。

このため、スペーサを配置する場所を指定して、ＴＦＴ部分を避けたり、遮光膜部分に配置したりすることが望まれている。これを解決するために、スペーサを印刷により配置する方法や、ディスペンサやインクジェット装置を用いて特定の位置に供給することが提案されている。

これらの中で、インクジェット装置による供給は、ほぼ正確な位置に１個ずつスペーサを配置していくことが可能であり、多数のノズルを有するインクジェットヘッドを用いれば同時に多数のスペーサを指定位置に配置できるので生産性が良いという利点を有する。

このスペーサ吐出用インクジェット装置においては、通常の着色液体とは異なり通常径が数μｍというような大きな径のスペーサという粒を有する溶媒を用いて、スペーサを吐出することになる。このためには、インクジェットヘッドに供給される吐出液にスペーサが均一に混ざっている必要がある。また、ヘッド内部でも均一である必要がある。

吐出液にスペーサが均一に分散していないと、吐出が不安定になり、吐出不良を生じたり、濃度変動により吐出液のスペーサの数が安定しなかったりというような吐出特性に問題を生じやすい。このため、吐出液となるスペーサを含有した溶媒を供給するタンクにおいて、撹拌を行いスペーサが溶媒中に均一に分散するようにしなくてはいけない。

このような装置として、液晶とスペーサを同時に供給するための装置があるが、スペーサを含有した液晶を供給するタンクにモーター駆動のスクリューによる撹拌装置を付けて撹拌を行いスペーサが液晶中に均一に分散するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

また、圧力室を圧電素子で振動させて分散させる方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−２８１５６２号公報 特開２０００−６６２１５号公報

しかしながら、液晶パネル用のスペーサ粒子を混入した液体のような径の大きな粒子を分散させた液体は、沈降速度が大きく、上記従来技術においては、特にヘッドの内部、ノズル付近でスペーサ粒子の沈降、凝集が起こり、安定して精度良く吐出できないといった課題がある。

本発明は、液体に分散された粒子の沈降、凝集を抑制し、液体吐出時の吐出不良や濃度変動を防止し、安定して制度良く液体をヘッドから吐出させる液体塗布装置を提供することを目的とする。

本発明の上記課題は、以下の構成により達成される。
１．
粒子が分散された液体を吐出する複数のノズルと、
前記複数のノズルのそれぞれに連通する複数の圧力室と、
圧力室のそれぞれに対応して設けられて圧力室の容積を変化させる圧電素子と、
複数の圧力室に連通した共通液室とを有するヘッドと、
前記液体を貯蔵するとともに前記粒子の分散を促進する手段を有する液体タンクと、
前記共通液室と液体タンクを接続する第１の液体流路と、
前記共通液室と液体タンクを接続する第２の液体流路とを有し、
前記共通液室、第１の液体流路、液体タンク及び第２の液体流路を含む循環流路において前記液体を循環させる手段を備える液体塗布装置であって、
前記循環を行う際に、前記ノズル内のメニスカスをノズルから液体を吐出させない程度に微振動させるための矩形波の微振動パルスを、１ｋＨｚから１／ＡＬ（ＡＬは圧力室の音響的共振周期の１／２）の間で駆動周波数を掃引しながら前記圧電素子に印加する制御手段を有することを特徴とする液体塗布装置。
２．
前記粒子の分散を促進する手段は、前記粒子に超音波を与える超音波発生器を有することを特徴とする１に記載の液体塗布装置。
３．
前記液体を循環させる手段は、前記第１の液体流路及び前記第２の液体流路のうちの少なくとも一方に設けられた液体送出手段を有することを特徴とする１または２に記載の液体塗布装置。
４．
前記ノズルから塗布のための液体の吐出中には、前記循環流路において前記液体を循環させず、前記ノズルから塗布のための液体を吐出しない期間に、前記循環流路において前記液体を循環させることを特徴とする１乃至３の何れか１つに記載の液体塗布装置。
５．
前記複数の圧力室の隔壁の少なくとも一部が前記圧電素子からなることを特徴とする１乃至４の何れか１つに記載の液体塗布装置。
６．
前記制御手段は、吸引により前記ヘッド内の液体を前記ノズルから排出させるパージ動作を行う期間内に、全ての前記圧力室の前記圧電素子を駆動して液体を吐出させることを特徴とする１乃至５の何れか１項に記載の液体塗布装置。
７．
前記ヘッドは、２つの前記共通液室を有し、
前記循環流路は、前記圧力室、一方の前記共通液室、一方の前記共通液室と液体タンクを接続する前記第１の液体流路、液体タンク、他方の前記共通液室と液体タンクを接続する前記第２の液体流路、他方の前記共通液室を含むことを特徴とする１乃至６の何れか１つに記載の液体塗布装置。
８．
液体塗布装置の停止時に少なくとも前記ヘッド内の液体を保存液に置換することを特徴とする１乃至７の何れか１つに記載の液体塗布装置。
９．
前記圧力室の容積を膨張させた後に元に戻す矩形波からなる第１のパルスと、前記圧力室の容積を収縮させた後に元に戻す矩形波からなる第２のパルスとを含み、第１のパルスの電圧Ｖｏｎが第２のパルスの電圧Ｖｏｆｆよりも大きい吐出パルスを前記圧電素子に印加することにより前記ノズルから液体を吐出させることを特徴とする１乃至８の何れか１つに記載の液体塗布装置。
１０．
前記微振動パルスは、前記圧力室の容積を収縮させた後に元に戻す矩形波からなり、前記吐出パルスの第２のパルスの電圧Ｖｏｆｆと同電圧であることを特徴とする９に記載の液体塗布装置。
１１．
前記吐出パルスの第１のパルスの電圧Ｖｏｎと第２のパルスの電圧Ｖｏｆｆとの比Ｖｏｎ／Ｖｏｆｆが１．５以上であることを特徴とする９または１０に記載の液体塗布装置。

本発明によれば、液体に分散された粒子の沈降、凝集を抑制し、液体吐出時の吐出不良や濃度変動を防止し、安定して精度良く液体をヘッドから吐出させる液体塗布装置及びそのメンテナンス方法を提供することができる。

液体塗布装置１００の主要部を示す斜視図である。 液体塗布装置１００のヘッドの斜視図である。 （ａ）は薄膜トランジスタ・アレイ基板を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の線III−III’に沿って切り取った薄膜トランジスタ・アレイ基板を示す断面図である。 液体塗布装置１００の液体供給系の実施の形態の概念図である。 （ａ）〜（ｃ）はヘッドの液体吐出時の作動を示す断面図である。 液体吐出時に圧力室、空気室に印加されるパルス波形のタイミングチャートである。 ノズル１３内の液体メニスカスが微振動する時に圧力室、空気室に印加されるパルス波形のタイミングチャートである。 ノズル１３内の液体メニスカスが微振動する時の周波数掃引のタイミングチャートである。 液体塗布装置の具体的な動作を示すフローチャート図である。 液体塗布装置のヘッドの他の実施の形態の斜視図である。

符号の説明

１ キャリッジ
６ 基板
７ ヘッド
８ 共通液室
９ 第１の液体連結口
１０ 第２の液体連結口
１３ ノズル
１４ キャッピング手段
２０ 液体タンク
２１ 廃液タンク
２３ 第１の液体流路
２４ ポンプ
２５ 第２の液体流路
２７ 廃液流路
４０ サブタンク
１００ 液体塗布装置
４０５，４０６ 切替弁

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、本欄の記載は請求の範囲の技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、以下の本発明の実施の形態における断定的な説明はベストモードを示すものであって、本発明の用語の意義や技術的範囲を限定するものではない。
＜液体塗布装置＞
本発明に係る液体塗布装置の主要部を示す斜視図である図１及び液体塗布装置にて使用されるへッドの斜視図である図２を用いて説明する。なお。図２はヘッドの概略図であり、電極等は省略してある。

液体塗布装置１００において、１はキャリッジであり、タイミングベルト２の一部に結合されており、キャリッジモータ３の正逆回転により駆動され、ガイド部材４に案内されて、図の矢印Ｘで示すように、プラテン部５に沿って平行に往復移動できるように構成されている。

７は、スペーサ粒子が分散された液体を吐出するヘッドで、薄膜トランジスタ・アレイ基板６の搬送方向と直角方向に形成された液体吐出用の多数のノズル１３を有し、キャリッジ１と一体的に構成されている。

ヘッド７には、圧電素子からなる隔壁で仕切られた筒状の複数の圧力室８０と複数の空気室８０Ａが交互に形成され、圧力室８０はそれぞれ一端で共通液室８に連通し液体が流れ込むようになっている。そして、それぞれの圧力室８０の他端は、ノズル面１７に形成された複数のノズル１３に連通し、各圧力室８０にて圧電素子により加圧された液体は、各ノズル１３から吐出されるようになっている。空気室８０Ａはそれぞれ一端で共通液室８に連通せず液体が流れ込まないようになっている。そして、それぞれの空気室８０Ａの他端は、ノズル面１７の複数のノズル１３は形成されていない。

ここで、流路は、本実施形態のように液体が供給される圧力室として機能するものと、液体が供給されない空気室として機能するものとが交互に配置されるものでもよいし、また、空気室を設けずに全て圧力室として機能させるようにしたものであってもよい。前者の場合、圧力室の隔壁がせん断変形しても、隣接した他の圧力室に影響することがなく、隔壁の駆動が容易である。

本実施形態では大きな径のスペーサ、すなわち固形物を吐出するため、圧電素子による駆動するタイプのヘッドを用いる。

そして、共通液室８の上部において、供給口と排出口が形成されており、供給口が第１の液体連結口９に、排出口が第２の液体連通口１０にそれぞれ連通され、共通液室８が液体の循環路の一部となるよう構成されている。

液体が吐出される多数のノズル１３はプラテン部５に対向して配設され、ＸＹθステージ５上の薄膜トランジスタ・アレイ基板６に対して塗布を行う。循環時は、図４中の矢印方向に液体が流れ、ヘッド７に液体は第１の液体連結口９より供給され、ヘッド内共通液室８から液体は、第２の液体連通口１０を通り、サブタンク４０（図４参照）に還流される。

薄膜トランジスタ・アレイ基板６はＸＹθステージ５とともに、搬送モータ１１により、図１の矢印Ｙで示す方向に搬送される。

１４は、ヘッド７のノズル面１７を被覆する吸引キャップ１６を備えるキャッピング手段であり、薄膜トランジスタ・アレイ基板が搬送される領域よりも外側に設けられている。また、キャッピング手段１４は、ヘッド７から吐出された液体を回収する液体回収手段としての機能を有する。

１５はクリーニング手段であり、キャリッジ１が往復移動する際に、ヘッド７のノズル面１７に当接し、清掃をする。また、クリーニング手段１５は、キャッピング手段１４と同様に薄膜トランジスタ・アレイ基板が搬送される領域よりも外側に設けられており、かつ、キャッピング手段１４よりも薄膜トランジスタ・アレイ基板の搬送される領域に近い側に配設されている。

１８は、ＣＰＵ（中央処理装置）、ワークメモリ等からなる制御手段で、液体塗布装置１００の一連の動作、例えば、搬送モータの駆動、ヘッド７の移動並びに液滴の吐出、キャッピング手段１４によるキャッピング動作等を制御する。更に、制御手段１８は、本発明に係わる液体循環等の制御をも含んだ構成となっている。なお、１８には、後述する吐出パルスや微振動パルスを生成するための回路が設けられる駆動信号発生部５００（図５参照）が含まれる。

１９はケーブルで、ヘッド７のコネクタ１２と制御手段１８との電気的結合を達成している。

２１は、ヘッド７から予備吐出されキャッピング手段１４で回収された液体を貯溜するための廃液タンクである。

２２は、光電センサ等からなるホームポジションセンサで、キャリッジ１の側面を感知し、キャリッジ１の待機位置、即ち、キャッピング手段１４によりヘッド７のノズル面１７が被覆される位置を検出する。

また、図示していないが、液体塗布装置１００は、装置の停止時に電力供給をすることが可能なバックアップ電源装置を備え、装置の停止時においてもバックアップ電源装置より電力供給を受け、必要な動作を行うことが可能なように構成されている。

液体塗布装置１００が塗布開始すると、制御手段１８からの塗布開始を示す制御信号に基づいて、キャッピング位置にあるヘッド７は、キャリッジモータ３により塗布領域のスタート位置に移動し位置を固定する。制御手段１８からの吐出データに基づく電気信号がヘッド７の圧電素子に付与されると、スペーサ粒子が分散された液体を適宜のノズルから吐出し、ＸＹθステージ５上の薄膜トランジスタ・アレイ基板６に塗布する。薄膜トランジスタ・アレイ基板６は、ヘッド７からの液体の吐出に合わせて矢印Ｙ方向に送り出され、所定の吐出データに伴う処理が終了するまで、上記の塗布動作がすすめられる。

具体的には、スペーサ８２の分散液を後述する所定領域（図３（ａ）、（ｂ）参照）に塗布して、溶媒を揮発させることによりスペーサ８２を所定領域に配設することが可能となる。
＜スペーサが分散された液体＞
本実施形態で使用されるスペーサ８２は、ヘッド７のノズルから吐出可能な径のスペーサであれば使用できる。スペーサの径は使用目的より異なるが、液晶表示素子の場合には、液晶装置に封入される液晶層の厚み（セル厚）に合わせてそれぞれ設定され、通常４〜６μｍ程度とされる。径は、体積平均粒径で定義される。また、ヘッド７のノズル１３の直径は、φ２０〜３０（μｍ）であり、スペーサ粒子径の５〜８倍程度である。一般の顔料分散インクの顔料粒径（φ０．１μｍ）より遙かに大きい。
なお、体積平均粒径は、レーザー式粒度分布測定装置ＬＡ−９２０（堀場製作所製）やマルチタイザーIII（コールター社製）で測定できる。

また、これらスペーサ８２は、例えば二酸化珪素やポリスチレン等の樹脂からなる球状部材にて構成することができる。

液体は、ヘッド７から吐出できる液体であればよく、通常は揮発性の有機溶媒または水系溶媒またはそれらの混合溶媒が用いられる。スペーサと溶媒との比率は、ヘッド７のノズルから吐出可能な範囲で適宜設定されればよい。スペーサの濃度が低い方が好ましいが、１つの液滴に１粒以上は含ませる必要があるため、スペーサが１体積％以上が好ましく、２０体積％以下がより好ましい。例えば、１５ｐｌの液滴とφ４μｍの球状スペーサ粒子の体積比は、４３４：１であり、１体積％であると１滴当たり平均４個の球状スペーサ粒子が含まれることになる。

本実施形態においては、水、イソプロピルアルコール、エタノール等から選択される単一の溶媒又は２種以上の混合溶媒に、スペーサ８２を超音波等により所定の濃度で均一に分散したスペーサ分散溶液を用意する。
＜基板上のスペーサの配置＞
図３（ａ）は実施形態に係る薄膜トランジスタ・アレイ基板６を示す平面図で、図３（ｂ）は図３（ａ）の線III−III’に沿って切り取った薄膜トランジスタ・アレイ基板６を示す断面図である。

図３（ａ）、図３（ｂ）を参照すれば、薄膜トランジスタ・アレイ基板６は、下部基板５１上に選択的に幅が異なるように形成されたゲートライン５２と、ゲートライン５２にゲート絶縁膜６２を介して交差するように形成されたデータライン１５４と、その交差部毎に形成された薄膜トランジスタ８１と、その交差構造に用意された画素領域８４に形成された画素電極７２と、画素電極７２とゲートライン５２の重畳部に形成されたストレージ・キャパシタ７８と、ゲートライン５２と重畳するように形成されるスペーサ８２とを具備する。

ゲートライン５２は薄膜トランジスタ８１のゲート電極５６にゲート信号を供給する。このようなゲートライン５２は、画素領域８４を定義するライン部５２ａと、ライン部５２ａから突出した突出部５２ｂからなる。ライン部５２ａは、幅ｄ１を持つように形成されていて、突出部５２ｂによる画素電極７２の開口率の減少を防止する。突出部５２ｂは、スペーサ８２が液体塗布装置１００により噴射されて形成される領域において、ライン部５２ａより相対的に広い幅ｄ２に形成される。例えば、突出部５２ｂは、データライン１５４と平行な幅が約３０〜５０μｍに、データライン１５４と垂直な幅が約３０〜５０μｍに形成される。このような突出部５２ｂは円形形態のスペーサ８２の幅より広い円形に形成される。

スペーサ８２は、薄膜トランジスタ・アレイ基板６とカラーフィルタ・アレイ基板との間のセルギャップを維持する。このようなスペーサ８２は、カラーフィルタ・アレイ基板のブラック・マットリックス（図示しない）と重畳されるゲートライン５２の突出部領域に液体塗布装置１００を利用して形成される。すなわち、スペーサ８２はストレージ・キャパシタ７８と重畳するように形成される。

以上のように、透明な液晶電極にはスペーサ８２を置かず、不透明なゲートライン５２の上に置くと画質を劣化させず好適である。インクジェット方式はこのような特定の場所にスペーサ粒子を配置できるため理想的な手段である。
＜液体供給系＞
次に、図４を用いて本発明に係る第１の液体流路及び第２の液体流路の実施形態について説明する。図４は本発明に係る液体塗布装置に適用される液体供給系の実施の形態を示す概念図である。第１の液体流路２３及び第２の液体流路２５は大気遮断された流路であり、使用される液体はスペーサ粒子が分散された液体である。

４０は、大気連通孔を有するサブタンクであり、内部にはスペーサ粒子が分散された液体が貯蔵され、液体流路を通り、液体が循環する。

液体タンク２０から、ヘッド７の第１の液体連結口９までの第１の液体流路２３で、ヘッド７のノズル部の液体背圧を安定させるために、サブタンク４０が設けられている。そして、液体タンク２０からサブタンク４０までの間に、弁５４、液体を液体タンク２０からサブタンク４０に圧送するポンプ３０が設けられている。

循環時において、液体タンクであるサブタンク４０からヘッド７の第１の液体連結口９まで液体を供給する液体供給流路である第１の液体流路２３には、液体を循環させる手段の一例であり液体をヘッド７に圧送する送液手段として機能するポンプ２４が設けられている。すなわち、サブタンク４０、第１の液体流路２３及びポンプ２４が協働して液体供給手段として機能するものである。なお。ポンプ２４は、前記ノズルから塗布のための液体の吐出中には、停止しており、前記循環流路において前記液体を循環させない。ポンプ２４は停止時において、第１の液体流路２３が連通可能となるように構成されている。

第２の液体連結口１０からサブタンク４０へ液体が還流する液体排出流路である第２の液体流路２５を通りサブタンク４０へ液体が還流する。

また、キャッピング手段１４から廃液タンク２１の流路の途中には吸引ポンプ２８が設けられており、キャッピング手段１４内の液体やヘッド７のノズル１３から液体を吸引して廃液タンク２１に送り込むこともできる。

ポンプ２４、吸引ポンプ２８は、流路を可撓性のもので構成し、複数のローラ等の押圧部材でそのチューブの一部をチューブの長手方向に順次押しつぶすことで、液体を流動させる形式のものや、このほか公知の種々の形式のものが用いられる。

また、図４において、２０１は液体タンク２０内に設けられた撹拌スクリュー、４０１はサブタンク４０内に設けられた撹拌スクリュー、２０２は液体タンク２０に付設された超音波振動を発生させる圧電素子、４０２はサブタンク４０に付設された超音波振動を発生させる圧電素子である。

このように、サブタンク４０に撹拌スクリュー４０１を液体中に設置し、また、液体タンク２０に撹拌スクリュー２０１を液体中に設置し、各々をモーターで高速に回転させるようにしている。この撹拌スクリュー２０１、撹拌スクリュー４０１はヘッド７からの液体吐出に関わらず、常時回転させるようにしてある。この撹拌スクリューの回転によって、サブタンク４０、液体タンク２０に貯留されている液体にせん断力を与え、液体中に含有されているスペーサ粒子の凝集を防止している。

更に液体タンク２０に超音波振動を発生させる圧電素子２０２を接触させ、また、サブタンク４０に超音波振動を発生させる圧電素子４０２を接触させ、サブタンク４０、液体タンク２０に貯留されている液体に常時超音波振動を与えることによって、液体中のスペーサ粒子の凝集を更に防止している。ここで使用する超音波発生器としては、特別なものを用意する必要はなく、公知の超音波発生器でかまわない。

なお、本例では撹拌スクリューによるせん断力と超音波の両方を液体に与えているが、これらはいずれか一方でも有効である。特に超音波が効果的である。

撹拌スクリュー４０１や圧電素子４０２は、本発明における粒子の分散を促進する手段の一例である。サブタンク４０の中で、液体にせん断力や超音波を与えるので、サブタンク４０中に貯蔵されている液体中に含有されるスペーサ粒子の分散状態が不安定となっていても再分散され、ヘッド７に対しては分散状態が最良の状態で液体供給がされることになる。したがって常に良好な液体吐出並びに塗布がなされる。

再分散を効率よく行うには、前述したようにせん断力が必要であるが、これには一般の分散機でも使用されている撹拌スクリューのような回転部材を応用することが好ましい。

更に、前述のようにヘッド７の前記共通液室８、第１の液体流路２３、サブタンク４０及び第２の液体流路２５を含む循環流路において前記液体を循環させる系を同時に形成しておくことで、基板６の塗布のための吐出を行っていないときでも液体はヘッド７を介して循環されるので、上記再分散はより有効に作用する。このため、液体に分散された粒子の沈降、凝集を抑制し、液体吐出時の吐出不良や濃度変動を防止し、安定して精度良く液体をヘッドから吐出させることができる。

このようにして、ヘッド７からの液体吐出の有無にかかわらず、常に液体に強制的な分散のための力を加えておき、分散状態がいつでも同じとなるように作用させておく。

超音波による撹拌は、代表的な方法としては圧電素子をタンクに付設しておき、これを所定の周波数の電圧波形で駆動することにより、超音波を発生させ撹拌を行う。もちろん、これ以外の超音波発生手段を配置してもよい。

特に、この超音波による撹拌は、スペーサの沈降や浮上を抑え均一に液中に分散させるとともに、スペーサ同士の凝集を抑制し、タンク壁面へのスペーサの付着を抑制する。
また、液体塗布装置１００の停止時における、特にヘッドの内部、ノズル付近でのスペーサ粒子の沈降、凝集をより効果的に防止するために、液体塗布装置１００の停止時には、少なくともヘッド内部に保存液を充填する。このような保存液は、液体塗布装置１００の起動時に、スペーサ粒子を分散した液体に置換されることで取り除かれる。
本実施形態において、保存液は、スペーサ粒子を除いた液体とほぼ同様な成分を有するものを用いている。

液体塗布装置１００において、ヘッド７は通常サブタンク４０と液体流路２５，２３等を介して接続されており、サブタンク４０から液体をヘッド７に供給可能に構成されている。塗布装置１００を停止させた場合、切替え弁４０５、４０６を保存液流路４０７，４０８側に切り替え、ヘッド７のノズル面１７をキャッピング手段１４により封止して、キャップと接続されている吸引ポンプ２８によりキャップ内に負圧を発生させることにより、保存液タンク４０３から保存液流路４０７，４０５，１０を介して、及び４０８、４０６，９を介して保存液を液体の充填されたヘッド７内に流し、スペーサ粒子が分散された液体と保存液を完全に置換する。この時発生した廃液は、吸引ポンプ２８を介して廃液タンク２１に保持される。

液体塗布装置１００を起動させた場合は、逆に切替え弁４０５、４０６を液体流路２３，２５側に切り替え、ヘッド７のノズル面１７をキャッピング手段１４により封止して、キャップと接続されている吸引ポンプ２８によりキャップ内に負圧を発生させることにより、サブタンク４０からスペーサ粒子が分散された液体を保存液の充填されたヘッド７内に流し、保存液とスペーサ粒子が分散された液体を完全に置換する。この時発生した廃液は、吸引ポンプ２８を介して廃液タンク２１に保持される。

なお上記の置換方法のみに限定されず、少なくともヘッド７に充填されているスペーサ粒子が分散された液体と保存液がほぼ完全に置き換わる方法であればすべて利用可能である。このような置換により、装置停止中のヘッド内部の粒子の沈降や凝集をより効果的に抑制できる。

保存液は、スペーサ粒子が分散された液体を構成する溶媒と同一または類似の化合物を使用することが好ましい。液体を構成する溶媒と同一または類似の化合物を使用しているため、保存液が塗布する液体に混入した場合であっても、スペーサ粒子が沈降したり、凝集したりするおそれが少なくなる。
＜ヘッドの駆動方法＞
図５は、図２に示すヘッド７の断面図であり、図５（ａ）は圧力室８０が中立、図５（ｂ）は膨張、図５（ｃ）は縮小状態を示している。同図において、１３はノズル、１２４はカバープレート、２６は基板、２７は隔壁である。そして、圧力室８０、空気室８０Ａが隔壁２７、カバープレート１２４及び基板２６によって形成されている。

ヘッド７は、ここでは図５に示すように、カバープレート１２４と基板２６の間に、電気・機械変換手段であるＰＺＴ等の圧電材料からなる複数の隔壁２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃで隔てられた圧力室８０と空気室８０Ａが交互に多数並設されたせん断モード（シェアモード）タイプのヘッド７を示している。図５では多数の圧力室８０と空気室８０Ａの一部である３本が示されている。圧力室８０の一端（以下、これをノズル端という場合がある）はノズル形成部材に形成されたノズル１３につながり、他端（以下、これをマニホールド端という場合がある）は共通液室８に接続されている。そして、各圧力室８０、空気室８０Ａ内の隔壁２７表面には両隔壁２７の上方から基板２６の底面に亘って繋がる電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃが密着形成され、各電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃは駆動信号発生部５００に接続している。

また、各電極の液体に接する表面は、絶縁性の保護膜が形成されている。保護膜としては、ポリパラキシリレンが好適である。

この駆動信号発生部５００は、微振動パルスと吐出パルスとを出力する。

各隔壁２７は、ここでは図５の矢印で示すように分極方向が異なる２枚の圧電材料２７ａ、２７ｂによって構成されているが、圧電材料は例えば符号２７ａの部分のみであってもよく、隔壁２７の少なくとも一部にあればよい。

各隔壁２７表面に密着形成された電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃに駆動信号発生部５００の制御により吐出パルスが印加されると、以下に例示する動作によって圧力室８０内のスペーサ粒子が分散された液体を液滴としてノズル１３から吐出する。

まず、電極２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃのいずれにも吐出パルスが印加されない時は、隔壁２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃのいずれも変形しないが、図５（ａ）に示す状態において、電極２９Ａ及び２９Ｃを接地すると共に電極２９Ｂに吐出パルスを印加すると、隔壁２７Ｂ、２７Ｃを構成する圧電材料の分極方向に直角な方向の電界が生じ、各隔壁２７Ｂ、２７Ｃ共に、それぞれ隔壁２７ａ、２７ｂの接合面にズリ変形を生じ、図５（ｂ）に示すように隔壁２７Ｂ、２７Ｃは互いに外側に向けて変形し、圧力室８０の容積を拡大して圧力室８０内に負の圧力が生じて液体が流れ込む（Ｄｒａｗ）。

また、この状態から電位を０に戻すと、隔壁２７Ｂ、２７Ｃは図５（ｂ）に示す膨張位置から図５（ａ）に示す中立位置に戻り、圧力室８０内の液体に高い圧力が掛かる（Ｒｅｌｅａｓｅ）。次いで、図５（ｃ）に示すように、隔壁２７Ｂ、２７Ｃを互いに逆方向に変形するように吐出パルスを印加して、圧力室８０の容積を縮小すると、圧力室８０内に正の圧力が生じる（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ）。これにより圧力室８０を満たしている液体の一部によるノズル内の液体メニスカスがノズルから押し出される方向に変化する。この正の圧力が液滴をノズルから吐出する程に大きくなると、液滴はノズルから吐出する。他の各圧力室も吐出パルスの印加によって上記と同様に動作する。このような吐出法をＤＲＲ駆動法と呼び、シェアモードタイプのヘッドの代表的な駆動法である。

かかる吐出動作について図６を用いて更に説明する。各圧力室８０、各空気室８０Ａに印加されるパルス波形のタイミングチャートを図６に示す。

液体吐出時には、まず各圧力室の電極に電圧を掛け、その両隣の各空気室の電極を接地する。例えば圧力室に１ＡＬ幅の正電圧の吐出パルスを掛けると、圧力室の隔壁が外側に変形し、その圧力室８０内に負圧が発生する。この負圧により、サブタンク４０から圧力室８０に液体が流れ込む（Ｄｒａｗ）。

この状態を１ＡＬ間保つと、圧力が正圧に反転するので、このタイミングで電極を接地すると、隔壁の変形が元に戻り、高い圧力が圧力室８０内の液体に掛かる（Ｒｅｌｅａｓｅ）。更に、同じタイミングで圧力室の電極に負電圧を掛けると、隔壁が内側に変形し、更に高い圧力が液体に掛かり（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ）、ノズルから液柱が押し出される。１ＡＬ後、圧力が反転して圧力室８０内が負圧になり、更に１ＡＬ経過すると、圧力室８０内の圧力が反転して正圧になるので、このタイミングで電極を接地すると、隔壁の変形が元に戻り、残留する圧力波をキャンセルできる。

その後、所定の休止時間（本例では、２ＡＬ時間）を経過後、吐出周期Ｔ１で上記同様の動作を繰り返す。

なお、ＡＬ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｌｅｎｇｔｈ）とは、圧力室の音響的共振周期の１／２である。このＡＬは、電気・機械変換手段である隔壁２７に矩形波の電圧パルスを印加して吐出する液滴の速度を測定し、矩形波の電圧値を一定にして矩形波のパルス幅を変化させたときに、液滴の飛翔速度が最大になるパルス幅として求められる。また、パルスとは、一定電圧波高値の矩形波であり、０Ｖを０％、波高値電圧を１００％とした場合に、パルス幅とは、電圧の０Ｖからの立ち上がり１０％と波高値電圧からの立ち下がり１０％との間の時間として定義する。更に、ここで矩形波とは、電圧の１０％と９０％との間の立ち上がり時間、立ち下がり時間のいずれもがＡＬの１／２、好ましくは１／４以内であるような波形を指す。

かかるせん断モードタイプのヘッド７では、隔壁の変形は壁の両側に設けられる電極に掛かる電圧差で起こるので、液体吐出を行う圧力室の電極に負電圧を掛ける代わりに、液体吐出を行う圧力室の電極を接地して、その両隣の空気室の電極に正電圧を掛けるようにしても同様に動作させることができる。この後者の方法によれば、正電圧だけで駆動させることができるために好ましい態様である。

本実施形態において用いられる図６に示すこれらの吐出パルスは、同図に示すように、圧力室８０の容積を膨張させ１ＡＬ後に元の容積に戻す矩形波からなる第１のパルスＰ１と、圧力室８０の容積を収縮させ一定時間後に元の容積に戻す矩形波からなる第２のパルスＰ２とを含んでおり、第１のパルスＰ１の電圧Ｖｏｎが第２のパルスＰ２の電圧Ｖｏｆｆよりも大きい駆動パルスからなっている。このように電圧Ｖｏｎを電圧Ｖｏｆｆよりも大きく設定することは、特に、吐出する液体の粘度が高い場合において圧力室８０内への液体の供給を促進する効果もある。

この第１のパルスＰ１の電圧Ｖｏｎと第２のパルスＰ２の電圧Ｖｏｆｆとの電圧比Ｖｏｎ／Ｖｏｆｆは、１．５以上であることが好ましい。これは、本実施形態においては、後述する微振動パルスの電圧を吐出パルスの第２のパルスＰ２の電圧Ｖｏｆｆと同電圧に設定するが、このときの電圧比Ｖｏｎ／Ｖｏｆｆを１．５以上にすることにより、微振動パルスによるノズルのメニスカスの振動を適量に設定でき、且つ、吐出パルスの直前、直後に微振動パルスを印加した場合にも、吐出パルスによる圧力波の残響と微振動パルスによる圧力波の残響とが適度に打ち消し合うことにより、安定な吐出を実現することができる。特に、揮発性の溶媒にスペーサ粒子を分散した液体においては、液体吐出時の動的な粘度が静的な粘度に比較して低くなるものが多く、電圧比Ｖｏｎ／Ｖｏｆｆを１．５以上に大きく設定することにより、安定に微振動を付加することができるため好ましい。

なお、この電圧比Ｖｏｎ／Ｖｏｆｆは、１以下に小さくすると、微振動パルスによるメニスカスの振動が大きくなり、微振動パルス印加後の圧力波の残響が吐出パルスによる駆動に大きく影響して、液滴の吐出が不安定になる。一方、電圧比Ｖｏｎ／Ｖｏｆｆを５以上に大きくすると、微振動パルスによるメニスカスの振動が小さく、ノズルの液体メニスカスにおける液体の増粘に対しての改善効果が得られ難くなるため好ましくない。

また、特に本発明では、液体に粒子を含むため顕著な効果を発揮する。液体が揮発性の溶剤を含み、且つ、粒子が添加されている場合、液体溶剤の揮発乾燥により液体粘度が急激に上昇するため、微振動パルスを印加することにより、ノズルのメニスカスでの液体の増粘を効果的に抑制することができる。

次に、図７を用いて、かかる揮発性の溶媒を含む液体を用いたシェアモードタイプのヘッド７において、メニスカスに微振動を与える動作について説明する。

本実施形態において、ノズルから液滴を吐出させない程度に微振動させる微振動パルスは、吐出パルスを印加する場合と同様、図５に示す駆動信号発生部５００において生成される。微振動パルスは、圧力室の容積を収縮させた後に元に戻す矩形波のみからなり、パルス幅が２ＡＬの矩形波を含んでいる。微振動パルスに矩形波を用いることで、台形波を使用する方法に比べてメニスカスを微振動させる効率が良く、低い駆動電圧で振動させることができる上に、簡単なデジタル回路で駆動回路を設計できる効果がある。また、圧力室の容積を収縮させた後に元に戻すので、ノズルから液滴を吐出することがなく効果的に微振動を与えることができる。

例えば、図７に示す例では、ホームポジション等において、始めに各空気室８０Ａの電極を接地し、各圧力室８０の電極に２ＡＬ幅の正電圧の矩形波からなる微振動パルスを印加している。これにより圧力室は容積が収縮した後に元に戻ることで、そのノズル内のメニスカスは、ノズルから液滴を吐出させない程度に押し出させるように微振動が与えられる。

所定の休止期間を経過した後、駆動周期Ｔ２で必要に応じてこの微振動パルスを繰り返す。

このような微振動パルスは、吐出パルスを構成する第２のパルスＰ２の電圧Ｖｏｆｆと同電圧に設定している。これにより、微振動パルスの電圧を電圧の低いＶｏｆｆ電圧に設定することで、微振動が強く掛かりすぎることがなく、液滴をノズルから吐出させない程度の微振動を効率良く掛けることができる。また、吐出パルス及び微振動パルスを発生するための駆動信号発生部５００における電源電圧数を少なくして回路コストを下げることができる効果もある。

本実施形態では、このように、ホームポジション等において微振動パルスを電極に印加していることで、揮発性の溶媒と粒子を含む液体を使用しても、ノズル開口付近の液体の増粘を効果的に抑制することができる。また、微振動パルスは、本明細書における圧電素子に印加するノズルから液体を吐出させない程度の駆動波形であり、圧電素子が励振されることにより液体が満たされた圧力室内には圧力波が発生し、圧力室内の液体に含有されるスペーサ粒子の良好な再分散が起こり、ヘッド内におけるスペーサ粒子の凝集や沈降をより効果的に防止できる。

また前記循環を行う際に、微振動パルスを印加することにより、循環される液体に振動が付与され、特に共通液室のデッドスペースの液体の循環を促進させる。循環によるスペーサ粒子の凝集や沈降防止の効果を高めることができる。これらのスペーサ粒子はその凝集によって大小様々な大きさである。従って、図８に示すように前記微振動パルスの駆動波形の駆動周波数を掃引することが好ましく、駆動周波数の掃引を１ｋＨｚから１／ＡＬ（ＡＬは圧力室の音響的共振周期の１／２）の間で行うことがさらに好ましい。

図８は駆動周波数を１ｋＨｚと５０ｋＨｚの間を１秒かけて１往復させて掃引する例を示すものであり、横軸が時間であり、縦軸が微振動パルスの駆動周波数である。ヘッド７のＡＬは、５μｓｅｃであるので、５０ｋＨｚは１／（４ＡＬ）に相当する。

機械的振動の周波数はスペーサ粒子の大きさによって、スペーサ粒子に対するその分散効果や液体の循環の促進効果（粒子の移動しやすさ）が異なるため、周波数を掃引しながら振動を与えるのが様々なサイズのスペーサ粒子を全て分散、移動するのに効果的である。
＜液体塗布装置１００の動作フロー＞
次に、液体塗布装置１００の具体的な動作の流れについて、図９に示すフロー図を用いて説明する。なお前述のように、サブタンク４０と液体タンク２０の撹拌スクリューと圧電素子は装置の起動、停止にかかわらず常時作動しているものとする。

まず、装置を長期間停止した後、装置起動のため電源を入れる（Ｓ１）。この時、ヘッド７はキャッピング手段１４の吸引キャップ１６がノズル面１７に密着されており、また、切替弁４０５，４０６は保存液流路４０７，４０８に液体が流れるよう選択されているものとする。

ホームポジションで保存液をスペーサ粒子が分散された液体に置換する（Ｓ２）。置換後は、切替弁４０５，４０６は，それぞれ第２の液体流路２５、第１の液体流路２３に液体が流れるよう選択されている。ホームポジションで図６に示す駆動波形で全圧力室を駆動して液体を吐出させながらノズル１３から液体を吸引して、パージ動作を行う（Ｓ３）。次いでキャッピング手段１４を動作させ、吸引キャップ１６のヘッド７への密着を解除し、クリーニング手段１５によるノズル面１７のワイピングを行う（Ｓ４）。キャッピング手段１４を動作させ、キャッピング手段１４の吸引キャップ１６をノズル面１７に密着させて、図６に示す駆動波形で全圧力室を駆動して液体を吸引キャップ１６に予備吐出する（Ｓ５）。図７に示す駆動波形で周波数掃引して全圧力室を駆動しながら、ポンプ２４を駆動させて循環動作を行う（Ｓ６）。

このＳ３〜Ｓ６までのホームポジションでの待機動作は、塗布データが送られてくるまで継続する。この待機動作は、本実施形態に係るメンテナンス方法の一例であり、使用者が手動で開始させても、図示されないタイマー等の時間検出手段にて設定された時間を超えた場合に自動的に開始させるようにしても良い。

塗布データが送られてくると（Ｓ７）、この待機動作を停止し、キャリッジ１が走行を開始してヘッド７が塗布領域内に入ると、吐出データに応じて図６に示す駆動波形で液滴を基板６に向けて吐出することで塗布を行う（Ｓ８）。なおキャリッジ１がホームポジションから塗布領域に走行中において前記微振動パルスを印加してノズルの液体メニスカスにおける液体の増粘を防止することが好ましい。

塗布が終わると、キャリッジ１がホームポジションに移動し、装置を停止する指令があるかどうかを判断する（Ｓ９）。装置を停止しない場合は、再度Ｓ３に戻り、Ｓ３〜Ｓ６の待機動作を塗布データが送られてくるまで継続する。

装置を停止する場合は、スペーサ粒子が分散された液体を保存液に置換する（Ｓ１０）。キャッピング手段１４の吸引キャップ１６をノズル面１７に密着させてキャッピングを行い（Ｓ１１）、装置を停止する（Ｓ１２）。

このように循環を行う際に、吸引キャップ１６でヘッド７のノズル面を覆うことが好ましい。これにより、循環流路内の液体の流速を、高めても、上記吸引キャップ１６による密閉空間内の空気がその圧力に対抗するので、ノズル内の液体のメニスカスが破壊されることがなく、液体が漏れ出るおそれがない。特に、吸引キャップ１６は公知のようにゴム等の弾性材料で製作されているから、ノズル面に少し強く当てることで圧縮され、それにともない上記密閉空間も圧力がわずか上昇して、循環流路内の液体の流速を一層高めても液体のメニスカスを破壊することがなくなる。

また塗布実行時においても、同様なメニスカス破壊を防止する観点から、循環を行わないことが好ましい。

さらに、全圧力室の圧電素子を駆動して液体を吐出させながらノズル１３から液体を吸引して、パージ動作を行うことにより、吸引時に強い圧力波を発生させて粒子の移動を促進させることができるためこのましい。

ここで、以上の実施の形態においては、図２に示すようなエッジシューター型のヘッドを用いた例を示したが、特に、このような構成のヘッドに限定される物ではなく、例えば図１０に示すようなサイドシューター型のヘッドを用いることもできる。図１０において、図２のヘッドと同一の機能を有する構成については、同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

図１０の各ヘッド７には、圧電素子からなる隔壁で仕切られた筒状の複数の圧力室８０が形成され、それぞれ一端が共通液室８Ａに他端が共通液室８Ｂに連通し、液体が流れ込むようになっている。そして、それぞれの圧力室８０の側面は、ノズル面１７に形成された複数のノズル１３に連通し、各圧力室８０にて圧電素子により加圧された液体は、各ノズル１３から吐出されるようになっている。

そして、共通液室８Ｂの上部において供給口が、共通液室８Ａの上部において排出口がそれぞれ形成されている。共通液室８Ｂの供給口が第１の液体連結口９に、共通液室８Ａの排出口が第２の液体連通口１０にそれぞれ連通され、共通液室８Ａ，８Ｂ及び各圧力室８０が液体の循環路の一部となるよう構成されている。このような構成により、本発明の効果をより高めることができ、好ましい態様である。

このヘッド７に液体は第１の液体連結口９より供給され、共通液室８Ｂから液体は、各圧力室８０、共通液室８Ａを介して、第２の液体連通口１０を通り、サブタンク４０に還流される。

Claims (11)

1. 粒子が分散された液体を吐出する複数のノズルと、
   前記複数のノズルのそれぞれに連通する複数の圧力室と、
   圧力室のそれぞれに対応して設けられて圧力室の容積を変化させる圧電素子と、
   複数の圧力室に連通した共通液室とを有するヘッドと、
   前記液体を貯蔵するとともに前記粒子の分散を促進する手段を有する液体タンクと、
   前記共通液室と液体タンクを接続する第１の液体流路と、
   前記共通液室と液体タンクを接続する第２の液体流路とを有し、
   前記共通液室、第１の液体流路、液体タンク及び第２の液体流路を含む循環流路において前記液体を循環させる手段を備える液体塗布装置であって、
   前記循環を行う際に、前記ノズル内のメニスカスをノズルから液体を吐出させない程度に微振動させるための矩形波の微振動パルスを、１ｋＨｚから１／ＡＬ（ＡＬは圧力室の音響的共振周期の１／２）の間で駆動周波数を掃引しながら前記圧電素子に印加する制御手段を有することを特徴とする液体塗布装置。
2. 前記粒子の分散を促進する手段は、前記粒子に超音波を与える超音波発生器を有することを特徴とする請求項１に記載の液体塗布装置。
3. 前記液体を循環させる手段は、前記第１の液体流路及び前記第２の液体流路のうちの少なくとも一方に設けられた液体送出手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の液体塗布装置。
4. 前記ノズルから塗布のための液体の吐出中には、前記循環流路において前記液体を循環させず、前記ノズルから塗布のための液体を吐出しない期間に、前記循環流路において前記液体を循環させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の液体塗布装置。
5. 前記複数の圧力室の隔壁の少なくとも一部が前記圧電素子からなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の液体塗布装置。
6. 前記制御手段は、吸引により前記ヘッド内の液体を前記ノズルから排出させるパージ動作を行う期間内に、全ての前記圧力室の前記圧電素子を駆動して液体を吐出させることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の液体塗布装置。
7. 前記ヘッドは、２つの前記共通液室を有し、
   前記循環流路は、前記圧力室、一方の前記共通液室、一方の前記共通液室と液体タンクを接続する前記第１の液体流路、液体タンク、他方の前記共通液室と液体タンクを接続する前記第２の液体流路、他方の前記共通液室を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の液体塗布装置。
8. 液体塗布装置の停止時に少なくとも前記ヘッド内の液体を保存液に置換することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の液体塗布装置。
9. 前記圧力室の容積を膨張させた後に元に戻す矩形波からなる第１のパルスと、前記圧力室の容積を収縮させた後に元に戻す矩形波からなる第２のパルスとを含み、第１のパルスの電圧Ｖｏｎが第２のパルスの電圧Ｖｏｆｆよりも大きい吐出パルスを前記圧電素子に印加することにより前記ノズルから液体を吐出させることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の液体塗布装置。
10. 前記微振動パルスは、前記圧力室の容積を収縮させた後に元に戻す矩形波からなり、前記吐出パルスの第２のパルスの電圧Ｖｏｆｆと同電圧であることを特徴とする請求項９に記載の液体塗布装置。
11. 前記吐出パルスの第１のパルスの電圧Ｖｏｎと第２のパルスの電圧Ｖｏｆｆとの比Ｖｏｎ／Ｖｏｆｆが１．５以上であることを特徴とする請求項９または１０に記載の液体塗布装置。