特許 7378037 インクジェットヘッドおよびインクジェット塗布装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-02

(45)【発行日】2023-11-13

(54)【発明の名称】インクジェットヘッドおよびインクジェット塗布装置

(51)【国際特許分類】

   B41J 2/14 20060101AFI20231106BHJP

   B05C 5/00 20060101ALI20231106BHJP

   B05C 11/10 20060101ALI20231106BHJP

   B41J 2/18 20060101ALI20231106BHJP

【ＦＩ】

B41J2/14 301

B05C5/00 101

B05C11/10

B41J2/14 607

B41J2/14 605

B41J2/18

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019202965

(22)【出願日】2019-11-08

(65)【公開番号】P2021074946

(43)【公開日】2021-05-20

【審査請求日】2022-09-15

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】深田 和岐

【審査官】小宮山 文男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１７７９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３００６３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１８１９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０６５２４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ４１Ｊ ２／０１－２／２１５

Ｂ０５Ｃ ５／００

Ｂ０５Ｃ １１／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体材料を吐出するノズル穴と、
前記ノズル穴に連通する圧力室と、
前記圧力室内の液体材料に当接して往復振動するダイアフラムと、
前記ダイアフラムを介して前記圧力室に圧力を加える第１アクチュエータと、
隣り合う前記圧力室の間に配置される圧力壁と、
前記ダイアフラムを介して前記圧力壁を支える第２アクチュエータと、
前記圧力室に前記液体材料を供給する供給流路と、
前記圧力室から前記液体材料を回収する回収流路と、を有し、
前記ダイアフラムは、
前記第１アクチュエータに当接する第１凸部と、
前記第２アクチュエータに当接する第２凸部と、を有し、
前記ノズル穴が配列された方向において、前記第１凸部の長さは、前記第２凸部の長さよりも長く、
前記圧力室の位置に対応する前記ダイアフラムのうち、前記圧力室の中央よりも前記回収流路側に位置する前記ダイアフラムの剛性は、前記圧力室の中央よりも前記供給流路側に位置する前記ダイアフラムの剛性よりも低い、
インクジェットヘッド。

【請求項2】

前記ノズル穴が配列された方向において、前記第１凸部の長さは、前記第１アクチュエータの長さよりも長い、
請求項１に記載のインクジェットヘッド。

【請求項3】

前記ノズル穴が配列された方向において、前記第１アクチュエータの長さは、前記第２アクチュエータの長さよりも長い、
請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。

【請求項4】

前記ノズル穴は、前記圧力室の中央を基準として、前記供給流路側よりも前記回収流路側に近い位置に配置される、
請求項１に記載のインクジェットヘッド。

【請求項5】

前記第１アクチュエータは、圧電素子である、
請求項１から４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。

【請求項6】

請求項１から５のいずれかに記載のインクジェットヘッドと、
前記インクジェットヘッドに前記液体材料を供給するとともに、前記インクジェットヘッドから前記液体材料を回収する液体循環部と、
前記インクジェットヘッドのアクチュエータを駆動する電気信号を生成し、前記インクジェットヘッドにおける前記液体材料の吐出動作を制御する制御部と、
前記インクジェットヘッドと、前記液体材料が塗布される対象物とを相対移動させる搬送部と、を有する、
インクジェット塗布装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、インクジェットヘッドおよびインクジェット塗布装置に関する。

【背景技術】

【0002】

インクジェットヘッドは、入力信号に応じて、任意のタイミングで必要な量の液体材料を吐出し、その液体材料を対象物上に塗布することができる液体吐出ヘッドとして知られる。特に圧電（ピエゾ）方式のインクジェットヘッドは、幅広い種類の液体材料を、高精度に制御しながら塗布することができることから、現在、積極的に開発が行われている。

【0003】

一般的に、圧電方式のインクジェットヘッドは、液体材料の供給流路と、その供給流路と連通し、ノズル穴を有する圧力室と、圧力室内に充填された液体材料にダイアフラムを介して圧力を加える圧電素子と、を有する。

【0004】

圧電方式のインクジェットヘッドでは、圧電素子に駆動電圧が印加されると、圧電素子およびダイアフラムに機械的な歪みが生じ、圧力室内の液体材料に圧力が加えられる。これにより、ノズル穴から液体材料が吐出される。

【0005】

上述した圧電方式のインクジェットヘッドおよびそれを備えたインクジェット塗布装置は、例えば、特許文献１に開示されている。

【0006】

以下、従来のインクジェットヘッドおよびインクジェット塗布装置の構成について説明する。

【0007】

図１Ａ、図１Ｂは、従来のインクジェット塗布装置１００の構成を示す模式図である。図１Ａは、インクジェット塗布装置１００によって、基板１０６に塗布領域１０４が形成される前の様子を示している。図１Ｂは、インクジェット塗布装置１００によって、基板１０６に塗布領域１０４が形成された後の様子を示している。

【0008】

図１Ａ、図１Ｂに示すように、インクジェット塗布装置１００は、架台１０１と、架台１０１の上に設置された基板搬送ステージ１０２と、基板搬送ステージ１０２に対向するインクジェットヘッド１０５と、を有する。インクジェットヘッド１０５は、基板搬送ステージ１０２を跨ぐガントリ１０３に設置されている。

【0009】

図２Ａ、図２Ｂは、従来のインクジェットヘッドの構成を示す模式図である。図２Ａは、圧力室２１０が加圧されていないときのインクジェットヘッドの断面を模式的に示している。図２Ｂは、圧力室２１０が加圧されたときのインクジェットヘッドの断面を模式的に示している。

【0010】

図２Ａ、図２Ｂに示すように、インクジェットヘッドは、液体材料を吐出する複数のノズル穴２００と、ノズル穴２００に連通する圧力室２１０と、圧力室２１０を隔てる圧力壁２１１と、圧力室２１０の一部をなすダイアフラム２１２と、ダイアフラム２１２を振動させる第１アクチュエータ２３０と、圧力壁２１１を支える第２アクチュエータ２４０と、第１アクチュエータ２３０に駆動電圧を印加する共通電極２２０および個別電極２２１と、共通電極２２０および個別電極２２１がそれぞれ接続される駆動回路２２２と、を有する。

【0011】

図３は、従来のインクジェットヘッドをノズル穴の軸方向に沿って見たときの模式図である。

【0012】

図３に示すように、インクジェットヘッドは、方向Ｘに沿って配置される液体材料共通供給流路３１６および液体材料共通回収流路３１７と、液体材料共通供給流路３１６と液体材料共通回収流路３１７との間に配置される複数の圧力室２１０と、圧力室２１０のそれぞれと外部とを連通するノズル穴２００と、圧力室２１０のそれぞれを隔てる圧力壁２１１と、圧力室２１０と液体材料共通供給流路３１６とを連通する液体材料供給流路３１８と、圧力室２１０と液体材料共通回収流路３１７とを連通する液体材料回収流路３１９と、を有している。方向Ｘは、ノズル穴２００が配列する方向である。方向Ｙは、方向Ｘおよびノズル穴２００の軸に直交する方向（換言すれば、ノズル穴２００の配列方向Ｘに直交する方向）を示している。

【0013】

このように構成された従来のインクジェットヘッドは、以下のように動作する。

【0014】

共通電極２２０と個別電極２２１との間に電圧が印加されると、第１アクチュエータ２３０が図２Ａに示す状態から図２Ｂに示す状態に変形する。第１アクチュエータ２３０の変形により、ダイアフラム２１２が往復振動する。これにより、圧力室２１０の容積が小さくなり、圧力室２１０内の液体材料に圧力が加えられる。その圧力により、液体材料は、ノズル穴２００から吐出される。

【0015】

次に、インクジェット塗布装置１００の塗布動作について、以下に説明する。

【0016】

基板搬送ステージ１０２は、図１Ａに示す状態から図１Ｂに示す状態へ移動する。このとき、基板搬送ステージ１０２上に載置された基板１０６に向けて、インクジェットヘッド１０５から液体材料が吐出される。これにより、基板１０６の所定の塗布領域１０４に液体材料が塗布される。

【0017】

基板搬送ステージ１０２の速度は、例えば、１０～１０００ｍｍ／ｓである。また、液体材料の吐出周波数は、１００～５０，０００Ｈｚである。インクジェット塗布装置１００は、基板搬送ステージ１０２の位置を検出し、液体材料の吐出タイミングを制御することで、任意の塗布パターンを形成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0018】

【文献】特開２０１２－２３２２９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

インクジェット方式には、任意の塗布パターンをオンデマンド印刷できるという利点がある。そのため、近年、インクジェット方式は、民生用途の写真印刷用プリンタだけでなく、様々な分野の産業用途に応用展開されることが期待されている。

【0020】

特に、機能性粒子を含む高粘度液体材料をインクジェット方式で塗布したいという要求が高まっている。高粘度液体材料としては、例えば、はんだペースト、銀ペースト、捺印ペースト、蛍光体ペースト、接着剤等が挙げられる。なお、従来、高粘度液体材料は、例えば、スクリーン印刷などのマスク印刷や、シングルノズルディスペンサなどにより塗布されていた。

【0021】

特許文献１に開示されているような従来のインクジェットヘッドでは、高粘度液体材料を吐出するためには、圧力室内の圧力を大きく高めなければならない。そのため、圧力室に連通する出入口流路の圧力損失を大きくしたり、アクチュエータ（例えば、図２Ａ、図２Ｂに示す第１アクチュエータ２３０）の変位量を大きくしたりする必要がある。

【0022】

しかしながら、圧力損失を大きくすると、圧力室への材料供給が遅延するという問題が生じる。また、アクチュエータの変位量を大きくすると、静電容量が大きくなり、電気的な駆動応答性が低下するという問題が生じる。

【0023】

よって、従来のインクジェットヘッドでは、高粘度液体材料を高速かつ安定的に塗布することができないという問題があり、改善の余地が残されていた。

【0024】

本開示の一態様の目的は、高粘度液体材料を高速かつ安定的に塗布することができるインクジェットヘッドおよびインクジェット塗布装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0025】

本開示の一態様に係るインクジェットヘッドは、液体材料を吐出するノズル穴と、前記ノズル穴に連通する圧力室と、前記圧力室内の液体材料に当接して往復振動するダイアフラムと、前記ダイアフラムを介して前記圧力室に圧力を加える第１アクチュエータと、隣り合う前記圧力室の間に配置される圧力壁と、前記ダイアフラムを介して前記圧力壁を支える第２アクチュエータと、前記圧力室に前記液体材料を供給する供給流路と、前記圧力室から前記液体材料を回収する回収流路と、を有し、前記ダイアフラムは、前記第１アクチュエータに当接する第１凸部と、前記第２アクチュエータに当接する第２凸部と、を有し、前記ノズル穴が配列された方向において、前記第１凸部の長さは、前記第２凸部の長さよりも長く、前記圧力室の位置に対応する前記ダイアフラムのうち、前記圧力室の中央よりも前記回収流路側に位置する前記ダイアフラムの剛性は、前記圧力室の中央よりも前記供給流路の側に位置する前記ダイアフラムの剛性よりも低い。

【0026】

本開示の一態様に係るインクジェット塗布装置は、本開示の一態様に係るインクジェットヘッドと、前記インクジェットヘッドに前記液体材料を供給するとともに、前記インクジェットヘッドから前記液体材料を回収する液体循環部と、前記インクジェットヘッドのアクチュエータを駆動する電気信号を生成し、前記インクジェットヘッドにおける前記液体材料の吐出動作を制御する制御部と、前記インクジェットヘッドと、前記液体材料が塗布される対象物とを相対移動させる搬送部と、を有する。

【発明の効果】

【0027】

本開示によれば、高粘度液体材料を高速かつ安定的に塗布することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1A】従来のインクジェット塗布装置において基板に塗布領域が形成される前の様子を示す模式図

【図1B】従来のインクジェット塗布装置において基板に塗布領域が形成された後の様子を示す模式図

【図2A】従来のインクジェットヘッドにおいて圧力室が加圧されていないときのインクジェットヘッドの断面を示す模式図

【図2B】従来のインクジェットヘッドにおいて圧力室が加圧されたときのインクジェットヘッドの断面を示す模式図

【図3】従来のインクジェットヘッドをノズル穴の軸方向に沿って見たときの模式図

【図4A】本開示の実施の形態に係るインクジェットヘッドにおけるノズル穴の配列方向の断面を示す模式図

【図4B】本開示の実施の形態に係るインクジェットヘッドにおけるノズル穴の配列方向に直交する方向の断面を示す模式図

【図5】従来のインクジェットヘッドおよび本実施の形態のインクジェットヘッドそれぞれにおける、ノズル穴配列方向の断面図と、ダイアフラム変位挙動とを示す図

【図6A】本開示の変形例に係る第１凸部の形状の一例を示す模式図

【図6B】本開示の変形例に係る第１凸部の形状の一例を示す模式図

【図6C】本開示の変形例に係る第１凸部の形状の一例を示す模式図

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素については同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。

【0030】

＜インクジェットヘッドの構成＞
本実施の形態のインクジェットヘッドの構成について、図４Ａ、図４Ｂを用いて説明する。

【0031】

なお、本実施の形態のインクジェットヘッドをノズル穴の軸方向に沿って見たときの構成は、図３に示した従来のインクジェットヘッドの構成と同様である。すなわち、本実施の形態のインクジェットヘッドは、ノズル穴２００の配列方向Ｘに沿って配置される液体材料共通供給流路３１６および液体材料共通回収流路３１７と、液体材料共通供給流路３１６と液体材料共通回収流路３１７との間に配置される複数の圧力室２１０と、圧力室２１０のそれぞれと外部とを連通するノズル穴２００と、圧力室２１０のそれぞれを隔てる圧力壁２１１と、圧力室２１０と液体材料共通供給流路３１６とを連通する液体材料供給流路３１８と、圧力室２１０と液体材料共通回収流路３１７とを連通する液体材料回収流路３１９と、を有する。

【0032】

図４Ａは、図３中のＡ－Ａ線の断面（ノズル穴２００の配列方向Ｘの断面）を示している。図４Ｂは、図３中のＢ－Ｂ線の断面（ノズル穴２００の配列方向Ｘに直交する方向Ｙの断面）を示している。

【0033】

図４Ａ、図４Ｂに示すように、本実施の形態のインクジェットヘッドは、図３に示した構成要素のほか、圧力室２１０の一部をなすダイアフラム２１２、ダイアフラム２１２を振動させる第１アクチュエータ２３０と、圧力壁２１１を支える第２アクチュエータ２４０と、ノズル穴２００が設けられたノズルプレート４０１と、を有する。さらに、図示は省略するが、本実施の形態のインクジェットヘッドは、第１アクチュエータ２３０に駆動電圧を印加する共通電極および個別電極と、共通電極および個別電極がそれぞれ接続される駆動回路と、を有する。

【0034】

図４Ａ、図４Ｂに示すように、圧力室２１０は、ノズルプレート４０１と、圧力壁２１１と、ダイアフラム２１２とにより構成されている。また、図４Ｂに示すように、圧力室２１０には、液体材料共通供給流路３１６と連通する液体材料供給流路３１８が接続され、かつ、液体材料共通回収流路３１７と連通する液体材料回収流路３１９が接続されている。

【0035】

圧力壁２１１の一端は、ノズルプレート４０１に固定され、圧力壁２１１の他端は、ダイアフラム２１２に固定されている。ダイアフラム２１２の上方において、圧力室２１０に対応する位置には第１アクチュエータ２３０が配置されており、圧力壁２１１に対応する位置には、第２アクチュエータ２４０が配置されている。

【0036】

以下、図４Ａ、図４Ｂに示した各構成要素の特徴について説明する。

【0037】

＜第１アクチュエータ２３０および第２アクチュエータ２４０＞
第１アクチュエータ２３０は、ダイアフラム２１２を往復振動させるための駆動源として用いられる。第１アクチュエータ２３０としては、例えば、圧電素子、静電アクチュエータ、または磁歪アクチュエータなどを用いることができる。

【0038】

例えば、粘度が０．０１Ｐａ・ｓｅｃ以上であり、５０Ｐａ・ｓｅｃ以下である高粘度液体材料の吐出を行う場合では、圧力室２１０内の液体材料に対し、より高い圧力を印加する必要がある。そのため、第１アクチュエータ２３０は、圧力室２１０内の圧力に押し負けることなく、より大きく、短時間で変位しなければならない。なお、図４Ａ、図４Ｂに示す矢印Ａは、第１アクチュエータ２３０が変位する方向を示している。

【0039】

そこで、図４Ａに示すように、第１アクチュエータ２３０のＸ方向の長さを、圧力壁２１１を支える第２アクチュエータ２４０のＸ方向の長さよりも長くする。これにより、第１アクチュエータ２３０は、高粘度液体材料をノズル穴２００から吐出するために必要な圧力に押し負けることなく、変位することが可能となる。

【0040】

しかしながら、第１アクチュエータ２３０のＸ方向の長さを長くしたり、第１アクチュエータ２３０の変位を大きくしたりすると、電気的な駆動負荷が大きくなる。その結果、第１アクチュエータ２３０を短時間で変位させることが困難になる。

【0041】

一方、第２アクチュエータ２４０のＸ方向の長さを短くすると、圧力壁２１１の変形を抑えることが困難になる。

【0042】

したがって、第２アクチュエータ２４０のＸ方向の長さに対する、第１アクチュエータ２３０のＸ方向の長さの割合（以下、Ｘ方向長さ割合という）は、１．１～５．０の範囲内であることが好ましい。

【0043】

Ｘ方向長さ割合が１．１より小さい場合、第１アクチュエータ２３０の発生力が不足し、高粘度液体材料をノズル穴２００から吐出するために必要な圧力を得ることが困難となる。一方、Ｘ方向長さ割合が５．０より大きい場合、圧力壁２１１の変形によって圧力室２１０内の圧力が低下し、高粘度液体材料をノズル穴２００から吐出するために必要な圧力を得ることが困難となる。

【0044】

＜ダイアフラム２１２＞
ダイアフラム２１２は、圧力室２１０の一部をなし、圧力室２１０内の高粘度液体材料に当接する。ダイアフラム２１２は、第１アクチュエータ２３０の往復振動エネルギを高粘度液体材料の吐出に必要な機械エネルギに変換する機能を有する。ダイアフラム２１２がノズル穴２００近傍で往復振動することによって、ノズル穴２００近傍の高粘度液体材料に圧力が印加される。これにより、ノズル穴２００から高粘度液体材料が吐出される。

【0045】

ダイアフラム２１２を構成する材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、コバルト、パラジウム、アルミニウム、チタンなどを含む金属、または、シリコン、セラミック、ガラス、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＩ（ポリイミド）などの樹脂を用いることができる。ただし、ダイアフラム２１２が、高粘度液体材料の吐出に必要な圧力で破損したり、高粘度液体材料に侵食されたり、高粘度液体材料に溶出したりするおそれがない材料および構造を選ぶ必要がある。

【0046】

また、高粘度液体材料を高精度に塗布するためには、制御入力信号に対する応答性を高くし、ダイアフラム２１２を高速駆動させることが重要である。よって、ダイアフラム２１２の材料としては、剛性の低い素材（例えば、弾性率が２～２００ＧＰａの範囲内である素材）を用いることが好ましい。また、ダイアフラム２１２の厚みは、３～１００μｍの範囲内とすることが好ましい。

【0047】

次に、従来のインクジェットヘッドのダイアフラム変位挙動と本実施の形態のインクジェットヘッドのダイアフラム変位挙動について、図５を用いて説明する。

【0048】

図５は、従来のインクジェットヘッドおよび本実施の形態のインクジェットヘッドそれぞれのノズル穴配列方向の断面図およびダイアフラム変位挙動を示す図である。

【0049】

従来のインクジェットヘッドにおいて、例えば、粘度が０．０１Ｐａ・ｓｅｃ以上であり、５０Ｐａ・ｓｅｃ以下である高粘度液体材料を吐出するとする。その場合、図５に示すように、ダイアフラム２１２における圧力壁２１１、第２アクチュエータ２４０、第１アクチュエータ２３０のいずれにも支えられない部分ａは、圧力室２１０内の圧力によって変形してしまい、吐出性能が著しく低下することがある。

【0050】

そのため、ダイアフラム２１２が、高速変形を促す低剛性部と、圧力室２１０内の圧力による変形を抑制する高剛性部とを備えるように、ダイアフラム２１２の素材や構造を設計することが好ましい。中でも、ダイアフラム２１２に凹凸構造を設けることは製造上容易であるため、特に好ましい。

【0051】

そこで、本実施の形態のインクジェットヘッドでは、図５に示すように、ダイアフラム２１２に、第１凸部５０１ａ、第２凸部５０１ｂ、および凹部５０２を設けた。

【0052】

第１凸部５０１ａは、第１アクチュエータ２３０に当接する。第２凸部５０１ｂは、第２アクチュエータ２４０に当接する。

【0053】

図５において、長さＬ１は、第１凸部５０１ａのＸ方向の長さである。長さＬ２は、第２凸部５０１ｂのＸ方向の長さである。本実施の形態のインクジェットヘッドでは、図５に示すように、長さＬ１を、長さＬ２よりも長くした。また、長さＬ１を、第１アクチュエータ２３０のＸ方向の長さＬ３よりも長くした。また、長さＬ３を、第２アクチュエータ２４０のＸ方向の長さＬ４よりも長くした。

【0054】

このような構成により、ダイアフラム２１２の凹部５０２の変形による圧力室２１０内の圧力低下を抑制することができ（図５の「ダイアフラム変位挙動」参照）、高粘度液体材料をノズル穴２００から吐出するために必要な圧力を得ることが可能となる。

【0055】

なお、凹部５０２の厚みに対する第１凸部５０１ａまたは第２凸部５０１ｂの厚みの割合は、２倍以上であることが好ましい。

【0056】

また、図４Ｂにおいて、圧力室２１０の位置に対応するダイアフラム２１２のうち、圧力室２１０の中央よりも液体材料回収流路３１９側に位置するダイアフラム２１２の剛性を、圧力室２１０の中央よりも液体材料供給流路３１８の側に位置するダイアフラム２１２の剛性よりも低くすることが好ましい。これによって、液体材料回収流路３１９の側のダイアフラム２１２の変位をより大きくすることができ、ノズル穴２００近傍の圧力室２１０の圧力を高めることができる。

【0057】

＜ノズル穴２００＞
ノズルプレート４０１を構成する材料としては、例えば、超硬合金、ステンレス、ニッケル、コバルト、パラジウム、アルミニウム、チタンなどを含む金属、または、シリコン、セラミック、ガラス、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＩ（ポリイミド）などの樹脂を用いることができる。ただし、ノズルプレート４０１が、高粘度液体材料が吐出される際に含有粒子材料との磨耗で劣化したり、高粘度液体材料の吐出に必要な圧力で破損したり、高粘度液体材料に侵食されたり、高粘度液体材料に溶出したりするおそれがない材料および構造を選ぶ必要がある。

【0058】

ノズル穴２００のサイズ（例えば、直径などの代表寸法）は、吐出液滴サイズや含有粒子サイズに応じて、設計される。例えば、ノズル穴２００のサイズは、０．０１ｍｍ以上、０．１５ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。

【0059】

ノズル穴２００の形状としては、例えば、円形、四角形、三角形、星形など、任意の形状でよい。

【0060】

ノズル穴の長さは、液体材料の粘度やチキソ性、表面張力、ノズル面との接触角などの物性に応じて、設計される。例えば、ノズル長さは、０．０１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。なお、ここでいうノズル穴の長さとは、図４Ａ、図４Ｂにおける上下方向の長さである。

【0061】

図４Ａ、図４Ｂでは、ノズル穴２００の断面形状がテーパ形状である場合を図示しているが、ノズル穴２００の断面形状は、例えば、ストレート形状、漏斗形状、階段形状であってもよい。

【0062】

図４Ｂにおいて、ノズル穴２００は、圧力室２１０の中央を基準として、液体材料供給流路３１８側よりも液体材料回収流路３１９側に近い位置に設けることが好ましい。これにより、供給または回収される高粘度液体材料の流れに伴って、圧力室２１０内に印加される高粘度液体材料の圧力上昇分を効率的に吐出エネルギに変換することが可能となる。よって、高粘度液体材料をより高精度に吐出させることが可能となる。

【0063】

＜圧力室２１０＞
圧力室２１０は、液体材料供給流路３１８から供給された高粘度液体材料を蓄える機能、高粘度液体材料の一部をノズル穴２００から吐出させる機能、および、高粘度液体材料の一部を液体材料回収流路３１９へ排出する機能を有する。さらに、圧力室２１０は、ダイアフラム２１２の機械エネルギを、高粘度液体を吐出させるエネルギに変換する機能も有する。

【0064】

圧力壁２１１を構成する材料としては、例えば、ステンレス、ニッケル、コバルト、パラジウム、アルミニウム、チタンなどを含む金属、または、シリコン、セラミック、ガラス、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＩ（ポリイミド）などの樹脂を用いることができる。ただし、圧力壁２１１が、高粘度液体材料の吐出に必要な圧力で破損したり、高粘度液体材料に侵食されたり、高粘度液体材料に溶出したりするおそれがない材料および構造を選ぶ必要がある。

【0065】

＜液体材料供給流路３１８および液体材料回収流路３１９＞
液体材料供給流路３１８は、圧力室２１０内に高粘度液体材料を供給する機能を有する。液体材料回収流路３１９は、圧力室２１０内の高粘度液体材料を回収する機能を有する。

【0066】

液体材料供給流路３１８および液体材料回収流路３１９を構成する材料は、圧力室２１０やノズルプレート４０１を構成する材料と同じ材料を用いることができる。

【0067】

液体材料供給流路３１８および液体材料回収流路３１９それぞれの流路断面積は、０．００５ｍｍ^２以上、１ｍｍ^２以下であることが好ましい。液体材料供給流路３１８および液体材料回収流路３１９それぞれの流路断面の形状は、例えば、円形状または矩形状など、任意の形状でよい。

【0068】

＜液体材料共通供給流路３１６および液体材料共通回収流路３１７＞
液体材料共通供給流路３１６は、各液体材料供給流路３１８に高粘度液体材料を供給する機能を有する。液体材料共通回収流路３１７は、各液体材料回収流路３１９から高粘度液体材料を回収する機能を有する。

【0069】

液体材料共通供給流路３１６および液体材料共通回収流路３１７は、高粘度液体材料を貯留する液体材料貯留タンク（図示略）と接続されている。液体材料貯留タンクに貯留された高粘度液体材料は、液体材料共通供給流路３１６へ流入した後、各液体材料供給流路３１８を経て各圧力室２１０へ流入する。また、各圧力室２１０内に流入した高粘度液体材料の一部（吐出されなかった高粘度液体材料）は、各圧力室２１０から各液体材料回収流路３１９を経て液体材料共通回収流路３１７へ流入し、液体材料共通回収流路３１７から液体材料貯留タンクへ流入する。

【0070】

液体材料共通供給流路３１６および液体材料共通回収流路３１７を構成する材料は、圧力室２１０やノズルプレート４０１を構成する材料と同じ材料を用いることができる。

【0071】

液体材料共通供給流路３１６および液体材料共通回収流路３１７それぞれの流路断面積は、０．１ｍｍ^２以上、３０ｍｍ^２以下であることが好ましい。液体材料共通供給流路３１６および液体材料共通回収流路３１７それぞれの流路断面の形状は、例えば、円形状または矩形状など、任意の形状でよい。

【0072】

＜塗布動作＞
次に、本実施の形態のインクジェットヘッドによる高粘度液体材料の塗布動作について、以下に説明する。

【0073】

図示しない共通電極と個別電極との間に電圧が印加されると、第１アクチュエータ２３０が変位する。この第１アクチュエータ２３０の変位に伴って、ダイアフラム２１２がノズル穴２００近傍で往復振動する。これによって、圧力室２１０の容積が小さくなり、ノズル穴２００近傍の高粘度液体材料に圧力が印加される。その結果、ノズル穴２００から高粘度液体材料が吐出される。

【0074】

液体材料貯留タンク（図示略）に印加された圧力や、液体材料送液ポンプ（図示略）の吸引および吐出時の圧力に応じて、液体材料共通供給流路３１６と液体材料共通回収流路３１７との圧力差が制御される。これにより、各圧力室２１０への高粘度液体材料の供給および各圧力室２１０からの高粘度液体材料の回収が実現される。

【0075】

上記圧力差が大きいほど高粘度液体材料の供給速度および回収速度は速くなる。しかしながら、液体材料共通供給流路３１６および液体材料共通回収流路３１７における圧力勾配が大きくなると、各ノズル穴２００の背圧のばらつきが大きくなり、ノズル穴２００内の液面が不均一になってしまうことがある。そのため、上記圧力差は、１００ｋＰａ程度以下であることが好ましい。

【0076】

ただし、上記圧力差が１００ｋＰａ以下であっても、ノズル穴２００から高粘度液体材料が染み出た状態になると、気液界面のメニスカス面が不安定となり、安定した吐出が実現できなくなる場合がある。そのため、高粘度液体材料と吐出条件とに応じて、圧力差を設定することが不可欠である。

【0077】

ダイアフラム２１２がノズル穴２００に近づくように動作する（図４Ａ、図４Ｂにおける下方向に動作する）際に、ノズル穴２００近傍の高粘度液体材料の圧力が上昇し、ノズル穴２００から高粘度液体材料の液滴が吐出される。ダイアフラム２１２の下方向への動作速度が速いほどノズル穴２００近傍の高粘度液体材料の圧力を急速に上昇させることができる。よって、ノズル穴２００から先頭で（最初に）飛び出す高粘度液体材料の吐出速度を上昇させることができる。

【0078】

また、ノズル穴２００から高粘度液体材料が吐出された後、ダイアフラム２１２を図４Ａ、図４Ｂにおける上方向に速く動作させることによって、次に吐出される高粘度液体材料の吐出速度を低下させることができる。これにより、吐出された高粘度液体材料の液滴の糸曳きを短くすることが可能となり、微量な液滴をより精度良く安定して吐出させることができる。

【0079】

＜ダイアフラム２１２の変形例＞
第１アクチュエータ２３０に当接するダイアフラム２１２の第１凸部５０１ａの変形例について、図６Ａ～図６Ｃを用いて、以下に説明する。図６Ａ～図６Ｃは、本変形例に係るインクジェットヘッドにおけるノズル穴の配列方向の断面を示すとともに、第１凸部５０１ａの形状の各例を示す模式図である。

【0080】

図６Ａに示すように、第１凸部５０１ａを３段構造としてもよい。なお、段数は、３段以上であってもよい。

【0081】

また、図６Ｂに示すように、第１凸部５０１ａを、下方向から上方向に向かうにつれ、Ｘ方向の長さが徐々に短くなるテーパ形状としてもよい。

【0082】

また、図６Ｃに示すように、テーパ形状の第１凸部５０１ａにおいて、その外周面を滑らかな曲線形状としてもよい。

【0083】

本変形例によれば、第１アクチュエータ２３０の変位時に作用するダイアフラム２１２の最大主応力を低減できる。その結果、ダイアフラム２１２の繰り返し往復振動による疲労破壊を抑制することができる。なお、ダイアフラム２１２の疲労破壊は、インクジェットヘッドの信頼性不良の主要因の１つである。

【0084】

＜インクジェット塗布装置＞
上述した本実施の形態のインクジェットヘッドは、インクジェット塗布装置に備えられる。本実施の形態のインクジェット塗布装置は、上述した本実施の形態のインクジェットヘッドと、インクジェットヘッドに高粘度液体を供給するとともに、インクジェットヘッドから高粘度液体材料を回収する液体循環部と、インクジェットヘッドのアクチュエータを駆動する電気信号を生成し、インクジェットヘッドにおける高粘度液体材料の吐出動作を制御する制御部と、インクジェットヘッドと、高粘度液体材料が塗布される対象物とを相対移動させる搬送部と、を備える。

【0085】

以上説明したように、本実施の形態のインクジェットヘッドは、液体材料を吐出するノズル穴２００と、ノズル穴２００に連通する圧力室２１０と、圧力室２１０内の液体材料に当接して往復振動するダイアフラム２１２と、ダイアフラム２１２を介して圧力室２１０に圧力を加える第１アクチュエータ２３０と、隣り合う圧力室２１０の間に配置される圧力壁２１１と、ダイアフラム２１２を介して圧力壁２１１を支える第２アクチュエータ２４０と、を有し、ダイアフラム２１２は、第１アクチュエータ２３０に当接する第１凸部５０１ａと、第２アクチュエータ２４０に当接する第２凸部５０１ｂと、を有し、ノズル穴２１０が配列された方向（Ｘ方向）において、第１凸部５０１ａの長さＬ１は、第２凸部５０１ｂの長さＬ２よりも長いことを特徴とする。

【0086】

よって、本実施の形態のインクジェットヘッドおよびそれを備えたインクジェット塗布装置は、機能性粒子が含まれる高粘度液体材料の塗布を高速かつ安定的に制御することができる。よって、例えば、長期連続駆動が不可欠となる電子デバイスの製造などの産業用途で用いることが可能となる。

【0087】

なお、本開示は、上記実施の形態の説明に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0088】

本開示のインクジェットヘッドおよびインクジェット塗布装置は、機能性粒子が含まれる高粘度液体材料の塗布を高速かつ安定的に制御することができ、高粘度液体材料を、必要な箇所に最適な量を任意のパターンで高速かつ非接触で塗布することが可能である。そのため、例えば、凹凸面や曲面などの立体構造物への３Ｄ塗布や、多品種少量の電子デバイス製造における生産性向上などの目的で、任意パターン塗布するためのインクジェットヘッドおよびそれを具備するインクジェット塗布装置として広く用いることができる。

【符号の説明】

【0089】

１００ インクジェット塗布装置
１０１ 架台
１０２ 基板搬送ステージ
１０３ ガントリ
１０４ 塗布領域
１０５ インクジェットヘッド
１０６ 基板
２００ ノズル穴
２１０ 圧力室
２１１ 圧力壁
２１２ ダイアフラム
２２０ 共通電極
２２１ 個別電極
２２２ 駆動回路
２３０ 第１アクチュエータ
２４０ 第２アクチュエータ
３１６ 液体材料共通供給流路
３１７ 液体材料共通回収流路
３１８ 液体材料供給流路
３１９ 液体材料回収流路
４０１ ノズルプレート
５０１ａ 第１凸部
５０１ｂ 第２凸部
５０２ 凹部

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】