JP2005193221A - 駆動波形決定装置、電気光学装置および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 解析部154が、液滴の最適な重量および吐出速度、駆動波形の基本形を記憶している。重量・粘度測定部150が、吐出ヘッド110から吐出された液滴の重量を測定する。解析部154が、CCDカメラ152aとストロボ152bとを用いて、液滴の吐出速度を測定する。解析部154が、基本形となる駆動波形を読み出し、測定された重量および吐出速度が解析部154で記憶されている重量および吐出速度と一致するように当該駆動波形を調整する。そして、解析部154が、調整された駆動波形を記憶する。
【選択図】 図1
Description
ところで、液滴吐出装置の工業応用において用いられる液体材料には様々なものがあり、材料毎に密度、粘度などの特性が異なっている。液滴の吐出状態(1滴の分量、吐出速度など)は液体材料の特性によって変化するため、常に最適な吐出状態となるように、圧電素子に印加する駆動電圧の波形を液体材料毎に調整することが必要となる。
このような液滴の吐出状態の制御を目的とした技術が提案されている(例えば、特許文献1)。特許文献1に記載の技術では、インクカートリッジ内のインク残量に応じて、駆動電圧波形(以下、駆動波形と呼ぶ)を変更することにより、吐出されるインク量の安定化を図っている。
本発明は上述した課題に鑑みてなされ、その目的は、液滴吐出装置の適確な駆動波形を少ない試行で決定することのできる技術を提供することにある。
上記の構成からなる駆動波形決定装置においては、重量測定手段が吐出された液滴の重量を測定し、速度測定手段が液滴の吐出速度を測定する。そして、波形調整手段が、液定の重量および速度が条件記憶手段に記憶されている重量および速度と一致するように駆動波形を調整し、波形記憶手段が調整された駆動波形を記憶する。
この駆動波形決定装置によれば、液滴吐出装置の適確な駆動波形を少ない試行で決定することができる。液滴一滴毎の重量と吐出速度が測定できるから、実際の吐出状態を反映した正確な調整が可能となる。また、駆動波形を記憶することにより、最適な駆動波形を選択することが可能となる。
上記の構成によれば、液滴の物性値に応じて最適な駆動波形を決定することができる。
また、前記波形調整手段は、前記基本駆動波形記憶手段から読み出した駆動波形に対して、前記吐出ヘッドの固有周期に応じた修正を行い、修正後の駆動波形について前記調整を行うことを特徴とすることが好ましい。
上記の構成によれば、吐出ヘッドの固有周期に応じて駆動波形の基本形を修正することができる。
また、前記物性値は、少なくとも粘度、表面張力、接触角、密度のいずれかを含むことが好ましい。
さらに、前記物性値取得手段は、少なくとも1つの前記物性値の測定手段からなることが好ましい。
上記の構成によれば、予め液体材料の物性値がわかっていない場合であっても、測定手段によって物性値を測定することができる。
上記の構成によれば、液滴の重量を正確に測定することが可能となり、所望の重量を有する液滴を吐出させるのに最適な駆動波形を決定することができる。
また、前記物性値取得手段は、前記液滴が前記電極表面に付着した際の前記振動子の振幅の減衰特性を用いて前記液滴の粘度を求めることが好ましい。
上記の構成によれば、液滴の粘度を正確に測定することが可能となり、液滴の粘度に応じて最適な駆動波形を決定することができる。
また、前記速度測定手段は、前記吐出ヘッドから吐出された液滴の異なる2つの時刻における位置と、該2つの時刻の時間差とを用いて、該液滴の吐出速度を求めることを特徴とすることが好ましい。
上記の構成によれば、液滴の吐出速度を正確に測定することが可能となり、所望の吐出速度で液滴を吐出させるのに最適な駆動波形を決定することができる。
上記の構成によれば、複数のノズルの吐出速度のばらつきが最小となるように駆動波形を決定することができる。
また、前記波形調整手段は、前記駆動波形の高周波領域における液滴の重量の減少幅が最小となるように、前記駆動波形の前記VLを維持するホールド時間を定めることが好ましい。
上記の構成によれば、駆動波形の周波数の変化に対して液滴の重量を安定させることができる。
また、前記波形調整手段は、前記液滴の重量および吐出速度が前記条件記憶手段に記憶されている値と一致するように、前記駆動波形の前記VHおよび前記VCを定めることが好ましい。
上記の構成によれば、所望の重量および吐出速度が得られるように駆動波形を決定することができる。
上記の構成による液滴吐出装置によれば、駆動波形決定装置が液滴吐出装置に組み込まれているので、所望の重量および吐出速度で液滴を吐出させるための駆動波形を迅速に決定することができる。また、生産現場において、液滴の種類に応じて迅速に駆動波形を決定することが可能となり、生産効率を向上させることができる。
また、電気光学装置を上記の液滴吐出装置を用いて製造することも好ましい。さらに、上記の液滴吐出装置を用いて製造された電気光学装置を電子機器に搭載することも好ましい。
<駆動波形決定装置の構成>
はじめに、本発明にかかる駆動波形決定装置の構成を説明する。図1は、駆動波形決定装置100の構成を示す図である。駆動波形決定装置100は、例えば、銀微粒子をC14H30(テトラデカン)溶媒に分散させた液体材料を基板の所定の位置に吐出することによって基板上に導電膜パターンを形成する液滴吐出装置の吐出ヘッドの駆動波形を決定するための装置である。
解析部154はコンピュータ装置であり、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等を有し、ROMに格納されたコンピュータプログラムをCPUが実行することによって駆動波形決定装置100各部の制御を行う。
解析部154は、液滴の最適な重量、最適な吐出速度を液体材料の種類・物性値・温度と対応付けて記憶している。また、解析部154は、吐出ヘッドから吐出された液滴の重量および吐出速度が記憶されている値と一致するか否かを判定し、最適な駆動波形の決定を行う。さらに、解析部154は、決定された駆動波形を液体材料の種類・物性値・温度と対応付けて記憶する。解析部154によって行われる処理の手順については後述する。
なお、本実施形態においては、液体材料の物性値として粘度を用いるが、表面張力、接触角、密度などを用いてもよい。
図2は、重量・粘度測定部150の構成を示す図である。重量・粘度測定部150は、センサーチップ421、周波数カウンタ422、演算部423およびパルス発生部420を主な構成要素としている。図3は、センサーチップ421の構成を示す図である。同図では、センサーチップ421の吐出ヘッド110と対向する面を示している。水晶振動子424の両面には、一対の電極425a、425bが対向して取り付けられている。絶縁体426は、導電性を有する支持体427a、427bを介して、水晶振動子424を振動自在に保持する。支持体427aは、電極425aと導通するとともに、絶縁体426に固定された端子428aと導通している。一方、支持体427bは、電極425bと導通するとともに、絶縁体426に固定された端子428bと導通している。上記の構成により、パルス発生部420から出力されたパルス信号が端子428a、428bを介してセンサーチップ421に入力されると、水晶振動子424が共振周波数にて振動する。
水晶振動子は、自身に作用する外力が一定であれば一定の共振周波数にて振動するが、電極425aの表面に物質が付着して外力が変化すると、その変化量に応じて共振周波数が変化するという特性を有している。また、付着した物質が粘弾性を有する場合、水晶振動子424は、その物質の粘弾性特性値に応じて共振周波数が変化する。
なお、液滴の重量測定には以下の方法を用いてもよい。
(ア)採取法
採取法では、液滴を一定の回数だけ吐出し、容器に採取する。採取された液体の重量を電子天秤等の手段を用いて測定し、その重量を液滴数で除することによって、液滴一滴あたりの重量を求めることができる。
(イ)減量法
減量法では、液体が収容されたタンクの重量を液滴吐出前後で測定し、吐出前後の重量差を液滴数で除することによって液滴一滴あたりの重量を求める方法である。
水晶振動子は前述したように液滴の質量に応じた共振周波数で振動するとともに、その物質の粘度に応じて共振周波数が変化するという特性を有している。重量・粘度測定部310は、この特性を利用して、液滴の質量および粘度を求めるものである。具体的には、インピーダンス演算部430が、センサーチップ421に加えた電圧と電流との関係から、水晶振動子424の電気的なインピーダンスを求める。このインピーダンスは、共振周波数付近で大きく変化するという性質を持つ。インピーダンスの抵抗成分が最小となるときの周波数が共振周波数となり、その抵抗成分が共振抵抗値となる。インピーダンス演算部430は、水晶振動子424の共振周波数を演算により求め、共振周波数を示す信号を演算部423に供給する。また、周波数カウンタ422は、水晶振動子424の共振周波数を検出し、検出結果を示す信号を演算部423に供給する。演算部423は、インピーダンス演算部430から出力された共振抵抗値を示す信号と、周波数カウンタ422から出力された共振周波数を示す信号とを受け取ると、共振周波数、液滴の粘度および質量の関係を示す既知の計算式を用いて、液滴の粘度および質量を算出する。
本実施形態では、この関係を利用して、各ノズルの吐出速度を測定することによって、ノズル間の吐出量のばらつきを評価する。ばらつきの評価については後述する。
(ア)液滴の飛行経路上の2点を通過するようにレーザー光を出射し、光源に対面する測定部でレーザー光の強度を測定する。液滴が吐出されると、飛行中の液滴によりレーザー光が一部遮断されるから、このときのエネルギー変化を検出することによって液滴の通過時刻が求められる。そして、2点間の距離と通過時刻の時間差とから液滴の速度が求められる。
(イ)液滴の吐出時刻は駆動制御部120の設定値により既知である。また、液滴の着弾時刻は、重量・粘度測定部150における共振周波数変化が始まった時刻と同一である。
両者の時間差、および吐出ヘッド110とセンサーチップ421上面との距離とから、液滴の吐出速度を求めることができる。
次に、上述の駆動波形決定装置100を用いた駆動波形の決定手順について説明する。
図5は、駆動波形決定のフローを示す図である。
最初に、駆動波形を決定する際の出発点となる基本駆動波形を決定する(ステップS1)。
図6は、基本駆動波形の一例を示す図である。この基本駆動波形は、吐出ヘッド110の液体充填部を膨張させる期間t1〜t2、液体充填部の膨張を維持する期間t2〜t3(ホールド時間Pwh1)、液体充填部を収縮させる期間t3〜t4、液体充填部の収縮を維持する期間t4〜t5(ホールド時間Pwh2)、液体充填部の収縮を解放する期間t5〜t6、液体充填部の初期の容積を維持する期間t6〜t1から構成されている。ここで、期間t6〜t1においては中間電位VCが、期間t2〜t3においては最高電位VHが、期間t4〜t5においては最低電位VLがそれぞれ吐出ヘッドに印加される。
次に、駆動波形を決定するために用いるもうひとつのパラメータTaについて説明する。図8は、Taを決定する際に用いる駆動波形の一例を示す図である。この駆動波形は、吐出ヘッド110の液体充填部を膨張させる期間t1〜t2、吐出ヘッド110の液体充填部の膨張を維持する期間t2〜t3、吐出ヘッド110の液体充填部を収縮させる期間t3〜t4、吐出ヘッド110の液体充填部の収縮を維持する期間t4〜t1(ホールド時間w)から構成されている。ここで、期間t1〜t2、期間t2〜t3、期間t3〜t4は同一の長さTa0を有し、期間t4〜t1は長さwを有している。長さTa0は、吐出ヘッドの設計値から予め求められ、Taを求めるための初期値として用いられる。
図9は、ホールド時間wを変化させたときの吐出速度vmの変化を示す図である。横軸がホールド時間w、縦軸が吐出速度である。同図に示されるように、ホールド時間wの変化に応じて吐出速度は周期的に変化する。この波形は、複数の波形が合成されたものとなっており、フーリエ解析によって各波形成分の周期を求めることができる。長い方の周期はパラメータTcに相当する。また、短い方の周期をパラメータTaとする。
Tcは上述した2つの方法のどちらを用いても求めることができるが、いずれの方法を用いてもよい。
なお、基本駆動波形の決定には以下に述べる方法を用いてもよい。この方法では、まず、解析部154に、過去に求められた駆動波形を粘度と対応付けて記憶させておく。そして、重量・粘度測定部150で液滴の粘度を測定し、記憶されている波形の中から、測定された粘度に最も近い粘度に対応する波形を選択する。
波形の調整においては、最初に、最高電位のホールド時間Pwh1の調整を行う(ステップS2)。ホールド時間Pwh1の調整は、以下に示す方法により行う。
まず、ステップS1で選択された基本駆動波形を用いて液滴を吐出し、複数のノズルから吐出される液滴の像をCCDカメラ152aで撮影することによって、各ノズルの吐出速度を測定する。ここで、吐出速度の測定は、基本駆動波形のPwh1を幾とおりかに変化させて行う。そして、目標とする吐出速度vmからの誤差(ばらつき)をノズル毎に求め、さらにその平均値δvmを求める。そして、誤差の平均値δvmを目標吐出速度vmで除することによって、速度に対するばらつきの発生割合(相対ばらつき)δvm/vmを求める。
図11は、ホールド時間Pwh1と相対ばらつきδvm/vmとの関係を示す図である。同図に示されるように、相対ばらつきδvm/vmはホールド時間Pwh10において極小値を持つ。すなわち、最高電位のホールド時間をPwh10に設定することによって、吐出速度の相対ばらつきが最小となる。よって、Pwh10が最高電位のホールド時間の最適値となる。
まず、ステップS2で決定された駆動波形を用いて液滴を吐出し、液滴の重量を測定する。ここで、重量測定は、駆動電圧の周波数を幾とおりかに変化させて行う。図12は、駆動電圧の周波数fと吐出される液滴の重量Iwとの関係を示す図である。同図に示されるように、駆動電圧の周波数fが高くなるにつれて、液滴の重量Iwが小さくなり、ある周波数を超えると急激に重量Iwが減少するという関係がある。ここで、重量Iwの最大値と周波数fが20kHzのときの重量との差をδIwとする。
次に、ホールド時間Pwh2を幾とおりかに変化させて、上記と同様に液滴の重量を測定する。図13は、前述のδIwとホールド時間Pwh2との関係を示す図である。同図に示されるように、δIwはホールド時間Pwh2において極小値を持つ。すなわち、最低電位のホールド時間をPwh20に設定することによって、高い周波数に対しても液滴の重量の落ち込みが最も少なくなる。よって、Pwh20が最低電位のホールド時間の最適値となる。
以上により、駆動波形の時間軸方向の要素が決定されたことになる。これによって、上述したように、ノズル間のばらつきの抑制、周波数に対する液滴重量の安定化が図られる。これに対して、以下では、所望の液滴重量と吐出速度を得ることを目的として、電位の調整を行う。
次に、中間電位VCを調整する(ステップS5)。中間電位VCの調整は、以下のようにして行う。まず、ステップS4で求められた駆動波形を用いて液滴を吐出し、液滴の重量Iwを測定する。ここで、中間電位VCを幾とおりかに変化させて、液滴の重量Iwを測定する。図16は、中間電位VCと液滴の重量Iwとの関係を示す図である。同図に示されるように、中間電位VCが高くなるにつれて、液滴の重量Iwが増加する。なお、吐出速度vmは中間電位VCに関わらず一定である。この結果から、所望の液滴重量が得られる中間電位VCを求める。
以上により、駆動波形の決定が行われる。なお、液滴の吐出状態は、液体材料の温度によっても変化するから、想定される範囲内の複数段階の温度において、上記の駆動波形決定作業を行う。そして、液体材料の種類、粘度および温度に対応付けて駆動波形を表すデータを解析部154に記憶させる。
上述の実施形態で説明した駆動波形決定装置は一例であり、本発明は、様々な形態に変形することができる。
上述の実施形態では、駆動波形決定装置の例を示したが、この駆動波形決定装置を液滴吐出装置に組み込むこととしてもよい。図18は、液滴吐出装置の例を示す図である。液滴吐出装置10は、液滴を基板9に対して吐出するヘッド部20を備えている。ステージ12は、紙フェノールやガラス等の薄板である基板9をセットするための載置台である。
ここで、ヘッド部20はスライダ31によりx方向に移動でき、ステージ12は、スライダ32によりy方向に移動できるように構成されている。これにより、ヘッド部20と基板9との相対位置の調整が行われ、基板9の任意の位置に液滴を吐出することができる。
このような液滴吐出装置に本発明の駆動波形決定装置を組み込むことによって、生産現場において、液滴の種類に応じて最適な駆動波形を迅速に決定することが可能となり、生産効率を向上させることができる。
また、上述の実施形態では、吐出ヘッドの液体充填部の膨張および収縮を行なわせて、液滴を吐出する駆動波形を用いて説明したが、この他に、吐出ヘッドの液体充填部の膨張およびその膨張の解放(すなわち中間電位VCに戻す)を行なわせて、液滴を吐出する駆動波形においても適用可能である。また、図6に示した駆動波形の逆位相の駆動波形においても、適用可能である。
本発明のインクジェット装置としては例えば、有機EL素子における正孔輸送性発光層または電子輸送層などの層を形成する装置、あるいは無機EL素子における蛍光発光層の層形成装置が挙げられる。また他に、本発明のインクジェット装置として、所定の導電膜パターン形成の際におけるリソグラフィ工程のレジストを塗布する装置、マイクロレンズアレイの製造工程において複数の凸部を有する原盤に光透過性材料を塗布する装置、試験管などの容器媒体に注入されたDNA(deoxyribonucleic acid)などの生体物質の種類または量を測定するための触媒を吐出する装置、あるいはその生体物質自体を試験管などの媒体に吐出する装置が挙げられる。
上述の駆動波形決定装置で決定された駆動波形が供給される液滴吐出装置により形成されたカラーフィルタを有する電気光学装置と、この電気光学装置を表示部として適用した電子機器について説明する。
図19は、カラーフィルタを有する電気光学装置の断面図である。この図に示すように、電気光学装置640は、大略して、観察者側に向けて光を放出するバックライト機構642と、バックライト機構642から放出された光を選択的に透過させるパッシブ型液晶表示パネル644とを有している。このうち、液晶表示パネル644は、基板646と、電極648と、配向膜650と、スペーサ652と、配向膜654と、電極656と、カラーフィルタ660とを有している。カラーフィルタ660は、隔壁620からみて基板600側が上側(観察者側)に位置している。このカラーフィルタ660に含まれる赤色カラーフィルタ632R、緑色カラーフィルタ632Gおよび青色カラーフィルタ632Bは、本発明の液滴吐出装置によりパターニングされたものであり、略設計値と等しい厚みを有している。また、各カラーフィルタ632R、632G、632Bの背面側には、それらの保護を目的としたオーバーコート層658が設けられている。
スペーサ652を隔てて対向する2つの配向膜650、654の間隙には、液晶が封入されており、電極648、656により電圧が印加されると、バックライト機構642から放出された光を、各カラーフィルタ632R、632G、632Bに対応する領域毎に選択的に透過させる。
また、携帯電話機700以外にも、本発明の液滴吐出装置を用いて製造された電気光学装置640は、コンピュータや、プロジェクタ、デジタルカメラ、ムービーカメラ、PDA(Personal Digital Assistant)、車載機器、複写機、オーディオ機器などの各種電子機器の表示部として用いることができる。
Claims (14)
- 液体材料が充填される液体充填部を備え、前記液体充填部を駆動波形にしたがって膨張または収縮させることにより前記液体材料を液滴化して吐出する吐出ヘッドと、
前記吐出ヘッドに駆動波形を供給する駆動制御手段と、
前記液滴の最適な重量および吐出速度を記憶する条件記憶手段と、
前記吐出ヘッドから吐出された液滴の重量を測定する重量測定手段と、
前記吐出ヘッドから吐出された液滴の吐出速度を測定する速度測定手段と、
前記駆動波形の基本形を記憶する基本駆動波形記憶手段と、
前記基本駆動波形記憶手段から基本形となる駆動波形を読み出し、前記重量測定手段で測定された重量と、前記速度測定手段で測定された吐出速度とが、前記条件記憶手段で記憶されている重量および吐出速度と一致するように当該駆動波形を調整する波形調整手段と、
前記波形調整手段により調整された駆動波形を記憶する波形記憶手段と
を有することを特徴とする駆動波形決定装置。 - 前記吐出ヘッドから吐出された液滴の物性値を取得する物性値取得手段を有し、
前記基本駆動波形記憶手段は、液滴の物性値に応じた複数の駆動波形を記憶し、
前記波形調整手段は、前記物性値取得手段が取得した物性値に応じた駆動波形を前記基本駆動波形記憶手段から読み出し、
前記波形記憶手段は、前記波形調整手段により調整された駆動波形を前記物性値取得手段で取得された物性値と対応付けて記憶する
ことを特徴とする請求項1に記載の駆動波形決定装置。 - 前記波形調整手段は、前記基本駆動波形記憶手段から読み出した駆動波形に対して、前記吐出ヘッドの固有周期に応じた修正を行い、修正後の駆動波形について前記調整を行うことを特徴とすることを特徴とする請求項1または2に記載の駆動波形決定装置。
- 前記物性値は、少なくとも粘度、表面張力、接触角、密度のいずれかを含むことを特徴とする請求項2に記載の駆動波形決定装置。
- 前記物性値取得手段は、少なくとも1つの前記物性値の測定手段からなることを特徴とする請求項4に記載の駆動波形決定装置。
- 前記重量測定手段は、
前記吐出ヘッドと対向するように設けられた電極と、
前記電極表面に付着した物質の重量に応じて周波数が変化する振動子と、
前記振動子の周波数を測定する周波数カウンタと、
前記周波数カウンタで測定された前記液滴の付着前後の周波数の変化量に基づいて、前記液滴の重量を算出する算出手段と
を有することを特徴とする請求項1に記載の駆動波形決定装置。 - 前記物性値取得手段は、前記液滴が前記電極表面に付着した際の前記振動子の振幅の減衰特性を用いて前記液滴の粘度を求めることを特徴とする請求項5に記載の駆動波形決定装置。
- 前記速度測定手段は、前記吐出ヘッドから吐出された液滴の異なる2つの時刻における位置と、該2つの時刻の時間差とを用いて、該液滴の吐出速度を求めることを特徴とする請求項1に記載の駆動波形決定装置。
- 前記吐出ヘッドは複数のノズルを有し、前記駆動波形は少なくとも初期電位VC、前記液体充填部を膨張させたときの電位VH、前記液体充填部を収縮させたときの電位VLの間で変化する波形成分を有し、
前記波形調整手段は、前記複数のノズルの吐出速度のばらつきを測定し、該ばらつきが最小となるように前記駆動波形の前記VHを維持するホールド時間を定める
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の駆動波形決定装置。 - 前記波形調整手段は、前記駆動波形の高周波領域における液滴の重量の減少幅が最小となるように、前記駆動波形の前記VLを維持するホールド時間を定めることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の駆動波形決定装置。
- 前記波形調整手段は、前記液滴の重量および吐出速度が前記条件記憶手段に記憶されている値と一致するように、前記駆動波形の前記VHおよび前記VCを定めることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の駆動波形決定装置。
- 液体材料が充填される液体充填部を備え、前記液体充填部を駆動波形の変化にしたがって膨張または収縮させることにより前記液体材料を液滴化して吐出する吐出ヘッドと、 前記吐出ヘッドに駆動波形を供給する駆動制御手段と、
請求項1乃至9に記載の駆動波形決定装置と
を有し、
前記駆動制御手段は、前記駆動波形決定装置で決定された駆動波形を前記吐出ヘッドに供給する
ことを特徴とする液滴吐出装置。 - 請求項12に記載の液滴吐出装置を用いて製造されたことを特徴とする電気光学装置。
- 請求項12に記載の液滴吐出装置を用いて製造された電気光学装置が搭載された電子機器。
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