JP5544462B2 - 吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、液状物質を吐出する機能を含む装置に関するものである。

特許文献１には、十分に微小な液滴の吐出が可能であると共に、液滴径が比較的大きい液滴を吐出することが可能な液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び液体吐出方法を提供することが記載されている。そのため、特許文献１の液体吐出ヘッドに、複数の小ノズル及び大ノズルが形成されたノズルプレートと、小ノズル及び大ノズルの各々に連通し吐出口から吐出される液体を貯蔵するキャビティと、キャビティに連通した液体の流路と、液体と基材との間に静電電圧を印加して静電吸引力を発生させる静電電圧電源と、キャビティの容積を変化させることによって液体に圧力を発生させる駆動電圧電源と、小ノズルから液体を吐出させる際は、静電電圧電源及び駆動電圧電源の制御により液体を電界集中吐出させ、大ノズルから液体を吐出させる際は、駆動電圧電源の制御により液体を圧電吐出させる制御手段とを設けることが記載されている。

また、特許文献２には、プリンタ、ＦＡＸ等の出力部に使用されるインクジェット記録装置において、階調記録を高速に行うことのできるようにすることが記載されている。そのため、インクを収容する圧力室にはインクを吐出する吐出口が設けられ、また、吐出口に対向する位置には対向電極が配置される一方、圧力室に圧力を印加するための圧力印加手段と、対向電極とインクとの間に静電力を発生させる静電力発生手段とを有し、吐出口と対向電極との間に挿入された記録媒体にインクを吐出するときは、圧力印加手段によって圧力室に圧力を印加すると共に、静電力発生手段により静電力を発生させるようにしたインクジェット記録装置において、静電力発生手段による静電力によらずに圧力印加手段で印加される圧力のみでインクを吐出可能な高圧力範囲と、圧力印加手段による圧力に加えて静電力発生手段による静電力によってインクを吐出する低圧力範囲とに圧力を切り換える圧力切換手段が設けられていることが記載されている。

特開２００７−２３０１７９号公報 特開平１０−３１５４６４号公報

静電力によってインクを吐出する方式、圧力を加えることによりインクを吐出する方式、さらにはこれらを組み合わせた方式により、微細な描画と、広い範囲の描画とを効率よく行うことが検討されている。このために、描画パターンに応じて液滴径の大きさを変化させて液滴の吐出を行うことが検討されている。これらの複数の方式により液滴を吐出することを１つのヘッドで実現するためにはさらに解決すべき問題がある。

本発明の態様の１つは、吐出ヘッドからの液状物質の吐出を制御する制御ユニットである。吐出ヘッドは、ノズルと、そのノズルの先端より液状物質を吐出する静電力を得るための電極と、ノズルまたは他のノズルの先端より液状物質を吐出する内部圧力の変動を得るためのアクチュエータとを含む。当該制御ユニットは、トリガー信号に基づき吐出ヘッドの電極により電界を形成させる電圧信号を出力する第１のコントローラと、トリガー信号に基づきアクチュエータを駆動させる駆動信号を出力する第２のコントローラと、電圧信号と駆動信号とを組み合わせて吐出ヘッドより液状物質を吐出する第１のモードと、駆動信号のみで吐出ヘッドより液状物質を吐出する第２のモードとを選択するモード選択ユニットとを有し、第２のコントローラは、トリガー信号の検出から駆動信号の出力までの遅延時間を第１のモードと前記第２のモードとにより変更する遅延制御回路を含む。

静電力により液状物質を吐出する方式と、内部圧力の変動により液状物質を吐出する方式とでは、電極に電圧信号を印加してから液状物質が吐出されるまでの時間と、アクチュエータに駆動信号を印加してから液状物質が吐出されるまでの時間とに差が生ずることが多い。たとえば、電界（静電場）によりノズルの先端に円錐状のコーン（テーラーコーン）を形成するために時間を要する。したがって、吐出ヘッドがターゲットに対して相対的に動いている場合は、液状物質の吐出を指示するトリガー信号に対して、駆動信号の出力を遅らせないと、静電力により吐出された液滴と、内部圧力変動により吐出された液滴とを、トリガー信号に対してターゲットの共通の位置に着滴させることができない。電圧信号と駆動信号とを組み合わせて液状物質を吐出する方式（モード）においても、静電力の効果を得たり、静電力を作用させるタイミングを得るためにトリガー信号に対して液滴が吐出するタイミングに遅れが生ずることが多い。

このため、この制御ユニットにおいては、駆動信号を出力する第２のコントローラに遅延制御回路を含め、トリガー信号の検出から駆動信号の出力までの遅延時間を変更（制御）できるようにしている。駆動信号を出力させるタイミングを遅らせる方向で制御することにより、トリガー信号から液状物質が吐出されるまでの最短時間の差を補償し、各モードにおいて液状物質が吐出される時間差を緩和できる。

モード選択ユニットによりセットされる、第１のモードと、第２のモードとでは、トリガー信号から液状物質が吐出されるまでの最短時間の差が異なる。したがって、遅延制御回路は、遅延時間を第１のモードと第２のモードとにより変更する。

本発明の他の態様の１つは、上記の制御ユニットと、上記の吐出ヘッドと、吐出ヘッドから液状物質が吐出されるターゲットと吐出ヘッドとを相対的に移動させる移動機構とを有する装置である。この装置は、異なる方式で、ターゲットの所定の場所に精度よく異なるサイズの液滴を着滴させることができる。したがって、印刷装置、分注装置などにおいて、異なるサイズの液滴を精度よく着滴させるアプリケーションに適した装置を提供できる。

吐出ヘッドは、電極を備えたノズルと、そのノズルとは異なるノズルであって、アクチュエータを備えたノズルとを有するものであってもよい。吐出ヘッドは、電極およびアクチュエータを備えたノズルを有するものであってもよい。

この装置は、さらに、遅延時間を所定の値にセットした状態で、異なる方式で吐出された液状物質が、トリガー信号からターゲットに着滴するまでの時間を観測する高速度カメラを有することが望ましい。トリガー信号からターゲットに着滴するまでの時間により、各モードにおける遅延時間を設定できる。

本発明のさらに異なる態様の１つは、吐出ヘッドからの液状物質の吐出を制御する方法である。吐出ヘッドは、ノズルと、そのノズルの先端より液状物質を吐出する静電力を得るための電極と、ノズルまたは他のノズルの先端より液状物質を吐出する内部圧力の変動を得るためのアクチュエータとを含む。当該方法は、以下の工程を含む。
１．トリガー信号に基づき吐出ヘッドの電極により電界を形成させる電圧信号を出力すること。
２．トリガー信号に基づき、制御された遅延時間が経過した後に、アクチュエータを駆動させる駆動信号を出力すること。

駆動信号を出力する第２の工程は、さらに、以下の工程を含むことが望ましい。
・電圧信号と駆動信号とを組み合わせて液状物質を吐出する第１のモードの駆動信号を第１の遅延時間が経過した後に出力すること。
・駆動信号のみで液状物質を吐出する第２のモードの駆動信号を、第１の遅延時間と異なる第２の遅延時間が経過した後に出力すること。

各モードにおけるトリガー信号の検出からターゲットに着滴するまでの時間差（最短時間の差）を、駆動信号を出力するまでの遅延時間を制御することにより補償し、各モードにおいて着滴する位置の精度を向上できる。

本発明の実施形態の一例である吐出装置の概略構成を示すブロック図。 図２（ａ）は静電方式で液滴を吐出する制御を示し、図２（ｂ）は静電アシストピエゾ方式で液滴を吐出する制御を示し、図２（ｃ）はピエゾアシスト静電方式で液滴を吐出する制御を示し、図２（ｄ）はピエゾ方式で液滴を吐出する制御を示すタイミングチャート。 制御ユニットの制御系を示すブロック図。 制御ユニットの異なる制御系を示すブロック図。 吐出装置の処理の概要を示すフローチャート。

図１に、本発明の実施形態の吐出装置の一例を示している。この吐出装置１は、同一のインクジェットヘッドにピエゾ方式および静電方式の双方が内蔵されているピエゾ・静電一体型ノズル（一体型ノズル）５０を搭載したヘッドブロック１０を備えている。一体型ノズル５０には、タンク５５に収納された液５５Ｌを静電方式で吐出するための電極５７と、圧力変動により吐出するためのピエゾアクチュエータ５８とが設けられている。ピエゾアクチュエータ５８は、ノズル５０のキャビティ５２を加圧することによりノズル５０を加圧した状態で液５５Ｌを吐出する方式と、キャビティ５２の内部を負圧にした反動、いわゆる引き打ちで液５５Ｌを吐出する方式とのいずれにも用いることができる。したがって、この吐出装置１のヘッド１０は、静電方式によりフェムトリットルオーダーの液滴をターゲット２の狙った位置に吐出させる静電型インクジェットヘッド（静電ヘッド）の機能と、圧力変動方式によりピコリットルオーダーの液滴をターゲット２の狙った位置に吐出させるピエゾ型インクジェットヘッド（ピエゾヘッド）の機能とを備えている。

一体型ノズル５０においては、さらに、静電方式と圧力変動方式（ピエゾ方式）とを組み合わせて液５５Ｌを吐出することができる。組み合わせた方式の１つは、静電アシストピエゾ方式であり、電界（静電場）を形成して圧力変動を加え、液体の一部を分離して液滴を形成し、その液滴に静電力を作用させて飛翔させる方式である。組み合わせた方式の他の１つは、ピエゾアシスト静電方式であり、液滴が形成されない程度のメニスカスをピエゾ（内部圧力変動）で形成し、そのメニスカスに強い集中電界強度による静電力を作用させ、メニスカスの先端からジェット流を生じさせてターゲット２に着滴させる方式である。

タンク５５に収納された液状物質５５Ｌは、パイプ５４を介してノズル５０に供給され、ノズルの先端５１に導かれる。ノズル５０の本体を形成する典型的なものはガラス管である。ノズル５０の本体は、樹脂製、セラミック製などであってもよい。また、ヘッド１０は、タンク５５を省略し、ノズル５０に予めセットされた液状物質５５Ｌを吐出するタイプであってもよい。

液状物質５５Ｌは、液体に限らず、液体と微粒子との混合物、水溶液、溶剤、ナノ粒子液、ＵＶ硬化液、イオン流体、オイル、液晶、接着剤、試薬、細胞や遺伝子などの生物材料を含む物質などであってもよい。ターゲット２は、これらの液状物質５５Ｌを塗布、印刷、分注、混合などするための媒体、容器、トレイなどである。

吐出装置１は、ターゲット２とヘッドブロック１０とを第１の方向（Ｚ方向）に動かしてノズルの先端５１とターゲット２との距離（間隔、ギャップ）を制御するためのギャップ制御機構１６と、ターゲット２をヘッドブロック１０に対し、Ｚ方向に対して垂直な方向（ＸＹ方向）に移動するための移動機構１７とを備えている。ターゲット２および／または移動機構１７は、ノズル５０の電極５７と対をなす対向電極としての機能を備えており、電極５７に電位（パルス状または一定の）を印加することにより電極５７とターゲット２との間に電界を形成し、静電吐出（静電吸引液滴形成）が可能となっている。

ギャップ制御機構１６の一例はＺ方向に移動可能なＺステージであり、ボールねじなどの公知のアクチュエータを用いて実現できる。移動機構１７の一例はＸＹ移動テーブルである。移動機構１７は、Ｙ方向またはＸ方向にのみターゲット２を移動するための機構であってもよい。また、ギャップ制御機構１６およびＸＹ移動機構１７とを１つのＸＹＺ移動テーブルで実現することも可能である。

この吐出装置１においては、一体型ノズル５０により静電方式で液５５Ｌを吐出するときは、ギャップ制御機構１６により、ヘッドブロック１０をターゲット２に近づけて、ノズル先端５１とターゲット２との間を静電方式に適したギャップＧ１に設定する。これにより、静電方式によりフェムトリットル程度の液滴がターゲット２に確実に形成できるようにする。また、一体型ノズル５０により圧力変動方式で液５５Ｌを吐出するときは、ギャップ制御機構１６により、ヘッドブロック１０をターゲット２から後退させて、ノズル先端５１とターゲット２との間を圧力変動方式に適したギャップＧ２に設定する。これにより、圧力変動方式によりピコリットル程度の液滴がターゲット２に確実に形成できるようにする。また、吐出装置１は、それぞれの方式で吐出したときの着滴位置を確認するためのカメラ１５を備えている。静電アシストピエゾ方式およびピエゾアシスト静電方式においても、静電力を有効に活用するためにギャップ制御機構１６は、ヘッドブロック１０をターゲット２に近づけた状態にする。

吐出装置１は、移動機構１７によりターゲット２を移動し、ヘッド１０に対するターゲット２の吐出位置を決め、その位置に液状物質５５Ｌを吐出して着滴することにより描画などの処理を実行できるインクジェットオンデマンド描画装置である。吐出装置１は、移動機構１７によりヘッド１０を移動してヘッド１０に対するターゲットの位置を決めてもよい。

さらに、この吐出装置１は、ターゲット２に対する処理で要求される解像度あるいは液滴の径によりノズル５０の吐出方式（モード）を使い分け、同時に、ターゲット２に対し吐出ヘッド１０を上下（前後）に動かして、ノズルヘッドの先端（ノズルの先端）５１とターゲット２とのギャップを制御する。

吐出装置１は、さらに、ヘッド１０を制御する制御ユニット７０を有する。制御ユニット７０は、ヘッド１０の電極５７へパルス的な電圧変動（電圧信号、静電パルス）Ｐ１を加えてヘッド１０を制御するための静電コントローラ（第１のコントローラ）１３と、ヘッド１０の圧電素子５８に駆動パルス（多くの場合はパルス的な電圧変動、駆動信号、ピエゾパルス）Ｐ２を供給してヘッド１０を制御するためピエゾコントローラ（第２のコントローラ）１２とを含む。静電コントローラ１３は設定された条件の静電パルスＰ１を生成するドライバ３１と、静電パルスＰ１を出力するタイミングを制御する遅延制御回路３０とを含む。ピエゾコントローラ１２も、設定された条件のピエゾパルスＰ２を生成するドライバ２１と、ピエゾパルスＰ２を出力するタイミングを制御する遅延制御回路２０とを含む。

制御ユニット７０は、さらに、ＸＹ移動テーブル１７を制御するステージコントローラ１８と、吐出装置１の全体的な制御を行うプロセッサ４０とを含む。プロセッサ４０は初期設定機能４１と、描画機能４２とを含む。描画機能４２は、さらに、モード選択ユニット４５と、遅延設定ユニット４６と、ギャップ設定ユニット４７とを含む。

モード選択ユニット４５は、ターゲット２に描画したい液滴のサイズによりコントローラ１２または１３を選択し、また、コントローラ１２および１３を共に制御して各モードに適した静電パルスＰ１とピエゾパルスＰ２とが組み合わせて出力されるようにする。

遅延設定ユニット４６は、静電コントローラ１３の遅延制御回路３０と、ピエゾコントローラ１２の遅延制御回路２０と、静電パルスＰ１およびピエゾパルスＰ２の出力を遅延させる遅延時間Ｔｄ１およびＴｄ２を設定する。これにより、静電コントローラ１３は、トリガー信号Ｐ０を検出してから遅延時間Ｔｄ１が経過した後に静電パルス（電圧信号）Ｐ１を出力し、ピエゾコントローラ１２は、トリガー信号Ｐ０を検出してから遅延時間Ｔｄ２が経過した後にピエゾパルス（駆動信号）Ｐ２を出力する。

ギャップ設定ユニット４７は、静電方式が選択されると、ギャップ制御機構１６により静電方式に適したギャップになるようにヘッドブロック１０を上下に動かし、ピエゾ方式が選択されると、ギャップ制御機構１６により圧力変動方式に適したギャップになるようにヘッドブロック１０を上下に動かす。

ステージコントローラ１８によりヘッド１０が描画される位置へターゲット２が移動されると、トリガーセレクター１４からコントローラ１２または１３にトリガー信号Ｐ０が出力され、ターゲット２に対し、ノズル５０から液状物質５５Ｌが吐出される。

初期設定機能４１は、遅延時間を初期設定する機能４９を含む。また、吐出装置１は、ヘッド１０に対し水平にセットされた高速度カメラ１１を含む。初期設定する機能４９は、異なる方式（モード）でヘッド１０から吐出された液状物質が、トリガー信号Ｐ０からターゲット２に着滴するまでの時間を高速度カメラ１１により観測する。具体的には、各モードでヘッド１０に液材料５５Ｌの安定吐出条件を設定した上で、高速度カメラ１１を使用し、トリガー信号Ｐ０に同期させて液滴の着滴画像を撮像する。そして、トリガー信号Ｐ０の入力タイミングから何μｓあるいは何ｍｓ後にターゲット２に液滴が着滴（着弾）したかを記録する。さらに、記録された時間Ｔより、ピエゾ５８を駆動するためのピエゾパルスＰ２を出力する遅延時間Ｔｄ２を計算する。

遅延時間を設定したり、ギャップを設定したりする機能は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）５のアプリケーションからも制御可能である。さらに、着滴までの時間を得るための高速度カメラ１１および着滴位置を確認するためのカメラ１５の出力画像をＰＣ５により観測したり、出力画像から遅延時間を設定したりすることも可能である。

図２（ａ）〜（ｄ）に、静電方式（モードＡ）、静電アシストピエゾ方式（モードＢ）、ピエゾアシスト静電方式（モードＣ）およびピエゾ方式（モードＤ）の各吐出方式におけるトリガー信号Ｐ０から吐出（着滴）までの時間Ｔ１〜Ｔ４を示している。図２（ａ）に示した静電方式（モードＡ）は、たとえば、特開２００６−５８１８８号公報に開示されているように、静電力を用いてノズルの先端より液を吐出する方式（静電方式）であり、静電力の印加によりノズルの先端に円錐状のテーラーコーンが形成され、液状物質５５Ｌにチャージされる電荷量が一定レベルを超えるとテーラーコーンの頂部から基板などのターゲット２の表面に達するジェット流が生じ、液の一部がターゲットの上に移動して液滴になる。したがって、時刻ｔ０にトリガー信号Ｐ０を検出すると静電パルスＰ１を出力し、テーラーコーンの形成、ジェット流の生成を経て、時刻ｔ１に液滴がターゲット２に着滴する。テーラーコーンの形成に時間を要するので、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの経過時間Ｔ１は長く、場合によって、経過時間Ｔ１は数１０ｍｓになる。

図２（ｂ）に示した静電アシストピエゾ方式（モードＢ）は、液状物質５５Ｌに接した電極５７に電圧を印加して静電場を形成した環境でピエゾ５８の動作により液滴を形成し静電力を作用させて飛翔させる方式である。したがって、時刻ｔ０にトリガー信号Ｐ０を検出すると静電パルスＰ１を出力し、時刻ｔ１１にピエゾパルスＰ２を出力することにより、時間Ｔ２´後の時刻ｔ１２に液滴がターゲット２に着滴する。このモードＢは、静電方式（モードＡ）よりも短時間で、ピエゾ方式（モードＤ）よりも小さい液滴を吐出できる方式の１つである。静電パルスＰ１を出力する時刻ｔ０から時刻ｔ１２までの経過時間Ｔ２は、一般に経過時間Ｔ１よりも短い。

図２（ｃ）に示したピエゾアシスト静電方式（モードＣ）は、ピエゾ５８の動作によりノズルの先端５１にテーラーコーンと同様のメニスカスを形成し、電極５７に電圧を印加することによりメニスカスの先端からターゲット２にジェット流を形成する方式である。メニスカスがノズルの先端５１より突出した段階で、液状物質５５Ｌに接する電極５７に電圧を印加すればよいので、液状物質５５Ｌに電界が作用する時間を短縮できる。このモードＣでは、時刻ｔ０にトリガー信号Ｐ０を検出すると、ピエゾパルスＰ２を出力し、ピエゾパルスＰ２によりメニスカスが突出した時刻ｔ２１に静電パルスＰ１を出力することにより、時刻ｔ２１から時間Ｔ３´が経過後の時刻ｔ２２に液滴がターゲット２に着滴する。ピエゾパルスＰ２によりメニスカスがノズルの先端５１から突出した状態になっているので、経過時間Ｔ３´は短く数１０μｓである。このモードＣも、静電方式（モードＡ）よりも短時間で、ピエゾ方式（モードＤ）よりも小さい液滴を吐出できる方式の１つである。したがって、時刻ｔ０から時刻ｔ２２までの経過時間Ｔ３は、一般に経過時間Ｔ１よりも短い。なお、静電パルスＰ１は、ピエゾパルスＰ２とともに時刻ｔ０に出力してもよい。

図２（ｄ）に示したピエゾ方式（モードＤ）は、ピエゾ５８により得られるノズル５０の内部圧力の変動のみにより液滴を吐出する方式である。したがって、時刻ｔ０にトリガー信号Ｐ０を検出すると、ピエゾパルスＰ２を出力し、ピエゾパルスＰ２により液滴が吐出した時刻ｔ３１に液滴がターゲット２に着滴する。このモードＤの、時刻ｔ０から時刻ｔ３１までの経過時間Ｔ４は、上記の経過時間Ｔ１〜Ｔ３に対して最も短く、条件によるが数１０μｓであることが多い。

これらの経過時間、すなわち、トリガー信号Ｐ０から液滴が吐出されるまでの最短時間Ｔ１〜Ｔ４の差は、ターゲット２がヘッド１０に対して相対的に移動している環境においては、着滴位置がずれる要因になる。したがって、モードＤを他のモードと組み合わせてターゲット２に液状物質５５Ｌを吐出する場合は、時間差を補償（吸収）するために適当な遅延時間Ｔｄ２を遅延制御回路２０に設定することが必要になる。さらに、モードＢまたはモードＣと、モードＤとを組み合わせてターゲット２に液状物質５５Ｌを吐出する場合は、吐出モードを変えるたびに遅延時間Ｔｄ２を変更する必要がある。モードＡ、Ｂ、ＣおよびＤのすべてのモードを組み合わせてターゲット２に液状物質５５Ｌを吐出するケースにおける遅延時間Ｔｄ２の設定はたとえば以下の通りである。
モードＡ： 遅延時間Ｔｄ２の設定なし
モードＢ： Ｔｄ２＝Ｔ１−Ｔ２´（Ｔｄ１＝Ｔ１−Ｔ２）
モードＣ： Ｔｄ２＝Ｔ１−Ｔ３ （Ｔｄ１＝Ｔ１−Ｔ３´）
モードＤ： Ｔｄ２＝Ｔ１−Ｔ４

各モードにおいて、トリガー信号Ｐ０の検出からピエゾパルスＰ２を出力するまでの時間を上記のように設定することにより、トリガー信号Ｐ０から各モードにおいて吐出される液滴がターゲット２に着滴する時間を一定にすることができる。すなわち、駆動信号であるピエゾパルスＰ２を出力させるタイミングを遅らせる方向で制御することにより、トリガー信号Ｐ０から各方式により液状物質５５Ｌが吐出されるまでの最短時間の差を補償し、各モードにおいて液状物質５５Ｌが吐出されるタイミングを一定にすることができる。したがって、吐出するモードに関わりなく、１つのトリガー信号Ｐ０により着滴する位置を制御することが可能となり、着滴位置の精度を向上できる。また、モードにより遅延時間の設定を変えることにより、複数の吐出方式で液状物質５５Ｌを吐出可能な吐出装置１において、吐出方式と、着滴位置とを独立して制御することが可能となる。

図３に、制御ユニット７０の遅延時間の設定に関する制御系を抜き出して示している。次の吐出を行う方式（モード）により、モード選択ユニット４５は、そのモードで吐出するための条件を静電コントローラ１３のドライバ３１と、ピエゾコントローラ１２のドライバ２１とに設定する。さらに、モード選択ユニット４５により選択されたモードに対応する遅延時間Ｔｄ１およびＴｄ２を、遅延設定ユニット４６が静電コントローラ１３の遅延制御回路３０と、ピエゾコントローラ１２の遅延制御回路２０にそれぞれ設定する。トリガー信号Ｐ０が出力されると、静電コントローラ１３のドライバ３１およびピエゾコントローラ１２のドライバ２１は、所定の遅延時間Ｔｄ１およびＴｄ２がそれぞれ経過した後に、所定のエネルギー（パルス幅およびパルス高さ）の静電パルスＰ１およびピエゾパルスＰ２を出力し、ヘッド１０のノズル５０を制御（駆動）する。ノズル５０の先端５１から対向電極としての機能を兼ねた移動機構１７に保持されたターゲット（ターゲット２の表面）へ液滴が吐出される。

図４は、制御ユニット７０の遅延時間を制御するシステムの異なる例を示している。たとえば、モードＢ、ＣおよびＤのみの組み合わせを制御すればよい場合、それぞれのモードにおける遅延は以下のようになる。
モードＢ： Ｔｄ２＝０
モードＣ： Ｔｄ２＝Ｔ２−Ｔ３ （Ｔｄ１＝Ｔ２−Ｔ３´）
モードＤ： Ｔｄ２＝Ｔ２−Ｔ４
したがって、静電コントローラ１３から静電パルスＰ１が出力される際に遅延制御をする必要があるのは、ピエゾアシスト静電方式（モードＣ）により液状物質５５Ｌを吐出するときだけである。さらに、このモードＣにおいて静電パルスＰ１は、ピエゾパルスＰ２に続いて出力される。したがって、図４に示した制御系においては、静電コントローラ１３のドライバ３１のトリガー入力側に遅延制御回路３０の代わりにセレクタ３２を設け、モードによって、静電パルスＰ１を出力するトリガーとして、トリガー信号Ｐ０と、ピエゾパルスＰ２とを選択できるようにしている。

図５に、吐出装置１の吐出モードの変更に関わる制御の概要をフローチャートにより示している。ステップ６１において、次の吐出の方式（モード）を変更する必要があれば、ステップ６２においてギャップ調整および遅延時間の設定の変更を行う。静電パルスＰ１を用いたモード（静電吐出（モードＡ）、静電アシストピエゾ吐出（モードＢ）、ピエゾアシスト静電吐出（モードＣ））で吐出するときのノズル先端５１とターゲット２とのギャップ（ワーキングディスタンス）Ｇ１は１５〜１００μｍ程度にすることが望ましい。一方、ピエゾパルスＰ２のみで吐出する場合（圧力変動吐出、ピエゾ吐出（モードＤ））は、液柱がターゲット２に到達することは好ましくなく、液柱が液滴に変わってからターゲット２に到達することが望ましい。したがって、ノズル先端５１とターゲット２とのギャップ（ワーキングディスタンス）Ｇ２は０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度にすることが望ましい。したがって、ギャップ設定ユニット４７は、ギャップ制御機構１６を制御して次の吐出のモードにより、ヘッド１０を上下に動かす。

さらに、遅延設定ユニット４６は、次の吐出のモードにより、ピエゾコントローラ１２の遅延制御回路２０の遅延時間Ｔｄ２の設定を変更する。また、必要があれば、静電コントローラ１３の遅延制御回路３０の遅延時間Ｔｄ１の設定を変更する。

その後、静電コントローラ１３およびピエゾコントローラ１２がステップ６３でトリガー信号Ｐ０を検出する。吐出するモードが静電方式（モードＡ）であれば、ステップ６４においてモードを判断し、ステップ６５において静電パルスＰ１を出力し、静電方式により液状物質５５Ｌを吐出する。

吐出するモードが静電アシストピエゾ方式（モードＢ）であれば、ステップ６６においてモードを判断し、ステップ６７で遅延時間Ｔｄ１（＝Ｔ１−Ｔ２）が経過した後に、ステップ６８で静電パルスＰ１を出力する。さらに、ステップ６９で遅延時間Ｔｄ２（＝Ｔ１−Ｔ２´）が経過した後に、ステップ７０でピエゾパルスＰ２を出力し、静電アシストピエゾ方式により液状物質５５Ｌを吐出する。

吐出するモードがピエゾアシスト静電方式（モードＣ）であれば、ステップ７１においてモードを判断し、ステップ７２で遅延時間Ｔｄ２（＝Ｔ１−Ｔ３）が経過した後に、ステップ７３でピエゾパルスＰ２を出力し、その後、ステップ７４で静電パルスＰ１を出力することによりピエゾアシスト静電方式により液状物質５５Ｌを吐出する。ステップ７４においては、ピエゾパルスＰ２の出力をトリガーとして静電パルスＰ１を出力してもよく、遅延回路により所定の遅延時間Ｔｄ１（＝Ｔ１−Ｔ３´）が経過した後に静電パルスＰ１を出力してもよい。

吐出するモードがピエゾ方式（モードＤ）であれば、ステップ７５において遅延時間Ｔｄ２（＝Ｔ１−Ｔ４）が経過した後に、ステップ７６でピエゾパルスＰ２を出力することによりピエゾ方式により液状物質５５Ｌを吐出する。

吐出装置１はこれら４つのモードに対応しているものに限らず、これらの内の３つあるいは２つのモードに対応しているものであってもよい。たとえば、吐出装置１は、ピエゾアシスト静電方式（モードＣ）を第１のモードとし、ピエゾ方式（モードＤ）を第２のモードとし、静電方式（モードＡ）を第３のモードとして液状物質５５Ｌを吐出してもよい。この場合、ピエゾパルスＰ２が出力されるまでの遅延時間Ｔｄ２は第１のモードと第２のモードとでは異なる。

吐出装置１は、静電方式（モードＡ）を第１のモードとし、ピエゾ方式（モードＤ）を第２のモードとして液状物質５５Ｌを吐出してもよい。この場合、第１のモードではピエゾパルスＰ２は出力されないので、ピエゾパルスＰ２が出力されるまでの遅延時間Ｔｄ２は一定でよい。

吐出装置１は、ピエゾアシスト静電方式（モードＣ）を第１のモードとし、ピエゾ方式（モードＤ）を第２のモードとして液状物質５５Ｌを吐出してもよい。この場合は、モードＣを基準に遅延時間Ｔｄ２を設定できる。すなわち、ピエゾアシスト静電方式（モードＣ）では遅延時間Ｔｄ２をゼロにすることができ、ピエゾ方式（モードＤ）の遅延時間Ｔｄ２を時間Ｔ３と時間Ｔ４との差分に設定できる。そして、ピエゾアシスト静電方式（モードＣ）では、トリガー信号Ｐ０から短時間で静電方式に近いフェムトリットル程度の小さな液滴を吐出できる。したがって、トリガー信号Ｐ０に対してレスポンス良くフェムトリットル程度の液滴と、ピコリットル程度の液滴とを切り換えて吐出でき、さらに、着滴位置の精度も向上できる。

吐出装置１においては、上記に限らず、吐出する対象の液状物質５５Ｌの粘性、比重、液状物質に含まれる粒子径などにより、上記のモードの中から吐出するのに適したモード（方式）を選択して使用するようにしてもよい。

以上に説明したように、この吐出装置１においては、吐出する方式をバリアブルに選択可能であり、静電方式でフェムトリットル程度の液滴をターゲット２に吐出したり、圧力変動方式でピコリットル程度の液滴をターゲット２に吐出したり、静電アシストピエゾ（吐出）方式またはピエゾアシスト静電（吐出）方式によりフェムトリットルあるいはそれに近い液滴をレスポンス良く吐出したりすることが可能である。さらに、トリガー信号Ｐ０から所定の時間が経過したのちに、これら種々のサイズの液滴を精度よく吐出できるので、複数の方式による液滴をターゲット２の所定の位置に精度よく塗布あるいは着弾させることができる。したがって、異なる大きさの複数の液滴を、１つの吐出装置１により、同じターゲット２の所定の位置に塗布したり、描画したり、分注したりすることが可能となる。

なお、以上の吐出装置１および吐出ヘッド（ヘッドブロック）１０においては、一体型のノズル５０を１セットだけ搭載している例を示しているが、ヘッド１０に複数のノズル５０を搭載することも可能である。また、吐出装置１は、複数のヘッド１０を備えていてもよく、ヘッド毎にモードを変えて同じまたは異なる液状物質を吐出することも可能である。さらに、ヘッド１０に一体型のノズル５０に代えて、静電吐出専用のノズルおよびピエゾ吐出専用のノズルを各１セットずつ搭載することも可能であり、１つのヘッド１０で静電方式とピエゾ方式とを切り換えて液状物質を吐出できる。

また、圧力変動方式として圧電素子を用いたピエゾ方式を例に説明しているが、気泡によりノズル内を加圧するタイプなどの他のインクジェットヘッドを採用することも可能である。

１ 吐出装置、 １０ 吐出ヘッド（ヘッドブロック）
１２ ピエゾコントローラ、 １３ 静電コントローラ
５０ 一体型のノズル、 ５７ 電極、 ５８ ピエゾアクチュエータ
７０ 制御ユニット

Claims (6)

1. 吐出ヘッドからの液状物質の吐出を制御する制御ユニットであって、
   前記吐出ヘッドは、ノズルと、
   前記ノズルの先端より液状物質を吐出する静電力を得るための電極と、
   前記ノズルまたは他のノズルの先端より液状物質を吐出する内部圧力の変動を得るためのアクチュエータとを含み、
   当該制御ユニットは、
   トリガー信号に基づき前記吐出ヘッドの電極により電界を形成させる電圧信号を出力する第１のコントローラと、
   前記トリガー信号に基づき前記アクチュエータを駆動させる駆動信号を出力する第２のコントローラと、
   前記電圧信号と前記駆動信号とを組み合わせて前記吐出ヘッドより液状物質を吐出する第１のモードと、前記駆動信号のみで前記吐出ヘッドより液状物質を吐出する第２のモードとを選択するモード選択ユニットとを有し、
   前記第２のコントローラは、前記トリガー信号の検出から前記駆動信号の出力までの遅延時間を前記第１のモードと前記第２のモードとにより変更する遅延制御回路を含む、制御ユニット。
2. 請求項１に記載の制御ユニットと、
   前記吐出ヘッドと、
   前記吐出ヘッドから液状物質が吐出されるターゲットと吐出ヘッドとを相対的に移動させる移動機構とを有する装置。
3. 請求項２において、前記吐出ヘッドの前記ノズルは、前記電極および前記アクチュエータを備えている、装置。
4. 請求項２または３において、さらに、
   前記遅延時間を所定の値にセットした状態で、前記第１のモードおよび前記第２のモードで吐出された液状物質が、前記トリガー信号から前記ターゲットに着滴するまでの時間を観測する高速度カメラを有する装置。
5. 吐出ヘッドからの液状物質の吐出を制御する方法であって、
   前記吐出ヘッドは、ノズルと、
   前記ノズルの先端より液状物質を吐出する静電力を得るための電極と、
   前記ノズルまたは他のノズルの先端より液状物質を吐出する内部圧力の変動を得るためのアクチュエータとを含み、
   当該方法は、
   トリガー信号に基づき前記吐出ヘッドの電極により電界を形成させる電圧信号を出力することと、
   前記トリガー信号に基づき、制御された遅延時間が経過した後に、前記アクチュエータを駆動させる駆動信号を出力することとを有する、方法。
6. 請求項５において、前記駆動信号を出力することは、
   前記電圧信号と前記駆動信号とを組み合わせて液状物質を吐出する第１のモードの前記駆動信号を第１の遅延時間が経過した後に出力することと、
   前記駆動信号のみで液状物質を吐出する第２のモードの前記駆動信号を、前記第１の遅延時間と異なる第２の遅延時間が経過した後に出力することとを含む、方法。

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