液滴吐出装置
【課題】吐出された液状体が良好に分離される液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】本発明の液滴吐出装置は、ノズル１２５を開口したノズルプレート１２１と、ノズレプレート１２１上に設けられ、貯留室１２２と供給路とリザーバとを有する流路形成基板１２７と、流路形成基板１２７上に設けられた振動板１２８と、振動板１２８上に設けられ、下部電極と圧電素子と上部電極とを有する圧電駆動素子１２９と、ノズル１２５から吐出された液状体の先端部Ｑ１１とノズル１２５との間にガスを噴射するガス噴射部と、を備える。ガス噴射部が、ノズルプレート１２１に設けられたガス噴射口１２６ａ、１２６ｂと、流路形成基板に設けられ、ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂに連通した貫通孔１２７ａ、１２７ｂと、ガス貫通孔１２７ａ、１２７ｂにガスを供給するガス供給装置１６１と、を有する。
【解決手段】本発明の液滴吐出装置は、ノズル１２５を開口したノズルプレート１２１と、ノズレプレート１２１上に設けられ、貯留室１２２と供給路とリザーバとを有する流路形成基板１２７と、流路形成基板１２７上に設けられた振動板１２８と、振動板１２８上に設けられ、下部電極と圧電素子と上部電極とを有する圧電駆動素子１２９と、ノズル１２５から吐出された液状体の先端部Ｑ１１とノズル１２５との間にガスを噴射するガス噴射部と、を備える。ガス噴射部が、ノズルプレート１２１に設けられたガス噴射口１２６ａ、１２６ｂと、流路形成基板に設けられ、ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂに連通した貫通孔１２７ａ、１２７ｂと、ガス貫通孔１２７ａ、１２７ｂにガスを供給するガス供給装置１６１と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から液滴吐出装置は、画像を形成するプリンタやデバイス製造用の成膜装置として幅広い分野で用いられている。一般に、液滴吐出装置は多数の吐出ユニットを備えている。吐出ユニットは、液状体の貯留部、貯留部に通じるノズル、液状体を加圧してノズルから液滴を押し出すピエゾ素子等を備えている。
【０００３】
近年、液滴吐出法による成膜技術が注目されている。液滴吐出法によれば、膜の形成材料を含んだ微小な液滴を所望の位置に配置することが可能である。これにより、微細な膜パターンを形成することができ、フォトリソグラフィ法を用いる場合よりもパターニングが容易になる。また、膜の形成材料のムダを少なくできるので、製造コストを低くすることができる。
【０００４】
このような工業用途では、膜の形成材料として高分子ポリマーインク等の高粘度な液状体を吐出させることがある。また、画像印刷の用途でも、ＵＶインク等の高粘度な液状体を吐出させることがある。高粘度な液状体を高精細なパターンで高精度な位置に配置するためには、ノズル内のメニスカス（液面）から液状体を微小な液滴として良好に分離することが極めて重要である。
【０００５】
液滴を分離させる技術としては、特許文献１に開示されている技術が挙げられる。特許文献１の液滴吐出装置は、ノズル近傍に温度可変素子を備えている。温度可変素子は、ヒータやペルチェ素子により構成されている。ノズルから押出された液柱の温度分布を制御することにより、液柱の粘度を部分的に制御することができ、液状体の分離を促進することができるとされている。
【特許文献１】特開２００７−２２９９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術を適用してノズル近傍の液状体を加熱すると、ノズル近傍で液状体の乾燥が促進され、ノズル詰りを生じるおそれがある。また、ノズル近傍の液状体を冷却すると液状体の粘度が高くなるので、高粘度の液状体を安定に吐出させることが難しくなる。また、冷却と加熱とをともに行うとすれば、液滴吐出装置の構成が複雑になり、装置コストが高くなってしまう。
【０００７】
また、熱の応答性は部材の熱容量等により限界があるので、ある程度以上に吐出動作を高周波化すると熱の応答が吐出動作に追従できなくなる。したがって、熱により液柱の粘度を制御する手法を用いると、液滴吐出装置を高周波化することが困難になる。よって、高周波化により成膜速度を向上させることが難しくなり、デバイスの製造効率を向上させることが難しくなる。
【０００８】
また、膜の形成材料によっては、熱による液状体の変質や溶剤等の揮発成分の可燃性に留意する必要性が生じることがある。この場合には、液状体の材料選択する手間が増えることや可燃性に対する安全管理上のコストが増大すること等の不都合を生じてしまう。
【０００９】
本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、吐出された液状体が良好に分離される液滴吐出装置を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の液滴吐出装置は、ノズルを開口したノズルプレートと、前記ノズレプレート上に設けられ、貯留室と供給路とリザーバとを有する流路形成基板と、前記流路形成基板上に設けられた振動板と、前記振動板上に設けられ、下部電極と圧電素子と上部電極とを有する圧電駆動素子と、前記ノズルから吐出された液状体の先端部と前記ノズルとの間にガスを噴射するガス噴射部と、を備え、前記ガス噴射部が、前記ノズルプレートに設けられたガス噴射口と、前記流路形成基板に設けられ、前記ガス噴射口に連通した貫通孔と、前記ガス貫通孔にガスを供給するガス供給装置と、を有していることを特徴とする。
【００１１】
このようにすれば、吐出された液状体の先端部とノズルとの間に位置する部分（以下、中間部と称す）の液状体が、ガス供給装置から供給されガス噴射口から噴射されたガスにより切断され、液状体の先端部がノズル側から確実に分離される。
【００１２】
以上のように本発明によれば、液状体の物性を熱により変化させることなく、先端部を分離することができるので、液状体の乾燥によるノズル詰りや液状体の変質等を生じることがなくなり、安定して吐出動作させることが可能になる。したがって、微小体積の液状体を高精度な位置に配置することができ、高精細な膜パターンや画像を形成することが可能な液滴吐出装置になる。
【００１３】
また、前記ガス噴射部が一対の前記ガス噴射口を有し、前記一対のガス噴射口は、前記ノズルを挟んで対称的に配置されているとともに、前記ガスの噴射方向が互いに向かい合っていることが好ましい。この場合には、前記一対のガス噴射口には、該一対のガス噴射口で共通の流通経路を経て前記ガスが供給されていることがより好ましい。
【００１４】
このようにすれば、一対のガス噴射口の一方から噴射されたガスから液状体が受ける力の向きが、他方から噴射されたガスから液状体が受ける力と向きと反対になる。したがって、ガスから液状体が受ける力が互いに打ち消し合うことにより、ガスによる液状体の飛行曲がりが低減される。
【００１５】
また、一対のガス噴射口に共通の流通経路からガスが居供給されていれば、一対のガス噴射口から噴射されるガスの圧力が均一になる。したがって、一方から噴射されたガスから液状体が受ける力の大きさが、他方から噴射されたガスから液状体が受ける力の向きとほぼ同じになる。よって、ガスから液状体が受ける力がほぼ完全に打ち消し合うことにより、ガスによる液状体の飛行曲がりが防止される。
【００１６】
また、前記ガス噴射口から噴射されるガスの軌跡が、前記ノズルから吐出される前記液状体の軌跡と前記ノズルから離れた位置で交わることが好ましい。
このようにすれば、ガス噴射口から噴射されたガスによりノズル内の液状体の乾燥が促進されることがなくなり、液状体の乾燥によるノズル詰りを防止することができる。
【００１７】
また、前記吐出部が、前記ノズルと連通し前記液状体を貯留する貯留部と、前記貯留室の内部を加圧する駆動素子と、を有し、前記ガス噴射部が、前記駆動素子のオンオフと略同一の周期で前記ガスの噴射をオンオフする電気的駆動弁を有している構成であってもよい。
電気的駆動弁によりガスの噴射をオンオフすれば、断続的にガスを噴射することができる。これにより、吐出された液状体の先端部にガスを当てないようにすることができ、液状体の先端部の飛行曲がりが防止される。
【００１８】
液状体が吐出されるタイミングは、駆動素子のオンオフにより定まるので、液状体が吐出される周期は、駆動素子のオンオフの周期とほぼ一致する。この周期は電気的駆動弁によりガスの噴射がオンオフされる周期と略一致しているので、液状体が吐出されてから一定期間経過後に、吐出された液状体にガスを当てることができる。このように一定の周期でオンオフする電気的駆動弁を制御する制御系としては、シンプルな構成のものを用いることができるので、シンプルな構成の液滴吐出装置にすることができる。
【００１９】
また、前記吐出部が、前記貯留部と前記駆動素子と前記ノズルとを有する複数の吐出ユニットを有しているとともに、前記ガス噴射部が、各々が前記複数の吐出ユニットの各々と対応する複数のガス噴射ユニットを有しており、前記複数の吐出ユニットのノズルの配置面に沿う方向において、前記複数のガス噴射ユニットのガス噴射口の配列軸と、前記複数の吐出ユニットのノズルの配列軸とが不一致であることが好ましい。
このようにすれば、ガスの噴射方向が吐出ユニットの配列軸と一致しなくなる。したがって、１つの吐出ユニットから吐出された液状体に対して噴射したガスが、他の吐出ユニットから吐出された液状体と異なる方向に進行し、対応していない液状体に影響を及ぼすことがなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以降の説明では図面を用いて各種の構造を例示するが、構造の特徴的な部分を見やすくするために、構造の寸法や縮尺を実際の構造と適宜異ならせて図示する。
【００２１】
図１は、本実施形態の液滴吐出ヘッド（液滴吐出装置）を備えた成膜装置の構成を示す概略斜視図である。この成膜装置は、液滴吐出法により液状体を被処理基板に配置するものである。配置される液状体は、膜材料等の固形分を含有しており、乾燥させると固形分が残留するものである。すなわち、ここでいう液状体は、固形分を分散媒（溶媒）に分散（溶解）させた分散液（溶液）等である。液状体の具体例としては、顔料や染料等を含んだカラーフィルタ材料や、ＵＶインク、金属配線等の導電膜パターンの形成材料である金属粒子を含んだコロイド溶液等が挙げられる。
【００２２】
このような液状体は、例えば粘度が常温で１０〜３０ｃＰ程度であり、高粘度である。また、常温で粘度が３０ｃＰを超える液状体であって、吐出時に加熱して粘度を低下させて用いるものもある。高粘度な液状体は、吐出された後にメニスカスとの間に糸状の尾を曳くので、メニスカスから分離されにくい。本実施形態では、前記のような高粘度な液状体を膜材料に用いる成膜装置として、カラーフィルタ製造用の成膜装置１を説明する。
【００２３】
図１に示すように、成膜装置１は、支持台１０上に設けられたワークステージ１１と、ワークステージ１１よりも高い位置に設けられた液滴吐出ヘッド１２とを備えている。ワークステージ１１の上面には、被処理基板Ｗを載置することが可能になっている。ワークステージ１１及び液滴吐出ヘッド１２は、図示略の制御装置により位置制御される。また、前記の制御装置は、液滴吐出ヘッド１２の吐出動作を制御するようになっている。以上のような構成により、被処理基板Ｗを走査しつつ液滴吐出ヘッド１２から被処理基板Ｗの所定の領域に液状体を配置することが可能になっている。
【００２４】
以下、図１に示したＸＹＺ直交座標系に基づいて説明する。このＸＹＺ直交座標系において、Ｘ軸及びＹ軸がワークステージ１１の面方向と平行となっており、Ｚ軸がワークステージ１１の面方向と直交している。実際には、ＸＹ平面が水平面に平行な面に設定されており、Ｚ軸が鉛直上方向に設定されている。成膜時には、例えば主走査方向に沿って液状体を配置した後に副走査方向の位置を調整し、再度、主走査方向に沿って液状体を配置する。ここでは、ワークステージ１１の移動方向であるＸ軸方向が主走査方向、液滴吐出ヘッド１２の移動方向であるＹ軸方向が副走査方向に設定されている。
【００２５】
ワークステージ１１は、真空吸着装置（図示略）等を備えており、載置された被処理基板Ｗを着脱可能に固定することができる。ワークステージ１１には、ステージ移動装置１１１が設けられている。ステージ移動装置１１１は、ボールネジまたはリニアガイド等の軸受け機構を備え、前記の制御装置から入力される制御信号に基づいて、ワークステージ１１をＸ軸方向に移動させる。これにより、載置された被処理基板ＷをＸ方向の所定の位置に移動させることができる。
【００２６】
成膜装置１は、３種類（赤・緑・青）のカラーフィルタ材料の各々に対応して、３つの液滴吐出ヘッド１２を備えている。３つの液滴吐出ヘッド１２は、いずれもキャリッジ１３に取付けられており、キャリッジ１３には、キャリッジ移動装置１３１が設けられている。キャリッジ移動装置１３１は、前記の制御装置から入力される制御信号に基づいて、キャリッジ１３をＸ方向やＹ方向に移動させる。これにより、液滴吐出ヘッド１２をＸ方向やＹ方向の所定の位置に移動させることができる。
【００２７】
３つの液滴吐出ヘッド１２の各々は、複数の吐出ユニット（後述する）を備えている。吐出ユニットの各々は、前記の制御装置からの描画データや制御信号に基づいて、液状体を吐出する。３種類のカラーフィルタ材料である３種類の液状体は、それぞれタンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに貯留されている。貯留された液状体は、その種類ごとにチューブ群１４１を通って、対応する液滴吐出ヘッド１２に供給される。
【００２８】
図２（ａ）は、液滴吐出ヘッド１２において被処理基板Ｗとの対向面を示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【００２９】
図２（ａ）に示すように液滴吐出ヘッド１２は、主走査方向（Ｘ軸方向）と略直交して配列された複数の吐出ユニットＵを備えている。複数の吐出ユニットＵで共通のノズルプレート１２１が設けられている。ノズルプレート１２１には、吐出ユニットＵごとにノズル１２５と、一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂとが設けられている。ノズル１２５は、吐出ユニットＵの配列方向（Ｙ方向）に沿って配列されている。
【００３０】
ノズル１２５は、液状体の貯留室１２２と連通している。貯留室１２２は、液状体の供給路１２３を経て複数の吐出ユニットＵで共通のリザーバ１２４と連通している。供給路１２３の詳細な形状を図示しないが、貯留室１２２からリザーバ１２４に液状体が逆流しないようになっている。リザーバ１２４は、図１に示したチューブ群１４１のいずれかと接続されている。吐出ユニットＵから吐出される液状体は、タンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃからチューブ群１４１、リザーバ１２４、供給路１２３を経て貯留室１２２内に充填される。
【００３１】
図２（ｂ）に示すように吐出ユニットＵは、ノズルプレート１２１、振動板１２８、及びノズルプレート１２１と振動板１２８とに挟持された流路形成基板１２７を有している。流路形成基板１２７には、貫通孔や凹部が設けられている。この貫通孔や凹部が、ノズルプレート１２１と振動板１２８とに挟まれることにより、液状体の貯留室１２２や供給路１２３が構成されている。
【００３２】
振動板１２８の貯留室１２２と反対側には、吐出ユニットごとに駆動素子１２９が設けられている。本実施形態の駆動素子１２９は、下部電極１２９ａ、上部電極１２９ｃ、及びこれら電極間に挟持された圧電体１２９ｂからなっている。前記した制御装置は、複数の吐出ユニットＵの各々における駆動素子１２９に所定のタイミングで駆動電圧波形を供給するようになっている。駆動素子１２９に駆動電圧波形が供給されると、駆動素子１２９の圧電体１２９ｂは、面方向に伸縮する。これにより、貯留室１２２と平面的に重なる部分の振動板１２８が面方向と直交する厚み方向に変位して貯留室１２２の容積が変化する。
【００３３】
図３（ａ）は、ノズルプレート１２１において被処理基板Ｗと対向する面を拡大して示す平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、本実施形態ではガス噴射口１２６ａの配列方向、ガス噴射口１２６ｂの配列方向が、いずれもノズル１２５の配列方向と平行になっている。ガス噴射口１２６ａは等間隔で並んでおり、ガス噴射口１２６ｂも等間隔で並んでいる。ガス噴射口１２６ａの間隔はガス噴射口１２６ｂの間隔と略同一になっており、噴射口１２６ａの各々はガス噴射口１２６ｂの各々と主走査方向（Ｘ軸方向）に沿って並んでいる。
【００３５】
ノズル１２５の列は、ガス噴射口１２６ａの列とガス噴射口１２６ｂの列との中央に配置されている。ノズル１２５の各々は、副走査方向（Ｙ軸方向）において、互いに隣接する２つのガス噴射口１２６ａの中央に配置されている。すなわち、ノズル１２５の各々は、互いに隣接する２つのガス噴射口１２６ａと隣接する２つのガス噴射口１２６ｂとを頂点とする長方形の中心に配置されている。この長方形の対角線の一方（例えば図３（ａ）のＢ−Ｂ線））に沿って配置されたガス噴射口１２６ａ、１２６ｂが一対になっている、一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂは、一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂの中央（長方形の中心）に位置するノズル１２５と対応している。一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂの各々は、対応するノズル１２５に向けて空気や不活性ガス（例えば、窒素ガス）等のガスを噴射するようになっている。
【００３６】
図３（ｂ）に示すように、一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂの各々の軸方向は、ノズル１２５側を向いて傾斜しており、ノズル１２５の軸方向すなわちノズルプレート１２１の法線方向と非平行になっている。一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂは、ガス噴射部１６の一部を構成している。ガス噴射部１６は、ガス供給装置１６１、電磁弁（電気的駆動弁）１６２、電磁弁制御装置１６３を有している。
【００３７】
電磁弁制御装置１６３は、電磁弁１６２に駆動電圧波形を供給して電磁弁１６２をオンオフ（開閉）するようになっている。ガス供給装置１６１から供給されたガスは、電磁弁１６２が開いていると、図示略の配管を通ってガス噴射口１２６ａ、１２６ｂに供給される。
【００３８】
ここでは、電磁弁１６２に接続された配管が２つの枝配管（図示略）に分岐されている。枝配管の一方は複数のガス噴射口１２６ａに一括して接続されており、枝配管の他方は、複数のガス噴射口１２６ｂに一括して接続されている。一方の枝配管を通ったガスは、振動板１２８に設けられた貫通孔１２８ａ、流路形成基板１２７に設けられた貫通孔１２７ａを経て、ノズルプレート１２１に設けられたガス噴射口１２６ａに供給される。他方の枝配管を通ったガスは、振動板１２８に設けられた貫通孔１２８ｂ、流路形成基板１２７に設けられた貫通孔１２７ｂを経て、ノズルプレート１２１に設けられたガス噴射口１２６ｂに供給される。このような構成により、ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂに供給されるガスのガス圧が略均一になっている。
【００３９】
図４（ａ）は、駆動素子１２９に供給される駆動電圧波形の一例を示すグラフであり、図４（ｂ）は、電磁弁１６２に供給される駆動電圧波形の一例を示すグラフである。図４（ａ）に示すように、駆動素子１２９に供給される駆動電圧波形は、１回の吐出動作を行う周期Ｔにおいて電圧が、初期の中間電圧Ｖ２から低電圧Ｖ１、高電圧Ｖ３を経て末期の中間電圧Ｖ２に変化する波形になっている。図４（ｂ）に示すように、電磁弁１６２に供給される駆動電圧波形は、低電位Ｖ４と高電位Ｖ５とが交互に繰り返される矩形波形になっている。
【００４０】
ここでは、低電位Ｖ４の印加時に電磁弁１６２が閉状態となり、高電位Ｖ５の印加時に電磁弁１６２が開状態になる。低電位Ｖ４の期間と高電位Ｖ５の期間との総計が周期Ｔになっている。これにより、駆動素子１２９を制御する制御装置と、電磁弁制御装置１６３とを同期させなくても、吐出ユニットＵの動作と電磁弁の動作とがリンクするようになる。なお、駆動素子１２９の動作に対する電磁弁１６２の動作のタイミングとしては、ガスの流通経路における応答性等を考慮して適宜設定し得る。
【００４１】
図５（ａ）〜（ｄ）、図６（ａ）、（ｂ）は吐出ユニットＵの吐出過程を示す断面模式図である。図５（ａ）には初期の中間電圧Ｖ２の印加時、図５（ｂ）には低電圧Ｖ１の印加時、図５（ｃ）には高電圧Ｖ３の印加時、図５（ｄ）には末期の中間電圧Ｖ２の印加時、をそれぞれ示している。図６（ａ）、（ｂ）には、図５（ａ）〜（ｄ）に示した吐出過程の後に液状体が分離される過程を示している。
【００４２】
図５（ａ）に示すように、初期の中間電圧Ｖ２の印加時には駆動素子１２９の圧電体１２９ｂが収縮しており、振動板１２８が貯留室１２２に向かって凸となり撓曲している。この状態において、ノズル１２５内に液状体ＱのメニスカスＭ１が形成されている。メニスカスＭ１は、貯留室１２２側に向かって凸になっている。
【００４３】
図５（ｂ）に示すように、低電圧Ｖ１の印加時（ここでは放電時）には駆動素子１２９の圧電体１２９ｂの電歪がなくなり、振動板１２８の貯留室１２２側への歪みがなくなる。これにより、貯留室１２２の容積が中間電圧Ｖ２の印加時に比べて増加し、液状体Ｑがリザーバ１２４から供給路１２３を経て貯留室１２２内に引き込まれる。また、ノズル１２５内の液状体が貯留室１２２側に引き込まれて、メニスカスＭ２の位置が貯留室１２２側に移動する。
【００４４】
図５（ｃ）に示すように、高電圧Ｖ３の印加時（充電時）には駆動素子１２９の圧電体１２９ｂが収縮して、再度、振動板１２８が貯留室１２２に向かって凸となり撓曲する。圧電体１２９ｂの収縮量は１回の吐出動作において最大になり、振動板１２８の貯留室１２２側への変位量が最大になることにより、貯留室１２２の容積が最小になる。貯留室１２２からリザーバ１２４へ液状体が逆流しないようになっているので、貯留室１２２の容積の減少分だけ液状体がノズル１２５から貯留室１２２の外部に押し出される。これにより、ノズル１２５内のメニスカスＭ３は、貯留室１２２の外部（被処理基板Ｗ側）に向かって凸になる
【００４５】
図５（ｄ）に示すように、末期の中間電圧Ｖ２の印加時には駆動素子１２９の圧電体１２９ｂの収縮が高電圧Ｖ３の印加時よりも緩和され、振動板１２８の貯留室１２２側への変位量が小さくなる。これにより、貯留室１２２の容積が増加し、ノズル１２５内の液状体が貯留室１２２側に引き込まれて、メニスカスＭ４の位置が貯留室１２２側に移動する。
【００４６】
このような引き押し制御を行えば、液状体の吐出方向と反対側にメニスカスが移動することにより、液状体のメニスカスからの分離が促進される。これにより、比較的低粘度な液状体であればメニスカスから液状体が完全に分離されて液滴になる。ところが、高粘度（例えば１０ｃＰ以上）の液状体であると、吐出された液状体がメニスカスから分離されるに至らず、液滴状の先端部が糸状の中間部によりメニスカスに繋がった形状になる。
【００４７】
本実施形態においても、図５（ｄ）に示したようにノズル１２５から吐出された液状体Ｑ１は、先端部Ｑ１１と中間部Ｑ１２とからなっており、中間部Ｑ１２がメニスカスＭ４と連続している。ここでは、液状体Ｑ１と同程度の体積であってメニスカスから分離された液滴を仮定し、液状体Ｑ１においてこの液滴と同等な部分を先端部Ｑ１１としている。また、先端部Ｑ１１を除いた部分の液状体Ｑ１を中間部Ｑ１２としている。
【００４８】
このような液滴については、例えば液状体Ｑ１と同程度の表面張力であって、液状体Ｑ１よりも低粘度な液状体を吐出することにより、その形状等を調べることができる。例えば、この液滴の形状と液状体Ｑ１の形状と比較することにより、先端部Ｑ１１を定めることができる。これにより、先端部Ｑ１１と中間部Ｑ１２とを区別することができる。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、本実施形態の液滴吐出ヘッド１２にあっては、吐出された液状体Ｑ１の中間部Ｑ１２に向けてガス噴射口１２６ａ、１２６ｂからガスが噴射される。噴射されたガスＧは、ノズルプレート１２１から被処理基板側Ｗに離れた部分における中間部Ｑ１２にあたるように、ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂの軸方向の角度が調整されている。ガスＧに曝された部分の中間部Ｑ１２はガスＧの風圧により切断され、先端部Ｑ１１がメニスカスＭ５から分離される。
【００５０】
ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂが、ノズル１２５の軸方向に対して対称的に設けられており、ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂから噴射されるガスＧのガス圧が略均一になっているので、ガスＧから先端部Ｑ１１が受ける力はノズルプレート１２１の面方向において打ち消しあう。これにより、分離された先端部Ｑ１１において、ガスＧの風圧により飛行曲がりを生じることが防止される。
【００５１】
図６（ｂ）に示すように、切断された中間部Ｑ１２は、その一部がサテライトとして飛散することや、メニスカスＭ４あるいは先端部Ｑ１１に吸収されることにより、先端部Ｑ１１とメニスカスＭ４との間から消滅する。また、メニスカスＭ６から分離された先端部Ｑ１１は、液滴として被処理基板Ｗの所定に位置に着弾する。
【００５２】
以上のように、本実施形態の液滴吐出ヘッド１２にあっては、ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂから噴射されたガスＧにより液状体Ｑ１の中間部Ｑ１２を切断することができ、液状体Ｑ１の先端部Ｑ１１をメニスカスから分離することができる。したがって、１回の吐出動作後にメニスカスの形状が中間部Ｑ１２により歪むことが防止され、次の吐出動作においてメニスカスの形状が良好に制御される。よって、ノズル１２５から良好に液状体Ｑ１を吐出させることができ、高粘度な液状体を高精細なパターンで被処理基板Ｗの高精度な位置に配置することが可能になる。
【００５３】
また、噴射されたガスＧは、ノズルプレート１２１から被処理基板側Ｗに離れた部分における中間部Ｑ１２にあたるようになっているので、ガスＧがノズル１２５内の液状体Ｑの乾燥を促進しない。したがって、液状体Ｑの乾燥によりノズル詰まりを生じることもない。
【００５４】
また、ノズル付近で局所的に加熱あるいは冷却することにより中間部の粘度を制御する手法に比べて、加熱によりメニスカス内の液状体が乾燥してノズル詰りを生じることや、冷却により液状体が一時的に高粘度になり吐出動作が不安定になること等がなくなる。これにより、液滴吐出ヘッドを安定に吐出動作させることができる。
【００５５】
また、加熱により液状体を分離させる手法と異なり、熱による液状体の変質や溶剤等の揮発成分の可燃性に留意する必要がない。したがって、液状体の選択自由度が高くなるとともに、可燃性に対する安全管理上のコストを低減することもできる。
【００５６】
なお、前記実施形態では、カラーフィルタ製造用の成膜装置を例示したが、カラーフィルタ以外の各種デバイスを製造用の成膜装置、あるいは画像印刷装置等にも適用可能である。また、インクジェット法による液滴吐出装置の他にも、サーマルインクジェット法による液滴吐出装置やディスペンサ等にも適用可能である。いずれの液滴吐出装置であっても、吐出される液状体が尾曳きを生じる程度に高粘度である場合には、本発明を適用することによりその効果を得ることができる。
【００５７】
また、前記実施形態では、１つのノズル１２５に対応させて２つのガス噴射口１２６ａ、１２６ｂを設けていたが、１又は３以上のガス噴射口を設けてもよい。
【００５８】
また、駆動素子１２９を制御する制御装置と、電磁弁制御装置１６３とを同期させてもよいし、電磁弁制御装置１６３が駆動素子１２９を制御する制御装置の一部であってもよい。電気的駆動弁としては、電磁弁の他にもモータ駆動弁等を用いることができるが、液滴吐出装置を高周波化する観点では電磁弁の方が有利である。また、ガス噴射口から断続的にガスを噴射するのではなく、連続的にガスを噴射した場合にも吐出された液状体Ｑ１の中間部１２を切断することができ、本発明の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】一実施形態の液滴吐出ヘッドを備えた成膜装置の概略斜視図である。
【図２】（ａ）は一実施形態の液滴吐出ヘッドの平面図、（ｂ）は断面図である。
【図３】（ａ）はガス噴射口の平面配置図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は駆動素子、電磁弁の駆動電圧波形例を示すグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は吐出ユニットの吐出過程を示す断面模式図である。
【図６】吐出された後の液状体の挙動を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・成膜装置、１０・・・支持台、１１・・・ワークステージ、１２・・・液滴吐出ヘッド（液滴吐出装置）、１３・・・キャリッジ、１４Ａ・・・タンク、１４Ｂ・・・タンク、１４Ｃ・・・タンク、１６・・・ガス噴射部、１２１・・・ノズルプレート、１２２・・・貯留室、１２３・・・供給路、１２４・・・リザーバ、１２５・・・ノズル、１２６ａ、１２６ｂ・・・ガス噴射口、１２７・・・流路形成基板、１２７ａ、１２７ｂ・・・貫通孔、１２８・・・振動板、１２８ａ・・・貫通孔、１２９・・・駆動素子、１２９ａ・・・下部電極、１２９ｂ・・・圧電体、１２９ｃ・・・上部電極、１４１・・・チューブ郡、１６１・・・ガス供給装置、１６２・・・電磁弁、１６３・・・電磁弁制御装置、Ｇ・・・ガス、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４・・・メニスカス、Ｑ・・・液状体、Ｑ１・・・液状体、Ｑ１１・・・先端部、Ｑ１２・・・中間部、Ｕ・・・・吐出ユニット、 Ｗ・・・ 被処理基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から液滴吐出装置は、画像を形成するプリンタやデバイス製造用の成膜装置として幅広い分野で用いられている。一般に、液滴吐出装置は多数の吐出ユニットを備えている。吐出ユニットは、液状体の貯留部、貯留部に通じるノズル、液状体を加圧してノズルから液滴を押し出すピエゾ素子等を備えている。
【０００３】
近年、液滴吐出法による成膜技術が注目されている。液滴吐出法によれば、膜の形成材料を含んだ微小な液滴を所望の位置に配置することが可能である。これにより、微細な膜パターンを形成することができ、フォトリソグラフィ法を用いる場合よりもパターニングが容易になる。また、膜の形成材料のムダを少なくできるので、製造コストを低くすることができる。
【０００４】
このような工業用途では、膜の形成材料として高分子ポリマーインク等の高粘度な液状体を吐出させることがある。また、画像印刷の用途でも、ＵＶインク等の高粘度な液状体を吐出させることがある。高粘度な液状体を高精細なパターンで高精度な位置に配置するためには、ノズル内のメニスカス（液面）から液状体を微小な液滴として良好に分離することが極めて重要である。
【０００５】
液滴を分離させる技術としては、特許文献１に開示されている技術が挙げられる。特許文献１の液滴吐出装置は、ノズル近傍に温度可変素子を備えている。温度可変素子は、ヒータやペルチェ素子により構成されている。ノズルから押出された液柱の温度分布を制御することにより、液柱の粘度を部分的に制御することができ、液状体の分離を促進することができるとされている。
【特許文献１】特開２００７−２２９９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術を適用してノズル近傍の液状体を加熱すると、ノズル近傍で液状体の乾燥が促進され、ノズル詰りを生じるおそれがある。また、ノズル近傍の液状体を冷却すると液状体の粘度が高くなるので、高粘度の液状体を安定に吐出させることが難しくなる。また、冷却と加熱とをともに行うとすれば、液滴吐出装置の構成が複雑になり、装置コストが高くなってしまう。
【０００７】
また、熱の応答性は部材の熱容量等により限界があるので、ある程度以上に吐出動作を高周波化すると熱の応答が吐出動作に追従できなくなる。したがって、熱により液柱の粘度を制御する手法を用いると、液滴吐出装置を高周波化することが困難になる。よって、高周波化により成膜速度を向上させることが難しくなり、デバイスの製造効率を向上させることが難しくなる。
【０００８】
また、膜の形成材料によっては、熱による液状体の変質や溶剤等の揮発成分の可燃性に留意する必要性が生じることがある。この場合には、液状体の材料選択する手間が増えることや可燃性に対する安全管理上のコストが増大すること等の不都合を生じてしまう。
【０００９】
本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、吐出された液状体が良好に分離される液滴吐出装置を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の液滴吐出装置は、ノズルを開口したノズルプレートと、前記ノズレプレート上に設けられ、貯留室と供給路とリザーバとを有する流路形成基板と、前記流路形成基板上に設けられた振動板と、前記振動板上に設けられ、下部電極と圧電素子と上部電極とを有する圧電駆動素子と、前記ノズルから吐出された液状体の先端部と前記ノズルとの間にガスを噴射するガス噴射部と、を備え、前記ガス噴射部が、前記ノズルプレートに設けられたガス噴射口と、前記流路形成基板に設けられ、前記ガス噴射口に連通した貫通孔と、前記ガス貫通孔にガスを供給するガス供給装置と、を有していることを特徴とする。
【００１１】
このようにすれば、吐出された液状体の先端部とノズルとの間に位置する部分（以下、中間部と称す）の液状体が、ガス供給装置から供給されガス噴射口から噴射されたガスにより切断され、液状体の先端部がノズル側から確実に分離される。
【００１２】
以上のように本発明によれば、液状体の物性を熱により変化させることなく、先端部を分離することができるので、液状体の乾燥によるノズル詰りや液状体の変質等を生じることがなくなり、安定して吐出動作させることが可能になる。したがって、微小体積の液状体を高精度な位置に配置することができ、高精細な膜パターンや画像を形成することが可能な液滴吐出装置になる。
【００１３】
また、前記ガス噴射部が一対の前記ガス噴射口を有し、前記一対のガス噴射口は、前記ノズルを挟んで対称的に配置されているとともに、前記ガスの噴射方向が互いに向かい合っていることが好ましい。この場合には、前記一対のガス噴射口には、該一対のガス噴射口で共通の流通経路を経て前記ガスが供給されていることがより好ましい。
【００１４】
このようにすれば、一対のガス噴射口の一方から噴射されたガスから液状体が受ける力の向きが、他方から噴射されたガスから液状体が受ける力と向きと反対になる。したがって、ガスから液状体が受ける力が互いに打ち消し合うことにより、ガスによる液状体の飛行曲がりが低減される。
【００１５】
また、一対のガス噴射口に共通の流通経路からガスが居供給されていれば、一対のガス噴射口から噴射されるガスの圧力が均一になる。したがって、一方から噴射されたガスから液状体が受ける力の大きさが、他方から噴射されたガスから液状体が受ける力の向きとほぼ同じになる。よって、ガスから液状体が受ける力がほぼ完全に打ち消し合うことにより、ガスによる液状体の飛行曲がりが防止される。
【００１６】
また、前記ガス噴射口から噴射されるガスの軌跡が、前記ノズルから吐出される前記液状体の軌跡と前記ノズルから離れた位置で交わることが好ましい。
このようにすれば、ガス噴射口から噴射されたガスによりノズル内の液状体の乾燥が促進されることがなくなり、液状体の乾燥によるノズル詰りを防止することができる。
【００１７】
また、前記吐出部が、前記ノズルと連通し前記液状体を貯留する貯留部と、前記貯留室の内部を加圧する駆動素子と、を有し、前記ガス噴射部が、前記駆動素子のオンオフと略同一の周期で前記ガスの噴射をオンオフする電気的駆動弁を有している構成であってもよい。
電気的駆動弁によりガスの噴射をオンオフすれば、断続的にガスを噴射することができる。これにより、吐出された液状体の先端部にガスを当てないようにすることができ、液状体の先端部の飛行曲がりが防止される。
【００１８】
液状体が吐出されるタイミングは、駆動素子のオンオフにより定まるので、液状体が吐出される周期は、駆動素子のオンオフの周期とほぼ一致する。この周期は電気的駆動弁によりガスの噴射がオンオフされる周期と略一致しているので、液状体が吐出されてから一定期間経過後に、吐出された液状体にガスを当てることができる。このように一定の周期でオンオフする電気的駆動弁を制御する制御系としては、シンプルな構成のものを用いることができるので、シンプルな構成の液滴吐出装置にすることができる。
【００１９】
また、前記吐出部が、前記貯留部と前記駆動素子と前記ノズルとを有する複数の吐出ユニットを有しているとともに、前記ガス噴射部が、各々が前記複数の吐出ユニットの各々と対応する複数のガス噴射ユニットを有しており、前記複数の吐出ユニットのノズルの配置面に沿う方向において、前記複数のガス噴射ユニットのガス噴射口の配列軸と、前記複数の吐出ユニットのノズルの配列軸とが不一致であることが好ましい。
このようにすれば、ガスの噴射方向が吐出ユニットの配列軸と一致しなくなる。したがって、１つの吐出ユニットから吐出された液状体に対して噴射したガスが、他の吐出ユニットから吐出された液状体と異なる方向に進行し、対応していない液状体に影響を及ぼすことがなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以降の説明では図面を用いて各種の構造を例示するが、構造の特徴的な部分を見やすくするために、構造の寸法や縮尺を実際の構造と適宜異ならせて図示する。
【００２１】
図１は、本実施形態の液滴吐出ヘッド（液滴吐出装置）を備えた成膜装置の構成を示す概略斜視図である。この成膜装置は、液滴吐出法により液状体を被処理基板に配置するものである。配置される液状体は、膜材料等の固形分を含有しており、乾燥させると固形分が残留するものである。すなわち、ここでいう液状体は、固形分を分散媒（溶媒）に分散（溶解）させた分散液（溶液）等である。液状体の具体例としては、顔料や染料等を含んだカラーフィルタ材料や、ＵＶインク、金属配線等の導電膜パターンの形成材料である金属粒子を含んだコロイド溶液等が挙げられる。
【００２２】
このような液状体は、例えば粘度が常温で１０〜３０ｃＰ程度であり、高粘度である。また、常温で粘度が３０ｃＰを超える液状体であって、吐出時に加熱して粘度を低下させて用いるものもある。高粘度な液状体は、吐出された後にメニスカスとの間に糸状の尾を曳くので、メニスカスから分離されにくい。本実施形態では、前記のような高粘度な液状体を膜材料に用いる成膜装置として、カラーフィルタ製造用の成膜装置１を説明する。
【００２３】
図１に示すように、成膜装置１は、支持台１０上に設けられたワークステージ１１と、ワークステージ１１よりも高い位置に設けられた液滴吐出ヘッド１２とを備えている。ワークステージ１１の上面には、被処理基板Ｗを載置することが可能になっている。ワークステージ１１及び液滴吐出ヘッド１２は、図示略の制御装置により位置制御される。また、前記の制御装置は、液滴吐出ヘッド１２の吐出動作を制御するようになっている。以上のような構成により、被処理基板Ｗを走査しつつ液滴吐出ヘッド１２から被処理基板Ｗの所定の領域に液状体を配置することが可能になっている。
【００２４】
以下、図１に示したＸＹＺ直交座標系に基づいて説明する。このＸＹＺ直交座標系において、Ｘ軸及びＹ軸がワークステージ１１の面方向と平行となっており、Ｚ軸がワークステージ１１の面方向と直交している。実際には、ＸＹ平面が水平面に平行な面に設定されており、Ｚ軸が鉛直上方向に設定されている。成膜時には、例えば主走査方向に沿って液状体を配置した後に副走査方向の位置を調整し、再度、主走査方向に沿って液状体を配置する。ここでは、ワークステージ１１の移動方向であるＸ軸方向が主走査方向、液滴吐出ヘッド１２の移動方向であるＹ軸方向が副走査方向に設定されている。
【００２５】
ワークステージ１１は、真空吸着装置（図示略）等を備えており、載置された被処理基板Ｗを着脱可能に固定することができる。ワークステージ１１には、ステージ移動装置１１１が設けられている。ステージ移動装置１１１は、ボールネジまたはリニアガイド等の軸受け機構を備え、前記の制御装置から入力される制御信号に基づいて、ワークステージ１１をＸ軸方向に移動させる。これにより、載置された被処理基板ＷをＸ方向の所定の位置に移動させることができる。
【００２６】
成膜装置１は、３種類（赤・緑・青）のカラーフィルタ材料の各々に対応して、３つの液滴吐出ヘッド１２を備えている。３つの液滴吐出ヘッド１２は、いずれもキャリッジ１３に取付けられており、キャリッジ１３には、キャリッジ移動装置１３１が設けられている。キャリッジ移動装置１３１は、前記の制御装置から入力される制御信号に基づいて、キャリッジ１３をＸ方向やＹ方向に移動させる。これにより、液滴吐出ヘッド１２をＸ方向やＹ方向の所定の位置に移動させることができる。
【００２７】
３つの液滴吐出ヘッド１２の各々は、複数の吐出ユニット（後述する）を備えている。吐出ユニットの各々は、前記の制御装置からの描画データや制御信号に基づいて、液状体を吐出する。３種類のカラーフィルタ材料である３種類の液状体は、それぞれタンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに貯留されている。貯留された液状体は、その種類ごとにチューブ群１４１を通って、対応する液滴吐出ヘッド１２に供給される。
【００２８】
図２（ａ）は、液滴吐出ヘッド１２において被処理基板Ｗとの対向面を示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【００２９】
図２（ａ）に示すように液滴吐出ヘッド１２は、主走査方向（Ｘ軸方向）と略直交して配列された複数の吐出ユニットＵを備えている。複数の吐出ユニットＵで共通のノズルプレート１２１が設けられている。ノズルプレート１２１には、吐出ユニットＵごとにノズル１２５と、一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂとが設けられている。ノズル１２５は、吐出ユニットＵの配列方向（Ｙ方向）に沿って配列されている。
【００３０】
ノズル１２５は、液状体の貯留室１２２と連通している。貯留室１２２は、液状体の供給路１２３を経て複数の吐出ユニットＵで共通のリザーバ１２４と連通している。供給路１２３の詳細な形状を図示しないが、貯留室１２２からリザーバ１２４に液状体が逆流しないようになっている。リザーバ１２４は、図１に示したチューブ群１４１のいずれかと接続されている。吐出ユニットＵから吐出される液状体は、タンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃからチューブ群１４１、リザーバ１２４、供給路１２３を経て貯留室１２２内に充填される。
【００３１】
図２（ｂ）に示すように吐出ユニットＵは、ノズルプレート１２１、振動板１２８、及びノズルプレート１２１と振動板１２８とに挟持された流路形成基板１２７を有している。流路形成基板１２７には、貫通孔や凹部が設けられている。この貫通孔や凹部が、ノズルプレート１２１と振動板１２８とに挟まれることにより、液状体の貯留室１２２や供給路１２３が構成されている。
【００３２】
振動板１２８の貯留室１２２と反対側には、吐出ユニットごとに駆動素子１２９が設けられている。本実施形態の駆動素子１２９は、下部電極１２９ａ、上部電極１２９ｃ、及びこれら電極間に挟持された圧電体１２９ｂからなっている。前記した制御装置は、複数の吐出ユニットＵの各々における駆動素子１２９に所定のタイミングで駆動電圧波形を供給するようになっている。駆動素子１２９に駆動電圧波形が供給されると、駆動素子１２９の圧電体１２９ｂは、面方向に伸縮する。これにより、貯留室１２２と平面的に重なる部分の振動板１２８が面方向と直交する厚み方向に変位して貯留室１２２の容積が変化する。
【００３３】
図３（ａ）は、ノズルプレート１２１において被処理基板Ｗと対向する面を拡大して示す平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、本実施形態ではガス噴射口１２６ａの配列方向、ガス噴射口１２６ｂの配列方向が、いずれもノズル１２５の配列方向と平行になっている。ガス噴射口１２６ａは等間隔で並んでおり、ガス噴射口１２６ｂも等間隔で並んでいる。ガス噴射口１２６ａの間隔はガス噴射口１２６ｂの間隔と略同一になっており、噴射口１２６ａの各々はガス噴射口１２６ｂの各々と主走査方向（Ｘ軸方向）に沿って並んでいる。
【００３５】
ノズル１２５の列は、ガス噴射口１２６ａの列とガス噴射口１２６ｂの列との中央に配置されている。ノズル１２５の各々は、副走査方向（Ｙ軸方向）において、互いに隣接する２つのガス噴射口１２６ａの中央に配置されている。すなわち、ノズル１２５の各々は、互いに隣接する２つのガス噴射口１２６ａと隣接する２つのガス噴射口１２６ｂとを頂点とする長方形の中心に配置されている。この長方形の対角線の一方（例えば図３（ａ）のＢ−Ｂ線））に沿って配置されたガス噴射口１２６ａ、１２６ｂが一対になっている、一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂは、一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂの中央（長方形の中心）に位置するノズル１２５と対応している。一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂの各々は、対応するノズル１２５に向けて空気や不活性ガス（例えば、窒素ガス）等のガスを噴射するようになっている。
【００３６】
図３（ｂ）に示すように、一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂの各々の軸方向は、ノズル１２５側を向いて傾斜しており、ノズル１２５の軸方向すなわちノズルプレート１２１の法線方向と非平行になっている。一対のガス噴射口１２６ａ、１２６ｂは、ガス噴射部１６の一部を構成している。ガス噴射部１６は、ガス供給装置１６１、電磁弁（電気的駆動弁）１６２、電磁弁制御装置１６３を有している。
【００３７】
電磁弁制御装置１６３は、電磁弁１６２に駆動電圧波形を供給して電磁弁１６２をオンオフ（開閉）するようになっている。ガス供給装置１６１から供給されたガスは、電磁弁１６２が開いていると、図示略の配管を通ってガス噴射口１２６ａ、１２６ｂに供給される。
【００３８】
ここでは、電磁弁１６２に接続された配管が２つの枝配管（図示略）に分岐されている。枝配管の一方は複数のガス噴射口１２６ａに一括して接続されており、枝配管の他方は、複数のガス噴射口１２６ｂに一括して接続されている。一方の枝配管を通ったガスは、振動板１２８に設けられた貫通孔１２８ａ、流路形成基板１２７に設けられた貫通孔１２７ａを経て、ノズルプレート１２１に設けられたガス噴射口１２６ａに供給される。他方の枝配管を通ったガスは、振動板１２８に設けられた貫通孔１２８ｂ、流路形成基板１２７に設けられた貫通孔１２７ｂを経て、ノズルプレート１２１に設けられたガス噴射口１２６ｂに供給される。このような構成により、ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂに供給されるガスのガス圧が略均一になっている。
【００３９】
図４（ａ）は、駆動素子１２９に供給される駆動電圧波形の一例を示すグラフであり、図４（ｂ）は、電磁弁１６２に供給される駆動電圧波形の一例を示すグラフである。図４（ａ）に示すように、駆動素子１２９に供給される駆動電圧波形は、１回の吐出動作を行う周期Ｔにおいて電圧が、初期の中間電圧Ｖ２から低電圧Ｖ１、高電圧Ｖ３を経て末期の中間電圧Ｖ２に変化する波形になっている。図４（ｂ）に示すように、電磁弁１６２に供給される駆動電圧波形は、低電位Ｖ４と高電位Ｖ５とが交互に繰り返される矩形波形になっている。
【００４０】
ここでは、低電位Ｖ４の印加時に電磁弁１６２が閉状態となり、高電位Ｖ５の印加時に電磁弁１６２が開状態になる。低電位Ｖ４の期間と高電位Ｖ５の期間との総計が周期Ｔになっている。これにより、駆動素子１２９を制御する制御装置と、電磁弁制御装置１６３とを同期させなくても、吐出ユニットＵの動作と電磁弁の動作とがリンクするようになる。なお、駆動素子１２９の動作に対する電磁弁１６２の動作のタイミングとしては、ガスの流通経路における応答性等を考慮して適宜設定し得る。
【００４１】
図５（ａ）〜（ｄ）、図６（ａ）、（ｂ）は吐出ユニットＵの吐出過程を示す断面模式図である。図５（ａ）には初期の中間電圧Ｖ２の印加時、図５（ｂ）には低電圧Ｖ１の印加時、図５（ｃ）には高電圧Ｖ３の印加時、図５（ｄ）には末期の中間電圧Ｖ２の印加時、をそれぞれ示している。図６（ａ）、（ｂ）には、図５（ａ）〜（ｄ）に示した吐出過程の後に液状体が分離される過程を示している。
【００４２】
図５（ａ）に示すように、初期の中間電圧Ｖ２の印加時には駆動素子１２９の圧電体１２９ｂが収縮しており、振動板１２８が貯留室１２２に向かって凸となり撓曲している。この状態において、ノズル１２５内に液状体ＱのメニスカスＭ１が形成されている。メニスカスＭ１は、貯留室１２２側に向かって凸になっている。
【００４３】
図５（ｂ）に示すように、低電圧Ｖ１の印加時（ここでは放電時）には駆動素子１２９の圧電体１２９ｂの電歪がなくなり、振動板１２８の貯留室１２２側への歪みがなくなる。これにより、貯留室１２２の容積が中間電圧Ｖ２の印加時に比べて増加し、液状体Ｑがリザーバ１２４から供給路１２３を経て貯留室１２２内に引き込まれる。また、ノズル１２５内の液状体が貯留室１２２側に引き込まれて、メニスカスＭ２の位置が貯留室１２２側に移動する。
【００４４】
図５（ｃ）に示すように、高電圧Ｖ３の印加時（充電時）には駆動素子１２９の圧電体１２９ｂが収縮して、再度、振動板１２８が貯留室１２２に向かって凸となり撓曲する。圧電体１２９ｂの収縮量は１回の吐出動作において最大になり、振動板１２８の貯留室１２２側への変位量が最大になることにより、貯留室１２２の容積が最小になる。貯留室１２２からリザーバ１２４へ液状体が逆流しないようになっているので、貯留室１２２の容積の減少分だけ液状体がノズル１２５から貯留室１２２の外部に押し出される。これにより、ノズル１２５内のメニスカスＭ３は、貯留室１２２の外部（被処理基板Ｗ側）に向かって凸になる
【００４５】
図５（ｄ）に示すように、末期の中間電圧Ｖ２の印加時には駆動素子１２９の圧電体１２９ｂの収縮が高電圧Ｖ３の印加時よりも緩和され、振動板１２８の貯留室１２２側への変位量が小さくなる。これにより、貯留室１２２の容積が増加し、ノズル１２５内の液状体が貯留室１２２側に引き込まれて、メニスカスＭ４の位置が貯留室１２２側に移動する。
【００４６】
このような引き押し制御を行えば、液状体の吐出方向と反対側にメニスカスが移動することにより、液状体のメニスカスからの分離が促進される。これにより、比較的低粘度な液状体であればメニスカスから液状体が完全に分離されて液滴になる。ところが、高粘度（例えば１０ｃＰ以上）の液状体であると、吐出された液状体がメニスカスから分離されるに至らず、液滴状の先端部が糸状の中間部によりメニスカスに繋がった形状になる。
【００４７】
本実施形態においても、図５（ｄ）に示したようにノズル１２５から吐出された液状体Ｑ１は、先端部Ｑ１１と中間部Ｑ１２とからなっており、中間部Ｑ１２がメニスカスＭ４と連続している。ここでは、液状体Ｑ１と同程度の体積であってメニスカスから分離された液滴を仮定し、液状体Ｑ１においてこの液滴と同等な部分を先端部Ｑ１１としている。また、先端部Ｑ１１を除いた部分の液状体Ｑ１を中間部Ｑ１２としている。
【００４８】
このような液滴については、例えば液状体Ｑ１と同程度の表面張力であって、液状体Ｑ１よりも低粘度な液状体を吐出することにより、その形状等を調べることができる。例えば、この液滴の形状と液状体Ｑ１の形状と比較することにより、先端部Ｑ１１を定めることができる。これにより、先端部Ｑ１１と中間部Ｑ１２とを区別することができる。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、本実施形態の液滴吐出ヘッド１２にあっては、吐出された液状体Ｑ１の中間部Ｑ１２に向けてガス噴射口１２６ａ、１２６ｂからガスが噴射される。噴射されたガスＧは、ノズルプレート１２１から被処理基板側Ｗに離れた部分における中間部Ｑ１２にあたるように、ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂの軸方向の角度が調整されている。ガスＧに曝された部分の中間部Ｑ１２はガスＧの風圧により切断され、先端部Ｑ１１がメニスカスＭ５から分離される。
【００５０】
ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂが、ノズル１２５の軸方向に対して対称的に設けられており、ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂから噴射されるガスＧのガス圧が略均一になっているので、ガスＧから先端部Ｑ１１が受ける力はノズルプレート１２１の面方向において打ち消しあう。これにより、分離された先端部Ｑ１１において、ガスＧの風圧により飛行曲がりを生じることが防止される。
【００５１】
図６（ｂ）に示すように、切断された中間部Ｑ１２は、その一部がサテライトとして飛散することや、メニスカスＭ４あるいは先端部Ｑ１１に吸収されることにより、先端部Ｑ１１とメニスカスＭ４との間から消滅する。また、メニスカスＭ６から分離された先端部Ｑ１１は、液滴として被処理基板Ｗの所定に位置に着弾する。
【００５２】
以上のように、本実施形態の液滴吐出ヘッド１２にあっては、ガス噴射口１２６ａ、１２６ｂから噴射されたガスＧにより液状体Ｑ１の中間部Ｑ１２を切断することができ、液状体Ｑ１の先端部Ｑ１１をメニスカスから分離することができる。したがって、１回の吐出動作後にメニスカスの形状が中間部Ｑ１２により歪むことが防止され、次の吐出動作においてメニスカスの形状が良好に制御される。よって、ノズル１２５から良好に液状体Ｑ１を吐出させることができ、高粘度な液状体を高精細なパターンで被処理基板Ｗの高精度な位置に配置することが可能になる。
【００５３】
また、噴射されたガスＧは、ノズルプレート１２１から被処理基板側Ｗに離れた部分における中間部Ｑ１２にあたるようになっているので、ガスＧがノズル１２５内の液状体Ｑの乾燥を促進しない。したがって、液状体Ｑの乾燥によりノズル詰まりを生じることもない。
【００５４】
また、ノズル付近で局所的に加熱あるいは冷却することにより中間部の粘度を制御する手法に比べて、加熱によりメニスカス内の液状体が乾燥してノズル詰りを生じることや、冷却により液状体が一時的に高粘度になり吐出動作が不安定になること等がなくなる。これにより、液滴吐出ヘッドを安定に吐出動作させることができる。
【００５５】
また、加熱により液状体を分離させる手法と異なり、熱による液状体の変質や溶剤等の揮発成分の可燃性に留意する必要がない。したがって、液状体の選択自由度が高くなるとともに、可燃性に対する安全管理上のコストを低減することもできる。
【００５６】
なお、前記実施形態では、カラーフィルタ製造用の成膜装置を例示したが、カラーフィルタ以外の各種デバイスを製造用の成膜装置、あるいは画像印刷装置等にも適用可能である。また、インクジェット法による液滴吐出装置の他にも、サーマルインクジェット法による液滴吐出装置やディスペンサ等にも適用可能である。いずれの液滴吐出装置であっても、吐出される液状体が尾曳きを生じる程度に高粘度である場合には、本発明を適用することによりその効果を得ることができる。
【００５７】
また、前記実施形態では、１つのノズル１２５に対応させて２つのガス噴射口１２６ａ、１２６ｂを設けていたが、１又は３以上のガス噴射口を設けてもよい。
【００５８】
また、駆動素子１２９を制御する制御装置と、電磁弁制御装置１６３とを同期させてもよいし、電磁弁制御装置１６３が駆動素子１２９を制御する制御装置の一部であってもよい。電気的駆動弁としては、電磁弁の他にもモータ駆動弁等を用いることができるが、液滴吐出装置を高周波化する観点では電磁弁の方が有利である。また、ガス噴射口から断続的にガスを噴射するのではなく、連続的にガスを噴射した場合にも吐出された液状体Ｑ１の中間部１２を切断することができ、本発明の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】一実施形態の液滴吐出ヘッドを備えた成膜装置の概略斜視図である。
【図２】（ａ）は一実施形態の液滴吐出ヘッドの平面図、（ｂ）は断面図である。
【図３】（ａ）はガス噴射口の平面配置図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は駆動素子、電磁弁の駆動電圧波形例を示すグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は吐出ユニットの吐出過程を示す断面模式図である。
【図６】吐出された後の液状体の挙動を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・成膜装置、１０・・・支持台、１１・・・ワークステージ、１２・・・液滴吐出ヘッド（液滴吐出装置）、１３・・・キャリッジ、１４Ａ・・・タンク、１４Ｂ・・・タンク、１４Ｃ・・・タンク、１６・・・ガス噴射部、１２１・・・ノズルプレート、１２２・・・貯留室、１２３・・・供給路、１２４・・・リザーバ、１２５・・・ノズル、１２６ａ、１２６ｂ・・・ガス噴射口、１２７・・・流路形成基板、１２７ａ、１２７ｂ・・・貫通孔、１２８・・・振動板、１２８ａ・・・貫通孔、１２９・・・駆動素子、１２９ａ・・・下部電極、１２９ｂ・・・圧電体、１２９ｃ・・・上部電極、１４１・・・チューブ郡、１６１・・・ガス供給装置、１６２・・・電磁弁、１６３・・・電磁弁制御装置、Ｇ・・・ガス、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４・・・メニスカス、Ｑ・・・液状体、Ｑ１・・・液状体、Ｑ１１・・・先端部、Ｑ１２・・・中間部、Ｕ・・・・吐出ユニット、 Ｗ・・・ 被処理基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルを開口したノズルプレートと、
前記ノズレプレート上に設けられ、貯留室と供給路とリザーバとを有する流路形成基板と、
前記流路形成基板上に設けられた振動板と、
前記振動板上に設けられ、下部電極と圧電素子と上部電極とを有する圧電駆動素子と、
前記ノズルから吐出された液状体の先端部と前記ノズルとの間にガスを噴射するガス噴射部と、を備え、
前記ガス噴射部が、
前記ノズルプレートに設けられたガス噴射口と、
前記流路形成基板に設けられ、前記ガス噴射口に連通した貫通孔と、
前記ガス貫通孔にガスを供給するガス供給装置と、を有していることを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記ガス噴射部が一対の前記ガス噴射口を有し、
前記一対のガス噴射口は、前記ノズルを挟んで対称的に配置されているとともに、前記ガスの噴射方向が互いに向かい合っていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
前記一対のガス噴射口には、該一対のガス噴射口で共通の流通経路を経て前記ガスが供給されていることを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
前記ガス噴射口から噴射されるガスの軌跡が、前記ノズルから吐出される前記液状体の軌跡と前記ノズルから離れた位置で交わることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
前記吐出部が、
前記ノズルと連通し前記液状体を貯留する貯留部と、
前記貯留室の内部を加圧する駆動素子と、を有し、
前記ガス噴射部が、前記駆動素子のオンオフと略同一の周期で前記ガスの噴射をオンオフする電気的駆動弁を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
【請求項６】
前記吐出部が、前記貯留部と前記駆動素子と前記ノズルとを有する複数の吐出ユニットを有しているとともに、前記ガス噴射部が、各々が前記複数の吐出ユニットの各々と対応する複数のガス噴射ユニットを有しており、
前記複数の吐出ユニットのノズルの配置面に沿う方向において、前記複数のガス噴射ユニットのガス噴射口の配列軸と、前記複数の吐出ユニットのノズルの配列軸とが不一致であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
【請求項１】
ノズルを開口したノズルプレートと、
前記ノズレプレート上に設けられ、貯留室と供給路とリザーバとを有する流路形成基板と、
前記流路形成基板上に設けられた振動板と、
前記振動板上に設けられ、下部電極と圧電素子と上部電極とを有する圧電駆動素子と、
前記ノズルから吐出された液状体の先端部と前記ノズルとの間にガスを噴射するガス噴射部と、を備え、
前記ガス噴射部が、
前記ノズルプレートに設けられたガス噴射口と、
前記流路形成基板に設けられ、前記ガス噴射口に連通した貫通孔と、
前記ガス貫通孔にガスを供給するガス供給装置と、を有していることを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記ガス噴射部が一対の前記ガス噴射口を有し、
前記一対のガス噴射口は、前記ノズルを挟んで対称的に配置されているとともに、前記ガスの噴射方向が互いに向かい合っていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
前記一対のガス噴射口には、該一対のガス噴射口で共通の流通経路を経て前記ガスが供給されていることを特徴とする請求項２に記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
前記ガス噴射口から噴射されるガスの軌跡が、前記ノズルから吐出される前記液状体の軌跡と前記ノズルから離れた位置で交わることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
前記吐出部が、
前記ノズルと連通し前記液状体を貯留する貯留部と、
前記貯留室の内部を加圧する駆動素子と、を有し、
前記ガス噴射部が、前記駆動素子のオンオフと略同一の周期で前記ガスの噴射をオンオフする電気的駆動弁を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
【請求項６】
前記吐出部が、前記貯留部と前記駆動素子と前記ノズルとを有する複数の吐出ユニットを有しているとともに、前記ガス噴射部が、各々が前記複数の吐出ユニットの各々と対応する複数のガス噴射ユニットを有しており、
前記複数の吐出ユニットのノズルの配置面に沿う方向において、前記複数のガス噴射ユニットのガス噴射口の配列軸と、前記複数の吐出ユニットのノズルの配列軸とが不一致であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１０４８６３（Ｐ２０１０−１０４８６３Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７６５２２（Ｐ２００８−２７６５２２）
【出願日】平成２０年１０月２８日（２００８．１０．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２８日（２００８．１０．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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