WO2018173592A1

WO2018173592A1 - 液滴吐出装置

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Publication number: WO2018173592A1
Application number: PCT/JP2018/005915
Authority: WO
Inventors: 賢司前田; 中谷　政次; 鵬摶李
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: KR20190109537A; JPWO2018173592A1; CN110382867A

Abstract

【課題】簡素な構成でスムーズに液滴を吐出可能な液滴吐出装置を提供する。【解決手段】液滴吐出装置１０は、液体吐出口１１ｅを有する液体貯留部１１と、液体貯留部１１の容積を変化させるダイヤフラム１２と、ダイヤフラム１２に加圧振動を加える圧電素子１３と、圧電素子１３に駆動電圧信号ＶＲを出力する制御部１４とを備える。駆動電圧信号ＶＲは、吐出信号ＶＰと、吐出信号ＶＰより小さい振幅の高周波信号ＶＱとを含む。

Description

液滴吐出装置

本発明は、液滴吐出装置に関する。

圧電効果によって電気エネルギから機械エネルギへのエネルギ変換を行う圧電素子は、応答性に優れているため、半導体、印刷、化学薬品などの広い分野において、液体を対象物の表面に液滴として吐出する液滴吐出装置に利用されている。　

しかしながら、圧電素子の変位量は微小であり、液体に十分な圧力を加えられないため、液滴をスムーズに吐出できない場合がある。　

そこで、圧電素子の変位量を大きくするための変位拡大機構を設ける手法や（特許文献１及び特許文献２参照）、液体の粘度を低下させるための加熱装置を設ける手法が提案されている（特許文献３及び特許文献４参照）。

特開２００５－３４９３８７号公報特開２００８－０５４４９２号公報特開２００３－１０３２０７号公報特開２０００－３１７３７１号公報

しかしながら、特許文献１～４の手法では、液滴吐出装置の構成が複雑化又は大型化してしまう。　

本発明は、上述の状況を鑑みてなされたものであり、簡素な構成でスムーズに液滴を吐出可能な液滴吐出装置を提供することを目的とする。

本発明の液滴吐出装置の一つの態様は、液体吐出口を有する液体貯留部と、液体貯留部の容積を変化させるダイヤフラムと、ダイヤフラムに加圧振動を加える圧電素子と、圧電素子に駆動電圧信号を出力する制御部とを備える。駆動電圧信号は、吐出信号と、吐出信号より小さい振幅の高周波信号とを含む。

本発明の一つの態様によれば、簡素な構成でスムーズに液滴を吐出可能な液滴吐出装置を提供することができる。

実施形態に係る液滴吐出装置の構成を示す模式図吐出信号の一例を示す波形図高周波信号の一例を示す波形図駆動電圧信号の一例を示す波形図圧電素子の振幅の推移を示すグラフ液体吐出口付近における液体の形状を示す模式図駆動電圧信号の一例を示す波形図駆動電圧信号の一例を示す波形図駆動電圧信号の一例を示す波形図駆動電圧信号の一例を示す波形図

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る外観検査装置について説明する。ただし、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、各構造における縮尺および数等を、実際の構造における縮尺および数等と異ならせる場合がある。　

（液滴吐出装置１０の構成）　図１は、実施形態に係る液滴吐出装置１０の構成を示す模式図である。　

液滴吐出装置１０は、液体貯留部１１、ダイヤフラム１２、圧電素子１３、及び制御部１４を備える。　

（１）液体貯留部１１　液体貯留部１１は、圧力室１１ａとノズル１１ｂとを有する。　

圧力室１１ａは、中空状に形成される。本実施形態において、圧力室１１ａは筒状に形成されているが、これに限られるものではない。圧力室１１ａは、例えば合金材料、セラミックス材料、及び合成樹脂材料などによって構成することができる。　

圧力室１１ａの内部には、液室１１ｃが形成されている。液室１１ｃには、液体が貯留される。液体としては、半田、熱硬化性樹脂、インク、機能性薄膜（配向膜、レジスト、カラーフィルタ、有機エレクトロルミネッセンスなど）を形成するための塗布液などが挙げられる。また、圧力室１１ａの側壁には、液体供給口１１ｄが形成されている。液体は、液体供給口１１ｄから液室１１ｃに補充される。　

ノズル１１ｂは、板状に形成される。ノズル１１ｂは、液室１１ｃの一端開口を塞ぐように配置されている。ノズル１１ｂは、液体吐出口１１ｅが形成されている。液室１１ｃ内の液体は、液体吐出口１１ｅから液滴となって外部に吐出される。　

（２）ダイヤフラム１２　ダイヤフラム１２は、液室１１ｃの他端開口を塞ぐように配置される。ダイヤフラム１２は、後述する圧電素子１３から加圧振動が加えられると、弾性的に振動する。これにより、ダイヤフラム１２は、液室１１ｃの容積を変化させる。　

ダイヤフラム１２は、固定部１２ａと可撓部１２ｂとを有する。固定部１２ａは、液体貯留部１１の圧力室１１ａに固定される。固定部１２ａは、ダイヤフラム１２の外縁である。可撓部１２ｂは、固定部１２ａに囲まれた部分である。可撓部１２ｂは、液体貯留部１１の圧力室１１ａに固定されておらず、変形可能である。可撓部１２ｂの外面１２Ｓには、圧電素子１３が固定される。　

可撓部１２ｂが液室１１ｃの内部に向かって凸状に湾曲すると、液室１１ｃの容積は小さくなる。これにより、液体吐出口１１ｅから液体が液滴となって外部に吐出される。その後、可撓部１２ｂが自身の弾性により図１の状態に復帰すると、液室１１ｃの容積は元に戻る。この際、液体供給口から液室１１ｃに液体が補充される。　

ダイヤフラム１２を構成する材料は特に制限されないが、例えば合金材料、セラミックス材料、及び合成樹脂材料などを用いることができる。　

（３）圧電素子１３　圧電素子１３は、ダイヤフラム１２の可撓部１２ｂ上に配置される。圧電素子１３の第１端部１３ｐは、固定部材１５に固定され、固定端となっている。圧電素子１３の第２端部１３ｑは、ダイヤフラム１２の可撓部１２ｂに固定され、自由端となっている。第１及び第２端部１３ｐ，１３ｑの固定には、半田ペースト、アンダーフィル材、及びエポキシ樹脂などを用いることができる。　

圧電素子１３は、複数の圧電体１３ａ、複数の内部電極１３ｂ、及び一対の側面電極１３ｃ，１３ｃを有する。各圧電体１３ａと各内部電極１３ｂは、交互に積層されている。各圧電体１３ａは、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスによって構成される。各電内部極１３ｂは、一対の側面電極１３ｃ，１３ｃのうちいずれか一方と電気的に接続される。すなわち、一方の側面電極１３ｃと電気的に接続された内部電極１３ｃは、他方の側面電極１３ｃから電気的に絶縁されている。このような構造は、一般に部分電極構造として称される。　

ただし、圧電素子１３は、１つの圧電体と一対の電極とを少なくとも備えていればよく、圧電素子１３としては周知の様々な構造の圧電素子を適用することができる。　

圧電素子１３は、後述する駆動電圧信号（すなわち、駆動パルス）ＶＲの印加に応じて、可撓部１２ｂの外面１２Ｓと垂直な方向に伸縮する。具体的には、後述する制御部１４から一対の側面電極１３ｃ，１３ｃに駆動電圧信号ＶＲが出力されると、各圧電体１３ａが伸縮する。この圧電素子１３の伸縮動作に伴って、ダイヤフラム１２に加圧振動が加えられる。　

（４）制御部１４　制御部１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のマイクロプロセッサー、又は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の演算装置によって実現される。　

制御部１４は、圧電素子１３を伸縮させるための駆動電圧信号ＶＲを生成する。制御部１４は、生成した駆動電圧信号ＶＲを圧電素子１３の一方の側面電極１３ｃに出力することによって、圧電素子１３を伸縮させる。　

（駆動電圧信号ＶＲの構成）　以下、制御部１４によって生成される駆動電圧信号ＶＲの構成について説明する。　

図２は、駆動電圧信号ＶＲの生成に用いられる吐出信号ＶＰの一例を示す波形図である。図３は、駆動電圧信号ＶＲの生成に用いられる高周波信号ＶＱの一例を示す波形図である。図４は、吐出信号ＶＰ及び高周波信号ＶＱから生成される駆動電圧信号ＶＲの一例を示す波形図である。　

（１）吐出信号ＶＰ　吐出信号ＶＰは、液滴が吐出される程度の加圧振動をダイヤフラム１２に加えるように圧電素子１４を駆動させるための電圧信号である。　

図２に示すように、吐出信号ＶＰでは、基準電圧区間ＶＰ１、電圧上昇区間ＶＰ２、電圧維持区間ＶＰ３、及び電圧下降区間ＶＰ４が順次繰り返されている。基準電圧区間ＶＰ１では、電圧が基準電圧Ｐｇ（例えば、電圧０）に維持されている。電圧上昇区間ＶＰ２では、電圧が基準電圧Ｐｇから駆動電圧Ｐｍまで上昇する。電圧維持区間ＶＰ３では、電圧が駆動電圧Ｐｍに維持されている。電圧下降区間ＶＰ４では、電圧が駆動電圧Ｐｍから基準電圧Ｐｇまで下降する。　

吐出信号ＶＰの駆動電圧Ｐｍは、基準電圧Ｐｇよりも大きい。駆動電圧Ｐｍの値は特に制限されるものではなく、例えば５０Ｖ～１５０Ｖとすることができる。駆動電圧Ｐｍは、液滴が吐出される程度の加圧振動をダイヤフラム１２に加えるためのものであるため、圧電素子の最大変位量、液室１１ｃの容積、及び液体の粘度などを総合的に勘案して設定されることが好ましい。　

１秒当たりにおける各区間ＶＰ１～ＶＰ４の繰り返し回数は特に制限されるものではなく、例えば、１回～５０００回とすることができる。すなわち、吐出信号ＶＰの周波数は、１Ｈｚ～５０００Ｈｚとすることができる。なお、さらなる高速化（高周波加振）のためには、より高速応答可能な圧電素子１３を用いることが好ましい。　

なお、吐出信号ＶＰの電圧上昇区間ＶＰ２及び電圧下降区間ＶＰ４における上昇／下降速度（波形の傾き）は特に制限されるものではなく、それぞれ適宜設定することができる。　

（２）高周波信号ＶＱ　高周波信号ＶＱの振幅（電位差）は、吐出信号ＶＰの振幅（電位差）よりも小さい。高周波信号ＶＱは、液滴が吐出されない程度の加圧振動をダイヤフラム１２に加えるように圧電素子１４を駆動させるための電圧信号である。　

図３に示すように、高周波信号ＶＱでは、電圧上昇区間ＶＱ１と電圧下降区間ＶＱ２とが順次繰り返されている。本実施形態に係る高周波信号ＶＱは、間断なく継続する連続信号である。電圧上昇区間ＶＱ１では、電圧が基準電圧Ｐｇから微小電圧Ｐｎまで上昇する。電圧下降区間ＶＱ２では、電圧が微小電圧Ｐｎから基準電圧Ｐｇまで下降する。　

高周波信号ＶＱの微小電圧Ｐｎは、基準電圧Ｐｇよりも大きく、かつ、駆動電圧Ｐｍよりも小さい。微小電圧Ｐｎの値は特に制限されるものではなく、例えば駆動電圧Ｐｍの２０％以下に設定することができる。　

１秒当たりにおける各区間ＶＱ１～ＶＱ２の繰り返し回数は特に制限されるものではなく、駆動周波数の２倍以上とすることが好ましい。すなわち、高周波信号ＶＱの周波数は、２Ｈｚ～３０ｋＨｚが好ましい。　

ここで、後述するように、高周波信号ＶＱは、液体貯留部１１に貯留された液体の流動性を向上させる機能を有する。この流動性向上という観点からすれば、微小電圧Ｐｎは駆動電圧Ｐｍの１％～２０％が好ましく、高周波信号ＶＱの周波数は１ｋＨｚ～３０ｋＨｚが好ましい。なお、チクソトロピー性を示す液剤の場合、一般的には、高周波信号ＶＱの周波数が高いほど流動性を向上させることができる。　

また、後述するように、高周波信号ＶＱは、液体貯留部１１から液滴が吐出される際の液切れ性を向上させる機能を有する。この液切れ性向上という観点からすれば、微小電圧Ｐｎは駆動電圧Ｐｍの１％～２０％が好ましく、高周波信号ＶＱの周波数は１ｋＨｚ～５ｋＨｚが好ましい。　

（３）駆動電圧信号ＶＲ　駆動電圧信号ＶＲは、液滴が吐出される程度の吐出信号ＶＰの波形と、液滴が吐出されない程度の高周波信号ＶＱの波
形とを重畳させた波形を有する。　

図４に示すように、駆動電圧信号ＶＲでは、定常電圧区間ＶＲ１、電圧上昇区間ＶＲ２、電圧維持区間ＶＲ３、及び電圧下降区間ＶＲ４が順次繰り返されている。定常電圧区間ＶＲ１では、電圧が基準電圧Ｐｇと微小電圧Ｐｎとの間を反復している。電圧上昇区間ＶＲ２では、電圧が基準電圧Ｐｇから駆動電圧Ｐｍまで上昇する。電圧維持区間ＶＲ３では、電圧が駆動電圧Ｐｍと基準電圧Ｐｇ及び微小電圧Ｐｎの和（Ｐｇ+Ｐｎ）との間を反復している。電圧下降区間ＶＲ４では、電圧が駆動電圧Ｐｍから基準電圧Ｐｇまで下降する。　

ここで、図５は、駆動電圧信号ＶＲに応じて伸縮する圧電素子１３の振幅の推移（すなわち、変位波形）を示すグラフである。図６は、液体吐出口１１ｅ付近における液体の形状を示す模式図である。　

図５に示すように、圧電素子１３の振幅の推移は、駆動電圧信号ＶＲの波形と一致する。　

本実施形態において、高周波信号ＶＱは、吐出信号ＶＰの基準電圧区間ＶＰ１に重畳されている。すなわち、駆動電圧信号ＶＲにおいて、高周波信号ＶＱは、電圧上昇区間ＶＲ２より前に位置する。そのため、駆動電圧信号ＶＲの定常電圧区間ＶＲ１において、圧電素子１３は微小振幅で伸縮する。この圧電素子１３の伸縮は、ダイヤフラム１２を介して、微小な加圧振動として貯留された液体全体に伝達される。その結果、貯留された液体の流動性が向上する。ただし、高周波信号ＶＱによる加圧振動は、液滴が吐出されない程度に抑えられているため、図６（ａ）に示すように、液体吐出口１１ｅから液体が漏れ出ることを抑制できる。　

また、本実施形態において、高周波信号ＶＱは、吐出信号ＶＰの電圧上昇区間ＶＰ２及び電圧維持区間ＶＰ３に重畳されている。そのため、駆動電圧信号ＶＲの電圧上昇区間ＶＲ２から電圧維持区間ＶＲ３にかけて、圧電素子１３は微小振幅で伸縮しながら大きく伸張する。そのため、液体の流動性が向上した状態を維持しつつ、図６（ｂ）に示すように、液体吐出口１１ｅから液体をスムーズに押し出すことができる。　

また、本実施形態において、高周波信号ＶＱは、吐出信号ＶＰの電圧下降区間ＶＰ３に重畳されている。高周波信号ＶＱは、吐出信号ＶＰのうち少なくとも電圧下降区間ＶＰ３の開始地点から所定期間内に位置する。そのため、駆動電圧信号ＶＲの電圧下降区間ＶＲ３から定常電圧区間ＶＲ１にかけて、圧電素子１３は微小振幅で伸縮しながら大きく収縮する。この際、液体の流動性が向上した状態を維持しつつ、液体吐出口１１ｅから押し出された液体を液体吐出口１１ｅ側に引き込むことができるため、図６（ｃ）に示すように、液体の根元部分における狭窄を助長させることができる。そして、液体の狭窄部分に微小な加圧振動がさらに加えられることによって液切れを助長できるため、図６（ｄ）に示すように、液体の先端部分が液滴としてスムーズに切り離される。　

なお、液滴が切り離されるタイミングは、電圧下降区間ＶＲ３内には限られず、電圧下降区間ＶＲ３後の定常電圧区間ＶＲ１において切り離されてもよい。　

（特徴）　（１）駆動電圧信号ＶＲは、吐出信号ＶＰと、吐出信号ＶＰよりも振幅の小さい高周波信号ＶＱとを含む。従って、駆動電圧信号ＶＲのうち高周波信号ＶＱが重畳された区間において、液体に微小な加圧振動を加えることができるため、液体の流動性を向上させることができる。そのため、液体の粘度が比較的高い場合であっても、変位拡大機構や加熱装置を設けることなく、スムーズに液滴を吐出させることが可能となる。　

（２）駆動電圧信号ＶＲにおいて、高周波信号ＶＱは、電圧上昇区間ＶＲ２より前の定常電圧区間ＶＲ１に重畳されている。従って、貯留された液体に微小な加圧振動を加えることができるため、貯留された液体の流動性を予め向上させておくことができる。　

（３）駆動電圧信号ＶＲにおいて、高周波信号ＶＱは、電圧下降区間ＶＲ３に重畳されている。従って、液体吐出口１１ｅから押し出された液体の狭窄を助長するとともに、狭窄部分における液切れを助長することができる。その結果、液体の先端部分から液滴をスムーズに切り離すことができる。　

（４）駆動電圧信号ＶＲにおいて、高周波信号ＶＱは連続信号である。従って、駆動電圧信号ＶＲの全区間において液体の流動性を向上させることができるとともに、液滴が切り離されるタイミングでは液滴をスムーズに切り離すことができる。　

（他の実施形態）　本発明は上記の実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなる。　

上記実施形態では、駆動電圧信号ＶＲに含まれる高周波信号ＶＱは連続信号であることとしたが、これに限られるものではない。駆動電圧信号ＶＲにおいて、高周波信号ＶＱは断続信号であってもよい。この場合、液体が微小振動によって過剰に加熱されることを抑制できるため、液体の劣化を抑制できる。さらに、断続信号によって圧電素子１３を駆動する場合、圧電素子１３自体の加熱を抑制できるとともに、圧電素子１３における消費電力を抑えることもできる。　

また、高周波信号ＶＱが断続信号である場合、高周波信号ＶＱは、図７に示すように、駆動電圧信号ＶＲの定常電圧区間ＶＲ１の少なくとも一部に重畳されていてもよい。このように、高周波信号ＶＱを電圧上昇区間ＶＲ２よりも前に位置させることによって、貯留された液体の流動性を予め向上させておくことができる。　

また、高周波信号ＶＱが断続信号である場合、高周波信号ＶＱは、図８に示すように、電圧下降区間ＶＲ４の開始時点から所定期間内にのみ重畳されていてもよい。このように、高周波信号ＶＱを電圧下降区間ＶＲ４の開始時点後に位置させることによって、液体の狭窄及び／又は液切れの少なくとも一方を助長することができるため、スムーズに液滴を切り離すことができる。　

また、高周波信号ＶＱが断続信号である場合、高周波信号ＶＱは、図９に示すように、電圧上昇区間ＶＲ２の少なくとも一部に重畳されていてもよい。さらに、図１０に示すように、電圧上昇区間ＶＲ３の少なくとも一部に重畳されていてもよい。　

上記実施形態では、吐出信号ＶＰが電圧維持区間ＶＰ３を含み、駆動電圧信号ＶＲが電圧維持区間ＶＲ３を含むこととしたが、これに限られるものではない。吐出信号ＶＰが電圧維持区間ＶＰ３を含んでおらず、駆動電圧信号ＶＲが電圧維持区間ＶＲ３を含んでいなくてもよい。　

上記実施形態では、圧電素子１３がダイヤフラム１２に直接的に固定されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、圧電素子１３とダイヤフラム１２との間には介挿部材が介挿されていてもよい。介挿部材は、半田ペースト、アンダーフィル材、及びエポキシ樹脂などによって、圧電素子１３及びダイヤフラム１２のそれぞれと固定することができる。　

上記実施形態では、固定部材１５が、液体貯留部１１に固定されることとしたが、これに限られるものではない。固定部材１５は、圧電素子１３の第１端部１３ｐが固定端となるように支持できる構成であればよい。

１０　　　液滴吐出装置１１　　　液体貯留部１２　　　ダイヤフラム１３　　　圧電素子１４　　　制御部１５　　　固定部材

Claims

液体吐出口を有する液体貯留部と、　前記液体貯留部の容積を変化させるダイヤフラムと、　前記ダイヤフラムに加圧振動を加える圧電素子と、　前記圧電素子に駆動電圧信号を出力する制御部と、を備え、　前記駆動電圧信号は、吐出信号と、前記吐出信号より小さい振幅の高周波信号とを含む、液滴吐出装置。
前記吐出信号は、電圧上昇区間と電圧下降区間とを少なくとも含み、　前記駆動電圧信号において、前記高周波信号は、前記電圧上昇区間よりも前に位置する、請求項１に記載の液滴吐出装置。
前記吐出信号は、電圧上昇区間と電圧下降区間とを少なくとも含み、　前記高周波信号は、前記吐出信号のうち前記電圧下降区間の開始時点から所定期間内に位置する、請求項１に記載の液滴吐出装置。
前記駆動電圧信号において、前記高周波信号は断続信号である、請求項１乃至３のいずれかに記載の液滴吐出装置。
前記駆動電圧信号において、前記高周波信号は連続信号である、請求項１乃至３のいずれかに記載の液滴吐出装置。