JP5062339B2 - インクジェット装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノズルヘッドの吐出検査手段を備えた大面積基板用のインクジェット装置に関するものである。

インクジェット技術は、様々な技術分野に応用されており、有機半導体材料或いは電極材料をインク化し、基板上に印刷したうえで硬化させ、所望のデバイスを製造する際の印刷手段として使用されている。

そして、現行のインクジェット技術では、インクジェット装置にインクを吐出するための信号を与えた場合でも、ノズル近傍のインク或いはノズル表面の状態によっては、インクが吐出しない現象、つまり、不吐出状態が発生する場合がある。例えば、ノズル内部への異物の詰まり、インクが凝集にすることによる詰まり、気泡のかみこみ（気泡がノズル内部に入り込む状態）などがある。更に、インク溶媒が乾燥しやすい場合には、ノズル近傍において、インクが高粘度な状態になることで不吐出が発生する場合もある。

このような原因により、ノズルは不吐出状態が発生することがあるため、ノズルを塗布前に検知せず塗布すると、塗布欠陥が発生する生じることになる。その結果、製造したデバイスの特性に重大な悪影響を与えかねない。

このような背景から、従来より、ノズルから吐出されるインクの状態を検出する吐出検査手段を備えたインクジェット装置が提案されている。例えば、吐出検査用基板を基板搬送ステージに載置するステップと、該基板上に検査パターンを印刷するステップとを備え、該基板を検査することにより、インクジェット装置が備えるノズルヘッドからのインクの吐出状態を把握する構成が提案されている。

しかしながら、基板の一辺が数メートル程度まで大型化し、それに合わせて、インクジェット装置のノズルヘッドを大型化しようとした場合、上述のような従来の提案は十分な方法ではない場合が生じる。具体的には、上記従来の提案によると、ノズルヘッド全体を評価するためには吐出検査用基板も大型化することになり、該基板を検査する検査ユニットも必然的に大型化する。このような大面積基板用インクジェット装置では、実際の基板と同等の大面積吐出検査用基板が必要になる上に、吐出検査機能が大型化してしまうという課題が生じることになる。

上記課題を解決するために、例えば特許文献１に記載されるインクジェット装置では、図６に示すように、印刷媒体Ｐを搬送する搬送ベルト２０と、印刷媒体Ｐへノズルから液滴を塗布するノズルヘッド２１と、搬送ベルト２０に形成された開口部２２と、この開口部２２を通してノズルヘッド２１のノズルから吐出された液滴により印字される吐出検査部材２３と、からなる構成が提案されている。

上記特許文献１に記載されるインクジェット装置によると、印刷媒体Ｐを用いずに、吐出検査部材２３上に液滴を塗布して検査用パターンを形成し、この検査用パターンに基づいてノズルヘッド２１におけるノズルの吐出状態を確認することができる。

特開２００６−７６１３５号公報

しかしながら、上記従来のインクジェット装置の構成では、印刷媒体Ｐが紙やフィルムのような薄く軽量なものであれば、搬送ベルト２０には剛性が要求されないが、印刷媒体Ｐがガラス基板の場合で、かつそのガラス基板の一辺が数メートルのサイズになると、ガラス基板の重量を支持するため搬送機構にも高い剛性が求められる。

そのため、ガラス基板を積載する搬送台の厚みを厚くしたり、リブを設けたりする必要が生じる。その結果、搬送機構に開口部を設けても、搬送機構全体の厚みが大きいために、ノズルヘッド２１と吐出検査部材２３との間隔が広くなる。これにより、ノズルヘッド２１と印刷媒体Ｐとの間隔と、ノズルヘッド２１と吐出検査部材２３との間隔とが著しく異なることになる。このため、印刷媒体Ｐ上での塗布結果と、吐出検査部材２３上での塗布結果との相関が取れなくなるという不具合が生じる。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、大面積基板上にインクを塗布する際にも、不吐出ノズルや着弾精度が悪い不良ノズルなどを正確に検知することが可能な、インクジェット装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のインクジェット装置は、複数のノズルが設けら れたノズルヘッドと、印刷媒体を載置する基板搬送ステージと、前記ステージを上方に 設置するベースとを備えるインクジェット装置において、前記印刷媒体の搬送方向と略 直交する方向、かつ、前記ベースのうち前記ステージを載置する表面領域から前記ベー スの外側に移動可能な吐出検査用プレートと、前記吐出検査用プレートに吐出されたイ ンクパターンを検査する検査ユニットとを有し、前記吐出検査用プレートは、前記吐出 検査用プレートと前記ノズルヘッドとの距離を、前記ノズルヘッドのうち前記ステージ と面する表面と、前記印刷媒体の前記ノズルヘッド側の表面との距離とを同じ状態で、 前記ノズルヘッドから吐出されるインクが塗布されることを特徴としている。

本構成によれば、印刷媒体と同じ高さに配置した吐出検査用プレートに検査用パターンを印刷し、該プレートに印刷された各ノズルのインクパターンを検査することにより、実際の印刷媒体に印刷したときと同等の正確さで、ノズルヘッドからのインクの吐出状態を把握することができる。

以上のように、本発明のインクジェット装置は、吐出検査用プレートに検査用パターンを印刷する際、ノズルヘッドと吐出検査用プレートとの間隔と、ノズルヘッドと印刷媒体との間隔とを同じ状態として、該吐出検査用プレートを検査する。これにより、印刷媒体上での塗布結果と、吐出検査用プレート上での塗布結果との相関が高めることができ、その結果、ノズルヘッドからのインクの吐出状態を正確に把握することができる。

本発明のインクジェット装置の実施の形態における概略構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図 本発明の実施の形態におけるノズルヘッドの平面図 本発明の実施の形態における吐出検査用プレート印刷方法の説明図 本発明の実施の形態における印刷後の吐出検査用プレートを示す平面図 本発明の実施の形態におけるインクジェット装置の概略構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は基板印刷時の正面図、（ｃ）は吐出検査用プレートに印刷するときの正面図 特許文献１に記載された従来のインクジェット装置を示す斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明のインクジェット装置の実施の形態における概略構成を示す図であって、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図を示す。

図１において、１はインクジェット装置本体のベース、２は基板３（印刷媒体）を搬送する基板搬送ステージ、４は複数のノズルが設けられているノズルヘッド、５は吐出検査用プレート６を搬送する吐出検査用プレート搬送ステージ、７は検査パターン（インクパターン）を検査する検査ユニット、８はノズルヘッド４の吐出状態を補正又は／及び制御する吐出補正ユニットである。

本実施の形態において、図１に示すように、ベース１上に基板搬送ステージ２が設置され、基板搬送ステージ２上に基板３が吸着（固定）されている。ベース１の中央付近にはノズルヘッド４が設置され、ノズルヘッド４は基板３の上面とノズルヘッド４の下面に対して一定の隙間が生じる高さに固定されている。

基板搬送ステージ２は、図１に示すように紙面に対して左右方向に移動可能になっている。本発明のインクジェット装置は、基板搬送ステージ２の位置に同期して、ノズルヘッド４からインクを吐出することにより、基板３上の所望の位置にインクを塗布する。

本発明のインクジェット装置は、ノズルヘッド４の下に吐出検査用プレート搬送ステージ５が設置されている。吐出検査用プレート搬送ステージ５は、上方から支持されていて基板搬送ステージ２と直交する方向に移動する。

検査パターンが印刷される吐出検査用プレート６は、その表面にインクに対して撥水性を有するコーティングを施したプレート、或いは、表面にインクの吸収体をコーティングしたプレートなどが用いられる。吐出検査用プレート６は、吐出検査用プレート搬送ステージ５上に吸着（固定）され、印刷時に吐出検査用プレート６の表面と基板３の表面とが同じ高さになるように調整されている。

基板３にインク塗布を行っている場合（印刷時）には、通常、吐出検査用プレート搬送ステージ５は、基板搬送ステージ２と干渉しないようにベース１の外側（図１においてに実線で示した検査位置，図１（１）の位置）で待機している。また、ノズルヘッド４の吐出状態を確認するときは、基板搬送ステージ２が左側の位置（図１において実線で示した位置，図１（２）の位置）に停止した状態で、吐出検査用プレート搬送ステージ５が２点鎖線で示した位置（図１（３）の位置）まで移動する。吐出検査用プレート搬送ステージ５の位置に同期して、ノズルヘッド４からインクを吐出することにより、吐出検査用プレート搬送ステージ５上の吐出検査用プレート６の表面に検査パターンを印刷する。

吐出検査用プレート搬送ステージ５は、２点鎖線で示した位置（図１（３）の位置）まで到達した後に、図１において実線で示した検査位置（（図１（１）の位置））まで戻る。この状態で検査ユニット７により、吐出検査用プレート６上の検査パターンの吐出状態の検査を開始する。検査ユニット７としては、認識カメラを用いた画像認識による検査ユニット、或いはバーコードリーダーのようなレーザスキャン方式の検査ユニットが用いられる。

検査ユニット７によって、検査パターンの吐出検査を行なうことで、ノズルヘッド４の各ノズルの不吐出や、塗布された液滴の位置ずれ量を把握する。そして、その結果をノズルヘッド４の吐出制御ユニット８に入力し、ノズルヘッド４における各ノズルの吐出状態を補正する。

例えば、不吐出ノズルや位置ずれの大きなノズルはインク吐出をさせず、代わりに隣接するノズルを吐出させるようにして、不吐出ノズルを補完する。また、基板３の搬送方向の塗布位置ずれは、該ノズルのインク吐出のタイミングをずらすことにより、所望の位置に液滴が塗布されるように補正する。

以上のように、本実施の形態のインクジェット装置によれば、ノズルヘッド４に対して基板３と吐出検査用プレート６とを同じ高さに配置することができるため、基板３上での塗布結果と、吐出検査用プレート６上での塗布結果との間に相関を高めることができる。これにより、吐出検査用プレート６上での検査パターンの塗布結果を基に、塗布液滴の位置ずれやノズルの不吐出状態を補正することによって、実際の基板３上への塗布状態を改善することができる。

吐出検査用プレート６は、印刷時には吐出検査用プレート６とノズルヘッド４との距離を、基板３とノズルヘッド４との距離と同じにする必要があるが、吐出検査用プレート６の検査時、待機時、搬送時などでは、任意の高さで移動しても良い。例えば、検査時は検査タクトを短縮するため、必要精度を確保できる条件でできるだけ広い印刷範囲を検査する必要がある。このとき、検査ユニット７のカメラの作動距離は数十ｍｍ以上になる。検査ユニット７の設置高さが制限される場合は、吐出検査用プレート６を高さ方向に移動して検査することにより、インクジェット装置全体の省スペース化を図ることができる。また、待機時、搬送時においても同様で、ノズルヘッド４を支持するノズルヘッド支持台（図示せず）などとの配置の関係に自由度ができ、設備全体の省スペース化が可能になる。更に、吐出検査用プレート６の交換作業、メンテナンスなどの作業性を向上することもできる。

また、本実施の形態のインクジェット装置は、吐出検査用プレート６を、基板３の搬送方向と直交する方向に移動しながら塗布できる構成とすることから、ノズルヘッド４の長さ方向に対して、吐出検査用プレート６の長さを短くすることが可能となる。そのため、基板３よりも小さな吐出検査用プレート６を採用することができる。吐出検査用プレート６を小さくできることから、吐出検査用プレート搬送ステージ５や検査ユニット７の小型化も可能となり、インクジェット装置そのものの大型化を抑制することができる。更には、小さな吐出検査用プレート６を高速で移動することができるため、検査のための印刷時間を短縮できる上に、検査領域が小さいため検査時間も短縮することができ、生産性も向上する。

図２は本実施の形態におけるノズルヘッドの構成を示す。同図はノズルヘッドの平面図である。本実施の形態にて用いるような大型のノズルヘッド４では、通常、複数の単ノズルヘッド９を規則的に並べて構成されている。単ノズルヘッド９は、それぞれが数百のノズル１０を有しているが、同図では説明を簡素化にするため、隣接するノズル１０のみを取り上げて説明する。これら全てのノズル１０から、吐出制御ユニット８により、任意のタイミングで液滴を吐出することができる。

精密な印刷を実現するためには、塗布の分解能を向上する必要がある。基板３の搬送方向の塗布分解能は、基板３の搬送速度とノズル１０からのインクの吐出周期によって決まる。一方、基板３の搬送方向と直交する方向の塗布分解能は、ノズル１０の配置を如何に密にするかにより決まる。

通常、ノズル１０ごとにインク室と、インク室に吐出圧力を与えるための駆動素子が設けられているため、ノズル１０の穴の大きさは直径２０〜５０μｍ程度である。そのため、ノズル１０間のピッチは数百μｍになる。基板３の搬送方向と直交する方向の塗布の分解能を確保するため、基板３の搬送方向に対して単ノズルヘッド９を傾けて配置する。これにより、基板３の搬送方向にノズル１０の位置がずれていても、基板３の搬送方向と直交する方向のノズル穴ピッチＰ１、すなわち、基板３の搬送方向と直交する方向の塗布分解能をノズル穴直径と同等の数十μｍにすることができる。

このように配置されたノズルヘッド４では、印刷媒体が大きくなるほど、基板３の搬送方向と直交する方向の幅が増加して行くことになる。そのため、基板３の搬送方向に吐出検査用プレート６を搬送して吐出検査を行う場合にも、大きな吐出検査用プレート６と検査ユニット７とが必要になる。

一方、ノズルヘッド４における基板３の搬送方向の幅は、印刷媒体である基板３が大きくなっても変化しないため、ノズルヘッド４の幅と同等の吐出検査用プレート６を用いることができる。また、基板３の搬送方向のノズルピッチＰ２は、直交方向のノズルピッチＰ１に対して広いため、吐出検査の際に隣接するノズル１０の塗布精度の影響を受けにくいという利点がある。

図３は本実施の形態における吐出検査用プレートの印刷方法の説明図である。本実施の形態において、吐出検査用プレート６は、ノズルヘッド４の図面の左側から右側へと基板３の搬送方向と直交する方向に送られる。吐出検査用プレート６は、ノズルヘッド４の下を通過する際の位置に応じて吐出タイミングが制御され、吐出検査用プレート６上に検査パターン１１が印刷される。

例えば、図３において、ノズルＡ〜Ｆにより印刷後の吐出検査用プレート６’上には検査パターンＡ’〜Ｆ’が印刷される。ノズルＡは吐出検査用プレート６が所定の位置に来たときに数滴の液滴を吐出し、ライン状のパターンＡ’を形成する。一滴の液滴で検査する場合と比較して、数滴の液滴でライン状のパターンにすることで、吐出の再現性を含めた検査が可能になる。また、ラインパターンの場合、検査に寄与する領域が広がるため、レーザスキャン方式のような、画像検査以外の検査方式を選択することができる。また、検査感度が上がるため、ゴミや異物などの検査ノイズの影響を受けにくくなる。

ノズルＡ〜Ｅは、同じ単ノズルヘッド９内のノズルであって、それぞれの検査パターン１１が搬送方向の同じ位置に並ぶように、検査パターンＡ’〜Ｅ’が印刷される。ノズルＦは、ノズルＡ〜Ｅとは異なる単ノズルヘッドのノズルであって、基板３の搬送方向においてはノズルＡと同じ位置のノズルである。印刷後の吐出検査用プレート６’において検査パターンＡ’の左側に検査パターンＦ’が印刷される。

図４は実施の形態における印刷後の吐出検査用プレートの一例を示す平面図である。印刷後の吐出検査用プレート６’には検査パターン１１が印刷されている。一点鎖線が基板３の搬送方向の塗布位置の期待値である。本実施の形態では、検査パターン１１を検査ユニット７を構成するカメラなどにより検査して、検査パターン１１の有無で不吐出を判定して、期待値からの塗布位置ずれを測定する。

例えば、図４に示す例では、検査パターンＡ’，Ｂ’，Ｅ’は塗布位置ずれがほとんどなく塗布されている。また、検査パターンＣ’は基板搬送方向に位置ずれしている。このため期待値からの位置ずれ量を検査し、位置ずれ分だけノズルＣの吐出タイミングを早くして印刷するよう補正する。また、検査パターンＤ’は基板搬送方向と逆方向に位置ずれしており、ノズルＤの吐出タイミングを遅くすることによって補正する。

さらに、検査パターンＦ’のように本来印刷されるべきパターンがない場合には、そのノズルが不吐出ノズルであることを意味する。ノズルＦが不吐出ノズルであることが分れば、ノズルＦで印刷するはずであった印刷パターンを隣接するノズルで代わりに印刷するなどして補完する。

以上説明した本実施の形態における吐出検査および補正方法を用いれば、基板３と吐出検査用プレート６とが同じ高さに配置されていて、基板３上における塗布結果と、吐出検査用プレート６上における塗布結果との間に相関がとれているため、吐出検査用プレート６上での塗布結果を元に、塗布液滴の位置ずれやノズルの不吐出状態を補正することができて、実際の基板３上への塗布状態を改善することができる。

また、本実施の形態においては、実印刷対象の基板３と同じ高さに配置した吐出検査用プレート６上に、基板３の搬送方向と異なる方向に搬送しながら検査パターンを印刷することにより、基板３に比べて小さな吐出検査用プレート６によってノズルヘッド４の吐出状態を検査することができる。

なお、本実施の形態では、搬送機構として基板３を移動させる基板搬送ステージ２を用いた例を説明したが、基板３とノズルヘッド４とは相対的に移動してインク塗布を行えばよく、ノズルヘッド４を基板３に対して移動させる搬送機構を用いることも考えられる。

次に、その他の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図５は本発明のインクジェット装置の第２の実施の形態における概略構成を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は基板印刷時の正面図、（ｃ）は吐出検査用プレートに印刷するときの正面図である。

図５において、１０１，１０３はエア浮上式ステージ、１０２はエア浮上式ステージ可動部、１０４は基板把持部、１０５はガイドである。エア浮上ステージ１０１，１０３及びエア浮上式ステージ可動部１０２は、ステージ表面に形成されている微細なエア供給穴とエア吸引穴から、それぞれエアが供給・吸引されている。エア供給と吸引のバランスにより、基板３はステージ上面と略均一な間隙を保ち浮上する。また、基板３は、基板把持部１０４で端部を把持されており、水平方向を規制される。エア浮上式ステージ可動部１０２は、ノズルヘッド４の直下に配置され、上下方向に移動可能な構成となっている。

基板３に印刷する場合、図５（ｂ）に示すように、エア浮上式ステージ可動部１０２は、エア浮上式ステージ１０１、１０３と同等の高さに位置し、基板把持部１０３は、基板３を把持したまま、ガイド１０５上を移動する。基板３は、エア浮上ステージ１０１、エア浮上ステージ可動部１０２、エア浮上ステージ１０３上を浮上した状態で搬送される。基板３がノズルヘッド４の下を通過する際に、ノズルヘッド４からインクが吐出され、基板３上に所望の印刷パターンが印刷される。

吐出検査用プレート６上に印刷する場合、図５（ｃ）に示すように、エア浮上式ステージ可動部１０２は下降する。吐出検査用プレート６を搭載した吐出検査用プレート搬送ステージ５が紙面と垂直な方向に移動する。吐出検査用プレート６の高さは、実印刷対象の基板３と同じ高さに配置されている。ノズルヘッド４の下を吐出検査用プレート６が通過するときに、吐出検査用プレート６上に検査パターンを印刷する。検査パターンの検査方法や塗布位置ずれ、不吐出ノズルの補正、補完方法は第一の実施の形態と同じであるため省略する。

以上、本実施の形態におけるインクジェット装置を用いれば、エア浮上式ステージを活用することで、ステージ上にガイドなどを敷設する必要がないため、ステージの一部を切り離して上下に移動することができる。これにより、ノズルヘッド４下への吐出検査用プレート搬送ステージ５の搬送経路の確保が容易に実現できる。

本発明のインクジェット装置は、インクジェットを利用して機能性インクを塗布して作製する機能性素子の製造装置として使用することができる。例えば、ディスプレイ分野におけるカラーフィルター，蛍光体，有機半導体膜などの塗布装置として用いることができる。また、電子デバイスの電気配線の形成装置としても用いることができる。

１ ベース
２ 基板搬送ステージ
３ 基板
４，２１ ノズルヘッド
５ 吐出検査用プレート搬送ステージ
６ 吐出検査用プレート
６’ 印刷後の吐出検査用プレート
７ 検査ユニット
８ 吐出制御ユニット
９ 単ノズルヘッド
１０，Ａ〜Ｅ，Ｆ ノズル
１１ 検査パターン

Claims (2)

1. 複数のノズルが設けられたノズルヘッドと、印刷媒体を載置する基板搬送ステージと、前記ステージを上方に設置するベースとを備えるインクジェット装置において、
   前記印刷媒体の搬送方向と略直交する方向、かつ、前記ベースのうち前記ステージを載置する表面領域から前記ベースの外側に移動可能な吐出検査用プレートと、前記吐出検査用プレートに吐出されたインクパターンを検査する検査ユニットとを有し、
   前記吐出検査用プレートは、前記吐出検査用プレートと前記ノズルヘッドとの距離を、
   前記ノズルヘッドのうち前記ステージと面する表面と、前記印刷媒体の前記ノズルヘッド側の表面との距離とを同じ状態で、前記ノズルヘッドから吐出されるインクが塗布されること
   を特徴とするインクジェット装置。
   
2. 前記検査ユニットでの検査結果に基づいて、塗布液滴の位置ずれ、或いはノズルヘッドの不吐出状態を補正する吐出制御ユニットをさらに備える、
   請求項１記載のインクジェット装置。

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