JP2010082502A - Pattern forming system - Google Patents
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Abstract
【課題】飛行中の液滴にレーザ光を照射して飛行中の液滴を乾燥させるパターン形成装置において、飛行中の液滴の乾燥効率を向上させるパターン形成装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源32から出射された基本レーザ光Leを第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2とに分割するハーフミラー34を設けて、第1及び第2レーザ光Le1,Le2の光路上に強度分布をガウシアン分布からトップハット型分布に変換するDOE42a,42bを配置する。そして、飛行中の液滴に対して両側からトップハット型分布の第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2とを相対向するように照射する。
【選択図】図5A pattern forming apparatus for irradiating a droplet in flight with laser light to dry the droplet in flight and improving the drying efficiency of the droplet in flight is provided.
A half mirror 34 is provided to divide a basic laser beam Le emitted from a laser light source 32 into a first laser beam Le1 and a second laser beam Le2, and the first and second laser beams Le1, Le2 are provided. DOEs 42a and 42b for converting the intensity distribution from the Gaussian distribution to the top hat type distribution are arranged on the road. Then, the first laser beam Le1 and the second laser beam Le2 having a top hat type distribution are irradiated to the droplet in flight from both sides so as to face each other.
[Selection] Figure 5
Description
本発明は、飛行中の液滴に対してレーザ光を照射するパターン形成装置に関する。 The present invention relates to a pattern forming apparatus for irradiating a droplet in flight with laser light.
低温焼成セラミックス(LTCC:Low Temperature Co−fired Ceramics)からなる多層基板は、優れた高周波特性と高い耐熱性を有するため、高周波モジュールの基板やICパッケージの基板等に広く利用される。このようなLTCC多層基板においては、一般に、金属インクを用いて回路パターンが描画されたグリーンシートを積層して一括焼成することにより製造される。 A multilayer substrate made of low temperature co-fired ceramics (LTCC) has excellent high-frequency characteristics and high heat resistance, and thus is widely used for a substrate of a high-frequency module or an IC package. Such an LTCC multilayer substrate is generally manufactured by laminating green sheets on which circuit patterns are drawn using metal ink and firing them together.
上記回路パターンを描画する工程においては、回路パターンの高密度化を図るため、金属インクを微小な液滴にして吐出する、いわゆるインクジェット法が提案されている(例えば、特許文献1)。インクジェット法では、多数のノズルが列設された吐出ヘッドから1滴の容量が数〜数十ピコリットルの液滴を吐出することにより回路パターンを描画する。インクジェット法は、この液滴の吐出位置を変更することによって、回路パターンのさらなる微細化や狭ピッチ化を可能にしている。
ところで、上記インクジェット法を利用して高精細なパターンを形成するためには、吐出した液滴を速やかに乾燥させて基板上における濡れ広がりを抑制することにより着弾径を小さくすることが好ましく、その一つの方法として、吐出ヘッドから吐出された飛行中の液滴にレーザ光を照射して該液滴の乾燥を飛行中に促進させる方法が検討されている。こうした方法を用いて所望量の蒸発成分を蒸発させる場合には、レーザ光に必要とされる最小のエネルギーが前記所望量に応じて概ね規定できることから、レーザ光の利用効率の向上を図る上で、飛行中の液滴に対して上記最小のエネルギーを与える態様が好ましい。 By the way, in order to form a high-definition pattern using the ink jet method, it is preferable to reduce the landing diameter by quickly drying the discharged droplets and suppressing wetting spread on the substrate. As one method, a method of irradiating a droplet in flight ejected from an ejection head with laser light to promote drying of the droplet during flight has been studied. When evaporating a desired amount of evaporation component using such a method, the minimum energy required for the laser beam can be roughly defined according to the desired amount, so that it is possible to improve the utilization efficiency of the laser beam. A mode in which the minimum energy is given to the droplet in flight is preferable.
一方、上述するレーザ光の断面強度分布としては、該レーザ光の中心付近の強度が最も高くなる円形の正規分布(ガウシアン分布)が一般に利用されている。飛行中の液滴に対してこうした断面強度分布のレーザ光を照射すると、吐出された液滴は、まずガウシアン分布の裾野において昇温された後に同ガウシアン分布のピーク領域を通過するようになる。それゆえ、昇温された液滴がピーク領域を通過する際には、その気化熱を大きく超えるような過剰なエネルギーが液滴に対して単位時間あたりに供給されてしまい、該液滴の溶媒や分散媒などの相転移が液滴の全体で瞬時に生じる、所謂突沸が発生するようになり、液滴そのものを飛散させてしまう。一方、こうした突沸を防ぐためには、ガウシアン分布のピーク領域において気化熱を超えないように、さらにレーザ光の強度を抑える方法が考えられる。しかし、こうした場合にあってはピーク領域における突沸は防止できるものの、レーザ光全体の強度そのものを低下させてしまうために、上記ガウシアン分布の裾野においても液滴が昇温し難くなり、ひいては液滴の乾燥不足を招いてしまう。 On the other hand, as the cross-sectional intensity distribution of the laser light described above, a circular normal distribution (Gaussian distribution) in which the intensity near the center of the laser light is the highest is generally used. When a laser beam having such a cross-sectional intensity distribution is irradiated onto a droplet in flight, the discharged droplet first rises in temperature at the base of the Gaussian distribution and then passes through the peak region of the Gaussian distribution. Therefore, when the heated droplet passes through the peak region, excessive energy that greatly exceeds the heat of vaporization is supplied to the droplet per unit time, and the droplet solvent So-called bumping occurs, in which the phase transition of the liquid droplets or the dispersion medium occurs instantaneously in the entire droplet, and the droplet itself is scattered. On the other hand, in order to prevent such bumping, a method of further suppressing the intensity of the laser beam so as not to exceed the heat of vaporization in the peak region of the Gaussian distribution can be considered. However, in such a case, bumping in the peak region can be prevented, but since the intensity of the entire laser beam itself is reduced, the temperature of the droplet is difficult to rise even at the base of the Gaussian distribution, and as a result Insufficient drying.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、飛行中の液滴にレーザ光を照射して飛行中の液滴を乾燥させるパターン形成装置において、飛行中の液滴の乾燥効率を向上させるパターン形成装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a pattern forming apparatus for irradiating a flying droplet with a laser beam to dry the flying droplet. Another object of the present invention is to provide a pattern forming apparatus that improves the drying efficiency of the film.
本発明のパターン形成装置は、蒸発成分及びパターン形成材料を含む液状体の液滴をノ
ズルから描画対象物に向けて吐出し飛行させる吐出ヘッドと、飛行中の前記液滴にレーザ光を照射して所定量の前記蒸発成分を蒸発させるレーザ照射部とを備え、前記描画対象物上に前記液滴を着弾させることによってパターンを形成するパターン形成装置であって、前記レーザ照射部は、レーザ出射部と、前記ノズルと前記液滴の着弾する位置との経路上において、前記レーザ光の強度分布が部分的に平坦となるように、前記レーザ光の強度分布を成形するレーザ成形部と、を備えている。
The pattern forming apparatus of the present invention includes a discharge head that discharges a liquid droplet containing an evaporation component and a pattern forming material from a nozzle toward a drawing target, and irradiates the droplet during the flight with laser light. A laser irradiation unit that evaporates a predetermined amount of the evaporation component, and forms a pattern by landing the droplet on the drawing target, wherein the laser irradiation unit emits a laser beam And a laser shaping part for shaping the intensity distribution of the laser beam so that the intensity distribution of the laser beam is partially flat on the path between the nozzle and the position where the droplet lands. I have.
飛行中の液滴に向けてレーザを照射して飛行中の液滴から蒸発成分を蒸発させることにより液滴を乾燥させるパターン形成装置では、液滴の蒸発成分の温度が沸点近くになる場合において最も効率よく液滴が乾燥する。本発明のパターン形成装置によれば、飛行中の液滴に照射されるレーザ光の強度分布を、吐出直後から着弾するまで常に強度の等しい強度分布とすることができる。こうした構成によれば、飛行中に与える熱量を所望する蒸発量に応じた量に制約する上において、吐出した液滴に含まれる蒸発成分をその吐出時から短時間で沸点近くまで上昇させることができる。それゆえ液滴が吐出されてから着弾するまでの飛行期間を蒸発成分の蒸発過程に多くを割くことができる。その結果、飛行中の液滴の乾燥効率を向上させることができる。 In a pattern forming device that dries a droplet by irradiating a laser beam onto the flying droplet and evaporating the evaporation component from the flying droplet, when the temperature of the evaporation component of the droplet is near the boiling point The droplets dry most efficiently. According to the pattern forming apparatus of the present invention, the intensity distribution of the laser light applied to the droplets in flight can be always an intensity distribution having the same intensity from immediately after ejection until landing. According to such a configuration, the amount of heat given during flight is restricted to an amount corresponding to the desired evaporation amount, and the evaporation component contained in the discharged droplet can be raised to near the boiling point in a short time from the time of discharge. it can. Therefore, it is possible to devote much of the flight period from when the droplet is ejected until it lands to the evaporation process of the evaporation component. As a result, the drying efficiency of the droplets in flight can be improved.
このパターン形成装置は、前記レーザ出射部は、一対のレーザ光を出射し、前記レーザ成形部は、前記一対のレーザ光の少なくとも一方の強度分布を成形し、前記レーザ照射部は、前記一対のレーザ光を前記経路を挟んで相対向する態様で前記液滴に照射することを要旨とする。 In the pattern forming apparatus, the laser emitting unit emits a pair of laser beams, the laser forming unit shapes at least one intensity distribution of the pair of laser beams, and the laser irradiation unit includes the pair of laser beams. The gist is to irradiate the droplets with laser light in a manner opposite to each other across the path.
このパターン形成装置によれば、液滴に対して少なくとも一方の強度分布が平坦にされた一対のレーザ光が相対向する態様で照射される。したがって、一対のレーザ光の少なくとも一方のレーザ光の強度分布を平坦にする分だけ、吐出した液滴に含まれる蒸発成分をその吐出時から短時間で沸点近くまで上昇させることができ、液滴の乾燥効率を向上させることができる。 According to this pattern forming apparatus, a pair of laser beams with at least one of the intensity distributions made flat with respect to the droplets are irradiated in a state of facing each other. Therefore, the evaporation component contained in the ejected droplet can be raised to near the boiling point in a short time from the time of ejection by the amount that makes the intensity distribution of at least one of the pair of laser beams flat. The drying efficiency of can be improved.
このパターン形成装置は、前記レーザ出射部は、前記経路上における強度が等しい一対のレーザ光を出射し、前記レーザ成形部は、前記一対のレーザ光の各々の強度分布を成形することを要旨とする。 The gist of the pattern forming apparatus is that the laser emitting unit emits a pair of laser beams having the same intensity on the path, and the laser shaping unit shapes each intensity distribution of the pair of laser beams. To do.
飛行中の液滴が蒸発成分を蒸発する際には、その蒸発成分の運動力に抗した反力が該液滴に対して作用する。そのため、蒸発率の高い方から低い方へ向かう上記反力が液滴に対して作用し、こうした反力が液滴の吐出方向を軸にして非対称であって、かつ液滴に対して過剰に作用する場合にあっては、その運動力に抗した反力による液滴の飛行曲がりが発生してしまい着弾位置の位置ずれが発生してしまう。 When the droplet in flight evaporates the evaporation component, a reaction force against the kinetic force of the evaporation component acts on the droplet. Therefore, the reaction force from the higher evaporation rate to the lower one acts on the droplet, and the reaction force is asymmetric with respect to the droplet discharge direction and is excessive with respect to the droplet. In the case of action, the flying flight of the droplets due to the reaction force against the movement force occurs, and the landing position shifts.
このパターン形成装置によれば、一つの液滴に対して相対向する方向からのレーザ光を照射することから、一方からレーザ光を照射する場合に比べて、液滴の乾燥効率を向上できるだけでなく、一対のレーザ光の強度分布を等しくすることにより、液滴の飛行曲がりを抑制することもできる。 According to this pattern forming apparatus, a single droplet is irradiated with laser light from opposite directions, so that it is only possible to improve the drying efficiency of the droplet as compared with the case where laser light is irradiated from one side. In addition, by making the intensity distribution of the pair of laser beams equal, it is possible to suppress the flight bending of the droplets.
このパターン形成装置は、前記レーザ出射部は、1つのレーザ光源からの基本レーザ光を前記一対のレーザ光に分岐する分岐部を有することを要旨とする。
このパターン形成装置によれば、分岐部を設けることにより一対のレーザ光を生成する際のレーザ光源が1つで済むことからレーザ照射部を簡素な構成とすることができる。また例えば、1つのレーザ光源からの基本レーザ光を分岐させて一対のレーザ光を生成した上でレーザ成形部による強度分布の変換が実行させることもできる。すなわち、レーザ光の強度分布を変換するレーザ成形部が分岐部よりも目標経路側に配設することもできる。
これにより、レーザ成形部を目標経路に近い位置に配置することが可能となり、レーザ成形部と目標経路との間におけるレーザ光の回折を抑制することができる。すなわち、強度分布が変換されたレーザ光を液滴に対して確実に照射させることができる。
The gist of this pattern forming apparatus is that the laser emitting section has a branching section that branches the basic laser light from one laser light source into the pair of laser lights.
According to this pattern forming apparatus, since a single laser light source for generating a pair of laser beams is sufficient by providing the branching section, the laser irradiation section can be made simple. Further, for example, after the basic laser light from one laser light source is branched to generate a pair of laser light, the intensity distribution conversion by the laser forming unit can be executed. In other words, the laser forming part for converting the intensity distribution of the laser light can be arranged on the target path side with respect to the branch part.
Thereby, it becomes possible to arrange | position a laser shaping | molding part in the position close | similar to a target path | route, and can suppress the diffraction of the laser beam between a laser shaping | molding part and a target path | route. That is, it is possible to reliably irradiate the droplets with the laser light whose intensity distribution has been converted.
以下、本発明のパターン形成装置を液滴吐出装置に具体化した一実施形態について図1〜図9を参照して説明する。図1は液滴吐出装置の斜視構造を模式的に示した図である。図2は、本実施形態の吐出ヘッドの斜視構造を示す斜視図であり、図3は同吐出ヘッドの内部断面構造を示す部分断面図である。また図4は描画対象物であるグリーンシートと吐出ヘッドとの配置の関係を示す平面図である。 Hereinafter, an embodiment in which the pattern forming apparatus of the present invention is embodied in a droplet discharge apparatus will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram schematically showing a perspective structure of a droplet discharge device. FIG. 2 is a perspective view showing a perspective structure of the ejection head of this embodiment, and FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing an internal sectional structure of the ejection head. FIG. 4 is a plan view showing the arrangement relationship between the green sheet, which is a drawing object, and the ejection head.
図1に示すように、パターン形成装置としての液滴吐出装置10の基台11には、該基台11の長手方向に沿って往復移動可能なステージ12が搭載されている。本実施形態では、基台11の長手方向であって、図1における右上方向を+X方向とし、+X方向の反対方向を−X方向と言う。また、+X方向と直交する水平方向であって、図2における左上方向を+Y方向とし、+Y方向の反対方向を−Y方向と言う。また、鉛直方向上方を+Z方向とし、+Z方向の反対方向を−Z方向と言う。
As shown in FIG. 1, a stage 11 that can reciprocate along the longitudinal direction of the base 11 is mounted on a base 11 of a
基台11に搭載されるステージ12の上面には、描画対象物としてのグリーンシートGSが描画面GSaを上側にした状態でステージ12に位置決め固定されている。ステージ12は、基台11に設けられたステージモータ(図示せず)が正転又は逆転するとき、位置決めしたグリーンシートGSを所定の速度で+Y方向又は−Y方向へ走査する。
On the upper surface of the
基台11の上側には、門型に形成されたガイド部材13が+X方向に沿って架設されており、該ガイド部材13の上側には、液状体としての導電性インクIkを供給するインクタンク14が配設されている。インクタンク14は、導電性微粒子の分散系からなる導電性インクIkを貯留し、貯留する導電性インクIkを所定の圧力の下で所定の温度調整しつつ吐出ヘッド15へ供給する。パターン形成材料である導電性微粒子は、数nm〜数十nmの粒径を有する微粒子であり、例えば銀、金、銅、白金、パラジウム、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、イリジウム、鉄、錫、コバルト、ニッケル、クロム、チタン、タンタル、タングステン、インジウム等の金属、あるいはこれらの合金を用いることができる。蒸発成分としての分散媒は、上記導電性微粒子を均一に分散させるものであればよく、例えば水や水を主成分とする水溶液系、あるいはテトラデカン等の有機溶剤を主成分とする有機系を用いることができる。なお、本実施形態の導電性インクIkにおいては、導電性粒子として銀を用い、分散媒として水を用いている。
A
ガイド部材13には、+X方向及び−X方向に移動可能なキャリッジ16が搭載されており、該キャリッジ16には吐出ヘッド15が搭載されている。キャリッジ16は、ガイド部材13に設けられたキャリッジモータ(図示せず)が正転又は逆転するとき、吐出ヘッド15を+X方向又は−X方向へ走査する。
A
図2に示されるように、吐出ヘッド15は、キャリッジ16に位置決め固定されて+X方向に延びるヘッド基板17と、ヘッド基板17に支持されるヘッド本体20とを有する。ヘッド基板17は、−X方向の端部に接続端子17aを有しており、外部からの各種制御信号がこの接続端子17aからヘッド本体20へ入力されて、またヘッド本体20からの各種検出信号がこの接続端子17aから外部へ出力される。
As shown in FIG. 2, the
ヘッド本体20の底部には、グリーンシートGSと対向するように配置されるノズルプレート21が貼り付けられている。ノズルプレート21は、ヘッド本体20がグリーンシートGSの直上に配置されるとき、その底面(以下単に、ノズル形成面21aと言う)と
描画面GSaとが略平行になる態様で構成されており、これらノズル形成面21aと描画面GSaとによって挟まれた空間である液滴Dの飛行空間を形成する。またノズルプレート21は、ヘッド本体20がグリーンシートGSの直上に配置されるとき、ノズル形成面21aと描画面GSaとの間の距離であるプラテンギャップPGを所定の距離(図3参照、本実施形態では1000μm)に維持する。ノズルプレート21のノズル形成面21aには、ノズルプレート21をZ方向に貫通する複数個のノズルNがX方向に沿ってノズルピッチDxにて等間隔に配列されている。
A
図3に示されるように、ヘッド本体20は、各ノズルNの上側にそれぞれキャビティ22と、振動板23と、圧力発生素子としての圧電素子PZを有する。各キャビティ22は、供給チューブ20Tを介して共通するインクタンク14に接続されており、これによりインクタンク14からの導電性インクIkを収容して、該導電性インクIkを各ノズルNに供給する。振動板23は、各キャビティ22に対向する領域がZ方向に振動することにより、該キャビティ22の容積を拡大及び縮小させて圧力変動を発生させ、これに伴ってノズルNのメニスカスを振動させる。各圧電素子PZには、その収縮量や収縮速度、伸張量や伸張速度を規定した電圧波形である駆動電圧が入力されるようになっており、こうした駆動電圧が圧電素子PZに入力されるたびに、該圧電素子PZがZ方向に収縮して伸張し、これにより振動板23がZ方向に振動する。
As shown in FIG. 3, the
こうした構成からなる吐出ヘッド15では、各圧電素子PZがZ方向に収縮及び伸張するときに、各キャビティ22に収容される導電性インクIkの一部が上記駆動電圧に応じたサイズや速度を有する液滴DとしてノズルNから吐出される。ノズルNから吐出される液滴Dは、上述する飛行空間を飛行してグリーンシートGSの描画面GSaに着弾する。
In the
この際、ノズルNから吐出された液滴Dは、該液滴Dに加わる外力の合力がZ方向にのみ作用することによってノズルNからZ方向に沿って飛行することが確実に可能となり、前記ノズルNを含んでZ方向に延びる仮想線である目標経路TLの上を飛行するようになる。一方、ノズルNから吐出された液滴Dは、該液滴Dに加わる外力の合力がZ方向と交差する方向に大きく作用する場合にあっては、該合力の作用に従って上記目標経路TLから外れた経路を飛行して、着弾位置の精度を損なう要因である所謂飛行曲がりを来たしてしまう。 At this time, the droplet D discharged from the nozzle N can surely fly along the Z direction from the nozzle N because the resultant force of the external force applied to the droplet D acts only in the Z direction. It flies over the target path TL which is a virtual line including the nozzle N and extending in the Z direction. On the other hand, when the resultant force of the external force applied to the droplet D acts greatly in the direction intersecting the Z direction, the droplet D discharged from the nozzle N deviates from the target path TL according to the action of the resultant force. Flying over the route, the so-called flight bend is a factor that impairs the accuracy of the landing position.
図4の一点鎖線で示されるように、グリーンシートGSの描画面GSaは二次元の矩形格子であるドットパターン格子DLによって仮想分割されている。ドットパターン格子DLは、+X方向の格子間隔と+Y方向の格子間隔とが、それぞれ所定の間隔で設定される仮想格子である。例えば、ドットパターン格子DLの+X方向の格子間隔は、ノズルピッチDxで規定されており、ドットパターン格子DLの+Y方向の格子間隔は、液滴Dの吐出周期とステージ12の走査速度との積から算出される吐出ピッチDyで規定されている。こうしたドットパターン格子DLが上記ステージ12により走査されるとき、上述する吐出ヘッド15は、ドットパターン格子DLの各格子点Tが目標経路TLを横切るかたちで配置されて、各ノズルNから描画面GSaに向けて液滴Dを吐出するか否かの選択が上記格子点Tごとに設定されるようになる。なお、図4ではドットパターン格子DLの各格子点Tを説明する便宜上、ドットパターン格子DLの格子間隔及び吐出ヘッド15のノズルピッチDxを十分拡大して示している。
As shown by the one-dot chain line in FIG. 4, the drawing surface GSa of the green sheet GS is virtually divided by a dot pattern lattice DL which is a two-dimensional rectangular lattice. The dot pattern lattice DL is a virtual lattice in which the lattice interval in the + X direction and the lattice interval in the + Y direction are set at predetermined intervals. For example, the + X-direction grid spacing of the dot pattern grid DL is defined by the nozzle pitch Dx, and the + Y-direction grid spacing of the dot pattern grid DL is the product of the droplet D ejection period and the scanning speed of the
ノズルNから吐出された液滴Dから所望量の分散媒を効果的に蒸発させるためには、まずは室温下にある液滴Dの温度を、その液状体が沸騰しない範囲のなかで最も高い温度である目標温度付近まで昇温せしめるための熱量、例えば室温下にある液滴Dを分散媒の沸点まで昇温せしめるための熱量である第1熱量q1が必要となる。次いで上記第1熱量q1により昇温された液滴Dの沸騰しない状態を保ちながら該液滴Dの分散媒を円滑に気体
へ相転移させるための潜熱(気化熱)である第2熱量q2が必要となる。すなわち、室温下にある液滴Dから所定量の分散媒を蒸発させるためには、第1熱量q1と第2熱量q2の加算値である総熱量qだけ必要である。こうした熱量は、導電性インクIkの性状と、圧電素子PZに印加される駆動電圧と、液滴Dの容積とを用いた演算により推定することができ、また各種実験等に基づく直接測定よって決定することもできる。
In order to effectively evaporate a desired amount of the dispersion medium from the droplet D ejected from the nozzle N, first, the temperature of the droplet D at room temperature is set to the highest temperature in the range where the liquid does not boil. target temperature near heat for allowing to warm to, the first heat quantity q 1 is a heat for allowing heated to the boiling point of the droplets D dispersion medium is for example at room temperature is needed is. Next, a second heat quantity q which is latent heat (heat of vaporization) for smoothly causing phase transition of the dispersion medium of the droplet D into a gas while maintaining the state where the droplet D heated by the first heat quantity q 1 does not boil. 2 is required. That is, in order to evaporate a predetermined amount of the dispersion medium from the droplets D at room temperature, only the total heat amount q, which is an added value of the first heat amount q1 and the second heat amount q2, is required. Such an amount of heat can be estimated by calculation using the properties of the conductive ink Ik, the drive voltage applied to the piezoelectric element PZ, and the volume of the droplet D, and is determined by direct measurement based on various experiments. You can also
例えば上述する演算により上記第1熱量q1及び第2熱量q2を推定する場合には、導電性インクIkの性状から得られる分散媒及び導電性微粒子のモル分率と、分散媒及び導電性微粒子の比熱容量と、駆動電圧に基づいて得られる液滴Dの重量Wと、吐出時における液滴Dの温度とに基づいて行うことができる。また上述するような微小な液滴Dから蒸発した蒸発成分のなかには、液滴Dの表面から十分に離間した遠方へと拡散するものと、目標経路TLに残留して該経路上における蒸発成分の分圧を高くするものとがある。そのため、各温度における液滴の蒸発量は、目標経路TLに残留する蒸発成分の濃度が低くなるほど高くなり、逆に目標経路TLにおける蒸発成分の濃度が高くなるほど低くなる。そこで、液滴表面における蒸発成分の密度やその拡散などに基づく蒸発成分の物質移動流束を用いた液滴の物質収支に関わる微分方程式や、液滴の気化熱を考慮した液滴の熱収支に関わる微分方程式、さらには液滴に対する空気抵抗を考慮した液滴の運動方程式などを解くことにより上記第1熱量q1及び第2熱量q2を推定することもできる。また上述する実験により上記第1熱量q1及び第2熱量q2決定する場合には、飛行中の液滴Dをハイスピードカメラで撮像しながら該液滴Dに対して異なる熱量の光を照射して、該液滴Dが沸騰しない状態を維持できる最も高い熱量を直接測定することにより第1熱量q1及び第2熱量q2を得ることもできる。 For example, when the first heat quantity q 1 and the second heat quantity q 2 are estimated by the above-described calculation, the molar fraction of the dispersion medium and the conductive fine particles obtained from the properties of the conductive ink Ik, the dispersion medium, and the conductivity This can be performed based on the specific heat capacity of the fine particles, the weight W of the droplet D obtained based on the driving voltage, and the temperature of the droplet D at the time of ejection. Among the evaporation components evaporated from the minute droplets D as described above, those that diffuse to a distance far away from the surface of the droplet D and those that remain on the target path TL and remain on the path. Some increase the partial pressure. For this reason, the evaporation amount of the droplets at each temperature increases as the concentration of the evaporation component remaining in the target path TL decreases, and conversely decreases as the concentration of the evaporation component in the target path TL increases. Therefore, the differential equation related to the mass balance of the droplet using the mass transfer flux of the evaporated component based on the density of the evaporated component on the droplet surface and its diffusion, etc., and the heat balance of the droplet considering the heat of vaporization of the droplet differential equations involved in the news can be estimated the first heat quantity q 1 and second heat quantity q 2 by solving the like motion equation of the droplets in consideration of air resistance to drop. Further, when the first heat quantity q 1 and the second heat quantity q 2 are determined by the above-described experiment, light of a different heat quantity is irradiated to the droplet D while the droplet D in flight is imaged with a high-speed camera. The first heat quantity q 1 and the second heat quantity q 2 can also be obtained by directly measuring the highest heat quantity that can maintain the state in which the droplet D does not boil.
次に、上記飛行中の液滴Dにレーザ光を照射して該液滴Dを乾燥させる光学系について図5を参照して説明する。図5は、上記液滴吐出装置10に搭載されるレーザ照射部31の光学的構成を模式的に示した図であり、図6は各液滴Dに対するレーザ光の照射角度を模式的に示した図である。図7は、目標経路TLにおけるレーザ光の強度分布を模式的に示す図である。
Next, an optical system for irradiating the droplet D in flight with laser light to dry the droplet D will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an optical configuration of the
図5に示されるように、レーザ照射部31は、レーザ出射部としてのレーザ光源32、コリメートレンズ33、分岐部としてのハーフミラー34、及び反射ミラー35,36,37,38,39と、第1レーザ成形部40aと第2レーザ成形部40bとを備えている。レーザ光源32は、断面強度分布がガウシアン分布である基本レーザ光Leを出射する装置である。
As shown in FIG. 5, the
レーザ光源32は、所謂固体レーザであって、YAG(Yttrium Aluminium Garnet)レーザ発振器32aと高調波ユニット32bとを備えている。YAGレーザ発振器32aは、ネオジムイオン(Nd3+)が添加されたイットリウムアルミニウムガーネット(Y3Al5O12)結晶を備え、近赤外線の不可視光であるYAGレーザ光の基本波(波長:1064nm)を生成する。高調波ユニット32bには、非線形光学結晶が配設され、上記YAGレーザ発振器32aにて生成されたYAGレーザ光の基本波を上記非線形光学結晶に通過させることで可視光であるYAGレーザ光の第2高調波(SHG:Second harmonic generation、波長:532nm)に変換する。レーザ光源32は、このYAGレーザ光の第2高調波を基本レーザ光Leとしてコリメートレンズ33に入射させる。
The
コリメートレンズ33は、その出射面側に所定の曲率を有する平凸レンズであって、レーザ光源32から出射された基本レーザ光Leの光束を光軸に対して平行な平行光に変換してハーフミラー34に入射させる。ハーフミラー34は、コリメートレンズ33から出射された基本レーザ光Leをエネルギーが等しい一対のレーザ光である第1レーザ光Le
1と第2レーザ光Le2とに分割する。各反射ミラー35,36は、ハーフミラー34の透過光である第1レーザ光Le1を反射する反射面を有した平面ミラーであり、その反射光である第1レーザ光Le1を第1レーザ成形部40aに入射させる。各反射ミラー37〜39は、ハーフミラー34の反射光である第2レーザ光Le2を反射する反射面を有した平面ミラーであり、その反射光である第2レーザ光Le2を第2レーザ成形部40bに入射させる。
The
1 and the second laser beam Le2. Each of the reflecting mirrors 35 and 36 is a plane mirror having a reflecting surface that reflects the first laser beam Le1 that is the transmitted light of the
第1レーザ成形部40aは、第1レーザ光Le1の光路上にシリンドリカルレンズ41aと、回折光学素子(DOE:Diffractive Optical Elemennt、以後、DOEという)42aとを備えている。第2レーザ成形部40bは、第2レーザ光Le2の光路上にシリンドリカルレンズ41aとDOE42aとを備えている。
The first
シリンドリカルレンズ41a、42bは、それぞれ短手方向にのみ曲率を有する出射面を備えたレンズであって、コリメートレンズ33によって平行光に変換された第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2の断面を上記ノズル形成面21aに沿って延びる矩形状に変換する。なお、シリンドリカルレンズ41a、41bに入射する第1レーザ光Le1や第2レーザ光Le2は、Z方向に所定幅を有している。そのため、該レーザ光がシリンドリカルレンズ41a、41bにより成形されることなく飛行空間に照射される場合にあっては、該レーザ光におけるZ方向の端部が吐出ヘッド15やグリーンシートGS、ステージ12などに遮られてしまい、第1レーザ光Le1や第2レーザ光Le2のエネルギーの一部が損なわれてしまう。シリンドリカルレンズ41a、41bは、それぞれ対応する反射ミラーからの第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2のZ方向成分を変換して、第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2のZ方向におけるビーム長を上記プラテンギャップPG(本実施形態では、1000μm)と等しくなるように断面形状を成形する。これにより、第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2のエネルギー損失を抑えつつ、液滴Dの目標経路TLに第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2を導くことができる。
The
DOE42a、42bは、それぞれシリンドリカルレンズ41a、42aにより成形された第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2の断面強度分布を、目標経路TLにおける強度が平坦であるトップハット型の断面強度分布(以後、トップハット型分布という。)に変換して上記飛行空間へと照射する。図7は、断面強度分布がトップハット型分布へと変換されたレーザ光の強度の一例を模式的に示した図である。図7に示すように、上述するトップハット型分布である平坦な強度分布とは、その最大強度と平均強度との差分、ならびに最小強度と平均強度との差分がそれぞれ平均強度に対して±5%以内である分布である。こうした平坦性は描画パターンの設計ルールである液滴Dの着弾位置の精度や着弾径の精度などに応じて適宜選択することもできる。
The
また、DOE42a、42bの光軸は、それぞれ目標経路TLの中間位置に位置するように配置されており、全てのノズルNから吐出される液滴Dに対して第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2を照射すべく、ノズルNの配列方向(図5に示す一点鎖線方向)に対して所定の傾斜角θ(θ:0°<θ≦90°)だけ水平方向に傾斜している。この傾斜角θは、図6に示されるように、例えば液滴Dの直径を2rとしたときにsinθ≧2r/Dxを満足する範囲で選択される。こうした条件を満足する傾斜角θであれば、同じタイミングで吐出された各ノズルNからの液滴Dに対して第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2を照射する場合であれ、相対的にDOEに近い側の液滴Dが相対的にDOEから遠い側の液滴Dに対して第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2を遮ることがない。それゆえ吐出ヘッド15から同時に吐出された全ての液滴Dに対して第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2とを均等に照射することができる。また、sinθ>2r/Dxを満足するレーザ光であっても、DOE42a、42bによって各ノズルNから吐出された液滴Dの飛行経路のそれぞれに対応するようにレーザ光を分割することにより、飛行
空間を通過してしまうレーザ光を最小限に抑えることができ、レーザ光の利用効率を向上させることもできる。
Further, the optical axes of the
こうした第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2の照射態様に従って、第1レーザ光Le1から受けるエネルギーと第2レーザ光Le2から受けるエネルギーとの総和に相当するエネルギー(総エネルギーE)が液滴Dに与えられる。本実施形態におけるレーザ照射部31では、上述するDOE42a、42bが協働することにより、この総エネルギーEの積分値と上述した総熱量qとが等しくなる態様で構成されている。
According to the irradiation mode of the first laser beam Le1 and the second laser beam Le2, the energy (total energy E) corresponding to the sum of the energy received from the first laser beam Le1 and the energy received from the second laser beam Le2 is a droplet D. Given to. The
このような構成によれば、飛行中の液滴Dは吐出直後から着弾するまでの期間に平坦な強度であるレーザ強度Pのレーザ光を両側から受け続けることとなり、沸騰しない状態を維持可能な高温へとすばやく昇温されるとともに、そのときの気化熱を大きく超えるような過剰なエネルギーが単位時間あたりに供給されることを回避することもできる。 According to such a configuration, the droplet D in flight continues to receive laser light having a laser intensity P, which is a flat intensity, from both sides in a period from immediately after ejection to landing, and can maintain a state where it does not boil. It is possible to quickly raise the temperature to a high temperature and to avoid supplying excessive energy per unit time that greatly exceeds the heat of vaporization at that time.
こうした第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2の断面強度分布は、例えば以下のようにして設定することができる。まず、目標経路TL上におけるレーザ強度Pを設定するために、プラテンギャップPGと液滴Dの飛行速度v0とに基づいて、液滴Dが吐出されてから着弾するまでの飛行期間t(=PG/v0)が得られる。またこのプラテンギャップPGと液滴の直径2rとを用いることにより、飛行中の液滴Dに対する照射断面積がPG×2rとして得られる。そして目標経路TL上におけるレーザ強度Pは、上述する総エネルギーEを上記照射断面積で受けるべく、上記飛行期間tと、上記プラテンギャップPGと、液滴Dの直径2rとから式(1)に基づいて設定される。
The cross-sectional intensity distributions of the first laser beam Le1 and the second laser beam Le2 can be set as follows, for example. First, to set the laser intensity P on the target route TL, on the basis of the flight speed v 0 of the platen gap PG and the droplet D, the flight time to landing since the ejected droplet D t (= PG / v 0 ) is obtained. Further, by using this platen gap PG and the
P=E/((PG×2r)×t)…(1)
ここで、飛行中の液滴Dから分散媒が蒸発する際には、蒸発にともなう運動力に抗した反力が該液滴Dに対して作用する。そのため、蒸発率の高い方から低い方に沿った方向に上記反力が作用し、液滴Dの吐出方向を軸にして蒸発率が対称でない場合にあっては、その運動力に抗した反力によって液滴Dの飛行曲がりが誘発されて着弾位置の位置ずれが発生する。そこで、上述のように設定されるレーザ強度Pをそれぞれ相対向する第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2とに等分させる、すなわち各々の強度をP/2に設定することにより、液滴Dの蒸発率が吐出方向を軸にして対称となり、分散媒の蒸発にともなう運動力に抗した反力が打ち消しあうことから、液滴Dの飛行曲がりが生じ難くなり、着弾位置の位置ずれを抑制することもできる。
P = E / ((PG × 2r) × t) (1)
Here, when the dispersion medium evaporates from the droplet D in flight, a reaction force against the kinetic force accompanying the evaporation acts on the droplet D. Therefore, if the reaction force acts in the direction from the higher evaporation rate to the lower evaporation rate and the evaporation rate is not symmetrical about the discharge direction of the droplet D, the reaction force against the kinetic force is applied. The flying bending of the droplet D is induced by the force, and the landing position is displaced. Therefore, by dividing the laser intensity P set as described above into the first laser beam Le1 and the second laser beam Le2 that are opposed to each other, that is, by setting each intensity to P / 2, the droplets Since the evaporation rate of D is symmetric with respect to the ejection direction and the reaction force against the kinetic force accompanying the evaporation of the dispersion medium cancels out, the flying curvature of the droplet D is less likely to occur, and the landing position is displaced. It can also be suppressed.
なお、このレーザ強度Pが過剰に高くなる場合にあっては、レーザ光の光圧が液滴Dに対して過剰に作用して、液滴Dが目標経路TLから外れる現象、所謂飛行曲がりを発生する場合がある。また飛行期間tが過剰に短い場合や液滴Dのサイズが過剰に大きくなる場合にあっては、液滴Dの表面付近で吸収したレーザ光のエネルギーが液滴Dの中心部へと十分拡散し得ない場合がある。そこで、予め実施する各種実験や計算機シミュレーション等により、上述する飛行曲がりや不十分な熱拡散を来たす強度範囲に関わるデータを適正強度データとして取得し、上記算出結果であるレーザ強度Pが前記適正強度データの範囲内である否かを判断する態様であってもよい。そしてレーザ強度Pが上記データの範囲外である場合には、設計ルールの見直しを図り、飛行期間tなどを変更することにより、レーザ強度Pが適正な範囲内に収まるようにする態様であってもよい。 When the laser intensity P becomes excessively high, the light pressure of the laser light acts excessively on the droplet D, and the phenomenon that the droplet D deviates from the target path TL, a so-called flight curve. May occur. In addition, when the flight period t is excessively short or when the size of the droplet D becomes excessively large, the energy of the laser beam absorbed near the surface of the droplet D is sufficiently diffused to the center of the droplet D. It may not be possible. Therefore, through various experiments and computer simulations that are performed in advance, the data related to the intensity range causing the above-mentioned flight bending and insufficient thermal diffusion is acquired as appropriate intensity data, and the laser intensity P as the above calculation result is the appropriate intensity. It may be an aspect for determining whether or not the data is within the range. When the laser intensity P is out of the above data range, the design rules are reviewed and the flight period t is changed so that the laser intensity P falls within an appropriate range. Also good.
このように飛行中の液滴Dに対して常に一定のレーザ強度のレーザ光を照射することで、その温度を例えば分散媒の沸点まですばやく昇温させることができ、それゆえ液滴Dの飛行期間においては、液滴Dが同沸点近傍にある期間を長くすることができる。上述のような微小な液滴Dにレーザ光が照射されると、レーザ光のエネルギーが液滴Dの表面付近で吸収される場合であれ、その吸収したエネルギーにより液滴表面が昇温し、該表面付近
の熱が液滴Dの中心部へと拡散することにより、結果的には液滴D全体の温度が上昇するようになる。そして、液滴Dの温度がその沸騰しない状態を維持できる程度の高い温度、例えば分散媒の沸点であることから、表面付近で吸収されたレーザ光のエネルギーが分散媒を気化させるためのエネルギーに逐次変換されて、該レーザ光によって供給されるエネルギーに応じた蒸発量の分散媒が液滴Dの表面から蒸発するようになる。この結果、液滴Dの突沸を抑えつつ安定した蒸発状態を維持することができ、こうした沸点近傍にある期間が長くできる分だけ、液滴Dの乾燥効率を向上させることができる。
In this way, by always irradiating the flying droplet D with laser light having a constant laser intensity, the temperature can be quickly raised to, for example, the boiling point of the dispersion medium. In the period, the period in which the droplet D is in the vicinity of the same boiling point can be lengthened. When the laser beam is irradiated to the minute droplet D as described above, even if the energy of the laser beam is absorbed near the surface of the droplet D, the surface of the droplet is heated by the absorbed energy, As the heat near the surface diffuses into the center of the droplet D, the temperature of the entire droplet D rises as a result. Then, since the temperature of the droplet D is high enough to maintain its boiling state, for example, the boiling point of the dispersion medium, the energy of the laser light absorbed near the surface becomes energy for vaporizing the dispersion medium. By being sequentially converted, the dispersion medium having an evaporation amount corresponding to the energy supplied by the laser beam evaporates from the surface of the droplet D. As a result, it is possible to maintain a stable evaporation state while suppressing the bumping of the droplet D, and it is possible to improve the drying efficiency of the droplet D as much as the period near the boiling point can be lengthened.
こうした液滴Dにおける単位時間あたりの最大の蒸発量は、当然ながら液滴Dの温度が高温であるほど高くなる。また上述するように、目標経路TLに残留する蒸発成分の濃度が低くなるほど高くなり、逆に目標経路TLにおける蒸発成分の濃度が高くなるほど低くなる。そのため先行する液滴Dから蒸発した蒸発成分が十分に拡散せずに目標経路TLに多く残留している場合にあっては、後続する液滴Dが先行する液滴Dと同じエネルギーのレーザ光を受けたとしてもその蒸発量が減少してしまい、この減少分の気化熱に変換されるべきエネルギーが後続する液滴Dに蓄積されることにより該液滴Dの突沸が誘発される場合もある。 Naturally, the maximum evaporation amount per unit time in the droplet D increases as the temperature of the droplet D increases. Further, as described above, the lower the concentration of the evaporated component remaining in the target route TL, the higher the concentration, and the lower the concentration of the evaporated component in the target route TL, the lower the concentration. Therefore, when the evaporated component evaporated from the preceding droplet D is not sufficiently diffused and remains in the target path TL, the laser beam having the same energy as that of the preceding droplet D is applied to the subsequent droplet D. In some cases, the evaporation amount decreases, and the energy to be converted into the heat of vaporization corresponding to the decrease is accumulated in the subsequent droplet D, thereby inducing the sudden boiling of the droplet D. is there.
本実施形態においては、蒸発成分の拡散に関わる種々の計算機シミュレーションや実験を行うことにより、液滴Dから蒸発した蒸発成分が目標経路TLから十分に拡散する期間を取得し、該期間(例えば、1ミリ秒)を吐出間隔として採用する、すなわち吐出周期を1kHzに設定している。こうした構成によれば、目標経路TLにおける蒸発成分の濃度が液滴Dの吐出ごとに同じ状態になるために、先行する液滴Dから蒸発した蒸発成分による後続する液滴Dの乾燥効率の低下を回避することもできる。 In the present embodiment, by performing various computer simulations and experiments related to the diffusion of the evaporation component, a period during which the evaporation component evaporated from the droplet D is sufficiently diffused from the target path TL is acquired, and the period (for example, 1 millisecond) is adopted as the discharge interval, that is, the discharge cycle is set to 1 kHz. According to such a configuration, since the concentration of the evaporated component in the target path TL becomes the same every time the droplet D is discharged, the drying efficiency of the subsequent droplet D due to the evaporated component evaporated from the preceding droplet D is reduced. Can also be avoided.
次に上記のように構成した液滴吐出装置10の作用と効果について説明する。図8は、飛行中の液滴Dに対してトップハット型分布に変換した第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2が照射される状況を模式的に示した図である。一方、図9は、ガウシアン分布のレーザ光を液滴に対して光軸がずれた状態で両側から照射した場合を模式的に示した図である。
Next, the operation and effect of the
図8に示すように、ノズルNから吐出された液滴Dには、目標経路TLを挟む両側から第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2が照射される。第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2とは、目標経路TLにおける総エネルギーが上記総エネルギーEであるトップハット型分布の強度分布となるように第1及び第2レーザ成形部40a,40bにより変換されたものである。したがって、ガウシアン分布を有するレーザ光を用いる場合に比べて、目標温度に到達した液滴Dに対して過剰なエネルギーが供給されなくなるばかりか、ガウシアン分布の裾野で液滴Dを昇温するよりも、液滴Dをすばやく上記目標温度まで昇温させることもできる。そして、こうした液滴Dの昇温により、液滴Dの残りの飛行期間においては、液滴Dが上記目標温度の付近で飛行し続けることできる。こうした状態で飛行する液滴Dにあっては、液滴Dの温度がその沸騰しない状態を維持できる程度の高い温度、例えば分散媒の沸点であることから、表面付近で吸収したレーザ光のエネルギーが蒸発成分を気化させるためのエネルギーに逐次変換させることになる。この結果、液滴Dの突沸を抑えつつ、高い蒸発効率の下で安定した蒸発状態を維持することができ、こうした液滴Dの温度が目標温度にすばやく到達できる分だけ、液滴Dの乾燥効率を向上させることができる。そして飛行中の液滴Dに対して上記総エネルギーEに相当するレーザ光が照射されることから、所望量の蒸発成分を蒸発させた状態で液滴Dを着弾させることができる。
As shown in FIG. 8, the droplets D ejected from the nozzle N are irradiated with the first laser beam Le1 and the second laser beam Le2 from both sides sandwiching the target path TL. The first laser beam Le1 and the second laser beam Le2 are generated by the first and second
(実施例)
表1は、直径25μmの球形をなす液滴Dを7m/sの飛行速度で飛行させて、該液滴
Dに対して異なる強度分布及び強度のレーザ光を照射した場合における着弾径の実測値を示したものである。なお、表1における強度分布及び強度を示す欄では、第1レーザ光Le1を上に、第2レーザ光Le2を下に示している。
(Example)
Table 1 shows the measured values of the landing diameter when a droplet D having a spherical shape with a diameter of 25 μm was caused to fly at a flight speed of 7 m / s and the droplet D was irradiated with laser beams having different intensity distributions and intensities. Is shown. In the column showing the intensity distribution and intensity in Table 1, the first laser beam Le1 is shown on the top and the second laser beam Le2 is shown on the bottom.
すなわち、1.5W/cm2の強度でトップハット型分布をなす第1レーザ光Le1と、1.5W/cm2の強度でトップハット型分布をなす第2レーザ光Le2とを用いることにより実施例1の液滴Dにおける着弾径を得た。また第1レーザ光Le1の強度を1.0W/cm2に変更し、その他の条件を実施例1と同じくすることにより実施例2の液滴Dにおける着弾径を得た。 That is, carried out by using a first laser beam Le1 forming a top-hat distribution at an intensity of 1.5 W / cm 2, and a second laser beam Le2 forming a top-hat distribution at an intensity of 1.5 W / cm 2 The landing diameter in the droplet D of Example 1 was obtained. In addition, the landing diameter of the droplet D of Example 2 was obtained by changing the intensity of the first laser beam Le1 to 1.0 W / cm 2 and making the other conditions the same as in Example 1.
また1.0W/cm2の強度でガウシアン分布をなす第1レーザ光Le1と、1.0W/cm2の強度でガウシアン分布をなす第2レーザ光Le2とを用いることにより比較例1の液滴Dにおける着弾径を得た。また第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2を照射することなく液滴Dを着弾させることにより、比較例2の液滴Dにおける着弾径を得た。なお、実施例2や比較例1に用いるレーザ光では、ガウシアン分布のレーザ光に関してその出力をトップハット型分布のレーザ光の出力よりも小さく設定しているが、これは飛行中の液滴Dの突沸や着弾位置の位置ずれを抑制できる範囲のなかで最高の値を設定したものである。 The 1.0 W / in strength cm 2 and the first laser beam Le1 forming the Gaussian distribution, the droplets of Comparative Example 1 by using a second laser beam Le2 forming a Gaussian distribution in intensity of 1.0 W / cm 2 The landing diameter in D was obtained. Further, the landing diameter of the droplet D of Comparative Example 2 was obtained by landing the droplet D without irradiating the first laser beam Le1 and the second laser beam Le2. In the laser light used in Example 2 and Comparative Example 1, the output of the Gaussian-distributed laser light is set smaller than the output of the top-hat-type distributed laser light. The highest value is set in a range in which it is possible to suppress the bumping and the displacement of the landing position.
なお、比較例1のようにガウシアン分布を有した一対のレーザ光を使用する場合においては、一対のレーザ光の光軸を正確に一致させることが困難である。例えば、図9に示す
ようなかたちで光軸がずれている場合、まずレーザ光Le10によって液滴Dの左側の蒸発率が高くなるために、該液滴Dの左側の被照射面付近の蒸発成分が主に蒸発して、蒸発成分の運動力に抗した反力により液滴Dが右側に飛行曲がりが生じる。次に、レーザ光Le20によって液滴Dの右側の蒸発率が高くなるため、該液滴の右側の被照射面付近の蒸発成分が主に蒸発し、その蒸発成分の運動力に抗した反力により左側に飛行曲がりが生じる。しかも、蒸発成分の蒸発によってその重量が徐々に小さくなる液滴Dにおいては、重量が大きい吐出直後よりも上述するような飛行曲がりが大きくなる。そのため、図9に示されるように、液滴Dは目標経路TLから左側へと大きな飛行曲がりを生じてしまう。本発明者の実験によれば、例えばレーザ光の光軸が約10μmずれるだけで、目標着弾位置の格子点Tに対して実際の着弾位置が約100μmもずれることが判明している。
When a pair of laser beams having a Gaussian distribution is used as in Comparative Example 1, it is difficult to accurately match the optical axes of the pair of laser beams. For example, when the optical axis is shifted as shown in FIG. 9, first, the evaporation rate on the left side of the droplet D is increased by the laser beam Le10. The component mainly evaporates, and the droplet D is bent to the right by the reaction force against the kinetic force of the evaporated component. Next, since the evaporation rate on the right side of the droplet D is increased by the laser beam Le20, the evaporation component near the irradiated surface on the right side of the droplet mainly evaporates, and the reaction force against the kinetic force of the evaporation component Causes a flight curve on the left side. In addition, in the droplet D whose weight gradually decreases due to evaporation of the evaporation component, the flight curve as described above becomes larger than that immediately after ejection with a large weight. Therefore, as shown in FIG. 9, the droplet D causes a large flight curve from the target path TL to the left side. According to the experiment by the present inventor, for example, it has been found that the actual landing position is deviated by about 100 μm from the lattice point T of the target landing position only when the optical axis of the laser beam is deviated by about 10 μm.
一方、本実施形態では図8に示すように、ノズルNから吐出された液滴Dには、レーザ強度の等しいトップハット型分布の第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2が両側から照射される。これにより、飛行中の液滴Dの蒸発率が目標経路TLにして対称となり易く、蒸発成分の蒸発にともなう運動力に抗した反力が打ち消しあうことから、液滴Dの飛行曲がりが生じ難くなり、着弾位置の位置ずれを抑制することができる。 On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 8, the droplet D ejected from the nozzle N is irradiated with the first laser beam Le1 and the second laser beam Le2 having the same top intensity distribution from both sides. The As a result, the evaporation rate of the droplet D during flight tends to be symmetric with respect to the target path TL, and the reaction force against the kinetic force accompanying evaporation of the evaporation component cancels out, so that the flight bending of the droplet D hardly occurs. Therefore, the displacement of the landing position can be suppressed.
また、上述するようにガウシアン分布を有した一対のレーザ光を使用する場合、一対のレーザ光の光軸が液滴Dの吐出方向にずれた状態では、液滴Dの飛行過程の全体で上述する反力が液滴Dに作用し、液滴Dに対して大きな飛行曲がりを招いてしまう。一方、本実施形態における強度分布を使用する場合、一対のレーザ光の強度分布がそれぞれ照射領域の全体にわたって平坦であることから、一対のレーザ光の光軸が液滴Dの吐出方向にずれる場合であっても、飛行過程の殆どで上述する反力が相殺されて、前記光軸のずれ量に相等する範囲でのみ上述する反力が作用するようになる。それゆえ、光軸がずれている場合であっても、トップハット型分布のレーザ光を照射する分だけ液滴Dの着弾位置の位置ずれを抑制することができる。 In addition, when a pair of laser beams having a Gaussian distribution is used as described above, the entire flight process of the droplet D is described above in a state where the optical axes of the pair of laser beams are shifted in the ejection direction of the droplet D. The reaction force acting on the droplet D causes a large flight curve to the droplet D. On the other hand, when the intensity distribution in the present embodiment is used, the intensity distribution of the pair of laser beams is flat over the entire irradiation region, so that the optical axes of the pair of laser beams are shifted in the ejection direction of the droplet D. Even so, the reaction force described above is canceled in most of the flight process, and the reaction force described above acts only within a range equivalent to the amount of deviation of the optical axis. Therefore, even when the optical axis is deviated, the displacement of the landing position of the droplet D can be suppressed by the amount of irradiation with the laser beam having the top hat type distribution.
以上説明したように、本実施形態の液滴吐出装置10によれば以下のような効果を得ることができる。
(1)上記実施形態によれば、目標経路TLにおける強度が平坦であるトップハット型分布のレーザ光が飛行中の液滴Dに照射されるために、ノズルNから吐出された液滴Dはその吐出直後から着弾するまでの期間、レーザ強度Pに相当するエネルギーを受け続けるようになる。それゆえ、吐出直後の液滴Dをすばやく目標温度まで昇温させることができ、液滴Dの乾燥効率を向上させることができる。そして目標温度となる液滴Dが気化熱を越えるエネルギーを受けないようにレーザ強度Pが設定されることから、液滴Dの突沸を効果的に防止することができる。
As described above, according to the
(1) According to the above embodiment, since the top hat type laser beam having a flat intensity in the target path TL is irradiated to the flying droplet D, the droplet D ejected from the nozzle N is The energy corresponding to the laser intensity P is continuously received from the time immediately after the ejection until the landing. Therefore, it is possible to quickly raise the temperature of the droplet D immediately after ejection to the target temperature, and to improve the drying efficiency of the droplet D. Since the laser intensity P is set so that the droplet D at the target temperature does not receive energy exceeding the heat of vaporization, it is possible to effectively prevent the droplet D from bumping.
(2)上記実施形態の目標経路TLでは、第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2との総エネルギーが、所望量の蒸発成分を蒸発させるために必要とされる総熱量に相当するように調整されることから、吐出した液滴Dを所望の乾燥状態で着弾させることができる。 (2) In the target path TL of the above embodiment, the total energy of the first laser beam Le1 and the second laser beam Le2 is equivalent to the total amount of heat required to evaporate a desired amount of evaporation components. Since adjusted, the discharged droplet D can be landed in a desired dry state.
(3)上記実施形態によれば、飛行中の液滴Dにおける蒸発率は吐出方向を軸として対称となることから、蒸発成分の運動力に抗した反力を液滴Dに対して相殺させることができる。すなわち、液滴Dには分散媒の蒸発による飛行曲がりが生じ難くなり、液滴Dの着弾位置の位置ずれを抑制することができる。しかも、第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2との光軸が液滴Dの吐出方向にずれている場合であっても飛行中の液滴Dにおける蒸発率が吐出方向を軸として非対称となる飛行領域を縮小することができる。すなわち、光軸のずれに起因した液滴Dの着弾位置の位置ずれを抑制することができる。 (3) According to the above embodiment, the evaporation rate of the droplet D during flight is symmetric with respect to the ejection direction, so that the reaction force against the kinetic force of the evaporation component is canceled with respect to the droplet D. be able to. That is, it is difficult for the droplets D to be bent due to evaporation of the dispersion medium, and displacement of the landing positions of the droplets D can be suppressed. Moreover, even when the optical axes of the first laser beam Le1 and the second laser beam Le2 are shifted in the ejection direction of the droplet D, the evaporation rate in the flying droplet D is asymmetric with respect to the ejection direction. The flight area can be reduced. That is, it is possible to suppress the displacement of the landing position of the droplet D due to the displacement of the optical axis.
(4)上記実施形態によれば、第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2の光軸をノズルNの配列方向に対して傾斜角θだけ傾斜させた。これにより吐出ヘッド15の全てのノズルNから同時に吐出された液滴Dに対して第1及び第2レーザ光Le1,Le2を照射することができる。それゆえ、同じタイミングで吐出した全ての液滴Dに対して乾燥効率を向上させることもできる。しかも、sinθ=2r/Dxを満足する傾斜角θであった場合には、レーザ光の照射方向に対して隣接するノズルNから吐出された液滴Dとの隙間がなくなることから、全ての液滴Dに対してレーザ光を照射するに際して水平方向の照射範囲を小さくすることができ、レーザ光の利用効率を向上させることもできる。
(4) According to the above embodiment, the optical axes of the first laser beam Le1 and the second laser beam Le2 are inclined with respect to the arrangement direction of the nozzles N by the inclination angle θ. As a result, the first and second laser beams Le1 and Le2 can be irradiated to the droplets D ejected simultaneously from all the nozzles N of the
(5)上記実施形態のレーザ照射部31では、ハーフミラー34を配設することによりレーザ光源32から出射された基本レーザ光を第1レーザ光Le1、第2レーザ光Le2に分岐させた。これにより液滴Dに照射される一対のレーザ光を1つのレーザ光源32で生成することができ、レーザ照射部31の簡素な構成とすることができる。
(5) In the
(6)また、第1レーザ成形部40a及び第2レーザ成形部40bをハーフミラー34と目標経路TLとの間に配設したことにより、強度分布及び形状を変換してから液滴Dに照射されるまでにおける第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2の回折を抑制することができる。すなわち、目標経路TLにおける強度分布を精度よく実現させることができる。
(6) Further, by arranging the first
(7)上記実施形態によれば、第1レーザ成形部40a及び第2レーザ成形部40bによって第1及び第2レーザ光Le1,Le2のZ方向における断面形状を液滴Dの飛行空間と整合させた。これにより、各レーザ光のエネルギーの全体が確実に飛行空間へと投入される。それゆえ各レーザ光のエネルギー損失を抑制した上で目標経路TL上に導くことができ、レーザ光の利用効率を向上させることができる。
(7) According to the above embodiment, the first
尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態の第1レーザ成形部40a及び第2レーザ成形部40bには、レーザ光のZ方向における断面形状を飛行空間に整合させるシリンドリカルレンズ41a,41bをそれぞれ配置したが、DOE42a及びDOE42bによって同断面形状を飛行空間に整合可能であれば、シリンドリカルレンズ41a,41bを割愛してもよい。
In addition, you may change the said embodiment as follows.
In the first
・上記実施形態におけるレーザ照射部31の光学系では、第1レーザ成形40a部及び第2レーザ成形部40bをハーフミラー34よりも目標経路TL側に配置した。これに限らず、液滴Dに照射されるレーザ光の強度分布をガウシアン分布から上述の強度分布に変換する上では、レーザ成形部をハーフミラー34に対してレーザ光源32の側に配置するようにしてもよい。
In the optical system of the
・上記実施形態におけるレーザ照射部31の光学系では、第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2の光軸をノズルNの配列方向に対して傾斜角θだけ傾斜させた。これに限らず、第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2の光軸をノズルNの配列方向に対して傾斜させずに、同配列方向と一致するようにしてもよい。このとき、吐出ヘッド15の各ノズルNからはそれぞれ異なる吐出タイミングで液滴Dを順次吐出することで、全ての液滴Dに対してレーザ光を照射することができる。
In the optical system of the
・上記実施形態におけるレーザ照射部31の光学系では、飛行中の液滴Dに対して両側からレーザ強度の等しいレーザ光を照射した。これに限らず、例えば、液滴Dの重量が大きく飛行速度が速い場合など、飛行曲がりが微小である場合や飛行曲がりが発生しても着弾位置の位置ずれが許容できるような描画パターンにおいては、液滴Dに対して片側からのみ所望の強度分布に変換されたレーザ光を照射するようにしてもよいし、レーザ強度の
異なるレーザ光を両側から照射するようにしてもよい。このような場合であっても強度分布を所望の強度分布に変換した分だけ乾燥効率の向上及び着弾位置の位置ずれの抑制を図ることができる。
-In the optical system of the
・上記実施形態におけるレーザ照射部31の光学系では、1つのレーザ光源32から出射された基本レーザ光Leをハーフミラー34にて第1レーザ光Le1と第2レーザ光Le2とに分割することで、飛行中の液滴Dの両側から照射される一対のレーザ光を生成した。これに限らず、飛行中の液滴Dの両側からレーザ光を照射する上では、一対のレーザ光のそれぞれに同じ強度のレーザ光を出射させるレーザ光源を用いてもよい。この構成によれば、ハーフミラー34を割愛することができる。
In the optical system of the
・上記実施形態では、強度分布が変換されたレーザ光を飛行中の液滴Dに対して両側から照射した。これに限らず、液滴Dの着弾位置の位置ずれを抑制する上では、液滴Dに対して照射されるレーザ光のうち、一方のみの強度分布を変換するようにしてもよい。これによれば、一方のレーザ光の強度分布を変換した分だけ乾燥効率の向上と着弾位置の位置ずれの抑制を図ることができる。 In the above-described embodiment, the laser light whose intensity distribution has been converted is applied to the flying droplet D from both sides. However, the intensity distribution of only one of the laser beams irradiated to the droplet D may be converted in order to suppress the displacement of the landing position of the droplet D. According to this, it is possible to improve the drying efficiency and suppress the displacement of the landing position by the amount corresponding to the conversion of the intensity distribution of one of the laser beams.
・上記実施形態では、吐出ヘッド15にはノズルNからなるノズル列を1列とした。これに限らず、吐出ヘッド15に複数のノズル列を形成してもよい。このとき、第1レーザ光Le1及び第2レーザ光Le2がノズルNから吐出される全ての液滴Dに照射されるように該レーザ光の光軸の傾斜角θを適宜変更するとよい。
In the above embodiment, the
・上記実施形態では、グリーンシートGSに導電性微粒子を含んだ導電性インクIkを吐出して金属配線を描画する液滴吐出装置10に具体化した。これに限らず、飛行中の液滴にレーザ光を照射して乾燥させるのであれば、例えば絶縁パターンを描画するパターン形成装置など、他の用途のパターン形成装置に適用することもできる。
In the embodiment described above, the liquid
・上記実施形態では、圧電素子駆動方式の液滴吐出装置10に具体化した。これに限らず、吐出ヘッドから液滴を吐出するという観点からは、抵抗加熱方式や静電駆動方式の吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置に具体化してもよい。
In the embodiment described above, the piezoelectric element driving type
・上記実施形態のレーザ照射部31の光学系では、目標経路TLの全体に対してレーザ光が照射される態様としたが、レーザ光を照射して所定量の蒸発成分を蒸発させる上では、目標経路TLに対して部分的にレーザ光を照射する態様であってもよい。
-In the optical system of the
また、液滴Dに照射されるレーザ光の強度分布の全体を平坦な強度分布にした。これに限らず、飛行中の液滴にレーザ光を照射して所定量の蒸発成分を蒸発させる場合において、その目標経路TLにおける強度が最も高い領域の部分の強度分布を平坦にするようにしてもよい。こうした構成においても液滴Dの突沸を抑制しつつ乾燥効率を向上させることができる。 In addition, the entire intensity distribution of the laser light applied to the droplet D was made flat. Not limited to this, in the case where a predetermined amount of evaporation component is evaporated by irradiating a droplet in flight with laser light, the intensity distribution in the region with the highest intensity in the target path TL is made flat. Also good. Even in such a configuration, it is possible to improve the drying efficiency while suppressing the bumping of the droplet D.
θ…傾斜角、D…液滴、N…ノズル、T…格子点、θ1…傾斜角、Da…外周端、Db…外周端、DL…ドットパターン格子、Dx…ノズルピッチ、Dy…吐出ピッチ、PG…プラテンギャップ、GS…グリーンシート、Ik…導電性インク、Le…基本レーザ光、PZ…圧電素子、TL…目標経路、GSa…描画面、Le1…第1レーザ光、Le2…第2レーザ光、Le10…レーザ光、Le20…レーザ光、10…液滴吐出装置、11…基台、12…ステージ、13…ガイド部材、14…インクタンク、15…吐出ヘッド、16…キャリッジ、17…ヘッド基板、17a…接続端子、20…ヘッド本体、20T…供給チューブ、21…ノズルプレート、21a…ノズル形成面、22…キャビティ、23…振動板、31…レーザ照射部、32…レーザ光源、32a…YAGレーザ発振器、32b…高調波ユニット、33…コリメートレンズ、34…ハーフミラー、35…反射ミラー、36…反射ミラー、37…反射ミラー、38…反射ミラー、39…反射ミラー、40a…第1レーザ成形部、40b…第2レーザ成形部、41a…シリンドリカルレンズ、41b…シリンドリカルレンズ、42a…DOE、42b…DOE。 theta ... inclination angle, D ... liquid droplets, N ... nozzle, T ... grid point, theta 1 ... inclination angle, Da ... outer circumferential edge, Db ... outer circumferential edge, DL ... dot pattern lattice, Dx ... nozzle pitch, Dy ... discharge pitch , PG ... platen gap, GS ... green sheet, Ik ... conductive ink, Le ... basic laser beam, PZ ... piezoelectric element, TL ... target path, GSa ... drawing surface, Le1 ... first laser beam, Le2 ... second laser. Light, Le10 ... Laser light, Le20 ... Laser light, 10 ... Droplet ejection device, 11 ... Base, 12 ... Stage, 13 ... Guide member, 14 ... Ink tank, 15 ... Discharge head, 16 ... Carriage, 17 ... Head Substrate, 17a ... connecting terminal, 20 ... head body, 20T ... supply tube, 21 ... nozzle plate, 21a ... nozzle forming surface, 22 ... cavity, 23 ... diaphragm, 31 ... laser irradiation part, 3 ... Laser light source, 32a ... YAG laser oscillator, 32b ... harmonic unit, 33 ... collimating lens, 34 ... half mirror, 35 ... reflection mirror, 36 ... reflection mirror, 37 ... reflection mirror, 38 ... reflection mirror, 39 ... reflection mirror , 40a ... first laser molding part, 40b ... second laser molding part, 41a ... cylindrical lens, 41b ... cylindrical lens, 42a ... DOE, 42b ... DOE.
Claims (4)
飛行中の前記液滴にレーザ光を照射して所定量の前記蒸発成分を蒸発させるレーザ照射部と
を備え、
前記描画対象物上に前記液滴を着弾させることによってパターンを形成するパターン形成装置であって、
前記レーザ照射部は、
レーザ出射部と、
前記ノズルと前記液滴の着弾する位置との経路上において、前記レーザ光の強度分布が部分的に平坦となるように、前記レーザ光の強度分布を成形するレーザ成形部と、
を備えていることを特徴とするパターン形成装置。 An ejection head for ejecting and flying liquid droplets containing an evaporation component and a pattern forming material from a nozzle toward a drawing object;
A laser irradiation unit that irradiates the droplets in flight with laser light to evaporate a predetermined amount of the evaporation component;
A pattern forming apparatus for forming a pattern by landing the droplet on the drawing object,
The laser irradiation unit is
A laser emitting part;
A laser forming portion for shaping the intensity distribution of the laser beam so that the intensity distribution of the laser beam is partially flat on the path between the nozzle and the position where the droplet lands;
A pattern forming apparatus comprising:
前記レーザ成形部は、前記一対のレーザ光の少なくとも一方の強度分布を成形し、
前記レーザ照射部は、前記一対のレーザ光を前記経路を挟んで相対向する態様で前記液滴に照射する
請求項1に記載のパターン形成装置。 The laser emitting unit emits a pair of laser beams,
The laser shaping portion shapes the intensity distribution of at least one of the pair of laser beams,
The pattern forming apparatus according to claim 1, wherein the laser irradiation unit irradiates the droplets with the pair of laser beams in a state of being opposed to each other across the path.
前記レーザ成形部は、前記一対のレーザ光の各々の強度分布を成形する
請求項2に記載のパターン形成装置。 The laser emitting unit emits a pair of laser beams having the same intensity on the path,
The pattern forming apparatus according to claim 2, wherein the laser shaping unit shapes the intensity distribution of each of the pair of laser beams.
請求項2または3に記載のパターン形成装置。 The pattern forming apparatus according to claim 2, wherein the laser emitting unit includes a branching unit that branches basic laser light from one laser light source into the pair of laser beams.
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