JP6381902B2 - 塗布針ホルダ - Google Patents

Description

この発明は、塗布部材および塗布装置に関し、より特定的には、塗布針を用いて処理対象材に液体材料の液滴を塗布するための塗布部材および塗布装置に関する。

近年、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグなどの微細な回路を印刷（塗布）方式で形成するプリンテッドエレクトロニクス技術が急速に発展してきている。微細な回路や電極パターンを形成する方式としては、印刷方式、インクジェット方式などが一般的であるが、塗布針を用いた方式も、広範囲の粘度の材料を用いて微細な塗布が可能な点で、近年注目されている。

塗布針を用いて液体材料の微細な塗布を行う方法については、たとえば特開２００７−２６８３５３号公報に開示されているような塗布ユニットを用いる方法が提案されている。特開２００７−２６８３５３号公報に開示されている塗布ユニットは、微細パターンの欠陥修正を目的とするもので、広範囲な粘度の材料を用いて微細な塗布を行うことが可能である。

しかし、上記塗布ユニットでは、塗布針を駆動する駆動部（エアシリンダ）の駆動軸は１本のみで、駆動部と塗布針を固定支持するアームとは固着されておらず、駆動軸に取付られた駆動板から突出したピンで上記アームは支持されている。そして、塗布針を処理対象である基板に向けて下降させる場合は、駆動軸を移動させて上記ピンを下降させる（基板側に近づける）。すると、直動案内部材で支持されたアームと、当該アームに接続され塗布針を固定した塗布針固定板が、その自重で基板側へ移動（下降）し、塗布針が下降して基板へ接触する。

また、上記塗布ユニットにおいて、液体材料（塗布材料）を基板へ塗布する際には、塗布材料を付着させた塗布針の先端を塗布対象面に接触させることで、基板へ塗布材料を塗布する。この時、上述の塗布針固定板とアームおよび直動案内部材の可動部の質量が塗布針先端に負荷されることになる。一方、微細なパターンを描画するためには、塗布針先端もその径を細くする必要がある。そして、塗布針先端が細くなるほど、塗布針先端に作用する接触圧力（面圧）が高くなり、塗布時に塗布針先端が破損したり、基板表面（塗布対象面）に塗布針による打痕が発生したりする可能性が高くなる。このため、塗布対象である基板の材質にもよるが、塗布されるパターンのサイズを十分小さくすることが難しい場合がある。

一方で、上述のようなこの接触圧力の課題については、たとえば特開２０１３−１０９３１５号公報に開示されるような機構が提案されている。

特開２０１３−１０９３１５号公報では、上述した塗布針支持部（塗布針固定板とアームおよび直動案内部材の可動部）の質量を、マグネットの反発力や、バネを用いることで、見かけ上軽減させる方法が開示されている。この方法は、低速で塗布針先端を基板の塗布対象面に接触させる場合は効果がある。

特開２００７−２６８３５３号公報 特開２０１３−１０９３１５号公報

しかし、塗布針先端を塗布対象面に接触させる時の当該塗布針の移動速度（接触速度）が速くなると上記効果が薄れ、塗布針先端の破損や、塗布対象である基板へのダメージが発生する。これは、接触速度が速くなると、瞬間的に塗布針支持部の質量が塗布針先端に掛かってしまうからである。そのため、上記特開２０１３−１０９３１５号公報に開示された機構においては、塗布針の移動速度を速めることが難しかった。

ここで、製造効率を高めて製造コストを低減する観点から、ＲＦＩＤタグなどの微細な回路を短時間で描画することが求められる。そして、このような短時間での描画を実施するためには、塗布針先端サイズの小さい針で、できるだけ塗布速度を速くして塗布する必要がある。しかし、上述の塗布機構では、塗布針先端サイズを小さくし、かつ塗布速度を速めることは難しく、微細なパターンを描画するために長時間を要していた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本願発明の主たる目的は、微小な塗布針を用いて、高速で塗布可能な塗布部材およびそれを用いた塗布装置を提供することである。

この発明に従った塗布部材は、塗布針を含む塗布針ホルダと、塗布針ホルダを着脱可能に保持するベース体とを備える。塗布針ホルダは、筐体と、固定部材と、直動部材とを含む。固定部材は、筐体内部に配置され、塗布針が固定されている。直動部材は、筐体内部において、固定部材を一方向に移動可能に支持する。

この発明に従った塗布装置は、上記塗布部材と、塗布針により液体材料を塗布される処理対象材を保持する保持台とを備える。

本発明によれば、微小な塗布針を用いて、高速で塗布可能な塗布部材およびそれを用いた塗布装置が得られる。

本実施形態に従った塗布装置の模式図である。 図１に示した塗布装置の塗布機構を示す模式図である。 図２に示した塗布機構における塗布針ホルダの展開図である。 図２に示した塗布機構におけるベース体を示す模式図である。 図３に示した塗布針ホルダの斜視模式図である。 図３に示した塗布針ホルダの斜視模式図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施形態に従った塗布装置を説明する。図１を参照して、本発明の実施形態である塗布装置は、処理室と、当該処理室の内部に配置されたＹ軸テーブル２と、Ｘ軸テーブル１と、Ｚ軸テーブル３と、塗布機構４と、観察光学系６と、当該観察光学系６に接続されたＣＣＤカメラ７と、制御部とを主に備えている。制御部は、モニタ９と、制御用コンピュータ１０と、操作パネル８とを含む。

処理室の内部においては、当該処理室の底部上にＹ軸テーブル２が設置されている。このＹ軸テーブル２は、Ｙ軸方向に移動可能になっている。具体的には、Ｙ軸テーブル２の下面にガイド部が設置されている。当該ガイド部は、処理室の底面に設置されたガイドレールに摺動可能に接続されている。また、Ｙ軸テーブル２の下面にはボールねじが接続されている。当該ボールねじをモータなどの駆動部材により動作させることにより、Ｙ軸テーブル２はガイドレールに沿って（Ｙ軸方向に）移動可能になっている。また、Ｙ軸テーブル２の上部表面上は、処理対象材である基板５を搭載する搭載面となっている。

Ｙ軸テーブル２上には、Ｘ軸テーブル１が設置されている。Ｘ軸テーブル１は、Ｙ軸テーブル２をＸ軸方向に跨ぐように設置された構造体上に配置されている。Ｘ軸テーブル１には、Ｚ軸テーブル３が接続された移動体がＸ軸方向に移動可能に設置されている。移動体は、たとえばボールねじを用いてＸ軸方向に移動可能となっている。なお、Ｘ軸テーブル１は上記構造体を介して処理室の底面に固定されている。そのため、上述したＹ軸テーブル２は、Ｘ軸テーブル１に対してＹ軸方向に移動可能になっている。

Ｘ軸テーブル１に接続された移動体には、上述のようにＺ軸テーブル３が設置されている。Ｚ軸テーブル３には、観察光学系６および塗布機構４が接続されている。観察光学系６は塗布対象の基板５の塗布位置を観察するためのものである。ＣＣＤカメラは、観察した画像を電気信号に変換する。Ｚ軸テーブル３は、これらの観察光学系６および塗布機構４をＺ軸方向に移動可能に保持している。

これらのＹ軸テーブル２、Ｘ軸テーブル１、Ｚ軸テーブル３、観察光学系６および塗布機構４を制御するための制御用コンピュータ１０および操作パネル８、さらに制御用コンピュータに付随するモニタ９は、処理室の外部に設置されている。モニタ９は、上述したＣＣＤカメラ７で変換された画像データや、制御用コンピュータ１０からの出力データを表示する。操作パネル８は、制御用コンピュータ１０への指令を入力するために用いられる。

図２〜図６に示すように、塗布機構４は、サーボモータ４１、カム４３、当該カム４３のカム面に接触した状態で保持されている軸受４４、カム連結板４５、可動部４６および塗布針ホルダ２０を保持する可動ベース３５（図４参照）、塗布材料容器２１（図２参照）を主に含む。塗布針ホルダ２０は可動ベース３５と着脱可能になっている。

塗布機構４において、サーボモータ４１は、図１に示したＺ軸方向に沿った方向に中心軸が延びるように設置されている。サーボモータ４１の回転軸にはカム４３が接続されている。カム４３は、サーボモータ４１の中心軸を中心として回転可能になっている。カム４３は、サーボモータ４１の回転軸に接続された中心部と、当該中心部の一方端部に接続されたフランジ部とを含む。フランジ部の上部表面（サーボモータ４１側の表面）はカム面となっている。このカム面は、中心部の外周に沿って円環状に形成されているとともに、フランジ部の底面からの距離が変動するようにスロープ状に形成されている。具体的には、カム面は底面からの距離が最も遠くなっている（厚みの厚い）上端フラット領域と、この上端フラット領域から間隔を隔てて配置された下端フラット領域と、この上端フラット領域と下端フラット領域との間を滑らかに接続するスロープ部とを含む。下端フラット領域は、底面からの距離が最も近くなっている（厚みの薄い）領域である。

このカム４３のカム面に接するように軸受４４が配置されている。この軸受４４にカム連結板４５が接続されている。カム連結板４５において、軸受４４と接続された一方端部と反対側の他方端部は可動部４６に固定されている。この可動部４６には、可動ベース３５が接続されている。この可動ベース３５に塗布針ホルダ２０が設置されている。塗布針ホルダ２０は塗布針２４を含む。塗布針２４は、塗布針ホルダ２０の下面（サーボモータ４１が位置する側と反対側である下側）において塗布針ホルダ２０から突出するように配置されている。塗布針ホルダ２０下には塗布材料容器２１が配置されている。塗布材料容器２１に塗布針２４は挿入された状態で保持されている。

可動部４６には固定ピンが固定されている。また、サーボモータ４１を保持している架台には他方の固定ピンが固定されている。この固定ピンの間を繋ぐようにバネが設置されている。このバネにより、可動部４６は塗布材料容器２１側に向けた力を受けた状態になっている。また、このバネの力によって、軸受４４はカム４３のカム面に押圧された状態を維持している。

また、可動部４６、可動ベース３５は、サーボモータ４１を保持する架台に設置されたリニアガイドに接続され、Ｚ軸方向に沿って移動可能になっている。

上述した塗布機構４においては、サーボモータ４１を駆動することにより当該サーボモータ４１の回転軸を回転させてカム４３を回転させる。この結果、カム４３のカム面に接触している軸受４４のＺ軸方向における位置がサーボモータ４１の回転軸の回転に応じて変動する。そして、この軸受４４のＺ軸方向での位置変動に応じて、可動部４６、可動ベース３５がＺ軸方向に移動することにより、塗布針２４のＺ軸方向における位置を変化させることができる。

塗布針ホルダ２０は、図３に示すように、ホルダベース２２と、塗布針２４が固定された塗布針固定板２５と、ホルダ蓋２３と、を主に含んでいる。ホルダベース２２の内部には、塗布針２４を接着固定した塗布針固定板２５を収容するための凹部が形成されている。また、この凹部内にはリニアガイド２６が固定されている。リニアガイド２６は、塗布針固定板２５の移動方向を規定するために配置されている。塗布針固定板２５はリニアガイド２６に接触した状態で保持されている。

また、塗布針固定板２５において塗布針２４が固定された一方端部と反対側の他方端部には、弾性部材としてのバネ２７が接続されている。このバネ２７は、塗布針固定板２５の他方端部とホルダ蓋２３におけるバネ受け２８との間に挟まれた状態で配置される。このバネ２７がある程度圧縮された状態で配置されることで、塗布針固定板２５を塗布針２４側へ押圧した状態とすることができる。このため、塗布針２４を上下移動させたときに、塗布針２４の位置がずれる（上下方向にホルダベースに対して変動する）ことを防止できる。さらに、このバネ２７は、塗布針２４が処理対象材である基板５の表面に接触したときに当該塗布針２４に過大な応力が加わった場合に、弾性変形することで当該応力を吸収する。

なお、塗布針２４が基板５の表面に接触したときに塗布針２４に加わる応力の値は、バネ２７からの力に影響されるため、当該バネ２７が塗布針固定板２５に対して加える力は、塗布針２４を基板側の位置に保持するために必要な最低限の値となるように調整されることが好ましい。

ホルダ蓋２３には、当該ホルダ蓋２３をホルダベース２２に固定するために用いるネジを通すための長孔２９が形成されている。この長孔２９は、ホルダ蓋２３をホルダベース２２に設置した場合に、リニアガイド２６が延びる方向（すなわち塗布針２４が移動する方向）に沿った方向に長軸を有するように形成されている。この結果、ホルダベース２２に対するホルダ蓋２３の位置を、当該長孔の長軸方向において変更したうえで、ホルダ蓋２３をホルダベース２２に固定することができる。したがって、ホルダ蓋２３のホルダベース２２に対する位置を変更することで、結果的にバネ受け２８と塗布針固定板２５の端部との間の距離（バネ２７が配置される領域の大きさ）を変更できる。したがって、塗布針ホルダ２０を組み立てるときに、たとえばバネ２７により塗布針２４の先端部に加えられる力を測定しながらホルダ蓋２３をホルダベース２２に固定してもよい。

図４〜図６に示すように、塗布機構４においては、可動ベース３５に対して塗布針ホルダ２０が着脱可能になっている。具体的には、塗布針ホルダ２０においては、可動ベース３５と対向することになる表面（ホルダベース２２の表面）に複数の（図６では２つの）マグネット３２が配置されている。また、可動ベース３５にも、複数の（図４では２つの）マグネット３３が配置されている。マグネット３２とマグネット３３とが互いに吸着することにより、塗布針ホルダ２０を可動ベース３５に設置することができる。そして、マグネット３２とマグネット３３との位置を調節することにより、マグネット３２とマグネット３３との間に作用する磁力により塗布針ホルダ２０を可動ベース３５へ吸着したときに、塗布針ホルダ２０の位置を正確に位置決めできる。たとえば、塗布針ホルダ２０の基準面３０が可動ベース３５における基準面３４に押圧されるとともに、塗布針ホルダ２０の基準面３１が可動ベース３５の基準面３６に押圧された状態とすることができる。このような状態は、たとえば塗布針ホルダ２０を可動ベース３５に設置したときに、互いに対向する塗布針ホルダ２０のマグネット３２の位置より、可動ベース３５のマグネット３３の位置を、基準面３４、３６寄りに配置しておくことで、マグネット３２、３３間の磁力により塗布針ホルダ２０に対して基準面３４、３６側へ向かう吸引力（図４の矢印により示す方向の吸引力）を加えることができる。この結果、可動ベース３５に対して塗布針ホルダ２０を位置精度の高い状態で再現性良く固定できる。

次に、図１〜図６に示した塗布装置の動作を説明する。
図１に示した塗布装置において、回路パターンを描画する場合は、まず、塗布対象である基板５における描画する領域を観察光学系６の直下までＸ軸テーブル１およびＹ軸テーブル２を動作させて移動させる。そして、観察光学系６で描画開始位置を観察・確認し、描画開始位置を決定する。決定した描画開始位置を基準にして、塗布針２４を突出させた時に、塗布針２４の先端が基板５の表面に接触する位置までＺ軸テーブル３を動作させ、塗布機構４を下降させる。その後、サーボモータ４１を動作させ、塗布針２４を突出させて、塗布針２４の先端に付着した液体材料を基板５の表面に接触させる。具体的には、描画開始位置から、描画するべき位置が塗布機構４の直下に位置するようにＸ軸テーブル１およびＹ軸テーブル２を用いて基板５を移動させる。そして、移動が完了した時点で、塗布針２４を突出させた時に、塗布針２４の先端が基板５の表面に接触する位置まで、Ｚ軸テーブル３で塗布機構４を下降させる。そして、塗布機構４のサーボモータ４１を駆動して、塗布針２４を突出させて基板５へ液体材料の塗布を行う。連続して塗布する場合は、次の描画位置が塗布機構４の直下に位置するように、Ｘ軸テーブル１およびＹ軸テーブル２で基板５を移動させ、塗布機構４のサーボモータ４１を駆動して塗布を行う。この動作を繰り返すことで、基板５表面に回路パターンを描画する。全ての塗布が完了した後、Ｚ軸テーブル３を用いて塗布機構４を上昇させる。

なお、塗布針２４の下降端位置と観察光学系６のフォーカス位置の関係は予め制御部において記憶されている。描画時には、観察光学系６で画像のフォーカスを合わせた位置をＺ軸方向基準にし、塗布針２４を突出させた時に、塗布針２４が基板５に接触する高さまで、Ｚ軸テーブル３で塗布機構４のＺ軸方向位置を移動させてから、塗布機構４のサーボモータ４１を駆動して、塗布針２４を突出させて塗布を行う。

また、描画する回路パターンの面積が広く、描画途中での基板５の基板面高さの変化が大きい場合は、必要に応じて描画動作の途中でフォーカス位置を確認し、塗布針２４のＺ軸方向での位置を修正してから塗布を行う。この時のフォーカス位置の調整は、画像処理を用いて自動でフォーカス調整する方法でも良いし、レーザセンサ等を用いて、常に基板５の表面の高さ位置を検出し、リアルタイムでフォーカスに関して補正を行なう方法でも良い。

ここで、上述した実施の形態と一部重複する部分もあるが、本発明の特徴的な構成を列挙する。

（１） この発明の実施形態に従った塗布部材（塗布機構４）は、塗布針２４を含む塗布針ホルダ２０と、塗布針ホルダ２０を着脱可能に保持するベース体とを備える。塗布針ホルダ２０は、筐体（ホルダベース２２、ホルダ蓋２３）と、固定部材（塗布針固定板２５）と、直動部材（リニアガイド２６）とを含む。固定部材（２５）は、筐体（２２、２３）内部に配置され、塗布針２４が固定されている。直動部材（２６）は、筐体（２２、２３）内部において、固定部材（２５）を一方向に移動可能に支持する。

このようにすれば、塗布針ホルダ２０が塗布針２４と当該塗布針２４を一方向に移動可能に支持する直動部材（２６）とを含むことにより、当該直動部材（２６）が塗布針ホルダ２０と別体で配置される場合より塗布部材（４）を小型化、軽量化できる。このため、塗布針２４を処理対象材（塗布対象材である基板５）の表面に接触させるときに塗布針２４の移動速度が速い場合であっても、当該塗布針２４に付加される荷重を従来より小さくできる（たとえば、塗布針２４を支持する部分の質量を従来の１０％程度にまで軽減できる）。したがって、塗布針２４の小径化および塗布速度の高速化が可能となる。

（２） 上記塗布部材（４）において、塗布針ホルダ２０は、塗布針ホルダ２０から塗布針２４が突出する方向に向けて、固定部材（２５）に押圧力を加える弾性部材（バネ２７）をさらに含んでいてもよい。この場合、弾性部材（２７）により塗布針２４に対して一定の応力を加えておくことができるので、塗布部材（４）を移動させるときに、塗布針ホルダ２０における塗布針２４の相対的な位置が変動することを抑制し、塗布針２４の位置精度を高めることができる。

（３） 上記塗布部材（４）では、塗布針ホルダ２０において、筐体（２２、２３）は第１筐体部分（ホルダベース２２）と第２筐体部分（ホルダ蓋２３）とを含んでいてもよい。固定部材（２５）は第１筐体部分（２２）に直動部材（２６）を介して接続されていてもよい。弾性部材（２７）は、固定部材（２５）の一部と第２筐体部分（２３）の一部（バネ受け２８）とにそれぞれ接触するように配置されていてもよい。第１筐体部分（２２）と第２筐体部分（２３）とは、相対的な位置関係を変更可能になっていてもよい。

この場合、第１筐体部分（２２）と第２筐体部分（２３）との相対的な位置関係を変更することにより、固定部材（２５）の一部（塗布針固定板２５の上端部）と第２筐体部分（２３）の一部（バネ受け２８）との間の距離（つまり弾性部材（２７）が配置されるべき空間の大きさ）を任意に変更できる。したがって、当該距離を調整することで、弾性部材（２７）が固定部材（２５）の一部と第２筐体部分（２３）の一部（２８）との間に配置されたときに当該弾性部材（２７）が圧縮される程度（つまり固定部材（２５）が弾性部材（２７）より受ける応力の大きさ）を調整できる。

（４） この発明の実施形態に従った塗布装置は、上記塗布部材（４）と、塗布針２４により液体材料を塗布される処理対象材（基板５）を保持する保持台（Ｙ軸テーブル２）とを備える。このようにすれば、小型化した塗布針２４を用いて高速に塗布を行なうことが可能な塗布装置を実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、導電性のパターン描画や、導電性パターンのオープン欠陥の修正、さらにはＲＦＩＤタグなどの微細な回路パターンの形成や欠陥修正、導電性接着剤の塗布などを実施するための塗布部材および液体材料塗布装置に特に有利に適用される。

１ Ｘ軸テーブル、２ Ｙ軸テーブル、３ Ｚ軸テーブル、４ 塗布機構、５ 基板、６ 観察光学系、７ ＣＣＤカメラ、８ 操作パネル、９ モニタ、１０ 制御用コンピュータ、２０ 塗布針ホルダ、２１ 塗布材料容器、２２ ホルダベース、２３ ホルダ蓋、２４ 塗布針、２５ 塗布針固定板、２６ リニアガイド、２７ バネ、２９ 長孔、３０，３１，３４，３６ 基準面、３２，３３ マグネット、３５ 可動ベース、４１ サーボモータ、４３ カム、４４ 軸受、４５ カム連結板、４６ 可動部。

Claims (3)

1. 筐体と、
   固定部材とを含み、前記固定部材の少なくとも一部は前記筐体の内部に配置されており、さらに、
   前記固定部材に固着されている塗布針と、
   前記筐体の前記内部に配置されており、かつ、前記固定部材に接触した状態で前記固定部材を移動可能に支持する直動部材と、
   前記筐体の前記内部に配置されている弾性部材とを含む、塗布針ホルダであって、
   前記塗布針ホルダは、前記塗布針を用いて塗布材料を塗布する際に前記塗布針を移動させる移動機構に着脱可能に保持されるように構成されており、
   前記塗布針ホルダは、前記移動機構と、前記塗布材料を収容する容器とを含んでおらず、
   前記弾性部材は、前記塗布針ホルダから前記塗布針が突出する方向に向けて前記固定部材に押圧力を加えるように構成されており、前記方向は、前記直動部材によって移動可能に支持されている前記固定部材の移動方向に沿っている、塗布針ホルダ。
2. 前記筐体は第１筐体部分と第２筐体部分とを含み、
   前記固定部材は前記第１筐体部分に前記直動部材を介して接続されており、
   前記弾性部材は、前記固定部材の一部と前記第２筐体部分の一部とにそれぞれ接触しており、かつ、前記固定部材の前記一部と前記第２筐体部分の前記一部との間に圧縮された状態で配置されており、
   前記第１筐体部分と前記第２筐体部分とは、前記方向において相対的な位置関係を変更可能に構成されている、請求項１に記載の塗布針ホルダ。
3. 前記固定部材の一部分が前記筐体から突出している、請求項１または請求項２に記載の塗布針ホルダ。

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