(57)【要約】【課題】プリントヘッドから吐出される液体材料の液滴を確実に撮像する。【解決手段】液滴分析／液滴検査システムは、実際の圧電マイクロデポジションシステムの動作をエミュレートするために、分析の間、複数のプリントヘッドが静止したままであることを可能にする。システムは、個々のノズル噴出口の正確な調整を提供し、且つ、液滴分析／液滴検査と並行して、基板を載置及び位置合わせすることを可能にする。液滴分析／液滴検査システムは、ステージの動きを指示する動きコントローラと、基板上に被着されるべき流体材料の液滴を選択的に噴出するようにプリントヘッドを制御するプリントヘッドコントローラと、プリントヘッドに対して移動するために、ステージによって支持されるカメラとを有する。カメラは、モーションコントローラからの信号を受信して、カメラの露光を開始し、プリントヘッドによって噴出される流体材料の液滴の画像を撮像する。発光デバイスが、カメラの露光中、カメラからの信号を受信して、液体の液滴を含む領域に光を供給するストロボコントローラを有する。【選択図】  図３【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージと、
前記ステージの移動を指示するためのモーションコントローラと、
プリントヘッドと、
基板上に堆積されるべき流体材料の液滴を選択的に吐出するように前記プリントヘッドを制御するために、前記モーションコントローラと通信するプリントヘッドコントローラと、
前記プリントヘッドに対して移動するために、前記ステージによって支持され、前記モーションコントローラから第１のトリガ信号を選択的に受信して、露光及び前記プリントヘッドから吐出される前記流体材料の液滴の画像の撮像を開始するカメラと、
前記露光中に、前記カメラから第２のトリガ信号を選択的に受信して、前記液滴を含む領域に光パルスを供給するストロボコントローラを有する発光デバイスと
を具備する分析システム。
【請求項２】
請求項１に記載の分析システムであって、
前記カメラと通信するコンピュータ
をさらに具備する分析システム。
【請求項３】
請求項２に記載の分析システムであって、
前記コンピュータは前記カメラから遠隔設置される
分析システム。
【請求項４】
請求項２に記載の分析システムであって、
前記カメラは、前記露光後に画像データを前記コンピュータに送信する
分析システム。
【請求項５】
請求項２に記載の分析システムであって、
前記コンピュータは、プロセッサと、前記カメラから受信したデータと比較するための、
前記プリントヘッドの所定の動作パラメータを記憶するメモリとを有する
分析システム。
【請求項６】
請求項１に記載の分析システムであって、
前記プリントヘッドコントローラは、前記モーションコントローラからの支持を選択的に受信して、前記流体材料の液滴を前記基板上に堆積させる
分析システム。
【請求項７】
請求項１に記載の分析システムであって、
前記ストロボコントローラは、前記プリントヘッドコントローラ及び前記カメラと通信する
分析システム。
【請求項８】
請求項１に記載の分析システムであって、
前記プリントヘッドに近接して設けられた反射性材料
をさらに具備する分析システム。
【請求項９】
請求項８に記載の分析システムであって、
前記反射性材料は、前記カメラの露光中に、前記発光デバイスと前記プリントヘッドとの間の光路を折り曲げて、前記発光デバイスからの光を、前記流体材料の液滴を含む領域を通らせて前記カメラへと誘導する
分析システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の分析システムであって、
前記ステージは前記プリントヘッドに対して、互いに垂直なＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動可能である
分析システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の分析システムであって、
前記Ｘ軸方向、前記Ｙ軸方向、及び前記Ｚ軸方向のうちの少なくとも１つは、吐出平面を含み、
前記カメラは、前記吐出平面において、前記流体材料の液滴の速度データを取得する
分析システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の分析システムであって、
前記プリントヘッドは、前記カメラの前記露光及び前記発光デバイスの照明中は静止している
分析システム。
【請求項１３】
請求項１に記載の分析システムであって、
前記基板は、前記カメラの露光及び前記発光デバイスの照明と並行して前記分析システムにロード可能である
分析システム。
【請求項１４】
請求項１に記載の分析システムであって、
前記カメラは、前記流体材料の液滴の画像を、前記流体材料の液滴の体積に基づく所定数撮像する
分析システム。
【請求項１５】
プリントヘッドコントローラと、
前記プリントヘッドコントローラからの指示に応じて、基板上に堆積されるべき流体材料の液滴を選択的に吐出するプリントヘッドと、
前記プリントヘッド及び前記プリントヘッドコントローラに対して移動可能なステージと、
前記ステージの前記プリントヘッドに対する移動を指示するモーションコントローラと、
前記プリントヘッドに対して移動するために、前記ステージによって支持されるカメラと、
前記プリントヘッドコントローラに、前記プリントヘッドからの前記流体材料の液滴の吐出をトリガする一連の信号を送出し、且つ、発光デバイスに、前記カメラの露光中に前記流体材料の液滴の領域を照明させる信号を提供するストロボコントローラと
を具備する分析システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の分析システムであって、
前記プリントヘッドに供給される前記信号の周波数は、前記プリントヘッドの液滴周波数と実質的に等しい
分析システム。
【請求項１７】
請求項１５に記載の分析システムであって、
前記ストロボコントローラは、前記プリントヘッドからの前記流体材料の液滴の吐出と同期して、前記カメラの露光をトリガする
分析システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の分析システムであって、
前記ストロボコントローラは、所望の画像が記憶されたリストを有し、且つ、前記プリントヘッドからの前記流体材料の液滴の放出後の遅延時間に基づいて、前記カメラの露光をトリガする
分析システム。
【請求項１９】
請求項１５に記載の分析システムであって、
前記プリントヘッドに近接して設けられた反射性材料
をさらに具備する分析システム。
【請求項２０】
請求項１５に記載の分析システムであって、
前記反射性材料は、前記カメラの露光中に、前記発光デバイスと前記プリントヘッドとの間の光路を折り曲げて、前記発光デバイスからの光を、前記流体材料の液滴を含む領域を通らせて前記カメラへと誘導する
分析システム。
【請求項２１】
請求項１５に記載の分析システムであって、
前記ステージは前記プリントヘッドに対して、互いに垂直なＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動可能である
分析システム。
【請求項２２】
請求項２１に記載の分析システムであって、
前記Ｘ軸方向、前記Ｙ軸方向、及び前記Ｚ軸方向のうちの少なくとも１つは、吐出平面を含み、
前記カメラは、前記吐出平面において、前記流体材料の液滴の速度データを取得する
分析システム。
【請求項２３】
請求項１５に記載の分析システムであって、
前記プリントヘッドは、前記カメラの前記露光及び前記発光デバイスの照明中は静止している
分析システム。
【請求項２４】
請求項１５に記載の分析システムであって、
前記基板は、前記カメラの露光及び前記発光デバイスの照明と並行して前記分析システムにロード可能である
分析システム。
【請求項２５】
請求項１５に記載の分析システムであって、
前記カメラは、前記流体材料の液滴の画像を、前記流体材料の液滴の体積に基づく所定数撮像する
分析システム。
【請求項２６】
基板上に堆積されるべき流体材料の液滴を選択的に吐出するプリントヘッドと、
前記プリントヘッドに対する移動を指示するためのモーションコントローラを有するステージと、
前記プリントヘッドに対して移動するために、前記ステージによって支持されるカメラと、
前記カメラの露光中に、前記流体材料の液滴を含む領域を選択的に照明する発光デバイスと、
前記カメラの露光中に、前記発光デバイスと前記プリントヘッドとの間の光路を折り曲げて、前記発光デバイスからの光を、前記流体材料の液滴を含む領域を有する視野を通らせて前記カメラへと誘導するために、前記プリントヘッドに近接して設けられる反射性材料と
を具備する分析システム。
【請求項２７】
請求項２６に記載の分析システムであって、
前記反射性材料は、プリズム及びミラーのうちの少なくとも１つである
分析システム。
【請求項２８】
請求項２６に記載の分析システムであって、
前記流体材料の液滴と前記カメラとの間に設けられた少なくとも１つのミラー
をさらに具備する分析システム。
【請求項２９】
請求項２８に記載の分析システムであって、
前記少なくとも１つのミラーは、前記受光された光を、前記流体材料の液滴を通して前記カメラのレンズへと誘導する
分析システム。
【請求項３０】
請求項２６に記載の分析システムであって、
前記流体材料の液滴と前記カメラとの間に設けられた少なくとも１つのレンズ
をさらに具備する分析システム。
【請求項３１】
請求項２６に記載の分析システムであって、
前記ステージは、前記プリントヘッドに対して、互いに垂直なＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動可能である
分析システム。
【請求項３２】
請求項３１に記載の分析システムであって、
前記Ｘ軸方向、前記Ｙ軸方向、及び前記Ｚ軸方向のうちの少なくとも１つは、吐出平面を含み、
前記カメラは、前記吐出平面において、前記流体材料の液滴の速度データを取得する
分析システム。
【請求項３３】
請求項２６に記載の分析システムであって、
前記プリントヘッドは、前記カメラの前記露光及び前記発光デバイスの照明中は静止している
分析システム。
【請求項３４】
請求項２６に記載の分析システムであって、
前記基板は、前記カメラの露光及び前記発光デバイスの照明と並行して前記分析システムにロード可能である
分析システム。
【請求項３５】
請求項２６に記載の分析システムであって、
前記視野は、第１の方向又は第２の方向において、およそ０．６ミリメートル〜１．５ミリメートルである
分析システム。
【請求項３６】
請求項２６に記載の分析システムであって、
前記カメラの被写界深度はおよそ２０ミクロン〜８０ミクロンである
分析システム。
【請求項３７】
請求項２６に記載の分析システムであって、
前記視野は、第１の方向においておよそ０．６ミリメートル〜１．５ミリメートルであり、第２の方向においておよそ０．６ミリメートル〜１．５ミリメートルであり、前記カメラの被写界深度はおよそ２０ミクロン〜８０ミクロンである
分析システム。
【請求項３８】
請求項２６に記載の分析システムであって、
前記カメラは、前記流体材料の液滴の画像を、前記流体材料の液滴の体積に基づく所定数撮像する
分析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、液滴分析システムに関し、より詳細には、圧電マイクロデポジション装置と共に使用するための改良された液滴分析システムに関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本願は、２００５年４月２５日付けで出願された米国仮特許出願第６０／６７４，５８４号、同第６０／６７４，５８５号、同第６０／６７４，５８８号、同第６０／６７４，５８９号、同第６０／６７４，５９０号、同第６０／６７４，５９１号、及び同第６０／６７４，５９２号の利益を主張するものである。上記出願の開示は、参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００３】
本章での記述は、単に本開示に関する背景情報を提供するに過ぎず、先行技術を構成するものではない。
【０００４】
電気プリントシステムは通常、基板等の被加工物上に流体材料を選択的に堆積させる一連のプリントヘッドを有する。プリントヘッド及び／又は基板は、所定の構成を有する基板の表面上に流体材料のパターンを形成するために、相対的に移動可能である。こうしたシステムの１つは、圧電マイクロデポジションシステム（ＰＭＤ）であり、ＰＭＤシステムは、ＰＭＤシステムのプリントヘッドに対応する圧電素子に選択的に電流を印加することによって、流体材料を基板の表面上に堆積させる。
【０００５】
従来のＰＭＤシステムは、各プリントヘッドから堆積される液体材料が、所定の形状及び／又は体積を有することを確実にするための、ＰＭＤシステムのそれぞれのプリントヘッドに対応する液滴分析システムを有することがある。各プリントヘッドから堆積される流体材料の形状及び体積を制御することにより、基板の表面上に形成される流体材料のパターンが制御される。
【特許文献１】特開平１１−３４２６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の液滴分析システムは、ＰＭＤシステムのプリントヘッドと、対応する液滴分析システムの据え付けハードウェアとの間に十分な間隙を提供するために、通常、流体材料の液滴位置から約３０ミリメートル〜１２０ミリメートルに位置する、直径が大きいレンズ及び照明装置を有する。したがって、従来の液滴分析システムは扱いにくく、ＰＭＤシステムに対して適切に配置することが難しい。
【０００７】
通常、液滴分析システムは、液滴がＰＭＤシステムのプリントヘッドから吐出されると、それらを照明するために協調する発光デバイス（ＬＥＤ）及び拡散スクリーンを使用する。ＬＥＤからの光と、プリントヘッドからの液滴の相互作用が、液滴の輪郭を照明し、この輪郭をカメラによって撮像することができる。従来のシステムは通常、カメラが高コントラストの画像を撮像するのに十分な液滴の照明を実現するために、ＬＥＤからの長い光パルス（すなわち、２ＵＳＥＣ〜５ＵＳＥＣ）を必要とする。液滴は各プリントヘッドから速い吐出速度（最高８メートル／秒）で放出されるため、ＬＥＤの長い光パルスは、液滴の「ぼけ」をもたらすことがある。例えば、２ＵＳＥＣのパルスは、カメラによって撮像された液滴の画像を、１６ミクロン（液滴自体の大きさのほぼ５０パーセント）ぼけさせることがある。このようなぼけは、液滴の真の面積及び直径を著しく不明確にし、１つの液滴の読み取りが５パーセント程度も変化することになる。従来のシステムは、液滴の体積を測定する際には１パーセントの精度を実現することができるが、このような正確な読み取りは、多数の画像サンプルを取得することによってしか実現することができず、それにより液滴分析システムの複雑性が増し、費用が高くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
液滴分析／液滴検査システムは、実際の圧電マイクロデポジションシステムの動作をエミュレートするために、分析の間、複数のプリントヘッドを静止したままにすることを可能にする。システムは、個々のノズル吐出口の正確な調整を提供し、且つ、液滴分析／液滴検査と並行して、基板をロード及び位置合わせすることを可能にする。液滴分析／液滴検査システムは、ステージの動きを指示するモーションコントローラと、基板上に堆積されるべき流体材料の液滴を選択的に吐出するようにプリントヘッドを制御するプリントヘッドコントローラと、プリントヘッドに対して移動するために、ステージによって支持されるカメラとを有する。カメラは、モーションコントローラからの信号を受信して、カメラの露光を開始し、プリントヘッドによって吐出される流体材料の液滴の画像を撮像する。発光デバイスが、カメラの露光中、カメラからの信号を受信して、液体の液滴を含む領域に光を供給するストロボコントローラを有する。
【０００９】
さらなる利用可能性のある領域が、本明細書において提供される説明から明らかになるであろう。本説明及び特定の例は、例示の目的のみを意図しており、本開示の範囲を限定することは意図していないことを理解されたい。
【００１０】
本明細書に記載される図面は、例示のみを目的としており、決して本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下の説明は、本質的に単なる例示に過ぎず、本開示、用途又は使用を限定することを意図していない。図面を通して、対応する参照符号は、同様の又は対応する部品及び特徴を示していることを理解されたい。
【００１２】
図１〜図３を参照すると、圧電マイクロデポジション（ＰＭＤ）システム１０が提供される。ＰＭＤシステム１０は、液滴検査分析及び液滴分析を実行することができる液滴撮像システム１２を有する。液滴撮像システム１２は、少なくとも１つのプリントヘッド１７から吐出される流体材料の画像を撮像するために、、ＰＭＤシステム１０の一連のプリントヘッド１７に対応して、Ｘ／Ｙ／Ｚステージ１５によって支持される液滴像撮像モジュール１４を有する。
【００１３】
本明細書において説明されるように、ＰＭＤシステム１０は、ユーザが定義したコンピュータ実行可能な命令に従って、基板２５等の被加工物上に流体材料を堆積させる。用語「コンピュータ実行可能な命令」は、本明細書において「プログラムモジュール」又は「モジュール」とも呼ばれ、概して、限定はしないが、ＰＭＤ工程を実施するのに必要なコンピュータ数値制御を実行するための、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等、又は、特定の抽象データ型を実施するもの若しくは特定のタスクを実行するものを含む。プログラムモジュールは、限定はしないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ若しくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置若しくは他の磁気記憶デバイス、又は命令若しくはデータ構造を記憶することができ、且つ汎用コンピュータ若しくは専用コンピュータによってアクセスすることができる任意の他の媒体を含む、任意のコンピュータ可読媒体に記憶されてもよい。
【００１４】
本明細書において定義する場合、用語「流体製造材料」及び「流体材料」は、低粘度の形態を想定することができ、且つ堆積される（例えば、微細構造を形成するためにＰＭＤシステム１０のプリントヘッド１７から基板２５上に堆積される）のに適した、いかなる材料をも含むように広く解釈される。流体製造材料は、限定はしないが、ポリマー発光ダイオードディスプレイデバイス（ＰＬＥＤ、及びＰｏｌｙＬＥＤ）を形成するのに用いることができる発光ポリマー（ＬＥＰ）を含んでもよい。流体製造材料はまた、プラスチック、金属、蝋、はんだ、はんだペースト、生物医学製品、酸、フォトレジスト、溶剤、接着剤、及びエポキシを含んでもよい。用語「流体製造材料」は、本明細書において「流体材料」と交換可能に言及される。
【００１５】
本明細書において定義する場合、用語「堆積（deposition）」は概して、流体材料の個々の小液滴を基板上に堆積させる工程を指す。用語「放出する」、「吐出する」、「パターニングする」、及び「堆積させる」は、本明細書において、例えばＰＭＤシステム１０のプリントヘッド１７からの流体材料の堆積を特に指して交換可能に使用される。用語「小液滴」及び「液滴」もまた、交換可能に使用される。
【００１６】
本明細書において定義する場合、用語「基板」は、圧電マイクロデポジション工程等の製造工程中に流体材料を受けるのに適した表面を有するいかなる被加工物又は材料をも含むように広く解釈される。基板は、限定はしないが、ガラス板、ピペットシリコンウェーハ、セラミックタイル、硬質プラスチック及び軟質プラスチック並びに金属のシート及びロールを含む。いくつかの実施形態では、堆積された流体材料が、製造工程中（例えば３次元微細構造を形成する際等）に流体材料を受けるのに適した表面を有する基板を形成することがある。
【００１７】
本明細書において定義する場合、用語「微細構造」は概して、高度な精密さで形成され、基板２５上に適合する大きさにされた構造を指す。種々の基板の大きさは様々であり得るため、用語「微細構造」は特定の大きさに限定されるように解釈されるべきではなく、用語「構造」と交換可能に使用することができる。微細構造は、流体材料の単一の小液滴、小液滴の任意の組み合わせ、又は、２次元層、３次元構造体、及び任意の他の所望の構造等の、小液滴（複数可）を基板２５上に堆積させることにより形成される任意の構造を含んでもよい。
【００１８】
図３を参照すると、液滴像撮像モジュール１４は、カメラ１６と、結像レンズ１８と、ミラー２２、２２ａと、プリズム２４とを有する。液滴像撮像モジュール１４は、発光デバイス（ＬＥＤ）２８を有する照明システム１９と、ＬＥＤストロボコントローラ２６と、少なくとも１つの集光レンズ３０とをさらに有する。
【００１９】
ミラー２２、２２ａとプリズム２４とは協調して、概してＬＥＤ２８とレンズ１８との間で、光路３２（潜望鏡の光路に類似した形態で、点鎖線によって表される）を折り曲げる。ミラー２２、２２ａ及びプリズム２４は、ＬＥＤ２８からの光が、レンズ１８及びカメラ１６によって受光される前に視野２１を通過するように、光路３２を折り曲げる。具体的には、プリズム２４は、ミラー２２、２２ａと共に「潜望鏡」として機能し、協調して光路３２をレンズ１８及びカメラ１６へとさらに誘導する。プリズム２４は、プリズム２４をＸ／Ｙ／Ｚステージ１５上に実装しやすくするために、小さい上端部分５０を有してもよい。
【００２０】
視野２１は、ＰＭＤシステム１０のプリントヘッド１７から吐出された液体材料が視野２１を通過し、それによりＬＥＤ２８によって照明されるように、ＰＭＤシステム１０のプリントヘッド１７に対して配置される。視野２１は、第１の方向においておよそ０．６ミリメートル〜１．５ミリメートルであり、第２の方向においておよそ０．６ミリメートル〜１．５ミリメートルである。例えば、視野２１はＸ軸方向におよそ０．９ミリメートル、且つＹ軸方向におよそ１．１ミリメートル延びていてもよい。Ｘ軸方向は概して、Ｙ軸方向に対して垂直であり得る。
【００２１】
一対のミラー２２、２２ａ及び１つのプリズム２４が開示されるが、光路３２が適切に曲げられ、ＬＥＤ２８からの光がレンズ１８およびカメラ１６に達する前に視野２１を通過するのならば、ミラー２２、２２ａのうちの少なくとも１つはプリズムと置き換えることができ、プリズム２４はミラーと置き換えることができる。ミラー及びプリズムの特定の構成は２つのミラー及び１つのプリズムに限定されず、ＬＥＤ２８からの光を、視野２１を通して最終的にレンズ１８及びカメラ１６へと適切に誘導する、ミラー及びプリズムの任意の組み合わせであってもよい。
【００２２】
カメラ１６は、６０フレーム／秒でおよそ６４０×４８０の分解能、及び２４０フレーム／秒でおよそ６４０×１００の低減した分解能の両方で動作することができる市販の固体カメラであってもよい。カメラ１６のイメージセンサ（図示せず）には、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ、又はＣＩＤ等の任意の適した技術が組み込まれてもよい。カメラ１６は、外部トリガ信号を受けて、直接か又は互換性のあるフレーム取り込み器を通じて、画像の取得を開始することができる。カメラ１６又はそのフレーム取り込み器もまた、必要であれば、カメラ１６がそのイメージセンサを露出させているときに、ＬＥＤストロボコントローラ２６にトリガ信号を提供して、ＬＥＤ２８をトリガすることができる。好適なカメラの一例は、ＩＥＥＥ  １３９４インタフェースを有し、したがってフレーム取り込み器が必要ない、Allied Vision社製の型番Ｆ０３３Ｂである。カメラ１６は、大多数のＣＭＯＳイメージセンサよりも感度が高く、固定パターンノイズが低いＣＣＤセンサをさらに有する。
【００２３】
レンズ１８は、従来のレンズであってもよく、視野２１及びカメラ１６の特定の構成に基づいて選択される。視野２１及び特定のカメラが選択されるのに加えて、レンズ１８も、分解能の必要性及び被写界深度の必要性のバランスをとるように、開口数（Ｆ値）に基づいて選択されるべきである。例えば、レンズ１８は、Thales-Optem社製の型番Ｂ５０及び型番ＦＴＭ  ３５０等の、無限遠補正対物レンズ及び結像レンズを有するアセンブリであってもよい。無限遠補正レンズ系を使用することにより、対物レンズ（すなわち、集光レンズ３０）及び結像レンズ（すなわち、レンズ１８）は、収差を大幅に増大させることなく、所定の距離だけ離間されることができる。集光レンズ３０のレンズ１８からの離間は、ＬＥＤ２８からの光が視野２１を通って最終的にレンズ１８及びカメラ１６へと誘導され得るように、ミラー２２、２２ａとプリズム２４とが協調することを通じて実現される。
【００２４】
集光レンズ３０をレンズ１８から離間することにより、液滴像撮像モジュール１４は小型の設計を維持することができる。ミラー２２、２２ａ及びプリズム２４を使用することなしには、ＬＥＤ２８をレンズ１８に概ね近接させて配置する（図３）ことはできず、むしろ、視野２１を透過されるＬＥＤ２８からの光がレンズ１８によって受光され得るように、レンズ１８に沿って配置しなければならないであろう。ＬＥＤ２８とレンズ１８とが視野２１のような概ね同じ平面内に配置されるように、ＬＥＤ２８をレンズ１８に沿って配置することは、液滴像撮像モジュール１４の全体のサイズを増大させ、したがって、ＰＭＤシステム１０への液滴撮像システム１２の設置の複雑性を増大させるであろう。
【００２５】
視野２１のサイズ及び配置は、液滴像撮像モジュール１４が使用される特定の用途に基づいている。例えば、視野２１のサイズは、水平方向に少なくとも０．８ミリメートル、及び垂直方向に約１．１ミリメートルになるように設計されてもよい。このような構成では、カメラ１６は、プリントヘッド１７から吐出される流体材料の液滴を垂直方向に走査するように方向付けられる。このような構成では、視野２１における空間分解能はおよそ１．７４ｐｍｌピクセルである。
【００２６】
レンズの開口数（すなわち、Ｆストップ）は、空間分解能に見合う光学分解能、及び用途の必要性に見合う被写界深度をもたらすように選択される。被写界深度は、液体材料の液滴が視野２１を通過するときに、プリントヘッド１７によって吐出されたときの液体材料の液滴の垂直方向の経路から生じ得るずれによって定められる。例えば、被写界深度は１０８マイクロメートルの範囲を有する±５４ミクロンであってもよいミクロン。好ましくは、被写界深度はおよそ２０ミクロン〜８０ミクロンである。
【００２７】
上記の視野２１及び被写界深度の範囲では、レンズ１８は０．１１の開口数（すなわち、Ｆストップ）を有し得る。レンズ１８が０．１１の開口数を有するように構成することにより、４５５ｎｍの照明波長、２．５１ミクロンの回折限界光学分解能、及び１４８ミクロンの範囲の幾何学的被写界深度がもたらされる。所望の分解能及び所望の被写界深度の範囲の両方を提供する開口数はないため、開口数の選択は、光学分解能と所望の被写界深度の範囲とのトレードオフになる傾向がある。
【００２８】
照明システム１９のＬＥＤ２８は、高出力の発光デバイスであり、拡散器２３の後ろに配置されてもよい。ＬＥＤ２８は、Lumiled Corporation社から市販されているＬｕｍｉｌｅｄ  Ｌｕｘｅｏｎ  IIIであってもよい。より高い回折限界分解能を得るには、より短い波長を使用することが好ましいので、ＬＥＤ２８は、４５５ｎｍの主波長を有することが好ましい。拡散器２３は、Reflexite Inc製材料で製造された、３．８度の広がり角を有する複製拡散器であってもよい。拡散器２３は、ＬＥＤ２８からの光を、最小限の光学的損失で均質化する。拡散器２３は、照明錐のサイズを制限する絞り（図示せず）を有し、この絞りが、視野２１がオーバーフィルされる度合いを制限する。
【００２９】
ＰＭＤシステム１０のプリントヘッド１７からの液滴の照明は概して、集光背面照明で実行される。実質的に球形の液滴を照明するのに必要とされる角度の範囲が問題となるため、前方照明は好ましくない。照明システム１９は背面照明を使用するため、ケーラー背面照明及びクリティカル背面照明が、液滴像撮像モジュール１４及びＰＭＤシステム１０と共に使用するために許容可能な形態である。クリティカル背面照明はより単純なシステムを提供するのに対して、ケーラー背面照明は、より高い照明均質性及びより良好な光学効率を提供するため、クリティカル背面照明よりも好ましい。
【００３０】
集光レンズ３０は、拡散器２３からの光を視野２１上に投影するための、従来型の集光構成を有する一対のフレネルレンズを含んでもよい。補助的なガラスレンズ（図示せず）をフレネルレンズと共に使用して、照明均質性を高めてもよい。補助的なガラスレンズをフレネルレンズに追加して使用してもよいが、このような構成は必須であるわけではなく、液滴像撮像モジュール１４及びＰＭＤシステム１０の構成に応じるものである。
【００３１】
ＬＥＤストロボコントローラ２６は、ＬＥＤ２８に波形信号を供給することによってＬＥＤ２８を制御する。ＬＥＤストロボコントローラ２６は、カメラ１６からトリガ信号を受信し、振幅及び継続期間の両方が調整可能な電流波形（すなわち、信号又はパルス）を、エネルギー源としてＬＥＤ２８に供給する。例えば、ＬＥＤストロボコントローラ２６は、特定の振幅及び継続期間で波形をＬＥＤ２８に提供することによるパルス幅変調を用いて、ＬＥＤ２８を制御してもよい。振幅及び継続期間の調整は、トリムポット若しくはデジットスイッチ等で手動で設定してもよく、又は、例えばシリアル通信ポート（図３）等を介して遠隔でプログラムしてもよい。好ましくは、ＬＥＤストロボコントローラ２６は、手動で（すなわち、トリムポット又はデジットスイッチを介して）設定することができ、且つ遠隔で（すなわち、シリアルコミュニケーションポートを介して）プログラムすることができる。
【００３２】
カメラ１６の露光は、ＬＥＤ２８に供給される波形の振幅及び継続期間に基づいて制御されてもよい。好ましくは、ＬＥＤ２８に供給される波形の継続期間は、できる限り短いが、依然として許容可能な露光をもたらす継続期間に低減される。例えば、およそ１５Ａｍｐの振幅を有する、１マイクロ秒の波形の継続期間が使用されてもよい。プリントヘッド１７から吐出される液滴は、最高８メートル／秒で移動するため、液滴は、１マイクロ秒の波形の間に、８マイクロメートル又は４．６ピクセル移動する。より短いパルスが望ましい場合、より振幅の大きいＬＥＤの光波形、又は非常に低ノイズ性のカメラが必要である。
【００３３】
前述のように、液滴像撮像モジュール１４は、電動Ｘ／Ｙ／Ｚステージ１５上に設けられ、この電動Ｘ／Ｙ／Ｚステージ１５は、電動Ｘ／Ｙ／Ｚステージ１５をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に推進させるためのモータ及びエンコーダ（どちらも図示せず）を有する。モータは、液滴像撮像モジュール１４が所望のＺ軸位置に移動した後、モータに供給される電流が液滴像撮像モジュール１４をＸ軸方向及びＹ軸方向のうちの一方向若しくは双方向に動かすようにする、電磁性モータ又は圧電モータであってもよい。所望のＺ軸位置は、所望の検査点、又はプリントヘッド１７に対応するノズル吐出口からの距離を表し、この距離は、基板２５上への印刷が行われるときの有効な接触距離を表す。
【００３４】
エンコーダは、０．１ミクロン又はより高い分解能を有する光学エンコーダであることが好ましい。モータ及び光学エンコーダが開示されるが、ステージを協調した様式でＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＸ軸方向に推進するのに適した任意のモーションシステム、並びにプリントヘッド１７からの流体材料の吐出及びカメラ１６による撮像を制御することができる任意のエンコーダを、モータ及び／又は光学エンコーダの代わりに使用してもよい。
【００３５】
液滴像撮像モジュールの動作中、ＰＭＤシステム１０の各プリントヘッド１７が正常に動作しているかを確認するための液滴検査手順が開始されてもよい。液滴検査手順のために、液滴像撮像モジュール１４を移送するＸ／Ｙ／Ｚステージの動きは、プリントヘッド１７及びＰＭＤシステム１０が動作全体を通して監視されるように、基本的に連続している。
【００３６】
Ｘ／Ｙ／Ｚステージ１５上に位置するエンコーダは、ＰＭＤシステムの各プリントヘッド１７からの流体材料の液滴の吐出、及び、吐出された液滴の画像をモーションコントローラ３４を介して取得するためのカメラ１６のトリガを制御する。モーションコントローラ３４は、Ｄｅｌｔａ  Ｔａｕ  ＵＭＡＣモーションコントローラであることが好ましい。
【００３７】
モーションコントローラ３４は、カメラ１６に信号を送信して、カメラ１６の露光を開始させる。カメラ１６がモーションコントローラ３４からトリガ信号を受信すると、カメラ１６はＬＥＤストロボコントローラ２６にトリガ信号を送信して、光パルスを開始させる。カメラ１６がＬＥＤストロボコントローラ２６をトリガすることを可能にすることにより、カメラ１６によって所望の画像を撮像することができるように、ＬＥＤ２８から適切な量の光が放出され、且つそれぞれのプリントヘッド１７から適切なタイミングで流体材料の液滴が吐出される。
【００３８】
カメラ１６が流体材料の液滴の画像を撮像すると、カメラ１６はその画像のデータを画像処理コンピュータ３６に送信する。画像処理コンピュータ３６はカメラ１６から画像データを受信し、プリントヘッド１７が正常に動作しているかを確認する。正常な動作は、液滴画像の重心の位置と、ユーザが画像処理コンピュータ３６に対して定義した許容可能な動作窓とを比較することによって確認される。特定の用途のために必要とされる液滴吐出の精度に応じて、システムのより高い信頼性を可能にするために、動作窓は大きくされ得る。動作窓は各特定のプリントジョブについて記憶され、これらはＰＭＤシステム１０によって必要とされるものであってもよく、さらなるユーザとの対話なしに自動的に調整される。
【００３９】
液滴検査手順を実行することに加えて、液滴像撮像モジュール１４はまた、プリントヘッド１７によって吐出される流体材料の液滴の種々の測定基準を測定する液滴分析を行ってもよい。例えば、液滴分析手順中、プリントヘッド１７によって吐出される流体材料の液滴は、サイズ、面積、直径、体積、吐出速度、及び視野２１における液滴の軌跡の方向性について測定されてもよい。
【００４０】
液滴分析中、液滴像撮像モジュール１４は、特定のプリントヘッド１７の単一のノズルからの多数の液滴の画像を取得する。Ｘ／Ｙ／Ｚステージ１５は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の動きを通じて、液滴像撮像モジュール１４を監視されているプリントヘッド１７に対して位置付けることができる。液滴像撮像モジュール１４をＸ軸方向及びＹ軸方向に動かすことにより、カメラ１６及びレンズ１８が特定のプリントヘッド１７の視野２１に対して適切に位置付けられることが可能になる。具体的には、液滴像撮像モジュール１４をプリントヘッド１７及び対応するプリントヘッド電子機器に対して動かすことにより、光路３２が視野２１を横断して、カメラ１６がプリントヘッド１７から吐出される流体材料の液滴の画像を撮像することが可能となるように、光路３２を位置付けることができる。
【００４１】
Ｚ軸方向の動きにより、基本的に、プリントヘッド１７のノズルにおける吐出点から、少なくとも３ｍｍの距離までの液滴を視認することが可能となる。正確な面積、直径及び体積の測定値を得るためには、画像が良好な真円度になるように、小液滴の形成を安定させることが必須である。このような正確な測定は通常、ノズル吐出口から１ｍｍよりも離れた距離における画像撮像によって達成されるため、距離は、オペレータにより理想的な検査点に設定されるか、又は画像処理コンピュータ３６により、データ整合性又はデータ品質に基づいて自動的に位置を選択するように設定されなければならない。
【００４２】
Ｚ軸方向の動きはまた、ノズルにおける吐出点から基板２５の加工面までの平均液滴速度を特徴付けることを可能にする。この速度情報を発射データに組み込むことにより、基板２５上への堆積工程の開始時における、各ノズル毎の速度誤差の補正が可能になる。こうした分析は、液滴像撮像モジュール１４が、液滴位置の差を遅延時間の変化で割った値に基づいて、流体材料の液滴の液滴速度をおよそ０．１％の精度まで検出することを可能にする。
【００４３】
光学部品／カメラ１６の選択は、視野と、被写界深度と、フレーム取得速度と、空間分解能との間のトレードオフである。システムは、液滴検査分析及び液滴分析のための目標を達成するために、ＣＣＤアレイに対して１ピクセルにつきおよそ２．２ミクロンの最適な空間分解能に基づいている。システムは、多様な固有の液滴体積（すなわち、２ピコリットル〜８０ピコリットル）を有する種々の異なる製造業者からの多様なプリントヘッドと共に作動するように設計されたため、システムは、１％の測定精度を達成するために、液滴のサイズ又は体積の関数として、１つの液滴につき複数のサンプルを取得することができる。例えば、１０ｐｌの液滴サイズにおいて、結果を平均して１％の測定目標を達成するためには１１個のサンプルが必要であるが、１５ｐｌにおいては５個のサンプルしか必要ない。３０ｐｌ以上においては、１つのサンプルしか必要ない。
【００４４】
上述のように、光路３２は概して、ミラー２２、２２ａ及びプリズム２４により、ＬＥＤ２８とカメラ１６のレンズ１８との間で折り曲げられる。ＬＥＤ２８とカメラ１６との間で光路３２を折り曲げることにより、カメラ１６、レンズ１８、及びＬＥＤ２８は、液滴撮像モジュール１４全体のサイズを小さくするために、互いに対して近接して位置することができる。液滴撮像モジュール１４全体のサイズを小さくすることにより、液滴像撮像モジュール１４がプリントヘッド１７に対してより柔軟に動くことが可能になり、また、液滴像撮像モジュール１４がプリントヘッド１７により近接して動くことも可能になる。
【００４５】
液滴分析手順の動作中、ＬＥＤストロボコントローラ２６は、プリントヘッド１７に対応するプリントヘッド電子機器に信号を発信して、プリントヘッド１７からの流体材料の液滴の吐出をトリガする。ＬＥＤストロボコントローラ２６によって送信される信号の周波数は、プリント中の流体材料の液滴周波数に概ね等しい。例えば、液滴周波数はおよそ１０ｋＨｚであり得る。
【００４６】
流体材料の各液滴の必要な画像が取得されることを確実にするために、ＬＥＤストロボコントローラ２６に対応するストロボコントローラボード（図示せず）は、対応する液滴トリガ信号からの遅延時間を伴う、必要な画像のリストを有する。例えば、プリントヘッド１７から吐出された直後の流体材料の液滴の画像が必要な場合、液滴のトリガから画像取得及びＬＥＤ２８からの照明のトリガまでの遅延は、液滴の画像がプリントヘッド１７から吐出された直後に取得されることを確実にするために比較的短い。逆に、基板２５に到達する直前の液滴の全体形状の画像が必要とされる場合、プリントヘッド１７から流体材料の液滴を吐出するトリガ信号と、画像取得及び照明を開始するトリガ信号との間の遅延は、カメラ１６が画像を取得する前に液滴がプリントヘッド１７によって完全に放出されることを可能にするために、幾分長い。
【００４７】
ストロボコントローラが、流体材料の液滴を吐出するようにプリントヘッド１７にトリガ信号を発信する前に、カメラ１６がビジー状態ではなく、画像を取得する準備ができていることをＬＥＤストロボコントローラ２６に通知するため、カメラ１６からの信号は、ＬＥＤストロボコントローラ２６によって最初に受信されなければならない。カメラ１６が、画像の取得又は画像処理コンピュータ３６への画像の送信を行っておらず、ビジー状態ではない時、ＬＥＤストロボコントローラ２６は、プリントヘッド１７によって吐出される流体材料の液滴の画像を取得するようにカメラ１６をトリガすることができ、且つプリントヘッド１７からの流体材料の吐出をカメラ１６の露光と同期させることができる。
【００４８】
上記のように、ＬＥＤストロボコントローラ２６は、カメラ１６がビジー状態ではないことをカメラ１６に示されると、プリントヘッド１７からの流体材料の液滴の吐出を指示し、プリントヘッド１７からの流体の液滴の吐出後の所定の期間、流体材料の液滴の画像を撮像するようにカメラ１６に指示するであろう。所定の期間は、所望の画像（すなわち、例えば吐出の直後か、又は流体材料の液滴が基板に到達する直前）に基づく。所定の遅延における差により、液滴像撮像モジュール１４が、プリントヘッド１７からの吐出後に種々の位置において流体材料の液滴の画像を取得することが可能になる。
【００４９】
ＬＥＤストロボコントローラ２６は、ストロボコントローラボード内のリストに記憶されている必要な画像のそれぞれが取得されるまで、プリントヘッド１７からの流体材料の液滴の画像の取得を継続的に開始する。ＬＥＤストロボコントローラ２６によって必要な画像のそれぞれが取得されると、画像は分析のために画像処理コンピュータ３６に送信される。
【００５０】
液滴分析では、プリントヘッド１７により吐出されている流体材料の液滴のサイズ、形状、及び速度の全体を詳細に測定するため、液滴分析工程は通常、液滴検査工程よりも実行される頻度が低い。しかしながら、液滴分析工程は、プリントヘッド１７が所定のサイズ、形状、及び速度に見合う流体材料の液滴を提供していることを確実にするために、プリントヘッド１７が係合される毎に実行されてもよい。液滴分析を実行する間隔は、前回の分析からの時間又は印刷された基板２５の数の関数として、オペレータによって選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本開示の液滴分析システムを有する、ＰＭＤシステムの斜視図である。
【図２】プリントヘッドメンテナンスステーションに関連した、液滴分析ステージ及び光学モジュールの斜視図である。
【図３】図１のＰＭＤシステム内に組み込まれた、図１の液滴分析システムの概略図である。
【図４】画像の撮像中に、ＰＭＤシステムから吐出された液滴を照明するための、図１の液滴分析システムによって使用される折り曲げられた光路の斜視図である。
【図５】図１のＰＭＤシステムの、ヘッドアレイ及びヘッドアレイから吐出される流体材料の液滴に関連した、液滴分析システムの概略的な表現である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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