JP2013017945A - 液滴吐出装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】往復移動するプランジャー用いた液滴吐出装置において、微量かつ高精度に吐出する。
【解決手段】吐出口１１を構成する吐出路１２と、プランジャー３０と、プランジャーが挿通される液室５０と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構と、プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構とを備え、プランジャーの先端部３１と液室の壁面５３が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出装置において、プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出し、続いてプランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を形成する。
【選択図】図１
【解決手段】吐出口１１を構成する吐出路１２と、プランジャー３０と、プランジャーが挿通される液室５０と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構と、プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構とを備え、プランジャーの先端部３１と液室の壁面５３が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出装置において、プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出し、続いてプランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を形成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、水、溶剤、試薬等の低粘性材料から、半田ペースト、銀ペースト、接着剤等の高粘性材料にいたる液体材料を、そのフィラーの含有に関わらず、微量に精度よく吐出する液滴吐出装置および方法に関する。
往復移動するプランジャーを用いて少量の液体材料を吐出口から吐出させる液滴吐出装置としては、これまで種々の技術が提案されている。
プランジャーの先端を弁座に当てて吐出するタイプの液滴吐出装置としては、例えば、特許文献１に、液材をノズルから離間した後にワークに着弾させる液滴吐出装置として、ノズルにつながる出口付近に弁座を有する流路内に、プランジャーの側面が非接触に配設され、プランジャーの先端が弁座に向けて移動し弁座に当接することにより、ノズルから液材を液滴の状態で吐出させる装置が開示される。
プランジャーの先端を弁座に当てて吐出するタイプの液滴吐出装置としては、例えば、特許文献１に、液材をノズルから離間した後にワークに着弾させる液滴吐出装置として、ノズルにつながる出口付近に弁座を有する流路内に、プランジャーの側面が非接触に配設され、プランジャーの先端が弁座に向けて移動し弁座に当接することにより、ノズルから液材を液滴の状態で吐出させる装置が開示される。
しかしながら、プランジャーを弁座に当接させると、プランジャーが磨耗して形状変化が生じるという問題や、摩耗粉や摩耗片を生じ液材を汚染したりプランジャーと弁座との間に挟まって良好な吐出を妨げたりするという問題があった。
そこで、出願人は、プランジャーの先端を弁座に当てないで吐出する液滴吐出装置として、プランジャーを進出移動および進出停止することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出装置であって、進出停止時のプランジャーの先端部の位置を、その進出方向にある液室の内壁近傍に規定するプランジャー位置決定機構を備える液滴吐出装置を提案した（特許文献２）。
そこで、出願人は、プランジャーの先端を弁座に当てないで吐出する液滴吐出装置として、プランジャーを進出移動および進出停止することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出装置であって、進出停止時のプランジャーの先端部の位置を、その進出方向にある液室の内壁近傍に規定するプランジャー位置決定機構を備える液滴吐出装置を提案した（特許文献２）。
また、特許文献３には、駆動装置によりロッド端面を室内部で極めて小さいストロークで且つ高い加速度及び大きい力で前後に変位させることにより形成される圧力波を室中の材料内を伝播させることにより、ノズル開口から材料を吐出させる流体の滴を配置する装置が開示される。
ところで、近年、電子機器類の小型化・軽量化が図られる中、それに搭載される電子部品の小型化・軽量化が進んでいる。例えば、実装面積を大幅に削減できる「０４０２部品」と呼ばれる実装寸法４００μｍ×２００μｍの部品が、２００５年前後から搭載されるようになっている。０４０２部品は、現状はメタル版によるはんだ印刷で実装をおこなっているが、大型部品との混在においてはハーフエッチングなどの工夫が必要になるという課題がある。また、塗布量（塗布厚）の個別コントロールが求められるという課題もあった。このため、印刷による実装は、歩留まりが悪かった。さらには、印刷性を確保するために、部品配置に制約がでてくる場合もあった。
往復移動するプランジャーを用いた液滴吐出装置においては、プランジャーの作動により液材を制御できるので、これらの課題は生じない。しかし、この種の装置において、プランジャーを弁座に当接させずに、小型部品で必要とされる半田ペースト等の液体を微量（例えば、着弾径が数十〜数百μｍ）かつ高精度に滴状吐出することはこれまで実現されていない。
本発明は、往復移動するプランジャーを用いた液滴吐出装置において、プランジャーを液室内壁（弁座）に当接させずに、微量の液滴を高精度に吐出することを課題とする。
また、同一の液滴吐出装置で、低粘度から高粘度にわたる様々な液体を吐出することも本発明が解決すべき課題である。
第１の発明は、先端が吐出口を構成する吐出路と、プランジャーと、プランジャーが挿通される液室と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構と、プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構とを備え、プランジャーの先端部と液室の内壁が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出装置において、プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出し、続いてプランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を形成することを特徴とする液滴吐出装置である。
第２の発明は、第１の発明において、吐出路が、先端が吐出口を構成する第１流路と、第１流路および液室と連通し、第１流路よりも大径の第２流路からなることを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明において、プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断した後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路の第１流路内または第２流路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させることを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明において、プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断した後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させることを特徴とする。
第５の発明は、第３または４の発明において、吐出路内に気液界面を形成し、移動を停止した際のプラジャーの位置から、プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出し、続いてプランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を連続形成することを特徴とする。
第６の発明は、第１ないし５のいずれかの発明において、吐出口の内径が、数十μｍ以下であることを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、吐出路が、先端が吐出口を構成する第１流路と、第１流路および液室と連通し、第１流路よりも大径の第２流路からなることを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明において、プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断した後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路の第１流路内または第２流路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させることを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明において、プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断した後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させることを特徴とする。
第５の発明は、第３または４の発明において、吐出路内に気液界面を形成し、移動を停止した際のプラジャーの位置から、プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出し、続いてプランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を連続形成することを特徴とする。
第６の発明は、第１ないし５のいずれかの発明において、吐出口の内径が、数十μｍ以下であることを特徴とする。
第７の発明は、先端が吐出口を構成する吐出路と、プランジャーと、プランジャーが挿通される液室と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構と、プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構とを備える液滴吐出装置を用いて、プランジャーの先端部と液室の内壁が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出方法において、
プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出す押出工程、プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を形成する分断工程を有することを特徴とする液滴吐出方法である。
第８の発明は、第７の発明において、分断工程の後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させる吸入工程を有することを特徴とする。
第９の発明は、第７または８の発明において、液材が固形物を含有する液材であり、押出工程におけるプランジャーの先端部と液室の内壁の距離を固形物よりも大きく設定したことを特徴とする。
第１０の発明は、第７ないし９のいずれかの発明において、吐出口の内径が、数十μｍ以下であることを特徴とする。
第１１の発明は、第７ないし１０のいずれかの発明において、液材が粘度１００００ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする。
第１２の発明は、第７ないし１１のいずれかの発明において、押出工程におけるプランジャーの前進移動距離が、同工程直後のプランジャーの先端部と液室の内壁の距離よりも大きいことを特徴とする。ここで、押出工程におけるプランジャーの前進移動距離は、同工程直後のプランジャーの先端部と液室の内壁の距離の３倍以上とすることが好ましく、６倍以上とすることがより好ましく、１０倍以上とすることがさらに好ましい。
プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出す押出工程、プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を形成する分断工程を有することを特徴とする液滴吐出方法である。
第８の発明は、第７の発明において、分断工程の後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させる吸入工程を有することを特徴とする。
第９の発明は、第７または８の発明において、液材が固形物を含有する液材であり、押出工程におけるプランジャーの先端部と液室の内壁の距離を固形物よりも大きく設定したことを特徴とする。
第１０の発明は、第７ないし９のいずれかの発明において、吐出口の内径が、数十μｍ以下であることを特徴とする。
第１１の発明は、第７ないし１０のいずれかの発明において、液材が粘度１００００ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする。
第１２の発明は、第７ないし１１のいずれかの発明において、押出工程におけるプランジャーの前進移動距離が、同工程直後のプランジャーの先端部と液室の内壁の距離よりも大きいことを特徴とする。ここで、押出工程におけるプランジャーの前進移動距離は、同工程直後のプランジャーの先端部と液室の内壁の距離の３倍以上とすることが好ましく、６倍以上とすることがより好ましく、１０倍以上とすることがさらに好ましい。
本発明によれば、従来、プランジャー（弁体）を液室内壁（弁座）に当接させずに吐出することができなかった微量の液滴を高精度に吐出することが可能となる。
また、弁体と弁座が接触するようなこともないから、擦れ片やパーティクルの発生がなく、これらが材料中に混入する心配もなく、コンタミレスな微量吐出を行うことが可能となる。
また、液材がフィラー等の固形物を含有する場合であっても、固形物の潰れや破損による吐出精度の低下を防ぎ、液材の機能、性質を損なうことなく吐出することが可能である。
また、弁体と弁座が接触するようなこともないから、擦れ片やパーティクルの発生がなく、これらが材料中に混入する心配もなく、コンタミレスな微量吐出を行うことが可能となる。
また、液材がフィラー等の固形物を含有する場合であっても、固形物の潰れや破損による吐出精度の低下を防ぎ、液材の機能、性質を損なうことなく吐出することが可能である。
本発明は、液室と連通する挿通孔に挿通され、先端が液室内の内壁に非接触で進退移動するプランジャーの進退移動により、プランジャーの進出方向に形成された吐出路の先端の吐出口から液材を吐出する技術に関する。本発明の技術を使うと、低粘性から高粘性にわたる液体材料を、そのフィラーの含有に関わらず、微量に精度よく、吐出口より液滴の状態で吐出することができる。
本発明によれば、水、溶剤、試薬等の低粘性材料から、半田ペースト、銀ペースト、接着剤等の高粘性材料にいたる液体材料を、微量吐出することができる。本発明は、クリーム半田のようなインクジェットでの吐出に適さない高粘度の液体にも適用できる点に特徴を有する。ここで、高粘度の液体とは、例えば、粘度１００００〜５０００００ｍＰａ・ｓの液体をいう。特に、粘度２００００ｍＰａ・ｓ〜５０００００ｍＰａ・ｓの液体、さらにいえば粘度３００００ｍＰａ・ｓ〜５０００００ｍＰａ・ｓの液体を、プランジャー（弁体）を液室内壁（弁座）に当接させずに、滴状に微量吐出することは、従来、工業レベルでは実現されていなかった。
本発明における微量吐出とは、例えば、着弾径が数十〜数百μｍの液滴、或いは、体積が１ｎｌ以下（好ましくは、０．１〜０．５ｎｌ以下）の液滴の吐出のことをいう。本発明は数十μｍ以下（好ましくは３０μｍ以下）の吐出口径でも、液滴を形成できる点に特徴を有する。
本発明によれば、水、溶剤、試薬等の低粘性材料から、半田ペースト、銀ペースト、接着剤等の高粘性材料にいたる液体材料を、微量吐出することができる。本発明は、クリーム半田のようなインクジェットでの吐出に適さない高粘度の液体にも適用できる点に特徴を有する。ここで、高粘度の液体とは、例えば、粘度１００００〜５０００００ｍＰａ・ｓの液体をいう。特に、粘度２００００ｍＰａ・ｓ〜５０００００ｍＰａ・ｓの液体、さらにいえば粘度３００００ｍＰａ・ｓ〜５０００００ｍＰａ・ｓの液体を、プランジャー（弁体）を液室内壁（弁座）に当接させずに、滴状に微量吐出することは、従来、工業レベルでは実現されていなかった。
本発明における微量吐出とは、例えば、着弾径が数十〜数百μｍの液滴、或いは、体積が１ｎｌ以下（好ましくは、０．１〜０．５ｎｌ以下）の液滴の吐出のことをいう。本発明は数十μｍ以下（好ましくは３０μｍ以下）の吐出口径でも、液滴を形成できる点に特徴を有する。
以下では、図１に基づき本発明を実施するための形態の一例を説明する。
図１は、液滴吐出装置（ディスペンサ）の要部断面図である。まず、液滴吐出装置の要部（吐出部）の構造について説明する。
図１に図示された吐出部は、プランジャー３０と、液室５０と、挿通孔５１と、液送路５２と、吐出路１２とを備える。
液室５０は、プランジャーの先端部３１が位置する液材が満たされた空間である。図１に図示された液室５０は、上面、側面および底面を有し円筒形状に構成されている。
液室５０の上面には挿通孔５１が設けられている。挿通孔５１にはプランジャー３０が挿通されており、プランジャー３０の先端が液室５０内に位置する。液室５０の幅（径）は、プランジャー３０の幅（径）よりも広く、プランジャー３０の外周と液室５０の側面は常に非接触の状態にある。プランジャー３０は、図示されないプランジャー駆動機構に接続されており、吐出路１２に対し近づくようにまたは遠ざかるように直進運動する。図１では、先端部３１の形状を平面としているがこれに限定されず、例えば、球状としたり、凹状としたり、先細り形状としたり、吐出路１２と対向する位置に突起を設けたりしてもよい。図２（ａ）〜（ｇ）に、プランジャーの先端部３１の形状例を示す。
液室５０の側面には液送路５２が設けられている。液室５０には、この液送路５２を介して、図示されない液材貯留容器等の液材供給部から液材が供給される。
図１は、液滴吐出装置（ディスペンサ）の要部断面図である。まず、液滴吐出装置の要部（吐出部）の構造について説明する。
図１に図示された吐出部は、プランジャー３０と、液室５０と、挿通孔５１と、液送路５２と、吐出路１２とを備える。
液室５０は、プランジャーの先端部３１が位置する液材が満たされた空間である。図１に図示された液室５０は、上面、側面および底面を有し円筒形状に構成されている。
液室５０の上面には挿通孔５１が設けられている。挿通孔５１にはプランジャー３０が挿通されており、プランジャー３０の先端が液室５０内に位置する。液室５０の幅（径）は、プランジャー３０の幅（径）よりも広く、プランジャー３０の外周と液室５０の側面は常に非接触の状態にある。プランジャー３０は、図示されないプランジャー駆動機構に接続されており、吐出路１２に対し近づくようにまたは遠ざかるように直進運動する。図１では、先端部３１の形状を平面としているがこれに限定されず、例えば、球状としたり、凹状としたり、先細り形状としたり、吐出路１２と対向する位置に突起を設けたりしてもよい。図２（ａ）〜（ｇ）に、プランジャーの先端部３１の形状例を示す。
液室５０の側面には液送路５２が設けられている。液室５０には、この液送路５２を介して、図示されない液材貯留容器等の液材供給部から液材が供給される。
液室５０の底面には外部と連通する吐出路１２が設けられている。プランジャーの進出移動により、液材は、吐出路１２先端の吐出口１１から、外部に吐出される。吐出口１１の内径は、例えば、１０〜１００μｍである。吐出路１２の形状は円柱状に限定されず、先細りとなるようテーパーを設けた形状としてもよい（図２（ｅ）（ｇ）参照）。また、吐出口を有する第１流路２１と第１流路よりも大径の第２流路２２から構成してもよく（図２（ｆ）参照）、この際、第２流路２２を円錐台形状に形成したりしてもよい（図２（ａ）〜（ｄ）参照）。吐出路の吐出口側と比べ液室側を大径とした場合には、吐出路に流入した液材が加速されるという効果が奏される。
吐出路の長さが長すぎる場合、液滴の分断が良好に行われないことがあり、特に高粘度の液材においてこの問題が生じやすい。このため、吐出路１２は液室内の壁面５３に孔を設けたオリフィスにより形成することが好ましい。吐出路の長さは、例えば１００μｍ〜１０００μｍとする。また、液室内の壁面５３にプランジャー３０より大径のくぼみを設け、プランジャーの先端部３１と対向する面を、より吐出口に近い位置に形成させてもよい。このとき、プランジャーの先端部３１と対向するくぼみ内の面から吐出口１１までが吐出路１２となる（図２（ｆ）参照）。また、壁面５３を、吐出路１２が位置する中央部分が肉薄となる曲面としてもよい（図２（ｇ）参照）。
吐出路の長さが長すぎる場合、液滴の分断が良好に行われないことがあり、特に高粘度の液材においてこの問題が生じやすい。このため、吐出路１２は液室内の壁面５３に孔を設けたオリフィスにより形成することが好ましい。吐出路の長さは、例えば１００μｍ〜１０００μｍとする。また、液室内の壁面５３にプランジャー３０より大径のくぼみを設け、プランジャーの先端部３１と対向する面を、より吐出口に近い位置に形成させてもよい。このとき、プランジャーの先端部３１と対向するくぼみ内の面から吐出口１１までが吐出路１２となる（図２（ｆ）参照）。また、壁面５３を、吐出路１２が位置する中央部分が肉薄となる曲面としてもよい（図２（ｇ）参照）。
プランジャー駆動機構としては、モータ、ピエゾ素子、スプリング等の弾性体、エア圧等を利用したアクチュエータが例示される。プランジャー駆動機構は、用途に応じて適宜の手段を採用できるが、低粘度から高粘度にわたる様々な液体を吐出したい場合には、プランジャーのストロークを一定範囲で調整可能な手段（ピエゾ素子以外の駆動手段）を用いることが好ましい。微量吐出を行う際のプランジャーのストロークは、例えば５〜１０００μｍであるが、高粘度の液体を吐出する際はストロークを長くすることが好ましく、例えば、５０〜１０００μｍとする。
最進出位置におけるプランジャーの先端部の位置は、プランジャー位置決定機構により規定される。プランジャーの進出方向にある液材に十分な慣性力を与えるためには、プランジャーの端面およびプランジャーの先端部３１と対向する液室の壁面５３の距離は、十分に狭く設定することが好ましい。吐出路（ノズル）の内径が小さくなるにつれ、プランジャーが液材に与える力を大きくする必要があるので、これに伴いプランジャーの端面と液室の壁面の距離（クリアランス）も小さくする必要がある。
例えば、高粘度の液体で着弾径３００μｍ以下の液滴を形成するためには、クリアランスは、１〜５０μｍの範囲で設定することが好ましく、１〜３０μｍの範囲で設定することがより好ましい。但し、液材にフィラー等の固形物が含有される場合には、クリアランスが固形物よりも大きくなるように最進出位置を設定する。例えば、液材が平均粒径１０μｍの粒子を有するクリーム半田の場合、クリアランスは１０μｍよりも大きなものとする必要がある（好ましくはクリアランスを固形物の大きさ（粒径）の１．５倍以上とする。）。半田の粒子が潰され、吐出路の流入口近傍に積層されることにより、吐出精度が著しく低下するという問題が生じるからである。
例えば、高粘度の液体で着弾径３００μｍ以下の液滴を形成するためには、クリアランスは、１〜５０μｍの範囲で設定することが好ましく、１〜３０μｍの範囲で設定することがより好ましい。但し、液材にフィラー等の固形物が含有される場合には、クリアランスが固形物よりも大きくなるように最進出位置を設定する。例えば、液材が平均粒径１０μｍの粒子を有するクリーム半田の場合、クリアランスは１０μｍよりも大きなものとする必要がある（好ましくはクリアランスを固形物の大きさ（粒径）の１．５倍以上とする。）。半田の粒子が潰され、吐出路の流入口近傍に積層されることにより、吐出精度が著しく低下するという問題が生じるからである。
プランジャー位置決定機構は、最後退位置におけるプランジャーの先端部の位置も規定する。低粘度の液材を吐出する場合、プランジャーをある程度の速度で移動させれば液滴を形成するのに必要な慣性力を与えることができるが、高粘度の液材を吐出する場合、プランジャーをより高速に移動させるためにストロークをより長く設定する必要があるからである。一般に、粘度の高い液体（例えば、粘度１００００ｍＰａ・ｓ以上の液体）を微量吐出する際には、ストロークはクリアランスと比べ十分に大きく設定する必要がある。プランジャーのストロークは、その最進出位置におけるクリアランスの３倍以上とすることが好ましく、６倍以上とすることがより好ましく、１０倍以上とすることがさらに好ましい。
図３を参照しながらプランジャー位置決定機構の一例を説明する。ここで説明するプランジャー位置決定機構は、特許文献２に開示されるものである。
プランジャーの最進出位置の決定は、次の手順で行う。
まず、電磁切換弁７２を、前方ピストン室４３と外部が連通する状態に切換え、移動部材４０を回転して、移動部材４０が最前方に移動した状態とする。前方ピストン室４３が外部に開放されているので、コイルバネ４５の作用によりピストン３３は本体７１に対して前方に移動し、前方当接部３２が前方ストッパー４１に当接して停止する。続いて、マイクロメータ６９を回転して後方ストッパー４２を前進させ、後方当接部３４に接触させることで、プランジャー３０と本体７１を固定する。
本体７１を前方に移動し、後方ストッパー４２と後方当接部３４が接触する状態で固定する。プランジャー３０の先端部３１が液室５０の内壁に接触する接触位置１３で固定する。移動部材４０を回転して、移動部材４０のみを後方に移動して最進出位置を規定し、駆動ユニット７０をベース部材７３に固定する。
以上の作業により、プランジャー３０の進出時停止位置を、プランジャー３０の先端部３１が液室５０に接触しない所望の位置に調整することが可能である。
プランジャーの最進出位置の決定は、次の手順で行う。
まず、電磁切換弁７２を、前方ピストン室４３と外部が連通する状態に切換え、移動部材４０を回転して、移動部材４０が最前方に移動した状態とする。前方ピストン室４３が外部に開放されているので、コイルバネ４５の作用によりピストン３３は本体７１に対して前方に移動し、前方当接部３２が前方ストッパー４１に当接して停止する。続いて、マイクロメータ６９を回転して後方ストッパー４２を前進させ、後方当接部３４に接触させることで、プランジャー３０と本体７１を固定する。
本体７１を前方に移動し、後方ストッパー４２と後方当接部３４が接触する状態で固定する。プランジャー３０の先端部３１が液室５０の内壁に接触する接触位置１３で固定する。移動部材４０を回転して、移動部材４０のみを後方に移動して最進出位置を規定し、駆動ユニット７０をベース部材７３に固定する。
以上の作業により、プランジャー３０の進出時停止位置を、プランジャー３０の先端部３１が液室５０に接触しない所望の位置に調整することが可能である。
プランジャーの最後退位置の決定は、次の手順で行う。
マイクロメータ４６を回転して、後方ストッパー４２を後退させて、吐出時のプランジャー３０の後退時移動量を決定する。プランジャー３０の後退時移動量が決定したら、マイクロメータ４６が回転しないように、図示されない固定ネジでなどの回転ロック部材にてマイクロメータ４６を固定する。以上の作業により、プランジャー３０の最後退位置の設定作業が完了する。
マイクロメータ４６を回転して、後方ストッパー４２を後退させて、吐出時のプランジャー３０の後退時移動量を決定する。プランジャー３０の後退時移動量が決定したら、マイクロメータ４６が回転しないように、図示されない固定ネジでなどの回転ロック部材にてマイクロメータ４６を固定する。以上の作業により、プランジャー３０の最後退位置の設定作業が完了する。
本発明の液滴吐出装置は、代表的には、ワークと吐出口を相対移動させながら、液材を吐出する態様で使用される。液滴吐出装置は、ＸＹＺ駆動機構に取りつけられ、ワークを載置したワークテーブルと相対移動される。本発明は、液体が液滴となって吐出口から分離され、ワークに着弾するので、吐出口を一定の高さに保持して水平移動することが可能である。
１つの作業位置に１つの滴が吐出される場合もあれば、複数の滴を同じ場所に吐出することにより、所望量を確保する場合もある。１ショット当たりの吐出量を増やすと着弾径が広がるため、着弾径を広げたくない場合には、数ショットで所望量を確保することが好ましい。本発明の液滴吐出装置は、微量の液体を高速で連続的に吐出することができ、例えば、毎秒１００ショット以上の高速タクトで作動させることが可能である。
１つの作業位置に１つの滴が吐出される場合もあれば、複数の滴を同じ場所に吐出することにより、所望量を確保する場合もある。１ショット当たりの吐出量を増やすと着弾径が広がるため、着弾径を広げたくない場合には、数ショットで所望量を確保することが好ましい。本発明の液滴吐出装置は、微量の液体を高速で連続的に吐出することができ、例えば、毎秒１００ショット以上の高速タクトで作動させることが可能である。
次に、プランジャーの位置と液材の状態の関係を説明する。
図１（ａ）は、吐出動作開始時の初期状態を示す。この初期状態において、プランジャー３０の先端部３１は、一連の吐出動作の中で、吐出路１２に対し最も遠くに位置する作動開始位置にある。また、液室５０およびおよび吐出路１２は液材で満たされた状態にある。この際、吐出路１２の吐出口１１側は、微量の外気（空気）を吸い込んだ状態であってもよい。
図１（ａ）は、吐出動作開始時の初期状態を示す。この初期状態において、プランジャー３０の先端部３１は、一連の吐出動作の中で、吐出路１２に対し最も遠くに位置する作動開始位置にある。また、液室５０およびおよび吐出路１２は液材で満たされた状態にある。この際、吐出路１２の吐出口１１側は、微量の外気（空気）を吸い込んだ状態であってもよい。
図１（ｂ）は、図１（ａ）のプランジャーの作動開始位置からプランジャーを前進移動させて、吐出路１２内の液材を吐出口（吐出路１２の吐出口側端面）まで到達させた状態を示す。
このとき、プランジャー３０の前進移動により、液室５０内の液材は、吐出路１２内に送り込まれて、吐出路１２内の液材が吐出路１２先端の吐出口１１に至る。これにより、吐出路１２内に存在していた外気（空気）は外に吐き出される。
このとき、プランジャー３０の前進移動により、液室５０内の液材は、吐出路１２内に送り込まれて、吐出路１２内の液材が吐出路１２先端の吐出口１１に至る。これにより、吐出路１２内に存在していた外気（空気）は外に吐き出される。
図１（ｃ）は、図１（ｂ）のプランジャーの位置から、さらにプランジャーを前進移動させた状態を示す。この状態では、吐出口に到達した液材は、吐出口の外方へ分断さられることなく押し出される。
図１（ｄ）は、図１（ｃ）のプランジャーの位置から、さらにプランジャーを前進移動させた後、プランジャーの前進移動を停止させた状態を示す。
このとき、液材は、液室５０から最先端までの間で分断されることなく、吐出路１２の先端である吐出口１１からさらに外方へ押し出される。
なお、ここまでのプランジャー３０の前進移動は勢いよく行い、プランジャー３０の停止は急峻に停止させることが好ましい。
このとき、液材は、液室５０から最先端までの間で分断されることなく、吐出路１２の先端である吐出口１１からさらに外方へ押し出される。
なお、ここまでのプランジャー３０の前進移動は勢いよく行い、プランジャー３０の停止は急峻に停止させることが好ましい。
この状態において、プランジャー３０の先端部３１は、一連の吐出動作の中で、吐出路１２に対し最も近くに位置する最進出位置にある。プランジャー３０が最進出位置に移動することで、所望の大きさの滴を形成するのに必要な量の液材が、吐出口１１の外方へ押し出される。最進出位置は、液材の種類や形成する滴の大きさにより異なるものとなるが、いかなる場合でもプランジャー３０の先端部３１が液室内面に接触することはない。
図１（ｅ）は、図１（ｄ）のプランジャーの位置（最進出位置）から、プランジャーを僅かに後退移動させた状態を示す。
プランジャー３０が後退移動すると、液室５０内を占めるプランジャーの容積の割合が減少し、吐出路１２内の液材には、液室５０内に向かう方向へ力が作用する。これに伴い、吐出口１１の外方に存在する液材（吐出路１２内の液材とつながる押し出された液材）にも、吐出路１２内へ引き戻す力が作用する。このため、吐出口から押し出された液材には、プランジャーの前進方向への慣性力が働くと共に、プランジャーの後退方向への力が作用し、滴を形成しはじめる。すなわち、吐出路１２内の液材とつながる吐出口１１から押し出された液材は、吐出口近傍の部分で切断作用を受ける。
プランジャー３０が後退移動すると、液室５０内を占めるプランジャーの容積の割合が減少し、吐出路１２内の液材には、液室５０内に向かう方向へ力が作用する。これに伴い、吐出口１１の外方に存在する液材（吐出路１２内の液材とつながる押し出された液材）にも、吐出路１２内へ引き戻す力が作用する。このため、吐出口から押し出された液材には、プランジャーの前進方向への慣性力が働くと共に、プランジャーの後退方向への力が作用し、滴を形成しはじめる。すなわち、吐出路１２内の液材とつながる吐出口１１から押し出された液材は、吐出口近傍の部分で切断作用を受ける。
図１（ｆ）は、図１（ｅ）のプランジャーの位置から、プランジャーをさらに後退移動させた状態を示す。
プランジャー３０をさらに後退移動すると、吐出口１１から押し出された液材に対する切断作用がさらに強まる。これにより、吐出路１２から連続する吐出口１１から押し出された液材は、吐出口近傍の部分で分断され、液滴を形成する。
図１（ｆ）では、吐出路１２から連続する側の液材の分断位置付近と、分断された側の液材の分断位置付近のいずれもが、細い糸状に描写されている。一般に、高粘性材料ではこのような糸状になることが多いが、材料の特性や温度や湿度などの環境条件などにも依存するものであり、高粘性材料であるからといって必ずこのような糸状の態様を示すわけではない。
プランジャー３０をさらに後退移動すると、吐出口１１から押し出された液材に対する切断作用がさらに強まる。これにより、吐出路１２から連続する吐出口１１から押し出された液材は、吐出口近傍の部分で分断され、液滴を形成する。
図１（ｆ）では、吐出路１２から連続する側の液材の分断位置付近と、分断された側の液材の分断位置付近のいずれもが、細い糸状に描写されている。一般に、高粘性材料ではこのような糸状になることが多いが、材料の特性や温度や湿度などの環境条件などにも依存するものであり、高粘性材料であるからといって必ずこのような糸状の態様を示すわけではない。
図１（ｇ）は、図１（ｆ）のプランジャーの位置から、プランジャーをさらに後退移動させた状態を示す。吐出口１１から押し出された液材のうち、吐出路１２側に残った液材は、プランジャー３０の後退移動により、吐出路１２内へ吸入される。
次の吐出に備え、好ましくは、 吐出路１２の吐出口１１側は、微量の外気（空気）を吸い込んだ状態とする。すなわち、吐出路１２内に気液界面が存在する状態とすることが好ましい。こうすることで、液材の乾燥を防止することができ、また、吐出作業待機時に周辺環境を液だれにより汚染することを防ぐことができる。ここで、留意すべきは、吐出路１２を越えて、液室５０にまで外気（空気）を吸い込まないようにすることである。液室５０にまで外気（空気）を吸い込むと吐出精度に悪影響を与えるからである。
また、吐出路１２が第１流路２１と第２流路２２を有してなる場合において、第１流路２１と第２流路２２との境界が段を構成しない場合は、気液界面が第１流路２１、第２流路２２またはこれらの境界のいずれに存在してもよい（例えば、図２（ａ）（ｂ）のような流路形状の場合）。また、図２（ｆ）に示すように、第１流路２１と第２流路２２の境界が段を構成する場合であっても、気泡を形成することがなければ、第２流路２２まで外気（空気）を吸い込むことができる。なお、円柱形状の第１流路２１と円柱形状の第２流路２２の境界をテーパーで滑らかにつないで構成してもよい。
また、吐出路１２が第１流路２１と第２流路２２を有してなる場合において、第１流路２１と第２流路２２との境界が段を構成しない場合は、気液界面が第１流路２１、第２流路２２またはこれらの境界のいずれに存在してもよい（例えば、図２（ａ）（ｂ）のような流路形状の場合）。また、図２（ｆ）に示すように、第１流路２１と第２流路２２の境界が段を構成する場合であっても、気泡を形成することがなければ、第２流路２２まで外気（空気）を吸い込むことができる。なお、円柱形状の第１流路２１と円柱形状の第２流路２２の境界をテーパーで滑らかにつないで構成してもよい。
図１（ｈ）は、図１（ｇ）のプランジャーの位置から、プランジャーをさらに後退移動させ、作動終了位置とした状態を示す。図１（ａ）〜（ｈ）が１つの滴を形成するための一連の動作である。１回の吐出を終わった際のプランジャーの位置は、最進出位置よりも後退した位置となる。この状態では、吐出路１２の吐出口１１側は、微量の外気（空気）を吸い込んでいる。吐出路１２内に外気（空気）を吸い込んでも、液室５０まで空気が到達しない限り、気泡の問題は生じない。液室５０内に外気が流入すると、吐出量のばらつきなどの原因となるため、回避する必要がある。次の吐出動作を連続して行うためには、プランジャーの作動終了位置を作動開始位置とすることが好ましい。
吐出動作を完全に終了する場合には、プランジャー３０の先端部３１で吐出路１２を塞ぎ、吐出口１１から液材が流出するのを防ぐことが好ましい。
吐出動作を完全に終了する場合には、プランジャー３０の先端部３１で吐出路１２を塞ぎ、吐出口１１から液材が流出するのを防ぐことが好ましい。
以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明は何ら実施例に限定されるものではない。
図１に示す液滴吐出装置を用いて、液滴の形成を行った。実施例１で用いた液材は、ソルダペースト（粘度４５０００ｍＰａ・ｓ）であり、平均粒子６μｍのフィラーが含有されている。本実施例で吐出する１つの液滴の量は０．２ｎｌであり、着弾径は１２０μｍである。ワークと吐出口を相対移動させながら、毎秒１００ショットのタクトで、数十個の液滴をワーク上に形成し、測定器で測定したところ、均一な形状のドットが形成されていることが確認できた。
図１に示す液滴吐出装置を用いて、液滴の形成を行った。実施例２で用いた液材は、Ａｇペースト（粘度２８０００ｍＰａ・ｓ）であり、１〜１０μｍのフレーク状のフィラーが含有されている。本実施例で吐出する１つの液滴の量は０．１７ｎｌであり、着弾径は１００μｍである。ワークと吐出口を相対移動させながら、毎秒２５０ショットのタクトで、数十個の液滴をワーク上に形成し、測定器で測定したところ、均一な形状のドットが形成されていることが確認できた。
本発明によれば、電子・半導体の市場で困難とされていた材料を、プランジャー（弁体）を液室内壁（弁座）に当接させずに、微量に精度良く吐出することが可能となる。例えば、半田ペースのような柔らかい金属材料を含むペースト材を潰すことなく、かつ、吐出装置内での詰まりなく連続的に吐出することができる。基板上への小型部品の搭載工程や太陽電池の製造工程への適用など、本発明の適用範囲は広い。
また、弁体と弁座が接触しないことから、擦れ片やパーティクルの発生がなく、これらが材料中に混入する心配もないので（すなわち、コンタミレス）、食品や薬品業界等での利用にも好適である。
また、弁体と弁座が接触しないことから、擦れ片やパーティクルの発生がなく、これらが材料中に混入する心配もないので（すなわち、コンタミレス）、食品や薬品業界等での利用にも好適である。
また、フィラーなどの粒子、固形物、ゲル体、構造体などを、その構造を不要な破壊なしに飛翔吐出するので、それらの破壊物によるノズル詰まりを効果的に防止することができる。
１１ 吐出口
１２ 吐出路
１３ 接触位置
２１ 第１流路
２２ 第２流路
３０ プランジャー
３１ 先端部
３２ 前方当接部
３３ ピストン
３４ 後方当接部
４０ 移動部材
４１ 前方ストッパー
４２ 後方ストッパー
４３ 前方ピストン室
４４ 後方ピストン室
４５ コイルバネ
４６ マイクロメータ
５０ 液室
５１ 挿通孔
５２ 液送路
５３ プランジャーと対向する液室の壁面
７１ 本体
７２ 電磁切換弁
７３ ベース部材
７４ 吐出ブロック
１２ 吐出路
１３ 接触位置
２１ 第１流路
２２ 第２流路
３０ プランジャー
３１ 先端部
３２ 前方当接部
３３ ピストン
３４ 後方当接部
４０ 移動部材
４１ 前方ストッパー
４２ 後方ストッパー
４３ 前方ピストン室
４４ 後方ピストン室
４５ コイルバネ
４６ マイクロメータ
５０ 液室
５１ 挿通孔
５２ 液送路
５３ プランジャーと対向する液室の壁面
７１ 本体
７２ 電磁切換弁
７３ ベース部材
７４ 吐出ブロック
Claims (12)
- 先端が吐出口を構成する吐出路と、プランジャーと、プランジャーが挿通される液室と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構と、プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構とを備え、プランジャーの先端部と液室の内壁が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出装置において、
プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出し、続いてプランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を形成することを特徴とする液滴吐出装置。 - 吐出路が、先端が吐出口を構成する第１流路と、第１流路および液室と連通し、第１流路よりも大径の第２流路からなることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出装置。
- プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断した後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路の第１流路内または第２流路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させることを特徴とする請求項２記載の液滴吐出装置。
- プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断した後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出装置。
- 吐出路内に気液界面を形成し、移動を停止した際のプラジャーの位置から、プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出し、続いてプランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を連続形成することを特徴とする請求項３または４記載の液滴吐出装置。
- 吐出口の内径が、数十μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液滴吐出装置。
- 先端が吐出口を構成する吐出路と、プランジャーと、プランジャーが挿通される液室と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構と、プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構とを備える液滴吐出装置を用いて、プランジャーの先端部と液室の内壁が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出方法において、
プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出す押出工程、
プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を形成する分断工程を有することを特徴とする液滴吐出方法。 - 分断工程の後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させる吸入工程を有することを特徴とする請求項７記載の液滴吐出方法。
- 液材が固形物を含有する液材であり、押出工程におけるプランジャーの先端部と液室の内壁の距離を固形物よりも大きく設定したことを特徴とする請求項７または８記載の液滴吐出方法。
- 吐出口の内径が、数十μｍ以下であることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の液滴吐出方法。
- 液材が粘度１００００ｍＰａ・ｓ以上であることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに記載の液滴吐出方法。
- 押出工程におけるプランジャーの前進移動距離が、同工程直後のプランジャーの先端部と液室の内壁の距離よりも大きいことを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の液滴吐出方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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