JP2003080051A

JP2003080051A - 球状粒子の製造方法

Info

Publication number: JP2003080051A
Application number: JP2001278693A
Authority: JP
Inventors: Takushi Ueda; 拓志上田; Motomichi Ito; 元通伊藤; Koji Sato; 光司佐藤; Takeshi Kuboi; 健久保井
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2003-03-18

Abstract

(57)【要約】【課題】所定粒径のそろった球状粒子を安定して製造
することができる球状粒子製造方法を提供する。【解決手段】溶融体を容器内から細孔を通して注出し
球状粒子を製造する方法において、注出される球状粒子
間の距離をもとに粒子径を導出し、モニタリングしなが
ら製造することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、球状粒子を製造す
る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属、樹脂、或いはガラスなどの材料か
らなる球状の粒子は、溶融体を出発原料として種々の方
法で製造されており、例えば特許２０００−１４４２１
６号公報には、所定の微小粒径を持ち且つ所定の真球度
を持つ球状粒子の製造方法としてＢＧＡ用半田ボールの
製造方法が開示されている。これは、滴下ノズルを有す
る収容容器内の溶融金属に振動を与えながら、該滴下ノ
ズルから溶融金属を滴下させて溶融金属を形成させ、該
溶融金属を冷却液面に滴下させ、該冷媒により冷却して
球状金属粒子を製造する方法において、冷媒として球状
金属粒子を酸化させず、後処理で除去・分離が容易な潤
滑油を用い、また該滴下ノズルから該冷媒液面までの距
離を特定の範囲の長さにするとともに、球状金属粒子を
洗浄して潤滑剤を除去し、粒径に基づいて分級し、さら
に真球度に基づいて選別するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記公報によれば、ノ
ズルの径及び振動数を調整することにより、潤滑油中に
平均値として所望粒径の球状金属粒子を得ることができ
る、と述べられている。しかし、製造ロット毎に溶融金
属の温度、材質、量など粒径に影響する諸条件は変わる
ため、その都度ノズル径及び振動数を適切に設定すべき
であるが、最適値は得難い。ましてや、製造中の種々の
条件変動に対して対応することはできず、所望の粒径を
安定して得ることは難しい。さらに、何らかの原因で粒
径が所定の公差を外れてしまった場合、実際の粒径は、
粒子製造工程後の、潤滑油除去、乾燥を経た分級工程、
或いは粒径測定工程までは知ることができず、大量の規
格外品を製造してしまう恐れがある。また、潤滑油中か
ら球状金属粒子を取出し、潤滑油を除去する工程が必要
であり、製造時間が長くなるだけでなく装置的にも複雑
となる。従って、本発明は、所定粒径のそろった球状粒
子を安定して製造することができる球状粒子製造方法を
提供することを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者達は、溶融体を
容器内から細孔を通して滴下し、球状粒子を製造する方
法において、形成される粒子の径は、溶融体が滴下され
てほぼ球状となった粒子間の距離に密接に関係してお
り、粒子間の距離を測定することで粒子径を高感度で得
ることができることを見出し、本発明に至った。従って
本発明は、溶融体を容器内から細孔を通して滴下し球状
粒子を製造する方法において、滴下中の球状粒子間の距
離をもとに粒子径を導出し、モニタリングしながら製造
することを特徴としている。なお、本発明は、モニタリ
ングを基に、粒子径に影響を与える制御量を調節できる
操作機器を、粒子径が所定寸法範囲になるように制御す
ることが好ましい。操作機器は、製造システムに合せて
設けられた操作機器の中から、重要度や応答性を考慮し
て、適宜選定すればよい。また、本発明は、溶融体を容
器内から細孔を通して滴下し球状粒子を製造する方法に
おいて、滴下して略球状に形成された粒子を撮像し、粒
子間の距離を画像処理で計測し、予め設定した粒子間距
離と粒子径の関係をもとに粒子径を導出するようにする
ことが望ましい。

【０００５】

【発明の実施の形態】球状粒子は種々の製品があり、そ
の性状及び材質によって種々の製造方法が採られるが、
本発明は、容器内の溶融体を細孔から滴下して球状化さ
せる製法で形成される製品に適用できるものである。な
お、溶融体は、自重によって滴下される場合だけでな
く、容器内に圧力をかけて滴下される場合も多く、滴下
される方向も必ずしも鉛直方法とは限らないが、以下、
半田ボール（以下単にボールと言う）を対象とし、重力
方向に滴下されて形成される例で説明する。

【０００６】図１は本発明に係わるボール製造装置の一
例を示す該略図である。溶融金属１は、細孔３を有した
容器２に所定の温度に調整されて収容されており、容器
２は配管を介してガス調圧手段と接続され、内部を所定
圧力に調整することができる。細孔３は、所望のボール
直径に合せて、所定の穴径及び形状寸法になるように形
成されている。容器２内の細孔３の上部には加振ロッド
４が配設され、例えばピエゾ素子のような振動子５によ
り、所定の振動数と振幅を溶融金属１に付与することが
できる。細孔３の下方で、細孔から滴下してほぼ球状に
形成されたボール６の落下ラインの左右には、ボール６
を撮像するためのカメラ７とストロボランプ８が配設さ
れている。前記ガス調圧手段、振動子５、カメラ７及び
ストロボランプ８は、制御装置９に電気的に接続されて
いる。制御装置９にはパソコンなどの演算・記憶手段や
画像処理手段が備えられている。

【０００７】ストロボランプ８は振動子５の周波数に同
期させて発光させられ、カメラ７は略球状に形成された
複数のボール６を静止画像として撮像することができ
る。カメラ７には、視野内に少なくとも２個のボールが
撮像されるような倍率の光学系が装着される。撮像され
た静止画像は制御装置９に送られ、画像処理等で後述す
る所定の処理がされる。なお、静止画像を得るために
は、ストロボランプ８に代え、連続照明光発光手段とシ
ャッターを用い、シャッターを振動子５の周波数に同期
させて開閉するようにしてもよい。

【０００８】次にボールの製造方法について説明する。
溶融金属１が保持された容器２内にガス調圧手段で所定
圧力を付与するとともに、溶融金属１に浸漬した加振ロ
ッド４に振動子５から高周波振動を伝え、溶融金属１を
所定速度で細孔３から滴下させる。通常、細孔３を通過
した直後の溶融金属１は柱状であるが、直ぐに付加され
た振動により分断されて滴下し、冷却されて球状とな
る。容器内圧力や振動数などを制御するガス調圧手段、
振動子などの操作機器は、ボールの材質と所望の直径に
合せ、かつ形成された細孔の性状等を考慮して、経験的
に適切な値に設定しておく。即ち、細孔３を通過した柱
状溶融金属の断面積、速度を一定になるようにし、振動
数で規定されるタイミングで分断することで、所定の直
径のボールを得るようにしている。

【０００９】しかし、実際には溶融金属温度や、細孔の
形状、面粗さ等に起因する細孔通過時の抵抗などの条件
も常に同一にすることは難しく、形成されるボールの直
径は、わずかながら狙い値とずれることが多い。また、
時間経過に伴い、溶融金属の温度変化による粘度変動
や、細孔穴部への溶湯の付着や表面の損傷など細孔性状
変動や、量の減少などに伴う押出し力の変動などによ
り、柱状溶融金属の断面積や速度などが変動すると、分
断されたボール容量が変動し、ボール径が変動する。従
って、ボール製造中にインラインでボール径を求め、こ
のデータをもとにインラインで制御可能なガス調圧手
段、振動子などの操作機器を適宜制御し、所定のボール
径を得るようにする。

【００１０】ボール径を求めるためには、前述したカメ
ラ７でボールを撮像し、画像処理で直径を算出する方法
が考えられるが、本発明者らは、多くの製造時のデータ
を分析して、溶融金属が滴下してほぼ球状となった時の
ボール間の距離とボール径に相関があることを見出した
ので、ボール間距離を求めることでボール径を導出する
方法をとっている。図２は、直径の異なる４種類のボー
ルを製造した時の、ボール径変動とボール間の距離変動
との関係を示したものである。例えば、直径３００μｍ
のボールの場合、直径が１μｍ大きくなる毎にボール間
の距離が約９μｍ長くなっており、また、直径６００μ
ｍのボールの場合、直径が１μｍ大きくなる毎にボール
間の距離が約４μｍ長くなっており、直径の小さなボー
ルほど、直径の変動がボール間の距離変動として大きく
表われることがわかる。

【００１１】即ち、形成されるボール径の変動は、滴下
するボール６間の距離変動として、数倍〜十数倍に拡大
されて表われる。このことは、画像処理の分解能が同じ
であれば、ボール間の距離を算出する方が、直径を算出
するよりも数倍〜十数倍精度よく算出できることを示し
ている。従って、ボール間距離を計測してボール直径の
変動に換算すれば、精度高くボール直径の変動を捉える
ことができることになる。また、前述したように、直径
の小さなボールほど、直径変動値が同じであっても、よ
り大きなボール間の距離変動として表われて精度高く計
測できるので、ボールが小さくなるほど本方法は有効で
ある。さらに、ボールが小さいほどボール間距離は短く
なるため、視野内に同一個数のボールを撮像する場合、
撮像倍率は高くなるので画像分解能は上がり、計測精度
を高くすることができる。

【００１２】ボール間距離を撮像画像から算出するため
には、前述したように視野内には少なくとも２個のボー
ル６が撮像されるようにし、画像処理でボール６の重心
を演算し、ボール６の重心間距離を算出する。精密に距
離を算出するためには、光学系の倍率を高くし１画素当
たりの分解能を上げればよいが、ボール径によってボー
ル間距離が異なるので、段取変えを容易にするにはカメ
ラ７にズームレンズを装着するとよい。また、ストロボ
ランプ８にコリメータを設置して平行光とし、カメラレ
ンズにテレセントリックレンズを使用するとさらによ
い。また、ボール間の距離としては、１画面内のボール
間距離を平均したり、複数の画面分を平均したりしてデ
ータ処理したものを用いるとよく、これらをさらに移動
平均処理すると、変動を連続的に大きく捉えることがで
き、操作機器の制御処理が容易になる。なお、ボール間
の距離算出は、ボール落下ラインの所定位置において、
落下中のボールをレーザや近接センサや静電容量センサ
などの非接触式物体検出センサを用いて検出し、その検
出タイミングをもとに行うようにしてもよい。

【００１３】上述したように、本発明を用いたボールの
製造方法は、所定のボール径を得るために規定した製造
条件において、滴下するボール間距離と形成されるボー
ルの直径との相関関係を予めグラフ化或いは数式化して
制御装置９に記憶させ、ボール間距離をもとに形成され
たボール径を導出し、モニタリングしながら製造するも
のである。開始時においては、ボールが所望の直径範囲
にあるか否かをモニタリングするとよく、また製造中に
おいては、ボール間距離の変動をもとにボール径変動を
導出し、ボールが所定許容範囲にあるか否かをモニタリ
ングするとよい。モニタリングによって、ボールが所定
許容範囲を外れた場合は、アラームを発して製造を中止
したり、或いは予め設定した制御ルールに基づいて、手
動或いは自動で所定の操作機器を制御し、容器内圧力、
振動数、温度などを調整し、ボールを所望の直径範囲内
からずれないようにすることができる。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
インラインで球状粒子の直径を精度よく求めることがで
き、これをもとに製造条件を調整することができるの
で、所望の粒径の球状粒子を信頼性高く製造することが
できる。また、粒径のばらつきが大きく、大量に規格外
品を含むような球状粒子を後工程に流すことがないの
で、生産効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施する製造システムの概念図

【図２】滴下するボールの直径変動と距離間隔変動の関
係を示す図

【符号の説明】

１・・溶融金属、２・・容器、３・・細孔、４・
・加振ロッド、５・・振動子、６・・ボール、７・
・カメラ、８・・ストロボランプ、６・・制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者久保井健島根県安来市安来町2107番地２日立金属株式会社安来工場内Ｆターム(参考） 4F201 AP11 AQ01 AR02 AR06 AR12 BA02 BC01 BC12 BC15 BL02 BL25 BL42 4G004 CA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶融体を容器内から細孔を通して滴下し
球状粒子を製造する方法において、滴下中の球状粒子間
の距離をもとに粒子径を導出し、モニタリングしながら
製造することを特徴とする球状粒子の製造方法。
【請求項２】モニタリングを基に、粒子径に影響を与
える制御量を調節できる操作機器を、粒子径が所定寸法
範囲になるように制御する請求項１記載の球状粒子の製
造方法。
【請求項３】溶融体を容器内から細孔を通して滴下し
球状粒子を製造する方法において、滴下して略球状に形
成された粒子を撮像し、粒子間の距離を画像処理で計測
し、予め設定した粒子間距離と粒子径の関係をもとに粒
子径を導出する請求項１又は２記載の球状粒子の製造方
法。