JP2008529790A - 粘性材料を噴射するシステム、弁、及び方法 - Google Patents

Abstract

粘性材料、例えばはんだペーストを間欠的に噴射するシステム（１０）、弁、及び方法が、弁（１２）を有し、この弁は、供給通路（５０）を備えた弁体を有する。弁棒（２６）が、弁体内において開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられ、この弁棒は、テーパ付き端部（２８）を有する。弁座（３０）が、弁棒の端部に隣接して位置決めされ、この弁座は、弁体の出口通路（４０）と連通した貫通通路（３６）を有する。弁棒（２６）の端部は、閉じ位置では貫通通路（３６）内に延びる。位置決め装置（２０）が、弁（１２）を支持するのが良く、この位置決め装置は、噴射作業中、弁（１２）を基板（１８）に対して複数の方向に移動させることかできる。弁棒（２６）の行程中に出口通路（４０）から噴射される材料の量は、貫通通路（３６）の容積と出口通路（４０）の容積を合わせた全容積の約２５％以下であるのが良い。

Description

本発明は、一般に、液体小出し弁、特に、粘性液体を間欠的に噴射するために用いられる弁に関する。

往復動弁要素を備えた弁は、特にごく僅かな量の液体の間欠的に塗布を必要とする分野、例えば、エレクトロニクス製造分野において液体材料を噴射するために用いられている。この分野において用いられるはんだペースト材料は、噴射作業には好適ではなかった。というのは、これら材料は、作業の繰り返し後に弁を詰まらせる傾向があるからである。具体的に言えば、はんだペーストは、小出し通路内で締め固め状態に傾向があり、それにより弁の出口を詰まらせる。この理由で、例えば、スクリュー式弁が、はんだペースト小出し用途に一層良く適している。残念ながら、スクリュー式弁は、遅く、種々の他の欠点を備えている。したがって、当該技術分野においては、粘性液体、例えばはんだペーストを確実に噴射できる一方で、先行技術に見られる問題を首尾良く解決する改良型弁が要望されている。

本発明は、第１の実施形態では、主要構成要素として、種々の用途における粘性材料、例えばはんだペーストを間欠的に噴射する弁を有する。例えば、はんだペーストは、多くの電子部品製造作業で用いられている。本明細書において開示する弁及び噴射方法は、本明細書において開示する種々のユニークな特徴のうちの１つ又は２つ以上を有するのが良い。弁は、供給通路を備えた弁体を有する。弁棒又はニードルが、弁体内で開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられており、この弁棒又はニードルは、約４０°以下の夾角でテーパしているのが良い端部を有する。弁座が、弁棒の端部に隣接して位置決めされ、この弁座は、弁体の出口通路と連通した貫通通路を備えている。弁棒の端部は、閉じ位置では貫通通路内に延びる。一特徴では、弁棒の行程中に出口通路から噴射される材料の量は、貫通通路の容積と出口通路の容積を合わせた全容積の約２５％未満である。

本発明の別の特徴では、出口通路は、貫通通路よりも小さな直径のものである。図示の実施形態では、出口通路は、有利には、貫通通路の直径の約１／３である。

別の特徴では、出口通路は、貫通通路の長さの約２／３の長さを有する。

弁棒のテーパ付き端部のところの夾角は、具体的に言えば、第１の実施形態では約３０°〜約４０°であるのが良い。

本発明の別の特徴では、テーパ付き端部の最も幅の広い部分のところの弁棒又はニードルは、直径Ｎ_dを有し、弁座の貫通通路も又、直径Ｓ_dを有する。この特徴では、Ｓ_dは、粘性材料、例えばはんだペーストの効果的な噴射のためにはＮ_dよりも約１０％〜約３０％小さいものであるように選択される。特定の実施形態では、Ｎ_dは、約１．５ｍｍ以下であるのが良く、Ｎ_dとＳ_dの差は、約０．２ｍｍであるのが良い。

位置決め装置又は位置決め装置が、小出しシステムにおいて弁を支持するのが良く、好ましくは、弁を噴射作業中、基板に対して多くの方向に動かすことができる。図示の実施形態では、位置決め装置は、電気機械式ｘ−ｙ−ｚ位置決め装置又はロボットである。

本発明は、更に、全体として本明細書において説明され、その開示した特徴のうちの１つ又は２つ以上を備えた弁を用いて粘性材料を間欠的に噴射する方法に関する。一特徴では、この方法は、粘性材料を圧力下で供給通路に供給する初期ステップを有するのが良い。弁棒を開き位置に動かして弁棒の端部が貫通通路内に部分的に納められた位置から、貫通通路から少なくとも部分的に取り出された位置に動くようにする。貫通通路を粘性材料で満たし、弁棒を閉じ位置に動かす。これにより、粘性材料が貫通通路と連通した出口通路から噴射される。出口通路から噴射される材料の量は、貫通通路の容積と出口通路の容積を合わせた全容積の約２５％未満であるのが良い。より好ましくは、噴射量は、貫通通路の容積と出口通路の容積を合わせた全容積の約２０％である。粘性材料は、好ましくは、はんだペーストを更に含む。この方法は、弁を位置決め装置で支持し、弁を位置決め装置と共に材料が噴射される基板に対して動かすステップを更に有するのが良い。

本発明の特徴及び目的は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むと一層良く明らかになろう。

図１に示すように、本発明を組み込んだ代表的な小出しシステム１０が、弁制御装置１４により粘性液体、例えばはんだペーストを間欠的に噴射し、材料源１６から粘性液体を受け入れるよう空気圧又は電気で作動される弁１２を有するのが良い。

第１の実施形態では、弁１２は、適当な位置決め装置２０、例えばロボット又は他の電気機械式位置決め装置によって基板１８に対しｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向に位置決めされる。弁１２は、図２及び図２Ａに詳細に示されているような小出し部分２２を除き、従来のものであって良い。この点に関し、弁１２は、閉じ位置を構成するよう受座又は弁座３０に接触したり開き位置（図示せず）では弁座３０から遠ざかるテーパ付き端部２８を備えた往復動ニードル又は弁棒２６を有している。以下に説明するように、粘性材料の噴射作用は、ニードル２６が開き位置から閉じ位置に動いたときに生じる。弁座３０は、弁１２のノズル部分４４内に設けられている円形断面の出口通路４０と連通した円形断面の貫通通路３６を有している。弁１２を種々の構成部品の本体又は構造体で形成できることは理解されよう。

図２Ａに示すように、ニードル２８のテーパ付き端部２８は、好ましくは、約３０°〜約４０°の夾角αでテーパしている。この角度αは、通路３６内のはんだペースト材料に対する機械的衝撃を和らげ、それによりかかる材料の締め固め及びその結果としての通路３６の詰まりを軽減するのを助けるものとして示されている。組み合わせ状態の通路３６，４０の容積は、例えば、１．０マイクロリットルであり、これに対し、はんだペーストの噴射量は、０．２マイクロリットルである。即ち、弁要素の各行程時に放出される材料の量は、組み合わせ状態の通路３６，４６の全容積の約２０％である。この割合は、弁座３０の内径（即ち、貫通通路３６の直径）を減少させることにより一段と減少させることができ、その結果、それに応じて詰まりの恐れを低くすることができる。図２Ａに示すような小出し部分２２の例示の実施形態の代表的な寸法は、次の通りである。

〔表１〕
ニードル外径（Ｎ_d）＝１．５ｍｍ
弁座内径又は貫通通路（３６）の直径（Ｓ_d）＝１．０ｍｍ
出口通路の直径（Ｏ_d）＝０．３４ｍｍ
出口通路の長さ（Ｏ_l）＝１．０ｍｍ
貫通通路の長さ（Ｐ_l）＝１．５ｍｍ

使用にあたり、供給通路５０を例えば注入器から圧力下で粘性材料、例えばはんだペーストで満たす。粘性材料は、多種多様な形態を取ることができ、多種多様な用途で使用できる。例えば、プリント回路板又は本発明の原理が特に適している他のエレクトロニクス製品の製造において、微量の又は小滴状の液体材料（はんだフラックス及びはんだペーストを含む）を基板又は加工物に塗布することが必要な場合が多い。これら小滴は、直径が０．１０インチ（２．５４ｍｍ）以下程度のものである場合がある。かかる材料は、一般に、粘度が２５，０００センチポアズよりも大きい場合があり、はんだペーストの場合、粘度が３００，０００センチポアズ以上である場合がある。これら液体又は粘性材料は、はんだフラックス及びはんだペーストの他に、接着剤、はんだマスク、グリース、油、封入剤、注封材料、インク、及びシリコーンを含む。弁棒２６を図２及び図２Ａに示す閉じ位置から持ち上げ、次に素早く閉じ位置に戻すと、貫通通路３６を満たしていたはんだペーストは、材料の少量の（例えば、０．２マイクロリットルの）ジェットとして出口通路４０から基板１８（図１）上に強制的に噴出されることになる。

図３は、弁１０（図１）に用いることができる小出し部分２２′の変形実施形態を示している。特に、ニードル６６が、噴射作業中、上述したのと同一の仕方で弁座７０に接触するテーパ付き端部６８を有する状態で提供されている。弁座７０は、ノズル部分８４の円形断面の出口通路８０と連通した円形断面の貫通通路７６を有している。テーパ付き端部６８は、約３０°〜約９０°の夾角βでテーパしているのが良い。この実施形態では、ニードル又は弁棒は、第１の実施形態と比較して尖った先端になっており、第１の実施形態にも示されているように、隙間Ｇが、ニードル２６の先端部と出口通路８０の下流側端部との間に形成されている。弁座Ｓ_dの内径（又は、換言すると貫通通路７６の直径）に対するニードル６６の外径Ｎ_dの最適な関係を確立するためにはノズル及び貫通通路の付近における粘性材料、例えば、はんだペーストの詰まりを阻止することが望ましいと判明した。例えば、これら寸法に関する以下の例が提供される。

〔表２〕
Ｎｄ Ｓｄ
１．５ｍｍ １．３ｍｍ
１．２ｍｍ １．０ｍｍ
１．０ｍｍ ０．８ｍｍ
０．９ｍｍ ０．７ｍｍ
０．７ｍｍ ０．５ｍｍ

かくして、各場合において、弁座７０の内径又は貫通通路７６の直径であるＳ_dは、ニードル６６の外径Ｎ_dよりも０．２ｍｍ小さい。一般に、Ｓ_dは、Ｎ_dよりも１０％〜約３０％小さい。ニードルガイド９０の内径Ｇ_dは、弁座７０に隣接した場所ではニードル６６の外径Ｎ_dよりも２ｍｍ大きいものであるのが良い。これは、ニードル６６が弁座７０に当たったときにはんだペーストに対する悪影響を減少させるのに役立つ。ニードル６６の先端部と弁座７０又は貫通通路７６の底部との間の距離又は隙間Ｇは、はんだペーストを出口通路８０から効果的に噴射し又は放出するには約５ｍｍ以下であるべきである。ニードル６６の先端部が弁座７０又は貫通通路７６の底部に近接しすぎ又は近すぎる場合、ニードル６６は、出口通路８０を閉鎖して噴射作用を阻害する場合がある。図３に示す他の寸法は、図２Ａに関して上述した寸法と同一であるのが良い。弁１２と関連した小出し部分２２′の使用法については上述されており、粘性材料（図示せず）は、ニードル又は弁棒６６が少なくとも部分的に入っている供給通路１００から貫通通路７６に供給される。

本発明を好ましい実施形態の説明により例示すると共にこの実施形態を幾分詳細に説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲をかかる細部に制限し又は何らかの形で限定することは本出願人の意図ではない。当業者であれば、追加の利点及び改造例を容易に想到できよう。本発明の種々の特徴は、ユーザの要望及び好みに応じて単独で又は多くの組み合わせで使用できる。本明細書は、現在知られている本発明を実施する好ましい方法と共に本発明の説明である。しかしながら、本発明それ自体は、特許請求の範囲の記載にのみ基づいて規定される。

本発明に従って構成されたニードル弁及びこの弁に結合されたｘ−ｙ−ｚ位置決め装置を有する小出しシステムの略図である。 全体として弁の軸線に沿って取った断面図であり、その小出し位置を示す図である。 図２の円で囲んだ部分の拡大図である。 図２Ａに類似した拡大断面図であるが、弁小出し部分の別の実施形態を示す図である。

Claims (25)

1. 粘性材料を間欠的に噴射するシステムであって、
   弁を有し、前記弁は、供給通路を備えた弁体、前記弁体内で開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられていて、テーパ付き端部を備えた弁棒、及び前記弁棒が前記開き位置にあるとき、前記弁体の出口通路及び前記供給通路と連通する貫通通路を備えた弁座を有し、前記弁棒の前記テーパ付き端部は、前記閉じ位置において前記貫通通路内に延び、
   前記弁を支持していて、前記弁を噴射作業中、基板に対して複数の方向に動かすことができる位置決め装置を有し、
   前記弁棒の行程中に前記出口通路から噴射される材料の量は、前記貫通通路の容積と前記出口通路の容積を合わせた全容積の約２５％以下である、ことを特徴とするシステム。
2. 前記弁棒の前記端部は、約４０°未満の夾角でテーパしている、ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記弁棒の前記端部は、約３０°〜約９０°の夾角でテーパしている、ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
4. 前記出口通路及び前記貫通通路は、各々、直径を有し、前記出口通路の前記直径は、前記貫通通路の前記直径よりも小さい、ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 前記出口通路の前記直径は、前記貫通通路の前記直径の約１／３である、ことを特徴とする請求項４記載のシステム。
6. 前記出口通路及び前記貫通通路は、各々、長さを有し、前記出口通路の前記長さは、前記貫通通路の前記長さの約２／３である、ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 前記弁棒の前記端部は、約３０°〜約４０°の夾角でテーパしている、ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 粘性材料を間欠的に噴射するシステムであって、
   弁を有し、前記弁は、供給通路を備えた弁体、前記弁体内で開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられていて、テーパ付き端部を備えた弁棒、及び前記弁棒が前記開き位置にあるとき、前記弁体の出口通路及び前記供給通路と連通する貫通通路を備えた弁座を有し、前記弁棒の前記テーパ付き端部は、前記閉じ位置において前記貫通通路内に延び、
   前記弁を支持していて、前記弁を噴射作業中、基板に対して複数の方向に動かすことができる位置決め装置を有し、
   前記出口通路及び前記貫通通路は、各々、直径を有し、前記出口通路の前記直径は、前記貫通通路の前記直径の約１／３である、ことを特徴とするシステム。
9. 粘性材料を間欠的に噴射するシステムであって、
   弁を有し、前記弁は、供給通路を備えた弁体、前記弁体内で開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられていて、テーパ付き端部を備えた弁棒、及び前記弁棒が前記開き位置にあるとき、前記弁体の出口通路及び前記供給通路と連通する貫通通路を備えた弁座を有し、前記弁棒の前記テーパ付き端部は、前記閉じ位置において前記貫通通路内に延び、
   前記弁を支持していて、前記弁を噴射作業中、基板に対して複数の方向に動かすことができる位置決め装置を有し、
   前記出口通路及び前記貫通通路は、各々、長さを有し、前記出口通路の前記長さは、前記貫通通路の前記長さの約２／３である、ことを特徴とするシステム。
10. 前記出口通路及び前記貫通通路は、各々、直径を有し、前記出口通路の前記直径は、前記貫通通路の前記直径の約１／３である、ことを特徴とする請求項９記載のシステム。
11. 粘性材料を間欠的に噴射するシステムであって、
    弁を有し、前記弁は、供給通路を備えた弁体、前記弁体内で開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられていて、直径Ｎ_dを有する近位端部と遠位先端部との間に延びるテーパ付き端部を備えた弁棒、及び前記弁棒が前記開き位置にあるとき、前記弁体の出口通路及び前記供給通路と連通する貫通通路を備えた弁座を有し、前記弁棒の前記テーパ付き端部は、前記閉じ位置において前記貫通通路内に延び、
    前記弁を支持していて、前記弁を噴射作業中、基板に対して複数の方向に動かすことができる位置決め装置を有し、
    前記貫通通路は、直径Ｓ_dを有し、Ｓ_dは、Ｎ_dよりも約１０％〜約３０％小さい、ことを特徴とするシステム。
12. Ｎ_dは、約１．５ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１１記載のシステム。
13. Ｎ_dとＳ_dの差は、約０．２ｍｍである、ことを特徴とする請求項１２記載のシステム。
14. 供給通路、貫通通路を備えた弁座に対して開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられていて、テーパ付き端部を備えた弁棒、及び弁体の出口通路と連通した貫通通路を備える弁座を有する弁を用いて粘性材料を間欠的に噴射する方法であって、
    前記粘性材料を圧力下で前記供給通路に供給するステップと、
    前記弁棒を前記開き位置に動かして前記弁棒の前記端部が前記貫通通路内に部分的に納められる位置から前記貫通通路から少なくとも部分的に取り出される位置に動くようにするステップと、
    前記貫通通路を前記粘性材料で満たすステップと、
    前記弁棒を前記閉じ位置に動かして前記弁棒の前記端部が前記開き位置から前記閉じ位置に動くようにするステップと、
    前記粘性材料を前記貫通通路と連通している出口通路から噴射するステップとを有する、ことを特徴とする方法。
15. 前記粘性材料は、はんだペーストを更に含む、ことを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 前記はんだペーストは、電子部品上に噴射される、ことを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記出口通路から噴射される材料の量は、前記貫通通路の容積と前記出口通路の容積を合わせた全容積の約２５％以下である、ことを特徴とする請求項１４記載の方法。
18. 前記弁を位置決め装置で支持させるステップと、前記弁を前記位置決め装置と共に基板に対して動かすステップと、前記粘性材料を前記基板上に噴射するステップとを更に有する、ことを特徴とする請求項１４記載の方法。
19. 粘性材料を間欠的に噴射する弁であって、
    供給通路を備えた弁体と、
    前記弁体内で開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられていて、テーパ付き端部を備えた弁棒と、
    前記弁棒が前記開き位置にあるとき、前記弁体の出口通路及び前記供給通路と連通する貫通通路を備えた弁座とを有し、前記弁棒の前記端部は、前記閉じ位置では前記貫通通路内に延び、
    前記弁棒の行程中に前記出口通路から噴射される材料の量は、前記貫通通路の容積と前記出口通路の容積を合わせた全容積の約２５％未満である、ことを特徴とする弁。
20. 粘性材料を間欠的に噴射する弁であって、
    供給通路を備えた弁体と、
    前記弁体内で開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられていて、テーパ付き端部を備えた弁棒と、
    前記弁棒が前記開き位置にあるとき、前記弁体の出口通路及び前記供給通路と連通する貫通通路を備えた弁座とを有し、前記弁棒の前記端部は、前記閉じ位置では前記貫通通路内に延び、
    前記出口通路及び前記貫通通路は、各々、直径を有し、前記出口通路の前記直径は、前記貫通通路の前記直径の約１／３である、ことを特徴とする弁。
21. 粘性材料を間欠的に噴射する弁であって、
    供給通路を備えた弁体と、
    前記弁体内で開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられていて、テーパ付き端部を備えた弁棒と、
    前記弁棒が前記開き位置にあるとき、前記弁体の出口通路及び前記供給通路と連通する貫通通路を備えた弁座とを有し、前記弁棒の前記端部は、前記閉じ位置では前記貫通通路内に延び、
    前記出口通路及び前記貫通通路は、各々、長さを有し、前記出口通路の前記長さは、前記貫通通路の前記長さの約２／３である、ことを特徴とする弁。
22. 前記出口通路及び前記貫通通路は、各々、直径を有し、前記出口通路の前記直径は、前記貫通通路の前記直径の約１／３である、ことを特徴とする請求項２１記載の弁。
23. 粘性材料を間欠的に噴射する弁であって、
    供給通路を備えた弁体と、
    前記弁体内で開き位置と閉じ位置との間で往復動自在に設けられていて、直径Ｎ_dを備えた最も幅の広い部分と遠位先端部との間に延びるテーパ付き端部を備え弁棒と、
    前記弁棒が前記開き位置にあるとき、前記弁体の出口通路及び前記供給通路と連通する貫通通路を備えた弁座とを有し、前記弁棒の前記端部は、前記閉じ位置では前記貫通通路内に延び、
    前記貫通通路は、直径Ｓ_dを有し、Ｓ_dは、Ｎ_dよりも約１０％〜約３０％小さい、ことを特徴とする弁。
24. Ｎ_dは、約１．５ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項２３記載の弁。
25. Ｎ_dとＳ_dの差は、約０．２ｍｍである、ことを特徴とする請求項２４記載の弁。

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