JP2011143362A - 液体滴下装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微量の液体を滴下する際の滴下量のばらつきを小さくすることができる液体滴下装置を提供する。
【解決手段】本発明の液体滴下装置は、駆動源からの動力が伝達されて往復移動するプランジャロッド３と、プランジャロッド３とはまり合うシリンジ空間２ａを有し、プランジャロッド３の往復移動により、所定の液体源からシリンジ空間２ａ内に液体を供給し、かつ、供給された液体を滴下するように構成されたシリンジ２と、シリンジ２の内面２ｂとプランジャロッド３の側面３ｂとの隙間を密封するシール部材４とを備える。シリンジ２の内面２ｂとプランジャロッド３の側面３ｂとの間隔Ｇを、３μｍ以上１０μｍ以下に設定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えばアルコールや水などの低粘度の液体から半田ペーストやシール材等の高粘度の液体まで幅広い粘度の液体を高精度に定量滴下する装置に関する。

従来、液体を定量滴下させる液体滴下装置としては、プランジャロッドの進退動作により液体の保持体積を変動させて液体を滴下させるもの、液体を常時加圧しておき、ノズル部に接続される流路を開閉することにより、開放された時間分の液体を滴下させるもの（例えば特許文献１参照）、その他スクリューポンプやギアポンプ等によるものが多種開発されている。

上述した液体滴下装置は、産業用途においてＴＶパネルの製作、半導体製造装置のワイヤーボンディング工程や、ＰＣ等の基板製作工程で使用される。
特に、パネル製作工程においては、携帯電話の液晶パネルに代表されるパネルの小型化に伴い、ガラス基板を均一に貼り合わせるための高さコントロールが必要になり、また、スペーサー、液晶材料、シール部材については微量の液体を定量滴下するように制御する必要がある。

さらに、基板配線や基板への半田塗布に関しては、基板の小型化に伴い、配線の幅を縮小することや、半田付け量を減少することが求められ、このような場合においても、微量の液体を精度良く滴下する必要がある。
このような液体滴下装置においては、液体の滴下を行う際、ある定量を狙って滴下を行うが、どうしても滴下量のばらつきが生じてしまう。これは、液体に加わる圧力の変動、ノズル部先端の液滴の残り等に起因する。

この液体に加わる圧力の変動に関し、プランジャロッドの進出動作により液体を加圧して吐出を行うプランジャポンプ等においては、その進出動作の際、滴下される液体のみならず、プランジャロッドの側面とシリンジの内面間に保持された液体にも圧力が加えられる。

その一方、プランジャロッドの側面とシリンジの内面間のシールはゴム又は樹脂等の弾性変形しやすい材料のシール部材により行っているため、プランジャロッド側面とシリンジ内面間の液体に加えられた圧力はシール部材の弾性変形により緩和されることになる。

しかし、シール部材の弾性変形は定常的なものではなく、プランジャロッドの動作による摺動によって変化し、これによる受圧部分の変化によって弾性変形状態の変化が引き起こされたり、また環境による変動、液体による被毒による変化等によりばらつくという問題がある。

特開２００６−３０８１０５号公報

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、微量の液体を滴下する際の滴下量のばらつきを小さくすることができる液体滴下装置を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明は、駆動源からの動力が伝達されて往復移動するプランジャと、前記プランジャとはまり合うシリンダ空間を有し、当該プランジャの往復移動により、所定の液体源から当該シリンダ空間内に液体を供給し、かつ、供給された当該液体を滴下するように構成されたシリンダと、前記シリンダの内面と前記プランジャの側面との隙間を密封するシール部材とを備え、前記シリンダの内面と前記プランジャの側面との間隔が３μｍ以上１０μｍ以下である液体滴下装置である。
本発明では、前記シール部材が、断面Ｕ字形状の樹脂製のシール本体と当該シール本体の内側に配置された金属製の弾性部材とを有する場合にも効果的である。
本発明では、前記プランジャ及び前記シリンダが、セラミックスからなる場合にも効果的である。
本発明では、滴下する液体が液晶材料である場合にも効果的である。
一方、本発明は、上述したいずれかの液体滴下装置を製造する方法であって、前記プランジャを作成した後、前記シリンダの内面部分の加工を当該プランジャとの擦り合わせ加工により行う工程を有する液体滴下装置の製造方法である。

本発明にあっては、シリンダの内面とプランジャの側面との間隔が３μｍ以上１０μｍ以下となるようにしたことから、シリンダの内面とプランジャの側面との間に保持される液体の量を従来技術に比べて減少させることができ、これによりプランジャの動作による加圧に対し、プランジャ側面及びシリンダ内面の間隔の受圧面積を低減することができるので、シール部材に加わる力を減少させることができる。

さらには、プランジャ及びシリンダ間の液体の粘性抵抗によりシール部材自体に力を及ぼさないようにすることも可能になる。
その結果、本発明によれば、微量の液体を滴下する際の滴下量のばらつきが小さい液体滴下装置を提供することができる。

本発明において、シール部材が、断面Ｕ字形状の樹脂製のシール本体と当該シール本体の内側に配置された金属製の弾性部材とを有する場合には、プランジャの往復動作時におけるシール部材の変形量の変動をより小さくすることができ、これにより圧力損失を小さくすることができるので、微量の液体を滴下する際の滴下量のばらつきを更に小さくすることができる。

本発明において、プランジャ及びシリンダが、セラミックスからなる場合には、加工精度を向上させることができるので、シリンダの内面とプランジャの側面との間隔をより確実に３μｍ以上１０μｍ以下にすることができる。
本発明において、滴下する液体が液晶材料である場合には、例えば水などに比べて粘度が大きくシール部材に加わる力を減少させることができるため、液体を滴下する際の滴下量のばらつきが小さいものである。

一方、上述した液体滴下装置を製造する場合において、プランジャを作成した後、シリンダの内面部分の加工を当該プランジャとの擦り合わせ加工により行えば、シリンダの内面とプランジャの側面との間隔をより確実に３μｍ以上１０μｍ以下にすることができる。

以上述べたように、本発明によれば、微量の液体を滴下する際の滴下量のばらつきが小さい液体滴下装置を提供することができる。

本発明に係る液体滴下装置の実施の形態の全体構成を示す断面図 本発明におけるシリンダ及びプランジャの要部を示す断面図 本発明に係る液体滴下装置の他の実施の形態の全体構成を示す断面図

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る液体滴下装置の実施の形態の全体構成を示す断面図である。
なお、本明細書においては、図１に示す状態で液体滴下装置１を配置した場合を例にとって上下関係を説明する。

図１に示すように、本実施の形態の液体滴下装置１は、シリンダ空間２ａ内に液体を保持するシリンジ（シリンダ）２と、シリンダ空間２ａにはまり合うプランジャロッド（プランジャ）３と、プランジャロッド３とシリンジ２間の隙間（ギャップ）を封止する弾性のシール部材４とを有するピストン本体部５を備えている。
ここで、プランジャロッド３は、以下の駆動機構６によって駆動され往復（進退）動作するように構成されている。

すなわち、この駆動機構６は、例えばステッピングモータ等のモータ６０を有し、このモータ６０の回転動力をカップリング部材６１を介してボールネジ６２に伝達し、モータ６０の回転運動を直線運動に変換するように構成されている。
そして、このボールネジ６２の先端部に設けられたステージ６３が、プランジャロッド３の上端部を上下両側から挟んで固定するプランジャロッド押え部材６４に連結されている。

一方、シリンジ２の底部には、三方弁７に接続されたチューブ８が取り付けられ、この三方弁７は、導入管９を介して液体源１０に連結されている。
さらに、この三方弁７には、液体を滴下するためのノズル１１が取り付けられている。

このような構成において、液体の滴下を行う場合には、三方弁７を液体源１０側にセットしてチューブ８と導入管９とを接続し、モータ６０を動作させてプランジャロッド３を上方に引き上げ、液体源１０から導入管９、三方弁７及びチューブ８を介して液体をシリンジ２のシリンダ空間２ａ内に導入する。

そして、三方弁７をノズル側に切り換えてチューブ８とノズル１１とを接続し、モータ６０を動作させてプランジャロッド３を下方に押し下げ、シリンジ２のシリンダ空間２ａ内において液体に圧力を加え、ノズル１１から液体を滴下する。

図２は、本発明におけるシリンダ及びプランジャの要部を示す断面図である。
本発明においては、プランジャであるプランジャロッド３と、シリンダであるシリンジ２は、弾性変形しにくい材料を用いて構成することが好ましい。

このような材料としては、例えば、セラミックスや、ステンレス鋼等の金属材料があげられる。
これらのうちでも、加工精度を向上させる観点からは、セラミックスを用いることが好ましい。

さらに、以下に説明するように、プランジャロッド３の側面とシリンジ２の間の間隔が非常に小さく互いに摺動するため、プランジャロッド３及びシリンジ２を共に堅牢で削れにくいセラミックスから構成することが好ましい。

一方、プランジャロッド３の側面３ｂとシリンジ２の内面２ｂとの間の間隔（ギャップＧ）は、３μｍ以上１０μｍ以下に設定することが好ましい。
プランジャロッド３の側面３ｂ及びシリンジ２の内面２ｂ間の間隔を３μｍ未満とするのは技術的に困難であり、他方、プランジャロッド３の側面３ｂ及びシリンジ２の内面２ｂ間の間隔が１０μｍより大きくなると、本発明の目的である液体の滴下量のばらつきを小さくすることが達成できなくなる。

なお、本発明の目的をより達成しやすくするためには、プランジャロッド３の側面３ｂ及びシリンジ２の内面２ｂの円筒度（ＪＩＳ Ｂ００２１にて定義される幾何公差の円筒度公差）を０．００１ｍｍ以下、同真円度（ＪＩＳ Ｂ００２１にて定義される幾何公差の真円度公差）を０．００１ｍｍ以下、平均表面粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下に設定することが好ましい。

また、本発明の場合、特に限定されることはないが、加工のしやすさの観点からは、プランジャロッド３及びシリンジ２の内面２ｂの長手方向長さは１００ｍｍ以下にすることが好ましい。
さらに、本発明は、プランジャロッド（プランジャ）３の直径は、３〜５ｍｍ、特に４ｍｍのものに適用するとより効果があるものである。

また、本発明の場合、特に限定されることはないが、圧力損失をより小さくする観点からは、図２に示すように、シール部材４として、断面Ｕ字形状の樹脂製のシール本体４０と、シール本体４０の内側に配置された金属製の弾性部材４１とから構成されたものを用いることが好ましい。

ここで、シール本体４０の材料としては、通常用いられるポリ四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ：商品名テフロン）に比べて弾性変形の小さい樹脂材料、即ちポリ四フッ化エチレン樹脂に比べて弾性率（ヤング率）が大きい樹脂材料を用いることがより好ましい。

このような樹脂材料としては、ポリ四フッ化エチレン樹脂のヤング率が０．５ＧＰａであるのに対し、これよりヤング率の大きい超高分子ポリエチレン（ＰＥ：ヤング率＝１ＧＰａ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヤング率＝３ＧＰａ）等の樹脂があげられる。
一方、弾性部材４１の材料としては、例えば、ステンレス鋼等を好適に用いることができる。

図２に示すように、シリンジ２の上端部のプランジャロッド３と対向する部分に全周に渡って溝部２０を設け、この溝部２０に一又は二以上のシール部材４を装着する。
この場合、シール本体４０がシリンジ２の溝壁部２０ａ内にはまり合うようなシール部材４を選択し、シール本体４０内の金属製の弾性部材（例えば板状部材）４１の弾性復元力によってシール本体４０の両側部を拡げ、これによりシール本体４０がシリンジ２の溝壁部２０ａとプランジャロッド３の側面３ｂに密着するように構成する。

本発明の場合、液体滴下装置の製造方法は特に限定されることはないが、プランジャとシリンダ間の間隔をより狭める観点からは、プランジャを先に作成し、シリンジ内面の加工をプランジャとの擦り合わせ加工により作成するか、又はシリンジ若しくはプランジャを大量に作成し、プランジャ側面とシリンジ内面間の間隔が所望の値になるように組み合わせる工程を有することが好ましい。

以上述べた本実施の形態にあっては、シリンジ２の内面２ｂとプランジャロッド３の側面３ｂとの間隔が３μｍ以上１０μｍ以下となるようにしたことから、シリンジ２の内面２ｂとプランジャロッド３の側面３ｂとの間に保持される液体の量を従来技術に比べて減少させることができ、これによりプランジャロッド３の動作による加圧に対し、プランジャロッド３の側面３ｂ及びシリンジ２の内面２ｂの間隔の受圧面積を低減することができるので、シール部材４に加わる力を減少させることができる。

さらには、シリンジ２の内面２ｂとプランジャロッド３の側面３ｂ間の液体の粘性抵抗によりシール部材４自体に力を及ぼさないようにすることも可能になる。
その結果、本実施の形態によれば、微量の液体を滴下する際の滴下量のばらつきが小さい液体滴下装置１を提供することができる。

さらに、本実施の形態においては、シール部材４が、断面Ｕ字形状の樹脂製のシール本体４０とシール本体４０の内側に配置された金属製の弾性部材４１とを有する構造で、上述したようにシール本体４０の樹脂材料にポリ四フッ化エチレン樹脂より弾性率（ヤング率）の大きいものを使用することにより、プランジャロッド３の往復動作時におけるシール部材４の変形量の変動をより小さくすることができ、これにより圧力損失を小さくすることができるので、微量の液体を滴下する際の滴下量のばらつきを更に小さくすることができる。

図３は、本発明に係る液体滴下装置の他の実施の形態の全体構成を示す断面図であり、以下、上記実施の形態と対応する部分については共通の符号を付しその詳細な説明を省略する。
本実施の形態の液体滴下装置１Ａは、プランジャロッド３の往復（進退）動作を空気圧によって駆動するようにしたものである。

図３に示すように、本実施の形態においては、プランジャロッド３の上方にプランジャロッド３を駆動するための空気室５０が設けられており、この空気室５０は、その上部分５１及び下部分５２にそれぞれ接続された導入管５３、５４を介して圧縮空気源５５に接続されている。
ここで、プランジャロッド３の駆動側先端部には、空気室５０の断面の面積と同等の形状及び大きさの弁体３０が取り付けられ、プランジャロッド３の駆動側先端部及び弁体３０が空気室５０内に往復移動可能な状態で挿入されている。

本実施の形態においては、圧縮空気源５５から圧縮空気を空気室５０の下部分５２に加えることにより、プランジャロッド３が上方に後退動作し、他方、空気室５０の上部分５１に圧縮空気を加えるとプランジャロッド３が下方に進出動作をする。そして、各動作に伴い、上述したように、液体の供給、滴下が行われる。

以上述べた本実施の形態によれば、上記実施の形態と同様の効果に加え、モータとカップリング部材とボールネジという複雑な駆動形態を使用しない簡素な構成の液体滴下装置を提供することができる。

また、ボールネジを使用するとグリスアップする必要があり、さらに定期的にグリスを補充する必要があるが、本実施の形態によれば、定期的にグリスを補充する必要がなくなるため、メンテナンス性を向上させることができる。

その他の構成及び作用効果については上述の実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。

以下、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
図１に示す構成の液体滴下装置として、プランジャロッドとシリンジ間の間隔が、直径方向に関し、７μｍ（実施例）、１９μｍ（比較例１）、３９μｍ（比較例２）のものを製作した。
そして、実施例、比較例１及び比較例２の液体滴下装置を用い、それぞれ実際に液体を滴下し、各液体をアルミカップで受け、各アルミカップを電子天秤にて秤量し、滴量をそれぞれ測定した。

この場合、各液体の滴下量は１ｍｇとし、滴下を５０回行い、平均値からのばらつきを計算することにより、実施例、比較例１及び比較例２の滴下評価を行なった。その結果を表１に示す。
また、液体の滴下は、プランジャロッドを１ｍｇ滴下分進退させ、液体の滴下−吸入を数回繰り返すことにより、滴下の際、シリンダ空間に保持される液体の容積を一定にした状態で行った。

表１から明らかなように、プランジャロッドとシリンジ間の間隔を狭めるに従い、滴下精度が向上していることが理解される。
特に、プランジャロッドとシリンジ間の間隔が７μｍの実施例では、滴下精度±が０．５％（３σ）という良好な結果が得られた。
このように、本発明によれば、プランジャロッドとシリンジ間に及ぼす力を低減することができ、滴下精度が向上しているのが理解される。

１…液体滴下装置、２…シリンジ（シリンダ）、３…プランジャロッド（プランジャ）、４…シール部材、５…ピストン本体部、６…駆動機構、７…三方弁、１０…液体源、１１…ノズル

Claims (5)

1. 駆動源からの動力が伝達されて往復移動するプランジャと、
   前記プランジャとはまり合うシリンダ空間を有し、当該プランジャの往復移動により、所定の液体源から当該シリンダ空間内に液体を供給し、かつ、供給された当該液体を滴下するように構成されたシリンダと、
   前記シリンダの内面と前記プランジャの側面との隙間を密封するシール部材とを備え、
   前記シリンダの内面と前記プランジャの側面との間隔が３μｍ以上１０μｍ以下である液体滴下装置。
2. 前記シール部材が、断面Ｕ字形状の樹脂製のシール本体と当該シール本体の内側に配置された金属製の弾性部材とを有する請求項１記載の液体滴下装置。
3. 前記プランジャ及び前記シリンダが、セラミックスからなる請求項１又は２のいずれか１項記載の液体滴下装置。
4. 滴下する液体が液晶材料である請求項１乃至３のいずれか１項記載の液体滴下装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の液体滴下装置を製造する方法であって、
   前記プランジャを作成した後、前記シリンダの内面部分の加工を当該プランジャとの擦り合わせ加工により行う工程を有する液体滴下装置の製造方法。

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