JP2011507675A

JP2011507675A - 粘性材料を吐出する方法

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Publication number: JP2011507675A
Application number: JP2010536118A
Authority: JP
Inventors: バーカス，フランク; セッドマン，ローレンス，ビー．; ヴァーガ，レスリー，ジェー．
Original assignee: Nordson Corp
Current assignee: Nordson Corp
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2011-03-10
Also published as: US20100250011A1; CN101873989A; US8255088B2; WO2009070568A1

Abstract

粘度データ又は実験室の試験結果から導出される制御アルゴリズムを用いて、第１の吐出サイクル中に供給シリンジ１４から粘性材料２０を押し出すために第１の圧力又は機械式駆動機構速度が用いられる。或る時間が経過した後に、材料２０の粘度が増すのに応じて、制御アルゴリズムに補正モデルを適用して、圧力又は駆動機構速度を高める。その後、第２の吐出サイクル中に、供給シリンジ１４から粘性材料２０を押し出すために、さらに高い第２の圧力又は駆動機構速度が用いられる。その補正モデルは、粘性材料２０についての実験データに基づくことができるか、又はカメラシステム３０を用いて、概ね均一な吐出量を保持するために必要とされるような圧力又は駆動機構速度を周期的に調整することができる。

Description

本出願は、２００７年１１月２９日に出願（係属中）の米国仮特許出願第６０／９９０，９８４号及び２００８年４月１７日に出願（係属中）の米国仮特許出願第６１／０４５，７８１号の優先権を主張し、それらの特許出願の開示内容はこの参照により完全に本明細書に援用される。

種々の種類の粘性材料を吐出することは、材料の粘度の変化に起因して容易ではない。ポリウレタン系反応性すなわちＰＵＲ接着剤のような、いくつかの種類の材料は、それらの使用時間にともなってわずかに硬化することによって粘度が増す傾向がある。たとえば、加熱式吐出シリンジに入れられる粘性ＰＵＲ材料は、製造環境にさらされている時間の間に変化する場合がある。ＰＵＲ接着剤の場合、その材料が水分すなわち湿気が存在する中で反応するように設計されているため、環境内の水分すなわち湿気にさらされると、わずかに硬化することに起因して粘度が変化する。他にも、予め混合され、シリンジのような吐出装置内に装填される２成分接着剤系、又は何らかの理由で時間とともに濃くなる接着剤若しくは封止剤のような種々の用途において用いられる他の材料などの種々の材料が、時間とともに粘度の変化を示す。

ピストン型要素の助けを借りて、又は借りることなく、シリンジからＰＵＲ接着剤を押し出すために、多くの場合に加圧空気すなわち加圧流体が用いられる。シリンジに供給される空気圧が同じ状態のままであり、且つ材料の粘度が増すものと仮定すると、吐出される材料は、時間の経過とともに、材料の粘度が増すにつれて、少なくなる。このため、吐出量が、時間の経過とともに次第に少なくなる可能性があり、仕様又は所望のパラメータから外れる場合さえある。他のタイプの吐出装置も同様の課題を呈する場合がある。

包括的には、使用時間にわたって粘度が増す粘性材料を吐出するときに、シリンジ、又は圧力に基づく吐出装置の吐出の一貫性を制御するための方法が提供される。たとえば、１つの方法は、第１の吐出サイクル中にシリンジから粘性材料を吐出すること、及びシリンジ内の可動要素に対して第１の吐出圧力を使用すること（又は可動要素を用いることなく、単に、材料を直に押すための圧力を使用すること）を含む場合がある。代替的には、機械式駆動機構を用いて、材料を直接的に、又は間接的に動かすことができる。その際、期間に関連する所定の値に応じて、粘性材料の粘度が増すのを補償するモデル又は制御機構に従って、圧力（又は機械式駆動機構が用いられる場合には速度）が高められる。たとえば、その期間は、生産サイクル中に粘性材料が環境にさらされる時間とすることができる。その後、その所定の値は、少なくとも部分的に、既知の期間後にシリンジに第１の吐出圧力又は速度よりも高い第２の吐出圧力又は速度を与える際に用いられる場合がある。その後、第２の吐出サイクル中に、粘度が増した粘性材料を吐出することができる。このようにして、たとえば、より高い一貫性を保持して、第１の吐出サイクル及び第２の吐出サイクル中に吐出される粘性材料が所望のパラメータの範囲内にあるのを確実にすることができる。

圧力又は速度を高めるために少なくとも部分的に用いられるモデル又は制御機構は、粘性材料に関連する実験データに基づくことができる。代替的に、又はそれに加えて、そのモデルは１つのアルゴリズムに基づく場合があり、そのアルゴリズムは、粘性材料を吐出することに関連する実験データに基づいてもよく、又は基づかなくてもよい。別の選択肢として、データのルックアップテーブルを用いて、第２の吐出サイクル又は後続の吐出サイクル中に与えられる圧力又は用いられる駆動速度を求めることができる。

別の態様において、本発明は、粘性材料の吐出量の画像を捕捉すること、捕捉された画像を解析して粘性材料の吐出量が所望のパラメータの範囲内にあるか否かを判断すること、及び粘性材料の吐出量が所望のパラメータの範囲外であると判断するのに応じて、吐出装置に与えられる圧力又は駆動速度を変更することを含むことができる。

本発明の例示的な実施形態に従って構成される吐出システムの概略図である。本発明の第２の例示的な実施形態に従って構成される吐出システムの概略図である。図１に示されるシステムの動作を例示するフローチャートである。図１Ａに示されるシステムの動作を例示するフローチャートである。

図１を参照すると、本発明の例示的な一実施形態に従って構成される吐出装置１０は、一般的に、オン／オフ吐出装置弁１２を備える。この実施形態では、弁１２は少量のＰＵＲ接着剤のような粘性材料を吐出するように特に設計される非接触吐出装置弁である。代替的に、同じような結果をもたらす種々の他の接触吐出装置又は非接触吐出装置を用いることもできる。非接触吐出装置１２は、吐出装置１２に加圧された粘性材料を供給するための加熱式シリンジ型供給装置１４をさらに備える。ソレノイド駆動式空気弁の形をとる場合がある制御弁１６が、吐出装置弁１２に直に接続される場合がある。既知の方法で、制御弁１６は、加圧空気を吐出装置弁１２へ供給し、内部弁棒（図示せず）を開位置へ動かす。制御弁１６からの加圧空気が十分に低減されるか、又は停止されるときに弁棒を閉位置へ動かすために、従来のバネ復帰機構１８が設けられる場合がある。代わりに、吐出装置弁１２を作動させる他の方法を用いることもできる。吐出装置弁１２のさらなる構造的細部又は動作は従来通りとすることもできる。代わりに、いかなるオン／オフ弁要素も用いない吐出装置（たとえば、単独で用いられる単なるシリンジ装置）のような、他のタイプの吐出装置を用いることもできる。

非接触吐出装置１２は、図１において誇張した形で概略的に示されるようなノズル２４から、ビード２２の形態等で特定量の粘性材料２０を吐出するように動作する。サンプルビード２２すなわち特定量の粘性材料は、１つ若しくは複数の吐出されたビード又は他のパターンによって形成される場合がある。後にさらに検討されるように、吐出量２２の画像を捕捉するために、マシンビジョンカメラ３０が設けられる。

図１及び図２を参照すると、吐出装置弁１２を動作させるために、そして、より詳細には、電圧／圧力変換器４２に適切な制御信号又は補正信号を与えるために制御部４０が設けられ、電圧／圧力変換器４２は電圧を空気圧に変換して、補正された空気圧が加圧空気供給源４４からシリンジ１４に接続された送気管４６に送られるようにする。補正された圧力を表す電圧信号は、少なくとも部分的に、制御部４０によって決定される値に基づく。その電圧値は格納される場合があるか、又は別の方法、たとえば、曲線若しくはアルゴリズムを用いること、若しくは時間及び温度情報に基づくデータのルックアップテーブルを用いることによって求められる場合がある。

制御部４０の一般的な動作を表す図２の制御フロー図をより詳細に参照すると、吐出過程の開始時に、ＰＵＲ接着剤材料のカートリッジが加熱式シリンジ供給装置１４に装填され、制御部４０に関連するクロックが「０」に設定される。吐出過程において用いるために、環境の温度も検出又は記録される。経過時間及び温度に応じて、制御部４０によって１つの値が求められ、それに応じて、シリンジ１４への圧力が調整される。その過程の冒頭において、この値は、圧力を、その既知の初期粘度において材料を正確に吐出するのに適した初期設定に保持するであろう。しかしながら、時間の経過にともなう材料の粘度変化を予測する所定のモデルに基づく量に従って、その値は、その圧力を高める。このモデルは、同じ温度及び湿度条件下の同じ材料に関して予め記録された、実験によって決定されたデータに基づくことができる。たとえば、関連する期間は、シリンジ１４内で使い捨てカートリッジ（図示せず）が用いられる予測生産時間とすることができる。この過程は、複数のサイクルにわたって、粘性材料のより一貫性のある吐出を確立するために、単独で用いられる場合がある。

時間の経過にともなう圧力を求めるために用いられる制御アルゴリズムの一例は以下の通りである。一般的な圧力制御式が、システム全体の圧力Ｐ（ｐｓｉ単位）、すなわちシリンジ１４に供給される圧力を、時間ｔ（時間単位）の関数として支配する。
Ｐ＝ｆ（ｔ）＋補正値
関数ｆ（ｔ）は接着剤の種類によって異なり、実験室の試験によって決定される。補正値は、所望の量の接着剤を吐出するために必要とされる開始圧力に合わせて調整され、所望のビード幅（ｍｍ単位）に基づいて初期補正値（ｐｓｉ単位）を求めるために用いられる式の一例は以下の通りである。
補正値＝（１５．５６９×所望のビード幅）−６．１４６４
この補正値式は、ノズル径のようなシステムパラメータに合わせて変化する。好ましい接着剤３ＭＰＵＲ２６５５、華氏２５０度の動作温度及び１ミリメートルの所望のビード幅の場合に、初期補正値は１３．３１３ｐｓｉであり、ｆ（ｔ）は２．８３７８×時間（時間単位）である。したがって、このシステム例の場合の制御アルゴリズムは、以下のようになる。
Ｐ＝（２．８３７８×ｔ）＋１３．３１３
このシステム例において用いられる制御アルゴリズムは線形であるが、数時間が経過した後に、接着剤材料の粘度変化は非線形になる。そのシステムは、４〜６時間内に完全に使い果たされることになるＰＵＲ接着剤のカートリッジを使用することによって、又は後に説明されるようにマシンビジョンカメラ３０を用いることによって、この非線形性を調整する。

図１に示されるカメラ３０を用いることによって、さらに高い精度及び一貫性を得ることができる。具体的には、カメラ３０は、相互に関連するIn-Sightソフトウエアを用いる、コグネックスコーポレーションから市販されるモデルIn-Sight５１００とすることができる。この高度な過程では、吐出量の画像がカメラ３０を用いて捕捉される。吐出量は、工作物又は別のサンプル基板上に吐出されるビード２２とすることができる。マシンビジョンカメラ３０の既知の機能及び上記のソフトウエアを用いることによって、カメラ３０は画像の画質を高め、画像の縁部を検出して、ビード幅を正確に推定することができる。カメラソフトウエアはさらに、検出又は推定されるビード幅が、所望のビード幅パラメータに応じて制御部４０において確立及び格納される限界値よりも大きいか、又は小さいかを判断することができる。ビード幅が上限値よりも大きいと検出される場合には、シリンジ１４への圧力が、たとえば、１ｐｓｉの所定の増分値だけ低減される。一方、ビード幅が下限値よりも小さいと検出される場合には、制御部４０は信号を送信し、たとえば、１ｐｓｉの圧力の増分量を加えることによって、空気圧を上げるように調整する。代わりに、たとえば、０．０１又は０．５ｐｓｉのようなさらに細かい分解能を有する量のような、他の量の増分又は減分圧力調整値を用いることもできる。別の代替形態として、先行する圧力値の５％又は１０％のような百分率の量において圧力調整を行なうこともできる。

その制御アルゴリズム例を続けると、そのアルゴリズムにおいて、補正値は、カメラ読み取りを用いて周期的に変更される。新たな補正値は一般的に以下のように計算される。
補正値_ｎｅｗ＝補正値＋（利得項）×（所望のビード幅−測定されたビード幅）
その後、上記の式の左辺にある新たな補正値は、接着剤の実際の吐出において一貫性に欠けるのを調整するために、その制御アルゴリズムにおいて用いられる。利得項は、ミリメートル単位の測定値をｐｓｉ単位の圧力に変換するプログラム可能な定数である。上記の華氏２５０度における３ＭＰＵＲ２６５５接着剤システムの場合、利得項は１３ｐｓｉ／ｍｍである。所望のビード幅が１ミリメートルであり、且つカメラ３０が、実際に吐出されたビード幅が１．１５ミリメートルであると判断する場合には、新たな補正値は以下のように計算される。
補正値_ｎｅｗ＝１３．３１３＋（１３）×（１−１．１５）＝１１．３６３ｐｓｉ
結果として、その後、制御アルゴリズムは、以下の式に従って、新たなシステム圧力Ｐ_ｎｅｗを計算する。
Ｐ_ｎｅｗ＝（２．８３７８×ｔ）＋１１．３６３
その後、補正値及びシステム圧力の変化が必要とされることをカメラ３０が示すまで、システムは、この新たな制御アルゴリズム下で動作し続ける。いくつかの実施形態では、連続したカメラ画像のそれぞれの補正値の変化を０．１ｐｓｉ又は０．５ｐｓｉのような小さな値に制限するために、プログラム可能な圧力変化パラメータが必要である。そのパラメータが、計算された補正値の変化よりも小さい場合には、このカメラの読み取りに基づくパラメータ量だけ、補正値が増減されるのみである。

図１Ａ及び図２Ａはそれぞれ、第２の実施形態による、概略的なシステム及びフローチャートを示す。この実施形態は、図１及び図２に関して説明された実施形態と原理及び動作に関して同じであるが、制御部４０、電圧／圧力変換器４２及び加圧空気供給源４４によって表される圧力系システムが、制御部５０、及び機械的な出力要素５４を有する機械式駆動機構５２によって置き換えられることが異なる。たとえば、機械式駆動機構は、サーボモータ、ステッパモータ及び／又は直線駆動装置を含む場合がある。可動駆動要素５４は、たとえば、回転し、それによりウォーム要素（図示せず）を作動させて、シリンジ１４を通して材料を直に押し出すことができるか、又はシリンジ１４を通じてピストンのような要素を物理的に押す直線的に作動可能な要素を動かして、吐出装置１２を通じて材料を押し出すことができる。制御部５０は、第１の実施形態の場合のように流体圧の量を制御するのではなく、代わりに、出力要素５４の速度（すなわち、回転速度又は直線速度）を変更する速度制御を含む。制御部５０に関するさらに具体的な説明を以下に述べる。

図２Ａの制御フロー図は、制御部５０の一般的な動作を表す。吐出過程の開始時に、ＰＵＲ接着剤材料のカートリッジが加熱式シリンジ供給装置１４に装填され、制御部５０に関連するクロックが「０」に設定される。吐出過程において用いるために、環境の温度も検出又は記録される。経過時間及び温度に応じて、制御部５０によって値が求められ、それに応じて駆動機構５２、より具体的には、出力要素５４の速度が調整される。その過程の冒頭において、この値は、駆動機構速度を、その既知の初期粘度において材料を正確に吐出するのに適した初期設定に保持する。しかしながら、時間の経過にともなう材料の粘度変化を予測する所定のモデルに基づく量に従って、その値は、速度を上昇させる。

第１の実施形態と同様に、このモデルは、同じ温度及び湿度条件下の同じ材料の場合に予め記録された、実験によって決定されたデータに基づくものであってもよい。たとえば、関連する期間は、シリンジ１４内で使い捨てカートリッジ（図示せず）が用いられる予測生産時間とすることができる。この過程は、複数のサイクルにわたって、粘性材料のより一貫性のある吐出を確立するために、単独で用いられる場合がある。図１Ａに示され、上記で説明されたようなカメラ３０を用いることによって、さらに高い精度及び一貫性を得ることができる。上記のように、カメラソフトウエアは、検出又は推定されるビード幅が、所望のビード幅パラメータに応じて制御部５０において確立及び格納される限界値よりも大きいか、又は小さいかを判断する。ビード幅が上限値よりも大きいことが検出されると、駆動機構速度が、たとえば、１単位の所定の増分値だけ低減される。一方、ビード幅が下限値よりも小さいことが検出されると、制御部５０は信号を送信し、たとえば駆動機構速度の増分量、たとえば１単位を加えることによって、駆動機構速度を上げるように調整する。任意の所望の量の増分又は減分速度調整値を用いることができる。

この実施形態では、制御アルゴリズムを用いて、時間に対する駆動機構速度が求められる。用いられる式は、上記で検討した制御式及び補正値式と同様である。システム圧力Ｐの代わりに、これらの式は、機械式駆動機構５２の回転速度又は直線速度を計算する。結果として、新たな補正値式の利得項及び他の定数が、新たな測定単位に対応するように変化する。他の全ての点では、この制御アルゴリズムは、上記で提供された例と全く同じように動作する。

本発明が、種々の好ましい実施形態の説明によって例示され、これらの実施形態が多少詳しく説明されてきたが、本出願人らは、添付の特許請求の範囲を、そのような細部に限定するか、又は多少なりとも制限することは意図していない。さらなる利点及び変更が、当業者には容易に明らかになるであろう。本発明の種々の機構は、使用者の要件及び好みに応じて、単独で用いてもよく、又は任意の組み合わせにおいて用いてもよい。これまで、現時点で知られている本発明を実施する好ましい方法と共に、本発明が説明されてきた。しかしながら、本発明そのものは、添付の特許請求の範囲によってのみ規定されるべきである。

Claims

時間の経過にともなって粘度が増大する粘性材料を吐出するときに、吐出装置の吐出の一貫性を制御する方法であって、該方法は、
第１の吐出サイクル中に前記吐出装置から前記粘性材料を吐出すると共に、前記吐出装置から前記材料を押し出すために第１の吐出圧力を用いること、
期間の経過にともなう前記粘性材料の粘度の増大を補償するモデルに従って補正値を求めること、
前記期間後に、前記補正値に応じて、前記第１の吐出圧力よりも高い第２の吐出圧力を前記吐出装置へ供給すること、及び
粘度が増大した前記粘性材料を、第２の吐出サイクル中に吐出すること
を含む方法。
前記モデルは、前記粘性材料に関する実験データに基づく請求項１に記載の方法。
前記モデルは、アルゴリズムに基づく請求項１に記載の方法。
データのルックアップテーブルを用いて、前記第２の吐出サイクルのために用いられる圧力を求めることをさらに含む請求項１に記載の方法。
前記粘性材料の吐出された量の画像を捕捉すること、
前記捕捉された画像を解析して、前記粘性材料の前記吐出された量が所望のパラメータの範囲内にあるか否かを判断すること、及び
前記粘性材料の前記吐出された量が前記所望のパラメータの範囲外であるという判断に応じて、前記吐出装置へ供給される圧力を変更すること
をさらに含む請求項１に記載の方法。
時間の経過にともなって粘度が増大する粘性材料を吐出するときに、吐出装置の吐出の一貫性を制御する方法であって、該方法は、
第１の吐出サイクル中に前記吐出装置から前記粘性材料を吐出すると共に、前記吐出装置から前記材料を押し出すために第１の吐出速度で動作する駆動要素を用いること、
期間の経過にともなう前記粘性材料の粘度の増大を補償するモデルに従って補正値を求めること、
前記期間後に、前記補正値に応じて、前記第１の吐出速度よりも高い第２の吐出速度を用いること、及び
粘度が増大した前記粘性材料を、第２の吐出サイクル中に吐出すること
を含む方法。
前記モデルは、前記粘性材料に関する実験データに基づく請求項１に記載の方法。
前記モデルは、アルゴリズムに基づく請求項１に記載の方法。
データのルックアップテーブルを用いて、前記第２の吐出サイクルのために用いられる吐出速度を求めることをさらに含む請求項１に記載の方法。
前記粘性材料の吐出された量の画像を捕捉すること、
前記捕捉された画像を解析して、前記粘性材料の前記吐出された量が所望のパラメータの範囲内にあるか否かを判断すること、及び
前記粘性材料の前記吐出された量が前記所望のパラメータの範囲外であるという判断に応じて、前記吐出速度を変更すること
をさらに含む請求項１に記載の方法。