JP2013230457A - ノズルおよび液体吐出システム - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、液体を吐出する液体吐出装置に使用されるノズル、およびそのノズルを備えた液体吐出システムに関し、塗布量を安定化させる。
【解決手段】
ノズル３０が、液体吐出側先端の部分３１に、液体を吐出する吐出口３１１ａから液流路上流側に向かって一定内径又は錐形に拡大する内径に形成された先端流路３０１と、その吐出口３１１ａよりも液流路上流側から吐出口が形成されたノズル先端側に向かって外径が錐形状に拡大する錐形部３１２とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液体を吐出する液体吐出装置に使用されるノズル、およびそのノズルを備えた液体吐出システムに関する。

ディスペンサと呼ばれる液体吐出装置が、例えば電子回路基板への接着剤やはんだの塗布、液晶材料の注入、薬品の分注等、広範な分野で使用されている。

この液体吐出装置の液体吐出側先端にはノズルが装着されて、そのノズルから液体が吐出される。このため、このノズルには、このノズルから吐出された液体が塗布先に正確に塗布されることが必要であって、吐出された液体が塗布しきれずにそのノズルの先端部分に残存すると、正確な液量の塗布が困難となる。

特許文献１には、はんだペースト塗布用のノズルについて、はんだペーストをプリント基板上に均一な量で同じ形状で塗布するために、ノズルの途中に口径の小さいペースト通路を設けるという工夫が提案されている。

特開平９−２７６７６７号公報

上掲の特許文献１の場合、ノズルの途中にペースト通路を設け、さらに吐出口を末広がり形状に広げるなど、ノズルの構造が複雑であり、コストアップの要因となる。また後述する実験結果によれば、この特許文献１のノズルには塗布量が変動する要因を含んでいる。

本発明は、上記事情に鑑み、塗布量の安定化が図られたノズル、およびそのノズルを用いた液体吐出システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明のノズルは、液体を吐出させる液体吐出装置の液体吐出側先端部に装着されて液体を吐出するノズルであって、
このノズルの液体吐出側先端の部分に、
液体を吐出する吐出口から液流路上流側に向かって一定内径又は錐形に拡大する内径に形成された先端流路と、
その吐出口よりも液流路上流側から吐出口が形成されたノズル先端側に向かって外径が錐形状に拡大する錐形部と、
を有することを特徴とする。

本発明のノズルは、先端流路が一定内径又は液流路上流側に向かって錐形に拡大する内径に形成されているため、前掲の特許文献１にて提案されたペースト通路を設けたり末広がりの形状の吐出口を設けることと比べ、ノズルからの液の吐出量が安定する。また、本発明のノズルは、上記の錐形部を有することにより、ノズルから吐出された液がノズル外面に這い上がってノズル外面に纏わり付くという現象が抑えられ、先端流路が一定内径又は上流側に向かって錐形に広がる内径に形成されていることと相俟って、塗布液量を高精度に制御することができる。

本発明のノズルにおいて、上記錐形部は、一定の外径を表わす仮想面との成す角が５°以上７５°以内の錐形状を有することが好ましい。

この範囲内の角度では、ノズルからの吐出液のノズル外面の纏わり付きがさらに有効に防止される。

また、本発明のノズルにおいて、上記錐形部が、撥液処理されていることが好ましい。

この錐形部が撥液処理されていることによっても、ノズル外面への纏わり付きがさらに有効に防止される。

尚、この錐形部が撥液処理されていることは、その錐形部以外の部分についても撥液処理されていることを妨げるものではなく、錐形部とその錐形部以外の部分とが撥水処理されていてもよい。

また、上記目的を達成する本発明の液体吐出システムは、
液体を吐出させる液体吐出装置と、
その液体吐出装置の液体吐出側先端部に装着されて液体を吐出するノズルとを備え、
このノズルが、液体吐出側先端の部分に、
液体を吐出する吐出口から液流路上流側に向かって一定内径又は錐形に拡大する内径に形成された先端流路と、
その吐出口よりも液流路上流側から吐出口が形成されたノズル先端側に向かって外径が錐形状に拡大する錐形部と、
を有することを特徴とする。

以上の本発明によれば、塗布量の安定化が図られる。

本発明の一実施形態としての液体吐出システムの概要図である。 図１に円Ｒ１で示す、シリンジ先端部とノズルの拡大断面図である。 図２に円Ｒ２で示す、ノズルの先端部分の拡大断面図である。 液吐出実験結果を表わす図である。 先窄まりの先端流路を持つノズルの先端部分の断面図である。 末広がりの先端流路を持つノズルの先端部分の断面図である。 シミュレーションで用いたノズル先端形状のモデルを示した断面図である。 内径角度に対する外径の広がり量を示した図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態としての液体吐出システムの概要図である。

この液体吐出システム１０は、液体吐出装置２０と、その液体吐出装置２０を構成するシリンジ２１の先端に装着されたノズル３０とを備えている。

液体吐出装置２０は、シリンジ２１と、そのシリンジ２１を支持する支持装置２２と、そのシリンジ２１に一端が接続されたエアホース２３と、そのエアホース２３の他端が接続された本体装置２４と、本体装置２４と支持装置２２とを接続する制御線２５とを有する。シリンジ２１内には塗布対象の被塗布基板４０に塗布しようとする液が注入されており、本体装置２４からエアホース２３を通ってエアーが送り込まれると、その送り込まれたエアーの量に相当する量の液がノズル３０から吐出する。

支持装置２２は、シリンジ２１を支持する支持アーム２２１と、その支持アーム２２１を支持して上下動させる機構（図示省略）を備えた支持柱２２２と、その支持柱２２２を支持するとともに被塗布基板４０が載置される支持台２２３とを有する。

また本体装置２４には、一連の塗布シーケンスを起動するためのスタートボタン２４１が設けられている。

支持台２２３の上に被塗布基板４０を置いて本体装置２４のスタートボタン２４１を押すと、支持装置２２の支持アーム２２１が、矢印Ｄ方向に下降し、ノズル３０先端の液吐出部３１１が被塗布基板４０に対しあらかじめ定められた間隔（例えば０．３ｍｍ）となる高さで停止する。その後、シリンジ２１に一定量のエアーが送り込まれ、そのエアーに押されてシリンジ２１内の液体がノズル３０の先端の液吐出部３１１から塗布対象物４０に向かって吐出し、その吐出した液体が被塗布基板４０に塗布される。その後、支持アーム２２１は、矢印Ｕ方向に上昇する。

ここでは、簡易的な液体吐出システムについて一例を説明したが、液体吐出システム、液体吐出装置については様々な形態のものが広く知られており、ここでは、液体吐出システム全体については以上の説明にとどめる。

図２は、図１に円Ｒ１で示す、シリンジ先端部とノズルの拡大断面図である。

ノズル３０の後端部３２は、シリンジ２１の先端部２１１に、図示のように嵌り込む形状となっており、ノズル３０には、そのシリンジ２１に嵌り込んだ状態において、シリンジ２１の先端部２１１の液流路２１１ａに同一径で連通する液流路３００が形成されている。

尚、液流路３００がシリンジ２１の先端部２１１の液流路２１１ａと同一径で連通することは一例であり、必ずしも同一径である必要はない。

図３は、図２に円Ｒ２で示す、ノズルの先端部分の拡大断面図である。

このノズル３０の先端部分３１には、図２に示す液流路３００に連続する、その液流路３００よりも小径の先端流路３０１が形成されている。この先端流路３０１は、一定内径に形成され、先端の液吐出部３１１に設けられた液体を吐出する吐出口３１１ａから液流路上流側（ここに示す図では図の上側）に向かって、液流路３００（図２参照）に繋がる液導入部３１３にまで続いている。この先端流路３０１の直径Ｅは、Ｅ＝２０μｍφ〜１０００μｍφ程度である。ここでは、一例としてＥ＝４００μｍφを採用している。先端流路３０１はこのように極めて細い流路であり、この流路内で、前述の特許文献１におけるペースト通路のような液流路の段差や末広がりの吐出口を設けるような加工を高精度に行なうのは大変であり、コストの上昇を招くおそれがあるが、本実施形態のように一定内径であれば加工が楽であり、コストダウンに繋げることができる。

また、この実施形態のノズル３０は、吐出口３１１ａよりも液流路上流側からその吐出口３１１ａが形成されたノズル先端側（液吐出部３１１側）に向かって外径が錐形状に拡大する錐形部３１２を有する。この錐形部３１２は、一定外径を表わす仮想面（図３は断面を示しており、図３ではこの仮想面は仮想線３１４として示されている）との成す角θが５°以上７５°以内であることが好ましい。典型例として、ここではθ＝１５°を採用している。また、液吐出部３１１におけるノズル３０の肉厚Ａは、Ａ＝５μｍ〜５００μｍ程度である。ここでは一例としてＡ＝１５０μｍを採用し、したがって液吐出部３１１におけるノズル外径Ｄは、Ｄ＝Ｅ＋２Ａ＝７００μｍである。

また、本実施形態では、錐形部３１２の液吐出部３１１側の終端とノズル先端との間の距離ＢはＢ＝５０〜６０μｍ、錐形部３１２の直上部分の、凹み寸法Ｆは、Ｆ＝１００μｍである。したがってこの部分の肉厚は５０μｍ、外径は５００μｍである。距離Ｂは、Ｂ＝０μｍであることが好ましいが、Ｂ＝０μｍだとこのノズル３０を製作した際にノズル先端の縁が鋭角となり、その部分にばりが発生し易い。このばりを避けるために、ここでは、Ｂ＝５０〜６０μｍとしている。尚、ばり取りを行なうこととし、Ｂ＝０μｍとしてもよい。

また、このノズルの材質は特定の材質に限定されるものではなく、金属やセラミックスを使用できる。あるいは、樹脂製であってもよい。
［実施例１］
（第１実験）
図４は、液吐出実験結果を表わす図である。

ここでは、基本的には図３に示す先端形状を有し、様々な角度θのノズルを製作して実験を行なった。

図４（Ａ）〜（Ｅ）は、それぞれ、以下の（Ａ）〜（Ｅ）の先端形状を有するノズルである。
（Ａ）先端の外径Ｄ＝５００μｍ、角度θ＝−１１．３°、先端流路内径Ｅ＝４００μｍφ
（Ｂ）先端の外径Ｄ＝７００μｍ、角度θ＝０°、先端流路内径Ｅ＝４００μｍφ
（Ｃ）先端の外径Ｄ＝７００μｍ、角度θ＝５°、先端流路内径Ｅ＝４００μｍφ
（Ｄ）先端の外径Ｄ＝７００μｍ、角度θ＝１５°、先端流路内径Ｅ＝４００μｍφ
（Ｅ）先端の外径Ｄ＝７００μｍ、角度θ＝７５°、先端流路内径Ｅ＝４００μｍφ
以下は、（Ａ）〜（Ｅ）に共通の事項である。
・塗布液剤
紫外線硬化樹脂（ＥＴＰ−１０１−Ｓ１）（積水化学工業（株）製）（粘度３００ｃｐｓ）
・塗布実験条件
ディスペンサーロボット：ＥｚＲＯＢＯ−３（岩下エンジニアリング製）
制御機器：ＡＤ２０００（岩下エンジニアリング製）
室温：２２℃
シリンジ：１０ｃｃ
塗布圧力：０．３ＭＰａ
塗布時間：０．０１ｓｅｃ
塗布間隔：２．０ｓｅｃ（連続３００ショット×１０回）
塗布対象物：なし。空中で打ちっぱなし
連続３００ショット×１０回（合計３０００ショット）液吐出を行ない、ノズル先端に這い上がりが生じたか否かを観察した。

（Ａ）θ＝−１１．３°、（Ｂ）θ＝０°の場合、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように吐出液がノズル先端部分に這い上がる現象が観察された。この這い上がりは、３０００ショット後だけでなく、最初の１ショット目から観察された。

（Ｃ）θ＝５°、（Ｄ）θ＝１５°、（Ｅ）θ＝７５°の場合、吐出液は、図３の領域Ａ，Ｂまでは付着するが、錐形部３１２の斜面に阻まれ、３０００ショット後も液の這い上がりは観察されなかった。

さらに、後述する第２実験でも用いた塗布液剤（粘度３０００ｃｐｓ）を用いて、上記と同様の実験を行なった。

（Ａ）θ＝−１１．３°、（Ｂ）θ＝０°の場合、当初は這い上がり現象は、観察されなかったが、３００ショットを超えると、図４（Ａ），（Ｂ）と同様の這い上がりが観察された。

（Ｃ）θ＝５°、（Ｄ）θ＝１５°、（Ｅ）θ＝７５°の場合、３０００ショット後も液の這い上がりは観察されなかった。

この第１実験では液が這い上がるか否かを観察したが、液の這い上がりが生じると、その吐出液を塗布対象物に塗布したときに塗布量に大きなばらつきが生じることになる。
（第２実験）
ここでは、以下の４種類のノズルを用いて実験を行なった。

図５は、下記（Ｃ）の先窄まりの先端流路３０１Ａを持つノズルの先端部分の断面図である。また、図６は、下記（Ｄ）の末広がりの先端流路３０１Ｂを持つノズルの先端部分の断面図である。これら図５，図６のノズルは、それぞれ下記（Ｃ），（Ｄ）の説明以外の点については図３のノズルと同様であり、重複説明は省略する。
（Ａ）先端の外径Ｄ＝７００μｍ、角度θ＝１５°、先端流路内径Ｅ＝４００μｍφ
（Ｂ）先端の外径Ｄ＝７００μｍ、角度θ＝７５°、先端流路内径Ｅ＝４００μｍφ
（Ｃ）先端の外形Ｄ＝７００μｍ、角度θ＝７５°、先端流路最大内径（先窄まり開始点）Ｅ＝５００μｍφ、角度φ＝３４．３°、吐出口直径Ｇ＝４００μｍ
（Ｄ）先端の外径Ｄ＝７００μｍ、角度θ＝１５°、先端流路最小内径（末広がり開始点）Ｅ＝４００μｍφ、吐出口直径Ｇ＝６００μｍφ（末広がり）
以下は、（Ａ）〜（Ｄ）に共通の事項である。
・塗布液剤
シリコン樹脂（Ｘ−３５−３３１）３０重量％で平均粒径１５μｍのガラス粉末を混練した液剤（粘度３０００ｃｐｓ）
ディスペンサーロボット：ＥｚＲＯＢＯ−３（岩下エンジニアリング製）
制御機器：ＡＤ２０００（岩下エンジニアリング製）
室温：２２℃
シリンジ：１０ｃｃ
塗布圧力：０．１ＭＰａ
塗布時間：０．０１ｓｅｃ
塗布間隔：２０ｓｅｃ（連続５００ショット×６回）
塗布対象物：ガラス板
ショット時のガラス板とノズル先端との間の距離：０．３ｍｍ
連続５００ショット×６回（合計３０００ショット）液塗布を行ない、５００ショットごとに、ノズル先端の液だまり量の観察とガラス板上の塗布サイズ（塗布液の直径）を測定した。

５００ショット後、３０００ショット後の観察より、（Ａ）〜（Ｄ）のどのノズルにも這い上がり現象は観察されなかった。ただし、大きな違いとして、（Ａ）〜（Ｃ）と比較し（Ｄ）の末広がりの吐出口形状のノズルでは、ガラス板に塗布されずに吐出口に残存する先端たまり量が多く、また、その先端たまり量がばらつく傾向にあることが観察された。このことが以下に示す塗布サイズのばらつきに反映されているものと思われる。

この表１は、ガラス板上に塗布された塗布液の塗布サイズの平均と標準偏差を示した表である。

（Ａ）〜（Ｄ）のいずれのノズルであっても平均値はいずれも同等であるが、（Ｄ）の末広がりの吐出口を持つノズルの場合、（Ａ）〜（Ｃ）と比較して標準偏差が大きく、塗布サイズが大きくばらついていることが分かる。
（第３実験）
ここでは、ノズル先端に力が加わったときのノズル先端の外形の広がり量についてのシミュレーション結果について説明する。

基板などの塗布対象物にノズルを使って塗布液を塗布する際、基板の平坦具合によっては、基板とノズル間距離が十分にとれずに、ノズル先端が基板に衝突し、ノズル先端が変形することがある。塗布径は基本的にノズル外径サイズに依存するため、ノズル外径が変形すると塗布径が変化することになり、塗布径の安定性の低下を招く。また、ノズル外径が変形すると内径も変形するため、塗布量にも影響を与えることになる。

図７は、ここでのシミュレーションで用いたノズル先端形状のモデルを示した断面図である。この図７における各部の寸法等は以下の通りである。

Ｂ＝５０μｍ
Ｄ＝４００μｍ
Ｆ＝７０μｍ
Ｓ＝７５．４８μｍ
Ｌ＝１０００μｍ
ＯＤ＝２６０μｍ
ＩＤ＝２００μｍ
θ＝７０°
材料：ステンレス（ＳＵＳ３０３）
ここでは、上記の条件の下、内径角度φ（及び吐出口直径Ｇ）を様々に変化させ、上面Ｒを固定し下面に矢印の向きに１０Ｎの力を加えたときの下面外径Ｄの広がり量ΔＤをシミュレーションした。ここで使用したシミュレーションソフトウェアは、「ソリッドワークスプロフェッショナル２０１０（ソリッドワークス・ジャパン株式会社 製）」である

この表２は、各内径角度φ（°）および内径Ｇ（μｍ）のときの、１０Ｎの力に対する外径広がり量ΔＤ（μｍ）のシミュレーション結果を示した表である。

また、図８は、表２と同様、内径角度に対する外径の広がり量を示した図である。

マイナスの内径角度φは、先端流路の内径が図４に示すような末広がりの形状であることを表わし、内径角度φ＝０°は、図３に示すように一定内径の先端流路であることを表わしている。さらに、プラスの内径角度φは、図５に示すように内径が先窄まりの先端流路であることを表わしている。

これら表２、図８から分かるように、内径角度φがマイナスの末広がりの先端流路よりも、内径一定の先端流路の方が外形広がり量ΔＤが小さく、塗布径や塗布量の安定性が高いことが分かる。また、内径角度φがプラスの先窄まりの先端流路の場合は、外径広がり量ΔＤがさらに小さく、塗布径や塗布量の安定性がさらに高まっていることが分かる。

以上の実験データおよびシミュレーション結果から、ノズルの先端に、図３に示すように、内径一定の先端流路３０１を有し、かつ錐形部３１２を有するノズルを採用するか、あるいは図５に示すように液流路上流側に向かって内径が錐形に拡大する先端流路３０１Ａを有し、かつ錐形部３１２を有するノズルを採用すると、塗布量や塗布径の安定化が図られることが分かる。

ここで、錐形部３１２に、撥液処理、例えば撥液コーティングを施すと、液の這い上がり防止にさらに有効である。この場合に錐形部３１２のみでなく、図３に示す領域Ａや領域Ｂにも撥液処理を施してもよく、さらには、先端流路３０１の内側にも撥液処理を施しノズル先端部分全体を液が付着しにくい環境としてもよい。

尚、ここでは、シリンジ２１を用いる液体吐出装置およびそのシリンジ２１に装着されるノズルについて説明したが、本発明は、シリンジを用いるタイプの液体吐出装置およびそのタイプの液体吐出装置に装着されるノズルに限られるものではなく、液の容積を計量して一定液量を吐出する容積計量方式の液体吐出装置など、様々なタイプの液体吐出装置に適用可能である。その場合に、ノズルの後端部には、装着のためのネジを設けるなど、その液体吐出装置に合わせて様々な形態が採用される。

１０ 液体吐出システム
２０ 液体吐出装置
２１ シリンジ
２２ 支持装置
２３ 支持装置
２４ 本体装置
２５ 制御線
３０ ノズル
３１ 先端部分
３２ 後端部
４０ 被塗布基板
２１１ 先端部
２１１ａ，３００ 液流路
２２１ 支持アーム
２２２ 支持柱
２２３ 支持台
２４１ スタートボタン
３０１，３０１Ａ，３０１Ｂ 先端流路
３１１ 液吐出部
３１１ａ 吐出口
３１２ 錐形部
３１３ 液導入部
３１４ 仮想線

また、本発明のノズルにおいて、上記錐形部が、撥水処理されていることが好ましい。

この錐形部が撥水処理されていることによっても、ノズル外面への纏わり付きがさらに有効に防止される。

尚、この錐形部が撥水処理されていることは、その錐形部以外の部分についても撥水処理されていることを妨げるものではなく、錐形部とその錐形部以外の部分とが撥水処理されていてもよい。

Claims (4)

1. 液体を吐出させる液体吐出装置の液体吐出側先端部に装着されて液体を吐出するノズルであって、
   当該ノズルの液体吐出側先端の部分に、
   液体を吐出する吐出口から液流路上流側に向かって一定内径又は錐形に拡大する内径に形成された先端流路と、
   前記吐出口よりも液流路上流側から該吐出口が形成されたノズル先端側に向かって外径が錐形状に拡大する錐形部と、
   を有することを特徴とするノズル。
2. 前記錐形部は、一定の外径を表わす仮想面との成す角が５°以上７５°以内の錐形状を有することを特徴とする請求項１記載のノズル。
3. 前記錐形部が、撥液処理されていることを特徴とする請求項１又は２記載のノズル。
4. 液体を吐出させる液体吐出装置と、
   前記液体吐出装置の液体吐出側先端部に装着されて液体を吐出するノズルとを備え、
   前記ノズルが、液体吐出側先端の部分に、
   液体を吐出する吐出口から液流路上流側に向かって一定内径又は錐形に拡大する内径に形成された先端流路と、
   前記吐出口よりも液流路上流側から該吐出口が形成されたノズル先端側に向かって外径が錐形状に拡大する錐形部と、
   を有することを特徴とする液体吐出システム。

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