JP2015221442A - 液滴吐出装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】先端が吐出口を構成する吐出路と、プランジャーと、プランジャーが挿通される液室と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構とを備え、プランジャーの外周と液室の側面が常に非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出装置において、プランジャーの移動により吐出口から液材を分断した後、プランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成することを繰り返し行うことで、液滴を連続形成することを特徴とする液滴吐出装置。
【選択図】図1
Description
プランジャーの先端を弁座に当てて吐出するタイプの液滴吐出装置としては、例えば、特許文献1に、液材をノズルから離間した後にワークに着弾させる液滴吐出装置として、ノズルにつながる出口付近に弁座を有する流路内に、プランジャーの側面が非接触に配設され、プランジャーの先端が弁座に向けて移動し弁座に当接することにより、ノズルから液材を液滴の状態で吐出させる装置が開示される。
そこで、出願人は、プランジャーの先端を弁座に当てないで吐出する液滴吐出装置として、プランジャーを進出移動および進出停止することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出装置であって、進出停止時のプランジャーの先端部の位置を、その進出方向にある液室の内壁近傍に規定するプランジャー位置決定機構を備える液滴吐出装置を提案した(特許文献2)。
液滴吐出装置に係る第2の発明は、上記第1に記載の発明において、吐出路が、先端が吐出口を構成する第1流路と、第1流路および液室と連通し、第1流路よりも大径の第2流路からなり、吐出路の第1流路内または第2流路内に気液界面を形成することを特徴とする。
液滴吐出装置に係る第3の発明は、上記第1または2に記載の発明において、プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構を備え、プランジャーの先端部と液室の内壁が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出することを特徴とする。
液滴吐出装置に係る第4の発明は、上記第1ないし3のいずれかに記載の発明において、吐出口の内径が、数十μm以下であることを特徴とする。
液滴吐出方法に係る第5の発明は、先端が吐出口を構成する吐出路と、プランジャーと、プランジャーが挿通される液室と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構とを備える液滴吐出装置を用いて、プランジャーの外周と液室の側面が常に非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出方法において、プランジャーの移動により吐出口から液材を分断する分断工程、分断工程の後、プランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成する吸入工程を繰り返し行うことで、液滴を連続形成することを特徴とする。
液滴吐出方法に係る第7の発明は、上記第5または6に記載の発明において、プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構を備え、プランジャーの先端部と液室の内壁が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出することを特徴とする。
液滴吐出方法に係る第8の発明は、上記第7に記載の発明において、液材が固形物を含有する液材であり、分断工程におけるプランジャーの先端部と液室の内壁の距離を固形物よりも大きく設定したことを特徴とする。
液滴吐出方法に係る第9の発明は、上記第7または8に記載の発明において、分断工程におけるプランジャーの前進移動距離が、同工程直後のプランジャーの先端部と液室の内壁の距離よりも大きいことを特徴とする。
液滴吐出方法に係る第10の発明は、上記第5ないし9のいずれかに記載の発明において、吐出口の内径が、数十μm以下であることを特徴とする。
液滴吐出方法に係る第11の発明は、上記第5ないし10のいずれかに記載の発明において、液材が粘度10000mPa・s以上であることを特徴とする。
第1の発明は、先端が吐出口を構成する吐出路と、プランジャーと、プランジャーが挿通される液室と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構と、プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構とを備え、プランジャーの先端部と液室の内壁が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出装置において、プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出し、続いてプランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を形成すること、プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断した後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させることを特徴とする液滴吐出装置である。
第2の発明は、第1の発明において、吐出路が、先端が吐出口を構成する第1流路と、第1流路および液室と連通し、第1流路よりも大径の第2流路からなることを特徴とする。
第3の発明は、第2の発明において、プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断した後、さらにプランジャーを後退移動させて吐出路の第1流路内または第2流路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させることを特徴とする。
第4の発明は、第1ないし3のいずれかの発明において、吐出路内に気液界面を形成し、移動を停止した際のプラジャーの位置から、プランジャーを前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出し、続いてプランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を連続形成することを特徴とする。
第5の発明は、第1ないし4のいずれかの発明において、吐出口の内径が、数十μm以下であることを特徴とする。
第7の発明は、第6の発明において、吐出路が、先端が吐出口を構成する第1流路と、第1流路および液室と連通し、第1流路よりも大径の第2流路からなり、吸入工程において、プランジャーを後退移動させて吐出路の第1流路内または第2流路内に気液界面を形成し、プランジャーの移動を停止させることを特徴とする。
第8の発明は、先端が吐出口を構成する吐出路と、プランジャーと、プランジャーが挿通される液室と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構と、プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構とを備える液滴吐出装置を用いて、プランジャーの先端部と液室の内壁が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出方法において、吐出路が、先端が吐出口を構成し、プランジャーより小径の第1流路と、第1流路および液室と連通し、少なくとも液室側がプランジャーよりも大径の第2流路からなり、プランジャーを第2流路内まで前進移動させることにより所望の液滴を形成するのに必要となる量の液材を吐出口から押し出す押出工程、プランジャーを後退移動させることにより吐出口から押し出された液材を分断して微量の液滴を形成する分断工程を有することを特徴とする液滴吐出方法である。
第9の発明は、第6ないし8のいずれかの発明において、液材が固形物を含有する液材であり、押出工程におけるプランジャーの先端部と液室の内壁の距離を固形物よりも大きく設定したことを特徴とする。
第10の発明は、第6ないし9のいずれかの発明において、吐出口の内径が、数十μm以下であることを特徴とする。
第11の発明は、第6ないし10のいずれかの発明において、液材が粘度10000mPa・s以上であることを特徴とする。
第12の発明は、第6ないし11のいずれかの発明において、押出工程におけるプランジャーの前進移動距離が、同工程直後のプランジャーの先端部と液室の内壁の距離よりも大きいことを特徴とする。ここで、押出工程におけるプランジャーの前進移動距離は、同工程直後のプランジャーの先端部と液室の内壁の距離の3倍以上とすることが好ましく、6倍以上とすることがより好ましく、10倍以上とすることがさらに好ましい。
また、弁体と弁座が接触するようなこともないから、擦れ片やパーティクルの発生がなく、これらが材料中に混入する心配もなく、コンタミレスな微量吐出を行うことが可能となる。
また、液材がフィラー等の固形物を含有する場合であっても、固形物の潰れや破損による吐出精度の低下を防ぎ、液材の機能、性質を損なうことなく吐出することが可能である。
本発明によれば、水、溶剤、試薬等の低粘性材料から、半田ペースト、銀ペースト、接着剤等の高粘性材料にいたる液体材料を、微量吐出することができる。本発明は、クリーム半田のようなインクジェットでの吐出に適さない高粘度の液体にも適用できる点に特徴を有する。ここで、高粘度の液体とは、例えば、粘度10000〜500000mPa・sの液体をいう。特に、粘度20000mPa・s〜500000mPa・sの液体、さらにいえば粘度30000mPa・s〜500000mPa・sの液体を、プランジャー(弁体)を液室内壁(弁座)に当接させずに、滴状に微量吐出することは、従来、工業レベルでは実現されていなかった。
本発明における微量吐出とは、例えば、着弾径が数十〜数百μmの液滴、或いは、体積が1nl以下(好ましくは、0.1〜0.5nl以下)の液滴の吐出のことをいう。本発明は数十μm以下(好ましくは30μm以下)の吐出口径でも、液滴を形成できる点に特徴を有する。
図1は、液滴吐出装置(ディスペンサ)の要部断面図である。まず、液滴吐出装置の要部(吐出部)の構造について説明する。
図1に図示された吐出部は、プランジャー30と、液室50と、挿通孔51と、液送路52と、吐出路12とを備える。
液室50は、プランジャーの先端部31が位置する液材が満たされた空間である。図1に図示された液室50は、上面、側面および底面を有し円筒形状に構成されている。
液室50の上面には挿通孔51が設けられている。挿通孔51にはプランジャー30が挿通されており、プランジャー30の先端が液室50内に位置する。液室50の幅(径)は、プランジャー30の幅(径)よりも広く、プランジャー30の外周と液室50の側面は常に非接触の状態にある。プランジャー30は、図示されないプランジャー駆動機構に接続されており、吐出路12に対し近づくようにまたは遠ざかるように直進運動する。図1では、先端部31の形状を平面としているがこれに限定されず、例えば、球状としたり、凹状としたり、先細り形状としたり、吐出路12と対向する位置に突起を設けたりしてもよい。図2(a)〜(g)に、プランジャーの先端部31の形状例を示す。
液室50の側面には液送路52が設けられている。液室50には、この液送路52を介して、図示されない液材貯留容器等の液材供給部から液材が供給される。
吐出路の長さが長すぎる場合、液滴の分断が良好に行われないことがあり、特に高粘度の液材においてこの問題が生じやすい。このため、吐出路12は液室内の壁面53に孔を設けたオリフィスにより形成することが好ましい。吐出路の長さは、例えば100μm〜1000μmとする。また、液室内の壁面53にプランジャー30より大径のくぼみを設け、プランジャーの先端部31と対向する面を、より吐出口に近い位置に形成させてもよい。このとき、プランジャーの先端部31と対向するくぼみ内の面から吐出口11までが吐出路12となる(図2(f)参照)。また、壁面53を、吐出路12が位置する中央部分が肉薄となる曲面としてもよい(図2(g)参照)。
例えば、高粘度の液体で着弾径300μm以下の液滴を形成するためには、クリアランスは、1〜50μmの範囲で設定することが好ましく、1〜30μmの範囲で設定することがより好ましい。但し、液材にフィラー等の固形物が含有される場合には、クリアランスが固形物よりも大きくなるように最進出位置を設定する。例えば、液材が平均粒径10μmの粒子を有するクリーム半田の場合、クリアランスは10μmよりも大きなものとする必要がある(好ましくはクリアランスを固形物の大きさ(粒径)の1.5倍以上とする。)。半田の粒子が潰され、吐出路の流入口近傍に積層されることにより、吐出精度が著しく低下するという問題が生じるからである。
プランジャーの最進出位置の決定は、次の手順で行う。
まず、電磁切換弁72を、前方ピストン室43と外部が連通する状態に切換え、移動部材40を回転して、移動部材40が最前方に移動した状態とする。前方ピストン室43が外部に開放されているので、コイルバネ45の作用によりピストン33は本体71に対して前方に移動し、前方当接部32が前方ストッパー41に当接して停止する。続いて、マイクロメータ69を回転して後方ストッパー42を前進させ、後方当接部34に接触させることで、プランジャー30と本体71を固定する。
本体71を前方に移動し、後方ストッパー42と後方当接部34が接触する状態で固定する。プランジャー30の先端部31が液室50の内壁に接触する接触位置13で固定する。移動部材40を回転して、移動部材40のみを後方に移動して最進出位置を規定し、駆動ユニット70をベース部材73に固定する。
以上の作業により、プランジャー30の進出時停止位置を、プランジャー30の先端部31が液室50に接触しない所望の位置に調整することが可能である。
マイクロメータ46を回転して、後方ストッパー42を後退させて、吐出時のプランジャー30の後退時移動量を決定する。プランジャー30の後退時移動量が決定したら、マイクロメータ46が回転しないように、図示されない固定ネジでなどの回転ロック部材にてマイクロメータ46を固定する。以上の作業により、プランジャー30の最後退位置の設定作業が完了する。
1つの作業位置に1つの滴が吐出される場合もあれば、複数の滴を同じ場所に吐出することにより、所望量を確保する場合もある。1ショット当たりの吐出量を増やすと着弾径が広がるため、着弾径を広げたくない場合には、数ショットで所望量を確保することが好ましい。本発明の液滴吐出装置は、微量の液体を高速で連続的に吐出することができ、例えば、毎秒100ショット以上の高速タクトで作動させることが可能である。
図1(a)は、吐出動作開始時の初期状態を示す。この初期状態において、プランジャー30の先端部31は、一連の吐出動作の中で、吐出路12に対し最も遠くに位置する作動開始位置にある。また、液室50および吐出路12は液材で満たされた状態にある。この際、吐出路12の吐出口11側は、微量の外気(空気)を吸い込んだ状態であってもよい。
このとき、プランジャー30の前進移動により、液室50内の液材は、吐出路12内に送り込まれて、吐出路12内の液材が吐出路12先端の吐出口11に至る。これにより、吐出路12内に存在していた外気(空気)は外に吐き出される。
このとき、液材は、液室50から最先端までの間で分断されることなく、吐出路12の先端である吐出口11からさらに外方へ押し出される。
なお、ここまでのプランジャー30の前進移動は勢いよく行い、プランジャー30の停止は急峻に停止させることが好ましい。
プランジャー30が後退移動すると、液室50内を占めるプランジャーの容積の割合が減少し、吐出路12内の液材には、液室50内に向かう方向へ力が作用する。これに伴い、吐出口11の外方に存在する液材(吐出路12内の液材とつながる押し出された液材)にも、吐出路12内へ引き戻す力が作用する。このため、吐出口から押し出された液材には、プランジャーの前進方向への慣性力が働くと共に、プランジャーの後退方向への力が作用し、滴を形成しはじめる。すなわち、吐出路12内の液材とつながる吐出口11から押し出された液材は、吐出口近傍の部分で切断作用を受ける。
プランジャー30をさらに後退移動すると、吐出口11から押し出された液材に対する切断作用がさらに強まる。これにより、吐出路12から連続する吐出口11から押し出された液材は、吐出口近傍の部分で分断され、液滴を形成する。
図1(f)では、吐出路12から連続する側の液材の分断位置付近と、分断された側の液材の分断位置付近のいずれもが、細い糸状に描写されている。一般に、高粘性材料ではこのような糸状になることが多いが、材料の特性や温度や湿度などの環境条件などにも依存するものであり、高粘性材料であるからといって必ずこのような糸状の態様を示すわけではない。
また、吐出路12が第1流路21と第2流路22を有してなる場合において、第1流路21と第2流路22との境界が段を構成しない場合は、気液界面が第1流路21、第2流路22またはこれらの境界のいずれに存在してもよい(例えば、図2(a)(b)のような流路形状の場合)。また、図2(f)に示すように、第1流路21と第2流路22の境界が段を構成する場合であっても、気泡を形成することがなければ、第2流路22まで外気(空気)を吸い込むことができる。なお、円柱形状の第1流路21と円柱形状の第2流路22の境界をテーパーで滑らかにつないで構成してもよい。
吐出動作を完全に終了する場合には、プランジャー30の先端部31で吐出路12を塞ぎ、吐出口11から液材が流出するのを防ぐことが好ましい。
また、弁体と弁座が接触しないことから、擦れ片やパーティクルの発生がなく、これらが材料中に混入する心配もないので(すなわち、コンタミレス)、食品や薬品業界等での利用にも好適である。
12 吐出路
13 接触位置
21 第1流路
22 第2流路
30 プランジャー
31 先端部
32 前方当接部
33 ピストン
34 後方当接部
40 移動部材
41 前方ストッパー
42 後方ストッパー
43 前方ピストン室
44 後方ピストン室
45 コイルバネ
46 マイクロメータ
50 液室
51 挿通孔
52 液送路
53 プランジャーと対向する液室の壁面
71 本体
72 電磁切換弁
73 ベース部材
74 吐出ブロック
Claims (11)
- 先端が吐出口を構成する吐出路と、プランジャーと、プランジャーが挿通される液室と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構とを備え、プランジャーの外周と液室の側面が常に非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出装置において、
プランジャーの移動により吐出口から液材を分断した後、プランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成することを繰り返し行うことで、液滴を連続形成することを特徴とする液滴吐出装置。 - 吐出路が、先端が吐出口を構成する第1流路と、第1流路および液室と連通し、第1流路よりも大径の第2流路からなり、吐出路の第1流路内または第2流路内に気液界面を形成することを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出装置。
- プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構を備え、プランジャーの先端部と液室の内壁が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出することを特徴とする請求項1または2に記載の液滴吐出装置。
- 吐出口の内径が、数十μm以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の液滴吐出装置。
- 先端が吐出口を構成する吐出路と、プランジャーと、プランジャーが挿通される液室と、プランジャーを進退動させるプランジャー駆動機構とを備える液滴吐出装置を用いて、プランジャーの外周と液室の側面が常に非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出する液滴吐出方法において、
プランジャーの移動により吐出口から液材を分断する分断工程、
分断工程の後、プランジャーを後退移動させて吐出路内に気液界面を形成する吸入工程を繰り返し行うことで、液滴を連続形成することを特徴とする液滴吐出方法。 - 吐出路が、先端が吐出口を構成する第1流路と、第1流路および液室と連通し、第1流路よりも大径の第2流路からなり、
吸入工程において、吐出路の第1流路内または第2流路内に気液界面を形成することを特徴とする請求項5に記載の液滴吐出方法。 - プランジャーの先端部の位置を規定するプランジャー位置決定機構を備え、プランジャーの先端部と液室の内壁が非接触の状態でプランジャーを前進移動することで液材に慣性力を与えて液滴の状態に吐出することを特徴とする請求項5または6に記載の液滴吐出方法。
- 液材が固形物を含有する液材であり、分断工程におけるプランジャーの先端部と液室の内壁の距離を固形物よりも大きく設定したことを特徴とする請求項7に記載の液滴吐出方法。
- 分断工程におけるプランジャーの前進移動距離が、同工程直後のプランジャーの先端部と液室の内壁の距離よりも大きいことを特徴とする請求項7または8に記載の液滴吐出方法。
- 吐出口の内径が、数十μm以下であることを特徴とする請求項5ないし9のいずれかに記載の液滴吐出方法。
- 液材が粘度10000mPa・s以上であることを特徴とする請求項5ないし10のいずれかに記載の液滴吐出方法。
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