JP2024008242A

JP2024008242A - ディスペンサー

Info

Publication number: JP2024008242A
Application number: JP2022109948A
Authority: JP
Inventors: 隆幸後藤; Takayuki Goto
Original assignee: TLC CO Ltd
Current assignee: TLC CO Ltd
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2024-01-19
Anticipated expiration: 2042-07-07
Also published as: JP7215790B1

Abstract

【課題】部品の摩耗を低減する新たなディスペンサーを提供する。【解決手段】ディスペンサー２０は、ピストン２２と、粒子を含む液状の材料が充填される柱状の計量室２４と、計量室２４に突き出すピストン２２が往復動するピストン室２６と、を有する筐体２８と、ピストン室２６の内周面２６ａとピストン２２との間を封止する封止部材３０と、を備える。ピストン２２は、計量室２４の内部を往復動し、計量室２４は、突き出したピストン２２の外周面２２ａと計量室２４の内周面２４ａとの間に隙間Ｇが形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ディスペンサーに関し、例えば、液状の材料を吐出するディスペンサーに関する。

従来、接着剤や金属ペーストのような粘性の高い液状の材料を、安定して一定量吐出する吐出装置として、いわゆる一軸偏心ねじポンプが考案されている。このポンプは、雄ねじに当たるローターと雌ねじに当たるステーターからなり、ステーターとローターとの隙間に形成されたキャビティーと呼ばれる密閉空間が吐出側へ移動することで、キャビティー内に吸い込まれた一定量の液体を吐出することができる（特許文献１参照）。

特開２０２１－３８７４０号公報

しかしながら、前述の吐出装置において、粒子が分散された液状の材料を吐出させようとすると、ステーターとローターとに挟まれた粒子によって各部品が摩耗するため、定期的なメンテナンスや部品の交換によるダウンタイムの増大、装置稼動コストの増大を招くことになる。そのため、ダウンタイムを抑えた新たなディスペンサーの開発が求められている。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、液状の材料に含まれる粒子による部品の摩耗を低減する新たなディスペンサーを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のディスペンサーは、ピストンと、粒子を含む液状の材料が充填される柱状の計量室と、計量室に突き出すピストンが往復動するピストン室と、を有する筐体と、ピストン室の内周面とピストンとの間を封止する封止部材と、を備える。ピストンは、計量室の内部を往復動し、計量室は、突き出したピストンの外周面と該計量室の内周面との間に隙間が形成されている。

この態様によると、突き出したピストンの外周面と計量室の内周面との間に隙間が形成されており、計量室に押し出されたピストンの先端面に加わる圧力よりも、隙間に加わる圧力を低減できる。そのため、隙間の先にあるピストン室に設けられている封止部材に加わる圧力も低くなり、封止部材と、ピストン室の内周面やピストンとの間に粒子が入りにくくなる。その結果、粒子による封止部材やピストンの摩耗（損耗）が低減され、部品交換や装置停止に伴うコスト上昇を抑制できる。

筐体は、計量室とピストン室とがつながる開口部を有してもよい。開口部の内径は、計量室の内径よりも小さい。これにより、ピストンと計量室の内周面との間の隙間を大きくできる。

ピストン室は、内周面に形成された環状の凹溝を有してもよい。封止部材は、凹溝に装着されていてもよい。

筐体は、材料を計量室に充填するための充填口と、ピストンの動きに応じて計量室に充填されている材料が吐出される吐出口と、を有してもよい。充填口は、計量室の内周面に形成されていてもよい。吐出口は、充填口よりもピストン室から離れた領域に形成されていてもよい。これにより、計量室のピストン室側の領域に材料の一部が滞留しにくくなる。

計量室は、材料の移動に変化をつける凹凸が内周面に形成されていてもよい。これにより、ピストンの往復動による計量室内での材料の移動の際に、材料を撹拌する効果が得られ、材料に含まれる粒子の分散が良好な状態を維持しやすくなる。

充填口の開閉を行う第１のバルブと、吐出口の開閉を行う第２のバルブと、ピストンを往復動する駆動源と、第１のバルブ及び第２のバルブの開閉タイミング、並びに、駆動源の駆動を制御する制御部と、更に備えてもよい。制御部は、第１のバルブを開き第２のバルブを閉じたタイミングで、計量室からピストンが退避する方向に駆動源を駆動し、第１のバルブを閉じ第２のバルブを開いたタイミングで、計量室へピストンが進行する方向に駆動源を駆動してもよい。これにより、一定の体積の材料を繰り返し吐出することができる。

ピストンは、直径が１～３０ｍｍであり、隙間は、２～５ｍｍであってもよい。

計量室は、容積が０．１～２００ｍｌであり、ピストンのストロークが１～３００ｍｍであってもよい。

材料は、平均粒径が１～１００μｍの粒子を含み、粘度が５０００～５０００００ＣＰＳであってもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、部品の摩耗を低減する新たなディスペンサーを提供することができる。

参考例に係るディスペンサーの概略構成を示す模式図である。図１のＡ領域の拡大図である。本実施の形態に係るディスペンサーの概略構成を示す模式図である。図３のＢ領域の拡大図である。計量室に材料を充填する際のディスペンサー各部の動きを説明するための模式図である。計量室から材料を吐出する際のディスペンサー各部の動きを説明するための模式図である。

以下、本発明を実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述される全ての特徴やその組合せは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。本実施の形態に係るディスペンサーは、分散された粉体粒子を含む流動性のある液体を、計量室変化型の容積計量（プランジャーポンプ）方式に基づいて一定量繰り返し移送する装置である。

はじめに、プランジャーポンプについて概略を説明する。プランジャーポンプは、円筒形のピストン（プランジャー）が、ポンプ筐体内のコンパートメント（小部屋）内部でシール（封止部品）を介して直線往復運動をするときに生じる容積変化を利用して液体を移動する装置である。この装置の利点は、所定の量の材料を精度良く繰り返し吐出できることである。

しかしながら、計量する材料が、半田／銅／銀ペーストやシリカ（珪素）等の粒子分散液の場合、プランジャーポンプを構成する要素同士の接触部での摩耗によって、部品やシールの損傷及び破損が発生し易いことが明らかとなってきた。そこで、その理由について本願発明者が鋭意検討し以下の考察に想到した。

図１は、参考例に係るディスペンサーの概略構成を示す模式図である。図２は、図１のＡ領域の拡大図である。図１に示すプランジャーポンプ１０は、筒状のコンパートメント１２の内部にて、ピストン１４を直線的に往復動させる。ピストン１４の外周面１４ａに環状に形成された溝１４ｂには、ピストン１４の外周面１４ａとコンパートメント１２の内周面１２ａとの間を封止するＯリング１６が装着されている。

このような状態で、ピストン駆動源の駆動力によってコンパートメント１２側に押し出されたピストン先端面１４ｃやシール面１６ａには、ピストン駆動源によって生じる応力と同程度の圧力が働く。そのため、粒子分散液１８（固形物を含む流体）をコンパートメント１２に充填して計量を行う場合、液状のバインダー１８ａに分散された固形物の粒子１８ｂがシール面１６ａに侵入し、Ｏリング１６が損傷すると考えられる。Ｏリング１６の損傷は、封止性能の低下を招くため、Ｏリング１６を頻繁に交換することが必要となり、作業効率の低下を招くことになる。

そこで、本願発明者は、上述のＯリングの損傷を招く現象を鑑み、以下の新たなディスペンサーを考案した。図３は、本実施の形態に係るディスペンサーの概略構成を示す模式図である。図４は、図３のＢ領域の拡大図である。

図３に示すディスペンサー２０は、円柱状のピストン２２と、粒子を含む液状の材料が充填される円柱状の計量室２４と、計量室２４に突き出すピストン２２が往復動する円柱状のピストン室２６と、を有する筐体２８と、ピストン室２６の内周面２６ａとピストン２２との間を封止する封止部材３０と、を備える。ピストン２２は、計量室２４の内部を往復動する。また、計量室２４は、突き出したピストン２２の外周面２２ａと計量室２４の内周面２４ａとの間に隙間Ｇが形成されている。本実施の形態に係るピストン２２の直径Ｌ１は、例えば１～３０ｍｍであり、好ましくは２～８ｍｍであり、更に好ましくは３～６ｍｍである。また、隙間Ｇは、２～５ｍｍであるとよい。封止部材３０は、例えば、Ｏリングやパッキンである。

このように、本実施の形態に係るディスペンサー２０は、突き出したピストン２２の外周面２２ａと計量室２４の内周面２４ａとの間に隙間Ｇが形成されており、計量室２４に押し出されたピストン２２の先端面２２ｂに加わる圧力Ｐ１よりも、隙間Ｇに加わる圧力Ｐ２を低減できる。そのため、隙間Ｇの先にあるピストン室２６に設けられている封止部材３０に加わる圧力も低くなり、封止部材３０と、ピストン室２６の内周面２６ａやピストン２２との間に粒子が入りにくくなる。その結果、粒子による封止部材３０やピストン２２の摩耗（損耗）が低減され、部品交換や装置停止に伴うコスト上昇を抑制できる。

筐体２８は、計量室２４とピストン室２６とがつながる開口部３２を有している。開口部３２の内径Ｌ２は、筐体２８の内径Ｌ３よりも小さい。これにより、ピストン２２と計量室２４の内周面２４ａとの間の隙間Ｇを大きくできる。

ピストン室２６は、内周面２６ａに形成された環状の凹溝２６ｂを有している。封止部材３０は、凹溝２６ｂに装着されたＯリングである。

筐体２８は、材料を計量室２４に充填するための充填口３４と、ピストン２２の動きに応じて計量室２４に充填されている材料が吐出される吐出口３６と、を有している。充填口３４は、計量室２４の内周面２４ａに形成されている。吐出口３６は、充填口３４よりもピストン室２６から離れた領域に形成されている。これにより、計量室２４のピストン室２６側の領域に材料の一部が滞留しにくくなる。

また、ディスペンサー２０は、充填口３４の開閉を行う第１のバルブ３８と、吐出口３６の開閉を行う第２のバルブ４０と、ピストン２２を往復動する駆動源４２と、第１のバルブ３８及び第１のバルブ３８の開閉タイミング、並びに、駆動源４２の駆動を制御する制御部４４と、更に備えている。

駆動源４２は、機械式、空気圧式、電磁式等の各種アクチュエータを用いることができる。アクチュエータは、ピストン２２を繰り返し往復動できる機構であればよく、好ましくは、ストロークやストロークスピードを変更できる機構を備えているとよい。より具体的には、計量可変の場合はモータ駆動によるボールネジ機構が挙げられる。また、計量固定の場合はエアーシリンダー等が挙げられる。いずれの方式も、ストローク作動距離の繰り返し精度を高めることで、液剤定量吐出の吐出精度が向上します。なお、本実施の形態に係るピストン２２のストロークは、例えば１～３００ｍｍである。また、ストローク回数は５回／ｓ以下、より実用的には２回／ｓ以下であってもよい。

図５は、計量室に材料を充填する際のディスペンサー各部の動きを説明するための模式図である。図６は、計量室から材料を吐出する際のディスペンサー各部の動きを説明するための模式図である。

図５に示すように、制御部４４は、第１のバルブ３８を開き第２のバルブ４０を閉じたタイミングで、計量室２４からピストン２２ピストンが退避する方向に駆動源４２を駆動する。これにより、計量室２４からピストン２２が退避した部分の体積に相当する材料が計量室２４に流入する。例えば、円柱状のピストン２２の直径が６ｍｍ、ピストン２２の退避の際のストロークが１０ｍｍの場合、π×３×３×１０［ｍｍ^３］＝０．２８ｍｌの材料が充填口３４より計量室２４に流入する。

その後、図６に示すように、第１のバルブ３８を閉じ第２のバルブ４０を開いたタイミングで、計量室２４へピストン２２が進行する方向に駆動源４２を駆動する。これにより、計量室２４へピストン２２が進行した部分の体積に相当する材料が計量室２４から流出する。例えば、円柱状のピストン２２の直径が６ｍｍ、ピストン２２の進行の際のストロークが１０ｍｍの場合、π×３×３×１０［ｍｍ^３］＝０．２８ｍｌの材料が吐出口３６より外部へ吐出される。このように、第１のバルブ３８及び第２のバルブ４０の開閉タイミングと、ピストン２２の進退のタイミングとを制御することで、一定の体積の材料を繰り返し吐出することができる。計量室２４の容積は、ディスペンサー２０の用途や材料の種類によって適宜選択できるが、例えば、０．１～２００ｍｌの範囲であり、１．０～１００ｍｌの範囲であってもよい。

本実施の形態に係る粒子分散液等の材料は、平均粒径が１～１００μｍの粒子を含み、粘度が５０００～５０００００ＣＰＳである。例えば、半田、金ペースト、銀ペースト、銅ペースト、封止材といった電子基板製作の際に用いられるものや、食品（香辛料含有ドレッシング）、建築材セメントといった様々な粒子分散液が本実施の形態に係る材料になり得る。粒子を分散する分散溶媒（バインダー）としては、有機溶媒や生理食塩水、水等である。

計量室２４は、図６に示すように、材料の移動に変化をつける凹凸４６が内周面２４ａに形成されていてもよい。これにより、ピストン２２の往復動による計量室２４内での材料の移動の際に、材料を撹拌する効果が得られ、材料に含まれる粒子の分散が良好な状態を維持しやすくなる。凹凸４６は、例えば、環状の突起、螺旋状の突起、ランダムに配置された突起があり得る。あるいは、内周面２４ａが波打った形状の凹凸４６であってもよい。このような凹凸４６を設けられるのは、ピストン２２と計量室２４の内周面２４ａとの間に隙間Ｇが設けられているからである。

また、計量室２４とピストン２２との間に隙間Ｇがあることで、粒子分散液による計量室２４の内周面２４ａやピストン２２の摩耗が低減される。そのため、筐体２８やピストン２２を、比較的硬度の高くない材質（例えば、比較的安価なステンレス）から選択できる。また、硬度や耐摩耗性を高くするための表面コート、焼き入れ等の加工を省略することが可能となり、低コストの材料の選択肢が広がる。また、計量室２４の内周面２４ａとピストン２２との接触を考慮する必要がなくなるため、それぞれの部材に求められる加工精度が低くてもよくなり、加工コストの低減に繋がる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

２０ディスペンサー、２２ピストン、２２ａ外周面、２２ｂ先端面、２４計量室、２４ａ内周面、２６ピストン室、２６ａ内周面、２６ｂ凹溝、２８筐体、３０封止部材、３２開口部、３４充填口、３６吐出口、３８第１のバルブ、４０第２のバルブ、４２駆動源、４４制御部、４６凹凸、Ｌ１直径、Ｌ２内径、Ｌ３内径。

Claims

ピストンと、
粒子を含む液状の材料が充填される柱状の計量室と、前記計量室に突き出す前記ピストンが往復動するピストン室と、を有する筐体と、
前記ピストン室の内周面と前記ピストンとの間を封止する封止部材と、を備え、
前記ピストンは、前記計量室の内部を往復動し、
前記計量室は、突き出した前記ピストンの外周面と該計量室の内周面との間に隙間が形成されていることを特徴とするディスペンサー。
前記筐体は、前記計量室と前記ピストン室とがつながる開口部を有し、
前記開口部の内径は、前記計量室の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のディスペンサー。
前記ピストン室は、内周面に形成された環状の凹溝を有し、
前記封止部材は、前記凹溝に装着されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のディスペンサー。
前記筐体は、前記材料を前記計量室に充填するための充填口と、前記ピストンの動きに応じて前記計量室に充填されている材料が吐出される吐出口と、を有し、
前記充填口は、前記計量室の内周面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のディスペンサー。
前記計量室は、材料の移動に変化をつける凹凸が内周面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のディスペンサー。
前記充填口の開閉を行う第１のバルブと、
前記吐出口の開閉を行う第２のバルブと、
前記ピストンを往復動する駆動源と、
前記第１のバルブ及び前記第２のバルブの開閉タイミング、並びに、前記駆動源の駆動を制御する制御部と、更に備え、
前記制御部は、
前記第１のバルブを開き前記第２のバルブを閉じたタイミングで、前記計量室からピストンが退避する方向に駆動源を駆動し、
前記第１のバルブを閉じ前記第２のバルブを開いたタイミングで、前記計量室へピストンが進行する方向に駆動源を駆動することを特徴とする請求項４に記載のディスペンサー。
前記ピストンは、直径が１～１０ｍｍであり、
前記隙間は、２～５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のディスペンサー。
前記計量室は、容積が０．１～２００ｍｌであり、
前記ピストンのストロークが１～３００ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のディスペンサー。
前記材料は、平均粒径が１～１００μｍの粒子を含み、粘度が５０００～５０００００ＣＰＳであることを特徴とする請求項１又は２に記載のディスペンサー。