JP3641432B2

JP3641432B2 - 少量の液体材料を供給する方法および装置

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Publication number: JP3641432B2
Application number: JP2000546896A
Authority: JP
Inventors: ジェームスダブリュメッサリー; ローレンスビーセイドマン; ジェームスシースミス
Original assignee: ノルドソンコーポレーション
Priority date: 1998-05-01
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2019-04-30
Also published as: DE69912762D1; US6253957B1; JP2002513674A; WO1999056889A1; EP1073527A1; EP1073527B1; AU3873399A; CA2330953C; CA2330953A1; DE69912762T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液体材料の供給に関し、特に、接着剤、はんだフラックス、はんだペースト、その他の極少量の粘性材料を一瞬で供給する方法及び装置に関する。このような材料は、一般に、例えば電子部品やプリント回路基板等の組み立てにおいて、少量だけ供給されるものである。この発明は、さらに広く適用可能であり、他の産業においても同様に優れているものとして採用される。
【０００２】
【発明の背景】
一般的に３種類のプリント回路（ＰＣ）基板がある。表面実装基板は、接着剤やはんだペーストを用いて基板の表面に固定される部品を用いる。部品が固定された基板は一般にはんだ溶融装置に通過させられることで電気接続を得る。はんだペーストが部品の基板への固定に用いられる場合には、前記はんだペーストは加熱されることで再溶融し、ついで固化されることで、前記部品の基板への固定と電気的接続の両方を得る。２番目のタイプの基板はスルーホール部品を利用するものである。その名称が示すように、それらの電子部品は基板の開口若しくは孔部を貫通するリードを有する。そのリードは、はんだ付けにより電気的接続が成されるようになっている。また、上記技術の両方を利用する基板の場合、表面実装部品とスルーホール部品とが混合利用され、一般に前記２つの技術の両方が利用される。
【０００３】
前記各製造方法では、基板の一面にはんだ付けを施す必要がある。全体的なはんだ付け工程は、３つの一般的なステップからなり、それらは別々の装置によって行われる。上記３つのステップは、（ｉ）フラックスの適用、（ｉｉ）基板の予熱、（ｉｉｉ）はんだ付け、からなる。はんだフラックスは、一般に、化学的かつ物理的にアクティブなフォーミュラによって決定されるもので、ベース金属及びはんだから酸化膜その他の膜を取り除くことによって、金属表面を溶融はんだで濡らすことを促進するものである。フラックスはまた、はんだ付け中に前記金属表面が再酸化することを防止し、ベース金属と溶融はんだの表面張力を異ならせる。プリント回路基板はこのフラックスによって清浄されることでリードベース若しくは他の金属ベースのはんだペーストによるはんだ付けに対して最適化される。
【０００４】
プリント回路基板やその他の製造においては、極少量若しくは液滴状の液体を基板や部品に適用する必要が多く、そのような液体としてははんだフラックス、はんだペーストがある。そのような液滴は一方、直径が０．１０インチ（０．２５４センチ）以下になる場合もある。そのような材料は、一般に、２５０００センチポイズ以上の粘性を有し、例えばはんだペーストの場合には３００００センチポイズ若しくはそれ以上になる。これらの液体や粘性材料は、はんだフラックスやはんだペースト以外では接着剤、はんだマスク、グリース、オイル、エンカプスラント、ポッティングコンパウンド、インク、シリコン等がある。
【０００５】
極小液滴の液体若しくは粘性材料を供給するための方法は、例えば、シリンジ若しくは他の容量型装置によって行われる。典型的には、米国特許第５、３２０、２５０号に論じられているように、シリンジディスペンサーはシリンジの先端を基板に対して非常に近づけて位置させる。この距離は、例えば、非常に小さい液滴の場合には０．００５インチ（０．０１２７センチ）、これよりも大きい液滴の場合には０．０６インチ（０．１５２４センチ）である。上記粘性材料は、前記シリンジの先端から押し出された際、このシリンジに連結されている状態で前記基板と接触する。この粘性材料が基板と接触しなかった場合には、前記液滴は基板に付着することはなく、滴下は得られない。この粘性材料が基板と接触することを"濡れ"と称する。前記粘性材料が基板表面と接触したならば、前記先端は引かれて液流が切断されて液滴が形成される。
【０００６】
このような従来システムによる１つの問題は、ノズルから前記粘性材料の液滴が垂れたり、付着したりすることである。これは、システムの液供給の正確さ、液体の供給量の制御に悪影響を及ぼす。垂れることは、例えば、シリンジ内の圧力が上昇及び下降する際の低圧の状態で生じやすい。このため、垂れることはまた供給時間が低下してきた場合により起こりやすい。供給の最終段階においてノズル先端から前記液材料が垂れてしまうことは、シリンジ内の圧力を負圧にすることによってある程度防止することが可能である。しかしながら、供給が再開された場合には、ノズル先端部において液体の量が多くなることが常に生じることになり、このため、連続供給における安定性に悪影響を及ぼすことになる。また、粘性材料と部品との接触を得るために、ロボットを利用してシリンジを前記部品に対して接離する方向、典型的には上下方向に連続的に駆動する必要がある。これは、製造工程を著しく遅くすることにつながる。
【０００７】
シリンジから液体を供給するための上記とは別のアプローチが、米国特許５３２０、２５０に開示されている。この供給装置は、粘性材料の供給手段（リザーバー）若しくはシリンジが、前記粘性材料を連続的に受けるチャンバに接続されてなるものである。変形可能な弾性ダイアフラムが前記チャンバーの外壁を構成している。そして衝撃印加機構が所定の運動量をダイアフラムに与えることで、前記チャンバーから所定の微小量の粘性材料が前記ノズルを通して高速で押し出されることになる。この微小量は、粘性材料の非常に小さいジェットを形成する。この衝撃エネルギが停止手段によって除去されるにしたがって、チャンバー圧力及びジェットの押し出し衝撃の低下が、上記ジェットを"挟み付け"若しくは停止させる。多数の粘性材料に対応するため、チャンバは前記材料の粘性を制御するために加熱されるようになっている。前記リザーバーは、好ましくは前記粘性材料をチャンバに送り込むためにガスで圧縮されていることが好ましい。このタイプの設計における１つの問題は、粘性材料のジェットを形成するための高い粘性が、前記ジェットの尾の部分を小さい液適化して飛び散りを生じさせることである。
【０００８】
はんだペーストを供給する場合、具体的な問題がある。はんだペーストは、典型的には鉛、スズその他の金属粒子が粘性材料に含まれてなるものである。これらのペーストによってもたらされる１つの問題は、ディスペンサの金属部品に付着しやすいということである。例えば、吐出口における金属、例えば吐出ノズルに対する付着は、閉塞という問題を生じる。また、はんだペーストを上述した方法に応じて対象物に供給する場合、バルブ部材若しくはバルブシャフトによるバルブシートに対する一定の衝撃が、はんだペーストを凝縮させ、はがれ、集塊化させ詰まりを生じさせる問題を引き起こすことがある。
【０００９】
従来装置のこのような問題の幾つかを解決するため、２段階の供給システムが、前記粘性材料がシリンジ内で粘性に応じて４ｐｓｉ〜１２ｐｓｉ（２７．５８〜８２．７４ＫＮ／ｍ^２）の空気圧である場合に利用される。これは、前記粘性材料のロータリー式の容量型ポンプのチャンバーの中への安定した流れを保証する。このポンプは、プリント回路基板に対して、１時間に約２５００ドットの粘性材料を高密度で供給することができる。しかしながら、前記粘性材料は、前記シリンジの先端から吐出され、この先端に連結された状態で基板と接触するため、前記シリンジから吐出される際に依然として前記と同様の問題を生じさせてしまう。
【００１０】
少なくとも以上のような理由により、より高速で効果的に微少量の粘性材料を基板若しくは部品に対して供給することができるディスペンサを提供することが要望されている。
【００１１】
【発明の概要】
従って、この発明は、微少量の粘性材料、例えば、はんだフラックス、はんだペーストその他上記で挙げた材料を、非接触の状態でより高速で効果的に供給することができる装置を提供するものである。すなわち、この装置は、供給動作の際に部品に向かって接離する必要がないものである。この分野における従来装置のその他様々な問題は、バルブ部材をその内部でバルブシートに対して可動状態で保持するディスペンサ本体によって解決される。前記バルブ部材は、様々な粘性材料を選択的に排出口から前記バルブシートの下方向に向かって吐出することを許容する。この発明によれば、制御バルブが、前記バルブ部材を閉位置から開位置へそして再び閉位置へ駆動するするようにバルブ部材に接続されている。高速な連続動作が、排出口からの粘性材料を非常に細い液流にすることができ、そして、前記材料を積極的に停止させて、前記液流は高速で前記排出口から途切れて粘性材料の微小な液適が形成されることになる。
【００１２】
このディスペンサーは、好ましくは、前記バルブ部材がピストンに接続されてなる空気動作のディスペンサーである。前記ピストンと取り付けられたバルブ部材は、好ましくは前記ディスペンサーに直接搭載された制御バルブから印可された空気圧によって高速で移動するようになっている。従って、空気圧は、前記ピストン及びバルブ部材をバルブシートから離れる方向に高速で駆動し、選択的に、また前記バルブ部材を急速にバルブシート側に駆動する。好ましい実施形態では、バネ式のリターン機構が前記バルブ部材をバルブシートに対して閉じるために使用される。この発明により前記粘性材料の微小液適を供給するために、前記空気圧は、前記バルブ部材を２５ミリ秒間以下だけ開くように供給されることが好ましい。この発明によりはんだペーストを供給するためには、前記好ましい時間間隔は例えば約２０秒間である。この時間間隔は、粘性や粘性材料の圧力特性及びディスペンサの排出口オリフィスの直径によって様々である。また、この発明によれば、ディスペンサの排出口の近傍に加熱素子が接続されている。前記加熱素子によってディスペンサに対する部分的な加熱が行われるのみであるので、前記制御バルブはこの熱の影響を受けることなくディスペンサの他の部分に直接取り付けることが可能である。
【００１３】
前記バルブシートは、ほとんどの粘性材料の供給に適合するために、リジッドな材料、例えば、タングステンカーバイドによって構成されている。しかしながら、この発明の他の側面によれば、特にはんだペーストを供給する場合等には、前記バルブシートが弾性材料で構成することで顕著な効果が得られる。はんだペーストは、鉛、スズ若しくはその他のパーティクルを含み、これにより前記ペーストが凝縮しはがれそして前記バルブシート付近で前記ディスペンサを詰まらせる恐れがある。これは、前記リジッドなバルブシートに対する前記バルブ部材による前記材料に対する一定の衝撃によって引き起こされるものである。この発明の弾性バルブシートは、この問題を防止する助けとなり、各供給サイクルの最後における吸込み効果に貢献する。この吸込み若しくはサックバック効果は前記ディスペンサの排出口における上記超過粘性材料の付着を防止することができる。
【００１４】
この発明の弾性バルブシートの１つは、フラットで、天然又は合成ゴムのバルブシート部材であって前記バルブ部材と同軸方向に延びる排出孔を有する。バルブシートの最も好ましい材料は合成ゴムであり、他の弾性材料も同様に適用可能である。はんだペーストを供給する場合、例えば、３０００００から４５００００センチポイズの範囲の粘性を有し、前記排出孔の直径は１０〜３０ｍｉｌ若しくは０．０１〜０．０３インチである。
【００１５】
また、この発明の弾性バルブシートの形態は、バルブ部材に近い側が大径でディスペンサー排出口に向かって小径になるように幅がテーパ化された排出孔を含む。また、弾性バルブシートの別の実施形態は、排出口に向かって所定の角度で前記弾性バルブシートを貫通する複数の排出孔を有する。この実施形態では、バルブ部材が閉ポジションにある時、バルブシートは変形し、前記複数の排出孔からの前記粘性材料の流れを絞り若しくはカットする。最後に、別の実施形態の弾性バルブシートは前記バルブ部材の軸からオフセットした排出孔を含む。この実施形態でもまた、バルブ部材は前記開口からの粘性部材の流れを絞りカットする。これら各実施形態のバルブシートでは、従って、バルブ部材は前記バルブシート部材を圧縮し前記微小液適が供給するに従って排出孔をブロックすることが好ましい。
【００１６】
はんだペーストの微小液滴を例えばこの発明の弾性バルブシートから供給する場合、粘性部材が前記バルブ部材が開いた際に前記排出孔に流入する。そして、例えば、前記バルブ部材が好ましくは２５ミリ秒以下で閉じた場合、この急激な衝撃とバルブシートの圧縮が前記粘性材料の液適を排出する。前記弾性バルブシートからバルブ部材を持ち上げ、バルブシートの圧縮を解除することで、前記ディスペンサ排出口における効果的なサックバック効果が生じる。
【００１７】
ある種の粘性材料を供給する場合、例えばはんだペーストの場合、低摩擦高分子材料を前記ディスペンサ排出口に配置されたディスペンサ部品に使用することで高い効果を得ることができる。はんだペーストは、金属製のバルブシャフトやシート構造及びノズル部品に付着するからである。これははんだペースト中に含有される鉛、スズ及びその他の金属パーティクルの性質によるものであると推測される。低いフリクションを有するプラスティックやポリマーを、上記のようにバルブ部材やシャフトの端部及びディスペンサー排出ノズルのような部品に利用することは、はんだペーストの付着及びそれによる閉塞の問題を防止することの有効な解決策になる。
【００１８】
この発明の様々な側面に基く追加の目的及び効果はこの明細書の開示を当業者が参照することで理解される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この説明では、参照番号等は上記に具体化された関連応用例にて示され、説明された構造等を指す。
【００２０】
「’」または「"」の付いた番号等は前記具体化応用例の類似構造を指しており、この類似構造には比較すれば明らかに理解される修正が一部施されている。また本発明の原理は、前記具体化応用例で説明されている各代替ディスペンサ、または他のディスペンサに関して実施されることが理解される。
【００２１】
図１は、初期状態でシリンジ１２に含まれる少量の液体または粘性材料を供給する装置（ディスペンサ）１０’を図示している。シリンジ１２は標準的な市販のシリンジで、例えば、はんだフラックスまたははんだペースト１３で満たされている。この粘性材料は微小の液滴で、プリント回路（ＰＣ）等の基板またはワークピース１４上に供給される。前記ディスペンサ１０’のディスペンサハウジング２０’は、シリンジ１２の排出口１６が内部に搭載された吸込口１８を有する。用語「ハウジング」は、いかなる特定のインテグラル構造またはアセンブリ構造も意図するものではなく、ディスペンサ１０’の全体的な支持材および格納構造を広範囲に定義するものである。吸込口１８は孔２２を通じ、フロー通路２５を形成しているフロー孔２４の吸込み孔部２３へ連結されている。フロー孔２４の排出口２６は、圧縮された液体または粘性材料が供給される排出チューブ３０へのフロー通路３１を形成している孔３５の第１の端部２８へ連結されている。バルブシートアセンブリ３２’は排出チューブ３０の第２の自由端３４に搭載されている。バルブシートアセンブリ３２’は、バルブシートアセンブリ３２’を貫通するフロー通路３６を有し、このフロー通路３６の内部にはバルブシート３８’が設けられている。フロー通路３６の吸込み端部は、フローにより排出チューブ３０のフロー通路３１と連結されており、フロー通路３６の他端部にはノズル４０’が搭載されている。このノズル４０’はその効果を高めるため、スモールパーツ社から入手が可能なポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の低摩擦高分子材料で形成されている。
【００２２】
図２Ａは、同じくＰＥＥＫチュービングで形成された代替ノズル４０"を図示している。ただしノズル４０"は、前記吸込み端から排出端の方向へテーパ化された孔１００"を含む。例えばこの孔は、長さ０．２０６インチ（０．５２３センチ）に基づいて吸込み端で内径０．０６２５インチ（０．１５９センチ）、排出端では０．００６〜０．０３０インチ（０．０１５〜０．０７６センチ）とすることができる。ＰＥＥＫ材料またはこれと同等な他のプラスティックは非付着面を持つため特にはんだペースト１３を吐出する際に有効であり、一方孔１００"のテーパはノズル吸込口における粒子の稠密を防ぎ、一般にフローをスムーズにする働きを持つ。
【００２３】
バルブシャフトまたはバルブ部材４２’はハウジングアセンブリ２０’のフロー孔２４内を通り、排出チューブ３０の孔３５を貫通し、バルブシートアセンブリ３２’のフロー通路３６へ延びている。バルブ部材４２’は、フロー通路３６を閉鎖するためにバルブシート３８’と密着するよう設けられた下端４４’を有する。上記に概略説明したように、効果を高めるため、この低端４４’にはＶｅｓｐｅｌ（登録商標）またはＰＥＥＫ等の低摩擦高分子材料で形成された先丸バルブ部材４４ａを含めることができる。現時点ではＶｅｓｐｅｌ（登録商標）が好ましい。これは米国デラウェア州ウィルミントン市所在のＥ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔｄｅＮｅｍｏｕｒｓａｎｄＣｏｍｐａｎｙから入手可能なポリマイド材料である。この材料ははんだペースト等の材料の付着と材料の蓄積とを抑制するため、目詰まりその他の吐出に関する問題を防止する働きがある。バルブ部材４２’の上端４６はディスペンサ１０’の制御機構４８に連結されている。この制御機構４８は往復運動によりバルブ部材４２’をバルブシート３８’に接離させる。
【００２４】
バルブシート３８’は、前記具体化応用例で開示されているようにタングステンカーバイド等の硬質材料で形成することができる。または、天然ゴムまたは合成ゴム等の弾性材料で形成することもできる。ポリイソプレンゴムでは、ゴムが顕著に消耗または劣化することなく、著しく多数回の供給サイクルが得られる。一般に、バルブ部材４２’により繰り返される圧縮中の発熱量が低く、復元性が低く、強度と弾性係数特性の高いゴムが最適である。好ましいポリイソプレンは次のフォーミュラからなる。一覧されている全成分の単位はＰＨＲ（ｐａｒｔｓｐｅｒｈｕｎｄｒｅｄｒｕｂｂｅｒ）である。
【００２５】
Ａ）マスタ非大量生産バッチはまず次の成分から製造される。
【００２６】

【００２７】
好ましい酸化防止システムは、ＧｏｏｄｒｉｔｅＳｔａｌｉｔｅ（０．７５ＰＨＲ）およびＮ，Ｎ’−ジフェニル−ｐ−フェニレンジアミン（ＤＰＰＤ）（０．２５ＰＨＲ）を含む。
【００２８】
Ｂ）次に、前記マスタバッチは再度攪拌した直後に硬化剤が加えられ、次のフォーミュラに従ったトータルコンパウンド（完全な化合物）を形成する。
【００２９】

【００３０】
また本発明によれば、加熱素子５０はバルブシートアセンブリ３２’に隣接して設けられており、以降で詳細に説明されているようにバルブシートアセンブリ内の非常に小さい体積の液体または粘性材料を加熱する。密閉リング５２はバルブ部材４２’の密閉用に設置されており、孔２２を通じてフロー通路２４へ流入する粘性液体がバルブ部材４２’を越えて制御機構４８へ漏出することのないよう、フロー通路２４の吸込口２３の上方に配置されている。密閉リング５２はリング５４により固定配置されており、一方リング５４は制御機構４８のハウジングブロック５６の底面により固定配置されている。
【００３１】
図１にさらに示されているように、排出チューブ３０は、排出チューブ３０内へ延びるフロー通路２４の排出口２６が孔３５の吸込み孔部６０側に配設されるよう、搭載プレート５８等の従来の手段によりディスペンサハウジング２０’に固定された第１の端部を有する。この排出チューブ３０は、ネジ接続等の従来の手段によりバルブシートアセンブリ３２’に固定された第２の端部３４を有する（図示せず）。バルブシート７８’はバルブシートアセンブリ３２’に内蔵されており、バルブシート３８’を搭載している。また、温度コントローラ１０２は、選択的および局所的にバルブシートアセンブリ３２’を加熱するため、リード１０４および１０６により加熱素子５０に連結されている。
【００３２】
図１に示すように、前記制御機構４８はハウジングブロック５６を含んでいる。一元的に設置された縦方向の孔１１０はハウジングブロック５６内を貫通しており、バルブ部材軸８７と同軸方向に形成されている。バルブ部材４２’は孔１１０内を貫通しており、孔１１０の上端から、エアチャンバブロック１１３の段差付き孔チャンバ１１２方向を向いている。このエアチャンバブロック１１３は上部孔１１６と交差し、上部孔１１６より小さい内径を持つ下部孔１１４を有する。ガラスで埋められたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で形成された２つの密閉ディスク１１８および１１８ａは支持構造１２０に搭載されており、この支持構造１２０は、バルブ部材４２’が内部を貫通し柔軟に設置された中央孔１２２を有する。それぞれの空気吸込口１２４および１２４ａは、チューブ１２８により圧縮空気源（図示せず）に連結されている。従来のコントローラ１２９により操作され、チューブ１２６および吸込口１２４ａ間に設けられているエアソレノイドバルブ１２８’はディスペンサ１０’の操作に使用される圧縮空気を制御する。図１に示すように、バルブ１２８’はエアチャンバ１１２および１１５に隣接してハウジングアセンブリ２０に直接連結されている。これにより、ソレノイドバルブ１２８’がハウジング２０’に遠隔搭載されている場合よりも、高速にバルブ部材４２’を応答駆動し、圧縮空気をチャンバ１１２または１１５へ送ることが可能になる。遠隔搭載は、例えばホットメルトディスペンサの場合に利用される。その場合にはホットメルトディスペンシングガン全体が高温加熱されるため、直接搭載されるソレノイドバルブは悪影響を受けることになる。特に、バルブ１２８’は下部孔１１４内のディスク１１８より下に形成されたチャンバ１１２と、密閉ディスク１１８ａより受けの上部孔により形成されたチャンバ１１５とへの送風を制御する。部材４２周囲の空気密閉リング１１９は、孔１１０への空気漏れ防止のため、座ぐりフライス１２１内の孔１１０と孔チャンバ１１２との間に設けられている。ソレノイドバルブ１２８’は、その効果を高めるためディスペンサハウジング２０’に直接搭載されている。典型的なホットメルト接着剤ガン、超高温条件によるソレノイドへの悪影響を防止するため、例えば、ガン本体から遠隔設置されたソレノイドバルブを使用する。ソレノイドバルブ１２８’がガン本体２０’に直接搭載されているため、ディスペンシングガンまたはディスペンサ１０’のサイクルタイムは、遠隔設置された同サイズのソレノイドバルブの場合よりも高速になる。この発明に有効である特定のソレノイドバルブ１２８’は米国ミシガン州ウィックサム市のＭＡＣＶａｌｖｅＣｏ．社のモデル３５Ａ−Ｂ００−ＤＤＦＡ−１ＢＡ、修正番号Ｍ５９９である。
【００３３】
ばねハウジング１３０はエアチャンバブロック１１３の上面に搭載されており、中央孔１３２により形成されている。ばね留め（ばねリテイナー）１３４はバルブ部材４２’の上端に固定されており、終端が支持構造１２０に接触している。カップ形状のばね調整部品１３６はばねハウジング１３０にねじ固定されており、一方が開放端で、他端が内部を貫通する孔１４１と内部底面１４０とを有する基部１３９で閉じている細長い孔１３８を有する。圧縮ばね１４２は、ばね調整部品１３６のばね留め１３４と底面１４０との間に延びている。ロックナット１４４は、ばね留め１３４との距離を変更しながらばね調整部品１３６を固定できるよう、ばね調整部品１３６にねじ固定されている。ばね１４２の圧縮率は、ばね調整部品１３６がばね留め１３４方向へ駆動されるに従い増加し、ばね調整部品１３６がばね留め１３４から遠ざかるに従い減少する。
【００３４】
本発明の一機能は、この圧縮ばね１４２からばね留め１３４、究極的にはバルブ終端４４ａからバルブシート３８’へ加えられる閉鎖力に関係している。圧縮ばね１４２は、自由長が１．１５インチ（２．９２１センチ）で閉鎖力が約１７ポンド〜約２８．５ポンド（７．７１ｋｇ〜１２．９３ｋｇ）であることが好ましい。ばね１４２の圧縮はばね調整部品１３６を上述のように位置付けすることにより調整される。スプリングリターン（ばね復帰）シャットオフをより高速にするため、後述のように圧縮空気をチャンバ１１５へ送ることもできる。
【００３５】
制御機構４８の他の機能は、孔１４１にねじ固定され、圧縮ばね１４２を貫通したバルブ部材４２’の上端が接触する、ばね留め１３４の上に伸びたロッド１４８に取り付けられているノブ１４６である。ロッド１４８を上下に駆動することにより、バルブシート３８’に関するバルブ部材４２’のストローク（１回の動作）を調整することができる。
【００３６】
本発明の特徴をさらに理解するには、操作についての説明が適切である。まず、液体または粘性材料（典型的には約２５０００〜約５０００００の粘性を持つ）のシリンジ１２がディスペンサハウジング２０’の吸込み孔部１８に搭載されている。圧力調整機１５２と低圧空気源（図示せず）とにつながれたエアチューブ１５０はシリンジの吸込口に連結されており、これにより約４ｐｓｉ〜約３０ｐｓｉ（２７．５８〜２０６．８４ＫＮ／ｍ^２）の定圧力で液体または粘性材料を孔２２とフロー通路２４に押し出してバルブ部材４２’の周囲を満たす。デフォルトの閉位置では、図１に示すように、バルブシート３８’より上に位置するバルブシート部品７８’が少量の液体または粘性材料で満たされ、一方バルブ端４４ａはバルブシート３８’に接触している。マウンティング本体７０は、真鍮等の熱伝導材料で形成され、加熱素子５０からの熱を局所的に伝導する。加熱素子５０はマウンティング本体７０の周囲に固定設置されているため、マウンティング本体７０からバルブシート部品７８’へ熱を伝導する。バルブ部材４２’を囲むバルブシート部品７８’は、その内部で液体または粘性材料を加熱するために、タングステンカーバイドで形成することができる。
【００３７】
操作のこの段階において、接着剤、はんだフラックス、またははんだペースト等の液体または粘性材料は（材料に応じて）約２２℃〜約９０℃の温度範囲に加熱される。例えば、３０００００センチポイズ〜４５００００センチポイズの粘性を持つはんだペーストは約１６０゜Ｆ（８８℃）に加熱することが好ましい。はんだフラックスは、約４０℃〜約６５℃に加熱することができる。従って、粘性材料はバルブシート部品７８’内に入ってから吐出されるまでの短い時間中、加熱されることになる。
【００３８】
操作に関する本説明は、多種多様なバルブおよびバルブシートを組み込んだ本発明の全実施形態に一般に適用可能であるが、図２〜６を参照する際、より具体的に説明されることはない。以下と同じ説明は図２Ａにも適用できる。バルブ端４４ａが図２のようにバルブシート３８’の上方に移動すると、はんだペースト等の粘性材料１３が細い液流として非常に短い時間でバルブシート３８’のオリフィス３８ａとノズル４０’のオリフィス１００’とへ押し込まれる（図３）。そして、図４および図５に時間順に示すように、バルブ端４４ａがバルブシート３８’に衝突し、バルブ端４４ａを閉鎖した後、流れる材料１３の急激な減速が材料の降伏応力を上回り、材料の流れが微小な液滴２００Ａ’として離脱する。これにより、粘性材料はひも状に流れ出るのではなく、液滴としてノズル４０’から離脱する。図４および図５において、バルブシート３８’は、上述のポリイソプレン等の弾性材料である場合、図に示すように圧縮される。好ましい実施形態では、１３を吐出する際、バルブ部材４２’の総ストローク長は約０．１００インチ（０．２５４センチ）である。バルブシート３８’への侵入震度は約０．０２５インチ（０．０６３５センチ）である。ただし、これらの距離は、例えば液滴のサイズを変更する場合に、変化する可能性がある。材料を短時間加熱する際は温度を選択された範囲に保ち、触媒または固形粒子が有用および／または硬化する温度を超えないことが重要である。このため、バルブシート部品７８’だけが加熱され、ディスペンサ１０’の他の全部分は加熱されない。上記のとおり、この局所的な加熱によりソレノイドバルブ１２８’が直接搭載可能となるため、サイクルタイムが短縮されるという利点が生まれる。図６に示すように、弾性を持つバルブシート３８’を使用した場合、バルブ端４４ａの３８’から遠ざかる初期運動は弾性材料の圧縮を解除するため、材料のサックバック効果をもたらし、ノズル４０’の外側端部における材料１３の蓄積、糸引き、垂れ、を防止する。
【００３９】
具体的には、ディスペンサ１０’を開くため、バルブ部材４２’を引いてバルブ端４４ａをバルブシート３８’から後退させる。図１でより具体的に説明すると、この工程では、ソレノイドバルブ１２８’から空気吸込口１２４を通じ、密閉ディスク１１８の下方に設けられたエアチャンバ１１２へ圧縮空気を送り込む。密閉ディスク１１８に加えられた気圧により、バルブ部材４２’がバルブシート３８’から遠ざかる方法、つまり圧縮ばね１４２の方向に移動する。この間、加熱された粘性材料は下方へ流れる。
【００４０】
この液体または粘性材料の液流をほぼ即時に止めるため、コントローラ１２９によりソレノイドバルブ１２８’が稼動され、空気の流れを空気吸込口１２４から空気吸込口１２４ａへ切り替える。そして、密閉ディスク１１８ａと圧縮ばね１４２を押し上げるため印可された圧縮気体は、バルブ端４４ａをバルブシート３８’方向へ駆動する。空気吸込口１２４への気圧をオフにする操作は非常に短い時間、すなわちコントローラ１２９から１２８へ送信される「オン」信号と「オフ」信号の間を約２５ミリ秒未満にして行なう必要がある。上記はんだペーストの例では、約２０ミリ秒が効果的であった。この「オン」信号と「オフ」信号の間の時間は、材料粘性、材料圧力、およびオリフィスサイズ等の要因に応じて、約５ミリ秒〜約５０ミリ秒の範囲が可能であると見られている。図１の実施形態では、ソレノイドバルブ１２８はいわゆる４方向電磁作動バルブで、エアチャンバ１１２を減圧しチューブ１２６からの圧縮空気を即時チャンバ１１５へ送ることを可能にしている。好ましさの点では落ちるが、特にはんだペーストを吐出する際には、ここでの具体化応用例のように３方向バルブを使用すること可能である。３方向バルブもしくは４方向バルブを使う場合、１１２内の圧縮空気が減圧されると、圧縮ばね１４２がバルブシート３８’に向かいバルブ端４４ａをすばやく駆動する。これは、加熱された液体または粘性材料をノズル４０’の排出端部から押し出す容量型工程である。
【００４１】
本発明の一観点は、材料が非常に短い時間だけ固体として振る舞い、オリフィス１００’の排出端部１０１’から離脱した際により液体として振る舞うよう、粘性材料を高頻度で変形することにある。直径約０．０１０インチ〜約０．０３０インチ（０．０２３４〜０．０７６２センチ）のオリフィス３８ａおよびオリフィス１００’の場合、はんだペーストの各液滴は直径約０．０２５インチ〜約０．０９０インチ（０．０６３５〜０．２２９センチ）となる。これらの場合、シリンジ圧力は約１０〜２５ｐｓｉ（６８．９５〜１７２．３７ＫＮ／ｍ^２）の範囲であった。言うまでもなく、上記の具体化応用例で説明された方法によれば、液滴をより大きくすることが可能である。上記具体化応用例ではオリフィスの直径をより小さくすることも可能で、はんだペーストを供給する場合は、主に粘性が増加するため、オリフィスの直径をより大きくする可能性がある。本発明に関する材料および液滴サイズの範囲に対応するため、オリフィス３８ａおよびオリフィス１００’等のオリフィスの直径は約０．００５インチ〜約０．０５０インチ（０．０１２７〜０．１２７センチ）となる。
【００４２】
図７〜図９は、また別の実施形態の弾性バルブシート部材７００を図示している。バルブシート部材７００も、バルブシート３８’についての上述のように、ポリイソプレン等の天然ゴムまたは合成ゴムで形成されている。また、バルブシート部材７００は図１〜図６に関して一般論的な上記の説明と同様にバルブ端４４ａによる作用を受ける。ただし、バルブシート部材７００は互いに角度をなす複数のオリフィス７０２、７０４、７０６を含んでいる。オリフィス７０２、７０４、７０６は、図８に最も的確に示すように、バルブシート部材７００の上面側７００ａから下面側７００ｂにかけて互いに角度をなしている。オリフィス７０２、７０４、７０６は、バルブシート部材７００の下面側７００ｂにおいて単一の排出口７０８で重複することが好ましい。他のすべての一般的な観点によれば、図７〜図９の実施形態は図２〜図６と同様に機能する。
【００４３】
図１０は、代替バルブシート７１０を図示している。バルブシート７１０は、上記の図１〜図６の実施形態と同様に、天然ゴムまたは合成ゴム等の弾性材料で形成することが可能である。例えば、バルブシート７１０はバルブシート３８’に関して説明したようにポリイソプレンで形成することもできる。図１０の実施形態と図１〜図６の実施形態との主な相違点は、図１０ではノズル４０’がなく、バルブシート部品７８"が修正されて７１０を内包していることである。オプションとして、説明のとおり、またはここでの具体化のとおりにノズルをバルブシート７１０とともに使用することができる。バルブシート７１０は、上端７１２ａから下端７１２ｂにかけて内径がテーパ化されたオリフィス７１２を含む。それ以外の点では、バルブシート７１０は一般的に上記バルブシート３８’と同様に機能し、粘性材料１３の微小な液滴７１４を吐出する。オリフィス７１２の下端７１２ｂは上記のオリフィスまたは排出孔と同様な直径を持つことが望ましい。このテーパでは、上端７１２ａが下端７１２ｂのほぼ２〜３倍の直径を持つものと考えられる。
【００４４】
図１１〜図１４は、さらに別のバルブシートおよびバルブ作動実施形態を図示している。この実施形態でも、バルブシート７２０はポリイソプレン等の天然ゴムまたは合成ゴムで形成されていることが好ましく、オリフィス７２２とこれに整列したノズル７２４の別のオリフィス７２３を含む。ただしこの場合、バルブ部材軸８７は、整列されたオリフィス７２２およびオリフィス７２３を一般に定義する軸７２５と位置をずらして並列に配置されている。バルブ端４４ａは図１〜図６で一般的に説明したように制御、装置、および方法によりバルブシート７２０に向かって駆動される。ただし、バルブ端４４ａがオリフィス７２２とオフセット配置されているため、バルブシート材料は７２２を挟み付けるように変形させ、図１２に示すようにオリフィス７２２を閉鎖すると同時に、粘性材料の細い液流７２６を押し出す。細い液流７２６は、図１３に示すように、上記の説明と同じく急激に微小な液滴７２８としてオリフィス７２２から離脱する。さらに図１４に示すように、バルブ端４４ａが引き込まれ、バルブシート７２０が通常の状態に圧縮解除された際、ノズル７２４にサックバック効果がもたらされ、粘性材料１３の蓄積および／またはノズル排出口７２４ａでの垂れまたは糸引きが防止できる。
【００４５】
図１５はさらに別の代替バルブシート７３０と、図１１〜図１４に図示された実施形態と同様に機能するバルブ作動構造７３２とを図示している。主な相違点は、バルブ部材またはバルブシャフト７３４が、密閉された、またははんだペースト等の粘性材料１３から分離された駆動可能なアクチュエータ部材７３６内に含まれていることである。これにより、いかなるはんだペーストもバルブシート７３０とバルブシャフトまたはバルブ部材７３４との間で衝撃を受けることがなくなる。具体的には、バルブシートのアクチュエータ部材７３６は、バルブ部材またはバルブシャフト７３４の動作により上下の往復運動をする単なる円筒形部材であってもよい。バルブシートアクチュエータ部材７３６は密封部品７３８内の往復運動用に搭載されている。このように、バルブ部材またはバルブシャフト７３４がストローク中の最下部にある際、バルブシート７３０は図１４に示すように変形され、はんだペースト１３の液滴７４０が上述のように吐出される。ただしこの実施形態では、バルブ部材７３４とはんだペースト１３との間に接触がないため、はんだペーストによるバルブシート７３０の摩耗が防止される。
【００４６】
本発明は多様な実施形態との組み合わせで説明されてきたが、ここで具体的に含まれている開示、または具体化された開示、もしくは当業界で入手可能な開示により、当業者には多数の代替手段、修正、および変形と機能の組み合わせが明らかになるであろう。従って、本発明は、添付の請求項の要旨内に含まれる上記の代替手段、修正、および変形をすべて包括する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ワークピースの上方に設置された、この発明の一実施形態に係る液体または粘性材料供給装置の好ましい実施形態を示す断面の側面図。
【図２】図１に示すバルブシート領域において開位置にあるバルブ部材を示す拡大図。図２Ａは代替ノズルの拡大図。
【図３】粘性材料の微小な液滴を吐出するため、バルブ部材が次第に完全な閉位置に駆動される様子を示す、図２と同様な図。
【図４】粘性材料の微小な液滴を吐出するため、バルブ部材が次第に完全な閉位置に駆動される様子を示す、図２と同様な図。
【図５】粘性材料の微小な液滴を吐出するため、バルブ部材が次第に完全な閉位置に駆動される様子を示す、図２と同様な図。
【図６】開位置にあるバルブ部材のサックバック効果を示す、図２と同様な図。
【図７】互いに角度をなす複数の排出口を有する別の代替弾性バルブシートを示す平面図。
【図８】図７に示した実施形態の側面図。
【図９】図７に示した実施形態の下面図。
【図１０】ノズルが排除され、バルブシート部材内にテーパ化された排出孔を有する代替バルブシート実施形態を示す、図２と同様な図。
【図１１】粘性材料の微小液滴吐出時にバルブ部材の代替位置および代替駆動を伴った、さらに別の弾性バルブシートを示す図。
【図１２】粘性材料の微小液滴吐出時にバルブ部材の代替位置および代替駆動を伴った、さらに別の弾性バルブシートを示す図。
【図１３】粘性材料の微小液滴吐出時にバルブ部材の代替位置および代替駆動を伴った、さらに別の弾性バルブシートを示す図。
【図１４】粘性材料の微小液滴吐出時にバルブ部材の代替位置および代替駆動を伴った、さらに別の弾性バルブシートを示す図。
【図１５】弾性バルブシートおよびバルブ作動構造を伴う、さらに別の実施形態を示す図。

Claims

少量の粘性材料を供給するための装置であって、
チャンバを有するディスペンサーハウジングと、
粘性材料の供給を受ける吸込口及び前記粘性材料を吐出する排出口と、
前記チャンバ内で移動するピストンを有するバルブ部材であって、前記バルブ部材を前記ディスペンサハウジング内で移動させるように動作するバルブ部材と、
前記排出口の近傍に配設され前記排出口と連通する吐出オリフィスを有するバルブシートであって、前記バルブ部材の一端がこのバルブシートに対して移動することによって前記吐出オリフィスの開位置と閉位置とを定義し、このバルブシートは少なくとも一部分が弾性材料で形成されており、前記バルブ部材は閉位置においてバルブシートを変形させるものであるバルブシートと、
前記チャンバ本体上に取り付けられた制御バルブであって、圧縮空気を前記チャンバ内に間欠的に送り、これにより前記バルブ部材を前記開位置と閉位置との間で一瞬で移動させ、前記粘性部材の少量液滴を排出させる、制御バルブと、
前記排出口の近傍に設けられ、前記少量液滴の排出前に前記粘性材料を局所的に加熱する加熱素子と
を有することを特徴とする装置。
請求項１記載の装置において、前記弾性材料はゴム材料であることを特徴とする装置。
請求項１記載の装置において、前記弾性材料はポリイソプレンゴムであることを特徴とする装置。
請求項１記載の装置において、吸込口に操作可能な状態で連結された加圧粘性材料の供給源をさらに有し、前記粘性材料は３０ｐｓｉ（約２０６．８４ＫＮ／ｍ^２）未満の圧力でこの供給源から供給されることを特徴とする装置。
請求項１記載の装置において、この装置はさらに前記ディスペンサーハウジングの一端に配置されたノズル部材を有するものであることを特徴とする装置。
請求項５記載の装置において、前記ノズル部材は低摩擦高分子材料で形成されていることを特徴とする装置。
請求項１記載の装置において、前記バルブ部材は前記排出オリフィスと位置をずらして配置されており、前記弾性材料を変形させることにより、閉位置にて前記排出オリフィスを閉じるものであることを特徴とする装置。
請求項１記載の装置において、前記バルブシートに接触する前記バルブ部材の少なくとも一端は低摩擦高分子材料で形成されていることを特徴とする装置。
少量の材料をディスペンサから高速で供給するための方法であって、前記ディスペンサは、バルブ部材と、材料通路と、硬質バルブシート支持部材に設けられた弾性バルブシートとを有すると共に排出オリフィスを有するものであり、
この方法は、
前記バルブ部材を、前記弾性バルブシートとの接触なしに移動させる工程と、
前記材料を前記材料通路から前記排出オリフィスに導入する工程と、
前記バルブ部材で前記バルブシートを前記硬質バルブシート支持部材に対して前記排出オリフィスの近傍まで圧縮することで前記材料を前記排出オリフィスから吐出する工程とを有し、
前記材料は粘性材料であり、この粘性材料は少なくとも２５０００センチポイズの粘性を有することを特徴とし、この粘性材料は前記材料通路内で４〜３０ｐｓｉ（２７．５８〜２０６．８４ＫＮ／ｍ^２）の圧力で保持されることを特徴とし、そして、前記バルブシートの圧縮によって前記粘性材料の微小液滴を前記排出オリフィスから供給するものであることを特徴とする方法。
請求項９の方法において、前記バルブ部材は前記排出オリフィスと同軸上を移動するものであることを特徴とする方法。
請求項９の方法において、前記バルブ部材は、前記排出オリフィスの軸から位置をずらした軸上で移動されるものであることを特徴とする方法。
請求項９に記載の方法において、前記バルブシートを減圧することにより、前記排出オリフィスへ過剰な粘性材料を吸引することをさらに特徴とする方法。
少量の材料を供給するための装置であって、
前記材料の供給を受ける吸込口及び前記材料を吐出する排出口を有するディスペンサハウジングと、
前記ディスペンサハウジング内に、開位置と閉位置との間で移動するように搭載されたバルブ部材と、
硬質のバルブシート部材と、
この硬質バルブシート部材上の前記排出口に近接する位置に設けられたバルブシートであって、排出オリフィスを有する弾性部分を有するバルブシートと、を有し、
前記前記バルブ部材の端部は前記閉位置において前記バルブシートの弾性部分と接触して圧縮されることで前記排出オリフィスを閉鎖し、前記排出オリフィスから前記材料の一部を吐出するものであって、
この装置は、粘性材料を供給するためのものであると共に前記弾性部分は複数の排出オリフィスを有することを特徴とし、前記弾性部材の圧縮によって前記各排出オリフィスから粘性材料の一部を供給するものである
ことを特徴とする装置。
請求項１３記載の装置において、前記バルブシートは吸込側と排出側を有し、複数の排出オリフィスは１回の液下の形吸込側から吐出側へ粘性材料を吐出させるために互いに角度をなすように配置されていることを特徴とする装置。