JP4032729B2

JP4032729B2 - 流体塗布方法

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Publication number: JP4032729B2
Application number: JP2001385803A
Authority: JP
Inventors: 照雄丸山; 孝司園田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: JP2003181351A; US20040084549A1; CN100450645C; US7059538B2; CN1426853A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子部品、家電製品などの分野における生産工程に用いることができ、接着剤、クリームハンダ、蛍光体、グリース、ペイント、ホットメルト、薬品、食品などの各種液体を定量に吐出・吐出するための流体供給方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体吐出装置（ディスペンサー）は従来から様々な分野で用いられているが、近年の電子部品の小形化・高記録密度化のニーズにともない、微少量の流体材料を高精度でかつ安定して吐出制御する技術が要請される様になっている。
【０００３】
表面実装（ＳＭＴ）の分野を例にとれば、実装の高速化、微小化、高密度化、高品位化、無人化のトレンドの中で、ディスペンサーの課題を要約すれば、
▲１▼ 塗布量の高精度化と１回の塗布量の微小化
▲３▼ 吐出時間の短縮 …高速吐出遮断及び開始ができる
▲４▼ 高粘度の粉流体に対応できる
である。従来、微少流量の液体を吐出させるために、エアパルス方式、ねじ溝式、電磁歪素子によるマイクロポンプ方式などのディスペンサーが実用化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来先行例のうち、図１５に示す様なエアパルス方式によるディスペンサーが広く用いられており、例えば「自動化技術′９３．２５巻７号」等にその技術が紹介されている。この方式によるディスペンサーは、定圧源から供給される定量の空気を容器２００（シリンダ）内にパルス的に印加させ、シリンダ２００内の圧力の上昇分に対応する一定量の液体をノズル２０１から吐出させるものである。
【０００５】
エアーパルスの方式のディスペンサーは応答性が悪いという欠点があった。
【０００６】
この欠点は、シリンダに封じ込められた空気２０２の圧縮性と、エアーパルスを狭い隙間に通過させる際のノズル抵抗よるものである。すなわち、エアーパルス方式の場合、シリンダの容積：Cとノズル抵抗：Rできまる流体回路の時定数：T＝RCが大きく、入力パルスを印加後、吐出開始にたとえば0.07〜0.1秒程度の時間遅れを見込まねばならない。
【０００７】
上記エアーパルス方式の欠点を解消するために、吐出ノズルの入口部にニードルバルブを設けて、このニードルバルブを構成する細径のスプールを軸方向に高速で移動させることにより、吐出口を開閉させるディスペンサーが実用化されている。
【０００８】
しかしこの場合、流体の遮断時、相対移動する部材間の隙間はゼロとなり、数ミクロン〜数十ミクロンの平均粒径の粉体は機械的に圧搾作用を受け破壊される。その結果発生する様々な不具合のため、粉体が混入した接着材、導電性ペースト、あるいは蛍光体等の塗布への適用は困難な場合が多い。
【０００９】
また同目的のために、粘性ポンプであるねじ溝式のディスペンサーも既に実用化されている。ねじ溝式の場合、ノズル抵抗に依存にくいポンプ特性を選ぶことができるため、連続吐布の場合は好ましい結果が得られるが、間欠塗布は粘性ポンプの性格上不得手である。そのため従来ねじ溝式では、
（１）モータとポンプ軸の間に電磁クラッチを介在させ、吐出のON、OFF時にこの電磁クラッチを連結あるいは開放する。
【００１０】
（２）DCサーボモータを用いて、急速回転開始あるいは急速停止させる。
【００１１】
しかし、上記いずれも機械的な系の時定数で応答性が決まるため、高速間欠動作には制約があった。応答性はエアーパルス方式と比較すると良好であるが、しかし最短時間でも0.05秒程度が限界であった。
【００１２】
またポンプ軸の過渡応答時（回転始動時と停止時）の回転特性に不確定要因が多いため、流量の厳密な制御は難しく、塗布精度にも限界があった。
【００１３】
微少流量の流体を吐出することを目的として、積層型の圧電素子を利用したマイクロポンプが開発されている。このマイクロポンプには、通常機械式の受動的な吐出弁，吸入弁が用いられる。
【００１４】
しかし、バネとボールから構成され圧力差によって吐出弁，吸入弁を開閉させる上記ポンプでは、流動性の悪い、数万〜数十万センチポワズの高粘度のレオロジー流体を、高い流量精度でかつ高速（0.1秒以下）で間欠吐出させることは極めて困難である。
【００１５】
さて、近年益々高精度化、超微細化していく回路形成の分野、あるいはＰＤＰ，ＣＲＴなどの映像管の電極とリブ形成、液晶パネルのシール材塗布、光ディスクなどの製造行程の分野において、微細塗布技術に関する次のような要望が強い。
【００１６】
▲１▼連続吐布後、すばやく塗布を止め、短い時間をおいて連続塗布を急峻に開始できること。そのためには、たとえば0.01秒のオーダーで流量制御できることが理想である。
【００１７】
▲２▼粉流体に対応できること。たとえば流路の機械的な遮断により、粉体の圧搾破損、流路の詰まりなどのトラブルがないこと。
【００１８】
上述した高粘度流体・粉流体の微少流量塗布に係る、近年の様々な要求に応えるために、本発明者らは、ピストンとシリンダの間に相対的な直線運動と回転運動を与えると共に、回転運動により流体の輸送手段を与え、直線運動を用いて固定側と回転側の相対的なギャップを変化させ、流体の吐出量を制御する塗布手段、「流体供給装置及び流体供給方法」を出願中（特願2000-188899号）である。
【００１９】
本発明は上記提案をさらに改良するもので、流体塗布行程における各ステップでたとえば、間欠塗布を擬似連続化することにより、あるいは間欠塗布と連続塗布を切り替えることにより、間欠・連続塗布のそれぞれの特徴を活かして塗布精度の向上を図るものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の流体塗布方法は、ピストンと、前記ピストンの外側に設けられたシリンダとを有し、前記ピストンの吐出側端面と、前記シリンダとの間の隙間に流体を供給すると共に、前記ピストンの外側に配置されたアクチュエータによって前記シリンダを軸方向に直線運動させることにより、前記ピストンと前記シリンダとの間に充填された流体を間欠的に吐出させる流体塗布方法において、高周波数成分と直流成分が重畳された入力信号を前記アクチュエータに与えて前記ピストンを駆動させる流体塗布方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を電子部品の表面実装用ディスペンサーに適用した第一の実施例について、図１を用いて説明する。
【００２２】
１は第１のアクチェータであり、実施例では、高粘度流体を高速で間欠的に微小量かつ高精度に供給するために、高い位置決め精度が得られ、高い応答性を持つと共に大きな発生荷重が得られる超磁歪素子を用いた。
【００２３】
２は第１のアクチェータ１によって駆動される中心軸である。前記第１のアクチェータは、ハウジング３に収納されている。このハウジング３の下端部に配置されたハウジング４に、フロント側主軸５が回転自在かつ軸方向に微少移動可能に支持されている。６はフロント側主軸５とボルト７により、着脱自在にとりつけられ、シリンダ８に収納されたピストン（軸）、９はピストン６とシリンダ８の相対移動面に形成された流体を吐出側に圧送するためのラジアル溝（流体補給手段）、１０は流体シールである。
【００２４】
このピストン９とシリンダ８の間で、ねじ溝９とその対向面の相対的な回転によってポンピング作用を得るためのポンプ室１１を形成している。またシリンダ８には、ポンプ室１１と連絡する吸入孔１２が形成されている。１３はシリンダ８の下端部に装着された吐出ノズルであり、１４はこの吐出ノズル１３を含む後述する吐出部である。
【００２５】
１５は第２のアクチェータであり、ピストン６とシリンダ８の間に相対的な回転運動を与えるものである。モータロータ１６はリア側主軸１７に固着され、またモータステータ１８はハウジング１９に収納されている。
【００２６】
２０は超磁歪素子から構成される円筒形状の超磁歪ロッド、２１は超磁歪ロッド１６の長手方向に磁界を与えるための磁界コイルである。２２、２３は超磁歪ロッド２０にバイアス磁界を与えるための永久磁石a,bであり、超磁歪ロッド２０を中間に矜持する形で配置されている。
【００２７】
この永久磁石２２，２３は、超磁歪ロッド２０に予め磁界をかけて磁界の動作点を高めるもので、この磁気バイアスにより磁界の強さに対する超磁歪の線形性が改善できる。２４は超磁歪ロッド２０のリア側に配置され、かつリア側主軸１７と一体化した磁気回路のリア側ヨークである。前述したフロント側主軸５も、磁気回路のヨーク材も兼ねており、超磁歪ロッド２０のフロント側に配置されている。２５は磁界コイル２１の外周部に配置された円筒形状のヨーク材である。
【００２８】
２０→２２→２４→２５→５→２３→２０により、超磁歪ロッド２０の伸縮を制御する閉ループ磁気回路を形成している。なを中心軸２はこの磁気回路に影響を与えないように、非磁性材料を用いている。すなわち、超磁歪ロッド２０、永久磁石２２，２３、磁界コイル２１により、磁界コイルに与える電流で超磁歪ロッドの軸方向の伸縮を制御できる超磁歪アクチェータ（第１のアクチェータ１）を構成している。
【００２９】
超磁歪材料は希土類元素と鉄の合金であり、たとえば、bFe₂,DyFe₂,SmFe₂などが知られおり、近年急速に実用化が進められている。
【００３０】
上部中心軸１７は軸受２６により、ハウジング２７に対して回転自在に支持されている。
【００３１】
２８はフロント側主軸５と軸受スリーブ２９の間に装着されたバイアスバネである。この軸受スリーブ２９もまたハウジング４に対して、軸受３０によって回転自在に支持されている。バイアスバネ２８から加わる軸方向荷重により、超磁歪ロッド２０はバイアス永久磁石２２，２３を介在して、上下の部材５、２４に押圧される形で把持されている。この結果、超磁歪ロッド２０には常に軸方向に圧縮応力が加わるため、繰り返し応力が発生した場合に、引っ張り応力に弱い超磁歪素子の欠点が解消される。
【００３２】
ピストン６と一体化したフロント側主軸５は、軸受３０によって規制された軸受スリーブ２９に対して、軸方向に移動可能に収納している。
【００３３】
モータ１５から伝達された中心軸２の回転動力は、中心軸２とフロント側主軸５の間に設けられた回転伝達キー３１によって、フロント側主軸５に伝達される。この回転伝達キー３１は回転動力は伝達するが、軸方向にはフリーとなるような角型の断面形状となっている（図示せず）。
【００３４】
上記構成により、モータ１５の回転動力は中心軸２とフロント側５のみに伝達され、脆性材料である超磁歪素子に捻りトルクは発生しない。
【００３５】
３２は第２のアクチェータであるモータ１５の上部に配置された上部中心軸１７の回転位置情報を検出するためのエンコーダである。
【００３６】
また３３，３４はフロント側５（およびピストン６）の軸方向変位を検出するための変位センサーＡ及び変位センサーＢである。
【００３７】
上記構成により、本発明の流体塗布装置では、ポンプのピストン６は回転運動と微少変位の直線運動の制御を同時に、かつ独立して行うことができる。
【００３８】
さらに実施例では、第１のアクチェータに超磁歪素子を用いたために、超磁歪ロッド２０（及びピストン６）を直線運動させるための動力を、外部から非接触で与えることができる。
【００３９】
超磁歪素子に加えた入力電流と変位は比例するため、変位センサーなしのオープンループ制御でも、前記ピストン６の軸方向位置決め制御は可能である。しかし本実施例のような位置検出手段を設けてフィードバック制御をすれば、超磁歪素子のヒステリシス特性も改善できるため、より高い精度の位置決めができる。
【００４０】
さて本実施例では、ピストン６の軸方向位置決め機能を用いて、ピストン６の定常回転状態を保ったままで、ピストン６の吐出側スラスト端面の隙間の大きさを任意に制御することができる。この機能とピストン６端面に形成した動圧シール組み合わせることにより、吸入口１２から吐出ノズル１３に至るいかなる流通路の区間も機械的に非接触の状態で、粉流体の遮断・開放ができた。
【００４１】
図２は吐出部１４の詳細図であり、３５はピストン６の吐出側端面、３６はシリンダ８の吐出側端面に締結された吐出プレートである。このシリンダの吐出側端面３５とその対抗面３７の相対移動面にシール用スラスト溝が３８が形成されている。このスラスト端面３５の対向面３７の中央部に吐出ノズル１３の開口部３９が形成されている。上記３５と３７が狭い隙間を保って配置された２面である。４０は開口部３９の中央部に位置する吐出ノズル上流側であり、この部分の圧力を本文では、吐出ノズル上流側圧力:Pnとする。４１はスラスト溝外周部、４２は液溜り部である。
【００４２】
さて本発明は、流体塗布行程における各ステップで、塗布プロセスの要求される仕様に合わせて、たとえば、間欠塗布を擬似連続化することにより、あるいは間欠塗布と連続塗布を切り替えることにより、間欠・連続塗布のそれぞれの特徴を活かして、塗布精度の向上を図るものである。
【００４３】
以下示す第１の実施例では、直流成分に高周波成分を重畳させた入力波形でピストンを駆動させることにより、連続塗布における始終端の課題の解決を図ったものである。
【００４４】
以下、本発明を次の順序で説明する。
【００４５】
[1] 既提案のディスペンサーを連続塗布に用いた場合
連続塗布時の不具合点について
[2] 既提案のディスペンサーを間欠塗布に用いた場合
間欠塗布に用いた場合の特徴について説明する。
【００４６】
[3] 本発明の塗布方法
連続塗布時の不具合点を解消する駆動方法について説明する。
【００４７】
まず最初に、上記[1]〜[3]の結論を得るために行った理論解析の方法について説明する。
【００４８】
対向して配置された平面間の狭い隙間に粘性流体が介在し、かつその隙間の間隔が時間と共に変化する場合の流体圧力は、スクイーズ作用（Squeeze action）の項を持つ次のReynolds方程式を解くことにより得られる。
【００４９】
【式１】

【００５０】
（１）式において、Pは圧力、μは流体の粘性係数、ｈは対向面間の隙間、ｒは半径方向位置、ｔは時間である。また右辺が、隙間が変化するときに発生するスクイーズアクション効果をもたらす項である。
【００５１】
さて、流体の開放・遮断を行なうために回転軸を上下移動した場合、軸端面間に圧力変化が生じる。この圧力変化が吐出性能に与える影響について、以下理論的に考察する。そのために、流体の粘度：μ＝10,000cps、境界部（スラスト溝外周部４１）圧力：Pｓ0＝20kg/cm²（1.96MPa：一定）として、吐出部１４が下記表１の条件で構成された場合について、吐出圧力を求める解析をおこなった。
【００５２】
【表１】

【００５３】
上記条件下で得られる解析結果を以下に要約する。
【００５４】
[１] 既提案のディスペンサーを連続塗布に用いた場合
（１）出力軸の変位曲線
ピストン６の変位曲線を図３に示す。t=0.005秒でピストン１１は上昇（吐出流路を開放）を開始し、t=0.025秒で停止、t=0.025〜0.055秒の間一定の位置を保つ。t=0.055秒でピストン６は下降（吐出流路を遮断）を開始し、t=0.075秒で停止する。
【００５５】
（２）圧力特性
吐出ノズル上流側４０の圧力の解析結果を図４に示す。
【００５６】
ピストン６が上昇開始直後、吐出ノズルの上流側圧力Pnは急降下する。
【００５７】
圧力が急降下する理由は、ピストン６の急上昇によって生じたスラスト端面の空隙部の外周部から中心部の間で、求心方向の流体抵抗があるからである。
【００５８】
この流体抵抗により、容易には外周部から流体は補給されず、圧力は大気圧以下に急降下する。理論的には、Reynolds方程式（１式）のdh/dt＞0となる
逆スクイーズ作用とも言うべき効果による。
【００５９】
負圧（大気圧以下）発生の間は吐出ノズルから流体の流出はないために、流出が始まる条件：Pn>1.03kg/cm²abs(大気圧以上)となるのは、吐出開始の指令が
出てから0.02秒遅れとなる。
【００６０】
実験の結果、この負圧発生によって、吐出ノズル出口から空気が流入し、通常吐出ノズルの流通路に充填されていた塗布流体の一部が空気と入れ替わる等の
理由により、塗布流体の流出開始はさらに遅れることが分かった。
【００６１】
以降、0.025<t<0.055秒の間は、連続塗布の状態を保つ。
【００６２】
T=0.055秒でピストン６が下降を開始すると、吐出ノズル１３の上流側圧力Pnは急上昇する。その理由は、dh/dt＜0のとき発生するスクイーズ作用によるものである。このときの急峻な圧力上昇により、吐出遮断直前で過剰の流体が吐
出され、流体塊（終端部の太り）が発生する。
【００６３】
以上の解析結果から、本ディスペンサーを用いた場合、吐出の開放・遮断の１サイクルにおいて、吐出ノズルの上流側圧力は急降下と急上昇を伴うことがわかった。これらは塗布始終端での塗布精度の低下をもたらすことになる。
【００６４】
以上は、本発明者らによる既提案のディスペンサーを連続塗布に用いて、かつ高速で塗布を開始・終了させた場合の課題であった。
【００６５】
従来から広く用いられているエアー式、スクリュー式（ねじ式）、プランジャー式などのディスペンサーの場合でも、描画線の始点と終点を線中央部と同一の形状に形成させることは難しかった。その理由のひとつは、流体の流出の開始時あるいは遮断時において、流体の流速が定常状態に到達するまでに時間遅れを伴うからである。特に高粘度流体場合、あるいは高速で塗布する場合にはこの時間遅れの影響が顕著であり、具体的には塗布線の始点部の細り、切れ、終点部での太り、溜まりといった形でその影響が現れる。
【００６６】
[２] 既提案のディスペンサーを間欠塗布に用いた場合
（１）各出力軸の変位曲線
ピストン６の変位曲線を図５に示す。t=0.02秒でピストン６が上昇を開始し、 t=0.03秒で頂点に到達後、ピストン６は下降を開始し、t=0.04秒で停止する。
【００６７】
（２）圧力特性
図６に吐出ノズルの上流側圧力Pnを示す。この場合、ピストン６が t=0.02秒で上昇開始直後、吐出ノズルの上流側圧力Pnは、連続塗布の場合と同様に負圧に急降下する。但し、前述したように、実際の流体圧力はPn< 0.0 kg/cm²absにはならない。
【００６８】
圧力が急降下した直後、ピストンが下降するために、再び圧力は急上昇する。
【００６９】
この場合、連続塗布の場合と異なり、吐出ノズルの上流側圧力は負圧から正圧に瞬時に入れ替わるために、吐出ノズル先端にあった流体が吐出ノズル内部へ逆流しても、再度高圧の発生により、一度ノズル内部に吸引された流体は再びノズル先端側に押し戻される。また急上昇する圧力のピーク値は極めて高く、 Pnmax=2.5Kg/mm²(24.5MPa)となる。この圧力は、前述したように、流体軸受の動圧効果の一種であるスクイーズアクション作用によるものである。
【００７０】
通常、吐出ヘッドと基板を相対的に移動させながら、基板上に流体塊を連打する場合が多く、この場合は１サイクル終了後、圧力は再び図のごとく、負圧に急降下する。つまり、塗布開始の直前に負圧となり、その直後急峻な正圧が発生し、再び負圧となる。この負圧の発生により、吐出ノズル先端の流体は再びノズル内部へ吸引され、基板上で附着した流体と分離する。
【００７１】
すなわち、負圧→急峻な正圧→負圧のサイクルにより、極めて切れ味のよい間欠塗布が実現できるのである。
【００７２】
[３] 本発明の塗布方法
以上、[1] [2]の考察から、既提案のディスペンサーを連続塗布に用いて、かつ高速で流体の開放・遮断を行なった場合、塗布開始時における塗布線始点の遅延（細り、あるいは空白部分発生）と、塗布終了時の流量過剰（太り、あるいは液溜まり発生）に係る課題があることがわかった。本発明は、高速連続塗布における本ディスペンサーの弱点は、間欠塗布の場合は逆に長所をもたらすという点に着目したものである。
【００７３】
以下、始終端の課題の解決を図った第１の実施例について説明する。この実施例では、ピストンに次の２つの入力波形を与えて、ピストンを駆動した。
【００７４】
▲１▼連続塗布の場合に与える台形波形（直流成分）
▲２▼塗布開始時（立上がり時）はその振幅が徐々に増大し、逆に塗布終了時（立下り時）はその振幅が徐々に減衰する入力波形（高周波成分）
すなわち、上記▲１▼の直流成分に上記▲２▼の高周波成分を重畳させた入力波形により、ピストンを駆動させて、擬似連続塗布を行なったものである。
【００７５】
図７は、時間に対するピストン変位の基本入力波形の直流成分を示し、また図８は高周波成分を示す。図９は、この２つの入力を重畳させた波形を示す。
【００７６】
ピストン変位の基本入力波形は、立ち上がり時間,立下り時間共に、0.03秒の台形波形をベースとしている。実施例において、ピストンを駆動する超磁歪素子は、10^-4secのオーダーの極めて高いレスポンスを有するため、与えられた入力波形に忠実にピストンを駆動することができる。
【００７７】
図１０は、表１の条件化下で、図９のピストン入力波形を与えて、(１)式を解いた場合の吐出ノズル上流側圧力の解析結果である。
【００７８】
間欠塗布の場合、ピストン駆動させる周波数fが高い程、あるいは吐出ヘッドと塗布対象面の間の相対速度Vが小さい程、基板上の塗布された流体魂同士が連結し、間欠塗布は限りなく連続塗布に近づいていく。上記周波数fと相対速度Vを適切な値に設定することにより、間欠塗布は「擬似連続化」する。
【００７９】
ピストンの入力波形に台形波形（直流成分のみ）を与えた連続吐出の解析結果（図４）と、本実施例の擬似連続吐出の解析結果（図１０）を比較してみる。
【００８０】
台形波形入力の場合、スクイーズ圧力により、吐出開始時に圧力が大きく降下し、吐出終了時に大きく上昇するため、始点側・終点側の圧力波形は著しく非対称となる。擬似連続塗布の場合、個々の圧力波形の絶対値（ピ−ク値）そのものが高く、またその包絡線は始点側・終点側でほぼ対称となる。
【００８１】
上記解析と同一条件下での擬似連続による塗布実験では、塗布の始点・終点による課題、描画線の欠落、細り、流体塊の発生、太り等が解消され、十分に高精度の連続線を描くことができた。
【００８２】
さらに、始終端の描画線の流量差（線幅と厚みの差）を無くし、描画線の中央部と始終端をスムーズに繋げるためには、適用するプロセスのさまざまな塗布条件に合わせて、次ぎの条件を立ち上がり時と立下り時、及び中央部で変える方策が有効であった。
【００８３】
▲１▼高周波成分の入力波形をパルス波形と近似したときのデューティ比（パルスの周期に対するＯＮ時間が占める比）
▲２▼パルス密度（あるいは周波数）
▲３▼高周波成分の振幅
▲４▼始終端における高周波成分の包絡線のパターン
（図８のイ、ロ、ハ、あるいは矩形波形状でもよい）
本ディスペンサーの高速間欠による擬似連続塗布の特徴は、塗布開始時・終了時における塗布線の精度が、吐出ノズル内部あるいは、吐出ノズル先端にある流体のメニスカス（界面）の位置の影響を受けにくいという点にある。
【００８４】
たとえば、次の２ケースについて、図１１を用いて考察してみる。
【００８５】
▲１▼流体のメニスカス５０の位置が吐出ノズルの中間部にあり、このメニスカス５０とノズル先端５１の間は空気が侵入している。｛図１１(イ)｝
▲２▼流体のメニスカス５０の位置が吐出ノズルの先端にあり、流体魂となっている。｛図１１(ロ)｝
上記▲１▼の状態で、従来ディスペンサーを用いて連続塗布を開始した場合、開始直後は描画線を精度よく描けず、始点部の塗布線の細り、切れが発生した。それに対して、擬似連続塗布の場合は描画線の欠落なくスムーズに描画線を描くことができた。その理由は次のようである。
【００８６】
吐出流体の先端であるメニスカス５０がノズル先端５１まで到達するまでの時間をT1、流量をQ1,ノズルの断面積をA1、空気侵入部の長さをLとすれば、速度V1=Q1/A1、T1=L/V1である。したがって、時間t>T1となるまでは、正常な状態で描画線は描けない。擬似連続塗布の場合も同様に、各記号をQ2,A2、V2、T2とする。あきらかに、V1≪V2であり、T1≫T2となる。すなわち、従来のディスペンサーが塗布開始すべきスタート点で描画線を描けず、描画線の始点が欠落した状態になるのに対して、擬似連続塗布の場合は、開始後瞬時にして描画を開始できる。この理由は繰り返し述べることになるが、スクイーズ圧力による急峻な圧力上昇が、塗布流体を高速でノズル先端まで送り出すからである。
【００８７】
また上記▲２▼の状態で、従来ディスペンサーを用いて連続塗布を開始した場合、実際の目視による観察では次のようであった。既に流体魂がかなり大きく成長している場合は、スタート時にこの流体魂は基板上にボタ落ちし、描画精度を著しく損ねる。スタート段階で流体魂がまだ小さい場合は、描画の進行と共に、流体魂は徐々に成長していく。ある段階で大きさは一定となるが、その段階に至るまで描画線に微妙な線幅の差が生じる。
【００８８】
上記▲２▼の状態で、本発明の実施例である擬似連続塗布を行なった場合、上記不具合は解消できた。その理由は、スタート時に吐出ノズル先端に流体魂があった場合でも、間欠塗布開始時の負圧発生により、この流体魂は一度ノズル内部に吸引され、基板上に附着した流体と分離される。
【００８９】
すなわち、間欠塗布の１サイクルで、ノズル先端の不安定な初期状態は一掃され、その後の間欠のサイクルで同一の初期状態が繰り返し再現される。
【００９０】
さらに既に説明しているように、吐出ノズルの上流側にスラスト動圧シールを設けた場合は、遮断後、吐出ノズル１３内部に残存していた流体は再びポンプ内部に吸引される作用があるため、流体魂が塗布精度に与える悪影響を一層改善することができた。
【００９１】
間欠塗布の場合の平均流量は、前述したように、ピストンの振幅、間欠駆動周波数、パルスがON状態の時間の幅ΔT と1周期の時間Tの比（デュティ比）などの選択で選ぶことができる。すなわち、擬似連続塗布と連続塗布の描画線の線幅と厚みが一致するように、これらのパラメータを選択する。
【００９２】
本発明からなるディスペンサーを用いて、間欠塗布を擬似連続化した場合のメリットは、その平均流量を極めて高速で可変できるという点にある。その理由は、既に図５〜６を用いて説明したように、間欠塗布単発では負圧→急峻な正圧→負圧のサイクルにより、極めて切れ味のよい塗布ができ、かつ、その集合体である擬似連続塗布の場合も、同様に高いレスポンスの塗布が実現できるからである。
【００９３】
間欠吐出された流体を擬似連続化する条件は、「間欠駆動周波数：f」と「吐出ヘッドと塗布対象面間の描画線方向相対速度：V」の関係から決まる。駆動周波数fが高い程、速度：Vは大きくでき、生産タクトの面で有利となる。したがって、ピストンの駆動に、10³〜10⁴Hzの応答性を持つ超磁歪素子、圧電素子などの電磁歪素子を用いれば、そのレスポンスの高さゆえに、上記描画線方向相対速度：Vを十分に大きくとれる。それゆえ、生産性の高い擬似連続描画が可能となる。
【００９４】
超磁歪素子に加えた入力電流と変位は比例するため、変位センサーなしのオープンループ制御でも、ピストン６の軸方向位置決め制御は可能である。しかし本実施例のような位置検出手段を設けてフィードバック制御をすれば、超磁歪素子のヒステリシス特性も改善できるため、より高い精度の位置決めができる。
【００９５】
超磁歪素子、圧電素子などの電磁歪素子を用いる代わりに、電磁ソレノイド等のアクチェータも適用可能であり、電磁歪素子と比べて応答性は一桁程悪くなるが、ストロークの制約は大幅に緩和される。
【００９６】
以下、本発明の第２の実施例について説明する。
【００９７】
この実施例は、流体塗布行程における過渡状態たとえば塗布開始時では間欠吐出を行ない、定常状態に入った段階で連続吐出に切り替えて、かつ塗布終了時に再び間欠塗布に切り替えたものである。図１２に吐出ノズル上流側圧力の解析結果を示す。
【００９８】
この方法により、塗布線の始点部の細り、切れ、あるいは終点部の太り、流体塊の発生を解消することができると共に、連続塗布の区間では、相対速度Vの制約がない点で塗布タクトに有利となる。実施例ではピストン変位曲線の入力波形は、立ち上がり時間,立下り時間が0.015〜0.025秒の台形波形を基本波形とし、この基本波形の立ち上がり部,立下り部に間欠波形を重畳させたものである。すなわち、
（１）塗布開始時t=0.005秒からt=0.03秒の間は、高速で間欠塗布をおこなう。
【００９９】
（２）一定時間経過後、t=0.03秒でピストンを停止し連続塗布に切り替える。
【０１００】
この段階で、吐出ヘッドと塗布対象面の間の相対速度Vを十分に大きくできる。
【０１０１】
（３）塗布終了の手前t=0.06秒で、連続塗布から再度高速間欠による擬似連続塗布に替える。
【０１０２】
上記実施例のように塗布開始時・終了時に間欠、吐出に切り替えるのではなく、連続線を描いている途中で、ある限定された区間のみ間欠吐出にしてもよい。たとえば、液晶パネルの製造行程において、シール材を長方形の閉ループを描いて塗布するプロセスが必要である。従来、たとえばエアー式のディスペンサーを用いた場合、長方形のコーナーの部分で、吐出ノズルとその対向面のスピードが急速に変化するために、均一な線幅が描けないという問題点があった。
【０１０３】
本発明を適用すれば、この問題は解決できる。すなわち、吐出ノズルがコーナーを走行するときだけ、連続から間欠吐出に切り替えればよい。
【０１０４】
吐出ノズルとその対向面の塗布方向のスピードが極めて早い場合、あるいは間欠駆動の周波数に限界がある場合は、次の方法により擬似連続化は可能である。すなわち、吐出側に時間遅れ要素として、小径で長いパイプを装着し、その先端に吐出ノズルを設けるような構成にすれば、ローパスフィルタの作用が得られるために、低い周波数でも擬似連続化ができる（図示せず）。
【０１０５】
本発明を用いれば、塗布プロセスの途中で、間欠塗布、擬似連続塗布、連続塗布は随意に選択できる。たとえば、ドット打ちの間欠塗布の後、微妙に流量（塗布線幅、厚み）を可変させた擬似連続をおこない、その後、高速ステージによる連続塗布に切り替えるなどの操作ができる。
【０１０６】
以下、本発明の第３の実施例について説明する。
【０１０７】
本実施例は、間欠吐出圧力を発生するマイクロポンプ（仮称）と、外部に設置された「流体圧力の発生源」であるマスターポンプ（仮称）を組み合わせることにより、極めてシンプルな構成で、連続塗布における始終端の課題を解決したものである。図１３は、積層型の圧電素子で駆動されるマイクロポンプを示す。
【０１０８】
１００はピストン、１０１はピストンの上部に設けられたフランジ部、１０２はシリンダ、１０３はフランジ部とシリンダ５３の間に矜持されて設けられた積層型の圧電素子、１０４は上部蓋、１０５は上部蓋１０４に形成されたピストン１００を支えるための軸受部、１０６はピストン５０の軸方向位置を検知するための変位センサーである。
【０１０９】
１０７はシリンダの吐出側に形成された吸入口、１０８は吐出部、１０９は吐出ノズルである。１１０はフランジ部１０４と上部蓋１０４の間に配置され、圧電素子１０３に与圧を与えるためのバイアスバネである。
【０１１０】
積層型の圧電素子の場合、超磁歪素子と比べて、同一長さに対するストロークは小さくなるが、電磁コイルが不要なため外径を小さくできる。したがってマルチディスペンサー化、マルチノズル化を図るときに有利となる。
【０１１１】
上記マイクロポンプの吸入口１０７の上流側に、マスターポンプ１１１（想像線で示す）が配置される。実施例ではこのマスターポンプにねじ溝ポンプを用いた。ねじ溝ポンプの場合、▲１▼粉流体を機械的に非接触の状態で、吸入口から吐出口に輸送できる、▲２▼流量を回転数によって可変できる、▲３▼定流量特性が得られる、▲４▼流動性の悪い粉流体に、回転によるせん断力を与えることにより低粘度化が図れる、等の特徴を有する。
【０１１２】
マスターポンプとしては、ねじ溝ポンプ以外にも、ギヤポンプ、トロコイドポンプ、モーノポンプなどが本発明に適用できる。またポンプの代わりに外部に設置されたエアー源を利用して、エアー圧でもってマイクロ・ディスペンサーに蛍光体材料を供給すれば、塗布装置全体は大幅に簡素化される。
【０１１３】
以上述べた本発明の実施例は、電磁歪素子による高い周波数の間欠駆動ができるため、高生産効率で擬似連続塗布を実現できる点は既に前述した通りである。従来エアー式、ねじ溝式は応答性に限界があり、ドット打ちの周波数は20Herz程度が限界であった。実施例のディスペンサーで評価した結果、50Herz以上の間欠駆動により、従来式と比較して十分に高品位となる擬似連続塗布ができた。周波数の上限値は、電磁歪素子で駆動されるメカ部の伝達特性の限界から、3000Herz程度であった。
【０１１４】
以下、図１、図２で既に説明したラジアル溝ポンプ、スラスト動圧シールについて、図１４を用いて補足説明をする。
【０１１５】
既に説明したラジアル溝１１は、スパイラルグルーブ動圧軸受として知られている公知のものであり、またねじ溝ポンプとしても利用されている。ねじ溝ポンプの発生するポンピング圧力は、回転角速度、軸の外径、溝深さ、溝角度、グルーブ幅とリッジ幅などで決定される。
【０１１６】
ラジアル溝１１によるねじ溝ポンプは、本発明に必須条件ではないが、前述したように、流量を回転数によって可変でき、定流量特性が得られ、流動性の悪い粉流体に回転によるせん断力を与えることにより低粘度化が図れる、等の特徴を有する。
【０１１７】
またシール用スラスト溝３８は、同様にスラスト動圧軸受として知られているものである。さて、スラスト軸受の発生できるシール圧力も同様に、回転角速度、スラスト軸受の内外径、溝深さ、溝角度、グルーブ幅とリッジ幅などで決定される。
【０１１８】
図１４のグラフにおける曲線（イ）は、下記表２の条件下で、スパイラルグルーブ型スラスト溝を用いた場合のギャップδに対するシール圧力P_Sの特性を示すものである。図１４のグラフにおける曲線（ロ）は、軸方向流動が無い場合について、ラジアル溝のポンピング圧力と軸先端のギャップδの関係を示す一例である。このラジアル溝のポンピング圧力は、上記スラスト溝同様、ラジアル隙間、溝深さ、溝角度の選択によって広い範囲で選ぶことができる。しかし定性的には、ラジアル溝のポンピング圧力Prは軸先端の空隙の大きさ（すなわちギャップδの大きさ）に依存しない。
【０１１９】
【表２】

【０１２０】
さて、シール用スラスト溝のギャップδが十分大きいとき、たとえばギャップδ＝１５μｍのとき、発生圧力は小さく、P＜0.1kg/ｍｍ²である。
【０１２１】
軸を回転させたままで、回転軸端面を固定側の対向面に接近させる。ギャップδ＜10.0μｍなると、シール圧力がラジアル溝のポンピング圧力Prより大きくなり、流体の吐出口側への流出は遮断される。
【０１２２】
前述した図２は、流体の流出が遮断された状態を示し、吐出ノズルの開口部３９近傍の流体は、スラスト溝３８によって遠心方向のポンピング作用[図２の矢印]を受けているために、開口部３９近傍は負圧（大気圧以下）となる。この効果により、遮断後、吐出ノズル１３内部に残存していた流体は再びポンプ内部に吸引される。その結果、吐出ノズル先端で表面張力による流体魂ができることはなく、糸引き、洟垂れが解消されるのである。
【０１２３】
さて、本発明の実施例では、回転軸を僅か５〜１０μｍ程度軸方向に移動させることにより、流体の吐出状態のON,OFFを自在に制御することができる。
【０１２４】
本実施例のポイントを要約すれば、スラスト溝によるシール圧力は、ギャップδが小さくなると急激に増大するのに対して、ラジアル溝のポンピング圧力はギャップδの変化に対して極めて鈍感である、という点を利用している。
【０１２５】
なをラジアル溝、スラスト溝いずれも回転側、固定側のどちらに形成してもよい。
【０１２６】
また微少粒子が含まれた接着材のような粉流体を塗布する場合は、ギャップδの最小値δminは微少粒子径φdよりも大きく設定すればよい。
【０１２７】
【式２】

【０１２８】
同一の発生圧力に対して、より大きなギャップを得るためには、スラストシールのつば３１の外径を大きくかつ溝深さ、溝角度等に適切な値を選べば良い。
【０１２９】
以上は、既提案で既に開示している内容である。
【０１３０】
スラスト動圧シールは本発明に必須条件ではないが、本発明と組み合わせることにより、次ぎの効果が得られる。
【０１３１】
すなわち、モータの回転を継続したままで、吐出ノズルからの流体の遮断状態を保ちながら、塗布行程Ａから塗布行程Ｂに塗布プロセスを移行することができる。
【０１３２】
そのため、モータの停止と起動に要するロス時間が無く、生産タクトの一層の向上を図ることができる。
【０１３３】
本実施例では、軸方向駆動手段に超磁歪素子を用いているが、微少流量を扱うポンプでは、「非接触シール」を構成するためのギャップδのストロークは、大きくとも数十ミクロンのオーダでよく、超磁歪素子、ピエゾ素子などの電磁歪素子のストロークの限界は問題とならない。
【０１３４】
また、高粘度流体を吐出させる場合、ラジアル溝によるポンピング作用及びスクイーズ圧力によって大きな吐出圧の発生が予想される。この場合、第１のアクチェータ１には高い流体圧に抗する大きな推力が要求されるため、数百〜数千Ｎの力が容易に出せる電磁歪型アクチェータが好ましい。電磁歪素子は、数MHz以上の周波数応答性を持っているため、主軸を高い応答性で直線運動させることができる。そのため、高粘度流体の吐出量を高いレスポンスで高精度に制御できる。
【０１３５】
また軸方向駆動手段に超磁歪素子を用いた場合、圧電素子を用いる場合と比べて、伝導ブラシも省略できることから、モータ（回転手段）の負荷を軽減できると共に、全体構成が極めてシンプルとなるため、稼動部の慣性モーメントを極力小さくでき、ディスペンサーの細径化が可能である。
【０１３６】
本発明の実施例では、軸方向駆動手段にいずれも電磁歪素子を用いているが、微少流量を扱うポンプでは、「非接触シール」を構成するためのギャップδのストロークは、大きくとも数十ミクロンのオーダでよく、超磁歪素子、ピエゾ素子などの電磁歪素子のストロークの限界は問題とならない。
【０１３７】
また、高粘度流体を吐出させる場合、ラジアル溝によるポンピング作用によって大きな吐出圧の発生が予想される。この場合、第１のアクチェータ１には高い流体圧に抗する大きな推力が要求されるため、数百〜数千Ｎの力が容易に出せる電磁歪型アクチェータが好ましい。電磁歪素子は、数MHz以上の周波数応答性を持っているため、主軸を高い応答性で直線運動させることができる。そのため、高粘度流体の吐出量を高いレスポンスで高精度に制御できる。
【０１３８】
また軸方向駆動手段に超磁歪素子を用いた場合、圧電素子を用いる場合と比べて、伝導ブラシも省略できることから、モータ（回転手段）の負荷を軽減できると共に、全体構成が極めてシンプルとなるため、稼動部の慣性モーメントを極力小さくでき、ディスペンサーの細径化が可能である。
【０１３９】
【発明の効果】
本発明を用いた流体塗布方法により、次の効果が得られる。
１．高速吐出遮断と開始ができる。
２．塗布開始時、終了時の塗布線の始点部の細り、切れ、終点部での太り、溜まり等が発生せず、高精度の塗布線が描ける。
３．粉体の圧搾破損による流路の詰まり、流体の特性変化などのトラブルが発生しない。
４．さらに以下示す特徴を、本発明のポンプは合わせ持つことができる。
【０１４０】
▲１▼高粘度流体の高速塗布ができる。
【０１４１】
▲２▼超微少量を高精度で吐出できる。
【０１４２】
本発明を例えば表面実装のディスペンサー、ＰＤＰ，ＣＲＴディスプレイの蛍光体塗布、液晶パネルのシール材塗布等に用いれば、その長所をいかんなく発揮でき、効果は絶大なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるディスペンサーを示す正面断面図
【図２】上記実施例の吐出部の拡大断面図
【図３】連続塗布のピストン変位と時間の関係を示す図
【図４】既定案ディスペンサーを連続塗布に用いた場合の時間に対する吐出ノズル上流側圧力の解析結果のグラフ
【図５】間欠塗布のピストン変位と時間の関係を示す図
【図６】既定案ディスペンサーを間欠塗布に用いた場合の時間に対する吐出ノズル上流側圧力の解析結果のグラフ
【図７】本発明の実施例のピストン変位の直流成分と時間の関係を示す図
【図８】本発明の実施例のピストン変位の交流成分と時間の関係を示す図
【図９】本発明の実施例のピストン変位と時間の関係を示す図
【図１０】本発明の実施例の時間に対する吐出ノズル上流側圧力の解析結果のグラフ
【図１１】吐出ノズルの流体のメニスカス状態を示す図
【図１２】本発明の第２実施例の時間に対する吐出ノズル上流側圧力の解析結果のグラフ
【図１３】本発明の第３の実施例によるディスペンサーを示す正面断面図
【図１４】スラスト動圧シールの発生圧力と隙間の関係を示すグラフ
【図１５】従来例のエアーパルス方式を示す図
【符号の説明】
９流体補給手段
３５，３７２面
１２吸入口
１３吐出口

Claims

ピストンと、前記ピストンの外側に設けられたシリンダとを有し、前記ピストンの吐出側端面と、前記シリンダとの間の隙間に流体を供給すると共に、前記ピストンの外側に配置されたアクチュエータによって前記シリンダを軸方向に直線運動させることにより、前記ピストンと前記シリンダとの間に充填された流体を間欠的に吐出させる流体塗布方法において、
高周波数成分と直流成分が重畳された入力信号を前記アクチュエータに与えて前記ピストンを駆動させること
を特徴とする流体塗布方法。
ピストンと、前記ピストンの外側に設けられたシリンダとを有し、前記ピストンの吐出側端面と、前記シリンダとの間の隙間に流体を供給すると共に前記ピストンの外側に配置されたアクチュエータによって前記シリンダを軸方向に直線運動させることにより、前記ピストンの吐出側端面と前記シリンダとの間に充填された流体を間欠的に吐出させると共に、前記ピストンと前記ピストンと対向して設けられた基板とを相対的に移動させながら流体を塗布する流体塗布方法において、
前記基板と前記ピストンの相対移動の速度をＶ、前記ピストンの吐出側端面と前記シリンダとの間の間隙を変化させる周波数をｆとしたとき、間欠吐出工程による前記基板上に塗布される描画線が擬似的に連続線となるように前記Ｖと前記Ｆを選択したこと
を特徴とする流体塗布方法。
ピストンと、前記ピストンの外側に設けられたシリンダとを有し、前記ピストンの吐出側端面と、前記シリンダとの間の隙間に流体を供給すると共に、前記ピストンの外側に配置されたアクチュエータによって前記シリンダを軸方向に直線運動させることにより、前記ピストンと前記シリンダとの間に充填された流体を間欠的に吐出させる流体塗布方法において、
前記間隙を高周波数で変化させることにより前記ピストンの吐出側端面と前記シリンダとの間に充填された流体を間欠的に吐出させる工程を間欠吐出工程とし、前記流体を連続的に吐出させる工程を連続吐出工程としたとき、塗布工程の途中で前記間欠吐出工程と前記連続吐出工程を切り替えたこと
を特徴とする流体塗布方法。
前記間欠吐出工程を経て塗布された描画線は擬似的な連続線であることを特徴とする請求項３記載の流体塗布方法。
前記間欠吐出工程を経て吐出される平均流量と、前記連続吐出工程を経て吐出される流量が概略一致するように、高周波成分の入力波形をパルス波形と近似したときのデューティ比、あるいはパルス密度、あるいは周波数、あるいは振幅、あるいは始終端における高周波成分の包絡線のパターンを調節したことを特徴とする請求項４記載の流体塗布方法。
前記２面間の間隙を高い周波数で変化させることにより前記２
面間に充填された流体を間欠的に吐出させる工程を間欠吐出工程とし、前記流体補給手段により前記流体を連続的に吐出させる工程を連続吐出工程としたとき、適用するプロセスによって前記間欠吐出工程と前記連続吐出工程を選択して用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体塗布方法。
前記ピストンにはねじ溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体塗布方法。
モータによりピストンとこのピストンを収納するシリンダとを相対的に回転させたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体塗布方法。
前記ピストンの吐出口側端面とその対向面の相対移動面に動圧シールが形成されており、前記アクチュエータによって前記軸の吐出口側端面とその対向面の間隙を減少させて流体を遮蔽したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体塗布方法。
前記アクチュエータは電磁歪素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体塗布方法。
前記間欠吐出工程を経て吐出される平均流量を、高周波成分の入力波形をパルス波形と近似したときのデューティ比、あるいはパルス密度、あるいは周波数、あるいは振幅、あるいは始終端における高周波成分の包絡線のパターンを調節したことを特徴とする請求項１あるいは２記載の流体塗布方法。
高周波数成分は５０Ｈｚから３０００Ｈｚの範囲であることを特徴とする請求項１記載の流体塗布方法。