JP4725715B2 - 固液懸濁液塗布装置および固液懸濁液塗布方法 - Google Patents

Description

本発明は、固液懸濁液の塗布装置および固液懸濁液塗布方法に関するものである。

凝集し易いスラリー（固液懸濁液）をスプレーにより噴射し、製品表面に薄膜を形成する場合において、固体粒子の凝集によるノズル詰まりや、吐出量の不安定化を防止するために、従来から、固液懸濁液に超音波振動を与えて固体粒子の凝集を防ぎ、固液懸濁液を塗布する固液懸濁液塗布装置が発明されている（例えば、特許文献１、引用文献２参照。）。

特開２００３−２９０６９５公報（〔請求項１〕、〔００１３〕、〔図１〕） 特開２００２−１４３７４６公報（〔請求項１〕、〔００２１〕、〔図１〕）

ところで、上記のように、固液懸濁液に超音波振動を与えて固体粒子の凝集を防ぎ、固液懸濁液を塗布する装置は、ノズル先端部へと固液懸濁液を送るための供給路において、固体粒子の凝集を防止することができるので、比較的小さな凝集粒子によるノズル先端部の詰まりの発生を防ぐことが可能である。また、ノズル先端部の管壁に微細粒子が沈着することによる断面積の減少に対しても、固液懸濁液に与えられる超音波振動が微細粒子の沈着を防止し、それを防ぐことが可能である。
しかしながら、超音波振動によって管壁から除去された比較的大きな凝集粒子が、ノズルから噴射されて塗工面に付着し、平滑性を阻害するといった欠点が指摘されていた。また、塗布作業を行った後に次の塗布作業までの間のインターバルが長くなるような場合に、ノズル先端部に残存する材料（固液懸濁液）が硬化し、吐出量が不安定となったり、先端部から脱落した比較的大きな凝集粒子が、同様に塗工面に付着するといった問題点が指摘されていた。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固液懸濁液の粒子の凝集を可能な限り防止し、ノズルからの固液懸濁液の吐出量の安定化を促進することにある。また、比較的大きな凝集粒子が塗工面に付着することを防止することにある。

上記課題を解決するための、本発明に係る固液懸濁液塗布装置は、塗布装置本体の先端部に位置する噴射口から、固液懸濁液を噴射する塗布装置であって、固液懸濁液の供給路を構成する中空管が、前記塗布装置本体によって軸方向に摺動自在に支持され、当該中空管の先端部に、先端側へ向けて円錐状に縮径する壁面を有するノズル穴が形成されたノズルが装着され、当該ノズル穴を弁座とする、その先端部が前記ノズル穴に倣った円錐形をなすニードルが、前記中空管の全長に渡って挿通され、かつ、閉弁時においてその先端部が、前記ノズル穴を塞いで外部へと突出するように、前記塗布装置本体に固定され、前記ノズル穴と前記ニードルとでニードル弁が構成され、前記ニードルの突出部分へと材料の霧化エアが噴射されるように噴射方向が調整されたエア噴射口が前記ノズルに設けられ、当該エア噴射口へのエア供給路が前記中空管に設けられ、前記ニードルに超音波振動を印加する振動印加手段と、前記中空管を前記ニードルに対し軸方向に移動させる駆動手段とが、前記塗布装置本体に設けられていることを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、固液懸濁液の供給路を構成する中空管の先端部に、先端側へ向けて円錐状に縮径する壁面を有するノズル穴が形成されたノズルが装着され、当該ノズル穴を弁座とする、その先端部が前記ノズル穴に倣った円錐形をなすニードルが挿通され、かつ、閉弁時においてその先端部が前記ノズル穴を塞いで外部へと突出するように前記塗布装置本体に固定され、前記ノズル穴と前記ニードルとでニードル弁が構成されることで、閉弁時における固液懸濁液の大気曝露部分が完全に無くなり、ノズル先端部における材料硬化の発生を防ぐことができる。また、ニードルは、中空管の全長に渡って挿通され、塗布装置本体に設けられた振動印加手段によってニードルに超音波振動を印加することで、ノズル穴における微細粒子の詰りを防ぎ、ノズル穴への微細粒子の沈着を、ニードル弁の開放毎に除去すると共に、材料を積極的にノズル先端方向へと押出すことが可能となる。
また、ノズルに設けられたエア噴射口および中空管に設けられたエア噴射口へのエア供給路によって、前記ニードルの突出部分へとエアを噴射することにより、材料は霧化される。また、閉弁時に、ノズル穴からニードルによって押出された材料も、霧化エアによって吹き飛ばされ、ノズル穴の周辺部における材料の固化を防ぐことができる。

さらに、中空管は塗布装置本体によって軸方向に摺動自在に支持され、かつ、塗布装置本体には、中空管を前記ニードルに対し軸方向に移動させる駆動手段を設ける構造を採用することで、ニードル弁の開閉を中空管の軸方向移動によって行うことが可能となり、可動部分の軽量化を図ることができる。また、ニードルが振動印加手段と共に塗布装置本体に固定される構造となり、振動印加手段の超音波振動を効率的にニードルへと伝えることが可能となる。

また、前記塗布装置本体には、超音波発振器が固定され、該超音波発振器のホーン先端部が前記ニードルを構成しており、前記ホーンの振動の節に、Ｏリングを配置し、該Ｏリングの直近に材料供給ポートを設けたことを特徴とするものである（請求項２）。
この構成によれば、ニードルが超音波発振器と共に塗布装置本体に固定される構造となり、超音波発振器の超音波振動を効率的にニードルへと伝えることが可能となる。特に、超音波発振器のホーン先端部がニードルとして構成されていることから、ニードルへの超音波の伝達効率は極めて高いものとなる。また、ホーンの振動の節に、Ｏリングを配置することにより、Ｏリングの摩耗を回避することができる。更に、Ｏリングの直近に材料供給ポートを設けることで、材料の供給路にエアが溜まり得る空間が構成されることを防ぎ、材料へのエアの捲き込みを最小限に抑えることができる。

また、ノズルに設けられたエア噴射口から、ニードルの突出部分へと噴射される材料の霧化エアにより、ニードル弁の開放時に材料が霧化され、かつ、閉弁時には、前記ノズル穴から前記ニードルによって押出された材料も、霧化エアによって吹き飛ばされるものである請求項１又は２記載の固液懸濁液塗布装置（請求項３）。
すなわち、前述のごとくノズルに設けられたエア噴射口の噴射方向が、ニードルの突出部分へと材料の霧化エアが噴射されるように調整されていることと併せて、ノズルに設けられたエア噴射口から、ニードルの突出部分へとエアを噴射することにより、材料は霧化される。また、閉弁時に、ノズル穴からニードルによって押出された材料も、霧化エアによって吹き飛ばされ、ノズル穴の周辺部における材料の固化を、確実に防ぐことができる。

また、本発明においては、前記塗布装置本体に固定された板状弾性体を介して、前記中空管が前記塗布装置本体に対し移動可能に締結されていることが望ましい（請求項４）。
この構成によれば、板状弾性体の弾性を利用して、塗布装置本体に対する中空管の軸方向の移動を許容しつつ、その移動範囲が板状弾性体の弾性変形可能な範囲に制限されることにより、中空管の作動精度を確保することが可能となる。
しかも、前記板状弾性体はダイヤフラムであり、前記駆動手段は、前記塗布装置本体と前記中空管と前記ダイヤフラムとにより形成される密閉室と、当該密閉室へのエア供給手段とで構成されていることとすれば（請求項５）、ダイヤフラムによって塗布装置本体に対する中空管の作動精度を確保しつつ、中空管を軸方向に移動させるための動力を得ることが可能となる。

また、本発明においては、前記駆動手段は、前記中空管の外周部に固定された磁石と、当該磁石を囲むようにして前記塗布装置本体に固定されたコイルとで構成されていることとしてもよい（請求項６）。この構成によれば、中空管の作動レスポンスを向上させることができる。
さらに、本発明において、前記ニードルの突出部分が、材料の噴射方向後方から前方へとすり鉢状に広がる壁面で構成されるフードに覆われ、かつ、当該フードの外壁と内壁とを連通する開口が設けられていることとすれば（請求項７）、フードにより材料の不必要な飛散を防ぎ、かつ、フードの外壁と内壁とを連通する開口によって、フード内が霧化エアの流れによって負圧となることを防止することができる。したがって、当該負圧発生時に生じる噴射流の捲き込みにより、ノズル穴周囲に材料を付着させる不具合を回避することができる。

また、上記課題を解決するための、本発明に係る固液懸濁液塗布装置の固液懸濁液塗布方法は、請求項１から７記載の固液縣濁液塗布装置の固液懸濁液塗布方法であって、材料の塗布を行う際に、前記ノズルのエア噴射口から霧化エアを噴射し、次に、前記ニードル弁を開放し、さらに、前記振動印加手段によって前記ニードルに超音波振動を印加し、材料の塗布を停止する際には、前記ニードルに対する超音波振動の印加を停止し、続いて、前記ニードル弁を閉じ、さらに、前記ノズルのエア噴射口からの、霧化エアの噴射を停止することを特徴とするものである（請求項８）。
この手順により、ノズルからは、粒子の凝集の無い固液懸濁液を、吐出量を安定させつつ噴射することが可能となる。また、閉弁時に、ノズル穴からニードルによって押出された材料も、霧化エアによって吹き飛ばされ、ノズル穴の周辺部における材料の固化を、確実に防ぐことができる。

本発明はこのように構成したので、固液懸濁液の粒子の凝集を可能な限り防止し、ノズルからの固液懸濁液の吐出量の安定化を促進することができる。また、比較的大きな凝集粒子が塗工面に付着することを防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
本発明の実施の形態に係る固液懸濁液塗布装置１０は、図１にその要部を示すように、塗布装置本体１２の先端部に位置する噴射口１４から、固液懸濁液を噴射する塗布装置である。そして、固液懸濁液（材料）の供給路１６を構成する中空管１８が、塗布装置本体１２によって軸方向に摺動自在に支持され、中空管１８の先端部には、先端側へ向けて円錐状に縮径する壁面を有するノズル穴２０ａが形成されたノズル２０が装着されている。また、ノズル穴２０ａを弁座とするニードル２２が中空管１８の全長に渡って挿通され、ノズル穴２０ａとニードル２２とでニードル弁を構成している。ニードル２２の先端部２２ａは、ノズル穴２０ａに倣った円錐形をなしている。また、ニードル２２は、当該ニードル弁の閉弁時において、その先端部２２ａがノズル穴２０ａを塞いで外部へと突出するように、塗布装置本体１２に固定されている。なお、図示の例では、塗布装置本体１２には超音波発振器が固定されており、超音波発振器のホーン先端部が、ニードル２２を構成している。

また、ノズル２０には、ニードル２２の突出部分（先端部２２ａ）へと材料の霧化エアが噴射されるように噴射方向が調整された、エア噴射口２０ｂが形成され、中空管１８には、エア噴射口２０ｂへのエア供給路１８ａが設けられている。さらに、中空管１８は、塗布装置本体１２に固定されたダイヤフラム２４を介して、塗布装置本体１２に対し移動可能に締結されている。ダイヤフラム２４は、金属製であっても樹脂製であってもよい。なお、塗布装置本体１２には、中空管１８のエア供給路１８ａに対し、霧化エアを供給するためのエア供給路２５が形成されている。

また、塗布装置本体１２には、中空管１８をニードル２２に対し軸方向に移動させる駆動手段２３が設けられている。図１の例では、駆動手段２３は、塗布装置本体１２と中空管１８とダイヤフラム２４とにより形成される密閉室２６と、塗布装置本体１２に形成され密閉室２６へと連通するエア供給路２８とで構成されている。そして、エア供給管路２８に連結されるエアポートから、高圧のエアの供給を受けることで、密閉室２６の圧力が増大し、ダイヤフラム２４が密閉室２６の容積を拡大する方向へと弾性変形することで、中空管１８は、コイルばね３０の弾性力に抗して図１の下方へと移動する。一方、密閉室２６の圧力を低下させることにより、コイルばね３０の弾性力を受けて、中空管１８は図１の上方へと移動する。なお、コイルばね３０の弾性力は、密閉室２６の低圧時において、中空管１８の背端部に装着されたノズル２０のノズル穴２０ａを、ニードル２２の先端部２２ａに密着させるに十分な力を有している。

また、ニードル２２の突出部分２２ａが、材料の噴射方向後方から前方（図１の上方から下方）へとすり鉢状に広がる壁面３２ａを有するフード３２に覆われ、かつ、フード３２の外壁と内壁とを連通する開口３２ｂが設けられている。なお、図１のフード３２は、中空管１８の先端部にノズル２０を装着するためのナットの機能を有している。
また、先端部がニードル２２を構成するホーンの振動の節２２ｂに、Ｏリング３４を配置することにより、Ｏリング３４の摩耗を回避している。また、Ｏリング３４の直近に材料供給ポート３６を設けることで、材料の供給路１６にエアが溜まり得る空間が構成されることを防ぎ、材料へのエアの捲き込みを最小限に抑えている。さらに、塗布装置本体１２をＯリング３４の近傍で分割していることから（１２Ａ、１２Ｂ）、分解洗浄が必要な場合であっても、分解すべき部品の点数が削減され、再組立時においても、部品の破損の発生を可能な限り抑えることが可能となっている。

上記の構造を有する固液懸濁液塗布装置１０により、固液懸濁液の塗布を行う際には、まず、ノズル２０のエア噴射口２０ｂから霧化エアを噴射し、次に、密閉室２６の圧力を増大させて、位置固定されたニードル２２に対し中空管１８を軸方向（図１の下方）に移動させて、ニードル弁を開放し、さらに、ニードル２２に超音波振動を印加する。この手順により、ノズル２０からは、粒子の凝集の無い固液懸濁液を、吐出量を安定させつつ噴射することが可能となる。
また、材料の塗布を停止する際には、ニードル２２に対する超音波振動の印加を停止し、続いて、密閉室２６の圧力を低下させて、位置固定されたニードル２２に対し中空管１８を軸方向（図１の上方）に移動させてニードル弁を閉じ、さらに、ノズル２０のエア噴射口２０ｂからの、霧化エアの噴射を停止する。

上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることができる。まず、固液懸濁液の供給路１６を構成する中空管１８の先端部に、先端側へ向けて円錐状に縮径する壁面を有するノズル穴２０ａが形成されたノズル２０が装着され、ノズル穴２０ａを弁座とするニードル２２が挿通され、かつ、閉弁時においてその先端部がノズル穴２０ａを塞いで外部へと突出するように、ニードル２２が塗布装置本体１２に固定されていることで、閉弁時における固液懸濁液の大気曝露部分が完全に無くなり、ノズル２０の先端部における材料硬化の発生を防ぐことができる。また、ニードル２２は、中空管１８の全長に渡って挿通されていることから、塗布装置本体１２に設けられた超音波発振器によってニードル２２に超音波振動を印加することで、ノズル穴２０ａにおける微細粒子の詰りを防ぎ、ノズル穴２０ａへの微細粒子の沈着を、ニードル弁の開放毎に除去すると共に、材料を積極的にノズル２０の先端方向へと押出すことが可能となる。
しかも、メンテナンス時には、固液懸濁液の供給路１６に水を流しながら、ニードル２２に超音波を発振させるだけで洗浄が完了し、分解清掃が不用となる。また、洗浄力が強力なため、有機溶剤の使用を回避することができる。

また、ノズル２０に設けられたエア噴射口２０ｂおよび中空管１８に設けられたエア噴射口へのエア供給路１８ａによって、ニードル２２の突出部分２２ａへとエアを噴射することにより、材料は霧化される。また、閉弁時に、ノズル穴２０ａからニードル２２によって押出された材料も、霧化エアによって吹き飛ばされ、ノズル穴２０ａの周辺部における材料の固化を、確実に防ぐことができる。

さらに、中空管１８は塗布装置本体１２によって軸方向に摺動自在に支持され、かつ、塗布装置本体１２には、中空管１８をニードル２２に対し軸方向に移動させる駆動手段２３を設ける構造を採用したことから、ニードル弁の開閉を中空管１８の軸方向移動によって行うことが可能となり、可動部分の軽量化を図ることができる。したがって、ニードル弁の開閉レスポンスを向上させることができる。また、ニードル２２が超音波発振器と共に塗布装置本体１２に固定される構造となり、超音波発振器の超音波振動を効率的にニードルへと伝えることが可能となる。特に、図１の例では、超音波発振器のホーン先端部がニードル２２として構成されていることから、ニードル２２への超音波の伝達効率は極めて高いものとなる。

また、中空管１８は、板状弾性体であるダイヤフラム２４の弾性を利用して、塗布装置本体１２に対する中空管１８の軸方向の移動を許容しつつ、その移動範囲がダイヤフラム２４の弾性変形可能な範囲に制限されることにより、中空管１８の作動精度を確保することが可能となる。また、図１の例では、塗布装置本体１２と中空管１８とダイヤフラム２４とにより形成される密閉室２６と、密閉室２６へのエア供給手段であるエア供給路２８とで、中空管１８の駆動手段２３を構成することが可能となる。このように、ダイヤフラム２４により密閉室２６の密閉性を確保する構造とすることで、例えば、パッキンを用いて密閉性を確保する場合にパッキンの周長が長く摺動抵抗が大きくなることに起因する、中空管８の作動レスポンスの悪化をなくし、中空管１８の作動レスポンスの飛躍的向上を図ることが可能となる。

さらに、ニードル２２の突出部分２２ａが、材料の噴射方向後方から前方へとすり鉢状に広がる壁面３２ａで構成されるフード３２に覆われ、かつ、フード３２にはその外壁と内壁とを連通する開口３２ｂが設けられていることから、フード３２により材料の不必要な飛散を防ぎ、かつ、フード３２の外壁と内壁とを連通する開口３２ｂによって、フード３２内が霧化エアの流れによって負圧となることを防止することができる。したがって、当該負圧発生時に生じる噴射流の捲き込みにより、ノズル穴２０ａの周囲に材料を付着させる不具合を回避することができる。

なお、中空管１８の駆動手段として、図１に示す駆動手段２３に換えて、図２に示す駆動手段３８を採用することも可能である。この駆動手段３８は、中空管１８の外周部に固定された磁石４０と、磁石４０を囲むようにして塗布装置本体１２に固定されたコイル４２とで構成されることによって、エア駆動による駆動手段２３において懸念される追従遅れを回避し、ニードル弁の作動レスポンスを向上させることが可能となる。なお、図２の例では、中空管１８を塗布装置本体１２に対し移動可能に締結する板状弾性体４４には、図１のダイヤフラム２４のような密閉性は要求されないため、単なる板ばね等を用いることも可能である。

本発明の実施の形態に係る固液懸濁液塗布装置の、要部断面図である。 図１に示す固液懸濁液塗布装置の、一部変更例を示す断面図である。

１０：固液懸濁液塗布装置、１２：塗布装置本体、１４：噴射口、１６：材料の供給路
１８：中空管、１８ａ：エア供給管、２０：ノズル、２０ａ：ノズル穴、２０ｂ：エア噴射口、２２：ニードル、２２ａ：先端部、 ２３、３８：駆動手段、２４： ダイヤフラム、 ２５、２８：エア供給路、２６：密閉室、３２：フード、４０：磁石、４２：コイル、４４：板状弾性体

Claims (8)

1. 塗布装置本体の先端部に位置する噴射口から、固液懸濁液を噴射する塗布装置であって、
   固液懸濁液の供給路を構成する中空管が、前記塗布装置本体によって軸方向に摺動自在に支持され、当該中空管の先端部に、先端側へ向けて円錐状に縮径する壁面を有するノズル穴が形成されたノズルが装着され、
   当該ノズル穴を弁座とする、その先端部が前記ノズル穴に倣った円錐形をなすニードルが、前記中空管の全長に渡って挿通され、かつ、閉弁時においてその先端部が、前記ノズル穴を塞いで外部へと突出するように、前記塗布装置本体に固定され、前記ノズル穴と前記ニードルとでニードル弁が構成され、
   前記ニードルの突出部分へと材料の霧化エアが噴射されるように噴射方向が調整されたエア噴射口が前記ノズルに設けられ、当該エア噴射口へのエア供給路が前記中空管に設けられ、
   前記ニードルに超音波振動を印加する振動印加手段と、前記中空管を前記ニードルに対し軸方向に移動させる駆動手段とが、前記塗布装置本体に設けられていることを特徴とする固液懸濁液塗布装置。
2. 前記塗布装置本体には、超音波発振器が固定され、該超音波発振器のホーン先端部が前記ニードルを構成しており、前記ホーンの振動の節に、Ｏリングを配置し、該Ｏリングの直近に材料供給ポートを設けたことを特徴とする請求項１記載の固液懸濁液塗布装置。
3. 前記ノズルに設けられたエア噴射口から、前記ニードルの突出部分へと噴射される材料の霧化エアにより、ニードル弁の開放時に材料が霧化され、かつ、閉弁時には、前記ノズル穴から前記ニードルによって押出された材料も、霧化エアによって吹き飛ばされるものである請求項１又は２記載の固液懸濁液塗布装置。
4. 前記塗布装置本体に固定された板状弾性体を介して、前記中空管が前記塗布装置本体に対し移動可能に締結されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の固液懸濁液塗布装置。
5. 前記板状弾性体はダイヤフラムであり、前記駆動手段は、前記塗布装置本体と前記中空管と前記ダイヤフラムとにより形成される密閉室と、当該密閉室へのエア供給手段とで構成されていることを特徴とする請求項４記載の固液懸濁液塗布装置。
6. 前記駆動手段は、前記中空管の外周部に固定された磁石と、当該磁石を囲むようにして前記塗布装置本体に固定されたコイルとで構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の固液懸濁液塗布装置。
7. 前記ニードルの突出部分が、材料の噴射方向後方から前方へとすり鉢状に広がる壁面で構成されるフードに覆われ、かつ、当該フードの外壁と内壁とを連通する開口が設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の固液懸濁液塗布装置。
8. 請求項１から７記載の固液縣濁液塗布装置の固液懸濁液塗布方法であって、
   材料の塗布を行う際に、前記ノズルのエア噴射口から霧化エアを噴射し、次に、前記ニードル弁を開放し、さらに、前記振動印加手段によって前記ニードルに超音波振動を印加し、
   材料の塗布を停止する際には、前記ニードルに対する超音波振動の印加を停止し、続いて、前記ニードル弁を閉じ、さらに、前記ノズルのエア噴射口からの、霧化エアの噴射を停止することを特徴とする固液懸濁液塗布方法。

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