JP5997527B2 - 微量液体吐出装置および微量液体吐出方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、一定の微少量の粘性液体を間欠的に吐出するために好適に用いられる微量液体吐出装置および微量液体吐出方法に関する。

昨今の自然環境保全の観点から、ＬＥＤ電球への需要は爆発的な成長を遂げると期待されている。
ＬＥＤの製造工程においては、例えばシリコーン樹脂よりなる液状の主剤と液状の硬化剤とを適切に配分し、そこに蛍光体材料の粉末を混入させて混練した後にＬＥＤチップに充填するという工程が存在する。このとき、各液体材料および粉末材料の配分率は、厳密な精度を要求され、例えばｍｇレベルでの各材料の計量が必要となっている。例えば、上記の工程においては、各々例えば０．１ｇから２０ｇの量の材料を、例えばおよそ０．３ｍｇ以下の精度で定量することが必要とされている。

しかしながら、上記のシリコーン樹脂等の粘性を有する液体材料の計量の作業は、非常に精密な作業であるにもかかわらず、人の手によって実施されているのが現状である。そのため、計量のミスや手抜きによる事故などが繰り返されており、その自動化が強く期待されている。

例えば特許文献１には、一定量の液体を確実に輸送する機能を有する容積型マイクロポンプ（例えばモーノポンプ）の吐出ノズルの先端に、流線方向に沿って流れる様に高圧気体を供給し、この時同時にマイクロポンプを駆動し、微少量の液体を吐出ノズルから流出させる構成の流体供給装置が記載されている。

特開平０８−１７３８８５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の流体供給装置では、上流側ノズルの吐出口と下流側ノズルの吐出口とが近接しており、吐出すべき下流側ノズルに残留する粘性液体はポンプ内の粘性液体と連続していることから、単に高圧気体を噴射するだけでは粘性液体を必要な量のみ吐出することが困難であり、粘性液体を高い精度で定量することができない、という問題がある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、粘性液体について吐出量の制御を高い精度で行うことができ、一定量の粘性液体を安定して吐出することのできる微量液体吐出装置および微量液体吐出方法を提供することを目的とする。

本発明の微量液体吐出装置は、吐出動作および吸引動作が切替自在に構成された、容積回転式一軸偏心ねじポンプを具えてなり、
当該容積回転式一軸偏心ねじポンプは、吐出口を有する吐出部と、当該吐出部の吐出口に一定量の粘性液体を移送するポンプ部とを有し、当該吐出部は、前記粘性液体に対して高圧気体を噴射して前記吐出口より当該粘性液体を放出させる高圧気体噴射手段を具えており、
当該高圧気体噴射手段は、前記吐出部において先端が当該吐出部の吐出口の開口端縁より外方に突出し、当該吐出口に対する位置が固定された状態で配置された、当該吐出口の開口径より小径の高圧気体噴射用ノズルにより構成されており、
前記ポンプ部が、吐出動作および当該吐出動作より粘性液体の移送量が少ない条件に設定された吸引動作が連続して行われるよう、駆動されることにより、前記吐出部の吐出口に皮膜状の粘性液体が当該ポンプ部内の粘性液体と非連続な状態で供給されることを特徴とする。

また、本発明の微量液体吐出装置においては、前記ポンプ部を駆動する駆動源としてステッピングモータを具えており、前記吸引動作時においては、当該ステッピングモータが吐出動作時より少ないステップパルス数で動作される構成とされていることが好ましい。

さらにまた、本発明の微量液体吐出装置においては、前記高圧気体噴射用ノズルの、前記吐出部の吐出口の開口端縁より突出する部分の長さが２ｍｍ以下となる構成とされていることが好ましい。

本発明の微量液体吐出方法は、吐出口を有する吐出部および当該吐出部に一定量の粘性液体を移送するポンプ部を有し、前記吐出部が、先端が当該吐出口の開口端縁より外方に突出し、当該吐出口に対する位置が固定された状態で配置された、当該吐出口の開口径より小径の高圧気体噴射用ノズルにより構成された高圧気体噴射手段を具えてなり、吐出動作および吸引動作が切替自在に構成された容積回転式一軸偏心ねじポンプを用い、前記ポンプ部より前記吐出部に移送された粘性液体に対して前記高圧気体噴射手段によって高圧気体を噴射することにより当該粘性液体を放出させる微量液体吐出方法であって、
前記ポンプ部を、吐出動作および当該吐出動作より粘性液体の搬送量が少ない条件に設定された吸引動作が連続して行われるよう、駆動させることによって、前記吐出部における吐出口に皮膜状の粘性液体を当該ポンプ部内の粘性液体と非連続な状態で供給することを特徴とする。

また、本発明の微量液体吐出方法においては、前記容積回転式一軸偏心ねじポンプを駆動させる駆動源としてステッピングモータが用いられ、
前記吸引動作時においては、当該ステッピングモータを吐出動作時より少ないステップパルス数で動作させることが好ましい。

さらにまた、本発明の微量液体吐出方法においては、高圧気体の、前記皮膜状の粘性液体に対する噴射を、当該高圧気体噴射用ノズルの、吐出口の開口端縁より突出する部分の長さが２ｍｍ以下となる状態において、行うことが好ましい。

本発明によれば、吐出動作および当該吐出動作より粘性液体の移送量が少ない条件に設定された吸引動作が連続して行われるようポンプが駆動されることによって粘性液体の量が定量されるので、吐出すべき粘性液体の吐出量が微少量であっても、粘性液体の量を正確に定量することができる。そして、適正な量に制御された粘性液体は表面張力の作用によって吐出ヘッドの吐出口に皮膜を形成するよう残留されることとなり、当該皮膜状の粘性液体に対して高圧気体が噴射されることにより粘性液体を確実に放出することができるので、高い精度で制御された一定量の粘性液体を安定して吐出することができる。

本発明の微量液体吐出装置におけるポンプの一構成例を概略的に示す図である。 図１に示すポンプの要部を概略的に示す、（ａ）（ｂ）におけるＡ−Ａ線端面図、（ｂ）ステータの中心軸に沿った断面図である。 粘性液体の吐出動作を説明するための図であって、（ａ）ポンプ吐出動作後の吐出ヘッドの状態、（ｂ）吸引動作後の吐出ヘッドの状態、（ｃ）高圧気体噴射後の吐出ヘッドの状態を示す観念図である。

本発明の微量液体吐出装置は、動粘度が例えば０．１〜１００Ｐａ・ｓの範囲内にある高粘性液体を、例えば１ｍｇ以下の微少量の吐出量で、吐出するに際して好適に用いられるものである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の微量液体吐出装置におけるポンプの一構成例を概略的に示す図、図２は、図１に示すポンプの要部を概略的に示す、（ａ）（ｂ）におけるＡ−Ａ線端面図、（ｂ）ステータの中心軸に沿った断面図である。
この微量液体吐出装置は、吐出動作および吸引動作が切替自在に構成されたポンプ１０を具えている。ポンプ１０は、例えば容積回転式一軸偏心ねじポンプにより構成されており、円柱状のポンプ部２０と、このポンプ部２０の一端に連続する吸込部３０と、この吸込部３０の一端に連続する駆動部４０と、ポンプ部２０の他端に連続する吐出部５０とを有する。

ポンプ部２０は、金属よりなる円筒状のケーシング２１の内周面に一体にモールドされた、例えば弾性体よりなるステータ２２を具えている。
ステータ２２には、開口断面が長円形の雌ねじ孔２３がケーシング２１の長手方向に連続して形成されている。
そして、ステータ２２の雌ねじ孔２３内には、円形断面で雌ねじ孔２３の１／２のピッチを有する雄ねじ状の金属よりなるロータ２５が、回動自在に嵌挿されており、これにより、ステータ２２の雌ねじ孔２３の内周面と、ロータ２５との外周面との間にキャビティＣが形成されている。

吸込部３０は、ポンプ部２０を構成するケーシング２１と同軸上に配置された円筒状のケーシング３１を具えており、このケーシング３１の周面には、粘性液体導入部３２が設けられている。粘性液体導入部３２は、適宜のチューブを介して粘性液体供給源（図示せず）に連結されている。
そして、ケーシング３１内には、ユニバーサルジョイントよりなる連結器３５が、その連結軸（図示せず）がケーシング３１の中心軸線に沿って延びるよう配置されている。連結器３５の連結軸の一端は、駆動部４０を構成する駆動源の駆動軸に連結されており、連結軸の他端は、ロータ２５の一端に連結されている。

駆動部４０は、例えばステッピングモータ４１よりなる駆動源を具えており、このステッピングモータ４１に供給されるステップパルス数を適宜に制御することにより、吐出動作時における粘性液体の移送量および吸引動作時における粘性液体の移送量が調整される。

吐出部５０は、先端に吐出口５１Ａが開口する吐出ヘッド５１と、吐出ヘッド５１に設けられた高圧気体噴射手段とにより構成されている。
吐出ヘッド５１は、一端（基端）がポンプ部２０に連続して軸方向に延びる円筒状の軸部５２と、当該軸部５２の他端（先端）に連続する、先端に向かうに従って小径となるテーパ部５３とを有し、軸部５２の周面に高圧気体導入部５４が設けられている。
高圧気体噴射手段は、吐出ヘッド５１の内部に配置された高圧気体噴射用ノズル５５を具えている。この例における高圧気体噴射用ノズル５５は、例えば先端が吐出ヘッド５１の吐出口５１Ａの開口端縁より軸方向外方に突出する状態で吐出ヘッド５１の中心軸に沿って延び、基端部が径方向に屈曲されて吐出ヘッド５１の軸部５２を気密に貫通して高圧気体導入部５４に接続された状態で、設けられている。高圧気体噴射用ノズル５５は、適宜のチューブを介して高圧気体供給源（図示せず）に連結されている。
この例のように、高圧気体噴射用ノズル５５の先端が吐出ヘッド５１の吐出口５１Ａの開口端縁より突出した状態で配置される場合には、高圧気体噴射用ノズル５５の、吐出ヘッド５１の吐出口５１Ａの開口端縁より突出する部分の長さは、例えば２ｍｍ以下とされることが好ましい。高圧気体噴射用ノズル５５は、その先端が吐出ヘッド５１の吐出口５１Ａの開口端縁より突出した状態で配置される必要はなく、その先端面の位置が吐出ヘッド５１の吐出口５１Ａの開口端縁の位置に対して−０．５〜２ｍｍの範囲内に位置された構成とされていればよい。これにより、後述するように、微少量の粘性液体を吐出するに際して、ポンプ部２０より供給される皮膜状の粘性液体を確実に吐出することができる。

以下、上記の微量液体吐出装置の動作について説明する。
この微量液体吐出装置は、例えばポンプ１０が吐出部５０が下方に位置される状態で鉛直方向に延びる姿勢で用いられる。
ポンプ１０におけるロータ２５をステータ２２内で所定方向に回転させると、ステータ２２の軸方向の各断面において、ロータ２５はその中心Ｍｒのまわりを回転しながら、ステータ２２の長円形の雌ねじ孔２３内を往復運動し、これにより、粘性液体が連続して定量的に移送されることとなる。
然るに、上記の微量液体吐出装置においては、例えば微少量の粘性液体の吐出にあっては、吐出動作および当該吐出動作より粘性液体の移送量が少ない条件に設定された吸引動作が連続して行われるようポンプ部２０が駆動されることにより、吐出ヘッド５１における吐出口５１Ａに皮膜状の粘性液体が供給される。
すなわち、先ず、ロータ２５を正転方向にステップパルス数ａで回転駆動させることにより、図３（ａ）に示すように、粘性液体Ｖｆが吸込部３０から吐出ヘッド５１に移送され（吐出動作）、ポンプ部２０の出口より液滴として吐出ヘッド５１に供給される。次いで、ロータ２５を逆転方向にステップパルス数ｂ（＜ａ）で回転駆動させることにより、粘性液体Ｖｆが吐出ヘッド５１から吸込部３０に向かって移送され（吸引動作）、これにより、図３（ｂ）に示すように、ステップパルス数の差（ａ−ｂ）に応じた所定量の粘性液体Ｖｆが、高圧気体噴射用ノズル５５の先端開口を含む、吐出ヘッド５１の吐出口５１Ａに、皮膜を形成するよう残留する。このとき、粘性液体Ｖｆは、表面張力の作用によって、吐出ヘッド５１の吐出口５１Ａより放出されることはなく、また、空隙Ｓの存在によって、吐出ヘッド５１の空間内およびポンプ内の粘性液体と非連続な状態とされる。

その後、高圧気体噴射用ノズル５５より皮膜状の粘性液体に対して例えば高圧空気が噴射されることにより、図３（ｃ）に示すように、適正な量の粘性液体が吐出ヘッド５１の吐出口５１Ａから放出される。ここに、高圧気体の噴射は、ポンプ部２０の吐出動作および吸引動作を関連付けられて間欠的に（パルス状に）行われる。
高圧気体の噴射条件は、例えば、高圧気体噴射用ノズル５５の外径を例えば１〜２ｍｍ、穴径（内径）を例えば０．５〜１ｍｍ、吐出ヘッド５１の吐出口５１Ａの内径を例えば２〜５ｍｍとすると、噴射される気体（高圧空気）の圧力が例えば０．１〜０．５ＭＰａ程度であり、噴射時間が例えば０．１秒〜５秒間である。

一例を示すと、例えばロータ２５の直径Ｄを２．５ｍｍ、ステータ２２のピッチＨｓを２０ｍｍ、偏心量ｅ（ステータ中心Ｍｓとロータ中心Ｍｒの間を等分）を１．６ｍｍ、ステッピングモータ４１の１回転のステップパルス数を１６００パルス、粘性液体の比重を１とすると、ロータ２５の１回転当たりの流量（移送量）が３２０ｍｍ³ 、１パルス当たりの移送量が０．２ｍｇとなるので、例えば０．２ｍｇの粘性液体を吐出する場合には、吐出動作時におけるステッピングモータ４１のステップパルス数を例えば５０パルスとすると、吸引動作時におけるステッピングモータ４１のステップパルス数は４９パルスとすればよい。

上記の動作が繰り返し行われることにより一定量の粘性液体が間欠的に吐出される。
なお、この微量液体吐出装置においては、高圧気体噴射手段を作動させることなく、通常のポンプ動作、すなわち、制御された回転数でのロータ２５の正転駆動により、例えばグラムレベルの多量の粘性液体を吐出することもできる。

而して、上記の微量液体吐出装置および当該微量液体吐出装置において実行される微量液体吐出方法によれば、吐出動作および当該吐出動作より粘性液体の移送量が少ない条件に設定された吸引動作が連続して行われるようポンプ１０が駆動されることにより、粘性液体の量が定量されるので、吐出すべき粘性液体の吐出量が微少量であっても、粘性液体の量を正確に定量することができる。そして、適正な量に制御された粘性液体は表面張力の作用によって吐出ヘッド５１の吐出口５１Ａに皮膜を形成するよう残留されることとなり、当該皮膜状の粘性液体に対して高圧気体が噴射されることにより粘性液体を確実に放出することができるので、高い精度で制御された一定量の粘性液体を安定して吐出することができる。
また、微少量の吐出に際してポンプ自体を小型・小容量のものとする必要がないので、例えばグラムレベルの多量の吐出は、通常のポンプ動作により行うことができ、従って、装置を複雑化、大型化することなく、微少量の吐出から多量の吐出まで対応することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。

本発明は、上述したように、微少量の高粘性液体を高い精度で定量し、安定して間欠的に吐出することができるものであるので、例えば電子産業、バイオ産業、化学工業等にも貢献し得るものであると考えられるが、特にＬＥＤ電球産業に有益であると考えられる。

１０ ポンプ
２０ ポンプ部
２１ ケーシング
２２ ステータ
２３ 雌ねじ孔
２５ ロータ
３０ 吸込部
３１ ケーシング
３２ 粘性液体導入部
３５ 連結器
４０ 駆動部
４１ ステッピングモータ
５０ 吐出部
５１ 吐出ヘッド
５１Ａ 吐出口
５２ 軸部
５３ テーパ部
５４ 高圧気体導入部
５５ 高圧気体噴射用ノズル
Ｃ キャビティ
Ｍｒ ロータの断面中心
Ｍｒｈ ロータの回転中心（偏心中心）
Ｍｓ ステータの中心
ｅ 偏心量
Ｖｆ 粘性液体
Ｓ 空隙

Claims (6)

1. 吐出動作および吸引動作が切替自在に構成された、容積回転式一軸偏心ねじポンプを具えてなり、
   当該容積回転式一軸偏心ねじポンプは、吐出口を有する吐出部と、当該吐出部の吐出口に一定量の粘性液体を移送するポンプ部とを有し、当該吐出部は、前記粘性液体に対して高圧気体を噴射して前記吐出口より当該粘性液体を放出させる高圧気体噴射手段を具えており、
   当該高圧気体噴射手段は、前記吐出部において先端が当該吐出部の吐出口の開口端縁より外方に突出し、当該吐出口に対する位置が固定された状態で配置された、当該吐出口の開口径より小径の高圧気体噴射用ノズルにより構成されており、
   前記ポンプ部が、吐出動作および当該吐出動作より粘性液体の移送量が少ない条件に設定された吸引動作が連続して行われるよう、駆動されることにより、前記吐出部の吐出口に皮膜状の粘性液体が当該ポンプ部内の粘性液体と非連続な状態で供給されることを特徴とする微量液体吐出装置。
2. 前記ポンプ部を駆動する駆動源としてステッピングモータを具えており、前記吸引動作時においては、当該ステッピングモータが吐出動作時より少ないステップパルス数で動作されることを特徴とする請求項１に記載の微量液体吐出装置。
3. 前記高圧気体噴射用ノズルの、前記吐出部の吐出口の開口端縁より突出する部分の長さが２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微量液体吐出装置。
4. 吐出口を有する吐出部および当該吐出部に一定量の粘性液体を移送するポンプ部を有し、前記吐出部が、先端が当該吐出口の開口端縁より外方に突出し、当該吐出口に対する位置が固定された状態で配置された、当該吐出口の開口径より小径の高圧気体噴射用ノズルにより構成された高圧気体噴射手段を具えてなり、吐出動作および吸引動作が切替自在に構成された容積回転式一軸偏心ねじポンプを用い、前記ポンプ部より前記吐出部に移送された粘性液体に対して前記高圧気体噴射手段によって高圧気体を噴射することにより当該粘性液体を放出させる微量液体吐出方法であって、
   前記ポンプ部を、吐出動作および当該吐出動作より粘性液体の搬送量が少ない条件に設定された吸引動作が連続して行われるよう、駆動させることによって、前記吐出部における吐出口に皮膜状の粘性液体を当該ポンプ部内の粘性液体と非連続な状態で供給することを特徴とする微量液体吐出方法。
5. 前記容積回転式一軸偏心ねじポンプを駆動させる駆動源としてステッピングモータが用いられ、
   前記吸引動作時においては、当該ステッピングモータを吐出動作時より少ないステップパルス数で動作させることを特徴とする請求項４に記載の微量液体吐出方法。
6. 高圧気体の、前記皮膜状の粘性液体に対する噴射を、当該高圧気体噴射用ノズルの、前記吐出部の吐出口の開口端縁より突出する部分の長さが２ｍｍ以下となる状態において、行うことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の微量液体吐出方法。

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