JP6402960B1 - 粘性流体の充填システムおよび充填方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気泡を巻き込むことなく、できるだけ正確な重量の粘性流体をできるだけ迅速にシリンジ内に充填することができる充填装置および充填方法を提供する。【解決手段】粘性流体を収容する耐圧容器と、耐圧容器内の粘性流体に圧力を加える加圧部と、導管を介して耐圧容器と流体連通し、アクチュエータを用いて開閉可能なノズル孔を有するカットノズルと、ノズル孔と流体連通する減圧チャンバーと、減圧チャンバー内に収容され、粘性流体が充填されるシリンジと、導管内の粘性流体の流体圧力を検出する導管圧力計と、減圧チャンバーおよび耐圧容器を減圧する真空ポンプと、容器圧力を検出する容器圧力計と、シリンジの重量を検出する重量計と、粘性流体をシリンジに充填するとき、流体圧力、容器圧力、およびシリンジの重量に基づいて、真空ポンプ、アクチュエータ、および加圧部の動作を制御する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、粘性流体の充填システムおよび充填方法に関し、とりわけ液状樹脂等の粘性流体をストック容器からシリンジへ充填する充填システムおよび充填方法に関する。

高粘度のペースト状の材料をシリンジに充填する装置は、これまでにも提案されている。例えば特許文献１には、ペースト状の材料が収納され、シリンジが嵌合される貫通穴を有する収納容器と、貫通穴の内壁とシリンジとの間に配置され、シリンジを開放状態／固定状態に切り替えるシリンジ固定手段と、収納容器およびシリンジを収納し、内部を減圧できる真空チャンバーと、収納容器内の材料を加圧することによって、材料をシリンジ内に上方に向けて供給する加圧供給手段と、を有するペースト状材料の充填装置が開示されている。

また特許文献２には、半導体パッケージの封止に用いられる液状封止樹脂をシリンジに充填する際の樹脂充填量のばらつきを低減することができるシリンジ用液状樹脂充填装置が開示されている。具体的には、この樹脂充填装置は、液状樹脂ストックタンクから供給される液状樹脂をシリンジ内に充填する注入ノズルを有し、移送ホースと分岐管とが液状樹脂流路を形成し、液状樹脂流路に流路断面積を制御する手段を設け、この制御手段を設けた部位の流路断面積を０から全開時まで連続的に制御することにより、シリンジへの液状樹脂の供給速度および供給量を連続量として制御し、シリンジへの液状樹脂の充填量の制御精度を向上させるものである。

また特許文献３には、注入ノズル内に残存する液状樹脂を押し出す際に、液状樹脂の飛散を防止するとともに、真空雰囲気室内の真空度が低下しにくい、シリンジへの液状樹脂の充填装置および充填方法が記載されている。より詳しくは、この充填装置は、注入ノズルが、円筒状のノズル本体と、その先端に移送ホースが接続される分岐管と、上下動可能であるプランジャーとを備えており、プランジャーを上昇させたときには、ノズル本体と分岐管とが連通し、プランジャーを下降させたときには、プランジャーの側面で分岐管の出口が閉塞されるように構成されている。

特開２００９−１１３８６２号公報 特許第４０６９８２４号公報 特開２００４−３４５６９７号公報

しかしながら、特許文献１のように、シリンジ先端部を下向きに配置して、シリンジ先端部を介して高粘度のペースト状の材料を充填する場合、シリンジ先端部の径が細いため、長い充填時間を要する。また、単位時間当たりの流量を増大させるためには、材料を加圧する加圧供給手段が大型化しやすいという課題があった。

また特許文献１および特許文献２のように、高粘度のペースト状の材料または液状樹脂から気泡の巻き込みを防止するため（脱泡するため）には、充填装置全体を真空チャンバー内に収容して、例えば２００Ｐａ以下となるまで減圧する必要があるが、真空チャンバーの容量が大きいため、減圧および減圧解除（大気圧まで加圧）に要する時間が増大してしまうという問題があった。

またシリンジは、通常、高粘度のペースト状の材料または液状樹脂が充填された後、プランジャーが取り付けられ、さらに上方開口部にキャップが取り付けられる。このとき特許文献１および特許文献２の充填装置においては、減圧工程および減圧解除工程の律速段階となり、樹脂材料充填された（製品として完成された）シリンダの生産性が実質的に低減する（全体的な製造プロセスが遅延する）という課題もあった。

特許文献３に記載の充填装置は、特許文献１および特許文献２と同様、真空雰囲気室内に収容され、液状樹脂をシリンジ内に充填するカットノズルであり、吐出口からの液垂れを防止するように設計されたものである。

特許文献１〜３に記載の充填装置は、高い粘性を有する流体をシリンジに充填する充填装置全体が真空チャンバー内に収容されるため大型化しやすく、減圧工程および減圧解除工程に要する時間が長くかかるため生産性が低減するという課題があった。

さらに、粘性流体をできるだけ迅速にシリンジ内に充填して、生産性を向上させたいという要請もある。また、粘性流体が充填されたシリンダの製品仕様で定められた一定重量（容量）の粘性流体をできるだけ正確にシリンジ内に充填するという必要性もある。シリンジ内に充填された粘性流体が製品仕様で定められた一定重量より少なければ、ユーザから苦情が出るし、多ければ、余分に充填された粘性流体に対する生産コストが増大してしまうためである。

そこで本発明に係る態様は、粘性流体の充填システムに関し、
この粘性流体の充填システムは、
粘性流体を収容する気密封止可能な耐圧容器と、
耐圧容器内の粘性流体に圧力を加える加圧部と、
導管を介して耐圧容器と流体連通し、アクチュエータを用いて開閉可能なノズル孔を有するカットノズルと、
カットノズルのノズル孔と流体連通し、気密封止可能な減圧チャンバーと、
減圧チャンバー内に収容され、導管およびカットノズルを介して粘性流体が充填されるシリンジと、
導管内の粘性流体の流体圧力を検出する導管圧力計と、
減圧チャンバーおよび耐圧容器を減圧する真空ポンプと、
減圧チャンバーの内部の容器圧力を検出する容器圧力計と、
減圧チャンバー内に配置され、シリンジの重量を検出する重量計と、
粘性流体をシリンジに充填するとき、導管圧力計が検出した流体圧力、容器圧力計が検出した容器圧力、および重量計が検出した重量に基づいて、真空ポンプ、アクチュエータ、および加圧部の動作を制御する制御部と、を備える。

また制御部は、
ａ）真空ポンプを用いて減圧チャンバーおよび耐圧容器を減圧し、
ｂ）容器圧力が所定の圧力値に達したとき、アクチュエータを用いてノズル孔を開口し、
ｃ）加圧部を用いて、粘性流体をシリンジ内に充填するために、前記カットノズルの耐用圧力の範囲で流体圧力を増大させるとともに、重量計が検出したシリンジの重量が所定の重量値に達する前に、流体圧力をカットノズルの最大動作許容圧以下となるように低減させ、
ｄ）重量計が検出したシリンジの重量が所定の重量値に達したとき、アクチュエータを用いてノズル孔を閉口するものであってもよい。

本発明に係る態様によれば、シリンジが収容される減圧チャンバーを小型化するとともに、気泡を巻き込むことなく、できるだけ正確な重量の粘性流体をできるだけ迅速にシリンジ内に充填することができる充填装置および充填方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る粘性流体の充填システムを示す概略図である。 （ａ）〜（ｄ）は、粘性流体が充填されたシリンジの製造プロセスの各工程を概略的に示す断面図である。 制御部により制御される流体圧力および容器圧力の時間的推移を示すタイミングチャートである。 本実施形態に係る粘性流体の充填方法を示すフローチャートである。

本発明に係る粘性流体の充填システムおよび充填方法の実施形態について以下説明する。本発明に係る粘性流体の充填システムは、概略、高粘度の液状樹脂等の粘性流体を、実質的に過不足なく迅速にシリンジに充填するとともに、粘性流体をシリンジに充填する工程の前後の付帯工程を含む一連のシリンジ製造プロセスを遅滞なく実施することを可能にするものである。

具体的には、本実施形態に係る粘性流体の充填システムは、図１に示すように、粘性流体を収容する気密封止可能な耐圧容器１０と、耐圧容器内の粘性流体に圧力を加える加圧部１５と、導管５０を介して耐圧容器１０と流体連通し、アクチュエータ４８を用いて開閉可能なノズル孔４６を有するカットノズル４０と、カットノズル４０のノズル孔４６と流体連通し、気密封止可能な減圧チャンバー３０と、減圧チャンバー３０内に収容され、導管５０およびカットノズル４０を介して粘性流体が充填されるシリンジ２０と、導管５０内の粘性流体の流体圧力Ｐ１を検出する導管圧力計５４と、減圧チャンバー３０および耐圧容器１０を減圧する真空ポンプ６０と、減圧チャンバー３０および耐圧容器１０の内部の容器圧力ｐ２を検出する容器圧力計３４と、減圧チャンバー３０内に配置され、シリンジ２０の重量を検出する重量計８０と、粘性流体をシリンジ２０に充填するとき、導管圧力計５４が検出した流体圧力Ｐ１、容器圧力計３４が検出した容器圧力ｐ２、および重量計８０が検出した重量に基づいて、真空ポンプ６０、アクチュエータ４８、および加圧部１５の動作を制御する制御部７０と、を備える。
本実施形態に係る粘性流体の充填システムによれば、シリンジ２０ごとに順次、ｉ）先端キャップ取付工程、ii）粘性流体の充填工程、iii)プランジャー取付工程、およびiv）ヘッドキャップ取付工程を実施できるので、前掲特許文献１および２のように、大型の収納用器を減圧および減圧解除する必要がなく、これに要する待機時間を排除して、生産性を格段に向上させることができる。

さらに制御部７０は、ａ）真空ポンプ６０を用いて減圧チャンバー３０および耐圧容器１０を減圧し、ｂ）容器圧力ｐ２が所定の圧力値に達したとき、アクチュエータ４８を用いてノズル孔４６を開口し、ｃ）加圧部１５を用いて、粘性流体をシリンジ２０内に充填するために、カットノズル４０の最大動作許容圧Ｐｎを超えるまで流体圧力を増大させるとともに、重量計８０が検出するシリンジ２０の重量が所定の重量値に達する前に、流体圧力ｐ１をカットノズル４０の最大動作許容圧Ｐｎ以下となるように低減させ、ｄ）重量計８０が検出するシリンジ２０の重量が所定の重量値に達したとき、アクチュエータ４８を用いてノズル孔４６を閉口するものであってもよい。
このように構成された充填システムによれば、正確に測定された一定重量の粘性流体Ｆをできるだけ迅速にシリンジ２０内に充填することができる。

またシリンジ２０は、減圧チャンバー３０の内径と略等しいか、これより小さい外径を有し、減圧チャンバー３０内に着脱自在に収容可能に構成される。減圧チャンバー３０およびシリンジ２０の形状は、特に限定されないが、例えば円筒または角筒などの筒形状であってもよい。また減圧チャンバー３０とシリンジ２０との形状はそれぞれ異なっていてもよいが、略同形状とすることで、シリンジ２０の外径と減圧チャンバー３０の内径の間に形成されるギャップ（空間）を小さくすることができる。ギャップが小さいほど、真空ポンプ６０が減圧チャンバー３０を所定の圧力（例えば２００Ｐａ以下）まで減圧するために必要な時間を短縮することができる。

また加圧部１５は、耐圧容器１０の内壁に液密に摺動可能な押出板１６に対して耐圧容器１０を押圧することにより、耐圧容器１０内の粘性流体に流体圧力を加えるように構成してもよい。好適には、加圧部１５は、押出板１６の位置を変位させるサーボモータ１４を有し、制御部７０は、流体圧力ｐ１が所望の圧力値となるようにサーボモータ１４を制御するように構成される。なお、粘性流体の粘度は、１Ｐａ・ｓ以上であってもよい。特に、本発明の充填システムでは、粘性流体が５０〜２０００Ｐａ・ｓのような高粘度、更には６００〜２０００Ｐａ・ｓのような超高粘度である場合でも、生産性よくシリンジに充填することが可能である。なお、粘度は、ブルックフィールド社製、ＨＢＴ型粘度計を用いて、２５℃、せん断速度２．５（１／ｓ）において測定される値である。

この充填システムは、減圧チャンバー内に収容される前のシリンジの先端開口部に先端キャップを取り付ける第１の取付部、シリンジに充填された粘性流体の表面にプランジャーを取り付ける第２の取付部、および粘性流体を充填したシリンジの上方開口部にヘッドキャップを取り付ける第３の取付部を備えることが好ましい。
本実施形態に係る粘性流体の充填システムによれば、高粘度の液状樹脂等の粘性流体を、実質的に過不足なく迅速にシリンジに充填するとともに、粘性流体をシリンジに充填する工程の前後の付帯工程を含む一連のシリンジ製造プロセスを遅滞なく実施することができる。

［粘性流体の充填システムの全体構成］
ここで図１を参照しながら、本発明の実施形態に係る粘性流体の充填システム１（以下、単に「充填システム」という。）の構成について以下説明する。図１は、充填システム１の構成部品を示す概略図である。なお、本願でいう粘性流体とは、一般に、高い粘性を有する流体をいい、例えばフィラーを多く含有し（例えば６０〜９５質量％）、半導体装置の封止モールド樹脂を形成するための高粘度の液状樹脂をいうが、これに限定されるものではない。

本実施形態に係る充填システム１は、概略、図１に示すように、大量の粘性流体Ｆを収容する耐圧容器１０と、粘性流体Ｆが充填されるシリンジ２０を収容する減圧チャンバー３０と、粘性流体Ｆをシリンジ２０内に吐出するとともに、せん断力により粘性流体Ｆを切断するカットノズル４０とを備える。耐圧容器１０とカットノズル４０は、ステンレス等で形成された導管５０（配管）を介して流体連通するように構成されている。導管５０は二方バルブ５２を含むものであってもよい。二方バルブ５２は、閉状態および開状態を選択することができ、耐圧容器１０の交換を容易にするためのものであり、閉状態に切り替えて耐圧容器１０を充填システム１から取り外し、新たな耐圧容器１０を充填システム１に取り付けた後に開状態に切り替えて、粘性流体Ｆの連続的な充填プロセスを実現するものである。

また本実施形態に係る充填システム１は、耐圧容器１０および減圧チャンバー３０を減圧する真空ポンプ６０を備える。真空ポンプ６０は、排気管６２を介して耐圧容器１０および減圧チャンバー３０の内部の圧力が例えば２００Ｐａ以下となるまで減圧するように構成されている。なお、耐圧容器１０および減圧チャンバー３０を独立して減圧する２つの真空ポンプ（図示せず）を設けてもよい。

［耐圧容器］
耐圧容器１０は、例えばアクリル樹脂で形成された略円筒形状の容器であり、上述のとおり、大量の粘性流体Ｆを収容または貯蔵するものである。耐圧容器１０は、昇降ステージ１２上に載置され、ステップモータ等のサーボモータ１４を用いて昇降されるように構成されている。またサーボモータ１４は、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）等の制御部７０と電気的に接続され、制御部７０は、耐圧容器１０の昇降位置を正確に認識するとともに、サーボモータ１４を用いて昇降ステージ１２の昇降位置を精度よく制御することができる。

耐圧容器１０は、充填された粘性流体Ｆの上方に配置され、耐圧容器１０の内壁１１に液密に摺動可能な押出板１６を有する。押出板１６は、所与の高さ位置に固定されている。また耐圧容器１０の内壁１１に接する押出板１６の周端壁には弾性材料で形成されたＯリング（図示せず）が設けられている。こうして耐圧容器１０は、押出板１６（およびＯリング）と協働して、気密封止される。

押出板１６は、その略中央に、導管５０の一方の端部が連結された貫通孔１８と、排気管６２が連結された排気孔１９とを有する。真空ポンプ６０が作動すると、耐圧容器１０および減圧チャンバー３０は、排気管６２を介して真空引きされ、これらの内部の圧力が例えば２００Ｐａ以下となるまで減圧される。耐圧容器１０が減圧されると、耐圧容器１０内に収容された粘性流体Ｆに含まれていた気泡が取り除かれ、すなわち粘性流体Ｆが脱泡される。粘性流体Ｆ内に気泡が含まれていると、ユーザサイドで粘性流体Ｆを用いて製造された製品に著しい不具合をもたらすことから、シリンジ２０に充填される粘性流体Ｆは気泡を含まないことが強く求められる。こうした理由から、本実施形態に係る充填システム１を用いてシリンジ２０に粘性流体Ｆを充填する際、真空ポンプ６０は、耐圧容器１０および減圧チャンバー３０を実質的に減圧するように構成されている。

他方、サーボモータ１４を用いて、昇降ステージ１２を上昇させると、耐圧容器１０に収容された粘性流体Ｆは、正の圧力を加えられ（加圧され）、導管５０から上方に押し出される。加圧された粘性流体Ｆは、導管５０を通ってカットノズル４０に供給される。同様に、サーボモータ１４を用いて、昇降ステージ１２を下降させると、粘性流体Ｆの圧力は小さくなる。本願では、耐圧容器１０が載置される昇降ステージ１２、および耐圧容器１０内の粘性流体Ｆに圧力を加えるサーボモータ１４を総称して加圧部１５ともいう。

導管５０の形状および径が一定であるとき、導管５０に流れる粘性流体Ｆの流速（単位時間当たりの粘性流体Ｆの流量）は、導管５０内の粘性流体Ｆに加わる圧力（ベルヌーイの定理で決まる流体圧力ｐ１）に依存するため、サーボモータ１４で駆動される昇降ステージ１２の昇降位置および昇降速度を調整することにより、流体圧力ｐ１を極めて精緻に制御することができる。このとき、カットノズル４０のノズル孔４６を適正なタイミングで開閉することにより、カットノズル４０からシリンジ２０に吐出される粘性流体Ｆの流量を正確に制御することができる。

また、導管５０の形状および径が一定であるとき、導管５０が許容できる最大の圧力が決まる。流体圧力ｐ１が最大圧力以下となるように導管５０に流れる粘性流体Ｆを加圧する（昇降ステージ１２の上昇速度を増大させる）ことにより、導管５０が許容する圧力範囲（耐用可能な圧力範囲）において、粘性流体Ｆの最大の流速が得ることができる。すなわち粘性流体Ｆのシリンジ２０への充填速度を最大化または最適化することができる。このように本実施形態に係る加圧部１５によれば、粘性流体Ｆを極力迅速に（導管５０に対して最適化された流速で）シリンジ２０内に充填することにより、シリンジ２０の生産性を向上させることができる。

なお、ここでは、耐圧容器１０を載置した昇降ステージ１２の昇降により、粘性流体Ｆへの加圧を行っているが、加圧部１５はこれに限定されず、例えば、耐圧容器１０を固定し、押出板１６を下降させて粘性流体Ｆを加圧するような構成であってもよい。また耐圧容器１０の上昇／下降と押出板１６の上昇／下降とを組み合わせて加圧制御するような構成であってもよい。

［減圧チャンバー］
減圧チャンバー３０は、例えばアクリル樹脂で形成された略円筒形状の容器であり、その内部にシリンジ２０を着脱自在に収容するものである。また減圧チャンバー３０は、真空ポンプ６０で減圧されるように気密封止されている。

シリンジ２０は、同様にアクリル樹脂で形成された略円筒形状の容器であり、カットノズル４０から供給される粘性流体Ｆが充填されるものである。シリンジ２０の外径は、減圧チャンバー３０の内径と略等しいか、これより小さいことが好ましい。シリンジ２０の外径と減圧チャンバー３０の内径の間に形成されるギャップ（空間）が小さいほど、有利にも、真空ポンプ６０が減圧チャンバー３０（およびシリンジ２０）を所定の圧力（例えば２００Ｐａ以下）まで減圧するために必要な時間を短縮することができる。すなわち、シリンジ２０の外径が、減圧チャンバー３０の内径と略等しいとき、真空ポンプ６０による減圧に要する動作時間を最適化することができる。

また減圧チャンバー３０は、その底部に設けられたロードセル等の重量計８０を有する。重量計８０は、制御部７０と電気的に接続されている。重量計８０は、充填されている粘性流体Ｆを含めたシリンジ２０の重量を測定（検出）し、測定された重量に対応する重量データを制御部７０に送信する。すなわち重量計８０は、充填工程において充填されている粘性流体Ｆの重量をリアルタイムで測定し、制御部７０にフィードバックする機能を有する。

［カットノズル］
カットノズル４０は、概略、導管５０（配管）の他方の端部に連結された供給管４２と、略円筒状のノズル本体４４と、先端部に設けたノズル孔４６とを備え、導管５０を介して耐圧容器１０と流体連通している。またカットノズル４０は、ノズル孔４６付近まで延び、エアシリンダー等のアクチュエータ４８により駆動されるカットヘッド（図示せず）を有する。アクチュエータ４８の動作に応じてカットヘッドが上下移動し、カットヘッドの先端部がノズル孔４６を開閉する。すなわちカットノズル４０は、アクチュエータ４８を用いて選択的に開閉可能なノズル孔４６を有する。ノズル孔４６が開いた状態にあるとき、加圧部１５で加圧された粘性流体Ｆが、減圧されたシリンジ２０の内部に吐出（充填）され、ノズル孔４６が閉じようとするとき、カットヘッドの先端部のせん断作用により、吐出されている粘性流体Ｆが液垂れすることなく切断される。つまり、すなわちカットノズル４０のノズル孔４６を適正なタイミングで開閉することにより、一定の流量（重量）の粘性流体Ｆを極めて正確にシリンジ２０内に充填することができる。

なお、せん断力により粘性流体Ｆを切断するようにカットノズル４０を機能させるためには、粘性流体Ｆの流体圧力ｐ１を所定の（許容される）最大の動作圧力以下に減圧する必要がある。すなわちカットノズル４０は、その機能を十分に発揮させる上で許容される最大の動作圧力（以下、「最大動作許容圧Ｐｎ」という。）が仕様上設定されている。
ただし、本実施形態に係る加圧部１５は、流体圧力ｐ１が最大動作許容圧Ｐｎ以下となるように減圧する（昇降ステージ１２の上昇速度を低減するか、あるいは下降速度を増大する）ことにより、カットノズル４０の機能を担保する流体圧力ｐ１の最大動作許容圧Ｐｎ以下の条件で、信頼性よく粘性流体Ｆを切断することができる。このように本実施形態に係る加圧部１５によれば、粘性流体Ｆをシリンジ２０にできるだけ迅速に充填した後、流体圧力ｐ１をカットノズル４０の最大動作許容圧Ｐｎ以下となるまで減圧して、せん断力により粘性流体Ｆを切断するので、適正な重量の粘性流体Ｆをシリンジ２０内に迅速に充填することができる。

［圧力計］
本実施形態に係る充填システム１は、導管５０内の粘性流体Ｆの流体圧力ｐ１を測定／検出する導管圧力計５４、および耐圧容器１０ならびに減圧チャンバー３０の内部の容器圧力ｐ２を検出する容器圧力計３４をさらに備える。導管圧力計５４および容器圧力計３４は、制御部７０に電気的に接続され、制御部７０は、導管５０内の粘性流体Ｆの流体圧力ｐ１、および耐圧容器１０ならびに減圧チャンバー３０の内部の容器圧力ｐ２を常時モニターして、アクチュエータ４８、および加圧部１５の動作の制御にフィードバックすることができる。なお、耐圧容器１０および減圧チャンバー３０の内部の容器圧力ｐ２を独立して検出する２つの容器圧力計３４（図示せず）を設けてもよい。

［粘性流体が充填されたシリンジの製造プロセス］
図２は、粘性流体が充填されたシリンジ２０の製造プロセスの各工程を概略的に示す断面図である。本実施形態に係る製造プロセスは、概略、ｉ）先端キャップ取付工程（図２（ａ））、ii）粘性流体の充填工程（図２（ｂ））、iii)プランジャー取付工程（図２（ｃ））、およびiv）ヘッドキャップ取付工程（図２（ｄ））を有する。

ｉ）先端キャップ取付工程では、用意されたシリンジ２０の先端開口部２２に先端キャップ２４が取り付けられる（図２（ａ））。ii）粘性流体の充填工程では、詳細後述するが、上方に配置されたカットノズル４０から上方開口部２６を介して、粘性流体Ｆが上方（矢印で図示）からシリンジに充填される（図２（ｂ））。iii)プランジャー取付工程では、粘性流体Ｆが充填されたシリンジ２０を減圧下でプランジャー２７が取り付けられる（図２（ｃ））。そして、iv）ヘッドキャップ取付工程では、上方開口部２６をカバーするようにヘッドキャップ２８が取り付けられる（図２（ｄ））。

本実施形態によれば、ii）粘性流体の充填工程（充填方法）のみならず、その前後の付帯工程を含む上記ｉ）〜iv）の一連の工程を、シリンジ２０ごとに連続的に実施することができる。したがって、前掲特許文献１および２のように、バッチ処理で粘性流体が充填処理される大型の収納容器を減圧し、減圧解除するために必要な時間を省略できるので、上記ｉ）〜iv）の一連の工程を滞りなく（シリンジ２０の全体的な製造プロセスを遅延なく）、より円滑に実施することができる。

［粘性流体の充填工程（充填方法）］
上述のように、本実施形態に係る制御部７０は、サーボモータ１４で駆動される昇降ステージ１２の昇降位置および昇降速度を調整することにより、流体圧力ｐ１を極めて精緻に制御することができる。また制御部７０は、真空ポンプ６０を用いて、耐圧容器１０および減圧チャンバー３０の内部の容器圧力ｐ２を制御することができる。図３は、制御部７０により制御される流体圧力ｐ１および容器圧力ｐ２の時間的推移を示すタイミングチャートである。図３において、流体圧力ｐ１を実線で示し、容器圧力ｐ２を破線で示し、流体圧力ｐ１および容器圧力ｐ２が一致するとき、これらを実線のみで示す。図４は、本実施形態に係る粘性流体Ｆの充填方法を示すフローチャートである。

図４のフローチャートのステップＳＴ０１において、図２（ａ）に示す先端キャップ取付工程において、先端開口部２２に先端キャップ２４が取り付けられたシリンジ２０を、減圧チャンバー３０内にセット（収容）する。このとき、カットノズル４０のノズル孔は閉じており、耐圧容器１０および減圧チャンバー３０の内部の容器圧力ｐ２は、大気圧（Ｐ_０＝１０１．３ｋＰａ）である。

ステップＳＴ０２において、制御部７０は、真空ポンプ６０を用いて、容器圧力ｐ２が所望の真空圧力（例えば２００Ｐａ以下）となるまで減圧を開始する（ｔ＝ｔ_１）。

ステップＳＴ０３において、容器圧力ｐ２が所望の真空圧力Ｐｖに達したことを容器圧力計３４が検出したとき（ｔ＝ｔ_２）、制御部７０は、アクチュエータ４８を用いて、カットノズル４０のノズル孔４６を開く。このとき、導管５０内の流体圧力ｐ１は減圧される。その後、真空ポンプ６０の真空引きが解除されるまで（ｔ＝ｔ_６）、容器圧力ｐ２は所望の真空圧力Ｐｖに維持される。

ステップＳＴ０４において、制御部７０は、サーボモータ１４（加圧部１５）を用いて、昇降ステージ１２を上昇させて、導管５０内の流体圧力ｐ１を所定の目標圧力Ｐｆに達するまで増大させる（ｔ＝ｔ_３）。そして制御部７０は、一定の上昇速度で昇降ステージ１２を上昇させることにより、流体圧力ｐ１を目標圧力Ｐｆに維持し、導管５０内に流れる粘性流体Ｆの流速を一定に維持する。このとき、粘性流体Ｆは、導管５０からカットノズル４０に送出され、開口したノズル孔４６からシリンジ２０内に上から充填される。

なお、所定の目標圧力Ｐｆは、カットノズル４０が許容する耐用圧力と導管５０が許容する耐用圧力のうち低い方の耐用圧力Ｐｃより小さくなるように設定される。最大動作許容圧Ｐｎは、カットノズル４０にもよるが、例えば０．５ＭＰａであってもよく、カットノズル４０または導管５０の耐用圧力Ｐｃは、例えば１．０ＭＰａであってもよい。耐用圧力Ｐｃが高いほど、導管５０に流れる粘性流体Ｆの流速を大きくでき、より迅速に粘性流体Ｆをシリンジ２０に充填することができるが、耐用圧力範囲において安全率をみた目標圧力Ｐｆを設定することが好ましい。

粘性流体Ｆをシリンジ２０内に充填するにつれて、シリンジ２０の重量は増大する。ステップＳＴ０５において、重量計８０は、充填されている粘性流体Ｆの重量をリアルタイムで測定する。シリンジ２０内に充填される粘性流体Ｆの目標の重量は、ユーザの要求に即した任意の重量であるが、例えば６００ｇであってもよい。

ステップＳＴ０６において、制御部７０は、充填されている粘性流体Ｆの重量が目標の重量の所定の割合（例えば９０％、すなわち重量５４０ｇ）に達したか否かを判断する。充填されている粘性流体Ｆの重量が所定の割合の重量未満であるとき、引き続き、粘性流体Ｆがシリンジ２０に充填される。一方、充填されている粘性流体Ｆの重量が所定の割合の重量に達したと制御部７０が判断したとき（ｔ＝ｔ_４）、ステップＳＴ０７において、昇降ステージ１２の上昇速度を低減するか、昇降ステージ１２を下降させることにより、流体圧力ｐ１をカットノズル４０の最大動作許容圧Ｐｎ以下となるまで低減する。

すなわち制御部７０は、ステップＳＴ０４〜ステップＳＴ０７において、加圧部１５を用いて、粘性流体Ｆをシリンジ２０内に充填するために、流体圧力Ｆを増大させるとともに、重量計８０が検出したシリンジ２０の重量が所定の重量値に達する前に、流体圧力ｐ１をカットノズル４０の最大動作許容圧Ｐｎ以下となるように低減させる。

なお、ステップＳＴ０８において、制御部７０は、導管圧力計５４を用いて流体圧力ｐ１を継続的に測定し、流体圧力ｐ１がカットノズル４０の最大動作許容圧Ｐｎ以下の圧力で安定していることをモニターしてもよい。このとき粘性流体Ｆのシリンジ２０への充填は、より小さい流量で継続され、流体圧力ｐ１は、カットノズル４０の機能を十分に発揮させる最大動作許容圧Ｐｎに維持される。

ステップＳＴ０９において、制御部７０は、重量計８０で測定されたシリンジ２０内の粘性流体Ｆの重量が目標の重量（例えば６００ｇ）に達したと判断したとき、ステップＳＴ１０において、カットノズル４０のノズル孔４６を閉め、せん断力により粘性流体Ｆを液垂れすることなく切断する（ｔ＝ｔ_５）。これと同時に、制御部７０は、昇降ステージ１２を下降させて、流体圧力ｐ１が大気圧に戻るまで減圧する。ステップＳＴ０９において、シリンジ２０内の粘性流体Ｆの重量が目標の重量に達していないときは、引き続き、シリンジ２０内の粘性流体Ｆの重量を測定し続ける。このように本実施形態に係る粘性流体の充填方法によれば、シリンジ２０に充填された粘性流体Ｆの重量を極めて精緻に調整することができる。

ステップＳＴ１１において、制御部７０は、流体圧力ｐ１が大気圧に戻ったと判断したとき、真空ポンプ６０を停止し、耐圧容器１０および減圧チャンバー３０の内部の圧力を大気圧に戻す（ｔ＝ｔ_６）。

上記説明した粘性流体の充填工程の後、粘性流体が充填されたシリンジ２０は、減圧チャンバー３０から取り出され（あるいは減圧チャンバー３０内で）、上記説明したiii)プランジャー取付工程およびiv）ヘッドキャップ取付工程に搬送される。すなわち、本実施形態に係る粘性流体の充填工程は、シリンジ２０ごとに順次、ｉ）先端キャップ取付工程、iii)プランジャー取付工程、およびiv）ヘッドキャップ取付工程の連続的実施を可能にするものであり、前掲特許文献１および２のように、大型の収納用器に複数のシリンジを配置してバッチ処理することに起因して、その収納用器を減圧および減圧解除する必要がないので、減圧および減圧解除に要する待機時間を排除して、生産性を格段に向上させることができる。

なお、図１のカットノズル４０は、単一の減圧チャンバー３０内に収容された単一のシリンジ２０に粘性流体Ｆを吐出するように構成されているが、導管５０と複数の供給管４２の間にマニホールド（図示せず）を設けて、単一の導管５０から複数のカットノズル４０に粘性流体Ｆを供給するように構成してもよい。このとき、複数のカットノズル４０の下方には、それぞれ減圧チャンバー３０内に収容されたシリンジ２０、および重量計８０が配置され、単一の充填工程で、複数のシリンジ２０に粘性流体Ｆを充填することができる。

本発明は、粘性流体をシリンジ内に充填する充填システムおよび充填方法に利用することができる。

１…粘性流体の充填システム、１０…耐圧容器、１１…内壁、１２…昇降ステージ、１４…サーボモータ、１５…加圧部、１６…押出板、１８…貫通孔、１９…排気孔、２０…シリンジ、２２…先端開口部、２４…先端キャップ、２６…上方開口部、２７…プランジャー、２８…ヘッドキャップ、３０…減圧チャンバー、３４…容器圧力計、４０…カットノズル、４２…供給管、４４…ノズル本体、４６…ノズル孔、４８…アクチュエータ、５０…導管（配管）、５２…二方バルブ、５４…導管圧力計、６０…真空ポンプ、６２…排気管、７０…制御部（ＰＬＣ）、８０…重量計、Ｆ…粘性流体、Ｐｖ…真空圧力、Ｐ_０…大気圧、Ｐｎ…カットノズルの最大動作許容圧、Ｐｆ…目標圧力、Ｐｃ…耐用圧力

Claims (8)

1. 粘性流体を収容する気密封止可能な耐圧容器と、
   前記耐圧容器内の前記粘性流体に圧力を加える加圧部と、
   導管を介して前記耐圧容器と流体連通し、アクチュエータを用いて開閉可能なノズル孔を有するカットノズルと、
   前記カットノズルのノズル孔と流体連通し、気密封止可能な減圧チャンバーと、
   前記減圧チャンバー内に収容され、前記導管および前記カットノズルを介して前記粘性流体が充填されるシリンジと、
   前記導管内の前記粘性流体の流体圧力を検出する導管圧力計と、
   前記減圧チャンバーおよび前記耐圧容器を減圧する真空ポンプと、
   前記減圧チャンバーの内部の容器圧力を検出する容器圧力計と、
   前記減圧チャンバー内に配置され、前記シリンジの重量を検出する重量計と、
   前記粘性流体を前記シリンジに充填するとき、前記導管圧力計が検出した前記流体圧力、前記容器圧力計が検出した前記容器圧力、および前記重量計が検出した前記重量に基づいて、前記真空ポンプ、前記アクチュエータ、および前記加圧部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   ａ）前記真空ポンプを用いて前記減圧チャンバーおよび前記耐圧容器を減圧し、
   ｂ）前記容器圧力が所定の圧力値に達したとき、前記アクチュエータを用いて前記ノズル孔を開口し、
   ｃ）前記加圧部を用いて、前記粘性流体を前記シリンジ内に充填するために、前記流体圧力を増大させるとともに、増大させた前記流体圧力が前記カットノズルの最大動作許容圧を超える場合には、前記重量計が検出した前記シリンジの前記重量が所定の重量値に達する前に、前記流体圧力を前記カットノズルの前記最大動作許容圧以下となるように低減させ、
   ｄ）前記重量計が検出した前記シリンジの前記重量が所定の重量値に達したとき、前記アクチュエータを用いて前記ノズル孔を閉口する、粘性流体の充填システム。
2. 前記シリンジは、前記減圧チャンバーの内径と略等しいか、これより小さい外径を有し、前記減圧チャンバー内に着脱自在に収容可能である、請求項１に記載の粘性流体の充填システム。
3. 前記加圧部は、前記耐圧容器の内壁に液密に摺動可能な押出板に対して前記耐圧容器を押圧することにより、前記耐圧容器内の前記粘性流体に前記流体圧力を加える、請求項１または２に記載の粘性流体の充填システム。
4. 前記加圧部は、前記押出板の位置を変位させるサーボモータを有し、
   前記制御部は、前記流体圧力が所望の充填圧力値となるように前記サーボモータを制御する、請求項３に記載の粘性流体の充填システム。
5. 前記減圧チャンバー内に収容される前の前記シリンジの先端開口部に先端キャップを取り付ける第１の取付部、
   前記シリンジに充填された前記粘性流体の表面にプランジャーを取り付ける第２の取付部、および
   前記粘性流体を充填した前記シリンジの上方開口部にヘッドキャップを取り付ける第３の取付部を備えた、請求項１〜４のいずれか１項に記載の粘性流体の充填システム。
6. 粘性流体を収容する気密封止可能な耐圧容器と、
   前記耐圧容器内の前記粘性流体に圧力を加える加圧部と、
   導管を介して前記耐圧容器と流体連通し、アクチュエータを用いて開閉可能なノズル孔を有するカットノズルと、
   前記カットノズルのノズル孔と流体連通し、気密封止可能な減圧チャンバーと、
   前記減圧チャンバー内に収容され、前記導管および前記カットノズルを介して前記粘性流体が充填されるシリンジと、
   前記導管内の前記粘性流体の流体圧力を検出する導管圧力計と、
   前記減圧チャンバーおよび前記耐圧容器を減圧する真空ポンプと、
   前記減圧チャンバーの内部の容器圧力を検出する容器圧力計と、
   前記減圧チャンバー内に配置され、前記シリンジの重量を検出する重量計と、を備えた充填システムにおいて、
   前記導管圧力計が検出した前記流体圧力、前記容器圧力計が検出した前記容器圧力、および前記重量計が検出した前記重量に基づいて、前記真空ポンプ、前記アクチュエータ、および前記加圧部の動作を制御して、前記粘性流体を前記シリンジに充填する工程を備え、前記工程は、
   ａ）前記真空ポンプを用いて前記減圧チャンバーおよび前記耐圧容器を減圧する工程と、
   ｂ）前記容器圧力が所定の圧力値に達したとき、前記アクチュエータを用いて前記ノズル孔を開口する工程と、
   ｃ）前記加圧部を用いて、前記粘性流体を前記シリンジ内に充填するために、前記流体圧力を増大させるとともに、増大させた前記流体圧力が前記カットノズルの最大動作許容圧を超える場合には、前記重量計が検出した前記シリンジの前記重量が所定の重量値に達する前に、前記流体圧力を前記カットノズルの最大動作許容圧以下となるように低減させる工程と、
   ｄ）前記重量計が検出した前記シリンジの前記重量が所定の重量値に達したとき、前記アクチュエータを用いて前記ノズル孔を閉口する工程と、を有する、粘性流体の充填方法。
7. 前記シリンジは、上方に配置された前記カットノズルの前記ノズル孔から前記粘性流体が充填される、請求項６に記載の粘性流体の充填方法。
8. 前記減圧チャンバー内に収容される前の前記シリンジの先端開口部にキャップを取り付ける工程と、
   前記シリンジに充填された前記粘性流体の表面にプランジャーを取り付ける工程と、
   前記粘性流体を充填した前記シリンジの上方開口部にヘッドキャップを取り付ける工程と、を有する、請求項６または７に記載の粘性流体の充填方法。

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