JP6982736B2 - 塗布ノズルヘッドおよびそれを具備する液体塗布装置 - Google Patents

Description

本発明は、塗布ノズルヘッドおよびそれを具備する液体塗布装置に関する。特に、高粘度の液体を吐出する塗布ノズルヘッドおよびそれを具備する液体塗布装置に関する。

プランジャの往復動作によって、液体材料を吐出する装置が知られている。例えば、特許文献１に示すジェットタイプの液体塗布装置である。

近年では、生産性向上の観点から塗布作業の高速性が求められている。このタイプの液体塗布装置において、一定時間内の吐出回数をさらに増加させる要求が高まっている。そのため、液体塗布装置のプランジャを高速に往復動作させることが必要となっている。

プランジャを往復動作させるための駆動源としては、モータやエアー、圧電素子などのアクチュエータが用いられることが多い。圧電素子は、高速動作が可能である。しかし、その変位量は小さいため、変位拡大機構と組み合わせて変位量を大きくして用いられることが一般的である。例えば、特許文献２に記載のものが知られている。

以下、その変位拡大機構と圧電素子を用いた従来の液体塗布装置について、図１〜図４を参照しながら説明する。

従来の液体塗布装置を正面図の図１に示す。 従来の液体塗布装置の吐出部の断面図を図２に示す。液体塗布装置１は、ノズル穴６０から吐出液滴６５を吐出する。液体塗布装置１は、ノズル穴６０と連通し、液体材料が供給される供給流路５２と、先端部が供給流路５２内を往復動作するプランジャ１２ａと、プランジャ１２ａを往復動作させるアクチュエータ２ａと、変位拡大機構３ａと、を備える。

アクチュエータ２ａが左右対称に配置され、下部にプランジャ１２ａが連結される弾性変形可能なＵ字状部材５，６，７，８，９で変位拡大機構３ａが構成される。図３で、プランジャ１２ａの上昇時の動作を説明する。図４で、プランジャ１２ａの下降時の動作を説明する。アクチュエータ２が、Ｕ字状部材５，６，７，８，９の両端部を離間させる力を作用させることにより、プランジャ１２を上方向に移動させる。逆に、アクチュエータ２ａが、Ｕ字状部材５，６，７，８，９の両端部を近接させる力を作用させることにより、プランジャ１２ａを下方向に移動させる。このことを特徴とする。

特開平１０−３１４６４０号公報 特開２０１５−０５１３９９号公報

高粘度液体材料を吐出させるためには、大きな変位量でプランジャ１２を高速駆動する必要がある。

従来の変位拡大機構３ａにおいては、Ｕ字状部材５，６，７，８，９を弾性変形させることでプランジャ１２ａを上下方向に往復動作させている。必要な変位量を確保するためにはＵ字状部材８，９の剛性を低くする必要がある。これに伴って固有振動数が低くなり、プランジャ１２の変位応答速度を向上させることには限界がある。

したがって、アクチュエータ２の変位に対する変位拡大機構３ａの変位拡大率を大きくすることで、プランジャ１２ａの変位量を大きくすることができるが、高速駆動との両立は困難である。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、高速かつ安定的に高粘度液体材料の塗布を制御できる、変位拡大機構およびそれを具備する塗布ノズルヘッドおよびそれを具備する液体塗布装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、液体材料を吐出するノズル穴と、上記ノズル穴に液体材料を供給する供給流路と、上記供給流路内の液体に当接して往復プランジャと、上記プランジャに変位を与える変位拡大機構と、上記変位拡大機構に変位を与えるアクチュエータと、を含み、上記変位拡大機構と上記アクチュエータとの接触部の少なくともいずれかが曲面である液体塗布装置を用いる。

本発明の構成によれば、電子デバイスの製造などの産業用途において、機能性粒子が含まれる高粘度液体材料の塗布を高速かつ安定的に制御することができ、必要な箇所に最適な量を任意パターンで塗布することができる。

従来の液体塗布装置の正面図 従来の液体塗布装置の吐出部の断面図 従来の液体塗布装置のプランジャ上昇時の動作説明図 従来の液体塗布装置のプランジャ下降時の動作説明図 本発明の実施の形態の液体塗布装置の断面図 本発明の実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明の実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明の実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明の実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明の実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明の実施の形態のプランジャ先端部の断面図 本発明の実施の形態の液体塗布装置の断面図 本発明の実施の形態の液体塗布装置の断面図 本発明の実施の形態の液体塗布装置の断面図 本発明の実施の形態の液体塗布装置の断面図 本発明の実施の形態のプランジャ変位挙動図 本発明の実施の形態の液体塗布装置の断面図 本発明の実施の形態の液体塗布装置の断面図 本発明の実施の形態の液体塗布装置の断面図 本発明の実施の形態の変形例の液体塗布装置の断面図

以下、図面を用いて、実施の形態を説明する。説明は、１つの例示であるため、本願発明は、下記説明で限定されない。
＜液体塗布装置＞
＜構成＞
図５は、本発明の実施の形態の液体塗布装置１００の断面図であり、基本構成について以下に説明する。

液体塗布装置１００は、ノズル穴６０から液体材料の吐出液滴６５を吐出する。液体塗布装置１００は、ノズル穴６０と連通し、液体材料が供給される供給流路５２と、先端部が供給流路内を往復動作するプランジャ１２と、プランジャ１２を往復動作させるアクチュエータ２と、変位拡大機構３と、を備える。

以下に、各構成要素の特徴について説明する。

＜ノズル穴６０＞
ノズル穴６０は、超硬合金やステンレス、アルミニウム、チタンなどの金属に設けられた貫通穴である。材質は、金属だけでなく、セラミックやＰＥＥＫなどの樹脂材料でも構わない。しかし、液体材料が吐出される際に、含有粒子材料で磨耗したり、液体材料に侵食・溶出されたりすることのない材料の選定が必要である。

また、吐出液滴サイズに応じて、ノズル内径は、Φ０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲から選定される。液体材料の粘度やチキソ性、表面張力、ノズル面との接触角などの物性に応じて、ノズル長さは０．０５ｍｍ〜５ｍｍの範囲から選定される。

図５においては、簡略化のため、供給流路５２とノズル穴６０が一体構造として図示している。しかし、製作上およびメンテナンス性向上のため、ノズル穴６０を別部品として別途作製し、組み付けてもよい。

＜供給流路５２＞
供給流路５２は、ノズル穴６０と同様の材料を用いることができる。供給流路５２の断面は、Φ０．５〜１０ｍｍ程度の円形状でも、同程度の断面積の矩形状でも構わない。加工性や気泡溜り防止の観点から、円形状が好ましい。

供給流路５２は、液体材料を供給するタンク（図示せず）と、ノズル穴６０とを連通させる。 供給流路５２は、タンクに充填された液体材料を、ノズル穴６０まで供給する機能を担っている。

＜プランジャ１２＞
プランジャ１２は、ガイド１１０およびシール材１０４の孔を介して、移動する。このことによって、液体材料を供給流路５２内のノズル穴６０から押し出す。プランジャ１２には、ノズル穴６０と同様の材料を用いることができる。しかし、プランジャ１２の材質は、ガイド１１０やシール材１０４、液体材料に含まれる粒子材料で摩耗劣化したり、液体材料に侵食・溶解されたりすることのない素材を選定する必要がある。また、プランジャ１２を高速駆動させるためには、比重の小さな素材を選定することが好ましい。さらに、プランジャ１２自身の体積を最小限に低減させて軽量化を行うことが好ましい。

プランジャ１２は、アクチュエータ２の駆動エネルギを液体材料の吐出エネルギに変換する機能を担っている。プランジャ１２がノズル穴６０近傍で往復運動することによって、ノズル穴６０近傍の液体材料に圧力を印加して、ノズル穴６０から液体材料の吐出液滴６５を吐出させる。
プランジャ１２の先端形状は、図５に記載のような平坦形状でも構わないが、図６Ａ〜図６Ｆに記載のような凸形状でもあっても構わない。
＜ガイド１１０＞
ガイド１１０は、プランジャ１２を真っ直ぐ上下で移動させるものである。ガイド１１０は、貫通穴を有し、その貫通穴をプランジャ１２が上下する。

＜アクチュエータ２＞
アクチュエータ２は、プランジャ１２を往復運動させるための駆動源として用いられ、モータやエアー、圧電素子などが用いられることが多い。

＜変位拡大機構３＞
変位拡大機構３は、プランジャ１２と同様に、耐摩耗性と軽量性が両立できる素材を選定することが望ましく、支点部１０１とレバー１０２で構成される。

変位拡大機構３は、プランジャ１２の変位量をアクチュエータ２の変位量よりも拡大する機能を担っている。より小さなアクチュエータ２を用いて、プランジャ１２をより大きく往復運動させることによって、粘性の高い液体材料や、大きな粒子を含む液体材料をノズル穴６０から吐出させることができる。

図５においては、ハウジング３０に当接された支点部１０１の上に、レバー１０２が設置され、プランジャ１２は弾性体１０３の引張力によって、レバー１０２先端部に当接した状態で保持される。この弾性体１０３がプランジャ１２とハウジング３０の間に設置され、圧縮力によって保持されても構わない。

弾性体１０３は、スプリングコイルバネでも、板バネでも構わない。バネ定数は０．１〜１０Ｎ／ｍｍの範囲から選定されることが望ましい。バネ定数が小さすぎると、固有振動数が低くなって高速駆動できなくなり、バネ定数が大きすぎると、アクチュエータ変位量によるバネ力の変化が大きく駆動が不安定になるためである。

＜レバー１０２とアクチュエータ２との接触部＞
レバー１０２とアクチュエータ２との接触部の少なくともいずれかが曲面とする構成をとる。このことによって、レバー１０２の上面をアクチュエータ２が当接して変位を印加することができる。レバー１０２が支点部１０１回りに回転する。この回転で、レバー１０２の先端に設置されたプランジャ１２は、アクチュエータ２の変位によって上下に往復動作することが可能となる。

また、レバー１０２とアクチュエータ２との接触部の摺動抵抗を低減するため、接触面の少なくともいずれかが凹凸形状を有してもよい。つまり、凹形状と凸形状とがどちらにあってもよい。
凹凸を形成する
＜支点部１０１とレバー１０２の接触面＞
支点部１０１は、円柱形状である。レバー１０２先端部は、凸曲面でプランジャ１２のフランジ平面の作用点１０９に接触する。また、レバー１０２の支点部１０１と接触する部分は、当接する支点部１０１の曲率半径に比べて同等以上の曲率半径の凹曲面であることが好ましい。これらは一体となった部品構成としても構わない。なお、凹部、凸部は、逆の関係でもよい。

ここで、レバー１０２の支点部１０１周りの回転中心を支点１０７とし、レバー１０２とアクチュエータ２の接触面を力点１０８とし、レバー１０２がプランジャ１２を押す点を作用点１０９とする。

図５に記載のように、支点１０７と力点１０８と作用点１０９は、同一直線上には存在せず、三角形を構成する。

図５では、アクチュエータ２およびプランジャ１２はレバー１０２回転中心となる支点１０７に対して同じ方向に位置しているが、それぞれ異なる方向に位置しても構わない。

支点１０７から力点１０８までの距離Ｌ１を、支点１０７から作用点１０９までの距離Ｌ２に比べて小さくすることが重要である。これによって、アクチュエータ２の変位に比べて、プランジャ１２の変位をより大きく拡大することが可能となる。

なお、アクチュエータ２が圧電素子の場合は、引張力による圧電素子の破壊を防止するため、弾性体１０３によって圧縮荷重の予圧を与えることも可能である。その結果、アクチュエータ２の駆動信頼性を向上させることができる。

＜塗布動作＞
次に、液体材料の塗布動作について、以下に説明する。
（１）液体材料の供給
液体材料が充填される供給流路５２内をプランジャ１２の先端が上方向に移動する際にノズル穴６０近傍に液体材料が供給される。供給流路５２に直結する液体材料の供給のタンク（図示せず）に対して、０．１〜５００ｋＰａ程度の背圧をかけることによって、液体材料の供給速度を高めて、より短い吐出間隔で高粘度材料を塗布することが可能となる。背圧が高いほど液体材料の供給速度は大きくなる一方、粒子含有ペースト材料の場合には固形分と液体成分が分離してしまうことが問題となるため、背圧は３００ｋＰａ程度以下であることが好ましい。また、背圧が３００ｋＰａ以下であっても、ノズル穴６０から液体材料が染み出た状態になると、ノズル穴６０内の気液界面（メニスカス面）が不安定となり、安定な液滴吐出ができなくなる場合があるため、液体材料と吐出条件に応じた背圧設定が不可欠である。

（２）液体の吐出
プランジャ１２がノズル穴６０に近接する下方向に移動する際に、ノズル穴６０近傍の液体圧力が上昇して液体材料の吐出液滴６５が吐出される。ここで、プランジャ１２の上下運動中においてもノズル穴６０近傍の液体圧力が低下しないように、プランジャ１２とハウジング３０に密着してシール材１０４が設置される。プランジャ１２の下方向への移動速度が速いほどノズル圧力を急速に上昇させることができる。このため、ノズル穴６０から先頭で飛び出す液体材料の吐出速度を上昇させることができる。さらに、ノズル穴６０から先頭の液体材料が飛び出し始めた後にプランジャ１２を上方向に速く移動させることによって、後続する液体材料の吐出速度を急速に低下させることもできる。これによって、高粘度の液体材料でも吐出液滴の糸曳きを短くすることが可能となり、より微量な吐出液滴６５を安定して吐出させることができる。

図５においては、プランジャ１２先端が供給流路５２内の液体材料に接液して上下動作する構成となっているが、図７に示すように、プランジャ１２先端が直接的に液体材料に接液せず、ダイアフラム１０５面を上下動作させる構成とすることも可能である。

図７は、図５の液体塗布装置１００の変形例の断面図である。ダイアフラム１０５上面に、プランジャ１２が位置する。プランジャ１２は、ダイアフラム１０５を押し引きする。

＜変位拡大機構３の変形例１＞
続いて、変位拡大機構３の変形例について、以下に説明する。

図８Ａは前述の液体塗布装置１００と同じ基本構成である。比較するために表示した。ここで、アクチュエータ２のレバー１０２と当接しない側の面を図８Ｂに示すように、曲面の軸受１０６を設置しても構わない。

このような構成にすることにより、アクチュエータ２に短軸方向（図８Ａでは左右方向）の力が作用することがなくなり、駆動信頼性を向上させることができる。

＜変位拡大機構３の変形例２＞
また、変位拡大機構３において、プランジャ１２の変位応答速度を向上させ、長期連続駆動信頼性を確保するためには、アクチュエータ２やレバー１０２および支点部１０１、プランジャ１２の摺動部の駆動抵抗を低減させることが必要である。

そこで、図８Ｃに示すように、アクチュエータ２とレバー１０２が当接する面と、レバー１０２と支点部１０１が当接する面が、アクチュエータ２の長軸方向から見て重ならないようにすることによって、レバー１０２が駆動する際に受ける反力を低減させることができ、余分な摺動抵抗を抑制することが可能となる。つまり、図８Ｃの点線内に、レバー１０２と支点部１０１とが当接する面が含まれないようにする。

さらに、摺動面のいずれか、あるいは両方に０．１μｍ以上の凹凸や溝を形成することによって、接触面積を低減して摺動抵抗を低減することも併せて可能である。

加えて、接触界面の摺動抵抗を低減させるため、固体潤滑剤やグリスを塗布、成膜することがより好ましい。

＜変位拡大機構３の変形例３＞
図９Ａに、プランジャ１２の変位と時間との関係を示す。理想的に理想曲線のように、プランジャ１２が変位することが理想である。しかし、実際は、時間の応答遅れが発生し、実変位曲線で、プランジャ１２が変位する。特に、粘性の高い液体材料を吐出させる場合には、実変位曲線となる。これは、プランジャ１２に大きな変位を付与する場合に、プランジャ１２の駆動抵抗が大きくなるため顕著に発生する。

この主な要因は次の２つである。
（１）プランジャ１２の先端がノズル穴６０に近接するほど、プランジャ１２の先端のノズル穴６０近傍の圧力が高くなるためである。
（２）アクチュエータ２単体の変位や変位拡大倍率が大きくなるに伴って、弾性体１０３による引張力および圧縮力が大きくなるためである。

この対策として、実施の形態としては、図９Ｂに示すように、アクチュエータ２とレバー１０２が当接する面が、曲率半径の異なる曲面で構成されることが好ましい。図９Ｂは、液体塗布装置１００の変形例の断面図である。
アクチュエータ２のレバー１０２と当接する面において、レバー１０２側の当接面を凸曲面とする場合、レバー１０２側の面の曲率半径を、アクチュエータ２側の面の曲率半径より小さくする構成とすることが好ましい。一方、レバー１０２側の当接面を凹曲面とする場合、レバー１０２側の面の曲率半径を、アクチュエータ２側の面の曲率半径より大きくする構成とすることが好ましい。

図９Ｃは、液体塗布装置１００の変形例の断面図で、プランジャ１２の下降開始時の液体塗布装置１００の断面図である。図９Ｄは、液体塗布装置１００の変形例の断面図で、プランジャ１２の下降終了時の液体塗布装置１００の断面図である。図９Ｃに示すように、プランジャ１２の下降開始時にはアクチュエータ２がレバー１０２を押す力点と支点１０７の距離（矢印）は比較的短くなり、変位拡大がより大きくなるため、変位応答の立ち上りをより高速化することが可能となる。また、図９Ｄに示すように、プランジャ１２の下降終了時にはアクチュエータ２がレバー１０２を押す力点と支点１０７の距離（矢印）は比較的長くなり、変位拡大がより小さくなるため、プランジャ１２の押荷重をより大きな力にすることができ、プランジャ１２の駆動抵抗に負けることなく、変位応答をより高速化することが可能となる。

この場合、プランジャ１２が下方向に移動する際に、矢印の長さが変化することで、変位拡大機構３の変位拡大倍率を徐々に小さく変化させることができる。

＜変位拡大機構３の変形例４＞
また、高粘度液体材料を微量吐出させるためには、比較的小さな変位量を大きな力でプランジャ１２を高速駆動させることが重要である。そのためには、変位拡大機構３の変位拡大倍率を必要最小限に小さく抑えて、レバー１０２の質量を最小限に低減させて軽量化する必要がある。

しかしながら、アクチュエータ２と弾性体１０３とが干渉しないような構成にしなければならず、設計範囲が制限される。これは、弾性体１０３がプランジャ１２とハウジング３０の間に設置され、圧縮力によって保持される場合でも同様である。

この対策の実施の形態として、液体塗布装置１００の変形例の断面図を図１０に示す。図１０に示すように、プランジャ１２の変位方向に対して、アクチュエータ２の変位方向が傾きθを有する構成とする。この傾きθは、１度〜９０度の範囲から選定されることが多く、１０〜６０度の範囲で最も効果的である。なお、図１０は、プランジャ１２の稼働前の状態である。
プランジャ１２が、稼働する時点で、アクチュエータ２の変位方向は、プランジャ１２の変位方向に対して、傾いている。

このような構成にすることにより、アクチュエータ２とレバー１０２が当接する面と、レバー１０２と支点部１０１が当接する面が、アクチュエータ２の長軸方向から見て重ならないようにしながらも、アクチュエータ２の変位方向に直交する方向の、支点１０７と力点１０８間の距離をより小さく設定できる。

その上、アクチュエータ２と弾性体１０３との物理的距離が大きくなるため、レバー１０２の長さを短縮することができる。

そのため、レバー１０２を軽量化することができ、レバー１０２とプランジャ１２などの可動部の慣性モーメントを５０％〜９０％程度小さくすることが可能となる。

所定トルクを作用させた場合、変位加速度は慣性モーメントに反比例するため、プランジャ１２の変位加速度を２倍〜１０倍程度まで大きくすることが可能となり、高粘度液体材料を微量吐出するのに有用である。

また、図１０では、アクチュエータ２およびプランジャ１２はレバー１０２回転中心となる支点に対して同じ方向に位置しているが、それぞれ異なる方向に位置しても構わない。

本発明の液体塗布装置は、機能性粒子が含まれる液体材料の塗布を高速、かつ、安定的に制御することができる。また、本発明の液体塗布装置は、非接触で必要な箇所に最適な量を任意のパターンで高速に塗布することが可能である。

本願発明の液体塗布装置は、長期連続駆動が不可欠となる電子デバイス製造などの産業用途で用いることが可能である。また、本願発明の液体塗布装置は、
凹凸面や曲面などの立体構造物への３Ｄ塗布や、多品種少量の電子デバイス製造における生産性向上などの目的で、任意パターン塗布するための変位拡大機構およびそれを具備する液体塗布装置として好ましく用いられる。

１ 液体塗布装置
２、２ａ アクチュエータ
３、３ａ 変位拡大機構
５ 字状部材
８ 字状部材
１２、１２ａ プランジャ
３０ ハウジング
５２ 供給流路
６０ ノズル穴
６５ 吐出液滴
１００ 液体塗布装置
１０１ 支点部
１０２ レバー
１０３ 弾性体
１０４ シール材
１０５ ダイアフラム
１０６ 軸受
１０７ 支点
１０８ 力点
１０９ 作用点
１１０ ガイド

Claims (11)

1. 液体材料を吐出するノズル穴と、
   前記ノズル穴に液体材料を供給する供給流路と、
   前記供給流路内の液体に当接して往復するプランジャと、
   前記プランジャに変位を与える変位拡大機構と、
   前記変位拡大機構に変位を与えるアクチュエータと、を含み、
   前記変位拡大機構は、レバー部と支柱部とを有し、
   前記変位拡大機構と前記アクチュエータとの接触部の少なくともいずれかが曲面であり、
   前記支柱部周りの回転中心となる支点と、前記レバー部と前記アクチュエータの接触面である力点との距離が変化する液体塗布装置。
2. 前記アクチュエータの一端は、前記レバー部があり、
   前記アクチュエータの他端には、軸受けがあり、前記他端と前記軸受けとの接触部分の曲率は同じである請求項１記載の液体塗布装置。
3. 前記プランジャと連結された弾性体を、さらに有する請求項１または２に記載の液体塗布装置。
4. 前記支点部は、曲面を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体塗布装置。
5. 前記レバー部の前記支点部周りの回転中心となる支点と、前記レバー部と前記アクチュエータの接触面である力点と、
   前記レバー部と前記プランジャの接触面である作用点が、
   同一直線上に存在しない位置関係を有する請求項１から４のいずれかに１項に記載の液体塗布装置。
6. 前記変位拡大機構と前記アクチュエータとの接触面の少なくともいずれかが凹凸形状を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の液体塗布装置。
7. 前記変位拡大機構と前記アクチュエータとの接触面において、
   前記変位拡大機構の側の前記接触面の曲率半径と、
   前記アクチュエータの側の前記接触面の曲率半径と、が異なる、請求項１から６のいずれかに記載の液体塗布装置。
8. 前記変位拡大機構の側の前記接触面の曲率半径は、前記アクチュエータの側の前記接触面の曲率半径より、小さい請求項７記載の液体塗布装置。
9. 前記プランジャの動作位置に応じて、前記変位拡大機構と前記アクチュエータとの接触点の位置が変化する請求項１から８のいずれかに１項に記載の液体塗布装置。
10. 前記プランジャの変位方向に対して、前記アクチュエータの変位方向が傾きを有する請求項１から９のいずれかに記載の液体塗布装置。
11. 前記アクチュエータに圧電素子を用いる、請求項１から１０のいずれかに１項に記載の液体塗布装置。

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