JP5465936B2 - 液体材料吐出方法、装置およびプログラム - Google Patents

Description

本発明は、吐出口を備えるノズルと連通する計量部内を摺動するプランジャを所望量移動して液体材料を吐出する液体材料の吐出方法、装置およびプログラムであって、前記プランジャの動作を制御することにより吐出量にバラツキが生じることなく液体材料を定量的に繰り返し吐出する吐出方法、装置およびプログラムに関する。
なお、本明細書で「飛翔」とは、液体材料が塗布対象に接触する前に吐出口から離間することをいうものとする。

プランジャポンプ（或いはシリンジポンプ）と呼ばれる吐出装置がある。この種の吐出装置は、例えば、液晶パネル製造におけるＯＤＦ工程など、一定量の液体材料を正確に吐出することが必要とされる場面で多く用いられている。
プランジャポンプは、概説すると、計量部内を密接して進退移動するプランジャを進出移動させて液体材料を吐出口より吐出するという吐出装置であり、プランジャの移動により排除された体積量を吐出口より吐出させることができるために精度良く吐出できるという特徴を有しており、プランジャを高速で進出移動させた後、急激に停止させることで吐出口から液体材料を切り離して飛翔させるよう吐出させることもできる。

プランジャポンプにおいては、プランジャが計量部内を密接摺動するので、接触部分にシール部を設ける場合がほとんどである。このシール部は摺動する部分であるので、摩耗や変形などが発生し、ポンプに対して様々な悪影響を与えている。例えば、摩耗すると、パーティクルを発生して液体材料を汚染し、かつ頻繁に交換する必要がでてくる。一方、変形すると、プランジャの動作を停止しているにもかかわらずプランジャが移動してしまい、余分の液体材料を吐出することになってしまう。

そこで今までに、シール部に工夫を施した技術が種々提案されている。例えば、特許文献１には、塗布液を口金に導く液移送ポンプを備える塗布装置において、液移送ポンプで使用される封止部材が、可撓性材からなるキャップ状体から構成され、キャップ状体の開口部端をシリンダの内周面上に固着させた状態でキャップ状体の胴部によりプランジャを被覆すると共に、シリンダとプランジャとの間隙で下側に折り返して形成されるＵ字形折り返し部により間隙を封止する技術が開示されている。

また、特許文献２には、プランジャの先端部分に形成された環状溝部に設置され、シリンジ本体の内壁面に沿い摺動可能なＯリングとを備えたディスペンサであって、環状溝部は、その全域にわたってフラットな底壁を有する区画凹所からなり、環状溝部の側壁に、間隔を開けて配置され、プランジャの押し込みにしたがってＯリングの側部を当接、弾性変位、さらには圧縮変形させる一方、プランジャの押し込みにかかる負荷の解除によりＯリングを復元させてプランジャを押し込み方向とは逆向きにスライドさせて内容物のバックサクションを誘導する複数の凸部又は溝を設けたことを特徴とする技術が開示されている。

特開２００６−２８１０９１号公報 特開２００８−１８３５１号公報

上述のように、従来技術ではプランジャに種々の工夫が施されたが、この技術によっても繰り返して複数回吐出させる際の吐出毎の量精度を向上させることはできなかった。即ち、プランジャが吐出のために動作しても、その動作毎に吐出される量が異なり、正確な量を吐出することができず、吐出量にバラツキを生じていた。
吐出量にバラツキが生じると、ノズル等の吐出口から液体材料が吐出される際に、複数に分かれて飛び散るなど液滴形状に不良を生じたり、ノズルから飛翔しないなどといった吐出不良を発生させる原因となる。

そこで本発明は、吐出される液体材料の液滴形状、吐出状態を安定させ、吐出精度の向上を図ることが可能な液体材料吐出方法、装置およびプログラムを提供することを目的とする。

発明者は、吐出量のバラツキが生じるのは、プランジャの摺動部分に働く摩擦抵抗がプランジャの動作開始時と動作中で異なることに起因しているのではないかとの仮説を立て検証した。プランジャと計量部の内壁との摩擦抵抗には、プランジャの静止状態から動作状態へ移行する際に生じる静止摩擦と、プランジャの動作中に生じる動摩擦がある。ここで、静止摩擦から動摩擦へと移行するプランジャの移動開始直後は、プランジャが受ける摩擦抵抗が急激に変わることになると推測される。そこで検証してみたところ、モータやエアシリンダといった駆動源の動作に対して、プランジャの動作が正確に追従せず、プランジャの移動量や速度が一定せずプランジャの動作が不安定となることが分かった（図２参照）。さらには、駆動源自身がプランジャの摩擦抵抗の変化の影響を受け、制御装置からの指令に対して、動作が一定しないというが課題があることを見出した。
これらの課題は、プランジャのシール部に工夫を施すといった従来技術の手法では、解消することはできない。
発明者は、プランジャの動作、特に一の吐出動作内におけるプランジャ速度の時間変化に着目し、プランジャの動作開始時のプランジャ動作の安定性を向上させることにより課題を解決できることを見出し、本発明をなした。

第１の発明は、液体材料を計量する計量部と、計量部の一端に連通する吐出口と、計量部の内壁と摺動して移動するプランジャと、を設け、プランジャを吐出口と反対方向に移動させて計量部に液体材料を充填する充填工程、および、プランジャを吐出口の方向へ移動させ、次いで停止させて吐出口より液体材料を飛翔吐出する吐出工程を行う液体材料の吐出方法において、液体材料の吐出を行わずにプランジャを移動する予備動作の工程を設けることにより、吐出工程におけるプランジャの速度を一定に制御することを特徴とする液体材料の吐出方法である。
第２の発明は、第１の発明において、前記予備動作は、前記プランジャを吐出口と反対方向へ所定の距離Ｓだけ移動する第一の動作、および、前記プランジャを吐出口の方向へ前記距離Ｓと同一ないし同等の距離だけ移動する第二の動作からなることを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明において、前記所定の距離Ｓを、前記プランジャが一定の速度まで加速される距離に設定することを特徴とする。
第４の発明は、第２または３の発明において、前記充填工程の後、前記吐出工程を開始するまで、前記第一の動作および前記第二の動作を繰り返すことを特徴とする。
第５の発明は、第２ないし４のいずれかの発明において、前記第一の動作は、吐出口から吸引された外気により気泡が生じない条件でプランジャを移動することを特徴とする。
第６の発明は、第１または２の発明において、前記予備動作は、前記プランジャを吐出口の方向へ緩やかに加速する動作からなることを特徴とする。
第７の発明は、第１ないし６のいずれかの発明において、前記予備動作と前記吐出工程とを連続して行うことを特徴とする。
第８の発明は、液体材料を計量する計量部と、計量部の一端に連通する吐出口と、計量部の内壁と摺動して移動するプランジャと、プランジャを駆動する駆動源と、制御装置と、を備え、制御装置が、第１ないし７のいずれかの発明に係る吐出方法を実施できることを特徴とする液体材料の吐出装置である。
第９の発明は、塗布対象物が設置されるテーブルと、第８の発明に係る吐出装置と、当該吐出装置とテーブルとを相対移動させる相対移動機構と、を備える液体材料の塗布装置である。
第１０の発明は、液体材料を計量する計量部と、計量部の一端に連通する吐出口と、計量部の内壁と摺動して移動するプランジャと、プランジャを駆動する駆動源と、制御装置と、を備える液体材料の吐出装置において、制御装置に第１ないし７のいずれかの発明に係る吐出方法を実施させるプログラムである。

なお、前記予備動作を、前記プランジャを吐出口と反対方向へ所定の距離Ｓだけ移動する第一の動作、前記プランジャを吐出口の方向へ前記距離Ｓと同一ないし同等の距離だけ移動する第二の動作、前記プランジャを吐出口の方向へ前記距離Ｓと同一ないし同等の距離だけ移動する第三の動作、および、前記プランジャを吐出口と反対方向へ前記距離Ｓと同一ないし同等の距離だけ移動する第四の動作、から構成していもよい。
なお、計量部に充填した液体材料を複数回にわたって連続して吐出動作を行うに際し、計量部に充填した液体材料を最初に吐出する前にのみ、前記予備動作を行ってもよい。

本発明によれば、プランジャ動作による移動量や速度を一定に保ち、吐出される液体材料の液滴形状、吐出状態を安定させ、吐出精度の向上を図ることが可能である。

本発明の吐出装置のプランジャが一の吐出動作をするときの各パラメータの時間変化を表すグラフである。 従来の吐出装置のプランジャが一の吐出動作をするときの各パラメータの時間変化を表すグラフである。 実施例１に係るプランジャタイプの吐出装置の概略図である。 実施例１に係る吐出装置を搭載した塗布装置の例を示す概略斜視図である。 実施例２に係る（１）連続吐出において毎回予備動作を行う方法を説明する説明図である。 実施例２に係る（２）微小往復動を予備動作とする方法を説明する説明図である。 実施例２に係る（３）緩やかな加速を予備動作とする方法を説明する説明図である。 実施例２に係る（４）連続吐出において初回のみ予備動作を行う方法を説明する説明図である。 実施例２に係る（５）大きな予備動作を行う方法を説明する説明図である。

以下に、本発明を実施するための形態を、図３に示すような計量部の内壁と摺動するシール部を有するプランジャおよびノズルを備えるタイプの吐出装置の例で説明する。
本発明の吐出装置のプランジャが一の吐出動作をするときの各パラメータの時間変化を表すグラフを図１に示す。また、従来の吐出装置のプランジャが一の吐出動作をするときの各パラメータの時間変化を表すグラフを図２に示す。なお、図１および図２に共通して、グラフ縦軸のプラスは吐出口方向、マイナスは吐出口とは反対方向を表している。また、（ａ）は駆動源の動作信号、（ｂ）はプランジャの移動距離の変化、（ｃ）はプランジャ速度の時間変化、そして（ｄ）は吐出口での吐出量の変化を示している。
以下、図１および２の二つの図を対比しながら説明を進める。

吐出精度を向上させ、吐出量を安定させるためには、駆動源の動作信号に対するプランジャ動作のずれを限りなくゼロに近づける必要がある。特に、プランジャ速度の時間変化が液滴形状や吐出状態に与える影響は大きい。図２に示す従来の動作方法では、（ｃ）のプランジャ速度の時間変化のグラフを見ると分かるように、動作開始から最高速に達するまでの間（０〜Ａの間）、プランジャの動作は安定しない。これは、プランジャのシール部と計量部内壁面との間に働く摩擦抵抗が、動作開始時の静止摩擦から、動作進行時の動摩擦へと変化する影響を受けているためである。この駆動源の動作信号に追従しない不安定な部分がプランジャに存在するために、吐出量が安定しないのである。

そこで本発明では、静止摩擦から動摩擦へと変化する影響を除去すべく、図１に示すように、吐出動作の前に予備動作１を実施して、吐出動作時には動摩擦のみ働くようにするものである。
予備動作１は、第一の予備動作２と第二の予備動作３とからなる。
まず、第一の予備動作２として、プランジャを吐出口とは反対方向に所定の距離Ｓだけ移動させる（０〜Ａ）。このとき、吐出口よりノズル内に若干の空気を吸い込むようになる。これは予備動作１によって液体材料を吐出してしまわないようにするためである。プランジャの移動量（距離Ｓ）は、プランジャの速度を安定させるのに必要な距離を予めの実験などにより求めておき、これを設定する。
また、予備動作におけるプランジャの移動条件は、ノズル内の吸い込みにより気泡を生じない範囲とすることが好ましい。ここで、気泡を生じさせないためには、予備動作によりノズル内に吸い込まれる空気により形成される空間が吐出口を介して常時外部（外気）との連通を維持することが重要である。プランジャの移動量や移動速度などの条件は、ノズル内の流路の形状や液体材料の性質などの要素を考慮し、予めの実験などにより求めておき、これを設定する。

ついで、第二の予備動作３として、プランジャを、吐出口方向へ向かって前述の設定した距離Ｓと同一ないしは同等の距離だけ移動させる（Ａ〜Ｂ）。これは、前述の動作で吸い込んでしまったノズル内の空気の存在する空間を再び液体材料で満たしてやるためである。そうすることで正確な量の吐出を行うことができる。また、つづく吐出動作へ円滑に移行するためでもある。
そして、第二の予備動作３を終えてもプランジャを停止したり減速したりせずに、そのまま吐出動作へと移行する（Ｂ〜Ｃ）。このように、吐出動作前に予備動作１を実施することで、吐出動作中に摩擦抵抗が静止摩擦から動摩擦へと変化することがないので、プランジャ動作が安定して、正確な量の吐出を行うことができる。

以下では、本発明の詳細を実施例により説明するが、本発明は何ら実施例により限定されるものではない。

（吐出装置の構成）
本実施例の吐出装置について図３を参照しながら以下に説明する。なお、本実施例で使用した液体材料は、液晶（粘度＝約２０ｍＰａ・ｓ）である。
図３に示す吐出装置４は、管形状の計量管５と、計量管５にシール部９が内接するプランジャ６と、吐出口７を備えるノズル８と、液体材料を貯留する貯留容器１０と、計量管５とノズル８との連通または、貯留容器１０と計量管５との連通を切り替える切替バルブ１１と、ネジ軸１２を駆動することでプランジャ６を駆動する駆動源であるモータ１３と、バルブ１１やモータ１３などの動作を制御する制御装置１４とを含んで構成される。また、液体材料の供給を円滑に行うため、貯留容器１０は図示しない圧縮気体源と制御装置１４を介して接続され、圧縮気体の供給を受けている。

（吐出装置の動作）
初めに計量管５に液体材料の充填を行う。まず、計量管５内を密接摺動するプランジャ６を、切替バルブ１１に最も近づいた位置まで進出させておく。そして、切替バルブ１１を貯留容器１０と計量管５とが連通する位置に切り替え、プランジャ６を後退移動させる。すると貯留容器１０内の液体材料が切替バルブ１１を通じて計量管５へ流入し、プランジャ６が計量管５の最上端まで後退すると充填が終了する。

次に、充填した液体材料の吐出は、切替バルブ１１を計量管５とノズル８とが連通する位置に切り替え、プランジャ６を所望とする吐出量に応じて進出移動させることで行う。
プランジャ６の吐出動作は、モータ１３を作動して急速に加速した後に、モータ１３を急激に停止させることにより、プランジャ６を急速に停止させることにより行う。これにより、計量管５内の液体材料は、プランジャ６の急速移動および急速停止により与えられた慣性力によってノズル８先端より飛翔吐出される。この吐出動作を繰り返し、計量管５内の液体材料を複数回にわたって吐出する。ここで、プランジャ６による吐出動作は、上述した図１の予備動作１と併せて、連続的に行われる。この予備動作１および吐出動作は、第一の予備動作２として、プランジャを予め算定した所定の距離Ｓだけ吐出口と反対方向に移動させ、第二の予備動作３として、プランジャを吐出口方向へ向かって前述の距離Ｓだけ移動させ、第二の予備動作３と連続して吐出量に対応する距離だけ前進させることにより行う。
プランジャ６が切替バルブ１１に最も近づく位置まで到達したら、切替バルブ１１を貯留容器１０と計量管５とが連通する位置に切り替え、プランジャ６を後退移動させて再び液体材料を充填する。

このように、貯留容器１０から計量管５へ液体材料を充填し、予備動作を行い、計量管５内の液体材料をノズル８より吐出するという一連の動作を繰り返して吐出作業を実施する。
本実施例の計量管５は、複数回にわたって少量ずつ連続で吐出できる量の液体材料を充填できる容量を有するので、計量管５内の液体材料がなくなるまで複数回にわたって吐出するようにしてもよい。一方で、一回の吐出動作毎に充填を行うようにしてもよい。
なお、吐出動作の最後にプランジャを停止させるに際し、進出移動するプランジャが減速を開始してから停止するまでの移動速度を制御することによって、ノズルから吐出された液材を分断する力を制御するようにしてもよい（特許第４１８３５７７号参照）。

（塗布装置の構成）
上述した吐出装置４は、単独で用いることもあるが、例えば、液晶パネル製造工程で用いられるガラス基板や、電子機器を実装するプリント基板など塗布対象となる基板に対し相対移動する駆動機構に搭載して作業を行うようにしてもよい。図４に、吐出装置４を搭載した塗布装置の例を示す。
図４に示す塗布装置１５は、上述した吐出装置４と、塗布対象である基板１６を載置するテーブル１７と、吐出装置４が配設され、吐出装置４をテーブル１７上方でＸＹＺ方向へ相対移動させるＸＹＺ駆動機構１８と、これらの動作を制御する制御装置と、を備えている。塗布作業に際しては、吐出装置４を基板１６上の所望の位置へ駆動機構１８により移動させて吐出を行う。
なお、図４では吐出装置４を複数個搭載しているが、これは複数個の吐出装置４をそれぞれ同時に動作させることで、大型の基板１６に対して作業時間を短縮するためである。吐出装置４を搭載する数は、図４に示した３個に限らず、２個以下でもよいし、４個以上あってもよい。すなわち、基板１６の大きさや費やすことのできる作業時間の制限などにより適宜決まる事項である。

（実施例の効果）
本実施例の予備動作を行う吐出装置においては、従来の予備動作を行わない吐出装置（機械的構造は同じもの）と比べ、約８０％の精度向上（ばらつきの減少）を確認することができた。

実施例２では、実施例１と同じ吐出装置において、異なる態様の予備動作を組み合わせて吐出を行う方法を説明する。図５から９は、プランジャ速度の時間変化のみを示している。

（１）連続吐出において毎回予備動作を行う方法［図５］
計量部への一回の充填の後、計量部内の液体材料を連続して複数回吐出を行う場合でも、吐出間隔が長い、或いは吐出精度を重視するような場合は、図５に示すように、毎回の吐出動作開始時に予備動作１を行うようにする。そうすることで、各回の吐出精度が向上し、かつ、各吐出間のばらつきも低減することができる。

（２）微小往復動を予備動作とする方法［図６］
プランジャ６は通常、吐出動作をしていないとき停止している。そこで、図６に示すように、停止時間に相当する部分で微小往復動２３を繰り返し、静止している状態をなくすようにする。すなわち、常に動いている状態であるので、摩擦抵抗が変化する部分が少なく、安定した精度のよい吐出が可能である。吐出回数が少ない場合や、吐出間隔が長い場合に有効である。

（３）緩やかな加速を予備動作とする方法［図７］
吐出口７とは反対方向にプランジャ６を移動させる動作を行うと、吐出口７から若干の空気を吸い込むことになる。次の動作で、吐出口７の方向へ向かって同じ距離を移動するとはいえ、影響が出る場合も考えられる。そこで、図７に示すように、プランジャを吐出口７とは反対方向へは動かさずに、吐出動作を開始する部分で緩やかに吐出口７の方向へ加速し（符号２４）、摩擦抵抗が変化する部分が吐出へ影響することが少なくなるようにする。そうすることで、吐出口７から空気を吸い込むことなく、摩擦抵抗が変化する影響を低減するという効果が得られる。

（４）連続吐出において初回だけ予備動作を行う方法［図８］
本発明の予備動作１は、実施の形態に示したように、一の吐出動作毎に行うのが基本である。しかし、連続して複数回吐出を行う場合、吐出間隔が短いと、一の吐出動作の停止から次の吐出動作までの間で、静止摩擦から動摩擦へと変化する部分が小さくなる或いは実質的になくなることが実験的に見いだされた。そこで、図８に示すように、一連の複数回吐出における一回目の吐出１９開始時にのみ予備動作１を行い、二回目の吐出２０以降は予備動作１を行わないようにすることが可能である。そうすることで、二回目の吐出２０以降の予備動作１にかかる時間を短縮することができ、作業をより効率的に行うことができる。速さを重視する場合には有効な方法である。なお、本実施例による動作を行うかどうかは、計量管５内面やシール部９の表面の状態、シール部９が計量管５内面を押す力などによって判断しなければならない。したがって、予め実験等をして吐出間隔の目安を求めておいてから判断するとよい。

（５）大きな予備動作を行う方法［図９］
プランジャ６のシール部９や計量管５内の状態によっては、予備動作１を大きく取らなければならない場合がある。その場合、後の吐出動作に影響を与えることも考えられる。そこで、図９に示すように、大きな予備動作２１の後に、逆向きで同じ大きさの動作２２をさせることにより、その後の吐出動作への影響を低減させることができる。そうすることで、大きさに制限されることなく予備動作を行うことができる。またこれは、上記（１）や（４）のような小さい予備動作のときに行っても有効である。なお、吐出間隔が短ければ上記（４）のように初回のみ予備動作を行うようにしてもよいことはいうまでもない。

本発明は、プランジャが計量部内を密接摺動しながら移動し、液体材料を飛滴吐出する装置に適用が可能である。プランジャで飛翔吐出可能なあらゆる液体材料に効果的であり、水、アルコール等の低粘性物質から、接着剤、液晶材料、ペースト状もしくはクリーム状の工業用材料（半田、グリース等）といった高粘調流体までの吐出に好適である。

１ 予備動作
２ 第一の予備動作
３ 第二の予備動作
４ 吐出装置
５ 計量管（計量部）
６ プランジャ
７ 吐出口
８ ノズル
９ シール部
１０ 貯留容器
１１ 切替バルブ
１２ ネジ軸
１３ 駆動源（モータ）
１４ 制御装置
１５ 塗布装置
１６ 基板
１７ テーブル
１８ ＸＹＺ駆動機構
１９ 一回目の吐出
２０ 二回目の吐出

Claims (10)

1. 液体材料を計量する計量部と、計量部の一端に連通する吐出口と、計量部の内壁と摺動して移動するプランジャと、を設け、プランジャを吐出口と反対方向に移動させて計量部に液体材料を充填する充填工程、および、プランジャを吐出口の方向へ移動させ、次いで停止させて吐出口より液体材料を飛翔吐出する吐出工程を行う液体材料の吐出方法において、
   液体材料の吐出を行わずにプランジャを移動する予備動作の工程を設けることにより、吐出工程におけるプランジャの速度を一定に制御することを特徴とする液体材料の吐出方法。
2. 前記予備動作は、前記プランジャを吐出口と反対方向へ所定の距離Ｓだけ移動する第一の動作、および、前記プランジャを吐出口の方向へ前記距離Ｓと同一ないし同等の距離だけ移動する第二の動作からなることを特徴とする請求項１の液体材料の吐出方法。
3. 前記所定の距離Ｓを、前記プランジャが一定の速度まで加速される距離に設定することを特徴とする請求項２の液体材料の吐出方法。
4. 前記充填工程の後、前記吐出工程を開始するまで、前記第一の動作および前記第二の動作を繰り返すことを特徴とする請求項２または３の液体材料の吐出方法。
5. 前記第一の動作は、吐出口から吸引された外気により気泡が生じない条件でプランジャを移動することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかの液体材料の吐出方法。
6. 前記予備動作は、前記プランジャを吐出口の方向へ緩やかに加速する動作からなることを特徴とする請求項１または２の液体材料の吐出方法。
7. 前記予備動作と前記吐出工程とを連続して行うことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの液体材料の吐出方法。
8. 液体材料を計量する計量部と、計量部の一端に連通する吐出口と、計量部の内壁と摺動して移動するプランジャと、プランジャを駆動する駆動源と、制御装置と、を備え、
   制御装置が、請求項１ないし７のいずれかの吐出方法を実施できることを特徴とする液体材料の吐出装置。
9. 塗布対象物が設置されるテーブルと、請求項８記載の吐出装置と、当該吐出装置とテーブルとを相対移動させる相対移動機構と、を備える液体材料の塗布装置。
10. 液体材料を計量する計量部と、計量部の一端に連通する吐出口と、計量部の内壁と摺動して移動するプランジャと、プランジャを駆動する駆動源と、制御装置と、を備える液体材料の吐出装置において、制御装置に請求項１ないし７のいずれかの吐出方法を実施させるプログラム。