液滴吐出装置及方法与流程

技术领域

本发明涉及不管其填料的含有如何均精度良好地微量吐出自水、溶剂、试剂等的低粘性材料到焊料膏体、银膏体、粘结剂等的高粘性材料的液体材料的液滴吐出装置及方法。

背景技术：

作为使用往复移动的柱塞并自吐出口吐出少量的液体材料的液滴吐出装置，到目前为止提出了各种的技术。

作为使柱塞的前端接触于阀座而吐出的类型的液滴吐出装置，例如在专利文献1中公开了作为在使液体材料自喷嘴离开之后着陆于工件的液滴吐出装置，柱塞的侧面非接触地配设于在连接于喷嘴的出口附近具有阀座的流路内，通过柱塞的前端向阀座移动并抵接于阀座，从而以液滴的状态自喷嘴吐出液体材料的装置。

然而，若使柱塞抵接于阀座，则存在柱塞磨损而发生形状变化的问题、产生磨损粉或磨损片而污染液体材料或者夹在柱塞与阀座之间而妨碍良好的吐出的问题。

因此，作为将柱塞的前端不接触于阀座而吐出的液滴吐出装置，申请人提出了通过使柱塞进出移动及进出停止，从而对液体材料赋予惯性力并以液滴的状态吐出的液滴吐出装置，其具备将进出停止时的柱塞的前端部的位置规定于处于其进出方向的液室的内壁附近的柱塞定位机构(专利文献2)。

另外，在专利文献3中公开了通过将由驱动装置使杆端面以极小的冲程(stroke)并且以高加速度及大的力在室内部前后位移所形成的压力波在室中的材料内传播，从而配置自喷嘴开口吐出材料的流体的滴的装置。

然而，近年来，在谋求电子器械类的小型化、轻量化中，搭载于其的电子部件的小型化、轻量化正在进展。例如，从2005年前后起搭载有能够大幅地减少安装面积的称为“0402部件”的安装尺寸400μm×200μm的部件。0402部件，现状是由金属版的焊料印刷来进行安装，但是，存在在与大型部件的混合存在中需要半蚀刻等的工夫的问题。另外，也存在要求涂布量(涂布厚度)的个别控制的问题。因此，利用印刷的安装的成品率恶化。再有，为了确保印刷性，有时部件配置出现限制。

在使用往复移动的柱塞的液滴吐出装置中，由于能够通过柱塞的动作控制液体材料，因此，不会发生这些问题。然而，到目前为止，在该种装置中还未实现使柱塞不抵接于阀座，微量(例如，着陆直径为数十～数百μm)并且高精度地滴状吐出小型部件所需要的焊料膏体等的液体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第98/10251号小册子

专利文献2：国际公开第2008/108097号小册子

专利文献3：国际公开第98/16323号小册子

技术实现要素：

发明所要解决的问题

本发明的课题在于，在使用往复移动的柱塞的液滴吐出装置中，使柱塞不抵接于液室内壁(阀座)并高精度地吐出微量的液滴。

另外，在相同的液滴吐出装置中，吐出自低粘度遍及高粘度的各种液体也是本发明要解决的问题。

解决问题的技术手段

第1发明为液滴吐出装置，其特征在于，具备前端构成吐出口的吐出路、柱塞、插入有柱塞的液室、使柱塞进退运动的柱塞驱动机构、以及规定柱塞的前端部的位置的柱塞定位机构，通过在柱塞的前端部与液室的内壁非接触的状态下使柱塞前进移动，从而对液体材料赋予惯性力并以液滴的状态吐出，通过使柱塞前进移动，从而自吐出口挤出形成所期望的液滴所需要的量的液体材料，接着，通过使柱塞后退移动，从而切断自吐出口挤出的液体材料并形成微量的液滴。

第2发明的特征在于，在第1发明中，吐出路由前端构成吐出口的第1流路、以及与第1流路及液室连通且直径大于第1流路的第2流路构成。

第3发明的特征在于，在第2发明中，在通过使柱塞后退移动从而切断自吐出口挤出的液体材料之后，进一步使柱塞后退移动，在吐出路的第1流路内或第2流路内形成气液界面，使柱塞的移动停止。

第4发明的特征在于，在第1发明中，在通过使柱塞后退移动从而切断自吐出口挤出的液体材料之后，进一步使柱塞后退移动并在吐出路内形成气液界面，使柱塞的移动停止。

第5发明的特征在于，在第3或4发明中，在吐出路内形成气液界面，通过自停止移动的时候的柱塞的位置使柱塞前进移动，从而自吐出口挤出形成所期望的液滴所需要的量的液体材料，接着通过使柱塞后退移动，从而切断自吐出口挤出的液体材料并连续形成微量的液滴。

第6发明的特征在于，在第1～5发明的任一个发明中，吐出口的内径为数十μm以下。

第7发明为液滴吐出方法，其特征在于，是使用液滴吐出装置，通过在柱塞的前端部与液室的内壁非接触的状态下，使柱塞前进移动，从而对液体材料赋予惯性力并以液滴的状态吐出的液滴吐出方法，液滴吐出装置具备前端构成吐出口的吐出路、柱塞、插入有柱塞的液室、使柱塞进退运动的柱塞驱动机构、以及规定柱塞的前端部的位置的柱塞定位机构，液滴吐出方法具有：挤出工序，通过使柱塞前进移动，从而自吐出口挤出形成所期望的液滴所需要的量的液体材料；以及切断工序，通过使柱塞后退移动，从而切断自该吐出口挤出的液体材料并形成微量的液滴。

第8发明的特征在于，在第7发明中，在切断工序后进一步具有使柱塞后退移动而在吐出路内形成气液界面并使柱塞的移动停止的吸入工序。

第9发明的特征在于，在第7或8发明中，液体材料是含有固体物质的液体材料，将挤出工序中的柱塞的前端部与液室的内壁的距离设定成大于固体物质。

第10发明的特征在于，在第7～9发明的任一个发明中，吐出口的内径为数十μm以下。

第11发明的特征在于，在第7～10发明的任一个发明中，液体材料的粘度为10000mPa·s以上。

第12发明的特征在于，在第7～11发明的任一个发明中，挤出工序中的柱塞的前进移动距离大于紧接于该工序之后的柱塞的前端部与液室的内壁的距离。在此，挤出工序中的柱塞的前进移动距离优选为紧接于该工序之后的柱塞的前端部与液室的内壁的距离的3倍以上，更加优选为6倍以上，特别优选为10倍以上。

发明的效果

根据本发明，能够高精度地吐出一直以来无法不使柱塞(阀体)抵接于液室内壁(阀座)来吐出的微量的液滴。

另外，由于阀体与阀座不接触，因而不产生摩擦片或微粒(particle)，没有它们混入到材料中的担忧，可以进行无污染的微量吐出。

另外，即使在液体材料含有填料(filler)等的固体物质的情况下，也可以防止固体物质的压毁或破损所造成的吐出精度的降低，并且可以不损失液体材料的机能、性质来吐出。

附图说明

图1是用于说明柱塞的位置与液体材料的状态的关系的、液滴吐出装置的主要部分的侧面剖视图，(a)显示第1阶段，(b)显示第2阶段，(c)显示第3阶段，(d)显示第4阶段，(e)显示第5阶段，(f)显示第6阶段，(g)显示第7阶段，(h)显示第8阶段。

图2是柱塞及吐出路的形状的变形构成例，(a)显示第1构成例，(b)显示第2阶构成例，(c)显示第3构成例，(d)显示第4构成例，(e)显示第5构成例，(f)显示第6构成例，(g)显示第7构成例，(h)显示第8构成例。

图3是具备柱塞定位机构的液滴吐出装置的侧面剖视图，(a)显示使移动构件进出的状态，(b)显示使移动构件后退的状态。

具体实施方式

本发明涉及通过插入于与液室连通的插入孔且前端非接触于液室内的内壁而进退移动的柱塞的进退移动，从而自形成于柱塞的进出方向的吐出路的前端的吐出口吐出液体材料的技术。若使用本发明的技术，即不管其填料的含有如何均能够从吐出口以液滴的状态高精度且微量地吐出自低粘性遍及高粘性的液体材料。

根据本发明，可以微量吐出自水、溶剂、试剂等的低粘性材料到焊料膏体、银膏体、粘结剂等的高粘性材料的液体材料。本发明具有也能够应用于不适合于焊膏(cream solder)那样的喷墨中的吐出的高粘度的液体材料的特征。在此，所谓高粘度的液体材料，是指例如粘度10000～500000mPa·s的液体。特别是使柱塞(阀体)不抵接于液室内壁(阀座)而以滴状微量吐出粘度20000mPa·s～500000mPa·s的液体，进一步而言粘度30000mPa·s～500000mPa·s的液体，是在一直以来的工业水平中无法实现的。

所谓本发明中的微量吐出，是指例如着陆直径为数十～数百μm的液滴、或者体积为1nl以下(优选为0.1～0.5nl以下)的液滴的吐出。本发明具有即使是数十μm以下(优选为30μm以下)的吐出口径也可以形成液滴的特征。

以下，根据图1说明用于实施本发明的方式的一个例子。

图1是液滴吐出装置(分配器(dispenser))的主要部分剖视图。首先，对液滴吐出装置的主要部分(吐出部)的构造进行说明。

图1所示的吐出部具备柱塞(plunger)30、液室50、插入孔51、送液路52及吐出路12。

液室50是柱塞的前端部31所位于的充满液体材料的空间。图1所示的液室50具有上面、侧面及底面并构成为圆筒形状。

在液室50的上面设置有插入孔51。柱塞30插入于插入孔51，柱塞30的前端位于液室50内。液室50的宽度(直径)宽于柱塞30的宽度(直径)，柱塞30的外周与液室50的侧面一直处于非接触的状态。柱塞30连接于未图示的柱塞驱动机构，以相对于吐出路12靠近或远离的方式进行直线前进运动。图1中，将前端部31的形状作为平面，但是，并不限定于此，例如，也可以作为球状，或者作为凹状，或者作为前端尖细形状，或者在与吐出路12相对的位置设置突起。在图2(a)～(g)中，显示柱塞的前端部31的形状例。

在液室50的侧面设置有送液路52。液体材料自未图示的液体材料贮留容器等的液体材料供给部，经由该送液路52，被供给至液室50。

在液室50的底面设置有与外部连通的吐出路12。通过柱塞的进出移动，从而液体材料自吐出路12前端的吐出口11被吐出至外部。吐出口11的内径例如为10～100μm。吐出路12的形状不限定于圆柱状，也可以作为设置前端变细那样的锥的形状(参照图2(e)、(g))。另外，也可以由具有吐出口的第1流路21以及直径大于第1流路的第2流路22构成(参照图2(f))，此时，也可以将第2流路22形成为圆锥台形状(参照图2(a)～(d))。在与吐出路的吐出口侧相比使液室侧为大径的情况下，实现了流入吐出路的液体材料被加速了的效果。

在吐出路的长度过长的情况下，无法良好地进行液滴的切断，特别是在高粘度的液体材料中，容易发生该问题。因此，优选吐出路12由将孔设置于液室内的壁面53的孔口(orifice)而形成。吐出路的长度例如为100μm～1000μm。另外，也可以在液室内的壁面53设置直径大于柱塞30的凹陷，在更接近于吐出口的位置形成与柱塞的前端部31相对的面。此时，自与柱塞的前端部31相对的凹陷内的面至吐出口11为止成为吐出路12(参照图2(f))。另外，也可以将壁面53作为吐出路12所位于的中央部分成为薄壁的曲面(参照图2(g))。

作为柱塞驱动机构，可以例示马达、压电元件、弹簧等的弹性体、利用气压等的致动器。柱塞驱动机构能够根据用途采用适当的机构，但是，在想吐出自低粘度遍及高粘度的各种的液体的情况下，优选使用能够在一定范围内调整柱塞的冲程的机构(压电元件以外的驱动机构)。进行微量吐出的时候的柱塞的冲程例如为5～1000μm，但是，优选在吐出高粘度的液体的时候加长冲程，例如为50～1000μm。

最进出位置上的柱塞的前端部的位置由柱塞定位机构规定。为了对处于柱塞的进出方向的液体材料赋予充分的惯性力，柱塞的端面和与柱塞的前端部31相对的液室的壁面53的距离优选设定成充分狭窄。由于随着吐出路(喷嘴)的内径变小，需要加大柱塞赋予液体材料的力，因此，伴随于此，柱塞的端面与液室的壁面的距离(间隙)也需要变小。

例如，为了由高粘度的液体形成着陆直径300μm以下的液滴，间隙优选设定在1～50μm的范围内，更加优选设定在1～30μm的范围内。然而，在液体材料中含有填料等的固体物质的情况下，设定最进出位置，以使间隙大于固体物质。例如在液体材料为具有平均粒径10μm的颗粒的焊膏的情况下，间隙需要大于10μm(优选使间隙为固体物质的大小(粒径)的1.5倍以上)。这是因为，会产生焊料的颗粒被压毁，层叠于吐出路的流入口附近而使吐出精度显著降低的问题。

柱塞定位机构也规定最后退位置上的柱塞的前端部的位置。其原因在于，在吐出低粘度的液体材料的情况下，若以某种程度的速度移动柱塞，则能够赋予形成液滴所需要的惯性力，但是，在吐出高粘度的液体材料的情况下，为了更高速地移动柱塞，需要将冲程设定成更长。一般而言，在微量吐出粘度高的液体(例如，粘度10000mPa·s以上的液体)的时候，需要将冲程设定成充分大于间隙。柱塞的冲程优选为其最进出位置上的间隙的3倍以上，更优选为6倍以上，特别优选为10倍以上。

一边参照图3一边说明柱塞定位机构的一个例子。在此说明的柱塞定位机构公开于专利文献2。

柱塞的最进出位置的决定按照如下顺序进行。

首先，将电磁切换阀72切换成外部与前方活塞室43连通的状态，旋转移动构件40，移动构件40成为移动至最前方的状态。由于前方活塞室43向外部开放，因此，活塞33通过盘簧45的作用而相对于主体71向前方移动，前方抵接部32抵接于前方止动器(stopper)41而停止。接着，通过旋转测微器(micrometer)69并使后方止动器42前进而接触于后方抵接部34，从而固定柱塞30和主体71。

向前方移动主体71，在后方止动器42与后方抵接部34接触的状态下固定。柱塞30的前端部31在接触于液室50的内壁的接触位置13固定。旋转移动构件40，向后方仅移动移动构件40并规定最进出位置，将驱动单元70固定于底座构件73。

通过以上的作业，可以将柱塞30的进出时停止位置调整为柱塞30的前端部31不接触于液室50的所期望的位置。

柱塞的最后退位置的决定按照如下顺序进行。

旋转测微器46，使后方止动器42后退，决定吐出时的柱塞30的后退时移动量。若决定了柱塞30的后退时移动量，则以测微器46不旋转的方式，由未图示的固定螺丝等的旋转锁紧构件来固定测微器46。通过以上的作业，柱塞30的最后退位置的设定作业完成。

本发明的液滴吐出装置，代表性的是以一边相对移动工件与吐出口一边吐出液体材料的方式进行使用。液滴吐出装置安装于XYZ驱动机构，与载置了工件的工作台相对移动。本发明中，由于液体成为液滴并自吐出口分离，并着陆于工件，因此，可以将吐出口保持于一定的高度并水平移动。

如果也存在在一个作业位置吐出一滴的情况，则有时也通过将多滴吐出至相同的场所来确保所期望的量。由于如果增加每一注(shot)的吐出量则着陆直径变宽，因此，在不想加宽着陆直径的情况下，优选以数注确保所期望量。本发明的液滴吐出装置能够高速且连续地吐出微量的液体，例如，可以以每秒100注以上的高速节拍进行动作。

其次，说明柱塞的位置与液体材料的状态的关系。

图1(a)显示吐出动作开始时的初始状态。在该初始状态中，柱塞30的前端部31在一连串的吐出动作中，处在相对于吐出路12最远的位置的动作开始位置。另外，液室50及吐出路12处于被液体材料充满的状态。此时，吐出路12的吐出口11侧，也可以是吸入微量的外气(空气)的状态。

图1(b)显示自图1(a)的柱塞的动作开始位置使柱塞前进移动并使吐出路12内的液体材料到达至吐出口(吐出路12的吐出口侧端面)的状态。

此时，通过柱塞30的前进移动，液室50内的液体材料被送入至吐出路12内，吐出路12内的液体材料到达吐出路12前端的吐出口11。由此，存在于吐出路12内的外气(空气)向外吐出。

图1(c)显示自图1(b)的柱塞的位置进一步使柱塞前进移动的状态。在该状态下，到达吐出口的液体材料不向吐出口的外侧被切断而被挤出。

图1(d)显示在自图1(c)的柱塞的位置进一步使柱塞前进移动之后使柱塞的前进移动停止的状态。

此时，液体材料不是在自液室50至最前端为止之间被切断，而是进一步自作为吐出路12的前端的吐出口11向外侧被挤出。

还有，优选至此为止的柱塞30的前进移动强势地进行，柱塞30的停止急遽地停止。

在该状态下，柱塞30的前端部31在一连串的吐出动作中，处于相对于吐出路12最近位置的最进出位置。通过柱塞30移动至最进出位置，从而形成所期望的大小的液滴所需要的量的液体材料向吐出口11的外侧被挤出。最进出位置根据液体材料的种类或形成的液滴的大小而不同，但是，无论在哪种情况下，柱塞30的前端部31均不接触于液室内面。

图1(e)显示自图1(d)的柱塞的位置(最进出位置)使柱塞略微后退移动的状态。

若柱塞30后退移动，则占据液室50内的柱塞的容积的比例减少，向朝着液室50内的方向的力作用在吐出路12内的液体材料。伴随于此，向吐出路12内拉回的力也作用在存在于吐出口11的外侧的液体材料(与吐出路12内的液体材料相连接的挤出后的液体材料)。因此，在自吐出口挤出的液体材料上，向柱塞的前进方向的惯性力起作用，并且向柱塞的后退方向的力发生作用，从而开始形成液滴。即，自与吐出路12内的液体材料相连接的吐出口11挤出的液体材料在吐出口附近的部分受到切断作用。

图1(f)显示自图1(e)的柱塞的位置进一步使柱塞后退移动的状态。

若进一步使柱塞30后退移动，则相对于自吐出口11挤出的液体材料的切断作用进一步加强。由此，自与吐出路12连续的吐出口11挤出的液体材料在吐出口附近的部分被切断，形成液滴。

图1(f)中，将从吐出路12连续的一侧的液体材料的切断位置附近与切断了的一侧的液体材料的切断位置附近的任一者均描绘成细丝状。一般而言，高粘性材料中多成为这样的丝状，但是，也依赖于材料的特性、温度、或湿度等的环境条件等，由于是高粘性材料，因此，未必显示这样的丝状的方式。

图1(g)显示自图1(f)的柱塞的位置进一步使柱塞后退移动的状态。自吐出口11挤出的液体材料中残留于吐出路12侧的液体材料通过柱塞30的后退移动而被吸入至吐出路12内。

在下一次的吐出中配备并优选吐出路12的吐出口11侧为吸入微量的外气(空气)的状态。即，优选为气液界面存在于吐出路12内的状态。通过这样做，能够防止液体材料的干燥，另外，能够防止吐出作业待机时因滴液而污染周边环境。在此，应留意的是不将外气(空气)越过吐出路12而吸入至液室50。其原因在于，若将外气(空气)吸入至液室50，则对吐出精度带来不良影响。

另外，在吐出路12通过具有第1流路21及第2流路22而成的情况下，在第1流路21与第2流路22的边界不构成台阶的情况下，气液界面也可以存在于第1流路21、第2流路22或它们的边界的任一者(例如，图2(a)、(b)那样的流路形状的情况)。另外，如图2(f)所示，即使在第1流路21与第2流路22的边界构成台阶的情况下，如果没有形成气泡，则也能够将外气(空气)吸入至第2流路22。还有，也可以以锥平滑地连接圆柱形状的第1流路21与圆柱形状的第2流路22的边界而构成。

图1(h)显示自图1(g)的柱塞的位置进一步使柱塞后退移动并成为动作结束位置的状态。图1(a)～(h)是用于形成一滴的一连串的动作。结束一次吐出的时候的柱塞的位置成为较最进出位置更后退的位置。在该状态下，吐出路12的吐出口11侧吸入微量的外气(空气)。即使将外气(空气)吸入至吐出路12内，在空气未到达液室50的范围内，则也不会产生气泡的问题。由于若外气流入到液室50内，则成为吐出量的偏差等的原因，因此，需要避免。为了连续地进行下一个吐出动作，优选将柱塞的动作结束位置作为动作开始位置。

在完全地结束吐出动作的情况下，优选由柱塞30的前端部31堵塞吐出路12，防止液体材料自吐出口11流出。

以下，根据实施例说明本发明的详细情况，本发明完全不限定于实施例。

实施例1

使用图1所示的液滴吐出装置，进行液滴的形成。实施例1所使用的液体材料是焊料膏体(粘度45000mPa·s)，含有平均颗粒6μm的填料。本实施例中吐出的1个液滴的量为0.2nl，着陆直径为120μm。一边相对移动工件与吐出口一边以每秒100注的节拍将数十个液滴形成于工件上，由测定器进行测定之后，能够确认形成有均匀的形状的点。

实施例2

使用图1所示的液滴吐出装置，进行液滴的形成。实施例2所使用的液体材料是Ag膏体(粘度28000mPa·s)，含有1～10μm的框架状的填料。本实施例中吐出的1个液滴的量为0.17nl，着陆直径为100μm。一边相对移动工件与吐出口一边以每秒250注的节拍将数十个液滴形成于工件上，由测定器进行测定之后，能够确认形成有均匀的形状的点。

产业上的可利用性

根据本发明，可以使柱塞(阀体)不抵接于液室内壁(阀座)而精度良好且微量地吐出在电子、半导体的市场上困难的材料。例如，可以不压毁含有焊料膏体那样的软的金属材料的膏体材料，并且能够没有吐出装置内的堵塞而连续地吐出。向对基板上的小型部件的搭载工序或太阳能电池的制造工序的应用等、本发明的应用范围广。

另外，由于阀体与阀座不接触，因而不产生摩擦片或微粒，没有它们混入到材料中的担忧(即无污染)，因此，也适合于食品或药品行业等中的利用。

另外，由于不会没有必要地破坏其构造而飞翔吐出填料等的颗粒、固体物质、凝胶体、构造体等，因此，可以有效地防止这些破坏物所造成的喷嘴堵塞。

符号的说明

11 吐出口

12 吐出路

13 接触位置

21 第1流路

22 第2流路

30 柱塞

31 前端部

32 前方抵接部

33 活塞

34 后方抵接部

40 移动构件

41 前方止动器

42 后方止动器

43 前方活塞室

44 后方活塞室

45 盘簧

46 测微器

50 液室

51 插入孔

52 送液路

53 与柱塞相对的液室的壁面

71 主体

72 电磁切换阀

73 底座构件

74 吐出块