(57)【要約】【課題】電子部品、家電製品などの生産工程において、接着剤、クリームハンダ、蛍光体、グリース、ペイント、ホットメルト、薬品、食品などの各種粉流体を、粉体の圧搾・破壊なく、高速で吐出遮蔽・吐出開始ができる流体供給装置を得る。【解決手段】主軸４０とシリンダ４の間に相対的な直線運動と回転運動を与えると共に、回転運動により流体を輸送し、直線運動を用いて固定側と回転側の相対的なギャップを変化させ、流体の供給量を制御する構成において、直線運動と回転運動の支持手段２１に流体軸受を設けることにより、高速供給と微少量の高精度吐出が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸を回転させる回転駆動手段と、中空穴が前記主軸の外周部と嵌合し、前記主軸に対し支持手段と一体となって軸方向に移動可能で、かつ、前記主軸の回転が前記支持手段を介して伝達されることにより回転可能に構成されると共に、シリンダ内周部との間に外部と連絡する流体の吸入口及び吐出口を設けたポンプ室を形成して前記シリンダに収納される中空軸と、前記ポンプ室内に流入された前記流体を前記吐出口側に圧送する手段と、前記中空軸の軸方向移動を駆動する軸方向駆動手段と、前記軸方向駆動手段による前記中空軸と前記シリンダ間の間隙の変化により、前記ポンプ室と前記吐出口の間の流体抵抗を増減せしめる手段とを設けた流体供給装置において、前記支持手段に流体軸受けを設けたことを特徴とする流体供給装置。
【請求項２】
軸方向駆動手段が電磁歪素子であることを特徴とする請求項１記載の流体供給装置。
【請求項３】
電磁歪素子が超磁歪素子であることを特徴とする請求項２記載の流体供給装置。
【請求項４】
主軸は、吐出口側の端部をフロント側とし、もう一方の端部をリア側とする電磁歪素子を貫通し、かつ前記電磁歪素子のリア側に押圧されていることを特徴とする請求項２記載の流体供給装置。
【請求項５】
支持手段に動圧発生溝を設け、回転による動圧発生効果により、主軸の回転を支持することを特徴とした請求項１記載の流体供給装置。
【請求項６】
支持手段に静圧軸受を用いた請求項１記載の流体供給装置。
【請求項７】
主軸の吐出口側端面との対向面である相対移動面に吐出口へ連絡する吐出流通路の開口部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の流体供給装置。
【請求項８】
電磁歪素子の駆動によって中空軸の吐出口側端面と、この吐出口側端面と対向する吐出ノズルの対向面間の間隙を変化せしめる構成としたことを特徴とする請求項７記載の流体供給装置。
【請求項９】
流体抵抗を増減せしめる手段は、中空軸の吐出口側端面とこの吐出口側端面と対向する吐出ノズルの対向面のいずれかに形成されたスラスト溝により構成される動圧シールであることを特徴とする請求項８記載の流体供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子部品、家電製品などの分野における生産工程に用いることができ、接着剤、クリームハンダ、蛍光体、グリース、ペイント、ホットメルト、薬品、食品などの各種液体を定量吐出するための流体供給装置および供給方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体吐出装置（ディスペンサー）は従来から様々な分野で用いられているが、近年の電子部品の小形化・部品配置の高密度化のニーズにともない、微少量の接着剤などの流体材料を高精度でかつ安定して吐出制御する技術が要請される様になっている。
【０００３】
表面実装（ＳＭＴ）の分野を例にとれば、実装の高速化、微小化、高密度化、高品位化、無人化のトレンドの中で、ディスペンサーの課題を要約すれば、
▲１▼  供給量の高精度化と１回の供給量の微小化
▲２▼  吐出時間の短縮  …高速吐出遮断及び吐出開始ができる
▲３▼  高粘度の粉流体に対応できる
である。従来、微少流量の液体を吐出させるために、エアパルス方式、ねじ溝式、電磁歪素子によるマイクロポンプ方式などのディスペンサーが実用化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来のディスペンサーの各種構成のうち、図４に示す様なエアパルス方式によるディスペンサーが広く用いられており、例えば「自動化技術′９３．２５巻７号」等にその技術が紹介されている。この方式によるディスペンサーは、定圧源から供給される定量の空気を容器２００（シリンダ）内にパルス的に印加させ、シリンダ２００内の圧力の上昇分に対応する一定量の液体をノズル２０１から吐出させるものである。
【０００５】
このエアパルス方式のディスペンサーは応答性が悪いという欠点があった。
【０００６】
この欠点は、シリンダに封じ込められた空気２０２の圧縮性と、エアパルスを狭い隙間に通過させる際のノズル抵抗によるものである。すなわち、エアパルス方式の場合、シリンダの容積：Ｃとノズル抵抗：Ｒできまる流体回路の時定数：Ｔ＝ＲＣが大きく、入力パルスを印加後、吐出開始にたとえば０．０７〜０．１秒程度の時間遅れを見込まねばならない。
【０００７】
上記エアパルス方式の欠点を解消するために、吐出ノズルの入口部にニードルバルブを設けて、このニードルバルブを構成する細径のスプールを軸方向に高速で移動させることにより、吐出口を開閉させるディスペンサーが実用化されている。
【０００８】
しかしこの場合、流体の遮断時、相対移動する部材間の隙間はゼロとなり、数ミクロン〜数十ミクロンの平均粒径の粉体は機械的に圧搾作用を受け破壊される。その結果発生する様々な不具合のため、粉体が混入した接着剤、導電性ペースト、あるいは蛍光体等の供給への適用は困難な場合が多い。
【０００９】
また同目的のために、粘性ポンプであるねじ溝式のディスペンサーも既に実用化されている。ねじ溝式の場合、ノズル抵抗に依存しにくいポンプ特性を選ぶことができるため、連続塗布の場合は好ましい結果が得られるが、間欠供給は粘性ポンプの性格上不得手である。そのため従来ねじ溝式では、
（１）モータとポンプ軸の間に電磁クラッチを介在させ、吐出のＯＮ、ＯＦＦ時にこの電磁クラッチを連結あるいは開放する。
【００１０】
（２）ＤＣサーボモータを用いて、急速回転開始あるいは急速停止させる。
【００１１】
しかし、上記いずれも機械的な系の時定数で応答性が決まるため、高速間欠動作には制約があった。応答性はエアパルス方式と比較すると良好であるが、しかし最短時間でも０．０５秒程度が限界であった。
【００１２】
またポンプ軸の過渡応答時（回転始動時と停止時）の回転特性に不確定要因が多いため、流量の厳密な制御は難しく、供給精度にも限界があった。
【００１３】
一方、微少流量の流体を吐出することを目的として、積層型の圧電素子を利用したマイクロポンプが開発されている。このマクロポンプには、通常機械式の受動的な吐出弁、吸入弁が用いられる。
【００１４】
しかし、バネとボールから構成され圧力差によって吐出弁、吸入弁を開閉させる上記ポンプでは、流動性の悪い、数万〜数十万センチポワズの高粘度のレオロジー流体を、高い流量精度でかつ高速（０．１秒以下）で間欠吐出させることは極めて困難である。
【００１５】
さて、上記した従来技術の課題が指摘される中で、近年益々高精度化、超微細化していく回路形成の分野、あるいはＰＤＰ、ＣＲＴなどの映像管の電極とリブ形成、液晶パネルのシール材供給、光ディスクなどの製造行程の分野において、微細供給技術に関する、次のような要望が強い。
【００１６】
▲１▼連続塗布後、すばやく供給を止め、短い時間をおいて連続供給を急峻に開始できること。そのためには、たとえば０．０１秒のオーダーで流量制御できることが理想である。
【００１７】
▲２▼粉流体に対応できること。たとえば流路の機械的な遮断により、粉体の圧搾破損、流路の詰まりなどのトラブルがないこと。
【００１８】
上述した高粘度流体・粉流体の微少流量供給に係る、近年の様々な要求に応えるために、本発明者らは、ピストンとシリンダの間に相対的な直線運動と回転運動を与えると共に、回転運動により流体の輸送手段を構成し、直線運動を用いて固定側と回転側の相対的なギャップを変化させ、流体の吐出量を制御する供給手段として、特願２０００−１８８８９９号（特開２０００−１１９２号）により「流体供給装置及び流体供給方法」を出願中である。
【００１９】
本発明は上記出願における提案をさらに改良するもので、回転運動や直線運動の支持手段に流体軸受を設け、回転時の調芯作用の向上と耐久性の向上を可能とし、更に軸方向の移動にも対応できる流体供給装置および供給方法を提供することを目的とするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の流体供給装置は、主軸を回転させる回転駆動手段と、中空穴が前記主軸の外周部と嵌合し、前記主軸に対し支持手段と一体となって軸方向に移動可能で、かつ、前記主軸の回転が前記支持手段を介して伝達されることにより回転可能に構成されると共に、シリンダ内周部との間に外部と連絡する流体の吸入口及び吐出口を設けたポンプ室を形成して前記シリンダに収納される中空軸と、前記ポンプ室内に流入された前記流体を前記吐出口側に圧送する手段と、前記中空軸の軸方向移動を駆動する軸方向駆動手段と、前記軸方向駆動手段による前記中空軸と前記シリンダ間の間隙の変化により、前記ポンプ室と前記吐出口の間の流体抵抗を増減せしめる手段とを設けた流体供給装置において、前記支持手段に流体軸受けを設けて構成されている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を電子部品の表面実装用ディスペンサーに適用した一実施形態における流体供給装置および供給方法について、図１を用いて説明する。
【００２２】
１は第１のアクチュエータであり、本実施形態では、高粘度流体を高速で間欠的に微少量かつ高精度に供給するために、高い位置決め精度が得られ、高い応答性を持つと共に大きな発生荷重が得られる超磁歪素子を用いた。
【００２３】
２は第１のアクチュエータ１によって駆動される中空軸である。前記第１のアクチュエータ１は、ハウジング３に収納されており、このハウジング３の下端部（フロント側）に、中空軸２を収納するシリンダ４が装着されている。５は中空軸２の外表面に形成された流体を吐出側に圧送するためのラジアル溝である。
【００２４】
この中空軸２とシリンダ４との間に、中空軸２とシリンダ４の相対的な回転によってラジアル溝５により起こされるポンピング作用を得るためのポンプ室７を形成している。またシリンダ４には、ポンプ室７と連絡する吸入口８が形成されている。９はシリンダ４の下端部に装着された吐出ノズルであり、１０はこの吐出ノズル９を含む後述する吐出部である。
【００２５】
１１は第２のアクチュエータであり、主軸４０を回転させ、この主軸４０とともに回転する中空軸２とシリンダ４の間に相対的な回転運動を与えるものである。モータロータ１２は上部主軸１３に固着され、またモータステータ１４はハウジング１５に収納されている。
【００２６】
１６は超磁歪素子から構成される超磁歪ロッド、１７は超磁歪ロッド１６の長手方向に磁界を与えるための磁界コイルである。１８、１９は超磁歪ロッド１６にバイアス磁界を与えるための永久磁石であり、超磁歪ロッド１６をそれらの中間にはさむ形で配置されている。
【００２７】
この永久磁石１８、１９は、超磁歪ロッド１６に予め磁界をかけて磁界の動作点を高めるもので、この磁気バイアスにより磁界の強さに対する超磁歪の線形性が改善できる。２０は超磁歪ロッド１６のリア側に配置され、磁気回路のヨーク材であるリア側ヨーク、２１は超磁歪ロッド１６のフロント側に配置され、ヨーク材を兼ねたフロント側スリーブ、２２は磁界コイル１７の外周部に配置された円筒形状のヨーク材である。
【００２８】
超磁歪ロッド１６、永久磁石１８、リア側ヨーク２０、ヨーク材２２、フロント側スリーブ２１、永久磁石１９、超磁歪ロッド１６の順に磁気が伝達され、超磁歪ロッド１６の伸縮を制御する閉ループ磁気回路を形成している。なお主軸４０はこの磁気回路による影響を受けないように、非磁性材料を用いている。すなわち超磁歪ロッド１６、永久磁石１８、リア側ヨーク２０、ヨーク材２２、フロント側スリーブ２１、永久磁石１９、超磁歪ロッド１６により、磁界コイル１７に与える電流で超磁歪ロッド１６の軸方向の伸縮を制御できる超磁歪アクチュエータ（第１のアクチュエータ１）を構成している。超磁歪材料は希土類元素と鉄の合金であり、近年急速に実用化が進められている。
【００２９】
２３は上部主軸１３を回転自在、かつ軸方向に移動可能に収納するリア側スリーブである。このリア側スリーブ２３もまた軸受２４により、ハウジング２５に対して回転自在に支持されている。
【００３０】
２６はリア側ヨーク２０とリア側スリーブ２３の間に装着されたバイアスバネである。このバイアスバネ２６から加わる荷重により、超磁歪ロッド１６は永久磁石１８、１９を介在して、上下をリア側ヨーク２０、フロント側スリーブ２１に押圧される形で把持されている。この結果、超磁歪ロッド１６には常に軸方向に圧縮応力が加わるため、繰り返し応力が発生した場合に、引っ張り応力に弱い超磁歪素子の欠点が解消される。
【００３１】
フロント側スリーブ２１は中空軸２を軸方向移動可能に取付けている。第２のアクチュエータ１１から伝達された主軸４０の回転動力は、主軸４０、フロント側スリーブ２１の間に設けられた図示しない回転伝達キーによってフロント側スリーブ２１に伝達される。またフロント側スリーブ２１もハウジング３に回転自在に支持されている。
【００３２】
上記構成により、第２のアクチュエータ１１の回転動力は中空軸２とフロント側スリーブ２１のみに伝達され、脆性材料である超磁歪ロッド１６に捻りトルクは発生しない。
【００３３】
なお、図３に示すようにフロント側スリーブ２１の外周には動圧発生溝５０が形成され、動圧流体軸受を構成しているが静圧軸受による構成でもよい。
【００３４】
４１は第２のアクチュエータ１１の上部に配置された上部主軸１３の回転位置情報を検出するためのエンコーダである。また２９は主軸４０に対し、図示しない回転伝達キーを介して軸方向に移動可能なフロント側スリーブ２１、及びフロント側スリーブ２１と結合された中空軸２の軸方向変位を検出するための変位センサーである。
【００３５】
上記構成により、本実施形態における流体供給装置では、中空軸２に対しては回転運動と微小変位の直線運動の制御を同時に、かつ独立して行うことができる。
【００３６】
さらに本実施形態では、第１のアクチュエータ１に超磁歪素子を用いたために、超磁歪ロッド１６及びこの超磁歪ロッド１６により軸方向に変位を与えられるフロント側スリーブ２１、及びこのフロント側スリーブ２１に結合されている中空軸２を一体として直線運動させるための動力を、外部から非接触で与えることができる。
【００３７】
超磁歪素子に加えた入力電流と変位は比例するため、変位センサーなしのオープンループ制御でも、前記中空軸２の軸方向位置決め制御は可能である。しかし本実施形態のような変位センサー２９を設けてフィードバック制御をすれば、超磁歪素子のヒステリシス特性も改善できるため、より高い精度の位置決めができる。
【００３８】
さて本実施形態では、中空軸２の軸方向位置決め機能を用いて、中空軸２の定常回転状態を保ったままで、中空軸２の吐出側スラスト端面の隙間の大きさδを任意に制御することができる。この機能を用いて、吸入口８から吐出ノズル９に至るいかなる流路の区間においても機械的に開閉する部材が直接粉流体と接触することによりその遮断・開放を行うという構成を用いることなく、流体力学的作用により非接触の状態で、粉流体の遮断・開放ができる。その原理を吐出部１０の詳細図２を用いて説明する。
【００３９】
図２（ａ）において、３１は中空軸２の吐出側端面に装着されたスラストシールのつばである。このつば３１の吐出側端面３３とその対向面３４の相対移動面のいずれか一方にシール用スラスト溝３５が形成されており、その形状は図２（ｂ）に示す通りである。このスラスト端面３３の対向面３４の中央部に吐出ノズル９の開口部３６が形成されている。
【００４０】
図１で既に説明したラジアル溝５は、スパイラルグルーブ動圧軸受として知られている公知のものであり、またねじ溝ポンプとしても利用されている。
【００４１】
またシール用スラスト溝３５は、同様にスラスト動圧軸受として知られているものである。シール用スラスト溝３５の発生できるシール圧力は、回転角速度、スラスト軸受の内外径、溝深さ、溝角度、グループ幅とリッジ幅などで決定される。
【００４２】
さて、シール用スラスト溝３５が設けられているスラスト端面３３と対向面３４との間のギャップδが十分大きいとき、たとえばギャップδ＝１５μｍのとき、発生圧力は小さく、Ｐ＜０．１ｋｇ／ｍｍ２である。
【００４３】
中空軸２を回転させたまま、スラスト端面３３を固定側の対向面３４に接近させる。ギャップδ＜１０．０μｍになると、シール圧力がラジアル溝５のポンピング圧力Ｐｒより大きくなり、流体の吐出口側への流出は遮断される。
【００４４】
図２が流体の流出が遮断された状態を示すとした場合、吐出ノズルの開口部３６近傍の流体は、シール用スラスト溝３５によって矢印Ａで示す方向のポンピング作用を受けているため、開口部３６近傍は負圧（大気圧以下）となる。この効果により、遮断後、吐出ノズル９内部に残存していた流体は再びポンプ室７内部に吸引される。その結果、吐出ノズル先端で表面張力による流体塊ができることはなく、糸引き、洟垂れが解消されるのである。
【００４５】
さて、本実施形態では、主軸４０を僅か数十μｍ程度軸方向に移動させることにより、流体の吐出状態のＯＮ、ＯＦＦを自在に制御することができる。
【００４６】
本実施形態のポイントを要約すれば、シール用スラスト溝３５によるシール圧力は、ギャップδが小さくなると急激に増大するのに対して、ラジアル溝５のポンピング圧力はギャップδの変化に対して極めて鈍感である、という点を利用している。
【００４７】
なお、ラジアル溝５、シール用スラスト溝３５いずれも回転側、固定側のどちらに形成してもよい。また実施形態ではスラストシールのつば３１を中空軸２と別体の構成として図に示しているがこれらは一体のものであってもよい。
【００４８】
また微小粒子が含まれた接着剤のような粉流体を供給する場合は、ギャップδの最小値δｍｉｎは式（１）の様に微小粒子径φｄよりも大きく設定すればよい。
【００４９】
δｍｉｎ＞φｄ                …          （１）
同一の発生圧力に対して、より大きなギャップを得るためには、回転数を高くするか、スラストシールのつば３１の外径を大きくかつシール用スラスト溝３５の溝深さ、溝角度等に適切な値を選べば良い。
【００５０】
本実施形態における溝寸法等の諸元を表１に示す。
【００５１】
【表１】
2004305828.tif 000003
【００５２】
さて本実施形態では、軸方向駆動手段に超磁歪素子を用いているが、微少流量を扱うポンプでは、シール用スラスト溝３５を用いた非接触シールを構成するためのギャップδの大きさを調整するストロークは、大きくとも数十ミクロンのオーダでよく、超磁歪素子、エピゾ素子などの電磁歪素子のストロークの限界は問題とならない。
【００５３】
また、高粘度流体を吐出させる場合、ラジアル溝５によるポンピング作用によって大きな吐出圧の発生が予想される。この場合、第１のアクチュエータ１には高い流体圧に抗する大きな推力が要求されるため、数百〜数千Ｎの力が容易に出せる電磁歪型アクチュエータが好ましい。電磁歪素子は、数ＭＨｚ以上の周波数応答性を持っているため、中空軸２を高い応答性で直線運動させることができる。そのため、高粘度流体の吐出量を高いレスポンスで高精度に制御できる。
【００５４】
また軸方向駆動手段に超磁歪素子を用いた場合、圧電素子を用いる場合と比べて、伝導ブラシも省略できることから、モータ（回転手段）の負荷を軽減できると共に、全体構成が極めてシンプルとなるため、可動部の慣性モーメントを極力小さくでき、ディスペンサーの細径化が可能である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、粉粒体の高速吐出遮断と吐出開始が可能であり、粉体の圧搾破損による流路の詰まりや流体の特性変化などのトラブルが発生しない。
【００５６】
また高粘度流体の高速供給と超微少量の高精度吐出が可能となり、表面実装のディスペンサー、ＰＤＰ、ＣＲＴディスプレイの蛍光体供給、液晶パネルのシール材供給等に有用である。更に回転運動と直線運動の支持手段に流体軸受を設けたことにより、よりスムーズかつ高精度な回転及び直線運動を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における流体供給装置の断面図
【図２】（ａ）図１に示す流体供給装置の吐出部の拡大断面図
（ｂ）本図（ａ）に示すシール用スラスト溝の正面図
【図３】図１に示す回転支持部の流体軸受の拡大図
【図４】従来のエアパルス方式の流体供給装置を示す断面図
【符号の説明】
１    第１のアクチュエータ
２    中空軸
４    シリンダ
７    ポンプ室
８    吸入口
９    吐出口
１１  第２のアクチュエータ
１６  超磁歪ロッド
２１  フロント側スリーブ
３３  スラスト端面
３４  対向面
３５  シール用スラスト溝
３６  開口部
４０  主軸
５０  動圧発生溝
【図１】
2004305828.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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