(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、軸の少なくとも一部を収納し前記ハウジングに固定されたスリーブとで形成される空間に流体を供給し、前記軸と前記ハウジングを相対的に回転させながら、前記ハウジングと前記スリーブ間との間に配置され、かつ、前記軸を軸方向に相対変位を与える一対の軸方向駆動手段を駆動させることで、吐出ノズルから前記流体を吐出する流体供給方法において、
前記軸方向駆動手段のうち一方は前記ハウジングに固定して固定端とし、他方は前記スリーブに固定して可動端とした状態で、前記軸方向駆動手段によって前記スリーブと前記軸とを軸方向に連続的に相対変化させ、前記軸の吐出側端面と前記ハウジングとの隙間をδとしたとき、δ＜１０．０μｍのとき、前記吐出ノズルから吐出する流体を遮断し、δ≧１０μｍのとき、前記吐出ノズルから流体を吐出すること
を特徴とする流体供給方法。
【請求項２】
軸方向駆動手段は、電磁歪素子であることを特徴とする請求項１記載の流体供給方法。
【請求項３】
スリーブと軸の軸方向の相対変位を検知する変位センサーの信号を用いて、軸方向駆動手段により前記軸方向の相対変位を調節することを特徴とする請求項１記載の流体供給方法。
【請求項４】
電磁歪素子の駆動に高周波もしくは超音波振動を重畳させたことを特徴とする請求項２記載の流体供給方法。
【請求項５】
軸とハウジングを相対的に回転させる手段にキャンドルモータを用い、かつ、そのモータのロータとステータとの間を輸送流体の流路としたことを特徴とする請求項１記載の流体供給方法。
【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に吐出・吐出するための流体供給方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、本発明の適用対象の一つである流体塗布装置を例にとり、その従来技術について説明する。
【０００３】
液体塗布装置（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・高記録密度化のニーズにともない、微少量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。
【０００４】
また、たとえばＣＲＴ、ＰＤＰなどのディスプレイ面に蛍光体を均一に塗布するための、新たな流体塗布手段開発の要望も大きい。
【０００５】
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▼  塗布量の高精度化と１回の塗布量の微小化
▲３▼  吐出時間の短縮  …高速吐出遮断及び開始ができる
▲４▼  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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来先行例のうち、図５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。
【０００７】
エアーパルスの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。
【０００８】
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、エアー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、エアーパルス方式の場合、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。
【０００９】
上記エアー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。
【００１０】
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材、導電性ペースト、あるいは蛍光体等の塗布への適用は困難な場合が多い。
【００１１】
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、連続吐布の場合は好ましい結果が得られるが、間欠塗布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。
【００１２】
（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。
【００１３】
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。応答性はエアー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。
【００１４】
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、塗布精度にも限界があった。
【００１５】
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。このマイクロポンプには、通常機械式の受動的な吐出弁，吸入弁が用いられる。
【００１６】
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。
【００１７】
さて、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塗布、光ディスクなどの製造行程の分野において、微細塗布技術に関する、次のような要望が強い。
【００１８】
▲１▼連続吐布後、すばやく塗布を止め、短い時間をおいて連続塗布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。
【００１９】
▲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。
【００２０】
上述した高粘度流体・粉流体の微少流量塗布に係る、近年の様々な要求に応えるために、本発明者は、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与え、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手段、「流体供給装置及び流体供給方法」を出願中（特願２０００−１８８８９９号）である。
【００２１】
本発明は上記提案をさらに改良するもので、直線運動を与える軸方向駆動手段を固定側に設けることにより、吐出量の一層の高精度化と装置の簡素化を図ったものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の本願の流体供給方法は、ハウジングと、軸の少なくとも一部を収納し前記ハウジングに固定されたスリーブとで形成される空間に流体を供給し、前記軸と前記ハウジングを相対的に回転させながら、前記ハウジングと前記スリーブ間との間に配置され、かつ、前記軸を軸方向に相対変位を与える一対の軸方向駆動手段を駆動させることで、吐出ノズルから前記流体を吐出する流体供給方法において、前記軸方向駆動手段のうち一方は前記ハウジングに固定して固定端とし、他方は前記スリーブに固定して可動端とした状態で、前記軸方向駆動手段によって前記スリーブと前記軸とを軸方向に連続的に相対変化させ、前記軸の吐出側端面と前記ハウジングとの隙間をδとしたとき、δ＜１０．０μｍのとき、前記吐出ノズルから吐出する流体を遮断し、δ≧１０μｍのとき、前記吐出ノズルから流体を吐出することを特徴とする。
【００２３】
【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第一の実施例について、図１を用いて説明する。
【００２４】
１はモータであり、回転軸２とこのモータ１を収納する上部ハウジング３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４は回転軸２に固着され、またモータステータ５は上部ハウジング３に収納されている。
【００２５】
回転軸２は上部プレート６及び上部ハウジング３に外輪側を支持された軸受Ａ７、と、軸受Ｂ８により支持されている。９は上部プレート６の上端部に配置された回転軸２の回転情報を検出するためのエンコーダである。
【００２６】
１０は中間ハウジング、１１は下部ハウジング、１２は回転軸２の下端部を収納する可動スリーブである。
【００２７】
１３は回転軸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、１４は中間ハウジング１０に形成された吸入口、１５は吐出部である。
【００２８】
１６は軸方向駆動手段である中空形状の積層型圧電素子であり、下部ハウジング１１と可動スリーブ１２の間に装着されている。１７は可動スリーブ１２のつば、１８はつば１７と下部ハウジング１１の間に装着された皿バネである。この皿バネ１７によって、積層型圧電素子１６には軸方向に予圧が与えられている。
【００２９】
１９は可動スリーブ１２と中間ハウジング１０の間、２０は可動スリーブ１２と下部ハウジング１１の間、２１は中間ハウジング１０と回転軸２の間にそれぞれ設けられた流体シールである。
【００３０】
積層型圧電素子１６の上端固定側は下部ハウジング１１に、下端可動側は可動スリーブ１２に固定されている。圧電素子１６が印加電圧によって伸縮すると、その伸縮分だけ可動スリーブ１２は軸方向に伸縮する。２２は中間ハウジング１０の設けられた可動スリーブ１２の軸方向移動量を検出する変位センサーである。また回転軸２と可動スリーブ１２の間で、この部材２、４の相対的な回転によってポンピング作用を得るためのポンプ室２３を形成している。
【００３１】
上記構成により、本発明の流体供給装置では、回転軸２と可動スリーブ１２の間で、相対的な回転運動と微少変位の相対的な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。
【００３２】
さらに実施例では、軸方向駆動手段に積層型圧電素子１６を用いて、かつ圧電素子１６の一端を固定側であるハウジング側に設置したため、高い位置決め精度が得られる。
【００３３】
圧電素子１６に加えた入力電圧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、前記可動スリーブ１２の軸方向位置決め制御は可能である。しかし本実施例のような位置検出手段２２を設けてフィードバック制御をすれば、積層型圧電素子１６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。
【００３４】
さて本実施例では、可動スリーブ１２の軸方向位置決め機能を用いて、回転軸の定常回転状態を保ったままで、回転軸２の吐出側端面とその対向面間の隙間、すなわち吐出側スラスト端面の隙間の大きさ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１４から吐出ノズルに至るいかなる流通路の区間も機械的に非接触の状態で、粉流体の遮断・開放ができる。その原理を吐出部１５の詳細図２を用いて説明する。
【００３５】
図２において、２４は回転軸２の吐出側端面、２５は可動スリーブ１２の吐出側端面に締結された吐出プレートである。この吐出側端面２４とその対抗面２６（可動スリーブ１２側）の相対移動面にシール用スラスト溝が２７が形成されている。対抗面２６の中央部に吐出ノズル２８の開口部２９が形成されている。
【００３６】
図１で既に説明したラジアル溝１３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。
【００３７】
またシール用スラスト溝２７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。さて、スラスト軸受の発生できるシール圧力は次式で与えられる。
【００３８】
【式１】
0003873607.tif 000002
【００３９】
（１）式において、ωは回転角速度、Ｒ0はスラスト軸受の外径、Ｒiはスラスト軸受の内径、ｆは溝深さ、溝角度、グルーブ幅とリッジ幅などで決まる関数である。
【００４０】
図３のグラフにおける曲線（イ）は、下記表１の条件下で、スパイラルグルーブ型スラスト溝を用いた場合のギャップδに対するシール圧力ＰSの特性を示すものである。図３のグラフにおける曲線（ロ）は、軸方向流動が無い場合について、ラジアル溝のポンピング圧力と軸先端のギャップδの関係を示す一例である。このラジアル溝のポンピング圧力は、上記スラスト溝同様、ラジアル隙間、溝深さ、溝角度の選択によって広い範囲で選ぶことができる。しかし定性的には、ラジアル溝のポンピング圧力Ｐｒは軸先端の空隙の大きさ（すなわちギャップδの大きさ）に依存しない。
【００４１】
さて、シール用スラスト溝のギャップ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。
【００４２】
軸を回転させたままで、回転軸端面を固定側の対向面に接近させる。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。
【００４３】
図２は流体の流出が遮断された状態を示し、吐出ノズルの開口部２９近傍の流体は、スラスト溝２７によって遠心方向のポンピング作用［図２の矢印］を受けているために、開口部２９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２８内部に残存していた流体は再びポンプ内部に吸引される。その結果、吐出ノズル先端で表面張力による流体魂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。
【００４４】
さて、本発明の実施例では、回転軸を僅か５〜１０μｍ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。
【００４５】
本発明のポイントを要約すれば、スラスト溝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。
【００４６】
なをラジアル溝、スラスト溝いずれも回転側、固定側のどちらに形成してもよい。
【００４７】
また微少粒子が含まれた接着材のような粉流体を塗布する場合は、ギャップδの最小値δｍｉｎは微少粒子径φｄよりも大きく設定すればよい。
【００４８】
【式２】
0003873607.tif 000003
【００４９】
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、回転軸２スラストシールのつば（図示せず）を設けて、その外径を大きくかつ溝深さ、溝角度等に適切な値を選べば良い。
【００５０】
また、連続塗布中にギャップδを変化させれば、流量を連続的に変えることもできる。軸方向駆動手段に電磁歪素子を用いれば、この流量の変化は極めて敏速である。本実施例のこの特徴は、たとえば液晶パネルにシール材を塗布する場合等に効果がだせる。吐出ノズルがコーナー（角）部分を走行する時は、走行スピードが変化するために、線幅を均一にするのは通常困難である。本ディスペンサーを用いれば、必要な個所で流量を微妙かつ高速で変化するように設定（プログラミング）できるため、全個所での線幅を均一に塗布できる。
【００５１】
回転軸を収納するスリーブ（可動スリーブ）は本実施例では円筒形状であるが、本発明の適用はこの円筒形状に留まるものではない。回転軸との隙間が変化できる個所を１箇所でも設けられるならば、スリーブ＝円筒のイメージにとらわれることなく、可動スリーブはどのような形状でもよい。
【００５２】
またスラスト動圧軸受は、実施例のような平板（ｆｌａｔ）型ではなく、円錐（ｃｏｎｉｃａｌ）型、球面（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ）型のいずれを用いても良い。
【００５３】
球面型の場合は、平板型と比較したとき、同じシール圧力を得るのに大きなギャップを選ぶことができるため、より大きな粒径の粉流体に対応できる。
【００５４】
但し球面型、円錐型の場合、軸方向隙間に対する発生圧力の特性が鈍感になるために、底面近傍（吐出ノズル側）の隙間に対して上部（ポンプ室側）の隙間を大きめに設定すればよい。たとえば、回転軸側に設ける球面（凸側）の半径よりも固定側の球面（凹側）の半径を大きく設定してもよい。
【００５５】
円錐型、球面型の場合は、ポンプ室７から吐出ノズル２８に繋がる流路形状がスムーズとなり、粉体の堆積防止に有効である（図示せず）。
【００５６】
また動圧効果が発生できるスパイラルグルーブ、ヘリングボーン以外の型式、たとえば、ステップ軸受、ティルティングパット軸受、あるいは軸受の隙間方向に高い振動を与えて動圧効果を得るスクイーズ・アクション軸受等も適用できる（図示せず）。
【００５７】
また上記実施例において、吐出ノズルを除く他の部分をポンプ部と定義すれば、吐出ノズルとポンプ部は一対の構成であった。しかし用途によっては、一個のポンプ部に複数の吐出ノズルを設ける構成もできる（図示せず）。
【００５８】
【表１】
0003873607.tif 000004
【００５９】
上記実施例では、軸方向駆動手段に積層型圧電素子を用いたが、希土類と鉄の合金である超磁歪アクチュエータを用いてもよい。この場合、電磁コイルとバイアス永久磁石を設ける必要があるが、最大ストロークは積層型と比べて２倍となる。また微少流量を扱うポンプでは、「非接触シール」を構成するためのギャップδのストロークは、大きくとも数十ミクロンのオーダでよく、超磁歪素子、圧電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。
【００６０】
また、高粘度流体を吐出させる場合、ラジアル溝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、軸方向駆動手段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ェータが好ましい。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、可動スリーブ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。
【００６１】
軸方向駆動手段に電磁歪素子を用いることを利用して、可動スリーブの駆動に高周波振動を重畳させれば、吐出ノズル２８に直接軸方向の振動を与えることができる。その結果、吐出ノズル先端近傍に表面張力により通常附着する流体魂が排除され、極めて切れ味のよい塗布ができる。これは、回転軸に対して軸方向相対変位を与える軸方向駆動手段（電磁歪素子）をハウジングと可動スリーブの間に配置したことにより得られる効果である（図示せず）。
【００６２】
本発明は、既に提案中の「流体供給装置及び流体供給方法」（特願２０００−１８８８９９号）と比べて、回転部分に軸方向駆動手段を有しないために、回転数の制約が少なく高速化が図れる。その結果、スラスト動圧シールとラジアル溝ポンプの性能アップが図れる。
【００６３】
また一方、上記特願で提案された様々な内容も適用することができる。
【００６４】
たとえば、紛流体の圧搾・破壊が問題とならない輸送流体を扱う場合は、回転軸の吐出側端面に動圧溝シールを設けなくてもよい。たとえば、吐出流量を抑制する場合は、流体抵抗が対向面間の隙間の３乗に逆比例することを利用して、隙間を僅少にして流体抵抗を増大させてもよい。
【００６５】
以下、本発明の第２の実施例について、図４を用いて説明する。
【００６６】
前述した第１の実施例では、ポンプ室内の流体を圧送する手段にねじ溝をポンプを用いたが、以下示す実施例では圧送手段は装置の外部にあり、外部から供給された高圧流体を非接触でシールする手段として本発明を用いた場合を示す。
【００６７】
１０１はモータであり、回転軸１０２とこのモータを収納する上部ハウジング１０３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１０４は回転軸１０２に固着され、またモータステータ１０５は上部ハウジング１０３に収納されている。回転軸１０２は軸受Ａ１０６、と、軸受Ｂ１０７により支持されている。
【００６８】
１０８は中間ハウジング、１０９は回転軸１０２の吐出側端部に装着されたスラスト動圧シールのつば、１１０は吸入口、１１１は下部ハウジング、１１２は中間ハウジング１０８と下部ハウジング１１１の間に固定されたスラストプレートである。このスラストプレート１１２は軸方向に弾性変形できるようにヒンジ部１１３が形成されている。１１４はつば１０９の端面に形成されたスラスト動圧シールの溝、１１５はスラストプレート１１１の中央部に設けられた吐出通路、１１６はスラストプレート１１１を吸引する電磁ソレノイドである。流量制御の応答性がそれほど要求されない対象の場合は、このような電磁式でもよい。
【００６９】
１１７は、吸入口１１０と吐出通路１１５を連絡するポンプ室、１１８はモータ１０１、軸受１０７部分への流体の侵入を防止する流体シールである。
【００７０】
電磁ソレノイド１１６に電流が印加されていない状態では、つば１０９の端面とその対向面間のギャップ：δは充分に狭く動圧シールの効果によって吐出は遮断されている。電磁ソレノイド１１６に電流を印加すると、電磁石によってスラストプレート１１２を吸引し、ヒンジ部１１３のバネに抗して、上記ギャップ：δを増大させる。スラスト動圧シールの発生圧力が低下し、供給流体の圧力以下になると動圧流体シールはその効果を失い、吐出流路は開放される。
【００７１】
モータにキャンドルモータを用いて、モータのロータとステータ間を輸送流体の流路とし、かつ輸送流体を潤滑流体として利用する動圧軸受で回転体を支持する構成とすれば、機械的なシール部分も無くすることができる（図示せず）。
【００７２】
以上、本発明を用いれば、吸入側から吐出通路に至る全流路を、機械的な非接触状態を保ったままで、紛流体を輸送でき、かつその流量を任意に制御できる。そのため本発明は、流路遮断のための機械的な圧搾と破壊が多くの問題を発生させる紛流体、たとえば、接着材、導電性ぺースト、クリームはんだ、蛍光体材料、あるいは人工血液、磁性流体などの流量制御に極めて効果的である。
【００７３】
その具体的な機器としての適用対象は、微小流量を取り扱う実施例のディスペンサーに限定されるものではなく、たとえば、上述した紛流体の製造プロセスの各種設備・機器にも適用できる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明を用いた流体供給方法により、次の効果が得られる。
（１）吸入側から吐出通路に至る全流路を、機械的な非接触状態を保ったままで、紛流体を輸送し、かつその流量を任意に制御できる。その結果粉体の圧搾破損による流路の詰まり、流体の特性変化などのトラブルが発生しない。
（２）高速吐出遮断と開始ができる。
（３）さらに以下示す特徴を、本発明のポンプは合わせ持つことができる。
【００７５】
▲１▼高粘度流体の高速塗布ができる。
【００７６】
▲２▼超微少量を高精度で吐出できる。
【００７７】
本発明を例えば表面実装のディスペンサー、ＰＤＰ，ＣＲＴディスプレイの蛍光体塗布、液晶パネルのシール材塗布、あるいは紛流体の製造プロセス等に用いれば、その長所をいかんなく発揮でき、効果は絶大なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるディスペンサーを示す正面断面図
【図２】上記実施例の吐出部の拡大断面図
【図３】本発明の原理を説明するグラフ
【図４】本発明の第２の実施例によるディスペンサーを示す正面断面図
【図５】従来例のエアーパルス方式を示す図
【符号の説明】
１    回転させる手段
２    軸
１０  ハウジング
１２  スリーブ
１４  吸入口
１５  吐出口
１６  軸方向駆動手段
【図１】
0003873607.tif 000005
【図２】
0003873607.tif 000006
【図３】
0003873607.tif 000007
【図４】
0003873607.tif 000008
【図５】
0003873607.tif 000009