球状粒子の製造方法
【課題】 所定粒径のそろった球状粒子を信頼性高く安定して製造する。
【解決手段】 本発明は、容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定するとともに、測定された粒子直径をもとに狙い値に近い直径の粒子が得られる操作量を求め実製造工程における操作機器の初期操作量とし、実製造工程では、操作機器を前記初期操作量で作動し、滴下中の粒子間距離をインラインで測定し、測定された粒子間距離を定数が規定された前記所定式に代入して滴下中の粒子直径を算出し、算出された粒子直径に基づいて操作機器を制御することを特徴としている。
【解決手段】 本発明は、容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定するとともに、測定された粒子直径をもとに狙い値に近い直径の粒子が得られる操作量を求め実製造工程における操作機器の初期操作量とし、実製造工程では、操作機器を前記初期操作量で作動し、滴下中の粒子間距離をインラインで測定し、測定された粒子間距離を定数が規定された前記所定式に代入して滴下中の粒子直径を算出し、算出された粒子直径に基づいて操作機器を制御することを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融体から球状粒子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属、樹脂、或いはガラスなどの材料からなる球状の粒子は、溶融体を出発原料として種々の方法で製造されており、例えば特開２０００−１４４２１６号公報には、所定の微小粒径を持ち且つ所定の真球度を持つ球状粒子の製造方法としてＢＧＡ用半田ボールの製造方法が開示されている。これは、滴下ノズルを有する収容容器内の溶融金属に振動を与えながら、該滴下ノズルから溶融金属を冷却液面に滴下させ、該冷媒により冷却して球状金属粒子を製造する方法において、冷媒として球状金属粒子を酸化させず、後処理で除去・分離が容易な潤滑油を用い、また該滴下ノズルから該冷媒液面までの距離を特定の範囲の長さにするとともに、球状金属粒子を洗浄して潤滑剤を除去し、粒径に基づいて分級し、さらに真球度に基づいて選別するものである。
【特許文献１】特開２０００−１４４２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記公報には、ノズルの径及び振動数を調整することにより、潤滑油中に平均値として所望粒径の球状金属粒子を得ることができる、と記載されている。しかし、製造ロット毎に、溶融金属の温度、材質、量など粒径に影響する諸条件は変動するため、これに対応してノズル径及び振動数を調整しなければならないが、具体的な調整方法は開示されていない。経験則をもとに調整するにしても、粒子製造工程後の潤滑油除去、乾燥後の分級工程又は粒径測定工程を経て、はじめて球状粒子が所望の粒径であるか否かが確認されるため、規格外品を大量に製造してしまう恐れがある。また、たとえ平均値としては所望粒径であっても、所定寸法範囲外品が大量に含まれてしまい、歩留まりが低下する恐れもある。即ち、この粒子製造方法はオープンループの製造方式であり、粒子製造中の条件変動には対応できないため、信頼性及び安定性に問題がある。また、潤滑油中から球状金属粒子を取出し、潤滑油を除去する工程が必要であり、製造時間が長くなるだけでなく装置的にも複雑となる。従って、本発明は、溶融体を球状粒子化する工程で、所定粒径のそろった球状粒子を信頼性高く安定して製造することができる球状粒子の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定するとともに、測定された粒子直径をもとに狙い値に近い直径の粒子が得られる操作量を求め実製造工程における操作機器の初期操作量とし、実製造工程では、操作機器を前記初期操作量で作動し、滴下中の粒子間距離をインラインで測定し、測定された粒子間距離を定数が規定された前記所定式に代入して滴下中の粒子直径を算出し、算出された粒子直径に基づいて操作機器を制御することを特徴としている。また、本発明は、容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定し、定数が規定された前記所定式に粒子直径の狙い値を代入して粒子間基準距離を求めるとともに、測定された粒子直径をもとに狙い値に近い直径の粒子が得られる操作量を求め実製造工程における操作機器の初期操作量とし、実製造工程では、操作機器を前記初期操作量で作動し、滴下中の粒子間距離をインラインで測定し、測定された粒子間距離と前記粒子間基準距離とを比較して操作機器を制御することを特徴としている。また、本発明は、容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定し、定数が規定された前記所定式に粒子直径の狙い値を代入して粒子間基準距離を求めるとともに、実製造工程における粒子間距離をその求めた粒子間基準距離にするための操作機器の操作量を所定の調整ルールにより決定することを特徴としている。前記所定式としては、D＝αλ１／３で表される（ここで、Ｄは粒子直径、λは粒子関距離、αは定数である。）を用いることが望ましい。前記発明における粒子間距離の測定は、滴下中の複数の粒子を撮像し、粒子間の距離を画像処理で算出するようにすることが好ましい。また、粒子間距離の測定に当たって、作動距離が滴下ラインと同一寸法となるようにセットした既知寸法のマーキングを撮像して、倍率調整後の画素サイズを自動校正するようにするとよい。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、半田ボールに限らず、実製造開始時から所定の直径の球状粒子を製造できるので、大量に規格外品を製造してしまうことがない。また、製造中の球状粒子の直径を精度よく監視し、これをもとに製造条件を調整することができるので、所望の粒径範囲の球状粒子を信頼性高く製造することができる。また、粒径のばらつきが大きく、大量に規格外品を含むような球状粒子を後工程に流すことがないので、生産効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
球状粒子は種々の製品があり、その性状及び材質によって種々の製造方法が採られるが、本発明は、容器内の溶融体を細孔から注出・滴下して球状化させる製品に適用できるものである。なお、溶融体は、自重で注出される場合だけでなく、容器内に圧力をかけて注出される場合も多く、注出される方向も必ずしも鉛直方法とは限らないが、以下、半田ボール（以下単にボールと言う）を対象とし、重力方向に注出される例で説明する。なお、本発明でいう製造方法は、容器内の溶融体を細孔から注出・滴下して球状化させる工程に係わるものであり、球状粒子形成後の分級、検査等の後工程を規定するものではない。
【０００７】
図１は本発明に係わるボール製造装置の一例を示す概略図である。溶融金属（以下、溶湯と称す）１は、細孔３を有した容器２に、温度調節手段（図示せず）で所定の温度に調整されて収容されており、容器２は配管を介してガス調圧手段と接続され、内部を所定圧力に調整することができる。細孔３は、所望のボール直径に合せて、所定の穴径を有した形状に形成されている。容器２内の細孔３の上方には加振ロッド４が配設され、例えばピエゾ素子のような振動子５により、所定の振動数と振幅を溶湯１に付与することができる。細孔３の下方で、細孔から滴下してほぼ球状に分離されたボール６の落下ラインの左右には、ボール６を撮像するためのカメラ７とストロボランプ８が配設されている。前記ガス調圧手段、振動子５、カメラ７及びストロボランプ８は、制御装置９に電気的に接続されている。制御装置９にはパソコンなどの演算・記憶手段や画像処理手段が備えられている。
【０００８】
ストロボランプ８は振動子５の周波数に同期して発光し、カメラ７は略球状に形成された複数のボール６を静止画像として撮像することができる。カメラ７には、視野内に少なくとも２個のボール６が撮像されるような倍率の光学系が装着される。撮像された静止画像は制御装置９に送られ、画像処理等で後述する所定の処理が行われる。なお、静止画像を得るためには、ストロボランプ８に代え、連続照明光発光手段とシャッターを用い、シャッターを振動子５の周波数に同期させて開閉するようにしてもよい。
【０００９】
次にボールの製造方法について説明する。ボール６の製造は、溶湯１が保持された容器２内にガス調圧手段で所定圧力を付与するとともに、溶湯１に浸漬した加振ロッド４に振動子５から高周波振動を伝え、溶湯１を所定速度で細孔３から注出させることにより行う。細孔３を通過した直後の溶湯１は柱状であるが、直ぐに付加された振動により分断されて滴下し、冷却されて球状となる。溶湯温度、容器内圧力、振動数などを制御する温度調節手段、ガス調圧手段、振動子の操作機器は、ボールの材質や量及び所望の直径に合せ、かつ形成された細孔３の性状等を考慮した経験的に得られた所定の操作量に設定される。この操作量によって、細孔３を通過した液柱の断面積、注出速度及び分断タイミングが決まり、ボール６の直径が規定される。
【００１０】
上述したように、各操作機器の基本的な操作量は経験的に求められているが、溶湯温度や、細孔の形状や面粗さ等のばらつきにより溶湯が細孔を通過する時の抵抗や通過後の温度などを常に同一とすることは難しく、操作量が同じでも形成されるボールの直径が常に狙い値どおりになるとは限らない。これは、製造ロットが異なると特に著しくなる。また、同じ製造ロットであっても、製造中の時間経過に伴い、溶湯の温度変化による粘度や比重などの物性値変動や、細孔穴部への溶湯の付着や表面の損傷など細孔性状変動や、溶湯量の減少などに伴う押出し力の変動などにより液柱の断面積や速度などが変動すると、分断されたボールの容量が変動しボール直径が変動してくる。従って、所定寸法範囲のボールを安定して得るためには、ボール製造中にインラインでボール直径に関する情報を求め、この情報をもとにインラインで制御可能なガス調圧手段、振動子などの操作機器を適宜制御することが好ましく、さらに製造ロットに係わらず製造開始時から狙い値どおりのボールが得られるように操作機器の初期操作量を設定することが望ましい。
【００１１】
そのために、実際の製造に入る前にまず少量のボールを製造するサンプル製造を行う。サンプル製造は、対象のボールに対して経験的に得られている基本的な操作量をもとにし、圧力や振動数などの条件を変えたｎ種類の組み合わせで行い、各サンプル製造時のボール直径を測定する。通常、サンプル製造条件に応じて異なった直径のボールが得られるため、狙い値に近い直径のボールが得られた時の条件を抽出し、それを実製造に用いるという方法を採用することが考えられる。しかし、そのためにはｎ数を大きくする必要があり、その分生産効率が低下するし、また必ずしも狙い値に近い直径のボールが得られるとは限らない。このため、少ないサンプル製造（ｎ＝１〜４程度）で操作量を決定できるような方法を採用することが望まれる。初期操作量を決定するだけであれば、前記サンプル製造で得られたボール直径が狙い値に近いものがなくても、多数の製造実績をもとにした経験則などから適宜決めるようにすることもできるが、実際に形成されるボール直径を確認したり、製造中の操作量を見ながら操作機器を制御するためには、ボール直径情報を有する制御量がインラインで求められなければならない。
【００１２】
ボール直径に係わる制御量としては、ボール直径そのものを用いてもよいが、本発明者らはボール間距離を用いた方が好ましいことを見出し、制御量としてボール間距離を用いることにした。即ち、本発明者らは、下記で示される理論式１より、ボール直径Ｄと滴下してほぼ球状となった時のボール間距離λとに相関があることに着目し、後述するようにボール間距離の変動の方が、ボール直径の変動より感度高く表れること、かつ正確に球状に形成されていなくても安定して計測できることを実験により確認した。式１は、オリフィスから出た単位時間当たりの液中の重量とこれから分離して球状化した全ボールの重量は等しい、ということから導かれたものである。なお、インラインでボール間距離を測定する方法については後述する。
Ｄ＝αλ１／３ …（１）
定数αは、サンプル製造時に測定したボール直径とボール間距離を、式１のＤ、λに代入することで算出できる。実際には、ボール直径やボール間距離の測定誤差、溶湯温度の変動などでばらついて異なる値となることがあるため、例えば平均値を計算して用いるとよい。
【００１３】
その製造ロット用の定数αが規定されると、製造するボール直径の狙い値を式１のＤに代入することで、制御量としてのボール間距離の基準値λｓを求めることができる。製造開始時にボール間距離を基準値λｓにするための操作機器の初期操作量は、製造時に収集したデータをもとにした調整ルールを決めておき、これをもとに決定すればよい。なお、サンプル製造において、ボール直径Ｄが狙い値にほぼ一致するような場合、ボール間距離の基準値λｓはその時の測定値を用い、操作機器の初期操作量もその時のものを用いるようにしてもよい。
【００１４】
ボール間距離λは、後述するようにインラインで測定するため、製造中に基準値λｓと比較することで、製造されているボールの直径に係わる情報をモニター表示したり、操作機器を制御したりすることができる。即ち、製造開始直後においては、ボールが所望の狙い値通りにあるか否かをモニタリングし、製造されたボール直径が狙い値から所定範囲外れている場合は、アラームを発して製造を中止するようにするとよい。また製造中においては、ボール直径を所定寸法範囲内に維持するように制御を行うようにするとよい。制御は、手動でも自動でもいずれで行ってもよい。手動で制御する場合は、測定されるボール間距離λをもとに、例えば前記式１からボール直径又はボール直径の変動値を算出し、ボールの寸法履歴などが視覚的、感覚的にわかるようにモニタ表示すると、操作者は経験や或は予め決めたマニュアルなどをもとに制御すべき操作機器に対し適切な微調整を行うことができる。また、自動で制御する場合は、例えば制御量の偏差と各操作機器の操作方法の関係を制御ルールとして設定しておけば、公知の方法でフィードバック制御をすることができる。
【００１５】
ここで、ボール直径の変動とボール間距離の変動の関係について説明する。図２は、直径の異なる４種類のボールを製造した時の、ボール直径変動とボール間の距離変動との関係の一例を示したものである。例えば、直径３００μｍのボールの場合、直径が１μｍ大きくなる毎にボール間の距離が約９μｍ長くなっており、また、直径６００μｍのボールの場合、直径が１μｍ大きくなる毎にボール間の距離が約４μｍ長くなっており、直径の小さなボールほど、直径の変動がボール間の距離変動として大きく表われることがわかる。即ち、形成されるボール直径の変動は、滴下するボール６間の距離変動として、数倍〜十数倍に拡大されて表われる。このことは、ボールを撮像して画像処理で寸法計測する場合、画像分解能が同じであれば、ボール間の距離を算出する方が、直径を算出するよりも数倍〜十数倍精度よく算出できることを示している。従って、ボール間距離を計測してボール直径の変動に換算すれば、精度高くボール直径を捉えることができることになり、ボール間距離を制御量として設定することが有効であることがわかる。
【００１６】
次に、ボール間距離をインラインで算出する方法を詳細に説明する。前述したように、カメラ７の視野内には少なくとも２個のボール６が撮像されるようにし、画像処理でボール６の重心を演算し、ボール６の重心間距離を算出する。精密に距離を算出するためには、光学系の倍率を高くし１画素当たりの分解能を上げることが好ましいが、ボール直径によってボール間距離が異なるので、ボール直径が変わっても視野内に同一数のボールを撮像するとすると、ボール間距離が小さいものほど倍率を上げて撮像することができることになる。このために、カメラ７に倍率変更手段を装着しておくとよく、製造する種々のボール直径に合わせて適宜倍率調整を行うためには、ズームレンズのように連続的に倍率を変えることができるものを装着することが好ましい。また、ストロボランプ８にコリメータを設置して平行光とし、カメラレンズにテレセントリックレンズを使用すると、落下中のボール６がふらついたり曲がったりして作動距離が多少変動しても、測定精度にはほとんど影響を与えないためさらに好ましい。また、何らかの原因でボール６が斜めに落下した場合でも、ボール間距離を正しく算出するためには、上記光学系を例えば直交するように２組配置し、各々の撮像画像から落下角度を算出し、補正するようにするとよい。
【００１７】
ズームレンズにより倍率を調整する場合、撮像素子１画素当たりの実際の測定寸法、即ち画素サイズが連続的に変わるため、都度校正することが必要となる。このため、図３に示すように、その表面に寸法が既知のマーキングが施された校正治具１０を用い、倍率調整後のカメラ７でマーキングを撮像することで、寸法ｓに相当する画素数から画素サイズを正確にかつ即座に算出することができる。マーキングとしては、直径寸法がｓの円形パターンや、複数の点又は線を中心間距離が寸法ｓとなるように形成したパターンを用いるとよい。また、校正治具１０を、その表面がカメラ７に対しボール６の落下ラインとほぼ同じ距離になるように設置すれば、画素サイズの算出にカメラ７からの距離の違いを考慮する必要がなくなるだけでなく、製造前にマーキングに焦点を合わせておくことで、製造中のボール６へピント合わせを行う操作が不要となる。この時、ボールの落下ライン近くに設置して、カメラ７でボール６と同時に撮像するようにすれば、製造中にリアルタイムで画素サイズの校正を行うことも可能となり、気温の変化などによる光学系の変動など誤差要因をキャンセルした精度のよい測定を行うことができる。
【００１８】
また、ボール製造装置によっては、滴下中のボール６が合体することを阻止するため、落下ライン回りにボール６に電気的反発力を付与するための荷電部が設けられたものがある。このような製造設備を用いる場合、ボール落下ラインに校正治具１０を近づけすぎると、電荷などの影響により校正治具１０にボール６が引っ張られて付着したり、ボール経路が大きく曲がったりする不具合が発生することがある。これを防止するために、校正治具１０をセラミックなど電気的な絶縁材とするとよい。また、絶縁材を用いない校正治具１０であっても、カメラ７とボール落下ライン間のカメラ光軸上に、４５度の傾きをもったハーフミラー１１を設け、ハーフミラー１１の反射光軸上で、光路長がカメラ７とボール６間の距離と等しくなる位置に校正治具１０を設置することで、電荷部の影響を受けないようにすることもできる。
【００１９】
また、画素サイズを製造前に校正するだけでボールを製造する場合には、校正治具１０を移動できるようにし、製造時には電荷部から離れた位置に退避するようにしてもよい。逆に、カメラ７を水平移動あるいは旋回できるようにし、移動後の所定位置において、カメラ７の撮像中心線に対向し、カメラ７からの距離がボール６までの距離と同じで電荷部から離れた位置に校正治具１０を設置するようにしてもよい。また、前記ハーフミラー１１に代えてフルミラーを用い、フルミラーを退避させるようにしてもよい。
【００２０】
ボール間距離は、校正された画素サイズをもとに撮像画像から算出するが、１画面内のボール間距離を平均したり、複数の画面分を平均したりしてデータ処理して算出するとよく、これらをさらに移動平均処理すると、変動を連続的に大きく捉えることができ、操作機器の制御処理が容易になる。なお、ボール間距離の算出は、カメラ７による撮像画像を画像処理して求める方法だけでなく、ボール落下ラインの、落下速度が安定した所定位置において、落下中のボール６をレーザや近接センサや静電容量センサなどの非接触式物体検出センサを用いて検出し、その検出時間間隔をもとにして行うこともできる。この場合のボール距離の測定精度は、センサの応答性とボール６の落下速度の安定性で決まる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明を実施する製造システムの概念図である。
【図２】滴下するボールの直径変動と距離間隔変動の関係を示す図である。
【図３】マーキングが形成された校正治具の撮像例を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１・・溶融金属、 ２・・容器、 ３・・細孔、 ４・・加振ロッド、５・・振動子、 ６・・ボール、 ７・・カメラ、 ８・・ストロボランプ、９・・制御装置、
１０・・校正治具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融体から球状粒子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属、樹脂、或いはガラスなどの材料からなる球状の粒子は、溶融体を出発原料として種々の方法で製造されており、例えば特開２０００−１４４２１６号公報には、所定の微小粒径を持ち且つ所定の真球度を持つ球状粒子の製造方法としてＢＧＡ用半田ボールの製造方法が開示されている。これは、滴下ノズルを有する収容容器内の溶融金属に振動を与えながら、該滴下ノズルから溶融金属を冷却液面に滴下させ、該冷媒により冷却して球状金属粒子を製造する方法において、冷媒として球状金属粒子を酸化させず、後処理で除去・分離が容易な潤滑油を用い、また該滴下ノズルから該冷媒液面までの距離を特定の範囲の長さにするとともに、球状金属粒子を洗浄して潤滑剤を除去し、粒径に基づいて分級し、さらに真球度に基づいて選別するものである。
【特許文献１】特開２０００−１４４２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記公報には、ノズルの径及び振動数を調整することにより、潤滑油中に平均値として所望粒径の球状金属粒子を得ることができる、と記載されている。しかし、製造ロット毎に、溶融金属の温度、材質、量など粒径に影響する諸条件は変動するため、これに対応してノズル径及び振動数を調整しなければならないが、具体的な調整方法は開示されていない。経験則をもとに調整するにしても、粒子製造工程後の潤滑油除去、乾燥後の分級工程又は粒径測定工程を経て、はじめて球状粒子が所望の粒径であるか否かが確認されるため、規格外品を大量に製造してしまう恐れがある。また、たとえ平均値としては所望粒径であっても、所定寸法範囲外品が大量に含まれてしまい、歩留まりが低下する恐れもある。即ち、この粒子製造方法はオープンループの製造方式であり、粒子製造中の条件変動には対応できないため、信頼性及び安定性に問題がある。また、潤滑油中から球状金属粒子を取出し、潤滑油を除去する工程が必要であり、製造時間が長くなるだけでなく装置的にも複雑となる。従って、本発明は、溶融体を球状粒子化する工程で、所定粒径のそろった球状粒子を信頼性高く安定して製造することができる球状粒子の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定するとともに、測定された粒子直径をもとに狙い値に近い直径の粒子が得られる操作量を求め実製造工程における操作機器の初期操作量とし、実製造工程では、操作機器を前記初期操作量で作動し、滴下中の粒子間距離をインラインで測定し、測定された粒子間距離を定数が規定された前記所定式に代入して滴下中の粒子直径を算出し、算出された粒子直径に基づいて操作機器を制御することを特徴としている。また、本発明は、容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定し、定数が規定された前記所定式に粒子直径の狙い値を代入して粒子間基準距離を求めるとともに、測定された粒子直径をもとに狙い値に近い直径の粒子が得られる操作量を求め実製造工程における操作機器の初期操作量とし、実製造工程では、操作機器を前記初期操作量で作動し、滴下中の粒子間距離をインラインで測定し、測定された粒子間距離と前記粒子間基準距離とを比較して操作機器を制御することを特徴としている。また、本発明は、容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定し、定数が規定された前記所定式に粒子直径の狙い値を代入して粒子間基準距離を求めるとともに、実製造工程における粒子間距離をその求めた粒子間基準距離にするための操作機器の操作量を所定の調整ルールにより決定することを特徴としている。前記所定式としては、D＝αλ１／３で表される（ここで、Ｄは粒子直径、λは粒子関距離、αは定数である。）を用いることが望ましい。前記発明における粒子間距離の測定は、滴下中の複数の粒子を撮像し、粒子間の距離を画像処理で算出するようにすることが好ましい。また、粒子間距離の測定に当たって、作動距離が滴下ラインと同一寸法となるようにセットした既知寸法のマーキングを撮像して、倍率調整後の画素サイズを自動校正するようにするとよい。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、半田ボールに限らず、実製造開始時から所定の直径の球状粒子を製造できるので、大量に規格外品を製造してしまうことがない。また、製造中の球状粒子の直径を精度よく監視し、これをもとに製造条件を調整することができるので、所望の粒径範囲の球状粒子を信頼性高く製造することができる。また、粒径のばらつきが大きく、大量に規格外品を含むような球状粒子を後工程に流すことがないので、生産効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
球状粒子は種々の製品があり、その性状及び材質によって種々の製造方法が採られるが、本発明は、容器内の溶融体を細孔から注出・滴下して球状化させる製品に適用できるものである。なお、溶融体は、自重で注出される場合だけでなく、容器内に圧力をかけて注出される場合も多く、注出される方向も必ずしも鉛直方法とは限らないが、以下、半田ボール（以下単にボールと言う）を対象とし、重力方向に注出される例で説明する。なお、本発明でいう製造方法は、容器内の溶融体を細孔から注出・滴下して球状化させる工程に係わるものであり、球状粒子形成後の分級、検査等の後工程を規定するものではない。
【０００７】
図１は本発明に係わるボール製造装置の一例を示す概略図である。溶融金属（以下、溶湯と称す）１は、細孔３を有した容器２に、温度調節手段（図示せず）で所定の温度に調整されて収容されており、容器２は配管を介してガス調圧手段と接続され、内部を所定圧力に調整することができる。細孔３は、所望のボール直径に合せて、所定の穴径を有した形状に形成されている。容器２内の細孔３の上方には加振ロッド４が配設され、例えばピエゾ素子のような振動子５により、所定の振動数と振幅を溶湯１に付与することができる。細孔３の下方で、細孔から滴下してほぼ球状に分離されたボール６の落下ラインの左右には、ボール６を撮像するためのカメラ７とストロボランプ８が配設されている。前記ガス調圧手段、振動子５、カメラ７及びストロボランプ８は、制御装置９に電気的に接続されている。制御装置９にはパソコンなどの演算・記憶手段や画像処理手段が備えられている。
【０００８】
ストロボランプ８は振動子５の周波数に同期して発光し、カメラ７は略球状に形成された複数のボール６を静止画像として撮像することができる。カメラ７には、視野内に少なくとも２個のボール６が撮像されるような倍率の光学系が装着される。撮像された静止画像は制御装置９に送られ、画像処理等で後述する所定の処理が行われる。なお、静止画像を得るためには、ストロボランプ８に代え、連続照明光発光手段とシャッターを用い、シャッターを振動子５の周波数に同期させて開閉するようにしてもよい。
【０００９】
次にボールの製造方法について説明する。ボール６の製造は、溶湯１が保持された容器２内にガス調圧手段で所定圧力を付与するとともに、溶湯１に浸漬した加振ロッド４に振動子５から高周波振動を伝え、溶湯１を所定速度で細孔３から注出させることにより行う。細孔３を通過した直後の溶湯１は柱状であるが、直ぐに付加された振動により分断されて滴下し、冷却されて球状となる。溶湯温度、容器内圧力、振動数などを制御する温度調節手段、ガス調圧手段、振動子の操作機器は、ボールの材質や量及び所望の直径に合せ、かつ形成された細孔３の性状等を考慮した経験的に得られた所定の操作量に設定される。この操作量によって、細孔３を通過した液柱の断面積、注出速度及び分断タイミングが決まり、ボール６の直径が規定される。
【００１０】
上述したように、各操作機器の基本的な操作量は経験的に求められているが、溶湯温度や、細孔の形状や面粗さ等のばらつきにより溶湯が細孔を通過する時の抵抗や通過後の温度などを常に同一とすることは難しく、操作量が同じでも形成されるボールの直径が常に狙い値どおりになるとは限らない。これは、製造ロットが異なると特に著しくなる。また、同じ製造ロットであっても、製造中の時間経過に伴い、溶湯の温度変化による粘度や比重などの物性値変動や、細孔穴部への溶湯の付着や表面の損傷など細孔性状変動や、溶湯量の減少などに伴う押出し力の変動などにより液柱の断面積や速度などが変動すると、分断されたボールの容量が変動しボール直径が変動してくる。従って、所定寸法範囲のボールを安定して得るためには、ボール製造中にインラインでボール直径に関する情報を求め、この情報をもとにインラインで制御可能なガス調圧手段、振動子などの操作機器を適宜制御することが好ましく、さらに製造ロットに係わらず製造開始時から狙い値どおりのボールが得られるように操作機器の初期操作量を設定することが望ましい。
【００１１】
そのために、実際の製造に入る前にまず少量のボールを製造するサンプル製造を行う。サンプル製造は、対象のボールに対して経験的に得られている基本的な操作量をもとにし、圧力や振動数などの条件を変えたｎ種類の組み合わせで行い、各サンプル製造時のボール直径を測定する。通常、サンプル製造条件に応じて異なった直径のボールが得られるため、狙い値に近い直径のボールが得られた時の条件を抽出し、それを実製造に用いるという方法を採用することが考えられる。しかし、そのためにはｎ数を大きくする必要があり、その分生産効率が低下するし、また必ずしも狙い値に近い直径のボールが得られるとは限らない。このため、少ないサンプル製造（ｎ＝１〜４程度）で操作量を決定できるような方法を採用することが望まれる。初期操作量を決定するだけであれば、前記サンプル製造で得られたボール直径が狙い値に近いものがなくても、多数の製造実績をもとにした経験則などから適宜決めるようにすることもできるが、実際に形成されるボール直径を確認したり、製造中の操作量を見ながら操作機器を制御するためには、ボール直径情報を有する制御量がインラインで求められなければならない。
【００１２】
ボール直径に係わる制御量としては、ボール直径そのものを用いてもよいが、本発明者らはボール間距離を用いた方が好ましいことを見出し、制御量としてボール間距離を用いることにした。即ち、本発明者らは、下記で示される理論式１より、ボール直径Ｄと滴下してほぼ球状となった時のボール間距離λとに相関があることに着目し、後述するようにボール間距離の変動の方が、ボール直径の変動より感度高く表れること、かつ正確に球状に形成されていなくても安定して計測できることを実験により確認した。式１は、オリフィスから出た単位時間当たりの液中の重量とこれから分離して球状化した全ボールの重量は等しい、ということから導かれたものである。なお、インラインでボール間距離を測定する方法については後述する。
Ｄ＝αλ１／３ …（１）
定数αは、サンプル製造時に測定したボール直径とボール間距離を、式１のＤ、λに代入することで算出できる。実際には、ボール直径やボール間距離の測定誤差、溶湯温度の変動などでばらついて異なる値となることがあるため、例えば平均値を計算して用いるとよい。
【００１３】
その製造ロット用の定数αが規定されると、製造するボール直径の狙い値を式１のＤに代入することで、制御量としてのボール間距離の基準値λｓを求めることができる。製造開始時にボール間距離を基準値λｓにするための操作機器の初期操作量は、製造時に収集したデータをもとにした調整ルールを決めておき、これをもとに決定すればよい。なお、サンプル製造において、ボール直径Ｄが狙い値にほぼ一致するような場合、ボール間距離の基準値λｓはその時の測定値を用い、操作機器の初期操作量もその時のものを用いるようにしてもよい。
【００１４】
ボール間距離λは、後述するようにインラインで測定するため、製造中に基準値λｓと比較することで、製造されているボールの直径に係わる情報をモニター表示したり、操作機器を制御したりすることができる。即ち、製造開始直後においては、ボールが所望の狙い値通りにあるか否かをモニタリングし、製造されたボール直径が狙い値から所定範囲外れている場合は、アラームを発して製造を中止するようにするとよい。また製造中においては、ボール直径を所定寸法範囲内に維持するように制御を行うようにするとよい。制御は、手動でも自動でもいずれで行ってもよい。手動で制御する場合は、測定されるボール間距離λをもとに、例えば前記式１からボール直径又はボール直径の変動値を算出し、ボールの寸法履歴などが視覚的、感覚的にわかるようにモニタ表示すると、操作者は経験や或は予め決めたマニュアルなどをもとに制御すべき操作機器に対し適切な微調整を行うことができる。また、自動で制御する場合は、例えば制御量の偏差と各操作機器の操作方法の関係を制御ルールとして設定しておけば、公知の方法でフィードバック制御をすることができる。
【００１５】
ここで、ボール直径の変動とボール間距離の変動の関係について説明する。図２は、直径の異なる４種類のボールを製造した時の、ボール直径変動とボール間の距離変動との関係の一例を示したものである。例えば、直径３００μｍのボールの場合、直径が１μｍ大きくなる毎にボール間の距離が約９μｍ長くなっており、また、直径６００μｍのボールの場合、直径が１μｍ大きくなる毎にボール間の距離が約４μｍ長くなっており、直径の小さなボールほど、直径の変動がボール間の距離変動として大きく表われることがわかる。即ち、形成されるボール直径の変動は、滴下するボール６間の距離変動として、数倍〜十数倍に拡大されて表われる。このことは、ボールを撮像して画像処理で寸法計測する場合、画像分解能が同じであれば、ボール間の距離を算出する方が、直径を算出するよりも数倍〜十数倍精度よく算出できることを示している。従って、ボール間距離を計測してボール直径の変動に換算すれば、精度高くボール直径を捉えることができることになり、ボール間距離を制御量として設定することが有効であることがわかる。
【００１６】
次に、ボール間距離をインラインで算出する方法を詳細に説明する。前述したように、カメラ７の視野内には少なくとも２個のボール６が撮像されるようにし、画像処理でボール６の重心を演算し、ボール６の重心間距離を算出する。精密に距離を算出するためには、光学系の倍率を高くし１画素当たりの分解能を上げることが好ましいが、ボール直径によってボール間距離が異なるので、ボール直径が変わっても視野内に同一数のボールを撮像するとすると、ボール間距離が小さいものほど倍率を上げて撮像することができることになる。このために、カメラ７に倍率変更手段を装着しておくとよく、製造する種々のボール直径に合わせて適宜倍率調整を行うためには、ズームレンズのように連続的に倍率を変えることができるものを装着することが好ましい。また、ストロボランプ８にコリメータを設置して平行光とし、カメラレンズにテレセントリックレンズを使用すると、落下中のボール６がふらついたり曲がったりして作動距離が多少変動しても、測定精度にはほとんど影響を与えないためさらに好ましい。また、何らかの原因でボール６が斜めに落下した場合でも、ボール間距離を正しく算出するためには、上記光学系を例えば直交するように２組配置し、各々の撮像画像から落下角度を算出し、補正するようにするとよい。
【００１７】
ズームレンズにより倍率を調整する場合、撮像素子１画素当たりの実際の測定寸法、即ち画素サイズが連続的に変わるため、都度校正することが必要となる。このため、図３に示すように、その表面に寸法が既知のマーキングが施された校正治具１０を用い、倍率調整後のカメラ７でマーキングを撮像することで、寸法ｓに相当する画素数から画素サイズを正確にかつ即座に算出することができる。マーキングとしては、直径寸法がｓの円形パターンや、複数の点又は線を中心間距離が寸法ｓとなるように形成したパターンを用いるとよい。また、校正治具１０を、その表面がカメラ７に対しボール６の落下ラインとほぼ同じ距離になるように設置すれば、画素サイズの算出にカメラ７からの距離の違いを考慮する必要がなくなるだけでなく、製造前にマーキングに焦点を合わせておくことで、製造中のボール６へピント合わせを行う操作が不要となる。この時、ボールの落下ライン近くに設置して、カメラ７でボール６と同時に撮像するようにすれば、製造中にリアルタイムで画素サイズの校正を行うことも可能となり、気温の変化などによる光学系の変動など誤差要因をキャンセルした精度のよい測定を行うことができる。
【００１８】
また、ボール製造装置によっては、滴下中のボール６が合体することを阻止するため、落下ライン回りにボール６に電気的反発力を付与するための荷電部が設けられたものがある。このような製造設備を用いる場合、ボール落下ラインに校正治具１０を近づけすぎると、電荷などの影響により校正治具１０にボール６が引っ張られて付着したり、ボール経路が大きく曲がったりする不具合が発生することがある。これを防止するために、校正治具１０をセラミックなど電気的な絶縁材とするとよい。また、絶縁材を用いない校正治具１０であっても、カメラ７とボール落下ライン間のカメラ光軸上に、４５度の傾きをもったハーフミラー１１を設け、ハーフミラー１１の反射光軸上で、光路長がカメラ７とボール６間の距離と等しくなる位置に校正治具１０を設置することで、電荷部の影響を受けないようにすることもできる。
【００１９】
また、画素サイズを製造前に校正するだけでボールを製造する場合には、校正治具１０を移動できるようにし、製造時には電荷部から離れた位置に退避するようにしてもよい。逆に、カメラ７を水平移動あるいは旋回できるようにし、移動後の所定位置において、カメラ７の撮像中心線に対向し、カメラ７からの距離がボール６までの距離と同じで電荷部から離れた位置に校正治具１０を設置するようにしてもよい。また、前記ハーフミラー１１に代えてフルミラーを用い、フルミラーを退避させるようにしてもよい。
【００２０】
ボール間距離は、校正された画素サイズをもとに撮像画像から算出するが、１画面内のボール間距離を平均したり、複数の画面分を平均したりしてデータ処理して算出するとよく、これらをさらに移動平均処理すると、変動を連続的に大きく捉えることができ、操作機器の制御処理が容易になる。なお、ボール間距離の算出は、カメラ７による撮像画像を画像処理して求める方法だけでなく、ボール落下ラインの、落下速度が安定した所定位置において、落下中のボール６をレーザや近接センサや静電容量センサなどの非接触式物体検出センサを用いて検出し、その検出時間間隔をもとにして行うこともできる。この場合のボール距離の測定精度は、センサの応答性とボール６の落下速度の安定性で決まる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明を実施する製造システムの概念図である。
【図２】滴下するボールの直径変動と距離間隔変動の関係を示す図である。
【図３】マーキングが形成された校正治具の撮像例を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１・・溶融金属、 ２・・容器、 ３・・細孔、 ４・・加振ロッド、５・・振動子、 ６・・ボール、 ７・・カメラ、 ８・・ストロボランプ、９・・制御装置、
１０・・校正治具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、
サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定するとともに、測定された粒子直径をもとに狙い値に近い直径の粒子が得られる操作量を求め実製造工程における操作機器の初期操作量とし、
実製造工程では、操作機器を前記初期操作量で作動し、滴下中の粒子間距離をインラインで測定し、測定された粒子間距離を定数が規定された前記所定式に代入して滴下中の粒子直径を算出し、算出された粒子直径に基づいて操作機器を制御することを特徴とする球状粒子の製造方法。
【請求項２】
容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、
サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定し、定数が規定された前記所定式に粒子直径の狙い値を代入して粒子間基準距離を求めるとともに、測定された粒子直径をもとに狙い値に近い直径の粒子が得られる操作量を求め実製造工程における操作機器の初期操作量とし、
実製造工程では、操作機器を前記初期操作量で作動し、滴下中の粒子間距離をインラインで測定し、測定された粒子間距離と前記粒子間基準距離とを比較して操作機器を制御することを特徴とする球状粒子の製造方法。
【請求項３】
容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、
サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定し、定数が規定された前記所定式に粒子直径の狙い値を代入して粒子間基準距離を求めるとともに、実製造工程における粒子間距離をその求めた粒子間基準距離にするための操作機器の操作量を所定の調整ルールにより決定することを特徴とする球状粒子の製造方法。
【請求項４】
前記所定式が、D＝αλ１／３で表される（ここで、Ｄは粒子直径、λは粒子関距離、αは定数である。）ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の球状粒子の製造方法。
【請求項５】
滴下中の複数の粒子を撮像し、粒子間の距離を画像処理で算出する請求項１乃至４のいずれかに記載の球状粒子の製造方法。
【請求項６】
作動距離が滴下ラインと同一寸法となるようにセットした既知寸法のマーキングを撮像して、倍率調整後の画素サイズを自動校正する請求項５記載の球状粒子の製造方法。
【請求項１】
容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、
サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定するとともに、測定された粒子直径をもとに狙い値に近い直径の粒子が得られる操作量を求め実製造工程における操作機器の初期操作量とし、
実製造工程では、操作機器を前記初期操作量で作動し、滴下中の粒子間距離をインラインで測定し、測定された粒子間距離を定数が規定された前記所定式に代入して滴下中の粒子直径を算出し、算出された粒子直径に基づいて操作機器を制御することを特徴とする球状粒子の製造方法。
【請求項２】
容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、
サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定し、定数が規定された前記所定式に粒子直径の狙い値を代入して粒子間基準距離を求めるとともに、測定された粒子直径をもとに狙い値に近い直径の粒子が得られる操作量を求め実製造工程における操作機器の初期操作量とし、
実製造工程では、操作機器を前記初期操作量で作動し、滴下中の粒子間距離をインラインで測定し、測定された粒子間距離と前記粒子間基準距離とを比較して操作機器を制御することを特徴とする球状粒子の製造方法。
【請求項３】
容器内の細孔から溶融体を注出して球状粒子を製造する方法において、所定直径の粒子を製造するための実製造工程と、実製造工程に先立って行うサンプル製造工程とを有し、
サンプル製造工程では、オリフィスから滴下された粒子直径と粒子間距離を測定し、これらのデータを粒子直径と粒子間距離との相関を表した所定式に代入して所定式中の定数を規定し、定数が規定された前記所定式に粒子直径の狙い値を代入して粒子間基準距離を求めるとともに、実製造工程における粒子間距離をその求めた粒子間基準距離にするための操作機器の操作量を所定の調整ルールにより決定することを特徴とする球状粒子の製造方法。
【請求項４】
前記所定式が、D＝αλ１／３で表される（ここで、Ｄは粒子直径、λは粒子関距離、αは定数である。）ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の球状粒子の製造方法。
【請求項５】
滴下中の複数の粒子を撮像し、粒子間の距離を画像処理で算出する請求項１乃至４のいずれかに記載の球状粒子の製造方法。
【請求項６】
作動距離が滴下ラインと同一寸法となるようにセットした既知寸法のマーキングを撮像して、倍率調整後の画素サイズを自動校正する請求項５記載の球状粒子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−３３０９６８（Ｐ２００７−３３０９６８Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３２８７９（Ｐ２００７−２３２８７９）
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【分割の表示】特願２００２−９４９５９（Ｐ２００２−９４９５９）の分割
【原出願日】平成１４年３月２９日（２００２．３．２９）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【分割の表示】特願２００２−９４９５９（Ｐ２００２−９４９５９）の分割
【原出願日】平成１４年３月２９日（２００２．３．２９）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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