JP2009061389A - 水圧制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リップルのない高圧流水発生によってより均一で高度な洗浄要求に応えることが可能な水圧制御方法を提供すること。
【解決手段】昇圧ポンプＡ１と該昇圧ポンプＡ１を駆動するモータＡ２、及び出力水圧をモニタリングする水圧センサＡ４などで構成した高圧水発生機構を用いて、水を使用する洗浄装置などに利用する高水圧流水を発生させる方式に於いて、出力すべき設定圧力と出力水圧センサ値とを比較し、比較結果をローパス出力とハイパス出力に分別し、かつそれぞれの出力にゲインをかけ、両出力を駆動モータＡ２にフィードバックするとともに、前記ゲインをかけた出力で流量制御機構Ｄ１を動作させ流量制御機構Ｄ１から排水するダミー水流量を調整し、これにより希望する高水圧流水を自由に出力可能にするとともに、水の使用効率を最大限にすることを可能とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、水を使用した洗浄方法において洗浄水の水圧を制御するための水圧制御方法に係り、より詳しくは、安定した高圧水の発生を可能にするとともに、水の使用効率を最大限にしたことを特徴とする水圧制御方法に関する。

近年のフラットパネルディスプレイ（液晶、ＰＤＰ、ＥＬ、ＦＥＤ等）半導体、太陽電池、プリント基板、フィルム、電子機器部品等の進歩の高精度化へは目覚しく、特にフラットパネルディスプレイの製造プロセス、高集積半導体素子の製造プロセスにおいては、より高度な超精密洗浄が必要とされている。

また、パターンの微細化、高集積化とともに、取り扱う液晶ガラス、ＰＤＰガラス、シリコンウエハは大型化しており、液晶ガラスでは２２００×２６００ｍｍ、ＰＤＰガラスでは２１５０×２３５０ｍｍ、シリコンウエハでは３００ｍｍ径へと移行する現状にあるが、洗浄は、全工程の４０〜６０％を占め、歩留まり向上に重要な役割を担うプロセスとなっている。

そして、近年、環境問題への関心が高まっている状況の中で、水を使用した洗浄が注目されている現状がある。水を使用した洗浄に於いては、通常、１〜１０ＭＰａ位までの高水圧流水を必要とする。高水圧流水の発生には通常、高水圧発生ポンプとポンプを駆動するモータ及び出力水圧をモニタリングする水圧センサなどで構成した高圧水発生機構を用いたオープン制御が普通であるが、通常の高圧水発生機構でクローズドループ（フィードバック）制御することは非常に難しく、一般には存在していない。

なぜならば、通常のフィードバック制御において精度を上げるためには、ゲインを大きくしなければならないが、ゲインを大きくすると、構成植応答速度が遅いために、いわゆるハンチング（非常に大きな水圧リップル）を起こしてしまう。一方、反対にゲインを小さくすると設定圧力値に追跡出来ずに大きな水圧リップルを発生するからである。

そのため、このような現状の中で、安定した高圧水を発生させることによって、洗浄能力の向上や水の節約などの問題に対処することが急務となって来ている実情がある。

例えば、ガラスなどの表面洗浄では、高圧流水のリップルによる洗浄ムラが起こる。また、被洗浄物に対して、一連の洗浄工程の中で、条件を変化させての洗浄、即ち、水圧変化、流量変化させながら洗浄するようなことは、従来の方法では対処することがきわめて難しい。

このため現状では、予め設定した単一条件でのみ洗浄している状態であり、最適洗浄条件を満たしているとは言い難い。

また、現状の昇圧ポンプは、基本的にはモータの回転数に付随する定流量ポンプであるため、使用流量に対し、出力が希望圧力になるようにモータの回転数を予め設定することになるが、当然使用流量の変化に対して、必然的に発生する圧力変化に対応出来ないため、いわゆるダミー水を大量に流し、使用流量の変化の影響を受けないようにする必要がある。
このため、圧力条件、流量条件を変えることを前提にすると、昇圧ポンプと駆動モータの容量を大きくしなければならない。このような矛盾のため、予め設定した単一条件での洗浄すなわち一定流量となる連続流洗浄にせざるを得ず、断続洗浄の場合には、低圧力あるいは少流量下での線上に限られてしまうのである。
特開２００６−０７５７７６号公報

そこで、本発明は、洗浄能力の向上や水の節約などの問題に対処し、リップルのない高圧流水発生によってより高度な洗浄要求に応えることが可能な水圧制御方法を提供することを課題としている。

本発明の水圧制御方法は、昇圧ポンプと該昇圧ポンプを駆動するモータ、及び出力水圧をモニタリングする水圧センサなどで構成した高圧水発生機構を用いて、水を使用する洗浄装置などに利用する高水圧流水を発生させる方式に於いて、出力すべき設定圧力と出力水圧センサ値とを比較し、比較結果を駆動モータにフィードバックし、希望する高水圧流水を自由に出力可能としたことを特徴としている。

本発明の水圧制御方法では、昇圧ポンプと該昇圧ポンプを駆動するモータ、及び出力水圧をモニタリングする水圧センサなどで構成した高圧水発生機構を用いた洗浄方法において、出力すべき設定圧力と出力水圧センサ値とを比較して、この比較結果を駆動モータにフィードバックすることで、希望する高水圧流水を自由に出力させることを可能にしている。

従って、本発明の水圧制御方法によれば、安定した高圧水を発生させることによって、洗浄能力の向上や水の節約などの問題に対処することが可能である。

１．高水圧制御の基本構成
本発明の水圧制御方法を実施するための基本構成を図１に示し、以下、図に従い基本構成と基本動作について説明する。

１−１ 基本構成
図において、Ａ１は昇圧ポンプで、Ａ２が昇圧ポンプを駆動するモータであり、昇圧ポンプＡ１には水供給口Ａ１０から低圧水が供給される。そして、昇圧された高圧水は昇圧ポンプの出口Ａ１１から出力される。

また、Ａ３はモータを駆動するドライバであり、ドライバ出力Ａ３０によってモータＡ２が動作し、昇圧ポンプＡ１の駆動によって低圧水は昇圧される。

次に、Ｂ１は高水圧制御回路ユニットであり、Ｂ１０は高水圧制御回路ユニットＢ１の出力で、モータドライバＡ３の入力として接続されている。

また、Ｃ１は出力水圧設定パネルで、設定値Ｃ１０が高水圧制御回路ユニットＢ１に入力される。

更に、Ａ４は昇圧ポンプの出口Ａ１１から出力された水圧を計測する圧力センサで、出力Ａ４０は水圧制御回路ユニットＢ１に接続される。そして、出力された高圧水Ａ１１は洗浄ノズルＥ１に送られ噴射される。

次に、Ｄ１は流量制御器で、制御入力は高水圧制御回路ユニットＢ１の出力Ｂ２０である。そして、流量制御器Ｄ１は昇圧ポンプＡ１から出力された高圧水を供給口Ｄ１０から取り込み、制御量Ｂ２０の動作に従い出力された高圧水をダミー水Ｄ２０として排水する。

１−２ 基本動作
昇圧ポンプＡ１には、低圧水Ａ１０が供給されている条件と、パネルＣ１から設定されたデータＣ１０が高水圧制御回路ユニットＢ１に与えられている条件下で、高水圧制御をスタートする。

まず、設定データＣ１０と圧力センサＡ４の出力Ａ４０とを高水圧制御回路ユニットＢ１内で比較し、比較結果データを誤差増幅器の出力Ｂ１０としてモータドライバＡ３に送出する。
その結果、圧力センサＡ４の出力Ａ４０が設定データＣ１０と同一になるように、モータの回転動作と昇圧ポンプの駆動が繰り返され、低圧水は設定圧まで昇圧される。

また制御入力に対し出力までの応答時間が遅いことや通常昇圧ポンプは基本的に断続的に動作しながら昇圧することからモータ制御だけでは出力水リップルが大きくなってしまう場合がある。つまり使用条件によっては、一度圧力が高くなってしまった場合、使用量が少ないとフィードバック制御した結果、モータ回転数を停止しても圧力が下がって来ない場合が存在し、このような状態を避けるためには、ダミー水をかなり多くしなければならない場合もある。
そこで、本実施例では、このような場合には流量制御器Ｄ１を付加するようになっている。そして、流量制御器Ｄ１は設定値に対して出力圧の方が高くなった場合はモータ制御の制御と共に、高速に出力水を排水制御する。もし設定値に対して出力圧の方が低くなった場合は、高速に出力水の排水を０にする。
その結果、昇圧ポンプ能力を最大限に発揮させ、ダミー水を最小にすることが出来ることになり、ダミー水のために必要であった過剰な昇圧ポンプは必要なくなるとも言える。

２．高水圧制御回路の詳細
本実施例に於ける制御回路構成を図２に示す。また、流量制御器の外観を図３における３−１に、流量制御機構を図３における３−２に、そして流量制御回路を図４に示し、以下図に従い説明する。

２−１制御回路構成
Ｂ１１は作動増幅器で＋入力にパネルＣ１から設定されたデータＣ１０が、−入力に圧力センサＡ４の出力Ａ４０が接続されている。
Ｂ１２はローパスフィルタ回路、Ｂ１３がハイパスフィルタ回路である。
Ｂ１４とＢ１５は増幅器でそれぞれが独立にゲインが設定できるボリウムを持っている。
Ｂ１６はアナログ加算回路で、出力は高水圧制御の誤差増幅器出力Ｂ１０としてモータドライバＡ３に送出する。
Ｂ１７は流量制御用増幅器でゲインが設定できるボリウムを持っている。
そして、Ｂ１８はソレノイドドライバで流量制御器内のソレノイド（図３の３−２におけるＤ１６）を駆動する。

次に動作を説明すると、水圧制御が開始されると、作動増幅器Ｂ１１は設定された圧力Ｃ１０と圧力センサＡ４の出力Ａ４０とを比較し結果を出力する。

次に、出力結果は、フィルタＢ１２とＢ１３によって、低周波成分と高周波成分に分離される。分離された出力は増幅器Ｂ１４とＢ１５で各、個別に調整されたゲインをかけた上で加算（合成）され、高水圧制御の誤差増幅器出力Ｂ１０としてモータドライバＡ３に送出し昇圧ポンプＡ１を駆動する。

上記構成において、誤差増幅器出力Ｂ１０としで駆動することは非常に重要である。
なぜなら、前述したように、通常フィードバック制御において精度を上げるためには、ゲインを大きくしなければならないが、大きくすると構成上応答速度が遅いためにいわゆるハンチング現象（非常に大きな水圧リップル）を起こしてしまう。反対にゲインを小さくすると設定圧力値に追跡出来ずに大きな水圧リップルを発生する。しかしながら、本実施例では、通常、このような困難さのために行われていない制御を、簡単に実現出来たのである。すなわち、低周波成分でのゲインを調整して、モータをほぼ定速回転させ、高周波成分（リップル成分）のゲインを独立に調整することによって、リップルの少ない安定した高圧水が出力されるのである。

２−２ 流量制御
上述したように、使用条件によっては、一度圧力が高くなってしまった場合、使用量が少ないと制御によりモータ回転を停止しても圧力が下がって来ない場合が存在する。このような状態を避けるためには、ダミー水をかなり多くしなければならない場合がある。そこで、このような問題を避けるため、付加する流量制御器Ｄ１の実施例を以下に説明する。

流量制御器の外観図（図３の３−１）におけるＤ１０が高圧出力水取込口で、Ｄ２０がダミー水排水口で、通常ここに配管を接続して排水するようになっている。

次に、図３における３−２が流量制御機構を示す図であり、Ｄ１１が高圧出力水取込バッファで、排水穴がダミー水排水口Ｄ２０部に開けられている。
そして、排水穴に流量制御シャフトＤ１２の先端が密着位置から移動量（シャフト位置）によってバッファ内の流量を制御できるようになっている。
Ｄ１３は高圧水シールリングである。また、Ｄ１６は流量制御ソレノイドで、可動片Ｄ１７に固定された可動シャフトＤ１５がある。
そして、流量制御シャフトＤ１２と可動シャフトＤ１５はシャフトカップリングＤ１４で固定されている。
なお、Ｄ１は高圧出力水取込バッファＤ１１や高圧水シールリングＤ１３、流量制御ソレノイドＤ１６などを固定すると共にソレノイドの最大移動量を規定するストッパＤ１８を固定するベースである。

次に、流量制御動作について説明すると、まず流量制御ソレノイドＤ１６の電流が「０」になっている時、流量制御シャフトＤ１２はほとんどフリーの状態にある。このため高圧水バッファＤ１１の圧力で流量制御シャフトＤ１２は、ソレノイドＤ１６側に押され、可動片Ｄ１７が図３の３−２のストッパＤ１８の停止位置にある。この時高圧出力水は最大流量のダミー水として排水口Ｄ２０から排水される。本実施例では、０．５ｍｍ程度移動量にしてある。
そして、高水圧制御が開始されると、前述したように、作動増幅器Ｂ１１は設定された圧力Ｃ１０と圧力センサＡ４の出力Ａ４０とを比較し結果を出力し、該出力を高水圧制御の誤差増幅器出力として、ソレノイドＤ１６の駆動電流即ち押力を制御し、流量制御が行われる。

２−３ 流量制御回路
本実施例に於ける流量制御回路は図４に示す通りであり、ゲイン可変回路とソレノイドＤ１６が入力電圧に応じた押力を出力するための電流出力ドライバで構成された、一般的な回路で簡単に制御出来る。以下図に従い回路動作を説明する。

Ｐ１、Ｐ２は演算増幅器である。増幅器Ｐ１は抵抗Ｒ１と可変抵抗ＶＲ１とで、決められる±ゲインを持つ増幅器である。
Ｒ２はソレノイドＤ１６に流れる電流検出抵抗で、Ｑ１はパワートランジスタ、Ｚ１はソレノイド動作時のサージ電流吸収素子である。
Ｖ１はソレノイド用電源で、パワートランジスタ出力と共にソレノイドへの駆動信号Ｂ２０として出力される。

次に動作を説明すると、設定された圧力Ｃ１０＞圧力センサＡ４の出力Ａ４０の条件では、作動増幅器Ｂ１１の出力Ｂ１１ａは＋電圧を出力する。
出力Ｂ１１ａは増幅器Ｐ１の入力として働き、あらかじめ設定されたゲインで、＋電圧を出力する。該＋電圧は、ソレノイドＤ１６に流れる電流検出抵抗Ｒ２の電圧と同一になるように演算増幅器Ｐ２動作し、パワートランジスタＱ１を駆動する。
その結果、ソレノイドＤ１６は設定された圧力Ｃ１０＝圧力センサＡ４の出力Ａ４０となるように高速に押力を発生し、ダミー水を停止するように制御される。上述したように、同時に並行してモータドライバＡ３と昇圧ポンプＡ１の駆動によって水圧を上げる制御が効率的になされる。

また、設定された圧力Ｃ１０＜圧力センサＡ４の出力Ａ４０になると、増幅器Ｐ１の入力Ｂ１１ａは−電圧となり、増幅器Ｐ１も−電圧を出力する。この時演算増幅器Ｐ２の出力は負となり、パワートランジスタＱ１がＯＦＦして、ソレノイドＤ１６は電流を「０」にする。その結果、ソレノイドＤ１６はフリーの状態となり、ダミー水を排出（水圧を下降）するように制御される。
一方、同時に並行してモータドライバＡ３と昇圧ポンプＡ１の駆動によって、水圧を下げる制御（モータ停止方向）が効率的に行われる。
このようにして、常に圧力Ｃ１０＝圧力センサＡ４の出力Ａ４０となるように流量制御がなされ、リップルの少ない制御された高圧水を発生出来るのである。

［動作確認と実施効果］
本実施例に於けるパルス的高圧力水使用の場合の確認結果の表を図５に示す。
なお、詳細説明では、特に述べていないが、図２の回路で流量制御回路Ｂ１７、Ｂ１８を付加した場合、ハイパスフィルタ回路Ｂ１３、Ｂ１５を省いた制御方法や図１のドライバＡ３がローパスフィルタ機能を持っている場合は、作動増幅器出力Ｂ１１ａをモータドライバＡ３に直結して制御しても結果として大差なく、同様に効果が期待出来ることは言うまでもないことは明白である。以上の本件動作を確認した結果は次の通りである。

即ち、図５において、従来方法では、モータ回転数一定のため水圧可変は基本的に出来ず、使用量の変化、水圧変動に対応出来ない。また、大量のダミー水が必要であり、昇圧ポンプの効率が悪い結果となる。

次に、図５における実施例１（フィードバック制御のみ）では、水圧２〜７ＭＰａ設定で出力圧安定、リップルは数％以下で、ダミー排水は従来方法の１／５以下となった。

そして、図５における実施例２（フィードバック制御＋流量制御）では、水圧２〜７ＭＰａ設定で出力圧安定、リップルは実施例１の１／２以下で、ダミー排水は実施例１の約１／５であった。

以上述べてきたように、高圧水洗浄を例にすると、本発明によれば、水圧設定のタイミングはいつでも自由であり、最適な洗浄条件が設定できる。
また、リップルの少ない安定した洗浄水による洗浄ムラの減少が期待できる。
更に、ダミー排水を最小にすることで、高価な昇圧ポンプのより効率的な選択が可能となり、水使用量を最小限にした洗浄を可能にするなど、効果が非常に顕著であることが実証されたのである。

本発明では、希望する高水圧流水を自由に出力可能であるため、水を使用した洗浄方法の全般に適用可能である。

本発明の水圧制御方法を実施するための基本構成である。 本発明の水圧制御方法を実施するための基本構成における制御回路構成を示す図である。 本発明の水圧制御方法を実施するための基本構成における流量制御器を説明するための図であり、３−１が流量制御器の外観を示し、３−２が流量制御器の機構を示している。 本発明の水圧制御方法を実施するための基本構成における流量制御器の回路を示す図である。 本発明の水圧制御方法の実施例の確認結果を示す表である。

符号の説明

Ａ１ 昇圧ポンプ
Ａ２ モータ
Ａ１０ 水供給口
Ａ１１ 昇圧ポンプの出口
Ａ３ モータ駆動用ドライバ
Ａ３０ ドライバの出力
Ａ４ 圧力センサ
Ａ４０ 圧力センサの出力
Ｂ１ 高水圧制御回路ユニット
Ｂ１０ 高水圧制御回路ユニットの出力
Ｂ１１ 作動増幅器
Ｂ１２ ローパスフィルタ回路
Ｂ１３ ハイパスフィルタ回路
Ｂ１４、Ｂ１５ 増幅器
Ｂ１６ アナログ加算回路
Ｂ１７ 流量制御用増幅器
Ｂ１８ ソレノイドドライバ
Ｂ２０ 高水圧制御回路ユニットの出力
Ｃ１ 出力水圧設定パネル
Ｃ１０ 出力水圧設定値
Ｅ１ 洗浄ノズル
Ｄ１ 流量制御器
Ｄ１０ 高圧出力水取込口（流量制御器の供給口）
Ｄ１１ 高圧出力水取込バッファ
Ｄ１２ 流量制御シャフト
Ｄ１３ 高圧水シーリング
Ｄ１４ シャフトカップリング
Ｄ１５ 可動シャフト
Ｄ１６ 流量制御ソレノイド
Ｄ１７ 可動片
Ｄ１８ ストッパ
Ｄ２０ ダミー水排水口
Ｐ１、Ｐ２ 演算増幅器
Ｒ１ 抵抗
ＶＲ１ 可変抵抗
Ｒ２ 電流検出抵抗
Ｑ１ パワートランジスタ
Ｚ１ ソレノイド用電源

Claims (3)

1. 昇圧ポンプと該昇圧ポンプを駆動するモータ、及び出力水圧をモニタリングする水圧センサなどで構成した高圧水発生機構を用いて、水を使用する洗浄装置などに利用する高水圧流水を発生させる方式に於いて、出力すべき設定圧力と出力水圧センサ値とを比較し、比較結果を駆動モータにフィードバックし、希望する高水圧流水を自由に出力可能としたことを特徴とする水圧制御方法。
2. 前記出力すべき設定圧力と出力水圧センサ値との比較結果をローパス出力とハイパス出力に分別し、かつそれぞれの出力にゲインをかけ、両出力を駆動モータにフィードバックし、希望する高水圧流水を自由に出力させることを可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の水圧制御方法。
3. 流量制御機構を付加するとともに、前記出力すべき設定圧力と出力水圧センサ値との比較結果に独立のゲインをかけた出力で前記流量制御機構を動作させ、これにより、ダミー水流量を最小限にし、水の使用効率を最大限にすることを可能にしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水圧制御方法。

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