JP3887287B2 - 液圧制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズルから吐出される液体の圧力を制御する液圧制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体収容タンク内に貯留した液体を定量的に供給するために、液体収容タンク内の液面から高低差を持たせたノズルから液体を吐出させている。ノズルから液体が吐出された分だけ、液体収容タンクの液面が低下するが、その液面とノズルの高さ位置との差、いわゆる水頭差が変化すると、液体収容タンクとノズルとの間における液体吐出経路の液圧が変化し、ノズルから吐出される液体の吐出量が不安定になる。
【０００３】
すなわち、液体収容タンクの液面を監視する液面レベル検出器が設けられ、液面レベル検出器の検出結果に基づいて補充ポンプが駆動制御されるようになっている。これにより、ノズルから液体が吐出されていても、吐出した分だけ補充ポンプによって液体が液体収容タンク内に供給されるため、液体収容タンクの液面が一定となる。このような液圧制御装置以外にも、参考までに特許文献１に示されるものもある。
【０００４】
しかしながら、前記液面レベル検出器は、液面レベルを精度良く検出するために光センサから構成されている。光センサは、周囲の光により検出精度に悪影響を及ぼしたり、液体が有する色によっては検出精度の低下につながったりする。そのため、液面レベル検出器を用いて液面を検出する方法では、使用環境や液体の種類によっては不向きである。それに加え、嫌光性の液体においては、液体収容タンクが遮光されているため、光センサを使用することができない。
【０００５】
更に、ノズルの吐出量が多くなるほど、それに比例して液体収容タンクの液面レベルが低下する度合いも大きくなるが、光センサなどの液面レベル検出器では、大幅な液面レベルの低下に対応することができず、ノズルの吐出量が不安定になる。このような場合の防止策として、液体収容タンクの容量を大きくし、液面レベルの大幅な低下を防いでいる。しかし、液体収容タンクの容量を大きくすれば、その大型化を招くこととなり、液体収容タンクの設置スペースの面積が大きくなるという不具合もある。
【０００６】
そこで、液面レベル検出器を用いずに液体収容タンクの液面を検出する別の方法が提案されている。すなわち、液体収容タンク内に収容された液体の重量を検出する重量検出器を設け、その重量検出器の検出値から液面レベルを算出し、その算出値に基づいて補充ポンプを駆動制御するようにしている。上述したように、液体収容タンク内の液体の重量から液面レベルを割り出しているため、環境条件や液体の種類に影響されずに、液面レベルを正確に検出することが可能となり、液体収容タンクとノズルとの間における液体吐出経路の液圧が変化しにくくなる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−９４５０８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術に示す重量検出器を用いた液圧制御装置においては、制御対象となる液圧が微少になるほど重量検出器の分解能を上げる必要があり、高精度な重量検出器を用いればコスト高を招く。それに加え、重量検出器はその内部に液体を充填することで液圧を検出可能な構成となっているが、内部に気泡が混入していると検出精度が低下するため、その気泡を除去する作業が必要となる。具体的には、重量検出器から液体を抜きながら気泡を除去しているが、このことは作業性を低下させるばかりか煩わしいことでもある。
【０００９】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、簡易なシステムであるにも拘わらず、液圧を高精度に安定することが可能な液圧制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の発明）
請求項１に記載の発明では、液体を開口部からオーバーフローさせて一定の液面レベルを維持する液体収容手段と、前記液体収容手段にある液体がオーバーフローした状態を常にとり得るために、液体を同液体収容手段に補充する液体補充手段と、前記液体収容手段の開口部において液体がオーバーフローしている液面レベルから所定の水頭差を持たせて固定され、前記液体収容手段に収容されている液体を吐出させるノズルとを備え、前記ノズルから吐出される液体は、液体吐出経路を介して前記液体収容手段から供給されるものであり、前記液体吐出経路は、該経路の上流側端部が前記開口部から前記液体収容手段の内部へ挿入されて該開口部よりも下側に位置していることを要旨とする。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、液体収容手段から液体をオーバーフローさせることで水頭差を一定にしている。この水頭差が一定となるように維持するのに、液体補充手段によって、液体収容手段内に液体を供給し続けるというラフな方法でよい。従って、液圧制御装置を簡易なシステムとしたにも拘わらず、ノズルから吐出される液体の液圧を安定させることができる。
【００１２】
（請求項２の発明）
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の液圧制御装置において、前記液体収容手段からオーバーフローしてタンク内に収容された液体を液体収容手段に循環させる液体循環手段とを備えたことを要旨とする。
【００１３】
この構成にすれば、例えば液体収容手段からオーバーフローした液体を、タンク内に溜めることなく液体供給源に直接戻し、再び液体収容パン内に循環する場合と比較して、液体の循環経路が短くなる。よって、液体収容手段に対する液体の供給量を安定させることが可能になる。
【００１４】
（請求項３の発明）
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の液圧制御装置において、前記液体循環手段は、前記液体補充手段を兼ねる圧送ポンプであることを特徴とする。
【００１５】
この構成にすれば、タンクの液体を液体収容手段に循環させることと、液体収容手段に液体を補充することとは、１つの圧送ポンプで行っている。そのため、部品点数を減らすことができ、製造コストの低減を図ることが可能になる。
【００１６】
（請求項４の発明）
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の液圧制御装置において、前記タンクの液面レベルを検出する液面レベル検出手段と、その液面レベル検出手段の検出結果に基づいて、前記圧送ポンプの回転を制御する駆動制御手段とを備えたことを要旨とする。
【００１７】
この構成にすれば、液体収容手段からオーバーフローした液体の液面レベルが液面レベル検出手段によって検出される。そして、この検出結果に基づいて、圧送ポンプの回転が駆動制御手段によって制御され、タンクとの液面レベルが液体収容手段の液面レベルよりも上側になるのが防止される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、液圧制御装置１０を示す概略図であって、実線は液体が流れる経路を示し、破線は気体が流れる経路を示す。同図に示すように、液圧制御装置１０の液体供給源１１は、液体補充路１２を介して密閉タンク１３に接続されている。密閉タンク１３内には、上方に開口部１４ａを有する液体収容手段としての液体収容パン１４が収容され、その液体収容パン１４は密閉タンク１３の上部に配置されている。液体収容パン１４内には液体補充路１２の途中に設けられた圧送ポンプ１５によって液体供給源１１から液体が補充され、液体収容パン１４の開口部１４ａから液体が常にオーバーフローする状態をとり得るようになっている。液体補充路１２の下流側端部は、液体収容パン１４の開口部１４ａよりも下側に位置しているため、液体収容パン１４に液体が補充されているときに、液体のオーバーフロー面１６が波打たないようになっている。そして、液体収容パン１４の開口部１４ａからオーバーフローした液体は、密閉タンク１３内に一時的に溜められる。
【００１９】
圧送ポンプ１５と液体供給源１１との間には、電磁弁１７が設けられている。この電磁弁１７が開かれた状態では、液体供給源１１から液体収容パン１４内に液体が補充可能になっている。反対に電磁弁１７が閉じられた状態では、液体供給源１１から液体収容パン１４内への液体の補充ができないようになっている。
【００２０】
密閉タンク１３は、循環経路１８を介して液体補充路１２に接続されており、前記圧送ポンプ１５は、密閉タンク１３内に収容された液体を循環経路１８、液体補充路１２を再び液体収容パン１４に戻す役割がある。本実施形態においては、圧送ポンプ１５は液体供給源１１からの液体を液体収容パン１４に補充することと、密閉タンク１３内にある液体を再び液体収容パン１４に戻すこととを兼ねている。従って、１つの圧送ポンプ１５によって、特許請求の範囲に示される液体循環手段と液体補充手段とが構成されている。
【００２１】
密閉タンク１３の上部には液体吐出経路２１が接続され、その上流側端部は密閉タンク１３内において液体収容パン１４の底部付近に配置されている。そして、液体収容パン１４内の液体は、液体吐出経路２１を介してその下流側端部に設けられたノズル２２から吐出されるようになっている。本実施形態において、ノズル２２から吐出される液体の量は、極めて微量であって、ナノグラムレベルに設定されている。
【００２２】
ノズル２２は、液体収容パン１４におけるオーバーフロー面１６よりも低い位置に固定されている。基準位置からノズル２２までの高さＨｘと、基準位置から液体収容パン１４におけるオーバーフロー面１６までの高さＨｔとの差が水頭差２３となっている。ノズル２２の吐出口付近には液圧センサ２４が設けられ、この液圧センサ２４によりノズル２２内での液圧が検出される。
【００２３】
前記液体補充路１２上には密閉タンク１３の液面レベルを検出する液面レベル検出手段としての液面レベル検出器２６が接続されている。この液面レベル検出器２６には上下方向に間隔をおいて上位置レベルスイッチ２７と下位置レベルスイッチ２８とが設けられている。上位置レベルスイッチ２７は、液体収容パン１４のオーバーフロー面１６と同レベル付近に配置されており、密閉タンク１３内の液体が上昇するのを監視する役割がある。又、下位置レベルスイッチ２８は、密閉タンク１３の底部と同レベル付近に配置され、密閉タンク１３内に溜まった液体が無くなるのを監視する役割がある。
【００２４】
この液面レベル検出器２６及び前記密閉タンク１３は、気体通路３０を介して減圧源３１に接続され、この減圧源３１から所定の負圧力でもって密閉タンク１３内と液面レベル検出器２６内にある気体が吸引される。これにより、密閉タンク１３及び液面レベル検出器２６内の負圧力は大気圧よりも低くなるように保持され、その負圧力に応じてノズル２２内の液圧が変化するようになっている。具体的に言うと、密閉タンク１３内の気圧を小さくすると、ノズル２２内の液圧が小さくなるため、液体の吐出量は少なくなる。一方、密閉タンク１３内の気圧を大きくすると、ノズル２２内の液圧が大きくなるため、液体の吐出量は多くなる。
【００２５】
ちなみに、密閉タンク１３内の気圧をＰgas、液密度をρ、重力加速度をｇ、所定位置から液体収容パン１４のオーバーフロー面１６までの高さ位置をＨｔ、所定位置からノズル２２の高さ位置をＨｘとすると、ノズル２２内の液圧Ｐliqは次式（１）のようになる。
【００２６】
Ｐliq＝ρ×ｇ（Ｈｔ−Ｈｘ）＋Ｐgas………（１）
前記気体通路３０上には、圧力維持手段としての圧力調節弁（電空レギュレータ）３２が設けられており、この圧力調節弁３２により、密閉タンク１３内の気圧が設定された圧力値に維持される。又、気体通路３０上には、その内部の気圧を検出する圧力検出手段としての気圧検出センサ３３が設けられている。
【００２７】
なお、本実施形態においては、密閉タンク１３内を負圧状態となるように保持したが、ノズル２２が液体収容パン１４のオーバーフロー面１６よりも上方に位置する場合には、減圧源３１に代えて加圧源とすればよい。そして、密閉タンク１３内の気圧を大気圧よりも常時高くすることで、液体収容パン１４内の液体をノズル２２から吐出させることが可能になる。この場合においても、密閉タンク１３内を負圧にしたときと同様に、密閉タンク１３内の圧力を大きくすると、ノズル２２内の液圧が大きくなるため、液体の吐出量は多くなる。一方、密閉タンク１３内の圧力を小さくすると、ノズル２２内の液圧が小さくなるため、液体の吐出量は少なくなる。
【００２８】
次に、液圧制御装置１０の電気的構成について説明する。
図２に示すように、前記液圧センサ２４、液面レベル検出器２６、及び気圧検出センサ３３は、ＣＰＵ３４の入力側にそれぞれ接続されている。圧送ポンプ１５、電磁弁１７及び圧力調節弁３２は、ＣＰＵ３４の出力側にそれぞれ接続されている。圧力制御手段としてのＣＰＵ３４は、液圧センサ２４及び気圧検出センサ３３から出力される検出信号に基づいて圧力調節弁３２の開度を制御する。又、駆動制御手段としてのＣＰＵ３４は、液面レベル検出器２６から出力される検出信号に基づいて、圧送ポンプ１５の回転数と電磁弁１７の開閉とを制御する。
【００２９】
なお、上述したように構成される液圧制御装置１０は、例えば、半導体装置の製造工程の１つであるフォトリゾグラフィ工程において、半導体ウェハ上にフォトレジスト液を塗布してウェハ上に均一なレジスト膜を得ることとして利用される。つまり、ノズル２２から液体としてのフォトレジスト液が一定の吐出量でもって半導体ウェハ上に供給される。勿論、液圧制御装置１０を上述したこと以外の用途に使用することも可能である。
【００３０】
次に、上記のように構成された液圧制御装置１０のノズル２２から液体を吐出させる作用について説明する。
ＣＰＵ３４によって電磁弁１７が開かれた状態で圧送ポンプ１５が駆動されると、液体収容パン１４に連続的に液体が補充され、液体収容パン１４の開口部１４ａから液体が常時オーバーフローする。液体収容パン１４からオーバーフローした液体は、密閉タンク１３に一時的に溜められ、循環経路１８、液体補充路１２を介して再び液体収容パン１４内に戻される。液体収容パン１４がオーバーフローしている状態において、液体収容パン１４における液体のオーバーフロー面１６とノズル２２との間には水頭差２３が存在するため、液体収容パン１４内の液体は液体吐出経路２１を介してノズル２２から吐出される。このとき、密閉タンク１３の内部圧力が一定となっていることにより、ノズル２２からは一定量の液体が吐出される。
【００３１】
液体収容パン１４に補充される液量は、ノズル２２から吐出される液量よりも多くなるように圧送ポンプ１５の回転数がＣＰＵ３４によって制御される。そして、液面レベル検出器２６の上位置レベルスイッチ２７がオンされると、ＣＰＵ３４は密閉タンク１３内に多くの液体が溜まっていると判断し、電磁弁１７を閉じ、液体供給源１１からの液体供給を停止する。この状態では、密閉タンク１３に溜まった液体を、圧送ポンプ１５によって液体収容パン１４に循環させるだけとなる。その後、密閉タンク１３内に溜められた液量が低下し、液面レベル検出器２６の下位置レベルスイッチ２８がオンされると、ＣＰＵ３４は電磁弁１７を開く。これにより、液体供給源１１から液体が再び補充されることとなる。
【００３２】
従って、本実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１） 液体収容パン１４の開口部１４ａから液体を常にオーバーフローさせるというラフな方法で、液体収容パン１４におけるオーバーフロー面１６とノズル２２との水頭差２３が一定となるように維持することができる。従って、液圧制御装置１０を簡易なシステムとしたにも拘わらず、ノズル２２内の液圧を高精度に安定させることができ、ノズル２２から吐出される液体の吐出量を一定にすることができる。
【００３３】
（２） ノズル２２から吐出される液体の量よりも多い液体を液体収容パン１４に供給しているため、例えばノズル２２が多数あるような場合に、ノズル２２の液体吐出量が多くても、オーバーフロー面１６が大幅に低下することはない。これにより、オーバーフロー面１６の大幅な液面レベルの低下を防ぐために、液体収容パン１４の容量を大きくして大幅な液面レベルの低下を防止する必要がない。従って、液体収容パン１４を大型化しなくてよいので、密閉タンク１３も小型なるものを使用でき、密閉タンク１３の設置スペースを小さくすることができる。
【００３４】
（３） 液体収容パン１４は密閉タンク１３内に収容されており、その密閉タンク１３内の圧力を制御することにより、ノズル２２内の液圧を変更することができる。従って、操作ボタン等を操作し、減圧源３１から吸引される気体の圧力を変更するという簡単な方法で、ノズル２２から吐出される液体の量を変更することができる。
【００３５】
（４） 密閉タンク１３の底部に溜まった液体を圧送ポンプ１５により液体収容パン１４内に循環している。例えば、密閉タンク１３に溜まった液体を、密閉タンク１３内に溜めることなく、液体供給源１１に直接戻して再び液体収容パン１４内に供給する構成とした場合と比較して、液体の循環経路を短くすることができる。そのため、液体収容パン１４に対する液体の供給量を安定させることができる。しかも、液体収容パン１４に供給する液体の循環経路が短くなれば、液体を圧送能力が低い圧送ポンプ１５を使用することが可能であるため、圧送ポンプ１５の大型化を抑制することができ、コスト低減や設置スペースの低減に貢献する。又、密閉タンク１３に溜まった液体を液体供給源１１に直接戻すようにする構成よりも、本実施形態のように密閉タンク１３の底部に溜まった液体を液体収容パン１４に循環させる方が、液体供給源１１に設けられたタンク（図示しない）の小型化を図ることができる。よって、液圧制御装置１０全体をコンパクトにすることができる。
【００３６】
（５） 圧送ポンプ１５は、液体供給源１１から液体を供給することと、密閉タンク１３の底部に溜まった液体を液体収容パン１４に循環供給することとを兼用している。そのため、圧送ポンプ１５の数を少なくすることができるので、圧送ポンプ１５の設置スペースを小さくすることができ、液圧制御装置１０全体をコンパクト化することができる。それとともに、圧送ポンプ１５の数を最小限にすることができることから、製造コストを低減することが可能になる。
【００３７】
（６） 液面レベル検出器２６によって密閉タンク１３の底部に溜まっている液体の液面レベルが所定位置まで上昇したことが検出されると、圧送ポンプ１５の回転が停止される。そのため、液体収容パン１４におけるオーバーフロー面１６とノズル２２との水頭差２３が液体収容パン１４の開口部１４ａよりも上側に位置するのを防ぐことができる。
【００３８】
（７）液体収容パン１４の開口部１４ａよりも下側に液体吐出経路２１の下流端が位置されている。そのため、液体収容パン１４内に液体が供給されているときに、オーバーフロー面１６面で液体が波打つのを防止することができる。よって、液体収容パン１４におけるオーバーフロー面１６とノズル２２との水頭差２３を予め設定しておいた値に保持することができる。
【００３９】
（別の実施形態）
本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 前記実施形態では、密閉タンク１３内に液体収容パン１４を収容したが、これ以外の構成として、図３に示すように密閉タンク１３内に所定の高さを有する仕切り壁４１を設け、その仕切り壁４１によって区画される２つの液体収容部４２，４３のうち一方に、圧送ポンプ１５によって液体を供給するようにしてもよい。そして、一方の液体収容部（液体収容手段）４３の開口部４３ａ、つまり仕切り壁４１の上端縁から液体を他方の液体収容部４２内にオーバーフローさせることにより、そのオーバーフロー面とノズル２２との間の水頭差２３を維持するようにしてもよい。
【００４０】
・前記実施形態では、密閉タンク１３内に溜まった液体を液体収容パン１４内に循環させるようにした。この構成以外に、循環経路１８を液体補充路１２に接続することをやめて、循環経路１８を液体供給源１１に接続し、密閉タンク１３内の液体を液体供給源１１に設けた図示しないタンクに直接戻すようにしてもよい。この構成とすれば、密閉タンク１３内に液体が溜まることがないので、液面レベル検出器２６等の部材を省略することができる。
【００４１】
・ 前記実施形態では、液体収容パン１４におけるオーバーフロー面１６よりも下側にノズル２２を配置したが、上側に配置することも可能である。但しこの場合には、減圧源３１を加圧源とし密閉タンク１３内を大気圧よりも高い圧力に維持する。
【００４２】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に示す。
（１）請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の発明において、前記タンクは密閉されており、タンク内の圧力が一定となるように維持する圧力維持手段（圧力調節弁３２）が設けられている。この構成とすれば、外部の気圧に影響されることかく、ノズルから液体を定量吐出させることができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、簡易なシステムであるにも拘わらず、ノズルから吐出される液体の液圧を高精度に安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態における液圧制御装置の概略図。
【図２】同じく、液圧制御装置の電気的構成を示すブロック図。
【図３】別の実施形態における液圧制御装置の概略図。
【符号の説明】
１０…液圧制御装置、１３…密閉タンク（タンク）、１４…液体収容パン（液体収容手段）、１５…圧送ポンプ（液体補充手段，液体循環手段）、２２…ノズル、２３…水頭差、２６…液面レベル検出器（液面レベル検出手段）、３３…気圧検出センサ（圧力検出手段）、３４…ＣＰＵ（駆動制御手段）、４３…液体収容部（液体収容手段）。

Claims (4)

1. 液体を開口部からオーバーフローさせて一定の液面レベルを維持する液体収容手段と、
   前記液体収容手段にある液体がオーバーフローした状態を常にとり得るために、液体を同液体収容手段に補充する液体補充手段と、
   前記液体収容手段の開口部において液体がオーバーフローしている液面レベルから所定の水頭差を持たせて固定され、前記液体収容手段に収容されている液体を吐出させるノズルとを備え、
   前記ノズルから吐出される液体は、液体吐出経路を介して前記液体収容手段から供給されるものであり、前記液体吐出経路は、該経路の上流側端部が前記開口部から前記液体収容手段の内部へ挿入されて該開口部よりも下側に位置していることを特徴とする液圧制御装置。
2. 前記液体収容手段を収容するとともに、その液体収容手段からオーバーフローする液体を収容するタンクと、
   前記タンク内に収容された液体を液体収容手段に循環させる液体循環手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の液圧制御装置。
3. 前記液体循環手段は、前記液体補充手段を兼ねる圧送ポンプであることを特徴とする請求項２に記載の液圧制御装置。
4. 前記タンクの液面レベルを検出する液面レベル検出手段と、その液面レベル検出手段の検出結果に基づいて、前記圧送ポンプの回転を制御する駆動制御手段とを備えたことを特徴とする請求項３に記載の液圧制御装置。

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