JP4587098B2 - ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、パイロット圧によって変位するピストンを介して流体を、常時、一定量だけ吐出することが可能なポンプ装置に関する。

従来から、半導体等の製造装置、塗装用装置、医療用機器等において一定量の薬液、塗料、洗浄液等を供給するための定量吐出ポンプが採用されている。

前記定量吐出ポンプには、駆動軸を囲繞するように装着された蛇腹状のベローズをモータ等の駆動作用下に伸縮させることにより、吸入圧と吐出圧とを得るベローズタイプのポンプが多く用いられている。

例えば、この種の従来技術に係る定量吐出ポンプとして、特許文献１には、第１弁装置及び第２弁装置がそれぞれ配設された弁ハウジングとポンプハウジングとを一体的に設ける構成が開示されている。

前記特許文献１に係る定量吐出ポンプでは、モータの駆動作用下に駆動軸が軸線方向に沿って変位し、前記駆動軸の先端に装着されたベローズの先端部がポンプハウジングの内部に形成されたポンプ室内を変位するように設けられている。前記ポンプ室内に配置された蛇腹状のベローズが駆動軸と一体的に直線状に往復変位することにより、前記ベローズが伸縮動作する。

すなわち、前記ベローズがポンプ室の内部で収縮することにより吸入圧を発生させ、外部より液体が吸入されてポンプ室の内部に所定量の液体が満たされる。一方、前記駆動軸の変位作用下にポンプ室の内部でベローズが伸長することにより吐出圧を発生させて液体をポンプ室から外部へと吐出する構成が採用されている。

特開平１０−４７２３４号公報

ところで、従来技術に係る定量吐出ポンプにおいては、流体がポンプ室より外部に吐出される際、前記ベローズの伸縮動作に伴って前記流体に脈動が生じるおそれがある。

さらに、半導体製造装置等の業界では、コーティング液（レジスト液）等が高価であることに鑑み、吐出する流体の流量を高精度に制御したい、という要請がある。

本発明は、前記の点を考慮してなされたものであり、流体の脈動が生じることがなく、且つ高精度に一定量の流体を吐出することが可能なポンプ装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、流体が吸入される吸引ポートと流体が吐出される吐出ポートとを有し、内部にポンプ室が形成されたボデイと、
パイロット圧の作用下に前記ボデイの内部に形成された第１室に沿って変位自在に設けられると共に、該第１室に形成された環状段部に対して変位終端位置で当接する環状突部が外周面に設けられたピストンと、
非圧縮性流体からなり、流体を吐出する際に前記ピストンによって押圧される間接媒体と、
前記間接媒体に連動して撓曲し、前記ポンプ室に充填された流体を押圧することによりピストンの変位量に対応した流体を吐出させるダイヤフラムと、
を備え、
前記ピストンの内部には第２室が形成され、前記間接媒体が、前記ピストンの前記ダイヤフラムに対向するフラットな端面の中心に形成された孔部から該第２室に進入可能に設けられると共に、該第２室には、前記孔部を挿通して前記ダイヤフラムに連結された変位部材が進退自在に設けられ、
前記吐出ポートから流体を吐出する際、前記ダイヤフラムの軸方向への変位量が前記ピストンの軸方向への変位量よりも大きく設定され、該ピストンの軸方向変位による容積変化と前記ダイヤフラムの軸方向変位による容積変化とが同一であり、
前記ポンプ室は、前記吸引ポートと連通する第１通路及び前記吐出ポートと連通する第２通路が形成され前記ダイヤフラムと対向するフラット面と、該フラット面から前記ダイヤフラム側に向かって徐々に拡径する傾斜面とを有し、
前記ダイヤフラムは、中央部と、該中央部に連続して形成されて前記ボデイに固定される周縁部とを有し、
前記ピストンが変位終端位置に来たときに、前記ダイヤフラムの前記中央部が前記フラット面に押し付けられ、前記ダイヤフラムの周縁部が前記傾斜面に押し付けられる、ことを特徴とする。

本発明によれば、パイロット圧の作用によるピストンの軸方向変位による容積変化と、ポンプ室から流体を吐出させるためのダイヤフラムの軸方向変位による容積変化とが、非圧縮性流体である間接媒体を介在させることにより同一に設定されるため、ピストンの容積変化に対応する吐出量を高精度に一定とすることができる。

ピストンとダイヤフラムとの間に、非圧縮性流体からなる間接媒体を介在させることにより、流体の脈動が生じることがなく、且つ高精度に一定量の流体を吐出することができる。

本発明に係るポンプ装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る定量吐出ポンプを示す。

この定量吐出ポンプ１０は、一側面に図示しないチューブが着脱自在に接続される第１及び第２継手部材１２ａ、１２ｂを有し、上面に一組のパイロット圧供給ポート１４ａ、１４ｂが設けられたボデイ１６を備える。

なお、前記ボデイ１６の設置状態は、図１に示されるように第１及び第２継手部材１２ａ、１２ｂが側面に位置し且つ一組のパイロット圧供給ポート１４ａ、１４ｂが上面に位置する横置き状態に限定されるものではなく、例えば、第１及び第２継手部材１２ａ、１２ｂが上面に位置し且つ一組のパイロット圧供給ポート１４ａ、１４ｂが側面に位置する縦置き状態にしてもよい。

前記ボデイ１６は、樹脂製材料によって略直方体状に形成され、第１及び第２継手部材１２ａ、１２ｂを有するポートブロック１８ａと中間ブロック１８ｂとエンドブロック１８ｃとが図示しない緊締手段を介して一体的に組み付けて構成される。なお、前記中間ブロック１８ｂとエンドブロック１８ｃの結合部分は、前記エンドブロック１８ｃに形成された環状溝に装着された第１シール部材２０によって気密乃至液密にシールされる。

前記中間ブロック１８ｂの内部には、図２〜図４に示されるように、ポートブロック１８ａとエンドブロック１８ｃとによって閉塞された縦断面円形状の第１室２２が形成され、前記第１室２２に沿って縦断面円形状のピストン２４が軸方向に沿って変位自在に設けられる。なお、図１ではボデイ１６を横置き状態に設置しているため、以下の説明において軸方向とは水平方向（横方向）を示すものとする。

前記ピストン２４は、断面円形状の円柱体からなり内部に軸方向に沿って延在する小径孔部２６ａ及び大径孔部２６ｂによって後述する間接媒体２８が進入可能な第２室３０が形成されたピストン本体３２と、複数のねじ部材３４を介して前記ピストン本体３２の一端面に面一且つ一体的に結合されることにより、前記第２室３０を閉塞する閉塞プレート３６とから構成される。前記ピストン本体３２の外周面には、外方向に向かって所定長だけ突出する環状突部３８が形成され、前記環状突部３８が中間ブロック１８ｂの内壁に形成された環状段部４０に当接することにより、流体を吐出する際のピストン２４の変位が規制される（図４参照）。

前記ピストン本体３２と閉塞プレート３６との間には、該ピストン本体３２と閉塞プレート３６との結合部分を気密乃至液密に保持する第２シール部材４２が設けられ、前記第２室３０に進入した間接媒体２８がピストン２４の受圧面側に進入することが前記第２シール部材４２によって好適に阻止される。前記ピストン本体３２の環状突部３８には、溝部を介してピストンパッキン４４が装着され、前記ピストンパッキン４４は中間ブロック１８ｂの内壁面に沿って摺動自在に設けられる。なお、ピストン本体３２の外周面には、溝部を介して第３シール部材４６が装着される。

ボデイ１６の内部には、ポートブロック１８ａと中間ブロック１８ｂとの間で挟持された略楕円形状のダイヤフラム４８が張設され、前記ダイヤフラム４８は、例えば、ウレタンゴム等の弾性材料によって撓曲自在に形成される。この場合、前記ダイヤフラム４８とポートブロック１８ａの内壁との間でポンプ室５０が形成され、前記ポンプ室５０は、第１及び第２通路５２ａ、５２ｂを介して第１及び第２継手部材１２ａ、１２ｂに設けられた吐出ポート５４ａ及び吸引ポート５４ｂとそれぞれ連通するように設けられる。前記ダイヤフラム４８の形状は、略楕円形状に限定されるものではなく、円形等の他の形状であってもよい。

なお、前記第１及び第２通路５２ａ、５２ｂには、それぞれ、図示しないチェック弁が配設され、ポンプ室５０から吸引ポート５４ｂ側への逆流及び吐出ポート５４ａからポンプ室５０側への逆流がそれぞれ前記チェック弁によって好適に阻止される。

前記ポンプ室５０は、第１及び第２通路５２ａ、５２ｂが形成されたポートブロック１８ａのフラット面からダイヤフラム４８側に向かって徐々に拡径する傾斜面５６を有する。

前記ダイヤフラム４８は、厚肉に形成された中央部４８ａと、前記中央部４８ａに連続し薄肉に形成されてボデイ１６に固定される周縁部４８ｂと、前記中央部４８ａから軸方向に沿って突出し外周面に雄ねじが形成された連結部４８ｃとが一体的に構成される。

さらに、前記ダイヤフラム４８には、前記連結部４８ｃを介して連結され該ダイヤフラム４８と一体的に変位する変位部材５８が設けられる。前記変位部材５８は、ピストン本体３２に形成された小径孔部２６ａを挿通してピストン本体３２の第２室３０内に臨むように設けられる。前記変位部材５８にはフランジ部５８ａが形成され、一端部が前記フランジ部５８ａに係着され他端部がピストン本体３２の環状段部に係着された復帰用スプリング６０が設けられる。

この復帰用スプリング６０は、ピストン２４が初期位置側に変位して流体を吸引する際、変位部材５８をそのばね力で押圧することにより、ピストン２４を初期位置に復帰させるためのものである。

閉塞プレート３６が連結されていないピストン２４の軸方向に沿ったフラットな端面とダイヤフラム４８との間の空間部には、例えば、オイル等の非圧縮性流体からなる間接媒体２８が充填される。この場合、前記間接媒体２８は、ダイヤフラム４８、第２及び第３シール部材４２、４６のシール機能によってダイヤフラム４８とピストン２４の端面との間、及びピストン本体３２の小径孔部２６ａと変位部材５８との間のクリアランスを介してピストン本体３２内の閉塞された第２室３０内に進入するように設けられる。前記非圧縮性流体である間接媒体２８は、ピストン２４とダイヤフラム４８との間の空間部全体に充填されて容積変化しないものとする。

なお、前記間接媒体２８と前記ダイヤフラム４８との間には、例えば、ウレタンゴム等の弾性材料によってシート状に形成されて該ダイヤフラム４８を保護する保護部材６２が設けられる。前記保護部材６２は、前記ダイヤフラム４８と同様に、ポートブロック１８ａと中間ブロック１８ｂとの間で挟持される。

本発明の実施の形態に係る定量吐出ポンプ１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。なお、図２に示されるように、ポンプ室５０には既に所定量の流体Ａが吸引されてダイヤフラム４８がピストン２４側に凹状に窪み、且つダイヤフラム４８に連結された変位部材５８のフランジ部５８ａがピストン２４の閉塞プレート３６に当接した状態を初期位置として説明する。

まず、継手部材１２ｂの吸引ポート５４ｂに図示しないチューブを介して、例えば、図示しない半導体のコーティング液供給源を接続し、一方、継手部材１２ａの吐出ポート５４ａに図示しないチューブを介して、例えば、図示しないコーティング液滴下装置を接続する。

次に、図示しないパイロットエア供給源を付勢し、一方のパイロット圧供給ポート１４ａにパイロットエアを供給する。その際、他方のパイロット圧供給ポート１４ｂは大気開放状態となっている。前記パイロットエアは、ピストン２４とエンドブロック１８ｃとの間に供給され、ピストン２４の閉塞プレート３６及び環状突部３８を受圧面としてピストン２４がエンドブロック１８ｃから離間する方向（矢印Ｘ１方向）へ押圧する。

前記ピストン２４が矢印Ｘ１方向へ変位することにより、該ピストン２４のフラットな端面によって間接媒体２８が押圧され、さらに前記間接媒体２８を介してダイヤフラム４８が押圧されることにより、ピストン２４の変位に連動してダイヤフラム４８が該ピストン２４の変位方向側に向かって撓曲する。前記ダイヤフラム４８が撓曲することによりポンプ室５０内の流体Ａが吐出ポート５４ａを介して所定量だけ外部に吐出される。

ここで、ピストン２４がパイロット圧によって押圧されて所定量だけ変位した場合におけるダイヤフラム４８及びピストン２４の軸方向の変位量をそれぞれ比較すると、ダイヤフラム４８の中央部４８ａ及び連結部４８ｃの軸方向への変位量は、ピストン２４の軸方向への変位量に対して大きくなるように設定されている。

すなわち、初期位置において、楕円形状からなる前記ダイヤフラム４８は凹状にピストン２４側に窪んでいると共に外周縁部がボデイ１６に固定されているため、ダイヤフラム４８の軸方向に対する変位量は縦断面円形状のピストン２４と同一とならず、ピストン２４よりも大きくなるからである。

従って、図３に示されるように、パイロット圧の作用下にピストン２４が所定量だけ変位した場合、初期位置においてピストン２４の閉塞プレート３６に当接していた変位部材５８は、前記ピストン２４の軸方向変位量よりも大きく変位して前記閉塞プレート３６から所定距離だけ離間し、前記閉塞プレート３６と変位部材５８との間に間接媒体２８が進入する。

この結果、ピストン２４の変位が非圧縮性流体からなる間接媒体２８を通じてダイヤフラム４８に伝達されることにより、ピストン２４の変位流量（軸方向への変位量と受圧面積とを乗算したもの）と、ダイヤフラム４８によって押圧されてポンプ室５０から吐出ポート５４ａを介して吐出される流体Ａの流量（吐出量）とが同一に設定される。

換言すると、パイロット圧の作用によるピストン２４の軸方向変位による容積変化（軸方向への変位量と受圧面積とを乗算したもの）と、ポンプ室５０から流体Ａを吐出させるためのダイヤフラム４８の軸方向変位による容積変化とが、非圧縮性流体である間接媒体２８を介在させることにより同一に設定されるため、ピストン２４の容積変化に対応する吐出量を高精度に一定とすることができる。

この場合、パイロット圧は一定の圧力でよいため、従来のようにピストン２４の変位量を検出し前記変位量に対応してパイロット圧をフィードバック制御することが不要となる。

ポンプ室５０の内部の流体Ａが図示しないチューブを介して吐出ポート５４ａに接続された前記コーティング液滴下装置へと吐出され、常に一定量の流体Ａ（例えば、コーティング液）が半導体ウェハに対して滴下される。吐出ポート５４ａから吐出される流体Ａの流量がピストン２４の変位流量に対応して、常に一定となるように高精度な流体Ａの流量制御を行うことができる。

この場合、ピストン２４の押圧力は非圧縮性流体である間接媒体２８を介在させてダイヤフラム４８を撓曲させているため、流体Ａの脈動が生じることなく高精度に吐出させることができる。

さらにまた、ポンプ室５０の内部に流通された流体Ａが液体の場合であっても、前記流体Ａをポンプ室５０より外部へと吐出した後、前記ポンプ室５０に残存することがない。そのため、前記液体がダイヤフラム４８に付着して液溜まりが生じることが防止される。

なお、所定量の流体Ａを吐出ポート５４ａから吐出した後、流体Ａを吸引するためには、パイロットエアの供給を一方のパイロット圧供給ポート１４ａから他方のパイロット圧供給ポート１４ｂへと切り換え、一方のパイロット圧供給ポート１４ａを大気開放状態とする。

他方のパイロット圧供給ポート１４ｂから供給されたパイロットエアによってピストン２４は矢印Ｘ２方向に変位して図１に示す初期位置に復帰し、吸引ポート５４ｂを介してポンプ室５０に所定量の流体Ａが吸引され、前述した吐出工程に移行する。

本発明の実施の形態に係る定量吐出ポンプの斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った部分縦断面図である。 図２において、パイロット圧の作用下にピストンが変位した状態を示す縦断面図である。 図３において、さらにピストンが変位終端位置まで変位した状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１０…定量吐出ポンプ １２ａ、１２ｂ…継手部材
１４ａ、１４ｂ…パイロット圧供給ポート １６…ボデイ
２２…第１室 ２４…ピストン
２６ａ…小径孔部 ２６ｂ…大径孔部
２８…間接媒体 ３０…第２室
３２…ピストン本体 ３６…閉塞プレート
４８…ダイヤフラム ５０…ポンプ室
５８…変位部材 ６０…復帰用スプリング
６２…保護部材 Ａ…流体

Claims (1)

1. 流体が吸入される吸引ポートと流体が吐出される吐出ポートとを有し、内部にポンプ室が形成されたボデイと、
   パイロット圧の作用下に前記ボデイの内部に形成された第１室に沿って変位自在に設けられると共に、該第１室に形成された環状段部に対して変位終端位置で当接する環状突部が外周面に設けられたピストンと、
   非圧縮性流体からなり、流体を吐出する際に前記ピストンによって押圧される間接媒体と、
   前記間接媒体に連動して撓曲し、前記ポンプ室に充填された流体を押圧することによりピストンの変位量に対応した流体を吐出させるダイヤフラムと、
   を備え、
   前記ピストンの内部には第２室が形成され、前記間接媒体が、前記ピストンの前記ダイヤフラムに対向するフラットな端面の中心に形成された孔部から該第２室に進入可能に設けられると共に、該第２室には、前記孔部を挿通して前記ダイヤフラムに連結された変位部材が進退自在に設けられ、
   前記吐出ポートから流体を吐出する際、前記ダイヤフラムの軸方向への変位量が前記ピストンの軸方向への変位量よりも大きく設定され、該ピストンの軸方向変位による容積変化と前記ダイヤフラムの軸方向変位による容積変化とが同一であり、
   前記ポンプ室は、前記吸引ポートと連通する第１通路及び前記吐出ポートと連通する第２通路が形成され前記ダイヤフラムと対向するフラット面と、該フラット面から前記ダイヤフラム側に向かって徐々に拡径する傾斜面とを有し、
   前記ダイヤフラムは、中央部と、該中央部に連続して形成されて前記ボデイに固定される周縁部とを有し、
   前記ピストンが変位終端位置に来たときに、前記ダイヤフラムの前記中央部が前記フラット面に押し付けられ、前記ダイヤフラムの周縁部が前記傾斜面に押し付けられる、ことを特徴とするポンプ装置。

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