JP4635420B2 - 間接流体式ダイヤフラムポンプ - Google Patents

Description

本発明は、半導体、液晶、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）等の関連コーティング装置など高い吐出精度が要求される分野に対応し得る新規なダイヤフラムポンプであって、間接駆動によって流体を吐出する方式の間接流体式ダイヤフラムポンプに関する。

近年、半導体、液晶関連分野でのフィルム、或いはガラス基板に対する感光性樹脂等のウェットコーティング方法に関しては、塗液の節約化（省塗液）、膜厚均一性向上、色度均一性向上等の観点から、スリットコーティング方式が数多く提案されている。

スリットコーティング方式とは、スロット・アンド・スピンコーティング方式とは異なり、スリットのみで所望の膜厚を塗布する方式であり、スロット・アンド・スピンによるスロット段階でのコートと比較し、高精度での塗布が要求される。高精度の塗布手段としては、塗布方向、塗布幅方向について要素が分かれ、塗布方向に関しては、ａ）塗布用の基板の搬送、或いはスロットダイの送り精度向上、ｂ）塗液ディスペンス装置の吐出精度向上が重要であることが知られている。

高精度な吐出に関して、半導体、液晶、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）関連コーティング装置では、薄膜かつ均一な塗布が要求され、特に均一な塗布を実現する手段として、塗液を時間に対して均一に吐出することが重要である。

基板の搬送或いはスロットダイ送り速度が理想的に一定とすれば、吐出ディスペンス装置の吐出の均一性、すなわち直線性は最終的な膜厚均一性となるため、塗液ディスペンス装置には、膜厚の要求スペックと同等数値の直線性が要求される。

塗液ディスペンス装置には、高精度レギュレータを使用した加圧方式、ポンプ方式があり、塗布の始端及び終端の不安定部制御に関してはポンプ方式が有利である。特に、ダイヤフラムポンプは、プロセス完全隔離が可能である。すなわち最終的な製品となる流体と装置駆動系との隔離が、ダイヤフラム膜によって完全に行われるため、クリーン度が要求されるプロセスでは利用価値が高く、またダイヤフラム膜を間接駆動とすれば高精度な吐出が可能である。

しかし、ダイヤフラムポンプの均一吐出性、すなわち直線性に関しては、駆動部の各要素の精度や組付け精度に依っては、十分な性能を満たすことが容易ではない。従来のサーボモータ、ボールねじ等の回転機構を使用したダイヤフラムポンプの駆動系では、モータの回転ムラ、ボール螺子のよろめきが、ダイヤフラムポンプのダイヤフラム膜を往復駆動させるピストンヘッド速度のリップル（揺らぎ）、すなわち吐出直線性低下の要因として大である。ここでサーボモータの回転ムラは±１％程度が限界とされているが、ピストンヘッドの速度リップルは実験値では±８％程度を示すものである。

また、従来の回転機構を駆動源としたダイヤフラムポンプには、周期的な特有のうねりが存在する。ピストンヘッドの速度リップル値は、吐出流量のうねりと同値であり、必要な塗布膜厚精度を得るためには、ピストン速度リップル値を同等程度に抑える必要があるが、従来の回転機構による駆動系は、部品点数が多いため、組付け精度によっては、送り精度の悪化を伴うものであった。

また、ピストンの姿勢の振れによって、ピストンとシリンダの摺動部にスティックスリ
ップ等の不連続な外乱要素が生じる場合があり、このような姿勢の振れは、間接流体の均一かつ連続的な移動を妨げる。また、従来の方式では、ボール螺子軸とピストン軸のオフセットやピストンガイドの剛性の低さによって、ピストンの姿勢精度悪化の原因となり得る。

ピストンヘッドの速度リップルが悪化する要因に関しては、ａ）サーボモータより下流の部品、すなわちカップリング、減速機、ボール螺子、ピストンの組付け精度、ｂ）減速機の速度ムラ、ｃ）カップリングの剛性及び弾性、ｄ）ボール螺子のよろめき及び剛性、ｅ）ガイド部の剛性、ｆ）ガイド部のスティックスリップ、ｇ）その他、うねり、不連続性を持つ外乱要素などが挙げられる。以上の要因は、塗布膜厚精度の悪化を招く。

近年のタクトタイム短縮化、すなわち塗布速度の高速化により、吐出ポンプの高い応答性、再現性が要求されている。従って、吐出ポンプの高応答性を実現するために、駆動装置の高応答化、剛性の向上、軽量化が必要不可欠である。また、高応答化のために、駆動用間接流体には非圧縮流体を使用する。しかし、非圧縮流体の使用により、駆動軸の送り速度均一性のレベルがプロセスに顕著に表れるため、駆動軸送り均一性の更なる向上を余儀なくされる。

送液の直線性には、ダイヤフラム膜の送り均一性が直接関係し、間接流体を移動させる駆動系の送り精度が間接的に関係している。すなわち理論的には、駆動系に要求される送り精度は、最終的に所望されるプロセスのスペック値と同値である。半導体、液晶、ＰＤＰ関連のプロセスでは、少なくとも±５％以下の吐出ポンプの吐出精度（直線性）が要求されている。
特開昭５４−５２３０４号公報 特開平５−３０４７５４号公報 特開平６−２２５２９号公報

以上の問題点から、本発明が解決しようとする課題は、従来技術でのダイヤフラムポンプの吐出性能をさらに向上させた高いコーティング精度を得るための新規なダイヤフラムポンプを提供することにある。

本発明の請求項１に係る発明は、流体を高精度に送液するダイヤフラムポンプであって、ａ）送液すべき流体を収容し、流体出口、流体入口、ベント調整口を具備し、内部形状が流体滞留防止及び流線形の形状を備えた駆動用間接流体と被送液流体とを収容するダイヤフラム装着ハウジングと、
ｂ）ダイヤフラム装着ハウジング内に配置し、被送液流体と駆動用間接流体とを密閉された状態に分割し、形状変化によってハウジング内の被送液流体を送液制御するダイヤフラム膜と、
ｃ）ダイヤフラム膜を変形させるための間接流体を収容する間接流体収容シリンダと、
ｄ）間接流体シリンダ内の間接流体を移動させる間接流体移動用ピストンと、
ｅ）間接流体移動用ピストンに連結し、該ピストンを直線的に往復移動駆動及び制御するモータ駆動シャフトを備えたリニアモータと、
ｆ）前記リニアモータのモータ駆動シャフトを直線的にガイドするエアスライドガイド機構と、
ｇ）前記間接流体移動用ピストンと前記モータ駆動シャフトの間に設けられたブラケット部と、
ｈ）前記モータ駆動シャフトに接続された、前記モータ駆動シャフトの摺動移動方向を長手方向とする複数本の直線状のスライドシャフトと、を備え、
前記リニアモータの構造は、モータコイル部と前記エアスライドガイド機構とを直線に配置することを特徴とする間接流体式ダイヤフラムポンプ。

本発明の請求項２に係る発明は、前記エアスライドガイド機構による直線的なガイド方向と、該モータ駆動シャフトに連結するピストンの直線的な往復移動方向とを同一直線上に配置し、 前記リニアモータのモータ駆動シャフトの直線的な往復移動駆動方向が水平となるように設置されていることを特徴とする請求項１に記載の間接流体式ダイヤフラムポンプである。

本発明の請求項３に係る発明は、前記ダイヤフラム膜の形状が、段付き或いはＲ付き形状であって、該ダイヤフラム膜の張力の発生を抑えることによって、前記リニアモータに係る推力使用量を抑制することを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の間接流体式ダイヤフラムポンプである。

本発明の請求項４に係る発明は、前記ベント調整口は通常は閉鎖状態にあり、必要に応じて送液すべき流体の流体出口となることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の間接流体式ダイヤフラムポンプである。

本発明の間接流体式ダイヤフラムポンプによれば、被送液流体を収容するハウジング、ダイヤフラム膜を駆動する駆動用間接流体と被送液流体とを隔離して送液を制御するダイヤフラム膜、駆動用間接流体のハウジングを構成するシリンダ（ポンプ室）、シリンダ内の駆動用間接流体を移動させるピストン、ピストンの駆動源であるリニアモータを具備しており、高精度に流体を送液するためのダイヤフラムポンプとして提供される。

ダイヤフラム膜は、ダイヤフラム膜を駆動する駆動用間接流体と被送液流体とを隔離して、プロセスのクリーン度を維持し、且つダイヤフラム膜の変形によって、被送液流体を収容するハウジング内の被送液流体を吐出送液させる。

本発明における駆動用間接流体には非圧縮流体を使用することにより、高い応答性と再現性を実現できる。ただし、非圧縮流体を使用することにより、間接流体の移動に関する送り均一性のレベルが顕著に現れるため、本発明における駆動系には、均一性向上を考慮した手段が含まれる。その手段とは、シリンダ内の駆動用間接流体を移動させるピストン及びそのの駆動源であるリニアモータを含めたポンプ駆動系の送り精度を、±５％以下程度としたことであり、この駆動系には従来の回転機構を設けず、リニアモータの直線運動を使用したことである。

リニアモータ駆動系では、回転機構による駆動系と比較して部品点数が少なくて済み、モータや減速機、ボール螺子等の特有の回転ムラ、送りムラの発生する回転機構と比較して優位性がある。

従来の吐出ポンプの減速機、ボール螺子、ガイドとの組付け精度の悪化による駆動系のピストン送り均一性精度の悪化を改善する手段として、本発明ではリニアモータの駆動によるピストンの往復移動用ガイドとしてエアスライドガイド機構（エアスライダ）を使用することにより、駆動系の組付け精度を向上させることができる。すなわち、組付け精度を向上させるとともに、リニアモータ駆動の性能を十分に発揮することが可能になる。また、エアスライドガイド機構とすることにより、ガイド機構の摺動抵抗を低減させることができる。また、エアスライダの剛性に関しては、コギング、姿勢の振れを±２％以下に抑えることがてきる剛性に設定することにより、駆動用間接流体の圧力、すなわちピストンの推力を向上でき、また、ピストンの力点と作用点のオフセット量を抑制でき、ピストンの姿勢の振れを抑制することができる。

上記エアスライダによるピストンの姿勢の振れは、力点と作用点のオフセット量によって増大されるため、ピストンの姿勢の振れを生じさせない手段として、リニアモータのモータ駆動シャフトとピストン軸とを、一直線上に配置してインラインとして連結することにより、オフセットを低減させることができる。

リニアモータは発熱によって著しく速度リップル（揺らぎ）を増大させて、吐出精度（直線性）の低下の要因になり得る。リニアモータの発熱を抑える手段として、本発明ではリニアモータを水平に設置することにより、重力による停止時のゲイン、消費電流を最小に抑えることができ、また、停止時だけでなく、動作時においてもリニアモータのモータ駆動シャフトのイナーシャの影響を低減でき、ゲインを最小限に抑えることができる。

また、リニアモータの消費電力を抑えるためには、リニアモータにかかる反力（必要な推力）を低減させることが重要であるが、その低減手段として、本発明においてはダイヤフラム膜の形状を、曲率Ｒの形状或いは段付き形状とすることにより、ダイヤフラム膜の張力によって損失されるリニアモータに係る推力消費量を抑制させることができる。

以上のように、本発明のダイヤフラムポンプは、その吐出精度は±５％以下で高精度に改善でき、半導体、液晶、ＰＤＰ関連での高精度の吐出性能を満足する精度が得られる。また、従来の回転機構を駆動源としたダイヤフラムポンプに特有に存在した周期的なうねりは解消され、また、リニアモータ駆動方向を水平に設置することによりゲインを最小限に抑えることができ、定速性向上、応答性向上、省スペース、消費電力削減に寄与できる効果がある。

本発明の間接流体式ダイヤフラムポンプについて、図１の平面図に基づいて、以下に詳細に説明すれば、ポンプ本体フレームＦには、リニアモータ１と、該リニアモータ１のモータ駆動シャフト１ａを直線状に摺動ガイドするエアスライドガイド機構２（エアスライダによるリニアガイド、２ａはエアースライド機能（エアースライダ）を付与するためのエアー圧入・排出管）が設けられ、該ガイド機構２はポンプ本体フレームＦの定位置に固定状態で取り付けられている。

リニアモータ１の構造は、本発明においては特に限定されるものではない。例えば、リニアモータ１は、そのモータ駆動シャフト１ａが、エアスライドガイド機構２内を摺動移動可能であって、モータ駆動シャフト１ａには、摺動移動方向を長手方向とする１本乃至数本の直線状のスライドシャフト１ｂ、１ｃ、１ｃを備え、各々スライドシャフト１ｂ、
１ｃ、１ｃは、ポンプ本体フレームＦに取り付けたコイル保持フレーム２１の推進用の三相電機子コイルＣを内周面に搭載したコイル孔部２２内に嵌入装填されている。

各スライドシャフト１ｂ、１ｃ、１ｃの外周面には、その長手方向に沿ってＮ極とＳ極の磁性を交互に配列した超伝導磁石が配置され、二極分に相当する範囲に配置した三相電機子コイルＣに入力した交流電流の１サイクル毎にスライドシャフト１ｂ、１ｃ、１ｃは二極分だけ移動し、入力する交流電流の１８０°位相差の反転により前進移動と後退移動とを行うように構成され、スライドシャフト１ｂ、１ｃ、１ｃの前進移動、後退移動により、リニアモータ１のモータ駆動シャフト１ａはエアスライドガイド機構２内を直線的に往復摺動移動するものである。

リニアモータ１のモータ駆動シャフト１ａには、その往復摺動移動ストローク方向と同じ方向を直線的ストローク方向とするピストン３がブラケット部３ａを介して固定状態で連結され、該ピストン３は、駆動用間接流体７（例えば、水、作動油等の液体）を収容するピストンシリンダ４内に嵌挿されて往復摺動移動可能となっている。

ポンプ本体フレームＦのリニアモータ１と反対側には、被送液流体６と駆動用間接流体７とを収容する間接流体用ハウジング壁２３と被送液流体用ハウジング壁２５とからなる内部空間形状が流体滞留防止及び流線形の形状を備えたダイヤフラム装着用ハウジング２４が取り付けられていて、間接流体用ハウジング壁２３側には前記ピストンシリンダ４が互いに送通状態に取り付けられ、ピストンシリンダ４とダイヤフラム装着ハウジング２４内部とは密閉空間として互いに連通している。

ダイヤフラム装着ハウジング２４のピストンシリンダ４と反対側の被送液流体ハウジング壁２５には、ダイヤフラム装着用ハウジング２４内部へ被送液流体６を流入する入口１０と、装着用ハウジング２４内部から被送液流体６（例えば、感光性樹脂液、樹脂塗布液など）を流出する出口１１（吐出口）と、必要に応じてベント調整口１２（通常は閉鎖している調整用の空気抜け口）を備えている。

ダイヤフラム装着ハウジング２４の内部には、ピストンシリンダ４内の駆動用間接流体７と、被送液流体用ハウジング壁２５の流入口１１から流入する被送液流体６とを互いに密閉された状態に分割隔離する薄膜シート状のダイヤフラム膜５が、その膜の外周端部をハウジング２４を構成する間接流体用ハウジング壁２３と被送液流体用ハウジング壁２５の周端部の重ね合わせ部にてシーリング状態で保持されて取り付けられている。なお、前記ハウジング２４内部の空間形状は、流体６、７の流入性能及び吐出性能の妨げとならないように、流体の滞留防止や流線を考慮した形状とすることが適当である。なお、本発明において用いられるダイヤフラム膜５の平面形状は、円形状、楕円形状、四角形状、多角形状など適宜に設定可能であり、特に限定されない。

ダイヤフラムポンプの吐出原理とは、被送液流体６と駆動用間接流体７とを隔離するダイヤフラム膜５が駆動用間接流体７の移動によって間接流体用ハウジング内部２４にて前後に１サイクルの変形動作若しくは２サイクル以上複数サイクルの繰り返し変形動作により、被送液流体６が、ハウジング２４内部側から流出口１０に押し出されたり、ハウジング２４内部側に流入口１１から流入したりする。なお、駆動用間接流体７には非圧縮流体を用いることが適当であり、水グリコールやホスフェイトエスター等が望ましい。

ピストンシリンダ４内に収容された駆動用間接流体７は、ピストン３がダイヤフラム膜５の方向に前進動作することにより、ダイヤフラム膜５付近に移動させられ、結果としてダイヤフラム膜５が被送液流体６を押し出す方向に変形し、ピストン３がダイヤフラム膜５の方向から離反する方向に後退動作することにより、ダイヤフラム膜５付近から離反す
る方向に移動させられ、結果としてダイヤフラム膜５が被送液流体６を流入する方向に変形する。

このように、ダイヤフラム膜５の変形動作はピストン動作によって制御され、被送液流体６はダイヤフラム膜５によって駆動用間接流体７と隔離されているために、ポンピングプロセス（流体系）とポンピング駆動系とを隔離した状態で、ポンピング動作をすることが可能になる。

上記のようにピストン３の駆動及び制御はリニアモータ１によって行う。本発明において採用されるリニアモータに関して、被送液流体６の吐出圧力の設計値とピストンのボア面積との掛け算から必要推進力を求めてリニアーモーターを選定するものであり、その定格推進力はピストン３とシリンダ４との摩擦熱発生によるピストンヘッドの速度リップル（揺らぎ）悪化を考慮して、例えば、実使用範囲推進力の安全率を２倍とするなどの対策を構ずることができる。

また、リニアモータ１の構造は、モータコイル部Ｃとエアスライドガイド機構２（エアスライダガイド）とを直列に設置し、ピストン３の姿勢精度を向上させた。モータコイル部Ｃとガイド機構２が直列の時、両軸がインラインとなり、モーメントの発生を抑制し、姿勢精度を向上することが可能である。リニアモータ１の速度リップルは、単体、無負荷時で、±０．１〜±５％のものを採用した。採用の基準としては、所望の吐出精度から安全率を見積もったものをスペックとすることができる。

また、リニアモータ１のモータ駆動シャフト１ａのガイドに関して、姿勢精度の向上、摺動抵抗の抑制を目的としてエアスライドガイド機構２（エアスライダ）を採用することにより、姿勢精度の向上、摺動抵抗の抑制により、位置決め精度、速度リップルの改善に効果が見られる。ただし、エアスライダのガイド部距離は、推進力の大きさ、反力のピストンヘッドからのオフセット量によって、姿勢の振れを考慮した剛性を有するようにすることが適当である。

本発明のダイヤフラムポンプにおいては、リニアモータ１の駆動方向が水平となるよう設置することにより、ポンプ停止時は、リニアモータ１は無負荷状態となる。よって、吐出時以外は、リニアモータ１の消費電流は最小限に抑制される。また、水平設置により、リニアモータ１のモータ駆動シャフト１ａ（モータヘッド）の自重は、リニアモータ自身の負荷に影響しないためイナーシャが低減できる。その結果、リニアモータ１が垂直に設置されている場合には、位置決め精度±１μｍ以下、速度リップル±１％以下であるが、水平設置の場合には、位置決め精度±０．４μｍ以下、速度リップル±３％以下を達成することができる。

本発明のダイヤフラムポンプの平面図。

符号の説明

１…リニアモータ ２…エアスライドガイド機構 ３…ピストン
４…ピストンシリンダ ５…ダイヤフラム膜 ６…被送液流体 ７…駆動用間接流体
２３…間接流体用ハウジング壁 ２４…ダイヤフラム装着ハウジング
２５…被送液流体用ハウジング壁

Claims (4)

1. 流体を高精度に送液するダイヤフラムポンプであって、
   ａ）送液すべき流体を収容し、流体出口、流体入口、ベント調整口を具備し、内部形状が流体滞留防止及び流線形の形状を備えた駆動用間接流体と被送液流体とを収容するダイヤフラム装着ハウジングと、
   ｂ）ダイヤフラム装着ハウジング内に配置し、被送液流体と駆動用間接流体とを密閉された状態に分割し、形状変化によってハウジング内の被送液流体を送液制御するダイヤフラム膜と、
   ｃ）ダイヤフラム膜を変形させるための間接流体を収容する間接流体収容シリンダと、
   ｄ）間接流体シリンダ内の間接流体を移動させる間接流体移動用ピストンと、
   ｅ）間接流体移動用ピストンに連結し、該ピストンを直線的に往復移動駆動及び制御するモータ駆動シャフトを備えたリニアモータと、
   から構成され、
   ｆ）前記リニアモータのモータ駆動シャフトを直線的にガイドするエアスライドガイド機構と、
   ｇ）前記間接流体移動用ピストンと前記モータ駆動シャフトの間に設けられたブラケット部と、
   ｈ）前記モータ駆動シャフトに接続された、前記モータ駆動シャフトの摺動移動方向を長手方向とする複数本の直線状のスライドシャフトと、を備え、
   前記リニアモータの構造は、モータコイル部と前記エアスライドガイド機構とを直線に配置することを特徴とする間接流体式ダイヤフラムポンプ。
2. 前記エアスライドガイド機構による直線的なガイド方向と、該モータ駆動シャフトに連結するピストンの直線的な往復移動方向とを同一直線上に配置し、
   前記リニアモータのモータ駆動シャフトの直線的な往復移動駆動方向が水平となるように設置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の間接流体式ダイヤフラムポンプ。
3. 前記ダイヤフラム膜の形状が、段付き或いはＲ付き形状であって、該ダイヤフラム膜の張力の発生を抑えることによって、前記リニアモータに係る推力使用量を抑制することを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載の間接流体式ダイヤフラムポンプ。
4. 前記ベント調整口は通常は閉鎖状態にあり、必要に応じて送液すべき流体の流体出口となることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の間接流体式ダイヤフラムポンプ。